(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基端部に取付けたストッパリングにより回転軸に挿通固定されたスリーブと、スリーブの先端部に固定された回転環と、シールケースに軸線方向移動可能に且つ回転環方向に附勢された状態で設けられた静止環と、回転環の構成材より軟質のカーボンで構成されており、回転環と静止環との間に静止環に対する相対回転が阻止された状態で挟圧保持させた遊動環と、シールケースとスリーブとを軸線方向相対移動不能に且つ相対回転不能に連結するものであって、シールケース及びこれに取り付けられる部材群からなる静止側密封要素と回転軸に挿通固定されるスリーブ及びこれに取り付けられる部材群からなる回転側密封要素とを静止環と回転環との間に遊動環を挟圧保持させた状態で一体連結するセットプレートとを具備して、セットプレートを外した状態で、回転環と遊動環との接触面であるシール面の相対回転摺接作用により、その相対回転摺接部分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ように構成されたカートリッジ形の遊動環形メカニカルシールであって、
ＰＶ値が８０ＭＰａ・ｍ／ｓを超え且つ１３０ＭＰａ・ｍ／ｓ以下である高負荷条件下で使用するものであり、
スリーブの先端部に、シールケースとの間でラビリンスシールを構成すべく外周面に大小深さの異なる複数の環状溝を形成したラビリンスシール環を取り付けると共に、
回転環を、緻密質の炭化珪素組織中に球状カーボンを分散配置してなる複合炭化珪素材で構成し且つその外周部に金属材製の補強リングを嵌合固着して、
上記した高負荷条件下で使用した場合において、回転環のシール面における摩耗量が０．０１μｍ／ｈｒ以下であり且つ遊動環のシール面における摩耗量が０．１μｍ／ｈｒ以下となるように構成したことを特徴とする遊動環形メカニカルシール。
【請求項２】
前記複合炭化珪素材が、平均粒径５〜１００μｍの球状カーボンを２〜３０ｍａｓｓ％含有するものであることを特徴とする、請求項１に記載する遊動環形メカニカルシール。
【請求項３】
前記複合炭化珪素材が、平均粒径２０〜５０μｍの球状カーボンを５〜２０ｍａｓｓ％含有するものであることを特徴とする、請求項２に記載する遊動環形メカニカルシール。
【請求項４】
前記複合炭化珪素材にあって、各球状カーボンとその周囲の炭化珪素組織との間には黒鉛化された中間層が形成されていることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載する遊動環形メカニカルシール。
【請求項５】
前記中間層は、ラマンシフト１５９０ｃｍ-1付近において、黒鉛のＳＰ２散乱を示すラマンスペクトル強度が球状カーボンの中心部における当該強度より高くなっているものであることを特徴とする、請求項４に記載する遊動環形メカニカルシール。
【請求項６】
前記中間層の厚みが少なくとも１μｍであることを特徴とする、請求項４又は請求項５に記載する遊動環形メカニカルシール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火力発電所又は原子力発電所で使用される給水ポンプや缶水循環ポンプ等の軸封手段として高負荷条件下で好適に使用される遊動環形メカニカルシールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
遊動環形メカニカルシールは、一般に、回転軸に固定された回転環とシールケーシングに軸線方向移動可能に保持され且つスプリングにより回転環方向に押圧附勢された静止環との間に、両端側部分がほぼ対称形状をなす遊動環をその静止環に対する相対回転が阻止された状態で挟圧保持させて、回転環と遊動環との接触面であるシール面の相対回転摺接作用により、その相対回転摺接部分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（大気領域）とを遮蔽シールするように構成されたものが周知であり（例えば、特許文献１又は特許文献２を参照）、これらは遊動環及び回転環を炭化珪素等の硬質材で構成した硬質／硬質シール（例えば、特許文献１の段落番号［００１１］を参照）と回転環を炭化珪素等の硬質材で構成すると共に遊動環を回転環より軟質のカーボンで構成した硬質／軟質シール（例えば、特許文献２の段落番号［００１３］を参照）とに大別される。
【０００３】
ところで、メカニカルシールに掛かる負荷の程度を簡易に表現する手法として、一般に、シール面の回転速度（回転軸の周速）Ｖ（ｍ／ｓ）とシール面間の接触圧（シール面の相手シール面への押圧力）Ｐ（ＭＰａ）との積であるＰＶ値（ＭＰａ・ｍ／ｓ）が採用されており、ＰＶ値が大きい程メカニカルシールに掛かる負荷が大きいということになるが、遊動環を介在させることなく回転環と静止環とを直接に接触させて、回転環と静止環との相対回転摺接作用により被密封流体をシールさせるように構成された一般的な端面接触形のメカニカルシールにあっては、被密封流体の圧力が高い等によりＰＶ値が大きくなる高負荷条件条件下で使用した場合、回転環と静止環との接触面たるシール面の平行性が損なわれ、良好なシール機能を発揮できない。すなわち、静止環は回転環に追従できるようにシールケーシングに軸線方向移動可能に保持されたものであるから、シールケースで保持されている静止環の基端側部分では被密封流体領域の流体圧力による影響を殆ど受けないが、回転環に追従するためフリーな状態にある静止環の先端側部分つまりシール面側部分ではその影響（圧力歪）が大きい。したがって、静止環における軸線方向の圧力歪分布が不均一となり、つまり圧力歪が静止環における基端側部分と先端側部分とで大きく異なり、静止環が軸線に対して大きく歪むことになる。その結果、静止環のシール面が傾いて、回転環のシール面との平行性が著しく損なわれることになる。
【０００４】
これに対して、上記した遊動環形メカニカルシールにおいては、回転環との相対回転摺接作用によりシール機能を発揮するための遊動環が、回転環と静止環との間に挟圧保持されたものであり且つ両端側部分がほぼ対称形状をなすものであるから、被密封流体領域の流体圧力による影響を軸線方向においてバランスよく受けることなる。すなわち、遊動環に生じる圧力歪は両端側部分でほぼ同一となり、軸線に対して大きく歪むことがない。したがって、ＰＶ値が大きい高負荷条件下においても、遊動環のシール面が回転環のシール面に対して傾くようなことがなく、両シール面の平行性が確保され、良好なシール機能を発揮することができ、火力，原子力発電所で使用される給水ポンプや缶水循環ポンプ等の軸封手段としても好適に使用することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２９３７６６公報
【特許文献２】特開平０７−１９８０４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、近時、上記給水ポンプ等の大型化等により当該ポンプ等に使用されるメカニカルシールに要求される負荷も極めて大きくなっている（例えば、ＰＶ値＞８０ＭＰａ・ｍ／ｓ）が、従来の遊動環形メカニカルシールではこのような要求に応え難いのが実情である。
【０００７】
すなわち、ＰＶ値が８０ＭＰａ・ｍ／ｓを超えるような高負荷条件下においては、遊動環と回転環とのシール面間に被密封流体による流体潤滑膜が形成され難く、被密封流体が液体である場合にも当該シール面間がドライ状態となり易い。したがって、遊動環及び回転環が自己潤滑性に乏しい炭化珪素等の硬質材で構成された硬質／硬質シールにおいては勿論、遊動環が自己潤滑性に富むカーボンで構成されている硬質／軟質シールにおいても、回転環が炭化珪素等の硬質材で構成されているために、シール面間の潤滑作用が十分に行われず、シール面の摩耗が激しく、長期に亘って良好なシール機能を発揮することができない。
【０００８】
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、ＰＶ値が８０ＭＰａ・ｍ／ｓを超えるような高負荷条件下においてもシール面の異常摩耗を生じることなく、長期に亘って良好なシール機能を発揮しうる遊動環形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】
【０００９】
この課題を解決した本発明は、基端部に取付けたストッパリングにより回転軸に挿通固定されたスリーブと、スリーブの先端部に固定された回転環と、シールケースに軸線方向移動可能に且つ回転環方向に附勢された状態で設けられた静止環と、回転環の構成材より軟質のカーボンで構成されており、静止環に対する相対回転が阻止された状態で回転環と静止環との間に挟圧保持させた遊動環と、シールケース３とスリーブ５とを軸線方向相対移動不能に且つ相対回転不能に連結するものであって、シールケース及びこれに取り付けられる部材群からなる静止側密封要素と回転軸に挿通固定されるスリーブ及びこれに取り付けられる部材群からなる回転側密封要素とを静止環と回転環との間に遊動環を挟圧保持させた状態で一体連結するセットプレートとを具備して、セットプレートを外した状態で、回転環と遊動環との接触面であるシール面の相対回転摺接作用により、その相対回転摺接部分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ように構成されたカートリッジ形の遊動環形メカニカルシールであって、ＰＶ値が８０ＭＰａ・ｍ／ｓを超え且つ１３０ＭＰａ・ｍ／ｓ以下である高負荷条件下で使用するものであり、スリーブの先端部に、シールケースとの間でラビリンスシールを構成すべく外周面に大小深さの異なる複数の環状溝を形成したラビリンスシール環を取り付けると共に、回転環を、緻密質の炭化珪素組織中に球状カーボンを分散配置してなる複合炭化珪素材で構成し且つその外周部に金属材製の補強リングを嵌合固着して、上記した高負荷条件下で使用した場合において、回転環のシール面における摩耗量が０．０１μｍ／ｈｒ以下であり且つ遊動環のシール面における摩耗量が０．１μｍ／ｈｒ以下となるように構成したことを特徴とする遊動環形メカニカルシールを提案するものである。なお、本発明において、ＰＶ値とは、前述した通り、メカニカルシールに掛かる負荷の程度を簡易に表現するものであり、シール面の回転速度（回転軸の周速）Ｖ（ｍ／ｓ）とシール面間の接触圧（シール面の相手シール面への押圧力）Ｐ（ＭＰａ）との積の値（ＭＰａ・ｍ／ｓ）をいうものとする。
【００１０】
かかる遊動環形メカニカルシールにあっては、硬質／軟質シールであるにも拘わらず、硬質材（回転環）及び軟質材（遊動環）の摩耗量が上記した範囲（回転環のシール面における摩耗量が０．０１μｍ／ｈｒ以下であり且つ遊動環のシール面における摩耗量が０．１μｍ／ｈｒ以下である）であれば、ＰＶ値が８０ＭＰａ・ｍ／ｓを超える高負荷条件下においても、長期に亘って良好なシール機能が発揮される。
【００１１】
ところで、回転環を構成する複合炭化珪素焼結材にあって、炭化珪素組織は、焼成時において、炭化珪素粒子同士の結合及び自己収縮が生じて、緻密化する。一方、炭化珪素組織中に配置された球状カーボンについては、炭化珪素粒子で囲繞されるが、その炭化珪素粒子の結合，収縮挙動を均等に受けることになる。すなわち、炭化珪素組織をなす部分は焼結時において大きく収縮する（一般に、炭化珪素は焼結時において約１／２程度の容積減となる）ことから、球状カーボンはこれを囲繞している炭化珪素組織部分の収縮力によって強力に圧縮されることになる。そして、その圧縮力は、球状カーボンが球形（真球状）をなしていることから、球状カーボンの外周面に均等に作用することになる。その結果、球状カーボンと炭化珪素粒子との結合力は、上記した炭化珪素組織部分の収縮による外周側からの圧縮作用によって大幅に増大することになる。特に、収縮による圧縮力が球状カーボンに均等に作用することから、収縮による球状カーボンの保持力は極めて強大となり、物理的な結合力は極めて大きくなる。
【００１２】
これらのことから、球状カーボンは、緻密な炭化珪素組織中に強固に保持されることになる。その結果、容易に脱落することなく、ドライ運転のような過酷な条件下においても良好且つ安定した潤滑機能（摺動機能）を発揮することができる。すなわち、炭化珪素本来の特性を損なうことなく、自己潤滑性をカーボンと同等程度にまで向上させ得るものである。
【００１３】
また、上記複合炭化珪素焼結材にあっては、焼成時に、球状カーボンと炭化珪素組織部分との境界領域にＳｉＣ−Ｃ結合と考えられる中間層が形成されることになる。すなわち、各球状カーボンとその周囲の炭化珪素組織との間には黒鉛化された中間層が形成されることになる。黒鉛化が進行した中間層にあっては、ラマンシフト１５９０ｃｍ−１付近において、黒鉛のＳＰ２散乱を示すラマンスペクトル強度が球状カーボンの中心部における当該強度より高くなっており、三次元的なＳＰ３構造（ダイヤモンド構造）色の強いアモルファス状態から二次元的なＳＰ２構造（黒鉛構造）色の強いアモルファス状態へ移行したものと推察される。したがって、球状カーボンの周縁にかかる中間層が形成されることにより、摺動特性が更に向上することになる。そして、かかる中間層の存在による摺動特性の顕著な向上が図られるためには、中間層の厚みが少なくとも１μｍであることが必要であり、４〜１０μｍであることがより好ましい。
【００１４】
また、球状カーボンは、例えば、熱硬化樹脂（フェノール樹脂，メラミン樹脂，尿素樹脂，エポキシ樹脂等）や粘着性を有する半固体，固体の炭化水素混合物であるれき青物（天然アスファルト，コールタール・ピッチ，石油系重質油等）を真球状にしたものを熱処理して得られるものであり、摺動性に富むものであるが、この球状カーボンの平均粒径（以下「カーボン径」という）が５μｍ未満である場合又は球状カーボンの炭素珪素に対する含有率（この含有率は、（球状カーボンの含有量／炭化珪素の含有量）×１００で与えられるものであり、以下「カーボン含有率」という）が２ｍａｓｓ％未満である場合には、球状カーボンによる潤滑性（摺動性）の向上機能が十分に発揮されない。かかる球状カーボンによる潤滑性の向上機能が十分に発揮されるためには、カーボン径が５μｍ以上であり且つカーボン含有率が２ｍａｓｓ％以上であることが必要である。特に、カーボン径が１０μｍ以上であり且つカーボン含有率が５ｍａｓｓ％以上である場合には、球状カーボンによる潤滑性の向上機能が顕著に発揮される。しかし、カーボン径が１００μｍを超える場合又はカーボン含有率が３０ｍａｓｓ％を超える場合には、上記した炭素珪素組織部分による球状カーボンの保持性や炭化珪素組織の緻密性を図ることができない。かかる球状カーボンの保持性や炭化珪素の緻密性を図るためには、カーボン径が１００μｍ以下であり且つカーボン含有率が３０ｍａｓｓ％以下であることが必要である。特に、カーボン径が５０μｍ以下であり且つカーボン含有率が２０ｍａｓｓ％以下である場合には、炭素珪素組織部分による球状カーボンの保持が極めて強力となり且つ炭化珪素組織を十分に緻密化させることができる。したがって、炭化珪素本来の特性を損なうことなく潤滑性の向上を図るためにはカーボン径が５〜１００μｍであり且つカーボン含有率が２〜３０ｍａｓｓ％であることが好ましく、カーボン径が２０〜５０μｍであり且つカーボン含有率が５〜２０ｍａｓｓ％であることがより好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の遊動環形メカニカルシールにあっては、遊動環を自己潤滑性に富むカーボンで構成すると共に回転環を高度の自己潤滑性と炭化珪素特有の利点（耐摩耗性等）とを併せ持つ複合炭化珪素材製で構成しているから、ＰＶ値が８０ＭＰａ・ｍ／ｓを超える（一般には、８０ＭＰａ・ｍ／ｓ＜ＰＶ値≦１３０ＭＰａ・ｍ／ｓ）高負荷条件下で使用した場合において遊動環と回転環との相対回転摺接面であるシール面間に被密封流体による潤滑膜が形成されないドライ状態となったとしても、シール面の摩耗を可及的に減少させ得て、長期に亘って良好なシール機能が発揮される。したがって、本発明の遊動環形メカニカルシールは、軸封手段として極めて大きなＰＶ値の高負荷条件下で使用できることが要請される用途（例えば、大型の火力，原子力発電所で使用される給水ポンプや缶水循環ポンプ等の軸封手段としての用途）にも好適に供することができ、その実用的価値極めて大なるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１及び図２は本発明に係る遊動環形メカニカルシールの一例を示したもので、図１は当該メカニカルシールを回転機器に組み込んだ状態を示す縦断側面図であり、図２はその要部の拡大図である。
【００１７】
すなわち、図１に示す遊動環形メカニカルシールは、シールすべき液体（被密封流体）の圧力及び／又は回転軸の回転数が極めて高い回転機器（例えば、大型の火力，原子力発電所で使用される大型の給水ポンプ又は缶水循環ポンプ）の軸封手段として８０ＭＰａ・ｍ／ｓ＜ＰＶ値≦１３０ＭＰａ・ｍ／ｓの高負荷条件下で使用されるもので、当該回転機器の軸封部ケーシング（例えば、上記給水ポンプ又は缶水循環ポンプのポンプケーシング）１に取り付けられたシールケース３と、シールケース３に設けられた静止環４と、軸封部ケーシング１外にこれを貫通して突出する回転軸（例えば、上記給水ポンプ又は缶水循環ポンプのインペラ軸）２に嵌挿固定されたスリーブ５と、静止環４に対向して回転軸２に設けられた回転環６と、シールケース３と静止環４との間に介装されたスプリング７と、両環４，６間に挟圧保持された遊動環８と、シールケース３とスリーブ５とを連結するセットプレート９とを具備して、セットプレート９を取り外した運転状態において、回転環６と遊動環８との接触面であるシール面６ａ，８３ａの相対回転摺接作用により、その相対回転摺接部分の外周側領域である被密封流体領域（当該回転機器の機内領域に連通する領域）Ａと非密封流体領域（当該回転機器の機外領域である大気領域）Ｂとを遮蔽シールするように構成されたカートリッジ形のものである。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。また、軸線とは回転軸２の軸線をいうものとする。
【００１８】
シールケース３は、図１に示す如く、軸封部ケーシング１から後方に突出する回転軸部分２ａを同心状に囲繞した状態で、軸封部ケーシング１の後端部に取り付けられた円筒体形状をなすものであり、軸封部ケーシング１に当接，係合する円筒状の本体部３１と、その後端内周部に一体形成された円環状の壁部３２と、壁部３２の前面部に取り付けられたスプリングリテーナ３３とからなる。スプリングリテーナ３３は、壁部３２に取り付けられた円環状のスプリング保持部３３ａとその内周側端部から前方に突出する円筒状の静止環保持部３３ｂとからなる。なお、シールケース３には、フラッシング液（水）３４の給排路３５，３６及びドレン３７が形成されている。
【００１９】
静止環４は、図１に示す如く、硬質材（例えば、ステンレス鋼等の金属材）で構成された円環状体であり、シールケース３にＯリング１０及びドライブピン１１を介して軸線方向移動可能に且つ相対回転不能に保持されている。すなわち、静止環４は、その基端部分（後端部分）をスプリングリテーナ３３の静止環保持部３３ｂにＯリング１０を介して嵌合させることにより、シールケース３に、これとの間をＯリング１０によりシール（二次シール）された状態で、軸線方向移動可能に保持されている。また、静止環４は、その基端部に軸線と平行する複数のドライブピン（一のみ図示）１１を突設すると共に各ピン１１をスプリングリテーナ３３のスプリング保持部３３ａに形成した係合凹部１２に係合させることによって、所定範囲での軸線方向移動が許容された状態でシールケース３に対する相対回転が阻止されている。
【００２０】
スリーブ５は、図１に示す如く、前記回転軸部分２ａに挿通される円筒状の本体部５１と、本体部５１の先端部（前端部）に形成された円環状の第一保持部５２と、第一保持部５２の外周部から後方へと突出する円筒状の第二保持部５３とからなり、本体部５１の基端部分（後端部分）を除いてシールケース３内に位置させた状態で、回転軸２に嵌挿固定されている。すなわち、シールケース３から後方に突出する本体部５１の基端部分に、回転軸２に挿通させたストッパーリング１３を適当数の第一セットスクユリュー１４により嵌合固着すると共に、ストッパーリング１３を適当数の第二セットスクユリュー１５により回転軸２に固定することによって、スリーブ５は回転軸２に着脱可能に固定されている。なお、第一保持部５２の内周部には適当数のＯリング溝が形成されていて、このＯリング溝に係合保持させたＯリング１６により、回転軸２とスリーブ５との間がシール（二次シール）されている。また、スリーブ５の先端部（前端部）には、シールケース３との間でラビリンスシールを構成するためのラビリンスシール環５４が取り付けられている。
【００２１】
回転環６は、図１に示す如く、複数のＯリング１７，１８を介して、これらＯリング１７，１８の弾性変形範囲において軸線方向及び径方向（軸線方向に直交する方向）に変位可能（ないし変形可能）な状態で回転軸２に保持されている。すなわち、回転環６は、図１及び図２に示す如く、スリーブ５における本体部５１と第二保持部５３との対向周面間に形成される環状空間に、第一保持部５２との間に介在させた第一Ｏリング１７の弾性変形範囲で軸線方向の変位を許容された状態で且つ第二保持部５３との間に介在させた第二Ｏリング１８の弾性変形範囲で径方向の変位を許容された状態で、嵌合保持されている。なお、回転環６の内周面とこれに対向する本体部５１の外周面との間には、図２に示す如く、回転環６の径方向変位，変形を許容しうるに充分な環状隙間５５が形成されている。すなわち、第一Ｏリング１７は、図２に示す如く、第一保持部５２の後端面に形成したＯリング溝に係合保持されていて、回転環６の背面（前端面）を当該第一保持部５２の後端面との間に若干の間隙を有した状態で受け止めている。第一Ｏリング１７は、回転環６に作用する軸線方向の押圧力を吸収緩和するクッション材として機能するものであり、回転環６の径方向変位に対してはこれを妨げないように滑りを生じるものである。したがって、第一Ｏリング１７は、回転環６の軸線方向変位に対してクッション機能を発揮しうるに充分な弾性力を有する弾性材であって、回転環６に対する摩擦係数が低く回転環６の径方向変位に対して容易に滑りを生じうる低摩擦性材で構成しておくことが必要であり、この例ではポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で構成されている。また、第二Ｏリング１８は、図２に示す如く、回転環６の径方向変位を許容すべく弾性変形しうる状態で、回転環６と第二保持部５３との対向周面間に挟圧保持されており、回転環６の径方向変位に拘らず、スリーブ５（第二保持部５３）と回転環６との間をシールする二次シールとして機能する。第二Ｏリング１８は二次シールとして機能しうるに十分な弾性材で構成しておけばよく、この例では、二次シールとして機能する他のＯリング１０，１６，２５も含めて、フッ素ゴム（ＦＫＭ）で構成してある。なお、回転環６は後述する如き複合炭化珪素材で構成されたものであるが、この例では、回転環６を当該複合炭化珪素で構成し、その外周部に金属材製（チタン等）の補強リング１９を嵌合固着してある。補強リング１９は、回転環６の外周部であって第二Ｏリング１８が接触する基端部分（前端部分）を除く部分に焼嵌め等により嵌合固着されており、この補強リング１９に形成した係合孔２０に第二保持部５３に螺着させたドライブピン２１を係合させることによって、回転環６の回転軸２つまりスリーブ５に対する相対回転を阻止している。係合孔２０は、ドライブピン２１が軸線方向及び径方向に余裕をもって係合しうる大きさのものとされていて、両者２０，２１の係合作用によっては、第一及び第二Ｏリング１７，１８の弾性変形による回転環６の径方向及び軸線方向への変位が妨げられないように工夫されている。
【００２２】
スプリング７は、図１に示す如く、スプリングリテーナ３３のスプリング保持部３３ａに周方向に等間隔を隔てて形成した適当数の係合凹部２２に保持されており、静止環４の背面（後端面）を回転環方向（前方）に押圧附勢するものである。
【００２３】
遊動環８は、図１及び図２に示す如く、円環状の本体部８１とその内周側の前後端部に一体形成された略同一の円環状をなす押圧部８２及びシール部８３とからなるカーボン製のもので、押圧部８２の端面である押圧面８２ａが静止環４の先端面（前端面）である押圧面４ａに接触すると共にシール部８３の端面であるシール面８３ａが回転環６の先端面（後端面）であるシール面６ａに接触する状態（図２参照）で、スプリング７による附勢力（及び後述する背圧）によって、静止環４と回転環６と間に挟圧保持されている。なお、押圧面４ａ，８２ａ及びシール面６ａ，８３ａは、何れも、軸線に直交する平滑な環状平面である。
【００２４】
遊動環８は、図１に示す如く、静止環４の前端部に周方向に等間隔を隔てて突設した適当数のドライブピン２３を本体部８１に形成した係合孔２４に係合させることにより、静止環４に、軸線方向及び径方向に所定範囲での相対変位が許容された状態で、相対回転不能に保持されている。静止環４と遊動環８の本体部８１との軸線方向における対向端面間には、両環４，８間をシール（二次シール）するＯリング２５が挟圧状に介在されている。遊動環８の本体部８１には、周方向に等間隔を隔てて軸線方向に貫通する適当数の連通孔２６が形成されている。
【００２５】
セットプレート９は、図１に示す如く、一端部をスリーブ５の本体部５１に形成した凹部２７に係合させた状態で、他端部をシールケース３の壁部３２にボルト２８により取り付けることにより、シールケース３とスリーブ５とを軸線方向相対移動不能に且つ相対回転不能に連結するものであり、シールケース３及びこれに取り付けられる部材群（静止環４及びスプリング７等）からなる静止側密封要素と回転軸２に挿通固定されるスリーブ５及びこれに取り付けられる部材群（回転環６等）からなる回転側密封要素とを、静止環４と回転環６との間に遊動環８を挟圧保持させた状態で、一体連結するものである。セットプレート９により連結された状態におけるシールケース３とスリーブ５との軸線方向の位置関係は、つまり遊動環８を挟圧した状態における静止環４と回転環６との軸線方向の位置関係は、当該遊動環形メカニカルシールの運転状態におけると同一となるように設定される。したがって、セットプレート９により、遊動環８を含む両密封要素を当該遊動環形メカニカルシールの使用状態と同一形態に組み立てることができる。なお、セットプレート９は、当該遊動環形メカニカルシールを軸封部ケーシング１及び回転軸２に組み込んだ後において、取り外しておくものであり、その数は適宜に設定される。
【００２６】
ところで、遊動環形メカニカルシールの軸封部ケーシング１及び回転軸２への取り付けは、通常、遊動環８を含む静止側密封要素及び回転側密封要素を構成する多数の構成部材を個別に一定の手順で組み込むことによって行われる。そして、これら構成部材相互の位置関係は、当該メカニカルシールの機能を決定する重要な要素であり、各構成部材の組み込みは、かかる位置関係が適正となるように行う必要がある。したがって、これらの多くの構成部材を適正な位置関係を維持した状態で回転機器に組み込む作業は極めて困難であり、組み込み不良により所定のシール機能が発揮されない場合も稀ではない。同様に、回転機器からの取り外し，再組み込みを必要とするメンテナンス作業も面倒且つ困難である。
【００２７】
しかし、上記した如きカートリッジ形の遊動環形メカニカルシールとしておくと、セットプレート９により当該メカニカルシールの使用形態と同一形態に組み立てた状態で回転機器に対する取り付け及び取り外しを行なうことができるから、未熟練者でも、回転機器への組み込み作業を適正且つ容易に行なうことができ、メンテンナンス作業も容易に行なうことができる。かかる点は、一般的なメカニカルシールの構成に更に遊動環８を付加した複雑な構成をなす遊動環形メカニカルシールにおいて、実用上、極めて大きなメリットとなる。
【００２８】
而して、回転環６は、本発明に従って、緻密質の炭化珪素組織中に球状カーボンを分散配置してなる複合炭化珪素材で構成されており、例えば、次のような焼結原料混合工程，造粒工程，予備成形工程，焼成工程，仕上げ工程により製作される。
【００２９】
［焼結原料混合工程］
主材である平均粒子径０．７μｍのα型炭化珪素（α−ＳｉＣ）粉末１００ｇと、焼結助剤としての炭化ホウ素（Ｂ４  Ｃ）粉末０．５ｇと、カーボン源としてのフェノール樹脂（残炭率５０％）４ｇと、成形助剤としての平均分子量６０００のポリエチレングリコール（ＰＥＧ＃６０００）２ｇ及びステアリン酸１ｇとを基本配合として、この基本配合材料に更に球状カーボンを添加し、これらをメタノール溶剤と混合させて、ボールミルにより２４時間混合し、焼結原料（混合スラリ）を得る。球状カーボンとしては、例えば、フェノール樹脂を真球状にしたものを熱処理して得られたものが使用されるが、一般に、グラッシカーボン（Ｇｌａｓｓｙ  Ｃａｒｂｏｎ）組成をなす平均粒径５〜１００μｍ（好ましくは２０〜５０μｍ）のものが好適する。また、焼結原料におけるカーボン含有率（＝（球状カーボンの含有量／炭化珪素の含有量）×１００）は、２〜３０ｍａｓｓ％（好ましくは５〜３０ｍａｓｓ％）とする。
【００３０】
［造粒工程］
焼結原料混合工程で得られた焼結原料をスプレードライヤーにより噴霧乾燥することによって造粒（顆粒化）して、球状の造粒材（顆粒）を得る。
【００３１】
［予備成形工程］
造粒工程で得られた造粒材を所定の金型に充填した上、成形面圧１５００ｋｇ／ｃｍ２で冷間プレス成形して、回転環６に対応する環状形態をなす予備成形体を得る。なお、予備成形体の形状は、焼結時における収縮を考慮して設定される。
【００３２】
［焼成工程］
予備成形工程で得られた予備成形体を、加圧することなく、アルゴン雰囲気中において所定温度（以下「焼成温度」という）で所定時間（以下「焼成時間」という）保持することにより焼成して、回転環６に相当する環体形状をなす複合炭化珪素焼結体を得る。焼成条件、特に焼成温度及び焼成時間は、後述するように、焼成により球状カーボンと緻密質炭化珪素との間に黒鉛化した中間層が形成されるように設定される。
【００３３】
［仕上げ工程］
焼成工程で得られた複合炭化珪素焼結体の端面をＲａ＝０．０５の鏡面に表面研磨（ラップ）する等により、当該研磨面をシール面６ａとする回転環６を得る。
【００３４】
このような工程を経て得られた回転環６のラップ表面（シール面６ａ）の組織を光学顕微鏡で観察してみると、図３に示す如く、グラッシカーボン組成をなす球状カーボンＸが、炭化珪素粒子同士が結合した緻密な炭化珪素組織Ｙ中に、散点状に分散配置されており、球状カーボンＸとその周囲の炭化珪素組織Ｙとの境界に中間層Ｚが形成されている。
【００３５】
炭化珪素組織Ｙにおいては、焼成により炭化珪素粒子同士の結合及び自己収縮が生じて、緻密化する。一方、炭化珪素組織Ｙ中に配置された球状カーボンＸについては、その周囲における炭化珪素粒子の結合，収縮挙動を均等に受けることになり、炭化珪素組織Ｙとの物理的な結合力は極めて大きくなる。その結果、接触状態にある遊動環８との相対運動（相対回転摺接運動）によって、回転環６においては炭素珪素粒子や球状カーボンＸが脱落，離脱することがない。したがって、かかる構成の複合炭化珪素焼結体は、固体潤滑材たる球状カーボンＸを含有しているに拘わらず、固体潤滑材を含有しない緻密質の炭化珪素焼結体と同等の物理的特性（機械的強度，密度等）を有するものである。しかも、当該複合炭化珪素焼結材で構成された回転環６にあっては、シール面６ａに分散配置された固体潤滑材たる球状カーボンＸの存在によって、緻密質の炭化珪素焼結材で構成された回転環に比して、摺動特性が大幅に向上する。
【００３６】
また、球状カーボンＸの中央部及びその周縁部の中間層Ｚを、レーザラマン分光装置によりラマンスペクトル分光分析してみると、図４に示す如く、１３３３ｃｍ−１付近にダイヤモンドＳＰ３散乱によるピークが、また１５９０ｃｍ−１付近に黒鉛ＳＰ２散乱によるピークが、夫々顕著に現われている。そして、黒鉛ＳＰ２散乱によるピーク（１５９０ｃｍ−１付近のピーク）は、図４（ａ）に示す球状カーボンＸの中央部におけるラマンスペクトルと同図（ｂ）に示す中間層Ｚにおけるラマンスペクトルとを比較すれば明らかなように、中間層Ｚにおいて顕著に強度増加しており、球状カーボンＸはその周縁部において構造改質され、黒鉛化されていることが理解される。すなわち、球状カーボンＸの周縁部に形成される中間層Ｚは、三次元的なＳＰ３構造（ダイヤモンド構造）色の強いアモルファス状態から二次元的なＳＰ２構造（黒鉛構造）色の強いアモルファス状態へ移行したものと推察される。翻れば、ラマンスペクトルにおける１５９０ｃｍ−１付近のピーク強度の変動が、中間層Ｚの構造改質（黒鉛化）を示す指標となると理解される。
【００３７】
したがって、球状カーボンＸを含有する複合炭化珪素焼結材で構成された回転環６にあっては、上記した球状カーボンＸによる潤滑性に、球状カーボンＸの周縁に形成される中間層Ｚによる黒鉛特有の潤滑性が加味されることによって、シール面６ａ全体の摺動特性が大幅に向上することになる。
【００３８】
このように、球状カーボンＸを含有させた複合炭化珪素焼結材で構成された回転環６にあっては、球状カーボンＸ及びこれと緻密質炭化珪素粒子との間に形成された黒鉛化層Ｚが固体潤滑材として働き、自己潤滑性に富むカーボンで構成された遊動環８との接触面（シール面）６ａ，８３ａにおける摩擦係数の大幅な低減を実現できると共に、シール面６ａ，８３ａ間の発熱温度を低く抑えることができ、ＰＶ値が高いためシール面６ａ，８３ａ間に被密封流体による潤滑液膜が形成されないドライ条件下でも、シール面６ａ，８３ａ間に介在する空気中水分の蒸発を生ずることがなく、これによりシール面が焼き付いて異常摩耗することなく、低い摩擦係数を安定的に維持することができ、鳴き現象も発生しない。また、球状カーボンＸを緻密質炭化珪素マトリックスＹ中に強固に保持された状態（つまり、焼結過程での炭化珪素マトリックスＹの収縮による物理的な包抱作用及び球状力―ボンＸとこれに隣接する炭化珪素粒子との間で化学的な結合作用が生じた状態）での高い相対密度の複合炭化珪素焼結材の形成が可能となり、球状カーボン粒子の脱落を可及的に防止できると共に、脱落後の跡孔に起因する早期摩耗や異常摩耗を防止できる。なお、黒鉛粒子を炭化珪素組織中に分散配置させた複合炭化珪素焼結材にあっては、黒鉛粒子自体が結晶性が高く反応性に乏しいため、炭化珪素粒子とは化学的な結合を生じず且つ黒鉛粒子に存在する微細な空隙により緻密な焼結が阻害されて、高い相対密度が得られず、黒鉛粒子への物理的な包抱作用も小さく、摩耗進行も速く、摩耗量も多い。
【００３９】
したがって、回転環６を、上記した如く、球状カーボンＸが緻密な炭化珪素組織Ｙに分散配置されており且つ球状カーボンＸの周縁部に黒鉛化された中間層Ｚが形成される複合炭化珪素焼結材で構成しておくことにより、ＰＶ値が高いためにシール面６ａ，８３ａ間に被密封流体による液膜が形成されないドライ運転となる場合においても、鳴きによる騒音，振動の発生、シール面６ａ，８３ａの異常摩耗，焼き付きによる寿命低下及び摩耗粉，脱落粒子によるコンタミネーションを防止して、遊動環形メカニカルシールとしての機能を良好に発揮させることができる。
【００４０】
ところで、シール面６ａ，８３ａにおいて発生する熱量Ｑは、ＰＶ値とシール面６ａ，８３ａ間の摩擦係数μとの積（Ｑ＝μ・Ｐ・Ｖ）で与えられ、これが実際に受ける負荷とも考えられるが、この本発明の遊動環形メカニカルシールは、遊動環８を自己潤滑性に富むカーボンで構成された硬質／軟質シールにおいて回転環６を上記した如くカーボンと同等程度にまで自己潤滑性を向上させた硬質材（複合炭化珪素材）で構成して、上記摩擦係数μを可及的に低減させることによって、実質的な負荷（熱量Ｑ）の大幅な低減を実現するものである。すなわち、実質的な負荷の低減はＱ＝μ・Ｐ・ＶにおけるＰ及び／又はＶを低減させることによっても可能であるが、これらＰ，Ｖの値は当該遊動環形メカニカルシールの使用条件（当該遊動環形メカニカルシールが装備される回転機器の構成，使用条件）によって必然的に決定されるもので、当該遊動環形メカニカルシールの構成のみによっては低減させることは不可能であることから、本発明においては、回転環６の構成を上記した如く工夫することによってμを低減させるように図っているのである。
【００４１】
また、発明者の経験によれば、硬質／軟質シールにおいては一般にシール面の摩耗量が硬質材において０．０１μｍ／ｈｒ以下であり且つ軟質材において０．１μｍ／ｈｒ以下であれば良好なシール機能を発揮することができるが、上記した如く構成された遊動環形メカニカルシールにおいては、ＰＶ値が８０ＭＰａ・ｍ／ｓを超える高負荷条件で使用した場合においても硬質の回転環６及び軟質の遊動環８のシール面６ａ，８３ａにおける摩耗量が上記した範囲に抑制されることが、以下の実施例に示す如く確認されている。
【実施例】
【００４２】
実施例として、表１に示した点（焼結原料混合工程における球状カーボンの平均粒径、添加量及びカーボン含有率（表１では「含有率」と表示している）並びに焼成工程における焼成条件たる焼成温度及び焼成時間）を除いて、上記した製作工程（以下「基準製作工程」という）と同一の工程（焼結原料混合工程，造粒工程，予備成形工程，焼成工程，仕上げ工程）により、図１に示す回転環６と同一形状をなす複合炭化珪素材製の回転環Ａ１〜Ａ１１を得た上、各回転環Ａ１〜Ａ１１を組み込んだ遊動環形メカニカルシール（以下「実施例メカニカルシール」という）を製作した。これらの実施例メカニカルシールは、遊動環としてカーボン製のものを使用した図１に示すものであり、回転環Ａ１〜Ａ１１の材質を除いて同一構成をなすものである。そして、ＰＶ値が１１５ＭＰａ・ｍ／ｓの条件下で、回転環Ａ１〜Ａ９を使用した実施例メカニカルシールについては１００時間継続運転し、また回転環Ａ１〜Ａ９を使用した実施例メカニカルシールについては５００時間継続運転して、当該各メカニカルシールの回転環及び遊動環のシール面における摩耗量を測定した。その結果は、表２及び表３に示す通りであった。
【００４３】
また、比較例として、焼結原料混合工程において主材として平均粒子径０．６μｍのβ型炭化珪素（β−ＳｉＣ）粉末１００ｇを使用した点及び基本配合材料に球状カーボンを添加しない点並びに焼成工程における焼成条件（焼成温度及び焼成時間）を表１に示す如く設定した点を除いて、上記基準製作工程と同一の工程（造粒工程，予備成形工程，焼成工程，仕上げ工程）により、図１に示す回転環６と同一形状をなす回転環Ｂ（構成材は一般的な緻密質の炭化珪素焼結材と同質である）を得た上、この回転環Ｂを組み込んだ遊動環形メカニカルシール（以下「比較例メカニカルシール」という）を製作した。比較例メカニカルシールは、回転環Ｂを使用した点を除いて、実施例メカニカルシールと同一構成のものであり、２台製作した。そして、実施例と同一条件（ＰＶ値＝１１５ＭＰａ・ｍ／ｓ）で、一方の比較例メカニカルシールについては１００時間継続運転し、他方の比較例メカニカルシールについては５００時間継続運転して、当該メカニカルシールの回転環及び遊動環のシール面における摩耗量を測定した。その結果は、１００時間運転のものについては表２に示す通りであり、５００時間運転のものについては表３に示す通りであった。
【００４４】
表２及び表３から理解されるように、複合炭化珪素材からなる回転環Ａ１〜Ａ１１を使用した各実施例メカニカルシールにあっては、何れも、ＰＶ値が１１５ＭＰａ・ｍ／ｓの高負荷条件下であるにも拘わらず、回転環及び遊動環の摩耗量が上記した適正範囲（回転環：０．０１μｍ／ｈｒ以下，遊動環：０．１μｍ／ｈｒ以下）に抑制されており、長期に亘って良好なシール機能が発揮されることが確認された。一方、実施例メカニカルシールと同一のカーボン製遊動環を使用しているものの、回転環を自己潤滑性に乏しい炭化珪素製のものを使用した比較例メカニカルシールでは、固定環及び遊動環の何れにおいても摩耗量が上記適正範囲を大幅に超えており、ＰＶ値が大きい高負荷条件下では良好なシール機能を発揮し得ない。このことは、表２及び表３から明らかなように、運転時間が長くなる程顕著である。なお、実施例メカニカルシールについては、ＰＶ値＝１３０ＭＰａ・ｍ／ｓの条件下でも回転環及び遊動環の摩耗量が上記した適正範囲に抑制されることを確認している。
【００４５】
【表１】
0004635042.tif 000002
【００４６】
【表２】
0004635042.tif 000003
【００４７】
【表３】
0004635042.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本考案に係る遊動環形メカニカルシールの一例を示した縦断側面図である。
【図２】図１の要部を拡大して示す詳細図である。
【図３】当該遊動環形メカニカルシールの回転環を構成する複合炭化珪素焼結体のラップ表面（回転環のシール面）の組織図である。
【図４】当該ラップ表面のラマンスペトル図であり、（ａ）図は球状カーボンの中央部におけるラマンスペクトルを示し、（ｂ）図は当該球状カーボンの周縁部である中間層におけるラマンスペクトルを示している。
【符号の説明】
【００４９】
１      軸封部ケーシング
２      回転軸
３      シールケース
４      静止環
５      スリーブ
６      回転環
６ａ    回転環のシール面
７      スプリング
８      遊動環
９      セットプレート
１３    ストッパーリング
１９    補強リング
５４    ラビリンスシール環
８３ａ  遊動環のシール面
Ａ      被密封流体領域
Ｂ      非密封流体領域（大気領域）
Ｘ      球状カーボン
Ｙ      炭化珪素組織
Ｚ      中間層
【図１】
0004635042.tif 000005
【図２】
0004635042.tif 000006
【図３】
0004635042.tif 000007
【図４】
0004635042.tif 000008