(57)【要約】【課題】熱交換流体を回転体に供給するための回転ユニオンを提供する。【解決手段】本発明に係る回転ユニオンは、回転体に対する所望位置でユニオンハウジングを保持する一対の流体力学的ブッシュ軸受と、回転体に固定されたスラスト軸受アセンブリと、一対のブッシュ軸受の前側に配置されたシールアセンブリとを備える。流体力学的ブッシュ軸受は、ユニオン内に配置されて、ユニオン内の熱交換流体のフローにより潤滑化される。【選択図】図３
2006112622.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換流体を回転負荷部に送出する回転ユニオンであって、
内部に孔部を有するユニオンハウジングと、
上記ユニオンハウジングの孔部内に回転可能に設けられ、上記負荷部に通じているロータと、
上記ロータと一体に回転可能に取り付けられ、上記ユニオンハウジングの孔部内に配置される第１ブッシュ軸受アセンブリと、
上記ロータと一体に回転可能に取り付けられ、上記ユニオンハウジングの孔部内に配置される第２ブッシュ軸受アセンブリと、
上記ロータに固定されたスラスト板部材と、球面状の接触面を有する金属製リング部材と、上記球面状の接触面と係合するように構造的に配置されて上記スラスト板部材からの機械的負荷を吸収する合わせ接触面を有するグラファイト球面リング部材と、からなるスラスト軸受アセンブリと、
上記ロータに固定された回転シール部材と、上記ユニオンハウジング内で支持されるとともに、前記第２ブッシュ軸受アセンブリの前方に配置されて、上記熱交換流体を上記負荷部に送出している際に、上記ユニオンハウジング内に熱交換流体を保持するためのシールを与えて、上記第１および第２ブッシュ軸受アセンブリを潤滑化するフローティングシール部材と、からなるシールアセンブリと、
を備えることを特徴とする回転ユニオン。
【請求項２】
上記第１ブッシュ軸受アセンブリと上記第２ブッシュ軸受アセンブリの少なくとも一方は、上記ロータと一体に回転可能に取り付けられた軸受スリーブ部材と、上記ユニオンハウジングの孔部内に取り付けられた軸受ハウジング部材とを備えることを特徴とする請求項１に記載の回転ユニオン。
【請求項３】
上記軸受ハウジング部材は、上記軸受スリーブ部材と係合するグラファイト摩耗部を含み、さらに、
上記軸受ハウジング部材は、上記ユニオンハウジングの上記孔部と係合するように構造的に配置されて、上記グラファイト摩耗部を上記軸受スリーブ部材に対して位置決めする外側ラジアル曲面（Outer Radial Curved Surface）を有することを特徴とする請求項２に記載の回転ユニオン。
【請求項４】
上記フローティングシール部材は、スプリング部材により付勢されて、上記流体の上記負荷部への送出中に、上記ユニオンハウジング内に熱交換流体を保持するためのシールを与えることを特徴とする請求項１に記載の回転ユニオン。
【請求項５】
上記スラスト軸受アセンブリは、上記第１および第２ブッシュ軸受アセンブリ間の上記ロータ上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の回転ユニオン。
【請求項６】
上記ユニオンハウジングにはエンドキャップが取り付けられており、このエンドキャップは、上記熱交換流体を上記回転負荷部に送出している際に、上記回転ユニオン内で軸方向のスラスト力に抵抗するスラストリング部材を備えることを特徴とする請求項１に記載の回転ユニオン。
【請求項７】
上記ユニオンハウジングは、給入口と、バイパスラインとを含み、上記バイパスラインは、上記エンドキャップと上記給入口との間に延びて、熱交換流体を上記第２ブッシュ軸受アセンブリに導くことを特徴とする請求項６に記載の回転ユニオン。
【請求項８】
固定導管から機械装置に熱伝導性加圧流体を送出する回転ユニオンであって、
内部に孔部を有するユニオンハウジングと、
上記機械装置に接続されるとともに、上記ユニオンハウジングの孔部内で回転可能に設けられて、熱伝導性加圧流体を上記機械装置に送出するように構造的に配置された回転ロータ部材と、
上記ロータ部材に固定された回転シールリング部材と、スプリング付勢された状態で上記ユニオンハウジング内に設けられて、上記熱伝導性加圧流体が上記回転ユニオンを通過する際に、上記シールリング部材と係合するように構造的に配置されたフローティングシール部材と、からなる機械的シールアセンブリと、
上記ユニオンハウジング内に配置されるとともに、上記熱伝導性流体により流体力学的に潤滑化されて、上記ロータ部材上で上記ユニオンハウジングを支持する一対のブッシュ軸受アセンブリと、
上記ユニオンハウジング内に配置されて、上記熱伝導性流体の圧力によって作用する軸方向力を吸収するスラスト軸受アセンブリと、を備え、
上記スラスト軸受アセンブリは、上記熱伝導性流体により流体力学的に潤滑化されるように構成され、さらに上記スラスト軸受アセンブリは、上記ロータに固定された回転スラスト板部材と、上記ユニオンハウジングの孔部内に取り付けられた球面形状を有する固定スラスト板部材と、上記回転スラスト板部材と上記固定スラスト板部材との間に配置されて上記回転スラスト板部材からの軸方向力を吸収するカーボングラファイト摺動リング部材とを備えることを特徴とする回転ユニオン。
【請求項９】
上記ブッシュ軸受アセンブリは、上記ロータ部材と一体に回転可能に取り付けられた軸受スリーブ部材と、上記ユニオンハウジングの孔部内に取り付けられた軸受ハウジング部材とを備えることを特徴とする請求項８に記載の回転ユニオン。
【請求項１０】
上記軸受ハウジング部材は、上記軸受スリーブ部材と係合するグラファイト摩耗部を含み、さらに、
上記軸受ハウジング部材は球面状外径面（Spherical External Diameter Surface）を有し、この球面状外径面は、上記ユニオンハウジングの内面の孔部と回転可能に係合するように構造的に配置されて、上記グラファイト摩耗部を上記軸受スリーブ部材に位置決めすることを特徴とする請求項９に記載の回転ユニオン。
【請求項１１】
上記スラスト軸受アセンブリは、上記一対のブッシュ軸受アセンブリ間の上記ユニオンハウジング内に配置されていることを特徴とする請求項８に記載の回転ユニオン。
【請求項１２】
上記ユニオンハウジングにはエンドキャップが固定されており、このエンドキャップは、上記伝導性流体を上記機械装置に送出している際に、上記回転ユニオン内で軸方向のスラスト力に抵抗するスラストリング部材を備えることを特徴とする請求項８に記載の回転ユニオン。
【請求項１３】
上記ユニオンハウジングは、給入口と、バイパスラインとを含み、上記バイパスラインは、上記エンドキャップと上記給入口との間に延びて、上記一対のブッシュ軸受アセンブリの少なくとも一方に熱交換流体を導くことを特徴とする請求項１２に記載の回転ユニオン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部に複数のブッシュ軸受（Bushing Bearing）を有し、それらブッシュ軸受が、非回転体から回転部材に向かう熱交換流体のフロー中に配置される構成の回転ユニオン（Rotary Union）に関するものである。
なお、本出願は、２００４年９月１４日に出願された米国仮出願番号６０／６１０，１１９に関し、その利益を主張するものである。上記米国仮出願の開示内容は、参照することにより本願に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
オイル等の熱交換流体を回転体或いは負荷部（Load）に供給するものとして、複数の回転ユニオン構造が存在している。その中で、あるタイプの自立式回転ユニオンは、回転ロータ或いはシャフトに対して回転ユニオンハウジングを位置決め及び支持する一対のカーボングラファイト軸受構造を具備し、ロータ或いはシャフト部材が、回転体或いは負荷部の内部からホットオイルを排出するサイフォン管を取り囲むようになっている。このような回転ユニオンの中には、一対のカーボングラファイト・ブッシュ軸受とシールアセンブリとを備えて、シールアセンブリが、ユニオン内の流体圧力によって生じるスラスト力を吸収するスラスト軸受アセンブリとして機能するものもある。回転ハウジングは、一対のカーボングラファイト・ブッシュ軸受により、回転ロータ或いはシャフトに対して位置決めされた状態で取り付けられ、運転中、ハウジングとロータは整列状態で維持される。しかしながら、前側のグラファイトブッシュ軸受は、送り込まれた流体と接触することはなく、そのため、このような回転ユニオンは、運転温度が最高約４５０°Ｆ、速度が約２００ＲＰＭｓに限られている。
【０００３】
熱交換流体を回転ドラムに伝える他の自立式回転ユニオンは、転がり回転軸受（Anti-Friction Rotating Bearing）を備え、この転がり回転軸受が、軸受ハウジング内に配置されて、回転負荷部に対して回転ユニオンハウジングを支持するようになっている。ホットオイルを負荷部に供給するユニオン内で回転ハウジングを支持して整列させるために、このようなローラ軸受構造を利用する場合、当該ローラ軸受構造は、通常、最高運転温度が約３００°Ｆで運転可能であることが分かっている。そのため、このローラ軸受構造においては、軸受アセンブリに潤滑油または高温潤滑グリースを供給するための補助的な潤滑および冷却システムが必要になる。このような複雑な回転ユニオンは、高価な高温潤滑グリースが必要であり、また、ユニオンの温度に応じて物理的性質および性能に変化が生じる。そのため、このようなユニオン構造は、製造に多大なコストを要し、耐用期間も短い。
【発明の開示】
【０００４】
本発明の一つの目的は、熱交換流体を回転体或いは負荷部に供給するための回転ユニオンであって、流体力学的ブッシュ軸受を利用して、回転体或いは負荷部に対する所望位置で回転ユニオンハウジングを保持する構成の回転ユニオンを提供することである。
【０００５】
本発明の他の目的は、熱交換流体を回転体或いは負荷部に送出するための回転ユニオンであって、回転体或いは負荷部と係合するブッシュ軸受により、回転ユニオンハウジングを回転体に対して位置決めするようにした回転ユニオンを提供することである。
【０００６】
本発明の更に他の目的は、回転負荷部に対して回転ユニオンを支持するために一対のブッシュ軸受を利用するとともに、ユニオン内の流体フローによって上記ブッシュ軸受を潤滑化するようにした回転ユニオンを提供することである。
【０００７】
本発明は、ホットオイルを回転ロータ或いは負荷部に供給するための新規な回転ユニオンであって、回転負荷部に対してユニオンハウジングを支持するための後側ブッシュ軸受アセンブリおよび前側ブッシュ軸受アセンブリが設けられた回転ユニオンを提供する。後側或いは第１ブッシュ軸受アセンブリは、ロータと一体に回転可能に取り付けられた軸受スリーブと、回転ユニオンの円筒状ハウジングの孔部（Bore）内に設けられた外側ラジアル曲面（Outer Radial Curved Surface）を有する軸受ハウジング部材とを備える。軸受ハウジング部材は、軸受スリーブ部材と係合して回転負荷部に対する所望位置でハウジングを保持するグラファイト摩耗部を備える。一方、前側或いは第２ブッシュ軸受アセンブリは、ロータと一体に回転可能に取り付けられたブッシュ・スリーブを備え、さらに、外側ラジアル曲面を有する軸受ハウジング部材と、ロータに取り付けられた軸受スリーブを構造的に受け入れて係合するグラファイト摩耗部とを備える。後側および前側ブッシュ軸受アセンブリの各々において、軸受ハウジング部材は外側ラジアル曲面を備え、この外側ラジアル曲面は、円筒状ハウジング部材の内面或いは孔部と係合して、ロータに取り付けられた軸受スリーブに対して、両ブッシュ軸受アセンブリのグラファイト摩耗部を整列させるように構造的に配置される。
【０００８】
自立式回転ユニオンはさらにスラスト軸受アセンブリを備え、このスラスト軸受アセンブリは、ロータに取り付けられてロータと一体に回転可能な金属製のスラスト板部材と、カーボングラファイト球面リング部材（球面を有するカーボングラファイト製のリング部材）と、球面状の接触面を有する金属製リングとにより構成される。金属製リングの球面状接触面は、カーボングラファイトリングの球面状の対向面との合わせ面を持ち、金属製スラスト板部材からの機械的負荷を吸収するようになっている。
【０００９】
さらに、回転ユニオンは前側シールアセンブリを備え、この前側シールアセンブリは、回転シャフトに固定された回転シール面部材と、スプリングにより付勢された状態でユニオンハウジングに取り付けられたフローティングシール面部材とからなる。この前側シールアセンブリは、回転ユニオン内において、前側ブッシュアセンブリの外側に配置されている。ホットオイルが、ユニオンを通過して、ユニオン内に流体フローを保持する前側シールアセンブリと接触するときに、フローティングシール面と回転シール面の両シール面が係合する。
【００１０】
前側ブッシュ軸受アセンブリの外側に前側フローティング・シールアセンブリを設けることによって、後側ブッシュ軸受アセンブリと前側ブッシュ軸受アセンブリの双方が回転ユニオンの流体フロー内に配置される。この構成によれば、スリーブ軸受とスラスト軸受を有する流体力学的軸受システムを組み合わせたときに、高価な高温グリースまたは潤滑剤によるブッシュ軸受アセンブリの外部からの潤滑化を不要なものとすることができる。また、ユニオン内に送り込まれる流体に必要とされる温度が変わっても、ブッシュ軸受アセンブリの物理的特性に実質的な変化が生じることはない。これにより、本発明に係る回転ユニオンは、最高６００°Ｆの範囲内で、且つ最大１０００ＲＰＭｓの速度で運転できるように構成されている。
【００１１】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の理解を目的として、望ましい実施形態を添付図面に示す。以下の説明に関連させて当該図面を検討することにより、本発明の構成および作用、並びに多くの利点が容易に理解され、評価されることであろう。
【００１３】
［従来の回転ユニオン］
図１は、従来の回転ユニオン１０を示す図である。この回転ユニオン１０は、例えばイリノイ州ウオーケガン所在のデューブリン・カンパニーから、Model Ｈシリーズの回転ユニオンとして、市販されているものである。各図面においては、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。回転ユニオン或いはジョイント１０は、紙、プラスチックおよび繊維工業のアプリケーションにホットオイルまたは蒸気を送出するために設計されたものである。回転ユニオン１０は、円筒状ハウジング１１、ヘッド或いはエンドキャップ１２、管状ロータ１３を備えている。ユニオンハウジング１１は、後側支持カーボングラファイト軸受１４と前側支持カーボングラファイト軸受１５とによって、ロータ１３に取り付けられている。加熱されたオイルは、ポート１６を介して回転ジョイント或いはユニオン１０内に流入する。サイフォン管１７は、ロータ１３内に設けられて、ヘッド或いはエンドキャップ１２に通じている。ホットオイルが回転ユニオンに流入すると、そのオイルはサイフォン管１７に沿って進み、回転ドラム（図示省略）に流入する。ホットオイルの戻りは、サイフォン管を通り、ユニオン１０のヘッド１２から排出される。
【００１４】
回転ユニオンアセンブリ１０は、ロータ１３に取り付けられたスラスト板１８を有するシールアセンブリを備えている。スラスト板は球面状のカーボンリング部材１９と当接し、このカーボンリング部材１９は、同様に、球面状のシール面部材２０と当接する。この球面状のシール面部材は、ハウジング１１に固定された支持フランジ２２に装着されている。カーボンリング部材１９とシール面部材２０との接合部は、スラスト板１８から軸方向の機械的負荷を吸収して、ユニオンにシール機能を付与する構造となっている。
【００１５】
支持フランジ２２は、ハウジング１１に結合されている。この支持フランジ２２は内部に環状凹部２３を有し、この環状凹部２３は、前側支持カーボングラファイト軸受１５を受け入れて、回転ユニオンのハウジングに対する支持を提供可能に構造的に配置されている。後側支持カーボングラファイト軸受１４の隣接位置には、スプリング２４により付勢された対向面部材２５が配置され、この対向面部材２５は、ユニオンにスラスト軸受アセンブリ２６を提供している。図１に示すホットオイル回転ジョイントは、一般に、９０ＰＳＩ、温度６００°Ｆ、最大約３５０ＲＰＭｓの速度で、運転される。
【００１６】
図２は、同様に、従来の回転ユニオン１０を示す図である。この回転ユニオン１０は、例えばイリノイ州ウオーケガン所在のデューブリン・カンパニーから、Model ＣＫシリーズの回転ユニオンとして、市販されているものである。この回転ユニオン１０は、回転負荷部材にホットオイルを送出するためのもので、円筒状ハウジング１１と、ヘッド或いはエンドキャップ１２と、ロータ或いは負荷部１３と、ロータ内に配設されたサイフォン管１７とを備えている。ホットオイルは、ポート１６を介して回転ユニオン１０内に導入される。図２において、回転ユニオン１０は、ロータ或いは負荷部１３に対して回転ハウジング１１を支持するための後側支持ローラ軸受アセンブリ１４および前側支持ローラ軸受アセンブリ１５を備えている。支持ローラ軸受アセンブリ１４，１５の外側環状案内溝部材１４ａ，１４ｂは、ヘッド１２内のカウンター孔（Counter Bore）とハウジング１１内のカウンター孔との間にそれぞれ配置されている。後側および前側ローラ軸受アセンブリの間には回転シール部材２７とフローティングシール部材２８が配置され、フローティングシール部材２８は、回転ユニオンの運転中に、スプリング付勢されて回転シール部材２７と係合することにより、シールを付与するようになっている。
【００１７】
同様に、後側支持ローラ軸受アセンブリ１４は、後側シールアセンブリ５６の存在により、ユニオンを通るオイルの流れから分離されている。このアセンブリは、ロータに装着された回転シール面部材５７と、回転ユニオンの運転中にシールを付与するフローティングシール面部材５８とを備えている。
【００１８】
回転ユニオン１０内でローラ軸受アセンブリ１４，１５を使用する場合、グリースニップル２９からローラ軸受アセンブリ内に高価な潤滑剤を導入して、ユニットの冷却および潤滑化を行う必要がある。図２に示すように複雑で高価なユニオン構造は、高価な高温グリースと潤滑剤の使用をどうしても必要とし、その結果、ユニットの運転温度に応じて、ユニオン軸受アセンブリの物理的特性にしばしば変化が生じる。かような高価なユニオンは、一般に、圧力９０ＰＳＩ、温度４５０°Ｆ、速度８５０ＲＰＭｓの条件で運転される。
【００１９】
［本発明に係る回転ユニオン］
本発明に係る新規の回転ユニオンは、熱交換流体を回転負荷部或いはロータ１３に供給するもので、図３に示されている。この回転ユニオン１０は、後側ブッシュ軸受アセンブリ３０と、前側ブッシュ軸受アセンブリ３５とを有し、それらアセンブリが、ロータ或いはシャフト１３に対するユニオンハウジングの支持を提供するようになっている。後側ブッシュ軸受アセンブリ３０は、図４に示すように、ロータ１３と一体に回転可能に取り付けられた軸受スリーブ部材３１と、円筒状ハウジング１１の孔部１１ａ内に設けられた外側ラジアル曲面（Outer Curved Radial Surface）３３を有する軸受ハウジング部材３２とを備えている。軸受ハウジング部材３２は、軸受スリーブ部材３１と係合するように構造的に配置されたグラファイト摩耗部３４を有している。軸受スリーブ部材３１は、ロータに取り付けられて、ハウジング１１を回転負荷部或いはロータ１３に対して位置決めした状態で、当該ハウジング１１の保持を補助するようになっている。一方、前側ブッシュ軸受アセンブリ３５は軸受ハウジング部材３７を有し、この軸受ハウジング部材３７は、ハウジング１１の孔部と協働して、ロータ１３に対するハウジング１１の支持および位置決めを容易にする外側ラジアル曲面３８を備えている。軸受アセンブリは、ロータ１３に取り付けられた軸受スリーブ部材３６を受け入れて係合するためのグラファイト摩耗部３９を備えている。また、前側ブッシュ軸受アセンブリは、ロータに対してハウジングを所望の運転位置内で保持すべく構造的に配置されている。
【００２０】
後側及び前側ブッシュ軸受アセンブリの各々において、軸受ハウジング部材は、それぞれ外側ラジアル曲面３３，３８を備え、それらは、円筒状ハウジング部材１１の内面或いは孔部１１ａと係合して、ロータに取り付けられた軸受スリーブとともに、ブッシュ軸受アセンブリのグラファイト摩耗部を適切に位置決めするように構造的に配置されている。軸受ハウジング部材３２の外側ラジアル曲面３３は、その特徴部が図４に示されている。
【００２１】
図３および図４に示すように、回転ユニオン１０は、スラスト軸受アセンブリを含む。このスラスト軸受アセンブリは、ロータ１３に装着されてロータ１３と一体に回転可能な金属製のスラスト板部材４１と、球面状の接触面を有する金属製リング部材４２と、スラスト板部材と金属製リング部材の間に配置されたカーボングラファイト球面リング部材４３とにより構成されている。カーボングラファイト球面リング部材は、金属製リング部材４２の対向面との間の接合部に合わせ面を有し、金属製スラスト板部材４１からの機械的負荷を吸収し得る構造を提供している。
【００２２】
また、回転ユニオン１０は、前側シールアセンブリ４７を含み、この前側シールアセンブリ４７は、ロータ１３に固定されてロータ１３と共に回転する回転シール面部材４４と、スプリング４６に付勢された状態でユニオンハウジング１１に取り付けられたフローティングシール面部材４５とにより構成されている。ホットオイルがユニオンを通過するときに、フローティングシール面および回転シール面の両シール面が係合する。この前側シールアセンブリは、流体フローをユニオン１０内に保持するためのシールを提供する。
【００２３】
スラストリング部材４８は、円筒状ハウジング１１のヘッド或いはエンドキャップ１２に取り付けられるとともに、軸受スリーブ部材３１と係合して、回転ユニオン１０内で軸方向のスラスト力に抵抗するようになっている。さらに、バイパスライン５０は、ヘッド１２と給入口５２とを繋ぎ、加熱された流体の一部を前側ブッシュ軸受アセンブリ３５に導いて、前側ブッシュ軸受アセンブリ３５を潤滑化および洗い流すようになっている。
【００２４】
後側および前側ブッシュ軸受アセンブリ３０，３５を、それぞれ前側シールアセンブリ４７内に設ける（つまり、前側シールアセンブリ４７によって形成されるシールの内側（流体フロー側）に設ける）ことによって、後側および前側ブッシュ軸受はともに、回転ユニオン内のホットオイルの流体フロー内に配置される。この構成は、高価な高温グリース或いは潤滑剤によるブッシュ軸受アセンブリへの外部注油を不要にすることができる。また、ユニオン内に送り込まれる流体の温度が変化しても、流体力学的軸受システムの物理的特性に実質的な変化が生じることはない。これは、スラスト軸受アセンブリが、回転ユニオンを通る潤滑剤またはオイルのフローから後側ブッシュ軸受アセンブリをシールしないためである。
【００２５】
本発明に係る回転ユニオンは、最高６００°Ｆの範囲内で、且つ最大約１０００ＲＰＭｓの速度で、運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】ロータの回転支持および取付用の一対のカーボングラファイト軸受構造を有する、従来の自立式回転ユニオンを示す図である。
【図２】ロータ或いはシャフトの回転支持および取付用の一対のローラ軸受構造を有する、従来の自立式回転ユニオンを示す図である。
【図３】ユニオンハウジングをロータに取付けおよび支持するための一対のブッシュ軸受を有する流体力学的軸受システムが組み込まれた、本発明に係る自立式回転ユニオンを示す図である。
【図４】本発明における軸受ハウジング部材と、回転ユニオンハウジングの内面または孔部との関係を示す拡大図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０  回転ユニオン
１１  ハウジング
１２  エンドキャップ
１３  ロータ
３０  後側ブッシュ軸受アセンブリ
３５  前側ブッシュ軸受アセンブリ
４１  スラスト板部材
４２  金属製リング部材
４３  カーボングラファイト球面リング部材
４４  回転シール面部材
４５  フローティングシール面部材
４７  前側シールアセンブリ
【図１】
2006112622.tif 000003
【図２】
2006112622.tif 000004
【図３】
2006112622.tif 000005
【図４】
2006112622.tif 000006
【外国語明細書】
ROTARY UNION FOR DIRECTING A HEAT EXCHANGE FLUID
CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATION   
This application is related to and claims the benefit of U.S. Provisional Application Ser. No. 60/610,119 filed September 14, 2004, the teachings of which are incorporated herein by reference.
FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a rotary union having bushing bearings therein and which are positioned within the flow of the heat exchange fluid from the non-rotating body to a rotating member.
BACKGROUND OF THE INVENTION
A plurality of rotary union structures exist for supplying a heat exchange fluid, such as oil, to a rotating body or load.  In the past, one type of self-supported rotating union includes a pair of carbon graphite bearing structures which support and retain the alignment of the rotary union housing with respect to the rotating a rotor or shaft and wherein the rotor or shaft member encircles a siphon pipe through which the hot oil is removed from the interior of a rotating body or load.  Such rotating unions may include a pair of carbon graphite bushing bearings and a seal assembly which also acts as a thrust bearing assembly to absorb the thrust forces generated by fluid pressure within the union.  The rotary housing is mounted and aligned with respect to the rotating rotor or shaft by the pair of carbon graphite bushing bearings to maintain the housing and the rotor in alignment during operation.  However, the front graphite bushing bearings are not in contact with the pumped fluid and, accordingly, such rotary unions have a limited operational temperature of a maximum of about 450゜F and approximately 200 RPMs.  
Another attempt to provide a self-supported rotary union for communicating a heat exchange fluid to a rotating drum is a rotary union that includes anti-friction rotating bearings located within bearing housings which provide support for the rotary union’s housing with respect to the rotating load.  When such roller bearing structures are utilized to support and align the rotary housing in a union supplying hot oil to a load, it has been found that the roller bearing structures are generally operable to a maximum operating temperature of 300゜F.  Thus, such roller bearing structures require auxiliary lubricating and cooling systems to supply a lubricating oil or a high temperature lubricating grease to the bearing assembly.  Accordingly, such complicated rotary unions require expensive high temperature lubricating greases and also result in a change in physical property and performance according to the temperature of the union.  Therefore, such union structures are expensive to manufacture and possess a shortened service life.  
SUMMARY OF THE INVENTION
It is one object of the present invention to provide a rotary union for supplying a heat exchange fluid to a rotating body or load which utilizes hydrodynamic bushing bearings to retain the rotary union housing within the desired alignment with respect to the rotating body or load. It is a further object of the present invention to provide a rotary union for delivering a heat exchange fluid to a rotating body or load wherein the rotary union housing is retained in alignment with respect to the rotating body by bushing bearings engaging the rotating body or load.
It is yet another object of the present invention to provide a rotary union wherein a pair of bushing bearings are utilized to support the rotary union with respect to a rotating load and wherein the bushing bearings are lubricated by the fluid flow within the union.
The present invention provides a novel rotary union for supplying a hot oil to a rotating rotor or load which includes a rear bushing bearing assembly and a front bushing bearing assembly which provide the support for the union housing with respect to the rotating load.  The rear or first bushing bearing assembly includes a bearing sleeve mounted for rotation with the rotor and a bearing housing member having an outer radial curved surface mounted within a bore of the cylindrical housing of the rotary union.  The bearing housing member includes a graphite wearing portion for engagement with the bearing sleeve member to retain the housing within the desired alignment with respect to the rotating load.  The front or second bushing bearing assembly includes a bushing sleeve mounted for rotation with the rotor and also includes a bearing housing member having an outer radial curved surface and includes a graphite wearing portion for structurally receiving and engaging a bearing sleeve mounted to the rotor.  In each of the rear and front bushing bearing assemblies, the bearing housing member includes an outer curved radial surface that is structurally arranged to engage the inside surface or bore of the cylindrical housing member to properly align the graphite-wearing portions of both bushing bearing assemblies with the bearing sleeves mounted to the rotor. 
The self-supported rotary union further includes a thrust bearing assembly comprised of a metallic thrust plate member that is mounted to the rotor for rotation thereby, a carbon graphite spherical ring member and a metallic ring having a spherical contact surface.  The spherical contact surface of the metallic ring presents a mating face with the spherical counterface of the carbon graphite ring to absorb the mechanical load from the metallic thrust plate member. 
Additionally, the rotating union includes a front seal assembly which is comprised of a rotating seal face member fixed to the rotor shaft and a floating seal face member that is spring biased and mounted to the union housing.  The front seal assembly is positioned within the rotary union outside of the front bushing assembly.  Engagement of the seal facings of the floating and the rotating seal faces occurs when hot oil is passed through the union to contact the front seal assembly which retains the fluid flow within the union.
By positioning the front floating seal assembly outside the front bushing bearing assembly, both the rear bushing bearing assembly and the front bushing bearing assembly are located within the fluid flow of the rotating union.  Accordingly, this structure, when coupled with the hydrodynamic bearing system which includes sleeve bearings and a thrust bearing, eliminates the need for external lubrication of the bushing bearing assemblies with expensive, high temperature grease or lubricants.  Additionally, there is substantially no change in physical properties of the bushing bearing assemblies with the temperature changes required of the pumped fluid within the union.  Accordingly, a rotary union in accordance with the present invention is structurally arranged to operate within the range of up to 600゜F and up to 1,000 RPMs.
The present invention consists of certain novel features and structural details hereinafter fully described, illustrated in the accompanying drawings, and particularly pointed out in the appended claims, it being understood that various changes in the details may be made from the spirit, or sacrificing any of the advantages of the present invention.
DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
For the purpose of understanding the present invention, there is illustrated in the accompanying drawings a preferred embodiment thereof, from an inspection of which, when considered in connection with the following description, the invention, its construction and operation, and many of its advantages will be readily understood and appreciated.
FIG. 1 illustrates a self-supported rotating union including a pair of carbon graphite bearing structures for mounting and supporting the rotation of a rotor in accordance with the prior art; 
FIG. 2 illustrates a self-supported rotating union which includes a pair of roller bearing structures for mounting and supporting the rotation of a rotor or shaft in accordance with the prior art;
FIG. 3 illustrates a self-supported rotating union incorporating the hydrodynamic bearing system which includes a pair of bushing bearings for mounting and supporting the union housing on the rotor in accordance with the present invention; and
FIG. 4 is an enlarged view showing the relationship between the bearing housing member and the inner surface or bore of the rotary union housing in accordance with the present invention.
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT
FIG. 1, which is labeled "Prior Art", illustrates a rotating union 10 which may be, for example, a rotary union of the Model H Series, commercially available from the Deublin Company, Waukegan, Illinois.  Referring now to drawings wherein like numerals have been used throughout the several views to designate the same or similar parts, a rotating union or joint 10 is designed for delivering hot oil or steam to applications in the paper, plastic and textile industries.  The rotating union 10 includes a cylindrical housing 11, a head or end cap 12 and a tubular rotor 13.  The union housing 11 is mounted on the rotor 13 by a rear support carbon graphite bearing 14 and a front support carbon graphite bearing 15.  The heated oil enters into the rotary joint or union 10 through port 16, and a siphon pipe 17 is enclosed within the rotor 13 and communicates with the head or end cap 12.  When the hot oil enters the rotary union, the oil passes along the siphon pipe 17 into a rotating drum (not shown).  The return of the hot oil is through the siphon pipe and out the head 12 of the union 10.  
The rotary union assembly 10 includes a seal assembly which includes a thrust plate 18 mounted to the rotor 13.  The thrust plate is in contact with a spherical carbon ring member 19, which in turn is in contact with a spherical seal face member 20.  The spherical seal face member is keyed to a supporting flange 22 that is secured to the housing 11.  The junction between the carbon ring member 19 and the seal face member 20 provides a structure which absorbs the axial mechanical load from the thrust plate 18 and provides a sealing function for the union.  
A supporting flange 22 associated with the housing 11 includes an annular recess 23 therein which is structurally arranged to receive the front support carbon graphite bearing 15 to provide support for the rotary union’s housing.  Positioned adjacent the rear support carbon graphite bearing 14 is a spring 24 biased counterface member 25 which provides a thrust bearing assembly 26 for the union.  The hot oil rotating joint, illustrated in FIG. 1, operates generally at 90 PSI and at temperatures of 600゜F and at a speed of up to about 350 RPMs.  
FIG. 2, which is also labeled "Prior Art" illustrates a rotating union 10 which may be, for example, a rotary union of the Model CK Series, commercially available from the Deublin Company, Waukegan, Illinois.  The rotating union 10 is designed for delivering hot oil to a rotating load member and includes a cylindrical housing 11, a head or end cap 12, a rotor or load 13 and a siphon pipe 17 located within the rotor.  The hot oil is directed into the rotary union 10 through inlet port 16.  Specifically, in FIG. 2 the rotating union 10 includes a rear support roller bearing assembly 14 and a front support roller bearing assembly 15 for supporting the rotary housing 11 with respect to the rotor or load 13.  The outer annular race members 14a and 15a of the roller bearing assemblies 14 and 15, respectively, are positioned between a counter bore in the head 12 and in the housing 11, respectively.  Positioned between the rear and front roller bearing assemblies is a rotating sealing member 27 and a floating sealing member 28, which is spring biased to engage the rotating sealing member 27 to provide a seal during operation of the rotary union.
Similarly, the rear roller bearing assembly 14 is isolated from the flow of oil through the union because of the existence of a rear sealing assembly 56.  This assembly includes a rotating seal face member 57 keyed to the rotor and a floating seal face member 58 which provides a seal during operation of the rotary union.
The utilization of roller bearing assemblies 14 and 15 within the rotary union 10 requires expensive lubricants to be directed into the roller bearings assemblies through grease nipples 29 to cool the units and to lubricate the same.  Thus, such complex and expensive union structures, as shown in FIG. 2, necessarily require the use of expensive high-temperature greases and lubricants and oftentimes result in a change of physical properties of the union bearing assemblies depending upon the temperature of the operating unit.  Accordingly, such expensive unions generally operate at a pressure of 90 PSI, at a temperature of 450゜F and at a speed of 850 RPMs.
The novel rotary union in accordance with the present invention supplies a heat exchange fluid to a rotating load or rotor 13 and is shown in FIG. 3.  The rotary union 10 includes a rear bushing bearing assembly 30 and a front bushing bearing assembly 35 which both provide support for the union housing with respect to the rotor or shaft 13.  The rear bushing bearing assembly 30 includes a bearing sleeve member 31 mounted for rotation with the rotor 13 and a bearing housing member 32 having an outer curved radial surface 33 mounted within a bore 11a of the cylindrical housing 11, as shown in FIG. 4.  The bearing housing member 32 includes a graphite wearing portion 34 which is structurally arranged to engage the bearing sleeve member 31 mounted on the rotor to assist retaining the housing 11 in alignment with respect to the rotating load or rotor 13.  The front bushing bearing assembly 35 also includes a bearing housing member 37 having an outer curved radial surface 38 for cooperation with the bore of the housing 11 to facilitate alignment and support of the housing with respect to the rotor 13.  The bearing assembly includes a graphite wearing portion 39 for receiving and engaging the bearing sleeve member 36 which is mounted to the rotor 13.  The front bushing bearing assembly also is structurally arranged to assist retaining the housing within the desired operational alignment with respect to the rotor.  
In each of the rear and front bushing bearing assemblies, the bearing housing member includes an outer curved radial surface 33 and 38, respectively, that is structurally arranged to engage the inside surface or bore 11a of the cylindrical housing member 11 to properly align the graphite wearing portions of the bushing bearing assemblies with the bearing sleeves mounted to the rotor.  The outer curved radial surface 33 of the bearing housing member 32 is best shown in FIG. 4.  
As shown in FIGS. 3 and 4, the rotary union 10 further includes a thrust bearing assembly comprised of a metallic thrust plate member 41 that is mounted and secured to the rotor 13 for rotation thereby, a metallic ring member 42 having a spherical contact surface and a carbon graphite spherical ring member 43 positioned between the thrust plate member and the metallic  ring member.  The carbon graphite spherical ring member presents a mating face at the junction between the counterface of the metallic ring member 42, which provides a structure which absorbs the mechanical load from the metallic thrust plate member 41.
The rotary union 10 includes also a front seal assembly 47 which is comprised of a rotating seal face member 44 secured to the rotor 13 and rotating therewith and a floating seal face member 45 that is biased by a spring 46 and mounted to the union housing 11.  Engagement of the seal facings of the floating and rotating seal faces occurs when hot oil is passed through the union.  This front seal assembly provides a seal which retains the fluid flow within the union 10.
A thrust ring member 48 is mounted to the head or end cap 12 of the cylindrical housing 11 and engages the bearing sleeve member 31 to resist the axial thrust forces within the rotating union 10.  Additionally, a bypass line 50 communicates between the head 12 to an inlet port 52, which directs a portion of the heated fluid onto the front bushing bearing assembly 35 to lubricate and flush the same.  
By positioning the rear and the front bushing bearing assemblies 30 and 35, respectively, within the front sealing assembly 47, both the rear and the front bushing bearings are situated within the fluid flow of the hot oil within the rotating union.  This structure eliminates the need for external lubrication of the bushing bearing assemblies with expensive high temperature greases or lubricants, and there is substantially no change in the physical properties of the hydrodynamic bearing system with the temperature changes required of the pumped fluid within the union.  This result occurs because the thrust bearing assembly does not provide any sealing of the rear bushing bearing assembly from the flow of oil or lubricant through the rotating union.
A rotating union in accordance with the present invention is operable within ranges of up to 600゜F and up to about 1,000 RPMs.
1. A rotary union for delivery of a heat exchange fluid to a rotating load, including in combination:
a union housing having a bore therein;
a rotor mounted for rotation within the bore of said housing and communicating with the load; 
a first bushing bearing assembly mounted for rotation with the rotor and positioned within said bore of said union housing;
a second bushing bearing assembly mounted for rotation with the rotor and positioned within said bore of said union housing; 
a thrust bearing assembly comprised of a thrust plate member secured to said rotating rotor, a metallic ring member having a spherical contact surface and a graphite spherical ring member having a mating contact face structurally arranged to engage said spherical contact surface to absorb the mechanical load from said thrust plate member; and 
a seal assembly comprised of a rotating seal member secured to said rotor and a floating seal member supported within said union housing and positioned forwardly of said second bushing bearing assembly to provide a seal which retains the heat exchange fluid within the union housing to lubricate said first and second bushing bearing assemblies during delivery of the heat exchange fluid to the load.
2.  The rotary union in accordance with claim 1, wherein at least one of said first bushing bearing assembly and said second bushing bearing assembly is comprised of a bearing sleeve member mounted for rotation with said rotor and a bearing housing member mounted within said bore of said union housing.
3.  The rotary union in accordance with claim 2, wherein said bearing housing member includes a graphite wearing portion which engages said bearing sleeve member and wherein said bearing housing member has an outer radial curved surface which is structurally arranged to engage said bore of said housing to align said graphite wearing portion with said bearing sleeve member.
4.  The rotary union in accordance with claim 1, wherein said floating seal member is biased by a spring member to provide a seal which retains the heat exchange fluid within the union housing during delivery of the fluid to the load.
5.  The rotary union in accordance with claim 1, wherein said thrust bearing assembly is positioned on said rotor between said first and said second bushing bearing assemblies.
6.  The rotary union in accordance with claim 1, wherein said union housing includes an end cap secured thereto, with said end cap having a thrust ring member which resists axial thrust forces within the rotary union during delivery of the heat exchange fluid to the rotating load.
7.  The rotary union in accordance with claim 6, wherein said union housing includes an inlet port and a bypass line, with said bypass line extending between said end cap and said inlet port to direct heat exchange fluid to said second bushing bearing assembly. 
8.  A rotary union for delivering pressurized thermoconductive fluid from a stationary conduit to a machine, said rotary union comprising:
a union housing having a bore therein; 
a rotating rotor member communicating with the machine tool and structurally arranged to be mounted for rotation within the union housing bore to deliver the thermoconductive fluid to the machine; 
a mechanical seal assembly including a rotating seal ring member secured to said rotor member and a spring biased floating seal member  mounted within said union housing and structurally arranged to engage said seal ring member when pressurized thermoconductive fluid is passing through the rotary union;
a pair of bushing bearing assemblies located within said union housing, with each assembly being hydrodynamically lubricated by the thermoconductive fluid and supporting said union housing on said rotor member; and
a thrust bearing assembly positioned within said rotary housing for absorbing the axial forces created by the pressure of the thermoconductive fluid on said thrust bearing assembly, with said thrust bearing assembly being hydrodynamically lubricated by said thermoconductive fluid, and wherein said thrust bearing assembly includes a rotating thrust plate member mounted to said rotor, a stationary spherical-shaped thrust plate member mounted within said bore of said union housing and a carbon graphite sliding ring member positioned between said rotary thrust plate member and said stationary spherical-shaped thrust plate member for absorbing the axial forces from said rotating thrust plate member.  
9.  The rotary union in accordance with claim 8, wherein said bushing bearing assemblies include a bearing sleeve member mounted for rotation with said rotor member and a bearing housing member mounted within said bore of said union housing.
10.  The rotary union in accordance with claim 9, wherein said bearing housing member includes a graphite wearing portion which engages said bearing sleeve member and wherein said bearing housing member has a spherical external diameter surface which is structurally arranged to pivotally engage said bore of the internal surface of said housing to align said graphite wearing portion with said bearing sleeve member.
11. The rotary union in accordance with claim 8, wherein said thrust bearing assembly is positioned within said union housing between said pair of bushing bearing assemblies.
12.  The rotary union in accordance with claim 8, wherein said union housing includes an end cap secured thereto, with said end cap having a thrust ring member which resists axial thrust forces within the rotary union during delivery of the thermoconductive fluid to the machine tool.
13.  The rotary union in accordance with claim 12, wherein said union housing includes an inlet port and a bypass line, with said bypass line extending between said end cap and said inlet port to direct heat exchange fluid to at least one of said pair of bushing bearing assemblies. 
ABSTRACT
A rotary union for supplying a heat exchange fluid to a rotating body includes a pair of hydrodynamic bushing bearings to retain the union housing within the desired alignment with the rotating body, a thrust bearing assembly secured to the rotating body, and a seal assembly positioned forwardly of the pair of bushing bearings.  The hydrodynamic bushing bearings are located within the union and are lubricated by the flow of the heat exchange fluid within the union.  
FIG. 1
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FIG. 2
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FIG. 3
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FIG. 4
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