(57)【要約】【課題】回転機械内で撹拌された多数の物体がメカニカルシールに衝突しても容易に壊れない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１００は、固定環１０と、回転環２０と、それらを収めるケーシング３０とを備えている。固定環１０は、回転軸２００の周囲を覆う環状部材であり、ケーシング３０に固定されており、回転軸２００と伴に回転しない。回転環２０は、回転軸２００の周囲を覆う環状部材であり、回転軸２００と伴に回転する。固定環１０と回転環２０とは、固定環１０の摺動面１１と、回転環２０の摺動面２２とが互いに向かい合って対向するように配置される。そして、固定環１０と回転環２０とを摺動自在の状態で、摺動面１１と、摺動面２２とを接触させてシール面を形成させる。固定環１０、又は、回転環２０を構成する材質は、窒化ケイ素系セラミックスである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定環、及び、回転環の少なくとも一部を窒化ケイ素系セラミックスで形成させたことを特徴とする、メカニカルシール。
【請求項２】
前記固定環、及び、前記回転環の全体を窒化ケイ素系セラミックスで形成させたことを特徴とする、請求項１に記載のメカニカルシール。
【請求項３】
前記固定環、または、前記回転環のいずれか一方を窒化ケイ素系セラミックスで形成させたことを特徴とする、請求項１に記載のメカニカルシール。
【請求項４】
前記固定環、または、前記回転環の他方を炭化ケイ素系セラミックスで形成させたことを特徴とする、請求項３に記載のメカニカルシール。
【請求項５】
前記窒化ケイ素系セラミックスは、サイアロンであることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一つに記載のメカニカルシール。
【請求項６】
前記窒化ケイ素系セラミックスを燃焼合成法により生成させたことを特徴とする、請求項１乃至５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し、特に、優れた耐久性を有するメカニカルシールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、以下に示すようなメカニカルシールが提案されていた。そのメカニカルシールは、液体抵抗器の電解液を循環流通させる液循環ポンプに用いるメカニカルシールであって、回転軸に遊嵌されたメイティングリングと、上記回転軸に環装され、上記回転軸と共に回転し、且つ、上記回転軸の軸方向に移動可能となっているシールリングと、上記シールリングを上記メイティングリング側に付勢するばねとを有し、上記メイティングリング及び上記シールリングを、炭化ケイ素により形成していることを特徴とするものである（例えば、特許文献１参照）。すなわち、上記メカニカルシールは、メカニカルシールの摺動部分が炭化ケイ素により形成されている。炭化ケイ素は、熱伝導率も高く、とても硬いという特徴を有するため、一般的にメカニカルシールによく用いられる材質である。
【０００３】
このような炭化ケイ素により形成されたメカニカルシールは、ビーズミルのような回転粉砕機械の回転軸にも採用されている。ビーズミルは、容器内で撹拌部材を回転させて、容器内のビーズを撹拌することにより、そのビーズを容器内に入れた粉体に衝突させて、粉体の微粉砕化、高分散化を行う回転粉砕機械である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−０２４０９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記ビーズミルを動作させて容器内でビーズを撹拌すると、メカニカルシールにもそのビーズが衝突する。このビーズの衝突が繰り返されると、メカニカルシールの内部部分が少しずつ破損して、メカニカルシールがシールとしての機能を発揮できなくなるおそれがある。特に、メカニカルシールにおける固定環（上記メイティングリング）、及び、回転環（上記シールグリング）は、メカニカルシールのシール機能を発揮する重要部分である。したがって、この部分は、ビーズの衝突によって容易に破損するようなものであってはならず、高い耐久性が要求される。
【０００６】
本発明は、斯かる実情に鑑み、回転機械内で撹拌された多数の物体がメカニカルシールに衝突しても容易に壊れない優れた耐久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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明のメカニカルシールは、固定環、及び、回転環の少なくとも一部を窒化ケイ素系セラミックスで形成させたことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明のメカニカルシールにおいて、上記固定環、及び、上記回転環の全体が窒化ケイ素系セラミックスで形成されたことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明のメカニカルシールにおいて、上記固定環、及び、上記回転環の全体を窒化ケイ素系セラミックスで形成させたことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明のメカニカルシールにおいて、上記固定環、または、上記回転環のいずれか一方を窒化ケイ素系セラミックスで形成させた場合、上記固定環、または、上記回転環の他方を炭化ケイ素系セラミックスで形成させたことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明のメカニカルシールにおいて、上記窒化ケイ素系セラミックスは、サイアロンであることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明のメカニカルシールにおいて、上記窒化ケイ素系セラミックスを燃焼合成法により生成させたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
回転機械内で撹拌された多数の物体が本発明のメカニカルシールに衝突しても、本発明のメカニカルシールが優れた耐久性を有するため、容易に壊れないという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態におけるメカニカルシール１００の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施の形態におけるメカニカルシール１００の断面図である。本発明の実施の形態におけるメカニカルシール１００は、例えば、（図示しない）回転機械の動力を伝える回転軸２００に設置され、その回転機械の内部から外部への内部液等の漏れ出しを防ぐために機械的にシールするものである。そのメカニカルシール１００は、例えば、固定環１０と、回転環２０と、それらを収めるケーシング３０とを備えている。
【００１７】
固定環１０は、回転軸２００の周囲を覆う環状部材である。そして、固定環１０は、パッキン４１を介してケーシング３０に固定されている。固定環１０は、ケーシング３０に固定されているため、回転しない。
【００１８】
回転環２０は、回転軸２００の周囲を覆う環状部材である。そして、回転環２０は、回転軸２００と伴に回転する。
【００１９】
そして、固定環１０と回転環２０とは、固定環１０の摺動面１１と、回転環２０の摺動面２２とが互いに向かい合って対向するように配置される。そして、回転環２０を回転軸２００の軸方向へ摺動可能な状態にして、摺動面１１と、摺動面２２とを接触させてシール面を形成させる。これにより、メカニカルシール１００は、シール機能を発揮することができる。
【００２０】
このような回転環２０は、例えば、シールリング２１と、押圧部２３とにより構成させることが一例として挙げられる。シールリング２１は、回転軸２００の周囲を覆う環状部材であり、回転軸２００の軸方向へ摺動可能な状態で、回転軸２００と伴に回転する。シールリング２１の摺動面２２は、固定環１０の摺動面１１と接触してシール面を形成する。
【００２１】
押圧部２３は、シールリング２１を固定環１０へ押圧するものである。このような押圧部２３は、例えば、押圧環部材２４と、バネ取り付け部２５と、バネ２６とを備えた構成が一例として挙げられる。押圧環部材２４には、バネ２６の一端が取り付けられている。そのバネ２６の他端は、バネ取り付け部２５に取り付けられている。
【００２２】
押圧環部材２４は、パッキン４２を介して、シールリング２１を押圧する。シールリング２１を固定環１０へ押圧する押圧力は、バネ取り付け部２５に取り付けられたバネ２６の弾性力を調整することにより、調整することができる。
【００２３】
以上説明した固定環１０、又は、回転環２０を構成する材質として、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）系セラミックスが想定される。窒化ケイ素系セラミックスとは、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）を主成分とする多結晶体である。本発明において窒化ケイ素系セラミックスには、例えば、サイアロン（ＳｉＡｌＯＮ）も含まれる。
【００２４】
窒化ケイ素系セラミックス、サイアロン等の非酸化物系セラミックスは、酸化物系セラミックスに比べて、高温域において強度、耐熱衝撃性、破壊靭性、耐摩耗性などに優れるという特徴を有する。そして、非酸化物系セラミックスの中でも窒化ケイ素系セラミックスは、特に、優れた耐久性を持っており、メカニカルシール１００の固定環１０や回転環２０等を形成させるのに適している。
【００２５】
表１は、一般的な炭化ケイ素（ＳｉＣ）、および、窒化ケイ素（高熱伝導品）の物性値の一例を示す表である。
【表１】
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【００２６】
まず、熱伝導率を比較すると、炭化ケイ素、窒化ケイ素（高熱伝導品）とは近い値になっている。それぞれの値は、固定環１０、又は回転環２０のいずれに用いても十分な機能を発揮する値であり、どちらも優れた熱伝導性を有している。
【００２７】
次に、曲げ強度を比較すると、炭化ケイ素が約５５０（Ｍｐａ）であるのに対して、窒化ケイ素は、約７９０（Ｍｐａ）である。したがって、窒化ケイ素は、炭化ケイ素よりも曲げ強度がかなり優れている。
【００２８】
また、破壊靭性を比較すると、炭化ケイ素が約４〜５（Ｍｐａ・ｍ１／２）程度であるのに対して、窒化ケイ素は、約６〜７（Ｍｐａ・ｍ１／２）程度である。したがって、窒化ケイ素は、炭化ケイ素よりも破壊靭性がかなり優れている。
【００２９】
また、熱衝撃性を比較すると、炭化ケイ素が約４００（℃）であるのに対して、窒化ケイ素は、約９００（℃）である。したがって、窒化ケイ素は、炭化ケイ素よりも熱衝撃性がかなり優れている。
【００３０】
以上からして、窒化ケイ素は、炭化ケイ素よりも曲げ強度、破壊靭性、熱衝撃性が優れており、炭化ケイ素よりも優れた耐久性を有している。本発明の実施の形態におけるメカニカルシール１００は、窒化ケイ素系セラミックスのこのような特性を生かして作られたものである。
【００３１】
表２は、一般的な炭化ケイ素、および、サイアロンの物性値の一例を示す表である。
【表２】
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【００３２】
まず、曲げ強度を比較すると、炭化ケイ素が約５５０（Ｍｐａ）程度であるのに対して、サイアロンは、約６００〜９００（Ｍｐａ）程度である。したがって、サイアロンは、炭化ケイ素よりも曲げ強度がかなり優れている。
【００３３】
次に、破壊靭性を比較すると、炭化ケイ素が約４〜５（Ｍｐａ・ｍ１／２）程度であるのに対して、サイアロンは、約５〜７（Ｍｐａ・ｍ１／２）程度である。したがって、サイアロンは、炭化ケイ素よりも破壊靭性がかなり優れている。
【００３４】
また、熱衝撃性を比較すると、炭化ケイ素が約４００（℃）であるのに対して、サイアロンは、約９００（℃）である。したがって、サイアロンは、炭化ケイ素よりも熱衝撃性がかなり優れている。
【００３５】
以上からして、サイアロンは、炭化ケイ素よりも曲げ強度、破壊靭性、熱衝撃性が優れており、炭化ケイ素よりも優れた耐久性を有している。本発明の実施の形態におけるメカニカルシール１００は、サイアロンのこのような特性を生かして作られたものである。
【００３６】
本発明の実施の形態におけるメカニカルシール１００によれば、固定環１０、又は回転環２０を上記説明したような高い耐久性を有する窒化ケイ素系セラミックスで形成させたため、回転機械内で撹拌された多数の物体が固定環１０、又は回転環２０に衝突しても、容易に壊れない。
【００３７】
回転機械内で撹拌された多数の物体の衝突による破壊という観点からすると、メカニカルシール１００は、多数の物体が頻繁に衝突する部分のみを窒化ケイ素系セラミックスで形成させる構成としてもよい。メカニカルシール１００において多数の物体を含有する流体側に位置する回転環２０に多数の物体が頻繁に衝突しやすい。したがって、メカニカルシール１００は、回転環２０のみを窒化ケイ素系セラミックスで形成させる構成であってもよい。また、回転環２０の中でも、特に多数の物体が頻繁に衝突しやすい部分のみを窒化ケイ素系セラミックスで形成させる構成であってもよい。その際、固定環１０は、例えば、炭化ケイ素系セラミックスで形成させる構成が一例として想定される。
【００３８】
また、図１に示すように、固定環１０のシール面である摺動面１１付近は、多数の物体が入り込んで来て、物体の衝突を受けることがある。このため、メカニカルシール１００は、固定環１０のシール面である摺動面１１付近のみを窒化ケイ素系セラミックスで形成させる構成であってもよい。
【００３９】
以上のように、メカニカルシール１００は、固定環１０、または、回転環２０のうち回転機械内における撹拌により物体が衝突する頻度を考慮して、いずれの部分を窒化ケイ素系セラミックスで形成させるかを個別に判断してもよい。
【００４０】
また、本発明において、サイアロンを含む窒化ケイ素系セラミックスは、燃焼合成法で生成させることが一例として想定される。燃焼合成法とは、元素同士の化学反応時に放出される大量の反応熱を利用して化学反応を連鎖的に起こし、目的とする物質を合成する方法である。このように燃焼合成法は、反応熱を利用した合成方法であるため、素材を燃焼合成反応が励起する温度に設定するだけで、新たなエネルギーを投入することなく、物質を合成させることが可能な方法である。したがって、窒化ケイ素系セラミックスを燃焼合成法で形成させると、新たなエネルギーを必要としないため、安価に窒化ケイ素系セラミックスを製造でき、コストの低減に資する。
【００４１】
以上の説明において回転型・静止型のメカニカルシールについて説明したが、これに限るものではなく、その他の形式の全てのメカニカルシールにも本発明を適用することができる。この場合、そのメカニカルシール形式に応じて、以上説明した趣旨に沿って、そのメカニカルシールにおける固定環、回転環、並びに、固定環および回転環に相当する部分、その他のメカニカルシールの部分の全部、又は、一部のみを窒化ケイ素系セラミックスで形成させることが想定される。
【００４２】
尚、本発明のメカニカルシールは、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００４３】
１０  固定環
１１  摺動面
２０  回転環
２１  シールリング
２２  摺動面
２３  押圧部
２４  押圧環部材
２５  バネ取り付け部
２６  バネ
３０  ケーシング
４１、４２  パッキン
１００  メカニカルシール
２００  回転軸
【図１】
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