JP2000088112A

JP2000088112A - メカニカルシール

Info

Publication number: JP2000088112A
Application number: JP25523898A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Sugiyama; 憲一杉山; Yoshiichi Kimura; 芳一木村
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1998-09-09
Filing date: 1998-09-09
Publication date: 2000-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】メカニカルシールの起動停止時において従動
環の摺動部と静止環の滑り面の間で生じる固体接触状態
における摩擦が小さく、耐焼付き性能の優れた滑り面形
状を提供することにより、密封性能に優れたメカニカル
シールを提供すること。【解決手段】従動環、静止環を具備し、流体を密封す
る構成のメカニカルシールにおいて、従動環及び静止環
の少なくとも一方の滑り面に最大高さＲｍａｘが０．１
〜７μｍで凹凸ピッチが０．１ｍｍ以下の表面粗さを施
すか或いは凹部深さが０．１〜７μｍで凹凸ピッチが
０．１〜５ｍｍのくぼみを施すか、又は一方の滑り面に
該表面粗さを施し、他方の滑り面に該くぼみを施す。表
面粗さの谷部は流体を保持する機能を有するから、従動
環の滑り面と静止環の滑り面の摺動速度が低速の時の耐
焼付き性能、冷却効果が向上する。また、くぼみを施す
ことにより、くぼみに存在する流体により、流体力学的
作用（動圧効果）が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は水のような低粘度流
体を密封するメカニカルシールに関するもので、特に従
動環の摺動部と静止環の摺動部の固体接触時に摩擦が少
なく、耐焼付き性能の優れたメカニカルシールに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】図４はこの種のメカニカルシールの概略
構造を示す図である。メカニカルシールは密封端面の動
的変位や摩耗などに追従して回転軸の軸方向に動くこと
ができる従動環３と動かない静止環２を具備し、コイル
スプリング等の予圧機構７で軸方向に押圧するようにな
っており、回転軸にほぼ垂直な相対的に回転する密封端
面において流体を密封するようになっている。なお、図
４において、１はＯリング、４はＶパッキン、５はノッ
クピン、６はコンプレッションリング、８はカラー、９
はドライブピン、１０はセントスクリューである。

【０００３】上記構造のメカニカルシールにおいて、低
粘度流体を密封するメカニカルシールは、油等の高粘度
流体の場合に比較して潤滑条件が厳しくなる。従動環３
と静止環２はコイルスプリング等の予圧機構７によって
滑り面同士が押し付けられている。高速回転時には二層
流或いはポンピング作用によって漏れを防止し、部分的
固体接触は存在するが、略流体潤滑であり予圧機構７に
よる荷重は殆ど流体膜によって支えられる。一方、起動
停止時では境界或いは混合潤滑となり、予圧機構７によ
る荷重は固定接触で支えられる割合が多くなる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】流体の密封性を向上さ
せるためには従動環３と静止環２の接触圧力を大きくす
る必要があるが、接触圧力が大きすぎると摩擦が増大す
ると共に、焼付き、滑り面のき裂発生等により滑り面が
損傷する危険性が高くなる。従って、密封性を向上させ
ることと、焼付き、滑り面の損傷を防止することは互い
に反する関係にあるが、これらの要求を満たすメカニカ
ルシールが要求される。

【０００５】境界、混合潤滑域において潤滑液としての
油と水を比較すると、油の場合は含有された添加剤によ
り吸着膜が形成されやすくなり、すべり面が保護され耐
焼付き性能が向上する。しかしながら、水の場合はプロ
セス流体であるケースが多く、添加剤を加えることがで
きないため、耐焼付き性能を向上させるためには、摺動
材料の選択、微細な形状を表面に加工する等の対策を検
討する必要がある。

【０００６】本発明は上述の点に鑑みてなされたもの
で、メカニカルシールの起動停止時において従動環の滑
り面と静止環の滑り面の間で生じる固体接触状態におけ
る摩擦が小さく、耐焼付き性能の優れた滑り面形状を提
供することにより、密封性能の優れたメカニカルシール
を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
請求項１に記載の発明は、従動環、静止環を具備し、流
体を密封する構成のメカニカルシールにおいて、従動環
及び静止環の少なくとも一方の滑り面に最大高さＲｍａ
ｘが０．１〜７μｍで凹凸ピッチが０．１ｍｍ以下の表
面粗さを施すか或いは凹部深さが０．１〜７μｍで凹凸
ピッチが０．１〜５ｍｍのくぼみを施すことを特徴とす
る。

【０００８】従動環及び静止環の少なくとも一方の滑り
面に上記のような表面粗さを施すことにより、該表面粗
さの谷部は流体を保持する機能を有するから、従動環の
滑り面と静止環の滑り面の摺動速度が低速の時の耐焼付
き性能、冷却効果が向上する。また、くぼみを施すこと
により、凹部に存在する流体により、流体力学的作用
（動圧効果）が向上する。なお、表面粗さの谷部に存在
する流体はくぼみに存在する流体と比較し、流体力学的
作用（動圧効果）が小さい。また、くぼみも表面粗さの
ように流体を保持する機能を有するが、表面粗さほど効
果的ではない。

【０００９】また、請求項２に記載の発明は、従動環、
静止環を具備し、流体を密封する構成のメカニカルシー
ルにおいて、従動環及び静止環の一方の滑り面に最大高
さＲｍａｘが０．１〜７μｍで凹凸ピッチが０．１ｍｍ
以下の表面粗さを施し、他方の滑り面に凹部深さが０．
１〜７μｍで凹凸ピッチが０．１〜５ｍｍのくぼみを施
すことを特徴とする。

【００１０】従動環及び静止環の一方の滑り面に上記の
ような表面粗さを施し、他方の滑り面にくぼみを施すこ
とにより、低速時の摩擦摩耗特性の向上（耐焼付き性能
の向上＋摩擦低減）を図ることができ、耐焼付き性能の
向上により、予圧を上げることが可能となり、メカニカ
ルシールにおける流体の密封性が向上する。また、摩擦
の低減によりなじみの進行を遅らすことで長寿命化が実
現できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態例を図
面に基づいて説明する。本発明に係るメカニカルシール
の概略構成は図４に示すメカニカルシールと同一であり
その説明は省略する。本発明に係るメカニカルシールは
従動環３と静止環２の滑り面（摺動面）の少なくとも一
方に下記のような表面粗さ及びくぼみを施す。また、従
動環３と静止環２の滑り面の一方に下記の表面粗さを、
他方にくぼみを施す。

【００１２】表面粗さ最大高さＲｍａｘが０．１〜７μｍ、凹凸ピッチが０．
１ｍｍ以下

【００１３】くぼみ凹部深さが０．１〜７μｍ、凹凸ピッチが０．１〜５ｍ
ｍ

【００１４】上記表面粗さは、ラップ加工又はショット
ブラスト加工で施す。ラップ加工はアルミナやダイヤモ
ンドの硬質砥粒を使って、表面を研磨して表面粗さを施
す。砥粒の粒径により面粗度を調整することが可能であ
る。また、ショットブラスト加工はアルミナ等の硬質砥
粒を空気圧により材料に吹き付けることにより、表面を
削って表面粗さを施す加工で、パターンを形成したマス
クを使用することにより、様々なパターンの表面粗さを
施すことが可能である。また、従動環及び静止環の摺動
部を構成する材料の持つ多孔性の微細な凹凸を表面粗さ
の凹凸として利用することができる。

【００１５】また、くぼみはフォトエッチング、ショッ
トブラスト、レーザ加工で施す。フォトエッチング加工
は腐食性液を使って材料表面を加工する方法で、パター
ンを形成したマスクを用いて、様々なパターンのくぼみ
を形成することが可能である。また、レーザ加工はレー
ザによって材料表面を加工する方法で、複雑な形状の加
工が可能である。

【００１６】図１は本発明に係るメカニカルシールの従
動環及び静止環の滑り面の組合わせ例を示す図である。
図１（ａ）は、従動環摺動部１１の滑り面に最大高さＲ
ｍａｘが０．１μｍの表面粗さを施し、静止環摺動部１
２の滑り面に最大高さＲｍａｘが０．１μｍの表面粗さ
を施した場合の組合わせを示す。

【００１７】図１（ｂ）は、従動環摺動部１１の滑り面
に最大高さＲｍａｘが０．１〜７．０μｍ、凹凸ピッチ
が０．１ｍｍの表面粗さを施し、静止環摺動部１２の滑
り面に最大高さＲｍａｘが０．１μｍの表面粗さを施し
た場合の組合わせを示す。

【００１８】図１（ｃ）は、従動環摺動部１１の滑り面
に凹部深さが０．１〜７．０μｍ、凹凸ピッチが０．１
〜５ｍｍのくぼみを施し、静止環摺動部１２の滑り面に
最大高さＲｍａｘが０．１μｍの表面粗さを施した場合
の組合わせを示す。

【００１９】図１（ｄ）は、従動環摺動部１１の滑り面
に凹部深さが０．１〜７．０μｍ、凹凸ピッチが０．１
〜５ｍｍのくぼみを施し、静止環摺動部１２の滑り面に
最大高さＲｍａｘが０．１〜７．０μｍ、凹凸ピッチが
０．１ｍｍ以下の表面粗さを施した場合の組合わせを示
す。

【００２０】図１（ｅ）は、従動環摺動部１１の滑り面
に最大高さＲｍａｘが０．１〜７．０μｍ、凹凸ピッチ
が０．１ｍｍ以下の表面粗さを施し、静止環摺動部１２
の滑り面に最大高さＲｍａｘが０．１〜７．０μｍ、凹
凸ピッチが０．１ｍｍ以下の表面粗さを施した場合の組
合わせを示す。

【００２１】図２は図１（ａ）の組合せ１〜５での摩擦
係数、限界軸受圧力（ＭＰａ）を求める実験装置の構成
例を示す図である。ステンレス鋼或いはＴｉ−６Ａ−４
Ｖで構成された円板状の回転板１３と、凹部１６が形成
されたリング状の固定板１５とを具備し、回転板１３に
回転軸１４が固着され、固定板１５には加圧軸１７が固
着されている。加圧軸１７は図示しない空気圧装置によ
り上方に向けて荷重Ｌを加えるように構成されている。

【００２２】また、加圧軸１７には実験中のトルク変化
を検知するトルクメータ１８が取付けられている。回転
板の下面は図１（ａ）〜（ｅ）の各組合せの滑り面を有
する従動環摺動部１１の摺動部となっており、固定板１
５の上面は図１（ａ）〜（ｅ）の組合せの滑り面を有す
る静止環摺動部１２の摺動部となっている。

【００２３】図３は図２に示す実験装置を用いて、図１
（ａ）〜（ｅ）の組合せ１〜５で摩擦係数、限界軸受圧
力（ＭＰａ）を求めた結果を示す図である。図２に示す
実験装置はその全体が水槽の中に満たされた蒸留水中に
浸漬して試験されるようになっている。そして、滑り面
の良好な摩擦摩耗特性が必要となるのは、軸受材料の固
体接触が生じる起動・停止であることを考慮し、境界或
いは混合潤滑下における摩擦摩耗特性を、以下の実験条
件により、比較評価している。

【００２４】周速は０．５ｍ／ｓから開始して滑り面が
９０ｍｍ走行するごとに加圧軸１７に荷重Ｌを加え、軸
受圧力を０．１ＭＰａずつ増加させる。そして、回転中
のトルクが急激に上昇した時点で実験を中止し、その時
の軸受圧力を限界軸受圧力として評価している。

【００２５】図３の実験結果の限界軸受圧力は３セット
の実験を行った平均根である。図３に示すように、組合
せ１では摩擦係数が０．１５、限界軸受圧力が０．１７
ＭＰａ、組合せ２では摩擦係数が０．３８、限界軸受圧
力が０．３３ＭＰａ、組合せ３では摩擦係数が０．２
７、限界軸受圧力が０．１８ＭＰａ、組合せ４では摩擦
係数が０．１１、限界軸受圧力が０．５２ＭＰａ、組合
せ５では摩擦係数が０．２６、限界軸受圧力が０．８０
ＭＰａである。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、各請求項に記載の
発明によれば、下記のような優れた効果が得られる。

【００２７】請求項１に記載の発明によれば、メカニカ
ルシールの従動環、静止環の少なくとも一方の滑り面に
最大高さＲｍａｘが０．１〜７μｍで凹凸ピッチが０．
１ｍｍ以下の表面粗さを施すか或いは凹部深さが０．１
〜７μｍで凹凸ピッチが０．１〜５ｍｍのくぼみを施す
ことで、低速の時（起動停止時）における耐焼付き性能
及び冷却効果を向上させることができる。また、くぼみ
に存在する流体による流体力学的作用（動圧効果）によ
り摩擦を低減させ、滑り面の発熱及び亀裂発生を防止す
ることができる。

【００２８】また、請求項２に記載の発明によれば、メ
カニカルシールの従動環及び静止環の一方の滑り面に最
大高さＲｍａｘが０．１〜７μｍで凹凸ピッチが０．１
ｍｍ以下の表面粗さを施し、他方の滑り面に凹部深さが
０．１〜７μｍで凹凸ピッチが０．１〜５ｍｍのくぼみ
を施すので、上記の表面粗さを施す効果とくぼみを施す
効果の組合せにより、接触圧力を大きくすることが可能
となり、より密封性の優れたメカニカルシールを提供す
ることができる。さらに、滑り面のなじみにより表面粗
さのＲｍａｘが小さくなると次第に耐焼付き性能が劣っ
てくるが、くぼみによる動圧効果により摩擦が低減する
ので、なじみの進行を遅らせ、長寿命化が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るメカニカルシールの従動環及び静
止環の滑り面の組合わせ例を示す図である。

【図２】摩擦係数、限界軸受圧力（ＭＰａ）を求める実
験装置の構成例を示す図である。

【図３】図２に示す実験装置を用いて、摩擦係数、限界
軸受圧力（ＭＰａ）を求めた結果を示す図である。

【図４】メカニカルシールの概略構成を示す図である。

【符号の説明】

１Ｏリング２静止環３従動環４Ｖパッキン５ノックピン６コンプレッションリング７予圧機構８カラー９ドライブピン１０セントスクリュー１１従動環摺動部１２静止環摺動部１３回転板１４回転軸１５固定板１６凹部１７加圧軸１８トルクメータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】従動環、静止環を具備し、流体を密封す
る構成のメカニカルシールにおいて、前記従動環及び静止環の少なくとも一方の滑り面に最大
高さＲｍａｘが０．１〜７μｍで凹凸ピッチが０．１ｍ
ｍ以下の表面粗さを施すか或いは凹部深さが０．１〜７
μｍで凹凸ピッチが０．１〜５ｍｍのくぼみを施すこと
を特徴とするメカニカルシール。
【請求項２】従動環、静止環を具備し、流体を密封す
る構成のメカニカルシールにおいて、前記従動環及び静止環の一方の滑り面に最大高さＲｍａ
ｘが０．１〜７μｍで凹凸ピッチが０．１ｍｍ以下の表
面粗さを施し、他方の滑り面に凹部深さが０．１〜７μ
ｍで凹凸ピッチが０．１〜５ｍｍのくぼみを施すことを
特徴とするメカニカルシール。