JP3974578B2

JP3974578B2 - 製造機械用の線形作動式低温流体接続部（ｌａｃｃ）

Info

Publication number: JP3974578B2
Application number: JP2003537868A
Authority: JP
Inventors: ズレッキ，ズビッグニュー; ブルーススワン，ロバート; エルスワースジュニアクノール，ロバート; ティー．ザボーイ，ウィリアム
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 2001-10-22
Filing date: 2002-10-10
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2022-10-10
Also published as: US7290397B2; DE60239883D1; TWI221794B; KR100566736B1; ATE507026T1; KR20040047952A; CN1607991A; JP2005507060A; WO2003035322A1; CN100548569C; EP1438157A1; US20040237542A1; WO2003035322A9; EP1438157B1

Description

本発明は、製造機械の切削および他の作業のための工具に対して冷却剤(coolant)を供給する機械工具冷却方法およびシステム、特に、タレット（turret）などの機械構成要素に取付けられた低温冷却手段に対して低温流体(cryogenic fluid)の供給源を接続もしくは接続解除するシステムおよび方法に関する。

本明細書中で用いられる、“製造機械(manufacturing machine)”という表現には、垂直および水平タレットプレートを備えた垂直および水平タレット旋盤、自動工具交換システムを備えた垂直および水平フライス盤、および、それらの関連製品などの機械工具(machine tool)と、単一もしくは多重砥石輪式研削盤、単一もしくは多重スピンドル式ボール盤、および同様の垂直マシニングセンタと、パンチプレス、溶射システム、溶接システム、レーザ式の切断、溶接および表面仕上げシステムなどの、自動工具交換器を有する他の機械とが含まれるが、これに限定されることはない。

環境性、生産性およびコスト削減の強い要望により、製造業界は優れた工具冷却方法およびシステムを求め続けている。最近の１０年間における研究開発努力により、不活性の圧縮低温流体を冷却剤として使用した場合、冷却剤に対する送給システムおよび流体流ライン接続システムが、既存の機械工具と、工具を保持する関連移動構成要素とに対して完全に一体化されるのであれば、幾つかの利益がもたらされることが明らかにされてきた。故に、製造業界においては、このような接続システムに対する要望が存在する。

従来の冷却剤接続システムは長年にわたり用いられており、種々の形式の低温コネクタもしくは継手が存在する。しかし、最新式の製造機械、特にコンピュータ式数値制御器(CNC)により制御される機械に対して機能的に完全な低温流体冷却剤接続システムは存在しない。

タレット旋盤上に取付けられた工具に対する冷却剤送給システムの例は、米国特許第6,179,692号明細書(Hara)、第5,265,505号明細書(Frechette)および第5,862,833号明細書(Perez)に開示されている。しかし、これらの特許において従来の冷却剤通路がタレットプレートおよびタレット・キャリッジを貫通して経路設定される様式、および、接続解除可能な通路がシールされる様式は、以下の理由により低温流体冷却剤の場合には不適切である：(1)タレットプレートが熱的に収縮することから、製造される部品の寸法精度が影響を受け、(2)タレットおよび支持用機械構成要素は作業の間に結霜することで、腐食がもたらされ、(3)接続部は漏出もしくは固着を引き起こし、システム動作不良もしくは障害がもたらされ、且つ、(4)特定の機械動作に割当てられた時間の観点において、周囲温度(たとえば室温)から低温流体の温度まで通路をクールダウンするのに必要な時間が不当に長い。

種々の形式の即時解除式低温継手の例は、WO9708486号明細書(Jepp)、および、米国特許第6,145,322号明細書(Odashima)および第5,762,381号明細書(Vogel)に開示されている。しかし、以下に説明されるように、これらの低温継手は、技術的および経済的に相当の問題、困難性および不都合があり、機械工具用途で使用されることはできない。

Jeppにより開示されたような共軸的で真空断熱された接続パイプの形態、および、ネジ運動によりパイプをシールする手法においては、不当に長い接続時間、スペースおよびコストの問題、ならびに、必要とされる自動アクチュエータの複雑さが原因で、このシステムは機械工具に対して使用できない。

Odashimaにより開示された形態は、２つの自己対立逆止弁（self-opposing check valve）と継手通路の開口とを相互に対して把持することで、これらの構成要素により、接続解除状態にあるライン出口の自動閉鎖を実現している。端面シール組立体および逆止弁には、継手と係合するために所定の軸力が付与されることが必要となる。かくして、この形態には、低温流体により湿潤される多数の複雑な摩耗性の(もしくは消耗する可能性がある)部品が備えられ、且つ、これらの部品の全体表面積および重量は、特定の機械動作に割当てられた時間の観点において、室温から低温流体の温度までのクールダウン時間を不当に長くする。実際、この形式の継手は、機械工具の場合に必要とされる作動式接続部に対しては使用できない。

Vogelにより開示された形態もまた、このような自動接続に対して使用できない、と言うのも、そのシール動作は、（１）ラインの２つの端部の軸心方向シールおよび（２）径方向の即時接続挟持を必要とすることから、機械工具用の後付けシステムにおいてコスト性に優れた単純な線形アクチュエータよりも相当に複雑で高価な作動デバイスを要するからである。

先行技術の困難性および不都合を克服して更に良好で更に好適な結果をもたらすべく、(たとえばタレットなどの)移動可能な機械構成要素上に取付けられ且つ低温流体供給源から離間された低温冷却手段に対して低温流体供給源を接続もしくは接続解除する装置および方法が望まれている。

本発明は、所定の部材上に取付けられ且つ低温流体供給源から離間された低温冷却手段に対して低温流体供給源を接続もしくは接続解除する装置および方法である。本発明の別の態様は、このような装置を少なくとも１つ有する機械である。

本装置の第１実施例は、プランジャ、ソケットおよび作動手段を有する。プランジャは、第1熱膨張率を有する第1材料により少なくとも部分的に作られる。プランジャは、低温流体供給源と流体連通する取入口と、この取入口と流体連通する吐出口と、外周縁部とを有する。ソケットは、第2熱膨張率を有する第2材料により少なくとも部分的に作られる。ソケットは、低温冷却手段と流体連通する第1ポートと、この第1ポートと流体連通し且つプランジャの外周縁部を受容しうる内周縁部を有する第2ポートとを有する。第2ポートの内周縁部およびプランジャの外周縁部は実質的に幾何学形状が相似である。作動手段はプランジャの吐出口をソケットの第2ポートに挿入しまたはそれから引き抜くものであり、第1熱膨張率と上記第2熱膨張率との間の差によりプランジャの外周縁部と第2ポートの内周縁部との間のシールは向上される。

本装置の第１実施例には幾つかの変形例がある。ひとつの変形例において、シールが液密となる以前に低温流体の流れの先頭部分はソケットから周囲雰囲気へと放出される。別の変形例において、低温流体の流れが吐出口を通り流れるときにシールが更に向上される。

本装置の第１実施例の別の変形例において、第1熱膨張率は第2熱膨張率よりも小さい。別の変形例において、第1材料は金属製である。更に別の変形例において、第2材料はポリマ製である。

本装置の第１実施例には更に別の変形例がある。一つの変形例において、作動手段はプランジャをソケットに向けて移動させる。別の変形例において、作動手段はソケットをプランジャに向けて移動させる。更に別の変形例において、作動手段は低温流体の一部により少なくとも部分的に作動される。

本装置の第１実施例の別の変形例において、所定の部材は移動可能である。別の変形例において、移動可能な部材は機械構成要素である。別の変更例においては、可動機械構成要素はタレットである。

本装置の第１実施例の別の変形例において、作動手段は、自動化され、且つ、プランジャの吐出口をソケットの第2ポートに自動的に挿入しまたはそれから引き抜くことができる。別の変形例においては、作動手段はコンピュータ式数値制御器により作動される。

別の実施例は、移動可能な機械構成要素上に取付けられ且つ低温流体供給源から離間された低温冷却手段に対して低温流体供給源を接続する装置である。この実施例は、プランジャ、ソケットおよび自動化作動手段を有する。プランジャは、第1熱膨張率を有する金属により少なくとも部分的に作られる。プランジャは、低温流体供給源と流体連通する取入口と、この取入口と流体連通する吐出口と、外周縁部とを有する。ソケットは、第1熱膨張率より大きな第2熱膨張率を有するポリマにより少なくとも部分的に作られる。ソケットは、低温冷却手段と流体連通する第1ポートと、この第1ポートと流体連通し且つプランジャの外周縁部を受容しうる内周縁部を有する第2ポートとを有する。第2ポートの内周縁部およびプランジャの外周縁部は実質的に幾何学形状が相似である。自動化作動手段はプランジャの吐出口をソケットの第2ポートに自動的に挿入するものであり、第1熱膨張率と第2熱膨張率との間の差によりプランジャの外周縁部と第2ポートの内周縁部との間のシールは向上され、且つ、シールが液密となる以前にプランジャからの低温流体の流れの先頭部分はソケットから周囲雰囲気へと放出される。

本発明の別の態様は、本装置の任意の実施例または本装置の実施例の任意の変形例における装置を少なくとも１つ有する機械である。

所定の部材上に取付けられ且つ低温流体供給源から離間された低温冷却手段に対して低温流体供給源を接続する方法の第１実施例は、複数の段階を含む。第1段階は、第1熱膨張率を有する第1材料により少なくとも部分的に作られたプランジャであって、低温流体供給源と流体連通する取入口と、この取入口と流体連通する吐出口と、外周縁部とを有するプランジャを配備する段階である。第2段階は、第2熱膨張率を有する第2材料により少なくとも部分的に作られたソケットであって、冷却手段と流体連通する第1ポートと、この第1ポートと流体連通し且つプランジャの外周縁部を受容しうる内周縁部を有する第2ポートとを有するソケットを配備する段階である。第2ポートの内周縁部およびプランジャの外周縁部は実質的に幾何学形状が相似である。第3段階は、プランジャの吐出口をソケットの第2ポートに挿入する作動手段であって、第1熱膨張率と上記第2熱膨張率との間の差によりプランジャの外周縁部と第2ポートの内周縁部との間のシールが向上される作動手段を配備する段階である。第4段階は、作動手段を作動させることでプランジャの吐出口をソケットの第2ポート内に挿入する段階である。

本方法の第２実施例は第１実施例と類似するが、低温流体の流れをプランジャの取入口内に且つ吐出口を通して流すことでシールを更に向上する追加の段階を含む。

本方法の第３実施例は第１実施例と類似するが、シールが液密となる以前に低温流体の一部を周囲雰囲気へと放出する追加の段階を含む。

別の実施例は、移動可能な機械構成要素上に取付けられ且つ低温流体供給源から離間された低温冷却手段に対して低温流体供給源を接続する方法であり、この方法は複数の段階を含む。第1段階は、第1熱膨張率を有する金属により少なくとも部分的に作られたプランジャであって、低温流体供給源と流体連通する取入口と、この取入口と流体連通する吐出口と、外周縁部とを有するプランジャを配備する段階である。第2段階は、第1熱膨張率より大きな第2熱膨張率を有するポリマにより少なくとも部分的に作られたソケットであって、低温冷却手段と流体連通する第1ポートと、この第1ポートと流体連通し且つプランジャの外周縁部を受容しうる内周縁部を有する第2ポートとを有し、第2ポートの内周縁部およびプランジャの外周縁部は実質的に幾何学形状が相似であるソケットを配備する段階である。第3段階は、プランジャの吐出口をソケットの第2ポートに自動的に挿入する自動化作動手段であって、第1熱膨張率と第2熱膨張率との間の差によりプランジャの外周縁部と第2ポートの内周縁部との間のシールが向上される自動化作動手段を配備する段階である。第4段階は、作動手段を作動させることでプランジャの吐出口をソケットの第2ポート内に挿入し、シールが液密となる以前にプランジャからの低温流体の流れの先頭部分はソケットから周囲雰囲気へと放出される段階である。第5段階は、低温流体の流れをプランジャの取入口内に且つ吐出口を通して流すことでシールを更に向上する段階である。

本発明が添付図面を参照して例示的に記述される。

本発明は、低温流体と共に用いられる特殊シール機構を有する線形作動式のソケット／プランジャ接続部(socket/plunger connection)であり、このタイプの接続部を製造機械に設置するシステムを包含する。本発明はまた、低温流体供給源を低温冷却手段に接続することで、たとえば被削材の切削などの製造作業に関与する旋回および割出し機械に取付けられた工具の効率的な冷却を行う方法である。純粋な低温流体に加えて、本発明は凍結剤(cryogen)および他の(たとえばオイルなどの)流体物の混合物から成る冷却剤と共に用いられうる。

図１から図７は本発明の種々の実施例を示している。これらの実施例の各々は、以下において説明される。

図１は、線形作動式ソケット／プランジャ接続部20の基本構成要素、すなわち、所定の外径(OD)を有する金属製プランジャ22、所定の内径(ID)を有するポリマ製ソケット24、および、線形アクチュエータ26を示している。ソケットは、タレットプレート28上に、または、(図示しない)工具を保持し且つ(図示しない)キャリッジに取付けられた他の割出し可能な機械部材上に(ネジ式接続もしくは他の接続手段を用いて)取付けられる。上記に替えて、ソケットは、タレットプレートに取付けられた(図示しない)工具アダプタまたは(図示しない)工具ホルダ上に取付けられても良い。アクチュエータは、ボルト30または他の留め具によりタレット・キャリッジ上に取付けられる。アクチュエータに接続されるプランジャは、アクチュエータによりソケットに向けて移動されてソケットに挿入される。プランジャは金属製Ｔ字状接続部32により、(図示しない)供給源からの低温流体をプランジャに送出する取入管32に接続される。可撓性の取入管は(たとえば波形状（corrugated）もしくはベローズなどの)金属製とされるか、または、(たとえばPTFEまたはその誘導体などの)フッ素樹脂から作られる。低温流体は取入管34から、プランジャ／ソケット接続部を介して堅固な金属製吐出管へと流れる。吐出管は低温流体を(図示しない)噴出ノズルまたは他の装置に送出することで、(図示しない)切削工具または他の工具を冷却する。低温流体がプランジャ／ソケット接続部に向けて且つこの接続部を介して流れるときに、プランジャの外周縁部とソケットの内周縁部との間にはシールが形成される。このシールが形成される様式は、以下において図８に関連して説明される。図１に示された選択的なスプリング38(圧縮スプリングおよび／または伸張スプリング)は、線形アクチュエータがプランジャをソケットから接続解除するのを支援する。

図１Ａに示された実施例は図１に示された実施例と類似しているが、プランジャ22に対してネジ式接続もしくは他の接続手段により接続された断熱アダプタ・プレート40を有する。好適には(たとえばwww.mcmaster.comから入手可能なG10 Garoliteエポキシ複合材料などの)ポリマ材料から作られるアダプタ・プレートは、対向金属プレート42およびボルト44によりアクチュエータ26に接続される。アダプタ・プレートの目的は、アクチュエータを冷却から保護することである。この実施例において用いられるタイプのアクチュエータは、低温では作動できないものである。

図２に示された実施例においては、線形アクチュエータ26はポリマ製ソケット24を金属製プランジャ22に向けて移動する。金属製プランジャは、ポリマからなる取付け管46によりタレットプレート28(もしくは他の割出し可能な機械部材)に接続される。この実施例において用いられるタイプのアクチュエータは冷却による影響を受けず、または、動作のために低温流体流を必要としても良い。

図３に示された実施例は、ソケット24に対する取入管34の接続を除き、図２に示された実施例と同様である。図２において低温流体はアクチュエータ26のロッドの中心を通り流れるが、図３において低温流体はアクチュエータ26のロッドから直接的に延在するＴ字状接続部32を通り流れる。

図４に示された実施例は図１に示された実施例と類似するが幾つかの追加の特徴を有する。ソケット24に対しては、(図示しない)低温エポキシ(cryo-epoxy)もしくは小寸の止めネジによりポリマ製保持プレート56が取付けられる。ソケットは、PTFEまたはその複合材料もしくは誘導体からなる所定の内径を有する中空の径方向シール48を有する。この交換可能な径方向シール48は、ソケット内に包み込まれる。選択的ではあるが、OD（外径）およびID（内径）負荷用の内部スプリング50が配備される。

図５に示された実施例は、図４に示された実施例の変形例である。この実施例(図５)は、ブラインド・ソケット24と、タレットプレート28をバイパスする径方向吐出管36とを有する。ソケットをタレットプレートに取付けるべく、金属製取付ボルト52が用いられる。

図６は、図４に示された実施例の変形例である。この実施例(図６)は、タレットプレート28に取付けられた(静止的な)プランジャ22とアクチュエータ26のロッドに取付けられた(軸心方向に移動する)ソケット・シールとの方向が逆にされる。この実施例(図６)は中空径方向シール48と充填リング54とを保持する一体片のソケット24を有するが、充填リングはプランジャOD（外径）および他の構成と干渉しない様に十分に大寸のID（内径）を備えることから、低温流体と中空径方向シール48の内部体積との間の直接的な連通が可能とされる。

図７に示された実施例は、図４に示された実施例の別の変形例である。この実施例(図７)は、金属製ソケット24の内側に取付けられた中空ポリマ製の径方向シール48を有する。維持または保持プレート56もまた金属製である。

表１の下に示される設計規則に基づく、表１の形態のマトリクス内には、他の実施例と共に図１から図７に示された各実施例が含まれる。

以下の設計規則が適用される：
・プランジャは、金属、または、好適には300系列もしくは400系列のステンレス鋼である金属状材料からなるが、複合材料も用いられることができる。
・ソケットもしくはソケット・シールは、ポリマ、好適にはテフロン（登録商標）複合材料または超高分子量ポリエチレンからなる。
・プランジャおよびソケット／ソケット・シールは同一軸心上に正確に取付けられねばならない。
・プランジャまたはソケット／ソケット・シールのいずれかは軸心方向に横断するアクチュエータシャフト上に取付けられることができる。
・プランジャまたはソケット／ソケット・シールのいずれかはアクチュエータの軸心に沿い静止的である機械部材上に取付けられることができる。
・低温流体取入口はプランジャ／ソケット軸心内に、または、“Ｔ字状”取入口を用いて軸心に直交して位置決めされることができる。
・低温流体吐出口はプランジャ／ソケット軸心内に、または、径方向吐出口を用いて軸心に直交して位置決めされることができる。
・プランジャの外径の上に中空径方向ソケット・シールが用いられる場合には、ソケット・シールの中空側開口は、シール力の更なる向上のために低温流体の圧力を利用すべく、低温流体の流れ方向と逆方向に向けられる。
・プランジャの外径の上に中空径方向ソケット・シールが用いられる場合には、ソケット・シールの中空側開口は、ソケット・シールの外径に対するシール効果を改善すべく、たとえばコイルスプリングなどの金属製スプリングにより径方向に拡径されることができる。

特定の設備に対する線形作動式低温流体接続部(LACC)形態の選択は、製造機械の固有の特徴、ならびに、接続システム全体を作り上げる時点で利用される材料および(たとえばアクチュエータなどの)構成要素により左右される。構造物の好適な材料には、プランジャに対する300系列のステンレス鋼と、ソケットおよび／またはソケット・シールに対するテフロン（登録商標）誘導体、ベスペル（Vespel）、超高分子量ポリエチレン、または、同様のポリマと、取付けおよび断熱構成要素に対するガロライトG10（Garolite G10）などのエポキシ複合材料とがある。以下の表２は、１気圧にて室温(293K)から液体窒素の沸点(80K)まで急冷する際のこれらの材料の熱収縮の値を列挙している。

各材料間の収縮の差により、個々のLACC構成要素を室温式で連結するという従来方法では固着が引き起こされるか、または、動作の間において圧縮低温流体冷却剤の漏出がもたらされる可能性があることがわかる。この問題に対する解決策は図８に示され且つ以下に説明される。

ソケットおよびプランジャの初期室温での直径は、両構成要素を低温流体の温度まで冷却した後にプランジャの外径(OD)とソケット／ソケット・シールの内径(ID)との間の許容差がゼロまたは僅かだけ負となる如き(“締まり嵌め”)様式で選択される。これにより２つの構成要素間には十分に緊密な径方向嵌合がもたらされ、これは漏出が無い動作に対して必要とされることである。このことはまた、初期室温での許容差は正(“開き嵌合(split fit)”)とされ、すなわち、ソケット／ソケット・シールとプランジャとの間には漏出をもたらす間隙が存在ことを意味する。故に、LACCが連結され且つ低温流体の遠隔供給源により低温流体流が投入されるとき、低温流体の初期部分はソケットとプランジャとの間の間隙から漏出し、これらの２つの構成要素が冷却されたときに(たとえば数秒の)僅かな時間の後に漏出の無いシールが確立される。

この自己調整式の動的シール効果は最初の時点では低温流体に関して浪費的かも知れないが、この効果は実際には非常に望ましい、と言うのもこの効果により、ラインおよびLACCに進入する低温流体の初期温暖部分の短期的な放出が行われるからである。上流ラインを冷却する過程で加熱された低温流体の温暖部分は、LACCおよび下流ライン、各通路、および、製造工具に対して意図された放出ノズルにおける流れ全体を詰まらせ、不当に長い始動時間をもたらす傾向がある。クールダウンの間における低温流体の温暖部分の短期放出により、システム全体の始動(すなわち工具に対する冷たい低温流体の送給)が加速され、且つ、所定製造サイクルの制約内において効率的で迅速な工具冷却動作が可能となる。LACCのこの特徴は、直観的には理解されるものではない。

図８にプロットされた直線は、所定の直径範囲内における２つの構成要素の初期直径と相関するソケット／プランジャ間隙の負のサイズを示している。初期室温にてソケットおよびプランジャのそれぞれの直径が両者ともに6.35mm(0.25インチ)である場合、実際には連結位置において金属製プランジャが、より柔軟なポリマソケット・シールにより収縮されることはないが、液体窒素の温度まで冷却された後でソケットの直径はプランジャの直径よりも0.0762mm(0.0030インチ)だけ小寸となる。２つの構成要素間にもたらされた径方向力により、ソケットからプランジャを引き抜くために必要な軸心方向力、すなわち、接続が不要になったときに接続を解除するために必要な軸心方向力は不当に大きくなる。もしソケットの初期室温における直径がプランジャの初期直径よりも0.0762mm(0.0030インチ)だけ大きければ、両構成要素が完全に冷却されるまで継手は大量の漏出をもたらす。この例において6.35mm(0.25インチ)直径のプランジャに対するソケット・シールの最適な初期直径は、6.3754mm(0.251インチ)から6.4008mm(0.252インチ)の範囲の値から選択されるべきである。種々の初期直径を有するプランジャに対してソケット・シールの直径の最適範囲を選択するために、同一方法が使用される。また、室温では過大寸法であるソケット・シール継手を用いることには、別の重要な利点、すなわち、特に２つの構成要素が不整列状態にある場合における、連結段階の間の２つの構成要素の摩耗および破断が明らかに減少するという利点がある。

本発明によれば、プランジャのOD（外径）はソケットのID（内径）よりも小寸なので整列の問題が最小化され、いかなる問題もなく、プランジャがソケット内に適切に挿入される可能性が大きくなる。結果として、ソケット、プランジャ、およびソケット／プランジャ継手の寿命は顕著に向上する。

以下の表３は、本発明のソケット／プランジャ接続部と共に用いることができる種々のタイプの単一動作および二重動作式の線形アクチュエータを列挙している。

当業者には、本発明に対する作動手段が、それ自体が作動されるタレットプレートもしくはキャリッジにより提供されてもよいことは理解されるであろう。その場合、別体のアクチュエータは不必要となる。

一実施例において単一動作ユニットは、作動されたときに、ソケットおよび／またはプランジャを相互に押圧することで継手を確立する。このような単一動作ユニットには圧縮および／または伸張スプリングが取付けられ、連結運動に対抗して作用し、作動インパルスが除去されると直ちにソケットおよびプランジャを連結解除する。これによりユニットは、作動インパルスに障害が発生した場合の偶発的な損傷から保護される。このタイプの単一動作アクチュエータは、それが設置された製造機械とは別のエネルギー源から作動されることができる。これに対して、二重動作アクチュエータまたは別のタイプの単一動作アクチュエータは、偶発的ないかなるエネルギー障害の場合にも機械の各構成要素の割出し動作を妨げるために、”電気式、気体式または製造機械”のような同一のエネルギー源が用いられなければならない。あるいは、追加の安全連動機構が必要とされ、システム設置が複雑になる。

以下の表４には、内部低温流体圧力とプランジャ直径との所定の範囲に対する、シール継手を維持するために必要な軸心方向力(N[lbf])が示される。

接続部に対して選択されるアクチュエータ機構は少なくとも、作動状態において同一の軸心方向力を及ぼすことで連結解除を防止せねばならない。スプリングにより負荷される単一動作アクチュエータの場合、選択された圧縮および／または伸張スプリングの軸心方向力は低温流体圧力の軸心方向力に付加されるが、このことは、アクチュエータの力が対応して大きくされるべきことを意味する。低温にて径方向ソケット／プランジャ接続部における摩擦に打ち勝つ固有力を有するスプリングが選択されねばならないが、これは、プランジャに対するソケットの初期直径、ならびに、ソケットもしくはソケット・シールを構成するポリマ材料のタイプに依存する。好適実施例において、負の連結間隙(negative coupling gap)すなわち締まり嵌めおよびソケットもしくはソケット・シールの材料は、連結解除段階の間において軸心方向圧力の２倍未満である摩擦力を生成すべく選択される。故に、スプリングおよびアクチュエータの両者は軸心方向圧力よりも100％から200％だけ大きい力を及ぼすべく選択される。

図９から図１４は、製造機械、旋盤、フライス盤および他のこのような機械に設置かつ接続されたLACCシステムの主要形態を示す。

図９は、電気的に作動されるアクチュエータ26を用いて被加工材62を加工するために用いられる水平タレット旋盤60上に設置されたLACCシステム20を示す。図９に示された頑丈な旋盤は、タレットの下方のキャリッジ上に取付けられた図１に示されるようなLACCユニットを備える割出し用の水平タレットプレート28を用いる。複数の工具66(すなわち切削インサートを備えた工具ホルダまたはアダプタ)は、水平タレットプレート上に取付けられる。工具を冷却するために用いられる低温流体は低温流体吐出ラインの一端から、噴射または噴出ノズルにより送給される。低温流体は、可撓性の低温流体送給ライン68によりタレット保持キャリッジに送給される。(本発明におけるような)ソケット／プランジャ組立体は、低温流体送給ラインを低温流体吐出ラインに接続および接続解除するように用いられる。図１における実施例において示されたように、ソケット24はタレットプレート28上に取付けられ、且つ、低温流体はＴ字状接続部32を介してプランジャ22に送給される。低温流体送給システムおよびソケット／プランジャ組立体は、モニタ72とスィッチを備えたキーボード・パネル74とを有するCNC制御パネル70により制御される。CNCモニタから低温流体ON/OFFソレノイド・バルブ78までのライン76は、送給ラインからＴ字状接続部を介してプランジャまでの低温流体の流れを制御する。この実施例におけるアクチュエータ26は、タレット・キャリッジ上に取付けられたアクチュエータ・ボックス内にある。CNC制御パネルからタレット割出し機構までの別のライン80は、その機構およびアクチュエータを作動させる電気信号を提供し、これは割出しの間にプランジャを引き抜くために用いられる。選択的ではあるが、低温流体流はソレノイド・バルブを介して遮断されても良い。

図９を更に参照すると、タレットプレート28の底部には割出段階と同じ数だけのポリマソケットが取付けられ、且つ、タレットプレート上には低温流体による冷却を必要とする工具66が取付けられる。このLACCユニットにおいて用いられる単一動作式の電磁コイルアクチュエータ26は、キャリッジと同一の電気インパルスにより作動され、コンピュータ・プログラムに従いまたはCNC制御パネル70から送信される命令に従いタレットプレートを割出す機構を備える。キャリッジ機構が割出し信号を受信したとき、作動されたアクチュエータのコイルによりプランジャは引き抜かれる。キャリッジおよび割出し動作が停止したとき、作動停止されたアクチュエータのスプリング38はプランジャ22をソケット24へと戻し、押圧することで、接続を再確立する。この作動の選択は安全である、と言うのも、割出しおよび作動動作は両者ともに同一の動力源および制御パネルから実行されるので、回路電力が切れてもプランジャが損傷する危険はないからである。

連結／連結解除動作の間において、低温流体の流れに対しては幾つかの流れ制御の代替策がある。図９に示されたシステムには、２つの選択肢が提供される。ON/OFFソレノイド・バルブ78は、割出し段階および連結／連結解除動作に関わらず、製造工程のシーケンス全体に対して制御パネル70から“永続的に”開放されることができる。連結解除の間において消費される低温流体の量は少ない、と言うのも、その平均時間は典型的に１〜２秒だからである。あるいは、アクチュエータ26を作動させる制御パネルからの割出し信号は、単純な電磁スィッチを用いてパネルからの元の電流を切断することでソレノイド・バルブを同時に閉鎖することができる。

図９ＡにはLACCシステム20の動作の別モードおよび代替的な流れ制御選択肢が示され、その場合に流体動力式アクチュエータ26が、タレットプレート28および工具66に方向付けられる低温流体により作動される。低温流体ライン68からのバイパス分岐部82は、流体の僅か一部を連続的に漏出するピストン式のアクチュエータへと方向付けられる。CNC制御パネル70から割出し信号がキャリッジおよびソレノイド・バルブ78へと送信されたとき、ソレノイド・バルブは低温流体流を作動停止させることで、作動ピストンにおける圧力低下および所望の連結解除をもたらす。この場合にアクチュエータのスプリング38は作動ピストンに対抗して作用することから、LACCシステムは低温流体供給システムの障害の場合における偶発的損傷から安全とされる。

図１０から図１３は、垂直タレットプレート配向を備えたCNC旋盤上に設置されたLACCシステムの“バック・プランジャ式”、“径方向プランジャ式”および“フロント・プランジャ式”の各形態を示している。これらの図の各々にはひとつのソケット／プランジャ接続部のみが示されるが、設置される接続部の実際の数は低温流体冷却を要する工具(および対応する工具停止部もしくは工具位置)の数に等しい。

図１０Ａおよび図１０Ｂは、垂直タレットプレート28'を備えた傾斜床式旋盤84上に設置されたLACCシステム20の“バック・プランジャ式”形態を概略的に示す。これは、タレットプレート貫通式低温流体通路の一例である。図１０Ｂは、垂直タレットプレートを有する傾斜床式旋盤のキャビネットの前面図である。キャビネット内の作業域86は丸形の被加工材62'を保持するチャック88を備えたスピンドルを収容する。丸形のタレットプレート28'はタレット・キャリッジ90上に取付けられ、且つ、断熱された低温流体取入ライン68は(図示しない)断熱スペーサによりキャリッジ上に取付けられる。取入ラインは、線形アクチュエータ26に接続される。側面図(左側)を表す図１０Ａに示されるように、タレットプレート上にはアダプタにより工具ホルダ92が取付けられる。工具ホルダに対しては、(図示しない)断熱スペーサによりタレットプレート上に取付けられた低温流体吐出ライン94を介して低温流体が送出される。取入ラインから吐出ラインまでの接続は、タレットプレート内のチャネルを通る断熱式の低温流体通路96を介して、または、工具アダプタのシャンクを介して、本発明のソケット／プランジャ接続部により提供される。

図１１Ａおよび図１１Ｂは、図１０Ａおよび図１０Ｂに示されたLACCシステム20の変更例を示している。図１１Ａおよび図１１Ｂにおいて低温流体通路96'は、前面図(図１１Ａ)および側面図(図１１Ｂ)に示されるように、タレットプレート28'の円周部の回りに経路設定される。

図１２Ａおよび図１２Ｂは、垂直タレットプレート28'を備えた傾斜床式旋盤84上に設置されたLACCシステム20の径方向プランジャ式形態を示す。これは、低温流体吐出ライン94がタレットプレートの表面上に経路設定された例である。好適には、断熱された低温流体吐出ラインは、タレットプレート表面上で外部的にまたはタレットプレートの内側の既存通路を通り内部的に経路設定される。図１２Ｂは“径方向プランジャ式”形態の前面図を表す一方、図１２Ａはこの形態の側面図(左側)を表す。

図１３および図１３Ｂは、垂直タレットプレート28'を備えた傾斜床式旋盤84上に設置されたLACCシステム20の“フロント・プランジャ式”形態を示す。これは、低温流体ラインが前側アダプタ・プレート96およびタレットプレートの表面の上方に経路設定される例である。図１３Ｂ(前面図)および図１３Ａ(側面図)に示されるように、丸形アダプタ・プレートは、低温流体により冷却される工具毎に１個とされたソケット・ポートを保持する。キャリッジに対しては、保持アーム98が固着される。保持アームの中心を通る断熱式の低温流体通路は、ソケット／プランジャ接続部に対して低温流体を送出する。

図１４は、垂直フライス盤100上の自動交換式フライス加工カッタに対するLACCシステム20の別の適用を示す。これは、自動交換式フライス加工カッタ上に取付けられた回転リング式継手におけるソケット／プランジャ継手を有する例である。フライス盤は、垂直架枠102と、テーブル106上に位置されたスピンドル・ボックス104とを有する。機械の他の構成要素は、選択的な中空スリーブ108と、アダプタ・ホルダ110と、静止リングおよび回転囲繞体からなる回転継手112と、低温流体取入口を備える静止リング114と、“冷却剤通過”チャネルを備えるフライス加工カッタ116と、フライス加工カッタ上に取付けられた切削インサート118とを有する。スピンドル・ボックスに対し(または代替的に、フライス盤の特有形態に依存してクイル（quill）もしくはスライドに対し)、保持アーム120が固着される。低温流体は、取入ライン68から保持アームの中心を通り断熱式の低温流体ライン通路122に至り、且つ、線形アクチュエータ26を通り本発明のソケット／プランジャ接続部に至る。工具交換機構が(図１４では図示しない)CNC制御パネル70から信号を受信したとき、保持アームが取付けられたアクチュエータはソケットを引戻し、カッタに対して低温流体を提供するアダプタ・リングを連結解除する。

上記に示されて説明された実施例の全てにおいて、LACC設計概念により、低温流体に接触する継手構成要素の内部表面積、および、接続部の全体的な熱量（thermal mass）が最小化することができる。本設計概念によればまた、低温冷却接続部と、この接続部を支持する製造機械部材との間において断熱材も容易に使用できる。これによれば、割出しおよび旋回を行う機械構成要素上に取付けられた各工具に対する低温流体冷却剤の効率的送給に関連する以下の４つの問題が解決される：(1)流れ信号から、ノズルにおける所望工具を冷却する実際の流れまでの時間間隔は最小化され；(2)定常操作の間において低温流体移送のウォームアップおよび損失が最小化される結果、更に暖かくて嵩があり（bulky)且つ断熱が不十分な流れ構成要素に接触する液体および／または液体−気体の低温流れにとっては典型的である不測の圧力および流速の脈動なしで、安定的で十分に予測可能な冷却性能が得られ；(3)支持を行う機械構成要素は室温(周囲温度)のままであり、収縮せず、且つ、所望の寸法的安定性を維持し；且つ、(4)ポリマシール表面の摩耗は最小化される、と言うのも、金属製プランジャに対する緊密な接続はプランジャ挿入の後におけるポリマ冷却時にのみ発生するからである。

本LACCは、その各構成要素の熱機械的特性の故に、低温に対して適合性があり、且つ、遠隔の静止している供給源から、低温で圧縮された冷却剤流れを、旋回および割出し機械構成要素上に取付けられた工具に送給することができる。LACC構成要素の典型的な動作温度は約−197℃から約−150℃にわたる一方、典型的な動作圧力は約344,738Pa(約50psig)から約1,723,690Pa(約250psig)にわたる。工程が開始される室温よりも最高動作温度が低く且つ動作温度におけるソケットポリマの降伏強度よりも最大圧力が低い限りにおいて、上記よりも低い温度および高い温度(たとえば−10℃)ならびに更に低い圧力および高い圧力(たとえば17,236,900Pa(2,500psig))は本発明の有効範囲内である。

本発明には熱収縮式の径方向シール機構が含まれるが、これは、低温流体の初期温暖部分の放出を許容し且つ継手表面の摩耗を最小化する。この設計概念の他の利点としては、流れ始動時間が迅速になること、接続部の熱量が最小化されるので安定した予測可能な冷却剤性能がもたらされること、および、サイズがコンパクトなので低温流体の移送損失が減少され、且つ機械構成要素および規格外被加工材の不都合な寸法変化を排除するために必要な、支持機械構成要素からの熱的分離が促進されることが挙げられる。

コンパクトであると共に自己充足的であり且つ完全に後付け可能である本LACCの形態により、低温流体冷却剤の一部がアクチュエータを作動させるために使用されることができ、制御システム全体が極めて簡素化される。

本明細書中では幾つかの特定の実施例に関して図示かつ記述されてきたが、本発明は示された詳細に限定されることを意図していない。むしろ、特許請求の範囲の各請求項の範囲およびその均等物の範囲内の詳細において、本発明の精神から逸脱せずに、種々の変形が可能である。

本発明の一実施例の概略図である。本発明の別実施例の概略図である。本発明の別実施例の概略図である。本発明の別実施例の概略図である。本発明の別実施例の概略図である。本発明の別実施例の概略図である。本発明の別実施例の概略図である。本発明の別実施例の概略図である。室温から液体窒素の温度まで冷却した後における304ステンレス鋼プランジャの外径とポリマ製ソケット・シールの内径との間の相対収縮の差を示すグラフである。電気作動式アクチュエータを有する水平タレット旋盤に設置された本発明の一実施例の概略図である。低温流体作動式アクチュエータを有する水平タレット旋盤に設置された本発明の一実施例の概略図である。タレットプレート貫通式の低温流体通路を有する垂直タレットプレートを備えた傾斜床式旋盤に設置された本発明の一実施例の“バック・プランジャ”形態を示す概略側面図である。タレットプレート貫通式の低温流体通路を有する垂直タレットプレートを備えた傾斜床式旋盤に設置された本発明の一実施例の“バック・プランジャ”形態を示す概略前面図である。垂直タレットプレートの円周部の回りに経路設定された低温流体通路を有する垂直タレットプレートを備えた傾斜床式旋盤に設置された本発明の一実施例の“バック・プランジャ”形態を示す概略側面図である。垂直タレットプレートの円周部の回りに経路設定された低温流体通路を有する垂直タレットプレートを備えた傾斜床式旋盤に設置された本発明の一実施例の“バック・プランジャ”形態を示す概略前面図である。垂直タレットプレートの表面上に経路設定された低温流体ラインを有する垂直タレットプレートを備えた傾斜床式旋盤に設置された本発明の一実施例の“径方向プランジャ”形態を示す概略側面図である。垂直タレットプレートの表面上に経路設定された低温流体ラインを有する垂直タレットプレートを備えた傾斜床式旋盤に設置された本発明の一実施例の“径方向プランジャ”形態を示す概略前面図である。前側アダプタ・プレートおよび垂直タレットプレート表面の上方に経路設定された低温流体ラインを有する垂直タレットプレートを備えた傾斜床式旋盤に設置された本発明の一実施例の“フロント・プランジャ”形態を示す概略側面図である。前側アダプタ・プレートおよび垂直タレットプレート表面の上方に経路設定された低温流体ラインを有する垂直タレットプレートを備えた傾斜床式旋盤に設置された本発明の一実施例の“フロント・プランジャ”形態を示す概略前面図である。自動交換式フライス加工カッタに取付けられた回転リング式継手内にソケット／プランジャ継手を有するフライス盤に設置された本発明の一実施例の概略図である。

Claims

所定の部材上に取付けられ且つ低温流体供給源から離間された低温冷却手段に対して前記低温流体供給源を接続もしくは接続解除する装置において、
第1熱膨張率を有する第1材料により少なくとも部分的に作られたプランジャであって、前記低温流体供給源と流体連通する取入口と、前記取入口と流体連通する吐出口と、外周縁部とを有するプランジャと、
第2熱膨張率を有する第2材料により少なくとも部分的に作られたソケットであって、前記低温冷却手段と流体連通する第1ポートと、前記第1ポートと流体連通し且つ前記プランジャの前記外周縁部を受容しうる内周縁部を有する第2ポートとを有し、前記内周縁部および前記外周縁部は実質的に幾何学形状が相似であるソケットと、
前記プランジャの前記吐出口を前記ソケットの前記第2ポートに挿入しまたはそれから引き抜く作動手段であって、前記第1熱膨張率と前記第2熱膨張率との間の差により前記プランジャの前記外周縁部と前記第2ポートの前記内周縁部との間のシールが向上される作動手段と、
を有する装置。
前記低温流体の流れが前記吐出口を通り流れるときに前記シールが更に向上される、請求項１記載の装置。
前記第1材料は金属である、請求項１記載の装置。
前記第2材料はポリマ（重合体）である、請求項１記載の装置。
前記第1熱膨張率は前記第2熱膨張率よりも小さい、請求項１記載の装置。
前記作動手段は前記プランジャを前記ソケットに向けて移動させる、請求項１記載の装置。
前記作動手段は前記ソケットを前記プランジャに向けて移動させる、請求項１記載の装置。
前記所定の部材は移動可能である、請求項１記載の装置。
前記移動可能な部材は機械構成要素である、請求項８記載の装置。
前記移動可能な機械構成要素はタレットである、請求項９記載の装置。
前記作動手段は自動化され、前記プランジャの前記吐出口を前記ソケットの前記第2ポートに自動的に挿入しまたはそれから引き抜くことができる、請求項１記載の装置。
前記作動手段はコンピュータ式数値制御器により作動される、請求項１１記載の装置。
前記作動手段は前記低温流体の一部により少なくとも部分的に作動される、請求項１記載の装置。
前記シールが液密となる以前に前記低温流体の流れの先頭部分が前記ソケットから周囲雰囲気へと放出される、請求項１記載の装置。
移動可能な機械構成要素上に取付けられ且つ低温流体供給源から離間された低温冷却手段に対して上記低温流体供給源を接続する装置において、
第1熱膨張率を有する金属により少なくとも部分的に作られたプランジャであって、前記低温流体供給源と流体連通する取入口と、前記取入口と流体連通する吐出口と、外周縁部とを有するプランジャと、
前記第1熱膨張率より大きな第2熱膨張率を有するポリマにより少なくとも部分的に作られたソケットであって、前記低温冷却手段と流体連通する第1ポートと、前記第1ポートと流体連通し且つ前記プランジャの前記外周縁部を受容しうる内周縁部を有する第2ポートとを有し、前記内周縁部および前記外周縁部は実質的に幾何学形状が相似であるというソケットと、
前記プランジャの前記吐出口を前記ソケットの前記第2ポートに自動的に挿入する自動化作動手段であって、前記第1熱膨張率と前記第2熱膨張率との間の差により前記プランジャの前記外周縁部と前記第2ポートの前記内周縁部との間のシールが向上され、且つ、前記シールが液密となる以前に前記プランジャからの前記低温流体の流れの先頭部分が前記ソケットから周囲雰囲気へと放出される自動化作動手段と、
を有する装置。
請求項１記載の装置を少なくとも１つ有する機械。
所定の部材上に取付けられ且つ低温流体供給源から離間された低温冷却手段に対して前記低温流体供給源を接続する方法において、
第1熱膨張率を有する第1材料により少なくとも部分的に作られたプランジャであって、前記低温流体供給源と流体連通する取入口と、前記取入口と流体連通する吐出口と、外周縁部とを有するプランジャを配備する段階と、
第2熱膨張率を有する第2材料により少なくとも部分的に作られたソケットであって、前記冷却手段と流体連通する第1ポートと、前記第1ポートと流体連通し且つ前記プランジャの前記外周縁部を受容しうる内周縁部を有する第2ポートとを有し、前記内周縁部および前記外周縁部は実質的に幾何学形状が相似であるソケットを配備する段階と、
前記プランジャの前記吐出口を前記ソケットの前記第2ポートに挿入する作動手段であって、前記第1熱膨張率と前記第2熱膨張率との間の差により前記プランジャの前記外周縁部と前記第2ポートの前記内周縁部との間のシールが向上される作動手段を配備する段階と、
前記作動手段を作動させることで前記プランジャの前記吐出口を前記ソケットの前記第2ポート内に挿入する段階と、
を有する方法。
前記低温流体の流れを前記プランジャの前記取入口内に且つ前記吐出口を通して流すことで前記シールを更に向上する更なる段階を備える、請求項１７記載の方法。
前記シールが液密となる以前に前記低温流体の一部を周囲雰囲気へと放出する更なる段階を備える、請求項１７記載の方法。
移動可能な機械構成要素上に取付けられ且つ低温流体供給源から離間された低温冷却手段に対して前記低温流体供給源を接続する方法において、
第1熱膨張率を有する金属により少なくとも部分的に作られたプランジャであって、前記低温流体供給源と流体連通する取入口と、前記取入口と流体連通する吐出口と、外周縁部とを有するプランジャを配備する段階と、
前記第1熱膨張率より大きな第2熱膨張率を有するポリマにより少なくとも部分的に作られたソケットであって、前記低温冷却手段と流体連通する第1ポートと、前記第1ポートと流体連通し且つ前記プランジャの前記外周縁部を受容しうる内周縁部を有する第2ポートとを有し、前記内周縁部および前記外周縁部は実質的に幾何学形状が相似であるソケットを配備する段階と、
前記プランジャの前記吐出口を前記ソケットの前記第2ポートに自動的に挿入する自動化作動手段であって、前記第1熱膨張率と前記第2熱膨張率との間の差により前記プランジャの前記外周縁部と前記第2ポートの前記内周縁部との間のシールが向上される自動化作動手段を配備する段階と、
前記作動手段を作動させることで前記プランジャの前記吐出口を前記ソケットの前記第2ポート内に挿入し、前記シールが液密となる以前に前記プランジャからの前記低温流体の流れの先頭部分が前記ソケットから周囲雰囲気へと放出される段階と、
前記低温流体の流れを前記プランジャの前記取入口内に且つ前記吐出口を通して流すことで前記シールを更に向上する段階と、
を有する方法。