JP4586002B2 - メカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、回転側シール輪と、静止側シール輪と、これら両シール輪どうしを押付ける弾性手段とを有して成るメカニカルシールに関するものである。

この種のメカニカルシールとしては、特許文献１において開示されたもののように、カーボン製シールリングのように摩耗粉が食品や薬品等のシール対象を着色することがないように、回転側シール輪及び静止側シール輪のいずれも合成樹脂製のものとする技術が知られている。

しかしながら、この両シール輪を共に合成樹脂材とする技術では、スプリング荷重や機内圧力によって合成樹脂材が変形し、シール性が悪化することが起こり易い。また、合成樹脂材の内部に残留する歪の影響で加工精度を上げることが難しい。このように、コストが高くなる割にはシール性が芳しくないとともに、摩耗した場合には両方のシール輪を取り換える必要がある。また、温度変化による影響を受け易いという熱に弱い不利もある。

そこで、特許文献２において開示されるように、回転側及び静止側の双方のシール輪を、金属やセラミックス等の硬質部材と、これの表面にコーティングされた樹脂材等による摺動皮膜とから成る複合構造の摺動材に構成することが開発された。これにより、潤滑油や液体の存在しない雰囲気、或いは流体による潤滑の気体できない環境条件において、優れた摺動性及び耐摩耗性が発揮されるメカニカルシールが実現されている。

前記特許文献２の開示技術により、優れた潤滑性や耐摩耗性の向上が図れるとのことであり、その技術（複合構造の摺動材）を導入することが検討された。しかしながら、コーティングによる摺動皮膜の厚みには限界があって必要となる厚みを得るのが困難であり、常時駆動回転される箇所等においては耐久性の点で難点がある。また、摺動皮膜の厚さが薄いことから十分な仕上げ代が確保できず、最終仕上げ加工が非常に難しくなるという不利もある。
特開平９−２８０３８２号公報 特開２００１−２６７９２号公報

本発明の目的は、硬質材等の剛性基材の表面に摺動部材を積層一体化する複合構造により、シール性や耐摩耗性に優れる利点を持つ手段を踏襲しながら、最終仕上げ加工を容易に行うことができ、実用に耐えるに十分な耐久性も発揮することが可能となるよう、さらに改善されたメカニカルシール用のシール輪、並びにそのシール輪を用いたメカニカルシールを提供する点にある。

請求項１に係る発明は、回転軸１と一体回転する回転側のシール輪２と、ケーシング３に相対固定される静止側のシール輪４と、回転側及び静止側の各前記シール輪２，４の摺動面２ａ，４ａどうしを押付け合う弾性手段５とを有して成るメカニカルシールにおいて、
前記回転側及び前記静止側の何れか一方の前記シール輪４が剛性基材４Ｂに摺動部材４Ａを貼り合せた複合構造体で構成され、かつ、何れか他方の前記シール輪２が硬質部材から構成されており、前記何れか一方のシール輪４の摺動面４ａが前記摺動部材４Ａで形成され、前記何れか他方のシール輪２の摺動面２ａが前記硬質部材で形成され、前記剛性基材４Ｂがセラミックス、カーボン、金属及び金属とセラミックスの複合材料から選択されるものであり、前記摺動部材４Ａが結合剤に固体潤滑材料を配合したものであるとともに、前記摺動部材４Ａの厚みが０．５ｍｍ〜５ｍｍの範囲に設定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、前記摺動部材４Ａに、その厚み範囲内の深さを有する周溝１８が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、前記摺動部材４Ａがフッ素系樹脂によって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、回転側と静止側の何れか一方のシール輪を、剛性基材と、その表面に貼り合わされた摺動部材とから成る複合構造の摺動材に構成されているので、潤滑油や液体の存在しない雰囲気、或いは流体による潤滑の期待できない環境条件においても、優れた摺動性及び耐摩耗性を発揮することができるようになる。そして、回転側と静止側の何れか他方のシール輪を硬質部材から構成してあるので、これと摺動部材との摺動による優れたシール性を発揮しながらも、主に摩耗するのは摺動部材を有する側のシール輪であるから、摩耗時には、回転側と静止側とのいずれか一方だけの部品交換で済む利点がある。加えて、摺動部材と剛性基材とが貼り合せによって積層一体化されているので、例えばコーティングによって剛性基材表面に装備される場合に比べて、摺動部材の厚みを容易に十分な厚みとすることができるので、前述の良好な機能をより長期に亘って持続することができて耐久性に優れるものとすることができるとともに、精密切削加工による鏡面仕上げ等の最終仕上げ加工を摺動部材に施すことが可能になり、摺動面を高精度に仕上げてシール性をより向上させることも可能になる。

その結果、硬質材等の剛性基材の表面に摺動部材を積層一体化する複合構造により、シール性や耐摩耗性に優れる利点を持つ手段を踏襲しながら、シール性の一層の向上や実用に耐えるに十分な耐久性を発揮することが可能となるよう、さらに改善されたメカニカルシールを提供することができる。この場合、請求項３のように、自己潤滑性に優れ、雰囲気流体による影響を受け難い点からは、摺動部材をフッ素系樹脂で形成するのが好ましい。

請求項１の発明によれば、摺動部材の厚みを、コーティングでは為し得ない厚みである０．５ｍｍ〜５ｍｍの範囲に設定することにより、種々のメカニカルシールにおいても請求項１による前記効果を実用上において十分に発揮できるようになる。

請求項２の発明によれば、その厚み範囲内の深さを有する周溝が形成される摺動部材を用いることにより、回転に伴ってその周溝に起因する動圧を発生させることが可能であり、回転側及び静止側の両シール輪どうしが非接触状態でシール機能を発揮する「非接触型メカニカルシール」が構成可能となる利点がある。

以下に、本発明によるメカニカルシールの実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１，図２はそれぞれ実施例１，２によるメカニカルシールの断面図、図３は図２のメカニカルシールに用いられる静止側シール輪の正面図である。

〔実施例１〕
メカニカルシールＳは、図１に示すように、回転軸１と一体回転する回転側のシール輪２と、ケーシング３に相対固定される静止側のシール輪４と、回転側及び静止側の各シール輪２，４の摺動面２ａ，４ａどうしを押付け合うための巻きバネ（弾性手段の一例）５とを有して構成されている。図１において、静止側のシール輪４よりも右側の部分が缶内側（機内側）であり、左側の部分が大気側である。

静止側のシール輪４は、その外周突起部４ｇを一対のシールリング６，６を介してケーシング３、及びこれにボルト固定される押えケース部７とによって回転不能に、かつ、回転軸１に対して僅かな間隙を有して外嵌される状態に支持されている。この静止側のシール輪４は、剛性基材４Ｂに摺動部材４Ａを貼り合せた複合構造体で構成されており、具体的には、特殊充填材入りのフッ素樹脂材から形成される環状の静止側シール板である摺動部材４Ａと、ステンレス材から形成される環状の静止側支持部材である剛性基材４Ｂとを、接着剤を用いて接合一体化することで構成されている。ここで、摺動部材４Ａの厚みは０．５ｍｍ〜５ｍｍの範囲に設定されている。

回転側のシール輪２は、これの根元側を内嵌するホルダ１０と共に支持ベース９の先端側小径部分９ａに、回転軸１の軸心Ｐ方向にスライド自在に外嵌されるとともに、ホルダ１０に対しては、これに螺着されるストッパボルト１１の頭部１１ａと凹入穴２ｂとの遊嵌合によって相対回転不能とされている。スクリュー８によって回転軸１に相対固定される支持ベース９は、ホルダ１０に螺着される支持ボルト１２を、軸心Ｐ方向に所定範囲内でスライド自在に挿通させる支持孔１３が形成されるとともに、ホルダ１０を静止側のシール輪４に向けて押圧付勢するための巻きバネ５を収容するための凹入穴（図示省略）が形成されている。

回転側のシール輪２は、回転軸１に対しては若干の径方向間隙を有するように遊外嵌されており、かつ、シールリング１４によってシールされる状態となるように構成されている。このような構成により、ステンレスやアルミ合金等の硬質部材から形成される回転側のシール輪２は、回転軸１と一体回転状態で、かつ、静止側のシール輪４に向かう状態で押圧付勢される。従って、回転側及び静止側の各シール輪２，４の摺動面２ａ，４ａどうしが互いに押し付け合いながらの相対回転により、缶内側と大気側とに跨ってシールするメカニカルシールＳが構成されている。

ここで、回転側のシール輪２に適用される硬質部材の材質は、超硬合金、ＳｉＣ、セラミックス等でも良い。静止側のシール輪４の材質として、摺動部材４Ａの材質が、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ等）、ＰＥＥＫ等でも良く、また、剛性基材４Ｂの材質は、金属、非鉄金属、比熱熱の低い強度部材でも良い。次に、固定側及び回転側のシール輪２，４の材料やその特性等についてさらに詳しく説明する。

摺動部材４Ａは、結合剤に適量の固体潤滑材料を配合した材質から成るものでも良く、この場合、好ましくは、剛性基材４Ｂとしては、セラミックス、カーボン、金属及び金属とセラミックスの複合材料から選択され、固体潤滑材料としては、四フッ化エチレン樹脂、二硫化モリブデン、グラファイト、二硫化タングステン、フッ化黒鉛等の自己潤滑物質から一種類以上選択される。

摺動部材４Ａの基材としての剛性基材４Ｂに使用されるセラミックスやカーボン、金属、金属とセラミックスの複合材料等は、耐蝕性に優れると共に弾性変形し難く、熱伝導性にも優れ、それ自体も所要の自己潤滑性を有している。接着される摺動部材４Ａとの接合界面の腐食による摺動部材４Ａの損傷を防止することができ、また、使用雰囲気の圧力等の負荷による変形を受け難くすることができ、従って、摺動部材４Ａの初期の表面粗さが維持され易く、摩擦係数の変化を少なくすることができる。熱伝導性が良いことによって、摺動により発生する熱が放熱され易く、摺動部材４Ａの熱負荷を軽減できる。さらに、摺動部材４Ａが経時的に摩耗して薄くなったとしても、例えば、摺動部材４Ａがコーティングによって作成されている場合のように、摩耗によって摺動面に剛性基材が露出してしまうようなことが無く、摺動部材４Ａによる良好なシール状態を安定的に供給することができる利点がある。

また、摺動部材４Ａを構成する固体潤滑材料及び結合剤は、それぞれ摩擦係数は低いが耐摩耗性に乏しいため、単独では摺動材料としては適さず、通常は潤滑補助材や単なる結合剤としてのみ用いられる。しかしながら、このような固体潤滑材料と結合剤との混合物は、硬質で変形し難く、かつ、熱伝導性の良いセラミックスやカーボン等からなる剛性基材４Ｂの表面に貼り合わせることにより、著しい耐摩耗性の向上が実現される。即ち、摺動部材４Ａを構成する固体潤滑材料及び結合剤が本来有さない硬さや熱伝導性を、剛性基材４Ｂが補償する結果、耐摩耗性を向上させることが可能になる。

剛性基材４Ｂには、炭化珪素、アルミナ、窒化珪素、ジルコニア、サイアロン等のセラミックス、あるいはカーボン、更には酸化クロムや炭化クロム、各種サーメト及び金属類が使用可能である。摺動部材４Ａが貼り合わされる剛性基材４Ｂの表面は、その表面粗さにおける微細凸部の突端が平坦になるように、予め微細凹凸を付与すると共にラップ等による研磨を施すことによって平面度を確保するのが好ましい。金属材料から成る剛性基材４Ｂに表面粗さを付与する方法としては、セラミック砥粒によるサンドブラストが有効であり、表面粗さが粗くならないように注意することが望まれる。

固体潤滑材料としては、典型的には、四フッ化エチレン樹脂、二硫化モリブデン、グラファイト、二硫化タングステン、フッ化黒鉛等など、よく知られた自己潤滑物質から一種類以上選択されるが、自己潤滑性に優れていることや、雰囲気流体による影響を受けにくい点からは、四フッ化エチレン樹脂が最も好ましい。また、固体潤滑材料の粒子を摺動部材４Ａとして結合すると共に剛性基材４Ｂの表面に接着される結合剤には、耐熱性、結合力、造膜性及び耐摩耗性に優れていることが求められる。典型的には、四フッ化エチレン樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリアミド、ポリアリレート、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリベンゾイミダゾール、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、アセタール樹脂、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、芳香族ポリエステル樹脂、ポリエーテルサルホン、ポリカーボネート、ポリブチレンテレフタレート等の合成樹脂材から選択され、適当な溶剤等の媒体に溶解又は分散して使用する。

剛性基材４Ｂの表面に接着される摺動部材４Ａは、熱処理等を含む硬化処理によって硬化されるのが望ましい。このような構成のシール輪４は、摺動部材４Ａが、優れた自己潤滑性を有すること及び剛性基材４Ｂによる硬度補償によって優れた耐摩耗性を有するので、例えば撹拌機における撹拌羽根の駆動軸や、一台で固液分離、洗浄、乾燥を行う多機能濾過乾燥機等の軸封部に装着されるメカニカルシールにおいて、その回転側や静止側のシール輪として用いることにより、乾燥潤滑雰囲気中でも著しい耐摩耗性の向上が実現され、摩耗粉の発生を有効に抑制することができる。

結合剤に固体潤滑材料を配合した摺動部材４Ａを、硬質で変形し難く熱伝導性の良い剛性基材４Ｂの表面に貼り合せることにより、液体潤滑膜が形成されない乾燥摺動条件でも優れた潤滑性を発揮すると共に、著しい耐摩耗性の向上が実現できる。しかも、貼り合せによる摺動部材は、その厚みをコーティングされる場合等に比べて十分な厚みのものとすることができるので、上記の良好な効果を長期に亘って持続することができ、耐久性に優れる利点がある。故に、摩耗粉等による異物の発生を極力防止する必要のある機器において、乾燥状態で摺動されるメカニカルシールやそれ用のシール輪として、前述のような優れた効果を提供することができる。

〔実施例２〕
実施例２によるメカニカルシールＳは、図２に示すように、回転軸１に筒ボス部材１５を介して一体回転状態に外嵌される回転側のシール輪２と、ケーシング３に内嵌されるケース部１６に回転軸１の軸心Ｐ方向にスライド自在に支持される静止側のシール輪４とを有して構成されている。回転側のシール輪２は、筒ボス部材１５のリング状凹入部１５ａに内嵌される状態で収容されている。尚、実施例１のメカニカルシールと機能的に同じ箇所には同じ符号を付すものとし、ここではその説明は割愛する。

実施例２のメカニカルシールＳにおいては、静止側のシール輪４が巻きバネ５によって軸心Ｐ方向に押圧付勢される構造であり、ケース部１６の横向きリング状の凹入部１６Ａにスライド自在に外嵌されており、巻きバネ５とに間にはリング状の押圧板１７が介装されている。静止側のシール輪４は、押圧板１７に当接される剛性基材４Ｂと、剛性基材４Ｂの軸心Ｐ方向の端面に接着される摺動部材４Ａとから構成されるとともに、回転側のシール輪２は硬質部材で構成されている。

リング状の摺動部材４Ａの外径側に寄った箇所には、図３にも示すように、その厚み範囲内の深さを有するリング状の周溝１８が形成されている。この周溝１８は、軸心Ｐに沿う内周壁１８ａと外周壁１８ｂと、軸心Ｐに直交する側周壁（溝底壁）１８ｃとを有する断面矩形のリング溝に形成されている。尚、図示は省略するが、溝底が剛性基材４Ｂの表面で形成されるように、周溝１８が摺動部材４Ａを厚み方向に貫通して形成される構造を有する静止側のシール輪４に構成されても良い。尚、周溝１８には、必要に応じて潤滑材を充填しても良い。

〔別実施例〕
図示は省略するが、摺動部材４Ａに、その厚み範囲内の深さを有する周溝が周方向で不連続な状態に形成されたシール輪が、回転輪のシール輪２や静止側のシール輪４とされる構成のメカニカルシールＳとするものでも良い。これは、回転に伴って静止側のシール輪と回転側のシール輪とが周溝が周方向に複数形成されている構成に起因して非接触状態になり得る構造のもの、所謂「非接触型メカニカルシール」を含むものである。また、回転側のシール輪２が、剛性基材と摺動部材との貼り合わせによる複合構造体とされ、かつ、静止側のシール輪４が硬質部材から成る構成、並びにそれら両シール輪を有するメカニカルシールでも良い。

実施例１によるメカニカルシールの構造を示す断面図 実施例２によるメカニカルシールの構造を示す断面図 図２における静止側のシール輪を示す正面図

１ 回転軸
２ 回転側のシール輪
２ａ 摺動面
３ ケーシング
４ 静止側のシール輪
４ａ 摺動面
４Ａ 摺動部材
４Ｂ 剛性基材
５ 弾性手段
１８ 周溝
Ｓ メカニカルシール

Claims (3)

1. 回転軸と一体回転する回転側のシール輪と、ケーシングに相対固定される静止側のシール輪と、回転側及び静止側の各前記シール輪の摺動面どうしを押付け合う弾性手段とを有して成るメカニカルシールであって、
   前記回転側及び前記静止側の何れか一方の前記シール輪が剛性基材に摺動部材を貼り合せた複合構造体で構成され、かつ、何れか他方の前記シール輪が硬質部材から構成されており、前記何れか一方のシール輪の摺動面が前記摺動部材で形成され、前記何れか他方のシール輪の摺動面が前記硬質部材で形成され、前記剛性基材がセラミックス、カーボン、金属及び金属とセラミックスの複合材料から選択されるものであり、前記摺動部材が結合剤に固体潤滑材料を配合したものであるとともに、前記摺動部材の厚みが０．５ｍｍ〜５ｍｍの範囲に設定されているメカニカルシール。
2. 前記摺動部材に、その厚み範囲内の深さを有する周溝が形成されている請求項１に記載のメカニカルシール。
3. 前記摺動部材がフッ素系樹脂によって形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。

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