JPS60192118A - 回転軸冷却装置の電圧制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、回転軸冷却装置の電圧制御方法に−関し１回
転軸の回転数に応じて最適な冷却ができるように企図し
たものである。

ベルチェ効果を有する熱電素子を用いて回転軸を冷却す
る冷却装置が開発さＡ７’Ｃ，この冷却装置の熱電素子
に印加する電圧は、従来制御されることなく一定電圧で
あった。したがって。

実用化するに当っては次のような問題があった。

すなわち１例えば冷却の対象となる回転軸として工作機
械の主軸を考えると、切削条件によって主軸の回転数を
変える必要がアシ、主軸の軸受発熱量も異なる。したが
って回転数に応じて冷却装置の冷却能力を制御しないと
過剰冷却を生じて空気中の水分が結露したシ、冷却不足
によシ軸受の焼付きを生じたシＳあるいは主軸の熱変位
を充分抑制できない、などの不具合を生じる。

ここで回転軸の冷却装置九ついて説明する。

１？ｉｌ　ｔ：紬め公ね猛壁に７茹塩鎚のズレ１ソＶル
蛇９冷却するため、スピンドルユニットのハウジング内
に設けらｎ、スピンドルを囲む筒状の冷却装置であシ、
その冷却装置を組み込んだスピンドルユニットを第１図
に示す。同図に示すように、先端に図示しない工具が嵌
合さｎるテーバ穴１ａｉ形成した筒状のスピンドルｌは
、ハウジング２を貫通して設けら九てお勺、ハウジング
２の前後の開口部にはフランジ３．４が装着されると共
に、該フランジ３．４の内周にはスピンドル１を支持す
る軸受５ａ、５ｂ、５ｃ。

軸受６ａ、６ｂがそルぞ九嵌着さｎている。前方のフラ
ンジ３には軸受５ａ、５ｂ、５ｃｉ位置決めする軸受抑
え７が設けられると共に後方のフランジ４にも軸受６ａ
、６ｂｉ位置決めする軸受抑え８が設けら九ている。ス
ピンドルｌの後端にはプーリー９が嵌合しており、ベル
ト駆動によシスピンドルｌが回転できるようになってい
る。

上記構成ヲ有するスピンドルユニットにおいて、スピン
ドルｌが高速回転すると軸受５ａ。

５ｂ、５ｃａ　６ａｔ　６ｂには、軸受部に封入された
潤滑油の受けるせん断変形による発熱があシ、この発熱
は前記軸受の焼付きの原因となってスピンドルｌの回転
を不能とした勺、またスピンドルｌを熱変形させスピン
ドルｌに装着さｎる工具による加工の加工精度を劣化さ
せることがある。そのため第１図のスピンドルユニット
では、従来から用いらｎている軸受外輪まわ夛の冷却機
構と、スピンドルエを直接冷却する機構である回転軸の
冷却装置工３とが設けらｎている。フランジ３の外径部
には溝１０が刻設さｎると共に該溝工０に冷却油を注入
できるよう給油孔１１がハウジング２の上部に穿設さｎ
ておジ、また該給油孔１１から供給さｎフランジ３の外
径部の溝１０を環流した冷却油Ｆｉ２ハウジング２の下
部に穿設さｎた排出孔１２から排出さｎるようになって
おル、軸受５ａ、５ｂ＊５ｃの外輪まわ夛の冷却機構が
構成されている。

さらに軸受５ａ、５ｂ、５ｃ、６ａ、６ｂの内輪側から
の熱放散性をよくするためスピンドルｌを直接冷却する
回転軸の冷却装置１３が設けらｎている。冷却装置１３
ｄ円筒状をなし、その内周面は吸熱面となって所定の隙
間を介してスピンドルユニットみ、Ｊｃの外周側が発熱
面となった熱％素子を具え、電流の供給にょ夛スピンド
ルｌの熱を該熱電素子の発熱面に運ぶヒートポンプの作
用を有する。なお冷却装置１３の詳細構造は後述する。

第２図はフランジ４を示し。

フランジ４を介して該冷却装置１３への冷却油の供給と
排出を行なうための液導穴が設けらｎている。フランジ
４の外径部に穿設さ几た給油孔１４は、給油孔１４と直
交する方向に穿設さｎた導通穴１８によってフランジ４
の端面側から穿設された接続孔１９ａ、１９ｂと通じる
ようになって込る。また導通穴１８の口元Ｐ部はテーパ
プラグにより盲穴にされている。また接続孔１９ａ、１
９ｂの口元にはそｎぞｎ第１図の０−リング２０の着座
面２１ａ、２１ｂが刻設されている。

排出ＢＬ１５は、排出孔１５と直交する方向く穿設され
た導通穴２２によってフランジ４の端面ようになってお
り、導通穴２２の′口元Ｑ部にはテーパプラグによシ盲
穴にさｎている。また。

接続孔２３ａ、２３ｂの口元にはそれぞｎＯ−リングの
着座面２４ａ、２４ｂが設けらｎている。

給油孔１４から供給さｎた冷却液は接続孔１９ａ。

１９ｂｋ介して冷却装置１３に供給さ九る。冷却装置１
３に供給さ扛た冷却液は冷却装置内部を環流し、冷却装
置１３に組み込まｎた熱電素子の発熱面を冷却したのち
接続孔２３ａ、２３ｂを介して排出孔１５から排出され
るようになっている。

該冷却装置１３に組み込まｎた熱電素子に電流を供給す
るためのリード線は、該冷却装置の端面から第２図のフ
ランジ４に穿設さ几た貫通穴２５全通して外部へ導かｎ
るようになってい一方スピンドルｌの内径および外径に
は熱伝導性のよい材質から成る熱伝導管１６，１７が嵌
合さ九、軸受５ａ〜５ｃ、６ａ、６ｂの発熱が効果的に
冷却装置１３に伝達される。

このように冷却装置１３＃′ｉ、内周面が吸熱面となっ
て所定の隙間を介してスピンドルｌを囲み、外周側が発
熱面に内周側が吸熱面となった熱電素子が組み込まｎ、
上記軸受５ａ、５ｂ。

５ｃ、６ａ、６ｂの内輪側からの発熱はスピンドルエに
嵌着する熱伝導管１６．１７ｔ−介して該冷却装置１３
の内周面へ伝達さｎ、該冷却装置１３の内周面から吸収
される熱は該熱電素子の有するヒートポンプの作用によ
シ該熱電素子の発熱面に伝達さ九、該冷却装置１３の内
部を環流する冷却液によって持ち去らｎるようになって
いる。

本発明の冷却装置１３の構成について第３図〜第９図を
参照して以下詳細に説明する。冷却装置１３は、前述し
たように回転軸を支承するハウジングの内側に設けられ
１回転軸を囲む筒形の冷却装置であり、その内枠として
冷却管５２と、該冷却管５２０両端部で支持さｆＬ、た
外筒５３とを有している。冷却管５２は例えば銅、真鍮
等の熱伝導性の良い材質から成っており、その両端部に
は側板５４ａ、５４ｂが嵌合さｎておシ、外筒５３は該
側板５４ａ、５４ｂｔ介して冷却管５２に対して芯出し
支持され複数個のねじ５５によシ固定さｎている。該冷
却管５２と外筒５３０間には、冷却管５２を貫通する回
転軸を冷却する機構が構成されている。まず、冷却管５
２の外周面には円周方向に所定間隔ごとに複数個の熱電
素子４５を用いたサーモモジュールが配設されている。

核熱を素子４５け２種類の物質を接合して該接合部に電
流を通じると熱が吸収または発生するというベルチェ効
果を応用した素子（例えばＰＮ接合素子等）であシ。

−面が吸熱面になると共に他の一面が発熱面となるよう
に製作さｎている。つまシ、該熱電素子４５は吸熱面か
ら発熱面へ熱を輸送する一種のヒートポンプの機能を有
している。第６図に示すような板状の熱電素子４５の両
面にセラミック板４６．４７が接着さｎると共に該熱電
素子４５に電流供給用の接続端子４８．４９が付設さｎ
てサーモモジュール５６が形成される。

更ニ各々のサーモモジュール５６の外周側の面には。例
えば銅、真鍮等の熱伝導性の良い材質から成る放熱部材
５７が接着さｎ、サーモモジュール５６の内周側の面を
吸熱面とし外周側の面を発熱面として該サーモモジュー
ル５６と該放熱部材５７とが冷却管５２の外周面に半径
方向に積層されている。該放熱部材５７の取シ付は方法
は第５図に示すように複数個のねじ５８によってサーモ
モジュール５６を挟んで冷却管５２に取シ付けら几てい
る。とζで放熱部材５７とねじ５８との間には熱伝導率
の小さい材質から成る間座５９が設けら九ると共に、ね
じ５８も例えばステンレスなどの熱伝導率の小さい材質
から成シ、放熱部材５７から冷却管５２への熱伝導を小
さくして該冷却装置１３の冷却効率を高めるようにして
いる。更にサーモモジュール５６の放熱部材５７．冷却
管５２との接合面は弾性変形しやすくしかも熱伝導性の
良いインジウムの薄膜が介在した接合面としておル、該
冷却装置１３の構成部材である冷却管５２．放熱部材５
７．ねじ５８の熱変形が生じた場合にも核サーモモジュ
ール５６の該接合面の面圧が所定の値を保持できるよう
にして該接合面の熱抵抗が小さくなるようにさｎている
。

各放熱部材５７には２個の貫通穴６０が穿設さｎておシ
、隣接する放熱部材５７の相互の貫通穴６０ｉ１：そ几
ぞれ液導管６１．６２等で連結さｎておシ、側板５４ａ
に穿設された第７図に示す給油孔６３ａ、６３ｂに供給
された冷却液はそれぞｎ液導管６５．放熱部材５７の貫
通穴６０、液導管６１．６２等を環流したのち液導管６
６を通って側板５４ａに穿設さｎた第９図ノ排出孔６４
ａ、６４ｂから排出さ九るようになっている。冷却液が
環流する方向は例えば第４図の矢印Ｂ、Ｃ，Ｄ、Ｅ、Ｆ
、Ｇ、Ｈ，Ｉに示すように各放熱部材５７の貫通穴６０
．液導管６１．６２で形成さｎる蛇行路を環流するよう
になっている。また各サーモモジュール５６に対する電
気配線は１本のリード線６７にまとめらｎ第７図、第８
図に示すように側板３４ａに穿設さｎた配線孔６８から
外部へ導かｎている。ここで配線孔６８にはゴムブツシ
ュ６９が嵌着されてリード線６７を保菌すると共に、側
板３４ａの内側でリード線４７は保持部材７０によシク
ランブさｎておシ、更に保持部材７０は側板５４ａに対
してろう付けさｎてリード線６７の抜は止めがなされて
いる。保持部材７０は第１１図に示すように矢印に方向
に加圧さ扛て塑性変形してリード線６７をクランプする
よ′うに庁っている。次に冷却管５２と外筒５３の間の
空間のうちサーモモジュール５６．放熱部材５７゜液導
管６１，６２，６５，６６によって占めらｎる空間を除
いた残シの空間７１においては各サーモモジュール５６
に対する配線施工がなさｎているが最終的にはアスベス
トコンパウンドが充填さ几て冷却装置１３の構成部材間
の断熱をして冷却効率を高めると共に装置の剛性を高め
ている。本考案の冷却装置１３Ｆｉ回転軸を支承するハ
ウジングの内側に嵌合さｎるが１回転軸と冷却装置１３
との間の隙間を所定の値とするためには、外筒５３の外
周面と冷却管５２の内周面とは所定の寸法精度、真円度
、同芯度で仕上げ加工さｆ′Ｌなけ几ばならない。ここ
で外筒５３の外周面は長手方向の全長にわたって仕上げ
加工する必要はなく１例えば第６図の両端ｔ。

ｎの部分を仕上げ加工し１ｍの部分はマイナスの寸法公
差で加工して逃がしても、ハウジングに嵌合して位置決
めする上で何ら支障がない。

この場合り、ｎ部はそｎぞれ側板５４ａ、５４ｂで支持
されていると共に空間７１に充填さ九たアスベストコン
パウンドによシ剛性が高めらｎているため、所定の精度
での仕上げ加工をすることができる。

このような熱電素子を用いた冷却装置１３が組み込まル
次第１図に示したスピンドルユニットには次のような問
題があった。すなわちテーパ穴１ａに嵌着される工具に
よる加工物の加工は１例えば荒加工時には低速回転で大
きな切削力によって加工し、仕上げ加工時に扛高速回転
で小さな切削力で加工するなど、切削条件によってスピ
ンドル１の回転数を変えるのが通例である。スピンドル
１０回転数が異なると轟然のことながら軸受５３〜５ｃ
、６ａ、６ｂの発熱量が異なシ、従って冷却装置１３の
冷却能力が一定であると過剰冷却によシスピンドルユニ
ット内部で空気中の水分の結露を生じて各部の錆を惹起
した夛、あるいは冷却能力の不足によシ高速回転時に軸
受の焼き付きを惹起したり、あるいはスピンドルｌの熱
変位を抑制する効果が不充分となって加工精度を劣化さ
せるなどの不具合を生じる。このような不具合を解消す
るためには、スピンドルｌの回転数に応じて冷却装置１
３の冷却能力を制御する必要がある。

本発明は、上述したような不具合点に鑑みてなさ九たも
ので１回転軸の回転数に応じて冷却装置の冷却能力を制
御する方法を提供するととを目的とする。かかる目的を
達成する本発明は。

回転軸の全回転数範囲を所定の値で分割した各回転数範
囲ごとに適した冷却能力を与える回転軸の冷却装置の入
力電圧を予め実験または計算によって明らかにしておき
１回転軸の回転数の制御をつかさどるＮＣ装置やシーケ
ンサ−などの制御装置からの回転数指令信号を、該冷却
装置の入力電圧に変換する変換回路を設けて、該変換回
路の出力電圧の信号を電力増幅器を介して該冷却装置に
入力するようにしたことを特徴とする。

以下本発明の実施例を図面に基づき詳細に説明する。

第１１図において、スピンドル１は軸受５゜６で支承さ
ｎ１回転軸の冷却装置１３に遊嵌さｎてお夛、スピンド
ルｌの端部にはプーリー９が嵌着されベルト３０．プー
リー３１’を介゛してモータ３２よシ回転駆動さｎるよ
うになっている。３３は工作機械のＮＣ装置やＲＯＭ　
シーケンサ−などの制御装置であシ、制御装置３３から
のモータ回転数指令信号は信号線３４を介してモータコ
ントローラ３５に伝達さｎる。モータコントローラ３５
は該指令信号に基いてモータ３２の回転制御を行なうよ
うになっている。

−力制御装置３３からのモータ回転数指令信号は信号線
３６を介してデーコーダ３７に伝達さｎるようになって
いる。デコーダ３７ではモータ回転数指令信号に応じて
回転軸の冷却装置１３の電圧を制御するための電圧設定
信号を信号線３８を介してＤ／Ａ変換器３９に出力する
ようになっている。Ｄ／Ａ変換器３９では上記の電圧設
定信号を冷却装置の入力電圧に相当する電圧信号に変換
し、この電圧信号は信号線４０゜電力増幅器４１．電力
伝達線４２を介して冷却装置１３に入力を几るように々
つている。

次に作用全説明する。スピンドルｌの回転数Ｎ　ｒｐｍ
とセルに対応した最適の冷却能力？与える冷却装置１３
の入力電圧Ｖｖｏｌｔとの関係が予め実験的にめらｎて
おシ１例えｄ第１θ図の破線で示すよりなＮとＶの関係
があるものとする。またスピンドル１の全回転数範囲を
所定の回転数ピッチで分割したときの各回転数範囲ごと
の最適の冷却能力を与える入力電圧を第４図の実線で示
すように設定し２例えばｎｚ≦Ｎ〈ｎｔ＋１のときはｖ
　＝　Ｖｔ　のように設定するものトスると、デコーダ
３７ではモータ回転数指令信号を解読してスピンドル回
転゛数が上記の回転数範囲のどの領域にあるかを判定し
たのち、キの領域に対応して予め設定さｎた電圧設定信
号を出力するようになっている。ここでスピンドルｌの
全回転数を分割するときの回転数ピッチは、デコーダ３
７やＤ／Ａ変換器の容量を大きくすることによって、実
用上支障のない程度の精度の冷却装置の入力電圧を設定
することができる。

以上実施例とともに具体的に説明したように。

本発明に基〈回転軸冷却装置の電圧制御方法では１回転
軸の回転数に応じて冷却能力が制御さｎるので、冷却能
力の不足による軸受の焼き付き、過剰冷却による空気中
の水分の結露などの不具合を事前に防止することができ
ると共に。

回転軸の熱変位を最小となるように抑制することが可能
で１例えば工作機械のスピンドルに適用した場合は、ス
ピンドルの熱変位による加工誤差を最小にすることがで
きる。なお本発明は。

マシニングセンター、研削盤、ＮＣ旋盤、その他工作機
械全般に適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は回転軸冷却装置全組み込んだスピンドルユニッ
トヲ示す断面図、第２図はこのスピン・ドルユニットの
フランジを示し、第２図６）は正面図、第２図１１））
は断面図である。第３図及び−第４図は冷却装置を示し
、第３図は軸に直交する面内で切断した断面図、第４図
（ａ）　Ｆｉ、軸を含む面内で切断した断面図、第４図
（ｂ）　＃−ｊ　ｊＩｌｌｌ’に含む面に平行な面内で
切断した断面図、第５図はサーモモジュールと放熱部材
との取付構造を示す断面図、第６図はサーモモジュール
を示す斜視図。 第７図は側板金示す正面図、第８図はリード線の取付構
造を示す断面図、第９図Ｆｉ第８図のＸ矢視図、第１０
図は回転軸回転数と入力電圧との関係を示す特性図、第
１１図は本発明を適用した具体例を示す構成図である。 図　面　中。 ｌはスピンドル。 ５．６は軸受。 ９はプーリー。 １３は冷却装置。 ３０はベルト。 ３１はブーＩノー２ ３２はモータ、　− ３３は制御装置。 ３５はモータコントローラ。 ３７はデコーダ。 ３９はＤ／Ａ変換器。 ４１は電力増幅器。 ４５は熱電素子。 ５２は冷却管。 ５３は外筒である。 第２図 （ａ） （ｂ） 第３図 １３ 第４図 第５図 ２　５６ 第６図 μｓ ／ 第７図 第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 回転軸が遊貫さｎる円筒状の冷却管の外周に同心状に外
   筒を配置することにより外殻が形成さｆＬ、、電圧が印
   加すｎ、ると暖熱及び発熱が行なわｎ、る熱電素子の吸
   熱面を前記冷却管の外周面に接着してなる冷却装置にお
   いて１回転軸の回転数変動Ｋかかわらず常に最適な状態
   で回転軸を冷却し得るような１回転軸回転数に対する冷
   却装置の入力電圧の関係ｔ−あらかじめめておき、この
   関係を基に回転軸回転数の変動に合わせて冷却装置の入
   力電圧を制御することを特徴とする回１転軸冷却装置の
   電圧制御方法。