JPS63140121A - 流体軸受用冷却装置 - 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〕 本発明は、精密工作機械主軸、高周波スピンドルモータ
等の回転機構部に適用される流体軸受用冷却装置に関す
る。

〔従来の技術〕

精密工作機械の主軸、高周波スピンドルモータ等におい
ては、高精度の回転精度や高速回転を必要とするため、
回転軸と軸受体との間の軸受隙間に圧縮空気や油等を供
給する流体軸受が用いられている。しかし、これらの流
体軸受においては、軸受の隙間部での回転摩擦に起因す
る発熱があるため、軸受体や回転軸の温度が上昇する。

特に、大径軸受、高速回転軸受等の場合、軸受隙間に注
入された油等のように流体の粘度が大きくなる程発生熱
は増大し、軸受体１回転軸、　１ＩＩｔ体等の温度は著
しく上昇する。

このｌＡ度上昇に伴って軸受体や回転軸が熱膨張し、軸
受隙間が変化したり、流体粘度が低くなって軸受剛性が
低下する。これがひどくなった場合は、軸受に焼付けが
生じる。更には、熱膨張による熱変形のために、工作機
械等の加工精度が劣化する原因となる。

そこで、流体軸受の軸受体を冷却するために、軸受体内
部や外周部に冷却流路や冷却ジャケットを設けたり、軸
受体外周部の軸受フレームに冷却ジャケットを構成する
ことにより、空気、水、油等の冷媒を供給して軸受体を
冷却する方式が採用されていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

流体軸受、例えば静圧空気軸受では、軸受剛性が最大と
なる軸受隙間は一般的に５〜１５戸程度と非常に小さく
、更に、軸受隙間の変化に対し、軸受剛性の変動が大き
く、わずが数戸の変化で大幅に剛性は低下する。すなわ
ち、軸受体や回転軸の熱膨張によって軸受隙間が変動し
て軸受剛性の低下や軸受の焼付けが生じたりする。

また、工作機械の主軸やこれらに使用される高周波スピ
ンドルモータ等では、加工条件によって回転数を変える
必要があり、このため、軸受隙間の発生熱量も異なり軸
受体や回転軸、流体の温度も変化する。したがって、熱
膨張や熱変形の変動に起因して加工精度が低下する。

これらを防止するには、軸受体や回転軸、流体の温度を
低くし、常に定温度に温度制御する必要がある。

ところが、前述した従来の軸受冷却法で、これらの温度
制御を行なうには、冷媒の流量や供給温度を短時間で高
精度にコントロールしなければならず、技術的に不可能
である。更には、軸受体の温度を冷媒の温度以下に低減
することも不可能であり、軸受体や回転軸を効果的に冷
却できない等の問題があった。

そこで、本発明は、軸受体や回転軸を低い温度に維持す
ると共に、その温度を自在に制御し、熱膨張で生しる軸
受は隙間の変動に起因した軸受剛性低下、焼付き、加工
精度の低下等の欠陥の発生を防止することができる冷却
装置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の冷却装置は、その目的を達成するために、隙間
を介して回転軸に対向配置した軸受体の外周面にペルチ
ェ素子の吸熱面を密着させ、前記ペルチェ素子の放熱面
には高熱伝導性の保持体を密着させて固定し、前記軸受
体と保持体との間に断熱スペーサを介在させ、且つ冷却
手段を備えた軸受フレームを前記軸受体の外周面の一部
及び前記保持体の外周面に嵌合固着したことを特徴とす
る。

〔作用〕

本発明におけるペルチェ素子としては、熱電素子が使用
される。この熱電素子に通電することによってペルチェ
効果が生じる。そこで、軸受体と密着した側が吸熱面（
低温側）となり、保持体と密着した側が放熱面（高温側
）となるように、熱電素子へ直流入力電圧を与えて軸受
体を短時間で冷却し、軸受隙間で発生した熱を吸収する
。したがって、回転軸の温度も低下する。

熱電素子が吸熱した熱は、通電により生じたジュール熱
と共に、熱電素子の放熱面に密着した保持体を介して、
軸受フレームに設けた冷却ジャケットを流れる空気、水
、油等の冷媒に伝播され、機外に排出される。また、軸
受体１回転軸、軸受隙間を流れる流体の温度は、軸受フ
レームの冷媒流量や供給温度を変えることなく、熱雷素
子の電流の大きさや電流の流れる方向を変えて吸熱骨や
発生ジュール熱をコントロールすることにより、容易に
制御することができる。

したがって、軸受隙間の発生熱に対応して軸受体１回転
軸、軸受隙間の流体温度を一定に或いは自在な値に制御
でき、軸受剛性の低下や焼付は防止が可能となる。また
、工作機械の場合においては、加工精度の低下が防止で
きる。

〔実施例〕

以下、図面を参照しながら、実施例により本発明の特徴
を具体的に説明する。

第１図は、本発明の冷却装置を高周波スピンドルモータ
の静圧空気軸受部に適用した例における静圧空気軸受部
のみの断面図を示す。また、第２図は第１図／’、−Ａ
断面図、第３図は熱電素子単体の形状図を示す。

軸受体１は、その両端付近に設けた空気軸受の給気孔１
ａ、　ｌｂから供給される圧縮空気２により、１０〜１
５戸の軸受隙間３を介して、回転軸４を回転自在に支持
している。

給気孔１ａ、　ｌｂに対する圧縮空気２の供給は、軸受
体ｌの外周面に嵌合固着した軸受フレーム５内にその軸
方向に沿って設けた空気流路６から、軸受フレーム５の
内周面に嵌合している軸受体ｌの外周面に設けたリング
溝状の空気ジャケソＢａ。

７ｂを介して行われる。なお、給気孔１ａ、　ｌｂは、
軸受体１の周方向に沿ってそれぞれ複数個設けられてい
る。

また、給気孔１ａ、　ｌｂ及び空気ジャケソＨａ、　７
ｂを設けた部分及び後述する断熱スペーサ８ａ、　８ｂ
を装着する部分における軸受体１の外周面は、円筒状に
成形されている。他方、断熱スペーサ８ａ、’　８ｂ間
の軸方向に沿った軸受体ｌの外周面は、第２図で示すよ
うに複数の角断面形状にしている。

そして、断熱スペーサ８ａ、　８ｂ間にあたる軸受体１
の角断面形状外周面には、第３図に示す平形形状の熱電
素子９の片面に熱伝導性のよいサーマルグリースを塗布
し、その塗布面を各外周面に密着させている。図示の例
では、軸受体ｌの外周面が四角形状であるので、それぞ
れの面に合計４個の熱電素子９を配設している。

それぞれの熱電素子９が軸受体１と密着している面と反
対側の面には、熱伝導性の良好なサーマルグリースを塗
布して、アルミニウムや銅等の高熱伝１ｔオで作られた
保持体ｌＯをそれぞれ密着して取り付けている。そして
、熱電素子９を、これら保持体ｌＯと軸受体１との間に
挟み、ネジｌｌａ、　ｆｉｂにより固定している。

また、保持体１０の軸方向両端面と軸受体１との間は、
樹脂、アスベスト、セメント材等の断熱スペーサ８ａ、
　８ｂを装着することにより、保持体１０と軸受体ｌと
の間に断熱効果をもたせている。

なお、保持体１０のそれぞれの外周面は、軸受フレーム
５の内周面と密着嵌合するように円弧状の断面に成形さ
れている。

このように構成した軸受部は、軸受体ｌ及び保持体１０
の外周面、それに軸受体ｌの一端面側に設けたフランジ
形状部で軸受フレーム５に嵌合固着されている。

一方、軸受フレーム５には、熱電素子９によって吸熱し
た熱や、熱電素子９で発熱するジュール熱を持ち去るた
めの冷却ジャケノ目２が設けられている。そして、この
冷却ジャケノ目２には、供給孔１３がら空気、水、油等
の冷媒１４を供給し、受熱後に排出孔１５から機外に持
ち去る。

なお、軸受体１に密着配置した複数個の熱電素子９は、
それぞれを電気的に直列結線している。

そして、入力電圧供給のための端線部は、軸受体１に設
けたリード引出し孔１６を介して、リード線１７によっ
て軸方向に取り出すようにしている。また、リード引出
し孔１６は、リード取り出し後にエポキシ樹脂等で防い
でいる。

以上述べたような構成において、ペルチェ効果によって
軸受体ｌに密着する側の熱電素子９の表面が吸熱面（低
温側）となり、保持体１０に密着する側の熱電素子９の
表面が放熱面（高温側）となるように、熱電素子９に直
流電圧を印加する。

したがって、回転軸４によって生しる軸受隙間３の発生
熱は、熱電素子９によって低温に冷却された軸受体１に
よって大半が吸熱され、軸受体ｌ及び１０〜１５ＪＪＩ
の軸受隙間３を介して回転軸４を効果的に冷却すると共
に、軸受隙間３を流れる圧縮空気２をも冷却する。他方
、熱電素子９によって吸熱された熱は、熱電素子９への
通電により発生するジュール熱と一緒になって保持体ｌ
ｏ内を伝播し、軸受フレーム５に設けた冷却ジャケット
１２を流れる冷媒１４に伝達され、機外に排出される。

このとき、軸受隙間３から最終放熱部の冷却ジャケット
１２の冷媒１４に至る伝熱経路における各部材のそれぞ
れの接触面は、熱的に密着しているので熱抵抗は小さい
うえに、熱電素子９による吸熱効果で軸受体ｌ及び回転
軸４．軸受隙間３を流れる圧縮空気２の冷却性能を大幅
に向上させることができ、低温に維持される。

また、保持体１０と軸受体ｌとの間に断熱スペーサ８ａ
、　８ｂを設けているので、保持体１ｏがらの伝熱が防
止され、冷却効率が優れたものとなる。

回転数の変化に伴って、発生する熱量が変動する。この
発生熱の変動に対しては、熱雷素子９の電流の大きさを
変えることにより、容易に冷却性能を制御できるため、
軸受体ｌや回転軸４等の温度制御が確実に行われる。勿
論、これらの温度を軸受フレーム５を流れる冷媒１４の
温度よりも低くすることも可能である。

一方、軸受体ｌの温度を上昇させたい場合、熱電素子９
に流す電流の向きを前記の実施例と逆にすることにより
、簡単に軸受体ｌを昇温することができる。このように
軸受体１を加熱することにより、軸受隙間３を調整する
ことも可能である。

なお、軸受体ｌの中央外周部と軸受フレーム５の内周間
の保持体１０及び熱電素子９周辺の空間部分にエポキシ
樹脂等の充填材１８を充填して固めることにより、保持
体１０から軸受体ｌに内部空気を通して熱が逆流するこ
とを防止することができる。

これにより、周囲空気の温度、すなわち室温より軸受等
が低温になった場合に、結露による水分が熱電素子９内
に流入することを防止することができ、さらに熱の逆流
防止効果により冷却効率も向上する。また、流体軸受全
体の剛性が向上する。

以上の実施例においては、高周波スピンドルモータの静
圧空気軸受の軸受体に通用した例について説明した。し
かし、本発明はこれに拘束されることなく、たとえば動
圧空気軸受、静圧油軸受等の他の形式の流体軸受に対し
ても適用することが可能である。また、精密工作機械の
軸受部として構成される流体軸受にも、適用される。

更に、実施例では熱電素子を軸受体の周方向に沿って複
数個装着しているが、軸受体が小径の場合や発生熱が小
さい場合等においては、一つの熱電素子を使用しても、
充分な冷却性能及び温度制？ｆｆＵ効果が得られる。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明においては、回転軸を回
転自在に支承する流体軸受の軸受体外周面に熱電素子の
吸熱面を密着させると共に、放熱面側には高熱伝導材の
保持体を密着固定し、保持体と軸受体との間に断熱スペ
ーサを介在させ、更に冷媒を供給、排出できる冷却ジャ
ケットを設けた軸受フレームを軸受体及び保持体の外周
面と嵌合して構成している。これにより、軸受フレーム
の冷却シャケ７）に対する冷媒流量や供給温度をそのま
まにして、熱電素子への供給電流の大きさや流れる向き
を変えることにより、冷却性能を制御できる。そのため
、軸受体や回転軸の温度制御が可能となり、軸受体や回
転軸等の熱膨張、それに熱変形で生じる軸受隙間の変動
による軸受剛性の低下や焼付けが防止できると共に、工
作機械等の流体軸受適用機における加工精度の劣化が防
止できるようになった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の冷却装置を高周波スピンドルモータに
適用した実施例における静圧空気軸受部のみを示す断面
図であり、第２図は第１図Ａ−Ａ断面図、第３図は熱電
素子単体の形状図を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、隙間を介して回転軸に対向配置した軸受体の外周面
   にペルチェ素子の吸熱面を密着させ、前記ペルチェ素子
   の放熱面には高熱伝導性の保持体を密着させて固定し、
   前記軸受体と保持体との間に断熱スペーサを介在させ、
   且つ冷却手段を備えた軸受フレームを前記軸受体の外周
   面の一部及び前記保持体の外周面に嵌合固着したことを
   特徴とする流体軸受用冷却装置。