JP2002323142A

JP2002323142A - メカニカルシール

Info

Publication number: JP2002323142A
Application number: JP2001130155A
Authority: JP
Inventors: Masaki Uchiyama; 真己内山
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 2001-04-26
Filing date: 2001-04-26
Publication date: 2002-11-08

Abstract

(57)【要約】【課題】メカニカルシールの密封環のメカ鳴き現象を
防止して、シール面の摩耗、損傷を防止することにあ
る。【解決手段】回転密封環３及び固定密封環５が気孔７
を有するポーラス状焼結体に形成されて、見かけ密度が
２．７６から３．１０ｇ／ｃｍ^３でシール面４，６の気
孔７の表面形状の最大長さが０．０１８ｍｍから０．１
００ｍｍに形成するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の技術分野】本発明は、気体、又は液体と気体と
を兼用してシールするメカニカルシール装置に関する。
特に、半導体製造装置などの液体及び気体兼用のロータ
リージョイントに用いられるメカニカルシールの技術分
野に関する。

【０００２】

【従来技術】本発明に関する先行技術には、特公平５−
６９０６６号公報及び対応特許の米国特許第５，８０，
３７８号明細書（以下、先行技術１と略称する）が存在
する。この先行技術１には、図１０に示すメカニカルシ
ール及び図１１に示す湿式摩擦係数測定装置が示されて
いる。

【０００３】図１０はポンプ及び冷凍機などに用いられ
ているメカニカルシール１００の断面図である。又、図
１１はこのメカニカルシール１００に用いられる摺動材
の性能試験をする湿式摩擦係数測定装置の側面図であ
る。

【０００４】図１０に於いて、回転軸１３０とケーシン
グ１４０との間にはメカニカルシール１００が配置され
ている。そして、このメカニカルシール１００はポンプ
又は冷凍機などに用いられて水などの液体をシールする
ものである。メカニカルシール１００は、多孔質炭化珪
素焼結製の回転環１０１が回転軸１３０に嵌合してい
る。この回転環１０１には、側面にシール面１０２が設
けられている。更に、回転環１０１における内径面の段
部１０３には、回転軸１３０との間をシールするために
パッキング１２０Ａ、１２０Ｂが設けられている。この
パッキング１２０Ａ、１２０Ｂは、押えリング１０５に
より押さえられて回転軸１３０と回転環１０１との間を
シールする。更に、ソケットねじ１０８により回転軸１
３０に固定された支持リング１０９は、ばね装置１０６
を支持すると共に、ばね装置１０６を介して押さえリン
グ１０５を弾発に支持している。

【０００５】又、シール面１０２と密接摺動する対向シ
ール面１１１は、固定リング１１０に設けられている。
この固定リング１１０は、ケーシング１４０に於ける回
転軸１３０が貫通する孔に、Ｏリング１１５、１１５を
介して、固着されている。この固定リング１１０の材質
はカーボンである。このカーボンの場合には、摩耗する
のを考慮して、対向シール面１１１の径方向幅寸法が、
回転環１０１のシール面１０２の径方向幅よりも小さな
寸法に形成されている。

【０００６】この様に構成されたメカニカルシール１０
０は、回転環１０１と固定環１１０との密接摺動により
高圧Ｐ１側と低圧Ｐ２側とをシールする。この回転環１
０１は、平均気孔径０．０１０〜０．０４０ｍｍの独立
気孔が点在しており、全体に対するこの独立気孔率が３
〜１３ｖｏｌ％に構成されているものである（図９参
照）。しかし、この気孔の上述の数値限定は、球状に形
成されて油溜まりの役目をするものであり、潤滑油がシ
ール面に介在しないと気孔のみではメカ泣きを防止する
効果が発揮できない（尚、この発明は、潤滑剤が介在さ
れていないと、その効果が生起しないとの記載にもかか
わらず、請求の範囲の各請求項には潤滑剤の構成要素が
欠けつしていることに注意が必要である）。

【０００７】図１１は、この先行技術１に開示された湿
式摩擦係数測定装置の概略図の側面図である。尚、この
装置の構造に於いて、２０３は回転軸、２０４は固定
軸、２０５はトルク検出器、２０６は水槽、２０７は
水、２０８は駆動モータである。この湿式摩擦係数測定
装置でテストするために、テストピースとして実施例１
と２及び比較例１から４を上部試料Ａとし、又、カーボ
ン材、比較例１及び実施例２を下部試料Ｂとし、これら
のテストピースを表１に示す組合せで、図１１に示す状
態に取り付けて実険したデータが、表１に示す結果とな
っている。

【０００８】

【表１】

【０００９】表１に於いて、実施例１は、平均気孔径が
０．０２０ｍｍで全気孔率５％の多孔質炭化珪素焼結
体、実施例２は、平均気孔径が０．０２０ｍｍで全気孔
率８％の多孔質焼結体、そして、比較例１は、平均気孔
径が０．００２ｍｍで、全気孔率３％の多孔質炭化珪素
焼結体、比較例２は、平均気孔径が０．００５ｍｍで、
全気孔率８％の多孔質炭化珪素焼結体、比較例３は、平
均気孔径が０．０２０で、全気孔率１５％の多孔質焼結
体、比較例４では、平均気孔径が０．０５０ｍｍで、全
気孔率８％の多孔質焼結体である。そして、この実験で
は、摺動面圧６ｋｇ／ｃｍ^２、周速度５ｃｍ／ｓｅｃ
、水中１７°Ｃの条件で摺動試験を実施している。

【００１０】この表１を検討すると、表の上段の上部試
料Ａに対する実施例１、２比較例１、２、３、４に対し
て下部試料Ｂであるカーボン材の摺動試験では、比較例
１、２に対しても「鳴き」が発生していない。一方、上
述と同様に表の中段の内の比較例１対比較例１及び比較
例２対比較例１では「鳴き」が発生している。更に、表
の下段の下部試料Ｂを実施例２とした場合にも、比較例
１、２に対しては、全て「鳴き」が発生していない。

【００１１】つまり、上述の内容を考察すると、表の上
段であは、全ての下部試料Ｂのカーボン材自身に潤滑作
用があるので、潤滑剤の保持効果のない比較例１及び比
較例２対しても「鳴き」を発生させていないことが判明
する。又、表の中段では、比較例１対比較例１及び比較
例２の焼結体が共に平均気孔径が０．００２ｍｍ及び
０．００５ｍｍと小さくて緻密質炭化珪素焼結体に潤滑
剤の保持効果がないので、「鳴き」を発生させているも
のであると考えられる。更に、表の下段では、全ての実
施例２の多孔質炭化珪素焼結体は平均気孔径が０．０２
０ｍｍと大きくて潤滑剤の保持効果が大きいから、焼結
体の潤滑剤を保持した潤滑効果により「鳴き」を発生さ
せていなと考えるのが正解と思われる。

【００１２】これは、表１に記載の全ての摩擦係数を対
比して考察しても上述の事実は明らかである。つまり、
先行技術１では、ポンプ又は冷凍機などに使用する液体
用のメカニカルシールの場合には、摺動材の一方のみが
潤滑効果のあるカーボン材にしたときでも「鳴き」が発
生しないことから明らかなように、摺動時の「鳴き」の
発生は、焼結体の平均気孔直径の大きさや気孔率に発明
の本質があるのではなく、潤滑剤の効果により「鳴き」
が防止されることは明白と考えられる。

【００１３】更に他の先行技術として、特開昭６２−１
７６９７０号公報（以下、先行技術２と略称する）が存
在する。この先行技術２には、ウォータポンプに組み込
まれたメカニカルシールが開示されている。このメカニ
カルシールは、概略図１０と同様に構成されており、そ
の用途は、自動車用ウォータポンプであって、ウォータ
ポンプのシャフトと本体との間に配置されている。そし
て、回転スラストワッシャ（密封環）と固定スラストワ
ッシャ（密封環）とが密封接触状態に配置されて、ウォ
ータポンプの冷却水をシールするものである。

【００１４】この回転スラストワッシャは、気孔率が８
から１６％の焼結セラミックスより形成され、気孔率が
８％以上１３％未満の範囲では気孔の平均径が０．０５
０〜０．５００ｍｍであり、気孔率が１３％以上１６％
以下の範囲では気孔の平均径が０．０２５から０．５０
０ｍｍに構成されている。そして、この気孔内に潤滑剤
が介在される。そして、この潤滑剤を保存するために、
気孔の形状が円形又は球形に構成することが必要条件で
あり、更に、気孔の平均径及び気孔率の数値限定も潤滑
剤を気孔内に保存させるための技術的意味から決定され
るものである。

【００１５】更に、このスラストワッシャは、気孔内に
潤滑油を保持させると共に、冷却水をシールする状態で
スラストワッシャの摺動するシール面に冷却水が皮膜状
態で介在する状況での実験である。この先行技術２の場
合も、「鳴き」防止の効果に関しては、先行技術１と同
様に、潤滑剤によるものであることは先行技術１と併せ
て考えると明らかになる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】上述の各先行技術１、
２は、いずれも、回転環又は回転用スラストワッシャの
シール面に潤滑油を最適に保持するための気孔径の形状
及びその気孔率を求めたものであって、気孔の形状及び
気孔率によってシール面に生じる摺動時の鳴き現象を防
止するものではない。その結果、潤滑剤が減少するにつ
れて鳴きが発生することになり、根本的な解決策ではな
い。更には、この気孔の形状、及び気孔率のみによっ
て、この鳴き現象と同時に惹起する現象の摩擦熱に起因
して摺動面に生じる膨張収縮の繰り返しや、熱応力によ
って生じると思われる疲労破壊を、防止できるものでも
ない。

【００１７】本発明は、上述のような問題点に鑑みて成
されたものであって、その技術的課題は、メカニカルシ
ールの密封環の摺動時の鳴き現象を防止することにあ
る。更に、密封環の摩耗を防止すると共に、摩耗に起因
する疲労破壊を防止することにある。更に又、半導体製
造装置等のメカニカルシールとして有用な密封環を有す
るメカニカルシールを得ることにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述のような
技術的課題を解決するために成されたものであって、そ
の解決するための手段は、以下のように構成されてい
る。

【００１９】請求項１に係わる本発明のメカニカルシー
ルは、被密封流体の気体、又は切り替えられて断続に流
れる気体と液体が回転体と本体との間から流出するのを
シールするメカニカルシールであって、一端にシール面
（４）を有して前記回転体の第１の保持部（９Ａ）に保
持される回転密封環（３）、前記シール面（４）に対向
する対向シール面（６）を有して前記本体の第２の保持
部（９Ｂ）に保持される固定密封環（５）および前記回
転密封環（３）又は前記固定密封環（５）の一方が移動
自在に保持されてれていると共に前記シール面を押圧す
る方向へ弾発に支持する弾発手段（１０）を具備し、前
記回転密封環（３）及び前記固定密封環（５）が気孔
（７）を有するポーラス状焼結体に形成されて、見かけ
密度が２．７６から３．１０ｇ／ｃｍ^３で前記シール面
の気孔（７）の表面形状の最大長さが０．０１８ｍｍか
ら０．１００ｍｍに形成されているものである。

【００２０】請求項１に係わる本発明のメカニカルシー
ルでは、回転密封環と固定密封環とが共に気孔を有する
ポーラス状焼結体に形成されているので、シール面が共
に摺動するときに、気孔に介在する流体により面圧が和
らげられて摩擦係数が低下するので、メカ鳴きと称する
現象が発生しないと考えられる。特に、液体が流されて
シール面に液体が介在した後に、気体が流されてシール
面に気体が介在すると、その後に、必ずメカ鳴きを惹起
するが、密封環の両面に対して所定の大きさの範囲に気
孔を形成すると、メカ鳴きの発生が防止される。

【００２１】請求項２に係わる本発明のメカニカルシー
ルは、前記ポーラス状焼結体が炭化珪素焼結体により形
成されて前記気孔（７）が非円形に形成されているもの
である。

【００２２】請求項２に係わる本発明のメカニカルシー
ルでは、炭化珪素の焼結体は、高硬度で、しかも耐食性
に優れ、更に、耐熱衝撃性にも優れているので、円形で
なくとも破損の発生が防止できるから、気孔を非円形に
形成することが可能になる。このために、気孔が円形の
ものよりもメカ鳴きと称する現象を悪条件にもかかわら
ず防止することが可能になる。更に、添加樹脂材のビー
ズ状加工が容易で、しかも、気孔の成形が容易であるか
ら、生産のコストを低減することが可能になる。

【００２３】請求項３に係わる本発明のメカニカルシー
ルは、前記回転密封環（３）及び前記固定密封環（５）
の曲げ強度が１９０から３９５ＭＰａに構成されている
ものである。

【００２４】請求項３に係わる本発明のメカニカルシー
ルでは、曲げ強度が最適な範囲にあるので、シール面の
平面の精度を向上させることが可能になり、シール効果
と共に、気孔の摺動面に於ける鳴き防止の効果を発揮さ
せることが可能になる。そして、シール面の平面度を長
期に渡って維持することが可能になることは、摺動する
平面度に有する気孔により鳴きを長期に渡り防止できる
ことになる。

【００２５】請求項４に係わる本発明のメカニカルシー
ルは、前記回転体が回転管に形成されて前記回転管の管
通路を囲む前記回転密封環を保持していると共に、前記
回転管を回転自在に保持する本体に前記管通路に連通す
る流通路を有して前記固定密封環が前記流通路を囲んで
保持されているものである。

【００２６】請求項４に係わる本発明のメカニカルシー
ルでは、回転密封環がジョイントの回転管に固着されて
管通路を流れる気体、又は液体、更には、気体兼液体を
シールするが、これら種々の流体による悪条件でも、両
面に所定の気孔を有する密封環により鳴きの発生が防止
できるから、鳴き防止と共に、密封環の摺動面の損傷や
疲労破壊を防止することが可能になる。

【００２７】請求項５に係わる本発明のメカニカルシー
ルは、半導体製造装置用の前記ロータリジョイント（２
０）の流通路の相対回動部間に有するものである。

【００２８】請求項５に係わる本発明のメカニカルシー
ルでは、半導体製造装置用ロータリジョイントの相対回
動部に用いられて、相対回動部をシールすると共に、被
密封流体の水と空気と真空状態との悪条件の密封に対し
ても鳴きの発生を防ぎ、摺動面の損傷を防止することが
可能になる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係わる実施の形態
のメカニカルシールを図面に基づいて詳述する。尚、以
下に説明する各図は寸法関係が正確な設計図であって、
明細書に説明が記載されて無くとも、発明の技術が開示
されている。

【００３０】図１は、本発明に係わる半導体製造装置に
用いられるロータリージョイント内の要部を示す断面図
である。又、図２は、図１の継手ねじ２２側から見た正
面図である。図１及び図２に於いて、２０はロータリー
ジョイントである。ロータリージョイント２０は、本体
３０に設けられた流通路３５Ｂに回転管（回転体）２１
の管通路３５Ｃを連通させると共に、本体３０と回転管
２１とは相対回動自在に連結されている。本体３０は、
ロータリージョイント２０のケーシングであり、筒体３
０Ａの一端内周面にＯリング４０Ｂを介してエンドカバ
ー３０Ｂが嵌着し、一体に形成されている。

【００３１】エンドカバー３０Ｂには、流通路３５Ａが
設けられており、流通路３５Ａの流出口にはパイプが接
続できるように管用ねじ３６が設けられている。このパ
イプは、例えば、ポリッシング装置（ＣＭＰ装置）用の
研磨液供給装置、純水供給装置及び真空装置に分岐して
それぞれ接続されている。一方、エンドカバー３０Ｂの
流通路３５Ａの流入部分には、流通路３５Ａに連通する
形の流通路３５Ｂを設けた第２の保持部９Ｂが嵌合状態
で摺動自在に設けられている。

【００３２】この第２の保持部９Ｂは、ドライブピン１
２により、回動が阻止されていると共に軸方向へ摺動自
在に案内されている。更に、エンドカバー３０Ｂに設け
られた凹部状の各ばね座には、ばね手段１０である複数
のコイルばね１０Ａが配置されており、このコイルばね
１０Ａにより第２の保持部９Ｂが対向シール面６の前方
へ弾発に押圧されている。又、エンドカバー３０Ｂと、
エンドカバー３０Ｂに嵌合する第２の保持部９Ｂとの間
にはＯリング４０Ａが設けられて両者間をシールしてい
る。

【００３３】第２の保持部９Ｂの一端には、第２の取付
穴が形成されており、この第２の取付穴に、Ｏリング４
０Ｃを介して、固定密封環５が密封状態に嵌着されてい
る。この固定密封環５には、先端面に対向シール面６が
形成されている。そして、内周面は、流通路３５Ｂと連
通する流通路が設けられている。この固定密封環５は、
ポーラス状焼結体に形成されており、ポーラス状焼結体
は、例えば、炭化珪素焼結で形成されて、面加工された
対向シール面６には気孔７が点在している。この固定密
封環５は、後述する回転密封環３と同様な材質、焼結構
造に構成されている。

【００３４】次に、筒体３０Ａの内周面には、軸受３７
が設けられていおり、この軸受３７により回転管（回転
体）２１が回動自在に保持されている。この回転管２１
は、内部に管通路３５Ｃを設けている。そして、この管
通路３５Ｃは、流通路３５Ｂの入り口と連通可能に配置
されている。回転管２１の図示下部には、継手ねじ２２
が設けられており、この継手ねじ２２は、例えば、半導
体ウエハの研磨加工用トップリングにパイプを介して接
続されている。尚、管通路３５Ｃと流通路３５Ａ、３５
Ｂを合わせて全体の流路が通路３５に構成されている。

【００３５】管通路３５Ｃの出口側の回転管２１に設け
た第１の保持部９Ａに形成されている第１の取付穴に
は、Ｏリング４０Ｃを介して回転密封環３が密封状態に
嵌着している。この回転密封環３は、ポーラス状焼結体
に構成されている。このポーラス状焼結体は、例えば、
シリコン・カーバイト（ＳｉＣ）の焼結により構成され
ている。そして、焼結体の端面を加工してシール面４に
形成され、固定密封環５の対向シール面６と密接状態に
配置されている。このシール面４は、ポーラス状に形成
された焼結体が面加工されることにより、その面に気孔
７が点在するごとく形成される。

【００３６】これらの回転密封環３及び固定密封環５
は、製法により分類するとホットプレスＳｉＣ（ＨＰ
ＳｉＣ）、常圧焼結炭化珪素（ＰＬＳＳｉＣ）、反応
焼結炭化珪素（ＲＳＳｉＣ）になる。この他に高強度
酸化物、低膨張酸化物の焼結体で成形することもでき
る。各回転密封環３及び固定密封環５は、１例として、
例えば、次のような方法により成形される。平均粒子長
さが０．０００５ｍｍα型炭化珪素粉末１００重量部に
対し、炭化硼素粉末０．８重量部、カーボンブラック粉
末２．５重量部、ポリビニルアルコール２．５重量部、
０．０３５ｍｍの長さのポリスチレンビーズを８重量部
及び１３重量部を添加する。そして、水を加えて４０％
濃度のスラリーを造ってボールミル内に投入し、１０時
間混合した後にスプレードライヤーにより顆粒化した。
次に、この顆粒を成形型に充填すると共に、２ｔｏｎ／
ｃｍ^２の圧力で加圧成形した後に、２１００度のアルゴ
ン雰囲気中で焼結してポーラス状焼結体を形成する。
尚、見かけ密度は水中置換法、有孔度はポリッシング面
光学顕微鏡観察、気孔面積率はポリッシング面画像解
析、結晶粒度はエッチング面光学顕微鏡観察、曲げ強度
はＴＰ３×４×４０、ＪＩＳＲ１６０１３点曲げｎ≧１
０の平均値による。

【００３７】上述のようにして成形したポーラス状焼結
体は、配合された樹脂が焼結の過程で熱により揮発する
から、緻密な焼結体中の平面に最大長さが０．０１２か
ら０．２００ｍｍの範囲で気孔７を形成することができ
る。好ましくは、０．０１８から０．１００ｍｍの最大
長さの気孔を形成すると良い（ポリッシング面光学顕微
鏡観察による）。そして、見かけ密度は２．７０から
３．１１５ｇ／ｃｍ^３の範囲が良く、好ましくは、２．
７６から３．１０ｇ／ｃｍ^３の範囲が好適である（水中
置換法による）。シール面では、気孔が独立していなく
とも良いが、全体の気孔が連通しているとその連通孔か
ら漏れが惹起するので不適当である。見かけ密度は、流
体が密封環を浸透して漏洩しない範囲を決定するもので
ある。同時に気孔面積率とも密接な関係がある。特に、
この独立気孔の形状が非円形にするとメカ鳴きを防止す
る点で良好である。そして、気孔７の面積率は、３から
１６％の範囲が良い結果をもたらしている。更に好まし
くは、３．５から１４％の範囲にすると更に良い結果が
いられる（ポリッシング面画像解析による）。

【００３８】又、曲げ強度は、１５から５０Ｋｇｆ／ｃ
ｍ^２の範囲が良く、好ましくは、２０から４０Ｋｇｆ／
ｃｍ^２の範囲が極めて良好であることが認められる。こ
の様に形成された本発明品のシール面は鳴き防止と共
に、緻密質ＳｉＣの密封環よりも、気孔の作用により耐
スラリー摩耗性の点で優れた効果を発揮する。

【００３９】図７は、ポーラス状焼結体として実施例１
に用いた焼結ＳｉＣである発明品１のシール面に於ける
有孔度の割合を示す気孔状態の顕微鏡写真である（尚、
この発明品１の見かけ密度は、３．０３ｇ／ｃｍ^３であ
る）。この写真で黒く点在して見えるのが各々の気孔７
である（３カ所のみ符号を付けたが黒点が全て気孔７で
ある）。そして、気孔７の最大長さがＬ寸法である。
又、図８は、実施例１に用いた発明品１で、焼結ＳｉＣ
のシール面に於ける炭化珪素の結晶粒度を白い模様に示
すと共に、気孔７の点在する状態を示す顕微鏡写真であ
る（この見かけ密度は上記と同じ）。尚、結晶粒度が成
長し過ぎると最適な気孔の成形、シール能力および耐摩
耗性の点で良くない傾向にある。又、従来技術２のよう
に気孔径が大きいと（０．４０から０．５０ｍｍ等）、
気孔が連通し、流体が密封環自身を浸透して漏れが発生
することになることは、一般に実用上認められている。
本実施例では気孔７の最大長さが０．２５ｍｍが限度で
あるとの結果となっている。図９は、図７及び図８の比
較例として、従来技術の密封環に於ける気孔１１２の気
孔率が１０ｖｏｌ％に構成されたと思われるシール面の
顕微鏡写真である。この気孔径は、ほぼ円形に形成され
たことを特徴としているので、本発明品１とは気孔の形
状の点で異なるものである。

【００４０】図３は、上述のようにして製作したテスト
ピースを試験した試験機の正面図である。図３に於い
て、ダミージョイント５０に固定密封環５を２個セット
し、その間に回転密封環３を取り付ける。同時に、図１
に示す供試品ジョイント（ロータリジョイント）２０を
図示上部に取り付けて密封環の実機試験をしたものであ
る。尚、この試験機の構成は、５１と５３はダミージョ
イント５０の軸受けであり、５２はボディである。又、
６０は回転試験用の治具、６１は試験機の軸、６２はダ
ミージョイント５０の軸、６３は供試品ジョイント２０
を取り付ける回転試験用の治具である。そして、電磁弁
とタイマー５５を操作して下部のダミージョイント５０
から空気を流すと共に、上部の供試用ジョイント２０か
ら水を流す方法により実施した。

【００４１】試験条件としては、実施例１として、水を
図３の上部より、大気圧状態で１０秒流し、その後に
０．５ＭＰａＧの圧力状態で空気を１０から１０５０秒
流し、更に、空気を０．５ＭＰａＧの圧力で封入した状
態で１０５０から１５３０秒間運転したものである。
尚、回転数はいずれも１５０ｒｐｍである。

【００４２】以上の条件のもとに、上記の試料を用いて
試験した一実施状況は、下記に通りである。すなわち、
Ａ）比較例１として、ＳｉＣにＣとＳｉを添加した気孔
率２．５％の反応焼結品（表２ではＨ１と略称）１とし
ての固定環と、ＳｉＣで気孔率２．５％の常圧焼結品
（表２ではＨ２と略称）２としての回転環との組合せで
試験した。又、Ｂ）比較例２として、上記反応焼結品１
である固定環と、上記の見かけ密度３．０３ｇ／ｃｍ^３
の発明品（表２ではＶ１と略称）１である回転環の組合
せで試験した。更に、Ｃ）実施例１として、見かけ密度
３．０３ｇ／ｃｍ ^３の発明品１の固定環と、同じ発明品
１の回転環との組合せで試験した。

【００４３】上記の実験の結果をグラフに表したもの
が、図４から図６のものである。図４は比較例１のシー
ル面の摺動面温度の変化状況である。この図４に於い
て、Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３として示す点でメカ鳴きが発生し
ている。又、温度変化も大きく、シール面に０．０１８
ｍｍの大きさの摩耗が発生している。次に図５は、比較
例２のシール面の摺動面温度の変化状況である。この図
５に於いても、Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３として示す点でメカ鳴
きが発生している。しかし、このシール面の温度変化
は、比較例１に比べて小さいことが認められる。そし
て、シール面に比較例１程の摩耗の発生は認められない
が、シール面に若干の面荒れが認められる。但し、シー
ル能力は良好であった。又、図６は、実施例１のシール
面の摺動面温度の変化状況である。図６に於いては、ほ
とんど鳴きの発生は認められない。そして、シール面に
異常は認められず、シール面の被密封流体の漏れもな
く、シール能力は優れていると判断できる。

【００４４】上記の比較例１，２と実施例１との結果を
対比すると、表２の通りである。そして、図４から図６
のグラフから、シール面が摺動して温度上昇した場合、
又はシール面の温度が不安定に変化する場合にメカ鳴き
が発生していることが認められる。更に、メカ鳴きの発
生時には、温度が急に下がる傾向にある。しかし、本発
明のように密封環のシール面にある大きさの範囲の気孔
を設けたものは、このメカ鳴きの発生が認められなくな
る。更に、シール面の温度の変化もなく、ほぼ一定状態
に安定していることを示している。この結果は、シール
面に摩耗や損傷の発生を防止してシール能力を持続する
効果が期待できる。

【００４５】

【表２】

【００４６】上述の図１に示す半導体製造装置用ロータ
リージョイント２０は、本体３０の流通路３５Ａ、３５
Ｂと回転管２１の管通路３５Ｃとが通路３５として連通
すると共に、本体３０と回転管２１とは相対回転する。
このために、この回転管２１に於ける管通路３５Ｃを流
れる流体は、本体３０に於ける流通路３５Ａ、３５Ｂに
流入するとき、相対摺動する回転管２１と本体３０との
間から外部へ漏れるのを防ぐためにメカニカルシール１
によってシールされる用途発明である。

【００４７】この通路３５を流れる流体に伴う運転は、
空運転と、−１００ＫＰａの負圧状態での運転と、バッ
クサンドプレッシャ−の運転と、０．２ＭＰａの流体圧
力の水を流す運転と、０．５ＭＰａの流体圧力の空気を
流す運転とが設定条件に応じて繰り返し断続に行われる
ものである。更に、回転も１５０ｒｐｍで断続に行われ
る。更に又、回転中にスラリーの投入も併行して行われ
る。この様な状況は、メカニカルシール１としては最悪
の条件である。しかし、上述のように回転密封環３と固
定密封環５とのシール面４，６に気孔７を設けると、鳴
きの発生が防止されると共に、シール面の摩耗、破損を
効果的に防止することが可能になる。

【００４８】

【発明の効果】請求項１に係わる本発明のメカニカルシ
ールによれば、回転密封環及び固定密封環が気孔を有す
るポーラス状焼結体に形成されて、見かけ密度が２．７
６から３．１０ｇ／ｃｍ^３で、シール面に設けた気孔の
表面形状長さが０．０１８ｍｍから０．１００ｍｍに形
成されているので、この見かけ密度の範囲では、ポーラ
ス状焼結体から流体が浸透して漏洩することも無く、し
かも、気孔の大きさの範囲により液体及び気体、更には
気体を封入した状態を断続させて運転される状態でも、
シール面に鳴きの発生が防止できる効果を奏する。更に
は、鳴きの発生を防止してシール面に損傷や疲労破壊が
発生するのを効果的に防止する、ことが期待できる。

【００４９】請求項２に係わる本発明のメカニカルシー
ルによれば、気孔が非円形であるために、鳴きの発生防
止に優れた効果を発揮し、気孔の製造工程における成形
が容易である。更には、耐スラリー摩耗に対しても優れ
た効果を発揮する。

【００５０】請求項３に係わる本発明のメカニカルシー
ルによれば、密封環の曲げ強度が高いから、シール面の
平面度を維持して鳴きの発生を効果的に防止する。更に
は、シール能力を高める効果を奏する。

【００５１】請求項４に係わる本発明のメカニカルシー
ルによれば、ロータリジョイントとして気体、液体、ス
ラリ状の混入流体においても、鳴きの現象を防止して、
シール面の摩耗、損傷を効果的に防止する。又、気体な
どの流体が流れる回転管に取り付けても、鳴きの発生が
無く、摩耗、損傷が促進されないから、シール能力を発
揮させることが可能になる。

【００５２】請求項５に係わる本発明のメカニカルシー
ルによれば、半導体製造装置では水、空気、気体封入な
どの過酷な条件で運転されるが、この様な条件でもシー
ル面の鳴きや損傷の発生を防止して用途を拡大すること
が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係わるメカニカルシー
ルの半断面図である。

【図２】図１の正面図である。

【図３】本発明の一実施の形態に係わるメカニカルシー
ルの密封環の試験機の正面図である。

【図４】図３の試験機で比較例（１）を試験したシール
面の発生温度状況の結果を示すグラフである。

【図５】図３の試験機で比較例（２）を試験したシール
面の発生温度状況の結果を示すグラフである。

【図６】図３の試験機で実施例（１）を試験したシール
面の発生温度状況の結果を示すグラフである。

【図７】本発明の一実施の形態に係わるメカニカルシー
ルのシール面の気孔の有孔度を示す顕微鏡写真である。

【図８】本発明の一実施の形態に係わるメカニカルシー
ルのシール面の気孔と結晶粒度を示す顕微鏡写真であ
る。

【図９】従来の多孔質炭化珪素のシール面の気孔の有孔
度を示す顕微鏡写真である。

【図１０】従来のメカニカルシールの半断面図である。

【図１１】従来の湿式摩擦係数測定装置の正面図であ
る。

【符号の説明】

１メカニカルシール３回転密封環４シール面２１回転体５固定密封環２２継手ねじ６対向シール面３０本体７気孔３５通路９保持部３５Ａ流通路９Ａ第１の保持部３５Ｂ流通路９Ｂ第２の保持部３５Ｃ管通路１０弾発手段３６管用ねじ１ロータリジョイント３７軸受

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被密封流体の気体、又は切り替えられて
断続に流れる気体と液体が回転体と本体との間から流出
するのをシールするメカニカルシールであって、一端に
シール面を有して前記回転体の第１の保持部に保持され
る回転密封環、前記シール面に対向する対向シール面を
有して前記本体の第２の保持部に保持される固定密封環
および前記回転密封環又は前記固定密封環の一方が移動
自在に保持されてれていると共に前記シール面を押圧す
る方向へ弾発に支持する弾発手段を具備し、前記回転密
封環及び前記固定密封環が気孔を有するポーラス状焼結
体に形成されて、見かけ密度が２．７６から３．１０ｇ
／ｃｍ^３で前記シール面に有する気孔の表面形状の最大
長さが０．０１８ｍｍから０．１００ｍｍに形成されて
いることを特徴とするメカニカルシール。
【請求項２】前記ポーラス状焼結体が炭化珪素焼結体
により形成されて前記気孔が非円形に形成されているこ
とを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール。
【請求項３】前記回転密封環及び前記固定密封環の曲
げ強度が１９０から３９５ＭＰａであることを特徴とす
る請求項１に記載のメカニカルシール。
【請求項４】前記回転体が回転管に形成されて前記回
転管の管通路を囲む前記回転密封環を保持していると共
に、前記回転管を回転自在に保持する本体に前記管通路
に連通する流通路を有して前記固定密封環が前記流通路
を囲んで保持されていることを特徴とする請求項１に記
載のメカニカルシール。
【請求項５】半導体製造装置用ロータリジョイント流
通路の相対回動部間に有することを特徴とする請求項４
に記載のメカニカルシール。