JP6365154B2

JP6365154B2 - 工作機械

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Publication number: JP6365154B2
Application number: JP2014185305A
Authority: JP
Inventors: 齊藤　利幸; 利幸齊藤
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2014-09-11
Filing date: 2014-09-11
Publication date: 2018-08-01
Anticipated expiration: 2034-09-11
Also published as: CN105415088B; JP2016057023A; US20160076794A1; CN105415088A; US10118268B2; DE102015114822A1

Description

本発明は、工作機械の構成部位の冷却に関し、特に熱音響効果を利用した冷却に関するものである。

工作機械の回転軸は、軸受部で発熱するため、焼付きや熱膨張による変位を防止するため、軸受部が冷却されているものがある（特許文献１）。
また、熱音響効果を利用した冷却技術がある（特許文献２）。

特開２００３−１１７７７０号公報特開２０００−２０５６７７号公報

特許文献１に記載の従来技術では、軸受部を冷却する冷却油を冷却するために冷却装置を備えており、冷却装置の運転のためにエネルギーを要している。
特許文献２に記載の従来技術には、住居、倉庫、農業用ハウス、車載クーラに熱音響効果を利用した冷却を応用する技術が記載されているが、工作機械における有用な応用方法は示されていない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、熱音響効果を応用して、冷却装置の消費エネルギーを削減できる工作機械を提供する。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の特徴は、作動ガスが封入されるループ管と、前記ループ管に設けられ第一高温側熱交換器及び第一低温側熱交換器に挟まれ熱の移送方向に複数の導通路を有する第一スタックと、前記ループ管に設けられ第二高温側熱交換器及び第二低温側熱交換器に挟まれ熱の移送方向に複数の導通路を有する第二スタックを備え、前記第一高温側熱交換器を加熱し、前記第一スタックの両端で温度勾配を生じさせることによって自励による定在波及び進行波を発生させ、この定在波及び進行波により前記第二低温側熱交換器を冷却する熱音響装置と、流体を供給する流体供給手段を、少なくも1つ備える工作機械において、前記第一高温側熱交換器を、自らの構成装置の排熱で温度が上昇した前記流体である高温流体で加熱し、前記第一低温側熱交換器を前記流体により冷却し、前記第二低温側熱交換器により自らの構成部位を冷却することである。

請求項２に係る発明の特徴は、請求項１に係る発明において、前記流体は、回転軸の軸受部を冷却する軸受冷却流体、加工部を冷却する加工液、空気のいずれかであり、
前記高温流体は、軸受部を冷却した後に温度が上昇した前記軸受冷却流体である高温軸受冷却流体、加工部を冷却した後に温度が上昇した前記加工液である高温加工液、電気機器を冷却した後に温度が上昇した前記空気である高温空気のいずれかであることである。

請求項３に係る発明の特徴は、請求項２に係る発明において、前記第二高温側熱交換器を、前記軸受冷却流体、前記加工液、前記空気のいずれかで冷却することである。

請求項４に係る発明の特徴は、請求項２または請求項３に係る発明において、前記軸受冷却流体、前記加工液、前記空気のいずれかを、前記第二低温側熱交換器により冷却することである。

請求項1に係る発明によれば、自らの構成装置の排熱により高温となった高温流体により、熱音響装置の第一高温側熱交換器を加熱することによって自励による定在波及び進行波を発生させ、この定在波及び進行波により第二低温側熱交換器を冷却できる。排熱を利用して低温となった第二低温側熱交換器により自らの構成部位を冷却するので、冷却のための消費エネルギーが小さい工作機械を実現できる。

請求項２に係る発明によれば、第一低温側熱交換器を軸受冷却流体、加工液、空気により冷却し、高温流体として、高温軸受冷却流体、高温加工液、高温空気を利用した工作機械を実現できる。

請求項３に係る発明によれば、第二高温側熱交換器を、軸受冷却流体、加工液、空気のいずれかで冷却するので、第二低温側熱交換器を、加工液と軸受冷却流体と空気のいずれかより低温とすることができる。以上より、熱音響効果の作用が大きく、第二低温側熱交換器をより低温にできる工作機械を実現できる。

請求項４に係る発明によれば、自らの排熱で軸受冷却流体、加工液、空気のいずれかをより低温とすることができ、それらを用いて自らの構成部位を効率的に冷却できる工作機械を実現できる。

本発明によれば、自らの排熱を利用した熱音響装置により自らの構成部位を冷却することができるので、冷却のための消費エネルギーを削減できる工作機械を実現できる。

第一実施形態の工作機械の全体構成を示す概略図である。第一実施形態の冷却機構の詳細を示す図である。第二実施形態の冷却機構の詳細を示す図である。第三実施形態の冷却機構の詳細を示す図である。第四実施形態の冷却機構の詳細を示す図である。第五実施形態の冷却機構の詳細を示す図である。第六実施形態の冷却機構の詳細を示す図である。

以下、本発明の第一実施形態を、回転工具を用いて切削加工を行う工作機械に基づき説明する。
図１に示すように、工作機械１は、ベッド２の上に工作物Ｗと、主軸３により回転可能に支持された工具４を備えている。工作物Ｗと主軸３は、図示しない送り装置により相対移動可能である。工具４の回転に伴う主軸３の発熱を冷却するための軸受冷却流体供給装置５と、加工中の工作物Ｗと工具４を冷却するためのノズル９と加工液供給装置６を備えている。さらに、軸受冷却流体を冷却するために、熱音響装置７を備えている(詳細は後ほど説明する)。また、工作機械本体と軸受冷却流体供給装置５と加工液供給装置６の作動を制御するための制御装置８を備えている。

図２に熱音響装置７と主軸冷却回路の詳細を示す。
熱音響装置７は、ヘリウムやネオンなどの作動ガスを封入したループ管７１と、このループ管７１の一方側に設けられ、第一高温側熱交換器７４及び第一低温側熱交換器７２に挟まれた第一スタック７３と、このループ管７１の他方側に設けられ、第二高温側熱交換器７５及び第二低温側熱交換器７７に挟まれる第二スタック７６を備えている。第一高温側熱交換器７４、第一低温側熱交換器７２、第一スタック７３と、第二高温側熱交換器７５、第二低温側熱交換器７７、第二スタック７６はループ管７１の軸方向に連通する複数の導通路を有している。さらに、第一高温側熱交換器７４、第一低温側熱交換器７２、第二高温側熱交換器７５、第二低温側熱交換器７７は軸方向に直交する流路を備え、流路内に流体を通過させることで効率的に熱交換ができる。
ここで、第一高温側熱交換器７４を加熱し、第一低温側熱交換器７２を冷却し、第一スタック７３の両端で温度勾配を生じさせると、自励により作動ガスに定在波及び進行波が発生する。この波がループ管に沿って第二高温側熱交換器７５及び第二低温側熱交換器７７に挟まれる第二スタック７６まで到達すると、波の進行方向と逆の方向に熱を移送させる。すなわち、第二低温側熱交換器７７の温度が第二高温側熱交換器７５の温度より低くなる。

主軸３は本体３１に保持されたハウジング３２により軸受３３を介してスピンドル３４を回転自在に支持している。スピンドル３４は先端に工具４を保持し、図示しないモータにより回転し、軸受３３の摩擦による発熱によりハウジング３２は温度上昇する。
軸受冷却流体供給装置５から管路５１、第二低温側熱交換器７７、管路３６を経由して主軸３に軸受冷却流体を供給する。ハウジング３２の外周には溝が設けられており、管路３６を経由して供給された軸受冷却流体がハウジング３２の外周を循環して管路３５に排出される。このとき、軸受冷却流体はハウジング３２の熱を奪い温度が上昇し、高温軸受冷却流体となる。その後、管路３５を経由して第一高温側熱交換器７４を加熱して管路５２を経由して軸受冷却流体供給装置５に還流する。
加工液供給装置６から、管路６１を経由して第一低温側熱交換器７２と、管路６２を経由して第二高温側熱交換器７５に加工液を供給する。通常、加工液供給装置６は空冷されており、加工液の温度はほぼ室温である。

上記の管路構成により、第一低温側熱交換器７２と第二高温側熱交換器７５は加工液により室温に近い温度に冷却され、第一高温側熱交換器７４は温度が上昇した軸受冷却流体である高温軸受冷却流体により高温に加熱される。この結果、第一低温側熱交換器７２と第一高温側熱交換器７４の間で温度勾配が生じ、作動ガスに自励による波が発生する。
この波がループ管に沿って第二高温側熱交換器７５及び第二低温側熱交換器７７に挟まれる第二スタック７６まで到達すると、第二低温側熱交換器７７の温度が第二高温側熱交換器７５の温度より低くなる。すなわち、第二低温側熱交換器７７の温度が室温より低くなり、第二低温側熱交換器７７内を経由して主軸３に供給される軸受冷却流体を冷却することができる。

以上の構造により、主軸３で発生する排熱を用いて主軸３に供給する軸受冷却流体を冷却することが可能となり、主軸３の冷却に要するエネルギー消費の少ない工作機械を実現できる。
ここでは、軸受３３として転がり軸受を使用した主軸３の例を示したが、軸受として静圧油軸受を用いる場合は、軸受ポケットからの排出油を高温流体として用いてもよい。

次に、第二実施形態について図３に基づき説明する。
これは、主軸３の排熱を利用して加工液の冷却を行うものである。主軸３、軸受冷却流体供給装置５、加工液供給装置６と熱音響装置７の構造は第一実施形態と同様である。軸受冷却流体供給装置５から管路５３を経由して主軸３に軸受冷却流体を供給する。軸受冷却流体はハウジング３２の熱を奪い温度が上昇し、高温軸受冷却流体となる。その後、管路３５を経由して第一高温側熱交換器７４を加熱して管路５２を経由して軸受冷却流体供給装置５に還流する。軸受冷却流体供給装置５では空冷により軸受冷却流体を室温近くに冷却する。
加工液供給装置６から供給される加工液は、管路６１を経由して第一低温側熱交換器７２、管路６２を経由して第二高温側熱交換器７５、管路６５を経由して第二低温側熱交換器７７に供給される。第二低温側熱交換器７７を経由した加工液は管路９１によりノズル９に供給され、加工部で工具４と工作物Ｗを冷却する。

上記の管路構成により、第一低温側熱交換器７２と第二高温側熱交換器７５は加工液により室温に近い温度に冷却され、第一高温側熱交換器７４は温度が上昇した軸受冷却流体である高温軸受冷却流体により高温に加熱される。この結果、第一低温側熱交換器７２と第一高温側熱交換器７４の間で温度勾配が生じ、自励による波が発生する。
この波がループ管に沿って第二高温側熱交換器７５及び第二低温側熱交換器７７に挟まれる第二スタック７６まで到達すると、第二低温側熱交換器７７の温度が第二高温側熱交換器７５の温度より低くなる。すなわち、第二低温側熱交換器７７の温度が室温より低くなり、第二低温側熱交換器７７内を経由して加工部に供給される加工液を冷却することができる。

以上の構造により、主軸３で発生する排熱を用いて加工部に供給する加工液を冷却することが可能となり、加工液の冷却に要するエネルギー消費の少ない工作機械を実現できる。

次に、第三実施形態について図４に基づき説明する。
これは、第一実施形態における加工液供給装置６に換えて空気圧供給装置１１を備えたもので、主軸３の排熱を利用して主軸３に供給する軸受冷却流体の冷却を行うものである。主軸３、軸受冷却流体供給装置５と熱音響装置７の構造は第一実施形態と同様である。軸受冷却流体供給装置５から管路５１、第二低温側熱交換器７７、管路３６を経由して主軸３に軸受冷却流体を供給する。軸受冷却流体はハウジング３２の熱を奪い温度が上昇し、高温軸受冷却流体となる。その後、管路３５を経由して第一高温側熱交換器７４を加熱して管路５２を経由して軸受冷却流体供給装置５に還流する。
空気圧供給装置１１から供給されるほぼ室温の空気は、管路１１１を経由して第一低温側熱交換器７２を通過し、管路１１２を経由して第二高温側熱交換器７５を通過して大気中に放出される。

上記の管路構成により、第一低温側熱交換器７２と第二高温側熱交換器７５は空気により室温に近い温度に冷却され、第一高温側熱交換器７４は温度が上昇した軸受冷却流体である高温軸受冷却流体により高温に加熱される。この結果、第一低温側熱交換器７２と第一高温側熱交換器７４の間で温度勾配が生じ、自励による波が発生する。
この波がループ管に沿って第二高温側熱交換器７５及び第二低温側熱交換器７７に挟まれる第二スタック７６まで到達すると、第二低温側熱交換器７７の温度が第二高温側熱交換器７５の温度より低くなる。すなわち、第二低温側熱交換器７７の温度が室温より低くなり、第二低温側熱交換器７７内を経由して主軸に供給される軸受冷却流体を冷却することができる。

以上の構造により、主軸３で発生する排熱を用いて主軸３に供給する軸受冷却流体を冷却することが可能となり、主軸３の冷却に要するエネルギー消費の少ない工作機械を実現できる。

次に、第四実施形態について図５に基づき説明する。
これは、第一実施形態における主軸３の軸受冷却流体に換えて、加工部を冷却後に温度上昇した加工液を高温加工液として利用するものである。加工液供給装置６と熱音響装置７の構造は第一実施形態と同様である。ノズル９から加工部に供給され工具４と工作物Ｗを冷却して高温となった高温加工液は加工液受１０に回収され、管路１０１を経由して第一高温側熱交換器７４を加熱して管路６４を経由して加工液供給装置６に還流する。加工液供給装置６から、管路６１を経由して第一低温側熱交換器７２と、管路６２を経由して第二高温側熱交換器７５を循環した加工液も管路６４を経由して加工液供給装置６に還流する。
第二低温側熱交換器７７を経由した加工液は、管路９１によりノズル９に供給され、加工部で工具４と工作物Ｗを冷却する。

上記の管路構成により、第一低温側熱交換器７２と第二高温側熱交換器７５は加工液により室温に近い温度に冷却され、第一高温側熱交換器７４は温度が上昇した高温加工液により高温に加熱される。この結果、第一低温側熱交換器７２と第一高温側熱交換器７４の間で温度勾配が生じ、自励による波が発生する。
この波がループ管に沿って第二高温側熱交換器７５及び第二低温側熱交換器７７に挟まれる第二スタック７６まで到達すると、第二低温側熱交換器７７の温度が第二高温側熱交換器７５の温度より低くなる。すなわち、第二低温側熱交換器７７の温度が室温より低くなり、第二低温側熱交換器７７内を経由して加工部に供給される加工液を冷却することができる。

以上の構造により、加工部で発生する排熱を用いて加工部に供給する加工液を冷却することが可能となり、加工液の冷却に要するエネルギー消費の少ない工作機械を実現できる。

次に、第五実施形態について図６に基づき説明する。
これは、第四実施形態における、加工液による第一低温側熱交換器７２と第二高温側熱交換器７５の冷却を、空気による冷却に換えたものである。加工液供給装置６と熱音響装置７の構造は第一実施形態と同様である。ノズル９から加工部に供給され工具４と工作物Ｗを冷却し高温となった高温加工液は、加工液受１０に回収され管路１０１を経由して第一高温側熱交換器７４を加熱して、管路６４を経由して加工液供給装置６に還流する。加工液供給装置６から管路６５と第二低温側熱交換器７７を経由した加工液は管路９１によりノズル９に供給され、加工部で工具４と工作物Ｗを冷却する。
空気圧供給装置１１から供給されるほぼ室温の空気は、管路１１１を経由して第一低温側熱交換器７２を通過し、管路１１２を経由して第二高温側熱交換器７５を通過して大気中に放出される。

上記の管路構成により、第一低温側熱交換器７２と第二高温側熱交換器７５は空気により室温に近い温度に冷却され、第一高温側熱交換器７４は温度が上昇した高温加工液により高温に加熱される。この結果、第一低温側熱交換器７２と第一高温側熱交換器７４の間で温度勾配が生じ、自励による波が発生する。
この波がループ管に沿って第二高温側熱交換器７５及び第二低温側熱交換器７７に挟まれる第二スタック７６まで到達すると、第二低温側熱交換器７７の温度が第二高温側熱交換器７５の温度より低くなる。すなわち、第二低温側熱交換器７７の温度が室温より低くなり、第二低温側熱交換器７７、管路９１、ノズル９を経由して加工部に供給される加工液を冷却することができる。

次に、第六実施形態について図７に基づき説明する。
これは、第五実施形態における、高温加工液による第一高温側熱交換器７４の加熱を、高温空気による加熱に換えたものである。加工液供給装置６と熱音響装置７の構造は第一実施形態と同様である。制御装置８の構成部材である制御盤８１内を冷却し高温となった高温空気は、管路８２を経由して第一高温側熱交換器７４を加熱して大気中に放出される。
加工液供給装置６から管路６５と第二低温側熱交換器７７を経由し、冷却された加工液は、管路９１によりノズル９に供給され、加工部で工具４と工作物Ｗを冷却する。
空気圧供給装置１１から供給されるほぼ室温の空気は、管路１１１を経由して第一低温側熱交換器７２を通過し、管路１１２を経由して第二高温側熱交換器７５を通過して大気中に放出される。

上記の管路構成により、第一低温側熱交換器７２と第二高温側熱交換器７５は空気により室温に近い温度に冷却され、第一高温側熱交換器７４は温度が上昇した高温空気により高温に加熱される。この結果、第一低温側熱交換器７２と第一高温側熱交換器７４の間で温度勾配が生じ、自励による波が発生する。
この波がループ管に沿って第二高温側熱交換器７５及び第二低温側熱交換器７７に挟まれる第二スタック７６まで到達すると、第二低温側熱交換器７７の温度が第二高温側熱交換器７５の温度より低くなる。すなわち、第二低温側熱交換器７７の温度が室温より低くなり、第二低温側熱交換器７７、管路９１、ノズル９を経由して加工部に供給される加工液を冷却することができる。

以上の実施形態のほかに、以下の組み合わせによる管路構成により所望の部位を冷却してもよい。一高温側熱交換器７４を高温軸受冷却流体、高温加工液、高温空気のいずれかで過熱するＡ群と、第一低温側熱交換器７２を軸受冷却流体、加工液、空気のいずれかで冷却するＢ群と、第二高温側熱交換器７５を軸受冷却流体、加工液、空気のいずれかで冷却するＣ群と、第二低温側熱交換器７７により軸受冷却流体、加工液、空気のいずれかを冷却するＤ群における、群内の任意の1つを用いたすべての組み合わせの管路構成。さらに、第二高温側熱交換器７５を流体で冷却しないで、熱音響装置７の配置された環境における自然放熱による冷却としてもよい。
主軸の冷却と加工液の冷却について説明したが、冷却部位は送りねじ、工作物寸法測定装置など、工作機械の他のいかなる部位でもよい。
また、電気機器としてのモータや電熱器などを冷却して高温となった高温空気を用いてもよい。

１：工作機械２：ベッド３：主軸４：工具５：軸受冷却流体供給装置６：加工液供給装置７：熱音響装置８：制御装置９：ノズル１０：加工液受１１：空気圧供給装置７１：ループ管７２：第一低温側熱交換器７３：第一スタック７４：第一高温側熱交換器７５：第二高温側熱交換器７６：第二スタック７７：第二低温側熱交換器８１：制御盤

Claims

作動ガスが封入されるループ管と、前記ループ管に設けられ第一高温側熱交換器及び第一低温側熱交換器に挟まれ熱の移送方向に複数の導通路を有する第一スタックと、前記ループ管に設けられ第二高温側熱交換器及び第二低温側熱交換器に挟まれ熱の移送方向に複数の導通路を有する第二スタックを備え、前記第一高温側熱交換器を加熱し、前記第一スタックの両端で温度勾配を生じさせることによって自励による定在波及び進行波を発生させ、この定在波及び進行波により前記第二低温側熱交換器を冷却する熱音響装置と、
流体を供給する流体供給手段を、少なくも1つ備える工作機械において、
前記第一高温側熱交換器を、自らの構成装置の排熱で温度が上昇した前記流体である高温流体で加熱し、前記第一低温側熱交換器を前記流体により冷却し、前記第二低温側熱交換器により自らの構成部位を冷却する工作機械。
前記流体は、回転軸の軸受部を冷却する軸受冷却流体、加工部を冷却する加工液、空気のいずれかであり、
前記高温流体は、軸受部を冷却した後に温度が上昇した前記軸受冷却流体である高温軸受冷却流体、加工部を冷却した後に温度が上昇した前記加工液である高温加工液、電気機器を冷却した後に温度が上昇した前記空気である高温空気のいずれかである請求項１に記載の工作機械。
前記第二高温側熱交換器を、前記軸受冷却流体、前記加工液、前記空気のいずれかで冷却する請求項２に記載の工作機械。
前記軸受冷却流体、前記加工液、前記空気のいずれかを、前記第二低温側熱交換器により冷却する請求項２または請求項３に記載の工作機械。