JP6490994B2 - 多流路形ロータリジョイント - Google Patents

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２種以上の流体を流動させる多流路形ロータリジョイントに関するものである。

従来のこの種の多流路形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、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４個以上のメカニカルシールを両体の回転軸線方向に縦列状に配設して、隣接するメカニカルシールでシールされた複数個の通路接続空間を形成すると共に、両体に各通路接続空間を介して連通する流体通路を形成して、両体間において両流体通路を通路接続空間で接続してなる一連の複数個の流路により２種以上の流体を流動させるように構成されたもの（以下「従来ロータリジョイント」という）が周知である。

而して、従来ロータリジョイントにあっては、少なくとも１個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を両端面を密封端面とする１個の回転密封環で兼用していることから、特許文献２に開示されるように、全メカニカルシールの回転密封環が一方の端面のみを密封端面とする独立部材とされた多流路形ロータリジョイントに比して、ロータリジョイントの軸長（両体の回転軸線方向における長さ）を短縮し得て小型化を図ることができ、また部品点数の削減によりメカニカルシールの構成つまりロータリジョイントの構成を簡素化できる。

特開２００２−１７４３７９公報 特開２００２−００５３８０公報

しかし、従来ロータリジョイントにあって、上記兼用された回転密封環については、その両端面である両密封端面が夫々静止密封環との相対回転摺接により発熱することから、一方の端面のみを密封端面とする場合に比して当該回転密封環が高温に加熱される。その結果、当該回転密封環の密封端面に熱歪が発生して、相手密封環（静止密封環）との相対回転摺接が適正に行われなくなり、メカニカルシールのシール機能（以下「メカニカルシール機能」という）が良好に発揮されず、通路接続空間から流体が漏れる虞れがあった。

本発明は、隣接するメカニカルシールの回転密封環を兼用していることにより生じる上記問題を解決して、２種以上の流体を漏れを生じることなく良好に流動させることができる多流路形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４個以上のメカニカルシールを両体の回転軸線方向に縦列状に配設して、隣接するメカニカルシールでシールされた複数個の通路接続空間を形成し、両体に各通路接続空間を介して連通する流体通路を形成し、少なくとも１個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を両端面を密封端面とする１個の回転密封環で兼用してある多流路形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、前記兼用された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を形成しておくことを提案する。

本発明の多流路形ロータリジョイントにあっては、前記両体の回転軸線方向に縦列状に配置されたメカニカルシール群の両側に一対のオイルシールを配設して、前記両体の対向周面間に両オイルシールでシールされた空間であって冷却流体が循環供給される冷却流体空間を形成しておくことが好ましく、或いは前記両体の回転軸線方向に縦列状に配置されたメカニカルシール群の両側に当該メカニカルシールと同様構造をなす一対の冷却流体空間用メカニカルシールを配設して、前記両体の対向周面間に両冷却流体空間用メカニカルシールでシールされた空間であって冷却流体が循環供給される冷却流体空間を形成しておくことが好ましい。また、前記各冷却流体空間用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を両端面を密封端面とする１個の回転密封環で兼用し、当該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を形成しておくことが好ましい。さらに、前記兼用された回転密封環（冷却流体空間用メカニカルシールの回転密封環と兼用された回転密封環を含む）に相対回転摺接する各静止密封環の密封端面の径方向面幅は、当該回転密封環の密封端面の径方向面幅より小さく設定しておくことが好ましい。また、前記兼用された回転密封環を除く各回転密封環の密封端面及び／又は各静止密封環の密封端面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。何れの場合においても、前記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。

本発明の多流路形ロータリジョイントにあっては、隣接するメカニカルシールに兼用された回転密封環（以下「兼用回転密封環」という）の両端面である密封端面に当該回転密封環の構成材に比して硬度が大きい材料からなるコーティング層を形成しているから、兼用回転密封環の両密封端面における相手密封環（静止密封環）との相対回転摺接部分での摩耗量及び発熱量を可及的に減少させることができる。しかも、当該コーティング層が兼用回転密封環の構成材に比して熱伝導係数の大きな材料で構成されていることから、兼用回転密封環の両密封端面に形成されたコーティング層での発生熱は、可及的に放熱されて当該兼用回転密封環を高温に加熱することがない。その結果、兼用回転密封環の両密封端面に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が生じることがない。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、兼用回転密封環と各静止密封環との相対回転摺接部分における摩耗、発熱及び兼用回転密封環の両密封端面における熱歪の発生を可及的に防止して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多流路形ロータリジョイントを提供することができる。

図１は本発明に係る多流路形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多流路形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は本発明に係る多流路形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は本発明に係る多流路形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は本発明に係る多流路形ロータリジョイントの更に他の変形例を示す図３相当の要部の断面図である。 図８は本発明に係る多流路形ロータリジョイントの更に他の変形例を示す図１対応の断面図である。 図９は図８と異なる位置で断面した当該多流路形ロータリジョイントの断面図である。 図１０は図９の要部を拡大して示す詳細断面図である。

図１は本発明に係る多流路形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多流路形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に示す多流路形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、４個以上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でシールされた複数個の通路接続空間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間に流体通路７，８を通路接続空間４を介して連通してなる一連の複数個の流路Ｒ…（図２参照）を形成した竪型のものであり、ＣＭＰ装置等の回転機器の相対回転部材間で２種以上の流体Ｆ…を各流路Ｒにより各別に流動させるものである。

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３の回転密封環３１とこれに隣接するメカニカルシール３の回転密封環３１とを、図３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（以下「兼用回転密封環３１Ａ」という）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３１，３１を除いて、回転密封環（兼用回転密封環）３１Ａ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３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３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あり、当該密封端面３１ａの内外周部分が静止密封環３２の密封端面３２ａから径方向に食み出す状態で当該密封端面３１ａ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３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、環状壁１１の両側に位置する両静止密封環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を各別に矢印方向（実線又は破線で示す矢印方向）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の下端部は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間においてメカニカルシール群３…の両端部に配置されており、軸線方向に並列する密封環群３１…，３２…の両端部（上下端部）に位置する回転密封環３１，３１とケース体１の内周部に固定されて回転密封環３１，３１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４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、回転密封環３１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、各オイルシール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、兼用回転密封環３１Ａの両密封端面３１ａ，３１ａには、本発明に従って、図１〜図３に示す如く、兼用回転密封環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，１０ａが形成されている。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。

コーティング層１０ａ，１０ａの構成材としては、兼用回転密封環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，１０ａ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、兼用回転密封環３１Ａの両密封端面３１ａ，３１ａ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からなるコーティング層１０ａ，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回転密封環の密封端面と静止密封環の密封端面とが直接に相対回転摺接する場合つまり密封環母材同士が直接相対回転摺接する場合に比して、各密封端面３１ａと相手密封端面（静止密封環３２の密封端面）３２ａと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、各コーティング層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、兼用回転密封環３１Ａにおけるコーティング層１０ａで被覆された各密封端面３１ａと相手密封環（静止密封環）３２の密封端面３２ａ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。

また、コーティング層１０ａが兼用回転密封環３１Ａの構成材より熱伝導係数の大きな材料で構成されていること及び兼用回転密封環３１Ａの各密封端面３１ａの径方向面幅に比してこれに接触する静止密封環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に被覆形成された高熱伝導率のコーティング層１０ａ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、兼用回転密封環３１Ａに形成された各コーティング層１０ａ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及び冷却流体空間６に循環供給される冷却流体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、流体Ｆ及び冷却流体Ｃによって良好に冷却される。

このような相手密封端面３２ａからの熱吸収並びに兼用回転密封環３１Ａの両端面３１ａ，３１ａにおける流体Ｆ及び冷却流体Ｃとの接触による放熱、冷却は、コーティング層１０ａ，１０ａを上記の如くダイヤモンドで構成しておくことにより、ダイヤモンドが全ての固体物質で最も熱伝導率が高く、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、極めて効果的に行われる。

ところで、兼用回転密封環３１Ａを回転密封環とする２個のメカニカルシール３，３によってシールされる夫々の通路接続空間４，４を流動する流体Ｆ，Ｆに圧力差があったり或いは各流体Ｆの圧力が変動することにより、一方のメカニカルシール３における両密封端面３１ａ，３２ａの接触圧と他方のメカニカルシール３における両密封端面３１ａ，３２ａの接触圧とが異なる場合、当該両メカニカルシール３，３における密封端面３１ａ，３２ａの相対回転摺接部分での発熱量が異なることになる。その結果、兼用回転密封環３１Ａの両密封端面３１ａ，３１ａに大きな温度差が生じて、当該密封端面３１ａ，３１ａに熱歪が生じる虞れがある。

しかし、兼用回転密封環３１Ａの両端面３１ａ，３１ａを上記コーティング層１０ａ，１０ａで被覆しておくと、上記したように各コーティング層１０ａによる相手密封端面３２ａとの接触による発熱の低減、流体Ｆ及び冷却流体Ｃによる冷却が促進されることから、両密封端面３１ａ，３１ａの加熱温度が低下して両密封端面３１ａ，３１ａの温度差が極めて小さくなり、熱歪の発生が可及的に防止される。

したがって、兼用回転密封環３１Ａの両端面３１ａ，３１ａと相手密封環３２，３２との相対回転摺接が適正に行われて、長期に亘って良好なメカニカルシール機能が発揮される。その結果、従来ロータリジョイントのような問題を生じることがなく、通路接続空間４からの流体漏れを生じることがなく、各流路Ｒにおいて流体Ｆを良好に流動させることができる。

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、兼用回転密封環３１Ａ以外の各回転密封環３１の密封端面３１ａに、図５に示す如く、当該回転密封環３１の密封環母材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（ダイヤモンドが最適する）からなるコーティング層１０ｂを形成しておくことができる。このようにすれば、当該回転密封環３１と相手密封環３２との相対回転摺接による摩耗、発熱及び熱歪を可及的に防止して、多流路形ロータリジョイントを構成するすべてのメカニカルシール３…によるメカニカルシール機能を良好に発揮させることができ、各流路Ｒによる流体Ｆの流動を長期に亘って良好に行うことができる。また、このように兼用回転密封環３１Ａを含む全ての回転密封環３１の密封端面３１ａにコーティング層１０ａ，１０ｂを形成しておく場合において、全ての静止密封環３２の密封端面３２ａに、当該静止密封環３２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（ダイヤモンドが最適する）からなるコーティング層を構成しておけば、上記効果が更に顕著に発揮される。

また、各静止密封環３２の表面であって密封端面３２ａを含む冷却流体Ｃと接触する部分に、図６に示す如く、当該静止密封環３２の密封環母材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（ダイヤモンドが最適する）からなるコーティング層１０ｃを一連に形成しておくことができる。このようにしておくと、各静止密封環３２が冷却流体Ｃにより効果的に冷却されることになり、相手密封環３１，３１Ａとの相対回転摺接部分における摩耗、発熱がより効果的に防止される。したがって、図３又は図６に示す如く兼用回転密封環３１Ａ以外の回転密封環３１にはコーティング層を形成しない場合や図５に示す如く当該回転密封環３１の密封端面３１ａにコーティング層１０ｂを形成する場合の何れにおいても、各メカニカルシール３における密封端面３１ａ，３２ａの相対回転摺接による摩耗、発熱や熱歪が可及的に防止されて、長期に亘って良好なメカニカルシール機能を発揮させることができる。勿論、相手密封端面３１ａとの摩耗、発熱は、上記した如く静止密封環３２の密封端面３２ａのみを当該コーティング層で被覆しておくことによっても、効果的に防止することができる。なお、図６に示す場合において、兼用回転密封環３１Ａ以外の回転密封環３１の密封端面３１ａにも当該回転密封環３１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（ダイヤモンドが最適する）からなるコーティング層を形成しておいてもよい。

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７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コーティング層１０ａ，１０ｂ，１０ｄを一連に形成しておくことが好ましい。なお、図７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。

また、流路Ｒを流動する流体Ｆが超純水若しくは純水又は金属イオンの溶出を嫌う流体でない場合にも、当該流体Ｆが冷却流体Ｃより冷却機能に優れるとき（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）には、当該流体Ｆによる冷却効果がより期待できるため、各静止密封環３２における当該流体Ｆと接触する静止密封環３２の表面部分に、図７に示すコーティング層１０ｄを被覆形成しておくことが好ましい。なお、静止密封環３２の内外周面に接触する２種の流体が異相流体である場合（流路Ｒを流動する流体Ｆ及び冷却流体空間６の冷却流体Ｃの一方が液体であり、他方が気体である場合（例えば、冷却流体空間６に大気や不活性な窒素ガス等の気体を供給させる場合））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も含めて冷却機能は液体が気体より優れているため、静止密封環３２の表面であって液体である流体と接触する部分に図６に示すコーティング層１０ｃ又は図７に示すコーティング層１０ｄを被覆形成しておくことが好ましい。

また、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多流路形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多流路形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、本発明は、上記した如く２個の流路Ｒ，Ｒを有する多流路形ロータリジョイントに限定されず、３個以上の流路Ｒ…を有する多流路形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、本発明の多流路形ロータリジョイントにあっては、兼用回転密封環３１Ａの数は限定されず任意である。例えば、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からなるメカニカルシールユニットを３組以上軸線方向に縦列配置して、３個以上の流路Ｒ…を形成する場合において、メカニカルシール群３…の両端部に位置するメカニカルシール３，３を除いて、各メカニカルシール３の回転密封環３１とこれに隣接するメカニカルシール３の回転密封環３１とを兼用回転密封環３１Ａで兼用させておくことができる。すなわち、メカニカルシール群３…の両端部に位置するメカニカルシール３，３を除く全てのメカニカルシール３の回転密封環３１を兼用回転密封環３１Ａとすることができる。

また、本発明の多流路形ロータリジョイントにあっては、各オイルシール５をメカニカルシールで代替させることができる。例えば、図８及び図９に示す如く、流路Ｒ…を構成するメカニカルシール群３…の両側に一対の冷却流体空間用メカニカルシール５ａ，５ａを配設して、両体１，２の対向周面間に両冷却流体空間用メカニカルシール５ａ，５ａでシールされた空間であって冷却流体Ｃが循環供給される冷却流体空間６を形成する。この例では、冷却流体Ｃとして、上記したと同様に、常温水等の液体が使用されている。各冷却流体空間用メカニカルシール５ａは、図１０に示す如く、上記メカニカルシール３と同様構造をなすものであって、上記メカニカルシール群３…の端部に位置する流路形成用のメカニカルシール３の回転密封環３１における密封端面３１ａと反対側の端面を密封端面３１ｂに構成して、このメカニカルシール３の回転密封環３１を冷却流体空間用メカニカルシール５ａの回転密封環として兼用したものに構成している。すなわち、各流体空間用メカニカルシール５ａは、図８に示す如く、回転軸体２に固定した当該回転密封環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５２とこれを回転密封環３１に押圧接触させるスプリング５３とを具備して、両密封環３１，５２の対向端面である密封端面３１ｂ，５２ａの相対回転摺接作用によりその相対回転摺接部分の外周側領域である冷却流体空間６とその内周側領域であるベアリング配設空間とをシールするように構成している。この場合において、図１０に示す如く、各冷却流体空間用メカニカルシール５ａの回転密封環３１の両端面３１ａ，３１ｂに、当該回転密封環３１の密封環母材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（ダイヤモンドが最適する）からなるコーティング層１０ｂ，１０ｆを形成しておくことが好ましい。すなわち、多流路形ロータリジョイントを構成するすべてのメカニカルシール（通路接続空間用のメカニカルシール３及び冷却流体用空間用メカニカルシール５ａ）の回転密封環を兼用回転密封環３１Ａとして、その両端面に前記したコーティング層を形成しておくことが好ましい。さらに、この場合においても、当該すべてのメカニカルシールの静止密封環３２，５２にも前述した如くコーティング層を形成しておくことが好ましい。例えば、冷却流体用空間用メカニカルシール５ａの静止密封環５２の表面であって冷却流体空間６に供給される冷却流体Ｃに接触する部分には密封端面５２ａを含めて、図６に示すコーティング層１０ｃと同様に、当該静止密封環５２の密封環母材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（ダイヤモンドが最適する）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。このようにオイルシール５に代えて冷却流体用メカニカルシール５ａを使用した場合には、冷却流体空間６がオイルシール５を使用する場合に比してより確実にシールされ、冷却流体空間６に供給する冷却流体Ｃをより高圧のものとすることが可能となる。なお、図８〜図１０に示す多流路形ロータリジョイントは、上記した点を除いて図１及び図２に示す多流路形ロータリジョイントと同一構造をなすものであるから、同一の構成部材については図１及び図２に使用した符号と同一符号を付することによってその詳細な説明は省略する。

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
５ａ 冷却流体空間用メカニカルシール
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
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 兼用回転密封環（両端面を密封端面とする回転密封環）
３１ａ 回転密封環の密封端面
３１ｂ 回転密封環の密封端面
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
５２ 静止密封環
５２ａ 静止密封環の密封端面
Ｃ 冷却流体
Ｆ 流体
Ｒ 流路

Claims (2)

1. 筒状のケース体とこれに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４個以上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状態で配設して、隣接するメカニカルシールでシールされた複数個の通路接続空間を形成すると共に、当該メカニカルシール群の両側に一対のオイルシールを配設して、両オイルシールでシールされた空間であって冷却流体が循環供給される冷却流体空間を形成し、
   両体に各通路接続空間を介して連通する流体通路を形成し、
   前記密封環群の両端に位置する回転密封環を除く各回転密封環とこれに隣接する回転密封環とを両端面を密封端面とする１個の回転密封環で兼用してあり、
   前記通路接続空間が前記両密封環の密封端面の相対回転摺接部分の内周側領域であり、
   前記冷却流体空間が当該相対回転摺接部分の外周側領域であり、
   前記冷却流体が常温水であり、
   前記兼用された各回転密封環の密封端面の外径をこれに相対回転摺接する各静止密封環の密封端面の外径より大きく設定してあり、
   前記兼用された各回転密封環の両端面にのみ、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ダイヤモンドからなるコーティング層を一連に形成すると共に、前記各静止密封環の表面であって密封端面及び前記冷却流体に接触する部分にのみ、当該静止密封環の構成材に比して熱伝導係数及び硬度が大きいダイヤモンド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多流路形ロータリジョイント。
2. 筒状のケース体とこれに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４個以上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状態で配設して、隣接するメカニカルシールでシールされた複数個の通路接続空間を形成すると共に、当該メカニカルシール群の両側に当該メカニカルシールと同一構造をなす一対の冷却流体空間用メカニカルシールを配設して、両冷却流体空間用メカニカルシールでシールされた空間であって冷却流体が循環供給される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、
   前記冷却流体空間用メカニカルシールを含む各メカニカルシールの回転密封環とこれに隣接する回転密封環とを両端面を密封端面とする１個の回転密封環で兼用してあり、
   前記通路接続空間が前記両密封環の密封端面の相対回転摺接部分の内周側領域であり、
   前記冷却流体空間が当該相対回転摺接部分の外周側領域であり、
   前記冷却流体が常温水であり、
   前記兼用された各回転密封環の密封端面の外径をこれに相対回転摺接する各静止密封環の密封端面の外径より大きく設定してあり、
   前記兼用された各回転密封環の両端面にのみ、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ダイヤモンドからなるコーティング層を一連に形成すると共に、前記各静止密封環の表面であって密封端面及び前記冷却流体に接触する部分にのみ、当該静止密封環の構成材に比して熱伝導係数及び硬度が大きいダイヤモンド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多流路形ロータリジョイント。
   

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