JP5063711B2 - 液温制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、機械に使用される潤滑油、冷却液、加工液、作動油等の液体の温度を所望の値に制御する液温制御装置に関する。

加工機械を例にとり説明する。加工機械を連続的に運転したり、長時間に渡り断続的に運転したりすると、加工機械は発熱する。また、加工機械は、環境（周囲）の温度変化の影響を受ける。加工機械の温度が変化して機械各部が熱変形すると、加工精度が低下するという問題がある。加工機械の温度変化の問題は、要求される精度の高い仕上げ加工において特に問題視され、様々な対策が施されている。一般に、精度の高い仕上げ加工を行うには、主軸頭に冷却液を循環させて主軸を冷却したり、加工機械の周囲をカバーで取り囲み、加工室内を温度管理された恒温状態にしたりする方法が採用されている。加工機械の温度を下げる方法として、液体による主軸の冷却の他に、機械本体内部の冷却、作動油・潤滑油・加工液の温度を調整する方法が挙げられる。加工機械に供給される液体は、液温制御装置により所望の温度に制御される。

液体により加工機械を冷却する方法の従来の一例が、特許文献１に開示されている。特許文献１に記載された発明は、低冷却モードの制御と通常冷却モードの制御を使い分けることにより、工作機械の発熱源の発熱量が変化した場合でも、設定温度と冷却液温度との過渡的な偏差を減少させ、冷却液温度が安定するまでの時間を短縮することができる工作機械の温度制御方法及び温度制御装置を開示する。冷媒ガスの凝縮器は、空冷ファンを回転させ、周囲の空気を吹き付けることによって冷却される。

特開２００７−３８３２９号公報

特許文献１に記載された発明の冷媒ガスの凝縮器に吹き付けられる空気の温度は、そのときの雰囲気（周囲）の温度であり、時刻等の条件によって変化する。すると、凝縮器の冷却作用が変動することになり、結局、工作機械の温度制御を行う冷却液の温度が変動するという問題点が残る。

本発明は、従来の問題点を解決しようとするものであり、環境温度の変化に左右されることなく、目標温度に維持、調整することができる液温制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によれば、冷媒の冷凍サイクルにより液体の温度を所望の値に制御する液温制御装置において、圧縮された高温の冷媒ガスを冷却して液化する凝縮器と、加工機械の内部の空洞に充満された液体中に浸漬された温度センサの検出温度に制御された液体と取り込んだ空気との間で熱交換し、該空気を冷やす熱交換器と、前記熱交換器から送出される冷やされた前記空気を前記凝縮器に送風して前記冷媒ガスを冷却する空冷装置と、を具備した液温制御装置が提供される。
冷媒の冷凍サイクルは、圧縮器により蒸気の状態の冷媒ガスを圧縮して高温の過熱蒸気とし、凝縮器で冷却して液化させ、液化した冷媒を膨張弁を通過させることにより低温低圧の冷媒とし、この低温低圧の冷媒を蒸発器に通して機械に供給される温度調整すべき液体から熱を奪って気化させ、再び圧縮器に流入して循環させるものである。液温制御装置は、この冷媒の冷凍サイクルを利用して機械に供給する液体の温度を所望の値に制御している。この所望の温度に制御された液体を熱交換器に導入し、周囲から取り込んだ空気との間で熱交換することにより、取り込んだ空気の温度を所望の温度に近い、ほぼ一定値にする。そして、熱交換器から流出されるほぼ一定の温度に調整された空気が空冷装置によって凝縮器に送風され、凝縮器を空冷する。その結果、凝縮器が冷媒ガスを冷却する能力が周囲の温度（環境温度）にかかわらずほぼ一定となり、ひいては蒸発器における液体から熱を奪う能力も一定となる。

また、本発明によれば、前記熱交換器は、前記凝縮器に密着して配設され、前記熱交換器を出た冷やされた前記空気がそのまま前記凝縮器に送風される液温制御装置が提供される。
熱交換器のフレーム寸法を凝縮器のフレーム寸法に合わせて製作し、熱交換器のフレームと凝縮器のフレームとを気密に接合すれば、空冷装置の作用によって熱交換器で冷やされたほぼ一定温度の空気がそのまま凝縮器に送風されることになり、凝縮器の冷却効率が上がるとともに装置をコンパクトにすることができる。

また、本発明によれば、前記熱交換器は、所望の温度に制御された液体から分流した液体と取り込んだ空気との間で熱交換し、該空気を冷やす液温制御装置が提供される。
このように、所望の温度に制御された液体を機械に供給する管路から分流して熱交換器に導くように構成してもよい。この構成により、既存の機械の液温制御装置に後付けにより熱交換器を追加することが容易となる。

以上の如く、本発明の液温制御装置によれば、熱交換器から送出される予めほぼ一定の温度に冷やされた空気が凝縮器の空冷用に供給されるから、凝縮器における冷媒ガスの冷却作用の変動がほとんどなくなる。従って、環境温度の変動があっても、温度調整すべき液体の温度をほぼ目標温度に維持、調整することができる。

本発明の液温制御装置の一実施形態を示す図である。 図１の液温制御装置の要部を示す図である。 本実施形態の液温制御装置の変形例を示す図である。

本発明の液温制御装置を加工機械の付属装置として用いる場合を例に挙げ、以下説明する。液温制御装置は、加工機械の本体内部に供給される冷却液、作動油、潤滑油、加工液などを温度調整する制御装置である。加工機械には、垂直な主軸を有する立形マシニングセンタや、水平な主軸を有する横形マシニングセンタや、ターニングセンタや、グラインディングセンタなどを挙げることができるが、これには限定されない。

図１には、本発明を用いた加工機械設備の一実施形態を説明するための図が示されている。加工機械１は、直線送り軸Ｘ，Ｙ，Ｚを有する立形マシニングセンタある。加工機械１は、ベッド４に対して水平移動可能に支持されたテーブル７と、コラム５に対して紙面に垂直な方向に移動可能に支持されたサドル８と、サドル８に対して上下移動可能に支持された主軸頭９と、を具備している。主軸頭９には縦向きに主軸１０が回転支持され、主軸１０の下端には、ドリルやエンドミルなどの回転工具を保持する図示しない工具ホルダが、回転工具を下向きにした状態で装着されるようになっている。回転工具とテーブル７に保持されたワークとは、直線送り軸Ｘ，Ｙ，Ｚを動かすことにより相対的に動作し、ワークが所定の形状に加工されるようになっている。サドル８はＸ軸方向に、テーブル７はＹ軸方向に、主軸頭９はＺ軸方向に、それぞれ直動ガイドに案内されながら、例えばリニアモータにより駆動される。

また、加工機械１は、本体の温度分布を略均一に保つための熱変形防止手段５０を有している。熱変形防止手段５０は、ベッド４とコラム５の内部の空洞に充満させた液体を循環させるポンプと、このポンプを起動、停止して液体の循環時間を制御する循環時間制御部などを備えている。コラム５は、空洞に充満させた液体中に浸漬された温度センサ１１を有している。温度センサ１１は、機械本体の重心近傍に位置するように、液体中に浸漬されている。温度センサ１１を機械本体の中央位置近傍に位置させることで、機械本体の平均化された温度を機体温度として検出することが可能となる。温度センサ１１により検出された機体温度は、機械各部の温度を制御する際に参照される基準温度として使用することができる。

図２には、液温制御装置１５の構成が示されている。本実施形態の液温制御装置は、主軸軸受用の潤滑油の温度を調整する制御装置として構成されている。主軸頭９に回転可能に支持される主軸１０は、一定温度の潤滑油により、軸受けが潤滑、冷却されることにより、主軸の発熱が抑制されるようになっている。高速で回転する主軸１０は、加工機械１の主要な発熱源の一つであるため、主軸１０を所定温度に冷却することは、加工精度を高める上で非常に重要である。目標とする主軸の温度には、温度センサ１１により検出された機体温度が参照される。高速回転する主軸を冷却することにより、主軸が軸方向に熱変形（伸長）することが防止され、高能率加工及び高精度加工の課題の一つである主軸の熱変形問題を解決することが可能となる。

図示するように、冷凍機３５は、タンク１２からポンプ１３により汲み上げられた潤滑油を冷却する冷却部３６を備えている。潤滑油は、主軸軸受に供給されて熱を吸収し、タンク１２に回収されるようになっている。タンク１２に回収される潤滑油は、温度センサ１４（図１）により温度が検出され、冷凍機３５にフィードバックされて、目標温度に冷却されるようになっている。

冷媒による冷凍サイクルを行う冷凍機３５の冷却部３６は、冷却部３６内を循環する冷媒と、蒸気の状態の冷媒ガスを圧縮して高温の過熱蒸気にする圧縮器３８と、圧縮器３８から流出する冷媒ガスを冷却して液化する凝縮器４０と、凝縮器４０に対して熱交換器２５により熱交換された冷たい空気を送風する空冷装置４１と、液化した冷媒を低温低圧の冷媒とする膨張弁４２と、タンク１２からポンプ１３により汲み上げられた潤滑油から低温低圧の冷媒が熱を奪い、潤滑油を冷却する蒸発器４４とを有している。蒸発器４４から流出する気化した冷媒は、再び圧縮器３８に流入して冷却部３６内を循環する。圧縮器３８は、インバータ制御され、モータの駆動周波数を変更することにより、回転速度が変更されて冷却能力が調整されるようになっている。圧縮器３８の冷却能力や膨張弁４２の開度は、潤滑油の戻り温度及び加工機械の機体温度に基づいてフィードバック制御により調整されるようになっている（図３の温度制御手段４６を参照）。凝縮器４０には、熱交換器２５により熱交換された冷たい空気を流入させる管路３９と、冷媒を空冷した後の空気を加工機械１から離れた場所へ排出するダクト２３とが備わっている。

熱交換器２５は、工場内の暖かい空気と冷凍機３５により所定温度に冷却された冷たい潤滑油とが熱交換することにより、周囲から熱交換器２５に流入した空気を冷却し、前記所定温度に近づいた冷たい空気を管路２６，３９を介して冷凍機３５の凝縮器４０周辺に供給する。従来は、工場内の空気がそのまま冷凍機の凝縮器周辺に供給されていたが、本発明では、本実施形態に係る熱交換器２５が新しい設備として付加されているため、冷たい空気が冷凍機３５の凝縮器４０周辺に供給されるものとなり、凝縮器４０による冷媒ガスの冷却作用が安定し、液温制御装置１５から出力される潤滑油の温度の変動がほとんどなくなる。

次に、本実施形態の液温制御装置の変形例について説明する。図３に示す液温制御装置１５Ａでは、熱交換器２５Ａが凝縮器４０に密着して設けられている。これにより、熱交換器２５Ａから流出した冷たい空気は、熱交換器２５Ａが位置する側と反対側に位置する空冷装置４１により、そのまま凝縮器４０の周辺に導入され、高温の冷媒ガスから熱を奪い、ダクト２３を介して加工機械１から離れた場所へ排出されるようになっている。また、液温制御装置１５Ａは、潤滑油の戻り温度及び加工機械１の機体温度に基づいて圧縮器３８のモータ回転速度を制御する温度制御手段４６を有している。その他の液温制御装置１５Ａの構成は、図２に示す液温制御装置１５と同様であるため、同一符号を付して説明を省略する。

以上のように、本実施形態の液温制御装置１５，１５Ａによれば、液温制御装置１５，１５Ａの冷凍機３５，３５Ａの凝縮器４０周辺には、熱交換器２５，２５Ａから流出する冷たい空気、すなわち、液温制御装置１５，１５Ａにより所定温度に制御された潤滑油の温度に近づいたほぼ一定温度の空気が供給されるので、凝縮器４０による冷媒ガスの空冷作用が安定し、結局、液温制御装置１５，１５Ａによる潤滑油の温度制御能力が変動しにくくなる。この結果、加工機械１の主軸１０の熱変位が時間とともに変化することがほとんどなくなり、加工精度が向上する。また、高性能な冷凍機を使用せずに、既設の冷凍機に熱交換器と温度制御した液体を流通させる配管を付加するだけで、液体の温度制御を安定的に行うことができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。液温制御装置１５，１５Ａによって所定温度に調整された潤滑油を分流して熱交換器２５へ流入させる実施形態を示したが、分流させずに、蒸発器４４によって冷却された潤滑油をすべて熱交換器２５に流入させ、その後、主軸へ循環させるようにしてもよい。この場合は、蒸発器４４を通過した潤滑油はより冷却され、熱交換器２５を通過した後の液温が上述の分流した場合に主軸に供給される液温と同じになるように制御される。また、図３の実施形態において、周囲の空気は熱交換器２５、凝縮器４０周辺、空冷装置４１、ダクト２３の順に流通するように構成したが、空冷装置、熱交換器、凝縮器周辺、ダクトの順に流通するように構成してもよい。さらにまた、本実施形態では、加工機械の液温制御装置に適用した場合について述べたが、液温制御装置を有した測定機械等の産業機械に本発明を適用することができる。

１ 加工機械
９ 主軸頭
１５，１５Ａ 液温制御装置
２５，２５Ａ 熱交換器
４０ 凝縮器
４１ 空冷装置
４２ 膨張弁
４４ 蒸発器
３５，３５Ａ 冷凍機
４６ 温度制御手段

Claims (3)

1. 冷媒の冷凍サイクルにより液体の温度を所望の値に制御する液温制御装置において、
   圧縮された高温の冷媒ガスを冷却して液化する凝縮器と、
   加工機械の内部の空洞に充満された液体中に浸漬された温度センサの検出温度に制御された液体と取り込んだ空気との間で熱交換し、該空気を冷やす熱交換器と、
   前記熱交換器から送出される冷やされた前記空気を前記凝縮器に送風して前記冷媒ガスを冷却する空冷装置と、
   を具備することを特徴とした液温制御装置。
2. 前記熱交換器は、前記凝縮器に密着して配設され、前記熱交換器を出た冷やされた前記空気がそのまま前記凝縮器に送風される請求項１に記載の液温制御装置。
3. 前記熱交換器は、所望の温度に制御された液体から分流した液体と取り込んだ空気との間で熱交換し、該空気を冷やす請求項１又は２に記載の液温制御装置。

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