JP5610006B2 - マルチ媒体回転ユニオン - Google Patents

Description

本発明は、回転ユニオン等の流体カップリングデバイス（Fluid Coupling Devices）に関し、特に、単一の流入路と、内部で使用されるシール面を潤滑化する外部手段とを有するカップリングデバイスにおいて、水性または油性の冷却液等の潤滑媒体や、乾燥した空気およびガス等の非潤滑媒体を用いて、或いは何れの種類の媒体も用いずに、当該カップリングデバイスの運転操作を可能にする改良されたシール設計に関するものである。

回転ユニオンは、流体カップリングや冷却剤ユニオン、回転ジョイントとしても知られており、高速ドリルやボーリングの移送操作において、あるいは高速工作機械スピンドルや流体媒体を回転デバイスに移送しなければならないその他操作において用いられている。回転ユニオンは、高速工作機械の運転操作を最適化するために、水性または油性の冷却液等の液体若しくは空気等の乾燥した気体を、その供給源から回転工作機械に伝えることが必要とされている。回転ユニオンの一つの適用例は、液体を冷却剤及び潤滑剤として回転工作機械に送出することであり、それに続いて、工作機械や作業領域を清掃するために回転工作機械に空気を送ることである。回転ユニオンの別の適用例としては、切削工具が高温となって水性または油性の冷却液が結果として切削工具の熱衝撃となるような特別な調質鋼の高速機械加工が含まれる。このような適用例では、切削工具を冷却するために、空気をベースとする冷却剤を使用する必要がある。回転ユニオンの第３の適用例としては、潤滑媒体と接触した完成部品が使用に適さなくなるような特定の医療用部品の機械加工が含まれる。

回転ユニオンが潤滑媒体を導く必要がある場合、多数の異なる配置構成の中から何れか一つが採用されて、回転及び非回転シール部材の堅固な係合が保証される。しかしながら、かかる全ての配置構成においては、“ドライランニング（dry-running）”として従来より知られる状態を回避するために、シール部材の接触面を潤滑状態とする必要がある。米国特許第６，１４９，１６０号、第６，３２５，３８０号および第６，７２６，２１３号などの先行技術は、接触するシール面の潤滑化を促す面シールの方法を数多く開示している。かかる運転状態は、接触シール面における摩耗の増大をもたらし、特に、高速回転での長期間のドライランニング操作は、シール部材に大きなダメージをもたらし、結果的に回転ユニオンの一部または全ての交換が必要になる。

回転ユニオンを媒体無しで運転する必要がある場合、通常は、回転シール面と非回転シール面を自動的に離間させることにより、上記ドライランニング状態が防止される。このような構成は、一般に“ポップオフ（pop off）”設計と呼ばれている。かかる構成において、非回転シール面は、回転シール面に対して軸方向に移動するキャリアに設けられ、媒体が有るときは回転シール面と当接・係合し、媒体が無いときは回転シール面から離間する。しかしながら、単一流入路の“ポップオフ”型の回転ユニオンは、これまで、潤滑媒体と非潤滑媒体の両方が存在する場合に両シール面が当接・係合してしまうという問題点がある。

回転ユニオンが非潤滑媒体を伝える必要があるときは、ドライランニングを防止して接触面どうしが直接接触しないようにするために、接触シール面どうしを僅かに離間させることが行われる。米国特許第５，６６９，６３６号および第６，４０６，０６５号は、潤滑媒体と非潤滑媒体を用いて運転するために少なくとも二つの別々の流入路を必要とする回転ユニオンの例である。かかる構成は、マルチ媒体の操作を制御するために、複雑で追加的な配管・バルブシステムが必要になるという問題点がある。

特願平１０−３０２３９５（特開平２０００−１３０６６５）には、非潤滑媒体を導くために接触シール面どうしの接触を維持する更に別の構成が開示されている。上記ドライランニングの問題を解決するため、かかる構成においては、外部から供給されたオイルミスト等の別の媒体を用いて接触シール面を潤滑化するようにしている。しかしながら、上記構成においては、オイルミストを接触シール面に供給するための分配システムの供給源が別途必要になるという問題点がある。このシステムは、コストがかかると同時に複雑さを増大させ、さらに、水性冷却液にオイルミストが混入するという問題点もある。このような混入は、シールの外側と内側で起こり得るものであり、シールの外側で起きた場合には、回転ユニオンの排液路に過度のオイルミストが流れ込み、シールの内側で起きた場合には、米国特許第５，９４１，５３２号にその概念が記載されているように、所謂“ハイドロパッド（hydropadｓ）”または溝によってオイルミストが移送されることとなる。何れにしても、液体や水性冷却液から除去しなければならない所謂“トランプオイル（tramp oil）”が発生し、回転ユニオンの運転に更なる費用がかかることになる。

特開平２０００−１３０６６５号公報

本発明の目的の一つは、単一の媒体流入口を有する回転ユニオンにおいて、液体の潤滑媒体（例えば、水性または油性冷却液など）および気体の非潤滑媒体（例えば、乾燥した空気およびガスなど）を用いて、或いは何れの種類の媒体も用いずに、運転操作を可能にするシール設計を提供することである。

本発明の更なる目的は、非回転シール部材の幾何形状および非回転シール部材に作用する外力に対する所定のコントロールに加えて、非回転シール部材が取り付けられたキャリア部材の周囲に且つこれを取り囲むように設けられた補助的な或いは単一の弾性シール部材を有する流体カップリングデバイスである。

本発明の目的の一つは、水や油等の非圧縮性の媒体と、空気やガス等の圧縮性の媒体の何れかを利用することができ、その媒体を単一の流入口を介して回転ユニオン内に導入するようにした高速回転ユニオンを提供することである。

本発明の更なる目的は、単一の媒体流入口と単一の補助的なシール部材とを有する、部品数の少ないコンパクトな回転ユニオンである。

非回転シール部材にバネにより生じる力などの外力が無い場合、本発明の幾何学的形状（geometry）は、主シールアセンブリの回転シール面と非回転シール面との間に、０．５〜０．６７の範囲内の所定のバランス比（balance ratio）を保持する。水性または油性の冷却液など、非圧縮性の媒体が利用される場合、その合成力（resultant net force）は、運転、加圧条件下で、非回転シール面を回転シール面に係合させる。非圧縮性の媒体は通常は液体であるため、非圧縮性の媒体は接触シール面を潤滑状態とし、ドライランニングを防止する。係合したシール面は、望ましくない媒体の漏れを防止する。米国特許第６，５０８，４７２号はバランス比に言及しているが、この従来技術においては、本発明に記載の方法や構造で回転ユニオンが異なる媒体を伝えることを可能にするようなバランス比の特定の範囲についての示唆は無い。

主シールアセンブリ部材の回転および非回転シールの面シールの外径と内径は、それらの間に特定のバランス比を生じるように構造的に設定されている。そのバランス比は、開口面積に対する軸方向の閉じた面積の割合（the proportion of the axial closing area to the opening area）、すなわちJIS B 2405 2003 メカニカルシール通則における表１の用語の定義および付属書１の付図４において定義されているように、シール端面の軸方向の投影面積（Ａ₁）（軸方向の閉じた面積）とシールリングに対して軸方向の稼働力として働くシール流体圧力を受ける軸方向の投影面積（Ａ₂）（開口面積）との比（Ａ₂／Ａ₁）であり、０．５〜０．６７の範囲内となるように選択することが望ましい。非圧縮性の媒体により加圧している間、低いバランス比は、結果として、主シールアセンブリの第１シール部材と第２シール部材間における軸方向面の負荷（axial face load）を減少させることになる。これは、本発明に係るマルチ媒体回転ユニオンに対して、低摩擦、低摩耗率、長いシール寿命をもたらすこととなる。一方、圧縮性の媒体による加圧中、低いバランス比は、シール面間の軸方向負荷を除去し、シール面間に僅かな隙間を形成して無摩擦の運転を可能にする。

空気やガスをベースにした冷却剤など、圧縮性の媒体を回転ユニオンを介して導く場合には、その合成力は主シールアセンブリの非回転シール面と回転シール面とを僅かに離間させる。この状態によって、シール面は、圧縮性の媒体を用いても、或いは媒体または外部供給源からの潤滑剤を用いなくても、操作することが可能となり、これにより、回転ユニオンの運転中における機械的なシール摩耗を避けることができる。

本発明の他の実施形態は、バランス比を増減して調節することにより、バネその他のソースからの外力の存在を補い、開く力と閉じる力の同じ分布を生成するとともに、同じ合力を生成する。

本発明は、添付図面と、特に特許請求の範囲に示すように、後述する特定の新規な特徴と細部構造からなり、本発明の趣旨を逸脱しな範囲で、或いは幾つかの利点を犠牲にして、種々の変更を加えることが可能であると理解されるべきである。

本発明に係るマルチ媒体冷却ユニオンの断面図であり、当該冷却ユニオンが運転されておらず、加圧されていないときの状態を示している。 本発明に係るマルチ媒体冷却ユニオンの更なる実施形態を示す拡大断面図であり、当該冷却ユニオンが運転中で、非圧縮性の媒体を用いて加圧されているときの状態を示している。 本発明に係るマルチ媒体冷却ユニオンの更なる実施形態を示す拡大断面図であり、当該冷却ユニオンが運転中で、圧縮性の媒体を用いて加圧されているときの状態を示している。 本発明に係るマルチ媒体冷却ユニオンの更なる実施形態を示す拡大断面図で、シール面の少なくとも一方が面取りされた冷却ユニオンを示している。図４は、この冷却ユニオンが運転中で、非圧縮性の媒体を用いて加圧されているときの状態を示している。 本発明に係るマルチ媒体冷却ユニオンの更なる実施形態を示す拡大断面図で、シール面の少なくとも一方が面取りされた冷却ユニオンを示している。図５は、この冷却ユニオンが運転中で、圧縮性の媒体を用いて加圧されているときの状態を示している。 本発明に係るマルチ媒体冷却ユニオンの更なる実施形態を示す拡大断面図で、非回転シール部材を回転シール部材に流体密封係合させるべく付勢する閉鎖バネ部材を用いた冷却ユニオンを示している。 本発明に係るマルチ媒体冷却ユニオンの更なる実施形態を示す拡大断面図で、非回転シール部材を回転シール部材から離脱させるべく付勢する開放バネ部材を用いた冷却ユニオンを示している。 本発明に係るマルチ媒体冷却ユニオンの更なる実施形態を示す拡大断面図で、非回転シール部材を回転シール部材から離脱させるべく付勢する引張コイルバネ部材を用いた冷却ユニオンを示している。 本発明に係るマルチ媒体冷却ユニオンの更なる実施形態を示す拡大断面図で、主シール部材のシール面の少なくとも一方が面取りされた冷却ユニオンを示している。図９は、この冷却ユニオンが運転中で、圧縮性の媒体を用いて加圧されているときの状態を示している。 回転ユニオンの更なる実施形態を示す拡大断面図で、キャリア部材の周囲にＯリングタイプの弾性シール部材が配置された本発明に係る回転ユニオンを示している。 回転ユニオンの更なる実施形態を示す拡大断面図で、キャリア部材の周囲にＵ形状タイプの弾性シール部材が配置された本発明に係る回転ユニオンを示している。 回転ユニオンの更なる実施形態を示す拡大断面図で、キャリア部材の周囲にダイヤフラムタイプの弾性シール部材が配置された本発明に係る回転ユニオンを示している。 回転ユニオンの更なる実施形態を示す拡大断面図で、キャリア部材の周囲に蛇腹タイプのシール部材が配置された本発明に係る回転ユニオンを示している。

本発明の理解を容易にするために、本発明の望ましい実施形態を添付図面に示す。この図面を参照しながら、以下の説明と関連付けて検討することにより、本発明と、その構造や作用、多くの利点が容易に理解されることであろう。

各図面には、主シールアセンブリ３０と補助弾性シール部材２０が組み込まれた本発明の各実施形態に係るマルチ媒体型の冷却剤回転ユニオンまたはカップリングデバイス１０が示され、それら図面において、同一または類似の部分には同様の符号が使用されている。この回転ユニオン１０は、各図面に部分的に示されているように、水性または油性冷却液等の非圧縮性の媒体、或いは空気やガス冷却剤等の圧縮性の媒体を、その供給源から図示省略の工作機械等のスピンドルまたはロータ３６に導くために用いられる。このスピンドルまたはロータ３６は、例えば、複合工作機械やフレキシブルトランスファライン、或いは液体または空気をベースとした流体冷却剤が回転ユニオン１０と共に用いられる環境など、各種応用例において使用される工具の一つである。

回転ユニオン１０は、貫通する円筒状のカウンターボア（counter-bore）１４を有するハウジング部１２を備え、このハウジング部１２は、その内部に非回転管状キャリア部材１６を受け入れて、これを軸方向に移動させることができるように構成されている。管状キャリア部材１６は、冷却剤流入口１５に通じている。ハウジング部１２は、その内部に、キャリア部材１６の外周面１７を囲むように配置された環状溝１８を有している。環状溝１８は、一つの環状弾性シール部材２０を収容し得るように構成され、環状弾性シール部材２０は、この環状溝内で、図１０に示すように、円筒状カウンターボア１８の内周面１９とキャリア部材１６の外周面１７とに当接・係合する。図２〜図８に示すように、弾性シール部材２０は、断面の陰影のみで表されている。図１、図９および図１１に示すように、Ｕ形状の弾性シール部材２０のリップ部２１，２２と脚連結部２３は、環状溝の内周面１９および外周面と、キャリア部材１６の外周面１７と、環状溝の前端面２５に接触する。なお、弾性シール部材としては、図９〜図１２に示すように、様々なタイプの弾性シール部材を採用することが可能であり、何れも本発明の範囲内に含まれるものである。

図９〜図１２は、異なるタイプの弾性シール部材１３を用いた本発明の各実施形態の断面図である。図１、図９および図１１において、弾性シール部材は、Ｕ形状のシール部材２０であり、溝１８に配置されたときに、リップ部２１，２２および脚連結部２３は、溝１８の内周面１９およびキャリア部材１６の外周面１７に当接する。図１０において、Ｏリングタイプの弾性シール部材２０は環状溝１８内に配置され、図１２において、ダイアフラムタイプの弾性シール部材２０は、キャリア部材１６と当接・係合し、ハウジング部材１２に対してキャリア部材１６を密封するように配置される。図１３において、蛇腹タイプのシールアセンブリ４０は、主シールアセンブリ３０の非回転シール部材３４のシール面と回転シール部材３２のシール面間を密封するために利用される。補助シール部材２０は、シールノーズ４４を係合リング４６に付勢することにより、上述した補助弾性シール部材２０と同様に密封状態を形成するフレキシブルな蛇腹部材４２を有している。

また、図１に示すように、回転ユニオン１０の主シールアセンブリは、スタブ・ロータまたはスピンドル部材３６の一端３６ａに取り付けられた回転シール部材３２と、キャリア部材１６の一端１６ａに取り付けられた非回転シール部材３４とを備える。主シールアセンブリ３０の非回転または第１シール部材３４は、通常は、平坦なリング状部材であり、好ましくは、冷却材を通過させるための開口部３３を有するセラミック材料からなる。非回転シール部材３４は、貫通する開口部３３と、環状シール面３４ａとを有する。キャリア部材１６は、ハウジング１２の円筒状ボア１４内で軸方向に移動可能となっている。図１において、ユニオン１０は、運転されていない非加圧時の状態が示されている。

図３および図５を始めとする各図面に示すように、シール部材３２，３４は、平坦な接面（facing surfaces）３２ａ，３４ａまたは面取りされた接面３４ｂを備え、それらは、空気またはガスをベースとした圧縮性の流体冷却材を用いて或いは流体冷却材を用いずにユニオンを運転操作した際に、両者間に所定の微小隙間を形成する構造を提供する。図２および図４に示すように、非圧縮性の媒体を用いてユニオンを運転操作した際に、それらシール部材が当接・係合するようになっている。

図６、図７および図８は、非回転シール部材の動作を付勢するための外部バネを用いた各実施形態の断面図である。このうち図６は、非回転シール面３４ａを回転シール部材３２のシール面に流体密封係合させるべく付勢する閉鎖バネ部材２４を用いた実施形態を示している。この実施形態において、バランス比は０．５未満にする必要がある。図７および図８は、媒体の圧力と外部圧力との差圧が設定値を上回ったときに、非回転シール面３４ａとキャリア部材１６を回転シール部材３２のシール面３２ａから離脱させるべく付勢する開放バネ部材２６を用いた２つの実施形態を示している。この開放バネ部材２６を用いた実施形態において、バランス比は０．６７よりも大きくする必要がある。すなわち、シールアセンブリに力を加えるために外力やバネを用いない場合には、主シールアセンブリのバランス比を０．５〜０．６７の範囲内にする必要があり、少なくとも一つの閉鎖バネを用いる場合には、バランス比を０．５未満とし、少なくとも一つの開放バネを用いる場合には、バランス比を０．６７より大きくする必要がある。

図９は、本発明の譲受人であるデューブリン・カンパニーに譲渡された同時係属出願：米国出願番号６０／４３５，８９０に開示された実施形態の断面図である。

図１０〜図１３は、異なる種類の弾性シールを用いた本発明に係る４つの実施形態の各断面図である。これら実施形態のすべてにおいて、本発明の目的から独立した設計目的のために補助シールまたは弾性シールを選択することは可能であるが、本発明に不可欠な相対寸法は不変である。回転ユニオンは、一つの流入口１５と一つの補助または弾性シール部材２０とを備えるとともに、適切なバランス比を与えて非圧縮性または圧縮性の媒体を用いた運転を可能にするように構成されたものであればよい。

１０ 回転ユニオン
１２ ハウジング
１６ キャリア部材
１８ 溝
２０ 補助シール部材
３０ 主シールアセンブリ
３２ 回転シール部材
３４ 非回転シール部材
３６ ロータ

Claims (7)

1. ロータ部材に通じ、シール圧力に加圧された圧縮性または非圧縮性の冷却媒体を用いて運転操作可能な流体カップリングデバイスであって、貫通する円筒状のカウンターボアと単一の媒体流入口を有するハウジングと、上記カウンターボア内に外周部が配置されて上記カウンターボア内を軸方向に移動可能で且つ上記媒体流入口に通じている管状キャリア部材とを備える流体カップリングデバイスにおいて、
   上記ロータ部材に取り付けられた回転シール部材と、上記キャリア部材に取り付けられた非回転シール部材とを有する主シールアセンブリと、
   上記非回転シール部材と当接・係合することにより、上記主シールアセンブリに開く力を与えて、上記回転シール部材と上記非回転シール部材とを互いに離間させる少なくとも一つの開放バネ部材と、
   上記管状キャリア部材の周囲に配置されて上記ハウジングと当接・係合することにより、上記管状キャリア部材と上記ハウジング間を密封する補助シール部材との組合せを具備し、
   上記主シールアセンブリに上記開く力が加えられている場合に、互いに当接する上記回転シール部材と上記非回転シール部材とのシール端面の軸方向の投影面積（Ａ _１ ）（軸方向の閉じた面積）と上記キャリア部材に対して軸方向の稼働力として働く上記圧縮性または非圧縮性の冷却媒体の圧力を受ける軸方向の投影面積（Ａ _２ ）（開口面積）とのバランス比（Ａ _２ ／Ａ _１ ）が、０．６７よりも大きい１つのバランス比に設定されていることにより、上記圧縮性の冷却媒体が上記媒体流入口を介して導かれているときに、上記回転シール部材と上記非回転シール部材との間に所定の隙間を形成するように構成されるとともに、上記非圧縮性の冷却媒体が上記媒体流入口を介して導かれているときに、上記回転シール部材を上記非回転シール部材に当接・係合させるように構成されていることを特徴とする流体カップリングデバイス。
2. 上記ハウジングは、内周面を有する環状溝を備え、この環状溝は、上記円筒状のカウンターボアの周囲に配置されて、上記管状キャリア部材の外周面を囲むように構成され、
   上記補助シール部材は、上記溝内に配置されて、上記環状溝の内周面に当接・係合することにより、上記管状キャリア部材と上記ハウジング間を密封することを特徴とする請求項１に記載の流体カップリングデバイス。
3. 上記主シールアセンブリは、上記ロータ部材の一端に取り付けられた回転シール部材を有し、上記非回転シール部材は、上記キャリア部材の一端に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の流体カップリングデバイス。
4. 上記補助シール部材は、リップ延出部を有し上記溝内に配置されたＵ形状のシール部材であり、上記延出部は、上記環状溝の内周面と上記キャリア部材の外周面とにそれぞれ接触して、上記ハウジングと上記キャリア部材との間を密封することを特徴とする請求項２に記載の流体カップリングデバイス。
5. 上記補助シール部材は、上記環状溝の内周面と上記キャリア部材の外周面とにそれぞれ接触する状態で上記溝内に配置されて、上記ハウジングと上記キャリア部材との間を密封するＯリングであることを特徴とする請求項２に記載の流体カップリングデバイス。
6. 上記補助シール部材は、上記ハウジングと上記キャリア部材との間を密封するダイアフラムシール部材であることを特徴とする請求項１に記載の流体カップリングデバイス。
7. 上記補助シール部材は、上記管状キャリア部材の周囲であって、上記媒体流入口と上記主シールアセンブリとの間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の流体カップリングデバイス。

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