JP2005188651A - Mechanical seal in water pump - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、メカニカルシールの固定環と回転環との摺動接触部において、その強度を十分に確保し、且つ固定環と回転環による摺動性を良好に維持しながら且つそのシール性を良好にすることができるウォーターポンプにおけるメカニカルシールに関する。 The present invention secures sufficient strength at the sliding contact portion between the stationary ring and the rotating ring of the mechanical seal, and maintains good sliding performance by the stationary ring and the rotating ring, and also provides good sealing performance. The present invention relates to a mechanical seal in a water pump.
ウォーターポンプのメカニカルシールにおいては、特に自動車のエンジン冷却用のものでは、極めて厳しい使用環境におかれており、メカニカルシールの固定環と回転環との間の回転摺動により、消耗が激しいものとなる。そのような状況において、作動時に、相互の摩擦による高温の発生や、磨耗により固定環と回転環との間のシール性が劣化してゆくことになる。さらに、メカニカルシールにおいて、固定環と回転環とによるシール性を高めると、その摺動面同士のフリクション（摩擦）が高くなり、よって摺動性能が悪くなることになる。すなわち、シール性と摺動性とは相反する関係にある。 Water pump mechanical seals, especially those for cooling engine engines in automobiles, are used in extremely harsh operating environments, and wear is severe due to rotational sliding between the fixed ring and the rotating ring of the mechanical seal. Become. Under such circumstances, the sealing performance between the stationary ring and the rotating ring deteriorates due to generation of high temperature due to mutual friction and wear during operation. Further, in the mechanical seal, when the sealing performance by the fixed ring and the rotating ring is enhanced, the friction (friction) between the sliding surfaces becomes high, and thus the sliding performance is deteriorated. That is, the sealing property and the sliding property are in a contradictory relationship.
このような状況において、メカニカルシールの固定環、回転環等に使用される摺動材にタングステンカーバイト（以下「ＷＣ」と称する）に軟質のカーボン粒子を故意に析出するようにカーボン粒子を余剰に配合して、前記ＷＣとカーボン粒子の硬さ、耐摩耗性の違いを利用し、メカニカルシール等の摺動面に凹凸が形成されるようにしたものが存在している。前記ＷＣにカーボン粒子を配合した摺動材は、カーボン粒子の有するシール液との親和性を利用して潤滑特性を改善しようとしたもので、液体との親和性が高められ、濡れ性が改善されているものであり、この内容は、下記特許文献１に開示されている。
上記特許文献１では、ＷＣ（タングステンカーバイト）にカーボン粒子を配合した複合材で親和性の高い摺動材を形成するものである。これは、超硬合金ＷＣとカーボン粒子の硬さ、耐摩耗性の違いを利用してメカニカルシール等の摺動材として摺動面に凹凸が形成されるようにしたものである。その余剰に配合されたカーボン粒子によって形成される凹部であるが、そのカーボン粒子の配合量は、形成体の強度を低下させないようにごく限られた範囲となっている。 In Patent Document 1, a sliding material having high affinity is formed of a composite material in which carbon particles are blended with WC (tungsten carbide). This is because unevenness is formed on the sliding surface as a sliding material such as a mechanical seal by utilizing the difference in hardness and wear resistance between the cemented carbide WC and the carbon particles. Although it is a recess formed by the excessively blended carbon particles, the blending amount of the carbon particles is in a very limited range so as not to reduce the strength of the formed body.
そのため、カーボン粒子の凹部による表面粗さは、形成体の強度を低下させないようなカーボン粒子の配合量において形成されることになるので、その摺動面の表面粗さによるシール液の液溜まりでは、摺動面にシール液が十分に維持された流体潤滑状態を形成することが難しいものである。また、形成体の強度を考慮すると、カーボン粒子による摺動面の表面粗さはごく限られた状態になり、シール液の保持が十分になされ、良好なシール状態に維持することは極めて困難である。 For this reason, the surface roughness due to the concave portions of the carbon particles is formed at a blending amount of the carbon particles that does not reduce the strength of the formed body. Therefore, in the liquid pool of the sealing liquid due to the surface roughness of the sliding surface It is difficult to form a fluid lubrication state in which the sealing liquid is sufficiently maintained on the sliding surface. In addition, considering the strength of the formed body, the surface roughness of the sliding surface due to the carbon particles is extremely limited, the sealing liquid is sufficiently retained, and it is extremely difficult to maintain a good sealing state. is there.
すなわち、形成体の強度を確保し、且つ摺動面にシール流体の貯留を維持して流体潤滑性能を高めることは困難である。そこで、本発明の課題は、従来のメカニカルシールにおけるカーボンの相手摺動材として使用されている材料にカーボン粒子などを配合することなく、メカニカルシールの強度を十分に確保し、且つ摺動面の濡れ性改善を高め、摺動性とシール性を良好に安定させ、ひいては、メカニカルシールにおける固定環と回転環の耐久性を向上し、寿命を高めることにある。 That is, it is difficult to secure the strength of the formed body and to maintain the seal fluid on the sliding surface to improve the fluid lubrication performance. Therefore, the object of the present invention is to ensure sufficient strength of the mechanical seal without blending carbon particles or the like into the material used as the carbon counterpart sliding material in the conventional mechanical seal, and to improve the sliding surface. This is to improve the wettability, to stabilize the slidability and the sealing performance, and to improve the durability of the stationary ring and the rotating ring in the mechanical seal and to increase the life.
そこで、上記課題を解決すべく、発明者は、鋭意，研究を重ねた結果、本発明を、メカニカルシールの固定環、回転環の対向且つ接触する摺動面にプラズマ照射、レーザ光、紫外線などを介して親水面部が形成され、メカニカルシールのシール状態で前記固定環と回転環との摺動面間には薄膜液体層が形成されてなることを特徴とするウォーターポンプにおけるメカニカルシールとしたり、又は前述の構成において、前記メカニカルシールの固定環又は回転環のいずれか一方の摺動面に親水面部が形成されてなることを特徴とするウォーターポンプにおけるメカニカルシールとしたことにより、上記課題を解決したものである。 In order to solve the above-mentioned problems, the inventor has intensively and researched. As a result, the present invention can be applied to plasma contact, laser light, ultraviolet light, and the like on the sliding surface facing and contacting the stationary ring and the rotating ring of the mechanical seal. A hydrophilic surface portion is formed through a mechanical seal in a water pump, characterized in that a thin film liquid layer is formed between the sliding surfaces of the stationary ring and the rotating ring in the sealed state of the mechanical seal, Alternatively, in the above-described configuration, the mechanical seal in the water pump is characterized in that a hydrophilic surface portion is formed on one sliding surface of the fixed ring or the rotating ring of the mechanical seal, thereby solving the above-described problem. It is a thing.
次に、メカニカルシールの固定環又は回転環の摺動材において、少なくともいずれか一方の摺動面にプラズマ照射、レーザ光、紫外線などを介して親水面が形成され、その摺動面における蒸留水との接触角は５０°以下となるようにしてなるウォーターポンプにおけるメカニカルシールとしたことにより、上記課題を解決したものである。 Next, in the sliding material of the fixed ring or the rotating ring of the mechanical seal, at least one of the sliding surfaces is formed with a hydrophilic surface through plasma irradiation, laser light, ultraviolet light, etc., and distilled water on the sliding surface is formed. The above-mentioned problem is solved by using a mechanical seal in a water pump that has a contact angle of 50 ° or less.
本発明によれば、固定環及び回転環の強度を十分に確保しながら、摺動面の摺動性とシール性の両方を良好にすることができる。さらにメカニカルシールの摺動面を長期に亘ってシール性と摺動性を良好に維持することができ、ひいては、メカニカルシールの耐久性が向上し、寿命を高めることができる。 According to the present invention, it is possible to improve both the sliding property and the sealing property of the sliding surface while sufficiently securing the strength of the stationary ring and the rotating ring. Furthermore, the sliding performance of the mechanical seal can be maintained satisfactorily for a long time, and the durability of the mechanical seal can be improved and the life can be increased.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１（Ａ）は、メカニカルシールＡが装着されたウォーターポンプの縦断側面図であり、図１（Ｂ）はそのメカニカルシールＡの要部断面図である。ポンプハウジング６には、ベアリング付き軸７が装着されている。該ベアリング付き軸の軸方向一端は、前記ハウジングの外部に突出し、プーリ８が装着されている。メカニカルシールＡは、前記ベアリング付き軸７のベアリング部７ａを収納支持するボス孔６ａ内部とポンプ室６ｂとを仕切る位置に装着固定される。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1A is a longitudinal side view of a water pump to which a mechanical seal A is attached, and FIG. 1B is a cross-sectional view of a main part of the mechanical seal A. A shaft 7 with a bearing is attached to the pump housing 6. One axial end of the shaft with bearing protrudes outside the housing, and a pulley 8 is mounted. The mechanical seal A is mounted and fixed at a position separating the inside of the boss hole 6a for housing and supporting the bearing portion 7a of the shaft 7 with bearing and the pump chamber 6b.
前記メカニカルシールＡは、図１（Ｂ）に示すように、固定部Ａ1 と回転部Ａ2 とから構成されている。その固定部Ａ1 は、固定枠部１の内部に弾性部２と固定環３とが装着され、前記弾性部２によって固定環３が前記固定枠部１の外方に向かって弾性付勢されるようになっている。前記固定枠部１は、ポンプハウジング６のボス孔６ａに圧入固定される。また、回転部Ａ2 は、回転枠４と回転環５とから構成され、前記回転枠４に回転環５が固定されたものである。前記回転枠４は、ベアリング付き軸７の軸部７ｂに圧入固定され、ベアリング付き軸７とともに回転する。 As shown in FIG. 1B, the mechanical seal A is composed of a fixed portion A 1 and a rotating portion A 2 . The fixed portion A 1 has an elastic portion 2 and a fixed ring 3 mounted inside the fixed frame portion 1, and the fixed portion 3 is elastically biased toward the outside of the fixed frame portion 1 by the elastic portion 2. It has become so. The fixed frame portion 1 is press-fitted and fixed in a boss hole 6 a of the pump housing 6. The rotating part A 2 includes a rotating frame 4 and a rotating ring 5, and the rotating ring 5 is fixed to the rotating frame 4. The rotating frame 4 is press-fitted and fixed to the shaft portion 7b of the shaft 7 with bearing, and rotates together with the shaft 7 with bearing.
前記メカニカルシールＡの固定環３は、前記弾性部２を介して回転環５に押圧状態となるように接触するものであるが、厳密には後述するように、固定環３と回転環５との間には極薄の薄膜液体層Ｌが存在することになる。したがって、固定環３と回転環５との接触とは、図２（Ｃ），（Ｄ）に示すように、上記薄膜液体層Ｌを介して略接触状態となることである。そのメカニカルシールＡの固定環３、回転環５の摺動材の材質としては、超硬合金、セラミックス、カーボン、樹脂、鉄等がある。 The fixed ring 3 of the mechanical seal A is in contact with the rotating ring 5 via the elastic portion 2 so as to be in a pressed state. Strictly speaking, as described later, the fixed ring 3 and the rotating ring 5 Between them, there is an ultrathin thin film liquid layer L. Therefore, the contact between the stationary ring 3 and the rotating ring 5 is a substantially contact state through the thin film liquid layer L as shown in FIGS. 2 (C) and 2 (D). Examples of the material of the sliding material of the stationary ring 3 and the rotating ring 5 of the mechanical seal A include cemented carbide, ceramics, carbon, resin, iron and the like.
その固定環３や回転環５の摺動面３ａ，５ａには、図２（Ａ）に示すように、プラズマ照射を利用した表面処理が行われ、親水面部ｗが形成される。前記摺動面３ａ，５ａとは、固定環３及び回転環５の相互に接触する面のことを言う。また、親水性にすぐれた材質からなる固定環３や回転環５においては、その摺動面３ａ，５ａの表面に、前記表面処理によって親水面部ｗが形成されることにより、さらに親水基が増加されてゆくことになる。 As shown in FIG. 2A, surface treatment using plasma irradiation is performed on the sliding surfaces 3a and 5a of the stationary ring 3 and the rotating ring 5 to form a hydrophilic surface portion w. The sliding surfaces 3a and 5a are surfaces of the fixed ring 3 and the rotating ring 5 that contact each other. Further, in the stationary ring 3 and the rotating ring 5 made of a material having excellent hydrophilicity, the hydrophilic surface portion w is formed on the surfaces of the sliding surfaces 3a and 5a by the surface treatment, so that the number of hydrophilic groups further increases. It will be done.
またプラズマ照射を介して形成された固定環３や回転環５の摺動面３ａ，５ａにおける親水面部ｗは、ＯＨ基と結合しやすい分子を出させるようにすることもある。また上記固定環３や回転環５における表面処理による親水面部ｗの形成については、レーザ光、紫外線等を利用することもある。前記表面処理によって固定環３や回転環５の摺動面３ａ，５ａにおける親水面部ｗは、親水基やＯＨ基と結合しやすい分子を表面に形成させることとなり、摺動面３ａ，５ａの濡れ性を高い状態にすることができる。その濡れ性が高い状態としては、蒸留水との接触角が５０°以下であることが好ましい。 Moreover, the hydrophilic surface part w in the sliding surfaces 3a and 5a of the stationary ring 3 and the rotating ring 5 formed through plasma irradiation may cause molecules that are easily bonded to OH groups to be emitted. For the formation of the hydrophilic surface portion w by the surface treatment in the stationary ring 3 or the rotating ring 5, laser light, ultraviolet light, or the like may be used. The surface treatment causes the hydrophilic surface portion w of the sliding surfaces 3a and 5a of the stationary ring 3 and the rotating ring 5 to form molecules that easily bind to the hydrophilic group and OH group on the surface, and the sliding surfaces 3a and 5a are wetted. The state can be made high. As a state with high wettability, the contact angle with distilled water is preferably 50 ° or less.
ここで、メカニカルシールＡの固定環３と回転環５との摺動面３ａ，５ａにおける濡れ性との関係を説明する。メカニカルシールＡにとって、主に必要な性能は、液体と気体とを遮断すること、固定環３と回転環５とが良好に摺動することの２つの事項である。この２つの性能を両立させる手段として、前記固定環３と回転環５との摺動面３ａ，５ａに液漏れの発生しない程度の薄膜液体層Ｌ（液膜）を形成させ、この薄膜液体層Ｌ（液膜）でシールさせながら摺動させることである。これを実現するために、摺動面３ａ，５ａの濡れ性が求められる。 Here, the relationship between the wettability of the sliding surfaces 3a and 5a between the stationary ring 3 and the rotating ring 5 of the mechanical seal A will be described. For the mechanical seal A, the main required performances are two matters: blocking the liquid and gas, and sliding the fixed ring 3 and the rotating ring 5 well. As a means for making these two performances compatible, a thin film liquid layer L (liquid film) is formed on the sliding surfaces 3a, 5a of the stationary ring 3 and the rotating ring 5 so that no liquid leakage occurs. Sliding while sealing with L (liquid film). In order to realize this, the wettability of the sliding surfaces 3a and 5a is required.
そのメカニカルシールＡに限らず、全ての物質は、「濡れ性」という性質を有しており、その濡れ性は、ヤングの式で表される。γS ＝γL ｃｏｓθ＋γSL（ヤングの式）。この濡れ性を高い状態で確保するためには、表面に親水基を持たせることである。すなわちＯＨ基と結合しやすい分子を摺動面３ａ，５ａに出すことである。また、該摺動面３ａ，５ａの固体表面エネルギが小さいこと及び粗面であることである（図３参照）。 Not only the mechanical seal A but all materials have the property of “wetability”, and the wettability is expressed by Young's formula. γ S = γ L cos θ + γ SL (Young's formula). In order to ensure this wettability in a high state, the surface should have a hydrophilic group. In other words, molecules that easily bind to OH groups are put out on the sliding surfaces 3a and 5a. Further, the solid surface energy of the sliding surfaces 3a and 5a is small and the surface is rough (see FIG. 3).
さらに濡れ性において前記固体の濡れは、固体の表面張力γS と液体の表面張力γL 、及び固体液体の界面張力（界面自由エネルギ）γSLのバランスによって決まる。そして、濡れやすいということは、濡れた時の界面自由エネルギが低く、接触角が小さいことを意味している。また、濡れにくいときには、上記とは反対に界面自由エネルギが高く接触角が大きいことを意味する。そして、液滴が固体面に置かれたときに、前記γS ，γL ，γSLの３つのベクトルの和がゼロになったときに初めて静止する。よって平行状態での固体の濡れ性を評価するには、この状態での接触角θを測定するものである。但し、正確には液体の表面張力の垂直成分γL ｓｉｎθは固体面の垂直効力とつりあっているが、ヤングの式には入っていない。接触角を論じる場合には、この垂直効力を省略して水平方向の力の和だけに注視されるものである。 Further, the wettability of the solid is determined by the balance between the surface tension γ S of the solid, the surface tension γ L of the liquid, and the interfacial tension (interface free energy) γ SL of the solid liquid. And being easily wet means that the interface free energy when wet is low and the contact angle is small. On the other hand, when it is difficult to wet, it means that the interface free energy is high and the contact angle is large. Then, when the droplet is placed on the solid surface, it stops only when the sum of the three vectors γ S , γ L and γ SL becomes zero. Therefore, in order to evaluate the wettability of the solid in the parallel state, the contact angle θ in this state is measured. However, to be exact, the vertical component γ L sin θ of the surface tension of the liquid is balanced with the vertical effect of the solid surface, but is not included in the Young's formula. When discussing contact angles, this vertical effect is omitted and only the sum of the horizontal forces is watched.
また、 前記表面処理による親水面部ｗについては、メカニカルシールＡの固定環３、回転環５の少なくともどちらか一方側の摺動面３ａ，５ａに施されていればよい。具体例を示すと、セラミックスのＡｌ2Ｏ3〔酸化アルミニウム（アルミナ）〕、ＳｉＣ（炭化ケイ素）と焼成カーボンに対して、適宜条件のプラズマ照射を行ってみた。そのプラズマ照射しないセラミックスと焼成カーボンの蒸留水との接触角は、前記セラミックスのＡｌ2Ｏ3 では、１０７．５°である。 Further, the hydrophilic surface portion w by the surface treatment may be applied to the sliding surfaces 3a and 5a on at least one of the stationary ring 3 and the rotating ring 5 of the mechanical seal A. As a specific example, plasma irradiation under appropriate conditions was performed on ceramic Al 2 O 3 [aluminum oxide (alumina)], SiC (silicon carbide), and baked carbon. The contact angle between the ceramic not irradiated with the plasma and the distilled water of the baked carbon is 107.5 ° in the case of Al 2 O 3 of the ceramic.
また、ＳｉＣ では４９．７°である。さらに、焼成カーボンでは、８８．２°であった。それに対してプラズマ照射したものは、セラミックスのＡｌ2Ｏ3 が３６．９°であり、ＳｉＣが１２．５°であり、さらに焼成カーボンでは、２５．８°と小さくなっている。このように、プラズマ照射による表面処理にて親水面部ｗの濡れ性が確実に向上していることが認められる。これらの結果は、いずれも蒸留水との接触角が５０°以下になっている。 Moreover, it is 49.7 degrees in SiC. Furthermore, in the case of calcinated carbon, it was 88.2 °. On the other hand, in the case of plasma irradiation, the ceramic Al 2 O 3 is 36.9 °, the SiC is 12.5 °, and the calcined carbon is as small as 25.8 °. Thus, it is recognized that the wettability of the hydrophilic surface portion w is reliably improved by the surface treatment by plasma irradiation. As a result, the contact angle with distilled water is 50 ° or less.
なお、ＳｉＣは、プラズマ照射しない場合でも接触角は４９．７°と表面処理による親水面部ｗに形成された蒸留水との接触角５０°よりも小さく、元々濡れ性は良好なものであり、これは材料固有の濡れ性が高いものであるが、プラズマ照射したもので５０°以下になったものとは表面の状態が異なるものである。 In addition, even when SiC is not irradiated with plasma, the contact angle is 49.7 °, which is smaller than the contact angle of 50 ° with distilled water formed on the hydrophilic surface w by the surface treatment, and the wettability is originally good. This is a material with high wettability inherent to the material, but the surface state is different from that irradiated with plasma and having a temperature of 50 ° or less.
次に、前記固定環３や回転環５のプラズマ照射された摺動面３ａ，５ａの状態について説明する。固定環３や回転環５の摺動材をセラミックスにした場合、プラズマ照射によりセラミックスの表面層の原子同士の結合が分断され、官能基が表面に形成されることになる。さらに、摺動面３ａ，５ａの親水面部ｗは、図２（Ｂ）に示すように、原子分子レベルでの細かい凹凸面が形成され、表面が改質されることになり、密着性が向上し、活性な表面状態となるものである。 Next, the state of the sliding surfaces 3a and 5a irradiated with plasma on the stationary ring 3 and the rotating ring 5 will be described. When the sliding material of the stationary ring 3 and the rotating ring 5 is made of ceramics, the bonds between atoms of the surface layer of the ceramics are broken by plasma irradiation, and functional groups are formed on the surface. Furthermore, as shown in FIG. 2 (B), the hydrophilic surface w of the sliding surfaces 3a and 5a is formed with a fine uneven surface at the atomic and molecular level, the surface is modified, and the adhesion is improved. However, it becomes an active surface state.
上記親水面部ｗの凹凸面により、メカニカルシールＡの固定環３と回転環５との接触において、摺動面３ａ，５ａとの間には、メカニカルシールＡの稼働にて、ウォーターポンプ内の液体による薄膜液体層Ｌが形成される。この薄膜液体層Ｌは、シール及び潤滑としての役目をなす。また、前記親水面部ｗについて、物理的な面より見ると、固定環３や回転環５の摺動面３ａ，５ａの薄膜液体層Ｌは濡れ性が高くなり、摺動面３ａ，５ａと液体との馴染みが良好となり、液体との広い接触面積を得ることができるものである。また、化学的には“Ｃ−Ｈ"“Ｃ−Ｃ"などの疎水構造が減少し、“Ｃ−Ｏ"“−ＣＯＯ−"などの親水構造が増加し、薄膜液体層Ｌとの密着性を高めることができる。 Due to the uneven surface of the hydrophilic surface portion w, the liquid in the water pump is moved between the sliding surfaces 3a and 5a by the operation of the mechanical seal A between the stationary ring 3 and the rotating ring 5 of the mechanical seal A. A thin film liquid layer L is formed. The thin film liquid layer L serves as a seal and lubrication. Further, when the hydrophilic surface portion w is viewed from a physical surface, the thin film liquid layer L of the sliding surfaces 3a, 5a of the stationary ring 3 and the rotating ring 5 has high wettability, and the sliding surfaces 3a, 5a and the liquid And a wide contact area with the liquid can be obtained. Chemically, hydrophobic structures such as “C—H” and “C—C” decrease, and hydrophilic structures such as “C—O” and “—COO—” increase, and adhesion with the thin film liquid layer L increases. Can be increased.
プラズマ照射された固定環３や回転環５の摺動面３ａ，５ａは、原子分子レベルでの細かい凹凸面が形成され、表面が改質されることで、材料固有の濡れ性の高い材質のものと比べても、流体の密着性がさらに向上しており、このようにさらに濡れ性が高い状態となることで流体の保持性が高めらる。以上のごとく、プラズマ照射された固定環３や回転環５の表面は、材料固有の濡れ性が高い材質のものとは、表面の凹凸の大きさが全く異なるものである。すなわち、材料固有では、結晶レベルの凹凸形状であるのに対して、プラズマ照射を介して表面処理された親水面部ｗでは、原子・分子レベルのものであり、本発明では、固定環３や回転環５の摺動面３ａ，５ａに極めて微細な凹凸面を形成することができる。 The sliding surfaces 3a and 5a of the stationary ring 3 and the rotating ring 5 irradiated with plasma are formed with fine uneven surfaces at the atomic and molecular level, and the surface is modified so that the material has high wettability inherent to the material. Compared to the above, the adhesiveness of the fluid is further improved, and the wettability is further increased in this way, so that the fluid retainability is enhanced. As described above, the surface of the stationary ring 3 and the rotating ring 5 irradiated with plasma is completely different from the surface of the material having high wettability inherent to the material in terms of the unevenness of the surface. In other words, the material has an irregular shape at the crystal level, whereas the hydrophilic surface portion w subjected to surface treatment through plasma irradiation is at the atomic / molecular level. An extremely fine uneven surface can be formed on the sliding surfaces 3 a and 5 a of the ring 5.
また、プラズマ照射による表面は、表面に付着している有機物（汚れ）にプラズマが結合して洗浄することができ、密着性をより安定させることができるものである。さらに、プラズマ照射により、以下に示す独特の効果を固定環３や回転環５の摺動面３ａ，５ａに付加させることができる。まず第１に粗面効果である。これは、プラズマ粒子により表面に前述したように原子分子レベルの凹凸が形成できるものである。次に、活性効果であり、プラズマ粒子により表面の分子結合鎖を分解する。次に、洗浄効果であり、表面に付着している有機物（汚れ）にプラズマ粒子が結合し、洗浄する。 Moreover, the surface by plasma irradiation can be cleaned by bonding the plasma to organic substances (dirt) adhering to the surface, and the adhesion can be further stabilized. Furthermore, the following unique effects can be added to the sliding surfaces 3 a and 5 a of the stationary ring 3 and the rotating ring 5 by plasma irradiation. The first is the rough surface effect. As described above, unevenness at the atomic and molecular level can be formed on the surface by plasma particles. Next, there is an active effect, in which molecular bonding chains on the surface are decomposed by plasma particles. Next, it is a cleaning effect, and the plasma particles are bonded to the organic substance (dirt) adhering to the surface and cleaned.
したがって、メカニカルシールＡの固定環３や回転環５にプラズマ照射を行うことで、その摺動面３ａ，５ａの濡れ性が飛躍的に高められて摺動性が良好になるのみならず、シール性を高めることができ、漏れ量を大幅に低減することができる。よってメカニカルシールの性能を大幅に向上させることができる。 Accordingly, by irradiating the stationary ring 3 and the rotating ring 5 of the mechanical seal A with plasma, the wettability of the sliding surfaces 3a and 5a is remarkably enhanced and the slidability is improved. The amount of leakage can be greatly reduced. Therefore, the performance of the mechanical seal can be greatly improved.
なお、メカニカルシールＡの固定環３や回転環５の摺動材にプラズマ照射された摺動面３ａ，５ａには、ウォーターポンプ内の冷却液が保持され、シール層として薄膜液体層Ｌ（液膜）が形成されるものであるが、その流体の薄膜液体層Ｌ（液膜）が完全に接着結合されるものではない。そのため、プラズマ照射された摺動面３ａ，５ａは、活性な表面状態と液体とが密着されることになるが、そのような摺動面３ａ，５ａの全体は、常に冷却液と触れているのではなく空気と接触するところもある。これによって、プラズマ照射による活性な表面状態は、プラズマ照射される前の表面状態、すなわち活性前の元の状態に戻ろうとする。そして、プラズマ照射された摺動面の活性な表面状態は経時的に活性が減少して、元の安定状態に変化してゆくことになる。その結果、固定環３と回転環５とのシール流体は、その摺動面３ａ，５ａの活性な表面状態の変化に応じて摺動面３ａ，５ａに密着することができ、シール性と摺動性が良好になるように摺動面３ａ，５ａを形成していくことができるのである。 The sliding surfaces 3a and 5a irradiated with plasma on the sliding material of the stationary ring 3 and the rotating ring 5 of the mechanical seal A hold the coolant in the water pump, and the thin film liquid layer L (liquid Film) is formed, but the thin film liquid layer L (liquid film) of the fluid is not completely bonded. Therefore, the sliding surfaces 3a and 5a irradiated with plasma are in close contact with the active surface state and the liquid, but the entire sliding surfaces 3a and 5a are always in contact with the cooling liquid. There are places that come in contact with air instead of. As a result, the active surface state by the plasma irradiation tries to return to the surface state before the plasma irradiation, that is, the original state before the activation. Then, the active surface state of the sliding surface irradiated with plasma decreases with time and changes to the original stable state. As a result, the sealing fluid between the stationary ring 3 and the rotating ring 5 can be brought into close contact with the sliding surfaces 3a and 5a in accordance with changes in the active surface state of the sliding surfaces 3a and 5a. The sliding surfaces 3a and 5a can be formed so as to improve the mobility.
摺動面３ａ，５ａが活性な表面状態から活性前の元の状態に戻ろうとするまでにメカニカルシールＡの固定環３と回転環５との摺動面３ａ，５ａのシール面を均一且つ滑らかに磨耗させることができ、安定したシール性と摺動性を長期に亘って維持することができる。結果的にメカニカルシールＡの寿命、耐久性を高めることができるものである。以上は、メカニカルシールＡの摺動面３ａ，５ａにプラズマ照射を行った実施例の説明であるが、レーザ光を照射することにより、光量子エネルギーの直接作用によって、セラミックスの表面層の有機結合が離脱し、活性化させることができる。 The sealing surfaces of the sliding surfaces 3a and 5a between the stationary ring 3 and the rotating ring 5 of the mechanical seal A are uniform and smooth until the sliding surfaces 3a and 5a return from the active surface state to the original state before the activation. Therefore, stable sealability and slidability can be maintained over a long period of time. As a result, the life and durability of the mechanical seal A can be improved. The above is an explanation of the embodiment in which the sliding surfaces 3a and 5a of the mechanical seal A are irradiated with plasma. By irradiating the laser beam, the organic bond of the ceramic surface layer is caused by the direct action of the photon energy. It can be released and activated.
その他に紫外線、イオンビームなどを摺動面３ａ，５ａに照射して、セラミックスなどにて形成された固定環３や回転環５の表面層の有機化合物の物性を示す部分（官能基）が表面に形成され、表面原子を分子レベルで粗面化し、表面の改質を行うことができる。これらの表面改質処理によってメカニカルシールＡの摺動面３ａ，５ａの親水面部ｗが冷却水に対して濡れ性が向上するので、摺動面３ａ，５ａをまんべんなく冷却水が循環して冷却することができる。 In addition, the surface (the functional group) showing the physical properties of the organic compound in the surface layer of the stationary ring 3 and the rotating ring 5 formed of ceramics or the like by irradiating the sliding surfaces 3a and 5a with ultraviolet rays, ion beams, etc. The surface atoms can be roughened at the molecular level to modify the surface. These surface modification treatments improve the wettability of the hydrophilic surfaces w of the sliding surfaces 3a and 5a of the mechanical seal A with respect to the cooling water, so that the cooling water circulates and cools the sliding surfaces 3a and 5a evenly. be able to.
よって、摺動発熱による摺動面３ａ，５ａに歪みが少なくなることから、ウォーターポンプの作動時や停止時のシール性が高くなる。また、固定環３や回転環５の摺動面３ａ，５ａには、常に冷却水による薄膜液体層Ｌが介在するので、前述固定環３と回転環５との摺動時におけるステックスリップの発生を低減することができ、ポンプ騒音を抑制することができる。このようにして、メカニカルシールＡのシール性が向上することにより、該メカニカルシールＡから漏れ出る液体が少量となるので、ウォーターポンプの駆動軸を回転支持するベアリングへ漏れ液が達し難くなり、ベアリングの劣化を防ぎ、寿命低下を抑制することができる。 Accordingly, the sliding surfaces 3a and 5a due to the sliding heat generation are less distorted, so that the sealing performance when the water pump is activated or stopped is improved. Further, since the thin film liquid layer L of cooling water is always present on the sliding surfaces 3a and 5a of the stationary ring 3 and the rotating ring 5, the occurrence of stick slip when the stationary ring 3 and the rotating ring 5 are slid. The pump noise can be suppressed. In this way, since the sealing performance of the mechanical seal A is improved, the amount of liquid leaking from the mechanical seal A is small, so that it is difficult for the leaked liquid to reach the bearing that rotatably supports the drive shaft of the water pump. It is possible to prevent the deterioration of the life and suppress the life reduction.
図４は、メカニカルシールＡの固定環３と回転環５に本発明（プラズマ照射を施したもの）と、従来（プラズマ照射を施さないもの）との場合、試験経過時間(hr)に対する漏れ量(ml)の比較を行ったグラフである。このグラフ（図４）によれば、プラズマ照射を施すことにより漏れの劣化が極めて少ないことが示されている。このことからシール性が良くなっていることが分かる。次に図５は、プラズマ照射を固定環３や回転環５に施した場合（本発明）と、施さない場合（従来）における接触角θの比較をしたグラフである。このグラフ（図５）から、プラズマ照射により接触角θが小さくなっていることが分かる。また、本発明の表面改質処理によりセラミックスの中で安価なＡｌ2Ｏ3の材質に濡れ性が高められ、シール性の良いメカニカルシールＡのコストを低減することができる。 FIG. 4 shows the amount of leakage with respect to the test elapsed time (hr) in the case of the present invention (with plasma irradiation) on the stationary ring 3 and the rotating ring 5 of the mechanical seal A and the conventional (without plasma irradiation). It is the graph which performed the comparison of (ml). According to this graph (FIG. 4), it is shown that the deterioration of leakage is extremely small by performing plasma irradiation. This shows that the sealing performance is improved. Next, FIG. 5 is a graph comparing the contact angle θ when the plasma irradiation is applied to the stationary ring 3 and the rotating ring 5 (invention) and not (conventional). From this graph (FIG. 5), it can be seen that the contact angle θ is reduced by the plasma irradiation. Further, the surface modification treatment of the present invention increases the wettability of an inexpensive Al 2 O 3 material among ceramics, and the cost of the mechanical seal A having a good sealing property can be reduced.
本発明の表面改質処理によって摺動面３ａ，５ａのそれぞれの親水面部ｗの濡れ性が高くできることで、シール流体によるシール性を高めることができるので、メカニカルシールＡの固定環３と回転環５との摺動面３ａ，５ａ同士の接触押圧力を高めても、摺動性が損なわれることなく、良好に回転摺動可能、すなわち摺動面３ａ，５ａのシール面押圧力を高めても低回転トルク化でき、高圧ポンプのメカニカルシールとして良好な性能が得られる。 Since the wettability of the respective hydrophilic surface portions w of the sliding surfaces 3a and 5a can be increased by the surface modification treatment of the present invention, the sealing performance by the sealing fluid can be enhanced, so that the stationary ring 3 and the rotating ring of the mechanical seal A can be improved. Even if the contact pressing force between the sliding surfaces 3a and 5a is increased, the sliding performance can be satisfactorily slid without impairing the slidability, that is, the sealing surface pressing force of the sliding surfaces 3a and 5a is increased. In addition, low rotational torque can be achieved, and good performance can be obtained as a mechanical seal for a high-pressure pump.
以上のように本発明では、メカニカルシールＡの固定環３、回転環５の対向且つ接触する摺動面にプラズマ照射、レーザ光、紫外線などを介して親水面部ｗが形成され、メカニカルシールＡのシール状態で前記固定環３と回転環５との摺動面３ａ，５ａ間には薄膜液体層Ｌが形成されてなるウォーターポンプにおけるメカニカルシールとしたことにより、メカニカルシールＡの固定環３と回転環５の摺動面３ａ，５ａにプラズマ照射などの表面改質処理を行って親水面部ｗを形成するものであり、前記固定環３と回転環５に摺動材の強度を低下するような物質を配合することなく、形成体の強度を十分に確保し、且つ、摺動面３ａ，５ａの濡れ性を高めることができ、ひいては、メカニカルシールＡの摺動面３ａ，５ａの摺動性とシール性の両方を良好にすることができる。 As described above, in the present invention, the hydrophilic surface w is formed on the sliding surface facing and contacting the stationary ring 3 and the rotating ring 5 of the mechanical seal A through plasma irradiation, laser light, ultraviolet light, etc. In the sealed state, a mechanical seal in a water pump in which a thin film liquid layer L is formed between the sliding surfaces 3a, 5a of the stationary ring 3 and the rotating ring 5 allows rotation with the stationary ring 3 of the mechanical seal A. A surface modification process such as plasma irradiation is performed on the sliding surfaces 3a and 5a of the ring 5 to form the hydrophilic surface portion w, and the strength of the sliding material is reduced in the stationary ring 3 and the rotating ring 5 Without compounding the substance, the strength of the formed body can be sufficiently ensured and the wettability of the sliding surfaces 3a and 5a can be increased. As a result, the sliding properties of the sliding surfaces 3a and 5a of the mechanical seal A can be improved. And sealing It is possible to improve the people.
さらに、メカニカルシールＡの固定環３と回転環５の摺動面３ａ，５ａになされる表面改質処理によって形成された親水面部ｗは、活性な表面状態で濡れ性を高めることで、前記摺動面３ａ，５ａの初期段階のシール面を均一且つ滑らかに磨耗させることができるため、メカニカルシールＡの摺動面３ａ，５ａのシール面になされた表面改質処理の活性な表面状態は経時的に変化して元の状態に戻った（活性が消失した状態）以降も安定した状態で持続させることができる。さらに、メカニカルシールＡの摺動面３ａ，５ａを長期に亘ってシール性と摺動性を良好に維持することができ、ひいては、メカニカルシールＡの耐久性が向上し、寿命を高めることができる。 Further, the hydrophilic surface portion w formed by the surface modification treatment applied to the sliding surfaces 3a and 5a of the stationary ring 3 of the mechanical seal A and the rotating ring 5 improves the wettability in an active surface state, thereby improving the sliding property. Since the initial sealing surfaces of the moving surfaces 3a and 5a can be worn uniformly and smoothly, the active surface state of the surface modification treatment applied to the sealing surfaces of the sliding surfaces 3a and 5a of the mechanical seal A is time-dependent. It can be maintained in a stable state even after it has changed and returned to its original state (a state in which the activity has disappeared). Further, the sliding surfaces 3a and 5a of the mechanical seal A can maintain good sealability and slidability over a long period of time. As a result, the durability of the mechanical seal A can be improved and the life can be increased. .
次に、前述の構成において、前記メカニカルシールＡの固定環３又は回転環５のいずれか一方の摺動面３ａ，５ａに親水面部ｗが形成されてなるウォーターポンプにおけるメカニカルシールとしたことにより、プラズマ照射作業が簡単であり、ひいては低価格にて提供することができる。 Next, in the above-described configuration, by using a mechanical seal in a water pump in which a hydrophilic surface portion w is formed on one sliding surface 3a, 5a of the stationary ring 3 or the rotating ring 5 of the mechanical seal A, The plasma irradiation operation is simple and can be provided at a low price.
次に、メカニカルシールＡの固定環３又は回転環５の摺動面３ａ，５ａにおいて、少なくともいずれか一方側にプラズマ照射、レーザ光、紫外線などを介して親水面部ｗが形成され、その親水面部ｗにおける蒸留水との接触角は５０°以下となるようにしてなるウォーターポンプにおけるメカニカルシールとしたことにより、固定環３と回転環５との摺動面３ａ，５ａにおける親水性を適正に管理することができ、メカニカルシールＡのシール状態を良好にすることができるものである。 Next, on the sliding surfaces 3a and 5a of the stationary ring 3 or the rotating ring 5 of the mechanical seal A, a hydrophilic surface portion w is formed on at least one side through plasma irradiation, laser light, ultraviolet light, etc. By using a mechanical seal in a water pump in which the contact angle with distilled water at w is 50 ° or less, the hydrophilicity on the sliding surfaces 3a and 5a of the stationary ring 3 and the rotating ring 5 is properly managed. It is possible to improve the sealing state of the mechanical seal A.
なお、メカニカルシールＡの固定環３又は回転環５の摺動材の摺動面３ａ，５ａにプラズマ照射、レーザ光、紫外線等を介して摺動面３ａ，５ａの表面に親水基を増加させてなるウォーターポンプにおけるメカニカルシールとすることで、前記摺動面３ａ，５ａをより一層良好なる親水面部ｗとすることができ、前記固定環３と回転環５との間に十分な薄膜液体層を形成することができ、摺動性能を向上させることができる。また、摺動面３ａ，５ａにＯＨ基と結合しやすい分子を表面に生成されてなるウォーターポンプにおけるメカニカルシールとしたことにより、前記摺動面３ａ，５ａの濡れ性を高い状態にすることができる。 The sliding surfaces 3a, 5a of the sliding material of the stationary ring 3 or the rotating ring 5 of the mechanical seal A are increased in hydrophilic groups on the surfaces of the sliding surfaces 3a, 5a through plasma irradiation, laser light, ultraviolet rays, etc. The sliding surface 3a, 5a can be made a more favorable hydrophilic surface w, and a sufficient thin film liquid layer between the stationary ring 3 and the rotating ring 5 can be obtained. The sliding performance can be improved. In addition, by using a mechanical seal in a water pump in which molecules that easily bind to OH groups are formed on the sliding surfaces 3a and 5a, the wettability of the sliding surfaces 3a and 5a can be increased. it can.
Ａ…メカニカルシール、３…固定環、５…回転環
３ａ，５ａ…摺動面、ｗ…親水面部、Ｌ…薄膜液体層
A ... Mechanical seal, 3 ... Fixed ring, 5 ... Rotating ring 3a, 5a ... Sliding surface, w ... Hydrophilic surface portion, L ... Thin film liquid layer
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