JP4566159B2 - Multi-channel rotary joint - Google Patents
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Description
本発明は、ガス等の流体を相対回転部材間において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に関するものである。 The present invention relates to a multi-channel rotary joint used for flowing a fluid such as a gas between relative rotating members.
例えば、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法による半導体ウエハの表面研磨処理は、ターンテーブルとトップリングとを、その間に半導体ウエハを挟圧させた状態で、別個独立して回転させることにより行われるが、かかる場合に、ターンテーブル又はトップリングからウエハ加圧用の圧縮空気を供給したり、ウエハ,定盤を吸着するために真空吸引したりすることがある。このため、CMP法による表面研磨装置(以下「CMP装置」という)にあっては、CMP装置本体とこれに回転自在に支持されたターンテーブル又はトップリングとの間での流体流動を遺漏なく良好に行なうロータリジョイントが必要となる。 For example, the surface polishing treatment of a semiconductor wafer by CMP (Chemical Mechanical Polishing) is performed by rotating the turntable and the top ring separately and independently with the semiconductor wafer sandwiched therebetween. In such a case, compressed air for wafer pressurization may be supplied from the turntable or top ring, or vacuum suction may be performed to adsorb the wafer and the surface plate. For this reason, in a surface polishing apparatus using CMP (hereinafter referred to as “CMP apparatus”), the fluid flow between the CMP apparatus main body and the turntable or top ring rotatably supported by the CMP apparatus is excellent. A rotary joint is required.
而して、かかるロータリジョイントとしては、ケース体とこれに回転自在に連結された回転軸体との対向周面部間に、軸線方向に並列配設された複数の端面接触形メカニカルシールで区画シールされた複数の接続空間を形成して、ケース体と回転軸体との間に、両体に夫々形成した通路を接続空間を介して連通接続してなる一連の複数の流路を形成するように構成されたもの(以下「従来ジョイント」という)が周知である(例えば、特許文献1の図1を参照)。 Thus, as such a rotary joint, a partition seal is provided by a plurality of end surface contact type mechanical seals arranged in parallel in the axial direction between the opposed peripheral surface portions of the case body and the rotary shaft body rotatably connected thereto. A plurality of connected spaces are formed, and a series of a plurality of flow paths are formed between the case body and the rotary shaft body by connecting the passages formed in the two bodies through the connection spaces. (Hereinafter referred to as “conventional joint”) is well known (see, for example, FIG. 1 of Patent Document 1).
しかし、かかる従来ジョイントにあっては、各メカニカルシールとして、回転軸体に固定保持された回転密封環とケース体に軸線方向に移動可能に且つ相対回転不能に保持された静止密封環とを相対回転摺接するように構成された端面接触形のものが使用されているため、例えば、流路がガス流路として使用される場合(例えば、加圧空気を供給させる場合)や真空吸引路として使用される場合(例えば、CMP装置にあって定盤を真空吸着させる場合又は研磨残渣液を吸引排出させる場合)には、メカニカルシールがドライ運転となるため、密封環の相対回転摺接面(密封端面)に異常発熱や異常摩耗を生じて、接続空間のシールを長期に亘って良好にシールすることができず、シール寿命が極めて短いといった問題があった。また、流路を流動する流体が液体である場合にも、ケース体と回転軸体との相対回転速度が遅い等の使用条件によっては、密封端面間に流動液体による潤滑膜が十分に形成されず、ガス流路又は真空吸引路として使用される場合と同様にドライ運転されることになり、密封端面の異常発熱や異常摩耗を生じる虞れがある。なお、かかる問題を解決するために、フラッシング等の冷却手段を設けて密封端面の冷却及び潤滑を図るように工夫することも試みられているが、このような冷却手段を設けておくことはロータリジョイント構造及び付属機器の複雑化,大型化を招来するといった新たな問題が生じる。 However, in such a conventional joint, as each mechanical seal, a rotary seal ring fixedly held on the rotary shaft body and a stationary seal ring held on the case body so as to be movable in the axial direction and relatively non-rotatable are relative to each other. Since the end-contact type that is configured to be in sliding contact is used, for example, when the flow path is used as a gas flow path (for example, when pressurized air is supplied) or used as a vacuum suction path When it is performed (for example, when a surface plate is vacuum-adsorbed or a polishing residue liquid is sucked and discharged in a CMP apparatus), since the mechanical seal is in a dry operation, the relative rotational sliding contact surface (sealing) of the sealing ring is performed. There is a problem that abnormal heat generation or abnormal wear occurs on the end face, and the connection space seal cannot be satisfactorily sealed over a long period of time, resulting in a very short seal life. Even when the fluid flowing in the flow path is a liquid, depending on the usage conditions such as the relative rotational speed of the case body and the rotating shaft body being slow, a lubricating film made of the flowing liquid is sufficiently formed between the sealed end faces. However, the dry operation is performed in the same manner as when used as a gas flow path or a vacuum suction path, and there is a possibility that abnormal heat generation and abnormal wear of the sealed end face may occur. In order to solve this problem, it has been attempted to devise cooling means such as flushing to cool and lubricate the sealed end face. However, providing such cooling means is not recommended. New problems arise, such as the complexity and size of the joint structure and accessories.
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、流路をシールするための端面接触形メカニカルシールがドライ運転されるような状況下においても、冷却手段を設けることなく、密封端面の異常発熱,異常摩耗を効果的に防止することができ、信頼性,機能性,耐久性に富む極めて実用的なロータリジョイントを提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of such a point, and even in a situation where an end surface contact type mechanical seal for sealing a flow path is dry-operated, the cooling end surface is not provided without providing a cooling means. An object of the present invention is to provide a highly practical rotary joint that can effectively prevent abnormal heat generation and abnormal wear and has high reliability, functionality, and durability.
本発明は、ケース体とこれに回転自在に連結された回転軸体との対向周面部間に、軸線方向に並列配設された複数の端面接触形のメカニカルシールで区画シールされた複数の接続空間を形成して、ケース体と回転軸体との間に、両体に夫々形成した通路を当該接続空間を介して連通接続してなる一連の複数の流路を形成するように構成された多流路形ロータリジョイントにおいて、上記の目的を達成すべく、特に、各メカニカルシールにおける両密封環の相対回転摺接面の一方に、潤滑材を保持させた潤滑材保持用凹部を形成しておくことを提案するものである。 The present invention provides a plurality of connections that are partitioned and sealed by a plurality of end-face contact type mechanical seals arranged in parallel in the axial direction between opposed peripheral surface portions of a case body and a rotary shaft body rotatably connected thereto. A space is formed, and a series of a plurality of flow paths are formed between the case body and the rotating shaft body, each of which is formed by connecting and connecting passages formed in both bodies via the connection space. In the multi-channel rotary joint, in order to achieve the above object, a lubricant holding recess for holding the lubricant is formed on one of the relative rotational sliding contact surfaces of both seal rings in each mechanical seal. It is suggested to keep.
かかる多流路形ロータリジョイントにあって、両密封環の相対回転摺接面たる密封端面の一方に形成しておく潤滑材保持用凹部は、密封端面の相対回転摺接作用によるシール機能を妨げないことを条件として任意形状とされるが、一般には、密封環と同心をなす環状凹溝としておくことが好ましい。また、潤滑材としては、流路を流動させる流体の性状等の使用条件に応じて適宜に選定することができ、適当粘度の液体潤滑材(例えば、タービンオイル,エンジンオイル,弗素系オイル等)又は固体潤滑材(例えば、自己潤滑性を有する樹脂材料(例えば弗素系樹脂材)や潤滑材を含浸させた多孔質材等からなるもの)を使用することができる。また、必要に応じて、密封端面における潤滑材保持用凹部以外の部分に適宜の潤滑材(例えば、タービンオイルや弗素系オイル等)を塗布しておくことも可能である。液体潤滑材を使用する場合、密封端面の材質に応じたものを使用することが好ましい。例えば、密封端面がカーボン等で形成されている場合にはタービンオイル等を使用し、密封端面が弗素系の樹脂材で形成されている場合には弗素系オイル等を使用することが好ましい。 In such a multi-channel rotary joint, the lubricant retaining recess formed on one of the sealing end faces that are the relative rotational sliding contact surfaces of both sealing rings hinders the sealing function due to the relative rotational sliding contact action of the sealing end faces. However, it is generally preferable to form an annular groove that is concentric with the sealing ring. Further, the lubricant can be appropriately selected according to the use conditions such as the properties of the fluid flowing in the flow path, and a liquid lubricant having an appropriate viscosity (for example, turbine oil, engine oil, fluorine oil, etc.) Alternatively, a solid lubricant (for example, a self-lubricating resin material (for example, a fluorine-based resin material) or a porous material impregnated with a lubricant) can be used. Further, if necessary, an appropriate lubricant (for example, turbine oil, fluorine-based oil, etc.) can be applied to a portion other than the lubricant retaining recess on the sealed end face. When using a liquid lubricant, it is preferable to use a material corresponding to the material of the sealed end face. For example, it is preferable to use turbine oil or the like when the sealed end face is made of carbon or the like, and to use fluorine oil or the like when the sealed end face is made of a fluorine-based resin material.
また、好ましい実施の形態にあって、各メカニカルシールは回転軸体の外周部に固定された回転密封環とケース体の内周部に軸線方向に移動可能に保持された静止密封環とを相対回転摺接させるように構成され、各接続空間が隣接する一対の端面メカニカルシールからなるシールユニットでシールされるが、かかる場合、各シールユニットの一方の回転密封環とこれに隣接するシールユニットの一方の回転密封環とを共通の回転密封環で兼用しておくことが好ましい。 Further, in a preferred embodiment, each mechanical seal has a rotational seal ring fixed to the outer peripheral portion of the rotary shaft body and a stationary seal ring held movably in the axial direction on the inner peripheral portion of the case body. Each of the connection spaces is sealed with a seal unit composed of a pair of adjacent end face mechanical seals. In such a case, one rotary seal ring of each seal unit and the seal unit adjacent to this are sealed. It is preferable that one rotary seal ring is also used as a common rotary seal ring.
また、各メカニカルシールが回転軸体の外周部に固定された回転密封環とケース体の内周部に軸線方向に移動可能に保持された静止密封環とを相対回転摺接させるように構成される場合にあって、各メカニカルシールにおける静止密封環は、その外周部に形成した係合凹部に係合させたドライブピンを当該係合凹部に係合する箇所の両側においてケース体に支持させることにより、ケース体に相対回転不能に保持させておくことが好ましい。この場合、軸線方向に並列するメカニカルシール群のうち両側に位置するものを除いて、各メカニカルシールの静止密封環を、その外周部に形成した係合凹部に係合させたドライブピンを当該係合凹部に係合する箇所の両側においてケース体に支持させることにより、ケース体に相対回転不能に保持させておくようにしてもよい。さらに、何れの場合においても、選択された複数の静止密封環について、それらの係合凹部に係合するドライブピンを一本のドライブバーで兼用しておくか、すべての静止密封環について、それらの係合凹部に係合するドライブピンを一本のドライブバーで兼用しておくことが好ましい。 In addition, each mechanical seal is configured to make a relative rotational sliding contact between a rotary seal ring fixed to the outer peripheral portion of the rotary shaft body and a stationary seal ring held movably in the axial direction on the inner peripheral portion of the case body. In this case, the stationary sealing ring in each mechanical seal causes the case body to support the drive pin engaged with the engaging recess formed on the outer peripheral portion thereof on both sides of the portion engaging with the engaging recess. Therefore, it is preferable to hold the case body in a relatively non-rotatable manner. In this case, except for those located on both sides of the group of mechanical seals arranged in parallel in the axial direction, the drive pin in which the stationary seal ring of each mechanical seal is engaged with the engagement recess formed in the outer peripheral portion thereof. The case body may be held so as not to be relatively rotatable by being supported by the case body on both sides of the portion engaged with the joint recess. Furthermore, in any case, for a plurality of selected stationary sealing rings, the drive pins that engage with the engaging recesses are shared by a single drive bar, or for all the stationary sealing rings, It is preferable that the drive pin that engages with the engaging recess is also used as a single drive bar.
本発明の多流路形ロータリジョイントによれば、流路の相対回転接続部分である接続空間をシールするメカニカルシールの密封端面(相対回転摺接面)の一方に潤滑材を保持させた潤滑材保持用凹部を形成したから、当該メカニカルシールが端面接触形のものであるにも拘わらず、冒頭で述べたようなドライ条件下で使用する場合にも、密封端面の異常発熱,異常摩耗を効果的に防止することができ、相対回転部材間における流体流動を良好に行うことができる。 According to the multi-channel rotary joint of the present invention, a lubricant in which a lubricant is held on one of the sealing end surfaces (relative rotation sliding contact surfaces) of a mechanical seal that seals a connection space that is a relative rotation connection portion of a channel. Even if the mechanical seal is of the end-face contact type because it is formed with a holding recess, abnormal heat generation and abnormal wear on the sealed end face are effective even when used under dry conditions as described at the beginning. Therefore, fluid flow between the relative rotating members can be performed satisfactorily.
図1は本発明に係る多流路形ロータリジョイントの一例を示す縦断正面図であり、図2は図1の要部を拡大して示す詳細図であり、図3は図1のIII −III 線に沿う横断底面図である。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。 FIG. 1 is a longitudinal front view showing an example of a multi-channel rotary joint according to the present invention, FIG. 2 is a detailed view showing an enlarged main part of FIG. 1, and FIG. 3 is a III-III view of FIG. It is a cross-sectional bottom view along a line. In the following description, “upper and lower” refers to the upper and lower sides in FIGS.
図1に示す多流路形ロータリジョイントは、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種のガスを各別に流動させる場合(真空吸引を含む)に好適に使用されるものである。 The multi-channel rotary joint shown in FIG. 1 is a case where a plurality of types of gases are separately flowed between an apparatus main body that is a stationary member in a CMP apparatus and a top ring or turntable that is a rotating member (vacuum suction). Are suitably used.
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)の流路3を有するものである。
That is, the rotary joint includes a
各流路3は、図1に示す如く、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接続空間5と、回転軸体2に形成されて接続空間5に連通する第1通路6と、ケース体1に形成されて接続空間5に連通する第2通路7とからなるもので、所望の流体28(圧縮空気等のガス又はウエハ研摩液等のスラリ流体や洗浄用純水等の液体)を流動させる流体流動路又はこれらの流体28を真空吸引する真空吸引路として使用される。
As shown in FIG. 1, each
各接続空間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本の流路3の相対回転接続部分つまりN個の接続空間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4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。
As shown in FIG. 1, the pair of
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ボルト等(図示せず)により連結することによって、円筒状の一体構造物に組み立てられる。
As shown in FIG. 1, the
回転軸体2は、図1に示す如く、円柱状の軸本体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個の円筒状の保持筒13とで構成されており、上下一対のベアリング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筒13は、軸本体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の周壁を構成している。また、上位のベアリング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に介装されており、下位のベアリング14は軸本体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。
As shown in FIG. 1, the
各接続空間5をシールするシールユニット4Aは、図1に示す如く、一対のメカニカルシール4,4を上下方向に向きを反対とする形態で配置してなる。シールユニット4Aを構成する各メカニカルシール4は、両密封環の配置形態が上下逆になっている点を除いて同一構造をなすものであり、各々、図1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に軸線方向(上下方向)に移動可能に保持された静止密封環9とこれを回転密封環8へと押圧附勢するスプリング16とからなり、両密封環8,9の相対回転摺接作用により接続空間5をシールするように構成された端面接触形のものである。
As shown in FIG. 1, the
各シールユニット4Aの一方の回転密封環8とこれに隣接するシールユニット4Aの一方の回転密封環8とは共通の回転密封環8で兼用構成されている。すなわち、上下両端に位置するメカニカルシール4,4を除いて、隣接する2つのメカニカルシール4,4の回転密封環8は共通とされており、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)に形成される環状空間は、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個のメカニカルシール4(N組のシールユニット4A)によって、N個の接続空間5に区画シールされている。なお、各回転密封環8は炭化珪素等の硬質材で構成されており、各静止密封環9は回転密封環8の構成材より軟質のカーボン等で構成されている。
One
N+1個の回転密封環8は、図1に示す如く、夫々、軸本体12に嵌合させると共に、軸本体12の下端段部19と最上位の保持筒13との間又は保持筒13相互間に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21,21に構成してある。隣接するメカニカルシール4,4の回転密封環として兼用される回転密封環8については、その両端面を密封端面21,21に構成してある。
As shown in FIG. 1, the N + 1 rotation sealing rings 8 are fitted into the shaft
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、軸線方向(上下方向)に交互に配置された状態で並列配置されている。
As shown in FIG. 1, each
各支持壁10には、その両側に位置する回転密封環8,8の密封端面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。
Each
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又は24b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,24b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及び図2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24b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24bには2個の静止密封環9,9が係合されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, this rotation prevention mechanism has a
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16により、回転密封環8へと押圧附勢されている。各スプリング16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16により回転密封環8の密封端面21にこれと同心をなして押圧接触される円環状の密封端面27に構成されている。なお、各静止密封環9に形成される係合凹部23の数(及びこれに係合させるドライブピン(ドライブバー24)の数)MはM≧1の範囲で適宜に設定されるが、この例ではM=1としてある(図3参照)。
Thus, each
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、両体1,2の対向周面部間の環状空間が、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筒13とで囲繞形成されるN個の上記内周側領域たる接続空間5に区画シールされる。
Therefore, in each
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の外周部から保持筒13を貫通して接続空間5に開口されており、その他端部は軸本体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。
As shown in FIGS. 1 and 3, the
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。
As shown in FIG. 1, N
したがって、両体1,2には、第1通路6と第2通路7とを接続空間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。
Therefore, the N and 1
而して、各メカニカルシール4においては、図2及び図3に示す如く、密封環8,9の相対回転摺接面たる密封端面21,27の一方(この例では、静止密封環9の密封端面27)に、潤滑材29を保持させた潤滑材保持用凹部30が形成されていて、ドライ運転条件下(例えば、流路3がガス流動路又は真空吸引路として使用される場合)においても、密封端面21,27が潤滑材29により効果的に潤滑されるように工夫されている。潤滑材保持用凹部30は、図3に示す如く、当該凹部5が形成される密封環9と同心をなす環状凹溝とされている。潤滑材29としては、流路3を流動させる流体28の性状等の使用条件に応じて適宜に選定することができ、一般に、適当粘度の液体潤滑材(例えば、タービンオイル,エンジンオイル,弗素系オイル等)又は固体潤滑材(例えば、自己潤滑性を有する樹脂材料(例えば弗素系樹脂材)や潤滑材を含浸させた多孔質材等からなるもの)が使用される。なお、各メカニカルシール4の密封端面には、必要に応じて、適宜の潤滑
材(例えば、タービンオイルや弗素系オイル等)を塗布しておいてもよい。
Thus, in each
以上のように構成された多流路形ロータリジョイントによれば、N本の流路3が相互に干渉せず各々独立して形成されていることから、N種の流体28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。
According to the multi-channel rotary joint configured as described above, the
そして、各流路3が液体流動路として使用される場合は勿論、ガス流体路や真空吸引路として使用される場合等にあって各メカニカルシール4がドライ運転されるときにも、各メカニカルシール4の密封端面21,27が潤滑材29により潤滑されることから、密封端面21,27が異常発熱して焼き付いたり、異常摩耗したりするようなことがなく、当該メカニカルシール4による流路3のシール機能(接続空間5のシール機能)が長期に亘って良好に発揮され、冒頭で述べた従来ジョイントのように格別の冷却手段を設けておく必要がない。このような効果(冷却手段を必要とすることなく密封端面の発熱,摩耗防止を図りうる点)は、すべての流路3をガス流動路及び/又は真空吸引路として使用する場合には(或いはすべての流路3又は一部の流路3を液体流動路として使用する場合にあっても、冒頭で述べた如く両体1,2の相対回転速度が小さく、流動液体による密封端面21,27の潤滑が期待できない場合には)、ロータリジョイント構造の簡略化,小型化を図る上で極めて重要である。けだし、かかる場合には、すべてのメカニカルシール4の冷却を行う必要があるため、その冷却手段が複雑且つ大型の冷却手段となる結果、ロータリジョイント構造がどうしても複雑化,大型化(軸線方向長さの長尺化)するからである。したがって、本発明によれば、メカニカルシール4の寿命を大幅に向上させ得て、耐久性,信頼性の高いロータリジョイントを提供することができる。
Each
また、上下両端に位置するメカニカルシールを除いて、各メカニカルシール4の回転密封環8をこれに隣接するメカニカルシール4の回転密封環8と兼用しているから、各メカニカルシール4毎に回転密封環8を設ける場合に比して、当該ロータリジョイントの軸線方向長さを短尺化(小形化)することができ、ロータリジョイントの設置スペースが小さい用途にも好適に使用することができる。かかる効果は、必要とされる流路数が多くなればなる程、つまり必要とされるメカニカルシール数が多くなればなる程、顕著となる。
Further, since the
ところで、冒頭で述べた従来ロータリジョイントで使用される各メカニカルシールにあっては、静止密封環の外周部に係合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係合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及び段落番号[0018]の記載を参照)。
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(静止密封環の相対回転を阻止するドライブピン機能)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、従来ジョイントのよう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。
By the way, in each mechanical seal used in the conventional rotary joint described at the beginning, an engagement recess is formed in the outer peripheral portion of the stationary seal ring, and a screw hole or press-fitting hole formed in the case body. A drive pin is attached by screwing or press-fitting the base end portion, and the distal end portion of the drive pin is engaged with an engagement recess of the static seal ring so as to be axially movable relative to each other. Is designed to prevent relative rotation with respect to the case body (for example, FIG. 1 and paragraph number of Patent Document 1). [0018].
However, in such a mechanism for preventing rotation by the drive pin of the stationary sealing ring, the drive pin is only cantilevered by the case body. It was difficult to stably exhibit the function for a long time. That is, since the drive pin is only screwed or press-fitted into the screw hole or press-fitting hole formed in the case body at the base end part, when a bending moment acts on the tip part engaged with the stationary seal ring, There is a risk of loosening between the base end and the screw hole or press-fitting hole, or the drive pin may bend, and the rotation prevention function (hereinafter referred to as “drive pin function”) of the stationary seal ring by the drive pin is stable. It is not demonstrated. In such a state, the sealing function due to the relative rotation between the stationary seal ring and the rotary seal ring is not satisfactorily exhibited. Furthermore, if the use is continued in such a state, the drive pin falls off from the case body, or the base end portion of the drive pin screwed or press-fitted into the screw hole or the press-fitting hole is broken or damaged. The pin function is completely lost, and the sealing function is not performed. In this way, the drive pin is a very minor component of the entire mechanical seal, and its function (drive pin function to prevent relative rotation of the stationary seal ring) is often neglected. If the drive pin function is lost, the entire mechanical seal must be replaced and repaired. Such a problem is particularly remarkable in a multi-channel rotary joint in which a plurality of mechanical seals are arranged in parallel as in a conventional joint. However, a decrease or loss of the drive pin function in one mechanical seal is directly linked to a decrease or loss of function of the entire mechanical seal device.
一方、上記のロータリジョイントに配置される各メカニカルシール4にあっては、ドライブピン24a,24bが静止密封環9との係合個所の両側において環状支持壁10に支持(両端支持)されていることから、ドライブピン24a,24b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、従来ロータリジョイントにおける上記した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機能が低下,喪失するような事態の発生が少なくなり、流体28の流動(又は真空吸引)を良好に行うことができる。また、ドライブピン機能の低下,喪失を確実に防止するために、一般には、各静止密封環9に形成される係合凹部23の数(及びこれに係合させるドライブピン(ドライブバー24)の数)MはM≧2とされるが、上記の如く各ドライブピン24a,24bを両端支持構造としておくと、M≧2としておかずとも、図3に示す如くM=1としても、ドライブピン機能を十分に発揮させることができ、その結果、メカニカルシール構造ひいてはロータリジョイント構造の簡略化を図ることができる。さらに、上記した如く、すべてのドライブピン24a,24bを1本のドライブバー24で兼用するようにすると、各メカニカルシール4毎に各別のドラブピン24a,24bを設ける場合に比して、メカニカルシール構造の更なる簡略化を図ることができる。
On the other hand, in each
なお、本発明に係る多流路形ロータリジョイントは、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。 The multi-channel rotary joint according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed and improved without departing from the basic principle of the present invention.
例えば、上記したロータリジョイントにおいて、図4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24aに係合させるようにしてもよい。この場合、当該各静止密封環9に係合するドライブピン(ドライブバー24の端部)24aは片持ち支持構造をなすものであるが、当該ドライブピン24aが支持壁群10に貫通支持されているドライブバー24の端部で構成されることから、従来ロータリジョイントのように独立したドライブピンの基端部を固定支持させた場合における如き上記問題は生じない。また、全ドライブピンを各々独立した両端支持のドライブピンで構成すること、全ドラブピンを複数本のドライブピンからなる複数のグループに分けて、各グループのドライブピン群を夫々ドライブバーで兼用構成すること、又は全ドライブピンを1本以上の独立したドライブピンと1本以上のドラブピンとで構成することも可能である。図5はその一例を示したもので、全ドライブピンを、2本のドライブピン24aと複数本(4本)のドライブバー24(2本のドライブピン24a,24aを兼用する)とで構成している。
For example, in the above-described rotary joint, as shown in FIG. 4, both ends of the
1 ケース体
2 回転軸体
3 流路
4 メカニカルシール
4A シールユニット
5 接続空間
6 第1通路
7 第2通路
8 回転密封環
9 静止密封環
21 回転密封環の密封端面(相対回転摺接面)
27 静止密封環の密封端面(相対回転摺接面)
28 流体
29 潤滑材
30 潤滑材保持用凹部
DESCRIPTION OF
27 Sealing end face of stationary sealing ring (relative rotational sliding contact surface)
28
Claims (5)
各メカニカルシールが回転軸体の外周部に固定された回転密封環とケース体の内周部に軸線方向に移動可能に保持された静止密封環とを相対回転摺接させるように構成されており、
各メカニカルシールにおける静止密封環を、その外周部に形成した係合凹部に係合させたドライブピンを当該係合凹部に係合する箇所の両側においてケース体に支持させることにより、ケース体に相対回転不能に保持させてあり、
各メカニカルシールにおける両密封環の相対回転摺接面の一方に、潤滑材を保持させた潤滑材保持用凹部を形成してあることを特徴とする多流路形ロータリジョイント。 A plurality of connection spaces that are partitioned and sealed by a plurality of end-face contact type mechanical seals arranged in parallel in the axial direction are formed between the opposing peripheral surface portions of the case body and the rotary shaft body rotatably connected thereto. The multi-channel type is configured to form a series of a plurality of channels formed by communicating and connecting the passages formed in the two bodies through the connection space between the case body and the rotating shaft body. In the rotary joint,
Each mechanical seal is configured to make a relative rotational sliding contact between a rotary seal ring fixed to the outer peripheral portion of the rotary shaft body and a stationary seal ring held movably in the axial direction on the inner peripheral portion of the case body. ,
Relative to the case body, the stationary seal ring in each mechanical seal is supported by the case body on both sides of the portion where the drive pin engaged with the engagement recess is engaged with the engagement recess formed on the outer periphery thereof. Held non-rotatable,
A multi-channel rotary joint characterized in that a lubricant holding recess for holding a lubricant is formed on one of the relative rotational sliding contact surfaces of both seal rings in each mechanical seal.
各メカニカルシールが回転軸体の外周部に固定された回転密封環とケース体の内周部に軸線方向に移動可能に保持された静止密封環とを相対回転摺接させるように構成されており、
各メカニカルシールの静止密封環を、ケース体に支持させたドライブピンを当該静止密封環の外周部に形成した係合凹部に係合させることにより、ケース体に相対回転不能に保持させてあり、
すべての静止密封環について、それらの係合凹部に係合するドライブピンが一本のドライブバーで兼用されており、
各接続空間が隣接する一対のメカニカルシールからなるシールユニットでシールされており、各シールユニットの一方の回転密封環とこれに隣接するシールユニットの一方の回転密封環とが共通の回転密封環で兼用されており、
各メカニカルシールにおける両密封環の相対回転摺接面の一方に、潤滑材を保持させた潤滑材保持用凹部を形成してあることを特徴とする多流路形ロータリジョイント。 A plurality of connection spaces that are partitioned and sealed by a plurality of end-face contact type mechanical seals arranged in parallel in the axial direction are formed between the opposing peripheral surface portions of the case body and the rotating shaft body rotatably connected thereto. The multi-channel type is configured to form a series of a plurality of channels formed by communicating and connecting the passages formed in the two bodies through the connection space between the case body and the rotating shaft body. In the rotary joint,
Each mechanical seal is configured to make a relative rotational sliding contact between a rotary seal ring fixed to the outer peripheral portion of the rotary shaft body and a stationary seal ring held movably in the axial direction on the inner peripheral portion of the case body. ,
The stationary seal ring of each mechanical seal is held in the case body in a relatively non-rotatable manner by engaging a drive pin supported by the case body with an engagement recess formed in the outer periphery of the stationary seal ring.
For all stationary seal rings, the drive pin that engages with the engagement recess is shared by one drive bar ,
Each connection space is sealed with a seal unit composed of a pair of adjacent mechanical seals, and one rotary seal ring of each seal unit and one rotary seal ring of the seal unit adjacent thereto are a common rotary seal ring. It is also used
Each one of the relative rotational sliding surfaces of the seal ring in a mechanical seal, multi-passage type rotary joint characterized tare Rukoto to form a lubricant retaining recess is holding a lubricant.
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