JP2016166616A - ロータリジョイント - Google Patents

Abstract

【課題】オイルシール機能及びメカニカルシール機能を長期に亘って良好且つ安定して発揮できるようにする。
【解決手段】ケース体１と回転軸体２との対向周面間に、隣接するメカニカルシール３，３でシールされた通路接続空間４を形成すると共に、通路接続空間４とメカニカルシール３で区画された空間であって一対のオイルシール５，５によりシールされた冷却流体空間６を形成し、各オイルシール５がメカニカルシール３の密封環群の端部に位置する回転密封環３１Ａとケース体１に固定されて回転密封環３１Ａの外周面に圧接する弾性材製の環状シール部材５１とで構成されているロータリジョイントにおいて、回転密封環３１Ａの外周面及び密封端面３１ａと反対側の端面３１ｂに、回転密封環３１Ａの構成材に比して熱伝導係数及び硬度が大きい材料からなるコーティング層１０ａ，１０ｂを一連に形成してある。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体分野等で使用される回転機器（例えば、ＣＭＰ装置（ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法による半導体ウエハの表面研摩装置）等）における相対回転部材間で流体を流動させるロータリジョイントに関するものである。

従来のこの種のロータリジョイントとして、特許文献１に開示されるように、軸線が上下方向に延びる筒状のケース体と回転軸体とを上下一対のベアリングを介して相対回転自在に連結し、両ベアリング間における両体の対向周面間に、回転軸体に固定した炭化ケイ素製の回転密封環とケース体に両体の回転軸線方向に移動可能に保持した炭化ケイ素製の静止密封環とこれを回転密封環へと押圧附勢するスプリングとを具備して両密封環の対向端面である密封端面の相対回転摺接作用によりシールするように構成された複数個の端面接触形のメカニカルシールを、両体の回転軸線方向に全密封環が縦列し且つその密封環群の両端部に回転密封環が位置するように配設して、隣接するメカニカルシールでシールされた通路接続空間を形成すると共に、当該通路接続空間外の空間であって一対のオイルシールによりシールされた冷却流体空間を形成し、両体に当該通路接続空間を介して連通する流体通路を形成し、各オイルシールを、前記密封環群の端部に位置する回転密封環とケース体に固定されて当該回転密封環の外周面に圧接するゴム製の環状シール部材とで構成したもの（以下「従来ロータリジョイント」という）が周知である。

かかる従来ロータリジョイントにあっては、ケース体と回転軸体との間に、両体の流体通路をメカニカルシールでシールされた通路接続空間により連通接続してなる一連の流路が形成され、両体に連結された回転機器の相対回転部材間で流体を流動させることができる。そして、両体に形成した流体通路を連結する通路接続空間が端面接触形のメカニカルシールでシールされていることにより、両流体通路間が漏れを生じることなく相対回転自在に良好に接続され、回転機器の相対部材間での流体流動を確実に行うことができる。

而して、従来ロータリジョイントにあっては、オイルシールによってシールされた冷却流体空間に冷却流体たる冷却水を供給するようになっており、この冷却水によって各メカニカルシールにおける両密封環の相対回転摺接による熱歪を可及的に防止して良好なシール機能（以下「メカニカルシール機能」という）が発揮される。そして、両オイルシールを、環状シール部材を上下端に位置する回転密封環の外周面に接触させてなるものとして、当該回転密封環の外周側空間を有効利用して設置することにより、ロータリジョイントの軸長（上下方向長さ）を可及的に短縮できるように工夫されている。

特開２００２−１７４３７９公報

しかし、従来ロータリジョイントにあっては、オイルシールがメカニカルシールの回転密封環を利用して構成されているために、当該回転密封環を構成要素とするメカニカルシールのシール機能（メカニカルシール機能）に悪影響を及ぼす等の問題が生じる。

各オイルシールにおける環状シール部材と回転密封環の外周面との相対回転摺接部分が発熱することから、当該回転密封環の端面（密封端面）が静止密封環との相対回転摺接により発熱することとも相俟って、当該回転密封環の密封端面にメカニカルシール機能に悪影響を及ぼす大きな熱歪が生じる虞れがある。すなわち、回転密封環の密封端面及び外周面が静止密封環及び環状シール部材との相対回転摺接により発熱し、その発熱量が異なることから当該回転密封環の密封端面と外周面とに温度差が生じ、これら密封端面及び外周面と当該回転密封環における密封端面と反対側の端面とで当該端面が発熱しないことから大きな温度差が生じて、当該回転密封環の表面温度が不均一となり、その結果、密封端面に大きな熱歪が生じる虞れがある。

また、各オイルシールは、ゴム製の環状シール部材を炭化ケイ素製の回転密封環の外周面に接触させることによりシール機能（以下「オイルシール機能」という）を発揮するように構成されたものであるが、炭化ケイ素との摩擦係数が高いことから、環状シール部材と回転密封環との相対回転摺接部分においては、当該部分が冷却水により潤滑されていても、摩耗が発生し、オイルシール機能を長期に亘って確保することが困難である。特に、冷却流体空間の上部においては冷却水が存在しないエア溜まりが生じることがあり、上位のオイルシールで環状シール部材と回転密封環との接触部分において冷却水による潤滑が良好に行われない場合がある。したがって、当該接触部分においては摩耗、発熱が顕著に生じて、下位のオイルシールが正常にオイルシール機能を発揮している場合にも冷却流体空間のシールが良好に行われず、しかも上位のオイルシールを構成する回転密封環と静止密封環との接触面に熱歪を生じて当該両密封環によるメカニカルシール機能も低下する虞れがある。このように、ケース体と回転軸体との回転軸線が上下方向に延びているロータリジョイントにあっては、上位のオイルシールの信頼性が低く、オイルシール機能が極めて不安定なものとなり、加えて最上位のメカニカルシールによるメカニカルシール機能も安定しない。

本発明は、従来ロータリジョイントにおける上記した問題を解決すべくなされたもので、両オイルシールによるオイルシール機能及びその一部を構成する回転密封環によるメカニカルシール機能を長期に亘って良好且つ安定して発揮できるロータリジョイントを提供することを目的とするものである。

本発明は、筒状のケース体とこれに同心をなして相対回転自在に連結した回転軸体との対向周面間に、ケース体に設けた静止密封環と回転軸体に設けた回転密封環との対向端面である密封端面の相対回転摺接作用によりシールするように構成された複数個のメカニカルシールを両体の回転軸線方向に密封環が縦列し且つその密封環群の両端部に回転密封環が位置するように配設して、隣接するメカニカルシールでシールされた通路接続空間を形成すると共に、当該通路接続空間と当該メカニカルシールで区画された空間であって一対のオイルシールによりシールされた冷却流体空間を形成し、両体に当該通路接続空間を介して連通する流体通路を形成し、各オイルシールが、前記密封環群の端部に位置する回転密封環とケース体に固定されて当該回転密封環の外周面に圧接する弾性材製の環状シール部材とで構成されているロータリジョイントにおいて、上記の目的を達成すべく、特に、各オイルシールを構成する回転密封環の外周面及びその両端面の一方であって密封端面と反対側の端面に、当該回転密封環の構成材に比して熱伝導係数及び硬度が大きい材料からなるコーティング層を一連に形成しておくことを提案するものである。

本発明のロータリジョイントの好ましい実施の形態にあっては、ケース体に、冷却流体空間に冷却流体を循環供給させる冷却流体給排通路が形成されており、前記両体の回転軸線が上下方向に延びている。而して、各オイルシールを構成する回転密封環には、密封端面及び／内周面にも前記コーティング層が一連に形成されていることが好ましい。また、４個以上のメカニカルシールが設けられている場合においては、少なくとも１つのメカニカルシールの回転密封環とこれに隣接するメカニカルシールの回転密封環とが両端面を密封端面とする１個の回転密封環で兼用されていることが好ましい。この場合において、前記兼用されている回転密封環の両密封端面に当該回転密封環の構成材に比して熱伝導係数及び硬度が大きい材料からなるコーティング層が形成されていることが好ましく、更には回転密封環の内外周面の一方にも当該コーティング層が一連に形成されていることが好ましい。また、オイルシールを構成する回転密封環を含む各回転密封環の密封端面及び各静止密封環の密封端面の少なくとも一方に当該密封環の構成材に比して熱伝導係数及び硬度が大きい材料からなるコーティング層を形成しておくことが好ましい。また、前記両体の流体通路を前記通路接続空間により接続してなる一連の流路を流動する流体が超純水若しくは純水である場合又は金属イオンの溶出を嫌う流体である場合においては、各密封環における当該流体と接触する面に当該密封環の密封端面を含めて前記コーティング層が一連に形成されており、且つ当該密封環以外の部材であって当該流路を構成する部材における当該流体と接触する面又は部分がプラスチックで構成されていることが好ましい。何れの場合においても、上記した各コーティング層はダイヤモンドで構成しておくことが好ましい。

本発明のロータリジョイントにあっては、各オイルシールにおいて弾性材製の環状シール部材が相対回転摺接する回転密封環の外周面に当該回転密封環の構成材に比して熱伝導係数及び硬度が大きい材料からなるコーティング層を形成することによって、当該環状シール部材と回転密封環との相対回転摺接部分で発生する摩耗量及び発熱量を可及的に減少させることができ、両オイルシール又は一方のオイルシールがドライ雰囲気にある場合にも両オイルシールによるオイルシール機能を長期に亘って良好に確保できる。さらに、当該回転密封環における密封端面と反対側の端面に前記コーティング層を一連に形成して、オイルシールの相対回転摺接部分における発生熱をコーティング層により非密封端面に速やかに伝熱させることによって、当該回転密封環の両端面である静止密封環との相対回転摺接により発熱する密封端面とその反対側の端面との温度差を可及的に小さくして、当該密封端面におけるメカニカルシール機能に悪影響を与えるような大きな熱歪の発生を可及的に防止することができる。かかる効果は、特に、コーティング層をダイヤモンドで構成しておくことによって顕著に発揮される。

したがって、本発明によれば、オイルシール機能及びメカニカルシール機能を長期に亘って良好に発揮させることができ、従来ロータリジョイントに比して耐久性、信頼性に優れた極めて実用的なロータリジョイントを提供することができる。

図１は本発明に係るロータリジョイントの一例を示す断面図である。 図２は図１と異なる位置で断面した当該ロータリジョイントの断面図である。 図３は図１の要部を拡大して示す詳細断面図である。 図４は図３と異なる図１の要部を拡大して示す詳細断面図である。 図５は本発明に係るロータリジョイントの変形例を示す図３相当の要部の断面図である。 図６は本発明に係るロータリジョイントの他の変形例を示す図３相当の要部の断面図である。 図７は本発明に係るロータリジョイントの更に他の変形例を示す図４相当の要部の断面図である。 図８は本発明に係るロータリジョイントの更に他の変形例を示す図４相当の要部の断面図である。 図９は本発明に係るロータリジョイントの更に他の変形例を示す図４相当の要部の断面図である。 図１０は本発明に係るロータリジョイントの更に他の変形例を示す図４相当の要部の断面図である。

図１は本発明に係るロータリジョイントの一例を示す断面図であり、図２は図１と異なる位置で断面した当該ロータリジョイントの断面図であり、図３は図１の要部を拡大して示す詳細断面図であり、図４は図３と異なる図１の要部を拡大して示す詳細断面図である。なお、以下の説明において、上下とは図１〜図４における上下をいうものとする。

図１及び図２に示すロータリジョイントは、筒状のケース体１とこれに同心をなして相対回転自在に連結した回転軸体２とを具備し、両体１，２の対向周面間に、複数個のメカニカルシール３…を両体１，２の回転軸線方向（以下、単に「軸線方向」という）つまり上下方向に縦列させて配置して、隣接するメカニカルシール３，３でシールされた通路接続空間４を形成すると共に、当該通路接続空間４とメカニカルシール３で区画された空間であって一対のオイルシール５，５でシールされた冷却流体空間６を形成し、両体１，２に通路接続空間４を介して連通する流体通路７，８（図２参照）を形成してなる竪型のものであり、ＣＭＰ装置等の回転機器の相対回転部材間での流体流動を行わしめるものである。なお、以下の説明において、上下とは図１〜図４の上下をいう。

ケース体１は、図１及び図２に示す如く、中心線が上下方向に延びる円形内周部を有するもので、上下方向に複数個の環状部分に分割された筒状構造をなす。ケース体１は、回転機器の固定側部材（例えば、ＣＭＰ装置の装置本体）に取り付けられる。

回転軸体２は、図１及び図２に示す如く、軸線が上下方向に延びる円柱状の軸本体２１と、これに上下方向に所定間隔を隔てて縦列状に嵌合固定された複数個のスリーブ２２…と軸本体２１の上端部に嵌合固定された有底筒状のベアリング受体２３とで構成されており、ベアリング受体２３とケース体１の上端部との間及び軸本体２１の下端部に形成された大径のベアリング受部２１ａとケース体１の下端部との間に夫々装填した上下一対のベアリング９ａ，９ｂによりケース体１の内周部に同心状をなして相対回転自在に支持されている。回転軸体２は、軸本体２１の下端部において回転機器の回転側部材（例えば、ＣＭＰ装置のトップリング又はターンテーブル）に取り付けられる。

各メカニカルシール３は、図１に示す如く、回転軸体２に固定した回転密封環３１とこれに対向してケース体１に軸線方向に移動可能に保持された静止密封環３２とこれを回転密封環３１に押圧接触させるスプリング３３とを具備して、両密封環３１，３２の対向端面である密封端面３１ａ，３２ａの相対回転摺接作用によりその相対回転摺接部分の内周側領域である通路接続空間４とその外周側領域である冷却流体空間６とをシールするように構成された端面接触形のメカニカルシールである。この例では、図１及び図２に示す如く、４個のメカニカルシール３…を全密封環３１…，３２…が回転軸線方向に縦列し且つその密封環群３１…，３２…の両端部に回転密封環３１，３１が位置する状態で配置されている。すなわち、両回転密封環３１，３１間に静止密封環３２，３２が位置するダブルシール配置の一対のメカニカルシール３，３からなる２組のメカニカルシールユニットを軸線方向に縦列配置してある。

各回転密封環３１は、両体１，２の回転軸線（以下、単に「軸線」という）と同心をなす断面方形の円環状体であり、図３及び図４に示す如く、静止密封環３２が接触する端面を軸線に直交する平滑な円環状平面である密封端面３１ａに構成してある。この例では、１個のメカニカルシールの回転密封環３１とこれに隣接するメカニカルシールの回転密封環３１とを、図４に示す如く、両端面を密封端面３１ａ，３１ａとする１個の回転密封環３１で兼用している。すなわち、上下方向に縦列する回転密封環群３１…のうち両端部（上下端部）に位置する回転密封環（以下「端部回転密封環３１Ａ」という）を除いて、回転密封環３１の両端面を密封端面３１ａ，３１ａに構成してある。

各回転密封環３１，３１Ａは、図１及び図２に示す如く、隣接する回転密封環３１との相互間隔をスリーブ２２によって規制された状態で回転軸体２の軸本体２１に嵌合固定されている。すなわち、各回転密封環３１，３１Ａは、図１に示す如く、ベアリング受体２３をボルト２４により軸本体２１に締め付けることにより、スリーブ２２を介してベアリング受部２１ａとベアリング受体２３との間に挟圧固定されており、軸線方向に等間隔を隔てた縦列状態で回転軸体２に固定されている。なお、各スリーブ２２の両端内周部と軸本体２１との間には、図４に示す如く、軸本体２１と回転密封環３１，３１Ａとの嵌合部分をシールするＯリング２５が装填されている。

各静止密封環３２は、図４に示す如く、軸線と同心をなす断面略Ｌ字状の円環状体であり、先端突出部の端面を軸線に直交する平滑な円環状平面である密封端面３２ａに構成してある。静止密封環３２の密封端面３２ａは、径方向面幅（シール面幅）を回転密封環３１，３１Ａの密封端面３１ａの径方向面幅より小さくしたもので、当該密封端面３１ａの径方向中央部ないし略径方向中央部に接触している。すなわち、静止密封環３２の密封端面３２ａの内径は回転密封環３１，３１Ａの密封端面３１ａの内径より大きく且つその外径は回転密封環３１，３１Ａの密封端面３１ａの外径より小さく設定されている。各静止密封環３２は、図１及び図４に示す如く、ケース体１の内周部に突出する環状壁１１にＯリング３２ｂを介して軸線方向に移動可能に内嵌保持されており、さらに図１に示す如く、その外周部に形成した係合凹部に環状壁１１から軸線方向に突出するドライブピン３２ｃを係合させることにより、軸線方向への相対移動を所定範囲で許容された状態でケース体１に相対回転不能に保持されている。なお、この例では、図１に示す如く、全ドライブピン３２ｃが環状壁１１，１１に軸線方向に貫通支持されたドライブバーで兼用されている。

スプリング３３は、図１に示す如く、各メカニカルシールユニットにおいて、環状壁１１を軸線方向に貫通する連通孔１１ａに装填されていて、両静止密封環３２，３２を各回転密封環３１，３１Ａへと押圧附勢する共通部材とされている。

両体１，２には、図２に示す如く、各通路接続空間４に連通する流体通路７，８が形成されており、この例では、両体１，２間に両流体通路７，８と通路接続空間４とにより両体１，２間で流体Ｆを矢印方向（実線又は破線で示す矢印方向）に各別に流動させる２個の流路Ｒ，Ｒが形成されている。ケース体１の各流体通路７はケース体１を径方向に貫通して形成されており、その一端部が環状壁１１の内周面において通路接続空間４に開口すると共にその他端部が回転機器の固定側部材に形成された流体通路に接続される。回転軸体２に形成された各流体通路８は、軸本体２１とスリーブ２２との対向周面間に形成された環状のヘッダ空間８ａと、スリーブ２２を径方向に貫通してヘッダ空間８ａと通路接続空間４とを連通する複数個の連通孔８ｂ…と、軸本体２１をその下端部から軸線方向に貫通してヘッダ空間８ａに開口する流体通路本体８ｃとで構成されており、流体通路本体８ｃの下端部が回転機器の回転側部材に形成された流体通路に接続される。なお、各密封環３１，３１Ａ，３２の構成材は流路Ｒを流動する流体Ｆの性状等のロータリジョイント使用条件に応じて選択され、一般に炭化ケイ素等のセラミックスや超硬合金(タングステンカーバイド)等で構成される。

両オイルシール５，５は、図１及び図２に示す如く、両ベアリング９ａ，９ｂ間に配置されており、軸線方向に並列する密封環群３１…，３２…の両端部（上下端部）に位置する端部回転密封環３１Ａ，３１Ａとケース体１の内周部に固定されて端部回転密封環３１Ａ，３１Ａの外周面に圧接するゴム等の弾性材製の環状シール部材５１とからなる。環状シール部材５１は周知のものであり、図３に示す如く、金属材（ＳＵＳ３０４等）製の補強金具５１ａが埋設されてケース体１の内周部に内嵌固定された本体部と、端部回転密封環３１Ａの外周面にガータスプリング５１ｂで緊縛、圧接されてシール機能（オイルシール機能）を発揮するリップシール部とからなる。

両体１，２の対向周面間には、各メカニカルシール３における両密封端面３１ａ，３２ａの相対回転摺接部分の外周側領域及び当該外周側領域間を仕切る環状壁１１に形成された連通孔１１ａで構成される空間であって両オイルシール５，５でシールされた冷却流体空間６が形成されており、冷却流体空間６には適宜の冷却流体Ｃが循環供給されるようになっている。この例では、冷却流体Ｃとして常温水等の液体が使用されている。すなわち、ケース体１には、図１に示す如く、冷却流体空間６の上下端部に開口して冷却流体Ｃを給排する冷却流体供給通路６ａ及び冷却流体排出通路６ｂが形成されていて、冷却流体Ｃを冷却流体空間６に循環供給するようになっている。なお、ケース体１には、図１に示す如く、オイルシール５，５とベアリング９ａ，９ｂとの間において両体１，２の対向周面間に開口するドレン１３ａ，１３ｂが形成されている。

而して、各オイルシール５を構成する端部回転密封環３１Ａの外周面及びその両端面の一方であって密封端面３１ａと反対側の端面（以下「非密封端面」という）３１ｂには、本発明に従って、図１〜図３に示す如く、端部回転密封環３１Ａの構成材に比して熱伝導係数及び硬度が大きく且つ摩擦係数が小さな材料からなるコーティング層１０ａ，１０ｂが一連に形成されている。すなわち、コーティング層は、各端部回転密封環３１Ａの外周面を全面的に被覆する外周面コーティング層１０ａとこれに連なって当該端部回転密封環３１Ａの非密封端面３１ｂを全面的に被覆する非密封端面コーティング層１０ｂとからなる。なお、以下の説明において、密封環とこれに被覆形成されたコーティング層とを区別する必要があるときは、前者を密封環母材という。

この例では、コーティング層１０ａ，１０ｂの構成材として、端部回転密封環３１Ａの構成材（密封環母材の構成材）がセラミックス、超硬合金等の如何なる密封環構成材であっても、これより熱伝導係数及び硬度が大きく且つ摩擦係数が小さなダイヤモンドが使用されている。なお、ダイヤモンドコーティング層１０ａ，１０ｂの形成は、熱フィラメント化学蒸着法、マイクロ波プラズマ化学蒸着法、高周波プラズマ法、直流放電プラズマ法、アーク放電プラズマジェット法、燃焼炎法等のコーティング方法によって行われる。

以上のように構成されたロータリジョイントにあっては、各オイルシール５において環状シール部材５１が相対回転摺接する端部回転密封環３１Ａの外周面にその構成材（密封環母材の構成材）より硬度が大きく且つ摩擦係数が小さい材料の外周面コーティング層１０ａを形成してあることから、従来ロータリジョイントのように環状シール部材と端部回転密封環の外周面（密封環母材の外周面）とが直接に相対回転摺接する場合に比して、両者３１Ａ，５１の相対回転摺接部分で発生する摩耗量や発熱量が少なくなる。特に、外周面コーティング層１０ａが上記した如くダイヤモンドで構成される場合には、ダイヤモンドが自然界に存在する固体物質で最も硬質のものであり、摩擦係数が炭化ケイ素等のあらゆる密封環構成材に比して極めて低い（一般に、ダイヤモンドの摩擦係数は０．０３（μ）であり、あらゆる密封環構成材に比して遥かに低摩擦係数のＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）よりも更に１０％以上低い）ものであることから、環状シール部材５１と外周面コーティング層１０ａとの相対回転摺接によって生じる摩耗や発熱は極めて少ない。

ところで、冷却流体空間６に供給された冷却流体Ｃによって環状シール部材５１と外周面コーティング層１０ａとの相対摺接部分が潤滑、冷却されるため、当該相対摺接部分における摩耗、発熱の更なる減少が期待されるが、かかる摩耗、発熱の減少に対する冷却流体Ｃの潤滑、冷却による寄与率は外周面コーティング層１０ａによる寄与率（コーティング層１０ａを形成することよって摩擦力が低減され且つ耐摩耗性が向上することによる寄与率）に比して極めて小さい。したがって、仮に冷却流体空間６に冷却流体Ｃが供給されていない場合（例えば、冷却流体空間６の冷却流体Ｃが大気又は窒素ガス等の気体である場合）にも、つまり環状シール部材５１と外周面コーティング層１０ａとの相対回転摺接部分がドライ雰囲気にある場合にも、当該相対回転摺接部分における摩耗、発熱は冷却流体空間６に冷却流体Ｃが供給されている場合と同様に十分に減少される。このため、冷却流体空間６に冷却流体Ｃを供給する場合にあって、上位のオイルシール５における当該相対回転摺接部分が冒頭で述べた如くエア溜まりの発生によりドライ雰囲気となるときにも、当該オイルシール５によるオイルシール機能が、常に冷却流体Ｃと接触する下位のオイルシール５によるオイルシール機能と同等に発揮され、両オイルシール５，５の耐久性やオイルシール機能に殆ど差はない。すなわち、エア溜まりの発生により上位のオイルシール５の耐久性やオイルシール機能が下位のオイルシール５に比して著しく低下するようなことがなく、両オイルシール５，５が長期に亘って良好なオイルシール機能を発揮する。

また、コーティング層１０ａ，１０ｂは端部回転密封環３１Ａの構成材料より熱伝導率の高い材料で構成されており、端部回転密封環３１Ａの非密封端面３１ｂには外周面コーティング層１０ａに連なる非密封端面コーティング層１０ｂが被覆形成されていることから、各環状シール部材５１と端部回転密封環３１Ａの外周面に形成した外周面コーティング層１０ａとの相対回転摺接によって発生する熱は、外周面コーティング層１０ａから端部回転密封環３１Ａの密封環母材へと伝わるよりも早く非密封端面コーティング層１０ｂへと伝わって、当該密封環母材の非密封端面３１ｂを加熱することになる。このため、静止密封環３２との相対回転摺接によって発熱する端部回転密封環３１Ａの密封端面３１ａとその反対側の端面（非密封端面）３１ｂとの温度差が小さくなり、端部回転密封環３１Ａの両端面（密封環母材の両端面）３１ａ，３１ｂに大きな温度差が生じることがない。その結果、端部回転密封環３１Ａの密封端面３１ａにメカニカルシール機能に悪影響を及ぼすような大きな熱歪が生じる虞れがない。特に、コーティング層１０ａ，１０ｂが上記の如くダイヤモンドで構成される場合には、ダイヤモンドが全ての固体物質で最も熱伝導率が高く、端部回転密封環３１Ａの構成材であるセラミックスや超硬合金等のあらゆる密封環構成材に比して熱伝導率が極めて高いものである（例えば、炭化ケイ素の熱伝導率が７０〜１２０Ｗ／ｍＫであるのに対し、ダイヤモンドの熱伝導率は１０００〜２０００Ｗ／ｍＫである）から、上記した効果はより顕著に発揮されることになる。

以上のように、本発明に係るロータリジョイントによれば、従来ロータリジョイントに比して、オイルシール５，５の耐久性が向上すると共に、環状シール部材５１と端部回転密封環３１Ａとの相対回転摺接による発熱が端部回転密封環３１Ａの密封端面３１ａにおける熱歪発生を誘発、助長するようなことがなく、オイルシール５によるシール面を端部回転密封環３１Ａの外周面で構成していることによるメカニカルシール機能への悪影響を排除することができる。

なお、本発明の構成は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の基本原理を逸脱しない範囲で適宜に改良、変更することができる。

例えば、本発明は、上記した如く両体１，２の回転軸線が上下方向に延びる竪型のロータリジョイントに限定されず、当該回転軸線が水平方向に延びる横型のロータリジョイントにも好適に適用することができる。また、上記した如く２個の流路Ｒ，Ｒを有するロータリジョイントに限定されず、メカニカルシール３の数を増減させた１個の流路Ｒを有するロータリジョイント又は３個以上の流路Ｒを有するロータリジョイントにも好適に適用することができる。さらに、本発明のロータリジョイントにあっては、メカニカルシール群３…のうち回転密封環３１，３１を兼用するメカニカルシール数は任意に設定することができ、特開２００２−５３８０公報に開示される如く、すべてのメカニカルシール３の回転密封環３１を兼用しない独立のものに構成しておいてもよい。

さらに、コーティング層は、外周面コーティング層１０ａ及び非密封端面コーティング層１０ｂに加えて、図５又は図６に示す如く、各端部回転密封環３１Ａの内周面又は密封端面３１ａにも形成しておくことができる。

すなわち、図５に示すものでは、各端部回転密封環３１Ａの内周面に非密封端面コーティング層１０ｂに連なる内周面コーティング層１０ｃを形成してある。この場合、環状シール部材５１との相対回転摺接により発熱する外周面コーティング層１０ａから非密封端面コーティング層１０ｂを経て内周面コーティング層１０ｃに伝熱され、端部回転密封環３１の密封端面３１ａを除く表面（密封環母材の内外周面及び非密封端面）が同一温度ないし略同一温度に加熱される。したがって、静止密封環３２との相対回転摺接により発熱する端部回転密封環３１Ａの密封端面３１ａとこれを除く密封環母材の表面部分との温度差が小さくなり、つまり密封環母材の表面が略均一温度となり、当該密封端面３１ａにおける熱歪の発生が可及的に防止される。

また、図６に示すものでは、各端部回転密封環３１Ａの密封端面３１ａに外周面コーティング層１０ａに連なる密封端面コーティング層１０ｄを形成してある。この場合、両密封端面３１ａ，３２ａの相対回転摺接による摩耗、発熱が可及的に抑制される。しかも、一連のコーティング層１０ａ，１０ｂ，１０ｄにより密封環母材の外周面及び両端面３１ａ，３１ｂが均一温度となり、密封端面３１ａにおける熱歪の発生が更に効果的に抑制される。

図５及び図６に示すものにおける上記した効果は、コーティング層１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄをダイヤモンドで構成しておくことにより、より顕著に発揮される。

また、端部回転密封環３１Ａ以外の各回転密封環３１についても、密封環母材より熱伝導係数及び硬度が大きく且つ摩擦係数が小さな材料（ダイヤモンドが最適する）からなるコーティング層を被覆形成しておくことができる。例えば、図７に示す如く、各回転密封環３１，３１Ａの密封端面３１ａにコーティング層１０ｄ，１０ｅを形成しておくと、静止密封環３２の密封端面３２ａとの相対回転摺接による摩耗、発熱を効果的に抑制することができる。しかも、回転密封環３１，３１Ａの密封端面３１ａの径方向面幅に比して静止密封環３２の密封端面３２ａの径方向面幅が小さいことから、静止密封環３２の密封端面３２ａに発生する熱が相手密封端面３１ａのコーティング層１０ｄ，１０ｅに移行、吸収されて、当該密封端面３２ａの温度が低下する。一方、相手密封端面３１ａに形成されたコーティング層１０ｄ，１０ｅにおいては、静止密封環３２の密封端面３２ａとの接触部分から内外周側に食み出した部分が流路Ｒを通過する流体Ｆ及び冷却流体Ｃと接触していることから、当該密封端面３２ａとの相対回転摺接により発生した熱は当該食み出した部分から流体Ｆ及び冷却流体Ｃへと放熱され、冷却される。したがって、回転密封環３１，３１Ａ及び静止密封環３２の何れについても密封端面３１ａ，３２ａの温度が低下して、熱歪の発生が効果的に抑制される。特に、図７に示す如く、両端面を密封端面３１ａ，３１ａとする回転密封環３１においては、密封環母材の両端面３１ａ，３１ａが静止密封環３２，３２との相対回転摺接によって発熱するため、これらの熱が密封環母材の熱歪を誘発する虞れが高いが、当該熱が密封環母材に伝熱される前にコーティング層１０ｅ，１０ｅから放熱されることから、密封環母材における熱歪の発生が可及的に抑制され、良好なメカニカルシール機能を発揮することができる。

ところで、両端面を密封端面３１ａ，３１ａとする回転密封環３１においては、一方の密封端面３１ａと他方の密封端面３１ａとで静止密封環３２との相対回転摺接による発熱量が異なり、当該回転密封環３１の両端面３１ａ，３１ａに大きな温度差が生じることがあるが、かかる場合、密封環母材に熱歪が生じて両密封端面３１ａ，３１ａにメカニカルシール機能に悪影響を及ぼすような熱歪が生じる虞れがある。このような場合には、図８に示す如く、当該回転密封環３１の内外面の一方に両端面３１ａ，３１ａのコーティング層１０ｅ，１０ｅに連なるコーティング層１０ｆを形成しておくことが好ましい。このようにすれば、両端面３１ａ，３１ａのコーティング層１０ｅ，１０ｅがコーティング層１０ｆを介して均一温度となり、つまり密封環母材の両端面３１ａ，３１ａが同一温度となり上記した問題が可及的に防止される。特に、図８に示す如く、冷却流体Ｃに接触する回転密封環３１の外周面にコーティング層１０ｆを形成した場合には、コーティング層１０ｅ，１０ｆと冷却流体Ｃとの接触面積が増大して放熱、冷却作用が促進され、密封端面３１ａ，３１ａの熱歪が更に効果的に抑制される。

また、各静止密封環３２の密封端面３２ａに上記したコーティング層と同様のコーティング層を形成しておくことができ、さらに図９に示す如く、各静止密封環３２の表面において冷却流体Ｃと接触する部分に、密封端面３２ａを含めて、当該静止密封環３２の構成材より熱伝導係数及び硬度が大きく且つ摩擦係数が小さな材料（ダイヤモンドが最適する）からなるコーティング層１０ｇを形成しておいてもよい。このようにすれば、回転密封環３１，３１Ａとの相対回転摺接による摩耗、発熱を効果的に抑制できると共に、冷却流体Ｃによる静止密封環３２の冷却、放熱が促進され、メカニカルシール機能が長期に亘って良好に発揮される。

また、各静止密封環３２にコーティング層を被覆形成しておく場合にあって、流路Ｒを通過する流体Ｆが冷却流体空間６の冷却流体Ｃより冷却機能が優れるとき（例えば、流体Ｆが冷却流体Ｃより低温の液体であるとき等）ときには、図１０に示す如く、各静止密封環３２の表面において当該流体Ｆと接触する部分に、密封端面３２ａを含めて、上記コーティング層１０ｇと同一材料からなるコーティング層１０ｈを形成しておくことが好ましい。また、静止密封環３２に接触する２種の流体が異相流体である場合（流路Ｒの流体Ｆ及び冷却流体Ｃの一方が液体であり、他方が気体である場合）においては、両流体Ｃ，Ｆの温度が同一又は略同一である場合を含めて冷却機能は液体が気体より優れているため、図９又は図１０に示す如く、液体である流体と接触する静止密封環３２の表面部分に上記コーティング層１０ｇ又は１０ｈを被覆形成しておくことが好ましい。なお、何れの場合においても、図７、図８又は図１０に示す如く、各回転密封環３１，３１Ａの密封端面３１ａに前記コーティング層１０ｄ，１０ｅを構成しておくことによって、メカニカルシール機能が更に向上する。

ところで、ＣＭＰ装置等の半導体分野で使用される回転機器にあっては、超純水若しくは純水又は金属イオンの溶出を嫌う流体が使用され、これらの流体をロータリジョイントによりコンタミネーションを生じることなく流動させる必要があるため、ロータリジョイントの流路を流動する流体と接触するメカニカルシール構成部材をパーティクルや金属イオンが発生し難い炭化ケイ素やプラスチックで構成しておくことが提案されている。例えば、特開２００３−２００３４４公報に開示される如く、各密封環を炭化ケイ素で構成すると共に密封環以外のロータリジョイント構成部材であって流路を流動する流体と接触する部材をエンジニアリング・プラスチック等のプラスチックで構成しておくのである。しかし、このようなロータリジョイントでは、密封環を金属イオンを溶出する虞れのある超硬合金等で構成しておくことができず、密封環の構成材選択範囲が大幅に制限されることになる。また、密封環が炭化ケイ素で構成されている場合にあって、ロータリジョイントの流路を流動する流体が超純水や純水であるときには、これとの接触により当該密封環にエロージョン・コロージョンが発生する虞れがある。このような場合には、図１０に示す如く、流路Ｒを流動する流体Ｆと接触する各密封環３１，３１Ａ，３２の表面部分に密封端面３１ａ，３２ａを含めて電気絶縁性を有し且つ化学的、物理的に安定なダイヤモンドによる前記コーティング層１０ｄ，１０ｅ，１０ｈを一連に形成しておけばよい。なお、図１０に示す例では、各回転密封環３１,３１Ａにおける流体Ｆと接触する表面部分は端面（密封端面）３１ａのみである。このようにしておけば、密封環３１，３１Ａ，３２を金属イオンが溶出する虞れのある超硬合金等や超純水、純水との接触によりエロージョン・コロージョンを発生する虞れのある炭化ケイ素等で構成することができ、密封環３１，３１Ａ，３２の構成材選択範囲が制限されることがない。この場合、当該密封環３１，３１Ａ，３２以外のロータリジョイント部材であって流路Ｒを構成する部材における当該流体Ｆと接触する面又は部分はプラスチック（例えば、フッ素樹脂やポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）等のエンジニアリング・プラスチック）でコーティング又は構成しておく。このように構成しておけば、流路Ｒを流動する流体Ｆが超純水若しくは純水である場合又は金属イオンの溶出を嫌う流体である場合にも、上記した問題は生じない。

１ ケース体
２ 回転軸体
３ メカニカルシール
４ 通路接続空間
５ オイルシール
６ 冷却流体空間
６ａ 冷却流体供給通路
６ｂ 冷却流体排出通路
７ 流体通路
８ 流体通路
８ａ ヘッダ空間
８ｂ 連通孔
８ｃ 流体通路本体
９ａ ベアリング
９ｂ ベアリング
１０ａ コーティング層
１０ｂ コーティング層
１０ｃ コーティング層
１０ｄ コーティング層
１０ｅ コーティング層
１０ｆ コーティング層
１０ｇ コーティング層
１０ｈ コーティング層
１１ 環状壁
１１ａ 連通孔
１３ａ ドレン
１３ｂ ドレン
２１ 軸本体
２１ａ ベアリング受部
２２ スリーブ
２３ ベアリング受体
２４ ボルト
２５ Ｏリング
３１ 回転密封環
３１Ａ 端部回転密封環（密封環群の端部に位置する回転密封環）
３１ａ 回転密封環の密封端面
３１ｂ 非密封端面（回転密封環の密封端面と反対側の端面）
３２ 静止密封環
３２ａ 静止密封環の密封端面
３２ｂ Ｏリング
３２ｃ ドライブピン
３３ スプリング
５１ 環状シール部材
５１ａ 補強金具
５１ｂ ガータスプリング
Ｃ 冷却流体
Ｆ 流体
Ｒ 流路

Claims (11)

1. 筒状のケース体とこれに同心をなして相対回転自在に連結した回転軸体との対向周面間に、ケース体に設けた静止密封環と回転軸体に設けた回転密封環との対向端面である密封端面の相対回転摺接作用によりシールするように構成された複数個のメカニカルシールを両体の回転軸線方向に密封環が縦列し且つその密封環群の両端部に回転密封環が位置するように配設して、隣接するメカニカルシールでシールされた通路接続空間を形成すると共に、当該通路接続空間と当該メカニカルシールで区画された空間であって一対のオイルシールによりシールされた冷却流体空間を形成し、両体に当該通路接続空間を介して連通する流体通路を形成し、各オイルシールが、前記密封環群の端部に位置する回転密封環とケース体に固定されて当該回転密封環の外周面に圧接する弾性材製の環状シール部材とで構成されているロータリジョイントにおいて、
   各オイルシールを構成する回転密封環の外周面及びその両端面の一方であって密封端面と反対側の端面に、当該回転密封環の構成材に比して熱伝導係数及び硬度が大きい材料からなるコーティング層を一連に形成してあることを特徴とするロータリジョイント。
2. ケース体に、冷却流体空間に冷却流体を循環供給させる冷却流体給排通路が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載するロータリジョイント。
3. 前記両体の回転軸線が上下方向に延びていることを特徴とする、請求項２に記載するロータリジョイント。
4. 各オイルシールを構成する回転密封環の密封端面に前記コーティング層が一連に形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載するロータリジョイント。
5. 各オイルシールを構成する回転密封環の内周面に前記コーティング層が一連に形成され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ロータリジョイント。
6. ４個以上のメカニカルシールが設けられている場合において、少なくとも１つのメカニカルシールの回転密封環とこれに隣接するメカニカルシールの回転密封環とが両端面を密封端面とする１個の回転密封環で兼用されていることを特徴とする、請求項１〜５の何れかに記載するロータリジョイント。
7. 前記兼用されている回転密封環の両端面に当該回転密封環の構成材に比して熱伝導係数及び硬度が大きい材料からなるコーティング層が形成されていることを特徴とする、請求項６に記載するロータリジョイント。
8. 前記兼用されている回転密封環の内外周面の一方に前記コーティング層が一連に形成されていることを特徴とする、請求項７に記載するロータリジョイント。
9. 各回転密封環の密封端面及び各静止密封環の密封端面の少なくとも一方に当該各密封環の構成材に比して熱伝導係数及び硬度が大きい材料からなるコーティング層が形成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ロータリジョイント。
10. 前記両体の流体通路を前記通路接続空間により接続してなる一連の流路を流動する流体が超純水若しくは純水である場合又は金属イオンの溶出を嫌う流体である場合において、各密封環における当該流体と接触する面に当該密封環の密封端面を含めて前記コーティング層が一連に形成されており、且つ当該密封環以外の部材であって当該流路を構成する部材における当該流体と接触する面又は部分がプラスチックで構成されていることを特徴とする、請求項１〜９に記載するロータリジョイント。
11. 前記コーティング層がダイヤモンドで構成されていることを特徴とする、請求項１〜１０の何れかに記載するロータリジョイント。
    

Images