JP4011356B2 - 冷凍固定装置及びこれを用いる機械加工システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ワークの磁性、通気性、剛性などの有無に関係なく、ワークを機械加工するために工作機械に固定する冷凍固定装置と、これを用いる機械加工システムに係り、ステージの変形による加工精度の低下を防止できるとともに加工熱によるワーク固定機能の喪失を防止できる上、加工熱によるワーク固定機能の喪失を確実に防止できるようにした冷凍固定装置と、これを用いる機械加工システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、例えば特許第２７１９７５９号公報（特開平８−２１５９６６号公報）に記載されているように、ペルチェ素子を用いて冷却されるステージ（取付盤）にワークを冷凍により取付ける冷凍固定装置が開発されている。この冷凍固定装置のペルチェ素子は、ステージを冷却する冷却面の反対側の面から熱を放散し、この放熱面と冷却面との温度差が少ないほど高い冷却機能を発揮することが知られている。
【０００３】
このため、従来の冷凍固定装置には前記ペルチェ素子及びステージの他にペルチェ素子の放熱面を冷却する冷却ジャケットと、この冷却ジャケットに冷媒を供給するチィラーとが設けられる。なお、この冷媒は、冷媒の浪費をなくすために、チィラーと冷却ジャケットとの間で循環させるようにしている。
【０００４】
この冷凍固定装置では、ワークの加工熱により、ワークを固定する氷が解凍し、ワーク固定機能が喪失されることが知られており、このワーク固定機能の喪失を防止するために、前記公報においては、該冷凍固定装置のステージに固定されたワークと加工機のツールとの間に工作液を供給する工作液供給手段と、この工作液を冷却する工作液冷却手段とが設けられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この冷凍固定装置においては、ペルチェ素子は、ステージ側で例えば−２０℃から−３０℃の低温になり、冷却ジャケット側では反対に２０℃から３０℃の高温になるので、中央部が冷却ジャケット側に膨らむように反り、ステージはペルチェ素子側で低温になり、ワーク側ではこれよりも高温になるので、中央部がワーク側に膨らむように反るということになり、ペルチェ素子とステージとの密着性が損なわれ、ペルチェ素子がステージを冷却する効率が低下するという問題がある。
【０００６】
又、冷却ジャケットは、ペルチェ素子側よりもその反対側が高温になるので、ペルチェ素子と同じ方向に反るのであるが、冷却ジャケットはペルチェ素子との熱交換率を高めるために、アルミニウム合金、銅合金、鉄合金などペルチェ素子に比べて熱膨張係数が大きい金属で形成されているため、ペルチェ素子よりも大きく反って、ペルチェ素子と冷却ジャケットとの密着性が損なわれ、冷却ジャケットがペルチェ素子の放熱面を冷却する効率が低下するという問題が生じる。
【０００７】
これらの事情によって、従来のように冷却した工作液をワークとツールとの間に供給した場合でも、加工熱が工作液の冷却作用によっては十分に除去されず、ワーク固定機能が喪失することがあり、又、ステージの反りによって加工精度が損なわれることがある。
【０００８】
この問題を解決するために、ステージ、ペルチェ素子、及び冷却ジャケットを接着することを試みたが、実際にはこれらが互いに剥離して接着の意味がなくなる上、不良になった場合には、これらが一体となった本体ごと交換する必要があり、ランニングコストが著しく高価になるので、実用的ではないことが判明した。
【０００９】
本発明は、このような従来技術の課題を解決し、ステージの変形による加工精度の低下を防止できるとともに加工熱によるワーク固定機能の喪失を防止できるようにした冷凍固定装置と、これを用いることによりステージの変形による加工精度の低下を防止できると共に、加工熱によるワーク固定機能の喪失を確実に防止できるようにした機械加工システムとを提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る冷凍固定装置（以下、本発明装置という。）は、前記目的を達成するため、ペルチェ素子と、その冷却面側に配置されるステージと、ペルチェ素子の放熱面を冷却する冷却ジャケットとを有する本体と、前記冷却ジャケット内に供給する冷媒を冷却するチラーとを備える冷凍固定装置において、該本体の下方を覆う底部と、この底部から立上げられ、断熱材を介して前記ステージの周縁部を底部に支持させる周壁部とを有する１個のハウジングと、該底部から立上げられ、ステージの中央部を支承する１本又は複数本の縦軸の中空ポールとを備え、前記底部、中空ポール及びステージが通しボルトとナットとにより共締めされていることを特徴とする。
【００１１】
これによれば、ステージの周縁部がハウジングの周壁部に支持され、中央部が中空ポールを介してハウジングの底部に支承されるので、ワークを押し下げようとする加工力によりステージが中央部で下に膨らむように湾曲することが防止される。
【００１２】
又、ステージの周縁部がハウジングの周壁部に支持され、中央部が前記該中空ポールを貫通する通しボルトを介してハウジングの底部により牽制されるので、熱歪によりステージが中央部で上方に膨らむように湾曲することが防止される。
【００１３】
即ち、ステージの反りが防止されるので、これによる加工精度の低下が棒しされる。又、ステージがワーク側に反ることが防止される結果、ペルチェ素子とステージとの密着性が確保され、ペルチェ素子がステージを確実に冷却するので、ワーク固定機能が確保される。
【００１４】
以下、本発明装置について更に詳細に説明する。
本発明装置は、工作機械のテーブル上に固定される本体と、この本体に供給する冷媒を冷却するチィラーとを備え、この本体は、ペルチェ素子と、その冷却面側に配置されるステージと、ペルチェ素子の放熱面を冷却する冷却ジャケットとを有する。
【００１５】
前記ペルチェ素子は、市販されているサイズのものを用いればよく、ステージの広さに対応して適当な個数のペルチェ素子を直列及び／又は並列に接続して用いる。ペルチェ素子は直列に接続すると各素子の冷却機能が均等になる点で好ましいが、駆動電圧が高くなるという問題があり、並列接続するとリード線抵抗などのバラツキから冷却機能にバラツキが生じ易い反面、駆動電圧を低くできるという利点が得られる。したがって、冷却機能の平均化と駆動電圧の低電圧化という相反する要請を調和させるために、適当数のペルチェ素子を直列に接続した素子アレイを並列接続することが好ましい。
【００１６】
前記ステージは例えばステンレス鋼、銅、銅合金、チタン合金、セラミックス、ジュラルミンなどの不銹性に優れ、熱伝導性が高く、しかも、剛性の高い材質で形成されていることが好ましく、又、前記ペルチェ素子の冷却面に密接して配置されることが好ましく、例えば付勢手段で冷却ジャケットを介してペルチェ素子をステージの下面に押圧することによりステージをペルチェ素子に密着させることが好ましい。
【００１７】
このステージの平面形状は、特に限定されず、例えば、長方形などの工作機械のテーブル平面形状や、円形などのワーク平面形状に相似する形状に形成すればよく、又、その大きさは工作機械のテーブルよりも小さく、ワークよりも大きく形成してあればよい。
【００１８】
前記冷却ジャケットは、ステンレス鋼、チタン合金、ジュラルミン、セラミックス、アルミニウム、銅、真鍮などの熱伝導性が高い、好ましくは不銹性の優れた材質を用いて形成すればよい。
【００１９】
この冷却ジャケットの平面形状は、特に限定されないが、ペルチェ素子全体を確実に冷却するために、ペルチェ素子が配置される平面の全面を覆う平面形状に形成することが好ましく、又、その上面はペルチェ素子との接触面積を最大にするために、平面であることが好ましい。
【００２０】
この冷却ジャケットの内部にはペルチェ素子全体を平均的に冷却できるような冷媒の流路、例えば、ペルチェ素子が列に並べて配置される場合には、その列の一端から他端に延び、他端で反転して一端に戻るような流路を形成することが好ましい。
【００２１】
冷却ジャケットの内部にこのような流路を形成する方法は特に限定されず、例えば平板の下面に冷媒を流通させるパイプを溶接する方法や、鋳抜きにより形成する方法などを採用することも可能であるが、熱交換率を高めるために、冷却ジャケットをブロック状のジャケット本体と、このジャケット本体の平面状の上面を全面的に覆う蓋板とで構成し、このジャケット本体の上面に流路を溝状に機械加工し、封止部材を挟んで蓋板で流路の上面を水密状に封止する方法を採用することが好ましい。
【００２２】
又、この冷却ジャケットの表面は、ペルチェ素子に対向ないし接する部分を除いて、断熱塗料などの断熱材で被覆し、後述するハウジング等への熱輻射を減衰させ、ハウシング等の熱歪を防止することが好ましい。
【００２３】
更に、この冷却ジャケットの上面はペルチェ素子に密接することが好ましく、例えば冷却ジャケットが、ペルチェ素子を挟んでネジでステージに締め付けられたり、付勢手段でペルチェ素子に押圧されたりして密接することが好ましい。
【００２４】
前記チィラーは、前記本体の冷却ジャケットに冷媒を供給できるように構成してあれば良いが、冷媒の浪費を避けるために、冷却ジャケットから排出される冷媒を回収して、冷却した後、再度冷却ジャケットに循環させるように構成することが好ましい。
【００２５】
ところで、本発明装置は、前記本体及びチィラーの他に、１個のハウジングを備え、このハウジングは、前記本体の下方を覆う底部と、この底部から立上げられ、断熱材を介して前記ステージの周縁部を底部に支持させる周壁部とを有する。
【００２６】
このハウジングの底部は、ハウジングの高さを低く抑えるために、厚板で構成され、必要に応じて重量軽減孔を形成してもよいが、ハウジング内に水や工作液が浸入して前記本体内の電気配線がショートすることを防止するため、延板状に形成することが好ましい。
【００２７】
この底部は本体の冷却ジャケットに接するように設けてもよいが、底部から冷却ジャケットへの熱伝導を防止するために、底部と冷却ジャケットとの間に適当な断熱空間を設けることが好ましく、この断熱空間における底部から冷却ジャケットへの熱輻射を防止するため、この断熱空間に断熱材を充填したり、底部の上面を断熱塗料などの断熱材で被覆したりすることが更に好ましい。
【００２８】
前記ハウジングは、一体鋳造、一体材料からの切削加工などにより底部と一体に形成してもよいが、部品コストを安価にするために、底部と別体に、例えば棒材又は型材を適当な長さに裁断し、裁断された部材を例えば額縁状に溶接し、必要に応じて機械加工により仕上ることが好ましい。
【００２９】
このハウジングの周壁部の平面形状は、前記本体のステージの周縁部と平面的に重なり合う形状であればよく、前記ステージの周縁部に沿って断続的に設けても良いが、ハウジングの剛性を高めるとともに、ハウジング内に水や工作液が浸入して前記本体内の電気配線がショートすることを防止するため、その全周にわたって連続する連続壁で構成することが好ましい。
【００３０】
この周壁部は、本体のペルチェ素子及び冷却ジャケットに接するように設けてもよいが、ハウジングの熱が冷却ジャケットに伝導することを防止するために、ペルチェ素子及び冷却ジャケットと周壁部との間には適当な断熱空間を設けることが好ましく、この断熱空間におけるハウジングから冷却ジャケットへの熱の輻射を防止するために、この断熱空間に断熱材を充填したり、周壁部の内面を断熱塗料などの断熱材で被覆したりすることが更に好ましい。
【００３１】
ところで、このハウジングの周壁部と前記ステージとの間には断熱材が配置され、これによりハウジングからステージに熱が伝導されることが防止される。
【００３２】
この断熱材の材質は、断熱性を有するものであって低温に耐えるものであれば特に限定されないが、ステージの振動による加工精度の低下を防止するため、剛性及び表面硬度が高いものを用いることが好ましく、例えばシリコーンゴム等のゴム板、ベークライト板やシリコーン樹脂板等の合成樹脂板、厚紙、アスベスト（石綿）板等が用いられる。
【００３３】
なお、必要に応じて、ステージの周縁部とハウジングの周壁部とは、例えば一定以下の間隔を置いてハウジングの底部の下側からハウジングの周壁部及び断熱材を貫通し、ステージの周縁部に螺合される通しボルトにより締結される。
【００３４】
又、ステージとハウジングの周壁部との間には、ハウジング内に水や工作液が浸入して前記本体内の配線がショートすることを防止するため、封止部材を用いて水密状にすることが好ましく、例えば前記周壁部の上縁外側部分がステージの周囲に延出され、この延出部分とステージの外周との間に水密性を有する封止部材が配置されることが好ましい。
【００３５】
もっとも、前記ハウジングの周壁部とステージの周縁部との間に挿入される断熱材に水密性がある場合には、この断熱材を封止部材に兼用し、特別の封止部材を省略してもよい。
【００３６】
ところで、本発明の冷凍固定装置には、上述した本体、チィラー、及びハウジングの他に、前記ハウジングの底部から立ち上げられ、前記ステージの中央部を支承する１本又は複数本の縦軸の中空ポールを備える。
【００３７】
この中空ポールは、例えば一体鋳造、一体材料の機械加工などによりハウジングの底部及び周壁部と一体に形成してもよいが、部品コストを安価にするために、これらと別体に、例えばパイプ部材を所定の長さに切断することにより形成し、前記底部の下方から中空ポールを貫通し、ステージに螺合される通しボルトにより、前記底部とステージとの間に共締めされることが好ましい。
【００３８】
この中空ポールは、ハウジングの周壁部と共にワークを押し下げる加工力を分担できる程度の剛性を備えることが必要であり、例えばステンレス鋼、チタン合金、ジュラルミンなどで形成される。
【００３９】
又、中空ポールを貫通する前記通しボルトは、ステージの中央部が上向きに反ることを防止できる程度以上の張力に耐えるものであればよく、１本だけ設けてもよいが、複数本を設けると、ステージの反りを平均して防止することができる。しかし、中空ポールの本数を多くすると、ステージから通しボルトを経て底部に熱が伝導し易くなるので好ましくない。結局はステージの面積に対して、通しボルトの熱伝導が無視できる程度でステージの反りを防止できる本数を経験的に求めることになる。例えば、３４０ｍｍ×１５０ｍｍ程度のステージの場合には２本の中空ポストを設ければよい。
【００４０】
前記ステージから中空ポール及び通しボルトを経てハウジングの底部に伝導される熱は、中空ポールの数が少ない場合には無視することができるが、ステージの面積の割に多数本の中空ポールが設けられ、この熱伝導が無視できなくなる可能性がある。このような場合には、中空ポールとステージとの間に断熱材を挟んで、伝熱面積を通しボルトの断面積に絞ることによりハウジングへの伝導熱量を制限することが好ましい。
【００４１】
ところで、上述したように、前記冷却ジャケットは中央部がペルチェ素子と反対側に膨らむように反る傾向があり、このため冷却効率が低下するという問題がある。この問題は、ペルチェ素子表裏の温度差増大につながり、更にペルチェ素子の電子冷却機能の低下につながる。そして、このペルチェ素子の電子冷却機能が低下すると、ワーク固定機能が低下するという問題にまで発展する。
【００４２】
そこで、本発明の冷凍固定装置においては、前記底部と冷却ジャケットとの間に断發力を有する少なくとも１個の付勢手段が設けることにより、この付勢手段の断發力で冷却ジャケットをペルチェ素子に押付けて、冷却ジャケットの冷却機能が確実に発揮されるようにすることが好ましい。
【００４３】
特に、冷却ジャケットの冷媒通路の上面が封止部材を介してペルチェ素子により水密状に封止されている場合には、付勢手段で冷却ジャケットをペルチェ素子に押圧することにより、水密性を確保することができる。
【００４４】
次に、本発明に係る冷凍固定装置を備える機械加工システム（以下、本発明システムという。）は、上記目的を達成するため、工作機械のテーブル上にワークを凍結させて固定する冷凍固定装置を用いる機械加工システムにおいて、上述した本発明装置が用いられることを特徴とする。
【００４５】
これによれば、上述したように、冷凍固定装置のステージの反りが防止され、ステージの反りによる加工精度の低下が防止され、又、ワーク固定機能の喪失が防止される。
【００４６】
本発明システムにおいて、必要に応じて、該冷凍固定装置のステージに固定されたワークと工作機械のツールとの間に工作液を供給する工作液供給手段と、この工作液を冷却する工作液冷却手段とが設けられると、加工熱を工作液に吸収させて冷却固定装置の本体に伝導される加工熱の熱量を少なくすることができるので、解凍によるワーク固定機能の喪失を一層確実に防止できるようになると共に、加工熱によるステージの熱歪を小さくすることができるので、ステージ及び通しボルトに作用する熱応力を小さくできると共に、ステージの熱歪による加工精度の低下を一層確実に防止できる。
【００４７】
特に、前記ワークとツールとの間に供給された工作液を回収する集水枡と、この集水枡に回収された工作液から固形不純物を分離除去する濾過手段とが設けられ、該濾過手段で濾過された工作液を工作液供給手段に循環させると、工作液の浪費をなくすことができ、ランニングコストを安価に抑えることができる。
【００４８】
ところで、凍結固定装置ではワークとステージとの間に形成される薄い氷の層によってワークがステージに固定されるが、ツールがステージの表面に接近する加工、例えば切断加工の場合には、その氷の層がツールによって切取られ、又、その周囲の氷が加工熱により部分的に溶け出すことがある。
【００４９】
この局部的な解氷は、ステージや工作液が熱を吸収することにより再凍結されて解消されるのであるが、前記工作液供給手段からワークとツールとの間に供給された工作液の一部がワークの加工部、例えば切削溝に滞留し、次第に加熱されて氷点よりも高温になったり氷点近くまで昇温したりして再凍結を遅らせることがあり、このために凍結固定力が低下することがある。
【００５０】
加工部の寸法が小さければ小さい程工作液は加工部に溜まり易くなり、例えば半導体ウエハを矩形の半導体チップに切り分ける場合など、加工部、即ち切断溝の幅が狭く、しかも、加工部の間隔が狭い場合には加工部に滞留した工作液が昇温し、氷の再生が遅れるため、一方向への切断加工を終えた後、ステージの方向を９０°振り替えて他の方向への切断加工を始めると、既に切断された加工部での再凍結が不充分な状態で切断加工が始められてワークがステージから剥れることがあった。
【００５１】
そこで、本発明システムにおいては、このような課題を解決するために、ワークの加工済部に冷却風を供給する冷却風供給手段と、空気を冷却したり、或いは冷却風を冷却する冷却風冷却手段とを備える空冷手段が設けられていることが好ましい。
【００５２】
この空冷手段を設けると、加工済部に冷却風が吹付けられることにより、加工液が加工済部から吹き飛ばされると共に、ワークの加工済部及びそこに滞留する加工液が冷却され、再凍結が早められ、凍結固定力が瞬間的に回復される。
【００５３】
前記冷却風供給手段は、ワークの加工済部に冷却風を吹付けるように構成されていることが必要であるが、これに加えて加工熱が発生するワークの加工点、即ち、ワークとツールとが接触している点に冷却風を吹付けるようにしてもよく、この場合、加工点におけるワークと加工液の昇温を抑制せきるので有益である。
【００５４】
もちろん、ワークの加工部に供給される冷却風の温度は氷点以下であることが好ましく、−５℃以下であることがより好ましい。しかし、冷却風冷却手段の能力が大きくなると装置が大型で高価になり、ランニングコストも高くなるので、−３０℃以下にすることは好ましくない。
【００５５】
前記冷却風冷却手段は、空気（大気）を冷却したり、或いは冷却風を所定の温度に冷却するように構成してあればよく、例えば空気（大気）を吸入して冷却するように構成すればよいのであるが、装置を小型で安価にすると共に、ランニングコストを削減するために、ワークの加工部に供給された冷却風を冷却風冷却手段に回収する冷却風回収手段が設けられ、ワークの加工部に供給された冷風を繰返し冷却風冷却手段で冷却してワーク加工部に再供給することが好ましい。
【００５６】
この冷却風回収手段は、ワークの加工部に供給された冷却風を冷却風冷却手段に回収できるように構成されていればよく、例えばワークとツールとを取囲み、前記集水枡の上面を全面的に覆うフードと、このフードの内部空間を冷却風冷却手段の吸気口の連通させる還流路とを設ければよく、必要に応じて送風手段を介在させればよいのである。
【００５７】
この冷却風回収手段を設ける場合、冷却風冷却手段に回収する冷却風には工作液のミスとなどの液分が含まれている。この液分は冷却風冷却手段内に錆を発生させたり、滞留して冷却風の送風の抵抗になったりするので、この冷却風回収手段には冷却風冷却手段に回収する冷却風から液分を分離して乾燥させる気液分離手段を設けて、冷却水冷却手段に液分が入らないようにすることが好ましい。
【００５８】
この気液分離手段は、液分を含んだ気体から液分を分離できるように構成してあれば特に限定されず、例えば液トラップ、サイクロンなどを用いればよい。
【００５９】
又、この気液分離手段で分離した液分の主成分は工作液であるので、この液分は例えば前記集水枡に流して回収し、再利用することが好ましい。
【００６０】
【作用】
以上に説明したように、本発明の冷凍固定装置は、ペルチェ素子と、その冷却面側に配置されるステージと、ペルチェ素子の放熱面を冷却する冷却ジャケットとを有する本体と、前記冷却ジャケット内に供給する冷媒を冷却するチラーとを備える冷凍固定装置において該本体の下方を覆う底部と、この底部から立上げられ、断熱材を介して前記ステージの周縁部を底部に支持させる周壁部とを有する１個のハウジングと、該底部から立上げられ、前記ステージの中央部を支承する１本又は複数本の縦軸の中空ポールとを備え、前記底部、中空ポール及びステージが通しボルトにより共締めされるので、本発明装置によれば、以下のような作用が得られる。
【００６１】
先ず、前記ステージの周縁部が剛性の高いハウジングに支持されると共に、その中央部が中空ポールを介して前記底部に支承されるので、ステージの中央部が下側、即ちペルチェ素子側に膨らむように反ることが防止される作用が得られる。
【００６２】
又、前記ステージの周縁部が剛性の高いハウジングに支持されると共に、その中央部にハウジングの下方から中空ポールを貫通する通しボルトが螺合されるので、ステージの中央部が上側、即ち、ワーク側に膨らむように反ることが防止される作用が得られる。
【００６３】
そして、これらの作用により、ステージの反りによる加工精度の低下が防止されるという作用が得られるのである。
【００６４】
又、ステージの下側及び上側への反りが防止されるという作用により、ステージとペルチェ素子との密着性が高められ、ペルチェ素子により確実にステージが冷却され、加工熱によるワーク固定機能の喪失が防止されるという作用が得られるのである。
【００６５】
次に、本発明システムは、以上に説明したように、工作機械のテーブル上にワークを凍結させて固定する冷凍固定装置を用いる機械加工システムにおいて、上述した本発明装置が用いられるので、本発明装置で得られる作用と同様の作用を得ることができる。
【００６６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図面に基づいて具体的に説明すれば、以下の通りである。
図１は、本発明装置の一実施例の縦断正面図であり、図２はその平面図であり、図１０は本発明装置を用いた機械加工システムの構成図である。
【００６７】
この図１０に示すように、この冷凍固定装置１は、本体２とチィラー３とを備え、図１に示すように、本体２は、共通の平面に２列に並べて配置される例えば１４個のペルチェ素子４と、これらペルチェ素子４の上面に接するように配置されたステージ５と、前記ペルチェ素子４の下面に接するように配置された冷却ジャケット６とを備え、この冷却ジャケット６内に形成された流路と前記チィラー３とにわたって冷媒を循環させている。
【００６８】
ところで、図３は前記ステージ５の側面図であり、図４は該ステージの底面図である。これら図３及び図４に示すように、前記ステージ５は、厚さ１２ｍｍのステンレス磨き鋼板を所定の大きさの長方形に裁断したステージ本体５ａと、これの上面に接着される例えば厚さ６ｍｍ程度のステンレス磨き鋼板を所定の大きさの長方形に裁断したライニング材５ｂとからなり、このライニング材５ｂは一定以上摩耗すれば交換される。前記ステージ本体５ａの周縁部の適当な間隔を置いた複数箇所及び中央部の２箇所に下面からネジ穴８が形成される。又、その外周面には封止部材４６を嵌め込む溝９が形成される。
【００６９】
なお、このステージ５の下面には、温度センサ取付け用の凹部１０及びネジ穴１１が設けられる。
【００７０】
図５は冷却ジャケット６のジャケット本体６ａの平面図、図６は冷却ジャケット６の縦断正面図である。図６に示すように、前記冷却ジャケット６は、例えば銅、ジュラルミンなどの高熱伝導性金属からなり、内部に冷媒の流路７が形成されるジャケット本体６ａと、これの上面に固定される蓋板６ｂとを備えている。
【００７１】
図５に示すように、前記流路７はジャケット本体６ａの上面に開放され、ペルチェ素子４の各列の一端から他端に向かい、他端で折返して一端に戻るように蛇行する平面形状に機械加工されている。
【００７２】
この流路７の一端はジャケット本体６ａの一端面を貫通する入口１０に接続される断熱ホースを介して前記チィラー３の冷媒供給口に接続され、他端は該ジャケット本体６ａの前記一端面を貫通する出口１１に接続される断熱ホースを介して前記チィラー２の冷媒戻り口に接続される。
【００７３】
前記ジャケット本体６ａの上面には流路７の周囲を連続して取囲む封止部材１２が埋め込まれ、この封止部材１２に密着するように蓋板６ｂをジャケット本体６ａに例えば多数の小ネジで締め付けることにより、流路７の上面が蓋板６ｂにより水密状に閉塞される。
【００７４】
なお、前記冷却ジャケット６の一端部にはペルチェ素子４への配線用の凹部１３が形成され、中央部には後述する中空ポールを挿通するポール挿通孔１４が形成される。
【００７５】
ところで、図１及び図２に示すように、この冷凍固定装置１はハウジング１５を備え、このハウジング１５は、前記本体２を下方から覆う底部１６と、この底部１６から立上げられた額縁状の周壁部１７とを有する。
【００７６】
図１に示すように、この周壁部１７の内周部上面に形成した段落部１８に絶縁材１９を介して前記ステージ５の周縁部が載置され、多数の通しボルト２０を用いてステージ５をハウジング１５に固定している。即ち、各通しボルト２０は、適当な間隔を置いて底部１６の下方から挿入され、周壁部１７及び断熱材１９を貫通し、ステージ５の下面に螺合され、この通しボルト２０を締め込むことにより、ステージ５の周縁部が強固にハウジング１５に固定される。
【００７７】
なお、前記底部１７はステンレス鋼板を、例えば工作機械のテーブルに固定された電磁チャックの大きさに合わせて長方形に裁断することにより形成され、必要に応じて、その四隅に後述する集水枡を固定するためのボルト挿通孔２１が形成されている。
【００７８】
図７は前記周壁部１７の縦断正面図であり、図８はその平面図である。この周壁部１７はステンレス鋼の角棒材を所定の寸法に裁断し、額縁状に溶接した後、機械加工したものであり、前記底部１６の下から挿入されたボルト３９（図１に示す。）を外周部に螺合して締め込むことにより、底部１６に固定される。このため、周壁部１７の底面には適当な間隔を置いて多数のネジ穴２２が立てられている。
【００７９】
又、前記この周壁部１７の内周部には、所定の間隔を置いて前記通しボルト２０が挿通される多数の貫通孔２３が形成されている。
【００８０】
図１に示すように、この周壁部１７及びこれで囲まれる底部１６の上面と冷却ジャケット６との間には適当な大きさの断熱空間２４が設けられ、これによりハウジング１５の熱が冷却ジャケット６に伝導されることが防止されている。又、必要に応じて、冷却ジャケット６の周面及び底面、ハウジング１５の周壁部１７の内面、並びに周壁部１７で囲まれた底部１６の部分の上面には断熱塗料が塗着され、これによりハウジング１５から冷却ジャケット６への熱の輻射が防止されている。
【００８１】
なお、前記周壁部１７とステージ５との間には前記封止部材４６を挟んで、工作液などがハウジング１５内に浸入して配線をショートさせることを防止している。又、前記周壁部１７とステージ５との間には必要に応じて、コーキング材を用いて更に確実に水密状に封止するようにしている。
【００８２】
ところで、図１及び図２に示すように、この冷凍固定装置１は、前記ハウジング１５の底部１６に立上げられ、断熱材１９を介してステージ５の中央部を支承する２本の中空ポール２５が設けられる。
【００８３】
この中空ポール２５はステンレス鋼管を所定の長さに裁断したものであり、底部１６の下側から挿入された通しボルト２６がこの中空ポル２４内を貫通してステージ５の下面に螺合され、この通しボルト２６を締め込むことにより、ステージ５の中央部が底部１６に対して所定の高さに固定される。
【００８４】
なお、図９は前記断熱材１９の平面図であり、この図９に示すように、断熱材１９は横長の日型の枠状に、合成樹脂、例えばベークライトで形成され、又、その周囲部１９ａには所定の間隔を置いて通しボルト２０が挿通される多数口の孔２７が形成され、中央の桟部１９ｂには通しボルト２６が挿通される２口の孔２８が形成されている。
【００８５】
そして、この桟部１９ｂの両側の抜取孔１９ｃにそれぞれ例えば７枚のペルチェ素子４が列をなすように配置されるのである（図２参照）。
【００８６】
又、図示はしないが前記底部１６には、前記ボルト３９、通しボルト２０、２６を挿通する多数の座刳付き孔が形成される。
【００８７】
更に、図１及び図２に示すように、前記周壁部１７の一端面にはカバーブロック２９が固定され、このカバーブロック２９の一端面には冷媒導入用の断熱ホース３０を固定するホースクランプ３１と、配線を収納するフレキシブルチューブ３２を固定するチューブクランプ３３と冷媒排出用の断熱ホース３４を固定するホースクランプ３５とが固定されている。
【００８８】
ところで、図１に示すように、前記ハウジング１５の底部１６と冷却ジャケット６との間には、例えば４本の圧縮コイルバネからなる付勢手段３６が挿入され、この付勢手段３６の圧力（弾發力）で冷却ジャケット６がペルチェ素子４に押圧されて密着し、ペルチェ素子４がステージ５に押圧されて密着するようにしている。
【００８９】
さて、この冷凍固定装置１によれば、前記ステージ５の周縁部がハウジング１５の周壁部１７に固定され、その中央部の２箇所が通しボルト２６及び中空ポール２５を介してハウジング１５の底部１６に固定されている。
【００９０】
したがって、このステージ５の上面に凍結固定されたワークを介してステージ５を中央部が下に膨らむように反らせようとする加工力がステージ５に作用しても、この加工力が中空ポール２５を介してハウジング１５の底部１６に受止められるので、ステージ５が下に反ることはない。
【００９１】
又、熱応力差によってステージ５をその中央部が上に膨らむように反らせる内部応力が作用しても、ステージ５の中央部の上方への移動が通しボルト２６を介してハウジング１５の底部１６によって牽制されているので、ステージ５が上に反ることはない。
【００９２】
そして、このようにステージ５の変形が防止されることにより、ステージ５の変形による加工精度の低下が確実に防止されるのである。
【００９３】
因みに、前記ハウジング１５は断熱材１９、断熱空間２４及び断熱塗料により前記本体２から断熱されている上、高剛性に造られているので、その熱歪みや、加工力及び通しボルト２６に作用する張力に対する変形は完全に無視することができる。
【００９４】
又、前記ハウジング１５が本体２から断熱されると共に、前記付勢手段３６が冷却ジャケット６をペルチェ素子４に密着させているので、ペルチェ素子４の放熱面が冷却ジャケット６によって効率良く、確実に冷却されるので、ペルチェ素子４の表裏の温度差が小さくなり、ペルチェ素子４の電子冷却機能が高められる。
【００９５】
さらに、前記付勢手段３６がペルチェ素子４をステージ５に押圧して密着させているので、ステージ５がペルチェ素子によって効率良く、確実に冷却され、ステージ５のワーク側の表面温度を加工熱が加わってもステージ５の上面を確実に氷点下に冷却することができ、解凍によるワーク保持機能が喪失されることはない。
【００９６】
特に、後述するように、ワークと工作機械のツールとの間に冷却された工作液や冷却風が供給される場合には、加工熱を工作液や冷却風に吸収させることができるので、解凍によるワーク保持機能の喪失を一層確実に防止することができるのである。
【００９７】
図１０は本発明システムの一実施例の構成図であり、この図１０に示すように、このシステムは、工作機械のテーブル上に例えば電磁チャックを介して固定される前記冷凍固定装置１の本体２及びハウジング１５と、本体２の上面に冷凍固定されたワーク３７と前記工作機械のツール３８との間に工作液を供給する工作液供給手段４０と、ワーク３７とツール３８との間に供給された工作液を回収する集水枡４１と、工作液供給手段４０の内部に設けた濾過手段４２とを備え、集水枡４１で回収した工作液を濾過手段４２で濾過してから、前記工作液供給手段４０の工作液タンク４３に還流させるようにしている。
【００９８】
又、前記工作液供給手段４０は例えば水ポンプからなる工作液ポンプ４４と、工作液冷却手段４５とを備え、工作液タンク４３から水ポンプ４４で汲出した工作液を工作液冷却手段４５で、例えば−５℃〜−３０℃に冷却してからワーク３７とツール３８との間に吐出するように構成されている。
【００９９】
図１１は前記集水枡４１の平面図であり、図１２はその正面図である。これら図１１及び図１２に示すように、前記集水枡４１は、前記ハウジング１５の底部１６の下面に固定されるベース板４１ａと、このベース板４１ａの上面に固定され、前記ハウジング１５を取囲む水盤４１ｂとを備え、前記ベース板４１ａに開設した３口の排出口４１ｃの下側にはそれぞれ排出用ホースを接続する口金４１ｄが設けられる。
【０１００】
なお、この水盤４１ｂの周壁の前面には、作業性を高めるために、段落部４１ｅが設けられ、例えば右側面には前記断熱ホース３０、３４及びフレキシブルチューブ３２を通すための段落部が設けられる。そして、この右側面の外側に、前記断熱ホース３０、３４及びフレキシブルチューブ３２を支持する保持金具４１ｆが固定されている。
【０１０１】
又、前記ベース板４１ａの下面には、電磁チャックに位置合わせするための定規４１ｇ、４１ｈが固定されている。
【０１０２】
この機械加工システムによれば、前記本発明装置の実施例で説明したように、冷凍固定装置１により、ステージ５の反りによる加工精度の低下を防止でき、又、解凍によるワーク固定機能の喪失を防止できる上、ワーク３７とツール３８との間に冷却された工作液が供給されるので、解凍によるワーク固定機能の喪失が一層確実に防止されると共に、加工熱をこの工作液に吸収させ、ステージ５の表裏の温度差を小さくして、ステージ５の中央部を上に反らせる内部応力を小さくすることができる。その結果、ステージ５の反りによる加工精度の低下を一層確実に防止できるようになるのである。
【０１０３】
図１３は、本発明システムに係る他の実施例の構成図であり、この図１３に示すように、このシステムは前例と同様に工作液供給手段４０を備える構成に加えて、ワーク３７の加工点及び加工済部を冷却する空冷手段５０を備えている。
【０１０４】
この空冷手段５０は、冷却風をワーク３７の加工点及び加工済部に冷却風を供給する冷却風供給手段５１と、この冷却風を例えば−５℃〜−３０℃に冷却する冷却風冷却手段５２と、ワーク３７の加工点及び加工済部に供給された冷却風を冷却風冷却手段５２に回収する冷却風回収手段５３とを備える。
【０１０５】
冷却風供給手段５１は冷却風をワーク３７の加工点から極わずか離れた加工済部に向けて噴射するノズル５１ａと、このノズル１５ａを冷却風冷却手段５２の出口に連通させる供給路５１ｂと、この供給路５１ｂに介在させた送風機５１ｃとを備え、冷却風冷却手段５２で冷却した冷気を送風機５１ｃで吸引し、ノズル５１ａから噴射させるように構成している。
【０１０６】
これにより、加工点におけるワーク３７及び加工液の昇温を抑制し、又、加工済部から加工液を吹き飛ばすと共に、加工済部及びそこに残留している加工液を瞬間的に冷却して加工済部から生じる局部的な解凍が瞬間的に解消されて再凍結されるようにしている。
【０１０７】
冷却風回収手段５３は、ツール３８及びワーク３７を取囲み、前記集水枡４１の上面全体を好ましくは気密状に覆う例えば下面が開放された直方形箱型のフード５３ａと、このフード５３ａの内部空間を冷却風冷却手段５２の入口に連通させる還流路５３ｂとを備える。
【０１０８】
冷却風回収手段５３としてはこの還流路５３ｂ内にフード５３ａから冷却風冷却手段５２に向かう気流を形成するための送風機が必要であるが、ここでは空冷手段５０の構成を簡単にすると共に、空冷手段５０を安価にするために、この冷却風回収手段５３の送風機として冷却風供給手段５１の送風機５１ｃが兼用されている。
【０１０９】
このように、冷却風回収手段５３を設けると、冷気が残っている空気を冷却風冷却手段５２に導入できるので、冷却風冷却手段５２の負荷が軽くなり、小型で安価な冷却風冷却手段５２を用いることができるから、冷却手段５０を小型に、かつ安価にすることができる。
【０１１０】
この冷却風回収手段５３の還流路５３ｂには、例えばサイクロンからなる気液分離手段５４を介在させてあり、何ら特別のエネルギーを消費することなく冷却風冷却手段５２に回収する冷却風から液分、即ち工作液を分離できるようにしている。
【０１１１】
これにより、冷却風冷却手段５２及び冷却風冷却手段５１に流れる気流から液分が分離され、これら冷却風冷却手段５２及び冷却風供給手段５１内に錆が発生することを防止できると共に、これら冷却風冷却手段５２や冷却風供給手段５１の内部で液分が凝集して冷却風の通路を狭めたり、詰まらせたりすることを防止できたり、結露水により送風機５１ｃの負荷が増大することを長期間にわたって防止することができるのである。
【０１１２】
前記気液分離手段５４で分離された液分は、工作液を主成分とする液であり、回収管５５により集水枡４１に流し込み、回収して再使用するようにしている。
【０１１３】
この実施例のその他の構成、作用ないし効果は前例のそれと同様であるので、重複を避けるためにこれらの詳細な説明は省略する。
【０１１４】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明装置は、ペルチェ素子と、その冷却面側に配置されるステージと、ペルチェ素子の放熱面を冷却する冷却ジャケットとを有する本体と、前記冷却ジャケット内に供給する冷媒を冷却するチラーとを備える冷凍固定装置において、該本体の下方を覆う底部と、この底部から立上げられ、断熱材を介して前記ステージの周縁部を底部に支持させる周壁部とを有する１個のハウジングと、該底部から立上げられ、ステージの中央部を支承する１本又は複数本の縦軸の中空ポールとを備え、前記底部、中空ポール及びステージが通しボルトとナットとにより共締めされることを特徴とする。
【０１１５】
これにより、前記ステージの周縁部が剛性の高いハウジングに支持されると共に、その中央部が中空ポールを介して前記底部に支承されるので、ステージの中央部が下側、即ちペルチェ素子側に膨らむように反ることが防止される一方、又、前記ステージの周縁部が剛性の高いハウジングに支持されると共に、その中央部にハウジングの下方から中空ポールを貫通する通しボルトが螺合されるので、ステージの中央部が上側、即ち、ワーク側に膨らむように反ることが防止され、ステージの反りによる加工精度の低下が防止されるという効果が得られるのである。
【０１１６】
又、本発明装置によれば、ステージの下側及び上側への反りが防止されるので、ステージとペルチェ素子との密着性が高められ、ペルチェ素子により確実にステージが冷却され、加工熱によるワーク固定機能の喪失が防止されるという作用が得られるのである。
【０１１７】
次に、本発明システムは、工作機械のテーブル上にワークを凍結させて固定する冷凍固定装置を用いる機械加工システムにおいて、上述した本発明装置が用いられるので、本発明装置で得られる作用と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明装置の縦断正面図である。
【図２】図２は、本発明装置の平面図である。
【図３】図３は、本発明装置のステージの側面図である。
【図４】図４は、本発明装置のステージの底面図である。
【図５】図５は、本発明装置のジャケット本体の平面図である。
【図６】図６は、本発明装置の冷却ジャケットの縦断正面図である。
【図７】図７は、本発明装置の周壁部の縦断正面図である。
【図８】図８は、本発明装置の周壁部の平面図である。
【図９】図９は、本発明装置の断熱材の平面図である。
【図１０】図１０は、本発明システムの構成図である。
【図１１】図１１は、本発明システムの集水枡の平面図。
【図１２】図１２は、本発明システムの集水枡の正面図である。
【図１３】図１３は、本発明システムの構成図である。
【符号の説明】
１ 凍結固定装置
２ 本体
３ チィラー
４ ペルチェ素子
５ ステージ
６ 冷却ジャケット
１５ ハウジング
１６ 底部
１７ 周壁部
１９ 断熱材
２４ 断熱空間
２５ 中空ポール
２６ 通しボルト
３６ 付勢手段
４０ 工作液供給手段
４１ 集水枡
４２ 濾過手段
４５ 工作液冷却手段
４６ 封止部材
５０ 空冷手段
５１ 冷却風供給手段
５２ 冷却風冷却手段
５３ 冷却風回収手段

Claims (12)

1. ペルチェ素子と、その冷却面側に配置されるステージと、ペルチェ素子の放熱面を冷却する冷却ジャケットとを有する本体と、前記冷却ジャケット内に供給する冷媒を冷却するチラーとを備える冷凍固定装置において、
   該本体の下方を覆い、工作機械のテーブル上に固定される底部と、この底部から立上げられ、断熱材を介して前記ステージの周縁部を底部に支持させる周壁部とを有するハウジングと、該底部から立上げられ、前記ステージの中央部を支承する１本又は複数本の縦軸の中空ポールとを備え、前記底部、中空ポール及びステージが通しボルトにより共締めされていることを特徴とする冷凍固定装置。
2. 周壁部が前記ステージの周縁部を全周に沿って設けられる連続壁からなる請求項１に記載の冷凍固定装置。
3. 周壁部の上縁外側部分がステージの周囲に延出され、この延出部分とステージの外周との間に水密性を有する封止部材が配置される請求項２に記載の冷凍固定装置。
4. ハウジングの底部及び周壁部とペルチェ素子及び冷却ジャケットとの間に断熱空間が設けられる請求項１ないし３に記載の冷凍固定装置。
5. 複数本の中空ポール、通しボルトが設けられる請求項１ないし４のいずれか１項に記載の冷凍固定装置。
6. 中空ポールと前記ステージとの間に断熱材が配置される請求項１ないし５のいずれか１項に記載の冷凍固定装置。
7. 底部と冷却ジャケットとの間に弾發力を有する少なくとも１個の付勢手段が設けられ、この付勢手段の弾發力で冷却ジャケットがペルチェ素子に押圧される請求項１ないし４のいずれか１項に記載の冷凍固定装置。
8. 工作機械のテーブル上にワークを凍結させて固定する冷凍固定装置を用いる機械加工システムにおいて、
   請求項１ないし７のいずれか１項に記載の冷凍固定装置が用いられることを特徴とする冷凍固定装置を用いる機械加工システム。
9. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の冷凍固定装置のステージに固定されたワークと工作機械のツールとの間に工作液を供給する工作液供給手段と、この工作液を冷却する工作液冷却手段とが設けられる請求項８に記載の冷凍固定装置を用いる機械加工システム。
10. ワークとツールとの間に供給された工作液を回収する集水枡と、この集水枡に回収された工作液から固形不純物を分離除去する濾過手段とが設けられ、該濾過手段で濾過された工作液を工作液供給手段に循環させる請求項８又は９に記載の機械加工システム。
11. ワークの加工済部に冷却風を供給する冷却風供給手段と、空気を冷却したり、或いは冷却風を冷却する冷却風冷却手段とを備える空冷手段が設けられる請求項９又は１０に記載の冷凍固定装置を用いる機械加工システム。
12. ワークの加工済部に供給された冷却風を冷却風冷却手段に回収する冷却風回収手段と、冷却風冷却手段に回収する冷却風から液分を分離する気液分離手段とが設けられる請求項１１に記載の冷凍固定装置を用いる機械加工システム。

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