JP2000266039A - 回転軸冷却装置及び方法と回転軸冷却装置を備える機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高冷却能力を有し、温度応答性の速い、小型
で安価な回転軸冷却装置を提供すること。 【解決手段】 本発明の回転軸冷却装置１１は、機械本
体１７に支承された回転軸１５の周囲を通るように設け
られた循環路１９と、回転軸１５を冷却するために、循
環路１９に沿って冷却媒体を循環させると共に冷却媒体
を冷却する冷却手段２１と、冷却媒体の循環路１９の途
中に配置されるペルチェ素子４３を有し、同ペルチェ素
子４３の加熱又は冷却作用によって循環路内の冷却媒体
の温度調節を行う温度調節手段２３とを備える。温度応
答性が非常に速く小型であるペルチェ素子４３の冷却能
力によって冷却手段２１の冷却能力を補うことによっ
て、冷却手段２１の能力の向上を伴うことなく回転軸冷
却装置１１の冷却能力を向上させることができ、さらに
装置全体を小型化することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷却媒体を使用し
て回転軸又はその周辺を冷却する回転軸冷却装置に関
し、特に工作機械の回転軸を冷却するための使用に好適
なものである。

【０００２】

【従来の技術】工作機械等の回転軸を支承する機械にお
いては、転がり軸受又は流体軸受等によって回転軸を支
持している。これらの軸受又は回転軸においては、回転
軸の回転に伴って温度上昇が起こり、軸受又は回転軸の
熱変形、さらには回転軸を支承する機械本体等の熱変形
が起こる。特に工作機械においては、回転軸及び機械本
体の熱変形は被加工物の加工精度の悪化を招く。また、
この熱変形は回転軸又は軸受の焼付きを引き起こすこと
もある。

【０００３】したがって、このように熱変形を引き起
し、機械の性能に悪影響を及ぼす、回転軸及びそれを支
持する軸受において発生する温度上昇を抑えるために、
回転軸内部又は回転軸及び軸受の周囲に油、水又は空気
等の流動性媒体を吹きかけたり循環させることによって
回転軸及び軸受を冷却する方法がとられることが一般的
である。回転軸は、例えば主軸やボールねじであり、冷
却媒体は、主軸やボールねじの内部を流通させたり、そ
の周辺の軸受やハウジング又はボールねじナット等に流
通させる。

【０００４】回転軸を冷却するために冷却媒体を使用す
る従来の回転軸冷却装置は、冷却媒体が通る循環路と、
循環路に沿って冷却媒体を循環させると共に冷却媒体を
冷却する冷却手段とを備える。この冷却手段は、一般的
には、冷却媒体を循環させるポンプ等の循環器と、圧縮
機を有する圧縮式冷却器と、熱交換器とを備える。冷却
器で冷却された冷却器用冷却媒体は熱交換器を循環させ
られ、熱交換器において、冷却器用冷却媒体と回転軸を
冷却するための冷却媒体との間で熱交換が行われる。

【０００５】また、特公平２−５５４５号公報に記載さ
れるように、回転軸の周囲に熱電素子を配置し、直接回
転軸又は軸受の発する熱を吸収することによって、回転
軸又は軸受を冷却する冷却装置を使用する方法もある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】近年、特に工作機械に
おいては、主軸、すなわち回転軸の回転の高速化に伴っ
て、回転軸又は軸受における発熱量が増大してきてお
り、加工精度を確保するべく回転軸及び機械本体の熱変
位を抑制するために、より高い冷却性能が冷却装置に求
められるようになってきている。以上のことは、高速回
転を要求される回転軸を有する他の機械においても同様
であり、回転軸及び機械本体に対する熱の影響を抑制す
ることが所望されるようになった。

【０００７】この要求のために、冷却媒体を使用する上
記の冷却装置において冷却性能を向上させるためには、
冷却手段の圧縮式冷却器の冷却能力、すなわち、圧縮機
の能力を向上させる必要が生じる。しかしながら、圧縮
機の性能を向上させることは、圧縮機が大型且つ高価と
なるという問題を発生させる。同様に、熱電素子を使用
した冷却装置において冷却性能を向上させるためには、
熱電素子に流す電流を増加させればよいが、十分な冷却
性能を発揮させるためには、回転軸の周囲全体を熱電素
子で覆う必要があり、高価となる。

【０００８】一方、回転軸は、機械性能（工作機械の場
合には加工精度）の観点から、環境温度に出来る限り近
い温度に且つ一定温度に維持されることが好ましい。ま
た、回転軸又は軸受の温度は、冷却装置がない場合に
は、回転軸の回転開始直後から急激に上昇し、次第に上
昇曲線が緩やかになって、一定温度で安定する。したが
って、回転軸温度を環境温度に出来る限り近い温度に一
定に維持するためには、回転軸起動直後の急激な温度上
昇に対応することが冷却装置に対して求められる。

【０００９】ところが、冷却媒体の温度を一定に維持す
るために冷却手段をオン・オフ制御する場合には、細か
いオン・オフを行うことが望ましいが、冷却手段に使用
される圧縮機は数分単位でしかオン・オフすることがで
きないので、冷却媒体の温度変化に対する応答性が悪
く、冷却媒体及び回転軸又は軸受の温度が正弦波状に変
動するという問題を生じる。圧縮機が大型になること
は、さらに、冷却装置を回転軸の近くに配置することを
妨げて、冷却装置の冷却手段から冷却を必要とする回転
軸までの配管長さに起因する冷却媒体温度制御の応答の
遅れを生じさせ、回転軸温度の変動を拡大させる。

【００１０】よって、温度応答性が速く、高冷却能力を
有しながら、小型で安価な回転軸冷却装置が所望され
る。さらに、回転軸を環境温度に出来る限り近い温度に
且つ一定温度に維持することを可能とさせる、小型で安
価な回転軸制御装置が所望される。したがって、本発明
の目的は、上記従来技術に存する問題点を解消して、高
冷却能力を有し、温度応答性の速い、小型で安価な回転
軸冷却装置を提供することにある。

【００１１】また、本発明の他の目的は制御性に優れた
小型で安価な回転軸冷却装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、熱電素子を使用することによって、小型
且つ安価でありながら、高冷却能力を有する回転軸冷却
装置を提供する。好しくは、熱電素子として、異種の金
属の接触面を通じて電流が流れると熱の吸収又は発生が
起こるというペルチェ効果を発するペルチェ素子が使用
される。

【００１３】すなわち、本発明によれば、機械本体に支
承された回転軸の内部又は周辺を通るように設けられた
循環路と、回転軸又はその周辺を冷却するために、循環
路に沿って冷却媒体を循環させると共に冷却媒体を冷却
する冷却手段と、冷却媒体の循環路の途中に配置され、
熱電素子を有し同熱電素子の加熱又は冷却作用によって
循環路内の冷却媒体の温度調節を行う温度調節手段とを
備えることを特徴とした回転軸冷却装置が提供される。

【００１４】好適には、上記回転軸冷却装置は、上記温
度調節手段の温度調節能力を制御するための温度制御装
置と、上記冷却媒体の温度を検出するための少なくとも
一つの冷却媒体温度検出器とをさらに備え、上記冷却媒
体の温度に応じて、上記熱電素子の作動が上記温度制御
装置によって上記冷却手段と独立して制御される。さら
に好適には、上記回転軸冷却装置は、基準温度を検出す
るための基準温度検出器をさらに備え、上記冷却媒体温
度検出器が上記冷却手段の上流側及び下流側の循環路に
それぞれ設けられる。

【００１５】また、好適には、上記温度調節手段が上記
冷却手段の下流側の循環路に設けられる。上記各実施形
態において、熱電素子は、ペルチェ効果を発するペルチ
ェ素子でなることが好ましい。さらに、本発明の他の実
施形態によれば、回転軸を支承する機械本体と、回転軸
の内部又は周辺を通るように設けられた循環路と、回転
軸又はその周辺を冷却するために、循環路に沿って冷却
媒体を循環させると共に冷却媒体を冷却する冷却手段
と、冷却媒体の循環路の途中に配置され、熱電素子を有
し該熱電素子の加熱又は冷却作用によって循環路内の冷
却媒体の温度調節を行う温度調節手段とを備えることを
特徴とした回転軸冷却装置を備える機械が提供される。

【００１６】また、本発明のさらに他の実施形態によれ
ば、機械本体に支承された回転軸又はその周辺を冷却す
るために、該回転軸の内部又はその周辺を通るように設
けられた循環路に沿って冷却媒体を循環させ、冷却手段
によって冷却媒体を冷却し、熱電素子の加熱又は冷却作
用によって、冷却媒体の温度を調節することを特徴とし
た回転軸を冷却する方法が提供される。

【００１７】好適には、上記冷却媒体の温度に応じて上
記熱電素子が上記回転軸へ供給する上記冷却媒体の温度
調節を行う。さらに好適には、測定された基準温度と上
記回転軸又はその周辺から戻ってくる冷却媒体の温度と
から上記回転軸又はその周辺へ供給する冷却媒体の目標
温度を計算し、同目標温度と上記冷却手段から吐出され
る冷却媒体の温度とから温度補正値を計算し、同温度補
正値に基づき、上記熱電素子の冷却又は加熱作用によっ
て上記回転軸又はその周辺へ供給する冷却媒体の温度調
節を行う。

【００１８】

【作用】本発明の回転軸冷却方法及び装置によれば、上
記構成によって、従来の回転軸冷却装置の冷却媒体の循
環路の途中に熱電素子を有した温度調節手段を付加する
だけで、冷却手段の能力の向上を伴うことなく回転軸冷
却装置の冷却能力を向上させることができ、高冷却能力
を有する安価な回転軸冷却装置を提供する。さらに、冷
却手段に要求される冷却能力の一部を熱電素子を有した
温度調節手段により賄うことで、冷却手段を小型化する
ことが可能となり、熱電素子が小型であり温度調節手段
を小型とすることが可能であることと合わせて、回転軸
冷却装置全体を小型にするとができる。また、熱電素子
は温度応答性が非常に速く、回転軸の起動直後の急激な
温度上昇に対応して冷却媒体を冷却することができる。

【００１９】加えて、冷却媒体の温度を検出するための
冷却媒体温度検出器と、温度調節手段の温度調節能力を
制御するための温度制御装置とをさらに備えることによ
って、冷却手段によって冷却媒体が過冷却された場合又
は他の要因によって冷却媒体の温度が変動した場合に、
熱電素子を有する温度調節手段が冷却手段と独立した素
早い応答で冷却又は加熱を行って、冷却媒体の温度を一
定に維持することが可能となる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下で、本発明の回転軸冷却方法
及びそれを使用した回転軸冷却装置、このような回転軸
冷却装置を備える機械に関して、回転軸を有する工作機
械を例として、詳細に説明する。しかしながら、本発明
の回転軸冷却方法及び装置は工作機械に限定されるもの
ではなく、冷却を必要とする回転軸を有する任意の機械
に適用される。

【００２１】図１は、本発明の回転軸冷却装置１１を備
える工作機械１３を示す線図である。工作機械１３は、
主軸と呼称される回転軸１５を支承する機械本体１７
と、回転軸１５を冷却するための本発明の回転軸冷却装
置１１とを備える。回転軸冷却装置１１は、機械本体１
７に支承された回転軸１５の周囲を通るように配置され
た循環路１９と、この循環路１９に沿って冷却媒体を循
環させ、冷却媒体を冷却する冷却手段２１と、冷却媒体
の循環路１９の途中に配置され、循環路１９内の冷却媒
体の温度調節を行う温度調節手段２３とを備える。冷却
媒体は例えば潤滑油である。

【００２２】好適には、図１に示されるように、温度調
節手段２３は冷却手段２１の下流側に設けられる。循環
路１９は、冷却手段２１によって冷却された冷却媒体が
回転軸１５に向かっていく冷却媒体供給経路２５と、回
転軸１５の周囲を通って吸熱して温度が上昇している冷
却媒体が通る冷却媒体戻り経路２７とから構成される。

【００２３】冷却手段２１は、冷却媒体を循環路１９に
沿って循環させる循環器２９と、冷却器３１と、熱交換
器３３とを備える。冷却器３１で冷却された冷却器用冷
却媒体は熱交換器３３を循環させられ、熱交換器３３に
おいて、冷却器用冷却媒体と回転軸１５を冷却するため
の冷却媒体との間で熱交換が行われる。循環器２９とし
ては、様々なタイプのポンプ等が使用される。また、冷
却器３１としては、一般的に、圧縮機を有する圧縮式冷
却器が使用される。しかしながら、冷却器３１として、
蒸気又は高温水を熱源として使用する吸収式冷却器等が
使用されることも可能である。

【００２４】冷却手段２１は、冷却器３１の作動を制御
する冷却制御装置３５をさらに備える。冷却制御装置３
５は、冷却媒体戻り経路２７に設けられた第一冷却媒体
温度検出器３７と、機械本体１７の基底部４１に設けら
れた基準温度検出器３９と接続されており、これらの温
度検出器３７、３９からの信号に基づき、循環路１９に
沿って循環する冷却媒体の温度を所望の温度にするよう
に冷却器３１の作動を制御する。

【００２５】図１の実施形態においては、機械本体１７
の温度を基準として冷却媒体の温度を制御することが所
望されており、したがって、基準温度検出器３９が機械
本体１７の基底部４１に設けられているが、他の位置に
基準温度検出器３９が設けられてもよい。例えば、工作
機械１３の周囲の温度を基準として冷却媒体の温度を制
御することが所望される場合には、基準温度検出器３９
は工作機械１３の外部に設けられることができる。基準
温度を予め設定した温度とすることもでき、この場合に
は基準温度検出器３９は省略することができる。また、
例えば冷却能力の低い冷却器３１が使用される場合など
には、冷却器３１の制御は不要となり、冷却制御装置３
５、第一冷却媒体温度検出器３７、及び基準温度検出器
３９は省略されてもよい。

【００２６】冷却制御装置３５が冷却器３１の作動を制
御する方法は、一般には、冷却器３１のオン・オフ制御
である。基準温度と冷却媒体戻り経路２７の戻り冷却媒
体温度の差が予め設定されている温度差Ｔ_OFF 以下にな
ると、冷却制御装置３５によって冷却器３１の作動が停
止され、基準温度と冷却媒体戻り経路２７の戻り冷却媒
体温度との差が予め設定されている温度差Ｔ_ONを越える
と、冷却器３１が作動させられる。

【００２７】冷却制御装置３５が冷却器３１の作動を制
御する方法として、インバータ方式が採用されてもよ
い。インバータ方式においては、基準温度と冷却媒体戻
り経路２７の戻り冷却媒体の温度との差に応じて冷却器
３１の冷却能力がインバータにより制御される。しかし
ながら、インバータ制御装置は、一般に、大型で高価と
なるという問題点を有する。

【００２８】温度調節手段２３は、冷却媒体の循環路１
９の途中に配置されたペルチェ素子４３を備える。ペル
チェ素子４３は異種の金属の接触面を通じて電流が流れ
ると熱の吸収又は発生が起こるというペルチェ効果を利
用した熱電素子であり、電流を流す又は電圧を印加する
方向によって加熱作用と冷却作用とを切り換えることが
できる。ペルチェ素子４３は好適には循環路１９を囲む
ように配置される。しかしながら、例えば、平板状に構
成された二枚のペルチェ素子が循環路を挟むように配置
されてもよい。

【００２９】ペルチェ素子４３は小型であり、広い設置
スペースを必要としないので、容易に冷却媒体の循環路
１９の途中に設けることができ、冷却手段２１の冷却器
３１の冷却能力を補うことができる。したがって、冷却
器３１の冷却能力を向上させるのに伴う大型化の必要な
しに、回転軸冷却装置１１の冷却能力を向上させること
が可能となる。さらに、冷却器３１の大型化によって回
転軸１５の近くに冷却器３１を設置できなくなることに
起因する冷却器３１から回転軸１５までの循環路１９の
配管長さによる冷却媒体温度応答の遅れの悪化が回避さ
れ得る。また、ペルチェ素子４３は非常に温度応答性が
速いので、特に圧縮式冷却器が使用される場合に顕著と
なる冷却器３１の作動から冷却媒体温度が低下するまで
の時間の遅れを、ペルチェ素子４３の冷却作用によっ
て、補うことができ、回転軸１５の起動直後の急激な温
度上昇に対応して冷却媒体を冷却することができるよう
になる。

【００３０】温度調節手段２３が冷却手段２１の下流側
に設けられる場合には、ペルチェ素子４３が小型である
ことから、冷却媒体の循環路１９のより回転軸１５の近
くに温度調節手段２３を配置することができ、回転軸１
５までの循環路配管長さによる冷却媒体温度応答の遅れ
を実質上無くすことが可能となる。温度調節手段２３
は、ペルチェ素子４３の作動を制御する温度制御装置４
５をさらに備える。温度制御装置４５は、冷却媒体戻り
経路２７に設けられた第一冷却媒体温度検出器３７と、
冷却媒体供給経路２５に設けられた第二冷却媒体温度検
出器４７とに接続されており、これらの温度検出器３
７、４７からの信号に基づき、ペルチェ素子４３の冷却
又は加熱作用及びその程度である作動を制御する。ペル
チェ素子４３の作動は温度制御装置４５によって冷却手
段２１の冷却器３１の作動と独立して制御される。

【００３１】このように温度調節手段２３が温度制御装
置４５を備えることによって、冷却媒体戻り経路２７に
設けられた第一冷却媒体温度検出器３７によって検出さ
れた冷却媒体の温度に基づき、ペルチェ素子４３の冷却
作用によって冷却媒体の温度を予め設定された温度によ
り早く到達させることが可能となる。また、図１に示さ
れるように温度調節手段２３が冷却手段２１の下流側の
循環路１９に設けられている場合には、冷却媒体供給経
路２５に設けられた第二冷却媒体温度検出器４７によっ
て検出された冷却媒体の温度に基づき、ペルチェ素子４
３の加熱又は冷却作用によって冷却媒体の温度を予め設
定された温度に維持させることが可能となる。例えば、
冷却器３１の冷却媒体温度応答の遅れによって冷却媒体
の過冷却が起こった場合には、ペルチェ素子４３の加熱
作用によって、予め設定された冷却媒体の温度まで素早
く戻すことができる。

【００３２】温度制御装置４５は、さらに機械本体１７
に設けられた基準温度検出器３９と接続される。図１に
示されるように温度調節手段２３が冷却手段２１の下流
側の循環路１９に設けられている場合には、好適には、
温度制御装置４５は、図２に示される温度制御流れに従
って温度調節手段２３のペルチェ素子４３の作動を制御
する。

【００３３】以下で図２に示される温度制御装置４５の
制御フロ−を説明する。ステップ４９において、基準温
度と冷却媒体戻り経路２７の戻り冷却媒体温度を比較
し、次式にしたがって、冷却媒体供給経路２５の供給冷
却媒体の目標温度を計算する。 目標温度＝Ｋ１×｛（基準温度）−（戻り冷却媒体温
度）｝＋（基準温度） ここで、Ｋ１は第一比例定数である。

【００３４】次いで、ステップ５１において、冷却手段
２１から出力される冷却手段出力冷却媒体の温度と冷却
媒体供給経路２５の供給冷却媒体の目標温度とを比較し
て、次式にしたがって、温度補正値を計算し、次に、冷
却手段出力冷却媒体温度が目標温度より高い場合には、
ペルチェ素子４３が冷却媒体に対して冷却作用を及ぼす
ように、ペルチェ素子４３に加えられる電圧又は電流の
方向を決め、冷却手段出力冷却媒体温度が目標温度より
低い場合には、ペルチェ素子４３が冷却媒体に対して加
熱作用を及ぼすように、ペルチェ素子４３に加えられる
電圧又は電流の方向を決める。

【００３５】温度補正値＝Ｋ３×｛（目標温度）−Ｋ２
×（冷却手段出力冷却媒体温度）｝ ここで、Ｋ２及びＫ３はそれぞれ第二比例定数、第三比
例定数である。次いで、ステップ５３において、次式に
したがって、温度補正値をペルチェ素子４３に指令する
電圧又は電流値に換算する。 ペルチェ素子指令電圧（電流）値＝Ｋ４×（温度補正
値） ここで、Ｋ４はペルチェ素子制御電圧（電流）変換定数
である。

【００３６】次いで、ステップ５５において、上で計算
されたペルチェ素子指令電圧（電流）値をペルチェ素子
４３へ送信する。最後に、ステップ５７からステップ５
９へ戻って、以下同じ制御流れが繰り返される。ペルチ
ェ素子４３の作動をこのように制御することによって、
機械本体１７等の温度である基準温度の変化及び冷却器
３１を有する冷却手段２１から出力される冷却媒体の温
度変化に応じてペルチェ素子４３を有する温度調節手段
２３から出力される冷却媒体の温度が調節され、回転軸
１５に送られる冷却媒体は常に機械本体１７等の基準温
度に基づいた温度に維持される。回転軸１５の温度が基
準温度に維持されることは、回転軸１５を支承する機械
本体１７が回転軸１５からの熱によって受ける影響を抑
えることになり、特に工作機械の場合には加工精度を向
上させる。さらに、上述したように冷却手段２１におい
て冷却媒体の温度の制御が行われる場合には、温度調節
手段２３のペルチェ素子４３が冷却手段２１の下流側の
循環路１９に設けられることによって、冷却手段２１か
ら出力される冷却手段出力冷却媒体の正弦波状の温度変
動をペルチェ素子４３の加熱又は冷却作用によって平滑
化することが可能となる。

【００３７】図１に示される実施形態においては、温度
調節手段２３は温度制御装置４５を備えるが、例えば、
温度調節手段２３を冷却手段２１の補助としてのみ使用
し、冷却手段２１の作動と温度調節手段２３の作動を同
期させる場合等には、温度制御装置４５は省略すること
ができる。次に、冷却手段２１の冷却器３１がオン・オ
フ制御される場合を例として、図１に示される本発明の
回転軸冷却装置１１の作用を従来の回転軸冷却装置と比
較して、以下で説明する。

【００３８】図３は、冷却手段及び循環路を備える従来
の冷却装置における、回転軸（又は軸受）、冷却媒体戻
り経路の戻り冷却媒体、冷却手段から出力される冷却手
段出力冷却媒体に関する時間に対する温度変化を示して
いる。曲線６１は基準温度を示し、曲線６３、曲線６
５、及び曲線６７はそれぞれ回転軸１５（又は軸受）、
戻り冷却媒体、冷却手段出力冷却媒体の温度変化を示
す。

【００３９】時間Ｔに回転軸が起動すると、回転軸及び
軸受の温度は急激に上昇していく。同時に、冷却手段、
すなわち、従来の冷却装置が作動し、冷却手段から出力
される冷却手段出力冷却媒体の温度も下降していく。冷
却媒体によって回転軸の温度の上昇が止まり、さらに低
下が始まる。回転軸の温度の低下によって戻り冷却媒体
の温度の低下が始まるが、この戻り冷却媒体の温度は、
冷却媒体戻り経路に設けられる図１の第一冷却媒体温度
検出器３７に相当する戻り冷却媒体温度検出器によって
検出されるので、回転軸から戻り冷却媒体温度検出器ま
での配管長さによって回転軸温度と比較して温度応答に
遅れが生じている。戻り冷却媒体の温度と機械本体等の
温度である基準温度との差が予め設定された温度差Ｔ
_OFF 以下になると、冷却制御装置によって、冷却器の作
動が停止される。再び、基準温度と冷却媒体戻り経路の
冷却媒体温度の差が予め設定されている温度差Ｔ_ONを越
えると、冷却器が作動させられる。

【００４０】この冷却器のオン・オフに起因する冷却媒
体温度の上昇下降と、冷却手段から回転軸までの間の配
管長さに起因する、冷却媒体戻り経路に設けられた戻り
冷却媒体温度検出器が戻り冷却媒体の温度を検出して冷
却器を作動させた後の冷却媒体温度応答の遅れとによ
り、冷却手段から出力され回転軸に供給される冷却手段
出力冷却媒体の温度は、図３の曲線６７に示されるよう
に正弦波状に変動する。特に圧縮式冷却器の場合には、
さらに圧縮機のオン・オフは数分単位でしか不可能であ
ることと、圧縮機の起動にかかる時間の遅れとにより、
冷却手段から出力される冷却媒体の温度は変動幅が大き
くなることが普通である。曲線６５によって示される戻
り冷却媒体温度は、回転軸から戻り冷却媒体温度検出器
までの配管長さによって温度応答に遅れが生じるため、
曲線６３によって示される回転軸温度に対してやや遅れ
た位相で変動している。

【００４１】回転軸に供給される冷却手段出力冷却媒体
の温度の変動（曲線６７参照）に起因して、回転軸の温
度が図３の曲線６３に示されるように正弦波状に変動す
る。この回転軸の温度の変動は前述されたように回転軸
を支承する機械本体に悪影響を及ぼし、特に工作機械の
場合には加工精度を悪化させる。次に、図１に示される
本発明の回転軸冷却装置１１の作動を説明する。

【００４２】機械本体１７に支承された回転軸１５を冷
却するために、ポンプ等の循環器２９によって回転軸１
５の周囲を通るように設けられた循環路１９に沿って冷
却媒体を循環させる。回転軸１５の周囲を通って吸熱し
て温度が上昇している冷却媒体が冷却媒体戻り経路２７
に沿って熱交換器３３に送られる。冷却媒体の温度の上
昇を第一冷却媒体温度検出器３７で検出することによっ
て又は回転軸１５の作動と共に、作動させられた冷却手
段２１の冷却器３１は圧縮機等によって冷却器用冷却媒
体を冷却させる。冷却手段２１によって冷却された冷却
器用冷却媒体は熱交換器３３に送られ、回転軸用冷却媒
体から吸熱し、回転軸用冷却媒体を冷却する。冷却され
た回転軸用冷却媒体は温度調節手段２３のペルチェ素子
４３の加熱又は冷却作用によって温度調節される。

【００４３】回転軸１５の温度上昇が抑えられ、第一冷
却媒体温度検出器３７によって検出された冷却媒体戻り
経路２７の戻り冷却媒体の温度と基準温度検出器３９に
よって検出された基準温度との差が予め設定されている
温度差Ｔ_OFF 以下になると、冷却制御装置３５によっ
て、冷却器３１の作動が停止される。再び、基準温度と
戻り冷却媒体温度との差が予め設定されている温度差Ｔ
_ONを越えると、冷却器３１が作動させられる。

【００４４】好適には、ペルチェ素子４３は、冷却媒体
戻り経路２７に設けられた第一冷却媒体温度検出器３７
又は冷却媒体供給経路２５に設けられた第二冷却媒体温
度検出器４７によって検出された冷却媒体の温度に基づ
いて、図２に示されるような温度制御流れに従う温度制
御装置４５によって、制御され、冷却媒体の温度調節を
行う。

【００４５】図４は、図１に示される本発明の回転軸冷
却装置１１における、回転軸１５（又は軸受）、冷却媒
体戻り経路２７の戻り冷却媒体、冷却手段２１から出力
される冷却手段出力冷却媒体、及び温度調節手段２３か
ら出力されて回転軸１５に供給される供給冷却媒体に関
する時間に対する温度変化を示している。曲線６９は基
準温度を示し、曲線７１、曲線７３、曲線７５、及び曲
線７７はそれぞれ回転軸１５（又は軸受）、戻り冷却媒
体、冷却手段出力冷却媒体、供給冷却媒体の温度変化を
示す。ここで、温度制御装置４５は、図２に示される流
れに従ってペルチェ素子の作動を制御するものとする。

【００４６】曲線７５によって示されるように、図１の
冷却手段２１から出力される冷却手段出力冷却媒体の温
度は、図３に関して説明されたのと同様の冷却器のオン
・オフ制御によって正弦波状に変動している。温度制御
装置４５は、図２に示される温度制御流れに従ってペル
チェ素子４３に対して点線曲線７９によって示されるよ
うな温度制御指令信号を送る。ペルチェ素子４３はその
信号に応じて冷却能力を調節し、温度調節手段２３は回
転軸１５へ曲線７７に示される温度の供給冷却媒体を供
給する。ペルチェ素子４３による冷却媒体の温度低下寄
与分が図４に矢印８１で示される。供給冷却媒体の温度
は、ペルチェ素子４３が温度制御装置４５によりその作
動を制御されることによって、図４に示されるように平
滑化される。

【００４７】供給冷却媒体の温度がペルチェ素子４３に
よる冷却寄与分８１だけ低下したことにより、回転軸１
５の温度が低下し、曲線６９によって示される基準温度
により近づき、回転軸１５の熱変形が抑制される。さら
に、回転軸１５を支承する機械本体１７への悪影響をも
抑える。工作機械の場合には、回転軸１５（主軸）及び
機械本体１７の延びなどの熱変形が減少するため、加工
精度が向上する。図４においては、回転軸１５の温度が
基準温度に対して高くなっているが、温度制御装置４５
の温度制御流れにおける前述の比例定数を変更して、供
給冷却媒体の目標温度を下げることによって容易に回転
軸温度と基準温度とをほぼ等しくすることができる。

【００４８】回転軸１５からの戻り冷却媒体は、図２の
流れに従って温度制御装置４５がペルチェ素子４３の作
動を制御する結果、図４の曲線６９及び曲線７３に示さ
れるように基準温度と概略等しい温度となる。戻り冷却
媒体の温度が図４の曲線７３に示されるように平滑化さ
れることによって、回転軸１５から冷却器３１までの配
管長さによる温度応答の遅れへの影響を小さくする効果
がある。

【００４９】図５は、冷却手段及び循環路を備える従来
の冷却装置において、冷却手段がインバータ方式で制御
されたときの、回転軸（又は軸受）、冷却媒体戻り経路
の戻り冷却媒体、冷却手段から出力される冷却手段出力
冷却媒体に関する時間に対する温度変化を示している。
曲線６１′は基準温度を示し、曲線６３′、曲線６
５′、及び曲線６７′はそれぞれ回転軸（又は軸受）、
戻り冷却媒体、冷却手段出力冷却媒体の温度変化を示
す。

【００５０】図５に対して、図６は、冷却手段２１がイ
ンバータ方式で制御されたときの図１に示される本発明
の回転軸冷却装置１１における、回転軸１５（又は軸
受）、冷却媒体戻り経路２７の戻り冷却媒体、冷却手段
２１から出力される冷却手段出力冷却媒体、及び温度調
節手段２３から出力されて回転軸１５に供給される供給
冷却媒体に関する時間に対する温度変化を示している。
曲線６９′は基準温度を示し、曲線７１′、曲線７
３′、曲線７５′、及び曲線７７′はそれぞれ回転軸１
５（又は軸受）、戻り冷却媒体、冷却手段出力冷却媒
体、供給冷却媒体の温度変化を示す。ここで、温度制御
装置４５は、図２に示される温度制御流れに従ってペル
チェ素子４３の作動を制御するものとする。

【００５１】図５及び図６に使用される参照番号は、図
３及び図４に使用される同一の参照番号が指すものと同
一のものに対して使用されており、図３及び図４の参照
番号に対して「′」を付加することによって区別され
る。温度調節手段による冷却手段出力冷却媒体温度変動
の平滑化の効果を除けば、図３及び図４と同様の効果が
得られていることが分かる。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
熱電素子は小型であることから、容易に冷却媒体の循環
路の途中に設けることができ、冷却器の冷却能力を向上
させるのに伴う大型化の必要なしに、回転軸冷却装置の
冷却能力を向上させることが可能となる。さらに、冷却
器の大型化によって回転軸の近くに冷却器を設置できな
くなることに起因する冷却器から回転軸までの循環路の
配管長さによる冷却媒体温度応答の遅れの悪化が回避さ
れ得る。また、熱電素子は非常に温度応答性が速いの
で、回転軸の起動直後の急激な温度上昇に対応して冷却
媒体を冷却することができるようになる。

【００５３】本発明の回転軸冷却装置は、熱電素子の作
動を制御する温度制御装置をさらに備えることによっ
て、回転軸に送られる冷却媒体を常に基準温度に基づい
た温度に維持し、回転軸を支承する機械本体が回転軸か
らの熱によって受ける影響を抑え、特に工作機械の場合
には加工精度を向上させる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の回転軸冷却装置を備える工作機械の一
つの実施形態を示す線図である。

【図２】図１に示される温度制御装置の温度制御流れを
示す図である。

【図３】従来の回転軸冷却装置において、冷却器がオン
・オフ制御される場合の回転軸及び所定の位置における
冷却媒体温度の変化を示すグラフである。

【図４】本発明の回転軸冷却装置において、冷却器がオ
ン・オフ制御される場合の回転軸及び所定の位置におけ
る冷却媒体温度の変化を示すグラフである。

【図５】従来の回転軸冷却装置において、冷却器がイン
バータ制御される場合の回転軸及び所定の位置における
冷却媒体温度の変化を示すグラフである。

【図６】本発明の回転軸冷却装置において、冷却器がイ
ンバータ制御される場合の回転軸及び所定の位置におけ
る冷却媒体温度の変化を示すグラフである。

【符号の説明】

１１…本発明の回転軸冷却装置 １５…回転軸 １７…機械本体 １９…循環路 ２１…冷却手段 ２３…温度調節手段 ４３…ペルチェ素子

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 機械本体に支承された回転軸の内部又は
   周辺を通るように設けられた循環路と、 前記回転軸又はその周辺を冷却するために、前記循環路
   に沿って冷却媒体を循環させると共に冷却媒体を冷却す
   る冷却手段と、 前記冷却媒体の前記循環路の途中に配置され、熱電素子
   を有し該熱電素子の加熱又は冷却作用によって前記循環
   路内の冷却媒体の温度調節を行う温度調節手段と、 を備えることを特徴とした回転軸冷却装置。
2. 【請求項２】 前記回転軸冷却装置は、前記温度調節手
   段の温度調節能力を制御するための温度制御装置と、前
   記冷却媒体の温度を検出するための少なくとも一つの冷
   却媒体温度検出器とをさらに備え、前記冷却媒体の温度
   に応じて、前記熱電素子の作動が前記温度制御装置によ
   って前記冷却手段と独立して制御される請求項１に記載
   の回転軸冷却装置。
3. 【請求項３】 基準温度を検出するための基準温度検出
   器をさらに備え、前記冷却媒体温度検出器が前記冷却手
   段の上流側及び下流側の循環路にそれぞれ設けられる請
   求項２に記載の回転軸冷却装置。
4. 【請求項４】 前記温度調節手段が前記冷却手段の下流
   側の循環路に設けられる請求項１から３のいずれか１項
   に記載の回転軸冷却装置。
5. 【請求項５】 前記熱電素子は、ペルチェ効果を発する
   ペルチェ素子でなる請求項１から４のいずれか１項に記
   載の回転軸冷却装置。
6. 【請求項６】 回転軸を支承する機械本体と、 前記回転軸の内部又は周辺を通るように設けられた循環
   路と、 前記回転軸又はその周辺を冷却するために、前記循環路
   に沿って冷却媒体を循環させると共に冷却媒体を冷却す
   る冷却手段と、 前記冷却媒体の循環路の途中に配置され、熱電素子を有
   し該熱電素子の加熱又は冷却作用によって前記循環路内
   の冷却媒体の温度調節を行う温度調節手段と、 を備えることを特徴とした回転軸冷却装置を備える機
   械。
7. 【請求項７】 機械本体に支承された回転軸又はその周
   辺を冷却するために、該回転軸の内部又は周辺を通るよ
   うに設けられた循環路に沿って冷却媒体を循環させ、 冷却手段によって前記冷却媒体を冷却し、 熱電素子の加熱又は冷却作用によって、前記冷却媒体の
   温度を調節することを特徴とした回転軸冷却方法。
8. 【請求項８】 前記冷却媒体の温度に応じて前記熱電素
   子が前記冷却媒体の温度調節を行う請求項７に記載の回
   転軸冷却方法。
9. 【請求項９】 測定された基準温度と前記回転軸又はそ
   の周辺から戻ってくる冷却媒体の温度とから前記回転軸
   又はその周辺へ供給する冷却媒体の目標温度を計算し、 前記目標温度と前記冷却手段から吐出される冷却媒体の
   温度とから温度補正値を計算し、 前記温度補正値に基づき前記熱電素子の冷却又は加熱作
   用によって前記回転軸又はその周辺へ供給する前記冷却
   媒体の温度調節を行う請求項８に記載の回転軸冷却方
   法。