JP5252090B2 - 流体機器のシール構造 - Google Patents

Description

本発明は、流体機器に用いられるシール構造に関する。

特開２００３−３４３４９１号公報および特開２００３−２８０９２号公報は、水ポンプ装置において、ハウジングと回転軸との間の隙間をパッキンによりシールするシール構造を開示している。このパッキンは、回転軸の外周面に摺接するリング状のリップを有している。

特開２００４−１９７８２号公報および特開２０００−９１０６号公報は、シリンダ装置において、シリンダ本体とピストンロッドと間の隙間をパッキンによりシールするシール構造を開示している。このパッキンは、ピストンロッドの外周面に摺接するリング状のリップを有している。

上記従来技術では、既存のパッキンの早期磨耗または損傷の防止等について一定の配慮がなされているものの、流体機器のシール構造に本来的に要求される耐漏れ性の向上については十分に考慮されていないため、当該シール構造の性能を更に向上させることが困難であった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、耐漏れ性を向上させることができる流体機器のシール構造を提供することである。

本発明の一態様は、流体機器のシール構造であって、該流体機器の中空の内部領域を画成する第１の部材と、該第１の部材とともに前記内部領域を画成する、前記第１の部材に対して相対移動可能な第２の部材と、前記第１の部材に固定され、前記第１の部材と第２の部材との間の隙間をシールするシール部材と、を備えており、前記シール部材は、前記第２の部材の表面に摺接する、樹脂から構成された摺接部材を備えており、前記第２の部材は、その表面における前記摺接部材と摺接する摺接部位に、前記摺接部材を構成する樹脂を前記第２の部材と摺接部材との間の摺動により移着させて形成した樹脂層と、該樹脂層を前記摺接部位に保持する樹脂層保持構造と、を備えており、該樹脂層保持構造は、放電電極と前記第２の部材の表面における前記摺接部位との間に放電を発生させ、その放電エネルギーによって、前記摺接部位に前記放電電極の構成材料または該構成材料の反応物質を溶着させることにより形成したポーラスな被膜である流体機器のシール構造である。

図１は、本発明の第１実施形態にかかる流体機器のシール構造を示す断面図であり、（ａ）は、当該シール構造の要部の構成を示す図、（ｂ）は、（ａ）のＢ部拡大図である。 図２は、図１のシール構造におけるポーラスな被膜の断面を観察したＳＥＭ写真である。 図３は、図１のシール構造におけるポーラスな被膜の最表面を観察したＳＥＭ写真である。 図４は、図１のシール構造におけるポーラスな被膜の形成方法を説明する図である。 図５は、本発明の第２実施形態に係る流体機器のシール構造を示す図であり、（ａ）は、当該シール構造の全体構成を示す図、（ｂ）は、当該シール構造におけるポーラスな被膜の形成方法を説明する図である。 図６は、本発明の第２実施形態に係る水ポンプの要部を示す断面図である。 図７は、本発明の第３実施形態に係る流体機器のシール構造を示す図であり、（ａ）は、当該シール構造の全体構成を示す図、（ｂ）は、当該シール構造におけるポーラスな被膜の形成方法を説明する図である。 図８は、本発明の第３実施形態に係る水圧シリンダ装置を示す断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の実施形態のみに制限されない。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。また、図面中の「Ｆ」は前方向、「Ｒ」は後方向を指すが、これらの方向は、各部の位置関係を説明するために便宜上定めたものであり、実際の流体機器等の取付姿勢には何ら関係しない。

また、本明細書において、流体機器とは、液体、気体、気液混相流体などの流体を扱う機器の総称であり、流体を扱う流体機械および弁などの流体の流れを制御する機器を含む。流体機械は、流体のエネルギーを機械的仕事に変換する液圧モータ、液圧シリンダなどの各種アクチュエータ、および機械的仕事を流体のエネルギーに変換するポンプ、圧縮機、送風機などを含む。また、本明細書における「設けられ」との用語は、直接的に設けられたことの他に、介在部材等を介して間接的に設けられたことを意味する。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係るシール構造について、図１乃至図４を参照して説明する。

第１実施形態に係る流体機器１は、図１に示すように、主として、固定部材（第１の部材）２と、可動部材（第２の部材）３と、シール部材４と、を備えている。

固定部材２および可動部材３は、互いに協働して流体機器１の中空の内部領域１ａを画成している。この中空の内部領域１ａは、流体を所望の圧力で保持するための圧力室、流体を貯留するための貯留室、流体が流れる流路など、後述するシール部材４によって密封される流体が一時的または長期的に存在する空間である。

可動部材３は、固定部材２に対して相対移動可能な部材である。当該相対移動の移動方向は、特に限定されず、可動部材３が固定部材２に対して相対移動する間、固定部材２と可動部材３との間に形成される隙間Ｇの大きさが、略一定に保たれる限り、いかなる方向でもよい。

シール部材４は、固定部材２に固定されており、固定部材２と可動部材３との間の隙間Ｇをシールする。なお、「シールする」とは、流体機器１の内部領域１ａにある流体が、隙間Ｇを介して流体機器１の外部に漏れたり、外部の異物（流体含む）が、隙間Ｇを介して内部領域１ａに侵入したりするのを抑制することを意味する。

シール部材４は、可動部材３の固定部材２に対する相対移動に伴って、可動部材３の表面３ａに摺接する摺接部材４ａを有する。摺接部材４ａの形状は、特に限定されず、図１に示すような矩形断面の他、円形断面、Ｕ字状断面、Ｖ字状断面、または中空断面を有するものでもよく、また、リップ状の形状でもよい。

摺接部材４ａは、樹脂から構成されている。当該樹脂は、仕様・用途に応じて様々な熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂から選定することができる。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＰＥ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、メチルペンテン（ＴＰＸ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリオレフィン系樹脂などが挙げられる。熱硬化性樹脂としては、例えば、フェノール樹脂（ＰＦ）、ポリエステルなどが挙げられる。

摺接部材４ａを構成する樹脂は、例えば、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の自己潤滑性樹脂であることが好ましい。自己潤滑性樹脂とは、固体状又は液状の潤滑剤を添加しない状態でも潤滑性を有し、比較的低い摩擦係数を示す樹脂である。

可動部材３は、その表面３ａにおける摺接部材４ａと摺接する摺接部位３ｂに、摺接部材４ａを構成する樹脂を可動部材３と摺接部材４ａとの間の摺動により移着させて形成した樹脂層５と、樹脂層５を摺接部位３ｂに保持する樹脂層保持構造６と、を備えている。移着とは、互いに摺動する２つの部材の一方から生じた摩耗粉（移着粒子とも呼ぶ）が、他方の部材の表面に付着することをいう。

樹脂層保持構造６は、可動部材３の表面３ａにおける摺接部位３ｂに、放電表面処理を施すことにより形成したポーラスな被膜６である。

被膜６は、図２に示すように、最大幅が２０〜５０μｍ程度の比較的大きな粒子Ｌと最大幅１〜２０μｍ程度の比較的小さな粒子Ｓとが、不規則かつ一様に（局所的なばらつきなく）堆積して固着した、全体として均質なポーラスな被膜である。なお、図２において、矢印Ｍが膜厚方向を示す。

そのため被膜６の最表面には、図３に示すように、比較的大きな粒子Ｌの最表面側の端部が、最大幅１〜２０μｍ程度の比較的滑らかな表面を有する島部ＩＬとして出現しており、それらの島部ＩＬの間に形成された幅５〜４０μｍ程度、深さ５〜３０μｍ程度の凹部に、無数の比較的小さな粒子Ｓが、互いの間に隙間を残した状態で不規則に堆積して、島部ＩＬの表面にあるいは他の小さな粒子Ｓに固着している。そして、島部ＩＬと小さな粒子Ｓとの間の隙間および小さな粒子Ｓ同士の間の隙間は、被膜６の最表面において、不規則な形状を有する無数の細かい溝または孔６ａ（図１参照）として出現している。そして、溝または孔６ａを画成する小さな粒子Ｓは、島部ＩＬとは対照的に、表面に無数の角を有する不規則な多面体形状を有している。

すなわち、被膜６の最表面は、比較的大きな島部ＩＬと、その間に散りばめられた無数の小さな粒子Ｓと、それらの間に形成された無数の細かい溝または孔６ａとから構成されており、摺動面としては比較的粗い（面粗さの大きな）表面となっている。なお、被膜６の表面は、これと摺接する摺接部材４ａの過度な摩耗を抑制するため、少なくとも１回研磨処理を施すことが好ましい。

被膜６の気孔率は、特に限定されず、被膜６が保持する樹脂層５の材質などに応じて適宜設定することが可能であるが、被膜６が樹脂層保持構造として適切な樹脂保持力を確保するためには、５〜６０％とすることが好ましい。また、被膜６の強度を高めるために、気孔率は、５〜３０％とすることがより好ましく、１０〜１５％とすることがさらに好ましい。なお、気孔率は、アルキメデス法（ＪＩＳ−Ｒ−１６３４）により測定することができる。

被膜６の最表面に形成する溝または孔６ａの幅または径は、特に限定されないが、被膜６の最表面の平面視で、０．０１μｍ〜１０μｍの範囲にあることが好ましい。なお、溝または孔６ａの幅または径は、被膜６の最表面の顕微鏡写真における寸法と顕微鏡の倍率に基づいて算出することができる。

放電表面処理とは、電気絶縁性のある油などの加工液中または気中において、放電電極とワーク（母材）との間に放電を発生させ、その放電エネルギーによって、ワークの被処理表面に、電極材料または電極材料が放電エネルギーにより反応した物質からなる耐摩耗性のある被膜を形成する表面処理である。

本実施形態では、図４に示すように、先端の幅が、可動部材３の摺接部位３ｂの幅に略対応する放電電極７を用い、電気絶縁性のある加工液中又は気中において、可動部材３を放電電極７に対して移動させつつ、放電電極７と可動部材３の表面３ａにおける摺接部位３ｂとの間にパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギーによって、摺接部位３ｂに放電電極７の構成材料又は該構成材料の反応物質を溶着させることによりポーラスな被膜６を形成する。

ここで、放電電極７は、金属の粉末、金属の化合物の粉末、セラミックスの粉末、またはこれらの混合粉末を圧縮成形又は射出成形してなる圧粉体電極（加熱処理した圧粉体電極を含む）である。

金属の粉末としては、例えば、ステライト、鉄系合金、ニッケル（Ｎｉ）合金、コバルト（Ｃｏ）合金などの合金のほか、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）などの純金属が挙げられる。

ステライト（Deloro Stellite社の登録商標）とは、クロム、ニッケル、タングステンなどを含む、コバルトを主成分とする合金であり、代表的なものとして、ステライト１、ステライト３、ステライト４、ステライト６、ステライト７、ステライト１２、ステライト２１、ステライトＦなどがある。

鉄系合金としては、例えば、鉄−ニッケルを主成分とする合金、鉄−ニッケル−コバルトを主成分とする合金、鉄−ニッケル−クロムを主成分とする合金などが挙げられる。鉄−ニッケル−クロムを主成分とする合金には、例えば、ステンレス鋼が含まれ、その代表的なものとしては、日本工業規格により定められたＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６などがある。

ニッケル合金としては、例えば、ハステロイ（Haynes International社の登録商標）、インコネル（Special Metals社の登録商標）、インコロイ（Special Metals社の登録商標）、モネル（Special Metals社の登録商標）、ナイモニック（Special Metals社の登録商標）、ＲＥＮＥ（Teledyne Industries社の登録商標）、ＵＤＩＭＥＴ（Special Metals社の登録商標）、ＷＡＳＰＡＬＯＹ（United Technologies社の登録商標）などが挙げられる。

コバルト合金としては、例えば、ステライト系合金、トリバロイ系合金（ＴＲＩＢＡＬＯＹ Ｔ４００、Ｔ８００（Deloro Stellite社の登録商標））、ＵＤＩＭＥＴ７００（Special Metals社の登録商標）などが挙げられる。

なお、放電電極７は、ポーラスな被膜６の膜厚を十分に確保するため、例えば、クロムを含むコバルト合金の粉末など、炭化し難い金属を６０％以上含有する合金の粉末から成形することが好ましい。炭化し難い金属としては、コバルト、ニッケル、鉄などが挙げられる。

金属の化合物やセラミックスとしては、例えば、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化チタンアルミ（ＴｉＡｌＮ）、二ホウ化チタン（ＴｉＢ_２）、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）、炭化バナジウム（ＶＣ）、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などが挙げられる。これらのうち少なくともいずれかの粉末を、上記金属の粉末に加えた混合粉末から放電電極７を成形することで、ポーラスな被膜６の耐摩耗性を高めることができる。

放電表面処理におけるパルス状放電の放電条件は、放電電極７の材料、可動部材３の母材の材質、被膜６の厚さ、気孔率などに応じて適宜設定可能であり、通常、ピーク電流が１Ａ以上３０Ａ以下、パルス幅が１μｓ以上２００μｓ以下の範囲で設定される。なお、可動部材３の母材へのダメージを抑えつつ被膜６の密着強度を高めるために、放電条件は、ピーク電流が５Ａ以上２０Ａ以下、パルス幅が２μｓ以上２０μｓ以下とすることが好ましい。

樹脂層５は、可動部材３の表面３ａにおける摺接部位３ｂに、摺接部材４ａを構成する樹脂を可動部材３とシール部材４との摺動により移着させて形成したものである。具体的には、樹脂層５は、以下の（１）〜（４）のプロセスで形成される。
（１）摺接部材４ａを、可動部材３の表面３ａの摺接部位３ｂに形成したポーラスな被膜６の表面に弾接させる。この状態で、可動部材３を固定部材２に対して相対移動させると、摺接部材４ａが、その弾性や密封流体の圧力等により定まる面圧で、被膜６の表面上を摺動する。
（２）このとき、摺接部材４ａと被膜６との摩擦界面においては、摺接部材４ａを構成する樹脂の一部が、摩擦によるせん断力に耐えられなくなり、移着粒子となって摺接部材４ａから離脱する。
（３）摺接部材４ａから離脱した樹脂の移着粒子は、被膜６の最表面に形成された無数の溝または孔６ａに捕捉され、被膜６の表面に付着する。
（４）可動部材３の固定部材２に対する相対移動（可動部材３とシール部材４との摺動）を継続させると、上記樹脂の離脱から付着までのプロセスが連続して起こり、被膜６に移着した樹脂の粒子が互いに結合しながら成長してゆく。そして、樹脂の粒子の結合体は、さらに移着粒子の供給を受けて、図１に示したように、互いに結合しながら膜厚方向へ成長しつつ、被膜６の溝または孔６ａの中に侵入（一部においては溝または孔６ａを充填）していく。

こうして、可動部材３の表面３ａにおける摺接部位３ｂにおいて、摺接部材４ａを構成する樹脂（その樹脂が反応した物質を含む）からなる樹脂層５が、被膜６の表面における摺接部材４ａとの摺接部位の全部または一部を覆うように形成される。

樹脂層５の被膜６との界面には、被膜６の溝または孔６ａの中に入り込んだ無数のアンカー部５ａが形成されている。溝または孔６ａは、上述の通り、表面に無数の角を有する不規則な多面体形状を有する無数の小さな粒子Ｓにより画成されており、それらの小さな粒子Ｓが樹脂層５のアンカー部５ａに食い込んで、樹脂層５を保持している。

続いて、第１実施形態の作用および効果について説明する。

一般に、流体機器において、可動部材の表面に樹脂製シール部材を摺接させてシールを行う場合、可動部材の表面におけるシール部材との摺接部位は、できる限り面粗さを小さくし、当該摺接部位とシール部材との間の真実接触面積がより大きくなるように設計される。真実接触面積とは、２つの表面が接するときに実際に接触している部分（真実接触点）の面積である。

特に、可動部材の固定部材に対する相対移動速度が大きく、可動部材とシール部材との摺動速度が大きい場合は、シール対象となる流体が、可動部材とシール部材との摩擦によって発生する摩擦熱によって気化する（例えば、流体が水である場合は、水蒸気になる）ことがあるため、可動部材の表面におけるシール部材との摺接部位は、気化した流体の外部への漏れを抑制するために、稠密な材料で構成され、その面粗さはできる限り小さい値に抑えられる。また、可動部材の表面の耐摩耗性を高めるために、その表面に硬質被膜を設けることがあるが、そのような場合でも同様に、硬質被膜は稠密な材料で構成され、その面粗さはできる限り小さい値に抑えられる。

このような思想の下で設計された流体機器を稼動させた場合、シール部材が可動部材の表面上を摺動しながら磨耗していく過程で、シール部材を構成する樹脂の一部が、粒子となってシール部材から離脱するが、可動部材の表面は、上述のように面粗さが小さく、また、樹脂の粒子を保持する力も十分ではないため、離脱した樹脂の粒子は、一旦、可動部材の表面に付着してもすぐにそこから離脱するなどして、シール部材と可動部材との間の摩擦界面において遊離した状態で存在することになる。そのため当該流体機器では、シール部材と可動部材の表面との間の真実接触面積を高く維持することは困難であった。

本実施形態に係る流体機器のシール構造は、可動部材３が、その表面３ａにおけるシール部材４の摺接部材４ａと摺接する摺接部位３ｂに、摺接部材４ａを構成する樹脂を、可動部材３と摺接部材４ａとの間の摺動により移着させて形成した樹脂層５と、該樹脂層５を摺接部位３ｂに保持する樹脂層保持構造６と、を備えている。そのため、可動部材３と摺接部材４ａとの間の摩擦界面においては、摺接部材４ａとその摺接部材４ａを構成する樹脂で形成された樹脂層５とが摺動し、樹脂同士が密着して接触することになるので、真実接触面積が高く維持され、シール構造の耐漏れ性が向上する。

また、樹脂層保持構造６は、放電表面処理により形成されたポーラスな被膜６であり、その最表面に、比較的大きな島部ＩＬと、その間に散りばめられた無数の小さな粒子Ｓと、それらの間に形成された無数の細かい溝または孔６ａとを備えている。そのため、可動部材３と摺接部材４ａとの摺動によって、摺接部材４ａを構成する樹脂を被膜６上に移着させて樹脂層５を形成することで、樹脂層５の被膜６との界面に、溝または孔６ａの中に入り込んだアンカー部５ａが形成されるが、溝または孔６ａを画成する小さな粒子Ｓは、表面に無数の角を有する不規則な多面体形状を有しているため、これらが当該アンカー部５ａに食い込む。これにより樹脂層５は、被膜６によって確実かつ強固に可動部材３の摺接部位３ｂに保持される。

さらに、本実施形態に係るシール構造では、放電表面処理に用いる放電電極７の材料を適宜選定することにより、具体的には、例えば、放電電極７を、炭化し難い金属を６０％以上含有する合金の粉末に、ｃＢＮ、ｈＢＮ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＢ_２、ＷＣ、Ｃｒ_３Ｃ_２、ＳｉＣ、ＺｒＣ、ＶＣ、Ｂ_４Ｃ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３の少なくともいずれかの粉末を加えた混合粉末から成形することにより、被膜６の耐摩耗性を高めることができる。これにより、他の典型的な表面処理方法で形成した被膜と同程度の耐摩耗性（摺接部材４ａの耐摩耗性および可動部材３の耐摩耗性）を確保しつつ耐漏れ性を向上させることができる。特に、近年、流体機器の高速化・高圧化に伴って、シール構造の更なる性能向上が要請されているが、本実施形態に係るシール構造であれば、このような要請に十分に応えることができる。

なお、本実施形態では、シール部材４を固定部材２に固定しているが、シール部材４は、可動部材３に固定してもよい。この場合、シール部材４の摺接部材４ａは、固定部材２の表面に摺接させ、固定部材２側の摺接部位に樹脂層と樹脂層保持構造とを形成すればよい。また、可動部材３の摺接部位３ｂの形状は、特に限定されず、図１に示したような平面のほか、固定部材２側に凸または凹となった曲面であってもよい。

本実施形態に係るシール構造の耐漏れ性を評価すべく、他の典型的な表面処理方法で形成した被膜と本実施形態にかかる被膜とを用いて、耐漏れ試験を行った。試験条件は、流体を水、摺動面の摺動速度を１０ｍ／ｓ、密封流体圧を１０ｋＰａＧとし、１００時間あたりの漏れ量を計測した。得られた結果を表１に示す。

表１中、比較例１および２は、溶射により形成した被膜であり、比較例３は、蒸着により形成した被膜であり、比較例４は、ダイヤモンドライクカーボン膜であり、実施例１は、本実施形態に係る放電表面処理により形成したポーラスな被膜である。いずれも封孔処理は行っていないが、それぞれ一回ずつ研磨処理を施している。なお、漏れ量および摺接部材の磨耗量については、比較例１を基準（１００％）として評価した。表面粗さとは、日本工業規格（ＪＩＳ−Ｂ−０６０１：２００１）に定められた算術平均粗さである。

表１より、漏れ量について、実施例１の漏れ量は、比較例１〜４から著しく改善されている（基準値の２０％まで改善されている）ことが確認された。一方、摺接部材の磨耗量については、実施例１の磨耗量は、比較例１〜４と同程度であることが確認された。なお、本試験で用いた摺接部材の材質は、ＰＴＦＥである。また、表１には示していないが、この試験では、摺接部材の相手側部材である各被膜の磨耗量についても計測した。実施例１における被膜の磨耗量は、比較例１〜４と同程度であることが確認されている。

また、実施例１は、表面粗さが同程度に大きい比較例４と比較しても、漏れ量が３分の１以下に抑制されていることが確認された。放電表面処理により形成したポーラスな被膜が、その特有の構造により優れた樹脂保持力を発揮していることがわかる。

＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態に係る流体機器のシール構造について、図５（ａ）（ｂ）および図６を参照して説明する。本実施形態は、第１実施形態に係るシール構造を回転機械に適用した例である。

図６に示すように、第２実施形態に係る水ポンプ（回転機械の一例）２１は、水ポンプ２１のポンプ室２１ａを画成するハウジング（ポンプ本体）２２と、ハウジング２２とともにポンプ室２１ａを画成する回転軸２４と、を備えている。

ハウジング２２の適宜位置には、貫通孔２３が形成され、その中を回転軸２４が貫通している。回転軸２４は、ベアリング２６を介してハウジング２２に対して相対回転可能に設けられている。回転軸２４の前端側（一端側）は、ハウジング２２の内側のポンプ室２１ａ内に延在しており、その前端部（一端部）には、ポンプ室２１ａ内に設けられたインペラ２７が一体的に取り付けられている。回転軸２４の後端側（他端側）は、ハウジング２２の外側に延在しており、その後端部（他端部）は、回転モータ（図示省略）の出力軸（図示省略）に連結されている。

このように構成された水ポンプ２１は、回転モータの駆動により回転軸２４を回転させることにより、インペラ２７を一体的に回転させて、ハウジング２２内の水を圧送することができる。

本実施形態に係る水ポンプ２１は、ハウジング２２の貫通孔２３の内周面と回転軸２４との間の隙間をシールして、ハウジング２２からの水の漏れを抑制するシール構造（回転機械用シール構造）２８を具備している。

回転機械用シール構造２８は、図５（ａ）に示すように、ハウジング２２の貫通孔２３の内周面に、リング状のパッキン押え３０を介して固定され、ハウジング２２と回転軸２４との間の隙間Ｇをシールするパッキン２９を備えている。

パッキン２９は、リング状の芯金３１、および芯金３１に一体的に設けられかつ回転軸２４の外周面に摺接するリップ３２を備えている。リップ３２は、ＰＴＦＥ等の自己潤滑性樹脂により構成されており、芯金３１は、ステンレス等の金属により構成されている。なお、自己潤滑性樹脂のみでパッキン２９を構成してもよい。

回転軸２４は、その外周面におけるリップ３２と摺接する摺接部位に、リップ３２を構成する樹脂を、回転軸２４とリップ３２との間の摺動により移着させて形成した樹脂層５（図１参照）と、該樹脂層５を回転軸２４の摺接部位に保持する樹脂層保持構造３３と、を備えている。

樹脂層保持構造３３は、回転軸２４の外周面におけるリップ３２と摺接する摺接部位に放電表面処理を施すことにより形成したポーラスな硬質被膜３３である。より具体的には、硬質被膜３３は、図５（ｂ）に示すように、棒状の放電電極３４を用い、電気絶縁性のある加工液中又は気中において、水ポンプ２１の構成部材としての回転軸２４を軸心２４ｓ周りに回転させつつ、放電電極３４と回転軸２４の外周面における摺接部位との間にパルス状の放電を発生させることにより、その放電エネルギーにより回転軸２４の外周面における摺接部位に放電電極３４の構成材料又は該構成材料の反応物質を溶着させることによって形成されている。また、硬質被膜３３の表面には、研磨処理が施してある。

ここで、放電電極３４は、炭化し難い金属を６０％以上含有する合金の粉末から成形してなるものである。硬質被膜３３の耐摩耗性を高めるために、当該合金の粉末に、ｃＢＮ、ｈＢＮ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＢ_２、ＷＣ、Ｃｒ_３Ｃ_２、ＳｉＣ、ＺｒＣ、ＶＣ、Ｂ_４Ｃ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３の少なくともいずれかの粉末を加えた混合粉末から放電電極３４を成形してもよい。

続いて、第２実施形態の作用および効果について説明する。

本実施形態に係る流体機器のシール構造は、回転軸２４が、その外周面におけるリップ３２と摺接する摺接部位に、リップ３２を構成する樹脂を、回転軸２４とリップ３２との間の摺動により移着させて形成した樹脂層５と、該樹脂層５を摺接部位に保持する樹脂層保持構造３３と、を備えている。そのため、第１実施形態と同様に、回転軸２４とリップ３２との間の摩擦界面においては、リップ３２とそのリップ３２を構成する樹脂で形成された樹脂層５とが摺動し、樹脂同士が密着して接触することになるので、真実接触面積が高く維持され、シール構造の耐漏れ性が向上する。

また、樹脂層保持構造３３は、放電表面処理により形成されたポーラスな硬質被膜３３であり、第１実施形態と同様に、その最表面に、比較的大きな島部ＩＬと、その間に散りばめられた無数の小さな粒子Ｓと、それらの間に形成された無数の細かい溝または孔６ａ（図１，３参照）とを備えている。そのため、回転軸２４とリップ３２との摺動によって、リップ３２を構成する樹脂を硬質被膜３３に移着させて樹脂層５を形成することで、樹脂層５の硬質被膜３３との界面に硬質被膜３３の溝または孔６ａに入り込んだアンカー部５ａ（図１参照）が形成されるが、溝または孔６ａを画成する小さな粒子Ｓは、表面に無数の角を有する不規則な多面体形状を有しているため、これらが当該アンカー部５ａに食い込む。これにより樹脂層５は、硬質被膜３３によって確実かつ強固に回転軸２４の摺接部位に保持される。

さらに、本実施形態に係るシール構造では、放電表面処理に用いる放電電極３４の材料である合金の粉末に、ｃＢＮ、ｈＢＮ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＢ_２、ＷＣ、Ｃｒ_３Ｃ_２、ＳｉＣ、ＺｒＣ、ＶＣ、Ｂ_４Ｃ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３の少なくともいずれかの粉末を加えた混合粉末から成形することにより、硬質被膜３３の耐摩耗性をさらに高めることができる。これにより、他の典型的な表面処理方法で形成した被膜と同程度の耐摩耗性を確保しつつ耐漏れ性を向上させることができる。

従って、第２実施形態によれば、回転機械用シール構造２８の耐漏れ性を高めて、回転機械用シール構造２８の更なる性能向上を図ることができる。

＜第３実施形態＞
本発明の第３実施形態に係る流体機器のシール構造について、図７（ａ）（ｂ）および図８を参照して説明する。本実施形態は、第１実施形態に係るシール構造を往復機械に適用した例である。

図８に示すように、第３実施形態に係る水圧シリンダ装置（往復機械の一例）４１は、前後方向へ延びた円筒状のシリンダ本体４２を具備している。シリンダ本体４２は、前端側に、シリンダヘッド４３を有している。シリンダヘッド４３の中心部には、貫通孔４４が形成されている。また、シリンダ本体４２内には、ピストン４５が移動可能に設けられており、シリンダ本体４２内は、ピストン４５によって第１水圧室（フロント水圧室）４６および第２水圧室（リア水圧室）４７に区画されている。

そして、ピストン４５には、ピストン４５の前側面から前方向へ延びたピストンロッド４８が一体的に設けられており、ピストンロッド４８は、シリンダヘッド４３の貫通孔４４を貫通している。したがって、シリンダ本体４２内の第１水圧室４６は、シリンダ本体４２の内面と、シリンダヘッド４３の内面と、ピストン４５の前側面と、ピストンロッド４８の外周面とによって画成されており、第２水圧室４７は、シリンダ本体４２の内面と、ピストン４５の後側面とによって画成されている。ピストン４５およびピストンロッド４８は、シリンダ本体４２およびシリンダヘッド４３に対して軸方向に相対移動可能に設けられている。

このように構成された水圧シリンダ装置４１は、第１水圧室４６から水を排出しつつ、第２水圧室４７に水を供給することにより、ピストンロッド４８をピストン４５と一体的に前方向（一方向）へ移動させる。一方、第２水圧室４７から水を排出しつつ、第１水圧室４６に水を供給することにより、ピストンロッド４８をピストン４５と一体的に後方向（他方向）へ移動させる。

本実施形態に係る水圧シリンダ装置４１は、シリンダヘッド４３の貫通孔４４とピストンロッド４８との間の隙間Ｇをシールして、シリンダ本体４２からの水の漏れを抑制するシール構造（シリンダ装置用シール構造）４９を具備している。

シリンダ装置用シール構造４９は、図７（ａ）に示すように、シリンダヘッド４３の貫通孔４４の内周面に形成された周溝５０に圧入され、シリンダヘッド４３とピストンロッド４８との間の隙間Ｇをシールするパッキン５１を備えている。

パッキン５１は、リング状の芯金５２、および芯金５２に一体的に設けられかつピストンロッド４８の外周面を摺接するリップ５３を有している。リップ５３は、ＰＴＦＥ等の自己潤滑性樹脂により構成されており、芯金５２は、ステンレス等の金属により構成されている。なお、自己潤滑性樹脂のみでパッキン５１を構成してもよい。

ピストンロッド４８は、その外周面におけるリップ５３と摺接する摺接部位に、リップ５３を構成する樹脂を、ピストンロッド４８とリップ５３との間の摺動により移着させて形成した樹脂層５（図１参照）と、該樹脂層５をピストンロッド４８の摺接部位に保持する樹脂層保持構造５４と、を備えている。

樹脂層保持構造５４は、ピストンロッド４８の外周面におけるリップ５３と摺接する摺接部位に放電表面処理を施すことにより形成したポーラスな硬質被膜５４である。より具体的には、硬質被膜５４は、図７（ｂ）に示すように、板状の放電電極５５を用い、電気絶縁性のある加工液中又は気中において、水圧シリンダ装置４１の構成部材としてのピストンロッド４８を軸心４８ｓ周りに回転させつつ、放電電極５５とピストンロッド４８の外周面における摺接部位との間にパルス状の放電を発生させることにより、その放電エネルギーによりピストンロッド４８の外周面における摺接部位に放電電極５５の構成材料又は該構成材料の反応物質を溶着させることによって形成されている。また、硬質被膜５４の表面には、研磨処理が施してある。なお、放電電極５５は、第２実施形態における放電電極３４と同様の構成を有しているため、ここでは説明を省略する。

続いて、第３実施形態の作用および効果について説明する。

本実施形態に係る流体機器のシール構造は、ピストンロッド４８が、その外周面におけるリップ５３と摺接する摺接部位に、リップ５３を構成する樹脂を、ピストンロッド４８とリップ５３との間の摺動により移着させて形成した樹脂層５と、該樹脂層５を摺接部位に保持する樹脂層保持構造５４と、を備えている。そのため、第１および第２実施形態と同様に、ピストンロッド４８とリップ５３との間の摩擦界面においては、リップ５３とそのリップ５３を構成する樹脂で形成された樹脂層５とが摺動し、樹脂同士が密着して接触することになるので、真実接触面積が高く維持され、シール構造の耐漏れ性が向上する。

また、樹脂層保持構造５４は、放電表面処理により形成されたポーラスな硬質被膜５４であり、第１および第２実施形態と同様に、その最表面に、比較的大きな島部ＩＬと、その間に散りばめられた無数の小さな粒子Ｓと、それらの間に形成された無数の細かい溝または孔６ａ（図１，３参照）とを備えている。そのため、ピストンロッド４８とリップ５３との摺動によって、リップ５３を構成する樹脂を硬質被膜５４に移着させて樹脂層５を形成することで、樹脂層５の硬質被膜５４との界面に、硬質被膜５４の溝または孔６ａに入り込んだ樹脂層５のアンカー部５ａ（図１参照）が形成されるが、硬質被膜５４の溝または孔６ａを画成する小さな粒子Ｓは、表面に無数の角を有する不規則な多面体形状を有しているため、これらが当該アンカー部５ａに食い込む。これにより樹脂層５は、硬質被膜５４によって確実かつ強固にピストンロッド４８の摺接部位に保持される。

さらに、本実施形態に係るシール構造では、放電表面処理に用いる放電電極５５の材料である合金の粉末に、ｃＢＮ、ｈＢＮ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＢ_２、ＷＣ、Ｃｒ_３Ｃ_２、ＳｉＣ、ＺｒＣ、ＶＣ、Ｂ_４Ｃ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３の少なくともいずれかの粉末を加えた混合粉末から成形することにより、硬質被膜５４の耐摩耗性をさらに高めることができる。これにより、他の典型的な表面処理方法で形成した被膜と同程度の耐摩耗性を確保しつつ耐漏れ性を向上させることができる。

従って、第３実施形態によれば、シリンダ装置用シール構造４９の耐漏れ性を高めて、シリンダ装置用シール構造４９の更なる性能向上を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載された単なる例示に過ぎず、本発明は、それらの実施形態に限定されるものではない。本発明の技術的範囲は、上記実施形態で開示した具体的な技術事項に限らず、そこから容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。例えば、第２実施形態に係るシール構造２８は、水ポンプ２１以外の回転機械に用いることができ、第３実施形態に係るシール構造４９は、水圧シリンダ装置４１以外の往復機械に用いることができる。また、第２実施形態に係る回転機械において、リップ３２が回転軸２４と摺接する面は、回転軸２４の中心軸に平行な外周面に限らず、回転軸２４から径方向に張り出したフランジの側面（軸方向に垂直な平面）や、軸方向一端側に向かって拡径する円錐の側面などであってもよい。また、第３実施形態に係るシリンダ装置におけるピストンロッド４８の断面形状は、円に限らず、楕円、長円、角を丸めた多角形であってもよい。

本出願は、２００９年１１月１３日に出願された日本国特許願第２００９−２６０１６９号に基づく優先権を主張しており、これらの出願の全内容が参照により本明細書に組み込まれる。

本発明によれば、流体機器のシール構造の耐漏れ性を向上させることができる。従って、本発明は、液体、気体、気液混相流体などの流体を扱う流体機械および弁などの流体の流れを制御する機器など、多くの用途において好適に利用できる。

Ｇ…隙間
１…流体機器
１ａ…内部領域
２…固定部材（第１の部材）
３…可動部材（第２の部材）
３ａ…表面
３ｂ…摺接部位
４…シール部材
４ａ…摺接部材
５…樹脂層
５ａ…アンカー部
６…被膜（樹脂層保持構造）
６ａ…溝または孔
７…放電電極
２１…水ポンプ
２１ａ…ポンプ室
２２…ハウジング
２３…貫通孔
２４…回転軸
２４ｓ…軸心
２６…ベアリング
２７…インペラ
２８…回転機械用シール構造
２９…パッキン
３０…パッキン押え
３１…芯金
３２…リップ
３３…硬質被膜（樹脂層保持構造）
３４…放電電極
４１…水圧シリンダ装置
４２…シリンダ本体
４３…シリンダヘッド
４４…貫通孔
４５…ピストン
４６…第１水圧室
４７…第２水圧室
４８…ピストンロッド
４８ｓ…軸心
４９…シリンダ装置用シール構造
５０…周溝
５１…パッキン
５２…芯金
５３…リップ
５４…硬質被膜（樹脂層保持構造）
５５…放電電極

Claims (6)

1. 流体機器のシール構造であって、
   該流体機器の中空の内部領域を画成する第１の部材と、
   該第１の部材とともに前記内部領域を画成する、前記第１の部材に対して相対移動可能な第２の部材と、
   前記第１の部材に固定され、前記第１の部材と第２の部材との間の隙間をシールするシール部材と、
   を備えており、
   前記シール部材は、前記第２の部材の表面に摺接する、樹脂から構成された摺接部材を備えており、
   前記第２の部材は、その表面における前記摺接部材と摺接する摺接部位に、前記摺接部材を構成する樹脂を前記第２の部材と摺接部材との間の摺動により移着させて形成した樹脂層と、該樹脂層を前記摺接部位に保持する樹脂層保持構造と、を備えており、
   該樹脂層保持構造は、放電電極と前記第２の部材の表面における前記摺接部位との間に放電を発生させ、その放電エネルギーによって、前記摺接部位に前記放電電極の構成材料または該構成材料の反応物質を溶着させることにより形成したポーラスな被膜であることを特徴とする流体機器のシール構造。
2. 前記流体機器は、回転機械であり、
   前記第１の部材は、前記回転機械のハウジングであり、
   前記第２の部材は、前記ハウジングに設けられた貫通孔から突出した回転軸であり、
   前記シール部材は、前記ハウジングと前記回転軸との間の隙間をシールするパッキンであり、
   前記摺接部材は、前記回転軸の外周面に摺接するリング状のリップであり、
   前記樹脂層および樹脂層保持構造は、前記回転軸の外周面における前記リップと摺接する摺接部位に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の流体機器のシール構造。
3. 前記流体機器は、シリンダ装置であり、
   前記第１の部材は、前記シリンダ装置のシリンダ本体であり、
   前記第２の部材は、前記シリンダ本体に設けられた貫通孔から突出したピストンロッドであり、
   前記シール部材は、前記シリンダ本体と前記ピストンロッドとの間の隙間をシールするパッキンであり、
   前記摺接部材は、前記ピストンロッドの外周面に摺接するリング状のリップであり、
   前記樹脂層および樹脂層保持構造は、前記ピストンロッドの外周面における前記リップと摺接する摺接部位に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の流体機器のシール構造。
4. 前記パッキンは、金属により構成されたリング状の芯金を有し、前記リップが前記芯金に一体的に設けられていることを特徴とする請求項２又は請求項３のうちのいずれかの請求項に記載の流体機器のシール構造。
5. 前記樹脂は、自己潤滑性樹脂であることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の流体機器のシール構造。
6. 前記放電電極は、金属の粉末、金属の化合物の粉末、セラミックスの粉末、又はこれらの混合粉末から成形したことを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項に記載の流体機器のシール構造。