(57)【要約】【課題】耐食性、耐摩耗性および加工性の向上を一度に図ることができるメカニカルシールを提供すること。【解決手段】メカニカルシール１は、回転軸４が挿通される開口部６が形成されたハウジング３と回転軸４との間における開口部６での流体Ｒの漏れを阻止する。メカニカルシール１は、開口部６においてハウジング３に固定され、回転軸４に対して外嵌される固定環１１と、回転軸４に対して一体回転可能に外嵌される回転環１２とを含む。回転軸４の回転に伴って、回転環１２の回転側シール面３７は、固定環１１の固定側シール面１７に摺接する。回転側シール面３７および固定側シール面１７の少なくとも一方には、０ｗｔ％より多く３０ｗｔ％以下の硅素を含有するＤＬＣ膜１４が設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸が挿通される開口部が形成されたハウジングと前記回転軸との間における前記開口部での流体の漏れを阻止するためのメカニカルシールであって、
前記開口部において前記ハウジングに固定され、前記回転軸に対して外嵌される固定環と、
前記回転軸に対して一体回転可能に外嵌される回転環と、
前記固定環に設けられ、前記回転軸の軸方向において前記回転環に対向する固定側シール面と、
前記回転環に設けられ、前記軸方向において前記固定側シール面に対向し、前記回転軸の回転に伴って前記固定側シール面に摺接する回転側シール面と、
前記回転側シール面と前記固定側シール面とを接近させる付勢部材と、
前記回転側シール面および前記固定側シール面の少なくとも一方に設けられ、０ｗｔ％より多く３０ｗｔ％以下の硅素を含有するＤＬＣ膜と、
を含むことを特徴とする、メカニカルシール。
【請求項２】
前記回転環は、前記回転側シール面を有し、前記軸方向に移動可能な第１回転環と、前記軸方向において前記第１回転環に対して前記固定環の反対側に配置され、前記軸方向に移動可能な第２回転環と、を含み、
前記付勢部材は、前記第２回転環を前記第１回転環へ向けて付勢し、
前記第１回転環の内周面には、前記第２回転環側を臨む窪みが形成されており、
前記第２回転環は、前記窪みに挿入される挿入部を含み、
前記窪みにおける前記第１回転環の内周面、および、前記挿入部において当該内周面に対向する表面の少なくとも一方に、前記ＤＬＣ膜が設けられていることを特徴とする、請求項１記載のメカニカルシール。
【請求項３】
前記回転環は、前記軸方向において前記第２回転環に対して前記固定環の反対側に配置され、前記軸方向において位置決めされる第３回転環を含み、
前記付勢部材は、前記第２回転環と前記第３回転環との間に介在されていることを特徴とする、請求項２記載のメカニカルシール。
【請求項４】
前記固定環および回転環のそれぞれにおいて流体に接触する部分には、前記ＤＬＣ膜が設けられていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のメカニカルシール。
【請求項５】
前記固定環および回転環は、汎用鋼で形成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のメカニカルシール
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、メカニカルシールに関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１で提案されたメカニカルシールは、機械本体（カバーやケーシング等）に嵌め込まれたシートリングと、従動リング等とを含んでいる。シートリングおよび従動リングは、回転軸に対して外嵌されており、従動リングは、回転軸と一体で回転する。シートリングおよび従動リングにおいて互いに対向する端面は、回転軸の回転に伴って互いに摺接する。これにより、シートリングおよび従動リングにおける互いの端面間を伝って流体が漏れることが防止される。
【０００３】
このようなメカニカルシールの材料として、特許文献２では、耐食性や耐摩耗性等に優れたＳｉＣ系摺動材を用いることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開昭６３−１０６９６３号公報
【特許文献２】特開平４−２７２９９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＳｉＣ系摺動材の材料となるセラミックは、加工性が悪いし、材料コストが高いので、メカニカルシールの材料として用いる場合には、加工に手間やコストがかかることが不可避である。
この発明は、かかる背景のもとでなされたものであり、耐食性、耐摩耗性および加工性の向上を一度に図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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の発明は、回転軸（４）が挿通される開口部（６）が形成されたハウジング（３）と前記回転軸との間における前記開口部での流体（Ｒ）の漏れを阻止するためのメカニカルシール（１）であって、前記開口部において前記ハウジングに固定され、前記回転軸に対して外嵌される固定環（１１）と、前記回転軸に対して一体回転可能に外嵌される回転環（１２）と、前記固定環に設けられ、前記回転軸の軸方向（Ｘ）において前記回転環に対向する固定側シール面（１７）と、前記回転環に設けられ、前記軸方向において前記固定側シール面に対向し、前記回転軸の回転に伴って前記固定側シール面に摺接する回転側シール面（３７）と、前記回転側シール面と前記固定側シール面とを接近させる付勢部材（１３）と、前記回転側シール面および前記固定側シール面の少なくとも一方に設けられ、０ｗｔ％より多く３０ｗｔ％以下の硅素を含有するＤＬＣ膜（１４）と、を含むことを特徴とする、メカニカルシールである。
【０００７】
請求項２記載の発明は、前記回転環は、前記回転側シール面を有し、前記軸方向に移動可能な第１回転環（３１）と、前記軸方向において前記第１回転環に対して前記固定環の反対側に配置され、前記軸方向に移動可能な第２回転環（３２）と、を含み、前記付勢部材は、前記第２回転環を前記第１回転環へ向けて付勢し、前記第１回転環の内周面には、前記第２回転環側を臨む窪み（３８）が形成されており、前記第２回転環は、前記窪みに挿入される挿入部（４６）を含み、前記窪みにおける前記第１回転環の内周面（３５Ａ）、および、前記挿入部において当該内周面に対向する表面（４１Ｂ）の少なくとも一方に、前記ＤＬＣ膜が設けられていることを特徴とする、請求項１記載のメカニカルシールである。
【０００８】
請求項３記載の発明は、前記回転環は、前記軸方向において前記第２回転環に対して前記固定環の反対側に配置され、前記軸方向において位置決めされる第３回転環（３３）を含み、前記付勢部材は、前記第２回転環と前記第３回転環との間に介在されていることを特徴とする、請求項２記載のメカニカルシールである。
請求項４記載の発明は、前記固定環および回転環のそれぞれにおいて流体に接触する部分には、前記ＤＬＣ膜が設けられていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のメカニカルシールである。
【０００９】
請求項５記載の発明は、前記固定環および回転環は、汎用鋼で形成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のメカニカルシールである。
なお、上記において、括弧内の数字等は、後述する実施形態における対応構成要素の参照符号を表すものであるが、これらの参照符号により特許請求の範囲を限定する趣旨ではない。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１記載の発明によれば、メカニカルシールでは、回転軸の回転に伴って、固定環の固定側シール面と回転環の回転側シール面とが摺接するので、ハウジングの開口部において、流体が固定側シール面と回転側シール面との間を伝って漏れることを抑制できる。
ここで、回転側シール面および固定側シール面の少なくとも一方には、耐食性および耐耐摩耗性に優れたＤＬＣ膜（非晶質炭素被膜）が設けられているので、回転側シール面および固定側シール面における腐食や摩耗を抑制できる。このＤＬＣ膜は、０ｗｔ％より多く３０ｗｔ％以下の硅素（Ｓｉ）を含有した特別なＤＬＣ膜なので、液体中では、摩擦係数が特に低くなり、高い耐摩耗性を発揮できる。
【００１１】
また、加工性の良い材料（たとえば、請求項５記載の汎用鋼）で固定環および回転環を形成してから回転側シール面や固定側シール面にＤＬＣ膜を設ける場合には、ＳｉＣ等のセラミックでメカニカルシールを形成する場合と比べて、メカニカルシール全体の加工性が良好である。
このように、メカニカルシールにおいて、耐食性、耐摩耗性および加工性の向上を一度に図ることができる。
【００１２】
請求項２記載の発明によれば、第１回転環の窪みにおける内周面と、第２回転環の挿入部の表面とは、第１回転環や第２回転環の軸方向への移動に伴って摺接する場合がある。そこで、当該内周面および表面に先ほどのＤＬＣ膜を設けておけば、当該内周面および表面における耐食性および耐摩耗性の向上を図ることができる。
請求項３記載の発明によれば、回転側シール面と固定側シール面とを接近させる付勢部材は、第２回転環と第３回転環との間に介在されて圧縮される。これにより、付勢部材は、第２回転環を第１回転環へ押し付けるので、第１の回転環の回転側シール面を固定環の固定側シール面に接近させることができる。
【００１３】
請求項４記載の発明によれば、耐食性の良好なＤＬＣ膜を、固定環および回転環のそれぞれにおいて流体に接触する部分に設けておけば、当該部分における腐食を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るメカニカルシール１が適用された装置２の概略断面図である。
【図２】図２は、図１の要部拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下では、本発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るメカニカルシール１が適用された装置２の概略断面図である。図２は、図１の要部拡大図である。なお、以下の説明において図１に表れていない参照符号は、図２に示されている。
図１および図２を参照して（詳細については図２を参照して）、装置２は、たとえば、水中ポンプである。装置２は、その外殻をなすハウジング３と、ハウジング３によって回転自在に支持される回転軸４とを含んでいる。
【００１６】
ハウジング３は、例えば金属で形成された中空体である。ハウジング３の中空部分５には、流体Ｒ（ここでは、水などの液体）が収容される。中空部分５に存在する流体Ｒを、図１および図２では、薄いドットで示している。
ハウジング３には、中空部分５をハウジング３の外に連通させる丸い開口部６が形成されている。開口部６は、ハウジング３において中空部分５を区画する壁３Ａを、壁３Ａの厚さ方向（図１および図２では、左右方向）において貫通している。
【００１７】
ハウジング３において開口部６を縁取る円周面（「内周面７」ということにする）は、中空部分５からハウジング３の外部へ近づくに従って階段状に縮径されている。内周面７は、中空部分５に近い順に、第１内周面７Ａと、第１内周面７Ａより小径の第２内周面７Ｂと、第２内周面７Ｂより小径の第３内周面７Ｃとを含んでいる。また、内周面７は、第１内周面７Ａと第２内周面７Ｂとをつなぐ第１接続面７Ｄと、第２内周面７Ｂと第３内周面７Ｃとをつなぐ第２接続面７Ｅとを含んでいる。第１接続面７Ｄおよび第２接続面７Ｅは、内周面７の径方向に沿って平坦であり、前述した厚さ方向から見て、円環状である。
【００１８】
回転軸４は、前述した厚さ方向に延びる円柱体である。回転軸４が延びる方向（前述した厚さ方向）を、回転軸４の軸方向Ｘと呼ぶことにする。回転軸４は、ハウジング３の中空部分５内に配置された第１部分８と、ハウジング３の開口部６に対して同軸状で挿通された（開口部６と軸方向Ｘで同じ位置にある）第２部分９と、ハウジング３の外側に配置された第３部分１０とを一体的に含んでいる。回転軸４の外周面４Ａの外径は、第２部分９と、第１部分８および第３部分１０のそれぞれにおいて第２部分９に隣接する部分とでは、同じである。そのため、第２部分９と、第１部分８および第３部分１０のそれぞれにおいて第２部分９に隣接する部分とでは、回転軸４の外周面４Ａに段付きが形成されていない。当該外径（直径）は、開口部６における第３内周面７Ｃの内径（直径）よりも小さい。そのため、開口部６に挿通された第２部分９は、開口部６の内周面７に対して、径方向（回転軸４や開口部６の径方向）における内側にあって、内周面７に接触していない。
【００１９】
ハウジング３には、軸受（図示せず）が固定されており、ハウジング３は、この軸受を介して回転軸４を回転自在に支持している。回転軸４は、その中心軸Ｊを中心に回転自在である。
装置２は、電動モータ等の駆動機構（図示せず）を有しており、駆動機構に、回転軸４が連結されている。そのため、駆動機構が駆動力を発生すると、回転軸４は、この駆動力を受けて回転する。
【００２０】
装置２では、ハウジング３の中空部分５に存在する流体Ｒが、開口部６の内周面７と第２部分９における回転軸４の外周面４Ａとの間からハウジング３の外部に漏れることを阻止する必要がある。そこで、前述したメカニカルシール１が、ハウジング３と回転軸４との間における開口部６での流体Ｒの漏れを阻止するために、装置２に設けられていて、中空部分５内に配置されている。
【００２１】
メカニカルシール１は、固定環１１と、回転環１２と、付勢部材１３と、ＤＬＣ膜１４とを含んでいる。なお、以下では、図１および図２の姿勢を基準として、各部材について説明することにする。
固定環１１は、回転軸４に対して同軸状で外嵌される円環（リング）である。そのため、固定環１１の中心軸が延びる方向は、軸方向Ｘと一致する。固定環１１は、外周面１５と、内周面１６と、軸方向Ｘにおける一方側（図１および図２で左側）の端面である固定側シール面１７と、軸方向Ｘにおける他方側（図１および図２で右側）の端面である位置決め面１８とを含んでいる。
【００２２】
外周面１５は、固定側シール面１７側の第１外周面１５Ａと、位置決め面１８側の第２外周面１５Ｂと、第１外周面１５Ａおよび第２外周面１５Ｂの境界をなす接続面１５Ｃとを含んでいる。第１外周面１５Ａは、ハウジング３の開口部６における第１内周面７Ａとほぼ同径である。第２外周面１５Ｂは、開口部６における第２内周面７Ｂとほぼ同径であり、第１外周面１５Ａよりも小径である。接続面１５Ｃは、固定環１１の径方向（軸方向Ｘに直交する方向）に沿って平坦であり、軸方向Ｘから見て、円環状である。
【００２３】
内周面１６は、回転軸４の外周面４Ａよりも僅かに大径である。
固定側シール面１７は、固定環１１の径方向に沿って平坦であり、軸方向Ｘから見て、円環状である。この実施形態では、軸方向Ｘに対して傾斜した円錐状のテーパー面１９が、固定側シール面１７の外周縁と、外周面１５（第１外周面１５Ａ）における固定側シール面１７側の端縁とを中継している。なお、テーパー面１９を省略して、固定側シール面１７の外周縁と外周面１５の当該端縁とを直接つないでも構わない。
【００２４】
位置決め面１８は、固定環１１の径方向に沿って平坦であり、軸方向Ｘから見て、円環状である。
回転軸４に対して外嵌された固定環１１では、第２外周面１５Ｂ側の部分が、ハウジング３の開口部６内に圧入されている。これにより、固定環１１は、開口部６と同軸状であって、開口部６においてハウジング３に固定されている。この状態において、固定環１１では、第１外周面１５Ａが、開口部６の第１内周面７Ａに対して径方向内側から全周に亘って面接触している。そして、第２外周面１５Ｂが、開口部６の第２内周面７Ｂに対して全周に亘って径方向内側から面接触している。また、固定環１１では、位置決め面１８が、開口部６の第２接続面７Ｅに対して軸方向Ｘにおける中空部分５側から全周に亘って面接触している。そして、接続面１５Ｃが、軸方向Ｘにおける中空部分５側から第１接続面７Ｄに対して隙間を隔てて対向している。
【００２５】
ここで、固定環１１の外周面１５における第２外周面１５Ｂと接続面１５Ｃとの境界には、ゴム等のリングで形成されたシール部材２０が、いわゆる２次シールとして外嵌されている。この実施形態のシール部材２０は、Ｏリングである。シール部材２０は、接続面１５Ｃと第１接続面７Ｄと第１内周面７Ａと第２外周面１５Ｂとによって区画された環状空間２１に配置され、接続面１５Ｃと第１接続面７Ｄとの間で圧縮されている。これにより、環状空間２１が、周方向全域に亘ってシールされているので、中空部分５の流体Ｒが固定環１１の外周面１５とハウジング３の開口部６の内周面７との間を伝ってハウジング３の外部に漏れることが阻止されている。
【００２６】
また、固定環１１の内周面１６は、回転軸４（詳しくは、第２部分９およびその周辺）の外周面４Ａに対して非接触となっている。そのため、固定環１１が回転軸４の回転の抵抗になることはない。また、固定環１１では、固定側シール面１７と、テーパー面１９と、テーパー面１９側における第１外周面１５Ａとが、中空部分５内に露出され、流体Ｒと接触している。
【００２７】
回転環１２は、回転軸４に対して同軸状で外嵌される円環（リング）である。そのため、回転環１２の中心軸が延びる方向は、軸方向Ｘと一致する。回転環１２全体は、開口部６の近傍において中空部分５内に配置されている。
回転環１２は、第１回転環３１と、第２回転環３２と、第３回転環３３とを含んでいる。第１回転環３１、第２回転環３２および第３回転環３３は、別々の環状部品であって、同軸状で配置されており、固定環１１に近い側から、この順で軸方向Ｘに並んでいる。つまり、第２回転環３２は、軸方向Ｘにおいて第１回転環３１に対して固定環１１の反対側に配置されている。第３回転環３３は、軸方向Ｘにおいて第２回転環３２に対して固定環１１の反対側に配置されている。
【００２８】
第１回転環３１は、外周面３４と、内周面３５と、軸方向Ｘにおける一方側（図１および図２で左側）の端面である位置決め面３６と、軸方向Ｘにおける他方側（図１および図２で右側）の端面である回転側シール面３７とを含んでいる。
外周面３４は、固定環１１の第１外周面１５Ａとほぼ同径である。
内周面３５は、位置決め面３６側の第１内周面３５Ａと、回転側シール面３７側の第２内周面３５Ｂと、第１内周面３５Ａおよび第２内周面３５Ｂの境界をなす接続面３５Ｃとを含んでいる。第１内周面３５Ａは、回転軸４の外周面４Ａよりも大径である。第２内周面３５Ｂは、外周面４Ａとほぼ同径であり、第１内周面３５Ａよりも小径である。接続面３５Ｃは、第１回転環３１の径方向（軸方向Ｘに直交する方向）に沿って平坦であり、軸方向Ｘから見て、円環状である。内周面３５には、第１内周面３５Ａおよび接続面３５Ｃによって区画された窪み３８が形成されている。窪み３８は、第１回転環３１と同軸状をなすドーナツ状の空間であって、位置決め面３６から回転側シール面３７側へ窪んでいる。
【００２９】
位置決め面３６は、第１回転環３１の径方向に沿って平坦であり、軸方向Ｘから見て、円環状である。位置決め面３６の内周縁が第１内周面３５Ａにつながっている。窪み３８は、位置決め面３６から露出され、軸方向Ｘから第２回転環３２側（図１および図２における左側）を臨んでいる。位置決め面３６の周上複数箇所には、第１回転環３１の径方向に延びる切り欠き３９が形成されている（図１参照）。各切り欠き３９は、軸方向Ｘに沿って回転側シール面３７側に延びつつ、第１回転環３１の周壁を貫通していて、外周面３４および第１内周面３５Ａの両方に露出されている。切り欠き３９の回転側シール面３７側の端部は、回転側シール面３７側へ向けて膨出するように丸められている。
【００３０】
回転側シール面３７は、第１回転環３１の径方向に沿って平坦であり、軸方向Ｘから見て、円環状である。この実施形態では、軸方向Ｘに対して傾斜した円錐状のテーパー面４０が、回転側シール面３７の外周縁と、外周面３４における回転側シール面３７側の端縁とを中継している。なお、テーパー面４０を省略して、回転側シール面３７の外周縁と外周面３４とを直接つないでも構わない。
【００３１】
回転軸４に対して外嵌された第１回転環３１では、回転側シール面３７が、周方向全域に亘って、固定環１１の固定側シール面１７に軸方向Ｘにおいて対向している。第２内周面３５Ｂと回転軸４（詳しくは、第１部分８）の外周面４Ａとの間には、全周に亘って微小な隙間がある。そのため、第１回転環３１は、軸方向Ｘに沿って回転軸４に対して相対移動することができる。
【００３２】
第２回転環３２は、外周面４１と、内周面４２と、軸方向Ｘにおける一方側（図１および図２で左側）の端面である第１端面４３と、軸方向Ｘにおける他方側（図１および図２で右側）の端面である第２端面４４とを含んでいる。
外周面４１は、第１端面４３側の第１外周面４１Ａと、第２端面４４側の第２外周面４１Ｂと、第１外周面４１Ａおよび第２外周面４１Ｂの境界をなす接続面４１Ｃとを含んでいる。第１外周面４１Ａは、第１回転環３１の外周面３４とほぼ同径である。第２外周面４１Ｂは、第１回転環３１の第１内周面３５Ａとほぼ同径であり、第１外周面４１Ａよりも小径である。第２外周面４１Ｂの周上複数箇所には、第２回転環３２の径方向（軸方向Ｘに直交する方向）における外側へ突出する細長い円柱状の突起４５が１つずつ設けられている（図１参照）。突起４５は、第１回転環３１の切り欠き３９と同数設けられている。接続面４１Ｃは、第２回転環３２の径方向に沿って平坦であり、軸方向Ｘから見て、円環状である。
【００３３】
内周面４２は、第１回転環３１の第２内周面３５Ｂおよび回転軸４の外周面４Ａのそれぞれとほぼ同径である。
第１端面４３は、第２回転環３２の径方向に沿って平坦であり、軸方向Ｘから見て、円環状である。第１端面４３には、軸方向Ｘに沿って突出するガイドバー４８が設けられている（図１参照）。ガイドバー４８は、第１端面４３の周上において、１箇所に設けられてもよいし、周方向に間隔を隔てた複数箇所に設けられてもよい。
【００３４】
第２端面４４は、第２回転環３２の径方向に沿って平坦であり、軸方向Ｘから見て、円環状である。第２端面４４の外周縁が第２外周面４１Ｂにつながっている。
第２回転環３２において、軸方向Ｘにおいて第２外周面４１Ｂと一致する範囲の部分は、環状の挿入部４６を構成している。挿入部４６の外周面は、第２外周面４１Ｂであり、挿入部４６の内周面は、第２外周面４１Ｂ側における内周面４２であり、第２端面４４が、挿入部４６の軸方向Ｘにおける第１回転環３１側の端面である。
【００３５】
回転軸４に対して外嵌された第２回転環３２では、挿入部４６が、周方向全域に亘って、固定環１１とは反対側（図１および図２では左側）から第１回転環３１の窪み３８に挿入されている。これにより、第２回転環３２は、第１回転環３１と同軸状に配置されている。第２回転環３２では、第２外周面４１Ｂが、第１回転環３１の第１内周面３５Ａに対して径方向内側から全周に亘って面接触している。第２回転環３２では、接続面４１Ｃが、軸方向Ｘにおいて、第１回転環３１の位置決め面３６に対して当該反対側から隙間を隔てて対向している。また、第２端面４４が、軸方向Ｘにおいて、第１回転環３１の内周面３５における接続面３５Ｃに対して、当該反対側から隙間を隔てて対向している。第２回転環３２の内周面４２と回転軸４の外周面４Ａとの間には、全周に亘って微小な隙間がある。そのため、第２回転環３２は、軸方向Ｘに沿って回転軸４に対して相対移動することができる。
【００３６】
ここで、第１回転環３１の各切り欠き３９には、第２回転環３２の突起４５が１つずつ当該反対側から嵌め込まれている（図１参照）。これにより、第２回転環３２は、第１回転環３１に対して周方向において位置決めされている。また、各突起４５が切り欠き３９内で軸方向Ｘに移動できる範囲において、第２回転環３２は、第１回転環３１に対して軸方向Ｘに相対移動できる。第２回転環３２が第１回転環３１に対して軸方向Ｘに移動する際、第２回転環３２の第２外周面４１Ｂが、第１回転環３１の第１内周面３５Ａに摺接する。なお、突起４５が切り欠き３９の（回転側シール面３７側の）端部に到達すると、第２回転環３２の接続面４１Ｃが第１回転環３１の位置決め面３６に接触してもよい（図１参照）。
【００３７】
そして、第１回転環３１の第１内周面３５Ａおよび接続面３５Ｃと、第２回転環３２の第２端面４４と、回転軸４の外周面４Ａとによって、回転軸４を周方向に沿って取り囲む環状空間４７が区画されている。
環状空間４７には、ゴム等のリングで形成されたシール部材６０が、いわゆる２次シールとして配置されている。この実施形態のシール部材６０は、Ｏリングであって、回転軸４に対して外嵌されている。シール部材６０は、環状空間４７において、接続面３５Ｃと第２端面４４との間で圧縮されている。これにより、環状空間４７が、周方向全域に亘ってシールされている。そのため、中空部分５の流体Ｒが、第１回転環３１の位置決め面３６と第２回転環３２の接続面４１Ｃとの間、第１回転環３１の第１内周面３５Ａと第２回転環３２の第２外周面４１Ｂとの間、および、環状空間４７を順に伝って、第１回転環３１の第２内周面３５Ｂと回転軸４の外周面４Ａとの間に漏れることが防止されている。また、中空部分５の流体Ｒが、第２回転環３２の第１端面４３側から第２回転環３２の内周面４２と回転軸４の外周面４Ａとの間、および、環状空間４７を順に伝って、第１回転環３１の第２内周面３５Ｂと回転軸４の外周面４Ａとの間へ漏れることも防止されている。つまり、流体Ｒが環状空間４７を越えて第１回転環３１の第２内周面３５Ｂと回転軸４の外周面４Ａとの間まで侵入して、固定環１１の内周面１６と回転軸４の外周面４Ａとの間からハウジング３の外部に漏れることが、シール部材６０によって阻止されている。
【００３８】
第３回転環３３は、外周面４９と、内周面５０と、軸方向Ｘにおける一方側（図１および図２で左側）の端面である第１端面５１と、軸方向Ｘにおける他方側（図１および図２で右側）の端面である第２端面５２とを含んでいる。
外周面４９は、第２回転環３２の第１外周面４１Ａとほぼ同径である。内周面５０は、回転軸４の外周面４Ａとほぼ同径である。
【００３９】
第１端面５１および第２端面５２のそれぞれは、第３回転環３３の径方向（軸方向Ｘに対して直交する方向）に沿って平坦であり、軸方向Ｘから見て、円環状である。第２端面５２の周上複数箇所には、円筒状に窪む凹部５３が形成されている。凹部５３は、第２端面５２の周方向において等間隔で並んでいる。凹部５３は、軸方向Ｘに沿って第１端面５１側へ延びている。第３回転環３３は、凹部５３を区画する円筒面５４および底面５５を含んでいる。底面５５は、凹部５３における第１端面５１側の底をなしている。また、第２端面５２には、第１端面５１側へ延びるガイド穴５６が形成されている（図１参照）。第２回転環３２においてガイドバー４８が複数設けられる場合、ガイド穴５６は、ガイドバー４８と同数形成される。
【００４０】
第３回転環３３は、回転軸４に対して同軸状かつ圧入状態で外嵌されている。そのため、第３回転環３３では、内周面５０の全域が、回転軸４の外周面４Ａに対して径方向外側から圧接されている。よって、第３回転環３３は、第１回転環３１および第２回転環３２とは異なり、軸方向Ｘにおいて、回転軸４に対して相対移動できず、回転軸４に対して位置決めされている。なお、圧入を用いる以外に、ねじ等で第３回転環３３を回転軸４に固定してもよい。
【００４１】
また、第３回転環３３では、第２端面５２が、軸方向Ｘにおいて、第３回転環３３の第１端面４３に対して、固定環１１側とは反対側（図１および図２では左側）から隙間を隔てて対向している。第２回転環３２の第１端面４３に設けられたガイドバー４８は、第２端面５２のガイド穴５６に対してスライド可能に挿通されている（図１参照）。これにより、第２回転環３２は、第３回転環３３に対して軸方向Ｘに沿って相対移動可能である一方で、第３回転環３３に対して周方向に位置決めされている。
【００４２】
付勢部材１３は、軸方向Ｘに沿って延びる弾性体（ゴムのブロックやばね）であり、この実施形態では、圧縮ばねである。付勢部材１３は、第３回転環３３の各凹部５３に１つずつ嵌め込まれており、凹部５３の底面５５と第２回転環３２の第１端面４３との間で、軸方向Ｘに沿って圧縮されている。つまり、付勢部材１３は、圧縮状態で、第２回転環３２と第３回転環３３との間に介在されている。そして、前述したように軸方向Ｘにおいて第３回転環３３が位置決めされているので、付勢部材１３は、第２回転環３２を第１回転環３１へ向けて付勢している。これにより、環状空間４７が軸方向Ｘに狭まることからシール部材６０の圧縮が促進されるので、環状空間４７が、シール部材６０によって確実にシールされるようになる。また、付勢部材１３は、第２回転環３２を第１回転環３１側へ付勢することによって、第１回転環３１を固定環１１側へ付勢している。そのため、第１回転環３１の回転側シール面３７が固定環１１の固定側シール面１７に対して全周に亘って圧接している。つまり、付勢部材１３は、回転側シール面３７と固定側シール面１７とを接近させている。
【００４３】
前述したように、第１回転環３１と第２回転環３２とが周方向に位置決めされていて、第２回転環３２と第３回転環３３とが周方向に位置決めされている。つまり、回転環１２全体（第１回転環３１、第２回転環３２および第３回転環３３のまとまり）が周方向において回転軸４に対して位置決めされている。そのため、回転軸４が回転すると、回転環１２全体が回転軸４と一体回転する。ここで、前述したようにシール部材６０が環状空間４７をシールしているため、流体Ｒが回転軸４の外周面４Ａと回転環１２の内周面（特に第１回転環３１の第２内周面３５Ｂ）との間を伝って、固定環１１の内周面１６と回転軸４の外周面４Ａとの間からハウジング３の外部に漏れ出ることはない。そのため、流体Ｒが外部に漏れる主な経路として、第１回転環３１の回転側シール面３７と固定環１１の固定側シール面１７との間が挙げられる。
【００４４】
しかし、メカニカルシール１では、第２回転環３２と第３回転環３３との間で圧縮された付勢部材１３が第２回転環３２を第１回転環３１へ押し付けて、第１回転環３１の回転側シール面３７を固定環１１の固定側シール面１７に接近（圧接）させている。そのため、回転軸４の回転に伴って、第１回転環３１の回転側シール面３７が固定環１１の固定側シール面１７に摺接しながら回転（摺動）する。これにより、回転側シール面３７と固定側シール面１７との間には、流体Ｒが通過できる隙間がなくなっている。そのため、流体Ｒが回転側シール面３７と固定側シール面１７との間を伝って固定環１１の内周面１６と回転軸４の外周面４Ａとの間からハウジング３の外部に漏れ出ることが抑制されている。つまり、ハウジング３の開口部６において、流体Ｒが固定側シール面１７と回転側シール面３７との間を伝って漏れることを抑制できる。また、回転軸４の回転中には、回転側シール面３７と固定側シール面１７とが摺接しているだけであって、回転軸４自体が摩耗することはない。
【００４５】
ここで、図２を参照して、第１回転環３１の回転側シール面３７と固定環１１の固定側シール面１７との少なくとも一方（この実施形態では両方）の全域には、ＤＬＣ（Diamond Like Carbon）で構成された膜（ＤＬＣ膜１４）が設けられている。ＤＬＣ膜１４は、耐食性および耐摩耗性に優れている。そのため、回転側シール面３７および固定側シール面１７における腐食や摩耗を抑制できる。また、回転軸４とともに回転する回転側シール面３７は、固定側シール面１７に対して滑らかに追従できるので、回転側シール面３７と固定側シール面１７との隙間を、流体Ｒが通過できない程度の狭さに維持できる。
【００４６】
このＤＬＣ膜１４は、０ｗｔ％より多く３０ｗｔ％以下の硅素（Ｓｉ）を含有した特別なＤＬＣ膜１４である。このようなＤＬＣ膜１４は、硅素を含有しないものよりも摩擦係数が低く、特に、この実施形態に示すように液体中にある場合（液体に浸かっている場合）では、大気中にある場合と比べて摩擦係数が一層低くなり、より高い耐摩耗性を発揮できる。なお、質量百分率（ｗｔ％）の代わりに原子組成百分率（ａｔ％）を用いた場合には、ＤＬＣ膜１４は、０ａｔ％より多く３０ａｔ％以下の硅素を含有していればよい。
【００４７】
そして、固定環１１および回転環１２（第１回転環３１、第２回転環３２および第３回転環３３のそれぞれ）は、汎用鋼（たとえば、炭素鋼やステンレス鋼などの安価で加工性の良い金属材料）で形成されている。
メカニカルシール１を作成する場合、まず、この汎用鋼を目標形状まで加工（切削加工等）して固定環１１および回転環１２を形成する。
【００４８】
次いで、有機硅素化合物ガス等を原料ガスとして用いた直流パルスプラズマＣＶＤ（Direct Current Plasma Chemical Vapor Deposition）法により、固定環１１および回転環１２のそれぞれに、低温ＤＬＣ処理（処理温度が２００℃以下のＤＬＣコーティング）を施す。これにより、固定環１１および回転環１２においてＤＬＣ膜１４が必要な部分（少なくとも回転側シール面３７や固定側シール面１７）にＤＬＣ膜１４を成膜する。この場合には、ＳｉＣ等のセラミックだけでメカニカルシール１を形成する場合と比べて、メカニカルシール１全体の加工性が良好であり、低コストでメカニカルシール１を作成できる。特に、ＣＶＤ法によれば、複雑な三次元形状の部品（特に、中空部品の内周面）に対しても、ＤＬＣ処理が可能となる。さらに、低温ＤＬＣ処理であれば、回転軸４と一体回転する回転環１２（特に、ステンレス鋼で形成された場合）における歪を小さく抑えることができるので、回転中における回転環１２の慣性力の影響によって回転軸４や回転環１２の回転に揺れ（ぶれ）が生じることを極力抑えることができる。
【００４９】
なお、ＤＬＣ膜１４の成膜方法（前述した直流パルスプラズマＣＶＤ法や低温ＤＬＣ処理など）については、特開２０１２−２０７２４３号公報で詳しく説明されている。原料ガスにおける有機硅素化合物ガスの流量割合を調整することによって、０ｗｔ％より多く３０ｗｔ％以下の硅素を含有するＤＬＣ膜１４を形成できる。
なお、耐食性に優れる素材としてプラスチックが挙げられるが、金属材料で形成されたメカニカルシール１の場合、流体Ｒが高圧であったとしても、回転側シール面３７と固定側シール面１７との間におけるシール性が流体Ｒの圧力の影響を受けにくいし、プラスチックよりも耐摩耗性に優れる。
【００５０】
このように、メカニカルシール１において、耐食性、耐摩耗性および加工性の向上を一度に図ることができる。
また、第１回転環３１において窪み３８における内周面（第１内周面３５Ａ）と、窪み３８に挿入される第２回転環３２の挿入部４６において当該内周面に対向する表面（第２外周面４１Ｂ）とは、第１回転環３１や第２回転環３２の軸方向Ｘへの移動に伴って摺接する場合がある。そこで、当該内周面および表面の少なくとも一方（この実施形態では両方）にもＤＬＣ膜１４が設けられているとよい。そうすれば、当該内周面および表面における耐食性および耐摩耗性の向上を図ることができる。
【００５１】
また、耐食性の良好なＤＬＣ膜１４は、固定環１１および回転環１２のそれぞれにおいて、先ほど説明した部分以外に、ハウジング３の中空部分５内の流体Ｒと接触する部分にも設けられてよい。流体Ｒと接触する（接触し得る）部分として、固定環１１では、外周面１５、内周面１６、位置決め面１８およびテーパー面１９の少なくともいずれかが挙げられる。第１回転環３１では、外周面３４、内周面３５、位置決め面３６およびテーパー面４０の少なくともいずれかが挙げられる。第２回転環３２の場合、外周面４１、内周面４２、第１端面４３および第２端面４４の少なくともいずれかが挙げられる。第３回転環３３の場合、外周面４９、内周面５０、第１端面５１、第２端面５２、円筒面５４および底面５５の少なくともいずれかが挙げられる。流体Ｒと接触する部分にＤＬＣ膜１４を設けておけば、固定環１１および回転環１２のそれぞれにおいて流体Ｒに接触する部分における腐食を抑制できる。
【００５２】
この発明は、以上に説明した実施形態に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。
たとえば、シール部材２０やシール部材６０は、前述した実施形態では、Ｏリングであったが、たとえば、Ｖパッキンを必要に応じて複数個重ねたものであってもよい。
また、前述した実施形態では、メカニカルシール１は、ハウジング３の中空部分５内の流体Ｒが開口部６からハウジング３の外部に漏れることを阻止しているが、外部の流体Ｒが開口部６からハウジング３の中空部分５内に侵入することも阻止できる。
【００５３】
また、この実施形態では、回転側シール面３７と固定側シール面１７との両方にＤＬＣ膜１４を設けているが、どちらか一方に設けてもよい。ＤＬＣ膜１４を当該両方に設けておけば、両方の耐食性および耐摩耗性を向上できる。ＤＬＣ膜１４を当該一方に設けておけば、当該一方における耐食性および耐摩耗性を向上でき、他方の加工コストを低下させることができる。このことは、第１回転環３１の窪み３８における内周面（第１内周面３５Ａ）と、挿入部４６において当該内周面に対向する表面（第２外周面４１Ｂ）との少なくとも一方にＤＬＣ膜１４を設ける場合にも該当する。
【符号の説明】
【００５４】
１…メカニカルシール、３…ハウジング、４…回転軸、６…開口部、１１…固定環、１２…回転環、１３…付勢部材、１４…ＤＬＣ膜、１７…固定側シール面、３１…第１回転環、３２…第２回転環、３３…第３回転環、３５Ａ…第１内周面、３７…回転側シール面、３８…窪み、４１Ｂ…第２外周面、４６…挿入部、Ｒ…流体、Ｘ…軸方向
【図１】
2014185691.tif 000003
【図２】
2014185691.tif 000004