(57)【要約】【課題】滅菌処理を迅速に行うことができるメカニカルシールを提供する。【解決手段】メカニカルシール１は、回転軸３２側に一体回転可能に取り付けられ、シール面３ｓ１を有する回転密封環３と、ケーシング３１側に取り付けられ、回転密封環３のシール面３ｓ１に対向するシール面３ｓ１を有する静止密封環４と、機外流体領域Ｓに滅菌流体を供給するための通路孔２１ｐと、を備える。回転密封環３および静止密封環４のうち少なくとも一方には、通路孔２１ｐから機外流体領域Ｈに供給された滅菌流体により昇温しやすい外周面３ｂから、当該滅菌流体が供給されても昇温しにくいシール面３ｓ１に亘って、ダイヤモンド膜ｄ１，ｄ２が連続して形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転機器におけるケーシングと回転軸との間に設けられ、機内流体領域を機外流体領域に対して密封するメカニカルシールであって、
前記回転軸側に一体回転可能に取り付けられ、シール面を有する回転密封環と、
前記ケーシング側に取り付けられ、前記回転密封環のシール面に対向するシール面を有する静止密封環と、
前記機外流体領域に滅菌流体を供給するための供給路と、を備え、
前記回転密封環および前記静止密封環のうち少なくとも一方には、前記供給路から前記機外流体領域に供給された滅菌流体により昇温しやすい面の少なくとも一部から、当該滅菌流体が供給されても昇温しにくい面の少なくとも一部に亘って、ダイヤモンド膜が連続して形成されている、メカニカルシール。
【請求項２】
前記機外流体領域は、前記回転密封環および前記静止密封環の両シール面間を非接触状態に保持するためのシールガスが導入されるシールガス領域である、請求項１に記載のメカニカルシール。
【請求項３】
前記昇温しにくい面は、前記機内流体領域に面する領域面を含んでおり、
前記領域面の少なくとも一部に前記ダイヤモンド膜が形成されている、請求項１又は２に記載のメカニカルシール。
【請求項４】
前記機外流体領域は、封液が導入される封液領域である、請求項１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】
本発明は、メカニカルシールに関する。
【背景技術】
【０００２】
医薬品や食品等の製造に使用される回転機器は、衛生上の観点から、定期的に運転を停止して滅菌処理を行う必要がある。この場合、回転機器の回転軸の軸封用に使用されているメカニカルシールも滅菌処理の対象となる。かかるメカニカルシールの滅菌処理では、通常、メカニカルシールが取り付けられているシールケースの内部に、約１１０〜１３０℃のスチームを所定時間供給することで、メカニカルシールの各構成部品を所定の滅菌温度まで昇温させて滅菌するようになっている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１２７３２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記メカニカルシールは、シール部を有する複雑な構造上、構成部品によってはスチームの熱が伝わりにくいため、全ての構成部品を滅菌温度まで昇温させるのに多大な時間を要し、食品等の生産効率が低下するという問題があった。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、滅菌処理を迅速に行う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】
【０００５】
本発明のメカニカルシールは、回転機器におけるケーシングと回転軸との間に設けられ、機内流体領域を機外流体領域に対して密封するメカニカルシールであって、前記回転軸側に一体回転可能に取り付けられ、シール面を有する回転密封環と、前記ケーシング側に取り付けられ、前記回転密封環のシール面に対向するシール面を有する静止密封環と、前記機外流体領域に滅菌流体を供給するための供給路と、を備え、前記回転密封環および前記静止密封環のうち少なくとも一方には、前記供給路から前記機外流体領域に供給された滅菌流体により昇温しやすい面の少なくとも一部から、当該滅菌流体が供給されても昇温しにくい面の少なくとも一部に亘って、ダイヤモンド膜が連続して形成されている。
【０００６】
上記のように構成されたメカニカルシールによれば、回転密封環および静止密封環のうち少なくとも一方には、前記昇温しやすい面の少なくとも一部から、前記昇温しにくい面の少なくとも一部に亘って、大きな熱伝導率を有するダイヤモンド膜が連続して形成されている。このため、前記昇温しやすい面において高温の滅菌流体により昇温した熱を、ダイヤモンド膜により非接触面に伝熱させることができる。これにより、前記昇温しにくい面を滅菌温度まで早く昇温させることができるので、メカニカルシールの滅菌処理を迅速に行うことができる。
【０００７】
前記メカニカルシールにおいて、前記機外流体領域は、前記回転密封環および前記静止密封環の両シール面間を非接触状態に保持するためのシールガスが導入されるシールガス領域であるのが好ましい。
この場合、シールガス領域に導入されたシールガスによりメカニカルシールに雑菌が発生しても、上記のように昇温しにくい面を滅菌温度まで早く昇温させることができるので、シールガスを用いるメカニカルシールの滅菌処理を迅速に行うことができる。
【０００８】
前記メカニカルシールにおいて、前記昇温しにくい面は、前記機内流体領域に面する領域面を含んでおり、前記領域面の少なくとも一部に前記ダイヤモンド膜が形成されているのが好ましい。
この場合、機内流体領域の流体により前記領域面に雑菌が発生しても、ダイヤモンド膜により前記領域面を滅菌温度まで早く昇温させることができるので、前記領域面を迅速に滅菌処理することができる。
【０００９】
前記メカニカルシールにおいて、前記機外流体領域は、封液が導入される封液領域であってもよい。この場合、封液領域に導入された封液によりメカニカルシールに雑菌が発生しても、上記のように昇温しにくい面を滅菌温度まで早く昇温させることができるので、封液を用いるメカニカルシールの滅菌処理を迅速に行うことができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のメカニカルシールによれば、滅菌処理を迅速に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態に係るメカニカルシールを示す断面図である。
【図２】図１の右半分の拡大図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係るメカニカルシールを示す断面図である。
【図４】図３の下側部分の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
［第１実施形態］
［全体構成］
図１は、本発明の第１実施形態に係るメカニカルシールを示す断面図である。図１において、このメカニカルシール１は、被密封流体が内部に存在する回転機器のケーシング３１と、その回転機器の回転軸３２との間に設けられるものであって、シールケース２内に、回転密封環３および第１静止密封環４によって構成される第１の回転シール構造と、第１静止密封環４および第２静止密封環５によって構成される第２の回転シール構造を備えている。回転密封環３は例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）焼結体からなり、第１及び第２静止密封環４，５は例えばセラミックやカーボンからなる。
【００１３】
回転密封環３と第１静止密封環４とによって構成される第１の回転シール構造により、ケーシング３１内の機内流体領域Ｈと、シールガスが存在するシールガス領域（機外流体領域）Ｓとが互いにシールされる。
また、回転密封環３と第２静止密封環５とによって構成される第２の回転シール構造により、シールガス領域Ｓと、大気に開放された大気領域Ｌが互いにシールされる。上記回転機器は、例えば食品、医薬品等の攪拌装置であり、メカニカルシール１は、縦型であって、大気領域Ｌ側が上側、機内流体領域Ｈ側が下側の状態で取り付けられる。
【００１４】
図２は、図１の右半分の拡大図である。図２において（図１も参照）、シールケース２は、円筒状のケース本体部２１と、このケース本体部２１の軸方向両端にボルト２４，２５により締結されるフランジ部（リテーナ）２２，２３とにより構成されている。一方、攪拌装置の回転軸３２には、第１スリーブ６が外嵌され、この第１スリーブ６の上端側（大気領域Ｌ側）に形成された円筒部６ａに環状の回転密封環３が外嵌されている。回転密封環３の上下のシール面３ｓ１，３ｓ２は、回転軸３２の軸方向に直交する平面である。但し、このシール面３ｓ１，３ｓ２の外周寄りには、径方向に延びる浅い（数μｍ）溝３ｇ１，３ｇ２が、例えば放射状に複数条形成されている。
【００１５】
第１スリーブ６の上方（大気領域Ｌ）側に設けられる第２スリーブ８は、回転密封環３を円筒部６ａに外嵌した後に回転軸３２に外嵌されたものであり、下方の第１スリーブ６と互いに嵌め合わされ、かつ、ボルト９により締結されている。上記回転密封環３は、各スリーブ６，８の外周側にそれぞれ膨らんで形成された支持部６ｂ，８ｂ間にＯリング１０，１１を介して挟持されている。また、円筒部６ａの外周に形成された溝６ａ１にＯリング１２が装着され、このＯリング１２は回転密封環３と接している。上記第２スリーブ８は、複数本（１本のみ図示）のねじ１３（図１）により、回転軸３２に対して固定されている。
【００１６】
一方、環状体である第１静止密封環４及び第２静止密封環５はそれぞれ、回転密封環３のシール面３ｓ１，３ｓ２にそれぞれ対向するシール面４ｓ，５ｓを有し、回転密封環３に対して軸方向の両側から対向している。回転密封環３と第１静止密封環４との間に形成される両シール面３ｓ１，４ｓにより、機内流体領域Ｈとシールガス領域Ｓとの間に一次シール部が構成されている。また、回転密封環３と第２静止密封環５との間に形成される両シール面３ｓ２，５ｓにより、シールガス領域Ｓと大気領域Ｌとの間に一次シール部が構成されている。
【００１７】
各静止密封環４，５の、シール面４ｓ，５ｓと反対側に延伸された円筒状の基部４ａ，５ａは、それぞれフランジ部２２，２３に対して軸方向に移動可能に内挿されている。基部４ａ，５ａと近接対向するフランジ部２２，２３の周方向には、凹溝２２ａ，２３ａが形成され、これらの凹溝２２ａ，２３ａには、それぞれＯリング１４，１５が装着されている。これにより、機内流体領域Ｈとシールガス領域Ｓとの間、及びシールガス領域Ｓと大気領域Ｌとの間に、それぞれ二次シール部が構成されている。
【００１８】
上記第１，第２静止密封環４，５の外周側の角には、周方向へ所定間隔で切り欠き４ｃ（図１），５ｃが複数箇所（本例では２箇所）形成されており、これらの切り欠き４ｃ，５ｃに対向して各フランジ部２２，２３には複数（２個）のピン１６（図１），１７が突設されている。これらのピン１６，１７は、各静止密封環４，５が軸方向及び径方向にある程度移動可能なように、軸方向及び径方向に隙間を残した状態で切り欠き４ｃ，５ｃに係合している。
【００１９】
また、フランジ部２２，２３には、周方向においてピン１６，１７を避けた複数箇所（本例では６箇所）に、ばね保持孔２２ｂ，２３ｂ（図１）が形成されており、ここに装着したばね１８，１９（図１）により、各静止密封環４，５は回転密封環３側に移動可能に付勢されている。
【００２０】
上記ケース本体部２１には、シールガス領域Ｓにシールガスを供給するための通路孔２１ｐが形成されており、この通路孔２１ｐには外部管路４１（図１）が接続されている。シールガスとしては窒素ガス、アルゴンガスやエア等が用いられる。本実施形態では、シールガスとして常温の窒素ガスが用いられている。シールガス領域Ｓ内の圧力は、機内流体領域Ｈ内の圧力及び大気領域Ｌの圧力より高くなるように、シールガスの圧力が調整されている。攪拌装置の運転中は、シールガス領域Ｓに常に所定圧のシールガスが供給される。
【００２１】
フランジ部２２の内部には、シールガス領域Ｓのシールガスを外部に排出するために、縦孔２２ｖと、これに連通した横孔２２ｈとが形成されている。縦孔２２ｖの上端はシールガス領域Ｓに面するばね受け面２２ｃに開口している。横孔２２ｈには外部管路４２（図１）が接続されている。
なお、通路孔２１ｐは、後述するスチームをシールガス領域Ｓに供給するための供給路を兼ねており、縦孔２２ｖ及び横孔２２ｈは、シールガス領域Ｓ内のスチームを外部に排出する排出路を兼ねている。
【００２２】
［通常運転時の動作］
次に、上記のように構成されたメカニカルシール１について、攪拌装置の通常運転時における動作について説明する。まず、回転軸３２が停止しているときは、第１、第２静止密封環４，５は共に回転密封環３に接触している。しかしながら、通路孔２１ｐからシールガス領域Ｓに所定圧のシールガスを供給した状態で、回転軸３２及び回転密封環３が回転すると、回転密封環３の溝３ｇ１，３ｇ２においてシールガスによる動圧が発生する。
【００２３】
前記動圧により、各静止密封環４，５が回転密封環３から軸方向に離反（数μｍ程度）し、回転密封環３と各静止密封環４，５はシールガスを介して相互に非接触状態に保持される。こうして、シールガスによる流体層が回転密封環３のシール面３ｓ１，３ｓ２と、対応する各静止密封環４，５のシール面４ｓ，５ｓとの間に形成され、機内流体領域Ｈとシールガス領域Ｓとの間、及びシールガス領域Ｓと大気領域Ｌとの間がそれぞれシールされる。
【００２４】
［滅菌処理時の動作］
次に、攪拌装置を停止し、回転軸３２が停止した状態で、攪拌装置の滅菌処理を実施する。具体的には、通路孔２１ｐからシールガス領域Ｓに所定圧の高温（１３０℃程度）のスチーム（滅菌流体）を所定時間、供給する。これにより、メカニカルシール１の各構成部品は、高温のスチームに接触して所定の滅菌温度（例えば１００℃）まで昇温することで滅菌される。
【００２５】
その際、メカニカルシール１の各構成部品では、シールガス領域Ｓに面する領域面が高温のスチームに接触するので昇温しやすい面となる。したがって、各構成部品は、この昇温しやすい面から他の昇温しにくい面に伝熱し、所定の滅菌温度に達することで滅菌される。なお、本実施形態においては、減菌流体として高温のスチームを採用したが、スチームに限定されず、１００℃に近い温度の液体、殺菌作用を有するアルコール系の液体、塩素系の液体等であってもよい。
【００２６】
［ダイヤモンドコート］
図２に示すように、回転密封環３には、ダイヤモンド膜ｄ１〜ｄ４が連続して形成されている。具体的には、ダイヤモンド膜ｄ１は、シールガス領域Ｓに供給されるスチームにより昇温しやすい面となる回転密封環３の外周面３ｂの全体に形成されている。
ダイヤモンド膜ｄ２は、シールガス領域Ｓにスチームが供給されても昇温しにくい面となる回転密封環３のシール面３ｓ１の全体に形成されている。したがって、ダイヤモンド膜ｄ２は、シール面３ｓ１の一部である、機内流体領域Ｈに面する領域面３ｓ３にも形成されている。
【００２７】
ダイヤモンド膜ｄ３は、上記昇温しにくい面である回転密封環３の内周面３ａの全体に形成されている。ダイヤモンド膜ｄ４は、上記昇温しにくい面である回転密封環３のシール面３ｓ２の全体に形成されている。このように、回転密封環３には、シールガス領域Ｓ内のスチームにより昇温しやすい面３ｂから昇温しにくい面３ｓ１，３ａ，３ｓ２に亘ってダイヤモンド膜ｄ１〜ｄ４が連続して形成されている。なお、図２では、分かりやすいようにダイヤモンド膜ｄ１〜ｄ４の膜厚を誇張して描いている。
【００２８】
ダイヤモンド膜ｄ１〜ｄ４は、１０００〜２０００Ｗ／ｍ・ｋという、カーボンやセラミックス（例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ））よりも大きな熱伝導率を有しているため、以下の作用効果を奏する。すなわち、シールガス領域Ｓに導入されたシールガスによりメカニカルシール１に雑菌が発生するが、前記昇温しやすい面３ｂにおいて高温のスチームに接触して昇温した熱を、ダイヤモンド膜ｄ１〜ｄ４によって前記昇温しにくい面３ｓ１，３ａ，３ｓ２に伝熱させることができる。
【００２９】
これにより、前記昇温しにくい面３ｓ１，３ａ，３ｓ２を滅菌温度まで早く昇温させることができるので、シールガスを用いるメカニカルシール１の滅菌処理を迅速に行うことができる。その結果、食品または医薬品等の生産効率を向上させることができる。
また、機内流体領域Ｈの被密封流体により前記領域面３ｓ３に雑菌が発生しても、ダイヤモンド膜ｄ２により前記領域面３ｓ３を滅菌温度まで早く昇温させることができるので、前記領域面３ｓ３を迅速に滅菌処理することができる。
【００３０】
ダイヤモンド膜ｄ１〜ｄ４は、例えばマイクロ波ＣＶＤ法、熱フィラメントＣＶＤ法等の一般的な製造技術を用いて作製することができる。ダイヤモンド膜ｄ１〜ｄ４の厚さは、本発明において特に限定されるものではないが、通常、３μｍ〜３０μｍ、好ましくは３μｍ〜１０μｍである。
【００３１】
回転密封環３の昇温しやすい面３ｂで昇温した熱が、当該回転密封環３の母材であるＳｉＣ焼結体に移動する前に、昇温しにくい面３ｓ１，３ａ，３ｓ２に移動させるという観点からは、３μｍ以上の厚みであることが望ましい。
一方、ダイヤモンド膜ｄ１〜ｄ４の厚さが３０μｍを超えると、ダイヤモンド膜ｄ１〜ｄ４の強度を十分に確保することが困難となる。また、ダイヤモンド膜ｄ１〜ｄ４が厚くなるほど膜の表面粗度も大きくなり、精密な機械部品であるメカニカルシールのシール面として使用するのが困難になるのに加えて、ダイヤモンド膜の残留応力を極力小さくするという観点からは、１０μｍ以下であることが望ましい。
【００３２】
なお、ダイヤモンド膜ｄ１〜ｄ４の厚さは、同じ厚さであってもよいし、互いに異なる厚さであってもよい。回転密封環３の昇温しやすい面３ｂで昇温した熱を速やかに昇温しにくい面３ｓ１，３ａ，３ｓ２に移動させるという観点からは、昇温しやすい面３ｂのダイヤモンド膜ｄ１の膜厚が、他のダイヤモンド膜ｄ２〜ｄ４の膜厚以上であることが望ましい。
【００３３】
また、本実施形態では、回転密封環３の全周にダイヤモンド膜を形成しているが、少なくとも、昇温しやすい面３ｂの一部から、複数の昇温しにくい面のうち機内流体領域Ｈを機外流体領域Ｓに対して密封するシール面３ｓ１の一部に亘ってダイヤモンド膜を連続して形成していればよい。好ましくは、外周面３ｂの全体、及びシール面３ｓ１における外周端からＯリング１０との接触点Ｐ１までの間にダイヤモンド膜が連続して形成されているのがよい。その理由は、シール面３ｓ１の接触点Ｐ１よりも内周側部分、内周面３ａ、及びシール面３ｓ１には、機内流体領域Ｈ内の被密封流体と接触する可能性が低く、滅菌の必要性が低いためである。
【００３４】
また、ダイヤモンド膜ｄ２は、シール面３ｓ１の領域面３ｓ３の全体に形成されているが、領域面３ｓ３の一部に形成されていてもよいし、領域面３ｓ３を除いて形成されていてもよい。
また、本実施形態では、回転密封環３にダイヤモンド膜を形成しているが、回転密封環３に替えて又は回転密封環３に加えて、機内流体領域Ｈを機外流体領域Ｓに対して密封する第１静止密封環４に形成されていてもよい。この場合、第１静止密封環４には、少なくとも、第１静止密封環４の昇温しやすい面である外周面の一部から、昇温しにくい面であるシール面４ｓの一部に亘ってダイヤモンド膜を連続して形成していればよい。
【００３５】
［第２実施形態］
［全体構成］
図３は、本発明の第２実施形態に係るメカニカルシールを示す断面図である。図３において、本実施形態のメカニカルシールは、通常運転時において機外流体領域に封液が収容される点で第１実施形態と相違する。
【００３６】
本実施形態のメカニカルシール５１は、被密封流体が内部に存在する回転機器のケーシング（図示省略）と、その回転機器の回転軸６０との間に設けられるものであって、シールケース５２内に、第１回転密封環５３および第１静止密封環５４と、第２回転密封環５５および第２静止密封環５６とによって構成される２組の回転シール構造を備えている。第１及び第２回転密封環５３，５５と第１及び第２静止密封環５４，５６は、例えばＳｉＣ焼結体からなり、環状に形成されている。
【００３７】
第１回転密封環５３と第１静止密封環５４とによって構成される第１の回転シール構造により、ケーシング内の機内流体領域Ｈ’と、封液が存在する封液領域（機外流体領域）Ｓ’とが互いにシールされる。
また、第２回転密封環５５と第２静止密封環５６とによって構成される第２の回転シール構造により、封液領域Ｓ’と、大気に開放された大気領域Ｌ’が互いにシールされる。上記回転機器は、例えば食品、医薬品等の攪拌装置であり、メカニカルシール５１は、縦型であって、大気領域Ｌ’側が上側、機内流体領域Ｈ’側が下側の状態で取り付けられる。
【００３８】
シールケース５２は、円筒部６１ａと、円筒部６１ａの軸方向下端に形成された下側フランジ部６１ｂと、円筒部６１ａの軸方向上端に形成された上側フランジ部６１ｃとからなるケース本体部６１を備えている。
また、シールケース５２は、ケース本体部６１の下側フランジ部６１ｂにボルト６４により締結されるフランジ部６２と、ケース本体部６１の上側フランジ部６１ｃにボルト６５及びナット６６により締結される筒状のベアリングケース部６３とにより構成されている。なお、フランジ部６２はケーシング側に固定されている。
【００３９】
攪拌装置の回転軸６０には、第１スリーブ５７および第２スリーブ５８が外嵌され、第１スリーブ５７の機内流体領域Ｈ’側である下端部と第２スリーブ５８の大気領域Ｌ’側である上端部とは溶接により固定されている。また、第１スリーブ５７の上端部は、回転軸６０に外嵌されたストッパリング５９に当接している。ストッパリング５９は、セットスクリュー６７により回転軸６０に固定されるとともに、セットスクリュー６８により第１スリーブ５７の上端部を回転軸６０側に固定している。これにより、第１及び第２スリーブ５７，５８は、ストッパリング５９とセットスクリュー６７，６８によって、回転軸６０に強固に固定されている。
【００４０】
シールケース５２のフランジ部６２の内周側には、封液領域Ｓ’から、第１回転密封環５３と第１静止密封環５４とのシール面間を通過して機内流体領域Ｈ’側に漏れた封液を一時的に溜めるための環状のドレン受け７１が設けられている。
【００４１】
シールケース５２のベアリングケース部６３の内周面と第１スリーブ５７の外周面との間には、回転軸６０とシールケース５２とを相対回転自在にかつ径方向に相対運動不能に連結するためのベアリング７２が介在している。このベアリング７２は、第１スリーブ５７の外周側に嵌合固定された一対のスナップリング７３により軸方向への移動が規制されている。
【００４２】
ベアリング７２の軸方向下側には、ケース本体部６１の上側フランジ部６１ｃと第１スリーブ５７の外周面との間を密封するシール部材７４が設けられ、ベアリング７２の軸方向上側には、ベアリングケース部６３の軸方向上端部と第１スリーブ５７の外周面との間を密封するシール部材７５が設けられている。これにより、ベアリングケース部６３の内周側には、ベアリング７２の潤滑剤（グリース等）が封入される潤滑領域７６が形成されている。
【００４３】
第１静止密封環５４の外周面は、フランジ部６２の内周面に嵌合されている。第１静止密封環５４の外周の軸方向下側には、フランジ部６２の内周面との間をシール（二次シール）するＯリング７７が設けられている。
第１静止密封環５４の外周の軸方向上側には、ケース本体部６１の下側フランジ部６１ｂに内嵌されたアダプタリング７８が近接して配置されている。このアダプタリング７８は、例えば、通常運転時とは異なる圧力関係（機内流体領域Ｈ’＞封液領域Ｓ’の圧力状態）が生じた場合、第１静止密封環５４が大気領域Ｌ’側に移動するスラスト力が作用するため、アダプタリング７８の最内周面により第１静止密封環５４の上記移動を抑制するものである。
【００４４】
第１静止密封環５４の軸方向下端部には、周方向へ所定間隔で切り欠き５４ａが複数（図３では１個のみ開示）形成されており、これらの切り欠き５４ａには、フランジ部６２の内周部に突設されたピン６２ａが係合されている。これにより、第１静止密封環５４はフランジ部６２に対する相対回転が規制されている。
【００４５】
第１静止密封環５４の軸方向上端には、回転軸６０の軸方向に直交する平面であるシール面５４ｓが形成されている。また、第１静止密封環５４のシール面５４ｓよりも外周側には、軸方向上側（大気領域Ｌ’側）から軸方向下側（機内流体領域Ｈ’側）に向かうに従って封液領域Ｓ’方向（図３の左右方向。以下、同様）に漸次拡径するテーパ面５４ｔが形成されている。
【００４６】
第１回転密封環５３は、第１静止密封環５４のシール面５４ｓに対向するシール面５３ｓと、このシール面５３ｓよりも外周側において軸方向上側から軸方向下側に向かうに従って封液領域Ｓ’方向に漸次縮径するテーパ面５３ｔとを有している。
第１回転密封環５３の内周面は、第２スリーブ５８の外周面に対して軸方向に移動可能に嵌合されている。また、第１回転密封環５３の内周には、第２スリーブ５８の外周面との間をシール（二次シール）するＯリング７９が設けられている。
【００４７】
第１回転密封環５３の軸方向上側には、ドライブカラー８０が第２スリーブ５８の外周面に対して軸方向に移動可能に嵌合されている。ドライブカラー８０の外周側には、軸方向下側に突出する円筒状の保持環８１が取り付けられており、この保持環８１に対して周方向に所定間隔で固定された複数（図３では１個のみ開示）のキー８１ａが、第１回転密封環５３の外周に形成されたキー溝５３ａに係合している。これにより、ドライブカラー８０は第１回転密封環５３に対する相対回転が規制されている。
【００４８】
ドライブカラー８０の軸方向上側には、リテーナ８２が第１スリーブ５７の外周面に嵌合されている。リテーナ８２は、セットスクリュー８３により第１スリーブ５７に固定されている。また、リテーナ８２は、後述するリテーナ９１の貫通孔９１ａに挿通してドライブカラー８９に螺合されるドライブピン９２と同様の構成により、ドライブカラー８０に連結されている。これにより、ドライブカラー８０は、リテーナ８２に対して軸方向へ移動可能に保持されながら、リテーナ８２に対する相対回転が規制されている。
【００４９】
リテーナ８２とドライブカラー８０との間には、周方向へ所定間隔でばね８４が複数（図３では１個のみ図示）装着されている。ばね８４の軸方向上側の端部はリテーナ８２に形成された凹部（図示省略）に保持され、ばね８４の軸方向下側の端部はドライブカラー８０に当接している。ばね８４は、ドライブカラー８０を介して第１回転密封環５３を軸方向下側へ付勢しており、これにより、第１回転密封環５３のシール面５３ｓは、第１静止密封環５４のシール面５４ｓに押し付けられている。したがって、第１回転密封環５３および第１静止密封環５４の両シール面５３ｓ，５４ｓにより、機内流体領域Ｈ’と封液領域Ｓ’との間に一次シール部が構成されている。
【００５０】
一方、第２静止密封環５６の外周面は、ケース本体部６１の上側フランジ部６１ｃの内周面に嵌合されている。第２静止密封環５６の外周の軸方向上側には、上側フランジ部６１ｃの内周面との間をシール（二次シール）するＯリング８５が設けられている。
上側フランジ部６１ｃの内周側の端面には環状のプレート８６がボルト８７により固定されており、このプレート８６の内端部は第２静止密封環５６の後述するテーパ面５６ｔに当接している。これにより、第２静止密封環５６は軸方向下側への移動が規制されている。
【００５１】
第２静止密封環５６の軸方向上端部には、周方向へ所定間隔で切り欠き５６ａが複数（図３では１個のみ開示）形成されており、これらの切り欠き５６ａには、上側フランジ部６１ｃの内周部に突設されたピン６１ｃ１が係合されている。これにより、第２静止密封環５６は上側フランジ部６１ｃに対する相対回転が規制されている。
【００５２】
第２静止密封環５６の軸方向下端には、回転軸６０の軸方向に直交する平面であるシール面５６ｓが形成されている。また、第２静止密封環５６のシール面５６ｓよりも外周側には、軸方向上側（大気領域Ｌ’側）から軸方向下側（機内流体領域Ｈ’側）に向かうに従って封液領域Ｓ’方向に漸次縮径するテーパ面５６ｔが形成されている。
【００５３】
第２回転密封環５５は、第２静止密封環５６のシール面５６ｓに対向するシール面５５ｓと、このシール面５５ｓよりも外周側において軸方向上側から軸方向下側に向かうに従って封液領域Ｓ’方向に漸次拡径するテーパ面５５ｔとを有している。
第２回転密封環５５の内周面は、第１スリーブ５７の外周面に対して軸方向に移動可能に嵌合されている。また、第２回転密封環５５の内周には、第１スリーブ５７の外周面との間をシール（二次シール）するＯリング８８が設けられている。
【００５４】
第２回転密封環５５の軸方向下側には、ドライブカラー８９が第１スリーブ５７の外周面に対して軸方向に移動可能に嵌合されている。ドライブカラー８９の外周側には、軸方向上側に突出する円筒状の保持環９０が取り付けられており、この保持環９０に対して周方向に所定間隔で固定された複数（図３では１個のみ開示）のキー９０ａが、第２回転密封環５５の外周に形成されたキー溝５５ａに係合している。これにより、ドライブカラー８９は第２回転密封環５５に対する相対回転が規制されている。
【００５５】
ドライブカラー８９の軸方向下側には、リテーナ９１が第１スリーブ５７の外周面に嵌合されている。リテーナ９１は、上述したリテーナ８２と同様に、図示しないセットスクリューにより第１スリーブ５７に固定されている。また、リテーナ９１には軸方向に貫通する貫通孔９１ａが形成されており、この貫通孔９１ａにはドライブピン９２が挿通されてドライブカラー８９に螺合されている。これにより、ドライブカラー８９は、リテーナ９１に対して軸方向へ移動可能に保持されながら、リテーナ９１に対する相対回転が規制されている。
【００５６】
リテーナ９１とドライブカラー８９との間には、上述したリテーナ８２とドライブカラー８０との間に装着されたばね８４と同様に、図示しないばねが装着されている。このばねは、ドライブカラー８９を介して第２回転密封環５５を軸方向上側へ付勢しており、これにより、第２回転密封環５５のシール面５５ｓは、第２静止密封環５６のシール面５６ｓに押し付けられている。したがって、第２回転密封環５５および第２静止密封環５６の両シール面５５ｓ，５６ｓにより、封液領域Ｓ’と大気領域Ｌ’との間に一次シール部が構成されている。
【００５７】
ケース本体部６１の下側フランジ部６１ｂには、封液領域Ｓ’に封液を供給するための供給孔６１ｄが形成されており、この供給孔６１ｄには外部管路９５が接続されている。封液は、回転密封環５３（５５）と静止密封環５４（５６）のシール面５３ｓ（５５ｓ），５４ｓ（５６ｓ）を冷却及び潤滑するものであり、純水やエタノール等が用いられる。本実施形態では、封液として６０℃以下の純水が用いられている。封液領域Ｓ’内の圧力は、機内流体領域Ｈ’内の圧力及び大気領域Ｌ’の圧力より高くなるように、封液の圧力によって調整されている。攪拌装置の運転中は、封液領域Ｓ’に常に所定圧の封液が供給される。
【００５８】
ケース本体部６１の上側フランジ部６１ｃには、封液領域Ｓ’内の封液を排出するための排出孔６１ｅが形成されており、この排出孔６１ｅには外部管路９６が接続されている。
なお、供給孔６１ｄは、後述するスチームを封液領域Ｓ’に供給するための供給路を兼ねており、排出孔６１ｅは、封液領域Ｓ’内のスチームを外部に排出する排出路を兼ねている。
【００５９】
［通常運転時の動作］
上記のように構成されたメカニカルシール５１について、攪拌装置の通常運転時における動作について説明する。まず、供給孔６１ｄから封液領域Ｓ’に所定圧の封液を供給し、この状態で回転軸６０を回転させる。そうすると、第１回転密封環５３と第１静止密封環５４のシール面５３ｓ，５４ｓ同士の間、及び第２回転密封環５５と第２静止密封環５６のシール面５５ｓ，５６ｓ同士の間には、封液によって潤滑膜が形成される。これにより、回転密封環５３（５５）と静止密封環５４（５６）のシール面５３ｓ（５５ｓ），５４ｓ（５６ｓ）を冷却及び潤滑することができる。
【００６０】
［滅菌処理時の動作］
次に、攪拌装置を停止し、回転軸６０が停止した状態で、攪拌装置の滅菌処理を実施する。具体的には、供給孔６１ｄから封液領域Ｓ’に所定圧の高温（例えば１３０℃程度）のスチーム（滅菌流体）を所定時間、供給する。これにより、メカニカルシール５１の各構成部品は、高温のスチームに接触して所定の滅菌温度（例えば１００℃）まで昇温することで滅菌される。
【００６１】
その際、メカニカルシール５１の各構成部品では、封液領域Ｓ’に面する領域面が高温のスチームに接触するので昇温しやすい面となる。したがって、各構成部品は、この昇温しやすい面から他の昇温しにくい面に伝熱し、上記滅菌温度に達することで滅菌される。なお、滅菌処理時には、撹拌装置に別途設けた通路（図示省略）から機内流体領域Ｈ’にも高温のスチームが供給される。
【００６２】
［ダイヤモンドコート］
図４は、図３の下側部分の拡大図である。図３において、第１回転密封環５３には、ダイヤモンド膜ｄ１１〜ｄ１５が連続して形成されている。具体的には、ダイヤモンド膜ｄ１１は、封液領域Ｓ’に供給されるスチームにより昇温しやすい面となる第１回転密封環５３のテーパ面５３ｔの全体に形成されている。ダイヤモンド膜ｄ１２〜ｄ１５は、封液領域Ｓ’にスチームが供給されても昇温しにくい面となる、第１回転密封環５３の外周面５３ｂ（切り欠き５４ａを含む）、上端面５３ｃ、内周面５３ｄ、及びシール面５３ｓの各全体にそれぞれ形成されている。
【００６３】
このように、第１回転密封環５３には、封液領域Ｓ’内のスチームにより昇温しやすい面５３ｔから、昇温しにくい面５３ｂ〜５３ｄ，５３ｓに亘ってダイヤモンド膜ｄ１１〜ｄ１５が連続して形成されている。なお、図４では、分かりやすいようにダイヤモンド膜ｄ１１〜ｄ１５の膜厚を誇張して描いている。
【００６４】
第１静止密封環５４には、ダイヤモンド膜ｄ２１〜ｄ２５が連続して形成されている。具体的には、ダイヤモンド膜ｄ２１は、封液領域Ｓ’に供給されるスチームにより昇温しやすい面となる第１静止密封環５４のテーパ面５４ｔの全体に形成されている。ダイヤモンド膜ｄ２２〜ｄ２５は、封液領域Ｓ’にスチームが供給されても昇温しにくい面となる、第１静止密封環５４の外周面５４ｂ、下端面５４ｃ（切り欠き５４ａを含む）、内周面５４ｄ、及びシール面５４ｓの各全体にそれぞれ形成されている。
【００６５】
このように、第１静止密封環５４には、封液領域Ｓ’内のスチームにより昇温しやすい面５４ｔから、昇温しにくい面５４ｂ〜５４ｄ，５４ｓに亘ってダイヤモンド膜ｄ２１〜ｄ２５が連続して形成されている。なお、図４では、分かりやすいようにダイヤモンド膜ｄ２１〜ｄ２５の膜厚を誇張して描いている。
【００６６】
ダイヤモンド膜ｄ１１〜ｄ１５（ｄ２１〜ｄ２５）は、１０００〜２０００Ｗ／ｍ・ｋという、カーボンやセラミックス（例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ））よりも極めて大きな熱伝導率を有しているため、以下の作用効果を奏する。すなわち、封液領域Ｓ’に導入された封液により第１回転密封環５３（第１静止密封環５４）に雑菌が発生するが、前記昇温しやすい面５３ｔ（５４ｔ）において高温のスチームに接触して昇温した熱を、ダイヤモンド膜ｄ１１〜ｄ１５（ｄ２１〜ｄ２５）によって前記昇温しにくい面５３ｂ〜５３ｄ，５３ｓ（５４ｂ〜５４ｄ，５４ｓ）に伝熱させることができる。
【００６７】
これにより、前記昇温しにくい面５３ｂ〜５３ｄ，５３ｓ（５４ｂ〜５４ｄ，５４ｓ）を滅菌温度まで早く昇温させることができるので、封液を用いるメカニカルシール５１の滅菌処理を迅速に行うことができる。その結果、食品または医薬品等の生産効率を向上させることができる。
【００６８】
ダイヤモンド膜ｄ１１〜ｄ１５，ｄ２１〜ｄ２５は、例えばマイクロ波ＣＶＤ法、熱フィラメントＣＶＤ法等の一般的な製造技術を用いて作製することができる。ダイヤモンド膜ｄ１１〜ｄ１５，ｄ２１〜ｄ２５の厚さは、本発明において特に限定されるものではないが、通常、３μｍ〜３０μｍ、好ましくは３μｍ〜１０μｍである。
【００６９】
第１回転密封環５３（第１静止密封環５４）の昇温しやすい面で昇温した熱が、当該第１回転密封環５３（第１静止密封環５４）の母材であるＳｉＣ焼結体に移動する前に、昇温しにくい面に移動させるという観点からは、３μｍ以上の厚みであることが望ましい。
一方、ダイヤモンド膜ｄ１１〜ｄ１５，ｄ２１〜ｄ２５の厚さが３０μｍを超えると、ダイヤモンド膜ｄ１１〜ｄ１５，ｄ２１〜ｄ２５の強度を十分に確保することが困難となる。また、ダイヤモンド膜ｄ１１〜ｄ１５，ｄ２１〜ｄ２５が厚くなるほど膜の表面粗度も大きくなり、精密な機械部品であるメカニカルシールのシール面として使用するのが困難になるのに加えて、ダイヤモンド膜の残留応力を極力小さくするという観点からは、１０μｍ以下であることが望ましい。
【００７０】
なお、ダイヤモンド膜ｄ１１〜ｄ１５（ｄ２１〜ｄ２５）の厚さは、同じ厚さであってもよいし、互いに異なる厚さであってもよい。第１回転密封環５３（第１静止密封環５４）の昇温しやすい面５３ｔ（５４ｔ）で昇温した熱を速やかに昇温しにくい面５３ｂ〜５３ｄ，５３ｓ（５４ｂ〜５４ｄ，５４ｓ）に移動させるという観点からは、昇温しやすい面５３ｔ（５４ｔ）のダイヤモンド膜ｄ１１（ｄ２１）の膜厚が、他のダイヤモンド膜ｄ１２〜ｄ１５（ｄ２２〜ｄ２５）の膜厚以上であることが望ましい。
【００７１】
また、本実施形態では、第１回転密封環５３（第１静止密封環５４）の全周にダイヤモンド膜を形成しているが、少なくとも、昇温しやすい面の一部から、複数の昇温しにくい面のうちいずれかの面の一部に亘ってダイヤモンド膜を連続して形成していればよい。
【００７２】
好ましくは、第１回転密封環５３では、テーパ面５３ｔの全体、外周面５３ｂの全体、上端面５３ｃの全体、および内周面５３ｄにおける上端からＯリング７９との径方向の接触点Ｐ２までの間にダイヤモンド膜が連続して形成されているのがよい。また、第１静止密封環５４では、テーパ面５４ｔの全体、および外周面５４ｂにおける上端からＯリング７７との径方向の接触点Ｐ３までの間にダイヤモンド膜が連続して形成されているのが好ましい。
【００７３】
その理由は、第１回転密封環５３の内周面５３ｄの接触点Ｐ２よりも下側部分，シール面５３ｓ、および第１静止密封環５４のシール面５４ｓ，内周面５４ｄ，下端面５４ｃ，外周面５４ｂの接触点Ｐ３よりも下側部分は、機内流体領域Ｈ’に別途供給されたスチームと接触しやすく、当該スチームにより昇温して滅菌されるからである。
【００７４】
また、ダイヤモンド膜は、第１回転密封環５３および第１静止密封環５４の両方に形成されているが、いずれか一方のみに形成されていてもよい。本実施形態では、供給孔６１ｄから供給されるスチームは、アダプタリング７８の存在により第１静止密封環５４のほうが第１回転密封環５３よりも接触しやすいので、当該スチームが接触しにくい第１静止密封環５４にダイヤモンド膜を形成するのが好ましい。
【００７５】
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００７６】
１  メカニカルシール
３  回転密封環
３ａ  内周面（昇温しにくい面）
３ｂ  外周面（昇温しやすい面）
３ｓ１  シール面（昇温しにくい面）
３ｓ３  領域面
３ｓ２  シール面（昇温しにくい面）
４  第１静止密封環
４ｓ  シール面
２１ｐ  通路孔（供給路）
３１  ケーシング
３２  回転軸
５１  メカニカルシール
５３  第１回転密封環
５３ｂ  外周面（昇温しにくい面）
５３ｃ  上端面（昇温しにくい面）
５３ｄ  内周面（昇温しにくい面）
５３ｓ  シール面（昇温しにくい面）
５３ｔ  テーパ面（昇温しやすい面）
５４  第１静止密封環
５４ｂ  外周面（昇温しにくい面）
５４ｃ  下端面（昇温しにくい面）
５４ｄ  内周面（昇温しにくい面）
５４ｓ  シール面（昇温しにくい面）
５４ｔ  テーパ面（昇温しやすい面）
６１ｄ  供給孔（供給路）
ｄ１〜ｄ４  ダイヤモンド膜
ｄ１１〜ｄ１５  ダイヤモンド膜
ｄ２１〜ｄ２５  ダイヤモンド膜
Ｈ  機内流体領域
Ｈ’  機内流体領域
Ｓ  シールガス領域（機外流体領域）
Ｓ’  封液領域（機外流体領域）
【図１】
2018009631.tif 000003
【図２】
2018009631.tif 000004
【図３】
2018009631.tif 000005
【図４】
2018009631.tif 000006