CN110177967A - 机械密封件 - Google Patents

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Abstract

本发明的机械密封件构成为:通过使设于旋转轴(2)的第1密封环(3)的端面(31)与设于密封盒的第2密封环(4)的端面(41)的接触部(S)相对旋转,而将高压液体区域(H)与大气区域(L)遮蔽密封,且在第1密封环(3)的端面(31),形成将所述接触部(S)与高压液体区域(H)连通的润滑槽(12),并且包含该润滑槽(12)在内形成金刚石膜(13)。

Description

机械密封件
技术领域
本发明涉及一种装备在泵等的机械密封件。
背景技术
以往,作为在高压条件下使用的旋转设备的轴封手段,通常使用如下所述的机械密封件,该机械密封件构成为通过设于旋转轴的密封环与设于密封盒的密封环在接触的状态下相对旋转来发挥密封功能。
在这种机械密封件中,例如像专利文献1的图1中所公开的那样,在设于密封盒的碳化硅材料制造的固定用密封环的端面,形成供向该端面与设于旋转轴的旋转用密封环的端面的接触部导入高压液体区域的液体的润滑槽,利用该液体润滑所述接触部,由此尽可能地抑制该接触部的磨耗、发热,从而谋求维持密封功能或提高耐久性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本专利特开2006-70942号公报
发明内容
[发明所要解决的课题]
然而,无法通过将液体从润滑槽导入到两密封环的接触部来充分地进行润滑,难以长期地发挥良好的密封功能。
本发明的目的在于提供一种不会产生这种问题,而能够长期地发挥良好的密封功能的机械密封件。
[解决课题的技术手段]
为了达到所述目的,本发明提出一种机械密封件,该机械密封件构成为:通过使设于旋转轴及密封盒的其中一个的第1密封环的端面与设于另一个的第2密封环的端面的接触部相对旋转,而将高压流体区域与低压流体区域遮蔽密封,且第1密封环的端面具备将所述接触部与高压流体区域连通的润滑槽,且在所述第1密封环的端面处的所述接触部及所述润滑槽,形成有金刚石膜。
金刚石膜也可被导入杂质原子。
另外,在本发明的优选实施方式中,所述第1密封环设于旋转轴,在所述第1密封环的端面及所述润滑槽,连续地形成有金刚石膜。另外,也可为在所述第2密封环的端面处的至少所述接触部,形成有与所述金刚石膜相同的金刚石膜。
[发明的效果]
在本发明的机械密封件中,在第1密封环的端面形成将两密封环的接触部与高压流体区域连通的润滑槽,且在第1密封环的端面处的至少所述接触部及所述润滑槽形成有金刚石膜,该金刚石膜极硬且表面形成为微细的凹凸面,所以能够尽可能地防止第1密封环的端面的所述接触部处的磨耗,进而能够将高压液体区域的液体从润滑槽顺利地导入到两密封环的接触部并且使导入的液体良好地渗透到该接触部。因此,根据本发明的机械密封件,能够极有效地润滑两密封环的接触部,能有效地抑制该接触部的磨耗、发热及损伤,从而能够长期地发挥良好的密封功能。
附图说明
图1是表示本发明的机械密封件的一例的剖视图。
图2是将图1的主要部分放大表示的详情图。
图3是沿着图2的X-X线的剖视图。
图4是将该机械密封件的主要部分取出而表示的局部切开切口的状态的立体图。
图5中的(A)部分是表示金刚石膜的表面的显微镜照片,图5中的(B)部分是表示碳化硅材料的表面的显微镜照片。
图6是表示本发明的机械密封件的变形例的相当于图2的剖视图。
具体实施方式
以下,基于附图对本发明的机械密封件的实施方式进行说明。
图1是表示本发明的机械密封件的一例的剖视图,图2是将图1的主要部分放大表示的详情图,图3是沿着图2的X-X线的剖视图,图4是将该机械密封件的主要部分取出而表示的局部切开切口的状态的立体图。
图1所示的机械密封件具备作为第1密封环的旋转环3及作为第2密封环的浮动环4,该旋转环3设于密封盒1及旋转轴2的其中的一个,该浮动环4设于密封盒1及旋转轴2中的另一个。机械密封件构成为:通过使旋转环3的端面31与作为浮动环4的端面的密封面41的接触部S相对旋转,而将高压流体区域H及低压流体区域L遮蔽密封。
本例的机械密封件是被用作泵等旋转设备的轴封手段的浮动环型机械密封件。机械密封件具备:作为第1密封环的旋转环3,固定在旋转轴2;作为第2密封环的浮动环4,经由保持环5以能够在旋转轴2的轴向上移动的方式保持在密封盒1;保持环5,经由O形环8及传动销9以能够在轴向上移动且无法相对旋转的方式保持在密封盒1;以及弹簧部件6,装填在密封盒1与保持环5之间,经由保持环5将浮动环4向旋转环3按压、施力。
密封盒1是安装在旋转设备的轴封部外壳7的筒状构造体,供该旋转设备的旋转轴2呈同心状贯通。
作为第1密封环的旋转环3是由适当的密封环材料构成的圆环状体,且固定在安装于旋转轴2的套筒21,所述密封环材料例如为碳化硅的烧结体或超硬合金等碳化物材料。旋转环3的端面31构成为与轴线正交的环状平面。
作为第2密封环的浮动环4是由与旋转环3同质的密封环材料或更软的碳等密封环材料构成的圆环状体。如图1所示,浮动环4位于保持环5与所述旋转环3之间,且经由传动销10及O形环11以无法相对旋转的方式连结于保持环5。如图2所示,浮动环4的密封面41构成为与轴线正交的环状平面,将它的整个面设为与旋转环3的端面31接触而予以密封的面。
如图2~图4所示,旋转环3的端面31包含:密封面31a,与作为浮动环4的端面的密封面41(以下也称为“对象密封面41”)接触;外周侧非密封面31b,不与该对象密封面41接触而位于比密封面31a更靠外周侧;以及内周侧非密封面31c,不与对象密封面41接触而位于比密封面31a更靠内周侧。也就是说,如图2所示,关于旋转环3的端面31,使它的外径比对象密封面41的外径大,且使它的内径比该对象密封面41的内径小。关于端面31,将内外径与对象密封面41相同的部分设为密封面31a,将该密封面31a的外周侧部分设为外周侧非密封面31b,且将该密封面31a的内周侧部分设为内周侧非密封面31c。
所述机械密封件构成为:通过使旋转环3的密封面31a与浮动环4的密封面41接触并且相对旋转,而将该接触部S(两密封面31a、41)的外周侧区域也就是高压流体区域H及其内周侧区域也就是低压流体区域L遮蔽密封。高压流体区域H是该旋转设备的设备内区域也就是被密封流体区域,低压流体区域L是旋转设备的设备外区域也就是非密封流体区域,本例中为大气区域。
而且,如图2~图4所示,在旋转环3的端面31形成有将两密封环3、4的接触部S与高压流体区域H连通的润滑槽12。润滑槽12通常被称作氢切割(Hydrocut),如图3所示,本例的润滑槽12遍布旋转环3的端面31的密封面31a及外周侧非密封面31b而形成。更具体地说,润滑槽12是将由通过旋转环3的外周的一部分的直线部3A与外周侧非密封面31b的外周缘部分也就是圆弧部3B形成的区域在轴向上切开切口到指定的深度而成。另外,润滑槽12在该端面31中,以固定间隔形成有多个。
如图2所示,各润滑槽12包含:底面12a,为与旋转环3的轴线正交的扇形平面;以及阶差面12b,为与该底面12a正交的带状平面且将该底面12a与密封面31及外周侧非密封面32连结。另外,各润滑槽12使两密封环3、4的接触部S的外周部分与高压流体区域H连通,将高压流体区域H的流体导入到该接触部S。
在旋转环3的端面31的至少所述接触部S也就是第1密封面31a(端面31的除形成有各润滑槽12的区域以外的区域31A)及各润滑槽12,形成有金刚石膜13。本例中,在旋转环3的端面31以及各润滑槽12的底面12a及阶差面12b连续地形成有金刚石膜13。也就是说,如图2~图4所示,金刚石膜13包含:第1金刚石膜13a,覆盖密封面31a;第2金刚石膜13b,覆盖外周侧非密封面31b的除形成有各润滑槽12的区域以外的区域31B,且与第1金刚石膜13a相连;第3金刚石膜13c,覆盖内周侧非密封面31c的区域31C,且与第1金刚石膜13a相连;第4金刚石膜13d,覆盖各润滑槽12的阶差面12b,且与第1及第2金刚石膜13a、13b相连;以及第5金刚石膜13e,覆盖各润滑槽12的底面12a,且经由第4金刚石膜13d与第1及第2金刚石膜13a、13b相连。此处,金刚石膜13的表面粗糙度为0.1μmRa以上0.2μmRa以下。另一方面,形成旋转环3的碳化硅的表面粗糙度为0.01μmRa以上0.1μmRa以下。表面粗糙度的测定是以使检测器与形成有金刚石膜13的旋转环3的表面接触的方式进行。另外,本实施方式的金刚石膜13包含类金刚石碳(DLC)。另外,金刚石膜13的形成是利用热灯丝化学蒸镀法、微波等离子体化学蒸镀法、高频等离子体法、直流放电等离子体法、电弧放电等离子体喷射法、燃烧火焰法等涂覆方法等进行。
在以所述方式构成的机械密封件中,旋转环3的密封面31a被比该旋转环3的母材(碳化硅等密封环材料)硬的第1金刚石膜13a覆盖,所以尽可能地防止了因与对象密封面41的接触引起的该密封面31a的磨耗、损伤。而且,对两密封环3、4的接触部S从各润滑槽12导入高压流体区域H的流体,所以该接触部S被润滑,有效地防止了因旋转环3的密封面31a及浮动环4的密封面41的接触引起的发热、磨耗及损伤。
此处,图5中的(A)部分是将金刚石膜13的表面放大到1000倍来显示的显微镜照片,图5中的(B)部分是将未形成金刚石膜的碳化硅制旋转环3的端面31放大到1000倍来显示的显微镜照片。由图5的显微镜照片同样可知,在密封面31a及各润滑槽12的底面12a及阶差面12b形成有金刚石膜13(第1金刚石膜13a、第4金刚石膜13d及第5金刚石膜13e),因此与未形成金刚石膜13的情况相比,呈现出较大的凹凸形状,且表面粗糙度变大。
因此,因形成在旋转环3的密封面31a的金刚石膜13导致在密封面31a产生微细的凹凸,所以在旋转环3的密封面31a与浮动环4的密封面41的接触部S会形成微细的间隙。结果,与未形成金刚石膜13的情况相比,从各润滑槽12导入的高压流体区域H的流体通过该间隙而顺利且均匀地渗透到密封面31a、41间。因此,与未形成金刚石膜13的情况相比,两密封环3、4的接触部S的润滑更有效地进行。
进而,当流体为水等液体时,各润滑槽12的底面12a及阶差面12b因形成有金刚石膜13而成为微细的凹凸面,所以与未形成金刚石膜的情况相比,液体的润湿性减小。结果,与未在各润滑槽12的底面12a及阶差面12b形成金刚石膜13的情况相比,液体更顺利地流动,从高压流体区域H向该润滑槽12的液体引入量增多。因此,单位时间内从该润滑槽12向两密封环3、4的接触部S的液体导入量增大。由此,能极其良好地对旋转环3的密封面31a、及浮动环4的密封面41间的接触部S处进行润滑。
另外,使用本发明的机械密封件及比较例机械密封件,在相同的机械密封件负荷条件(压力:2.5MPaG、周速:48m/s)下,测定出单位时间内从该润滑槽12向两密封环3、4的接触部S的液体导入量,其中,本发明的机械密封件构成为在各润滑槽12的底面12a及阶差面12b形成有金刚石膜13,比较例机械密封件除了在所述底面12a及阶差面12b未形成金刚石膜13以外具有与该机械密封件相同的构成。结果,在未形成金刚石膜13的机械密封件(比较例)中,液体导入量为约40ml/h,与此相对,在形成有金刚石膜13的本发明的机械密封件中,液体导入量为约60ml/h。根据该测定结果,确认到通过在各润滑槽12的底面12a及阶差面12b形成金刚石膜13,能极其良好地对旋转环3d的密封面31a及浮动环4的密封面41间的接触部S处进行润滑。
如上所述,根据所述机械密封件,能够极其良好地将两密封环3、4的接触部S进行润滑,能够有效地防止因旋转环3的密封面31a及浮动环4的密封面41的接触引起的发热、磨耗及损伤,从而长期发挥良好的密封功能。
本发明的机械密封件的构成并不限定于所述实施方式,可在不脱离本发明的基本原理的范围内适当改良、变更。例如,在所述实施方式中,将形成有金刚石膜13及润滑槽12的第1密封环设为设于旋转轴2的密封环(旋转环3),但也可将该第1密封环设为设于密封盒1侧的密封环。在所述实施方式中,能够在浮动环4的密封面41形成与所述润滑槽12相同的润滑槽,并且包含润滑槽12在内,在该密封面41形成有金刚石膜13。
另外,在所述实施方式中,将作为第1密封环的旋转环3的端面31设为包含作为与对象密封面41的接触部的密封面31a、以及不与对象密封面41接触的外周侧非密封面31b及内周侧密封面31c,但本发明也能应用在不存在两非密封面31b、31c的其中一个或两个的机械密封件。也就是说,也能将本发明应用在第1密封环的端面(例如旋转环3的端面31)的外径小于或等于第2密封环的端面(例如浮动环4的密封面41)的外径的机械密封件、或该第1密封环的端面的内径大于或等于该第2密封环的端面的内径的机械密封件。
另外,本发明并不限定于应用在将第2密封环(或第1密封环)设为像所述那样经由保持环5保持在密封盒1的浮动环4的浮动环型机械密封件,也能够应用在不经由保持环5而直接将第2密封环(或第1密封环)保持在密封盒的机械密封件。另外,本发明并不限定于应用在两密封环3、4的接触部S的外周侧区域成为高压流体区域H也就是被密封流体区域的内侧型机械密封件,也能够应用在该接触部S的内周侧区域成为被密封流体区域(高压液体区域)的外侧型机械密封件。
另外,润滑槽12的形状及数量任意,并不限定于所述实施方式。例如,润滑槽12在两密封环3、4的接触部S的外周侧区域为高压流体区域H的情况下,能够将第1密封环的端面(例如旋转环3的端面31)的外周部分呈沿着该外周部分的圆环状切开切口而形成,在接触部S的内周侧区域为高压流体区域H的情况下,能够将该第1密封环的端面的内周部分呈沿着该内周部分的圆环状切开切口而形成。
另外,如图6所示,在未形成润滑槽的第2密封环的端面(例如浮动环4的密封面41),也能包含与第1密封环3的端面31的接触部S在内形成与所述金刚石膜13相同的金刚石膜14。
另外,对于金刚石膜13、14,也可导入例如硅或硼等杂质原子。在该情况下,导入了杂质的金刚石膜13、14的表面粗糙度为0.2μmRa以上0.3μmRa以下,所以比所述实施方式中的金刚石膜13的表面粗糙度更粗。因此,单位时间内的液体导入量增大。由此,能极其良好地对旋转环3的密封面31a与浮动环4的密封面41的接触部S处进行润滑。
[符号的说明]
1 密封盒
2 旋转轴
3 旋转环(第1密封环)
4 浮动环(第2密封环)
12 润滑槽
13 金刚石膜
14 金刚石膜
31 端面
41 密封面
H 高压流体区域
L 低压流体区域
S 接触部。

Claims (5)

1.一种机械密封件,构成为:通过使设于旋转轴及密封盒的其中一个的第1密封环的端面与设于另一个的第2密封环的端面的接触部相对旋转,而将高压流体区域及低压流体区域遮蔽密封,且
第1密封环的端面具备将所述接触部与高压流体区域连通的润滑槽,
在所述第1密封环的端面处的至少所述接触部及所述润滑槽形成有金刚石膜。
2.根据权利要求1所述的机械密封件,其中所述金刚石膜被导入了杂质原子。
3.根据权利要求1所述的机械密封件,其中所述第1密封环设于旋转轴。
4.根据权利要求1所述的机械密封件,其中在所述第1密封环的端面及所述润滑槽,连续地形成有金刚石膜。
5.根据权利要求1所述的机械密封件,其中在所述第2密封环的端面处的至少所述接触部,形成有与所述金刚石膜相同的金刚石膜。
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