非接触型シール装置
【課題】基本的には静圧型シール装置としながらも、故障による不測のガス遮断時や停止に向けての減速回転時にシール面どうしが接触する不都合が回避され、半導体洗浄装置等のパーティクルを嫌う機器にも好適に使用できる非接触型シール装置を提供する。
【解決手段】基本的に静圧型である複合型非接触シール装置において、回転によって静止密封環５をコイルバネ９による付勢力に抗して押戻す動圧を発生するように回転密封環３のシール面３ａに形成される動圧溝１０と、シールガス圧で静止密封環５を軸心Ｘ方向で回転密封環３に押付けるシリンダ機構ｃとを設け、ガス供給により、コイルバネ９の付勢力とシリンダ機構ｃの付勢力との和に抗してシール面３ａに静圧を生じさせてシールする静圧非接触シール状態を基本としながら、停止に向かう減速時には回転密封環３の回転による動圧により弾性機構ｄの付勢力に抗してシール面３ａをシールする動圧非接触シール状態に自然に切換るように構成する。
【解決手段】基本的に静圧型である複合型非接触シール装置において、回転によって静止密封環５をコイルバネ９による付勢力に抗して押戻す動圧を発生するように回転密封環３のシール面３ａに形成される動圧溝１０と、シールガス圧で静止密封環５を軸心Ｘ方向で回転密封環３に押付けるシリンダ機構ｃとを設け、ガス供給により、コイルバネ９の付勢力とシリンダ機構ｃの付勢力との和に抗してシール面３ａに静圧を生じさせてシールする静圧非接触シール状態を基本としながら、停止に向かう減速時には回転密封環３の回転による動圧により弾性機構ｄの付勢力に抗してシール面３ａをシールする動圧非接触シール状態に自然に切換るように構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体洗浄装置などに好適に使用される非接触型シール装置に係り、詳しくは、可燃性ガス、爆発性ガス、洗浄流体等の各種流体を扱う産業機器、半導体装置、食品、医薬等の分野における回転機器の軸封等に用いられる非接触型シール装置（非接触型メカニカルシール）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転密封環と静止密封環とのシール面にシール用のガスを供給してシールする構造のシール装置、即ち静圧型シール装置は、正規にシールガスが供給されておれば静圧型シールとして良好な非接触シールが行えるものであり、前述した半導体洗浄装置等のパーティクル発生を嫌う箇所に有効なシール手段として用いられてきている。この種の従来例としては、例えば、特許文献１において開示されるシール装置が知られている。
【０００３】
静圧型シール装置は、シール面へのシールガスの供給により、静止密封環を回転密封環に押付ける弾性機構の付勢力にバランスさせて静止密封環と回転密封環との間にシールガスで満たされる極小の間隙を形成してシールさせるものである。このような構造上、良好なシール性を得るには弾性機構の付勢力をある程度強いものとし、かつ、シールガスによってシール面に生じる圧力がそれと同じ程度になるような設定が為される。
【０００４】
しかしながら、何らかの原因によってシールガス供給が停止したような場合、弾性機構による付勢力で静止密封環と回転密封環とが押付けあって擦れながら相対回転する状態となるため、摩擦によるパーティクルが発生する原因となる不都合がある。そこで、ガス供給が止まった場合の静止密封環と回転密封環との擦れ合いを軽減又は解消可能なものとしては、シール装置を動圧型とすることも考えられる。動圧型シール装置とは、静止密封環と回転密封環との相対回転を利用してそれら両者をガス圧で軸心方向に離反させて間隙を設けるための力、即ち動圧を生じさせ、弾性機構による付勢力とバランスさせてシールさせる構造のものである。動圧型シール装置の例としては特許文献２において開示されるものが知られている。
【０００５】
動圧型シール装置で発生される動圧は、シールガスを強制供給する静圧型のものに比べてシール圧が小さく、弾性機構の付勢力も小さくしてバランスさせるようになることから、シールガス供給が停止したような場合での静止密封環と回転密封環との擦れ合いが軽減又は殆ど解消されることが可能となる利点がある。ところが、この動圧型シール装置におけるシール圧は静圧型に比べて小さく、弾性機構の付勢力（スプリング力）を小さくする必要がある。
【０００６】
また、動圧型にする手段とは異なる対策として、静止密封環と回転密封環との軸心方向の間隙をシール作用時の隙間程度に設定すること等により、静圧型シール装置における弾性機構を無くす又は極弱いものにすることが考えられる。この対策案では、シールガス供給停止時や減速回転時における前述の問題（パーティクル発生）は解決されるが、シールガス供給停止時や回転停止時にはシール面が開いたままとなって漏れが生じ、シールにならないという根本的な問題が新たに発生してしまう。故に、この対策は採用し難い。
【０００７】
そこで、特許文献１の図４（及び明細書におけるその説明の文章）において開示されるように、静圧型シール装置における回転密封環のシール面に動圧溝を設けて、静圧型と動圧型とをミックスしたような複合型シール装置も開示されている。この構造のシール装置では、特許文献１の明細書の段落番号「００３２」に、『……シールガス１０による静圧によっては密封端面５ａ，７ａを適正な非接触状態に保持し得ない事態が発生したときにも、動圧によって適正な非接触状態を維持することができる。また、静圧のみで非接触状態に保持する静圧形ノンコンタクトガスシールに比して、シールガス１０による静圧によってシールガス１０の必要供給量を少なくすることができる……』と記載されている。
【０００８】
ところが、特許文献１の図２に示される静圧型シール装置と図４に示される複合型シール装置とは、動圧溝の有無以外は同じであると記載されており、弾性機構であるスプリング８も同じ強さである。従って、図４に示される複合型シール装置でも、ガス供給停止時や前記減速回転時における不都合、即ち静止密封環と回転密封環とが擦れてパーティクルが生じる問題は依然として存在しており、さらなる改善の余地が残されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−０１７２４２号公報
【特許文献２】特開２００６−０２２８３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、さらなる構造工夫により、基本的には静圧型シール装置としながらも、シールガス供給停止時や停止に向けての減速回転時等における前記不都合が回避され、半導体洗浄装置等のパーティクルを嫌う機器にも好適に使用できる非接触型シール装置を開発して提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に係る発明は、非接触型シール装置において、被軸封機器Ｂの回転部材２と一体に回転する回転密封環３と、前記回転部材２の軸心Ｘ方向への移動が可能に前記被軸封機器Ｂのケーシング側Ｋに支持され、かつ、前記軸心Ｘ方向において前記回転密封環３に弾性機構ｄによって付勢される静止密封環５と、前記回転密封環３と前記静止密封環５とが対向するシール面３ａにシール用のガスを供給するべく前記静止密封環５に貫通形成されるガス供給路１３と、前記回転密封環３の回転によって前記静止密封環５を前記弾性機構ｄによる付勢力に抗して押し戻し可能な動圧を生じさせるべく前記回転密封環３又は前記静止密封環５のシール面３ａに形成される動圧溝１０と、供給される前記ガスによって前記静止密封環５を前記軸心Ｘ方向において前記回転密封環３に押付けるシリンダ機構ｃとを有するとともに、前記ガスの供給により、前記弾性機構ｄの付勢力と前記シリンダ機構ｃの付勢力との和に抗して前記シール面３ａに静圧を生じさせてシールする静圧非接触シール状態と、前記回転密封環３が回転しての前記動圧溝１０によって生じる動圧により前記弾性機構ｄの付勢力に抗して前記シール面３ａを非接触に保持してシールする動圧非接触シール状態との切換が可能に構成されるとともに、
ガスが供給されている通常時は前記静圧非接触シール状態が維持されており、ガスの供給が止まる非通常時には前記動圧非接触シール状態に切換るように、前記弾性機構ｄ及び前記シリンダ機構ｃによる付勢力と前記ガス圧とが関係付けられて設定されていることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の非接触型シール装置において、前記シリンダ機構ｃが、前記ケーシング側Ｋにおける前記静止密封環５を内嵌する部分に前記軸心Ｘを中心とする環状空間部を設けて成るシリンダ室６と、前記シリンダ室６を横切って前記ガス供給路１３に連通するケーシング側ｋのガス導入経路４ｄとを設けるとともに、前記ケーシング側Ｋにおける前記静止密封環５の回転密封環側を内嵌する先端側内周面４ｂの径を、前記静止密封環５の反回転密封環側を内嵌する基端側内周面８ｔの径より大に設定することにより構成されていることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の非接触型シール装置において、前記ガス供給路１３の基端が前記シリンダ室６の前記軸心Ｘ方向中間部に開口しており、前記ガス導入経路４ｄの前記シリンダ室６への開口部１８が前記ガス供給路１３の開口部１９と前記軸心Ｘ方向で対応する位置に形成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の非接触型シール装置において、前記静止密封環５に、前記シリンダ室６における前記軸心Ｘ方向の中間において径外側に張り出るフランジ部５Ａが一体形成され、前記フランジ部５Ａの外周面５ｄに前記ガス供給路１３の開口部１９が設けられるとともに、前記シリンダ室６における前記フランジ部５Ａの回転密封環側となる大径内周シリンダ部６ｂ、及び前記フランジ部５Ａの反回転密封環側となる小径内周シリンダ部６ａのそれぞれにシール用のＯリング１７，１４が装備されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１の発明によれば、シール用のガスを用いて動作するシリンダ機構を設け、そのシリンダ機構と弾性機構との押圧力の和とシール用ガスによる静圧とがバランスする静圧非接触シール状態と、回転密封環と静止密封環との相対回転で生じる動圧と弾性機構の押圧力とがバランスする動圧非接触シール状態とが切換え可能に構成されている。これにより、通常の回転動作時には静圧非接触シール状態として良好な非接触シール状態を得るとともに、不測のガス供給停止時やガス供給を遮断しての停止に向けての減速回転時には静圧非接触シール状態から動圧非接触シール状態に切換ってから回転停止するようになるから、定格回転時だけでなく回転停止時においても回転密封環と静止密封環との非接触状態を維持しながらシール面をシールすることが可能となる。その結果、基本的には静圧型シール装置としながらも、シールガス供給停止時や停止に向けての減速回転時における不都合（回転密封環と静止密封環とが一時的に接触する不都合）が回避され、半導体洗浄装置等のパーティクルを嫌う機器にも好適に使用可能となる非接触型シール装置を提供することができる。
【００１６】
請求項２の発明によれば、弾性機構で付勢すべく静止密封環を軸心方向にスライド可能にケーシング側に嵌合する構造を利用し、その嵌合径を変えての面積差により供給ガスによって静止密封環を押付けるシリンダ機構を設けてある。つまり、構造工夫によって、静圧型シール装置として必要なシール用ガスを用いてシリンダ機構を構成するという兼用化構成ができており、これにより、コストの大幅な上昇なく機能を向上させること、即ち一層の合理化が図られているという利点がある
【００１７】
そして、請求項３の発明のように、ガス導入経路のシリンダ室への開口部がガス供給路の開口部と軸心方向で対応する位置に形成すれば、シリンダ室にガス圧を供給してシリンダ機構を所期通りに動作させながらも、効率よくシールガスを静止密封環のガス供給路に導くことができる。また、請求項４のように、静止密封環に形成されるフランジ部の外周面にガス供給路の開口部を設ける構成を採れば、シールガスがシリンダ室を横切る距離をより短くすることができ、請求項３による前記効果が強化される利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】非接触型シール装置の構造を示す要部の断面図（実施例１）
【図２】回転密封環のシール面を示す正面図
【図３】シールフランジの取付側の側周面を示す正面図
【図４】シールフランジが異なる非接触型シール装置の断面図（変形例）
【図５】静止密封環のシール面を示す半円部の正面図
【図６】回転密封環の第１別構造シール面を示す半円部の正面図（実施例２）
【図７】回転密封環の第２別構造シール面を示す半円部の正面図（実施例３）
【図８】回転密封環の第３別構造シール面を示す半円部の正面図（実施例４）
【図９】静止密封環の別構造シール面を示す半円部の正面図（実施例２，３，４）
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明による非接触型シール装置の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。尚、図１〜図３、及び図５は実施例１によるシール装置を、図４は変形例を、図６と図９は実施例２のシール部を、図７と図９は実施例３のシール部を、図８と図９は実施例４のシール部をそれぞれ示している。
【００２０】
〔実施例１〕
図１には、半導体洗浄装置に用いられる被軸封機器Ｂに採用されている複合型の非接触型シール装置Ａの構造が示されている。この非接触型シール装置（複合型非接触シール装置）Ａは、モータ側であるケーシング１（ケーシング側Ｋの一例）と、プロセス側であるスピンテーブル２との間に設けられており、ケーシング１に内嵌されるシールフランジ８（ケーシング側Ｋの一例）、シールケース４（ケーシング側Ｋの一例）、これら両者８，４に跨る状態で内嵌される静止密封環５、スピンテーブル２と一体回転する回転密封環３、静止密封環５を軸心Ｘ方向で回転密封環３に押圧付勢するための弾性機構ｄ及びシリンダ機構ｃ等を有して構成されている。
【００２１】
図１において、ケーシング１を貫通して設けられた軸心Ｘを有するスピンテーブル（回転部材の一例）２には、ボルト止めされるアダプタ７を介して例えばＳｉｃ製の回転密封環３が一体回転状態に嵌装されている。１２はＯリングである。回転密封環３は、その静止密封環側の面が回転シール面３ａであって、図２に示すように、回転シール面３ａには周方向に並ぶ多数の動圧溝１０が軸心Ｘに関する均等角度ごとに形成されている。各動圧溝１０は、幅の太い径方向溝１０ａとその周方向の両側で内外の円弧溝１０ｂ，１０ｃとから成る軸心Ｘ方向視でカタカナの略「エ」を呈し、かつ、軸心Ｘを通る放射線に対して対称となる形状の溝に形成されている。
【００２２】
ケーシング１にはシールフランジ８及びシールケース４が軸心Ｘ方向で隣合う状態で内嵌され、静止密封環５は、シールフランジ８の中間周面（基端側内周面の一例）８ｔに内嵌する径ｄ２の小径外周面５ａとシールケース４の内突出周面（先端側内周面の一例）４ｂに内嵌される径ｄ１の大径外周面５ｂとを有して、それらシールフランジ８とシールケース４とを介してケーシング１に内装されている。シールケース４には、その一側面４ａと内周面４ｃの開口部１８とに繋がるシールガスの導入経路、即ちガス導入経路４ｄが形成されている。
【００２３】
図３にも示されるシールフランジ８は、その内周部８ａがケーシング側Ｋの部材である内ケース部１Ａにボルト（図示省略）止めされており、回転密封環側に凹入する周溝８ｍが形成される中間周部８ｂ、及びシールガスの供給経路８ｄが軸心Ｘ方向に貫通形成される外周部８ｃとを有する例えばステンレス材製で環状の部材に形成されている。尚、図３において、８ｅは位置決め用のピンであり、８ｆはケーシング１にボルト止めするための複数の取付孔（又はナット部）である。
【００２４】
静止密封環５は、図１，図５に示すように、周方向の均等角度毎に形成される凹入穴に配置されてシールフランジ８の中間周部８ｂに当接する複数のコイルバネ（弾性機構ｄの一例）９により、軸心Ｘ方向で回転密封環３側に押圧付勢されている。静止密封環５における回転密封環３の回転シール面３ａに当接する静止シール面５ｃには、動圧溝１０に対向する長円弧状の静圧溝１１が周方向に若干の間隙をあけて複数箇所（実施例１では５箇所）形成されている。
【００２５】
そして、小径外周面５ａと大径外周面５ｂとの間には、シリンダ室６を二分するが如く径外側に大きく突出する状態のフランジ部５Ａが一体形成されており、その外周面５ｄに形成される開口部１９と静圧溝１１への先端開口部（噴出し口）１３ａとを結ぶガス供給路１３が各静圧溝１１ごとに形成されている。ガス供給路１３にはガス圧を制御するオリフィス２０が形成されている。尚、フランジ部５Ａの外周面５ｄは、これとシールケース４の内周面４ｃとの間に間隙が形成されるように、内周面４ｃより明確に小さい径に設定されている。
【００２６】
さて、静止密封環５がケーシング１に装備された状態では、図１に示すように、シールフランジ８とシールケース４と静止密封環５とで囲まれる環状の空間部、即ちシリンダ室６が形成されている。シリンダ室６は、フランジ部５Ａの存在によってそのモータ側周面１５に面し、かつ、大Ｏリング１４が配備されるモータ側シリンダ室（小径内周シリンダ部の一例）６ａと、フランジ部５Ａのプロセス側周面１６に面し、かつ、小Ｏリング１７が配備されるプロセス側シリンダ室（大径内周シリンダ部の一例）６ｂとに区分されている。シールケース４のガス導入経路４ｄは、シリンダ室６におけるフランジ部５Ａの外周面５ｄに形成されるガス供給路１３の開口部１９に軸心Ｘ方向で対応する位置において開口する開口部１８を有している。
【００２７】
導入経路４ｄからシリンダ室６にシールガスが供給されると、前述した小径外周面５ａと大径外周面５ｂとの径差（ｄ１−ｄ２）によるフランジ部５Ａの各側周面１５，１６の面積差により、静止密封環５が回転密封環３に向けて押圧されるようになる。即ち、ケーシング側Ｋであるシールケース４及びシールフランジ８とに軸心Ｘ方向にスライド可能に内嵌される静止密封環５が、シリンダ室６に対するピストンとなる構造のシリンダ機構ｃが構成されている。つまり、シールガス供給時には、静止密封環５はシリンダ機構ｃと弾性機構ｄとの双方によって回転密封環３に押付けられ、シールガス非供給時（供給停止時）には弾性機構ｄのみによって回転密封環３に押付けられるように構成されている。
【００２８】
次に、回転作動中における非接触型シール装置Ａの動作状況について説明する。まず、シールガスＧ（図１参照）が供給されている場合は、弾性機構ｄ及びシリンダ機構ｃによって静止密封環５を回転密封環３に押付けようとする押圧力と、静圧溝１１から噴出されるシールガスによって静止密封環５を回転密封環３から遠ざけようとする圧力（押し退け圧力）とがバランスしてシール面３ａ，５ｃ間が非接触状態でガスシールされる静圧型シール装置として機能する。そして、シールガス供給が無くなると、シリンダ機構ｃが機能しなくなるので、弾性機構ｄのみによって静止密封環５を回転密封環３に押付けようとする押圧力と、回転移動する動圧溝１０によって静止密封環５を回転密封環３から遠ざけようとする方向に生じる動圧とがバランスしてシール面３ａ，５ｃ間が非接触状態でシールされる動圧型シール装置として機能する。
【００２９】
つまり、シールガスＧの供給により、弾性機構ｄの付勢力とシリンダ機構ｃの付勢力との和に抗してシール面３ａ，５ｃに静圧を生じさせてガスシールする静圧非接触シール状態と、回転密封環３が回転しての動圧溝１０によって生じる動圧により弾性機構ｄの付勢力に抗してシール面３ａ，５ｃをシールする動圧非接触シール状態との切換が可能に構成されるとともに、ガスが供給されている通常時は静圧非接触シール状態が維持されており、ガスの供給が止まる非通常時には動圧非接触シール状態に切換るように、弾性機構ｄ及びシリンダ機構ｃによる付勢力とガス圧とが関係付けられて設定されている。
【００３０】
静圧非接触シール状態における各シール面５ｃ，３ａの間隙に比べて、動圧非接触シール状態における各シール面５ｃ，３ａの間隙は十分に小さい。従って、ガス供給が遮断されてから実際に先端開口部１３ａからガス供給されなくなるに若干のタイムラグがある場合では、ガスの圧が所定圧からゼロ圧に急速漸減されるような場合には、各シール面５ｃ，３ａの間隙が次第に小さくなって行くガス静圧非接触シール状態から動圧非接触シール状態に変化し、そしてその動圧非接触シール状態のまま回転停止する、という挙動を示すと考えられる。
【００３１】
以上のように、本発明による非接触型シール装置においては、シールガスが供給される通常時には静圧型の非接触シールとして機能し、機器が停止するときや故障時には、即ちシールガス供給を断っての減速回転時には、静圧非接触シール状態から動圧型の非接触シールとして機能するように自動的に切換りながら回転停止するようになる。従って、従来の複合型シール装置における不都合、即ち、ガス供給停止時や減速回転時（装置を停止すべく定常回転から停止するまでの減速回転時等）に、静止密封環と回転密封環とが擦れてパーティクルが生じる問題がまず生じないようになる。
【００３２】
その結果、シールガスの圧を用いて静止密封環５を回転密封環３に押付ける力に変換する機構、即ちシリンダ機構ｃを設ける等の工夫により、基本的に静圧型の非接触シール装置としながらも動圧非接触シール状態としても機能可能となる工夫により、シールガス供給停止時や停止に向けての減速回転時等にパーティクル発生のおそれがあるという従来の不都合が回避され、半導体洗浄装置等のパーティクルを嫌う機器にも好適に使用できる改善された非接触型シール装置Ａを実現させることに成功している。
【００３３】
加えて、弾性機構ｄで付勢すべく静止密封環５を軸心Ｘ方向にスライド可能にケーシング側Ｋに嵌合する構造を利用し、その嵌合径を変えての面積差により供給ガスによって静止密封環５を押付けるシリンダ機構ｃを設けてあるから、構造工夫により、静圧型シール装置として必要なガスをシリンダ機構ｃとして兼用させる合理化が図られている。これにより、コストの大幅な上昇なく機能を向上させることが可能となる利点がある。
【００３４】
尚、静圧非接触シール状態であっても、動圧溝１０がある以上、僅かながら動圧も生じているはずであるから、静圧非接触シール状態は、厳密には静圧＋動圧の複合によるシール状態であると言うことも可能である。しかしながら、純然たる静圧非接触シール状態におけるシール面どうしの間隔を１０とすれば、純然たる動圧非接触シール状態におけるシール面どうしの間隔は１程度の狭いもの（比率的に）であるから、実施例１の非接触シール装置における静圧非接触シール状態は、現実的には純然たる静圧非接触シール状態と大差なく、同等のものとして定義しても差し支えないと考えられる。
【００３５】
〔変形例〕
図４に示すように、シールフランジ８の形状が異なる以外は実施例１と同じとされた非接触型シール装置Ａでも良い。この変形例におけるシールフランジ８は、図１に示す実施例１のものと比べて、外周部８ｃの軸心Ｘ方向の幅が狭く、かつ、ナット部（符記省略）のある内周部８ａが軸心Ｘ方向で逆向きに寄っており、周溝８ｍを持たない軸心Ｘ方向で小型になっている点が異なるが、機能的には同じである。
【００３６】
〔実施例２〕
図６，図９に示すように、複合溝Ｍ１が回転密封環３に形成され、静止密封環５はシールガスの噴出し口である先端開口部１３ａのみ有するシール構造を持つ非接触型シール装置でも良い。即ち、実施例２（第１別構造）における回転密封環３のシール面３ａに形成される複合溝Ｍ１は、実施例１において回転密封環３に形成されている動圧溝１０に、その径方向中央を周方向に横切って４個分の動圧溝１０を貫く状態で周方向に伸びる静圧溝１１とで成るものである。先端開口部１３ａの径方向位置は、図５に示す実施例１の先端開口部１３ａの径方向位置と同じである。
【００３７】
シール用ガスが供給される通常時は、ガスが噴出される先端開口部１３ａと静圧溝１１とによる静圧非接触シール状態でシール機能され、故障による異常時やシール用ガスの供給が意図的に停止される回転停止時等の非通常時には動圧溝１０による動圧非接触シール状態でシール機能される。尚、複合溝Ｍ１を形成する動圧溝１０の数や形状、静圧溝１１の周方向の数等は適宜に変更設定が可能である。
【００３８】
〔実施例３〕
図７，図９に示すように、複合溝Ｍ２が回転密封環３に形成され、静止密封環５はシールガスの噴出し口である先端開口部１３ａのみ有するシール構造を持つ非接触型シール装置でも良い。即ち、実施例３（第２別構造）における回転密封環３のシール面３ａに形成される複合溝Ｍ２は、中心Ｘに向かう状態で略「土」字を呈して周方向に並列される動圧溝２１と複数（４個）の動圧溝２１の径方向内側端を連通する状態で形成される長円弧状の静圧溝２２とで成っている。この場合、静圧溝２２と対を為す先端開口部１３ａの径方向位置は、図示は省略するが、図９に描かれている実施例２の先端開口部１３ａの径方向位置よりも径内側に寄った位置に形成される。
【００３９】
実施例３においても、シール用ガスが供給される通常時は、ガスが噴出される先端開口部１３ａと静圧溝２２とによる静圧非接触シール状態でシール機能され、故障による異常時やシール用ガスの供給が意図的に停止される回転停止時等の非通常時には動圧溝２１による動圧非接触シール状態でシール機能される。尚、複合溝Ｍ２を形成する動圧溝２１の数や形状、静圧溝２２の周方向の数等は適宜に変更設定が可能である。
【００４０】
〔実施例４〕
図８，図９に示すように、複合溝Ｍ３が回転密封環３に形成され、静止密封環５はシールガスの噴出し口である先端開口部１３ａのみ有するシール構造を持つ非接触型シール装置でも良い。即ち、実施例４（第３別構造）における回転密封環３のシール面３ａに形成される複合溝Ｍ３は、径外方側に向う状態で略「土」字を呈して周方向に並列される動圧溝２３と複数（４個）の動圧溝２３の径方向外側端を連通する状態で形成される長円弧状の静圧溝２４とで成っている。この場合、静圧溝２４と対を為す先端開口部１３ａの径方向位置は、図示は省略するが、図９に描かれている実施例２の先端開口部１３ａの径方向位置よりも径外側に寄った位置に形成される。
【００４１】
実施例４においても、シール用ガスが供給される通常時は、ガスが噴出される先端開口部１３ａと静圧溝２４とによる静圧非接触シール状態でシール機能され、故障による異常時やシール用ガスの供給が意図的に停止される回転停止時等の非通常時には動圧溝２３による動圧非接触シール状態でシール機能される。尚、複合溝Ｍ３を形成する動圧溝２３の数や形状、静圧溝２４の周方向の数等は適宜に変更設定が可能である。
【符号の説明】
【００４２】
２ 回転部材
３ 回転密封環
３ａ シール面
４ｂ 先端側内周面
４ｄ ガス導入経路
５ 静止密封環
５Ａ フランジ部
５ｄ フランジ部の外周面
６ シリンダ室
６ａ 小径内周シリンダ部
６ｂ 大径内周シリンダ部
８ａ 基端側内周面
１０ 動圧溝
１３ ガス供給路
１４ Ｏリング
１７ Ｏリング
１８ ガス導入経路の開口部
１９ ガス供給路の開口部
Ｂ 被軸封機器
Ｋ ケーシング側
Ｘ 軸心
ｃ シリンダ機構
ｄ 弾性機構
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体洗浄装置などに好適に使用される非接触型シール装置に係り、詳しくは、可燃性ガス、爆発性ガス、洗浄流体等の各種流体を扱う産業機器、半導体装置、食品、医薬等の分野における回転機器の軸封等に用いられる非接触型シール装置（非接触型メカニカルシール）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転密封環と静止密封環とのシール面にシール用のガスを供給してシールする構造のシール装置、即ち静圧型シール装置は、正規にシールガスが供給されておれば静圧型シールとして良好な非接触シールが行えるものであり、前述した半導体洗浄装置等のパーティクル発生を嫌う箇所に有効なシール手段として用いられてきている。この種の従来例としては、例えば、特許文献１において開示されるシール装置が知られている。
【０００３】
静圧型シール装置は、シール面へのシールガスの供給により、静止密封環を回転密封環に押付ける弾性機構の付勢力にバランスさせて静止密封環と回転密封環との間にシールガスで満たされる極小の間隙を形成してシールさせるものである。このような構造上、良好なシール性を得るには弾性機構の付勢力をある程度強いものとし、かつ、シールガスによってシール面に生じる圧力がそれと同じ程度になるような設定が為される。
【０００４】
しかしながら、何らかの原因によってシールガス供給が停止したような場合、弾性機構による付勢力で静止密封環と回転密封環とが押付けあって擦れながら相対回転する状態となるため、摩擦によるパーティクルが発生する原因となる不都合がある。そこで、ガス供給が止まった場合の静止密封環と回転密封環との擦れ合いを軽減又は解消可能なものとしては、シール装置を動圧型とすることも考えられる。動圧型シール装置とは、静止密封環と回転密封環との相対回転を利用してそれら両者をガス圧で軸心方向に離反させて間隙を設けるための力、即ち動圧を生じさせ、弾性機構による付勢力とバランスさせてシールさせる構造のものである。動圧型シール装置の例としては特許文献２において開示されるものが知られている。
【０００５】
動圧型シール装置で発生される動圧は、シールガスを強制供給する静圧型のものに比べてシール圧が小さく、弾性機構の付勢力も小さくしてバランスさせるようになることから、シールガス供給が停止したような場合での静止密封環と回転密封環との擦れ合いが軽減又は殆ど解消されることが可能となる利点がある。ところが、この動圧型シール装置におけるシール圧は静圧型に比べて小さく、弾性機構の付勢力（スプリング力）を小さくする必要がある。
【０００６】
また、動圧型にする手段とは異なる対策として、静止密封環と回転密封環との軸心方向の間隙をシール作用時の隙間程度に設定すること等により、静圧型シール装置における弾性機構を無くす又は極弱いものにすることが考えられる。この対策案では、シールガス供給停止時や減速回転時における前述の問題（パーティクル発生）は解決されるが、シールガス供給停止時や回転停止時にはシール面が開いたままとなって漏れが生じ、シールにならないという根本的な問題が新たに発生してしまう。故に、この対策は採用し難い。
【０００７】
そこで、特許文献１の図４（及び明細書におけるその説明の文章）において開示されるように、静圧型シール装置における回転密封環のシール面に動圧溝を設けて、静圧型と動圧型とをミックスしたような複合型シール装置も開示されている。この構造のシール装置では、特許文献１の明細書の段落番号「００３２」に、『……シールガス１０による静圧によっては密封端面５ａ，７ａを適正な非接触状態に保持し得ない事態が発生したときにも、動圧によって適正な非接触状態を維持することができる。また、静圧のみで非接触状態に保持する静圧形ノンコンタクトガスシールに比して、シールガス１０による静圧によってシールガス１０の必要供給量を少なくすることができる……』と記載されている。
【０００８】
ところが、特許文献１の図２に示される静圧型シール装置と図４に示される複合型シール装置とは、動圧溝の有無以外は同じであると記載されており、弾性機構であるスプリング８も同じ強さである。従って、図４に示される複合型シール装置でも、ガス供給停止時や前記減速回転時における不都合、即ち静止密封環と回転密封環とが擦れてパーティクルが生じる問題は依然として存在しており、さらなる改善の余地が残されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−０１７２４２号公報
【特許文献２】特開２００６−０２２８３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、さらなる構造工夫により、基本的には静圧型シール装置としながらも、シールガス供給停止時や停止に向けての減速回転時等における前記不都合が回避され、半導体洗浄装置等のパーティクルを嫌う機器にも好適に使用できる非接触型シール装置を開発して提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に係る発明は、非接触型シール装置において、被軸封機器Ｂの回転部材２と一体に回転する回転密封環３と、前記回転部材２の軸心Ｘ方向への移動が可能に前記被軸封機器Ｂのケーシング側Ｋに支持され、かつ、前記軸心Ｘ方向において前記回転密封環３に弾性機構ｄによって付勢される静止密封環５と、前記回転密封環３と前記静止密封環５とが対向するシール面３ａにシール用のガスを供給するべく前記静止密封環５に貫通形成されるガス供給路１３と、前記回転密封環３の回転によって前記静止密封環５を前記弾性機構ｄによる付勢力に抗して押し戻し可能な動圧を生じさせるべく前記回転密封環３又は前記静止密封環５のシール面３ａに形成される動圧溝１０と、供給される前記ガスによって前記静止密封環５を前記軸心Ｘ方向において前記回転密封環３に押付けるシリンダ機構ｃとを有するとともに、前記ガスの供給により、前記弾性機構ｄの付勢力と前記シリンダ機構ｃの付勢力との和に抗して前記シール面３ａに静圧を生じさせてシールする静圧非接触シール状態と、前記回転密封環３が回転しての前記動圧溝１０によって生じる動圧により前記弾性機構ｄの付勢力に抗して前記シール面３ａを非接触に保持してシールする動圧非接触シール状態との切換が可能に構成されるとともに、
ガスが供給されている通常時は前記静圧非接触シール状態が維持されており、ガスの供給が止まる非通常時には前記動圧非接触シール状態に切換るように、前記弾性機構ｄ及び前記シリンダ機構ｃによる付勢力と前記ガス圧とが関係付けられて設定されていることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の非接触型シール装置において、前記シリンダ機構ｃが、前記ケーシング側Ｋにおける前記静止密封環５を内嵌する部分に前記軸心Ｘを中心とする環状空間部を設けて成るシリンダ室６と、前記シリンダ室６を横切って前記ガス供給路１３に連通するケーシング側ｋのガス導入経路４ｄとを設けるとともに、前記ケーシング側Ｋにおける前記静止密封環５の回転密封環側を内嵌する先端側内周面４ｂの径を、前記静止密封環５の反回転密封環側を内嵌する基端側内周面８ｔの径より大に設定することにより構成されていることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の非接触型シール装置において、前記ガス供給路１３の基端が前記シリンダ室６の前記軸心Ｘ方向中間部に開口しており、前記ガス導入経路４ｄの前記シリンダ室６への開口部１８が前記ガス供給路１３の開口部１９と前記軸心Ｘ方向で対応する位置に形成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の非接触型シール装置において、前記静止密封環５に、前記シリンダ室６における前記軸心Ｘ方向の中間において径外側に張り出るフランジ部５Ａが一体形成され、前記フランジ部５Ａの外周面５ｄに前記ガス供給路１３の開口部１９が設けられるとともに、前記シリンダ室６における前記フランジ部５Ａの回転密封環側となる大径内周シリンダ部６ｂ、及び前記フランジ部５Ａの反回転密封環側となる小径内周シリンダ部６ａのそれぞれにシール用のＯリング１７，１４が装備されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１の発明によれば、シール用のガスを用いて動作するシリンダ機構を設け、そのシリンダ機構と弾性機構との押圧力の和とシール用ガスによる静圧とがバランスする静圧非接触シール状態と、回転密封環と静止密封環との相対回転で生じる動圧と弾性機構の押圧力とがバランスする動圧非接触シール状態とが切換え可能に構成されている。これにより、通常の回転動作時には静圧非接触シール状態として良好な非接触シール状態を得るとともに、不測のガス供給停止時やガス供給を遮断しての停止に向けての減速回転時には静圧非接触シール状態から動圧非接触シール状態に切換ってから回転停止するようになるから、定格回転時だけでなく回転停止時においても回転密封環と静止密封環との非接触状態を維持しながらシール面をシールすることが可能となる。その結果、基本的には静圧型シール装置としながらも、シールガス供給停止時や停止に向けての減速回転時における不都合（回転密封環と静止密封環とが一時的に接触する不都合）が回避され、半導体洗浄装置等のパーティクルを嫌う機器にも好適に使用可能となる非接触型シール装置を提供することができる。
【００１６】
請求項２の発明によれば、弾性機構で付勢すべく静止密封環を軸心方向にスライド可能にケーシング側に嵌合する構造を利用し、その嵌合径を変えての面積差により供給ガスによって静止密封環を押付けるシリンダ機構を設けてある。つまり、構造工夫によって、静圧型シール装置として必要なシール用ガスを用いてシリンダ機構を構成するという兼用化構成ができており、これにより、コストの大幅な上昇なく機能を向上させること、即ち一層の合理化が図られているという利点がある
【００１７】
そして、請求項３の発明のように、ガス導入経路のシリンダ室への開口部がガス供給路の開口部と軸心方向で対応する位置に形成すれば、シリンダ室にガス圧を供給してシリンダ機構を所期通りに動作させながらも、効率よくシールガスを静止密封環のガス供給路に導くことができる。また、請求項４のように、静止密封環に形成されるフランジ部の外周面にガス供給路の開口部を設ける構成を採れば、シールガスがシリンダ室を横切る距離をより短くすることができ、請求項３による前記効果が強化される利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】非接触型シール装置の構造を示す要部の断面図（実施例１）
【図２】回転密封環のシール面を示す正面図
【図３】シールフランジの取付側の側周面を示す正面図
【図４】シールフランジが異なる非接触型シール装置の断面図（変形例）
【図５】静止密封環のシール面を示す半円部の正面図
【図６】回転密封環の第１別構造シール面を示す半円部の正面図（実施例２）
【図７】回転密封環の第２別構造シール面を示す半円部の正面図（実施例３）
【図８】回転密封環の第３別構造シール面を示す半円部の正面図（実施例４）
【図９】静止密封環の別構造シール面を示す半円部の正面図（実施例２，３，４）
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明による非接触型シール装置の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。尚、図１〜図３、及び図５は実施例１によるシール装置を、図４は変形例を、図６と図９は実施例２のシール部を、図７と図９は実施例３のシール部を、図８と図９は実施例４のシール部をそれぞれ示している。
【００２０】
〔実施例１〕
図１には、半導体洗浄装置に用いられる被軸封機器Ｂに採用されている複合型の非接触型シール装置Ａの構造が示されている。この非接触型シール装置（複合型非接触シール装置）Ａは、モータ側であるケーシング１（ケーシング側Ｋの一例）と、プロセス側であるスピンテーブル２との間に設けられており、ケーシング１に内嵌されるシールフランジ８（ケーシング側Ｋの一例）、シールケース４（ケーシング側Ｋの一例）、これら両者８，４に跨る状態で内嵌される静止密封環５、スピンテーブル２と一体回転する回転密封環３、静止密封環５を軸心Ｘ方向で回転密封環３に押圧付勢するための弾性機構ｄ及びシリンダ機構ｃ等を有して構成されている。
【００２１】
図１において、ケーシング１を貫通して設けられた軸心Ｘを有するスピンテーブル（回転部材の一例）２には、ボルト止めされるアダプタ７を介して例えばＳｉｃ製の回転密封環３が一体回転状態に嵌装されている。１２はＯリングである。回転密封環３は、その静止密封環側の面が回転シール面３ａであって、図２に示すように、回転シール面３ａには周方向に並ぶ多数の動圧溝１０が軸心Ｘに関する均等角度ごとに形成されている。各動圧溝１０は、幅の太い径方向溝１０ａとその周方向の両側で内外の円弧溝１０ｂ，１０ｃとから成る軸心Ｘ方向視でカタカナの略「エ」を呈し、かつ、軸心Ｘを通る放射線に対して対称となる形状の溝に形成されている。
【００２２】
ケーシング１にはシールフランジ８及びシールケース４が軸心Ｘ方向で隣合う状態で内嵌され、静止密封環５は、シールフランジ８の中間周面（基端側内周面の一例）８ｔに内嵌する径ｄ２の小径外周面５ａとシールケース４の内突出周面（先端側内周面の一例）４ｂに内嵌される径ｄ１の大径外周面５ｂとを有して、それらシールフランジ８とシールケース４とを介してケーシング１に内装されている。シールケース４には、その一側面４ａと内周面４ｃの開口部１８とに繋がるシールガスの導入経路、即ちガス導入経路４ｄが形成されている。
【００２３】
図３にも示されるシールフランジ８は、その内周部８ａがケーシング側Ｋの部材である内ケース部１Ａにボルト（図示省略）止めされており、回転密封環側に凹入する周溝８ｍが形成される中間周部８ｂ、及びシールガスの供給経路８ｄが軸心Ｘ方向に貫通形成される外周部８ｃとを有する例えばステンレス材製で環状の部材に形成されている。尚、図３において、８ｅは位置決め用のピンであり、８ｆはケーシング１にボルト止めするための複数の取付孔（又はナット部）である。
【００２４】
静止密封環５は、図１，図５に示すように、周方向の均等角度毎に形成される凹入穴に配置されてシールフランジ８の中間周部８ｂに当接する複数のコイルバネ（弾性機構ｄの一例）９により、軸心Ｘ方向で回転密封環３側に押圧付勢されている。静止密封環５における回転密封環３の回転シール面３ａに当接する静止シール面５ｃには、動圧溝１０に対向する長円弧状の静圧溝１１が周方向に若干の間隙をあけて複数箇所（実施例１では５箇所）形成されている。
【００２５】
そして、小径外周面５ａと大径外周面５ｂとの間には、シリンダ室６を二分するが如く径外側に大きく突出する状態のフランジ部５Ａが一体形成されており、その外周面５ｄに形成される開口部１９と静圧溝１１への先端開口部（噴出し口）１３ａとを結ぶガス供給路１３が各静圧溝１１ごとに形成されている。ガス供給路１３にはガス圧を制御するオリフィス２０が形成されている。尚、フランジ部５Ａの外周面５ｄは、これとシールケース４の内周面４ｃとの間に間隙が形成されるように、内周面４ｃより明確に小さい径に設定されている。
【００２６】
さて、静止密封環５がケーシング１に装備された状態では、図１に示すように、シールフランジ８とシールケース４と静止密封環５とで囲まれる環状の空間部、即ちシリンダ室６が形成されている。シリンダ室６は、フランジ部５Ａの存在によってそのモータ側周面１５に面し、かつ、大Ｏリング１４が配備されるモータ側シリンダ室（小径内周シリンダ部の一例）６ａと、フランジ部５Ａのプロセス側周面１６に面し、かつ、小Ｏリング１７が配備されるプロセス側シリンダ室（大径内周シリンダ部の一例）６ｂとに区分されている。シールケース４のガス導入経路４ｄは、シリンダ室６におけるフランジ部５Ａの外周面５ｄに形成されるガス供給路１３の開口部１９に軸心Ｘ方向で対応する位置において開口する開口部１８を有している。
【００２７】
導入経路４ｄからシリンダ室６にシールガスが供給されると、前述した小径外周面５ａと大径外周面５ｂとの径差（ｄ１−ｄ２）によるフランジ部５Ａの各側周面１５，１６の面積差により、静止密封環５が回転密封環３に向けて押圧されるようになる。即ち、ケーシング側Ｋであるシールケース４及びシールフランジ８とに軸心Ｘ方向にスライド可能に内嵌される静止密封環５が、シリンダ室６に対するピストンとなる構造のシリンダ機構ｃが構成されている。つまり、シールガス供給時には、静止密封環５はシリンダ機構ｃと弾性機構ｄとの双方によって回転密封環３に押付けられ、シールガス非供給時（供給停止時）には弾性機構ｄのみによって回転密封環３に押付けられるように構成されている。
【００２８】
次に、回転作動中における非接触型シール装置Ａの動作状況について説明する。まず、シールガスＧ（図１参照）が供給されている場合は、弾性機構ｄ及びシリンダ機構ｃによって静止密封環５を回転密封環３に押付けようとする押圧力と、静圧溝１１から噴出されるシールガスによって静止密封環５を回転密封環３から遠ざけようとする圧力（押し退け圧力）とがバランスしてシール面３ａ，５ｃ間が非接触状態でガスシールされる静圧型シール装置として機能する。そして、シールガス供給が無くなると、シリンダ機構ｃが機能しなくなるので、弾性機構ｄのみによって静止密封環５を回転密封環３に押付けようとする押圧力と、回転移動する動圧溝１０によって静止密封環５を回転密封環３から遠ざけようとする方向に生じる動圧とがバランスしてシール面３ａ，５ｃ間が非接触状態でシールされる動圧型シール装置として機能する。
【００２９】
つまり、シールガスＧの供給により、弾性機構ｄの付勢力とシリンダ機構ｃの付勢力との和に抗してシール面３ａ，５ｃに静圧を生じさせてガスシールする静圧非接触シール状態と、回転密封環３が回転しての動圧溝１０によって生じる動圧により弾性機構ｄの付勢力に抗してシール面３ａ，５ｃをシールする動圧非接触シール状態との切換が可能に構成されるとともに、ガスが供給されている通常時は静圧非接触シール状態が維持されており、ガスの供給が止まる非通常時には動圧非接触シール状態に切換るように、弾性機構ｄ及びシリンダ機構ｃによる付勢力とガス圧とが関係付けられて設定されている。
【００３０】
静圧非接触シール状態における各シール面５ｃ，３ａの間隙に比べて、動圧非接触シール状態における各シール面５ｃ，３ａの間隙は十分に小さい。従って、ガス供給が遮断されてから実際に先端開口部１３ａからガス供給されなくなるに若干のタイムラグがある場合では、ガスの圧が所定圧からゼロ圧に急速漸減されるような場合には、各シール面５ｃ，３ａの間隙が次第に小さくなって行くガス静圧非接触シール状態から動圧非接触シール状態に変化し、そしてその動圧非接触シール状態のまま回転停止する、という挙動を示すと考えられる。
【００３１】
以上のように、本発明による非接触型シール装置においては、シールガスが供給される通常時には静圧型の非接触シールとして機能し、機器が停止するときや故障時には、即ちシールガス供給を断っての減速回転時には、静圧非接触シール状態から動圧型の非接触シールとして機能するように自動的に切換りながら回転停止するようになる。従って、従来の複合型シール装置における不都合、即ち、ガス供給停止時や減速回転時（装置を停止すべく定常回転から停止するまでの減速回転時等）に、静止密封環と回転密封環とが擦れてパーティクルが生じる問題がまず生じないようになる。
【００３２】
その結果、シールガスの圧を用いて静止密封環５を回転密封環３に押付ける力に変換する機構、即ちシリンダ機構ｃを設ける等の工夫により、基本的に静圧型の非接触シール装置としながらも動圧非接触シール状態としても機能可能となる工夫により、シールガス供給停止時や停止に向けての減速回転時等にパーティクル発生のおそれがあるという従来の不都合が回避され、半導体洗浄装置等のパーティクルを嫌う機器にも好適に使用できる改善された非接触型シール装置Ａを実現させることに成功している。
【００３３】
加えて、弾性機構ｄで付勢すべく静止密封環５を軸心Ｘ方向にスライド可能にケーシング側Ｋに嵌合する構造を利用し、その嵌合径を変えての面積差により供給ガスによって静止密封環５を押付けるシリンダ機構ｃを設けてあるから、構造工夫により、静圧型シール装置として必要なガスをシリンダ機構ｃとして兼用させる合理化が図られている。これにより、コストの大幅な上昇なく機能を向上させることが可能となる利点がある。
【００３４】
尚、静圧非接触シール状態であっても、動圧溝１０がある以上、僅かながら動圧も生じているはずであるから、静圧非接触シール状態は、厳密には静圧＋動圧の複合によるシール状態であると言うことも可能である。しかしながら、純然たる静圧非接触シール状態におけるシール面どうしの間隔を１０とすれば、純然たる動圧非接触シール状態におけるシール面どうしの間隔は１程度の狭いもの（比率的に）であるから、実施例１の非接触シール装置における静圧非接触シール状態は、現実的には純然たる静圧非接触シール状態と大差なく、同等のものとして定義しても差し支えないと考えられる。
【００３５】
〔変形例〕
図４に示すように、シールフランジ８の形状が異なる以外は実施例１と同じとされた非接触型シール装置Ａでも良い。この変形例におけるシールフランジ８は、図１に示す実施例１のものと比べて、外周部８ｃの軸心Ｘ方向の幅が狭く、かつ、ナット部（符記省略）のある内周部８ａが軸心Ｘ方向で逆向きに寄っており、周溝８ｍを持たない軸心Ｘ方向で小型になっている点が異なるが、機能的には同じである。
【００３６】
〔実施例２〕
図６，図９に示すように、複合溝Ｍ１が回転密封環３に形成され、静止密封環５はシールガスの噴出し口である先端開口部１３ａのみ有するシール構造を持つ非接触型シール装置でも良い。即ち、実施例２（第１別構造）における回転密封環３のシール面３ａに形成される複合溝Ｍ１は、実施例１において回転密封環３に形成されている動圧溝１０に、その径方向中央を周方向に横切って４個分の動圧溝１０を貫く状態で周方向に伸びる静圧溝１１とで成るものである。先端開口部１３ａの径方向位置は、図５に示す実施例１の先端開口部１３ａの径方向位置と同じである。
【００３７】
シール用ガスが供給される通常時は、ガスが噴出される先端開口部１３ａと静圧溝１１とによる静圧非接触シール状態でシール機能され、故障による異常時やシール用ガスの供給が意図的に停止される回転停止時等の非通常時には動圧溝１０による動圧非接触シール状態でシール機能される。尚、複合溝Ｍ１を形成する動圧溝１０の数や形状、静圧溝１１の周方向の数等は適宜に変更設定が可能である。
【００３８】
〔実施例３〕
図７，図９に示すように、複合溝Ｍ２が回転密封環３に形成され、静止密封環５はシールガスの噴出し口である先端開口部１３ａのみ有するシール構造を持つ非接触型シール装置でも良い。即ち、実施例３（第２別構造）における回転密封環３のシール面３ａに形成される複合溝Ｍ２は、中心Ｘに向かう状態で略「土」字を呈して周方向に並列される動圧溝２１と複数（４個）の動圧溝２１の径方向内側端を連通する状態で形成される長円弧状の静圧溝２２とで成っている。この場合、静圧溝２２と対を為す先端開口部１３ａの径方向位置は、図示は省略するが、図９に描かれている実施例２の先端開口部１３ａの径方向位置よりも径内側に寄った位置に形成される。
【００３９】
実施例３においても、シール用ガスが供給される通常時は、ガスが噴出される先端開口部１３ａと静圧溝２２とによる静圧非接触シール状態でシール機能され、故障による異常時やシール用ガスの供給が意図的に停止される回転停止時等の非通常時には動圧溝２１による動圧非接触シール状態でシール機能される。尚、複合溝Ｍ２を形成する動圧溝２１の数や形状、静圧溝２２の周方向の数等は適宜に変更設定が可能である。
【００４０】
〔実施例４〕
図８，図９に示すように、複合溝Ｍ３が回転密封環３に形成され、静止密封環５はシールガスの噴出し口である先端開口部１３ａのみ有するシール構造を持つ非接触型シール装置でも良い。即ち、実施例４（第３別構造）における回転密封環３のシール面３ａに形成される複合溝Ｍ３は、径外方側に向う状態で略「土」字を呈して周方向に並列される動圧溝２３と複数（４個）の動圧溝２３の径方向外側端を連通する状態で形成される長円弧状の静圧溝２４とで成っている。この場合、静圧溝２４と対を為す先端開口部１３ａの径方向位置は、図示は省略するが、図９に描かれている実施例２の先端開口部１３ａの径方向位置よりも径外側に寄った位置に形成される。
【００４１】
実施例４においても、シール用ガスが供給される通常時は、ガスが噴出される先端開口部１３ａと静圧溝２４とによる静圧非接触シール状態でシール機能され、故障による異常時やシール用ガスの供給が意図的に停止される回転停止時等の非通常時には動圧溝２３による動圧非接触シール状態でシール機能される。尚、複合溝Ｍ３を形成する動圧溝２３の数や形状、静圧溝２４の周方向の数等は適宜に変更設定が可能である。
【符号の説明】
【００４２】
２ 回転部材
３ 回転密封環
３ａ シール面
４ｂ 先端側内周面
４ｄ ガス導入経路
５ 静止密封環
５Ａ フランジ部
５ｄ フランジ部の外周面
６ シリンダ室
６ａ 小径内周シリンダ部
６ｂ 大径内周シリンダ部
８ａ 基端側内周面
１０ 動圧溝
１３ ガス供給路
１４ Ｏリング
１７ Ｏリング
１８ ガス導入経路の開口部
１９ ガス供給路の開口部
Ｂ 被軸封機器
Ｋ ケーシング側
Ｘ 軸心
ｃ シリンダ機構
ｄ 弾性機構
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被軸封機器の回転部材と一体に回転する回転密封環と、
前記回転部材の軸心方向への移動が可能に前記被軸封機器のケーシング側に支持され、かつ、前記軸心方向において前記回転密封環に弾性機構によって付勢される静止密封環と、
前記回転密封環と前記静止密封環とが対向するシール面にシール用のガスを供給するべく前記静止密封環に貫通形成されるガス供給路と、
前記回転密封環の回転によって前記静止密封環を前記弾性機構による付勢力に抗して押し戻し可能な動圧を生じさせるべく前記回転密封環又は前記静止密封環のシール面に形成される動圧溝と、
供給される前記ガスによって前記静止密封環を前記軸心方向において前記回転密封環に押付けるシリンダ機構とを有し、
前記ガスの供給により、前記弾性機構の付勢力と前記シリンダ機構の付勢力との和に抗して前記シール面に静圧を生じさせてシールする静圧非接触シール状態と、前記回転密封環が回転しての前記動圧溝によって生じる動圧により前記弾性機構の付勢力に抗して前記シール面を非接触に保持してシールする動圧非接触シール状態との切換が可能に構成されるとともに、
ガスが供給されている通常時は前記静圧非接触シール状態が維持されており、ガスの供給が止まる非通常時には前記動圧非接触シール状態に切換るように、前記弾性機構及び前記シリンダ機構による付勢力と前記ガス圧とが関係付けられて設定されている非接触型シール装置。
【請求項２】
前記シリンダ機構が、前記ケーシング側における前記静止密封環を内嵌する部分に前記軸心を中心とする環状空間部を設けて成るシリンダ室と、前記シリンダ室を横切って前記ガス供給路に連通するケーシング側のガス導入経路とを設けるとともに、前記ケーシング側における前記静止密封環の回転密封環側を内嵌する先端側内周面の径を、前記静止密封環の反回転密封環側を内嵌する基端側内周面の径より大に設定することにより構成されている請求項１に記載の非接触型シール装置。
【請求項３】
前記ガス供給路の基端が前記シリンダ室の前記軸心方向中間部に開口しており、前記ガス導入経路の前記シリンダ室への開口部が前記ガス供給路の開口部と前記軸心方向で対応する位置に形成されている請求項２に記載の非接触型シール装置。
【請求項４】
前記静止密封環に、前記シリンダ室における前記軸心方向の中間において径外側に張り出るフランジ部が一体形成され、前記フランジ部の外周面に前記ガス供給路の開口部が設けられるとともに、前記シリンダ室における前記フランジ部の回転密封環側となる大径内周シリンダ部、及び前記フランジ部の反回転密封環側となる小径内周シリンダ部のそれぞれにシール用のＯリングが装備されている請求項３に記載の非接触型シール装置。
【請求項１】
被軸封機器の回転部材と一体に回転する回転密封環と、
前記回転部材の軸心方向への移動が可能に前記被軸封機器のケーシング側に支持され、かつ、前記軸心方向において前記回転密封環に弾性機構によって付勢される静止密封環と、
前記回転密封環と前記静止密封環とが対向するシール面にシール用のガスを供給するべく前記静止密封環に貫通形成されるガス供給路と、
前記回転密封環の回転によって前記静止密封環を前記弾性機構による付勢力に抗して押し戻し可能な動圧を生じさせるべく前記回転密封環又は前記静止密封環のシール面に形成される動圧溝と、
供給される前記ガスによって前記静止密封環を前記軸心方向において前記回転密封環に押付けるシリンダ機構とを有し、
前記ガスの供給により、前記弾性機構の付勢力と前記シリンダ機構の付勢力との和に抗して前記シール面に静圧を生じさせてシールする静圧非接触シール状態と、前記回転密封環が回転しての前記動圧溝によって生じる動圧により前記弾性機構の付勢力に抗して前記シール面を非接触に保持してシールする動圧非接触シール状態との切換が可能に構成されるとともに、
ガスが供給されている通常時は前記静圧非接触シール状態が維持されており、ガスの供給が止まる非通常時には前記動圧非接触シール状態に切換るように、前記弾性機構及び前記シリンダ機構による付勢力と前記ガス圧とが関係付けられて設定されている非接触型シール装置。
【請求項２】
前記シリンダ機構が、前記ケーシング側における前記静止密封環を内嵌する部分に前記軸心を中心とする環状空間部を設けて成るシリンダ室と、前記シリンダ室を横切って前記ガス供給路に連通するケーシング側のガス導入経路とを設けるとともに、前記ケーシング側における前記静止密封環の回転密封環側を内嵌する先端側内周面の径を、前記静止密封環の反回転密封環側を内嵌する基端側内周面の径より大に設定することにより構成されている請求項１に記載の非接触型シール装置。
【請求項３】
前記ガス供給路の基端が前記シリンダ室の前記軸心方向中間部に開口しており、前記ガス導入経路の前記シリンダ室への開口部が前記ガス供給路の開口部と前記軸心方向で対応する位置に形成されている請求項２に記載の非接触型シール装置。
【請求項４】
前記静止密封環に、前記シリンダ室における前記軸心方向の中間において径外側に張り出るフランジ部が一体形成され、前記フランジ部の外周面に前記ガス供給路の開口部が設けられるとともに、前記シリンダ室における前記フランジ部の回転密封環側となる大径内周シリンダ部、及び前記フランジ部の反回転密封環側となる小径内周シリンダ部のそれぞれにシール用のＯリングが装備されている請求項３に記載の非接触型シール装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−２６５９２１（Ｐ２０１０−２６５９２１Ａ）
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１５５７８（Ｐ２００９−１１５５７８）
【出願日】平成２１年５月１２日（２００９．５．１２）
【出願人】（０００２２９７３７）日本ピラー工業株式会社 (337)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月１２日（２００９．５．１２）
【出願人】（０００２２９７３７）日本ピラー工業株式会社 (337)
【Ｆターム（参考）】
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