JP3083364U

JP3083364U - 高速放熱装置

Info

Publication number: JP3083364U
Application number: JP2001004593U
Authority: JP
Inventors: 燦輝張; 日榮許
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2000-10-05
Filing date: 2001-07-12
Publication date: 2002-01-25
Anticipated expiration: 2007-07-12
Also published as: TW549375U; US6373158B1

Abstract

(57)【要約】【課題】主軸の放熱効率を増加でき、ベアリングの焼
損を防止できる高速放熱装置を提供する。【解決手段】外力の駆動により回転される主軸１０
と、主軸１０に所定の間隔で設けられているベアリング
１１、１２、１３および１４とを備える。間隔リング１
５、１６、１７および１８は主軸１０に嵌合され、ベア
リング１１、１２、１３および１４の間に配置されてい
る。外筒体１９は、主軸１０、ベアリング１１、１２、
１３および１４および間隔リング１５、１６、１７およ
び１８を収容している。間隔リング１５、１６、１７お
よび１８には複数のフイン３０が設けられている。した
がって、間隔リング１５、１６、１７および１８の放熱
面積は増加され、主軸１０の放熱効率が向上している。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【考案の属する技術分野】

本考案は、高速放熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

加工精度の要求が高まっている。高精度な主軸の製造の困難さが高速化に伴うボトルネックとなっている。主軸は回転されると、極めて大きな熱功率を生じる。熱功率の主要ソースは下記の３種である。１．駆動モータから生じる熱のソース。２．ベアリングが圧力および摩擦を受け、形成される熱のソース。３．ベアリングおよび間隔リングの熱膨脹が均一ではないため、相互に押しつめられ、熱の応力が形成され、摩擦力が増加され、形成される熱のソース。

【０００３】前述の３種の熱のソースを分析すると、図１に示すように、主軸の剛性および精度を向上するため、ベアリングに圧力が加えられる。ベアリングに圧力が加えられると、主軸で発生する熱量は増加する。また、モータは熱量を有するため、ベアリングおよび間隔リングは熱により膨脹する。このため、主軸ヘッドのずれおよび伸長が発生する。加工の精度を向上するため、さらに、ベアリングには圧力が加えられる。しかしながら、前述の循環が繰り返されると、主軸の温度が増加するため、ベアリングの焼損の恐れがある。

【０００４】

【考案が解決しようとする課題】

上述の原因で発生される熱を除去する方法が重要な研究課題である。従来より、熱を除去する方式は、主軸に水のジャケットが設置されている方式、軸心に切削液または高圧空気が噴射され、主軸が冷却される方式、変化可能な圧力機構方式または潤滑方式の４種の方式である。しかしながら、従来の冷却方式は下記の欠点を有する。

【０００５】１．主軸に水のジャケットが設けられている冷却方式：主軸の外部だけが冷却され、軸心の部分は冷却されない。冷凍マシンのコストが高く、効率が悪い。また、水温を制御し難く、水質処理が困難である。２．軸心に切削液または高圧空気が噴射される冷却方式：設計および組み立てが困難であり、シャフトの空間が制限されているため、配管の設計が困難である。また、高速回転のコンネクターの設計も困難である。さらに、シャフトが高速で回転されるため、冷却効果を得るためには冷却の流体は高圧でなければならない。したがって、大きなエネルギーが必要であり、コンプレーサーまたはポンプが必要である。

【０００６】３．変化可能な圧力機構方式：ベアリングのアウターリングに応じ設計され、ベアリングの回転速度により圧力が調整される。構造の設計が困難であり、コストが高い。４．潤滑方式：ベアリングは潤滑されるが、高速回転されると、４０℃以上の温度が発生するため、冷却システムが必要である。そこで、本考案の目的は、主軸の放熱効率を増加し、ベアリングの焼損を防止する高速放熱装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

本考案請求項記載の高速放熱装置によると、外力の駆動により回転される主軸と、主軸に所定の間隔で設けられている複数のベアリングとを備える。間隔リングは主軸に嵌合され、ベアリングの間に配置されている。外筒体は、主軸、ベアリングおよび間隔リングを収容している。間隔リングには複数のフイン（fin）が凹凸形状で設けられている。したがって、間隔リングの放熱面積は増加され、主軸の放熱効率が向上している。

【０００８】

【考案の実施の形態】

以下、本考案の実施の形態を図面に基づいて説明する。図２に示すように、本考案の一実施例による高速放熱装置によると、主軸１０はツールマシンまたはＤＶＤ−ＲＯＭなどの高精度が必要である。主軸１０はモータ２０の作動で回転される。高速放熱装置は、ベアリング１１、ベアリング１２、ベアリング１３およびベアリング１４を有する。ベアリング１１、ベアリング１２、ベアリング１３およびベアリング１４のインナーリング１１１、インナーリング１２１、インナーリング１３１およびインナーリング１４１は緊密に主軸１０に嵌合されている。ベアリング１１、ベアリング１２、ベアリング１３およびベアリング１４の間には間隔リング１５、間隔リング１６、間隔リング１７および間隔リング１８が設けられている。間隔リング１５、間隔リング１６、間隔リング１７および間隔リング１８によりベアリング１１、ベアリング１２、ベアリング１３およびベアリング１４は固定され、位置決定されるため、主軸１０は高精度の加工および位置移動が可能である。外筒体１９は主軸１０の外周に嵌合されている。外筒体１９の内側面には、ベアリング１１、ベアリング１２、ベアリング１３およびベアリング１４のアウターリング１１２、アウターリング１２２、アウターリング１３２およびアウターリング１４２が接触している。

【０００９】ベアリング１１、ベアリング１２、ベアリング１３、ベアリング１４、間隔リング１５、間隔リング１６、間隔リング１７、間隔リング１８、外筒体１９、モータ２０のローター２１およびモータ２０の外殻体２３の外側面には、複数のフイン（fin）３０が配置されている。図３および図４に示すように、間隔リング１６にはフイン（fin）３０が配置されている。フイン（fin）３０は光のエーチング技術（ＬＩＧＡ）で形成されているマイクロフインであり、アクリル材料を光り抵抗としている。Ｘ光の照射後、６０％のエチルアルコール、２０％の四水素化合物、５％のアミノ酸エチルアルコールおよび１５％の水から形成されているエーチング液体により、マイクロフインの形状が成型されている。図６に示すように、電気鋳物加工により薄片状のマイクロフイン３０が形成されている。図７および図８に示すように、薄片状のマイクロフイン３０は正多辺形の間隔リング１５に応用されている。図７に示すように、間隔リング１５は正多辺形である。図８に示すように、間隔リング１５の周辺には粘着剤で薄片状のマイクロフイン３０が貼り付けられている。光のエーチング技術（ＬＩＧＡ）の使用によりコンポネットは構造の破壊が防止され、放熱面積が増加され、熱の交換効率が増加している。フイン３０の広さと深さの比が５であり、図９に示すように、マイクロフイン３０のサイズが１×１×５であるとき、マイクロフイン３０の放熱可能な総面積は４×（１×５）＋（１×１）＝２１である。つまり、放熱面積は２１倍に増加され、熱のソースのコンポネット（間隔リング１５、間隔リング１６、間隔リング１７、間隔リング１８、ベアリング１１、ベアリング１２、ベアリング１３、ベアリング１４およびモータ２０）の放熱面積は大幅に増加される。同様に、外筒体１９およびモータ２０の外殻体２３はフインによりコンポネットの放熱面積が増加され、内部のコンポネット（間隔リング１５、間隔リング１６、間隔リング１７、間隔リング１８、ベアリング１１、ベアリング１２、ベアリング１３、ベアリング１４およびモータ２０）から発生される熱のエネルギーは迅速に外部に放散され、内外の熱の平衡状態が形成される。

【００１０】モータ２０のローター２１のフイン３０は、ローター２１が回転しているとき、フイン３０のマイクロファン（micro-fan）作用により放熱効率が向上される。熱の分散効率が向上される理由を下記に示す。熱が発熱コンポネットの外側に伝導されると、熱の対流により熱は外部の空気に伝導される。熱の対流原理により空気の流速も熱の対流効率に影響する。図５に示すように、モータ２０のローター２１が回転すると、フイン３０によりマイクロファン（micro-fan）作用が形成され、モータ２０のローター２１とステーター２２との間の空気は迅速に流動される。このため（図５の矢印方向は気流の方向を示す）、モータ２０のローター２１から発生される熱は対流により除去される。

【００１１】間隔リング１５、間隔リング１６および間隔リング１７の両端はベアリング１１、ベアリング１２、ベアリング１３およびベアリング１４のインナーリング１１１、インナーリング１２１、インナーリング１３１およびインナーリング１４１に接触している。このため、間隔リング１５、間隔リング１６および間隔リング１７は主軸１０とともに回転される。間隔リング１５、間隔リング１６および間隔リング１７のフインはファンの効果を有し、熱対流効率が向上されている。

【００１２】ベアリング１１、ベアリング１２、ベアリング１３およびベアリング１４のアウターリング１１２、アウターリング１２２、アウターリング１３２およびアウターリング１４２の表面と、間隔リング１５、間隔リング１６、間隔リング１７および間隔リング１８の内側面と、モータ２０のローター２１とは、塗布、イオン植入またはスパターリング技術により銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、銅−ベリリウムの合金（Ｃｕ−Ｂｅ）など（熱の伝導率がスチールの５倍）の高熱の伝導効率の材料（図面に示せず）が設けられている。このため、コンポネットの熱伝導率は増加され、放熱の効率が向上されている。

【００１３】本実施例は、冷却装置を設ける必要がなく、装置のコンポネットの特性により放熱の効率が向上されている。また、放熱面積の拡大（発熱コンポネットにフイン１０が設置されている）、熱の対流効率の向上（回転可能なフイン３０によりファンの現象が発生する）および材料の熱伝導率の向上（発熱コンポネットに単層の高熱伝導率材料が設置されている）などの放熱原理が使用されているため、主軸１０は大きな放熱効果を有し、精度を向上でき、使用寿命を延長できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の高速放熱装置の使用方法を示すブロック
図である。

【図２】本考案の一実施例による高速放熱装置を示す模
式図である。

【図３】本考案の一実施例による高速放熱装置の間隔リ
ングおよびフインを示す模式図である。

【図４】本考案の一実施例による高速放熱装置の間隔リ
ングおよびフインを示す模式図である。

【図５】本考案の一実施例による高速放熱装置のステー
ターおよびフインを示す模式図である。

【図６】本考案の一実施例による高速放熱装置のフイン
を示す模式図である。

【図７】本考案の一実施例による高速放熱装置の間隔リ
ングを示す模式図である。

【図８】本考案の一実施例による高速放熱装置の間隔リ
ングおよびフインを示す模式図である。

【図９】本考案の一実施例による高速放熱装置のフイン
を示す模式図である。

【符号の説明】

１０主軸１１ベアリング１２ベアリング１３ベアリング１４ベアリング１５間隔リング１６間隔リング１７間隔リング１８間隔リング１９外筒体２０モータ２１ローター２２ステーター２３外殻体３０フイン

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】外力の駆動により回転される主軸と、前記主軸に所定の間隔で設けられている複数のベアリン
グと、前記主軸に嵌合され、前記ベアリングの間に配置されて
いる複数の間隔リングと、前記主軸、前記ベアリングおよび前記間隔リングを収容
している外筒体とを備え、前記間隔リングには複数の第１フインが凹凸形状で設け
られ、前記間隔リングの放熱面積は増加され、前記主軸
の放熱効率は向上されていることを特徴とする高速放熱
装置。
【請求項２】前記ベアリングには、複数の第２フイン
が設けられていることを特徴とする請求項１記載の高速
放熱装置。
【請求項３】前記外筒体には、複数の第３フインが設
けられていることを特徴とする請求項１記載の高速放熱
装置。
【請求項４】モータをさらに備え、前記モータは前記
主軸を作動し、回転させ、前記モータはローター、ステ
ーターおよび外殻体を有し、前記ローターには複数の第
４フインが設けられていることを特徴とする請求項１記
載の高速放熱装置。
【請求項５】前記外殻体には、複数の第５フインが設
けられていることを特徴とする請求項４記載の高速放熱
装置。
【請求項６】前記ステーターには、複数の第６フイン
が設けられていることを特徴とする請求項４記載の高速
放熱装置。
【請求項７】前記第１フイン、前記第２フイン、前記
第３フイン、前記第４フイン、前記第５フインおよび前
記第６フインは、光のエーチング技術で形成されている
マイクロフインであることを特徴とする請求項１から６
のいずれか一項記載の高速放熱装置。
【請求項８】前記間隔リングは、前記主軸とともに回
転されるため、前記第１フインがファンの作用を有し、
熱の対流効率が向上されていることを特徴とする請求項
１記載の高速放熱装置。
【請求項９】前記間隔リングには、単層の高熱伝導率
の材料が設けられていることを特徴とする請求項１記載
の高速放熱装置。
【請求項１０】前記ベアリングには、単層の高熱伝導
率の材料が設けられていることを特徴とする請求項１記
載の高速放熱装置。
【請求項１１】前記ローターの外部には、単層の高熱
伝導率の材料が設けられていることを特徴とする請求項
４記載の高速放熱装置。
【請求項１２】前記高熱伝導率の材料は、塗布、イオ
ン植入またはスパターリングにより所定の位置に植入さ
れていることを特徴とする請求項９から１１のいずれか
一項記載の高速放熱装置。
【請求項１３】前記高熱伝導効率の材料は、銀（Ａ
ｇ）、銅（Ｃｕ）または銅−ベリリウムの合金（Ｃｕ−
Ｂｅ）などであることを特徴とする請求項９から１１の
いずれか一項記載の高速放熱装置。