JP3517711B2

JP3517711B2 - メカニカルシール用密封環及びこれを使用したメカニカルシール

Info

Publication number: JP3517711B2
Application number: JP2000341269A
Authority: JP
Inventors: 比佐志衣笠; 正人和田; 清隆纓田
Original assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Current assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Priority date: 2000-11-09
Filing date: 2000-11-09
Publication date: 2004-04-12
Anticipated expiration: 2020-11-09
Also published as: JP2002147617A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、２つの密封環が相
対回転摺接するように構成されたメカニカルシール及び
これに使用する密封環に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種のメカニカルシールとして、例え
ば図１に示す如く、シールケース２に固定保持された密
封環（以下「固定環」という）１と、回転軸４に軸線方
向移動可能に且つ相対回転不能に保持された密封環（以
下「回転環」という）３と、回転軸４に固定されたスプ
リングリテーナ５と回転環３との間に介装されて回転環
３を固定環１へと押圧附勢するスプリング６とからな
り、両密封環１，３の対向端面たる密封端面１ａ，３ａ
の相対回転摺接作用により、その相対回転摺接部分の外
周側領域たる機内領域Ａとその内周側領域たる機外大気
領域Ｂとをシールするように構成された端面接触形のも
のが周知であり、一方の密封環を熱的，化学的，機械的
特性や耐摩耗性に優れた炭化珪素等の硬質材で構成する
と共に他方の密封環を自己潤滑性を有するカーボン等の
軟質材で構成したもの（以下「硬質／軟質シール」とい
う）と、両密封環を共に硬質材で構成したもの（以下
「硬質／硬質シール」という）とに大別される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、硬質／軟質シ
ールにあっては、軟質材製密封環が摩耗し易く、耐久性
に問題がある。このため、一般には、軟質材として自己
潤滑性を有するカーボンを使用して、密封環間の潤滑性
を高めて密封環の摩耗を軽減することが図られている
が、密封端面であるカーボン表面に所謂カーボンブリス
タを生じる虞れがある。一方、硬質／硬質シールにあっ
ては、固体成分を含むスラリ流体を密封する場合にも、
かかる問題を生じることがないが、密封端面間の潤滑性
に乏しいため、相対摺動する密封端面間に所謂鳴きと称
する騒音が生じたり密封端面同士の固着（焼付）現象が
生じる虞れがある。

【０００４】本発明は、このような点に鑑みてなされた
もので、硬質／軟質シール又は硬質／硬質シールの硬質
材製密封環として上記した問題を生じることなく好適に
使用しうるメカニカルシール用密封環を提供すると共
に、これを少なくとも一方の密封環として使用すること
によって上記した問題を生じることなく良好なシール機
能を発揮しうるメカニカルシールを提供することを目的
とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この課題を解決した本発
明のメカニカルシール用密封環は、の構成をなすも
のであり、より好ましくはのように構成されたも
のである。また、本発明のメカニカルシールは、硬質／
硬質シール又は硬質／軟質シールであって、相対回転摺
接する２つの密封環の一方又は両方を、のように構
成しておくものであり、より好ましくはのように
構成しておくものである。

【０００６】平均気孔径１０〜４０μｍの独立気孔が
均一に分散配置されており且つ気孔率が３〜１０％とさ
れた炭化珪素焼結材で構成されていること。

【０００７】上記の構成をなす密封環において、そ
の密封端面における単位面積（１０ ⁴μｍ²）当りの独立
気孔数が１個以上（通常、１〜５個）であること。

【０００８】上記又はの構成をなす密封環が、焼
成すべき予備成形体の構成材料として炭化珪素粉末をカ
ーボン源であって硬化反応が完了しないゲル状樹脂層で
囲繞してなる球状の硬質造粒材を使用してなる炭化珪素
焼結材で構成されていること。

【０００９】而して、の構成をなす密封環によれば、
冒頭で述べた問題を生じることなく、相手密封環（硬質
材製密封環又は軟質材製密封環）との相対回転摺接によ
るシール機能（メカニカルシール機能）を良好に発揮さ
せることができる。すなわち、メカニカルシールを構成
する２つの密封環の対向端面たる密封端面間において
は、の構成をなす密封環の密封端面（鏡面）に存在す
る独立気孔によりシールすべき流体（シール流体）が保
持されて、独立気孔が一種のオイルポットとして機能し
（以下、かかる機能を「オイルポット機能」という）、密
封端面間にシール流体による潤滑膜が形成されて、密封
端面間の潤滑性が大幅に向上する。したがって、硬質／
軟質シールにおいては、相手密封環（軟質材製密封環）
の摩耗量が大幅に軽減され、相手密封環がカーボン製の
ものである場合にも、カーボン製密封環との相対回転摺
接による摩擦熱の発生が可及的に防止され、カーボン製
密封環の密封端面においてブリスター現象（所謂火ぶく
れ現象）が生じる虞れがない。また、硬質／硬質シール
においては、相手密封環がの構成をなすものである場
合には勿論、オイルポット機能を有しない緻密質の炭化
珪素焼結材やその他のセラミックス，超硬合金等の硬質
材で構成される場合にも、相対回転摺接作用に伴う熱発
生，鳴き，固着を可及的に抑制，防止し、固形成分を含
有するスラリ液に対しても摩耗量を軽減し、漏れのない
良好なシール機能を発揮することができる。

【００１０】の構成において、独立気孔とは、他の気
孔と連通することなく独立に存在するものをいう。密封
端面に存在する気孔がこれに隣接する他の気孔と連通す
る場合には、密封端面からの浸透漏れを生じ、シール機
能を発揮できない。

【００１１】また、平均気孔径は画像解析により求める
ことができ、気孔率は当該メカニカルシール用密封環の
密度（測定密度）と炭化珪素の理論密度（気孔率の計算
上、３．２ｇ／ｃｍ^２とする）とから算出されたもので
ある。すなわち、気孔率＝（１−（測定密度）／（理論
密度））×１００で与えられるものである。平均気孔径
が１０μｍ未満である場合や気孔率が３％未満である場
合には、独立気孔による流体保持が十分に行われず、潤
滑性を向上させるに必要且つ十分なオイルポット機能が
発揮されない。逆に、平均気孔径が４０μｍを超える場
合や気孔率が１０％を超える場合には、密封端面の強度
低下を招くと共に、気孔のエッジ部による砥石作用によ
り異常摩耗を招く虞れがある。また、シール流体が固形
成分を含むスラリ液等であるときにおいては、固形成分
が密封端面の独立気孔に侵入，捕捉され易く、当該固形
成分により密封端面の損傷，異常摩耗を招来する虞れが
ある。

【００１２】さらに、独立気孔の存在による密封端面の
強度低下を可及的に防止し且つオイルポット機能による
潤滑性の大幅な向上を図るためには、独立気孔の平均気
孔径及び気孔率が上記した範囲となっていることに加え
て、更に独立気孔が均一に分散配置されていることが必
要である（平均気孔径及び気孔率は必要条件ではある
が、十分条件ではない）。すなわち、独立気孔が密封端
面において均一に分散配置されていないときは、仮令、
平均気孔径及び気孔率がの範囲となっていても、密封
端面における強度にバラツキが生じて、密封端面全体と
しての強度が低下すると共に、密封端面におけるオイル
ポット機能にもバラツキが生じて、密封端面全体として
オイルポット機能による潤滑性がさほど向上しないこと
になる。

【００１３】而して、密封端面における独立気孔が均一
に分散配置されているかどうかは、密封端面における単
位面積（１０⁴μｍ²）当りの独立気孔数によって判定す
ることができる。すなわち、実験により確認したところ
によれば、密封端面を縦１００μｍ×横１００μｍの単
位面積領域に区画した場合において、全ての単位面積領
域において独立気孔が１個以上（１〜５個）存在してい
るときは、独立気孔の存在による密封端面の強度低下を
招くことなくオイルポット機能による潤滑性が大幅に向
上したが、独立気孔が全く存在しない単位面積領域が１
つ以上あるときは、平均気孔径及び気孔率がの範囲と
なっていても、密封端面全体としての強度又はオイルポ
ット機能による潤滑性が低下することが判明した。した
がって、本発明において、にいう「独立気孔が均一に
分散配置されている」とは、具体的には、にいうよう
に「密封端面における単位面積（１０⁴μｍ²）当りの独
立気孔数が１個以上である」ことを意味する。

【００１４】また、本発明のメカニカルシール用密封環
ないしその構成材たる炭化珪素焼結材は、形態上の
ような構成をなすものであるが、材料上においては、
のような構成をなすものである。のような材料構成を
なすものとしておくことによって、又はのような気
孔形態を得ることができ且つメカニカルシール用密封環
として使用しうるに十分な強度を得ることができるので
ある。

【００１５】炭化珪素焼結材は、一般に、炭化珪素粉末
に焼結助剤（ホウ素，アルミニウム，これらの化合物）
及びカーボン源（カーボン粉，樹脂）等を添加した原料
からなる造粒材を加圧成形（予備成形），焼成（焼結）
することによって得られるが、気孔を有する炭化珪素焼
結材は、一般に、通常の炭化珪素焼結材（緻密質焼結
材）を製造する場合に比して加圧成形，焼成時における
加圧力（焼結圧力）を相当以上に小さくして、焼結粒子
間に気孔が形成されるようにするか、原料に焼失（熱分
解，ガス化）しうる空隙形成用樹脂材（例えば、ポリス
チレンビーズ等のポリマービーズ）を添加して、その焼
失により生じた空隙を気孔となすことによって得ること
が可能である。しかし、前者のように焼結圧力を減少さ
せる場合には、焼結粒子間の結合力が弱く、メカニカル
シール用密封環として使用しうるに十分な強度を確保で
きない。さらに、焼結粒子間の結合状態にバラツキが生
じて、気孔同士が連通し易く、独立気孔を得ることが困
難である。また、後者のように原料に空隙形成用樹脂材
を添加する場合には、当該樹脂材の焼失に伴う大量のガ
ス発生により焼結材内部に亀裂を生じたり、当該樹脂材
の偏析等により気孔径にバラツキが生じ易い。さらに、
気孔が均一に分散せず、焼結材強度も低下する虞れがあ
る。したがって、何れの場合にも、多孔質の炭化珪素焼
結材を得ることは可能であるが、の構成をなし且つ
メカニカルシール用密封環として使用しうるに十分な強
度を有する多孔質焼結材を得ることは困難である。

【００１６】しかし、のように、焼成すべき予備成形
体の構成材料として、炭化珪素粉末をカーボン源であっ
て硬化反応が完了しないゲル状樹脂層で囲繞してなる球
状の硬質造粒材を使用すれば、加圧成形，焼成工程を、
緻密質の炭化珪素焼結材を製造する場合と同等の条件
（成形圧力，焼成温度）で行うことにより、十分な強度
を有するの炭化珪素焼結材を得ることができる。な
お、硬質造粒材に、焼成時に完全に消失する上記空隙形
成用樹脂材又はこれに類するものは含まれない。

【００１７】すなわち、ゲル状樹脂層で被覆された硬質
造粒材は、一般に使用される造粒材に比して硬質である
ため、緻密質の炭化珪素焼結材を製造する場合と同等の
成形圧力（例えば１００ＭＰａ）で加圧成形した場合、
その成形体（予備成形体）にあっては、硬質造粒材が一
般的な造粒材と異なって殆ど圧潰されず、球状の硬質造
粒材同士が点接触状態又はこれに近い状態で接着し、硬
質造粒材の周囲には隣接する硬質造粒材と接着する部分
で区画された複数の空隙が生じる。これらの空隙は、大
きさが均一であり、硬質造粒材間に均一に分散して存在
することになる。したがって、予備成形体を焼成した場
合、各空隙が焼結材における独立気孔となり、これらの
独立気孔は大きさにバラツキがなく均一に分散配置され
ることになる。また、ゲル状樹脂層は硬質のものではあ
るが、硬化反応が完了しないものであるから、予備成形
体における硬質造粒材相互の接着性は損なわれず、また
硬質造粒材同士は上記した如く点接触状態又はこれに近
い状態で接着されていて、接着面積が小さいことから、
その接着個所に作用する成形圧力は極めて高くなる。し
たがって、予備成形体における硬質造粒材同士の接着力
が高くなり、これを焼成して得られる炭化珪素焼結材に
おける炭化珪素粒子の結合力が高く、その強度は緻密質
の炭化珪素焼結材と同等若しくはこれに近いものとな
る。また、上記した如く予備成形体における硬質造粒材
同士の接着面積が小さいことから、緻密質の炭化珪素焼
結材を製造する場合よりも低い成形圧力（例えば５０Ｍ
Ｐａ）で予備成形する場合にも、当該接着部に作用する
圧力は大きくなるため、焼結粒子の結合力を十分に確保
できて、焼結材が強度不足となることもない。また、ゲ
ル状樹脂層は、炭化珪素粉末を均一厚さで囲繞するもの
であるから、カーボン源としてカーボン粉末等を使用し
た場合と異なって、炭化珪素粒子の周囲にカーボンが均
一に分散配置された状態で焼成が行われることになる。
したがって、炭化珪素粒子表面におけるカーボンによる
酸素除去作用が良好に行われ、良質の炭化珪素焼結材を
得ることができる。なお、予備成形体の成形は冷間で行
われ、予備成形体の焼成は、不活性なガス雰囲気におい
て加圧することなく行われる。

【００１８】ところで、カーボン源として使用する樹脂
としては、一般に、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂が
使用される。そして、熱硬化性樹脂を使用する場合、炭
化珪素粉末と焼結助剤と溶剤によりゾル化させた熱硬化
性樹脂とからなる混合液を造粒し、その造粒材を適当温
度で熱処理して或る程度硬化させることにより、つまり
熱硬化性樹脂の架橋反応（縮合反応）を或る程度進行さ
せることにより、架橋反応が完了しないゲル状樹脂層で
被覆された硬質造粒材を得る。このような熱硬化性樹脂
をゲル化させるための熱処理は、樹脂の架橋反応が或る
程度以上進行し且つ架橋反応が完了しないような温度，
時間で行われる。例えば、フェノール樹脂の場合、約１
００℃で架橋反応（縮合反応）が開始され、１５０℃を
超えると架橋反応が完了して完全に硬化することから、
ゲル状樹脂層を形成するための熱処理温度は１００℃〜
１５０℃としておく。なお、カーボン源としては、造粒
後のゲル化処理により、フェノール樹脂等の熱硬化性樹
脂と同等の硬度が得られるもの（完全に硬化されるもの
を除く）である限り、熱可塑性樹脂を使用することも可
能である。

【００１９】

【実施例】（実施例１）実施例１として、図１に示す
構成のメカニカルシール（以下「当該メカニカルシー
ル」という）の回転環３として使用しうる密封環Ａ１を
製作すると共に、当該メカニカルシールであって、回転
環３として密封環Ａ１を使用し且つ固定環１としてカー
ボン製密封環を使用したメカニカルシールＭ１を組み立
てた。

【００２０】密封環Ａ１は、次のような混合工程，造粒
工程，造粒硬化工程，予備成形工程，焼成工程，仕上げ
工程により得られたものである。

【００２１】混合工程：平均粒子径０．７μｍのα−
ＳｉＣ粉末１００ｇに、焼結助剤としてのＢ４Ｃ粉末
０．５ｇ及びカーボン源としてのフェノール樹脂（レゾ
ール型）４ｇを添加し、さらに成形助剤としてＰＥＧ６
０００（ポリエチレングリコール６０００番（数値は平
均分子量を表す）２９ｇ及びステアリン酸１ｇを添加し
て、これらを溶剤であるメタノールと共にボールミルで
２４時間混合した。

【００２２】造粒工程：混合工程で得られた混合液
（流動性懸濁液）を、スプレー・ドライヤーにより６０
〜８０℃で噴霧乾燥することによって造粒し、径３０〜
１００μｍの球形状の造粒材を得た。この造粒材は、Ｓ
ｉＣ粉末を均一厚さのフェノール樹脂層で被覆してなる
球形顆粒である。

【００２３】造粒硬化工程：造粒工程で得られた造粒
材を１１０℃，２時間の条件で加熱処理（ゲル化処理）
して、架橋反応が完了しない範囲でフェノール樹脂層を
硬化させ、ＳｉＣ粉末を均一厚さのゲル状樹脂層（フェ
ノール樹脂）で被覆した球状の硬質造粒材を得た。

【００２４】予備成形工程：造粒硬化工程で得られた
硬質造粒材を、所定の金型に充填した上、冷間プレス成
形して、回転環３に対応する環状形態をなす予備成形体
を得た。成形圧力は５０ＭＰａとした。

【００２５】焼成工程：予備成形工程で得られた予備
成形体を、加圧することなく、２１５０℃のアルゴン雰
囲気中で焼成して、多孔質の炭化珪素焼結体を得た。

【００２６】仕上げ工程：焼成工程で得られた炭化珪
素焼結体の一端面をＲａ＝０．０５の鏡面に表面研磨
（ラップ）する等により、密封環Ａ１を得た。この密封
環Ａ１の鏡面部分は、これを回転環３として使用した場
合における密封端面３ａとして機能するものである。な
お、密封環Ａ１は、後述する実施例４で使用するもの
（２個）を含めて、３個製作した。

【００２７】かくして得られた密封環Ａ１の密度，平均
気孔径，気孔率，単位面積当りの独立気孔数は、表１に
示す通りであった。密度は水置換法により計測し、炭化
珪素の理論密度を３．２ｇ／ｃｍ³として気孔率を計算
した。すなわち、気孔率＝（１−（摺動材の測定密度）
／（理論密度））×１００＝（１−（２．９５／３．
２））×１００＝７．８（％）である。平均気孔径は画
像解析により求めたものであり、４０μｍであった。ま
た、単位面積（１０⁴μｍ²）当りの独立気孔数は、鏡面
部分（密封端面）を縦１００μｍ×横１００μｍの単位
面積領域に区画して、各単位面積領域に存在する独立気
孔の個数を確認することにより得たものであり、各単位
面積領域には各々１〜５個の独立気孔が存在した。図２
は密封環Ａ１の鏡面（密封端面）を１００倍に拡大した
ものであるが、この図２からも理解されるように、密封
端面においては独立気孔（図２において黒色表示された
部分）が均一に分散配置されている。

【００２８】そして、この回転環Ａ１及びカーボン製固
定環１を組み込んだメカニカルシールＭ１を使用して工
業用水によるシール試験を行い、密封環の性能及びシー
ル性能を確認した。なお、固定環１は、密封環の構成材
として一般に使用される焼結カーボン（密度：１．８ｇ
／ｃｍ³）で構成された周知のカーボン製密封環であ
る。

【００２９】すなわち、このシール試験は、メカニカル
シールＭ１を、シール流体（機内領域Ａの流体）：工業
用水，シール圧力：２．０４ＭＰａ，軸回転数：３６０
０ｒｐｍ，ＰＶ値：１３．０８ＭＰａ・ｍ／ｓの条件で
１００時間継続運転し、運転中において密封端面１ａ，
３ａ間から機外大気領域Ｂへの漏れ量、つまり１００時
間当りの漏れ量（ｃｃ／１００ｈｒ）を測定した。さら
に、運転終了後、カーボン製固定環１における密封端面
１ａの摩耗量、つまり１００時間当りの摩耗量（μｍ／
１００ｈｒ）を測定した。摩耗量は、固定環１の背面か
ら前面（密封端面１ａ）までの軸線方向長さの減少量を
測定することにより得たものである。その結果は、表２
に示す通りであった。すなわち、漏れ量は、蒸気漏れを
含めて、僅か０．４ｃｃであり、摩耗量は０．０１μｍ
であった。

【００３０】

【表１】

【００３１】

【表２】

【００３２】（実施例２）実施例２として、当該メカ
ニカルシールの回転環３として使用しうる密封環Ａ２を
得ると共に、回転環３として密封環Ａ２を使用した点を
除いて、メカニカルシールＭ１と同一構成をなすメカニ
カルシールＭ２を組み立てた。

【００３３】密封環Ａ２は、造粒硬化工程における造粒
材の熱処理温度を１１０℃とした点を除いて、実施例１
と同一工程（混合工程，造粒工程，造粒硬化工程，予備
成形工程，焼成工程，仕上げ工程）を経て得られたもの
である。なお、密封環Ａ２は、後述する実施例５，７で
使用するもの（２個）を含めて３個製作した。

【００３４】密封環Ａ２の密度，平均気孔径，気孔率，
単位面積当りの独立気孔数は、実施例１と同様にして求
めたものであり、表１に示す通りであった。また、図３
は密封環Ａ２の密封端面を１００倍に拡大したもの（黒
色表示された部分が気孔である）であるが、密封環Ａ１
と比較して、その気孔率（５．０％）及び平均気孔径
（３０μｍ）が小さくなっている。これは、造粒材の熱
処理温度が実施例１の場合より低く、硬質造粒材の硬度
がやや低くなっているために、成形圧力が実施例１と同
一（５０ＭＰａ）であるにも拘らず、予備成形体におけ
る硬質造粒材の圧潰度が高くなり、つまり硬質造粒材相
互間の空隙が小さくなり、その結果、独立気孔が小さく
なるからである。

【００３５】実施例１と同一のシール条件において、メ
カニカルシールＭ２を１００時間運転して、漏れ量（ｃ
ｃ／１００ｈｒ）及び摩耗量（μｍ／１００ｈｒ）を測
定した。その結果は、表２に示す通りであった。平均気
孔径がオイルポット機能を発揮するに十分な大きさであ
り、独立気孔が均一に分散している（単位面積当りの独
立気孔数は、Ａ１と同様に１〜５個である）ことから、
カーボン製固定環１の摩耗量も少なく、メカニカルシー
ルＭ１と同様（０．０１μｍ）であった。また、メカニ
カルシールＭ１では０．４ｃｃの漏れが生じたが、メカ
ニカルシールＭ２では漏れは認められなかった。

【００３６】（実施例３）実施例３として、当該メカ
ニカルシールの回転環３として使用しうる密封環Ａ３を
得ると共に、回転環３として密封環Ａ３を使用した点を
除いて、メカニカルシールＭ１と同一構成をなすメカニ
カルシールＭ３を組み立てた。

【００３７】密封環Ａ３は、予備成形工程における予備
成形体の成形圧力を１００ＭＰａとした点を除いて、実
施例１と同一の工程（混合工程，造粒工程，造粒硬化工
程，予備成形工程，焼成工程，仕上げ工程）を経て得ら
れたものである。なお、密封環Ａ３は、後述する実施例
６で使用するもの（１個）を含めて２個製作した。

【００３８】密封環Ａ３の密度，平均気孔径，気孔率，
単位面積当りの独立気孔数は、実施例１と同様にして求
めたものであり、表１に示す通りであった。造粒材の熱
処理温度が同一である密封環Ａ２と比較して、気孔率
（３．４％）及び平均気孔径（２０μｍ）が小さくなっ
ているのは、予備成形体の成形圧力を実施例２の場合よ
り高くしたため、硬質造粒材の硬度（フェノール樹脂層
の硬度）が同じであるにも拘らず、予備成形体における
硬質造粒材の圧潰度が高くなり、つまり硬質造粒材相互
間の空隙が小さくなり、その結果、独立気孔が小さくな
るためである。また、単位面積当りの独立気孔数は１〜
４個であり、密封環Ａ３の密封端面を１００倍に拡大し
て示す図４（黒色表示された部分が気孔である）からも
明らかなように、密封端面においては独立気孔が均一に
分散配置されている。

【００３９】実施例１，２と同一のシール条件におい
て、メカニカルシールＭ３を１００時間運転して、漏れ
量（ｃｃ／１００ｈｒ）及び摩耗量（μｍ／１００ｈ
ｒ）を測定した。その結果は、表２に示す通りであり、
漏れ及びカーボン製固定環１の摩耗は、認められなかっ
た。

【００４０】（実施例４）実施例４として、固定環１
として一般的な緻密質の炭化珪素焼結材で構成したもの
を使用した点を除いて、メカニカルシールＭ１と同一構
成のメカニカルシールＭ４（回転環３としては実施例１
で得た密封環Ａ１を使用）を組み立てた。なお、固定環
１を構成する緻密質の炭化珪素焼結材は、密度３．１４
ｇ／ｃｍ³のものであり、実質的に、後述する比較例２
で得た密封環Ｂ２と同質のものである。

【００４１】そして、このメカニカルシールＭ４を使用
して工業用水によるシール試験及びスラリー液によるシ
ール試験を行った。工業用水によるシール試験は、実施
例１と同一条件で１００時間運転して、１００時間経過
後の漏れ（ｃｃ／１００ｈｒ），回転環Ａ１の摩耗量
（μｍ／１００ｈｒ）を測定したものである。また、ス
ラリー液によるシール試験は、シール流体（機内領域Ａ
の流体）：川砂４％を含有する水スラリー，シール圧
力：１．４７ＭＰａ，軸回転数：３６００ｒｐｍ，ＰＶ
値：１３．０８ＭＰａ・ｍ／ｓの条件で１００時間継続
運転し、運転中において密封端面１ａ，３ａ間から機外
大気領域Ｂへの漏れ量、つまり１００時間当りの漏れ量
（ｃｃ／１００ｈｒ）を測定した。さらに、運転終了
後、回転環Ａ１における密封端面３ａの摩耗量、つまり
１００時間当りの摩耗量（μｍ／１００ｈｒ）を測定し
た。これらのシール試験の結果は、表２に示す通りであ
った。すなわち、工業用水によるシール試験において
は、漏れ及び摩耗は生じず、良好なシール機能が発揮さ
れることが確認された。また、スラリー液によるシール
試験においては、シール条件が苛酷であるにも拘わら
ず、漏れ量は、蒸気漏れを含めて、僅か０．３ｃｃであ
り、摩耗量は０．０１μｍであった。

【００４２】（実施例５）実施例５として、回転環３
として実施例２で得た密封環Ａ２を使用した点を除い
て、メカニカルシールＭ４と同一構成のメカニカルシー
ルＭ５を組み立てた。そして、実施例４と同一条件で工
業用水によるシール試験及びスラリー液によるシール試
験を行い、漏れ量（ｃｃ／１００ｈｒ）及び回転環Ａ２
の摩耗量（μｍ／１００ｈｒ）を測定した。その結果
は、表２に示す通りであり、シール流体に拘わらず、良
好なシール機能が発揮されることが確認された。

【００４３】（実施例６）実施例６として、回転環３
として実施例３で得た密封環Ａ３を使用した点を除い
て、メカニカルシールＭ４と同一構成のメカニカルシー
ルＭ６を組み立てた。そして、実施例４と同一条件で工
業用水によるシール試験及びスラリー液によるシール試
験を行い、漏れ量（ｃｃ／１００ｈｒ）及び回転環Ａ３
の摩耗量（μｍ／１００ｈｒ）を測定した。その結果
は、表２に示す通りであり、シール流体に拘わらず、良
好なシール機能が発揮されることが確認された。

【００４４】（実施例７）実施例７として、当該メカ
ニカルシールの固定環１として使用しうる密封環Ａ４を
得ると共に、固定環１として密封環Ａ４を使用し且つ回
転環３として実施例２で得た密封環Ａ２を使用した点を
除いて、メカニカルシールＭ４と同一構成をなすメカニ
カルシールＭ７を組み立てた。

【００４５】密封環Ａ４は、予備成形工程における成形
型を当該メカニカルシールに使用しうる固定環１に対応
する形状の予備成形体を得ることができる成形型を使用
した点を除いて、実施例２と同一の工程（混合工程，造
粒工程，造粒硬化工程，予備成形工程，焼成工程，仕上
げ工程）により得たものであり、表１に示す如く、密封
環Ａ２と同質の炭化珪素焼結材で構成されたものであ
る。

【００４６】そして、メカニカルシールＭ７を使用し
て、実施例４と同一条件で工業用水によるシール試験及
びスラリー液によるシール試験を行い、漏れ量（ｃｃ／
１００ｈｒ）及び摩耗量（μｍ／１００ｈｒ）を測定し
た。その結果は、表２に示す通りであり、シール流体に
拘わらず、漏れ及び密封環Ａ２，Ａ４の摩耗は認められ
なかった。このことから、固定環１及び回転環３に本発
明の密封環を使用することにより、実施例１〜６のよう
に密封環１，３の一方に本発明の密封環を使用した場合
に比して更にシール機能が向上し、如何なるシール条件
においても同等のシール機能が発揮されることが確認さ
れた。

【００４７】（比較例１）比較例１として、当該メカ
ニカルシールの回転環３として使用しうる密封環Ｂ１を
製作し、回転環３として密封環Ｂ１を使用した点を除い
てメカニカルシールＭ１と同一構成のメカニカルシール
Ｎ１を組み立てた。

【００４８】密封環Ｂ１は、造粒硬化工程における熱処
理温度を１６０℃とした点を除いて、実施例３と同一の
工程により得たものである。なお、密封環Ｂ１は、後述
する比較例４で使用するもの（１個）を含めて２個製作
した。

【００４９】造粒材の熱処理温度を１６０℃とすること
により、造粒材の外表面層を構成するフェノール樹脂の
架橋反応が完了しており、フェノール樹脂層は完全に硬
化された状態となっている。したがって、実施例３と同
様に高い成形圧（１００ＭＰａ）で予備成形体を成形し
ているにも拘らず、造粒材間の接着が十分に行なわれな
いことから、造粒材間に形成される空隙による気孔が連
通したものとなり、密封環Ｂ１の密封端面を１００倍に
拡大して示す図５からも明らかなように、気孔（図５に
黒色部分）が長孔状に連通し、独立気孔とならない。し
たがって、独立気孔の均一配置を特定するための単位面
積（１０⁴μｍ²）当りの独立気孔数は求めることができ
ない。なお、密封環Ｂ１の密度，平均気孔径，気孔率
は、実施例１と同様にして求めたものであり、表１に示
す通りである。

【００５０】そして、メカニカルシールＮ１を使用して
実施例１と同一条件で工業用水によるシール試験を行っ
たところ、密封環Ｂ１の密封端面における気孔が連続状
となっていることから、密封端面１ａ，３ａからは浸透
漏れが生じた。したがって、当該シール試験の続行は無
意味であり、中止した。また、密封端面の摩耗量の測定
も、浸透漏れが生じている以上、測定不能であった。

【００５１】（比較例２）比較例２として、当該メカ
ニカルシールの回転環３として使用しうる密封環Ｂ２を
製作し、回転環３として密封環Ｂ２を使用した点を除い
てメカニカルシールＭ１と同一構成のメカニカルシール
Ｎ２を組み立てた。

【００５２】密封環Ｂ２は、造粒硬化工程を行わない点
を除いて比較例１と同一の工程により得たものである。
すなわち、造粒材を熱処理することなく、１００ＭＰａ
にて予備成形し、得られた予備成形体を焼成したもので
ある。この密封環Ｂ２の製法は、一般的な緻密質の炭化
珪素焼結材と同様である。したがって、密封環Ｂ２の密
封端面は、これを１００倍に拡大して示す図６及び表１
に示す如く、緻密質であり、オイルポットとして機能し
うる独立気孔は存在しておらず、メカニカルシールＮ２
は、実質的に、緻密質炭化珪素製の密封環１，３を使用
したものである。表１に示す密封環Ｂ２の密度，平均気
孔径，気孔率は、実施例１と同様にして求めたものであ
る。なお、密封環Ｂ２は、後述する比較例５で使用する
もの（１個）を含めて２個製作した。

【００５３】そして、メカニカルシールＮ２を使用し
て、実施例１と同一条件で工業用水によるシール試験を
行った。その結果は、表２に示す通りであり、カーボン
製密封環との組み合わせに係る硬質／軟質シールとして
の機能は、漏れ量，摩耗量の何れにおいても、硬質材製
密封環として密封環Ａ１，Ａ２，Ａ３を用したメカニカ
ルシールＭ１，Ｍ２，Ｍ３に比して劣るものであった。
また、自己潤滑性を有しない硬質／硬質シールであるメ
カニカルシールＭ４，Ｍ５，Ｍ６，Ｍ７に比しても潤滑
性に劣り、漏れ量，摩耗量は増大している。

【００５４】（比較例３）比較例３として、当該メカ
ニカルシールの回転環３として使用しうる密封環Ｂ３を
製作し、回転環３として密封環Ｂ３を使用した点を除い
てメカニカルシールＭ１と同一構成のメカニカルシール
Ｎ３を組み立てた。

【００５５】密封環Ｂ３は、前記混合工程で得られる混
合液の原料として、空隙形成用樹脂として５０〜６０μ
ｍ径のポリスチレンビーズを1０ｇ添加したものを使用
した点、造粒硬化工程を経ることなく、造粒工程で得ら
れた造粒材（３０〜１００μｍ径）をそのまま１００Ｍ
Ｐａで加圧成形して、予備成形体を得た点を除いて、実
施例１と同一工程により得られたものである。なお、密
封環Ｂ３は、後述する比較例６で使用するもの（１個）
を含めて２個製作した。

【００５６】密封環Ｂ３にあっては、焼成工程において
ボリスチレンビーズが焼失することにより、独立気孔が
形成される。しかし、冒頭に述べたように、ビーズの焼
失（分解，逸散）によるガス発生等により、密封環Ｂ３
における独立気孔はその大きさ及び分布に大きなバラツ
キが生じている。すなわち、密封環Ｂ３においては、そ
の密封端面を１００倍に拡大した図７及び表１に示す如
く、平均気孔径が大きく（６０μｍ）且つ密封端面にお
ける単位面積当り（１０⁴μｍ²）の独立気孔数は特定で
きず（独立気孔が１個以上存在する単位面積領域と独立
気孔が全く存在しない単位面積領域とがあり、独立気孔
が偏在している）、密封端面における独立気孔は均一に
分散配置していない。なお、表１における密封環Ｂ３の
密度，平均気孔径，気孔率，単位面積当りの独立気孔数
は、実施例１と同様にして求めたものである。

【００５７】そして、メカニカルシールＮ３を使用し
て、実施例１と同一条件で工業用水によるシール試験を
行った。その結果は表２に示す通りであり、漏れ量及び
カーボン製固定環１の摩耗量は、緻密質の炭化珪素焼結
材製の回転環Ｂ２を使用したメカニカルシールＮ２より
大きく、シール機能が更に低下した。これは、密封端面
における独立気孔が大きく且つ均一に分散配置されてい
ないことから、オイルポット機能を発揮されず、却って
独立気孔の周縁エッジによる砥石作用が生じるためであ
る。

【００５８】（比較例４）比較例４として、回転環３
として比較例１で得た密封環Ｂ１を使用した点を除い
て、メカニカルシールＭ４と同一構成のメカニカルシー
ルＮ４を組み立てた。そして、実施例４と同一条件で工
業用水によるシール試験及びスラリー液によるシール試
験を行った。その結果、何れの場合にも、密封環Ｂ１を
使用した硬質／軟質シールであるメカニカルシールＮ１
と同様に、浸透漏れが生じ、メカニカルシール機能を発
揮することができなかった。

【００５９】（比較例５）比較例５として、回転環３
として比較例２で得た密封環Ｂ２を使用した点を除い
て、メカニカルシールＭ４と同一構成のメカニカルシー
ルＮ５を組み立てた。そして、実施例４と同一条件で工
業用水によるシール試験及びスラリー液によるシール試
験を行い、漏れ量（ｃｃ／１００ｈｒ）及び回転環Ｂ２
の摩耗量（μｍ／１００ｈｒ）を測定した。その結果
は、表２に示す通りであり、固定環１として自己潤滑性
を有するカーボン製のものを使用したメカニカルシール
Ｎ２に比して潤滑性に劣り、漏れ量及び摩耗量が増大し
た。すなわち、メカニカルシールＮ２より潤滑性に優れ
るメカニカルシールＭ１〜Ｍ７に比しては、漏れ量及び
摩耗量を含めたシール機能が大幅に低下する。

【００６０】（比較例６）比較例６として、回転環３
として比較例３で得た密封環Ｂ３を使用した点を除い
て、メカニカルシールＭ４と同一構成のメカニカルシー
ルＮ６を組み立てた。そして、実施例４と同一条件で工
業用水によるシール試験及びスラリー液によるシール試
験を行い、漏れ量（ｃｃ／１００ｈｒ）及び回転環Ｂ３
の摩耗量（μｍ／１００ｈｒ）を測定した。その結果
は、表２に示す通りであり、密封端面に独立気孔が存在
しているにも拘わらず、それが冒頭のの条件を具備
しないため、オイルポット機能による潤滑性の向上が期
待できず、両密封環に緻密質の炭化珪素焼結材のものを
使用するメカニカルシールＮ５と同程度のシール機能を
発揮するに止まる。

【００６１】

【発明の効果】以上の説明から容易に理解されるよう
に、本発明によれば、硬質／硬質シール及び硬質／軟質
シールの何れにおいても、相手密封環との間の潤滑性を
大幅に向上させることができ、シール条件に拘わらず、
耐摩耗性等の耐久性及びシール性に極めて優れたメカニ
カルシールを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】メカニカルシールの一例を示す縦断側面図であ
る。

【図２】密封環Ａ１の密封端面を１００倍に拡大した顕
微鏡写真を示す気孔分布図である。

【図３】密封環Ａ２の密封端面を１００倍に拡大した顕
微鏡写真を示す気孔分布図である。

【図４】密封環Ａ３の密封端面を１００倍に拡大した顕
微鏡写真を示す気孔分布図である。

【図５】密封環Ｂ１の密封端面を１００倍に拡大した顕
微鏡写真を示す気孔分布図である。

【図６】密封環Ｂ２の密封端面を１００倍に拡大した顕
微鏡写真を示す気孔分布図である。

【図７】密封環Ｂ３の密封端面を１００倍に拡大した顕
微鏡写真を示す気孔分布図である。

【符号の説明】

１…固定環（密封環）、１ａ…固定環の密封端面、３…
回転環（密封環）、３ａ…回転環の密封端面。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者纓田清隆京都府福知山市長田野町２丁目66番地の３日本ピラー工業株式会社福知山事業所内 (56)参考文献特開平２−55273（ＪＰ，Ａ) 特開平９−132479（ＪＰ，Ａ) 特開平８−295576（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F16J 15/34 C04B 38/00 304

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】焼成すべき予備成形体の構成材料として
炭化珪素粉末をカーボン源であって硬化反応が完了しな
いゲル状樹脂層で囲繞してなる球状の硬質造粒材を使用
してなる炭化珪素焼結材であって、平均気孔径１０〜４
０μｍの独立気孔が均一に分散配置されており且つ気孔
率が３〜１０％である炭化珪素焼結材で構成したことを
特徴とするメカニカルシール用密封環。
【請求項２】相対回転摺接する２つの密封環の一方又
は両方が、焼成すべき予備成形体の構成材料として炭化
珪素粉末をカーボン源であって硬化反応が完了しないゲ
ル状樹脂層で囲繞してなる球状の硬質造粒材を使用して
なる炭化珪素焼結材であって、平均気孔径１０〜４０μ
ｍの独立気孔が均一に配置されており且つ気孔率が３〜
１０％である炭化珪素焼結材で構成されたものであるこ
とを特徴とするメカニカルシール。