JP4250585B2 - メカニカルシール装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数のメカニ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ニカルシール装置に関するものである。

メカニカルシールとして、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）。

かかるメカニ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）。
特開２００３−３１４７０３公報

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、良好なメカニカルシール機能を長期に亘って安定して発揮させることが困難であった。

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いるにすぎないから、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」という）が安定して発揮されない。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から脱落したり、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。

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、メカニ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、メカニ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、複数のメカニ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ニカルシール装置にあっては顕著である。けだし、１つのメカニカルシールにおけるドライブピン機能の低下，喪失がメカニカルシール装置全体の機能低下，機能喪失に直結するからである。

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法による半導体ウエハの表面研摩処理装置）等の回転機器に使用されるメカニカルシール）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。

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ョ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ニ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。

本発明は、複数のメカニカルシールを軸線方向に並列配置してなるメカニカルシール装置であって、各メカニカルシールが、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装置において、上記の目的を達成すべく、特に、選択された複数のメカニカルシールが、各々、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、当該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されており、当該両端支持されたドライブピンのうち少なくとも一本のドライブピンには隣接する二つのメカニカルシールの静止密封環の凹部が係合されていることを提案する。かかるメカニカルシール装置にあって、ドライブピンとしては、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。

このようなメカニ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ニ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ニカルシールから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ニカルシールの回転密封環と当該シールユニットに隣接するシールユニットにおける一方のメカニ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。

本発明のメカニカルシール又はメカニ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おいてケース体に支持されていることから、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、メカニカルシール又はメカニカルシール装置を長期に亘っ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、コンタミネーショ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、メカニカルシール又はメカニカルシール装置の用途が大幅に拡大される。

また、複数のメカニカルシールを並列配置するメカニカルシール装置にあっては、すべてのメカニ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、各メカニ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、メカニカルシール装置構造を大幅に簡略化することができ、製作経済上、極めて有利である。特に、かかる利点は、メカニカルシール数が多くなるに従って顕著となる。

図１は本発明に係るメカニ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ニ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における上下をいうものとする。

図１に示すメカニカルシール装置は、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。

すなわち、このロータリジョイントは、図１に示す如く、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１０３とを有するものである。

各第１流体通路３は、図１に示す如く、スラリ液（ウエハ研磨液等）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ニカルシール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に示す如く、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、一対のメカニカルシール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。各メカニカルシール４は、図２に示す如く、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ニカルシール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ニカルシール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…を構成するメカニカルシール数は２Ｎ個であるが、２Ｎ個のメカニカルシール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ニ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。

ケース体１は、図１に示す如く、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、後述する如く、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により連結することにより組み立てられる。

回転軸体２は、図１に示す如く、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。

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に示す如く、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１ａ，１ａが設けられている。

環状空間１７は、図１に示す如く、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ニカルシール３…（Ｎ組のシールユニット４Ａ…）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。

すなわち、回転密封環８…は、図１に示す如く、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に示す如く、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。

各支持壁１０は、図１に示す如く、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。

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）を阻止されている。

この回転阻止機構は、図２及び図３に示す如く、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２３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いる。この例では、全メカニカルシール４…のドライブピン２４ａ…を、図１に示す如く、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に示す如く、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に挿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２４ａには、２個の静止密封環９，９が係合されている。

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に示す如く、支持壁１０に形成した貫通孔２６に挿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。

したがって、各メカニカルシール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ニ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に示す如く、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。

回転軸体２には、図１及び図３に示す如く、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に示す如く、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。

ケース体１には、図１に示す如く、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。

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…から第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。

全冷却空間１８…は、図１に示す如く、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に示す如く、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、各メカニカルシール４における密封端面２１，２７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。

第２流体通路１０３は、図１に示す如く、ウエハ加圧用空気やエアーブロ−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。

図４は図１の要部を拡大して示す縦断正面図であるが、この図４に示す如く、各弾性シールリング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に充填されたバネ部材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。両弾性シールリング３２，３２は、図４に示す如く、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。

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３７，３７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の内外周リップ部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４３に流入した流体３６の圧力により、各シールリング３２のシール部（リップ部４１，４２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。か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。

図１に示す如く、第１通路３５の一端部は回転軸体２の外周部から保持部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、ウエハ加圧用空気やエアーブロ−用空気等のガス３６を流動させるものとして使用される。

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を使い分けているが、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い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が砥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，酸化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、砥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、メカニカルシール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が、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、メカニカルシール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，ゴム等の弾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弾性材を使用し、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オロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂やこれにガラス繊維，炭素繊維，二硫化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、ポリテトラフルオロエチレンにガラス繊維及び二硫化モリブデン又はポリイミド樹脂を配合した、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。

以上のように構成されたメカニ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。

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）をシールするメカニカルシール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いて保持壁１０又は保持突起１１に支持（両端支持）されていることから、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く、ドライブピン機能が安定して発揮されることになる。したがって、ドライブピン機能の低下，喪失によりメカニカルシール４のシール機能が低下，喪失するようなことがなく、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、メカニカルシール構造の簡略化を図ることができる。

また、すべてのメカニカルシール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、各メカニカルシール４毎に各別のドラブピン２４ａを設ける場合に比して、メカニカルシール構造の簡略化を図ることができる。特に、複数のメカニカルシール４…を必要とするロータリジョイント等のメカニ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、かかる効果（メカニカルシール構造の簡略化）は著しい。

ところで、メカニカルシール４にあっては、密封環８，９の接触部分（密封端面２１，２７）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、か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。

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ニカルシール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、メカニカルシール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を使い分けるようにし、メカニカルシール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ニカルシール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化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。

なお、本発明に係るメカニカルシール又はメカニカルシール装置は、上記した実施の形態に限定されるものでなく、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。

例えば、上記したロータリジョイントにおいて、図５に示す如く、ドライブバー２４の両端はケース体１に支持させず、メカニカルシール群の両端に位置するメカニカルシール（最上位及び最下位のメカニカルシール）４，４については、各静止密封環９を支持壁１０から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って、冒頭で述べた如き問題は生じない。また、図６に例示する如く、全メカニカルシール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。

また、本発明は、一つのメカニカルシール又はシール装置を構成する複数のメカニカルシールのうちから選択された一つ以上のメカニ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ニカルシール装置にも適用することができる。

本発明に係るメカニカルシール装置の一例を示す縦断正面図である。 図１の要部を拡大して示す縦断正面図である。 本発明に係るメカニ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。 本発明に係るメカニカルシール装置の変形例を示す縦断正面図である。 本発明に係るメカニ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

１ ケース体
２ 回転軸体
３ 第１流体通路
４ メカニカルシール
４Ａ シールユニット
５ 通路接続空間（相対回転部分の外周領域）
６ 第１通路
７ 第２通路
８ 回転密封環
９ 静止密封環
１０ 支持壁
１０ａ 貫通孔
１１ 支持突起
１１ａ 貫通孔
１８ 冷却空間（相対回転部分の外周領域）
２１ 回転密封環の密封端面
２３ 凹部
２４ ドライブバー
２４ａ ドライブピン
２７ 静止密封環の密封端面
２８ 第１流体
２９ 冷却流体

Claims (5)

1. 複数のメカニカルシール(４)を軸線方向に並列配置してなるメカニカルシール装置であって、各メカニカルシール(４)が、回転軸体(２)に固定された回転密封環(８)と筒状のケース体(１)に軸線方向移動可能に保持された静止密封環(９)とを具備し、両密封環(８，９)の対向端面(２１，２７)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装置において、
   選択された複数のメカニカルシール(４)が、各々、静止密封環(９)の外周部に形成した凹部(２３)に係合させたドライブピン(２４ａ)を、当該凹部(２３)に係合する箇所の両側において、ケース体(１)に固定支持させることにより、当該静止密封環(９)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おり、当該両端支持されたドライブピン(２４ａ)のうち少なくとも一本のドライブピン(２４ａ)には隣接する二つのメカニカルシール(４)の静止密封環(９)の凹部(２３)が係合されていることを特徴とするメカニカルシール装置。
2. ドライブピン(２４ａ)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に記載するメカニカルシール装置。
3. 回転軸体(２)とケース体(１)との対向周面部間に一対のメカニカルシール(４)でシールされた通路接続空間(５)を形成し、回転軸体(２)に形成した第１通路(６)とケース体(１)に形成した第２通路(７)とを当該通路接続空間(５)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１又は請求項２に記載するメカニカルシール装置。
4. 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)からなるシールユニット(４Ａ)を複数組並列配置して、回転軸体(２)とケース体(１)との対向周面部間に複数の通路接続空間(５)を形成すると共に、回転軸体(２)に形成した複数の第１通路(６)とケース体(１)に形成した複数の第２通路(７)とを、夫々、各通路接続空間(５)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に記載するメカニカルシール装置。
5. 各シールユニット(４Ａ)における一方のメカニカルシール(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ニカルシール(４)の回転密封環(８)とが兼用されていることを特徴とする、請求項４に記載するメカニカルシール装置。

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