JP2016166633A - 非接触式ガスシール - Google Patents

Abstract

【課題】回転環の部位間の温度差に起因して当該回転環に生じる熱歪を防止又は抑制することができる非接触式ガスシールを提供する。
【解決手段】回転軸２に設けられた回転環３と、回転環と軸方向に対向して配設された静止環１０と、回転環と静止環との対面するシール面３ａ，１０ａ間を狭める方向に回転環及び静止環のうちの一方を他方側に押す閉力発生手段と、シール面間にガスを供給してシール面間を広げる開力発生手段と、を備え、シール面間を挟んで軸方向一方側の第１空間と軸方向他方側の第２空間とを仕切る非接触式ガスシール。回転環は、ＳｉＣの焼結体又は超硬合金で作製されている。回転環における静止環と対面するシール面にダイヤモンド膜ｄ１が形成されており、且つ、回転環の外周面３ｂ又は内周面、及び、回転環におけるシール面と反対側の面である背面３ｃに、シール面のダイヤモンド膜と連続するダイヤモンド膜ｄ２，ｄ３が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は非接触式ガスシールに関する。さらに詳しくは、例えば各種産業用ポンプ、撹拌機、コンプレッサ、ブロワ等の被軸封機器における回転軸とケーシングとの間をガスを用いてシールする非接触式ガスシールに関する。

コンプレッサ等の被軸封装置の回転軸とケーシングとの間に設けられ、流体をシールする非接触式ガスシールとして、ガスの静圧を利用する静圧型ガスシール（例えば、特許文献１参照）と、ガスの動圧を利用する動圧型ガスシール（例えば、特許文献２参照）とがある。

特許文献１記載のガスシールでは、図１０に示されるように、非軸封装置の回転軸１０１に環状の回転密封環１０２が外嵌して取り付けられており、また、ハウジング１０３には、シールケース１０４を介して環状の静止密封環１０５が取り付けられている。回転密封環１０２と静止密封環１０５とは軸方向に対向して配置されており、当該回転密封環１０２と静止密封環１０５との対向する面をそれぞれシール面１０２ａ及びシール面１０５ａとしている。

静止密封環１０５における前記シール面１０５ａと反対側の面には、当該静止密封環１０５を回転密封環１０２に向かう方向に押すスプリング１０６が配設されている。また、静止密封環１０５には、その外周面１０５ｂからシール面１０５ａに通じるガス路１０７が形成されている。外部から窒素ガス等のバリアガスＧが、前記ガス路１０７を介してシール面１０５ａに供給される。

ガス路１０７を介してシール面１０５ａに供給されたバリアガスＧは、シール面１０２ａとシール面１０５ａとの間の隙間から径方向内側及び径方向外側に向かって流れる。このときに前記隙間に発生するガス圧が、静止密封環１０５を開方向（図１０において左方向）に押す力として作用し、このガス圧と、スプリング１０６の付勢力とがつり合う位置で当該静止密封環１０５が保持される。したがって、回転密封環１０２と静止密封環１０５とは非接触状態となり、シール面１０２ａとシール面１０５ａとの間を満たすバリアガスＧによって、機内側Ａにある流体が、その反対側である機外側Ｂの空間へと漏れるのを防止している。

国際公開第００／７５５４０号公報 特開平１０−５４４６４号公報

前述した非接触式ガスシールは、被軸封装置が定常運転をしている間は良好なシール性を得ることができるが、流体の圧力や温度の変動、及び、非軸封装置の回転数の変動等によって、回転環のシール面が静止環のシール面と接触すると、当該回転環のシール面に摩擦熱が発生し、このシール面と、回転環の他の部位、特に当該回転環から離れている背面（シール面と反対側の面）との間で温度差が生じ、この温度差に起因して前記回転環に熱歪が発生する虞がある。

また、非接触式ガスシールでは、被軸封装置の運転中はガスの静圧又は動圧によりシール面間に隙間が形成されるが、被軸封装置の停止時にはガスが供給されないことからシール面同士が接触した状態にある。このため、被軸封装置の運転開始時にはシール面同士が接触した状態で運転される時間帯が存在することから、回転環のシール面に摩擦熱が発生する。そして、この場合も、前記と同様にシール面と、回転環の他の部位、特に背面との間で温度差が生じ、この温度差に起因して前記回転環に熱歪が発生する虞がある。

また、動圧型の非接触式ガスシールのなかには、環状の回転環の軸方向の両側面がシール面とされている、いわゆるダブル式のガスシールがある。かかるダブル式のガスシールでは、回転環の各シール面に対向して静止環が配設されており、各静止環はバネ等の閉力発生手段によって回転環側に押されている。このようなダブル式のガスシールにおいて、機内側の圧力が大気側の圧力に比べて高い場合、機内側の静止環を押す閉力は大気側に比べて大きくなるように設定される。したがって、シール面にガスの動圧による開力が作用するものの、機内側のシール面の方が大気側のシール面よりも接触する可能性が高い。
さらに、流体温度に関し、通常、この種の非接触式ガスシールでは、機内側は５〜８０度程度の温度範囲で使用される。この場合、大気側の温度を２５度程度と仮定すると、機内流体の温度の方が高いケースが多く、その結果、高温の密封流体に接触する機内側シール面の温度が、大気側シール面の温度よりも高くなるケースが多い。
このため、ダブル式のガスシールでは、回転環の機内側のシール面の温度が大気側のシール面の温度よりも高くなり、当該回転環に熱歪が発生する虞がある。

回転環に熱歪が発生すると、当該回転環のシール面と静止環のシール面との平行性を保つことができなくなり、異常摩耗や流体漏れに繋がる虞がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、回転環の部位間の温度差に起因して当該回転環に生じる熱歪を防止又は抑制することができる非接触式ガスシールを提供することを目的としている。

（１）本発明の第１の観点に係る非接触式ガスシール（以下、単に「ガスシール」ともいう）は、回転軸に設けられた回転環と、前記回転環と軸方向に対向して配設された静止環と、前記回転環と静止環との対面するシール面間を狭める方向に当該回転環及び静止環のうちの一方を他方側に押す閉力発生手段と、前記シール面間にガスを供給して当該シール面間を広げる開力発生手段と、を備え、前記シール面間を挟んで軸方向一方側の第１空間と軸方向他方側の第２空間とを仕切る非接触式ガスシールであって、
前記回転環は、ＳｉＣの焼結体又は超硬合金で作製されており、
前記回転環における前記静止環と対面するシール面にダイヤモンド膜が形成されており、且つ、
前記回転環の外周面又は内周面、及び、前記回転環における前記シール面と反対側の面である背面に、前記シール面のダイヤモンド膜と連続するダイヤモンド膜が形成されている。

本発明の第１の観点に係るガスシールでは、回転環の外周面又は内周面、及び、当該回転環における前記シール面と反対側の面である背面に、前記シール面のダイヤモンド膜と連続するダイヤモンド膜が形成されている。ダイヤモンド膜は１０００〜２０００Ｗ／ｍ・ｋという大きな熱伝導率を有している。このため、回転環の摺動面であるシール面で発生した摩擦熱を速やかに当該回転環の外周面又は内周面に形成されたダイヤモンド膜を経由して回転環の背面に形成されたダイヤモンド膜に伝えることができる。これにより、回転環のシール面と背面との間の温度差を緩和し、前記温度差に起因する熱歪が回転環に生じるのを防止又は抑制することができる。その結果、回転環のシール面と、静止環のシール面との平行性を保つことができ、長期に亘り安定したシール性を発揮させることができる。

（２）本発明の第２の観点に係る非接触式ガスシール（以下、単に「ガスシール」ともいう）は、回転軸に設けられた回転環と、前記回転環と軸方向に対向して配設された静止環と、前記回転環と静止環との対面するシール面間を狭める方向に当該回転環及び静止環のうちの一方を他方側に押す閉力発生手段と、前記シール面間にガスを供給して当該シール面間を広げる開力発生手段と、を備え、前記シール面間を挟んで軸方向一方側の第１空間と軸方向他方側の第２空間とを仕切る非接触式ガスシールであって、
前記回転環は、ＳｉＣの焼結体又は超硬合金で作製されており、
前記回転環における前記静止環と対面するシール面にダイヤモンド膜が形成されており、且つ、
前記回転環の外周面及び内周面に、前記シール面のダイヤモンド膜と連続するダイヤモンド膜が形成されている。

本発明の第２の観点に係るガスシールでは、回転環の外周面及び内周面に、前記シール面のダイヤモンド膜と連続するダイヤモンド膜が形成されている。ダイヤモンド膜は１０００〜２０００Ｗ／ｍ・ｋという大きな熱伝導率を有している。このため、回転環の摺動面であるシール面で発生した摩擦熱を速やかに当該回転環の外周面及び内周面に形成されたダイヤモンド膜を経由して回転環の内周側及び外周側に伝えることができる。これにより、回転環のシール面と外周面と内周面の各々の間の温度差を緩和し、前記温度差に起因する熱歪が回転環に生じるのを防止又は抑制することができる。その結果、回転環のシール面と、静止環のシール面との平行性を保つことができ、長期に亘り安定したシール性を発揮させることができる。

（３）本発明の第３の観点に係るガスシールは、回転軸に設けられた回転環と、前記回転環と軸方向に対向して配設された静止環と、前記回転環と静止環との対面するシール面間を狭める方向に当該回転環及び静止環のうちの一方を他方側に押す閉力発生手段と、前記回転環のシール面に形成されており、当該回転環の回転により前記シール面間を広げる動圧を発生させる動圧発生手段と、を備え、前記シール面間を挟んで軸方向一方側の第１空間と軸方向他方側の第２空間とを仕切る非接触式ガスシールであって、
前記回転環は、ＳｉＣの焼結体又は超硬合金で作製されており、
前記回転環における前記静止環と対面するシール面にダイヤモンド膜が形成されており、且つ、
前記回転環の外周面又は内周面、及び、前記回転環における前記シール面と反対側の面である背面に、前記シール面のダイヤモンド膜と連続するダイヤモンド膜が形成されている。

本発明の第３の観点に係るガスシールでは、回転環の外周面又は内周面、及び、当該回転環における前記シール面と反対側の面である背面に、前記シール面のダイヤモンド膜と連続するダイヤモンド膜が形成されている。ダイヤモンド膜は１０００〜２０００Ｗ／ｍ・ｋという大きな熱伝導率を有している。このため、回転環の摺動面であるシール面で発生した摩擦熱を速やかに当該回転環の外周面又は内周面に形成されたダイヤモンド膜を経由して回転環の背面に形成されたダイヤモンド膜に伝えることができる。これにより、回転環のシール面と背面との間の温度差を緩和し、前記温度差に起因する熱歪が回転環に生じるのを防止又は抑制することができる。その結果、回転環のシール面と、静止環のシール面との平行性を保つことができ、長期に亘り安定したシール性を発揮させることができる。

（４）本発明の第４の観点に係るガスシールは、回転軸に設けられた回転環と、前記回転環と軸方向に対向して配設された静止環と、前記回転環と静止環との対面するシール面間を狭める方向に当該回転環及び静止環のうちの一方を他方側に押す閉力発生手段と、前記回転環のシール面に形成されており、当該回転環の回転により前記シール面間を広げる動圧を発生させる動圧発生手段と、を備え、前記シール面間を挟んで軸方向一方側の第１空間と軸方向他方側の第２空間とを仕切る非接触式ガスシールであって、
前記回転環は、ＳｉＣの焼結体又は超硬合金で作製されており、
前記回転環における前記静止環と対面するシール面にダイヤモンド膜が形成されており、且つ、
前記回転環の外周面及び内周面に、前記シール面のダイヤモンド膜と連続するダイヤモンド膜が形成されている。

本発明の第４の観点に係るガスシールでは、回転環の外周面及び内周面に、前記シール面のダイヤモンド膜と連続するダイヤモンド膜が形成されている。ダイヤモンド膜は１０００〜２０００Ｗ／ｍ・ｋという大きな熱伝導率を有している。このため、回転環の摺動面であるシール面で発生した摩擦熱を速やかに当該回転環の外周面及び内周面に形成されたダイヤモンド膜を経由して回転環の内周側及び外周側に伝えることができる。これにより、回転環のシール面と外周面と内周面の各々の間の温度差を緩和し、前記温度差に起因する熱歪が回転環に生じるのを防止又は抑制することができる。その結果、回転環のシール面と、静止環のシール面との平行性を保つことができ、長期に亘り安定したシール性を発揮させることができる。

（５）本発明の第５の観点に係るガスシールは、回転軸に設けられた回転環と、前記回転環の軸方向両側面とそれぞれ対向して配設された第１及び第２静止環と、前記回転環と両静止環との対面するシール面間を狭める方向に当該両静止環を回転環側に押す閉力発生手段と、前記回転環の両シール面に形成されており、当該回転環の回転により前記シール面間を広げる動圧を発生させる動圧発生手段と、を備え、前記シール面間を挟んで軸方向一方側の第１空間と軸方向他方側の第２空間とを仕切る非接触式ガスシールであって、
前記回転環は、ＳｉＣの焼結体又は超硬合金で作製されており、
前記回転環における前記静止環と対面する両シール面にダイヤモンド膜が形成されており、且つ、
前記回転環の外周面又は内周面に、前記両シール面のダイヤモンド膜と連続するダイヤモンド膜が形成されている。

本発明の第５の観点に係るガスシールでは、回転環の両側面のシール面にダイヤモンド膜が形成されるとともに、当該回転環の外周面又は内周面に、前記両シール面のダイヤモンド膜と連続するダイヤモンド膜が形成されている。ダイヤモンド膜は１０００〜２０００Ｗ／ｍ・ｋという大きな熱伝導率を有している。このため、回転環の機内側のシール面の熱を速やかに当該回転環の外周面又は内周面に形成されたダイヤモンド膜を経由して当該回転環の大気側のシール面に形成されたダイヤモンド膜に伝えることができる。これにより、回転環の機内側のシール面と大気側のシール面の間の温度差を緩和し、前記温度差に起因する熱歪が回転環に生じるのを防止又は抑制することができる。その結果、回転環のシール面と、静止環のシール面との平行性を保つことができ、長期に亘り安定したシール性を発揮させることができる。

（６）前記（１）〜（５）のガスシールにおいて、前記ダイヤモンド膜の熱伝導率を１０００〜２０００Ｗ／ｍ・ｋとすることができる。

本発明のガスシールによれば、回転環の部位間の温度差に起因して当該回転環に生じる熱歪を防止又は抑制することができる。

本発明のガスシールの第１実施形態の縦断面説明図である。 図１に示されるガスシールの変形例の要部拡大説明図である。 図１に示されるガスシールの他の変形例の要部拡大説明図である。 本発明のガスシールの第２実施形態の縦断面説明図である。 図４示されるガスシールの変形例の要部拡大説明図である。 図４示されるガスシールの他の変形例の要部拡大説明図である。 本発明のガスシールの第３実施形態の縦断面説明図である。 図７に示されるガスシールの変形例の要部拡大説明図である。 本発明のガスシールの第４実施形態の縦断面説明図である。 従来のガスシールの一例の縦断面説明図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明のガスシールの実施の形態を詳細に説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係るガスシールＧ１の縦断面説明図である。なお、図１及び後出する図２〜７においては、分かりやすくするために、ダイヤモンド膜の膜厚を誇張して描いている。

本実施形態に係るガスシールＧ１は、各種産業用ポンプ、撹拌機、コンプレッサ、ブロワ等の被軸封機器に用いることができ、当該被軸封機器のケーシング１と、このケーシング１に挿入される回転軸２との間に配設されている。ガスシールＧ１は、後述するシール面間を挟んで、軸方向一方側の機内側（第１空間）Ａと軸方向他端側の機外側（第２空間）Ｂとを仕切り、機内側に存在する流体が機外側に漏れるのを防止する。

図１に示されるガスシールＧ１は、回転側ユニットとして、回転軸に取り付けられた環状の回転環３と、回転軸２に外嵌して固定されているストッパーリング４と、このストッパーリング４に固定され前記回転軸２に外嵌している、フランジ５ａ付のスリーブ５とを備えている。回転環３はスリーブ５に外嵌しており、当該スリーブ５のフランジ５ａとストッパーリング４とに挟まれて回転軸２に固定された状態にある。これにより、回転環３は回転軸２と一体回転可能にされている。回転環３は、ＳｉＣの焼結体で作製されており、この焼結体は、例えばＳｉＣの常温焼結又は反応焼結により得ることができる。また、回転環３は超硬合金（ＷＣ）で作製してもよい。
スリーブ５とストッパーリング４はボルト６により固定されており、ストッパーリング４は、セットスクリュー７により回転軸２に固定されている。

回転環３とスリーブ５との間には機内側Ａと機外側Ｂとの間をシールするＯリング８が介在している。また、回転軸２とスリーブ５との間には、機内側Ａと機外側Ｂとの間をシールするＯリング９が介在している。このため、回転環４と回転軸２と間で、機内側Ａの流体が機外側Ｂに漏れない。

ガスシールＧ１は、静止側ユニットとして、回転環３と軸方向に対向する環状の静止環１０と、この静止環１０をケーシング１に取り付けるための環状のシールケース１１と、静止環１０を回転環３に向かって押圧する、閉力発生手段であるスプリング１２とを備えている。

シールケース１１は、第１ケース１３と第２ケース１４とで構成されており、両ケース１３、１４は、ボルト１５によってケーシング１に固定されている。第１ケース１３には、後述するガスを供給するために径方向に貫通するガス供給孔１６が形成されている。第２ケース１４は、第１ケース１３をケーシング１との間で挟む円環状の部材である。第２ケース１４は、静止環１０と軸方向について対向する壁部１７と、この壁部１７の径方向内側において軸方向（機内側Ａの方向）に延びる円筒部１８とを有している。円筒部１８の内周面と、静止環１０の外周面との間にＯリング１９が介在している。

静止環１０は、第１ケース１３の径方向内側であって、第２ケース１４と回転環３との間で挟まれる位置に配設されている。第１ケース１３の内周面と静止環１０の外周面との間には、前記ガス供給孔１６の開口１６ａを軸方向に挟んで両側にＯリング２０、２１が配設されている。これらＯリング２０、２１間において、第１ケース１３の内周面と静止環１０の外周面との間に、ガス供給孔１６を通じて供給されたガスが流入する環状の空間Ｓ１が形成されている。

静止環１０の機外側Ｂには、軸方向に凹んでいる穴２２が周方向に等間隔で複数形成されている。各穴２２内に、スプリング１２が配設されている。スプリング１２の一端は穴２２の底面に、他端が第２ケース１４の壁部１７の機内側Ａの壁面１７ａに当接している。スプリング１２の弾性復元力により、静止環１０を回転環３へ向かう軸方向に押すことができる。

静止環１０は、その内外周面において、前記Ｏリングと、前記Ｏリング２０、２１とのよって径方向について支持されている。そして、静止環１０は、前記スプリング１２の弾性力に抗して軸方向に移動可能である。

静止環１０には、周方向について等間隔でガス孔２３が複数形成されている。複数のガス孔２３は、それぞれ環状の空間Ｓ１と、静止環１０の機内側Ａの端面であるシール面１０ａとを連通している。静止環１０のシール面１０ａには、溝２４が形成されており、この溝２４において、前記ガス孔２３は開口している。また、ガス孔２３内には、ガスの通過面積（流量）を絞るオリフィス２５が配設されている。本実施形態では、前記ガス孔２３、溝２４及びオリフィス２５が、シール面間にガスを供給して当該シール面間を広げる開力発生手段を構成している。

本実施形態では、シールケース１１の前記ガス供給孔１６から環状の空間Ｓ１へ窒素ガスが供給される。環状の空間Ｓ１に供給されたガスは、各ガス孔２３へ流入し、これらガス孔２３を通じて溝２４に供給される。溝２４に供給されたガスはバリアガスと呼ばれ、溝２４で発生するバリアガスの圧力（静圧）が、機内側Ａに充填されている流体による圧力と重畳される。その結果、静止環１０は、スプリング１２の弾性力と機外側Ｂの流体（例えば、大気）による圧力との合力に抗して、機外側Ｂへと移動し、当該静止環１０のシール面１０ａが、これに対面する回転環３の端面であるシール面３ａから離間する。これにより、溝２４に供給されたバリアガスは、両シール面３ａ、１０ａ間の隙間、すなわちシール面隙間を通じて、径方向内側及び径方向外側へ流出する流れが生じる。

そして、シール面隙間におけるバリアガスのガス圧（静圧）と機内側Ａの流体による圧力との合力と、スプリング１２の弾性力と機外側Ｂの流体による圧力との合力とが拮抗する位置まで静止環１０が機外側Ｂへ移動した後に、当該位置で保持される。そして、シール面隙間に充填するバリアガスによって、静止環１０と回転環３とが非接触であるシール状態が得られ、この状態が保持されたまま、回転軸２及び回転環３が回転する。

また、本実施形態では、静止側ユニットと回転側ユニットとの間にラビリンスシール部２６が設けられている。第１ケース１３の機内側Ａの内周面には、凹凸が軸方向に連続する凹凸部２７が形成されている。この凹凸部２７と、回転環３及びフランジ５ａの外周面とが、隙間を有して径方向について対向しており、当該凹凸部２７及び外周面によりラビリンスシール部２６が構成されている。

本実施形態では、回転環３のシール面３ａ、外周面３ｂ、及び、当該回転環３における前記シール面３ａと反対側の面である背面３ｃにダイヤモンド膜ｄ１，ｄ２，ｄ３がそれぞれ形成されている。ダイヤモンド膜ｄ１，ｄ２，ｄ３は、互いに連続するように形成されている。ダイヤモンド膜は１０００〜２０００Ｗ／ｍ・ｋという大きな熱伝導率を有している。このため、回転環３の摺動面であるシール面３ａで発生した摩擦熱を速やかに当該回転環３の外周面３ｂに形成されたダイヤモンド膜ｄ２を経由して回転環３の背面３ｃに形成されたダイヤモンド膜ｄ３に伝えることができる。これにより、回転環３の軸方向両側面であるシール面３ａと背面３ｃとの間の温度差を緩和し、前記温度差に起因する熱歪が回転環３に生じるのを防止又は抑制することができる。その結果、回転環３のシール面３ａと、静止環１０のシール面１０ａとの平行性を保つことができ、長期に亘り安定したシール性を発揮させることができる。

ダイヤモンド膜は、例えばマイクロ波ＣＶＤ法、熱フィラメントＣＶＤ法等の一般的な製造技術を用いて作製することができる。また、ダイヤモンド膜の厚さは、本発明において特に限定されるものではないが、通常、３〜２０μｍ、好ましくは３〜１０μｍである。回転環５のシール面５ａで発生した摩擦熱が当該回転環５の母材であるＳｉＣ焼結体に移動する前に外周面５ｂのダイヤモンド膜ｄ２に移動させるという観点からは、３μｍ以上の厚さであることが望ましい。また、ダイヤモンド膜が厚くなる程膜の表面粗度も大きくなり、精密な機械部品であるメカニカルシールのシール面として使用するのが困難になるのに加えてダイヤモンド膜の残留応力を極力小さくするという観点からは、１０μｍ以下であることが望ましい。

ダイヤモンド膜ｄ１とダイヤモンド膜ｄ２、ｄ３とは同じ厚さであってもよいが、互いに異なる厚さであってもよい。回転環３のシール面３ａで発生した摩擦熱を速やかに外周面３ｂのダイヤモンド膜ｄ２に移動させるという観点からは、外周面３ｂのダイヤモンド膜ｄ２の膜厚がシール面３ａのダイヤモンド膜ｄ１の膜厚以上であることが望ましい。

図２は、図１に示される第１実施形態の変形例の要部拡大説明図である。この変形例は、回転環３の外周面３ｂに代えて当該回転環３の内周面３ｄにダイヤモンド膜ｄ４が形成されている点が第１実施形態に係るガスシールＧ１と異なっている。したがって、第１実施形態と共通する構成要素には同一の参照符号を付し、簡単のため、それらについての説明は省略する。

この変形例では、回転環３のシール面３ａ、内周面３ｄ、及び、当該回転環３における前記シール面３ａと反対側の面である背面３ｃにダイヤモンド膜ｄ１，ｄ４，ｄ３がそれぞれ形成されている。ダイヤモンド膜ｄ１，ｄ４，ｄ３は、互いに連続するように形成されている。回転環３の摺動面であるシール面３ａで発生した摩擦熱は速やかに当該回転環３の内周面３ｄに形成されたダイヤモンド膜ｄ４を経由して回転環３の背面３ｃに形成されたダイヤモンド膜ｄ３に伝えることができる。これにより、回転環３の軸方向両側面であるシール面３ａと背面３ｃとの間の温度差を緩和し、前記温度差に起因する熱歪が回転環３に生じるのを防止又は抑制することができる。その結果、回転環３のシール面３ａと、静止環１０のシール面１０ａとの平行性を保つことができ、長期に亘り安定したシール性を発揮させることができる。

図３は、図１に示される第１実施形態の他の変形例の要部拡大説明図である。この変形例は、回転環３の背面３ｃを除く当該回転環３の外周面３ｂ及び内周面３ｄにダイヤモンド膜ｄ２、ｄ４が形成されている点が第１実施形態に係るガスシールＧ１と異なっている。したがって、第１実施形態と共通する構成要素には同一の参照符号を付し、簡単のため、それらについての説明は省略する。

この変形例では、回転環３のシール面３ａ、外周面３ｂ及び内周面３ｄにダイヤモンド膜ｄ１，ｄ２，ｄ４がそれぞれ形成されている。ダイヤモンド膜ｄ１，ｄ２，ｄ４は、互いに連続するように形成されている。回転環３の摺動面であるシール面３ａで発生した摩擦熱は速やかに当該回転環３の外周面３ｂ及び内周面３ｄに形成されたダイヤモンド膜ｄ２、ｄ４を経由して回転環３の内周側及び外周側に伝えることができる。これにより、回転環３のシール面３ａと外周面３ｂと内周面３ｄの各々の間の温度差を緩和し、前記温度差に起因する熱歪が回転環３に生じるのを防止又は抑制することができる。その結果、回転環３のシール面３ａと、静止環１０のシール面１０ａとの平行性を保つことができ、長期に亘り安定したシール性を発揮させることができる。

〔第２実施形態〕
図４は、本発明の第２実施形態に係るガスシールＧ２の縦断面説明図である。前述した第１実施形態に係るガスシールＧ１ではガスの静圧を利用してシール面隙間を広げているのに対し、第２実施形態に係るガスシールＧ２ではガスの動圧を利用してシール面隙間を広げている。このため、本実施形態では、ガスの供給及び動圧の発生に関与する回転環３１、静止環３２及び第１ケース３３の構成が、図１に示される第１実施形態に係るガスシールＧ２と異なっている。したがって、共通する構成要素には同一の参照符号を付し、簡単のため、それらについての説明は省略する。

回転環３１における、静止環３２のシール面３２ａと軸方向で対向するシール面３１ａには、当該回転環３１の外周面３１ｂに開口する動圧発生溝３４が形成されている。前記動圧発生溝３４に流入するガスが回転環３１の回転時に発生する動圧によって両シール面３１ａ、３２ａを互いに離間させる力（開力）が生じる。

第１ケース３３には、ガスを供給するために径方向に貫通するガス供給孔３５が形成されている。ガス供給孔３５を通じて供給されたガスは、第１ケース３１の内周面、回転環３１の外周面及び静止環３２の外周面により画定される環状の空間Ｓ２に流入し、さらに前記動圧発生溝３４に流入する。

本実施形態においても前記第１実施形態と同様に、回転環３１のシール面３１ａ、外周面３１ｂ、及び、当該回転環３１における前記シール面３１ａと反対側の面である背面３１ｃにダイヤモンド膜ｄ１，ｄ２，ｄ３がそれぞれ形成されている。ダイヤモンド膜ｄ１，ｄ２，ｄ３は、互いに連続するように形成されている。ダイヤモンド膜は１０００〜２０００Ｗ／ｍ・ｋという大きな熱伝導率を有している。このため、回転環３１の摺動面であるシール面３１ａで発生した摩擦熱を速やかに当該回転環３１の外周面３１ｂに形成されたダイヤモンド膜ｄ２を経由して回転環３１の背面３１ｃに形成されたダイヤモンド膜ｄ３に伝えることができる。これにより、回転環３１の軸方向両側面であるシール面３１ａと背面３１ｃとの間の温度差を緩和し、前記温度差に起因する熱歪が回転環３１に生じるのを防止又は抑制することができる。その結果、回転環３１のシール面３１ａと、静止環３２のシール面３２ａとの平行性を保つことができ、長期に亘り安定したシール性を発揮させることができる。

図５は、図４に示される第２実施形態の変形例の要部拡大説明図である。この変形例は、回転環３１の外周面３１ｂに代えて当該回転環３１の内周面３１ｄにダイヤモンド膜ｄ４が形成されている点が第２実施形態に係るガスシールＧ２と異なっている。したがって、第２実施形態と共通する構成要素には同一の参照符号を付し、簡単のため、それらについての説明は省略する。

この変形例では、回転環３１のシール面３１ａ、内周面３１ｄ、及び、当該回転環３１における前記シール面３１ａと反対側の面である背面３１ｃにダイヤモンド膜ｄ１，ｄ４，ｄ３がそれぞれ形成されている。ダイヤモンド膜ｄ１，ｄ４，ｄ３は、互いに連続するように形成されている。回転環３１の摺動面であるシール面３１ａで発生した摩擦熱は速やかに当該回転環３１の内周面３１ｄに形成されたダイヤモンド膜ｄ４を経由して回転環３１の背面３１ｃに形成されたダイヤモンド膜ｄ３に伝えることができる。これにより、回転環３１の軸方向両側面であるシール面３１ａと背面３１ｃとの間の温度差を緩和し、前記温度差に起因する熱歪が回転環３１に生じるのを防止又は抑制することができる。その結果、回転環３１のシール面３１ａと、静止環３２のシール面３２ａとの平行性を保つことができ、長期に亘り安定したシール性を発揮させることができる。

図６は、図４に示される第２実施形態の他の変形例の要部拡大説明図である。この変形例は、回転環３１の背面３１ｃを除く当該回転環３１の外周面３１ｂ及び内周面３１ｄにダイヤモンド膜ｄ２、ｄ４が形成されている点が第２実施形態に係るガスシールＧ２と異なっている。したがって、第２実施形態と共通する構成要素には同一の参照符号を付し、簡単のため、それらについての説明は省略する。

この変形例では、回転環３１のシール面３１ａ、外周面３１ｂ及び内周面３１ｄ、にダイヤモンド膜ｄ１，ｄ２，ｄ４がそれぞれ形成されている。ダイヤモンド膜ｄ１，ｄ２，ｄ４は、互いに連続するように形成されている。回転環３１の摺動面であるシール面３１ａで発生した摩擦熱は速やかに当該回転環３１の外周面３１ｂ及び内周面３１ｄに形成されたダイヤモンド膜ｄ２、ｄ４を経由して回転環３１の外周側及び内周側に伝えることができる。これにより、回転環３１のシール面３１ａと外周面と内周面の各々の間の温度差を緩和し、前記温度差に起因する熱歪が回転環３１に生じるのを防止又は抑制することができる。その結果、回転環３１のシール面３１ａと、静止環３２のシール面３２ａとの平行性を保つことができ、長期に亘り安定したシール性を発揮させることができる。

〔第３実施形態〕
図７は、本発明の第３実施形態に係るガスシールＧ３の縦断面説明図である。本実施形態に係るガスシールＧ３は、ガスの動圧を利用してシール面隙間を広げている点では前記第２実施形態に係るガスシールＧ２と同じであるが、回転環４１の両側面がシール面４１ａ、４１ｃとされている点が当該ガスシールＧ２と異なっている。このため、ガスシールＧ３では、そのシール面同士が対向している一対の静止環４２、４３が配設されている。

図７に示されるガスシールＧ３は、回転側ユニットとして、回転軸に取り付けられた環状の回転環４１と、回転軸４４に外嵌して固定されているストッパーリング４５と、このストッパーリング４５に固定され前記回転軸４４に外嵌しているスリーブ４６とを備えている。回転環４１はスリーブ４６に外嵌しており、当該回転環４１の内周面に形成された凹所４７に、スリーブ４６の外周面に形成された穴に圧入されたピン４８の頭部が突出している。これにより、回転環４１の回り止めの役割を果たしている。回転環４１は回転軸４４と一体回転可能にされている。回転環４１は、ＳｉＣの焼結体で作製されており、この焼結体は、例えばＳｉＣの常温焼結又は反応焼結により得ることができる。また、回転環４１は、超硬合金（ＷＣ）で作製してもよい。

スリーブ４６とストッパーリング４５はボルト４９により固定されており、ストッパーリング４５は、セットスクリュー５０により回転軸４４に固定されている。
回転軸４４とスリーブ４６との間には、機内側Ａと機外側Ｂとの間をシールするＯリング５０が介在している。このため、回転軸４４とスリーブ４６との間で、機内側Ａの流体が機外側Ｂに漏れない。

ガスシールＧ３は、静止側ユニットとして、回転環４１と軸方向に対向する一対の環状の静止環４２，４３と、これら静止環４２，４３をケーシング５２に取り付けるための環状のシールケース５３及びシールフランジ５４と、静止環４２、４３を回転環４１に向かって押圧する、閉力発生手段であるスプリング５５，５６とを備えている。

シールフランジ５４はボルト５７によりシールケース５３に固定されており、また、シールフランジ５４及びシールケース５３は、ボルト５８によってケーシング５２に固定されている。シールケース５３には、後述するガスを供給するために径方向に貫通するガス供給孔５９が形成されている。

機外側Ｂの静止環４２は、シールフランジ５４と回転環４１との間に配設されており、機内側Ａの静止環４３は、当該回転環４１とシールケース５３との間に配設されている。両静止環４２、４３及び回転環４１の外周面と、前記シールフランジ５４及びシールケース５３の内周面とで画定される環状の空間Ｓ３に前記ガス供給孔５９が開口している。

回転環４１の両側面、すなわち、一方の静止環４２のシール面４２ａと軸方向で対向するシール面４１ａと、他方の静止環４３のシール面４３ａと軸方向で対向するシール面４１ｃには、当該回転環４１の外周面４１ｂに開口する動圧発生溝６０ａ，６０ｂがそれぞれ形成されている。ガス供給孔５９を通じて供給されたガスは、環状の空間Ｓ３に流入し、さらに前記動圧発生溝６０ａ，６０ｂに流入する。動圧発生溝６０ａ，６０ｂに流入するガスが回転環４１の回転時に発生する動圧によってシール面４１ａとシール面４２ａ、及び、シール面４１ｃとシール面４３ａを互いに離間させる力（開力）が生じる。

本実施形態では、回転環４１のシール面４１ａ、外周面４１ｂ及びシール面４１ｃにダイヤモンド膜ｄ１，ｄ２，ｄ３がそれぞれ形成されている。ダイヤモンド膜ｄ１，ｄ２，ｄ３は、互いに連続するように形成されている。ダイヤモンド膜は１０００〜２０００Ｗ／ｍ・ｋという大きな熱伝導率を有している。

図７に示されるようなダブル式のガスシールＧ３では、機内側Ａの圧力が機外側Ｂの圧力に比べて高い場合、機内側Ａの静止環４３を押圧する閉力は機外側Ｂに比べて大きくなるように設定されるので、シール面にガスの動圧による開力が作用するものの、機内側Ａのシール面の方が機外側Ｂのシール面よりも接触する可能性が高い。
さらに、流体温度に関し、通常、この種の非接触式ガスシールでは、機内側Ａは５〜８０度程度の温度範囲で使用されるが、この場合、大気側の温度を２５度程度と仮定すると、機内流体の温度の方が高いケースが多く、その結果、高温の密封流体に接触する機内側Ａのシール面の温度が、機外側Ｂのシール面の温度よりも高くなるケースが多い。

このように、ダブル式のガスシールでは、回転環４１の機内側Ａのシール面４１ｃの温度が機外側Ｂのシール面４１ａの温度よりも高くなり、当該回転環４１に熱歪が発生する虞があるが、本実施形態では、前記のようなダイヤモンド膜を形成しているので、回転環４１の機内側Ａのシール面４１ｃの熱を速やかに当該回転環４１の外周面４１ｂに形成されたダイヤモンド膜ｄ２を経由して当該回転環４１の機外側のシール面４１ａに形成されたダイヤモンド膜ｄ３に伝えることができる。これにより、回転環４１の機内側Ａのシール面４１ｃと機外側Ｂのシール面４１ａの間の温度差を緩和し、前記温度差に起因する熱歪が回転環４１に生じるのを防止又は抑制することができる。その結果、回転環４１のシール面４１ａ，４１ｃと、静止環のシール面４２ａ、４３ａとの平行性を保つことができ、長期に亘り安定したシール性を発揮させることができる。

図８は、図７に示される第３実施形態の変形例の要部拡大説明図である。この変形例は、回転環４１の外周面４１ｂに代えて当該回転環４１の内周面４１ｄにダイヤモンド膜ｄ４が形成されている点が第３実施形態に係るガスシールＧ３と異なっている。したがって、第３実施形態と共通する構成要素には同一の参照符号を付し、簡単のため、それらについての説明は省略する。

この変形例では、回転環４１の両シール面４１ａ、４１ｃ及び内周面４１ｄにダイヤモンド膜ｄ１，ｄ３，ｄ４がそれぞれ形成されている。ダイヤモンド膜ｄ１，ｄ３，ｄ４は、互いに連続するように形成されている。回転環４１の摺動面のうち、より高温になる可能性が高い機内側のシール面４１ｃで発生した摩擦熱は速やかに当該回転環４１の内周面４１ｄに形成されたダイヤモンド膜ｄ４を経由して回転環４１の機外側Ｂのシール面４１ａに形成されたダイヤモンド膜ｄ１に伝えることができる。これにより、回転環４１の軸方向両側面であるシール面４１ａとシール面４１ｃとの間の温度差を緩和し、前記温度差に起因する熱歪が回転環４１に生じるのを防止又は抑制することができる。その結果、回転環４１のシール面４１ａ，４１ｃと、静止環のシール面４２ａ、４３ａとの平行性を保つことができ、長期に亘り安定したシール性を発揮させることができる。

〔第４実施形態〕
図９は、本発明の第４実施形態に係るガスシールＧ４の縦断面説明図である。本実施形態に係るガスシールＧ４は、ガスの静圧を利用してシール面隙間を広げている点では、図１に示される第１実施形態に係るガスシールＧ１と同じであるが、当該ガスシールＧ１では、静止環及び回転環のうちの一方である静止環がスプリングにより他方の回転環側に押圧されているのに対し、本実施形態に係るガスシールＧ４では、静止環及び回転環のうちの一方である回転環がスプリングにより他方の静止環側に押圧されている点が異なっている。

ガスシールＧ４では、ケーシング７１と、このケーシング７１に挿入される回転軸７２との間で、軸方向一方側（機内側Ａ）に存在する流体をシールする。ガスシールＧ４は、回転軸７２に取り付けられる環状の回転環７３と、この回転環７３と軸方向に対向する環状の静止環７４と、この静止環７４をケーシング７１に取り付けるための環状のシールケース７５とを備えている。

また、ガスシールＧ４は、回転軸７２に固定されるスリーブ７６を備えており、当該スリーブ７６と回転環７３との間に閉力発生手段であるスプリング７７が配設されている。スプリング７７は、回転環７２を静止環７４へ向かう軸方向に押している。このように、第１の観点及び第２の観点に係る本発明では、静止環と回転環との対面するシール面間を狭める方向に弾性力を付与する閉力発生手段であるスプリングは、静止環及び回転環のうちの一方を他方側に弾性的に押すものであればよい。

静止環７４には、当該静止環７４と回転環７３との対面するシール面７４ａ、７３ａ間にガスを供給するために当接静止環７４のシール面７４ａで開口しているガス複数の孔７８が周方向に沿って等間隔で形成されている。また、シールケース７５には、ガス孔７８にガスを供給するためのガス供給孔７９が形成されている。ガス供給孔７９は、静止環７４とシールケース７５との間に形成されている環状の空間Ｓ４と連続している。

本実施形態では、回転環７３のシール面７３ａ、外周面７３ｂ、及び、当該回転環７３における前記シール面７３ａと反対側の面である背面７３ｃにダイヤモンド膜ｄ１，ｄ２，ｄ３がそれぞれ形成されている。ダイヤモンド膜ｄ１，ｄ２，ｄ３は、互いに連続するように形成されている。ダイヤモンド膜は１０００〜２０００Ｗ／ｍ・ｋという大きな熱伝導率を有している。このため、回転環７３の摺動面であるシール面７３ａで発生した摩擦熱を速やかに当該回転環７３の外周面７３ｂに形成されたダイヤモンド膜ｄ２を経由して回転環７３の背面７３ｃに形成されたダイヤモンド膜ｄ３に伝えることができる。これにより、回転環７３の軸方向両側面であるシール面７３ａと背面７３ｃとの間の温度差を緩和し、前記温度差に起因する熱歪が回転環７３に生じるのを防止又は抑制することができる。その結果、回転環７３のシール面７３ａと、静止環７４のシール面７４ａとの平行性を保つことができ、長期に亘り安定したシール性を発揮させることができる。

〔その他の変形例〕
なお、本発明のガスシールは前述した実施の形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。
例えば、前述した実施形態では、静止環のシール面と回転環のシール面との間を狭める閉力を発生させる手段としてスプリングが用いられているが、例えば特開２０１４−１７３７００号公報に開示されているように、静止環の背面側に密封された背圧室を形成するとともに当該静止環に背圧室に連通するガス導入路を形成し、このガス導入路を通じて背圧室に導入される機内側の高圧ガスの静圧により静止環を回転環側に押す構成とすることも可能である。

また、前述した、図４〜８に係る実施形態では、動圧発生溝にダイヤモンド膜を形成していないが、溝の内部までダイヤモンド膜を形成した回転環としても、図４〜８に係る実施形態と同一の作用及び効果を奏することができる。さらに、溝の内部までダイヤモンド膜を形成することで、ガスシールの回転環全体の温度分布をさらに均一にすることができ、シール面間隙間として数ミクロンを維持しつつ回転数が１〜２万ｒｐｍにも及ぶ液化ガス用コンプレッサ等の超高速回転機器に使用される精密ガスシールとして最適な効果を奏することができる。

１ ：ケーシング
２ ：回転軸
３ ：回転環
３ａ：シール面
３ｂ：外周面
３ｃ：背面
４ ：ストッパーリング
５ ：スリーブ
５ａ：フランジ
６ ：ボルト
６ａ：押圧面
７ ： セットスクリュー
８ ：Ｏリング
９ ：Ｏリング
１０ ：静止環
１０ａ：シール面
１１ ：シールケース
１２ ：スプリング
１３ ：第１ケース
１４ ：第２ケース
１５ ：ボルト
１６ ：ガス供給孔
１６ａ：開口
１７ ：壁部
１７ａ：壁面
１８ ：円筒部
１９ ：Ｏリング
２０ ：Ｏリング
２１ ：Ｏリング
２２ ：穴
２３ ：ガス孔
２４ ：溝
２５ ：オリフィス
２６ ：ラビリンスシール部
２７ ：凹凸部
３１ ：回転環
３１ａ：シール面
３１ｂ：外周面
３１ｃ：背面
３２ ：静止環
３３ ：第１ケース
３４ ：動圧発生溝
３５ ：ガス供給孔
４１ ：回転環
４２ ：静止環
４３ ：静止環
４４ ：回転軸
４５ ：ストッパーリング
４６ ：スリーブ
４７ ：凹所
４８ ：ピン
４９ ：ボルト
５０ ：セットスクリュー
５１ ：Ｏリング
５２ ：ケーシング
５３ ：シールケース
５４ ：シールフランジ
５５ ：スプリング
５６ ：スプリング
５７ ：ボルト
５８ ：ボルト
５９ ：ガス供給孔
６０ａ：動圧発生溝
６０ｂ：動圧発生溝
７１ ：ケーシング
７２ ：回転軸
７３ ：回転環
７４ ：静止環
７５ ：シールケース
７６ ：スリーブ
７７ ：スプリング
７８ ：ガス孔
７９ ：ガス供給路
Ｇ１：ガスシール
Ｇ２：ガスシール
Ｇ３：ガスシール
Ｇ４：ガスシール
Ｓ１：環状空間
Ｓ２：環状空間
Ｓ３：環状空間
Ｓ４：環状空間
ｄ１：ダイヤモンド膜
ｄ２：ダイヤモンド膜
ｄ３：ダイヤモンド膜
ｄ４：ダイヤモンド膜

Claims (6)

1. 回転軸に設けられた回転環と、前記回転環と軸方向に対向して配設された静止環と、前記回転環と静止環との対面するシール面間を狭める方向に当該回転環及び静止環のうちの一方を他方側に押す閉力発生手段と、前記シール面間にガスを供給して当該シール面間を広げる開力発生手段と、を備え、前記シール面間を挟んで軸方向一方側の第１空間と軸方向他方側の第２空間とを仕切る非接触式ガスシールであって、
   前記回転環は、ＳｉＣの焼結体又は超硬合金で作製されており、
   前記回転環における前記静止環と対面するシール面にダイヤモンド膜が形成されており、且つ、
   前記回転環の外周面又は内周面、及び、前記回転環における前記シール面と反対側の面である背面に、前記シール面のダイヤモンド膜と連続するダイヤモンド膜が形成されている、非接触式ガスシール。
2. 回転軸に設けられた回転環と、前記回転環と軸方向に対向して配設された静止環と、前記回転環と静止環との対面するシール面間を狭める方向に当該回転環及び静止環のうちの一方を他方側に押す閉力発生手段と、前記シール面間にガスを供給して当該シール面間を広げる開力発生手段と、を備え、前記シール面間を挟んで軸方向一方側の第１空間と軸方向他方側の第２空間とを仕切る非接触式ガスシールであって、
   前記回転環は、ＳｉＣの焼結体又は超硬合金で作製されており、
   前記回転環における前記静止環と対面するシール面にダイヤモンド膜が形成されており、且つ、
   前記回転環の外周面及び内周面に、前記シール面のダイヤモンド膜と連続するダイヤモンド膜が形成されている、非接触式ガスシール。
3. 回転軸に設けられた回転環と、前記回転環と軸方向に対向して配設された静止環と、前記回転環と静止環との対面するシール面間を狭める方向に当該回転環及び静止環のうちの一方を他方側に押す閉力発生手段と、前記回転環のシール面に形成されており、当該回転環の回転により前記シール面間を広げる動圧を発生させる動圧発生手段と、を備え、前記シール面間を挟んで軸方向一方側の第１空間と軸方向他方側の第２空間とを仕切る非接触式ガスシールであって、
   前記回転環は、ＳｉＣの焼結体又は超硬合金で作製されており、
   前記回転環における前記静止環と対面するシール面にダイヤモンド膜が形成されており、且つ、
   前記回転環の外周面又は内周面、及び、前記回転環における前記シール面と反対側の面である背面に、前記シール面のダイヤモンド膜と連続するダイヤモンド膜が形成されている、非接触式ガスシール。
4. 回転軸に設けられた回転環と、前記回転環と軸方向に対向して配設された静止環と、前記回転環と静止環との対面するシール面間を狭める方向に当該回転環及び静止環のうちの一方を他方側に押す閉力発生手段と、前記回転環のシール面に形成されており、当該回転環の回転により前記シール面間を広げる動圧を発生させる動圧発生手段と、を備え、前記シール面間を挟んで軸方向一方側の第１空間と軸方向他方側の第２空間とを仕切る非接触式ガスシールであって、
   前記回転環は、ＳｉＣの焼結体又は超硬合金で作製されており、
   前記回転環における前記静止環と対面するシール面にダイヤモンド膜が形成されており、且つ、
   前記回転環の外周面及び内周面に、前記シール面のダイヤモンド膜と連続するダイヤモンド膜が形成されている、非接触式ガスシール。
5. 回転軸に設けられた回転環と、前記回転環の軸方向両側面とそれぞれ対向して配設された第１及び第２静止環と、前記回転環と両静止環との対面するシール面間を狭める方向に当該両静止環を回転環側に押す閉力発生手段と、前記回転環の両シール面に形成されており、当該回転環の回転により前記シール面間を広げる動圧を発生させる動圧発生手段と、を備え、前記シール面間を挟んで軸方向一方側の第１空間と軸方向他方側の第２空間とを仕切る非接触式ガスシールであって、
   前記回転環は、ＳｉＣの焼結体又は超硬合金で作製されており、
   前記回転環における前記静止環と対面する両シール面にダイヤモンド膜が形成されており、且つ、
   前記回転環の外周面又は内周面に、前記両シール面のダイヤモンド膜と連続するダイヤモンド膜が形成されている、非接触式ガスシール。
6. 前記ダイヤモンド膜の熱伝導率が１０００〜２０００Ｗ／ｍ・ｋである、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の非接触式ガスシール。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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