(57)【要約】【課題】メカニカルシールの回転密封環を回転軸に対して回り止めする構造に起因して回転密封環が破損するのを抑制することができるロータリジョイントを提供する。【解決手段】メカニカルシール３０の回転密封環３２を回転軸１０に対して回り止めする回り止め構造６０は、軸方向一方側の端面６１ａが回転密封環３２のシール面４２と反対側の端面４３に対向した状態で回転軸１０の外周に配置されたドライブリング６１と、回転密封環３２の端面４３に径方向の厚さ全体にわたって形成された凹部６７と、ドライブリング６１の端面６１ａに径方向の厚さ全体にわたって形成され凹部６７に係合された凸部６８と、ドライブリング６１の内周に形成された第１キー溝６４と、第１キー溝６４に対向し、回転軸１０の外周に形成された第２キー溝６５と、第１及び第２キー溝６４，６５に嵌合されたキー部材６６と、で構成されている。【選択図】図２
2018115686.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一流路が内部に形成されているブロック部、及びこのブロック部から軸方向に延びる円筒部を有するジョイント本体と、
前記円筒部の内周側に回転可能として保持され、かつ内部に第二流路が形成されている回転軸と、
前記ブロック部に取り付けられているとともにシール面が形成された静止密封環、及び前記回転軸の外周に配置され前記静止密封環のシール面に摺接するシール面が形成された回転密封環を有し、前記第一流路と前記第二流路との間を流れる流体が外部へ漏れるのを防ぐメカニカルシールと、
前記回転密封環を前記回転軸に対して回り止めする回り止め構造と、を備え、
前記回り止め構造は、
軸方向一方側の端面が、前記回転密封環のシール面と反対側の端面に対向した状態で前記回転軸の外周に配置されたドライブリングと、
前記回転密封環の前記端面、及び前記ドライブリングの前記端面のうち、一方の面において径方向の厚さ全体にわたって形成された凹部と、他方の面において径方向の厚さ全体にわたって形成され前記凹部に係合された凸部と、
前記ドライブリングの内周に形成された第１キー溝と、
前記第１キー溝に対向し、前記回転軸の外周に形成された第２キー溝と、
前記第１及び第２キー溝に嵌合されたキー部材と、で構成されている、ロータリジョイント。
【請求項２】
前記ドライブリングは、径方向外側に突出する環状の鍔部を有する、請求項１に記載のロータリジョイント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータリジョイントに関する。
【背景技術】
【０００２】
一方側の機器の配管と他方側の機器の回転部分との間に設けられ、前記配管から前記回転部分へと流体を供給する接続部分に用いられる継手として、ロータリジョイントが知られている。
図３に示すロータリジョイントは、ジョイント本体９０と、このジョイント本体９０に回転可能として保持された回転軸９１と、ジョイント本体９０と回転軸９１との間に設けられ前記流体の漏れを防止するメカニカルシール９２とを備えている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ジョイント本体９０は、内部に第一流路９３が形成されたブロック部９０ａと、円筒部９０ｂとを有しており、第一流路９３に一方側の機器の配管（図示せず）が接続される。回転軸９１は、内部に第二流路９４が形成されており、端部９１ａに他方側の機器の回転部分（図示せず）が接続される。回転軸９１は、ステンレス鋼や樹脂製の筒体からなり、円筒部９０ｂに転がり軸受９５を介して連結され、ジョイント本体９０に対して回転可能となる。
【０００４】
メカニカルシール９２は、ジョイント本体９０（ブロック部９０ａ）と回転軸９１との間に設けられている静止密封環９６と回転密封環９７とを有している。静止密封環９６は、ブロック部９０ａとの間でシールされた状態にあり、また、このブロック部９０ａに回転不能でかつ軸方向移動可能として取り付けられている。回転密封環９７は、回転軸９１との間でシールされた状態にあり、また、この回転軸９１にピン１０１を介して一体回転可能として取り付けられている。
【０００５】
そして、ブロック部９０ａと静止密封環９６との間に設けられたばね部材９９が、静止密封環９６を回転密封環９７へ向かって軸方向に押すことにより、両密封環９６，９７のシール面９６ａ，９７ａ同士を密着させている。このメカニカルシール９２により、第一流路９３から第二流路９４へと流れる流体９８が、外部へ漏れるのを防いでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２００３４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記ロータリジョイントでは、回転軸９１に対する回転密封環９７の回り止め構造としてピン１０１を用いているため、以下のような問題が生じる。すなわち、回転密封環９７は回転軸９１と共に回転するときに、ピン１０１からの反力（回転軸９１に対する相対回転を抑止する方向に働く力）を受けるため、前記回り止め構造を長期間使用すると、ピン１０１が係合している回転密封環９７の切欠部９７ｂが変形し、回転密封環９７が破損するおそれがあった。
【０００８】
そこで、前記回り止め構造として、ピン１０１よりも回転軸９１との接触面積が大きくなるキー部材を用いることが考えられる。しかし、この場合、回転密封環９７の内周部にキー部材が係合するキー溝が形成されるため、回転密封環９７における径方向の厚さの一部（内周部）が、回転軸９１と共に回転するときにキー部材からの反力を集中して受けることになる。このため、キー部材を用いた回り止め構造を長期間使用すると、回転密封環９７が破損するというおそれが依然として残る。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、メカニカルシールの回転密封環を回転軸に対して回り止めする構造に起因して回転密封環が破損するのを抑制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】
【００１０】
本発明のロータリジョイントは、第一流路が内部に形成されているブロック部、及びこのブロック部から軸方向に延びる円筒部を有するジョイント本体と、前記円筒部の内周側に回転可能として保持され、かつ内部に第二流路が形成されている回転軸と、前記ブロック部に取り付けられているとともにシール面が形成された静止密封環、及び前記回転軸の外周に配置され前記静止密封環のシール面に摺接するシール面が形成された回転密封環を有し、前記第一流路と前記第二流路との間を流れる流体が外部へ漏れるのを防ぐメカニカルシールと、前記回転密封環を前記回転軸に対して回り止めする回り止め構造と、を備え、前記回り止め構造は、軸方向一方側の端面が、前記回転密封環のシール面と反対側の背面に対向した状態で前記回転軸の外周に配置されたドライブリングと、前記回転密封環の前記背面、及び前記ドライブリングの前記端面のうち、一方の面において径方向の厚さ全体にわたって形成された凹部と、他方の面において径方向の厚さ全体にわたって形成され前記凹部に係合された凸部と、前記ドライブリングの内周に形成された第１キー溝と、前記第１キー溝に対向し、前記回転軸の外周に形成された第２キー溝と、前記第１及び第２キー溝に嵌合されたキー部材と、で構成されている。
【００１１】
本発明によれば、メカニカルシールの回転密封環を回転軸に対して回り止めする回り止め構造は、互いに嵌合されたキー部材と第１及び第２キー溝とによって、回転軸に対してドライブリングを回り止めすることができる。そして、互いに係合された凹部と凸部とによって、ドライブリングに対して回転密封環を回り止めすることができる。これにより、回転密封環をドライブリングを介して回転軸に対して回り止めすることができる。
【００１２】
そして、前記凹部および凸部は径方向の厚さ全体にわたって形成されているため、キー部材からドライブリング、凹部および凸部を介して回転密封環に作用する反力を、回転密封環の径方向の厚さ全体で受けることができる。これにより、従来のように、回転密封環における径方向の厚さの一部がキー部材からの反力を集中して受けることがないため、回り止め構造に起因する回転密封環の破損を効果的に抑制することができる。
【００１３】
前記ロータリジョイントにおいて、前記ドライブリングは、径方向外側に突出する環状の鍔部を有するのが好ましい。この場合、鍔部によってドライブリングの外径が増大するので、ドライブリングの軸線回りのモーメント（角運動量）が増大する。これにより、ドライブリングと一体に回転する回転密封環の回転運動の姿勢が安定するので、回転密封環の振動（軸振れ）が抑制される。その結果、回転密封環の耐久性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、メカニカルシールの回転密封環を回転軸に対して回り止めする構造に起因して回転密封環が破損するのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係るロータリジョイントを示す縦断面図である。
【図２】図１の要部を拡大した縦断面図である。
【図３】従来のロータリジョイントを示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
［全体構成］
次に、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るロータリジョイントを示す縦断面図である。このロータリジョイント１は、メカニカルシール３０を用いた１ポートの継手であり、例えば、半導体製造システムに含まれるＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）装置における回転部分に用いられる。
【００１７】
具体的には、ロータリジョイント１は、一方側の機器（固定側機器）の配管２と、他方側の機器の回転側部材３との間に設けられ、この配管２から回転側部材３へと流体４を供給する接続部分に用いられる。回転側部材３は、前記固定側機器に対して回転する。なお、流体４の例として、例えば、超純水がある。
【００１８】
ロータリジョイント１は、前記固定側機器の配管２と接続されるジョイント本体２０と、前記回転側部材３と接続される回転軸１０と、ジョイント本体２０と回転軸１０との間に設けられ前記流体４の漏れを防止するメカニカルシール３０とを備えている。そして、回転軸１０は、ジョイント本体２０に回転可能として連結されている。
【００１９】
ジョイント本体２０は、分割構造を有しており、一方の分割体としてブロック部２２を有し、他方の分割体として円筒部２３を有している。ブロック部２２の内部に、前記流体４を流す第一流路２１が形成されており、この第一流路２１に、前記固定側機器の配管２が接続される。円筒部２３は、このブロック部２２から軸方向に延びる部材である。
【００２０】
また、ブロック部２２の内部には、第一流路２１と連続する孔２４が形成されている。この孔２４は、ジョイント本体２０の中心線Ｃを中心とする孔として形成されている。なお、ジョイント本体２０の中心線Ｃが、ロータリジョイント１の中心線となり、回転軸１０はこの中心線Ｃを中心に回転する。
【００２１】
ブロック部２２は、大径部２２ａと小径部２２ｂとを有しており、ブロック部２２の径方向外側縁部に段付き部２２ｃが形成されている。そして、円筒部２３が、小径部２２ｂに外嵌しており、かつ、大径部２２ａに対して軸方向に当接した状態にある。そして、円筒部２３の中心線は、ジョイント本体２０の中心線Ｃと一致する。小径部２２ｂと、円筒部２３の端部との間には、Ｏリング５が介在しており、メカニカルシール３０用の冷却媒体（後述する冷却水５０）がジョイント本体２０の外部へ漏れるのを防ぐ。
【００２２】
回転軸１０は、ステンレス鋼や樹脂製からなり、その内部に前記流体４を流す第二流路１２が形成されている。そして、回転軸１０の端部（一端部）１１に前記回転側部材３が接続される。また、回転軸１０のほぼ半分は、ジョイント本体２０の円筒部２３に挿入された状態にあり、この挿入されている部分の一部１３と円筒部２３との間に二列の転がり軸受８，８が取り付けられている。これにより、回転軸１０は、円筒部２３に転がり軸受８を介して保持され、ジョイント本体２０に対して回転可能となる。また、回転軸１０は、転がり軸受８及びスナップリング９ａ，９ｂを介して、円筒部２３に対する軸方向の移動が規制されている。
【００２３】
［メカニカルシール］
メカニカルシール３０は、静止密封環３１と回転密封環３２とを有しており、これら密封環３１，３２は、ブロック部２２と回転軸１０の端部（他端部）１４との間に設けられている。このメカニカルシール３０は、ブロック部２２内の第一流路２１と回転軸１０内の第二流路１２との間を流れる流体４が外部へ漏れるのを防ぐ。つまり、メカニカルシール３０は、第一流路２１と第二流路１２との間を流れる流体４が、これら流路２１，１２間から漏れるのを防ぐ。
【００２４】
静止密封環３１は、第一の内部流路３３を有する環状の部材であり、その全体が炭化珪素（ＳｉＣ）からなる。静止密封環３１は、直径が小さい小径部３５と、この小径部３５よりも直径が大きい大径部３６とからなる。小径部３５は、ブロック部２２の孔２４に挿入された状態にあり、静止密封環３１は、この孔２４にガイドされて軸方向に移動可能である。なお、小径部３５と孔２４との間にはＯリング６が設けられており、このＯリング６によって、静止密封環３１はブロック部２２との間でシールされた状態にあり、第一流路２１及びこれに連続する内部流路３３側と、後述する環状の流路５１との間が遮断されている。
【００２５】
静止密封環３１の大径部３６の軸方向端面には、表面仕上げ（例えばラップ仕上げ）が施された環状のシール面４１が軸方向に突出して形成されている。ブロック部２２には、軸方向に突出するピン２６が固定されており、大径部３６の一部には、このピン２６と周方向から接触する切り欠き部３８が形成されている。ピン２６と切り欠き部３８とが接触することにより、静止密封環３１は、ブロック部２２に対して相対回転不能となる。以上より、静止密封環３１は、ブロック部２２に回転不能でかつ軸方向移動可能となって取り付けられている。
【００２６】
回転密封環３２は、第二の内部流路３４を有する環状の部材であり、その全体が炭化珪素（ＳｉＣ）からなる。回転密封環３２は、第二の内部流路３４が形成されている円環部３９と、この円環部３９の径方向外側の縁部から軸方向に延びている筒部４０とを有している。筒部４０は、回転軸１０の端部１４に外嵌されており、後述する回り止め構造６０によって回転軸１０と一体回転可能とされている。回転軸１０の端部１４と筒部４０との間にはＯリング７が設けられており、回転密封環３２は、回転軸１０（端部１４）との間でシールされた状態にあり、第二流路１２及びこれに連続する内部流路３４側と、転がり軸受８が設けられている環状空間との間が遮断されている。
【００２７】
円環部３９の軸方向端面には、表面仕上げ（例えばラップ仕上げ）が施された環状のシール面４２が形成されている。ジョイント本体２０のブロック部２２には、軸方向の凹孔２７が周方向の複数箇所（図１では１箇所のみ図示）に形成されており、この凹孔２７に、メカニカルシール３０の圧縮コイルばね（弾性部材）３７が取り付けられている。このばね３７は、ブロック部２２と静止密封環３１（大径部３６）との間に設けられており、静止密封環３１を回転密封環３２へ向かって軸方向に押す機能を有している。
【００２８】
以上より、回転密封環３２が回転軸１０と共にジョイント本体２０の中心線Ｃ回りに回転することで、回転密封環３２のシール面４２は静止密封環３１のシール面４１に密着した状態で摺接する。これにより、第一流路２１と第二流路１２との間を流れる流体４が、これら流路２１，１２間から漏れるのを防ぐことができる。
【００２９】
［冷却構造］
ジョイント本体２０の円筒部２３と、回転軸１０のうち円筒部２３に挿入されている部分との間には、環状空間が形成されており、この環状空間の軸方向一方側（図１の下側）に上記転がり軸受８，８が設けられている。そして、円筒部２３の内周面と、回転密封環３２（筒部４０）の外周面との間には、シール部材１５が設けられている。このシール部材１５により、前記環状空間の軸方向他方側（図１の上側）の領域を密封し、メカニカルシール３０を冷却する冷却水（冷却媒体）５０を流す環状の流路５１が形成されている。
【００３０】
円筒部２３の一部には、冷却水５０を流路５１へ導入する導入口５２が径方向に貫通して形成されており、導入口５２には、冷却水５０を導入する配管（図示せず）が取り付けられている。また、円筒部２３の一部には、冷却水５０を流路５１から排出する排出口５３が径方向に貫通して形成されており、排出口５３には、冷却水５０を排出する配管（図示せず）が取り付けられている。シール部材１５は、流路５１へ導入された冷却水５０が、転がり軸受８，８の設けられている領域へ漏れるのを防止している。
【００３１】
仮に、流路５１の冷却水５０がシール部材１５を通過して環状空間の軸方向一方側に漏れたとしても、円筒部２３を貫通して形成されている排出ポート５４に接続した配管（図示せず）から、冷却水５０を外部へ排出することができる。円筒部２３の内周には、排出ポート５４と転がり軸受８との間に、環状のドレン受け５６が設けられている。ドレン受け５６は、環状の本体部５６ａと、この本体部５６ａの内周端部から軸方向に延びる円筒形状の受け部５６ｂとを有している。
【００３２】
受け部５６ｂの外周面と、この外周面に対向する円筒部２３の内周面と、本体部５６ａの受け部５６ｂ側の軸方向端面とによって、冷却水５０が一時的に溜まる環状の溜まり部５６ｃが区画形成されている。ドレン受け５６の本体部５６ａと円筒部２３との間にはＯリング５７が設けられており、このＯリング５７によって、ドレン受け５６は円筒部２３との間でシールされている。これにより、シール部材１５を通過して環状空間の軸方向一方側に漏れた冷却水５０は、ドレン受け５６の溜まり部５６ｃに一時的に溜められた後、排出ポート５４から外部に排出される。
【００３３】
なお、円筒部２３には、排出ポート５４に対して周方向の異なる位置に別のポート５５が貫通して形成されているが、このポート５５は、ロータリジョイント１を本実施形態の図１に示す設置状態に対して上下逆向きに設置した場合に用いられる。このため、本実施形態では、ポート５５は使用されないため、図示しない蓋によって密閉されている。
【００３４】
［回り止め構造］
図２は、図１の要部を拡大した縦断面図である。ロータリジョイント１は、回転密封環３２を回転軸１０に対して回り止めする回り止め構造６０を備えている。回り止め構造６０は、ドライブリング６１と、回転軸１０に対してドライブリング６１を回り止めする第１の回り止め部６２と、ドライブリング６１に対して回転密封環３２を回り止めする第２の回り止め部６３とを備えている。ドライブリング６１は、その軸方向一方側（図２では上側）の端面６１ａが、回転密封環３２のシール面４２と反対側の端面４３（筒部４０の端面）に対向した状態で回転軸１０の外周側に配置されている。
【００３５】
第１の回り止め部６２は、ドライブリング６１の内周に形成された第１キー溝６４と、回転軸１０の外周に形成された第２キー溝６５と、第１及び第２キー溝６４，６５に嵌合されているキー部材６６とで構成されている。第１キー溝６４は、ドライブリング６１の内周の周方向一箇所において軸方向全長にわたって形成されている。第２キー溝６５は、第１キー溝６４に対向するように、回転軸１０の外周の周方向一箇所において凹状に形成されている。また、第２キー溝６５は、第１キー溝６４よりも軸方向に長く形成されている。
【００３６】
キー部材６６は、例えば直方体形状に形成されており、その一部６６ａが第１キー溝６４に嵌合された状態で、他部６６ｂが第２キー溝６５に嵌合されている。キー部材６６の軸方向の長さは、第２キー溝６５の軸方向の長さと同じ長さに形成されている。これにより、キー部材６６は、回転軸１０に対する軸方向の移動が規制されている。以上より、ドライブリング６１は、第１の回り止め部６２によって回転軸１０に対して回転不能に回り止めされている。
【００３７】
第２の回り止め部６３は、回転密封環３２の端面４３に形成されている凹部６７と、ドライブリング６１の端面６１ａに形成され、凹部６７に係合されている凸部６８とで構成されている。凹部６７は、回転密封環３２の端面４３において、周方向に所定間隔をあけて１または複数（図２では１個のみ図示）形成されている。各凹部６７は、端面４３の径方向（図２の左右方向）の厚さ全体にわたって形成されている。
【００３８】
凸部６８は、ドライブリング６１の端面６１ａにおいて、周方向に所定間隔をあけて、凹部６７と同数形成されている。各凸部６８は、端面６１ａから軸方向（図２では上側）に突出して形成され、かつ端面６１ａの径方向（図２の左右方向）の厚さ全体にわたって形成されており、対応する凹部６７に係合されている。これにより、回転密封環３２は、第２の回り止め部６３によってドライブリング６１に対して回転不能に回り止めされている。
【００３９】
以上の構成により、回転密封環３２は、第１及び第２の回り止め部６２，６３によって、ドライブリング６１を介して回転軸１０に対して回転不能に回り止めされる。そして、第２の回り止め部６３の凹部６７および凸部６８は、対応する端面４３，６１ａの径方向の厚さ全体にわたって形成されているため、回転密封環３２が回転軸１０と共に回転するときに、キー部材６６からドライブリング６１、凹部６７および凸部６８を介して回転密封環３２に作用する反力（回転軸１０に対する相対回転を抑止する方向に働く力）を、回転密封環３２の径方向の厚さ全体で受けることができる。
【００４０】
これにより、従来のように、回転密封環３２における径方向の厚さの一部がキー部材６６からの反力を集中して受けることがないため、回り止め構造６０に起因する回転密封環３２の破損を効果的に抑制することができる。
また、回転密封環３２は、凹部６７および凸部６８が互いに係合することによってドライブリング６１と一体化されるので、回転密封環３２とドライブリング６１とを焼き嵌めによって一体化する場合に比べて、安価な構成となり、焼き嵌めによる回転密封環３２の破損も防止することができる。
【００４１】
ドライブリング６１は、リング本体部６９と、このリング本体部６９の軸方向一方側（図２では上側）において一体に形成された、径方向外側に突出する環状の鍔部７０とを有している。リング本体部６９の外径は、ドレン受け５６の受け部５６ｂの内径よりも小さく設定されている。また、鍔部７０は、ドレン受け５６の受け部５６ｂよりも軸方向一方側（シール部材１５側）に配置されており、鍔部７０の外径は、受け部５６ｂの外径よりも大きく設定されている。
【００４２】
これにより、本実施形態では、リング本体部６９の外周面と受け部５６ｂの内周面との間に形成されている環状の隙間Ｓは、その軸方向一方側（図２では上側）が鍔部７０によって覆われるので、流路５１からシール部材１５を通過して漏れた冷却水５０をドレン受け５６の溜まり部５６ｃへ導くことができる。その結果、冷却水５０が前記隙間Ｓを通過して転がり軸受８，８が設けられている領域に漏れるのを防ぐことができる。
【００４３】
また、鍔部７０によってドライブリング６１の外径が増大するので、ドライブリング６１の軸線（中心線Ｃ）回りのモーメント（角運動量）が増大する。これにより、ドライブリング６１と一体に回転する回転密封環３２の回転運動の姿勢が安定するので、回転密封環３２の振動（軸振れ）が抑制される。その結果、回転密封環３２の耐久性を向上させることができる。
【００４４】
［その他］
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００４５】
例えば、ロータリジョイント１は、図１に示す設置状態に対して上下逆向きに設置されていてもよい。また、上記実施形態では、回転密封環３２側に凹部６７を形成し、ドライブリング６１側に凸部６８を形成しているが、回転密封環３２側に凸部を形成し、ドライブリング６１側に凹部を形成してもよい。また、ドライブリング６１には、必ずしも鍔部７０を形成する必要はない。
【符号の説明】
【００４６】
１  ロータリジョイント
１０  回転軸
１２  第二流路
２０  ジョイント本体
２１  第一流路
２２  ブロック部
２３  円筒部
３０  メカニカルシール
３１  静止密封環
３２  回転密封環
４１  シール面
４２  シール面
４３  端面
６０  回り止め構造
６１  ドライブリング
６１ａ  端面
６４  第１キー溝
６５  第２キー溝
６６  キー部材
６７  凹部
６８  凸部
７０  鍔部
【図１】
2018115686.tif 000003
【図２】
2018115686.tif 000004
【図３】
2018115686.tif 000005