JP6077339B2 - 多流路ロータリジョイント - Google Patents

Description

この発明は、例えば、半導体洗浄装置等において、相対回転する装置本体と洗浄テーブルとの間で複数の液体または気体などの流体を導通する多流路ロータリジョイントに関する。

従来より、例えば、半導体洗浄装置等の相対回転部材間（装置本体等の固定側部材と洗浄テーブル等の回転側部材との間）において液体または気体などの流体を導通させるために、例えば、特許文献１に記載されたようなロータリジョイントが用いられている。

特許文献１に記載されたロータリジョイントは、回転軸体に固定された回転密封環とケース体に軸心方向移動可能に保持された静止密封環とを備えた複数のメカニカルシール機構を、回転軸体に対して軸心方向に直列配置して構成している。

具体的には、複数のメカニカルシール機構を、積層するように直列配置する場合、所定数の回転密封環を回転軸体に固定するとともに、軸心方向に移動可能に静止密封環を保持したケース体を所定数積層して固定して組み付ける。

なお、ロータリジョイントで導通する流体は多様化し、流体の導通する導通経路のさらなる多数化が求められており、特許文献２のロータリジョイントのように、求められる導通経路の数に応じた数のメカニカルシール機構を、積層するように直列配置する必要がある。

このように、直列配置するメカニカルシール機構が多数化すると、回転軸体に固定された回転密封環と、所定数積層して固定されたケース体とが軸心方向に許容後範囲を超える加工誤差を生じ、例えば、ケース体に軸心方向に移動可能に保持された静止密封環が回転密封環に過剰に押し付けられたり、過剰な押し付けによって両密封環にひずみを発生したりするおそれがあった。ひずみが発生すると、静止密封環と回転密封環とが密着するシール面の平坦度が損なわれてシール性能に大きく影響する。詳しくは、密封環が偏摩耗してメカニカルシール機構のシール性が低下したり、密封環の過剰な押し付けに起因した摩耗係数の上昇による発熱や動力損失の増加を招くおそれがあった。

特開２００３−４２３７４号公報 特開２００４−１９９１２号公報

そこで本発明では、高いシール性能を長期にわたって維持できる優れた耐久性を備えるとともに、動力損失も少ない多流路ロータリジョイントを提供することを目的とする。

この発明は、軸心方向に配設され、端部が径方向に屈曲して外周面に開口する複数の内部流体通路を有し、複数の内部流体通路の端部開口が前記軸心方向に間隔を隔てて配置された円柱状の回転軸部材の外周面において、前記端部開口を跨ぐ前記軸心方向の所定間隔を隔てて配置されるとともに、前記回転軸部材に軸方向に移動不可能に固定された回転密封環と、該回転軸部材の外周面の外側において、該回転軸部材に対して相対回転するとともに、外周面と内周面とを貫通する貫通路を周方向の一部に有する環状固定ケースと、該環状固定ケースに対して回転不可能に固定されるとともに、前記軸心方向にスライド可能な状態で前記環状固定ケースに支持され、前記軸心方向に所定間隔を隔てて配置した前記回転密封環との間において、シール面同士を対向させて配置される軸心方向移動密封環とでシール部を構成し、前記軸心方向移動密封環と前記シール部によって、前記回転軸部材と前記環状固定ケースとの間の閉鎖空間を、前記回転軸部材と前記軸心方向移動密封環との間において前記内部流体通路に連通する連通空間と、前記軸心方向移動密封環と前記環状固定ケースとの間において封止された封止空間とに区分けするメカニカルシール機構を、前記回転軸部材に対して、前記内部流体通路の通路数に対応させて、前記軸心方向に直列配置し、前記環状固定ケースを、径外側においてリング状の環状固定ケース本体と、環状固定ケース本体に対して径内側に突出し、前記軸心方向移動密封環を支持するリテーナ部とで構成し、前記リテーナ部を、前記環状固定ケース本体に対して前記軸心方向にスライド可能に別体構成したことを特徴とする。
上記軸心方向移動密封環は、軸心方向に移動可能であるが、環状固定ケース本体に対して回転不可能に固定された静止密封環とすることができる。

この発明により、内部流体通路と貫通路とを連通させ、動力損失を小さくでき、高いシール性能を長期にわたって維持できる耐久性の優れた多流路ロータリジョイントを構成することができる。
詳しくは、前記軸心方向に直列配置した、前記内部流体通路の通路数に対応させたメカニカルシール機構における前記環状固定ケースを、径外側においてリング状の環状固定ケース本体と、前記環状固定ケース本体に対して前記軸心方向にスライド可能に別体構成したリテーナ部とで構成することにより、回転軸体に軸方向移動不可能に固定された回転密封環と、所定数積層して固定された前記環状固定ケースとが軸心方向にズレた場合においても、前記軸心方向移動密封環を支持するリテーナ部が回転密封環に対して軸心方向に適切な位置調整をすることができる。したがって、リテーナ部に支持された前記軸心方向移動密封環を、常に、回転密封環に対する軸心方向の所定の相対位置に配置することができ、軸心方向移動密封環と回転密封環とのシール面において、常に所望のシール性能を確保することができる。

また、例えば、組立によって前記環状固定ケースがひずんだ場合においても、固定密封環に対する軸心方向移動密封環の相対位置や姿勢を初期設定通り維持できるため、偏摩耗を防止でき、動力損失が少なく、且つ耐久性を備えたロータリージョイントを提供することができる。

この発明の態様として、前記環状固定ケース本体を樹脂で構成とすることができる。
前記環状固定ケース本体を金属で構成した多流路ロータリジョイントに比べて軽量、かつ加工性に優れるとともに、温度依存性のない多流路ロータリジョイントを構成することができる。

前記環状固定ケース本体を樹脂で構成する場合、金属で構成する場合と比較して、積層した環状固定ケースを固定して一体化する際の応力や、熱ひずみによる回転密封環に対する影響は大きくなるが、上述したように、径外側においてリング状の環状固定ケース本体と、前記環状固定ケース本体に対して前記軸心方向にスライド可能に別体構成したリテーナ部とで前記環状固定ケースを構成することにより、軸心方向移動密封環と回転密封環密着とのシール面において温度依存性のないシール性能を確保することができる。
したがって、優れた耐久性を備え、且つシール性能を維持できる、軽量な多流路ロータリジョイントを構成することができる。

またこの発明の態様として、３以上の前記内部流体通路及び前記メカニカルシール機構で構成することができる。
このように、３以上の前記内部流体通路及び前記メカニカルシール機構で多流路ロータリジョイントを構成すると、前記環状固定ケースの積層数は多くなり、回転軸体に固定された回転密封環と、所定数積層して固定された前記環状固定ケースとの軸心方向において加工誤差の積み重ねによるズレ量は大きくなる。

詳述すると、３以上のメカニカルシール機構を軸心方向に沿って積層するとともに、例えば、すべてのメカニカルシール機構を連通させたボルトで固定する場合において、軸を上下方向に配置したとき、その両端部、すなわち最上段及び最下段のメカニカルシール機構は連通するボルトによって直接締め付けられるものの、最上段と最下段との間に配置されるその他のメカニカルシール機構は、最上段と最下段のメカニカルシール機構に挟まれて固定された状態となり、挟まれて固定されているメカニカルシール機構の加工誤差の影響がズレとして生じることとなる。このように、３以上のメカニカルシール機構を積層することによって生じる加工誤差の影響は、最上段と最下段のメカニカルシール機構に挟まれて固定されるメカニカルシール機構の積層数が多くなれば多くなるほど大きくなり、ズレ量も大きくなる。

しかしながら、径外側においてリング状の環状固定ケース本体と、前記環状固定ケース本体に対して前記軸心方向にスライド可能に別体構成したリテーナ部とで前記環状固定ケースを構成することにより、上述のズレが発生したとしても、軸心方向移動密封環と回転密封環密着とのシール面において確実なシール性能を確保することができる。

またこの発明の態様として、前記貫通路を、前記環状固定ケース本体を貫通する本体貫通路と、リテーナ部を貫通するリテーナ貫通路とを連通して構成し、前記リテーナ部における前記リテーナ貫通路の軸心方向両側にシール手段を備えることができる。

上記シール手段は、Ｏリング等のゴムパッキング等で構成することができる。
この発明により、内部流体通路と、本体貫通路及びリテーナ貫通路で構成する連通貫通路とを連通させ、高いシール性能を確保しながら、内部に流体を導通することができる。

本発明により、高いシール性能を長期にわたって維持できる優れた耐久性を備えるとともに、動力損失も少ない多流路ロータリジョイントを提供することができる。

多流路ロータリジョイントの断面図。 メカニカルシール機構の分解斜視図。 多流路ロータリジョイントの一部拡大斜視図。 図１におけるａ部拡大図。 図１におけるｂ部拡大図。 ａ部拡大図による従来技術との比較についての説明図。

この発明の一実施形態を以下図１乃至図４と共に説明する。
図１は多流路ロータリジョイント１の断面図を示し、図２はメカニカルシール機構１０の分解斜視図を示し、図３は多流路ロータリジョイント１の一部拡大斜視図を示し、図４は図１におけるａ部拡大図を示し、図５は図１におけるｂ部拡大図を示し、図６はａ部拡大図による従来技術との比較についての説明図を示している。

なお、図２及び図３は、それぞれの構成の理解を容易にするため、周方向の一部を透過状態で図示するとともに、Ｏリング９１，９１ｂ，９２，９２ｂの図示を省略している。

また、図６（ａ）は回転密封環１４とフランジ本体１１１とが正しい位置関係にある場合の拡大断面図を示し、図６（ｄ）は回転密封環１４ｘと一体型フランジ１１ｘとが正しい相対位置関係にある従来の多流路ロータリジョイントの場合の拡大断面図を示している。

図６（ｂ）は回転密封環１４に対してフランジ本体１１１が上側にズレた状態の拡大断面図を示し、図６（ｅ）は回転密封環１４ｘに対して一体型フランジ１１ｘが上側にズレた状態の従来の多流路ロータリジョイントの場合の拡大断面図を示している。

図６（ｃ）は回転密封環１４に対してフランジ本体１１１が下側にズレた状態の拡大断面図を示し、図６（ｆ）は回転密封環１４ｘに対して一体型フランジ１１ｘが下側にズレた状態の従来の多流路ロータリジョイントの場合の拡大断面図を示している。

多流路ロータリジョイント１は、例えば、半導体洗浄装置等において、相対回転する装置本体と洗浄テーブルとの間で複数の液体または気体などの流体を導通する装置であり、円柱状の回転主軸２と、回転主軸２に対して径外側において、軸心方向ＣＬに直列配置した１０個のメカニカル機構１０（１０ａ，１０ｂ，・・・１０ｊ）と、最上段の第１メカニカル機構１０ａの上側に配置したリング状の上部リング３と、最下段の第１０メカニカル機構１０ｊの下側に配置したリング状の下部リング４と、上部リング３の径内側において、回転主軸２の上部に固定される平面視円形のベアリング受プレート５と、上部リング３とベアリング受プレート５との径方向における対向部分及び下部リング４と回転主軸２との径方向における対向部分のそれぞれに配置されたベアリング６とで構成している。

回転主軸２は、多流路ロータリジョイント１の平面視中心に配置され、高さ方向が軸心方向ＣＬとなる円柱体であり、下部の下部リング４に対応する部分に、ベアリング６の外嵌を許容する大径化した大径部２ａと、下端部に径外側に突出する固定フランジ２ｂを形成している。

なお、固定フランジ２ｂの底面側には、後述するアダプタ７の上面に形成した上面凸部７ａを嵌め込む、底面視円形の円形凹部２ｃを備えている。
また、大径部２ａの下側には、ベアリング６の係止を許容する係止段差部２ａａが形成され、係止段差部２ａａよりベアリング６の厚さ分上方には、大径部２ａに外嵌したベアリング６を軸心方向ＣＬに固定するＣ型スナップリング６ｂの嵌込みを許容する嵌込み溝２ａｂを形成している。

さらに、回転主軸２の内部に、１０本の軸心方向ＣＬに沿った、すなわち軸心方向ＣＬと平行、またはねじれの位置関係に配置された内部流体通路３０（３０ａ，３０ｂ，・・・３０ｊ）を周方向において所定の間隔を隔てて形成している。
内部流体通路３０の下端は円形凹部２ｃに開口し、内部流体通路３０の上端は、各メカニカルシール機構１０に対応する高さまで形成されるとともに、径外側向きの支通路３１と連通している。

上述したアダプタ７は、図示省略する洗浄テーブルと、回転主軸２とを接続する接続アダプタであり、洗浄テーブル側となる底面が開放された平面視円形且つ断面逆凹型に形成するとともに、円形凹部２ｃに嵌め込まれる上面凸部７ａを上面に形成している。

なお、上面凸部７ａには、上面から底面側に貫通するとともに、上述の内部流体通路３０と連通する連絡通路３２（３２ａ，３２ｂ，・・・３２ｊ）を形成している。

ベアリング受プレート５は、底面側に、回転主軸２の上端部の嵌込みを許容する平面視円形の嵌込み凹部５ａを有する、平面視円形且つ断面逆凹型であり、上端部の径外側に外嵌したベアリング６の係止を許容する係止段差部５ｂが形成され、係止段差部５ｂよりベアリング６の厚さ分下方には、ベアリング受プレート５に外嵌したベアリング６を軸心方向ＣＬに固定するＣ型スナップリング６ｂの嵌込みを許容する嵌込み溝５ｂａを形成している。なお、ベアリング受プレート５は、回転主軸２の上端部を嵌込み凹部５ａに嵌め込んで、回転主軸２の上端部に被せるように装着し、固定ボルト５ｃで固定している。

上部リング３は、ベアリング６を介して、ベアリング受プレート５の径外側に配置され、後述するメカニカルシール機構１０におけるフランジ本体１１１と同じ内径及び外径を有する平面視円形のリング体であり、下端部の内径側を下方に突出させた下方突出部３ａ、高さ方向中央付近を内径側に突出させて、内嵌するリングシール部材８を係止する係止凸部３ｂ、及び係止凸部３ｂより上部の上端部において、係止凸部３ｂよりさらに内径側に突出させ、ベアリング６を装着するベアリング固定部３ｃを形成している。

また、上部リング３の周方向の一か所に、外周面から径内側に向き、更に、下側向きに屈曲し、内嵌するリングシール部材８の下方位置の内周面まで貫通する冷却流体排出路３ｄを備えている。
なお、下方突出部３ａの下端径外側角部には、テーパ状に切り欠いて、断面が三角形状となるように圧縮してＯリング９１を保持するテーパ切欠き部３ａａを備えている。

リングシール部材８は、上部リング３に内嵌する環状シールであり、径外側が略垂直方向となり、上端部で折り返し、下方に向かって径内側に傾斜する断面逆レ字型に形成したシールリング８ａと、シールリング８ａの径外側垂直部分に埋設された補強金具８ｂと、後述する回転密封環１４の外周面に対するシールリング８ａの接触力を確保するためのガータスプリング８ｃとで構成している。

下部リング４は、ベアリング６を介して、大径部２ａの径外側に配置され、上部リング３と同じ外径及び上部リング３における係止凸部３ｂと同じ内径を有する平面視円形のリング体であり、内嵌するベアリング６の径外側部分を上下方向から挟み込む上側底部リング４ａ及び下側底部リング４ｂとで構成している。

下側底部リング４ｂは、上部リング３と同じ外径及びベアリング６の外径よりひとまわり小さな内径を有する平面視円形のリング体であり、内径側の上部に、ベアリング６の外径側下半部分の嵌込みを許容する嵌込み凹部４ｂａを有している。

上側底部リング４ａは、上部リング３と同じ外径及び上部リング３における係止凸部３ｂと同じ内径である下方突出部４ａｂを有する平面視円形のリング体であり、上端部の内径側に、第１０メカニカル機構１０ｊのフランジ本体１１１に形成した下方突出部１１１ａ（図２参照）の嵌込みと、第１０メカニカル機構１０ｊに内嵌したリングシール部材８の係止とを許容する係止凹部４ａａ、下側内径部分をベアリング６の外径に応じて内径側に突出させた下方突出部４ａｂ、及び下方突出部４ａｂの上端部をさらに内径側に突出させるとともに、内径側端部を上方に向けて突出する断面Ｌ型のＬ型突出部４ａｃを形成している。

このように構成した上側底部リング４ａ及び下側底部リング４ｂにより、下側底部リング４ｂの嵌込み凹部４ｂａに外径側下半部分を嵌め込んだベアリング６の上部を上側底部リング４ａのＬ型突出部４ａｃで抑え込むようにして、下部リング４は、リングシール部材８を径内側で保持している。

このように構成した上部リング３及び下部リング４により、後述する軸心方向ＣＬに直列配置したメカニカルシール機構１０のフランジ本体１１１を上下方向から挟み込んで固定している。

上述したように、本実施形態の多流路ロータリジョイント１には、１０本の内部流体通路３０に対して１０個のメカニカルシール機構１０（１０ａ，１０ｂ・・・１０ｊ）を、上部リング３及び下部リング４の間において、軸心方向ＣＬに直列配置している。

なお、軸心方向ＣＬに直列配置した１０個のメカニカルシール機構１０を、上から順に、第１メカニカル機構１０ａ、第２メカニカル機構１０ｂ、・・・・第１０メカニカル機構１０ｊとしている。そして、第１０メカニカル機構１０ｊ以外のメカニカルシール機構１０（１０ａ乃至１０ｉ）は同じ構造であるため、以下において、まず、第１０メカニカル機構１０ｊ以外のメカニカルシール機構１０（１０ａ乃至１０ｉ）について説明する。

メカニカルシール機構１０は、最径外側のフランジ１１と、フランジ１１に支持された移動密封環１２、回転主軸２の外周面に固定されたスリーブ１３、及びスリーブ１３を挟んで配置された回転密封環１４で構成している。

フランジ１１は、上部リング３と同じ内径と外径とを有するリング体であるフランジ本体１１１と、フランジ本体１１１に対して回転不可能に固定されるとともに、軸心方向ＣＬにスライド可能に構成され、移動密封環１２を支持するリテーナ１１２とで構成している。

フランジ本体１１１は、上述したように、上部リング３と同じ内径と外径とを有するリング体であり、図４に示すように、下端部の内径側を下方に突出させた下方突出部１１１ａ、上端部の内径側に上側のメカニカルシール機構１０の下方突出部１１１ａの嵌込みを許容する嵌込み凹部１１１ｂを形成している。なお、第１メカニカル機構１０ａの嵌込み凹部１１１ｂには、上部リング３の下方突出部３ａが嵌め込まれ、第１０メカニカル機構１０ｊの下方突出部１１１ａは、下部リング４の係止凹部４ａａに嵌め込まれる。

フランジ本体１１１の下方突出部１１１ａの下端径外側角部には、テーパ状に切り欠いて、断面が三角形状となるように圧縮してＯリング９１を保持するテーパ切欠き部１１１ａａを形成するとともに、フランジ本体１１１の内周面には、断面を楕円状に圧縮してＯリング９２の保持する切欠き溝１１１ｃを、フランジ本体１１１の高さ方向中央を挟んで上下方向に所定の間隔を隔てて２箇所形成している。

リテーナ１１２は、径外側において断面縦長長方形状の外側周壁部１１３と、外側周壁部１１３より径内側に突出する支持リング部１１４が一体に構成された略Ｔ型の断面形状を備えた円板状部品である。すなわち、外側周壁部１１３の上部及び下部は、後述する移動密封環１２のリングプレート部１２１の厚み程度、支持リング部１１４より上下方向のそれぞれに突出している。

なお、外側周壁部１１３の外周面における高さ方向中央付近には、径内側向きに凹状となる外周溝１１３ａを備えている。外周溝１１３ａには、後述する第２流体通路１１７が開口し、フランジ本体１１１に形成された第１流体通路１１６から供給される流体がリテーナ１１２の軸方向移動によって阻害されることなく、リテーナ１１２に形成された第２流体通路１１７に供給されるように構成されている。

また、図４に示すように、支持リング部１１４の周方向において等間隔に、後述するスプリング１５の嵌込みを許容するスプリング穴１１５を、上面側と下面側に開口するように、それぞれ上下対称に備えている。また、上面側のスプリング穴１１５と下面側のスプリング穴１１５とは、それぞれの底部を連通する貫通孔１１５ａを備えている。

さらにまた、支持リング部１１４の内周面には、Ｏリング９２ｂの嵌込みを許容する切欠き溝１１４ａを、支持リング部１１４の高さ方向中央を挟んで上下方向に所定の間隔を隔てて２箇所形成している。

このように構成したフランジ１１は、フランジ本体１１１の切欠き溝１１１ｃに嵌め込んだＯリング９２と、リテーナ１１２の外側周壁部１１３の外周面とが付勢された状態で当接し、フランジ本体１１１に対してリテーナ１１２はＯリング９２によってシールされた状態で軸心方向ＣＬにスライド可能に構成している。

なお、フランジ本体１１１は、樹脂で構成しているが、金属で構成してもよい。また、フランジ本体１１１の周方向の一部に、径方向に貫通する第１流体通路１１６を備えている。
さらには、リテーナ１１２は、フランジ本体１１１の第１流体通路１１６に対応する周方向位置であり、且つ周方向におけるスプリング穴１１５同士の間において、外側周壁部１１３の外周面、詳しくは、外周面に形成された外周溝１１３ａから支持リング部１１４の内周面まで径方向に貫通する第２流体通路１１７を備えている。

移動密封環１２は、フランジ１１の支持リング部１１４を上下から挟み込むように配置する上側移動密封環１２ａと、下側移動密封環１２ｂとで構成している。
上側移動密封環１２ａは、外側周壁部１１３の内周面より径小な外径と、後述するスリーブ１３の外形より径大な内径を有し、外側周壁部１１３の支持リング部１１４より突出する突出量と同等の厚みで形成されたリングプレート状のリングプレート部１２１と、リングプレート部１２１の内径側において、支持リング部１１４の切欠き溝１１４ａに嵌め込んだＯリング９２ｂに当接する外周面を有するように下向きに突出する内径側筒部１２２とで、断面Ｌ型に形成している。また、リングプレート部１２１の上面には、後述する回転密封環１４の対向面と摺動し、シール面となる摺動凸部１２３を形成している。

なお、下側移動密封環１２ｂは、上側移動密封環１２ａと上下対称に構成している。また、回転密封環１４の対向面と摺動する上側移動密封環１２ａにおける摺動凸部１２３の上面を上シール面１２３ａとし、下側移動密封環１２ｂにおける摺動凸部１２３の底面を下シール面１２３ｂとしている。

このように構成した移動密封環１２は、支持リング部１１４の径内側上半部分を囲うように上側移動密封環１２ａを配置するとともに、支持リング部１１４の径内側下半部分を囲うように下側移動密封環１２ｂを配置することによって、支持リング部１１４を上下方向から挟み込むように構成している。

この状態において、上側移動密封環１２ａの内径側筒部１２２の外周面は、支持リング部１１４の上側の切欠き溝１１４ａに嵌め込んだＯリング９２ｂに当接し、下側移動密封環１２ｂの内径側筒部１２２の外周面は、支持リング部１１４の下側の切欠き溝１１４ａに嵌め込んだＯリング９２ｂに当接している。

さらに、上側移動密封環１２ａと下側移動密封環１２ｂとは、スプリング穴１１５に装着したコイル状のスプリング１５によって、離間方向に付勢されている。また、上下対称配置した上側移動密封環１２ａと下側移動密封環１２ｂとの内径側筒部１２２の対向する端部同士の間に、平面視環状の流体溝１２４を形成している。

また、移動密封環１２の対向面と回転密封環１４の対向面との間、詳しくは、上側移動密封環１２ａの上面と回転密封環１４の底側シール面１４１、あるいは下側移動密封環１２ｂの底面と回転密封環１４の上側シール面１４２との間には、摺動凸部１２３の高さ分のクリアランスが形成され、摺動凸部１２３のシール面１２３ａ，１２３ｂと回転密封環１４の対向面のみが当接するため、フランジ１１に対する回転主軸２の相対回転に伴う移動密封環１２と回転密封環１４との相対回転に支障しないように構成している。なお、移動密封環１２及び回転密封環１４はともに炭化ケイ素（Ｓｉｃ）製である。

回転主軸２の外周面に固定されるスリーブ１３は、フランジ１１の外側周壁部１１３よりひとまわり高い断面縦長長方形のリング体であり、内周面の高さ方向中央付近に、径外側向きに凹状となる環状の溝で形成する接続通路１３１と、スリーブ１３の周方向において所定の間隔を隔てて複数形成し、接続通路１３１の底部とスリーブ１３の外周面とを貫通する接続孔１３２とを備えている。

また、スリーブ１３の上端径内側角部と下端径内側角部には、テーパ状に切り欠いて、断面が三角形状となるように圧縮してＯリング９１ｂを保持するテーパ切欠き部１３３を形成している。

回転密封環１４は、回転主軸２の外周面に密接する内径と、摺動凸部１２３と対向する面が上シール面１２３ａと摺動可能な外径を有する断面横長長方形のリングプレート体である。なお、回転密封環１４は、上側のメカニカルシール機構１０の回転密封環１４の軸方向下端面の下部、すなわち底面に、軸方向上端面の上部、すなわち上面が密接するように配置したスリーブ１３のテーパ切欠き部１３３に配置されたＯリング９１ｂにより、回転主軸２の外周面に固定されている。

なお、第１メカニカル機構１０ａのスリーブ１３の上部には、ベアリング受プレート５の底部に当接するように配置された上部回転密封環１４ａが配置されている。また、上部回転密封環１４ａと、第１０メカニカル機構１０ｊにおける回転密封環１４とは、他の回転密封環１４に比べて厚みを厚く形成することもある。
また、回転密封環１４において、摺動凸部１２３の上シール面１２３ａと摺動する底面側の面を底側シール面１４１とし、上面側の面を上側シール面１４２としている。

各構成要素を上述したような要素で構成したメカニカルシール機構１０は、図５に示すように、上側のメカニカルシール機構１０の回転密封環１４の底側シール面１４１に、軸方向端面の上部が密接するように回転主軸２の外周にスリーブ１３が配置され、固定されたスリーブ１３の底面に上側シール面１４２が密接するように回転密封環１４を回転主軸２の外周に配置し、Ｏリング９１ｂにより固定する。

このとき、スリーブ１３の接続孔１３２が、対応する内部流体通路３０の支通路３１に対応する周方向位置となるように配置するとともに固定し、接続通路１３１を介して、支通路３１と接続孔１３２とが連通することとなる。

そして、回転密封環１４の上側シール面１４２と、上側のメカニカルシール機構１０の回転密封環１４の底側シール面１４１との間に、スリーブ１３の外周面と、移動密封環１２の内径側筒部１２２の内周面とが径方向に対向するように、移動密封環１２及びフランジ１１を配置してメカニカルシール機構１０を構成する。このとき、フランジ１１の第１流体通路１１６及び第２流体通路１１７が、スリーブ１３の接続孔１３２及び対応する内部流体通路３０の支通路３１に対応する周方向位置となるように配置固定する。

この状態において、図４に示すように、リテーナ１１２のスプリング穴１１５に装着したスプリング１５によって、上側移動密封環１２ａは上側の回転密封環１４の底側シール面１４１に摺動凸部１２３の上シール面１２３ａが押し付けられるように上向きに付勢され、逆に、下側移動密封環１２ｂは下側の回転密封環１４の上側シール面１４２に摺動凸部１２３の下シール面１２３ｂが押し付けられるように下向きに付勢される。

また、第１流体通路１１６、第２流体通路１１７、流体溝１２４、接続孔１３２及び接続通路１３１、対応する支通路３１、内部流体通路３０並びにアダプタに形成された連絡通路３２が連通し、連通流体通路Ｘを構成することができる。

なお、メカニカルシール機構１０の内部において、連通流体通路Ｘの上下は、図５に示すように、フランジ本体１１１とリテーナ１１２との境界において配置した上下のＯリング９２、支持リング部１１４と内径側筒部１２２との境界において配置した上下のＯリング９２ｂ、移動密封環１２（１２ａ，１２ｂ）の摺動凸部１２３の上シール面１２３ａ，１２３ｂと回転密封環１４のシール面１４１，１４２、及びスリーブ１３と回転主軸２との境界におけるＯリング９１ｂによって、上下方向がシールされているため、導通する流体の連通流体通路Ｘからの漏れ出しや、連通流体通路Ｘへの外部からの他の流体の侵入を防止することができる。

このように構成したメカニカルシール機構１０は、回転主軸２に装着固定された下部リング４に対して、第１０メカニカル機構１０ｊから順に、軸心方向ＣＬに積層するように直列配置し、最後に上部リング３及びベアリング受プレート５を装着して多流路ロータリジョイント１を構成する。

なお、第１０メカニカル機構１０ｊのフランジ本体１１１は、図１に示すように、他のメカニカルシール機構１０のフランジ本体１１１より、リングシール部材８を内嵌する分高さを高く形成している。また、内嵌したリングシール部材８と移動密封環１２との間に径方向に貫通する冷却流体供給路１１１ｄをフランジ本体１１１の周方向の一部に備えるとともに、内嵌するリングシール部材８の上部において径内側に突出し、後述する連通ボルト８２の下端を受けるボルト受け部１１１ｅを備えている。

また、第１０メカニカル機構１０ｊのフランジ本体１１１に内嵌するリングシール部材８は、上述の上部リング３に内嵌したリングシール部材８と同じリングシール部材８を上下さかさまにして装着している。しかし、フランジ本体１１１に内嵌するシール部材であれば、リングシール部材８に限定されない。

さらに、軸心方向ＣＬに直列配置したメカニカルシール機構１０の各リテーナ１１２は、上下方向に連通する連通ボルト８２によって、それぞれが相対回転不可能な状態で固定されている。

また、軸心方向ＣＬに直列配置したメカニカルシール機構１０は、フランジ本体１１１に形成された第１流体通路１１６が、周方向位置が軸方向に重ならない様に、且つ対応する内部流体通路３０の支通路３１の周方向位置に合わせて配置している。

なお、軸心方向ＣＬに直列配置したフランジ本体１１１は、積層されたすべてのフランジ本体１１１を挟込固定ボルト８１で一体的に固定してもよいし、図示省略するが、上下方向に積層されるフランジ本体１１１同士を挟込固定ボルト８１で挟み込みながらの積層固定もよい。

このように構成された多流路ロータリジョイント１は、回転主軸２の外周面とフランジ本体１１１の内周面との間において、上下がリングシール部材８で封止された閉鎖空間Ｚのうち、回転密封環１４（１４１，１４２）と摺動凸部１２３（１２３ａ，１２３ｂ）との対向し、摺動するシール面より径外側における各移動密封環１２同士の間の空間を、各移動密封環１２のスプリング穴１１５及び貫通孔１１５ａで連通し、クエンチなどの冷却流体を導通する、略円筒状の冷却流体導通空間Ｙを構成している。

なお、冷却流体導通空間Ｙは、第１０メカニカル機構１０ｊのフランジ本体１１１に形成した冷却流体供給路１１１ｄと、上部リング３に形成した冷却流体排出路３ｄと連通し、冷却流体供給路１１１ｄから供給した冷却流体を、冷却流体導通空間Ｙを導通させ、冷却流体排出路３ｄから排出することで冷却することができる。

このように、回転主軸２の内部において、軸心方向ＣＬに沿って形成された内部流体通路３０の通路数に応じた数のメカニカルシール機構１０を直列配置した多流路ロータリジョイント１におけるメカニカルシール機構１０のフランジ１１を、径外側においてリング状のフランジ本体１１１と、フランジ本体１１１に対して径内側に突出し、移動密封環１２を支持するリテーナ１１２とで構成し、リテーナ１１２を、フランジ本体１１１に対して軸心方向ＣＬにスライド可能に別体構成したことにより、内部流体通路３０と第１流体通路１１６及び第２流体通路１１７とを連通させ、高いシール性能を長期にわたって維持できる優れた耐久性を備えるとともに、動力損失も少ない多流路ロータリジョイント１を構成することができる。

具体的には、軸心方向ＣＬに直列配置した、内部流体通路３０の通路数に対応させたメカニカルシール機構１０におけるフランジ１１を、径外側においてリング状のフランジ本体１１１と、フランジ本体１１１に対して軸心方向ＣＬにスライド可能に別体構成したリテーナ１１２とで構成することにより、回転主軸２に固定された回転密封環１４と、所定数積層して固定されたフランジ１１とが、図６（ｂ），（ｃ）に示すように、軸心方向ＣＬにズレた場合であっても、移動密封環１２を支持するリテーナ１１２を回転密封環１４に対して軸心方向ＣＬに位置調整することができる。

詳しくは、回転主軸２に固定された回転密封環１４と、所定数積層してメカニカルシール機構１０の固定されたフランジ１１とが、図６（ｂ），（ｃ）に示すように軸心方向ＣＬにズレた場合、図６（ｄ）乃至（ｆ）に示すような、本実施形態におけるフランジ本体１１１とリテーナ１１２とが一体化された従来の一体型フランジ１１ｘを有する従来の多流路ロータリジョイントの場合、一体型フランジ１１ｘにおけるリテーナ部分１１２ｘの上面や下面が、移動密封環１２ｘの底面や上面と接触するおそれがある（図６（ｅ），（ｆ）参照）。このように、一体型フランジ１１ｘにおけるリテーナ部分１１２ｘが移動密封環１２ｘと接触すると、移動密封環１２ｘのシール面と回転密封環１４ｘとのシール面とのあたり部分にいびつな方向の不要な力が作用し、移動密封環１２ｘと回転密封環１４ｘのシール面が偏摩耗し、シール性が低下するおそれがある。

このような場合であっても、図６（ｂ），（ｃ）に示すように、図移動密封環１２を支持し、フランジ本体１１１と別体構成したリテーナ１１２を回転密封環１４に対して軸心方向ＣＬに位置調整することができるため、リテーナ１１２に支持された移動密封環１２を、回転密封環１４に対する軸心方向の所定の相対位置に配置することができ、移動密封環１２と回転密封環１４とのシール面（１２３ａ，１２３ｂ，１４１，１４２）において確実なシール性を確保することができる。

また、例えば、固定によってフランジ１１がひずんだ場合であっても、フランジ１１に対する移動密封環１２の相対位置や姿勢を維持できるため、偏摩耗などによるシール性の低下を防止し、耐久性のあるシール性能を維持することができる。

またフランジ本体１１１を樹脂で構成とすることにより、金属で構成した多流路ロータリジョイントに比べて軽量、かつ容易に加工できる多流路ロータリジョイント１を構成することができる。

その反面、金属でフランジ本体１１１を構成する場合と比較して、積層したフランジ１１を固定して一体化する際の固定する強度や、熱ひずみによる、金属製の回転主軸２や回転密封環１４に対する影響は大きくなるが、上述したように、径外側においてリング状のフランジ本体１１１と、フランジ本体１１１に対して軸心方向ＣＬにスライド可能に別体構成したリテーナ１１２とでフランジ１１を構成することにより、移動密封環１２と回転密封環１４とのシール面（１２３ａ，１２３ｂ，１４１，１４２）において、温度依存性のない、確実なシール性を確保することができる。したがって、耐久性のあるシール性能を維持できる、軽量な多流路ロータリジョイント１を構成することができる。

また、３本以上である１０本の内部流体通路３０を備えるとともに、１０個のメカニカルシール機構１０で構成した多流路ロータリジョイント１は、フランジ１１の積層数は多くなり、各メカニカルシール機構１０を下から順に積層して組み付けた場合、第１メカニカルシール機構１０ａや第２メカニカルシール機構１０ｂなどの上方のメカニカルシール機構１０において、回転主軸２に固定された回転密封環１４と、所定数積層して固定されたフランジ１１との軸心方向ＣＬにおいて、加工誤差の積み重ねによるズレ量は大きくなる。

詳述すると、３以上のメカニカルシール機構１０を軸心方向ＣＬに沿って積層すると、連通ボルト８２で固定されるメカニカルシール機構１０のうち、軸を上下方向に配置したとき、その両端部、すなわち最上段及び最下段のメカニカルシール機構１０は、連通ボルト８２によって直接締め付けられるものの、最上段と最下段との間に配置されるメカニカルシール機構１０は、連通ボルト８２によって直接締め付けられる最上段と最下段のメカニカルシール機構１０に挟まれて固定されているだけであり、挟まれて固定されているメカニカルシール機構１０の加工誤差の影響がズレとして生じることとなる。このように、３以上のメカニカルシール機構１０を積層することによって生じる加工誤差の影響は、最上段と最下段のメカニカルシール機構１０に挟まれて固定されるメカニカルシール機構１０の積層数が多くなれば多くなるほど大きくなり、ズレ量も大きくなる。

特に、大きくズレた一体型フランジ１１ｘの場合、リテーナ部分１１２ｘの内周面にはめ込んだＯリング９２ｂが、移動密封環１２ｘ同士の対向部分に形成した流体溝１２４を塞ぎ、連通流体通路Ｘの導通性が悪化するおそれがある。これに対し、上述したように、径外側においてリング状のフランジ本体１１１と、フランジ本体１１１に対して軸心方向ＣＬにスライド可能に別体構成したリテーナ１１２とでフランジ１１を構成することにより、移動密封環１２と回転密封環１４とのシール面（１２３ａ，１２３ｂ，１４１，１４２）において、動力損失が少なく、確実なシール性を確保することができる。

またフランジ本体１１１を貫通する第１流体通路１１６と、リテーナ１１２を貫通する第２流体通路１１７とを連通して構成し、リテーナ１１２における第２流体通路１１７の軸心方向ＣＬ両側にＯリング９２ｂを備えたことにより、内部流体通路３０と、第１流体通路１１６及び第２流体通路１１７とを連通させて連通流体通路Ｘを構成し、高いシール性能を確保しながら、内部に液状流体を導通することができる。

以上、本発明の構成と、前述の実施態様との対応において、本実施形態の回転軸部材は、回転主軸２に対応し、
以下同様に、
軸心方向移動密封環は、移動密封環１２に対応し、
貫通路は、第１流体通路１１６及び第２流体通路１１７に対応し、
環状固定ケースは、フランジ１１に対応し、
連通空間は、連通流体通路Ｘに対応し、
封止空間は、冷却流体導通空間Ｙに対応し、
環状固定ケース本体は、フランジ本体１１１に対応し、
リテーナ部は、リテーナ１１２に対応し、
本体貫通路は、第１流体通路１１６に対応し、
リテーナ貫通路は、第２流体通路１１７に対応し、
シール手段は、切欠き溝１１４ａに装着したＯリング９１，９１ｂ，９２，９２ｂに対応するも、上記実施形態に限定するものではない。

例えば、上述の説明では、回転主軸２に対して、１０個のメカニカルシール機構１０を直列配置して多流路ロータリジョイント１を構成したが、１０以上、あるいは１０以下のメカニカルシール機構１０で多流路ロータリジョイント１を構成してもよい。

また、移動密封環１２と回転密封環１４をともに、Ｓｉｃで構成したが、移動密封環１２と回転密封環１４の一方をＳｉｃ製とし、他方をカーボン（Ｃ）製で構成してもよい。

１…多流路ロータリジョイント
２…回転主軸
１０…メカニカルシール機構
１１…フランジ
１２…移動密封環
１４…回転密封環
３０…内部流体通路
９１，９１ｂ，９２，９２ｂ…Ｏリング
１１１…フランジ本体
１１２…リテーナ
１１４ａ…切欠き溝
１１６…第１流体通路
１１７…第２流体通路
１２３ａ，１２３ｂ，１４１，１４２…シール面
Ｘ…連通流体通路
Ｙ…冷却流体導通空間
Ｚ…閉鎖空間

Claims (4)

1. 軸心方向に配設され、端部が径方向に屈曲して外周面に開口する複数の内部流体通路を有し、複数の内部流体通路の端部開口が前記軸心方向に間隔を隔てて配置された円柱状の回転軸部材の外周面において、前記端部開口を跨ぐ前記軸心方向の所定間隔を隔てて配置されるとともに、前記回転軸部材に軸方向に移動不可能に固定された回転密封環と、
   該回転軸部材の外周面の外側において、該回転軸部材に対して相対回転するとともに、外周面と内周面とを貫通する貫通路を周方向の一部に有する環状固定ケースと、
   該環状固定ケースに対して回転不可能に固定されるとともに、前記軸心方向にスライド可能な状態で前記環状固定ケースに支持され、前記軸心方向に所定間隔を隔てて配置した前記回転密封環との間において、シール面同士を対向させて配置される軸心方向移動密封環とでシール部を構成し、
   前記軸心方向移動密封環と前記シール部によって、前記回転軸部材と前記環状固定ケースとの間の閉鎖空間を、前記回転軸部材と前記軸心方向移動密封環との間において前記内部流体通路に連通する連通空間と、前記軸心方向移動密封環と前記環状固定ケースとの間において封止された封止空間とに区分けするメカニカルシール機構を、前記回転軸部材に対して、前記内部流体通路の通路数に対応させて、前記軸心方向に直列配置し、
   前記環状固定ケースを、
   径外側においてリング状の環状固定ケース本体と、
   環状固定ケース本体に対して径内側に突出し、前記軸心方向移動密封環を支持するリテーナ部とで構成し、
   前記リテーナ部を、前記環状固定ケース本体に対して前記軸心方向にスライド可能に別体構成した
   多流路ロータリジョイント。
2. 前記環状固定ケース本体を樹脂で構成した
   請求項１に記載の多流路ロータリジョイント。
3. ３以上の前記内部流体通路及び前記メカニカルシール機構で構成する
   請求項１又は２に記載の多流路ロータリジョイント。
4. 前記貫通路を、
   前記環状固定ケース本体を貫通する本体貫通路と、リテーナ部を貫通するリテーナ貫通路とを連通して構成し、
   前記リテーナ部における前記リテーナ貫通路の軸心方向両側にシール手段を備えた
   請求項１乃至３のうちいずれかに記載の多流路ロータリジョイント。

Images