JPH0968228A - ガスシール - Google Patents
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- JPH0968228A JPH0968228A JP4673496A JP4673496A JPH0968228A JP H0968228 A JPH0968228 A JP H0968228A JP 4673496 A JP4673496 A JP 4673496A JP 4673496 A JP4673496 A JP 4673496A JP H0968228 A JPH0968228 A JP H0968228A
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Landscapes
- Sliding-Contact Bearings (AREA)
- Mechanical Sealing (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 摩擦係数を低減し、しかも耐摩耗性を向上さ
せたガスシールを提供すること。 【解決手段】 回転側である回転軸２に直接または間接
的に固定された回転環５と、固定側に直接又は間接的に
固定され、該回転環５に対向摺接する固定環６とを具備
し、該回転環５と固定環６の摺接面に高圧Ｈ側と低圧Ｌ
側とのガスシール機能を持たせるガスシールであって、
回転環５又は固定環６のいずれか一方の少なくとも摺接
面がカーボンを含む材料からなり、他方の摺接面に窒化
チタン薄膜を形成した。
せたガスシールを提供すること。 【解決手段】 回転側である回転軸２に直接または間接
的に固定された回転環５と、固定側に直接又は間接的に
固定され、該回転環５に対向摺接する固定環６とを具備
し、該回転環５と固定環６の摺接面に高圧Ｈ側と低圧Ｌ
側とのガスシール機能を持たせるガスシールであって、
回転環５又は固定環６のいずれか一方の少なくとも摺接
面がカーボンを含む材料からなり、他方の摺接面に窒化
チタン薄膜を形成した。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、耐摩耗性、低い摩
擦係数が要求されるコンプレッサー等に好適なガスシー
ルに関するものである。
擦係数が要求されるコンプレッサー等に好適なガスシー
ルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来から、ポンプ、タービン、コンプレ
ッサー等の流体機械用のガスシールとして、超硬合金、
セラミックのいずれかを基材とする可動部材とカーボン
を主体とする静止部材とを組み合わせた構成のものが多
く使用されている。
ッサー等の流体機械用のガスシールとして、超硬合金、
セラミックのいずれかを基材とする可動部材とカーボン
を主体とする静止部材とを組み合わせた構成のものが多
く使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】最近、これら流体機械
の小型、高速、大容量化のニーズに伴い、ガスシールの
使用条件は、高速、大荷重へとますます過酷なものとな
ってきている。そのためガスシールに従来から使用され
ている超硬合金などの材料では、固体間の滑り接触によ
る摩擦熱の繰返しによる熱衝撃破壊や熱疲労割れの発生
等の問題が指摘されている。
の小型、高速、大容量化のニーズに伴い、ガスシールの
使用条件は、高速、大荷重へとますます過酷なものとな
ってきている。そのためガスシールに従来から使用され
ている超硬合金などの材料では、固体間の滑り接触によ
る摩擦熱の繰返しによる熱衝撃破壊や熱疲労割れの発生
等の問題が指摘されている。
【０００４】一方、ＳＩＣなどのセラミックは摺動によ
る熱応力に対しては、超硬合金より優れているが、高速
回転体として利用した場合、耐衝撃性等の機械的性質が
劣る欠点を有している。また、金属材料の表面に、浸
炭、窒化処理などの硬化処理を施して摺動部材に用いて
いるが、これらの表面処理では、改質層自体の硬度、処
理後の基材変形などの点で、十分満足できる摺動面が得
られなかった。
る熱応力に対しては、超硬合金より優れているが、高速
回転体として利用した場合、耐衝撃性等の機械的性質が
劣る欠点を有している。また、金属材料の表面に、浸
炭、窒化処理などの硬化処理を施して摺動部材に用いて
いるが、これらの表面処理では、改質層自体の硬度、処
理後の基材変形などの点で、十分満足できる摺動面が得
られなかった。
【０００５】また、ガスシールにおいて、回転側である
回転軸に直接または間接的に固定された回転環が回転軸
に対して回転するのを防止する回り止めの構造に、従来
の脆性材料（超硬合金、セラミックス）を使用した場合
は、次のような問題があった。即ち、機械加工、応力集
中などを避ける設計上の工夫が必要で、セラミックスな
どでは、焼きばめなどのプロセスで固定する。また、こ
れらが破損した場合、他の機械部品への損傷を避ける目
的で、飛散防止カバーで覆う等の対策が必要であった。
回転軸に直接または間接的に固定された回転環が回転軸
に対して回転するのを防止する回り止めの構造に、従来
の脆性材料（超硬合金、セラミックス）を使用した場合
は、次のような問題があった。即ち、機械加工、応力集
中などを避ける設計上の工夫が必要で、セラミックスな
どでは、焼きばめなどのプロセスで固定する。また、こ
れらが破損した場合、他の機械部品への損傷を避ける目
的で、飛散防止カバーで覆う等の対策が必要であった。
【０００６】本発明は上述の点に鑑みてなされたもの
で、摩擦係数を低減し、しかも耐摩耗性を向上させたガ
スシールを提供することを目的とする。
で、摩擦係数を低減し、しかも耐摩耗性を向上させたガ
スシールを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明は、回転側である回転軸に直接または間接的に固
定された回転環と、固定側に直接又は間接的に固定さ
れ、該回転環に対向摺接する固定環とを具備し、該回転
環と固定環の摺接面に高圧側と低圧側とのガスシール機
能を持たせるガスシールであって、回転環又は固定環の
いずれか一方の少なくとも摺接面がカーボンを含む材料
からなり、他方の摺接面に窒化チタン薄膜を形成したこ
とを特徴とする。
本発明は、回転側である回転軸に直接または間接的に固
定された回転環と、固定側に直接又は間接的に固定さ
れ、該回転環に対向摺接する固定環とを具備し、該回転
環と固定環の摺接面に高圧側と低圧側とのガスシール機
能を持たせるガスシールであって、回転環又は固定環の
いずれか一方の少なくとも摺接面がカーボンを含む材料
からなり、他方の摺接面に窒化チタン薄膜を形成したこ
とを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１は本発明のガスシールを遠心
圧縮機に用いた構成例を示す図である。同図において、
シールハウジング１を貫通する回転軸２には軸スリーブ
３が固定されている。該軸スリーブ３の所定位置にはリ
ング状の突出部３ａが一体に設けられ、該突出部３ａの
両側にキー４、４を介して回転環５、５（メイティング
リング）が保持されている。
に基づいて説明する。図１は本発明のガスシールを遠心
圧縮機に用いた構成例を示す図である。同図において、
シールハウジング１を貫通する回転軸２には軸スリーブ
３が固定されている。該軸スリーブ３の所定位置にはリ
ング状の突出部３ａが一体に設けられ、該突出部３ａの
両側にキー４、４を介して回転環５、５（メイティング
リング）が保持されている。
【０００９】各回転環５に対向して固定環６が配設さ
れ、該固定環６はピン７を介してシールリングテーナ８
に結合されている。該シールリングテーナ８とシールハ
ウジング１との間にはスプリング９を介装している。そ
して該スプリング９及びシールリングテーナ８を介して
各固定環６は回転環５におしつけられている。なお、１
０はロックプレート、１１はシエアリングキー、１２は
遠心圧縮機のケーシングである。また、１３〜２０はそ
れぞれ密封用のＯリングである。
れ、該固定環６はピン７を介してシールリングテーナ８
に結合されている。該シールリングテーナ８とシールハ
ウジング１との間にはスプリング９を介装している。そ
して該スプリング９及びシールリングテーナ８を介して
各固定環６は回転環５におしつけられている。なお、１
０はロックプレート、１１はシエアリングキー、１２は
遠心圧縮機のケーシングである。また、１３〜２０はそ
れぞれ密封用のＯリングである。
【００１０】回転環５の摺動面には図２に示すように、
高圧Ｈ側から低圧Ｌ側に向けてスパイラル溝５ａ（深さ
２〜１５μｍ）が形成され、その上に窒化チタン薄膜が
形成されている。該窒化チタン薄膜の形成方法の一例と
して、ダイナミックミキシング法、即ちスパイラル溝５
ａが形成された回転環５の表面に対向してチタン蒸気発
生源及びイオン源を配置し、チタン蒸気発生源からチタ
ン蒸気を回転環５の表面に向けて発すると共に、イオン
源から窒素イオンを主体とするイオンビームを照射する
ことにより、２μｍ以上の窒化チタンの薄膜を形成す
る。
高圧Ｈ側から低圧Ｌ側に向けてスパイラル溝５ａ（深さ
２〜１５μｍ）が形成され、その上に窒化チタン薄膜が
形成されている。該窒化チタン薄膜の形成方法の一例と
して、ダイナミックミキシング法、即ちスパイラル溝５
ａが形成された回転環５の表面に対向してチタン蒸気発
生源及びイオン源を配置し、チタン蒸気発生源からチタ
ン蒸気を回転環５の表面に向けて発すると共に、イオン
源から窒素イオンを主体とするイオンビームを照射する
ことにより、２μｍ以上の窒化チタンの薄膜を形成す
る。
【００１１】上記イオンビームの投与エネルギーを０．
１Ｗ／ｃｍ2乃至６Ｗ／ｃｍ2の範囲内にすることによ
り、ビッカース硬さ２５００以上の窒化チタンの薄膜が
形成される。該薄膜と回転環５の基材との密着力は２．
８ＧＰａ以上（スクラッチ試験による剪断応力）とな
る。
１Ｗ／ｃｍ2乃至６Ｗ／ｃｍ2の範囲内にすることによ
り、ビッカース硬さ２５００以上の窒化チタンの薄膜が
形成される。該薄膜と回転環５の基材との密着力は２．
８ＧＰａ以上（スクラッチ試験による剪断応力）とな
る。
【００１２】上記構成のガスシールにおいて、回転軸２
が回転することにより、回転環５と固定環６とが相対運
動し、これにより回転環５の摺動面に形成されたスパイ
ラル溝５ａが高圧側のガスを巻き込んで、該摺動面に密
封流体膜を形成する。この密封流体膜により摺動面は非
接触状態となり、回転環５と固定環６との間に密封さ
れ、高圧Ｈ側から低圧Ｌ側へのガスの漏れが制限され
る。
が回転することにより、回転環５と固定環６とが相対運
動し、これにより回転環５の摺動面に形成されたスパイ
ラル溝５ａが高圧側のガスを巻き込んで、該摺動面に密
封流体膜を形成する。この密封流体膜により摺動面は非
接触状態となり、回転環５と固定環６との間に密封さ
れ、高圧Ｈ側から低圧Ｌ側へのガスの漏れが制限され
る。
【００１３】なお、上記例では回転環５の摺動面に動圧
発生用のスパイラル溝５ａを形成する例を示したが、動
圧発生用の溝はスパイラル溝に限定されるものではない
ことは当然である。また、動圧による非接触摺動に限定
されるものではなく、静圧により非接触摺動であっても
よい。
発生用のスパイラル溝５ａを形成する例を示したが、動
圧発生用の溝はスパイラル溝に限定されるものではない
ことは当然である。また、動圧による非接触摺動に限定
されるものではなく、静圧により非接触摺動であっても
よい。
【００１４】上記のように回転環（メインティングリン
グ）５の摺動面に窒化チタン薄膜を形成し、カーボン製
の固定環（静止リング）とを組み合わせ、起動・停止繰
り返し実験したときの起動トルクの測定結果を図３に示
す。同図において、曲線Ａは本発明の実施形態を、曲線
Ｃは回転環５に超硬合金を用いた比較例を示し、共に密
封差圧が３ＭＰａの場合を示す。また、曲線Ｂは本発明
の実施形態を、曲線Ｄは回転環５に超硬合金を用いた比
較例を示し、共に密封差圧が２ＭＰａの場合を示す。
グ）５の摺動面に窒化チタン薄膜を形成し、カーボン製
の固定環（静止リング）とを組み合わせ、起動・停止繰
り返し実験したときの起動トルクの測定結果を図３に示
す。同図において、曲線Ａは本発明の実施形態を、曲線
Ｃは回転環５に超硬合金を用いた比較例を示し、共に密
封差圧が３ＭＰａの場合を示す。また、曲線Ｂは本発明
の実施形態を、曲線Ｄは回転環５に超硬合金を用いた比
較例を示し、共に密封差圧が２ＭＰａの場合を示す。
【００１５】図３から明らかなように、多数回の起動繰
返しに対して、本発明の実施形態（曲線Ａ、Ｂ）では回
転環の起動トルクが、比較例（曲線Ｃ、Ｄ）と比べて小
さく、優れた摺動特性を有する。
返しに対して、本発明の実施形態（曲線Ａ、Ｂ）では回
転環の起動トルクが、比較例（曲線Ｃ、Ｄ）と比べて小
さく、優れた摺動特性を有する。
【００１６】図４及び図５は、回転環５の基板に用いら
れる各種材料の熱膨張係数と基板変形量及び漏れ量との
関係を示す図である。但し、図４の基板変形量は、各種
材料から形成された基板が図６に示す寸法を有し、この
基板上に図２に示すスパイラル溝５ａ（深さ２〜１５μ
ｍ）を有し、この基板に表裏の摺動過熱による温度差が
１０℃である場合の変形量を熱解析プログラムによる数
値計算から求めた結果である。
れる各種材料の熱膨張係数と基板変形量及び漏れ量との
関係を示す図である。但し、図４の基板変形量は、各種
材料から形成された基板が図６に示す寸法を有し、この
基板上に図２に示すスパイラル溝５ａ（深さ２〜１５μ
ｍ）を有し、この基板に表裏の摺動過熱による温度差が
１０℃である場合の変形量を熱解析プログラムによる数
値計算から求めた結果である。
【００１７】図５の漏れ量は、実際に図６の寸法及び図
２のスパイラル溝５ａを有する基板を形成し、このスパ
イラル溝５ａの形成面に窒化チタン薄膜をダイナミック
ミキシング法により膜厚が３μｍになるまで形成して回
転環５とし、これを硬質カーボンからなる固定環６と共
に、図１の遠心圧縮機に組み込み、密封差厚を３ＭＰ
ａ、回転速度を１２０００ｒｐｍとした時の高圧Ｈ側か
ら低圧Ｌ側への流体（ガス）の漏れ量を測定したもので
ある。
２のスパイラル溝５ａを有する基板を形成し、このスパ
イラル溝５ａの形成面に窒化チタン薄膜をダイナミック
ミキシング法により膜厚が３μｍになるまで形成して回
転環５とし、これを硬質カーボンからなる固定環６と共
に、図１の遠心圧縮機に組み込み、密封差厚を３ＭＰ
ａ、回転速度を１２０００ｒｐｍとした時の高圧Ｈ側か
ら低圧Ｌ側への流体（ガス）の漏れ量を測定したもので
ある。
【００１８】図４及び図５より明らかなように、基板材
料として超硬合金、耐熱インバー合金、ＳＵＳ４２０Ｊ
２鋼等の低熱膨張材料を用いたとき、変形量及び漏れ量
とも小さく、優れたシール性能及び耐摩耗性が得られる
ことが分かる。なお、低熱膨張材料としては、これらの
材料に限定されるものではなく、熱膨張係数が１０×１
／１０6℃以下のものであれば、チタン合金等他の材料
でもよい。更に変形量及び漏れ量の点をある程度許容す
れば、必ずしも低熱膨張材料でなくともよい。
料として超硬合金、耐熱インバー合金、ＳＵＳ４２０Ｊ
２鋼等の低熱膨張材料を用いたとき、変形量及び漏れ量
とも小さく、優れたシール性能及び耐摩耗性が得られる
ことが分かる。なお、低熱膨張材料としては、これらの
材料に限定されるものではなく、熱膨張係数が１０×１
／１０6℃以下のものであれば、チタン合金等他の材料
でもよい。更に変形量及び漏れ量の点をある程度許容す
れば、必ずしも低熱膨張材料でなくともよい。
【００１９】なお、上記実施形態では、回転環５に低熱
膨張材料を用いその摺動面に窒化チタン薄膜を形成し、
固定環６に硬質カーボン等のカーボンを含む材料を用い
る例を示したが、固定環６に低熱膨張材料を用いその摺
動面に窒化チタン薄膜を形成して、回転環５に硬質カー
ボン等のカーボンを含む材料を用いてもよいことは当然
である。
膨張材料を用いその摺動面に窒化チタン薄膜を形成し、
固定環６に硬質カーボン等のカーボンを含む材料を用い
る例を示したが、固定環６に低熱膨張材料を用いその摺
動面に窒化チタン薄膜を形成して、回転環５に硬質カー
ボン等のカーボンを含む材料を用いてもよいことは当然
である。
【００２０】また、上記実施形態では窒化チタンの薄膜
を形成する回転環５又は固定環６の基材に金属材料を用
いたが、本発明はそれに限定されるものではなく、超硬
合金、セラミックスを用いても全く同様な効果が得られ
る。
を形成する回転環５又は固定環６の基材に金属材料を用
いたが、本発明はそれに限定されるものではなく、超硬
合金、セラミックスを用いても全く同様な効果が得られ
る。
【００２１】上記カーボンを含む材料とは、例えばカー
ボン系複合材料（カーボン繊維強化型複合材料、カーボ
ン複合材料等）、炭素鋼、鋳鉄、炭化物（ＳｉＣ、Ｃｒ
3Ｃ4、ＴｉＣ等）、カーボン系コーティング材料（ＤＬ
Ｃ〔ダイヤモンドライクカーボン〕膜、ＴｉＣ膜）など
を含む。
ボン系複合材料（カーボン繊維強化型複合材料、カーボ
ン複合材料等）、炭素鋼、鋳鉄、炭化物（ＳｉＣ、Ｃｒ
3Ｃ4、ＴｉＣ等）、カーボン系コーティング材料（ＤＬ
Ｃ〔ダイヤモンドライクカーボン〕膜、ＴｉＣ膜）など
を含む。
【００２２】なお、図１に示すガスシールにおいては、
回転環５を軸スリーブ３を介して間接的に回転軸２に取
り付ける構成としているが、これに限定されるものでは
なく、回転環５は直接回転軸２に取り付ける構成として
もよいことは当然である。
回転環５を軸スリーブ３を介して間接的に回転軸２に取
り付ける構成としているが、これに限定されるものでは
なく、回転環５は直接回転軸２に取り付ける構成として
もよいことは当然である。
【００２３】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ガ
スシールを構成する回転環又は固定環のいずれか一方の
少なくとも摺接面がカーボンを含む材料とし、他方の摺
接面に窒化チタン薄膜を形成したので、優れたシール性
を有し、且つ低摩擦係数と優れた耐摩耗性を有するガス
シールが提供できる。
スシールを構成する回転環又は固定環のいずれか一方の
少なくとも摺接面がカーボンを含む材料とし、他方の摺
接面に窒化チタン薄膜を形成したので、優れたシール性
を有し、且つ低摩擦係数と優れた耐摩耗性を有するガス
シールが提供できる。
【図１】本発明のガスシールを遠心圧縮機に用いた構成
例を示す図である。
例を示す図である。
【図２】回転環の摺動面に形成されるスパイラル溝５ａ
を示す図である。
を示す図である。
【図３】本発明のガスシールが摺動回転したときの起動
トルクの測定結果を示す図である。
トルクの測定結果を示す図である。
【図４】回転環の基板に用いられる各種材料の熱膨張係
数と基板の変形量を示す図である。
数と基板の変形量を示す図である。
【図５】回転環の基板に用いられる各種材料と漏れ量と
の関係を示す図である。
の関係を示す図である。
【図６】回転環の基板の形状及び変形量を示す図であ
る。
る。
１ シールハウジング ２ 回転軸 ３ 軸スリーブ ４ キー ５ 回転環 ６ 固定環 ７ ピン ８ シールリングテーナ ９ スプリング １０ ロックプレート １１ シエアリングキー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木内 正人 大阪府池田市緑丘１丁目８番31号 工業技 術院大阪工業技術研究所内 (72)発明者 長坂 浩志 神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号 株 式会社荏原総合研究所内 (72)発明者 木村 芳一 神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号 株 式会社荏原総合研究所内 (72)発明者 土屋 直樹 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内
Claims (4)
- 【請求項１】 回転側である回転軸に直接または間接的
に固定された回転環と、固定側に直接又は間接的に固定
され、該回転環に対向摺接する固定環とを具備し、該回
転環と固定環の非接触摺接面に高圧側と低圧側とのガス
シール機能を持たせるガスシールであって、 前記回転環又は固定環のいずれか一方の少なくとも非接
触摺接面がカーボンを含む材料からなり、他方の摺接面
に窒化チタン薄膜を形成したことを特徴とするガスシー
ル。 - 【請求項２】 前記カーボンを含む材料が、カーボンを
主体とする材料又はカーボンを含浸する材料からなるこ
とを特徴とする請求項１に記載のガスシール。 - 【請求項３】 前記カーボンを含む材料が、カーボン系
複合材料、炭素鋼、鋳鉄、炭化物、カーボン系コーティ
ング材料、高分子材料のいずれかであることを特徴とす
る請求項１に記載のガスシール。 - 【請求項４】 前記窒化チタン薄膜の膜厚が２μｍ以上
であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に
記載のガスシール。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04673496A JP3281253B2 (ja) | 1994-05-30 | 1996-02-07 | ガスシール |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6-139431 | 1994-05-30 | ||
| JP13943194 | 1994-05-30 | ||
| JP04673496A JP3281253B2 (ja) | 1994-05-30 | 1996-02-07 | ガスシール |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12840895A Division JP3291552B2 (ja) | 1994-05-30 | 1995-05-26 | シール又は軸受 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0968228A true JPH0968228A (ja) | 1997-03-11 |
| JP3281253B2 JP3281253B2 (ja) | 2002-05-13 |
Family
ID=26386849
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04673496A Expired - Lifetime JP3281253B2 (ja) | 1994-05-30 | 1996-02-07 | ガスシール |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3281253B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2018009631A (ja) * | 2016-07-13 | 2018-01-18 | 日本ピラー工業株式会社 | メカニカルシール |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| IT202300001536A1 (it) * | 2023-02-01 | 2024-08-01 | Sealtek S R L | Dispositivo di tenuta per attrezzature con albero rotante |
-
1996
- 1996-02-07 JP JP04673496A patent/JP3281253B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2018009631A (ja) * | 2016-07-13 | 2018-01-18 | 日本ピラー工業株式会社 | メカニカルシール |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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