(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１摺動面（４０）を有する回転摺動リング（２）と、第２摺動面（４１）を有する固定摺動リング（３）とを備え、それらの間にシール間隙（４）が画定されたメカニカルシール装置であって、
前記第１及び第２摺動面は互いに異なる硬度を有し、
高硬度の前記摺動面はダイヤモンド被膜（２０）を有し、低硬度の前記摺動面は炭素複合材料で作られ、
前記炭素複合材料は、炭化ケイ素、黒鉛及び遊離ケイ素から構成される炭化ケイ素黒鉛複合材料であり、
前記ダイヤモンド被膜（２０）を有する前記第１摺動面（４０）の平均初期粗さ（Ｒａ１）が、炭素複合材料製の前記第２摺動面（４１）の平均初期粗さ（Ｒａ２）よりも小さい
メカニカルシール装置。
【請求項２】
前記ダイヤモンド被膜（２０）を有する摺動リングの平均初期粗さ（Ｒａ１）は、炭素複合材料製の摺動リングの平均初期粗さ（Ｒａ２）よりも５０％小さいことを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール装置。
【請求項３】
前記ダイヤモンド被膜（２０）の平均初期粗さ（Ｒａ１）は０．０１μｍ〜０．０６μｍの範囲内にあり、且つ／又は、炭素複合材料製の摺動面の平均初期粗さ（Ｒａ２）は０．１μｍ〜０．２μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項２に記載のメカニカルシール装置。
【請求項４】
前記ダイヤモンド被膜（２０）は、前記ダイヤモンド被膜（２０）が導電性を有するようなドーパント（２３）を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のメカニカルシール装置。
【請求項５】
前記ドーパント（２３）はホウ素ドーパントであることを特徴とする請求項４に記載のメカニカルシール装置。
【請求項６】
前記摺動リングの前記ダイヤモンド被膜（２０）は、該摺動リングの外周領域（２０ａ）上に追加的に設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のメカニカルシール装置。
【請求項７】
前記ダイヤモンド被膜（２０）は、前記摺動リングの外周領域（２ａ）上において、その一部にのみ設けられており、特に該外周領域（２ａ）上のダイヤモンド被膜はテーパ状領域（２０ａ）を有することを特徴とする請求項６に記載のメカニカルシール装置。
【請求項８】
支持リング（７）が、前記摺動リング（２）の外周領域（２ａ）上に設けられたダイヤモンド被膜の少なくとも一部を覆っていることを特徴とする請求項６又は７に記載のメカニカルシール装置。
【請求項９】
前記摺動リングのダイヤモンド被膜は、該摺動リングの内周領域（２ｂ）上に追加的に設けられていることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載のメカニカルシール装置。
【請求項１０】
前記ダイヤモンド被膜（２０）を有する摺動面（４０）は研磨されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のメカニカルシール装置。
【請求項１１】
前記回転摺動リング（２）が前記ダイヤモンド被膜（２０）を備えることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のメカニカルシール装置。
【請求項１２】
前記ダイヤモンド被膜（２０）を有する摺動面（４０）は５０％以上を占める支持部を有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載のメカニカルシール装置。
【請求項１３】
前記炭素複合材料は、６０〜７５重量％の炭化ケイ素、１５〜４０重量％の炭素及び０．５〜１０重量％の遊離ケイ素から構成されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載のメカニカルシール装置。
【請求項１４】
炭素複合材料製の前記摺動面（４１）には、特に５０〜１００ＨＲ１５Ｔのロックウェル硬さを有し、自由粒子を受け止めるように配設された黒鉛含有領域が形成されていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載のメカニカルシール装置。
【請求項１５】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載のメカニカルシール装置を備える発電所用供給ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硬度及び初期粗さが異なる摺動リングを有するメカニカルシール装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な形態のメカニカルシール装置が従来技術により知られている。例えば、メカニカルシールの摺動リングにダイヤモンド被膜を設けることが知られている（特許文献１を参照）。さらに、特許文献２には、ＤＬＣ被膜を有し、摺動潤滑剤として純水を用いるメカニカルシールが開示されている。メカニカルシール装置の分野では、同じ材料で作られた同一の摺動リング、すなわち、硬度が同じである摺動面を有する同一の摺動リングを用いることが多い。これは、硬度が大きく異なる摺動面を用いた場合、低硬度の摺動リングが著しく摩耗することが予測されるためである。このため、これまでのメカニカルシール装置は、摺動対が互いに同じ硬度を有するように設計されてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】独国実用新案公開第２０２００７０１６８６８号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１０／００６１６７６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、各摺動リングにダイヤモンド被覆された摺動面を用いる場合、高コストになるという問題が具体的に発生する。その一方で、ダイヤモンド被覆された摺動リングは耐摩耗性が高いため、寿命が非常に長い。
【０００５】
したがって、本発明の目的は、構造が簡素であり、容易に且つ廉価で製造できつつ、ダイヤモンド被覆された摺動面を用いることが可能なメカニカルシール装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的は、請求項１の特徴を有するメカニカルシール装置によって達成される。従属請求項には、本発明の好適な発展形態が開示されている。
【０００７】
本発明に係るメカニカルシール装置は、好ましくは、第１摺動面を有する回転摺動リングと、第２摺動面を有する固定摺動リングとを備え、これら２つの摺動面間にはシール間隙が画定されている。ここで、２つの摺動面は互いに異なる硬度を有し、２つの摺動面のうちの一方はダイヤモンド被膜を有し、２つの摺動面のうちの他方は炭素複合材料から形成される。炭素複合材料は炭化ケイ素黒鉛複合材料（ＳｉＣ−Ｃ）である。したがって、炭素複合材料は、黒鉛とケイ素の複合材料であり、好ましくは、多孔質黒鉛体に液体ケイ素が注入され、空いている孔に炭化ケイ素が形成される。この炭化ケイ素形成処理は、各孔が完全に炭化ケイ素で充填されるまで継続される。炭素複合材料には、遊離ケイ素が一定残留量だけ残留することができる。さらに、本発明によれば、ダイヤモンド被膜を有する摺動面の初期粗さは、炭素複合材料から形成される摺動面の初期粗さよりも小さい。この初期粗さは、２つの摺動面の未使用状態における平均粗さＲａと理解される。各摺動面が互いに異なる硬度を有するため、高硬度の摺動面の初期粗さは、炭素複合材料から形成される低硬度の摺動面の初期粗さよりも小さくなるように選択される。
【０００８】
特に好適な形態において、ダイヤモンド被膜を有する高硬度の摺動面の初期粗さは、炭素複合材料の摺動面の初期粗さの少なくとも５０％より小さい。このため、特にメカニカルシール装置のならし運転段階でも、高硬度の摺動面によって低硬度の摺動面が損傷することを確実に防げる。
【０００９】
また、好適な形態において、ダイヤモンド被膜を備える摺動面の平均粗さＲａは０．０１μｍ〜０．０６μｍの範囲内にあり、且つ／又は、炭素複合材料の摺動面の平均粗さＲａは０．１μｍ〜０．２μｍの範囲内にある。ダイヤモンド被膜を備える摺動面の平均粗さＲａは、好ましくは０．０２μｍ〜０．０５μｍの範囲内にある。また、好適な形態において、炭素複合材料の摺動面の平均粗さは０．１２μｍ〜０．１８μｍの範囲内にある。
【００１０】
また、好適な形態において、ダイヤモンド被膜は、ダイヤモンド被膜が導電性を有するようなドーパントを備える。したがって、導電性を有するダイヤモンド被膜は、シール対象である媒体が水、具体的には純水であるメカニカルシール装置、例えば発電所などにおけるメカニカルシール装置に特に適している。特に好適な形態において、導電性を有するダイヤモンド層を生成するためのダイヤモンド層内のドーパントはホウ素ドーパントである。
【００１１】
特に好適な形態において、摺動リングのダイヤモンド被膜は、この摺動リングの外周領域上にも追加的に設けられている。ここで、特に好適な形態において、ダイヤモンド被膜は、外周領域上において、その一部にのみ設けられている。また、好適な形態において、ダイヤモンド被膜は、外周領域上において、摺動リングの摺動面から離間する方向に沿ってテーパ状になっている。外周領域上にダイヤモンド被膜を設けることによって、具体的には、例えば純水などのシール対象の媒体から摺動リングの基材をダイヤモンド被膜で保護することが可能になる。また、好適な形態において、摺動リングの外周領域上に設けられたダイヤモンド被膜を覆う支持リングが設けられている。これにより、攻撃的になり得る媒体が摺動リングの基材、具体的にはＳｉＣに達することが防止される。
【００１２】
本発明のさらに好適な実施形態によれば、摺動リングのダイヤモンド被膜は、摺動リングの内周領域上にも追加的に設けられている。これに関連して、好適な形態において、ダイヤモンド被膜は、内周領域上において、その一部にのみ形成されており、特に、ダイヤモンド被膜は、内周領域上において、摺動面から離間する方向に沿ってテーパ状になっている。
【００１３】
また、好適な形態において、炭素複合材料は、６０〜７５重量％の炭化ケイ素、１５〜４０重量％の炭素及び０．５〜１０重量％の遊離ケイ素から構成される。特に好適な形態において、炭素複合材料は、６２重量％の炭化ケイ素、３５重量％の炭素及び３重量％の遊離ケイ素から構成される。
【００１４】
また、好適な形態において、ダイヤモンド被膜を有する摺動面は研磨されている。このため、ダイヤモンド被膜を有する摺動面は、炭素複合材料の摺動面よりも小さい初期粗さを確実に有する。
【００１５】
好ましくは、回転摺動リングがダイヤモンド被膜を備える。特に、このダイヤモンド被覆された摺動リングが回転すると、回転摺動リングの非常に均一な熱膨張動作及びその均一な冷却が確実に行われる。そのため、特に、熱に起因する損傷を回避できる。
【００１６】
また、好適な形態において、ダイヤモンド被覆された摺動面における表面の支持部は、少なくとも４５％よりも大きく、特に好ましくは５０％よりも大きく、より好ましくは６０％より大きい。本発明によれば、この支持部は、摺動面の全域に対する、この表面における全平滑領域の和を含む面の割合である。上記表面における平滑領域は、例えば、ダイヤモンド被覆された摺動面を研磨又は精密研磨することによって得られる。ダイヤモンド被覆された摺動面の全域を研磨して表面に平滑領域のみが得られる場合は、支持部が１００％を占める。
【００１７】
ダイヤモンド被膜を有する摺動リングは、好ましくは、ダイヤモンド被膜がおよそ１００００ＨＶのビッカース硬さを有し、炭素複合材料の摺動リングは、高硬度のＳｉＣ相領域において２０００ＨＶ〜３０００ＨＶの範囲内、好ましくは２５００ＨＶのビッカース硬さを有し、低硬度の黒鉛相領域において５０〜１００ＨＲ１５Ｔの範囲内のロックウェル硬さを有する。また、好適な形態において、ダイヤモンド被覆された摺動リングは約１１５０Ｎ／ｍｍ２の弾性率を有し、炭素複合材料の摺動リングは１〜４Ｎ／ｍｍ２の範囲内の弾性率を有する。また、好適な形態において、ダイヤモンド被覆された摺動リングは２０００Ｗ／ｍｋの熱伝導率を有し、炭素複合材料は２〜８５Ｗ／ｍｋの範囲内の熱伝導率を有する。摺動面上のダイヤモンド被膜の厚さは、１μｍ〜２０μｍの範囲内が好ましい。
【００１８】
また、好適な形態において、黒鉛含有領域が、炭素複合材料の摺動面に形成されている。この摺動面における黒鉛含有領域は、例えばシール対象である媒体中又は遮断対象の媒体中にある自由粒子を受け止めるように配置されている。炭素複合材料の摺動面に黒鉛含有領域があるため、自由粒子をそこで受け止め、埋め込むことができる。そのため、自由粒子による反対側の摺動面の損傷は不可能である。たとえこのような自由粒子が炭素複合材料の摺動面から部分的に突出していても、メカニカルシールが損傷することはない。なぜなら、反対側の面はダイヤモンド被膜を備えており、低硬度の黒鉛含有領域に部分的に受け止められた粒子によって、ダイヤモンド被膜にスクラッチなどの損傷が生じることは不可能であるからである。このことから、炭素複合材料の摺動面における黒鉛含有領域は、５０〜１００ＨＲ１５Ｔの範囲内のロックウェル硬さを有する。例えば摩耗などによって発生する自由粒子や、シール対象の媒体中に存在する自由粒子（媒体が例えば高硬度粒子を含む懸濁液である場合）が非常に高硬度のダイヤモンド被膜を損傷させることは不可能である。これらの自由粒子は、ダイヤモンド被膜と接触した際に、炭素複合材料の摺動面にさらに深く押し込まれるか、削ぎ取られるだけである。
【００１９】
さらに、本発明は、本発明に係るメカニカルシール装置を備える発電所用供給ポンプに関するものである。具体的には、本発明に係るメカニカルシール装置を発電所用供給ポンプに用いた場合、本発明に係るメカニカルシール装置の耐久性が非常に高く、寿命が長いため、非常に有益である。これは、特に保全間隔の間に長期の運転期間が設定されていることが多い発電所の運転時におけるメカニカルシール装置の故障の危険性に対して確実な効果をもたらす。
【００２０】
以下では、本発明の好適な例示的実施形態を、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の一例示的実施形態に係る発電所用供給ポンプのメカニカルシール装置の概略断面図である。
【図２】図２は、図１の各摺動リングを拡大して示す断面図である。
【図３】図３は、図１及び図２の各摺動リングをさらに拡大して示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の好適な一例示的実施形態に係るメカニカルシール装置１を、図１〜図３を参照しながら詳細に説明する。
【００２３】
図１は、回転摺動リング２及び固定摺動リング３を備える発電所用供給ポンプのメカニカルシール装置１を概略的に示している。２つの摺動リング２，３の間には、シール間隙４が既知の形態で形成されている。回転摺動リング２は回転支持リング７を介して軸ブッシュ８に接続されている。回転及びトルク伝達用に、第１及び第２ピン１０，１１が設けられている。軸ブッシュ８は回転軸５上に配設されている。
【００２４】
固定摺動リング３は、固定支持リング１２を介してケーシング６に固定された結合部９を有する。
【００２５】
したがって、メカニカルシール装置１は、発電所用供給ポンプによって周辺部１４に対して搬送される媒体１３をシールする。本例示的実施形態において、媒体１３は純水である。純水の電気伝導率は低く、回転摺動リング２の摺動速度は速いため、摺動リング同士の間に数ボルトにおよぶ高電位が発生する。従来から、摺動速度は４０ｍ／ｓ〜６０ｍ／ｓである。
【００２６】
回転摺動リング２にはダイヤモンド被膜２０がさらに設けられている。そのため、回転摺動リング２の摺動面４０の全域がダイヤモンドで被覆されている。この詳細は、図２及び図３に示されている。
【００２７】
したがって、ダイヤモンド被膜２０は、回転摺動リング２の摺動面４０に形成されており、さらに外周領域２ａ及び内周領域２ｂ上にも形成されている。ここで、摺動面４０から離間する方向に沿ってテーパ状の領域２０ａが外周領域２ａ上に形成されている。同様に、摺動面４０から離間する方向に沿ってテーパ状の領域２０ｂが、摺動リングの内周領域２ｂ上に形成されている。すなわち、ダイヤモンド被膜２０は、摺動リングの内周及び外周上の一部にも設けられている。
【００２８】
さらに、回転支持リング７は、ダイヤモンド被膜の外側のテーパ状領域２０ａの一部を被覆している。このため、外周上に位置する媒体１３が摺動リング２の基材に接触することを確実に防ぐことができる。これにより、ダイヤモンド被覆された回転摺動リングは、攻撃性の高い媒体中でも使用可能である。ダイヤモンド被膜は摺動リングの基材を保護する。摺動リングの外周領域上におけるテーパ状領域２０ａによって、支持リング７とダイヤモンド被膜のテーパ状領域２０との間を特に良好にシールできる。
【００２９】
図３にも示すように、上述の被覆工程の後、ダイヤモンド被膜２０の研磨工程が行われる。その結果、凹部２２を残しつつ、多くの平坦領域２１が形成される。ダイヤモンド層は、導電性を得るために、ホウ素ドーパント２３も含んでいる。
【００３０】
固定摺動リング３は、約６２重量％の炭化ケイ素、約３５％の黒鉛及びおよそ３％とわずかな遊離ケイ素から構成される炭素複合材料から作られる。固定摺動リング３の摺動面４１は、多くの凸部３１及び凹部３２を固定摺動リングの表面に有する。
【００３１】
図３は、平均粗さＲａを示している。平均粗さＲａとは、中心線からの粗さ曲線の全偏差の算術平均値である。ダイヤモンド被膜２０における中心線をＭ１で示し、固定摺動リング３の粗さ曲線における中心線をＭ２で示している。ダイヤモンド被膜２０の平均粗さをＲａ１で示し、固定摺動リング３の平均粗さＲａをＲａ２で示している。
【００３２】
このように、ダイヤモンド被膜２０の平均粗さＲａ１が炭素複合材料製の固定摺動リング３の平均粗さＲａ２よりも明確に小さいことがわかる。これは、ダイヤモンド被膜２０の表面に対してさらに研磨工程を行って平坦領域２１を形成したことが起因している。平坦領域２１の間には、それぞれ凹部２２がある。炭素複合材料製の固定摺動リング３に対しては研磨を行われない、又はダイヤモンド被覆された回転摺動リング２の研磨の程度を超える研磨は行われない。
【００３３】
回転及び固定摺動リングに対してそれぞれ異なる材料を選択したことは、回転摺動リング２が、その摺動面４０上のダイヤモンド被膜２０により、炭素材料製の固定摺動リング３よりも摺動面における硬度が高いことを意味している。本発明によれば、凹凸度が減少したダイヤモンド被膜２０の粗さ曲線は、高硬度の回転摺動リング２が、低硬度の固定摺動リング３の損傷、損耗、摩耗などを生じさせることなく、低硬度の固定摺動リング３と対接して移動することができることを意味している。高硬度のダイヤモンド被膜２０の平均粗さＲａ１の方が低いことから、上述したような摺動リング対で通常予測される摩耗の増加を防止することができる。
【００３４】
この知見は当業者にとっても予期できないものであり、これにより、一方の摺動リング、すなわち回転摺動リング２にのみダイヤモンド層２０が設けられたメカニカルシール装置を用いることが可能になった。他方の低硬度の摺動リングは、このように硬い層ではなく、炭素複合材料の摺動面を有している。それにもかかわらず、上述のメカニカルシール装置１は、両方の摺動リングがダイヤモンド被膜を有するメカニカルシール装置の寿命と同等の長寿命を実現できる。
【００３５】
さらに、ダイヤモンド被膜２０内のドーパント２３は、２つの摺動リング間で高電位が発生することを確実に防ぐ。このため、摺動面４０，４１が放電によって破壊されることがない。
【００３６】
したがって、本発明に係るメカニカルシール装置１は、頻繁に始動及び停止させられ、常に変化する熱的条件下にある発電所の給水ポンプでの使用に特に適していながら、本発明に係るメカニカルシール装置１は、耐久性が高く、寿命が長い。
【００３７】
ダイヤモンド被膜２０を有する摺動面４０の支持部は約６０％を占める。この支持部は、全ての平坦領域２１の和を、ダイヤモンド被膜２０における摺動面４０の全域（環状面）で割った値と定義される。
【００３８】
本例示的実施形態では、ダイヤモンド被膜２０の平均粗さＲａ１は約０．０３μｍであり、炭素複合材料製の固定摺動リング３の摺動面４１の平均粗さＲａ２は約０．１５μｍである。すなわち、固定摺動リング３上の炭素複合材料の平均粗さＲａ２は、ダイヤモンド被膜２０の平均粗さＲａ１の約５倍大きい。
【符号の説明】
【００３９】
１  メカニカルシール装置
２  回転摺動リング
２ａ  外周領域
２ｂ  内周領域
３  固定摺動リング
４  シール間隙
５  軸
６  ケーシング
７  回転支持リング
８  軸ブッシュ
９  結合部
１０  第１ピン
１１  第２ピン
１２  固定支持リング
１３  媒体
１４  周辺部材
２０  ダイヤモンド被膜
２０ａ  外周上のテーパ状領域
２０ｂ  内周上のテーパ状領域
２１  平坦領域
２２  凹部
２３  ホウ素ドーパント
３１  凸部
３２  凹部
４０  摺動面のダイヤモンド被膜
４１  摺動面の炭素複合材料
Ｒａ１  ダイヤモンド被膜の平均初期粗さ
Ｒａ２  炭素複合材料の平均初期粗さ
Ｍ１，Ｍ２  基準線
【図１】
0006046858.tif 000002
【図２】
0006046858.tif 000003
【図３】
0006046858.tif 000004