JP2014040915A - 圧力制御されたシールアクチュエーターを有する回転継手 - Google Patents

Abstract

【課題】回転する機械コンポーネントと回転しないコンポーネントとの間の流体接続を提供する。
【解決手段】回転継手１００が、回転するシール部材１０２が接続された回転するシールキャリア１０１と、回転しないシール部材１０４が接続された回転しないシールキャリア１０３とを含んでいる。回転しないシールキャリアのピストン部分２０６は、自体に配置された流量制限リング２０８を持っており、両方がハウジング内に形成されたピストン内腔２０２内に摺動可能にかつシール可能に配置されている。ギャップ２１０が、流量制限リングの外径と前記ピストン内腔の内径との間に形成されている。ピストン部分の拡大された直径が、正味の空圧面または液圧面を提供し、それらの面が、ハウジング１０６のピストン内腔内に存在する正または負の気圧となっている流体による作用を受け得る。
【選択図】図３

Description

関連出願の参照
本特許出願は、米国特許仮出願番号第６１／６７９,３４３号（２０１２年８月３日出願）の利益を主張する。この内容は、参照したことによって、その全体が本明細書に組み込まれる。

開示の技術分野
本発明は、回転継手(rotary union)などの流体連結デバイス(fluid coupling device、流体カップリング装置)に関するものであり、より詳細には、改良されたシール制御アクチュエータ機構に関するものであって、該アクチュエータ機構は、回転継手内での、潤滑性の媒質(media)の使用、非潤滑性の媒質の使用、または、媒質の不使用に拘わらず、流体圧力で動作するものである。

回転継手などの流体連結デバイスは、産業上の用途において使用されており、それら用途は、例えば、金属またはプラスチックのマシニング、ワークホールディング、印刷、プラスチックフィルムの製造、製紙、半導体ウエハーの製造、および、固定された供給源（ポンプやリザーバーといったようなもの）から回転する要素（工作機械のスピンドル、ワーク片をクランプするシステム、または、回転するドラム、もしくは、シリンダーといったようなもの）へと流体媒質を移送することを必要とする他の産業上の処理である。これらの用途は、しばしば、比較的高い媒質圧力、流速、または、機械工具の高い回転速度を必要とする。

そのような用途において使用される回転継手は、冷却のために、加熱のために、または、１つ以上の回転する要素を作動させるために、該機器が使用する流体媒質を送る。典型的な流体媒質は、水を主成分とする(water-based)液体、液圧(hydraulic)オイルまたは冷却オイルおよび空気を含む。場合によっては、例えば、流体通路から媒質を排出するときに、回転継手は真空下で機能し得る。回転継手を使用する機械は、典型的には、ベアリング、ギア、電気部品、およびその他のものなどの精密部品を有するが、これらは、高価であり、および／または、点検の間の修理または交換が難しい。これらの部品はしばしば、作動の間に回転継手からの流体の漏れまたは排出に晒された場合に、腐食性の環境下に置かれるかまたは損傷を被る。

回転継手は、典型的には、固定部材(stationary member)を有し、該固定部材は、ハウジングと呼ばれることもあり、流体媒質を受け入れるための入り口を有する。回転しないシール部材が、ハウジング内に取り付けられる。回転する部材(rotating member)は、ローターと呼ばれることもあり、回転するシール部材を有し、かつ、回転する部品に流体を送るための出口とを有する。回転しないシール部材のシール面(seal surface)は、通常、バネ、媒質の圧力、またはその他の方法によって、回転するシール部材のシール面に対して、液密(fluid-tight)な係合をするように付勢(biased、バイアス)されており、それにより、継手の回転する部品と回転しない部品との間のシール(seal、密封）が形成されることが可能になっている。該シールは、回転しない部分と回転する部分との間での重大な漏れを伴うことなく、流体媒質を継手を通じて移送することを可能とする。回転継手を通過する流体媒質は、係合されたシール面を滑らかにして、シール部材の磨耗を最小にし得る。回転継手が非潤滑性の媒質（乾燥空気など）を伴って、または、いかなる媒質も伴わずに使用された場合、係合されたシール面は「ドライ・ラン（dry running）」状態を経験し、これが、十分な潤滑が欠如していることに起因した、シールの早い磨耗を引き起こす。長期間のドライランは、それらシール部材に対して深刻な損傷を引き起こすことがあり、それにより、一方または両方のシール部材の高価かつ時間のかかる交換が必要となる。

コンピューター数値制御（computer-numerical-control；ＣＮＣ）のミーリングマシン、ドリリングマシン、ターニングマシン、および、伝達ラインなどのような高速のマシニング機器は、回転継手を使用して、装置内の冷却および潤滑のために、工具（tool）の切れ刃（カッティングエッジ）に媒質(medium)を直接的に供給しており、該媒質は、通常「スルー・スピンドル・クーラント(through-spindle coolant)」と呼ばれている。スルー・スピンドル・クーラント装置は、高価な切断工具の耐用年数を延ばし、切断速度をより高くすることを可能とすることで生産性を向上させ、かつ、ワークピースまたは該工具を損傷し得る材料チップを切断工具の切断表面から流し取る。異なるワークピースの材料は、通常、最適な生産性および性能のために、異なる媒質を必要とする。例えば、空気またはエアロゾル媒質は、非常に硬い材料をマシニングするときに、より良い熱制御を提供でき、一方、液体クーラントは、アルミニウムなどのより軟らかい材料をマシニングするときに、より良いパフォーマンスを提供し得る。加えて、ある種の作業は、スルー・スピンドルの媒質なしでより効率的かつより安価に行うことができる。

ある種の用途においては、例えば、工具スピンドルを交換するときというような、シールが脱係合する場合の、連結部（カップリング）の作動流体(working fluid)がこぼれることを避けることもまた望まれる。同様に、作動流体と空気との混合物を含み得る流れの開始が、該作動流体の漏れを引き起こすことがないように、該作動流体が最高圧力(full pressure)となる前に、該連結部の回転シールを係合させることがさらに望ましいかもしれない。

一つの態様では、本開示は、回転する機械コンポーネント(machine component)と回転しない機械コンポーネントとの間の流体接続を提供するための回転継手を説明する。当該回転継手は、回転するシールキャリアを有し、該回転するシールキャリアは前記回転する機械コンポーネントへの接続に適合している。該回転するシールキャリアは自体に接続された回転するシール部材を持っている。回転しないシールキャリアが、概して円柱形状を持っており、該回転しないシールキャリアは、自体に接続された回転しないシール部材を持っている。ピストン部分が、前記回転しないシール部材に近接する前記回転しないシールキャリアの端部に接続されている。該ピストン部分は、前記回転しないシールキャリアと比べて拡大された直径を持った概して円柱形の形状を持っている。流量制限リング(flow restrictor ring)が、概して環状の形状を持っており、前記ピストン部分の周りに配置されている。ハウジングが前記回転しない機械コンポーネントに接続され、かつ、該ハウジングにはキャリア内腔(carrier bore)が形成され、該キャリア内腔内には前記回転しないシールキャリアが摺動可能にかつシール可能に配置されている。該回転しないシールキャリアが該ハウジングに対して伸び出した位置(extended position)にある場合には、前記回転しないシールが前記回転するシールに係合して摺動面シール(sliding face seal)を形成する。該ハウジングには、さらに、ピストン内腔が形成されており、該ピストン内腔は、その内部に、前記ピストン部分と前記流量制限リングとを摺動可能に受け入れており、それによって、前記流量制限リングの外径と前記ピストン内腔の内径との間に、ギャップ(gap、間隙)が半径方向に形成されるようになっている。区間分けされた媒質チャンネルが、前記回転するシールキャリアの中および回転しないシールキャリアの中に形成されている。該区間分けされた媒質チャンネルは、前記摺動面シールが存在している間に、前記回転する機械コンポーネントと回転しない機械コンポーネントとの間で流体媒質を移送する流体通路を定めるように適合している。該区間分けされた媒質チャンネルは、さらに、前記回転するシール部材と回転しないシール部材とが係合していない場合に、大気(atmosphere)へと通じるために開くように適合している。１つの開示される実施形態においては、前記ピストン部分の拡大された直径が、正味の空圧面または液圧面(net pneumatic or hydraulic surface)を提供し、該空圧面または液圧面が、前記ハウジングの前記ピストン内腔内に存在する正または負の気圧となっている流体による作用を受けることができる。

他の態様では、本開示は、回転するコンポーネントと回転しないコンポーネントとを含む機械に使用するための回転継手を説明する。当該回転継手は、前記の回転しない機械コンポーネントと回転する機械コンポーネントとの間に延びる区間分けされた媒質チャンネルを、流体的に接続するように配置される。当該回転継手は、回転するシールキャリアを含んでおり、該回転するシールキャリアは、前記回転する機械コンポーネントに接続可能である。該回転するシールキャリアは自体に接続された回転するシール部材を持っている。回転しないシールキャリアが、前記回転しない機械コンポーネントに接続可能であって、該回転しないシールキャリアは自体に接続された回転しないシール部材を持っている。ピストン部分が、前記回転しない機械コンポーネントに近接する前記回転しないシールキャリアの端部に形成されている。該ピストン部分は、前記回転しないシールキャリアと比べて拡大された外形寸法を持った概して円柱形の形状を持っている。ハウジングにはキャリア内腔が形成され、該キャリア内腔内には前記回転しないシールキャリアが摺動可能にかつシール可能に配置され、それによって、該回転しないシールキャリアが該ハウジングに対して伸び出した位置にある場合には、前記回転しないシールが前記回転するシールに係合して摺動面シールを形成するようになっている。該ハウジングには、さらに、ピストン内腔が形成されており、該ピストン内腔は、その内部に、前記ピストン部分を摺動可能に受け入れており、それによって、前記流量ピストン部分の外径と前記ピストン内腔の内径との間に、ギャップが半径方向に形成されるようになっている。区間分けされた媒質チャンネルが、前記回転するシールキャリアの中および回転しないシールキャリアの中に形成されている。該区間分けされた媒質チャンネルは、前記摺動面シールが存在している間に、前記回転する機械コンポーネントと回転しない機械コンポーネントとの間で流体媒質を移送する流体通路を定めるように適合している。該区間分けされた媒質チャンネルは、さらに、前記回転するシール部材と回転しないシール部材とが係合していない場合に、大気へと通じるために開くように適合している。前記ピストン部分の拡大された外形寸法は、正味の空圧面または液圧面を提供し、該空圧面または液圧面が、前記ハウジングの前記ピストン内腔内に存在する正または負の気圧となっている流体による作用を受けることができる。

さらに他の態様では、本開示は、回転するコンポーネントと回転しないコンポーネントとを持つ機械を説明する。該回転するコンポーネントと回転しないコンポーネントは、区間分けされた媒質チャンネルを形成し、該媒質チャンネルを通って、流体が前記回転するコンポーネントと回転しないコンポーネントとの間に供給され得る。当該機械は、さらに、回転継手を含んでおり、該回転継手は、前記区間分けされた媒質チャンネルに沿った流体通路を選択的に作るように配置されている。該回転継手は、回転するシールキャリアを有し、該回転するシールキャリアは、前記回転する機械コンポーネントに接続可能であって、該回転するシールキャリアは自体に接続された回転するシール部材を持っている。該回転継手は、さらに、回転しないシールキャリアを有し、該回転しないシールキャリアは、前記回転しない機械コンポーネントに接続可能であって、該回転しないシールキャリアは自体に接続された回転しないシール部材を持っている。ピストン部分が、前記回転しない機械コンポーネントに近接する前記回転しないシールキャリアの端部に形成されている。該ピストン部分は、前記回転しないシールキャリアと比べて拡大された外形寸法を持った概して円柱形の形状を持っている。ハウジングにはキャリア内腔が形成され、該キャリア内腔内には前記回転しないシールキャリアが摺動可能にかつシール可能に配置され、それによって、該回転しないシールキャリアが該ハウジングに対して伸び出した位置にある場合には、前記回転しないシールが前記回転するシールに係合して摺動面シールを形成するようになっている。該ハウジングには、さらに、ピストン内腔が形成されており、該ピストン内腔は、その内部に、前記ピストン部分を摺動可能に受け入れており、それによって、前記流量ピストン部分の外径と前記ピストン内腔の内径との間に、ギャップが半径方向に形成されるようになっている。前記区間分けされた媒質チャンネルは、前記流体通路を定めており、該流体通路は、前記摺動面シールが存在している間に、前記の回転する機械コンポーネントと回転しない機械コンポーネントとの間で流体媒質を移送するものである。前記区間分けされた媒質チャンネルは、前記の回転するシール部材と回転しないシール部材と係合していない場合には、大気へと通じるために開いている。作動の間には、前記ピストン部分の拡大された外形寸法が、正味の空圧面または液圧面を提供し、該空圧面または液圧面が、前記ハウジングの前記ピストン内腔内に存在する正または負の気圧となっている流体による作用を受けることができる。

図１は、本開示に従う回転継手の概略図である。 図２は、本開示に従う、回転する機械コンポーネントと固定(stationary)の機械コンポーネントとの間に据え付けられた回転継手の側面図である。 図３は、本開示に従う、空気制御された(air-controlled)シール係合機構を持った回転継手の一実施形態の断面図である。 図４は、本開示に従う、空気制御されたシール係合機構を持った回転継手の他の実施形態の断面図である。 図５は、本開示に従う、空気制御されたシール係合機構を持った回転継手を動作させる方法についてのフローチャートである。

詳細な説明
本明細書の一部を成す図面において、図１は、回転継手１００の一実施形態の組立分解した等角投影図であり、図２は、該回転継手１００が２つの機械コンポーネント同士の間に据え付けられた場合の該回転継手１００の側面図であって、それら機械コンポーネントは、それらの内部およびそれらの間での該回転継手の部品の設置を図解すべく、点線で示されかつ断面で示している。図１および２を参照すると、回転継手１００は、回転するシールキャリア１０１（通常、ローターと呼ばれる）の端部に接続された回転するシール部材１０２を含み、また、回転継手１００は、回転しないシールキャリア１０３の端部に接続された回転しないシール部材１０４を含んでいる（図３）。該回転しないシールキャリア１０３は、ハウジング１０６に対して軸方向に移動可能である。回転するシール部材１０２は、回転する機械コンポーネント１０８（図２）に結合されており、また、ハウジング１０６は、回転しない機械コンポーネント１１０に結合されている。図２に最もよく示されているように、区間分け(segmented)された導管、即ち、媒質チャンネル１１２が、回転しない機械コンポーネント１１０、回転するシールキャリア１０１と回転しないシールキャリア１０３、回転するシール部材および回転しないシール部材（それぞれ、１０２と１０４）、ならびに、回転する機械コンポーネント１０８を通過して延びている。

回転するシール部材および回転しないシール部材１０２、１０４が係合したときに、回転する機械コンポーネントおよび回転しない機械コンポーネント１０８、１１０を通過する流体通路が提供されるように、媒質チャンネル１１２の部分が、当該回転継手１００の異なる部品内に定められている。当該回転継手１００の動作に関してさらに詳細に説明する通り、また、以下に記載するような、図５のフローチャートに関して後述する記載の通り、媒質チャンネル１１２は、回転するシール部材および回転しないシール部材１０２、１０４が互いに係合したときには、流体を密封して(sealingly、シールして）閉じ込めるように、かつ、回転するシール部材と回転しないシール部材１０２、１０４とが係合していないときには、外気への排出のために開くように、選択的に構成されていてもよい。ある種の用途においては、媒質チャンネル１１２は、媒質チャンネル１１２内から作動流体を引き出して排出する真空にさらされてもよい。

回転する機械コンポーネント１０８は、ＣＮＣのミーリングマシン上のスピンドル等、あらゆるタイプの機械コンポーネントとすることができ、それらは、回転するキャリア１０１および回転するシール部材１０２を支持するものである。回転するシール部材１０２が回転しないシール部材１０４に係合したときに作り出される機械的な端面シール(mechanical face seal)は、回転しない機械コンポーネント１１０から回転する機械コンポーネント１０８へと流体媒質を移送するための媒質チャンネル１１２をシールする。図示される実施形態では、ハウジング１０６は、ボルト１０５（４つが示されている）によって、回転しない機械コンポーネント１１０に接続されており、該ボルトは、回転しない機械コンポーネント１１０内に形成された対応するねじを持った開口に係合しているが、他の取り付け装置(mounting arrangements)が使用できる。回転する機械コンポーネント１０８は、媒質チャンネル１１２の一部を定める内腔を持ち、回転するシールキャリア１０１と、回転するシール部材１０２とを密封的に受け入れるための造作部(features)をさらに定めている。

当該回転継手１００の一実施形態が図３の断面図に示されている。図３を参照すると、回転しないシール部材１０４は、回転しないシールキャリア１０３に接続されている。回転しないシールキャリア１０３は、ハウジング１０６の内腔１２８内に摺動可能(slidably)にかつシール可能(sealably)に配置されていて、内腔１２８のランド(land)１２９を摺動可能に係合させる外径部分を持つ。図３に示される通り、内腔１２８は、様々なその区間に沿って全体的に段が付けられており、それによって、該ランド１２９がキャリア１０３と摺動するように接触し、かつ、わずかなギャップをそれらの間に形成するようになっており、そのギャップによって、キャリア１０３と内腔１２８との間に、軸方向に角度をなすズレ(mis-alignment)が生じることが可能になっている。このズレによって、有利にも、当該回転継手は、回転する機械コンポーネントと回転しない機械コンポーネント（１０８と１１０）との間の、組立てのおよび操作上(operational)のズレ状態を受入れること(accommodate)ができるようになっている（図２）。回転しないシールキャリア１０３の周りを環状に延びるランド１２９の軸方向の長さおよび内径寸法は、それぞれの用途について、特定の設計要件と部品間の予測されるズレとに応じて選択できる。回転しない機械コンポーネント１１０に対して、回転しないシール部材１０４の摺動を可能にする構造的な配置は、回転しないシール部材１０４の、回転するシール部材１０２との選択的な係合および脱係合を可能にし、回転する機械コンポーネントおよび回転しない機械コンポーネント１０８、１１０同士の間に存在し得る軸方向の変位を補償し得る。

ハウジング１０６は、通路および開口を持ち、それらは、作動流体を媒質チャンネル１１２に提供するためのものであって、該流体は、液体または気体であり得、また、空気または真空を作動チャンネル(activation channel)に提供するためのものであり、こうすることによって、回転しないシールキャリア１０３がハウジング１０６に対して相対的に移動する。より具体的には、該ハウジング１０６には空気作動(air actuation)ポート２００が形成されており、これは、ハウジング１０６内に形成されているピストン内腔２０２に流体的に接続している。該ピストン内腔２０２は、回転しないシール１０４および回転しないシールキャリア１０３を収容する内腔１２８の一部であり、かつ、これと同軸である。図３に示されるように、該ピストン内腔２０２は、内腔１２８の残りの部分と比べて大きな直径を持ち、内腔１２８の端部に配置されることによって、回転するシール部材１０２に対面するその開放端部(open end)を形成している。作動空気通路(actuation air passage)２０４は、ハウジング１０６の一部分を通って延び、ピストン内腔２０２を作動空気ポート２００に流体的に相互接続する。

ピストン内腔２０２内に配置される回転しないシールキャリア１０３の一部は、その残りの部分と比べて拡大された直径を持ち、これは、分かりやすくするために本文においては、ピストン部分２０６と呼ぶこととする。回転しないシールキャリア１０３がハウジング１０６内に配置されるときは、該ピストン部分２０６は、ピストン内腔２０２内に往復するよう(reciprocally)に配置される。ピストン部分２０６の比較的拡大された直径は、正味(net)の空圧面(pneumatic surface)または液圧面(hydraulic surface)を提供し、それらが、作動空気通路２０４内に存在する圧力となっている流体または真空によって作用を受け得る。加圧された流体または真空が、流量制限リング(flow restrictor ring)２０８による補助によって、前記のような空圧面または液圧面に、概して隣接して収容される。

流量制限リング２０８は、ピストン部分２０６の外径とピストン内腔２０２の内径との間に存在し得るギャップ２１０のサイズと流れの特性を制御する。内燃機関における内腔と往復ピストンとの間に設けられるシールと類似した形態にて、該流量制限リング２０８は、概して環状を呈するシールであり、該シールはピストン部分２０６の周囲に環状に形成されたチャンネル２１２内に配置される。該流量制限リング２０８は、溝またはチャンネル２１２への据え付けを助けるための横断的にカット(cross-cut)された開口を含んでいてもよく、また代替的には、連続的であってかつ他の装置を使って据え付けられてもよい。

該流量制限リング２０８は、ピストン内腔２０２内への据え付けの間に、その半径方向内側の方向にわずかな圧縮が必要され得るように、さらに、ある程度の弾性を有していてもよい。代替的には、該流量制限リング２０８は、ピストン内腔２０２内にすきま嵌め(clearance fit)となる外径を持つようにつくられ得る。該流量制限リング２０８は、据え付けられた場合に、ピストンボリューム(piston volume)２１４に入りまたそこから出る流体、例えば空気、の微小な漏れを許容するように構成される。換言すると、該流量制限リング２０８とピストン内腔２０２との間の境界を通過する流体のために、および／または、ピストン部分２０６のために、制御された漏れ状態がつくられる。ピストンボリューム２１４という用語は、本文においては、作動空気通路２０４と流体的に連絡していて、かつ、該作動空気通路２０４と該流量制限リング２０８との間に定められているピストン内腔２０２の部分を説明するために使用される。該ピストンボリューム２１４が、ピストン内腔２０２の周りに概して対称的に広がることによって、ピストン部分２０６に加えられる任意の空圧力または流体圧力が、回転しないシール部材１０４に関して、有利にも、対称的となる。

二次的シール１４６は、ハウジング１０６と回転しないシールキャリア１０３の外部表面との間に摺動シール(sliding seal)を提供する。例示した実施形態における二次的シール１４６は、ピストンボリューム２１４と、回転しないシールキャリア１０３を通って延びる媒質チャンネル１１２の部分の入口１４４との間に、軸方向に位置している。該二次的シール１４６は、例えば、Ｕカップシール、Ｏリングシール、リップシールなど、任意の適切なタイプの摺動シールとして実施することができる。加圧された媒質または真空が媒質チャンネル１１２内に存在している場合には、該二次的シールは、周囲環境とピストンボリューム２１４との両方から媒質チャンネル１１２をシールするよう作用する。

動作中、比較的低い空気圧または真空をピストンボリューム２１４に加えることによって、回転しないシールキャリア１０３が、ハウジング１０６に対して、伸び出る(extend)かまたは引っ込む(retract)ことになる。換言すると、回転しないシールキャリア１０３に媒質によって作用し、該キャリアをハウジング１０６に対して軸方向に移動させるあらゆる液圧力にもかかわらず、空気圧または真空をピストンボリューム２１４に加えることは、空圧の（または、使用する流体のタイプに応じた液圧の）リニアピストンアクチュエータの効果を持つことになり、これは、該キャリア１０３を、ハウジング１０６の内腔２０２に対して伸び出させるかまたは引っ込ませるように作動させることになる。具体的には、空気の流れが空気作動ポート２００に提供されると、その空気の流れの運動量がピストンボリューム２１４を満たすことになり、たとえ空気の流れが制御された速度で流量制限リング２０８を通過して漏れることになっても、該流れの運動量は、ピストン部分２０２の後方側および／またはリング２０８を強く押すことになり、そのため、回転しないシールキャリア１０３はハウジング１０６に対して伸び出す方向に移動する。同様に、空気作動ポート２００に真空が加えられると、ピストンボリューム２１４内へと移動する空気の流れにおける流れの運動量が、漏れが制御された状態にてリング２０８を押すことになり、よって、回転しないシールキャリア１０３をハウジング１０６に対して引っ込ませる方向に押そうとする力を与える。代替的には、ハウジング１０６に向かうローターまたは回転するシールキャリア１０１の軸方向運動が、回転しないシールキャリア１０３の引っ込み(retraction)を生じさせてもよい。

該流量制限リング２０８に関しては、図３では矩形の断面を持つように示されているが、他の断面を用いることができる。該リング２０８は、任意の好適な材料でできていてよい。一実施形態では、該リング２０８は、所望の寸法に形成できる材料でできていて、ピストン内腔２０２の壁と相互作用する場合に、比較的低い摩擦を持っており、かつ、ピストンボリューム２１４に対して空気が作動流体として使用されるときに、概して自己潤滑性(self-lubricating)である。

ピストンボリューム２１４に空気または真空を独立して供給すると、有利にも、媒質チャンネル１１２内の作動媒質(working media)のタイプや有無にかかわらず、回転するシールの選択的な開放および閉鎖、つまり、回転するシール部材および回転しないシール部材１０２、１０４の係合または脱係合が可能になる。知られているように、バランス比は、回転しないシールキャリア１０３およびシール１０４に対して構造的に定めることができ、これは、媒質チャンネル１１２内に存在する流体に対する正味の液圧開放(hydraulic opening)等価面(equivalent surface)または液圧閉鎖(hydraulic closing)等価面を呈し得る。このようにして、この等価面に作用する加圧された流体は、回転するおよび回転しないシール部材１０２、１０４を係合または脱係合しようとする力を与え得る。例示される実施形態では、示された構造のバランス比は、約５４%であるが、５０〜６０％の間のどこであってもよい。このバランス比であれば、ある圧力で非圧縮性の媒質がチャンネル１１２内に存在するときに、回転するシールは係合でき、また、空気作動ポート２００に空気の流れが無いかまたは真空が供給される場合に、圧縮性の媒質が媒質チャンネル１１２内に存在するときに、回転するシール部材と回転しないシール部材と間にギャップを設けることができる。

回転継手１００の代替的な実施形態が図４に示される。ここで、わかりやすくするために、前述の、かつ、例えば、図３に示されるものと同様の参照符号が同様の構造を示している。本実施形態では、回転継手１００は、開放用バネ(opening spring)２１６を含んでいる。該開放用バネ２１６は、ハウジング１０６と回転しないシールキャリア１０３との間に配置され、回転しないシールキャリア１０３を、ハウジングに対して引っ込む軸方向へと押そうとする付勢力（バイアス力）を与えるように構成されている。本実施形態は、回転継手１００が、鉛直方向の向きまたは角度のついた向き、つまり、回転しないシールキャリア１０３の中心線２１８が水平ではない向きに据え付けられるような用途に好適となり得る。そのような用途では、バネによって付与される力が、回転しないシールキャリア１０３および回転しないシール部材１０４の重量に打ち勝つように十分であるように、該バネ２１６のバネ力またはバネ定数が選択され得る。理解できる通り、据え付けの向きによって、スプリングおよびハウジング１０６は、開く力ではなく閉じる力をもたらすように構成されてもよい。しかしながら、バネ２１６の存在および作用にかかわらず、回転しないシールキャリア１０３とシール部材１０４とのバランス比は、有利にも、図３および４について示され、かつ論じられる実施形態間で変化しないままであり得る。

回転継手１００を作動させるための方法のフローチャートが、図５に示されている。記載した方法は、回転継手１００を動作する１つの可能な態様を例示するべく示されており、他の動作態様を排除するとか、またはあらゆる可能な動作態様を排除すると理解されるべきでない。記載される方法は、回転継手の作動に望ましい特徴を含み、それぞれの作動タスク(operating task)の特定の要件に従って、該特徴のすべてまたは一部が、作動中の異なる時間で、または、異なる用途に使用され得る。

記載した方法は、作業タスク(work task)の開始時と終了時に望ましくない動作特性が存在する機械工具における、回転軸継手（ロータリーカップリング）の使用に適用可能である。意図された該作業タスクは、開始と、使用と、回転継手内からの作動媒質の排出とによるサイクルを含み得る。意図された用途においては、作動媒質の漏れは、作業タスクの開始時と終了時との両方において望ましくない。

前述の内容に留意しながら、３０２では、空気の流れが空気作動ポートに加えられ、該空気作動ポートは、先に論じたように、作動媒質が無い状態の回転シールを係合するように動作する。この段階では、該空気の流れによって、当該継手のピストン状の造作部が、回転しないシール部材をハウジングに対して伸び出させようとする力を与える。３０４では、シールが係合すると、該空気の流れは、任意選択的に中断されてもよく、該中断は、一実施形態では、媒質チャンネルにおける媒質の流れの開始と同時に起こるか、または、その後すぐ続く。開放用バネを含む回転継手の実施形態については、作動媒質がない場合の空気の流れの中断によって、シールが脱係合し得るため、それらの実施形態について、工程段階３０４は省略し得ることが理解されるべきである。開放用バネを含まない実施形態については、もしも、摩擦といったような静的な力やバネといったような閉じる力などが、あらゆる開放する力に打ち勝つことができ、シールの係合が維持されるようになっているならば、空気の流れの中断によってシールが脱係合することはない。

３０６では、回転シールが係合している状態で、作動媒質の流れが開始され得る。作動媒質の流れを開始する前にシールを閉鎖することが、いくつかの理由のために望ましいことがある。例えば、非圧縮性の作動媒質が、回転継手のバランス比に基づいて、シールの係合を生じることになっても、媒質チャンネルにおける流れ開始の限られた時間での不十分な液圧力(hydraulic forces)が、流体の漏れを可能にする。ただし、シールがすでに係合している場合を除く。３０２では、シールを係合するために、最初に空気の流れを供給することによって、そのような望ましくない流体の漏れがないようにし得る。

３０８では、作業タスクが完了すると、空気の流れが空気作動ポートに加えられる。通常、シールを係合させようとする力は、作動媒質からの液圧力とは混ざらず、シールの摩耗を低減する。ここで、空気の流れを加えるのは、シールが係合状態であり続けられるように、作動流体の流れおよび圧力が減じられる間の限られた時間についてである。３１０では、任意選択的に、あらゆる残りの作動流体を取り除くために、真空が媒質チャンネルに加えられ得るが、係合状態でシールを維持するために、空気の流れが依然として加えられる。このようにして、媒質チャンネルにおける効率的な排出が達成でき、流体の漏れを回避することができる。

３１２では、作動流体の排出が完了すると、空気作動ポートへの空気の流れは中断され、任意選択的に、その同じポートで代わりに真空が加えられ得る。前述のとおり、空気作動ポートに真空を加えると、シール部材の脱係合が生じ得る。ここでも、図４の実施形態に示されるような開放用バネが使用される場合、この工程段階が必要とはされ得ないことが理解されるべきである。代替的に、シール部材の脱係合は、回転するシール部材の軸方向の移動によって達成できる。

作動においては、当該回転継手１００は、ピストンボリューム２１４（図３または４）に約０barで供給される空気の流れまたは液体クーラントの流れを使用してもよく、それによって、シール部材１０２、１０４が係合できるようになっている。シールを脱係合するために、３〜６barの間の真空が使用され得る。これらのパラメーターの大きさは、シールの係合または脱係合を促す構造のために選択される特定の寸法に応じて変化し得る。

出版物、特許出願、および、特許を含む、本明細書で引用した全ての参考文献は、各参考文献が個別かつ具体的に参照したことによって組み込まれることが示され、かつ、その全体が本明細書に示されているのと同じ程度まで、参照したことによって本明細書に組み込まれる。

本発明を説明する文脈（特に添付の特許請求の範囲の文脈）における用語「a」および「an」および「the」並びに同様の指示対象の使用は、本明細書に別段の指示がないかまたは明らかに文脈に矛盾しない限り、単数および複数の両方を含むと解釈されるべきである。用語「有する」、「持つ」、「含む」および「含有する」は、別段の記載が無ければ、限定されない(open-ended)用語（即ち、「含むが、それに限定されない」ということを意味する）として解釈されるべきである。本明細書における値の範囲の列挙は、本明細書に別段の指示がない限り、その範囲内に入る各個別の値を個別に言及する簡易な方法としての役目を持つことを単に意図しており、各個別の値は、それが個別に本明細書に引用されたかのように本明細書に組み込まれる。本明細書に記載した全ての方法は、本明細書に別段の指示がない限り、または明らかに文脈に矛盾しない限り、任意の好適な順序で実行され得る。本明細書で与えた、任意および全ての例、または例示的な言葉使い（例、「といったような（such as）」の使用は、本発明をより良く明らかにすることを単に意図しており、別段の請求が無ければ、本発明の範囲を制限しない。本明細書中の言葉遣いは、あらゆる非請求の要素が本発明の実施に不可欠であることを指示していると解釈されてはならない。

本発明者らが知っている、本発明を実施するための最良の態様を含めて、本発明の好ましい実施形態が本明細書に記載されている。それらの好ましい実施形態の変形は、以上の説明を読んだ当業者に明らかとなり得る。本発明者らは、当業者がそのような変形を適宜採用することを考慮しており、また、本発明者らは、本発明が、本明細書に具体的に説明したものとは異なるようにして実施されることを意図している。従って、本発明は、本明細書に添付の特許請求の範囲に記載されている主題の、適用法によって許容されるあらゆる修正および均等物を含む。また、上述した要素の全ての可能な変形での任意の組み合わせが、本明細書に別段の指示がないか、または明らかに文脈に矛盾しない限り、本発明に包含される。

Claims (20)

1. 回転する機械コンポーネントと回転しない機械コンポーネントとの間の流体接続を提供するための回転継手であって、当該回転継手は：
   回転するシールキャリアを有し、該回転するシールキャリアは前記回転する機械コンポーネントへの接続に適合しており、該回転するシールキャリアは自体に接続された回転するシール部材を持っており；
   回転しないシールキャリアを有し、該回転しないシールキャリアは概して円柱形状を持っており、該回転しないシールキャリアは自体に接続された回転しないシール部材を持っており；
   ピストン部分を有し、該ピストン部分は、前記回転しないシール部材に近接する前記回転しないシールキャリアの端部に接続されており、該ピストン部分は、前記回転しないシールキャリアと比べて拡大された直径を持った概して円柱形の形状を持っており；
   流量制限リングを有し、該流量制限リングは、概して環状の形状を持っており、前記ピストン部分の周りに配置されており；
   ハウジングを有し、該ハウジングは前記回転しない機械コンポーネントに接続され、かつ、該ハウジングにはキャリア内腔が形成され、該キャリア内腔内には前記回転しないシールキャリアが摺動可能にかつシール可能に配置され、それによって、該回転しないシールキャリアが該ハウジングに対して伸び出した位置にある場合には、前記回転しないシールが前記回転するシールに係合して摺動面シールを形成するようになっており、該ハウジングには、さらに、ピストン内腔が形成されており、該ピストン内腔は、その内部に、前記ピストン部分と前記流量制限リングとを摺動可能に受け入れており、それによって、前記流量制限リングの外径と前記ピストン内腔の内径との間に、ギャップが半径方向に形成されるようになっており；
   区間分けされた媒質チャンネルを有し、該区間分けされた媒質チャンネルは、前記回転するシールキャリアの中および回転しないシールキャリアの中に形成されており、該区間分けされた媒質チャンネルは、前記摺動面シールが存在している間に、前記回転する機械コンポーネントと回転しない機械コンポーネントとの間で流体媒質を移送する流体通路を定めるように適合しており、該区間分けされた媒質チャンネルは、さらに、前記回転するシール部材と回転しないシール部材とが係合していない場合に、大気へと通じるために開くように適合しており；
   前記ピストン部分の拡大された直径が、正味の空圧面または液圧面を提供し、該空圧面または液圧面が、前記ハウジングの前記ピストン内腔内に存在する正または負の気圧となっている流体による作用を受け得る、
   前記回転継手。
2. 上記区間分けされた媒質チャンネルが、上記回転する機械コンポーネントと回転しない機械コンポーネントとの間で媒質を移送する場合に、正の圧力下でまたは真空下で作動するように構成されている、請求項１記載の回転継手。
3. さらに二次的シールを有し、該二次的シールは、上記ハウジングの上記キャリア内腔と上記回転しないシールキャリアとの間に配置されており、該二次的シールは、該キャリア内腔の内側表面と該回転しないシールキャリアの外部表面との間に摺動シールを提供し、該摺動シールは、上記区間分けされた媒質チャンネル内および上記ピストン内腔内に存在する異なる圧力の流体を隔離する、請求項１記載の回転継手。
4. 上記二次的シールが、上記ピストン内腔と、上記ハウジング内に配置された上記区間分けされた媒質チャンネルの入口開口との間で、軸方向に位置している、請求項３記載の回転継手。
5. 上記二次的シールが、Ｕカップシール、Ｏリングシール、および、リップシールからなる群から選択されるものである、請求項３記載の回転継手。
6. さらに作動通路を有し、該作動通路は、上記ハウジング内に形成されており、かつ、上記ピストン内腔を、該ハウジング内に形成された空気作動ポートに流体的に相互接続しており、かつ、該作動通路は、選択的に構成された流体圧力の供給源または流体圧力のシンクに接続されている、請求項１記載の回転継手。
7. 上記空気作動ポートに空気の流れが供給される場合に、上記空気作動通路を通って上記ピストン内腔へ入る該空気の流れにおける流れの運動量が、該ピストン内腔を満たし、所定の速度にて上記半径方向のギャップを通って上記流量制限リングを通過して漏れ、かつ、上記ピストン部分および該制限リングの後方側を動的に押し、一部が、上記回転しないシールキャリアを推し進めて上記ハウジングに対して伸び出す方向に移動させるように構成されている、請求項６記載の回転継手。
8. 上記空気作動ポートに真空が加えられる場合に、周囲環境から上記ピストン内腔に入る空気の流れにおける流れの運動量が、所定の速度にて上記半径方向のギャップを通って上記流量制限リングを通過して漏れ、かつ、上記ピストン部分および該制限リングの前方側を動的に押し、一部が、上記回転しないシールキャリアを押し進めて上記ハウジングに対して後退する方向に移動させるように構成されている、請求項６記載の回転継手。
9. さらに弾性要素を有し、該弾性要素は、上記回転しないシールキャリアと上記ハウジングとの間に配置されており、該弾性要素は、該回転しないシールキャリアを該ハウジングに対して引っ込める方向へと推し進める方向に、弾性力を与えるように配置されている、請求項１記載の回転継手。
10. 上記キャリア内腔の中心線が水平以外の角度のついた状態となっている姿勢にて、当該回転継手が据え付けられる場合に、上記弾性要素によって与えられる弾性力が、上記回転しないシールキャリアと上記回転しないシール部材との重量に打ち勝つのに十分であるように、該弾性力が構成されている、請求項９記載の回転継手。
11. 上記制限リングが、所要の寸法に形成可能な材料で作られており、該材料は、上記ピストン内腔の壁部と相互接触する場合に比較的低い摩擦を持ち、かつ、上記ピストン部分に対する作用流体として空気が使用されるとき、概しては自己潤滑性である、請求項１記載の回転継手。
12. 上記キャリア内腔および上記ピストン内腔は、上記ハウジング内で段が付けられた内腔として形成され、該キャリア内腔は、上記回転しないシールキャリアに対して隙間を持ち、該隙間によって、上記回転しないシールキャリアと前記キャリア内腔との間に軸方向に角度をなすズレが生じることが可能になっており、それによって、上記回転する機械コンポーネントと上記回転しない機械コンポーネントとの間の操作上のまたは組立てのズレ状態が受け入れられるようになっている、請求項１記載の回転継手。
13. 回転するコンポーネントと回転しないコンポーネントとを含む機械に使用するための回転継手であって、当該回転継手は、前記の回転しない機械コンポーネントと回転する機械コンポーネントとの間に延びる区間分けされた媒質チャンネルを、流体的に接続するように配置され、当該回転継手は：
    回転するシールキャリアを有し、該回転するシールキャリアは、前記回転する機械コンポーネントに接続可能であって、該回転するシールキャリアは自体に接続された回転するシール部材を持っており；
    回転しないシールキャリアを有し、該回転しないシールキャリアは、前記回転しない機械コンポーネントに接続可能であって、該回転しないシールキャリアは自体に接続された回転しないシール部材を持っており；
    ピストン部分を有し、該ピストン部分は、前記回転しない機械コンポーネントに近接する前記回転しないシールキャリアの端部に形成されており、該ピストン部分は、前記回転しないシールキャリアと比べて拡大された外形寸法を持った概して円柱形の形状を持っており；
    ハウジングを有し、該ハウジングにはキャリア内腔が形成され、該キャリア内腔内には前記回転しないシールキャリアが摺動可能にかつシール可能に配置され、それによって、該回転しないシールキャリアが該ハウジングに対して伸び出した位置にある場合には、前記回転しないシールが前記回転するシールに係合して摺動面シールを形成するようになっており、該ハウジングには、さらに、ピストン内腔が形成されており、該ピストン内腔は、その内部に、前記ピストン部分を摺動可能に受け入れており、それによって、前記流量ピストン部分の外径と前記ピストン内腔の内径との間に、ギャップが半径方向に形成されるようになっており；
    区間分けされた媒質チャンネルを有し、該区間分けされた媒質チャンネルは、前記回転するシールキャリアの中および回転しないシールキャリアの中に形成されており、該区間分けされた媒質チャンネルは、前記摺動面シールが存在している間に、前記回転する機械コンポーネントと回転しない機械コンポーネントとの間で流体媒質を移送する流体通路を定めるように適合しており、該区間分けされた媒質チャンネルは、さらに、前記回転するシール部材と回転しないシール部材とが係合していない場合に、大気へと通じるために開くように適合しており；
    前記ピストン部分の拡大された外形寸法が、正味の空圧面または液圧面を提供し、該空圧面または液圧面が、前記ハウジングの前記ピストン内腔内に存在する正または負の気圧となっている流体による作用を受け得る、
    前記回転継手。
14. さらに、流量制限リングを有し、該流量制限リングは、概して環状の形状を持っており、上記ピストン部分の周りに配置されており、上記ギャップが、該制限リングの外側部分と上記ピストン内腔の内側表面との間に設けられる、請求項１３記載の回転継手。
15. 正のゲージ圧の流体が上記ピストン内腔に供給された場合に、該ピストン内腔に入る流体の流れの運動量が該ピストン内腔を満たし、上記半径方向のギャップを通って上記ピストン部分を通過するように所定の速度で漏れ、かつ、該ピストン部分の後方側を動的に押し、それによって、上記回転しないシールキャリアを上記ハウジングに対して伸び出す方向に移動させる、請求項１３記載の回転継手。
16. 負のゲージ圧が上記ピストン内腔に導入された場合に、周囲環境から該ピストン内腔に入る空気の流れにおける流れの運動量が、所定の速度にて上記半径方向のギャップを通って漏れ、かつ、上記ピストン部分の前方側を動的に押すように構成されており、それによって、上記回転しないシールキャリアを上記ハウジングに対して引っ込める方向に移動させる、請求項１３記載の回転継手。
17. 回転するコンポーネントと回転しないコンポーネントとを持つ機械であって、該回転するコンポーネントと回転しないコンポーネントは、区間分けされた媒質チャンネルを形成し、該媒質チャンネルを通って、流体が前記回転するコンポーネントと回転しないコンポーネントとの間に供給され得、当該機械は、：
    回転継手を有し、該回転継手は、前記区間分けされた媒質チャンネルに沿った流体通路を選択的に作るように配置されており、該回転継手は：
    回転するシールキャリアを有し、該回転するシールキャリアは、前記回転する機械コンポーネントに接続可能であって、該回転するシールキャリアは自体に接続された回転するシール部材を持っており；
    回転しないシールキャリアを有し、該回転しないシールキャリアは、前記回転しない機械コンポーネントに接続可能であって、該回転しないシールキャリアは自体に接続された回転しないシール部材を持っており；
    ピストン部分を有し、該ピストン部分は、前記回転しない機械コンポーネントに近接する前記回転しないシールキャリアの端部に形成されており、該ピストン部分は、前記回転しないシールキャリアと比べて拡大された外形寸法を持った概して円柱形の形状を持っており；
    当該機械は、
    ハウジングを有し、該ハウジングにはキャリア内腔が形成され、該キャリア内腔内には前記回転しないシールキャリアが摺動可能にかつシール可能に配置され、それによって、該回転しないシールキャリアが該ハウジングに対して伸び出した位置にある場合には、前記回転しないシールが前記回転するシールに係合して摺動面シールを形成するようになっており、該ハウジングには、さらに、ピストン内腔が形成されており、該ピストン内腔は、その内部に、前記ピストン部分を摺動可能に受け入れており、それによって、前記流量ピストン部分の外径と前記ピストン内腔の内径との間に、ギャップが半径方向に形成されるようになっており；
    前記区間分けされた媒質チャンネルは、前記流体通路を定めており、該流体通路は、前記摺動面シールが存在している間に、前記の回転する機械コンポーネントと回転しない機械コンポーネントとの間で流体媒質を移送するものであり；
    前記区間分けされた媒質チャンネルは、前記の回転するシール部材と回転しないシール部材と係合していない場合には、大気へと通じるために開いており；
    前記ピストン部分の拡大された外形寸法が、正味の空圧面または液圧面を提供し、該空圧面または液圧面が、前記ハウジングの前記ピストン内腔内に存在する正または負の気圧となっている流体による作用を受け得る、
    前記機械。
18. 上記回転継手が、さらに、流量制限リングを有し、該流量制限リングは、概して環状の形状を持っており、上記ピストン部分の周りに配置されており、上記ギャップが、該制限リングの外側部分と上記ピストン内腔との間に設けられる、請求項１７記載の機械。
19. 正のゲージ圧の流体が上記ピストン内腔に供給された場合に、該ピストン内腔に入る流体の流れの運動量が該ピストン内腔を満たし、上記半径方向のギャップを通って上記ピストン部分を通過するように所定の速度で漏れ、かつ、該ピストン部分の後方側を動的に押し、それによって、上記回転しないシールキャリアを上記ハウジングに対して伸び出す方向に移動させる、請求項１７記載の機械。
20. 負のゲージ圧が上記ピストン内腔に導入された場合に、周囲環境から該ピストン内腔に入る空気の流れにおける流れの運動量が、所定の速度にて上記半径方向のギャップを通って漏れ、かつ、上記ピストン部分の前方側を動的に押すように構成されており、それによって、上記回転しないシールキャリアを上記ハウジングに対して引っ込める方向に移動させる、請求項１７記載の機械。

Images