特開 2024-104978 ロータリジョイント

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024104978

(43)【公開日】2024-08-06

(54)【発明の名称】ロータリジョイント

(51)【国際特許分類】

   F16L 27/08 20060101AFI20240730BHJP

【ＦＩ】

F16L27/08 Z

【審査請求】有

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023009450

(22)【出願日】2023-01-25

(11)【特許番号】

(45)【特許公報発行日】2023-08-28

(71)【出願人】

【識別番号】000179328

【氏名又は名称】リックス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100197642

【弁理士】

【氏名又は名称】南瀬 透

(74)【代理人】

【識別番号】100099508

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 久

(74)【代理人】

【識別番号】100219483

【弁理士】

【氏名又は名称】宇野 智也

(72)【発明者】

【氏名】橘 昇平

(72)【発明者】

【氏名】山崎 拓哉

(72)【発明者】

【氏名】星野 高明

(72)【発明者】

【氏名】今泉 吉規

【テーマコード（参考）】

3H104

【Ｆターム（参考）】

3H104JA04

3H104JB02

3H104JC10

3H104JD09

3H104KB18

3H104LE02

3H104LE07

3H104LF01

3H104LF10

3H104LF16

3H104LG08

3H104LG21

(57)【要約】

【課題】絞り部によるエアなどの気体の過大な流量を防止する機能を維持しながら液体を流す場合の流量の低下を抑制することが可能なロータリジョイントの提供。
【解決手段】スピンドル軸２に装着される回転部１Ａであり、スピンドル軸２の軸方向の回転流路４Ｅが設けられた回転部１Ａと、流体供給部から流体が供給されるケーシング部材３に装着される固定部１Ｂであり、スピンドル軸２の軸方向の固定流路７Ｆが設けられた固定部１Ｂとが同軸配置され、流体供給部から供給される流体を、固定流路７Ｆを介して回転流路４Ｅへ送給するロータリジョイント１であって、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であり、回転流路４Ｅの流路断面積を局部的に絞る絞り部４Ｆと、絞り部４Ｆの下流側に接続され、上流から下流に向かってテーパ角度３～１５°で拡大するテーパ部４Ｊとを有する流量制限手段を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転軸に装着される回転部であり、前記回転軸の軸方向の回転流路が設けられた回転部と、流体供給部から流体が供給されるケーシング部材に装着される固定部であり、前記回転軸の軸方向の固定流路が設けられた固定部とが同軸配置され、流体供給部から供給される流体を、前記固定流路を介して前記回転流路へ送給するロータリジョイントであって、
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であり、前記回転流路の流路断面積を局部的に絞る絞り部と、前記絞り部の下流側に接続され、上流から下流に向かってテーパ角度３～１５°で拡大するテーパ部とを有する流量制限手段を備えたロータリジョイント。

【請求項2】

前記流体が液体の場合の入口圧力が１ＭＰａ以上である請求項１記載のロータリジョイント。

【請求項3】

前記流体が液体の場合の前記絞り部における平均流速が２０ｍ／ｓｅｃ以上である請求項１記載のロータリジョイント。

【請求項4】

前記流体が液体の場合の粘度が１～１０ＭＰａ・ｓである請求項１から３のいずれか１項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、工作機械のマシニングセンタや自動旋盤等の回転構造を有する機械の回転軸に流体としての冷却用のクーラントなどの液体またはエアなどの気体を供給するために用いられるロータリジョイントに関する。

【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軸に冷却用のクーラントなどの液体やエアなどの気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軸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、回転軸に結合されて回転する回転部と流体送給配管に接続される固定部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、流体供給配管から回転状態にある回転軸へ、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。

【0003】

ところが、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、ロータリジョイントには流体として液体とエアとの両方が供給される場合があり、流体としてエアを送給する場合の流体供給源としては十分な容量のエア供給源が用いられるため、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エア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ロータリジョイントの破損要因となるため、極力変動を抑制することが求められる。

【0004】

そこで、本出願人は、特許文献３に記載のロータリジョイントを開発している。図４に示すように、このロータリジョイント１０１は、軸方向の回転流路１０４Ｅが設けられた回転部１０１Ａおよび軸方向の固定流路１０７Ｆが設けられた固定部１０１Ｂを同軸配置した構成であり、回転部１０１Ａに設けられ軸端面に回転流路１０４Ｅが開口した第１のシール面１０５Ｂを有する回転シール部としてのロータ１０４に、回転流路１０４Ｅ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としての絞り部１０４Ｆを備えることにより、簡便な構成で過大な流量のエアが流れることを防止するものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【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

【特許文献3】特許第５２２１２４９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記ロータリジョイント１０１は、流体がエアの場合に大流量が流れることでフローティングシート７の固定流路１０７Ｆにおける圧力損失によりオリフィス孔１０４Ｇ前後の圧力差が生じ、本来わずかに浮いて非接触状態であるはずのシール面１０５Ｂが接触して摩耗してしまうことを防ぐために、ロータ１０４に絞り部１０４Ｆを設け、流量を制限している。

【0007】

このように、流体がエアの場合には、絞り部１０４Ｆによってエアの流量をロータリジョイント１０１が破損しない範囲に制限することが可能である。しかしながら、このロータリジョイント１０１に送給される流体がクーラントのような液体の場合には、絞り部１０４Ｆによってクーラントの流量の上限が下がってしまうことになるため、クーラントによる冷却能力のボトルネックになっている。

【0008】

そこで、本発明においては、絞り部によるエアなどの気体の過大な流量を防止する機能を維持しながら液体を流す場合の流量の低下を抑制することが可能な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】

【0009】

回転流路の流量低下は絞り部が支配的と考えられていたが、実際には絞り部より下流側でのキャビテーション現象による影響も無視できないことが判明した。つまり、絞り部によって流速が上がるため、その出口では顕著なキャビテーション現象が発生し、キャビテーション現象で発生した大量の気泡により絞り部の下流の流路において液体が流れる流路断面積が減少し、流路が狭窄しているのと同様になるため、流量が減少する要因として無視できないことが判明した。

【0010】

本発明のロータリジョイントは、回転軸に装着される回転部であり、回転軸の軸方向の回転流路が設けられた回転部と、流体供給部から流体が供給されるケーシング部材に装着される固定部であり、回転軸の軸方向の固定流路が設けられた固定部とが同軸配置され、流体供給部から供給される流体を、固定流路を介して回転流路へ送給するロータリジョイントであって、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であり、回転流路の流路断面積を局部的に絞る絞り部と、絞り部の下流側に接続され、上流から下流に向かってテーパ角度３～１５°で拡大するテーパ部とを有する流量制限手段を備えたものである。

【0011】

本発明のロータリジョイントによれば、絞り部の下流側に接続され、上流から下流に向かってテーパ角度３～１５°で拡大するテーパ部により、流れの中心から広がる方向の速度ベクトルを与えることで、流量制限手段の出口周辺で発生したキャビテーション領域の拡大による流路狭窄を低減することができる。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、流量制限手段の出口周辺で発生したキャビテーション領域の拡大による流路狭窄を低減し、大流量気体による破損防止の効果をそのままに、従来の単純なオリフィス構造に比べて液体使用時の流量を大きくすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施の形態におけるロータリジョイントの断面図である。

【図2A】本実施の形態におけるロータリジョイントの流速シミュレーション結果と従来のロータリジョイントの流速シミュレーション結果とを比較した図である。

【図2B】本実施の形態におけるロータリジョイントの流速シミュレーション結果と従来のロータリジョイントの流速シミュレーション結果とを比較した図である。

【図2C】本実施の形態におけるロータリジョイントの流速シミュレーション結果と従来のロータリジョイントの流速シミュレーション結果とを比較した図である。

【図3】ロータリジョイント内の流速シミュレーション結果を示す図であって、（Ａ）はテーパ角度α＝１５°、（Ｂ）はテーパ角度α＝３０°をそれぞれ示す図である。

【図4】従来のロータリジョイントの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

図１は本発明の実施の形態におけるロータリジョイントの断面図である。
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液体やエア等の流体を送給する流体供給機構に用いられるものである。ロータリジョイント１は、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。冷却用の流体としては、水、クーラント液やグリセリン水溶液などの液体やエアなどの気体が用いられる。

【0015】

回転部１Ａは、回転軸であるスピンドル軸２の流路孔２Ａに締結される。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Ｃ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。

【0016】

固定部１Ｂは、円筒ブロック形状のケーシング部材３と、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るフローティングシート７とを有する。固定部１Ｂは、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、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）より水、クーラント液やグリセリン水溶液などの液体やエアなどの気体が選択的に送給される（矢印ａ）。

【0017】

次に、ロータリジョイント１の詳細構造について、図１に示す例を用いて説明する。
図１において、回転部１Ａは、スピンドル軸２に装着されるロータ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が設けられている。流路孔２Ａの内面には雌ねじ部２Ｂが設けられている。ロータ４は、雄ねじ部４Ｄを雌ねじ部２Ｂに螺合させることにより、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。

【0018】

ロータ４の右側（固定部１Ｂと対向する側）の軸端面には、回転流路４Ｅの開孔面を囲む配置で円形状の凹部４Ｃが形成されている。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る。第１のシールリング５は、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。

【0019】

回転軸部４Ａの回転流路４Ｅの下流側には、絞り部４Ｆが設けられている。絞り部４Ｆは、回転軸部４Ａの回転流路４Ｅの下流側に、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。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。また、回転軸部４Ａの絞り部４Ｆの下流側には、上流から下流に向かってテーパ角度αで拡大する円錐台状のテーパ孔４Ｈが形成されたテーパ部４Ｊが設けられている。テーパ孔４Ｈの上流側（入口）の流路径は、オリフィス孔４Ｇの流路径ｄ₃と同径である。

【0020】

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に設けられ軸端面に回転流路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およびテーパ部４Ｊを備えた構成となっている。

【0021】

なお、図１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と同一径としているが、流路径ｄ₂を流路径ｄ₁よりも大きくなるように設定しても、小さくなるように設定してもよい。また、図１に示す例では、テーパ角度をα＝５．２°に設定しているが、流体に応じてαの角度は設定しても良い。

【0022】

次に、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１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（図示せず。）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（図示せず。）はフランジ部７Ｂに設けられた廻り止め孔（図示せず。）を軸方向に挿通している。

【0023】

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が形成されている。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る。第２のシールリング８は、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７Ｆ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、軸端面に固定流路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。

【0024】

次に、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）の軸端面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、軸端面７Ｇの投影面積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。

【0025】

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の他方側の軸端面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が廻り止め部材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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

このような流量や圧力の変動は、ロータリジョイントの破損要因となるため、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、ロータリジョイント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。

【0029】

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、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流体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の軸端面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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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、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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

また、本実施の形態におけるロータ４においては、絞り部４Ｆの下流側に流量制限手段としてのテーパ部４Ｊが接続されている。本実施の形態におけるロータリジョイント１により送給される流体は、水、クーラント液やグリセリン水溶液などの液体またはエアなどの気体である。なお、送給される流体が液体の場合、これらの液体の粘度は１～１０ｍＰａ・ｓ（ミリパスカル秒）である。また、液体のロータリジョイント１の入口（嵌合孔３Ａの上流側端面）圧力が１ＭＰａ以上、もしくは、絞り部４Ｆにおける液体の平均流速（流量／最小断面積）が２０ｍ／ｓｅｃ以上が動作条件となっている。

【0037】

上記動作条件においては、テーパ孔４Ｈのテーパ角度をα＝３～１５°とする。また、テーパ孔４Ｈの長さは、オリフィス孔４Ｇの口径の３倍以上とする。

【0038】

次に、本実施の形態におけるロータリジョイント１と従来のロータリジョイント１０１における絞り部下流の流れの違いについて説明する。

【0039】

図２Ａ～図２Ｃは本実施の形態におけるロータリジョイント１のロータ４の回転流路４Ｅ、オリフィス孔４Ｇおよびテーパ孔４Ｈとその下流の流路孔２Ａ内の流速シミュレーション結果と、図４に示す従来のロータリジョイント１０１のロータ１０４の回転流路１０４Ｅおよびオリフィス孔１０４Ｇとその下流の流路孔１０２Ａ内の流速シミュレーション結果とを比較した図である。

【0040】

図２Ａ～図２Ｃでは、流路は断面の上側半分のみを表示し、気体率、つまりキャビテーション気泡が体積にどれほど含まれているのかを、すべて液体を０、すべて気体を１として、０～１に数値化し、気体率が０．８以上となっている領域を白、それ以外の領域をグレーで表示している。すなわち、白の部分はほとんどが気泡となっている。なお、テーパ角度αは、流路孔２Ａの流路径φよりもテーパ孔４Ｈの出口４Ｋの開口径が大きくならないように選定し、流路径φ＝６ｍｍではテーパ角度α＝３°、流路径φ＝８ではテーパ角度α＝５°、流路径φ＝１０ｍｍではテーパ角度α＝１０°，１５°とした。

【0041】

図２Ａ～図２Ｃに示すように、キャビテーション気泡の発生により、ほとんどが気泡である白の領域（気体率が０．８以上の領域）が管壁に沿うように分布しており、液体が主体であるグレーの領域（気体率が０．８未満の領域）の流れは中心付近に絞られている。つまり、気体率の高い領域が大きいほど、流路が狭窄されていることになる。

【0042】

気体率が０．８の線は、図２Ａ～図２Ｃのいずれも従来例に比べ、実施例の方が中心より遠くなっており、流路の狭窄が緩和されていることが分かる。非圧縮流体である液体の場合、圧力損失は流速の２乗に比例し、流速は流量／面積なので、狭窄が緩和された場合、流量は径の拡大率（縮小率）の２乗に比例することになるため、少しの差でも流量には大きく作用する。

【0043】

以上のように、本実施の形態におけるロータリジョイント１によれば、絞り部４Ｆの下流側に接続され、上流から下流に向かってテーパ角度３～１５°で拡大するテーパ部４Ｊにより、流れの中心から広がる方向の速度ベクトルを与えることで、流量制限手段の出口周辺で発生したキャビテーション領域の拡大による流路狭窄を低減することができる。この流路狭窄の低減は、液体特有の現象への対処であるため、大流量気体による破損防止の効果をそのままに、従来の単純なオリフィス構造に比べて液体使用時の流量を大きくすることが可能となる。

【0044】

なお、前述のように、本発明の実施の形態におけるロータリジョイント１では、テーパ孔４Ｈのテーパ角度をα＝３～１５°としているが、テーパ角度αが大きくなるにしたがって壁面の剥がれは大きくなる。図３はロータリジョイント内の流速シミュレーション結果を示す図であって、（Ａ）はテーパ角度α＝１５°、（Ｂ）はテーパ角度α＝３０°をそれぞれ示している。図中の矢印の向きは流体の流れの方向を示し、矢印の長さは速度の大きさを示している。

【0045】

図３（Ｂ）に示すように、テーパ角度α＝３０°では壁面の剥がれが大きく、下流からテーパ孔への逆流が顕著になっており、テーパ孔内で渦が発生し、下流への流れが絞られている。このため、テーパ角度αは大きすぎると逆流および渦による損失が増え、効果が低減する。図３（Ａ）に示すように、テーパ角度α＝１５°でも境界層付近でわずかに逆流が見られ、テーパ角度αが１５°を超えて大きくなるとこれが次第に顕著になることからα＝１５°を上限値としている。

【0046】

一方、テーパ角度αの下限値については、前述のように、流路孔２Ａの流路径φよりもテーパ孔４Ｈの出口４Ｋの開口径が大きくならないように選定する必要がある。図２Ａ（Ａ）に示すようにテーパ角度α＝３°は流路径φ＝６ｍｍに対して設定したものであるが、同図（Ｂ）に示すように従来例の流路径φ＝６ｍｍにおける狭窄領域は、図２Ｂ（Ｂ）に示す従来例の流路径φ＝８ｍｍおよび図２Ｃ（Ｃ）に示す従来例のφ＝１０ｍｍと比較して短く、また、図２Ａ（Ａ）の実施例との差が小さいものとなっている。つまり、オリフィス孔４Ｇの径と流路径φが近くなると、流路系の狭窄や本発明のメリットは縮小していくため、実際に効果が見えるα＝３°を下限値としている。

【産業上の利用可能性】

【0047】

本発明のロータリジョイントは、工作機械のマシニングセンタや自動旋盤等の回転構造を有する機械の回転軸に流体を供給するために用いられクーラントとエアを併用するロータリジョイントとして有用であり、特に、過大なエア流量における破損を抑えつつ、破損防止対策によるクーラント等の液体の流量の上限の低下を抑えることが可能なロータリジョイントとして好適である。

【符号の説明】

【0048】

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
２Ａ 流路孔
２Ｂ 雌ねじ部
３ ケーシング部材
３Ａ 嵌合孔
３Ｂ Ｏリング溝
４ ロータ
４Ａ 回転軸部
４Ｂ フランジ部
４Ｃ 凹部
４Ｄ 雄ねじ部
４Ｅ 回転流路
４Ｆ 絞り部
４Ｇ オリフィス孔
４Ｈ テーパ孔
４Ｊ テーパ部
４Ｋ 出口
５ 第１のシールリング
５Ａ 開口部
５Ｂ 第１のシール面
６ Ｏリング
７ フローティングシート
７Ａ 固定軸部
７Ｂ フランジ部
７Ｄ 凸部
７Ｅ 凹部
７Ｆ 固定流路
７Ｇ 軸端面
８ 第２のシールリング
８Ａ 開口部
８Ｂ 第２のシール面
９ 面シール部
１０ Ｏリング

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3】

【図4】

【手続補正書】

【提出日】2023-05-09

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転構造を有する機械の回転軸に冷却用の流体を供給するために用いられ、冷却用の流体として液体と気体を併用するロータリジョイントであり、回転軸に装着される回転部であり、前記回転軸の軸方向の回転流路が設けられた回転部と、流体供給部から流体としての液体または気体が選択的に供給されるケーシング部材に装着される固定部であり、前記回転軸の軸方向の固定流路が設けられた固定部とが同軸配置され、流体供給部から供給される流体としての液体または気体を、前記固定流路を介して前記回転流路へ送給するロータリジョイントであって、
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であり、前記回転流路の流路断面積を局部的に絞る絞り部と、前記絞り部の下流側に接続され、上流から下流に向かってテーパ角度３～１５°で拡大するテーパ部とを有する流量制限手段を備えたロータリジョイント。

【請求項2】

前記液体の入口圧力が１ＭＰａ以上である請求項１記載のロータリジョイント。

【請求項3】

前記液体の前記絞り部における平均流速が２０ｍ／ｓｅｃ以上である請求項１記載のロータリジョイント。

【請求項4】

前記液体の粘度が１～１０ｍＰａ・ｓである請求項１から３のいずれか１項に記載のロータリジョイント。