JP4629636B2 - 流体送給機構における回転シール機構およびロータリジョイント - Google Patents

Description

本発明は、回転部に流体を送給するための流体送給機構における回転シール機構およびこの回転シール機構に用いられるロータリジョイントに関するものである。

工作機械の主軸など作動時に回転状態にある回転部に冷却用のクーラントなどの流体を送給する流体送給機構において、固定された流体送給配管を回転部の流路と接続する流体継手としてロータリジョイントが用いられる。ロータリジョイントは、回転部に結合されて回転する回転軸と流体送給配管に接続される固定軸とを同軸に配置して軸方向に対向させ、それぞれの対向端面に装着された回転シールのシール面を相互に密着させることにより流体の漏洩を防止する構成となっている。

ところで近年、従来一般に用いられていた水系の液体クーラントのほかに、エアを冷却媒体として用いる場合がある。エアを用いることにより、冷却対象に応じた適正な冷却特性が得られること、また使用後の廃液処理などの環境対策が不要で環境負荷を低減することができることなどの利点がある。そして同一装置によって液体クーラントとエアとを使い分ける必要がある場合には、流体継手として用いられるロータリジョイントは、流体としての特性の異なる液体と気体の双方に対して使用可能となるよう考慮がなされたものであることが必要とされ、従来よりこのような用途を想定したタイプのロータリジョイントが提案されている（例えば特許文献１参照）。

特許文献１に示す例は、回転軸側に設けられた回転シールを固定シールに摺接させて流体の漏洩を防止する面シール部を形成し、固定シールを保持するフローティングシートを流体圧によって回転軸側に押し付けてシール面圧を発生させる構成において、フローティングシートの外周面に段差部を設け、この段差部に流体圧を作用させるようにしている。そして使用される流体が液体クーラントである場合には、この段差部には液体クーラントの圧力に応じた液圧が作用し、エアである場合には、エア圧に応じた空圧が作用する。これにより、対象とする流体の種類に応じてシール面圧を変更することができ、同一装置によって液体クーラントとエアの使い分けを可能としている。
特許第３０３７９００号公報

しかしながら、上述の特許文献例に示す先行技術においては、上述の構成に起因して、シール面圧の変更のための構成において以下に述べるような難点があった。すなわちこの先行技術例では、より高いシール面圧値を必要とする液体クーラントを対象とする場合に、シール面圧を調整するためにフローティングシートの外周面に液体クーラントを導入する構成となっていた。このため、液体クーラント中のスラッジなどの異物がハウジングとフローティングシートとの摺動隙間内に噛込み、動作不良を生じやすいものであった。また、液体クーラントを面圧調整用に別途導く必要があることから、ロータリジョイントの装着時の配管作業が複雑で簡便・容易な取付が難しいという難点があった。このように、従来のシール面圧値の異なる複数種類の流体について使用可能なロータリジョイントを用いた回転シール機構においては、面圧調整機構の構成が必ずしも合理的でなく、動作不良や取付時の作業性などに難点があった。

本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、面圧調整を合理的に行うことが可能な流体送給機構における回転シール機構およびこの回転シール機構に用いられるロータリジョイントを提供することを目的とする。

本発明の流体送給機構における回転シール機構は、軸方向の回転流路が設けられた回転部および軸方向の固定流路が設けられた固定部を同軸配置して成り、２つの流体供給源から供給され供給圧と適正なシール面圧値との比が異なる２種類の流体を軸心廻りに回転する前記回転部の回転流路へ前記固定流路を介して選択的に送給する流体送給機構における回転シール機構であって、前記回転部に設けられ側端面に前記回転流路が開口した第１のシール面を有する回転シール部と、前記固定流路が前記軸方向に貫通して形成された固定軸部を有し、一方側の側端面に前記固定流路が開口した第２のシール面を有する固定シール部と、前記固定部の本体を構成するハウジング部材に設けられ前記固定軸部が前記軸方向の移動が許容された状態で嵌合する嵌合孔と、前記固定軸部を、前記嵌合孔に嵌合する軸径で設けられた大径部およびこの大径部よりも小さい軸径で前記第２のシール面側に近接して設けられた小径部に区分する段差部と、前記嵌合孔に前記固定軸部が嵌合した状態において前記嵌合孔の内周面と前記小径部および大径部との間の隙間をそれぞれシールする第１の軸シール部および第２の軸シール部と、前記第１の軸シール部および第２の軸シール部の間において前記小径部と前記嵌合孔の内周面との間の隙間に開孔し、前記隙間内に前記２種類の流体のうちシール面圧値が低い方の流体を面圧調整流体として送給する加圧開孔と、前記２つの流体供給源から前記２種類の流体のうちのいずれかを前記嵌合孔内へ選択的に供給して前記固定流路を介して前記回転流路へ送給するとともに、前記選択的に供給される流体が前記シール面圧値が低い方の流体である場合にのみ前記加圧開孔に前記面圧調整流体を送給する流体供給手段とを備え、前記固定軸部の他方側の側端面に前記供給された流体の流体圧を作用させて前記固定シール部を前記回転シール部に対して押圧することにより、前記第１のシール面と第２のシール面とを相互に密着させて面シール部を形成し、前記加圧開孔を介して前記面圧調整流体を前記隙間内に送給して前記段差部に面圧調整流体圧を作用させることにより、前記固定シール部に前記流体圧による押圧力と反対方向の力を作用させて前記面シール部のシール面圧を低減させ、前記２種類の流体は、供給圧が１Ｍｐａ〜２０Ｍｐａの範囲の第１流体としての液体クーラントと、供給圧が０．１Ｍｐａ〜１Ｍｐａの範囲の第２流体としてのエアであり、前記第１流体を供給する場合における前記供給圧に対する前記面シール部のシール面圧値の比が０．６〜１．２の範囲となるように、また前記第２流体を供給する場合における前記供給圧に対する前記面シール部のシール面圧値の比が０．１〜０．５の範囲となるように、前記固定軸部の小径部、大径部の外形寸法および前記固定流路の内径寸法が決定されている。

本発明のロータリジョントは、軸方向の回転流路が設けられた回転部および軸方向の固定流路が設けられた固定部を同軸配置して成り、２つの流体供給源から供給され供給圧と適正なシール面圧値との比が異なる２種類の流体を軸心廻りに回転する前記回転部の回転流路へ前記固定流路を介して選択的に送給する流体送給機構に用いられるロータリジョイントであって、前記回転部に設けられ側端面に前記回転流路が開口した第１のシール面を有する回転シール部と、前記固定流路が前記軸方向に貫通して形成された固定軸部を有し、一方側の側端面に前記固定流路が開口した第２のシール面を有する固定シール部と、前記固定部の本体を構成するハウジング部材に設けられ前記固定軸部が前記軸方向の移動が許容された状態で嵌合する嵌合孔と、前記固定軸部を、前記嵌合孔に嵌合する軸径で設けられた大径部およびこの大径部よりも小さい軸径で前記第２のシール面側に近接して設けられた小径部に区分する段差部と、前記嵌合孔に前記固定軸部が嵌合した状態において前記嵌合孔の内周面と前記小径部および大径部との間の隙間をそれぞれシールする第１の軸シール部および第２の軸シール部と、前記第１の軸シール部および第２の軸シール部の間において前記小径部と前記嵌合孔の内周面との間の隙間に開孔し、前記隙間内に前記２種類の流体のうちシール面圧値が低い方の流体を面圧調整流体として送給する加圧開孔と、前記２つの流体供給源から前記２種類の流体のうちのいずれかを前記嵌合孔内へ選択的に供給して前記固定流路を介して前記回転流路へ送給するとともに、前記選択的に供給される流体が前記シール面圧値が低い方の流体である場合にのみ前記加圧開孔に前記面圧調整流体を送給する流体供給手段とを備え、前記固定軸部の他方側の側端面に前記供給された流体の流体圧を作用させて前記固定シール部を前記回転シール部に対して押圧することにより、前記第１のシール面と第２のシール面とを相互に密着させて面シール部を形成し、前記加圧開孔を介して前記面圧調整流体を前記隙間内に送給して前記段差部に面圧調整流体圧を作用させることにより、前記固定シール部に前記流体圧による押圧力と反対方向の力を作用させて前記面シール部のシール面圧を低減させ、前記２種類の流体は、供給圧が１Ｍｐａ〜２０Ｍｐａの範囲の第１流体としての液体クーラントと、供給圧が０．１Ｍｐａ〜１Ｍｐａの範囲の第２流体としてのエアであり、前記第１流体を供給する場合における前記供給圧に対する前記面シール部のシール面圧値の比が０．６〜１．２の範囲となるように、また前記第２流体を供給する場合における前記供給圧に対する前記面シール部のシール面圧値の比が０．１〜０．５の範囲となるように、前記固定軸部の小径部、大径部の外形寸法および前記固定流路の内径寸法が決定されている。

本発明によれば、ハウジング部材の嵌合孔に嵌合して軸方向に移動する固定軸部の外周面に段差部を設け、加圧開孔を介して導入された面圧調整流体をこの段差部に面圧調整流体圧を作用させて、固定シール部に流体圧による押圧力と反対方向の力を作用させ、面シール部のシール面圧を低減させるように構成することにより、面圧調整はシール面圧値が低い第２流体としてのエアについてのみ行えばよい。エアは配管が容易で異物混入が少なく、したがって面圧調整を合理的に行って、取付時の作業性に優れ使用時の動作不良が少ない流体送給機構における回転シール機構およびこの回転シール機構に用いられるロータリジョイントを実現することができる。

次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態における流体送給機構の構成説明図、図２は本発明の一実施の形態における流体送給機構の回転シール機構に用いられるロータリジョイントの断面図、図３は本発明の一実施の形態におけるロータリジョイントのハウジング部材の構造説明図、図４は本発明の一実施の形態におけるロータリジョイントのフローティングシートの構造説明図、図５，図６は本発明の一実施の形態におけるロータリジョイントの動作説明図である。

まず図１を参照して、流体送給機構１の全体構成を説明する。図１において、流体送給機構１は、工作機械のスピンドルなどの回転軸へ流体供給部７から供給される冷却用の流体を送給する機能を有するものであり、軸方向の回転流路が設けられた回転部２ａおよび軸方向の固定流路が設けられた固定部２ｂを同軸配置して成るロータリジョイント２を主体としている。

回転部２ａはスピンドル軸４の締結孔４ａに締結されており、スピンドル軸４は、スピンドルに内蔵されたモータによって回転駆動されてフレーム５に設けられた挿通孔５ａ内で軸心Ａ廻りに回転するとともに、クランプ／アンクランプシリンダによって軸方向の進退動作を行う。また固定部２ｂは、円筒ブロック形状のケーシング３に設けられた装着孔３ａに嵌合して装着されており、ケーシング３をボルトなどの締結手段（図示省略）によってフレーム５に着脱自在に締結することにより、固定部２ｂは回転部２ａと同軸に配置される。

流体供給部７は第１の流体供給源７ａ、第２の流体供給源７ｂを備えており、第１の流体供給源７ａは液体クーラント（第１流体）を、第２の流体供給源７ｂはエア（第２流体）をそれぞれ供給する。ここで、第２の流体供給源７ｂから供給されるエアは、一般の工場用エア、工場用エアをドライヤによって処理したドライエア、または所定量のオイルミストが混入されたオイルミスト含有エアなど、供給対象に応じて各種の形態のものを選択できるようになっている。

流体供給部７から供給される流体は、第１の開閉バルブ６ａ、第２の開閉バルブ６ｂおよび逆止弁６ｃを備えた流体供給回路６によって選択的に送給される。すなわち、第１の流体供給源７ａは耐圧配管よりなるクーラント配管８ａによって第１の開閉バルブ６ａを介してケーシング３の流路孔３ｂに接続されており、第１の開閉バルブ６ａを開閉することにより、第１の流体供給源７ａから供給される液体クーラントの固定部２ｂへの送給をオンオフすることができる。

また第２の流体供給源７ｂは樹脂チューブなどよりなるエア配管８ｂによって第２の開閉バルブ６ｂ、逆止弁６ｃを介してクーラント配管８ａにつなぎ込まれており、同様に第２の開閉バルブ６ｂを開閉することにより、第２の流体供給源７ｂから供給されるエアの固定部２ｂへの送給をオンオフすることができる。ここで、逆止弁６ｃはクーラント配管８ａ側からエア配管８ｂへの流体の逆流を防止するために設けられている。さらに、第２の開閉バルブ６ｂの下流側において分岐したエア配管８ｃは、固定部２ｂに設けられた加圧開孔２０（図２参照）に接続されており、供給対象の流体がエアである場合には、後述するように固定部２ｂに面圧調整用流体としてのエアを送給するようになっている。

すなわち上記構成において、工作機械における加工対象物に応じて第１の開閉バルブ６ａ、第２の開閉バルブ６ｂを切り換えることにより、送給される冷却用の流体の種類を選択して切り換えることができるとともに、特定の流体については、固定部２ｂに面圧調整用流体を送給することができる。したがって、図１に示す流体供給回路６は、複数の流体供給源から複数種類の流体のうちのいずれかを嵌合孔１３ａ内へ選択的に供給して固定流路１５ｄを介して回転流路１０ａへ送給するとともに、加圧開孔２０に面圧調整用流体を送給する流体供給手段となっている。そしてロータリジョイント２および流体供給回路６は、複数の流体供給源から供給される複数種類の流体を、軸心廻りに回転する回転部２ａの回転流路へ固定部２ｂの固定流路を介して選択的に送給する機能を有する回転シール機構を構成する。

次に、図２，図３，図４を参照して、ロータリジョイント２の詳細構造を説明する。図２において回転部２ａは、軸心部に軸方向に貫通して回転流路１０ａが設けられ、外面に締結ねじ部１０ｂが設けられたロータ１０を主体としている。締結ねじ部１０ｂを締結孔４ａに螺合させることによりロータ１０はスピンドル軸４にねじ締結され、Ｏリング１２によってねじ締結部が密封される。これにより、回転流路１０ａはスピンドル軸４の流路孔４ｂと連通する。

ロータ１０の右側（固定部２ｂと対向する側）の側端面には、回転流路１０ａの開孔面を囲む配置で、円環状の環状凸部１０ｃが形成されている。環状凸部１０ｃの内側に形成された凹部には、第１のシールリング１１が固定されている。第１のシールリング１１はセラミックなどの耐摩耗性に富む硬質材料を、中央部に開口部１１ａを有する円環形状に成形したものであり、平滑面に仕上げられた第１のシール面１１ｂを外面側にした状態で環状凸部１０ｃに固定される。そしてこの状態では、回転流路１０ａは開口部１１ａと連通して第１のシール面１１ｂに開口する。すなわち第１のシールリング１１が固定されたロータ１０は、回転部２ａに設けられ側端面に回転流路１０ａが開口した第１のシール面１１ａを有する回転シール部となっている。

次に、ケーシング３に装着される固定部２ｂの構造を説明する。ケーシング３の装着面３ｃには流路孔３ｂと連通して設けられた装着孔３ａが開口しており、装着孔３ａには固定部２ｂの本体を構成する円筒形状のハウジング部材１３に設けられた装着凸部１３ｂが嵌合する。そして図３に示すように、等配された複数のボルト１４を装着面３ｃに設けられたねじ孔３ｄに螺合させることにより、ハウジング部材１３はケーシング３にボルト締結され、Ｏリング１６によって装着凸部１３ｂの嵌合部が密封される。ハウジング部材１３の中心部には軸方向に貫通する嵌合孔１３ａが設けられており、さらに嵌合孔１３ａの内周面には、Ｏリング溝１３ｃ、１３ｄが設けられている。

図２においてフローティングシート１５は、一方側（図において回転部２ａと対向する側）に円板形状のフランジ部１５ａが設けられ、他方側に固定流路１５ｄが軸方向に貫通して形成された固定軸部１５ｂを有する形状となっている。そして固定軸部１５ｂは、ハウジング部材１３の嵌合孔１３ａに軸方向の移動が許容された状態で嵌合する。

フランジ部１５ａの左側（回転部２ａと対向する側）の側端面には、固定流路１５ｄの開孔面を囲む配置で、円環状の環状凸部１５ｃが形成されており、環状凸部１５ｃの内側に形成された凹部には第２のシールリング１７が固定されている。第２のシールリング１７は第１のシールリング１１と同様の硬質材料を中央部に開口部１７ａを有する円環形状に成形したものであり、平滑面に仕上げられた第２のシール面１７ｂを外面側にした状態で環状凸部１５ｃに固定される。そしてこの状態では、固定流路１５ｄは開口部１７ａと連通して第２のシール面１７ｂに開口する。すなわち第２のシールリング１７が固定されたフローティングシート１５は、固定流路１５ｄが軸方向に貫通して形成された固定軸部１５ｂを有し、側端面に回転流路１５ｄが開口した第２のシール面１７ｂを有する固定シール部となっている。

図４を参照して、フローティングシート１５の詳細形状を説明する。フランジ部１５ａは図３に示すボルト１４の位置に対応して等配位置で切欠き部１５ｊが設けられており、フローティングシート１５をハウジング部材１３に装着した状態で、ハウジング部材１３のケーシング３へのボルト締結が可能となっている。また第２のシールリング１７の第２のシール面１７ｂには、複数のシール面潤滑用の凹部１７ｃが形成されている。凹部１７ｃは、第２のシール面１７ｂが第１のシール面１１ｂと密着して面シール部を形成した状態において、開口部１７ａ内の流体を第１のシール面１１ｂと第２のシール面１７ｂ相互の摺動面に導いて潤滑性を向上させる機能を有している。なお凹部１７ｃは必須ではなく、対象とする流体の特性やシール面圧値、使用回転数などの摺動条件によっては設ける必要がない場合がある。

固定軸部１５ｂは、長手方向の中間部に設けられた段差部１５ｇによって、第２のシールリング１７に近接した位置に設けられた外径Ｄ１の小径部１５ｅと、外径Ｄ１よりも大きく嵌合孔１３ａに嵌合するサイズの外径Ｄ２で設けられた大径部１５ｆとに区分されている。ここで大径部１５ｆの側端面１５ｈにおける側面積、すなわち外径Ｄ２の円から内径ｄの固定流路１５ｄの部分を除いた側面積はＡ１となっており、また段差部１５ｇにおいて外径Ｄ２の円から小径部１５ｅの断面積を除いた側面積はＡ２となっている。

図２に示すように、固定軸部１５ｂを嵌合孔１３ａに嵌合させた状態において、Ｏリング溝１３ｃ、１３ｄ（図３参照）はそれぞれ固定軸部１５ｂにおける小径部１５ｅ、大径部１５ｆの位置に有り、Ｏリング２１ａ、Ｏリング２２ａがそれぞれＯリング溝１３ｃ、１３ｄ内に装着された状態では、第１の軸シール部２１、第２の軸シール部２２を構成する。第１の軸シール部２１、第２の軸シール部２２は、嵌合孔１３ａに固定軸部１５ｂが嵌合した状態において、嵌合孔１３ａの内周面と小径部１５ｅおよび大径部１５ｆとの間の隙間をそれぞれ密封する。この状態において、嵌合孔１３ａ内の流体の圧力は、受圧面積がＡ１の側端面１５ｈに作用する。

ハウジング部材１３には、図１に示すエア配管８ｃと接続される加圧開孔２０が設けられており、加圧開孔２０は、第１の軸シール部２１および第２の軸シール部２２の間において、小径部１５ｅと嵌合孔１３ａの内周面との間の円環状隙間２３に開孔する。そしてこの状態で、第２の流体供給源７ｂからエア配管８ｃを介してエアを送給することにより、円環状隙間２３内に面圧調整流体としてのエアが送給される。そして円環状隙間２３内の流体の圧力は、受圧面積がＡ２の段差部１５ｇに作用する。

流路孔３ｂ内に供給対象の流体が送給されることにより、この流体圧は固定軸部１５ｂの他方側（第２のシールリング１７の反対側）の側端面１５ｈに作用する。これにより、固定軸部１５ｂは嵌合孔１３ａ内で回転部２ａ側へスライドし、第２のシールリング１７は第１のシールリング１１に対して押圧される。この押圧力は第２のシール面１７ｂと第１のシール面１１ｂとを相互に密着させ、これにより固定流路１５ｄから軸廻りに回転状態の回転流路１０ａへ送給される流体の漏洩を防止する面シール部１８が形成される。このフローティングシート１５のスライドにおいて、フランジ部１５ａのねじ孔１５ｉ（図４）に螺設されたボルト２４およびボルト２４を外包する円筒カラー２５が、ハウジング部材１３に軸方向に設けられたガイド孔１３ｆ内を摺動することにより、フローティングシート１５の軸方向の移動がガイドされるとともに、軸廻りの廻り止めが行われる。

ロータリジョイント２の作動状態においては、送給される流体の圧力によるフローティングシート１５の進出と、スピンドル軸４の進退動作によって、面シール部１８のシール面の接離が行われる。すなわちフローティングシート１５が後退して第１のシール面１１ｂと第２のシール面１７ｂとが相互に離隔した状態において、嵌合孔１３ａ内に流路孔３ｂを介して流体が送給されることによりフローティングシート１５が前進（矢印ａ方向）し、第１のシール面１１ｂが第２のシール面１７ｂに当接して面シール部１８が形成される。

そしてスピンドル軸４が固定部２ｂに対して相対的に前進（矢印ｄ方向）することにより、フローティングシート１５は後退（矢印ｂ方向）し、フランジ部１５ａがハウジング部材１３に近接した位置に復帰する。そしてこの状態からスピンドル軸４を相対的に後退（矢印ｃ方向）させることにより、第１のシール面１１ｂと第２のシール面１７ｂとが相互に離隔した状態に戻る。

次に、図５，図６を参照して、複数種類の流体を送給する場合におけるロータリジョイント２の動作を説明する。図５、図６は送給される流体がそれぞれ液体クーラント、エアーである場合を示している。まず、供給される流体が液体クーラントである場合について説明する。

図５において、第１の開閉バルブ６ａを開にすることにより、嵌合孔１３ａ内には第１の流体供給源７ａから液体クーラント（圧力Ｐ１）が送給される。この液体クーラントは固定流路１５ｄを介して回転流路１０ａへ流通するが、このとき嵌合孔１３ａ内において圧力Ｐ１が側端面１５ｈに作用し、側端面１５ｈの受圧面積Ａ１（図４参照）に見合った流体力Ｆ（Ｌ）が固定軸部１５ｂに作用する。そして面シール部１８には、流体力Ｆ（Ｌ）から第１の軸シール部２１、第２の軸シール部２２による摺動抵抗ｆ１，ｆ２を減じた押圧力Ｆ１が作用し、この押圧力Ｆ１を第１のシール面１１ｂと第２のシール面１７ｂが接触するシール面積で除した値が、面シール部１８のシール面圧値となる。

次に供給される流体がエアである場合について説明する。図６において、第２の開閉バルブ６ｂを開にすることにより、嵌合孔１３ａ内には、第２の流体供給源７ｂから逆止弁６ｃを通過してエア（圧力Ｐ２）が送給されるとともに、加圧開孔２０にも同様にエア（圧力Ｐ２）が送給される。嵌合孔１３ａ内に送給されたエアは固定流路１５ｄを介して回転流路１０ａへ流通するが、このとき嵌合孔１３ａ内において圧力Ｐ２が側端面１５ｈに作用し、受圧面積Ａ１（図４参照）に見合った流体力Ｆ（Ｇ１）が固定軸部１５ｂに作用する。

また加圧開孔２０に送給されたエアは円環状隙間２３内において段差部１５ｇに作用し、受圧面積Ａ２（図４参照）に見合った流体力Ｆ（Ｇ２）が、流体力Ｆ（Ｇ１）と反対方向に作用する。そして面シール部１８には、流体力Ｆ（Ｇ１）から前述の摺動抵抗ｆ１，ｆ２および流体力Ｆ（Ｇ２）を減じた押圧力Ｆ２が作用する。この場合には押圧力Ｆ２を前述のシール面積で除した値がシール面圧値となる。

ここでロータリジョイントにおけるシール面圧について説明する。回転摺動面を密着させて流体のシールを行う回転シール機構においては、対象となる流体の特性や供給圧に応じた適正なシール面圧値を設定する必要がある。例えば本実施の形態に示すように比較的高い供給圧（例えば１Ｍｐａ〜２０Ｍｐａ）で供給される場合が多い液体クーラントが対象である場合には、シール面からのリークを極力防止するため、供給圧とほぼ同レベルの圧力のシール面圧値が設定される。

これに対し、低い供給圧（例えば０．１Ｍｐａ〜１Ｍｐａ）で用いられるエアを対象とする場合には、シール面の摺動による損耗を極力防ぐため、シール面圧を供給圧の半分以下とすることが求められる。これは液体を供給対象とする場合には、シール面に侵入した液体の薄膜が摺動面を潤滑する潤滑膜として作用するのに対し、エアの場合には、オイルミストを混入するなどの潤滑対策が施されている場合を除き、一般にはこのような潤滑作用がないことによる。

このように、供給圧や所望のシール面圧値が異なる流体を供給対象とする場合には、供給圧に対するシール面圧値の比を流体に応じて変更する必要がある。ここで、面シール部のシール面積はいずれの流体についても共通であることから、供給圧に対するシール面圧値の比を変更するには、流体圧が作用する受圧面積を流体の種類に応じて異ならせる必要がある。本実施の形態においては、図６に示すように、低いシール面圧値が求められるエアを対象とする場合において面シール部１８に作用する押圧力を発生させる実質的な受圧面積は（Ａ１−Ａ２）であり、液体クーラントを対象とする場合における受圧面積Ａ１と異なるものとなっている。

すなわち、図６に示す場合においては、加圧開孔２０を介して面圧調整流体としてのエアを円環状隙間２３内に送給して段差部１５ｇにエア圧（面圧調整流体圧）を作用させることにより、固定シール部であるフローティングシート１５に、側端面１５ｈに作用する流体圧による押圧力Ｆ（Ｇ１）と反対方向の流体力Ｆ（Ｇ２）を作用させ、面シール部１８のシール面圧を低減させるようにしている。

そしてロータリジョイント２の設計に際しては、図５に示す押圧力Ｆ１による面シール部１８のシール面圧値が、圧力Ｐ１の液体クーラントについての適正値となるように、また図６に示す押圧力Ｆ２による面シール部１８のシール面圧値が、圧力Ｐ２のエアについての適正値となるように、各部寸法を設定する。すなわち、所与の設計数値データとしての前述の圧力Ｐ１，Ｐ２，各流体についての適正なシール面圧値、前述の摺動抵抗ｆ１，ｆ２などに基づき、小径部１５ｅ、大径部１５ｆの径寸法Ｄ１，Ｄ２、固定流路１５ｄの径寸法ｄなどが決定される。

なお実設計上では、供給圧がそれぞれ１Ｍｐａ〜２０Ｍｐａ、０．１Ｍｐａ〜１Ｍｐａの範囲である液体クーラント（第１流体）およびエア（第２流体）を対象とする場合が、本発明を適用する上で最も適している。この場合の供給圧に対するシール面圧値の比の推奨値は、それぞれ０．６〜１．２、０．１〜０．５が望ましい。

換言すれば、本実施の形態に示すロータリジョイント２においては、対象となる複数種類の流体のうち、低いシール面圧値とすることが求められる流体を対象とする場合にのみ、面圧調整流体による面圧調整を行う。例えば本実施の形態に示すように、供給される流体が液体クーラントおよびエアである場合において、供給される流体が液体クーラントのときには面圧調整を必要とせず、供給される流体が液体クーラントよりも低いシール面圧値とすることが求められるエアであるときにのみ、面圧調整流体としてエアを加圧開孔２０内に供給する形態を採用する。そしてこの面圧調整により、前述のように潤滑性を有しないエアを対象とする場合においても、外部から面シール部１８の摺動面へオイルなどの潤滑剤を供給することなく、回転シール機能を確保することができる。

このように、ロータリジョイント２における面シール部１８の面圧調整において、低いシール面圧値とすることが求められる流体を対象とする場合にのみ、面圧調整流体による面圧調整を行う構成を採用することにより、以下に述べる効果を有する。

高いシール面圧値が求められるような流体は一般に圧力が高く、このような流体を送給する配管系には耐圧配管が必要となる。また工作機械のクーラント液が対象となる場合には循環使用による異物混入が避けがたいことから、面圧調整用流体として用いることには難点がある。このような流体を供給対象に含む場合にあっても、本発明によれば高いシール面圧値の流体については面圧調整を行う必要がないことから、従来より液体クーラントを面圧調整流体として用いる従来技術において生じていた不具合の発生がない。

すなわち、特許文献１に示す先行技術例のように、シール面圧を調整するためにフローティングシートの外周面に液体クーラントを導入する構成においては、液体クーラント中のスラッジなどの異物が摺動隙間内に噛込みやすいという難点がある。これに対し、本実施の形態に示す例では液体クーラントを面圧調整に使用する必要がなく、シール面圧値が低いエアを対象とする場合にのみエアを用いて面圧調整を行うようにしていることから、異物噛込みによる動作不良を防止することができる。さらに、面圧調整用流体としてエアを用いることにより、液体クーラント用の耐圧配管を必要とせずに、作業容易・簡便なエア配管を追加するのみでよく、ロータリジョイントの装着時の配管作業を容易にして作業性を向上させることができる。

また本発明に示す構成では、液体クーラントを対象とする場合には面圧調整流体の作用を必要としない構成となっていることから、本質的に単一流体を対象とした従来の専用のロータリジョイントと異なるところがない。したがって面圧調整流体の配管回路等に不具合が発生した場合においても、液体クーラントを対象とする動作には何ら影響せず、安定したシール性能が確保され、液体のリークによる工作機械本体へのダメージを防止することができる。そして面圧調整流体を作用させながら動作させるのは、面シール部からのリークによる影響が少ないエアであり、この場合に前述の不具合が発生してもシール部品の早期損耗を招くのみで、工作機械本体へのダメージを招くことがない。

上記説明したように、本実施の形態に示す構成を採用することにより、従来のシール面圧値の異なる複数種類の流体について使用可能なロータリジョイントを用いた回転シール機構において、面圧調整機構の構成に起因して生じていた不具合を解消して、面圧調整を合理的に行うことができる、

本発明の流体送給機構における回転シール機構およびロータリジョイントは、面圧調整を合理的に行うことができるという特徴を有し、工作機械の主軸などの回転部に液体クーラントとエアを送給する用途に有用である。

本発明の一実施の形態における流体送給機構の構成説明図 本発明の一実施の形態における流体送給機構の回転シール機構に用いられるロータリジョイントの断面図 本発明の一実施の形態におけるロータリジョイントのハウジング部材の構造説明図 本発明の一実施の形態におけるロータリジョイントのフローティングシートの構造説明図 本発明の一実施の形態におけるロータリジョイントの動作説明図 本発明の一実施の形態におけるロータリジョイントの動作説明図

符号の説明

１ 流体送給機構
２ ロータリジョイント
２ａ 回転部
２ｂ 固定部
４ スピンドル軸
６ 流体供給手段
７ 流体供給部
７ａ 第１の流体供給源
７ｂ 第２の流体供給源
１０ ロータ
１０ａ 回転流路
１１ 第１のシールリング
１１ｂ 第１のシール面
１３ ハウジング部材
１３ｂ 嵌合孔
１５ フローティングシート
１５ａ フランジ部
１５ｂ 固定軸部
１５ｄ 固定流路
１５ｅ 小径部
１５ｆ 大径部
１５ｇ 段差部
１７ 第２のシールリング
１７ｂ 第２のシール面
１８ 面シール部
２０ 加圧開孔
２１ 第１の軸シール部
２２ 第２の軸シール部
２３ 円環状隙間

Claims (2)

1. 軸方向の回転流路が設けられた回転部および軸方向の固定流路が設けられた固定部を同軸配置して成り、２つの流体供給源から供給され供給圧と適正なシール面圧値との比が異なる２種類の流体を軸心廻りに回転する前記回転部の回転流路へ前記固定流路を介して選択的に送給する流体送給機構における回転シール機構であって、
   前記回転部に設けられ側端面に前記回転流路が開口した第１のシール面を有する回転シール部と、
   前記固定流路が前記軸方向に貫通して形成された固定軸部を有し、一方側の側端面に前記固定流路が開口した第２のシール面を有する固定シール部と、
   前記固定部の本体を構成するハウジング部材に設けられ前記固定軸部が前記軸方向の移動が許容された状態で嵌合する嵌合孔と、
   前記固定軸部を、前記嵌合孔に嵌合する軸径で設けられた大径部およびこの大径部よりも小さい軸径で前記第２のシール面側に近接して設けられた小径部に区分する段差部と、
   前記嵌合孔に前記固定軸部が嵌合した状態において前記嵌合孔の内周面と前記小径部および大径部との間の隙間をそれぞれシールする第１の軸シール部および第２の軸シール部と、
   前記第１の軸シール部および第２の軸シール部の間において前記小径部と前記嵌合孔の内周面との間の隙間に開孔し、前記隙間内に前記２種類の流体のうちシール面圧値が低い方の流体を面圧調整流体として送給する加圧開孔と、
   前記２つの流体供給源から前記２種類の流体のうちのいずれかを前記嵌合孔内へ選択的に供給して前記固定流路を介して前記回転流路へ送給するとともに、前記選択的に供給される流体が前記シール面圧値が低い方の流体である場合にのみ前記加圧開孔に前記面圧調整流体を送給する流体供給手段とを備え、
   前記固定軸部の他方側の側端面に前記供給された流体の流体圧を作用させて前記固定シール部を前記回転シール部に対して押圧することにより、前記第１のシール面と第２のシール面とを相互に密着させて面シール部を形成し、
   前記加圧開孔を介して前記面圧調整流体を前記隙間内に送給して前記段差部に面圧調整流体圧を作用させることにより、前記固定シール部に前記流体圧による押圧力と反対方向の力を作用させて前記面シール部のシール面圧を低減させ、
   前記２種類の流体は、供給圧が１Ｍｐａ〜２０Ｍｐａの範囲の第１流体としての液体クーラントと、供給圧が０．１Ｍｐａ〜１Ｍｐａの範囲の第２流体としてのエアであり、
   前記第１流体を供給する場合における前記供給圧に対する前記面シール部のシール面圧値の比が０．６〜１．２の範囲となるように、また前記第２流体を供給する場合における前記供給圧に対する前記面シール部のシール面圧値の比が０．１〜０．５の範囲となるように、前記固定軸部の小径部、大径部の外形寸法および前記固定流路の内径寸法が決定されていることを特徴とする流体送給機構における回転シール機構。
2. 軸方向の回転流路が設けられた回転部および軸方向の固定流路が設けられた固定部を同軸配置して成り、２つの流体供給源から供給され供給圧と適正なシール面圧値との比が異なる２種類の流体を軸心廻りに回転する前記回転部の回転流路へ前記固定流路を介して選択的に送給する流体送給機構に用いられるロータリジョイントであって、
   前記回転部に設けられ側端面に前記回転流路が開口した第１のシール面を有する回転シール部と、
   前記固定流路が前記軸方向に貫通して形成された固定軸部を有し、一方側の側端面に前記固定流路が開口した第２のシール面を有する固定シール部と、
   前記固定部の本体を構成するハウジング部材に設けられ前記固定軸部が前記軸方向の移動が許容された状態で嵌合する嵌合孔と、
   前記固定軸部を、前記嵌合孔に嵌合する軸径で設けられた大径部およびこの大径部よりも小さい軸径で前記第２のシール面側に近接して設けられた小径部に区分する段差部と、
   前記嵌合孔に前記固定軸部が嵌合した状態において前記嵌合孔の内周面と前記小径部および大径部との間の隙間をそれぞれシールする第１の軸シール部および第２の軸シール部と、
   前記第１の軸シール部および第２の軸シール部の間において前記小径部と前記嵌合孔の内周面との間の隙間に開孔し、前記隙間内に前記２種類の流体のうちシール面圧値が低い方の流体を面圧調整流体として送給する加圧開孔と、
   前記２つの流体供給源から前記２種類の流体のうちのいずれかを前記嵌合孔内へ選択的に供給して前記固定流路を介して前記回転流路へ送給するとともに、前記選択的に供給される流体が前記シール面圧値が低い方の流体である場合にのみ前記加圧開孔に前記面圧調整流体を送給する流体供給手段とを備え、
   前記固定軸部の他方側の側端面に前記供給された流体の流体圧を作用させて前記固定シール部を前記回転シール部に対して押圧することにより、前記第１のシール面と第２のシール面とを相互に密着させて面シール部を形成し、
   前記加圧開孔を介して前記面圧調整流体を前記隙間内に送給して前記段差部に面圧調整流体圧を作用させることにより、前記固定シール部に前記流体圧による押圧力と反対方向の力を作用させて前記面シール部のシール面圧を低減させ、
   前記２種類の流体は、供給圧が１Ｍｐａ〜２０Ｍｐａの範囲の第１流体としての液体クーラントと、供給圧が０．１Ｍｐａ〜１Ｍｐａの範囲の第２流体としてのエアであり、
   前記第１流体を供給する場合における前記供給圧に対する前記面シール部のシール面圧値の比が０．６〜１．２の範囲となるように、また前記第２流体を供給する場合における前記供給圧に対する前記面シール部のシール面圧値の比が０．１〜０．５の範囲となるように、前記固定軸部の小径部、大径部の外形寸法および前記固定流路の内径寸法が決定されていることを特徴とするロータリジョイント。

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