JP5221278B2

JP5221278B2 - ロータリジョイント

Info

Publication number: JP5221278B2
Application number: JP2008271579A
Authority: JP
Inventors: 諭石橋; 吉規今泉
Original assignee: Rix Corp
Current assignee: Rix Corp
Priority date: 2008-10-22
Filing date: 2008-10-22
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2028-10-22
Also published as: JP2010101361A

Description

本発明は、回転部に流体を送給するために用いられるロータリジョイントに関するものである。

作動時に回転状態にある回転部に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メカニカルシール機構が採用される（特許文献１参照）。

メカニカルシールにおいては、シール面は相互に押圧されて摺動するため、シール面の摩耗により微細な異物が発生する場合がある。このような異物を含んだ流体が流体の供給対象の機器にそのまま供給されると、供給対象の機器の可動部への異物噛み込みやワークの汚損などの不具合を生じる場合がある。特に食品加工分野や半導体製造分野などに用いられる装置に組み込まれる場合には、送給される流体には高い清浄度が必要とされるため、流体中に混入する異物に対する対策が求められる。

このような異物対策としては、従来よりポンプなどに用いられるメカニカルシールに関するものが知られている（特許文献２参照）。ここでは、シール部材として用いられるアルミナなどのセラミックスで形成した摺動リングのシール面に切り込み形状の溝を形成し、摺動によって発生した異物をこの溝によって捕集して排出するようにしている。
特開２００４−２０５０３７号公報特開２０００−１６１５０１号公報

しかしながら上述の特許文献２に示す先行技術には、以下のような問題点がある。まず先行技術例に示すメカニカルシールにおける異物の排出機構は構成が複雑であることから、ロータリジョイントのような簡便な構成の流体機器には適用が困難であるとともに、摺動リングに用いられるセラミックスへの加工などの高コストの加工工程を伴うことから、製造コストが上昇することが避けがたい。さらに、一旦捕集した異物が流路に再度戻る可能性があることから、完全な異物排除機能が確保されているとは言い難いという機能上の難点がある。このように、従来のロータリジョイントにおいては、シール面の摩耗によって発生する異物を簡便な構成によって供給される流体から完全に排除することが困難であるという課題があった。

本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、シール面の摩耗によって発生する異物を簡便な構成によって供給される流体から完全に排除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、軸方向の回転流路が設けられ回転軸に装着される回転部および軸方向の固定流路が設けられケーシング部材に装着される固定部を同軸配置して成り、流体供給源から供給される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送給す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前記ケーシング部材に設けられた嵌合孔に前記軸方向の移動が許容された状態で嵌合する固定軸部を有し、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、前記流体供給源から前記嵌合孔内へ前記流体を供給して前記固定軸部の他方側の側端面に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前記流体圧に応じた面圧力で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形成された面シール部と、前記回転シール部から前記固定シール部側へ同軸に延出して設けられ、前記回転流路と連通して先端開口部が前記固定流路と連通する円筒軸部と、前記円筒軸部の外周面と前記固定流路の内周面との間に前記面シール部を軸方向の隙間形成範囲内に含めて形成され、前記固定流路と連通し前記面シール部から回転部側へ隔てた位置において閉止された円筒隙間と、前記円筒隙間内において圧力損失を発生させることにより前記円筒隙間内における前記流体の流動を抑制する流動抑制手段とを備え、前記流体圧に対する前記面圧力の比で定義される前記面シール部のバランス比が０．６以下に設定されており、前記流体を前記面シール部から前記バランス比に応じた所定の漏れ量で外部に漏洩させることにより、前記面シール部で発生した異物を外部に排出するとともに、前記流動抑制手段によって前記異物を含む流体の前記円筒隙間内での逆流を抑制し、さらに前記流動抑制手段は、前記円筒隙間内に凸出して凸部を設けることにより前記円筒隙間を部分的に狭めた隙間シールもしくは前記固定流路の内面に複数の凸部および凹部を交互に設けたラビリンスシールのいずれかである。

また本発明のロータリジョイントは、軸方向の回転流路が設けられ回転軸に装着される回転部および軸方向の固定流路が設けられケーシング部材に装着される固定部を同軸配置して成り、流体供給源から供給される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送給す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前記ケーシング部材に設けられた嵌合孔に前記軸方向の移動が許容された状態で嵌合する固定軸部を有し、一方側の側端面に第２のシール面を有する固定シール部と、前記固定シール部を付勢手段によって回転シール部側へ付勢して前記固定シール部を前記回転シール部に対して所定の面圧力で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形成された面シール部と、前記固定シール部から前記回転シール部側へ同軸に延出して設けられ、前記固定流路と連通して先端開口部が前記回転流路と連通する円筒軸部と、前記円筒軸部の外周面と前記回転流路の内周面との間に前記面シール部を軸方向の隙間形成範囲内に含めて形成され、前記回転流路と連通し前記面シール部から固定部側へ隔てた位置において閉止された円筒隙間と、前記円筒隙間内において圧力損失を発生させることにより前記円筒隙間内における前記流体の流動を抑制する流動抑制手段とを備え、前記流体圧に対する前記面圧力の比で定義される前記面シール部のバランス比が０．６以下に設定されており、前記流体を前記面シール部から前記バランス比に応じた所定の漏れ量で外部に漏洩させることにより、前記面シール部で発生した異物を外部に排出するとともに、前記流動抑制手段によって前記異物を含む流体の前記円筒隙間内での逆流を抑制し、さらに前記流動抑制手段は、前記円筒隙間内に凸出して凸部を設けることにより前記円筒隙間を部分的に狭めた隙間シールもしくは前記固定流路の内面に複数の凸部および凹部を交互に設けたラビリンスシールのいずれかである。

本発明によれば、回転シール部から固定シール部側へまたは固定シール部から回転シール部側へ同軸に延出する円筒軸部を設け、この円筒軸部の外周面と固定流路または回転流路の内周面との間に一方側が閉止された円筒隙間を面シール部を軸方向の隙間形成範囲に含ませて形成し、この円筒隙間内において圧力損失を発生させることにより円筒隙間内における流体の流動を抑制する流動抑制手段とを備え、さらに面シール部のバランス比を流体が面シール部から所定の漏れ量で外部に漏洩するように設定することにより、面シール部のシール面の摩耗によって発生する異物は面シール部から漏れる流体と共に排出され、簡便な構成によってこれらの異物を供給される流体から完全に排除することができる。

（実施の形態１）
図１、図２は本発明の実施の形態１におけるロータリジョイントの断面図、図３は本発明の実施の形態１におけるロータリジョイントの部分断面図、図４は本発明の実施の形態１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、図２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。図１において、ロータリジョイント１は、食品加工分野や半導体製造分野など清浄度が要求されるクリーン用途に用いられる洗浄ノズルや回転テーブルなどの回転軸へ流体を送給する流体供給機構に用いられるものであり、軸方向の回転流路が設けられた回転部１ａおよび軸方向の固定流路が設けられた固定部１ｂを同軸配置して構成される。なお図２は、説明の便宜のため回転部１ａと固定部１ｂとを軸方向に分離した状態を示している。

回転部１ａは回転軸であるスピンドル軸２の流路孔２ａに締結されており、スピンドル軸２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軸心Ａ廻りに回転する。なお工作機械などに用いられる場合には、スピンドル軸２は回転とともに、クランプ／アンクランプシリンダ（図示省略）によって軸方向の進退動作を行う。また固定部１ｂは、円筒ブロック形状のケーシング部材３に設けられた嵌合孔３ａに嵌合して装着されており、スピンドル軸２が挿通するフレーム（図示省略）にボルトなどの締結手段によってケーシング部材３を着脱自在に締結することにより、固定部１ｂは回転部１ａと同軸に配置される。嵌合孔３ａには、流体供給部（図示省略）より洗浄液や冷却用のエアなどの気体が選択的に送給される（矢印ａ）。

次に、ロータリジョイント１の詳細構造を説明する。図１、図２において回転部１ａは、スピンドル軸２に装着されたロータ４およびロータ４を同軸に貫通する円筒軸部７を主体としている。ロータ４は、回転軸部４ａの一方側の端部に回転軸部４ａよりも外径が大きいフランジ部４ｂを設けた構成となっており、回転軸部４ａの外面には雄ねじ部４ｄが設けられている。流路孔２ａの開口端部の内面には雌ねじ部２ｂが設けられており、雄ねじ部４ｄを雌ねじ部２ｂに螺合させることにより、ロータ４はスピンドル軸２にねじ締結され、Ｏリング６によってロータ４の外周面と流路孔２ａの内周面との当接部が密封される。

図２に示すように、ロータ４の右側（固定部１ｂと対向する側）の側端面には、円形状の凹部４ｃが形成されており、凹部４ｃには第１のシールリング５が固定されている。第１のシールリング５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５ａ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５ｂを外面側にした状態で凹部４ｃに固定される。すなわち第１のシールリング５が固定されたロータ４は、回転部１ａに設けられ側端面に第１のシール面５ｂを有する回転シール部となっている。

円筒軸部７は下流側（図１，２において左側）の一方側の端部にボス部７ｂが設けられた円筒状の軸部材であり、ロータ４に設けられた装着孔４ｅにボス部７ｂを圧入することにより固定装着され、ボス部７ｂから延出した貫通軸部７ａがロータ４を貫通する。この装着状態において円筒軸部７は開口部５ａを挿通してロータ４から上流側へ同軸に延出しており、円筒軸部７の内部孔はロータ４の軸心部を貫通して設けられた回転流路４ｆとなっている。

次に、ケーシング部材３に装着される固定部１ｂの構造を説明する。図２において固定部１ｂは、ケーシング部材３の嵌合孔３ａに嵌合して装着されたフローティングシート８を主体としている。フローティングシート８は、一方側（図において回転部１ａと対向する側）に円板形状のフランジ部８ｂが設けられ、他方側に固定流路８ｆが軸方向に貫通して形成された固定軸部８ａを有する形状となっている。固定軸部８ａは、嵌合孔３ａに軸方向の移動が許容された状態で嵌合する。嵌合孔３ａの内面にはＯリング溝３ｂが設けられており、Ｏリング溝３ｂに装着されたＯリング１１によって、固定軸部８ａの嵌合部が密封される。ケーシング部材３には廻り止め部材１２が軸方向に植設されており、フローティングシート８をケーシング部材３に装着した状態において、廻り止め部材１２はフランジ部８ｂに設けられた廻り止め孔８ｃを軸方向に挿通している。

フランジ部８ｂの左側（回転部１ａと対向する端面）に設けられた凸部８ｄには、固定流路８ｆの開孔面を囲む配置で、円形状の凹部８ｅが形成されており、凹部８ｅには第２のシールリング９が固定されている。第２のシールリング９は第１のシールリング５と同様の硬質材料を中央部に開口部９ａ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９ｂを外面側にした状態で凹部８ｅに固定される。そしてこの状態では、固定流路８ｆは開口部９ａと連通して第２のシール面９ｂに開口する。すなわち第２のシールリング９が固定されたフローティングシート８は、固定流路８ｆが軸方向に貫通して形成され、ケーシング部材３に設けられた嵌合孔３ａに軸方向の移動が許容された状態で嵌合する固定軸部８ａを有し、側端面に固定流路８ｆが開口した第２のシール面９ｂを有する固定シール部となっている。

ロータリジョイント１の使用状態においては、図１に示すように、円筒軸部７を固定流路８ｆ内に挿通させて、回転部１ａと固定部１ｂとを近接させる。これにより、第１のシール面５ｂと第２のシール面９ｂとが当接して、面シール部１０が形成される。この状態では、円筒軸部７の先端開口部７ｃは固定流路８ｆ内に開口し、これにより回転流路４ｆは先端開口部７ｃを介して固定流路８ｆと連通する。また円筒軸部７の外周面と固定流路８ｆの内周面との間には、円筒隙間Ｓが形成される。円筒隙間Ｓは固定流路８ｆと連通しており、面シール部１０を軸方向の隙間形成範囲に含めて形成され、面シール部１０から回転部１ａ側へ第１のシールリング５の幅寸法だけ隔てた位置において凹部４ｃによって行き止まりとなり閉止されている。

すなわち円筒軸部７は、回転流路４ｆと連通して回転シール部から固定シール部側へ同軸に延出して設けられ、先端開口部７ｃが固定流路８ｆと連通する形態となっている。また円筒隙間Ｓは、円筒軸部７の外周面と固定流路８ｆの内周面との間に、面シール部１０を軸方向の隙間形成範囲に含めて形成され、固定流路８ｆと連通し面シール部１０から回転部１ａ側へ隔てた位置において閉止された形態となっている。このような構成を採用することにより、上流側から嵌合孔３ａ内に供給され固定流路８ｆに流入した流体を円筒軸部７を介して回転流路４ｆに導くことができる。

このとき、円筒隙間Ｓは面シール部１０から回転部１ａ側へ隔てた位置において閉止されていることから、円筒隙間Ｓ内における流体の回転部１ａ側への流動は阻害されるものの、流体圧は円筒隙間Ｓ内に作用する。これにより後述するように、面シール部１０におけるバランス比を安定的に保つことが可能となっている。なお、図１においては円筒軸部７は先端開口部７ｃが固定軸部８ａの上流端の手前に位置するように設けられているが、先端開口部７ｃが固定流路８ｆから嵌合孔３ａ内に突出してもよく、要は面シール部１０の上流側に先端開口部７ｃが位置して固定流路８ｆと連通していればよい。

図３は、図１におけるＢ部、すなわち円筒隙間Ｓの詳細を示している。上述のように、固定部１ｂから回転部１ａへの流体の流動は円筒軸部７を介して行われ、円筒隙間Ｓは流体圧を面シール部１０に作用させることを主な機能としていることから、円筒隙間Ｓの流路としての構成は流体の流動を極力抑制するようなものであることが望ましい。このため本実施の形態においては、円筒隙間Ｓにおける流体の流動を抑制する流動抑制手段を円筒隙間Ｓに設けるようにしている。

図３（ａ）は、固定流路８ｆの内面に円筒隙間Ｓ内に凸出する凸部８ｇを設け、円筒軸部７の外周面との間の隙間間隔ｄを部分的に狭めた例を示している。これにより円筒隙間Ｓ内において流体が流動する際に隙間シール効果による圧力損失が発生し、円筒隙間Ｓ内における流体の流動が抑制される。また図３（ｂ）は、固定流路８ｆの内面に複数の凸部８ｈおよび凹部８ｉを交互に設けた例を示している。これにより円筒隙間Ｓ内において複数の凸部８ｈおよび凹部８ｉが反復して存在することによるラビリンス効果によって圧力損失が発生し、同様に円筒隙間Ｓ内における流体の流動が抑制される。

本実施の形態においては、図３（ａ）、（ｂ）のいずれを採用してもよく、または必要な圧力損失を確保するために、円筒隙間Ｓの隙間を全範囲にわたって狭く設定するようにしてもよい。すなわち、本実施の形態に示すロータリジョイント１は、円筒隙間Ｓ内において圧力損失を発生させることにより円筒隙間Ｓ内における流体の流動を抑制する流動抑制手段を備えている。

次に、図４を参照してロータリジョイント１の動作を説明する。ロータリジョイント１が工作機械などに用いられてスピンドル軸２の進退動作を伴う場合には、送給される流体の圧力によるフローティングシート８の進出と、スピンドル軸２の進退動作によって、面シール部１０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８が後退して第１のシール面５ｂと第２のシール面９ｂとが相互に離隔した状態において、嵌合孔３ａ内に流体が送給されることによりフローティングシート８が前進（矢印ｂ方向）し、第１のシール面５ｂが第２のシール面９ｂに当接して面シール部１０が形成される。そしてスピンドル軸２が固定部１ｂに対して相対的に前進（矢印ｅ方向）することにより、フローティングシート８は後退（矢印ｃ方向）し、フランジ部８ｂがケーシング部材３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２を相対的に後退（矢印ｄ方向）させることにより、第１のシール面５ｂと第２のシール面９ｂとが相互に離隔した状態に戻る。また、ロータリジョイント１がスピンドル軸２の進退動作を伴わない用途に用いられる場合には、面シール部１０のシール面の接離は行われず、第１のシール面５ｂと第２のシール面９ｂとは常に接触した状態となる。

次に、ロータリジョイント１における面シール部１０によるシール機能について説明する。嵌合孔３ａ内に供給対象の流体が送給される（矢印ａ）と、この流体は固定流路８ｆを介して円筒軸部７の先端開口部７ｃ内に流入し（矢印ｆ）、さらに円筒軸部７の内部孔を介してロータ４の回転流路４ｆに流入する。このとき嵌合孔３ａ内に供給された流体の流体圧は、固定軸部８ａの他方側（第２のシールリング８の反対側）の側端面８ｊに作用する。これにより、固定軸部８ａは嵌合孔３ａ内で回転部１ａ側へスライドし、第２のシールリング９は第１のシールリング５に対して、側端面８ｊの投影面積Ａ１に流体圧を乗じた大きさの押圧力Ｆで押圧される。このフローティングシート８のスライドにおいて、フランジ部８ｂに設けられた廻り止め孔８ｃが廻り止め部材１２に沿って摺動することにより、フローティングシート８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。

この押圧力Ｆは第２のシール面９ｂと第１のシール面５ｂとを相互に密着させ、これにより嵌合孔３ａから円筒軸部７を介して軸廻りに回転状態の回転流路４ｆへ送給される流体の漏洩を防止する面シール部１０（図１）が形成される。すなわち、流体供給源から嵌合孔３ａ内へ流体を供給して固定軸部８ａの他方側の側端面８ｊに流体圧を作用させて、固定シール部であるフローティングシート８を回転シール部であるロータ４に対して押圧することにより、第１のシール面５ｂと第２のシール面９ｂとを相互に密着させて面シール部１０を形成する。

このとき、嵌合孔３ａ内に供給された流体の流体圧は円筒隙間Ｓを介して面シール部１０に作用し、以下に説明するバランス比を安定させる上で重要な役割を果たす。ロータリジョイント１に採用されるメカニカルシール構造においては、図４に示すように流体圧が嵌合孔３ａ内において側端面８ｊに作用することによる押圧力Ｆを面シール部１０に作用させることによりシール機能を果たしている。そして押圧力Ｆにより面シール部１０に生じる面圧力の面シール部１０内部の流体圧に対する相対比で定義されるバランス比を、予め使用条件に応じて適正に設定された比率に保つことにより、安定したシール性能を維持するようにしている。

すなわち本実施の形態においては、面シール部１０に作用する流体圧は一方側が閉止されて内部における流体の流動が制約された円筒隙間Ｓ内の流体の圧力であることから、嵌合孔３ａ内における流体圧とほぼ等しい。したがって、円筒軸部７を介して流動する流体の流量が変動する場合にあっても、面シール部１０に作用する流体圧は常に嵌合孔３ａに供給された流体の流体圧にほぼ等しく、面シール部１０のバランス比は大きく変動することなくほぼ一定に保たれる。

なおここに示す例では、嵌合孔３ａ内において側端面８ｊに作用する流体力のみによって押圧力Ｆを発生させるようにしているが、このような流体力に加えて、フローティングシート８を付勢手段（実施の形態２において図５に示す圧縮バネ部材１１３参照）によってロータ４側へ付勢することによる面圧力を加算したものを押圧力Ｆとしてもよい。すなわちこの場合には、面シール部１０に生じる面圧力は、流体圧による面圧力に固定シール部を回転シール部側へ付勢する付勢手段による面圧力を加算したものとなっている。

メカニカルシールにおいては、バランス比を小さくするほどシール面から流体が漏れやすくなる傾向にあり、バランス比が０．６以下となる条件ではシール面から流体が高い確率で漏洩する。そしてこの流体の漏れ量はバランス比の値が小さくなるのに伴って増大することが経験的な知見として得られている。このような経験的知見に基づき、本実施の形態に示すロータリジョイント１においては、このバランス比が０．６以下となるように各部寸法を設定するようにしている。すなわちバランス比を０．６以下に設定することにより、面シール部１０から流体をバランス比の値に応じた所定の漏れ量だけ漏洩させることができる。

ここで漏れ量は、当該ロータリジョイント１のシール性能に影響を及ぼさない範囲で許容される所定の漏れ量以下であることが求められる。許容される所定の漏れ量は、用途および使用条件によって個別に設定されるが、一般には５ｍｌ／ｍｉｎ．以下であることが望ましい。すなわち許容される漏れ量が決定されることにより、この漏れ量に対応したバランス比を推定することができ、このバランス比に基づいて製作されたロータリジョイントの実際の漏れ量を試行により確認することにより、バランス比と漏れ量との関係が特定される。

バランス比をこのように設定することにより、ロータリジョイント１の作動状態において、図４に示すように、円筒隙間Ｓ内に上流側から進入した流体（矢印ｇ）は、常にバランス比に応じた所定の漏れ量だけ第１のシール面５ｂと第２のシール面９ｂとの摺動面を介して外部へ漏洩する（矢印ｈ）。このように面シール部１０からシール性能に影響を及ぼさない範囲で許容される所定の漏れ量の流体を常に漏洩させることにより、以下のような効果を有する。すなわち、ロータリジョイント１の作動状態においては、回転部１ａの回転により第１のシール面５ｂと第２のシール面９ｂとは常に相互に押圧されて摺動するため、摺動面の摩耗により微細な異物が発生する。

このような状態にあっても、上述のように、円筒隙間Ｓ内の流体をバランス比に対応した所定量だけ第１のシール面５ｂと第２のシール面９ｂとの摺動面を介して外部へ漏洩させることにより、摺動面に発生した微細な異物は漏洩する流体とともに外部に排出される。また円筒隙間Ｓには図３に示すような流動抑制手段が設けられていることから、面シール部１０で発生した異物を含む流体が円筒隙間Ｓを逆流して固定流路８ｆまで移動しにくくなっている。このため、面シール部１０において発生した異物が回転流路４ｆに進入して、下流側へ供給される流体を汚損する事態が発生しない。したがって、ロータリジョイント１が食品分野や半導体製造分野などクリーン用途に用いられる装置に組み込まれる場合において、送給される流体を高い清浄度に保つことが可能となっている。

（実施の形態２）
図５、図６は本発明の実施の形態２におけるロータリジョイントの断面図、図７は本発明の実施の形態２におけるロータリジョイントの動作説明図である。本実施の形態２は、実施の形態１においては回転シール部から固定シール部側へ延出して設けられていた円筒軸部を、固定シール部から回転シール部側へ延出する構成としたものである。

まず図５、図６を参照して、ロータリジョイント１０１の全体構成を説明する。図１において、ロータリジョイント１０１は、実施の形態１に示すロータリジョイント１と同様に、工作機械のスピンドル軸などの回転軸へ冷却用の流体を送給する流体供給機構に用いられるものであり、軸方向の回転流路が設けられた回転部１０１ａおよび軸方向の固定流路が設けられた固定部１０１ｂを同軸配置して構成される。なお図６は、説明の便宜のため回転部１０１ａと固定部１０１ｂとを軸方向に分離した状態を示している。

回転部１０１ａは回転軸であるスピンドル軸１０２の流路孔１０２ａに締結されており、スピンドル軸１０２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（図示省略）によって軸方向の進退動作を行う。また固定部１０１ｂは、円筒ブロック形状のケーシング部材１０３に設けられた嵌合孔１０３ａに嵌合して装着されており、スピンドル軸１０２が挿通するフレーム（図示省略）にボルトなどの締結手段によってケーシング部材１０３を着脱自在に締結することにより、固定部１０１ｂは回転部１０１ａと同軸に配置される。固定部１０１ｂには、流体供給部（図示省略）より液体クーラントや冷却用のエアなどの気体が選択的に送給される（矢印ａ）。

次に、ロータリジョイント１０１の詳細構造を説明する。図５、図６において回転部１０１ａは、スピンドル軸１０２に装着されたロータ１０４を主体としている。ロータ１０４は、回転軸部１０４ａの一方側の端部に回転軸部１０４ａよりも外径が大きいフランジ部１０４ｂを設け、軸心部を軸方向に貫通して連通する回転流路１０４ｆ、１０４ｇを設けた構成となっている。ここで固定部１０１ｂ側に近接する回転流路１０４ｇは、後述する円筒軸部１０７の挿通部１０７ａを挿通させるために、回転流路１０４ｆよりも大きな内径で設けられている。回転軸部１０４ａの外面には雄ねじ部１０４ｄが設けられており、流路孔１０２ａの開口端部の内面には雌ねじ部１０２ｂが設けられている。雄ねじ部１０４ｄを雌ねじ部１０２ｂに螺合させることにより、ロータ１０４はスピンドル軸１０２にねじ締結され、Ｏリング１０６によってロータ１０４の外周面と流路孔１０２ａの内周面との当接部が密封される。

図６に示すように、ロータ１０４の右側（固定部１０１ｂと対向する側）の側端面には、円形状の凹部１０４ｃが形成されており、凹部１０４ｃには実施の形態１に示す第１のシールリング５と同様の第１のシールリング１０５が固定されている。第１のシールリング１０５は第１のシール面１０５ｂを外面側にした状態で凹部１０４ｃに固定され、第１のシール面１０５ｂには回転流路１０４ｇが開口している。すなわち第１のシールリング１０５が固定されたロータ１０４は、回転部１０１ａに設けられ側端面に回転流路１０４ｇが開口した第１のシール面１０５ｂを有する回転シール部となっている。

次に、ケーシング部材１０３に装着される固定部１０１ｂの構造を説明する。図６において、固定部１０１ｂは、ケーシング部材１０３の嵌合孔１０３ａに嵌合して装着されたフローティングシート１０８およびフローティングシート１０８を貫通する円筒軸部１０７を主体としている。フローティングシート１０８は、一方側（図において回転部１０１ａと対向する側）に円板形状のフランジ部１０８ｂが設けられ、他方側に固定軸部１０８ａを有する形状となっている。固定軸部１０８ａは、嵌合孔１０３ａに軸方向の移動が許容された状態で嵌合している。

固定軸部１０８ａには内部孔１０８ｆが軸方向に貫通して形成されており、内部孔１０８ｆには円筒軸部１０７が軸方向の相対移動が許容された状態で嵌合して挿通している。円筒軸部１０７は軸方向に貫通する内部流路１０７ｃを有する円筒状の軸部材であり、下流側（回転部１０１ａ側）は段付部１０７ｆを介して外径が減少した挿通部１０７ａとなっている。ロータリジョイント１０１の作動状態において、挿通部１０７ａはロータ１０４の回転流路１０４ｇに挿通する（図５参照）。

円筒軸部１０７の上流側には、ケーシング部材１０３に固定装着するためのボス部１０７ｂが設けられている。ケーシング部材１０３の上流側に設けられた装着凸部１０３ｂには装着孔１０３ｃが設けられており、装着孔１０３ｃにはボス部１０７ｂが圧入されている。ボス部１０７ｂは流体供給孔１１４ａが設けられた締結ナット部材１１４によって、装着凸部１０３ｂにねじ締結によって固定装着される。流体供給源から供給される流体は、流体供給孔１１４ａを介して内部流路１０７ｃ内に供給される（矢印ａ）。したがって内部流路１０７ｃは、固定部１０１ｂに軸方向に設けられた固定流路となっており、以下の説明においては固定流路１０７ｃと記述する。

この流体の供給において、締結ナット部材１１４とボス部１０７ｂとの当接面はＯリング１１５によって密封され、これにより外部への流体の漏洩が防止される。また嵌合孔１０３ａの内面にはＯリング溝１０３ｂが設けられており、Ｏリング溝１０３ｂに装着されたＯリング１１１によって、固定軸部１０８ａの嵌合部が密封される。これにより、固定流路１０７ｃを介して流動し内部孔１０８ｆの内面と円筒軸部１０７の外周面１０７ｄとの間の微小隙間を介して嵌合孔１０３ａに進入した流体の外部への漏洩が防止される。

ケーシング部材１０３には廻り止め部材１１２が軸方向に植設されており、フローティングシート１０８をケーシング部材１０３に装着した状態において、廻り止め部材１１２はフランジ部１０８ｂに設けられた廻り止め孔１０８ｃを軸方向に挿通している。廻り止め部材１１２には付勢手段であるコイル状の圧縮バネ部材１１３が装着されており、圧縮バネ部材１１３はフランジ部１０８ｂを回転部１０１ａ側へ所定の付勢力で付勢している。ロータリジョイント１０１の作動状態においては、この付勢力によって以下に説明する第２のシールリング１０９を第１のシールリング１０５に対して押圧し、これにより流体の漏洩を防止する。

フランジ部１０８ｂの左側（回転部１０１ａと対向する端面）に設けられた凸部１０８ｄには、内部孔１０８ｆの開孔面を囲む配置で、円形状の凹部１０８ｅが形成されており、凹部１０８ｅには実施の形態１における第２のシールリング９と同様の第２のシールリング１０９が固定されている。第２のシールリング１０９は、第２のシール面１０９ｂを外面側にした状態で凹部１０８ｅに固定される。そしてこの状態では、内部孔１０８ｆは開口部１０９ａと連通して第２のシール面１０９ｂに開口する。すなわち第２のシールリング１０９が固定されたフローティングシート１０８は、固定流路１０７ｆが軸方向に貫通して形成されケーシング部材１０３に設けられた嵌合孔１０３ａに軸方向の移動が許容された状態で嵌合する固定軸部１０８ａを有し、一方側の側端面に第２のシール面１０９ｂを有する固定シール部となっている。内部孔１０８ｆに嵌合して挿通する円筒軸部１０７は、段付部１０７ｆを第２のシールリング１０９の上流側（固定部１０１ｂ側）に位置させた状態で装着され、これにより開口部１０９ａ内において挿通部１０７ａと第２のシールリング１０９の内面との間には隙間が確保されている。

ロータリジョイント１０１の使用状態においては、図５に示すように、挿通部１０７ａを回転流路１０４ｇ内に挿通させて、回転部１０１ａと固定部１０１ｂとを近接させる。これにより、第１のシール面１０５ｂと第２のシール面１０９ｂとが当接して、面シール部１１０が形成される。この状態では、円筒軸部１０７の先端開口部１０７ｅは開口部１０５ａを挿通して回転流路１０４ｇに開口する。これにより回転流路１０４ｇは、先端開口部１０７ｅを介して固定流路１０７ｃと連通する。また円筒軸部１０７の外周面と回転流路１０４ｇの内周面との間には、円筒隙間Ｓが形成される。円筒隙間Ｓは回転流路１０４ｇと連通しており、面シール部１１０を軸方向の隙間形成範囲に含めて形成されている。そして面シール部１１０から固定部１０１ｂ側へ隔てた位置において、段付部１０７ｆによって行き止まりとなり閉止されている。

すなわち、円筒軸部１０７は、固定シール部から回転シール側へ同軸に延出して設けられ、固定流路１０７ｃと連通して、先端開口部１０７ｅが回転流路１０４ｇと連通する形態となっている。また円筒隙間Ｓは、円筒軸部１０７の外周面と回転流路１０４ｇの内周面との間に、面シール部１１０を軸方向の隙間形成範囲に含めて形成され、回転流路１０４ｇと連通し面シール部１１０から固定部１０１ｂ側へ隔てた位置において閉止された形態となっている。このような構成を採用することにより、上流側から流体供給孔１１４ａに供給され固定流路１０７ｃに流入した流体を、円筒軸部１０７を介して回転流路１０４ｇに導くことができる。

このとき、円筒隙間Ｓは面シール部１１０から固定部１０１ｂ側へ隔てた位置において閉止されていることから、円筒隙間Ｓ内における流体の固定部１０１ｂ側への流動は阻害されるものの、流体圧は円筒隙間Ｓ内に作用する。これにより、後述するように、面シール部１１０におけるバランス比を安定的に保つことが可能となっている。なお、図５においては円筒軸部１０７の先端開口部１０７ｅが開口する位置は面シール部１１０の下流側であればよく、挿通部１０７ａの長さ寸法は任意に決定してよい。図５におけるＢ部には、実施の形態１にて図３に示すような流動抑制手段が設けられており、円筒隙間Ｓ内の流体が回転流路１０４ｇに流動しにくいようになっている。

次に、図７を参照してロータリジョイント１０１の動作を説明する。ロータリジョイント１０１の作動状態においては、実施の形態１に示すロータリジョイント１とは異なり、フローティングシート１０８には常に圧縮バネ部材１１３の不勢力が作用しているため、スピンドル軸１０２の進退動作によって、面シール部１１０のシール面の接離が行われる。すなわちスピンドル軸１０２が固定部１０１ｂに対して相対的に後退した状態においては、フローティングシート１０８は圧縮バネ部材１１３の不勢力によって前進（矢印ｂ方向）する。この状態において、スピンドル軸１０２が固定部１０１ｂに対して相対的に前進（矢印ｅ方向）することにより、フローティングシート８は押し込まれて後退（矢印ｃ方向）し、第１のシール面１０５ｂが第２のシール面１０９ｂに当接して面シール部１１０が形成される。そしてこの状態からスピンドル軸１０２を相対的に後退（矢印ｄ方向）させることにより、第１のシール面１０５ｂと第２のシール面１０９ｂとが相互に離隔した状態に戻る。

次に、ロータリジョイント１０１における面シール部１１０によるシール機能について説明する。流体供給孔１１４ａ内に供給対象の流体が送給される（矢印ａ）と、この流体は円筒軸部１０７の固定流路１０７ｃ内に流入し（矢印ｆ）、さらに挿通部１０７ａを介して先端開口部１０７ｅからロータ１０４の回転流路１０４ｇ、さらに回転流路１０４ｆ内に流入する。このとき、圧縮バネ部材１１３がフランジ部１０８ｂに与える付勢力により、固定軸部１０８ａは嵌合孔１０３ａ内で回転部１０１ａ側へスライドし、第２のシールリング１０９は第１のシールリング１０５に対して、圧縮バネ部材１１３の付勢力に応じた押圧力Ｆで押圧される。このフローティングシート１０８のスライドにおいて、フランジ部１０８ｂに設けられた廻り止め孔１０８ｃが廻り止め部材１１２に沿って摺動することにより、フローティングシート１０８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。

この押圧力Ｆは第２のシール面１０９ｂと第１のシール面１０５ｂとを相互に密着させ、これにより嵌合孔１０３ａから円筒軸部１０７を介して軸廻りに回転状態の回転流路１０４ｇ、１０４ｆへ送給される流体の漏洩を防止する面シール部１１０（図５）が形成される。すなわち、固定シール部を付勢手段である圧縮バネ部材１１３によって回転シール部側へ付勢して、固定シール部であるフローティングシート１０８を回転シール部であるロータ１０４に対して押圧することにより、第１のシール面１０５ｂと第２のシール面１０９ｂとを相互に密着させて面シール部１１０を形成する。

このとき、固定流路１０７ｃ内に供給された流体の流体圧は円筒隙間Ｓを介して面シール部１１０に作用し、以下に説明するバランス比を安定させる上で重要な役割を果たす。ロータリジョイント１０１に採用されるメカニカルシール構造においては、図７に示すように固定シール部を付勢手段である圧縮バネ部材１１３によって回転シール部側へ付勢することによる押圧力Ｆを面シール部１１０に作用させることによりシール機能を果たしている。そして押圧力Ｆにより面シール部１１０に生じる面圧力の面シール部１１０の内部の流体圧に対する相対比で定義されるバランス比を、予め使用条件に応じて適正に設定された比率に保つことにより、安定したシール性能を維持するようにしている。

すなわち本実施の形態２においては、面シール部１１０に作用する流体圧は一方側が閉止されて内部における流体の流動が制約された円筒隙間Ｓ内の流体の圧力であることから、回転流路１０４ｇにおける流体圧とほぼ等しい。したがって、固定流路１０７ｃ、回転流路１０４ｇ、１０４ｆを介して流動する流体の流量が変動する場合にあっても、面シール部１１０に作用する流体圧は常に回転流路１０４ｇにおける流体の流体圧にほぼ等しく、面シール部１１０のバランス比は大きく変動することなくほぼ一定に保たれる。

本実施の形態２に示すロータリジョイント１０１においても実施の形態１におけるものと同様に、このバランス比を０．６以下に設定するようにしている。このバランス比は、円筒隙間Ｓ内の流体が、面シール部１１０からから当該ロータリジョイント１０１のシール性能に影響を及ぼさない範囲で許容される所定の漏れ量で外部に漏洩するような設定となっている。この所定の漏れ量とバランス比との関係は、実施の形態１において述べた通りである。

バランス比をこのように設定することにより、ロータリジョイント１０１の作動状態において、図７に示すように、円筒隙間Ｓ内に回転流路１０４ｇから進入した流体（矢印ｇ）は、常にバランス比に応じた所定の漏れ量だけ第１のシール面１０５ｂと第２のシール面１０９ｂとの摺動面を介して外部へ漏洩する（矢印ｈ）。このように面シール部１１０からシール性能に影響を及ぼさない範囲で許容される所定量の流体を常に漏洩させることにより、実施の形態１と同様の効果を有する。

本発明のロータリジョイントは、シール面の摩耗によって発生する異物を簡便な構成によって供給される流体から完全に排除することができるという特徴を有し、食品分野や半導体製造分野などに用いられる装置の回転部に洗浄液やエアなどの流体を送給する用途に有用である。

本発明の実施の形態１におけるロータリジョイントの断面図本発明の実施の形態１におけるロータリジョイントの断面図本発明の実施の形態１におけるロータリジョイントの部分断面図本発明の実施の形態１におけるロータリジョイントの動作説明図本発明の実施の形態２におけるロータリジョイントの断面図本発明の実施の形態２におけるロータリジョイントの断面図本発明の実施の形態２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、１０１ロータリジョイント
１ａ，１０１ａ回転部
１ｂ、１０１ｂ固定部
２、１０２スピンドル軸
３、１０３ケーシング部材
４、１０４ロータ
４ｆ、１０４ｆ、１０４ｇ回転流路
５、１０５第１のシールリング
５ｂ、１０５ｂ第１のシール面
７、１０７円筒軸部
８、１０８フローティングシート
８ａ，１０８ａ固定軸部
８ｆ、１０７ｃ固定流路
９、１０９第２のシールリング
９ｂ第２のシール面
１０、１１０面シール部
１１３圧縮バネ部材

Claims

軸方向の回転流路が設けられ回転軸に装着される回転部および軸方向の固定流路が設けられケーシング部材に装着される固定部を同軸配置して成り、流体供給源から供給される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送給す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前記ケーシング部材に設けられた嵌合孔に前記軸方向の移動が許容された状態で嵌合する固定軸部を有し、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、
前記流体供給源から前記嵌合孔内へ前記流体を供給して前記固定軸部の他方側の側端面に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前記流体圧に応じた面圧力で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形成された面シール部と、
前記回転シール部から前記固定シール部側へ同軸に延出して設けられ、前記回転流路と連通して先端開口部が前記固定流路と連通する円筒軸部と、
前記円筒軸部の外周面と前記固定流路の内周面との間に前記面シール部を軸方向の隙間形成範囲内に含めて形成され、前記固定流路と連通し前記面シール部から回転部側へ隔てた位置において閉止された円筒隙間と、
前記円筒隙間内において圧力損失を発生させることにより前記円筒隙間内における前記流体の流動を抑制する流動抑制手段とを備え、
前記流体圧に対する前記面圧力の比で定義される前記面シール部のバランス比が０．６以下に設定されており、前記流体を前記面シール部から前記バランス比に応じた所定の漏れ量で外部に漏洩させることにより、前記面シール部で発生した異物を外部に排出するとともに、
前記流動抑制手段によって前記異物を含む流体の前記円筒隙間内での逆流を抑制し、
さらに前記流動抑制手段は、前記円筒隙間内に凸出して凸部を設けることにより前記円筒隙間を部分的に狭めた隙間シールもしくは前記固定流路の内面に複数の凸部および凹部を交互に設けたラビリンスシールのいずれかであることを特徴とするロータリジョイント。
軸方向の回転流路が設けられ回転軸に装着される回転部および軸方向の固定流路が設けられケーシング部材に装着される固定部を同軸配置して成り、流体供給源から供給される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送給す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前記ケーシング部材に設けられた嵌合孔に前記軸方向の移動が許容された状態で嵌合する固定軸部を有し、一方側の側端面に第２のシール面を有する固定シール部と、
前記固定シール部を付勢手段によって回転シール部側へ付勢して前記固定シール部を前記回転シール部に対して所定の面圧力で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形成された面シール部と、
前記固定シール部から前記回転シール部側へ同軸に延出して設けられ、前記固定流路と連通して先端開口部が前記回転流路と連通する円筒軸部と、
前記円筒軸部の外周面と前記回転流路の内周面との間に前記面シール部を軸方向の隙間形成範囲内に含めて形成され、前記回転流路と連通し前記面シール部から固定部側へ隔てた位置において閉止された円筒隙間と、
前記円筒隙間内において圧力損失を発生させることにより前記円筒隙間内における前記流体の流動を抑制する流動抑制手段とを備え、
前記流体圧に対する前記面圧力の比で定義される前記面シール部のバランス比が０．６以下に設定されており、前記流体を前記面シール部から前記バランス比に応じた所定の漏れ量で外部に漏洩させることにより、前記面シール部で発生した異物を外部に排出するとともに、
前記流動抑制手段によって前記異物を含む流体の前記円筒隙間内での逆流を抑制し、
さらに前記流動抑制手段は、前記円筒隙間内に凸出して凸部を設けることにより前記円筒隙間を部分的に狭めた隙間シールもしくは前記固定流路の内面に複数の凸部および凹部を交互に設けたラビリンスシールのいずれかであることを特徴とするロータリジョイント。