JP2019027466A

JP2019027466A - メカニカルシール

Info

Publication number: JP2019027466A
Application number: JP2017145041A
Authority: JP
Inventors: 崇伺西; Takashi Nishi; 優司佐藤; Yuji Sato
Original assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Current assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Priority date: 2017-07-27
Filing date: 2017-07-27
Publication date: 2019-02-21
Also published as: DE112018003828T5; US20210148467A1; CN110177967A; WO2019021688A1

Abstract

【課題】両密封環の接触部を効果的に潤滑して、長期に亘ってシール機能を良好に発揮することができるメカニカルシールを提供する。【解決手段】メカニカルシールは、回転軸２に設けた第１密封環３の端面とシールケースに設けた第２密封環４の端面４１との接触部Ｓが相対回転することにより、高圧液体領域Ｈと大気領域Ｌとを遮蔽シールするように構成されており、第１密封環３の端面には、前記接触部Ｓを高圧液体領域Ｈに連通する潤滑溝１２が形成されると共に当該潤滑溝１２を含めてダイヤモンド膜１３が形成される。【選択図】図２

Description

本発明は、ポンプ等に装備されるメカニカルシールに関するものである。

従来、高圧条件下で使用される回転機器の軸封手段としては、一般に、回転軸に設けた密封環とシールケースに設けた密封環とが接触する状態で相対回転することにより、シール機能を発揮するように構成されたメカニカルシールが使用されている。

このようなメカニカルシールにあっては、例えば、特許文献１の図１に開示される如く、シールケースに設けた炭化珪素材製の固定用密封環の端面に、当該端面と回転軸に設けた回転用密封環の端面との接触部に高圧液体領域の液体を導入する潤滑溝を形成して、当該液体により当該接触部を潤滑させることによって、当該接触部の摩耗、発熱を可及的に抑制し、シール機能の維持や耐久性の向上を図っている。

特開２００６−７０９４２号公報

しかし、潤滑溝から両密封環の接触部への液体導入による潤滑を十分に行うことができず、長期に亘って良好なシール機能を発揮させることが困難であった。

本発明は、このような問題を生じることなく、長期に亘ってシール機能を良好に発揮することができるメカニカルシールを提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成すべく、回転軸及びシールケースの一方に設けた第１密封環の端面とその他方に設けた第２密封環の端面との接触部が相対回転することにより、高圧液体領域と低圧流体領域とを遮蔽シールするように構成されており、第１密封環の端面には、前記接触部を高圧液体領域に連通する潤滑溝が形成されると共に当該潤滑溝を含めてダイヤモンド膜が形成されるメカニカルシールを提案する。

本発明のメカニカルシールにあって、ダイヤモンド膜には、不純物原子が導入されていても良い。

本発明のメカニカルシールにあっては、第１密封環の端面に潤滑溝を含めて極めて硬質で且つ表面が微細な凹凸面をなすダイヤモンド膜を形成しているから、第１密封環の端面の摩耗を可及的に防止することができ、更に高圧液体領域の液体を潤滑溝から両密封環の接触部に円滑に導入させると共に導入された液体を当該接触部に良好に浸透させることができる。したがって、本発明のメカニカルシールによれば、両密封環の接触部を極めて効果的に潤滑することができ、当該接触部における摩耗、発熱、損傷を効果的に抑制し得て、長期に亘って良好なシール機能を発揮させることができる。

本発明に係るメカニカルシールの一例を示す断面図である。図１の要部を拡大して示す詳細図である。図２のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。当該メカニカルシールの要部を取り出して示す、一部を切り欠いた状態の斜視図である。（Ａ）図はダイヤモンド膜の表面を示す顕微鏡写真であり、（Ｂ）図は炭化珪素材の表面を示す顕微鏡写真である。

以下、本発明に係るメカニカルシールの実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係るメカニカルシールの一例を示す断面図であり、図２は図１の要部を拡大して示す詳細図であり、図３は図２のＸ−Ｘ線に沿う断面図であり、図４は当該メカニカルシールの要部を取り出して示す、一部切り欠いた状態の斜視図である。

図１に示すメカニカルシールは、シールケース１及び回転軸２の一方に設けた第１密封環としての回転環３とその他方に設けた第２密封環としての遊動環４とを具備する。メカニカルシールは、回転環３の端面３１と遊動環４の端面としてのシール面４１との接触部Ｓが相対回転することにより、高圧流体領域Ｈと低圧流体領域Ｌとを遮蔽シールするように構成されている。

本例に係るメカニカルシールは、ポンプ等の回転機器の軸封手段として使用される遊動環型である。メカニカルシールは、回転軸２に固定された第１密封環である回転環３と、シールケース１に保持環５を介して回転軸２の軸方向に移動可能に保持された第２密封環である遊動環４と、シールケース１にＯリング８及びドライブピン９を介して軸方向に移動可能に且つ相対回転不能に保持された保持環５と、シールケース１と保持環５との間に装填されて、遊動環４を保持環５を介して回転環３へと押圧、附勢するスプリング部材６とを具備する。

シールケース１は、回転機器の軸封部ハウジング７に取り付けられた筒状構造体であって、当該回転機器の回転軸２が同心状に貫通している。

第１密封環である回転環３は、適宜の密封環材料、例えば、炭化珪素の焼結体又は超硬合金等のカーバイド材料で構成された円環状体であって、回転軸２に取り付けたスリーブ２１に固定されている。回転環３の端面３１は、軸線に直交する環状の平面に構成されている。

第２密封環である遊動環４は、回転環３と同質の密封環材料又はこれより軟質のカーボン等の密封環材料で構成された円環状体である。遊動環４は、図１に示す如く、保持環５と前記回転環３との間に位置しており、保持環５にドライブピン１０及びＯリング１１を介して相対回転不能に連結されている。遊動環４のシール面４１は、図２に示す如く、軸線に直交する環状の平面に構成されており、その全面が固定環３の端面３１に接触してシールする面とされている。

回転環３の端面３１は、図２〜図４に示す如く、遊動環４の端面であるシール面４１（以下「相手シール面４１」ともいう）と接触するシール面３１ａと、当該相手シール面４１と接触せず、シール面３１ａよりも外周側に位置する外周側非シール面３１ｂと、相手シール面４１と接触せず、シール面３１ａよりも内周側に位置する内周側非シール面３１ｃとからなる。
すなわち、回転環３の端面３１は、図２に示す如く、その外径を相手シール面４１の外径より大径とすると共に、その内径を当該相手シール面４１の内径より小径としたものである。端面３１は、相手シール面４１と内外径を同一する部分をシール面３１ａとし、当該シール面３１ａの外周側部分を外周側非シール面３１ｂとし、当該シール面３１ａの内周側部分を内周側非シール面３１ｃとするものである。

上記のメカニカルシールは、回転環３のシール面３１ａと遊動環４のシール面４１とが接触しつつ相対回転することにより、その接触部Ｓの外周側領域である高圧流体領域Ｈとその内周側領域である低圧流体領域Ｌとを遮蔽シールするように構成されている。高圧流体領域Ｈは当該回転機器の機内領域である被密封流体領域であり、低圧流体領域Ｌは回転機器の機外領域である非密封流体領域であり、この例では大気領域である。

而して、回転環３の端面３１には、図２〜図４に示す如く、両密封環３，４の接触部Ｓを高圧流体領域Ｈに連通する潤滑溝１２が形成されている。潤滑溝１２は一般的にハイドロカットと呼ばれるものであり、この例の潤滑溝１２は、図３に示す如く、回転環３の端面３１におけるシール面３１ａ及び外周側非シール面３１ｂにわたって形成される。より具体的には、回転環３の外周の一部を通過する直線部３Ａと、外周側非シール面３１ｂの外周縁部分である円弧部３Ｂとで形成された領域を軸方向に所定の深さに切り欠いてなる。また、潤滑溝１２は、当該端面３１において、一定間隔ごとに複数形成されている。
図２に示すように、各潤滑溝１２は、回転環３の軸線に直交する扇形状の平面である底面１２ａと、当該底面１２ａに直交する帯状の平面であって当該底面１２ａとシール面３１及び外周側非シール面３２とを連結する段差面１２ｂとからなる。また、各潤滑溝１２は、両密封環３，４の接触部Ｓの外周部分を高圧流体領域Ｈに連通して、高圧流体領域Ｈの流体を当該接触部Ｓに導入するものである。

また、回転環３の端面３１には、シール面３１ａ、各潤滑溝１２の底面１２ａ、及び各潤滑溝１２の段差面１２ｂを含めてダイヤモンド膜１３が一連に形成されている。すなわち、ダイヤモンド膜１３は、図２〜図４に示す如く、シール面３１ａにおける各潤滑溝１２が形成された領域を除く領域３１Ａを被覆する第１ダイヤモンド膜１３ａと、外周側非シール面３１ｂにおける各潤滑溝１２が形成された領域を除く領域３１Ｂを被覆し、第１ダイヤモンド膜１３ａに連なる第２ダイヤモンド膜１３ｂと、内周側非シール面３１ｃの領域３１Ｃを被覆し、第１ダイヤモンド膜１３ａに連なる第３ダイヤモンド膜１３ｃと、各潤滑溝１２の段差面１２ｂを被覆し、第１及び第２ダイヤモンド膜１３ａ，１３ｂに連なる第４ダイヤモンド膜１３ｄと、各潤滑溝１２の底面１２ａを被覆し、第４ダイヤモンド膜１３ｄを介して第１及び第２ダイヤモンド膜１３ａ，１３ｂに連なる第５ダイヤモンド膜１３ｅとからなる。
ここで、ダイヤモンド膜１３の表面粗さは、０．１μｍＲａ以上、０．２μｍＲａ以下である。一方、回転環３を形成する炭化珪素の表面粗さは、０．０１μｍＲａ以上、０．１μｍＲａ以下である。表面粗さの測定は、ダイヤモンド膜１３が形成された回転環３の表面に検出器を接触させて行われる。
なお、本実施形態に係るダイヤモンド膜１３には、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）が含まれる。また、ダイヤモンド膜１３の形成は、熱フィラメント化学蒸着法、マイクロ波プラズマ化学蒸着法、高周波プラズマ法、直流放電プラズマ法、アーク放電プラズマジェット法、燃焼炎法等のコーティング方法等によって行われる。

以上のように構成されたメカニカルシールにあっては、回転環３のシール面３１ａが当該回転環３の母材（炭化珪素等の密封環材料）より硬質の第１ダイヤモンド膜１３ａで被覆されているから、相手シール面４１との接触による当該シール面３１ａの摩耗、損傷が可及的に防止される。そして、両密封環３，４の接触部Ｓには各潤滑溝１２から高圧流体領域Ｈの流体が導入されることから、当該接触部Ｓが潤滑されて、回転環３のシール面３１ａ、及び遊動環４のシール面４１の接触による発熱、摩耗、損傷が効果的に防止される。

ここで、図５（Ａ）はダイヤモンド膜１３の表面を１０００倍に拡大して示す顕微鏡写真であり、図５（Ｂ）はダイヤモンド膜を形成しない炭化珪素製固定環３の端面３１を１０００倍に拡大して示す顕微鏡写真である。図５の顕微鏡写真からも明らかなように、シール面３１ａ及び各潤滑溝１２の底面１２ａ及び段差面１２ｂに、ダイヤモンド膜１３（第１ダイヤモンド膜１３ａ、第４ダイヤモンド膜１３ｄ、及び第５ダイヤモンド膜１３ｅ）が形成されることによって、ダイヤモンド膜１３を形成しない場合に比して、大きな凹凸形状を呈しており、表面粗さが大きくなっている。

したがって、回転環３のシール面３１ａに形成されたダイヤモンド膜１３によってシール面３１ａに微細な凹凸が生じているために、回転環３のシール面３１ａと遊動環４のシール面４１との接触部Ｓには微細なクリアランスが形成されることになる。その結果、ダイヤモンド膜１３を形成しない場合に比して、各潤滑溝１２から導入された高圧流体領域Ｈの流体が、当該クリアランスによりシール面３１ａ，４１間に円滑且つ均一に浸透することになる。したがって、両密封環３，４の接触部Ｓにおける潤滑は、ダイヤモンド膜１３を形成しない場合に比してより効果的に行われる。

さらに、流体が水等の液体である場合、各潤滑溝１２の底面１２ａ、及び段差面１２ｂは、ダイヤモンド膜１３が形成されることにより微細な凹凸面となっているため、ダイヤモンド膜を形成しない場合に比して、液体の濡れ性が小さくなる。その結果、各潤滑溝１２の底面１２ａ、及び段差面１２ｂにダイヤモンド膜１３を形成しない場合に比して、液体流動がより円滑に行われ、高圧流体領域Ｈから当該潤滑溝１２への液体の取り込み量が多くなる。したがって、当該潤滑溝１２から両密封環３，４の接触部Ｓへの単位時間当たりの液体導入量が増大することになる。よって、回転環３のシール面３１ａ、及び遊動環４のシール面４１間の接触部Ｓにおける潤滑が極めて良好に行われる。

ところで、各潤滑溝１２の底面１２ａ及び段差面１２ｂにダイヤモンド膜１３を形成した上記構成の本発明に係るメカニカルシールと、これら底面１２ａ及び段差面１２ｂにダイヤモンド膜１３を形成しない点を除いて当該メカニカルシールと同一構成をなす比較例メカニカルシールとを使用して、同一のメカニカルシール負荷条件（圧力：２．５ＭＰａＧ、周速：４８ｍ／ｓ）下で、当該潤滑溝１２から両密封環３，４の接触部Ｓへの単位時間当たりの液体導入量を測定した。その結果は、ダイヤモンド膜１３が形成されていないメカニカルシール（比較例）においては液体導入量が約４０ｍｌ／ｈであるのに対し、ダイヤモンド膜１３が形成されている本発明に係るメカニカルシールでは液体導入量が約６０ｍｌ／ｈであった。この測定結果から、各潤滑溝１２の底面１２ａ及び段差面１２ｂにダイヤモンド膜１３を形成することによって、回転環３のシール面３１ａ、及び遊動環４のシール面４１間の接触部Ｓにおける潤滑が極めて良好に行われることが確認された。

以上のように、上記したメカニカルシールによれば、両密封環３，４の接触部Ｓを極めて良好に潤滑することができ、回転環３のシール面３１ａ、及び遊動環４のシール面４１の接触による発熱、摩耗、損傷を効果的に防止して長期に亘って良好なシール機能を発揮することができる。

本発明に係るメカニカルシールの構成は、上記した実施の形態に限定されず、本発明の基本原理を逸脱しない範囲において適宜に改良、変更することができる。例えば、上記した実施の形態では、ダイヤモンド膜１３及び潤滑溝１２を形成する第１密封環を回転軸２に設けた密封環（回転環３）としたが、この第１密封環をシールケース１側に設けた密封環としてもよい。上記した実施の形態において、遊動環４のシール面４１に潤滑溝１２を形成すると共に、当該シール面４１に潤滑溝１２を含めてダイヤモンド膜１３を形成しておくことができる。

また、上記した実施の形態にあっては、第１密封環である回転環３の端面３１を相手シール面４１と接触するシール面３１ａと、相手シール面４１と接触しない外周側非シール面３１ｂ及び内周側シール面３１ｃとからなるものとしたが、本発明は両非シール面３１ｂ，３１ｃの一方又は両方が存在しないメカニカルシールにも適用することができる。すなわち、第１密封環の端面（例えば回転環３の端面３１）の外径が第２密封環の端面（例えば遊動環４のシール面４１）の外径と同一又は小径であるメカニカルシールや、当該第１密封環の端面の内径が当該第２密封環の端面の内径と同一又は大径であるメカニカルシールにも本発明を適用することができる。

また、本発明は、第２密封環（又は第１密封環）を、上記した如く、シールケース２に保持環５を介して保持した遊動環４とする遊動環型メカニカルシールに限定されず、シールケースに第２密封環（又は第１密封環）が保持環５を介することなく直接に保持されたメカニカルシールにも適用することができる。また、本発明は、両密封環３，４の接触部Ｓの外周側領域が高圧流体領域Ｈである被密封流体領域となるインサイド形メカニカルシールに限定されず、当該接触部Ｓの内周側領域が被密封流体領域（高圧液体領域）となるアウトサイド形のメカニカルシールにも適用することができる。

また、潤滑溝１２の形状及び数は任意であり、上記した実施の形態に限定されない。例えば、潤滑溝１２は、接触部Ｓの外周側領域が高圧流体領域Ｈである場合においては、第１密封環の端面（例えば、回転環３の端面３１）における外周部分をこれに沿う円環状に切り欠いてなるものとすることができ、接触部Ｓの内周側領域が高圧流体領域Ｈである場合においては、当該第１密封環の端面における内周部分をこれに沿う円環状に切り欠いてなるものとすることができる。また、潤滑溝を形成しない第２密封環の端面（例えば、遊動環４のシール面４１）にも、第１密封環の端面３１と接触するシール面を含めてダイヤモンド膜を形成しておくことができる。

また、ダイヤモンド膜１３には、例えばケイ素やホウ素等の不純物原子を導入させても良い。この場合、不純物が導入されたダイヤモンド膜１３の表面粗さは、０．２μｍＲａ以上、０．３μｍＲａ以下となることから、上述した実施形態におけるダイヤモンド膜１３の表面粗さよりも粗くなる。このことから、単位時間当たりの液体導入量が増大することになる。よって、回転環３のシール面３１ａ、及び遊動環４のシール面４１間の接触部Ｓにおける潤滑が極めて良好に行われる。

１シールケース
２回転軸
３回転環（第１密封環）
４遊動環（第２密封環）
１２潤滑溝
１３ダイヤモンド膜
３１端面
４１シール面
Ｈ高圧流体領域
Ｌ低圧流体領域
Ｓ接触部

Claims

回転軸及びシールケースのいずれか一方に設けられた第１密封環の端面と、他方に設けられた第２密封環の端面との接触部が相対回転することにより、高圧流体領域と低圧流体領域とを遮蔽シールするように構成されており、
第１密封環または第２密封環の端面は、前記接触部を高圧流体領域に連通する潤滑溝を備え、
前記第１密封環または第２密封環には、ダイヤモンド膜が形成されるメカニカルシール。
前記ダイヤモンド膜には、不純物原子が導入される請求項１記載のメカニカルシール。