JP2012092955A

JP2012092955A - 多流路形ロータリジョイント

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Publication number: JP2012092955A
Application number: JP2010243102A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Okunishi; 泰之奥西
Original assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Current assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2012-05-17
Anticipated expiration: 2030-10-29
Also published as: JP5634217B2

Abstract

【課題】複数の異種流体又は同種流体を良好に流動させることができ且つその流動条件（特に、圧力条件）を各別に制御することができるようにする。
【解決手段】ケース体１と回転体２との間に、第１及び第２シール部材並びに複数の第３シール部材６でシールされた複数のシール空間７ａ，８ａ，９ａを形成する。各第３シール部材６は、回転体２に固定された回転密封環２０とケース体１にＯリング２１を介して軸線方向移動可能に保持された静止密封環２２との相対回転により、当該相対回転部分２０ａ，２２ａの内周側領域であるシール空間９ａと外周側領域であるシール空間７ａ，８ａとを遮蔽シールするものであり、静止密封環２２に当該Ｏリング２１の前記外周側領域７ａ，８ａへの飛び出しを係止する第１係止部２２ｂを形成すると共にケース体１に当該Ｏリング２１の前記内周側領域９ａへの飛び出しを係止する第２係止部１ａを形成してある。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体製造装置，攪拌機，医療用機器，食品用機器等に装備される回転機器において相対回転部材間で複数の異種流体又は同種流体を混在させることなく各別のルートで流動させるための多流路形ロータリジョイントに関するものである。

この種の多流路形ロータリジョイントとしては、特許文献１に開示される如く、ケース体とこれに相対回転自在に連結された回転体との対向周面間に軸線方向に並列する複数対のメカニカルシールを配設して、両体に、各々が独立した一連の流体通路であって、各一対のメカニカルシールでシールされたシール空間とケース体に形成されて当該シール空間に開口するケース体側通路と回転体に形成されて当該シール空間に開口する回転体側通路とからなる複数本の流体通路を形成したもの（以下「第１従来ジョイント」という）や、特許文献２に開示される如く、ケース体とこれに相対回転自在に連結された回転体との対向周面間に、軸線方向の両端部を第１及び第２シール部材でシールされた円筒状のシール室を形成し、このシール室内を、これに軸線方向に並列する複数の第３シール部材たるメカニカルシールを配設することにより、各シール部材（第１及び第２シール部材）とこれに隣接するメカニカルシール（第３シール部材）とでシールされた第１及び第２シール空間並びに各メカニカルシール（第３シール部材）とこれに隣接するメカニカルシール（第３シール部材）とでシールされた一又は複数の第３シール空間に区画し、両体に、各々が独立した一連の流体通路であって、各シール空間とケース体に形成されて当該シール空間に開口するケース体側通路と回転体に形成されて当該シール空間に開口する回転体側通路とからなる３本以上の流体通路を形成したもの（以下「第２従来ジョイント」という）が公知である。

特開２００８−２８６４０５号公報特開２００２−００５３８０号公報

而して、第１従来ジョイントにあっては、ケース体側通路と回転体側通路とを相対回転自在に接続するシール空間を、他のシール空間をシールする一対のメカニカルシールとは独立した一対のメカニカルシールでシールしているため、つまりＮ本の流体通路を得るために２Ｎ個のシール手段（メカニカルシール）が必要となるため、流体通路数の増加に伴いロータリジョイントが大型化（軸線方向長さの長大化）するといった問題がある。

これに対して、第２従来ジョイントにあっては、各メカニカルシールが二つのシール空間をシールするための手段として機能しているため、仮に第１及び第２シール部材としてメカニカルシールを使用した場合にも、シール空間数つまり流体通路の本数Ｎに対して必要となるメカニカルシール数はＮ＋１個（第３シール部材であるメカニカルシールの数はＮ−１個）で足りる。したがって、流体通路数を多くしても、第１従来ジョイントに比して、必要なメカニカルシール数が大幅に少なくて済み、ロータリジョイントの小型化（軸線方向長さの短尺化）を実現することができる。

しかし、第１従来ジョイントにあっては、各シール空間とこれに隣接するシール空間とが独立してシールされていることから、流体通路を流動する流体の圧力関係が変動した場合にもメカニカルシールによるシール機能が影響を受けることはないが、第２従来ジョイントにあっては、第３シール部材である各メカニカルシールが隣接する二つのシール空間をシールしているため、一方のシール空間と他方のシール空間との圧力関係が変化，変動した場合（例えば、両シール空間の圧力差が逆転した場合）には、当該両シール空間をシールしているメカニカルシールのシール機能が低下，喪失する虞れがあり、高圧又は圧力差の大きい流体を良好にシールすることができない。また、流体通路を流動させる流体の圧力を各別に制御するような場合（圧力関係を積極的に変化ないし変動させる場合）、隣接するシール空間の圧力差が逆転するような圧力制御を行うことができず、その用途が大幅に制限される。

本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、複数の異種流体又は同種流体を良好に流動させることができ且つその流動条件（特に、圧力条件）を各別に制御することができ、広範な用途に供しうる実用的なる多流路形ロータリジョイントを提供することを目的とするものである。

本発明は、上記の課題を解決すべく、特に、ケース体とこれに相対回転自在に連結された回転体との対向周面間に、軸線方向の両端部を第１及び第２シール部材でシールされた円筒状のシール室を形成し、このシール室内を、これに軸線方向に並列する複数の第３シール部材を配設することにより、各シール部材とこれに隣接するシール部材とでシールされた複数のシール空間に区画し、両体に、各々が独立した一連の流体通路であって、各シール空間とケース体に形成されて当該シール空間に開口するケース体側通路と回転体に形成されて当該シール空間に開口する回転体側通路とからなる３本以上の流体通路を形成してある多流路形ロータリジョイントであって、各第３シール部材が、回転体に固定された回転密封環とケース体にＯリングを介して軸線方向移動可能に保持された静止密封環との相対回転により当該相対回転部分の内周側領域であるシール空間と外周側領域であるシール空間とを遮蔽シールするメカニカルシールであって、静止密封環に当該Ｏリングの前記外周側領域への飛び出しを係止する第１係止部を形成すると共にケース体に当該Ｏリングの前記内周側領域への飛び出しを係止する第２係止部を形成したものであることを特徴とする多流路形ロータリジョイントを提案する。

かかる多流路形ロータリジョイントの好ましい実施の形態にあっては、回転体が、軸体とこれに嵌挿された複数のスリーブとを具備するものであり、各第３シール部材の回転密封環が、その両側に位置するスリーブで挟圧することによる摩擦係合力により回転体に固定されており、各回転体側通路が、当該シール空間に配置されたスリーブと軸体との対向周面間に形成した環状空間と、当該スリーブにその周方向に等間隔を隔てて穿設された複数の同一形状孔であってシール空間と環状空間とを連通する連通孔と、軸体の端部から軸体を貫通して環状空間に開口する通路孔とからなる。また、各第３シール部材は、両密封環の相対回転摺接作用によりシール機能を発揮する端面接触形のメカニカルシールであることが好ましい。また、第１及び第２シール部材の一方又は両方を、回転体に固定された回転密封環とケース体にＯリングを介して軸線方向移動可能に保持された静止密封環との相対回転によりシール空間とシール室外の大気領域とを遮蔽シールするメカニカルシールとしておくことも可能である。

本発明の多流路形ロータリジョイントは、第３シール部材であるメカニカルシールによってシールされる２つのシール空間の圧力関係つまり当該シール空間を通過する２つの流体通路を流動する流体の圧力関係が変化，変動した場合（例えば、当該圧力関係が逆転した場合）にも、静止密封環にこれを回転密封環へと押圧する背圧による軸方向推力が作用して、当該メカニカルシールによるシール機能を良好に発揮させることができるものであり、流体通路を流動させる流体の圧力を任意且つ各別に制御することができるものである。したがって、本発明によれば、複数の異種流体又は同種流体を相対回転部材間において各別に流動，制御する必要のある各種回転機器に好適に使用することができ、広範な用途に供しうる極めて実用的価値の高い多流路形ロータリジョイントを提供することができる。

図１は本発明に係る多流路形ロータリジョイントの一例を示す縦断正面図である。図２は図１の要部を拡大して示す詳細図である。図３は図１のIII −III 線に沿う横断平面図である。図４は図２の要部を取り出して示す作用説明図である。図５は本発明に係る多流路形ロータリジョイントの変形例を示す縦断正面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて具体的に説明する。図１は本発明に係る多流路形ロータリジョイントの一例を示す縦断正面図であり、図２はその要部を拡大して示す詳細図であり、図３は図１のIII −III 線に沿う横断平面図であり、図４は図２の要部を取り出して示す作用説明図である。なお、以下の説明において、上下とは図１における上下を意味するものとする。

本発明に係る多流路形ロータリジョイントは、ＣＭＰ装置等の回転機器に装備されて、性状や流動条件の異なる複数種の流体を当該回転機器の固定側部材（例えば、ＣＭＰ装置本体）と回転側部材（例えば、ＣＭＰ装置のトップリング又はターンテーブル）との間で相互干渉することなく独立して流動させるものであり、図１に示す如く、ケース体１とこれに相対回転自在に連結された回転体２との対向周面間に、軸線方向の両端部を第１及び第２シール部材３，４でシールされた円筒状のシール室５を形成し、このシール室５内を、これに軸線方向に並列する複数個の第３シール部材６を配設することにより、各シール部材とこれに隣接するシール部材とでシールされた複数のシール空間に区画したものである。すなわち、シール室５内は、第１シール部材３とこれに隣接する第３シール部材６とでシールされた第１シール空間７ａ、第２シール部材４とこれに隣接する第３シール部材６とでシールされた第２シール空間８ａ及び各第３シール部材６とこれに隣接する第３シール部材６とでシールされた一又は複数の第３シール空間９ａに区画されている。そして、両体１，２には、各々が独立した一連の流体通路であって、各シール空間７ａ，８ａ，９ａとケース体１に形成されて当該シール空間７ａ，８ａ，９ａに開口するケース体側通路７ｂ，８ｂ，９ｂと回転体２に形成されて当該シール空間７ａ，８ａ，９ａに開口する回転体側通路７ｃ，７ｄ，７ｅ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，９ｃ，９ｄ，９ｅとからなる３本以上の流体通路７，８，９が形成されている。なお、第３シール部材６の数Ｍは、必要とされる流体通路数つまりシール空間数Ｎに応じて決定され、Ｍ＝Ｎ−１（Ｍ≧２，Ｎ≧３）で得られる。この例では、Ｍ＝２，Ｎ＝３としてある。

ケース体１は、図１及び図３に示す如く、断面円形の内周部を有する筒体に構成されており、前記回転機器の固定側部材に取り付けられるものである。

回転体２は、前記回転機器の回転側部材に取り付けられるものであり、図１に示す如く、その両端部をケース体１の内周部に上下一対のベアリング１０，１１を介して相対回転自在且つ同心状に支持させてあり、外径一定の円筒状軸体１２と、その一端部（上端部）に一体形成された大径円筒状のベアリング保持部１２ａと、軸体１２に軸線方向（上下方向）に所定間隔を隔てて並列状に嵌挿された円筒状をなす複数のスリーブ１３，１４，１５，１６，１７と、軸体１２の他端部（下端部）に取付けられた円環状の締付体１８とからなる。スリーブ群の最上位に位置する上端スリーブ１３は、その上端部をベアリング保持部１２ａの下端部に衝合係止させた状態で軸体１２に嵌挿されている。スリーブ群の最下位に位置する下端スリーブ１７は、締付体１８の上端部に一体形成されており、軸体１２の下端部に嵌挿されている。スリーブ群の中間に位置する複数の中間スリーブ１４，１５，１６の数は流体通路数（シール空間数）Ｎに一致しており、この例では３個である。これらの中間スリーブ１４，１５，１６はシール空間７ａ，８ａ，９ａに位置するものであり、後述する如く、流体通路７，８，９の一部が貫通形成されている。締付体１８は、これに一体形成された下端スリーブ１７を軸体１２に嵌挿させた状態で、図１に示す如く、軸体１２の下端部に適当本数（一本のみ図示）の締付ボルト１９により取付けられている。締付ボルト１９を締付けることにより、締付体１８とベアリング保持部１２ａとの間にスリーブ１３〜１７及び後述する回転密封環２０，２４，２８が挟圧固定されて、これらと軸体１２とが一体化されるようになっている。なお、上位のベアリング１０は軸体１２の上端部であるベアリング保持部１２ａとケース体１の上端部との対向周面間に装填されており、下位のベアリング１１は締付体１８とケース体１の下端部との対向周面部間に装填されている。

各第３シール部材６は、図１及び図２に示す如く、回転体２に固定された回転密封環２０と、ケース体１にＯリング２１を介して軸線方向移動可能に保持された静止密封環２２と、ケース体１と静止密封環２２との間に介装されて静止密封環２２を回転密封環２０へと押圧附勢するスプリング部材２３とを具備して、両密封環２０，２２の対向端面である密封端面２０ａ，２２ａ（図２参照）の相対回転摺接作用により、当該相対回転摺接部分２０ａ，２２ａの内周側領域であるシール空間とその外周側領域であるシール空間とを遮蔽シールするように構成された端面接触形メカニカルシール（以下「第３メカニカルシール」という）である。この例では、上位の第３メカニカルシール６により第１シール空間７ａと第３シール空間９ａとが遮蔽シールされており、下位の第３メカニカルシール６により第２シール空間８ａと第３シール空間９ａとが遮蔽シールされている。また、両第３メカニカルシール６，６は、上下対称のダブルシール構造をなすように配置されており、両回転密封環２０ａ，２０ａ間に両静止密封環２２，２２が上下対称形態をなして配置されている。

また、この例では、第１及び第２シール部材３，４も第３シール部材６と同様の端面接触形メカニカルシールに構成されている。すなわち、第１シール部材３は、回転体２に固定された回転密封環２４と、ケース体１にＯリング２５を介して軸線方向移動可能に保持された静止密封環２６と、ケース体１と静止密封環２６との間に介装されて静止密封環２６を回転密封環２４へと押圧附勢するスプリング部材２７とを具備して、両密封環２４，２６の対向端面である密封端面の相対回転摺接作用により、当該相対回転摺接部分の内周側領域であるベアリング装填空間（ベアリング１０が配置された大気領域）１０ａとその外周側領域である第１シール空間７ａとを遮蔽シールするように構成された端面接触形メカニカルシール（以下「第１メカニカルシール」という）である。また、第２シール部材４は、回転体２に固定された回転密封環２８と、ケース体１にＯリング２９を介して軸線方向移動可能に保持された静止密封環３０と、ケース体１と静止密封環３０との間に介装されて静止密封環３０を回転密封環２８へと押圧附勢するスプリング部材３１とを具備して、両密封環２８，３０の対向端面である密封端面の相対回転摺接作用により、当該相対回転摺接部分の内周側領域であるベアリング装填領域（ベアリング１１が配置された大気領域）１１ａとその外周側領域である第２シール空間８ａとを遮蔽シールするように構成された端面接触形メカニカルシール（以下「第２メカニカルシール」という）である。なお、ケース体１には、ベアリング装填領域１０ａ，１１ａにおけるベアリング１０，１１とメカニカルシール３，４との間に開口するドレン路１０ｂ，１１ｂが設けられている。

各回転密封環２０，２４，２８は、図１に示す如く、回転体２の軸線と同心をなす円環状板であり、軸体１２に嵌合されると共に両側に配したスリーブにより挟圧固定されている。すなわち、第１メカニカルシール３の回転密封環２４は上端スリーブ１３と中間スリーブ群の上位に位置する第１中間スリーブ１４とによって、第２メカニカルシール４の回転密封環２８は中間スリーブ群の下位に位置する第３中間スリーブ１６と下端スリーブ１７とによって、上位の第３メカニカルシール６の回転密封環２０は第１中間スリーブ１４とその下位に位置する第２中間スリーブ１５とによって、また下位の第３メカニカルシール６の回転密封環２０は第２中間スリーブ１５と第３中間スリーブ１６とによって、夫々挟圧されており、各回転密封環２０，２４，２８はその内周部分（密封端面として機能する外周部分を除く部分）をその両側からスリーブで挟圧することによる摩擦係合力により回転体２に固定されている。スリーブによる挟圧力ないし摩擦係合力は、締付体１８を締付ボルト１９により締付けることによって得られる。すなわち、締付ボルト１９を締め付けることにより、締付体１３とベアリング保持部１２ａとの間にスリーブ群１３，１４，１５，１６，１７が軸線方向に挟圧され、回転密封環２０，２４，２８が所定位置に固定されるのである。なお、スリーブ１３，１４，１５，１６，１７の内外径及び材質は同一とされており、その内外径（径方向厚み）は回転密封環２０，２４，２８の上記内周部分を挟圧することにより当該回転密封環を固定するに十分な摩擦係合力が得られることを条件として決定されている。スリーブ１３，１４，１５，１６，１７の構成材としては、金属又は高強度プラスチック（例えば、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン），ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン），ＰＯＭ（ポリアセタール）等のエンジニアリングプラスチック）が使用される。また、各回転密封環２０，２４，２８の一方の側端面とこれに接触するスリーブ端面との間は当該スリーブ端面の内周端部に形成せる環状凹部に装填したＯリング３２によりシールされている。

各静止密封環２２，２６，３０は、図１に示す如く、回転密封環２０，２４，２８に直対向した状態でケース体１の内周部にＯリング２１，２５，２９を介して軸線方向（上下方向）に移動可能に内嵌保持されており、その外周部に形成した凹部にケース体１に両端保持させたドライブピン３３を係合させることによりケース体１に対する相対回転を阻止されている。なお、ドライブピン３３は、図１に示す如く、第１メカニカルシール３及びこれに隣接する第３メカニカルシール６の静止密封環２２，２６並びに第２メカニカルシール４及びこれに隣接する第３メカニカルシール６の静止密封環２６，３０について夫々共通部材としてある。

各スプリング部材２３，２７，３１は、図１に示す如く、静止密封環２２，２６，３０とケース体１との間に介装された複数（一個のみ図示）の圧縮コイルバネで構成されており、静止密封環２２，２６，３０を回転密封環２０，２４，２８へと押圧接触させるべく附勢する。

各流体通路７，８，９は、図１に示す如く、シール空間７ａ，８ａ，９ａとケース体１に形成されたケース体側通路７ｂ，８ｂ，９ｂと回転体２に形成された回転体側通路７ｃ，７ｄ，７ｅ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，９ｃ，９ｄ，９ｅとからなる。各ケース体側通路７ｂ，８ｂ，９ｂは、ケース体１を径方向に貫通してシール空間７ａ，８ａ，９ａに連通するものであり、前記回転機器の固定側部材に形成された固定側流路に接続されている。各回転体側通路は、シール空間７ａ，８ａ，９ａに位置する中間スリーブ１４，１５，１６と軸体１２との対向周面間に形成した環状空間７ｃ，８ｃ，９ｃと、当該環状空間７ｃ，８ｃ，９ｃとシール空間７ａ，８ａ，９ａ７ｂ，７ｃとを連通すべく当該中間スリーブ１４，１５，１６に穿設された適当数（この例では複数個）の連通孔７ｄ，８ｄ，９ｄと、当該環状空間７ｃ，８ｃ，９ｃに連通する一端部から軸体１２を軸線方向に貫通して軸体１２の一端部（上端部）に開口する通路孔７ｅ，８ｅ，９ｅとからなり、各通路孔７ｅ，８ｅ，９ｅは前記回転機器の回転側部材に形成された回転側流路に接続されている。この例では、各環状空間７ｃ，８ｃ，９ｃは、図１に示す如く、中間スリーブ１４，１５，１６の内周面に形成した環状凹部によって形成されている。また、各中間スリーブ１４，１５，１６に形成される連通孔７ｄ，８ｄ，９ｄは、図３に例示する如く、当該中間スリーブ１４，１５，１６の周方向に等間隔を隔てた複数位置に配置されている。

ところで、各中間スリーブ１４，１５，１６に形成される連通孔７ｄ，８ｄ，９ｄは、各々、同一の円形状をなすものであり、その数及び周方向の相互間隔（等間隔）は、中間スリーブ１４，１５，１６が回転密封環２０，２４，２９を相対回転不能に摩擦係合させるべく軸線方向に圧縮（挟圧）された場合において、連通孔７ｄ，８ｄ，９ｄの存在によって中間スリーブ１４，１５，１６の軸方向圧縮歪が周方向において不均一とならないように、つまり中間スリーブ１４，１５，１６の周方向においてその回転密封環２０，２４，２８への押圧力が不均一となって回転密封環２０，２４，２８の密封端面に大きな歪が生じないように、設定されている。すなわち、各中間スリーブ１４，１５，１６に生じる軸線方向圧縮歪量は、当該スリーブの周方向において、連通孔７ｄ，８ｄ，９ｄが形成されている部分（以下「有孔部分」という）で大きく、これが形成されていない部分（以下「無孔部分」という）で小さくなるが、連通孔７ｄ，８ｄ，９ｄとして同一形状（円形状）のものを周方向に等間隔を隔てた一定数以上の個所に形成しておくことにより、つまり有孔部分を周方向において等間隔を隔てて一定数以上設けておくことにより、当該中間スリーブ１４，１５，１６の端面（回転密封環２０，２４，２８との接触面）における歪を周方向に均一，分散化させることができ、回転密封環２０，２４，２８をスリーブで挟圧させた場合おいてその密封端面に生じる歪を可及的に防止することができる。各連通孔７ｄ，８ｄ，９ｄの数は、このような条件が満足される範囲において中間スリーブ１４，１５，１６の内外径，長さ，材質に応じて適宜に設定されるが、一般には１０〜２０個としておくことが好ましく、この例では、図３に例示する如く、連通孔７ｄ，８ｄ，９ｄの数を１８個としてある。

したがって、シール空間７ａ，８ａ，９ａに位置する中間スリーブ１４，１５，１６は、他のスリーブ１３，１７と異なって連通孔７ｄ，８ｄ，９ｄが形成されているが、その数及び配置を上記のように設定しておくことにより、挟圧による負荷（軸方向圧縮力）をスリーブ端面において分散，均一化し得て、回転密封環２０，２４，２８に生じる歪を大幅に緩和することができ、その結果、スリーブによる摩擦係合力によって回転密封環２０，２４，２８を回転体２に固定するといった簡易な固定手段を採用しているにも拘わらず、その密封端面を適正に保持して相手密封端面（静止密封環２２，２６，３０の密封端面）との相対回転摺接作用によるシール機能を良好に発揮することができる。

而して、上記した流体通路７，８，９によれば、同種又は異種の流体を図１に示す矢印方向又はその逆方向に各別に流動させることができるが、本発明に係る多流路形ロータリジョイントにあっては、特に、各第３メカニカルシール６におけるＯリング２１による二次シール構造を次のように構成しておくことによって、流体通路７，８，９を流動する流体圧力を各別に制御することができるように工夫している。

すなわち、各第３メカニカルシール６にあっては、図２に示す如く、静止密封環２２にＯリング２１の前記外周側領域（第１シール空間７ａ又は第２シール空間８ａ）への飛び出しを係止する第１係止部２２ｂを形成すると共にケース体１にＯリング２１の前記内周側領域（第３シール空間９ａ）への飛び出しを係止する第２係止部１ａを形成して、前記内外周側領域の圧力関係に拘わらず静止密封環２２にこれを回転密封環２０へと押圧する背圧による軸方向推力が作用するように構成してある。なお、第１係止部２２ｂはＯリング２１の内周部が接触する静止密封環２２の外周面である密封環側シール面２２ｃより大径の環状部であり、第２係止部１ａはＯリング２１の外周部が接触するケース体１の内周面であるケース体側シール面１ｂより小径の環状部である。

かかる構成としておくことにより、例えば、上位の第３メカニカルシール６を例として説明すると、相対回転摺接部分２０ａ，２２ａの内周側領域である第３シール空間９ａの圧力（流体通路９を流動する流体の圧力）Ｐ１が当該相対回転摺接部分２０ａ，２２ａの外周側領域である第１シール空間７ａの圧力（流体通路７を流動する流体の圧力）Ｐ２より大きい場合には、図４（Ａ）に示す如く、その差圧ΔＰ１（＝Ｐ１−Ｐ２）によりＯリング２１が第１係止部２２ｂに衝合係止されて、静止密封環２２にこれを回転密封環２０方向へと押圧する軸線方向推力（背圧力）Ｆ１が作用する。この推力Ｆ１は、両密封端面２０ａ，２２ａが摺接する環状領域（シール面）の内外径をＤ１，Ｄ２とし、Ｏリング２１による二次シール面の内外径（ケース体側シール面１ａの内径及び密封環側シール面２２ｃの外径）をｄ１，ｄ２とすると、Ｆ１＝（π／４）（（ｄ１）²−（Ｄ１）²）・ΔＰ１で与えられる。なお、Ｄ１，Ｄ２，ｄ１，ｄ２の間にはＤ１＜ｄ１，Ｄ２＞ｄ２の関係がある。

また、逆に、流体通路７を流動する流体の圧力Ｐ２が流体通路９を流動する流体の圧力Ｐ１より大きい場合には、図４（Ｂ）に示す如く、その差圧ΔＰ２（＝Ｐ２−Ｐ１）によりＯリング２１が第２係止部１ａに衝合係止されて、上記の場合と同様に、静止密封環２２にこれを回転密封環２０方向へと押圧する軸線方向推力（背圧力）Ｆ２が作用する。この推力Ｆ２は、Ｆ２＝（π／４）（（Ｄ２）²−（ｄ２）²）・ΔＰ２で与えられる。

したがって、各第３メカニカルシール６においては、これによってシールすべき２つのシール空間７ａ，９ａ又は８ａ，９ａの圧力関係つまり二つの流体通路７，９又は８，９を流動する流体の圧力関係が逆転するような場合にも、常に、上記した推力Ｆ１又はＦ２が作用することになり、良好なシール機能が発揮されることになる。このため、各流体通路７，８，９を流動させる流体の圧力を任意且つ各別に制御することができる。なお、第３メカニカルシール６は、上記した如く、当該メカニカルシール６の相対回転摺接部分２０ａ，２２ａの内外周側領域の圧力関係に拘わらず静止密封環２２にこれを回転密封環２０へと押圧する背圧による軸方向推力が作用するように構成されるが、第３メカニカルシール６によるシール機能がより確実且つ良好に発揮されるためには、上記圧力関係に拘わらず、バランス比κが０．５以上となるように設計しておくことが好ましい。すなわち、流体通路９を流動する流体の圧力Ｐ１が流体通路７を流動する流体の圧力Ｐ２より大きい場合にはκ＝（（ｄ１）²−（Ｄ１）²）／（（Ｄ２）²−（Ｄ１）²）≧０．５となり、逆に流体通路７を流動する流体の圧力Ｐ２が流体通路９を流動する流体の圧力Ｐ１より大きい場合にはκ＝（（Ｄ２）²−（ｄ２）²）／（（Ｄ２）²−（Ｄ１）²）≧０．５となるように設計しておくことが好ましい。

一方、第１及び第２メカニカルシール３，４は、シール空間７ａ，８ａと圧力が変化しない大気領域１０ａ，１１ａとの間をシールするものであるから、一般的なメカニカルシールと同様に、図１に示す如く、Ｏリング２５，２９をケース本体１の内周部に形成した環状のＯリング溝１ｃ，１ｄ（又は静止密封環２６，３０の外周部に形成した環状のＯリング溝）に係合させて、その両側面である係止部によってＯリング２５，２９のシール空間７ａ，８ａへの飛び出し及び大気領域１０ａ，１１ａへの飛び出しを係止，阻止している。

ところで、第１及び第２メカニカルシール３，４のようにＯリング２５，２９をケース体１のＯリング溝１ｃ，１ｄに係合させるものでは、一般に、バランス比κが０．５となるように設計されていて、シール空間７ａ，８ａが大気領域１０ａ，１１ａより低圧（負圧）となる逆圧時にも対応できるように工夫されているが、この場合、ある程度の圧力（０．５ＭＰａ程度）以下であれば良好なシール機能を発揮できるが、これを超えるような高圧（高差圧）条件下では対応することが困難である。しかし、各第３メカニカルシール６については、上記のような構成としているため、κ＞０．５となるように設計しておくことができ、シールすべき両シール空間の圧力が高い場合や両シール空間の差圧が大きい場合にも良好なシール機能を発揮するができる。

なお、本発明の構成は上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の基本原理を逸脱しない範囲において適宜に改良，変更することができる。

すなわち、第１シール部材３と第２シール部材４との間に配置される第３シール部材（メカニカルシール）６の数Ｍ（≧２）は、必要とされる流体通路数Ｎ（≧３）に応じて任意に設定することができる（Ｍ＝Ｎ−１）。例えば、上記した例では、図１に示す如く、ダブルシール構造に配置した一対のメカニカルシール６，６で構成される１組のシールユニットを両シール部材３，４間に配置したが、両シール部材３，４間には、このようなシールユニットを複数組配置してもよい。図５はその一例を示す縦断正面図であり、図５に示す多流路形ロータリジョイントは、両シール部材３，４間に上記したシールユニットを２組配置して、両体１，２間に５本の流体通路を形成してなるものである。両シールユニット間に形成されるシール空間１０９ａ及びこれを通過する流体通路１０９（ケース体側通路１０９ｂと回転体側通路１０９ｃ，１０９ｄ，１０９ｅとをシール空間１０９ａを介して連通接続してなる）並びに当該シール空間１０９ａに位置される中間スリーブ１１５の構成は、第１シール空間７ａ、第１流体通路７及び上端スリーブ１４（又は第２シール空間８ａ、第２流体通路８及び下端スリーブ１６）と同一構成をなしている。

また、第１及び第２シール部材３，４の一方又は両方を、メカニカルシールではなく、弾性材製の環状シール（例えば、特許文献１に開示されるシール部材１６又は特許文献２に開示される弾性シール４）としておいてもよい。

また、上記した例では、環状空間７ｃ，８ｃ，９ｃを中間スリーブ１４，１５，１６の内周面に形成した環状凹部で構成するようにしているが、当該環状凹部を軸体１２の外周面に形成するようにしてもよい。

１ケース体
１ａ第２係止部
１ｂケース体側シール面
１ｃＯリング溝
１ｄＯリング溝
２回転体
３第１シール部材（第１メカニカルシール）
４第２シール部材（第２メカニカルシール）
５シール室
６第３シール部材（第３メカニカルシール）
７流体通路
７ａシール空間
７ｂケース体側通路
７ｃ環状空間（回転体側通路）
７ｄ連通孔（回転体側通路）
７ｅ通路孔（回転体側通路）
８流体通路
８ａシール空間
８ｂケース体側通路
８ｃ環状空間（回転体側通路）
８ｄ連通孔（回転体側通路）
８ｅ通路孔（回転体側通路）
９流体通路
９ａシール空間
９ｂケース体側通路
９ｃ環状空間（回転体側通路）
９ｄ連通孔（回転体側通路）
９ｅ通路孔（回転体側通路）
１０ベアリング
１０ａベアリング装填空間
１１ベアリング
１１ａベアリング装填領域
１２軸体
１３上端スリーブ
１４中間スリーブ
１５中間スリーブ
１６中間スリーブ
１７下端スリーブ
１８締付体
１９締付ボルト
２０回転密封環
２０ａ密封端面
２１Ｏリング
２２静止密封環
２２ａ密封端面
２２ｂ第１係止部
２３スプリング部材
２４回転密封環
２５Ｏリング
２６静止密封環
２７スプリング部材
２８回転密封環
２９Ｏリング
３０静止密封環
３１スプリング部材
３２Ｏリング
３３ドライブピン
１０９流体通路
１０９ａシール空間
１０９ｂケース体側通路
１０９ｃ環状空間（回転体側通路）
１０９ｄ連通孔（回転体側通路）
１０９ｅ通路孔（回転体側通路）
１１５中間スリーブ

Claims

ケース体とこれに相対回転自在に連結された回転体との対向周面間に、軸線方向の両端部を第１及び第２シール部材でシールされた円筒状のシール室を形成し、このシール室内を、これに軸線方向に並列する複数の第３シール部材を配設することにより、各シール部材とこれに隣接するシール部材とでシールされた複数のシール空間に区画し、両体に、各々が独立した一連の流体通路であって、各シール空間とケース体に形成されて当該シール空間に開口するケース体側通路と回転体に形成されて当該シール空間に開口する回転体側通路とからなる３本以上の流体通路を形成してある多流路形ロータリジョイントであって、
各第３シール部材が、回転体に固定された回転密封環とケース体にＯリングを介して軸線方向移動可能に保持された静止密封環との相対回転により当該相対回転部分の内周側領域であるシール空間と外周側領域であるシール空間とを遮蔽シールするメカニカルシールであって、静止密封環に当該Ｏリングの前記外周側領域への飛び出しを係止する第１係止部を形成すると共にケース体に当該Ｏリングの前記内周側領域への飛び出しを係止する第２係止部を形成したものであることを特徴とする多流路形ロータリジョイント。
回転体が、軸体とこれに嵌挿された複数のスリーブとを具備するものであり、各第３シール部材の回転密封環が、その両側に位置するスリーブで挟圧することによる摩擦係合力により回転体に固定されており、各回転体側通路が、当該シール空間に配置されたスリーブと軸体との対向周面間に形成した環状空間と、当該スリーブにその周方向に等間隔を隔てて穿設された複数の同一形状孔であってシール空間と環状空間とを連通する連通孔と、軸体の端部から軸体を貫通して環状空間に開口する通路孔とからなることを特徴とする、請求項１に記載する多流路形ロータリジョイント。
各第３シール部材が、両密封環の相対回転摺接作用によりシール機能を発揮する端面接触形のメカニカルシールであることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載する多流路形メカニカルシール。
第１及び第２シール部材の一方又は両方が、回転体に固定された回転密封環とケース体にＯリングを介して軸線方向移動可能に保持された静止密封環との相対回転によりシール空間とシール室外の大気領域とを遮蔽シールするメカニカルシールであることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載する多流路形ロータリジョイント。