(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールケースにＯリングを介して固定された炭化ケイ素製の固定密封環と、シールケースを洞貫する回転軸にＯリングを介して当該回転軸の軸線方向に移動可能に保持された可動密封環と、これを固定密封環へと押圧接触させるべく附勢するスプリングとを具備して、両密封環の対向端面である密封端面の相対回転摺接作用により被密封流体領域と非密封流体領域とを遮蔽シールするように構成されたものであって、固定密封環を密封端面が径方向幅の微小な尖端形状に構成されたナイフエッジ密封環となす端面接触形メカニカルシールにおいて、
前記非密封流体領域がシールケースと回転軸との間に配設した二次シール部材により機外大気領域と区画された閉塞空間とされると共に、この閉塞空間にシールケースに形成した供給通路から冷却液として機能しうる液体であるクエンチング液が供給されるように構成されており、
ナイフエッジ密封環の表面部分であって前記Ｏリングと接触するＯリング接触面、ナイフエッジ密封環の密封端面及び当該密封端面からＯリング接触面に至るナイフエッジ密封環の表面部分であって前記クエンチング液と接触する接液面に、当該密封環の構成材に比して熱伝導係数及び硬度が大きい材料からなるコーティング層を一連に形成してあることを特徴とする端面接触形メカニカルシール。
【請求項２】
前記両密封環のうちナイフエッジ密封環以外の密封環である非ナイフエッジ密封環の密封端面に、当該両密封環の構成材に比して熱伝導係数及び硬度が大きい材料からなるコーティング層を形成してあることを特徴とする、請求項１に記載する端面接触形メカニカルシール。
【請求項３】
前記両密封環のうちナイフエッジ密封環以外の密封環である非ナイフエッジ密封環の表面部分であって前記Ｏリングと接触するＯリング接触面、非ナイフエッジ密封環の密封端面及び当該密封端面からＯリング接触面に至る非ナイフエッジ密封環の表面部分であって前記クエンチング液と接触する接液面に、当該密封環の構成材に比して熱伝導係数及び硬度が大きい材料からなるコーティング層を一連に形成してあることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載する端面接触形メカニカルシール。
【請求項４】
前記コーティング層がダイヤモンドで構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端面接触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、ポンプ、圧縮機、送風機等の回転機器の軸封手段として使用される端面接触形メカニカルシールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の端面接触形メカニカルシールとして、特許文献１に開示される如く、シールケースにＯリングを介して固定された固定密封環と、シールケースを洞貫する回転軸にＯリングを介して軸線方向に移動可能に保持された可動密封環と、可動密封環を固定密封環に押圧接触させるべく附勢するスプリングとを具備し、両密封環の対向端面である密封端面の相対回転摺接作用により当該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ており、可動密封環を密封端面が径方向面幅の微小な尖端形状に構成されたナイフエッジ密封環となすもの（以下「従来メカニカルシール」という）が周知である。
【０００３】
而して、かかる従来メカニカルシールは一般にナイフエッジシールといわれるもので、被密封流体領域の流体（以下「被密封流体」という）が結晶物や凝固物を生じ易い成分や固形粒子等のスラリ成分を含有するスラリ流体や付着物を生じ易い高粘度流体である場合にも、これらを良好にシールすることができる。すなわち、相対回転摺接する両密封端面の一方（ナイフエッジ密封環の密封端面）が径方向面幅の微小な尖端形状とされているナイフエッジシールでは、両密封端面の接触面圧が一般的な端面接触形メカニカルシールに比して高くなることから、密封端面間へのスラリ成分や高粘度流体の侵入、付着を可及的に防止することができ、被密封流体が上記したスラリ流体や高粘度流体であってもこれらを良好にシールすることができるのである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１７３８００公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来メカニカルシールにあっては、両密封端面の接触面圧が高いために、両密封環が摩擦係数の高い炭化ケイ素等の硬質材で構成されていることとも相俟って、両密封端面の相対回転摺接により高熱が発生し、両密封端面の相対回転摺接部分が摩耗する虞れがあった。特に、ナイフエッジ密封環の密封端面ではこれが尖端形状に構成されていて、局部的に熱や摩擦力が集中するため、熱歪や摩耗が発生し易い。したがって、長期使用のうちには、ナイフエッジ密封環の密封端面にメカニカルシールによるシール機能（以下「メカニカルシール機能」という）に悪影響を与えるような大きな熱歪や摩耗が生じて、両密封端面の相対回転摺接が適正に行われずメカニカルシール機能を良好に発揮できなくなる虞れがあった。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決して、密封端面に熱歪を生じさせることなく、長期に亘って良好なメカニカルシール機能を発揮させることができる端面接触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】
【０００７】
本発明は、シールケース及びこれを洞貫する回転軸の一方にＯリングを介して固定された固定密封環と、その他方にＯリングを介して当該回転軸の軸線方向に移動可能に保持された可動密封環と、これを固定密封環へと押圧接触させるべく附勢するスプリングとを具備して、両密封環の対向端面である密封端面の相対回転摺接作用により被密封流体領域と非密封流体領域とを遮蔽シールするように構成されたものであって、一方の密封環を密封端面が径方向面幅の微小な尖端形状に構成されたナイフエッジ密封環となす端面接触形メカニカルシールにおいて、上記の目的を達成すべく、特に、前記被密封流体領域の流体又は非密封流体領域の流体がナイフエッジ密封環に常時接触して冷却液として機能しうる液体であり、ナイフエッジ密封環の表面部分であって前記Ｏリングと接触するＯリング接触面、ナイフエッジ密封環の密封端面及び当該密封端面からＯリング接触面に至るナイフエッジ密封環の表面部分であって前記液体と接触する接液面に、当該密封環の構成材に比して熱伝導係数及び硬度が大きい材料からなるコーティング層を一連に形成しておくことを提案するものである。
【０００８】
かかる端面接触形メカニカルシールの好ましい実施の形態にあっては、前記非密封流体領域がシールケースと回転軸との間に配設した二次シール部材により機外大気領域と区画された閉塞空間とされると共に、この閉塞空間に冷却液として機能しうる液体であるクエンチング液又は封液が供給されるように構成されている。かかる構成にあって、前記コーティング層が形成される接液面は当該液体と接触するナイフエッジ密封環の表面部分である。また、前記被密封流体領域の流体が冷却液として機能しうる液体である場合においては、前記コーティング層が形成される接液面は当該液体と接触するナイフエッジ密封環の表面部分である。また、これらの構成において、前記両密封環のうちナイフエッジ密封環以外の密封環である非ナイフエッジ密封環の密封端面に、当該密封環の構成材に比して熱伝導係数及び硬度が大きい材料からなるコーティング層を形成しておくことが好ましく、更には当該非ナイフエッジ密封環の表面部分であって前記Ｏリングと接触するＯリング接触面、非ナイフエッジ密封環の密封端面及び当該密封端面からＯリング接触面に至るナイフエッジ密封環の表面部分であって前記液体と接触する接液面に、当該密封環の構成材に比して熱伝導係数及び硬度が大きい材料からなるコーティング層を一連に形成しておくことが好ましい。何れの場合においても、前記コーティング層はダイヤモンドで構成しておくことが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の端面接触形メカニカルシールにあっては、ナイフエッジ密封環の密封端面に当該密封環の構成材に比して硬度が大きい材料からなるコーティング層（以下「密封端面コーティング層」という）を形成してあるから、相手密封環（非ナイフエッジ密封環）の密封端面との相対回転摺接による摩耗や発熱が可及的に抑制される。
【００１０】
また、ナイフエッジ密封環の密封端面は尖端形状とされているため、相手密封環の密封端面との相対回転摺接により発生する熱が集中して局部的に高熱となるが、本発明の端面接触形メカニカルシールにあっては、ナイフエッジ密封環のＯリング接触面及び接液面に、前記密封端面コーティング層に連なる同材質のコーティング層（以下、Ｏリング接触面に形成したコーティング層を「Ｏリング接触面コーティング層」といい、接液面に形成したコーティング層を「接液面コーティング層」という）が形成されているから、ナイフエッジ密封環の密封端面で発生した熱は高熱伝導係数のコーティング層から効果的に放熱、冷却されて、密封端面での局部的な高熱の発生が可及的に防止される。すなわち、密封端面コーティング層、接液面コーティング層及びＯリング接触面コーティング層は一連のものであり、ナイフエッジ密封環の構成材に比して熱伝導係数の大きな材料で構成されているから、ナイフエッジ密封環の密封端面で発生した熱は密封端面コーティング層から接液面コーティング層へと伝熱され、さらに接液面コーティング層からＯリング接触面コーティング層へと伝熱されることにより、密封端面コーティング層の熱は当該密封端面コーティング層を含むコーティング層全体に分散されて、密封端面コーティング層の温度が低下する。しかも、接液面コーティング層及びＯリング接触面コーティング層の一部（Ｏリング接触面におけるＯリングでシールされた箇所から接液面に至るＯリング接触面部分に形成されたＯリング接触面コーティング層部分）において、これらに常時接触し冷却液として機能しうる液体との熱交換によりコーティング層からの放熱、冷却が効果的に行われる。かかる効果は、特に、コーティング層をダイヤモンドで構成しておくことによって顕著に発揮される。
【００１１】
したがって、本発明によれば、被密封流体が上記したスラリ流体や高粘度流体である場合にも、両密封環の相対回転摺接部分における摩耗、発熱及び熱歪の発生を可及的に防止してメカニカルシール機能を長期に亘って良好に発揮させることができ、従来メカニカルシールに比して耐久性、信頼性に優れた極めて実用的な端面接触形メカニカルシールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は本発明に係る端面接触形メカニカルシールの第１の実施の形態を示す断面図である。
【図２】図２は図１の要部を拡大して示す詳細断面図である。
【図３】図３は本発明に係る端面接触形メカニカルシールの第２の実施の形態を示す断面図である。
【図４】図４は図３の要部を拡大して示す詳細断面図である。
【図５】図５は本発明に係る端面接触形メカニカルシールの第３の実施の形態を示す断面図である。
【図６】図６は図５の要部を拡大して示す詳細断面図である。
【図７】図７は本発明に係る端面接触形メカニカルシールの第４の実施の形態を示す断面図である。
【図８】図８は図７の要部を拡大して示す詳細断面図である。
【図９】図９は第１の実施の形態の変形例を示す図２相当の断面図である。
【図１０】図１０は第１の実施の形態の他の変形例を示す図２相当の断面図である。
【図１１】図１１は第２の実施の形態の変形例を示す図４相当の断面図である。
【図１２】図１２は第２の実施の形態の他の変形例を示す図４相当の断面図である。
【図１３】図１３は第３の実施の形態の変形例を示す図６相当の断面図である。
【図１４】図１４は第３の実施の形態の他の変形例を示す図６相当の断面図である。
【図１５】図１５は第４の実施の形態の変形例を示す図８相当の断面図である。
【図１６】図１６は第４の実施の形態の他の変形例を示す図８相当の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は本発明に係る端面接触形メカニカルシールの第１の実施の形態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断面図である。また、図３は本発明に係る端面接触形メカニカルシールの第２の実施の形態を示す断面図であり、図４は図３の要部を拡大して示す詳細断面図である。また、図５は本発明に係る端面接触形メカニカルシールの第３の実施の形態を示す断面図であり、図６は図５の要部を拡大して示す詳細断面図である。また、図７は本発明に係る端面接触形メカニカルシールの第４の実施の形態を示す断面図であり、図８は図７の要部を拡大して示す詳細断面図である。なお、以上の説明において、前後とは図１〜図８における左右をいうものとする。
【００１４】
第１の実施の形態における本発明に係る端面接触形メカニカルシール（以下「第１メカニカルシール」という）Ｍ１は、図１に示す如く、回転機器のハウジング１に取り付けられた筒状のシールケース２と、シールケース２を洞貫する当該回転機器の回転軸３に軸線方向移動に保持された可動密封環４と、可動密封環４に対向してシールケース２に固定された固定密封環５と、可動密封環４を固定密封環５へと押圧接触させるべく附勢するスプリング６とを具備して、両密封環４，５の対向端面たる密封端面４ａ，５ａの相対回転摺接作用により当該相対回転摺接部分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Ｂとを遮蔽シールするように構成されており、固定密封環５を密封端面５ａが径方向面幅（シール面幅）の微小な尖端形状に構成されたナイフエッジ密封環となすナイフエッジシールである。
【００１５】
シールケース２は円形内周部を有する筒状構造物であり、ハウジング１から突出する回転軸３が同心状に洞貫している。
【００１６】
可動密封環４は、図１及び図２に示す如く、先端部である密封端面形成部４ｂとこれより内径を大径とする中間部である保持部４ｃとこれより内径を大径とする基端部であるスプリング連結部４ｄとからなる外径一定の断面略Ｌ字状の円環状体であり、炭化ケイ素等の硬質材で構成されている。可動密封環４は、断面方形状の密封端面形部４ｂの先端面（前端面）の全面を回転軸３の軸線（以下、単に「軸線」という）に直交する平滑環状平面である密封端面４ａに構成した非ナイフエッジ密封環であり、Ｏリング７を介して回転軸３に当該回転軸３の軸線方向（以下、単に「軸線方向」という）に移動可能（前後方向移動可能）に嵌合保持されている。Ｏリング７は、可動密封環４の保持部４ｃと回転軸３との対向周面間に装填されて、可動密封環４と回転軸３との間をシール（二次シール）しており、被密封流体領域Ａの流体圧力によって密封端面形成部４ｂの基端面（後端面）に押圧接触されている。
【００１７】
固定密封環５は、図１及び図２に示す如く、先端部である密封端面形成部５ｂとこれより外径を小径とする基端部である保持部５ｃとからなる内径一定の断面略Ｌ字状の円環状体であり、炭化ケイ素等の硬質材で構成されている。固定密封環５は、可動密封環４の非密封流体領域Ｂ側（前方側）に位置して、Ｏリング８及びドライブピン９を介してシールケース２の内周部に嵌合固定されている。すなわち、Ｏリング８は固定密封環５の保持部５ｃとシールケース２との対向周面及び固定密封環５の密封端面形成部５ｂとシールケース２との対向端面で囲繞形成される環状空間に密に装填されていて、固定密封環５とシールケース２との間をシール（二次シール）している。また、ドライブピン９は、シールケース２に突設されていて、固定密封環５の保持部５ｃの基端部（前端部）に形成した凹部５ｄに係合することによって固定密封環５のシールケース２に対する相対回転を阻止している。
【００１８】
固定密封環５は、図１及び図２に示す如く、密封端面形成部５ｂの先端側内周面を基端方向（後方）に漸次縮径する截頭円錐面に形成すると共に密封端面形成部５ｂの先端側外周面を基端方向に漸次拡径する截頭円錐面に形成することによって密封端面形成部５ｂの先端を尖端形状に構成したものであって、その先端面（後端面）を軸線に直交する径方向面幅の微小な平滑環状平面である密封端面５ａに構成したナイフエッジ密封環である。固定密封環であるナイフエッジ密封環５の密封端面５ａは、図１に示す如く、非ナイフエッジ密封環である可動密封環４の密封端面４ａの径方向略中央部にこれと同心をなして接触するものであり、その径方向面幅は０．１〜０．８ｍｍ（より好ましくは０．４〜０．７ｍｍ）に設定されている。
【００１９】
スプリング６は、図１に示す如く、可動密封環４とその背面側（後方側）において回転軸３に固定した円環状のスプリングリテーナ１０との間に装填されていて、可動密封環４を固定密封環５へと押圧接触させるべく附勢している。スプリングリテーナ１０は、これに螺合させた固定ねじ１１を回転軸３に締め付けることにより回転軸３に嵌合固定されている。スプリング６は回転軸３に挿通された一つのコイルスプリングであり、一端部６ａを可動密封環４のスプリング連結部４ｄに形成した凹部４ｅに係合させると共に他端部６ｂをスプリングリテーナ１０に形成した凹部１０ａに係合させることにより、可動密封環４をスプリングリテーナ１０に相対回転不能に連結している。
【００２０】
また、シールケース２と回転軸３との対向周面間には、図１に示す如く、固定密封環５の背面側（前方側）に配して二次シール部材１２が配設されていて、非密封流体領域Ｂを機外大気領域Ｃと区画シールされた閉塞空間としている。二次シール部材１２としては、周知のシャフトシール（軸周シール、オイルシール、メカニカルシール等）が使用される。
【００２１】
また、シールケース２には、図１に示す如く、両密封端面４ａ，５ａの相対回転摺接部分に向けて両密封環４，５の外周面へとフラッシング流体Ｆを噴出するフラッシング流路１３が形成されると共に、シールケース２と回転軸３との対向周面間の空間であって二次シール部材１２により機外大気領域Ｃと区画シールされた非密封流体領域Ｂに固定密封環５の背面側においてクエンチング流体Ｑを供給する供給流路１４が形成されている。フラッシング流体Ｆとしては、被密封流体領域Ａの流体が使用されている（以下、フラッシング流体を含めて、被密封流体領域Ａの流体を被密封流体Ｆという）。またクエンチング流体Ｑとしては、被密封流体Ｆの性状に応じて選定され、一般に、常温水、温水、スチーム、窒素ガス等が使用される（例えば、被密封流体Ｆが結晶成分や凝固成分を含有するスラリ液である場合、密封端面４ａ，５ａに付着した結晶物や凝固物が常温水で洗浄、除去できないときは、クエンチング流体Ｑとして当該結晶物等を洗浄、除去しうる温水やスチーム等が使用される）が、この例では常温水が使用されている。すなわち、第１メカニカルシールＭ１は、非密封流体領域Ｂの流体（非密封流体）つまりクエンチング流体Ｑがナイフエッジ密封環５に常時接触して冷却液として機能しうる液体である条件下で使用されるものである。
【００２２】
而して、第１メカニカルシールＭ１にあっては、本発明に従って、ナイフエッジ密封環（固定密封環）５の表面部分であって前記Ｏリング８と接触するＯリング接触面５ｅ、ナイフエッジ密封環５の密封端面５ａ及び当該密封端面５ａからＯリング接触面５ｅに至るナイフエッジ密封環５の表面部分であってクエンチング流体（ナイフエッジ密封環５に常時接触して冷却液として機能しうる液体）Ｑと接触する接液面５ｆに、当該密封環５の構成材に比して熱伝導係数及び硬度が大きく且つ摩擦係数が小さな材料からなるコーティング層１５ａ，１５ｂ，１５ｃを一連に形成してある。なお、Ｏリング接触面５ｅは、図２に示す如く、ナイフエッジ密封環５の保持部５ｃの外周面と密封端面形成部５ｂの基端面（後端面）とからなる表面部分である。また密封端面５ａからＯリング接触面５ｅに至る接液面５ｆは、図２に示す如く、ナイフエッジ密封環５の密封端面形成部４ｂ及び保持部４ｃの内周面と保持部４ｃの基端面（後端面）とからなる表面部分である。
【００２３】
すなわち、第１メカニカルシールＭ１のナイフエッジ密封環５においては、図２に示す如く、密封端面５ａに密封端面コーティング層１５ａを形成し、接液面５ｆに密封端面コーティング層１５ａに連なる接液面コーティング層１５ｂを形成すると共に、Ｏリング接触面１５ｅに接液面コーティング層１５ｂに連なるＯリング接触面コーティング層１５ｃを形成してある。なお、ナイフエッジ密封環５の保持部５ｃにおいては、図１に示す如く、凹部５ｄの内周面にも接液面コーティング層１５ｂが形成されている。
【００２４】
また、第２の実施の形態における本発明に係る端面接触形メカニカルシール（以下「第２メカニカルシール」という）Ｍ２は、図３及び図４に示す如く構成されたナイフエッジシールであり、クエンチング流体Ｑが気体（例えば、上記したスチーム、窒素ガス等）又はフラッシング流体を含む被密封流体Ｆより高温の液体（例えば、上記した温水等）であり、被密封流体Ｆがクエンチング流体Ｑより低温の液体（例えば、常温のスラリ液）であって冷却液として機能しうる液体である条件下で使用されるものである。
【００２５】
而して、第２メカニカルシールＭ２にあっては、本発明に従って、ナイフエッジ密封環（固定密封環）５の表面部分であって前記Ｏリング８と接触するＯリング接触面５ｅ、ナイフエッジ密封環５の密封端面５ａ及び当該密封端面５ａからＯリング接触面５ｅに至るナイフエッジ密封環５の表面部分であって被密封流体（ナイフエッジ密封環５に常時接触して冷却液として機能しうる液体）Ｆと接触する接液面５ｇに、当該密封環５の構成材に比して熱伝導係数及び硬度が大きく且つ摩擦係数が小さな材料からなるコーティング層１５ａ，１５ｃ，１５ｄを一連に形成してある。なお、Ｏリング接触面５ｅは、図４に示す如く、第１メカニカルシールＭ１におけるＯリング接触面５ｅと同一であり、ナイフエッジ密封環５の保持部５ｃの外周面と密封端面形成部５ｂの基端面（後端面）とからなる表面部分である。また、密封端面５ａからＯリング接触面５ｅに至る接液面５ｇは、図４に示す如く、ナイフエッジ密封環５の密封端面形成部４ｂの外周面である。
【００２６】
すなわち、第２メカニカルシールＭ２のナイフエッジ密封環５においては、図４に示す如く、密封端面５ａに密封端面コーティング層１５ａを形成し、接液面５ｇに密封端面コーティング層１５ａに連なる接液面コーティング層１５ｄを形成すると共に、Ｏリング接触面５ｅに接液面コーティング層１５ｄに連なるＯリング接触面コーティング層１５ｃを形成してある。
【００２７】
なお、第２メカニカルシールＭ２は、上記した点を除いて、図１及び図２に示す第１メカニカルシールＭ１と同一構造をなすものであるから、図３及び図４において同一の構成部材については図１及び図２に使用した符号と同一符号を付することによってその詳細な説明は省略する。
【００２８】
また、第３の実施の形態における本発明に係る端面接触形メカニカルシール（以下「第３メカニカルシール」という）Ｍ３は、図５及び図６に示す如く構成されたナイフエッジシールであり、第３メカニカルシールＭ３にあっては、第１メカニカルシールＭ１と異なって、可動密封環１０４をナイフエッジ密封環に構成し、固定密封環１０５を非ナイフエッジ密封環に構成してある。
【００２９】
すなわち、固定密封環１０５は、図５及び図６に示す如く、先端部である断面方形状の密封端面形成部１０５ｂとこれより外径を小径とする基端部である保持部５ｃとからなる内径一定の断面略Ｌ字状の円環状体であり、炭化ケイ素等の硬質材で構成されている。固定密封環１０５は、図６に示す如く、密封端面形部１０５ｂの先端面（後端面）の全面を軸線に直交する平滑環状平面である密封端面１０５ａに構成した非ナイフエッジ密封環であり、可動密封環１０４の非密封流体領域Ｂ側（前方側）に位置して、Ｏリング８及びドライブピン９を介してシールケース２の内周部に嵌合固定されている。すなわち、Ｏリング８は固定密封環１０５の保持部５ｃとシールケース２との対向周面及び固定密封環１０５の密封端面形成部１０５ｂとシールケース２との対向端面で囲繞形成される環状空間に密に装填されていて、固定密封環１０５とシールケース２との間をシール（二次シール）している。また、ドライブピン９は、シールケース２に突設されていて、固定密封環１０５の保持部５ｃの基端部（前端部）に形成した凹部５ｄに係合することによって固定密封環１０５のシールケース２に対する相対回転を阻止している。
【００３０】
可動密封環１０４は、図５及び図６に示す如く、先端部である密封端面形成部１０４ｂとこれより内径を大径とする中間部である保持部４ｃとこれより内径を大径とする基端部であるスプリング連結部４ｄとからなる外径一定の断面略Ｌ字状の円環状体であり、炭化ケイ素等の硬質材で構成されている。可動密封環１０４は、図５及び図６に示す如く、密封端面形成部１０４ｂの先端側内周面を基端方向（後方）に漸次縮径する截頭円錐面に形成すると共に密封端面形成部１０４ｂの外周面を基端方向に漸次拡径する截頭円錐面に形成することによって密封端面形成部１０４ｂの先端を尖端形状に構成したものであって、その先端面（前端面）を軸線に直交する径方向面幅の微小な平滑環状平面である密封端面１０４ａに構成したナイフエッジ密封環である。可動密封環であるナイフエッジ密封環１０４の密封端面１０４ａは、図６に示す如く、固定密封環である非ナイフエッジ密封環１０５の密封端面１０５ａの径方向略中央部にこれと同心をなして接触するものであり、その径方向面幅は０．１〜０．８ｍｍ（より好ましくは０．４〜０．７ｍｍ）に設定されている。
【００３１】
可動密封環１０４は、第１メカニカルシールＭ１と同様に、図６に示す如く、Ｏリング７を介して回転軸３に軸線方向（前後方向）に移動可能に嵌合保持されている。Ｏリング７は、可動密封環４の保持部４ｃと回転軸３との対向周面間に装填されて、可動密封環４と回転軸３との間をシール（二次シール）しており、被密封流体領域Ａの流体圧力によって密封端面形成部１０４ｂの基端面（後端面）に押圧接触されている。
【００３２】
而して、第３メカニカルシールＭ３は、第１メカニカルシールＭ１と同様に、クエンチング流体Ｑがナイフエッジ密封環１０４に常時接触して冷却液として機能しうる液体（例えば、常温水）である条件下で使用されるものであり、本発明に従って、ナイフエッジ密封環（可動密封環）１０４の表面部分であって前記Ｏリング７と接触するＯリング接触面１０４ｆ、ナイフエッジ密封環１０４の密封端面１０４ａ及び当該密封端面１０４ａからＯリング接触面１０４ｆに至るナイフエッジ密封環１０４の表面部分であってクエンチング流体Ｑと接触する接液面１０４ｇに、当該密封環１０４の構成材に比して熱伝導係数及び硬度が大きく且つ摩擦係数が小さな材料からなるコーティング層１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃを一連に形成してある。なお、Ｏリング接触面１０４ｆは、図６に示す如く、ナイフエッジ密封環１０４の密封端面形成部１０４ｂの基端面（後端面）と保持部４ｃの内周面とからなる表面部分である。また、密封端面１０４ａからＯリング接触面１０４ｆに至る接液面１０４ｇは、図６に示す如く、ナイフエッジ密封環１０４の密封端面形成部１０４ｂの内周面である。
【００３３】
すなわち、第３メカニカルシールＭ３のナイフエッジ密封環１０４においては、図６に示す如く、密封端面１０４ａに密封端面コーティング層１１５ａを形成し、接液面１０４ｇに密封端面コーティング層１１５ａに連なる接液面コーティング層１１５ｂを形成すると共に、Ｏリング接触面１０４ｆに接液面コーティング層１１５ｂに連なるＯリング接触面コーティング層１１５ｃを形成してある。
【００３４】
なお、第３メカニカルシールＭ３は、上記した点を除いて、図１及び図２に示す第１メカニカルシールＭ１と同一構造をなすものであるから、図５及び図６において同一の構成部材については図１及び図２に使用した符号と同一符号を付することによってその詳細な説明は省略する。
【００３５】
また、第４の実施の形態における本発明に係る端面接触形メカニカルシール（以下「第４メカニカルシール」という）Ｍ４は、図７及び図８に示す如く、第３メカニカルシールＭ３と同様に、可動密封環１０４をナイフエッジ密封環に構成すると共に固定密封環１０５を非ナイフエッジ密封環に構成したナイフエッジシールであり、第２メカニカルシールＭ２と同様に、クエンチング流体Ｑが気体（例えば、上記したスチーム、窒素ガス等）又はフラッシング流体を含む被密封流体Ｆより高温の液体（例えば、上記した温水等）であり、被密封流体Ｆがクエンチング流体Ｑより低温の液体（例えば、常温のスラリ液）であってナイフエッジ密封環（可動密封環）１０４に常時接触して冷却液として機能しうる液体である条件下で使用されるものである。
【００３６】
而して、第４メカニカルシールＭ４にあっては、本発明に従って、ナイフエッジ密封環（可動密封環）１０４の表面部分であってＯリング７と接触するＯリング接触面１０４ｆ、ナイフエッジ密封環１０４の密封端面１０４ａ及び当該密封端面１０４ａからＯリング接触面１０４ｆに至るナイフエッジ密封環１０４の表面部分であって被密封流体Ｆと接触する接液面１０４ｈに、当該密封環１０４の構成材に比して熱伝導係数及び硬度が大きく且つ摩擦係数が小さな材料からなるコーティング層１１５ａ，１１５ｃ，１１５ｄを一連に形成してある。なお、Ｏリング接触面１０４ｆは、図８に示す如く、第３メカニカルシールＭ１におけるＯリング接触面１０４ｆと同一であり、ナイフエッジ密封環１０４の密封端面形成部１０４ｂの基端面（後端面）と保持部４ｃの内周面とからなる表面部分である。また、密封端面１０４ａからＯリング接触面１０４ｆに至る接液面１０４ｈは、図８に示す如く、ナイフエッジ密封環１０４の密封端面形成部１０４ｂの外周面と保持部４ｃ及びスプリング連結部４ｄの外周面とスプリング連結部４ｄの基端面（後端面）とスプリング連結部４ｄの内周面と保持部４ｃの基端面（後端面）とからなる表面部分である。
【００３７】
すなわち、第４メカニカルシールＭ４のナイフエッジ密封環１０４においては、図８に示す如く、密封端面１０４ａに密封端面コーティング層１１５ａを形成し、接液面１０４ｈに密封端面コーティング層１１５ａに連なる接液面コーティング層１１５ｄを形成すると共に、Ｏリング接触面１０４ｆに接液面コーティング層１１５ｄに連なるＯリング接触面コーティング層１１５ｃを形成してある。なお、ナイフエッジ密封環１０４のスプリング連結部４ｄにおいては、図７に示す如く、凹部４ｅの内周面にも接液面コーティング層１１５ｄが形成されている。
【００３８】
なお、第４メカニカルシールＭ４は、上記した点を除いて、図５及び図６に示す第３メカニカルシールＭ３と同一構造をなすものであるから、図７及び図８において同一の構成部材については図５及び図６に使用した符号と同一符号を付することによってその詳細な説明は省略する。
【００３９】
ところで、上記各コーティング層１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ及び１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃ，１１５ｄの構成材としては、可動密封環４，１０４及び固定密封環５，１０５の構成材がセラミックス、超硬合金等の如何なる密封環構成材であっても、これより熱伝導係数及び硬度が大きく且つ摩擦係数が小さなダイヤモンドが使用されている。なお、ダイヤモンドコーティング層１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ及び１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃ，１１５ｄの形成は、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、燃焼炎法等のコーティング方法によって行われる。なお、以下の説明において、密封環とこれに被覆形成されたコーティング層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。
【００４０】
以上のように構成された各メカニカルシールＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４にあっては、ナイフエッジ密封環５，１０４の密封端面５ａ，１０４ａにその構成材（密封環母材の構成材）より硬度が大きく且つ摩擦係数が小さい材料の密封端面コーティング層１５ａ，１１５ａを形成してあることから、従来メカニカルシールのように固定密封環の密封端面と可動密封環の密封端面とが直接に相対回転する場合つまり密封環母材同士が直接相対回転摺接する場合に比して、各密封端面５ａ，１０４ａと相手密封端面（非ナイフエッジ密封環４，１０５の密封端面）４ａ，１０５ａとの相対回転摺接部分で発生する摩耗量や発熱量が少なくなる。特に、密封端面コーティング層１５ａ，１１５ａが上記した如くダイヤモンドで構成される場合には、ダイヤモンドが自然界に存在する固体物質で最も硬質のものであり、摩擦係数が炭化ケイ素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は０．０３（μ）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ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）よりも更に１０％以上低い）ものであることから、ナイフエッジ密封環５，１０４における密封端面コーティング層１５ａ，１１５ａで被覆された密封端面５ａ，１０４ａと相手密封環（非ナイフエッジ密封環）４，１０５の密封端面４ａ，１０５ａとの相対回転摺接によって生じる摩耗や発熱は極めて少ない。
【００４１】
また、ナイフエッジ密封環５，１０４の密封端面５ａ，１０４ａは尖端形状とされているため、相手密封環４，１０５の密封端面４ａ，１０５ａとの相対回転摺接により発生する熱が集中して局部的に高熱となり、密封端面５ａ，１０４ａにメカニカルシール機能に悪影響を及ぼすような熱歪が生じる虞れがあるが、各メカニカルシールＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４にあっては、このような密封端面５ａ，１０４ａにおける熱歪の発生が可及的に防止される。
【００４２】
すなわち、ナイフエッジ密封環５，１０４の接液面５ｆ，５ｇ，１０４ｇ，１０４ｈに密封端面コーティング層１５ａ，１１５ａに連なる接液面コーティング層１５ｂ，１５ｄ，１１５ｂ，１１５ｄを形成すると共にナイフエッジ密封環５，１０４のＯリング接触面５ｅ，１０４ｆに接液面コーティング層１５ｂ，１５ｄ，１１５ｂ，１１５ｄに連なるＯリング接触面コーティング層１５ｃ，１１５ｃを形成してあり、これらの密封端面コーティング層１５ａ，１１５ａ、接液面コーティング層１５ｂ，１５ｄ，１１５ｂ，１１５ｄ及びＯリング接触面コーティング層１５ｃ，１１５ｃが一連のものであってナイフエッジ密封環５，１０４の構成材に比して熱伝導係数の大きな材料で構成されたものであるから、ナイフエッジ密封環５，１０４の密封端面５ａ，１０４ａで発生した熱は密封端面コーティング層１５ａ，１１５ａから接液面コーティング層１５ｂ，１５ｄ，１１５ｂ，１１５ｄへと伝熱され、さらに接液面コーティング層１５ｂ，１５ｄ，１１５ｂ，１１５ｄからＯリング接触面コーティング層１５ｃ，１１５ｃへと伝熱される。したがって、密封端面コーティング層１５ａ，１１５ａの熱は当該密封端面コーティング層１５ａ，１１５ａを含むコーティング層全体に分散されて、密封端面コーティング層１５ａ，１１５ａの温度が大幅に低下する。
【００４３】
しかも、第１及び第３メカニカルシールＭ１，Ｍ３にあっては、接液面コーティング層１５ｂ，１１５ｂ及びＯリング接触面コーティング層１５ｃ，１１５ｃの一部（Ｏリング接触面５ｅ，１０４ｆにおけるＯリング７，８の接触箇所から接液面５ｆ，１０４ｇに至るＯリング接触面５ｅ，１０４ｆ部分に形成されたＯリング接触面コーティング層１５ｃ，１１５ｃ部分）において、これらに常時接触して冷却液として機能しうるクエンチ流体Ｑとの熱交換により上記接液面コーティング層１５ｂ，１１５ｂ及びＯリング接触面コーティング層１５ｃ，１１５ｃからの放熱、冷却が効果的に行われる。また、第２及び第４メカニカルシールＭ２，Ｍ４にあっては、接液面コーティング層１５ｄ，１１５ｄ及びＯリング接触面コーティング層１５ｃ，１１５ｃの一部（Ｏリング接触面５ｅ，１０４ｆにおけるＯリング７，８の接触箇所から接液面５ｇ，１０４ｈに至るＯリング接触面５ｅ，１０４ｆ部分に形成されたＯリング接触面コーティング層１５ｃ，１１５ｃ部分）において、これらに常時接触して冷却液として機能しうる被密封流体Ｆとの熱交換により上記接液面コーティング層１５ｄ，１１５ｄ及びＯリング接触面コーティング層１５ｃ，１１５ｃからの放熱、冷却が効果的に行われる。
【００４４】
その結果、ナイフエッジ密封環５，１０４の密封端面５ａ，１０４ａが径方向面幅の微小な尖端形状をなすために相手密封環４，１０５の密封端面４ａ，１０５ａとの接触面圧が高い場合にも、両密封端面の相対回転摺接による摩耗量及び発熱量が激減すると共に、ナイフエッジシールのシール機能（メカニカルシール機能）に悪影響を及ぼすような熱歪の発生はこれが可及的に防止される。なお、第３及び第４メカニカルシールＭ３，Ｍ４にあっては、低摩擦係数のＯリング接触面コーティング層１１５ｃによりナイフエッジ密封環である可動密封環１０４とＯリング７との相対運動が円滑に行われて、可動密封環１０４の追従性が向上し、メカニカルシール機能が更に良好に発揮される。
【００４５】
このような放熱、冷却効果は、コーティング層１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃ，１１５ｄを上記の如くダイヤモンドで構成しておくことにより、ダイヤモンドが全ての固体物質で最も熱伝導率が高く、セラミックスや超硬合金等の密封環構成材に比して熱伝導率が極めて高いものである（例えば、炭化ケイ素の熱伝導率が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、極めて顕著に発揮される。
【００４６】
したがって、第１〜第４メカニカルシールＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４は、被密封流体Ｆがスラリ流体や高粘度流体である場合にも、両密封環４，５又は１０４，１０５の相対回転摺接部分における摩耗、発熱及び熱歪の発生を可及的に防止してメカニカルシール機能を長期に亘って良好に発揮させることができるものであり、従来メカニカルシールに比して耐久性、信頼性に優れた極めて実用的なナイフエッジシールである。
【００４７】
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で適宜に改良、変更することができる。
【００４８】
例えば、第１メカニカルシールＭ１にあっては図９に示す如く、第２メカニカルシールＭ２にあっては図１１に示す如く、第３メカニカルシールＭ３にあっては図１３に示す如く、また第４メカニカルシールＭ４にあっては図１５に示す如く、非ナイフエッジ密封環４，１０５の密封端面４ａ，１０５ａに当該密封環４，１０５の密封環母材の構成材に比して熱伝導係数及び硬度が大きく且つ摩擦係数が小さな材料（ダイヤモンドが最適する）からなるコーティング層（密封端面コーティング層）１５ｅ，１１５ｅを形成しておくことが好ましい。このようにすれば、ナイフエッジ密封環５，１０４の密封端面コーティング層１５ａ，１１５ａで発生する熱が、接液面コーティング層１５ｂ，１５ｄ，１１５ｂ，１１５ｄ及びＯリング接触面コーティング層１５ｃ，１１５ｃに加えて、当該密封端面コーティング層１５ａ，１１５ａより面積の大きな相手密封環（非ナイフエッジ密封環）４，１０５の密封端面コーティング層１５ｅ，１１５ｅへも伝熱、分散されることになり、ナイフエッジ密封環５，１０４の密封端面５ａ，１０４ａと相手密封環４，１０５の密封端面４ａ，１０５ａとの相対回転摺接による熱歪の発生をより効果的に防止することができ、当該相対回転摺接による摩耗量も激減させることができる。
【００４９】
さらに、第１メカニカルシールＭ１にあっては図１０に示す如く、また第３メカニカルシールＭ３にあっては図１４に示す如く、非ナイフエッジ密封環４，１０５において、冷却液として機能しうるクエンチング流体Ｑに接触する接液面４ｇ，１０５ｆ及びＯリング７，８との接触面（Ｏリング接触面）４ｆ，１０５ｇに密封端面４ａ，１０５ａに形成された密封端面コーティング層１５ｅ，１１５ｅに連なる同質（ダイヤモンドが最適する）の接液面コーティング層１５ｆ，１１５ｆ及びＯリング接触面コーティング層１５ｇ，１１５ｇを形成しておくことが好ましい。なお、図１０に示す如く、第１メカニカルシールＭ１における接液面４ｆは可動密封環４の密封端面形成部４ｂの内周面であり、Ｏリング接触面４ｆは当該密封端面形成部４ｂの基端面（後端面）と可動密封環４の保持部４ｃの内周面とからなる表面部分である。また、図１４に示す如く、第３メカニカルシールＭ３における接液面１０５ｆは固定密封環１０５の密封端面形成部１０５ｂ及び保持部５ｃ内周面と当該保持部５ｃの基端面（前端面）とからなる表面部分であり、Ｏリング接触面１０５ｇは固定密封環１０５の密封端面形成部１０５ｂの基端面（全端面）と保持部５ｃの外周面とからなる表面部分である。また、第３メカニカルシールＭ３における接液面コーティング層１１５ｆは、固定密封環１０５の保持部５ｃに形成された凹部５ｄの内周面にも形成される。
【００５０】
また、第２メカニカルシールＭ２にあっては図１２に示す如く、また第４メカニカルシールＭ４にあっては図１６に示す如く、非ナイフエッジ密封環４，１０５において、冷却液として機能しうる被密封流体Ｆに接触する接液面４ｈ，１０５ｈ及びＯリング７，８との接触面（Ｏリング接触面）４ｆ，１０５ｇに密封端面４ａ，１０５ａに形成された密封端面コーティング層１５ｅ，１１５ｅに連なる同質（ダイヤモンドが最適する）の接液面コーティング層１５ｈ，１１５ｈ及びＯリング接触面コーティング層１５ｇ，１１５ｇを形成しておくことが好ましい。なお、図１２に示す如く、第２メカニカルシールＭ２における接液面４ｈは可動密封環４の密封端面形成部４ｂ、保持部４ｃ及びスプリング連結部４ｄの外周面とスプリング連結部４ｄの基端面（後端面）とスプリング連結部４ｄの内周面と保持部４ｃの基端面（後端面）とからなる表面部分であり、Ｏリング接触面４ｆは可動密封環４の密封端面形成部４ｂの基端面（後端面）と保持部４ｃの内周面とからなる表面部分である。また、図１６に示す如く、第４メカニカルシールＭ４における接液面１０５ｈは固定密封環１０５の外周面であり、Ｏリング接触面１０５ｇは固定密封環１０５の密封端面形成部１０５ｂの基端面（前端面）と保持部５ｃの外周面とからなる表面部分である。
【００５１】
各メカニカルシールＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４を図１０、図１２、図１４又は図１６に示す如く構成しておくことにより、前述した記放熱、冷却効果が更に効果的に発揮される。
【００５２】
また、本発明の端面接触形メカニカルシールは二次シール部材１２で機外大気領域Ｃと区画シールされた非密封流体領域Ｂには封液を供給しておく場合にも好適に使用することができる。すなわち、かかる封液が冷却液として機能しうる液体（例えば、常温水）である条件下においては、図１及び図２、図５及び図６、図９、図１０、図１３又は図１４に示す第１又は第３メカニカルシールＭ１，Ｍ３を上記した場合と同様に好適に使用することができる。
【００５３】
本発明は、シールケースに可動密封環を設けると共に回転軸に固定密封環を設けるようにした端面接触形メカニカルシールや二次シール部材１２を設けず非密封流体領域Ｂが機外大気領域Ｃに開放される条件下で使用される端面接触形メカニカルシールにも適用することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１        ハウジング
２        シールケース
３        回転軸
４        可動密封環（非ナイフエッジ密封環）
４ａ      可動密封環の密封端面
４ｂ      密封端面形成部
４ｃ      保持部
４ｄ      スプリング連結部
４ｅ      凹部
５        固定密封環（ナイフエッジ密封環）
５ａ      固定密封環の密封端面
５ｂ      密封端面形成部
５ｃ      保持部
５ｄ      凹部
５ｅ      Ｏリング接触面
５ｆ      接液面
５ｇ      接液面
６        スプリング
６ａ      スプリングの一端部
６ｂ      スプリングの他端部
７        Ｏリング
８        Ｏリング
９        ドライブピン
１０      スプリングリテーナ
１０ａ    凹部
１１      固定ねじ
１２      二次シール部材
１３      フラッシング流路
１４      供給流路
１５ａ    密封端面コーティング層
１５ｂ    接液面コーティング層
１５ｃ    Ｏリング接触面コーティング層
１５ｄ    接液面コーティング層
１５ｅ    密封端面コーティング層
１５ｆ    接液面コーティング層
１５ｇ    接液面コーティング層
１５ｈ    接液面コーティング層
１０４    可動密封環（ナイフエッジ密封環）
１０４ａ  可動密封環の密封端面
１０４ｆ  Ｏリング接触面
１０４ｇ  接液面
１０４ｈ  接液面
１０５    固定密封環（非ナイフエッジ密封環）
１０５ａ  固定密封環の密封端面
１０５ｂ  密封端面形成部
１１５ａ  密封端面コーティング層
１１５ｂ  接液面コーティング層
１１５ｃ  Ｏリング接触面コーティング層
１１５ｄ  接液面コーティング層
１１５ｅ  密封端面コーティング層
１１５ｆ  接液面コーティング層
１１５ｇ  接液面コーティング層
１１５ｈ  接液面コーティング層
Ａ        被密封流体領域
Ｂ        非密封流体領域
Ｃ        機外大気領域
Ｆ        フラッシング流体（被密封流体領域の流体）
Ｍ１      第１メカニカルシール（端面接触形メカニカルシール）
Ｍ２      第１メカニカルシール（端面接触形メカニカルシール）
Ｍ３      第１メカニカルシール（端面接触形メカニカルシール）
Ｍ４      第１メカニカルシール（端面接触形メカニカルシール）
Ｑ        クエンチング流体（非密封流体領域の流体）
【図１】
0006434830.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
0006434830.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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