JP6937766B2 - 摺動部品 - Google Patents
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Description
固定側に固定される円環状の固定側密封環と,回転軸とともに回転する円環状の回転側密封環とを備え,前記固定側密封環及び前記回転側密封環の対向する摺動面を相対回転させることにより,当該相対回転する前記摺動面の径方向の一方側に存在するシリケート含有の被密封流体を密封する摺動部品において,
前記固定側密封環又は前記回転側密封環の少なくともいずれか一方の前記摺動面には,珪素を1.5at%以下,かつ,水素を1at%〜20at%含む非晶質炭素膜を備え,前記被密封流体中のシリケートの堆積を防止することを特徴としている。
この特徴によれば,LLC等のようにシリケートが添加された被密封流体を密封するメカニカルシールなどの摺動部品において,その摺動面にシリケート化合物が堆積し,平滑さが失われることによる被密封流体の漏れを防止できる。
前記固定側密封環又は前記回転側密封環の基材が炭化珪素であることを特徴としている。
この特徴によれば,メカニカルシール等の摺動材として放熱性が良く,耐摩耗性に優れた好適な材料である炭化珪素を固定側密封環又は回転側密封環の基材として用いた場合であっても,シリケート含有の被密封流体の漏れを防止できる。
前記固定側密封環又は前記回転側密封環の少なくとも一方の前記摺動面は,前記固定側密封環又は前記回転側密封環との相対回転により動圧を発生する動圧発生機構を備えることを特徴としている。
この特徴によれば,固定側密封環又は回転側密封環の少なくとも一方の摺動面に設けた動圧発生機構にシリケートが堆積することなく,摺動面間に動圧を発生させ低摩擦,漏れのほとんどない摺動部品を提供することができる。
前記動圧発生機構は,高圧流体側に連通する流体循環溝と,
前記流体循環溝に連通するとともにレイリーステップを有する正圧発生機構と,
前記流体循環溝に連通するとともに逆レイリーステップを有する負圧発生機構と,
前記流体循環溝,前記正圧発生機構及び前記負圧発生機構を低圧流体側から隔離するランド部と,を備えることを特徴としている。
この特徴によれば,固定側密封環又は回転側密封環の少なくとも一方の摺動面に設けた正圧発生機構及び負圧発生機構にシリケートが堆積することなく,摺動面間に動圧を発生させ低摩擦,漏れのほとんどない摺動部品を提供することができる。
前記動圧発生機構は,高圧流体側に連通する第1流体循環溝及び第2流体循環溝と,
前記第1流体循環溝に連通するとともにレイリーステップを有する第1正圧発生機構と,
前記第1流体循環溝に連通するともに逆レイリーステップを有する負圧発生機構と,
前記第2流体循環溝に連通するとともに前記第2流体循環溝に囲まれるレイリーステップを有する第2正圧発生機構と,
前記第1流体循環溝及び前記第2流体循環溝,前記第1正圧発生機構及び前記第2正圧発生機構,並びに,前記負圧発生機構を低圧流体側から隔離するランド部と,を備えることを特徴としている。
この特徴によれば,固定側密封環又は回転側密封環の少なくとも一方の摺動面に設けた正圧発生機構及び負圧発生機構にシリケートが堆積することなく,摺動面間に動圧を発生させ低摩擦,漏れのほとんどない摺動部品を提供することができる。
前記動圧発生機構は,高圧流体側及び低圧流体側に連通せず,かつ,相互に独立したディンプルからなることを特徴としている。
この特徴によれば,固定側密封環又は回転側密封環の少なくとも一方の摺動面に設けたディンプルにシリケートが堆積することなく,摺動面間に動圧を発生させ低摩擦,漏れのほとんどない摺動部品を提供することができる。
前記非晶質炭素膜は,有機珪素化合物ガスを含まない炭化水素ガスを用いて成膜された膜であることを特徴としている。
この特徴によれば,LLC等のようにシリケートが添加された被密封流体を密封するメカニカルシールなどの摺動部品において,その摺動面にシリケート化合物が堆積し,平滑さが失われることによる被密封流体の漏れを防止できる。
(1)珪素化合物を含まない炭化水素ガスを用いて,固定側密封環又は回転側密封環の少なくともいずれか一方の摺動面に,珪素の含有量が1.5at%以下の非晶質炭素膜を形成することによって,固定側密封環又は回転側密封環の摺動面はシリケートとの親和性が低くなり,被密封流体に含まれるシリケート化合物が摺動面に堆積することを防ぐことができるので,摺動面の平滑さを維持して,被密封流体の漏れを防止できる。
ただし,この実施形態に記載されている構成部品の寸法,材質,形状,その相対的配置などは,特に明示的な記載がない限り,本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
なお,本実施形態においては,摺動部品の一例であるメカニカルシールを例にして説明する。また,メカニカルシールを構成する摺動部品の外周側を高圧流体側(被密封流体側),内周側を低圧流体側(大気側)として説明するが,本発明はこれに限定されることなく,高圧流体側と低圧流体側とが逆の場合も適用可能である。
なお,図1では,回転側密封環3の摺動面の幅が固定側密封環5の摺動面の幅より広い場合を示しているが,これに限定されることなく,逆の場合においても本発明を適用できることはもちろんである。
なお,後記するように,珪素化合物を含まない炭化水素ガスを用いて成膜する場合でも,基材由来のきわめて微量の珪素が非晶質炭素膜に含有されることがある。非晶質炭素膜は,ダイヤモンド構造に対応するsp3結合を有する炭素とグラファイト構造に対応するsp2結合を有する炭素が不規則に混在したアモルファス構造(非晶質構造)の炭素膜であり,ダイヤモンド.ライク.カーボン(DLC)と総称されるものである。
このプラズマCVD法では,回転側密封環3及び固定側密封環5の基材を収容する処理室内にアセチレンガス,エチレンガス,プロピレンガス,メタンガス等の炭化水素ガスからなる原料ガスを導入しつつ,原料ガスに電離電圧以上のエネルギーを持つ電子を衝突させ,化学的に活性なイオンを生成する。これにより,回転側密封環3及び固定側密封環5の基材表面の周辺に,プラズマ化した原料ガスが存在するようになる。このとき,プラズマ化した原料ガスは,電極側に配置された回転側密封環3及び固定側密封環5の基材上に積層され,非晶質炭素膜8が形成される。
しかし,その場合であっても,成膜された非晶質炭素膜8に含まれる珪素の含有量が1.5at%以下であれば,被密封流体に含まれるシリケート化合物が摺動面に堆積することを防ぐことができ,摺動面の平滑さを維持して,被密封流体の漏れを防止できる。
本発明におけるその他の用語や概念は,当該分野において慣用的に使用される用語の意味に基づくものであり,本発明を実施するために使用する様々な技術は,特にその出典を明示した技術を除いては,公知の文献等に基づいて当業者であれば容易かつ確実に実施可能である。
回転側密封環3及び固定側密封環5用に成形された炭化珪素からなる環状の基材の摺動面Sをラップ仕上げにより平滑に加工した。プラズマCVD装置にて珪素化合物を含まない炭化水素ガスを用いて150nmの厚さの非晶質炭素膜を回転側密封環3及び固定側密封環5の基材の摺動面Sに積層させ,以下の摺動試験条件で摺動試験を行った。
この場合,プラズマ処理によってアウトガスとして炭化珪素からなる基材から放出されて非晶質炭素膜に含まれる珪素含有量は0.07at%であった。
なお,非晶質炭素膜に含まれる珪素含有量はX線光電子分光法(XPS)(アルバックファイ株式会社製PHI Quantera SMX)で,動圧発生溝等が加工されていない平滑部をナロー測定することにより求めた。また,膜厚は断面試料作成装置(CP)で断面出しを行い,FE−SEM(株式会社日立製作所製 SU8220)で観察することで求めた。
a 摺動面圧力:0.3MPa
b 被密封流体:シリケート含有LLC 50wt%水溶液
c 被密封流体の圧力:0.1MPaG
d 周速:0m/s(3秒)⇔1m/s(3秒)
e 試験時間:550時間
摺動試験結果8表1に示す。
実施例1において,非晶質炭素膜を固定側密封環5の基材の摺動面Sにのみ積層した。実施例1の摺動試験条件で試験を実施した結果を表1に示す。
実施例1において,珪素化合物を含まない炭化水素ガスを用いて,非晶質炭素膜に含まれる珪素含有量が0.24at%,膜厚が150nmの非晶質炭素膜を回転側密封環3及び固定側密封環5の基材の摺動面Sに積層した。実施例1の摺動試験条件で試験を実施した結果を表1に示す。
実施例3において,非晶質炭素膜を固定側密封環5の基材の摺動面Sにのみ積層した。実施例1の摺動試験条件で試験を実施した結果を表1に示す。
実施例1において,珪素化合物を含まない炭化水素ガスを用いて,非晶質炭素膜に含まれる珪素含有量が0.67at%,膜厚が150nmの非晶質炭素膜を回転側密封環3及び固定側密封環5の基材の摺動面Sに積層した。実施例1の摺動試験条件で試験を実施した結果を表1に示す。
実施例5において,非晶質炭素膜を固定側密封環5の基材の摺動面Sにのみ積層した。実施例1の摺動試験条件で試験を実施した結果を表1に示す。
実施例1において,珪素化合物を含まない炭化水素ガスを用いて,非晶質炭素膜に含まれる珪素含有量が1.5at%,膜厚が150nmの非晶質炭素膜を回転側密封環3及び固定側密封環5の基材の摺動面Sに積層した。実施例1の摺動試験条件で試験を実施した結果を表1に示す。
実施例7において,非晶質炭素膜を固定側密封環5の基材の摺動面Sにのみ積層した。実施例1の摺動試験条件で試験を実施した結果を表1に示す。
回転側密封環3及び固定側密封環15用に成形された炭化珪素からなる環状の基材の摺動面Sをラップ仕上げにより平滑に加工し,固定側密封環15のラップ仕上げした摺動面Sに,図3に示す動圧発生機構17を加工した。つぎに,プラズマCVD装置にて珪素化合物を含まない炭化水素ガスを用いて,非晶質炭素膜に含まれる珪素含有量が0.07at%,150nmの厚さの非晶質炭素膜を回転側密封環3及び固定側密封環5の基材の摺動面Sに積層した。実施例1の摺動試験条件で試験を実施した結果を表1に示す。
実施例9において,珪素化合物を含まない炭化水素ガスを用いて,非晶質炭素膜に含まれる珪素含有量が0.24at%,膜厚が150nmの非晶質炭素膜を回転側密封環3及び固定側密封環15の基材の摺動面Sに積層した。実施例1の摺動試験条件で試験を実施した結果を表1に示す。
実施例9において,珪素化合物を含まない炭化水素ガスを用いて,非晶質炭素膜に含まれる珪素含有量が0.67at%,膜厚が150nmの非晶質炭素膜を回転側密封環3及び固定側密封環15の基材の摺動面Sに積層した。実施例1の摺動試験条件で試験を実施した結果を表1に示す。
実施例9において,珪素化合物を含まない炭化水素ガスを用いて,非晶質炭素膜に含まれる珪素含有量が1.5at%,膜厚が150nmの非晶質炭素膜を回転側密封環3及び固定側密封環15の基材の摺動面Sに積層した。実施例1の摺動試験条件で試験を実施した結果を表1に示す。
(比較例1)
回転側密封環3及び固定側密封環5用に成形された炭化珪素からなる環状の基材の摺動面Sをラップ仕上げにより平滑に加工した後,固定側密封環の摺動面Sに正圧発生機構11と負圧発生機構12を加工を行うことなく,プラズマCVD装置にて珪素化合物を含む炭化水素ガスを用いて,非晶質炭素膜に含まれる珪素含有量が1.7at%,膜厚が150nmの非晶質炭素膜を回転側密封環3及び固定側密封環5の基材の摺動面Sにのみ積層した。実施例1の摺動試験条件で試験を実施した結果を表2に示す。
比較例1において,非晶質炭素膜を固定側密封環5の基材の摺動面Sにのみ積層させ,実施例1の摺動試験条件で試験を実施した。摺動試験結果を表2に示す。
比較例1において,珪素化合物を含む炭化水素ガスを用いて,非晶質炭素膜に含まれる珪素含有量が3.96at%,膜厚が150nmの非晶質炭素膜を回転側密封環3及び固定側密封環5の基材の摺動面Sに積層した。実施例1の摺動試験条件で試験を実施した結果を表2に示す。
比較例3において,非晶質炭素膜を固定側密封環5の基材の摺動面Sにのみ積層した。実施例1の摺動試験条件で試験を実施した結果を表2に示す。
比較例1において,珪素化合物を含む炭化水素ガスを用いて,非晶質炭素膜に含まれる珪素含有量が25.1at%,膜厚が150nmの非晶質炭素膜を回転側密封環3及び固定側密封環5の基材の摺動面Sに積層した。実施例1の摺動試験条件で試験を実施した結果を表2に示す。
比較例5において,非晶質炭素膜を固定側密封環5の基材の摺動面Sにのみ積層した。実施例1の摺動試験条件で試験を実施した結果を表2に示す。
回転側密封環3及び固定側密封環15用に成形された炭化珪素からなる環状の基材の摺動面Sをラップ仕上げにより平滑に加工し,ラップ仕上げした固定側密封環の摺動面Sに,図3に示す動圧発生機構を加工した。つぎに,プラズマCVD装置にて珪素化合物を含む炭化水素ガスを用いて,非晶質炭素膜に含まれる珪素含有量が1.7at%,膜厚が150nmの非晶質炭素膜を回転側密封環3及び固定側密封環15の基材の摺動面Sに積層した。実施例1の摺動試験条件で試験を実施した結果を表2に示す。
比較例7において,非晶質炭素膜に含まれる珪素含有量が3.96at%,膜厚が150nmの非晶質炭素膜を回転側密封環3及び固定側密封環15の基材の摺動面Sに積層した。実施例1の摺動試験条件で試験を実施した結果を表2に示す。
比較例7において,非晶質炭素膜に含まれる珪素含有量が25.1at%,膜厚が150nmの非晶質炭素膜を回転側密封環3及び固定側密封環15の基材の摺動面Sに積層した。実施例1の摺動試験条件で試験を実施した結果を表2に示す。
2 スリーブ
3 回転側密封環
4 ハウジング
5 固定側密封環
6 コイルドウェーブスプリング
7 ベローズ
8 非晶質炭素膜
10 流体循環溝(動圧発生機構)
11 正圧発生機構(動圧発生機構)
12 負圧発生機構(動圧発生機構)
15 固定側密封環
17 動圧発生機構
20 流体循環溝(動圧発生機構)
21 正圧発生機構(動圧発生機構)
22 負圧発生機構(動圧発生機構)
25 固定側密封環
26 動圧発生機構
30 第1流体循環溝(動圧発生機構)
31 第1正圧発生機構(動圧発生機構)
32 負圧発生機構(動圧発生機構)
33 第2流体循環溝(動圧発生機構)
34 第2正圧発生機構(動圧発生機構)
35 固定側密封環
36 第1動圧発生機構
37 第2動圧発生機構
40 流体循環溝(動圧発生機構)
41 正圧発生機構(動圧発生機構)
42 負圧発生機構(動圧発生機構)
45 固定側密封環
46 動圧発生機構
50 固定側密封環
51 ディンプル(動圧発生機構)
60 固定側密封環
61 スパイラル溝(動圧発生機構)
Claims (7)
- 固定側に固定される円環状の固定側密封環と,回転軸とともに回転する円環状の回転側密封環とを備え,前記固定側密封環及び前記回転側密封環の対向する摺動面を相対回転させることにより,当該相対回転する前記摺動面の径方向の一方側に存在するシリケート含有の被密封流体を密封する摺動部品において,
前記固定側密封環又は前記回転側密封環の少なくともいずれか一方の前記摺動面には,珪素を1.5at%以下,かつ,水素を1at%〜20at%含む非晶質炭素膜を備え,前記被密封流体中のシリケートの堆積を防止することを特徴とする摺動部品。 - 前記固定側密封環又は前記回転側密封環の基材が炭化珪素であることを特徴とする請求項1に記載の摺動部品。
- 前記固定側密封環又は前記回転側密封環の少なくとも一方の前記摺動面は,前記固定側密封環又は前記回転側密封環との相対回転により動圧を発生する動圧発生機構を備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の摺動部品。
- 前記動圧発生機構は,高圧流体側に連通する流体循環溝と,
前記流体循環溝に連通するとともにレイリーステップを有する正圧発生機構と,
前記流体循環溝に連通するとともに逆レイリーステップを有する負圧発生機構と,
前記流体循環溝,前記正圧発生機構及び前記負圧発生機構を低圧流体側から隔離するランド部と,を備えることを特徴とする請求項3に記載の摺動部品。 - 前記動圧発生機構は,高圧流体側に連通する第1流体循環溝及び第2流体循環溝と,
前記第1流体循環溝に連通するとともにレイリーステップを有する第1正圧発生機構と,
前記第1流体循環溝に連通するともに逆レイリーステップを有する負圧発生機構と,
前記第2流体循環溝に連通するとともに前記第2流体循環溝に囲まれるレイリーステップを有する第2正圧発生機構と,
前記第1流体循環溝及び前記第2流体循環溝,前記第1正圧発生機構及び前記第2正圧発生機構,並びに,前記負圧発生機構を低圧流体側から隔離するランド部と,を備えることを特徴とする請求項3に記載の摺動部品。 - 前記動圧発生機構は,高圧流体側及び低圧流体側に連通せず,かつ,相互に独立したディンプルからなることを特徴とする請求項3に記載の摺動部品。
- 前記非晶質炭素膜は,有機珪素化合物ガスを含まない炭化水素ガスを用いて成膜された膜であることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の摺動部品。
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