JP2004322295A - 凍結チャック用冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】凍結チャック冷却システムにおいて、冷凍装置を利用して冷水を作る際、凝縮器で発生する熱により室内温度が上昇せずに電力負荷が増大しない凍結チャック冷却システムを提供する。
【解決手段】工場の排熱や、化石燃料の燃焼熱で駆動する吸着式の冷凍装置２００を用いて冷水を作り、この冷水をポンプ９，パイプ７，８を介して加工物１に乗せている冷却台４の流路５内へ導入して冷却台４を冷却し加工物１と冷却台４間の凍結剤３を凍結し、加工物１を固定する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は平面研削盤やターレット盤等の各種工作機械において、加工物（ワーク）をテーブルに固定する際の加工物の固定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種工作機械において加工物をテーブルに固定する方法としては、▲１▼機械的チャックにより直接加工物を固定する方法、▲２▼電磁石を用いて加工物を固定する方法、▲３▼真空発生機を利用して負圧を作り、加工物を吸着する方法、▲４▼接着剤を用いてテーブルに加工物を固定する方法がある。▲５▼また最近では、テーブルと加工物との間に凍結性液体を介在させ、この凍結性液体を冷凍装置を用いて冷却して加工物をテーブルに固定する方法がある。
【０００３】
【発明が解決しょうとする課題】
上記▲１▼の方法は薄肉の加工物の固定が困難であり、また加工物に傷がつく、▲２▼の方法は磁性体でない加工物の固定はできない、▲３▼の方法は加工物の固着面の平面度が不十分な場合には固定が困難である。▲４▼の方法は、接着剤で加工物とテーブルを固定し、その後加工終了後において接着剤をはがして加工物を取る作業が煩わしいものとなる。さらに▲５▼の方法は電動式圧縮機を用いた冷凍装置が必要であり、この電動式圧縮機を駆動するため電力が必要である。最近の現場では、電力使用量が増加しているため、十分な冷却力が発生できない場合がある。特に夏場の昼間においては、冷力が不足して冷却用のテーブルに加工物が固定できないことがある。冷凍装置としてペルチエ素子を用いたものもあるが、同様の課題をかかえている。本願はこの▲５▼の課題を解決することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記▲５▼課題を解決する方法として、排熱や化石燃料の燃焼熱を利用してシリカゲル、ゼオライト等の吸着剤を再生・乾燥し、これと蒸発性の冷媒を組合わせた吸着式の冷凍装置により冷熱を発生させて、この冷熱により加工物と冷却台間に介在させた凍結剤を凍結させて加工物を冷却台に固定する。
【０００５】
加工物を冷却台からはずす手段としては、基本的には冷却台を加熱すればよいが、冷却台にヒーターを設けて、これに電力を入力したのでは電力使用量が増加し、本目的を達成しない。このため前記排熱や燃焼熱の一部を熱媒体（水や不凍液）を用いて輸送して冷却台に導入して冷却台を所望の温度以上に加熱し、前記凍結剤を融解して加工物を冷却台からはずす。この排熱や燃焼熱を、いかにして熱媒体に伝えて、どのように冷却台に導入するか、及び前述の加工物を冷却している冷媒回路と、どのようにしてうまくこの熱媒体の導入回路を切替えるかのサイクル構成が本発明の要点であるが、これについては実施例のところで詳述する。
【０００６】
また凍結剤として何を用いるかが重要な事項となる。これには使用する凍結剤が凍結させ易い凍結点にあるか否かという点と、加工物用の潤滑剤（クーラント）との相溶性等によって選定する。凍結剤としては、凍結点が０℃の水でもよいが、凍結点が低く、冷凍装置に負担がかかる。エチレングリコールやポリエチレングリコールを水に混合して融点を０℃以上に高めたものでもよいが、冷却、加熱のサイクル中に空気中の湿気がこの混合凍結剤に入り込んで、次第に濃度を低下させ、その凍結点を変えたものにする恐れがある。このため水に不溶なパラフインやシリコンワックス等のように水に不溶性で、かつその凍結点が１０℃以上に調整したものが好ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下本発明の凍結チャック用冷却システムの実施の形態を、図を用いて詳細に説明する。
【０００８】
図１は本発明の一実施例の構成図である。本発明の主要構成は、加工物１，工具２，凍結剤３，冷却台４，台（冷却台４と一体化してもよい）６から成る冷却部１００と、吸着容器２３，２４，蒸発器２０，凝縮器２１，それらを循環路を構成するように連結したパイプ等から成る冷凍装置２００から成っている。
【０００９】
冷却部１００は台６上に、流路５が設けてある冷却台４が搭載されていて、この上に凍結剤３を介して加工物１が乗せられている。この加工物１は工具２（回転刃、研削砥石、バフ等）によって切削・研磨されるため冷却台４に、しつかりと固定する必要がある。このため凍結剤３をその凍結点以下に冷却して凍結させることにより、加工物１を冷却台４に凍結固着する。凍結剤３を凍結させるためには、凍結剤３の凍結点以下に冷却する必要があり、このために冷却台４を、本発明では、排熱や化石燃料の燃焼熱等によって駆動する吸着式の冷凍装置２００によって冷却する。
【００１０】
吸着式冷凍装置２００は、吸着剤２５の入っている第１吸着容器２３，吸着剤２６の入っている第２吸着容器２４、冷媒２２の入っている蒸発器２０，凝縮器２１，及びそれらを循環路を構成するように連結したパイプ２７，２８、２９，３０，３１から構成されている。この吸着式冷凍装置２００は、吸着剤２５，２６を加熱冷却して、蒸発器２０内の冷媒２２を蒸発させて冷媒２２を低温度に冷却させることができる。冷媒２２としては塩化カルシウム水溶液、塩化マグネシウム水溶液、塩化ナトリウム水溶液、エチレングリコール水溶液、プロピレングリコール水溶液等が用いられ、これらを用いることにより０℃〜―３０℃程度の低温度の冷熱が発生できる。
【００１１】
この冷熱の発生方法は以下のような詳細なプロセスによって行われる。第１吸着容器２３内の吸着剤２５が再生過程の間は、第２吸着容器２４内の吸着剤２６は吸着過程の状態にあり、吸着剤２５は加熱源３７によって加熱され、一方吸着剤２６は冷却源３８によって冷却される。この場合パイプ２７部のバルブ３２とパイプ３０部のバルブ３５を開き、パイプ２８部のバルブ３３とパイプ２９部のバルブ３４は閉じておく。
【００１２】
加熱源３７としては排熱や化石燃料の燃焼熱が用いられる。この熱を第１吸着容器２５内の吸着剤２５部に輸送する方法としては、たとえば加熱源３７内に設けた熱交換器（図示せず）内に熱媒体（水や不凍液など）を導入して所望の温度（通常１００℃以上）に加熱した後、この熱媒体をポンプ３９によってパイプ４３，４４に連なる第１吸着容器２３内の熱交換器４１内へ導入して吸着剤２５を加熱再生する。熱媒体はポンプ３９によって、パイプ４４，熱交換器４１，パイプ４３を通って、再び加熱源３７内の熱交換器内へ入り、加熱される。
【００１３】
第１吸着容器２３内の吸着剤２５が加熱され、これにより発生した蒸気は、バルブ３２を介しパイプ２７を通って、凝縮器２１内へ導入され、ここで冷却されて凝縮し液化する。この凝縮熱は、熱交換器４７に伝わり、ポンプ４８，パイプ４９，５０を介して、熱交換器４７内へ導入される熱媒体（水や不凍液など）に伝わり、冷却器５１にて大気に放熱される。冷却器５１部には必要に応じてファン５２を設け放熱効果を高めることができる。
【００１４】
一方冷却源３８としては、空冷や水冷方式によって最終的には大気に吸着剤２６から発生する熱を放熱するものである。水冷の場合は、大気への放熱用熱交換器（図示せず）を用い、この熱交換器にポンプ４０，パイプ４５，４６を介して熱媒体（水や不凍液など）を導入して冷却する。つまり第２吸着容器２４内の吸着剤２６の発生する熱は熱交換器４２を介して熱媒体に伝わる。これにより温度上昇した熱媒体はパイプ４６，ポンプ４０，冷却源３８用の熱交換器（図示せず）、パイプ４５を通って再び熱交換器４２内へ戻り、吸着剤２６を冷却する。
【００１５】
このように第２吸着容器２４内の吸着剤２６を冷却すると、吸着剤２６の吸着能力が著しく高まり、蒸発器２０内の冷媒２２（水やＣａＣｌ２水溶液など）の蒸発が活発となり、冷媒２２の蒸気はバルブ３５，パイプ３０を通って吸着剤２６に吸着される。これにより蒸発器２０内の冷媒２２は低温度に冷却される。このような蒸発作用によって、蒸発器２０内の冷媒２２の量が減少するが、凝縮器２１内の冷媒２２をバルブ３６を開くことにより、パイプ３１を介して蒸発器２０内へ導入することにより補給をする。
【００１６】
第１吸着容器２３内の吸着剤２５の再生が終了し、一方第２吸着容器２４内の吸着剤２６の吸着能力が飽和したなら、第１吸着容器２３と第２吸着容器２４の役目を全く逆転する。このためパイプ２７部のバルブ３２とパイプ３０部のバルブ３５を閉じ、パイプ２８部のバルブ３３とパイプ２９部のバルブ３４を開く。また今までの加熱源３７を冷却源とし、一方今までの冷却源３８を加熱源として作用させる。このためには今までの加熱源３７と冷却源３８とは、図示していないが、バルブで切替えられるようにして、熱媒体の流路を逆転できるようにしておけばよい。このように第１吸着容器２３と第２吸着容器２４とはその機能を交互に逆転することにより、蒸発器２０内の冷媒２２は連続的に冷却されて冷熱を発生することができる。
【００１７】
このようにして蒸発器２０内の冷媒２２が冷却されて発生した冷熱は、蒸発器２０内に設けた熱交換器１０，ポンプ９，パイプ７と８とによって構成された循環路内に封入されている熱媒体（水や不凍液）によって、冷却部１００内の冷却台４の流路５内に供給され、冷却台４を冷却する。これにより凍結剤３（パラフインやシリコンワックスなど）は冷却され、凍結して加工物１は冷却台４に固着される。このような操作によって加工物１は冷却台４にしっかり固定され、工具２を回転して加工物１を加工することが可能となる。工具２によって加工物１を加工した後、冷却台４から加工物１をはずすには、ポンプ９を停止して 冷却台４への冷熱の供給を停止する。その後自然加熱、すなわち大気の熱によって凍結剤３を加熱してそれを融解して加工物１を冷却台４からはずす。この加熱時間を短縮するには、冷却台４部にヒーター（図示せず）を内蔵しておいて、ヒーターに入力をして凍結剤３を加熱して解凍時間を短縮するのがよい。
【００１８】
この実施例において、加熱源（または冷却源）３７，冷却源（または加熱源）３８から発生する排熱、及び冷却器５１からの放熱は室内に廃棄せず室外に放熱するのがよい。
【００１９】
図２は本発明の他の実施例の構成図である。これは凍結剤３の解凍時間を短縮する方法として凝縮器２１で発生する凝縮熱を利用するものである。このためパイプ４９，５０に分岐して、パイプ１３，１４を新たに設け、その他端をパイプ７，８に接続する。このパイプ１３，１４にはそれぞれバルブ１５，１６を設ける。これに対応して冷却器５１に連なるパイプ４９，５０にもバルブ５３，５４を設ける。これらのバルブ１５，１６，５３，５４の開度を調節して、ポンプ４８によって輸送される熱媒体の一部をパイプ１４を通して冷却台４の流路５内に導入した後、パイプ１３を通してパイプ４９に戻す。これにより、冷却台４は加熱され、凍結剤３容易に解凍される。このような操作中には、パイプ７，８にそれぞれ設けたバルブ１１，１２は閉じておく。
【００２０】
図３は本発明の他の実施例の構成図である。これは加熱源３７の発生熱の一部を冷却台４内の流路５部に導入するようにしたものである。このため加熱源３７に連なるパイプ４３、４４に分岐して、パイプ１３，１４をそれぞれ分岐接続する。パイプ４３，４４にはそれぞれバルブ５５，５６を、またパイプ１３，１４にはそれぞれバルブ１５，１６を設ける。これらのバルブ５５，５６，及びバルブ１５，１６の開度を調節して、パイプ４３内の熱媒体をパイプ１３に導入して冷却台４内の流路５に入れて冷却台４を加熱した後、パイプ１４を通してパイプ４４に戻す。このような操作によって冷却台４部の凍結剤３は容易に解凍され、加工物１は冷却台４からはずすことができる。
【００２１】
図４は図２の実施例の変形実施例の構成図である。これは凝縮器２１が、パイプ状の熱交換器２１となっていて、この周りにタンク５５を設け、その内部に熱媒体５６を入れ、この熱媒体５６によってパイプ状の凝縮器２１を冷却するようにしたものである。パイプ４９，５０の端部はタンク５５内の熱媒体５６内に浸漬しておき、ポンプ４８によって熱媒体５６はパイプ５０を介して冷却器５１に導入された後パイプ４９を通ってタンク５５内へ戻される。またバルブ５３，５４，１５，１６の開度を調節してタンク内５５の熱媒体５６をパイプ１４を介して冷却台４内の流路５へ導き、パイプ１３，４９を通してタンク５５内へ戻す。
【００２２】
図５は本発明の他の実施例の構成図である。これは冷凍装置２００が、電動圧縮機７０を利用した断熱膨張式の蓄冷システムから成るものである。この蓄冷システムの冷凍サイクルは、圧縮機７０，凝縮器７１、減圧機構（膨張弁）７３，槽７９内に設けた蛇管状の蒸発器７４，およびそれらを循環路を構成するように連結したパイプ７５，７６，７７，７８，及びそれらの内部に封入した冷媒（フロンなど）によって構成されている。圧縮機７０で断熱圧縮された冷媒の蒸気は凝縮器７１で冷却されて液化する。この冷却効果を高めるために、凝縮器７１部にファン７２を設けて強制空冷する。凝縮器７１内で冷却されて液化した冷媒はパイプ７６を通って減圧機構７３を通る間に断熱膨張して低温度になり、パイプ７７を通って蒸発器７４内へ入り、ここで蒸発しながら槽７９内の液体（水など）８０を冷却する。一方蒸発した蒸気はパイプ７８を介して圧縮機７０に戻される。水の顕熱型蓄熱の場合にはプラス１℃程度まで冷却して蓄冷する。蓄熱容量を高めるためには減圧機構（膨張弁）７３を調節して冷媒の蒸発温度をー７℃程度に下げ、液体８０をマイナス温度に冷却する。液体８０が水の場合には０℃にて蒸発器７４の周りは結晶が生じ、この氷の凝固潜熱により大容量の蓄冷が行える。このように槽７９内に蓄冷された液体８０は、ポンプ９，パイプ８を介して冷却台４内の流路５へ導入されてパイプ７から、再び槽７９内へ戻される。このような操作によって冷却台４上の凍結剤３は冷却されて固化する。これによって加工物１は冷却台４に、しっかりと固定される。
【００２３】
凝縮器７１が現場の室内に設置されていると、凝縮熱は室内に放熱され、夏場においては室内の温度上昇が著しく高まり、空調負荷が高まるという難点がある。このため冷凍装置２００は壁９０を境として室外９２側、冷却部１００は室内９１側に設けると省エネルギー効果が著しく高まる。更に夜間電力を利用して槽７９の液体８０に蓄冷すると負荷平準化が行なえ一層の効果が生ずる。このような大容量の蓄熱式の槽７９を本凍結チャック用冷却システムに組合わせることにより、加工物１のサイズの変化、及びこれに伴う工具２のサイズの変化により熱負荷が変わる場合にも、容易に冷却容量を調節して対応することができる。またこのような大容量の蓄熱方式の利用により、圧縮機７０の容量を小さくでき、もって電力供給量の削減も図れるようになる。
【００２４】
このような凍結チャック用冷却システムは、室内の空調と併用して利用すると総合熱効率が一層高まる。つまり図示はしないが、槽７９内の液体８０を、ポンプとパイプを用いて室内のファンコイルユニットに導入して空調に利用するとともに、冷却台４にも液体８０を導入してそれを冷却するシステムにすればよい。この際図５のポンプ９を一台とし、パイプ７，８に別個の２本のパイプを分岐接続してファンコイルユニットに接続すると、システム全体がコンパクトになる。
【００２５】
冷却台４上の凍結剤３の解凍方法は、自然放冷のほか、冷却台４にヒーターを内蔵し、これに入力をする方法でもよく、凝縮器７１にて発生する高温排熱を利用してもよい。この方法としては凝縮器７１に連なるパイプ７５またはパイプ７６に別個のパイプを分岐接続してこのパイプを冷却台４の一部に取付けて他端をパイプ７５または７６に戻すという方法を採ればよい。つまり冷凍サイクルの一部を直接冷却台４に接続して、その排熱を利用するものであり、この場合には冷凍サイクルの凝縮温度が下がり、サイクル効率が高まる。もちろん冷却台４の加熱する時間帯は一時的であるので、新しく設ける分岐接続の冷媒用パイプには電磁弁等のバルブを設け、冷媒の流れを止めることが必要である。またこのような方式として間接熱交換方式とし、別個の熱交換器をパイプ７５または７６の一部に設けるか、あるいは凝縮器７１の一部に設け、ポンプとパイプを用い熱媒体（水または不凍液）を冷却台４の流路５内へ導入して冷却台４を加熱した後、再び前記熱交換器に戻すという方法を採ってもよい。
【００２６】
図６は図５の実施例の変形実施例の構成図である。これは冷凍装置２００としてダイナミック型の氷蓄熱システムを利用して、冷水の取出し温度を低温度のものにして冷却台４の冷却効率を高めるようにしたものである。つまり凍結剤３の凍結時間を短縮するのに効果があるものである。このシステムでは蒸発器７４が垂直状の複数枚の伝熱板から成り、この伝熱板の内部に冷媒の通る流路が設けてあるものを利用する。このような伝熱板はステンレス、銅、アルミニウム等でできている。この伝熱板を槽７９の液体８０の上部に複数枚設け、この伝熱板７４の外面に、散水機構８５から槽７９内の液体８０をポンプ８２、パイプ８３，８４を利用して汲み上げて散水する。この散水は伝熱板７４の外面を流下液膜状に流下する間に固体（氷）８１となり、伝熱板７４の外面には時間とともにこの固体（氷）８１が厚く結晶する。この固体（氷）８１をはぎとるには凝縮器７１を出た後の温度の高い冷媒の保有する熱を利用する。このためパイプ７６に分岐してパイプ８２を設け、このパイプ８２にバルブ８４を設ける。一方パイプ７６にも図示の位置にバルブ８３を設ける。バルブ８３を閉め、バルブ８４を開くと凝縮器７１内の温度の高い冷媒はパイプ８２を通って蒸発器７４内へ入り、これにより伝熱板７４は加熱されて、その外面の個体（氷）８１の一部が融解し、伝熱板７４から離脱し槽７９内に落下する。液体８０の液面上に個体（氷）８１が落下する時の衝撃によって個体（氷）８１は砕氷化された固体８１−ａとなる。槽７９内の液体８０に浮遊する固体８１−ａの数が多く、全体の解氷面積が大きいため、ポンプ９を駆動してパイプ８から冷却台４の流路５に液体８０を導入してパイプ７から槽７９に戻す時の解氷効率が著しく高い。このため固体８１−ａが氷の場合は、２℃以下の冷水を冷却台４に供給することができ、凍結剤３の凍結時間を著しく短縮することができる。この図６の実施例において、凍結剤３の解凍方法は図５にて記載したものと同様のものを利用することができる。
【００２７】
また図５、図６の実施例で、冷凍装置２００を屋外９２に設けて屋内９１のファンコイルユニットに冷水を供給しながら空調に利用すると同時に、この凍結チャック用の冷却部１００に冷水を分配して併用利用すると、システムとしての総合効率は一層高まることは言うまでもない。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、工場の電力の使用量を増大させることなく、効率よく凍結チャック用の冷却台を冷却できるようになった。また冷却台の負荷に追従できる熱供給ができるようになった。また極めて低温度の冷水を提供することにより、冷却台上の凍結剤の凍結時間を短縮して作業効率を著しく高めることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の構成図
【図２】本発明の他の実施例の構成図
【図３】図２の変形実施例の構成図
【図４】図２の変形実施例の構成図
【図５】本発明の他の実施例の構成図
【図６】図５の変形実施例の構成図
【符号の説明】
１・・・・・・加工物
２・・・・・・工具
３・・・・・・凍結剤
４・・・・・・冷却台
５・・・・・・流路
６・・・・・・台
７、８・・・・パイプ
９・・・・・・ポンプ
１０・・・・・熱交換器
１１、１２・・バルブ
１３，１４・・パイプ
１５，１６・・バルブ
２０・・・・・蒸発器
２１・・・・・凝縮器
２２・・・・・冷媒
２３・・・・・第１吸着容器
２４・・・・・第２吸着容器
２５、２６・・吸着剤
２７，２８，２９，３０，３１・・・パイプ
３２，３３，３４，３５，３６・・・バルブ
３７・・・・・加熱源（または冷却源）
３８・・・・・冷却源（または加熱源）
３９，４０・・ポンプ
４１，４２・・熱交換器
４３，４４，４５，４６・・・・・・パイプ
４７・・・・・熱交換器
４８・・・・・ポンプ
４９，５０・・パイプ
５１・・・・・冷却器
５２・・・・・ファン
５３，５４・・バルブ
５５・・・・・タンク
５６・・・・・熱媒体
７０・・・・・圧縮機
７１・・・・・凝縮器
７２・・・・・ファン
７３・・・・・減圧機構（膨張弁）
７４・・・・・蒸発器（伝熱板）
７５，７６，７７，７８・・・・・・・パイプ
７９・・・・・槽
８０・・・・・液体（水）
８１・・・・・固体（氷）
８１−ａ・・・ 固体（氷）
８２・・・・・ポンプ
８３・・・・・入口パイプ
８４・・・・・出口パイプ
８５・・・・・散水機構
９０・・・・・壁
９１・・・・・室内
９２・・・・・室外
１００・・・・冷却部
２００・・・・冷凍装置

Claims (5)

1. 加工物を凍結剤を介して冷却台に取付け、この冷却台を冷却する手段として、吸着剤と冷媒を利用して冷熱を発生させることのできる吸着式冷凍装置で発生する冷熱を利用するとともに、吸着剤の再生熱源は化石燃料の燃焼熱または排熱を利用することを特徴とした凍結チャック用冷却システム。
2. 請求項１に記載の凍結チャック冷却システムにおいて、加工物と冷却台との間の凍結剤を解凍する手段として、大気の保有熱あるいは吸着剤を再生するための加熱源の熱、あるいは吸着剤の吸着熱、あるいは吸着剤の再生時の凝縮熱を利用することを特徴とした凍結チャック用冷却システム。
3. 加工物を凍結剤を介して冷却台に取付け、この冷却台を冷却する手段として、圧縮機、蒸発器、凝縮器、減圧機構、それらを密閉循環ループを構成するように連結するパイプ、この密閉循環路内に封入した冷媒からなる冷凍装置により、別個に設けた槽内の液体を冷却し、この槽内の液体を冷却し、この槽内の液体に貯えた冷熱を上記冷却手段として利用することを特徴とした凍結チャック用冷却システム。
4. 請求項３に記載の圧縮機を駆動する電力として深夜電力を利用することを特徴とした凍結チャック用冷却システム。
5. 請求項３及び請求項４に記載の凍結チャック用冷却システムにおいて、槽内の液体を凍結することにより大容量の冷熱を貯蔵するようにした凍結チャック用冷却システム。

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