CN106537006A - 机械密封和游动环 - Google Patents

Abstract

本发明的机械密封(100)用于提高游动环(130)和旋转环(110)之间的密封性。其密封转轴(200)和壳体(300)之间的环状间隙，其特征在于，具有：与所述转轴(200)一同旋转的旋转环(110)；与所述壳体(300)固定的固定环(120)；以及在所述转轴(200)的轴向上设置在所述旋转环(110)和所述固定环(120)之间，具有与所述旋转环(110)滑动的滑动部(131)的游动环(130)，利用与旋转环(110)的滑动部(111)滑动的游动环(130)的所述滑动部(131)对密封对象流体进行密封，所述滑动部(131)具有多个碳纤维，和设置在所述多个碳纤维之间的碳化硅。

Description

机械密封和游动环

技术领域

本发明涉及一种使用游动环的机械密封以及游动环。

背景技术

以往，在机械密封中公知，在与转轴一同旋转的旋转环和与壳体固定的固定环之间之间具有游动环(密封圈)的结构(例如，专利文献1)。游动环在转轴轴向端面一方与旋转环滑动，在另一方与固定环抵接，且并未与任何一个部件固定。因此，游动环在旋转环和固定环之间，在转轴的轴向具有间隙，并会在轴向相对于旋转环和固定环发生移动。在上述轴向移动作用下，游动环与旋转环和固定环之间间隙中的密封对象流体所成的液膜被压缩，因挤压效果(挤入作用)而发生压力。若该所发生的压力大，则挤压面打开，因此必须减少挤破液膜的量，减小挤压面的面积。但是，减小挤压面的面积，在作为与旋转环滑动的游动环的滑动部材料，使用杨氏模量小的软质材料时，则容易变形，因此，若施加于游动环、旋转环以及固定环的压力为高压，则变形过大，发生流体泄漏，另外，由于强度不足，存在变形、破损的危险。

因而，作为游动环的滑动部的材料，考虑使用杨氏模量高的碳化硅(SiC)。但是，碳化硅其材质本身欠缺自身润滑性，另外，滑动面宽小，难在表面滞留流体，进而，在滑动对方侧的旋转环的材料也是碳化硅等情形下，容易发生烧损。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:特开2004-293766号公报

发明内容

本发明目的在于，提高使用游动环的机械密封中游动环与旋转环之间的密封性。

为了解决上述课题，本发明采用以下技术手段。

即，本发明的机械密封，其用于密封转轴和壳体之间的环状间隙，其特征在于，具有：

与所述转轴一同旋转的旋转环；

与所述壳体固定的固定环；以及

在所述转轴的轴向上设置在所述旋转环和所述固定环之间，具有与所述旋转环滑动的滑动部的游动环，

利用所述滑动部对密封对象流体进行密封，

所述滑动部具有多个碳纤维，和设置在所述多个碳纤维之间的碳化硅。

另外，本发明的游动环，其是在用于密封转轴和壳体之间的环状间隙的机械密封中所使用的游动环，其被设置在，所述转轴的轴向上与所述转轴一同旋转的旋转环，和与所述壳体固定的固定环之间，并具有与所述旋转环滑动的滑动部，所述游动环的特征在于：

利用所述滑动部对密封对象流体进行密封，

所述滑动部具有多个碳纤维，和设置在所述多个碳纤维之间的碳化硅。

根据上述结构，在因游动环轴向移动使得旋转环和固定环，与游动环之间接触部位处的液膜被压坏，从而发生压力时，由于有了富有弹性的碳纤维，和承受碳纤维之间的荷重并与对方面接触的碳化硅，因此碳纤维弹性变形，并增大与对方面接触的部位，虽然表面上看面积没有变化，但实际接触面积增大。另外，与相同滑动面宽的其他滑动部件相比，各部位的接触面压均下降，因此能够防止滑动面烧损，并防止因烧损导致的损伤。由于碳纤维本身具有良好的滑动性，因而使得游动环的滑动部处的碳纤维在滑动上得到优异的效果。因此，能够得到良好的滑动性，且得到充分的强度，可提高游动环和旋转环之间的密封性。

优选形成有作为多个碳纤维的长度方向朝向大致同方向的集合体的碳纤维束部，碳化硅形成在碳纤维束部所含的碳纤维之间。由于有集合了多个碳纤维的碳纤维束部，因此在纤维间形成具有特定长度的间隙，该间隙起到使流体滞留的功能。也就是说，即使是游动环这样狭窄的滑动面，也可以在间隙中流入或从间隙放出密封对象流体，从而提高润滑性。通过在碳纤维束部的碳纤维间隙中形成碳化硅，由此在接近碳纤维的位置处承受荷重，因此不易对碳化纤维施加荷重。

还优选具有设置在一碳纤维束部和与其相邻的另一碳纤维束部之间的非纤维碳。通过使在与碳纤维束部相邻的碳纤维束部之间具有非纤维碳，非纤维碳自身起到自身润滑剂的作用，可进一步提高润滑性。在形成滑动部时进行包覆(wrap)处理，此时由于碳纤维本身的硬度或碳纤维束部中碳化硅的硬度高于非纤维碳的硬度，因此利用包覆处理，对于滑动部来说，使非纤维碳低于碳纤维束部，该部分也起到使流体滞留的功能，提高润滑性。另外，非纤维碳处于低位置，因而在滑动部处，设置在碳纤维间的碳化硅与对方面接触，易于增大实际接触部分。

另外，优选形成于所述滑动部的多个所述碳纤维束部随机取向。通过使碳纤维束部随机取向，即使对于游动环这样狭窄的滑动面，也难以在滑动部中形成类似泄漏路径那样的路径，易于使流体滞留在滑动部间。

另外，优选在所述滑动部中，碳化硅的比为35％以上且不足85％。通过使碳化硅含有比为规定值以上，可确保提供接触力的碳化硅的量，能够支持荷重，通过使碳化硅含有比不足规定值，可确保在碳化纤维间的间隙中使流体滞留，提高润滑性。

另外，优选所述旋转环中，与所述滑动部滑动的部分具有多个碳纤维，和设置在所述多个碳纤维之间的碳化硅。通过使旋转环侧的滑动部分材料与游动环的滑动部相同，可得到良好的滑动性，能够提高游动环和旋转环之间的密封性。

发明效果

如以上说明，根据本发明可提高在使用了游动环的机械密封中，游动环和旋转环之间的密封性。

附图说明

图1是表示机械密封整体结构的示意剖视图。

图2是滑动部的显微镜照片。

图3是图2的放大部分照片。

图4是利用本实施例制作的试样的滑动部显微镜照片。

具体实施方式

下面结合附图，根据实施方式详细说明用于实施本发明的实施方式。其中，对于实施方式中所记载的构成部件的尺寸、材质、形状及其相对配置等，除非有特别的特定记载，否则均不构成对本发明范围的限定。

(本实施例)

＜本实施例的机械密封的结构＞

结合图1，对本发明实施例(以下，称为“本实施例”)的机械密封的整体结构进行说明。图1是表示本实施例的机械密封的整体结构的示意剖视图。在本实施例中，对使用1个机械密封的单层密封结构进行说明，但也可以将本发明应用于使用两个机械密封的双层密封结构。机械密封用于密封转轴和壳体之间的环状间隙。

如图1所示，本实施例的机械密封100具有：与转轴200一同旋转的环状的旋转环110；与壳体300固定的环状的固定环(静止环)120；以及设置在旋转环110和固定环120之间的环状的游动环(密封圈)130。机械密封100还具有环状的套筒140，该套筒140具有内周面与转轴200外周面固定的圆筒部141；和从圆筒部141向转轴200的径向外侧延伸，用于保持旋转环110的保持部142。机械密封100还具有弹簧150，其作为对固定环120向游动环130施力的施力部件。为了在周向均匀地对固定环120向游动环130施力，在周向以等间隔设置多个弹簧150。图1是由垂直于转轴200的轴向方向，且含弹簧150的剖面所截取的剖视图。

旋转环110作为转轴200的轴向(以下，简称为“轴向”)一方端部，具有与游动环130滑动的滑动部111。滑动部111中，与游动环130接触的轴向上端面为滑动面111a。固定环120作为轴向一方端面，具有与游动环130抵接并挤压的挤压面120a。

游动环130在轴向上旋转环110和固定环120之间，并未与其他部件固定。游动环130具有与旋转环110的滑动部111滑动的滑动部131。滑动部131为轴向向旋转环110突出的部分的前端部。滑动部131中，与旋转环110接触的轴向上的端面为滑动面131a。游动环130具有与固定环120的挤压面120a抵接并被挤压的被挤压部132。被挤压部132为轴向上向固定环120突出的部分的前端部。游动环130随着转轴200旋转而与旋转的旋转环110滑动，但被从壳体300突出设置的作为转动限制器的销301，限制了在转轴200的旋转方向上的移动。

在本实施例中，利用游动环130的滑动部131和被挤压部132封闭密封对象流体。即，如图1所示，壳体300内被分为密封有密封对象流体的流体侧L和大气侧(非流体侧)A。在本实施例中，流体侧L相比滑动部131和被挤压部132为转轴200的径向外侧，大气侧A相比滑动部131和被挤压部132为转轴200的径向内侧。

＜游动环的滑动部的材料＞

下面结合图2、图3对本实施例的游动环的滑动部材料进行说明。图2是滑动部的显微镜照片。图3是图2的放大部分照片。

本实施例的游动环130的滑动部131主要包括碳和碳化硅，但也可以含有硅等其他物质。如图2所示，在游动环130的滑动部131中形成有由游动环130制造工序中所使用的碳纤维组织所形成的SiC-C纤维形状组织。在图2中可见SiC-C纤维形状组织呈沿着纤维方向延伸的筋状组织。

在图2、图3中，呈白色的部分为碳化硅，呈灰色的部分为碳纤维，碳纤维间的呈黑色的部分为非纤维碳。多个碳纤维形成朝向大致同方向的集合体的部分为一个碳纤维束部，碳纤维束部和处于其中的筋状碳化硅构成SiC纤维形状组织。非纤维碳包括：设置在一碳纤维束部和与其相邻的另一碳纤维束部之间的形态，设置在构成一碳纤维部的碳纤维之间的形态，和设置在碳化硅之间或碳化硅与碳纤维之间的形态，非纤维碳的比例和配置可适当变更。如图3所示，碳纤维束部沿垂直于纤维方向30的方向的宽度为数十μm～数百μm的程度。也可以有因碳化硅集中而形成为块状的部位。

在SiC-C纤维形状组织中，构成碳纤维束部的碳纤维，和设置在其碳纤维之间的碳化硅沿垂直于纤维方向30(纤维的长度方向)的方向交替出现。SiC-C纤维形状组织中的一碳纤维束部沿垂直于纤维方向30的方向的宽度为0.2mm～4mm的程度。在游动环130的滑动部131以彼此的纤维方向30交差的方式形成多个碳纤维束部。对于形成在游动环130的滑动部131中的各碳纤维束部的配置状态并没有特别的限定，也可以是在滑动部131中分散有随机纤维方向30的碳纤维束部，还可以是多个碳纤维束部形成为类似编制形状的规定图案。可根据SiC-C纤维形状组织中所含的筋状碳化硅或碳纤维的延伸方向来辨识碳纤维束部的纤维方向30。

游动环130的滑动部131中的碳化硅和碳(碳包括碳纤维和非纤维碳)的含有比率没有特别的限定，优选在滑动部131中，碳化硅的比为35％以上且不足85％。通过使碳化硅的含有比为35％以上，可有效降低滑动部131造成的密封对象流体泄漏，另外，通过使碳化硅的含有比为不足85％，可有效提高滑动部131的润滑性。若碳化硅的含有比率为85％以上，则难以以高效的制造方法进行制造。

另外，游动环130的滑动部131(滑动面131a)的算数平均粗糙度Ra(JIS B 0601：2001)优选为0.01μm以上且不足1μm。通过使滑动部131的算数平均粗糙度Ra为0.01μm以上，可有效提高滑动部131的润滑性，通过使滑动部131的算数平均粗糙度Ra为不足1μm，可保持滑动部131的润滑性，并防止密封对象流体泄漏。滑动部131的纬斜(skewness)Psk(JIS B0601：2001)优选为负的范围。通过使纬斜Psk为负的范围，可防止形成于滑动部131的凸部顶点在密封流体时损伤对置的其他部件的问题。

优选滑动部131中的碳纤维形成为，使得纤维方向30沿着滑动部131的平面方向，由此，可以在滑动时，不会因碳纤维的端部使对方面(旋转环110的滑动面111a)损伤，能够防止在密封滑动环内部形成泄漏路径，不易使流体泄漏。在滑动部131中，除了碳化硅和碳以外，还可以含有由硅(Si)构成的硅部(在碳化硅部的内部，呈比碳化硅部偏白的块)。

以下对游动环130的滑动部131的制造方法进行说明，游动环130的滑动部131制造方法并不限定于下述制造方法。

首先，准备作为原料的碳纤维。对于所准备的碳纤维没有特别的限定，可以使用例如PAN系或沥青系碳纤维，长度1mm～10mm，粗细5μm～50μm。可以将该碳纤维配置为，使其长度方向与轴向垂直，且随机配置于游动环130的滑动面131a全面。

再次，可以配置为，使出现在滑动部131中的碳纤维中，长度方向垂直于轴向(平行于旋转环110的滑动面111a)配置的碳纤维为80％以上，并全体配置在滑动部131。也可以含有因通过制造工序而未配置为其长度方向垂直于轴向的碳纤维。对于这些碳纤维，也可以使用呈薄片状的碳纤维。

进而，通过在1400℃～1800℃左右烧制，而使作为基材的碳的一部分转化SiC，然后，根据最后需要对表面进行研磨，由此得到滑动部131。没必要使游动环130整体均匀地转化SiC，但为了不易形成泄漏路径，优选使所制造的游动环130的滑动部131中，距与旋转环110的滑动部111接触的滑动面131a至少1mm深度处，滑动部131的一部分转化SiC。

以下示出实施例对本发明做进一步详细说明，本发明并不限定于这些实施例。

在实施例中，如表1所示，准备试样1～试样7，其滑动部131的碳化硅的面积比率不同，将试样用于机械密封100的游动环130，进行泄漏试验。

[表1]

准备形成为薄片状的碳纤维，用粘合树脂固着并层叠薄片状的碳纤维后，在1600℃左右浸含在溶融Si中进行烧制，然后对表面进行研磨，由此制造试样1～试样7。对于试样1～试样7，通过调整转化SiC的条件，可改变滑动部131中碳化硅的含有比。对于所制造的试样1～试样7，使用激光显微镜对滑动部131的显微镜照片进行图像解析，使用图像处理软件测量滑动部131中碳化硅的含有比(参考表1)。

使用实机试验机，对具有使用了试样1～试样7的滑动部131的游动环130进行泄漏试验。对于泄漏试验的条件，作为密封对象流体使用水，PV值8MPaG·m/s，温度为室温，对方材料使用相同材料。所谓PV值是指，由密封对象流体施加于滑动部131的流体压力P(MPaG)，和与滑动部131滑动的旋转环110的滑动部111的速度V(m/s)的积。评价结果示于表1。在表1的泄漏试验的项目中，将不足3ml/hr的泄漏量判定为“○：OK”，3ml/hr以上的泄漏量判定为“×：NG”。在泄漏试验前，还测量各试样滑动部131的粗糙度。

可确认到，在使用了试样1～试样7的滑动部131中，如图4所示，形成有具有彼此纤维方向30交差的多个碳纤维束部的SiC-C纤维形状组织，并且对于试样1～试样7的游动环130，弥补了自身润滑性欠缺的碳化硅的问题，良好地抑制密封对象流体从滑动部131泄漏。如表1所示，尤其是对于碳化硅为35％以上且不足85％的比的试样3～试样7，能够有效降低密封对象流体从滑动部131泄漏。对于上述条件下，发生泄漏的试样1、试样2，通过降低PV值等应用条件，也能够确实地起到机械密封的功能。

进而，对通过在游动环130的滑动部131中使用上述说明的材料所带来的优点进行说明。高负荷密封的PV值的大致目标是，对锅炉给水泵所使用的机械密封要求300MPaGm/s以上。

发明人锐意研究的结果是，在使SiC硬质材彼此滑动的结构中，极限为80MPaGm/s，但本实施例的，对滑动部131使用了碳纤维强化复合SiC(CMC)材料的结构中，明确能够在300MPaGm/s以上使用。而且，对于相互滑动的部分，可以组合CMC和SiC，也可以都是CMC。CMC为非脆性材料，破坏韧性好，不会像SiC那样脆性破坏，另外其耐热和冲击，可以说是适用于高温、高速旋转条件的材料。

如以上说明，本实施例的游动环130的滑动部131形成有SiC-C纤维形状组织，该组织具有形成碳纤维束部的碳纤维，和设置在该碳纤维之间的碳化硅，因此，具有硬质且低磨损这一碳化硅的特点，并具有良好的密封特性和润滑性。SiC-C纤维形状组织具有细微地将碳化硅和碳纤维细微组合的结构，基于后述原因中的任一个或多个组合，这样的SiC-C纤维状组织给滑动部131赋予了滑动性。例如，碳纤维和碳纤维相邻，使得在碳纤维间形成间隙，该间隙起到使流体滞留的功能，从而赋予润滑性。进而，碳纤维本身起到润滑材料的功能。另外，通过包覆处理，碳纤维本身的硬度，或碳纤维束部中碳化硅的硬度高于非纤维碳的硬度，因此，处于碳纤维之间的非纤维碳相对于碳纤维束部构成凹陷的凹部，由此起到使流体滞留的功能，而赋予滑动性。构成非纤维碳部的碳起到固体润滑剂的功能，由此赋予滑动性。

另外，对于每个碳纤维部，碳纤维束部中的纤维在长度方向的方向为随机取向，不易在滑动部131中形成泄漏流路，且能够将流体保持在滑动部131中，从而可赋予滑动性。对于碳纤维表面等使碳纤维一部分转化SiC而形成的SiC-C纤维状组织，其碳纤维和碳化硅具有良好的结合性，因此能够良好防止滑动部131发生裂口或缺口等问题。更进一步，SiC-C纤维状组织中的碳化硅强度大，因此给游动环130的滑动部131带来良好的耐磨损性，防止在滑动部131过多形成间隙。如上所述，游动环130能够确保滑动部131的润滑性和防止密封对象流体从滑动部131泄漏，即使在对于以往的游动环130来说难以应对的高温·高压·高速条件下，也能够特别良好的加以使用。

在本实施例中，由于成束含有碳纤维，因此使游动环130的滑动部131弹性变形与旋转环110的滑动面111a的接触面积增加，局部面压下降，抑制烧损。进而，在游动环130因流体压力的影响而旋转时，虽然表面上接触面积未发生变化，但由于碳纤维的弹性变形使得实际接触面积增加，局部面压下降，可抑制烧损。

对于与游动环130配对使用的另一滑动部件(在本实施例中为旋转环110)，其组成或组织可以是含金属的，也可以是仅含碳或碳化硅的等，不同于游动环130的滑动部131组成或组织，而通过使用与本实施例的游动环130的滑动部131相同的组成或组织，可进一步提高滑动性，提供高密封性能的机械密封。

符号说明

100 机械密封

110 旋转环

111 滑动部

111a 滑动面

120 固定环

120a 挤压面

130 游动环

131 滑动部

131a 滑动面

132 被挤压部

140 套筒

141 圆筒部

142 保持部

150 弹簧

200 转轴

300 壳体

301 销

Claims (7)

1.一种机械密封，其用于密封转轴和壳体之间的环状间隙，其特征在于，具有：

与所述转轴一同旋转的旋转环；

与所述壳体固定的固定环；以及

在所述转轴的轴向上设置在所述旋转环和所述固定环之间，具有与所述旋转环滑动的滑动部的游动环，

利用所述滑动部对密封对象流体进行密封，

所述滑动部具有多个碳纤维，和设置在所述多个碳纤维之间的碳化硅。

2.如权利要求1所述机械密封，其特征在于：

形成有作为所述多个碳纤维的长度方向朝向大致同方向的集合体的碳纤维束部，所述碳化硅形成在所述碳纤维束部所含的所述碳纤维之间。

3.如权利要求2所述机械密封，其特征在于：

还具有设置在一所述碳纤维束部和与其相邻的另一所述碳纤维束部之间的非纤维碳。

4.如权利要求2或3所述机械密封，其特征在于：

形成于所述滑动部的多个所述碳纤维束部随机取向。

5.如权利要求1～4中任一项所述机械密封，其特征在于：

在所述滑动部中，碳化硅的比为35％以上且不足85％。

6.如权利要求1～5中任一项所述机械密封，其特征在于：

所述旋转环中，与所述滑动部滑动的部分具有多个碳纤维，和设置在所述多个碳纤维之间的碳化硅。

7.一种游动环，其是在用于密封转轴和壳体之间的环状间隙的机械密封中所使用的游动环，其被设置在，所述转轴的轴向上与所述转轴一同旋转的旋转环，和与所述壳体固定的固定环之间，并具有与所述旋转环滑动的滑动部，所述游动环的特征在于：

利用所述滑动部对密封对象流体进行密封，

所述滑动部具有多个碳纤维，和设置在所述多个碳纤维之间的碳化硅。