JP6403337B2 - 回転継手装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転継手装置に関する。

従来、互いに相対回転する第１部材と第２部材とを備える装置（例えば、半導体製造装置、攪拌機、医療用機器、食品用機器）においては、前記第１部材に備えられた第１流体通路と前記第２部材に備えられた第２流体通路とを接続するため、前記第１部材と前記第２部材との間に回転継手が設けられている（例えば、特許文献１参照）。

このような回転継手は、ケース体と、回転体と、メカニカルシールとを備えている。前記回転体は、所定の装置に備えられた第１部材又は第２部材の回転に連動して回転するように、前記ケース体に回転自在に支持されている。前記メカニカルシールは、前記回転体に固定された一方の密封環、及び、前記第１密封環に対向するように前記ケース体に保持された他方の密封環を有している。

そして、前記メカニカルシールは、前記回転体が前記第１部材又は前記第２部材の回転に連動して回転するとき、前記一方の密封環を前記回転体と一体回転させて、前記一方の密封環のシール面を前記他方の密封環のシール面に対して摺動させ、これにより、前記一方の密封環と前記他方の密封環との間をシールできるように構成されている。

したがって、前記メカニカルシールでは、前記一方の密封環が低速回転するとき（例えば、前記装置（前記回転体）の始動時）、前記一方の密封環と前記他方の密封環との摺動に起因する摩耗粉が比較的多量に発生するおそれがあった。このことは、前記回転継手の流体通路とその下流側に位置する前記第１部材又は前記第２部材の流体通路とを流れる流体に摩耗粉（異物）が混入するという問題を引き起こすので、前記回転継手を用いる前記装置の種類によっては好ましくない。

特開２００８−２５５９７号公報

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、メカニカルシールにおける摩耗粉の発生を有効に抑制できる回転継手装置の提供を目的とする。

請求項１に係る発明は、
第１部材の第１流体通路と、前記第１部材に対して相対回転可能な第２部材の第２流体通路とを接続するために用いられる回転継手装置であって、
第３流体通路を有し、この第３流体通路が前記第１流体通路に接続するように前記第１部材に一体的に連結された第１ケース体と、
第４流体通路を有し、この第４流体通路が前記第２流体通路に接続するように前記第２部材に一体的に連結された第２ケース体と、
第５流体通路を有し、この第５流体通路が前記３流体通路及び前記第４流体通路に接続するように、前記第１ケース体及び前記第２ケース体に回転自在に支持される回転体と、
前記回転体を、前記第１部材及び前記第２部材のそれぞれに対して独立して回転制御できるように構成された駆動源と、
前記回転体に一体回転可能に連結された第１密封環、及び、前記第１密封環に対向するように前記第１ケース体又は前記第２ケース体に保持された第２密封環を有し、前記第１密封環と前記第２密封環との間をシールすることができるように構成されたメカニカルシールと、を備えるものである。

この構成によれば、前記回転継手装置が前記第１部材と前記第２部材との間に設けられた場合に、前記第１部材及び前記第２部材の少なくとも一方が回転するとき、その回転とは独立して、前記回転体ひいては前記メカニカルシールの第１密封環を前記駆動源により回転させ、前記メカニカルシールを作動させることができる。

そのうえで、前記第１部材及び前記第２部材の少なくとも一方が回転を開始する前の段階から、前記駆動源により前記回転体を所定の回転速度で回転させることが可能となる。そのため、前記第１部材又は前記第２部材の回転速度にかかわらず、前記メカニカルシールにおいて、前記第１密封環を、前記第２密封環と接触しないように所定の相対回転速度で回転させることができる。

よって、前記メカニカルシールを、摩耗粉ができるだけ生じないように作動させることができる。結果、前記メカニカルシールにおける摩耗粉の発生を有効に抑制できる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の回転継手装置において、
前記メカニカルシールが、
前記第１密封環が前記回転体と一体回転するとき、前記第１密封環と前記第２密封環との間を非接触状態に維持しつつシールするため、これら両者の間に動圧を発生させるように構成された動圧型の非接触式メカニカルシールであるものである。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載の回転継手装置において、
前記メカニカルシールが、
前記第１密封環と前記第２密封環との間を非接触状態に維持しつつシールするため、これら両者の間に静圧を発生させるように構成された静圧型の非接触式メカニカルシールであるものである。

本発明によれば、メカニカルシールにおける摩耗粉の発生を有効に抑制できる回転継手装置を提供できる。

本発明の第１実施形態に係る回転継手装置の断面図である。 図１の一部拡大図である。 本発明の第２実施形態に係る回転継手装置の断面図である。 本発明の第３実施形態に係る回転継手装置の断面図である。

まず、本発明の第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。

図１に、本発明の第１実施形態に係る回転継手装置１の縦断面図を示す。図２に、図１の一部拡大図を示す。なお、ここでは、図１に示す矢印Ｘの方向を上下方向とする。

図１に示すように、前記回転継手装置１は、第１部材３の第１流体通路４と、前記第１部材３に対して相対回転可能な第２部材６の第２流体通路７とを流体的に接続するために用いられる。前記第１部材３及び前記第２部材６は、半導体製造装置等の各種装置に備えられるものであって、その装置で使用される気体等の流体を各々の前記流体通路４・７にて流通させ得るものである。

前記第１部材３及び前記第２部材６は、前記装置が始動すると、互いに相対回転すべく、両者の少なくとも一方が回転を開始するように構成されている。本実施形態においては、前記第１部材３が前記装置の始動後も回転（動作）しない固定部材とされる一方、前記第２部材６が前記装置の始動に伴い回転する回転部材とされている。

図１及び図２に示すように、前記回転継手装置１は、互いに相対回転する前記第１部材３と前記第２部材６との間に設けられ得るものであり、第１ケース体１１と、第２ケース体１２と、回転体１３と、駆動源１４と、メカニカルシール（ここでは、非接触式メカニカルシール）１５とを備えている。

前記第１ケース体１１は、第３流体通路２１を有し、この第３流体通路２１が前記第１流体通路４に流体的に接続するように前記第１部材３に一体的に連結されている。そのため、本実施形態において、前記第１ケース体１１は、前記装置の駆動状態にかかわらず、前記第１部材３と共に回転（動作）しない状態を維持するものとなっている。

前記第１ケース体１１は、円筒状に形成されており、前記回転体１３の一部（上側部分）及び前記非接触式メカニカルシール１５等を収容し且つ第１シール室２２を形成するための空間を内部に備えている。前記第１ケース体１１は、その軸心方向を上下方向として前記第１部材３と前記第２部材６との間に設けられ、前記第２部材６の上方に配置されている。

前記第２ケース体１２は、第４流体通路２３を有し、この第４流体通路２３が前記第２流体通路７に流体的に接続するように前記第２部材６に一体的に連結されている。そのため、本実施形態において、前記第２ケース体１２は、前記装置の駆動に伴い、当該第２ケース体１２の少なくとも一部（ここでは、後述の底部２５）が前記第２部材６と共に回転するものとなっている。

前記第２ケース体１２は、有底の筒状を呈するように構成されており、前記回転体１３の他部（下側部分）及び前記非接触式メカニカルシール１５等を収容し且つ第２シール室２４を形成するための空間を内部に備えている。前記第２ケース体１２は、その軸心方向を上下方向として前記第１ケース体１１と前記第２部材６との間に設けられ、前記第２部材６上に配置されている。

詳しくは、前記第２ケース体１２は、前記底部２５と、筒状部２６とを有している。前記底部２５は、同軸上に配置された固定部２７、軸部２８及び環状凹部２９を含み、前記固定部２７で前記第２部材６に固定されている。そして、前記軸部２８が上方へ突出するように前記固定部２７上に設けられ、前記環状凹部２９が上向きに開口するように前記軸部２８上に設けられている。

前記底部２５には、その軸心部分（前記固定部２７、前記軸部２８及び前記環状凹部２９の軸心部分）を貫くように、前記第４流体通路２３が上下方向に直線状に延びるように設けられている。こうして、前記底部２５は、前記第４流体通路２３と前記第２流体通路７との接続状態を維持しながら、前記第２部材６と一体回転し得るように構成されている。

前記筒状部２６は、前記回転体１３の他部のほか前記環状凹部２９等を収容可能な内径を有し且つ前記第１ケース体１１と略同一の外径を有する円筒状に形成されている。前記筒状部２６は、前記第１ケース体１１と同軸上に配置され、上端側で前記第１ケース体１１に嵌合連結されるとともに、下端側で前記底部２５（前記軸部２８）に軸受３０を介して回転自在に支持されている。

前記回転体１３は、第５流体通路３１を有し、この第５流体通路３１が前記第３流体通路２１及び前記第４流体通路２３に流体的に接続するように、前記第１ケース体１１及び前記第２ケース体１２に回転自在に支持されている。本実施形態において、前記回転体１３は、軸状を呈するように構成され、前記第１ケース体１１及び前記第２ケース体１２内でこれらと同軸上に配置されている。

前記回転体１３は、前記第５流体通路３１が前記第１シール室２２を介して前記第３流体通路２１に接続されるように、前記第１ケース体１１の内周面と対向配置されている。また、前記回転体１３は、前記第５流体通路３１が前記第２シール室２４を介して前記第４流体通路２３に接続されるように、前記第２ケース体１２の底部２５の上面（前記環状凹部２９の内面）に対向配置されている。

詳しくは、前記回転体１３は、軸部３２と、締付部３３と、締付ボルト３４とを有している。前記軸部３２は、前記第５流体通路３１の一部をなす流体通路（ここでは、断面Ｌ字状の流体通路）を備えている。前記軸部３２は、前記第１ケース体１１に軸受３５を介して回転自在に支持されるとともに、前記第２ケース体１２（前記筒状部２６）に軸受３６を介して回転自在に支持されている。

なお、前記軸部３２は、例えば、金属又はエンジニアリング・プラスチックを用いて製造され得る。

前記締付部３３は、前記第５流体通路３１の他部をなす流体通路を備えている。前記締付部３３は、前記軸部３２の下端側を覆うことができるように凹状に形成され、前記軸部３２の下方でこれと同軸上に配置されている。前記締付部３３は、前記第２シール室２４に臨むように、前記第２ケース体１２における前記底部２５の環状凹部２９内に配置されている。

前記締付ボルト３４は、前記軸部３２に外嵌された後述の第３メカニカルシール１５Ｃ（前記非接触式メカニカルシール１５の１つ）の第１密封環４５を前記軸部３２と前記締付部３３とが挟圧するように、前記締付部３３を前記軸部３２に装着するためのものである。前記締付ボルト３４は、前記第１密封環４５と前記軸部３２とを一体化させるように締め付けられている。

前記駆動源１４は、前記回転体１３を前記第１部材３及び前記第２部材６のそれぞれに対して独立して回転制御できるように構成されている。前記駆動源１４は、モータ又はエアタービン等を備えるものであり、このモータ又はエアタービン等の駆動に伴い前記回転体１３を所定の回転速度で回転させることができるように、前記回転体１３と一体的に連結されている。

本実施形態において、前記駆動源１４は、モータ４１を備えるものである。前記モータ４１は、出力軸４２を有し、この出力軸４２が前記第１ケース体１１内に位置するように前記第１ケース体１１上に設置されている。そして、前記出力軸４２が、前記回転体１３を一体回転させるため、前記回転体１３に対して同軸上に配置されつつ固定されている。

前記非接触式メカニカルシール１５は、前記回転体１３に一体回転可能に連結された第１密封環４５、及び、前記第１密封環４５に対向するように前記第１ケース体１１又は前記第２ケース体１２に保持された第２密封環４６を有し、前記第１密封環４５が前記回転体１３と一体回転するとき、前記第１密封環４５と前記第２密封環４６との間を非接触状態に維持しつつシールするため、これらの間に動圧を発生させるように構成されている。

本実施形態においては、前記非接触式メカニカルシール１５として、動圧型のものが複数（３つ）設けられている。これらのうち、第１メカニカルシール１５Ａ及び第２メカニカルシール１５Ｂは、それぞれ、前記第１ケース体１１や前記第２ケース体１２と前記回転体１３との間で、前記第１シール室２２とその内周側にある第１領域４７との間を遮蔽するために用いられる。

第３メカニカルシール１５Ｃは、前記第２ケース体１２と前記回転体１３との間で、前記第２シール室２４とその外周側にある第２領域４８との間を遮蔽するために用いられる。なお、これらのメカニカルシール１５Ａ・１５Ｂ・１５Ｃは、実質的に同一の構造を有するので、ここでは前記第１メカニカルシール１５Ａを中心に説明する。

前記第１メカニカルシール１５Ａは、第１密封環４５及び第２密封環４６のほか、スプリング材４９を有している。前記第１密封環４５は、前記回転体１３（前記軸部３２）に外嵌固定されている。前記第１密封環４５は、第６流体通路５０を有し、この第６流体通路５０が前記第５流体通路３１を前記第３流体通路２１（前記第１シール室２２）に流体的に接続させ得るように構成されている。

前記第２密封環４６は、前記第１ケース体１１にその軸心方向（前記第１密封環４５に対する近接離間方向）に移動可能に保持されている。前記第２密封環４６は、前記第１ケース体１１内でこれと同軸上に配置されている。前記第２密封環４６は、前記第１密封環４５の上方に位置しつつ前記回転体１３を囲むように、前記第１ケース体１１にＯリング５１を介して取り付けられている。

また、前記第１密封環４５は、動圧発生溝５２を有している。前記動圧発生溝５２は、前記第１密封環４５のシール面とこれに対向する前記第２密封環４６のシール面とが接触しないように、これらの相対回転に伴い動圧を発生させるためのものである。前記動圧発生溝５２は、前記第１密封環４５のシール面（前記回転体１３の軸心方向と直交する平滑面）に、適宜の形状で形成されている。

ここでは、前記第１メカニカルシール１５Ａの第１密封環４５が、前記第２メカニカルシール１５Ｂの第１密封環４５を兼ねるものとなっている。また、前記第２密封環４６が、前記回転体１３の軸心方向に延設され且つ前記第１ケース体１１に取り付けられた係止ピン５３と係合され、前記第１ケース体１１に対して相対回転不能とされている。

なお、前記第１密封環４５は、例えば、カーボンを用いて製造され得る。また、前記第２密封環４６は、例えば、ステンレス及びセラミックコーティングを用いて、又は、ステンレス及び炭化ケイ素を用いて製造され得る。

前記スプリング材４９は、前記第２密封環４６を前記第１密封環４５に向かって付勢するように、前記第１ケース体１１と前記第２密封環４６との間に介装されている。前記スプリング材４９の付勢力は、前記第２密封環４６のシール面がこれと対向する前記第１密封環４５のシール面との間に所定間隔を確保できるように適宜設定される。

したがって、前記第１メカニカルシール１５Ａにおいては、前記回転体１３の回転時、前記第１密封環４５を前記第２密封環４６に対して回転させて、動圧を発生させることができる。そのため、前記第１密封環４５と前記第２密封環４６との間を非接触状態に維持でき、また、前記第１シール室２２と前記第１領域４７との間を遮蔽してシールを施すことができるようになっている。

なお、本発明における動圧型の非接触式メカニカルシールついては、特に限定するものではなく、例えば、周知のものを採用することが可能である。

以上のような構成により、前記回転継手装置１が前記第１部材３と前記第２部材６との間に設けられた場合に、前記装置が駆動するとき、前記駆動源１４により前記回転体１３ひいては前記各メカニカルシール１５Ａ・１５Ｂ・１５Ｃの第１密封環４５を回転させて、摩耗粉が生じないように前記各メカニカルシール１５Ａ・１５Ｂ・１５Ｃを作動させることができる。

そのうえで、前記装置が始動する前の段階から、前記駆動源１４により前記回転体１３を所定の回転速度で回転させることが可能となる。そのため、前記装置の始動直後であっても、前記各メカニカルシール１５Ａ・１５Ｂ・１５Ｃにおいて、前記第１密封環４５を、前記第２密封環４６と接触しないように所定の相対回転速度で回転させることができる。

すなわち、前記回転体１３ひいては前記各メカニカルシール１５Ａ・１５Ｂ・１５Ｃの第１密封環４５が前記第２部材６の回転速度に依存して回転する構造ではないので、前記装置の始動時において前記第２部材６が低速回転している間でも、前記駆動源１４により前記第１密封環４５を前記所定の回転速度で回転させて、前記所定の相対回転速度を確実に得ることができる。

よって、前記各メカニカルシール１５Ａ・１５Ｂ・１５Ｃを作動させる必要が生じた場合、前記装置の駆動状態にかかわらず、常に前記第１密封環４５と前記第２密封環４６との間を非接触状態に維持でき、前記第１密封環４５と前記第２密封環４６との摺動を生じさせずに済む。結果、前記各メカニカルシール１５Ａ・１５Ｂ・１５Ｃにおける摩耗粉の発生を有効に抑制できる。

なお、前記非接触メカニカルシール１５に代えて、接触式メカニカルシールを用いることも可能であり、この場合でも、前記駆動源１４を用いることにより、前記接触式メカニカルシールを摩耗粉ができるだけ生じないように作動させることができる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。

図３に、本発明の第２実施形態に係る回転継手装置６１の断面図を示す。なお、図中、第１実施形態と実質的に同一の構成には同一符号を付している。

図３に示すように、本実施形態に係る前記回転継手装置６１は、駆動時に第１部材３及び第２部材６を共に回転させる装置に用いられる点で、第１実施形態に係る前記回転継手装置１と相違している。

本実施形態においては、第１実施形態における前記第２ケース体１２とほぼ同一の構造を有する第１ケース体７１及び第２ケース体７２が上下対称に配置された状態で用いられている。ただし、これらのケース体７１・７２では、第１実施形態に比して、その各部に若干の変更（例えば、前記第１ケース体７１の流体通路を第３流体通路７７としたり、前記第１ケース体７１のシール室を第１シール室７８としたりする変更）が適宜加えられている。

回転体７３は、前記第１ケース体７１及び前記第２ケース体７２に対応するように、これら両者の間に設けられている。前記回転体７３は、軸状を呈するように構成され、前記第１ケース体７１及び前記第２ケース体７２と同軸上に配置されている。前記回転体７３は、上端側で前記第１ケース体１１に回転自在に支持されるとともに、下端側で前記第２ケース体１２に回転自在に支持されている。

また、駆動源７４は、モータ８１のほか、伝動機構８５有している。前記モータ８１は、その駆動により前記回転体７３を回転させることができるように、前記回転体７３のうち外部に露出する軸心方向中途部と前記伝動機構８５を介して連動連結されている。前記伝送機構８５は、ベルト８２及びプーリ８３・８４（又は、チェーン及びギア等）から構成されている。

なお、前記駆動源７４は、本実施形態においては前記モータ８１及び前記伝動機構８５を備えるものとしているが、特に限定するものではなく、例えば、中空モータを備えるものとすることも可能である。

このような構成により、非接触式メカニカルシール１５の第１密封環４５と第２密封環４６との間を常に非接触状態に維持すべく、前記駆動源７４を用いて、前記回転体７３を前記第１部材６３及び前記第２部材６６のそれぞれに対して独立して回転制御できることとなる。したがって、本実施形態においても、前記非接触式メカニカルシール１５における摩耗粉の発生を有効に抑制できる。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。

図４に、本発明の第３実施形態に係る回転継手装置１０１の縦断面図を示す。なお、図中、第１実施形態と実質的に同一の構成には同一符号を付している。

図４に示すように、本実施形態に係る前記回転継手装置１０１は、非接触式メカニカルシール１５として、動圧型のもの、及び、静圧型のものを採用する点で、第１実施形態に係る前記回転継手装置１と相違している。

本実施形態においては、前記非接触式メカニカルシール１５として、動圧型の非接触式メカニカルシールである第３メカニカルシール１５Ｃが用いられている。また、前記非接触式メカニカルシール１５として、静圧型の非接触式メカニカルシールである第４メカニカルシール１５Ｄ及び第５メカニカルシール１５Ｅが用いられている。

前記第４メカニカルシール１５Ｄ及び前記第５メカニカルシール１５Ｅは、回転体１３に一体回転可能に連結された第１密封環１０５、及び、前記第１密封環１０５に対向するように前記第１ケース体１１又は前記第２ケース体１２に保持された第２密封環１０６を有し、前記第１密封環１０５と前記第２密封環１０６との間を非接触状態に維持しつつシールするため、これら両者の間に静圧を発生させるように構成されている。

前記第４メカニカルシール１５Ｄ及び前記第５メカニカルシール１５Ｅにおいては、それぞれ、前記第１密封環１０５のシール面と前記第２密封環１０６のシール面との間に通じる内部通路１１５が前記第２密封環１０６に設けられている。前記内部通路１１５は、第１ケース体１１に設けられたガス供給通路１１６とガス供給管１１７とを介してガス供給源１１８と流体的に接続されている。

そして、前記ガス供給源１１８が、前記第１ケース体１１の内圧よりも高圧のシールガス（パージガス）、例えば、窒素ガスやドライガス（乾燥空気）を、前記ガス供給管１１７及びガス供給通路１１６介して前記内部通路１１５に供給し、ここから前記第１密封環１０５のシール面と前記第２密封環１０６のシール面との間に噴出させることができるように構成されている。

このような構成により、前記第４メカニカルシール１５Ｄ及び前記第５メカニカルシール１５Ｅが、前記第１密封環１０５と前記第２密封環１０６との間に静圧を発生させて、これら両者の間を非接触状態に維持しつつシールし得るものとなる。したがって、本実施形態においても、前記非接触式メカニカルシール１５における摩耗粉の発生を有効に抑制できる。

なお、本発明における静圧型の非接触式メカニカルシールついては、特に限定するものではなく、例えば、周知のものを採用することが可能である。

１ 回転継手装置
３ 第１部材
４ 第１流体通路
６ 第２部材
７ 第２流体通路
１１ 第１ケース体
１２ 第２ケース体
１３ 回転体
１４ 駆動源
１５ メカニカルシール
１５Ａ 動圧型の非接触式メカニカルシール
１５Ｂ 動圧型の非接触式メカニカルシール
１５Ｃ 動圧型の非接触式メカニカルシール
１５Ｄ 静圧型の非接触式メカニカルシール
１５Ｅ 静圧型の非接触式メカニカルシール
２１ 第３流体通路
２３ 第４流体通路
３１ 第５流体通路
４５ 第１密封環
４６ 第２密封環
６１ 回転継手装置
７１ 第１ケース体
７２ 第２ケース体
７３ 回転体
７４ 駆動源
１０１ 回転継手装置
１０５ 第１密封環
１０６ 第２密封環

Claims (3)

1. 第１部材の第１流体通路と、前記第１部材に対して相対回転可能な第２部材の第２流体通路とを接続するために用いられる回転継手装置であって、
   第３流体通路を有し、この第３流体通路が前記第１流体通路に接続するように前記第１部材に一体的に連結された第１ケース体と、
   第４流体通路を有し、この第４流体通路が前記第２流体通路に接続するように前記第２部材に一体的に連結された第２ケース体と、
   第５流体通路を有し、この第５流体通路が前記３流体通路及び前記第４流体通路に接続するように、前記第１ケース体及び前記第２ケース体に回転自在に支持される回転体と、
   前記回転体を、前記第１部材及び前記第２部材のそれぞれに対して独立して回転制御できるように構成された駆動源と、
   前記回転体に一体回転可能に連結された第１密封環、及び、前記第１密封環に対向するように前記第１ケース体又は前記第２ケース体に保持された第２密封環を有し、前記第１密封環と前記第２密封環との間をシールすることができるように構成されたメカニカルシールと、
   を備えることを特徴とする回転継手装置。
2. 前記メカニカルシールは、
   前記第１密封環が前記回転体と一体回転するとき、前記第１密封環と前記第２密封環との間を非接触状態に維持しつつシールするため、これら両者の間に動圧を発生させるように構成された動圧型の非接触式メカニカルシールであることを特徴とする請求項１に記載の回転継手装置。
3. 前記メカニカルシールは、
   前記第１密封環と前記第２密封環との間を非接触状態に維持しつつシールするため、これら両者の間に静圧を発生させるように構成された静圧型の非接触式メカニカルシールであることを特徴とする請求項１に記載の回転継手装置。

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