JP2006022834A - シール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、密封環の摺動時の摩耗を防止すると共に、摩耗粉が被密封流体に混入するのを防止することにある。
【解決手段】 シール装置（１）は高圧側（Ｐ１）と低圧側（Ｐ２）との間に配置されて第１摺動面（３）内に動圧発生溝（５）を有する第１密封環（２）と、第１摺動面（３）と相対摺動する第２摺動面（１３）を有する第２密封環（１２）と、第１密封環（２）の第１摺動面（３）又は第２密封環（１２）の第２摺動面（１３）に貫通するとともに流体供給源に連通可能な流体供給通路（１４）とを具備し、第１摺動面（３）の動圧発生溝（５）に高圧側の被密封流体を導入可能な導入通路（６）を有するものである。

【選択図】 図１

Description

本発明は、メカニカルシール等のシール装置に関する。更に詳しくは、密封環の摺動面の摩耗を防止して被密封流体に摩耗粉が混入しないようにすると共に、摺動に伴う起動時のトルクを小さくしたシール装置に係わるものである。

本発明の技術は、半導体製造設備などの被密封流体をシールするメカニカルシール装置として有用である。この半導体製造設備などでは、被密封流体に不純物が含まれていると、不純物により製造物に悪影響を与える。このため、メカニカルシール装置において密封環の摺同時の摩耗により摩耗粉が被密封流体に入り込むことも防止しなければならない。これに対し、密封環の摺動面の摩耗を防止するシール装置として複合式非接触シール装置が存在する（特許文献１参照）。

関連技術１として、図１１は、この複合式非接触シール装置１００の断面図である。図１１に於いて、複合式非接触シール装置１００は、孔を設けたハウジング１６０と、孔に挿嵌した回転軸１５０との間に装着される。回転軸１５０にはスリーブ１５１を介して回転用密封環１０２が嵌着している。又、回転軸１５０とスリーブ１５１との嵌着面間はＯリングによりシールされている。回転用密封環１０２の摺動面１０３には低圧側Ｐ２へ突き抜けた螺旋溝１０５が周面に沿って多数形成されている。この螺旋溝１０５は高圧側Ｐ１へは突抜になっていない。

一方、固定用密封環１１２は、２個のＯリングを介してハウジング１６０に嵌合されている。この固定用密封環１１２には嵌合穴が設けられており、この嵌合穴に固定リング１４０に設けたピン１４２が嵌合して互いに係止している。又、このピン１４２には、ばね１４１が設けられており、このばね１４１により固定用密封環１１２を回転用密封環１０２側へ押圧している。更に、固定用密封環１１２には、通路１１４が設けられており、この通路１１４は、固定用密封環１１２のシール面１１３に貫通している。又、ハウジング１６０には流通路が設けられており、流通路に接続する管路１６１が外部に設けられている。この流通路と通路１１４とが連通する両側は２つのＯリングによりシールされている。管路１６１の端部には流体供給源７が設けられている。流体供給源７から窒素ガスが圧送される。固定リング１４０は、ハウジング１６０に固定されている。又、固定リング１４０と固定用密封環１１２との嵌合間はＯリング１３２によりシールされている。

そして、シール装置１００の一方の低圧側Ｐ２は真空のような低圧である。又、シール装置１００の他方の高圧側Ｐ２は設備に利用する被密封流体が存在する。流体供給源７の圧力は、高圧側Ｐ１より更に高圧である。この流体供給源７から圧送される窒素ガスは摺動面１０３とシール面１１３との間に作用する。この摺動面１０３とシール面１１３との間に作用する窒素ガスは、静圧として摺動面１０３とシール面１１３との間に作用して固定用密封環１１２を回転用密封環１０２から離反させる。同時に、摺動面１０３に設けた螺旋溝１０５の作動により窒素ガスに動圧を発生させる。この動圧により固定用密封環１１２を回転用密封環１０２から離反させる。そして、回転用密封環１０２と固定用密封環１１２とはこの静圧と動圧により複合式非接触シールを構成する。

しかし、この流体供給源７から供給される窒素ガスのみに頼る静圧と動圧とによる非接触シールは、何らかの事故により流体供給源７から窒素ガスが供給されなくなると、静圧と動圧は消滅するから、回転用密封環１０２と固定用密封環１１２とは接触して摺動することになる。そして、回転用密封環１０２と固定用密封環１１２との相対摺動時に発生する摩耗粉が螺旋溝１０５を通って低圧側Ｐ２へ流入することになる。低圧側Ｐ２は、機内であるから、機内にある加工品に不良を発生させる原因となる。更には、機内の部品に損傷を生じさせる原因となる。
更に又、螺旋溝１０５を設けた摺動面１０３は、凹凸があるので摩耗しやすくなるから、摺動面１０３及びシール面１１３の摩耗を促進することになる。

更に、特許文献１には、関連技術２として、回転用密封環の摺動面に動圧発生溝（グルーブ）が設けた他の発明が開示されている。この発明は、上述のシール装置１００と相違する構成が、回転用密封環の摺動面内にＶ型の動圧発生溝（グルーブ）を設けた点である。しかし、摺動面に動圧発生溝を設けたのみでは、流体供給源７から供給される窒素ガスが何らかの故障により供給されなくなると、回転用密封環と固定用密封環との相対面間には静圧も動圧も発生しないから、摺動面とシール面とは接触摺動することになる。その結果、上述の関連技術１と同様な問題が発生する。

特開２００１−５９５８１号公報（図２及び第４図）

本発明は、上述のような問題点に鑑み成されたものであって、その発明が解決しようとする課題は、密封環の摺動面の摩耗を防止することにある。又、摺動面の摩耗粉が被密封流体に混入して、加工品に不良を発生されることや、設備の部品に故障を発生させることを防止することにある。

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、その技術的解決手段は以下のように構成されている。

請求項１に係わる本発明のシール装置は、相対摺動面間に流体圧力を供給して相対摺動面間が非接触状態にするシール装置であって、高圧側と低圧側との間に配置されて端面の第１摺動面内に動圧発生溝を有する第１密封環と、第１摺動面と相対摺動する第２摺動面を有する第２密封環と、第１密封環の第１摺動面又は第２密封環の第２摺動面に貫通するとともに流体供給源に連通可能な流体供給通路とを具備し、第１摺動面の動圧発生溝に高圧側の被密封流体を導入可能な導入通路を有するものである。

請求項２に係わる本発明のシール装置は、流体供給通路から供給される供給流体圧力が高圧側の被密封流体の圧力より小さく且つ低圧側の圧力より大きく構成されているものである。

請求項３に係わる本発明のシール装置は、動圧発生溝が第１摺動面の幅の中心線に対して対称に形成されているものである。

請求項４に係わる本発明のシール装置は、導入通路が溝状に形成されて溝の底面が高圧側に向かって徐々に浅くなる形状に形成されているものである。

請求項５に係わる本発明のシール装置は、第１摺動面又は第２摺動面に流体供給通路と連通可能な流体案内通路を有するものである。

この請求項１に係わる本発明のシール装置によれば、流体供給通路から導入される供給流体圧力により第１密封環の第１摺動面と第２密封環の第１摺動面の相対摺動面間に静圧を発生させて相対摺動面間を非接触状態にする。同時に、摺動時の動圧発生溝により静圧力の相対摺動面間の圧力を一定にして安定させる。そして、流体供給源から供給される供給流体圧力が事故により供給を停止したときには、高圧側の被密封流体が導入通路を介して低圧の相対摺動面間に自動的に導入され、この被密封流体を介して動圧発生溝の作用により相対摺動面間が非接触状態を継続させることが可能になる。

その結果、第１密封環と第２密封環の相対摺動面間が相対接触摺動して摩耗することを効果的に防止する。そして、半導体製品等の加工物の加工表面に摩耗した粉末が付着して加工物が不良となるのを効果的に防止する。又、シール装置を取り付ける設備の部品に粉末が付着して故障の原因となるのも効果的に防止できる。更に、非接触摺動による密封環は、摺動面の耐久能力を発揮できると共に、相対摺動面間の非接触状態の維持は、高価な密封環を安価な材質に変更できる効果を奏する。

この請求項２に係わる本発明のシール装置によれば、流体供給通路から供給される供給流体圧力が高圧側の被密封流体の圧力より小さく構成されているので、流体供給源から供給される供給流体圧力が高圧側の被密封流体に混入するのが防止できる。このために、供給流体に含む不純物が被密封流体に混入して加工物の加工表面に付着し、加工物が不良となるのを効果的に防止できる。又、不純物が設備の部品に付着して故障の原因となるのも効果的に防止できる。

この請求項３に係わる本発明のシール装置によれば、動圧発生溝が第１摺動面の幅の中心線に対して対称に形成されているものである。このために、導入通路から浸入する被密封流体を動圧発生溝により摺動面全体に導入して相対摺動面間の間隙寸法を小さく保持し、被密封流体が低圧側へ漏洩するのを効果的に防止する。

この請求項４に係わる本発明のシール装置によれば、溝状の導入通路の底面が高圧側に向かって徐々に浅くなる形状に形成されているものであるから、流体供給通路からの圧力流体は被密封流体側へ流出するのが効果的に防止できる効果を奏する。

この請求項５に係わる本発明の シール装置によれば、第１摺動面又は第２摺動面に流体供給通路と連通可能な流体案内通路を有するものであるから、流体供給通路から供給される供給流体を相対摺動面間に均一な厚さに導入できる。このために、相対摺動面間の間隙は小さく保持することが可能になる効果を奏する。このために、流体供給源から供給される供給流体の流量を微小にすることが可能になるので、供給流体の消費量を低減し、ランニングコストが安価になる効果を奏する

以下、本発明に係わる好ましい実施の形態のシール装置を図面に基づいて詳述する。尚、以下に説明する各図面は、設計図を基にした正確な図面である。

図１は、本発明に係わる第１実施の形態を示す第１密封環２（例えば、回転用密封環）の正面図（図３のＩ矢視）である。又、図２は、第２密封環１２（例えば、固定用密封環）の正面図（図３のＩＩ矢視）である。図３は、この第１密封環と第２密封環を組み立てたシール装置１の断面図である。図１に於いて、第１密封環２は、断面が方形状のリング体に形成する。この第１密封環２の端面３Ｅには、両摺動境界線３Ａ内に第１摺動面３を設ける。第１摺動面３内には周面に沿って等配に一対の正回転Ｒ１・逆回転Ｒ２用の動圧発生溝５を設ける。この動圧発生溝５には正回転Ｒ１用のコ形をした第１動圧発生溝５Ａを設ける。又、逆回転Ｒ２用の第２動圧発生溝５Ｂは第１動圧発生溝５Ａと半径線を対称に反対向きに設ける。この第１動圧発生溝５Ａと第２動圧発生溝５Ｂとが一対となって周方向に等配を成して多数個に形成する。

この第１密封環２は、正回転Ｒ１用と逆回転Ｒ２用を兼ねたものである。各第１動圧発生溝５Ａと第２動圧発生溝５Ｂには高圧側Ｐ１（図１では内径側）の径方向へ突出して内周の摺動境界線３Ａを越えた端面３Ｅに被密封流体用の導入通路６を延在する。又、第１動圧発生溝５Ａと第２動圧発生溝５Ｂとを周方向へ横断する流体案内溝（流体案内通路とも言う）４が周面に沿って断続に形成する。この図１に於いては、各一つの流体案内構４は、第１動圧発生溝５Ａと第２動圧発生溝５Ｂとを４個周方向へ横断している。

第１動圧発生溝５Ａと第２動圧発生溝５Ｂはコ形及び逆コ形に形成されているが、溝の深さは８×１０^−６ｍ〜３０×１０^−６ｍの範囲にすることが好ましい。又、導入通路６の溝の深さは３×１０^−６ｍ〜１５×１０^−６ｍにすると良い。但し、導入通路６の溝の深さは、第１動圧発生溝５Ａ及び第２動圧発生溝５Ｂの溝の深さ寸法より小さな寸法関係にすると良い。このように、導入通路６の溝の深さ寸法を第１動圧発生溝５Ａと第２動圧発生溝５Ｂの溝の深さ寸法より小さくすることにより、連通路６１からの供給流体の供給使用量は、接触形シールに比較して１０から２０％だけ増加するにとどまる。一方、従来の非接触型シールに比較すると、供給流体のランニングコストは大きく低減できる。尚、上述の各溝の幅寸法は摺動面の幅寸法と比較して決めると共に、供給流体圧力を考慮して決める。更に、流体案内溝４の溝の深さは０．１ｍｍから２．０ｍｍにすることが好ましい。又、流体案内溝４の溝の幅は、０．２ｍｍから２．５ｍｍにすると良い。第１密封環２は、炭化珪素材製であるが、特殊鋼、カーボン材、セラミック材、超硬合金材等を用いることができる。

図２は、図１の第１密封環２と一対を成す第２密封環１２である。この図２に於いて、第２密封環１２は、固定用密封環として固定されている。尚、図１と図２に於いて第１密封環２を固定用密封環にすると共に、第２密封環１２を回転用密封環に配置換えすることは必要に応じて設計変更することができる。

第２密封環１２も断面方形状のリング体に形成する。第２密封環１２の内周側が高圧側Ｐ１である。又、第２密封環１２の外周側が低圧側Ｐ２である。そして、第２密封環１２の端面には第２摺動面１３を形成する。第２摺動面１３の径方向中間には流体供給通路１４を設ける。この流体供給通路１４は８個設けられているが、それぞれ外周から第２摺動面１３に貫通している。第２密封環２は、カーボン材製であるが、特殊鋼、炭化珪素材、セラミック材、超硬合金材等を用いることができる。

図３は図１の第１密封環２と図２の第２密封環１２とを組み立ててシール装置１に構成したものである。このシール装置１は回転軸５０とハウジング６０との間に取り付ける。ハウジング６０の段部状孔に２個を並列にしたＯリング６５を介して断面Ｌ形のリング状の保持部４０が嵌着している。更に、この保持部４０の内周孔の周面には２個のＯリング３２を配置して第２密封環１２を移動自在に取り付ける。第２密封環１２は内周孔から抜け出さないようにスナップリング６７により止める。又、保持部４０の内周孔の側周面に沿って等配に形成された複数の穴を設ける。この各穴には、ばね４１をそれぞれ配置する。そして、ばね４１により第２密封環１２を第１密封環１２へ弾発に押圧する。尚、図示は省略するが、保持環４０と第２密封環１２とは互いにピンにより係止している。

回転軸５０には固定部２１がＯリング３３を介して固着されている。この固定部２１の段部の側周面にＯリング３１を設け、この段部にＯリング３１でシール可能に第１密封環２を嵌着する。そして、第１密封環２は、第１抑え部２２により固定する。又、固定部２１と第１抑え部２２は回転軸５０に第２抑え部２３を介して固定する。この第２抑え部２３は回転軸５０と互いに螺合して固定部２１と第１抑え部２２とを締め付けて固定する。

ハウジング６０と保持部４０には、互いに連通した連通路６１を設ける。この連通路６１は、流体供給通路１４と連通する。又、図示省略の流体供給源から供給流体圧力Ｐ３を供給できるように配管が接続可能にされている。そして、機内の高圧側Ｐ１に被密封流体が存在する。又、シール装置１より機外側内部は低圧側Ｐ２となる。この機外側内部は真空のような低圧な場合がある。供給流体圧力Ｐ３の圧力は、高圧側Ｐ１の圧力と同等か、それより高くされている。又、高圧側Ｐ１の圧力は、低圧側Ｐ２の圧力より高い圧力である。つまり、Ｐ３＞又は＝Ｐ１＞Ｐ２となる。尚、Ｐ１＞Ｐ３＞Ｐ２にすることもできる。このＰ１＞Ｐ３＞Ｐ２の圧力関係にすることにより、被密封流体に不純物が混入することを防止できる。このため、被密封流体から加工物等に不純物や摩耗粉が付着するのを効果的に防止できる。又、流体供給源から供給する供給流体の容量を低減できる。このため、流体供給源から供給される供給流体のランニングコストが低減できる。この供給流体は、窒素ガスを採用したとろが第１摺動面３と第２摺動面１３間の動圧発生に対して良好な結果が得られた。

このように構成されたシール装置１において、流体供給源から供給流体を流体供給通路１４へ供給すると、流体供給通路１４から第１摺動面３と第２摺動面１３との間の相対摺動面間に流れる。更に、この供給流体は流体案内溝４へ流れると共に、第１動圧発生溝５Ａと第２動圧発生溝５Ｂにより相対摺動面間の全面に静圧として分布させる。このときの相対摺動面間の間隔寸法は、１５×１０^−６ｍから３０×１０^−６ｍに形成すると良い。

この稼働状態で、事故により流体供給源から供給流体が相対摺動面間に流入しなくなると、第１密封環２の第１摺動面３と第２密封環１２の第２摺動面１３とは接触摺動しようとするが、第１摺動面３の第１動圧発生溝５Ａと第２動圧発生溝５Ｂには、被密封流体が導入できる導入通路６がそれぞれ設けられているから、この導入通路６から高圧側Ｐ１の被密封流体が低圧の相対摺動面間に流入する。そして、供給流体は、第１動圧発生溝５Ａ（正回転Ｒ１）又は第２動圧発生溝５Ｂ（逆回転Ｒ２）により動圧に変化して相対摺動面間に間隙を生じさせる。このときの相対摺動面間の間隔寸法は、２×１０^−６ｍから７×１０^−６ｍにすると良い。

このような相対摺動面間の間隔寸法に形成されていれば、第１動圧発生溝５Ａ（正回転Ｒ１）と第２動圧発生溝５Ｂ（逆回転Ｒ２）は第１摺動面３内に形成されていて、低圧側Ｐ２へは突き抜けになっていないから、被密封流体が低圧側Ｐ２へ漏洩するのが微小に抑えられる。しかも、導入通路６を各動圧発生溝５から高圧側Ｐ１に向かって溝の深さを小さくすると、供給流体が高圧側Ｐ１へ漏洩する量も小さくなると共に、供給流体が供給停止した場合でも、被密封流体が相対摺動面間において動圧発生するための消費量も小さくなる。このことは、この少量となる被密封流体が低圧側Ｐ２へ漏洩する量も微小とすることができる。

図４は、本発明の第２実施の形態を示すシール装置の一部の断面図である。この図４は図１のＩＶ−ＩＶ面の動圧発生溝５Ｂを示す。この動圧発生溝５Ｂの溝の深さＨ１は、図１に於いては略同一深さにされているが、図４に示すように溝の端部側を傾斜面にして浅く形成することもできる。このように形成することにより、動圧発生力が強力になる。この第１密封環２の回転方向はＲ２である。又、一実施例として導入通路６の溝底面は、図示省略するが、図４と同様な考えの基に、高圧側Ｐ１に向かって浅くなる傾斜面に形成すると良い。尚、Ｃ１は、第１摺動面３と第２摺動面１３との相対摺動面間の間隙寸法である。

図５は本発明の第３実施の形態に於ける第１密封環２の一部を示す正面図である。この第１密封環２の動圧発生溝５は、図１の第１動圧発生溝５Ａと第２動圧発生溝５Ｂと略同一形状である。相違する点は、導入通路６が外周側に設けられた実施例である。この第１密封環２は内周側が低圧側Ｐ２であり、外周側が高圧側Ｐ１である。この第１密封環２は正回転Ｒ１と逆回転Ｒ２の両用である。その他の構成は、図１の第１密封環２と略同一である。

図６は本発明の第４実施の形態を示す第１密封環２の正面図である。図６において、図１の第１密封環２と相違する点は、流体案内溝４が摺動面３の周面に沿って円環状に形成したものである。その他の構成は図１と略同一である。第１密封環２の円環状の流体案内溝４により供給流体は、正回転時でも、逆回転時でも第１摺動面３の周面に流入してから、内外径方向の第１摺動面３に流出して静圧を発生させる。

図７と図８は、本発明の第５実施の形態を示す第１密封環２と第２密封環１２の正面図である。図７において、図１の第１密封環２と相違する点は、流体案内溝４をなくすと共に、図８の第２密封環１２の第２摺動面１３に図１に示すと同様な流体案内溝４を設けたものである。このようにすることにより、供給流体は相対摺動面間への流れが良くなり、静圧力を発生しやすくなる。又、一対を成す第１密封環２の第１摺動面３と第２密封環１２の第２摺動面１３とのどちらの摺動面３、１３に動圧発生溝５や導入通路６を設けても同様な効果を奏することが判明する。尚、第１密封環２は正回転Ｒ１と逆回転Ｅ２の両用である。

図９は本発明の第６実施の形態を示す第１密封環２Ａの正面図である。又、図１０は、本発明の第７実施の形態を示す第１密封環２Ｂの正面図である。図９は正回転Ｒ１用の第１密封環２Ａである。また、図１０は、逆回転Ｒ２用の第１密封環２Ｂである。この図９の第１密封環２Ａは、第１摺動面３内に正回転Ｒ１用の第１動圧発生溝５Ａを設ける。又、導入通路６を高圧側Ｐ１の端面３Ｅに達する溝に形成する。更に、図１０の第１密封環２Ｂは、第１摺動面３に逆回転Ｒ２用の第２動圧発生溝５Ｂを設けたものである。又、導入通路６を高圧側Ｐ１の端面３Ｅに達する溝に形成したものである。その他の構成は、図９と図１０の各密封環２、１２が略同一に形成されている。尚、図５，６，９，１０の第１密封環２は図２又は図８の第２密封環１２と組み合わせて一対に構成する。

以上のように、本発明のシール装置は、半導体製造設備等に用いられて微粉末を嫌う被密封流体をシールするシール装置として有用である。又、一対の密封環の摩耗を防止して耐久能力を向上させるシール装置として有用である。

本発明の第１実施の形態に係わる第１密封環の正面図である。 本発明の第１実施の形態に係わる第２密封環の正面図である。 図１と図２の第１密封環及び第２密封環を組み合わせたシール装置の半断面図である。 本発明の第２実施の形態に係わる第１密封環の一部正面図である。 本発明の第３実施の形態に係わる第１密封環の正面図である。 本発明の第４実施の形態に係わる第１密封環の正面図である。 本発明の第５実施の形態に係わる第１密封環の正面図である。 本発明の第５実施の形態に係わる第２密封環の正面図である。 本発明の第６実施の形態に係わる第１密封環の正面図である。 本発明の第７実施の形態に係わる第１密封環の正面図である。 本発明の関連技術を示すシール装置の半断面図である。

符号の説明

１ シール装置
２ 第１密封環
２Ａ 第１密封環
２Ｂ 第１密封環
３ 第１摺動面
３Ａ 摺動境界線
３Ｅ 端面
４ 流体案内溝（流体案内通路）
５ 動圧発生溝
５Ａ 第１動圧発生溝
５Ｂ 第２動圧発生溝
６ 導入通路
１２ 第２密封環
１３ 第２摺動面
１４ 流体供給通路
２１ 固定部
２２ 第１抑え部
４０ 保持部
４１ ばね
６１ 連通路
Ｐ１ 高圧側
Ｐ２ 低圧側
Ｐ３ 供給流体圧力
Ｒ１ 正回転
Ｒ２ 逆回転

Claims (5)

1. 相対摺動面間に供給流体圧力を供給し、相対摺動面間が非接触状態でシールするシール装置であって、
   高圧側と低圧側との間に配置されて端面の第１摺動面内に動圧発生溝を有する第１密封環と、
   前記第１摺動面と相対摺動する第２摺動面を有する第２密封環と、
   前記第１密封環の前記第１摺動面又は前記第２密封環の前記第２摺動面に貫通するとともに流体供給源に連通可能な流体供給通路とを具備し、
   前記第１摺動面の前記動圧発生溝に高圧側の被密封流体が導入可能な導入通路を有することを特徴とするシール装置。
2. 前記流体供給通路から供給される供給流体圧力が前記高圧側の被密封流体の圧力より小さく且つ前記低圧側の圧力より大きく構成されていることを特徴とする請求項１に記載のシール装置。
3. 前記動圧発生溝が前記第１摺動面の幅の中心線に対して対称に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシール装置。
4. 前記導入通路が溝状に形成されて溝底面が前記高圧側に向かって徐々に浅くなる形状に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３に記載のシール装置。
5. 前記第１摺動面又は前記第２摺動面に前記流体供給通路と連通可能な流体案内通路を有することを特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３又は請求項４に記載のシール装置。

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