JP5913374B2

JP5913374B2 - 回転継手

Info

Publication number: JP5913374B2
Application number: JP2013551505A
Authority: JP
Inventors: 高野　祥央; 祥央高野; 功太郎大下; 大樹住川
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2012-10-03
Publication date: 2016-04-27
Anticipated expiration: 2032-10-03
Also published as: KR20140018380A; WO2013099385A1; KR101527313B1; JPWO2013099385A1

Description

本発明は、磁性流体シールを備える回転継手に関する。

従来、回転軸と、この回転軸が挿通される軸孔を有するハウジングとを備え、これら回転軸とハウジングの双方に設けられた通路が、両者間に設けられた環状隙間を介して繋がるように構成された回転継手が知られている（特許文献１参照）。かかる回転継手においては、通路を流れる気体の漏れを抑制するために各種密封装置が備えられている。

ここで、摩擦トルクを極めて低く抑えることのできる密封装置として、磁性流体シールが知られている。しかしながら、磁性流体シールの場合には、磁性流体を安定的に保持するための構造が、ゴムや樹脂などの固体材料に比べて技術的に難しいという短所がある。上記の回転継手の場合には、回転軸の回転によって、回転軸側の通路のポートと、ハウジング側の通路のポートとが回転方向に見て同位相になった際に、回転軸側の通路とハウジング側の通路とを直線的に結ぶ流路が形成されるため急激に気体が流れる。これにより、密封装置による密封領域内の圧力が急激に変化してしまうため、磁性流体シールを採用する場合には、如何に磁性流体を安定的に保持させるかが問題となる。

なお、上記ポートと磁性流体シールとの間の位置にラビリンスシールを設けることによって、磁性流体を保持している部分に対する圧力変動を抑制する技術も知られている（特許文献２参照）。しかしながら、この場合には、一般的に複雑な構造で構成されるラビリンスシールを設けなければならないので、構造が複雑化してしまう問題がある。

特開２０１１−１２７７２５号公報米国特許第７３８１２７４号公報

本発明の目的は、磁性流体が安定的に保持されることを可能とする回転継手を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。

すなわち、本発明の回転継手は、
外周面に開口する第１通路を備える回転軸と、
該回転軸が挿通される軸孔を有し、かつ内周面と外周面とを連通する第２通路を備えるハウジングと、
前記回転軸の外周に固定され、かつ内周面側には第１通路に繋がる位置に配置される第１環状溝が設けられ、外周面側には第２環状溝が設けられると共に、第１環状溝と第２環状溝とを連通する第３通路が備えられている第１環状部材と、
前記ハウジングの内周に固定され、かつ外周面側には第２通路に繋がる位置に配置される第３環状溝が設けられ、内周面側には第２環状溝との間で環状空間を形成する第４環状溝が設けられると共に、第３環状溝と第４環状溝とを連通する第４通路が備えられており、第１環状部材に対して摺動自在に設けられる第２環状部材と、
第１環状部材及び第２環状部材の軸方向の両側に設けられ、前記回転軸と前記ハウジングとの間の環状隙間を封止する一対の磁性流体シールと、
を備える回転継手であって、
第１通路，第２通路，第３通路及び第４通路は、前記ハウジングに対する回転軸の回転位置に拘らず、これらが一直線上に並ばない位置に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、第１通路，第２通路，第３通路及び第４通路は、ハウジングに対する回転軸の回転位置に拘らず、これらが一直線上に並ばない位置に配置されている。そのため、回転軸の回転中に、流路抵抗が急に低下してしまうことを抑制でき、これらの通路を流れる気体が急激に流れてしまうことを抑制することができる。これにより、磁性流体シールによる密封領域内の圧力が急激に変化してしまうことを抑制できる。

また、第３通路は、回転軸の回転方向に所定の間隔で複数備えられているとよい。これにより、気体が急激に流れてしまうことを、より一層抑制することができる。第４通路や、第１通路についても同様である。

なお、上記各構成は、可能な限り組み合わせて採用し得る。

以上説明したように、本発明によれば、磁性流体を安定的に保持することができる。

図１は本発明の実施例１に係る回転継手の模式的断面図である。図２は本発明の実施例１に係る回転継手の模式的断面図である。図３は本発明の実施例１に係る回転継手の模式的断面図である。図４は本発明の実施例１に係る回転継手の模式的断面図である。図５は本発明の実施例２に係る回転継手の模式的断面図である。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（実施例１）
図１〜図４を参照して、本発明の実施例１に係る回転継手について説明する。図１は本発明の実施例１に係る回転継手において、軸心を含む面で切断した模式的断面図である。図２〜図４は本発明の実施例１に係る回転継手において、軸心に垂直な面で切断した模式的断面図である。なお、図２〜図４に示す断面図は、図１におけるＡＡ断面の位置で切断した断面図に相当する。また、図２〜図４においては、後述する回転軸の回転位置がそれぞれ異なる場合を示している。なお、本実施例に係る回転継手は、例えば、真空状態に保たれた密封容器内に大気側から延びた回転軸を駆動する部位に好適に用いられる。また、大気側から回転軸を介して空気などの気体を真空側の機器に供給可能な回転継手として好適に用いられる。

＜回転継手の全体構成＞
本実施例に係る回転継手１は、回転軸１０と、回転軸１０が挿通される軸孔を有するハウジング２０と、回転軸１０の外周に固定される第１環状部材５０と、ハウジング２０の内周に固定される第２環状部材６０と、これらの環状部材の軸方向の両側に設けられる一対の磁性流体シール４０とを備えている。

回転軸１０は、軸方向の一端部から中心軸線を通り、他端部には至らない位置で径方向に向かって折れ曲がり、外周面に開口する第１通路１１を備えている。また、回転軸１０における外周面には、後述する磁性流体シール４０において磁性流体４３を保持するための複数の環状の微小突起１２が形成されている。なお、回転軸１０は磁性材料により構成されている。

ハウジング２０は、内周面と外周面とを連通する第２通路２１を備えている。また、ハウジング２０の一端側には、回転継手１が取り付けられる装置に対して回転継手１を固定するための外向きフランジ２２が設けられている。また、ハウジング２０の他端側には、回転軸１０とハウジング２０との間の環状隙間に設けられる各種部材を保持して固定するためのカバー２３が固定される。なお、ハウジング２０は、非磁性材料により構成されている。また、ハウジング２０の両端付近には、それぞれボールベアリング３０が設けられており、ハウジング２０に対して回転軸１０が同心的にかつ滑らかに回転できるように構成されている。

第１環状部材５０は、その内周面側に第１通路１１に繋がる位置に配置される第１環状溝５１が設けられている。また、第１環状部材５０の外周面側には第２環状溝５２が設けられている。更に、これら第１環状溝５１と第２環状溝５２とを連通する第３通路５３が設けられている。本実施例においては、第３通路５３は、回転軸１０の回転方向に所定の間隔（一定間隔）で複数備えられている。

ここで、第１環状部材５０は、セットスクリュ７０によって、回転軸１０に対して固定される。このとき、回転軸１０の回転方向において、回転軸１０に設けられている第１通路１１と、第１環状部材５０に設けられている第３通路５３とが一直線上に並ばないように、第１環状部材５０は回転軸１０に対して位置決めされた状態で固定されている（図２〜図４参照）。なお、第１環状部材５０は、非磁性材料により構成されている。また、第１環状部材５０は、後述する磁性流体シール４０に備えられているポールピース４２と摺動しないように、ポールピース４２との間に隙間が形成されている。

第２環状部材６０は、その外周面側に第２通路２１に繋がる位置に配置される第３環状溝６１が設けられている。また、第２環状部材６０の内周面側には第２環状溝５２との間で環状空間Ｋを形成する第４環状溝６２が設けられている。更に、これら第３環状溝６１と第４環状溝６２とを連通する第４通路６３が備えられている。本実施例においては、第４通路６３は、回転軸１０の回転方向に所定の間隔（一定間隔）で複数備えられている。なお、上記の通り、第２環状溝５２と第４環状溝６２との間で環状空間Ｋを設けていることにより、周上の圧力を平衡状態にすることができる。

第１環状部材５０の外周面と、第２環状部材６０の内周面との間には微小な隙間が設けられており、回転軸１０が回転している場合でも、これらの間には摺動抵抗が生じない。従って、回転継手１において、摺動抵抗が発生する箇所は、設計上存在しない。すなわち、ボールベアリング３０においてはボールが転がりながら軸受として機能するので摺動抵抗が殆ど発生しない。また、磁性流体シール４０においては、ポールピース４２と回転軸１０との間には磁性流体４３が介在しているので摺動抵抗は殆ど発生しない。なお、第２環状部材６０は、非磁性材料により構成されている。また、第２環状部材６０は、一対の磁性流体シール４０を位置決めする（これらの間隔を定める）スペーサとしての役割も担っている。

一対の磁性流体シール４０は、それぞれ、環状の永久磁石４１と、永久磁石４１の軸方向の両側に設けられる一対の環状のポールピース４２と、ポールピース４２の内周面と回転軸１０に設けられた複数の環状の微小突起１２との間に保持される磁性流体４３とを備えている。永久磁石４１は軸方向の一端側がＮ極で他端側がＳ極となるように構成されている。また、ポールピース４２は磁性部材により構成され、かつ回転軸１０も磁性部材により構成されている。これにより、永久磁石４１と一対のポールピース４２と回転軸１０とを通る磁気回路が形成されることにより、ポールピース４２の内周面と環状の微小突起１２との間の微小隙間に磁性流体４３が磁力によって保持される。

磁性流体シール４０（より具体的にはポールピース４２）とボールベアリング３０との間には、これらの間隔を定めるために、非磁性材料からなるスペーサ８０が設けられている。

また、本実施例に係る回転継手１は、回転軸１０と第１環状部材５０との間、ハウジング２０と各種部材（第２環状部材６０及びポールピース４２）との間には、それぞれＯリングＯが設けられており、気体の漏れを防止している。

＜回転継手の動作＞
本実施例に係る回転継手１においては、回転軸１０の回転方向の位置に拘らず、第１環状溝５１，第３通路５３，環状空間Ｋ（第２環状溝５２と第４環状溝６２とで形成される空間），第４通路６３及び第３環状溝６１を通じて、第１通路１１から第２通路２１に至る流路が形成される（図２〜図４参照）。従って、回転軸１０が回転しているか否かに関係なく、常時、気体を、回転継手１が取り付けられる装置内に送り込む、または当該装置内から外部に送り出すことが可能となる。

また、第１環状部材５０は回転軸１０に対して固定されているので、回転軸１０が回転しても、回転軸１０に設けられた第１通路１１と第１環状部材５０に設けられた第３通路５３との位置関係は変わらない。そして、上記の通り、本実施例においては、第１通路１１と第３通路５３とが一直線上に並ばないように構成されている。従って、第１通路１１，第２通路２１，第３通路５３及び第４通路６３が、回転軸１０の回転中に一直線上に並ぶことはない。なお、図１及び図４においては、第１通路１１と第２通路２１とが一直線上に並んだ際の様子を示している。このとき、第２通路２１と第４通路６３は常に一直線上に並ぶ関係にあるので、第１通路１１，第２通路２１及び第４通路６３は一直線上に並んだ状態となる。しかしながら、第３通路５３は第１通路１１とは一直線上に並ばない関係となっているので、全ての通路が一直線上に並ぶことはない。

＜本実施例に係る回転継手の優れた点＞
本実施例に係る回転継手１によれば、第１通路１１，第２通路２１，第３通路５３及び第４通路６３は、ハウジング２０に対する回転軸１０の回転位置に拘らず、これらが一直線上に並ばない位置に配置されている。そのため、回転軸１０の回転中に、流路抵抗が急に低下してしまうことを抑制でき、これらの通路を流れる気体が急激に流れてしまうことを抑制することができる。これにより、磁性流体シール４０による密封領域内の圧力が急激に変化してしまうことを抑制でき、磁性流体４３を安定的に保持することができる。

なお、仮に、第１通路１１と第３通路５３とが一直線上に並ぶように、回転軸１０に第１環状部材５０を固定させた場合には、回転軸１０が１回転毎に一度だけ第１通路１１，第２通路２１，第３通路５３及び第４通路６３が一直線上に並んだ状態となる。この状態においては、流路抵抗が殆どなくなるため、これらの通路を流れる気体が急激に流れてしまう。そのため、流速が急激に速くなり、いわゆるベンチュリ効果によって、第１環状部材５０と第２環状部材６０との間の隙間を通じて、環状空間Ｒ内の気体が勢いよく環状空間Ｋ側に流れていく。そのため、環状空間Ｒ内の内部圧力が急激に変化してしまう。これにより、特に、環状空間Ｒに近い位置で保持されている磁性流体４３が環状空間Ｒ側に流れ出してしまうことが確認されている。

また、本実施例においては、第３通路５３や第４通路６３を複数設けることによって、気体が急激に流れてしまうことを、より一層抑制することを可能としている。

（実施例２）
図５には、本発明の実施例２が示されている。本実施例においては、上記実施例１に示した構成において、回転軸に設けられる第１通路を複数設けた場合の構成を示している。その他の構成および作用については実施例１と同一なので、同一の構成部分については同一の符号を付して、その説明は省略する。

図５は本発明の実施例２に係る回転継手において、軸心に垂直な面で切断した模式的断面図である。本実施例に係る回転継手１は、回転軸１０に設けられる第１通路１１が複数設けられている点のみが上記実施例１と異なっている。なお、全ての第１通路１１に関して、第１通路１１と第３通路５３とが一直線上に並ばないように構成されている。

以上のように、本実施例においては、第１通路１１を複数設けたことにより、気体が急激に流れてしまうことを、より一層抑制することができる。

（その他）
上記各実施例においては、第１通路１１と第３通路５３とが一直線上に並ばないようにすることで、回転軸１０の回転位置に拘らず、第１通路１１，第２通路２１，第３通路５３及び第４通路６３が一直線上に並ばないように構成した場合を示した。

しかしながら、これに限らず、第２通路２１と第４通路６３とが一直線上に並ばないようにすることで、回転軸１０の回転位置に拘らず、第１通路１１，第２通路２１，第３通路５３及び第４通路６３が一直線上に並ばないように構成することも可能である。勿論、第１通路１１と第３通路５３とが一直線上に並ばないようにし、かつ第２通路２１と第４通路６３とが一直線上に並ばないようにしてもよいことは言うまでもない。

１回転継手
１０回転軸
１１第１通路
１２微小突起
２０ハウジング
２１第２通路
２２フランジ
２３カバー
３０ボールベアリング
４０磁性流体シール
４１永久磁石
４２ポールピース
４３磁性流体
５０第１環状部材
５１第１環状溝
５２第２環状溝
５３第３通路
６０第２環状部材
６１第３環状溝
６２第４環状溝
６３第４通路
７０セットスクリュ
８０スペーサ
Ｋ，Ｒ環状空間
ＯＯリング

Claims

外周面に開口する第１通路を備える回転軸と、
該回転軸が挿通される軸孔を有し、かつ内周面と外周面とを連通する第２通路を備えるハウジングと、
前記回転軸の外周に固定され、かつ内周面側には第１通路に繋がる位置に配置される第１環状溝が設けられ、外周面側には第２環状溝が設けられると共に、第１環状溝と第２環状溝とを連通する第３通路が備えられている第１環状部材と、
前記ハウジングの内周に固定され、かつ外周面側には第２通路に繋がる位置に配置される第３環状溝が設けられ、内周面側には第２環状溝との間で環状空間を形成する第４環状溝が設けられると共に、第３環状溝と第４環状溝とを連通する第４通路が備えられており、第１環状部材に対して摺動自在に設けられる第２環状部材と、
第１環状部材及び第２環状部材の軸方向の両側に設けられ、前記回転軸と前記ハウジングとの間の環状隙間を封止する一対の磁性流体シールと、
を備える回転継手であって、
第１通路，第２通路，第３通路及び第４通路は、前記ハウジングに対する回転軸の回転位置に拘らず、これらが一直線上に並ばない位置に配置されていることを特徴とする回転継手。
第３通路は、回転軸の回転方向に所定の間隔で複数備えられていることを特徴とする請求項１に記載の回転継手。
第４通路は、回転軸の回転方向に所定の間隔で複数備えられていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転継手。
第１通路は、回転軸の回転方向に所定の間隔で複数備えられていることを特徴とする請求項１，２または３に記載の回転継手。