JPH0525802Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本考案は、工作機械の超高速主軸のビルトイン
モータの冷却装置に関する。

〈従来の技術及びその問題点〉 近年金型ミリング加工の高能率加工などを目的
として、工作機械の超高速化が要求されている。
しかし、同時に主軸剛性を必要とするため、主軸
径を小さくすることができない。主軸の高速化の
尺度としては、主軸径Ｄmmと、回転数Nrpmとの
積であるDN値が用いられる。

近年、例えばＤ＝100mmの主軸でＮ＝15000rpm
までの高速化（DN値＝150万）が要求されてい
る。DN値＝150万レベルの超高速主軸の駆動方
式としては、歯車駆動などは無理である。なぜな
ら、歯車の噛み合い起振力による振動、騒音、大
径歯車の風損、主軸以外の駆動軸の軸受発熱が大
きくなるからである。そのため、DN値＝150万
以上の超高速主軸には主軸の外周部にロータを設
け、ロータを囲むようにしてハウジング側に設け
られたステータとからなるビルトインモータが使
用される。しかし、ビルトインモータの主軸で
は、ロータの鉄損、風損などの新たな発熱源があ
り、超高速回転領域では、主軸の熱変位が大きく
なり、また軸受の焼き付けの危険性が大きくな
る。また、われわれは、特願昭56−176776号で主
軸の外周面を〓間を介して熱電素子を用いて冷却
する方式の回転軸の冷却装置を提案しているが、
ビルトインモータ方式になると、上記の冷却装置
を組み込むスペースがなくなる。その他の冷却方
式として、例えば主軸の内周面にヒートパイプを
嵌合し、主軸の後端部よりヒートパイプを突出さ
せて空冷するという方式も提案されている。これ
とても、冷却効果が充分でない。なぜならなら
ば、ヒートパイプ内に封入された作動流体は、冷
却されて凝縮すると遠心力によつて外周面側に付
着するため、冷却効果を高めるためにはヒートパ
イプを中空円筒状に製作して、その内周面を冷却
する必要がある。空気とヒートパイプ放熱面との
熱伝達率は小さいので、空冷による放熱性を高め
るためにはフインなどをつける必要があるが、主
軸の高速化に伴つて、風損による発熱が大きくな
る。

〈考案が解決しようとする問題点〉 本考案は前述したような不具合点に鑑みてなさ
れたもので、ビルトインモータ方式によつて高速
回転駆動される回転軸における、モータロータの
鉄損、風損、軸受の発熱によつて回転軸に蓄積さ
れる熱を効率よく回収する冷却装置を提供して、
高速回転軸の熱変位と軸受焼き付きを防止するこ
とを目的とするものである。

〈問題点を解決するための手段〉 本考案は、主軸の外周部にロータを設けると共
にハウジング内周に前記ロータを取り囲むように
ステータを設けたビルトインモータにおいて、主
軸の内周面に嵌着された中空円筒状のヒートパイ
プと、該主軸の後部において該ヒートパイプの内
周面に嵌合された冷却筒と、該冷却筒の後端に設
けられた円板部と、該冷却筒の円板部に微小〓間
を介して非接触で対面する冷却プレートと、吸熱
面を該冷却プレートに放熱面を放熱器に接する複
数個の熱電素子を設け、該熱電素子への電流供給
手段と、該放熱器への冷却流体の還流手段を設け
たことを特徴とするものである。

〈作用〉 ロータの鉄損、軸受の発熱はヒートパイプによ
つて冷却筒に輸送され、冷却筒から冷却プレート
へは空気の層流熱伝導によつて熱輸送され、冷却
プレートから放熱器へは熱電素子のヒートポンプ
作用によつて輸送され、最終的に冷却流体で外部
へ回収される。

〈実施例〉 以下本考案の詳細を実施例に従つて説明する。
本考案に係る一実施例を第１図と第２図に示す。
第１図は本考案を適用したビルトインモータ方式
の工作機械の高速主軸の断面図であり、第２図は
第１図において熱輸送に関係する構成部品のみを
取り出して、本考案による冷却の原理を示す説明
図である。

第１図において、主軸１は、ハウジング２に嵌
着された前側軸受３ａ，３ｂ及び後側軸受４で支
承されている。該軸受３ａ，３ｂ，４で狭まれた
該主軸１の中央部にはモータのロータ５が設けら
れ、該ハウジングに設けられたステータ６とでビ
ルトインモータが構成されている。該主軸１の内
周面には中空円筒状のヒートパイプ７が嵌合され
ている。

さらに、該ヒートパイプ７の内周側の空間に
は、工具交換用のドローバ８と皿バネ９が設けら
れている。該ヒートパイプ７の後部の内周側に
は、熱伝導性のよい材質から成る冷却筒１０が嵌
合されている。該冷却管１０の端面は、例えば30
ミクロン程度の微小〓間１１を介して、冷却プレ
ート１２と対面している。該冷却プレート１２
は、断熱材１３ａ，１３ｂを介して放熱器１４に
取り付けられている。該冷却プレート１２、断熱
材１３ａ，１３ｂ、放熱器１４とで囲まれる空間
には、複数個の熱電素子１５が、その吸熱面が該
冷却プレート１２に、放熱面が該放熱器１４に接
するように設けられている。該放熱器１４は該ハ
ウジング２に取り付けられており、冷却流体が供
給穴１６から供給されて内部を還流し、排出穴１
７から排出されるものとする。また該熱電素子１
５には、図示しない電流供給線を介して電流が供
給されるものとする。

該ヒートパイプ７は熱伝導性の材質からなる外
皮１８と、内部の外径内周面に設けられた多孔質
状のウイツク１９と内部に封入された図示されな
い作動流体とから構成される。

第１図における軸受３ａ，３ｂ，４の発熱、ロ
ータ５の鉄損、ロータ５及び主軸１の高速回転に
よる風損などの発熱は、該主軸１から該ヒートパ
イプ７の外周面に熱伝導によつて移動するが、そ
の後の熱輸送経路及び原理について、第２図で説
明する。同図において、熱輸送経路は白抜きの矢
印で示してあり、該放熱器に供給排出される冷却
流体の移動方向は中実の矢印で示され、また該ヒ
ートパイプ７の内部の作動流体及び蒸気の流れは
単なる矢印で示される。

該ヒートパイプ７の外周面から流入した熱によ
つてウイツク１９に含まれる作動流体が蒸発し、
流入した熱は潜熱として蒸気に与えられる。一方
該冷却筒１０に接する部分は、該熱電素子１５の
後述するヒートポンプ作用によつて低温状態にな
つており、該蒸気は凝縮して潜熱を該冷却筒１０
へ放出すると共に、遠心力によつて該ウイツク１
９に吸着される。また該蒸気の凝縮によつて該ヒ
ートパイプ７の後部の蒸発圧が下がり、内部の蒸
気は後部の凝縮部へと移動する。また該ウイツク
１９に吸着された作動流体は毛細管圧力によつ
て、前側へと移動する。

該熱電素子１５は電流を供給するとペルチエ効
果によつて該冷却プレート１２から吸収した熱
と、素子自体に発生するジユール熱とを、該放熱
器へと放出すヒートポンプの作用を有している。

該ヒートパイプ７から該冷却筒１０へ放出され
た熱は、該冷却筒内を熱伝導によつて移動して、
該冷却プレートと対面する微小〓間１１に面する
端面へ達する。ここで、該冷却筒１０は高速回転
し、該冷却プレートはハウジング２側にあつて静
止しているので、該微小〓間１１の空気は層流状
態または乱流状態となつているが、〓間の大きさ
が、例えば３０ミクロンと小さく、該冷却筒１０
の端面と該冷却プレート１２の間の熱抵抗も小さ
く、該冷却筒１０の熱は、該熱電素子１５のヒー
トポンプ作用によつて該〓間１１、該冷却プレー
ト１２を介して、該放熱器１４へ輸送され、該放
熱器内を還流する冷却流体によつて外部へ持ち去
られる。

ここで、該熱電素子１５は、放熱面と吸熱面の
間の温度差を大きく出きるので、冷却流体によつ
て該放熱器１４の温度上昇を抑制しておけば、該
冷却プレート１２を低温にできる。このことは、
該冷却プレート１２と、該冷却筒１０の該ヒート
パイプ７との接触面との間の温度勾配を大きくす
ることができるので、熱輸送量が大きくなり、空
冷方式よりも大きな冷却能力が発揮される。ま
た、一般に高速主軸は、冷えきつた状態からいき
なり最高回転数まで立ち上げる、所謂クイツクス
タート時に軸受の焼付き事故が多いのであるが、
該熱電素子１５は熱応答性が高く、該ヒートパイ
プ７は温度差が小さくても大きな熱輸送能力を持
つために、クイツクスタート時も軸受の焼付きを
防止できる。

また主軸に熱変位抑制効果もある。

なお、実施例に示したヒートパイプでは作動流
体の移動ウイツク内の毛細管作用によるものを示
したが、パイプ内面に刻んだ溝の毛細管作用によ
るチヤネルヒートパイプ、パイプ内面方向に勾配
をつけて遠心力によつて移動させるローテイテイ
ングヒートパイプその他の形式が考えられ、ヒー
トパイプの形式については特に限定しないものと
する。

〈考案の効果〉 以上、説明したように本考案によるビルトイン
モータの冷却装置では、ヒートパイプのもつ大き
な熱輸送能力と熱電素子のもつ熱応答性とヒート
ポンプ作用とにより、ビルトモータのロータの発
熱や軸受の発熱を回転軸から外部へ効率よく回収
することができるので、回転軸の熱変位抑制効果
及びクイツクスタート時での軸受の焼き付き防止
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例としてのビルトイン
モータ方式の工作機械の高速主軸断面図、第２図
は本考案による冷却の原理説明図である。 図面中、１……主軸（回転軸）、２……ハウジ
ング、３ａ，３ｂ，４……軸受、５……ロータ、
６……ステータ、７……ヒートパイプ、１０……
冷却筒、１２……冷却プレート、１４……放熱
器、１５……熱電素子。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 主軸の外周部にロータを設けると共にハウジン
   グ内周に前記ロータを取り囲むようにステータを
   設けたビルトインモータにおいて、主軸の内周面
   に嵌着された中空円筒状のヒートパイプと、該主
   軸の後部において該ヒートパイプの内周面に嵌合
   された冷却筒と、該冷却筒の後端に設けられた円
   板部と、該冷却筒の円板部に微小〓間を介して非
   接触で対面する冷却プレートと、吸熱面を該冷却
   プレートに放熱面を放熱器に接する複数個の熱電
   素子を設け、該熱電素子への電流供給手段と、該
   放熱器への冷却流体の還流手段を設けたことを特
   徴とするビルトインモータの冷却装置。