JP5051860B2 - メカニカルシール装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転密封環の振動を抑制すると共にシール面同士の接触を防止することにより、密封環のシール面同士の摩耗を防止して被密封流体への摩耗粉の混入を防止したメカニカルシール装置に関する。

本発明の技術は、半導体製造設備等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等では、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回転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、密封環のシール面の摩耗を防止するものとして非接触メカニカルシール装置が使用されている。

このような非接触メカニカルシール装置として、半導体製造設備等の回転軸に連結されて回転シール面を有する回転密封環と、当該回転密封環の回転シール面に対向する静止シール面を有する静止密封環と、を備え、圧力流体を供給する流体供給通路と連通可能な溝（ポケット）を静止シール面に形成したものが従来から知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。

また、静止シール面に円弧状の溝を形成すると共に、回転密封環の回転シール面に円弧状溝を形成したものも従来から知られている（例えば、特許文献３参照）。

以上のようなメカニカルシール装置では、静止シール面に溝を形成することにより、回転密封環に対して静止密封環を相対的に浮上させる浮上力を大きくし、摩耗防止を図っている。そして、このようなメカニカルシール装置では、静止シール面に形成された溝の容積を大きくすることにより、より大きな浮上力を確保することが可能となっている。

しかしながら、静止シール面に形成された溝の容積が大きくなるに従って、回転密封環の挙動に振動が発生する。この振動は、回転シール面と静止シール面との間に供給される圧力流体の圧縮性に起因するニューマティックハンマ（Pneumatic Hammer）と呼ばれる現象である。これに対し、ニューマティックハンマ現象を抑制するために、静止シール面に形成された溝の容積を小さくすると、十分な浮上力を確保することが出来ないため、回転シール面と静止シール面とが接触してしまう。

また、上記の特許文献３に記載されたメカニカルシール装置では、静止シール面に形成された溝と回転シール面に形成された溝とが略同一の大きさとなっている。このため、これらの容積比が殆どないので、回転シール面に形成された溝の効果を十分に得ることが出来ず、この場合にも、ニューマティックハンマ現象により回転密封環の挙動に振動が発生する。

国際公開ＷＯ００／０７５５４０号明細書 特開平３−２７７８７４号公報 米国特許第３９１７２８９号明細書

本発明は、回転密封環の振動を抑制すると共にシール面同士の接触を防止して被密封流体への摩耗粉の混入を防止することが可能なメカニカルシール装置を提供することを目的とする。

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に係る本発明のメカニカルシール装置は、回転軸とハウジングとの嵌合間に回転密封環と静止密封環とが対向して配置されたメカニカルシール装置であって、前記回転軸に連結されて回転シール面を有し、前記回転軸の軸心を中心として円環状に配置されると共に仕切壁により仕切られて形成された複数の円弧状溝が前記回転シール面に設けられた前記回転密封環と、前記回転密封環の回転シール面に対向する静止シール面を有する前記静止密封環と、前記静止密封環を前記回転密封環に向けて押圧する付勢手段と、前記静止密封環の前記静止シール面に形成されて、圧力ガスを供給する流体供給通路と連通可能な吐出開口部と、を具備し、前記吐出開口部の周方向長さ（Ｗ_３）が、前記仕切壁の周方向長さ（Ｗ_１）に対して１／２以上（Ｗ_３≧Ｗ_１／２）に形成され、前記吐出開口部の周方向長さ（Ｗ_３）が、前記円弧状溝の周方向長さ（Ｗ_２）より小さく（Ｗ_３＜Ｗ_２）形成されているものである。

本発明では、回転密封環の回転シール面に円弧状溝を周方向に沿って形成する。また、吐出開口部の周方向長さ（Ｗ_３）が円弧状溝の周方向長さ（Ｗ_２）より小さく（Ｗ_３＜Ｗ_２）形成する。これにより、圧力流体の圧縮性に起因したニューマティックハンマ現象が抑制されるので、回転密封環の振動が発生し難くなる。

また、本発明では、回転シール面に２以上の円弧状溝を形成し、隣接する円弧状溝同士の間を仕切壁により仕切る。これにより、一方のシール面が他方のシール面に対して傾斜した場合であっても、当該シール面同士の間隔が狭まった側に位置する円弧状溝における圧力が高くなり、この圧力が傾斜を復元させる復元力として作用するので、シール面同士の接触が防止される。

さらに、本発明では、吐出開口部の周方向長さ（Ｗ_３）を、仕切壁の周方向長さ（Ｗ_１）の１／２以上（Ｗ_３≧Ｗ_１／２）とする。これにより、十分な浮上力を常時確保することが出来、シール面同士の非接触状態を良好に維持することが可能となる。

請求項２に係る本発明のメカニカルシール装置は、前記吐出開口部が、円形状又は円弧状に開口するように形成されているものである。吐出開口部の具体的な開口形状として、例えば、円形形状や円弧形状を挙げることが出来る。

請求項３に係る本発明のメカニカルシール装置は、前記回転密封環の前記回転シール面又は前記静止密封環の前記静止シール面の少なくともいずれか一方に、前記回転軸の回転により動圧を発生する動圧発生溝が形成されているものである。

請求項４に係る本発明のメカニカルシール装置は、前記仕切壁が、前記回転シール面より相対的に低く、且つ、前記円弧状溝の底面より相対的に高く形成されているものである。これにより、回転密封環の振動とシール面同士の接触とを効果的に抑制することが可能となる。

以上説明してきたように、本発明によれば、圧力流体の圧縮性に起因するニューマティックハンマ現象が抑制されながらも、回転シール面と静止シール面との間に接触が適切に防止される。従って、回転密封環の振動を抑制すると共にシール面同士の接触を防止して被密封流体への摩耗粉の混入を防止することが可能なメカニカルシール装置を提供することが出来る。

図１は、本発明の実施形態に係るメカニカルシール装置の断面図である。 図２は、本発明の第１実施形態に係るメカニカルシール装置の回転密封環を示す正面図である。 図３は、図２のIII-III線に沿った断面斜視図である。 図４（Ａ）は、図３のIVA-IVA線に沿った断面図であり、図４（Ｂ）は、回転密封環が一方向に回転した際に生じる動圧を示すグラフであり、図４（Ｃ）は、回転密封環が他方向に回転した際に生じる動圧を示すグラフである。 図５は、図３のV-V線に沿った断面図である。 図６は、本発明の第１実施形態に係るメカニカルシール装置の静止密封環を示す正面図である。 図７は、図６のVII-VII線に沿った断面斜視図である。 図８（Ａ）は、本発明の第２実施形態に係るメカニカルシール装置の回転密封環を示す正面図であり、図８（Ｂ）は、本発明の第２実施形態に係るメカニカルシール装置の静止密封環を示す正面図である。 図９（Ａ）は、本発明の第３実施形態に係るメカニカルシール装置の回転密封環を示す正面図であり、図９（Ｂ）は、本発明の第３実施形態に係るメカニカルシール装置の静止密封環を示す正面図である。 図１０（Ａ）は、本発明の第４実施形態に係るメカニカルシール装置の回転密封環を示す正面図であり、図１０（Ｂ）は、本発明の第４実施形態に係るメカニカルシール装置の静止密封環を示す正面図である。 図１１（Ａ）は、本発明の第５実施形態に係るメカニカルシール装置の回転密封環を示す正面図であり、図１１（Ｂ）は、本発明の第５実施形態に係るメカニカルシール装置の静止密封環を示す正面図である。 図１２（Ａ）は、本発明の第６実施形態に係るメカニカルシール装置の回転密封環を示す正面図であり、図１２（Ｂ）は、本発明の第６実施形態に係るメカニカルシール装置の静止密封環を示す正面図である。 図１３（Ａ）は、本発明の第７実施形態に係るメカニカルシール装置の回転密封環を示す部分斜視図であり、図１３（Ｂ）は、本発明の第７実施形態に係るメカニカルシール装置の静止密封環を示す正面図である。 図１４（Ａ）は、図１３（Ａ）のXIVA-XIVA線に沿った断面斜視図であり、図１４（Ｂ）は、図１３（Ｂ）のXIVB-XIVB線に沿った断面斜視図である。 図１５は、図１４（Ａ）のXV-XV線に沿った断面斜視図である。 図１６（Ａ）は、本発明の第８実施形態に係るメカニカルシール装置の回転密封環を示す正面図であり、図１６（Ｂ）は、本発明の第８実施形態に係るメカニカルシール装置の静止密封環を示す正面図である。 図１７（Ａ）は、図１６（Ａ）のXVIIA-XVIIA線に沿った断面斜視図であり、図１７（Ｂ）は、図１６（Ｂ）のXVIIB-XVIIB線に沿った断面斜視図である。 図１８は、本発明の第８実施形態に係るメカニカルシール装置の回転密封環と静止密封環との位置関係を説明するための図である。 図１９は、実施例１におけるメカニカルシール装置の振動評価の結果を示すグラフである。 図２０は、実施例２におけるメカニカルシール装置の振動評価の結果を示すグラフである。 図２１は、実施例３におけるメカニカルシール装置の振動評価の結果を示すグラフである。 図２２は、比較例におけるメカニカルシール装置の振動評価の結果を示すグラフである。

以下、本発
明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の実施形態に係るメカニカルシール装置の断面図、図２は本発明の第１実施形態に係るメカニカルシール装置の回転密封環を示す正面図、図３は図２のIII-III線に沿った断面斜視図、図４（Ａ）は図３のIVA-IVA線に沿った断面図、図４（Ｂ）は回転密封環が一方向に回転した際に生じる動圧を示すグラフ、図４（Ｃ）は回転密封環が他方向に回転した際に生じる動圧を示すグラフ、図５は図３のV-V線に沿った断面図、図６は本発明の第１実施形態に係るメカニカルシール装置の静止密封環を示す正面図、図７は図６のVII-VII線に沿った断面斜視図である。

本発明の実施形態に係るメカニカルシール装置１は、図１に示すように、回転軸１００とハウジング１４０との間をシールすることが可能な非接触メカニカルシール装置である。

このメカニカルシール装置１は、図１に示すように、回転軸１００に連結された回転部材１１０に装着され、回転軸１００と共に回転可能な回転密封環１０と、この回転密封環１０に対して軸方向に沿って対向するように配置された静止密封環２０と、回転密封環１０に向かって静止密封環２０を付勢するスプリング３１を介して静止密封環２０を保持すると共にハウジング１４０に装着された保持部材３０と、を備えている。

第１実施形態に係るメカニカルシール装置１の回転密封環１０は、図１及び図２に示すように、方形形状の断面を持つリング部材であり、回転部材１１０に装着されている。このため、この回転密封環１０は、回転軸１００と共に正回転方向（図中のＲ_１方向）及び逆回転方向（図中にてＲ_２方向）に回転可能となっている。この回転密封環１０を構成する材料としては、例えば、炭化珪素材、特殊鋼、カーボン材、セラミック材、及び、超硬合金材等を挙げることが出来る。

この回転密封環１０の回転シール面１１には、図２及び図３に示すように、６個の円弧状溝１２が周方向に沿って実質的に等間隔に形成されている。この６個の円弧状溝１２は、回転シール面１１において回転軸心を中心とする円を形成するように配置されており、シール面１１、２１同士が対向した際に、後述する静止シール面２１に形成された吐出開口部２３に対向可能なような位置に配置されている。

各円弧状溝１２は、吐出開口部２３の周方向長さ（Ｗ_３）が当該円弧状溝１２の周方向長さ（Ｗ_２）より小さく（Ｗ_３＜Ｗ_２）なるように形成されている。また、各円弧状溝１２の径方向に沿った幅は、静止密封環２０に形成された吐出開口部２３の半径以上であり、且つ、静止密封環２０のシール面２１の径方向に沿った幅より小さくなっている。さらに、各円弧状溝１２の深さは、最深部で約３ｍｍ以下であり、好ましくは約２ｍｍ以下、より好ましくは０．５ｍｍ以下である。なお、この円弧状溝１２が深くなるに従って、回転密封環１０の振動が大きくなる。

隣接する円弧状溝１２同士の間には、当該円弧状溝１２同士を仕切っている仕切壁１３がそれぞれ形成されている。これにより、回転シール面１１が静止シール面２１に対して傾斜した場合であっても、傾斜により円弧状溝１２同士に生じた圧力差を、傾斜を復元させる復元力として利用することが出来るので、シール面１１、２１同士の接触を防止することが可能となっている。

この仕切壁１３は、吐出開口部２３の周方向長さ（Ｗ_３）が当該仕切壁１３の周方向長さ（Ｗ_１）に対して１／２以上（Ｗ_３≧Ｗ_１／２）となるように形成されている。これに対し、吐出開口部２３の周方向長さＷ_３を、仕切壁１３の周方向長さＷ_１に対して１／２未満（Ｗ_３＜Ｗ_１／２）とすると、十分な浮上力を確保することが出来ない。

さらに、この回転密封環１０の回転シール面１１には、図２に示すように、複数の第１及び第２動圧発生溝１４ａ、１４ｂが形成されている。

第１動圧発生溝１４ａは、図３に示すように略Ｌ字形状を有していると共に、図４（Ａ）に示すようにＲ_１方向に向かうに従い上昇するように傾斜した底面を有している。なお、図４（Ａ）は、図３のIVA-IVA線に沿った断面図であり、外周側に位置する一対の第１及び第２動圧発生溝１４ａ、１４ｂを、回転軸心に沿って且つ回転シール面１１の周方向に沿って切断した断面図である。この第１動圧発生溝１４ａは、図４（Ｂ）に示すように回転軸１００によるＲ_１方向の回転により動圧を発生させることが可能となっている。

これに対し、第２動圧発生溝１４ｂは、図３に示すように第１動圧発生溝１４ａと周方向に沿って線対称な形状を有していると共に、図４（Ａ）に示すようにＲ_２方向に向かうに従い上昇するように傾斜した底面を有している。この第２動圧発生溝１４ｂは、図４（Ｃ）に示すように回転軸１００によるＲ_２方向の回転により動圧を発生させることが可能となっている。

従って、回転密封環１０が静止密封環２０に対してＲ_１方向又はＲ_２方向の何れの方向に回転しても動圧を発生させることが可能となっている。これにより、回転方向が異なる回転軸に対しても、同一のメカニカルシール装置１を用いることが可能となり、メカニカルシール装置１の互換性の向上を図ることが出来る。なお、図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）は動圧発生溝の断面形状に対する動圧の発生分布を示しており、同図において、上段のグラフの横軸は、下段に示す動圧発生溝の断面における位置を示している。

このような２種類の動圧発生溝１４ａ、１４ｂは、図２に示すように、円弧状溝１２の外周側に周方向に沿って交互に配置されている。同様に、円弧状溝１２の内周側にも、２種類の動圧発生溝１４ａ、１４ｂが周方向に沿って交互に配置されている。従って、本実施形態では、第１及び第２動圧発生溝１４ａ、１４ｂが、回転シール面１１において周方向に複数配置されていると共に径方向にも複数配置されている。各動圧発生溝１４ａ、１４ｂは、各円弧状溝１２に連通している。

各動圧発生溝１４ａ、１４ｂの深さＤ_１は、図５に示すように、その最深部において、円弧状溝１２の深さＤ_２以下となっている（Ｄ_１≦Ｄ_２）、具体的には、各動圧発生溝１４の最深部の深さＤ_１は、５×１０^−３ｍｍ〜３×１０^−２ｍｍの範囲とすることが好ましい。

以上のような動圧発生溝１４ａ、１４ｂを回転シール面１１に形成することにより、静圧に加えて動圧を発生させることが出来る。

第１実施形態に係るメカニカルシール装置１の静止密封環２０は、図１及び図６に示すように、略Ｌ字形状の断面を持つリング部材であり、回転軸１００と共に回転しないように、保持部材３０により保持されている。この静止密封環２０を構成する材料としては、例えば、カーボン材、特殊鋼、炭化珪素材、セラミック材、及び、超硬合金材等を挙げることが出来る。

この静止密封環２０の内部には、図１及び図７に示すように、当該静止密封環２０の静止シール面２１に向かって貫通した流体供給通路２２が形成されている。この流体供給通路２２の一方の端部は、静止シール面２１において吐出開口部２３で開口している。この吐出開口部２３は、静止シール面２１に周方向に沿って実質的に等間隔に８個形成されている。各吐出開口部２３の周方向長さＷ_３は１ｍｍ〜５ｍｍ程度である。

なお、本実施形態では、この吐出開口部２３を円形形状の開口として説明したが、本発明においては特にこの形状に限定されず、例えば、楕円形状や長孔形状の開口であっても良く、後述の第８実施形態のように円弧状の開口としても良い。

これに対して、当該流体供給通路２２の他方の端部は、圧力流体を供給可能な流体供給装置５０に連通している。そして、メカニカルシール装置１は、流体供給装置５０から流体供給路２２を介して供給された圧力流体を吐出開口部２３から回転シール面１１に向かって吹き出すことにより、回転シール面１１と静止シール面２１との間に圧力流体を供給することが可能となっている。流体供給装置５０から供給される圧力流体としては、例えば、窒素ガス（Ｎ_２）等の不活性ガスを挙げることが出来る。

第１実施形態に係るメカニカルシール装置１の保持部材３０は、図１に示すように、略Ｌ字形状の断面を持つリング部材である。この保持部材３０には、静止密封環２０に対向する位置に、複数の凹部３２が周方向に沿って実質的に等間隔に形成されている。この各凹部３２にはスプリング３１が収容されており、このスプリング３１の先端が静止密封環２０の一端面に取り付けられている。このスプリング３１は、静止密封環２０を回転密封環１０側に押圧している。

以上のような回転密封環１０、静止密封環２０及び保持部材３０から構成されるメカニカルシール装置１は、以下のように、回転軸１００とハウジング１４０との間に取り付けられる。

先ず、図１に示すように、回転軸１００には回転部材１１０がＯリング４１を介して固着されている。この回転部材１１０の段部の側周面にＯリング４２を設け、この段部にＯリング４２でシール可能に回転密封環１０が嵌着されている。そして、回転密封環１０は、第１押さえ部材１２０により固定されている。さらに、回転部材１１０及び第１押さえ部材１２０は回転軸１００に第２押さえ部材１３０を介して固定されている。この第２押さえ部材１２０は回転軸１００と互いに螺合して、回転部材１１０と第１押さえ部材１２０とが締め付けて固定されている。

次いで、静止密封環２０は、図１に示すように、その一端面でスプリング３１を介して保持部材３０に保持されていると共に、その側面で２つのＯリング４３、４４を介して保持部材３０に保持されており、保持部材３０に対して軸方向に沿って相対移動可能となっている。保持部材３０の内周面には、スナップリング３３が取り付けられており、保持部材３０の内周孔からの静止密封環２０の抜け出し防止が図られている。また、保持部材３０には、静止密封環２０に形成された流体供給通路２２と流体供給装置５０とを連通させるための流体供給通路３４が当該保持部材３０の内部を貫通するように形成されている。そして、この保持部材３０は、回転軸１００と共に回転しないように、２つのＯリング４５、４６を介装しながらハウジング１４０に固定されている。

本実施形態に係るメカニカルシール装置１は、例えば硫化水素や弗化水素等の被密封流体が存在する高圧環境と、当該高圧環境より圧力が相対的に低い低圧環境（例えば真空等）と、の間に配置される。この際、シール面１１、２１同士の間に圧力流体を供給する流体供給装置５０の圧力Ｐ_０が、高圧環境における圧力Ｐ_１、及び、低圧環境における圧力Ｐ_２の何れよりも大きく（Ｐ_０＞Ｐ_１＞Ｐ_２、又は、Ｐ_０＞Ｐ_２＞Ｐ_１）なるように設定されている。

以上のように構成されるメカニカルシール装置１では、保持部材３０及び静止密封環２０に形成された流体供給通路３４、２２を介して流体供給装置５０から圧力流体が供給されると、回転シール面１１に向かって吐出開口部２３から圧力流体が吹き出され、回転シール面１１と静止シール面２１との間に圧力流体が供給される。そして、この圧力流体が、スプリング３１の弾性力との釣り合うように、静止シール面２１を回転シール面１１から離遠させる方向に付勢することにより、静圧によってシール面１１、２１同士の間を非接触状態でシールすることが可能となっている。

この際、回転シール面１１に向かって吐出開口部２３から
吹き出した圧力流体が、回転シール面１１に形成された円弧状溝１２に導入される共にシール面１１、２１同士の間にも広がり、圧力流体の圧縮性に起因したニューマティックハンマ現象が抑制され、回転密封環１０の振動が抑制される。

図８（Ａ）は本発明の第２実施形態に係るメカニカルシール装置の回転密封環を示す正面図、図８（Ｂ）は本発明の第２実施形態に係るメカニカルシール装置の静止密封環を示す正面図である。

本発明の第２実施形態に係るメカニカルシール装置は、図８（Ａ）に示すように、回転密封環１０の回転シール面１１に、複数の円弧状溝１２及び動圧発生溝１４ａ、１４ｂに加えて、導入通路１５が設けられている点で第１実施形態と異なるが、その他の点は第１実施形態と同様である。

本実施形態における導入通路１５は、回転シール面１１において円弧状溝１２の内周側に周方向に沿って配置された第１及び第２動圧発生溝１４ａ、１４ｂからさらに内周側に突出するように形成された溝である。この導入通路１５の深さは、例えば、３×１０^−３ｍｍ〜１５×１０^−３ｍｍである。

この導入通路１５は、回転シール面１１において圧力流体により非接触でシールされる部分よりさらに内周側に突出しており、静止回転環２０の内周側に位置する高圧環境と連通することが可能となっている。

このような導入通路１５を形成することにより、流体供給装置５０からの圧力流体の供給が途絶えた場合に、高圧環境に存在する被密封流体を導入通路１５を介して動圧発生溝１４ａ内に自動的に導入することが出来、この動圧発生溝１４ａ、１４ｂにより生じる動圧によりシール面１１、２１同士の接触を回避することが可能となっている。

図９（Ａ）は本発明の第３実施形態に係るメカニカルシール装置の回転密封環を示す正面図、図９（Ｂ）は本発明の第３実施形態に係るメカニカルシール装置の静止密封環を示す正面図である。

本発明の第３実施形態に係るメカニカルシール装置は、図９（Ａ）に示すように、回転密封環１０の回転シール面１１に、第１及び第２動圧発生溝１４ａ、１４ｂに代えて、第３及び第４動圧発生溝１６ａ、１６ｂが形成されている。

第３の動圧発生溝１６ａは、円弧状溝１２から傾斜しながら外周側に延びていると共に、その終点が回転シール面１１内に設定されている。これに対し、第４動圧発生溝１６ｂは、円弧状溝１２から傾斜しながら内周側に延びており、その終点が回転シール面１１内に設定されており、円弧状溝１２を基準として第３動圧発生溝１６ａと線対称に形成されている。

図１０（Ａ）は本発明の第４実施形態に係るメカニカルシール装置の回転密封環を示す正面図、図１０（Ｂ）は本発明の第４実施形態に係るメカニカルシール装置の静止密封環を示す正面図である。

本発明の第４実施形態に係るメカニカルシール装置は、図１０（Ａ）に示すように、第１実施形態における回転密封環１０の回転シール面１１（図２参照）から第１及び第２動圧発生溝１４ａ、１４ｂをなくすと共に、図１０（Ｂ）に示すように、第１実施形態における静止密封環２０の静止シール面２１（図６参照）に第１及び第２動圧発生溝２４ａ、２４ｂを追加した点で第１実施形態と異なるが、その他の構成は第１実施形態と同様である。静止シール面２１に形成された第１及び第２動圧発生溝２４ａ、２４ｂは、第１実施形態において詳述した回転シール面１１に形成された第１及び第２動圧発生溝１４ａ、１４ｂと同様の構成である。

このように、回転シール面１１に代えて静止シール面２１に第１及び第２動圧発生溝２４ａ、２４ｂを形成しても、静圧に加えて動圧を発生させることが出来る。

図１１（Ａ）は本発明の第５実施形態に係るメカニカルシール装置の回転密封環を示す正面図、図１１（Ｂ）は本発明の第５実施形態に係るメカニカルシール装置の静止密封環を示す正面図である。

本発明の第５実施形態に係るメカニカルシール装置は、図１１（Ａ）に示すように、第２実施形態における回転密封環１０の回転シール面１１（図８（Ａ）参照）から第１及び第２動圧発生溝１４ａ、１４ｂ並びに導入通路１５をなくすと共に、図１１（Ｂ）に示すように、第２実施形態における静止密封環２０の静止シール面２１（図８（Ｂ）参照）に第１及び第２動圧発生溝２４ａ、２４ｂ並びに導入通路２５を追加した点で第２実施形態と異なるが、その他の構成は第２実施形態と同様である。なお、静止シール面２１に形成された導入通路２５は、第２実施形態において詳述した回転シール面１１に形成された導入通路１５と同様の構成である。

図１２（Ａ）は本発明の第６実施形態に係るメカニカルシール装置の回転密封環を示す正面図、図１２（Ｂ）は本発明の第６実施形態に係るメカニカルシール装置の静止密封環を示す正面図である。

本発明の第６実施形態に係るメカニカルシール装置は、図１２（Ａ）に示すように、第３実施形態における回転密封環１０の回転シール面１１（図９（Ａ）参照）から第３及び第４動圧発生溝１６ａ、１６ｂをなくすと共に、図１２（Ｂ）に示すように、第３実施形態における静止密封環２０の静止シール面２１（図９（Ｂ）参照）に第３及び第４動圧発生溝２６ａ、２６ｂを追加した点で第３実施形態と異なるが、その他の構成は第３実施形態と同様である。なお、静止シール面２１に形成された第３及び第４動圧発生溝２６ａ、２６ｂは、第３実施形態において詳述した回転シール面１１に形成された第３及び第４動圧発生溝１６ａ、１６ｂと同様の構成である。

図１３（Ａ）は本発明の第７実施形態に係るメカニカルシール装置の回転密封環を示す部分斜視図、図１３（Ｂ）は本発明の第７実施形態に係るメカニカルシール装置の静止密封環を示す正面図、図１４（Ａ）は図１３（Ａ）のXIVA-XIVA線に沿った断面斜視図、図１４（Ｂ）は図１３（Ｂ）のXIVB-XIVB線に沿った断面斜視図、図１５は図１４（Ａ）のXV-XV線に沿った断面斜視図である。

本発明の第７実施形態に係るメカニカルシール装置は、図１３（Ａ）〜図１４（Ｂ）に示すように、隣接する円弧状溝１２同士の間に形成された仕切壁１３が低くなっている点で第１実施形態と異なるが、その他の構成は第１実施形態と同様である。

本実施形態における仕切壁１３は、図１５に示すように、円弧状溝１２から当該仕切壁１３の上面までの高さｔ_０が、円弧状溝１２の底面から回転シール面１１までの高さｔ_１より小さくなっている（ｔ_０＜ｔ_１）。高さｔ_０と高さｔ_１との差（ｔ_０−ｔ_１）は０．２ｍｍ以下であることが好ましい。

このように、仕切壁１３を円弧状溝１２の底面より相対的に高く形成し、且つ、円弧状溝１２の底面より相対的に高く形成することにより、回転密封環１０の振動とシール面１１、１２同士の接触とを効果的に抑制することが可能となる。

図１６（Ａ）は本発明の第８実施形態に係るメカニカルシール装置の回転密封環を示す正面図、図１６（Ｂ）は本発明の第８実施形態に係るメカニカルシール装置の静止密封環を示す正面図、図１７（Ａ）は図１６（Ａ）のXVIIA-XVIIA線に沿った断面斜視図、図１７（Ｂ）は図１６（Ｂ）のXVIIB-XVIIB線に沿った断面斜視図、図１８は本発明の第８実施形態に係るメカニカルシール装置の回転密封環と静止密封環との位置関係を説明するための図である。

本発明の第８実施形態に係るメカニカルシール装置は、図１６（Ａ）〜図１７（Ｂ）に示すように、回転シール面１１に円弧状溝１２が形成されていることに加えて、静止密封環１０の吐出開口部２３が円弧状に形成されている点で第１実施形態と異なるが、その他の構成は第１実施形態と同様である。

本実施形態における静止密封環２０の静止シール面２１には、図１６（Ｂ）に示すように、円弧状の吐出開口部２３が周方向に沿って実質的に等間隔に８個形成されている。この８個の吐出開口部２３は、静止シール面２１において、回転軸心を中心とする円を形成するように配置されていると共に、円弧状溝１２と同心状で同一半径を有するように周方向に沿って配置されており、シール面１１、２１同士が対向した際に、回転シール面１１に形成された円弧状溝１２と対向することが可能となっている。このように円弧状溝１２に加えて吐出開口部２３を円弧状に形成することにより、ニューマティックハンマ現象がより効果的に抑制される。

各吐出開口部２３の底部に、流体供給通路２２の吐出孔が形成されており、吐出開口部２３と流体供給通路２２とが連通している。各吐出孔は、吐出開口部２３の略中央部に形成されていることが好ましい。

本実施形態では、吐出開口部２３の周方向長さＷ_３が、円弧状溝１２の周方向長さＷ_２より小さく設定され（Ｗ_３＜Ｗ_２）、好ましくは、吐出開口部２３の周方向長さ幅Ｗ_３が、円弧状溝１２の周方向長さＷ_２に対して１／２より小さく設定されている（Ｗ_３＜Ｗ_２／２）。これにより、円弧状溝１２と円弧状の吐出開口部２３とに十分な容積比を確保することが出来、円弧状溝１２の効果を得ることが可能となっている。

また、本実施形態では、図１６（Ａ）、図１６（Ｂ）及び図１８に示すように、円弧状の吐出開口部２３の周方向長さＷ_３が、円弧状溝１２同士を仕切っている仕切壁１３の周方向長さＷ_１より大きく設定されている（Ｗ_３＞Ｗ_１）。また、図１７（Ａ）及び図１７（Ｂ）に示すように、円弧状溝１２の深さｔ_１が、円弧状の吐出開口部２３の深さｔ_２以下に設定されている（ｔ_１≦ｔ_２）。これにより、十分な浮上力を常時確保することが出来るので、シール面１１、２１同士の非接触状態を良好に維持することが可能となっている。なお、円弧状の吐出開口部２３の周方向長さＷ_３は小さいほど好ましい。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

例えば、上述の実施形態では、回転シール面に円弧状溝に加えて動圧発生溝を形成するように説明したが、本発明においては特にこれに限定されず、回転シール面に円弧状溝のみを形成し、動圧発生溝を形成しなくても良い。

以下、本発明をさらに具体化した実施例及び比較例により本発明の効果を確認した。以下の実施例及び比較例は、上述した実施形態で用いたメカニカルシール装置の効果を確認するためのものである。

実施例１ 実施例１のメカニカルシール装置として、円弧状溝が形成された回転密封環と、円形形状の吐出開口部が形成された静止密封環と、を用いて、第１実施形態で説明した構成のメカニカルシール装置を作製した。実施例１では、円弧状溝の深さｔ_１を１ｍｍとし、円弧状溝の周方向長さＷ_２を１１２ｍｍとし、仕切壁の周方向長さＷ_１を４ｍｍとし、吐出開口部の周方向長さＷ_３を２ｍｍとした。この実施例１において作製したメカニカルシール装置の作製条件を表１に示す。

この実施例１のメカニカルシール装置に対して、回転密封環の挙動に振動が発生したか否かの振動評価を行った。この振動評価は、圧力流体として窒素ガスを用い、０．３ＭＰａＧの圧力を印加しながら流量２０Ｎｌ／ｍｉｎで流体供給装置からシール面同士の間に窒素ガスを供給した際に、回転密封環に生じる回転軸方向に沿
った加速度を計測し、当該加速度の値に基づいて振動の有無の評価を行った。計測された加速度が０．０５Ｇ未満である場合には振動無しと評価し、計測された加速度が０．０５以上である場合には振動有りと評価した。

この振動評価において、回転軸、回転部材、第１及び第２の押さえ部材等の回転密封環に連結される回転体の重量、及び、静止密封環と保持部材との間に介在しているスプリングのばね荷重をパラメータとして、このパラメータを変化させた３１パターンの条件下で加速度を計測することにより、各条件下での振動評価を行った。図１９は実施例１におけるメカニカルシール装置の振動評価の結果を示すグラフである。

実施例２ 実施例２のメカニカルシール装置として、円弧状溝が形成され、仕切壁が低くなっている回転密封環と、円形形状の吐出開口部が形成された静止密封環と、を用いて、第７実施形態で説明した構成のメカニカルシール装置を作製した。実施例２では、円弧状溝の深さｔ_１を１ｍｍとし、円弧状溝の周方向長さＷ_２を１１２ｍｍとし、仕切壁の周方向長さＷ_１を４ｍｍとし、仕切壁の上部の削り量（ｔ_１−ｔ_０）を０．０７ｍｍとし、吐出開口部の周方向長さＷ_３を２ｍｍとした。この実施例２において作製したメカニカルシール装置の作製条件を表１に示す。この実施例２のメカニカルシール装置に対して３１パターンの条件下で実施例１と同様の要領で振動評価を行った。図２０は実施例２におけるメカニカルシール装置の振動評価の結果を示すグラフである。

実施例３ 実施例３のメカニカルシール装置として、円弧状溝が形成された回転密封環と、円弧状の吐出開口部が形成された静止密封環と、を用いて、第８実施形態で説明した構成のメカニカルシール装置を作製した。この実施例３のメカニカルシール装置では、円弧状溝の深さｔ_１を０．０５ｍｍとし、円弧状溝の周方向長さＷ_２を１１２ｍｍとし、仕切壁の周方向長さＷ_１を４ｍｍとし、吐出開口部の深さｔ_２を０．５ｍｍとし、吐出開口部の周方向長さＷ_３を１５．４ｍｍとした。この実施例３において作製したメカニカルシール装置の作製条件を表１に示す。この実施例３のメカニカルシール装置に対して２８パターンの条件下で実施例１と同様の要領で振動評価を行った。図２１は実施例３におけるメカニカルシール装置の振動評価の結果を示すグラフである。

比較例 比較例のメカニカルシール装置として、円弧状溝が形成されていない回転密封環と、円弧状の吐出開口部が形成された静止密封環と、を用いて、従来構造のメカニカルシール装置を作製した。この比較例のメカニカルシール装置では、吐出開口部の深さｔ_２を０．２５ｍｍとし、吐出開口部の周方向長さＷ_３を１１２ｍｍとした。この比較例において作製したメカニカルシール装置の作製条件を表１に示す。この比較例のメカニカルシール装置に対して２８パターンの条件下で実施例１と同様の要領で振動評価を行った。図２２は比較例におけるメカニカルシール装置の振動評価の結果を示すグラフである。

考察 上記の実施例１〜３と比較例とを比較すると、回転シール面に円弧状溝を形成することにより、回転密封環の振動が低減されることが確認された。

また、実施例１と実施例２とを比較すると、仕切壁の高さを回転シール面より低くすることにより、図１９及び図２０に示すように、回転密封環の振動が低減されることが確認された。

さらに、実施例１及び２と実施例３とを比較すると、回転シール面に円弧状溝を形成することに加えて、静止シール面の吐出開口部を円弧状に形成することにより、図１９〜図２１に示すように、回転密封環の振動が低減されることが確認された。

以上のように、本発明のメカニカルシール装置は、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。また、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。

１…メカニカルシール装置 １０…回転密封環 １１…回転シール面 １２…円弧状溝 １３…仕切壁 １４ａ…第１動圧発生溝 １４ｂ…第２動圧発生溝 １５…導入通路 １６ａ…第３動圧発生溝 １６ｂ…第４動圧発生溝 ２０…静止密封環 ２１…静止シール面 ２２…流体供給通路 ２３…吐出開口部 ２４ａ…第１動圧発生溝 ２４ｂ…第２動圧発生溝 ２５…導入通路 ２６ａ…第３動圧発生溝 ２６ｂ…第４動圧発生溝 ３０…保持部材 ３１…スプリング ３２…凹部 ３３…スナップリング ３４…流体供給通路 ４１〜４６…Ｏリング ５０…流体供給装置１００…回転軸１１０…回転部材１２０…第１押さえ部材１３０…第２押さえ部材１４０…ハウジング

Claims (4)

1. 
   回転軸とハウジングとの嵌合間に回転密封環と静止密封環とが対向して配置されたメカニカルシール装置であって、
   
   前記回転軸に連結されて回転シール面を有し、前記回転軸の軸心を中心として円環状に配置されると共に仕切壁により仕切られて形成された複数の円弧状溝が前記回転シール面に設けられた前記回転密封環と、
   
   前記回転密封環の回転シール面に対向する静止シール面を有する前記静止密封環と、
   
   前記静止密封環を前記回転密封環に向けて押圧する付勢手段と、
   
   前記静止密封環の前記静止シール面に形成されて、圧力ガスを供給する流体供給通路と連通可能な吐出開口部と、を具備し、
   
   前記吐出開口部の周方向長さ（Ｗ_３）が、前記仕切壁の周方向長さ（Ｗ_１）に対して１／２以上（Ｗ_３≧Ｗ_１／２）に形成され、
   
   前記吐出開口部の周方向長さ（Ｗ_３）が、前記円弧状溝の周方向長さ（Ｗ_２）より小さく（Ｗ_３＜Ｗ_２）形成されているメカニカルシール装置。
2. 
   前記吐出開口部は、円形状又は円弧状に開口するように形成されている請求項１記載のメカニカルシール装置。
   
3. 前記回転密封環の前記回転シール面又は前記静止密封環の前記静止シール面の少なくともいずれか一方に、前記回転軸の回転により動圧を発生する動圧発生溝が形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のメカニカルシール装置。
4. 前記仕切壁は、前記回転シール面より相対的に低く、且つ、前記円弧状溝の底面より相対的に高く形成されている請求項１〜３の何れかに記載のメカニカルシール装置。

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