JP5873526B2 - 主軸台座冷却槽 - Google Patents

Description

本発明は、主軸台座冷却槽の内部構造に関する。さらに言えば、工作機械のベッド本体の主軸台座内等に設置し、冷却槽内を流れる冷却液の挙動を制御することにより冷却効果を高めることができる主軸台座冷却槽の内部構造に関する。

工作機械の１つであるＮＣ旋盤は、床面にベッド本体が設置されており、ベッド本体上に主軸部が設けられている。主軸部には、モータで回転する主軸が設置されている。ＮＣ旋盤では、加工時に主軸モータの高回転等によって、モータや主軸内部にある軸受部が発熱し、主軸部の発熱がベッド本体に伝導する。主軸部の発熱がベッド本体に伝導することで、ベッド本体が熱変形することにより寸法変化が発生し、安定した加工精度を出すことが難しくなり好ましく無い。

加工時の発熱によるベッド本体の熱変形を抑えるために、冷却槽をベッド本体内部に設置した工作機械が知られている（特許文献１）。即ち、「ベッド本体に設けられた冷却液溜め部と、冷却液溜め部の冷却液を循環させるための循環ポンプと、冷却液を冷却するための第１及び第２クーラ手段を備え、前記第１主軸部を冷却した冷却液は、冷却液溜め部における第２主軸部側の部位に戻され、第２主軸部を冷却した冷却液は、冷却液溜め部における第１主軸部側の部位に戻されることを特徴とする工作機械（特許文献１：請求項１より抜粋）」が知られている。

特開２００８−２７９５３１

しかしながら、特許文献１のように、単に冷却液を循環させながら流しているだけでは、冷却効果が不十分であった。従って、冷却液を冷却するために、オイルコントローラ（工作機械とは別個に設置し、冷却液自体を冷却する装置）を併用していた。オイルコントローラを使用すれば、冷却液を冷却する効果は高いが、設置面積、及び消費電力が大きくなるといった問題があり、できれば使用を避けたかった。

発明者らは鋭意研究を重ねた結果、真っ直ぐ流れてきた水の流れがカーブする際、外側の流速が速くなり、内側の流速が遅くなるという現象が起こることから、冷却槽全体に出入りする冷却液の流量を変えずに、冷却すべき部分（冷却槽の壁面側）を効果的に冷却するためには、冷却槽内における冷却液の流路を意図的に曲げて、冷却槽の壁面付近の流速を速くすること（その分、壁面から離れた部分の冷却速度が遅くなる）で可能になるという知見を得た。即ち、冷却槽内を流れる冷却液の挙動を制御することによる冷却効果に着目し、本発明に至ったのである。

本発明の目的は、ベッド本体の主軸台座内部に設置した冷却槽内の冷却液の流れに着目し、冷却液の挙動を制御することで、ベッド本体内部に設置した冷却槽の壁面を、効果的に冷却することにより、主軸部からベッド本体への熱の影響を無くし、ベッド本体自体の熱変形を抑えることができる主軸台座冷却槽を提供することである。

上記課題を解決するために、本願請求項１に記載した発明は、ベッド本体の主軸台座内部に設置されており、冷却液を循環させるための冷却液入口と冷却液出口とを備えた主軸台座冷却槽であって、前記主軸台座冷却槽の内部は、互いに交差する仕切り板によって分割されており、前記仕切り板は、前記主軸台座冷却槽の壁面を基点として設置されたリブと、前記リブに隣接した略矩形の貫通部を備えており、前記略矩形の貫通部の長さは、前記リブの長さ方向と平行な側の方が前記リブの長さ方向と平行で無い側よりも長くなっていることを特徴とする主軸台座冷却槽であることを特徴とするものである。

上記課題を解決するために、本願請求項２に記載した発明は、前記貫通部の断面積は、前記冷却液入口側から冷却液の流れに沿って、前記冷却液出口側に行くにつれて小さくなっていくことを特徴とする請求項１に記載した主軸台座冷却槽であることを特徴とするものである。

本発明の請求項１に係る主軸台座冷却槽によれば、主軸台座冷却槽の内部を仕切るための仕切り板と、仕切り板に冷却液を通過させるための貫通部を備えていることにより、冷却液入口から冷却槽に供給された冷却液は、仕切り板に設置した貫通部を通過し、冷却液出口から冷却槽外に排出される。この時、冷却液の流れは、冷却液入口から冷却液入口が設置されている壁面と反対側の壁面側に向かって流れ、貫通部に侵入するために曲がり、さらに、曲がって冷却液出口が設置されている壁面へと戻ってくる流れになる。

即ち、冷却液入口が設置されている壁面と反対側の壁面付近の冷却液の流路は、曲線となっているため、冷却槽の壁面側の流速は速くなり、冷却槽の壁面が冷却されやすくなる。さらに貫通部を設置することで、貫通部よりも壁面側の仕切り板の貫通部と隣接した部分は、冷却槽内の壁面に設置したリブとして作用し、壁面付近に乱流を発生させ、壁面側の流速を速める効果もある。仕切り板と、仕切り板に貫通部を設置することだけで、冷却槽内における冷却液の流路と流速を制御することができる。本発明は、ベッド主軸台座に設けた冷却槽内部の構造を少し工夫するだけで、より高い冷却効果が得られるものである。結果的に、ベッド本体内部に本発明に係る主軸台座冷却槽を設置したことによって、発熱した主軸部の熱を、ベッド本体全体に伝導するのを防止することができる。

本発明に係る主軸台座冷却槽によれば、主軸台座冷却槽の内部を仕切るための複数の仕切り板と、複数の仕切り板の其々に、冷却液を通過させるための貫通部を備えているため、冷却液の流れを、主軸台座冷却槽の壁面に沿うようなスパイラル状に近づけることができる。理想的には、図３（ｆ）のようなイメージで主軸台座冷却槽内の冷却液の流れを、主軸台座冷却槽の壁面に沿うようにスパイラル状にすることにより、壁面付近の流速が速くなり、主軸台座冷却槽の壁面側の冷却効果が向上すると考えられる。

本発明の請求項２に係る主軸台座冷却槽によれば、貫通部の断面積は、冷却液入口側から冷却液の流れに沿って、冷却液出口側に行くにつれて小さくなっていくので、貫通部を通過する毎に、流速が速くなる。流速が速ければ速い程、冷却効果が向上するため、より冷却効果が上がることになる。

主軸台座冷却槽の全体図（請求項１）である。 主軸台座冷却槽の全体図（請求項２）、及び冷却液の挙動を説明するための上面図である。 主軸台座冷却槽の冷却基本原理を説明する図である。 主軸台座冷却槽の使用状態を表す図である。 主軸台座冷却槽の変更例である。

＜主軸台座冷却槽の構造＞
以下、本発明に係る主軸台座冷却槽１０について、図１〜図４を参照しつつ詳細に説明する。図１は、主軸台座冷却槽１０の全体図（請求項１）である。本発明に係る主軸台座冷却槽１０の基本的な形状である。循環ポンプから送られた冷却液は、冷却液入口２０から主軸台座冷却槽１０に供給され、仕切り板４０に設置された貫通部５０を通過して、冷却液出口３０から排出され、循環ポンプに戻っていくようになっている。

本発明の特徴である貫通部５０は、仕切り板４０の冷却したい面側（即ち、主軸台座冷却槽１０の壁面側）に近くなるように設置する。詳細には、主軸台座冷却槽１０の壁面の近傍（主軸台座冷却槽１０の壁面寄り（壁面から貫通部５０までの距離：１０ｍｍ〜３０ｍｍ）に位置している。主軸台座冷却槽１０の形状寸法は、幅２４０ｍｍ×奥行１６０ｍｍ×高さ２６０ｍｍ程度の直方体であるが、直方体形状に限られず、一部が円筒形状であっても良い。

図２は、主軸台座冷却槽１０の全体図（請求項２）、及び冷却液の挙動を説明するための上面図である。主軸台座冷却槽１０内に設置する仕切り板４０は、冷却すべき箇所に対応させて、色々なバリエーションを採用することができるが、図２のように、主軸台座冷却槽１０の内部を上下に仕切るための仕切り板４０と、主軸台座冷却槽１０の内部を左右（冷却液入口２０側を右側とする）に仕切るための仕切り板４０と、主軸台座冷却槽１０の内部を前後（冷却液入口２０側を前側とする）に仕切るための仕切り板４０とすることができる。

其々の仕切り板４０には、冷却液を通過させるための貫通部５０が設置されている。其々の貫通部５０は、主軸台座冷却槽１０の壁面の近傍（主軸台座冷却槽１０の壁面寄り（壁面から貫通部５０までの距離：１０ｍｍ〜３０ｍｍ）に位置している：貫通部５０の断面積は各区画を仕切る壁面の面積の２分の１以内、貫通部の長さ（高さ）は仕切り板４０の５０％〜８０％））に設置しており、形状は略矩形となっている。

循環ポンプから送られてきた冷却液は、冷却液入口２０から主軸台座冷却槽１０に供給される。冷却液入口２０から主軸台座冷却槽１０に供給された冷却液は、其々の仕切り板４０に設置された貫通部５０を通過して、図２に記載したように、Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆ→Ｇ→Ｈ（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは下層、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈは上層）の経路で主軸台座冷却槽１０内を通過し、冷却液出口３０から排出され、循環ポンプに戻っていく。図２に記載したように冷却液は（図２の上面図に記載したように）主軸台座冷却槽１０内をスパイラル状に流れている。主軸台座冷却槽１０を上下前後左右に８区分し（８区画）、８区画其々の仕切り板４０に貫通部５０を設置して、冷却液が８区画全てを通過するようにすることで、主軸台座冷却槽１０内を、スパイラル状に冷却液が流れるとともに、リブとしても作用する貫通部５０を冷却液が流れることで、壁面付近の流れを乱流化させて流速を上げることができる。

貫通部５０の断面積は、冷却液入口２０側から冷却液の流れ（Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆ→Ｇ→Ｈの順に流れる）に沿って、冷却液出口３０側に行くにつれて小さくなっているが、貫通部５０の長さ（高さ）は、貫通部５０を設置することにより、貫通部５０よりも壁面側の仕切り板４０の貫通部４０と隣接した部分は、主軸台座冷却槽１０内に設置したリブとしての効果を得やすいようにするため、一定で、貫通部５０の幅を狭くすることで、貫通部５０の断面積を冷却液入口２０側から冷却液の流れ（Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆ→Ｇ→Ｈの順に流れる）に沿って冷却液出口３０側に行くにつれて小さくする。

＜主軸台座冷却槽の冷却基本原理＞
図３は、本発明に係る主軸台座冷却槽１０の冷却基本原理を説明する図である。本発明のポイントは、冷却槽内における冷却液の挙動（通過経路と流速）を制御すること、即ち、冷却液の流れを、できるだけ主軸台座冷却槽１０の壁面に沿うようにスパイラル状にすることにより、壁面付近を流れる冷却液の流速を速くし、それにより壁面の冷却効果を向上させることにある。

図３（ａ）に示すように、冷却液の流路が真直ぐな場合は、冷却液の流速は流路内を同じ速さで流れる（壁面近くは別であるが，その点については後で述べる）。これを図３（ｂ）のように流路を曲線とすると、径の大きな側の流速が速くなることが知られている。壁面側の冷却液の流速を速くすることで、壁面との熱交換率が向上し、より高い冷却効果を得ることができる。この原理を利用して、径の大きな側の壁面を冷却面とすることで、冷却効果が向上する。

図３（ｃ）は、壁面近くの流速分布を示す図である。水等の流れは、層流と乱流の２つに大きく分けられ、層流と比較して乱流の方が壁面に近い部分の流速が速くなることが知られている。層流よりも乱流の方が、壁面から摩擦の影響が少なく流速が速いため、壁面付近の流れを乱流にした方が、壁面での熱交換率が向上するものと考えられる。かかる原理を利用し、流路の壁面にリブ（本発明においては、貫通部５０よりも壁面側の仕切り板４０の貫通部５０と隣接した部分は、主軸台座冷却槽１０内に設置したリブとしても作用する）を図３（ｄ）のように設けることで、壁面付近の冷却液の流れを乱流とし、壁面の冷却効果を向上させることができる。

これらの原理を組み合わせたのが図３（ｅ）である。壁面付近の冷却液の流路を曲線にし、かつ、壁面にリブを設けることで、より流速が速くなり、かつ、流れが乱流とすることでさらに冷却効果が向上することが考えられる。

図３（ｆ）に冷却槽内の冷却液の好ましい流れのイメージ図を示す。理想的には図３（ｆ）のように冷却槽内の冷却液の流れをスパイラル状とすることで、冷却槽の壁面側の流速が速くなり冷却効果が上がる。また、壁面だけではなく、冷却槽の上面側（主軸接地面）の流れも速くなるため、さらなる冷却効果が得られるものと考える。

＜主軸台座冷却槽の使用状態＞
図４は、主軸台座冷却槽１０の使用状態を表す図である。図４に記載したように、床面にベッド本体が設置されており、ベッド本体上に主軸部が設けられている。主軸部には、モータで回転する主軸が設置されている。ＮＣ旋盤等の工作機械本体は、一般的に鋳鉄製のベッドの主軸を取り付ける台座部内部に、主軸台座と一体化させた冷却槽を設置している。図４に記載したように、本発明に係る主軸台座冷却槽１０は、熱による影響が出やすい位置である各主軸の直下部に設置することになる。工作機械の機種によっては、主軸が２個並べて搭載されているものもあり、１つのベッド内に２個の冷却槽を並べて設置することもある。

循環ポンプから送られてきた冷却液は、鋳鉄製のベッドの主軸を取り付ける台座内部に設置された、主軸台座冷却槽１０に冷却液入口２０から供給される。冷却液入口２０から主軸台座冷却槽１０に供給された冷却液は、其々の仕切り板４０に設置された貫通部５０を通過する。冷却液は、主軸台座冷却槽１０の壁面（ベッドの主軸を取り付ける台座）との熱交換により、鋳鉄製のベッドの主軸を取り付ける台座を冷却しながら、主軸台座冷却槽１０内を通過し、冷却液出口３０から排出され、循環ポンプに戻っていく。

＜主軸台座冷却槽の効果＞
本発明は、工作機械の熱変形に対する対策として、ベッド主軸台座内部に冷却槽を設け、冷却液の流路と流速を意図的に制御しつつ循環させることでベッド主軸台座の冷却を行うものである。主軸台座冷却槽１０内に冷却液を循環させる際、冷却液の流れを、主軸台座冷却槽１０の壁面に沿うようにスパイラル状となるように、仕切り板４０や貫通部５０を設置し、冷却液の流れを主軸台座冷却槽１０の壁面に沿うように下側から上側へ向かうスパイラル状にすることにより、壁面側の流速を速くして冷却効果を向上させるものである。

本発明に係る主軸台座冷却槽１０は、工作機械のベッド本体の主軸台座内部に設置した主軸台座冷却槽１０であり、主軸台座冷却槽１０の内部を仕切るための仕切り板４０（仕切り板４０の枚数は任意に選択できる）と、仕切り板４０に設置した冷却液を通過させるための貫通部５０（貫通部５０は主軸台座冷却槽１０内において、仕切り板４０によって仕切られた区分毎に設置）を備えている。

貫通部５０を設置することで、貫通部５０よりも壁面側の仕切り板４０の貫通部４０と隣接した部分は、主軸台座冷却槽１０内に設置したリブとしても作用し、冷却液の壁面付近の流れを積極的に乱流化させることで、壁面の冷却効果を向上させることができる。さらに、貫通部５０の断面積は、冷却液入口２０側から冷却液の流れに沿って、冷却液出口３０側に行くにつれて小さくなっていくように設置している。従って、貫通部５０を通過する毎に流速が速くなるため、熱の発生量が多く、より冷却が必要な、発熱した主軸に近い主軸台座冷却槽１０の壁面の上側部分、及び主軸台座冷却槽１０上面側の冷却効果を優先的に向上させることになる。

本発明に係る主軸台座冷却槽１０により、発熱した主軸の熱をベッド全体に伝わるのを防ぐ効果が得られる。特に発熱体である主軸モータ、主軸の取り付け面の壁面側に流れの曲径が大きくなるように仕切り板４０及び貫通部５０等を設計している。このように、ベッド主軸台座に設けた主軸台座冷却槽１０の冷却液入口２０、冷却液出口３０と主軸台座冷却槽１０の内部構造を少し工夫するだけで冷却効果を向上させることができる。

＜主軸台座冷却槽渦の変更例＞
本発明に係る主軸台座冷却槽１０の構成は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、冷却液入口２０、冷却液出口３０、仕切り板４０、貫通部５０等の構成を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更することができる。例えば、主軸台座冷却槽１０を上段、中段、下段の３層構造にし、さらに、冷却液入口２０及び冷却液出口３０を、上段、中段、下段、それぞれの層毎に複数個設置しても良い。

図５は、主軸台座冷却槽１０の変更例である。主軸台座冷却槽１０内の冷却液の好ましい流れのイメージは、図３（ｆ）のように主軸台座冷却槽１０内の冷却液の流れをスパイラル状とすることである。従って、図５のように、主軸台座冷却槽１０内に螺旋状の柱を設置し、さらに、この設置した主軸台座冷却槽１０内部に螺旋状の柱を回転させるような機構であっても良い。さらに言えば、主軸台座冷却槽１０内にスクリューを設置し、スクリューを回転させることで主軸台座冷却槽１０内の流れをスパイラル状にするような機構であっても良い。

本発明に係る主軸台座冷却槽は、上記の如く優れた効果を奏するものであるので、ＮＣ旋盤等の工作機械のベッド本体を、効果的に冷却するための主軸台座冷却槽に関する分野で好適に用いることができる。さらに言えば、ＮＣ旋盤等の工作機械のベッド本体を、効果的に冷却するための主軸台座冷却槽以外の分野であっても、冷却を必要とする箇所を効果的に冷却するための冷却槽としても好適に用いることができる。

１０・・主軸台座冷却槽
２０・・冷却液入口
３０・・冷却液出口
４０・・仕切り板
５０・・貫通部

Claims (2)

1. ベッド本体の主軸台座内部に設置されており、冷却液を循環させるための冷却液入口と冷却液出口とを備えた主軸台座冷却槽であって、
   前記主軸台座冷却槽の内部は、互いに交差する仕切り板によって分割されており、
   前記仕切り板は、前記主軸台座冷却槽の壁面を基点として設置されたリブと、前記リブに隣接した略矩形の貫通部を備えており、
   前記略矩形の貫通部の長さは、前記リブの長さ方向と平行な側の方が前記リブの長さ方向と平行で無い側よりも長くなっていることを特徴とする主軸台座冷却槽。
2. 前記貫通部の断面積は、前記冷却液入口側からの冷却液の流れに沿って、前記冷却液出口側に行くにつれて小さくなっていくことを特徴とする請求項１に記載した主軸台座冷却槽。

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