KR101522262B1

KR101522262B1 - 워터 펌프용 립 시일

Info

Publication number: KR101522262B1
Application number: KR1020137028172A
Authority: KR
Inventors: 타쿠야 야마나카; 스구루 요시다; 마사후미 카토; 히데유키 무라카미
Original assignee: 이구루코교 가부시기가이샤
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2012-09-04
Publication date: 2015-05-21
Also published as: CN103688062A; JPWO2013035697A1; US20140203520A1; JP5895938B2; EP2703650A4; KR20140002779A; CN103688062B; WO2013035697A1; EP2703650B1; EP2703650A1

Abstract

고정측으로서의 하우징에 고정되고, 이 하우징과 상대 회전하는 축과 슬라이딩 상태가 되는 고무상 탄성체제 립 시일로서, 이 립 시일이 고무상 탄성체 100중량부당 보강성 충전제 1~150중량부, 평균 입경 1μm 이상의 비보강성 충전제 5~90중량부, 커플링제 0.1~5중량부, 공가교제 1~15중량부 및 유기 과산화물 0.5~10중량부를 배합한 고무 조성물을 가황 성형하여 이루어지는 워터 펌프용 립 시일. 이 워터 펌프용 립 시일은 구조적 해결 수단에 의한 것이 아니라, 재질적 해결 방법으로서 회전 토크나 내 LLC성으로서 문제가 되는 고무상 탄성체의 연화나 체적 팽윤, 또한 회전축에 대한 퇴적물의 발생을 방지할 수 있다.

Description

워터 펌프용 립 시일{LIP SEAL FOR WATER PUMP}

본 발명은 워터 펌프용 립 시일에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 고정측으로서의 하우징에 고정되고, 이 하우징과 상대 회전하는 축과 슬라이딩 상태가 되는 고무상 탄성체제 워터 펌프용 립 시일에 관한 것이다.

LLC(롱 라이프 쿨런트) 등의 수계 유체의 시일에 사용되는 립 시일의 경우, 슬라이딩면에서의 윤활성이 나쁘기 때문에, 슬라이딩에 의한 마모가 크고, 발열도 크다. 유기산계, 특히 2-에틸헥산산계 LLC에서는 립 시일의 연화나 팽윤이 커서, 시일성이 저하되게 된다. 또, 유기 인산계 LLC에서는 축에 인산 화합물이 퇴적하여, 립 시일과의 사이에 간극이 생겨, 시일성이 저하되게 된다.

이러한 경우의 윤활성의 향상을 위해서, 워터 펌프용 밀봉 장치에 있어서, 립 윤활용의 윤활 그리스를 사용하는 것이 특허문헌 1에 기재되어 있다.

보다 구체적으로는 LLC 등의 밀봉 유체가 기내측으로부터 기외측으로 누설하지 않도록, 하우징 및 축 사이에 장착되는 워터 펌프용 밀봉 장치에 있어서, 시일 립 슬라이딩부의 윤활성을 향상시킬 수 있고, 그것에 의해 시일 립이 조기에 슬라이딩 마모하는 것을 방지하는 것이 가능한 밀봉 장치로서, 복수의 시일 립과, 립 윤활용 그리스를 함침한 그리스 함침 부재를 가지고, 복수의 시일 립 사이의 공간부에 그리스 함침 부재를 배치한다는 구성, 또는 축에 고정되는 슬리브와, 슬리브에 슬라이딩하는 제1 및 제2 시일 립과, 백업 링과, 그리스 함침 부재를 가지고, 양 시일 립 사이의 공간부로서 슬리브 및 백업 링이 직경 방향으로 대향하는 직경 방향 간극부에 그리스 함침 부재를 배치한다는 구성이 채용되어 있다.

또, 수소화 니트릴 고무 100중량부당 약 120중량부 이상의 합계량이 되는 카본블랙 및 다른 충전제, 예를 들면 그라파이트, 카본파이버, 실리카, 탈크, 클레이, PTFE 분말, 활성탄산칼슘, 규산칼슘 등을 배합하여, 20℃에서의 열전도율이 0.4W/m·k 이상이며, 50% 모듈러스가 14MPa 이상의 가교물을 부여하는 수소화 니트릴 고무 조성물이 제안되어 있고(특허문헌 2 참조), 이 가교물은 슬라이딩시의 발열량을 대폭 저하시킬 수 있으므로, 슬라이딩용 또는 고압용 시일재로서 적합하게 사용된다고 일컬어지지만, 이것을 LLC 등의 수계 유체의 시일에 립 시일로서 사용한 경우에는, 상기와 같은 각종 성상의 저하를 피할 수 없다.

또한, NBR 100중량부에 대하여, 화이트카본(실리카) 1~150중량부 및 평균 입경이 2μm 이하이며 또한 모스경도 6 이상의 무기 화합물, 예를 들면 산화알루미늄, 탄화규소, 탄화텅스텐, 산화지르코늄, 산화철, 산화티탄, 석영분, 질화티탄, 탄화티탄, 탄화지르코늄 등을 0.5~50중량부 함유시킨 NBR 조성물도 제안되어 있고(특허문헌 3 참조), 그 가황 성형물은 내마모성을 해치지 않고, 시일재가 슬라이딩 부위에 사용된 경우의 장수명화 및 에너지 절약화를 달성시킨다고 일컬어지지만, 이것을 LLC 등의 수계 유체의 시일에 립 시일로서 사용한 경우에는, 역시 상기와 같은 각종 성상의 저하를 피할 수 없다.

일본 공개특허공보 2008-180342호 일본 공개특허공보 2002-080639호 일본 공개특허공보 2006-037044호

본 발명의 목적은 고정측으로서의 하우징에 고정되고, 이 하우징과 상대 회전하는 축과 슬라이딩 상태가 되는 고무상 탄성체제 립 시일로서, 구조적 해결 수단에 의한 것이 아니라, 재질적 해결 방법으로서 회전 토크나 내 LLC성으로서 문제가 되는 고무상 탄성체의 연화나 체적 팽윤, 또한 회전축에 대한 퇴적물의 발생을 방지할 수 있는 워터 펌프용 립 시일을 제공하는 것에 있다.

이러한 본 발명의 목적은 상기 고무상 탄성체 립 시일로서, 이 립 시일이 고무상 탄성체 100중량부당 보강성 충전제 1~150중량부, 평균 입경 1μm 이상의 비보강성 충전제 5~90중량부, 커플링제 0.1~5중량부, 공가교제 1~15중량부 및 유기 과산화물 0.5~10중량부를 배합한 고무 조성물을 가황 성형하여 이루어지는 워터 펌프용 립 시일에 의해 달성된다.

본 발명에 따른 워터 펌프용 립 시일은 고무상 탄성체에 보강성 충전제, 평균 입경이 1μm 이상의 비보강성 충전제, 커플링제, 공가교제 및 유기 과산화물을 배합한 고무 조성물을 가황 성형함으로써, LLC 등의 수계 유체에 의한 고무 재료의 연화나 팽윤, 회전축에 대한 퇴적물의 발생을 모두 효과적으로 억제할 수 있다.

여기서, 평균 입경이 1μm 이상의 충전제를 첨가하여 사용함으로써, 고무상 탄성체의 경도 상승을 억제하면서, LLC 등의 수계 유체가 침투했을 때의 연화나 체적 팽윤을 억제하는 것이 가능해진다. 또, 충전제가 축과 슬라이딩면 사이의 접촉면에 존재함으로써, 축에 퇴적하기 쉬운 인산계 LLC에 있어서도, 충전제가 퇴적물을 절삭시켜, 퇴적이 보이지 않게 된다. 또한, 립 시일의 슬라이딩면에 표면 거칠기 Ra가 1~30μm정도의 거칠기가 부여되고, 거기에 액막이 형성되어 윤활 상태를 양호하게 함으로써 토크가 저감된다. 또, 토크가 저감됨으로써 슬라이딩 발열이 저감되어, 마모도 억제할 수 있다.

커플링제의 존재는 고무/충전제 사이의 밀착성을 강고하게 하고, LLC가 침투했을 때에 발생하는 고무/충전제 계면에 발생하는 LLC가 고이는 현상이 억제되어, 그 결과 연화나 팽윤이 억제된다. 또, 충전제의 체적 효과에 의해, 팽윤하는 고무 폴리머의 체적이 상대적으로 감소하기 때문에, 이 점에서도 팽윤은 억제된다.

공가교제는 그것을 사용함으로써 가교가 타이트하게 되어, LLC가 침투했을 때의 연화나 팽윤이 억제된다.

워터 펌프용 립 시일을 형성하기 위한 고무상 탄성체로서는 니트릴 고무, 수소화 니트릴 고무, EPDM, 아크릴 고무, 불소 고무 등의 적어도 일종의 임의의 고무상 탄성체를 사용할 수 있지만, 바람직하게는 수소화 니트릴 고무, EPDM 또는 불소 고무가 사용된다.

보강성 충전제로서는 예를 들면 카본블랙, 실리카 등을 들 수 있다. 이들 보강성 충전제는 고무상 탄성체 100중량부당 1~150중량부, 바람직하게는 30~70중량부의 비율로 사용된다. 보강성 충전제의 배합 비율이 이보다 적으면 필요로 하는 고무 물성값이 얻어지지 않고, 한편 이보다 많은 비율로 사용되면 고무의 시일성이 저하되게 된다.

비보강성 충전제로서는 임의의 각종의 것을 사용할 수 있지만, 바람직하게는 규산알루미늄(Al₂0₃·SiO₂), 규산마그네슘(4SiO₂·3MgO·H₂0), 규산칼슘(CaSiO₃) 등의 규산염이나 탄소 섬유, 산화철, 산화티탄, 규조토 등이며, 레이저 해석법을 사용하여 측정된 평균 입경(탄소 섬유에 있어서는 섬유 직경)이 1μm 이상, 바람직하게는 1~40μm인 것이 사용된다. 이러한 평균 입경의 비보강성 충전제를 사용함으로써, 경도 상승을 억제하면서, LLC가 침투했을 때의 연화나 체적 팽윤을 억제할 수 있다. 또, 이러한 충전제가 슬라이딩면에 존재함으로써, 유기 인산계 LLC 사용시에 발생하는 축에 대한 퇴적물을 절삭하여, 퇴적을 억제하는 것이 가능하다. 또한, 슬라이딩면에 약 1~30μm정도의 거칠기가 부여되어, 그것의 작용에 의해 액막이 형성되어 윤활 상태가 양호화하고, 토크의 저감, 슬라이딩 발열의 저감, 마모의 억제 등을 가능하게 한다.

한편, 평균 입경이 1μm 미만의 비보강성 충전제를 사용하면, 퇴적물의 절삭 효과가 작아지고, 유기 인산계 LLC 사용시의 시일성의 확보가 불가능해지고, 또한 액막 형성 능력이 저하하므로, 윤활 상태의 악화로 연결되게 된다.

이들 비보강성 충전제는 고무상 탄성체 100중량부당 5~90중량부, 바람직하게는 5~70중량부의 비율로 사용된다. 충전제의 배합 비율이 이보다 적으면, 본 발명이 목적으로 하는 원하는 효과가 얻어지지 않고, 한편 이보다 많은 배합 비율로 사용되면, 물성 평가(절단시 신장)가 저하되게 된다.

커플링제로서는 실란계, 티탄계, 지르코늄계, 알루미늄계 등의 커플링제가 사용되고, 바람직하게는 실란계 커플링제가 사용된다.

실란계 커플링제로서는 예를 들면 비닐트리클로로실란, 비닐트리메톡시실란, 비닐트리에톡시실란, 2-(3,4-에폭시시클로헥실)에틸트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필메틸디에톡시실란, p-스티릴트리메톡시실란, 3-메타크릴옥시프로필메틸디메톡시실란, 3-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란, N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필메틸디메톡시실란, 3-아미노프로필트리메톡시실란, N-페닐-3-아미노프로필트리메톡시실란 등의 비닐계, 글리시독시계, 메타크릴옥시계 또는 아미노계의 실란계 커플링제가 사용되고, 티탄계 커플링제로서는 예를 들면 티탄디이소프로폭시비스(트리에탄올아미네이트), 티탄락테이트암모늄염, 티탄락테이트, 티탄디옥틸옥시비스(옥틸렌글리콜레이트) 등이, 지르코늄계 커플링제로서는 예를 들면 지르코늄테트라n-부톡시드, 지르코늄테트라아세틸아세토네이트, 지르코늄트리부톡시모노아세틸아세토네이트, 지르코늄모노부톡시아세틸아세토네이트비스(에틸아세토아세테이트), 지르코늄부톡시비스(에틸아세토아세테이트), 지르코늄테트라아세틸아세토네이트, 지르코늄트리부톡시모노스테아레이트 등이, 또 알루미늄계 커플링제로서는 예를 들면 아세토알콕시알루미늄디이소프로필레이트 등이 각각 사용된다.

이들 커플링제는 고무상 탄성체 100중량부당 0.1~5중량부, 바람직하게는 0.5~3중량부의 비율로 사용된다. 커플링제의 배합 비율이 이보다 적으면 침지 시험의 결과가 떨어지게 되고, 한편 이 이상의 배합 비율로 사용되면 파단시 신장 등의 물성 저하로 연결되게 된다.

유기 과산화물로서는 예를 들면 제3부틸퍼옥사이드, 디쿠밀퍼옥사이드, 제3부틸쿠밀퍼옥사이드, 1,1-디(제3부틸퍼옥시)-3,3,5-트리메틸시클로헥산, 2,5-디메틸-2,5-디(제3부틸퍼옥시)헥산, 2,5-디메틸-2,5-디(제3부틸퍼옥시)헥신-3, 1,3-디(제3부틸퍼옥시이소프로필)벤젠, 2,5-디메틸-2,5-디(벤조일퍼옥시)헥산, 제3부틸퍼옥시벤조에이트, 제3부틸퍼옥시이소프로필디카보네이트, n-부틸-4,4-디(제3부틸퍼옥시)발레레이트 등이, 고무상 탄성체 100중량부당 0.5~10중량부, 바람직하게는 1~8중량부의 비율로 사용된다.

유기 과산화물 가교시에는 공가교제로서의 다관능성 불포화 화합물, 예를 들면 트리알릴이소시아누레이트, 트리알릴시아누레이트, 트리알릴트리멜리테이트, 트리메틸올프로판트리메타크릴레이트, N,N'-m-페닐렌비스말레이미드 등이, 고무상 탄성체 100중량부당 1~15중량부, 바람직하게는 2~10중량부의 비율로 사용된다. 이 이하의 배합 비율에서는 침지 시험의 결과가 떨어지고, 즉 충분한 연화나 팽윤의 억제가 불가능하고, 한편 이 이상의 비율로 사용되면 절단시 신장 등의 물성 평가에서 떨어지는 결과가 된다.

이상의 각 성분으로 이루어지는 조성물 중에는 스테아르산, 팔미트산, 파라핀 왁스 등의 가공 조제, 산화아연, 산화마그네슘, 하이드로탈사이트 등의 수산제, 노화방지제, 가소제 등의 고무 공업에서 일반적으로 사용되고 있는 배합제가 필요에 따라서 적당히 첨가되어 사용된다.

고무 조성물의 조제는 인터믹스, 니더, 반바리믹서 등의 혼련기 또는 오픈롤 등을 사용하여 혼련함으로써 행해지고, 그것의 가교는 사출성형기, 압축성형기, 가황 프레스 등을 사용하여, 일반적으로 약150~200℃에서 약3~60분간 정도 가열함으로써 행해지고, 필요에 따라서 약100~200℃에서 약1~24시간 정도 가열하는 2차 가교가 행해진다.

가황 성형된 립 시일에는 평균 입경 1μm 이상의 충전제의 존재에 의해, 그 슬라이딩면의 표면 거칠기 Ra(JIS B 0601로 정의된 산술 평균 높이)가 1~30μm의 요철이 형성되어 있으므로, 고정측으로서의 하우징에 고정되고, 이 하우징과 상대 회전하는 축과 슬라이딩 상태가 되는 고무상 탄성체제 립 시일로서 사용되었을 때, 상기와 같은 각종 효과를 나타내게 된다.

(실시예)

다음에 실시예에 대해서 본 발명을 설명한다.

[실시예 1]

수소화 니트릴 고무(니혼제온제품 Zetpol 2011)〔HNBR〕 100중량부

카본블랙(도카이고무제품 G-S0)〔CB〕 45 〃

규산알루미늄(다케하라카가쿠코교 5호클레이;평균 입경 5.3μm) 15 〃

실란계 커플링제(신에츠실리콘제품 KBM602) 0.5 〃

공가교제A(미츠비시레이온제품 아크리에스테르ED; 6 〃

에틸렌글리콜디메타크릴레이트)

노화방지제(가와구치카가쿠코교제품 안테이지6C; 3 〃

N-1,3-디메틸부틸-N'-페닐-p-페닐렌디아민)

유기 과산화물A(니혼유시제품 퍼부틸P; 3 〃

α,α'-디(제3부틸퍼옥시)디이소프로필벤젠)

이상의 각 성분을 10인치 롤로 혼련하고, 혼련물에 대해서 180℃, 5분간의 1차 가황 및 150℃, 1시간의 오븐 가황(2차 가황)를 행하고, 시트상 고무 시트(두께 2mm) 및 립 시일(슬라이딩면 표면 거칠기 Ra 4μm)을 각각 가황 성형했다.

얻어진 가교물에 대해서, 다음의 각 항목의 측정을 행했다. 또한, 시험편으로서는 물성 평가, 침지 시험에는 시트상 고무를 사용하고, 또 토크 시험, 퇴적 시험에는 립 시일이 사용되었다.

물성 평가 : JIS K6251에 준거하여, 절단시 신장을 측정하고, 150% 이상인 것을 ○, 150% 미만인 것을 ×로 하여 평가함

토크 시험 : 물을 시일 유체로 하여, 직경 15mm의 축을 회전수 0~5000rpm으로 회전시켜 토크를 측정하고, 비교예 1과 비교하여 토크가 낮은 것을 ○, 토크가 동등하거나 그 이상인 것을 ×로 하여 평가함

침지 시험 : IS0 1817에 대응하는 JIS K6258에 준거하여, 유기산계 LLC 수용액(농도 30용적%) 중에, 120℃, 대기압(자연 승온), 2000시간의 조건하에서 침지하고, 침지 후의 체적 변화율이 +10% 미만인 것을 ○, +10% 이상인 것을 ×로 하여 평가함

퇴적 시험 : 인산계 LLC 수용액(농도 30용적%)을 시일 유체로 하여, 6000rpm, 120℃, 0.15MPa, 50시간의 조건하에서 회전 시험을 실시하고, 시험 후 축의 슬라이딩부에 퇴적이 없는 것을 ○, 퇴적이 있는 것을 ×로 하여 평가함

[실시예 2]

실시예 1에 있어서, 규산알루미늄량이 5중량부로 변경되어 사용되었다.

[실시예 3]

실시예 1에 있어서, 규산알루미늄량이 70중량부로 변경되어 사용되었다.

[실시예 4]

실시예 1에 있어서, 규산알루미늄량이 30중량부로 변경되고, 또한 탄소 섬유(오사카가스케미컬제품 도나카보 S-241;섬유 직경 13μm, 섬유 길이 130μm) 15중량부가 사용되었다.

[실시예 5]

실시예 1에 있어서, 수소화 니트릴 고무 대신에, 동량(100중량부)의 EPDM(미츠이카가쿠제품 EPT3045)이 사용되었다.

[실시예 6]

불소 고무(다이킨코교제품 다이엘 G901) 100중량부

카본블랙(G-SO) 45 〃

규산알루미늄(5호 클레이) 15 〃

실란계 커플링제(KBM-602) 0.5 〃

공가교제B(니혼카세이제품 타이크WH-60;트리알릴이소시아누레이트)3 〃

유기 과산화물B(니혼유시제품 퍼헥사25B40; 2 〃

2,5-디메틸-2,5-디(제3부틸퍼옥시)헥산,

순도 40%)

이상의 각 성분을 사용하고, 실시예 1과 마찬가지로 혼련, 가황 성형 및 측정이 행해졌다.

[실시예 7]

실시예 1에 있어서, 규산알루미늄 대신에, 동량(15중량부)의 규산칼슘(NYCO제품 NYAD 1250;평균 입경 4.5μm)이 사용되었다.

[실시예 8]

실시예 4에 있어서, 규산알루미늄 대신에, 동량(30중량부)의 규산칼슘(NYAD 1250)이 사용되었다.

각 실시예에서 얻어진 평가 결과는 사용된 각 성분량(단위:중량부)과 함께, 다음의 표 1에 나타낸다.

[비교예 1]

실시예 1에 있어서, 규산알루미늄 대신에, 동량(15중량부)의 클레이(다케하라카가쿠코교제품 하이드라이트;평균 입경 0.68μm)가 사용되었다.

[비교예 2]

실시예 1에 있어서, 규산알루미늄량이 100중량부로 변경되어 사용되었다.

[비교예 3]

실시예 1에 있어서, 공가교제A량이 20중량부로 변경되어 사용되었다.

[비교예 4]

실시예 1에 있어서, 실란계 커플링제가 사용되지 않았다.

[비교예 5]

실시예 1에 있어서, 공가교제A가 사용되지 않았다.

[비교예 6]

실시예 1에 있어서, 규산알루미늄, 실란계 커플링제 및 공가교제A가 모두 사용되지 않았다.

각 비교예에서 얻어진 평가 결과는 사용된 각 성분량(단위:중량부)과 함께, 다음의 표 2에 나타낸다.

Claims

고정측으로서의 하우징에 고정되고, 이 하우징과 상대 회전하는 축과 슬라이딩 상태가 되는 고무상 탄성체제 립 시일로서,
상기 립 시일은 수소화 니트릴 고무, EPDM 또는 불소 고무인 고무상 탄성체 100중량부당, 카본블랙 또는 실리카인 보강성 충전제 1~150중량부, 평균 입경 1μm 이상의 규산알루미늄 또는 규산칼슘인 비보강성 충전제 5~90중량부, 커플링제 0.1~5중량부, 공가교제 1~15중량부 및 유기 과산화물 0.5~10중량부를 배합한 고무 조성물을 가황 성형하여 이루어지는 워터 펌프용 립 시일.
삭제
제 1 항에 있어서, 보강성 충전제가 30~70중량부 사용된 것을 특징으로 하는 워터 펌프용 립 시일.
제 1 항에 있어서, 1~30μm의 표면 거칠기가 부여된 슬라이딩면을 가지는 것을 특징으로 하는 워터 펌프용 립 시일.
삭제
삭제
제 1 항에 있어서, 평균 입경 1~40μm의 비보강성 충전제가 사용된 것을 특징으로 하는 워터 펌프용 립 시일.
제 1 항에 있어서, 비보강성 충전제가 5~70 중량부 사용된 것을 특징으로 하는 워터 펌프용 립 시일.