JP2011133039A - ロータリジョイント - Google Patents

Abstract

【課題】スチームなどの作用流体をメカニカルシールの境界やその周辺に直接供給することが可能で、回転シール部のより確実な殺菌・洗浄効果を確保することができるロータリジョイントを提供することを目的とする。
【解決手段】軸部２においてケーシング部材８に嵌入する上端部２ｂにヘルールガスケット２７を介して着脱自在に装着され軸線方向に伸縮するベローズ１０と、ベローズ１０の先端部にヘルールガスケット２０を介して着脱自在に装着された第２シールリング２１と、頂部ケーシング部材９にヘルールガスケット１７を介して着脱自在に装着され第２シールリング２１と当接して第１回転シール部１１を形成する第１シールリング１６とを備えた構成において、第１回転シール部１１に対向する位置に、第１回転シール部１１の周囲を閉囲して形成された閉空間８ｅ内に殺菌・洗浄のための作用流体を供給する流体供給孔８ｃを設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、相互に相対回転する軸部とケーシング部との間で流体を送給するロータリジョイントに関するものである。

固定ケーシング部と回転軸部など、相互に相対回転する２つの部分の間で流体を送給する用途には、２つのシール部材を回転摺動させる回転シール部を備えたロータリジョイントが用いられる。ロータリジョイントに求められる機能や特性は、対象とする流体の種類や適用分野によって異なるため、種々の構成のロータリジョイントが用途に応じて用いられている。例えば、飲料などを扱う食品分野、薬品・化粧品など高清浄度が必要とされる分野においては、細菌や異物などの汚染を完全に排除することが求められるため、汚染成分の混入や微細異物が発生しないような構造、材質が選定される（例えば特許文献１参照）。

この特許文献に示す先行技術例では、飲料水などを対象とした適用例において、回転シールを構成するシールリングを相互に押圧する押圧手段として，軸方向に伸縮する樹脂製のベローズを採用するようにしている。これにより、Ｏリングなど軸方向に摺動するシール部品を用いる場合に発生しやすい流体溜まりに起因する汚染を防止することができる。

特許第４０２７８５７号公報

上述の特許文献例に示す先行技術においては、回転シール部の構成に起因して、以下に述べるような難点がある。すなわち回転シール部を構成するメカニカルシールは２つのシール面を摺接させる構造であるため、管路内部を流れる流体と外部環境の接点となりやすく、摺動面に存在する微量の流体を介して管路内の流体が外部環境によって汚染されるおそれがある。このため、飲料や高洗浄度が必要とされる流体を対象とする場合には、メカニカルシールの境界面やその周辺に対してスチームなどの殺菌・洗浄のための流体を直接供給し、より確実な殺菌・洗浄を行えるような構造であることが望ましい。

しかしながら上述の先行技術例においては、ベローズやシールリング（密封環）などのシール構成部品の配置に起因して、殺菌・洗浄の対象となる回転シール部は、スチームが供給される密閉空間において軸方向の中間に位置するように構成されている。そして密閉空間内にスチームを供給・排出するスチーム供給孔、スチーム排出孔は、密閉空間内において流体の淀み部を発生させずスチームを確実に循環させることを目的として、密閉空間の軸方向の上下両端にスチーム供給孔、スチーム排出孔がそれぞれ位置するように配置されている。したがってこのような構成の上述先行技術例においては、スチーム供給孔を回転シール部に近接して対向させ、スチームなどの作用流体をメカニカルシールの境界やその周辺に直接供給することが困難で、回転シール部のより確実な殺菌・洗浄効果が確保されない結果となっていた。

そこで本発明は、スチームなどの作用流体をメカニカルシールの境界やその周辺に直接供給することが可能で、回転シール部のより確実な殺菌・洗浄効果を確保することができるロータリジョイントを提供することを目的とする。

本発明のロータリジョイントは、内部に軸線方向に貫通する第１流路が設けられた軸部と、前記軸部を外周側から軸受け部を介して同軸に保持しこの軸部に対して相対回転するケーシング部と、前記ケーシング部に前記第１流路と同心に設けられた第２流路と、前記ケーシング部に第１ガスケットを介して着脱自在に装着され前記第２流路がシール面に開口する第１シールリングと、前記軸部において前記ケーシング部に嵌入する方向側の端部に第２ガスケットを介して前記第１流路と連通して着脱自在に装着され前記軸線方向に伸縮するベローズと、前記ベローズの先端部に第３ガスケットを介して着脱自在に装着され前記第１シールリングと当接して第１回転シール部を形成する第２シールリングと、前記ケーシング部において前記第１回転シール部に対向する位置に開孔し、前記ケーシング部が前記第１回転シール部の周囲を閉囲して形成された閉空間内に殺菌およびまたは洗浄のための作用流体を供給する流体供給孔と、前記軸部とケーシング部との相対回転を許容しつつ前記閉空間と前記軸受け部との間をシールする第２回転シール部と、前記ケーシング部において前記流体供給孔よりも下方に位置して開孔し、前記作用流体を前記閉空間から外部へ排出する流体排出孔とを備え、前記第１流路と第２流路は、前記ベローズおよび前記第１回転シール部を介して連通する。

本発明によれば、ケーシング部に第１ガスケットを介して着脱自在に装着された第１シールリングと、軸部においてケーシング部に嵌入する方向側の端部に第２ガスケットを介して着脱自在に装着され軸線方向に伸縮するベローズと、ベローズの先端部に第３ガスケットを介して着脱自在に装着され第１シールリングと当接して第１回転シール部を形成する第２シールリングとを備えた構成において、ケーシング部において第１回転シール部に対向する位置に、第１回転シール部の周囲を閉囲して形成された閉空間内に殺菌およびまたは洗浄のための作用流体を供給する流体供給孔を設けることにより、第１回転シール部のシール面の境界および周辺に作用流体を直接供給することが可能となり、回転シール部のより確実な殺菌・洗浄効果を確保することができる。

本発明の一実施の形態のロータリジョイントの断面図 本発明の一実施の形態のロータリジョイントの部分断面図 本発明の一実施の形態のロータリジョイントの部分断面図 本発明の一実施の形態のロータリジョイントの組み立て作業におけるシールリングのラッピング作業の説明図

次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。まず、図１を参照して、ロータリジョイント１の全体構成を説明する。ロータリジョイント１は、飲料など清浄度が要求される流体を送給する用途に用いられ、固定された供給側から回転状態にある被供給側へ流体を送給する機能を有する。図１において、円筒ブロック形状の軸部２の内部には、軸線Ａ方向に貫通する軸流路２ａ（第１流路）が設けられている。軸部２は、１対のベアリング３をカラー部材４によって上下方向に位置保持した構成の軸受け部を介して、円筒形状の第１ケーシング部材５によって、軸線Ａと同軸に相対回転自在に保持されている。ここでは、軸部２の下端部２ｃ側が被供給側となっており、下端部２ｃには軸部２に回転を伝達するための伝動部材７が結合されている。

第１ケーシング部材５の上端部には外周方向に延出した鍔部５ａが設けられており、鍔部５ａには、段付き円筒形状の第２ケーシング部材８の下端部に、外周方向に延出して設けられた鍔部８ａが結合されている。第２ケーシング部材８の上端に設けられた開口部８ｂには、上下に貫通するケーシング流路９ａ（第２流路）が設けられた頂部ケーシング９が着脱自在に装着され、ケーシング流路９ａは上方に延出して設けられた接続コネクタ１３と連通している。供給対象の流体は、流体供給源（図示省略）から接続コネクタ１３を介してケーシング流路９ａへ送給される（矢印ａ）。

頂部ケーシング９が開口部８ｂに装着された状態では、ケーシング流路９ａは、軸部２の上端部２ｂに装着されたベローズ１０及びベローズ１０に結合された第１回転シール部１１を介して軸流路２ａと連通しており、ケーシング流路９ａに送給された流体は、第１回転シール部１１及びベローズ１０を介して軸流路２ａに流入し、被供給側へ送られる（矢印ｂ）。すなわちロータリジョイント１においては、第１流路である軸流路２ａと第２流路であるケーシング流路９ａは、ベローズ１０および第１回転シール部１１を介して連通する構成となっている。

第１ケーシング部材５、第２ケーシング部材８及び頂部ケーシング９は、軸部２を外周側から上述の軸受け部を介して同軸に保持し、この軸部２に対して相対回転するケーシング部を構成する。そしてケーシング流路９ａは、このケーシング部に第１流路である軸流路２ａと同心に設けられた第２流路となっている。頂部ケーシング９の一端部側の上面には、廻り止め部材１４が固定されており、これにより軸部２が回転する際の第１ケーシング部材５や第２ケーシング部材８の連れ廻りが防止される。

第２ケーシング部材８において、頂部ケーシング９の近傍の第１回転シール部１１に対向する位置には、第２ケーシング部材８の内部の閉空間８ｅに連通する流体供給孔８ｃが開孔している。流体供給孔８ｃは、第２ケーシング部材８が第１回転シール部１１の周囲を閉囲して形成された閉空間８ｅ内に殺菌・洗浄のいずれかまたは殺菌・洗浄の双方を目的とする作用流体を供給する。この作用流体としては、高温のスチームや、オゾン、無菌水、無菌エア、酸やアルカリなどを成分とする洗浄剤など、各種のものを用いることができる。ここにでは作用流体としてスチームを用いる例を示しており、流体供給孔８ｃに接続されたスチーム供給回路（図示省略）から高温のスチームが供給される（矢印ｃ）。鍔部８ａにおいて流体供給孔８ｃと平面視して相対向する位置には、流体供給孔８ｃよりも下方に位置して流体排出孔８ｄが設けられている。流体排出孔８ｄは、閉空間８ｅ内に供給され第１回転シール部１１の周囲に対して吹き付けられたスチームを、閉空間８ｅから外部に排出する（矢印ｄ）。

上端部２ｂの下方に隣接した位置には、閉空間８ｅ内のスチームが軸部２を軸支する軸受け部に進入するのを防止するための第２回転シール部１２が設けられている。さらに第２回転シール部１２の下方には、ラビリンス部材６ａ、６ｂより構成されるラビリンスシール部６が配設されている。第２回転シール部１２を通過して進入したスチームが冷却されて液化した水分は、ラビリンスシール部６によって下方に滴下するのが防止され、第１ケーシング部材５の側壁を貫通して設けられたドレイン孔５ｂを介して外部に排出される。

すなわち本実施の形態では、ロータリジョイント１は、前述構成のケーシング部が第１回転シール部１１の周囲を閉囲して形成された閉空間８ｅ内にスチームを供給する流体供給孔８ｃと、軸部２とケーシング部との相対回転を許容しつつ閉空間８ｅと軸部２を回転自在に支持する軸受け部との間をシールする第２回転シール部１２と、ケーシング部において流体供給孔８ｃよりも下方に位置して開孔し、スチームなどの作用流体を閉空間８ｅから外部へ排出する流体排出孔８ｄとを備えを構成となっている。

次に図２を参照して、第１回転シール部１１の詳細構成及びベローズ１０の装着構造について説明する。図２（ａ）は、頂部ケーシング９に第１回転シール部１１を構成するシールユニット１１ａを取り付けた状態の頂部ユニット１５を、第２ケーシング部材８から取り外した状態を示している。シールユニット１１ａは、ＳｉＣ（炭化珪素）など硬質で耐摩耗性に富む材質よりなる円環状の第１シールリング１６を、シールホルダ１８によってへルールガスケット１７（第１ガスケット）を介して頂部ケーシング９に対して押し付け、シールホルダ１８をボルト１９によって頂部ケーシング９に締結固定した構成となっている。すなわち、第１シールリング１６は、ケーシング部に第１ガスケットであるへルールガスケット１７を介して着脱自在に装着され、第２流路であるケーシング流路９ａがシール面に開口する形態となっている。

次に、ベローズ１０およびシールユニット１１ｂについて説明する。ベローズ１０は、上下両端に外周方向にそれぞれ鍔状に延出した上鍔部１０ａ、下鍔部１０ｂを有し、中間部に外側に膨出した膨出部１０ｃが設けられた形状の中空膜部材であり、この形状により軸線Ａ方向に伸縮自在となっている。本実施の形態においては、ロータリジョイント１は飲料など異物質の混入が許容されない用途に用いられることから、ベローズ１０の材質としては、ＰＴＦＥなどのフッ素系の合成樹脂材質や、ステンレス鋼などの不錆性の金属性のもの、あるいは合成樹脂と金属とを組み合わせた複合材などが選択される。

シールユニット１１ｂは、上鍔部１０ａに固定される。すなわち、第１シールリング１６と同様の円環状のシール部材である第２シールリング２１を、シールホルダ２２によってへルールガスケット２０（第３ガスケット）を介して上鍔部１０ａの上面に対して押し付け、シールホルダ２２をボルト２６によってプレート２３に固定締結する。これにより、第２シールリング２１は上鍔部１０ａに固定される。すなわち、第２シールリング２１は、ベローズ１０の先端部である上鍔部１０ａに第３ガスケットであるへルールガスケット２０を介して着脱自在に装着されている。

シールユニット１１ｂが取り付けられた状態のベローズ１０は、下鍔部１０ｂを介して軸部２の上端部２ｂに装着される。すなわち、押さえプレート２９によって、下鍔部１０ｂの下面をへルールガスケット２７（第２ガスケット）を介して上端部２ｂの上端面に対して押し付け、ボルト２８によって押さえプレート２９を上端部２ｂに締結固定する。これにより、シールユニット１１ｂは、伸縮自在に構成されたベローズ１０の有する伸縮力によって伸張した状態で、軸部２の上端部２ｂによって保持される。

すなわち上記構成において、ベローズ１０は、軸部２においてケーシング部に嵌入する端部である上端部２ｂに、第２ガスケットであるへルールガスケット２７を介して軸流路２ａと連通して着脱自在に装着され、軸線Ａ方向に伸縮する構成となっている。さらに本実施の形態では、シールホルダ２２、プレート２３を上下に挿通して上端部２ｂに螺設されたガイドボルト２４に、圧縮バネ２５を装着した構成の付勢手段を付加して設けている。これにより、シールユニット１１ｂには圧縮バネ２５によって軸線方向（矢印ｅ）方向の付勢力が作用する。すなわち、圧縮バネ２５は、第１シールリングをベローズ１０に固定する固定部材であるプレート２３、シールホルダ２２を軸線Ａ方向に付勢することにより、第２シールリング２１を第１シールリング１６に対して押圧する付勢手段となっている。

図２（ｂ）は、頂部ケーシング９をボルト３０によって開口部８ｂに固定締結することにより、頂部ユニット１５を第２ケーシング部材８に取り付けた状態を示している。この状態では、シール部材３１により第２ケーシング部材８の内部が密封される。そして第１シールリング１６の摺接面１６ａと第２シールリング２１の摺接面２１ａとが当接し、これにより、シールユニット１１ａ、１１ｂを近接させて第１シールリング１６と第２シールリング２１とを当接させた構成の第１回転シール部１１が形成される。このとき、シールユニット１１ｂおよびベローズ１０は予め設定された所定の押し込み量だけ下方に押し込まれる。

これにより、摺接面１６ａ、２１ａには、膨出部１０ｃが押し込まれた撓み量に応じて発生する弾性反力に、圧縮バネ２５による弾性反力を加えた大きさの押圧力が作用し、流体の漏洩を防止するためのシール面圧が確保される。なお、ベローズ１０のみで十分なシール面圧が得られる場合には、圧縮バネ２５を用いた付勢手段は不要であり、ロータリジョイント１の構成から除外することができる。また、第１回転シール部１１の取り付け作業に支障がなければ、第２ケーシング部材８と頂部ケーシング９とを一体構造としてもよい。

次に図３を参照して、第２回転シール部１２の構造およびロータリジョイント１の作動状態について説明する。図３（ａ）に示すように、ロータリジョイント１の作動状態においては、流体供給側からケーシング流路９ａに流体が供給され（矢印ａ）、第１回転シール部１１、ベローズ１０を介して回転側である軸流路２ａへ流動する。このとき、第１回転シール部１１のシール面から幾分かの流体が漏洩することが避けられない。

対象とする流体が飲料など汚染や異物混入が許容されない種類のものである場合には、シール面から漏洩した流体に起因する汚染や異物混入を防止することを目的として、スチームによる殺菌・洗浄が行われる。すなわち、第２ケーシング部材８に設けられた流体供給孔８ｃから１４０℃程度のスチームを閉空間８ｅ内部に送給する（図１に示す矢印ｃ）。閉空間８ｅ内に送給されたスチームは、閉空間８ｅ内において第１回転シール部１１に対して直接吹き付けられ（矢印ｆ）、第１回転シール部１１の周囲で流動しながら閉空間８ｅ内を充満し、その後流体排出孔８ｄから排出される（矢印ｇ）。これにより、第１回転シール部１１の周囲および閉空間８ｅの内部が殺菌・洗浄される。

次に、閉空間８ｅ内に送給されたスチームが、軸部２を回転自在に保持する軸受け部へ進入することを防止するために設けられた第２回転シール部１２の構造を説明する。図３（ｂ）に示すように、第２回転シール部１２は、軸部２に固定されて共に回転するシールユニット１２ａおよび第１ケーシング部材５に固定されるシールユニット１２ｂより成る。シールユニット１２ａは、円環状のシールリング３５を外側から保持するシールホルダ３２を、固定ボルト３３によって軸部２の外周に固定し、シール部材３４によって軸部２の外周とシールホルダ３２との間をシールした構成となっている。

またシールユニット１２ｂは、シールリング４３を保持したシールホルダ４０を、第１ケーシング部材５の内周面に沿って軸線方向に摺動自在に嵌合させ、シールホルダ４０と第１ケーシング部材５の内周面との間をシール部材４２によってシールした構成となっている。シールホルダ４０は、鍔部５ａに締結固定されたガイドボルト４１によって軸線方向にガイドされ、さらに、シール付勢機構（図示省略）によって上方に付勢されている。これにより、シールリング４３の摺接面４３ａは、シールリング３５の摺接面３５ａに当接し、流体排出孔８ｄから軸部２の下部の軸受け部へのスチームの進入をシールするシール面が形成される。

第２回転シール部１２の下方には、ラビリンスシール部６が設けられている。ラビリンスシール部６は、逆Ｌ字断面形状のラビリンス部材６ａとＬ字断面形状のラビリンス部材６ｂとを上下に組み合わせて構成されており、ラビリンス部材６ｂの底部に位置した第１ケーシング部材５には、外部と連通するドレイン孔５ｂが設けられている。閉空間８ｅ内に送給されたスチームは、第２回転シール部１２によって下方への進入が阻止されるが、シール面の状態によってはある量のスチームが下方に進入する場合がある。そして進入したスチームが冷却されて凝固した液滴は下方に滴下する（矢印ｈ）。これらの液滴は、ラビリンス部材６ａによって一旦受け止められ、ラビリンス部材６ａと第１ケーシング部材５の内周との間の隙間を伝って滴下して、ラビリンス部材６ｂによって受け止められる。そしてラビリンス部材６ｂの底部に貯留された液滴は、ドレイン孔５ｂから外部に排出される（矢印ｉ）。

次に図４を参照して、ロータリジョイント１の組立て作業や保守作業時に行われる摺接面１６ａ、２１ａのラッピング作業について説明する。上述構成に示すベローズ１０は、硬質の合成樹脂や金属などで製作されて柔軟性に乏しい特性を有している。このため、シールユニット１１ａとシールユニット１１ｂとを突き合わせ第１シールリング１６と第２シールリング２１とを相互に押し付ける際の摺動面の密着度を確保することが難しい。このため、ロータリジョイント１の組立て作業時や部品交換などの保守作業時には、これらのシールリングの摺動面をラッピングして密着度を調整する作業が必要とされる。

このラッピング作業において、本実施の形態ではラッピング対象となる第１シールリング１６は、図４（ａ）に示すように、ケーシング部を構成する頂部ケーシング９に、へルールガスケット１７を介して押し付けられ、シールホルダ１８をボルト１９によって締結固定した構成の頂部ユニット１５の状態で、すなわち第２ケーシング部材８に取り付けられていない状態で取り扱われる。また第２シールリング２１は、図４（ｂ）に示すように、へルールガスケット２０を介してベローズ１０の上鍔部１０ａに対して押し付けられ、シールホルダ２２とプレート２３によって第２シールリング２１と上鍔部１０ａとを挟み込んだ形態、すなわちまだ軸部２に取り付けられていない状態で取り扱われる。

このように、第１シールリング１６および第２シールリング２１のいずれも、作業者が扱いやすいコンパクトなサイズ・形状の状態で、摺接面１６ａ、２１ａのラッピング作業を実行できるようになっている。したがって、軸部側にシールリングや回転軸受け機構を組み付けた状態でラッピングなどの調整作業を行うことが必要とされた先行技術例と比較して、組立て時や保守時の調整作業の作業性を向上させることが可能となっている。

なお上記実施の形態においては、軸部２が回転する被供給側であり、対象となる流体が図１に示す上方から矢印ａ方向に供給される例を示したが、軸部２を固定された供給側として用いることも可能である。この場合には、ケーシング部が軸部２に対して相対回転し、対象となる流体は軸流路２ａからベローズ１０、第１回転シール部１１を介してケーシング流路９ａに送られる。

本発明のロータリジョイントは、スチームなどの作用流体をメカニカルシールの境界やその周辺に直接供給することが可能で、回転シール部のより確実な殺菌・洗浄効果を確保することができるという特徴を有し、飲料など汚染や異物混入が許容されない種類の流体を固定の供給側から回転状態の被供給側へ送給する用途において有用である。

１ ロータリジョイント
２ 軸部
２ａ 軸流路
２ｂ 上端部
３ ベアリング
５ 第１ケーシング部材
６ ラビリンスシール部
８ 第２ケーシング部材
８ｂ 開口部
８ｃ 流体供給孔
８ｄ 流体排出孔
８ｅ 閉空間
９ 頂部ケーシング
１０ ベローズ
１１ 第１回転シール部
１２ 第２回転シール部
１５ 頂部ユニット
１６ 第１シールリング
１６ａ、２１ａ 摺接面
１７、２０、２７ へルールガスケット
２１ 第２シールリング
２４ ガイドボルト
２５ 圧縮バネ

Claims (2)

1. 内部に軸線方向に貫通する第１流路が設けられた軸部と、前記軸部を外周側から軸受け部を介して同軸に保持しこの軸部に対して相対回転するケーシング部と、前記ケーシング部に前記第１流路と同心に設けられた第２流路と、前記ケーシング部に第１ガスケットを介して着脱自在に装着され前記第２流路がシール面に開口する第１シールリングと、前記軸部において前記ケーシング部に嵌入する方向側の端部に第２ガスケットを介して前記第１流路と連通して着脱自在に装着され前記軸線方向に伸縮するベローズと、前記ベローズの先端部に第３ガスケットを介して着脱自在に装着され前記第１シールリングと当接して第１回転シール部を形成する第２シールリングと、前記ケーシング部において前記第１回転シール部に対向する位置に開孔し、前記ケーシング部が前記第１回転シール部の周囲を閉囲して形成された閉空間内に殺菌およびまたは洗浄のための作用流体を供給する流体供給孔と、前記軸部とケーシング部との相対回転を許容しつつ前記閉空間と前記軸受け部との間をシールする第２回転シール部と、前記ケーシング部において前記流体供給孔よりも下方に位置して開孔し、前記作用流体を前記閉空間から外部へ排出する流体排出孔とを備え、
   前記第１流路と第２流路は、前記ベローズおよび前記第１回転シール部を介して連通することを特徴とするロータリジョイント。
2. 前記第２シールリングを前記ベローズに固定する固定部材を前記軸線方向に付勢することにより、前記第２シールリングを前記第１シールリングに対して押圧する付勢手段を備えたことを特徴とする請求項１記載のロータリジョイント。

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