JP5933917B2 - 選択的に制御されるシールを有する回転継手 - Google Patents
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Description
回転継手を使用する機械は、典型的には、ベアリング、ギア、電気部品、およびその他のものなどの精密部品を有するが、これらは、高価であり、および/または、点検の間の修理または交換が難しい。これらの部品はしばしば、作動の間に回転継手からの流体の漏れまたは排出に晒された場合に、腐食性の環境下に置かれるかまたは損傷を被る。
該シールは、回転しない部分と回転する部分との間での重大な漏れを伴うことなく、流体媒質を継手を通じて移送することを可能とする。回転継手を通過する流体媒質は、係合されたそれらシール面を滑らかにして、それらシール部材の磨耗を最小にし得る。回転継手が非潤滑性の媒質(乾燥空気など)を伴って、または、いかなる媒質も伴わずに使用された場合、係合されたそれらシール面は「ドライ・ラン(dry running)」状態を経験し、これが、十分な潤滑が欠如していることに起因した、シールの早い磨耗を引き起こす。長期間のドライランは、それらシール部材に対して深刻な損傷を引き起こすことがあり、それにより、一方または両方のシール部材の高価かつ時間のかかる交換が必要となる。
異なるワークピースの材料は、通常、最適な生産性および性能のために、異なる媒質を必要とする。例えば、空気またはエアロゾル媒質は、非常に硬い材料をマシニングするときに、より良い熱制御を提供でき、一方、液体クーラントは、アルミニウムなどのより軟らかい材料をマシニングするときに、より良いパフォーマンスを提供し得る。加えて、ある種の作業は、スルー・スピンドルの媒質なしでより効率的かつより安価に行うことができる。
例えば、反対の流体圧力が存在するときに脱係合するシール面(seal surfaces)を有する回転継手(米国特許第5,538,292号に開示されている装置など)は、製造するには複雑かつ高価であり得る。
媒質が存在しないと自動的に脱係合するシール面を有する回転継手(米国特許第4,976,282号に開示されている装置など)は、それを製造し機械中に組み込むためには、複雑性がより低いが、非潤滑性の媒質が使用されたときには、該シール面同士の係合が起きやすい。
気体との非接触的な作動のための特殊な幾何学的形状を有するシール面(米国特許第6,325,380号および第6,726,913号に開示されているシール面など)は、液体媒質を用いては効果的なシーリングを提供しない。
同様に、媒質を均一に配給する特殊な幾何学的形状を有するシール面(米国特許第6,149,160号に開示されているシール装置など)は、非潤滑性の媒質を使用したときには、何らの利点も提供しない。
たとえ低減された付勢(bias)であっても、シール面同士を常に係合させる回転継手(米国特許第6,929,099号に開示されている継手など)は、高い回転速度でのドライランからダメージを受けやすい。
回転しない機械部品110に対して回転しないシール部材104の摺動(sliding、スライド)を可能にしている構造的な配置構成が、回転しないシール部材104と、回転するシール部材108との選択的な係合および脱係合を可能とし、かつ、回転する機械部品108と回転しない機械部品110との間に存在し得る軸方向の変位を補償する。
ハウジング106に対するシール部材104の延長(extension)、および、回転するシール部材102と回転しないシール部材104との上に配置された対応するシールリングとシールリングとの係合が、流体の通路または媒質チャンネル112を作り出し、該媒質チャンネルが、該回転する機械部品108と該回転しない機械部品110とを通過して延びている。
図示した実施形態では、制御チャンバー環状部(annulus)140が、受入れ座ぐり状穴114の中へ形成され、かつ、円柱状の本体部分116の周りを周方向に延びており、座ぐり状穴114と本体部分116との間にチャンバー115を形成するようになっている。該制御チャンバー環状部140は、複数の制御チャンバーの入り口138を通じて、該制御チャンバー136に流体的に連結され、その複数の制御チャンバーの入り口138は、座ぐり状穴114の周囲をめぐって対称的に配置されており、制御チャンネル118に流体的な接続を提供している。
一つの実施形態では、受入れ座ぐり状穴114が、2つの固定シール(static seal)142のうちの1番目のものによって制御チャンバーの環状部140から流体的に隔離され、該2つの固定シール142は、円柱状の本体部分116の各端部に隣接して形成されている円周方向の溝144内に配置されている。2つの固定シール142のうちの2番目のものは、制御チャンバーの環状部140を外気から隔離する。さらには、制御チャンバー136は、2つのシール152と156とによって、内腔128に沿って、受入れ座ぐり状穴114から流体的に隔離され、2つのシール152と156のそれぞれは、内腔128を巡って配置され、かつ、中心線130に沿って軸方向に位置している。
媒質チャンネル摺動シール156は、受入れ座ぐり状穴114から、および、従って、媒質チャンネル112から、制御チャンバー136を流体的に隔離するための付加的な、および/または、不静定的なシール性能(redundant sealing capability)を提供する。制御チャンバー136内と媒質チャンネル112内に異なる圧力が存在するとき、2つのシール152と156とによって提供される不静定的なシール性能は、それらの軸方向の面のうちの一つの面だけに流体圧力が掛かることによって、各シールがシール機能を提供することを確実にする。
しかしながら、流体が媒質チャンネルから排出されている時点、さもなければ、媒質チャンネルに流体が空である時点、例えば、機械が工具を交換している時点においては、ならびに、特に、周囲の機械部品を保護するために流体の漏出が回避されるべき場合には、継手の付加的な作動性能が望まれる。そのような付加的な作動性能は、図6に示されており、図6では、回転するシールリング192と回転しないシールリング164との間の係合が維持されて、媒質が媒質チャンネル112から排出されつつ、媒質チャンネル112の周囲のシールを保護している。
本明細書で使用される場合、真空という用語は、大気圧よりも低い任意の圧力を意味する。
図7に示されるように、真空シンク710は、回転する機械部品108の作用ポート(working port)(図示せず)、あるいは、リング164と192との間の係合された接触面のいずれかから、流体が排出するのを許容することなく、媒質チャンネル112から流体を取り出し、かつ、排出する。
従って、本発明は、本明細書に添付の特許請求の範囲に記載されている主題の、適用法によって許容されるあらゆる修正および均等物を含む。また、上述した要素の全ての可能な変形での任意の組み合わせが、本明細書に別段の指示がないか、または明らかに文脈に矛盾しない限り、本発明に包含される。
Claims (15)
- 回転継手であって、
当該回転継手は、ハウジングを有し、該ハウジングは、媒質チャンネル開口部と流体的に連絡している内腔を有し、かつ、該ハウジングは、該内腔の周囲に配置されかつ前記媒質チャンネル開口部から流体的に隔離された制御チャンバーを有し、
当該回転継手は、回転しないシール部材を有し、該回転しないシール部材は、該ハウジング内の該内腔の内部に摺動可能に配置され、かつ、該回転しないシール部材は、該内腔を通過して前記媒質チャンネル開口部へと流体的に開口している媒質チャンネルを有し、
当該回転継手は、第一の摺動シールを有し、該第一の摺動シールは、前記回転しないシール部材の周囲に配置されかつ前記制御チャンバーを外気に対して密封するように配置されており、かつ、
当該回転継手は、2つのさらに追加された摺動シールを有し、該2つの摺動シールのそれぞれは、リップシールまたはU形シールであって、該2つのさらに追加された摺動シールは、前記回転しないシール部材の周囲を取り巻くハウジング内に形成されたそれぞれのための溝内に、相対する関係となっている1対として、互いに隣り合って配置されており、該2つのさらに追加された摺動シールは、それぞれ、互いに反対側を向いた2つの軸方向面を有し、該2つのさらに追加された摺動シールは、前記制御チャンバーを前記媒質チャンネルから密封するように、かつ、前記媒質チャンネルを前記制御チャンバーから密封するように、前記制御チャンバーと前記媒質チャンネル開口部との間に対になって配置されており、前記制御チャンバー内および前記媒質チャンネル内に互いに異なる圧力が存在する場合に、前記各摺動シールの互いに反対側を向いた2つの軸方向面のうちの一方の面だけに流体圧力が加えられることによって、前記の追加された摺動シールの各々が密封作用を提供して前記の密封を行うようになっており、
圧力下にある流体が前記制御チャンバー内に存在する場合に、前記回転しないシール部材が前記ハウジングに対して伸びるように、該回転しないシール部材が配置されかつ構成されており、それによって、回転するシール部材が回転している間に、該回転しないシール部材が該回転するシール部材に係合して機械的な端面シールを形成するようになっている、
前記回転継手。 - 前記回転しないシール部材が、第一のバランス比を有しており、圧力下にある流体が前記媒質チャンネル開口部に存在するときに、該回転しないシール部材が前記ハウジングから伸びるのを促すように、前記第一のバランス比が決められている、請求項1記載の回転継手。
- 前記回転しないシール部材が、第二のバランス比を有しており、流体の圧力が前記制御チャンバーに存在し、かつ、周囲の圧力または真空のうちの少なくとも一つが前記媒質チャンネルに存在するときに、該回転しないシール部材が該ハウジングから伸びるのを促すように、前記第二のバランス比が決められている、請求項1記載の回転継手。
- 制御チャンバー入口と制御チャンバー環状部とをさらに有し、
該制御チャンバー環状部は、回転しない機械部品に前記ハウジングが連結されているときに、前記制御チャンバー入口と制御チャンネルとを流体的に相互に連結する、請求項1記載の回転継手。 - 開放バネをさらに有し、該開放バネは、前記回転しないシール部材が前記ハウジング内に引き込まれるのを促す開く力を提供するように配置されている、請求項1記載の回転継手。
- 回転しない機械部品をさらに有し、該回転しない機械部品には受入れ座ぐり状穴が形成されており、その穴の中へと前記ハウジングが配置されている、請求項1記載の回転継手。
- 第一の流体バルブ装置をさらに有し、
該第一の流体バルブ装置は、前記制御チャンバーを、加圧された非圧縮性の媒質の供給源、真空シンク、および、排出口のうちの、少なくとも一つに選択的に流体的に連結させるように作動可能である、請求項1記載の回転継手。 - 第二の流体バルブをさらに有し、
該第二の流体バルブは、前記媒質チャンネルを、加圧された圧縮性の媒質の供給源、加圧された非圧縮性の媒質の供給源、前記制御チャンバー、前記真空シンク、および、前記排出口のうちの、少なくとも一つに選択的に流体的に連結させるように作動可能である、請求項7記載の回転継手。 - 回転するシール部材をさらに有し、該回転するシール部材は、前記回転しないシール部材が前記ハウジングから伸びているときに、該回転しないシール部材に係合するように、回転する機械部品上に配置されている、請求項1記載の回転継手。
- 回転しないシールリングをさらに有し、該回転しないシールリングは、前記回転しないシール部材の端部に配置されており、かつ、
回転するシールリングをさらに有し、該回転するシールリングは、前記回転しないシールリングと向かい合う関係にて、該回転するシール部材上に配置されており、
前記回転するシールリングと前記回転しないシールリングとの係合が、前記媒質チャンネルに沿った機械的な端面シールを提供し、該媒質チャンネルが、前記媒質チャンネル開口部と流体的に連絡しかつ前記ハウジングと前記回転する機械部品の各部分を通過して伸びるようになっている、請求項9記載の回転継手。 - 回転する機械部品および回転しない機械部品の各部分を通過して定められた媒質チャンネルを、選択的に流体的に相互連結するためのシステムであって、
当該システムは、受入れ座ぐり状穴を有し、該受入れ座ぐり状穴は、前記回転しない機械部品内に定められており、当該システムは、該受入れ座ぐり状穴と流体的に連絡した媒質チャンネル開口部を有しかつ制御チャンネルを有し、
当該システムは、前記受入れ座ぐり状穴内に配置されたハウジングを有し、該ハウジングは、前記受入れ座ぐり状穴と流体的に連絡した内腔を有し、かつ、該制御チャンネルと流体的に連絡した制御チャンバーを有し、
当該システムは、回転しないシール部材を有し、該回転しないシール部材は、前記ハウジング内にある前記内腔の内部に摺動可能にかつ密封するように配置され、かつ、該回転しないシール部材は、該受入れ座ぐり状穴を通過して前記媒質チャンネル開口部へと流体的に開口している媒質チャンネルを有しており、
当該システムは、前記回転しないシール部材の周囲に配置された第一の摺動シールを有し、該第一の摺動シールは、前記制御チャンバーを外気に対し封止するように配置されており、
当該システムは、2つのさらに追加された摺動シールを有し、該2つの摺動シールのそれぞれは、リップシールまたはU形シールであって、該2つのさらに追加された摺動シールは、前記制御チャンバーと前記媒質チャンネル開口部との間において、前記回転しないシール部材の周囲を取り巻くハウジング内に形成されたそれぞれのための溝内に、互いに相対する関係となっている1対として、互いに隣り合って配置されており、該2つのさらに追加された摺動シールは、それぞれ、互いに反対側を向いた2つの軸方向面を有し、前記制御チャンバーを前記媒質チャンネルから密封するように、かつ、前記媒質チャンネルを前記制御チャンバーから密封するように、対になって配置されており、前記制御チャンバー内および前記媒質チャンネル内に互いに異なる圧力が存在する場合に、前記各摺動シールの互いに反対側を向いた2つの軸方向面のうちの一方の面だけに流体圧力が加えられることによって、前記の追加された摺動シールの各々が密封作用を提供して前記の密封を行うようになっており、かつ、
当該システムは、第一の流体バルブ装置を有し、該第一の流体バルブ装置は、前記制御チャンバーを、加圧された非圧縮性の媒質の供給源、真空シンク、および、排出口のうちの、少なくとも一つと選択的に流体的に連結させるように作動可能であり、それによって、圧力下にある流体が該制御チャンバー内に存在するときに、前記回転しないシール部材が該ハウジングに対して伸びる配置および構成となっており、それによって、回転するシール部材が回転している間に、該回転しないシール部材が該回転するシール部材に係合して機械的な端面シールを形成するようになっている、
前記システム。 - 第二の流体バルブをさらに有し、
該第二の流体バルブは、前記媒質チャンネルを、加圧された圧縮性の媒質の供給源、加圧された非圧縮性の媒質の供給源、前記制御チャンバー、前記真空シンク、および、前記排出口のうちの、少なくとも一つと選択的に流体的に連結させるように作動可能である、請求項11記載のシステム。 - 開放バネをさらに有し、該開放バネは、前記回転しないシール部材を該ハウジングに対して引き込む方向に促す開く力を提供するように配置されている、請求項11記載のシステム。
- 回転するシール部材をさらに有し、該回転するシール部材は、前記回転しないシール部材が前記ハウジングに対して伸びているときに、該回転しないシール部材に係合するように、該回転する機械部品上に配置されている、請求項11記載のシステム。
- 回転しないシールリングをさらに有し、該回転しないシールリングは、前記回転しないシール部材の端部に配置されており、かつ、
回転するシールリングをさらに有し、該回転するシールリングは、前記回転しないシールリングと向かい合う関係にて、該回転するシール部材上に配置されており、
前記回転するシールリングと前記回転しないシールリングとの係合が、前記媒質チャンネルに沿った機械的な端面シールを提供する、請求項14記載のシステム。
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