JP5530808B2 - メカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、静止密封環の材料としてＳｉＣ摺動材を用いたメカニカルシールに関するものである。

ＳｉＣ（炭化珪素）はメカニカルシールや軸受等の摺動材として優れた特性を持っているが、摺動部に十分な潤滑液が回り込まない状況やドライ状況においては摩擦係数が高くなり、異常磨耗を招き易いという不利も有している。そこで対策としては、ＳｉＣ摺動材にハイドロカットや溝加工を施したり、シール背面よりクエンチング等を実施する等の工夫が行われている。

特許文献１においては、相対回転摺接する２つの密封環１，３の一方又は両方が、平均気孔径１０〜４０μｍ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る密封環を持つメカニカルシールが開示されている。これにより、相手密封環が炭化珪素等の硬質材製のもの又はカーボン等の軟質材製のものの何れである場合にも、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の実現に寄与している。

特許文献２においては、炭化珪素焼結部品の結晶粒平均径が０．０１０から０．０３０ｍｍの大きさで、その結晶粒界の間に気孔が形成され、気孔の大きさが０．００１から０．０２０の範囲に形成されて気孔率が３から１０容量％のものとされる静止密封環を持つメカニカルシールが開示されている。これにより、強度に優れ、耐摩耗性、耐食性及び耐高温に優れ、メカニカルシールに好適な炭化珪素焼結部品としての静止密封環が得られる、と記載されている。

特許文献３においては、平均粒子径が０．１以上、１０μｍ以下のα−ＳｉＣ粉末と、平均粒子径が０．１以上、１０μｍ以下のβ−ＳｉＣ粉末と、プラズマＣＶＤ法により気相合成された平均粒子径が０．１μｍ未満のＳｉＣ超微粉末とを所望の比率で混合してＳｉＣ混合粉末を得、このＳｉＣ混合粉末を加熱焼結して成る密封環を持つメカニカルシールが開示されている。これにより、炭化珪素焼結体の比抵抗値を低くすることができ、かつ、この比抵抗を広範囲に制御できる炭化珪素焼結体の比抵抗制御方法を提供できる、と記載されている。

以上のように、ＳｉＣ摺動材を用いて密封環の耐摩耗性向上が図られたメカニカルシールはよく知られた技術である。しかしながら、シール対象流体の多様化やシール対象流体が摺動部に回り込まない条件下での使用では、ＳｉＣ摺動材製のメカニカルシール用密封環としの性能が十分に発揮され難いこともあり、前述のように、ハイドロカットや溝加工を施す対策があるが、加工が難しいとか、コストや手間が掛かるという慢性的な問題がある。

一方、カーボン、黒鉛、ＢＮ、ＭｏＳ₂ 、フッ素樹脂等の低摩擦材を含浸させる等、ＳｉＣ摺動材に自己潤滑性を有する材料を配合したものによる密封環を持つメカニカルシールも開発されているが、製造が難しくコストも非常に高いことから、使用用途が限られるものであった。このように、種々の利点を有するＳｉＣ摺動材製の密封環を、使用条件によっては摩擦係数が高くなって摩耗が早くなるという問題が解消又は抑制されたものとするには、さらなる改善の余地が残されていた。
特許第３５１７７１１号公報 特開２００２−３３８３６８号公報 特開平９−２５５４２８号公報

本発明の目的は、鋭意研究を進めることにより、基本的にＳｉＣ摺動材を用いた静止密封環を持つものとしながら、摺動部に十分な潤滑液が回り込まない状況やドライ状況といった厳しい環境下においても、摩擦係数が高くなる不都合を抑制又は解消して、耐久性や信頼性に優れるメカニカルシールを実現して提供する点にある。

請求項１に係る発明は、回転軸１に相対回転不能に支持される回転密封環２と、ハウジング３に相対回転不能に支持される静止密封環４と、前記回転密封環２の回転側シール面２ａと前記静止密封環４の静止側シール面４ａとを互いに回転軸の軸心Ｘ方向に押付けてシール部Ｓを形成するための弾性機構５とを有して成るメカニカルシールにおいて、
前記静止密封環４が、前記静止側シール面４ａを有するシール輪部４Ａと、前記シール輪部４Ａを支持し、かつ、前記ハウジング３に相対回転不能に支持される支持輪部４Ｂとから構成され、
前記シール輪部４Ａが、不連続気孔及び連続気孔を有し、これを所定の規格寸法である外径×内径×厚さがφ５４ｍｍ×φ４０ｍｍ×６ｍｍに加工して成る環状体の外周面から内周面に向けての温度３０℃、圧力２．５ＭＰａの単位時間当りの水の浸透漏れ量Ｆが、
０．０１ｍｌ／２４ｈｒ≦Ｆ≦５００ｍｌ／１ｈｒ
で規定されるＳｉＣ摺動材で形成されるとともに、
前記シール輪部４Ａに、前記ハウジング３を介して供給されてくるシール用液体ｆを内部導入するための供給流路１５が形成されていることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のメカニカルシールにおいて、前記供給流路１５が前記シール部Ｓに貫通して前記回転密封環２の回転側シール面２ａで閉塞される先端開放状の内部流路１５Ｂを有して形成されていることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載のメカニカルシールにおいて、前記支持輪部４Ｂが、前記弾性機構５による付勢力を受け止めるべく前記軸心Ｘ方向で前記ハウジング３と前記シール輪部４Ａとの間に配置される第１支持輪３１と、前記ハウジング３に内嵌され、かつ、前記シール輪部４Ａ及び前記第１輪部３１との双方に外嵌されるとともに前記ハウジング３からのシール用流体ｆが供給される取込口１４を備える第２支持輪３２と、を有して構成されていることを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載のメカニカルシールにおいて、前記供給流路１５が、前記シール輪部４Ａと前記第１支持輪３１との前記軸心Ｘ方向間に形成されて前記取込口１４に連通する径方向流路１５Ａと、前記径方向流路１５Ａの径内側端部に連通して前記静止側シール面４ａに向かって延びる軸心方向流路１５Ｂと、を有して構成されていることを特徴とするものである。

請求項５に係る発明は、請求項１に記載のメカニカルシールにおいて、前記供給流路１５が、その終端が前記シール輪部４Ａの内部に位置する行止り状のものに形成されていることを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、詳しくは実施形態の項にて説明するが、ＳｉＣ摺動材として十分な強度と硬度を有しながら、内部流路を用いてシール用液体をＳｉＣ摺動材に浸透させることができる。従って、その液体浸透によって程よく濡れている状態が維持でき、静止側シール面（摺動面）を常に液体雰囲気とすることが可能になる。そして、静止密封輪を構成するシール輪部を所定の規格寸法に加工して成る環状体の浸透漏れ量も定義することにより、製品によって異なる寸法の密封輪の漏れ量も直接又は換算して規定できる便利さがある。

さらに、ハウジングに支持される静止密封環におけるシール輪部であるＳｉＣ摺動材にシール用液体を供給する内部経路が形成されているから、回転している回転密封環をＳｉＣ摺動材製として内部流路を持たせる場合に比べて、シール用液体の供給経路構造が簡単で廉価に構成できる利点がある。そして、シール用液体が浸透してシール部に迅速に及ぶようになり、内部流路が形成されていないものに比べて、シール用液体の供給開始から実際にシール部に及ぶまでの応答時間が短縮化され、シール用液体がシール部へ及ぶ応答性に優れるものとなる。その結果、基本的にＳｉＣ摺動材によるシール輪部を有する静止密封環を備えるものとしながら、摺動部に十分な潤滑液が回り込まない状況やドライ状況といった厳しい環境下においても、摩擦係数が高くなる不都合を抑制又は解消して、耐久性や信頼性に優れるメカニカルシールを提供することができる。

そして、静止密封環が、静止側シール面を有するＳｉＣ摺動材製のシール輪部と、シール輪部を支持し、かつ、ハウジングに相対回転不能に支持される支持輪部との複数の部品で構成されているから、静止密封環全てをＳｉＣ摺動材で形成する場合に比べてＳｉＣ摺動材の体積を減らすことができる。また、複数部品化により、各部品単体における形状のシンプル化を図り、生産性に優れるようにすることも可能である。

請求項２の発明によれば、内部流路が静止密封環を貫通してシール部で閉塞される構造とされているので、シール用液体がより迅速にシール部に及ぶようになり、前述の応答性がより良くなる利点がある。

請求項３の発明によれば、支持輪部が、弾性付勢力を受け止めるべく軸心方向でハウジングとシール輪部との間に配置される第１支持輪と、ハウジングに内嵌され、かつ、シール輪部及び第１輪部との双方に外嵌されるとともにハウジングからのシール用流体が供給される取込口を備える第２支持輪と、を有して構成されるので、機能別に別部品とすることができて支持輪部の作り易さや生産性をより向上させることが可能になるという良さがある。

請求項４の発明によれば、静止密封環としての外周面からシール用流体を取り込むことができて、ハウジングの液路を単一等の少ないものとしながらも、静止密封環に形成される供給流路に無理なく円滑に、かつ、廉価にシール用液体をバランス良く供給することが可能となる利点が得られる。

請求項５の発明によれば、シール輪部の供給流路を行止り状の内部流路としてあるので、ある程度の圧を持たせたシール用流体でもってしてＳｉＣ摺動材の内部に浸透させ、静止側シール面（摺動面）を液体雰囲気とすることが可能になる。この場合、静止側シール面には浸透による均一な分布状態でシール用流体を供給することが可能になる、という利点がある。

メカニカルシール及びその構造を示す要部の断面図（実施例１） 静止密封環の浸透性測定用の実験装置を示す断面図 図２の実験装置に試験液が満たされた状態の断面図 （ａ）複数の実施例及び比較例の各種特性図、（ｂ）は各実施例の気孔率と自己浸透性との表を示す図 ＳｉＣ摺動材の拡大表面状況を示し、（ａ）は実施例１、（ｂ）は実施例４ ＳｉＣ摺動材の拡大表面状況を示し、（ａ）は比較例１、（ｂ）は比較例２、（ｃ）は比較例４ メカニカルシール用密封環の製造方法を示すブロック図 実施例２によるメカニカルシールを示す要部の断面図

以下に、本発明によるメカニカルシール、ＳｉＣ製の静止用密封環、及びその製造方法の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

メカニカルシールＭは、図１に示すように、回転軸１に対してその軸心Ｘ方向に移動可能な状態で外嵌されて一体回転（相対回転不能）する回転密封環２と、ハウジング３に相対回動不能に内嵌される静止密封環４と、回転密封環２を静止密封環４に押付けてシール部Ｓを形成するための弾性機構５とを有して構成されている。つまり、このメカニカルシールＭは、ハウジング３と回転軸１との間を含む機内側（プロセス側）Ｐと、ハウジング３と回転軸１との間を含む機外側（大気側）Ｔとをシールするものであり、シール対象液体（プロセス液）としては、プラント設備等における水（工業用水、水道水）、薬液、原油関係液、洗浄液等が挙げられる。

回転軸１の機内側には、軸ビス９で軸外周１ａに押圧係止される固定支持輪１３が外装され、その機外側には作用輪７が軸心Ｘ方向に移動可能に遊外嵌されており、軸心Ｘ方向に沿う姿勢でそれら固定支持輪１３と作用輪７とに亘って介装されるコイルばね８を軸心Ｘ回りの均等角度毎に配置することで弾性機構５が構成されている。そして、回転密封環２は、回転軸１に軸心Ｘ方向移動可能に外嵌される保持輪６の先端側に蜜内嵌又は圧入保持されており、保持輪６は、その基端軸部６ａが作用輪７の貫通孔７ａに挿入されてその作用輪７と一体回転するように構成されている。保持輪６と回転軸１との間にはシール用のＯリング１２が介装され、保持輪６と作用輪７との間にも一対のＯリング３７，３８が介装されている。従って、コイルばね８の付勢力が作用輪７と保持輪６とを介して回転密封環２に作用する。

ハウジング３には、静止密封環４が、軸心Ｘ方向で機外側Ｔへの移動、及び軸心Ｘ回りの回動ができないように、かつ、回転軸１には遊外嵌される状態で内嵌されている。回転密封環２は弾性機構５によって機外側Ｔに押圧付勢されており、従ってその機外側の側周面である回転側シール面２ａと静止密封環４の機内側の先端側周面である静止側シール面４ａとが軸心Ｘ方向で互いに圧接され、それによって環状のシール部Ｓが形成されている。尚、回転密封環２はカーボン又はその他の材料によって形成されている。

静止密封環４は、静止側シール面４ａを有するシール輪部４Ａと、シール輪部４Ａを支持し、かつ、ハウジング３に相対回転不能に支持される支持輪部４Ｂとから構成され、支持輪部４Ｂは、第１支持輪１７と第２支持輪１８とから構成されている。つまり、静止密封環４は、シール輪部４Ａと第１支持輪１７と第２支持輪１８との３部品で構成されている。シール輪部４Ａは、静止側シール面４ａを持つ環状主部１９、及び環状主部１９の内周側から軸心Ｘ方向に延びる筒軸部分３９を有しており、環状主部１９には、軸心Ｘ方向に沿って貫通する横流路１５Ｂが周方向の複数箇所に形成されるとともに、静止側シール面４ａには、横流路１５Ｂに連通する冷却水充填用の側周溝１６が形成されている。側周溝１６は、軸心Ｘに関する環状のものが望ましいが、複数箇所の横流路１５Ｂ毎に対応して設けられる軸心Ｘに関する所定角度の円弧状のもの（周方向に間欠配置される複数の側周溝）でも良い。

支持輪部４Ｂは、弾性機構５による付勢力を受け止めるべく軸心Ｘ方向でハウジング３の内向きフランジ３Ｆとシール輪部４Ａとの間に配置される第１支持輪３１と、ハウジング３に内嵌され、かつ、シール輪部４Ａ及び第１輪部３１との双方に外嵌されるとともにハウジング３からのシール用流体ｆが供給される取込口１４を備える第２支持輪３２と、を有して構成されている。第１支持輪３１は、筒軸部分３９にＯリング３３を伴って外嵌し、かつ、Ｏリング３４を伴って内嵌される嵌合筒部３１Ａと、回転軸１に遊外嵌され、かつ、内向きフランジ３Ｆに軸心Ｘ方向で当接する支持筒部３１Ｂとを有する環状体に形成されている。嵌合筒部３１Ａには、周方向の複数箇所に軸心Ｘ方向でシール輪部４Ａに向けて張出して環状主部１９の側壁１９ａに当接可能な突出部分３５が形成されている。この突出部分３５の存在により、支持筒部３１Ｂにおける突出部分３５の基端面である内奥側周面３１ｂとの軸心Ｘ方向間に縦流路１５Ａが形成されている。また、支持筒部３１Ｂから軸心Ｘ方向で機外側に突出するピン部３１ｐと内向きフランジ３Ｆの孔部３ｋとの嵌合構造により、支持筒部３１Ｂ、即ち静止密封輪４の回り止めが為されている。

第２支持輪３２は、Ｏリング３４を伴う嵌合筒部３１Ａ及びＯリング３６を伴う環状主部１９に外嵌し、かつ、一対のＯリング１０，１１を伴ってハウジング３に内嵌する環状部材である。第２支持輪３２の軸心Ｘ方向での中間部には、ハウジング３に形成されている液路３Ｗと径方向流路１５Ａとを連通する一又は複数の径方向貫通孔、即ち取込口１４が形成されている。つまり、静止密封輪４として、シール部Ｓを生むためのシール機能はシール輪部４Ａが担い、シール部Ｓを生じさせるための弾性機構５の付勢力を受止める機能は第１支持輪３１が担い、ハウジング３に内嵌支持する支持機能及びシール流体ｆを漏れなく取り込む機能は第２支持輪３２が担う、という機能別の３部品から静止密封輪４が構成されている。

シール輪部４Ａは、自己浸透性を有するＳｉＣ摺動材で形成されている。ＳｉＣ摺動材の材料であるＳｉＣは通常の焼結体であり、焼結温度や成形面圧等で低密度化を実現させ、かつ、自己潤滑材は配合していないので、低密度でもメカニカルシールＭに必要となる性能を満足する硬度や強度を有している。このＳｉＣ摺動材の製造方法は、図７に示すように、ＳｉＣ粉末とメタノールとを混ぜる混合工程ａ、混合工程ａによる混合液を噴霧乾燥させて造粒材を作成する造粒工程ｂ、造粒工程ｂによる造粒材を型に入れてプレス成形することで環状の成形体を作成する成形工程ｃ、成形工程ｃによる成形体を所定高温のアルゴン雰囲気中で焼成させて炭化珪素焼結体を作成する焼成工程ｄ、とを有して成る。

上述の製造方法によって得られた炭化珪素焼結体、即ち焼成工程ｄによる炭化珪素焼結体の一端面（一方の側周面）又は両端面を表面研磨してシール用の密封環を作成する仕上げ工程ｅを経ることにより、前述のシール輪部４Ａが作成される。つまり、図７に示すように、メカニカルシール用摺動材の製造方法に、焼成工程による炭化珪素焼結体の一端面を表面研磨する仕上げ工程ｅを追加することにより、メカニカルシール用静止密封環４におけるシール輪部４Ａの製造方法として定義することができる。

シール輪部４Ａの製造方法について詳述する。まず、混合工程ａは、粒子径約１．０μｍのα−ＳｉＣ粉末或いはβ−ＳｉＣ粉末１００ｇに、焼結助材としてのＢ４Ｃ粉末０．５ｇ及びカーボン源としてのフェノール樹脂４ｇを添加し、さらに成形助材としてＰＥＧ（ポリエチレングリコール）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時間混合する、という工程である。

造粒工程ｂは、混合工程ａ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噴霧乾燥させることによって造粒し、径３０〜１００μｍの球形状の造粒材を得る、という工程である。成形工程ｃは、造粒工程ｂで得られた硬質の造粒材を所定の金型に充填してから、冷間プレス成形（成形圧：１００ＭＰａ）を行って環状形態を為す成形体を得る、という工程である。

焼成工程ｄは、成形工程ｃで得られた成形体を、加圧することなく１８５０〜２０５０℃のアルゴン雰囲気中で焼成させて炭化珪素焼結体を得る、という工程であり、この焼成工程ｄを経て作成される環状のものがメカニカルシール用摺動材である。そして、仕上げ工程ｅは、焼成工程ｄで得られた炭化珪素焼結体の一端面をＲａ＝０．０５〜０．２５の鏡面に表面研磨（ラップ）する等により密封環を得る、という工程である。ここで言う「密封環」とは回転密封環としても、又静止密封環としても使用可能な環のことであり、本発明においてはその密封環を「静止密封環４のシール輪部４Ａ」として使用している。尚、シール輪部４Ａの鏡面部分はシール面４ａ（密封端面）として機能する。

上記製造方法によって得られる密封環、即ち実施例１〜実施例４の密封環の密度、気孔率、曲げ強度、硬度等の各種特性表を図４に示す。密度は水置換法により計測し、炭化珪素（ＳｉＣ）の理論密度を３．２ｇ／ｃｍ³ として気孔率を計算してある。一例として実施例１の気孔率Ｋ１は、Ｋ１＝１−（摺動材の測定密度）／（理論密度）＝（１−２．６０５／３．２）×１００＝１８．６（％）である。尚、図４の特性表に示すように、上記諸条件の範囲外である比較例１〜比較例４の密封環も作成し、その特性を確認してある。

そして、本発明による密封環、即ちシール輪部４Ａと、例えばカーボン製の回転密封環２とを組み込んだメカニカルシール（図１に示すメカニカルシールＭ）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。また、静止密封環４のシール輪部４Ａとして使用する密封環の自己浸透性を測定するために、図２に示すような実験装置Ａを作成し、その実験装置Ａによる測定値も、図４に示す特性表に記載することとした。

図１に示すメカニカルシールＭを用いての摺動テストの条件は、回転密封環２と静止密封環４とによるシール部Ｓの径＝４０ｍｍ（アンバランス型）、回転速度＝３６００回転／分、フラッシング流量＝３リットル／分、試験用液体＝工業用水、運転時間＝１００時間、液体温度＝３０℃、圧力＝２．５ＭＰａである。尚、摺動テスト結果（図４の「摺動特性」※）における◎、○、△、×の意味は下記のようである。
◎：回転密封環２及びシール輪部４Ａ（静止密封環４）共に摩耗が検出できず
○：単位時間当たりの摩耗量が、回転密封環２が０．０１μｍ／ｈｒ以下、かつ、シール輪部４Ａ（静止密封輪４）が０．１μｍ／ｈｒ以下
△：単位時間当たりの摩耗量が、回転密封環２が０．０１μｍ／ｈｒ以下、かつ、シール輪部４Ａ（静止密封輪４）が０．１μｍ／ｈｒ以上
×：回転密封環２の単位時間当たりの摩耗量が０．０１μｍ／ｈｒ以上

次に、自己浸透性の実験装置Ａについて説明する。図２，図３に示すように、実験装置Ａは、略ドーナツ状のシール輪部４Ａ（密封環）が装填される円形凹入部２３を有する実験ケース本体２１と、円形凹入部２３に内嵌されてその上面をカバーする状態で実験ケース本体２１の上面に複数のボルト２４で固定される蓋ケース２２と、から成る実験器２０を有して構成されている。実験ケース本体２１には、円形凹入部２３に装填されている回転密封環２の外周面２ｂのほぼ全面に開口する環状凹入部２５、及び環状凹入部２５に連通する入口路２６が形成されている。蓋ケース２２の中央部には、漏れ出た液体を測定するための円形の大径口２２Ａが形成されている。尚、２７、２８はＯリングである。

実験装置Ａによるシール輪部４Ａの実験方法は、円形凹入部２３にシール輪部４Ａを配置して蓋ケース２２で蓋をした実験状態（図２参照）において、実験ケース本体２１の側面２１Ａに開口する入口路２６から正圧を有する試験液ｒを供給し、図３に示すように環状凹入部２５に満たす。その実験液ｅで環状凹入部２５が満たされている状態を所定時間維持し、静止密封環４の内周面４ｃから漏れ出た試験液ｒの量を測定するのである。尚、実験条件の一例は、試験液ｒとして、温度３０℃で２．５ＭＰａの圧が掛けられた工業用水であり、シール輪部４Ａのサイズ例は、外径×内径×厚さがφ５４×φ４０×６（単位：ｍｍ）である。

図４の特性表における「自己浸透性」は、目視で漏れが確認できたとき（図３参照）から計測し始めた（シール輪部４Ａの内周面４ｃから滲み出てきた液体を測定する）。また、「自己浸透性」における×とは、「２４ｈｒ（時間）計測しても目視で漏れが確認できなかったこと」を意味している。図４（ａ）は、焼成温度を１８００℃〜２２００℃超の範囲で種々に変更設定した場合の各種特性を示し、図４（ｂ）は、図４（ａ）における摺動特性が合格（評価が○と◎）である実施例１〜４について、気孔率と浸透漏れ量（自己浸透性）とを計測したものである。

比較例１のものは、自己浸透性はあったが、焼結密度が低いためか強度、硬度が低く、また摩耗量も多く（摺動特性は×）、メカニカルシールとしての特性は不十分である。比較例２〜４のものは、強度や硬度はあり、また摺動特性の評価が○のもの（比較例２）もあったが、いずれも自己浸透性が無かったため摺動面の面荒れが発生し、摩耗も認められた。比較例３のものは、従来の高密度化ＳｉＣ製であり、ＳｉＣ摺動材（メカニカルシール用密封環）として一般的に使用されているものである。試験用のメカニカルシールＭはその従来品に関する選定基準をはるかに超える負荷条件であるが故に、比較例３のものには摩耗、面荒れが発生し、当然ながら不合格である。

実験結果による図４（ａ）の特性表から、ＳｉＣ摺動材製のメカニカルシール用密封環（シール輪部４Ａ）は、焼成温度が１８５０℃〜２０５０℃で、焼結密度が２．６ｇ／ｃｍ³ 〜３．０ｇ／ｃｍ³ で、強度が４００ＭＰａ以上、硬度が１６００Ｈｖ以上のＳｉＣ焼結体であることが分かる。そして、その場合のＳｉＣ焼結体においては、外周面Ｗｂから内周面Ｗｃに向けての単位時間当りの液体の浸透漏れ量Ｆは０．０１ｍｌ／２４ｈｒ≦Ｆ≦５００ｍｌ／１ｈｒの範囲である。このようなメカニカルシール用密封環では、図１に示すメカニカルシールＭにおける前述の過負荷条件においても良好なメカニカルシール機能が発揮される。尚、参考として、実施例１〜４のＳｉＣ摺動材（シール輪部４Ａ）における気孔率と浸透漏れ量（自己浸透性）を図４（ｂ）に示す。また、実施例１，４、及び比較例１，２，４の各ＳｉＣ摺動材の表面状況写真を図５（ａ），（ｂ）及び図６（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す。

ところで、前記浸透漏れ量Ｆが規定の範囲（０．０１ｍｌ／２４ｈｒ≦Ｆ≦５００ｍｌ／１ｈｒ）であることの確認を実験装置Ａで行うに当り、メカニカルシール用密封環そのものでは不可のときがある。即ち、メカニカルシールが異なれば回転及び静止の各密封環の寸法（サイズ）も種々に異なることが多いので、実験装置Ａの寸法に合わないことがあるからである。そのような場合には、密封環を所定の規格寸法に加工（切削等）して環状体(図示省略)を作成し、その規格寸法に加工された環状体を用いることで実験装置Ａによる漏れ量測定が可能になる。規格寸法の例としては、前述の「外径×内径×厚さがφ５４×φ４０×６（単位：ｍｍ）」が挙げられるが、その他でも良い。尚、所定の規格寸法より密封環が小さい場合には、計算によって規格寸法に合せた換算値でも良い。

本発明による自己浸透性を有するＳｉＣ摺動材製のシール輪部４Ａ（メカニカルシール用密封環）は、数μｍの不連続気孔及び連続気孔を有しており、十分な強度と硬度を有しながら、ある程度の液体圧をかけると液体が摺動材内部まで浸透する。故に、浸透によって程よく濡れている状態が維持できることから、摺動面は常に液体雰囲気になり、メカニカルシールや軸受け等の起動時に発生するドライ状況が改善され、円滑に起動することが可能になる。また、運転中においても液体が摺動面に常に内部から送り出されているので、安定した液体膜が形成され続けてシール特性を良好に保つことができる。そして、浸透した液体が大気側で溜まることでクエンチ効果が得られるという利点もある。

さて、図１に示すように、静止密封環４には、ハウジング３に形成されている液路３Ｗを介して供給されてくる冷却水（シール用液体の一例）ｆを取り込むための取込口１４及びこれに続く行止り状の供給流路１５が形成されている。供給流路１５は、軸心Ｘに対する径方向に向く縦流路（径方向流路の一例）１５Ａと、軸心Ｘに沿う方向に向く横流路（軸心方向流路の一例）１５Ｂとを有し、シール部Ｓに貫通して回転密封環２のシール面２ａで閉塞される状態に構成されている。そして、前述したように、シール輪部４Ａのシール面４ａに、軸心Ｘに関する環状で、かつ、内部流路１５のシール面側開口部を含む状態の冷却水充填用の側周溝１６が形成されている。

供給流路１５は、一部品としての静止密封輪4と見る場合には、取込口１４も縦流路１５Ａも横流路１５Ｂも内部流路であると言え、シール輪部４Ａと支持輪部４Ｂとの集合体と見る場合には、横流路１５Ｂは内部流路（シール輪部４Ａの内部に形成される）であるが、シール輪部４Ａと支持筒部３１Ｂとの間に形成される縦流路１５Ａは内部流路ではなく、言わば「間隙流路」であると言える。従って、本明細書においては、これら内部流路や間隙流路を総称して「供給流路」と呼ぶものとしている。

自己浸透性を有するＳｉＣ摺動材製のシール輪部４Ａに内部流路である横流路１５Ｂが形成されているから、冷却水ｆが浸透してシール面４ａに迅速に及ぶようになり、供給流路１５が形成されていないものに比べて、冷却水ｆの供給開始から実際に静止密封環４のシール面４ａに及ぶまでの応答時間が短縮化される。つまり応答性が良くなる。そして、横流路１５Ｂがシール輪部４Ａを貫通して回転密封環２のシール面２ａで閉塞される構造とすることで応答性がより良くなるとともに、側周溝１６を設けることで一層応答性が改善されるという利点がある。

〔実施例２〕
図８に示すように、静止密封環４がＳｉＣ摺動材製のシール輪部４Ａと支持輪部４Ｂとの２部品で成る構造を持つメカニカルシールＭでも良い。図１に示す実施例１のメカニカルシールＭと比較した場合、シール輪部４Ａはほぼ同じ形状のものであり、支持輪部４Ｂは、静止密封環４としての断面が略矩形形状を呈するようにシール輪部４Ａの大気側外周部を補填するような小部品に形成されている。従って、図１に示すメカニカルシールＭと同じ部位や同じ機能を有する箇所には同じ符号を付してその説明が為されたものとする。

この場合、図１における一対のＯリング３４，３６が省略されており、ハウジング３は第１ハウジング３Ａと第２ハウジング３Ｂとで成っている。対ハウジング用のＯリング１１は、第１及び第２ハウジング３Ａ，３Ｂどうしのシールも兼ねるものとなっており、もう一つのハウジング用のＯリング１０は、支持輪部４Ｂに伝わる弾性機構５の付勢力を第２ハウジング３Ｂに伝えるための部材にもなっている。

〔別実施例〕
横流路１５Ｂは、静止側シール面４aに届かずに行止り状となるもの（図１の仮想線の部分参照）でも良い。また、シール用流体は、冷却水（冷却液）のほか、クエンチング液、フラッシング液、潤滑液等の種々のものを含む概念である。

１ 回転軸
２ 回転密封環
２ａ 回転側シール面
３ ハウジング
４ 静止密封環
４Ａ シール輪部
４Ｂ 支持輪部
４ａ 静止側シール面
４ｂ 外周面
５ 弾性機構
１４ 取込口
１５ 供給流路
１５Ａ 径方向流路
１５Ｂ 軸心方向流路、内部流路
３１ 第１支持輪
３２ 第２支持輪
Ｆ 浸透漏れ量
Ｓ シール部
Ｘ 軸心
ｆ シール用液体

Claims (5)

1. 回転軸に相対回転不能に支持される回転密封環と、ハウジングに相対回転不能に支持される静止密封環と、前記回転密封環の回転側シール面と前記静止密封環の静止側シール面とを互いに回転軸の軸心方向に押付けてシール部を形成するための弾性機構とを有して成るメカニカルシールであって、
   前記静止密封環が、前記静止側シール面を有するシール輪部と、前記シール輪部を支持し、かつ、前記ハウジングに相対回転不能に支持される支持輪部とから構成され、
   前記シール輪部が、不連続気孔及び連続気孔を有し、これを所定の規格寸法である外径×内径×厚さがφ５４ｍｍ×φ４０ｍｍ×６ｍｍに加工して成る環状体の外周面から内周面に向けての温度３０℃、圧力２．５ＭＰａの単位時間当りの水の浸透漏れ量Ｆが、
   ０．０１ｍｌ／２４ｈｒ≦Ｆ≦５００ｍｌ／１ｈｒ
   で規定されるＳｉＣ摺動材で形成されるとともに、
   前記シール輪部に、前記ハウジングを介して供給されてくるシール用液体を内部導入するための供給流路が形成されているメカニカルシール。
2. 前記供給流路が前記シール部に貫通して前記回転側シール面で閉塞される先端開放状内部流路に形成されている請求項１に記載のメカニカルシール。
3. 前記支持輪部が、前記弾性機構による付勢力を受け止めるべく前記軸心方向で前記ハウジングと前記シール輪部との間に配置される第１支持輪と、前記ハウジングに内嵌され、かつ、前記シール輪部及び前記第１輪部との双方に外嵌されるとともに前記ハウジングからのシール用流体が供給される取込口を備える第２支持輪と、を有して構成されている請求項１又は２に記載のメカニカルシール。
4. 前記供給流路が、前記前記シール輪部と前記第１支持輪との前記軸心方向間に形成されて前記取込口に連通する径方向流路と、前記径方向流路の径内側端部に連通して前記静止側シール面に向かって延びる軸心方向流路と、を有して構成されている請求項３に記載のメカニカルシール。
5. 前記供給流路が、その終端が前記シール輪部の内部に位置する行止り状のものに形成されている請求項１に記載のメカニカルシール。

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