JP6301403B2 - メカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、各種産業用ポンプ，ブロワ，圧縮機，攪拌機等の回転機器に軸封手段として装備される端面接触形メカニカルシールに関するものである。

従来のメカニカルシールの一例としての端面接触形メカニカルシールとしては、例えば特許文献１〜４に開示される如く、シールケースに固定されたケース側密封環と回転軸に弾性材製の環状パッキンを介して軸線方向に移動可能に保持された軸側密封環との対向端面である密封端面が接触しながら相対回転することにより当該密封端面の内周側領域（以下「内周側領域」という）及びその外周側領域（以下「外周側領域」という）の一方である液体領域とその他方である気体領域とを遮蔽シールするように構成されたものが周知である。

すなわち、特許文献１の図１に開示されたもの（以下「第１従来メカニカルシール」という）は、内周側領域が液体領域であり、外周側領域が大気領域（気体領域）であるアウトサイド型の端面接触形メカニカルシールであり、特許文献２の図１に開示されたもの（以下「第２従来メカニカルシール」という）及び特許文献３の図１に開示されたもの（以下「第３従来メカニカルシール」という）は、外周側領域が液体領域であり、内周側領域が大気領域であるインサイド型の端面接触形メカニカルシールであり、特許文献４の図１に開示されたもの（以下「第４従来メカニカルシール」という）は、ケース側密封環が、シールケースに固定された静止環及びこれに相対回転が阻止された状態で連結されて当該静止環と軸側密封環との間に保持された遊動環からなり、軸側密封環と遊動環との対向端面である密封端面が接触しながら相対回転することにより液体領域である外周側領域と大気領域である内周側領域とを遮蔽シールするように構成された遊動環型の端面接触形メカニカルシールである。

而して、これらの第１〜第４従来メカニカルシールにあっては、前記軸側密封環の内周部に回転軸の外周面に形成した軸側シール面と同心且つ平行をなす密封環側シール面を形成し、両シール面間に前記環状パッキンを軸線方向へ相対移動可能に装填することによって軸側密封環を回転軸との間を環状パッキンでシールした状態で軸線方向へ追従できるようにして、軸側密封環と相手密封環（ケース側密封環ないし遊動環）との接触圧を適正ならしめて液体領域と気体領域（大気領域）との間のシール機能（メカニカルシール機能）が良好に発揮されるように工夫されている。

特開２００５−１７２１９４号公報 特開２０１３−２４９８８８号公報 特開２００２−１４７６１７号公報 特開２００５−１８０５４７号公報

しかし、第１〜第４従来メカニカルシールにあっては、軸側密封環が先端部に密封端面を形成すると共に、内周部に密封環側シール面を形成してなる炭化珪素等のセラミックス又は超硬合金製の一体成形物であるため、次のような問題があった。

すなわち、軸側密封環の密封端面には、相手密封環（ケース側密封環ないし遊動環）の密封端面との接触による摩擦熱が発生することから、この摩擦熱により軸側密封環は全体として高温になる。一方、軸側密封環の表面部分であって液体領域の液体に接触する部分は、液体との熱交換により冷却されることになる。しかし、軸側密封環がセラミックス又は超硬合金からなる一体成形物であり、その全体が上記摩擦熱により高温に加熱されているため、このような液体との接触による冷却機能は密封端面より流体領域に効果的に発揮されるが、軸側密封環の大気領域側の表面温度はさほど低温とならない。

したがって、軸側密封環の密封環側シール面は、環状パッキンが接触しているシール箇所より気体領域側の部分では気体（大気）との接触による冷却（空冷）が期待できないことは勿論、熱伝導率の高い一体成形物であることから、当該シール箇所より液体領域側の部分においても液体との接触による冷却が効果的に行われず、極めて高温となる。その結果、密封環側シール面に接触している環状パッキンが加熱されることとなり、長期使用による劣化（熱劣化）の虞れがある。

すなわち、第１〜第４従来メカニカルシールでは、環状パッキンとしてゴム製のＯリングを使用しているが、このＯリングの構成材としてフッ素ゴム等の耐熱性を有する弾性材を使用したとしても、長期においては当該Ｏリングの弾性力が低下する等、劣化する虞れがある。なお、このような問題は、環状パッキンとして、本体部とこれから高圧流体側に向けて内外周方向に傾斜状に延びて軸側シール面及び密封環側シール面に弾性的に圧接する内外周リップ部とからなる樹脂（例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ））製のＶリングシールを使用する場合にも、同様に生じる。

このようにＯリング等の環状パッキンが劣化すると、軸側密封環と回転軸との間のシール機能が低下すると共に軸側密封環の追従性も低下して、良好なメカニカルシール機能を発揮することができない。

ところで、第２〜第４従来メカニカルシールでは、外周側領域が内周側領域より高圧となることから、外周側領域の圧力による前記両シール面間から内周側領域方向への環状パッキンの飛び出しを、軸側密封環の内周部にシール面に直交して形成した環状平面である係止面によって阻止している。一方、軸側密封環は環状パッキンを介して回転軸に嵌合されたもので、回転軸にこれと非接触の状態で嵌合されているため、軸側密封環の内周部に形成された係止面の内周側は回転軸の外周面である軸側シール面との間に隙間が生じている。したがって、外周側領域の圧力がある程度以上になると、環状パッキンの内周部分が当該隙間から内周側領域方向にはみ出して食い込み、軸側密封環の追従性を阻害することになる。このため、高圧条件下で使用される遊動環型の端面接触形メカニカルシール等においては、特許文献４の図１に開示される如く、当該係止面と前記環状パッキンとの間にバックアップリングを装填して、このバックアップリングを軸側シール面に軸線方向に相対移動可能に密に嵌合させて、環状パッキンの前記隙間から内周側領域側へのはみ出しを防止している。バックアップリングの構成材としては、軸側密封環の追従性を阻害しないために、一般に、回転軸（軸側シール面）との摩擦抵抗が小さなＰＴＦＥが使用される。

しかし、上記したように軸側密封環が密封環側シール面及び係止面を含めて高温となるため、係止面に接触しているバックアップリングが加熱により変形するというクリープ現象が生じ、その内周部分が前記隙間からはみ出して当該隙間に食い込み、軸側密封環の追従性を阻害する虞れがある。また、係止面の円周方向における温度分布が不均一であると、バックアップリングの円周方向におけるクリープ量が不均一となり、前記隙間からのはみ出し量も不均一となって、軸側密封環の追従性に悪影響を及ぼす虞れがある。なお、このようなバックアップリングのクリープ現象を緩和するために、バックアップリングの強度向上を図るべく、当該リングを炭素繊維等の充填材を添加したＰＴＦＥで構成することも提案されてはいる。しかしながら、このようなＰＴＦＥを用いると、バックアップリングの滑り特性が低下して、バックアップリングの接触運動により軸側シール面が摩耗損傷する虞れがあるため、回転軸の修理、交換が必要となるか、軸側シール面に表面硬化処理を行う必要があり、何れにしてもコスト的に問題がある。

ここで、従来からも、例えば特開２０１４−２０４２５号公報に開示される如く、セラミックス又は超硬合金で構成された軸側密封環にチタン製のリテーナリングを焼嵌めにより嵌合して、このリテーナリングの内周面に前記密封環側シール面を形成し、この密封環側シール面と回転軸側の軸側シール面との間を環状パッキン（Ｏリング）によりシールするように構成されたメカニカルシールが提案されているが、かかるメカニカルシールでは上記のような問題は生じない。すなわち、軸側密封環はリテーナリングの先端部に形成された凹部に焼嵌めにより嵌合されており、この嵌合部分における軸側密封環とリテーナリングとの接触面は高精度の平滑面に機械加工されているが、当該接触面のうち焼嵌めされた部分を除く部分は、僅かながらも隙間（３０μｍ〜６０μｍ程度）が生じることになる。その結果、軸側密封環とリテーナリングとの嵌合部分においては、焼嵌めされた部分を除いて、上記隙間から大気領域の大気つまり空気が侵入することになる。したがって、熱伝導率が軸側密封環の構成材（セラミックス又は超硬合金）では６０〜１００Ｗ／ｍ・Ｋ程度であるのに対し、リテーナリングの構成材であるチタン２０Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、空気は０．１Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることから、相手密封環との摩擦熱により高温となった軸側密封環の熱は、上記隙間に侵入した空気が断熱材として機能することとも相俟ってリテーナリングにほとんど伝達されず、リテーナリングが高温となることがない。このため、密封環側シール面を軸側密封環ではなく当該軸側密封環に焼嵌めしたリテーナリングに形成しておくことにより、密封環側シール面と軸側シール面との間に装填されたＯリングの熱劣化が防止される。また、密封環側シール面と軸側シール面との間にＰＴＦＥ製のバックアップリングを装填する場合にも、このバックアップリングが加熱されることがなく、熱によるクリープ現象は生じない。

本発明は、上記した問題を解決すべくなされたもので、ケース側密封環との摩擦熱により軸側密封環が加熱され、高温になった場合にも軸側密封環の追従性を確保して、長期に亘って良好なメカニカルシール機能を発揮することができる端面接触形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。

本発明は、シールケースに固定されたケース側密封環と、回転軸に弾性材製の環状パッキンを介して軸線方向に移動可能に保持された軸側密封環と、を備え、ケース側密封環および軸側密封環が対向する密封端面が接触しながら相対回転することにより、当該密封端面の内外周側領域の一方である液体領域とその他方である気体領域とを遮蔽シールするように構成されたメカニカルシールであって、前記軸側密封環が、セラミックス又は超硬合金により形成され、前記軸側密封環の先端部に密封端面が形成されると共に、前記軸側密封環の内周部に回転軸の外周面である軸側シール面と同心且つ平行をなす密封環側シール面を有し、環状パッキンが、密封環側シール面と軸側シール面との間に当該両シール面間をシールした状態で軸線方向に相対移動可能に装填され、前記密封環側シール面にダイヤモンド膜を形成したメカニカルシールを提案するものである。

本発明のメカニカルシールにあっては、前記密封環側シール面及び密封端面を除く軸側密封環の表面部分であり、前記液体領域の液体が接触する部分に、前記ダイヤモンド膜に連なるダイヤモンド膜を一連に形成しておくことが好ましい。また、前記密封端面の外周側領域がその内周側領域より高圧である場合においては、外周側領域の圧力による前記環状パッキンの前記シール面間から当該内周側領域方向への飛び出しが、軸側密封環の内周部に密封環側シール面に直交して形成された環状面であって軸側シール面に遊嵌された係止面により阻止されており、当該係止面に前記ダイヤモンド膜に連なるダイヤモンド膜を一連に形成しておくことが好ましい。この場合において、前記外周側領域が一定以上の高圧の領域であるときには、前記係止面と前記環状パッキンとの間に配して、樹脂製のバックアップリングを軸側シール面に軸線方向への相対移動が可能な状態で密に嵌合させておくことが好ましい。また、本発明のメカニカルシールは、前記ケース側密封環がシールケースに固定された静止環とこれに相対回転が阻止された状態で連結されて当該静止環と前記軸側密封環との間に保持された遊動環とからなる遊動環型メカニカルシールに構成しておくことができ、前記軸側密封環の密封端面には、前記ダイヤモンド膜と分離された形態でダイヤモンド膜形成しておくことができる。

また、本発明の好ましい実施の形態にあっては、前記環状パッキンとしてはゴム製のＯリングが使用される。

また、前記ダイヤモンド膜の厚さは、１μｍ以上であることが好ましい。

本発明の端面接触形メカニカルシールにあっては、環状パッキンが接触する軸側密封環の密封環側シール面に、軸側密封環の構成材である炭化珪素等のセラミックスや超硬合金に比して熱伝導率の極めて高いダイヤモンド膜を形成してあるから、ケース側密封環との接触により軸側密封環の密封端面に生じた摩擦熱の密封環側シール面への伝達に先行して、液体領域の液体に接触している密封環側シールの一部（環状パッキンが接触している箇所より液体領域側の部分）から密封環側シール面全体に当該液体の温度が伝達されることになる。すなわち、摩擦熱の密封端面から密封環側シールへの伝熱は効果的且つ可及的に遮断されて、密封環側シール面全体が摩擦熱より遥かに低温である当該液体の温度に略支配されることになる。その結果、密封環側シール面が摩擦熱により高温に加熱されることがなく、密封環側シール面に接触しているＯリング等の環状パッキンが劣化（熱劣化）することがない。したがって、本発明の端面接触形メカニカルシールによれば、環状パッキンを介して回転軸に嵌合保持された軸側密封環の追従性が適正に確保され、長期に亘って良好なメカニカルシール機能が発揮される。

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る。 図２は図１の要部を拡大して示す詳細図である。 図３は本発明に係るメカニカルシールの変形例を示す図２相当の要部の断面図である。 図４は本発明に係るメカニカルシールの他の変形例を示す図２相当の要部の断面図である。 図５は本発明に係るメカニカルシールの更に他の変形例を示す図２相当の要部の断面図である。 図６は本発明に係るメカニカルシールの更に他の変形例を示す図２相当の要部の断面図である。 図７は本発明に係るメカニカルシールの更に他の変形例を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて具体的に説明する。図１は本発明に係る端面接触形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る。

図１に示す端面接触形メカニカルシールは回転機器のハウジング１と回転軸２との間に配設されており、ハウジング１に取り付けた筒状のシールケース３と、シールケース３に固定されたケース側密封環４と、回転軸２に弾性材製の環状パッキン５を介して軸線方向へ移動可能に保持された軸側密封環６と、軸側密封環６をケース側密封環４へと押圧するスプリング部材７とを具備する。また、端面接触形メカニカルシールは、両密封環４，６の対向端面である密封端面４ａ，６ａが接触しながら相対回転することにより密封端面４ａ，６ａの外周側領域Ａとその内周側領域Ｂとを遮蔽シールするように構成されたものであり、ケース側密封環４がシールケース３に固定された静止環４１とこれに相対回転を阻止された状態で連結された遊動環４２とからなる遊動環型である。この例では、外周側領域Ａが被密封流体領域である高圧の液体領域であり、内周側領域Ｂが非密封流体領域である大気領域（気体領域）である。

以下の説明において、軸線とは回転軸２の中心線をいい、軸線方向とは軸線と同一方向をいうものとする。

回転軸２は、図１に示す如く、ステンレス鋼等の金属製のもので、軸本体２１とこれに挿通固定したスリーブ２２とからなる。スリーブ２２は基端側部分２２ａを先端側部分２２ｂより厚肉とした円筒状のものであり、基端側部分２２ａの外周面が軸側シール面２２ｃとして形成されている。

軸側密封環６は、図２に示す如く、先端面を軸線に直交する平滑な環状平面である密封端面６ａに構成した先端部６１と、先端部６１の基端に連なる中間部６２と、中間部６２の基端に連なる基端部６３とからなる回転体形状に炭化珪素等のセラミックス又は超硬合金により一体成形されたものである。

軸側密封環６は、先端部６１の内径をスリーブ２２の先端側部分２２ｂの外径より大きく設定すると共に中間部６２及び基端部６３の内径をスリーブ２２の基端側部分２２ａの外径より大きく設定して、回転軸２に非接触の状態で嵌合されている。すなわち、中間部６２をその内径をスリーブ２２の基端側部分２２ａの外径より若干大きくして当該基端側部分２２ａに非接触状態で嵌合（「遊嵌」という場合もある）させている。また、軸側密封環６の基端部６３の内径は先端部６１及び中間部６２の内径より大きく設定されており、その内周面は軸側シール面２２ｃに平行且つ同心状の密封環側シール面６３ａに形成されている。

軸側密封環６の中間部６２及び基端部６３には金属製（チタン等）の保護環８が焼嵌めされており、この保護環８には金属製のドライブカラー９がドライブピン１０を介して相対回転不能に連結されている。ドライブカラー９にはドライブピン１１が取り付けられており、このドライブピン１１を回転軸２の基端側部分２２ａに固定された環状のスプリングリテーナ１２に係合させることにより、軸側密封環６を保護環８、ドライブカラー９及びスプリングリテーナ１２を介して所定範囲で軸線方向への移動を許容しつつ回転軸２に対して相対回転不能に保持される。

環状パッキンはフッ素ゴム等のゴム製のＯリング５であり、回転軸２と軸側密封環６との対向周面である軸側シール面２２ｃと密封環側シール面６３ａとの間に軸線方向に相対移動可能な圧縮状態で装填されている。このＯリング５により、軸側密封環６を回転軸２（スリーブ２２）にこれとの間をシールした状態で軸線方向へ移動可能に嵌合された状態で保持される。

Ｏリング５は外周側領域（液体領域）Ａの圧力によって密封端面６ａ方向に押圧されるが、これによるＯリング５の軸側シール面２２ｃ，密封環側シール面６３ａ間から内周側領域（大気領域）Ｂ側への飛び出しは、軸側密封環６の中間部６２の基端面で構成される係止面６２ａによって阻止される。すなわち、係止面６２ａは軸側シール面２２ｃ，密封環側シール面６３ａに直交する環状平面であり、Ｏリング５の軸側密封環６に対する密封端面６ａ方向への相対移動を阻止する。なお、ドライブカラー９の内周部には、軸側シール面２２ｃと密封環側シール面６３ａとの間に挿入させた環状突起９ａが形成されており、この環状突起９ａによりＯリング５の密封端面６ａから離間する方向への相対移動が阻止されている。

図２に示す如く、軸側シール面２２ｃおよび密封環側シール面６３ａの間には、前記係止面６２ａとＯリング５との間に配して厚さ一定の樹脂製のバックアップリング１３が装填されている。バックアップリング１３は、例えば、低摩擦性材であるＰＴＦＥ製のもので、内周面が軸側シール面２２ｃに密接した状態で回転軸２（スリーブ２２）に軸線方向へ相対移動自在に嵌合されている。したがって、バックアップリング１３は、図２に示す如く、外周側領域（液体領域）Ａの圧力によるＯリング５の押圧力によって軸側密封環６の係止面６２ａに接触された状態に保持されることになる。そして、バックアップリング１３は、係止面６２ａの内周側における軸側シール面２２ｃとの間の隙間、つまり軸側密封環６の中間部６２とスリーブ２２との間に形成される隙間を閉塞して、Ｏリング５の内周部分が軸側シール面２２ｃおよび密封環側シール面６３ｃの間から当該隙間へとはみ出すことや、食い込むことを阻止する。

図１に示す如く、ケース側密封環４は、シールケース３に嵌合固定された金属製の静止環４１と、これに相対回転不能に連結されたカーボン製の遊動環４２とからなる。遊動環４２は、シールケース３にＯリング４３を介在させた状態で軸線方向及び径方向に所定範囲で移動可能に嵌合されており、静止環４１とスプリング部材７により附勢された軸側密封環６との間に保持されている。遊動環４２の軸側密封環６との接触面、換言すれば密封端面６ａとの接触面は、軸線に直交する平滑な環状の平面である密封端面４ａとされる。遊動環４２は、これに形成した係合孔４２ａに静止環４１に取り付けたドライブピン４４を係合させることにより、静止環４１に、軸線方向及び径方向に所定範囲での相対変位が許容された状態で、相対回転不能に連結されている。なお、遊動環４２には、その両側領域を連通する貫通孔４２ｂが形成されており、静止環４１と遊動環４２との間の領域にはシールケース３に形成されたフラッシング通路３ａからフラッシング液が供給されるようになっている。また、シールケース３には、静止環４１の近傍において内周側領域Ｂに開口するドレン通路３ｂが形成されている。

而して、図２に示す如く、上記した遊動環型の端面接触形メカニカルシールにあっては、軸側密封環６の密封環側シール面６３ａにその全面に亘って多結晶のダイヤモンド膜１４ａを一連に形成してある。

さらに、軸側密封環６の係止面６２ａにも、図２に示す如く、前記ダイヤモンド膜１４ａに連なる多結晶のダイモンド膜１４ｂを一連に形成してある。

ダイヤモンド膜１４ａ，１４ｂの厚さは、１μｍ以上であることが好ましく、１μｍ〜２５μｍであることがより好ましい。ダイヤモンド膜１４ａ，１４ｂの厚さが１μｍ未満では後述する伝熱、冷却効果を効果的に発揮することが困難であり、２５μｍを超えるとダイヤモンド膜の強度を十分に確保することが困難である。

ダイヤモンド膜１４ａ，１４ｂの形成は、例えば、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、燃焼炎法等によって行われる。なお、以下の説明において、軸側密封環６とこれに形成されたダイヤモンド膜１４ａ，１４ｂとを区別する必要があるときは、前者を密封環母材という。

以上のように構成された遊動環型の端面接触形メカニカルシールにあっては、密封環側シール面６３ａ及び係止面６２ａにダイヤモンド膜１４ａ，１４ｂが一連に形成されているから、遊動環４２との接触により軸側密封環６の密封端面６ａに摩擦熱が生じても、密封環側シール面６３ａ及び係止面６２ａは高温に加熱されることがない。

すなわち、ダイヤモンド膜１４ａ，１４ｂを構成するダイヤモンドは、軸側密封環（密封環母材）６の構成材である炭化珪素等のセラミックスや超硬合金に比して熱伝導率が極めて高いものである。具体的には、炭化珪素の熱伝導率が７０〜１２０Ｗ／ｍＫであるのに対し、ダイヤモンドの熱伝導率は１０００〜２０００Ｗ／ｍＫである。したがって、密封端面６ａに生じた摩擦熱は密封環母材を伝って密封環側シール面６３ａ及び係止面６２ａに伝熱されるが、ダイヤモンド膜１４ａ，１４ｂの一部（密封環側シール面６３ａに形成されたダイヤモンド膜１４ａにおけるＯリング５の接触箇所より外周側領域（液体領域）Ａ側の部分）に接触する液体の温度は瞬時にダイヤモンド膜１４ａ，１４ｂ全体に伝熱されることになり、この伝熱（以下「液温伝熱」という）は摩擦熱による密封環側シール面６３ａ及び係止面６２ａへの伝熱（以下「摩擦伝熱」という）に先行して行われることになる。このため、密封環側シール面６３ａ及び係止面６２ａにおいては、摩擦伝熱が液温伝熱により可及的且つ効果的に遮断されることになり、密封環側シール面６３ａ及び係止面６２ａは摩擦熱より遥かに低温の液体の温度に略支配されることになる。

したがって、密封環側シール面６３ａ及び係止面６２ａは、摩擦熱による高温の熱が可及的に防止されて、低温の液体温度に維持、冷却されることになり、密封環側シール面６３ａに接触しているＯリング５の熱劣化及び係止面６２ａに接触しているバックアップリング１３のクリープが抑制される。しかも、係止面６２ａはその全面がダイヤモンド膜１４ｂにより均一温度に保持されることから、係止面６２ａに接触しているバックアップリング１３にクリープが生じたとしても、そのクリープ量がバックアップリング１３の円周方向に不均一となるようなことがなく、バックアップリング１３に歪や変形が生ずることがない。

以上の点から、上記した遊動環型の端面接触形メカニカルシールにあっては、Ｏリング５及びバックアップリング１３による軸側密封環６の追従性が適正に確保されて、長期に亘って良好なメカニカルシール機能を発揮することができる。

また、図２に示す如く、密封環側シール面６３ａ及び係止面６２ａにダイヤモンド膜１４ａ，１４ｂを形成した形態は、当該端面接触形メカニカルシールを外周側領域Ａが内周側領域Ｂより高圧の気体領域であり且つ内周側領域Ｂが液体領域である条件下で使用する場合にも適用し得る。すなわち、ダイヤモンド膜１４ａにおけるＯリング５の接触箇所からバックアップリング１３側の部分及び係止面６２ａのダイヤモンド膜１４ｂが内周側領域Ｂの液体に接触することになり、上記した場合と同様の冷却効果を奏し得る。

なお、本発明の構成は上記した実施の形態に限定されるものではなく、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。以下、本発明の変形例について説明する。

例えば、図３に示す如く、密封端面６ａ、密封環側シール面６３ａ及び係止面６２ａを除く軸側密封環６の表面部分であって外周側領域Ａの液体に接触する部分に、前記ダイヤモンド膜１４ａ，１４ｂに連なるダイヤモンド膜１４ｃを一連に形成しておくことができる。このようにすれば、ダイヤモンド膜１４ａ，１４ｂ，１４ｃにおける液体との接触面積が増大した場合であっても、上記した摩擦伝熱の遮断効果及び密封環側シール面６３ａ及び係止面６２ａの冷却効果がより顕著に発揮されることになる。

さらに、図４に示す如く、上記ダイヤモンド膜１４ａ，１４ｂ，１４ｃに加えて密封端面６ａにもダイヤモンド膜１４ｄを形成しておくことができる。このように密封端面６ａをダイヤモンド膜１４ｄで被覆しておくと、ダイヤモンドの摩擦係数が軸側密封環６の構成材である炭化ケイ素等のセラミックスや超硬合金に比して極めて低い（一般に、ダイヤモンドの摩擦係数（μ）は０．０３であり、セラミックスや超硬合金に比して遥かに低摩擦係数のＰＴＦＥよりも更に低い）ものであることから、ケース側密封環４との相対回転摺接によって生じる発熱（及び摩耗）が極めて少なくなり、密封環側シール面６３ａ及び係止面６２ａに与える摩擦伝熱の影響を更に減じることができる。なお、この場合において、このダイヤモンド膜１４ｄは、上記ダイヤモンド膜１４ａ，１４ｂ，１４ｃに連ならない独立形態で形成しておく方が好ましい。その理由としては、密封端面６ａで発生した摩擦熱がダイヤモンド膜１４ｄからダイヤモンド膜１４ａ，１４ｂ，１４ｃに伝達されて、密封環側シール面６３ａ及び係止面６２ａの冷却効果が低下することになるからである。

次に、上記した如く、外周側領域Ａが内周側領域Ｂより高圧の気体領域であり且つ内周側領域Ｂが液体領域である場合の変形例について説明する。
図５に示す如く、密封端面６ａ、密封環側シール面６３ａ及び係止面６２ａを除く軸側密封環６の表面部分であって内周側領域Ｂの液体に接触する部分に、前記ダイヤモンド膜１４ａ，１４ｂに連なるダイヤモンド膜１４ｅを一連に形成しておくことができる。このようにすれば、ダイヤモンド膜１４ｅにより液体との接触面積が増大して、上記した摩擦伝熱の遮断効果及び密封環側シール面６３ａ及び係止面６２ａの冷却効果がより顕著に発揮されることになる。

また、本発明はバックアップリング１３を使用しない端面接触形メカニカルシールにも適用することができる。この場合、外周側領域Ａ及び内周側領域Ｂの何れが液体領域であるときにも、図６に示す如く、少なくとも密封環側シール面６３ａのみに全面に亘ってダイヤモンド膜１４ａを形成しておけばよいが、密封環側シール面６３ａに加えて係止面６２ａにもダイヤモンド膜１４ａに連なるダイヤモンド膜１４ｂを形成しておくことが好ましい。Ｏリング５が係止面６２ａのダイヤモンド膜１４ｂに接触して更に冷却されるからである。勿論、この場合においても、密封端面６ａ、密封環側シール面６３ａ及び係止面６２ａを除く軸側密封環６の表面部分であって液体領域（外周側領域Ａ又は内周側領域Ｂ）の液体に接触する部分に、図３に示すダイヤモンド膜１４ｃ又は図５に示すダイヤモンド膜１４ｅと同様のダイヤモンド膜を一連に形成しておくことができる。

また、本発明は、ケース側密封環４を静止環４１と遊動環４２とに分離構成した遊動環型の端面接触形メカニカルシールに限定されず、ケース側密封環４を特許文献１〜３に開示されるような単一構造とする端面接触形メカニカルシールにも、上記同様、好適に適用することができる。さらに、軸側密封環６を保持する回転軸２を、特許文献３の図１に示される如く、スリーブ２２を有さず、軸本体２のみで構成した端面接触形メカニカルシールにも適用できる。

例えば、図７に示す端面接触形メカニカルシールは、回転機器のハウジング１０１に取り付けたシールケース１０３と、シールケース１０３に固定したケース側密封環１０４と、スリーブを有しない回転軸１０２に環状パッキンであるゴム製のＯリング１０５を介して軸線方向に移動可能に保持された軸側密封環１０６と、回転軸１０２に固定したスプリング保持環１０８と軸側密封環１０６との間に介装されて軸側密封環１０６をケース側密封環１０４へと押圧接触させるべく附勢するスプリング部材１０７とを具備して、両密封環１０４，１０６の対向端面である密封端面１０４ａ，１０６ａが接触しながら相対回転することの相対回転摺接作用により当該密封端面相対回転摺接部分１０４ａ，１０６ａの外周側領域である大気領域Ａとその内周側領域である液体領域（被密封流体領域）Ｂとを遮蔽シールするように構成されたアウトサイド型のものである。また、この端面接触形メカニカルシールは、Ｏリング１０５が、回転軸１０２の外周面である軸側シール面１０２ａとこれに同心且つ平行する軸側密封環１０６の内周面に形成された密封環側シール面１０６ｂとの間に圧縮状態で装填されると共に、液体領域Ｂの圧力による当該シール面１０２ａ，１０６ｂ間からの飛び出しをスプリング保持環１０８の内周部に突設した環状係止部１０８ａによって阻止するように構成されたものである。而して、このアウドサイド型の端面接触形メカニカルシールにあっては、密封環側シール面１０６ｂにその全面に亘ってダイヤモンド膜１１４が形成されており、当該ダイヤモンド膜１１４の一部（密封環側シール面１０６におけるＯリング１０５との接触箇所より密封端面１０６ａ側の部分）に内周側領域Ｂの液体が接触することにより、上記した場合と同様に、Ｏリング１０５の熱劣化が可及的に防止される。なお、この端面接触形メカニカルシールにあっても、図５に示す如く、軸側密封環１０６の表面部分であって内周側領域Ｂの液体に接触する部分に密封端面１０６ａを除いて上記ダイヤモンド膜１１４に連なるダイヤモンド膜を形成しておくことができ、更には密封端面１０６ａにこれらのダイヤモンド膜とは独立したダイヤモンド膜を形成しておくことができる。また、環状パッキン５として前記したプラスチック製（ＰＴＦＥ等）のＶリングシールを使用する端面接触形メカニカルシールにも適用することができる。

２ 回転機器の回転軸
３ シールケース
４ ケース側密封環
４ａ ケース側密封環の密封端面
５ Ｏリング（環状パッキン）
６ 軸側密封環
６ａ 軸側密封環の密封端面
１３ バックアップリング
１４ａ ダイヤモンド膜
１４ｂ ダイヤモンド膜
１４ｃ ダイヤモンド膜
１４ｄ ダイヤモンド膜
１４ｅ ダイヤモンド膜
４１ 静止環
４２ 遊動環
６２ａ 係止面
６３ａ 密封環側シール面
１０２ 回転機器の回転軸
１０２ａ 軸側シール面
１０３ シールケース
１０４ ケース側密封環
１０４ａ ケース側密封環の密封端面
１０５ Ｏリング（環状パッキン）
１０６ 軸側密封環
１０６ａ 軸側密封環の密封端面
１０６ｂ 密封環側シール面
１１４ ダイヤモンド膜
Ａ 外周側領域
Ｂ 内周側領域

Claims (8)

1. シールケースに固定されたケース側密封環と、
   回転軸に弾性材製の環状パッキンを介して軸線方向に移動可能に保持された軸側密封環と、を備え、
   ケース側密封環および軸側密封環が対向する密封端面が接触しながら相対回転することにより、当該密封端面の内外周側領域の一方である液体領域とその他方である気体領域とを遮蔽シールするように構成されたメカニカルシールであって、
   前記軸側密封環が、セラミックス又は超硬合金により形成され、
   前記軸側密封環の先端部に密封端面が形成されると共に、前記軸側密封環の内周部に回転軸の外周面である軸側シール面と同心且つ平行をなす密封環側シール面を有し、
   前記環状パッキンが、密封環側シール面と軸側シール面との間に当該両シール面間をシールした状態で軸線方向に相対移動可能に装填され、
   前記密封環側シール面にダイヤモンド膜を形成したメカニカルシール。
2. 前記密封端面を除く軸側密封環の表面部分であり、前記液体領域の液体が接触する部分に、前記ダイヤモンド膜に連なるダイヤモンド膜を形成した請求項１に記載のメカニカルシール。
3. 前記密封端面の外周側領域がその内周側領域より高圧である場合において、外周側領域の圧力による前記環状パッキンの前記シール面間から内周側領域方向への飛び出しが、軸側密封環の内周部に密封環側シール面に直交して形成された環状面であって軸側シール面に遊嵌された係止面により阻止されており、当該係止面に前記ダイヤモンド膜に連なるダイヤモンド膜を形成した請求項１又は２に記載のメカニカルシール。
4. 前記係止面と前記環状パッキンとの間には、樹脂製のバックアップリングを軸側シール面に軸線方向への相対移動が可能な状態で嵌合させた請求項３に記載のメカニカルシール。
5. 前記ケース側密封環が、シールケースに固定された静止環と、当該静止環に相対回転が阻止された状態で連結されて当該静止環と前記軸側密封環との間に保持された遊動環と、を有する請求項１〜４の何れかに記載のメカニカルシール。
6. 前記軸側密封環の密封端面に、前記ダイヤモンド膜と分離された形態でダイヤモンド膜を形成した請求項１〜５の何れかに記載のメカニカルシール。
7. 前記環状パッキンが、ゴム製のＯリングである請求項１〜６の何れかに記載のメカニカルシール。
8. 前記ダイヤモンド膜の厚さが１μｍ以上である請求項１〜７何れかに記載のメカニカルシール。

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