JPH01261570A - メカニカルシール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、摺動自在な密着構造によって可動部分の流体
シールを行うメカニカルシールに係り、ポンプのケーシ
ング等から駆動軸を引き出す部分の軸封装置などに利用
できる。

〔従来の技術〕

従来より、機械的摺動部分の流体漏洩を防止するシール
機構として種々のものが利用されており、例えば、ポン
プ等の回転軸の軸封装置にはグランドバッキング、オイ
ルシール、ラビリンスシールおよびメカニカルシールと
いった形式が用いられている。

このうちメカニカルシールは、例えば回転軸に設けられ
た従動リングおよび容器に固定されたシートリングの各
々に平滑な摺動面を設け、相互の摺動面を適当な圧力で
摺動自在に密着させることによって流体のシールを行う
とともに、これらの摺動面間に生じる僅かな隙間に侵入
する流体によって更に高い密封性を実現し、かつ侵入し
た流体の潤滑作用により相対動作時の摩擦を低減するも
のである。このためメカニカルシールは、他のグランド
バッキング等のシール構造に比べて漏洩量が極めて小さ
く、動力損失や使用限界流体圧力といった基本性能が高
いうえ、摺動面の摩耗に伴う密封性の経時変化が小さく
、寿命が長く保守性がよい等といった優れた特徴がある
。

ところで、メカニカルシールの摺動面の材質としては、
基本的に摩擦抵抗が小さくかつ摩耗が少ないことが望ま
しく、また、メカニカルシールは多様な流体のシールに
利用されることも多く、耐酸性や耐アルカリ性といった
耐食性が優れていることも要求される。このような条件
に適した材料としてカーボン材、超硬合金、セラミンク
が用いられており、これらを対向する摺動面の各々に組
み合わせて用いることもなされている。

〔発明が解決しようとする課題］ しかし、前述の材料のなかでも、カーボン材はＩ！！擦
は小さいが摩耗が大きく、超硬合金やセラミックは摩耗
は少ないが摩擦が大きく、メカニカルシールの摺動面に
おける低摩擦性と耐摩耗性とを両立できる最適な成分配
合あるいは組み合わせ等を設定することは難しい。

また、耐食性超硬合金としては、ＷＣ−Ｃｏ系合金の結
合相であるＣｏをＮｉに置き換えた一Ｃ−Ｎｉ系合金や
、結合相を極力少なくした一Ｃ−Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）系合金
あるいはｂｉｎｄｅｒｌｅｓｓ合金が知られている。し
かし、これらは腐食の際に選択的に溶解されるＣｏ結合
相を排除して耐食性を改善したものであり、通常のＷＣ
−Ｃｏ系合金が有する優れた機械的性質を得ることがで
きず、メカニカルシールの摺動面として利用する場合に
は種々の制約を受けることになる。

従って、従来のような材料設定あるいはその組み合わせ
のみで低Ｆ￥！擦性、耐摩耗性、耐食性といった多様な
条件を全て満足することは困難である。

本発明の目的は、低摩擦性および耐摩耗性を両立できる
とともに、耐食性が得られるメカニカルシールを提供す
ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明においては、相対移動する複数部材に形成された
摺動面を互いに摺動自在に密着させてメカニカルシール
を構成するとともに、前記摺動面にダイヤモンド薄膜も
しくはダイヤモンド状カーボン（Ｄｉａ＋ｍｏｎｎｄ　
Ｌｉｋｅ　Ｃａｒｂｏｎ　；　Ｄ　Ｌ　Ｃとも呼ばれダ
イヤモンドに似た性質を有するアモルファスカーボンで
ある）薄膜を形成する。

前述のダイヤモンド薄膜もしくはＤＬＣ薄膜は、例えば
炭素源ガスを励起して得られるガスを形成対象材料に接
触させることにより形成することができる。

ここで、前記炭素源ガスとしては、例えばメタン、エタ
ン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサンなどのアル
カン類、エチレン、プロピレン。

ブテン、ペンテン、ブタジェンなどのアルケン類、アセ
チレンなどのアルキン類、ベンゼン、トルエン、キシレ
ン、インデン、ナフタレン、フェナントレン等の芳香族
炭化水素類、シクロプロパン。

シクロヘキサンなどのシクロパラフィン類、シクロペン
テン、シクロヘキセンなどのシクロオレフィン類等が挙
げられる。

また、炭素源ガス類として、−酸化炭素、二酸化炭素、
メチルアルコール、エチルアルコール。

アセトンなどの含酸素炭素化合物、メチルアミン。

エチルアミン、アニリンなどの含窒素炭素化合物なども
使用することができる。

これらの炭素源ガスは、１種単独で用いてもよいし、２
種以上を併用することもできる。

これらの中でも、好ましいのはメタン、エタン。

プロパン等のパラフィン系炭化水素、アセトン。

ベンゾフェノン等のケトン類および一酸化炭素。

メチルアルコール等の含酸素炭素化合物である。

さらに、前記ダイヤモンド薄膜もしくはＤＬＣ薄膜の形
成にあたっては、前記炭素源ガスとともに希釈用ガスを
用いることもできる。この希釈用ガスとしては、水素ガ
ス、あるいはアルゴンガス。

ネオンガス、キセノンガス、窒素ガス等の不活性ガスが
挙げられる。また、炭素源ガスとともにＨ２０！＋　Ｉ
（ｔｏ、　０ｆｆｉ＋　ＮＪ、　Ｎｏ、　Ｎｏｔ　など
のエツチング剤を使用してもよい。

これらの希釈用ガスは１種単独で用いてもよいし、２種
以上を組合わせて用いてもよい。

これらの中でも、水素ガスを用いた場合には、プラズマ
ＣＶＤ法においては高周波またはマイクロ波の照射によ
ってプラズマを形成し、ＣＶＤ法においては熱または放
電により原子状水素を形成する。この原子状水素は、ダ
イヤモンド薄膜またはＤＬＣ薄膜の析出と同時に析出す
る黒鉛構造の炭素を除去する作用を有し、良質なダイヤ
モンド薄膜またはＤ　Ｌ　Ｃ薄膜が形成できる。

また、前記不活性ガスは、特にスパッタリング法、イオ
ン化蒸着法、イオンビーム蒸着法を採用する場合に、前
記パラフィン系炭化水素化合物。

前記含酸素炭素化合物および／または含窒素炭素化合物
からなる炭素源ガスと混合して用いるものであり、アー
ク放電空間中でイオン化することにより炭素原子をたた
き出して炭素をイオン化する作用を有する。

なお、前記希釈用ガスを使用する場合、前記炭素源ガス
との混合比は、炭素源ガス／希釈用ガスのモル比で通常
０．１／１００以上である。この混合比が０．１／１０
０未満の場合にはダイヤモンド薄膜もしくはＤＬＣＦＩ
膜の析出速度が遅くなったり、析出しなくなったりする
。

一方、前記炭素源ガスを励起する手段としては、例えば
高周波ＣＶＤ法、直流プラズマＣＶＤ法。

ＥＣＲを含むマイクロ波ＣＶＤ法、熱フイラメント法、
化学輸送法といったＣＶＤ　（化学７着）法や、スパッ
タリング法、あるいはイオンビームを用いたＰＶＤ　（
物理蒸着）法などの従来より公知の方法を用いることが
できる。

また、前記ダイヤモンド薄膜もしくはＤＬＣ薄膜の形成
における反応圧力は、通常、１０−８〜１０’ｔｏｒｒ
、好ましくは１ｏ−５〜１０”ｔｏｒｒである。反応圧
力が１０−”ｔｏｒｒよりも低い場合にはダイヤモンド
薄膜もしくはＤＬＣ薄膜の析出速度が遅くなったり、析
出しなくなったりする。一方、ＩＯ’ｔｏｒｒより高く
しても、所期の効果が得られない。

前記ダイヤモンド薄膜もしくはＤＬＣ薄膜の形成の際、
対象材料の表面温度は、前記炭素源ガスの励起手段によ
って異なるので一概に決定することはできないが、例え
ばプラズマＣＶＤ法を用いる場合には、通常、常温〜１
２００’Ｃ１好ましくは常温〜１１００°Ｃである。対
象材料の表面温度が１２００’Ｃを越えると非ダイヤモ
ンド状炭素であるグラファイトの発生量が多くなるため
、避けることが望ましい。

なお、前記ダイヤモンド薄膜もしくはＤＬｃ薄膜の膜厚
は、要求される機械的強度や耐食性によって選択すれば
よいが、通常０．１μ債以上であることが望ましい。

〔作用〕

このような本発明においては、極めて硬質で化学的に安
定なダイヤモンド薄膜もしくはＤＬＣ薄膜により、摺接
部分の耐摩耗性および耐食性を高めるとともに、これら
の薄膜の固く平滑な表面によって流体潤滑性を高めて摩
擦を低域し、これにより前記目的を達成する。

〔実施例］ 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図において、メカニカルシール１は、回転軸２の一
端側を包囲するスタソフィングボンクス３（密封装置装
着室、ポンプ等のケーシングに相当する）を有し、この
スタンフィングボンクス３の回転軸２が貫通する部分に
は同軸で固定リング４が固定されている。この固定リン
グ４に隣接して回転軸２には従動リング５が同軸で配置
されこの従動リング５は軸方向に沿って移動可能に設け
られている。

これらの固定リング４および従動リング５は、ＷＣ−６
χＣｏの超硬合金により形成されているとともに、各々
の相互に対向する部分には回転軸２に垂直で極めて平坦
な摺動面としての密封端面４Ａ。

５Ａが形成されており、これらの密封端面４Ａ。

５Ａには、その表面に各々気相合成法によりダイヤモン
ド薄膜がコーティングされている。

一方、回転軸２には従動リング５に隣接して圧縮コイル
弐のスプリング６が巻き付けられ、その一端は回転軸２
に係止されるとともに、他端は従動リング５に係合され
ており、従動リング５はスプリング６によって固定リン
グ４方向に付勢され、密封端面４Ａ、５Ａは互いに摺動
自在に密着されてスタッフィングボックス３内に充填さ
れた内部流体の漏洩を防止可能である。

なお、スプリング６による当接圧力は、固定すング４お
よび従動リング５の円滑な相対回転を妨げないような僅
かなものとされており、密封端面４Ａ、５Ａの間に形成
される僅かな隙間には前述の内部流体が侵入して＃７Ｗ
ｉ−の薄い流体潤滑を行い、回転軸２の回転を円滑にで
きるように構成されている。

このような本実施例によれば、密封端面４Ａ。

５Ａはダイヤモンド薄膜により表面を極めて平滑とされ
ており、固定リング４および従動リング５の相対回転時
の摩擦抵抗を更に低減し、回転軸２にかかる動作損失を
最小限に抑えることができる。

また、密封端面４Ａ、５Ａに形成されたダイヤモンド薄
膜は機械的強度が高く、互いに摺動する密封端面４Ａ、
５Ａの耐摩耗性を高めることができるとともに、高温高
圧といった過酷な条件の下でも幅広く利用できる。

さらに、ダイヤモンド薄膜は化学的に安定であり、シー
ルする流体が酸やアルカリ等の腐食性流体であっても密
封端面４Ａ、５Ａを確実に保護して耐食性を高めること
ができ、広範な流体に通用できる。

ここで、実験例として、前記実施例のメカニカルシール
、すなわち密封端面４Ａ、５Ａにダイヤモンド薄膜を形
成したメカニカルシールと、前記実施例のメカニカルシ
ール１と同様だがダイヤモンド薄膜を形成しない従来の
ものとを用い、各々の硫酸に対する耐食性試験を行った
。

なお、耐食性試験にはＤＩＮ　４８５１に基づき、硫酸
による腐食に伴う質量減を測定し、下記第１表に示す基
準で評価を行った。

第１表 その結果、ダイヤモンド薄膜を形成したメカニカルシー
ルは耐食度ｌであり、非常に優秀な耐食性を示したのに
対し、ダイヤモンド薄膜を形成しない従来型のメカニカ
ルシールは耐食度４であり、耐食性がやや劣るという結
果となった。

従って、本実施例のダイヤモンド薄膜によって耐食性が
著しく向上したことが明白であり、これにより腐食に弱
い材料であっても何ら問題なく利用でき、材料自体の機
械的性質を高めてメカニカルシールとしての性能を更に
向上することができる。

なお、前記実施例において、摺動面である密封端面４Ａ
、５Ａにはダイヤモンド薄膜を形成したが、これはＤＬ
Ｃ（ダイヤモンド状カーボン）薄膜であってもよい。

また、ダイヤモンド薄膜を形成する方法や原料ガス等は
実施にあたって適宜選択すればよく、例えば、シートリ
ング４および従動リング５の材質の性能をｔ員なわない
ように配慮して条件設定等を行うことが望ましい。

さらに、ダイヤモンド薄膜は密封端面４Ａ、５への両方
に形成することは必ずしも必須ではなく、例えば、シー
トリング４および従動リング５の材質が異なる場合など
、適宜一方を省略してもよい。

また、シートリング４および従動リング５など、メカニ
カルシール１の各構成部材の細部の形状や材質は前記実
施例に限らず、実施にあたって適宜選択すればよい。

さらに、本発明は前記実施例のメカニカルシールｌのよ
うに回転軸２の軸封を行う回転式のものに限らず、例え
ば、水中構造物のエアロツクドア等の直線的に摺動する
シール部分等にも適用できる。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明のメカニカルシールによ
れば、摺動面にコーティングしたダイヤモンド薄膜ある
いはＤＬＣ薄膜によって摩擦を低減するとともに、耐摩
耗性を高め、さらに耐食性を著しく高めることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す一部破断した斜視図で
ある。 ■・・・メカニカルシール、２・・・回転軸、３・・・
スタンフィングボ、クス、４，５・・・相対移動する複
数部材である固定リングおよび従動リング、４Ａ。 ５Ａ・・・摺動面である密封端面、６・・・スプリング
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）相対移動する複数部材の各々に摺動面を形成し、
   これらの摺動面を互いに摺動自在に密着させて流体の漏
   れ止めシールを行うメカニカルシールにおいて、前記摺
   動面にダイヤモンド薄膜もしくはダイヤモンド状カーボ
   ン薄膜を形成したことを特徴とするメカニカルシール。