(57)【要約】【課題】回転密封環におけるキーとの接触箇所への応力集中による回転密封環の破損を防止する。【解決手段】回転軸２に固定された回転密封環６とシールケース５に軸線方向移動可能に保持された静止密封環７との対向端面６ａ，７ａが接触しながら相対回転することにより高温流体領域Ａと冷却液領域Ｂとを遮蔽シールするように構成されたメカニカルシールにおいて、回転密封環６が、セラミックス又は超硬合金で一体成形されたものであって、内周面６ｄ，６ｅとスリーブ９の外周面９ａ，９ｄとの間をＯリング１２でシールした非接触の状態でスリーブ９に嵌合されると共にスリーブ９にこれに固定した金属製のキー１３を内周面６ｄに形成したキー溝６ｆに係合させた状態で相対回転を阻止されており、回転密封環６の内周面６ｄ，６ｅにダイヤモンド膜１７を形成してある。【選択図】図２
2018003967.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールケースに軸線方向への移動が可能な状態で保持された静止密封環と、
シールケースを貫通する回転軸に固定された回転密封環と、を備え、
前記静止密封環と回転密封環との対向端面である密封端面が接触しながら相対回転することにより、当該密封端面の外周側領域である被密封流体領域とその内周側領域である非密封流体領域とを遮蔽シールするメカニカルシールであって、
前記非密封流体領域の流体が被密封流体領域の流体より低温であり、
回転密封環が、セラミックス又は超硬合金で形成され、回転軸に固定された金属製のスリーブにこれとの対向周面間をシール材によりシールした非接触の状態で嵌合されると共に、当該スリーブと回転密封環との相対回転が回り止め機構により阻止されており、
回転密封環の内周面にダイヤモンド膜を形成したメカニカルシール。
【請求項２】
前記被密封流体領域の流体が、前記回転密封環及びスリーブを熱膨張させる温度の流体である請求項１に記載のメカニカルシール。
【請求項３】
前記回り止め機構が、スリーブの外周部に固定した金属製のキーを回転密封環の内周部に形成されたキー溝に係合させてなる請求項１又は２に記載のメカニカルシール。
【請求項４】
非密封流体領域の流体が接触する回転密封環の表面部分に前記ダイヤモンド膜に連なるダイヤモンド膜を形成した請求項１〜３の何れかに記載のメカニカルシール。
【請求項５】
回転密封環の密封端面に、前記ダイヤモンド膜と分離した形態でダイヤモンド膜を形成した請求項１又は請求項２に記載のメカニカルシール。
【請求項６】
前記ダイヤモンド膜の厚さが１μｍ以上である請求項１〜５の何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】
本発明は、例えばビーズミルや攪拌機等の回転機器に装備されるメカニカルシールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、メカニカルシールの一例である端面接触形のメカニカルシールとして、例えば、特許文献１に開示される如く、機内領域である被密封流体領域と機外領域である大気領域とを機内側の一次シールと機外側の二次シールとの間に形成された非密封流体領域を介してシールするように構成された軸封装置において、一次シールとして使用されているものが公知である。
【０００３】
すなわち、この一次シールとして使用されているメカニカルシール（以下「従来メカニカルシール」という）は、特許文献１の図１に示される如く、シールケースに軸線方向移動可能に保持された静止密封環と回転軸に固定された回転密封環との対向端面である密封端面が接触しながら相対回転することにより当該密封端面の外周側領域である被密封流体領域とその内周側領域である非密封流体領域とを遮蔽するように構成されたものである。一次シールと二次シールとでシールされた非密封流体領域には、水等の冷却液が循環供給される。
【０００４】
而して、従来メカニカルシールにあっては、回転密封環がセラミックス又は超硬合金で一体成形されたものであって、回転軸に固定した金属製（ステンレス鋼等）のスリーブにこれとの対向周面間をＯリングでシールした状態で嵌合されると共に当該スリーブに対する相対回転を回り止め機構により阻止されている。
【０００５】
ところで、従来メカニカルシールにあっては、回転密封環の構成材であるセラミックスや超硬合金に比してスリーブの構成材であるステンレス鋼等の金属の熱膨張率（線膨張係数）が大きいため、被密封流体が高温流体である場合、回転密封環をスリーブに接触した状態で嵌合させておくと、高温流体による回転密封環の内径の熱膨張量（以下「内径拡大量」という）に比してスリーブの外径の熱膨張量（以下「外径拡大量」という）が大きいため、回転密封環の内周部に、当該回転密封環の内径がスリーブにより押し広げられることによる引張応力が作用することになる。その結果、回転密封環の構成材であるセラミックスや超硬合金が圧縮強度に優れるものの、引張強度に劣るものであることから、回転密封環が遠心力の作用とも相俟って破損するおそれがある。
【０００６】
そこで、従来メカニカルシールを高温条件下で使用する場合には、スリーブの外径及び回転密封環の内径を回転密封環がスリーブに非接触となる状態で嵌合するように設計しておくことが提案されている。すなわち、高温流体との接触による回転密封環の内径拡大量とスリーブの外径拡大量とを予測して、当該予測結果に基づいて、運転停止時（メカニカルシール組み立て時）における回転密封環の内周面とスリーブの外周面との間に環状隙間（以下「設計隙間」という）を形成することによって、回転密封環とスリーブとが高温流体（被密封流体）にて熱変形（熱膨張）する運転状況下においても上記設計隙間の形成により回転密封環にスリーブによる引張応力が作用することがない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１９７９４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、運転時におけるスリーブの外径拡大量は、高温流体の温度に依存することから、ある程度正確に予測することができるが、運転時における回転密封環の内径拡大量は、高温流体の温度に加え、回転密封環の密封端面で発生する摩擦熱及び回転密封環の内周面に接触する冷却液による冷却をも考慮する必要があり、正確に予測することは極めて困難である。
【０００９】
したがって、設計隙間が運転時における回転密封環の内径拡大量とスリーブの外径拡大量との差に比して過小であると、運転時において回転密封環にスリーブによる引張応力が作用して、上記問題（引張応力による回転密封環の破損）が生じる。
【００１０】
一方、設計隙間が回転密封環の内径拡大量とスリーブの外径拡大量との差に比して過大であると、運転時においては、回転密封環とスリーブとの対向周面間に大きな隙間が生じるため、相手密封環（静止密封環）との相対回転摺接によるトルクの作用や回転軸の振動等により、回転密封環がスリーブに対して大きく偏心する虞れがある。そして、回転密封環が大きく偏心すると、回転密封環の密封端面と相手密封環の密封端面との同心性が損なわれて、両密封端面の接触が適正に行われず、シール機能が良好に発揮されなくなるおそれがある。
【００１１】
ところで、従来メカニカルシールにあっては、前記回り止め機構が、スリーブに固定した金属製のキーと回転密封環の内周面に形成したキー溝とからなり、キーをキー溝に係合させることにより回転密封環のスリーブに対する相対回転を阻止するように構成されている。而して、このような回り止め機構を採用するメカニカルシールにあっては、設計隙間が運転時における回転密封環の内径拡大量とスリーブの外径拡大量との差に比して過大であると、上記した如く、回転密封環がスリーブに対して大きく偏心することにより、設計隙間が当該内外拡大量の差に比して過小である場合と同様に、回転密封環が破損するおそれがある。
【００１２】
すなわち、スリーブに固定されたキーと回転密封環の内周面に形成されたキー溝とは、両者の係合機能が回転密封環のスリーブ（回転軸）に対する相対回転を阻止するためにすぎないものであること及び回転密封環のスリーブへの固定作業の容易性を図ること等の理由から、密に係合されておらず、キーとキー溝とはその間にある程度の隙間が生じた状態で係合されている。また、回転密封環は、焼結材であるセラミックス又は超硬合金で構成されていることから、凹凸のない円形をなす断面形状部分においてはトルクに対する強度が高いものであるが、破壊靭性が内部の局所的な欠陥構造に左右され易い脆性材であり、キー溝のように一部に凹凸を有する非円形をなす断面形状部分においてはトルクによる応力集中によって凹凸箇所から破壊される可能性がある。
【００１３】
したがって、回転密封環がスリーブに対して偏心しないか或は偏心してもその偏心量が小さいときは、キーがキー溝に面接触して、キー溝にはキーとの接触部分に応力が集中することはないが、回転密封環がスリーブに対して大きく偏心した場合には、キーがキー溝に面接触せず線接触することになり、その結果、回転密封環にはキーの接触部分に相手密封環との接触状態での相対回転によるトルクにより大きな応力が集中して、回転密封環が破損するおそれがある。
【００１４】
本発明は、このような問題を解決すべくなされたもので、運転時における回転密封環の破損を可及的に防止して、長期に亘って良好なシール機能を発揮しうるメカニカルシールを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、シールケースに軸線方向への移動が可能な状態で保持された静止密封環と、シールケースを貫通する回転軸に固定された回転密封環と、を備え、前記静止密封環と回転密封環との対向端面である密封端面が接触しながら相対回転することにより当該密封端面の外周側領域である被密封流体領域とその内周側領域である非密封流体領域とを遮蔽シールするメカニカルシールであって、前記非密封流体領域の流体（以下「非密封流体」という）が被密封流体領域の流体（以下「被密封流体」という）より低温であり、回転密封環が、セラミックス又は超硬合金で形成され、回転軸に固定された金属製のスリーブにこれとの対向周面間をシール部材でシールした非接触の状態で嵌合されると共に、当該スリーブと回転密封環との相対回転が回り止め機構により阻止されており、回転密封環の内周面にダイヤモンド膜を形成したメカニカルシールを提案するものである。
【００１６】
本発明のメカニカルシールの好ましい実施に形態にあっては、前記被密封流体が、前記回転密封環及びスリーブを熱膨張させる温度の流体であり、前記回り止め機構が、スリーブの外周部に固定した金属製のキーを回転密封環の内周部に形成されたキー溝に係合させてなる。
【００１７】
また、本発明のメカニカルシールにあっては、非密封流体が接触する回転密封環の表面部分に前記ダイヤモンド膜に連なるダイヤモンド膜を形成しておくことが好ましい。また、回転密封環の密封端面に、前記ダイヤモンド膜と分離した形態でダイヤモンド膜を形成しておくことが好ましい。さらに、前記ダイヤモンド膜の厚さは１μｍ以上であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のメカニカルシールにあっては、被密封流体より低温の液体（非密封流体）と接触する回転密封環の内周面に、当該密封環の構成材であるセラミックスや超硬合金に比して熱膨張率の極めて低いダイモンド膜を形成しているから、非密封流体との接触による当該ダイヤモンド膜への伝熱（冷却）により、当該内周面への密封端面で発生する摩擦熱による伝熱及び非密封流体より高温の被密封流体との接触による伝熱を効果的に遮断し得て、運転時における当該内周部分の温度上昇を可及的に防止でき、内周面を含む回転密封環の内周部分の温度が非密封流体の温度に略支配されることになる。したがって、運転時における回転密封環の内径の熱膨張量（内径拡大量）を非密封流体の温度に基づいてある程度正確に予測することができ、運転停止時（メカニカルシール組み立て時）における回転密封環とスリーブとの対向周面間に形成される環状隙間（設計隙間）を、運転時における当該対向周面間に環状隙間（以下「運転時隙間」という）が生じ且つ当該運転時隙間が可及的に小さくなるように設計しておくことができる。その結果、運転時において、回転密封環にスリーブの熱膨張による引張応力が作用することがなく、また回転密封環がスリーブに対して大きく偏心するようなことがなく、長期に亘って良好なシール機能を発揮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係るメカニカルシールの一例を示す断面図である。
【図２】図１の要部を拡大して示す詳細図である。
【図３】図２のIII −III 線に沿う要部の断面図である。
【図４】本発明に係るメカニカルシールの変形例を示す図２相当の要部の断面図である。
【図５】本発明に係るメカニカルシールの他の変形例を示す図２相当の要部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて具体的に説明する。
【００２１】
図１は本発明に係るメカニカルシールを一次シールとして装備した軸封装置の一例を示す断面図であり、図２は図１の要部を拡大して示す詳細図であり、図３は図２のIII −III 線に沿う要部の断面図である。なお、以下の説明において、前後とは図１及び図２における左右を意味するものとする。
【００２２】
図１に示す軸封装置は、回転機器のハウジング１とこれを貫通する回転軸２との間に一次シール３と二次シール４とを軸線方向（前後方向）に縦列配置して、機内領域である被密封領域Ａと機外領域である大気領域Ｂとを両シール３，４間に形成された非密封流体領域Ｃを介してシールするように構成されたものであり、被密封流体領域Ａの流体（被密封流体）が後述する回転密封環６及びスリーブ８を熱膨張させる温度（例えば、７５度以上）の高温流体であり且つ非密封流体領域Ｂの流体（非密封流体）が被密封流体より低温の冷却液Ｓである条件下で使用されるものである。
【００２３】
なお、以下の説明において、軸線とは回転軸２の中心線をいい、軸線方向とは軸線と同一方向をいう。
【００２４】
図１に示す如く、一次シール３は本発明の端面接触形メカニカルシールであって、ハウジング１に取り付けられたシールケース５と、回転軸２に固定された回転密封環６と、シールケース５に軸線方向（前後方向）に移動可能に保持された静止密封環７と、静止密封環７を回転密封環６に押圧した状態で接触させるべく附勢するスプリング部材８とを具備し、両密封環６，７の対向端面たる密封端面６ａ，７ａが接触しながら相対回転することにより当該密封端面６ａ，７ａの外周側領域である被密封流体領域Ａとその内周側領域である非密封流体領域Ｃとを遮蔽シールするように構成されている。
【００２５】
図１に示す如く、シールケース５は円筒構造をなすもので、本体部５ａとその先端部（後端部）に取り付けられたフランジ部５ｂとその内周部に一体形成されたスプリング保持部５ｃとその先端部（後端部）に一体形成された密封環保持部５ｄとからなり、本体部５ａ及びフランジ部５ｂが、スプリング保持部５ｃ及び密封環保持部５ｄがハウジング１内に位置した状態で、ハウジング１に取り付けられている。
【００２６】
シールケース５の本体部５ａには、図１に示す如く、非密封流体領域Ｃに連通する冷却液Ｓの給液通路５ｅ及び排液通路５ｆが設けられていて、被密封流体より低温且つ高圧の冷却液Ｓを非密封流体領域Ｃに封液（非密封流体）として循環供給するように構成されている。冷却液Ｓとしては、常温の液体又は給排液通路５ｅ，５ｆを連結する冷却液循環路に配設した冷却手段により常温以下に冷却された液体であって、被密封流体への混入及び大気領域Ｂへの漏洩に支障のない清水、溶剤等が使用されており、その温度は略一定に保持されている。
【００２７】
回転軸２は、例えばステンレス等の金属製のもので、シールケース５を同心状に貫通している。回転軸２には、図１に示す如く、ステンレス鋼等の金属からなる円筒状のスリーブ９が固定されている。スリーブ９は、先端部（前端部）をシールケース５の本体部５ａから大気領域Ｂ側へ突出させると共に基端部（後端部）をシールケース５の密封環保持部５ｄからハウジング１内に突出させた状態で、先端部に嵌合させた固定リング１０及びセットスクリュー１１ａ，１１ｂにより回転軸２に固定されている。
【００２８】
図１及び図２に示す如く、回転密封環６は、炭化珪素等のセラミックス又は超硬合金で一体成形されたものであり、先端面（前端面）を軸線に直交する円環状の平滑面である密封端面６ａに形成された先端部６ｂと、内周面６ｅを先端部６ｂの内周面６ｄより大径とした基端部６ｃとからなる外径一定の円環状体である。回転密封環６は、ハウジング１内であってシールケース５の密封環保持部５ｄより被密封流体領域Ａ側（後側）に配して、回転軸２にスリーブ９、シール材の一例としてのＯリング１２及びキー１３を介して固定されている。
【００２９】
すなわち、図１〜図３に示す如く、回転密封環６は、スリーブ９に当該スリーブ９との対向周面間をパーフロロゴム等のゴム材製のＯリング１２でシールした非接触の状態で嵌合されると共に、スリーブ９に対する相対回転が回り止め機構により阻止されている。この例では、回り止め機構が、スリーブ９の外周部に固定した金属製のキー１３を回転密封環６の先端部６ｂの内周面６ｄに形成したキー溝６ｆに係合させてなる。
なお、回り止め機構としては、本実施形態において説明したキー１３およびキー溝６ｆの組み合わせ以外にも、ドライブピンと係合孔との組み合わせ等を採用することができる。また、シール材としては、Ｏリング１２に限定されず、Ｖリングシール等の回転密封環６とスリーブ９とのシール機能を発揮できるものであれば、その種類は問わない。
【００３０】
図２に示す如く、Ｏリング１２は、回転密封環６の基端部６ｃの内周面６ｅとこれに対向するスリーブ９の外周面９ａとの間に圧縮状態で装填されて当該内外周面６ｅ，９ａ間をシールすると共に、回転密封環６を摩擦による係合力によってスリーブ９に固定する。なお、上記内外周面６ｅ，９ａ間におけるＯリング装填空間は、軸線方向において、回転密封環９の基端部６ｃの内周面６ｅから内方に突出する先端部６ｂの内周側部分６ｇと、スリーブ９の基端に形成された環状突起９ｂとで閉塞されている。
【００３１】
図２及び図３に示す如く、キー１３は、軸線に平行する断面形状及び軸線に直交する断面形状を方形とするステンレス鋼等の金属製の平行キーであり、基端部１３ａをスリーブ９に形成した軸線方向に延びるキー溝９ｃに嵌合させることにより、先端部１３ｂをスリーブ９の外周面９ａから突出させた状態でスリーブ９に固定されている。
【００３２】
キー１３の先端部１３ｂは、図２及び図３に示す如く、回転密封環６の先端部６ｂに形成されたキー溝６ｆに回転密封環６の周方向及び径方向に若干の余裕を持った状態で係合されて、回転密封環６のスリーブ９に対する相対回転を阻止している。なお、この例では、キー１３の先端面及びこれに対向するキー溝６ｆの底面は、図３に示す如く、軸線に直交する断面形状において円弧面をなしている。また、スリーブ９には、図１及び図２に示す如く、キー１３に接触させた状態でスナップリング１４が取り付けられている。
【００３３】
而して、回転密封環６の内径はスリーブ９の外径より所定量大きく設定されていて、回転密封環６はスリーブ９に非接触の状態で嵌合されている。すなわち、運転停止時（メカニカルシール組み立て時）において、図２に示す如く、回転密封環６の先端部６ｂの内周面６ｄとスリーブ９の外周面９ａとの間、及び回転密封環６の基端部６ｃの内周面６ｅとスリーブ９の環状突起９ｂの外周面９ｄとの間には所定の間隔を有する環状隙間（以下「設計隙間」という）が形成されている。この設計隙間は、後述する如く、回転密封環６及びスリーブ９の構成材の熱膨張率（線膨張係数）並びに被密封流体及び冷却液Ｓの温度を勘案して、運転時における回転密封環５の内径の熱膨張量（内径拡大量）及びスリーブ９の外径の熱膨張量（外径拡大量）を予測し、運転時において回転密封環５の内周面６ｄ，６ｅとスリーブ９の外周面９ａ，９ｄとが接触せず且つ可及的に近接するように、設定されている。
【００３４】
図１及び図２に示す如く、静止密封環７は、炭化珪素等のセラミックス又は超硬合金製の円環状体であり、先端面（後端面）に軸線に直交する円環状の平滑面である密封端面７ａが形成されシールケース５の密封環保持部５ｂの内周部にＯリング１５を介して軸線方向に移動可能に嵌合されている。静止密封環７は、その内周部に形成した凹部７ｂにスプリング保持部５ｃに突設したドライブピン１６を係合させることにより、軸線方向への移動を所定範囲で許容しつつシールケース５に対する相対回転が阻止されている。
【００３５】
スプリング部材８は、図１に示す如く、静止密封環７とシールケース５のスプリング保持部５ｃとの間に装填された複数のコイルバネで構成されており、静止密封環７を回転密封環６へと押圧させるべく附勢するものである。なお、静止密封環７の密封端面７ａは、外径を回転密封環６の密封端面６ａの外径と同一とすると共に、内径を当該密封端面６ａの内径より大きくしたものであり、スプリング部材８により当該密封端面６ａの外周側部分に押圧された状態で接触される。
【００３６】
而して、図１〜図３に示す如く、上記したメカニカルシールとしての一次シール３にあっては、回転密封環６の内周面６ｄ，６ｅに、キー溝６ｆの内周面を含めた全面に亘ってダイヤモンド膜１７が一連に形成してある。ダイヤモンド膜１７の形成は、例えば、熱フィラメント化学蒸着法、マイクロ波プラズマ化学蒸着法、高周波プラズマ法、直流放電プラズマ法、アーク放電プラズマジェット法、燃焼炎法等の方法によって行われる。
【００３７】
なお、以下の説明において、回転密封環６とこれに形成されたダイヤモンド膜１７とを区別する必要があるときは、前者を「密封環母材」という。
【００３８】
ダイヤモンド膜１７の厚さは、１μｍ以上であることが好ましく、１μｍ〜２５μｍであることがより好ましい。ダイヤモンド膜１７の厚さが１μｍ未満では後述する伝熱、冷却効果を効果的に発揮することが困難であり、２５μｍを超えるとダイヤモンドによる層強度を十分に確保することが困難である。
【００３９】
図１に示す如く、二次シール４は、一次シール３と同様の端面接触形メカニカルシールであって、一次シール３の大気領域側（前側）に配置されており、シールケース５の本体部５ａに嵌合された状態で固定されたケース側密封環１８と、スリーブ９にＯリング１９を介して軸線方向に移動可能に保持された軸側密封環２０と、軸側密封環２０をケース側密封環１８へと押圧しつつ附勢するスプリング部材２１とを具備する。この二次シール４は、両密封環１８，２０の対向端面たる密封端面１８ａ，２０ａが接触しながら相対回転することにより当該密封端面１８ａ，２０ａの外周側領域である非密封流体領域Ｃと、その内周側領域である大気領域（機外領域）Ｂとを遮蔽シールするように構成される。なお、軸側密封環２０は、スリーブ９に固定したスプリング保持環２２に係合させたドライブピン２３により所定範囲での軸線方向への移動を許容される状態で回転軸２に対する相対回転が阻止されている。また、スプリング部材２１は、軸側密封環２０とスプリング保持環２２との間に装填されて、軸側密封環２０をケース側密封環１８に押圧接触させるべく附勢する。また、スプリング保持環２２には、当該スリーブ保持環２２より被密封流体領域側の非密封流体領域部分の冷却液Ｓを当該スリーブ保持環２２より大気領域側の非密封流体領域部分へと強制流動させるポンピング孔２２ａが形成されている。
【００４０】
以上のように構成されたメカニカルシールとしての一次シール３にあっては、相手密封端面（静止密封環７の密封端面７ａ）と接触しながらの相対回転によって回転密封環６の密封端面６ａに発生する摩擦熱により、回転密封環６が加熱され、高温となる。すなわち、回転密封環６は、非密封流体や冷却液Ｓよりも高温流体である被密封流体との接触による加熱に加えて、密封端面６ａ，７ａ同士の摩擦により生じる摩擦熱によって高温になる。
【００４１】
しかし、回転密封環６の内周面６ｄ，６ｅには、ダイヤモンド膜１７が形成されていて、このダイヤモンド膜１７が被密封流体より低温の冷却液Ｓに接触していることから、回転密封環６の内周面６ｄ，６ｅの温度上昇は可及的に防止される。
【００４２】
すなわち、ダイヤモンド膜１７の構成材であるダイヤモンドは、回転密封環（密封環母材）６の構成材である炭化珪素等のセラミックスや超硬合金に比して熱伝導率が極めて高いものである（例えば、炭化珪素の熱伝導率が７０〜１２０Ｗ／ｍＫであるのに対し、ダイヤモンドの熱伝導率は１０００〜２０００Ｗ／ｍＫである）から、ダイヤモンド膜１７には、冷却液Ｓに接触している部分（当該ダイヤモンド膜１７におけるＯリング１２の接触箇所より非密封流体領域Ｃ側の部分）から瞬時に冷却液Ｓの温度が伝熱される。そして、この伝熱（以下「冷却液伝熱」という）は摩擦熱が発生する回転密封環６の密封端面６ａから密封環母材を伝って回転密封環６の内周面６ｄ，６ｅに至る伝熱（以下「摩擦伝熱」という）及び高温流体（被密封流体）との接触により加熱される回転密封環６の外周面から密封環母材を伝って当該内周面６ｄ，６ｅに至る伝熱（以下「高温流体伝熱」という）に先行して行われることになる。このため、回転密封環６の内周面６ｄ，６ｅへの摩擦伝熱及び高温流体伝熱は、冷却液伝熱により冷却されたダイヤモンド膜１７によって可及的且つ効果的に遮断されることになる。
【００４３】
その結果、回転密封環６の内周部分の摩擦伝熱及び高温流体伝熱による温度上昇が可及的に防止されることになり、当該内周部分の温度、つまりダイヤモンド膜１７が形成された内周面６ｄ，６ｅ及びその周辺の温度は冷却液Ｓの温度に略支配されることになる。
【００４４】
このように、回転密封環６の内周面６ｄ，６ｅを含む内周部分の温度が冷却液Ｓの温度に略支配されることから、運転時における回転密封環６の内周面６ｄ，６ｅの熱膨張量（回転密封環６の内径拡大量）は密封端面６ａで発生する摩擦熱及び高温流体である被密封流体の温度を考慮することなく、密封環母材の熱膨張率（線膨張係数）及び冷却液Ｓの温度からある程度正確に予測することができる。一方、スリーブ９の外周面９ａ，９ｄの熱膨張量（スリーブ９の外径拡大量）は、スリーブ９の構成材の熱膨張率（線膨張係数）及び被密封流体の温度から正確に予測することできる。
【００４５】
したがって、運転停止時（メカニカルシール組み立て時）における回転密封環６の内周面６ｄ，６ｅとスリーブ９の外周面９ａ，９ｄとの間の環状隙間（設計隙間）を、運転時に回転密封環６及びスリーブ９が熱膨張して当該回転密封環６の内径及びスリーブ９の外径が拡大変形した場合において、回転密封環６とスリーブ９との対向周面間に環状隙間（運転時隙間）が生じ且つ当該運転時隙間が可及的に小さくなるように、設定しておくことができる。
【００４６】
而して、本発明の一次シール３に採用されるメカニカルシールにあっては、設計隙間をこのように運転時隙間が生じるように設定しておくことができるから、運転時において熱膨張したスリーブ９により回転密封環６の内径が押し広げられるようなことがなく、回転密封環６にはこれを破損させるような引張力が作用しない。
【００４７】
また、設計隙間を運転時隙間が可及的に小さくなるように設定しておくことができ、運転時において回転密封環６がスリーブ９に対して偏心することがないか、或は仮に偏心してもその偏心量が僅かであることから、回転密封環６の密封端面６ａと相手密封環７の密封端面７ａとの同心性が損なわれることがなく、両密封端面６ａ，７ａの接触が適正に行われて良好なシール機能を発揮させることができる。
【００４８】
また、スリーブ９に固定したキー１３を回転密封環６に形成したキー溝６ｆに係合させてなる回り止め機構により回転密封環６のスリーブ９に対する相対回転を阻止するように構成した場合においては、上記した如く、回転密封環６がスリーブ９に対して偏心しないか或は仮に偏心してもその偏心量が僅かであることから、回転密封環６のキー溝６ｆにスリーブ９のキー１３が線接触するようなことがなく、面接触するので、キー溝６ｆにおけるキー１３との接触部分に応力集中を生じることがなく、応力集中による回転密封環６の破損が確実に防止される。
【００４９】
したがって、本発明の一次シール３に採用されるメカニカルシールによれば、回転密封環６及びスリーブ９が熱膨張するような高温条件下においても、回転密封環６が破損されることなく、長期に亘って良好なシール機能を発揮させることができる。
【００５０】
なお、本発明の構成は上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の基本原理を逸脱しない範囲において、適宜に改良、変更することができる。
【００５１】
すなわち、上述したようなダイヤモンド膜は、回転密封環６の表面部分であって冷却液Ｓに接触する部分に内周面６ｄ，６ｅを含めて一連に形成しておくことができる。例えば、上記した形状の回転密封環６においては、図４に示す如く、密封端面６ａの内周側部分であって相手密封端面（静止密封環７の密封端面）７ａと接触しない部分に前記ダイヤモンド膜１７に連なるダイヤモンド膜１７ａを一連に形成しておくことができる。このように、内周面６ｄ，６ｅ以外の冷却液接触面にもダイヤモンド膜１７ａを形成しておくと、冷却液Ｓとの接触面積の増加により回転密封環６の内周部分の冷却がより効果的に行われる。
【００５２】
また、図５に示す如く、回転密封環６の密封端面６ａにも、ダイヤモンド膜１７ｂを形成しておくことができる。このようにしておくと、極めて硬質のものであり、摩擦係数がセラミックスや超硬合金等のあらゆる密封環構成材に比して極めて低い（一般に、ダイヤモンドの摩擦係数（μ）は０．０３であり、あらゆる密封環構成材に比して遥かに低摩擦係数のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）よりも低い）ものであることから、ダイヤモンド膜１７ｂで被覆された密封端面６ａは相手密封端面７ａとの相対回転摺接によって生じる発熱及び摩耗が極めて少なくなり、密封端面６ａで発生する摩擦熱による回転密封環６の内周部分への影響がより小さくなる。なお、密封端面６ａに形成するダイヤモンド膜１７ｂは、内周面６ｄ，６ｅに形成したダイヤモンド膜１７（これに連なる内周面６ｄ，６ｅ以外の冷却液接触面に形成するダイヤモンド膜を含む）と分離した形態で形成しておくことが好ましい。ダイヤモンド膜１７ｂが冷却液Ｓに接触するダイヤモンド膜１７に連なる場合は、密封端面６ａで発生する摩擦熱がこれに形成されたダイヤモンド膜１７ｂにより回転密封環６の内周面６ｄ，６ｅへと伝熱されて、当該内周面６ｄ，６ｅにダイヤモンド膜１７を形成したことによる冷却効果が低減するからである。
【００５３】
また、上記した実施の形態では、本発明を非密封流体を被密封流体より高圧且つ低温の冷却液（封液）Ｓとして使用する軸封装置（ダブルシール）の一次シール３に適用したが、本発明は、例えば、非密封流体として被密封流体より低圧の冷却液Ｓを使用する条件下において使用される軸封装置の一次シールや二次シールとしてメカニカルシールを使用しない軸封装置の一次シールにも適用することができる。すなわち、本発明は、両密封環６，７の密封端面６ａ，７ａの内周側領域（非密封流体領域）Ｂを被密封流体領域Ａより低温の液体領域とする条件下で使用されるメカニカルシールであれば、その構造、形式、使用条件に拘らず、上記実施の形態と同様に好適に適用することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１      ハウジング
２      回転軸
３      一次シール（メカニカルシール）
５      シールケース
６      回転密封環
６ａ    密封端面
６ｆ    キー溝
７      静止密封環
７ａ    密封端面
９      スリーブ
１２    Ｏリング（シール部材）
１３    キー
１７    ダイヤモンド膜
１７ａ  ダイヤモンド膜
１７ｂ  ダイヤモンド膜
Ａ      被密封流体領域
Ｃ      非密封流体領域
Ｓ      冷却液（非密封流体）
【図１】
2018003967.tif 000003
【図２】
2018003967.tif 000004
【図３】
2018003967.tif 000005
【図４】
2018003967.tif 000006
【図５】
2018003967.tif 000007