JPH0794100B2 - 工作機械の冷却装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、旋盤等の工作機械における主軸の軸受部や主
軸に直結するビルトインモータ等の発熱部を冷却する冷
却装置に関する。

（従来の技術） 従来、特開昭56−134153号公報に開示され且つ第７図に
示すように、工作機械における旋盤の主軸頭（Ａ）に、
主軸（Ｓ）及びその軸受（B,B）を取り囲むブッシュ
（Ｔ）を介装して、このブッシュ（Ｔ）にら旋溝で構成
する冷却器（Ｅ）を設けて、この冷却器（Ｅ）を、圧縮
機（Ｃ）、凝縮器（Ｄ）及びキャピラリーチューブを用
いた膨張機構（Ｖ）を備える冷凍装置（Ｒ）の蒸発器と
して用い、該冷却器（Ｅ）での冷媒の蒸発作用により軸
受（B,B）等の発熱部を冷却し、発熱による部材の熱膨
張を低減して加工精度を向上できるようにしている。

（発明が解決しようとする課題） しかし、以上のように、冷媒の蒸発作用を利用して冷却
を行うものでは、通常一般に用いられるフロン22を冷媒
とし、通常のロータリー圧縮機等をその冷媒の圧縮用と
して用いる場合、圧縮機（Ｃ）に吸入する冷媒ガスの飽
和温度を全運転範囲内において−20℃〜＋15℃程度、圧
力は5kg/cm²ABS前後となり、冷却器（Ｅ）での冷却温度
もこれに見合う温度となるため、この冷却温度が、工作
機械が置かれる約15〜30℃程度の外気温度に対して低く
なり、これら冷却温度と外気温度との差により各部に熱
膨張の差ができて加工精度に悪影響を及ぼすと共に、前
記冷却器（Ｅ）での冷やし過ぎにより、工作機械の壁面
等に結露が発生する問題が起こる。

この問題を回避するため、圧縮機（Ｃ）の吸入圧力を引
き上げて吸入ガス温度を高め、冷却器（Ｅ）での冷却温
度を外気温度に近づけるようにすることが考えられる
が、このようにする場合には、圧縮機（Ｃ）の吸入圧力
と吐出圧力との間の差圧が小さくなり、特殊な低圧縮比
をもつ圧縮機を必要とする等の新たな問題が生じる。

本発明の主たる目的は、特殊な圧縮機を用いずに、冷却
器での蒸発圧力と圧縮機の吸入圧力との間に差を設け
て、圧縮機の吸入圧力を低くしながら冷却器での蒸発圧
力を高め、冷却器での冷却温度を外気温度と同程度にで
き、結露等を未然に防止できる工作機械の冷却装置を提
供することにある。

（課題を解決するための手段） そこで、本発明では、上記目的を達成するため、工作機
械の発熱部に冷却器（４）を付設し、該冷却器（４）
を、圧縮機（１）、凝縮器（２）及び膨張機構（３）を
備える冷凍装置（５）における前記膨張機構（３）の出
口側と圧縮機（１）の吸入側との間に接続して、該冷却
器（４）を蒸発器とした工作機械の冷却装置において、
前記冷却器（４）の出口側と前記圧縮機（１）の吸入側
との間に、減圧機構（７）を介装した。

又、上記構成で、前記減圧機構（７）の一次側圧力は冷
却器（４）での外気温度相当の蒸発圧力に、又、二次側
圧力は圧縮機（１）の吸入圧力になり、この減圧機構
（７）の前後に比較的大きな差圧を確保すべきことか
ら、冷凍通過時の流動音の発生が懸念され、その対策と
して、第２に、前記減圧機構（７）が、一次ポート（7
1）を二次ポート（72）に開く連通穴（73）と、この連
通穴（73）に端部を臨ませる規制体（74）とを備え、前
記一次ポート（71）と二次ポート（72）との間を、前記
連通穴（73）と規制体（74）との間に形成される環状開
口部（75）を介して連通させる構造とした。

更に、第３に、上記第２の構成において、前記環状開口
部（75）でのゴミ溜りを回避するため、規制体（74）と
連通穴（73）との間の相対位置を変化させて環状開口部
（75）の開度を変更可能にすると共に、前記環状開口部
（75）の開度を設定開度に対して一時的に大きくし、該
環状開口部（75）に溜るゴミを除去するゴミ除去制御手
段（８）を設けた。

又、第４に、以上の各構成において、前記減圧機構
（７）を介装した場合にも適正な過熱度制御を行うた
め、膨張機構（３）に感温膨張弁を用い、その感温筒
（31）及び均圧管（32）を、前記減圧機構（７）の出口
側と前記圧縮機（１）の吸入側との間に設置した。

（作用） 冷却器（４）で蒸発した冷媒は、更に減圧機構（７）で
減圧されて圧縮機（１）に吸入されることになる。この
ため、前記減圧機構（７）により圧力ドロップ分だけ、
前記冷却器（４）での蒸発圧力を圧縮機（１）の吸入圧
力に対し高めることができ、冷却器（４）での蒸発温度
つまりは冷却温度を高くできながら圧縮機（１）の吸入
圧力を低くできるのである。

又、第２の構成によれば、減圧機構（７）の一次ポート
（71）と二次ポート（72）との間は環状開口部（75）を
介して連通されるため、この環状開口部（75）への冷媒
通過時、その流れを均一化できると共に流速を低減で
き、冷媒通過時の流動音を抑制することができる。

更に、第３の構成によれば、ゴミ除去制御手段（８）に
より環状開口部（75）の開度を一時的に大きくすること
により、この開口部（75）に溜るゴミを下流側に流出さ
せることができ、該開口部（75）の詰まりを防止でき、
減圧値の変化を防止することができる。

又、第４の構成によれば、膨張機構（３）に感温膨張弁
を用い、その感温筒（31）及び均圧管（32）を減圧機構
（７）の出口側と前記圧縮機（１）の吸入側との間に設
置することにより、冷却器（４）の出口側に対して低圧
低温とされる減圧機構（７）の出口側に基づいて過熱度
制御を行うことができ、その制御を適正ならしめること
ができる。

（実施例） 第１図に示す冷却装置は、工作機械である旋盤の主軸頭
（10）に冷却器（４）を設け、該冷却器（４）を、ロー
タリー式等の圧縮機（１）、ファン（21）を付設する凝
縮器（２）、感温膨張弁で構成する膨張機構（３）を備
える冷凍装置（５）における前記膨張機構（３）の出口
側の液配管（34）と前記圧縮機（１）の吸入側のガス配
管（41）との間に接続して、蒸発器として用いたもので
ある。尚、冷却装置（５）の循環冷媒には、フロン22を
用いている。

前記冷却器（４）は、第２図に示すように、主軸（11）
の両端部軸受（12）（13）と、ステータ（14）及びロー
タ（15）をもつ直結形のビルトインモータ（16）とを冷
却するものであって、これら軸受（12）（13）及びモー
タ（16）を配設する内胴（17）と、これを取り囲む外胴
（18）及び端板（19）（20）とで、内部を円筒形状に画
成している。

以上の構成で、第１図に示すように、前記冷却器（４）
の出口管（47）と前記圧縮機（１）の吸入側に接続され
る前記ガス配管（41）との間に、オリフィス等で構成す
る減圧機構（７）を介装する。

これによれば、第６図のモリエル線図で示すように、圧
縮機（１）から吐出された状態で示す高圧ガスは、凝
縮器（２）で凝縮されて状態で示す高圧液となり、膨
張機構（３）で状態に示す中間的な圧力（PM）にまで
減圧されて、冷却器（４）に流入する。そして、該冷却
器（４）で状態まで蒸発した後、減圧機構（７）で更
に減圧されて状態に示す低圧ガスとなり、再び圧縮機
（１）に吸入されることになる。こうして、前記冷却器
（４）での蒸発圧力は、状態で示す圧縮機（１）の吸
入圧力（PL）よりも高い中間的な圧力（PM）となり、該
冷却器（４）での蒸発温度つまりは冷却温度を高くでき
ながら圧縮機（１）の吸入圧力（PL）を低くすることが
できるのである。従って、低圧縮比の特殊な圧縮機を用
いなくても、冷却温度を外気温度と同等に高くでき、熱
膨張の差による加工精度への悪影響をなくし得ると共
に、主軸頭（10）での結露を未然に防止することができ
るのである。

ところで、上記構成で、前記減圧機構（７）には、第３
図に示すように、冷媒の通過部分を丸穴（700）とした
一般的なオリフィスを用いてもよいが、この減圧機構
（７）の一次側圧力は、前記冷却器（４）での蒸発圧力
つまり外気温度相当の圧力であって二次側の圧縮機
（１）の吸入圧力（PL）に対して比較的高い前記中間的
な圧力（PM）とされ、該減圧機構（７）の前後には比較
的大きな差圧を確保すべきことから、冷媒の通過時に流
動音の発生が懸念される。

このため、その対策として、第４図に示すように、前記
減圧機構（７）の構造として、ハウジング（70）の内部
に、一次ポート（71）を二次ポート（72）に開き、端部
にテーパ形開口部（73a）をもつ連通穴（73）と、この
連通穴（73）のテーパ形開口部（73a）にそのテーパ形
先端部（74a）を臨ませる円筒形の規制体（74）とを設
け、前記一次ポート（71）と二次ポート（72）との間
を、前記連通穴（73）と規制体（74）との間に形成され
る環状開口部（75）を介して連通させることにした。

この構成によれば、冷媒通過部分が前記環状開口部（7
5）となるから、この開口部（75）への冷媒通過時、そ
の冷媒の流れを均一化できると共に通過時の流速を低減
でき、冷媒通過に伴う流動音を抑制することができる。
ちなみに、一次側の圧力が14.6Kg/cm²、二次側の圧力が
5.9Kg/cm²の条件を満たす減圧特性を実現したところ、
第３図に示す穴径（ｒ）の丸穴構造のものに対して、第
４図の構造のものは、その通過流速を約３分の１〜４分
の１程度にすることができ、同じ減圧特性を得るにして
も、第４図の構造の方が、流速の低減化並びに流れの均
一化が図れ、通過時の流動音を低減できるのが確かめら
れた。尚、前記数値は一例であり、前記連通穴（73）の
穴径（ｄ）及び環状開口部（75）の隙間（δ）の値を種
々変更することにより任意の減圧特性を得ることができ
る。又、第４図の構造において、前記した一次ポート
（71）と二次ポート（72）との関係を逆にして、逆方向
に冷媒を流通させる構造としてもよく、環状開口部（7
5）により上記同様の効果が得られる。

更に、第５図に示すように、規制体（74）を操作ロッド
（74b）を介してソレノイドやモータ等で構成する駆動
源（81）に連動し、前記規制体（74）のテーパ形先端部
（74a）と、連通穴（73）のテーパ形開口部（73a）との
間の相対位置の変化により、環状開口部（75）の開度を
変更可能に構成すると共に、前記駆動源（81）を制御し
て、前記環状開口部（75）の開度を設定開度に対して数
秒間程度一時的に大きくし、該環状開口部（75）に溜る
ゴミを除去するゴミ除去制御手段（８）を設ける。この
ゴミ除去制御手段（８）によるゴミ除去運転は、起動時
並びに、定常運転時であって前記制御手段（８）に入力
するタイマ手段（82）の計時による一定時間毎に行わせ
る。

この構成によれば、前記環状開口部（75）はその隙間
（δ）が小さく、ゴミ詰まり等が起こり易いが、前記ゴ
ミ除去制御手段（８）により環状開口部（75）の開度を
一時的に大きくすることにより、その溜ったゴミを下流
の圧縮機（１）側に流出させることができ、ゴミ溜りに
よる前記開口部（75）の通過面積の変化を解消でき、減
圧値の変動を防止することができる。又、このゴミ除去
運転は、一時的に環状開口部（75）の開度を大きくする
だけで、減圧機構（７）による圧力ドロップが無くなる
ことによる冷却器（４）の蒸発圧力の低下も一時的なも
のであり、該冷却器（４）の温度変化による加工精度へ
の影響及び温度低下による結露も殆ど問題とはならな
い。

又、以上の構成で、第１図に示したように、前記膨張機
構（３）を構成する感温膨張弁の感温筒（31）及び均圧
管（32）を、前記減圧機構（７）の出口側と前記圧縮機
（１）の吸入側との間の前記ガス配管（41）に設置す
る。

これによれば、第６図のモリエル線図において、感温膨
張弁は、減圧機構（７）の出口側の状態に基づいて制
御されるから、換言すると、蒸発作用を行う冷却器
（４）の出口側の状態に対して低圧低温の状態に基づ
いて制御されるから、適正な過熱度（α）に制御するこ
とができるのであり、又、感温筒（31）に、例えばガス
封入式等のように最大作動圧力に制限があるタイプのも
のを用いる場合にも、冷却器（４）の出口側に対し低圧
低温とされる減圧機構（７）の出口側で制御するから、
制御不能に陥る事態を回避でき、このように最大作動圧
力に制限のある膨張弁もそのまま使用可能となるのであ
る。

（発明の効果） 以上本発明では、蒸発器となる冷却器（４）の出口側と
圧縮機（１）の吸入側との間に、減圧機構（７）を介装
したから、低圧縮比の特殊な圧縮機を用いることなく、
前記冷却器（４）での冷却温度を外気温度近くに高める
ことができ、工作機械における各部の温度差を少なくで
きて熱膨張の差による加工精度への悪影響を低減できる
と共に、工作機械の壁面等で結露が発生するのを未然に
防止できるのである。

又、第２に上記構成で、減圧機構（７）として、一次ポ
ート（71）を二次ポート（72）に開く連通穴（73）と、
この連通穴（73）に端部を臨ませる規制体（74）とを備
え、前記一次、ポート（71）と二次ポート（72）との間
を、前記連通穴（73）と規制体（74）との間に形成され
る環状開口部（75）を介して連通させたから、減圧機構
（７）の冷却通過時に生じる流動音を抑制でき、騒音を
防止できるのである。

更に、第３に、上記第２の構成で、前記規制体（74）と
連通穴（73）との間の相対位置を変化させて環状開口部
（75）の開度を変更可能にすると共に、前記環状開口部
（75）の開度を設定開度に対して一時的に大きくし、該
環状開口部（75）に溜るゴミを除去するゴミ除去制御手
段（８）を設けたから、ゴミ溜りによる減圧値の変動を
防止でき、安定した良好な運転が行えるのである。

又、第４に、上記各構成において、膨張機構（３）に感
温膨張弁を用い、その感温筒（31）及び均圧管（32）を
減圧機構（７）の出口側と圧縮機（１）の吸入側との間
に設置したから、低圧低温のガス状態に基づいて適正な
過熱度制御が行え、最大作動圧力に制限がある膨張弁の
使用も可能となるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明冷却装置の配管系統図、第２図は同冷却
器の横断面図、第３図は減圧機構の一例を示す断面図、
第４図は減圧機構の第１改良例を示す断面図、第５図は
同減圧機構の第２改良例を示す断面図、第６図は全体の
作用を説明するモリエル線図、第７図は従来例の断面図
である。 （１）……圧縮機 （２）……凝縮器 （３）……膨張機構 （４）……冷却器 （５）……冷凍装置 （７）……減圧機構 （８）……ゴミ除去制御手段 （31）……感温筒 （32）……均圧管 （71）……一次ポート （72）……二次ポート （73）……連通穴 （74）……規制体 （75）……環状開口部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】工作機械の発熱部に冷却器（４）を付設
   し、該冷却器（４）を、圧縮機（１）、凝縮器（２）及
   び膨張機構（３）を備える冷凍装置（５）における前記
   膨張機構（３）の出口側と圧縮機（１）の吸入側との間
   に接続して、該冷却器（４）を蒸発器とした工作機械の
   冷却装置において、前記冷却器（４）の出口側と前記圧
   縮機（１）の吸入側との間に、減圧機構（７）を介装し
   たことを特徴とする工作機械の冷却装置。
2. 【請求項２】減圧機構（７）が、一次ポート（71）を二
   次ポート（72）に開く連通穴（73）と、この連通穴（7
   3）に端部を臨ませる規制体（74）とを備え、前記一次
   ポート（71）と二次ポート（72）との間を、前記連通穴
   （73）と規制体（74）との間に形成される環状開口部
   （75）を介して連通させている請求項１記載の工作機械
   の冷却装置。
3. 【請求項３】規制体（74）と連通穴（73）との間の相対
   位置を変化させて環状開口部（75）の開度を変更可能に
   すると共に、前記環状開口部（75）の開度を設定開度に
   対して一時的に大きくし、該環状開口部（75）に溜るゴ
   ミを除去するゴミ除去制御手段（８）を設けた請求項２
   記載の工作機械の冷却装置。
4. 【請求項４】膨張機構（３）に感温膨張弁を用い、その
   感温筒（31）及び均圧管（32）を、前記減圧機構（７）
   の出口側と前記圧縮機（１）の吸入側との間に設置した
   請求項１又は請求項２若しくは請求項３記載の工作機械
   の冷却装置。