JPH02109655A - 工作機械等の機器の調温装置 - 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】 、［産業上の利用分野］ この発明は、工作機械等の機器において、機器の作動状
況に応じて冷却を行い、加工精度を向上させるための工
作機械等の機器の調温装置に関する。

［従来の技術］ 工作機械の主軸頭は、加工における主軸の回転に伴い軸
受部の近傍の温度が上昇し、熱膨張による変形を生じる
。そのため、工具の先端の位置がずれ、加工精度が低下
するという不具合がある。

従って、加工の負荷の大きさに対応して冷却条件を制御
し、熱変形を抑える試みが種々なされている。

循環して戻った冷却液を冷却するための方法としては、
例えばラジェータによって大気中に放熱する方法、冷凍
機により強制的に冷却する方法などがあり、後者の場合
には戻り冷却液の温度を測定し、この値が一定の範囲の
値になるように冷却液貯槽に設けた冷凍機をオン／オフ
作動させることにより制御している。

特開昭６１−１３１８４９号には、還流した温度の高い
冷却水を貯留する温水槽と、これを強制的に冷却した冷
水槽とを設け、冷却液が予め設定した温度となるように
温水槽と冷水槽の貯水を混合して冷却部に供給するよう
にした技術が開示されている。

また、特開昭６１−１７８１４７号には、機械本体の熱
発生源より遠い位置または大気中に基準点用温度センサ
を設け、油タンク及び機械の被温度制御位置にそれぞれ
温度センサを設け、これらの温度センサと上記基準点用
温度センサとの温度差を算出して、この値に応じて油タ
ンク内の油温制御手段及び油（冷却液）の流量調整手段
を作動させ、油温及び被温度制御位置を基準点温度にな
らうように制御するようにした技術が開示されている。

油温制御手段は、冷凍機をオン／オフ作動させるものが
例示されており、流量調整手段としては絞り弁を備えた
バイパス回路が設けられている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記のような従来の技術においては、そ
れぞれ次のような解決すべき課題があった。

大気を低熱源とするものにおいては、冷却液の温度を大
気温度以下に下げることはできず、一般に冷却能力が不
足であるとともに、加工負荷の変化に対応して冷却能力
を変えることも困難である。

冷凍機をオン／オフ制御するものにおいては、通常、冷
凍機の冷却能４゛力を実際の加工において必要とされる
冷却能力より高く設定しているから冷凍機はある周期で
オン／オフ作動する。冷却液の貯量は有限であるから冷
却液の温度は冷凍機の作動の周期に応じて変動すること
になり、機械の温度や熱変形を防止することができない
。また、負荷の増減に応じて冷却能力を変化させること
も困難である。

特開昭６１−１３１８４９号に開示された技術において
は、冷却水を一定の設定温度になるように温水と冷水を
混合するものであるので、実際の機器の発熱部から大気
にさらされる外部にかけて機器がどのような温度勾配を
持っているかという点は制御できず、熱変形の防止が困
難であり、また、機器の負荷に応じた冷却を行うことが
できない。

特開昭６１−１７８１４７号に開示された技術において
は、油温制御手段に上り油温を基準点温度にならうよう
に制御した油を、流量調整手段により油量を制御して冷
却液流路に流通させるようにしているが、流量調整手段
が連続的な調整手段ではないので、単一の冷却液源では
充分細かい制御が困難である。この場合、被温度制御位
置の基準点との温度差を加工条件によって個々に設定す
る必要がある。すなわち、温度差を小さく設定した場合
には、比較的低速回転の加工においてもすぐその温度を
超えてしまい、流量が大流量に切替わり、すぐ温度が低
下する。従って、被温度制御位置の温度が設定温度の近
辺で激しく上下し、切換弁がその都度作動するので切換
弁のシート部の摩耗が激しくなる。一方、温度差を大き
く設定した場合には、その範囲の温度差は許容されるこ
とになり、熱変形を防止できない。特に、終夜の無人運
転中などにおいて、負荷量の異なる種々の加工を行う場
合、上記の最適な設定温度が加工ごとに異なるにもかか
わらず、個別の調整は困難であり、上述した課題の解決
が一層強く望まれていた。

［課題を解決するための手段］ 上記のような課題を解決するために、この発明は、機器
の発熱部を囲繞する冷却液流路と、この冷却液流路から
排出された冷却液を少なくとも２つ以上の熱交換器によ
り冷却してそれぞれ異なる温度で貯留する少なくとも２
つ以上の冷却液槽と、これらの冷却液槽の冷却液を供給
配管を介して上記冷却液流路に圧送する手段と、上記供
給配管に設けられて上記各冷却液槽の冷却液を混合する
手段と、上記供給配管に設けられて冷却液の流量を調整
する手段と、上記冷却液流路からの戻り冷却液の温度及
び機器または大気中の基準温度をそれぞれ測定する温度
センサと、上記測定温度の差を算出してこの温度差を辛
め設定した複数の温度設定値と比較し、この比較の結果
によって上記混合手段と流量調整手段とを作動させて冷
却液の混合比又は／及び冷却液の流量を制御する制御手
段とを設けた構成としたものである。混合手段とは、分
岐配管と開閉弁を適宜に組み合わせることにより構成す
ることができる。流量調整手段とは、通常、供給配管に
設けた開閉弁を備えたバイパス回路であり、この開閉弁
を作動することにより流量を二段階に調整可能とするも
のであり、流量調整弁を配置しておくことによりバイパ
ス量を調整する。二種以上の温度を設定するための熱交
換器としては、一方を大気との間で熱交換を行うヒート
バイブとして基準温度に近い設定温度とした冷却液槽を
構成し、他方を上記基準温度に近い冷却液槽の冷却液を
さらに冷凍機により強制的に冷却して比較的低温の設定
温度の冷却液槽を構成するのが良い。この場合、冷凍機
の作動は戻り冷却液の温度が適当な温度範囲にあるよう
にオン／オフ制御することによって行う。

［作用］ このような工作機械等の機器のＲ温装置においては、戻
り冷却液の温度と大気または機器における基準温度との
差を算出し、この算出値を複数の設定値と比較し、この
温度がどの範囲にあるかによって、基準温度に近い温度
の冷却液槽、及び比較的低温の冷却液槽からの冷却液の
混合比率と冷却液量を調整する。混合比率及び冷却液量
の調整は、通常、開閉弁を切り換え作動させて行う。こ
のような方式においては、例えば、混合比率と冷却液量
のそれぞれを二段階に変化さ仕る場合、両者の組み合わ
せによって最大四段階の冷却強度の設定が可能となり、
加工負荷に応じたより細かい制御ができるから、開閉弁
の切り換えを頻繁に行うことなしに機器の熱変形を防止
することが可能となる。

［実施例］ 以下、図面を参照してこの発明の詳細な説明する。

第１図は、この発明の調温装置の全体の構成を示すもの
で、図中、ｉは主軸頭２を備えたマシニングセンタで、
基台３上に設置されており、主軸頭２には主軸の軸受の
周囲を冷却すべく冷却液流路４が形成されている。また
、５は冷却液流路４に冷却液を循環せしめる冷却液供給
装置であり、供給配管６を通して冷却液を上記冷却液流
路４に供給し、また戻り配管７を通して冷却液を冷却液
槽８へ回収している。

以下、冷却液供給装置５の構成を説明する。

冷却液槽８は中央の仕切壁９により２つに分断されてお
り、戻り冷却液は高温側の第１冷却液槽１０に流入し、
低温側の第２冷却液槽１１へと上記仕切壁９をオーバー
フローして流れるようになっている。第１冷却液槽１０
には第１熱交換器１２が、第２冷却液槽１１には第２熱
交換器１３がそれぞれ配置されて冷却液をそれぞれ冷却
するようにしている。第１熱交換器１２はヒートパイプ
１４を縦横に組んで伝熱部材１５を構成し、この伝熱部
材１５の一端を第１冷却液槽１０に浸漬させ、他方を大
気中に突出させるとともに、この突出部分にファン１６
を用いて送風することにより、冷却液と大気との間で熱
交換を行うものである。

方、第２熱交換器１３は周知の冷凍機で、冷媒をコンプ
レッサ１７で圧縮した後断熱膨張させて温度を下げ、こ
の冷媒と冷却液との間で熱交換を行うものである。第２
冷却液槽１’ｌには２つの堰１８ａ、１８ｂが設けられ
て３つの槽に分けられ、第２熱交換器１３は中央の第２
槽１１ｂから冷却液を吸引して仕切壁９側の第１槽１１
ａに戻すようになっている。

第１冷却液槽ｌＯには、２つの採液配管１９゜２０が設
けられ、一方の採液配管１９は主ポンプ２１に接続され
、主ポンプ２１の排出側は逆止弁２２を介して混合器２
３に接続されている。また、他方の採液配管は２連に構
成されたポンプの一方である第１副ポンプ２４に接続さ
れ、この第１副ポンプ２４の排出側は４ボ一ト２位置の
電磁切換弁である混合弁２５の入側Ｔポートに接続され
ている。

第２冷却液槽１１の第３１１１ｃには採液配管２６が設
けられ、この採液配管２６は上記２連のポンプの他方で
ある第２副ポンプ２７に接続され、この第２副ポンプ２
７の排出側は上記混合弁２５の入側Ｐボートに接続され
ている。この混合弁２５の出側のポートの一方（電磁作
動していないときにＰボートに連通ずる側）は逆止弁２
８を介して上述した主ポンプ２１の排出側配管に合流し
、混合器２３に通じている。

上記主ポンプ２１と第１副ポンプ２４、第２副ポンプ２
７の出側配管と戻り配管７の間にはそれぞれ所定の圧力
で作動するリリーフ弁２９，３０゜３１が設けられてお
り、配管内の圧力の不要な上昇を抑えている。また、上
記逆止弁２２，２８の入側にはそれぞれ流量調整弁３２
．３３が戻り配管７との間に設けられており、所定量を
バイパスして混合器２３へ流入する冷却液量を調整して
いる。

混合器２３の排出側は前述した主軸頭２の冷却液流路４
に連通ずる供給配管６に接続されており、この供給配管
６と戻り配管７の間は２ボ一ト２位置電磁切換弁である
バイパス弁３４及び流量調整弁３５を有するバイパス配
管３６で連絡されている。

戻り配管７のバイパス配管３６との合流点より冷却液流
路４側の位置及びマシニングセンタｌの基台３には、そ
れぞれ戻り冷却液及び基台３の温度を測定する温度セン
サ３７，３８が設置されており、これらのセンサ３７，
３Ｂは制御装置３９の入力側に接続されている。また、
制御装置３９の出力側には上記混合弁２５、バイパス弁
３４のソレノイド２５ａ、３４ａと、上記第１熱交換器
１２の駆動装置（ファン用モータ）１２ａ及び第２熱交
換器１３の駆動装置１３ａに接続されており、上記温度
センサ３７，３８の測温結果に基づいてこれらの弁の開
閉制御と駆動装置のオン／オフ制御を行うようにしてい
る。第２図のブロック図を参照して制御装置３９の構成
を説明すると、温度センサ３７，３Ｂにつながる入力ラ
インはそれぞれ電圧変換器４０．４１に接続され、電圧
変換器４０．４１の出力ラインはそれぞれＡ／Ｄ変換器
４２．４３に接続され、さらにＡ／Ｄ変換器４２．４３
の出力ラインは演算器４４に接続されている。

そして、演算器４４の出力ラインと外部からデジタル値
が設定可能な設定器４５の出力ラインとが比較・判定器
４６の入力ラインに接続されている。

比較・判定器４６の出力ラインは上記混合弁２５及ヒバ
イパス弁３４のソレノイドと第１熱交換器１２及び第２
熱交換器１３の駆動装置１２ａ、１３ａに接続されてい
る。

以下、主に第３図（ａ）　、　（ｂ）のシーケンス図を
参照してこの実施例の調温装置の作用を説明する。

戻り冷却液測温用温度センサ３７の測温値をＴい基台３
に取り付けた温度センサ３８の測温値をＴｏとし、θ＝
Ｔ、−Ｔｏとする。設定器４５には、予め混合弁２５及
びバイパス弁３４の制御のための比較値としてθ、とθ
ｔ（θ１くθ、）が設定され、第１熱交換器１２の制御
のための比較値としてθ３（−０ｄｅｇ）が、第２熱交
換器１３の制御のための比較値としてθ、が設定されて
入力されている。工作機械等の機器が作動すると主ポン
プ２１及び副ポンプ２４．２７が作動して冷却液が循環
させられる。同シーケンス図に示すように、θ≦θ５（
＝Ｏｄｅｇ）であるときには第１熱交換器１２のファン
１６は作動しない。このようなときにファン１６を作動
すると液温か却って上昇してしまうからである。また、
第２熱交換器１３はθ＝θ。

においてオン／オフの切換がなされ、通常の加工工程で
は一定のサイクルでオン／オフ作動する。

従って、第１熱交換器１２の後における冷却液の温度は
第４図（ａ）の曲線Ａのようになり、第２熱交換器１３
の後における冷却液の温度は同図Ｂのようになる。

加工負荷が小さくてθ≦０１であるときには、制御装置
３９より第１副ポンプ２４が混合器２３に連絡されるよ
うに混合弁２５のソレノイド２５ａを励磁する信号が出
力されており、第２副ポンプ２７は戻り配管７に連絡さ
れている。また、バイパス弁３４には励磁信号が出され
ず開状態となっている。従って、第１冷却液槽ｌＯの別
々の採液配管１９．２０から取り入れられた冷却液は主
ポンプ２１と第１副ポンプ２４によりそれぞれ吸入され
て逆止弁２２．２８を通って混合器２３に流入し、供給
配管６において一部は主軸頭２の冷却液流路４を通って
戻り配管７へ、残りはバイパス配管３６を通って戻り配
管７へ流れる。負荷が低位である間はこの状態で安定し
ているが、負荷が増して温度が上昇し、θ、くθ〈θ、
となると制御装置３９よりバイパス弁３４のソレノイド
３４ａを励磁する信号が出力され、これによりバイパス
弁３４が閉となり、混合器２３を排出された冷却液は全
量冷却液流路４に流され、冷却能力が増す。

この冷却能力が負荷が見合っていればこの状態で安定す
るが、さらに負荷が増すと戻り冷却液が昇温してθ、≦
θとなり、制御装置３９より混合弁２５のソレノイド２
５ａの励磁を解く信号が出力される。これにより、第２
副ポンプ２７か混合器２３に連絡されて、第２冷却液槽
１１からのより低温の冷却液が第１冷却液［１０からの
冷却液と混合され、供給配管６より冷却液流路４に供給
される。このときの冷却強度は工作機械による加工能力
の高いときを基準に設定しているので、θは再度下降す
る傾向を示す。

以上の結果、θは、ある条件においてはθ、またはθ、
において上下することになり、混合弁２５またはバイパ
ス弁３４が切り換えられることになる。しかし、この発
明の調温装置においては冷却強度の切換が３段階に分け
られているので従来の２段階の強度切換の場合よりも細
かい温度制御が可能であり、従って、温度が比較的変動
せず、また弁の切換頻度も少なくなる。ここで、第１冷
却液槽１０の冷却液と第２冷却液槽１１の冷却液の混合
比率は流量調整弁３２．３３の開度を調整することによ
り適宜調整でき、また、θ４の設定を変えることにより
第２冷却液槽１１の冷却液温度を調整できるから、事前
に加工の負荷がわかっているときはその負荷に適合する
冷却強度を安定して得られるように設定しておくことも
できる。

この調温装置においては、２つの冷却液槽１０１１がそ
れぞれ異なる形式の熱交換器を備えている。すなわち、
第１熱交換器１２はヒートパイプ１４を用いて大気との
間で熱交換を行うものであり、また、第２熱交換器１３
は冷凍機方式により強制的に冷却を行うものである。θ
、≦θのときは画然交換器により冷却された冷却液を混
合して冷却液流路４に供給するが、このときに画然交換
器の欠点を補いあって安定した熱交換を行わせる。

すなわち、第４図（ａ）の曲線Ａに示すように、第１熱
交換器１２では温度変動が少ないが、冷却液を大気温度
以下に下げることはできず、一方、第２熱交換器１３で
は曲線Ｂに示すように温度を下げることはできるが、一
定の脈動を抑えることができない。しかし、これらを適
当な比率で混合することにより、第４図（ｂ）に示すよ
うに温度が低くかつ脈動の少ない冷却液を供給すること
ができる。

上記のような調温装置による戻り冷却液の温度変化は、
例えば第５図に示すようになる。低い負荷でθが０１以
下であったものが、負荷が増大して０１以上になる。こ
こでバイパス弁３４が閉となって冷却液の流量が増える
。負荷の上昇が比較的小さいときにはθは曲線Ｃで示す
ように低下し、以下バイパス弁３４の開閉を繰り返して
０１を上下する。このとき、θ１の上下において冷却強
度の変化が小さいので、バイパス弁３４の切換頻度が比
較的少ないことは既述したとおりである。

方、負荷の増加が比較的大きいときは、第１冷却液槽１
０の冷却液の増量では間に合わず、第５図に曲線りで示
すようにθはさらに増加してθ、を超える。そして、制
御装置３９より混合弁２５のソレノイド２５ａの励磁を
解くための信号が出力され、混合弁２５が混合器２３と
第２冷却液ｔｆｌｌ監を連絡するように切り換えられ、
θは再度低下してθ、以下になる。以後、負荷が同様で
あればθはθ、を上下して変動し、負荷が減少すると０
１以下になり、第１の冷却状態になる。

なお、上記においては、第２段階においてバイパス弁３
４を作動させて冷却液を増量するようにしティるが、バ
イパス弁３４を開とした流量の少ない状態で混合弁２５
を切り換えて冷却液温度を低下させるようにしてもよい
。また、上記実施例の０１．θ、の他に、θ、〈θ、゛
〈θ、となるようなθ、′の温度を設定し、θ１くθく
θ、°においては第１冷却液槽ｌＯの冷却液のみを流量
大として供給し、θ、°〈θくθ、であるときには第１
冷却液槽と第２冷却液槽の冷却液を混合しかつ流量を小
として供給するような４段階の制御を行ってもよい。

［発明の効果」 以上詳述したように、この発明は、機器の発熱部を囲繞
する冷却液流路と、この冷却液流路から排出された冷却
液を少なくとも２つ以上の熱交換器により冷却してそれ
ぞれ異なる＾度で貯留する少なくとも２つ以上の冷却液
槽と、これらの冷却液槽の冷却液を供給配管を介して上
記冷却液流路に圧送する手段と、上記供給配管に設けら
れて上記各冷却液槽の冷却液を混合する手段と、供給配
管に設けられて冷却液の流量を調整する手段と、上記冷
却液流路からの戻り冷却液の温度及び機器又は大気中の
基準温度をそれぞれ測定する温度センサと、上記測定温
度の差を算出してこの温度差を予め設定した複数の温度
設定値と比較し、この結果に基づいて上記混合手段と流
量調整手段とを作動させて冷却液の混合比又は／及び冷
却液の流量を制御する制御手段とを備えた構成であるの
で、工作機械等の機器の加工による発熱の状態に応じた
複数段階の冷却状況を選択できるから、加工負荷の変動
や長時間の無人運転の継続などの厳しい条件のもとでも
発熱部の近傍の温度が基準温度に対して常に一定の差に
あるように制御することができ、熱による歪み変形を防
いで加工の精度を保持することができる。また、複数の
形式の異なる冷却源からの冷却液を混合することにより
、それぞれの欠点を補って冷却能力が高くかつ時間変動
の少ない冷却源とすることができ、上記のような効果を
一層強めるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の調温装置の全体の構成を
示す図、第２図は制御装置の構成を示すブロック図、第
３図（ａ）　、　（ｂ）は制御装置の制御の過程を示す
シーケンス図、第４図（ａ）　、　（ｂ）は熱交換器の
冷却状況を示すグラフ、第５図はこの調温装置の作動の
状況を示すグラフである。 第１図 ら ６　・・・ ・・冷却液流路、５・・・・・・冷却液供給装置、・・
供給配管、ＩＯ・・・・・・第１冷却液槽、・・・・・
第２冷却液槽、１２・・・・・・第１熱交換器、・・・
・・・第２熱交換器、２５・・・・・混合弁、・・・・
・バイパス弁、３７．３８・・・・・・温度センサ、・
・・・・・制御装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 機器の発熱部を囲繞する冷却液流路と、この冷却液流路
   から排出された冷却液を少なくとも２つ以上の熱交換器
   により冷却してそれぞれ異なる温度で貯留する少なくと
   も２つ以上の冷却液槽と、これらの冷却液槽の冷却液を
   供給配管を介して上記冷却液流路に圧送する手段と、上
   記供給配管に設けられて上記各冷却液槽の冷却液を混合
   する手段と、供給配管に設けられて冷却液の流量を調整
   する手段と、上記冷却液流路からの戻り冷却液の温度及
   び機器又は大気中の基準温度をそれぞれ測定する温度セ
   ンサと、上記測定温度の差を算出してこの温度差を予め
   設定した複数の温度設定値と比較し、この結果に基づい
   て上記混合手段と流量調整手段とを作動させて冷却液の
   混合比又は／及び冷却液の流量を制御する制御手段とを
   備えていることを特徴とする工作機械等の機器の調温装
   置。