WO2006061997A1 - メカニカルシール及びメカニカルシール装置 - Google Patents

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WO2006061997A1
WO2006061997A1 PCT/JP2005/021656 JP2005021656W WO2006061997A1 WO 2006061997 A1 WO2006061997 A1 WO 2006061997A1 JP 2005021656 W JP2005021656 W JP 2005021656W WO 2006061997 A1 WO2006061997 A1 WO 2006061997A1
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WO
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seal
mechanical
case body
mechanical seal
seal ring
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PCT/JP2005/021656
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English (en)
French (fr)
Inventor
Osamu Suzuki
Original Assignee
Nippon Pillar Packing Co., Ltd.
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16J15/3464—Mounting of the seal
    • F16J15/348—Pre-assembled seals, e.g. cartridge seals
    • F16J15/3484—Tandem seals
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L39/00—Joints or fittings for double-walled or multi-channel pipes or pipe assemblies
    • F16L39/04—Joints or fittings for double-walled or multi-channel pipes or pipe assemblies allowing adjustment or movement

Definitions

  • the present invention relates to a mechanical seal device such as a rotary joint formed by arranging a mechanical seal and a plurality of mechanical seals in parallel in the axial direction.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-314703
  • the drive pin is inserted into a screw hole or a press-fitting hole whose base end is formed in the case body. If the bending moment is applied to the tip that engages the stationary seal ring after being screwed or press-fitted, loosening may occur between the base end and the screw hole or press-fitting hole. May be bent, and the function of preventing the rotation of the stationary seal ring by the drive pin (hereinafter referred to as “drive pin function”) is not exerted stably. In such a state, the sealing function due to the relative rotation between the stationary seal ring and the rotary seal ring cannot be exhibited well.
  • the drive pin falls off the case strength, or the base end portion of the drive pin that is screwed into or press-fitted into the screw hole or press-fit hole breaks or breaks. As a result, the drive pin The function is completely lost and the sealing function is not performed.
  • the drive pin is a very minor component of the mechanical seal as a whole, and its function (drive pin function) is often neglected, but it has a significant effect on the seal function of the mechanical seal. If the drive pin function is lost, the entire mechanical / mechanical seal must be replaced and repaired. Such a problem is particularly noticeable in a mechanical seal device such as a multi-channel rotary joint in which a plurality of mechanical seals are arranged in parallel. However, the drive pin function in one mechanical seal seal is lost, and the loss force is the force directly related to the function decrease and loss of function of the entire seal device.
  • the drive pin since the drive pin is merely cantilevered as described above, it must be made of a metal material having high rigidity in terms of strength. Therefore, in applications where the fluid that contacts the drive pins should avoid mixing metal ions, etc. (for example, CMP (Chemical Mechanical Polishing semiconductor wafers that require advanced anti-contamination measures). Mechanical polishing used in rotating equipment such as CMP (Chemical Mechanical Polishing semiconductor wafers that require advanced anti-contamination measures). Mechanical polishing used in rotating equipment such as
  • the present invention has been made in view of such points, and a plastic material capable of stably exhibiting the drive pin function and preventing contamination as a constituent material of the drive pin is also provided.
  • the object is to provide a mechanical seal and a mechanical seal device that can be used.
  • the present invention relates to a rotating seal ring fixed to a rotating shaft body and a cylindrical case body in an axial direction.
  • a mechanical seal having a stationary seal ring held in a movable manner and configured to seal between the inner and outer peripheral regions of the relative rotation portion by relative rotation of opposing end faces of both seal rings.
  • the case of the stationary seal ring is formed by fixing and supporting the drive pins engaged with the recesses formed on the outer peripheral portion of the stationary seal ring to the case body on both sides of the portions engaged with the recesses. It is proposed to be configured to prevent relative rotation with respect to the body.
  • metal or plastic drive pins can be used depending on the conditions of use.
  • the present invention is a mechanical seal device in which a plurality of mechanical seals are arranged in parallel in the axial direction, and includes a rotary seal ring and a cylindrical shape fixed to each mechanical seal rotary shaft.
  • a stationary seal ring held in the case body so as to be movable in the axial direction, and a mechanism configured to seal between the inner and outer peripheral regions of the relative rotation portion by relative rotation of the opposed end faces of the two seal rings.
  • the drive pin engaged with the recess formed in the outer peripheral portion of each stationary seal ring is fixedly supported to the case body on both sides of the portion engaged with the recess. It is proposed to prevent the relative rotation of the stationary seal ring with respect to the case body.
  • the drive pins of all the mechanical seals can be shared by a single drive bar.
  • the drive pins or drive bars those made of metal or plastic can be used depending on the conditions of use.
  • a mechanical seal device drinking water, pure water, chemical liquid, slurry liquid, etc., between drinking water, pure water, chemical liquid, slurry liquid and other relative rotating members in CMP devices, etc. And a rotary joint for flowing the fluid. That is, a passage connection space sealed by a pair of mechanical seals is formed between the opposed peripheral surface portions of the rotating shaft body and the case body, and the first passage formed in the rotating shaft body and the second passage formed in the case body. And a rotary joint configured to communicate with each other via the passage connection space.
  • a plurality of seal units which are a pair of mechanical seals that seal the passage connection space, are arranged in parallel so that the rotating shaft body and the case A plurality of passage connection spaces are formed between the peripheral surfaces facing the body, and a plurality of first passages formed in the rotating shaft body and a plurality of second passages formed in the case body are respectively provided. It connects so that it may communicate via a passage connection space.
  • the rotation seal ring of one mechanical seal in each seal unit and the rotation seal ring of one mechanical seal in the seal unit adjacent to the seal unit are combined to simplify the structure and Miniaturization (reduction in axial length) can be achieved.
  • the drive pins that engage with the stationary seal ring are supported by the case body on both sides of the engaging portion.
  • the drive pin function rotation prevention function of the stationary seal ring by the drive pin
  • the calseal device can be suitably operated for a long period of time.
  • the drive pins can be made of plastic materials that are inferior in strength compared to metal materials as well as those made of metal materials, so they are also suitable for applications that require prevention of contamination.
  • the use of mechanical seals or mechanical seal devices can be greatly expanded.
  • the drive pins of all the mechanical seals are configured as a single drive bar so that each mechanical seal is configured.
  • the mechanical seal device structure can be greatly simplified, which is extremely advantageous in terms of manufacturing economy.
  • FIG. 1 is a longitudinal front view showing a rotary joint which is an example of a mechanical seal device according to the present invention
  • FIG. 2 is a longitudinal cross section showing a mechanical seal according to the present invention used for the rotary joint
  • Fig. 3 is a cross-sectional bottom view of the rotary joint (the cross section is taken along line III-III in Fig. 1).
  • “upper and lower” refers to the upper and lower in FIG. 1 and FIG.
  • the mechanical seal device shown in FIG. 1 is used to flow a plurality of fluids between a device body that is a stationary member in a CMP device and a top ring or a turntable that is a rotating member.
  • This is a multi-channel rotary joint. That is, the rotary joint includes a cylindrical case body 1 attached to a fixed side member (CMP device main body) and a rotary shaft body attached to a rotary side member (top ring or turntable) as shown in FIG. 2 and a plurality of (N) first fluid passages 3 and one second fluid passage 10 3 for connecting the fluid passages formed in both members so as to be relatively rotatable. It has.
  • Each first fluid passage 3 is configured to flow a first fluid 28 such as slurry liquid (wafer polishing liquid, etc.) and water (cleaning water, etc.) as shown in FIG.
  • a first fluid 28 such as slurry liquid (wafer polishing liquid, etc.) and water (cleaning water, etc.) as shown in FIG.
  • An annular space formed between two opposed peripheral surface portions which is a passage connection space 5 sealed by a pair of mechanical seals 4, 4, and a first passage formed in the rotary shaft 2 and communicating with the passage connection space 5.
  • the pair of mechanical seals 4 and 4 that seal each passage connection space 5 are arranged in the form of being opposite in the vertical direction as shown in FIG.
  • N sets of seal units 4A each including a pair of mechanical seals 4 and 4 are arranged in parallel in the axial direction.
  • Each mechanical seal 4 includes a rotary seal ring 8 fixed to the rotary shaft body 2 and a stationary seal ring 9 held by the case body 1 as shown in FIG. 2, but one of the seal units 4A has one seal seal 4A.
  • the rotary seal ring 8 of the mechanical seal 4 and the rotary seal ring 8 of one mechanical seal 8 in the seal unit 4A adjacent to the seal unit 4A are combined. That is, the number of mechanical seals that make up N sets of seal units 4A ... is 2N, but the number of rotational seal rings required to make up 2N mechanical seals 4 ... is N + 1 It becomes.
  • the case body 1 is a cylindrical structure having an inner peripheral portion having a circular cross section as shown in FIG. 1, and is attached to a stationary member such as a CMP apparatus.
  • a stationary member such as a CMP apparatus.
  • N annular support walls 10 parallel to each other at a predetermined interval in the axial direction (vertical direction) as will be described later, and a pair of support protrusions 11 positioned on both upper and lower sides thereof. , 11 are projected.
  • the case body 1 has a structure that is divided in the vertical direction, and is assembled by connecting a plurality of divided portions with bolts (not shown).
  • the rotary shaft 2 includes a cylindrical main body 12 as shown in FIG. 1 and an axial direction (vertical direction). ) And N + 1 cylindrical holding part 13 fitted and fixed in parallel at a predetermined interval, and concentrically around the inner periphery of case body 1 by a pair of bearings 14 and 14. And is supported rotatably.
  • the holding portion 13 located at the uppermost end constitutes a peripheral wall of a bottomed cylindrical bearing receiver 15 fixed to the upper end portion of the main body portion 12.
  • the bearings 14 and 14 are provided between the outer periphery of the bearing receiver 15 and the upper inner periphery of the case body 1 and between the lower outer periphery of the main body 12 and the lower inner periphery of the case body 1. It is intervened.
  • an axial direction (vertical direction) as shown in FIG.
  • An annular space 17 closed by a pair of seal members 16 and 16 provided at a predetermined interval is formed.
  • Seal members 16 and 16 are oil seals fitted and fixed to the inner peripheral portion of the case body 1, and the inner peripheral portions are arranged on the outer peripheral surfaces of the uppermost rotary seal ring 8 and the lowermost rotary seal ring 8.
  • the space between the rotary seal ring 8 and the case body 1 is sealed by pressing contact.
  • the case body 1 is provided with drains la and la on both upper and lower sides of the annular space 17 sealed by the seal members 16 and 16.
  • the annular space 17 includes N + 1 rotary seal rings 8 provided on the rotary shaft 2 as shown in FIG. 1 and N support walls 10 formed on the case body 1 respectively.
  • N passages are provided by 2N end-face contact mechanical seals 3 (N sets of seal units 4 ⁇ ) provided with a pair of stationary sealing rings 9 provided on the support wall 10. Compartment seals are made in connection space 5 ⁇ and N + 1 cooling space 18 ⁇ .
  • each rotary seal ring 8 is an annular plate concentric with the rotation axis, and the opposed end faces of adjacent rotary seal rings 8, 8 as shown in Fig. 2 are sealed end faces that are smooth annular planes perpendicular to the axis ( (Hereinafter referred to as the “first sealed end face”) 21 and 21.
  • Each support wall 10 is an annular wall that protrudes from the inner peripheral portion of the case body 1 and is located between the opposing surfaces of the adjacent rotary seal rings 8 and 8 as shown in FIG. That is, rotating seal ring 8 ... and support The walls 10 are arranged in parallel in an annular space 17 in an alternating arrangement in the axial direction (vertical direction).
  • Each support wall 10 has a pair of upper and lower stationary sealing rings 9 and 9 in the axial direction directly opposite to the first sealing end faces 21 and 21 which are opposite end faces of the rotary sealing rings 8 and 8 located on both sides thereof. It is held so that it can move to and not relatively rotatable. That is, as shown in FIG. 2, each stationary seal ring 9 is fitted and held on the inner peripheral portion of the support wall 10 via the O-ring 22 so as to be movable in the axial direction, and also has the following rotation prevention mechanism. This prevents rotation (relative rotation with respect to the case body 1) while allowing axial movement within a predetermined range.
  • This rotation prevention mechanism includes a drive pin 24a engaged with a recess 23 formed in the outer peripheral portion of each stationary sealing ring 9 as shown in Figs. It is configured to prevent relative rotation of the static seal ring 8 with respect to the case body 1 by being fixedly supported by the case body 1 on both upper and lower sides of the portion engaging with the recess 23.
  • the drive pins 24a of all the mechanical seals 4... are shared by a single drive bar 24 as shown in FIG. That is, the drive bar 24, which is a circular bar having a long cross section in the vertical direction, is inserted and supported in the through hole 10a formed in each support wall 10 at its intermediate portion as shown in FIG.
  • the case body 1 is fixedly supported by being supported through the through hole 11 a formed in the protrusion 11. Then, with respect to each of the uppermost and lowermost static seal rings 9, the recess 23 is moved in the axial direction to a drive bar portion (drive pin) 24a supported at both ends by a support protrusion 11 and a support wall 10 opposite to the recess 23.
  • the recess 23 is engaged with a drive bar portion (drive pin) 24a supported at both ends by the adjacent support walls 10 and 10 so as to be movable in the axial direction.
  • Two stationary seal rings 9 and 9 are engaged with the drive bar portion 24 a supported at both ends by the adjacent support walls 10 and 10.
  • each stationary seal ring 9 held in the case body 1 by the drive bar 24 so as to be axially movable and non-rotatable is urged against the rotary seal ring 8 by a plurality of coil springs 25 ...
  • each spring 25 is in a state where it is held in a through hole 26 formed in the support wall 10 as shown in FIGS. 1 to 3, and between the stationary sealing rings 9 and 9 held on the support wall 10. It is inserted and functions as a biasing means common to both stationary seal rings 9 and 9 It is devised to do.
  • the end face of each stationary sealing ring 9 is configured as an annular second sealing end face 27 that is pressed and contacted to the first sealing end face 21 by springs 25.
  • both sealed end surfaces 21 and 27 are in relative rotational sliding contact with the rotation of the rotating shaft body 2, and have the same function as the known end surface contact type mechanical seal. Since the inner peripheral side region and the outer peripheral side region of the relative rotational sliding contact portion are sealed, the annular space 17 comes into pressure contact with a pair of adjacent rotary sealing rings 8, 8 as shown in FIG. A pair of stationary sealing rings 9 and 9 and a holding portion 13 which is the outer peripheral portion of the rotating shaft 2 are formed to surround N passage connecting spaces 5 which are the above-mentioned inner peripheral side regions, and both sealed end faces 21, respectively. 27 relative rotation-sliding contact portions are divided into N + 1 cooling spaces 18 that are sealed between the passage connection spaces 5 and partitioned by support walls 10.
  • the rotary shaft body 2 is formed with N first passages 6 that open to the passage connection spaces 5 without intersecting each other. That is, as shown in FIG. 1, one end portion of each first passage 6 is opened to the passage connection space 5 from the outer peripheral portion of the rotating shaft 2 through the holding portion 13, and the other end portion of the main body portion 12. Opened at the lower end. The other end of each first passage 6 is connected to a rotation-side channel formed in the rotation-side member (top ring or turntable).
  • N second passages 7 are formed so as to penetrate in the radial direction so as not to cross each other as shown in FIG.
  • One end of each second passage 7 passes through the support wall 10 and is opened to the passage connection space 5, and the other end is opened to the outer periphery of the case body 1.
  • the other end of each second passage 7 is connected to a fixed-side channel formed in the fixed-side member (CMP device main body).
  • N fluid passages 3... Formed by connecting the first passage 6 and the second passage 7 so as to be relatively rotatable by the passage connection space 5 are mutually connected to both bodies 1 and 2. It is formed in an independent form, and N type (same type or different type) first fluid 28 is transferred to the second passage 7 ⁇ force as shown by the arrow in Fig. 1 to the first passage 6 ⁇ Alternatively, the fluid can flow from the first passage 6 to the second passage 7 without mixing.
  • the total cooling space 18 is composed of through holes 26 formed in the support walls 10 as shown in FIG. They are in communication with each other.
  • a supply path 30 and a discharge path 31 for supplying and discharging a cooling fluid 29 to and from a cooling space 18 as shown in FIG. 1 are formed in the upper and lower portions of the case body 1. It is devised to cool the sliding contact heat of the sealing end faces 21 and 27 in each mechanical seal 4 by passing through.
  • As the cooling fluid 29 room temperature clean water or pure water is generally used.
  • the second fluid passage 103 allows the second fluid 36 such as wafer pressurizing air and air blowing air to flow as shown in FIG. 1, and is formed between the opposed peripheral surface portions of both bodies 1 and 2.
  • a passage connection space 33 which is an annular space sealed by a pair of elastic seal rings 32, 32, a first passage 34 formed in the rotary shaft body 2 and communicated with the passage connection space 33, and the case body 1.
  • the second passage 35 is formed and communicates with the passage connection space 33.
  • FIG. 4 is a longitudinal front view showing an enlarged main part of FIG. 1.
  • Each elastic seal ring 32 shown in FIG. 4 includes an annular main body 40 and an axial direction from the main body 40.
  • the inner and outer peripheral lip portions 41, 42 projecting in the shape of a ring and the panel member 44 filled in the annular groove 43 between the inner and outer peripheral lip portions 41, 42 form an annular body having a substantially U-shaped cross section.
  • the bearing receiver 15 is engaged and held in an annular recess 37 formed in the inner peripheral portion of the case body 1 facing the peripheral wall (holding portion) 13 of the bearing receiver 15.
  • the amphoteric seal rings 32, 32 are arranged in a symmetrical form with the opening portions of the annular grooves 43, 43 facing each other as shown in FIG. 4, and the circumferential wall 13 of the bearing receiver 15 and the case body 1 are opposed to each other.
  • An annular passage connecting space 33 is formed between the peripheral surfaces.
  • the fluid 36 flows into the annular grooves 43, 43 of the elastic seal rings 32, 32, and in the axial direction due to the pressure of the fluid 36.
  • the seal rings 32 and 32 are pressed in a direction away from each other and the main body portions 40 and 40 are pressed against the side surfaces of the annular recesses 37 and 37, and in the radial direction, the inner and outer peripheral lips of each seal ring 32 are pressed.
  • the parts 41 and 42 are pressed and deformed in the direction in which the radial interval increases.
  • the annular groove 4 3 [the pressure of the fluid 36 that has flowed] [from this, the seal surface of each sheath ring 32 (the tip of the lip ⁇ 42) 45, 46 seal surface (the outer peripheral surface of the peripheral wall 13 of the bearing receiver 15 and The contact surface pressure to the inner peripheral surface of the annular recess 37 is increased, and the sealing function by the elastic seal ring 32 is sufficiently exhibited.
  • the degree of increase in the contact surface pressure that is applied is proportional to the pressure of the fluid 36 supplied to the passage space 33. Therefore, the contact surface pressure, that is, the sealing force, corresponds to the pressure of the fluid 36. Therefore, even when the fluid 36 is at a high pressure or when the pressure fluctuates, the sealing function by the elastic seal rings 32 and 32 is properly and satisfactorily achieved.
  • the fluid flow in the second fluid passage 103 is favorably performed without causing leakage.
  • one end of the first passage 35 passes through the outer peripheral force holding portion 13 (the peripheral wall of the bearing receiver 15) of the rotating shaft 2 and is opened to the passage connection space 33.
  • the other end is opened at the lower end of the main body 12 of the rotating shaft 2.
  • the other end of the first passage 35 is connected to a rotation-side passage formed in the rotation-side member (top ring or turntable).
  • one end portion of the second passage 36 penetrates the case body 1 in the circumferential direction and is opened to the passage connection space 33, and the other end portion is opened to the outer peripheral portion of the case body 1.
  • the other end of the second passage 36 is connected to a fixed-side flow path formed in the fixed-side member (CMP device main body).
  • the second fluid passage 103 is used, for example, as a flow of gas 36 such as wafer pressurizing air or air blowing air.
  • the force for selectively using the sealing means 4 and 32 according to the properties of the fluids 28, 29 and 36 to be sealed is required for the constituent material of each member of the rotary joint.
  • the components that are inert to the fluid 28, 29, 36 are determined in relation to the properties of the fluid 28, 29, 36 and the usage conditions (avoidance of metal contamination, etc.). If 28, 29, 36 should avoid metal contamination, contact with fluids 28, 29, 36 will not elute metal components or generate metal powder. To do.
  • the fluid 28 flowing through the first fluid passage 3 is a slurry fluid containing solid components such as cannonballs
  • dust is generated by contact with the contained solid components as a constituent material of the member that contacts the fluid 28.
  • Ceramics and plastics that are not used are used.
  • heat-resistant ceramics and plastics are used as the components of the members that contact the fluids 28 and 36. If the fluids 28 and 36 are corrosive fluids, they must be resistant to corrosion or chemicals. Plastic is used.
  • the sealing rings 8 and 9 are made of ceramics such as silicon carbide and acid aluminum which hardly generate abrasion powder due to contact.
  • ceramics such as silicon carbide and acid aluminum which hardly generate abrasion powder due to contact.
  • it can also be made of the engineering plastic described later.
  • fluid contact parts other than the seal rings 8 and 9 may be in contact with solid components such as barrels, depending on the properties and intended use of the fluid. Particles are not generated by the contact, and engineering plastics such as PEEK, PES, and PC that have excellent dimensional stability and heat resistance due to processing, and PTFE, PFA, FEP, PVDF, etc. that have excellent corrosion resistance and chemical resistance. It is preferable to use a fluorine resin.
  • the contact portion of the fluid passages 3, 103 with the fluids 28, 36 is made of a selected material (hereinafter referred to as “selected material”)
  • the member in which the fluid passages 3, 103 are formed For example, the entire body portion 12 or the like of the case body 1 or the rotary shaft body 2) or a part (for example, the formation portion of the second passages 7, 35 in the case body 1 or the rotary shaft body 2 forming the first passages 6, 34).
  • the main body part 12 is made of a selected material, and only the contact part with the fluid 28, 36 (for example, the inner wall surface of each passage 6, 7, 34, 35) is coated, pipe press-fitted, etc. Selection by means It is roughly divided into the case where it is composed of material layers.
  • the fluid passages 3, 103 are formed in members and parts (for example, the main body part 12 of the rotating shaft 2) that must be made of a metal material such as stainless steel in terms of mechanical strength. It is effective when you keep it.
  • the dry pin 24a or the drive bar 24 is disposed in the cooling space 17 that is shielded from the first fluid passage 3 by the mechanical seal 4 and is only in contact with the cooling fluid 29. Therefore, the force that can be made of a metal material to avoid the metal contamination of the first fluid 28 is assured in order to prevent the metal contamination of the first fluid 28 (for example, mechanical seal).
  • an annular body having a substantially U-shaped cross section composed of the main body portion 40 and the inner and outer peripheral lip portions 41, 42 is integrally formed of a coasting material such as plastic or rubber. Is selected according to the sealing conditions. For example, when the fluid 36 to be sealed by the elastic seal ring 32 is hot Uses a heat-resistant coasting material, and if the fluid 36 is corrosive, a corrosion-resistant elastic material is used.
  • an elastic composite made by blending one or more fillers such as glass fiber, carbon fiber, and molybdenum disulphide with polytetrafluoroethylene (PTFE). It is preferable to use materials.
  • an elastic composite material is used that is excellent in low friction and wear resistance, etc., which is composed of polytetrafluoroethylene and glass fiber and molybdenum disulfide or polyimide resin.
  • the N first fluid passages 3 ... and the one second fluid passage 103 are formed independently of each other. Therefore, N + 1 kind of fluid 28, 36 can be flowed well without mixing between the rotation side fluid passage and the stationary side fluid passage, and the flow state of each is also controlled separately. be able to.
  • the drive pin 4a is provided on both sides of the engagement point with the stationary seal ring 8. Because it is supported by the holding wall 10 or the holding projection 11 (supported at both ends), when the drive pin 24a is made of a metal material, of course, it is made of a plastic material that is inferior in strength to the metal material. Even when configured, the drive pin function that does not cause the problems described at the beginning can be stably exhibited. Therefore, the flow of the first fluid 28 can be satisfactorily performed so that the seal function of the mechanical seal 4 is not deteriorated or lost due to the decrease or loss of the drive pin function.
  • a plurality of recesses 23 are formed in the stationary seal ring 9, and the drive pin 24a is engaged with each recess 23.
  • the drive pin 24a is designed as a support structure as described above, the deterioration of the drive pin function can be prevented without providing a plurality of drive pins 24a as described above, and the rotation of the stationary seal ring 9 can be prevented.
  • the blockage can be sufficiently performed by one drive pin 24a, and the mechanical seal structure can be simplified.
  • the mechanical seal 4 when used as a sealing means for all the fluid passages, the total length of the rotary joint (the length in the axial direction). ) Will become longer. However, depending on the properties of the fluid flowing in the fluid passage, it may not be necessary to use sophisticated sealing means such as the mechanical seal 4. Therefore, in the above-described rotary joint, the sealing means 4 and 32 are used in accordance with the properties of the fluids 28 and 36 to be sealed in the first fluid passage 3 and the second fluid passage 103, and the mechanism is separated.
  • the structure is simpler than that of the mechanical seal 4 and the small elastic seal ring 32 is used as the sealing means. .
  • the overall length of the rotary joint can be shortened as much as possible, and the rotary joint can be reduced in size and simplified in structure.
  • the number of the second fluid passages 103 sealed by the elastic seal rings 32 and 32 can be set as required.
  • one elastic seal ring 32 in each second fluid passage 103 can be used also as one elastic seal ring 32 in the second fluid passage 103 adjacent thereto.
  • both ends of the drive bar 24 as shown in Fig. 5 are not supported by the case body 1, and mechanical seals (top and bottom positions) are positioned at both ends of the mechanical seal group.
  • each stationary sealing ring 9 may be engaged with the end of the drive bar 24 where the support wall 10 also projects.
  • the drive pins 24a and 24a engaged with the stationary seal rings 9 and 9 each have a cantilevered support structure, but the drive pins 24a and 24a are supported by the support wall group 10 in a penetrating manner.
  • the problem described at the beginning does not occur.
  • the drive pins 24a of all the mechanical seals 4 as illustrated in FIG. 6 may be constituted by independent drive pins 24a, a plurality of drive bars 24, or one or a plurality of drive pins 24a. Either of the drive pins 24a and one or a plurality of drive bars 24 can be used.
  • the present invention can be applied to one or more mechanical seals selected from among a plurality of mechanical seals constituting a single mechanical seal or a sealing device, and a mechanism other than a rotary joint.
  • -It can also be applied to a calseal device.
  • FIG. 1 is a longitudinal front view showing an example of a mechanical seal device according to the present invention.
  • FIG. 2 is a longitudinal front view showing an enlarged main part of FIG.
  • FIG. 3 is a transverse bottom view of the mechanical seal device according to the present invention (the cross section is taken along line III-III in FIG. 1, line III-III in FIG. 5 or line III-III in FIG. 6).
  • FIG. 4 is a longitudinal front view showing an enlarged main portion of FIG. 1 but different from that shown in FIG.
  • FIG. 5 is a longitudinal front view showing a modification of the mechanical seal device according to the present invention.
  • FIG. 6 is a longitudinal sectional front view showing another modification of the mechanical seal device according to the present invention. Explanation of symbols
  • Cooling space (peripheral area of relative rotating part) Sealed end face

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Description

明 細 書
メカニカルシール及びメカニカルシール装置
技術分野
[0001] 本発明は、メカ-カルシール及び複数のメカ-カルシールを軸線方向に並列配置 してなるロータリジョイント等のメカ-カルシール装置に関するものである。
背景技術
[0002] メカ-カルシールとして、回転駆動される回転軸体（回転軸等）に固定した回転密 封環と筒状のケース体（回転軸が同心状に洞貫するシールケース等）に軸線方向移 動可能に保持した静止密封環とを具備して、両密封環の対向端面の相対回転により 当該相対回転部分の内外周領域間をシールするように構成されたものが周知である (例えば、特許文献 1参照)。
[0003] かかるメカ-カルシールにあっては、静止密封環の外周部に凹部を形成すると共 に、ケース体に、これに形成したねじ孔又は圧入孔に基端部をねじ込み又は圧入さ せることにより、ドライブピンを取り付けて、このドライブピンの先端部分を静止密封環 の凹部に軸線方向相対移動可能に係合させることによって、静止密封環の追従性を 確保しつつ（つまりケース体に対する軸線方向への所定範囲での相対移動を許容し つつ）ケース体に対する相対回転を阻止するように工夫されている（例えば、特許文 献 1の図 1並びに段落番号 [0023]の第 2段落及び段落番号 [0025]の第 5段落の 記載を参照)。
特許文献 1：特開 2003 - 314703公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] しかし、このような静止密封環のドライブピンによる回転阻止機構にあっては、ドライ ブピンがケース体に片持ち支持されているにすぎないことから、次のような問題が生 じ、良好なメカ-カルシール機能を長期に亘つて安定して発揮させることが困難であ つた o
[0005] すなわち、ドライブピンは、その基端部をケース体に形成したねじ孔又は圧入孔に ねじ込み又は圧入させて 、るにすぎな 、から、静止密封環に係合する先端部に曲げ モーメントが作用した場合、基端部とねじ孔又は圧入孔との間に緩みを生じたり、ドラ イブピンが曲がったりする虞れがあり、ドライブピンによる静止密封環の回転阻止機 能 (以下「ドライブピン機能」と 、う）が安定して発揮されな 、。このような状態となると、 静止密封環と回転密封環との相対回転によるシール機能が良好に発揮されなくなる 。さらに、このような状態で使用を継続すると、ドライブピンがケース体力 脱落したり 、ねじ孔又は圧入孔にねじ込み又は圧入されているドライブピンの基端部が折損，破 損し、その結果、ドライブピン機能が完全に喪失して当該シール機能が発揮されなく なる。
[0006] このように、ドライブピンはメカニカルシール全体からすれば極く軽微な構成材であ り、その機能（ドライブピン機能)も軽視されがちであるが、メカ-カルシールのシール 機能に大きな影響を与えるものであり、ドライブピン機能が喪失すれば、メカ-カルシ ール全体の交換，修理が必要となる。このような問題は、特に、複数のメカ-カルシ ールを並列配置する多流路形ロータリジョイント等にメカ-カルシール装置にあって は顕著である。けだし、 1つのメカ-カルシールにおけるドライブピン機能の低下，喪 失カ 力-カルシール装置全体の機能低下，機能喪失に直結する力 である。
[0007] また、ドライブピンは上記した如く片持ち支持されているにすぎないため、強度上、 剛性の高い金属材で構成せざるを得ない。したがって、ドライブピンに接触する流体 が金属イオン等の混入を回避すべきものである用途 (例えば、高度のコンタミネーショ ン防止策を講じておく必要のある CMP (Chemical Mechanical Polishing法によ る半導体ウェハの表面研摩処理装置)等の回転機器に使用されるメカ-カルシール
)には適用することができず、その用途が大幅に制限されるといった問題もある。
[0008] 本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、ドライブピン機能を安定して発揮 させることができると共に、ドライブピンの構成材としてコンタミネーシヨン防止が可能 なプラスチック材をも使用することができるメカ-カルシール及びメカ-カルシール装 置を提供することを目的とするものである。
課題を解決するための手段
[0009] 第 1に、本発明は、回転軸体に固定された回転密封環と筒状のケース体に軸線方 向移動可能に保持された静止密封環とを具備し、両密封環の対向端面の相対回転 により当該相対回転部分の内外周領域間をシールするように構成されたメカニカル シールにおいて、上記の目的を達成すベぐ特に、静止密封環の外周部に形成した 凹部に係合させたドライブピンを、当該凹部に係合する箇所の両側において、ケース 体に固定支持させることにより、静止密封環のケース体に対する相対回転を阻止す るように構成しておくことを提案する。力かるメカ-カルシールにあっては、使用条件 に応じて、金属材製又はプラスチック材製のドライブピンを使用することができる。
[0010] 第 2に、本発明は、複数のメカ-カルシールを軸線方向に並列配置してなるメカ- カルシール装置であって、各メカ-カルシールカ 回転軸体に固定された回転密封 環と筒状のケース体に軸線方向移動可能に保持された静止密封環とを具備し、両密 封環の対向端面の相対回転により当該相対回転部分の内外周領域間をシールする ように構成されたメカ-カルシール装置において、上記の目的を達成すベぐ特に、 各静止密封環の外周部に形成した凹部に係合させたドライブピンを、当該凹部に係 合する箇所の両側において、ケース体に固定支持させることにより、静止密封環のケ ース体に対する相対回転を阻止するように構成しておくことを提案する。かかるメカ- カルシール装置にあっては、すべてのメカ-カルシールのドライブピンを 1本のドライ ブバーで兼用しておくことができる。また、ドライブピン又はドライブバーとしては、使 用条件に応じて、金属材製又はプラスチック材製のものを使用することができる。
[0011] このようなメカ-カルシール装置の一例として、飲料水，純水，薬液，スラリ液等の 給排装置や CMP装置等における相対回転部材間で飲料水，純水，薬液，スラリ液 等の流体を流動させるためのロータリジョイントをあげることができる。すなわち、回転 軸体とケース体との対向周面部間に一対のメカ-カルシールでシールされた通路接 続空間を形成し、回転軸体に形成した第 1通路とケース体に形成した第 2通路とを当 該通路接続空間を介して連通させるように構成されたロータリジョイントである。かかる ロータリジョイントにあって、複数の流路が必要とされる場合には、通路接続空間をシ ールする一対のメカ-カルシールカ なるシールユニットを複数組並列配置して、回 転軸体とケース体との対向周面部間に複数の通路接続空間を形成すると共に、回転 軸体に形成した複数の第 1通路とケース体に形成した複数の第 2通路とを、夫々、各 通路接続空間を介して連通させるように構成する。この場合、各シールユニットにお ける一方のメカ-カルシールの回転密封環と当該シールュ-ットに隣接するシール ユニットにおける一方のメカ-カルシールの回転密封環とを兼用して、構造の簡略化 及び小型化 (軸線方向長さの短縮)を図ることができる。
発明の効果
[0012] 本発明のメカ-カルシール又はメカ-カルシール装置にあっては、静止密封環に 係合するドライブピンが、その係合部分の両側にぉ 、てケース体に支持されて 、るこ と力ら、冒頭で述べた片持ち支持されたドライブピンのような問題を生じず、ドライブピ ン機能 (ドライブピンによる静止密封環の回転阻止機能）が安定して行われ、メカ二力 ルシール又はメカ-カルシール装置を長期に亘つて好適に運転させることができる。 また、ドライブピンとして金属材製のものは勿論、金属材に比して強度的に劣るプラス チック材製にものを使用することができるから、コンタミネーシヨン防止を必要とする用 途にも好適に使用することができ、メカ-カルシール又はメカ-カルシール装置の用 途が大幅に拡大される。
[0013] また、複数のメカ-カルシールを並列配置するメカ-カルシール装置にあっては、 すべてのメカ-カルシールのドライブピンを 1本のドライブバーで兼用構成しておくこ とによって、各メカ-カルシール毎にドライブピンを設けておく場合に比して、メカ-力 ルシール装置構造を大幅に簡略ィ匕することができ、製作経済上、極めて有利である
。特に、力かる利点は、メカ-カルシール数が多くなるに従って顕著となる。
発明を実施するための最良の形態
[0014] 図 1は本発明に係るメカ-カルシール装置の一例であるロータリジョイントを示す縦 断正面図であり、図 2は当該ロータリジョイントに使用される本発明に係るメカ-カル シールを示す縦断正面図であり、図 3は当該ロータリジョイントの横断底面図（断面は 図 1の III III線に沿う）である。なお、以下の説明において、上下とは図 1及び図 2 における上下を 、うものとする。
[0015] 図 1に示すメカ-カルシール装置は、 CMP装置における固定側部材である装置本 体と回転側部材であるトップリング又はターンテーブルとの間で複数流体を流動させ るために使用される多流路形ロータリジョイントである。 [0016] すなわち、このロータリジョイントは、図 1に示す如ぐ固定側部材 (CMP装置本体） に取り付けられる筒状のケース体 1と回転側部材（トップリング又はターンテーブル） に取り付けられる回転軸体 2とを具備し、両部材に形成された流体通路間を相対回 転自在に接続するための複数本 (N本)の第 1流体通路 3· ··と 1本の第 2流体通路 10 3とを有するものである。
[0017] 各第 1流体通路 3は、図 1に示す如ぐスラリ液 (ウェハ研磨液等)や水（洗浄用純水 等)等の第 1流体 28を流動させるもので、両体 1, 2の対向周面部間に形成された環 状空間であって一対のメカ-カルシール 4, 4によりシールされた通路接続空間 5と、 回転軸体 2に形成されて通路接続空間 5に連通する第 1通路 6と、ケース体 1に形成 されて通路接続空間 5に連通する第 2通路 7とからなる。各通路接続空間 5をシール する一対のメカニカルシール 4, 4は、図 1に示す如ぐ上下方向に向きを反対とする 形態で配置されている。 N本の流体通路 3· ··つまり N個の通路接続空間 5を…シー ルするために、一対のメカ-カルシール 4, 4からなるシールユニット 4Aが軸線方向 に N組並列配置されている。各メカ-カルシール 4は、図 2に示す如ぐ回転軸体 2に 固定された回転密封環 8とケース体 1に保持された静止密封環 9とを具備するが、各 シールユニット 4Aにおける一方のメカ-カルシール 4の回転密封環 8と当該シール ユニット 4Aに隣接するシールユニット 4Aにおける一方のメカ-カルシール 8の回転 密封環 8とは兼用されている。すなわち、 N組のシールユニット 4A…を構成するメカ 二カルシール数は 2N個であるが、 2N個のメカ-カルシール 4· ··を構成するために 必要とされる回転密封環数は N+ 1個となる。勿論、静止密封環数はメカ-カルシー ル数に応じた 2N個である。なお、図示の例では、 N= 5としてある。
[0018] ケース体 1は、図 1に示す如ぐ内周部が断面円形をなす筒構造体であり、 CMP装 置等の固定側部材に取り付けられる。ケース体 1の内周部には、後述する如ぐ軸線 方向（上下方向）に一定間隔を隔てて並列する N個の環状支持壁 10· ··とその上下 両側に位置する一対の支持突起 11, 11とが突設されている。なお、ケース体 1は、 上下方向に分割された構造をなしており、複数個の分割部分を図示しないボルト〖こ より連結することにより組み立てられる。
[0019] 回転軸体 2は、図 1に示す如ぐ円柱状の本体部 12と、これに軸線方向（上下方向 )に所定間隔を隔てて並列状に嵌合固定された N+ 1個の円筒状の保持部 13とで構 成されており、一対のベアリング 14, 14によりケース体 1の内周部に同心状をなして 回転自在に支持されている。なお、最上端に位置する保持部 13は、本体部 12の上 端部に固着された有底円筒状のベアリング受体 15の周壁を構成する。また、ベアリ ング 14, 14は、ベアリング受体 15の外周部とケース体 1の上端内周部との間及び本 体部 12の下端外周部とケース体 1の下端内周部との間に介装されている。
[0020] 同心をなす両体 1, 2の対向周面部間（ケース体 1の内周部と回転軸体 2の外周部 との間）には、図 1に示す如ぐ軸線方向（上下方向）に所定間隔を隔てて設けた一 対のシール部材 16, 16により閉塞された環状空間 17が形成されている。シール部 材 16, 16は、ケース体 1の内周部に嵌合固定されたオイルシール等であり、内周部 を最上位の回転密封環 8及び最下位の回転密封環 8の外周面に押圧接触させること により、当該回転密封環 8とケース体 1との間をシールしている。なお、ケース体 1に は、シール部材 16, 16でシールされた環状空間 17の上下両側において、ドレン la , laが設けられている。
[0021] 環状空間 17は、図 1に示す如ぐ回転軸体 2に設けられた N+ 1個の回転密封環 8 …とケース体 1に形成された N個の支持壁 10· ··と各支持壁 10に設けられた一対の 静止密封環 9· ··とを具備する 2N個の端面接触形メカ-カルシール 3· · · (N組のシー ルユニット 4Α· ··)によって、 N個の通路接続空間 5· ··と N+ 1個の冷却空間 18· ··とに 区画シールされている。
[0022] すなわち、回転密封環 8…は、図 1に示す如ぐ回転軸体 2の本体部 12に嵌合させ ると共に、本体部 12の下端段部 19と最上位の保持部 13との間及び保持部 13…相 互間に夫々 Oリング 20…を介在させて挟圧させることにより、軸線方向に等間隔を隔 てて回転軸体 2の外周部に固定されている。各回転密封環 8は回転軸線と同心をな す円環状板であり、図 2に示す如ぐ隣接する回転密封環 8, 8の対向端面を軸線に 直交する平滑な環状平面である密封端面 (以下「第 1密封端面」という） 21, 21に構 成してある。
[0023] 各支持壁 10は、図 1に示す如ぐ隣接する回転密封環 8, 8の対向面間に位置して 、ケース体 1の内周部に突設された環状壁である。すなわち、回転密封環 8· ··と支持 壁 10· · ·とは、環状空間 17において、軸線方向（上下方向）に交互に配置された状態 で並列されている。
[0024] 各支持壁 10には、その両側に位置する回転密封環 8, 8の対向端面たる第 1密封 端面 21 , 21に直対向して、上下一対の静止密封環 9, 9が軸線方向に移動可能に 且つ相対回転不能に保持されている。すなわち、各静止密封環 9は、図 2に示す如く 、支持壁 10の内周部に Oリング 22を介して軸線方向移動可能に嵌合保持されると共 に、次のような回転阻止機構により所定範囲での軸線方向移動を許容する状態で回 転 (ケース体 1に対する相対回転)を阻止されて 、る。
[0025] この回転阻止機構は、図 2及び図 3に示す如ぐ各静止密封環 9の外周部に形成し た凹部 23…に軸線方向相対移動可能に係合させたドライブピン 24aを、当該凹部 2 3に係合する箇所の上下両側において、ケース体 1に固定支持させることにより、静 止密封環 8のケース体 1に対する相対回転を阻止するように構成されて 、る。この例 では、全メカ-カルシール 4· · ·のドライブピン 24a…を、図 1に示す如ぐ 1本のドライ ブバー 24により兼用してある。すなわち、上下方向に長尺な断面円形棒であるドライ ブバー 24を、図 1に示す如ぐその中間部を各支持壁 10に形成した貫通孔 10aに挿 通支持させると共にその端部を各支持突起 11に形成した貫通孔 11aに揷通支持さ せることにより、ケース体 1に固定支持させてある。そして、最上位及び最下位の各静 止密封環 9については、その凹部 23を支持突起 11とこれに対向する支持壁 10とで 両端支持されたドライブバー部分 (ドライブピン) 24aに軸線方向移動可能に係合さ せてあり、その他の各静止密封環 9については、その凹部 23を隣接する支持壁 10, 10で両端支持されたドライブバー部分 (ドライブピン） 24aに軸線方向移動可能に係 合させてある。なお、隣接する支持壁 10, 10で両端支持されたドライブバー部分 24 aには、 2個の静止密封環 9, 9が係合されている。
[0026] このようにドライブバー 24によりケース体 1に軸線方向移動可能且つ回転不能に保 持された各静止密封環 9は、複数のコイルスプリング 25…により、回転密封環 8へと 押圧附勢されている。すなわち、各スプリング 25は、図 1〜図 3に示す如ぐ支持壁 1 0に形成した貫通孔 26に揷通保持された状態で、支持壁 10に保持された静止密封 環 9, 9間に介挿されていて、当該両静止密封環 9, 9に共通の附勢手段として機能 するように工夫されている。各静止密封環 9の端面は、スプリング 25…により第 1密封 端面 21にこれと同心をなして押圧接触される円環状の第 2密封端面 27に構成され ている。
[0027] したがって、各メカ-カルシール 4にあっては、両密封端面 21, 27が回転軸体 2の 回転に伴って相対回転摺接して、周知の端面接触形メカ-カルシールと同一機能に より、当該相対回転摺接部分の内周側領域と外周側領域をシールすることから、環 状空間 17が、図 1に示す如ぐ隣接する一対の回転密封環 8, 8とこれらに押圧接触 する一対の静止密封環 9, 9と回転軸体 2の外周部である保持部 13とで囲繞形成さ れる N個の上記内周側領域たる通路接続空間 5· ··と、両密封端面 21, 27の相対回 転摺接部分において各通路接続空間 5との間をシールされ且つ支持壁 10…で仕切 られる N+ 1個の上記外周側領域である冷却空間 18…と、に区画される。
[0028] 回転軸体 2には、図 1及び図 3に示す如ぐ相互に交差することなく各通路接続空 間 5に開口する N個の第 1通路 6· ··が形成されている。すなわち、図 1に示す如ぐ各 第 1通路 6の一端部は回転軸体 2の外周部から保持部 13を貫通して通路接続空間 5 に開口されており、その他端部は本体部 12の下端部に開口されている。各第 1通路 6の他端部は、前記回転側部材（トップリング又はターンテーブル）に形成した回転側 流路に接続される。
[0029] ケース体 1には、図 1に示す如ぐ相互に交差しない N個の第 2通路 7· ··が径方向に 貫通形成されている。各第 2通路 7の一端部は支持壁 10を貫通して通路接続空間 5 に開口されており、その他端部はケース体 1の外周部に開口されている。各第 2通路 7の他端部は、前記固定側部材 (CMP装置本体）に形成した固定側流路に接続され る。
[0030] したがって、両体 1, 2には、第 1通路 6と第 2通路 7とを通路接続空間 5により相対回 転自在に接続してなる N本の流体通路 3· ··が相互に独立した形態で形成されること になり、 N種（同種又は異種)の第 1流体 28…を、図 1に矢印で示す如く第 2通路 7· ·· 力も第 1通路 6· ··へと、或いは第 1通路 6· ··から第 2通路 7· ··へと、混合させることなく 流動させることができる。
[0031] 全冷却空間 18…は、図 1に示す如ぐ各支持壁 10に形成した貫通孔 26…により相 互に連通されている。ケース体 1の上下部には、図 1に示す如ぐ冷却空間 18…に冷 却流体 29を給排する供給路 30及び排出路 31が形成されていて、冷却流体 29が全 冷却空間 18…を通過することにより、各メカ-カルシール 4における密封端面 21, 2 7の摺接熱を冷却するように工夫されている。冷却流体 29としては、一般に、常温の 清浄水や純水等が使用される。
[0032] 第 2流体通路 103は、図 1に示す如ぐウェハ加圧用空気やエアーブロー用空気等 の第 2流体 36を流動させるもので、両体 1, 2の対向周面部間に形成された環状空 間であって一対の弾性シールリング 32, 32によりシールされた通路接続空間 33と、 回転軸体 2に形成されて通路接続空間 33に連通する第 1通路 34と、ケース体 1に形 成されて通路接続空間 33に連通する第 2通路 35とからなる。
[0033] 図 4は図 1の要部を拡大して示す縦断正面図である力 この図 4に示す如ぐ各弹 性シールリング 32は、環状の本体部 40と、本体部 40から軸線方向に突出する筒状 の内外周リップ部 41, 42と、内外周リップ部 41, 42間の環状溝 43に充填されたパネ 部材 44とからなる断面略コ字状の環状体をなすものであり、ベアリング受体 15の周 壁 (保持部） 13に対向するケース体 1の内周部分に形成した環状凹部 37に係合保 持されている。両弹性シールリング 32, 32は、図 4に示す如ぐ環状溝 43, 43の開 口部を対向させた対称形態で配置されていて、ベアリング受体 15の周壁 13とケース 体 1との対向周面間に環状の通路接続空間 33を形成している。
[0034] 而して、通路接続空間 33に流体 36が供給されると、流体 36が弾性シールリング 32 , 32の環状溝 43, 43に流入して、流体 36の圧力により、軸線方向においては、両シ ールリング 32, 32が相互に離間する方向に押圧されて本体部 40, 40が環状凹部 3 7, 37の側面部に押し付けられ、径方向においては、各シールリング 32の内外周リツ プ部 41, 42がその径方向間隔が広がる方向に押圧変形される。すなわち、環状溝 4 3【こ流人した流体 36の圧力【こより、各シーノレリング 32のシーノレ咅 (リップ咅 42の 先端部） 45, 46のシール面（ベアリング受体 15の周壁 13の外周面及び環状凹部 37 の内周面)への接触面圧が上昇して、弾性シールリング 32によるシール機能が十分 に発揮される。力かる接触面圧の上昇程度は、通路接空間 33に供給される流体 36 の圧力に比例する。したがって、上記接触面圧つまりシール力が流体 36の圧力に応 じて比例的に変化することになり、当該流体 36が高圧である場合や圧力変動した場 合にも、弾性シールリング 32, 32によるシール機能が適正且つ良好に発揮されるこ とになり、第 2流体通路 103における流体流動が漏れを生じることなく良好に行われ る。
[0035] 図 1に示す如ぐ第 1通路 35の一端部は回転軸体 2の外周部力 保持部 13 (ベアリ ング受体 15の周壁)を貫通して通路接続空間 33に開口されており、その他端部は回 転軸体 2の本体部 12の下端部に開口されている。第 1通路 35の他端部は、前記回 転側部材（トップリング又はターンテーブル）に形成した回転側流路に接続される。ま た、第 2通路 36の一端部はケース体 1を周方向に貫通して通路接続空間 33に開口 されており、その他端部はケース体 1の外周部に開口されている。第 2通路 36の他端 部は、前記固定側部材 (CMP装置本体）に形成した固定側流路に接続される。なお 、第 2流体通路 103は、例えば、ウェハ加圧用空気やエアーブロー用空気等のガス 3 6を流動させるものとして使用される。
[0036] ところで、上記ロータリジョイントでは、シールすべき流体 28, 29, 36の性状に応じ てシール手段 4, 32を使い分けている力 ロータリジョイントの各部材の構成材は、当 該部材に要求される機能，機械的強度に応じて選択される他、流体 28, 29, 36の 性状，使用目的に応じて選択しておくことが必要であり、一般に、当該流体 28, 29, 36に対して不活性なものを選択しておくことが好ましい。流体 28, 29, 36に対して 不活性な構成材は、当該流体 28, 29, 36の性状や使用条件 (金属汚染の回避等） との関係において決定されるものであり、例えば、当該流体 28, 29, 36が金属汚染 を回避すべきものである場合には、流体 28, 29, 36との接触により金属成分を溶出 したり金属粉を発生したりすることがな 、セラミックスやプラスチックが該当する。また、 第 1流体通路 3を流動する流体 28が砲粒等の固形成分を含有するスラリ流体である 場合には、当該流体 28に接触する部材の構成材として含有固形成分との接触により 発塵しないセラミックス，プラスチックが使用される。第 1流体通路 3又は第 2流体通路 103を流動する流体 28, 36が高温流体である場合には、当該流体 28, 36に接触す る部材の構成材として耐熱性を有するセラミックス，プラスチックが使用され、当該流 体 28, 36が腐食性流体である場合には、耐食性ないし耐薬品性を有するセラミック ス，プラスチックが使用される。
したがって、密封環 8, 9については、一般に、接触による摩耗粉等を発生し難い炭 化珪素，酸ィ匕アルミニウム等のセラミックスで構成しておくことが好ましい。勿論、使用 条件によっては、後述のエンジニアリングプラスチックで構成しておくことも可能であ る。また、密封環 8, 9以外の流体接触部分 (流体が侵入して接触する虞れのある部 分を含む）については、流体の性状，使用目的に応じて、砲粒等の固形成分との接 触によりパーティクルを発生させることがなく且つ加工による寸法安定性，耐熱性等 に優れた PEEK, PES, PC等のエンジニアリングプラスチックや耐食性，耐薬品性 に優れた PTFE, PFA, FEP, PVDF等の弗素樹脂で構成しておくことが好ましい。 なお、流体通路 3, 103における流体 28, 36との接触部分を、選定された材料 (以下 「選定材料」という）で構成しておく態様としては、流体通路 3, 103が形成される部材 (例えば、ケース体 1や回転軸体 2の本体部 12等の全体)又は部分 (例えば、ケース 体 1における第 2通路 7, 35の形成部分や第 1通路 6, 34を形成する回転軸体 2の本 体部 12)を選定材料で構成しておく場合と、流体 28, 36との接触部分のみ (例えば 、各通路 6, 7, 34, 35の内壁面等）をコーティング，パイプ圧入等の手段による選定 材料層で構成しておく場合とに大別される。特に、後者は、機械的強度等の面からス テンレス鋼等の金属材で構成せざるを得ない部材，部分 (例えば、回転軸体 2の本 体部 12)に流体通路 3, 103を形成しておく場合に有効である。また、ドライピン 24a ないしドライブバー 24は、メカ-カルシール 4により第 1流体通路 3との間を遮蔽シー ルされた冷却空間 17…に配置されるものであり、専ら冷却流体 29が接触するのみで あるから、第 1流体 28の金属汚染を回避する上で、金属材で構成することも可能であ る力 第 1流体 28の金属汚染回避に万全を期すためには (例えば、メカ-カルシー ル 4のシール機能低下による両流体 28, 29の混合があった場合にも当該金属汚染 回避を実現するために）は上記エンジニアリングプラスチック等のプラスチック材で構 成しておくことが好ましい。また、弾性シールリング 32において、本体部 40及び内外 周リップ部 41, 42からなる断面略コ字状の環状体はプラスチック，ゴム等の弹性材で 一体成形されるが、その構成材たる弾性材の選定はシール条件に応じて行われる。 例えば、当該弾性シールリング 32によってシールすべき流体 36が高温である場合に は耐熱性の弹性材を使用し、当該流体 36が腐食性を有するものである場合には耐 食性の弾性材を使用するが、一般には、自己潤滑性，低摩擦性 (摩擦係数 0. 2〜0 . 3程度）を有するポリテトラフルォロエチレン (PTFE)等のフッ素榭脂ゃこれにガラス 繊維，炭素繊維，二硫ィ匕モリブデン等の充填材を 1種以上配合してなる弾性複合材 等を使用することが好ましい。この例では、ポリテトラフルォロエチレンにガラス繊維及 び二硫ィ匕モリブデン又はポリイミド榭脂を配合した、低摩擦性，耐摩耗性等に優れる 弾性複合材を使用している。
[0038] 以上のように構成されたメカ-カルシール装置たるロータリジョイントによれば、 N本 の第 1流体通路 3· · ·及び 1本の第 2流体通路 103が各々独立して形成されていること から、 N+ 1種の流体 28· · ·, 36を回転側流体通路と固定側流体通路との間で混在さ せることなく良好に流動させることができ、それらの流動状態制御も各別に行うことが できる。
[0039] そして、各第 1流体通路 3の相対回転部分 (通路接続空間 5)をシールするメカ二力 ルシール 4にあっては、ドライブピン 4aが静止密封環 8との係合個所の両側にお!、て 保持壁 10又は保持突起 11に支持 (両端支持)されて ヽることから、ドライブピン 24a を金属材で構成した場合は勿論、金属材に比して強度的に劣るプラスチック材で構 成した場合にも、冒頭で述べた如き問題を生じることがなぐドライブピン機能が安定 して発揮されること〖こなる。したがって、ドライブピン機能の低下，喪失によりメカ-力 ルシール 4のシール機能が低下，喪失するようなことがなぐ第 1流体 28の流動を良 好に行うことができる。また、一般に、ドライブピン機能の低下，喪失を防止するため に、静止密封環 9に複数の凹部 23…を形成して、各凹部 23にドライブピン 24aを係 合させておくように工夫されるが、上記の如くドライブピン 24aを慮端支持構造として おくと、このように複数本のドライブピン 24a…を設けておかずともドライブピン機能の 低下を防止することができ、静止密封環 9の回転阻止を 1本のドライブピン 24aで十 分に行うことが可能となり、メカ-カルシール構造の簡略ィ匕を図ることができる。
[0040] また、すべてのメカ-カルシール 4· · ·のドライブピン 24a…を 1本のドライブバー 24 で兼用しているから、各メカ-カルシール 4毎に各別のドラブピン 24aを設ける場合に 比して、メカ-カルシール構造の簡略ィ匕を図ることができる。特に、複数のメカ-カル シール 4· ··を必要とするロータリジョイント等のメカ-カルシール装置にあっては、上 記した如く静止密封環 9の回転阻止を 1本のドライブピン 24aで行うことができることと 相俟って、力かる効果 (メカ-カルシール構造の簡略化）は著しい。
[0041] ところで、メカ-カルシール 4にあっては、密封環 8, 9の接触部分 (密封端面 21, 2 7)が発熱して焼き付く等の虞れがあり、特に、シールすべき第 1流体 28が気体であ る場合や液体であっても吸引排出等によりドライ条件となる場合には、力かる虞れが 強くなる。しかし、上記したロータリジョイントにあっては、密封環 8, 9及びその接触部 分は冷却空間 18を流動する冷却流体 29により冷却されて、上記した虞れは生じな いから、第 1流体 28が気体である場合やドライ条件で使用される場合においても、密 封環 8, 9の相対回転摺接作用が円滑に行われて、良好なシール機能が発揮される
[0042] ところで、複数本の流体通路を必要とするロータリジョイントにあっては、すべての流 体通路のシール手段としてメカ-カルシール 4を採用した場合には、ロータリジョイン トの全長（軸線方向長さ）が長大化することになる。しかし、流体通路を流動させる流 体の性状によっては、メカ-カルシール 4のような高度のシール手段を使用する必要 がない場合もある。そこで、上記したロータリジョイントにあっては、第 1流体通路 3と第 2流体通路 103とでシールすべき流体 28, 36の性状に応じてシール手段 4, 32を使 V、分けるようにし、メカ-カルシール 4のような高度のシール手段によってシールさせ る必要のない第 2流体 36については、シール手段としてメカ-カルシール 4に比して 構造簡単にして小型の弾性シールリング 32を使用している。その結果、ロータリジョ イントの全長を可及的に短尺化し得て、ロータリジョイントの小型化及び構造簡略ィ匕 を効果的に図ることができる。なお、弾性シールリング 32, 32でシールされる第 2流 体通路 103の設置数は、必要に応じて任意とできる。複数の第 2流体通路 103· ··を 設ける場合、各第 2流体通路 103における一方の弾性シールリング 32をこれに隣接 する第 2流体通路 103における一方の弾性シールリング 32と兼用させることができる
[0043] なお、本発明に係るメカ-カルシール又はメカ-カルシール装置は、上記した実施 の形態に限定されるものでなぐ本発明の基本原理を逸脱しない範囲において適宜 に変更，改良することができる。
[0044] 例えば、上記したロータリジョイントにおいて、図 5に示す如ぐドライブバー 24の両 端はケース体 1に支持させず、メカ-カルシール群の両端に位置するメカ-カルシー ル (最上位及び最下位のメカ-カルシール) 4, 4については、各静止密封環 9を支持 壁 10力も突出するドライブバー 24の端部に係合させるようにしてもよい。この場合、 両静止密封環 9, 9に係合するドライブピン 24a, 24aは夫々片持ち支持構造をなす ものであるが、両ドライブピン 24a, 24aが支持壁群 10…に貫通支持されているドライ ブバー 24の両端部であるから、ドライブピンの基端部を固定支持させた場合と異なつ て、冒頭で述べた如き問題は生じない。また、図 6に例示する如ぐ全メカ二カルシー ル 4…のドライブピン 24a…を、各々独立したドライブピン 24aで構成すること、複数本 のドライブバー 24で構成すること、又は 1本又は複数本のドライブピン 24aと 1本又は 複数本のドライブバー 24とで構成すること、の何れかを採用することもできる。
[0045] また、本発明は、一つのメカ-カルシール又はシール装置を構成する複数のメカ- カルシールのうち力 選択された一つ以上のメカ-カルシールに適用することができ 、ロータリジョイント以外のメカ-カルシール装置にも適用することができる。
図面の簡単な説明
[0046] [図 1]本発明に係るメカ-カルシール装置の一例を示す縦断正面図である。
[図 2]図 1の要部を拡大して示す縦断正面図である。
[図 3]本発明に係るメカ-カルシール装置の横断底面図（断面は図 1の III III線、 図 5の III -III線又は図 6の III -III線に沿う）である。
[図 4]図 1の要部であって図 2に示すものと異なる部分を拡大して示す縦断正面図で ある。
[図 5]本発明に係るメカ-カルシール装置の変形例を示す縦断正面図である。
[図 6]本発明に係るメカ-カルシール装置の他の変形例を示す縦断正面図である。 符号の説明
[0047] 1 ケース体
2 回転軸体
3 第 1流体通路 メカニカルシール
シーノレユニット
通路接続空間 (相対回転部分の外周領域) 第 1通路
第 2通路
回転密封環
静止密封環
支持壁
a 貫通孔
支持突起
a 貫通孔
冷却空間 (相対回転部分の外周領域） 密封端面
密封端面
第 1流体
冷却流体

Claims

請求の範囲
[1] 回転軸体に固定された回転密封環と筒状のケース体に軸線方向移動可能に保持さ れた静止密封環とを具備し、両密封環の対向端面の相対回転により当該相対回転 部分の内外周領域間をシールするように構成されたメカ-カルシールにおいて、 静止密封環の外周部に形成した凹部に係合させたドライブピンを、当該凹部に係 合する箇所の両側において、ケース体に固定支持させることにより、静止密封環のケ ース体に対する相対回転を阻止するように構成してあることを特徴とするメカ-カルシ 一ノレ。
[2] ドライブピンが金属材製又はプラスチック材製のものであることを特徴とする、請求項 1に記載するメカ-カルシール。
[3] 複数のメカ-カルシールを軸線方向に並列配置してなるメカ-カルシール装置であ つて、各メカ-カルシールカ 回転軸体に固定された回転密封環と筒状のケース体 に軸線方向移動可能に保持された静止密封環とを具備し、両密封環の対向端面の 相対回転により当該相対回転部分の内外周領域間をシールするように構成されたメ 力-カルシール装置において、
各静止密封環の外周部に形成した凹部に係合させたドライブピンを、当該凹部に 係合する箇所の両側において、ケース体に固定支持させることにより、静止密封環の ケース体に対する相対回転を阻止するように構成してあることを特徴とするメカ-カル シール装置。
[4] すべてのメカ-カルシールのドライブピンが 1本のドライブバーで兼用されて!、ること を特徴とする、請求項 3に記載するメカ-カルシール装置。
[5] ドライブピンが金属材製又はプラスチック材製のものであることを特徴とする、請求項
3に記載するメカ-カルシール装置。
[6] ドライブバーが金属材製又はプラスチック材製のものであることを特徴とする、請求項
4に記載するメカ-カルシール装置。
[7] 回転軸体とケース体との対向周面部間に一対のメカ-カルシールでシールされた通 路接続空間を形成し、回転軸体に形成した第 1通路とケース体に形成した第 2通路と を当該通路接続空間を介して連通させるように構成されたロータリジョイントであること を特徴とする、請求項 3、請求項 4、請求項 5又は請求項 6に記載するメカ二カルシー ル装置。
[8] 通路接続空間をシールする一対のメカ-カルシールカもなるシールユニットを複数 組並列配置して、回転軸体とケース体との対向周面部間に複数の通路接続空間を 形成すると共に、回転軸体に形成した複数の第 1通路とケース体に形成した複数の 第 2通路とを、夫々、各通路接続空間を介して連通させるように構成されたロータリジ ョイントであることを特徴とする、請求項 7に記載するメカ-カルシール装置。
[9] 各シールユニットにおける一方のメカ-カルシールの回転密封環と当該シールュ- ットに隣接するシールユニットにおける一方のメカ-カルシールの回転密封環とが兼 用されて 、ることを特徴とする、請求項 8に記載するメカ-カルシール装置。
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