JP6783568B2 - メカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、メカニカルシールに関するものである。

従来、メカニカルシールの一例である端面接触形メカニカルシールとして、特許文献１〜５に開示される如く、回転機器のハウジングに取り付けられたシールケース及びこれを洞貫する当該回転機器の回転軸の一方に軸線方向への移動が可能に保持された可動密封環と、当該シールケース及び回転軸の他方に固定された固定密封環と、可動密封環を固定密封環へと押圧しつつ接触させるべく附勢するスプリング部材とを具備し、両密封環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分の内外周領域の一方である被密封流体領域とその他方である非密封流体領域とを遮蔽シールするように構成してあり、シールケースにその一箇所から被密封流体領域の流体（以下「被密封流体」という）より低温のクエンチング流体を非密封流体領域に供給するクエンチング路を形成してなるものが公知である。

すなわち、特許文献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、シールケースに固定密封環を固定すると共に回転軸に可動密封環をＯリングを介して軸線方向への移動が可能となるように保持し、可動密封環がコイルスプリングで構成されたスプリング部材により固定密封環へと押圧させるように構成された端面接触形メカニカルシールである。第１従来メカニカルシールにあっては、固定密封環がカーボンで構成されると共に可動密封環が超硬合金で構成されており、両密封環の相対回転摺接部分の外周側領域をクエンチング流体が供給される非密封流体領域としている。

また、特許文献２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）は、回転軸に固定密封環を固定すると共にシールケースに可動密封環をＯリングを介して軸線方向へ移動可能に保持し、第１従来メカニカルシールと同様に、可動密封環をコイルスプリングで構成されたスプリング部材により固定密封環へと押圧させるように構成された端面接触形メカニカルシールである。第２従来メカニカルシールにあっては、固定密封環が超硬合金で構成されると共に可動密封環がカーボンで構成されており、両密封環の密封端面の内周側領域をクエンチング流体が供給される非密封流体領域としている。

また、特許文献３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、シールケースに固定密封環を固定すると共に回転軸に可動密封環を軸線方向へ移動可能に保持し、可動密封環を固定密封環へと押圧附勢するスプリング部材としてベローズを使用したベローズ型の端面接触形メカニカルシールである。第３従来メカニカルシールにあっては、両密封環がセラミックス又はカーボンで構成されており、ベローズは、焼嵌めにより可動密封環を内周側に固定するリテーナリングと回転軸に固定されたアダプタリングとに連結されており、回転軸に挿通される。ベローズは、軸線方向に弾性的に伸縮自在な薄肉円筒体であって、可動密封環を固定密封環へと押圧し、両密封環の密封端面の内周側領域はクエンチ流体が供給される非密封流体領域としている。

また、特許文献４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、回転軸に固定密封環を固定すると共にシールケースに可動密封環を軸線方向へ移動可能に保持し、第３従来メカニカルシールと同様に、可動密封環を固定密封環へと押圧するスプリング部材としてベローズを使用したベローズ型の端面接触形メカニカルシールである。第４従来メカニカルシールにあっては、両密封環がセラミックス又は超硬合金で構成されており、ベローズは、可動密封環を焼嵌めにより内周側に固定するリテーナリングと、回転軸に固定されたアダプタリングとに連結されて回転軸に挿通されたもので、軸線方向に弾性的に伸縮自在な薄肉円筒体であって可動密封環を固定密封環へと押圧するものである。第４従来メカニカルシールにあっては、両密封環の密封端面の内周側領域をクエンチ流体が供給される非密封流体領域とすると共に、当該密封端面の外周側領域を被密封流体領域としているが、可動密封環とリテーナリングとの対向端面間に、ベローズの有効径以下の径をなす部分においてシールするＯリングを装填することにより、両流体領域の圧力関係が逆転して非密封流体領域の圧力が被密封流体領域の圧力より高くなった場合にも、当該非密封流体領域の圧力によって可動密封環がリテーナリングから軸線方向に飛び出すことがない。

また、特許文献５に開示されたもの（以下「第５従来メカニカルシール」という）は、第３従来メカニカルシールと同様の構造をなすベローズ型の端面接触形メカニカルシールである。ところで、第１〜第４従来メカニカルシールにあっては、回転軸とシールケースとの間に非密封流体領域とシールケース外の大気領域とをシールするメカニカルシールやオイルシール等のシール部材を配設すると共に、シールケースにクエンチング流体のドレン路を形成して、当該シール部材と当該端面接触形メカニカルシールとで閉塞された非密封流体領域にクエンチング流体を循環供給させるように構成されているが、第５従来メカニカルシールにあっては、このようなシール部材が設けられておらず、非密封流体領域がシールケース外の大気領域に開放されている。

特開平１０−０５３４８０号公報 特開２０１４−２３４８７２号公報 特開２０１０−２１６４９１号公報 特開２０１１−００７２３９号公報 特開２０１４−０４７８０９号公報

而して、第１従来メカニカルシール〜第５従来メカニカルシールにあって、各密封環は相手密封環との相対回転摺接により生じる摩擦熱（摺動熱）によって高温になる。しかも、クエンチング流体はシールケースの一箇所から非密封流体領域に供給されることから、当該クエンチング流体の供給箇所に近い部分と遠い部分とではクエンチング流体による冷却効果が異なる。すなわち、クエンチング流体による冷却効果は、クエンチング流体の供給箇所に遠い部分では当該供給箇所に近い部分より低い。

したがって、セラミックス又は超硬合金で構成された密封環及びその密封端面は周方向に均一且つ十分に冷却されず、周方向におけるクエンチング流体による冷却ムラ（温度ムラ）が生じて、密封端面には熱による歪が生じる虞れがある。その結果、両密封環の密封端面が適正に接触せず、当該端面接触形メカニカルシールによるシール機能（メカニカルシール機能）が良好に発揮されなくなる可能性がある。

本発明は、上記した点に鑑みてなされたもので、セラミックス又は超硬合金で構成された密封環におけるクエンチング流体との熱交換を効果的に行わせしめることができ、相手密封環との接触が適正に行われて、長期に亘って良好なメカニカルシール機能を発揮しう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。

本発明のメカニカルシールは、回転機器のハウジングに取り付けられたシールケース及びこれを貫通する当該回転機器の回転軸の一方に軸線方向移動可能に保持された可動密封環と、当該シールケース及び回転軸の他方に固定された固定密封環と、を備え、前記可動密封環及び固定密封環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、当該密封端面の内外周領域の一方である被密封流体領域とその他方である非密封流体領域とを遮蔽シールするように構成されており、前記可動密封環及び固定密封環のうち、少なくとも一方がセラミックス又は超硬合金により形成され、シールケースには、被密封流体領域の流体よりも低温のクエンチング流体を非密封流体領域に供給するクエンチング路が形成されており、セラミックス又は超硬合金で構成された密封環のクエンチング流体と接触する部分には、ダイヤモンド膜が形成されたものである。

本発明のメカニカルシールにあっては、前記可動密封環及び固定密封環の一方をセラミックス又は超硬合金により形成し、他方をカーボンで形成しておくことができる。また、前記ダイヤモンド膜が形成された密封環の密封端面に、当該ダイヤモンド膜に連なるダイヤモンド膜を形成しておくことができる。また、前記シールケースと回転軸との間に非密封流体領域をシールケース外の大気領域とシールするシール部材を設けて、当該非密封流体領域に大気圧以上のクエンチング流体を供給するように構成しておくことができる。また、本発明のメカニカルシールは、前記クエンチング流体がスチームであり且つ被密封流体領域の流体が当該スチームより高温の粘性流体である条件下で使用することができる。

本発明のメカニカルシールは、可動密封環を内嵌固定するリテーナリングと、当該可動密封環を保持するシールケース又は回転軸に固定されたアダプタリングとに連結され、可動密封環を固定密封環へと軸線方向に附勢するベローズをさらに備えたものとすることができる。また、前記密封端面の内周側領域が外周側領域より高圧となる条件下で使用することができる。

本発明のメカニカルシールが上記の如くベローズを備えたものである場合においては、前記リテーナリングがベローズに固着された本体部とその外周部から突出する嵌合部とを有し、前記可動密封環が、セラミックス又は超硬合金で構成されると共に、リテーナリングの嵌合部に当該リテーナリングの本体部との対向端面間に隙間を有する状態で固定されており、当該隙間がこれに装填したゴム製のＯリングによりシールされており、当該Ｏリングによるシール部分の径がベローズの有効径と同一又はこれより小さく設定されており、可動密封環の当該Ｏリング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ておくことできる。

また、本発明のメカニカルシールは、前記可動密封環を固定密封環へと押圧するコイルスプリングを備えたものとしておくことができる。

本発明の端面接触形メカニカルシールにあっては、セラミックス又は超硬合金で構成された密封環の表面部分であってクエンチング流体に接触する部分に、熱伝導率が高いダイヤモンド膜を一連に形成してあるから、当該密封環とクエンチング流体との熱交換が極めて効果的に行われる。したがって、当該密封環及びその密封端面が可及的に均一且つ効果的に冷却され、相手密封環との接触が適正に行われて、良好なメカニカルシール機能を発揮することができる。

図１は本発明に係るメカニカルシールの第１実施形態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は第１実施形態の変形例を示す図２相当の断面図である。 図４は本発明に係るメカニカルシールの第２実施形態を示す断面図である。 図５は図４の要部を拡大して示す詳細図である。 図６は第２実施形態の変形例を示す図５相当の断面図である。 図７は第２実施形態の他の変形例を示す図５相当の断面図である。 図８は本発明に係るメカニカルシールの第３実施形態を示す断面図である。 図９は図８の要部を拡大して示す詳細図である。 図１０は本発明に係るメカニカルシールの第４実施形態を示す断面図である。 図１１は図１０の要部を拡大して示す詳細図である。 図１２は第４実施形態の変形例を示す図１０相当の断面図である。

以下、本発明に係る端面接触形メカニカルシールの実施の形態を図面に基づいて具体的に説明する。

＜第１実施形態＞
図１は第１の実施の形態における本発明の端面接触形メカニカルシール（以下「第１発明メカニカルシール」という）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に示す如く、第１発明メカニカルシールＭ１は、油等の高温の粘性流体を扱う横型ポンプ等の回転機器に装備されたもので、当該回転機器のハウジング１０１に取り付けられたシールケース１０２と、シールケース１０２を貫通する当該回転機器の回転軸１０３に固定された固定密封環１０４と、シールケース１０２に軸線方向へ移動可能に保持された可動密封環１０５と、可動密封環１０５を固定密封環１０４へと押圧させるべく附勢するベローズ１０６とを具備する。第１発明メカニカルシールＭ１は、両密封環１０４，１０５の対向端面である密封端面１０７，１０８が接触しながら相対回転することにより当該密封端面１０７，１０８の外周側領域である被密封流体領域Ａ１とその内周側領域である非密封流体領域Ｂ１とを遮蔽シールするように構成されたものであって、スプリング部材としてベローズ１０６を使用するベローズ型の端面接触形メカニカルシールである。

被密封流体領域Ａ１の流体（被密封流体）は、油等の高温（クエンチン流体Ｑ１より高温）の粘性流体であり、非密封流体領域Ｂ１には、後述する如く、被密封流体より低圧のスチームをクエンチング流体Ｑ１として供給させるようになっている。なお、本実施形態の説明において、前後とは図１及び図２における左右を意味し、軸線とは回転軸１０３の中心線（軸線）をいい、軸線方向とは軸線と同一方向をいうものとする。

シールケース１０２は、図１に示す如く、ハウジング１０１に取り付けられたケース本体１０９と、その内周面における軸線方向の中間部に設けた環状凸部１１０に取り付けられた円筒状のバッフル１１１と、ケース本体１０９の基端部（前端部）に取り付けられたフランジ１１２と、その基端部（前端部）に取り付けられた円環状の閉塞板１１３とからなる円筒構造体である。バッフル１１１は、シールケース１０２の環状凸部１１０に取り付けられて、環状凸部１１０の内周部との間に隙間を有した状態で当該内周部から両密封環１０４，１０５の密封端面１０７，１０８の内周部近傍へと軸線方向に延びる円筒状のものである。フランジ１１２は、先端内周部から内方に突出する環状壁１１４を有する円環状体であり、この環状壁１１４と当該フランジ１１２の基端内周部に取り付けた円環状の閉塞板１１３との間には、環状のシール空間１１５が形成されている。

図１に示す如く、回転軸１０３には円筒状のスリーブ１１６が挿通された状態で固定されている。すなわち、スリーブ１１６は、基端部（前端部）をシールケース１０２外に突出させると共に先端部（後端部）をハウジング１０１内に突入させた状態で、先端部を固定環１１７及びセットスクリュー１１８，１１９を介して回転軸１０３に固定することにより、挿通された状態で回転軸１０３に対して固定されている。なお、シールケース１０２のフランジ１１２の外周面には、先端開口部を固定環１１７の先端外周部に近接させた断面Ｌ字状の円筒形状をなす拡散防止カバー１２０が取り付けられていて、フランジ１１２外に拡散防止カバー１２０で囲繞されたスチーム回収空間１２１が形成されている。

図２に示す如く、固定密封環１０４は、炭化珪素等のセラミックス又は超硬合金で構成された環状体であって、外周面を一定径とすると共に内周面を基端方向（後方）へと広がるテーパ面１０４ａとした先端部１０４Ａと、外周面を先端部１０４Ａの外周面に面一状に連なる一定径とすると共に内周面１０４ｂを先端部１０４Ａのテーパ面１０４ａに連なる一定径とした中間部１０４Ｂと、外周面１０４ｃを中間部１０４Ｂの外周面より小径の一定径とすると共に内周面１０４ｄを中間部１０４Ｂの内周面に面一状に連なる一定径とした基端部１０４Ｃとからなる。固定密封環１０４の先端部１０４Ａの先端面（前端面）は軸線に直交する平滑な平面である密封端面１０７として形成されている。また、固定密封環１０４は、スリーブ１１６の基端部に取り付けたドライブリング１２２に環状ガスケット１２３及びドライブピン１２４を介して固定されている。すなわち、図２に示す如く、固定密封環１０４の中間部１０４Ｂ及び基端部１０４Ｃはドライブリング１２２の先端内周部に嵌合されており、基端部１０４Ｃの外周面１０４ｃとドライブリング１２２の内周面との間はこれに装填させた断面方形状の環状ガスケット１２３によりシールされている。さらに、図２に示す如く、固定密封環１０４の基端部１０４Ｃの内周部には凹部１０４ｅが形成されていて、この凹部１０４ｅにドライブリング１２２に取り付けたドライブピン１２４を係合させることにより、ドライブリング１２２に対する固定密封環１０４の相対回転を阻止している。

可動密封環１０５は、図１及び図２に示す如く、先端面（後端面）を軸線に直交する平滑な平面である密封端面１０８に構成したカーボン製の円環状体であり、シールケース１０２の環状凸部１１０に付け合わせた状態でケース本体１０９の先端側に固定されたアダプタリング１２５、基端部（前端部）がアダプタリング１２５に固着されたベローズ１０６及び、ベローズ１０６の先端部（後端部）に固着されたリテーナリング１２６を介してシールケース１０２に軸線方向への移動が可能となるように保持されている。

図１に示す如く、ベローズ１０６は、軸線方向に弾性的に伸縮自在な金属製（この例では、ニッケル合金）の薄肉円筒体であって、可動密封環１０５を固定密封環１０４へと押圧接触させるべく軸線方向に附勢する。ベローズ１０６及びアダプタリング１２５はバッフル１１１にこれとの間に隙間を有した状態で嵌合されており、リテーナリング１２６はバッフル１１１に軸線方向へ移動自在に嵌合されている。リテーナリング１２６は、図２に示す如く、ベローズ１０６が連結された本体部１２７と、当該本体部１２７の外周部から突出する嵌合部１２８とからなる断面Ｌ字状の環状体である。

図１及び図２に示す如く、可動密封環１０５は、リテーナリング１２６の嵌合部１２８に、先端部（前端部）を嵌合部１２８から突出させると共に、基端部（後端部）をリテーナリング１２６の本体部１２７に衝合させた状態で、焼嵌めにより固定されている。

シールケース１０２と回転軸１０３との間には、シール部材１２９が装填されていて、非密封流体領域Ｂ１とシールケース外の大気領域（以下、機外大気領域」という）Ｃ１とをシールしている。すなわち、非密封流体領域Ｂ１を第１発明メカニカルシールＭ１とシール部材１２９とで閉塞されたクエンチング室に構成してある。シール部材１２９は、図１に示す如く、ガータスプリング１３０により複数個の円弧状セグメント１３１を円形とした状態でスリーブ１１６に緊縛させてなる軸周シールである。

シールケース１０２の本体部１０９には、非密封流体領域Ｂ１にクエンチング流体であるスチームＱ１を供給するクエンチング路１３２及び非密封流体領域Ｂ１のスチームＱ１を排出するドレン路１３３が形成されている。クエンチング路１３２及びドレン路１３３は、図１に示す如く、夫々、シールケース１０２の環状凸部１１０の内周面の一箇所に開口するものである。クエンチング路１３２から当該環状凸部１１０とバッフル１１１との対向周面間に供給されたクエンチング流体としてのスチームＱ１は、バッフル１１１の外周面に沿ってベローズ１０６内を通過して両密封環１０４，１０５の相対回転摺接部分である密封端面１０７，１０８へと流動し、その後、反転してバッフル１１１とスリーブ１１６との対向周面間をシール部材１２９方向に流動する。シール部材１２９から機外大気領域Ｃ１に漏洩するスチームＱ１は、機外大気領域Ｃ１に拡散することなく拡散防止カバー１２０内のスチーム回収空間１２１に回収される。クエンチング路１３２から非密封流体領域Ｂ１へのスチームＱ１の供給は継続的に行われが、運転停止時においてもその供給が停止されることはない。なお、シールケース１０２の本体部１０９には、図１に示す如く、アダプタリング１２５の外周側において被密封流体領域Ａ１に開口するフラッシング路１３４が形成されていて、このフラッシング路１３４から被密封流体に混入しても支障のない液体（フラッシング流体）Ｆを密封環１０４，１０５の外周側へと噴出させるようになっている。

而して、図２に示す如く、第１発明メカニカルシールＭ１にあっては、セラミックス又は超硬合金で構成された固定密封環１０４の表面部分であって、非密封流体領域Ｂ１のスチーム（クエンチング流体）Ｑ１と接触する部分にダイヤモンド膜１３５を一連に形成してある。すなわち、ダイヤモンド膜１３５は、図２に示す如く、固定密封環１０４の先端部１０４Ａのテーパ面１０４ａと、中間部１０４Ｂの内周面１０４ｂと、基端部１０４Ｃの内周面１０４ｄ及び基端面１０４ｆ（凹部１０４ｅの内周面を含む）並びに外周面１０４ｃとに一連に形成してある。なお、固定密封環１０４の基端部１０４Ｃの外周面１０４ｃの基端部分は環状ガスケット１２３と接触していないが、当該外周面１０４ｃにおけるダイヤモンド膜１３５は環状ガスケット１２３と接触しない当該外周面１０４ｃの上記基端部分のみに形成し、環状ガスケット１２３に接触する部分には形成しないようにしておいてもよい。

ダイヤモンド１３５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１３５の厚さが１μｍ未満では後述する熱交換作用を効果的に行わせしめることが困難であり、２５μｍを超えるとダイヤモンドによる層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１３５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、燃焼炎法等の方法によって行われる。なお、以下の説明において、密封環（回転密封環４）とこれに形成されたダイヤモンド膜１３５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。

ところで、特許文献３〜特許文献５に開示される第３〜第５従来メカニカルシールは、被密封流体が油等の高温の粘性流体である条件下で使用されるものであるが、当該メカニカルシールが装備される回転機器が横型ポンプ等である場合にあっては、運転停止状態時には被密封流体領域の上部領域に比して下部領域での温度が低くなる。一方、被密封流体が粘性流体である場合、その温度低下による粘性上昇を防止するためにクエンチング流体としてスチームが使用され、クエンチング流体の供給は運転停止時も継続して行われるが、上記した如く、非密封流体領域へのクエンチング流体の供給が一箇所で行われるため、スチームによる粘性流体の温度低下防止効果も均一に行われない。その結果、運転開始直後においては、粘度の高い被密封流体が密封端面間に介在することにより密封端面に作用するトルクは極めて大きく最大となる。したがって、ベローズ型の第３〜第５従来メカニカルシールにあっては、運転開始直後において、密封端面に大きなトルクが作用することによって、可動密封環に連結されたベローズにねじれが生じ、このねじれは相手密封環との相対回転摺接により消失して、一旦、ベローズはねじれのない状態に復帰する。しかし、密封端面間に介在する被密封流体の粘度が高い場合には、このようなベローズのねじれが発生する状態とねじれが消失する状態への復帰が繰り返して行われることになり、ベローズがねじり振動することになる。その結果、薄肉円筒体構造をなすベローズは瞬時に破壊されることになる。そして、ベローズが破壊されると、被密封流体が高温の油等の可燃性流体であるときには、これが一種のオリフィス構造をなすシールケースから吹き出して火災が発生する等の事故を招くことになる。また、このようなベローズに破壊が生じない場合にも、密封端面間に大きな剪断力が作用することから、第３又は第５従来メカニカルシールのように一方の密封環がカーボン製のものであると、その密封端面にブリスタ現象が生じて、相手密封端面との適正な相対回転摺接作用が行われず、長期に亘って良好なメカニカルシール機能を発揮できない虞れがある。

しかし、第１発明メカニカルシールＭ１は、以下に述べる如く、このような第３〜第５従来メカニカルシールにおける問題を生じず、長期に亘って良好なメカニカルシール機能を発揮させることができる。

以上の構成された第１発明メカニカルシールにあっては、セラミックス又は超硬合金で構成された固定密封環１０４の表面部分であってスチームＱ１と接触する部分にダイヤモンド膜１３５が一連に形成されているから、相手密封環（可動密封環）１０５との相対回転摺接により固定密封環１０４の密封端面１０７に高温の摩擦熱が生じるにも拘わらず、固定密封環１０４の密封端面１０７を含む密封環母材が高温になることがなく、当該密封端面１０７の温度も均一化される。

すなわち、ダイヤモンド膜１３５を構成するダイヤモンドは、固定密封環１０４の密封環母材を構成す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。例えば、炭化珪素の熱伝導率は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１０７に生じた摩擦熱がダイヤモンド膜１３５からスチームＱ１へと速やかに放熱されると共に、密封環母材１０４がダイヤモンド膜１３５を形成した部分において被密封流体より低温のスチームＱ１との熱交換により可及的に冷却されることになる。

このため、クエンチング路１３２から非密封流体領域Ｂ１の一箇所にスチームＱ１が供給されるにも拘わらず、固定密封環１０４はスチームＱ１との接触により密封端面１０７を含めて温度ムラのない状態で均一に冷却されることになると共に、密封端面１０７，１０８周辺の粘性流体（被密封流体）もスチームＱ１により温度ムラなく均一に保温される。

したがって、固定密封環１０４の密封端面１０７と可動密封環１０５の密封端面１０８との間には粘度の高い被密封流体と粘度の低い密封流体とが混在するようなことがなく、密封端面１０７，１０８間にその円周方向に粘度ムラのない均一な粘度の流体膜が介在することになる。その結果、カーボンで構成された可動密封環１０５の密封端面１０８に相手密封端面１０７と接触状態で相対回転することによっては大きな剪断力が作用せず、相手密封端面１０７が冷却されていることとも相俟って、可動密封環１０５の密封端面１０８にブリスタ現象が生じることがない。

また、当該メカニカルシールＭ１が装備される回転機器が横型ポンプ等であるときは、運転停止時において被密封流体領域Ａ１の下部側において被密封流体の温度が低下して高粘度となっていることがあるが、上記した如く、固定密封環１０４がこれに形成されたダイヤモンド膜１３５によりスチームＱ１と極めて効率よく熱交換されて、密封端面１０７，１０８周辺の粘性流体がスチームＱ１により均一に保温されることから、スチームＱ１が運転時においても非密封流体領域Ｂ１に継続して供給されていることと相俟って、密封端面１０７，１０８間に低温の高粘度流体が介在することがない。

したがって、運転が開始された直後においても、密封端面１０７，１０８間に作用するトルクが大きくならず、これによってベローズ１０６にねじれが生じることがない。また、仮にベローズ１０６にねじれが生じたとしても、それが微小なものであるため密封端面１０７，１０８の相対回転摺接に伴って迅速に解消されることになり、その結果、ベローズ１０６にねじれ振動が生じることがなく、運転開始直後においてベローズ１０６がねじれ振動により破壊されるような事態の発生を確実に防止できる。

以上より、第１発明メカニカルシールＭ１によれば、長期に亘って良好なメカニカルシール機能を発揮させることができる。また、スチームＱ１との熱交換が回転密封環１０４に形成されたダイヤモンド膜１３５により極めて効果的に行われることから、クエンチング路１３２から非密封流体領域Ｂ１に供給するスチーム量を可及的に少なくすることができる。

図３は、上記第１実施形態の変形例を示す図である。図３に示す如く、スチームＱ１との熱交換、冷却、放熱作用を更に効果的に行わせしめ、固定密封環１０４の密封端面１０７全面を均一温度に冷却すると共に、相手密封端面１０８との相対回転摺接によって発生する摩擦熱を可及的に低減して、上記作用効果をより顕著に発揮させるためには、固定密封環１０４の密封端面１０７に前記ダイヤモンド膜１３５に連なるダイヤモンド膜１３６を一連に構成しておくことが望ましい。

すなわち、固定密封環１０４の密封端面１０７にもダイヤモンド膜１３６を形成しておくことにより、ダイヤモンドの摩擦係数が固定密封環１０４の密封環母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よりも低い）ものであることから、相手密封端面１０８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、摩擦熱による影響を更に減じることができる。しかも、密封端面１０７に形成されたダイヤモンド膜１３６がスチームＱ１と接触するダイヤモンド膜１３５に連なっていることから、スチームＱ１との熱交換により密封端面１０７全体が均一に冷却されることなる。その結果、上記した作用効果がより効果的に発揮され、カーボン製の相手密封端面（可動密封環１０５の密封端面）１０８のブリスタ現象や運転開始直後におけるスプリング部材としてのベローズ１０６のねじれによる破壊が確実に防止される。

＜第２実施形態＞
また、図４は第２の実施の形態における本発明の端面接触形メカニカルシール（以下「第２発明メカニカルシール」という）を示す断面図であり、図５は図４の要部を拡大して示す詳細図である。

図４に示す如く、第２発明メカニカルシールＭ２は、例えば油等の高温の粘性流体を扱う横型ポンプ等の回転機器に装備されたもので、当該回転機器のハウジング２０１に取り付けられたシールケース２０２と、シールケース２０２を洞貫する当該回転機器の回転軸２０３に固定された固定密封環２０４と、シールケース２０２に軸線方向へ移動可能に保持された可動密封環２０５と、可動密封環２０５を固定密封環２０４へと押圧するスプリング部材２０６とを具備する。また、第２発明メカニカルシールＭ２は、両密封環２０４，２０５の対向端面である密封端面２０７，２０８の相対回転摺接作用により当該相対回転摺接部分としての密封端面２０７，２０８の外周領域である被密封流体領域Ａ２とその内周側領域である非密封流体領域Ｂ２とを遮蔽シールするように構成されたものであって、第１発明メカニカルシールＭ１と同様に、スプリング部材１０６としてベローズを使用するベローズ型の端面接触形メカニカルシールである。第２発明メカニカルシールＭ２の被密封流体領域Ａ２の流体（被密封流体）は、油等の粘性流体であり、クエンチング流体Ｑ２よりも高温に設定される。非密封流体領域Ｂ２には、第１発明メカニカルシールＭ１と同様に、被密封流体より低圧のスチームをクエンチング流体Ｑ２として供給させるようになっている。なお、本実施形態の説明において、前後とは図４及び図５における左右を意味し、軸線とは回転軸２０３の中心線（軸線）をいい、軸線方向とは軸線と同一方向をいうものとする。

図４に示す如く、シールケース２０２は、ハウジング２０１に取り付けられたケース本体２０９と、その内周面における軸線方向の中間部に突設された環状凸部２１０に取り付けられた円筒状のバッフル２１１と、ケース本体２０９の基端部（前端部）に取り付けられたフランジ２１２と、その基端部（前端部）に取り付けられた円環状の閉塞板２１３とからなる円筒構造体である。
バッフル２１１は、ケース本体２０９の環状凸部２１０に取り付けられて、環状凸部２１０の内周部との間に隙間を有した状態で当該内周部から両密封環２０４，２０５の相対回転摺接部分である密封端面２０７，２０８の内周部近傍へと軸線方向に延びる円筒状の部材である。フランジ２１２は、先端内周部から内方に突出する環状壁２１４を有する円環状体であり、この環状壁２１４と当該フランジ２１２の基端内周部に取り付けた円環状の閉塞板２１３との間に環状のシール空間２１５が形成されている。

図４及び図５に示す如く、固定密封環２０４は、炭化珪素等のセラミックス又は超硬合金で構成された環状体であって、先端面（前端面）には軸線に直交する平滑な平面である密封端面２０７が形成されている。固定密封環２０４は、回転軸２０３に挿通固定したスリーブ２１６にドライブリング２１７を介して固定されている。

可動密封環２０５は、図４及び図５に示す如く、固定密封環２０４と同様に炭化珪素等のセラミックス又は超硬合金で構成された円環状体である。図５に示す如く、可動密封環２０５は、内周面を基端方向（前方）へと広がるテーパ面２０５ａとすると共に外周面を一定径とする先端部２０５Ａと、内周面２０５ｂをテーパ面２０５ａに連なる一定径とすると共に外周面を先端部２０５Ａの外周面に面一状に連なる一定径とする基端部２０５Ｂとからなり、基端部２０５Ｂの基端面（前端面）２２２は軸線に直交する円環状面としてある。可動密封環２０５の先端部２０５Ａの先端面（後端面）は軸線に直交する平滑な平面である密封端面２０８として形成されている。可動密封環２０５は、シールケース２０２の本体部２０９の環状凸部２１０に接触させた状態で当該本体部２０９に固定されたアダプタリング２１８、基端部（前端部）をアダプタリング２１８に固着されたベローズ２０６、及びベローズ２０６の先端部（後端部）に固着されたリテーナリング２１９を介してシールケース１０２に軸線方向へ移動可能に保持されている。

図４に示す如く、ベローズ２０６は、軸線方向に弾性的に伸縮自在な金属製（この例では、ニッケル合金）の薄肉円筒体であって、可動密封環２０５を固定密封環２０４へと押圧しながら接触させるべく軸線方向に附勢する。ベローズ２０６及びアダプタリング２１８は、バッフル２１１にこれとの間に隙間を有する状態で嵌合されており、リテーナリング２１９はバッフル２１１に軸線方向に移動自在に嵌合されている。リテーナリング２１９は、図５に示す如く、ベローズ２０６が連結された本体部２２０とその外周部から突出する嵌合部２２１とからなる断面Ｌ字状の環状体である。

図４及び図５に示す如く、可動密封環２０５は、リテーナリング２１９の嵌合部２２１に、先端部２０５Ａを嵌合部２２１から突出させた状態で、焼嵌めにより固定されている。

すなわち、可動密封環２０５は、これとリテーナリング２１９の本体部２２０との対向端面間、つまり可動密封環２０５の基端面（基端部２０５Ｂの基端面）２２２とリテーナリング２１９の本体部２２０の先端面（後端面）２２３との間に環状隙間２２４を有する状態で、リテーナリング２１９に焼嵌めにより固定されている。そして、この環状隙間２２４には、図５に示す如く、ゴム製のＯリング２２５が圧縮状態で装填されていて、このＯリング２２５により、互いに対向する可動密封環２０５の基端部２０５Ｂの基端面２２２とリテーナリング２１９の本体部２２０の先端面２２３との間をシールしている。Ｏリング２２５の外径及び環状隙間２２４の外径は、図５に示す如く、可動密封環２０５とリテーナリング２１９との対向端面である基端面２２２および先端面２２３におけるＯリング２２５の接触部分（シール部分）の径ｄがベローズ２０６の有効径Ｄと同一又はこれより小さくなるように設定されている。なお、可動密封環２０５の基端部２０５Ｂの基端面２２２とリテーナリング２１６の本体部２２０の先端面２２３との間には、Ｏリング２２５の径方向変位を阻止すべく、Ｏリング２２５の内周部を保持するスナップリング２２６が配置されている。

シールケース２０２と回転軸２０３との間には、第１発明メカニカルシールＭ１と同様に、非密封流体領域Ｂ２とシールケース２０２外の大気領域（機外大気領域）Ｃ２とをシールするシール部材２２７が配設されている。シール部材２２７は、図４に示す如く、ガータスプリング２２８により複数個の円弧状セグメント２２９を円形とした状態でスリーブ２１６に緊縛させてなる一対の軸周シールで構成されている。

図４に示す如く、シールケース２０２の本体部２０９には、非密封流体領域Ｂ２にクエンチング流体であるスチームＱ２を供給するクエンチング路２３０及び非密封流体領域Ｂ２のスチームＱ２を排出するドレン路２３１が形成されている。クエンチング路２３０は、シールケース２０２の環状凸部２１０の内周面の一箇所に開口するものである。クエンチング路２３０から当該環状凸部２１０とバッフル２１１との対向周面間に供給されたスチームＱ２は、バッフル２１１の外周面に沿ってベローズ２０６内を通過して両密封環２０４，２０５の相対回転摺接部分である密封端面２０７，２０８へと流動し、その後、反転してバッフル２１１とスリーブ２１６との対向周面間をシール部材２２７方向に流動する。ドレン路２３１は、シールケース２０２の環状凸部２１０とシール部材２２７との間において非密封流体領域Ｂ２に開口しており、非密封流体領域Ｂ１からスチームＱ２を排出する。

而して、図５に示す如く、第２発明メカニカルシールＭ２にあっては、セラミックス又は超硬合金で構成された固定密封環２０４の表面部分であって、Ｏリング２２５が接触する部分及びクエンチング流体であるスチームＱ２が接触する部分にダイヤモンド膜２３２を一連に形成してある。すなわち、Ｏリング２２５が接触する可動密封環２０５の基端部２０５Ｂの基端面２２２、当該基端部２０５Ｂの内周面２０５ｂ及び可動密封環２０５の先端部２０５Ａの内周面であるテーパ面２０５ａに、その全面に亘ってダイヤモンド膜２３２が一連に形成してある。なお、可動密封環２０５の基端部２０５Ｂの基端面２２２におけるダイヤモンド膜２３２は、Ｏリング２２５の接触箇所より内周側の領域（径ｄの領域）に形成し、当該領域からはみ出る領域（当該接触箇所より外周側の領域）には形成しないようにすることもできる。

ダイヤモンド膜２３２の厚さは、前記した如く、１μｍ〜２５μｍであることが好ましい。また、ダイヤモンド膜２３２の形成は、前述した方法によって行われる。

以上のように構成された第２発明メカニカルシールＭ２にあっては、セラミックス又は超硬合金で構成される固定密封環２０４の表面部分にスチームＱ２に接触するダイヤモンド膜２３２が一連に構成されていることから、上記した第１発明メカニカルシールＭ１とほぼ同様の作用効果が発揮され、さらに非密封流体領域Ｂ２の圧力が被密封流体領域Ａ２より高圧となる逆圧条件下においても良好なメカニカルシール機能を発揮することができる。

すなわち、スチームＱ２は、被密封流体の粘性成分を含んだ状態でドレン路２３１から排出されるが、非密封流体領域Ｂ２に供給するスチームＱ２の量が不測に或は意図的に減少した場合やスチームＱ２に大量の粘性成分が含まれる場合、スチームＱ２に含まれている粘性成分によってドレン路２３１が閉塞されて、非密封流体領域Ｂ２の圧力が被密封流体領域Ａ２より高圧となる逆圧現象が起きることがある。ところで、例えば特開２０１３−２４２０４７号公報の図１に開示されるように、可動密封環をベローズ先端のリテーナリングに焼嵌めにより固定させた場合、可動密封環とリテーナリングとの対向周面間は焼嵌めにより密着しているが、可動密封環とリテーナリングとの対向端面間は単に接触しているのみであり、密着している訳ではない。したがって、このような可動密封環とリテーナリングとの連結構造にあって、上記した逆圧現象が生じた場合、非密封流体領域（可動密封環の内周側領域）の流体圧力が可動密封環とリテーナリングとの対向端面間に作用して、その流体圧力により可動密封環がリテーナリングから飛び出す虞れがある。第２発明メカニカルシールＭ２では、このような問題を解決するために、上記した如く、リテーナリング２１９とこれに焼嵌めされた可動密封環２０５との対向端面である基端面２２２及び先端面２２３間に環状隙間２２４を形成して、この環状隙間２２４にＯリング２２５を装填しているのである。すなわち、環状隙間２２４におけるＯリング２２５によるシール部分（Ｏリング２２５と当該対向端面である基端面２２２及び先端面２２３との接触部分）の径ｄをベローズ２０６の有効径以下としていることから、非密封流体領域Ｂ２の流体圧力が被密封流体より低い場合は勿論、被密封流体より高圧となる逆圧条件下においても、ベローズ２０６によるリテーナリング２１９の可動密封環２０５への押圧力が当該流体圧力により可動密封環２０５をリテーナリング２１９から離脱させようとする力より上回るかまたは同一となるため、上記したような問題は生じない。

ところで、引用文献４に開示されるような第４従来メカニカルシールにあっては、逆圧対策として可動密封環とリテーナリングとの対向端面間にＯリングを装填しているが、密封環が均一に冷却されず温度ムラが生じることから、当該Ｏリングが接触している可動密封環の端面の温度は周方向において不均一となる。したがって、当該端面に接触しているＯリングの熱変形量が不均一となり、その線径が周方向において均一とならず不均一となる。その結果、当該Ｏリングによる可動密封環への押圧力が周方向において均一とならず、可動密封環の密封端面に歪が生じる虞れがあり、相手密封環（固定密封環）との相対回転摺接作用が適正に行われず、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。

しかし、第２発明メカニカルシールＭ２は、以下に述べる如く、このような第４従来メカニカルシールにおける問題を生じず、良好なメカニカルシール機能を発揮させることができる。

逆圧対策構造を採用した場合において、Ｏリング２２５が接触している可動密封環２０５の基端面２２２の温度が周方向に不均一であると、Ｏリング２２５の熱膨張量が均一とならず、その線径が周方向において不均一となるが、第２発明メカニカルシールＭ２では、セラミックス又は超硬合金で構成された固定密封環２０４の表面部分にスチームＱ２に接触するダイヤモンド膜２３２が一連に構成されていることから、上記した第１発明メカニカルシールＭ１とほぼ同様の作用効果が発揮され、これに加えて上記逆圧対策構造における問題も効果的に解消することができる。

すなわち、ダイヤモンド膜２３２は上記した如く可動密封環２０５の密封環母材である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から、Ｏリング２２５の基端面（可動密封環２０５の基端部２０５Ｂの基端面）２２２は、ダイヤモンド膜２３２によりスチームＱ２との熱交換によって冷却されると共に均一な温度となる。

したがって、Ｏリング２２５がその基端面２２２から受ける熱は、ダイヤモンド膜２３２を形成していない場合に比して低く且つＯリング２２５の周方向において均一となる。すなわち、Ｏリング２２５が受ける熱が低いためにＯリング２２５に熱変形が生じない。仮に、Ｏリング２２５に熱変形が生じたとしても、Ｏリング２２５の熱変形量は周方向に同一となり、その線径は周方向において均一となる。その結果、Ｏリング２２５の基端面２２２への押圧力が周方向に均一となり、可動密封環２０５の密封端面２０８に歪が生じることがなく、相手密封端面２０７との相対回転摺接作用が適正に行われて、良好なメカニカルシール機能を発揮することができる。

以下、第２実施形態の変形例について説明する。
図６に示す如く、スチームＱ２との熱交換、冷却を更に効果的に行わせしめ、可動密封環２０５の密封端面２０８を全面的に均一温度に保持すると共に相手密封端面２０７との相対回転摺接によって発生する摩擦熱を可及的に低減して、上記作用効果をより顕著に発揮させるためには、可動密封環２０５の密封端面２０８に前記ダイヤモンド膜２３２に連なるダイヤモンド膜２３３を一連に構成しておくことが望ましい。

すなわち、可動密封環２０５の密封端面２０８にもダイヤモンド膜２３３を形成しておくと、ダイヤモンド膜２３３が上述した如く可動密封環２０５の密封環母材であるセラミックスや超硬合金に比して極めて硬質のものであり且つ摩擦係数の極めて低いものであるから、相手密封端面２０７との接触によって生じる発熱（及び摩耗）が極めて少なくなり、摩擦熱による影響を更に減じることができる。しかも、密封端面２０８に形成されたダイヤモンド膜２３３がスチームＱ２と接触するダイヤモンド膜２３２に連なっていることから、スチームＱ２との熱交換により密封端面２０８全体が均一に冷却されることなる。その結果、上記した作用効果がより効果的に発揮され、Ｏリング２２５の線径の均一化等を効果的に実現して、良好なメカニカルシール機能を発揮することができる。

以下、第２実施形態の他の変形例について説明する。
図７に示す如く、第２発明メカニカルシールＭ２にあっては、固定密封環２０４もセラミックス又は超硬合金で構成されていることから、固定密封環２０４の表面部分であってスチームＱ２に接触する部分及び密封端面２０７（固定密封環２０４の密封端面２０７を含む先端面及び内周面）にダイヤモンド膜２３４を形成しておくことにより、上記作用効果を更に顕著に発揮させることができる。

＜第３実施形態＞
図８は、第３の実施の形態における本発明の端面接触形メカニカルシール（以下「第３発明メカニカルシール」という）を示す断面図であり、図９は図８の要部を拡大して示す詳細図である。

図８に示す如く、第３発明メカニカルシールＭ３は、汚泥、廃液等のスラリー液を扱う横型ポンプ等の回転機器に装備されたもので、当該回転機器のハウジング３０１に取り付けられたシールケース３０２と、シールケース３０２に固定された固定密封環３０３と、シールケース３０２を貫通する当該回転機器の回転軸３０４に軸線方向へ移動可能に保持された可動密封環３０５と、可動密封環３０５を固定密封環３０３へと押圧させるべく附勢するスプリング部材３０６とを具備する。また、第３発明メカニカルシールＭ３は、両密封環３０３，３０５の対向端面である密封端面３０７，３０８が接触しながら相対回転することにより当該密封端面３０７，３０８の内周領域である被密封流体領域Ａ３と、その外周側領域である非密封流体領域Ｂ３とを遮蔽シールするように構成されたものである。被密封流体領域Ａ３の流体（被密封流体）は、汚泥、廃液等のスラリー液であり、非密封流体領域Ｂ３には、大気圧と同圧の清水等の液体がクエンチング流体Ｑ３として供給される。なお、本実施形態の説明において、前後とは図８及び図９における左右を意味し、軸線とは回転軸３０４の中心線（軸線）をいい、軸線方向とは軸線と同一方向をいうものとする。

シールケース３０２は、図８に示す如く、ハウジング３０１に取り付けられた円環状の先端フランジ３０９と、これに取り付けられたケース本体３１０と、その端部に一体形成された基端フランジ３１１とからなる円筒構造体である。

固定密封環３０３は、図８に示す如く、炭化珪素等のセラミックス又は超硬合金で構成された環状体であって、先端面（前端面）には軸線に直交する平滑な平面である密封端面３０７が形成されている。固定密封環３０３は、シールケース３０２の先端フランジ３０９にＯリング３１２、Ｏリング３１３及びカラーリング３１４を介して固定されている。

図９に示す如く、可動密封環３０５は、先端面（後端面）に軸線に直交する平滑な平面である密封端面３０８が形成された円環状体であり、固定密封環３０３と同様に炭化珪素等のセラミックス又は超硬合金で構成されている。

図８に戻り、可動密封環３０５は、回転軸３０４に挿通固定した内側スリーブ３１５にＯリング３１６を介して軸線方向へ移動可能に嵌合保持されている。可動密封環３０５は、これに取り付けたドライブピン３１７を内側スリーブ３１５に嵌合固定した外側スリーブ３１８に一体形成したスプリングリテーナ３１９に係合させることにより、所定範囲での軸線方向への移動が許容された状態で回転軸３０４に対する相対回転が阻止されている。

スプリング部材３０６は、図８に示す如く、可動密封環３０５とスプリングリテーナ３１９との間に介装したコイルバネで構成されており、可動密封環３０５を固定密封環３０３に押圧接触させるべく、可動密封環３０５を軸線方向に附勢している。

非密封流体領域Ｂ３は、シールケース３０２と回転軸３０４との間に配置したシール部材３２０によりシールケース外の大気領域（機外大気領域）Ｃ３とシールされている。シール部材３２０は、図８に示す如く、シールケース３０２の基端フランジ３１１に内嵌固定された静止密封環３２１と、外側スリーブ３１８にＯリング３２２を介して軸線方向へ移動可能に嵌合保持された回転密封環３２３と、回転密封環３２３を静止密封環３２１へと押圧しつつ附勢するコイルバネであって、可動密封環３０５を押圧附勢する前記スプリング部材３０６としてのコイルバネとを具備する。つまり、スプリング部材３０６は、可動密封環３０５とシール部材３２０とによって兼用される。そして、シール部材３２０は、両密封環３２１，３２３が接触しながら相対回転することにより非密封流体領域Ｂ３と、機外大気領域Ｃ３とを遮蔽シールする端面接触形メカニカルシールである。

シールケース３０２のケース本体３１０には、図８に示す如く、非密封流体領域Ｂ３にクエンチング流体Ｑ３を供給するクエンチング路３２４及びクエンチング流体Ｑ３を非密封流体領域Ｂ３から排出するドレン路３２５が形成されている。クエンチング路３２４とドレン路３２５とは、機外大気領域Ｃ３に配設した連通管３２６により接続されている。この連通管３２６には、クエンチング流体Ｑ３を強制循環及び強制冷却する装置、機器が配設されておらず、当該連通管３２６においてはクエンチング流体Ｑ３が空冷されるのみである。

つまり、シールケース３０２に非密封流体領域Ｂ３のクエンチング流体Ｑ３を排出するドレン路３２５を形成し、このドレン路３２５とクエンチング路３２４とをシールケース３０２外の大気領域に配置された連通管３２６で連結し、大気圧と同圧の液状のクエンチング流体Ｑ３を当該連通管３２６において強制流動させることなく空冷するように構成したものである。

而して、セラミックス又は超硬合金で構成された固定密封環３０３及び可動密封環３０５の表面部分であってクエンチング流体Ｑ３と接触する部分には、図９に示す如く、夫々、密封端面３０７，３０８を含めて全面的にダイヤモンド膜３２７，３２８が一連に形成されている。なお、ダイヤモンド膜３２７，３２８の厚さは、前記した如く、１μｍ〜２５μｍであることが好ましい。また、ダイヤモンド膜３２７，３２８の形成は、前述した方法によって行われる。

ところで、引用文献１〜引用文献４に開示されるような第１〜第４従来メカニカルシールにあっては、これを例えばスラリー濃度の高いポンプ等の回転機器の軸封手段として使用する場合、当該メカニカルシールの長寿命を図る上ではクエンチング流体として冷却液を使用し、非密封流体領域に供給するクエンチング流体の圧力を被密封流体の圧力より高くしておくことが望ましい。しかし、クエンチング流体の圧力を高くしておくと、当該クエンチング流体が被密封流体領域に侵入、混入することになるため、被密封流体の性状によっては好ましくない。また、クエンチング流体の冷却設備や増圧設備ないし高圧流体供給設備を付設できない回転機器にあっては、クエンチング路とドレン路とをシールケース外の大気領域に配設した連通管で接続して、この連通管においてクエンチング流体を空冷せざるを得ないが、この場合、クエンチング流体の空冷をさほど期待できないことから、密封環のクエンチング流体による冷却を十分に行い得ず、当該メカニカルシールの長寿命化を図ることが困難である。

これに対して、以上のように構成された第３発明メカニカルシールＭ３にあっては、各密封環３０３，３０５におけるクエンチング流体Ｑ３と接触する表面部分に密封端面３０７，３０８を含めてダイヤモンド膜３２７，３２８が一連に形成されているから、密封環３０３，３０５の密封環母材であるセラミックスや超硬合金に比して極めて熱伝導率の高いダイヤモンド膜３２７，３２８を介してクエンチング流体Ｑ３との熱交換が効果的に行われて、密封環３０３，３０５が可及的に冷却される。

一方、非密封流体領域Ｂ３のクエンチング流体Ｑ３は、ダイヤモンド膜３２７，３２８を介して密封環３０３，３０５から熱を吸収して、加熱されることになる。したがって、この熱が連通管３２６内のクエンチング流体Ｑ３に伝熱されて、連通管３２６が接触している機外大気領域Ｃ３の空気より高温となり、連通管３２６内のクエンチング流体Ｑ３が効果的に空冷されることになる。そして、この連通管３２６内で空冷されたクエンチング流体Ｑ３の冷却熱が非密封流体領域Ｂ３内のクエンチング流体Ｑ３に伝熱されて、当該クエンチング流体Ｑ３が冷却され、かかる熱サイクルが繰り返されることになる。

このような熱サイクルが繰り返されることによって、クエンチング流体Ｑ３は、それが強制循環及び強制冷却されていないにも拘らず、非密封流体領域Ｂ３において密封環３０３，３０５の冷却を効果的に行うことができる。

したがって、クエンチング流体Ｑ３として被密封流体領域Ａ３に侵入、混入するような高圧流体ではなく、大気圧と同圧の液体（高圧流体に比して低圧）を使用しながらも、密封端面３０７，３０８を含めて密封環母材３０３，３０５を効果的に冷却して、メカニカルシールＭ３の長寿命化を実現することができる。また、当該メカニカルシールＭ３を、クエンチング流体の冷却設備や増圧設備ないし高圧流体を供給する設備等を付設することができない回転機器にも装備することができ、大幅な用途拡大を図ることができる。

＜第４実施形態＞
また、図１０は第４の実施の形態における本発明の端面接触形メカニカルシール（以下「第４発明メカニカルシール」という）を示す断面図であり、図１１は図１０の要部を拡大して示す詳細図である。

図１０に示す如く、第４発明メカニカルシールＭ４は、高い耐腐食性が要求されるポンプ等の回転機器に装備されたもので、当該回転機器のハウジング４０１に取り付けられたシールケース４０２と、シールケース４０２に固定された固定密封環４０３と、シールケース４０２を貫通する当該回転機器の回転軸４０４に軸線方向への移動が可能に保持された可動密封環４０５と、可動密封環４０５を固定密封環４０３へと押圧させるべく附勢するスプリング部材４０６とを具備する。また、第４発明メカニカルシールＭ４は、両密封環４０３，４０５の対向端面である密封端面４０７，４０８が接触しながら相対回転することにより当該密封端面４０７，４０８の内周領域である被密封流体領域Ａ４と、その外周側領域である非密封流体領域Ｂ４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端面接触形メカニカルシールである。被密封流体領域Ａ４の流体（被密封流体）は、例えば腐食性の流体であり、非密封流体領域Ｂ４はシールケース外の大気領域（機外大気領域）に開放されている。なお、本実施形態の説明において、前後とは図１０及び図１１における左右を意味し、軸線とは回転軸４０４の中心線（軸線）をいい、軸線方向とは軸線と同一方向をいうものとする。

シールケース４０２には、図１０に示す如く、その一箇所において非密封流体領域Ｂ４に開口するクエンチング路４０９が形成されていて、このクエンチング路４０９から前記相対回転摺接部分である密封端面４０７，４０８に向けてクエンチング流体Ｑ４を供給するようになっている。クエンチング流体Ｑ４としては、機外大気領域Ｃ４に漏洩しても支障のない清水等の液体が使用されており、クエンチング路４０９からの供給量は非密封流体領域Ｂ４から機外大気領域Ｃ４へと漏洩しても問題が生じない程度に少量とされている。

固定密封環４０３は、図１０に示す如く、炭化珪素等のセラミックス又は超硬合金で構成された環状体であって、先端面（前端面）は軸線に直交する平滑な平面である密封端面４０７に形成されており、シールケース４０２に環状ガスケット４１０，４１１を介してシールケース４０２に形成された凹部の内周面に固定されている。

可動密封環４０５は、図１０に示す如く、先端面（後端面）を軸線に直交する平滑な平面である密封端面４０８が形成された円環状体であり、固定密封環４０３と同様に炭化珪素等のセラミックス又は超硬合金で構成されている。

可動密封環４０５は、図１０に示す如く、回転軸４０４にＯリング４１２を介して軸線方向への移動が可能に保持されている。可動密封環４０５は、これにドライブピン４１３を介して連結されたドライブカラー４１４、当該ドライブカラー４１４に取り付けられたドライブピン４１５及び回転軸４０４に固定されたスプリングリテーナ４１６を介して、所定範囲での軸線方向への移動が許容された状態で回転軸４０４に対する相対回転が阻止されている。

スプリング部材４０６は、図１０に示す如く、ドライブカラー４１４とスプリングリテーナ４１６との間に介装したコイルバネで構成されており、可動密封環４０５を固定密封環４０３に押圧接触させるべく軸線方向に附勢している。

而して、図１０及び図１１に示す如く、セラミックス又は超硬合金で構成された固定密封環４０３及び可動密封環４０５の表面部分であってクエンチング流体Ｑ４（及び非密封流体領域Ｂ４の大気）と接触する部分には、夫々、密封端面４０７，４０８を含めて全面的にダイヤモンド膜４１７，４１８が一連に形成されている。なお、ダイヤモンド膜４１７，４１８の厚さは、前記した如く、１μｍ〜２５μｍであることが好ましい。また、ダイヤモンド膜４１７，４１８の形成は、前述した方法によって行われる。

ところで、特許文献５に開示されるような第５従来メカニカルシールにあっては、クエンチング流体が供給される非密封流体領域がシールケース外の大気領域に開放されているため、大量のクエンチング流体を非密封流体領域に供給することができず、クエンチング流体による密封環の冷却作用が極めて不十分であり、密封環が適正に接触せず、当該メカニカルシールの長寿命化を図ることが困難である。

これに対して、以上のように構成された第４発明メカニカルシールＭ４にあっては、各密封環４０３，４０５におけるクエンチング流体Ｑ４と接触する表面部分に密封端面４０７，４０８を含めてダイヤモンド膜４１７，４１８が一連に形成されているから、密封環４０３，４０５の密封環母材であるセラミックスや超硬合金に比して極めて熱伝導率の高いダイヤモンド膜４１７，４１８を介してクエンチング流体Ｑ４との熱交換が効果的に行われて、クエンチング流体Ｑ４のクエンチング路４０９からの供給量が少ないにも拘らず密封環４０３，４０５が可及的に冷却される。さらに、ダイヤモンド膜４１７，４１８には非密封流体領域Ｂ４内の大気が接触することから、密封環４１７，４１８が効果的に空冷されて、更に効果的に冷却されることになる。

このように、第４発明メカニカルシールＭ４にあっては、密封環４０３，４０８が少量のクエンチング流体Ｑ４との熱交換及び非密封流体領域Ｂ４内の大気との熱交換（空冷）により良好に冷却されることから、被密封流体領域Ａ４に低温流体をフラッシングさせる必要がない。したがって、第４発明メカニカルシールＭ４は、高温流体を扱うポンプ等の回転機器においてもその熱効率を低下させることなく好適に装備させることができ、長期に亘って良好なメカニカルシール機能を発揮させ得て、当該メカニカルシールＭ４の長寿化を実現することができる。

図１２は、第４発明メカニカルシールＭ４の変形例を示す図である。
同図に示すように、第４発明メカニカルシールＭ４にあっては、被密封流体が高温流体でなく、特に液体である場合にあって、被密封流体との熱交換による密封環４０３，４０５を冷却させることが期待される場合には、各密封環４０３，４０５の表面全面にダイヤモンド膜４１９，４２０を形成しておくことが好ましい。

なお、第１〜第４発明メカニカルシールＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４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。

１０２ シールケース
１０３ 回転軸
１０４ 固定密封環
１０５ 可動密封環
１０６ ベローズ（スプリング部材）
１０７ 固定密封環の密封端面
１０８ 可動密封環の密封端面
１３５ ダイヤモンド膜
１３６ ダイヤモンド膜
２０２ シールケース
２０３ 回転軸
２０４ 固定密封環
２０５ 可動密封環
２０６ ベローズ（スプリング部材）
２０７ 固定密封環の密封端面
２０８ 可動密封環の密封端面
２２２ 基端面（可動密封環のリテーナリングとの対向端面）
２２３ 先端面（リテーナリングの回動密封環との対向端面）
２３２ ダイヤモンド膜
２３３ ダイヤモンド膜
２３４ ダイヤモンド膜
３０２ シールケース
３０３ 固定密封環
３０４ 回転軸
３０５ 可動密封環
３０６ コイルバネ（スプリング部材）
３０７ 固定密封環の密封端面
３０８ 可動密封環の密封端面
３２７ ダイヤモンド膜
３２８ ダイヤモンド膜
４０２ シールケース
４０３ 固定密封環
４０４ 回転軸
４０５ 可動密封環
４０６ コイルバネ（スプリング部材）
４０７ 固定密封環の密封端面
４０８ 可動密封環の密封端面
４１７ ダイヤモンド膜
４１８ ダイヤモンド膜
４１９ ダイヤモンド膜
４２０ ダイヤモンド膜
Ａ１ 被密封流体領域
Ｂ１ 非密封流体領域
Ｃ１ 機外大気領域（シールケース外の大気領域）

Claims (8)

1. 回転機器のハウジングに取り付けられたシールケース及びこれを貫通する当該回転機器の回転軸の一方に軸線方向移動可能に保持された可動密封環と、当該シールケース及び回転軸の他方に固定された固定密封環と、を備え、
   前記可動密封環及び固定密封環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、当該密封端面の内外周領域の一方である被密封流体領域とその他方である非密封流体領域とを遮蔽シールするように構成されており、
   前記可動密封環及び固定密封環のうち、少なくとも一方がセラミックス又は超硬合金により形成され、
   シールケースには、被密封流体領域の流体よりも低温のクエンチング流体を非密封流体領域に供給するクエンチング路が形成されており、
   セラミックス又は超硬合金で構成された密封環のクエンチング流体と接触する部分に、当該密封環の密封端面を除いて、ダイヤモンド膜が形成されたメカニカルシール。
2. 前記可動密封環及び固定密封環の一方がセラミックス又は超硬合金により形成され、他方がカーボンで形成された請求項１に記載のメカニカルシール。
3. 前記シールケースと回転軸との間に非密封流体領域をシールケース外の大気領域とシールするシール部材を設けて、当該非密封流体領域に大気圧以上のクエンチング流体を供給するように構成した請求項１又は２に記載のメカニカルシール。
4. 前記クエンチング流体がスチームであり且つ被密封流体領域の流体が当該スチームより高温の粘性流体である条件下で使用されるものである請求項１〜３の何れかに記載のメカニカルシール。
5. 前記メカニカルシールは、可動密封環を内嵌固定するリテーナリングと当該可動密封環を保持するシールケース又は回転軸に固定されたアダプタリングとに連結され、可動密封環を固定密封環へと軸線方向に附勢するベローズをさらに備えた請求項１〜４の何れかに記載のメカニカルシール。
6. 前記密封端面の内周側領域が外周側領域より高圧となる条件下で使用される請求項５に記載のメカニカルシール。
7. 前記リテーナリングがベローズに固着された本体部とその外周部から突出する嵌合部とを有し、
   前記可動密封環が、セラミックス又は超硬合金で構成されると共に、リテーナリングの嵌合部に当該リテーナリングの本体部との対向端面間に隙間を有する状態で固定されており、
   当該隙間がこれに装填したゴム製のＯリングによりシールされており、
   当該Ｏリングによるシール部分の径がベローズの有効径と同一又はこれより小さく設定されており、
   可動密封環の当該Ｏリング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５又は６に記載のメカニカルシール。
8. 前記メカニカルシールは、前記可動密封環を固定密封環へと押圧するコイルスプリングを備えた請求項１〜４の何れかに記載のメカニカルシール。

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