JP7154692B2 - メカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、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もしくは両方に低摩擦性と耐摩耗性に優れる炭素系硬質膜を備えたものがある。

特開２００５－０６１４２６号公報（第４頁、第１図）

特許文献１に示されるようなメカニカルシールにあっては、一例として回転密封環の摺動面に炭素系硬質膜を備え、対する静止密封環は炭化珪素等の硬質材から形成されている構成が示されており、このように静止密封環と回転密封環との摺動面が互いに硬質材料である場合、摺動面に被密封流体を吸着させることで、被密封流体が潤滑材として機能し、これら摺動面同士の摩擦係数を低減することができる。しかしながら、特許文献１のようなメカニカルシールは、静止密封環と回転密封環との僅かな隙間から入り込んだ微量の被密封流体は、静止密封環と回転密封環との摺動に伴い除去されてしまい、硬質材を採用したことによる低摩擦性能を十分に享受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、密封環の摺動面同士を低い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、
一方の密封環の摺動面と、他方の密封環の摺動面とを摺動させて、流体機器の内部から外部または外部から内部への被密封流体の漏れを防ぐメカニカルシールであって、
少なくとも前記一方の密封環は、該密封環を構成する基材の他方の密封環との対向面に炭素系硬質膜が形成されて摺動面とされており、前記摺動面には前記基材に形成された凹部と、前記炭素系硬質膜に形成された開口部とにより前記被密封流体を内在させる凹所が形成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、一方の密封環の摺動面に形成された凹所内に被密封流体が入り込み該凹所内に被密封流体が内在されることとなり、この凹所から対向する摺動面の間に被密封流体が供給され流体膜が形成されやすく、炭素系硬質膜の特性を維持しながら、密封環の摺動面同士を低い摩擦状態に維持できる。

好適には、前記開口部における少なくとも回転周方向の開口縁部の少なくとも一部の前記炭素系硬質膜は、前記基材に形成された前記凹部の内側面に重なる位置まで延びて形成されている。
これによれば、被密封流体の流れ方向の上流側の凹部の内側面に重なる位置まで炭素系硬質膜が延びて形成されていると、凹所付近の被密封流体は炭素系硬質膜に沿って開口縁部から凹部の底側に誘導されやすく、凹所内に被密封流体Ｆが流れ込みやすい。また、被密封流体の流れ方向の下流側の凹部の内側面に重なる位置まで炭素系硬質膜が延びて形成されていると、凹所内の被密封流体は開口縁部から炭素系硬質膜に沿って流れ出やすく、摺動面同士を低い摩擦状態とすることができる。また、炭素系硬質膜の開口縁部の先端縁は、他方の密封環の摺動面に当接しないため、密封環の摺動面同士の相対回転による炭素系硬質膜の剥離を防止できる。

好適には、前記炭素系硬質膜に形成された前記開口部における少なくとも回転周方向の開口縁部は、前記基材の凹部の底方向に傾斜する傾斜面を成す。
これによれば、傾斜面を成す炭素系硬質膜の開口縁部に沿って、摺動面の被密封流体が凹所内に入り込みやすく、かつ凹所内から炭素系硬質膜に沿って摺動面に流れ出やすい。

好適には、前記炭素系硬質膜に形成された前記開口部における少なくとも回転周方向の開口縁部は、前記基材の凹部の底方向に傾斜する曲面を成す。
これによれば、炭素系硬質膜の摺動表面と開口縁部とは滑らかに連なるため、被密封流体は、摺動面から凹所の底側に円滑に入り込みやすく、かつ凹所から炭素系硬質膜の摺動表面に流れ出やすい。

好適には、前記基材の凹部の縁部には底方向に傾斜する傾斜面が形成されている。
これによれば、炭素系硬質膜は基材に対してＣＶＤやＰＶＤによる成膜により、炭素系硬質膜の開口縁部を基材の凹部の内側面に沿った形状である傾斜面に容易に形成することができる。

好適には、前記基材の凹部の縁部には底方向に傾斜する曲面が形成されている。
これによれば、炭素系硬質膜は基材に対してＣＶＤやＰＶＤによる成膜により、炭素系硬質膜の開口縁部を基材の凹部の内側面に沿った形状である曲面に容易に形成することができる。

好適には、前記炭素系硬質膜に形成された前記開口部における回転周方向の一方の開口縁部と他方の開口縁部とは、径方向を基準として対称形状に形成されている。
これによれば、回転周方向の炭素系硬質膜の開口縁部が対称形状であることから、凹所内に入り込む被密封流体の流れと凹所内から流れ出る被密封流体の流れが近似するため、凹所内の乱流の発生を防止できる。

好適には、前記炭素系硬質膜は、前記開口部の開口縁部から前記基材に形成された凹部の底まで連続して形成されている。
これによれば、炭素系硬質膜の成膜時に凹部の底面にマスキングする等の手間を省略できるばかりか、凹所内すなわち凹部の表面が全て炭素系硬質膜で形成されるため、凹部内部における被密封流体の流動性が安定し、乱流の発生を防止できる。

好適には、前記基材に形成された前記凹部の内側面の表面の面粗度は、前記基材の対向面の面粗度に比べて粗く形成されている。
これによれば、炭素系硬質膜は基材の凹部の内側面に強固に固定される。

本発明の実施例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におけるメイティングリングをシールリングとの対向面側から軸方向に見た図であり、（ｂ）は、シールリングをメイティングリングとの対向面側から軸方向に見た図である。 実施例１におけるシールリングとメイティングリングとの摺動面を示す図である。 本発明の実施例２におけるメイティングリングの凹所をシールリングとの対向面側から軸方向に見た一部拡大図である。 （ａ）は、実施例２における図５のＡ－Ａ断面図であり、（ｂ）は、図５のＢ－Ｂ断面図である。 本発明の実施例３におけるメイティングリングの凹所を示す一部拡大断面図である。 本発明の実施例４におけるメイティングリングの凹所を示す一部拡大断面図である。 本発明の実施例５におけるメイティングリングの凹所を示す一部拡大断面図である。 本発明の実施例６におけるメイティングリングの凹所を示す一部拡大断面図である。 メカニカルシールの変形例１を示す一部拡大断面図である。 メカニカルシールの変形例２を示す一部拡大断面図である。 メカニカルシールの変形例３を示す一部拡大断面図である。 メカニカルシールの参考例１を示す一部拡大断面図である。 メカニカルシールの参考例２を示す一部拡大断面図である。 メカニカルシールの参考例３を示す一部拡大断面図である。

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側Ｍ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の外周から大気側Ａ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の摺動表面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、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等で成膜されており、低摩擦性と耐摩耗性に優れる。炭素系硬質膜１０は、基材５Ａの対向面５ａに後述する凹部５ｂ（recess portion）を形成した後に、ＣＶＤやＰＶＤ等の技術を用いて成膜される。

図３に示されるように、基材５Ａの対向面５ａには凹部５ｂが形成されている。凹部５ｂは基材５Ａの周方向に４つ等配して設けられている。炭素系硬質膜１０には、凹部５ｂに対応する位置に開口部１０ｂが形成されており、凹部５ｂと開口部１０ｂ（opening portion）とによりメイティングリング５の摺動面Ｓ１に開口する凹所９（recess）が構成されている。凹所９は軸方向の深さが１０μｍに形成されている。

一方、シールリング３は、メイティングリング５と同様に、基材３Ａ（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、基材３Ａにおけるメイティングリング５との対向面３ａに炭素系硬質膜１１が成膜され、炭素系硬質膜１１の摺動表面１１ａは摺動面Ｓ２を構成している。

図３に示されるように、基材３Ａの対向面３ａには凹部３ｂが形成されている。凹部３ｂは基材３Ａの周方向に４つ等配して設けられている。炭素系硬質膜１１には、凹部３ｂに対応する位置に開口部１１ｂが形成されており、凹部３ｂと開口部１１ｂとによりシールリング３の摺動面Ｓ２とシールリング３の外径方向にそれぞれ開口する溝９０（凹所）が構成されている。溝９０は、軸方向の深さが１０μｍに形成されており、軸方向の深さ寸法が１０μｍ以上であると凹所９は被密封流体の保持作用が主体的となって、シールリング３とメイティングリング５とを軸方向に流体の圧力によって離間させる動圧発生作用はほとんど生じることはない。

図１に示されるように、メイティングリング５の摺動面Ｓ１に形成された凹所９と、シールリング３の対向面３ａに形成された溝９０とは、その径方向の一部が互いに対向可能となっており、これらの対向時に凹所９と溝９０とが連通するようになっている。そのため、機械側Ｍが被密封流体で満たされると、メカニカルシール１のシールリング３周辺の被密封流体Ｆは、シールリング３の溝９０に入り込んだ後、溝９０とメイティングリング５の凹所９とが対向した際に凹所９に入り込む。凹所９に入り込んだ被密封流体Ｆは、凹所９と対向する領域のシールリング３の摺動面Ｓ２の表面に吸着され、シールリング３とメイティングリング５との相対回転によりシールリング３の摺動面Ｓ２とメイティングリング５の摺動面Ｓ１との僅かな隙間に入り込む。隙間内に入り込んだ被密封流体Ｆは、メイティングリング５の摺動面Ｓ１に吸着され、摺動面Ｓ１と摺動面Ｓ２との摩擦力を低くすることができる。なお、凹所９内及び溝９０内の被密封流体Ｆは、相対回転の停止時においてもシールリング３の摺動面Ｓ２とメイティングリング５の摺動面Ｓ１との僅かな隙間から微量ながら浸入する。

これによれば、メイティングリング５の摺動面Ｓ１に形成された凹所９内に被密封流体Ｆが入り込み凹所９内に被密封流体Ｆが内在されることとなり、この凹所９から対向するシールリング３の摺動面Ｓ２の間に被密封流体Ｆが供給され流体膜が形成されやすく、炭素系硬質膜の特性を維持しながら、摺動面Ｓ１，Ｓ２同士を低い摩擦状態に維持できる。

図４に示されるように、メイティングリング５の炭素系硬質膜１０の摺動表面１０ａは、外径側から順に、シールリング３の溝９０と対向し凹所９を備えていない領域（β１）、溝９０と対向し凹所９を備える領域（β２）、シールリング３の溝９０と対向せず凹所９を備える領域（β３）、シールリング３の環状に連続するシール部３ｃと対向しかつシールリング３の溝９０と対向せず凹所９を備えていない領域（β４）に分けることができる。

領域β１は、シールリング３の溝９０と対向しているため、溝９０内の被密封流体Ｆが表面に直接吸着されため、被密封流体Ｆが比較的吸着されやすい。
領域β２は、溝９０と対向しているため、溝９０内の被密封流体Ｆが表面に直接吸着される。加えて領域β２は、自身の凹所９と対向する部分のシールリング３の炭素系硬質膜１１の摺動表面１１ａに被密封流体Ｆが吸着されているため、これら領域β２と摺動表面１１ａとにおける摺動性に優れる。
領域β３には、自身の凹所９と対向する部分のシールリング３の炭素系硬質膜１１の摺動表面１１ａを介して被密封流体Ｆが吸着される。
領域β４は、シールリング３の環状に連続するシール部１１ｃとの間に被密封流体Ｆが入り込み難く、被密封流体Ｆの大気側Ａへの漏れを防止している。

このように、領域β１～β３では、摺動面Ｓ１，Ｓ２同士の摺動における摩擦力が低減され、かつ領域β４とシール部１１ｃとでは、摺動面Ｓ１，Ｓ２同士の摺動における摩擦力の低減は限定的であるものの、メカニカルシールの密閉性を確実に担保できる。また、摺動面Ｓ１，Ｓ２同士が径方向に亘り当接することから、メイティングリング５とシールリング３との傾動を防止し、メカニカルシール１の密閉性を高い状態に維持することができる。

さらに、摺動面Ｓ１と摺動面Ｓ２との摺接箇所における被密封流体Ｆが吸着される部分の中央部（メイティングリング５におけるβ３）に最も多くの被密封流体Ｆが位置することになる。これによれば、互いの摺動面Ｓ１と摺動面Ｓ２との間に多くの被密封流体Ｆが位置することで摺動性に優れるため、凹所９と溝９０とが対向し連通する際に生じる乱流による回転抵抗の影響を高い摺動性で補うことができる。

また、溝９０は、シールリング３の外径方向に開口している、即ち被密封流体側に開放しているため、流体機器の機械側Ｍが高圧である状態（流体機器の運転時）にあっては、絶えず溝９０内に被密封流体Ｆが供給されるため、メイティングリング５とシールリング３との摺動に伴う炭素系硬質膜１０の摺動表面１０ａ（摺動面Ｓ１）からの被密封流体Ｆの除去に抗して、炭素系硬質膜１０の摺動表面１０ａに被密封流体Ｆを吸着可能な状態を維持することができる。

また、炭素系硬質膜１０の摺動面Ｓ１に吸着された被密封流体Ｆは、被密封流体Ｆが吸着された部分の摺動表面１０ａを介して、対向するシールリング３の摺動面Ｓ２の対応部分にも吸着されることから、メイティングリング５の摺動面Ｓ１とシールリング３の摺動面Ｓ２との摩擦を効果的に低くすることができる。

また、メイティングリング５の対向面５ａには単体で低摩擦性の高い炭素系硬質膜１０が成膜されていることに加え、上記した被密封流体を炭素系硬質膜１０の摺動表面１０ａに吸着させることで、さらにメイティングリング５の摺動面Ｓ１の低摩擦化を実現している。

また、炭素系硬質膜１０は基材５Ａの凹部５ｂを上に向けた状態でＣＶＤやＰＶＤにより成膜されることから、基材５Ａに形成された凹部５ｂの内側面５ｃの表面の面粗度（例えば算術平均粗さＲａ）は、対向面５ａの面粗度に比べて粗く形成されており、炭素系硬質膜１０の成膜時に内側面５ｃの表面に炭素系硬質膜１０を構成する素材が堆積しやすくなっている。また、炭素系硬質膜１０は基材５Ａの対向面５ａから凹部５ｂの内側面５ｃに亘って強固に固定できる。さらに、炭素系硬質膜１０は内側面５ｃ側が対向面５ａ側に比べて薄く成膜することで、凹所９の内部容量を確保できる。

次に、実施例２に係るメカニカルシールにつき、図５と図６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と図６に示されるように、メイティングリング１５の基材１５Ａの対向面１５ａには凹部１５ｂが周方向に４つ等配して形成されている。凹部１５ｂは、平面視において略矩形に形成されており、内側面１５ｃは、それぞれ対向面１５ａから底面１５ｄ方向に傾斜する傾斜面となっている。

炭素系硬質膜２０は、開口部２０ｂを成す開口縁部２１が、凹部１５ｂの内側面１５ｃにそれぞれ重なるように形成されている。このように、炭素系硬質膜２０の開口縁部２１が凹部１５ｂの内側面１５ｃにそれぞれ重ねられていることで、被密封流体Ｆは炭素系硬質膜２０の摺動表面２０ａから開口縁部２１を介して凹部１５ｂの底面１５ｄ側に誘導されやすく、基材１５Ａの凹部１５ｂと炭素系硬質膜２０の開口部２０ｂとにより構成される凹所１９内に被密封流体Ｆが流れ込みやすい。また、凹所１９内の被密封流体Ｆは開口縁部２１を介して炭素系硬質膜２０の表面２０ａ側に流れ出やすく、摺動面Ｓ１，Ｓ２同士を低い摩擦状態とすることができる。さらに、炭素系硬質膜２０の開口縁部２１の先端縁は、シールリング３の摺動面Ｓ２に当接しないため、メイティングリング１５とシールリング３の摺動面Ｓ１，Ｓ２同士の相対回転による炭素系硬質膜２０の剥離を防止できる。加えて、被密封流体Ｆが開口縁部２１の表面に沿って流れやすく、摺動面Ｓ１とＳ２との相対回転により発生する摩擦や被密封流体Ｆの凹所１９への出入りにより凹所１９内で乱流が発生しにくくなっており、乱流の影響による炭素系硬質膜２０の剥離も防止できる。

また、凹部１５ｂの内側面１５ｃは、それぞれ開口縁部から底面１５ｄ方向に傾斜する傾斜面であり、基材１５Ａに対してＣＶＤやＰＶＤにより成膜される炭素系硬質膜２０の開口縁部２１は、基材１５Ａの凹部１５ｂの内側面１５ｃに沿った形状、すなわち傾斜面となっている。これによれば、この傾斜面を成す炭素系硬質膜２０の開口縁部２１に沿って、被密封流体Ｆが凹部１５ｂの底面１５ｄ側に入り込みやすく、かつ炭素系硬質膜２０の摺動表面２０ａ側に流れ出やすい。また、これら回転周方向の炭素系硬質膜２０の開口縁部２１が対称形状であることから、凹所１９内に入り込む被密封流体Ｆの流れと凹所１９内から流れ出る被密封流体Ｆの流れが近似するため、凹所１９内の乱流の発生を防止できる。

次に、実施例３に係るメカニカルシールにつき、図７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７に示されるように、炭素系硬質膜３０は、開口部３０ｂを成す開口縁部３１が、基材２５Ａの凹部２５ｂの内側面２５ｃにそれぞれ重なるように形成され、これら開口部３０ｂと凹部２５ｂとで凹所２９が構成されている。凹部２５ｂの内側面２５ｃは、それぞれ対向面２５ａから底面２５ｄ方向に傾斜する曲面であり、基材２５Ａに対してＣＶＤやＰＶＤにより成膜される炭素系硬質膜３０の開口縁部３１は、基材２５Ａの凹部２５ｂの内側面２５ｃに沿った形状、すなわち曲面となっている。これによれば、炭素系硬質膜３０の摺動表面３０ａと開口縁部３１との間に段差や急激な角度の変化がないため、被密封流体Ｆは、炭素系硬質膜３０の摺動表面３０ａから開口縁部３１に沿って、凹部２５ｂの底面１５ｄ側に大きな流速の変化がない状態で入り込みやすく、かつ炭素系硬質膜３０の摺動表面３０ａ側に流れ出やすい。

次に、実施例４に係るメカニカルシールにつき、図８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８に示されるように、基材３５Ａの凹部３５ｂを構成する内側面３５ｃは、対向面３５ａに対して底面３５ｄ方向に垂直に交わる形状となっている。炭素系硬質膜４０は、開口部４０ｂを成す開口縁部４１が、内側面３５ｃに沿って摺動表面４０ａに対して垂直に交わる形状となっている。これによれば、上述した傾斜面形状や曲面形状に比べて、シールリング３とメイティングリング３５との相対回転の停止時や低速時において、凹所３９の中に貯留された被密封流体Ｆを保持する能力が高い。

次に、実施例５に係るメカニカルシールにつき、図９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９に示されるように、炭素系硬質膜５０は、開口部５０ｂを成す開口縁部５１が、基材４５Ａの凹部４５ｂの内側面のうち、メイティングリング４５の回転周方向の両側の内側面４５ｃにそれぞれ重なって形成され、基材４５Ａの凹部４５ｂの内側面のうち、径方向両側の内側面４６ｃには重ならないように形成されている。これによれば、シールリング３とメイティングリング４５との相対回転時においては、凹所４９の回転周方向の両側に動圧もしくは負圧がそれぞれ発生し、被密封流体Ｆの凹所４９への出入りが径方向両側と比較して多くなる。そのため、炭素系硬質膜５０の開口縁部５１は、メイティングリング４５の回転周方向の両側の内側面４５ｃに重なって形成させることで、特に回転周方向への被密封流体Ｆの凹所４９への出入りを行いやすくする効果を得られる。加えて径方向両側の内側面４６ｃに重ねて形成する部分を省略することで、径方向への貯留された被密封流体Ｆの過度な出入りを防止することができるばかりか、凹所４９の内部容量を大きく確保できる。

次に、実施例６に係るメカニカルシールにつき、図１０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１０に示されるように、炭素系硬質膜６０は、基材５５Ａの対向面５５ａから凹部５５ｂの底面５５ｄにかけて凹部５５ｂの全面を覆うように形成されている。これによれば、炭素系硬質膜６０の成膜時に凹部５５ｂの底面５５ｄにマスキングする手間を省略できるばかりか、凹部５５ｂ内すなわち凹所５９の表面が全て炭素系硬質膜６０で形成されるため、凹所５９内部における被密封流体Ｆの流動性が安定し、乱流の発生を防止できる。また、基材５５Ａ中の凹部５５ｂの表面が全て炭素系硬質膜６０で覆われることで、相対回転時の摺動により凹部５５ｂの表面から発生する炭酸ガス等の不純物の被密封流体Ｆ中への混入を防止できる。

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、炭素系硬質膜がメイティングリングリングとシールリングの両方成膜された例で説明したが、これに限らずメイティングリング側またはシールリング側のいずれかに成膜される構成としてもよい。

また、前記実施例において凹所は、周方向に４つ等配される例と、環状に形成される例で説明したが、これに限らず、例えば周方向に１つでも５つ以上の複数箇所に形成されてもよいし、等配されるものにも限定されない。さらに、径方向に環状の凹所が複数形成されてもよい。

また、炭素系硬質膜は、基材の凹部を構成する内側面の形状に沿って同様の形状に形成される構成で説明したが、これに限らず、例えば図１１の変形例１に示されるように、基材６５の凹部６５ｂを構成する内側面６５ｃが対向面６５ａに対して底面６５ｄ方向に垂直に交わる形状となっていたとしても、炭素系硬質膜７０の開口縁部７１の周辺形状は基材６５の形状に関わらずに、摺動表面７０ａと開口縁部７１との間に傾斜面７２を備えた形状としてもよい。なお、摺動表面７０ａと開口縁部７１とが交わる角が曲面形状であってもよい。

また、図１２の変形例２に示されるように、炭素系硬質膜８０の開口縁部８１は、基材７５Ａの凹部７５ｂの内側面７５ｃと対向面７５ａとの境界まで形成し、内側面７５ｃに重ならない形状としてもよく、この場合、開口縁部８１の端縁部を内側面７５ｃと対向面７５ａとの境界に向けて傾斜する曲面形状とすることで、被密封流体Ｆが凹所７９へ出入りしやすくなる。なお、この開口縁部８１の端縁部は傾斜面であってもよい。

また、図６，８に示す実施例２，４において、炭素系硬質膜の摺動表面と開口縁部とが交わる角は曲面形状であってもよい。

また、シールリングに外径側に開口する凹所を形成し、対向するメイティングリングの凹所に被密封流体Ｆを導入する構成で説明したが、これに限らず、例えば図１３に示されるように、メイティングリング８５の基材８５Ａの対向面８５ａにシールリング側と外径側とに開口する凹部８５ｂを形成し、炭素系硬質膜９１はシールリング側と外径側に開口するように成膜することで、シールリング側と外径側に開口する凹所８９を形成してもよい。この場合、メイティングリング８５に形成された凹所８９単体で被密封流体Ｆを凹所８９に導入することができるため、シールリング側の溝を省略してもよい。

また、凹所はその深さが１０μｍに形成される構成に限らず、６μｍから１４μｍまでの範囲であれば、上記したメイティングリングの摺動面Ｓ１とシールリングの摺動面Ｓ２との摺動における摩擦を低減させる効果が比較的高い。実証実験においては、凹所の深さが５μｍの場合と、１０μｍの場合と、１５μｍの場合とで、メカニカルシールの密閉性、摺動面Ｓ１と摺動面Ｓ２との摺動性を動摩擦係数により比較した際には、１０μｍの場合が最も理想的な値を示した（摺動性５μｍ＜摺動性１５μｍ＜摺動性１０μｍ）。

また、メカニカルシールは内径側から外径側への被密封流体の漏れを制限するアウトサイド形であってもよい。

また、メカニカルシールは静止形を例に説明したが、回転形であってもよい。

また、被密封流体は問わないが、流体、特に水、添加剤が混入されたオイル、窒素等の気体があげられる。

また、メカニカルシールの基材に炭素系硬質膜を成膜した後に、凹所を形成してもよい。

また、凹所は、周方向に連続する溝やディンプル等、その形状は問わない。さらに、凹所内に動圧を発生させるような形状であってもよい。
［参考例１］

次に、参考例１に係るメカニカルシールにつき、図１４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。

メイティングリング１０５は、基材１０５Ａの対向面１０５ａの全面に亘り炭素系硬質膜１１０が成膜され、その表面１１０ａが摺動面Ｓ１を構成している。一方、シールリング１０３には、炭素系硬質膜は成膜されておらず、メイティングリング１０５との対向面１０３ａ（摺動面Ｓ２）に、メイティングリング１０５側とシールリング１０３の外径方向とにそれぞれ開口する溝１９０が形成されている。

機械側Ｍが被密封流体で満たされると、シールリング１０３の周辺から溝１９０内に被密封流体Ｆが入り込み、メイティングリング１０５の炭素系硬質膜１１０の摺動表面１１０ａにおいて溝１９０と対向する領域では、その摺動表面１１０ａに形成された微小な凹凸を均すように被密封流体Ｆが吸着され、摺動面Ｓ１と摺動面Ｓ２との摩擦力が低くなる。
［参考例２］

次に、参考例２に係るメカニカルシールにつき、図１５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１５に示されるように、シールリング１１３のメイティングリング１０５との対向面１１３ａ（摺動面Ｓ２）には、軸方向の深さが１０μｍであって摺動方向に連続する環状の溝１９１が形成されている。溝１９１はシールリング１１３の外径方向に開口していない構造となっており、溝１９１には、シールリング１１３の対向面１１３ａとメイティングリング１０５の炭素系硬質膜１１０の摺動表面１１０ａとの僅かな隙間を通って侵入した被密封流体Ｆが貯留されている。このように、溝１９１は環状に形成されていることから、当該溝１９１と面するメイティングリング１０５の摺動面Ｓ１を構成する炭素系硬質膜１１０の摺動表面１１０ａに被密封流体Ｆが断続的に接触し、効率よく吸着させることができる。
［参考例３］

次に、参考例３に係るメカニカルシールにつき、図１６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１６に示されるように、シールリング１２３のメイティングリング１０５との対向面１２３ａには、軸方向の深さが１０μｍであって摺動方向に連続する環状の溝１４１Ａが形成されている。溝１４１Ａは、シールリング１２３の周方向に４つ等配して設けられ、軸方向の深さが１０μｍであってそれぞれがシールリング１２３の外径方向に開口する導入溝１４１Ｂとそれぞれ連通している。これによれば、流体機器の被密封流体側に圧力が掛けられている状態にあっては、絶えず導入溝１４１Ｂを介して溝１４１Ａ内に被密封流体Ｆが供給される。また、環状の溝１４１Ａと導入溝１４１Ｂとに面するメイティングリング１０５の摺動面Ｓ２を構成する炭素系硬質膜１１０の摺動表面１１０ａに被密封流体Ｆが接触し、効率よく吸着させることができる。

１ メカニカルシール
３ シールリング（密封環）
３Ａ 基材
３ａ 対向面
５ メイティングリング（密封環）
５Ａ 基材
５ａ 対向面
５ｂ 凹部
５ｃ 内側面
５ｄ 底面
９ 凹所
１０ 炭素系硬質膜
１０ａ 摺動表面（摺動面Ｓ１）
１０ｂ 開口部
１１ 炭素系硬質膜
１１ａ 摺動表面（摺動面Ｓ２）
１５ メイティングリング
１５Ａ 基材
１５ｂ 凹部
１９ 凹所
２０ｂ 開口部
２０ 炭素系硬質膜
２０ａ 摺動表面
２１ 開口縁部
３１ 開口縁部
３５ａ 対向面
３５ｂ 凹部
３５ｃ 内側面
３５ｄ 底面
４１ 開口縁部
４５ｃ 内側面
４６ｃ 内側面
Ａ 大気側
Ｆ 被密封流体
Ｍ 機械側

Claims (14)

1. 一方の密封環の摺動面と、他方の密封環の摺動面とを摺動させて、流体機器の内部から外部または外部から内部への被密封流体の漏れを防ぐメカニカルシールであって、
   少なくとも前記一方の密封環を構成する基材には凹部が形成され、
   該一方の密封環の前記他方の密封環との対向面上には、炭素系硬質膜が形成されて該炭素系硬質膜の表面が前記摺動面とされており、
   前記一方の密封環には、前記基材に形成された前記凹部と、前記炭素系硬質膜に形成された開口部とにより、少なくとも底面に前記基材が露出する凹所が形成され、該凹所が前記被密封流体を内在させることを特徴とするメカニカルシール。
2. 前記開口部における少なくとも回転周方向の開口縁部の少なくとも一部の前記炭素系硬質膜は、前記基材に形成された前記凹部の内側面に重なる位置まで延びて形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. 前記炭素系硬質膜に形成された前記開口部における少なくとも回転周方向の開口縁部は、前記基材の凹部の底方向に傾斜する傾斜面を成すことを特徴とする請求項１または２に記載のメカニカルシール。
4. 前記炭素系硬質膜に形成された前記開口部における少なくとも回転周方向の開口縁部は、前記基材の凹部の底方向に傾斜する曲面を成すことを特徴とする請求項１または２に記載のメカニカルシール。
5. 前記基材の凹部の縁部には底方向に傾斜する傾斜面が形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のメカニカルシール。
6. 前記基材の凹部の縁部には底方向に傾斜する曲面が形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のメカニカルシール。
7. 前記炭素系硬質膜に形成された前記開口部における回転周方向の一方の開口縁部と他方の開口縁部とは、径方向を基準として対称形状に形成されていることを特徴とする請求項３または４に記載のメカニカルシール。
8. 前記炭素系硬質膜は、前記開口部の開口縁部から前記基材に形成された凹部の底まで連続して形成されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のメカニカルシール。
9. 前記基材に形成された前記凹部の内側面の表面の面粗度は、前記基材の対向面の面粗度に比べて粗く形成されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のメカニカルシール。
10. 一方の密封環の第１摺動面と、他方の密封環の第２摺動面とを摺動させて、流体機器の内部から外部または外部から内部への被密封流体の漏れを防ぐメカニカルシールであって、
    前記一方の密封環の前記他方の密封環との対向面上には、炭素系硬質膜が形成され、
    前記他方の密封環の前記一方の密封環との対向面には、前記他方の密封環を構成する基材が露出した前記第２摺動面及び該第２摺動面よりも軸方向に凹む凹部が形成され、
    前記炭素系硬質膜の表面の一部が前記第１摺動面とされ、
    前記炭素系硬質膜が前記凹部と対向し、該凹部と前記炭素系硬質膜からなる前記第１摺動面との間に形成された空間に前記被密封流体を内在させることを特徴とするメカニカルシール。
11. 前記他方の密封環の前記凹部は、前記第２摺動面の外径側領域及び内径側領域のうちの前記被密封流体が存在する一方の領域に開口していることを特徴とする請求項１０に記載のメカニカルシール。
12. 前記他方の密封環の前記凹部は、前記第２摺動面の外径側領域及び内径側領域に連通しないように周方向に連続して形成された両側面を有する環状溝であることを特徴とする請求項１０に記載のメカニカルシール。
13. 前記他方の密封環の前記凹部は、前記第２摺動面の外径側領域及び内径側領域のうちの前記被密封流体が存在する一方の領域と連通する連通溝と、周方向に連続した両側面を有して一方の側面が部分的に開口して前記連通溝に連通する環状溝と、からなることを特徴とする請求項１０に記載のメカニカルシール。
14. 前記一方の密封環に溝が形成され、
    前記炭素系硬質膜は、前記対向面上から連続して前記溝の全表面を覆うように形成されていることを特徴とする請求項１０ないし１３のいずれかに記載のメカニカルシール。

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