KR101119547B1 - 메카니컬 실링장치 - Google Patents

메카니컬 실링장치

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KR101119547B1
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다카시 야나기사와
코지 아키야마
마사노부 이토
마미 우치야마
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이글 고오교 가부시키가이샤
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Abstract

회전밀봉환의 진동을 억제함과 동시에 실링면끼리의 접촉을 방지하여 피밀봉유체로의 마모가루의 혼입을 방지하는 것이 가능한 메카니컬 실링장치를 제공한다.
회전축의 축심을 중심으로 하여 원환상으로 배치됨과 동시에 칸막이벽(13)에 의해 구획되어 형성된 복수의 원호상홈(12)이 회전실링면(11)에 마련된 회전밀봉환(10)과, 회전밀봉환(10)의 회전실링면(11)에 대향하는 정지실링면을 가지는 정지밀봉환과, 정지밀봉환을 회전밀봉환을 향해 압압하는 스프링과, 정지밀봉환의 정지실링면에 형성되어 압력유체를 공급하는 유체공급통로와 연통 가능한 토출개구부와,를 구비하여 이루어진 메카니컬 실링장치에 있어서, 토출개구부의 주방향길이(W3)가 칸막이벽(13)의 주방향길이(W1)에 대해서 1/2이상(W3≥W1/2)으로 형성되고, 토출개구부의 주방향길이(W3)가 원호상홈(12)의 주방향길이(W2)보다 작게(W3<W2) 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

메카니컬 실링장치{Mechanical seal device}
본 발명은 회전밀봉환의 진동을 억제함과 동시에 실링면끼리의 접촉을 방지함으로써 밀봉환의 실링면끼리의 마모를 방지하여 피밀봉유체로의 마모가루의 혼입을 방지한 메카니컬 실링장치에 관한 것이다.
본 발명의 기술은 반도체 제조설비 등의 피밀봉유체를 실링하는 메카니컬 실링장치로서 유용하다. 이 반도체 제조설비 등에서는 피밀봉유체에 불순물이 포함되어 있으면 불순물에 의해 제조물에 악영향을 준다. 이 때문에 메카니컬 실링장치에 있어서 밀봉환의 회전시의 마모에 의해 마모가루가 피밀봉유체로 들어가는 것도 방지하지 않으면 안된다. 이에 대해서 밀봉환의 실링면의 마모를 방지하는 것으로서 비접촉 메카니컬 실링장치가 사용되고 있다.
이러한 비접촉 메카니컬 실링장치로서 반도체 제조설비 등의 회전축에 연결되어 회전실링면을 가지는 회전밀봉환과, 이 회전밀봉환의 회전실링면에 대향하는 정지실링면을 가지는 정지밀봉환을 구비하여, 압력유체를 공급하는 유체공급통로와 연통가능한 홈(포켓)을 정지실링면에 형성한 것이 종래로부터 알려져 있다(예를들어 특허문헌 1 및 2 참조).
또한 정지실링면에 원호상의 홈을 형성함과 동시에, 회전밀봉환의 회전실링면에 원호상홈을 형성한 것도 종래로부터 알려져 있다(예를들어 특허문헌 3 참조).
이상과 같은 메카니컬 실링장치에서는 정지실링면에 홈을 형성함으로써 회전밀봉환에 대해서 정지밀봉환을 상대적으로 부상시키는 부상력을 크게 하여 마모방지를 꾀하고 있다. 그리고 이러한 메카니컬 실링장치에서는 정지실링면에 형성된 홈의 용적을 크게 함으로써 보다 큰 부상력을 확보하는 것이 가능해져 있다.
그러나 정지실링면에 형성된 홈의 용적이 커짐에 따라 회전밀봉환의 거동에 진동이 발생한다. 이 진동은 회전실링면과 정지실링면과의 사이로 공급되는 압력 유체의 압축성에 기인하는 뉴머틱 해머(Pheumatic Hammer)라고 불리우는 현상이다. 이에 대해서 뉴마틱 해머현상을 억제하기 위해 정지실링면에 형성된 홈의 용적을 작게 하면 충분한 부상력을 확보할 수 없으므로 회전실링면과 정지실링면이 접촉되어 버린다.
또한 상기 특허문헌 3에 기재된 메카니컬 실링장치에서는 정지실링면에 형성된 홈과 회전실링면에 형성된 홈이 거의 동일한 크기로 되어 있다. 이 때문에 이들 용적비가 거의 없으므로 회전실링면에 형성된 홈의 효과를 충분히 얻을 수 없고, 이러한 경우에도 뉴머틱 해머현상에 의해 회전밀봉환의 거동에 진동이 발생한다.
특허문헌 1 : 국제공개 WO00/075540호 명세서
특허문헌 2 : 일본특허공개 평 3-277874호 공보
특허문헌 3 : 미국특허 제3917289호 명세서
본 발명은 회전밀봉환의 진동을 억제함과 동시에 실링면끼리의 접촉을 방지하여 피밀봉유체로의 마모가루의 혼입을 방지하는 것이 가능한 메카니컬 실링장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상술한 바와 같은 기술적과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 기술적 해결수단은 이하와 같이 구성되어 있다.
청구항 1에 따른 본 발명의 메카니컬 실링장치는 회전축과 하우징과의 끼워맞춤간에 회전밀봉환과 정지밀봉환이 대향하여 배치된 메카니컬 실링장치로서, 상기 회전축에 연결되어 회전실링면을 가지며, 상기 회전축의 축심을 중심으로 하여 원환상으로 배치됨과 동시에 칸막이벽에 의해 구획되어 형성된 복수의 원호상홈이 상기 회전실링면에 마련된 상기 회전밀봉환과, 상기 회전밀봉환의 회전실링면에 대향하는 정지실링면을 가지는 상기 정지밀봉환과, 상기 정지밀봉환을 상기 회전밀봉환을 향해 압압하는 탄성바이어스수단과, 상기 정지밀봉환의 상기 정지실링면에 형성되어 압력유체를 공급하는 유체공급통로와 연통가능한 토출개구부를 구비하며, 상기 토출개구부의 주방향(周方向)길이(W3)가 칸막이벽의 주방향길이(W1)에 대해서 1/2이상(W3≥W1/2)으로 형성되고, 토출개구부의 주방향길이(W3)가 원호상홈의 주방향길이(W2)보다 작게(W3<W2) 형성되어 있는 것이다.
본 발명에서는 회전밀봉환의 회전실링면에 원호상홈을 주방향을 따라 형성한다. 또한 토출개구부의 주방향길이(W3)가 원호상홈의 주방향길이(W2)보다 작게(W3<W2)형성한다. 이로써 압력유체의 압축성에 기인한 뉴머틱 해머현상이 억제되므로, 회전밀봉환의 진동이 발생하기 어렵게 된다.
또한 본 발명에서는 회전실링면에 2 이상의 원호상홈을 형성하고, 인접하는 원호상홈끼리 사이를 칸막이벽에 의해 구획한다. 이로써 한쪽 실링면이 다른 쪽 실링면에 대해서 경사진 경우라도 당해 실링면끼리의 간격이 좁아진 측에 위치하는 원호상홈에 있어서의 압력이 높아지며, 이 압력이 경사를 복원시키는 복원력으로서 작용하므로 실링면끼리의 접촉이 방지된다.
그리고 본 발명에서는 토출개구부의 주방향길이(W3)를 칸막이벽의 주방향길이(W1)의 1/2이상(W3≥W1/2)으로 한다. 이로써 충분한 부상력을 항상 확보할 수 있으며, 실링면끼리의 비접촉상태를 양호하게 유지하는 것이 가능해진다.
청구항 2에 따른 본 발명의 메카니컬 실링장치는, 상기 토출개구부는 상기 유체공급통로보다 주방향길이가 넓게 개구되도록 형성되며, 당해 토출개구부가 상기 복수의 원호상홈과 거의 동일 원환상이 되도록 상기 정지실링면에 배치되어 있으며, 상기 토출개구부의 주방향길이(W3)가 상기 칸막이벽의 주방향길이(W1)보다 크게(W3>W1) 형성되고, 상기 토출개구부의 주방향길이(W3)가 상기 원호상홈의 주방향길이(W2)에 대해서 1/2보다 작게(W3<W2/2) 형성되어 있는 것이다. 이로써 회전밀봉환의 진동과 실링면끼리의 접촉을 효과적으로 억제할 수 있다.
청구항 3에 따른 본 발명의 메카니컬 실링장치는 상기 토출개구부가 원형상 또는 원호상으로 개구되도록 형성되어 있는 것이다. 토출개구부의 구체적인 개구형상으로서 예를들어 원형형상이나 원호형상을 들 수 있다.
본 발명의 메카니컬 실링장치는 상기 칸막이벽이 상기 회전실링면보다 상대적으로 낮고, 또한 상기 원호상홈의 저면보다 상대적으로 높게 형성되어 있는 것이다. 이로써 회전밀봉환의 진동과 실링면끼리의 접촉을 효과적으로 억제하는 것이 가능해진다.
본 발명에 따르면 압력유체의 압축성에 기인하는 뉴머틱 해머현상이 억제되면서도 회전실링면과 정지실링면과의 사이에 접촉이 적절히 방지된다. 따라서 회전밀봉환의 진동을 억제함과 동시에 실링면끼리의 접촉을 방지하여 피밀봉유체로의 마모가루의 혼입을 방지하는 것이 가능한 메카니컬 실링장치를 제공할 수 있다.
도1은 본 발명은 실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 단면도이다.
도2는 본 발명의 제1실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 회전밀봉환을 나타낸 정면도이다.
도3은 도2의 III-III선을 따른 단면사시도이다.
도4A는 도3의 IVA-IVA선에 다른 단면도이며, 도4B는 회전밀봉환이 일방향으로 회전했을 때 생기는 동압을 나타내는 그래프이고, 도4C는 회전밀봉환이 다른 방향으로 회전했을 때 생기는 동압을 나타내는 그래프이다.
도5는 도3의 V-V선을 따른 단면도이다.
도6은 본 발명의 제1실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 정지밀봉환을 나타낸 정면도이다.
도7은 도6의 VII-VII선을 따른 단면사시도이다.
도8A는 본 발명의 제2실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 회전밀봉환을 나타낸 정면도이고, 도8B는 본 발명의 제2실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 정지밀봉환을 나타낸 정면도이다.
도9A는 본 발명의 제3실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 회전밀봉환을 나타낸 정면도이고, 도9B는 본 발명의 제3실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 정지밀봉환을 나타낸 정면도이다.
도10A는 본 발명의 제4실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 회전밀봉환을 나타낸 정면도이고, 도10B는 본 발명의 제4실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 정지밀봉환을 나타낸 정면도이다.
도11A는 본 발명의 제5실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 회전밀봉환을 나타낸 정면도이고, 도11B는 본 발명의 제5실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 정지밀봉환을 나타낸 정면도이다.
도12A는 본 발명의 제6실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 회전밀봉환을 나타낸 정면도이고, 도12B는 본 발명의 제6실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 정지밀봉환을 나타낸 정면도이다.
도13A는 본 발명의 제7실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 회전밀봉환을 나타낸 부분사시도이고, 도13B는 본 발명의 제7실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 정지밀봉환을 나타낸 정면도이다.
도14A는 도13A의 ⅩⅣA-ⅩⅣA선에 따른 단면사시도이고, 도14B는 도13B의 ⅩⅣB-ⅩⅣB선에 따른 단면사시도이다.
도15는 도14A의 ⅩⅤ-ⅩⅤ선에 따른 단면사시도이다.
도16A는 본 발명의 제8실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 회전밀봉환을 나타낸 정면도이고, 도16B는 본 발명의 제8실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 정지밀봉환을 나타낸 정면도이다.
도17A는 도16A의 ⅩⅦA-ⅩⅦA선에 따른 단면사시도이고, 도17B는 도16B의 ⅩⅦB-ⅩⅦB선에 따른 단면사시도이다.
도18은 본 발명의 제8실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 회전밀봉환과 정지밀봉환의 위치관계를 설명하기 위한 도면이다.
도19는 실시예 1에 있어서의 메카니컬 실링장치의 진동평가의 결과를 나타낸 그래프이다.
도20은 실시예 2에 있어서의 메카니컬 실링장치의 진동평가의 결과를 나타낸 그래프이다.
도21은 실시예 3에 있어서의 메카니컬 실링장치의 진동평가의 결과를 나타낸 그래프이다.
도22는 비교예에 있어서의 메카니컬 실링장치의 진동평가의 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면을 참조하여 설명한다.
도1은 본 발명의 실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 단면도, 도2는 본 발명의 제1실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 회전밀봉환을 나타내는 정면도, 도3은 도2의 Ⅲ-Ⅲ선에 따른 단면사시도, 도4A는 도3의 ⅣA-ⅣA선에 따른 단면도, 도4B는 회전밀봉환이 일방향으로 회전했을 때 생기는 동압을 나타낸 그래프, 도4C는 회전밀봉환이 다른 방향으로 회전했을 때 생기는 동압을 나타낸 그래프, 도5는 도3의 Ⅴ-Ⅴ선에 따른 단면도, 도6은 본 발명의 제1실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 정지밀봉환을 나타낸 정면도, 도7은 도6의 Ⅶ-Ⅶ선을 따른 단면사시도이다.
본 발명의 실시형태에 따른 메카니컬 실링장치(1)는 도1에 도시한 바와 같이 회전축(100)과 하우징(140)사이를 실링하는 것이 가능한 비접촉 메카니컬 실링장치이다.
이 메카니컬 실링장치(1)는 도1에 도시한 바와 같이 회전축(100)에 연결된 회전부재(110)에 장착되어, 회전축(100)과 함께 회전가능한 회전밀봉환(10)과, 이 회전밀봉환(10)에 대해서 축방향을 따라 대향하도록 배치된 정지밀봉환(20)과, 회전밀봉환(10)을 향해 정지밀봉환(20)을 탄성바이어스하는 스프링(31)을 통해 정지밀봉환(20)을 지지함과 동시에 하우징(140)에 장착된 지지부재(30)를 구비하고 있다.
제1실시형태에 따른 메카니컬 실링장치(1)의 회전밀봉환(10)은 도1 및 도2에 도시한 바와 같이 사각형형상의 단면을 가지는 링부재이며, 회전부재(110)에 장착되어 있다. 그 때문에 이 회전밀봉환(10)은 회전축(100)과 함께 정회전방향(도면 중의 R1방향) 및 역회전방향(도면 중에서 R2방향)으로 회전가능하게 되어 있다. 이 회전밀봉환(10)을 구성하는 재료로서는 예를들어 탄화규소재, 특수강, 카본재, 세라믹재 및 초경합금재 등을 들 수 있다.
이 회전밀봉환(10)의 회전실링면(11)에는 도2 및 도3에 도시한 바와 같이 6개의 원호상홈(12)이 주방향을 따라 실질적으로 등간격으로 형성되어 있다. 이 6개의 원호상홈(12)은 회전실링면(11)에 있어서 회전축심을 중심으로 하는 원을 형성하도록 배치되어 있으며, 실링면(11),(21)끼리가 대향했을 때 후술하는 정지실링면(21)에 형성된 토출개구부(23)에 대향 가능하도록 하는 위치에 배치되어 있다.
각 원호상홈(12)은 토출개구부(23)의 주방향길이(W3)가 당해 원호상홈(12)의 주방향길이(W2)보다 작아지도록(W3<W2) 형성되어 있다. 또한 각 원호상홈(12)의 직경방향을 따른 폭은 정지밀봉환(20)에 형성된 토출개구부(23)의 반경 이상이며, 또한 정지밀봉환(20)의 실링면(21)의 직경방향을 따른 폭보다 작아져 있다. 그리고 각 원호상홈(12)의 깊이는 가장 깊은 곳에서 약3mm이하이며, 바람직하기로는 약2mm이하, 더 바람직하기로는 0.5mm이하이다. 그리고 이 원호상홈(12)이 깊어짐에 따라 회전밀봉환(10)의 진동이 커진다.
인접하는 원호상홈(12)끼리의 사이에는 당해 원호상홈(12)끼리를 구획하고 있는 칸막이벽(13)이 각각 형성되어 있다. 이로써 회전실링면(11)이 정지실링면(21)에 대해서 경사진 경우라도 경사에 의해 원호상홈(12)끼리에 생긴 압력차를 경사를 복원시키는 복원력으로서 이용할 수 있으므로, 실링면(11),(21)끼리의 접촉을 방지하는 것이 가능해져 있다.
이 칸막이벽(13)은 토출개구부(23)의 주방향길이(W3)가 당해 칸막이벽(13)의 주방향길이(W1)에 대해서 1/2이상(W3≥W1/2)이 되도록 형성되어 있다. 이에 대해서 토출개구부(23)의 주방향길이(W3)를 칸막이벽(13)의 주방향길이(W1)에 대해서 1/2미만(W3<W1/2)으로 하면 충분한 부상력을 확보할 수 없다.
그리고 이 회전밀봉환(10)의 회전실링면(11)에는 도2에 도시한 바와 같이 복수의 제1 및 제2동압발생홈(14a, 14b)이 형성되어 있다.
제1동압발생홈(14a)은 도3에 도시한 바와 같이 거의 L자형상을 가지고 있음과 동시에, 도4A에 도시한 바와 같이 R1방향을 향함에 따라 상승하도록 경사진 저면을 가지고 있다. 그리고 도4A는 도3의 ⅣA-ⅣA선에 따른 단면도이고, 외주측에 위치하는 한쌍의 제1 및 제2동압발생홈(14a, 14b)을 회전축심을 따르면서 회전실링면(11)의 주방향을 따라 절단한 단면도이다. 이 제1동압발생홈(14a)은 도4B에 도시한 바와 같이 회전축(100)에 따른 R1방향의 회전에 의해 동압을 발생시키는 것이 가능해져 있다.
이에 대해서 제2동압발생홈(14b)는 도3에 도시한 바와 같이 제1동압발생홈(14a)와 주방향을 따라 선대칭형상을 가지고 있음과 동시에, 도4A에 도시한 바와 같이 R2방향을 향함에 따라 상승하도록 경사진 저면을 가지고 있다. 이 제2동압발생홈(14b)는 도4C에 도시한 바와 같이 회전축(100)에 따른 R2방향의 회전에 의해 동압을 발생시키는 것이 가능해져 있다.
따라서 회전밀봉환(10)이 정지밀봉환(20)에 대해서 R1방향 또는 R2방향의 어느 방향으로 회전하더라도 동압을 발생시키는 것이 가능해져 있다. 이로써 회전방향이 다른 회전축에 대해서도 동일한 메카니컬 실링장치(1)를 이용하는 것이 가능해지며, 메카니컬 실링장치(1)의 호환성의 향상을 꾀할 수 있다. 그리고 도4B 및 도4C는 동압발생홈의 단면형상에 대한 동압의 발생분포를 나타내고 있으며, 동 도면에 있어서 상단의 그래프의 횡축은 하단에 나타낸 동압발생홈의 단면에 있어서의 위치를 나타내고 있다.
이러한 2종류의 동압발생홈(14a,14b)은 도2에 도시한 바와 같이 원호상홈(12)의 외주측에 주방향을 따라 교호로 배치되어 있다. 마찬가지로 원호상홈(12)의 내주측에도 2종류의 동압발생홈(14a,14b)이 주방향을 따라 교호로 배치되어 있다. 따라서 본 실시형태에서는 제1 및 제2동압발생홈(14a,14b)이 회전실링면(11)에 있어서 주방향으로 복수 배치되어 있음과 동시에 직경방향으로도 복수 배치되어 있다. 각 동압발생홈(14a,14b)은 각 원호상홈(12)에 연통되어 있다.
각 동압발생홈(14a,14b)의 깊이(D1)는 도5에 도시한 바와 같이 그 가장 깊은 부분에서 원호상홈(12)의 깊이(D2)이하로 되어 있다(D1≤D2). 구체적으로는 각 동압발생홈(14)의 가장 깊은 부분의 깊이(D1)는 5×10-3mm~3×10-2mm의 범위로 하는 것이 바람직하다.
이상과 같은 동압발생홈(14a,14b)을 회전실링면(11)에 형성함으로써 정압에 더하여 동압을 발생시킬 수 있다.
제1실시형태에 따른 메카니컬 실링장치(1)의 정지밀봉환(20)은 도1 및 도6에 도시한 바와 같이 거의 L자형상의 단면을 가지는 링부재이며, 회전축(100)과 함께 회전하지 않도록 지지부재(30)에 의해 지지되어 있다. 이 정지밀봉환(20)을 구성하는 재료로서는 예를들어 카본재, 특수강, 탄화규소재, 세라믹재, 및 초경합금재 등을 들 수 있다.
이 정지밀봉환(20)의 내부에는 도1 및 도7에 도시한 바와 같이 당해 정지밀봉환(20)의 정지실링면(21)을 향해 관통된 유체공급통로(22)가 형성되어 있다. 이 유체공급통로(22)의 한쪽 단부는 정지실링면(21)에 있어서 토출개구부(23)에서 개구되어 있다. 이 토출개구부(23)는 정지실링면(21)에 주방향을 따라 실질적으로 등간격으로 8개 형성되어 있다. 각 토출개구부(23)의 주방향길이(W3)는 1mm~5mm정도이다.
그리고 본 실시형태에서는 이 토출개구부(23)를 원형형상의 개구로서 설명하였으나, 본 발명에 있어서는 특별히 이러한 형상에 한정되지 않고, 예를들어 타원형상이나 장공형상의 개구라도 무방하며, 후술하는 제8실시형태와 같이 원호상의 개구로 해도 좋다.
이에 대해서 당해 유체공급통로(22)의 다른쪽 단부는 압력유체를 공급가능한 유체공급장치(50)에 연통되어 있다. 그리고 메카니컬 실링장치(1)는 유체공급장치(50)로부터 유체공급통로(22)를 통해 공급된 압력유체를 토출개구부(23)로부터 회전실링면(11)을 향해 뿜어 냄으로써 회전실링면(11)과 정지실링면(21)의 사이에 압력유체를 공급하는 것이 가능하게 되어 있다. 유체공급장치(50)로부터 공급되는 압력유체로서는 예를들어 질소가스(N2)등의 불활성가스를 들 수 있다.
제1실시형태에 따른 메카니컬 실링장치(1)의 지지부재(30)는 도1에 도시한 바와 같이 거의 L자형상의 단면을 가지는 링부재이다. 이 지지부재(30)에는 정지밀봉환(20)에 대향하는 위치에 복수의 오목부(32)가 주방향을 따라 실질적으로 등간격으로 형성되어 있다. 이 각 오목부(32)에는 스프링(31)이 수용되어 있으며, 이 스프링(31)의 선단이 정지밀봉환(20)의 일단면에 부착되어 있다. 이 스프링(31)은 정지밀봉환(20)을 회전밀봉환(10)측으로 압압하고 있다.
이상과 같은 회전밀봉환(10), 정지밀봉환(20) 및 지지부재(30)로 구성되는 메카니컬 실링장치(1)는 이하와 같이 회전축(100)과 하우징(140)간에 부착된다.
우선 도1에 도시한 바와 같이, 회전축(100)에는 회전부재(110)가 O링(41)을 통해 고착되어 있다. 이 회전부재(110)의 단부의 측주면(側周面)에 O링(42)을 마련하고, 이 단부에 O링(42)으로 실링가능하게 회전밀봉환(10)이 끼워 결합되어 있다. 그리고 회전밀봉환(10)은 제1압압부재(120)에 의해 고정되어 있다. 그리고 회전부재(110) 및 제1압압부재(120)는 회전축(100)에 제2압압부재(130)를 통해 고정되어 있다. 이 제2압압부재(130)는 회전축(100)과 서로 나사결합하여 회전부재(110)와 제1압압부재(120)가 체결 고정되어 있다.
이어서, 정지밀봉환(20)은 도1에 도시한 바와 같이, 그 일단면에서 스프링(31)을 통해 지지부재(30)에 지지되어 있음과 동시에, 그 측면에서 2개의 O링(43, 44)을 통해 지지부재(30)에 지지되어 있으며, 지지부재(30)에 대해서 축방향을 따라 상대이동 가능하게 되어 있다. 지지부재(30)의 내주면에는 스냅링(33)이 부착되어 있으며, 지지부재(30)의 내주공으로부터의 정지밀봉환(20)의 빠짐 방지가 도모되어 있다. 또한 지지부재(30)에는 정지밀봉환(20)에 형성된 유체공급통로(22)와 유체공급장치(50)를 연통시키기 위한 유체공급통로(34)가 당해 지지부재(30)의 내부를 관통하도록 형성되어 있다. 그리고 이 지지부재(30)는 회전축(100)과 함께 회전하지 않도록 2개의 O링(45),(46)을 통해 장착되면서 하우징(140)에 고정되어 있다.
본 실시형태에 따른 메카니컬 실링장치(1)는, 예를들어 황화수소나 불화수소 등의 피밀봉유체가 존재하는 고압환경과, 당해 고압환경에 의해 압력이 상대적으로 낮은 저압환경(예를들어 진공 등)의 사이에 배치된다. 이때 실링면(11),(21)끼리의 사이에 압력유체를 공급하는 유체공급장치의 압력(P0)가 고압환경에 있어서의 압력 P1, 및 저압환경에 있어서의 압력(P2)의 어느 것보다 커지도록(P0>P1>P2 또는 P0>P2>P1) 설정되어 있다.
이상과 같이 구성되는 메카니컬 실링장치(1)에서는 지지부재(30 및 정지밀봉환(20)에 형성된 유체공급통로(34),(22)를 통해 유체공급장치(50)로부터 압력유체가 공급되면 회전실링면(11)을 향해 토출개구부(23)로부터 압력유체가 뿜어내어지고, 회전실링면(11)과 정지실링면(21) 사이에 압력유체가 공급된다. 그리고 이 압력유체가 스프링(31)의 탄성력과의 균형을 이루도록 정지실링면(21)을 회전실링면(11)로부터 멀리 떨어뜨리는 방향으로 탄성바이어스함으로써 정압에 의해 실링면(11,21)끼리 사이를 비접촉상태로 실링하는 것이 가능해져 있다
이때 회전실링면(11)을 향해 토출개구부(23)로부터 뿜어낸 압력유체가 회전실링면(11)에 형성된 원호상홈(12)에 도입됨과 동시에 실링면(11),(21)끼리의 사이에도 퍼지고, 압력유체의 압축성에 기인한 뉴머틱 해머현상이 억제되어 회전밀봉환(10)의 진동이 억제된다.
도8A는 본 발명의 제2실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 회전밀봉환을 나타내는 정면도이며, 도8B는 본 발명의 제2실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 정지밀봉환을 나타낸 정면도이다.
본 발명의 제2실시형태에 따른 메카니컬 실링장치는 도8A에 도시한 바와 같이 회전밀봉환(10)의 회전실링면(11)에 복수의 원호상홈(12) 및 동압발생홈(14a,14b)에 더하여 도입통로(15)가 마련되어 있는 점에서 제1실시형태와 다르지만, 기타의 점은 제1실시형태와 동일하다.
본 실시형태에 있어서의 도입통로(15)는 회전실링면(11)에 있어서 원호상홈(12)의 내주측에 주방향을 따라 배치된 제1 및 제2동압발생홈(14a,14b)으로부터 더 내주측으로 돌출되도록 형성된 홈이다. 이 도입통로(15)의 깊이는 예를들어 3x10-3mm~15x10-3mm이다.
이 도입통로(15)는 회전실링면(11)에 있어서 압력유체에 의해 비접촉으로 실링된 부분보다 더 내주측으로 돌출되어 있으며, 정지밀봉환(20)의 내주측에 위치하는 고압환경과 연통하는 것이 가능해져 있다.
이러한 도입통로(15)를 형성함으로써 유체공급장치(50)로부터의 압력유체의 공급이 도중에 끊어진 경우에 고압환경에 존재하는 피밀봉유체를 도입통로(15)를 통해 동압발생홈(14a)내로 자동적으로 도입하는 것이 가능하며, 이 동압발생홈(14a,14b)에 의해 생긴 동압에 의해 실링면(11),(21)끼리의 접촉을 회피하는 것이 가능해져 있다.
도9A는 본 발명의 제3실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 회전밀봉환을 나타낸 정면도, 도9B는 본 발명의 제3실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 정지밀봉환을 나타낸 정면도이다.
본 발명의 제3실시형태에 따른 메카니컬 실링장치는 도9A에 도시한 바와 같이 회전밀봉환(10)의 회전실링면(11)에 제1 및 제2동압발생홈(14a),(14b) 대신에, 제3 및 제4동압발생홈(16a),(16b)이 형성되어 있다.
제3의 동압발생홈(16a)는 원호상홈(12)으로부터 경사지면서 외주측으로 연장되어 있음과 동시에, 그 종점이 회전실링면(11)내에 설정되어 있다. 이에 대해서 제4동압발생홈(16b)은 원호상홈(12)으로부터 경사지면서 내주측으로 연장되어 있으며, 그 종점이 회전실링면(11)내에 설정되어 있으며, 원호상홈(12)을 기준으로 하여 제3동압발생홈(16a)과 선대칭으로 형성되어 있다.
도10A는 본 발명의 제4실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 회전밀봉환을 나타낸 정면도, 도10B는 본 발명의 제4실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 정지밀봉환을 나타낸 정면도이다.
본 발명의 제4실시형태에 있어서의 메카니컬 실링장치는 도10A에 도시한 바와 같이 제1실시형태에 있어서의 회전밀봉환(10)의 회전실링면(11, 도2 참조)으로부터 제1 및 제2동압발생홈(14a),(14b)을 없앰과 동시에, 도10B에 도시한 바와 같이 제1실시형태에 있어서의 정지밀봉환(20)의 정지실링면(21,도6 참조)에 제1 및 제2동압발생홈(24a),(24b)을 추가한 점에서 제1실시형태와 다르지만, 기타의 구성은 제1실시형태와 동일하다. 정지실링면(21)에 형성된 제1 및 제2동압발생홈(24a),(24b)은 제1실시형태에 있어서 상술한 회전실링면(11)에 형성된 제1 및 제2동압발생홈(14a),(14b)과 마찬가지의 구성이다.
이와 같이 회전실링면(11) 대신에 정지실링면(21)에 제1 및 제2동압발생홈(24a),(24b)를 형성하더라도 정압에 더하여 동압을 발생시킬 수 있다.
도11A는 본 발명의 제5실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 회전밀봉환을 나타낸 정면도, 도11B는 본 발명의 제5실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 정지밀봉환을 나타낸 정면도이다.
본 발명의 제5실시형태에 따른 메카니컬 실링장치는. 도11A에 도시한 바와 같이 제2실시형태에 있어서의 회전밀봉환(10)의 회전실링면(11, 도8A 참조)으로부터 제1 및 제2동압발생홈(14a, 14b) 및 도입통로(15)를 없앰과 동시에, 도11B에 도시한 바와 같이 제2실시형태에 있어서의 정지밀봉환(20)의 정지실링면(21, 도8B참조)에 제1 및 제2동압발생홈(24a,24b) 및 도입통로(25)를 추가한 점에서 제2실시형태와 다르지만, 기타의 구성은 제2실시형태와 동일하다. 그리고 정지실링면(21)에 형성된 도입통로(25)는 제2실시형태에 있어서 상술한 회전실링면(11)에 형성된 도입통로(15)와 동일한 구성이다.
도12A는 본 발명의 제6실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 회전밀봉환을 나타낸 정면도, 도12B는 본 발명의 제6실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 정지밀봉환을 나타낸 정면도이다.
본 발명의 제6실시형태에 따른 메카니컬 실링장치는 도12A에 도시한 바와 같이 제3실시형태에 있어서의 회전밀봉환(10)의 회전실링면(11, 도9A 참조)로부터 제3 및 제4동압발생홈(16a, 16b)을 없앰과 동시에, 도12B에 도시한 바와 같이 제3실시형태에 있어서의 정지밀봉환(20)의 정지실링면(21, 도9B 참조)에 제3및 제4동압발생홈(26a,26b)을 추가한 점에서 제3실시형태와 다르지만, 기타의 점에서 제3실시형태와 동일하다. 그리고 정지실링면(21)에 형성된 제3 및 제4동압발생홈(26a),(26b)는 제3실시형태에 있어서 상술한 회전실링면(11)에 형성된 제3 및 제4동압발생홈(16a),(16b)과 마찬가지의 구성이다.
도13A는 본 발명의 제7실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 회전밀봉환을 나타낸 부분사시도, 도13B는 본 발명의 제7실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 정지밀봉환을 나타낸 정면도, 도14A는 도13A의 ⅩⅣA-ⅩⅣA선에 따른 단면사시도, 도14B는 도13B의 ⅩⅣB-ⅩⅣB선에 따른 단면사시도, 도15는 도14A의 ⅩⅤ-ⅩⅤ선에 따른 단면사시도이다.
본 발명의 제7실시형태에 따른 메카니컬 실링장치는 도13A~도14B에 도시한 바와 같이, 인접하는 원호상홈(12)끼리의 사이에 형성된 칸막이벽(13)이 낮아져 있는 점에서 제1실시형태와 다르지만, 기타의 구성은 제1실시형태와 동일하다.
본 실시형태에 있어서의 칸막이벽(13)은 도15에 도시한 바와 같이 원호상홈(12)으로부터 당해 칸막이벽(13)의 상면까지의 높이(t0)가 원호상홈(12)의 저면으로부터 회전실링면(11)까지의 높이(t1)보다 작아져 있다(t0<t1). 높이(t0)와 높이(t1 )의 차(t0-t1)는 0.2mm이하임이 바람직하다.
이와 같이 칸막이벽(13)을 원호상홈(12)의 저면보다 상대적으로 높게 형성함과 동시에, 회전실링면(111)보다 상대적으로 낮게 형성함으로써 회전밀봉환(10)의 진동과 실링면(11),(12)끼리의 접촉을 효과적으로 억제할 수 있다.
도16A는 본 발명의 제8실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 회전밀봉환을 나타낸 정면도, 도16B는 본 발명의 제8실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 정지밀봉환을 나타낸 정면도, 도17A는 도16A의 ⅩⅦA-ⅩⅦA선에 따른 단면사시도, 도17B는 도16B의 ⅩⅦB-ⅩⅦB선에 따른 단면사시도, 도18은 본 발명의 제8실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 회전밀봉환과 정지밀봉환의 위치관계를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 제8실시형태에 따른 메카니컬 실링장치는 도16A~도17B에 나타낸 바와 같이, 회전실링면(11)에 원호상홈(12)이 형성되어 있음에 더하여, 정지밀봉환(10)의 토출개구부(23)가 원호상으로 형성되어 있는 점에서 제1실시형태와 다르지만, 기타의 구성은 제1실시형태와 동일하다.
본 실시형태에 있어서의 정지밀봉환(20)의 정지실링면(21)에는 도16B에 도시한 바와 같이 원호상의 토출개구부(23)가 주방향을 따라 실질적으로 등간격으로 8개 형성되어 있다. 이 8개의 토출개구부(23)는 정지실링면(21)에 있어서 회전축심을 중심으로 하는 원을 형성하도록 배치되어 있음과 동시에, 원호상홈(12)과 동심상으로 동일 반경을 가지도록 주방향을 따라 배치되어 있으며, 실링면(11),(21)끼리가 대향했을 때 회전실링면(11)에 형성된 원호상홈(12)과 대향하는 것이 가능해져 있다. 이와 같이 원호상홈(12)에 더하여 토출개구부(23)를 원호상으로 형성함으로써 뉴머틱 해머현상이 보다 효과적으로 억제된다.
각 개구토출구(23)의 저부에 유체공급통로(22)의 토출공이 형성되어 있으며, 토출개구부(23)과 유체공급통로(22)가 연통되어 있다. 각 토출공은 토출개구부(23)의 거의 중앙부에 형성되어 있음이 바람직하다.
본 실시형태에서는 토출개구부(23)의 주방향길이(W3)가 원호상홈(12)의 주방향길이(W2)보다 작게 설정되고(W3<W2), 바람직하기로는 토출개구부(23)의 주방향길이(W3)이 원호상홈(12)의 주방향길이(W2)에 대해서 1/2보다 작게 설정되어 있다(W3<W2/2). 이로써 원호상홈(12)와 원호상의 토출개구부(23)에 충분한 용적비를 확보할 수 있으며, 원호상홈(12)의 효과를 얻을 수 있게 된다.
또한 본 실시형태에서는 도16A, 도16B 및 도18에 도시한 바와 같이 원호상의 토출개구부(23)의 주방향길이(W3)가 원호상홈(12)끼리를 구획하고 있는 칸막이벽(13)의 주방향길이(W1)보다 크게 설정되어 있다.(W3>W1). 또한 도17A 및 도17B에 도시한 바와 같이 원호상홈(12)의 깊이(t1)가 원호상의 토출개구부(23)의 깊이(t2)이하로 설정되어 있다(t1≤t2). 이로써 충분한 부상력을 상시 확보할 수 있으므로 실링면(11,21)끼리의 비접촉상태를 양호하게 유지할 수 있게 된다. 그리고 원호상의 토출개구부(23)의 주방향길이(W3)는 작을수록 바람직하다.
그리고 이상 설명한 실시형태는 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해 기재된 것으로, 본 발명을 한정하기 위해 기재된 것은 아니다. 따라서 상기 실시형태에 개시된 각 요소는 본 발명의 기술적 범위에 속하는 모든 설계변경이나 균등물도 포함하는 취지이다.
예를들어 상술한 실시형태에서는 회전실링면에 원호상홈에 더하여 동압발생홈을 형성하도록 설명하였으나, 본 발명에 있어서는 특별히 이에 한정되지 않으며, 회전실링면에 원호상홈만을 형성하고 동압발생홈을 형성하지 않아도 된다.
이하, 본 발명을 더 구체화한 실시예 및 비교예에 의해 본 발명의 효과를 확인하였다. 이하의 실시예 및 비교예는 상술한 실시형태에서 이용한 메카니컬 실링장치의 효과를 확인하기 위한 것이다.
[실시예 1]
실시예 1의 메카니컬 실링장치로서 원호상홈이 형성된 회전밀봉환과, 원형형상의 토출개구부가 형성된 정지밀봉환을 이용하여 제1실시형태에서 설명한 구성의 메카니컬 실링장치를 제작하였다. 실시예 1에서는 원호상홈의 깊이(t1)를 1mm로 하고, 원호상홈의 주방향길이(W2)를 112mm로 하며, 칸막이벽의 주방향길이(W1)를 4mm로 하고, 토출개구부의 주방향길이(W3)를 2mm로 하였다. 이 실시예 1에 있어서 제작한 메카니컬 실링장치의 제작 조건을 표1에 나타낸다.
원호상홈 칸막이벽 토출개구부
유무 깊이(t1)[mm] 주방향길이(W2)[mm] 주방향길이(W1)[mm] 절삭유무 절삭량((t1-t0)[mm] 유무 깊이(t2)[mm] 주방향길이(W3)[mm]
실시예1 유 1 112 4 무 - 무 - 2
실시예2 유 1 112 4 유 0.07 무 2
실시예3 유 0.05 112 4 무 - 유 0.5 15.4
비교예 무 - - - 무 - 유 0.25 112
본 실시예 1의 메카니컬 실링장치에 대해서 회전밀봉환의 거동에 진동이 발생했는지 가부의 진동평가를 행하였다. 이 진동평가는 압력유체로서 질소가스를 이용하여 0.3Mpa의 압력을 인가하면서 유량 20N1/min으로 유체공급장치로부터 실링면끼리의 사이에 질소가스를 공급하였을 때 회전밀봉환에 생기는 회전축방향을 따른 가속도를 계측하고, 당해 가속도의 값에 따라 진동의 유무 평가를 행하였다. 계측된 가속도가 0.05G미만일 경우에는 진동 없음이라고 평가하고, 계측된 가속도가 0.05G이상일 경우에는 진동있음이라고 평가하였다.
이러한 진동평가에 있어서 회전축, 회전부재, 제1 및 제2압압부재 등의 회전밀봉환에 연결된 회전체의 중량 및 정지밀봉환과 지지부재 사이에 개재되어 있는 스프링의 탄성하중을 파라미터로 하고, 이 파라미터를 변화시킨 31패턴의 조건하에서 가속도를 계측함으로써 각 조건하에서의 진동평가를 행하였다. 도19는 실시예 1에 있어서의 메카니컬 실링장치의 진동평가의 결과를 나타낸 그래프이다.
[실시예 2]
실시예 2의 메카니컬 실링장치로서, 원호상홈이 형성되고, 칸막이벽이 낮아져 있는 회전밀봉환과, 원형형상의 토출개구부가 형성된 정지밀봉환을 이용하여, 제7실시형태에서 설명한 구성의 메카니컬 실링장치를 제작하였다. 실시예 2에서는 원호상홈의 깊이(t1)를 1mm로 하고, 원호상홈의 주방향길이(W2)를 112mm로 하며, 칸막이벽의 주방향길이(W1)를 4mm로 하며, 칸막이벽의 상부 절삭량(t1-t0)을 0.07mm로 하고, 토출개구부의 주방향길이(W3)를 2mm로 하였다. 이 실시예 2에서 제작된 메카니컬 실링장치의 제작 조건을 표1에 나타낸다. 이 실시예 2의 메카니컬 실링장치에 대해서 31패턴의 조건하에서 실시예 1과 동일한 요령으로 진동평가를 행하였다. 도20은 실시예 2에 있어서의 메카니컬 실링장치의 진동평가의 결과를 나타낸 그래프이다.
[실시예 3]
실시예 3의 메카니컬 실링장치로서, 원호상홈이 형성된 회전밀봉환과, 원호상의 토출개구부가 형성된 정지밀봉환을 이용하여, 제8실시형태에서 설명한 구성의 메카니컬 실링장치를 제작하였다. 이 실시예 3의 메카니컬 실링장치에서는 원호상홈의 깊이(t1)를 0.05mm로 하고, 원호상홈의 주방향길이(W2)를 112mm로 하며, 칸막이벽의 주방향길이(W1)을 4mm로 하며, 토출개구부의 깊이(t2)를 0.05mm로 하고, 토출개구부의 주방향길이(W3)를 15.4mm로 하였다. 이 실시예 3에 있어서 제작된 메카니컬 실링장치의 제작 조건을 표1에 나타낸다. 이 실시예 3의 메카니컬 실링장치에 대해서 28패턴의 조건하에서 실시예 1과 동일한 요령으로 진동평가를 행하였다. 도21은 실시예 3에 있어서의 메카니컬 실링장치의 진동평가의 결과를 나타낸 그래프이다.
[비교예]
비교예의 메카니컬 실링장치로서 원호상홈이 형성되어 있지 않은 회전밀봉환과, 원호상의 토출개구부가 형성된 정지밀봉환을 이용하여, 종래 구조의 메카니컬 실링장치를 제작하였다. 이 비교예의 메카니컬 실링장치에서는 토출개구부의 깊이(t2)를 0.25mm로 하고, 토출개구부의 주방향길이(W3)를 112mm로 하였다. 이 비교예에 있어서 제작한 메카니컬 실링장치의 제작 조건을 표1로 나타낸다. 이 비교예의 메카니컬 실링장치에 대해서 28패턴의 조건하에서 실시예 1과 마찬가지의 요령으로 진동평가를 행하였다. 도22는 비교예에 있어서의 메카니컬 실링장치의 진동평가의 결과를 나타낸 그래프이다.
[고찰]
상기 실시예 1~3과 비교예를 비교하면, 회전실링면에 원호상홈을 형성함으로써 회전밀봉환의 진동이 저감되는 것이 확인되었다.
또한 실시예 1과 실시예 2를 비교하면, 칸막이벽의 높이를 회전실링면보다 낮게 함으로써 도19 및 도20에 도시한 바와 같이 회전밀봉환의 진동이 저감되는 것이 확인되었다.
그리고 실시예 1 및 실시예 2와 실시예 3을 비교하면, 회전실링면에 원호상홈을 형성하는 것에 더하여, 정지실링면의 토출개구부를 원호상으로 형성함으로써 도19~도21에 도시한 바와 같이 회전밀봉환의 진동이 저감되는 것이 확인되었다.
이상과 같이 본 발명의 메카니컬 실링장치는 반도체 제조설비 등에 이용되어 미분말을 꺼리는 피밀봉유체를 실링하는 실링장치로서 유용하다. 또한 한쌍의 밀봉환의 마모를 방지하여 내구 능력을 향상시키는 실링장치로서 유용하다.
1 - 메카니컬 실링장치
10 - 회전밀봉환
11 - 회전실링면
12 - 원호상홈
13 - 칸막이벽
14a,24a - 제13동압발생홈
14b,24b - 제2동압발생홈
15,25 - 도입통로
16a,26a - 제3동압발생홈
16b,26b - 제4동압발생홈
20 - 정지밀봉환
21 - 정지실링면
22,34 - 유체공급통로
23 - 토출개구부
30 - 지지부재
31 - 스프링
32 - 오목부
33 - 스냅링
50 - 유체공급장치
100 - 회전축
110 - 회전부재
120 - 제1압압부재
130 - 제2압압부재
140 - 하우징

Claims (5)

  1. 회전축과 하우징과의 끼워맞춤간에 회전밀봉환과 정지밀봉환이 대향하여 배치된 메카니컬 실링장치로서,
    상기 회전축에 연결되어 회전실링면을 가지며, 상기 회전축의 축심을 중심으로 하여 원환상으로 배치됨과 동시에 칸막이벽에 의해 구획되어 형성된 복수의 원호상홈이 상기 회전실링면에 마련된 상기 회전밀봉환과,
    상기 회전밀봉환의 회전실링면에 대향하는 정지실링면을 가지는 상기 정지밀봉환과,
    상기 정지밀봉환을 상기 회전밀봉환을 향해 압압하는 탄성바이어스수단과,
    상기 정지밀봉환의 상기 정지실링면에 형성되어 압력가스를 공급하는 유체공급통로와 연통가능한 토출개구부를 구비하여,
    상기 토출개구부의 주방향길이(W3)가 칸막이벽(13)의 주방향길이(W1)에 대해서 1/2이상(W3≥W1/2)으로 형성되고,
    상기 토출개구부의 주방향길이(W3)가 상기 원호상홈의 주방향길이(W2)보다 작게(W3<W2) 형성되어 있는 메카니컬 실링장치.
  2. 제1항에 있어서, 토출개구부는 원형상 또는 원호상으로 개구되도록 형성되어 있는 메카니컬 실링장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 회전밀봉환의 상기 회전실링면 또는 상기 정지밀봉환의 상기 정지실링면의 적어도 어느 한쪽에, 상기 회전밀봉환의 회전에 의해 동압을 발생하는 동압발생홈이 형성되어 있는 메카니컬 실링장치
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 칸막이벽은 상기 회전실링면보다 상대적으로 낮고, 또한 상기 원호상홈의 저면보다 상대적으로 높게 형성되어 있는 메카니컬 실링장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 칸막이벽은 상기 회전실링면보다 상대적으로 낮고, 또한 상기 원호상홈의 저면보다 상대적으로 높게 형성되어 있는 메카니컬 실링장치.
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