Что такое чиллер для лазерного станка и зачем он нужен

Содержание

1. Что такое чиллер для лазерного станка
2. Почему необходимо охлаждение
3. Проблемы, возникающие при перегреве
4. Виды систем охлаждения
5. Принцип охлаждения
6. Устройство чиллера
7. Монтаж чиллера
8. Причины перегрева лазера при активной системе охлаждения
9. Советы по выбору чиллеров для лазерного оборудования

Что такое чиллер для лазерного станка

Чиллер – это устройство, обеспечивающее принудительное охлаждение лазерного станка. Более точно – чиллер обеспечивает охлаждение жидкости, которая циркулирует по лазерной трубке и поглощает избытки тепла от лазерного излучения.

Существуют разные системы принудительного охлаждения. Чиллер считается приоритетной благодаря точному контролю рабочей температуры и сокращению используемого для охлаждения объема воды. Несмотря на более высокую стоимость в сравнении с альтернативными вариантами, именно охлаждающий чиллер, работающий в активном режиме, в некоторых случаях является единственным возможным вариантом защитить оборудование от перегрева.

Почему необходимо охлаждение

При лазерной резке на станках с ЧПУ осуществляется бесконтактная обработка детали путем точечного воздействия лазерного луча на заготовку. Под действием лазера материал испаряется в месте воздействия, а деталь получает новую форму. Край при таком воздействии получается ровным и четким на любом материале, потому можно использовать заготовки из ткани, кожи, бумаги, пластика, металла, стекла.

Не всегда возникает необходимость в установке дополнительной системы охлаждения. В ряде случаев избыток тепла без негативных последствий отводится естественным образом. Как правило, естественного охлаждения достаточно при выполнении легких и краткосрочных операций в условиях малого производства и штучных резов. Но при значительной нагрузке на оборудование риск перегрева возрастает. Рассмотрим, почему это происходит.

Лазерный луч генерируется лазерной трубкой. Во многих бюджетных моделях трубка представляет собой стеклянный запаянный цилиндр с помещенной внутрь смесью азота, гелия и СО2. При подаче к трубке напряжения извне в газовой среде инициируется монохромное излучения – лазерный луч. С помощью зеркал он точечно направляется на поверхность детали. Луч может перемещаться за счет подвижной головки по определенной траектории (в соответствии с загруженной виртуальной моделью) под управлением ЧПУ. По этому принципу работают газовые лазеры – самый доступный и распространенный тип оборудования. Они имеют низкую стоимость, обеспечивают качественную резку, но в процессе эксплуатации выделяют достаточное количество тепла. Это тепло необходимо отводить от лазерного станка, чтобы обеспечить его стабильную работу.

Проблемы, возникающие при перегреве

Лазерный станок с ЧПУ представляет собой устройство для гравировки и резки деталей из стекла, кожи, акрила, металла, дерева и других материалов. Большинство современных производственных предприятий эффективно использует лазерные станки с ЧПУ. В бюджетных моделях главным рабочим органом является газовая трубка. При работе трубка нагревается, выделяется большое количество тепла. При постоянном перегреве возникают различные проблемы:

• Нестабильная работа станка. Большинство существующих на рынке моделей лазеров чувствительны к перегреву, что вызывает нестабильность их работы и снижение точности луча лазера.
• Снижение эффективности. При перегреве устройства необходимо периодически отключать его, чтобы восстановить работоспособность. Длительные перерывы снижают производительность станка.
• Недолговечность. Перегрев станка приводит к сокращению его срока службы и постоянной замене расходников – стеклянных трубок с газом.  
• Низкая безопасность. При перегреве устройства, в частности, стеклянной трубки повышается риск пожара, взрыва и травмирования персонала.

Применение лазерных чиллеров способствует повышению производительности и стабильности работы устройства за счет поддержания оптимального температурного режима. При правильном охлаждении снижается уровень шума, уменьшаются затраты на техническое обслуживание, продлевается срок службы устройства и расходников, повышается уровень безопасности.

Виды систем охлаждения

Охлаждение, как отмечалось ранее, может осуществляться естественным путем, но только в случае минимальной загрузки оборудования. Чем больше операций выполняет лазер, тем эффективнее должна быть система охлаждения. Рассмотрим два основных вида:

• пассивное охлаждение проточной водой из открытой емкости;
• активное охлаждение чиллером через замкнутую систему.

Каждый тип имеет определенные преимущества. Пассивное охлаждение характеризуется небольшими затратами на момент установки. Однако расход воды в минуту может быть в 3-5 раз выше, чем при использовании чиллера. Чиллер же требует затрат на момент закупки оборудования и монтажа, но эффективность в разы выше.

Пассивная система охлаждения станка

В лазерном станке по умолчанию используют пассивную водяную систему охлаждения.  Сама лазерная трубка сконструирована таким образом, что вокруг внутренней колбы располагается еще одна внешняя колба. Между стенками внутреннего и внешнего стеклянного сосуда пустое пространство (рубашка охлаждения), через которое прокачивается жидкость. Обычно в качестве охлаждающей жидкости используют чистую воду. Вода под давлением подается внутрь рубашки охлаждения через расположенные на концах штуцеры. Необходимое давление создает водяной насос погружного типа. Насос устанавливается на дне емкости, из которой забирается жидкость. Насос соединен с лазерной трубкой гибким шлангом. Один его конец соединен с нагнетающим патрубком, второй – с торцевым штуцером. Принимающий штуцер расположен у излучающего торца, где наблюдается максимальный нагрев. Отводящий штуцер находится с противоположной стороны. Отводящий штуцер соединен со сливным шлангом, через него отработанная жидкость отводится из системы охлаждения обратно в открытую емкость. В емкости горячая вода смешивается с холодной, за счет чего осуществляется естественное снижение ее температуры.

Система пассивного охлаждения достаточно громоздкая. Среднее количество воды, протекающей через штуцер лазерной трубки, равен 2,5 л/мин. Максимальная температура воды в емкости не должна превышать 250С, чтобы обеспечивалось охлаждение. Потому для нормальной работы охлаждающей системы необходима емкость для воды объемом не менее 60-100 литров. Сама емкость должна иметь высокие бортики, чтобы насос был погружен в нее полностью. Это объясняет значительные габариты всей системы.

По мере загрязнения воды требуется ее полная замена или фильтрация. Грязную воду использовать нельзя, это может привести к засорению системы охлаждения. Для замены воды необходимо остановить работу лазерного станка, что приводит к дополнительным финансовым потерям.

Активная система охлаждения лазераф

Стандартная система пассивного водяного охлаждения лазерного станка из емкости неудобна, громоздка, требует использования исключительно чистой воды, что не всегда возможно в условиях производства.  Более компактна и эффективна схема активного охлаждения воды с использованием чиллера.

Чиллер – это водный радиатор с емкостью, через который циркулирует вода из системы охлаждения станка, и терморегулятор для контроля над температурой. Радиатор дополнительно обдувается воздухом, за счет чего происходит его охлаждение.  В более дорогих моделях чиллеров используется фреон.

Запас воды или иной жидкости хранится в чиллере, потому он заменяет собой открытую емкость, используемую в пассивных системах охлаждения. Необходимый объем жидкости около 9 литров. Все это говорит в пользу использования чиллеров. Однако внедрение активной системы охлаждения сопряжено с дополнительными расходами электроэнергии, что сказывается на стоимости лазерной резки.

В жаркие дни или при повышенной нагрузке система пассивного охлаждения не справляется. Чем выше температура трубки,  тем меньше становится ее ресурс, тем быстрее потребуется ее замена. Следовательно, чем хуже работает система охлаждения, тем чаще будет требоваться замена расходников и выше будут дополнительные расходы. Нормальной считается температура стеклянной газовой трубки до 20-230С, но даже при максимальной нагрузке, например, при резке толстостенных деталей она не должна превышать 300С. В противном случае ресурс сократится вдвое.

Принцип охлаждения

Лазерный станок с ЧПУ в связке с чиллером образует замкнутую систему с возможностью контролировать температуру. Благодаря четкому контролю температуры обеспечивается ровный  рез или гравировка.

Работа чиллера основывается на механизме охлаждение и теплообмена. Циркулирующее в системе охлаждающее вещество забирает тепло от лазера и передается в теплообменник. В теплообменнике тепло рассеивается, после чего охлаждающее вещество снова возвращается к лазеру. При таком постоянном круговороте охладителя обеспечивается стабильное снижение температуры.

Устройство чиллера для лазерного станка

Чиллер – это не один агрегат, а комплекс из нескольких устройств. Он состоит из следующих узлов:

• Компрессор – главный узел охладителя. Он отвечает за сжатие хладагента и его перемещение по системе.
• Конденсатор – рассеиватель тепла, полученного от хладагента в процессе его циркуляции. Как правило, состоит из трубок и змеевиков, по которым движется хладагент. Снаружи они охлаждаются воздухом или водой.
• Испаритель – устройство, отвечающее за поглощение тепла, излучаемого лазерной системой. Он состоит из трубок или пластин, через которые циркулирует хладагент.
• Расширительный клапан – элемент системы охлаждения, отвечающий за регулировку потока жидкости, снижение температуры и  давления.
• Насос – составляющая системы охлаждения, которая обеспечивает принудительное движение хладагента по трубкам и пластинам.

По системе чиллера циркулирует хладагент, который сначала забирает тепло от лазерного станка, а затем сбрасывает. Хладагент – это специальная жидкость или вода, реже – газ (фреон).

Все элементы охладителя заключены в моноблочный металлический корпус (каркас с защитными панелями). На корпусе имеются штуцеры для подключения гидравлики, шаровой кран для слива жидкости с целью ТО агрегата. В верхней или боковой части моноблока установлена панель управления с процессором, который обрабатывает полученные от контрольных датчиков данные, и дисплеем с индикацией. Из датчиков используются реле высокого и низкого давления, тепловой защиты компрессора, контроля потока жидкости, контроля фаз, манометр давления хладагента, контрольный датчик температуры. Система управления обеспечивает автоматическую поддержку требуемой температуры жидкости.

Монтаж чиллера

Установка системы охлаждения выполняется в непосредственной близости от лазерного станка. Его можно закрепить на стене или поставить на твердую прямую поверхность.

Подключение чиллера к лазерному станку выполняется последовательно:

1. Подключение линий хладагента, идущих от компрессора, конденсатора, испарителя к лазерному станку. Важно обеспечить надежность соединения с помощью фитингов и зажимов.
2. Подключение системы подачи воды (для чиллеров с водяным охлаждением), присоединение насоса для принудительной циркуляции воды.
3. Подключение к источнику питания. Этот шаг выполняется, когда все предыдущие линии подключены и надежно зафиксированы.
4. Кратковременное тестирование системы охлаждения. Если возникают протечки или пробки, необходимо отключить электропитание и устранить неисправности.
5. Запуск системы охлаждения лазера. Запускать систему на полную мощность рекомендуется тогда, когда тестирование пройдено успешно.

Причины перегрева лазера при активной системе охлаждения

Даже в случае подключения чиллера для охлаждения может возникать перегрев устройства. Как правило, проблема в неисправности системы, которую можно устранить.

• Недостаточное охлаждение. Установленные параметры охлаждения не соответствуют нагрузке, потому устройство работает с перегревом. В данной ситуации следует проверить рабочие параметры и произвести корректировку значений.
• Загрязнение фильтров. При заливе в систему водопроводной воды может появляться накипь. При циркуляции жидкости по трубкам возможно образование коррозии на внутренних элементах, что неизбежно приводит к засорению внутренних фильтров и к непроходимости водопроводящих  магистралей, что снижает уровень охлаждения. В этом случае важно своевременно очищать фильтры.
• Неисправность отдельных узлов. Чиллер – это система, состоящая из нескольких устройств, каждое из которых может выйти из строя. При поломке может возникать перегрев. Необходимо проверить работоспособность каждого элемента.
• Высокая температура воздуха в помещении. При повышении общей температуры воздуха в помещении, где установлен лазерный станок, может увеличиваться нагрузка на систему охлаждения извне. Это приведет к затруднению отвода тепла.  Необходимо обеспечить качественную вентиляцию в помещении и подкорректировать температурные параметры системы охлаждения.

Советы по выбору чиллеров для лазерного оборудования

Чиллер должен подбираться таким образом, чтобы его мощности хватало для обслуживания станка. При этом не должно быть большого запаса по мощности, что, скорее, приведет к необоснованным потерям. Характеристики, на которые следует обратить внимание:

• Мощность излучателя. Средняя мощность излучающей трубки составляет 180-200 Вт. Но могут встречаться излучатели мощностью до 100 ВТ и более 200 Вт.
• Мощность охладителя (охлаждающая мощность). При мощности трубки лазера до 180 Вт подойдет охладитель с показателем 1,8-2 Квт.
• Скорость водообмена. Средний показатель составляет 9-13 л/мин. В отличие от пассивной системы охлаждения, чиллер расходует небольшое количество воды. Вода постоянно циркулирует по замкнутой системе, а не перекачивается насосом из открытой емкости большого объема.
• Используемый тип жидкости. В чиллерах может использоваться вода, фреон или иные жидкие вещества.
• Габаритные размеры. Иногда параметры корпуса имеют решающее значение при выборе агрегата.

Дополнительно стоит обратить внимание на систему индикации неисправностей, наличие защиты от перегрузки, оповещение о прекращении подачи воды или чрезмерном охлаждении жидкости.