JP2008267572A - シール装置およびシール方法 - Google Patents

Abstract

【課題】十分な封止性を有し極めて低摩擦損失を発現するオイルシールを提供する。
【解決手段】回転軸１０１の外周面１０１Ａに、シール部材１１０の作用面１１０Ａと対向する位置に、先端部が作用面１１０Ａに向けて略直線状に伸張配向する状態に複数の高分子鎖をグラフト重合させたポリマブラシ１２０を設ける。ポリマブラシ１２０には、シールする潤滑油基油を膨潤する。産業機械などの使用条件が過酷な部位でも、封入したオイルや空気などの漏れや外部からの異物の侵入などの不都合を防止する十分な封止性を有するとともに、極めて低摩擦損失による効率的な回転軸１０１の回転による省エネルギ稼働を提供できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、グラフト重合された高分子鎖を有したシール装置およびシール方法に関する。

従来、例えばポンプ、油圧機器、圧縮機など、液体やガスのシールや軸受などの構成を有する各種産業機械が広く利用されている。
これら産業機械では、省エネルギの観点から、例えばオイルシールやメカニカルシール、軸受などとして低摩擦損失が求められている。例えば、オイルシール機能を有する軸受の構成において、摩擦トルクＴは、摩擦係数をμ、軸を締め付ける力である緊迫力をＰｒ、軸径をＤとした場合、Ｔ＝μ×Ｐｒ×Ｄ／２で表される。このように、ゴム部材を用いたオイルシールにおいては、設計形状やゴム部材の材質の選定などによる緊迫力Ｐｒの低減や、密封オイルやゴム部材の材質の摩擦係数μの低減などにより、低摩擦化を図っているが、さらなる低摩擦化が望まれている。特に、高圧条件下では、緊迫力Ｐｒを大きくして漏れを防ぐ必要があることから、低摩擦化が図りにくい。
一方、近年、ガラス表面の撥水撥油性被膜や、人工関節などの摺動部材において、材料の表面にポリマをグラフト重合させた、いわゆるポリマブラシの利用が検討されている（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。また、濃厚ポリマブラシの溶媒膨潤膜は、グラフト重合が高度に伸張配向してブラシ状の構造を形成し、圧縮に対して高い抵抗を示す一方、極端に低い摩擦係数を示すことが知られている。

特開２００４−３００３１３号公報 特開２００６−３１６１６９号公報

産業機械における低摩擦損失が要求される部位に、従来の特許文献１または特許文献２に記載のようなポリマブラシを用いることが考えられる。
しかしながら、ポリマブラシは、その構造と物性とが近年明らかになってきているものの、濃厚ポリマブラシの溶媒膨潤膜が圧縮に対して高い抵抗を示す一方、極端に低い摩擦係数を示すことが知られているのみで、その回転する濃厚ポリマブラシの溶媒膨潤膜を封止壁として可動部での液体や気体のシールに利用し、低摩擦シールを実現するという方法は全く考えられていなかった。

本発明は、このような点を考慮して、十分な封止性を有し極めて低摩擦損失が得られるシール装置およびシール方法を提供することを目的とする。

本発明に記載のシール装置は、相対的に移動する対をなす可動部の相対する対向面の少なくともいずれか一方にグラフト重合され、前記可動部の相対する反対の対向面へ向けて伸張配向された複数の高分子鎖を備えたことを特徴とする。
この発明では、相対的に移動する対をなす可動部の相対する対向面の少なくともいずれか一方に、相対する対向面へ向けて高分子鎖を複数伸張配向させてグラフト重合させ、いわゆるポリマブラシを形成させている。
このことにより、例えば産業機械などの使用条件が過酷な部位でも、封入したオイルやガスの漏れや外部からの異物の侵入などの不都合を防止する十分な封止性を有し、極めて低摩擦損失による効率的な可動部の相対移動が得られる。

そして、本発明では、前記高分子鎖は、前記対向面の表面に設けられた官能基に反応してグラフト重合された構成とすることが好ましい。
この発明では、表面に設けられた官能基に高分子鎖を反応させてグラフト重合させる。
このことにより、グラフト密度が高い濃厚なポリマブラシが得られやすい。

また、本発明では、前記高分子鎖は、前記対向面の表面に化学的に固定された開始基へモノマのラジカル重合により反応させてグラフト重合された構成とすることが好ましい。
この発明では、表面に化学的に固定された開始基へモノマのラジカル重合により高分子鎖を反応形成することでグラフト重合させる。
このことにより、適用可能なモノマが多く、汎用性が向上するとともに、厳格な実験条件の設定が比較的に少なく、ポリマブラシを容易に形成できる。

そして、本発明では、前記複数の高分子鎖間には、潤滑油基油が充填された構成とすることが好ましい。
この発明では、複数の高分子鎖間に潤滑油基油を充填、すなわちポリマブラシとして潤滑油基油が膨潤された状態とする。
このことにより、より十分な封止性およびより極めて低摩擦損失の双方が得られる。

また、本発明では、前記高分子鎖は、前記潤滑油基油の極性に対応して膨潤する構造を有するものである構成とすることが好ましい。
この発明では、潤滑油基油の極性に対応して膨潤する構造の高分子鎖を用いる。具体的には、高分子鎖として、メチルメタクリレート、スチレン、イソプレン、ブタジエン、イソブチレン、ノルボルネン、εカプロラクタムなどのホモポリマ構造やコポリマ構造を有するものが好適である。

さらに、本発明では、前記潤滑油基油を封止するオイルシールに用いられる構成とすることが好ましい。
この発明では、潤滑油基油を封止するオイルシールとして用いる。
この構成により、封入するオイルの漏れを生じることなく極めて低摩擦損失により可動部の稼働効率の向上による省エネルギが得られる。

そして、本発明では、前記対向面に対向する作用面を有して前記対向面間に配設され、前記作用面と前記対向面とのうちの少なくともいずれか一方に、相対する反対側へ向けて前記高分子鎖が複数伸張配向されたシール部材を備えた構成とすることが好ましい。
この発明では、対向面に対向する作用面を有して対向面間に配設されるシール部材の作用面と、対向面とのうちの少なくともいずれか一方に、高分子鎖によるポリマブラシを設ける。
この構成により、例えば対向面間の距離や形状など可動部の構成に応じて適宜設けるシール部材により、汎用性が向上するとともに、シール部材による封止性が得られ、より高い封止性が得られる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について詳述する。
なお、本実施形態において、例えばポンプ、油圧機器、圧縮機、自動車や建設機械など、液体や気体のシールや軸受などの構成を有する産業機械における回転軸のオイルシールの構成を例示するが、この構成に限らず、例えば油圧シリンダ、エアシリンダ、メカニカルシール、軸受にも適用できる。
図１は、オイルシールの概略構成を示す一部を切り欠いた側面図である。なお、図１は、説明の都合上、高分子鎖を誇張して記載する。

〔オイルシールの構成〕
図１において、１００は回転ポンプなどに用いられるオイルシールで、このオイルシール１００は、可動部としての図示しない環状の保持部に回転自在に嵌挿された可動部としての回転軸１０１との間に設けられた構成で、回転軸１０１を嵌挿する状態に保持部に配設されたリング状のシール部材１１０を有している。シール部材１１０は、例えばゴム部材である。
そして、オイルシール１００には、シール部材１１０にてシールされる位置、すなわち、回転軸１０１の対向面としての外周面１０１Ａと、この外周面１０１Ａに対向するシール部材１１０の作用面１１０Ａとの間に位置して、いわゆるポリマブラシ１２０が設けられている。

このポリマブラシ１２０は、外周面１０１Ａにおける作用面１１０Ａに対向する位置に一端が結合され、他端側が作用面１１０Ａに向けて略直線状に伸張配向する状態にグラフト重合された複数の高分子鎖にて構成されている。この高分子鎖のグラフト重合としては、いわゆる「grafting to」法と、表面開始グラフト重合と称されるいわゆる「grafting from」法とのいずれの方法を適用できる。
「grafting to」法は、対向面１０１Ａの表面に設けられた官能基に、あらかじめ重合した高分子鎖を反応させてグラフト重合させる方法で、グラフト密度が比較的低いポリマブラシ１２０が得られやすい。
一方、「grafting from」法は、表面に化学的に固定された開始基へモノマを順次反応させて高分子鎖を形成することでグラフト重合させる方法で、グラフト密度が高い濃厚なポリマブラシ１２０が得られやすい。モノマを順次反応させる方法として、リビングアニオン重合、リビングカチオン重合、リビング開環重合、リビングラジカル重合などが適用できるが、適用可能なモノマが多く、汎用性が向上するとともに、厳格な実験条件の設定が比較的に少なく、ポリマブラシを容易に形成できる点で、モノマのラジカル重合であるリビングラジカル重合が好適である。
そして、ポリマブラシ１２０を形成させるグラフト重合のため、金属製の回転軸１０１の表面に、シランカップリング剤などの珪素含有化合物、モノアルキルリン酸エステルなどのリン酸系化合物、スルフィドやチオールなどの硫黄系化合物などにて処理し、官能基や開始基を形成させておく。なお、母体となる回転軸１０１は、官能基や開始基を表面に形成可能な、アルミニウム、鋳鉄、鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金、マグネシウム合金など、各種金属を利用できる。

そして、このポリマブラシ１２０には、シールするオイルである潤滑油基油が膨潤されている。すなわち、複数の高分子鎖管に潤滑油基油が充填された状態となっている。
このように、オイルシール１００として利用されるポリマブラシ１２０として、膨潤させる潤滑油基油の構造の極性に併せて膨潤するポリマ構造とすることが好ましい。具体的には、高分子鎖として、メチルメタクリレート、スチレン、イソプレン、ブタジエン、イソブチレン、ノルボルネン、εカプロラクタムなどのホモポリマ構造やコポリマ構造を有するものが好適である。

〔オイルシールの作用効果〕
上記実施形態によれば、相対的に移動する対をなす保持部および回転軸１０１の対向する対向面１０１Ａに、反対側に向けて高分子鎖を複数伸張配向させてグラフト重合させた、いわゆるポリマブラシ１２０を形成させている。
このため、例えば産業機械などの使用条件が過酷な部位でも、従来のオーリングやＶリングなどを用いた構成で得られない、封入したオイルや空気などの漏れや外部からの異物の侵入などの不都合を防止する十分な封止性を有し、極めて低摩擦損失による効率的な回転軸１０１の回転が得られ、産業機械の省エネルギ稼働が得られる。

そして、回転軸１０１Ａの表面に設けられた官能基を開始基としてモノマを順次反応させてグラフト重合させることで、グラフト密度が高い濃厚なポリマブラシが得られやすい。
また、表面に化学的に固定された開始基へモノマをラジカル重合によりグラフトさせることで、適用可能なモノマが多く、汎用性が向上するとともに、厳格な実験条件の設定が比較的に少なく、ポリマブラシを容易に形成できる。
したがって、利用形態や使用条件などに応じて適宜グラフト重合の方法を設定することで、より適切に好適なポリマブラシ１２０が得られる。

また、複数の高分子鎖間に潤滑油基油を充填、すなわちポリマブラシ１２０として潤滑油基油が膨潤された状態としている。
このため、より十分な封止性およびより極めて低摩擦損失の双方が得られる。
特に、潤滑油基油の極性に対応して膨潤する構造の高分子鎖、具体的には、メチルメタクリレート、スチレン、イソプレン、ブタジエン、イソブチレン、ノルボルネン、εカプロラクタムなどのホモポリマ構造やコポリマ構造を有するものを用いることで、より安定した膨潤状態が得られ、より良好な封止性および低摩擦損失が得られる。
そして、オイルシール１００の構造に適用していることから、従来では得られない良好な封止性および低摩擦損失により、産業機械の省エネルギが得られる。

〔実施形態の変形例〕
なお、以上に説明した態様は、本発明の一態様を示したものであって、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的および効果を達成できる範囲内での変形や改良が、本発明の内容に含まれるものであることはいうまでもない。また、本発明を実施する際における具体的な構造および形状などは、本発明の目的および効果を達成できる範囲内において、他の構造や形状などとしても問題はない。

すなわち、回転軸１０１に適用するオイルシール１００の構成に適用して説明したが、上述したように、例えば油圧シリンダ、エアシリンダ、メカニカルシール、軸受など、回転軸１０１ではなくピストン運動する構成やスライド移動する構成などに適用できる。
そして、シール部材１１０を用いて説明したが、例えばシール部材１１０を用いず、保持部であるアウターリングなど、金属製のものを用いてもよい。
さらに、回転軸１０１側から高分子鎖が伸張する状態に説明したが、例えばアウターリングなど、相対する可動部が互いに官能基や開始基を形成可能な金属部材であれば、双方からそれぞれ設けたり、アウターリング側からのみ設けたりしてもよい。
また、オイルシール１００として利用する際に、あらかじめ潤滑油基油を膨潤させておく他、ポリマブラシ１２０を形成してオイルを充填する際に併せて膨潤させるなど、膨潤させる方法としてはいずれの方法を利用できる。
その他、本発明の実施における具体的な組成などは、本発明の目的を達成できる範囲で他の組成などとしてもよい。

本発明は、例えばポンプ、油圧機器、圧縮機、自動車や建設機械などの産業機械に用いられる油圧シリンダ、エアシリンダ、メカニカルシール、軸受などの液体や気体のシールや軸受構造として利用できる。

本発明に係るオイルシールの概略構成を示す一部を切り欠いた側面図である。

符号の説明

１００……シール装置としてのオイルシール
１０１……可動部としての回転軸
１０１Ａ…対向面としての外周面
１１０……シール部材
１２０……高分子鎖にて構成されたポリマブラシ

Claims (8)

1. 相対的に移動する対をなす可動部の相対する対向面の少なくともいずれか一方にグラフト重合され、前記可動部の相対する反対の対向面へ向けて伸張配向された複数の高分子鎖を備えた
   ことを特徴としたシール装置。
2. 請求項１に記載のシール装置であって、
   前記高分子鎖は、前記対向面の表面に設けられた官能基に反応してグラフト重合された
   ことを特徴としたシール装置。
3. 請求項１に記載のシール装置であって、
   前記高分子鎖は、前記対向面の表面に化学的に固定された開始基へモノマのラジカル重合により反応させてグラフト重合された
   ことを特徴としたシール装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のシール装置であって、
   前記複数の高分子鎖間には、潤滑油基油が充填された
   ことを特徴としたシール装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のシール装置であって、
   前記高分子鎖は、前記潤滑油基油の極性に対応して膨潤する構造を有するものである
   ことを特徴としたシール装置。
6. 請求項５に記載のシール装置であって、
   前記潤滑油基油を封止するオイルシールに用いられる
   ことを特徴としたシール装置。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のシール装置であって、
   前記対向面に対向する作用面を有して前記対向面間に配設され、前記作用面と前記対向面とのうちの少なくともいずれか一方に、相対する反対側へ向けて前記高分子鎖が複数伸張配向されたシール部材を備えた
   ことを特徴としたシール装置。
8. 相対的に移動する対をなす被可動部の相対する対向面の少なくともいずれか一方に、相対する対向面へ向けて高分子鎖を複数伸張配向させてグラフト重合させる
   ことを特徴とするシール方法。

Images