Что такое чиллер и зачем он лазерному станку
Всякий решивший приобрести лазерный станок обнаруживает, что вместе со станком ему предлагают уйму дополнительного оборудования, в перечне которого первым номером всегда и везде идёт чиллер. Разумеется, у потенциального покупателя возникает множество вопросов. Рассмотрим самые принципиальные:
- что такое чиллер?
- зачем чиллер лазерному станку?
- как чиллер устроен?
- как чиллер работает?
- как правильно выбрать чиллер?
Что такое чиллер?
В дословном переводе с английского чиллер – не что иное, как “охладитель”. От холодильников/рефрижераторов чиллеры отличаются тем, что охлаждают не воздух, а жидкие среды, обеспечивающие перенос тепла.
Чаще всего чиллеры служат ключевыми компонентами систем жидкостного охлаждения промышленных установок, которые используются в случаях, когда применение воздушного охлаждения неудобно, неэффективно или вообще невозможно. Лазерный станок – тот самый случай.
Зачем он лазерному станку?
Одной из наиболее важных характеристик любого лазерного излучателя является коэффициент полезного действия (КПД) – отношение энергии лазерного излучения к электрической энергии, затрачиваемой на генерацию этого излучения. В настоящее время КПД серийных твердотельных лазеров не превышает 35%. То есть, даже в самых лучших случаях в излучение преобразуется чуть более трети используемой энергии, остальное идёт на нагрев рабочего тела.
Для бытовых устройств, типа лазерных указок, это не критично. Потребляемая ими мощность составляет десятые доли ватта, и вырабатываемое тепло легко рассеивается без всяких технических ухищрений. Совершенно иначе обстоят дела с промышленными лазерными излучателями. Они оперируют сотнями, тысячами и десятками тысяч ватт, и для снятия тепловой нагрузки им без специальных приспособлений не обойтись.
Лазерный станок имеет в своём составе не только излучатель, но ещё и лазерную голову с ведущим к ней оптоволокном длиной несколько метров. Поглощательная способность оптоволокна настолько мала, что оно практически не нагревается, и для поддержания нормальной температуры ему достаточно естественного охлаждения. Голова же подвергается интенсивному нагреву, так как
- её сопло расположено на расстоянии нескольких миллиметров от точки контакта лазерного луча с обрабатываемым металлом. Как следствие, оно сильно нагревается за счёт отражённого лазерного луча и теплового излучения раскалённого металла. От сопла нагревается и вся голова;
- проходя через голову, луч лазера встречает на своём пути защитные стёкла и линзы оптической системы. Несмотря на высокую пропускную способность, часть энергии излучения они всё же поглощают, и это также способствует нагреву головы.
Потоки тепла, передаваемого лазерному излучателю и лазерной голове, столь значительны, что для снятия тепловых нагрузок воздушного охлаждения оказывается недостаточно. Требуется жидкостное. Поэтому конструкцией излучателей и голов предусмотрены внутренние каналы для охлаждающих жидкостей. Казалось бы, достаточно соединить их с водопроводным краном, и можно работать. Увы, это не так.
Для корректной работы излучателя и головы их температуры должны быть абсолютно неизменны – вне зависимости от интенсивности работы и параметров окружающей среды. Обеспечить такую неизменность вручную практически невозможно. Требуется полностью автоматизированное устройство, способное должным образом менять скорость и температуру охлаждающей жидкости. Таким устройством является чиллер.
Как чиллер устроен?
Возьмём в качестве образца чиллер Hanli, разработанной специально для лазерных станков. На самом деле это не один чиллер, а целое семейство, представители которого различаются габаритами и эксплуатационными параметрами, но выстроены по одной и той же схеме.
Мы видим два контура:
- первый, включающий резервуар для воды, водяной насос и две линии охлаждения – для лазерного излучателя и для лазерной головы. Служит для снятия тепловых нагрузок с элементов лазерного станка и передаче полученного тепла во второй контур;
- второй, включающий испаритель, компрессор, конденсатор с вентилятором и дросселирующее устройство. Служит для получения тепла из первого контура и его сброса в окружающую среду.
Резервуар для воды и испаритель, представляющий собой змеевик, расположенный внутри этого резервуара, составляют единое устройство. Это устройство называется теплообменником и служит для переноса тепла из первого контура во второй.
Первый контур заполнен водным раствором изопропилового спирта, концентрацию которого следует менять в зависимости от температуры окружающего воздуха (от 10% до 30% – чем холоднее, тем больше содержание спирта). Второй контур заполнен фреоном – как в обычном холодильнике.
Как чиллер работает?
Работает чиллер следующим образом:
- насос нагнетает раствор спирта в каналы линий охлаждения лазерного излучателя и лазерной головы. Проходя по этим каналам, раствор охлаждает излучатель и голову, а сам при этом нагревается;
- нагретый раствор поступает в резервуар теплообменника, где омывает заполненный фреоном змеевик. Происходит передача тепла, по ходу которой температура раствора снижается, а температура фреона растёт;
- раствор возвращается в насос, после чего цикл охлаждения излучателя и головы повторяется (см. п.1). Нагретый фреон направляется в компрессор;
- в компрессоре фреон подвергается сильному сжатию, в результате которого его температура резко повышается;
- горячий фреон поступает в конденсатор, обдуваемый мощным вентилятором. Происходит охлаждение фреона до температуры окружающей среды;
- фреон, имеющий температуру окружающей среды проходит через дросселирующее устройство, в ходе чего происходит его сильное расширение, сопровождаемое значительным падением температуры;
- охлаждённый фреон поступает в теплообменник, после чего цикл повторяется (см. п.2).
Конструкция излучателя обеспечивает его наиболее эффективную работу при температуре от 21оС до 25оС, в зависимости от модели. Голова должна быть прогрета так, чтобы температуры линз оптической системы находились в диапазоне от 40оС до 50оС – во избежание как образования конденсата, так и перегрева, ведущего к растрескиванию оптического стекла.
Таким образом, температуры излучателя и головы должны существенно различаться. Чтобы обеспечить требуемую разницу, используется следующая схема:
- в излучатель охлаждающая жидкость подаётся непосредственно из насоса. Температура жидкости задаётся теплообменником, а скорость – насосом. Подбор этих параметров производится автоматически таким образом, чтобы излучатель имел требуемую температуру;
- линия, по которой охлаждающая жидкость подаётся в лазерную голову, снабжена дополнительным нагревателем. Он подогревает проходящую через него жидкость так, чтобы голова прогревалась должным образом.
Как правильно выбрать чиллер?
Выбор чиллера осуществляется поставщиком лазерного станка. Ответственный продавец обязательно предложит вам именно тот чиллер, который наилучшим образом соответствует выбранной вами модели станка. То есть, выбрав станок, вы de facto выбираете и модель чиллера.
Если же продавец станка не предложит вам чиллер – порекомендует заняться поисками самостоятельно или вообще постарается обойти эту тему – знайте: перед вами либо мошенник, либо совершенный дилетант. В любом случае иметь с ним дело не следует.
Чтобы сберечь время, деньги и нервы, обращайтесь к профессионалам – таким, как “Технограв”. Мы обеспечим вас не только чиллером, но и всеми остальными устройствами, необходимыми для полноценной работы лазерного станка. С нашей поддержкой ваш станок будет работать быстро, качественно и очень долго.
