JPH09273635A - メカニカルシール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速、高面圧等の過酷な使用条件下、真空
中、還元ガス中等の雰囲気であっても良好な潤滑性が得
られるメカニカルシールを提供する。 【解決手段】 メンフェース成型体を所定の温度で黒鉛
化して所定の気孔率のカーボン材を作り、このカーボン
材を含浸装置の容器内に入れ、真空引きした後、所定の
温度に加熱したフッ素化油を容器内に流し込み、所定の
時間保持した後Ｎ₂ ガスを用いて加圧含浸を行う。終了
後、大気圧に戻して容器からカーボン材を取り出し、こ
のカーボン材に機械加工によって摺動面を形成し、これ
を摺動材として使用する。カーボン材にフッ素化油を含
浸することによって、カーボン材の自己潤滑性にフッ素
化油の耐熱性、耐薬品性等の特性を加えることができ、
それらの協働によって種々の環境変化に対応できるメカ
ニカルシールを提供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はメカニカルシール
に関し、特に、真空中、還元ガス中、低露点のドライ雰
囲気等や高速、高面圧等の過酷な条件下で使用されるメ
カニカルシールに関するものである。

【０００２】

【従来技術およびその問題点】カーボン材は、黒鉛化質
成分を含むために自己潤滑性が有り、耐摩耗性にも優れ
るため、メカニカルシールの摺動材として広く使用さ
れ、特に、気体、半気体をシールする無給油タイプのメ
カニカルシールの摺動材として広く使用されている。

【０００３】しかし、カーボン材は、高速、高面圧等の
過酷な条件下においては摩耗や摺動部の面荒れを起こす
危険性がある。特に、真空中、還元ガス中、低露点のド
ライ雰囲気等においては、自己潤滑性が失われるために
著しい摩耗が生じることがある。したがって、このよう
な雰囲気、条件下であっても安定した特性が得られるよ
うにするためには、配合する骨材の種類、配合比率等を
調整して、所望の特性のカーボン材を形成する必要があ
るが、そのような調整をするにしても限界があるため、
安定して使用できる範囲が極めて狭い範囲に制限されて
しまう。

【０００４】この発明は前記のような従来のもののもつ
問題点を解決したものであって、高速、高面圧等の過酷
な条件下や、真空中、還元ガス中、低露点のドライ雰囲
気等においても摺動部を良好に潤滑することができると
ともに、そのような良好な潤滑状態を長期的に維持する
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
するものである。

【０００５】

【問題点を解決するための手段】上記の問題点を解決す
るためにこの発明は、回転体に装着される回転環と固定
体に装着される固定環とを具え、両環を相互に摺動接触
させることにより回転部分をシールするようになってい
るメカニカルシールにおいて、前記固定環または回転環
の何れか一方をカーボン材で形成するとともに、カーボ
ン材で形成した部材の少なくとも摺動部に潤滑材を含浸
した手段を採用したものである。また、前記潤滑材の含
浸率は０．３〜２０ｗｔ％である手段を採用したもので
ある。さらに、前記潤滑材は炭素、フッ素、酸素原子か
らなるフッ素化油である手段を採用したものである。

【０００６】

【作用】この発明は前記のような手段を採用したことに
より、回転環と固定環とが相互に摺動接触することによ
り回転部がシールされることになる。この場合、固定環
または回転環の何れか一方はカーボン材で形成されてい
て、しかも、その少なくとも摺動部には潤滑材が含浸さ
れているので、カーボン材の自己潤滑性の特性に潤滑材
の特性を加えることができ、それらの協働によって両環
の摺動部を効果的に潤滑することができる。そして、潤
滑材にフッ素化油を用いた場合には、フッ素化油の耐熱
性、耐溶媒性、耐薬品性、低蒸気圧、高潤滑性の特性を
利用することができるので、使用条件に影響されること
なく良好な潤滑性が得られることになる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、この発明によるメカニカル
シールの実施の形態について説明する。図１には、この
発明によるメカニカルシールの一実施の形態が示されて
いて、このメカニカルシールは、回転体１に装着される
回転環であるシールリング２と、固定体６に装着される
固定環であるフローティングシート７と、回転体１に装
着されるとともにシールリング２をフローティングシー
ト７の方向に押圧するコンプレッションリング３と、回
転体１に装着されるとともにコンプレッションリング３
の押圧力を調整するスプリング４およびカラー５と、シ
ールリング２とコンプレッションリング３との間をシー
ルするパッキン８と、フローティングシート７と固定体
６との間をシールするパッキン９とを具えている。

【０００８】そして、回転体が１回転すると、回転体１
と一体にシールリング２、コンプレッションリング３、
スプリング４およびカラー５が回転し、このときシール
リング２の回転軸に垂直な摺動面とフローティングシー
ト７の回転軸に垂直な摺動面とが相互に摺動接触するこ
とによって、回転部分がシールされるものである。

【０００９】前記シールリング２またはフローティング
シート７の何れか一方は、カーボン材に潤滑材を含浸さ
せて形成したものである。

【００１０】前記カーボン材は、炭素質、黒鉛質の総称
であって、特にその組成を問うものでなく、目的に応じ
て炭素質、黒鉛質を使い分けることができるものであ
る。例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、メソフェーズ、カー
ボンブラック等の骨材とコールタールピッチ、合成樹脂
等の結合材を主成分とし、混合、混練り、成型工程を経
て１０００〜３０００℃で焼成することによって形成さ
れるものである。

【００１１】そして、焼成したカーボン材は、黒鉛化質
成分を含むために自己潤滑性を有し、耐摩耗性に優れる
特性を有するものであるが、それらの中でも特に自己潤
滑性に富み、強度が高いものを選択して使用する。ま
た、焼成したカーボン材は、焼成工程で発生した多くの
気孔を有するものであるが、気孔の径や量は特性に特に
影響を及ぼすものではない。ただし、小さい気孔が連続
的に形成されているものの方が含浸の効率が良いので、
そのようなものを選択して使用する。

【００１２】前記潤滑材は、炭素、フッ素、酸素原子か
らなるフッ素系合成油（以下、フッ素化油という）であ
って、例えば、ＰＦＰＥ（ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｐｏｌｙ
ｅｔｈｅｒ）油等が有効である。

【００１３】フッ素化油は、耐熱性、耐溶媒性、耐薬品
性に優れ、低蒸気圧であり、潤滑性にも優れる特徴を有
するものである。したがって、高温−低温雰囲気、真空
中−腐食性等の特殊雰囲気等の環境の変化に対して特性
の変化が少なく、それらの雰囲気においても潤滑性が失
われることなく長期的に安定した特性が得られるもので
ある。

【００１４】このようなフッ素化油は、分子量の大きさ
によって粘度に違いが生じる。したがって、カーボン材
の気孔の大きさ、使用条件等に応じて所望の粘度のもの
を選択して使用すれば、種々の雰囲気において安定した
特性が得られることになる。

【００１５】フッ素化油をカーボン材に含浸するには、
気孔の大きさ等によって真空・加圧含浸法又は浸漬含浸
法等の含浸方法の中から適宜なものを選択して使用すれ
ば良い。また、必要に応じてカーボン材の摺動面以外の
表面を合成樹脂等で被覆すれば、含浸したフッ素化油が
摺動面以外の表面に流出するのを防ぐことができるもの
である。

【００１６】フッ素化油のカーボン材に対する含浸率
は、厳しくその範囲を問うものではない。含浸の深さに
よっても含浸率が微妙に変化するため、含浸率を厳密に
規定することは困難であるが、カーボン材の表面近傍に
おいて０．３ｗｔ％〜１０ｗｔ％程度の範囲にあれば良
好な効果が得られる。含浸率がこれらの範囲よりも低す
ぎると潤滑不足の問題が生じ、逆に高すぎると使用時に
摺動面にフッ素化油が過剰に流出し、摺動面に塵芥等が
付着し易くなるといった問題が生じるからである。

【００１７】上記のような過程を経て作られた摺動材を
有するこの実施の形態によるメカニカルシールは、摺動
材を構成するカーボン材の自己潤滑性とカーボン材に含
浸した潤滑材との協働により、高速、高面圧等の過酷な
条件下においても、真空中、還元ガス中、低露点のドラ
イ雰囲気等においても、著しい摩耗や摺動部の面荒れを
起こしたり、潤滑性が失われて著しい摩耗が発生したり
することはなく、摺動部を良好に潤滑することができる
ことになる。しかも、そのような良好な潤滑状態を長期
的に維持することができることになる。したがって、使
用できる範囲を大幅に広げることができるとともに、そ
のような広い範囲において長期的に安定して使用するこ
とができることになる。

【００１８】以下、この発明の実施の形態によるメカニ
カルシールを実施例に基づいて具体的に説明する。

【００１９】（実施例１）メソフェース成形体を２８０
０℃で黒鉛化して気孔率８％のカーボン材を形成し、こ
れを素材として摺動面がφ２３×φ２９ｍｍ（大きさ２
３×３５×１０ｍｍ）の試験片を形成し、これを評価用
の試験片とした。そして、この試験片を真空・加圧状態
に絶えられる容器を備えた含浸装置の容器中に入れ、
０．１ｍｍＨｇまで真空引きし、この後、粘度を下げる
ため７０℃に加熱したフッ素化油（バリエルタＪ１００
平均分子量３５００（ＮＯＫ株式会社製））を流し込
み、約２０分間保持した後、Ｎ₂ ガスを用いて９Ｋｇ／
ｃｍ² ー１２０分間の加圧含浸を行った。終了後、大気
圧に戻し、試験片を取り出した。含浸率は３ｗｔ％であ
った。また、加熱したフッ素化油での浸漬含浸によって
含浸率０．５ｗｔ％の試験片を作成した。その後、ｒｉ
ｎｇ−ｏｎ−ｒｉｎｇ式の摩擦摩耗試験機を用いて大気
中、高温中、アルゴン雰囲気中及び真空中での摺動試験
を行った。その試験条件及び試験結果を表１に示す。

【００２０】（比較例１）実施例１で使用したカーボン
材について無含浸のものを用い、実施例１と同様な試験
を行った。その結果を表１に示す。

【００２１】（実施例２）人造黒鉛（平均粒度１０μ
ｍ）５０ｗｔ％とコールタールピッチ４５ｗｔ％及びフ
ェノール樹脂５ｗｔ％を均一に混合した後、加圧ニーダ
ーを用いて１６０℃ー６０分間の混練りを行った。冷却
後、自由ミルを用いて１００メッシュ以下に微粉砕を行
い成形粉を得た。成型圧力１．３ｔｏｎ／ｃｍ² ー５分
の条件で金型プレス成形を行い、φ１５×φ５０×３０
ｍｍの成形体を得た。このカーボンを２５００℃まで熱
処理して硬度７０、比重１．８０、気孔率１７％の黒鉛
化カーボン材を得た。このカーボン材を素材として摺動
面がφ２３×φ２９ｍｍ（大きさ２３×３５×１０ｍ
ｍ）の試験片を作り、評価用の試験片とした。この試験
片を真空・加圧状態に耐えられる容器を備えた含浸装置
の容器中に入れ０．１ｍｍＨｇまで真空引きし、この
後、７０℃に加熱したフッ素化油（バリエルタＪ４０
０、平均分子量７５００（ＮＯＫ株式会社製））を流し
込み、約２０分間保持した後、Ｎ₂ ガスを用いて９Ｋｇ
／ｃｍ² −１２０分間の加圧含浸を行った。含浸率は７
ｗｔ％であった。終了後、大気圧に戻して試験片を取り
出し、実施例１と同様な試験を行った。その結果を表１
に示す。

【００２２】（比較例２）実施例２で使用したカーボン
材について無含浸のものを用い、実施例１と同じ試験を
行った。その結果を表１に示す。

【００２３】上記の試験結果から、フッ素化油を含浸し
たカーボン材（実施例１および２）は、大気雰囲気２５
℃において、無含浸のカーボン材（比較例１および２）
に対して摺動面の温度が高いものの摩耗はなく、耐摩耗
性に優れていることが分かる。これは、摺動面上に形成
されたフッ素化油膜の粘性抵抗によるものと考えられ
る。大気雰囲気２００℃の高温条件では、摩擦係数、摩
耗及び摺動面温度など全ての点でフッ素化油を含浸した
ものの方が含浸していないものよりも優れている。アル
ゴン、真空雰囲気においても、フッ素化油を含浸したも
のの方が含浸していないものよりも、摩擦係数、摩耗及
び摺動面温度で優れている。したがって、フッ素化油を
含浸したものは、雰囲気の影響を受けず、環境が変化し
ても安定した潤滑状態にあることが分かる。

【００２４】（実施例３）実施例１で用いたメソフェー
ス成型体より摺動面がφ５８．６×φ６６．１ｍｍ（大
きさφ５６×φ８１×２７）の試験片を作り、評価用の
試験片とした。この試験片に実施例１と同様の方法でフ
ッ素化油を含浸した。含浸率は２．８ｗｔ％であった。
この試験片を用いてメカニカルシール性能評価試験を行
った。比較例として、無含浸のものについて試験を行っ
た。試験条件及び試験結果を表２に示す。メカニカルシ
ールを用いた試験結果からフッ素化油を含浸したガーボ
ン材は、無含浸のものに比較して著しい耐摩耗性の向上
が認められる。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【表２】

【００２７】

【発明の効果】この発明は前記のように構成したことに
より、以下のような効果を奏することになる。すなわ
ち、メカニカルシールの固定環または回転環の何れか一
方をカーボン材で形成するとともに、カーボン材で形成
した部材の少なくとも摺動部に潤滑材を含浸したことに
より、固定環と回転環が摺動接触する際、カーボン材の
特性による自己潤滑性に潤滑材の特性を加えることがで
き、それらの協働によって摺動部が潤滑されることにな
る。したがって、カーボン材の自己潤滑性だけに頼る場
合に比べて潤滑性が著しく向上することになる。また、
潤滑材としてフッ素化油を用いた場合には、フッ素化油
の耐熱性、耐溶媒性、耐薬品性、低蒸気圧、高潤滑性等
の特性を利用することができるので、高速、高面圧等の
過酷な条件下であっても、真空中、還元ガス中、低露点
のドライ雰囲気等であっても、良好な潤滑性が得られる
ことになる。したがって、そのような条件下、雰囲気で
あっても摺動部を良好に潤滑することができるととも
に、そのような良好な潤滑状態を長期的に維持すること
ができることになり、広い範囲において良好な潤滑状態
が長期的に得られることになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明によるメカニカルシールの一実施の形
態を示した概略図である。

【符号の説明】

１……回転体 ２……回転環（シールリング） ３……コンプレッションリング ４……スプリング ５……カラー ６……固定体 ７……固定環（フローティングシート） ８、９……パッキン

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転体に装着される回転環と固定体に装
   着される固定環とを具え、両環を相互に摺動接触させる
   ことにより回転部分をシールするようになっているメカ
   ニカルシールにおいて、 前記固定環または回転環の何れか一方をカーボン材で形
   成するとともに、カーボン材で形成した部材の少なくと
   も摺動部に潤滑材を含浸したことを特徴とするメカニカ
   ルシール。
2. 【請求項２】 前記潤滑材の含浸率は０．３〜２０ｗｔ
   ％である請求項１記載のメカニカルシール。
3. 【請求項３】 前記潤滑材は炭素、フッ素、酸素原子か
   らなるフッ素化油である請求項１および２記載のメカニ
   カルシール。