(57)【要約】  本発明は、冷却剤を吹き付けるためのスプレーユニットを含む冷却システムに関する。本発明はさらに、この種の冷却システムを含む機械加工装置に関する。前記スプレーユニットは、一方の側でチャンバに結合され、他方の側で1つ以上のチャネルに結合されたフローガイドを含み、前記チャンバ、前記フローガイド及び前記複数のチャネルは、前記複数のチャネルから、前記チャンバに供給される加圧された冷却剤を吹き付けるための閉鎖システムを形成し、ここで前記フローガイド、前記複数の細長いチャネル及び前記チャンバは、一体部品として製造される。【選択図】  図３Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被冷却ワークピースに冷却剤を吹き付けるための冷却システムであって、当該冷却システムは、
−前記冷却剤のためのリザーバ（２０）と、
−スプレーユニット（１）と、
前記リザーバから前記スプレーユニットに冷却液を圧送するためのポンプ（３０）と、
を含み、前記スプレーユニットは、
−前記リザーバから来る前記冷却剤のためのパイプに前記スプレーユニットを結合するための入口、並びに出口を有するチャンバ（２）と、
−入口及び出口を有する少なくとも１つの細長いチャネル（４）と、
−その一端が出口で前記チャンバに取り付けられ、且つ、その他端が入口で前記チャネルに取り付けられたフローガイド（３）であって、前記フローガイドは、前記チャネルと前記フローガイドとの間の結合から前記チャネルの長手方向に垂直な方向にゼロでない長さにわたって前記チャンバに向かって広がるキャビティ（７）を含み、
前記フローガイド（３）の内部には、前記チャネルの長手方向に延びる螺旋形状のリブ又は溝（９；６０）が設けられていることを特徴とする、冷却システム。
【請求項２】
前記フローガイド（３）の前記内部が、チューバ又はロープトルネードの形状を有することを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
【請求項３】
前記溝（６０）の前記螺旋形状は、平面上に投影された螺旋形状で、９０度の角度を通って延びる前記螺旋の一部の長さは、後続の９０度の角度を通って延びる前記螺旋の、後続のより狭くなった部分の長さの約１．６倍であるような形状である、請求項１又は２に記載の冷却システム。
【請求項４】
前記チャネル（４）は、前記出口から前方へ前記長さの一部にわたって直線状に延び、この部分にわたって一定断面積を有することを特徴とする請求項１、２又は３に記載の冷却システム。
【請求項５】
前記チャンバ（２）、前記フローガイド（３）及び前記チャネル（４）は、一体部品として製造され、前記チャネルから前記チャンバに供給された加圧された冷却剤を吹き付けるためのユニットを形成することを特徴とする、請求項１、２、３又は４に記載の冷却システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の冷却システムであって、前記スプレーユニット（１）は、好ましくは、互いに平行に配置され、且つ、互いに離間した多数の細長いチャネル（４）を含み、前記チャネルはその一部を形成する、冷却システム。
【請求項７】
前記キャビティの前記拡幅は、少なくとも隣接チャネル（４）のキャビティ（７）が互いに接触している点まで好ましくは継続することを特徴とする、請求項６に記載の冷却システム。
【請求項８】
前記キャビティ（７）は、前記チャネル（４）と前記フローガイド（３）との間の結合から始まり、隣接するチャネルのキャビティが互いに接触している点で終了する、長手方向に見た実質的に一定の断面形状を示し、ここで、前記断面形状のサイズは、前記結合から前記チャンバに前方へ順方向に増加する、請求項７に記載のスプレーユニット。
【請求項９】
隣接するチャネル（４）のキャビティ（７）が互いに接触している点が、隣接するチャネルの各対に対して同一であることを特徴とする、請求項８に記載の冷却システム。
【請求項１０】
前記フローガイド（３）は、前記チャネル（４）に向かう方向に先細りの本体（３’）を含み、前記キャビティ（７）は、前記本体内に形成され、前記キャビティの前記拡幅が、隣接チャネルのキャビティが互いに接触している点を超えて続いており、前記点を超えて、前記キャビティの断面形状が一定ではないが、前記本体によって決定される、請求項８又は９に記載の冷却システム。
【請求項１１】
ワークピースホルダ、ツールホルダ及び冷却システムを含む、機械加工装置、より具体的には研削装置であって、前記冷却システムは、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の冷却システム（１）であり、前記チャネル（４）の出口は、ワークピース（５０）とツール（４０）との間の接触ゾーンに向けられている、機械加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、被冷却ワークピースに冷却剤を吹き付ける冷却装置に関する。当該冷却システムは、
−前記冷却剤のためのリザーバと、
−スプレーユニットと、
−冷却剤を前記リザーバから前記スプレーユニットに圧送するためのポンプと、
を含み、前記スプレーユニットは、
−前記リザーバから来る前記冷却剤のための配管に前記スプレーユニットを結合するための入口、並びに出口を有するチャンバと、
−入口及び出口を有する少なくとも１つの細長いチャネルと、
−その一端が出口で前記チャンバに取り付けられ、且つ、その他端が入口で前記チャネルに取り付けられたフローガイドであって、前記フローガイドは、前記チャネルと前記フローガイドとの間の結合から前記チャネルの長手方向に垂直な方向にゼロでない長さにわたって前記チャンバに向かって広がるキャビティを含む。
【０００２】
本発明はさらに、このタイプのスプレーユニットを備えた冷却システムに関する。より詳細には、本発明は、研削ディスクと、前記研削ディスクによって研削されるワークピースとの間の接触ゾーンに冷却液を吹き付けることに関する。
【背景技術】
【０００３】
技術水準
技術水準から知られている冷却システムは、スプレーユニットを含み、冷却剤を研削ディスクとワークピースとの間の接触ゾーンに適用するために使用される。前記接触ゾーンはさらに、研削作業中に前記研削ディスク及び前記ワークピースが接触している領域である。研削ディスクは、一般に、高速で回転するのに使用される。毎秒２０〜１００メートル程度の研削ディスク周辺速度は珍しいことではない。
【０００４】
前記研削操作の結果として、前記ワークピース及び前記研削ディスクは、前記接触ゾーン内及び接触ゾーンの近くで加熱される。その結果、冷却が必要となる。
【０００５】
ＧＢ３３００９５Ａから、請求項１のプリアンブルで定義されたスプレーユニットが知られている。前記スプレーユニットは、互いに離間した複数の平行な細長いチャネルと、前記スプレーユニットを冷却剤のためのパイプに結合するための開口部を一方の側に有するチャンバとを含む。
【０００６】
多数の態様が、上記接触ゾーンの前記冷却のために重要である。第１の態様は、前記冷却剤の流れによって提供される冷却能力である。第２の態様は、前記スプレーユニットと前記接触ゾーンとの間の距離に関する。
【０００７】
接触ゾーンを効率的に冷却するためには、行われる冷却剤のアトマイゼーション(atomization)が重要である。アトマイゼーションは、ミスト中の多くの液滴が、冷却剤のコンパクトな層流よりも、熱吸収のための大きな冷却能力を有するため、より大きな冷却能力を提供する。アトマイゼーションは、通常、チャネルの出口から計算される特定の距離で行われる。
【０００８】
さらに、冷却剤の速度は、効率的な冷却効果のために十分に高くなければならない。速度が低すぎる場合、冷却剤は、高速で回転する研削ディスクによって引き起こされる空気流及び／又は過大圧力の結果として、接触ゾーンを貫通することに成功しない。冷却剤の速度は、冷却剤をスプレーユニットに圧送するために使用されるポンプのポンプ出力を増加させることによって増加させることができる。
【０００９】
スプレーユニットと接触ゾーンとの間の距離はできるだけ小さいことが好ましい。しかしながら、機械とワークピースの運動の結果としてこれは必ずしも実際には可能ではないので、この距離を大きくする必要がある。しかしながら、スプレーユニットをより大きな距離において設置しても、スプレーユニットの冷却能力が低下してはならない。
【００１０】
既知のスプレーユニットが利用されるとき、スプレーユニットと接触ゾーンとの間の最大距離は、通常のポンプ動力が適用される場合には常に十分に大きく選択することはできないことが判明した。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
発明の概要
したがって、本発明の目的は、比較的低いポンプ動力が印加されている間に接触ゾーンから比較的離れた距離でスプレーユニットを効率的に利用することができる冷却システムを提供することである。さらなる目的は、スプレーユニットが既知のスプレーユニットの設置と同一の方法で設置された場合に、より低いポンプ動力を選択できるという点で、コスト節約を実現することができる冷却システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この目的は、請求項１に記載のスプレーユニットによって達成される。当該スプレーユニットは、前記フローガイドの内側に、前記チャネルの長手方向に延びる螺旋形状のリブ又は溝が設けられていることを特徴とする。
【００１３】
有利な実施形態では、前記螺旋形状は、前記フローガイドの前記内部が、チューバ又はロープトルネード(rope  tornado)の形状を有するように提供される。同様に形成されたフローガイドを流れる液体は渦(vortex)を形成する。渦巻き(eddy)内の冷却剤の内層は、外層よりもはるかに高い流速を有する。渦(vortex)において、速度×半径は一定である。理論的には、これは、渦の中心における速度が無限であることを意味する。渦の結果として、水滴が引き伸ばされ、水分子が独立して、それにより、熱を吸収する能力が増大する。速度が増加するにつれて、表面張力及び形態(morphology)も増加する。それにより、滴(drops)はより大きい熱吸収能力を有する。低減された、又は存在しない表面張力の結果として、二次アトマイゼーションが起こる可能性があり、より大きな熱吸収能力をもたらすことができる。これらのより小さな水滴は、研削(grinding)ディスクを取り囲む空気流を介して、より少ない労力でそれ自身を強制することができる。
【００１４】
さらなる有利な実施形態では、前記螺旋形状は、平面上に投影された螺旋形状で、９０度の角度を通って延びる前記螺旋の一部の長さは、後続の９０度の角度を通って延びる前記螺旋の、後続のより狭くなった部分の長さの約１．６倍であるような形状である。
【００１５】
さらに、前記チャネルは、直線状であり、好ましくは、前記出口から前方へ(onward)前記長さの一部にわたって延び、この部分にわたって一定断面積を有する。
【００１６】
さらに、前記チャンバ、前記フローガイド及び前記チャネルは、好ましくは一体部品として製造され、前記チャネルから前記チャンバに供給された加圧された冷却剤を吹き付けるためのユニットを形成する。
【００１７】
前記スプレーユニットは、好ましくは、互いに平行に配置され、且つ、互いに離間した多数の細長いチャネルを含み、前記チャネルはその一部を形成する。
【００１８】
さらに、前記フローガイドは、各チャネルのためのキャビティを有し、前記キャビティは、前記チャネルの長手方向に垂直な方向にゼロでない長さにわたって、前記チャネルと前記フローガイドとの間の結合から前記チャンバに向かって広がり、且つ、ここで前記フローガイド、前記多数の細長いチャネル及び前記チャンバが一体部品として製造される。
【００１９】
前記フローガイド及び前記一体的に製造されたチャンバ、フローガイド及びチャネルは、一方では、前記スプレーユニットを出る前記冷却剤の速度が増加するが、同じポンプ動力が供給されている間に、既知のスプレーユニットが利用される場合よりも冷却剤の流れの中でアトマイゼーションが起こる点がより下流に位置することになることを規定する。その結果、前記スプレーユニットを前記接触ゾーンからより遠くに設置することが可能となる。
【００２０】
キャビティの前記拡幅(widening)は、好ましくは、少なくとも隣接チャネルのキャビティが互いに接触する点まで継続される。さらに、前記キャビティは、実質的に一定の断面形状を示し、好ましくは、前記チャネルと前記フローガイドとの間の結合から始まり、隣接するチャネルのキャビティが互いに接触している点で終了する長手方向に見られる。ここで、前記断面形状のサイズは、前記チャンバへの前記結合から前記チャンバに前方へ(onward)増加する。次に、前記フローガイドは、上述のキャビティを除いて、固体の形態で具体化される。断面形状は円形であってもよいが、他の形状が除外されない。しかしながら、前記断面形状は、好ましくは前記チャネルの断面形状に対応し、円形であることが好ましい。
【００２１】
隣接するチャネルのキャビティが互いに接触している点は、好ましくは、隣接するチャネルの各対に対して同一である。
【００２２】
前記フローガイドは、チャネルに向かう方向に先細になっている本体(body)を含んでもよい。その後、前記キャビティが前記本体内に形成され、前記キャビティの前記拡幅(widening)は、隣接するチャネルのキャビティが互いに接触する点を超えて続く。この点を越えて、前記キャビティの断面形状はもはや一定ではなく、前記本体によって決定される。これにより、一方では前記チャンバと他方では前記多数のチャネルとの間で非常に有利な移行が達成される。
【００２３】
前記フローガイド、前記多数の細長いチャネル及び前記チャンバは、３Ｄ印刷のような添加物製造によって一体部品として製造することもできる。射出成形及び放電加工（ＥＤＭ）のような他の製造技術は除外されない。
【００２４】
前記スプレーユニットは、プラスチック、ステンレス鋼、アルミニウムもしくはチタン、又はそれらの組み合わせを含む群からの材料で作ることができる。
【００２５】
アトマイゼーションが行われる点は、内側に前記チャネルの長手方向に延びる螺旋形状のリブ又は隆起部(ridge)が設けられたチャネルを利用することによって、さらにポジティブに影響され得る。このリブ又は隆起部は、冷却剤が均一な速度で移動し、前記リブ又は隆起部に追従することを提供する。完全にまっすぐなチャネルの動きとは対照的に、チャネルの端部の冷却剤は、チャネルの中央の冷却剤よりも移動しないか、又はいずれの流速でも、チャネルの中央の冷却剤よりもはるかにゆっくりと移動する。さらに、速度損失が少なく、螺旋形状のリブ又は隆起部は、チャネルを離れるときに長時間にわたり流れが層状であり、リブ又は隆起部が欠落して後の時点で乱されるチャネルと比較して、流れが続くことを提供する。
【００２６】
螺旋形状のリブ又は隆起部又は溝のピッチを増加又は減少させることによって、スプレーユニットは、機械加工が行われる位置からさらに離れて、又はそのすぐ近くに設置することができ、スプレーユニットと例えばワークピース又は研削装置自体の部品との間の接触がよりスリムになる可能性がある。
【００２７】
層流から乱流への移行、及びこれに関連するアトマイゼーションのポイントは、正しいピッチの選択によって個々の研削プロセスごとに調整することができる。乱流、より具体的にはミストは、液滴の形状が発達しているため、層流ジェットよりも大きな冷却能力を有する。しかし、乱流とミストの速度はより急速に低下する。この点で、層流と乱流との間、及び乱流とミストとの間の移行は、通常、徐々に起こることが観察される。
【００２８】
チャネルのピッチ及び直径を減少させることによって、例えば微細粒研削ディスクが利用されるとき、研削ディスクの接触ゾーンに非常によく浸透することができる非常に微細であるがコンパクトなミストが生成され得る。この点で、数０．１ｍｍのチャネル開口部を使用することができる。
【００２９】
技術水準を伴わない本発明の更なる態様は、層流から乱流への転移点、及び従って螺旋形状のリブ又は隆起部のピッチによる関連するアトマイゼーション点に影響を及ぼす上記の可能性である。
【００３０】
冷却剤は、例えば、好ましくは、油、水ベースの冷却剤及びエマルション、又はそれらの組み合わせからなる群から選択される液体冷却剤である。
【００３１】
さらに別の態様によれば、本発明は、機械加工装置、より具体的にはワークピースホルダ、ツールホルダ及び本発明による冷却システムを含む研削装置を提供し、この場合、チャネルの出口は、ワークピースとツールとの間の接触ゾーンに向けられている。
【００３２】
図面の簡単な説明
本発明は、添付図面を参照して以下にさらに詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１Ａ及び１Ｂは、本発明による冷却システムのスプレーユニットの一実施形態の概略図を示す。
【図２】図２は、図１に示すスプレーユニットの部分分解断面図を示している。
【図３】図３Ａ及び３Ｂは、図１に示すスプレーユニットのさらなる断面図を示す。
【図４】図４は、図１に示すスプレーユニットを利用することができる本発明による冷却システムの実施形態を示す。
【図５】図５は、冷却剤の流れの一般的な構造を示す図である。
【図６】図６は、冷却システムのさらなる実施形態のスプレーユニット内の螺旋形状の溝のコースを三次元図で示す。
【図７】図７は、平面に投影された図６に示す螺旋形状の溝のコースを示している。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図面の詳細な説明
図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、本発明によるスプレーユニット１は、チャンバ２、フローガイド３、及びこの場合は本質的に中空管によって形成された多数の隣接チャネル４を含む。チャネル４の端部には補強材５が設けられ、その結果チャネル４がより良好に固定される。
【００３５】
チャンバ２の内側には、ねじ山(a  thread)６が見え、それによって、スプレーユニット１を冷却剤パイプに接続することができる。しかし、本発明はねじ山の使用に限定されない。他の結合手段を利用することもできる。
【００３６】
図１Ａは、チャネル４の開口部８に変化するキャビティ７を示している。さらに、螺旋形状のリブ又は隆起部９の開始部が見える。これは図２により詳細に示されている。
【００３７】
図１Ａ、図２及び図３Ａ及び３Ｂの断面図から分かるように、キャビティ７は、隣接するキャビティが互いに接触している点、「Ａ」から「Ｂ」までによって図３Ａに示すフローガイド３とチャネル４との間の結合から前方へ(onward)広げられている。点「Ａ」と「Ｂ」の間のキャビティ７は一定の円形断面を有する。点Ｂを越えて断面が変化するのは、フローガイド３の本体３’によって形状が決定されるからである。本体３’は次にチャネル４の方向に先細になる。
【００３８】
この結果は、チャンバ２とチャネル４との間の非常に有利な移行であり、層流と乱流との間の移行点及びスプレーユニットを出る冷却剤の関連するアトマイゼーション点にポジティブな影響を及ぼす。
【００３９】
図１〜３に示すスプレーユニットは、単一の材料又は単一の材料の組み合わせから製造された一体部品である。結果として、様々な部分間の遷移は滑らかであり、したがって、上記転移点は、さらにポジティブな影響を受ける可能性がある。
【００４０】
スプレーユニット１の実施形態の例では、チャンバ２の内径は１２〜１６ｍｍであり、キャビティが延びる長さはチャネルの内径の２〜５倍であり、チャネルの内径は０．１〜２ｍｍである。使用されるチャネルの数は、一般に研削ディスクの幅によって決定される。溝の内径に応じて、研削ディスクの全幅をカバーすることができる冷却剤の流れを実現するために、より多くの又はより少ない溝を互いに隣接して配置することができる。
【００４１】
図４に示す冷却システムは、パイプ２５を介してポンプ３０に接続された冷却剤リザーバ２０を含む。パイプ３５を介して、ポンプ３０が冷却剤リザーバ２０からスプレーユニット１に液体冷却剤を運ぶ。
【００４２】
次いで、スプレーユニット１は、研削ディスク４０と被研削ワークピース５０との間に位置する接触ゾーンに冷却剤を噴射する。一例として、研削ディスク４０は、矢印４１で示す回転方向に回転する。
【００４３】
図４は、冷却剤のアトマイゼーションが起こる点「Ｃ」を図式的に示す。ミスト中の多くの液滴が、冷却剤のコンパクトな層流よりも熱を吸収するためのより大きな冷却能力を有するので、アトマイゼーションはより大きな冷却効果をもたらす。さらに、多くの液滴は接触ゾーンをより良好に貫通することができる。
【００４４】
図５は、冷却剤の流れの一般的な構造を示す。この流れは、層流が存在する第１の部分１０１と、乱流が存在する第２の部分１０２と、アトマイゼーションが生じる第３の部分１０３とを含む。図５において、点「Ｃ」は部分１０２，１０３の間の分離を示し、点「Ｄ」は部分１０１と１０２との間の分離を示す。この文脈では、実際には、図５によって示唆されるように定義可能な方法で遷移を定義することができないことが観察される。図５はさらに、流れの外側境界が下流方向に増加していることを示している。例えば、チャネルを離れるときの流れの外寸は、矢印１０４で示すように２ｍｍであるのに対し、この寸法は矢印１０５で示されるミストの端部で４ｍｍであり、それを規定することができる。流れの外側境界の増大は、チャネルの長手方向に対して垂直な両方向で行われる。
【００４５】
冷却剤流の形状は、これまでの習慣よりも低い冷却剤速度が必要であることを提供する。冷却剤速度は、例えば、この流れの形態の結果として冷却剤が接触ゾーンに到達するのに十分な速度である研削ディスクの周辺速度の５０％以下である。
【００４６】
図４から明らかなように、点Ｃがスプレーユニット１の出口に近い場合、スプレーユニット１は研削ディスク９０及びワークピース５０の近くに設置され、その結果、研削中にワークピースが回転するとき、スプレーユニット１がワークピース５０に接触することができる。これはまた、アトマイゼーション後の冷却剤の速度が非常に急速に低下するので、アトマイゼーション点がワークピース５０から離れすぎてはならないという事実にもよる。冷却剤速度が低すぎると、空気流及び／又は研削ディスク４０によって引き起こされる過剰圧力のために、冷却材は接触ゾーンに到達することができなくなる。
【００４７】
パイプ及び／又はキャビティにおけるチャネルには、φ比率（黄金比）を有する螺旋形状の溝が設けられてもよく、この場合、パイプの端部は、その長さが変化し得る直線的な開口部であり、且つ、φ比率なしの螺旋を備えることができる。図６及び図７は、φ比率を有する溝６０の螺旋形状のコースを示している。図６は溝６０のコースの三次元図を示し、図７は平坦な表面上の突起としての溝６０のコースの概略図を示す。９０度の角度を通って延びる螺旋の部分Ｌｉの長さは、ここでは、後続の９０度の角度を通って延びる前記螺旋の、後続のより狭くなった部分の長さＬｉ＋１の約１．６倍である。図６はまた、フローガイドの内壁のチューバ形状（又は（ロープ）トルネードの形状）を明確に示している。
【００４８】
渦巻き(eddy)内の水の内層は、外層よりもはるかに速い速度を有する。渦(vortex)において、速度×(times)ジェットは一定である。渦の結果として、水滴が引き伸ばされ、水分子が互いに独立して、従って熱を吸収する能力が増大する。これらのより小さな水滴は、研削ディスクを取り囲む空気流をより簡単に貫通することができる。
【００４９】
図面に基づいて本発明を上述したが、本発明は図面に示された実施形態に限定されるものではない。本発明はまた、特許請求の範囲によって規定される枠組み内の図面に示される実施形態から逸脱する全ての実施形態に及ぶ。
【図１Ａ】
2019513571.tif 000003
【図１Ｂ】
2019513571.tif 000004
【図２】
2019513571.tif 000005
【図３Ａ】
2019513571.tif 000006
【図３Ｂ】
2019513571.tif 000007
【図４】
2019513571.tif 000008
【図５】
2019513571.tif 000009
【図６】
2019513571.tif 000010
【図７】
2019513571.tif 000011
【国際調査報告】
2019513571.tif 000012
2019513571.tif 000013