JP2002113638A - 工作機械の送り装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ねじ軸を冷却する機構に機械的な可動部分を
なくし、メンテナンスフリーで安定した冷却性能を維持
することができる上に、設置スペースを全くとらずにね
じ軸に冷却機構を組み込む。 【解決手段】 ねじ軸４の内部１０に冷却媒体用の液体
を封入し、ねじ軸４をナット３が摺動する範囲Ｓを蒸発
部とし、ねじ軸４の端部を凝縮部１２、１４とするヒー
トパイプ冷却機構を当該ねじ軸４に形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械の送り装
置に係り、特に、発熱するねじ軸のナット摺動部や軸受
部を冷却するヒートパイプをねじ軸の本体内部に組み込
むようにした工作機械の送り装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】マシニングセンタなどの工作機械では、
主軸頭、コラム、テーブルなどの移動体があり、これら
の移動体を送る機構には、ボールねじ送り機構が採用さ
れることが多い。図５は、従来のボールねじ送り機構を
採用した送り装置を示す。この図５において、２がテー
ブルなどの移動体である。移動体２にはナット３が取り
付けられており、このナット３は、ボールねじからなる
ねじ軸４に螺合している。ねじ軸４は、その両端部をス
ラスト軸受５、６によって支持されている。参照符号７
は、ねじ軸４を回転駆動するモータであり、カップリン
グ８を介してねじ軸４の一端部と連結されている。

【０００３】このような送り装置では、モータ７に駆動
されてねじ軸４が回転すると、このねじ軸４の回転は、
ナット３によって移動体２を直線運動させる推力に変換
される。

【０００４】ねじ軸４が回転する間、ナット３はねじ軸
４の外周面を摺動するので、摩擦によって発熱が生じ
る。一般に、モータ７の伝動動力をＷ、伝動効率をηと
すると、 Ｗ＊（１−η） に相当するエネルギが摩擦熱に変換されて、ねじ軸４お
よびナット３の温度が上昇する。同じような摩擦熱は、
ねじ軸４を支持するスラスト軸受５、６にも生じる。

【０００５】このようなねじ軸４の温度上昇は、軸方向
の熱膨張を引き起こし、スラスト軸受５、６に過大な負
荷を与え、破損に至らしめることがある。また、スラス
ト軸受５、６を保持している構造物にも熱変形が生じ、
ボールねじ送り機構の位置精度を低下させる虞がある。
このため、高速送り工作機械や、高精度工作機械では、
ねじ軸４の熱変形を防止するために、ねじ軸４の中心に
軸方向に伸びる軸穴１０を通して冷却液を循環し、冷却
する冷却装置が設けられている。

【０００６】図５において、従来のこの種の冷却装置
は、冷却ポンプなどを備えた冷却液供給ユニット３１、
回転するねじ軸４から冷却液が漏れないように冷却配管
との接続部分を封止する軸封装置３２ａ、３２ｂ、冷却
液を回収する冷却液回収ユニット３３などから構成され
ている。このような冷却装置では、冷却液を循環してね
じ軸４を冷却することで、高い冷却能力を得ることがで
きる。また、流量制御弁３４の開度をＮＣ装置３５で制
御することが容易であり、冷却液の流量を制御し、ねじ
軸４の温度制御を工作機械の運転状況に合わせて行なえ
る利点がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
冷却装置は、冷却液供給ユニット３１のポンプや、冷却
ユニット回収ユニット３３のタンクおよびこれらをつな
ぐ配管引き回しのために、かなりの設置スペースが必要
となる。また、軸封装置３２ａ、３２ｂのシール機構な
どに精度の高いものが要求され、ポンプ、駆動モータな
どトータルでは製作費用がかかるという問題がある。

【０００８】さらに、機械的な可動部、機械的な接触部
分や、配管の接続箇所など、機械的な故障の発生し得る
箇所を数多く有しており、とりわけ軸封装置１２ａ、１
２ｂのシール機構は摩耗等が生じるため、冷却性能を維
持するためにはメンテナンスが必要不可欠で、部品交換
などのメンテナンスコストがかなりかかるという問題が
ある。

【０００９】そこで、本発明の目的は、前記従来技術の
有する問題点を解消し、ねじ軸を冷却する機構に機械的
な可動部分をなくし、メンテナンスフリーで安定した冷
却性能を維持することができる上に、設置スペースを全
くとらずにねじ軸に冷却機構を組み込めるようにした工
作機械の送り装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、請求項１に記載した発明は、ねじ軸と、前記ねじ
軸に螺合するナットとからなるボールねじ機構により移
動体に直線運動を与える工作機械の送り装置において、
前記ねじ軸中心の軸方向にあけた穴に冷却媒体用の液体
を封入し、前記ねじ軸を前記ナットが摺動する範囲を蒸
発部とし、前記ねじ軸の端部を凝縮部とするヒートパイ
プ冷却機構を当該ねじ軸に形成したことを特徴とするも
のである。

【００１１】この請求項１に係る発明によれば、ねじ軸
の発熱する部位全体を蒸発部とし、ねじ軸の端部を凝縮
部とするヒートパイプ冷却機構による熱輸送作用によ
り、発生した熱は、放熱管から空気中に放出され、ねじ
軸４の温度上昇を防止することができる。

【００１２】また、請求項２に記載した発明は、前記ヒ
ートパイプ冷却機構は、前記蒸発部における冷却媒体用
の液体が封入される空間を形成し前記ねじ軸の中心で軸
方向に延びる軸穴と、前記軸穴に挿着され前記蒸発部で
凝縮した液体を前記蒸発部に還流させるウィックと、前
記ねじ軸の端部に取り付けられ、前記蒸発部を構成する
放熱管と、からなることを特徴とするものである。

【００１３】請求項３に記載した発明は、ねじ軸を支持
する軸受部に、前記軸穴と同心の第２の蒸発部を形成す
るとともに、第２の凝縮部を設け、軸受冷却用の第２の
ヒートパイプ冷却機構を形成したことを特徴とするもの
である。

【００１４】この請求項３に係る発明によれば、送り運
動の間は、軸受の温度上昇が防止されるため、ねじ軸の
本体側におけるヒートパイプ冷却機構の熱輸送作用の効
率低下を確実に防止することが可能となる。

【００１５】また、請求項４に記載した発明は、前記蒸
発部で凝縮した液体の蒸発部への還流を遠心力の作用に
より促進する還流促進手段をさらに備えることを特徴と
するものである。

【００１６】この請求項４にかかる発明によれば、放熱
管で凝縮しウィックの表面張力の作用下にある液体は、
軸穴への移送が遠心力を受けて促進されるので、ヒート
パイプの熱輸送能力を高めることが可能となる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明による工作機械の送
り装置の一実施形態について、添付の図面を参照しなが
ら説明する。第１実施形態図１は、本発明の第１実施形
態による工作機械の送り装置を示す断面図である。

【００１８】この図１において、２がテーブルなどの移
動体である。移動体２にはナット３が取り付けられてお
り、このナット３は、ボールねじからなるねじ軸４に螺
合している。ねじ軸４は、その両端部をスラスト軸受
５、６によって支持されている。参照符号７は、ねじ軸
４を回転駆動するモータであり、カップリング８を介し
てねじ軸４の一端部と連結されている。モータ７に駆動
されてねじ軸４が回転すると、このねじ軸４の回転は、
ナット３によって推力に転換されて移動体２に伝えら
れ、移動体２は、ねじ軸４のねじのある範囲Ｓを移動す
ることができる。

【００１９】ねじ軸４には、軸心に沿って軸穴１０が形
成されている。この軸穴１０は、ねじ軸４の全長に亘っ
て延び、モータ７との連結される側の端部では盲となっ
ている一方、他方の端部は開口している。この軸穴１０
には、冷却媒体用の液体が入れられて、ナット３がねじ
軸４を摺動しながら移動する範囲Ｓ全体にわたる蒸発部
が形成されている。また、軸穴１０には全長に亘ってウ
ィック１１が挿着されている。

【００２０】ねじ軸４の開口側端部には、凝縮部を構成
する放熱管１２が気密に接合されている。図２に示すよ
うに、この放熱管１２は、熱伝導率の高い金属材料を材
質とし、その外周部には、複数枚の放熱フィン１３が同
心円状に一体に形成されている。放熱管１２は、一方が
開放する有底の管体で、ねじ軸４の軸穴１０の直径と同
一の管内径をもっている。ウィック１１の端部は、放熱
管１２の内径部に嵌合しており、放熱管１２をねじ軸１
０の端部に接合することにより、ねじ軸４、放熱管１２
と続く冷却用の液体の封入される閉じた空間が形成され
ている。同様の放熱管１４は、ねじ軸４のモータ７側の
端部にも取り付けられている。

【００２１】次に、以上のようにねじ軸４に形成されて
いるヒートパイプ冷却機構の作用について説明する。モ
ータ７がねじ軸４を回転駆動し、移動体２を送っている
と、ナット３とねじ軸４との摺動により発熱し、移動体
２の移動する範囲Ｓに亘ってねじ軸４の本体が昇温して
くることになる。この発熱は、ねじ軸４の内部に封入さ
れた液体を蒸発させ、潜熱分の熱量をねじ軸４の本体か
ら奪い、ねじ軸４を冷却して温度上昇を防止する。

【００２２】一方、ねじ軸４の両端部には、放熱管１
２、１４が設けられており、ねじ軸４の回転とともに、
冷却フィン１３と空気の間には相対運動が生じ、空気と
の間で熱交換が行われて、放熱管１２、１４の温度はほ
ぼ室温になっている。したがって、ねじ軸４では、両端
部に向かって温度が低くなるように温度勾配が形成さ
れ、放熱管１２、１４に移送された蒸気は、内径部１２
ａ、１４ａで冷やされて凝縮し、凝縮の潜熱分だけの熱
を空気に放出する。凝縮した液体は、ウィック１１との
表面張力の作用により、蒸発部に戻される。

【００２３】ねじ軸４が発熱する送り運動の間は、ねじ
軸４の回転により、放熱管１２、１４の冷却フィン１３
と空気の間には、強制対流熱交換が行われ、効率良く熱
交換することができる。

【００２４】このように、送り運動の間は、ねじ軸４の
発熱する部位全体を蒸発部とし、ねじ軸４の端部を凝縮
部とするヒートパイプ冷却機構による熱輸送作用によ
り、発生した熱は、放熱管１２、１４から空気中に放出
され、ねじ軸４の温度上昇を防止することができる。

【００２５】そして、ヒートパイプ冷却機構をねじ軸４
自体に形成しているため、従来のように、冷却装置を設
ける必要がなくスペースを有効に活用できる。しかも、
送り運動中は自ずと、ナット３の摺動する範囲全域が冷
却されるので、冷却用の電力が不要で省エネ効果に優れ
るとともに、メンテナンスの必要な可動部品が、一切な
いので、メンテナンスフリーで冷却性能を維持すること
が可能となる。

【００２６】第２実施形態次に、図３は、本発明の第２
実施形態による工作機械の送り装置のねじ軸端部の断面
図である。なお、この図３において、図２と同一の構成
要素には同一の参照符号が付されている。この第２実施
形態は、ねじ軸４の軸受５での発熱により、ねじ軸４に
おけるヒートパイプ冷却機構の熱移送効率が低下するの
を防ぐために、軸受冷却用の第２のヒートパイプ冷却機
構を設けたものである。なお、図１におけるモータ側の
軸受６についても同様の第２ヒートパイプ冷却機構が設
けられるが、これについては省略する。

【００２７】図３において、ねじ軸４に形成されている
軸穴１０は、軸受５の取付位置で段部１５を介して拡径
し、軸穴１０と同軸の段付き穴１６に連続するようにな
っている。この段付き穴１６は、軸受５と接する領域全
体をカバーしてねじ軸４の端面まで延びている。

【００２８】ねじ軸４の開口端面４ａには、軸受用の第
２の放熱管１８が気密に接合されている。放熱管１８
は、放熱管１２と同じように、同心円状に張り出した放
熱フィン１３が形成されている。放熱管１８の内径部に
は、同軸に円筒部１９が一体に形成されており、この円
筒部１９の先端部は、前記段部１５に気密に接合されて
いる。放熱管１８の内径は、ねじ軸４の段付き穴１６の
内径と同一である。段付き穴１６の内周面は放熱管１８
の内周面に連続し、円筒部１９の外周面との間に、冷却
用の液体が封入されるアニューラー状の空間部が形成さ
れている。ウィック２０は、このアニュラー空間の最外
周に配置され、冷却媒体用の液体は、ウィック２０の内
側に封入されるようになっている。

【００２９】なお、この実施形態では、ねじ軸４の全長
に亘って挿着されているウィック１１は、円筒部１９を
挿通して先端部が突き出しており、ねじ軸用のヒートパ
イプ冷却機構の放熱管１４の内径部１４ａには、ウィッ
ク１１の突出した部分が嵌合している。この放熱管１４
は、軸受用の放熱管１９の端面部１８ａに気密に接合
し、同軸２段構造となっている。

【００３０】次に、以上のように構成される第２実施形
態の作用について説明する。軸受５は、ねじ軸４のヒー
トパイプ冷却機構を構成する蒸発部と凝縮部の中間に位
置するため、軸受５の発熱により軸受５の温度上昇がナ
ット３の摺動する範囲Ｓのねじ軸４の本体よりも大きい
と、温度勾配のバランスがくずれて、放熱管１２の凝縮
部で液化した媒体がねじ軸４の蒸発部に達する前に軸受
部で蒸発してしまい、効率の良い熱輸送の阻害要因とな
る。

【００３１】しかしながら、上記のように、軸受５の取
付位置には、ねじ軸４と同心円状に軸受５の温度上昇を
防止するヒートパイプ冷却機構が形成され、段付き穴１
６を蒸発部、放熱管１８を凝縮部として、軸受５で発生
した熱は、放熱管１８の放熱フィン１３から空気中に放
出される。このため、送り運動の間は、軸受の温度上昇
が防止されるため、ねじ軸４の本体側におけるヒートパ
イプ冷却機構の熱輸送作用の効率低下を確実に防止する
ことが可能となる。

【００３２】第３実施形態次に、図４は、本発明の第３
実施形態による工作機械の送り装置のねじ軸端部の断面
図である。この第３実施形態では、ねじ軸４のヒートパ
イプ冷却機構の凝縮部から蒸発部へ液体を還流させるウ
ィック１１の還流能力を遠心力で増強する構造を取り入
れた実施の形態である。

【００３３】ウィック１１は、その内部組織と液体との
間に発生する表面張力を利用して、放熱管１２で凝縮し
た液体をねじ軸４内部の蒸発部へと還流させる。ヒート
パイプ冷却機構の熱輸送能力は、液体の還流速度に比例
するので、この還流速度を大きくすれば、熱輸送をより
促進することが可能となる。

【００３４】そこで、図４に示すように、放熱管１２の
内径穴１２ａは、軸穴１０に向かって径が漸増する傾斜
をもったテーパ穴２４に連続し、さらに、このテーパ穴
２４は、軸穴１０に連続するようになっている。

【００３５】ねじ軸４が回転すると、そのときの遠心力
は、放熱管１２で凝縮した液体に作用し、半径方向外方
に力を及ぼす。テーパ穴２４は、軸穴１０に向かって径
が漸増するテーパをもっているため、放熱管１２で凝縮
しウィック１１の表面張力の作用下にある液体は、軸穴
１０への移送が遠心力を受けて促進されるので、ヒート
パイプの熱輸送能力を高めることが可能となる。なお、
テーパ穴２４の替りに、軸穴１０に向かって段階的に径
の小さくなる段つ付き穴としても、同様に還流速度を高
めることができる。

【００３６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、ねじ軸を冷却する機構に機械的な可動部分を
なくし、メンテナンスフリーで安定した冷却性能を維持
することができる上に、設置スペースを全くとらずにね
じ軸に冷却機構を組み込むことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による工作機械の送り装置の一実施形態
を示す断面図。

【図２】同工作機械の送り装置のねじ軸端部の断面図。

【図３】本発明の第２実施形態による工作機械の送り装
置のねじ軸端部の断面図。

【図４】本発明の第３実施形態による工作機械の送り装
置のねじ軸端部の断面図。

【図５】従来の工作機械の送り装置の横断面図である。

【符号の説明】

２ 移動体 ３ ナット ４ ねじ軸 ５ スラスト軸受 ６ スラスト軸受 ７ モータ １０ 軸穴 １１ ウィック １２ 放熱管 １３ 放熱フィン １４ 放熱管 １６ 段付き穴 １８ 放熱管 ２０ ウィック ２４ テーパ穴

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ねじ軸と、前記ねじ軸に螺合するナットと
   からなるボールねじ機構により移動体に直線運動を与え
   る工作機械の送り装置において、 前記ねじ軸中心の軸方向にあけた孔に冷却媒体用の液体
   を封入し、前記ねじ軸を前記ナットが摺動する範囲を蒸
   発部とし、前記ねじ軸の端部を凝縮部とするヒートパイ
   プ冷却機構を当該ねじ軸に形成したことを特徴とする工
   作機械の送り装置。
2. 【請求項２】前記ヒートパイプ冷却機構は、前記蒸発部
   における冷却媒体用の液体が封入される空間を形成し前
   記ねじ軸の中心で軸方向に延びる軸穴と、前記軸穴に挿
   着され前記蒸発部で凝縮した液体を前記蒸発部に還流さ
   せるウィックと、前記ねじ軸の端部に取り付けられ、前
   記蒸発部を構成する放熱管と、からなることを特徴とす
   る請求項１に記載の工作機械の送り装置。
3. 【請求項３】前記ねじ軸を支持する軸受部に、前記軸穴
   と同心の第２の蒸発部を形成するとともに、第２の凝縮
   部を設け、軸受冷却用の第２のヒートパイプ冷却機構を
   形成したことを特徴とする請求項１に記載の工作機械の
   送り装置。
4. 【請求項４】前記蒸発部で凝縮した液体の蒸発部への還
   流を遠心力の作用により促進する還流促進手段をさらに
   備えることを特徴とする請求項２または３に記載の工作
   機械の送り装置。
5. 【請求項５】前記還流促進手段は、放熱管の内径部から
   軸穴に連続し当該軸穴に向かって径が漸増するテーパ穴
   からなることを特徴とする請求項４に記載の工作機械の
   送り装置。