JP4667816B2 - エアタービンスピンドル装置 - Google Patents

Description

この発明は、エアタービンで回転駆動される高速エアタービンスピンドル装置に関し、より詳しくは、穴加工機、精密加工機、静電塗装機等に使用されるエアタービンスピンドル装置に関する。

従来のエアタービンスピンドル装置が特許文献１（特開２００２−３９１８１号公報）に開示されている。このエアタービンスピンドル装置において、エアタービンのノズルから噴出する圧縮空気は、ノズル出口で断熱膨張して温度が低下する。そのため、エアタービンスピンドル装置のハウジングが冷却されて、ハウジングの周囲に存在する空気中の水分が結露し、錆などの不具合が発生する原因となることがあった。

特に静圧気体軸受によって軸を非接触状態で支持した場合には、高速回転で長時間連続運転する場合の軸受寿命において優れるが、転がり軸受などに比較して軸受の発熱（軸受部での摩擦損失）が少ないため、ハウジングの温度が下がりやすい。そのため、大出力を得るためにエアタービンに高圧の圧縮空気を大量に供給するような場合には、特にハウジングの外壁面の結露が問題になりやすい。

このようなエアタービンからの排気による結露の問題を解決するため、予め所定温度まで加熱した空気を、エアタービンに給気するエアタービン装置が特許文献２（特開２００１−１９８４９４号公報）に開示されている。
特開２００２−３９１８１号公報 特開２００１−１９８４９４号公報

特許文献２に記載のエアタービンスピンドル装置においては、従来の装置に加えて、圧縮空気を加熱するための熱源を設置する必要がある。そのため、設備費用、運転費用、および設置床面積が余計に必要となるという問題がある。また、加熱した空気をエアタービンに給気するので、エアタービンスピンドル装置のハウジングの温度が必要以上に上昇することがあった。この場合には温度上昇による熱膨張のため、軸受の隙間が変化して軸受性能が低下し、高速回転が不可能になるという問題もあった。

したがって、この発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、設備を追加することなく、ハウジングの結露を防止することができるエアタービンスピンドル装置を提供することを目的とする。

この発明に基づいたエアタービンスピンドル装置は、エアタービンによって回転駆動される主軸と、上記主軸を回転自在に保持する軸受部と、上記エアタービンを収容するハウジングとを備えている。上記ハウジングは、上記エアタービンを回転駆動した空気を上記ハウジングの外部に導くエアタービン排気通路を有し、上記エアタービン排気通路の内壁面の少なくとも一部には、金属よりも熱伝導係数の小さい断熱材料からなる断熱部が設けられている。

通常、エアタービンへの給気は乾燥空気が一般に使用されるので、エアタービンの排気には結露を生じるほどの水分は含まれていないが、ハウジングの周囲の外気が露点以下に冷却されることによって結露が生じることがあった。つまり、低温の排気によってハウジングが冷却され、ハウジングに接している周囲の空気の温度が露点以下に低下することが結露の原因になっていた。

本発明に係るエアタービンスピンドル装置によると、エアタービン排気通路の内壁面の少なくとも一部を、金属よりも熱伝導係数の小さい材料からなる断熱部で構成しているので、断熱膨張して温度が低下した排気がエアタービン排気通路を流れても、エアタービン排気通路の内壁面を経由するハウジングから低温の排気への熱の流れが阻害される。これによりハウジングの温度低下を抑制することができる。その結果ハウジングの外壁面における結露を防止することができる。

上記エアタービンスピンドル装置において、上記断熱部を、樹脂またはセラミックスからなる被膜で構成したり、上記エアタービン排気通路にはめ込まれた、樹脂またはセラミックスからなる管状部材で構成したり、上記ハウジングの上記エアタービン排気通路を構成する部分の少なくとも一部を樹脂またはセラミックスで形成することで構成してもよい。

上記断熱部を上記エアタービン排気通路にはめ込まれた、樹脂またはセラミックスからなる管状部材で構成する場合には、管状部材の先端がハウジングから突出するようにしても良い。この構成によると、低温の排気がハウジングから離れた位置に排出されるので、ハウジングの温度がより下がりにくくなり、ハウジングの外壁面における結露をより確実に防止することができる。

上記断熱部が、上記ハウジングの上記エアタービン排気通路を構成する部分の少なくとも一部を樹脂またはセラミックスで形成して構成される場合には、上記軸受部を、弾性材料を介して上記ハウジングに固定することが好ましい。この構成によると、合成樹脂等の、金属に比べて低剛性または線膨張係数の大きい断熱材でハウジングが構成され、ハウジングが変形した場合でも、弾性材料によりその変形を吸収することができる。これにより軸受部の変形を防止して良好な軸受性能を得ることができる。

上記エアタービンスピンドル装置において好ましくは、上記ハウジングの外壁面に、断熱材料の被膜を設ける。ハウジングの外壁面に断熱材の被膜を設けることにより、ハウジングとハウジングの周囲の外気との間の熱の流れを低減できる。これにより、ハウジングの周囲の外気の温度が低下することを抑制でき、より確実にハウジングの外壁面の結露を防止することができる。

上記エアタービンスピンドル装置においてさらに好ましくは、上記軸受部は、該軸受部に圧縮空気を噴出させることにより上記主軸を非接触状態に保持する、静圧気体軸受で構成しても良い。この場合には、静圧気体軸受により、高速回転での長時間連続した運転においても優れた軸受寿命が得られ、同時にハウジング外壁面の結露の問題を解決することができる。

本発明に係るエアタービンスピンドル装置によると、加熱装置などの設備を追加することなく、ハウジングの結露を防止することができる。

（実施の形態１）
本発明に係る実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、実施の形態１におけるエアタービンスピンドル装置を示す縦断面図であり、図２は、エアタービン排気通路の構造を示す拡大図である。

本実施の形態のエアタービンスピンドル装置は、エアタービンによって回転駆動される主軸１と、主軸１を回転自在に保持する軸受部５と、主軸１および軸受部５を収容するハウジング３とを備えている。ハウジング３は、エアタービンを回転駆動した空気をハウジング３の外部に導くエアタービン排気通路１１を有し、エアタービン排気通路１１の内壁面の少なくとも一部には、金属よりも熱伝導係数の小さい断熱材料からなる断熱部が設けられている。

図１に示すように、主軸１の後端には円板状のスラスト板２が連設されている。主軸１は、軸受部５としての静圧気体ジャーナル軸受によって支持され、スラスト板２は静圧気体スラスト軸受６，７によって支持されている。スラスト板２の外周面に対向してノズルスリーブ８が設けられている。ノズルスリーブ８に設けた複数のタービンノズル９からは、スラスト板２の外周面のほぼ接線方向に圧縮空気が噴出される。スラスト板２の外周面には複数の凹部１０が設けられており、圧縮空気が凹部１０に吹き付けられることで、主軸１が回転駆動される。

タービンノズル９から噴出した空気は、ハウジング３に設けたエアタービン排気通路１１を通ってハウジング３の外部に排気される。本実施の形態においては、ハウジング３は、鉄やアルミニウムなどの金属で構成されている。タービンノズル９およびエアタービン排気通路１１の寸法や個数は、必要とされる駆動力に応じて適宜設定することができる。

図２に示すように、ノズルスリーブ８の表面およびエアタービン排気通路１１の内壁面には、ハウジング３，４を構成する鉄やアルミニウムなどの金属よりも熱伝導係数が小さい合成樹脂やセラミックスなどの断熱材料からなる、断熱部としての被膜１２，１３が設けられている。この被膜１２，１３により、ハウジング３から低温の排気への熱の流れが阻害されるので、被膜１２，１３が設けられていない場合に比べるとハウジング３を高い温度に保持することができる。これによりハウジング３の外壁面における結露を防止することができる。

エアタービン排気通路１１の全長が長い場合には、その内壁面への均一な被膜の形成が困難な場合がある。このような場合には、合成樹脂やセラミックスなどの断熱材料で製作した薄い中空円筒部材を、エアタービン排気通路１１の内部に嵌合することにより、エアタービン排気通路１１の内壁面に断熱部を形成することができる。この場合でも、断熱材からなる被膜１３を形成した場合と同様の効果を得ることができる。中空円筒部材は、圧入や接着等によりハウジング３に固定することができる。

本実施の形態のエアタービンスピンドル装置によると、エアタービン排気通路１１の内壁面の少なくとも一部を、金属よりも熱伝導係数の小さい材料からなる断熱部で構成しているので、断熱膨張して温度が低下した排気がエアタービン排気通路１１を流れても、エアタービン排気通路１１の内壁面を経由するハウジング３，４から低温の排気への熱の流れが阻害される。これによりハウジング３，４の温度の低下を防止することができる。その結果、加熱装置などの設備を追加することなく、ハウジング３，４の外壁面における結露を防止することができる。

また本実施の形態では、主軸１およびスラスト板２を、圧縮空気を噴出させることにより非接触状態で保持する静圧気体軸受で保持している。静圧気体軸受を用いた場合のように、軸受部での発熱が少なくハウジング３，４の温度が低下しやすい場合であっても、断熱部により低温の排気からハウジング３，４が断熱されるので、ハウジング３，４の温度低下を抑制することができる。これにより、静圧気体軸受による高速回転での長時間連続した運転における優れた軸受寿命と、ハウジング３，４の外壁面における結露防止とを両立することができる。

（実施の形態２）
実施の形態２について図面を参照しながら説明する。図３は、実施の形態２のエアタービンスピンドル装置を示す縦断面図である。なお、実施の形態１と同じ構成には同一の参照番号を付しその説明は繰り返さない。

図３に示すように本実施の形態においては、エアタービン排気通路１１に、エアタービン排気通路１１の全長より長い、合成樹脂やセラミックスなどの断熱材からなる薄い中空円筒部材１４をはめ込んでいる。このように構成することにより、中空円筒部材１４の先端がハウジング３から突出し、低温の排気はハウジング３から離れた位置に放出される。これにより、ハウジング３，４の温度低下をさらに抑制することができる。その結果、より確実にハウジング３，４の外壁面における結露を防止することができる。

エアタービン排気通路１１を複数個設ける場合には、各エアタービン排気通路１１に設けた中空円筒部材１４を、エアタービン排気通路１１の外側で一本のチューブにまとめるようにしてもよい。

（実施の形態３）
実施の形態３について図面を参照しながら説明する。図４は、実施の形態３のエアタービンスピンドル装置を示す縦断面図である。なお、実施の形態１と同じ構成には同一の参照番号を付しその説明は繰り返さない。

本実施の形態においては、上記の実施の形態１と同様にハウジング３のエアタービン排気通路１１の内壁面に断熱材料からなる被膜１３を設け、さらに、ハウジング３，４の外壁面にも断熱材料からなる被膜１５を設けている。この構成によると、ハウジング３，４の温度が低下した場合でも、被膜１５により断熱されるのでハウジング３，４の外壁面の温度が下がりにくくなる。これにより、ハウジング３，４の外壁面における結露を防止する効果がさらに増大する。

上記実施の形態１から３においては、ノズルスリーブ８の表面およびエアタービン排気通路１１の内壁面に断熱部としての被膜１３を設けたが、被膜１３を設ける範囲は必要に応じて種々変更することができる。すなわち、排気の流速や流量、部材表面の面積、部材を構成する材料の熱伝導率および比熱、軸受の発熱などを考慮して、タービンノズル９の出口からエアタービン排気通路１１の出口に至る、ハウジング３，４の外部に排出されるまでに排気が接する部材の表面の、冷却されやすい部分に被膜１３を配設すればよい。

たとえば、軸受に近い部分では高速回転時の軸受損失による発熱のため、特に断熱材を配置しなくても結露を生じない場合がある。このような場合には、エアタービン排気通路１１の内面にのみ断熱材の被膜１３または薄い中空円筒部材を設ければよい。同様に、図４に示す実施の形態３においては、ハウジング３，４の外面の全面に断熱材の被膜１５を設けているが、排気と接触しやすいハウジング３のエアタービン排気通路１１の出口より前方の部分にのみ被膜１５を設けるようにしてもよい。

（実施の形態４）
実施の形態４について図面を参照しながら説明する。図５は、実施の形態４のエアタービンスピンドル装置を示す縦断面図である。なお、実施の形態１と同じ構成には同一の参照番号を付しその説明は繰り返さない。

図５に示すように本実施の形態においては、エアタービン排気通路１１が設けられたハウジング３を、合成樹脂やセラミックスなどの断熱材で構成している。本実施の形態によると、実施の形態１と同様の効果に加え、ハウジング３の内部での熱の移動が少なくなるので、湿気を多く含む外気に接しているハウジング３の外壁面の温度低下を抑制し、結露防止の効果がさらに高くなる。

また、このように、合成樹脂等の金属よりも剛性が小さい、あるいは線膨張係数の大きい材料でハウジング３を構成した場合には、外部からの力や温度変化によってハウジング３が変形しやすくなる。ハウジング３が変形した場合には、それにともなって軸受部が変形し、軸受性能が低下する恐れがある。

そこで、本実施の形態では、たとえば図５に示すように、軸受部５をＯリング等の弾性部材１６を介してハウジング３に固定している。これにより本実施の形態においては、ハウジング３が多少変形した場合でも、その変形を弾性部材１６により吸収することができるので、上述のような不具合を回避することができる。

なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるのではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

この発明に基づいた実施の形態１におけるエアタービンスピンドル装置を示す縦断面図である。 この発明に基づいた実施の形態１におけるエアタービンスピンドル装置におけるエアタービン排気通路の構造を示す拡大図である。 この発明に基づいた実施の形態２におけるエアタービンスピンドル装置を示す縦断面図である。 この発明に基づいた実施の形態３におけるエアタービンスピンドル装置を示す縦断面図である。 この発明に基づいた実施の形態４におけるエアタービンスピンドル装置を示す縦断面図である。

符号の説明

１ 主軸、３，４ ハウジング、５ 軸受部、１１ エアタービン排気通路、１２，１３ 被膜（断熱部）、１４ 中空円筒部材（断熱部）、１５ 被膜、１６ 弾性部材。

Claims (5)

1. エアタービンによって回転駆動される主軸と、前記主軸を回転自在に保持する軸受部と、前記主軸および前記軸受部を収容するハウジングとを備えたエアタービンスピンドル装置であって、
   前記ハウジングは、エアタービンを回転駆動した空気を前記ハウジングの外部に導くエアタービン排気通路を有し、
   前記エアタービン排気通路の内壁面の少なくとも一部には、金属よりも熱伝導係数の小さい断熱材料からなる断熱部が設けられ、
   前記断熱部は、樹脂またはセラミックスからなる被膜で構成されている、エアタービンスピンドル装置。
2. エアタービンによって回転駆動される主軸と、前記主軸を回転自在に保持する軸受部と、前記主軸および前記軸受部を収容するハウジングとを備えたエアタービンスピンドル装置であって、
   前記ハウジングは、エアタービンを回転駆動した空気を前記ハウジングの外部に導くエアタービン排気通路を有し、
   前記エアタービン排気通路の内壁面の少なくとも一部には、金属よりも熱伝導係数の小さい断熱材料からなる断熱部が設けられ、
   前記断熱部は、前記エアタービン排気通路にはめ込まれた、樹脂またはセラミックスからなる管状部材で構成されている、エアタービンスピンドル装置。
3. 前記管状部材の先端は、前記ハウジングから突出している、請求項２に記載のエアタービンスピンドル装置。
4. 前記ハウジングの外壁面の少なくとも一部には、断熱材料からなる被膜が設けられている、請求項１から３のいずれかに記載のエアタービンスピンドル装置。
5. 前記軸受部は、該軸受部に圧縮空気を噴出させることにより、前記主軸を非接触状態に保持する静圧気体軸受である、請求項１から４のいずれかに記載のエアタービンスピンドル装置。

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