JP6895331B2 - メカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、摺動面に炭素系硬質膜を用いたメカニカルシールに関する。

メカニカルシールは、流体機器のハウジングと該ハウジングを貫通するように配置される回転軸との間に装着して使用されるものであり、ハウジングに固定される静止密封環の摺動面と、回転軸とともに回転する回転密封環の摺動面とを摺接させて、流体機器の内部から外部又は外部から内部への流体の漏れを防ぐものである。

このようなメカニカルシールにおいて、従来、特許文献１に示されるように、静止密封環の摺動面と、回転軸とともに回転する回転密封環の摺動面との一方に低摩擦性と耐摩耗性に優れる硬質炭素薄膜を備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−１３８９６５号公報（第７頁、第１図）

しかしながら、特許文献１のようなメカニカルシールにあっては、回転密封環はステンレス鋼材で形成されその一面に硬質炭素薄膜が被覆されて摺動面とされ、静止密封環は炭化珪素（ＳｉＣ）を主成分として形成されその一面が摺動面とされている構成が示されているが、このように静止密封環の摺動面と回転密封環の摺動面が互いに硬質材料である場合、互いの摺動面同士が相互に滑らかに馴染む表面形状に削れるまでは、摩擦が高い状態となり、硬質炭素薄膜の持つ機能である低摩擦性を十分に活用することができないという問題があった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、静止密封環の摺動面と回転密封環の摺動面を早期に低摩擦状態とすることができるメカニカルシールを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明のメカニカルシールは、
基材に硬質炭素薄膜が被覆された一方の密封環と、セラミックスを主成分として形成された他方の密封環とが相対的に回転摺動するメカニカルシールであって、
前記他方の密封環の摺動面は、最大粒子径１．０μｍ以下のセラミックス粒子により構成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、他方の密封環の摺動面を構成するセラミックス粒子の最大粒子径が１．０μｍ以下と極めて小さな単位で粒界の界面から粒子が脱落しやすいことにより、一方の密封環と他方の密封環とが相対的に回転摺動した際に、他方の密封環の摺動面の形状は早期に一方の密封環の形状に倣った形状となって、一方の密封環と他方の密封環との摺動面を早期に低摩擦状態とすることができる。

前記他方の密封環の摺動面は、平均粒子径０．１μｍ〜１．０μｍのセラミックス粒子により構成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、セラミックス粒子の大きさにばらつきが少ないため、他方の密封環の摺動面が短い期間で平滑になりやすい。

前記課題を解決するために、本発明のメカニカルシールは、
基材に硬質炭素薄膜が被覆された一方の密封環と、セラミックスを主成分として形成された他方の密封環とが相対的に回転摺動するメカニカルシールであって、
前記他方の密封環の摺動面は、アモルファス構造とされていることを特徴としている。
この特徴によれば、他方の密封環の摺動面がアモルファス構造であり該アモルファス構造は小さな単位で破壊されやすいことにより、一方の密封環と他方の密封環とが相対的に回転摺動した際に、他方の密封環の摺動面の形状は早期に一方の密封環の形状に倣った形状となって、一方の密封環と他方の密封環との摺動面を早期に低摩擦状態とすることができる。

実施例１におけるメカニカルシールを示す断面図である。 実施例１における密封環同士の摺接構造を示す一部拡大断面図である。 （ａ）は実施例１のメカニカルシールにおいて密封環同士が相対的に回転する前の摺動面同士の状態を示す一部拡大断面図、（ｂ）は実施例１のメカニカルシールにおいて密封環同士が相対的に回転する前の摺動面同士の状態を示す拡大模式図、（ｃ）は実施例１のメカニカルシールにおいて摺動面同士が相対的に回転したときの摺動面同士の状態を示す拡大模式図である。 従来例１のメカニカルシールにおいて密封環同士が相対的に回転したときの摺動面同士の状態を示す拡大模式図である。 従来例２のメカニカルシールにおいて密封環同士が相対的に回転したときの摺動面同士の状態を示す拡大模式図である。 （ａ）は実施例２のメカニカルシールにおいて密封環同士が相対的に回転する前の摺動面同士の状態を示す拡大模式図、（ｂ）は実施例２のメカニカルシールにおいて密封環同士が相対的に回転したときの摺動面同士の状態を示す拡大模式図である。

本発明に係るメカニカルシールを実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。

実施例１に係るメカニカルシールにつき、図１から図４を参照して説明する。

図１は、メカニカルシールの一例を示す縦断面図であって、メカニカルシール１は、摺動面の外周から内周方向に向かって漏れようとする流体機器の機械Ｍ側の被密封流体を密封する形式のインサイド形式のものであり、高圧流体側のポンプインペラ（図示省略）を駆動させる回転軸８側にスリーブ２を介してこの回転軸８と一体的に回転可能な状態に設けられた一方の摺動部品である円環状のシールリング（回転密封環）３と、流体機器のハウジング４に非回転状態かつ軸方向移動可能な状態で設けられた他方の摺動部品である円環状のメイティングリング（静止密封環）５と、を有している。

メイティングリング５とシールリング３とは、メイティングリング５を軸方向に付勢するコイルドウェーブスプリング６及びベローズ７によって、摺動面Ｓ１，Ｓ２同士で密接摺動するようになっている。すなわち、このメカニカルシール１は、メイティングリング５とシールリング３との互いの摺動面Ｓ１，Ｓ２において、被密封流体が回転軸８の外周から大気Ａ側へ流出するのを防止するものである。

メイティングリング５は、基材５Ａ（図２参照）が硬質セラミックス（窒化珪素，ジルコニア，アルミナ，ＳｉＣ等）で形成されており、図２に示されるように、シールリング３との対向面５ａに炭素系硬質膜１０が成膜されている。本実施例において、炭素系硬質膜１０は対向面５ａの全面に亘り形成されており、炭素系硬質膜１０の表面１０ａはメイティングリング５の摺動面Ｓ１を構成している。炭素系硬質膜１０は、ダイヤモンドを除いた炭素質材料、例えば、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラフェン、グラファイト、無定形炭素、および水素を含有しないカルビンのうちの１種以上のものを物理的製法や化学的製法によって成膜されたものであって、例えばＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜やダイヤモンドコーティングやカーボン膜やＢＮＣ膜等であって、低摩擦性と耐摩耗性に優れる。

一方、シールリング３は、メイティングリング５と同様に、硬質セラミックス（窒化珪素，ジルコニア，アルミナ，ＳｉＣ等）で形成されている。本実施例のシールリング３は、ＳｉＣの粉末（セラミックス粒子）を焼結してものであって、摺動面Ｓ２のＳｉＣ粒子のが、最大粒子径が１．０μｍ以下であり、且つ平均粒子径が０．１〜１．０μｍとして構成されている。

シールリング３の製造方法の一例としては、ＳｉＣの粉末に焼結助剤や結合剤、界面活性剤などを加えてスラリーを作り、スプレードライヤで前記スラリーを乾燥させて顆粒化し、前記顆粒をメカニカルシール形状にほぼ近い金属金型プレス、またはラバープレスで圧縮成形し、更に結合剤を硬化させるために、１２０℃付近で１〜２時間成形体を加熱し硬化を完了させ、これをメカニカルシールの部品寸法に機械加工する。焼成は、無加圧下でアルゴン、または真空雰囲気中で好ましくは２０５０℃〜２１５０℃で行えばよい。尚、本実施例では、ＳｉＣの粉末主成分としてシールリング３を構成する形態を例示したが、シールリング３を構成するセラミックス粒子として窒化珪素やジルコニア等を用いてもよい。

上記工程で形成されたシールリング３におけるメイティングリング５との対向面３ａは、メイティングリング５の摺動面Ｓ１（炭素系硬質膜１０の表面１０ａ）と摺動する摺動面Ｓ２を構成している。シールリング３の摺動面Ｓ２を測定すると、最大粒子径が０．６μｍであり、且つ平均粒子径が０．５μｍであることが確認された。つまり、平均粒径０．４μｍのＳｉＣ粉末は焼成によりシールリング３の主成分であるＳｉＣ粒子は、２０％膨張している。

さらに、上記工程で形成されたシールリング３の摺動面Ｓ２をラップ加工によって、算術平均粗さＲａ＝０．０１μｍとした。同様に、炭素系硬質膜１０の摺動面Ｓ１もラップ加工によって、算術平均粗さＲａ＝０．０１μｍとした。

次に、メイティングリング５とシールリング３とが相対的に回転摺動する様子について図３〜図５を用いて説明する。尚、図３〜図５の断面は、シールリング３の断面が回転方向に同じ角度のものを例に説明している。さらに尚、図３（ｂ）（ｃ）及び図４においては、説明の便宜上、メイティングリング５の摺動面Ｓ１の微細な凹凸形状を省略して平坦面に図示している。

上述のように、メイティングリング５とシールリング３は、互いに硬質材料同士で形成されており、且つ炭素系硬質膜１０の摺動面Ｓ１およびシールリング３の摺動面Ｓ２は微細な凹凸が形成されているため、図３（ａ）に示されるように、メカニカルシール１を流体機器のハウジング４の軸封部に設置後、メイティングリング５とシールリング３とが相対的に回転摺動し始めた状態にあっては、シールリング３の摺動面Ｓ２に形成された微細な凹凸と、メイティングリング５に被覆された炭素系硬質膜１０の表面１０ａ（摺動面Ｓ１）との形状が合致せず、摩擦が高い状態となる。詳しくは、炭素系硬質膜１０の摺動面Ｓ１に対してシールリング３の摺動面Ｓ２に形成された凸部が局所的に接触するため、摩擦が高い状態となる。

メイティングリング５とシールリング３とが相対的に回転摺動し始めると、炭素系硬質膜１０の摺動面Ｓ１に比べ、炭素系硬質膜１０よりも軟質のシールリング３の摺動面Ｓ２が摩耗しやすくなっており、且つシールリング３の摺動面Ｓ２のＳｉＣ粒子は粒子径が小さいためＳｉＣ粒子は界面から脱落しやすくなっている。

図４に示されるように、例えば、従来のように、平均粒径が５μｍ程度のセラミックス粒子３４Ａから構成されるシールリング３４の場合、メイティングリング５とシールリング３４とが相対的に回転摺動し始めると、シールリング３４の摺動面Ｓ２１を構成するセラミックス粒子３４Ａの一部が摩耗により削られるとともに、シールリング３４の摺動面Ｓ２１を構成するセラミックス粒子３４Ａの一部がその界面から脱落するようになる。セラミックス粒子３４Ａの粒子径が大きいため、セラミックス粒子３４Ａの脱落によりシールリング３４の摺動面Ｓ２１の平滑度が損なわれるとともに、セラミックス粒子３４Ａの摩耗は長時間を要するため、シールリング３４の摺動面Ｓ２１と炭素系硬質膜１０の摺動面Ｓ１とが馴染むまでに長い時間を要していた。また、シールリング３４の摺動面Ｓ２１を構成するセラミックス粒子３４Ａが、摺動面Ｓ２１よりも内部のセラミックス粒子３４Ａと一緒に大きく脱落することもあり、この場合、シールリング３４の摺動面Ｓ２１の平滑度が大きく損なわれることとなる。

また、図５に示されるように、例えば、平均粒径が１０μｍ程度のセラミックス粒子３５Ａから構成されるシールリング３５の場合、セラミックス粒子３５Ａが極めて大きいため、隣接するセラミックス粒子３５Ａ同士の結合領域も大きくなる。言い換えれば、セラミックス粒子３５Ａ同士の結合力が大きくなるため、シールリング３５がセラミックス粒子３５Ａの粒界から破壊されにくく、シールリング３５の摺動面Ｓ２２の凸部を構成するセラミックス粒子３５Ａ自体が摩耗して削られるようになる。このように、セラミックス粒子３５Ａ自体が削られる場合には、摺動面Ｓ２２の凸部近傍が大きく脱落することはないが、セラミックス粒子３５Ａを削ることに長い時間を要していた。

対して、本実施例においては、図３（ｂ）（ｃ）に示されるように、シールリング３は、最大粒子径が０．６μｍ以下の極めて小さなセラミックス粒子３Ａ，３Ａ，…により構成されているため、極めて小さな単位で粒界の界面からセラミックス粒子３Ａが脱落しやすく、メイティングリング５とシールリング３とが相対的に回転摺動した際に、シールリング３の摺動面Ｓ２の形状は早期にメイティングリング５の摺動面Ｓ１の形状に倣った形状となる。これにより摺動面Ｓ１と摺動面Ｓ２とを早期に低摩擦状態とすることができる。

また、シールリング３は、小さなセラミックス粒子３Ａにより構成されていることから、従来のシールリング３４，３５よりも密度が高くなっているため、メイティングリング５とシールリング３とが相対的に回転摺動したときに、摺動面Ｓ２における凸部を構成するセラミックス粒子３Ａが該摺動面Ｓ２よりも内部にあるセラミックス粒子３Ａと一緒に脱落しにくい。また、摺動面Ｓ２よりも内部のセラミックス粒子３Ａが凸部を構成するセラミックス粒子３Ａと一緒に脱落したとしても、シールリング３の摺動面Ｓ２の平滑度が損なわれにくい。

また、シールリング３の脱落したセラミックス粒子３Ａ，３Ａ，…は、シールリング３の摺動面Ｓ２に形成された微細な凹部に入り込むことで摺動面Ｓ２の平滑度が高められるとともに、摺動面Ｓ２を研磨する研磨剤としても機能し、摺動面Ｓ２の摩耗が促進される。また、シールリング３は、最大粒子径が０．６μｍ以下と極めて小さいため、シールリング３のセラミックス粒子３Ａが炭素系硬質膜１０とシールリング３との隙間に入り込んでもメイティングリング５とシールリング３との間のシール性に影響を与えにくい。

また、シールリング３を構成するセラミックス粒子の平均粒子径は、０．５μｍと極めて小さく、且つ大きさにばらつきが少ないため、セラミックス粒子の大きさの差が大きなシールリングに比べて、シールリング３の摺動面Ｓ２を平滑にしやすい。また、シールリング３の品質が安定するとともに、セラミックス粒子３Ａの密度が高いため構造強度も向上する。

実験によってなじみに要する時間を短くするための好適なセラミックス粒子３Ａの最大粒子径は０．１μｍ以下であることが分かった。

次に、実施例２に係るメカニカルシールにつき、図５を参照して説明する。尚、前記実施例と同一構成で重複する構成の説明を省略する。

図５（ａ）に示されるように、シールリング３におけるメイティングリング５との対向面３ａには、アモルファス層１１が形成されている。アモルファス層１１は、フェムト秒レーザを用いて加工しきい値未満の照射エネルギーでＳｉＣ材料表面（シールリング３の対向面３ａ）に照射することで形成される。本実施例では、１．０μｍの厚さでアモルファス層１１が形成されている。このアモルファス層１１の表面１１ａは、メイティングリング５の摺動面Ｓ１と摺動する摺動面Ｓ２０を構成している。

このように、メイティングリング５の摺動面Ｓ１と摺動するシールリング３の摺動面Ｓ２０は、結晶構造を持たないアモルファス層１１となっているため、結晶構造のシールリングに比べて摺動面Ｓ２０が小さな単位で破壊されやすいため、シールリング３の摺動面Ｓ２０を平滑にしやすい。すなわち、メイティングリング５とシールリング３とが相対的に回転摺動した際に、シールリング３の摺動面Ｓ２０の形状は早期にメイティングリング５の摺動面Ｓ１に倣った形状となって、摺動面Ｓ１と摺動面Ｓ２０とを早期に低摩擦状態とすることができる。

尚、本実施例では、前記実施例１と同様のシールリング３（最大粒子径が０．６μｍであり、且つ平均粒子径が０．５μｍであるセラミックス粒子から構成されるシールリング３）を用いる形態を例示したが、本発明はこれに限定されるものでなく、アモルファス層１１が形成されていれば、シールリング３を構成するセラミックス粒子の大きさは自由に変更することができる。

また、本実施例では、アモルファス層１１の厚さが１．０μｍである形態を例示したが、所望の厚さに適宜変更できる。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

例えば、前記実施例では、シールリング３は、最大粒子径が０．６μｍであるセラミックス粒子３Ａ，３Ａ，…から構成される形態を例示したが、最大粒子径が１．０μｍ以下であれば、自由に変更してもよい。また、セラミックス粒子３Ａの平均粒子径は、１．０μｍ以下であれば、自由に変更してもよい。

また、前記実施例では、炭素系硬質膜１０がメイティングリング５に被覆されている形態を例示したが、炭素系硬質膜１０は、メイティングリング５とシールリング３との対向面のうち一方に設けられていればよい。つまり、シールリング３の一方の面に被覆されていてもよい。

また、炭素系硬質膜１０は、メイティングリング５とシールリング３との対向面のうち一方に限られず、メイティングリング５とシールリング３のうち一方の全面に亘って被覆されていてもよい。

１ メカニカルシール
３ シールリング（他方の密封環）
３Ａ セラミックス粒子
５ メイティングリング（一方の密封環）
５Ａ 基材
１０ 炭素系硬質膜（硬質炭素薄膜）
１１ アモルファス層
Ｓ１ 摺動面
Ｓ２ 摺動面
Ｓ２０ 摺動面

Claims (4)

1. 基材に硬質炭素薄膜が被覆された一方の密封環と、セラミックスを主成分として形成された他方の密封環とが相対的に回転摺動するメカニカルシールであって、
   前記他方の密封環の摺動面を形成する前記セラミックスは、最大粒子径１．０μｍ以下のジルコニア粒子により構成されたジルコニアであり、
   前記一方の密封環の前記硬質炭素薄膜は、グラファイトから成膜されたダイヤモンドライクカーボン膜であることを特徴とするメカニカルシール。
2. 前記他方の密封環の摺動面は、平均粒子径０．１μｍ〜１．０μｍのジルコニア粒子により構成されていることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール。
3. 基材に硬質炭素薄膜が被覆された一方の密封環と、セラミックスを主成分として形成された他方の密封環とが相対的に回転摺動するメカニカルシールであって、
   前記他方の密封環の摺動面を形成する前記セラミックスは、アモルファス構造とされたジルコニアであり、
   前記一方の密封環の前記硬質炭素薄膜は、グラファイトから成膜されたダイヤモンドライクカーボン膜であることを特徴とするメカニカルシール。
4. 前記アモルファス構造は、フェムト秒レーザの照射により形成されていることを特徴とする請求項３記載のメカニカルシール。

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