JPH025545B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、高速回転する回転軸の熱放散が良好
に行ない得るように企図した回転軸の冷却構造に
関し、特に工作機械のスピンドルに組み込んで好
適なものである。

工作機械のスピンドルの転がり軸受の温度上昇
は、これに伴う熱変形により被加工物の加工精度
を劣化させたり、場合によつては転がり軸受自体
の焼付きの原因となることもある。このため、軸
受の温度上昇を低くする方法として極微量のグリ
ースを軸受に封入し、軸受の転がり接触部でグリ
ースが受ける大きな変形速度に起因した軸受の発
熱量を小さくする方法が採用されている。

しかしながら、近年の工作機械におけるスピン
ドルの高速化に伴い、加工精度の確保のために軸
受の発熱を一層小さくする必要にせまられてお
り、軸受の外輪を支持するハウジング内を油や水
或いは空気等の流体で冷却する方法が多用されつ
つある。このような従来の工作機械のスピンドル
の冷却構造を表す第１図に示すように、スピンド
ル１は多数の軸受２を介してハウジング３に対し
て駆動回転自在に支持されており、これら軸受２
の周囲に位置するハウジング３内には、冷却油が
供給される給油口４と軸受２との間で熱交換して
高温となつた冷却油を排出する排油口５とを具え
た油溝６が形成されている。一般に、軸受２の外
輪はハウジング３に接触しているため、その内輪
よりも熱の放散性が良くて温度も低いのが普通で
ある。しかし、上述した冷却構造では更に外輪の
温度が内輪よりも下がる傾向にあるため、軸受の
内輪の膨張に反して外輪が収縮する結果、軸受の
転動体の予圧が過大となつて焼付ことがあつた。

スピンドルには工具交換装置の一部が装備され
ていることが多いため、スピンドル内部にヒート
パイプや冷却流体を通すことが困難である。そこ
で、軸受の内輪側の熱放散を良くするためにはス
ピンドルの外周部を冷却することも考えられる
が、軸受からの発熱はこの軸受の内輪を介して回
転軸の外周面から奪う必要があり、冷却液と軸受
との間の熱抵抗が大きいことから冷却効率を高め
るためには冷却の温度を充分下げ、熱の流路の温
度勾配を大きくしておかなければならない。しか
るに、冷却熱の温度を下げるとこの冷却液を回転
軸まで運んだり回収したりする流路が形成された
ハウジング内までも冷却してしまう結果、ハウジ
ングの熱変形を惹起して回転軸の回転精度を低下
させてしまうと共に軸方向変位を誘発し、例えば
工作機械主軸等ではワークの加工精度不良となつ
て表われる。

一般に、工作機械主軸等では加工精度の向上を
目的として回転軸及びハウジングの熱変位を抑圧
するようにしており、回転軸の回転数に応じて冷
却液による冷却能力を変える必要がある。ところ
が、冷却液の温度制御により回転軸の冷却能力を
制御しようとしても応答性に問題があり、例えば
急激に高速回転をさせるクイツクスタートの際に
は、軸受内外輪の温度差の拡大を制御する効果が
不足し、軸受の焼付きを招来する場合があつた。

本発明は、二種の金属を組み合わせた回路に電
流を流すと両者の接合部で熱の吸収或いは発生が
起こるというペルチエ効果に着目し、上述した従
来の高速回転スピンドルの冷却装置における種々
の不具合に鑑みて効率の非常によい熱放散性に優
れた冷却構造を提供することを目的とする。

この目的を達成する本発明の回転軸の冷却構造
にかかる構成は、軸受を介してハウジングに駆動
回転自在に支持された回転軸において、熱電素子
を有し且つ外周側が発熱部で内周側が吸熱部とな
つた筒状の冷却装置を、これが前記回転軸に対し
隙間を隔てて取り囲むように前記軸受の近傍の前
記ハウジング内周壁に固定し、前記軸受の発熱を
前記回転軸を介して吸熱するこの冷却装置の外周
側の前記発熱部に臨む冷却手段を当該冷却装置と
前記ハウジングとの間に設けたことを特徴とする
ものである。

以下、本発明による回転軸の冷却構造を高速回
転し得る工作機械のスピンドルに組み込んだ一実
施例について、第２図〜第５図を参照しながら詳
細に説明する。本実施例の全体の構造を表す第２
図に示すように、先端部に図示しない工具が嵌合
されるテーパ穴１１を形成したスピンドル１２内
には、スピンドル１２に対して工具の固定及び固
定解除を行うドローバ１３がスピンドル１２の中
心軸に沿つて移動自在に取り付けられている。前
記スピンドル１２は前後一対の軸受１４，１５を
介してハウジング１６に駆動回転自在に支持され
ており、これら軸受１４，１５はそれぞれ軸受押
え１７，１８及びナツト１９，２０等によりスピ
ンドル１２とハウジング１６との間に固定されて
いる。

一方、これら軸受１４，１５の間のハウジング
１６の内周壁にはスピンドル１２の外周面に対し
微小な隙間を隔ててこのスピンドル１２を取り囲
む筒状の冷却装置２１が設けられており、この冷
却装置２１を拡大した第３図及びその―矢視
断面を表す第４図に示すように、本実施例では一
端部が切り欠かれた環状をなすＮ型のテルル化ビ
スマス２２と同形状のＰ型のテルル化ビスマス２
３とが交互に樹脂板２４を介して配置され、この
樹脂板２４により一つおきに仕切られる筒状の内
部銅板２５と外部銅板２６とがＮ型のテルル化ビ
スマス２２の内周面とＰ型のテルル化ビスマス２
３の外周面とに当接している。これらは樹脂板２
４と同様な熱伝導率や導電率が小さなエポキシ樹
脂や四フツ化エチレン樹脂等の樹脂フランジ２７
で一体化されており、これらの内周面や外周面は
比較的熱伝導率の良いセラミツク等の絶縁層２８
でコーテイングされている。第４図中の―矢
視断面を表す第５図に示すように、内部銅板２５
の両端部にはハウジング１６の外部から導かれた
リード線２９が電気的に接続し、内部銅板２５が
吸熱側となり且つ外部銅板２６が発熱側となるよ
うに第５図中、右端の内部銅板２５が正電位に接
続し且つ左端の内部銅板２５が負電位に接続して
いる。本実施例では熱電素子としてＮ型のテルル
化ビスマス２２とＰ型のテルル化ビスマス２３と
を使用しているが、ペルチエ効果のあるものであ
れば他のPN接合素子等を任意に使うことが可能
である。

この冷却装置２１の外周とハウジング１６との
間には、冷却油が送給される冷却油供給路３０と
この冷却油を排出する冷却油排出路３１とに連通
する油溝３２が形成されており、この油溝３２を
流れる冷却油が高温となる外部銅板２６を冷却す
るようになつている。本実施例では冷却装置２１
の冷却手段としてその周囲に冷却油を流すように
したが、他の周知の冷却手段を用いてもよいこと
は当然である。

従つて、内部銅板２５及び外部銅板２６を介し
てＮ型のテルル化ビスマス２２及びＰ型のテルル
化ビスマス２３に通電すると、ペルチエ効果によ
り内部銅板２５に吸熱作用が発生し、高速回転す
るスピンドル１２からの熱を吸収するため、スピ
ンドル１２及び軸受１４，１５が高温化する虞は
ない。一方、これと並行して外部銅板２６が発熱
するが、油溝３２を流れる冷却油が外部銅板２６
との間で熱交換を行い、外部銅板２６が冷却され
て高温となつた冷却油が冷却油排出路３１からハ
ウジング１６外に導き出される。このつまり、軸
受１４，１５の内外輪と回転体との摩擦熱のう
ち、軸受１４，１５の内輪を介してスピンドル１
２に伝わる熱は、スピンドル１２と内部銅板２５
との間の微小な空気層を介して吸熱作用を有する
内部銅板２５に吸収され、そして外部銅板２６が
発熱することとなるが、外部銅板２６は油溝３２
を流れる冷却油により冷却され、熱がこもること
がない。一方、軸受１４，１５の外輪を介してハ
ウジング１６に伝わる熱は、大気接触するハウジ
ング自体の自然放熱と油溝３２内を流れる冷却油
により冷却される結果、軸受１４，１５の内外輪
の温度差が少なくなる上に外部銅板２６自体の冷
却により内部銅板２５の吸熱効率が高まるため、
スピンドル１２及び軸受１４，１５の冷却が一層
促進される。

このように本発明の回転軸の冷却構造による
と、高速回転するスピンドルの周囲を熱電素子を
有する冷却装置で取り囲み、ペルチエ効果を利用
してスピンドルの熱を冷却手段で吸熱するように
したので、軸受内輪側からの熱放散性が良くて熱
的応答性に優れているので、クイツクスタート又
はコールドスタート等の回転軸の急激な立ち上が
りによる高速回転の場合でも、軸受内外輪の温度
差の拡大が抑制されて軸受の焼付きを防止でき
る。又、熱電素子の発熱部を冷却する冷却液の温
度を室温と等しくしておいた場合でも、熱電素子
の吸熱部の温度を充分低くできるので、軸受発熱
部との間の温度勾配を大きく取ることが可能であ
り、充分な冷却能力が確保される。更に、回転軸
そのものを直接冷却するようにしているため、例
えばハウジング等には殆ど熱的悪影響を与えるこ
とがなく、回転軸の回転数に応じた発熱量に基づ
いて冷却装置の冷却能力を制御することにより、
回転軸の先端部の熱変位を極めて小さく（例えば
15マイクロメートル以下）に制御することができ
る。このことは、例えば本発明を工作機械の主軸
に適応した場合には、加工対象物の加工精度の安
定化、高精度化を図る上で極めて有利となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のスピンドルの冷却構造の概略を
表す断面図、第２図は本発明を工作機械のスピン
ドルに応用した一実施例の概略構造を表す断面
図、第３図はその冷却装置の一部の詳細構造を拡
大した断面図、第４図はその―矢視断面図、
第５図はその―矢視断面図であり、図中の符
号で、 １２はスピンドル、１４，１５は軸受、１６は
ハウジング、２１は冷却装置、２２はＮ型のテル
ル化ビスマス、２３はＰ型のテルル化ビスマス、
２４は樹脂板、２５は内部銅板、２６は外部銅
板、２９はリード線、３０は冷却油供給部、３１
は冷却油排出路、３２は油溝である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 軸受を介してハウジングに駆動回転自在に支
   持された回転軸において、熱電素子を有し且つ外
   周側が発熱部で内周側が吸熱部となつた筒状の冷
   却装置を、これが前記回転軸に対し隙間を隔てて
   取り囲むように前記軸受の近傍の前記ハウジング
   内周壁に固定し、前記軸受の発熱を前記回転軸を
   介して吸熱するこの冷却装置の外周側の前記発熱
   部に臨む冷却手段を当該冷却装置と前記ハウジン
   グとの間に設けたことを特徴とする回転軸の冷却
   構造。