JP2005098434A - メカニカルシール - Google Patents

Abstract

【課題】 長寿命でメンテナンスフリーであり、かつ漏れの少ないメカニカルシールを提供する。
【解決手段】 回転する部材に固定された第１摺動部材(15)と、静止する部材に固定された第２摺動部材(16)とを備え、第１摺動部材(15)と第２摺動部材(16)とを互いに密接させて摺動し、流体の封止を行なうメカニカルシールにおいて、少なくとも一方の摺動部材の材質として、米ぬかを材料としたＲＢセラミックス(Rice Bran Ceramics)を用い、より望ましくは第１摺動部材の材質をシリコンカーバイドとし、第２摺動部材の材質をＲＢセラミックスとしたことを特徴とするメカニカルシール。
【選択図】 図１

Description

本発明は、メカニカルシールの摺動部材の材質に関する。

従来から、流体を封止するシールとして、メカニカルシールが知られている。
図３に、従来技術における水ポンプ１１のメカニカルシール１２の構成を、断面図で示す。図３において、水ポンプ１１は、ハウジング２２の内部で羽根車１３を回転させることにより、冷却水を遠心状に排出している。

羽根車１３を回転させる回転軸１４側には、環状のフローティングシート１５が固定され、ハウジング２２にはシールリング１６が固定されている。
そして、スプリング１８によってフローティングシート１５の端部をシールリング１６の端部に押し当てて密接させ、両者を摺動させることにより、冷却水を封止して水漏れを防止している。以下の説明においては、フローティングシート１５及びシールリング１６を、メカニカルシール１２の摺動部材と総称する。

このとき、特許文献１に開示されたように、フローティングシート１５及びシールリング１６の材質としては、セラミックス等の高密度の硬質材料の表面に、ディンプルを形成したものが知られている。また特許文献１には、カーボン、超硬合金、炭化珪素、アルミナ等も材質として開示されている。

また、他の従来技術としては、例えばフローティングシート１５には、非常に硬い（ビッカース硬さ：約２４００）、シリコンカーバイド（ＳiＣ）等のセラミックを、シールリング１６には比較的柔らかなカーボングラファイトを、それぞれ用いたものが知られている。
さらには、フローティングシート１５及びシールリング１６の双方に、シリコンカーバイドを用いたものも知られている。

特許３０２６２５２号公報（特開平９−１３３２２２号公報）

しかしながら、前記従来技術には、次に述べるような問題がある。
即ち、特許文献１に示されたような、高密度の硬質材料の表面にディンプルを形成したものは、材質の表面にさらに処理を施さなければならず、製造時に高コストとなるという問題がある。
また、カーボン、超硬合金、炭化珪素、アルミナ等を材質とした場合の課題として、損耗、ヒートクラック、異常音等が特許文献１にも記載されている。

さらに、フローティングシート１５にシリコンカーバイド（ＳiＣ）を、シールリング１６にはカーボングラファイトをそれぞれ用いたような場合には、次に述べるような問題がある。
即ち、メカニカルシール１２を羽根車１３の裏面に装着した場合は、羽根車１３裏面の水が連れ廻りすることによる遠心力の影響で、羽根車１３裏面中心部が負圧になりやすい。そのため、この部位に装着されている羽根車１３裏面のメカニカルシール１２近傍の冷却水が蒸気圧より低くなった場合に、水が水蒸気化してキャビテーションが発生することがある。これにより、メカニカルシール１２に、キャビテーションエロージョンによる損傷が生じることがある。

また、双方にシリコンカーバイドを用いた場合には、どちらも硬いために、フローティングシート１５とシールリング１６との間に冷却水に混じっていた砂等の微粒子が挟まった場合に、傷ついてしまうことがある。さらには、同一の材質を長時間密接させておくと、融着を起こしてくっついてしまうようなこともある。

本発明は、上記の問題に着目してなされたものであり、長寿命でメンテナンスフリーであり、かつ漏れの少ないメカニカルシールを提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、第１発明は、
回転する部材に固定された第１摺動部材と、
静止する部材に固定された第２摺動部材とを備え、
第１摺動部材と第２摺動部材とを互いに密接させて摺動し、流体の封止を行なうメカニカルシールにおいて、
少なくとも一方の摺動部材の材質として、ＲＢセラミックスを用いている。
また第２発明は、第１発明に記載のメカニカルシールにおいて、
第１摺動部材の材質をシリコンカーバイドとし、
第２摺動部材の材質をＲＢセラミックスとしている。

第１発明によれば、硬質で耐摩耗性が高く、しかも無潤滑で摩擦係数が非常に小さいＲＢセラミックスをメカニカルシールの摺動部材として用いているので、長寿命化及びメンテナンスフリーが実現できる。
また第２発明によれば、回転する摺動部材のほうをより硬いシリコンカーバイドとすることにより、摩耗が少なく、長寿命化が実現できる。

以下、図を参照しながら、本発明に関わる実施形態を詳細に説明する。
ここでは、自動車や建設機械等の、エンジンを冷却するために用いられる水ポンプを例にとって説明する。このような用途には、管路の圧損が小さいことから、水ポンプの吐出圧は低圧でもよいので、より吐出量の多いうず巻ポンプが用いられることが多い。

この場合、エンジンのシリンダブロックやシリンダヘッドの周囲にウォータージャケットを設け、その内部に水ポンプで冷却水を流す。そして、ウォータージャケットで温められた冷却水を、水ポンプでラジエータに導いて冷却させるものである。

図１に、水ポンプ１１の断面図、図２にそのＡ矢視外観図を示す。
図１に示すように、水ポンプ１１は、ハウジング２２の内部に、ベアリング２１によって回転自在に支承された回転軸１４を備えている。回転軸１４の一端部（図１右端部）には、プーリー２８が装着され、図示しないエンジンの出力軸から図示しないベルトを介して回転駆動させられる。回転軸１４の他端部には、羽根車１３が装着されており、羽根車１３は回転軸１４と一体に回転する。

図１に示すように、ハウジング２２には、水入口管２４が接続されている。図１の下方から上向きに水入口管２４に入った冷却水（矢印２５Ａ）は、回転軸１４に沿った方向（図１右方）に略垂直に曲げられ、羽根車１３に対して正面から流入する（矢印２５Ｂ）。

羽根車１３の外周には、羽根車１３を取り巻くように排水流路２６が環状に形成されている。冷却水は、羽根車１３によって遠心力を付加され、排水流路２６を通り（矢印２５Ｃ）、排水流路２６に接続された水出口管２７で略垂直に曲げられ、図２の紙面と垂直に手前に流出する（矢印２５Ｄ）。

次に、メカニカルシールについて、説明する。
図１におけるメカニカルシール１２の詳細は、図３と同様であるので、図１及び図３に基づいて説明を行なう。メカニカルシール１２は、環状のフローティングシート１５と呼ばれる第１摺動部材と、中空の円錐台のような形状をした、シールリング１６と呼ばれる第２摺動部材とを備えている。

フローティングシート１５は、例えばゴム等の弾性体からなるパッキン１９に嵌め込まれており、パッキン１９は羽根車１３の端面の窪みに嵌め込まれている。従って、フローティングシート１５及びパッキン１９は羽根車１３及び回転軸１４と一体に回転する。

またシールリング１６は、例えばステンレス製のケース２０に嵌め込まれ、ケース２０は、ハウジング２２の取付穴３０に嵌まり込んで固定されている。ケース２０とシールリング１６との間はベローズ２９によって封止されている。
またケース２０にはスプリング１８が装着されており、シールリング１６を図１左方に押しつけて、フローティングシート１５の図１右側端面と、シールリング１６の図１左側端面とを密接させている。

これにより、羽根車１３及び回転軸１４が、ハウジング２２に対して回転しても、フローティングシート１５の右側端面とシールリング１６の左側端面との間が摺動することにより、封止を行なっている。

図１、図３において、羽根車１３の裏側とハウジング２２とに挟まれたエリア２３には、冷却水が充満している。この冷却水を、メカニカルシールによって回転軸１４に触れないようにシールしている。
これにより、冷却水が回転軸１４を伝って水ポンプ１１の外部に漏れることが少なくなっている。また、冷却水が回転軸１４に触れないので、回転軸１４がキャビテーション等によって腐食するようなことがない。

まず、第１実施形態を説明する。このとき、フローティングシート１５の材質としてはシリコンカーバイドを、シールリング１６の材質としてはＲＢセラミックス(Rice Bran Ceramics)を用いている。
ＲＢセラミックスとは、米ぬかを原料として製造されるセラミックスの一種であり、その製造方法は、例えば『機能材料』誌 １９９７年５月号 Ｖｏｌ．１７ Ｎｏ．５ ｐ２４〜２８に紹介されている。

即ち、米ぬかを搾油して得られる脱脂ぬかと、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂とを混合して成形・加工したものを、窒素等の不活性ガス雰囲気中で５７０Ｋ〜１３７０Ｋ程度の温度で炭化焼成したものである。その主成分は、軟質の無定形炭素と、その周囲を補強している硬質のガラス状炭素であり、硬質の多孔性炭素材料となっている。

上記記事に示すように、ＲＢセラミックスのビッカース硬さは平均で４００〜６００であり、焼成温度を９７０Ｋ以上とすることにより、１０００を越えるビッカース硬さを得ることも可能である。即ち、カーボングラファイトに比べてかなり硬く、ほぼ焼き入れ鋼なみの硬さとなっている。

さらには、耐摩耗性にすぐれているので、このＲＢセラミックスをシールリング１６に用いることにより、シールリング１６の摩耗や損耗が減り、メカニカルシール１２の長寿命化が実現される。特に、９７０Ｋ以上の温度で焼成することにより、耐摩耗性が増加する。
そして、キャビテーションが発生しても、カーボングラファイトのように損耗することが少ない。

しかも、ＲＢセラミックスは、成形加工後に焼成されるので、形状を任意の形態に成形することができる。また、摩擦係数が非常に小さいので、オイルやグリース等を添加しなくてもよく、特に、７７０Ｋ以上の温度で焼成することにより、無潤滑下での摩擦係数をより小さくすることができる。
さらには、水中にあっても大気中と同様の低摩擦係数が得られるので、水を封止するメカニカルシール１２として、非常に好適である。

次に、第２実施形態としては、フローティングシート１５及びシールリング１６の双方の材質を、ＲＢセラミックスとしている。
ＲＢセラミックスのビッカース硬さは、上述したように４００〜１１００程度であり、ビッカース硬さが約２４００のシリコンカーバイドに比べて、比較的柔らかい。従って、フローティングシート１５及びシールリング１６の双方をＲＢセラミックスとしても、間に挟まった砂等により、ＲＢセラミックスが傷つくことが少ない。

さらに、ＲＢセラミックスは上述したように、そのビッカース硬さを、焼成温度によって変化させることができる。従って、フローティングシート１５に、例えばビッカース硬さ１０００以上になるように製造したものを用い、シールリング１６に、例えばビッカース硬さ４００〜６００程度になるようなものを用いることもできる。これにより、フローティングシート１５とシールリング１６とが融着したり、間に挟まった砂等で傷ついたりすることが少ない。

尚、上記の説明は、水ポンプ１１用のメカニカルシール１２を例にとって行なったが、他の用途のメカニカルシール１２に対しても、同様に応用が可能である。
また、摺動部材全体の材質をＲＢセラミックスとすることについて説明したが、摺動部材のうち、互いに接触する摺動面のみを、ＲＢセラミックスとしてもよい。

尚、ＲＢセラミックスに代わる好適な材料としては、ＣＲＢセラミックスとして知られるものがある。これは、ＲＢセラミックスと同様に、米ぬかから得られる脱脂ぬかと熱硬化性樹脂とを混合して成形・加工したものを、不活性ガス中で焼成する。
そして、これを粉砕して炭化粉末とし、熱硬化性樹脂を新たに加えて加圧成形・加工したものを、不活性ガス中で再度熱処理したものである。

水ポンプの断面図。 図１のＡ矢視図。 メカニカルシールの構成を示す断面図。

符号の説明

１１：水ポンプ、１２：メカニカルシール、１３：羽根車、１４：回転軸、１５：フローティングシート、１６：シールリング、１８：スプリング、１９：パッキン、２０：ケース、２１：ベアリング、２２：ハウジング、２３：エリア、２４：水入口管、２５Ａ〜２５Ｄ：冷却水、２６：排水流路、２７：水出口管、２８：、プーリー、２９：ベローズ、３０：取付穴。

Claims (2)

1. 回転する部材に固定された第１摺動部材(15)と、
   静止する部材に固定された第２摺動部材(16)とを備え、
   第１摺動部材(15)と第２摺動部材(16)とを互いに密接させて摺動し、流体の封止を行なうメカニカルシールにおいて、
   少なくとも一方の摺動部材の材質として、ＲＢセラミックス(Rice Bran Ceramics)を用いた
   ことを特徴とするメカニカルシール。
2. 請求項１に記載のメカニカルシールにおいて、
   第１摺動部材の材質をシリコンカーバイドとし、
   第２摺動部材の材質をＲＢセラミックスとした
   ことを特徴とするメカニカルシール。

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