JP2017515057A - グラフェン含有スライドリング - Google Patents

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Abstract

本発明は、グラフェン含有材から製造される、メカニカルシール構造体のスライドリングに関する。【選択図】図２

Description

本発明は、グラフェン含有スライドリング、及び、そのようなスライドリングを有するメカニカルシール構造体に関する。
グラフェンは、二次元構造の炭素の改変例の１つであり、各炭素原子が別の３つの炭素原子に囲繞されたものである。こうして、ハニカム形状（六角形状）のパターンが形成される。また、基本的に、回転スライドリング及び固定スライドリングを有するメカニカルシールが知られており、これらにより回転部材を密封できる。スライドリングの材料として、炭化ケイ素（ＳｉＣ）又は炭化タングステン（ＷＣ）がある。これらの材料は、高レベルの耐摩耗性及び比較的高い熱伝導性を併せ持つため、スライドリングとして特に良好である。更に、特許文献１には、軸受部材用の多結晶炭化ケイ素上にグラフェンを形成し使用する方法が開示されている。この場合、摩擦率の非常に低い表面を形成するために、グラフェンを炭化ケイ素の表面に設けている。
炭化ケイ素表面を研磨した後、アルゴン流を利用してアニーリング処理が行われる。基本的に、炭化ケイ素からなる既知のスライドリングは、有用であることが分かっている。しかしながら、機械の回転速度や温度に関する要求の増大から、スライドリングの寿命が長いことも望ましい。
独国特許出願公開第１０２０１１０５６８９６号明細書
従って、本発明の目的は、簡単な構造で製造が容易且つ廉価でありながら、向上した熱挙動及びより長い寿命を有するメカニカルシール構造体並びにスライドリングを提供することである。
この目的は、請求項１の特徴を有するスライドリング及び請求項１６の特徴を有するメカニカルシール構造体によって達成される。従属項には、本発明の好適な改良例を示す。
請求項１の特徴を有する本発明に係るスライドリングは、スライドリング材（基材）及びグラフェン含有材を含む材料から製造される。グラフェン含有材は、スライドリング材と共に、複合材料を形成し、この複合材料内で、スライドリング材及びグラフェン含有材が混合されている。それゆえ、スライドリングの材料にグラフェン含有材が導入されることによって、熱伝導性並びに電導性を向上できる。更に、機械的特性が向上し、特に破壊靱性が大幅に高まる。これにより、セラミック材がスライドリングである場合に稼働中に起こり得るクラックの成長が、グラフェン含有材によって２〜３倍抑えられる。即ち、クラックの成長が遅れる。スライドリング内のグラフェン含有材の二次元構造によって、クラックを迂回、分枝又は橋渡し（ｂｒｉｄｇｅ）することが可能になる。これにより、特に、スライドリングの寿命を大幅に向上できる。
グラフェン含有材は、好ましくは、純グラフェン及び／又は酸化グラフェン及び／又は技術的に還元された酸化グラフェン（ＴＲＧＯ）及び／又は機能性グラフェン（別の分子又は別の原子が結合したグラフェン）の形態のグラフェンである。
好ましくは、スライドリングは、セラミック材及びグラフェン含有材から製造される。
また、好ましくは、セラミック材及びグラフェン含有材は、複合材料内で混合されている。
特に好ましい態様において、スライドリングは、上記２つの材料、即ち、１つのセラミック材及びグラフェン含有材のみから製造される。特に好ましい態様において、セラミック材は、ＳｉＣ又はＷＣ又は窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）である。
特に好ましい態様において、セラミック材及びグラフェン含有材は、スライドリング内で均等に分散している。これは、スライドリングがその全体に亘って同一の機械的、熱的及び電気的特性を有していることを意味する。
特に好ましい態様において、スライドリングは、焼結させた部材である。この場合、好ましくは、まず、粉末状のセラミック材をグラフェン含有材と混合し、例えばプレス操作によって所望の形状にする。この場合、必要に応じて、結合剤を使用できる。
特に好ましい態様において、スライドリングの材料を、スライドリングの総重量に対するグラフェン含有材の重量割合が０．１〜１０重量％、特に１〜５重量％の範囲内となるように準備する。
また、好ましくは、セラミック材中のグラフェンの割合を、スライドリングが０．１〜１０Ωｍ、特に０．３〜０．８Ωｍの範囲内にある抵抗率を有するように選択する。
本発明の更に好ましい実施形態によれば、グラフェン含有材は、スライドリングの材料内にグラフェン片として配置されており、各グラフェン片は、相互に平行に直接配置された複数の別個のグラフェン層を有している。相互に平行に直接配置されているグラフェン層の数は、好ましくは、１００層〜１０００層の範囲内である。複合材料内のグラフェン層の数は、グラフェン片毎に異なっていてもよい。
また、好ましくは、セラミック材が別個のグラフェン成分を完全に囲繞するようにスライドリングの材料内にグラフェンを配置する。この結果、この材料内に存在するグラフェン成分は、隣接するグラフェン成分と直接接触しない。グラフェン成分とは、個々のグラフェン層でもよく、複数のグラフェン層からなるグラフェン片でもよい。
好ましくは、グラフェン含有材は、スライドリングのスライド側からスライドリングの少なくとも１つの後側にスライドリングに亘って延在する連続接続体をグラフェン含有材が形成するように、スライドリングの材料内に設けられる。これにより、スライドリングのスライド側から外側への、特に有効な熱伝導性並びに特に有効な電導性が確保できる。スライドリングの外側とは、径方向内側又は外側でもよく、後側でもよい。特に好ましい態様において、スライドリングの材料はその中に、相互に接触した別個のグラフェン成分によって形成されたグラフェンネットワークが設けられる。
また、好ましくは、スライドリングは、スライド面上にダイヤモンド被膜を有する。この結果、スライドリングは、特に有効な耐摩耗性を有する。
本発明は、回転スライドリング及び固定スライドリングを有し、スライドリングの少なくとも一方がグラフェン含有材を含むメカニカルシール構造体にも関する。好ましくは、このメカニカルシール構造体の両スライドリングがグラフェン含有材から製造される。より好ましくは、これらのスライドリングは被膜を有せず、或いは、ダイヤモンド被膜を有する。
以下、添付の図面を参照して、本発明の好適な例示的実施形態を詳細に説明する。同様の又は機能的に同一の部品は、それぞれ図面に同様の参照符号が付されている。
図１は、本発明の第１例示的実施形態に係る本発明のスライドリングを有するメカニカルシールの概略断面図を示す。 図２は、図１に示すスライドリングの概略断面図を示す。 図３は、スライドリングに亘って延在するクラックの断面図を示す。 図４は、本発明の第２例示的実施形態に係るスライドリングの概略断面図を示す。
図１は、回転スライドリング２及び固定スライドリング３を有するメカニカルシール構造体１を概略的に示す。シールギャップ４がこの２つのスライドリング２、３の間に既知の態様で画成されている。回転スライドリング２は、エントレインメントエレメント９を介して、例えば軸スリーブ等の回転部材１０に接続されている。参照符号１２及び１３は、Ｏリングを示す。固定スライドリング３は、例えばハウジング等のような固定部材１１に接続されている。
メカニカルシール構造体１は、プロダクト領域２０を大気領域２１に対して密封する。
図２に固定スライドリング３を詳細に示す。固定スライドリング２は、セラミック材５及びグラフェン含有材６を含む複合材料から製造される。グラフェン含有材６は、スライドリングの複合材料内で均等に分散している。このグラフェン含有材は、少なくとも１つの他の化学分子が結合した、純グラフェン及び／又は酸化グラフェン及び／又は技術的に還元された酸化グラフェン及び／又は機能性グラフェンであってもよく、上記材料の任意の組み合わせであってもよい。
図２に詳細に図示するように、グラフェン含有材６は、セラミック材５内に複数のグラフェン片として配置されている。グラフェン片はそれぞれ、相互に平行に積層した複数のグラフェン層を含む。グラフェン片１つ当りのグラフェン層の数は、１００〜１０００である。個々のグラフェン片は、複合材料内で相互に接触していてもよく、又は、セラミック材５の結晶に完全に囲繞されると、隣接するグラフェン片同士は接触することはない。セラミック材は、好ましくはＳｉＣである。
この例示的実施形態の固定スライドリング３は、焼結させた部材である。このスライドリングを製造するために、第一工程では、セラミック粉末をグラフェン含有材と混合して焼結粉を調製する。この場合、混合されるグラフェン含有材は、焼結粉の総重量の０．１〜１０重量％、特に１〜５重量％の範囲内にある。次の工程では、焼結粉混合物から仮焼体を形成し、その後焼結する。
グラフェン含有材をセラミック焼結材と混合することにより、予想に反して、強度を保ちながら予想外の利点を有する複合材料からなるスライドリングが製造される。抵抗率が大幅に向上すること、特に０．１Ωｍまで低下することに加えて、スライドリング材の破壊靱性も顕著に向上する。
典型的な、例えばＳｉＣのようなセラミック材からなるスライドリングの場合には、一定の稼働期間の後、クラックが起こることがあり、多くの場合スライド面から発生して、スライドリング全体に亘って延在する。グラフェンを部分的に有する本発明に係るスライドリングの場合には、このようなダメージは実質的に回避可能である。グラフェン片がクラック８の部材全体に亘るクラック成長を防止することが証明された。このようなクラックは、典型的には、スライドリングのスライド面に対して略垂直に起こり、その後スライドリング全体に亘って軸方向Ｘ−Ｘに延在する。相互に平行な別個のグラフェン層が複数枚あるグラフェン片によって、クラックの進行速度が大幅に遅れる。クラック８が複数のグラフェン層からなるグラフェン片に突き当たると、全てのグラフェン層にクラックが同時に生じるわけではなく、むしろ個々にクラックが生じる。それゆえ、クラック８によるこの部材の浸食速度は大幅に下がる。この結果、本発明に係るスライドリングの寿命は、従来のスライドリングよりも顕著に長い。図３はクラック形成を概略的に示す。
純ＳｉＣからなるスライドリングの場合には、クラックは、極めて短時間に部材全体に亘ってセラミック材の粒界に沿って走る。
図２からも明らかなように、幾つかのグラフェン片は、スライド面３０の表面に少なくとも部分的に露出するようにスライドリング内に配置されている。これにより、特にメカニカルシール構造体の乾燥稼働の際の摩擦係数が低下するという利点が更に得られる。この場合、乾燥稼働の間、グラフェン片の一部が分離してある種の潤滑剤となると考えられる。それゆえ、このようなメカニカルシール構造体の乾燥稼働性も向上できる。特に好ましい態様において、固定スライドリング３も回転スライドリング２も、セラミック材５及びグラフェン含有材６を含む本発明に係る材料から製造する。
図４は、本発明の第２例示的実施形態に係るスライドリング３を示す。第１例示的実施形態とは異なり、第２例示的実施形態は、個々のグラフェン片が、スライド面３０から後側３１に又はスライドリングのさらに外側に連続接続体をスライドリングに亘って形成するようなグラフェン含有材６の構造を含む。例として、図４は、径方向外側３２への連続グラフェン接続体も図示する。隣り合うグラフェン片は相互に接触し、それぞれ異なる角度で配置されている。特に好ましい態様において、スライド面３０から後側３１又は外側への連続接続体は、ネットワーク様構造７として形成される。従って、ネットワークの形態で配置されている様々なグラフェン片によって、多くの直接接続経路が、スライド面３０から後側３１又はさらに外側へ形成される。それゆえ、特に、スライドリング３の電導性を大幅に向上できる。これは、グラフェンが、例えばＳｉＣのようなセラミック材よりも顕著に高い電導性を有しているからである。この向上した電導性を、具体的には、スライドリングにわたる電流回路との関連で利用でき、また、スライド面３０上の帯電を減少させるためにも利用できる。
１ メカニカルシール構造体
２ 回転スライドリング
３ 固定スライドリング
４ シールギャップ
５ セラミック材
６ グラフェン含有材
７ グラフェンネットワーク
８ クラック
９ エントレインメントエレメント
１０ 回転部材
１１ ハウジング
１２、１３ シールリング
２０ プロダクト領域
２１ 大気領域
３０ スライド面
３１ 後側
Ｘ−Ｘ 軸方向

Claims (17)

  1. グラフェン含有材（６）を含む、メカニカルシール構造体のスライドリング。
  2. 前記グラフェン含有材（６）が、純グラフェン及び／又は酸化グラフェン及び／又は技術的に還元された酸化グラフェン及び／又は機能性グラフェンの形態のグラフェンを含むことを特徴とする請求項１に記載のスライドリング。
  3. 前記スライドリングの材料が、セラミック材（５）及び前記グラフェン含有材（６）を含む複合材料である、請求項１又は２に記載のスライドリング。
  4. 前記セラミック材（５）及び前記グラフェン含有材（６）のみを含む、請求項３に記載のスライドリング。
  5. 前記セラミック材（５）及び前記グラフェン含有材（６）が、前記複合材料内で混合されている、請求項３又は４に記載のスライドリング。
  6. 前記セラミック材（５）及び前記グラフェン含有材（６）が、スライドリング内で均等に分散していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のスライドリング。
  7. スライドリングが焼結させた部材である、請求項１〜６のいずれか一項に記載のスライドリング。
  8. スライドリングの総重量に対する前記グラフェン含有材（６）の重量割合が、０．１〜１０重量％、特に１〜５重量％の範囲内にある、請求項１〜７のいずれか一項に記載のスライドリング。
  9. ０．１〜１０Ωｍの範囲内にある抵抗率を有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載のスライドリング。
  10. 前記スライドリングのグラフェン含有材（６）がグラフェン片として分散しており、各グラフェン片は、相互に平行に直接配置された複数の別個のグラフェン層を有している請求項１〜９のいずれか一項に記載のスライドリング。
  11. 前記セラミック材（５）が、別個のグラフェン成分を完全に囲繞していることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のスライドリング。
  12. スライド面（３０）及び外側（３１）を有し、
    前記スライド面（３０）と前記外側（３１）との間に、グラフェン含有材から構成される連続接続体が形成される請求項１〜１１のいずれか一項に記載のスライドリング。
  13. 前記接続体が、スライドリング内のグラフェン片からなるグラフェンネットワーク（７）によって形成されることを特徴とする請求項１２に記載のスライドリング。
  14. グラフェン含有材（６）が、スライドリングのスライド面（３０）に配置されている、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のスライドリング。
  15. 前記スライド面（３１）上にダイヤモンド被膜を有する、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のスライドリング。
  16. 前記セラミック材が、ＳｉＣ又はＷＣ又は窒化ケイ素であることを特徴とする請求項３〜１５のいずれか一項に記載のスライドリング。
  17. 回転スライドリング（２）及び固定スライドリング（３）を有するメカニカルシール構造体であって、
    前記スライドリングの少なくとも一方が、請求項１〜１６のいずれか一項に記載のスライドリングであるメカニカルシール構造体。
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