JP5974102B2 - 稼働時間を延長する特性を有するメカニカルシールアセンブリのシールリング及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、メカニカルシールアセンブリのシールリングに関する。特に、本発明は、炭化ケイ素、窒化ケイ素、金属若しくは炭化タングステン、又は炭素繊維複合材料の基体を備えるシールリングであって、特定の摺動層が少なくとも片方の面に形成されており、この摺動層によりその面が摺動表面として適応させているシールリングに関する。シールリングを稼働可能とするために、摺動材料を用いシールリングの稼働表面を被覆することにより引き起こされる基体のゆがみは、基体の背面にそのために設けられた被覆により調整される。摺動層及び摺動層と相対的に定められるシールリングの反対側の被覆が特定の厚みと構成を有することにより、シールをさらに長稼働時間稼働させることが可能となる。更に、本発明はそのようなシールリングの製造方法に関する。

従来技術として、多くの異なる構成を有するメカニカルシールが開示されている。それらシールリングは、稼働中に極めて高い負荷を受け、その高い負荷は決まって、摺動表面が基体に至るまで摩耗してしまうことにつながる。故に、炭素系の摺動表面を有するシールリングを使用することが重要となってきた。この炭素表面被覆があることで、メカニカルシールは、高温で使用可能となると共に、大きな温度変化と同時に大きな機械的負荷がある条件下で使用可能となる。

これらの被覆は、高い耐摩耗性を示し、優れた乾式稼働特性を有する。しかしながら、この耐久性は被覆が機械的損傷を受けると低下し、シールリングの交換が必要となる。シールリングの損傷耐久性を可能な限り高くするために、シールリングは可能な限り平坦に構成する必要があり、反対側のリング表面は高い平面平行度で形成する必要がある。

更に、摺動層に大きな厚さをもたせる構成は、それが可能であれば、材料とは関係なく、その他の点では一定の良好な接着・摩耗特性のもと、損傷挙動に好ましい効果を及ぼす。これは、より多くの摩耗材料が利用でき、それによりシール稼働時間がかなり延長されるためである。

耐摩耗性を向上させるために立体物を微結晶ダイヤモンドで被覆することが特許文献１より知られており、この立体物はシールリングとして構成でき、ＳｉＣ製基体を有するものである。

さらに、特許文献２の従来技術では、シールリングの基体に対し、その基体とダイヤモンド層との間に追加の基板層を設けることが示唆されている。

更に、特許文献３には、２成分材料からなる基体に、ダイヤモンド粒子を追加材料として導入したシールリングが開示されている。これにより、改良された方法で、ダイヤモンド含有材料からなる被覆が基体に固定される。

確かに、元々高い強度を有するダイヤモンド被覆には、それにより被覆された摺動体の熱的及び機械的に発生する応力又は応力変動に対する抵抗性を高める利点がある。しかしながら、一般的に以下の欠点がある。すなわち、メカニカルシールに要求される最高品質を有したダイヤモンド被覆を製造することが困難であること、ダイヤモンド被覆が極めて高い品質試験レートを要求すること、また、ダイヤモンド被覆はその被覆材料のため且つ品質管理のために極めて高価であること、さらに、それらを用いるには正確な計算が必要となることである。

コストに関する欠点を別としても、ダイヤモンド被覆に典型的な約７００°Ｃという高い被覆温度は問題となる。被覆処理中及び被覆されることとなる基体の熱膨張係数への反応として、このような温度により、基体上でゆがみ及び凹凸が引き起こされ、これらは、摺動対と共にシールに対し悪影響を及ぼす。

故に、従来、好ましくは、ＳｉＣリングは被覆されてきた。何故なら、室温で、約４×１０^−６／ＫというＳｉＣの熱膨張係数と約１×１０^−６／Ｋというダイヤモンド被覆の熱膨張係数とは比較的近く、これらは温度を上昇させると更に近づくためである。

更に、摺動改善特性をリングに付与するには、いわゆるＤＬＣ又は「ダイヤモンドライクカーボン」層による表面被覆も考えられる。

例えば、特許文献４が従来技術として知られており、シールリング上のＤＬＣ層の厚さを１０μｍまでとすることを起点としている。

特許文献５には、超純水中で用いられるメカニカルシールが記載されており、ＤＬＣ層の厚さを少なくとも１μｍ且つ５μｍ以下とすることが明記されている。

全体として、一般に炭化水素層による、また特にＤＬＣ層による摺動体の被覆が記載されており、従来技術を構成している。

また、この被覆は従来技術として示されているものの、比較的厚い炭化水素層が摺動体上にあると大きな問題をもたらす。比較的厚いＤＬＣ層はより大きな応力を生むため、層が厚いと必ず問題が引き起こされることが経験上知られている。層システムの場合のように、これらは、一般に、基体のみ、被覆のみ、好ましくは基体と被覆との間、又は異なる形態においてはそれらの領域全てに同時に発生する。

さらに、全ての文献には、シールリングの一方の表面のみを摺動表面として適応させているという共通点がある。全ての被覆処理中、被覆されるリングは１つの表面上に置かれているため、一般的には、リングの片側のみが被覆される。このため、比較的薄い層の厚さとなる。これは、炭化水素層による被覆処理では、基体が加熱されて、リングのゆがみを引き起こすためである。

独国特許出願公開第１９９２２６６５号明細書 独国特許出願公開第２０２００６００６４２５号明細書 独国特許出願公開第２０２００７０１６８６８号明細書 独国特許出願公開第３８２０５８１号明細書 米国特許出願公開第２０１０／００６１６７６号明細書

従って、本発明は、被覆作業後にゆがみを示さず、摺動表面で高い平面平行度上を示すシールリング及び方法を提供することを目的とする。

本目的は、請求項１の特徴を有するシールリング及び請求項１６の特徴を有する方法によりそれぞれ達成される。各従属請求項は、本発明の好適な発展形態を示している。

本発明に係る請求項１の特徴を有するメカニカルシール用シールリングは、被覆作業後のシールリングのゆがみを避けることができ、特に摺動表面が高い平坦性を示すことで、メカニカルシールのシール隙間を非常に狭くできるという利点を有する。本発明によれば、このことは、シールリングの軸方向を向いた基体の両面側それぞれに被覆を施すことで達成される。施された層の少なくとも一方は、シールリングの摺動表面となる。基体両側を被覆することにより、シールリング、特に基体の非対称な変形を避けることができる。すなわち、被覆を設けたシールリングの片側のみへの被覆の場合に、従来技術にみられるゆがみは、シールリングの反対側を被覆することにより補償できる。従って、本発明に係るシールリングは更に、軸方向を向き、それぞれ被覆を備える両面側が高い平面平行度を示す。両側の被覆は、シールリングのゆがみが起こらないように、また、極度の負荷下においてより長い稼働時間使用可能であるように設定される。好ましくは摺動層に大きな厚さを持たせる構成は、それが可能であれば、その他の点では一定の良好な接着・摩耗特性のもと、損傷挙動に対し好ましい効果を有する。これは、より多くの摩耗材料が利用可能であり、それによりシールの稼働時間がかなり延びるためである。ここで、シールリング上の第１及び第２の層は、基体上の第１の層により引き起こされる形状変化が、第２の層により引き起こされた基体の形状変化により相殺されるように選択される。好ましくは両層が同一の材料からなり、更に好ましくは同じ厚さを有するときに、特に良好な相殺が達成される。また、前記２層が、好ましくは異なる熱膨張係数を有する異なる材料からなっていてもよい。そして、ゆがみの相殺は異なる熱膨張係数によっても達成されるため、異なる厚さの異なる材料を基体上に設けることも可能である。

シールリングは、シールリングの径方向を向いた少なくとも１つの表面は被覆されていないことが好ましい。従って、シールリング上に放射状に配置された層による形状の相殺が影響を受けることが無い。

同様に、好ましくは、シールリングの摺動表面として形成されている側が平均以上の厚さを有するように、すなわち、他方側の他の層よりも厚くなるようにすることができる。これは、第２の層による反対側の被覆により、リングのゆがみに対処できるためである。摺動表面上と同一の材料を使用することが可能であるが、対応させた熱膨張係数を有する異なる材料を使用することも可能である。結果として、自動的に、非常に大きな厚さで反対側の層も設けることが必要となるわけではなく、反対側の層は被覆材料の熱膨張係数に応じてより薄くすることも可能である。更に好ましくは、摺動層の反対の層が薄くなるほど、ゆがみを相殺する反対の層の材料の熱膨張係数は大きくする必要がある。第２の層が第１の層よりも薄い場合、第２の層の熱膨張係数は第１の層の熱膨張係数よりも大きいことが好ましい。第１の層の熱膨張係数は、第２の層の熱膨張係数の０．１〜１００倍の範囲であることが更に好ましい。多層構造においては、基体からの層の距離が増すにつれて、各々の層の熱膨張係数が小さくなる又は大きくなるように選択されることが更に好ましい。例えば、密度勾配のある単一の層の構成が更に好適である。これによって、例えば硬度は、単層中で徐々に影響を受けるためである。

可能な限りコスト効率のよいシールリングを製造可能とするため、基体には、単層被覆のみが設けられていることが好ましい。すなわち、基体の各面側には、１層の単層のみが基体へ直接施される。基体に直接施されたＤＬＣ層は、最小厚さ６μｍで単層被覆として施さることが特に好ましい。また、しかしながら、複数の層（多層構造）を基体の片面側に施すことも可能であり、或いは、シールリングの片面側に単層を施し、基体の反対側に多層被覆を施すような被覆の組み合わせも可能である。２又は３つの単層を多層構造として施すことが特に好ましい。更に好ましくは、層と基体との間に又は、多層構造の場合には隣接する層間に、非常に薄い接着層及び／又はキャリア層を設けてもよい。

シールリングには、両面側に摺動表面として構成された層が設けられていることが特に好ましい。摺動改善被覆による長い稼働時間とは別に、このリングは、１つの摺動表面が損傷を受けたときに、両側に摺動層があるため単に回転させることで、他方の摺動表面を用いて更に稼働させることができる。従って、リングのそれまで摺動接触していなかった側が摺動側となり、以降のリング稼働時間中には、既に稼働済みの側はそれ以上摺動表面として用いられることはない。コスト面では、長い稼働期間に加えて、シールリングの両稼働表面は摺動表面として同時に形成されているためにこのような２倍の利用が可能である。従って、両側に摺動表面で被覆されているシールリングは、反転又は回転シールリングとして使用できる。

更に、本発明は、本発明に係るシールリングを少なくとも１つ備え、好ましくはガス潤滑されるメカニカルシールアセンブリに関する。

本発明に係るシールリングは、好ましくは基体と被覆とからなる機能体／基板からなる。上記被覆は、好ましくは炭素層であり、特に好ましくは含水素アモルファスカーボン層、いわゆるａ−Ｃ：Ｈ層である。

特に、基体は、炭化ケイ素、窒化ケイ素、金属若しくは炭化タングステン、又は炭素繊維複合材料からなる。ただし、一般に、シールリングとして適した他の全てのコーティング可能な材料もまた使用可能である。選択された材料は、被覆性の点で相応しいものである必要がある。すなわち、ある程度の基本的な接着力があり、清浄化される摺動部材の表面と反応することなしに、表面が清浄化可能である必要がある。すなわち、被覆される基体には、導電性材料を選択する必要がある。それにより、高い被覆品質が達成されるためである。同様に、非導電性材料も可能であり、その場合被覆処理はそれに適応させる必要がある。

更に好ましくは、本発明は、第１の層が基体の第１面側に施され、第２の層が第２面側に施されるシールリングの製造方法に関する。２層のうちの少なくとも一方が、好ましくは両方が、シールリングの摺動層として設けられる。ここで、第２の層は、第１の層を施すことにより引き起こされた基体の形状変化を少なくとも部分的に、特に完全に相殺するように施される。従って、高い平面平行度を持ったシールリングを製造可能である。２層は同時に基体に施すことが更に好ましい。２層の厚さが等しいことが好ましい。施された層はＤＬＣ被覆であることがさらに好ましい。

前記シールリングの径方向を向いた表面は被覆されていないことが好ましい。

被覆は、シールリングに所定のゆがみ、特に所定のクラウニングが設定されるように選択されることがさらに好ましい。

基体の製造は被覆とは別に行われる。基体は、被覆処理へ向け調整される。調整は、平坦性、接着性、及び表面トポグラフィーに関して行われる。

図１は、本発明の第１実施形態に係るシールリングの模式断面図である。 図２は、本発明の第２実施形態に係るシールリングを備えるメカニカルシールアセンブリの模式断面図である。

以下、本発明の好適な実施形態を添付の図面を参照の上詳細に説明する。

図１に示す第１実施形態には、基体２と、第１の層３と、第２の層４とを備えるシールリング１が示されている。第１の層３は、軸方向Ｘ−Ｘを向いた基体２の第１面側２ａに配置されている。第２の層４は、第１面側２ａとは反対を向いた第２面側２ｂに配置さている。両層３、４は、等しい厚さＤを有する。更に、図１から明らかなように、基体２の内周表面２ｃと外周表面２ｄとは被覆されていない。

本実施形態では、第１の層３は摺動層として形成されており、従って摺動表面３ａを有する。基体２の２つの面側の両方に被覆を施すことにより、被覆処理中に望ましくない基体のゆがみを避けることが可能である。両側に被覆を施すという発明思想により、特に、摺動表面３ａの凹凸につながる可能性のある軸方向Ｘ−Ｘのゆがみが避けられる。両層３，４を同一の材料からなるものとし、第２の層４も摺動表面を有することが好ましい。したがって、たとえば、ある期間使用し、第１の摺動表面３ａが摩耗した後に、シールリング１を単に裏返し、第２の層４上の摺動表面を使用することも可能である。

図２は、本発明の第２実施形態に係る回転シールリング８と固定シールリング９とを備えるメカニカルシール１０を示している。両シールリング８，９もまた両面に被覆を有しており、両者の間には公知の方法でシール隙間１６が定められている。本実施形態のメカニカルシール１０は、ガスシールとして構成されている。

図２から分かるように、回転シールリング８は、シール隙間１６を向き多層構造２０を有する面側を有する基体１１を備える。多層構造２０は、第１の層２１と、第２の層２２とを備える。第１の層２１は外側層であり、シールリングの摺動表面として構成されている。別個の第３の層２３は、回転シールリング８の反対の面側に配置さている。別個の層２３と多層構造２０の第１の層２１とは同一の材料からなることが好ましい。回転シールリング８は、シャフト１３に継ぎ手スリーブ１５等の手段により固定されている。

固定シールリング９は、ハウジング１４上に配置され、基体１２と、基体１２の対向する面上に配置された第１の多層構造３０と、第２の多層構造４０とを備える。第１の多層構造３０は、摺動表面としての第１の層３１と、第１の層３１と基体１２との間に配置された第２の層３２とを備える。第２の多層構造４０はまた、第１の層４１と、第１の層４１と基体１２との間に配置された第２の層４２とを備える。或いは、回転シールリング８上と同様に、多層構造を一方の面側に設け、単層を他の面側に設けてもよい。

ここで、摺動表面として構成された層は好ましくは少なくとも６μｍの厚さを有するＤＬＣ層である。基体への層の接着を向上するため、又は多層構造の場合には、層間の接着を向上するために、薄い接着層を施してもよい。

１…シールリング、２…基体、２ａ…第１面側、２ｂ…第２面側、２ｃ…内周表面、２ｄ…外周表面、３…第１の層、３ａ…摺動表面、４…第２の層、８…回転シールリング、９…固定シールリング、１０…メカニカルシール、１１、１２…基体、１３…シャフト、１４…ハウジング、１５…継ぎ手スリーブ、１６…シール隙間、２０…多層構造、２１…第１の層（摺動表面）、２２…第２の層、２３…第３の層、３０…多層構造、３１…第１の層（摺動表面）、３２…第２の層、４０…多層構造、４１…第１の層（摺動表面）、４２…第２の層、Ｄ…厚さ、Ｘ−Ｘ…中心軸

Claims (11)

1. 基体（２）と、
   基体（２）の第１面側（２ａ）に施された第１の層（３）と、
   前記基体（２）の第２面側（２ｂ）に施された第２の層（４）と
   を備えるメカニカルシール用シールリングであって、
   前記層の少なくとも一方（３）が前記シールリングの摺動表面として構成され、
   前記第１の層により引き起こされる前記基体（２）の形状変化が、前記第２の層（４）により引き起こされる前記基体（２）の形状変化により少なくとも部分的に相殺され、
   前記層（３，４）がそれぞれ多層であること、又は前記層の一方が単層であり前記層の他方が多層であることを特徴とするメカニカルシール用シールリング。
2. 基体（２）と、
   基体（２）の第１面側（２ａ）に施された第１の層（３）と、
   前記基体（２）の第２面側（２ｂ）に施された第２の層（４）と
   を備えるメカニカルシール用シールリングであって、
   前記層の少なくとも一方（３）が前記シールリングの摺動表面として構成され、
   前記第１の層により引き起こされる前記基体（２）の形状変化が、前記第２の層（４）により引き起こされる前記基体（２）の形状変化により少なくとも部分的に相殺され、
   接着層が、前記基体（２）と１つの層との間、及び／又は、前記層が多層の場合には隣接する層の間に設けられていることを特徴とするメカニカルシール用シールリング。
3. 接着層が隣接する層の間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のシールリング。
4. 前記シールリングにおいて、前記シールリングの径方向を向いた表面の少なくとも一つには層が無いことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のシールリング。
5. 前記層（３，４）が同一の材料からなること又は、前記層（３，４）が異なる材料からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のシールリング。
6. 前記基体が、炭化ケイ素、窒化ケイ素、金属若しくは炭化タングステン又は、炭素繊維複合材料を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のシールリング。
7. 前記第１及び第２の層がそれぞれ摺動表面として形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のシールリング。
8. 前記第２の層（４）の熱膨張係数が、前記第１の層（３）の熱膨張係数とは異なることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のシールリング。
9. 前記第１及び／又は第２の層（３，４）が、ＤＬＣ層であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のシールリング。
10. 摺動表面として形成されている前記層（３）の厚さが、０．１μｍ〜５０μｍであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のシールリング。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載のシールリングを備えるメカニカルシールアセンブリ。

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