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JP6593863B2 - Rotary joint - Google Patents

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JP6593863B2
JP6593863B2 JP2015046021A JP2015046021A JP6593863B2 JP 6593863 B2 JP6593863 B2 JP 6593863B2 JP 2015046021 A JP2015046021 A JP 2015046021A JP 2015046021 A JP2015046021 A JP 2015046021A JP 6593863 B2 JP6593863 B2 JP 6593863B2
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sealing
seal
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sealing ring
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博之 坂倉
めぐみ 谷口
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Nippon Pillar Packing Co Ltd
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Nippon Pillar Packing Co Ltd
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  • Joints Allowing Movement (AREA)
  • Mechanical Sealing (AREA)
  • Mechanical Treatment Of Semiconductor (AREA)

Description

本発明は、半導体分野等で使用される回転機器(例えば、CMP装置(CMP(Chemical Mechanical Polishing)法による半導体ウエハの表面研摩装置)等)における相対回転部材間で流体を流動させるロータリジョイントに関するものである。   The present invention relates to a rotary joint that allows fluid to flow between relative rotating members in a rotating device (for example, a CMP (Chemical Mechanical Polishing) semiconductor wafer surface polishing apparatus) used in the semiconductor field or the like. It is.

従来のこの種のロータリジョイントとして、特許文献1に開示される如く、ケース体とこれに相対回転自在に連結された回転軸体との間に、回転軸体に固定した炭化ケイ素等の硬質材製の固定密封環とケース体に固定密封環へと押圧附勢された状態で両体の回転軸線方向に移動可能に保持された炭化ケイ素等の硬質材製の可動密封環との対向端面である密封端面の相対回転摺接作用によりシールするように構成された端面接触形メカニカルシールであって可動密封環の密封端面を径方向面幅が微小な尖端形状としたメカニカルシール(以下「ナイフエッジシール」という)を配設して、ケース体に形成したケース体側通路と回転軸体に形成した軸体側通路とをナイフエッジシールでシールされた流路空間を介して接続してなる一連の流路を形成したもの(以下「従来ロータリジョイント」という)が周知である。   As a conventional rotary joint of this type, as disclosed in Patent Document 1, a hard material such as silicon carbide fixed to a rotating shaft body between a case body and a rotating shaft body relatively rotatably connected thereto. At the opposite end face of the fixed sealing ring made of silicon and the movable sealing ring made of a hard material such as silicon carbide held movably in the rotation axis direction of both bodies while being pressed and biased to the fixed sealing ring by the case body An end face contact type mechanical seal configured to seal by a relative rotational sliding action of a certain sealing end face, wherein the sealing end face of the movable sealing ring has a pointed shape with a small radial width (hereinafter referred to as “knife edge”). A series of flow formed by connecting a case body side passage formed in the case body and a shaft body side passage formed in the rotary shaft body through a flow passage space sealed with a knife edge seal. Shape the road The thing (hereinafter referred to as "conventional rotary joint") is well known.

かかる従来ロータリジョイントによれば、流路を流動する流体が固形粒子、凝固性成分等を含有するスラリ流体や高粘度流体である場合にも、これらの流体をナイフエッジシールでシールされた流路において漏れを生じることなく良好に流動させることができる。すなわち、相対回転摺接する両密封端面の一方(可動密封環の密封端面)が径方向面幅の微小な尖端形状とされているナイフエッジシールでは、両密封端面の接触面圧が一般的な端面接触形メカニカルシールに比して高くなることから、密封端面間への固形粒子等のスラリ成分や高粘度流体の侵入を可及的に防止することができ、スラリ流体や高粘度流体であってもこれらを良好にシールすることができるのである。   According to such a conventional rotary joint, even when the fluid flowing in the flow path is a slurry fluid or a high-viscosity fluid containing solid particles, a solidifying component, etc., these flow paths are sealed with a knife edge seal. It can be made to flow well without causing leakage. That is, in a knife edge seal in which one of the two sealing end faces (sealing end face of the movable sealing ring) that makes relative rotational sliding contact has a fine point shape with a radial surface width, the contact surface pressure of both sealing end faces is a general end face. Since it is higher than that of contact type mechanical seals, it is possible to prevent the entry of slurry components such as solid particles and high-viscosity fluid between sealed end faces as much as possible. Can be well sealed.

特開2001−141149公報JP 2001-141149 A

しかし、従来ロータリジョイントにあっては、ナイフエッジシールにおける両密封端面の接触面圧が高いために、両密封環が炭化ケイ素等の硬質材で構成されていることとも相俟って、両密封端面の相対回転摺接により高熱が発生し、両密封端面の相対回転摺接部分が摩耗する虞れがあった。特に、可動密封環の密封端面ではこれが尖端形状に構成されていて、局部的に熱や摩擦力が集中するため、熱歪や摩耗が発生し易い。したがって、長期使用のうちには、可動密封環の密封端面にメカニカルシールによるシール機能(以下「メカニカルシール機能」という)に悪影響を与えるような大きな熱歪や摩耗が生じて、流路のシール部分(流路空間)からの流体漏れを生じる虞れがあり、ロータリジョイントとしての信頼性や耐久性に問題があった。   However, in the conventional rotary joint, since the contact surface pressure of both sealing end faces in the knife edge seal is high, both sealing rings are combined with the fact that both sealing rings are made of a hard material such as silicon carbide. High heat is generated by the relative rotational sliding contact between the end faces, and the relative rotational sliding contact portions of both sealed end faces may be worn. In particular, the sealing end face of the movable sealing ring has a pointed shape, and heat and friction are concentrated locally, so that thermal distortion and wear are likely to occur. Therefore, in the long-term use, the seal end portion of the flow path has a large thermal strain or wear that adversely affects the sealing function by the mechanical seal (hereinafter referred to as “mechanical sealing function”) on the sealing end surface of the movable sealing ring. There is a risk of fluid leakage from the (flow path space), and there is a problem in reliability and durability as a rotary joint.

本発明は、ナイフエッジシールを使用することによる上記した問題を解決して、流路における流体流動を長期に亘って良好に行うことができる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。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a rotary joint that solves the above-mentioned problems caused by using a knife edge seal and can perform fluid flow in a flow path satisfactorily over a long period of time.

本発明は、ケース体とこれに相対回転自在に連結した回転軸体との間に、メカニカルシールでシールされた流路空間を形成すると共に当該メカニカルシールにより当該流路空間と区画された流路外空間を形成し、前記両体間に、ケース体に形成されたケース体側流体通路と回転軸体に形成された軸体側流体通路とを前記流路空間を介して連通接続してなる一連の流路を形成してあり、前記メカニカルシールがケース体及び回転軸体の一方に固定された固定密封環と当該両体の他方にOリングを介して当該両体の回転軸線方向に移動可能に保持された可動密封環とこれを固定密封環へと押圧接触させるべく附勢するスプリングとを具備して、両密封環の対向端面である密封端面の相対回転摺接作用により前記流路空間と流路外空間とを遮蔽シールするように構成されたものであって、可動密封環の密封端面が径方向面幅を微小とする尖端形状に構成されている端面接触形メカニカルシール(ナイフエッジシール)である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、前記流路空間内の流体又は流路外空間内の流体が可動密封環に常時接触して冷却液として機能しうる液体であり、可動密封環の表面部分であって前記Oリングと接触する一定径のOリング接触面、可動密封環の密封端面及び当該密封端面からOリング接触面に至る可動密封環の表面部分であって前記液体と接触する接液面に、当該密封環の構成材に比して熱伝導係数及び硬度が大きい材料からなるコーティング層を一連に形成しておくことを提案するものである。   The present invention forms a flow path space sealed with a mechanical seal between a case body and a rotary shaft connected to the case body so as to be relatively rotatable, and the flow path is partitioned from the flow path space by the mechanical seal. A series of outer space is formed, and a case body side fluid passage formed in the case body and a shaft body side fluid passage formed in the rotating shaft body are connected to each other through the passage space. A flow path is formed, and the mechanical seal is movable in the direction of the rotation axis of the two bodies through a fixed sealing ring fixed to one of the case body and the rotary shaft body and an O-ring to the other of the two bodies. A holding movable seal ring and a spring that urges the movable seal ring to press and contact the fixed seal ring, and the flow path space by the relative rotational sliding action of the seal end faces that are the opposite end faces of both seal rings. Shielding the space outside the flow path In the rotary joint which is an end surface contact type mechanical seal (knife edge seal) configured to have a pointed shape in which the sealing end surface of the movable sealing ring has a small radial surface width. In particular, the fluid in the flow path space or the fluid in the space outside the flow path is a liquid that can always contact the movable seal ring and function as a cooling liquid, and at the surface portion of the movable seal ring. A constant diameter O-ring contact surface that contacts the O-ring, a sealing end surface of the movable sealing ring, and a surface portion of the movable sealing ring that extends from the sealing end surface to the O-ring contact surface, and is in contact with the liquid Furthermore, it is proposed to form a series of coating layers made of a material having a larger thermal conductivity coefficient and hardness than the constituent material of the sealing ring.

かかるロータリジョイントの好ましい実施の形態にあって、前記流路外空間がオイルシールで閉塞されており、当該流路外空間に冷却液が循環供給されている場合においては、当該冷却液と接触する可動密封環の表面部分が前記コーティング層を形成する接液面とされ、また前記流路空間内の流体が可動密封環に常時接触して冷却液として機能しうる液体である場合においては、当該液体と接触する可動密封環の表面部分が前記コーティング層を形成する接液面とされる。また、何れの場合にも前記コーティング層の構成材としてはダイヤモンドが最適する。   In a preferred embodiment of such a rotary joint, when the space outside the flow path is closed with an oil seal and the coolant is circulated and supplied to the space outside the flow path, the space contacts the coolant. In the case where the surface portion of the movable sealing ring is a liquid contact surface forming the coating layer, and the fluid in the flow path space is a liquid that can always contact the movable sealing ring and function as a cooling liquid, A surface portion of the movable sealing ring that comes into contact with the liquid is a liquid contact surface that forms the coating layer. In any case, diamond is the most suitable material for the coating layer.

本発明のロータリジョイントにあっては、尖端形状とした可動密封環の密封端面に当該密封環の構成材に比して硬度が大きい材料からなるコーティング層(以下「密封端面コーティング層」という)を形成したから、相手密封環(固定密封環)の密封端面との相対回転摺接による摩耗や発熱が可及的に抑制される。   In the rotary joint of the present invention, a coating layer (hereinafter referred to as “sealing end surface coating layer”) made of a material having a hardness higher than that of the constituent material of the sealing ring is provided on the sealing end surface of the movable sealing ring having a pointed shape. Since it is formed, wear and heat generation due to relative rotational sliding contact with the sealing end face of the mating sealing ring (fixed sealing ring) are suppressed as much as possible.

また、各可動密封環の密封端面は尖端形状とされているため、相手密封環の密封端面との相対回転摺接により発生する熱が集中して局部的に高熱となるが、本発明のロータリジョイントにあっては、可動密封環のOリング接触面及び接液面に、前記密封端面コーティング層に連なる同材質のコーティング層(以下、Oリング接触面に形成したコーティング層を「Oリング接触面コーティング層」といい、接液面に形成したコーティング層を「接液面コーティング層」という)が形成されているから、可動密封環の密封端面で発生した熱は高熱伝導係数のコーティング層から効果的に放熱、冷却されて、密封端面での局部的な高熱の発生が可及的に防止される。すなわち、密封端面コーティング層、接液面コーティング層及びOリング接触面コーティング層は一連のものであり、可動密封環の構成材に比して熱伝導係数の大きな材料で構成されているから、可動密封環の密封端面で発生した熱は密封端面コーティング層から接液面コーティング層へと伝熱され、さらに接液面コーティング層からOリング接触面コーティング層へと伝熱されることにより、密封端面コーティング層の熱は当該密封端面コーティング層を含むコーティング層全体に分散されて、密封端面コーティング層の温度が低下する。しかも、接液面コーティング層及びOリング接触面コーティング層の一部(Oリング接触面におけるOリングでシールされた箇所から接液面に至るOリング接触面部分に形成されたOリング接触面コーティング層部分)において、これらに常時接触し冷却液として機能しうる液体との熱交換によりコーティング層からの放熱、冷却が効果的に行われる。その結果、可動密封環の密封端面が径方向面幅の微小な尖端形状をなし相手密封環(固定密封環)の密封端面との接触面圧が高い場合にも、両密封端面の相対回転摺接による摩耗量及び発熱量が激減すると共に、ナイフエッジシールのシール機能(メカニカルシール機能)に悪影響を及ぼすような熱歪の発生が可及的に防止される。また、可動該密封環の構成材に比して摩擦係数が小さな材料で構成されるOリング接触面コーティング層により可動密封環とOリングとの相対運動が円滑に行われて、可動密封環の追従性が向上し、上記したこととも相俟ってメカニカルシール機能が良好に発揮される。かかる効果は、特に、コーティング層をダイヤモンドで構成しておくことによって顕著に発揮される。   Further, since the sealing end face of each movable sealing ring has a pointed shape, the heat generated by the relative rotational sliding contact with the sealing end face of the mating sealing ring concentrates and becomes locally hot. In the joint, on the O-ring contact surface and the liquid contact surface of the movable sealing ring, a coating layer of the same material connected to the sealing end surface coating layer (hereinafter referred to as “O-ring contact surface”) is formed. Since the coating layer formed on the wetted surface is called the “wetted surface coating layer”), the heat generated at the sealing end face of the movable sealing ring is effective from the coating layer with a high thermal conductivity coefficient. Thus, heat is released and cooled, and generation of high local heat at the sealed end face is prevented as much as possible. That is, the sealing end surface coating layer, the liquid contact surface coating layer, and the O-ring contact surface coating layer are a series of materials, and are made of a material having a large thermal conductivity coefficient compared to the constituent material of the movable sealing ring. The heat generated at the sealing end face of the sealing ring is transferred from the sealing end face coating layer to the liquid contact surface coating layer, and further from the liquid contact face coating layer to the O-ring contact face coating layer. The heat of the layer is dispersed throughout the coating layer including the sealed end face coating layer, and the temperature of the sealed end face coating layer is lowered. Moreover, a part of the liquid contact surface coating layer and the O ring contact surface coating layer (the O ring contact surface coating formed on the O ring contact surface portion from the portion sealed by the O ring on the O ring contact surface to the liquid contact surface) In the layer portion), the heat radiation and cooling from the coating layer are effectively performed by heat exchange with a liquid that is always in contact with these layers and can function as a cooling liquid. As a result, even if the sealing end face of the movable sealing ring has a small pointed shape with a radial width and the contact surface pressure with the sealing end face of the other sealing ring (fixed sealing ring) is high, the relative rotational sliding of both sealing end faces is possible. The amount of wear and heat generation due to contact is drastically reduced, and the occurrence of thermal strain that adversely affects the sealing function (mechanical sealing function) of the knife edge seal is prevented as much as possible. Also, the relative movement between the movable sealing ring and the O-ring is smoothly performed by the O-ring contact surface coating layer made of a material having a smaller friction coefficient than that of the constituent material of the movable sealing ring. The followability is improved, and in combination with the above, the mechanical seal function is exhibited well. Such an effect is particularly prominent when the coating layer is made of diamond.

したがって、本発明によれば、ナイフエッジシールによる流路のシールを長期に亘って良好に発揮させることができ、従来ロータリジョイントに比して耐久性、信頼性に優れた極めて実用的なロータリジョイントを提供することができる。   Therefore, according to the present invention, the flow path seal by the knife edge seal can be satisfactorily demonstrated over a long period of time, and it is an extremely practical rotary joint that is superior in durability and reliability compared to conventional rotary joints. Can be provided.

図1は本発明に係るロータリジョイントの一例を示す断面図である。FIG. 1 is a sectional view showing an example of a rotary joint according to the present invention. 図2は図1の要部を拡大して示す詳細断面図である。FIG. 2 is a detailed cross-sectional view showing an enlarged main part of FIG. 図3は本発明に係るロータリジョイントの変形例を示す断面図である。FIG. 3 is a sectional view showing a modification of the rotary joint according to the present invention. 図4は図3と異なる位置で断面した当該ロータリジョイントの断面図である。4 is a cross-sectional view of the rotary joint taken along a position different from that in FIG. 図3の要部を拡大して示す詳細断面図である。FIG. 4 is a detailed cross-sectional view showing an enlarged main part of FIG. 3. 図6は本発明に係るロータリジョイントの他の変形例を示す図2相当の要部の断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of the main part corresponding to FIG. 2 showing another modification of the rotary joint according to the present invention. 図7は本発明に係るロータリジョイントの更に他の変形例を示す図2相当の要部の断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view of a main part corresponding to FIG. 2 showing still another modification of the rotary joint according to the present invention. 図8は本発明に係るロータリジョイントの更に他の変形例を示す図2相当の要部の断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view of a main part corresponding to FIG. 2 showing still another modification of the rotary joint according to the present invention. 図9は本発明に係るロータリジョイントの更に他の変形例を示す図2相当の要部の断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view of a main part corresponding to FIG. 2 showing still another modification of the rotary joint according to the present invention. 図10は本発明に係るロータリジョイントの更に他の変形例を示す図2相当の要部の断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view of a main part corresponding to FIG. 2 showing still another modification of the rotary joint according to the present invention. 図11は本発明に係るロータリジョイントの更に他の変形例を示す図5相当の要部の断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view of a main part corresponding to FIG. 5 showing still another modification of the rotary joint according to the present invention. 図12は本発明に係るロータリジョイントの更に他の変形例を示す図5相当の要部の断面図である。FIG. 12 is a cross-sectional view of the main part corresponding to FIG. 5 showing still another modification of the rotary joint according to the present invention. 図13は本発明に係るロータリジョイントの更に他の変形例を示す図5相当の要部の断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view of the main part corresponding to FIG. 5 showing still another modification of the rotary joint according to the present invention. 図14は本発明に係るロータリジョイントの更に他の変形例を示す図5相当の要部の断面図である。FIG. 14 is a cross-sectional view of the main part corresponding to FIG. 5 showing still another modification of the rotary joint according to the present invention.

図1は本発明に係るロータリジョイントの第1の実施の形態を示す断面図であり、図2は図1の要部を拡大して示す詳細断面図である。また、図3は本発明に係るロータリジョイントの第2の実施の形態を示す断面図であり、図4は図3と異なる位置で断面した当該ロータリジョイントの断面図であり、図5は図3の要部を拡大して示す詳細断面図である。なお、以下の説明において、上下とは図1〜図5における上下をいうものとする。   FIG. 1 is a sectional view showing a first embodiment of a rotary joint according to the present invention, and FIG. 2 is a detailed sectional view showing an essential part of FIG. 3 is a cross-sectional view showing a second embodiment of the rotary joint according to the present invention, FIG. 4 is a cross-sectional view of the rotary joint taken along a position different from FIG. 3, and FIG. It is detail sectional drawing which expands and shows the principal part. In the following description, “upper and lower” refers to the upper and lower sides in FIGS.

第1の実施の形態のロータリジョイント(以下「第1ロータリジョイント」という)は、図1に示す如く、ケース体101とこれに相対回転自在に連結した回転軸体102との間に、1個のメカニカルシール103でシールされた流路空間104を形成すると共に当該メカニカルシール103により当該流路空間104と区画された空間であってオイルシール105でシールされた流路外空間106を形成し、前記両体101,102間に、ケース体101に形成されたケース体側流体通路107と回転軸体102に形成された軸体側流体通路108とを前記流路空間104を介して連通接続してなる1個の一連の流路R1を形成してなるものであり、半導体分野等で使用される回転機器(例えば、CMP装置等)における回転機器の相対回転部材間で流体F1を流路R1により流動させるものである。   As shown in FIG. 1, there is one rotary joint (hereinafter referred to as “first rotary joint”) according to the first embodiment between a case body 101 and a rotary shaft body 102 that is relatively rotatably connected thereto. Forming a flow path space 104 sealed with the mechanical seal 103 and forming a space outside the flow path 106 that is separated from the flow path space 104 by the mechanical seal 103 and sealed with the oil seal 105, A case body side fluid passage 107 formed in the case body 101 and a shaft body side fluid passage 108 formed in the rotating shaft body 102 are connected to each other via the flow passage space 104 between the bodies 101 and 102. A series of flow paths R1 is formed, and the relative rotation of the rotating device in a rotating device (for example, a CMP apparatus) used in the semiconductor field or the like. It is intended to flow the fluid F1 by the passage R1 between members.

ケース体101は、図1に示す如く、中心線が上下方向に延びる有底円筒構造をなすもので、円筒状の周壁101aとこれに取り付けられて周壁101aの上端開口部を閉塞する円板状の端部壁101bとからなり、回転機器の固定側部材(例えば、CMP装置の装置本体)に取り付けられる。   As shown in FIG. 1, the case body 101 has a bottomed cylindrical structure whose center line extends in the vertical direction. The case body 101 is a disk-like shape that is attached to the cylindrical peripheral wall 101a and closes the upper end opening of the peripheral wall 101a. And is attached to a fixed side member (for example, an apparatus main body of a CMP apparatus) of a rotating device.

回転軸体102は、図1に示す如く、上下方向に延びる円柱形状をなすものであり、その下端側部分とケース体101の周壁101aの下端部との間に介装した一対のベアリング109a,109bにより、ケース体101に同心をなして回転自在に連結されている。回転軸体102は、当該回転機器の回転側部材(例えば、例えば、CMP装置のトップリング又はターンテーブル)に取り付けられる。   As shown in FIG. 1, the rotating shaft body 102 has a cylindrical shape extending in the vertical direction, and a pair of bearings 109 a interposed between a lower end side portion thereof and a lower end portion of the peripheral wall 101 a of the case body 101, 109b is concentrically connected to the case body 101 so as to be freely rotatable. The rotating shaft body 102 is attached to a rotating side member (for example, a top ring or a turntable of a CMP apparatus) of the rotating device.

メカニカルシール103は、両体101,102の一方(この例では回転軸体102)に固定された固定密封環131と他方(この例ではケース体101)に当該固定密封環131に対向して両体101,102の回転軸線方向(以下、単に「軸線方向」という)に移動可能に保持された可動密封環132と、可動密封環132を固定密封環101へと押圧接触させるべく附勢するスプリング133と具備して、両密封環131,132の上下対向端面である密封端面131a,132aの相対回転摺接作用により当該相対回転摺接部分の内周側領域(両密封環131,132の内周側領域)である流路空間104とその外周側領域である流路外空間106とを遮蔽シールするように構成された端面接触形メカニカルシールであって、当該両密封端面131a,132aの一方を径方向面幅の微小な尖端形状に構成したナイフエッジシールである。   The mechanical seal 103 includes a fixed seal ring 131 fixed to one of the two bodies 101 and 102 (in this example, the rotating shaft body 102) and the other (case body 101 in this example) facing the fixed seal ring 131. A movable sealing ring 132 held so as to be movable in the rotational axis direction of the bodies 101 and 102 (hereinafter simply referred to as “axial direction”), and a spring that urges the movable sealing ring 132 to press and contact the fixed sealing ring 101 133, and by the relative rotational sliding contact action of the sealing end surfaces 131a and 132a which are upper and lower opposing end surfaces of both sealing rings 131 and 132, the inner peripheral side region of the relative rotational sliding contact portion (inside of both sealing rings 131 and 132). An end surface contact type mechanical seal configured to shield and seal the flow path space 104 which is a peripheral side region) and the external flow space 106 which is an outer peripheral side region thereof. Sealing end face 131a, a knife edge seal configured to small apex shape at one radial face width 132a.

すなわち、固定密封環131は、図1及び図2に示す如く、円環状の本体部131bとその下端部に一体形成された円筒状の固定部131cとからなり、固定部131cを、本体部131bの基端面(下端面)を両体101,102の回転軸線(以下、単に「軸線」という)と同心状をなして回転軸体102の先端面(上端面)に衝合させた状態で、回転軸体102の先端部分(上端部分)に嵌合固定されている。本体部131bの先端面(上端面)は、その全面を軸線に直交する平滑な環状平面である密封端面131aに構成されている。固定部131cと回転軸体102との嵌合部分は、キー131dによって相対回転不能とされると共に回転軸体102の外周部に係合させたOリング131eによりシール(二次シール)されている。   That is, as shown in FIGS. 1 and 2, the fixed sealing ring 131 includes an annular main body part 131b and a cylindrical fixing part 131c integrally formed at the lower end thereof, and the fixing part 131c is connected to the main body part 131b. With the base end face (lower end face) concentric with the rotation axis (hereinafter simply referred to as “axis line”) of both bodies 101 and 102 and abutting the tip end face (upper end face) of the rotary shaft body 102, The rotary shaft body 102 is fitted and fixed to the distal end portion (upper end portion). The front end surface (upper end surface) of the main body 131b is configured as a sealed end surface 131a that is a smooth annular plane that is orthogonal to the axis. The fitting portion between the fixed portion 131c and the rotary shaft body 102 is made relatively non-rotatable by the key 131d and is sealed (secondary seal) by an O-ring 131e engaged with the outer peripheral portion of the rotary shaft body 102. .

可動密封環132は、図1及び図2に示す如く、円筒状の本体部132bとその先端近傍部(下端近傍部)から外径方向に一体に張り出す円環状の鍔部132cとからなり、本体部132bの基端部分(上端部分)をケース体101の端部壁101bに形成した保持孔101cにOリング132dを介して嵌合させることにより、ケース体101に固定密封環131と同心状且つ上下対向状をなして軸線方向移動可能(上下方向移動可能)に保持されている。可動密封環132は、図2に示す如く、本体部132bの下端側部分の内周面を下方向に漸次拡径する截頭円錐面として、鍔部132cから下方に突出する本体部132bの先端(下端)を尖端形状となしたものであり、この本体部132bの先端面(下端面)を軸線に直交する平滑平面であって径方向面幅(シール面幅)の微小な密封端面131aに構成している。すなわち、可動密封環132の密封端面132aは、固定密封環131の密封端面131aの径方向略中央部にこれと同心をなして接触するものであり、その径方向面幅は0.1〜0.8mm(より好ましくは0.4〜0.7mm)に設定されている。Oリング132dはケース体101の保持孔101cの内周面に形成したOリング溝101dに係合保持されていて、可動密封環132の本体部132bの外周面であって一定径のOリング接触面132eに軸線方向相対移動可能に圧接(弾性的に接触)している。すなわち、可動密封環103は、ケース体101との間をOリング132dによりシール(二次シール)された状態で、ケース体101に軸線方向相対移動可能に保持されている。なお、可動密封環132は、図2に示す如く、鍔部132cの外周部に形成した係合凹部132fにケース体101の端部壁101bの下端部に植設したドライブピン132gを係合させることにより、軸線方向移動(上下方向移動)を所定範囲で許容された状態でケース体101に対する相対回転を阻止されている。   As shown in FIGS. 1 and 2, the movable sealing ring 132 includes a cylindrical main body portion 132b and an annular flange portion 132c that integrally projects in the outer diameter direction from the vicinity of the tip (near the bottom). The base end portion (upper end portion) of the main body portion 132b is fitted to the holding hole 101c formed in the end wall 101b of the case body 101 via the O-ring 132d, so that the case body 101 is concentric with the fixed sealing ring 131. In addition, it is held so as to be movable in the axial direction (movable in the vertical direction) in a vertically opposed manner. As shown in FIG. 2, the movable sealing ring 132 has a truncated conical surface whose diameter gradually expands downward on the inner peripheral surface of the lower end portion of the main body 132b, and the distal end of the main body 132b that protrudes downward from the flange 132c. (The lower end) has a pointed shape, and the front end surface (lower end surface) of the main body portion 132b is a smooth flat surface perpendicular to the axis and has a minute sealing end surface 131a having a radial surface width (seal surface width). It is composed. That is, the sealing end surface 132a of the movable sealing ring 132 is concentrically in contact with the substantially central portion in the radial direction of the sealing end surface 131a of the fixed sealing ring 131, and its radial surface width is 0.1 to 0. .8 mm (more preferably 0.4 to 0.7 mm). The O-ring 132d is engaged and held in an O-ring groove 101d formed on the inner peripheral surface of the holding hole 101c of the case body 101. The O-ring 132d is an outer peripheral surface of the main body 132b of the movable sealing ring 132 and has a constant diameter O-ring contact. The surface 132e is press-contacted (elastically contacted) so as to be relatively movable in the axial direction. That is, the movable sealing ring 103 is held by the case body 101 so as to be movable in the axial direction while being sealed (secondary seal) with the O-ring 132d between the movable sealing ring 103 and the case body 101. As shown in FIG. 2, the movable sealing ring 132 engages a drive pin 132g planted at the lower end of the end wall 101b of the case body 101 with an engagement recess 132f formed on the outer periphery of the flange 132c. Thus, relative rotation with respect to the case body 101 is prevented in a state where movement in the axial direction (movement in the vertical direction) is allowed within a predetermined range.

スプリング133は、図1及び図2に示す如く、可動密封環132の鍔部132cとケース体1の端部壁101bとの間に装填されていて、可動密封環132を、両密封端面131a,132aが相互に押圧接触せしめられるべく、固定密封環131へと押圧附勢するものである。   As shown in FIGS. 1 and 2, the spring 133 is loaded between the flange 132c of the movable sealing ring 132 and the end wall 101b of the case body 1, and the movable sealing ring 132 is connected to both sealing end surfaces 131a, The fixed seal ring 131 is pressed and urged so that the 132a can be brought into press contact with each other.

オイルシール105は、図1及び図2に示す如く、ケース体101と固定密封環131との対向周面間に配設されて、ゴム等の弾性材製の環状シール部材105aの外周部をケース体101に固定すると共にその内周部(リップシール部)を固定密封環131に弾性的に接触させることにより、ナイフエッジシール3の両密封環131,132の相対回転摺接部分の外周側領域である流路外空間106をシールするものである。環状シール部材105aは、周知のもので、図2に示す如く、金属材(SUS304等)製の補強金具105bが埋設されてケース体101の周壁101aの内周部に内嵌固定された本体部と、回転密封環131の外周面にガータスプリング105cで緊縛、圧接されてシール機能を発揮するリップシール部とからなる。   As shown in FIGS. 1 and 2, the oil seal 105 is disposed between the opposing peripheral surfaces of the case body 101 and the fixed sealing ring 131, and the outer peripheral portion of an annular seal member 105a made of an elastic material such as rubber is used as the case. The outer peripheral side region of the relative rotational sliding contact portion of both the sealing rings 131 and 132 of the knife edge seal 3 is fixed to the body 101 and its inner peripheral part (lip seal part) is brought into elastic contact with the fixed sealing ring 131. The space outside the flow path 106 is sealed. The annular seal member 105a is a well-known member, and as shown in FIG. 2, a main body portion in which a reinforcing metal fitting 105b made of a metal material (SUS304 or the like) is embedded and is fitted and fixed to the inner peripheral portion of the peripheral wall 101a of the case body 101. And a lip seal portion that is tightly bound and pressed against the outer peripheral surface of the rotary seal ring 131 by a garter spring 105c to exert a sealing function.

ケース体101の周壁101aには、図1に示す如く、オイルシール105で閉塞シールされた流路外空間106に冷却液C1を給排する冷却液供給通路106a及び冷却液排出通路106bが形成されていて、流路外空間106に冷却液C1が循環供給されるようになっており、冷却液C1は可動密封環132に常時接触する。冷却液C1としては常温水等の液体が使用されている。なお、ケース体101の周壁101aには、オイルシール105とベアリング109aとの間において両体101,102の対向周面間に開口するドレン113aが形成されている。   As shown in FIG. 1, a cooling liquid supply passage 106 a and a cooling liquid discharge passage 106 b for supplying and discharging the cooling liquid C <b> 1 to the outer space 106 closed and sealed with the oil seal 105 are formed on the peripheral wall 101 a of the case body 101. In addition, the coolant C1 is circulated and supplied to the space 106 outside the flow path, and the coolant C1 is always in contact with the movable sealing ring 132. A liquid such as room temperature water is used as the cooling liquid C1. A drain 113a is formed on the peripheral wall 101a of the case body 101 so as to open between the opposing peripheral surfaces of the two bodies 101 and 102 between the oil seal 105 and the bearing 109a.

ケース体側流体通路107は、図1に示す如く、ケース体1の端部壁101bを保持孔101cへと貫通して可動密封環132の内周部である流路空間4に連通するものであり、前記回転機器の静止側部材に形成された流体通路に接続される。軸体側流体通路108は、図1に示す如く、回転軸体102の中心部を貫通して固定密封環131の内周部である流路空間104に連通するものであり、前記回転機器の回転側部材に形成された流体通路に接続される。したがって、両体101,102間において、図1に示す如く、両流体通路107,108を流路空間104を介して連通接続してなる一連の流路R1により流体F1を流動させることができる。この例では、流体F1が冷却液C1と略同一温度のスラリ流体(例えば、研摩液のように固形粒子等のスラリ成分を含有する液体)であり、これを図1の実線矢印方向に流動させると共に破線矢印方向に真空吸引させるようになっている。   As shown in FIG. 1, the case body-side fluid passage 107 penetrates the end wall 101 b of the case body 1 to the holding hole 101 c and communicates with the flow path space 4 that is the inner peripheral portion of the movable sealing ring 132. , Connected to a fluid passage formed in the stationary side member of the rotating device. As shown in FIG. 1, the shaft body side fluid passage 108 passes through the central portion of the rotating shaft body 102 and communicates with the flow path space 104 that is the inner peripheral portion of the fixed sealing ring 131. It is connected to a fluid passage formed in the side member. Accordingly, the fluid F1 can flow between the two bodies 101 and 102 through a series of flow paths R1 formed by connecting both the fluid passages 107 and 108 through the flow path space 104 as shown in FIG. In this example, the fluid F1 is a slurry fluid having substantially the same temperature as the coolant C1 (for example, a liquid containing a slurry component such as solid particles such as a polishing liquid), and this fluid flows in the direction of the solid arrow in FIG. At the same time, vacuum suction is performed in the direction of the broken line arrow.

ところで、上記メカニカルシール3のバランス比κは、可動密封環132の密封端面132aの内外径と可動密封環132の本体部132bの外径(Oリング接触面132eの径)とで決定されるが、流路R1内が負圧となる場合(流体F1を真空吸引させる場合)にも密封端面131a,132aの接触圧が適正に維持されるように、一般に0≦κ≦0.6となるように設定されている。この例では、κ=0.5に設定してある。   Meanwhile, the balance ratio κ of the mechanical seal 3 is determined by the inner and outer diameters of the sealing end surface 132a of the movable sealing ring 132 and the outer diameter of the main body 132b of the movable sealing ring 132 (the diameter of the O-ring contact surface 132e). In general, 0 ≦ κ ≦ 0.6 so that the contact pressure of the sealed end faces 131a and 132a is properly maintained even when the flow path R1 has a negative pressure (when the fluid F1 is vacuumed). Is set to In this example, κ = 0.5 is set.

而して、密封端面132aを径方向面幅の微小な尖端形状に構成された可動密封環132においては、本発明に従って、前記Oリング接触面132e、密封端面132a及び密封端面132aからOリング接触面132eに至る可動密封環132の表面部分であって前記流路外空間106内の流体である冷却液C1と接触する接液面132hに、当該密封環132の構成材に比して熱伝導係数及び硬度が大きく且つ摩擦係数が小さな材料からなるコーティング層10a,10b,10cが一連に形成されている。なお、密封端面132aからOリング接触面132eに至る可動密封環132の表面部分である接液面132hは、図2に示す如く、密封端面132aの外周縁に連なる本体部132bの先端部(鍔部132cから突出する本体部132bの下端部)の外周面と、その基端縁(上端縁)に連なる鍔部132cの先端面(下端面)と、その外周縁に連なる鍔部132cの外周面(係合凹部132fが形成された部分においては当該係合凹部132fの内周面を含む)と、その基端縁(上端縁)に連なってOリング接触面132eの先端縁(下端縁)に至る鍔部132cの基端面(上端面)とからなる。   Thus, according to the present invention, in the movable sealing ring 132 in which the sealing end surface 132a is configured to have a fine point shape with a radial width, the O-ring contact is made from the O-ring contact surface 132e, the sealing end surface 132a, and the sealing end surface 132a. The surface portion of the movable seal ring 132 that reaches the surface 132e, and is in contact with the liquid contact surface 132h that is in contact with the coolant C1 that is the fluid in the space outside the flow path 106, as compared with the constituent material of the seal ring 132. Coating layers 10a, 10b and 10c made of a material having a large coefficient and hardness and a small friction coefficient are formed in series. As shown in FIG. 2, the liquid contact surface 132h, which is the surface portion of the movable sealing ring 132 extending from the sealing end surface 132a to the O-ring contact surface 132e, is the tip of the main body portion 132b connected to the outer peripheral edge of the sealing end surface 132a. The outer peripheral surface of the main body portion 132b protruding from the portion 132c, the distal end surface (lower end surface) of the flange portion 132c connected to the base end edge (upper edge), and the outer peripheral surface of the flange portion 132c connected to the outer peripheral edge thereof. (In the portion where the engagement recess 132f is formed, the inner peripheral surface of the engagement recess 132f is included) and the base end edge (upper edge) of the engagement recess 132f is connected to the distal end edge (lower end edge) of the O-ring contact surface 132e. It consists of the base end surface (upper end surface) of the collar part 132c which reaches.

すなわち、密封端面132aに密封端面コーティング層10aを形成し、接液面132hに密封端面コーティング層10aに連なる接液面コーティング層10bを形成すると共に、Oリング接触面132eに接液面コーティング層10bに連なるOリング接触面コーティング層10cを形成してある。なお、以下の説明において、密封環とこれに被覆形成されたコーティング層とを区別する必要があるときは、前者を密封環母材という。   That is, the sealing end surface coating layer 10a is formed on the sealing end surface 132a, the liquid contact surface coating layer 10b connected to the sealing end surface coating layer 10a is formed on the liquid contact surface 132h, and the liquid contact surface coating layer 10b is formed on the O-ring contact surface 132e. An O-ring contact surface coating layer 10c is formed in a row. In the following description, when it is necessary to distinguish between a sealing ring and a coating layer formed thereon, the former is referred to as a sealing ring base material.

コーティング層10a,10b,10cの構成材としては、可動密封環132の構成材(密封環母材の構成材)がセラミックス、超硬合金等の如何なる密封環構成材であっても、これより熱伝導係数及び硬度が大きく且つ摩擦係数が小さなダイヤモンドが使用されている。なお、ダイヤモンドコーティング層10a,10b,10cの形成は、熱フィラメント化学蒸着法、マイクロ波プラズマ化学蒸着法、高周波プラズマ法、直流放電プラズマ法、アーク放電プラズマジェット法、燃焼炎法等のコーティング方法によって行われる。   As a constituent material of the coating layers 10a, 10b, and 10c, no matter what the constituent material of the movable sealing ring 132 (the constituent material of the sealing ring base material) is any of the sealing ring constituent materials such as ceramics and cemented carbide. Diamonds having a high conductivity coefficient and hardness and a small friction coefficient are used. The diamond coating layers 10a, 10b, and 10c are formed by a coating method such as a hot filament chemical vapor deposition method, a microwave plasma chemical vapor deposition method, a high frequency plasma method, a direct current discharge plasma method, an arc discharge plasma jet method, or a combustion flame method. Done.

また、第2の実施の形態のロータリジョイント(以下「第2ロータリジョイント」という)は、図3及び図4に示す如く、筒状のケース体1とこれに同心をなして相対回転自在に連結した回転軸体2とを具備し、両体1,2の対向周面間に、4個以上のメカニカルシール3…を両体1,2の回転軸線方向(以下、単に「軸線方向」という)つまり上下方向に縦列させて配置して、隣接するメカニカルシール3,3でシールされた複数個の流路空間4…を形成すると共に、当該流路空間4とメカニカルシール3で区画された空間であって一対のオイルシール5,5でシールされた流路外空間6を形成し、両体1,2間に、ケース体1に形成されたケース体側流体通路7と回転軸体2に形成された軸体側流体通路8とを流路空間4を介して連通してなる一連の複数個の流路R2…(図4参照)を形成したものであり、CMP装置等の回転機器の相対回転部材間で2種以上の流体F2…を各流路R2により各別に流動させるものである。   Further, as shown in FIGS. 3 and 4, the rotary joint of the second embodiment (hereinafter referred to as “second rotary joint”) is concentrically connected to the cylindrical case body 1 so as to be relatively rotatable. The rotating shaft body 2 is provided, and four or more mechanical seals 3 are arranged between the opposing peripheral surfaces of the both bodies 1 and 2 in the rotational axis direction of the both bodies 1 and 2 (hereinafter simply referred to as “axial direction”). That is, a plurality of flow path spaces 4 are arranged in a vertical line in the vertical direction and sealed by the adjacent mechanical seals 3 and 3, and the space defined by the flow path space 4 and the mechanical seal 3 Thus, a space 6 outside the flow path sealed with a pair of oil seals 5, 5 is formed, and formed between the two bodies 1, 2 in the case body side fluid passage 7 formed in the case body 1 and the rotary shaft body 2. The shaft body side fluid passage 8 communicates with the passage space 4 through the passage space 4. A series of a plurality of flow paths R2 (see FIG. 4) are formed, and two or more kinds of fluids F2 flow between the relative rotation members of a rotating device such as a CMP apparatus, respectively, through the flow paths R2. It is something to be made.

ケース体1は、図3及び図4に示す如く、中心線が上下方向に延びる円形内周部を有するもので、上下方向に複数個の環状部分に分割された筒状構造をなす。ケース本体1は、回転機器の固定側部材(例えば、CMP装置の装置本体)に取り付けられる。   As shown in FIGS. 3 and 4, the case body 1 has a circular inner peripheral portion whose center line extends in the vertical direction, and forms a cylindrical structure that is divided into a plurality of annular portions in the vertical direction. The case main body 1 is attached to a fixed side member (for example, an apparatus main body of a CMP apparatus) of a rotating device.

回転軸体2は、図3及び図4に示す如く、軸線が上下方向に延びる円柱状の軸本体21と、これに上下方向に所定間隔を隔てて縦列状に挿通された複数個のスリーブ22…と、軸本体21の上端部に嵌合固定された有底筒状のベアリング受体23とで構成されており、ベアリング受体23とケース体1の上端部との間及び軸本体21の下端部に形成された大径のベアリング受部21aとケース体1の下端部との間に夫々装填した上下一対のベアリング9a,9bによりケース体1の内周部に同心状をなして相対回転自在に支持されている。回転軸体2は、軸本体21の下端部において回転機器の回転側部材(例えば、CMP装置のトップリング又はターンテーブル)に取り付けられる。   As shown in FIGS. 3 and 4, the rotary shaft body 2 includes a cylindrical shaft body 21 having an axial line extending in the vertical direction, and a plurality of sleeves 22 inserted in a vertical row at a predetermined interval in the vertical direction. ... and a bottomed cylindrical bearing receiver 23 fitted and fixed to the upper end portion of the shaft main body 21, and between the bearing receiver 23 and the upper end portion of the case body 1 and of the shaft main body 21. A pair of upper and lower bearings 9a and 9b loaded between a large-diameter bearing receiving portion 21a formed at the lower end portion and the lower end portion of the case body 1 are concentric with the inner peripheral portion of the case body 1 for relative rotation. It is supported freely. The rotating shaft body 2 is attached to a rotating side member (for example, a top ring or a turntable of a CMP apparatus) at a lower end portion of the shaft main body 21.

各メカニカルシール3は、図3に示す如く、回転軸体2に固定した固定密封環31と、これに対向してケース体1に軸線方向に移動可能に保持された可動密封環32と、これを固定密封環31に押圧接触させるスプリング33とを具備して、両密封環31,32の対向端面である密封端面31a,32aの相対回転摺接作用によりその相対回転摺接部分の内周側領域である流路空間4とその外周側領域である流路外空間6とをシールするように構成された端面接触形のメカニカルシールであって、可動密封環32の密封端面32aを径方向面幅の微小な尖端形状に構成したナイフエッジシールである。   As shown in FIG. 3, each mechanical seal 3 includes a fixed sealing ring 31 fixed to the rotating shaft 2, a movable sealing ring 32 that is opposed to the movable sealing ring 32, and is held movably in the axial direction. And a spring 33 that presses and contacts the fixed sealing ring 31, and the inner peripheral side of the relative rotational sliding contact portion by the relative rotational sliding contact action of the sealing end surfaces 31 a, 32 a that are opposite end surfaces of the both sealing rings 31, 32. An end face contact type mechanical seal configured to seal the flow path space 4 as a region and the outer flow path space 6 as an outer peripheral side region thereof, and the sealing end surface 32a of the movable sealing ring 32 is arranged in the radial direction. It is a knife edge seal constructed in the shape of a minute tip with a small width.

この例では、図3及び図4に示す如く、4個のメカニカルシール3を全密封環31…,32…が回転軸線方向に縦列し且つその密封環群31…,32…の両端部(上下端部)に固定密封環31,31が位置する状態で配置されている。すなわち、両固定密封環31,31間に可動密封環32,32が位置するダブルシール配置の一対のメカニカルシール3,3からなる2組のメカニカルシールユニットを軸線方向に縦列配置してある。   In this example, as shown in FIGS. 3 and 4, the four mechanical seals 3 are arranged in such a manner that all the sealing rings 31, 32... The fixed sealing rings 31 and 31 are located at the end). That is, two sets of mechanical seal units composed of a pair of mechanical seals 3 and 3 in a double seal arrangement in which the movable seal rings 32 and 32 are located between the fixed seal rings 31 and 31 are arranged in tandem in the axial direction.

各固定密封環31は、両体1,2の回転軸線(以下、単に「軸線」という)と同心をなす断面方形の円環状体であり、図3及び図4に示す如く、可動密封環32が接触する端面を全面的に軸線に直交する平滑な円環状平面である密封端面31aに構成してある。この例では、1個のメカニカルシール3の固定密封環31とこれに隣接するメカニカルシール3の固定密封環31とを、図3〜図5に示す如く、両端面を密封端面31a,31aとする1個の固定密封環31で兼用している。すなわち、上下方向に縦列する固定密封環群31…のうち両端部(上下端部)に位置する固定密封環31,31を除いて、固定密封環31の両端面を密封端面31a,31aに構成してある。   Each fixed sealing ring 31 is an annular body having a square cross section that is concentric with the rotation axis (hereinafter simply referred to as “axis”) of both bodies 1 and 2, and as shown in FIGS. 3 and 4, the movable sealing ring 32. The end face that is in contact with each other is configured as a sealed end face 31a that is a smooth annular plane perpendicular to the axis. In this example, the fixed sealing ring 31 of one mechanical seal 3 and the fixed sealing ring 31 of the mechanical seal 3 adjacent to this are both sealed end faces 31a and 31a as shown in FIGS. One fixed sealing ring 31 is also used. That is, both end surfaces of the fixed sealing ring 31 are configured as sealing end surfaces 31a and 31a except for the fixed sealing rings 31 and 31 positioned at both ends (upper and lower ends) of the fixed sealing ring group 31 in the vertical direction. It is.

各固定密封環31は、図3及び図4に示す如く、隣接する固定密封環31との相互間隔をスリーブ22によって規制された状態で回転軸体2の軸本体21に嵌合固定されている。すなわち、各固定密封環31は、図3に示す如く、ベアリング受体23をボルト24により軸本体21に締め付けることにより、スリーブ22を介してベアリング受部21aとベアリング受体23との間に挟圧固定されており、軸線方向に等間隔を隔てた縦列状態で回転軸体2に固定されている。なお、各スリーブ22の両端内周部と軸本体21との間には、図3及び図4に示す如く、軸本体21と固定密封環31との嵌合部分をシールするOリング25が装填されている。   As shown in FIGS. 3 and 4, each fixed sealing ring 31 is fitted and fixed to the shaft main body 21 of the rotating shaft body 2 with the interval between the fixed sealing rings 31 being restricted by the sleeve 22. . That is, as shown in FIG. 3, each fixed sealing ring 31 is sandwiched between the bearing receiver 21 a and the bearing receiver 23 via the sleeve 22 by tightening the bearing receiver 23 to the shaft body 21 with the bolt 24. It is pressure-fixed, and is fixed to the rotating shaft body 2 in a tandem state at equal intervals in the axial direction. An O-ring 25 for sealing the fitting portion between the shaft main body 21 and the fixed sealing ring 31 is loaded between the inner peripheral portions of both ends of each sleeve 22 and the shaft main body 21 as shown in FIGS. Has been.

各可動密封環32は、図5に示す如く、軸線と同心をなし且つ先端部32bの内径を基端部32cの内径より小さくした断面略L字状の円環状体であって、先端部32bの先端側内周面を基端方向に漸次縮径する截頭円錐面とすると共に先端部32bの外周面を基端方向に漸次拡径する截頭円錐面とすることにより先端を尖端形状としたものである。各可動密封環32は、その先端部32bの端面(先端面)を径方向面幅が微小で軸線に直交する平滑な円環状平面である密封端面32aに構成したものであり、密封端面32aが固定密封環31の密封端面31aの内外周部分が径方向に食み出す状態で当該密封端面31aに同心状に接触している。可動密封環32の密封端面32aの径方向面幅は、第1ロータリジョイントにおける可動密封環132の密封端面132aと同様に、0.1〜0.8mm(より好ましくは0.4〜0.7mm)に設定されている。各可動密封環32は、図5に示す如く、その基端部32cをケース体1の内周部に突出する環状壁11にOリング32dを介して軸線方向に移動可能に内嵌保持されている。すなわち、環状壁11の内周部には、図5に示す如く、外径を可動密封環32の先端部32bの内径より大きく且つその基端部32cの内径より小さくしたOリング係止部11aと外径を可動密封環32の先端部32bの内径より小さくしたOリング保持部11bとからなる円筒状部分が一体的に突出形成されており、Oリング32dは環状壁11のOリング係止部11aと可動密封環32の先端部32bとの対向端面間において軸線方向移動が規制された状態で可動密封環32の基端部32cと環状壁11のOリング保持部11bとの対向周面間に装填されている。したがって、可動密封環32は、その基端部32cの内周面であって一定径のOリング接触面32eに軸線方向相対移動可能に圧接(弾性的に接触)するOリング32dによりケース体1(環状壁11)との間をシール(二次シール)された状態で、ケース体1に軸線方向相対移動自在に保持されている。なお、可動密封環32は、図3に示す如く、その外周部に形成した係合凹部に環状壁11から軸線方向に突出するドライブピン32fを係合させることにより、軸線方向への相対移動を所定範囲で許容された状態でケース体1に相対回転不能に保持されている。   As shown in FIG. 5, each movable sealing ring 32 is an annular body that is concentric with the axis and has a substantially L-shaped cross section in which the inner diameter of the distal end portion 32b is smaller than the inner diameter of the base end portion 32c. The distal end side inner peripheral surface is a frustoconical surface gradually reducing the diameter in the proximal direction, and the outer peripheral surface of the distal end portion 32b is a frustoconical surface gradually expanding in the proximal direction, whereby the distal end has a pointed shape. It is what. Each movable sealing ring 32 is configured such that the end face (tip face) of the tip end portion 32b is a sealed end face 32a that is a smooth annular plane having a small radial width and orthogonal to the axis. The inner and outer peripheral portions of the sealing end surface 31a of the fixed sealing ring 31 are in concentric contact with the sealing end surface 31a in a state of protruding in the radial direction. The radial width of the sealing end surface 32a of the movable sealing ring 32 is 0.1 to 0.8 mm (more preferably 0.4 to 0.7 mm), similar to the sealing end surface 132a of the movable sealing ring 132 in the first rotary joint. ) Is set. As shown in FIG. 5, each movable sealing ring 32 is fitted and held in an annular wall 11 projecting from the inner peripheral portion of the case body 1 with its base end portion 32c movably in the axial direction via an O-ring 32d. Yes. That is, as shown in FIG. 5, an O-ring engaging portion 11a having an outer diameter larger than the inner diameter of the distal end portion 32b of the movable sealing ring 32 and smaller than the inner diameter of the base end portion 32c is formed on the inner peripheral portion of the annular wall 11. And an O-ring holding portion 11b whose outer diameter is smaller than the inner diameter of the tip end portion 32b of the movable sealing ring 32 are integrally formed so as to project, and the O-ring 32d is an O-ring locking portion of the annular wall 11. Opposing peripheral surfaces of the base end portion 32c of the movable sealing ring 32 and the O-ring holding portion 11b of the annular wall 11 in a state in which the axial movement is restricted between the opposing end surfaces of the portion 11a and the distal end portion 32b of the movable sealing ring 32 It is loaded in between. Therefore, the movable sealing ring 32 is formed on the case body 1 by the O-ring 32d that presses (elastically contacts) the O-ring contact surface 32e having a constant diameter with the O-ring contact surface 32e in the axial direction so as to be relatively movable in the axial direction. In a state of sealing (secondary seal) with the (annular wall 11), the case body 1 is held so as to be relatively movable in the axial direction. As shown in FIG. 3, the movable seal ring 32 is moved relative to the axial direction by engaging a drive pin 32f protruding in the axial direction from the annular wall 11 with an engaging recess formed in the outer peripheral portion thereof. It is held in the case body 1 so as not to be rotatable relative to a predetermined range.

スプリング33は、図1に示す如く、各メカニカルシールユニットにおいて、環状壁11を軸線方向に貫通する連通孔11cに装填されていて、環状壁11の両側に位置する両可動密封環32,32を各固定密封環31へと押圧附勢する共通部材とされている。   As shown in FIG. 1, in each mechanical seal unit, the spring 33 is loaded in a communication hole 11 c penetrating the annular wall 11 in the axial direction, and the movable seal rings 32, 32 positioned on both sides of the annular wall 11 are mounted. It is a common member that presses and urges each fixed sealing ring 31.

両体1,2には、図4に示す如く、各流路空間4に連通する流体通路7,8が形成されており、この例では、両体1,2間に両流体通路7,8と流路空間4とにより両体1,2間で流体F2を各別に流動させる2個の流路R2,R2が形成されている。ケース体1の各ケース側流体通路7は、図4に示す如く、ケース体1を径方向に貫通して形成されており、その一端部が環状壁11の内周面において流路空間4に開口すると共にその他端部が回転機器の固定側部材に形成された流体通路に接続される。回転軸体2に形成された各軸体側流体通路8は、図4に示す如く、軸本体21とスリーブ22との対向周面間に形成された環状のヘッダ空間8aと、スリーブ22を径方向に貫通してヘッダ空間8aと流路空間4とを連通する複数個(1個のみ図示)の連通孔8bと、軸本体21をその下端部から軸線方向に貫通してヘッダ空間8aに開口する流体通路本体8cとで構成されており、流体通路本体8cの下端部は回転機器の回転側部材に形成された流体通路に接続される。なお、各密封環31,32の構成材は流路R2を流動する流体F2の性状等のロータリジョイント使用条件に応じて選択され、一般に炭化ケイ素等のセラミックスや超硬合金等の硬質材で構成される。   As shown in FIG. 4, fluid passages 7 and 8 communicating with the respective flow passage spaces 4 are formed in both bodies 1 and 2. In this example, both fluid passages 7 and 8 are disposed between both bodies 1 and 2. And the flow path space 4 form two flow paths R2 and R2 for allowing the fluid F2 to flow separately between the two bodies 1 and 2. As shown in FIG. 4, each case-side fluid passage 7 of the case body 1 is formed so as to penetrate the case body 1 in the radial direction, and one end thereof is formed in the flow path space 4 on the inner peripheral surface of the annular wall 11. While opening, the other end is connected to a fluid passage formed in the stationary member of the rotating device. As shown in FIG. 4, each shaft body side fluid passage 8 formed in the rotating shaft body 2 has an annular header space 8 a formed between the opposed peripheral surfaces of the shaft main body 21 and the sleeve 22, and the sleeve 22 in the radial direction. A plurality of communication holes 8b (only one is shown) that communicate with the header space 8a and the flow path space 4 and the shaft main body 21 from the lower end thereof in the axial direction and open into the header space 8a. The lower end of the fluid passage main body 8c is connected to a fluid passage formed in the rotation side member of the rotating device. In addition, the constituent material of each sealing ring 31 and 32 is selected according to rotary joint use conditions, such as the property of the fluid F2 which flows through the flow path R2, and is generally comprised with hard materials, such as ceramics, such as silicon carbide, and a cemented carbide. Is done.

両オイルシール5,5は、図3及び図4に示す如く、両ベアリング9a,9b間においてメカニカルシール群3…の両端部に配置されており、軸線方向に並列する密封環群31…,32…の両端部(上下端部)に位置する固定密封環31,31とケース体1の内周部に固定されて固定密封環31,31の外周面に圧接するゴム等の弾性材製の環状シール部材51,51とからなる。各環状シール部材51は、前記環状シール部材105aと同様構造をなす周知のものであり、図5に示す如く、金属材(SUS304等)製の補強金具51aが埋設されてケース体1の内周部に内嵌固定された本体部と、固定密封環31の外周面にガータスプリング51bで緊縛、圧接されてシール機能を発揮するリップシール部とからなる。   As shown in FIGS. 3 and 4, the two oil seals 5 and 5 are disposed at both ends of the mechanical seal group 3 between the bearings 9a and 9b, and the seal ring groups 31 and 32 arranged in parallel in the axial direction. Annular ring made of an elastic material such as rubber that is fixed to the inner peripheral portion of the case body 1 and is in pressure contact with the outer peripheral surface of the fixed sealing ring 31, 31. It consists of seal members 51, 51. Each annular seal member 51 is a well-known member having the same structure as that of the annular seal member 105a. As shown in FIG. 5, a reinforcing metal fitting 51a made of a metal material (SUS304 or the like) is embedded in the inner periphery of the case body 1. And a lip seal portion which is tightly bound and pressed against the outer peripheral surface of the fixed sealing ring 31 by a garter spring 51b and exerts a sealing function.

両体1,2の対向周面間には、各メカニカルシール3における両密封端面31a,32aの相対回転摺接部分の外周側領域と当該外周側領域間を仕切る環状壁11に形成された連通孔11cとで構成される空間であって両オイルシール5,5でシールされた流路外空間6が形成されており、この例では、当該流路外空間6に常温水等の冷却液C2が循環供給され、冷却液C2が可動密封環32に常時接触するようになっている。すなわち、ケース体1には、図3に示す如く、流路外空間6の上下端部に開口して冷却液C2を給排する冷却液供給通路6a及び冷却液排出通路6bが形成されていて、冷却液C2を流路外空間6に循環供給するようになっている。なお、ケース体1には、図3に示す如く、各オイルシール5とベアリング9a,9bとの間において両体1,2の対向周面間に開口するドレン13a,13bが形成されている。   Between the opposing peripheral surfaces of both bodies 1 and 2, communication is formed in an annular wall 11 that partitions the outer peripheral side region of the relative rotational sliding contact portion of both sealed end surfaces 31 a and 32 a of each mechanical seal 3 and the outer peripheral region. A space outside the flow path 6 that is a space formed by the holes 11c and is sealed by both oil seals 5 and 5 is formed. In this example, a cooling liquid C2 such as room temperature water is provided in the space 6 outside the flow path. Is circulated and supplied so that the coolant C2 is always in contact with the movable sealing ring 32. That is, as shown in FIG. 3, the case body 1 is formed with a coolant supply passage 6a and a coolant discharge passage 6b that are opened at the upper and lower ends of the outer space 6 to supply and discharge the coolant C2. The coolant C2 is circulated and supplied to the space 6 outside the flow path. As shown in FIG. 3, the case body 1 is formed with drains 13a and 13b that are opened between the opposing peripheral surfaces of the bodies 1 and 2 between the oil seals 5 and the bearings 9a and 9b.

ところで、この例では、各流路R2を流動する流体F2が冷却液C1と略同一のスラリ流体(例えば、研摩液のように固形粒子等のスラリ成分を含有する液体)であり、これを図4の実線矢印方向に流動させると共に破線矢印方向に真空吸引させるようになっている。このため、各メカニカルシール3は流路空間4内(流路R2内)が正負圧力変動した場合にも対応できる構造とされている。すなわち、各メカニカルシール3のバランス比κを、これは可動密封環32の密封端面32aの内外径と可動密封環32の基端部32cの内径(Oリング接触面32eの径)とで決定されるが、流路R2内が負圧となる場合(流体F2を真空吸引させる場合)にも密封端面31a,32aの接触圧が適正に維持されるように、一般に0≦κ≦0.6となるように設定されている。この例では、κ=0.5に設定してある。   By the way, in this example, the fluid F2 flowing through each flow path R2 is a slurry fluid that is substantially the same as the coolant C1 (for example, a liquid containing a slurry component such as solid particles such as a polishing liquid). It is made to flow in the direction of the solid line arrow 4 and to be vacuum-sucked in the direction of the broken line arrow. For this reason, each mechanical seal 3 has a structure that can cope with fluctuations in positive and negative pressures in the flow path space 4 (in the flow path R2). That is, the balance ratio κ of each mechanical seal 3 is determined by the inner and outer diameters of the sealing end surface 32a of the movable sealing ring 32 and the inner diameter (the diameter of the O-ring contact surface 32e) of the base end portion 32c of the movable sealing ring 32. However, in general, 0 ≦ κ ≦ 0.6 so that the contact pressure of the sealed end faces 31a and 32a is properly maintained even when the flow path R2 has a negative pressure (when the fluid F2 is vacuumed). It is set to be. In this example, κ = 0.5 is set.

而して、密封端面32aを径方向面幅の微小な尖端形状に構成された各可動密封環32においては、本発明に従って、前記Oリング接触面32e、密封端面32a及び密封端面32aからOリング接触面32eに至る可動密封環32の表面部分であって前記流路外空間6内の流体である冷却液C2と接触する接液面32gに、当該密封環32の構成材に比して熱伝導係数及び硬度が大きく且つ摩擦係数が小さな材料からなるコーティング層10d,10e,10fが一連に形成されている。なお、密封端面32aからOリング接触面32eに至る可動密封環32の表面部分である接液面32gは、図5に示す如く、密封端面32aの外周縁に連なる先端部32b及び基端部32cの外周面と、その基端縁に連なってOリング接触面32eの基端縁に至る基端部32cの端面(基端面)とからなる。   Thus, according to the present invention, in each movable sealing ring 32 in which the sealing end surface 32a is formed in a fine point shape with a radial surface width, the O-ring contact surface 32e, the sealing end surface 32a, and the sealing end surface 32a to the O-ring. The surface portion of the movable seal ring 32 that reaches the contact surface 32e, and is in contact with the liquid contact surface 32g that contacts the coolant C2 that is the fluid in the space 6 outside the flow path, as compared with the constituent material of the seal ring 32. Coating layers 10d, 10e, and 10f made of a material having a large conduction coefficient and hardness and a small friction coefficient are formed in series. As shown in FIG. 5, a liquid contact surface 32g, which is a surface portion of the movable sealing ring 32 from the sealing end surface 32a to the O-ring contact surface 32e, has a distal end portion 32b and a proximal end portion 32c that are continuous with the outer peripheral edge of the sealing end surface 32a. And an end surface (base end surface) of the base end portion 32c that continues to the base end edge and reaches the base end edge of the O-ring contact surface 32e.

すなわち、密封端面32aに密封端面コーティング層10dを形成し、接液面32gに密封端面コーティング層10dに連なる接液面コーティング層10eを形成すると共に、Oリング接触面32eに接液面コーティング層10eに連なるOリング接触面コーティング層10fを形成してある。なお、以下の説明において、密封環とこれに被覆形成されたコーティング層とを区別する必要があるときは、前者を密封環母材という。   That is, the sealing end surface coating layer 10d is formed on the sealing end surface 32a, the liquid contact surface coating layer 10e connected to the sealing end surface coating layer 10d is formed on the liquid contact surface 32g, and the liquid contact surface coating layer 10e is formed on the O-ring contact surface 32e. An O-ring contact surface coating layer 10f that is continuous with the above is formed. In the following description, when it is necessary to distinguish between a sealing ring and a coating layer formed thereon, the former is referred to as a sealing ring base material.

コーティング層10d,10e,10fの構成材としては、可動密封環32の構成材(密封環母材の構成材)がセラミックス、超硬合金等の如何なる密封環構成材であっても、これより熱伝導係数及び硬度が大きく且つ摩擦係数が小さなダイヤモンドが使用されている。なお、ダイヤモンドコーティング層10d,10e,10fの形成は、熱フィラメント化学蒸着法、マイクロ波プラズマ化学蒸着法、高周波プラズマ法、直流放電プラズマ法、アーク放電プラズマジェット法、燃焼炎法等のコーティング方法によって行われる。   As a constituent material of the coating layers 10d, 10e, and 10f, no matter what the constituent material of the movable seal ring 32 (the constituent material of the seal ring base material) is any of the seal ring constituent materials such as ceramics and cemented carbide. Diamonds having a high conductivity coefficient and hardness and a small friction coefficient are used. The diamond coating layers 10d, 10e, and 10f are formed by a coating method such as a hot filament chemical vapor deposition method, a microwave plasma chemical vapor deposition method, a high frequency plasma method, a direct current discharge plasma method, an arc discharge plasma jet method, or a combustion flame method. Done.

以上のように構成された第1及び第2ロータリジョイントにあっては、各可動密封環32,132の密封端面32a,132aにその構成材(密封環母材の構成材)より硬度が大きく且つ摩擦係数が小さい材料からなる密封端面コーティング層10a,10dを形成してあることから、従来ロータリジョイントのように固定密封環の密封端面と可動密封環の密封端面とが直接に相対回転する場合つまり密封環母材同士が直接に相対回転摺接する場合に比して、各密封端面32a,132aと相手密封端面(固定密封環31,131の密封端面)31a,131aとの相対回転摺接部分で発生する摩耗量や発熱量が少なくなる。特に、各密封端面コーティング層10a,10dが上記した如くダイヤモンドで構成される場合には、ダイヤモンドが自然界に存在する固体物質で最も硬質のものであり、摩擦係数が炭化ケイ素等のあらゆる密封環構成材に比して極めて低い(一般に、ダイヤモンドの摩擦係数は0.03(μ)であり、あらゆる密封環構成材に比して遥かに低摩擦係数のPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)よりも更に10%以上低い)ものであることから、各可動密封環32,132における密封端面コーティング層10a,10dで被覆された密封端面32a,132aと相手密封環(固定密封環)31,131の密封端面31a,131aとの相対回転摺接によって生じる摩耗や発熱は極めて少ない。   In the first and second rotary joints configured as described above, the sealing end faces 32a and 132a of the movable sealing rings 32 and 132 have a hardness greater than that of the constituent material (the constituent material of the sealing ring base material) and Since the sealing end face coating layers 10a and 10d made of a material having a small friction coefficient are formed, the case where the sealing end face of the fixed sealing ring and the sealing end face of the movable sealing ring directly rotate relative to each other like a conventional rotary joint, that is, Compared with the case where the sealing ring base materials are directly in relative rotational sliding contact with each other, the relative rotational sliding contact portions between the respective sealing end surfaces 32a and 132a and the mating sealing end surfaces (sealing end surfaces of the fixed sealing rings 31 and 131) 31a and 131a. Less wear and heat generation. In particular, when each of the sealing end face coating layers 10a and 10d is made of diamond as described above, diamond is the hardest solid substance existing in nature, and any sealing ring structure such as silicon carbide having a friction coefficient. Very low compared to the material (generally, the friction coefficient of diamond is 0.03 (μ), which is 10 times higher than PTFE (polytetrafluoroethylene), which has a much lower coefficient of friction than any seal ring component. %), The sealing end faces 31a and 132a of the movable sealing rings 32 and 132 covered with the sealing end face coating layers 10a and 10d and the sealing end faces 31a of the mating sealing rings (fixed sealing rings) 31 and 131, respectively. , 131a causes very little wear and heat generation due to the relative rotational sliding contact with 131a.

また、各可動密封環32,132の密封端面32a,132aは尖端形状とされているため、相手密封環31,131の密封端面31a,131aとの相対回転摺接により発生する熱が集中して局部的に高熱となり、密封端面32a,132aにメカニカルシール機能に悪影響を及ぼすような熱歪が生じる虞れがあるが、第1及び第2ロータリジョイントにあっては、このような密封端面32a,132aにおける熱歪の発生が可及的に防止される。   Further, since the sealing end faces 32a and 132a of the movable sealing rings 32 and 132 are pointed, heat generated by relative rotational sliding contact with the sealing end faces 31a and 131a of the mating sealing rings 31 and 131 is concentrated. There is a possibility that heat distortion that may cause high heat locally and adversely affect the mechanical seal function may occur on the sealed end faces 32a and 132a. However, in the first and second rotary joints, such sealed end faces 32a, Generation of thermal strain in 132a is prevented as much as possible.

すなわち、各可動密封環32,132の接液面32g,132hに密封端面コーティング層10a,10dに連なる接液面コーティング層10b,10eを形成すると共に各可動密封環32,132のOリング接触面32e,132eに接液面コーティング層10b,10eに連なるOリング接触面コーティング層10c,10fを形成してあり、これらの密封端面コーティング層10a,10d、接液面コーティング層10b,10e及びOリング接触面コーティング層10c,10fが一連のものであって可動密封環32,132の構成材に比して熱伝導係数の大きな材料で構成されたものであるから、可動密封環32,132の密封端面32a,132aで発生した熱は密封端面コーティング層10a,10dから接液面コーティング層10b,10eへと伝熱され、さらに接液面コーティング層10b,10eからOリング接触面コーティング層10c,10fへと伝熱される。したがって、密封端面コーティング層10a,10cの熱は当該密封端面コーティング層10a,10cを含むコーティング層全体に分散されて、密封端面コーティング層10a,10cの温度が大幅に低下する。しかも、接液面コーティング層10b,10e及びOリング接触面コーティング層10c,10fの一部(Oリング接触面32e,132eにおけるOリング32d,132dの接触箇所から接液面32g,132hに至るOリング接触面32e,132e部分に形成されたOリング接触面コーティング層10c,10f部分)において、これらに常時接触し且つ循環流動する冷却液C1,C2との熱交換により上記接液面コーティング層10b,10e及びOリング接触面コーティング層10c,10fの一部からの放熱、冷却が効果的に行われる。その結果、可動密封環32,132の密封端面32a,132aが径方向面幅の微小な尖端形状をなすために相手密封環(固定密封環)31,131の密封端面31a,131aとの接触面圧が高い場合にも、両密封端面の相対回転摺接による摩耗量及び発熱量が激減すると共に、ナイフエッジシールのシール機能(メカニカルシール機能)に悪影響を及ぼすような熱歪の発生はこれが可及的に防止される。しかも、低摩擦係数のOリング接触面コーティング層10c,10fにより可動密封環32,132とOリング32d,132dとの相対運動が円滑に行われて、可動密封環32,132の追従性が向上し、上記したこととも相俟ってメカニカルシール機能が良好に発揮される。このような効果は、コーティング層10a,10b,10c及び10d,10e,10fを上記の如くダイヤモンドで構成しておくことにより、ダイヤモンドが全ての固体物質で最も熱伝導率が高く、セラミックスや超硬合金等の密封環構成材に比して熱伝導率が極めて高いものである(例えば、炭化ケイ素の熱伝導率が70〜120W/mKであるのに対し、ダイヤモンドの熱伝導率は1000〜2000W/mKである)から、極めて顕著に発揮される。   That is, the liquid contact surface coating layers 10b and 10e connected to the sealing end surface coating layers 10a and 10d are formed on the liquid contact surfaces 32g and 132h of the movable seal rings 32 and 132, and the O ring contact surfaces of the movable seal rings 32 and 132 are formed. O-ring contact surface coating layers 10c and 10f connected to the liquid contact surface coating layers 10b and 10e are formed on 32e and 132e, and the sealed end surface coating layers 10a and 10d, the liquid contact surface coating layers 10b and 10e, and the O ring. Since the contact surface coating layers 10c and 10f are a series and are made of a material having a larger thermal conductivity coefficient than the constituent material of the movable sealing rings 32 and 132, the sealing of the movable sealing rings 32 and 132 is performed. The heat generated at the end faces 32a and 132a is wetted from the sealed end face coating layers 10a and 10d. 10b, then heated to 10e Den, further wetted surface coating layer 10b, O-ring contact surface coating layer 10c from 10e, are heated to 10f Den. Therefore, the heat of the sealing end surface coating layers 10a and 10c is dispersed throughout the coating layer including the sealing end surface coating layers 10a and 10c, and the temperature of the sealing end surface coating layers 10a and 10c is greatly reduced. In addition, a part of the wetted surface coating layers 10b and 10e and the O-ring contact surface coating layers 10c and 10f (the O-rings from the contact points of the O-rings 32d and 132d on the O-ring contact surfaces 32e and 132e to the wetted surfaces 32g and 132h). In the O-ring contact surface coating layers 10c and 10f formed on the ring contact surfaces 32e and 132e), the liquid contact surface coating layer 10b is exchanged by heat exchange with the coolants C1 and C2 that are always in contact with and circulate. , 10e and part of the O-ring contact surface coating layers 10c, 10f are effectively radiated and cooled. As a result, since the sealing end faces 32a and 132a of the movable sealing rings 32 and 132 have a minute tip shape with a radial width, the contact surfaces of the mating sealing rings (fixed sealing rings) 31 and 131 with the sealing end faces 31a and 131a. Even when the pressure is high, the amount of wear and heat generated by the relative rotational sliding contact between both sealed end faces is drastically reduced, and thermal strain that can adversely affect the knife edge seal function (mechanical seal function) is possible. It is prevented as much as possible. In addition, the relative movement between the movable seal rings 32 and 132 and the O-rings 32d and 132d is smoothly performed by the low friction coefficient O-ring contact surface coating layers 10c and 10f, and the followability of the movable seal rings 32 and 132 is improved. In addition, in combination with the above, the mechanical seal function is exhibited well. Such an effect is achieved when the coating layers 10a, 10b, 10c and 10d, 10e, 10f are made of diamond as described above, so that diamond has the highest thermal conductivity among all solid substances, and ceramics or carbide Thermal conductivity is extremely higher than that of sealed ring components such as alloys (for example, the thermal conductivity of silicon carbide is 70 to 120 W / mK, whereas the thermal conductivity of diamond is 1000 to 2000 W. / MK).

したがって、第1及び第2ロータリジョイントによれば、各メカニカルシール3,103における固定密封環31,131と可動密封環32,132との相対回転摺接が適正に行われて、各流路空間4,104が長期に亘って良好にシールされることになり、信頼性及び耐久性に優れたロータリジョイント機能を発揮することができる。   Therefore, according to the first and second rotary joints, the relative sealing and sliding contact between the fixed sealing rings 31 and 131 and the movable sealing rings 32 and 132 in the mechanical seals 3 and 103 is appropriately performed, so 4,104 is sealed well over a long period of time, and a rotary joint function with excellent reliability and durability can be exhibited.

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はなく、本発明の基本原理を逸脱しない範囲で適宜に改良、変更することができる。   The configuration of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately improved and changed without departing from the basic principle of the present invention.

例えば、各メカニカルシール3,103において、固定密封環31,131の密封端面31a,131aに、図6又は図11に示す如く、当該密封環31,131の密封環母材の構成材に比して熱伝導係数及び硬度が大きく且つ摩擦係数が小さな材料(ダイヤモンドが最適する)からなるコーティング層10g,10hを形成しておくことができる。このようにすれば、各可動密封環32,132で発生する熱が、相手密封環31,131のコーティング層10g,10hへと伝熱、分散されることになり、可動密封環32,132の密封端面32a,132aと相手密封環31,131の密封端面31a,131aとの相対回転摺接による熱歪の発生をより効果的に防止することができ、当該相対回転摺接による摩耗量も激減させることができる。さらに、この場合においては、図7又は図12に示す如く、各固定密封環31,131の密封端面31a,131aに前記コーティング層10g,10hを形成すると共に、当該固定密封環31,131における冷却液C1,C2と接触する表面部分(外周面)に、当該コーティング層10g,10hに連なる同材質のコーティング層10i,10jを形成しておくことが好ましい。このようにすれば、上記放熱、冷却効果が更に効果的に発揮される。   For example, in each mechanical seal 3, 103, the sealing end faces 31 a, 131 a of the fixed sealing rings 31, 131 are compared with the constituent materials of the sealing ring base material of the sealing rings 31, 131 as shown in FIG. Thus, the coating layers 10g and 10h made of a material having a large thermal conductivity coefficient and hardness and a small friction coefficient (optimized by diamond) can be formed. If it does in this way, the heat which generate | occur | produces in each movable sealing rings 32 and 132 will be heat-transferred and distributed to the coating layers 10g and 10h of the other sealing rings 31 and 131, and the movable sealing rings 32 and 132 of the movable sealing rings 32 and 132 are carried out. Generation of thermal strain due to relative rotational sliding contact between the sealing end surfaces 32a and 132a and the sealing end surfaces 31a and 131a of the mating sealing rings 31 and 131 can be more effectively prevented, and the amount of wear due to the relative rotational sliding contact is drastically reduced. Can be made. Furthermore, in this case, as shown in FIG. 7 or FIG. 12, the coating layers 10g and 10h are formed on the sealing end faces 31a and 131a of the fixed sealing rings 31 and 131, and the cooling in the fixed sealing rings 31 and 131 is performed. It is preferable to form coating layers 10i and 10j of the same material connected to the coating layers 10g and 10h on the surface portions (outer peripheral surfaces) in contact with the liquids C1 and C2. If it does in this way, the said heat dissipation and cooling effect will be exhibited more effectively.

また、流路空間4,104(流路R1,R2)を流動する流体F1,F2が可動密封環32,132と常時接触して冷却液として機能しうる液体である場合において流路外空間6,106内の流体が窒素ガス等の気体であるときやオイルシール5,105を有さず流路外空間6,106が大気に開放されているときには、当該流体F1,F2による冷却作用が流路外空間6,106内の流体(気体)による冷却作用より期待できることから、図8又は図13に示す如く、各可動密封環32,132における密封端面32a,132a、Oリング接触面32e,132e及び密封端面32a,132aからOリング接触面32e,132eに至る可動密封環32,132の表面部分であって当該流体F1,F2と接触する接液面32h,132iに、当該密封環32,132の密封環母材の構成材に比して熱伝導係数及び硬度が大きく且つ摩擦係数が小さな材料(ダイヤモンドが最適する)からなるコーティング層10a,10c,10k又は10d,10f,10mを一連に形成しておくことが好ましい。すなわち、第1ロータリジョイントにあっては、図8に示す如く、接液面132iが密封端面132aの内周縁に連なる可動密封環132の本体部132bの内周面とその基端縁(上端縁)からOリング接触面132eの基端縁(上端縁)に至る可動密封環132の本体部132bの基端面(上端面)とからなり、この接液面132iに密封端面132aに形成した密封端面コーティング層10aとOリング接触面132eに形成したOリング接触面コーティング層10cとを連結する接液面コーティング層10kを形成しておくのである。また、第2ロータリジョイントにあっては、図13に示す如く、接液面32hが密封端面32aの内周縁からOリング接触面32eの先端縁に至る可動密封環32の先端部32bの内周面であり、この接液面32hに密封端面32aに形成した密封端面コーティング層10dとOリング接触面32eに形成したOリング接触面コーティング層10fとを連結する接液面コーティング層10mを形成しておくのである。このようにすれば、密封端面32a,132aのコーティング層10a,10dで発生する熱が、流体F1,F2と接触するコーティング層10c,10k又は10f,10mへと伝熱、分散されて、流体F1,F2による冷却が行われ、密封端面32a,132aに熱歪が生じることはない。さらに、この場合においては、図9又は図14に示す如く、各固定密封環31,131の密封端面31a,131aに当該密封環31,131の密封環母材の構成材に比して熱伝導係数及び硬度が大きく且つ摩擦係数が小さな材料(ダイヤモンドが最適する)からなるコーティング層10g,10hを形成しておくことが好ましい。   Further, when the fluids F1 and F2 flowing through the flow path spaces 4 and 104 (flow paths R1 and R2) are liquids that are always in contact with the movable sealing rings 32 and 132 and can function as a cooling liquid, the space 6 outside the flow path. , 106 is a gas such as nitrogen gas, or when the fluid passage space 6, 106 is open to the atmosphere without the oil seals 5, 105, the cooling action by the fluids F1, F2 flows. Since it can be expected from the cooling action by the fluid (gas) in the outside space 6, 106, as shown in FIG. 8 or FIG. 13, the sealing end faces 32 a and 132 a and the O-ring contact faces 32 e and 132 e in the movable sealing rings 32 and 132. In addition, the surface portions of the movable sealing rings 32 and 132 extending from the sealing end surfaces 32a and 132a to the O-ring contact surfaces 32e and 132e, which are in contact with the fluids F1 and F2, respectively. Further, the coating layers 10a, 10c, 10k or 10d made of a material (diamond is optimal) having a large thermal conductivity coefficient and hardness and a small friction coefficient as compared with the constituent material of the sealing ring base material of the sealing rings 32 and 132. , 10f, 10m are preferably formed in series. That is, in the first rotary joint, as shown in FIG. 8, the inner peripheral surface of the main body portion 132b of the movable sealing ring 132 in which the liquid contact surface 132i continues to the inner peripheral edge of the sealed end surface 132a and the base end edge (upper end edge). ) To the base end edge (upper end edge) of the O-ring contact surface 132e and the base end face (upper end face) of the main body 132b of the movable sealing ring 132, and the sealed end face formed on the sealing end face 132a on the liquid contact surface 132i. A liquid contact surface coating layer 10k that connects the coating layer 10a and the O ring contact surface coating layer 10c formed on the O ring contact surface 132e is formed in advance. In the second rotary joint, as shown in FIG. 13, the inner periphery of the distal end portion 32b of the movable sealing ring 32 where the liquid contact surface 32h extends from the inner peripheral edge of the sealed end surface 32a to the distal end edge of the O-ring contact surface 32e. A wetted surface coating layer 10m is formed on the wetted surface 32h to connect the sealed end surface coating layer 10d formed on the sealed end surface 32a and the O-ring contact surface coating layer 10f formed on the O-ring contact surface 32e. Keep it. If it does in this way, the heat which generate | occur | produces in coating layer 10a, 10d of sealing end surface 32a, 132a will be heat-transferred and distributed to coating layer 10c, 10k or 10f, 10m which contacts fluid F1, F2, and fluid F1. , F2 is performed, and thermal strain does not occur on the sealed end faces 32a, 132a. Further, in this case, as shown in FIG. 9 or FIG. 14, the heat conduction between the sealing end faces 31 a and 131 a of the fixed sealing rings 31 and 131 is larger than that of the constituent material of the sealing ring base material of the sealing rings 31 and 131. It is preferable to form the coating layers 10g and 10h made of a material having a large coefficient and hardness and a small friction coefficient (diamond is optimal).

ところで、CMP装置等の半導体分野で使用される回転機器にあっては、超純水若しくは純水又は金属イオンの溶出を嫌う流体が使用され、これらの流体をロータリジョイントによりコンタミネーションを生じることなく流動させる必要があるため、ロータリジョイントの流路を流動する流体と接触するメカニカルシール構成部材をパーティクルや金属イオンが発生し難い炭化ケイ素やプラスチックで構成しておくことが提案されている。例えば、特開2003−200344公報に開示される如く、各密封環を炭化ケイ素で構成すると共に密封環以外のロータリジョイント構成部材であって流路を流動する流体と接触する部材をエンジニアリング・プラスチック等のプラスチックで構成しておくのである。しかし、このようなロータリジョイントでは、密封環を金属イオンを溶出する虞れのある超硬合金等で構成しておくことができず、密封環の構成材選択範囲が大幅に制限されることになる。また、密封環が炭化ケイ素で構成されている場合にあって、ロータリジョイントの流路を流動する流体が超純水や純水であるときには、これとの接触により当該密封環にエロージョン・コロージョンが発生する虞れがある。このような場合にあって流路R1,R2を流動する流体F1,F2が可動密封環32,132に常時接触して冷却液として機能しうる液体であるときには、図10又は図14に示す如く、当該流体F1,F2と接触する各密封環31,32又は131,132の表面部分に密封端面31a,32a又は131a,132aを含めて電気絶縁性を有し且つ化学的、物理的に安定なダイヤモンドによるコーティング層10a,10c,10k,10g,10n又は10d,10f,10h,10mを一連に形成しておくことが好ましい。このようにしておけば、可動密封環32,132の密封端面32a,132aにおける摩耗、熱歪の発生を上記の場合と同様に可及的に防止できることは勿論、各密封環31,32又は131,132を金属イオンが溶出する虞れのある超硬合金等や超純水、純水との接触によりエロージョン・コロージョンを発生する虞れのある炭化ケイ素等で構成することができ、各密封環31,32又は131,132の構成材選択範囲が制限されることがない。なお、この場合、各密封環31,32又は131,132以外のロータリジョイント部材であって流路R1,R2を構成する部材における流体F1,F2と接触する面又は部分はプラスチック(例えば、フッ素樹脂やポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリフェニレンスルファイド(PPS)等のエンジニアリング・プラスチック)でコーティング又は構成しておく。このように構成しておけば、各流路R1,R2を流動する流体F1,F2が超純水若しくは純水である場合又は金属イオンの溶出を嫌う流体である場合にも、上記した問題は生じない。   By the way, in a rotating device used in the semiconductor field such as a CMP apparatus, ultrapure water, pure water, or a fluid that dislikes elution of metal ions is used, and these fluids are not contaminated by a rotary joint. Since it is necessary to make it flow, it has been proposed that the mechanical seal constituent member that comes into contact with the fluid flowing in the flow path of the rotary joint is made of silicon carbide or plastic that hardly generates particles or metal ions. For example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-200344, each sealing ring is made of silicon carbide, and a rotary joint constituent member other than the sealing ring that is in contact with the fluid flowing in the flow path is made of engineering plastic or the like. It is made of plastic. However, in such a rotary joint, the sealing ring cannot be made of a cemented carbide or the like that may elute metal ions, and the constituent material selection range of the sealing ring is greatly limited. Become. Further, when the sealing ring is made of silicon carbide and the fluid flowing in the flow path of the rotary joint is ultrapure water or pure water, erosion / corrosion is caused in the sealing ring by contact with the fluid. May occur. In such a case, when the fluids F1 and F2 flowing through the flow paths R1 and R2 are liquids that always contact the movable sealing rings 32 and 132 and can function as a cooling liquid, as shown in FIG. 10 or FIG. The surface portions of the respective sealing rings 31, 32 or 131, 132 that come into contact with the fluids F1, F2 include the sealing end surfaces 31a, 32a or 131a, 132a, and are electrically insulating and chemically and physically stable. It is preferable to form a series of diamond coating layers 10a, 10c, 10k, 10g, 10n or 10d, 10f, 10h, 10m. In this way, it is possible to prevent the occurrence of wear and thermal distortion at the sealing end faces 32a and 132a of the movable sealing rings 32 and 132 as much as possible, as well as the above-mentioned cases. , 132 can be made of cemented carbide or the like that may cause metal ions to elute, ultrapure water, silicon carbide that may cause erosion or corrosion due to contact with pure water, and the like. The component material selection range of 31, 32 or 131, 132 is not limited. In this case, the surfaces or portions of the rotary joint members other than the respective sealing rings 31, 32 or 131, 132 that make up the flow paths R1, R2 and in contact with the fluids F1, F2 are made of plastic (for example, fluororesin Or an engineering plastic such as polyetheretherketone (PEEK) or polyphenylene sulfide (PPS)). If configured in this way, the above-described problems are caused even when the fluids F1 and F2 flowing through the flow paths R1 and R2 are ultrapure water or pure water, or are fluids that dislike elution of metal ions. Does not occur.

また、本発明は、上記した如く両体1,2又は101,102の回転軸線が上下方向に延びる竪型のロータリジョイントに限定されず、当該回転軸線が水平方向に延びる横型のロータリジョイントにも好適に適用することができる。また、本発明は、第1ロータリジョイントのように1個の流路R1を有するもの及び第2ロータリジョイントのように2個の流路R2,R2を有するものに限定されず、3個以上の流路を有する多流路形ロータリジョイントにも好適に適用することができる。さらに、本発明は、特開2002−005365公報に開示される如く、ケース本体と回転軸体との間に複数個のメカニカルシールが同心をなして当該両体の回転軸線に直交する方向(径方向)に並列配置して、隣接するメカニカルシールで流路空間をシールするように構成されたロータリジョイントにも適用することができる。また、本発明は、固定密封環をケース体に設けると共に可動密封環を回転軸体に設けたメカニカルシールを使用するロータリジョイントにも、適用することができる。なお、図6〜図10に示す各ロータリジョイントは、上記した点を除いて図1及び図2に示す第1ロータリジョイントと同一構造をなすものであるから、同一の構成部材については図1及び図2に使用した符号と同一符号を付することによってその詳細な説明は省略する。また、図11〜図14に示す各ロータリジョイントは、上記した点を除いて図3〜図5に示す第2ロータリジョイントと同一構造をなすものであるから、同一の構成部材については図3〜図5に使用した符号と同一符号を付することによってその詳細な説明は省略する。   In addition, the present invention is not limited to the saddle type rotary joint in which the rotation axis of both bodies 1, 2, 101, 102 extends in the vertical direction as described above, but also to a horizontal rotary joint in which the rotation axis extends in the horizontal direction. It can be suitably applied. In addition, the present invention is not limited to the one having one flow path R1 as in the first rotary joint and the one having two flow paths R2 and R2 as in the second rotary joint. The present invention can also be suitably applied to a multi-channel rotary joint having a channel. Further, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-005365, in the present invention, a plurality of mechanical seals are concentric between a case main body and a rotating shaft body, and a direction (diameter perpendicular to the rotating axis line of the two bodies is used. It can also be applied to a rotary joint that is arranged in parallel in the direction) and seals the flow path space with an adjacent mechanical seal. The present invention can also be applied to a rotary joint that uses a mechanical seal in which a fixed sealing ring is provided in a case body and a movable sealing ring is provided in a rotating shaft body. Each of the rotary joints shown in FIGS. 6 to 10 has the same structure as that of the first rotary joint shown in FIGS. 1 and 2 except for the points described above. The same reference numerals as those used in FIG. Moreover, since each rotary joint shown in FIGS. 11-14 has the same structure as the 2nd rotary joint shown in FIGS. 3-5 except the above-mentioned point, about the same component, FIG. The detailed description is abbreviate | omitted by attaching | subjecting the code | symbol same as the code | symbol used for FIG.

1 ケース体
2 回転軸体
3 メカニカルシール
4 流路空間
5 オイルシール
6 流路外空間
6a 冷却液供給通路
6b 冷却液排出通路
7 ケース体側流体通路
8 軸体側流体通路
8a ヘッダ空間
8b 連通孔
8c 流体通路本体
9a ベアリング
9b ベアリング
10a コーティング層
10b コーティング層
10c コーティング層
10d コーティング層
10e コーティング層
10f コーティング層
10g コーティング層
10h コーティング層
10i コーティング層
10j コーティング層
10k コーティング層
10m コーティング層
10n コーティング層
11 環状壁
11a Oリング係止部
11b Oリング保持部
11c 連通孔
13a ドレン
13b ドレン
21 軸本体
21a ベアリング受部
22 スリーブ
23 ベアリング受体
24 ボルト
25 Oリング
31 固定密封環
31a 固定密封環の密封端面
32 可動密封環
32a 可動密封環の密封端面
32b 可動密封環の先端部
32c 可動密封環の基端部
32d Oリング
32e Oリング接触面
32f ドライブピン
32g 接液面
32h 接液面
33 スプリング
51 環状シール部材
51a 補強金具
51b ガータスプリング
101 ケース体
101a 周壁
101b 端部壁
101c 保持孔
101d Oリング溝
102 回転軸体
103 メカニカルシール
104 流路空間
105 オイルシール
105a 環状シール部材
105b 補強金具
105c ガータスプリング
106 流路外空間
106a 冷却液供給通路
106b 冷却液排出通路
107 ケース体側流体通路
108 軸体側流体通路
109a ベアリング
109b ベアリング
113a ドレン
131 固定密封環
131a 固定密封環の密封端面
131b 本体部
131c 固定部
131d キー
131e Oリング
132 可動密封環
132a 可動密封環の密封端面
132b 本体部
132c 鍔部
132d Oリング
132e Oリング接触面
132f 係合凹部
132g ドライブピン
132h 接液面
132i 接液面
133 スプリング
C1 冷却液
C2 冷却液
F1 流体
F2 流体
R1 流路
R2 流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Case body 2 Rotating shaft body 3 Mechanical seal 4 Channel space 5 Oil seal 6 Outer channel space 6a Coolant supply passage 6b Coolant discharge passage 7 Case body side fluid passage 8 Shaft body side fluid passage 8a Header space 8b Communication hole 8c Fluid Passage body 9a Bearing 9b Bearing 10a Coating layer 10b Coating layer 10c Coating layer 10d Coating layer 10e Coating layer 10f Coating layer 10g Coating layer 10h Coating layer 10i Coating layer 10j Coating layer 10k Coating layer 10m Coating layer 10n Coating layer 11 O Ring layer 11 Ring locking portion 11b O-ring holding portion 11c Communication hole 13a Drain 13b Drain 21 Shaft body 21a Bearing receiving portion 22 Sleeve 23 Bearing Body 24 Bolt 25 O-ring 31 Fixed seal ring 31a Sealed end face of fixed seal ring 32 Movable seal ring 32a Sealed end face of movable seal ring 32b Tip of movable seal ring 32c Base end of movable seal ring 32d O-ring 32e O-ring contact Surface 32f drive pin 32g liquid contact surface 32h liquid contact surface 33 spring 51 annular seal member 51a reinforcing metal fitting 51b garter spring 101 case body 101a peripheral wall 101b end wall 101c holding hole 101d O-ring groove 102 rotating shaft body 103 mechanical seal 104 flow path Space 105 Oil seal 105a Annular seal member 105b Reinforcing bracket 105c Garter spring 106 Space outside flow path 106a Coolant supply path 106b Coolant discharge path 107 Case body side fluid path 108 Shaft body side fluid path 109a Bearing 109b Bearing 113a Drain 131 Fixed sealing ring 131a Sealing end surface of fixed sealing ring 131b Main body portion 131c Fixed portion 131d Key 131e O-ring 132 Movable sealing ring 132a Sealing end surface of movable sealing ring 132b Main body portion 132c Hut 132d O-ring 132e O-ring contact Surface 132f Engaging recess 132g Drive pin 132h Liquid contact surface 132i Liquid contact surface 133 Spring C1 Coolant C2 Coolant F1 Fluid F2 Fluid R1 Channel R2 Channel

Claims (1)

ケース体とこれに相対回転自在に連結した回転軸体との対向周面間に、4個以上のメカニカルシールを軸線方向に配置して、隣接するメカニカルシールでシールされた複数個の流路空間を形成すると共に当該メカニカルシールにより当該流路空間と区画された流路外空間を形成し、前記両体間に、ケース体に形成されたケース体側流体通路と回転軸体に形成された軸体側流体通路とを前記流路空間を介して連通接続してなる一連の複数個の流路を形成してあり、
前記メカニカルシールが、回転軸体に固定された固定密封環とケース体にOリングを介して当該両体の回転軸線方向に移動可能に保持された可動密封環とこれを固定密封環へと押圧接触させるべく附勢するスプリングとを具備して、両密封環の対向端面である密封端面の相対回転摺接作用によりその相対回転摺接部分の内周側領域である前記流路空間とその外周側領域である流路外空間とを遮蔽シールするように構成されたものであって、固定密封環がその端面を全面的に密封端面に構成した円環状体であり、可動密封環の密封端面が径方向幅を微小とする尖端形状に構成されている端面接触形メカニカルシールであるロータリジョイントにおいて、
流路空間内の流体が可動密封環に常時接触して冷却液として機能しうる液体であり、流路外空間内の流体が気体であり、
可動密封環の表面部分であって前記Oリングと接触する一定径のOリング接触面、可動密封環の密封端面及び当該密封端面からOリング接触面に至る可動密封環の表面部分であって前記液体と接触する接液面のみに、ダイヤモンドからなるコーティング層を一連に形成すると共に、固定密封環の密封端面のみにダイヤモンドからなるコーティング層を形成してあることを特徴とするロータリジョイント。
A plurality of flow path spaces, in which four or more mechanical seals are arranged in the axial direction between the opposing peripheral surfaces of the case body and the rotary shaft body connected to the case body so as to be relatively rotatable, and are sealed by adjacent mechanical seals. And a space outside the flow path partitioned from the flow path space by the mechanical seal, and between the two bodies, a case body side fluid passage formed in the case body and a shaft body side formed in the rotary shaft body A series of a plurality of flow paths formed by communicating and connecting fluid passages through the flow path space is formed,
Wherein the mechanical seal, times in a fixed stationary seal ring and the case body on the rolling shaft member via the O-ring movably retained movable seal in the direction of the rotation axis of the two body ring and this to the stationary seal ring And a spring energized so as to be in pressure contact with each other, and the flow path space which is the inner peripheral side region of the relative rotational sliding contact portion by the relative rotational sliding contact action of the sealing end surfaces which are the opposite end surfaces of both sealing rings; It is configured to shield and seal the space outside the flow path which is the outer peripheral side region, and the fixed sealing ring is an annular body having its end face entirely configured as a sealing end face, and the movable sealing ring In a rotary joint which is an end surface contact type mechanical seal configured in a pointed shape with a sealed end surface having a small radial width,
Flow of the flow path in the space is a liquid which can function as a coolant in constant contact with the movable seal ring, the fluid flow path out of the space is a gas,
A surface portion of each movable sealing ring, which is a surface portion of an O-ring contact surface having a constant diameter in contact with the O-ring, a sealing end surface of the movable sealing ring, and a movable sealing ring extending from the sealing end surface to the O-ring contact surface. A rotary joint characterized in that a coating layer made of diamond is formed in series only on the liquid contact surface in contact with the liquid, and a coating layer made of diamond is formed only on the sealing end face of each fixed sealing ring.
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