JP5453671B2 - 真空熱処理炉用シーリング機構 - Google Patents

Description

本発明は、概して、真空熱処理炉に関し、より詳しくは、真空熱処理炉の壁を貫通している冷却ファン駆動シャフト用のシーリング機構に関するものである。

公知の真空熱処理炉の多くは、内部ガス冷却システム（ｉｎｔｅｒｎａｌ ｇａｓ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）を有している。そのガス冷却システムは、不活性冷却ガスを加熱された金属部品を通って内部熱交換器を循環させるための内部ガス循環ファンを有している。そのような炉の市販の実施形態のものは、ガス循環ファンを駆動させるための内部取り付け電動機を有している。そのような炉の一例としては、「ＴＵＲＢＯ ＴＲＥＡＴＥＲ」なる登録商標を付して、本願出願人であるイプセン インコーポレイテッドによって販売されている炉がある。

真空熱処理炉の内部は、極度の温度及び圧力状態に晒され易い。熱処理される材料の種類によっては、炉の内部は、３０００°Ｆ（１６５０℃）までの温度に達し、約１０^−５トルの真空度に排気され、約１２バール（１．２ＭＰａ）までの圧力になるまで不活性ガスでバックフィル（ｂａｃｋｆｉｌｌ）させられることがある。そのような運転状態下では、殆どの電動機の有効寿命が著しく短縮され、結果として費用の掛るメインテナンス，修理又は部品交換を余儀なくされ、炉の停止時間が取られることとなる。そのような炉において遭遇する極度の運転状態に関連する問題を克服するために、公知の真空熱処理炉において用いられている電動機の構造が様々な態様で修正されているが、そのような修正の何れもが完全に満足のいくものではない。最も効果的な機能を発揮する設計上の修正であっても、実施するには最も高額な費用が掛る。コストを抑えた修正は、問題に対する信頼性のある解決策を提供するものではない。

炉の容器の内部にファン駆動モータを配置することに代わる望ましい代替案としては、炉の容器内部で遭遇する極度の温度及び圧力に晒され難い炉の外部にモータを配置させることが考えられる。然しながら、ファン駆動モータを炉容器の外部に配置するためには、駆動シャフトが炉の壁を貫通している部位にシールを提供する必要がある。この課題は、１２バール（１．２ＭＰａ）までの或いはそれより高い流体圧力に対するシーリング力を発揮することのできるガス気密シールを効果的に提供すると共に、約１０^−５トル程度に低い真空度を確保するための真空気密シールを効果的に提供することにある。

上述の課題に対する一つの解決策が、米国特許第５，７０９，５４４号（特許文献１）に記載されており、その全ての開示を茲で参照することとする。特許文献１には、二重シール構造が開示されており、この二重シール構造は、炉の壁を貫通しているファン駆動シャフトの部位を取り囲んでいる膨張可能なシールとリップシールとを含んでいる。膨張可能なシールは、膨張した時に駆動シャフトの周囲に真空気密シールを提供する。リップシールは、真空炉が冷却流体で加圧されファンが回転している時に、駆動シャフトの周囲にガス気密シールを提供する。特許文献１に開示された二重シール構造は、効果的なものであることが分かっている。然しながら、リップタイプのガスシールは接触シールであるため、駆動シャフトが作動回転した時に摩耗し易い。リップシールの早期の摩耗を回避するために、或るユーザは駆動シャフトの回転速度を制限させている。駆動シャフトの回転速度を低減させることはリップシールの有効寿命には有益であるが、それは、ファンの冷却効率を低下させることとなる。リップシールの別の欠点は、使用される冷却ガスの圧力が高くなればなるほど、駆動シャフトに接しているリップシールに作用する圧力が高くなるという点にある。シーリング圧が高くなると、リップシールの摩耗率が高くなる。従って、リップシールの早期摩耗を回避するためには、冷却ガスの圧力を制限することも必要となる。圧力が低減されたガスを使用することはリップシールの有効寿命に有益ではあるが、それは、炉内におけるワークロード（ｗｏｒｋ ｌｏａｄ）の冷却効率を低下させることとなる。

上述した欠点に加えて、特許文献１に開示の二重シール構造は、適所に取り付けられ及び組立てられる夥しい数の部品を含んでいるという欠点がある。シールのメインテナンスには、双方のシールと真空炉内においてそれらを支持しているハードウェアとを分解して、再組立てすることが必要となる。その結果、双方のシールをメインテナンスすることが必要となる場合には、炉を長期間停止させなければならない。炉を長期間停止させることは、製品製造工場においては非常に望ましくない。

米国特許第５，７０９，５４４号

本発明は、従来技術に関連する上述の如き欠点を克服した、真空熱処理炉におけるファン駆動シャフトをシーリングするためのシーリング機構及び同シーリング機構を有する真空熱処理炉並びに真空熱処理炉用のファン駆動システムを提供することを課題とする。

本発明の一側面によれば、チャンバーを区画する壁を有する圧力容器と、チャンバー内に配置されて、チャンバー内で冷却ガスを循環させるためのファンと、圧力容器の外部に配置されたモータと、圧力容器の壁に形成された開口を介してファンとモータとに作動的に接続された駆動シャフトを有する真空熱処理炉が得られる。本発明によるこの真空熱処理炉は、圧力容器の壁に形成された開口に隣接して駆動シャフトの回りに配置された二重シール機構を更に有している。この二重シール機構は、駆動シャフトを取り囲んで、膨張した時に、駆動シャフトの回りに真空気密シールを提供する膨張可能な第一のシールを有している。また、この二重シール機構は、第一のシールに近接して駆動シャフトを取り囲んで配置された第二のシールを更に有している。第二のシールは、第二のシールと駆動シャフトとの間にギャップが存在するように寸法付けされた内径を有している。二重シール機構は、第二のシールに隣接して配置されて駆動シャフトと第二のシールとの間のギャップ内にパージング流体を誘導させるためのチャネルを更に有している。

本発明の第二の側面によれば、真空熱処理炉においてファン駆動シャフトをシーリングするためのシーリング装置が得られる。このシーリング装置は、中央開口部を有する環状ハウジングを有している。膨張可能な第一のシールがハウジングの中央開口部を取り囲んで配置されている。第二のシールがハウジングの中央開口部を取り囲んで膨張可能な第一のシールに近接して配置されている。シーリング装置は、中央開口部内にパージング流体を誘導するために第二のシールに近接して環状ハウジングに形成されたチャネルを更に有している。

本発明の第三の側面によれば、真空熱処理炉用のファン駆動システムが得られる。本発明のこの第三の側面によるファン駆動システムは、真空熱処理炉の外部に配置されたモータと、真空炉の壁に形成された開口を介して真空熱処理炉内のファンとモータとに作動的に接続された駆動シャフトを有している。更に、このファン駆動システムは、真空熱処理炉の壁に形成された開口に隣接して駆動シャフトの回りに配置された二重シール機構を有している。この二重シール機構は、駆動シャフトを取り囲んで配置され、且つ、膨張した時に、駆動シャフトの回りに真空気密シールを提供する膨張可能な第一のシールを有している。また、二重シール機構は、第一のシールに近接して駆動シャフトを取り囲んで配置されて駆動シャフトとの間にギャップが存在するように寸法付けされた内径を有する第二のシールを有している。更に、二重シール機構は、第二のシールに隣接して配置されて駆動シャフトと第二のシールとの間のギャップ内にパージング流体を誘導させるためのチャネルを更に有している。

本発明については、その好ましい実施形態に関して添付図面を参照して行った後述の説明を参照することにより、更に明確に理解されるであろう。

茲で、添付図面、特に、図１及び図２を参照すると、本発明による真空熱処理炉１０が図示されている。この真空熱処理炉１０はチャンバー１３を取り囲んでいる圧力容器１２を有し、チャンバー１３内で金属部品が熱処理されるようになっている。圧力容器１２は、それのエンドウォール１５を通して形成された略筒状のソケット１４を有している。

炉内で金属ワークピースが熱処理された後にその金属ワークピース上に冷却ガスを誘導させるための強制ガス冷却システムが真空炉１０内に設けられている。冷却ガスは、窒素，アルゴン，ヘリウム，水素又はそれらガスの少なくとも二つの混合物の如き不活性ガスである。ガス冷却システムは、ガス循環ファン１８と、駆動シャフト２２によってファン１８に接続された駆動モータ２０を有している。冷却ガスがファンによって循環されるにつれて冷却ガスから熱を取り除くために、炉チャンバー１３内に熱交換器が配置されている。駆動モータ２０は、圧力容器１２の外部において取り付け支持されている。非常に高い温度、例えば、２０００〜３０００°Ｆ（１０９３〜１６５０℃）で運転される真空熱処理炉においては、モータ２０は圧力容器１２から一定の距離を離して取り付けるのが好ましい。そのような実施形態においては、モータ２０は、駆動ベルトと綱車との組合せ，チェーンとスプロケットとの組合せ又はギア駆動機構の如き機械的リンクによって駆動シャフト２２と接続される。

ソケット１４内には支持プレート２４が配置されて、チャンバー１３と圧力容器１２外の周囲環境との間の壁即ち隔壁を構成している。その支持プレート２４は開口２８を有し、この開口２８を介して駆動シャフト２２がチャンバー内へ伸びている。二重シール機構３０が、開口２８内に配置され、駆動シャフト２２を取り囲んで支持プレート２４に固定支持されて、真空気密シールとガス気密シールを提供している。図３に示したように、水の如き冷却媒体を誘導するための金属チュービングのコイル７４が、支持プレートの内側で支持プレート２４に近接して駆動シャフト２２の回りに巻回されている。そのチュービング７４は、その両端部において支持プレート２４を貫通して支持プレートの外側へ伸びている。真空シール７８ａ，７８ｂが支持プレート２４を貫通しているチュービング７４の部位の回りに設けられて、チュービング７４の周囲に真空気密シールを提供している。冷却液源との接続のためのコネクタ７６ａ，７６ｂがチュービングの両端に取り付けられている。

茲で、図４〜図７を参照すると、二重シール機構３０がより詳細に図示されている。二重シール機構３０は、膨張可能なシールと非接触シールとを含んだカートリッジとして構成されるのが好ましい。二重シール機構３０は支持プレート２４に適切なファスナーによって取り付けられる環状のハウジング３２を有し、このハウジング３２は、中央開口部を有している。このハウジング３２の内周面には第一の周方向凹部３６が形成されている。この凹部３６は、膨張可能なシール３４を受けるのに適切な寸法に形成されている。膨張可能なシール３４は、膨張することのできる、好ましくは、繊維強化シリコーン又はその他のガス不浸透性・可撓性材料から作られた略リング状のチューブである。そのチューブは、何らかの好適な断面形状を有しているが、長方形又は楕円形の断面を有しているのが好ましい。膨張可能なシール３４の断面は、シール３４が凹部３６内に嵌め合わされ、膨張可能なシール３４が萎んだ時に駆動シャフト２２と接触しないように寸法付けされている。膨張可能なシール３４が膨張した時に、膨張可能なシール３４は凹部３６の範囲を越えて膨らんで駆動シャフト２２の周囲に押しつけられて、駆動シャフトとハウジング３２との間に真空気密シールを提供する。また、ハウジング３２には半径方向に伸びたチャネル３７が形成されていて、膨張可能なシール３４と膨張可能なシール３４を膨張させるための圧力ガス源又はその他の流体源との間の連通ポートを構成している。そのチャネル３７にはガス気密チューブ３８（図２参照）が接続され、支持プレート２４を貫通して圧力ガス源まで伸びている。膨張可能なシール３４が駆動シャフトから十分離れるように収縮することができるようにするために、必要な場合には、チューブ３８を介して膨張可能なシール３４を真空源と接続させることもできる。膨張可能なシールの好適なタイプのものとしては、「ＰＮＥＵＭＡ−ＳＥＡＬ」という登録商標を付して、ニューヨーク，ポーリングに所在のポーリング コーポレイション（Ｐａｗｌｉｎｇ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）の工学製品部によって販売されているものがある。

シールカートリッジ３０は、膨張可能なシール３４の近くに配置された非接触シール４０を更に有している。非接触シール４０は駆動シャフト２２の回りに限定されたクリアランス即ちギャップを提供する。その限定されたギャップは、駆動シャフトがシール材料の顕著な摩耗を引き起こすことなく、何らかの角速度で且つ何らかの炉圧で略自由に回転することを許容するように寸法付けされている。ところで、このギャップを介して炉チャンバーから大気中への少量のガス漏れが生ずる。然しながら、そのガス漏れ率は、ギャップ間隔を適切に選択すること、好ましくは約０．００２〜０．００５インチ（０．０５〜０．１２５ｍｍ）のギャップ間隔を選択することにより、許容レベルに抑えられる。また、ギャップは、ガス漏れ率が圧力容器内における冷却ガス圧を実質的に変化させない程度の少量となるように寸法付けすることができる。本発明の好ましい実施形態においては、「使い慣らす（ｗｅａｒ ｉｎ）」ことの可能なパッキング材が、ギャップを狭め又は除去するためにシャフトの回りに設けられている。そのパッキング材は、シャフトの表面とシールカートリッジの本体との間に適用されて、パッキング材がすり減った後に小さなギャップを作り出す。そのような構想のための好ましいパッキング材料としては、グラファイトロープパッキング（ｇｒａｐｈｉｔｅ ｒｏｐｅ ｐａｃｋｉｎｇ），グラフホイル・リング（ＧＲＡＰＨＦＯＩＬ ｒｉｎｇ），テフロン（登録商標）リング，セラミックファイバーリング又はその他の好ましい材料がある。

図６に示したように、非接触シール４０は環状本体即ちブッシュ４２を含んでいる。ブッシュ４２は、凹部３６に近接してハウジング３２に形成された第二の凹部内に圧入されている。ブッシュ４２は、駆動シャフト２２よりも概して軟質な材料から作られているのが好ましい。本発明の好ましい実施形態においては、ブッシュ４２は、グラファイト−金属合金（ｇｒａｐｈｉｔｅ−ｍｅｔａｌ ａｌｌｏｙ）から機械加工されている。そのような材料の市販形態のものは、「ＧＲＡＰＨＡＬＬＯＹ」という登録商標を付して販売されている。ブッシュ４２は、内周面の回りに形成された周方向の溝４４を有している。ブッシュ４２の外表面と溝４４との間には複数の小さな穿孔４６が形成されている。溝４４と穿孔４６は、ハウジング３２の内周回りに形成されたチャネル溝３９と整列するようにブッシュ４２に設けられている。第二の半径方向チャネル４１がハウジング３２に形成されて、チャネル溝３９とパージングガス供給チューブ（ｐｕｒｇｉｎｇ ｇａｓ ｓｕｐｐｌｙ ｔｕｂｅ）４５（図２参照）との間の連通ポートを構成している。この構成では、炉内部が大気圧より低い圧力（ｓｕｂａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）から超大気圧（ｓｕｐｅｒａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）へ移行した時に外気が炉チャンバー内に吸引されることを阻止するために、パージングガスをブッシュ４２とファン駆動シャフト２２との間のギャップ内に注入させることができる。

本発明の別の実施形態においては、ブッシュ４２は、ブロンズ，他の金属又はブッシュの材料として用いるのに好適な金属合金から作られている。また、少なくとも一つの付随的な溝がブッシュ４２の内周回りに形成されている。図６に示した実施形態においては、複数の付随的な溝４８がブッシュの内周回りに形成されている。より詳述すると、二つの付随的な溝４８が周方向の溝４４の両側に夫々位置するようにブッシュ４２の内周回りに形成されている。これら溝４８には、上述したグラファイトロープパッキングの如きパッキング材を充填するのが好ましい。

本発明によるシールカートリッジの別の実施形態が、図８〜図１０に示されている。このシールカートリッジ１３０は、複数のリング１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃ，１３２ｄ，１３２ｅから構成されたハウジング１３２を有している。リング１３２ｄの内周回りには凹部１３６が設けられている。この凹部１３６内には、上述した実施形態と同様に、膨張可能なシール１３４が配置されている。リング１３２ｄには第一の半径方向チャネル１３７が形成されて、そのチャネル１３７を介して、膨張可能なシール１３４が、膨張可能なシール１３４を膨張及び収縮させるためのインレット／アウトレット・チューブ３８と接続されることを許容している。凹部１３６から長手方向に離れた位置にあるリング１３２ｂの内周回りには第二の凹部即ち溝１３９が形成されている。そのリング１３２ｂには第二の半径方向チャネル１４１が形成されて、チャネル溝１３９とパージングガス供給チューブ４５（図２参照）との間の連通ポートを提供している。この構成では、シールカートリッジ１３０と、ファン駆動シャフトに取り付けられたシーリング面スリーブ１４２との間のギャップ内にパージングガスを注入させることができる。リング１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃの内面の回りには付随的な溝１４８が形成されている。これら溝１４８の各々にはカーボングラファイトリング１４４が配置されて、シーリングを提供している。

シーリング面スリーブ１４２は、シールカートリッジ１３０内に位置する駆動シャフト２２の部位上に嵌め合わされている。シーリング面スリーブ１４２には、止めねじ穴が形成されていて、止めねじ（図示せず）でスリーブ１４２を駆動シャフト２２に接続させることを可能にすることにより、スリーブ１４２は駆動シャフト２２と共に回転させられるようになっている。複数のシーリングリング（図示せず）をシーリング面スリーブ１４２と駆動シャフト２２との間に介装させることを可能にするために、スリーブ１４２の内側面には第一及び第二の溝１４６ａ，１４６ｂが形成されている。スリーブ１４２は、高度に表面仕上げされた、好ましくは、約８ＲＭＳに表面仕上げされた非常に硬い外表面を有している。スリーブ１４２の外表面は、スリーブに非常に硬い面を提供するために、硬いクロムメッキ又は酸化クロム（ＩＩＩ）（Ｃｒ_２Ｏ_３）の如き材料の薄いコーティングで硬化させることが好ましい。そのコーティングは、電着又はプラズマ溶射の如きサーマルスプレー蒸着技術によって付加するのが好ましい。スリーブ表面の硬さと平滑さとが組み合わさって、膨張可能なシール１３４とシールリング１４４のための優れた接触面が提供される。また、スリーブ１４２のその硬く滑らかな表面は、長い寿命を維持するのに適した非常に良好な摩耗耐性をも発揮する。シーリング面スリーブ１４２は簡単に取り替え可能で、駆動シャフト２２自体を傷付け又は摩耗させることを阻止するものであることが理解されるであろう。

茲で、図１１を参照すると、膨張可能なシール３４を膨張及び収縮させ且つ非接触シール４０にパージングガスを提供するためのガスサブシステム（ｇａｓ ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ）１００が図示されている。このガスサブシステム１００は、圧力ガス源１１０を有している。圧力ガスは、窒素，アルゴン，ヘリウム又はそれらの混合物の如き不活性ガスであるのが好ましい。圧力ガス源１１０の出口には逆止め弁１１２が接続されている。ガス供給ラインを分岐させるために、逆止め弁１１２の出口側はＴコネクタ１１３に接続されている。茲に記載のガス供給ラインの全ては、適切なガス気密金具とコネクタとを用いた金属チュービングから構成するのが好ましい。手動遮断弁１１４ａと手動遮断弁１１４ｂとが、膨張可能なシールに至るガス供給ラインと非接触シールに至るガス供給ライン中に夫々配置されている。供給ガスの圧力を予め定めた値にコントロールするための圧力レギュレータ１１６が、遮断弁１１４ａから膨張可能なシールに至る供給ライン中に接続されている。第一のソレノイドバルブ１０２と第二のソレノイドバルブ１０３が、圧力レギュレータ１１６から膨張可能なシールに至るダウンストリームの供給ライン中に接続されている。その供給ラインは、第一及び第二のソレノイドバルブ１０２，１０３の出口から膨張可能なシールに繋がっている。ソレノイドバルブ１０２，１０３と膨張可能なシールとの間のガス供給ラインに圧力スイッチ１０６が接続されている。

遮断弁１１４ｂからのダウンストリームのガス供給ライン中に第二の圧力レギュレータ１１８が接続されている。第三のソレノイドバルブ１０４と第四のソレノイドバルブ１０５が、圧力レギュレータ１１８から非接触シールに至るダウンストリームの供給ライン中に接続されている。この供給ラインは、第三及び第四のソレノイドバルブ１０４，１０５の出口から非接触シールに繋がっている。

茲で、本発明による真空熱処理炉の動作について説明する。真空炉のチャンバー内に金属部品のワークロード（ｗｏｒｋ ｌｏａｄ）が充填された時に、圧力容器がシールされる。典型的な熱処理サイクルは、ワークロードを熱処理温度まで加熱し、選択された時間の間ワークロードを熱処理温度に維持してから加熱システムを停止しつつ、炉のチャンバーを大気圧より低い所望の圧力まで排気させる工程を含んでいる。次に、炉チャンバーを不活性ガスでバックフィル（加圧）して、チャンバー内の圧力が予め選択された超大気圧に達した時に、不活性ガスを、ワークロードを通って内部熱交換器へ循環させるために循環ファンを駆動させるようモータが起動させられる。ゆっくりとした冷却速度が望まれる場合には、炉チャンバーを部分的に大気圧以下の圧力の不活性ガスでバックフィルすることができる。

加熱／排気工程中にファンは作動しないため、駆動シャフトは、その熱処理サイクル期間中は静的な状態にある。圧力スイッチ１０６での圧力セットポイントは、真空を必要とするサイクルを開始し及び又は続けるためにソレノイドバルブ１０３が開成された後の約３秒以内に達するのが好ましい。そのサイクルが、膨張可能なシールが収縮した状態、即ち、ソレノイドバルブ１０３が閉成され且つソレノイドバルブ１０２が開成された状態に一旦達すると、圧力スイッチ１０６からの信号は、システムによってその後は無視される。

ソレノイドバルブ１０３が開成された後の好ましい時間内に、又は、ソレノイドバルブ１０３が開成しているその後の何れかの時間に、圧力スイッチ１０６のセットポイントに達しなかった場合には、アラームが鳴って、加熱／排気サイクルが中止されて、非接触シールと駆動シャフトとの間のギャップ内にパージングガスを注入させるためにソレノイドバルブ１０４が開成される。パージングガスは、炉内に周囲の空気が吸引されるのを阻止するのに十分な圧力でギャップ内に注入される。

シャットダウン後に炉に対する電力が入れられた時に、ソレノイド１０２，１０３，１０４，１０５は電力が切られる正に前の状態のままである。二つのあり得るスタートアップ状態が存在する。膨張可能なシールが膨張して、パージングガスが注入されていない状態、または、膨張可能なシールが収縮して、パージングガスが非接触シールのギャップに供給されている状態がある。電力が真空炉に入れられた後の予め選択された時間、好ましくは、約５分で、ソレノイドバルブ１０３が開成され、ソレノイドバルブ１０５が閉成されることにより、膨張可能なシールが膨張させられ、パージングガスの供給が停止される。その遅延期間があるために、膨張可能なシールが膨張する前に、モータ／ファンの残留回転を完全に停止させることが可能となる。

加熱サイクルの開始時には、炉のパワーリングアップに関して上述したように、好ましくは約５分の、予め設定された遅延期間が存在する。熱処理サイクルが開始される時に、ソレノイドバルブ１０３，１０５は、炉チャンバーが例えば炉真空ポンプによって排気されている間、初期の状態のままである。熱処理サイクルの強制冷却工程が開始されるまで、これらのソレノイドバルブは、その状態のままである。

強制冷却サイクルが開始される時に、ソレノイドバルブ１０３，１０５が電力を切られて、閉成させられる。同時に、ソレノイドバルブ１０２，１０４が開成させられる。ソレノイドバルブ１０２は、炉内へのエアーの吸引を阻止するためにソレノイドバルブ１０４が開成させられた時の後に、予め選択された時間、好ましくは、約３秒間遅れて開成させるのが好ましい。ソレノイドバルブ１０２，１０４が開成状態（通電された状態）にある時に、膨張可能なシールが収縮し、パージングガスが非接触シールのギャップ内に流入する。

膨張可能なシールが収縮して駆動シャフト又はスリーブ面から引っ込むのに十分な時間を提供するために、モータが動き始めるまでにソレノイドバルブ１０２が開成した後、好ましくは約５秒の更に時間的遅延が存在する。冷却ファン駆動モータは、炉チャンバーが冷却ガスでバックフィルされる前に、好ましくは、電力が入れられて、全速力で回転させられる。

冷却サイクルが完了して停止させられた時に、膨張可能なシールを収縮した状態に維持させ、且つ、非接触シールのギャップへのガス注入を継続させるために、ソレノイドバルブ１０２，１０３は開成したままとなる。その遅延期間は、好ましくは約５分である。その遅延期間が経過した後に、ソレノイドバルブ１０３，１０５が再び通電させられて、膨張可能なシールを膨張させ、ガスの注入を停止させる。この遅延によって、膨張可能なシールが膨張する前にファンモータの回転を完全に停止させることができる。何らかの別の冷却機能（真空冷却，静止冷却）のために、膨張可能なシールが膨張し、パージングガスが非接触シールのギャップ内に注入されないように、ソレノイドバルブ１０３，１０５は開成したままとなる。

上述した内容に鑑みて、本発明による二重シール構造に関するいくつかの利点が明らかになったであろう。例えば、本発明による二重シール構造は、双方のシールの何れかが故障し又はすり減った時に簡単に交換することのできるコンパクトなカートリッジとして組立てられている。加えて、本発明によれば、シールの摩耗を最小限に抑えるためにファン駆動シャフトと実質的に接触しないように設計された非接触シールを備えた二重シール構造が提供される。その非接触シールと駆動シャフトとの間には、非常に小さなギャップが提供される。このギャップは、炉が冷却ガスで加圧された時に炉チャンバーからのガス漏れを最小限に抑えるように寸法付けされている。更に、本発明による二重シール構造は、炉が大気圧以下の圧力から超大気圧に移行した時に外気が炉チャンバー内に吸引されないように、非接触シールと駆動シャフトとの間のギャップにパージングガスを提供するための手段を含んでいる。

本発明による真空熱処理炉の一部の部分断面側面図である。 図１に示した真空熱処理炉のモータ／ファン組立体において用いられる二重シール構造の部分断面詳細図である。 図２に示したモータ／ファン組立体の側方から見た斜視図である。 本発明によるシールカートリッジの正面側から見た斜視図である。 図４に示したシールカートリッジの正面図である。 図５のＡ−Ａ線に沿った図４のシールカートリッジの側断面図である。 図５のＣ−Ｃ線に沿った図４のシールカートリッジの側断面図である。 本発明によるシールカートリッジの第二の実施形態の正面側から見た斜視図である。 図８に示したシールカートリッジの正面図である。 図９のＡ−Ａ線に沿った図８のシールカートリッジの側断面図である。 本発明による二重シール構造と共に用いられるニューマチックシステム（ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｓｙｓｔｅｍ）の概略線図である。

Claims (30)

1. 真空熱処理炉であって、
   チャンバーを区画する壁を有する圧力容器と、
   前記チャンバー内に配置されて、前記チャンバー内で冷却ガスを循環させるためのファンと、
   前記圧力容器の外部に配置されたモータと、
   前記圧力容器の前記壁に形成された開口を介して前記ファンと前記モータとに作動的に接続された駆動シャフトと、
   前記圧力容器の前記壁に形成された前記開口に隣接して前記駆動シャフトの回りに配置された二重シール機構を有し、
   前記二重シール機構が、
   中央開口部を有する環状ハウジングと、
   前記環状ハウジングの前記中央開口部と前記駆動シャフトとを取り囲むように前記環状ハウジングに配置されて、膨張した時に、前記駆動シャフトの回りに真空気密シールを提供する膨張可能な第一のシールと、
   前記第一のシールに近接して前記環状ハウジングの前記中央開口部と前記駆動シャフトとを取り囲むように前記環状ハウジングに配置されて、前記駆動シャフトとの間にギャップが存在するように寸法付けされた内径を有する第二のシールと、
   前記第二のシールに隣接して前記環状ハウジングに設けられて、前記駆動シャフトと前記第二のシールとの間の前記ギャップ内にパージング流体を誘導させるための第一のチャネルを有していることを特徴とする真空熱処理炉。
2. 前記膨張可能な第一のシールが、前記中央開口部の回りに形成された環状凹部と、前記環状凹部内に配置されたリング状の膨張可能なチューブと、前記チューブを加圧流体で膨張させるために前記リング状の膨張可能なチューブに接続された手段を有していることを特徴とする、請求項１に記載の真空熱処理炉。
3. 前記膨張可能なシールが、前記膨張可能なリング状チューブに接続されて膨張した当該チューブを収縮させるための手段を含んでいることを特徴とする、請求項２に記載の真空熱処理炉。
4. 前記第二のシールと前記駆動シャフトとの間の前記ギャップが、前記圧力容器の内部が冷却ガスで加圧された時に、前記圧力容器の内部と外部環境との間でのガス漏れを規制することを可能にするように寸法付けされていることを特徴とする、請求項１に記載の真空熱処理炉。
5. 前記ガス漏れの率が前記圧力容器内の冷却ガス圧を変化させることのないように、前記ギャップの間隔が０．０５〜０．１２５ｍｍに設定されていることを特徴とする、請求項４に記載の真空熱処理炉。
6. 前記第二のシールが、
   前記環状ハウジングの前記中央開口部内に嵌り合うように寸法付けされた外径を有する環状本体と、
   前記環状本体の内周回り形成された周方向の第一の溝と、
   前記周方向の第一の溝から前記環状本体の外側面まで半径方向に伸びた複数の開口を有し、前記第一の溝と前記複数の開口とが、前記第一のチャネルと整列するように前記環状本体に設けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の真空熱処理炉。
7. 前記第二のシールが、前記環状本体の内周面回りに形成された一つの第二の周方向の溝と、前記第二の周方向の溝内に配置されたパッキング材を有していることを特徴とする、請求項６に記載の真空熱処理炉。
8. 前記第二のシールが、前記第一の周方向の溝の両側に夫々位置するように前記環状本体の内周面回りに形成された二つの第二の周方向の溝と、当該二つの第二の周方向の溝内に夫々配置されたパッキング材を有していることを特徴とする、請求項６に記載の真空熱処理炉。
9. 前記環状ハウジングが半径方向に伸びた第二のチャネルを有し、前記第二のチャネルが、前記第一のチャネルと連通する第一の端部と、前記環状ハウジングの外側面で開口している第二の端部を有し、それにより、加圧流体が前記第一の周方向の溝内に誘導されるようになっていることを特徴とする、請求項６に記載の真空熱処理炉。
10. 前記圧力容器の前記壁に取り付けられた支持プレートを有し、前記モータが前記支持プレートの外側に配置され、前記二重シール機構が前記支持プレートの内側に配置され、前記支持プレートが前記二重シール機構を冷却するための冷却媒体を誘導するためのチュービングのコイルを備えていることを特徴とする、請求項１に記載の真空熱処理炉。
11. 真空熱処理炉においてファン駆動シャフトの回りに配置されて、該駆動シャフトをシーリングするためのシーリング装置であって、
    中央開口部を有する環状ハウジングと、
    前記ハウジングの前記中央開口部と前記駆動シャフトとを取り囲むように前記環状ハウジングに配置されて、膨脹した時に、前記駆動シャフトの回りに真空気密シールを提供する膨張可能な第一のシールと、
    前記ハウジングの前記中央開口部と前記駆動シャフトとを取り囲むように前記膨張可能な第一のシールに近接して前記環状ハウジングに配置された第二のシールと、
    前記第二のシールに近接して前記環状ハウジングに形成されて、前記中央開口部内にパージング流体を誘導させるための第一のチャネルを有していることを特徴とするシーリング装置。
12. 前記膨張可能な第一のシールが、
    前記中央開口部を取り囲んで前記環状ハウジングに形成された環状凹部と、
    前記環状凹部内に配置された膨張可能なリング状チューブと、
    前記膨張可能なリング状チューブに接続されて前記チューブを圧力流体で膨張させるための手段を有していることを特徴とする、請求項１１に記載のシーリング装置。
13. 前記膨張可能な第一のシールが、前記膨張可能なリング状チューブに接続されて膨張された前記膨張可能なチューブを収縮させるための手段を有していることを特徴とする、請求項１２に記載のシーリング装置。
14. 前記第二のシールが、
    前記環状ハウジングの前記中央開口部内に嵌り合うように寸法付けされた外径を有する環状本体と、
    前記環状本体の内周回りに形成された第一の周方向の溝と、
    前記第一の周方向の溝から前記環状本体の外側面まで半径方向に伸びた複数の開口を有し、前記第一の周方向の溝と前記複数の開口とが、前記第一のチャネルと整列するように前記環状本体に設けられていることを特徴とする、請求項１１に記載のシーリング装置。
15. 前記第二のシールが、前記環状本体の内周面回りに形成された一つの第二の周方向の溝と、前記第二の周方向の溝内に配置されたパッキング材を有していることを特徴とする、請求項１４に記載のシーリング装置。
16. 前記第二のシールが、前記第一の周方向の溝の両側に夫々位置するように前記環状本体の内周面回りに形成された二つの第二の周方向の溝と、当該二つの周方向の溝内に夫々配置されたパッキング材を有していることを特徴とする、請求項１４に記載のシーリング装置。
17. 前記環状ハウジングが半径方向に伸びた第二のチャネルを有し、前記第二のチャネルが、前記第一のチャネルと連通する第一の端部と、前記環状ハウジングの外側面で開口している第二の端部を有し、それにより、加圧流体が前記第一の周方向の溝内に誘導されるようになっていることを特徴とする、請求項１４に記載のシーリング装置。
18. 前記第二のシールが、
    前記環状ハウジングの前記中央開口部と嵌り合うように寸法付けされた外径と駆動シャフト上に嵌り合うように寸法付けされた中央開口部とを有するスリーブと、
    前記環状ハウジングの中央開口部の周回りに形成された第一の周方向の溝と、
    前記第一の周方向の溝と連通した第一の端部と前記環状ハウジングの外側面で開口している第二の端部とを有する半径方向へ伸びた第二のチャネルを有し、それにより、圧力流体を前記第一の周方向の溝内に誘導させることができるようになっている、請求項１１に記載のシーリング装置。
19. 前記環状ハウジングが、前記環状ハウジングの内周回りに形成された一つの第二の周方向の溝と、前記第二の周方向の溝内に配置されたパッキング材を有していることを特徴とする、請求項１８に記載のシーリング装置。
20. 前記環状ハウジングが、前記環状ハウジングの内周回りに形成された三つの第二の周方向の溝と、前記三つの第二の周方向の溝の各々内に配置されたパッキング材を有していることを特徴とする、請求項１８に記載のシーリング装置。
21. チャンバーを区画する壁を有する圧力容器と、前記チャンバー内に配置されて、前記チャンバー内で冷却ガスを循環させるためのファンを有する真空熱処理炉におけるファン駆動システムであって、
    前記圧力容器の外部に配置されたモータと、
    前記圧力容器の前記壁に形成された開口を介して前記ファンと前記モータとに作動的に接続された駆動シャフトと、
    前記圧力容器の前記壁に形成された前記開口に隣接して前記駆動シャフトの回りに配置された二重シール機構を有し、
    前記二重シール機構が、
    中央開口部を有する環状ハウジングと、
    前記環状ハウジングの前記中央開口部と前記駆動シャフトとを取り囲むように前記環状ハウジングに配置されて、膨張した時に、前記駆動シャフトの回りに真空気密シールを提供する膨張可能な第一のシールと、
    前記第一のシールに近接して前記環状ハウジングの前記中央開口部と前記駆動シャフトとを取り囲むように前記環状ハウジングに配置されて、前記駆動シャフトとの間にギャップが存在するように寸法付けされた内径を有する第二のシールと、
    前記第二のシールに隣接して前記環状ハウジングに設けられて、前記駆動シャフトと前記第二のシールとの間の前記ギャップ内にパージング流体を誘導させるための第一のチャネルを有していることを特徴とするファン駆動システム。
22. 前記膨張可能な第一のシールが、前記環状ハウジングの前記中央開口部の周回りに形成された環状凹部と、前記環状凹部内に配置されたリング状の膨張可能なチューブと、前記チューブを加圧流体で膨張させるために前記リング状の膨張可能なチューブに接続された手段を有していることを特徴とする、請求項２１に記載のファン駆動システム。
23. 前記膨張可能なシールが、前記膨張可能なチューブに接続されて膨張した当該チューブを収縮させるための手段を含んでいることを特徴とする、請求項２２に記載のファン駆動システム。
24. 前記第二のシールと前記駆動シャフトとの間の前記ギャップが、前記圧力容器の内部が冷却ガスで加圧された時に、前記圧力容器の内部と外部環境との間のガス漏れを規制することを可能にするように寸法付けされていることを特徴とする、請求項２２に記載のファン駆動システム。
25. 前記ガス漏れの率が前記圧力容器内の冷却ガス圧を変化させることのないように、前記ギャップの間隔が０．０５〜０．１２５ｍｍに設定されていることを特徴とする、請求項２４に記載のファン駆動システム。
26. 前記第二のシールが、
    前記環状ハウジングの前記中央開口部内に嵌り合うように寸法付けされた外径を有する環状本体と、
    前記環状本体の内周回り形成された第一の周方向の溝と、
    前記第一の周方向の溝から前記環状本体の外側面まで半径方向に伸びた複数の開口を有し、前記第一の周方向の溝と前記複数の開口とが、前記第一のチャネルと整列するよう前記環状本体に設けられていることを特徴とする、請求項２１又は２２に記載のファン駆動システム。
27. 前記第二のシールが、前記環状本体の内周面回りに形成された一つの第二の周方向の溝と、前記第二の周方向の溝内に配置されたパッキング材を有していることを特徴とする、請求項２６に記載のファン駆動システム。
28. 前記第二のシールが、前記第一の周方向の溝の両側に夫々位置するように前記環状本体の内周面回りに形成された二つの周方向の溝と、当該二つの周方向の溝内に夫々配置されたパッキング材を有していることを特徴とする、請求項２６に記載のファン駆動システム。
29. 前記環状ハウジングが半径方向に伸びた第二のチャネルを有し、前記第二のチャネルが、前記第一のチャネルと連通する第一の端部と、前記環状ハウジングの外側面で開口している第二の端部を有し、それにより、加圧流体が前記第一の周方向の溝内に誘導されるようになっていることを特徴とする、請求項２６に記載のファン駆動システム。
30. 前記圧力容器の前記壁に取り付けられた支持プレートを有し、前記モータが前記支持プレートの外側に配置され、前記二重シール機構が前記支持プレートの内側に配置され、前記支持プレートが前記二重シール機構を冷却するための冷却媒体を誘導するためのチュービングのコイルを備えていることを特徴とする、請求項２１に記載のファン駆動システム。

Images