(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンを含む材料からなるシールリング２と、ステンレス鋼など耐食および温度安定性のある金属材料からなるメイティングリング３Ａとを組合せてなる非接触端面シール構造であって、シールリング２はシールハウジング４にノックピン１２を介して回り止めされているとともに、スプリング５によってメイティングリング３Ａに押付けられており、メイティングリング３Ａは回転軸１に直接外嵌されており、かつ、シールリング２に対峙する摺動面３ａには、窒化チタン薄膜がコーティングされているとともに、摺動面間に気体の薄膜を形成するように、高圧側から低圧側に向かって全周にわたって一様なスパイラル溝３ｂが形成されており、上記メイティングリング３Ａは回転軸１に直接外嵌された２個のスリーブ８ａ、１４によって挟まれて軸方向に位置決めされており、メイティングリング３Ａ内周面には円筒状の溝が形成されていて、該溝内に外側に凸に膨らんだ略円筒状曲面を形成するように巻付けた板バネ１３ａが嵌挿されていて、メイティングリング３Ａと回転軸１との間の遊び代を板バネ１３ａによって吸収して振動が発生しないようにしていることを特徴とする非接触端面シール構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は軸のシール構造に係り、特に高圧の圧縮機などに使用される非接触端面シール構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は従来の非接触端面シールの一部省略断面図である。非接触端面シールは、数千ないし数万回転で回転する高圧圧縮機などのシールに使用するもので、摺動面に非常に薄い気体フィルムを形成することにより、固体同士の接触がない状態でシールを達成するようになっているので、ラビリンスシールなどに比べて極端にリーク量が少ない特徴がある。図３において、Ｈは高圧室、Ｌは低圧室である。１は回転軸である。２はカーボンを含む材料からなる環状のシールリングである。カーボンを含む材料には樹脂含浸硬質カーボン、硬質カーボン、カーボン系複合材料などがある。シールリング２は、シールハウジング４により軸方向移動可能に支持されており、複数のノックピン１２により回り止めされている。３はセラミックス製の環状のメイティングリングである。シールリング２はシールハウジング４の複数の保持穴４ａに挿入された多数のコイルバネ５により、圧縮リング６を介してメイティングリング３に押し付けられている。メイティングリング３の摺動面３ａには、図４に示すようにスパイラルグループ３ｂが形成されている。スパイラルグループ３ｂは、摺動面３ａの外周縁から内周縁側に向って回転方向後方に傾斜し、かつ、所定長さで形成され回転軸の回転に際して、高圧室Ｈから気体を取り込むようになっている。
【０００３】
７はメイティングリング３を支持するスリーブである。スリーブ７は円筒状部分７ａと、円筒状部分７ａの一端から外方に連設した円板状部分７ｂと円板状部分７ｂの外端から円板状部分７ａと同一方向に連設した外側円筒状部分７ｃとを有し、円筒状部分７ａと外側円筒状部分７ｃとの間に円板状部分７ｂに隣接してメイティングリング３が保持されている。スリーブ７の円筒状部分７ａの外周とメイティングリング３内周との間には、外側に凸に膨らんだ略円筒状曲面を形成するように巻付けた板バネ１３ａが嵌挿されている。メイティングリング３を保持するためにスリーブ７を使用するのは、メイティングリングがセラミックス製であり、引張り強度や熱膨張係数が小さく、かつ、衝撃に弱いので、緩衝作用を持たせるためであり、外側円筒状部分７ｃは、メイティングリング３が破損したときに飛散するのを防ぐ目的で設けられている。
【０００４】
８はスペーサリング、１１は押えリングで、これらによりメイティングリング３およびスリーブ７を回転軸１に固定している。９はＯリングであり、高圧気体の漏洩を防止している。９ａもＯリングであるがカラー１０の芯出しに使用している。１０はカラーで、スリーブ７とともにメイティングリング３を保持している。１３ａ、１３ｂは板バネであり、それぞれスリーブ７およびスペーサリング８と回転軸１との間に介在し、これらの間の遊び代を吸収し、振動が発生しないようにしている。
【０００５】
回転軸１の回転によりメーティングリング３が回転すると、メーティングリング３の摺動面３ａに形成したスパイラルグループ３ｂに高圧室Ｈ内のガスが取り込まれて昇圧される。これにより、メイティングリング３およびシールリング２の摺動面３ａ、２ａ間には、いわゆるガス軸受が形成されて両リング２、３は非接触状態で相対回転するものの、その隙間は極めて小さく（μｍオーダ）、ガスの漏れが大幅に少なくなる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、従来の非接触端面シール構造はセラミックス製のメイティングリング３を使用しているので、その保持のためスリーブ７を使用しなければならず構造が複雑で高価になってしまう。
【０００７】
本発明は従来技術のかかる問題点を解決するために案出されたものであり、メイティングリングを、摺動面に窒化チタンをコーティングした耐食および温度安定性のある金属製とすることによりスリーブを省きコストダウンを図った非接触端面シール構造を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の非接触端面シール構造は、カーボンを含む材料からなるシールリングと、ステンレス鋼など耐食および温度安定性のある金属材料からなるメイティングリングとを組合せてなる非接触端面シール構造であって、シールリングはシールハウジングにノックピンを介して回り止めされているとともに、スプリングによってメイティングリングに押付けられており、メイティングリングは回転軸に直接外嵌されており、かつ、シールリングに対峙する摺動面は、窒化チタン薄膜がコーティングされているとともに、摺動面間に気体の薄膜を形成するように、高圧側から低圧側に向ってスパイラル溝が形成されている。
【０００９】
上記金属材料はステンレス鋼が耐食および強度に優れ、２００℃までの高温域で機械的特性が安定しているので好ましい。
【００１０】
次に、本発明の作用を説明する。
メイティングリングをステンレス鋼などの耐食および温度安定性のある金属材料で製作し、シールリングとの摺動面には低摩擦の窒化チタンコーティングを施してある。したがって、セラミックスと異り靱性が大きいので回転軸に直接外嵌しても、衝撃により破損するおそれがなく、従来使用していたスリーブを省略することができ、非接触端面シールの構造が簡略化し、コストダウンが可能になる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下本発明の１実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明の非接触端面シールの断面図である。なお、本図において、図３によって従来の非接触端面シールとして説明したのと共通の部分については同一の符号を付しており、重複した説明は省略する。図１において、３Ａはステンレス鋼など耐食および温度安定性のある金属材料からなるメイティングリングである。メイティングリング３Ａは回転軸１に直接外嵌されており、かつ、シールリング２に対峙する摺動面は窒化チタン薄膜がコーティングされているとともに、摺動面に気体の薄膜を形成するようにスパイラル溝３ｂが形成されている。メイティングリング３ＡはＳＵＳ６３０、ＳＵＳ４２０などのステンレス鋼が好ましい。窒化チタンコーティングの施行方法については、たとえば、特開平８−１０５４４７号に開示された方法が用いられる。図２は上記公報に記載された窒化チタン膜形成のための概念図である。窒化チタン薄膜を形成する基材は、回転軸の先端に固定され水冷された銅製ホルダに固定して配置される。この基材に対向して蒸発源およびイオン源が配置され、蒸発源からのチタン蒸気を基材に向けて発し、イオン源から窒素イオンを主体とするイオンビームを基材に向けて照射することにより、窒化チタン薄膜が形成される。この窒化チタン薄膜の形成方法をダイナミックミキシング法という。窒化チタンコーティングの厚さは２μｍ以上とするのが好ましい。
【００１２】
次に本実施形態の作用を説明する。
メイティングリング３Ａをステンレス鋼などの耐食および温度安定性のある金属材料で製作し、シールリング２との摺動面３ａには低摩擦の窒化チタンコーティングを施してある。したがって、セラミックスと異り靱性が大きいので回転軸１に直接外嵌しても、衝撃により破損するおそれがなく、従来使用していたスリーブ７を省略することができ、非接触端面シールの構造が簡略化し、コストダウンが可能になる。
【００１３】
本発明は以上述べた実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
【００１４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の非接触端面シール構造はメイティングリングをステンレス鋼など耐食および温度安定性のある金属材料で製作し、その摺動面に窒化チタン薄膜をコーティングして直接回転軸に外嵌したので、シール構造が簡略化し、コストダウンが可能になるなどのすぐれた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の非接触端面シールの断面図である。
【図２】窒化チタン薄膜形成の概念図である。
【図３】従来の非接触端面シールの断面図である。
【図４】メイティングリングの摺動面の一部省略正面図である。
【符号の説明】
１    回転軸
２    シールリング
３Ａ  メイティングリング
４    シールハウジング
５    コイルバネ
【図１】
0004232247.tif 000002
【図２】
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【図３】
0004232247.tif 000004
【図４】
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