要点： 図示した構造では、外側のステータは固定され、中央のロータが高速回転します。流体は側面入口から入り、半径方向にロータ内部の流路へ移動した後、ロータの軸方向流路を通って上方へ流れます。すきまシール部のステータとロータの間には、管理された片側ラジアルすきま0.003 mmがあります。このすきまによって摺動接触を生じさせずに、すきまを通る漏れ流量を抑えます。
この設計原理は回転シール部の摩擦と摩耗を低減できる一方、加工精度、清浄度、芯出し、軸受支持、圧力、温度、許容漏れ量が重要な設計条件になります。本図は一つの設計原理を説明するもので、Begapunkのすべてのロータリジョイントが同じ内部構造であることを示すものではありません。
図に示す主な構成部品
- 固定された外側ステータ： 主ハウジングは流体供給側に対して固定されています。
- 固定されたすきまシール部ステータ： この高精度面はロータを囲みますが、ロータと一緒には回転しません。
- 高速回転ロータ： 中央のシアン色部品は機械とともに回転し、内部に流路を備えています。
- 軸受： 軸受系はロータを支持・位置決めし、所定の軸を中心に回転させます。
- 静止シールリング： 固定部の接合箇所で漏れを抑えるシールです。片側ラジアルすきま0.003 mmで示すロータ・ステータ間の動的シール部ではありません。
固定側からロータへ流体が移動する経路
ステップ1 — 側面入口
流体はハウジング固定側の入口から入ります。外部の供給配管は機械と一緒に回転する必要がありません。
ステップ2 — 半径方向への受け渡し
流体は固定側の入口領域から半径方向にロータ流路へ移動します。高精度のすきまは、固定面と回転面の間を通る不要な流れを抑えながら、ロータとすきまシール部ステータの摺動接触を避けます。
ステップ3 — 軸方向出口
流体はロータ内部で軸方向流路へ向きを変え、回転機器側へ上向きに流れます。これにより、外部供給ホースを回転軸に巻き付けずに流体を連続供給できます。
この図は1流路の作動原理を示しています。多流路ロータリジョイントでは、独立した流路と流路間を分離する適切な構造が必要です。流路数、ポート割り当て、圧力、流体、取付方法は実機ごとに確認してください。
摺動接触式シールではなく非接触すきまを使う理由
一般的な接触式シールは、シール部材を移動面へ押し付けて遮断します。漏れを強く抑えられる一方、相対運動によって摩擦、発熱、摩耗が生じます。結果は、シール材質、相手面の仕上げ、潤滑、圧力、温度、周速、デューティサイクルなどに左右されます。
非接触すきまシールは別のバランスを取ります。固定面と回転面の間に、非常に小さく設計管理されたすきまを設けます。通常運転時にこの部分で面同士が接触しないため、すきまシール部には摺動接触による摩耗が発生しません。接触式シールの摩擦や発熱が問題になりやすい回転数では、この特性が有効になる場合があります。
重要な制約： 「非接触」は「漏れゼロ」を意味しません。すきまシールは狭い絞り部を通る流れを抑えますが、気密封止ではありません。実際の漏れ量は、すきまの形状と長さ、圧力差、流体特性、温度、ロータ位置、および内部構造全体によって変わります。
片側ラジアルすきま0.003 mmとは何か
図示した設計で、固定されたシール面と回転ロータとの間にある片側の半径方向距離です。直径方向の総すきまではありません。
回転系全体で、組立時と運転時の両方にこの距離を維持する必要があります。主な要因は、ロータとステータの同心度、軸受精度と内部すきま、ロータの振れと軸たわみ、加工形状と表面仕上げ、組立時の芯出し、熱膨張、圧力や回転による弾性変形、異物、振動、外部配管荷重です。
運転中のすきまが大きくなった場合
圧力、流体、温度、内部形状全体の条件によって、すきまを通る漏れ流量が増える可能性があります。
運転中のすきまが小さくなった場合
ロータとステータが接触し、発熱、かじり、摩耗粉、トルク変動、または高精度面の損傷につながる可能性があります。
したがって、公称ラジアルすきまだけで設計を判断することはできません。寸法公差の積み上げと想定使用条件も同じように重要です。
軸受がシール性能に影響する理由
軸受の役割は回転を可能にすることだけではありません。固定されたすきまシール面に対するロータ位置を決めます。狭い非接触すきまを機能させるには、ロータを所定の回転軸付近に維持する必要があります。
軸受形式、はめあい、内部すきままたは予圧、潤滑、取付精度、温度、外部荷重はロータ位置に影響します。高精度なシール形状だけでは、芯ずれした回転系や、支持されていない機械荷重によって横方向へ押された回転系を補正できません。
承認された設計で明確にその機能を持たせていない限り、ロータリジョイントを機械の主ラジアル支持またはアキシアル支持として使用しないでください。ホースや配管も、ロータリジョイントへ不要な荷重を伝えないように配索・支持する必要があります。
主な設計上のトレードオフ：漏れ抑制と運転すきま
すきまを小さくすると漏れ流量を抑えやすくなりますが、振れ、熱膨張、変形、異物、組立ばらつきに対する余裕は小さくなります。すきまを大きくすると機械的な接触余裕は増えますが、一般には漏れ流量が増えます。
適切な設計は単に「可能な限り小さいすきま」ではありません。承認された圧力、回転数、温度、流体、デューティサイクル、製造ばらつきの範囲で安全かつ予測可能に維持され、同時にプロジェクトの漏れ基準を満たすすきまが必要です。
また、高速回転用すきまシールを回転数だけで選定してはいけません。技術検討では複合使用条件を確認します。最大圧力と最高回転数が個別に記載されていても、両方を同時に使用できるとは限りません。
この設計原理を検討できる条件
連続して流体を供給する必要があり、想定回転数において摺動摩擦、シール温度、接触摩耗が重要な制約になる場合、非接触すきまシール式ロータリジョイントを検討できます。
ただし、適否は実際の使用条件で決まります。ほぼ漏れを許容できない用途、異物を含む流体、大きな軸移動、管理できない温度変化、または必要な軸受精度・芯出し精度を確保できない場合には不向きなことがあります。その場合は、接触式シール、別形状の非接触シール、追加ろ過、管理されたドレン経路、または別方式の回転流体供給構造が適する可能性があります。
すべての機械に最適な単一のシール方式はありません。
選定前に必要な情報
- 流体名と組成
- 独立流路数
- 最高使用圧力と常用圧力
- 最高回転数と連続回転数
- 流体温度と周囲温度
- デューティサイクルと動作パターン
- 許容外部漏れ量と流路間漏れ量
- 必要流量または許容圧力損失
- 取付可能スペース
- 固定側・回転側のポート仕様
- 軸、取付、回り止め構造
- 機械図面またはインターフェース用3Dモデル
- 清浄度、ろ過、保守条件
これらの情報を基に、すきまシール方式が適切か、また要求性能を使用範囲全体で維持できるかを検討します。
よくある質問
ロータはすきまシール部のステータに接触しますか？
想定した使用条件では接触しません。片側ラジアルすきま0.003 mmを維持するため、製造ばらつき、振れ、熱膨張、異物、外部荷重を管理する必要があります。
非接触すきまシールは漏れゼロですか？
いいえ。設計された狭いすきまによって漏れ流量を抑えますが、用途別の試験根拠がない限り、気密または漏れゼロとは表現できません。
この原理が高速回転に対応しやすいのはなぜですか？
通常運転時、すきまシール部では摺動接触がないため、接触式動的シールで生じる摩擦と摩耗をこの部分で避けられます。ただし、軸受など他の部品には、回転数、潤滑、温度、寿命に関する固有の限界があります。
片側ラジアルすきま0.003 mmは、すべての流体と圧力に適用できますか？
いいえ。流体の粘度と清浄度、圧力差、温度、必要流量、許容漏れ量、軸受挙動、内部形状全体を総合的に確認する必要があります。
この図を製造図面として使用できますか？
いいえ。作動原理を説明するための概念断面図です。製品寸法、公差、材質、接続部、試験条件、合否基準は、プロジェクト専用図面および技術合意書で規定する必要があります。
作動原理の理解から製品選定へ
流体、圧力、回転数、温度、流路数、漏れ基準、取付スペース、および可能であれば機械図面をご提示ください。Begapunkは、非接触すきまシール方式または別方式のロータリジョイントのどちらがより安全な技術案かを検討します。