JP2018035886A - ロータリジョイント - Google Patents

Abstract

【課題】メカニカルシールにおける摩耗粉の発生を有効に抑制できるロータリジョイントを提供する。【解決手段】ロータリジョイント１は、複数の第一流路１３４が内周側で開口した筒形のケース体２と、ケース体２内に設けられ複数の第二流路１１８が径方向に貫通した外筒体５と、外筒体５内でケース体２に対して回転可能に設けられ複数の第三流路１６５が外周側で開口した内軸体６と、外筒体５を独立して回転駆動する駆動源４と、第一流路１３４と第二流路１１８とを繋ぐ流路２４が形成され、ケース体２に取り付けられた第一密封環１１、及び外筒体５に取り付けられた第二密封環１２を有する複数の第一メカニカルシール７Ａと、第二流路１１８と第三流路１６５とを繋ぐ流路２７が形成され、外筒体５に取り付けられた第三密封環１４、及び内軸体６に取り付けられた第四密封環１５を有する複数の第二メカニカルシール７Ｂとを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、メカニカルシールを備えているロータリジョイントに関する。

従来、互いに相対回転する固定側部材と回転側部材とを備える装置（例えば、半導体製造装置、攪拌機、医療用機器、食品用機器）においては、固定側部材の流体通路と回転側部材の流体通路とを接続するため、固定側部材と回転側部材との間にロータリジョイントが設けられている（例えば、特許文献１参照）。

このようなロータリジョイントは、ケース体と、回転体と、メカニカルシールとを備えている。ケース体は固定側部材に固定されており、回転体は、回転側部材の回転に連動して回転するように、ケース体に対して回転自在に支持されている。メカニカルシールは、回転体に固定された回転密封環と、当該回転密封環に対向するようにケース体に保持された静止密封環とを有している。

そして、前記メカニカルシールは、回転体が回転側部材の回転に連動して回転するとき、回転密封環を回転体と一体回転させて、回転密封環のシール面を静止密封環のシール面に摺動させ、これにより、回転密封環と静止密封環との間をシールできるように構成されている。

特開平１１−２４８０７２号公報

前記ロータリジョイントのメカニカルシールは、特に回転密封環が低速回転するとき（例えば、回転体の始動時）、回転密封環と静止密封環との摺動に起因する摩耗粉（異物）が混入するという問題を引き起こすので、ロータリジョイントを用いる前記装置の種類によっては好ましくない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、メカニカルシールにおける摩耗粉の発生を有効に抑制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、複数の第一流路が内周側で開口して形成されている筒形のケース体と、前記ケース体内に設けられ、複数の第二流路が外周側と内周側とにわたって径方向に貫通して形成されている外筒体と、前記外筒体内において前記ケース体に対して相対回転可能として設けられ、複数の第三流路が外周側で開口して形成されている内軸体と、前記外筒体を、前記ケース体及び前記内軸体のそれぞれに対して独立して回転駆動する駆動源と、前記ケース体と前記外筒体との間に形成された第一環状空間に設けられ、当該第一環状空間を区画して前記第一流路と前記第二流路の径方向外側の開口とを繋ぐ流路を形成する複数の第一メカニカルシールと、前記外筒体と前記内軸体との間に形成された第二環状空間に設けられ、当該第二環状空間を区画して前記第二流路の径方向内側の開口と前記第三流路とを繋ぐ流路を形成する複数の第二メカニカルシールと、を備え、前記第一メカニカルシールは、前記ケース体の内周側に取り付けられ、環状の第一シール面を有する第一密封環と、前記外筒体の外周側に取り付けられ、前記第一シール面に対向する環状の第二シール面を有する第二密封環と、を有し、前記第二メカニカルシールは、前記外筒体の内周側に取り付けられ、環状の第三シール面を有する第三密封環と、前記内軸体の外周側に取り付けられ、前記第三シール面に対向する環状の第四シール面を有する第四密封環と、を有する。

上記のように構成されたロータリジョイントでは、ケース体に対する内軸体の相対回転とは独立して、外筒体を、第一メカニカルシールの第二密封環及び第二メカニカルシールの第三密封環と共に駆動源により回転させることで、第一及び第二メカニカルシールを作動させることができる。このため、ケース体に対して内軸体が相対回転を開始する前の段階から、駆動源により外筒体を所定の回転速度で回転させることで、前記相対回転の回転速度に関わらず、第一メカニカルシールの第二密封環を第一密封環と接触しないように、かつ、第二メカニカルシールの第三密封環を第四密封環と接触しないように、それぞれ所定の相対回転速度で回転させることができる。よって、第一及び第二メカニカルシールを、摩耗粉ができるだけ生じないように作動させることができる。この結果、メカニカルシールにおける摩耗粉の発生を有効に抑制できる。

また、ロータリジョイントには、ケース体の複数の第一流路それぞれが、各第一メカニカルシールの流路、外筒体の各第二流路、及び各第二メカニカルシールの流路を介して、内軸体の各第三流路と繋がった複数の流体通路が形成される。したがって、外筒体を独立回転させるロータリジョイントにおいて、簡単な構成で複数の流体通路を形成することができる。

上記ロータリジョイントにおいて、前記第一メカニカルシールは、前記第一シール面と前記第二シール面との間に動圧を発生させ、前記第一シール面に対して前記第二シール面を非接触状態に維持するメカニカルシールであり、前記第二メカニカルシールは、前記三シール面と前記第四シール面との間に動圧を発生させ、前記第三シール面に対して前記第四シール面を非接触状態に維持するメカニカルシールであるのが好ましい。

この場合、第一及び第二メカニカルシールは動圧型のメカニカルシールであるため、ケース体に対する内軸体の相対回転速度が低速になりやすい場合（例えば、相対回転速度が低速と高速との間で大きく変化する場合や、相対回転の駆動と停止とが頻繁に行われる場合）であっても、外筒体を所定の回転速度で独立回転させることで、第一及び第二メカニカルシールにおける摩耗粉の発生を有効に抑制できる。

本発明のロータリジョイントによれば、メカニカルシールにおける摩耗粉の発生を有効に抑制できる。

本発明の一実施形態に係るロータリジョイントを示す縦断面図であり、ケース体及び外筒体の説明図である。 上記ロータリジョイントを示す縦断面図であり、内軸体及び駆動源の説明図である。 上側に配置された第一及び第二メカニカルシール、及びその周囲を示す断面図である。

次に、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
［全体構成］
図１は、本発明の一実施形態に係るロータリジョイントを示す縦断面図である。図１において、このロータリジョイント１（以下、ジョイント１ともいう。）は、回転機器の固定側部材に取り付けられる筒形のケース体２及び駆動源４と、回転機器の回転側部材に取り付けられる内軸体６と、ケース体２と内軸体６との間に設けられた外筒体５とを備えている。ケース体２と外筒体５との間には第一環状空間Ａが形成されており、外筒体５と内軸体６との間には第二環状空間Ｂが形成されている。

なお、ジョイント１の姿勢は、図１に示す姿勢以外であってもよいが、本実施形態では、図１に示す上側（駆動源４側）をジョイント１の「上」とし、下側（駆動源４と反対に位置する回転機器側）をジョイント１の「下」とする。また、本発明において、「軸方向」とは、ロータリジョイント１の中心線に沿った方向（この中心線に平行な方向も含む）であり、ケース体２、駆動源４、外筒体５、内軸体６、及び、後述する第一及び第二メカニカルシール７Ａ，７Ｂそれぞれの中心線は、このロータリジョイント１の中心線と一致するようにして構成されている。また、本発明において「径方向」とは、ロータリジョイント１の中心線に対して直交する方向である。

［ケース体］
ケース体２は、上下に配置されたＮ個（Ｎ＝２以上の整数であり、図例ではＮ＝２）の流路フランジ１３２と、所定の間隔隔てて上下に隣り合う流路フランジ１３２の間に配置された（Ｎ−１）個の連結フランジ１３３とによって構成されている。

これらのフランジ１３２，１３３は円環状に形成されており、ボルト１０９によって上下方向に積み重ねた状態で連結、固定されている。これにより、ケース体２は、全体として筒形の構造体となっている。隣り合う流路フランジ１３２と連結フランジ１３３との間には、それぞれＯリング１０６が設けられている。

流路フランジ１３２は、径方向内側である外筒体５側へ突出している環状の突出部１３５を有している。同様に、連結フランジ１３３は、径方向内側へ突出している環状の突出部１３７を有している。そして、連結フランジ１３３には、第一環状空間Ａ及び第二環状空間Ｂの圧力を抜く圧抜き孔１３８が、連結フランジ１３３の突出部１３７内を通過するように、外周側と内周側とにわたって径方向に貫通して形成されている。

各流路フランジ１３２には、被密封流体が流れる第一流路１３４が径方向に貫通して形成されている。被密封流体としては、研磨液、加圧用空気、洗浄水、純水、エアーブロー用空気、研磨残渣液等の流体が挙げられる。本実施形態では、被密封流体として空気が用いられている。なお、本実施形態においては、被密封流体として、大気圧状態で使用される流体、又は加圧状態で使用される流体を例示したが、これに限定されるものでなく、減圧状態で使用される流体であってもよい。

第一流路１３４の路軸方向（図１の左右方向）の両端部は、流路フランジ１３２の内周側と外周側とで開口しており、本実施形態では、流路フランジ１３２の外周側の開口部が、前記固定側部材の複数の配管それぞれが接続される接続ポートとなる。以上より、ケース体２には、第一流路１３４が複数（流路フランジ１３２に対応する個数）形成された構成となる。

［外筒体］
外筒体５は、ケース体２の内部に同心上に配置されており、上下方向に長い直線状の筒本体１１０と、筒本体１１０に外嵌された外スリーブ１１１と、筒本体１１０に内嵌された内スリーブ１１２と、筒本体１１０の軸方向一端部（上端部）に固定された円板状の蓋体１１３とを有している。

筒本体１１０の外周（径方向外側）には、外スリーブ１１１の他に、後述する第一メカニカルシール７Ａの円環形の第二密封環１２が嵌合されている。第二密封環１２と外スリーブ１１１とは、軸方向に沿って交互に配置（換言すれば、上下の第二密封環１２，１２の間に外スリーブ１１１が配置）されている。外スリーブ１１１は（Ｎ−１）個設けられ、第二密封環１２はＮ個設けられている。外スリーブ１１１は、上下に隣り合う第二密封環１２，１２間のスペーサとして機能する。

筒本体１１０の外周において、最も上側に配置された第二密封環１２の上方には、端部スリーブ１１４Ａがさらに嵌合されている。
筒本体１１０の外周の下端部には、第二密封環１２、外スリーブ１１１、及び端部スリーブ１１４Ａを上方に押し付ける円筒形の押し付け部材１１５Ａが、ボルト１１９Ａによって固定されている。

筒本体１１０の上部側（軸方向一方側）には径方向外側に突出する外規制部１１０Ａが形成されている。この外規制部１１０Ａは、筒本体１１０に外嵌された、第二密封環１２、外スリーブ１１１、及び端部スリーブ１１４Ａが上側へ移動するのを規制している。

以上より、ボルト１１９Ａによって押し付け部材１１５Ａを締め付けることで、全ての第二密封環１２、外スリーブ１１１、及び端部スリーブ１１４Ａは、筒本体１１０の外規制部１１０Ａに向かって軸方向に押し付けられている。

押し付け部材１１５Ａによる押し付け力（軸方向の締め付け力）は、周方向で均等となる。この押し付け力により、外スリーブ１１１は第二密封環１２に押し付けられるとともに、端部スリーブ１１４Ａが第二密封環１２及び外規制部１１０Ａに押し付けられた状態となる。これにより、全ての第二密封環１２、外スリーブ１１１、及び端部スリーブ１１４Ａは、筒本体１１０と一体化され、相互間の摩擦力によって筒本体１１０と一体回転可能となる。

筒本体１１０の内周（径方向内側）には、内スリーブ１１２の他に、後述する第二メカニカルシール７Ｂの円環形の第三密封環１４が嵌合されており、第三密封環１４と内スリーブ１１２とは、軸方向に沿って交互に配置（換言すれば、上下の第三密封環１４，１４の間に外スリーブ１１１が配置）されている。内スリーブ１１２は（Ｎ−１）個設けられ、第三密封環１４はＮ個設けられている。内スリーブ１１２は、上下に隣り合う第三密封環１４，１４間のスペーサとして機能する。

筒本体１１０の内周において、最も上側の第三密封環１４の上方には、端部スリーブ１１４Ｂがさらに嵌合されている。
筒本体１１０の内周の下端部には、第三密封環１４、内スリーブ１１２、及び端部スリーブ１１４Ｂを上方に押し付ける円筒形の押し付け部材１１５Ｂが、ボルト１１９Ｂによって固定されている。

筒本体１１０の上部側（軸方向一方側）には径方向内側に突出する内規制部１１０Ｂが形成されている。この内規制部１１０Ｂは、筒本体１１０に内嵌された、第三密封環１４、内スリーブ１１２、及び端部スリーブ１１４Ｂが上側へ移動するのを規制している。

以上より、ボルト１１９Ｂによって押し付け部材１１５Ｂを締め付けることで、全ての第三密封環１４、内スリーブ１１２、及び端部スリーブ１１４Ｂは、筒本体１１０の内規制部１１０Ｂに向かって軸方向に押し付けられている。

押し付け部材１１５Ｂによる押し付け力（軸方向の締め付け力）は、周方向で均等となる。この押し付け力により、内スリーブ１１２が第三密封環１４に押し付けられるとともに、端部スリーブ１１４Ｂが第三密封環１４及び内規制部１１０Ｂに押し付けられた状態となる。これにより、全ての第三密封環１４、内スリーブ１１２、及び端部スリーブ１１４Ｂは、筒本体１１０と一体化され、相互間の摩擦力によって筒本体１１０と一体回転可能となる。

筒本体１１０には、被密封流体が流れるＮ本（図例では２本）の第二流路１１８が外周側と内周側とにわたって径方向に貫通して形成されている。これらの第二流路１１８それぞれは、筒本体１１０において上下方向で異なる（第二密封環１２及び第三密封環１４に対応する）高さ位置に形成されている。
また、筒本体１１０には、ケース体２側の前記圧抜き孔１３８に対応する位置に、貫通孔１４３が径方向に貫通して形成されている。

外スリーブ１１１には、筒本体１１０の貫通孔１４３に対応する位置に、貫通孔１１１ａが径方向に貫通して形成されている。同様に、内スリーブ１１２には、筒本体１１０の貫通孔１４３に対応する位置に、貫通孔１１２ａが径方向に貫通して形成されている。
これにより、第一環状空間Ａ内の圧力は、ケース体２の圧抜き孔１３８から外部に開放される。また、第二環状空間Ｂ内の圧力は、内スリーブ１１２の貫通孔１１２ａ、筒本体１１０の貫通孔１４３、外スリーブ１１１の貫通孔１１１ａ、及びケース体２の圧抜き孔１３８を介して外部に開放される。

筒本体１１０と端部スリーブ１１４Ａと第二密封環１２との間、筒本体１１０と外スリーブ１１１と第二密封環１２との間、及び筒本体１１０と押し付け部材１１５Ａと第二密封環１２との間には、それぞれＯリング１１７Ａが設けられている。これらのＯリング１１７Ａは、第二流路１１８を流れる被密封流体が他の流路へ浸入したり外部へ漏れたりするのを防いでいる。

筒本体１１０と端部スリーブ１１４Ｂと第三密封環１４との間、筒本体１１０と内スリーブ１１２と第三密封環１４との間、及び筒本体１１０と押し付け部材１１５Ｂと第三密封環１４との間には、それぞれＯリング１１７Ｂが設けられている。これらのＯリング１１７Ｂは、第二流路１１８を流れる被密封流体が他の流路へ浸入したり外部へ漏れたりするのを防いでいる。

筒本体１１０の上端部の外周面と、上側の流路フランジ１３２の内周面との間には、転がり軸受１２０が設けられている。また、筒本体１１０の下側に位置する押し付け部材１１５Ａの外周面と、下側の流路フランジ１３２の内周面との間には、転がり軸受１２１が設けられている。これにより、外筒体５は、ケース体２に対して回転可能とされている。

筒本体１１０の上端部の内周面と、内軸体６の外周面との間には、転がり軸受１２２が設けられている。また、筒本体１１０の下側に位置する押し付け部材１１５Ｂの内周面と、内軸体６の外周面との間には、転がり軸受１２３が設けられている。これにより、外筒体５は、内軸体６に対しても回転可能とされている。

［内軸体］
図２は、図１と同じ図であり、ジョイント１を示す縦断面図である。図２において、内軸体６は、外筒体５の内部に同心上に配置された状態で、前記回転側部材に取り付けられており、前記固定側部材に取り付けられたケース体２に対して回転可能である。
内軸体６は、上下に配置されたＮ個（図例では２個）の分割軸部１６０と、上下に隣り合う分割軸部１６０の間に配置された（Ｎ−１）個の連結軸部１６１とによって構成されている。

これらの軸部１６０，１６１は円柱状に形成されており、上下方向に積み重ねた状態でボルト１６３によって連結固定されている。これにより、内軸体６は、全体として円柱形の構造体となっている。なお、内軸体６は、全体として円筒形等の他の形状に形成されていてもよい。

分割軸部１６０それぞれは、径方向外側へ突出している環状の突出部１７０を有している。同様に、連結軸部１６１は、径方向外側へ突出している環状の突出部１７５を有している。各分割軸部１６０の連結軸部１６１側の端部と、連結軸部１６１の突出部１７５との間には、それぞれＯリング１６４が設けられている。これらのＯリング１６４は、後述する第三流路１６５を流れる被密封流体が他の流路へ浸入したり外部へ漏れたりするのを防いでいる。

内軸体６には、被密封流体が流れるＮ本の第三流路１６５が形成されている。それぞれの第三流路１６５は、内軸体６の内部において互いに径方向に所定間隔をおいて形成されている。また、第三流路１６５それぞれの上端側は、互いに異なる分割軸部１６０（上側の分割軸部１６０及び下側の分割軸部１６０）の外周面で開口している。これにより、第三流路１６５それぞれの上端側は、上下方向で互いに異なる高さ位置で開口している。

本実施形態では、内軸体６に２本の第三流路１６５が形成されており、そのうちの一方の第三流路１６５は内軸体６の中心線上に形成され、他方の第三流路１６５は内軸体６において前記一方の第三流路１６５よりも外周側に形成されている。

前記一方の第三流路１６５は、各分割軸部１６０の中央部において軸方向に延びて形成された流路孔１７１Ａと、連結軸部１６１の中央部で軸方向に貫通して形成された流路孔１７６とを有している。下側の分割軸部１６０に形成された流路孔１７１Ａは、軸方向に貫通して形成されており、流路孔１７１Ａの下端側は、下側の分割軸部１６０の下端面で開口している。

上側の分割軸部１６０には、径方向に延びる流路孔１７２Ａが形成されている。流路孔１７２Ａの径方向内端は流路孔１７１Ａの上端部に連通し、流路孔１７２Ａの径方向外端は、上側の分割軸部１６０の外周面で開口している。

したがって、内軸体６の中央部（中心線上）に形成される前記一方の第三流路１６５は、下側の分割軸部１６０の流路孔１７１Ａと、連結軸部１６１の流路孔１７６と、上側の分割軸部１６０の流路孔１７１Ａ及び流路孔１７２Ａとによって構成されている。

前記他方の第三流路１６５は、下側の分割軸部１６０において、流路孔１７１Ａよりも外周側（径方向外側）で軸方向に延びて形成された流路孔１７１Ｂと、径方向に延びる流路孔１７２Ｂとによって構成されている。流路孔１７１Ｂの下端側は、下側の分割軸部１６０の下端面で開口している。流路孔１７２Ｂの径方向内端は流路孔１７１Ｂの上端部に連通し、流路孔１７２Ｂの径方向外端は、下側の分割軸部１６０の外周面で開口している。

以上より、本実施形態の内軸体６には、その外周側で開口する第三流路１６５が２本形成された構成となり、各分割軸部１６０に形成されている流路孔１７２Ａ，１７２Ｂは、第三流路１６５の外周側の開口孔となる。これら第三流路１６５それぞれは、外筒体５の内周側に向かって開口しており、しかも、上下方向（軸方向）で異なる位置で開口している。また、内軸体６の下端面における流路孔１７１Ａ，１７１Ｂの開口には、前記回転側部材の複数の配管それぞれが接続される。

［駆動源］
図２において、駆動源４は、外筒体５をケース体２および内軸体６のそれぞれに対して独立して回転駆動するものであり、モータやエアタービン等を用いて構成されている。駆動源４は、外筒体５を所定の回転速度で回転させることができるように、外筒体５と一体的に連結されている。

本実施形態における駆動源４は、例えばモータ４１を備えており、ケース体２に固定されている。具体的には、モータ４１には円板状の支持板４３が一体に固定されており、この支持板４３が、上側の流路フランジ１３２の上端面に載置された状態でボルト４４により固定されている。

モータ４１は出力軸４２を有しており、この出力軸４２は、外筒体５の蓋体１１３の中心部に挿通して固定されている。これにより、モータ４１の出力軸４２を回転させることで、この出力軸４２と共に外筒体５を回転させることができる。

その際、外筒体５は、前記のとおり、転がり軸受１２０，１２１によりケース体２に対して回転させることができ、かつ、転がり軸受１２２，１２３により内軸体６に対して回転させることができる。したがって、モータ４１によって、ケース体２に対する内軸体６の相対回転とは独立して、外筒体５を回転させることができる。

［メカニカルシール］
図２において、ケース体２と外筒体５との間の第一環状空間Ａには第一メカニカルシール７Ａが設けられている。第一メカニカルシール７Ａは、外筒体５に沿って上下にＮ個並べて設けられている。また、外筒体５と内軸体６との間の第二環状空間Ｂには第二メカニカルシール７Ｂが設けられている。第二メカニカルシール７Ｂは、外筒体５に沿って上下にＮ個並べて設けられている。

本実施形態のジョイント１は、第一及び第二メカニカルシール７Ａ，７Ｂそれぞれを軸方向に複数個（図例では２個）配置した多流路ロータリジョイントとなる。
各第一メカニカルシール７Ａは、第一環状空間Ａを区画して、ケース体２における第一流路１３４と、外筒体５における第二流路１１８の径方向外側の開口とを繋ぐ流路２４を形成するために設けられている。
また、各第二メカニカルシール７Ｂは、第二環状空間Ｂを区画して、外筒体５における第二流路１１８の径方向内側の開口と、内軸体６の第三流路１６５とを繋ぐ流路２７を形成するために設けられている。

なお、複数の第一メカニカルシール７Ａそれぞれの機能は同様であり、ここでは、上側に配置される第一メカニカルシール７Ａを代表として説明する。同様に、複数の第二メカニカルシール７Ｂそれぞれの機能は同様であり、ここでは、上側に配置される第二メカニカルシール７Ｂを代表として説明する。

＜第一メカニカルシール＞
図３は、上側に配置された第一及び第二メカニカルシール７Ａ，７Ｂ及びその周囲を示す断面図である。図３において、流路フランジ１３２の内周側で開口する一つの第一流路１３４と、筒本体１１０の外周側で開口する一つの第二流路１１８とは、ほぼ同じ高さ位置で開口している。そして、これらの間に一つの第一メカニカルシール７Ａが設けられている。

第一メカニカルシール７Ａは、動圧型の非接触式のメカニカルシールからなり、第一密封環１１、第二密封環１２、及び弾性部材としてコイルスプリング１３を有している。
第二密封環１２は、前記のとおり、筒本体１１０に一体回転可能に設けられている。第二密封環１２の軸方向の両端面は、環状の第二シール面２２，２２とされている。

第一密封環１１は、第二密封環１２を挟んで配置された上下一対で一組とされ、この一組の第一密封環１１，１１が、一つの第一メカニカルシール７Ａの構成部材となる。一組の第一密封環１１それぞれは、第二密封環１２の第二シール面２２，２２にそれぞれ対向する環状の第一シール面２０，２０を有している。

各第一密封環１１は、円環形に形成されており、ケース体２に回り止めされている。本実施形態では、流路フランジ１３２に軸方向下側へ延びる係止ピン１３６が固定されており、この係止ピン１３６が、上側の第一密封環１１の軸方向端部に形成された係止溝２１に係止されている。これにより、上側の第一密封環１１はケース体２に回り止めされている。

また、連結フランジ１３３には軸方向上側へ延びる係止ピン１３９が固定されており、この係止ピン１３９が、下側の第一密封環１１の軸方向端部に形成された係止溝２１に係止されている。これにより、下側の第一密封環１１はケース体２に回り止めされている。

第二密封環１２の第二シール面２２，２２それぞれには、動圧発生溝２３，２３が形成されている。各動圧発生溝２３は、第一密封環１１の第一シール面２０と、この第一シール面２０に対向する第二密封環１２の第二シール面２２とが接触しないように、これらのシール面２０，２２の相対回転に伴って動圧を発生させるように、適宜の形状で形成されている。

なお、第一密封環１１は、例えば、ステンレスとセラミックコーティングを用いて、またはステンレスと炭化ケイ素を用いて製造されている。また、第二密封環１２は、例えば、カーボンを用いて製造されている。

コイルスプリング１３は、第一密封環１１と流路フランジ１３２の突出部１３５との間に、圧縮された状態で介在している。このため、コイルスプリング１３の弾性復元力によって、第一密封環１１は第二密封環１２側へ向かって軸方向に押されている。コイルスプリング１３は周方向に沿って複数設けられている。コイルスプリング１３の弾性復元力は、動圧によって第一密封環１１の第一シール面２０と第二密封環１２の第二シール面２２との間に所定間隔を確保できるように適宜設定される。

したがって、第一メカニカルシール７Ａでは、外筒体５の回転時に、第二密封環１２を第一密封環１１に対して回転させて、動圧を発生させることができる。これにより、第一密封環１１の第一シール面２０と第二密封環１２の第二シール面２２との間を非接触状態に維持しながら、第一メカニカルシール７Ａの外周側とケース体２（流路フランジ１３２および連結フランジ１３３）との間に形成された環状の第一密封領域Ｓａを通過する被密封流体が、両シール面２０，２２の間から外部へ漏れるのを防ぐことができる。

流路フランジ１３２の突出部１３５の内周面と、これに対向する上側の第一密封環１１の外周面との間には、Ｏリング１７Ａが設けられており、このＯリング１７Ａによるシール機能によって、第一密封領域Ｓａの被密封流体が外部へ漏れるのを防いでいる。なお、上側の第一密封環１１は、Ｏリング１７Ａを介して流路フランジ１３２の突出部１３５に対して軸方向に移動可能な状態で嵌合保持されている。

連結フランジ１３３の突出部１３７の内周面と、これに対向する下側の第一密封環１１の外周面との間には、Ｏリング１８Ａが設けられており、このＯリング１８Ａによるシール機能によって、第一密封領域Ｓａの被密封流体が外部へ漏れるのを防いでいる。なお、下側の第一密封環１１は、Ｏリング１８Ａを介して連結フランジ１３３の突出部１３７に対して軸方向に移動可能な状態で嵌合保持されている。

第二密封環１２は、筒本体１１０の第二流路１１８とほぼ同じ高さ位置に配置されており、被密封流体が流れる流路２４が外周側と内周側とにわたって径方向に貫通して形成されている。流路２４の径方向内側の開口は、第二流路１１８の径方向外側の開口と連通しており、流路２４の径方向外側の開口は、第一密封領域Ｓａに連通している。

これにより、外筒体５における第二流路１１８は、流路２４および第一密封領域Ｓａを介して、ケース体２の第一流路１３４と連通している。したがって、流路２４は、ケース体２の第一流路１３４と、外筒体５における第二流路１１８の径方向外側の開口とを繋ぐ流路となる。

＜第二メカニカルシール＞
筒本体１１０の内周側で開口する一つの第二流路１１８と、分割軸部１６０の外周側で開口する一つの第三流路１６５とは、ほぼ同じ高さ位置で開口している。そして、これらの間に一つの第二メカニカルシール７Ｂが設けられている。

第二メカニカルシール７Ｂは、動圧型の非接触式のメカニカルシールからなり、第三密封環１４、第四密封環１５、及び弾性部材としてコイルスプリング１６を有している。
第三密封環１４は、前記のとおり、筒本体１１０に一体回転可能に設けられている。第三密封環１４の軸方向の両端面は、環状の第三シール面２５，２５とされている。

第四密封環１５は、第三密封環１４を挟んで配置された上下一対で一組とされ、この一組の第四密封環１５，１５が、一つの第二メカニカルシール７Ｂの構成部材となる。一組の第四密封環１５それぞれは、第三密封環１４の第三シール面２５，２５にそれぞれ対向する環状の第四シール面２８，２８を有している。

各第四密封環１５は、円環形に形成されており、内軸体６に回り止めされている。本実施形態では、分割軸部１６０に軸方向下側へ延びる係止ピン１７３が固定されており、この係止ピン１７３が、上側の第四密封環１５の軸方向端部に形成された係止溝２９に係止されている。これにより、上側の第四密封環１５は内軸体６に回り止めされている。

また、連結軸部１６１には軸方向上側へ延びる係止ピン１７７が固定されており、この係止ピン１７７が、下側の第四密封環１５の軸方向端部に形成された係止溝２９に係止されている。これにより、下側の第四密封環１５は内軸体６に回り止めされている。

第三密封環１４の第三シール面２５，２５それぞれには、動圧発生溝２６，２６が形成されている。各動圧発生溝２６は、第四密封環１５の第四シール面２８と、この第四シール面２８に対向する第三密封環１４の第三シール面２５とが接触しないように、これらのシール面２５，２８の相対回転に伴って動圧を発生させるように、適宜の形状で形成されている。

なお、第三密封環１４は、例えば、カーボンを用いて製造されている。また、第四密封環１５は、例えば、ステンレスとセラミックコーティングを用いて、またはステンレスと炭化ケイ素を用いて製造されている。

コイルスプリング１６は、第四密封環１５と分割軸部１６０の突出部１７０との間に、圧縮された状態で介在している。このため、コイルスプリング１６の弾性復元力によって、第四密封環１５は第三密封環１４側へ向かって軸方向に押されている。コイルスプリング１６は周方向に沿って複数設けられている。コイルスプリング１６の弾性復元力は、動圧によって第三密封環１４の第三シール面２５と第四密封環１５の第四シール面２８との間に所定間隔を確保できるように適宜設定される。

したがって、第二メカニカルシール７Ｂでは、外筒体５の回転時に、第三密封環１４を第四密封環１５に対して回転させて、動圧を発生させることができる。これにより、第三密封環１４の第三シール面２５と第四密封環１５の第四シール面２８との間を非接触状態に維持しながら、第二メカニカルシール７Ｂの内周側と内軸体６（分割軸部１６０および連結軸部１６１）との間に形成された環状の第二密封領域Ｓｂを通過する被密封流体が、両シール面２５，２８の間から外部へ漏れるのを防ぐことができる。

分割軸部１６０の突出部１７０の外周面と、これに対向する上側の第四密封環１５の内周面との間には、Ｏリング１７Ｂが設けられており、このＯリング１７Ｂによるシール機能によって、第二密封領域Ｓｂの被密封流体が外部へ漏れるのを防いでいる。なお、上側の第四密封環１５は、Ｏリング１７Ｂを介して分割軸部１６０の突出部１７０に対して軸方向に移動可能な状態で嵌合保持されている。

連結軸部１６１の突出部１７５の外周面と、これに対向する下側の第四密封環１５の内周面との間には、Ｏリング１８Ｂが設けられており、このＯリング１８Ｂによるシール機能によって、第二密封領域Ｓｂの被密封流体が外部へ漏れるのを防いでいる。なお、下側の第四密封環１５は、Ｏリング１８Ｂを介して連結軸部１６１の突出部１７５に対して軸方向に移動可能な状態で嵌合保持されている。

第四密封環１５は、筒本体１１０の第二流路１１８とほぼ同じ高さ位置に配置されており、被密封流体が流れる流路２７が外周側と内周側とにわたって径方向に貫通して形成されている。流路２７の径方向外側の開口は、第二流路１１８の径方向内側の開口と連通しており、流路２７の径方向内側の開口は、第二密封領域Ｓｂに連通している。

これにより、外筒体５における第二流路１１８は、流路２７および第二密封領域Ｓｂを介して、内軸体６の第三流路１６５と連通している。したがって、流路２７は、内軸体６の第三流路１６５と、外筒体５における第二流路１１８の径方向内側の開口とを繋ぐ流路となる。

以上より、第一及び第二メカニカルシール７Ａ，７Ｂにより構成される流路２４，２７によって、ケース体２の第一流路１３４と、外筒体５の第二流路１１８と、内軸体６の第三流路１６５とが連結される。そして、第一流路１３４、流路２４、第二流路１１８、流路２７、及び第三流路１６５により、一つの独立した流体通路８が構成されている。これによって、図２に示すように、ジョイント１には複数（本実施形態では２個）の流体通路８が形成されている。

以上、本実施形態のロータリジョイント１によれば、ケース体２に対する内軸体６の相対回転とは独立して、外筒体５を、第一及び第二メカニカルシール７Ａ，７Ｂの密封環１２，１４と共に駆動源４により回転させることで、第一及び第二メカニカルシール７Ａ，７Ｂを作動させることができる。このため、ケース体２に対して内軸体６が相対回転を開始する前の段階から、駆動源４により外筒体５を所定の回転速度で回転させることで、前記相対回転の回転速度に関わらず、第一メカニカルシール７Ａの第二密封環１２を第一密封環１１と接触しないように、かつ、第二メカニカルシール７Ｂの第三密封環１４を第四密封環１５と接触しないように、それぞれ所定の相対回転速度で回転させることができる。よって、第一及び第二メカニカルシール７Ａ，７Ｂを、摩耗粉ができるだけ生じないように作動させることができる。この結果、第一及び第二メカニカルシール７Ａ，７Ｂにおける摩耗粉の発生を有効に抑制できる。

また、ロータリジョイント１には、ケース体２の複数の第一流路１３４それぞれが、各第一メカニカルシール７Ａの流路２４、外筒体５の各第二流路１１８、及び各第二メカニカルシール７Ｂの流路２７を介して、内軸体６の各第三流路１６５と繋がった複数の流体通路８が形成される。したがって、外筒体５を独立回転させるロータリジョイント１において、簡単な構成で複数の流体通路８を形成することができる。

また、第一及び第二メカニカルシール７Ａ，７Ｂは動圧型の非接触式メカニカルシールであるため、ケース体２に対する内軸体６の相対回転速度が低速になりやすい場合（例えば、相対回転速度が低速と高速との間で大きく変化する場合や、相対回転の駆動と停止とが頻繁に行われる場合）であっても、外筒体５を所定の回転速度で独立回転させることで、第一及び第二メカニカルシール７Ａ，７Ｂにおける摩耗粉の発生を有効に抑制できる。

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。例えば、上記実施形態におけるロータリジョイント１は、その軸方向が上下方向となるように配置されているが、前記軸方向が水平方向となるように配置されていてもよい。

また、上記実施形態における第一及び第二メカニカルシール７Ａ，７Ｂは、動圧型の非接触式メカニカルシールであるが、例えば窒素ガスや空気を外部から第一密封環１１、第四密封環１５へと供給することにより、第一密封環１１及び第二密封環１２、第四密封環１５及び第三密封環１４を非接触とする静圧を生じさせる静圧型の非接触式メカニカルシールであってもよい。
また、上記実施形態におけるロータリジョイント１は、固定側部材にケース体２を取り付け、回転側部材に内軸体６を取り付けているが、固定側部材に内軸体６を取り付け、回転側部材にケース体２を取り付けてもよい。

１ ロータリジョイント
２ ケース体
４ 駆動源
５ 外筒体
６ 内軸体
７Ａ 第一メカニカルシール
７Ｂ 第二メカニカルシール
１１ 第一密封環
１２ 第二密封環
１４ 第三密封環
１５ 第四密封環
２０ 第一シール面
２２ 第二シール面
２４ 流路
２５ 第三シール面
２７ 流路
２８ 第四シール面
１１８ 第二流路
１３４ 第一流路
１６５ 第三流路
Ａ 第一環状空間
Ｂ 第二環状空間

Claims (2)

1. 複数の第一流路が内周側で開口して形成されている筒形のケース体と、
   前記ケース体内に設けられ、複数の第二流路が外周側と内周側とにわたって径方向に貫通して形成されている外筒体と、
   前記外筒体内において前記ケース体に対して相対回転可能として設けられ、複数の第三流路が外周側で開口して形成されている内軸体と、
   前記外筒体を、前記ケース体及び前記内軸体のそれぞれに対して独立して回転駆動する駆動源と、
   前記ケース体と前記外筒体との間に形成された第一環状空間に設けられ、当該第一環状空間を区画して前記第一流路と前記第二流路の径方向外側の開口とを繋ぐ流路を形成する複数の第一メカニカルシールと、
   前記外筒体と前記内軸体との間に形成された第二環状空間に設けられ、当該第二環状空間を区画して前記第二流路の径方向内側の開口と前記第三流路とを繋ぐ流路を形成する複数の第二メカニカルシールと、を備え、
   前記第一メカニカルシールは、前記ケース体の内周側に取り付けられ、環状の第一シール面を有する第一密封環と、前記外筒体の外周側に取り付けられ、前記第一シール面に対向する環状の第二シール面を有する第二密封環と、を有し、
   前記第二メカニカルシールは、前記外筒体の内周側に取り付けられ、環状の第三シール面を有する第三密封環と、前記内軸体の外周側に取り付けられ、前記第三シール面に対向する環状の第四シール面を有する第四密封環と、を有する、ロータリジョイント。
2. 前記第一メカニカルシールは、前記第一シール面と前記第二シール面との間に動圧を発生させ、前記第一シール面に対して前記第二シール面を非接触状態に維持するメカニカルシールであり、
   前記第二メカニカルシールは、前記三シール面と前記第四シール面との間に動圧を発生させ、前記第三シール面に対して前記第四シール面を非接触状態に維持するメカニカルシールである、請求項１に記載のロータリジョイント。

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