KR100767865B1 - 정압형 비접촉식 가스 씰 - Google Patents

정압형 비접촉식 가스 씰 Download PDF

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미츠루 구다리
마사노부 니노미야
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Abstract

본 발명은, 씰 가스(6)의 밀봉단면(3a, 4a) 사이로의 공급이 예측할 수 없게 정지된 경우에도, 밀봉단면(3a, 4a)들이 심하게 충돌하여 밀봉단면(3a, 4a)이 손상, 파손되지 않게 하여, 안전하게 사용할 수 있는 정압형 비접촉식 가스 씰을 제공한다. 이 정압형 비접촉식 가스 씰에 있어서는, 밀봉단면(3a, 4a) 사이에 씰 가스 통로(5)로부터 씰 가스(6)를 공급하는 것에 의해, 정지밀봉고리(4)에 밀봉단면(3a, 4a) 사이를 여는 방향에 작용하는 개력이 발생한다. 씰 케이스(1)와 정지밀봉고리(4)와의 대향주면 사이에 2개의 O-링(12, 13)에 의해 닫힌 고리모양공간인 배압실(25)을 형성하여, 이 배압실(25)에 씰 가스 통로(5)로 공급되는 씰 가스(6)를 도입시키는 것에 의해, 정지밀봉고리(4)에 작용하는 배압으로서 상기 개력과 균형을 이루는 폐력을 발생시킨다. 폐력발생시키는 수단으로서 스프링은 사용하지 않는다.
정압, 비접촉식, 가스, 씰, 비접촉, 조임기

Description

정압형 비접촉식 가스 씰 {STATIC PRESSURE NON-CONTACT TYPE MECHANICAL SEAL}
본 발명은, 독성 가스(gas), 가연성(可燃性) 가스, 폭발성 가스, 분체혼입(粉體混入) 가스 등의 각종 가스를 취급하는 터빈(turbine), 블로워(blower), 컴프레셔(compressor), 조임기, 로터리 밸브(rotary valve) 등의 회전기기에 있어서 적합하게 사용되는 정압형(靜壓刑) 비접촉식 가스 씰(gas seal)에 관한 것이다.
종래의 정압형 비접촉식 가스 씰로서, 통 모양의 씰 케이스(case)와, 이것을 관통하는 회전축에 고정된 회전밀봉고리(回轉密封環)와, 씰 케이스의 내주부에 회전밀봉고리와 대향하는 상태에서 축선(軸線)방향으로 이동가능하게 지지된 정지밀봉고리(靜止密封環)와, 씰 케이스 및 정지밀봉고리를 관통하는 일련의 씰 가스통로로부터 양쪽 밀봉고리의 대향하는 단면인 밀봉단면 사이로 씰 가스를 공급함으로써, 정지밀봉고리에 밀봉단면 사이를 여는 방향에 작용하는 개력(開力)을 발생시키는 개력발생수단과, 씰 케이스와 정지밀봉고리(靜止密封環)와의 사이에 끼워 장착된 스프링(spring)의 밀어붙이는 힘에 의해서, 정지밀봉고리에 밀봉단면 사이를 닫는 방향에 작용하는 폐력(閉力)을 발생시키는 폐력발생수단을 구비하여, 정지밀봉고리의 외주면에서의 피(被)밀봉 유체영역에 면하는 부분으로서, 밀봉단면을 제외 한 부분에 작용하는 피밀봉 유체의 압력에 의해 정지밀봉고리에 밀봉단면 사이를 여는 방향에 작용하는 개력과 개력발생수단에 의한 개력과 폐력발생수단에 의한 폐력이 균형을 이루는 것에 의해, 밀봉단면 사이를 비접촉상태로 유지시키도록 구성된 것이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
즉, 이와 같은 구성의 정압형 비접촉식 가스 씰(이하 「종래 가스 씰」이라 함)에 있어서, 밀봉단면 사이는, 밀봉단면 사이를 여는 방향에 작용하는 개력(밀봉단면 사이로 도입된 씰 가스의 압력(정압)에 의한 것(정지밀봉고리의 형상 등에 의해서는, 또한, 정지밀봉고리의 외주면에서의 피밀봉 유체영역에 면하는 부분으로서 밀봉단면을 제외한 부분에 작용하는 피밀봉 유체의 압력에 의한 것))과 밀봉단면 사이를 닫는 방향에 작용하는 폐력(정지밀봉고리를 회전밀봉고리로 향하여 눌러 붙이는 스프링에 의한 것)이 균형을 이루는 비접촉상태로 유지된다. 여기서, 밀봉단면 사이로 도입되는 씰 가스의 압력은 피밀봉 유체영역의 압력에 따라 이것보다 높게 설정되어 있고, 폐력을 결정하는 스프링의 스프링력(스프링 하중)은, 밀봉단면 사이의 틈 사이가 적정(일반적으로, 5 ~ 15㎛이다)하게 되도록, 씰 가스의 압력에 따라 설정된다.
그리하여, 종래 가스 씰은, 밀봉단면 사이를 이것에 피밀봉 유체에 의한 동압을 발생시키는 것에 의해 비접촉상태로 유지하도록 한 동압형(動壓形) 비접촉식 가스 씰과 마찬가지로, 밀봉단면 사이를 비접촉상태로 유지시켜서, 밀봉단면의 눌어붙는 것 없이, 피밀봉 유체를 장기간에 걸쳐 양호하게 밀봉할 수 있는 것이다. 게다가, 종래 가스 씰은, 동압형 비접촉식 가스 씰에 의해서는 밀봉할 수 없는 가 스에 대하여도, 이것을 양호하게 밀봉할 수가 있고, 동압형 비접촉식 가스 씰에 비하여 광범위한 용도로 제공된다. 즉, 동압형 비접촉식 가스 씰은, 주지한 바와 같이, 상대회전하는 밀봉단면의 한 쪽에 동압 발생홈(發生溝)을 형성하여, 이 동압발생홈의 작용에 의해 밀봉단면 사이에 피밀봉 유체에 의한 동압을 발생시켜서, 밀봉단면 사이를 비접촉상태로 유지하는 것이고, 기본적으로는 피밀봉 유체가 밀봉단면 사이로부터 기체(機體) 밖으로 누설되는 것을 허용하는 것이다. 따라서, 피밀봉 유체가 독성 가스, 가연성 가스, 폭발성 가스 등과 같이 외부로 누설되는 것을 허용하지 않는 성상(性狀)인 것인 경우에는, 동압형 비접촉식 가스 씰은 사용할 수 없다. 이에 대하여, 정압형 비접촉식 가스 씰인 종래 가스 씰에서는, 씰 가스가 밀봉단면 사이로부터 피밀봉 유체영역(및 비(非)밀봉 유체영역)으로 분출함으로써, 피밀봉 유체의 누설을 완전히 저지하는 구조로 되어 있으므로, 누설하는 것이 허용되지 않는 독성 가스, 가연성 가스, 폭발성 가스 등과 같은 가스를 취급하는 회전기기에 있어서도 적합하게 사용될 수 있다.
특허문헌 1 : 특개2000-329238공보(도 1)
발명의 개시
발명이 해결하고자 하는 과제
그러나, 종래 가스 씰에 있어서는, 이것이 장비(裝備)된 회전기기의 운전중(회전축의 구동중)에 씰 가스의 밀봉단면 사이로의 공급이 어떠한 사정(씰 가스 공급계통의 문제나 조작 실수 등)에 의해 정지된 경우, 다음과 같은 문제가 생긴다.
즉, 종래 가스 씰에서는, 폐력발생수단으로서 스프링을 사용하기 때문에, 스프링에 의한 폐력은 상시 작용하는 것이 된다. 따라서, 상기와 같이 예측할 수 없게 씰 가스의 공급이 정지되어, 씰 가스에 의한 개력이 소멸하면, 정지밀봉고리가 스프링의 밀어붙이는 힘(폐력)에 의해 회전밀봉고리로 급격하게 이동되어, 회전밀봉고리에 심하게 충돌하게 된다. 그 결과, 밀봉단면이 손상, 파손될 우려가 있다. 이러한 문제는, 특히, 피밀봉 유체의 압력이 높은 고압조건 하에서는 현저하게 된다. 즉, 고압조건 하에서는, 씰 가스의 압력을 피밀봉 유체의 압력에 따라 높게 둘 필요가 있어서, 씰 가스에 의한 개력과 균형을 맞추는 스프링 하중도 당연히 높아지지 않을 수 없다. 따라서, 씰 가스의 공급정지 시에서는, 정지밀봉고리가 회전밀봉고리에 매우 심하게 충돌하여, 밀봉단면의 손상, 파손의 정도가 더욱 커지게 된다.
본 발명은, 이와 같은 점에 착안하여 이루어진 것으로, 씰 가스의 밀봉단면 사이로의 공급이 예측할 수 없게 정지된 경우에서도, 밀봉단면끼리 심하게 충돌하여 밀봉단면이 손상, 파손하는 것과 같은 일이 없이, 안전하게 사용할 수 있는 정압형 비접촉식 가스 씰을 얻는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 통 모양의 씰 케이스와, 회전축 등의 회전부재에 고정된 회전밀봉고리와, 씰 케이스의 내주부(內周部)에 회전밀봉고리와 동심(同心)을 이루어 대향하는 상태에서 축선방향으로 이동가능하게 지지된 정지밀봉고리와, 씰 케이스 및 정지밀봉고리를 관통하는 일련의 씰 케이스 통로로부터 양쪽 밀봉고리의 대향단면인 밀봉단면 사이로 씰 가스를 공급함으로써, 정지밀봉고리에 밀봉단면 사이를 여는 방향에 작용하는 개력을 발생시키는 개력발생수단과, 정지밀봉고리에 밀봉단면 사이를 닫는방향에 작용하는 폐력를 발생시키는 폐력발생수단을 구비하여, 이 개력과 폐력을 균형 맞추는 것에 의해, 밀봉단면 사이를 비접촉상태로 유지시키도록 구성된 정압형 비접촉식 가스 씰에 있어서, 상기한 목적을 달성하기 위해, 특히, 폐력발생수단을, 종래 가스 씰과 같이 스프링을 사용하는 것으로 하지 않고, 씰 케이스와 정지밀봉고리와의 대향주면 사이에 2개의 O-링에 의해 닫힌 고리모양 공간인 배압실(背壓室)을 형성하며, 이 배압실에 씰 가스 통로에 공급되는 씰 가스의 일부 또는 씰 가스 통로를 유동하는 씰 가스의 일부를 도입시키는 것에 의해, 정지밀봉고리에 작용하는 씰 가스에 의한 배압으로써 상기 폐력을 발생시키도록 구성하여 두는 것을 제안하는 것이다.
이러한 정압형 비접촉식 가스 씰에 있어서는, 씰 가스 통로가, 씰 케이스와 정지밀봉고리와의 대향주면 사이에 형성된 고리모양 공간에 있어서 그 대향주면 사이에 끼워 장착된 2개의 O-링에 의해 닫힌 연통공간과, 씰 케이스를 관통하여, 상류단을 씰 가스 공급로에 접속함과 함께 하류단을 연통공간에 개구하는 케이스측 통로와, 정지밀봉고리의 밀봉단면에 형성된 정압발생홈과, 정지밀봉고리를 관통하여, 상류단을 연통공간에 개구함과 함께 하측단을 정압발생홈에 개구하는 밀봉고리 측 통로와, 밀봉고리측 통로에 배치된 조임기를 구비하는 것이 바람직하다. 배압실은, 씰 가스 통로의 연통공간으로서 겸용할 수 있다. 겸용하지 않는 경우에는, 씰 케이스와 정지밀봉고리와의 대향주면 사이에 제 1, 제 2 및 제 3 O-링을 배치하여, 그 대향주면 사이에 제 1 및 제2 O-링에 의해 닫힌 씰 가스 통로의 연통공간과 제 2 및 제 3 O-링에 의해 닫힌 배압실을 형성하고, 씰 가스 공급로로부터 씰 가스 통로에 공급되는 씰 가스의 일부를 배압실에 도입시키도록 구성하여 두는 것이 바람직하다. 또한, 씰 케이스와 정지밀봉고리와의 대향주면 사이에, 2개의 O-링에 의해 폐색되는 한편, 배압실과 구획된 보조배압실을 형성함과 아울러, 정지밀봉고리에 피밀봉 유체영역과 보조배압실을 연통하는 관통구멍을 형성하여, 관통구멍으로부터 보조배압실로 도입된 피밀봉 유체의 압력에 의해 정지밀봉고리를 회전밀봉고리로 누르는 폐력이 발생되도록 구성하여 두는 것이 바람직하다. 또한, 씰 케이스와 정지밀봉고리와의 사이에, 정지밀봉고리를 회전밀봉고리로부터 이간(離間)하는 방향으로 밀어 붙이는 탄성부재를 끼워 장착하여, 씰 가스의 공급정지시에서의 정지밀봉고리의 회전밀봉고리방향으로의 급격한 이동을 저지하도록 구성하여 두는 것도 바람직하다. 탄성부재로서는, 스프링 또는 O-링이 적합하다. 이와 같은 탄성부재를 설치하지 않는 경우에는, 씰 케이스와 정지밀봉고리와의 대향주면 사이에, 씰 가스를 도입함으로써 정지밀봉고리의 회전밀봉고리 방향으로의 이동을 저지하는 저향력을 발생시키는 보압실(保壓室)을 형성함과 함께, 정지밀봉고리에, 보압실과 배압실 또는 연통공간을 연통하는 한편, 조임기를 배치한 씰 가스 도입로를 형성하여, 씰 가스의 공급 정지시에서의 정지밀봉고리의 회전밀봉고리방향으로의 급격한 이동을 저지하도록 구성하여 두는 것이 바람직하다. 또한, 회전밀봉고리의 밀봉단면에 동압발생홈를 형성하여, 밀봉단면 사이에 씰 가스에 의한 정압에 더하여 동압발생홈에 의한 동압을 작용시키도록 구성하는 것도 가능하다.
발명의 효과
본 발명의 정압형 비접촉식 가스 씰에 있어서는, 폐력발생수단으로서 스프링을 사용하지 않고, 밀봉단면 사이로의 씰 가스 공급계통으로부터 유도된 씰 가스에 의한 배압(背壓)을 폐력으로서 기능시키도록 하고 있으므로, 씰 가스의 공급이 어떠한 원인에 의해 예측할 수 없게 정지되는 경우, 개력발생수단에 의한 개력 및 폐력발생수단에 의한 폐력이 함께 소실하게 되어, 밀봉단면끼리 심하게 충돌하지 않게 되어, 밀봉단면이 손상, 파손되지 않는다.
도 1은 제1 가스 씰을 나타낸 종단측면도이다.
도 2는 제2 가스 씰을 나타낸 종단측면도이다.
도 3은 제3 가스 씰을 나타낸 종단측면도이다.
도 4는 제4 가스 씰을 나타낸 종단측면도이다.
도 5는 제5 가스 씰을 나타낸 종단측면도이다.
도 6은 제6 가스 씰을 나타낸 종단측면도이다.
도 7은 제7 가스 씰을 나타낸 종단측면도이다.
도 8은 제8 가스 씰을 나타낸 종단측면도이다.
도 9는 제9 가스 씰을 나타낸 종단측면도이다.
도 10은 제10 가스 씰을 나타낸 종단측면도이다.
도 11은 제11 가스 씰을 나타낸 종단측면도이다.
도 12는 제12 가스 씰을 나타낸 종단측면도이다.
도 13은 제1 가스 씰의 요부를 확대하여 나타낸 종단측면도이다.
도 14는 제1 가스 씰의 정지밀봉고리를 나타낸 정면도이다.
도 15는 제3 가스 씰의 요부를 확대하여 나타낸 종단측면도이다.
도 16은 제 12 가스 씰의 요부를 확대하여 나타낸 종단측면도이다.
도 17은 제12 가스 씰의 회전밀봉고리를 나타낸 반절 정면도이다.
도 18은 제13 가스 씰을 나타낸 종단측면도이다.
부호의 설명
1 씰 케이스
2 회전축(회전부재)
3 회전밀봉고리
3a 회전밀봉고리의 밀봉단면
4 정지밀봉고리
4a 정지밀봉고리의 밀봉단면
5 씰 가스 통로
6 씰 가스
7 개력발생수단
8 폐력발생수단
12 제1 O-링
13 제2 O-링
18 연통공간
19 씰 가스 공급로
20 씰 가스 공급장치
21 케이스측 통로
22 정압발생홈
23 밀봉고리측 통로
24 조임기
25 배압실
28 제3 O-링
30 보압실(保壓室)
31 조임기
32 씰 가스 도입로
34 스프링(탄성부재)
35 O-링(탄성부재)
37 보조배압실
38 관통구멍
41 동압발생홈
101 제1 가스 씰(정압형 비접촉식 가스 씰)
102 제2 가스 씰(정압형 비접촉식 가스 씰)
103 제3 가스 씰(정압형 비접촉식 가스 씰)
104 제4 가스 씰(정압형 비접촉식 가스 씰)
105 제5 가스 씰(정압형 비접촉식 가스 씰)
106 제6 가스 씰(정압형 비접촉식 가스 씰)
107 제7 가스 씰(정압형 비접촉식 가스 씰)
108 제8 가스 씰(정압형 비접촉식 가스 씰)
109 제9 가스 씰(정압형 비접촉식 가스 씰)
110 제10 가스 씰(정압형 비접촉식 가스 씰)
111 제11 가스 씰(정압형 비접촉식 가스 씰)
112 제12 가스 씰(정압형 비접촉식 가스 씰)
113 제13 가스 씰(정압형 비접촉식 가스 씰)
202 회전 테이블(회전부재)
H 피(被)밀봉 유체영역
L 비(非)밀봉 유체영역
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
도 1 ~ 도 12 및 도 18은, 각각, 본 발명의 정압형 비접촉식 가스 씰을 도시한 종단측면도이고, 이하, 도 1에 도시한 정압형 비접촉식 가스 씰을 「제1 가스 씰(101)」이라 하고, 도 2에 도시한 정압형 비접촉식 가스 씰을 「제2 가스 씰(102)」이라 하며, 도 3에 도시한 정압형 비접촉식 가스 씰을 「제3 가스 씰(103)」이라 하고, 도 4에 도시한 정압형 비접촉식 가스 씰을 「제4 가스 씰(104)」이라 하며, 도 5에 도시한 정압형 비접촉식 가스 씰을 「제5 가스 씰(105)」이라 하고, 도 6에 도시한 정압형 비접촉식 가스 씰을 「제6 가스 씰(106)」이라 하며, 도 7에 도시한 정압형 비접촉식 가스 씰을 「제7 가스 씰(107)」이라 하고, 도 8에 도시한 정압형 비접촉식 가스 씰을 「제8 가스 씰(108)」이라 하며, 도 9에 도시한 정압형 비접촉식 가스 씰을 「제9 가스 씰(109)」이라 하고, 도 9에 도시한 정압형 비접촉식 가스 씰을 「제9 가스 씰(109)」이라 하며, 도 10에 도시한 정압형 비접촉식 가스 씰을 「제10 가스 씰(110)」이라 하고, 도 11에 도시한 정압형 비접촉식 가스 씰을 「제11 가스 씰(111)」이라 하며, 도 12에 도시한 정압형 비접촉식 가스 씰을 「제12 가스 씰(112)」이라 하고, 도 18에 도시한 정압형 비접촉식 가스 씰을 「제13 가스 씰(113)」이라 한다. 또한, 도 13은 제1 가스 씰(101)의 요부를 확대하여 나타낸 종측면도이고, 도 14는 그 가스 씰(101)에서의 정지밀봉고리의 정면도이며, 도 15는 제3 가스 씰(103)의 요부를 확대하여 도시한 종단측면도이고, 도 16은 제12 가스 씰(112)의 요부를 확대하여 도시한 종단측면도이며, 도 17은 그 가스 씰(112)에서의 회전밀봉고리의 정면도이다. 또한, 이하의 설명에 있어서는, 편의상, 전후라 함은, 도 1 ~ 도 12에서 좌우를 말하고, 상하라 함은, 도 18에서 상하를 말한다.
제1 가스 씰(101)은, 도 1에 도시한 것 처럼, 씰 케이스(1)와, 회전부재인 회전축(2)에 고정된 회전밀봉고리(3)와, 씰 케이스(1)에 회전밀봉고리(3)와 대향하는 상태에서 축선방향이동가능(전후방향이동가능)하게 지지된 정지밀봉고리(4)와, 씰 케이스(1) 및 정지밀봉고리(4)를 관통하는 일련의 씰 가스 통로(5)로부터 양쪽 밀봉고리(3, 4)의 대향단면인 밀봉단면(3a, 4a) 사이로 씰 가스(6)를 공급하는 것에 의해, 정지밀봉고리(4)에 밀봉단면(3a, 4a) 사이를 여는 방향에 작용하는 개력 을 발생시키는 개력발생수단(7)과, 정지밀봉고리(4)에 밀봉단면(3a, 4a) 사이를 닫는 방향에 작용하는 폐력을 발생시키는 폐력발생수단(8)을 구비하여, 밀봉단면(3a, 4a) 사이를 비접촉상태로 유지시키면서, 밀봉단면(3a, 4a)의 외주측 영역인 피밀봉 유체영역(H)와 그 내주측 영역인 비밀봉유체영역(L)을 차폐 씰링하도록 구성하고 있다. 또한, 이 예에서는, 피밀봉 유체영역(H)은 제1 가스 씰(101)이 장착된 회전기기의 기내(機內)로 연통하는 고압 가스 영역이고, 비밀봉유체영역(L)은 그 회전기기의 기외(機外)로 연통하는 대기영역이다.
씰 케이스(1)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 회전기기의 하우징(9)으로부터 수평으로 돌출하는 회전축(2)을 동심상으로 둘러싸는 원통형상의 것으로, 하우징(9)의 후단부에 부착되어 있다.
회전밀봉고리(3)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 회전축(2)에 원통모양의 고정부재(10, 11)를 통하여 고정되어 있다. 회전밀봉고리(3)는, 후단면을 축선으로 직교하는 평활면인 밀봉단면(이하, 「회전측 밀봉단면」이라고도 함)(3a)에 형성된 원통모양체이다.
정지밀봉고리(4)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 회전밀봉고리(3)에 동심을 이루어 대향한 상태에서 씰 케이스(1)의 내주부에 제1 및 제2 O-링(12, 13)을 통하여 축선방향이동가능하게 지지되어 있다. 정지밀봉고리(4)는, 도 13에 도시한 바와 같이, 외경을 다르게 한 제1, 제2, 제3 및 제4 고리모양부분(14, 15, 16, 17)으로 된 원고리모양체이고, 제1 고리모양부분(14)의 전단면은 축선에 직교하는 평활면으로 된 밀봉단면(이하 「정지측 밀봉단면」이라고도 함)(4a)에 형성되어 있다. 가장 앞 쪽의 제1 고리모양부분(14)의 외경(정지측 밀봉단면(4a)의 외경)(D1), 그 뒤쪽에 연결된 제2 고리모양부분(15)의 외경(D2), 그 뒤쪽에 연결된 제3 고리모양부분(16)의 외경(D3) 및 그 뒤쪽에 연결된 가장 뒤쪽의 제4 고리모양부분(17)의 외경(D4)은, D1≤D2, D4<D2<D3으로 되도록 설정되어 있다. 또한, 정지측 밀봉단면(4a)의 외경(D1)은 회전측 밀봉단면(3a)의 외경보다 작고 또한 정지측 밀봉단면(4a)의 내경은 회전측 밀봉단면(3a)의 내경보다 크게 설정되어 있다. 또한, 정지밀봉고리(4)는, 씰 케이스(1)에 심어 넣은 드라이브 핀(26)의 결합작용에 의해, 소정범위에서의 축선방향이동을 허용하는 상태에서, 씰 케이스(1)에 대한 상대회전이 저지되어 있다.
제1 및 제2 O-링(12, 13)은, 도 12에 도시한 바와 같이, 정지밀봉고리(4)와 씰 케이스(1)와의 대향주면 사이에 적당하게 압축된 상태로 끼워져 있고, 정지밀봉고리(4)의 소정 범위에서의 전후방향이동(축선방향이동)을 허용하면서, 정지밀봉고리(4)와 씰 케이스(1)와의 사이를 2차 씰링하고 있다. 즉, 제1 O-링(12)과, 제2 고리모양부분(15)의 외주면과 씰 케이스(1)의 내주면과의 사이에 장전되어 있고, 그 전방으로의 이동은 제2 고리모양부분(15)의 외주면으로부터 벗어나지 않는 범위에 있어서 씰 케이스(1)의 내주부에 형성된 제1 고리모양 결합면(1a)에 의해 저지되어 있다. 또한, 제2 O-링(13)은, 제4 고리모양부분(17)의 외주면과 씰 케이스(1)의 내주면과의 사이에 끼워져 있고, 그 후방으로의 이동은 제2 고리모양부분(17)의 외주면으로부터 벗어나지 않는 범위에 있어서 씰 케이스(1)의 내주부에 형성된 제2 고리모양결합면(1b)에 의해 저지되어 있다. 따라서, 정지밀봉고리(4)와 씰 케이스(1) 와의 대향주면 사이에서는, 제1 및 제2 O-링(12, 13)에 의해 닫힌 고리모양의 연통공간(18)이 형성되어 있다.
개력발생수단(7)은, 도 1에 도시한 바와 같이, 씰 케이스(1) 및 정지밀봉고리(4)를 관통하는 일련의 씰 가스 통로(5)와, 피밀봉 유체영역(H)의 압력(이하 「피밀봉 유체압력」이라고 함)(P)보다 고압인 소정압(P1)(>P)의 씰 가스(6)를 씰 가스 공급로(19)로부터 씰 가스 통로(5)로 공급하는 씰 가스 공급장치(20)로 이루어진다.
씰 가스 통로(5)는, 도 12에 도시한 바와 같이, 씰 케이스(1)와 정지밀봉고리(4)와의 대향주면 사이에 형성된 고리모양공간으로서, 그 대향주면 사이에 끼워 장착된 2개의 O-링(12, 13)에 의해 닫힌 연통공간(18)과, 씰 케이스(1)를 관통하여, 상류단을 씰 가스 공급로(19)에 접속함과 함께 하류단을 연통공간(18)에 개구하는 케이스측 통로(21)와, 정지측 밀봉단면(4a)에 형성된 정압발생홈(22)과, 정지밀봉고리(4)를 관통하여, 상류단을 연통공간(18)에 개구함과 함께 하류단을 정압발생홈(22)에 개구하는 밀봉고리측 통로(23)와, 밀봉고리측 통로(23)의 적소에 배치한 조임기(24)로 이루어진다.
정압발생홈(22)은, 정지측 밀봉단면(4a)과 동심상의 고리모양을 하여 연속 또는 단속하는 얕은 오목홈이고, 이 예에서는 후자를 채용하고 있다. 즉, 정압발생홈(22)은, 도 14에 도시한 바와 같이, 정지측 밀봉단면(4a)과 동심(同心)고리모양으로 되어 병렬하는 복수의 원호상 오목홈(22a)으로 구성되어 있다.
밀봉고리측 통로(23)의 하류단부는 분기(分岐)되어 있고, 그 각 분기부분 (23a)은, 도 13 및 도 14에 도시한 바와 같이, 정압발생홈(22)을 구성하는 각 원호모양 오목홈(22a)으로 열려져 있다.
조임기(24)는, 오리피스, 모세관, 다공질부재 등의 조임기능을 가진 것이고, 밀봉고리측 통로(23)의 적소로서, 분기부분(23a)을 제외하는 부분에 배치되어 있다. 또한, 조임기(24)는 씰 가스 통로(5)의 적소에 배치할 수 있지만, 후술하는 것처럼 연통공간(18)과 배압실(25)이 겸용되는 경우에 있어서는, 씰 가스 통로(5)에서의 연통공간(18)보다 하류측의 밀봉고리 통로(23)에 배치된다.
씰 가스 공급장치(20)는, 피밀봉 유체압력(P)보다 고압(P1)의 씰 가스(6)를, 케이스측 통로(21)의 상류단에 접속한 씰 가스 공급관(19)으로부터 케이스측 통로(21), 연통공간(18), 밀봉고리측 통로(23) 및 조임기(24)를 경유하여 정압발생홈(22)으로 공급하는 것이다. 씰 가스(6)로서는, 각 영역(H, L)에 유출되어도 무해하고 또한 피밀봉 유체(피밀봉 유체영역(H)의 유체)에 약영향을 미치지 않는 성상의 것을, 씰 조건에 따라 적절하게 선정한다. 이 예에서는, 각종 물질에 대하여 불활성이고 또한 인체에 무해한 청정한 질소 가스가 사용되고 있다. 또한, 씰 가스(6)는, 통상, 회전기기의 운전중(회전축(2)의 구동중)에 있어서 공급되고, 운전정지후에는 공급이 정지된다. 회전기기의 운전은, 씰 가스(6)의 공급이 개시된 후에 있어서, 밀봉단면(3a, 4a) 사이가 적정한 비접촉상태로 유지된 후에 있어서 개시되고, 씰 가스(6)의 공급, 정지는, 그 회전기기의 운전정지 후에 있어서 회전축(2)이 완전히 정지한 수에 행해진다. 또한, 씰 가스(6)의 압력(P1)은, 씰 조건에 따르지만, 일반적으로는, 피밀봉 유체압력(P)보다 0.5 ~ 1.5bar 정도 높도록 설정 내지 제어 된다.
따라서, 개력발생수단(7)에 의하면, 씰 가스(6)를 씰 가스 통로(5)로부터 밀봉단면(3a, 4a) 사이에 공급되는 것에 의해, 정지밀봉고리(4)에서는 그것을 회전밀봉고리(3)로부터 이간(離間)시키는 방향 즉 밀봉단면(3a, 4a) 사이가 여는 방향으로의 개력이 발생하는 것이 된다.
폐력발생수단(8)은, 도 1에 도시한 바와 같이, 씰 케이스(1)와 정지밀봉고리(4)와의 대향주면 사이에 2개의 O-링(12, 13)에 의해 닫힌 고리모양공간인 배압실(25)을 형성하고, 이 배압실(25)에 씰 가스 통로(5)로 공급되는 씰 가스(6)의 일부 또는 씰 가스 통로(5)를 유동하는 씰 가스(6)의 일부를 도입시켜서, 정지밀봉고리(4)에 씰 가스(6)에 의한 배압을 작용시키는 것에 의해, 상기 폐력을 발생시키도록 구성된 것이고, 종래 가스 씰과 같이 폐력을 발생시키기 위한 스프링을 가지지 않는다.
이 예에서는, 도 13에 도시한 바와 같이, 씰 가스 통로(5)의 구성부분인 연통공간(18)을 배압실(25)로서 겸용하고 있다. 배압실(25)은, 이것에 씰 가스(6)이 공급되는 경우에, (D1<D2의 경우에는 피밀봉 유체압력(P)에 의한 영향을 고려하여)정지밀봉고리(4)에 이것을 회전밀봉고리(4)로 누르는 방향, 즉 밀봉단면(3a, 4a)을 닫는 방향에 작용하는 폐력이 작용하도록 하는 형상으로 되어 있다. 즉, 정지밀봉고리(4)에서는, 도 13에 도시한 바와 같이, 제2 고리모양부분(15)의 전단면(4b)에 작용하는 피밀봉 유체압력(P)에 의한 후방으로의 추력(제1 추력)(F1)과, 제3 고리모양부분(16)의 전단면(4c)에 작용하는 씰 가스압력(P1)에 의한 후방으로의 추력( 제2 추력)(F2)과, 제3 고리모양부분(16)의 후단면(4d)에 작용하는 씰 가스압력(P1)에 의한 전방으로의 추력(제3 추력)(F3)이 작용하는 것으로 된다(다만, 제1 추력(F1)은 D1=D2인 경우는, 발생하지 않음). 여기에서, F1=(π/4)((D2)2-(D1)2)(P)이고, F2=(π/4)((D3)2-(D2)2)(P1)이며, F3=(π/4)((D3)2-(D4)2)(P1)이다. 따라서, F3-(F1+F2)>0이 되도록 각 고리모양부분(14, 15, 16, 17)의 외경(D1, D2, D3, D4)을 설정하여 두는 것에 의해, 배압실(25)로 공급된 씰 가스(6)에 의해 폐력(=F3-(F1+F2))가 발생한다. 그리고, 이 폐력의 크기는, 각 고리모양부분(14, 15, 16, 17)의 외경(D1, D2, D3, D4)의 크기(및 압력(P, P1)의 크기)에 의해 결정되고, 이것을 적절하게 설정하여 두는 것에 의해, 밀봉단면(3a, 4a) 사이에 공급되는 씰 가스(6)에 의한 개력과 균형을 이루도록 설정되어 있다. 즉, 이 폐력은, 개력과의 균형에 의해, 밀봉단면(3a, 4a) 사이가 적정 틈새(일반적으로, 5 ~ 15㎛이다)로 지지되도록 설정되어 있다.
이상과 같이 구성된 제1 가스 씰(101)에 있어서는, 씰 가스(6)를 케이스측 통로(21), 연통공간(18) 및 밀봉고리측 통로(23)로부터 정압발생홈(22)으로 공급하면, 정압발생홈(22)으로 도입된 씰 가스(6)에 의해, 밀봉단면(3a, 4a) 사이에 이것을 여는 방향에 작용하는 개력이 발생한다. 이 개력은, 밀봉단면(3a, 4a) 사이로 도입된 씰 가스(6)에 의해 발생하는 정압에 의한 것이다. 또한, 연통공간(18)과 겸용되는 배압실(25)로 도입된 씰 가스(6)에 의해, 정지밀봉고리(4)로 밀봉단면(3a, 4a)을 닫는 방향에 작용하는 폐력으로서, 상기 개력과 균형을 이루는 크기의 폐력 이 작용한다. 따라서, 밀봉단면(3a, 4a)은, 이 개력과 폐력과의 균형을 이룸으로써 적정 틈새를 가진 비접촉상태로 유지된다. 즉, 정압발생홈(22)으로 도입된 씰 가스(6)는 밀봉단변(3a, 4a) 사이에 폐력과 균형을 이루는 정압의 유체막을 형성하고, 이 유체막의 존재에 의해, 밀봉단면(3a, 4a)의 내외경측 영역(H, L) 상이가 차폐 씰된다.
그런데, 씰 가스(6)의 공급이 개시되면, 씰 가스(6)의 밀봉단면(3a, 4a) 사이로의 도입은 조임기(24)를 경유하여 행해지는 것이기에, 조임기(24)를 경유하지 않는 배압실(25)로 공급된 씰 가스(6)에 의한 폐력은 개력의 발생에 앞서서 발생하는 것이 된다. 따라서, 폐력발생수단(8)으로서 스프링을 사용하지 않음에도 불구하고, 스프링을 사용한 종래 가스 씰과 마찬가지로, 개력과 폐력과의 균형에 의해 밀봉단면(3a, 4a) 사이를 적정간격의 비접촉상태로 유지시킬 수 있다. 또한, 씰 가스(6)는 조임기(24)도 조여진 다음에 정압발생홈(22)으로 도입된 것이기에, 밀봉단면(3a, 4a) 사이의 간격이 변동하는 경우에도, 그 간격이 자동적으로 조정되어 적정하게 지지된다. 즉, 회전기기의 진동 등에 의해 밀봉단면(3a, 4a) 사이가 적정간격보다 크게 될 때는, 정압발생홈(22)으로부터 밀봉단면(3a, 4a) 사이로 유출하는 씰 가스 량과 조임기(24)를 통하여 정압발생홈(22)으로 공급되는 씰 가스 량이 불균형하게 되고, 정압발생홈(22) 내의 압력이 저하하여, 개력이 폐력보다 작게 되기 때문에, 밀봉단면(3a, 4a) 사이의 간격이 작게 되도록 변화하여, 그 간격이 적정한 것으로 조정된다. 반대로, 밀봉단면(3a, 4a) 사이가 적정간격보다 작게 될 때는, 상기한 것과 마찬가지로 조임기(24)에 의한 조임기능에 의해 정압발생홈(22) 내의 압력이 상승하여, 개력이 폐력보다 크게 되고, 밀봉단면(3a, 4a) 사이의 간격이 크게 되도록 변형하여, 그 간격이 적정한 것으로 조정된다.
이와 같이, 제1 가스 씰(101)은, 씰 가스(6)의 공급이 적정하게 행해지는 경우에서는, 폐력발생수단으로서 스프링을 사용한 종래 가스 씰과 마찬가지로, 밀봉단면(3a, 4a) 사이를 적정간격의 비접촉상태로 유지하면서, 피밀봉 유체영역(H)을 양호하게 씰할 수 있다.
그래서, 제1 가스 씰(101)에 있어서는, 운전중에(또는 운전이 완전히 정지되지 않는 단계에서) 씰 가스공급장치(20) 등의 고장이나 조작 미스 등에 의해 씰 가스공급계통에 문제가 발생하여, 씰 가스(6)의 공급이 예측할 수 없게 정지된 경우에는, 종래 가스 씰과 다르게, 모두(冒頭)에서 말한 바와 같은 문제는 생기지 않는다.
즉, 씰 가스(6)의 공급이 정지되면, 밀봉단면(3a, 4a) 사이로의 씰 가스 도입이 정지되어 개력이 소멸하지만, 이것과 동시에, 배압실(25)로의 씰 가스(6)의 도입도 정지되어 폐력도 소멸한다. 따라서, 씰 가스(6)가 예측할 수 없게 정지된 경우, 개력 및 폐력이 동시에 소멸하는 것이기에, 정지밀봉고리(4)는 씰 가스(6)의 공급이 정지된 상태로부터 변위하지 않고, 밀봉단면(3a, 4a)은 비접촉상태인 채로 지지된다. 그 결과, 씰 가스(6)의 공급이 예측할 수 없게 정지하는 것에 의해, 모두에서 말한 것처럼, 밀봉단면(3a, 4a)가 심하게 충돌하여 손상, 파손되지는 않는다.
또한, 이 상태로부터 씰 가스(6)의 공급이 재개되면, 씰 가스(6)에 의한 개 력과 폐력이 재발생하여, 밀봉단면(3a, 4a) 사이가 적정한 비접촉상태로 유지된다. 이 때, 개력과 폐력이 동시에 재발생하면, 밀봉단면(3a, 4a) 사이가 개력에 의해 필요 이상으로 열려서, 적정한 비접촉상태를 복원할 수 없게 될 우려가 있다. 그러나, 씰 가스(6)의 밀봉단면(3a, 4a) 사이로의 도입은 조임기(24)를 경유하여 행해지므로, 조임기(24)를 경유하지 않고 배압실(25)로 공급된 씰 가스(6)에 의한 폐력은 개력의 발생에 앞서서 발생하는 것이 된다. 그 결과, 상기한 바와 같은 우려는 발생하지 않고, 밀봉단면(3a, 4a) 사이가 적정간격의 비접촉상태로 복원, 지지되게 된다. 또한, D1=D2가 아닌 경우(D1<D2의 경우)에서는, 정지밀봉고리(4)에는 제1 추력(F1)이 작용하므로, 씰 가스(6)의 공급이 정지될 때(또는 피밀봉 유체의 압력이 잔존하는 상태에서 그 공급이 재개될 때)에 있어서, 그 추력(F)에 의해 정지밀봉고리(4)의 회전밀봉고리방향으로의 급격한 이동이 더욱 확실하게 방지되어, 밀봉단면(3a, 4a) 끼리가 심하게 충돌하는 것 같은 우려가 전무하게 된다.
또한, 제2 가스 씰(102)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 씰 케이스(1)가 외경 통부(1c)와 내경 통부(1d)를 가진 이중 통구조로 되어 있는 점, 정지밀봉고리(4)를 제4 고리모양부분(17)의 외경이 제3 고리모양부분(16)의 외경과 일치하는 형상으로 하고 있는 점, 및 제2 O-링(13)을 제4 고리모양부분(17)의 내주면과 내경 통부(1d의 외주면과의 사이에 배치하고 있는 점을 제외하고는, 제1 가스 씰(101)과 마찬가지 구조를 하고 있어, 제1 가스 씰(101)와 동일기능을 발휘하는 것이다. 제2 가스 씰(102)에서는, 정지밀봉고리(4)의 배면(제4 고리모양부분(17)의 후단면)(4e)을 전면적으로 상기 제3 추력(F3)을 발생시키기 위한 수압면으로 할 수 있으므로, 정지 밀봉고리(4)의 형상을 고려할 때, 제1 가스 씰(101)에서는 개력과 균형을 이루는 데에 필요한 폐력을 확보할 수 없는 경우에서도, 충분한 폐력을 확보할 수 있다. 이와 같이, 연통공간(18)과 겸용하는 배압실(25)의 형상은, 정지밀봉고리(4)의 형상 및 제2 O-링(13)의 배치 등을 고려하는 것에 의해, 적절하게 변경할 수 있다. 또한, 제2 가스 씰(102)에서의 폐력은, 제4 고리모양부분(17)의 후단면(4e)에 작용하는 씰 가스 압력(P1)에 의한 제3 추력(F3)으로부터 제2 고리모양부분(15)의 전단면(4b)에 작용하는 피밀봉 유체압력(P)에 의한 제1 추력(F1) 및 제3 고리모양부분(16)의 전단면(4c)에 작용하는 씰 가스 압력(P1)에 의한 제2 추력(F2)를 공제한 것이 된다. 다만, 제1 및 제2 고리모양부분(14, 15)의 외경이 일치하는 경우에는, 제1 추력(F1)은 발생하지 않는다.
또한, 제1 및 제2 가스 씰(101, 102)에서는, 배압실(25)을 연통공간(18)과 겸용하도록 구성하였지만, 제3 가스 씰(103)과 같이, 양자(18, 25)를 겸용하지 않는 구성으로 할 수도 있다.
제3 가스 씰(103)에서는, 도 3 및 도 15에 도시한 바와 같이, 씰 케이스(1)와 정지밀봉고리(4)와의 대향주면 사이에 제1, 제2 및 제3 O-링(12, 13, 28)을 배치하여, 그 대향주면 사이에 제1 및 제2 O-링(12, 13)에 의해 닫히는 씰 가스 통로(5)의 연통공간(18)과 제2 및 제3 O-링(13, 28)에 의해 닫히는 배압실(25)을 구획형성하고, 씰 가스 공급로(19)로부터 씰 가스 통로(5)로 공급되는 씰 가스(6)의 일부를 배압실(25)로 도입시키도록 구성하고 있고, 이 점 및 씰 케이스(1)를 제2 가스 씰(102)와 마찬가지의 2중통구조인 점을 제외하고는, 제1 가스 씰(101)과 동일 한 구조를 이룬다.
즉, 정지밀봉고리(4)를, 제4 고리모양부분(17)의 외경이 제2 고리모양부분(15)의 외경과 일치하는 형성으로 하고, 제1 및 제2 O-링(12, 13)을 제2 및 제4 고리모양부분(15, 17)의 외주면과 씰케이스(1)의 외경통부(1c)의 내주면과의 사이에 장전함과 아울러, 제3 O-링(28)을 제4 고리모양부분(17)의 내주면과 씰 케이스(1)의 내경통부(1d)의 외주면과의 사이에 장전하여, 연통공간(18)과 배압실(25)을 제2 O-링(13)에 의해 구획한 별개 독립의 고리모양공간으로 하고 있다. 그리고, 폐력발생수단(8)에 있어서는, 씰 케이스(1)에 씰 가스 통로(5)와는 독립하여 배압실(25)로 연통하는 폐력용 가스 통로(5a)를 형성함과 동시에, 씰 가스 공급로(19)로부터 분기시킨 폐력용 가스 공급로(19a)를 폐력용 가스 통로(5a)에 접속하여, 씰 가스 공급로(19)로부터 씰 가스 통로(5)로 공급되는 씰 가스(6)의 일부를 폐력용 가스 공급로(19a) 및 폐력용 가스 통로(5a)를 경유하여 배압실(25)로 도입시키는 것에 의해, 제1 및 제2 가스 씰(101, 102)과 마찬가지로, 폐력과 균형을 이루는 폐력을 발생시키도록 되어 있다. 제3 가스 씰(103)에서의 폐력은, 제4 고리모양부분(17)의 후단면(4e)에 작용하는 씰 가스압력(P1)에 의한 제3 추력(F3)으로부터 제2 고리모양부분(15)의 전단면(4b)에 작용하는 피밀봉 유체압력(P)에 의한 제1 추력을 공제한 것으로 되어, 연통공간(18)으로 도입되는 씰 가스(6)에 의해서는 추력은 발생하지 않는다. 다만, 제1 및 제2 고리모양부분(14, 15)의 외경이 일치하는 경우에는, 제1 추력(F1)은 발생하지 않는다.
그런데, 씰 가스(6)의 공급이 정지하면, 배압실(25)에 작용하는 씰 가스 압 력(P1)에 의한 배압(폐력)이 소실하기 때문에, 정지밀봉고리(4)는 회전밀봉고리방향으로 이동시키지 않고, 회전밀봉고리(3)로 심하게 출돌하지는 않지만, 씰 조건에 따라서는, 씰 가스(6)의 공급이 예측할 수 없게 정지할 때에 있어서 정지밀봉고리($)의 회전밀봉고리방향으로의 급격한 이동을 적극적으로 회피하는 수단을 설치하여 두는 것이 바람직한 경우가 있다. 제 4, 제 5, 제 6, 제 7, 제 8 및 제 9 가스 씰(104, 105, 106, 107, 108, 109)은, 각각, 그 일예를 도시한 것이다.
제 4 또는 제 5 가스 씰(104, 105)에서는, 도 4 또는 도 5에 도시한 바와 같이, 씰 가스(1)와 정지밀봉고리(4)와의 대향주면 사이에, 씰 가스(6)를 도입하는 것에 의해 정지밀봉고리(4)의 회전밀봉고리 방향으로의 이동을 저지하는 저항력을 발생시키는 보압실(保壓室, 30)을 형성하고 있음과 동시에, 정지밀봉고리(4)에, 보압실(30)과 배압실(25) 또는 연통공간(18)을 연통하는 한편 조임기(31)를 배치한 씰 가스 도입로(32)를 형성하여, 씰 가스(6)의 공급이 예측할 수 없게 정지될 때에서의 정지밀봉고리(4)의 회전밀봉고리 방향으로의 급격한 이동을 적극적으로 저지하도록 구성되어 있다.
즉, 제 4 가스 씰 (104)은, 도 4에 도시한 바와 같이, 제 2 가스 씰(102)에서의 제1 O-링 장전위치에 제 4 O-링(33)을 장전함과 동시에, 제1 O-링(12)을 제 3 고리모양부분(16)과 씰 케이스(1)의 외경통부(1c)와의 사이에 장전하여, 정지밀봉고리(4)와 씰 케이스(1)와의 사이에 제 1 및 제 4 O-링(12, 33)에 의해 씰링된 고리모양공간인 보압실(30)을 형성하도록 한 점, 및 정지밀봉고리(4)에 보압실(30)과 연통공간(18) 겸용의 배압실(25)을 연통하는 한편 조임기(31)를 배치한 씰 가스 도 입로(32)를 형성한 점을 제외하고는, 제 2 가스 씰(102)와 동일한 구조로 되어 있다. 또한, 조임기(31)는, 씰 가스 통로(5)에 배치된 조임기(24)와 마찬가지로, 오리피스, 모세관, 다공질부재 등의 조임기능을 가진 것이다.
제 4 가스 씰(104)에 있어서는, 보압실(30)에는 씰 가스(6)가 연통공간(18) 겸용의 배압실(25)로부터 씰 가스 도입로(32)를 경유하여 도입되고, 보압실(30)로 도입된 씰 가스(6)에 의해 정지밀봉고리(4)를 회전밀봉고리(3)로부터 이간시키는 방향의 추력이 발생한다. 이 추력은 제3 고리모양부분(15)의 전단면(4c)에 작용하는 씰 가스 압력(P1)에 의한 것이고, 씰 가스(3)의 공급상태에 있어서는, 기능상, 상기 제2 추력(F2)과 동등한 것이다.
따라서, 씰 가스(6)의 공급이 예측할 수 없게 정지되면, 이것과 동시에, 밀봉단면(3a, 4a) 사이에 작용하는 개력 및 배압실(25)에 작용하는 씰 가스(6)에 의한 폐력은 소실하지만, 보압실(30) 내의 씰 가스(6)는, 씰 가스 도입로(32)에 설치된 조임기(31)에 의해 완만하게 배출되게 되고, 씰 가스(6)의 공급정지 후도, 잠깐 사이, 잔존하는 것으로 된다. 따라서, 씰 가스(6)의 공급이 정지될 때에도, 보압실(30) 내에 잔존하는 씰 가스 압력(P1)에 의해, 정지밀봉고리(4)의 회전밀봉고리 방향으로의 이동을 저지하는 저항력이 발생하여, 씰 가스(6)의 공급정지 시에서의 정지밀봉고리(4)의 회전밀봉고리 방향으로의 급격한 이동이 저지된다. 즉, 씰 가스(6)의 공급이 정지된 순간에, 정지밀봉고리(4)가 급격하게 이동하여 회전밀봉고리(3)에 심하게 충돌하는 일은 없다.
또한, 제 5 가스 씰(105)에 있어서는, 도 5에 도시한 바와 같이, 제 3 및 제 4 고리모양부분(16, 17)의 외주면과 씰 케이스(1)의 외경통부(1c)의 내주면과의 사이에 제 1 및 제2 O-링(12, 13)에 의해 닫힌 연통공간(18)을 형성함과 동시에, 제 4 고리모양부분(16)의 내주면과 씰 케이스(1)의 내경통부(1c)의 외주면과의 사이에 제 2 및 제 3 O-링(12, 28)에 의해 닫힌 배압실(25)을 형성하여, 폐력발생수단(8)이 제 3 가스 씰(103)과 마찬가지의 구성으로 되어 있고, 보압실(30)이 조임기(31)를 가진 씰 가스 도입로(32)에 의해 연통공간(18)과 연통되어 있다. 이러한 구성에 있어서도, 제 4 가스 씰(104)과 마찬가지로, 씰 가스(6)의 공급이 정지된 때, 보압실(30) 내에 잔존하는 씰 가스 압력(P1)에 의해, 정지밀봉고리(4)의 회전밀봉고리방향으로의 이동을 저지하는 저항력이 발생하고, 씰 가스(6)의 공급정지시에서의 정지밀봉고리(4)의 회전밀봉고리방향으로의 급격한 이동이 저지된다. 또한, 제 5 가스 씰(105)에 있어서는, 도시하지 않았으나, 보압실(30)을 조임기(31) 및 씰 가스 도입로(32)을 통하여 배압실(25)로 연통시키도록 하여도 좋다.
또한, 제 6, 제 7, 제 8 및 제 9 가스 씰(106, 107, 108, 109)은, 씰 케이스(1)와 정지밀봉고리(4)와의 사이에, 정지밀봉고리(4)를 회전밀봉고리(3)로부터 이간하는 방향으로 밀어붙이는 탄성부재(34, 35)를 끼워 장착하여, 씰 가스(6)의 공급정지시에서의 정지밀봉고리(4)의 회전밀봉고리방향으로의 급격한 이동을 저지하도록 구성되어 있는 것이다.
즉, 제 6 또는 제 7 가스 씰(106, 107)은, 도 6 또는 도 7에 도시한 바와 같이, 씰 케이스(1)와 정지밀봉고리(4)와의 사이에 정지밀봉고리(4)를 회전밀봉고리(3)로부터 이간하는 방향으로 밀어붙이는 탄성부재인 스프링(34)을 배치하여 씰 가 스(6)의 공급이 예측할 수 없게 정지된 때에도 이 스프링의 밀어붙이는 힘에 의해 정지밀봉고리(4)의 회전밀봉고리방향으로의 급격한 이동을 저지하도록 구성한 것이다. 또한, 스프링(34)에 의한 밀어붙이는 힘은, 개력발생수단(7)에 의한 개력과 폐력발생수단(8)에 의한 폐력이 소실된 경우에 있어서, 정지밀봉고리(4)의 급격한 이동을 저지하는 데에 필요하고도 충분한 것으로 설정되어 있고, 밀봉단면(3a, 4a) 사이를 적정한 비접촉상태로 유지하기 위한 개력과 폐력과의 균형을 손상시켜서는 안된다는 것은 말할 필요도 없다.
또한, 제 8 또는 제 9 가스 씰(108, 109)은, 도 8 또는 도 9에 도시한 바와 같이, 씰 케이스(1)(제 8 가스 씰(108)에 있어서는 내경통부(1d)이고, 제 9 가스 씰(109)에 있어서는 외경통부(1c)이다)와 정지밀봉고리(4)와의 사이에 정지밀봉고리(4)를 회전밀봉고리(3)로부터 이간하는 방향으로 밀어붙이는 탄성부재인 O-링(35)을 배치하여, 씰 가스(6)의 공급이 비예측적으로 정지될 때에 있어서, O-링(35)에 의한 밀어붙이는 힘(축선방향에서의 탄성변형)에 의해 정지밀봉고리(4)의 회전밀봉고리방향으로의 급격한 이동을 저지하도록 구성한 것이다. 또한, 제 9 가스 씰(109)에 있어서는, O-링(35)을 연통공간(18) 겸용의 배압실(25)을 씰하기 위한 제1 O-링(12)으로 겸용하고 있다. 또한, O-링(35)에 의한 밀어붙이는 힘은, 개력발생수단(7)에 의한 개력과 폐력발생수단(8)에 의한 폐력이 소실한 경우에 있어서, 정지밀봉고리(4)의 급격한 이동을 저지하는 데에 필요하고도 충분한 것으로 설정되어 있고, 밀봉단면(3a, 4a) 사이를 적정한 비접촉상태로 유지하기 위한 개력과 폐력과의 균형을 손상시켜서는 안된다는 것은 말할 필요도 없다.
그런데, 피밀봉 유체압력(P)이 변동하는 조건하에 있어서, 상기 제 1 추력(F1)이 작용하는 경우에는, 씰 조건에 따라, 배압실(25)에 작용하는 씰 가스압력(P1)에 의해서는 개력과 균형을 이루는 데에 필요하고도 충분한 폐력이 확보할 수 없는 경우도 있을 수 있지만, 이러한 경우에서는, 제 10 가스 씰(110)과 같이, 피밀봉 유체압력(P)에 의한 폐력을 부가하면 좋다.
즉, 제 10 가스 씰(110)에서는, 도 10에 도시한 바와 같이, 씰 케이스(1)의 내경통부(內徑筒部, 1d)와 정지밀봉고리(4)와의 대향주면 사이에, 2개의 O-링(28, 36)에 의해 폐색되는 한편 배압실(25)과 구획된 보조배압실(37)을 형성함과 동시에, 정지밀봉고리(4)로 피밀봉 유체영역(H)와 보조배압실(37)을 연통하는 관통구멍(38)을 형성하여, 관통구멍(38)으로부터 보조배압실(37)로 도입된 피밀봉 유체압력(P)에 의해 정지밀봉고리(4)를 회전밀봉고리(3)로 누르는 폐력이 발생되도록 구성하고 있다. 또한, 제 10 가스 씰(110)은 보조배압실(37) 및 관통구멍(38)을 설치한 점을 제외하고는, 제 3 가스 씰(103)과 같은 구조로 된 것이다.
제 10 가스 씰(110)에 있어서는, 보조배압실(37)에 도입된 피밀봉 유체압력(P)에 의해 폐력이 부가되고, 더욱이 이 폐력이 피밀봉 유체영역(H)의 압력변동에 따라 변화하는 것이기에, 피밀봉 유체의 압력(P)이 변동하는 조건하에 있어서도, 양호한 씰 기능을 발휘한다.
또한, 제 10 가스 씰(110)에서와 같이, 보조배압실(37)을 설치하여, 피밀봉 유체압력(P)에 의한 폐력을 부가하도록 구성되는 것에 있어서는, 씰 가스(6)의 공급이 정지하여 개력이 소실하면, 그 폐력에 의해 정지밀봉고리(4)가 회전밀봉고리 방향으로 급격히 이동될 우려가 있지만, 이러한 우려는, 제 2 고리모양부분(15)의 전단면(4b)에 작용하는 피밀봉 유체압력(P)에 의한 추력(제 1 추력(F1))이 그 폐력과 균형을 이루도록 고려되어 있는 것에 의해, 배제할 수 있다. 또한, 정지밀봉고리(4)의 형상 등의 씰 조건상, 이와 같은 고려를 하는 것이 곤란한 경우에는, 제 4 또는 제 5 가스 씰(104, 105)과 같은 보압실(30)을 설치하여 두거나, 또는 제 6, 제 7, 제 8 또는 제 9 가스 씰(106, 107, 108, 109)와 같은 탄성부재(34, 35)를 설치하는 것에 의해, 상기한 우려를 효과적으로 배제할 수 있다. 제 11 가스 씰(111)은, 그 일례이다.
즉, 제 11가스 씰(111)은, 도 11에 도시한 바와 같이, 제 6 가스 씰(106)과 마찬가지로 씰 케이스(1)와 정지밀봉고리(4)와의 사이에 정지밀봉고리(4)를 회전밀봉고리(3)로부터 이간하는 방향으로 밀어붙이는 스프링(34)을 설치한 점을 제외하고는, 제 10 가스 씰(110)과 같은 구조로 되어 있다.
제 11 가스 씰(111)에 있어서는, 씰 가스(6)의 공급이 예측할 수 없게 정지될 때, 보조배압실(37)에 의한 폐력이 존재하고 있어도, 스프링(34)에 의한 밀어붙이는 힘에 의해 정지밀봉고리(4)의 회전밀봉고리방향으로의 급격한 이동이 방지되어, 밀봉단면(3a, 4a)끼리 심하게 충돌하지는 않는다.
또한, 상기한 각 가스 실(101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109, 110, 111)에서는, 개력발생수단(7)을 씰 가스(6)에 의해 밀봉단면(3a, 4a) 사이에 정압만을 발생시키도록 구성하였지만, 밀봉단면(3a, 4a) 사이에 정압에 더하여 동압도 발생시키도록 구성할 수 있다. 제 12 가스 씰(112)은, 이와 같은 정압 및동압 에 의한 개력을 발생시키도록 구성된 복합형 비접촉식 가스 씰의 일례이다.
즉, 제 12 가스 씰(112)는, 도 12에 도시한 바와 같이, 회전측 밀봉단면(3a)에 동압발생홈(41)을 형성하여, 이 동압발생홈(41)에 의해 밀봉단면(3a, 4a) 사이에 동압에 의한 개력을 발생시키도록 고려한 것으로서, 이 점을 제외하고는, 제 1 가스 씰(101)과 같은 구조로 된 것이다.
동압발생홈(41)의 형상은, 씰 조건 등에 따라 적절하게 설정할 수 있지만, 이 예에서는, 동압발생홈(41)을, 도 17에 도시한 바와 같이, 회전측밀봉단면(3a)에서의 정압발생홈(22)에 대향하는 부위로부터 외경방향이면서 또한 회전밀봉고리(3)의 회전방향(A 방향)과 역방향으로 경사지게 연장하는 제 1 홈부분(42a)과 내경방향이면서 회전밀봉고리(3)의 회전방향(A방향)과 역방향으로 경사지게 연장하는 제 2 홈부분(42b)으로 된 복수의 홈(42)이 밀봉단면(3a)의 둘레방향으로 병렬로 된 형상으로 구성하고 있다. 각 홈(42)은, 1~ 10㎛의 얕은 깊이로 일정한 홈이고, 그 최외경측 단부(제 1 홈부분(42a)의 외경측 단부) 및 최내경측 단부(제 2 홈부분(42b))의 내경측 단부)는, 양쪽 밀봉단면(3a, 4a)의 중합영역 내에 위치되어 있다. 즉, 도 16에 도시한 바와 같이, 동압발생홈(41)의 내외경(e, f)은, 정지측 밀봉단면(4a)의 외경(a)(≤회전측 밀봉단면(3a)의 외경) 및 그 내경(d)(≥회전측 밀봉단면(3a)의 내경) 및 정압발생홈(22)(원호모양 오목홈(22a))의 외경(b) 및 그 내경(c)에 대하여, b < f < a, d < e < c의 관계를 가진 범위에서 적절하게 설정되어 있다. 이 예에서는, 0.5 ≤ (f- b)/(a - b) ≤ 0.9 또는 0.5 ≤ (c- e)/(c - d) ≤ 0.9의 조건을 만족하도록 설정되어 있다. 각 홈(42)은, 도 17(A)에 도시한 바와 같 이, 제 1 홈부분(42a)와 제 2 홈부분(42b)가 기단부에서 일치하는 대략 'く'자 모양을 이루는 것으로 하지만, 같은 도면(B)에 도시한 바와 같이, 제 1 그르브부분(42a)과 제 2 홈부분(42b)과의 기단부가 둘레방향으로 어긋나는 모양으로 되게 한다.
이와 같은 복합형 비접촉식 가스 씰인 제 12 가스 씰(112)에 의하면, 밀봉단면(3a, 4a) 사이에 씰 가스(6)에 의한 정압에 더하여 중압발생홈(41)에 의한 동압이 발생하고, 이들 정압 및 동압에 의해 밀봉단면(3a, 4a) 사이를 비접촉상태로 유지하기 위한 개력이 생긴다. 따라서, 씰 가스(6)에 의한 정압에 따라서는 밀봉단면(3a, 4a)을 적정한 비접촉상태로 유지하지 못하는 사태가 발생할 때에도, 동압에 의해 정적한 비접촉상태를 지지할 수 있다. 또한, 정압만으로 비접속 상태로 지지하는 정압형 비접촉식 가스 씰에 비하여, 씰 가스(6)에 의한 정압에 의해 씰 가스(6)의 필요공급량을 적게 할 수 있다. 또한, 동압발생홈(41)이 밀봉단면(3a, 4a)의 중복영역 외로 개방되어 있지 않기 때문에, 각 홈(42)의 최내경측 단부 및 최외경측 단부가, 밀봉단면(3a, 4a) 사이로 도입된 씰 가스(6)에 대한 둑으로서 기능하는 것으로 됨과 동시에, 밀봉단면(3a, 4a) 사이에 형성된 누설 간격을 좁히도록 작용하는 것으로 된다. 그 결과, 밀봉단면(3a, 4a) 사이에 도입된 씰 가스(6)의 피밀봉 유체영역(H)으로의 누설량이 억제되어 동압발생홈(41)에 의한 씰 가스(6)의 포착(捕捉)특성이 극히 양호한 것으로 된다. 따라서, 씰 가스(6)의 소비량을 줄일 수 있고, 만일 씰 가스(6)에 동반된 입자(particle)가 있는 경우에도, 그 침입을 극력 억제할 수 있다. 또한, 회전축(2)이 정역전되는 회전기기에 있어서는, 상기 동압발 생홈(41)을 회전밀봉고리(3)가 정전방향 및 역전방향의 어느 방향으로 회전하여도 동압을 발생하도록 된 형상이라면 좋다. 이와 같은 동압발생홈(41)의 형상에 관해서는, 씰 조건 등에 따라 임의로 설정할 수 있고, 종래보다도 다양한 형상이 제안되고 있다. 예를 들면, 회전측 밀봉단면(3a)에서, 지름방향으로 종렬(縱列)하는 한편 직경선에 대하여 대칭형상을 이루는 제 1 동압발생홈과 제 2 동압발생홈으로 된 동압발생홈 유니트를 둘레방향으로 소정간격을 두어 복수조 병렬모양으로 형성하여, 회전밀봉고리(3)가 정전방향으로 회전할 때에는 제 1 동압발생홈에 의해 동압이 발생하게 되고, 또한 회전밀봉고리(3)이 역전방향으로 회전할 때에는 제 2 동압발생홈에 의해 동압이 발생하게 되도록 구성하여 둔 것이다. 각 제 1 및 제 2 동압발생홈으로서는, 예를 들면, 홈 깊이 및 홈 폭을 일정하게 하는 'L'자 모양 홈 등을 채용할 수 있다.
또한, 본 발명의 정압형 비접촉식 가스 씰은, 반도체 관련 기기 등의 고도의 오염(contermination)방지 대책이 필요한 회전기기(예를 들면, 회전 테이블을 사용하여 기판(반도체 웨이퍼, 전자 디바이스의 기판, 액정기판, 포토마스크(photomask), 글라스 기판 등)의 세정처리 등을 행하는 처리 장치)의 씰 장치로서도 바람직하게 사용할 수 있으나, 제 13 가스 씰(113)은, 도 18에 도시한 바와 같이, 회전 테이블(202)의 구동부(203)을 통보양의 플라스틱 커버(204)로 덮고 있는 처리장치에 있어서 회전 테이블(202)이 배치된 피밀봉 유체영역인 처리영역(H)과 비밀봉츄에영역인 플라스틱 커버(204) 내의 영역(L)과의 사이를 차폐(遮蔽)하도록 설치된 처리장치용 씰 장치이다.
이 처리장치에 있어서는, 도 18에 도시한 바와 같이, 회전 테이블(202)의 구동부(203)를 원통모양의 플라스틱 커버(204)로 덮고 있고, 반도체 웨이퍼, 전자 디바이스의 기판, 액정기판, 포토마스트, 글라스 기판 등의 기판을 회전 테이블(202)를 사용하여 적절한 처리(세정철, 약제처리 등)를 행하는 경우에, 회전 테이블(202)이 배치된 처리영역(H)과 플라스틱 커버(204) 내의 영역(커버 내 영역)(L)을 제 13 가스 씰(113)에 의해 차폐 씰하여, 처리영역(H)를 클린하게 지지하도록 고려되어 있다.
또한, 구동부(203)는, 회전 테이블(202)에 연결되어 상하방향으로 연장한 회전축(203a), 회전축(203a)을 회전가능하게 지지하는 베어링, 회전축(203a)의 구동수단 및 이들을 커버 내 영역(L)에 있어서 지지하는 지지기틀(203b)을 구비하고 있고, 회전 테이블(202)을 회전구동하도록 구성되어 있다. 회전 테이블(202)는 탄화규소제인 것으로, 처리영역(H)에 수평으로 배치된 원판 등의 회전체 형상을 한 것이다. 또한, 플라스틱 커버(204)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 내약품성 플라스틱(이 예에서는 PTFE를 사용)으로 일체성형된 상단개구모양의 원통형상을 하고 있으므로, 회전 테이블(202)의 하면측에 배치된 구동부(203)을 덮고 있다. 회전 테이블(202)과 플라스틱 커버(204)와의 사이에는, 필요에 따라, 도 18에 도시한 바와 같이, 적절한 레버린스 씰(labyrinth seal)(205)을 설치할 수 있다. 이와 같은 레버린스 씰(205)을 설치하는 것에 의해, 씰 가스(6)의 레버린스 씰(205)로부터 처리영역(H)로의 분출작용과 협력하여, 약액 등이 처리영역(H)로부터 커버 내 영역(L)으로의 약액 등의 침입을 유효하게 방지할 수 있다.
따라서, 제 13 가스 씰(113)은, 도 18에 도시한 바와 같이, 플라스틱 커버(204) 내에 배치하여 구동부(203)의 지지기틀(203b)에 설치된 원통모양의 씰 케이스(1)와, 회전부재인 회전 테이블(202)에 고정된 회전밀봉고리(3)와, 씰 케이스(1)로 회전밀봉고리(3)와 동심을 이루어 대향하는 상태로 축선방향이동가능(전후방향이동가능)하게 지지된 정지밀봉고리(4)와, 씰 케이스(1) 및 정지밀봉고리(4)를 관통하는 일련의 씰 가스 통로(5)로부터 양쪽 밀봉고리(3, 4)의 대향단면인 밀봉단면(3a, 4a) 사이로 씰 가스(6)를 공급하는 것에 의해, 정지밀봉고리(4)에 밀봉단면(3a, 4a) 사이를 여는 방향에 작용하는 개력을 발생시키는 개력발생수단(7)과, 정지밀봉고리(4)에 밀봉단면(3a, 4a)를 닫는 방향에 작용하는 폐력을 발생시키는 폐력발생수단(8)을 구비하여, 밀봉단면(3a, 4a)을 비접촉상태로 유지시키면서, 밀봉단면(3a, 4a)의 외주측 영역인 처리영역(H)과 그 내주측 영역인 가스 내 영역(L)을 차폐씰링하도록 구성되는 것이므로, 이하에서 서술하는 점을 제외하고는, 제 1 가스 씰(101)과 동일한 구조로 되어 있다. 또한, 제 1 가스 씰(101)과 동일한 구성부재에 대해서는, 도 18에 있어서 동일한 부호를 붙이는 것에 의해, 그 상세한 설명은 생략하는 것으로 한다.
씰 케이스(1)는, 도 18에 도시한 바와 같이, 원통모양의 상(上)밀봉고리지지부(61)와 하(下)밀봉고리지지부(62)의 하단부로부터 안쪽으로 돌출하는 원통모양의 설치부(63)로 이루어지는 금속제(예컨대, SUS316 등의 스테인레스제)의 것이다. 하밀봉고리지지부(62)와 설치부(63)와는 일체 구조물이고, 이것과 상밀봉고리지지부(61)는 별체 구조물로서, 적당한 연결구에 의해 연결되어 있다. 씰 케이스(1)는, 그 하단부(하밀봉고리지지부(62)의 하단부)를 커버 일단부(204a)에 맞닿게 함과 동시에 그 외주부(상하밀봉고리지지부(61)의 외주부)를 플라스틱 커버(204)의 상단측 내주부(커버 일단부(204a)보다 위쪽부분의 내주부)에 불소 고무제의 O-링(206)을 통하여 밀착시킨 상태로, 설치부(63)를 통하여 지지기(支持機)기틀(203b)에 설치되어 있다.
회전밀봉고리(3)는, 정지밀봉고리(4)의 구성재(예를 들면, 카본)보다 경질의 재료(예컨대, 탄화규소)로 성형된 원통모양체이고, 도 18에 도시한 바와 같이, 회전 테이블(202)의 하면부에 회전축(203a)과 동심을 이루어 고정되어 있다. 회전밀봉고리(3)의 하단면은, 평활고리모양면인 밀봉단면(회전측 밀봉단면)(3a)로 되어 있다.
정지밀봉고리(4)는, 도 18에 도시한 바와 같이, 회전밀봉고리(3)에 동심을 이루어 대향한 상태로 씰 케이스(1)의 내주부에 제 1 및 제2 O-링(12, 13)을 통하여 축선방향이동가능(상하방향이동가능)하게 지지되어 있다. 정지밀봉고리(4)는, 제 1 가스 씰(101)에서의 것과 동일한 구조를 이루는 것으로서, 도 18에 도시한 바와 같이, 외경을 달리하는 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 고리모양부분(14, 15, 16, 17)으로 된 원고리모양체이고, 제 1 고리모양부분(14)의 상단면은 축선으로 직교하는 평활면으로 된 밀봉단면(정지밀봉단면)(4a)으로 형성되어 있다. 또한, 정지밀봉고리(4)는, 씰 케이스(1)의 설치부(63)에 심어져 있는 드라이브 핀(26)의 끼워맞춤 작용에 의해, 소정범위에서의 축선방향이동을 허용하는 상태로, 씰 케이스(1)에 대한 상대회전을 저지시키고 있다.
제 1 및 제2 O-링(12, 13)은, 도 18에 도시한 바와 같이, 정지밀봉고리(4)와 씰 케이스(1)의 상하밀봉고리 지지부(61, 62)의 대향주면 사이에 적당하게 압축된 상태로 끼워져 삽입되어 있고, 정지밀봉고리(4)의 소정 범위에서의 상하방향이동(축선방향이동)을 허용하면서, 정지밀봉고리(4)와 씰 케이스(1)와의 사이를 2차 씰링하고 있다. 정지밀봉고리(4)와 씰 케이스(1)와의 대향주면 사이에는, 제 1 및 제2 O-링(12, 13)에 의해 닫힌 고리모양의 연통공간(18)이 형성되어 있다.
개력발생수단(7)은, 도 18에 도시한 바와 같이, 제 1 가스 씰(101)에 있어서와 마찬가지로, 씰 케이스(1) 및 정지밀봉고리(4)를 관통하는 일련의 씰 가스 통로(5)와, 처리영역(H)의 압력(피밀봉 유체압력)(P)보다 고압인 소정압(P1)(>P)의 씰 가스(6)를 씰 가스 공급로(19)로부터 씰 가스 통로(5)로 공급하는 씰 가스 공급장치(20)로 이루어진다.
씰 가스 통로(5)는, 도 18에 도시한 바와 같이, 씰 케이스(1)와 정지밀봉고리(4)와의 대향주면 사이에 형성된 고리모양공간에 있어서 그 대향주면 사이에 끼워 장착된 2개의 O-링(12, 13)에 의해 닫힌 연통공간(18)과, 씰 케이스(1)를 관통하여, 상류단을 씰 가스 공급로(19)에 접속하면서 하류단을 연통공간(18)에 개구하는 케이스측 통로(21)와, 정지측밀봉단면(4a)에 형성된 정압발생홈(22)과, 정지밀봉고리(4)를 관통하여, 상류단을 연통공간(18)에 개구하면서 하류단을 정압발생홈(22)에 개구하는 밀봉고리측 통로(23)와, 밀봉고리측 통로(23)의 적소에 배치된 조임기(24)로 된다.
케이스측 통로(21)는, 도 18에 도시한 바와 같이, 하밀봉고리지지부(62)르 축선방향으로 관통하는 제 1 가스로(21a)와, 상밀봉고리지지부(61)를 그 하단부로부터 내주부로 관통하는 제 2 가스로(21b)로 이루어진다. 제 1 가스로(21a)의 상단부와 제 2 가스로(21b)의 하단부와는, 상하밀봉고리지지부(61, 62) 사이에 끼워 장착된 불소 고무제의 O-링(21c)에 의해 씰 되는 상태로, 연통접속되어 있다. 제 2 가스로(21b)의 상단부(하류단)는 연통공간(18)로 연통되어 있다.
씰 가스 공급로(19)는, 도 18에 도시한 바와 같이, 플라스틱 커버(204)에 형성된 제 1 공급로(19a)와, 이것과 씰 가스 공급장치(20)를 접속하는 제 2 공급로(19b)로 된다. 제 1 공급로(19a)는, 플라스틱 커버(204)를 상하방향(플라스틱 커버(204)의 축선방향)으로 관통하여, 그 상단부(하류단)을 커버 일단부(204a)에 개구함과 함께, 그 하단부(상류단)를 제 2 공급로(19b)에 접속하고 있다. 제 1 공급로(19a)의 상단부(하류단)과 제 1 가스로(21a)의 하단부(상류단)과는, 커버 일단부(204a)와 하밀봉고리지지부(62)와의 사이에 끼워 장착된 불소 고무제의 O-링(207)에 의해 씰링된 상태로, 연통접속되어 있다.
또한, 씰 케이스(1)의 표면 및 케이스 측 통로(21)의 내표면에서는, PFA, PTFE 등의 내약품성 플라스틱에 의한 코팅층이 형성되어 있다.
폐력발생수단(8)은, 도 18에 도시한 바와 같이, 제 1 가스 씰(101)과 마찬가지로, 씰 케이스(1)와 정지밀봉고리(4)와의 대향주면 사이에 2개의 O-링(12, 13)에 의해 닫힌 연통공간(18)과 겸용되는 배압실(25)을 형성하고, 이 배압실(25)에 씰 가스 통로(5)로 공급되는 씰 가스(6)의 일부 또는 씰 가스 통로(5)를 유동하는 씰 가스(6)의 일부를 도입시켜서, 정지밀봉고리(4)로 씰 가스(6)에 의한 배압을 작용 시키는 것에 의해, 상기 폐력을 발생시키도록 구성되어 있는 것이다.
이상과 같이 구성된 제 13 가스 씰(113)에 의하면, 제 1 가스 씰(101)과 마찬가지의 씰 기능이 발휘되고, 처리영역(H)과 커버 내 영역(L)과의 사이가 완전하게 차폐되는 것이 된다. 또한, 양쪽 밀봉단면(3a, 4a)는 씰 가스(6)에 의해 비접촉상태로 유지되므로, 밀봉단면(3a, 4a)의 접촉에 의한 마모가루 등의 입자가 생기지 않는다. 따라서, 커버 내 영역(L)에서 발생하는 분진 등이 처리영역(H)으로 침입하지 않아, 처리영역(H)이 청정하게 유지된다. 반대로, 처리영역(H)에서 생기는 처리잔사(殘渣)가 커버 내 영역(L)으로 침입하여, 회전축(2a)의 구동계 등이 문제를 일으키는 것도 없다. 즉, 회전 테이블(202) 측의 회전밀봉고리(3)와 플라스틱 커버(204)측의 정지밀봉고리(4)와의 사이로부터 처리영역(H)과 커버 내 영역(L)으로 씰 가스(6)를 분출시키므로, 회전 테이블(202)이 배치되는 처리영역(H)과 회전축(203a)의 구동수단 등이 배치되는 커버 내 영역(L)과의 사이를 확시하게 차폐할 수 있어, 처리영역(H)에서의 처리를 커버 내 영역(L)으로부터의 입자 침입(및 금속 이온의 발생)을 완전히 방지된 청정분위기로 지지할 수 있고, 기판의 세정 등의 처리를 양호하게 행할 수 있으며, 고도의 오염 방지대책을 실현할 수 있다. 또한, 처리영역(H)으로 발생하는 세정액 잔사나 처리영역(H)에서 사용, 발생하는 유해물질이 커버 내 영역(L)으로 누설하여 회전축(203a)의 구동계에 악영향을 미치는 등의 문제도 배제할 수 있다.
그런데, 케이스측 통로(21) 및 제 1 공급로(19a)는, 도 18에 쇄선으로 표시한 것처럼, 제 1 공급로(19a)의 하류단을 플라스틱 커버(204)의 내주면에 개구시킴 과 동시에 케이스측 통로(21)를 상밀봉고리 지지부(61)에 그것을 지름방향으로 관통하도록 형성하여, 양로(19a, 21) 사이를 플라스틱 커버(204)와 상밀봉고리지지부(61)와의 대향주면 사이에 장전된 O-링(도시 생략)을 통하여 씰 상태로 접속하는 형태로 되는 것도 가능하지만, 이와 같이 하면, 양로(19a, 21) 사이의 연통부분에 고압의 씰 가스(6)에 의한 압력이 작용하기 때문에, 플라스틱 커버(204)가 지름방향으로 변형하고, 그 결과, 그 O-링에 의한 씰 기능이 저하 또는 상실하여, 씰 가스 공급이 양호하게 행해지지 않는 등의 문제가 생길 우려가 있다. 따라서, 이러한 경우에서는, 커버(204)를 이러한 변형을 생기지 않는 금속재로 구성하여, 그 표면에 플라스틱 코팅을 실시하여 두는 등의 고려가 필요하게 된다. 그러나, 양로(19a, 21)를 도 18에 도시한 바와 같이 구성하여, 제 1 공급로(19a)로부터 케이스측 통로(21)로 가스 유동이 플라스틱 커버(204)의 축선방향에서 행해지도록 하면, 플라스틱 커버(204)의 재질이나 두께(지름방향의 두께)에 관계없이, 플라스틱 커버(204)가 변형하지 않고, 상기한 문제는 생기지 않는다. 따라서, 플라스틱 커버(204)의 재질, 형상(두께)를, 상기 가스압에 대한 강도를 고려하지 않고, 처리장치의 사용조건에 따라 자유롭게 설정할 수 있다. 또한, 그 커버(204)와 회전 테이블(202)과의 사이에 상기한 바와 같은 레버린스 씰(205)을 설치하는 경우에도, 플라스틱 커버(204)가 변형하지 않으므로, 그 레버린스 씰(205)의 기능을 손상시키지 않는다.
또한, 본 발명의 정압형 비접촉식 가스 씰은, 상기한 제 1, 제 2, 제 3, 제 4, 제 5, 제 6, 제 7, 제 8, 제 9, 제 10, 제 11, 제12 및 제 13 가스 씰(101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109, 110 , 111, 112, 113)의 구성으로 한정 되는 것이 아니고, 본 발명의 기본원리를 벗어나지 않는 범위에 있어서 적절하게 개량, 변형하는 것이 가능하다. 예를 들면, 도 18에 도시한 바와 같은 회전 테이블(202)을 가진 세정장치 등의 처리장치에 있어서는, 양영역(H, L) 사이의 씰 장치로서, 제 1 가스 씰(101)과 같은 구조를 이루는 제 13 가스 씰(113) 외에, 상기한 제 2, 제 3, 제 4, 제 5, 제 6, 제 7, 제 8, 제 9, 제 10, 제 11 또는 제 12 가스 씰(102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109, 110 , 111, 112)와 같은 구조로 된 정압형 비접촉식 가스 씰을 사용하는 것이 가능하다.

Claims (18)

  1. 통 모양의 씰 케이스와, 회전부재에 고정된 회전밀봉고리와, 씰 케이스에 회전밀봉고리와 대향하는 상태로 축선방향이동가능하게 지지된 정지밀봉고리와, 씰 케이스 및 정지밀봉고리를 관통하는 일련의 씰 가스 통로로부터 회전밀봉고리와 정지밀봉고리의 대향단면인 밀봉단면 사이에 씰 가스를 공급하는 것에 의해, 정지밀봉고리에 밀봉단면 사이를 여는 방향에 작용하는 개력(開力)을 발생시키는 개력발생수단과, 정지밀봉고리에 밀봉단면 사이를 닫는 방향에 작용하는 폐력(閉力)을 발생시키는 폐력발생수단을 구비하여, 이 개력과 폐력을 균형을 이루게 함으로써, 밀봉단면 사이를 비접속상태로 지지시키도록 구성된 정압형 비접촉식 가스 씰(gas seal)에 있어서,
    씰 가스 통로가, 씰 케이스와 정지밀봉고리와의 대향주면 사이에 형성된 고리모양 공간으로서, 그 대향주면 사이에 끼워 장착된 2개의 O-링에 의해 닫힌 연통공간과, 씰 케이스를 관통하여, 상류단을 씰 가스 공급로에 접속함과 동시에 하류단을 연통공간에 개구하는 케이스 측 통로와, 정지밀봉고리의 밀봉단면에 형성된 정압발생홈과, 정지밀봉고리를 관통하여, 상류단을 연통공간에 개구함과 동시에 하류단을 정압발생홈에 개구하는 밀봉고리측 통로와, 밀봉고리측 통로에 배치된 조임기를 구비하고,
    폐력발생수단이, 스프링을 사용하지 않는 것으로서, 씰 케이스와 정지밀봉고리와의 대향주면 사이에 2개의 O-링에 의해 닫힌 고리모양공간으로서 상기 연통공간과 겸용하는 배압실을 형성하고, 이 배압실에, 씰 가스 공급로로부터 케이스측 통로에 공급된 씰 가스의 일부를 도입시키는 것에 의해, 정지밀봉고리에 작용하는 씰 가스에 의한 배압으로서 상기 폐력을 발생시키도록 구성되며,
    조임기를 경유하지 않고 배압실로 공급된 씰 가스에 의한 폐력이, 조임기를 경유하여 밀봉단면 사이로 도입된 씰 가스에 의한 개력의 발생에 앞서서 발생하도록 구성된 것을 특징으로 하는 정압형 비접촉식 가스 씰.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    씰 케이스와 정지밀봉고리와의 대향주면 사이에, 2개의 O-링에 의해 폐색되는 한편 배압실과 구획된 보조 배압실을 형성함과 동시에, 정지밀봉고리로 피밀봉 유체영역과 보조 배압실과를 연통하는 관통구멍을 형성하여, 관통구멍으로부터 보조 배압실로 도입되는 피밀봉 유체의 압력에 의해 정지밀봉고리를 회전밀봉고리로 누르는 폐력이 발생되도록 구성한 것을 특징으로 하는 정압형 비접촉식 가스 씰.
  6. 제 1항 또는 제 5항에 있어서,
    씰 케이스와 정지밀봉고리와의 사이에, 정지밀봉고리를 회전밀봉고리로부터 이간하는 방향으로 밀어 붙이는 탄성부재를 끼워 장착하여, 씰 가스의 공급정지 시에서의 정지밀봉고리의 회전밀봉고리 방향으로 급격한 이동을 저지하도록 구성한 것을 특징으로 하는 정압형 비접촉식 가스 씰.
  7. 제 6항에 있어서,
    탄성부재가 스프링 또는 O-링인 것을 특징으로 하는 정압형 비접촉식 가스 씰.
  8. 제 1항에 있어서,
    씰 케이스와 정지밀봉고리와의 대향주면 사이에, 씰 가스를 도입하는 것에 의해 정지밀봉고리의 회전밀봉고리 방향으로의 이동을 저지하는 저항력을 발생시키는 보압실을 형성함과 동시에, 정지밀봉고리에, 보압실과 배압실 또는 연통공간을 연통하는 한편 조임기를 배치한 씰 가스 도입로를 형성하여, 씰 가스의 공급정지 시에서의 정지밀봉고리의 회전밀봉고리 방향으로의 급격한 이동을 저지하도록 구성한 것을 특징으로 하는 정압형 비접촉식 가스 씰.
  9. 제 1항에 있어서,
    회전밀봉고리의 밀봉단면에 동압발생홈을 형성하여, 밀봉단면 사이로 씰 가스에 의한 정압에 더하여 동압발생홈에 의한 동압을 작용시키도록 구성한 것을 특징으로 하는 정압형 비접촉식 가스 씰.
  10. 통 모양의 씰 케이스와, 회전부재에 고정된 회전밀봉고리와, 씰 케이스에 회전밀봉고리와 대향하는 상태로 축선방향이동가능하게 지지된 정지밀봉고리와, 씰 케이스 및 정지밀봉고리를 관통하는 일련의 씰 가스 통로로부터 회전밀봉고리와 정지밀봉고리의 대향단면인 밀봉단면 사이에 씰 가스를 공급하는 것에 의해, 정지밀봉고리에 밀봉단면 사이를 여는 방향에 작용하는 개력(開力)을 발생시키는 개력발생수단과, 정지밀봉고리에 밀봉단면 사이를 닫는 방향에 작용하는 폐력(閉力)을 발생시키는 폐력발생수단을 구비하여, 이 개력과 폐력을 균형을 이루게 함으로써, 밀봉단면 사이를 비접속상태로 지지시키도록 구성된 정압형 비접촉식 가스 씰(gas seal)에 있어서,
    씰 가스 통로가, 씰 케이스와 정지밀봉고리와의 대향주면 사이에 형성된 고리모양 공간으로서, 그 대향주면 사이에 끼워 장착된 2개의 O-링에 의해 닫힌 연통공간과, 씰 케이스를 관통하여, 상류단을 씰 가스 공급로에 접속함과 동시에 하류단을 연통공간에 개구하는 케이스 측 통로와, 정지밀봉고리의 밀봉단면에 형성된 정압발생홈과, 정지밀봉고리를 관통하여, 상류단을 연통공간에 개구함과 동시에 하류단을 정압발생홈에 개구하는 밀봉고리측 통로와, 밀봉고리측 통로에 배치된 조임기를 구비하고,
    폐력발생수단이, 스프링을 사용하지 않는 것으로서, 씰 케이스와 정지밀봉고리와의 대향주면 사이에 2개의 O-링에 의해 닫힌 고리모양공간으로서 상기 연통공간과 독립하여 배압실을 형성하고, 씰 케이스에, 씰 가스 통로와는 독립된 통로로서 상기 씰 가스 공급로와 배압실을 접속하는 폐력용 가스통로를 형성하여, 이 배압실에, 씰 가스 공급로로부터 폐력용 가스 통로를 통하여 씰 가스를 도입시키는 것에 의해, 정지밀봉고리에 작용하는 씰 가스에 의한 배압으로서 상기 폐력을 발생시키도록 구성되며,
    조임기를 경유하지 않고 배압실로 공급된 씰 가스에 의한 폐력이, 조임기를 경유하여 밀봉단면 사이로 도입된 씰 가스에 의한 개력의 발생에 앞서서 발생하도록 구성된 것을 특징으로 하는 정압형 비접촉식 가스 씰.
  11. 제 10항에 있어서,
    씰 케이스와 정지밀봉고리와의 대향주면 사이에 제 1, 제 2 및 제 3 O-링을 배치하여, 그 대향주면 사이에 제 1 및 제2 O-링에 의해 폐색되는 씰 가스 통로의 연통공간과 제 2 및 제 3 O-링에 의해 폐색되는 배압실을 형성하고, 씰 가스 공급로로부터 씰 가스 통로로 공급되는 씰 가스의 일부를 배압실로 도입시키도록 구성하는 것을 특징으로 하는 정압형 비접촉식 가스 씰.
  12. 제 10항 또는 제 11항에 있어서,
    씰 케이스와 정지밀봉고리와의 대향주면 사이에, 2개의 O-링에 의해 폐색되는 한편 배압실과 구획된 보조 배압실을 형성함과 동시에, 정지밀봉고리로 피밀봉 유체영역과 보조 배압실과를 연통하는 관통구멍을 형성하여, 관통구멍으로부터 보조 배압실로 도입되는 피밀봉 유체의 압력에 의해 정지밀봉고리를 회전밀봉고리로 누르는 폐력이 발생되도록 구성한 것을 특징으로 하는 정압형 비접촉식 가스 씰.
  13. 제 10항 또는 제 11항에 있어서,
    씰 케이스와 정지밀봉고리와의 사이에, 정지밀봉고리를 회전밀봉고리로부터 이간하는 방향으로 밀어 붙이는 탄성부재를 끼워 장착하여, 씰 가스의 공급정지 시에서의 정지밀봉고리의 회전밀봉고리 방향으로 급격한 이동을 저지하도록 구성한 것을 특징으로 하는 정압형 비접촉식 가스 씰.
  14. 제 12항에 있어서,
    씰 케이스와 정지밀봉고리와의 사이에, 정지밀봉고리를 회전밀봉고리로부터 이간하는 방향으로 밀어 붙이는 탄성부재를 끼워 장착하여, 씰 가스의 공급정지 시에서의 정지밀봉고리의 회전밀봉고리 방향으로 급격한 이동을 저지하도록 구성한 것을 특징으로 하는 정압형 비접촉식 가스 씰.
  15. 제13항에 있어서,
    탄성부재가 스프링 또는 O-링인 것을 특징으로 하는 정압형 비접촉식 가스 씰.
  16. 제14항에 있어서,
    탄성부재가 스프링 또는 O-링인 것을 특징으로 하는 정압형 비접촉식 가스 씰.
  17. 제 10항에 있어서,
    씰 케이스와 정지밀봉고리와의 대향주면 사이에, 씰 가스를 도입하는 것에 의해 정지밀봉고리의 회전밀봉고리 방향으로의 이동을 저지하는 저항력을 발생시키는 보압실을 형성함과 동시에, 정지밀봉고리에, 보압실과 배압실 또는 연통공간을 연통하는 한편 조임기를 배치한 씰 가스 도입로를 형성하여, 씰 가스의 공급정지 시에서의 정지밀봉고리의 회전밀봉고리 방향으로의 급격한 이동을 저지하도록 구성한 것을 특징으로 하는 정압형 비접촉식 가스 씰.
  18. 제 10항에 있어서,
    회전밀봉고리의 밀봉단면에 동압발생홈을 형성하여, 밀봉단면 사이로 씰 가스에 의한 정압에 더하여 동압발생홈에 의한 동압을 작용시키도록 구성한 것을 특징으로 하는 정압형 비접촉식 가스 씰.
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