JP2006144902A - メカニカルシール - Google Patents

Abstract

【目的】静止密封環の追従性に優れ、良好なシール機能を発揮しうるメカニカルシールを提供する。
【構成】 メカニカルシール４は、回転軸側に固定された回転密封環５と金属製のシールケース６の内周部にＯリング１２を介して軸線方向に移動可能に嵌合保持された静止密封環７とを具備して、Ｏリング１２を静止密封環７の外周面部に係合保持すると共にシールケース６の内周面部に押圧接触させることによって、シールケース６と静止密封環７との間が当該密封環７の軸線方向移動を許容しつつ二次シールされるように構成されている。シールケース６の内周面部には、少なくとも静止密封環７の軸線方向移動に伴って当該Ｏリング１２が相対変位する範囲において、膜厚：５〜１００μｍの樹脂コーティング膜６３が形成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、回転軸側に固定された回転密封環と回転軸が洞貫する金属製のシールケースにＯリングを介して軸線方向に移動可能に保持された静止密封環とを具備しており、当該Ｏリングを静止密封環の周面部に係合保持すると共にシールケースの周面部に押圧接触させることによって、シールケースと静止密封環との間が当該密封環の軸線方向移動を許容しつつ二次シールされるように構成されたメカニカルシールに関するものである。

従来のメカニカルシールとして、回転軸に固定された回転密封環と、回転軸が洞貫するシールケースに一対のＯリングを介して軸線方向に移動可能に保持された静止密封環と、静止密封環とシールケースとの間に介装されて、静止密封環を回転密封環へと押圧附勢するスプリングとを具備しており、シールケースと静止密封環との間に当該一対のＯリングによりシールされた連通空間を形成すると共に、シールケース及び静止密封環に、当該連通空間を介して連通する一連の通路であって両密封環の対向端面たる密封端面間に開口するシールガス通路を形成して、このシールガス通路から密封端面間に所定圧のシールガスを導入することによって、密封端面間を非接触状態に保持するように構成された静圧形ノンコンタクトガスシールが周知である（例えば、特許文献１参照）。

ところで、このような静圧形ノンコンタクトガスシールにあっては、シール条件や構造上、前記Ｏリングを静止密封環の周面部に係合保持させておくことが好ましい場合やそうせざるを得ない場合がある。
ＷＯ９９／２７２８１（図８）

しかし、Ｏリングを静止密封環に係合保持させた場合、静止密封環の軸線方向移動に伴って、Ｏリングがシールケースの周面部に押圧接触した状態で滑動するため、次のような問題が生じる。

すなわち、シールケースは、その機能上、強度に優れる金属製のものとされることから、Ｏリングとの接触抵抗が大きく、Ｏリングの静止密封環に伴う滑動が円滑に行われない。その結果、静止密封環の軸線方向移動が良好に行われず、静止密封環の追従性が低下して、良好なシール機能を発揮できない。特に、上記したような静圧形ノンコンタクトガスシールにあっては、シールガスの供給を停止した場合、静止密封環が回転密封環方向に円滑に移動せず、静止密封環が回転密封環に激しく衝突して、密封端面が損傷，破損する虞れがある。また、逆に、シールガスの供給を停止しても、静止密封環が移動せず、密封端面間に隙間が生じた状態となると、シールガスの供給を再開した場合に、密封端面間にシールガスによる適正な静圧が発生せず、シール機能が喪失する虞れがある。

このような問題は、両密封環が相対回転摺接することによってシール機能を発揮させる端面接触形のメカニカルシールや密封端面をこの間に動圧を発生させることにより非接触状態に保持するように構成された動圧形の非接触形メカニカルシールにおいても、同様に、生じる。

本発明は、このような問題を生じることなく、静止密封環の追従性に優れ、良好なシール機能を発揮しうるメカニカルシールを提供することを目的とするものである。

本発明は、回転軸側に固定された回転密封環と回転軸が洞貫する金属製のシールケースにＯリングを介して軸線方向に移動可能に保持された静止密封環とを具備しており、当該Ｏリングを静止密封環の周面部に係合保持すると共にシールケースの周面部に押圧接触させることによって、シールケースと静止密封環との間が当該密封環の軸線方向移動を許容しつつ二次シールされ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べく、特に、シールケースの周面部に、少なくとも静止密封環の軸線方向移動に伴って当該Ｏリングが相対変位する範囲において、樹脂コーティング膜を形成しておくことを提案する。

かかるメカニカルシールは、好ましい実施の形態にあっては、例えば、前記Ｏリングを所定間隔を隔てて一対設けて、シールケースと静止密封環との間に当該一対のＯリングによりシールされた連通空間を形成すると共に、シールケース及び静止密封環に、当該連通空間を介して連通する一連の通路であって両密封環の対向端面たる密封端面間に開口するシールガス通路を形成して、このシールガス通路から密封端面間に所定圧のシールガスを導入することによって、密封端面間を非接触状態に保持するように構成された静圧形ノンコンタクトガスシールとして提案される。

また、被密封流体が金属成分（金属イオン等）の混入を回避すべきものである場合や金属腐食を発生する虞れのあるものである場合にあっては、被密封流体が金属製のシールケースに直接に触れることを防止するために、シールケースにおける周面部であって被密封流体が接触する部分に、当該Ｏリングが相対変位する部分を含めて、樹脂コーティング膜を形成しておくことが好ましい。特に、上記した静圧形ノンコンタクトガスシールにあっては、被密封流体に加えてシールガスがシールケースに接触することによる金属成分の発生等を防止するために、シールケースにおける周面部及びシールガス通路の内周部であってシールガス及び被密封流体が接触する部分に、当該Ｏリングが滑動する部分を含めて、樹脂コーティング膜を形成しておくことが好ましい。

樹脂コーティング膜の構成材としては、Ｏリングとの接触抵抗が低い低摩擦製のプラスチックを使用することが好ましく、更には、被密封流体の性状やシール条件に応じて耐食性，耐薬品性等の特性に優れたものを使用することが好ましい。一般には、低摩擦性，耐食性等に優れたポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＥＦ）等のフッ素樹脂を使用することが好ましい。また、樹脂コーティング膜の膜厚は５〜１００μｍであることが好ましく、２０〜４０μｍとしておくことが最適する。樹脂コーティング膜の表面（少なくとも当該Ｏリングが滑動する部分）は、平滑面に機械加工されていることが好ましい。

本発明によれば、静止密封環の移動に伴うＯリングのシールケースに対する相対変位が円滑に行われ、静止密封環の追従性に優れたメカニカルシールを提供することができる。したがって、静圧形ノンコンタクトガスシール等のメカニカルシールにあって、静止密封環の追従不良によりシール機能が損なわれるようなことがなく、常に、良好なシール機能を発揮させることができる。また、シールケースにおいて、Ｏリングとの接触部分を含めて、被密封流体が接触する部分（静圧形ノンコンタクトガスシールにあっては、更にシールガスが接触する部分）を樹脂コーティング膜で被覆しておくことにより、被密封流体及び／又はシールガスが金属製シールケースに接触することによる金属イオンの発生を防止することができ、金属イオンの発生を回避する必要のある条件においても、良好なシール機能を発揮させることができる。また、被密封流体と接触するシールケース部分を耐食性，耐薬品性に優れた樹脂コーティング膜で被覆しておくことにより、被密封流体が腐食性を有するものである場合にも、金属製のシールケースが腐食されるようなことがなく、良好なシール機能を発揮させることができる。

図１は本発明に係るメカニカルシール４を装備した処理装置の一例を示す縦断正面図であり、図２はその要部の拡大図である。この処理装置にあっては、回転テーブル１の駆動部２を円筒状のプラスチックカバー３で覆ってあり、半導体ウエハ，電子デバイスの基板，液晶基板，フォトマスク，ガラス基板等の基板を回転テーブル１を使用して適宜の処理（洗浄処理，薬剤処理等）を行う場合に、回転テーブル１が配置された被密封流体領域である処理領域Ａと非密封流体領域であるプラスチックカバー３内の領域（カバー内領域（大気領域））Ｂとをシール装置４により遮蔽シールして、処理領域Ａをクリーンに保持するように工夫されている。

なお、駆動部２は、回転テーブル２に連結されて上下方向に延びる回転軸２ａ、回転軸２ａを回転自在に軸受支持するベアリング、回転軸２ａの駆動手段及びこれらをカバー内領域Ｂにおいて支持する支持機枠２ｂを具備するものであり、回転テーブル１を回転駆動するように構成されている。回転テーブル１は炭化珪素製のもので、処理領域Ａに水平に配置された円板等の回転体形状をなすものである。また、プラスチックカバー３は、図１に示す如く、耐薬品性プラスチック（この例ではＰＴＦＥを使用）で一体成形された上端開口状の円筒形状をなすもので、回転テーブル１の下面側に配置される駆動部２を覆っている。回転テーブル１とプラスチックカバー３との間には、必要に応じて、図１に示す如く、適宜のラビリンスシール１ａを設けておくことができる。このようなラビリンスシール１ａを設けておくことにより、後述するシールガス１０のラビリンスシール１ａから処理領域Ａへの噴出作用と相俟って、薬液等が処理領域Ａからカバー内領域Ｂへの薬液等の侵入を有効に防止することができる。

メカニカルシール４は、図１及び図２に示す如く、回転テーブル１にその回転軸線と同心状に固定された回転密封環５と、プラスチックカバー３内に配して駆動部２の支持機枠２ｂに取り付けられた円筒状のシールケース６と、回転密封環５と同心状をなして回転密封環５に直対向する状態で、シールケース６の内周部６ａに一対のＯリング１２，１２を介して軸線方向移動可能に保持された静止密封環７と、シールケース６と静止密封環７との間に介装されて、静止密封環７を回転密封環５へと押圧附勢するスプリング部材８と、プラスチックカバー３の内周部に形成されてシールケース端部６ｂに衝合する環状のカバー段部３ａと、プラスチックカバー３、シールケース６及び静止密封環７を貫通して両密封環５，７の対向端面である密封端面５ａ，７ａ間に開口する一連のシールガス通路９と、を具備して、密封端面５ａ，７ａ間を、これにシールガス通路９からシールガス１０を噴出させることにより、非接触状態に保持しつつ、前記両領域Ａ，Ｂ間を遮蔽シールするように構成された静圧形ノンコンタクトガスシールである。

シールケース６は、図１及び図２に示す如く、円筒状の密封環保持部６１とその下端部から内方に張り出す円環状のスプリング保持部６２とからなる金属製（例えば、ＳＵＳ３１６等のステンレス鋼製）のものである。シールケース６は、その下端部（密封環保持部６１の下端部）６ａをカバー段部３ａに衝合させると共にその外周部（密封環保持部６１の外周部）をプラスチックカバー３の上端側内周部（カバー段部３ａより上方側部分の内周部）にフッ素ゴム製のＯリング１１を介して密接させた状態で、スプリング保持部６２を介して支持機枠２ｂに取り付けられている。

回転密封環５は、静止密封環７の構成材（例えば、カーボン）より硬質の材料（例えば、炭化珪素）で成形された円環状体であり、図１に示す如く、回転テーブル１の下面部に固定されている。回転密封環５の下端面は、平滑環状面である密封端面（以下「回転側密封端面」ともいう）５ａとされている。

静止密封環７は、図１に示す如く、上端面を平滑環状面である密封端面（以下「静止側密封端面」ともいう）７ａとした円環状体であり、上下方向に並列する一対のフッ素ゴム製のＯリング１２，１２を介してシールケース６の密封環保持部６１の内周部６ａに軸線方向移動可能（上下方向移動可能）に嵌合保持されている。静止側密封端面７ａの外径は回転側密封端面５ａの外径より若干小さく設定されており、静止側密封端面７ａの内径は回転側密封端面５ａの内径より若干大きく設定されている。各Ｏリング１２は、シールケース６の内周部６ａに圧接された状態で、静止密封環７の外周部に形成した環状のＯリング溝７ｂに係合保持されていて、静止密封環７の軸線方向移動（上下方向移動）を許容しつつ、静止密封環７とシールケース６との間を二次シールしている。また、静止密封環７の下端部には軸線方向に延びる円形孔７ｃが形成されており、この円形孔７ｃにシールケース６のスプリング保持部６２に植設した金属製（例えば、ＳＵＳ３１６等のステンレス鋼製）のドライブピン１３を係合させることにより、静止密封環７を、その軸線方向移動を所定範囲で許容しつつ、シールケース６に対して相対回転不能ならしめている。なお、円形孔７ｃ及びこれに係合するドライブピン１３の数は任意であり、必要に応じて複数個設けられる。

スプリング部材８は、図１に示す如く、静止密封環７とその下位のスプリング保持部６２との間に介装された複数個（１個のみ図示）のコイルスプリングで構成されていて、静止密封環７を回転密封環５へと押圧附勢するものであり、密封端面５ａ，７ａを閉じる方向に作用する閉力を発生させるものである。

シールガス通路９は、図１及び図２に示す如く、プラスチックカバー３に形成されたカバー側通路部分９１と、シールケース６に形成されたケース側通路部分９２と、静止側密封端面７ａに形成された静圧発生溝９３と、静止密封環７とシールケース６との対向周面部間に形成され且つＯリング１２，１２によりシールされた環状の連通空間９４と、静止密封環７を貫通して連通空間９４から静圧発生溝９３に至る密封環側通路部分９５とからなる。

カバー側通路部分９１は、図１に示す如く、プラスチックカバー３を上下方向（プラスチックカバー３の軸線方向）に貫通して、その上端部（下流端）はカバー段部３ａに開口されており、その下端部（上流端）は適宜のシールガス供給路（図示せず）に接続されている。

ケース側通路部分９２は、図１に示す如く、シールケース６の密封環保持部６１をその下端部から内周部６ａへと貫通して、カバー側通路部分９１と連通空間９４とを連通接続している。ケース側通路部分９２の下流端とカバー側通路部分９１の上流端との間は、カバー段部３ａとシールケース端部６ｂとの間に介装したフッ素ゴム製のＯリング１６によりシールされた状態で、連通接続されている。

静圧発生溝９３は、静止側密封端面７ａと同心状の環状をなして連続又は断続する浅い凹溝であり、この例では後者を採用している。すなわち、静圧発生溝９３は、図３に示す如く、静止側密封端面７ａと同心環状をなして並列する複数の円弧状凹溝９３ａ…で構成されている。連通空間９４の上下方向幅（Ｏリング１２，１２間の間隔）は、静止密封環７の追従性を確保するために必要とされる軸線方向移動量（上下方向移動量）に応じて設定されており、静止密封環７が移動した場合にも、ケース側通路部分９２と連通空間９４との接続が解除されないように工夫してある。また、密封環側通路部分９５の一端部（上流端）は、Ｏリング溝７ｂ，７ｂ間において静止密封環７の外周面に開口されており（連通空間９４に開口されており）、その他端部（下流端）は複数の分岐部９５ａに分岐されていて、各分岐部９５ａを、図３に示す如く、静圧発生溝９３を構成する各円弧状凹溝９３ａに開口させてある。また、シールガス通路９の適所（例えば、密封環側通路９５の適所であって分岐部分９５ａより上流側の部分）には適宜の絞り器９６（オリフィス，毛細管，多孔質部材等の絞り機能を有するもの）が配設されていて、密封端面５ａ，７ａの隙間が変動した場合にも、その隙間が自動的に調整されて適正に保持されるように工夫されている。すなわち、回転機器（回転テーブル１）の振動等により密封端面５ａ，７ａの隙間が大きくなったときは、静圧発生溝９３から密封端面５ａ，７ａ間に流出するシールガス量と絞り器９６を通って静圧発生溝９３に供給されるシールガス量とが不均衡となり、静圧発生溝９３内の圧力が低下して、シールガス１０による開力がスプリング部材８による閉力より小さくなるため、密封端面５ａ，７ａ間の隙間が小さくなるように変化して、その隙間が適正なものに調整される。逆に、密封端面５ａ，７ａ間の隙間が小さくなったときは、上記したと同様の絞り器９６による絞り機能により静圧発生溝９３内の圧力が上昇して、開力が閉力より大きくなり、密封端面５ａ，７ａ間の隙間が大きくなるように変化して、その隙間が適正なものに調整される。

静圧発生溝９３には、両領域Ａ，Ｂより高圧で且つパーティクルを含まない清浄なシールガス１０がシールガス通路９（カバー側通路部分９１、ケース側通路部分９２、連通空間９４及び密封環側通路部分９５）から供給される。シールガス１０としては、各領域Ａ，Ｂに流出しても何らの悪影響を及ぼさない性状のものを、シール条件に応じて適宜に選定する。この例では、各種物質に対して不活性であり且つ人体に無害である清浄な窒素ガスが使用されている。なお、シールガス１０は、一般に、回転テーブル１の運転中（回転軸２ａの駆動中）において供給され、運転停止後には供給を停止される。回転テーブル１の運転は、シールガス１０の供給が開始された後であって、密封端面５ａ，７ａ間が適正な非接触状態に保持された後において開始され、シールガス１０の供給停止は、回転テーブルの運転停止後であって回転軸２ａが完全に停止した後に行なわれる。なお、必要に応じて、回転テーブル１が運転されていると否とに拘らず、シールガス１０の供給を常時、継続して行なうようにすることも可能である。

シールガス１０を静圧発生溝９３に供給すると、静圧発生溝９３に導入されたシールガス１０により、密封端面５ａ，７ａ間にこれを開く方向に作用する開力が発生する。この開力は、密封端面５ａ，７ａ間に導入されたシールガス１０によって発生する静圧によるものである。したがって、密封端面５ａ，７ａは、この開力と密封端面５ａ，７ａ間を閉じる方向に作用するスプリング部材８による閉力（スプリング荷重）とがバランスする非接触状態に保持される。すなわち、静圧発生溝９３に導入されたシールガス１０は密封端面５ａ，７ａ間に静圧の流体膜を形成し、この流体膜の存在によって、密封端面５ａ，７ａの外周側領域（処理領域）Ａとその内周側領域（カバー内領域）Ｂとの間が遮蔽シールされる。シールガス１０の圧力及びスプリング部材８のバネ力（スプリング荷重）は、密封端面５ａ，７ａ間の隙間が適正（一般に、５〜１５μｍである）となるように、シール条件に応じて適宜に設定される。

ところで、静止密封環７は、シールガス１０の供給，停止や絞り器９６による隙間調整等によって軸線方向に移動することになり、かかる移動が良好且つ円滑に行われることによって適正なシール機能が発揮される。而して、このような静止密封環７の追従性は、静止密封環７に係合保持されたＯリング１２，１２がシールケース６の内周面６ａを円滑に相対変位（滑動）することによって確保されるが、シールケース６が金属製のものであって、その内周面６ａとフッ素ゴム等で構成されるＯリング１２，１２との摩擦係数が大きいこと、及びＯリング１２，１２が二次シール機能を発揮すべくシールケース６と静止密封環７との間に圧縮された状態で装填されていて、Ｏリング１２，１２がシールケース６の内周面６ａに圧接されていること等から、静止密封環７の移動に伴うＯリング１２，１２の変位（滑動）が円滑に行われ難く、静止密封環７の追従性が低下する虞れがある。

そこで、本発明のメカニカルシール４では、図２に示す如く、Ｏリング１２，１２が滑動するシールケース部分である密封環保持部６１の内周面６ａに、低摩擦性の樹脂コーティング膜６３を形成して、Ｏリング１２，１２の円滑な滑動を可能とし、静止密封環７の追従性を向上させるように図っている。

さらに、この例では、樹脂コーティング膜６３を、Ｏリング１２，１２が接触，滑動するシールケース部分６ａのみでなく、被密封流体及びシールガス１０が接触するシールケース部分にも形成してある。すなわち、図２に示す如く、シールケース６の密封環保持部６１の外表面部分及び密封環側通路部分９２の内表面部分に一連の樹脂コーティング膜６３を形成して、被密封流体及びシールガス１０がシールケース６の金属部分に直接に接触しないように工夫してある。このようにしておくことによって、金属製のシールケース６に被密封流体及びシールガス１０が接触することによる金属イオンの発生を防止し、処理領域Ａでの処理が金属イオンにより不良となることが防止できる。なお、処理装置及びこれに装備されたメカニカルシール４の構成部材のうち、被密封流体及びシールガス１０に接触する部材については、シールケース７を除いて、全て、金属イオンを発生しない非金属材で構成するか非金属材でコーティングしてある。すなわち、回転密封環５を炭化珪素製のものとすると共に静止密封環７をカーボン製のものとし、各Ｏリング１１，１２，１６をフッ素ゴム製のものとしてある。さらに、回転テーブル１及びカバー３についても、これらをＰＴＦＥ等の非金属材で構成するか、これらの被処理領域Ａに面する部分及びシールガス１０に接触する部分をＰＴＦＥ等で樹脂コーティングしてある。一方、金属で構成されるスプリング部材８やドライブピン１３等については、これらをすべてカバー内領域Ｂに配置してある。したがって、被処理物が半導体ウエハ等の金属イオンを嫌うものである場合にも、その処理を良好に行なうことができる。

ところで、樹脂コーティング膜６３の構成材としては、Ｏリング１２との摩擦係数が小さなフッ素樹脂等の低摩擦性プラスチックを使用することが好ましく、この例では、ＰＴＦＥを使用している。

また、樹脂コーティング膜６３の膜厚は５〜１００μｍとしておくことが好ましく、２０〜４０μｍとしておくことが最適する。このような膜厚としておくことにより、膜厚のバラツキをなくして均一な膜厚を得ることができ、Ｏリング１２，１２との接触抵抗におけるバラツキを回避して、静止密封環７の追従性を大幅に向上させることができる。更に、樹脂コーティング膜６３の表面、特に、Ｏリング１２，１２が接触する部分６３ａの表面については、高精度の平滑面に機械加工しておくことが好ましい。

ところで、上記のメカニカルシール４にあっては、カバー側通路部分９１からケース側通路部分９２へのガス流動がプラスチックカバー３の軸線方向において行われるように工夫されているから、プラスチックカバー３の材質や肉厚（径方向の厚み）に拘わらず、シールガス１０の圧力によってプラスチックカバー３が径方向に変形することがない。したがって、プラスチックカバー３の材質，形状（肉厚）を、シールガス１０の圧力に対する強度を考慮することなく、処理装置の使用条件に応じて自由に設定することができる。また、当該カバー３と回転テーブル１との間に前記したようなラビリンスシール１ａを設ける場合にも、プラスチックカバー３が変形しないことから、当該ラビリンスシール１ａの機能を損なうようなことがない。

なお、本発明の構成は、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、適宜に改良，変更することができる。

本発明は、両密封環が相対回転摺接する端面接触形のメカニカルシールにも適用することができる。しかし、本発明は、静止密封環の追従性が重視される非接触形メカニカルシール（上記した静圧形ノンコンタクトガスシールや一方の密封端面に動圧発生溝を形成して密封端面間をこれに発生させた動圧により非接触状態に保持するように構成された動圧形の非接触形メカニカルシール）において、より好適に適用することができる。

また、上記したメカニカルシールにあっては、シールガス１０による静圧のみによって密封端面５ａ，７ａ間を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４に構成したが、図４に示す如く、密封端面５ａ，７ａをこの間に静圧に加えて動圧を発生させることにより非接触状態に保持する複合形ノンコンタクトガスシール１０４に構成して、本発明を適用するようにすることも可能である。かかる複合形ノンコンタクトガスシールにおいては、シール機能上、静止密封環７の追従性の良否が更に重要な要素となる。

すなわち、図４に示す複合形ノンコンタクトガスシール１０４にあっては、一方の密封端面である回転密封環５の密封端面（回転側密封端面）５ａに動圧発生溝１９を形成して、この動圧発生溝１９により密封端面５ａ，７ａ間に動圧を発生させるように構成してある。動圧発生溝１９の形状は、シール条件等に応じて適宜に設定することができるが、この例では、動圧発生溝１９を、図６又は図７に示す如く、回転側密封端面５ａにおける静圧発生溝９３に対向する部位から外径方向であって且つ回転密封環５の回転方向（イ方向）と逆方向に傾斜状に延びる第１グルーブ部分２０ａと内径方向且つ回転密封環５の回転方向（イ方向）と逆方向に傾斜状に延びる第２グルーブ部分２０ｂとからなる複数のグルーブ２０が密封端面５ａの周方向に並列してなる形状に構成してある。各グルーブ２０は１〜１０μｍの浅い深さ一定の溝であり、その最外径側端部（第１グルーブ部分２０ａの外径側端部）及び最内径側端部（第２グルーブ部分２０ｂの内径側端部）は、両密封端面５ａ，７ａの重合領域内に位置されている。すなわち、図５に示す如く、動圧発生溝１９の内外径Ｅ，Ｆは、静止密封環７の密封端面（静止側密封端面）７ａの外径（≦回転側密封端面５ａの外径）Ａ及びその内径（≧回転側密封端面５ａの内径）Ｄ並びに静圧発生溝９３（円弧状凹溝９３ａ）の外径Ｂ及びその内径Ｃに対して、Ｂ＜Ｆ＜Ａ，Ｄ＜Ｅ＜Ｃの関係を有する範囲で適宜に設定されている。この例では、０．５≦（Ｆ−Ｂ）／（Ａ−Ｂ）≦０．９又は０．５≦（Ｃ−Ｅ）／（Ｃ−ＢＤ）≦０．９の条件を満足するように設定されている。各グルーブ２０は、図６に示す如く、第１グルーブ部分２０ａと第２グルーブ部分２０ｂとが基端部で一致する略く字状をなすものとするか、図７に示す如く、第１グルーブ部分２０ａと第２グルーブ部分２０ｂとの基端部が周方向に齟齬する千鳥形状をなすものとされる。なお、この複合形ノンコンタクトガスシール１０４における上記以外の構成は、図１〜図３に示す静圧形ノンコンタクトガスシール４と同一である。

このような複合形ノンコンタクトガスシール１０４によれば、密封端面５ａ，７ａ間にシールガス１０による静圧に加えて動圧発生溝１９による動圧が発生し、これらの静圧及び動圧により密封端面５ａ，７ａ間を非接触状態に保持する。したがって、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。また、動圧発生溝１９を密封端面５ａ，７ａの重複領域外に開放されていないため、各グルーブ２０の最内径側端部及び最外径側端部が、密封端面５ａ，７ａ間に導入されたシールガス１０に対する堰として機能することになると共に、密封端面５ａ，７ａ間に形成される漏れ間隙を狭めるように作用することになる。その結果、密封端面５ａ，７ａ間に導入されたシールガス１０の処理領域（被密封ガス領域）Ａ側への漏れ量が抑制されて動圧発生溝１９によるシールガス１０の捕捉特性が極めて良好なものになる。したがって、シールガス１０の消費量を低減でき、万一シールガス１０に同伴されるパーティクルがある場合にも、その侵入を極力抑制することができる。なお、複合形ノンコンタクトガスシール１０４を装備する処理装置の構成，使用条件等によっては、回転テーブル１ないし回転軸２ａが一方向でなく両方向に回転される場合があるが、かかる場合には、上記動圧発生溝１９を回転密封環５が正転方向及び逆転方向の何れの方向に回転しても動圧を発生しうるような形状としておけばよい。このような動圧発生溝１９の形状については、シール条件等に応じて任意に設定することができ、従来からも種々の形状が提案されている。例えば、回転側密封端面５ａに、径方向に縦列し且つ直径線に対して対称形状をなす第１動圧発生溝と第２動圧発生溝とからなる動圧発生溝ユニットを周方向に所定間隔を隔てて複数組並列状に形成して、回転密封環５が正転方向に回転するときには第１動圧発生溝により動圧が発生せしめられ、また回転密封環５が逆転方向に回転するときには第２動圧発生溝により動圧が発生せしめられるように構成しておくのである。各第１及び第２動圧発生溝としては、例えば、溝深さ及び溝幅を一定とするＬ字形溝等を採用することができる。

また、樹脂コーティング膜６３は、金属イオンの発生を抑制する必要のないシール条件下においては、シールケース６におけるＯリング１２の接触部分であって当該Ｏリング１２が静止密封環７の移動に伴って相対変位（滑動）する部分６ａのみに形成しておけばよい。また、樹脂コーティング膜６３の材質は、Ｏリング１２との接触抵抗を低減させるものであることを条件として、被密封流体の性状やシール条件に応じて適宜に選定される。例えば、被密封流体がシールケース６を腐食させる虞れのある場合には、シールケース６における被密封流体との接触部分に耐食性，耐薬品性を有する材質の樹脂コーティング膜６３を形成しておく。この場合、シールケース６以外のメカニカルシール構成部材又はその部分であって被密封流体に接触する部材又は部分は、耐食性，耐薬品性を有する材質で構成するか又はかかる材質のコーティングを施しておく。このようにすれば、被密封流体が腐食性を有するものである場合にも、良好なシール機能を発揮させることができる。

本発明に係るメカニカルシールの一例を示す縦断正面図である。 図１の要部の拡大図である。 当該シールにおける静止密封環の平面図である。 本発明に係るメカニカルシールの変形例を示す図２相当の縦断正面図である。 図４の要部の拡大図である。 動圧発生溝の一例を示す回転密封環の半截平面図である。 動圧発生溝の変形例を示す回転密封環の半截平面図である。

符号の説明

２ａ 回転軸
４ メカニカルシール（静圧形ノンコンタクトガスシール）
５ 回転密封環
５ａ 回転密封環の密封端面
６ シールケース
６ａ シールケースの内周面
７ 静止密封環
７ａ 静止密封環の密封端面
７ｂ Ｏリング溝
８ スプリング部材
９ シールガス通路
１０ シールガス
１２ Ｏリング
６１ 密封環保持部
６３ 樹脂コーティング膜
９２ ケース側通路部分
９３ 静圧発生溝
９４ 連通空間
９５ 密封環側通路部分

Claims (7)

1. 回転軸側に固定された回転密封環と回転軸が洞貫する金属製のシールケースにＯリングを介して軸線方向に移動可能に保持された静止密封環とを具備しており、当該Ｏリングを静止密封環の周面部に係合保持すると共にシールケースの周面部に押圧接触させることによって、シールケースと静止密封環との間が当該密封環の軸線方向移動を許容しつつ二次シールされるように構成されたメカニカルシールにおいて、
   シールケースの周面部に、少なくとも静止密封環の軸線方向移動に伴って当該Ｏリングが相対変位する範囲において、樹脂コーティング膜を形成してあることを特徴とするメカニカルシール。
2. 前記Ｏリングを所定間隔を隔てて一対設けて、シールケースと静止密封環との間に当該一対のＯリングによりシールされた連通空間を形成すると共に、シールケース及び静止密封環に、当該連通空間を介して連通する一連の通路であって両密封環の対向端面たる密封端面間に開口するシールガス通路を形成して、このシールガス通路から密封端面間に所定圧のシールガスを導入することによって、密封端面間を非接触状態に保持するように構成された静圧形ノンコンタクトガスシール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。
3. シールケースにおける周面部であって被密封流体が接触する部分に、当該Ｏリングが相対変位する部分を含めて、樹脂コーティング膜を形成して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。
4. シールケースにおける周面部及びシールガス通路の内周部であってシールガス及び被密封流体が接触する部分に、当該Ｏリングが滑動する部分を含めて、樹脂コーティング膜を形成してあることを特徴とする、請求項２に記載するメカニカルシール。
5. 樹脂コーティング膜の膜厚が５〜１００μｍであることを特徴とする、請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４に記載するメカニカルシール。
6. 樹脂コーティング膜の膜厚が２０〜４０μｍであることを特徴とする、請求項５に記載するメカニカルシール。
7. 樹脂コーティング膜の表面であって、少なくとも当該Ｏリングが滑動する部分が、平滑面に機械加工されていることを特徴とする、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５又は請求項６に記載するメカニカルシール。

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