(57)【要約】【課題】回転軸等の摺動部材に対する優れた摺動性を有すると共に、流体漏洩を良好に阻止するメカニカルシールでありながら、優れた耐摩耗性を有するメカニカルシールを提供することを目的とする。【解決手段】摺動部材に圧接し、流体漏洩を阻止するメカニカルシールであって、樹脂に微細炭素繊維が配合された複合材料からなることを特徴とする。【選択図】図２
2005257008.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
摺動部材に圧接し、流体漏洩を阻止するメカニカルシールであって、
樹脂に微細炭素繊維が配合された複合材料からなることを特徴とするメカニカルシール。
【請求項２】
前記複合材料は、直径が８０ｎｍ以下の微細炭素繊維が配合されていることを特徴とする請求項１記載のメカニカルシール。
【請求項３】
前記複合材料は、底の無いカップ形状炭素網層が多数積層したカップスタック型の微細炭素繊維が配合されていることを特徴とする請求項１または２記載のメカニカルシール。
【請求項４】
前記複合材料は、外周及び／又は端面がフッ素で修飾されている微細炭素繊維が配合されていることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか一項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ものである。
【背景技術】
【０００２】
撹拌機等の回転軸（摺動部材）に外嵌されて、摺動性と封止効果を有するメカニカルシールが知られている。メカニカルシールは、非回転のハウジング側に固定されて、回転軸が密接摺動すると共に、回転軸の外周における流体の漏洩を阻止するものである。
従来、このメカニカルシールの材質として、黒鉛、ガラス繊維、炭素繊維、金属粉等を主原料とする骨材を、四フッ化エチレン樹脂に配合したものが用いられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
回転軸が挿通されるメカニカルシールの挿通穴の内径は、回転軸の外径よりも小さく設けられており、メカニカルシールは、回転軸に弾性を有して接触し、回転軸に対してしまりばめによって外嵌している。このため、回転軸の回転駆動により、メカニカルシールと回転軸との間に大きな負荷がかかり、金属製の回転軸に対して前記材質のメカニカルシールでは摩耗が著しいという不具合がある。  
【０００４】
本発明の目的とするところは、回転軸等の摺動部材に対する優れた摺動性を有すると共に、流体漏洩を良好に阻止するメカニカルシールでありながら、優れた耐摩耗性を有するメカニカルシールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、摺動部材に圧接し、流体漏洩を阻止するメカニカルシールであって、樹脂に微細炭素繊維が配合された複合材料からなることを特徴とする。
また、前記複合材料は、直径が８０ｎｍ以下の微細炭素繊維が配合されていることを特徴とする。
また、前記複合材料は、底の無いカップ形状炭素網層が多数積層したカップスタック型の微細炭素繊維が配合されていることを特徴とする。
また、前記複合材料は、外周及び／又は端面がフッ素で修飾されている微細炭素繊維が配合されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、回転軸等の摺動部材に対する優れた摺動性を有すると共に、流体漏洩を良好に阻止するメカニカルシールでありながら、優れた耐摩耗性を有するメカニカルシールを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
次に本実施の形態のメカニカルシールについて詳細に説明する。
本実施の形態のメカニカルシールは、環状に形成されて撹拌機等の回転軸（摺動部材）に外嵌されるもので、非回転のハウジング側に固定され、回転する回転軸が密接摺動すると共に、回転軸の外周における流体の漏洩を阻止するものである。
具体的には、回転軸が挿通されるメカニカルシールの挿通穴の内径は、回転軸の外径よりも小さく設定され、メカニカルシールは回転軸に弾性を有して接触している。つまり、メカニカルシールは回転軸に対して圧接し、しまりばめによって嵌合している。そして、メカニカルシールは、ステンレス鋼等の金属製の回転軸に対して適用され、回転軸を締め付ける応力は、０．７４６Ｎ／ｍｍ２以下であると好適である。
【０００８】
本発明では、このメカニカルシールの材質として、樹脂に微細炭素繊維が配合された複合材料が用いられる。微細炭素繊維の配合量は特に限定されないが、配合する材料全体の１０ｗｔ％前後が好適である。また、樹脂としては、四フッ化エチレン樹脂が好適に使用できる。
ここで、微細炭素繊維とは、カーボンナノファイバ又はカーボンナノチューブのことである。
【０００９】
微細炭素繊維としては、公知のものが使用でき、単層、多層のどちらでもよい。また、一端部または両端部がフラーレン状のカップで閉ざされた形状のものでも良い。
さらに、底の無いカップ形状をなす炭素網層が多数積層したカップスタック型の微細炭素繊維も使用でき、これは樹脂との密着性に富む点で有利である。
また、外周と端面の両方、或いは外周と端面のうちどちらか一方がフッ素で修飾されている微細炭素繊維も好適である。修飾される端面は、両端面でも一方の端面でもよい。
樹脂に配合する微細炭素繊維としては、これらのうちの１種類でも、２種類以上を組み合せてもよい。
【００１０】
樹脂に微細炭素繊維が配合された複合材料は、微細炭素繊維が内部に埋めこまれるばかりでなく、樹脂材料が摩耗することによって、表面から突出するので、これにより製造されたメカニカルシールは、図２に示されるように複合材料からなるメカニカルシール本体１４の挿通穴の内周面１５から、多数本の微細炭素繊維１３が突出している形態となる。
そして、微細炭素繊維は、長さ方向に対する引張強度は非常に強いが、曲げ力に対しては、柔軟に曲がる特性を持っているので、回転軸が回転して摺動する際に、その荷重によって、突出する微細炭素繊維が柔軟に曲がる。こうして、柔軟な微細炭素繊維を介して回転軸がメカニカルシールに接することになり、メカニカルシール本体１４に荷重が集中することがなく、メカニカルシールは良好な摺動性と耐摩耗性を発揮することができる。このとき、微細炭素繊維の摩擦係数は小さいので、回転軸の回転による負荷を軽減して良好な摺動性を発揮しつつ、回転軸の外周における流体の漏洩を阻止することができる。
この際、微細炭素繊維の直径が１００ｎｍより大きいと、しなやかに曲がることができずに微細炭素繊維による回転軸への攻撃性を防ぐことができないので、直径は１００ｎｍ以下であるとよい。直径が８０ｎｍ以下であればより好適である。
【００１１】
また、底の無いカップ形状をなす炭素網層が多数積層したカップスタック型の微細炭素繊維を用いると、回転軸と摺動される際に無理な荷重が加わった場合、メカニカルシール本体の表面から突出する微細炭素繊維の、積層していた炭素網層それ自体が破壊するので、メカニカルシール本体の摩耗を防ぐことができる。
【００１２】
フッ素で修飾されている微細炭素繊維を使用すれば、回転軸との摺動で回転軸側に付着して起こる、所謂凝着摩耗等を防ぐことができ、より優れた摺動性と耐摩耗性を発揮できる。
このように、本発明のメカニカルシールは、回転軸が良好に回転できる優れた摺動性を有すると共に、回転軸の外周側からの流体の漏洩を良好に阻止することができ、さらに、耐摩耗性に優れた耐久性のあるメカニカルシールを提供することができる。
【００１３】
実施例１、２及び比較例１のメカニカルシールによって、摺動試験を行ったので次に説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１を用いてメカニカルシールの形状について説明する。図１は、実施例１のメカニカルシール１０が回転軸１１に外嵌されている際の状態を示す断面図である。メカニカルシール１０は、環状に設けられ、非回転のハウジング１２内に挿入されて固定されると共に、回転軸１１に外嵌される。具体的には、メカニカルシール１０は、底部を有した筒部１０ｄと、筒部１０ｄ内に同心に配置されるコーン形状のコーン部１０ｂとからなり、この筒部１０ｄ及びコーン部１０ｂに対して同心に、回転軸１１が挿入される挿通穴１０ａが設けられている。
回転軸の外周面とメカニカルシールの挿通穴１０ａの内周面は、全周にわたって直接接触し、しまりばめによる嵌合となっている。つまり、挿通穴１０ａの内径（メカニカルシールの内径）は、回転軸１１の外径よりも小さく設定されている。
【００１５】
上記形状からなるメカニカルシール１０の材質として、四フッ化エチレン樹脂にカーボンナノファイバを５ｗｔ％配合して作成した複合材料を用いた。
【実施例２】
【００１６】
実施例１と同様の形状のメカニカルシールを作成した。メカニカルシールの材質として、四フッ化エチレン樹脂にカーボンナノファイバを１０ｗｔ％配合して作成した複合材料を用いた。
【比較例１】
【００１７】
実施例１、２と同様の形状のメカニカルシールを作成した。メカニカルシールの材質としては、四フッ化エチレン樹脂にガラス繊維、二硫化モリブデンを配合して作成した材料を用いた。  
【００１８】
（比較試験）
実施例１、実施例２及び比較例１のメカニカルシールについて、下記の条件下で回転軸を回転させ、メカニカルシールの摩耗量を比較した。
（試験条件）
回転軸の回転数：３０００ｒ／ｍｉｎ、  回転軸の外径：φ１１．９４ｍｍ、              締め代（メカニカルシールの内径と回転軸の外径との差）：４０μｍ、  摺動面の面圧：０．７８ｋｇ／ｃｍ２、  回転軸の材質：ステンレス鋼（ＳＵＳ３０３）、回転時間：１８０分
【００１９】
（試験結果）
表１は、実施例１、２及び比較例１の試験による摩耗量を示すものである。
内径変化量とは、１８０分後のメカニカルシールの内径寸法が、試験前のメカニカルシールの内径寸法に対してどれだけ変化したかを％で示している。
同様に、重さ摩耗量は、１８０分後のメカニカルシールの重さが、試験前のメカニカルシールの重さに対してどれだけ減少しているかを％で示している。  
【００２０】
【表１】
2005257008.tif 000003
【００２１】
表１から明らかなように、内径変化量が実施例１、２では比較例１よりも約半分に抑えられていることが確認された。重さ摩耗量では実施例２で摩耗量が０であり、比較例１に比べて著しく低く抑えられていることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】メカニカルシールと回転軸の関係を示す断面図である。
【図２】メカニカルシール本体から突出する微細炭素繊維を示す模式図である。
【符号の説明】
【００２３】
１０  メカニカルシール
１１  回転軸  
１２  ハウジング
１３  微細炭素繊維
１４  メカニカルシール本体
【図１】
2005257008.tif 000004
【図２】
2005257008.tif 000005