JP2014073555A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 加工機械で用いられる作動流体を少ないエネルギで冷却する。
【解決手段】 冷却装置は、冷却水が流れる第１流路と、冷媒が流れる第２流路と、第１流路に冷却水が流れる状態と流れない状態とに切り替える第１の切換え手段と、第２流路に冷媒が流れる状態と流れない状態とに切り替える第２の切換え手段と、第１の切換え手段と第２の切換え手段を制御するコントローラを有している。コントローラは、第１の切換え手段を作動させて第１流路に冷却水が流れる状態として、冷却水と作動流体とを熱交換させる第１制御モードと、第２の切換え手段を作動させて第２流路に冷媒が流れる状態として、冷媒と作動流体とを熱交換させる第２制御モードと、を少なくとも実行可能となっている。
【選択図】図２

Description

本明細書に開示の技術は、ワークを加工する加工機械（例えば、工作機械、プレス加工機等）に用いられる作動流体（例えば、冷却水、切削液、作動油等）を冷却する冷却装置に関する。

加工機械を作動させると部分的に発熱し、その発熱部位を冷却する必要が生じる場合がある。例えば、ワークをプレス加工するプレス加工機では、金型を冷却するために、金型に冷却水等の作動流体を供給し、金型の冷却が行われる。あるいは、ワークを切削加工する工作機械では、冷却水、切削液、作動油等の作動流体を工作機械に供給し、工作機械の冷却が行われる。例えば、特許文献１に開示された工作機械では、工作機械の発熱部に潤滑油兼用の冷却液（作動流体の一種）が供給される。工作機械の発熱部を冷却して昇温した冷却液はタンクに戻される。タンクに戻された冷却液は、冷却装置によって冷却される。冷却された冷却液は、再び、工作機械の発熱部に供給され、発熱部の冷却に使用される。以下、冷却液を循環させることで、工作機械の発熱部の冷却が行われる。

特開２０１１−１３６３７３号公報

特許文献１の技術では、作動流体を冷却するために冷却装置は、コンプレッサにより冷媒を循環させ、その循環する冷媒と作動流体とを熱交換させ、これによって作動流体を冷却する。作動流体を冷却するためにはコンプレッサを駆動しなければならず、そのための動力（エネルギ）が常に必要となる。本明細書は、加工機械に用いられる作動流体を少ないエネルギで冷却することができる冷却装置を提供する。

本明細書に開示する冷却装置は、加工機械で用いられる作動流体を冷却する。この冷却装置は、冷却水が流れる第１流路と、第１流路から分岐された第１分岐流路と、冷媒が流れる第２流路と、第１流路に冷却水が流れる状態と流れない状態とに切り替える第１の切換え手段と、第２流路に冷媒が流れる状態と流れない状態とに切り替える第２の切換え手段と、第１分岐流路に冷却水が流れる状態と流れない状態とに切り替える第３の切換え手段と、第１分岐流路を流れる冷却水と第２流路を流れる冷媒とを熱交換させる熱交換部と、第１の切換え手段と第２の切換え手段と第３の切換え手段を制御するコントローラと、を有している。コントローラは、第１の切換え手段により第１流路に冷却水が流れる状態とし、第２の切換え手段により第２流路に冷媒が流れない状態とし、かつ、第３の切換え手段により第１分岐流路に冷却水が流れない状態として、第１流路を流れる冷却水と作動流体とを熱交換させて作動流体を冷却する第１制御モードと、第１の切換え手段により第１流路に冷却水が流れない状態とし、第２の切換え手段により第２流路に冷媒が流れる状態とし、かつ、第３の切換え手段により第１分岐流路に冷却水が流れる状態として、熱交換部において冷媒と冷却水とを熱交換させて冷媒を冷却する一方で、第２流路を流れる冷媒と作動流体とを熱交換させて作動流体を冷却する第２制御モードと、を少なくとも実行可能となっている。

この冷却装置では、冷却水を用いて作動流体を冷却する第１制御モードと、冷媒を用いて作動流体を冷却する第２制御モードを有している。冷却水を用いて作動流体を冷却する第１制御モードでは、工場内の配管から冷却水を容易に得ることができる一方で、冷却能力の調整は難しい。一方、冷媒を用いて作動流体を冷却する第２制御モードでは、冷媒を循環させるための動力が必要となる一方で、冷却能力の調整を容易に行うことができる。この冷却装置では、加工機械の熱負荷や環境温度に応じて、第１制御モードと第２制御モードを切換えることで、冷媒を循環させるための動力を不要とする期間ができ、少ないエネルギで作動流体を適切に冷却することができる。また、第２制御モードにおいては、冷媒の冷却に冷却水を用いるため、冷媒を冷却する際に生じる熱が工場内に排出されることが防止される。このため、工場内の温度が上昇することを抑制することができる。

工場内に設置された工作機械と冷却装置と工場内の冷却水配管との関係を模式的に示す図。 冷却装置の構成を模式的に示す図。

以下に説明する実施例の主要な特徴を列記しておく。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。

（特徴１） 本明細書が開示する冷却装置では、コントローラは、第１の切換え手段により第１流路に冷却水が流れる状態とし、第２の切換え手段により第２流路に冷媒が流れる状態とし、かつ、第３の切換え手段により第１分岐流路に冷却水が流れる状態として、熱交換部において冷媒と冷却水とを熱交換させて冷媒を冷却する一方で、第１流路を流れる冷却水と作動流体、及び。第２流路を流れる冷媒と作動流体とを熱交換させて作動流体を冷却する第３制御モードがさらに実行可能となっていてもよい。このような構成によると、加工機械の熱負荷に応じてより適切に作動流体を冷却することができる。

（特徴２） 本明細書が開示する冷却装置では、作動流体の温度を計測する温度センサをさらに有していてもよい。コントローラは、温度センサで測定される温度が所定値以下のときは第１制御モードとし、温度センサで測定される温度が所定値を超えると第２制御モードとしてもよい。このような構成によると、加工機械の熱負荷に応じて、第１制御モードと第２制御モードを適切に切換えることができる。

実施例に係る冷却装置１０について、図面を参照して説明する。図１に示すように、冷却装置１０は、工場内に設置された工作機械１２に隣接して配置されると共に、屋外に設置された冷却塔３４に水配管３０，３２を介して接続されている。

工作機械１２は、ワークを加工して部品形状とするための機械であり、例えば、ワークに切削加工を行う切削機械等が挙げられる。工作機械１２と冷却装置１０とは、供給流路１４及びリターン流路１６で接続されている。冷却装置１０で冷却された作動流体（例えば、切削液、作動油等）は、供給流路１４を通って工作機械１２に供給される。工作機械１２に供給された作動流体は、工作機械１２の加熱部位（例えば、工作機械１２の主軸を支持する軸受部等）を冷却する。加熱部位を冷却することで温度が上昇した作動流体は、リターン流路１６を通って冷却装置１０に戻される。リターン流路１６から戻された作動流体は、冷却装置１０によって冷却され、再び工作機械１２に供給される。

水配管３０には、冷却塔３４で冷却された冷却水が流れる。水配管３０からは供給配管１８が分岐しており、供給配管１８の末端は冷却装置１０に接続されている。したがって、水配管３０に流れる冷却水は、供給配管１８を通って冷却装置１０に供給される。供給配管１８には、供給配管１８内を流れる冷却水の温度を計測する温度計２２と、供給配管１８内を流れる冷却水から異物を除去するストレーナ２４が設けられている。供給配管１８に温度計２２を設けることで、作業者は供給配管１８内を流れる冷却水の温度を確認することができる。

また、冷却装置１０は、リターン配管２０により水配管３２に接続されている。すなわち、冷却装置１０から排出される冷却水（水温が上昇した冷却水）は、リターン配管２０を通って水配管３２に流れる。水配管３２に流れた冷却水は、水配管３２を通って冷却塔３４に戻され、冷却塔３４で冷却される。なお、リターン配管２０には、流量計２８と温度計２６が配設されている。このため、作業者は、リターン配管２０を流れる冷却水の流量と温度を確認することができる。

次に、図２を参照して、冷却装置１０の構成を詳細に説明する。図２に示すように、冷却装置１０は、作動流体を貯留するタンク４０と、タンク４０内の作動流体を冷却する本体部３８と、本体部３８を制御するコントローラ８２を有している。タンク４０にはリターン流路１６が接続されている。工作機械１０からリターン流路１６に流れた作動流体は、タンク４０内に戻され、貯留される。タンク４０内に貯留される作動流体は、ポンプ４２により供給流路１４に吐出される。これによって、供給流路１４より工作機械１０に作動流体が供給される。なお、タンク４０内には温度センサ４１が配置されている。温度センサ４１は、タンク４０内に貯留されている作動流体の温度を検出する。温度センサ４１で検出された作動流体の温度は、コントローラ８２に入力される。

本体部３８は、冷却水により作動流体の冷却を行う第１冷却器４４と、冷媒により作動流体の冷却を行う第２冷却器６０を備えている。第１冷却器４４は、流入配管４４と、熱交換部４８と、流出配管５０を有している。流入配管４４の一端７６には、供給配管１８が接続されている。流入配管４４の他端には熱交換部４８の流入端が接続されている。このため、供給配管１８から供給される冷却水は、流入配管４４を流れて熱交換部４８に供給される。熱交換部４８は、冷却水が流れる配管を螺旋状に成形したものであり、タンク４０内の作動流体中に浸漬されている。このため、熱交換部４８を流れる冷却水と、タンク４０内に貯留されている作動流体とが熱交換し、タンク４０内の作動流体が冷却される。熱交換部４８の流出端には、流出配管５０の一端が接続されている。流出配管５０の他端７８は、リターン配管２０に接続されている。したがって、熱交換部４８から流出する冷却水は、流出配管５０を通ってリターン配管２０に流れる。流出配管５０には、制御弁５２が配されている。制御弁５２を開くと、流入配管４４、熱交換部４８及び流出配管５０に冷却水が流れる状態となる。一方、制御弁５２を閉じると、流入配管４４、熱交換部４８及び流出配管５０に冷却水が流れない状態となる。制御弁５２の開閉は、コントローラ８２によって行われる。

なお、流入配管４４には、バイパス配管５４の一端が接続されており、バイパス配管５４の他端は流出配管５０に接続されている。バイパス配管５４には、後述する凝縮器５８と制御弁５６が配されている。制御弁５６を開くと、バイパス配管５４を冷却水が流れる状態となる。一方、制御弁５６を閉じると、バイパス配管５４を冷却水が流れない状態となる。制御弁５６の開閉は、コントローラ８２によって行われる。なお、バイパス配管５４の他端は、制御弁５２が配された位置よりも下流側で流出配管５０に接続される。このため、制御弁５２が閉じた状態でも、制御弁５６を開くことで、バイパス流路５４に冷却水が流れる状態とすることができる。

第２冷却器６０は、コンプレッサ６２と、凝縮器５８と、膨張弁（又はキャピラリー等）７０と、熱交換部６６と、レシーバタンク６４とを有している。これら各部６２，６４，６６，７０，５８は、配管６８によって接続されている。コンプレッサ６２は、冷媒を圧縮する圧縮機であり、コントローラ８２により制御される。コントローラ８２がコンプレッサ６２をオンすると、コンプレッサ６２によって圧縮された冷媒が配管６８内を循環する。コントローラ８２がコンプレッサ６２をオフすると、配管６８内の冷媒の流れが停止する。コンプレッサ６２で圧縮された冷媒は、高温高圧の気体となり、凝縮器５８に送られる。凝縮器５８は、冷却水が流れる冷却水流路５５（バイパス配管５４の一部）と、冷媒が流れる冷媒流路７２とを備えている。このため、凝縮器５８に送られた冷媒は、冷却水流路５５を流れる冷却水と熱交換して冷却される。凝縮器５８で冷却された冷媒は、膨張弁７０において減圧され、熱交換部６６に送られる。熱交換部６６は、冷媒が流れる配管を螺旋状に成形したものであり、タンク４０内の作動流体中に浸漬されている。このため、熱交換部６６を流れる冷媒と、タンク４０内に貯留されている作動流体とが熱交換し、タンク４０内の作動流体が冷却される。熱交換部６６で熱交換を行った冷媒は、レシーバタンク６４に貯留される。レシーバタンク６４に貯留された冷媒は、再びコンプレッサ６２によって圧縮され、配管６８内を循環する。

なお、本体部３８は、タンク４０内に貯留されている作動流体を攪拌するための攪拌羽根８０と、攪拌羽根８０を駆動するモータ７４をさらに備えている。モータ７４は、コントローラ８２によってオン／オフ制御される。モータ７４がオンすると、攪拌羽根８０が回転する。これによって、タンク４０内の作動流体が攪拌され、タンク４０内の作動流体の温度が均一化する。

コントローラ８２は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を備えたコンピュータによって構成されている。コントローラ８２には、温度センサ４１と、制御弁５２，５６と、コンプレッサ６２と、モータ７４とが接続されている。コントローラ８２は、温度センサ４１で検出されるタンク４０内の作動流体の温度に基づいて、制御弁５２，５６のオン／オフ制御、並びに、コンプレッサ６２のオン／オフ制御を行う。また、コントローラ８２は、モータ７４を駆動して攪拌羽根８０を回転させる制御を行う。

次に、上述した冷却装置１０の動作について説明する。冷却装置１０では、温度センサ４１で検出される温度（タンク４０内に貯留されている作動流体の温度）に応じて、コントローラ８２が制御モードを切替る。すなわち、（１）温度センサ４１で検出される温度が第１設定値未満のときは、冷却水及び冷媒による作動流体の冷却を行わず、（２）温度センサ４１で検出される温度が第１設定値以上で、かつ、第２設定値（＞第１設定値）未満のときは、冷却水による作動流体の冷却を行い、（３）温度センサ４１で検出される温度が第２設定値以上のときは、冷媒による作動流体の冷却を行う。以下、上記（１）〜（３）の各場合について説明する。

（１）温度センサ４１で検出される作動流体の温度が第１設定値未満の場合
コントローラ８２は、制御弁５２，５６をオフすると共に、コンプレッサ６２をオフする。これによって、第１冷却器４４内で冷却水が循環せず、また、第２冷却器６０内でも冷媒が循環しない。このため、タンク４０内の作動流体が冷却されることはなく、工作機械１２の発熱に応じて作動流体の温度が上昇することとなる。

（２）温度センサ４１で検出される作動流体の温度が第１設定値以上で第２設定値未満の場合
コントローラ８２は、コンプレッサ６２をオフすると共に、制御弁５２をオンして流出配管５０を開く一方で、制御弁５６をオフしてバイパス配管５４を閉じる。これによって、供給配管１８からの冷却水は、流入配管４４→熱交換部４８→流出配管５０と流れ、リターン配管２０に排出される。このため、タンク４０内の作動流体は、熱交換部４８を流れる冷却水によって冷却される。なお、コントローラ８２は、コンプレッサ６２をオフしているため、冷媒が第２冷却器６０内を流れることはない。このため、タンク４０内の作動流体は、冷却水のみによって冷却される。

（３）温度センサ４１で検出される作動流体の温度が第２設定値以上の場合
コントローラ８２は、コンプレッサ６２をオンすると共に、制御弁５２をオフして流出配管５０を閉じる一方で、制御弁５６をオンしてバイパス配管５４を開く。これによって、第２冷却器６０内を冷媒が流れると共に、バイパス配管５４を冷却水が流れる。このため、第２冷却器６０内を流れる冷媒によってタンク４０内の作動流体が冷却され、また、第２冷却器６０内を流れる冷媒がバイパス配管５４を流れる冷却水によって冷却される。この際、コンプレッサ６２の出力はコントローラ８２によって制御され、作動流体の温度に応じて冷却能力が調整される。

以上に説明したように、本実施例の冷却装置１０では、工作機械１２で使用される作動流体の温度に応じて、冷却水により作動流体を冷却する制御モードと、冷媒により作動流体を冷却する制御モードとに切換える。このため、工作機械１２の熱負荷に応じて、冷却装置１０の冷却能力を適切に切換えることができる。また、冷媒により作動流体を冷却する時間が短くなるため、コンプレッサ６２を駆動する時間を短くすることができる。その結果、冷却装置１０の省電力化を図ることができ、また、コンプレッサ６２の長寿命化を図ることができる。

また、第２冷却器６０の冷媒の冷却（凝縮器５８における冷却）は、バイパス配管５４を流れる冷却水によって行われるため、冷媒を大気で冷却した時に生じる熱風が工場内に排気されることを防止することができる。その結果、工場内の空調設備の稼働時間を減らすことができ、省エネルギを図ることができる。

最後に、上述した実施例と請求項との対応関係を説明しておく。第１冷却器４４の各流路が「第１流路」の一例であり、第２冷却器６０の各流路が「第２流路」の一例であり、制御弁５２が「第１の切換え手段」の一例であり、コンプレッサ６２が「第２の切換え手段」の一例であり、バイパス配管５４が「第１分岐流路」の一例であり、制御弁５６が「第３の切換え手段」の一例であり、凝縮器５８が「冷却水と冷媒とを熱交換させる熱交換部」の一例である。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。

例えば、上述した実施例では、作動流体を冷却水により冷却する制御モードと、作動流体を冷媒により冷却する制御モードに切り換えるようにしたが、作動流体を冷却水と冷媒の両者により冷却する制御モードを備えていてもよい。このような制御モードを備えることで、より緻密に作動流体の冷却を行うことができる。

また、上述した実施例では、工作機械に用いられる作動流体を冷却する冷却装置であったが、本明細書に開示の冷却装置は、その他の用途にも用いることができる。例えば、プレス加工機械の発熱部（例えば、金型）を冷却する作動流体を冷却するために用いることができる。

さらに、上述した実施例において、冷媒によって作動流体を冷却する態様は、種々の態様を採ることができる。例えば、冷媒が流れるメイン流路を分岐し、分岐した分岐流路を冷媒が流れることを可能とし、分岐流路を流れる冷媒で作動流体を冷却可能としてもよい。例えば、大きな冷却能力が必要なときは、メイン流路と分岐流路の両者に冷媒を流し、これら２つの流路を流れる冷媒によって作動流体を冷却してもよい。一方、小さな冷却能力で充分な場合は、メイン流路を冷媒が流れない状態とする一方で分岐流路を冷媒が流れる状態とし、分岐流路を流れる冷媒によって作動流体を冷却してもよい。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：冷却装置
１２：工作機械
４０：タンク
４４：第１冷却器
６０：第２冷却器

Claims (4)

1. 加工機械で用いられる作動流体を冷却する冷却装置であり、
   冷却水が流れる第１流路と、
   第１流路から分岐された第１分岐流路と、
   冷媒が流れる第２流路と、
   第１流路に冷却水が流れる状態と流れない状態とに切り替える第１の切換え手段と、
   第２流路に冷媒が流れる状態と流れない状態とに切り替える第２の切換え手段と、
   第１分岐流路に冷却水が流れる状態と流れない状態とに切り替える第３の切換え手段と、
   第１分岐流路を流れる冷却水と第２流路を流れる冷媒とを熱交換させる熱交換部と、
   第１の切換え手段と第２の切換え手段と第３の切換え手段を制御するコントローラと、を有しており、
   コントローラは、
   第１の切換え手段により第１流路に冷却水が流れる状態とし、第２の切換え手段により第２流路に冷媒が流れない状態とし、かつ、第３の切換え手段により第１分岐流路に冷却水が流れない状態として、第１流路を流れる冷却水と作動流体とを熱交換させて作動流体を冷却する第１制御モードと、
   第１の切換え手段により第１流路に冷却水が流れない状態とし、第２の切換え手段により第２流路に冷媒が流れる状態とし、かつ、第３の切換え手段により第１分岐流路に冷却水が流れる状態として、熱交換部において冷媒と冷却水とを熱交換させて冷媒を冷却する一方で、第２流路を流れる冷媒と作動流体とを熱交換させて作動流体を冷却する第２制御モードと、
   を少なくとも実行可能となっている、冷却装置。
2. コントローラは、
   第１の切換え手段により第１流路に冷却水が流れる状態とし、第２の切換え手段により第２流路に冷媒が流れる状態とし、かつ、第３の切換え手段により第１分岐流路に冷却水が流れる状態として、熱交換部において冷媒と冷却水とを熱交換させて冷媒を冷却する一方で、第１流路を流れる冷却水と作動流体、及び、第２流路を流れる冷媒と作動流体とを熱交換させて作動流体を冷却する第３制御モードがさらに実行可能となっている、請求項１に記載の冷却装置。
3. 作動流体の温度を計測する温度センサをさらに有しており、
   コントローラは、温度センサで測定される温度が所定値以下のときは第１制御モードとし、温度センサで測定される温度が所定値を超えると第２制御モードとする、請求項１又は２に記載の冷却装置。
4. 作動流体の温度を計測する温度センサをさらに有しており、
   コントローラは、温度センサで測定される温度が所定値以下のときは第１制御モードとし、温度センサで測定される温度が所定値を超えると第２制御モード又は第３制御モードとする、請求項２に記載の冷却装置。
   

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