ロータリジョイント
【課題】簡便な構成でクーラント供給配管系の流量の変動を防止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。
【解決手段】軸方向の回転流路４ｅが設けられた回転部１ａおよび軸方向の固定流路７ｆが設けられた固定部１ｂを同軸配置した構成のロータリジョイント１において、回転部１ａを構成し側端面に回転流路４ｅが開口した第１のシール面５ｂを有するロータ４の下流端部に、オリフィス孔４ｇを備えた絞り部４ｆを流量制限手段として設け、回転流路４ｅ内を流れる流体の流量を制限し、過大な流量の流体がロータリジョイント１を流れるのを防止する。これにより、簡便な構成でクーラント供給配管系の流量の変動を防止することができる。
【解決手段】軸方向の回転流路４ｅが設けられた回転部１ａおよび軸方向の固定流路７ｆが設けられた固定部１ｂを同軸配置した構成のロータリジョイント１において、回転部１ａを構成し側端面に回転流路４ｅが開口した第１のシール面５ｂを有するロータ４の下流端部に、オリフィス孔４ｇを備えた絞り部４ｆを流量制限手段として設け、回転流路４ｅ内を流れる流体の流量を制限し、過大な流量の流体がロータリジョイント１を流れるのを防止する。これにより、簡便な構成でクーラント供給配管系の流量の変動を防止することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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（特許文献１、２参照）。これにより、流体送給配管から回転状態にある回転部へ、所定圧力・所定流量の流体がロータリジョイントを介して連続的に供給される。
【特許文献１】実開昭６２−１６３６８５号公報
【特許文献２】特開２００４−２０５０３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述のような流体送給機構においては、工作機械など被供給側の状態によっては、ロータリジョイントを介して供給される流量が大きく変動する場合がある。すなわち流体供給源としては十分な容量のポンプが用いられるため、被供給側において流体噴射ノズルの脱落などの不測の事態が発生した場合には、使用範囲として想定された圧力・流量の範囲から外れた流体がロータリジョイントを通過して被供給側に流れる場合がある。このような圧力・流量の大幅な変動はクーラント供給配管系の正常な作動を阻害する要因となるため、極力変動を抑制することが求められる。しかしながら、上述の特許文献例を含め、従来のロータリジョイントにおいてはこのような変動を防止する機能は備えていなかった。このため、クーラント供給系全体として流量を安定させるためには、流量調整弁などをロータリジョイントの上流側もしくは下流側に配設する必要があり、クーラント供給配管系の構成を複雑化にする結果となっていた。
【０００４】
本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、簡便な構成でクーラント供給配管系の流量の変動を防止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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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、前記回転シール部に設けられ前記回転流路内を流れる流体の流量を制限する流量制限手段と、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する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、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た構成のロータリジョイントにおいて、回転部に設けられ側端面に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に、回転流路内を流れる流体の流量を圧力損失を発生させて制限する流量制限手段を備えることにより、簡便な構成でクーラント供給配管系の流量の変動を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
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ロータリジョイント（第１実施例）の断面図、図２は本発明の一実施の形態におけるロータリジョイント（第１実施例）の動作説明図、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（第２実施例）の断面図、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（第３実施例）の断面図、図５は本発明の一実施の形態におけるロータリジョイント（第４実施例）の断面図図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（第５実施例）の断面図である。
【０００８】
まず図１を参照して、ロータリジョイント１（第１実施例）の全体構成を説明する。流体送給機構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、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。
【０００９】
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）。
【００１０】
次に、ロータリジョイント１の詳細構造を説明する。図１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、さらに軸心部に回転流路４ｅを軸方向に設けた形状となっている。回転軸部４ａの外面には雄ねじ部４ｄが設けられており、流路孔２ａの内面には雌ねじ部２ｂが設けられている。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によってねじ締結部が密封される。これにより、回転流路４ｅはスピンドル軸２の流路孔２ａと連通する。
【００１１】
ロータ４の右側（固定部１ｂと対向する側）の側端面には、回転流路４ｅの開孔面を囲む配置で円形状の凹部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。そしてこの状態では、回転流路４ｅは開口部５ａと連通して第１のシール面５ｂに開口する。
【００１２】
回転軸部４ａの下流側の端部には、絞り部４ｆが設けられている。絞り部４ｆは回転軸部４ａの下流端に、固定流路７ｆの流路径ｄ１や回転流路４ｅの流路径ｄ２よりも小さい流路径ｄ３のオリフィス孔４ｇを設けた構成となっている（図２参照）。本実施の形態では、絞り部４ｆの絞り効果によって回転流路４ｅ内を上流側から送給される流体の流量を制限するようにしている。上記構成において、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回転流路４ｅが開口した第１のシール面５ｂを有する回転シール部となっている。そしてこの回転シール部には、回転流路４ｅ内を流れる流体の流量を制限する流量制限手段としての絞り部４ｆを備えた構成となっている。なお図１，図２に示す例では、回転流路４ｅの流路径ｄ２を固定流路７ｆの流路径ｄ１よりも大きくなるように設定しているが、流路径ｄ２と流路径ｄ１とを同一径としてもよい。
【００１３】
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。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７を主体としている。フローティングシート７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７ｂが設けられ、他方側に固定流路７ｆが軸方向に貫通して形成された固定軸部７ａを有する形状となっている。固定軸部７ａ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１０によって固定軸部７ａ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１１が軸方向に植設されており、フローティングシート７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１１はフランジ部７ｂに設けられた廻り止め孔７ｃを軸方向に挿通している。
【００１４】
フランジ部７ｂの左側（回転部１ａと対向する端面）に設けられた凸部７ｄには、固定流路７ｆの開孔面を囲む配置で、円形状の凹部７ｅが形成されており、凹部７ｅには第２のシールリング８が固定されている。第２のシールリング８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８ａ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８ｂを外面側にした状態で凹部７ｅに固定される。そしてこの状態では、固定流路７ｆは開口部８ａと連通して第２のシール面８ｂに開口する。すなわち第２のシールリング８が固定されたフローティングシート７は、固定流路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７ａを有し、側端面に固定流路７ｆが開口した第２のシール面８ｂを有する固定シール部となっている。
【００１５】
次に、図２を参照してロータリジョイント１の動作を説明する。嵌合孔３ａ内に供給対象の流体が送給される（矢印ａ）ことにより、この流体圧は固定軸部７ａの他方側（第２のシールリング８の反対側）の側端面７ｇに作用する。これにより、固定軸部７ａ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８は第１のシールリング５に対して、側端面７ｇ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。この押圧力Ｆは第２のシール面８ｂと第１のシール面５ｂとを相互に密着させ、これにより固定流路７ｆから軸廻りに回転状態の回転流路４ｅへ送給される流体の漏洩を防止する面シール部９が形成される。
【００１６】
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７ａの他方側の側端面７ｇ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７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８ｂとを相互に密着させて面シール部９を形成する。このフローティングシート７のスライドにおいて、フランジ部７ｂに設けられた廻り止め孔７ｃが廻り止め部材１１に沿って摺動することにより、フローティングシート７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。
【００１７】
ロータリジョイント１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７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９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７が後退して第１のシール面５ｂと第２のシール面８ｂ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７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８ｂに当接して面シール部９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７は後退（矢印ｃ方向）し、フランジ部７ｂ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８ｂとが相互に離隔した状態に戻る。
【００１８】
ここで、ロータリジョイント１の作動時における絞り部４ｆの機能について説明する。前述のように、絞り部４ｆは回転流路４ｅ内を流れる流体の流量を制限する機能を有するものである。ロータリジョイント１における流量の制限は、以下のような意義を有している。上述構成の流体送給機構においては、下流の被供給側の状態によっては、ロータリジョイント１を介して供給される流量が大きく変動する場合がある。すなわち一般に流体供給源は十分な容量を備えていることから、被供給側において流体噴射ノズルの脱落などの不測の事態が発生した場合には、使用範囲として想定された圧力・流量の範囲から外れた流体がロータリジョイントを通過して被供給側に流れる場合がある。
【００１９】
このような流量や圧力の変動は、クーラント供給配管系の正常な作動を阻害する要因となるため、極力変動を抑制することが求められる。このような変動を抑制する手段として、クーラント供給配管系に過大な流量が流れないように絞りなどの流量制限手段を設けることが考えられる。このような目的の流量制限手段をクーラント供給配管系に組み込むに際しては、ロータリジョイント１のシール機能の安定性を損なわないために、以下に説明するような考慮が必要となる。
【００２０】
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２に示すように流体圧による押圧力Ｆを面シール部９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９に生じるシール圧力と内部の流体圧との相対比を予め使用条件に応じて適正に設定されたバランス比に保つことにより、安定したシール性能を維持するようにしている。このため、上述目的の流量制限手段をクーラント供給配管系に組み込むに際しては、面シール部９近傍の流体圧と固定軸部７ａの側端面７ｇに作用する流体圧との関係を極力変動させないよう、流量制限手段の構成および流量制限手段が挿入される位置を考慮する必要がある。
【００２１】
すなわち、ロータリジョイント１の上流側に流量制限手段を設けた場合には、流量を制限するために設けた絞り部における圧力損失のために、面シール部９に作用する流体圧が低下し、シール性能の安定性を損なうおそれがある。これに対し、ロータリジョイント１の下流側に流量制限手段を設けようとすれば、スピンドル軸２など常に回転する部分に流量を制限する機構を組み込む必要があり、装置構成上困難が伴う場合が多い。
【００２２】
このようなメカニカルシールの特性を考慮して、本実施の形態に示すロータリジョイント１においては、面シール部９から下流に位置するロータ４に絞り部４ｆを設けることにより流量を制限するようにしている。このような構成を採用することにより、フローティングシート７や面シール部９に作用する流体圧の変動を生じることなく、固定流路７ｆから回転流路４ｅを介して流路孔２ａに流れる流量を制限することができる。しかもこの流量制限手段はロータリジョイント１を構成するロータ４に設けられていることから、スピンドル軸２など回転部分には何ら新たな機構を追加する必要がなく、設備の変更や改修を全く必要としない。
【００２３】
なお、絞り部４ｆの構成において、オリフィス孔４ｇの流路径ｄ３は、固定流路７ｆの流路径ｄ１との関係で決定されるものである。すなわち、ロータリジョイント１における流量の変動を許容可能な範囲内に抑制するために必要な絞り度合いが、固定流路７ｆの流路断面積に対するオリフィス孔４ｇの流路断面積の百分比を用いて設定される。本実施の形態においては、回転流路４ｅを局部的に絞ったオリフィス孔４ｇの流路断面積を固定流路７ｆの流路断面積の９０％以下となるようにしている。ここで、より確実な流量制限効果を得るためには、上記百分比を７５％以下とすることが望ましい。またロータ４において絞り部４ｆを設ける位置は、ロータ４の下端部には限定されず、面シール部９から下流側であれば回転流路４ｅの任意位置に設けることができる。
【００２４】
上記絞り度合いの数値は、以下のような計算根拠に基づいて設定される。ロータリジョイントにおいて安定したシール性能を確保するためには前述のバランス比の変動を１０％以下にすることが望ましい。バランス比は面シール部９における流体圧と押圧力Ｆによって決定されることから、フローティングシート７内の固定流路７ｆにおける圧力損失をロータリジョイント１の手前側における流体圧の１０％以下に抑えることが求められる。ここで、圧力損失の増加の要因となる流量の増加は、ロータリジョイント１の下流側が開放に近い状態となることにより生じるため、ロータ４の直後が完全開放されて静圧が立たない状態を想定し、この状態においてなお圧力損失が１０％以下となるような条件を設定すればよい。換言すれば、ロータリジョイント１に供給される流体の流体圧Ｐのうち、１０％が固定流路７ｆにおける圧力損失として費やされ、残りの９０％がロータ４に設けられたオリフィス孔４ｇによって動圧に変換されるような条件を見出せばよい。
【００２５】
すなわち、固定流路７ｆにおける圧力損失ΔＰが流体圧Ｐの１０％である場合のファニングの圧損計算式（１）と、オリフィス孔４ｇ前後の差圧が流体圧Ｐの９０％である場合の流量Ｑを計算する計算式（２）とを、流量Ｑが等しいという条件で連立させることにより、上述の条件を満たす固定流路７ｆの流路断面積Ｓ１に対するオリフィス孔４ｇの流路断面積Ｓ３の比（Ｓ３／Ｓ１）が求められる。
（ΔＰ＝）０．１Ｐ＝λ（Ｌ／ｄ１）Ｖ２ ／２ｇ・・（１）
Ｑ＝α（Ｓ３）√（２ｇ×０．９Ｐ）・・（２）
ここで、λ：管摩擦係数 Ｌ：固定流路長さ ｄ１：固定流路径
Ｖ：固定流路流速 ｇ：重力加速度 α：オリフィス流量係数
（１）式は、流量Ｑを用いて、０．１Ｐ＝λ（Ｌ／ｄ１）（Ｑ／Ｓ１）２ ／２ｇと書き表される。そしてこの流量Ｑに（２）式を代入しさらに数値条件例としてλ＝０．０３、α＝０．７５、Ｌ＝４０ｍｍ、ｄ１＝５ｍｍの数値を用いると、前述の条件を満たす（Ｓ３／Ｓ１）の限界値として０．９１が求められる。
【００２６】
すなわち、上述の数値条件において、固定流路７ｆの流路断面積Ｓ１に対するオリフィス孔４ｇの流路断面積Ｓ３の比（Ｓ３／Ｓ１）を９０％以下としておけば、ロータ４の下流が完全開放された場合においても、固定流路７ｆにおける圧力損失ΔＰを流体圧Ｐの１０％以下に抑えることができる。そして通常のロータリジョイントにおいては、上述の数値条件に極端な差異はないことから、安定したシール性能を確保する上での（Ｓ３／Ｓ１）の目安の値として、上記数値（９０％）を用いることができる。なお（Ｓ３／Ｓ１）を７５％以下とすれば、先端開放状態においてもシール性能に影響を与えないことが実験により確認されている。
【００２７】
このようにロータリジョイント１において流量を制限することの効果は、ロータリジョイント１を流れる流体が、冷却用のエアなどの気体である場合に特に顕著となる。すなわち過大な流量の気体がフローティングシート７を流れることによって圧力損失が増大した場合には、面シール部９近傍の流体圧がフローティングシート７の上流側の流体圧に対して低下する結果、予め設定されたバランス比が維持されずに、面シール部９に作用するシール面圧が増大する結果となる。このようなシール面圧の増大は、流体が気体である場合にシール性能に対してより大きな影響を及ぼす。
【００２８】
すなわち一般に気体は潤滑性を有していないことから、無潤滑状態のシール面により大きなシール面圧が作用することとなり、シール面の面荒れや漏れ量の増大などのシール動作不良を生じるおそれがある。これに対し、本実施の形態に示すロータリジョイント１においては、このような特性を有する気体を供給対象とする場合にあっても、ロータリジョイント１を流れる流量をロータ４に設けられた流量制限手段によって制限するようにしている。これにより過大な流量の気体がフローティングシート７を流れることを防止することができ、上述のようなシール面の面荒れや漏れ量の増大などのシール動作不良を有効に防止することが可能となる。
【００２９】
なお、ロータ４に設ける流量制限手段としては、上記構成に示すような絞り部４ｆに限定されるものではなく、種々のバリエーションが想定可能である。以下、これらのバリエーションの幾例かを図３〜図６を参照して説明する。まず、図３は第２実施例のロータリジョイント１Ａを示している。この第２実施例では、第１実施例においては回転流路４ｅを局部的に絞った絞り部４ｆを設けているのに対し、回転流路４ｅの流路径ｄ４をロータ４Ａの全長にわたって固定流路７ｆの流路径ｄ１よりも小さくすることにより流量を制限するようにしたものである。流路径ｄ４の決定に際しては、第１実施例と同様に固定流路７ｆの流路断面積に対するオリフィス孔４ｇの流路断面積の百分比に基づいて決定される。
【００３０】
すなわち図３に示すロータ４Ａは、第１実施例に示すロータ４において、軸心部に設けられた回転流路４ｅの流路断面積をロータ４Ａの全長にわたって回転流路４ｅの流路断面積の９０％以下とすることにより、流量を制限する形態となっている。ここでも同様に、より確実な流量制限効果を得るためには、上記百分比を７５％以下とすることが望ましい。ロータ４Ａの右側の側端面に固定された第１のシールリング５Ａには、回転流路４ｅの内径ｄ４と同一径の開口部５ａが形成される。これ以外の構成については、図１に示すロータリジョイント１と同様である。絞り部４ｆを設けることに替えてこのような構成を採用することにより、ロータ４Ａの加工を簡略化することができるという利点がある。
【００３１】
図４は、第３実施例のロータリジョイント１Ｂを示している。この第３実施例では、回転流路４ｅにおいて流体の流れ方向を径方向に変化させる曲げ部をロータ４Ｂに設けることにより、圧力損失を発生させて流量を制限するようにしたものである。すなわち図４においてロータ４Ｂは、図１におけるロータ４の下流側の端部に曲げ部１４を設けた構成となっている。曲げ部１４は、回転流路４ｅから回転軸部４ａの外面まで貫通する貫通孔１４ａを単数または複数設けた形態となっている。回転流路４ｅの流れ方向（矢印ｆ）と貫通孔１４ａの流れ方向（矢印ｇ）とのなす角度θは、直角または直角に近い鈍角に設定される。すなわち曲げ部１４において、回転流路４ｅ内の流体は貫通孔１４ａを介して流路孔２ａに流出し、これにより流れ方向が径方向に変化する。そして流れ方向および流路径の変化に伴う圧力損失によって流量が制限される。
【００３２】
図５は、第４実施例のロータリジョイント１Ｃを示している。この第４実施例では、複数の細孔が軸方向に貫通して設けられた流量制限部を回転流路４ｅに設けることにより、流量を制限するようにしたものである。すなわち、図５において、ロータ４Ｃは、図１におけるロータ４の下流側の端部に流量制限部１５を設けた構成となっている。流量制限部１５は、回転流路４ｅの下流端に流路を閉塞する閉塞部１５ｂを設け、閉塞部１５ｂを貫通して内径ｄ５の細孔１５ａを複数設けた形態となっている。回転軸部４ａの下流側の端面４ｉに示すように、細孔１５ａは流路中心について点対称配置で設けられている。回転流路４ｅ内の流体は、流量制限部１５の細孔１５ａを介して流路孔２ａに流出し、このときの圧力損失によって流量が制限される。
【００３３】
図６は、第５実施例のロータリジョイント１Ｄを示している。この第５実施例では、複数の微細孔を有する多孔質のフィルタ部材を回転流路４ｅ内に挿入することにより、流量を制限するようにしたものである。すなわち、図６において、ロータ４Ｄは、図１のロータ４において回転流路４ｅの下流部にフィルタ部材１７を挿入した構成となっている。フィルタ部材１７はセラミックの焼結体など複数の微細孔を有する多孔質材を略円筒プラグ形状に成形したものであり、回転流路４ｅの内部に挿入されてカラーリング１６によって位置保持されている。回転流路４ｅ内の流体はフィルタ部材１７を透過して流路孔２ａ内に流出する。このとき、流体内に混入している異物がフィルタ部材１７によって捕捉されるとともに、流体がフィルタ部材１７を透過する際の圧力損失によって流量が制限される。フィルタ部材１７を用いることにより、ロータ４Ｄとともに回転することから、フィルタ部材１７によって捕捉された異物は回転に伴う遠心力によって外周方向へ集積され、フィルタ部材１７の目詰まりが抑制されるという付随的な効果を有する。
【００３４】
なお第３実施例、第４実施例、第５実施例における流量制限の効果は、それぞれ曲げ部１４，流量制限部１５，フィルタ部材１７の圧力損失の大きさに基づいて判断される。すなわち曲げ部１４における貫通孔１４ａの孔径や配置，流量制限部１５における細孔１５ａの孔径・孔長や孔数、フィルタ部材１７におけるフィルタ厚、メッシュなどを変化させながら圧力損失を測定し、第１実施例における絞り部４ｆの圧力損失と同等となるようにする。
【００３５】
上記説明したように本発明は、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た構成のロータリジョイントにおいて、回転部に設けられ側端面に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に、回転流路内を流れる流体の流量を制限する流量制限手段を備えるようにしたものである。この流量制限は、流路内で圧力損失を発生させることにより行われる。この種のロータリジョイントにおける従来の技術常識では、流路内の圧力損失は極力避けるべきとされていたものであるのに対し、本発明においては圧力損失の発生位置を適正に設定することにより、シール性能の安定化を実現している。これにより、簡便な構成でクーラント供給配管系の流量の変動を防止することができ、流量の変動に伴って発生するおそれがあるシール性能の異常を防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明のロータリジョイントは、簡便な構成でクーラント供給配管系の流量の変動を防止する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やエアなどの流体を送給する用途に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施の形態におけるロータリジョイント（第１実施例）の断面図
【図２】本発明の一実施の形態におけるロータリジョイント（第１実施例）の動作説明図
【図３】本発明の一実施の形態におけるロータリジョイント（第２実施例）の断面図
【図４】本発明の一実施の形態におけるロータリジョイント（第３実施例）の断面図
【図５】本発明の一実施の形態におけるロータリジョイント（第４実施例）の断面図
【図６】本発明の一実施の形態におけるロータリジョイント（第５実施例）の断面図
【符号の説明】
【００３８】
１ ロータリジョイント
１ａ 回転部
１ｂ 固定部
２ スピンドル軸
３ ケーシング部材
４ ロータ
４ｅ 回転流路
４ｆ 絞り部
５ 第１のシールリング
５ｂ 第１のシール面
７ フローティングシート
７ａ 固定軸部
７ｆ 固定流路
８ 第２のシールリング
８ｂ 第２のシール面
９ 面シール部
１４ 曲げ部
１５ 流量制限部
１７ フィルタ部材
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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（特許文献１、２参照）。これにより、流体送給配管から回転状態にある回転部へ、所定圧力・所定流量の流体がロータリジョイントを介して連続的に供給される。
【特許文献１】実開昭６２−１６３６８５号公報
【特許文献２】特開２００４−２０５０３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述のような流体送給機構においては、工作機械など被供給側の状態によっては、ロータリジョイントを介して供給される流量が大きく変動する場合がある。すなわち流体供給源としては十分な容量のポンプが用いられるため、被供給側において流体噴射ノズルの脱落などの不測の事態が発生した場合には、使用範囲として想定された圧力・流量の範囲から外れた流体がロータリジョイントを通過して被供給側に流れる場合がある。このような圧力・流量の大幅な変動はクーラント供給配管系の正常な作動を阻害する要因となるため、極力変動を抑制することが求められる。しかしながら、上述の特許文献例を含め、従来のロータリジョイントにおいてはこのような変動を防止する機能は備えていなかった。このため、クーラント供給系全体として流量を安定させるためには、流量調整弁などをロータリジョイントの上流側もしくは下流側に配設する必要があり、クーラント供給配管系の構成を複雑化にする結果となっていた。
【０００４】
本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、簡便な構成でクーラント供給配管系の流量の変動を防止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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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、前記回転シール部に設けられ前記回転流路内を流れる流体の流量を制限する流量制限手段と、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する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、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た構成のロータリジョイントにおいて、回転部に設けられ側端面に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に、回転流路内を流れる流体の流量を圧力損失を発生させて制限する流量制限手段を備えることにより、簡便な構成でクーラント供給配管系の流量の変動を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
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ロータリジョイント（第１実施例）の断面図、図２は本発明の一実施の形態におけるロータリジョイント（第１実施例）の動作説明図、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（第２実施例）の断面図、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（第３実施例）の断面図、図５は本発明の一実施の形態におけるロータリジョイント（第４実施例）の断面図図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（第５実施例）の断面図である。
【０００８】
まず図１を参照して、ロータリジョイント１（第１実施例）の全体構成を説明する。流体送給機構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、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。
【０００９】
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）。
【００１０】
次に、ロータリジョイント１の詳細構造を説明する。図１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、さらに軸心部に回転流路４ｅを軸方向に設けた形状となっている。回転軸部４ａの外面には雄ねじ部４ｄが設けられており、流路孔２ａの内面には雌ねじ部２ｂが設けられている。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によってねじ締結部が密封される。これにより、回転流路４ｅはスピンドル軸２の流路孔２ａと連通する。
【００１１】
ロータ４の右側（固定部１ｂと対向する側）の側端面には、回転流路４ｅの開孔面を囲む配置で円形状の凹部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。そしてこの状態では、回転流路４ｅは開口部５ａと連通して第１のシール面５ｂに開口する。
【００１２】
回転軸部４ａの下流側の端部には、絞り部４ｆが設けられている。絞り部４ｆは回転軸部４ａの下流端に、固定流路７ｆの流路径ｄ１や回転流路４ｅの流路径ｄ２よりも小さい流路径ｄ３のオリフィス孔４ｇを設けた構成となっている（図２参照）。本実施の形態では、絞り部４ｆの絞り効果によって回転流路４ｅ内を上流側から送給される流体の流量を制限するようにしている。上記構成において、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回転流路４ｅが開口した第１のシール面５ｂを有する回転シール部となっている。そしてこの回転シール部には、回転流路４ｅ内を流れる流体の流量を制限する流量制限手段としての絞り部４ｆを備えた構成となっている。なお図１，図２に示す例では、回転流路４ｅの流路径ｄ２を固定流路７ｆの流路径ｄ１よりも大きくなるように設定しているが、流路径ｄ２と流路径ｄ１とを同一径としてもよい。
【００１３】
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。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７を主体としている。フローティングシート７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７ｂが設けられ、他方側に固定流路７ｆが軸方向に貫通して形成された固定軸部７ａを有する形状となっている。固定軸部７ａ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１０によって固定軸部７ａ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１１が軸方向に植設されており、フローティングシート７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１１はフランジ部７ｂに設けられた廻り止め孔７ｃを軸方向に挿通している。
【００１４】
フランジ部７ｂの左側（回転部１ａと対向する端面）に設けられた凸部７ｄには、固定流路７ｆの開孔面を囲む配置で、円形状の凹部７ｅが形成されており、凹部７ｅには第２のシールリング８が固定されている。第２のシールリング８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８ａ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８ｂを外面側にした状態で凹部７ｅに固定される。そしてこの状態では、固定流路７ｆは開口部８ａと連通して第２のシール面８ｂに開口する。すなわち第２のシールリング８が固定されたフローティングシート７は、固定流路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７ａを有し、側端面に固定流路７ｆが開口した第２のシール面８ｂを有する固定シール部となっている。
【００１５】
次に、図２を参照してロータリジョイント１の動作を説明する。嵌合孔３ａ内に供給対象の流体が送給される（矢印ａ）ことにより、この流体圧は固定軸部７ａの他方側（第２のシールリング８の反対側）の側端面７ｇに作用する。これにより、固定軸部７ａ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８は第１のシールリング５に対して、側端面７ｇ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。この押圧力Ｆは第２のシール面８ｂと第１のシール面５ｂとを相互に密着させ、これにより固定流路７ｆから軸廻りに回転状態の回転流路４ｅへ送給される流体の漏洩を防止する面シール部９が形成される。
【００１６】
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７ａの他方側の側端面７ｇ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７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８ｂとを相互に密着させて面シール部９を形成する。このフローティングシート７のスライドにおいて、フランジ部７ｂに設けられた廻り止め孔７ｃが廻り止め部材１１に沿って摺動することにより、フローティングシート７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。
【００１７】
ロータリジョイント１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７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９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７が後退して第１のシール面５ｂと第２のシール面８ｂ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７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８ｂに当接して面シール部９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７は後退（矢印ｃ方向）し、フランジ部７ｂ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８ｂとが相互に離隔した状態に戻る。
【００１８】
ここで、ロータリジョイント１の作動時における絞り部４ｆの機能について説明する。前述のように、絞り部４ｆは回転流路４ｅ内を流れる流体の流量を制限する機能を有するものである。ロータリジョイント１における流量の制限は、以下のような意義を有している。上述構成の流体送給機構においては、下流の被供給側の状態によっては、ロータリジョイント１を介して供給される流量が大きく変動する場合がある。すなわち一般に流体供給源は十分な容量を備えていることから、被供給側において流体噴射ノズルの脱落などの不測の事態が発生した場合には、使用範囲として想定された圧力・流量の範囲から外れた流体がロータリジョイントを通過して被供給側に流れる場合がある。
【００１９】
このような流量や圧力の変動は、クーラント供給配管系の正常な作動を阻害する要因となるため、極力変動を抑制することが求められる。このような変動を抑制する手段として、クーラント供給配管系に過大な流量が流れないように絞りなどの流量制限手段を設けることが考えられる。このような目的の流量制限手段をクーラント供給配管系に組み込むに際しては、ロータリジョイント１のシール機能の安定性を損なわないために、以下に説明するような考慮が必要となる。
【００２０】
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２に示すように流体圧による押圧力Ｆを面シール部９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９に生じるシール圧力と内部の流体圧との相対比を予め使用条件に応じて適正に設定されたバランス比に保つことにより、安定したシール性能を維持するようにしている。このため、上述目的の流量制限手段をクーラント供給配管系に組み込むに際しては、面シール部９近傍の流体圧と固定軸部７ａの側端面７ｇに作用する流体圧との関係を極力変動させないよう、流量制限手段の構成および流量制限手段が挿入される位置を考慮する必要がある。
【００２１】
すなわち、ロータリジョイント１の上流側に流量制限手段を設けた場合には、流量を制限するために設けた絞り部における圧力損失のために、面シール部９に作用する流体圧が低下し、シール性能の安定性を損なうおそれがある。これに対し、ロータリジョイント１の下流側に流量制限手段を設けようとすれば、スピンドル軸２など常に回転する部分に流量を制限する機構を組み込む必要があり、装置構成上困難が伴う場合が多い。
【００２２】
このようなメカニカルシールの特性を考慮して、本実施の形態に示すロータリジョイント１においては、面シール部９から下流に位置するロータ４に絞り部４ｆを設けることにより流量を制限するようにしている。このような構成を採用することにより、フローティングシート７や面シール部９に作用する流体圧の変動を生じることなく、固定流路７ｆから回転流路４ｅを介して流路孔２ａに流れる流量を制限することができる。しかもこの流量制限手段はロータリジョイント１を構成するロータ４に設けられていることから、スピンドル軸２など回転部分には何ら新たな機構を追加する必要がなく、設備の変更や改修を全く必要としない。
【００２３】
なお、絞り部４ｆの構成において、オリフィス孔４ｇの流路径ｄ３は、固定流路７ｆの流路径ｄ１との関係で決定されるものである。すなわち、ロータリジョイント１における流量の変動を許容可能な範囲内に抑制するために必要な絞り度合いが、固定流路７ｆの流路断面積に対するオリフィス孔４ｇの流路断面積の百分比を用いて設定される。本実施の形態においては、回転流路４ｅを局部的に絞ったオリフィス孔４ｇの流路断面積を固定流路７ｆの流路断面積の９０％以下となるようにしている。ここで、より確実な流量制限効果を得るためには、上記百分比を７５％以下とすることが望ましい。またロータ４において絞り部４ｆを設ける位置は、ロータ４の下端部には限定されず、面シール部９から下流側であれば回転流路４ｅの任意位置に設けることができる。
【００２４】
上記絞り度合いの数値は、以下のような計算根拠に基づいて設定される。ロータリジョイントにおいて安定したシール性能を確保するためには前述のバランス比の変動を１０％以下にすることが望ましい。バランス比は面シール部９における流体圧と押圧力Ｆによって決定されることから、フローティングシート７内の固定流路７ｆにおける圧力損失をロータリジョイント１の手前側における流体圧の１０％以下に抑えることが求められる。ここで、圧力損失の増加の要因となる流量の増加は、ロータリジョイント１の下流側が開放に近い状態となることにより生じるため、ロータ４の直後が完全開放されて静圧が立たない状態を想定し、この状態においてなお圧力損失が１０％以下となるような条件を設定すればよい。換言すれば、ロータリジョイント１に供給される流体の流体圧Ｐのうち、１０％が固定流路７ｆにおける圧力損失として費やされ、残りの９０％がロータ４に設けられたオリフィス孔４ｇによって動圧に変換されるような条件を見出せばよい。
【００２５】
すなわち、固定流路７ｆにおける圧力損失ΔＰが流体圧Ｐの１０％である場合のファニングの圧損計算式（１）と、オリフィス孔４ｇ前後の差圧が流体圧Ｐの９０％である場合の流量Ｑを計算する計算式（２）とを、流量Ｑが等しいという条件で連立させることにより、上述の条件を満たす固定流路７ｆの流路断面積Ｓ１に対するオリフィス孔４ｇの流路断面積Ｓ３の比（Ｓ３／Ｓ１）が求められる。
（ΔＰ＝）０．１Ｐ＝λ（Ｌ／ｄ１）Ｖ２ ／２ｇ・・（１）
Ｑ＝α（Ｓ３）√（２ｇ×０．９Ｐ）・・（２）
ここで、λ：管摩擦係数 Ｌ：固定流路長さ ｄ１：固定流路径
Ｖ：固定流路流速 ｇ：重力加速度 α：オリフィス流量係数
（１）式は、流量Ｑを用いて、０．１Ｐ＝λ（Ｌ／ｄ１）（Ｑ／Ｓ１）２ ／２ｇと書き表される。そしてこの流量Ｑに（２）式を代入しさらに数値条件例としてλ＝０．０３、α＝０．７５、Ｌ＝４０ｍｍ、ｄ１＝５ｍｍの数値を用いると、前述の条件を満たす（Ｓ３／Ｓ１）の限界値として０．９１が求められる。
【００２６】
すなわち、上述の数値条件において、固定流路７ｆの流路断面積Ｓ１に対するオリフィス孔４ｇの流路断面積Ｓ３の比（Ｓ３／Ｓ１）を９０％以下としておけば、ロータ４の下流が完全開放された場合においても、固定流路７ｆにおける圧力損失ΔＰを流体圧Ｐの１０％以下に抑えることができる。そして通常のロータリジョイントにおいては、上述の数値条件に極端な差異はないことから、安定したシール性能を確保する上での（Ｓ３／Ｓ１）の目安の値として、上記数値（９０％）を用いることができる。なお（Ｓ３／Ｓ１）を７５％以下とすれば、先端開放状態においてもシール性能に影響を与えないことが実験により確認されている。
【００２７】
このようにロータリジョイント１において流量を制限することの効果は、ロータリジョイント１を流れる流体が、冷却用のエアなどの気体である場合に特に顕著となる。すなわち過大な流量の気体がフローティングシート７を流れることによって圧力損失が増大した場合には、面シール部９近傍の流体圧がフローティングシート７の上流側の流体圧に対して低下する結果、予め設定されたバランス比が維持されずに、面シール部９に作用するシール面圧が増大する結果となる。このようなシール面圧の増大は、流体が気体である場合にシール性能に対してより大きな影響を及ぼす。
【００２８】
すなわち一般に気体は潤滑性を有していないことから、無潤滑状態のシール面により大きなシール面圧が作用することとなり、シール面の面荒れや漏れ量の増大などのシール動作不良を生じるおそれがある。これに対し、本実施の形態に示すロータリジョイント１においては、このような特性を有する気体を供給対象とする場合にあっても、ロータリジョイント１を流れる流量をロータ４に設けられた流量制限手段によって制限するようにしている。これにより過大な流量の気体がフローティングシート７を流れることを防止することができ、上述のようなシール面の面荒れや漏れ量の増大などのシール動作不良を有効に防止することが可能となる。
【００２９】
なお、ロータ４に設ける流量制限手段としては、上記構成に示すような絞り部４ｆに限定されるものではなく、種々のバリエーションが想定可能である。以下、これらのバリエーションの幾例かを図３〜図６を参照して説明する。まず、図３は第２実施例のロータリジョイント１Ａを示している。この第２実施例では、第１実施例においては回転流路４ｅを局部的に絞った絞り部４ｆを設けているのに対し、回転流路４ｅの流路径ｄ４をロータ４Ａの全長にわたって固定流路７ｆの流路径ｄ１よりも小さくすることにより流量を制限するようにしたものである。流路径ｄ４の決定に際しては、第１実施例と同様に固定流路７ｆの流路断面積に対するオリフィス孔４ｇの流路断面積の百分比に基づいて決定される。
【００３０】
すなわち図３に示すロータ４Ａは、第１実施例に示すロータ４において、軸心部に設けられた回転流路４ｅの流路断面積をロータ４Ａの全長にわたって回転流路４ｅの流路断面積の９０％以下とすることにより、流量を制限する形態となっている。ここでも同様に、より確実な流量制限効果を得るためには、上記百分比を７５％以下とすることが望ましい。ロータ４Ａの右側の側端面に固定された第１のシールリング５Ａには、回転流路４ｅの内径ｄ４と同一径の開口部５ａが形成される。これ以外の構成については、図１に示すロータリジョイント１と同様である。絞り部４ｆを設けることに替えてこのような構成を採用することにより、ロータ４Ａの加工を簡略化することができるという利点がある。
【００３１】
図４は、第３実施例のロータリジョイント１Ｂを示している。この第３実施例では、回転流路４ｅにおいて流体の流れ方向を径方向に変化させる曲げ部をロータ４Ｂに設けることにより、圧力損失を発生させて流量を制限するようにしたものである。すなわち図４においてロータ４Ｂは、図１におけるロータ４の下流側の端部に曲げ部１４を設けた構成となっている。曲げ部１４は、回転流路４ｅから回転軸部４ａの外面まで貫通する貫通孔１４ａを単数または複数設けた形態となっている。回転流路４ｅの流れ方向（矢印ｆ）と貫通孔１４ａの流れ方向（矢印ｇ）とのなす角度θは、直角または直角に近い鈍角に設定される。すなわち曲げ部１４において、回転流路４ｅ内の流体は貫通孔１４ａを介して流路孔２ａに流出し、これにより流れ方向が径方向に変化する。そして流れ方向および流路径の変化に伴う圧力損失によって流量が制限される。
【００３２】
図５は、第４実施例のロータリジョイント１Ｃを示している。この第４実施例では、複数の細孔が軸方向に貫通して設けられた流量制限部を回転流路４ｅに設けることにより、流量を制限するようにしたものである。すなわち、図５において、ロータ４Ｃは、図１におけるロータ４の下流側の端部に流量制限部１５を設けた構成となっている。流量制限部１５は、回転流路４ｅの下流端に流路を閉塞する閉塞部１５ｂを設け、閉塞部１５ｂを貫通して内径ｄ５の細孔１５ａを複数設けた形態となっている。回転軸部４ａの下流側の端面４ｉに示すように、細孔１５ａは流路中心について点対称配置で設けられている。回転流路４ｅ内の流体は、流量制限部１５の細孔１５ａを介して流路孔２ａに流出し、このときの圧力損失によって流量が制限される。
【００３３】
図６は、第５実施例のロータリジョイント１Ｄを示している。この第５実施例では、複数の微細孔を有する多孔質のフィルタ部材を回転流路４ｅ内に挿入することにより、流量を制限するようにしたものである。すなわち、図６において、ロータ４Ｄは、図１のロータ４において回転流路４ｅの下流部にフィルタ部材１７を挿入した構成となっている。フィルタ部材１７はセラミックの焼結体など複数の微細孔を有する多孔質材を略円筒プラグ形状に成形したものであり、回転流路４ｅの内部に挿入されてカラーリング１６によって位置保持されている。回転流路４ｅ内の流体はフィルタ部材１７を透過して流路孔２ａ内に流出する。このとき、流体内に混入している異物がフィルタ部材１７によって捕捉されるとともに、流体がフィルタ部材１７を透過する際の圧力損失によって流量が制限される。フィルタ部材１７を用いることにより、ロータ４Ｄとともに回転することから、フィルタ部材１７によって捕捉された異物は回転に伴う遠心力によって外周方向へ集積され、フィルタ部材１７の目詰まりが抑制されるという付随的な効果を有する。
【００３４】
なお第３実施例、第４実施例、第５実施例における流量制限の効果は、それぞれ曲げ部１４，流量制限部１５，フィルタ部材１７の圧力損失の大きさに基づいて判断される。すなわち曲げ部１４における貫通孔１４ａの孔径や配置，流量制限部１５における細孔１５ａの孔径・孔長や孔数、フィルタ部材１７におけるフィルタ厚、メッシュなどを変化させながら圧力損失を測定し、第１実施例における絞り部４ｆの圧力損失と同等となるようにする。
【００３５】
上記説明したように本発明は、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た構成のロータリジョイントにおいて、回転部に設けられ側端面に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に、回転流路内を流れる流体の流量を制限する流量制限手段を備えるようにしたものである。この流量制限は、流路内で圧力損失を発生させることにより行われる。この種のロータリジョイントにおける従来の技術常識では、流路内の圧力損失は極力避けるべきとされていたものであるのに対し、本発明においては圧力損失の発生位置を適正に設定することにより、シール性能の安定化を実現している。これにより、簡便な構成でクーラント供給配管系の流量の変動を防止することができ、流量の変動に伴って発生するおそれがあるシール性能の異常を防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明のロータリジョイントは、簡便な構成でクーラント供給配管系の流量の変動を防止する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やエアなどの流体を送給する用途に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施の形態におけるロータリジョイント（第１実施例）の断面図
【図２】本発明の一実施の形態におけるロータリジョイント（第１実施例）の動作説明図
【図３】本発明の一実施の形態におけるロータリジョイント（第２実施例）の断面図
【図４】本発明の一実施の形態におけるロータリジョイント（第３実施例）の断面図
【図５】本発明の一実施の形態におけるロータリジョイント（第４実施例）の断面図
【図６】本発明の一実施の形態におけるロータリジョイント（第５実施例）の断面図
【符号の説明】
【００３８】
１ ロータリジョイント
１ａ 回転部
１ｂ 固定部
２ スピンドル軸
３ ケーシング部材
４ ロータ
４ｅ 回転流路
４ｆ 絞り部
５ 第１のシールリング
５ｂ 第１のシール面
７ フローティングシート
７ａ 固定軸部
７ｆ 固定流路
８ 第２のシールリング
８ｂ 第２のシール面
９ 面シール部
１４ 曲げ部
１５ 流量制限部
１７ フィルタ部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
前記回転シール部に設けられ前記回転流路内を流れる流体の流量を制限する流量制限手段と、
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することを特徴とするロータリジョイント。
【請求項２】
前記流量制限手段は、前記回転流路の流路断面積を局部的に前記固定流路の流路断面積の９０％以下に絞ることにより、前記流量を制限することを特徴とする請求項１記載のロータリジョイント。
【請求項３】
前記流量制限手段は、前記回転流路の流路断面積を前記回転シール部の全長にわたって前記固定流路の流路断面積の９０％以下とすることにより、前記流量を制限することを特徴とする請求項１記載のロータリジョイント。
【請求項４】
前記流量制限手段は、前記回転流路において流体の流れ方向を径方向に変化させる曲げ部を前記回転シール部に設けることにより、前記流量を制限することを特徴とする請求項１記載のロータリジョイント。
【請求項５】
前記流量制限手段は、複数の細孔が軸方向に貫通して設けられた流量制限部を前記回転流路に設けることにより、前記流量を制限することを特徴とする請求項１記載のロータリジョイント。
【請求項６】
前記流量制限手段は、複数の微細孔を有する多孔質のフィルタ部材を前記回転流路内に挿入することにより、前記流量を制限することを特徴とする請求項１記載のロータリジョイント。
【請求項７】
前記流体が気体であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のロータリジョイント。
【請求項１】
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、
前記回転シール部に設けられ前記回転流路内を流れる流体の流量を制限する流量制限手段と、
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することを特徴とするロータリジョイント。
【請求項２】
前記流量制限手段は、前記回転流路の流路断面積を局部的に前記固定流路の流路断面積の９０％以下に絞ることにより、前記流量を制限することを特徴とする請求項１記載のロータリジョイント。
【請求項３】
前記流量制限手段は、前記回転流路の流路断面積を前記回転シール部の全長にわたって前記固定流路の流路断面積の９０％以下とすることにより、前記流量を制限することを特徴とする請求項１記載のロータリジョイント。
【請求項４】
前記流量制限手段は、前記回転流路において流体の流れ方向を径方向に変化させる曲げ部を前記回転シール部に設けることにより、前記流量を制限することを特徴とする請求項１記載のロータリジョイント。
【請求項５】
前記流量制限手段は、複数の細孔が軸方向に貫通して設けられた流量制限部を前記回転流路に設けることにより、前記流量を制限することを特徴とする請求項１記載のロータリジョイント。
【請求項６】
前記流量制限手段は、複数の微細孔を有する多孔質のフィルタ部材を前記回転流路内に挿入することにより、前記流量を制限することを特徴とする請求項１記載のロータリジョイント。
【請求項７】
前記流体が気体であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のロータリジョイント。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−５３９１７（Ｐ２０１０−５３９１７Ａ）
【公開日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２１７８０３（Ｐ２００８−２１７８０３）
【出願日】平成２０年８月２７日（２００８．８．２７）
【出願人】（０００１７９３２８）リックス株式会社 (33)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月２７日（２００８．８．２７）
【出願人】（０００１７９３２８）リックス株式会社 (33)
【Ｆターム（参考）】
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