JP2007198556A - コンタミレス回転機器における軸封装置 - Google Patents

Abstract

【目的】厳格なコンタミネーション対策を講じることができ且つ高圧条件下においても良好な軸封機能を発揮しうるコンタミレス回転機器における軸封装置を提供する。
【構成】ハウジング２１の軸貫通壁部２０に、フッ素樹脂コーティング層２ｄで被覆した固定面２５を設け、金属製シールフランジ３を、その当たり面３ｅが固定面２５に衝合する状態で軸貫通壁部２０に取付けることにより、静止密封環４の背面４ａと固定面２５との間を第一Ｏリング３２を介して二次シールし、回転軸２２にフッ素樹脂コーティング層５５で被覆したバランス径調整筒５４を嵌合固定して、回転密封環６を、当該調整筒５４に第二Ｏリング６４を介して嵌合保持させることによって、回転密封環６を第二Ｏリング６４と同一断面径のＯリングを介して回転軸２２に嵌合保持させた場合に比して、バランス径及びシール面幅を大きく設定するように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属イオン等によるコンタミネーションを厳格に回避する必要があるコンタミレス回転機器（例えば、半導体、半導体製造用材料（電子材料）又は医薬品等の製造プロセスで使用される攪拌機等）における軸封装置に関するものである。

この種のコンタミレス回転機器にあっては、ハウジング外において回転軸に第二Ｏリングを介して軸線方向移動可能に保持された回転密封環と、回転密封環とハウジングの軸貫通壁部との間に配して当該軸貫通壁部に固定された静止密封環と、回転密封環とスプリングリテーナとの間に介装されて回転密封環を静止密封環へと押圧附勢するスプリングと、を具備する軸封装置を設けて、両密封環の対向端面たる密封端面においてハウジング内流体をシールするようにすると共に、金属イオン等によるコンタミネーションを防止するために、各密封環を金属イオン等を発生しないセラミックス，カーボン等で構成すると共にハウジングの内面を含むハウジング内流体と接触する部分にフッ素樹脂コーティングを施しておくことが行われている。

而して、このようにハウジングの軸貫通壁部と回転軸との間に配設されるメカニカルシールにあっては、一般に、静止密封環が環状の金属製シールフランジを介して軸貫通壁部に固定されている。すなわち、シールフランジを軸貫通壁部に取り付けると共に、このシールフランジの内周部に、これに突設した環状突起に静止密封環の背面を衝合係止させた状態で、第一Ｏリングを介して静止密封環を内嵌保持させてある（例えば、特許文献１の図１を参照）。

特開平１０−０５３４８０公報（図１）

しかし、このような軸封装置にあっては、金属製のシールフランジがハウジング内に露出して、ハウジング内流体と接触するため、金属イオンによる汚染を防止することができず、またハウジング内流体が腐食性流体である場合にはシールフランジが腐食する虞れがあり、厳格なコンタミネーション対策を講じることができない。

ところで、両密封環の対向端面である密封端面の内径は、回転軸の外径より小さくできず、回転軸の外径によって必然的に決定されることになる。また、密封端面の外径は、ハウジング内流体が回転密封環を静止密封環へと押圧する方向に作用するハウジング内流体による背圧の受圧面積との関係から導かれるバランス比等を考慮して決定され、当該受圧面積は回転密封環における第二Ｏリングとの接触面の径（第二Ｏリングが接触する回転密封環部分の内径であって、バランス径と称せられる）によって決定される。そして、バランス径は、第二Ｏリングが回転密封環と回転軸との対向周面間に装填されていることから、回転軸の外径及び第二Ｏリングの断面径によって必然的に決定されることになる。すなわち、バランス径は回転軸の外径と第二Ｏリングの断面径との合計値で与えられる。

一方、ハウジング内流体が高圧である場合、安定した軸封機能を発揮させるためには、バランス径を大きくして、両密封端面の相対回転領域における径方向幅（以下「シール面幅」という）を可及的に大きく設計しておく必要があるが、上記した如く、回転密封環の密封端面の外径及びバランス径が第二Ｏリングの断面径（及び回転軸の外径）によって決定される以上、バランス径及びシール面幅を大きくするためには、第二Ｏリングとして市販の規格品（ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｂ ２４０１，ＪＩＳ Ｗ １５１６，ＪＩＳ Ｗ １５１７等）に定められたＯリング）を使用することができず、規格品より断面径の大きな特殊Ｏリングを使用せざるを得ない。

しかし、断面径が必要以上に大きな特殊Ｏリングは、どうしても不均質なものとなり易く（部分的に粗密を生じ易く）、その結果、回転密封環及び回転軸への圧接力（シール力）が周方向において不均一となって、第二Ｏリングによる二次シール機能及び回転密封環の軸線方向移動性つまり追従性が低下することになり、良好な軸封機能を発揮し難い。また、このような特殊Ｏリングは上記したような規格品でなく規格外の特注品であるから、コスト的にも大きな問題がある。

したがって、回転密封環を第二Ｏリングを介して回転軸に軸線方向移動可能に保持させた軸封装置にあっては、バランス径及び密封端面の外径が第二Ｏリングの断面径によって制限され、シール面幅を一定以上に大きくすることができず、ハウジング内流体が高圧であるコンタミレス回転機器への適用を困難にしているのが実情である。

本発明は、このような点に鑑みて、金属製シールフランジがハウジング内流体と接触することなく、シールフランジにより静止密封環を軸貫通壁部に固定しておくことができ、厳格なコンタミネーション対策を講じておくことができると共に、ハウジング内流体が高圧である条件下においても良好な軸封機能を発揮しうるコンタミレス回転機器における軸封装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、ハウジングの内面を含むハウジング内流体と接触する部分にフッ素樹脂コーティング層を被覆形成してあるコンタミレス回転機器の軸封装置であって、ハウジング外において回転軸側に軸線方向移動可能に保持された回転密封環と、回転密封環とハウジングとの間に配してハウジング側に固定された静止密封環と、を具備して、両密封環の対向端面たる密封端面の相対回転部分においてハウジング内流体をシールするように構成された軸封装置において、上記の目的を達成すべく、特に、（１）（２）の如く工夫したコンタミレス回転機器における軸封装置を提案するものである。なお、各密封環は、金属イオン等を発生しない金属以外の硬質材（例えば、セラミックス，カーボン等）で構成される。

（１）ハウジングの軸貫通壁部に、ハウジング内面のフッ素樹脂コーティング層に連なるフッ素樹脂コーティング層を被覆形成した環状平面であって回転軸に直交する固定面を設けると共に、固定面の外径側部分に衝合しうる当たり面を形成した環状の金属製シールフランジを静止密封環を内嵌保持させた状態で軸線方向に締め付け自在に取り付けてあり、シールフランジを当たり面が固定面の外径側部分に衝合する状態に軸貫通壁部に締め付けることにより、静止密封環の背面と固定面の内径側部分との間に介在させた第一Ｏリングが当該両面間を二次シールすべく挟圧された状態で、静止密封環を軸貫通壁部に固定させるように構成しておくこと。

（２） 回転軸に、少なくともハウジング内流体と接触する表面部分を樹脂材で構成したバランス径調整筒を嵌合固定すると共に、回転密封環を、バランス径調整筒に第二Ｏリングを介して軸線方向移動可能に嵌合保持させることによって、当該回転密封環を当該第二Ｏリングと同一断面径のＯリング（回転軸の外径等を基準として選定される規格品（ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｂ ２４０１，ＪＩＳ Ｗ １５１６，ＪＩＳ Ｗ １５１７等）で定められる市販のＯリング））を介して回転軸に嵌合保持させた場合に比して、バランス径及びシール面幅を大きく設定するように構成しておくこと。

好ましい実施の形態にあって、回転軸には、回転密封環を静止密封環へと押圧附勢するスプリング部材を保持するための金属製のスプリングリテーナが嵌合固定されるが、前記バランス径調整筒はスプリングリテーナの一部として構成しておくことが好ましい。例えば、バランス径調整筒は、スプリングリテーナの内周部に一体形成した内筒部とその表面に形成したフッ素樹脂コーティング層とで構成しておくことができる。また、バランス径調整筒を、スプリングリテーナとは別体に構成しておくこともできる。例えば、スプリングリテーナに金属以外の材料からなる円筒体（例えばＰＴＦＥ等のフッ素樹脂からなる円筒体）を内嵌固着して、この円筒体の一部又は全部をバランス径調整筒となすのである。回転軸とバランス径調整筒との嵌合部分は第三Ｏリングで二次シールさせておくが、この第三Ｏリングは、バランス径調整筒をスプリングリテーナの一部（内筒部）で構成する場合には、スプリングリテーナの内周部に形成したＯリング溝に保持させておくことが好ましい。この場合、バランス径調整筒のフッ素樹脂コーティング層は当該Ｏリング溝の内周面をも被覆するように形成される。また、バランス径調整筒をスプリングリテーナと別体の樹脂製円筒体で構成しておく場合には、当該第三Ｏリングは、樹脂製円筒体の内周部に形成したＯリング溝に保持させておくことが好ましい。

また、静止密封環の背面と固定面の内径側部分との間は、第一Ｏリングを介して接触するのみで、直接的には接触していないことが好ましく、静止密封環の背面と固定面の内径側部分との間に形成される隙間に作用するハウジング内流体の圧力によって、第一Ｏリングがシールフランジの内周面に押圧されるように構成されていることが好ましい。また、固定面の回転軸に対する直角度が（５０／１００）ｍｍ以内とされていることが好ましい。特に、両密封環が非接触状態で相対回転する非接触形メカニカルシールである場合には、（１０／１００）ｍｍ以内としておくことが好ましく、（５／１００）ｍｍ以内としておくことがより好ましい。また、前記軸貫通壁部の内径側部分は、その外径側部分より密封環方向に膨出する環状部に形成されていて、この環状部の表面がフッ素樹脂コーティング層で被覆された固定面に構成されていることが好ましく、シールフランジに前記環状部に係合する環状係合部を形成して、その係合作用によりシールフランジの軸貫通壁部に対する径方向の位置決めが行われるように構成しておくことが好ましい。また、少なくともハウジング内流体に接触する各Ｏリング（第一〜第三Ｏリング等）はフッ素系ゴム製のものを使用することが好ましい。

本発明の軸封装置によれば、金属製シールフランジがハウジング内流体と接触することなく、シールフランジにより静止密封環を軸貫通壁部に固定しておくことができ、金属イオン汚染等を生じることなく、高度のコンタミネーション対策を講じておくことができる。しかも、静止密封環の固定を高精度に行うことができ、回転密封環との相対回転部分におけるシール機能を良好に発揮させることができる。さらに、第二Ｏリングとして断面径の大きなＯリングを使用せず、市販の規格品を使用しても、バランス径調整筒の内外径を調整することによって、バランス径及びシール面幅を回転軸径や圧力条件に応じた適正な寸法に自由に設定することができる。したがって、ハウジング内流体が高圧である場合にも、回転軸径に拘わらず、バランス径及びシール面幅を圧力条件に応じた適正な大きさのものとすることができ、安定且つ良好な軸封機能（メカニカルシール機能）を発揮させることができる。

以下、本発明の構成を図１〜図６を参照して具体的に説明する。

図１及び図２は本発明に係る軸封装置１の一例を示したもので、この軸封装置１は、図６に示す如く、半導体製造用材料（電子材料）の製造工程において使用されるコンタミレス回転機器２に装備されている。このコンタミレス回転機器２は、図６に示す如く、フォトレジスタ等の反応容器であり、上部に軸貫通壁部２０を形成した容器本体であるハウジング２１と、軸貫通壁部２０を貫通して上下方向に延びる攪拌軸たる回転軸２２と、回転軸２２の下端部に設けられた攪拌翼２３と、回転軸２２を回転させる原動機（モータ等）２４とを具備しており、メカニカルシール１は、軸貫通壁部２０と回転軸２２との間に介装されて、機内領域（ハウジング２０内の領域）Ｈと機外領域（大気領域）Ｌとの間をシールしている。反応容器２におけるハウジング内流体（フォトレジスト等の反応させるべき流体及びその蒸発成分等であって、ハウジング２１内に存在するすべての流体を含む）と接触する金属部分は、フッ素樹脂コーティング層で被覆されている。すなわち、ハウジング２１の内面、回転軸２２の外周面の一部、攪拌翼２３の表面及び軸貫通壁部２０の一部（後述する内径側部分２０ａ）は、ＰＦＡ等のフッ素樹脂コーティング層２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄで被覆されている。

軸封装置１は、図１及び図２に示す如く、ハウジング２１の軸貫通壁部２０に取り付けられたシールフランジ３と、シールフランジ３及びＯリング３１，３２を介して軸貫通壁部２０に固定された静止密封環４と、静止密封環４の機外側（上方側）に配して回転軸２２に嵌合固定されたスプリングリテーナ５及びバランス径調整筒５４と、バランス径調整筒５４に第二Ｏリング６４を介して回転軸２２に嵌合保持された回転密封環６と、回転密封環６とスプリングリテーナ５との間に介装されたスプリング部材７と、シールフランジ３及び静止密封環４を貫通して両密封環４，６の対向端面たる密封端面４０，６０間に開口する一連のガス通路８と、機内領域Ｈの圧力（ハウジング２１内の圧力）より高圧のシールガス９０をガス通路８から密封端面４０，６０間に噴出させるガス噴出機構９と、回転密封環６の振動を防止する防振機構１０とを具備する静圧形の非接触形メカニカルシールである。

軸貫通壁部２０は円環状のフランジ形状をなすもので、その内径側部分２０ａは、図１〜図３に示す如く、外径側部分２０ｂより密封環方向（上方）に膨出する環状部に形成されている。この環状部２０ａの表面（上面）は、ハウジング内面のフッ素樹脂コーティング層２ａに連なるフッ素樹脂コーティング層２ｄを被覆形成した環状平面であって回転軸２２に直交する固定面２５とされている。この固定面２５の回転軸２２に対する直角度は（１０／１００）ｍｍ以内としておくことが好ましく、（５／１００）ｍｍ以内としておくことがより好ましい。

シールフランジ３は、図１〜図３に示す如く、内周面３ａの上端縁部に環状係止部３ｂを突設すると共に、外径側部分３ｃを内径側部分３ｄより軸線方向に肉厚とした金属製の円環状体に構成されている。内径側部分３ｄの下端面は、回転軸２２に直交する環状平面であって固定面２５の外径側部分２５ａに衝合しうる当たり面３ｅとされている。外径側部分３ｃの下端部は、軸貫通壁部２０の環状部２０ａに外嵌状に係合する環状係合部３ｆとされていて、両部３ｆ，２０ａの係合作用によりシールフランジ３の軸貫通壁部２０に対する径方向の位置決めが行われるように工夫されている。シールフランジ３は、図１〜図３に示す如く、これに挿通させた適当数のボルト３０を軸貫通壁部２０の外径側部分２０ｂにねじ込むことによって、上記環状部２０ａに係合部３ｆを係合させた状態で軸線方向に締め付け自在に軸貫通壁部２０に取り付けられている。この軸線方向への締め付けは、シールフランジ３の当たり面３ｅが固定面の外径側部分２５ａに衝合することによって完了し、この締め付け完了状態においては、係合部３ｆは軸貫通壁部２０の外径側部分２０ｂに衝合しない。

静止密封環４は金属以外の硬質材（例えば、カーボン又はセラミックス）で構成された円環状体であり、図１及び図２に示す如く、回転軸２２に同心状に遊嵌された状態でシールフランジ３に上下一対のＯリング３１，３２を介して内嵌保持されている。静止密封環４の先端面（上端面）は平滑な密封端面４０に構成されている。上側のＯリング３１は、静止密封環４の上端外周部とシールフランジ３の係止部３ｂとの間に装填されていて、シールフランジ３と静止密封環４との間を二次シールしている。下側のＯリングたる第一Ｏリング３２は、静止密封環４の背面４ａと固定面２５の内径側部分２５ｂとの間に装填されている。第一Ｏリング３２は、図１〜図３に示す如く、静止密封環４の背面４ａの外周縁部に形成された凹部４ｂに係合保持されていて、シールフランジ３を当たり面３ｅが固定面２５の外径側部分２５ａに衝合する状態に軸貫通壁部２０に締め付けることにより、静止密封環４の背面４ａと固定面２５の内径側部分２５ｂとの間に適正に二次シールすべく状態に挟圧される。この状態においては、静止密封環４の背面４ａと固定面２５の内径側部分２５ｂとの間は、図１〜図３に示す如く、第一Ｏリング３２を介して接触するのみで、直接的には接触していない。この静止密封環４の背面４ａと固定面２５の内径側部分２５ｂとの間に形成される隙間にはハウジング内流体の圧力が作用し、この流体圧力の作用により第一Ｏリング３２は拡径変形されて、シールフランジ３の内周面３ａへの接触圧が増大される。なお、Ｏリング３１，３２は、耐食性，耐熱性に優れたフッ素系ゴム（例えば、パーフロロゴム）で構成されている。また、静止密封環４の内周面の背面側部分は下拡がり円錐状のテーパ面４ｃに形成されている。

スプリングリテーナ５は、図１及び図２に示す如く、環状壁部５０とその内周部から下方に突出する保持筒部５１と環状壁部５０の外周部から下方に突出する外筒部５２と保持筒部５１の端面（下端面）の内周部から下方に突出する内筒部５３とからなる金属製（例えばＳＵＳ３０４等）の円筒状構造体である。バランス径調整筒５４は、スリーブリテーナ５の一部である内筒部５３とその表面に被覆形成されたＰＦＡ等のフッ素樹脂コーティング層５５とからなる。スプリングリテーナ５の内周部にはＯリング溝５６が形成されていて、このＯリング溝５６に保持させた第三Ｏリング５７により、回転軸２２とバランス径調整筒５４との嵌合部分が二次されている。バランス径調整筒５４のフッ素樹脂コーティング層５５は、内筒部５３の全表面に形成されており、更に内筒部５３の内周面からＯリング溝５６の内周面へと延長されている。すなわち、バランス径調整筒５４におけるハウジング内流体と接触する表面部分は、一連のフッ素樹脂コーティング層５５で被覆されている。スプリングリテーナ５は、回転軸２２に嵌合させると共に環状壁部５０に螺合させたセットスクリュー５８を回転軸２２へと締め付けることにより、回転軸２２に固定されている。なお、回転軸２２のフッ素樹脂コーティング層２ｂは、ハウジング２１外においては第三Ｏリング５７が接触する部分まで延長されている。

回転密封環６は金属以外の硬質材（例えばセラミックス）で構成された円環状体であり、図１及び図２に示す如く、密封端面６０を形成した先端部分６１とこれより内径を大きくした中間部分６２と両部分６１，６２より内径を大きくした基端部分６３とからなる。回転密封環６は、基端部分６３をバランス径調整筒５４に第二Ｏリング６４を介して嵌合保持させることにより、回転軸２２側に二次シール状態で軸線方向移動可能に保持されている。第二Ｏリング６４としては、フッ素系ゴム（例えば、パーフロロゴム）製のものであって、市販の規格品（ＪＩＳ Ｂ ２４０１，ＪＩＳ Ｗ １５１６，ＪＩＳ Ｗ １５１７等で定められたＯリング）が使用されている。中間部分６１の内径はバランス径調整筒５４の外径Ｄ１より若干大きく設定されていて、第二Ｏリング６４の軸線方向移動は、回転密封環６の中間部分６２の環状端面（上端面）で形成されるＯリング係止面６２ａとスプリングリテーナ５の保持筒部５１の環状端面（下端面）で形成されるＯリング係止面５１ａとによって、バランス径調整筒５４に接触する範囲内に抑制されている。スプリングリテーナ５のＯリング係止面５１ａは軸線に直交しているが、回転密封環６のＯリング係止面６２ａは、内周方向且つ密封端面６０に向かう方向（下方向）へと傾斜するテーパ面とされている。回転密封環６の外周部は、スプリングリテーナ５の外筒部５２に、一対の第四Ｏリング６８，６８を介して、回転密封環６の軸線方向移動を許容する状態で嵌合保持されている。回転密封環６の基端部分６３には、金属製（例えば、ＳＵＳ３０４）のドライブカラー６５が衝合されている。ドライブカラー６５は、これに突設したピン６５ａを基端部分６３に形成した凹部に係合させることにより、回転密封環６との相対回転を阻止されている。

スプリング部材７は、図１に示す如く、スプリングリテーナ５と回転密封環６との間に介挿された複数のコイルスプリング（一個のみ図示）で構成されていて、回転密封環６を静止密封環４へと押圧附勢するものであり、密封端面４０，６０間を閉じる方向に作用する閉力を発生させるものである。スプリング部材７は、基端部をスプリングリテーナ５の環状壁部５０に形成した凹部に保持すると共に、先端部をドライブカラー６５に当接させることにより、回転密封環６を押圧附勢するものである。また、図２に示す如く、スプリングリテーナ５の環状壁部５０に貫通孔５０ａを形成すると共に、この貫通孔５０ａに上方から挿通させたドライブピン６６をドライブカラー６５に螺着することにより、回転密封環６をスプリングリテーナ５に軸線方向移動を許容しつつ相対回転不能に保持させている。

ガス通路８は、図１及び図３に示す如く、シールフランジ３と静止密封環４との嵌合部分に形成された空間であって、Ｏリング３１，３２によってシールされた環状の連絡空間８１と、シールフランジ３を径方向に貫通して連絡空間８１に至るフランジ側通路８２と、密封端面４０に形成された複数の静圧発生溝８３…と、静止密封環４を貫通して連絡空間８１から静圧発生溝８３…に至る密封環側通路８４とからなる。静圧発生溝８３…は、図４に示す如く、密封端面４０と同心の環状をなして並列する円弧状凹溝であり、また密封環側通路８４の下流側端部は分岐されていて、その分岐部分８４ａが各静圧発生溝８３に開口されている。

ガス噴出機構９は、図１に示す如く、機内領域Ｈの圧力より高圧としたシールガス９０をガス通路８から密封端面４０，６０間に噴出させるものである。機内領域Ｈの圧力より高圧のシールガス９０を、フランジ側通路８２、連絡空間８１、密封環側通路８４を経て静圧発生溝８３…に供給させることにより、両密封端面４０，６０間にこれを非接触状態に保持する静圧を発生させるようになっている。シールガス９０としては、ハウジング内流体（シールガスを除く流体）に対して不活性なガスが使用され、この例では窒素ガスを使用している。なお、ガス通路８の適所（密封環側通路８４等）には、必要に応じて、オリフィス，毛細管，多孔質部材等の絞り器が設けられ、密封端面４０，６０間の隙間が自動調整されるように構成される。すなわち、回転機器２の振動等により密封端面４０，６０間の隙間が大きくなったときは、静圧発生溝８３…から密封端面４０，６０間に流出するシールガス量と絞り器を通って静圧発生溝８３…に供給されるシールガス量とが不均衡となり、静圧発生溝８３…内の圧力が低下して、開力が閉力より小さくなるため、密封端面４０，６０間の隙間が小さくなるように変化して、その隙間が適正なものに調整される。逆に、密封端面４０，６０間の隙間が小さくなったときは、上記したと同様の作用により静圧発生溝８３…内の圧力が上昇して、開力が閉力より大きくなり、密封端面４０，６０間の隙間が大きくなるように変化して、その隙間が適正なものに調整される。

防振機構１０は、図３に示す如く、回転密封環６の外周部を囲繞するスプリングリテーナ５の保持部５２と、回転密封環６の外周部に形成した一対の環状のＯリング溝６７，６７と、各Ｏリング溝６７に係合保持されて軸線方向に並列する一対の第四Ｏリング６８，６８と、回転密封環６とスプリングリテーナ５の保持部５２との対向周面間に形成され且つ第四Ｏリング６８，６８でシールされた環状空間１１と、回転密封環６に形成された複数のシールガス導入路１２…とからなる。

各第四Ｏリング６８は、耐食性，耐熱性に優れた非圧縮性弾性材（フッ素ゴム等）で構成されたものであり、Ｏリング溝６７の底面と保持部５２の内周面との間に適度に圧縮された状態（回転密封環６の軸線方向移動を妨げない状態）で充填されていて、環状空間１１の軸線方向両端部をシールしている。各シールガス導入路１２は、図３に示す如く、回転密封環６を貫通しており、一端部が密封端面６０に開口すると共に他端部が環状空間１１に開口している。各シールガス導入路１２の一端開口部は、図５に示す如く、静圧発生溝８３に直対向しており、その開口径は静圧発生溝８３の溝幅と同一若しくは小さく設定されている。

以上のように構成されたメカニカルシール１によれば、金属イオン発生等のコンタミネーションを生じることなく機内領域Ｈを良好にシールすることができる。

すなわち、シールガス９０をガス通路８から密封端面４０，６０間に供給させると、密封端面４０，６０間にこれを開く方向に作用する開力が発生することになる。この開力は、静圧発生溝８３…に供給されたシールガス９０によって発生する静圧によるものである。したがって、密封端面４０，６０は、この開力と密封端面４０，６０間を閉じる方向に作用する閉力（静止密封環４を回転密封環６へと押圧附勢するスプリング部材７によるもの）とがバランスする非接触状態に保持される。そして、シールガス９０が機内領域Ｈの圧力より高圧であることから、機内流体は密封端面４０，６０間に侵入せず、機内領域Ｈが完全にシールされることになり、周辺環境を悪化させる虞れはない。

このとき、密封端面４０，６０を非接触状態に保持しつつ機内領域Ｈをシールさせることから、密封端面４０，６０の接触による摩耗粉が機内領域Ｈに侵入するようなことがなく、コンタミネーションを生じないコンタミレスシール機能が発揮される。また、シールガス９０は密封端面４０，６０間から機内領域Ｈに漏洩することになるが、シールガス９０が機内領域Ｈに漏洩しても支障のない窒素ガス等であることから、シールガス９０の機内領域Ｈへの漏洩を許容することによる問題も生じない。

また、静止密封環４は金属製のシールフランジ３を介して軸貫通壁部２０に固定されているが、シールフランジ３は機内領域Ｈに露出しておらず、ハウジング内流体と接触しない。したがって、冒頭で述べた如く、ハウジング内流体がシールフランジ３に接触することによって金属イオン汚染が生じることはない。

また、シールフランジ３が、当たり面３ｅを軸貫通壁部２０の固定面２５の外径側部分２５ａに衝合させた状態で、軸貫通壁部２０に取り付けられているから、シールフランジ３によるハウジング密封環４の固定精度、つまり密封端面４０の回転軸２２に対する直角度及び相手密封端面６０との平行度を適正に確保することができ、両密封環４，６によるシール機能を良好に発揮させることができる。特に、固定面２５の回転軸２２に対する直角度を上記した如く（１０／１００）ｍｍ以内（より好ましくは（５／１００）ｍｍ以内）としておくことによって、当該固定精度の更なる向上を図ることができる。

また、静止密封環４の背面４ａとフッ素樹脂コーティング面である固定面２５との間に装填されたＯリング３２は、静止密封環４の背面４ａと固定面２５との隙間に侵入したハウジング内流体（通常、後述する如くシールガス９０である）の圧力によって、シールフランジ３の内周面へも押圧接触されることになる。そして、この押圧接触力は、ハウジング内流体の圧力に比例して増減することになるから、ハウジング内圧力が変動するような条件下においても、Ｏリング３２による二次シール機能が常に適正に発揮されることになり、ハウジング内流体がシールフランジ３に接触して金属イオン汚染を生じるような虞れが確実に回避される。

また、機内領域Ｈにはその圧力より高圧のシールガス９０が漏洩するが、このシールガス９０は、静止密封環４の背面４ａと固定面２５との隙間に侵入して、この隙間にシールガス以外のハウジング内流体の侵入を阻止することになる。したがって、この隙間にシールガス以外のハウジング内流体が滞留し、雑菌が繁殖する等の問題が生じず、より有効なコンタミネーション防止が可能となる。

ところで、静圧形の非接触形メカニカルシールに構成されたメカニカルシール１にあっては、ガス供給路８から密封端面４０，６０間に供給されるシールガス９０が圧縮性のものであることから、密封端面４０，６０間に至るシールガス流動経路には、いわゆるニューマチックハンマと称せられる自励振動が不可避的に生じる。その結果、シールフランジ３に固定されている静止密封環４については問題を生じないが、回転軸２２にＯリング６４を介して嵌挿保持されているにすぎない回転密封環６については、上記自励振動により、密封端面４０，６０間の隙間と同程度若しくはそれ以下の微小振幅で振動することになり、振動音を発生することになる。

しかし、かかる振動音は防振機構１０によって確実に防止されることになる。すなわち、静圧発生溝８３に供給されたシールガス９０により密封端面４０，６０間が適正な非接触状態に保持されると共に、密封端面４０，６０間に供給されたシールガス９０がシールガス導入路１２…から環状空間１１に導入されて、環状空間１１内が密封端面４０，６０間の圧力と同一に保持される。したがって、各第四Ｏリング６８は、環状空間１１内のシールガス９０によってＯリング溝６７の外側の壁面へと押圧されることになり、回転密封環６の軸線方向に圧縮される。その結果、各第四Ｏリング６８が非圧縮性の弾性材で構成されたものであることから、回転密封環６の外周面（Ｏリング溝６７の底面）及びこれに対向するスプリングリテーナ５の保持部５２の内周面への各第四Ｏリング６８の圧接力が増大し、回転密封環６はスプリングリテーナ５の保持部５２の内周面に第四Ｏリング６８，６８を介して強力に固定されることになる。したがって、密封端面４０，６０間に至るシールガス流動経路においてニューマチックハンマ（自励振動）が発生せず、これによって回転密封環６が振動するようなことがなく、一般に「鳴き」と称せられる振動音が発生することがない。

また、回転密封環６を第二Ｏリング６４を介してバランス径調整筒５４に保持させるようにしたから、第二Ｏリング６４として市販の規格品を使用しているにも拘わらず、当該回転密封環６を第二Ｏリング６４と同一断面径のＯリング（規格品）を介して回転軸２２に保持させた場合に比して、バランス径Ｄ２を大きくすることができる。すなわち、バランス径Ｄ２つまり第二Ｏリング６４が接触する回転密封環部分（基端部分）６３の内径は、バランス径調整筒５４の外径Ｄ１と第二Ｏリング６４の断面径とによって決定され、バランス径調整筒５４の外径Ｄ１は任意に設定することが可能である。また、両密封端面４０，６０の衝合面であるシール面の内径Ｄ３は回転軸２２の外径に応じて決定され、その外径Ｄ４はバランス径Ｄ２に応じて決定される。したがって、バラスン径調整筒５４の外径Ｄ１を適宜に設定しておくことにより、バランス径Ｄ２及びシール面の幅（シール面幅）Ｗを、機内領域Ｈの圧力（ハウジング内流体の圧力）に応じたものとすることができ、シール面幅Ｗをハウジング内流体が高圧である場合にも安定且つ良好なシール機能を発揮させるに十分な大きさのものとすることができる。例えば、第二Ｏリング６４として市販の規格品を使用した場合において、シール設計上、回転密封環６を第二Ｏリング６４を介して回転軸２２に保持させたときには低圧域（Ｆ．Ｖ．〜０．２ＭＰａＧ）で使用できるにすぎないが、回転密封環６を第二Ｏリング６４を介して回転軸２２より大径のバランス径調整筒５４に保持させたときには１ＭＰａＧ程度の高圧域での使用をも可能となる。また、高低圧域の何れの圧力条件で使用する場合にも、シール機能上、バランス比が一定範囲となるように設計しておくことが好ましいが、第二Ｏリング６４として市販の規格品を使用した場合において、回転密封環６を第二Ｏリング６４を介して回転軸２２より大径のバランス径調整筒５４に保持させるようにすると、バランス径調整筒５４の外径を適宜に設定しておくことにより、回転密封環６を第二Ｏリング６４を介して回転軸２２に保持させるようにした低圧域用メカニカルシールにおけると同等のバランス比を得ることができ、１ＭＰａＧ程度の高圧域においても当該低圧域用メカニカルシールを低圧域（Ｆ．Ｖ．〜０．２ＭＰａＧ）で使用する場合と同等の良好なシール機能を発揮しうるメカニカルシールを提供することができる。

ところで、本発明の軸封装置１は上記した実施の形態に限定されるものでなく、本発明の基本原理を逸脱しない範囲において適宜に変更，改良することができる。

例えば、バランス径調整筒５４は、上記した例では、スプリングリテーナ５に一体形成したが、図７及び図８に示す如く、スプリングリテーナ５とは別体の円筒体で構成するようにすることもできる。すなわち、スプリングリテーナ５に一体形成する場合には、スプリングリテーナ５が金属製のものであるから、その一体形成部分（内筒部）５３に金属以外の材料をコーティングしておく必要がある（上記した例ではフッ素樹脂コーティング層５５を被覆形成）が、スプリングリテーナ５と別体の円筒体５４で構成しておく場合には、このようなコーティングは必要とせず、当該円筒体５４を金属以外の材料（樹脂材等）で構成しておけばよい。図７及び図８に示す例では、バランス径調整筒５４をＰＴＦＥ等のフッ素樹脂製の円筒体で構成して、これをスプリングリテーナ５の内周部に内嵌させると共に、セットスクリュー５８によりスプリングリテーナ５と共に回転軸２２に固定させてある。

また、本発明の軸封装置１は、上記した静圧形の非接触形メカニカルシール１に構成する他、両密封環４，６の相対回転摺接作用によりシールを行うドライコンタクト形のメカニカルシールに構成することも可能である。軸封装置１がドライコンタクト形のメカニカルシールである場合、固定面２５の回転軸２２に対する直角度を非接触形メカニカルシールの場合のように（１０／１００）ｍｍ以内（より好ましくは（５／１００）ｍｍ以内）としておくことは必要ないが、両密封環４，６が適正に衝合して相対回転摺接するためには当該直角度を（５０／１００）ｍｍ以内としておくことが好ましい。

また、両密封環４，６の表面であってハウジング内流体に接触する部分（機内領域Ｈに面する部分）には、図９に示す如く、ＰＦＡ等のフッ素樹脂コーティング層２ｅ，２ｆを形成しておいてもよい。このようにしておけば、ハウジング内流体との接触による機内領域Ｈでのパーティクル発生をより確実に防止することができる。また、特に静止密封環４については、シールガス９０と接触する部分にもフッ素樹脂コーティングを施して、シールガス９０との接触によるパーティクルの発生及びそれが密封端面４０，６０間からシールガス９０に同伴して機内領域Ｈに侵入する虞れを確実に回避することができる。すなわち、図１０に示す如く、連絡空間８１に面する静止密封環４の外周面、各静圧発生溝８３及び密封環側通路８４の内周面に、ＰＦＡ等のフッ素樹脂コーティング層２ｇ，２ｈ，２ｉを形成しておく。勿論、必要に応じて、シールフランジ３において、シールガス９０と接触する連絡空間８１及びフランジ側通路８２の内周面にもフッ素樹脂コーティングを施しておいてもよい。なお、密封端面４０，６０については、フッ素樹脂コーティングを施さない。

本発明に係る軸封装置の一例を示す要部の縦断正面図である。 図１と異なる個所で断面した同要部の縦断側面図である。 図１の要部を拡大して示す詳細図である。 図１のＩＶ−ＩＶ線に沿う要部の横断平面図である。 図１のＶ−Ｖ線に沿う要部の横断底面図である。 本発明に係る軸封装置を装備したコンタミレス回転機器の全体を示す概略の縦断正面図である。 本発明に係る軸封装置の変形例を示す図１に相当する要部の縦断側面図である。 図７と異なる個所で断面した同要部の縦断側面図である。 本発明に係る軸封装置の他の変形例を示す図３相当の縦断側面図である。 本発明に係る軸封装置の更に他の変形例を示す図３相当の縦断側面図である。

符号の説明

１ メカニカルシール（非接触形メカニカルシール）
２ コンタミレス回転機器（反応容器）
２ａ フッ素樹脂コーティング層
２ｂ フッ素樹脂コーティング層
２ｃ フッ素樹脂コーティング層
２ｄ フッ素樹脂コーティング層
２ｅ フッ素樹脂コーティング層
２ｆ フッ素樹脂コーティング層
２ｇ フッ素樹脂コーティング層
２ｈ フッ素樹脂コーティング層
２ｉ フッ素樹脂コーティング層
３ シールフランジ
３ａ シールフランジの内周面
３ｂ 環状係止部
３ｃ シールフランジの外径側部分
３ｄ シールフランジの内径側部分
３ｅ シールフランジの当たり面
３ｆ 環状係合部
４ 静止密封環
４ａ 静止密封環の背面
４ｂ 静止密封環の背面の外周縁部に形成された凹部
４ｃ テーパ面（静止密封環の内周面の背面側部分）
５ スプリングリテーナ
６ 回転密封環
７ スプリング部材
８ ガス通路
９ ガス噴出機構
１０ 防振機構
１１ 環状空間
１２ シールガス導入路
２０ａ 軸貫通壁部の内径側部分（環状部）
２０ｂ 軸貫通壁部の外径側部分
２１ ハウジング
２２ 回転軸（攪拌軸）
２３ 攪拌翼
２４ 原動機
２５ 固定面
２５ａ 固定面の外径側部分
２５ｂ 固定面の内径側部分
３２ 第一Ｏリング
４０ 静止密封環の密封端面
５０ スプリングリテーナの環状壁部
５１ スプリングリテーナの保持筒部
５２ スプリングリテーナの外筒部
５３ スプリングリテーナの内筒部
５４ バランス径調整筒
５５ フッ素樹脂コーティング層
５７ 第三Ｏリング
５８ セットスクリュー
６０ 回転密封環の密封端面
６１ 回転密封環の先端部分
６２ 回転密封環の中間部分
６３ 回転密封環の基端部分
６４ 第二Ｏリング
６８ 第四Ｏリング
８１ 連絡空間
８２ フランジ側通路
８３ 静圧発生溝
８４ 密封環側通路
９０ シールガス
Ｄ２ バランス径
Ｈ 機内領域（ハウジング内の領域）
Ｌ 機外領域（大気領域）
Ｗ シール面幅

Claims (13)

1. ハウジングの内面を含むハウジング内流体と接触する部分にフッ素樹脂コーティング層を被覆形成してあるコンタミレス回転機器の軸封装置であって、ハウジング外において回転軸側に軸線方向移動可能に保持された回転密封環と、回転密封環とハウジングとの間に配してハウジング側に固定された静止密封環と、を具備して、両密封環の対向端面たる密封端面の相対回転部分においてハウジング内流体をシールするように構成された軸封装置において、
   ハウジングの軸貫通壁部に、ハウジング内面のフッ素樹脂コーティング層に連なるフッ素樹脂コーティング層を被覆形成した環状平面であって回転軸に直交する固定面を設けると共に、固定面の外径側部分に衝合しうる当たり面を形成した環状の金属製シールフランジを、静止密封環を内嵌保持させた状態で、軸線方向に締め付け自在に取り付けて、シールフランジを当たり面が固定面の外径側部分に衝合する状態に軸貫通壁部に締め付けることにより、静止密封環の背面と固定面の内径側部分との間に介在させた第一Ｏリングが当該両面間を二次シールすべく挟圧された状態で、静止密封環を軸貫通壁部に固定させるように構成してあり、
   回転軸に、少なくともハウジング内流体と接触する表面部分を樹脂材で構成したバランス径調整筒を嵌合固定すると共に、回転密封環を、バランス径調整筒に第二Ｏリングを介して軸線方向移動可能に嵌合保持させることによって、当該回転密封環を当該第二Ｏリングと同一断面径のＯリングを介して回転軸に嵌合保持させた場合に比して、バランス径及びシール面幅を大きく設定するように構成したことを特徴とするコンタミレス回転機器における軸封装置。
2. 回転軸に、回転密封環を静止密封環へと押圧附勢するスプリング部材を保持するための金属製のスプリングリテーナが嵌合固定されていることを特徴とする、請求項１に記載するコンタミレス回転機器における軸封装置。
3. バランス径調整筒が、スプリングリテーナの内周部に一体形成された内筒部とその表面に被覆形成されたフッ素樹脂コーティング層とで構成されていることを特徴とする、請求項２に記載するコンタミレス回転機器における軸封装置。
4. バランス径調整筒が、スプリングリテーナに内嵌固着させた円筒体であって金属以外の材料からなるもので構成されていることを特徴とする、請求項２に記載するコンタミレス回転機器における軸封装置。
5. 回転軸とバランス径調整筒との嵌合部分を第三Ｏリングにより二次シールしていることを特徴とする、請求項１〜４の何れかに記載するコンタミレス回転機器における軸封装置。
6. 回転軸の表面であって少なくともハウジング内流体が接触する部分に、フッ素樹脂コーティング層を被覆形成してあることを特徴とする、請求項１〜５の何れかに記載するコンタミレス回転機器における軸封装置。
7. 静止密封環の背面と前記固定面の内径側部分との間は、第一Ｏリングを介して接触するのみで、直接的には接触していないことを特徴とする、請求項１〜６の何れかにに記載するコンタミレス回転機器における軸封装置。
8. 静止密封環の背面と固定面の内径側部分との間に形成される隙間に作用するハウジング内流体の圧力によって、第一Ｏリングがシールフランジの内周面に押圧されるように構成されていることを特徴とする、請求項７に記載するコンタミレス回転機器における軸封装置。
9. 固定面の回転軸に対する直角度が（５０／１００）ｍｍ以内とされていることを特徴とする、請求項１〜８の何れかに記載するコンタミレス回転機器における軸封装置。
10. 軸貫通壁部の内径側部分は、その外径側部分より密封環方向に膨出する環状部に形成されていて、この環状部の表面がフッ素樹脂コーティング層で被覆された固定面に構成されていることを特徴とする、請求項１〜９の何れかに記載するコンタミレス回転機器における軸封装置。
11. シールフランジに前記環状部に係合する環状係合部を形成して、その係合作用によりシールフランジの軸貫通壁部に対する径方向の位置決めが行われるように構成したことを特徴する、請求項１０に記載するコンタミレス回転機器における軸封装置。
12. 両密封環の表面であって少なくともハウジング内流体に接触する部分に、フッ素樹脂コーティング層を被覆形成してあることを特徴とする、請求項１〜１１の何れかに記載するコンタミレス回転機器における軸封装置。
13. 少なくともハウジング内流体に接触する各Ｏリングをフッ素系ゴムで構成してあることを特徴とする、請求項１〜１２の何れかに記載するコンタミレス回転機器における軸封装置。