(57)【要約】      （修正有）【課題】耐用寿命を延長できる浸水部材、ポンプの提供。【解決手段】液体に浸る浸水部（吸込ベル１１Ａと揚水管１１Ｂとの接続部Ａ）に、ナノサイズの複数のピラーを有するナノピラー構造体８４が設けられている。ナノピラー構造体８４は、ピラー間のナノサイズの隙間に空気を保持し、空気溜まりを形成することができる。この空気溜まりによって、接続部Ａの隙間において発生する毛細管力を低減し、その隙間への液体の浸入を抑制することができる。また、ピラー間の空気溜まりによって液体が侵入しなければ、液体との接液面積も減るため、吸込ベル１１Ａと揚水管１１Ｂの液中での腐食速度を低下させることができる。【選択図】図２
2020115028.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体に浸る浸水部を有し、
前記浸水部に、ナノサイズの複数のピラーを有するナノピラー構造体が設けられている、ことを特徴とする浸水部材。
【請求項２】
第１筒体と、
前記第１筒体に接続される第２筒体と、を有し、
前記ナノピラー構造体が設けられる前記浸水部は、前記第１筒体と前記第２筒体との接続部である、ことを特徴とする請求項１に記載の浸水部材。
【請求項３】
前記接続部は、
前記第１筒体に設けられた第１フランジと、
前記第２筒体に設けられた第２フランジと、
前記第１フランジと前記第２フランジとの間に挟持されたシール部材と、を有し、
前記ナノピラー構造体は、前記第１フランジ及び前記シール部材の少なくともいずれか一方、且つ、前記第２フランジ及び前記シール部材の少なくともいずれか一方の対向面に設けられている、ことを特徴とする請求項２に記載の浸水部材。
【請求項４】
液体に浸る浸水部材を有するポンプであって、
前記浸水部材として、請求項１〜３のいずれか一項に記載の浸水部材を有する、ことを特徴とするポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浸水部材、ポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、腐食環境に設置されるポンプの腐食を予測するポンプ腐食予測システムが開示されている。従来から海水のような高い電気伝導度を持つ液中にポンプを設置した場合、ポンプの異種金属材料を混用した部分で生じる異種金属腐食、あるいは流速分布の不均一性に起因する流速差腐食（流速差に起因する通気差腐食）などのマクロセル腐食の被害を受け易いことが知られている。
【０００３】
このため、上記ポンプ腐食予測システムでは、ポンプにおいて腐食が生じ易い浸水部材（例えばポンプケーシング）と同じ腐食環境（水深）にダミーを設置し、このダミーを定期的に取り出すことで、ダミーの腐食状況からポンプの浸水部材の腐食状況を予測している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２３１８１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記システムでは、浸水部材の腐食状況を定期的に予測できるものの、浸水部材の定期的なメンテナンスは必要であり、浸水部材の耐用寿命を延長することはできない。このため、浸水部材の耐用寿命を延長できる技術が求められている。
上記要請は、ポンプの技術分野に限らず、広く、液体に浸る浸水部材（金属、木、紙、生分解プラスチックなど）を使用する技術分野においても同様に存在する。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、耐用寿命を延長できる浸水部材、ポンプの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明の一態様に係る浸水部材は、液体に浸る浸水部を有し、前記浸水部に、ナノサイズの複数のピラーを有するナノピラー構造体が設けられている。
（２）上記（１）に記載された浸水部材であって、第１筒体と、前記第１筒体に接続される第２筒体と、を有し、前記ナノピラー構造体が設けられる前記浸水部は、前記第１筒体と前記第２筒体との接続部であってもよい。
（３）上記（２）に記載された浸水部材であって、前記接続部は、前記第１筒体に設けられた第１フランジと、前記第２筒体に設けられた第２フランジと、前記第１フランジと前記第２フランジとの間に挟持されたシール部材と、を有し、前記ナノピラー構造体は、前記第１フランジ及び前記シール部材の少なくともいずれか一方、且つ、前記第２フランジ及び前記シール部材の少なくともいずれか一方の対向面に設けられていてもよい。
【０００８】
（４）本発明の一態様に係るポンプは、液体に浸る浸水部材を有するポンプであって、前記浸水部材として、上記（１）〜（３）のいずれかに記載された浸水部材を有する。
【発明の効果】
【０００９】
上記本発明の態様によれば、浸水部材の耐用寿命を延長できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一実施形態に係るポンプの概略構成図である。
【図２】一実施形態に係る吸込ベルと揚水管との接続部における断面模式図である。
【図３】一実施形態に係るナノピラー構造体の拡大図である。
【図４】一実施形態に係るナノピラー構造体の製造方法の一例を示す工程図である。
【図５】一実施形態に係るナノピラー構造体の形成工程で用いた中性粒子ビームエッチング装置の構成図である。
【図６】他の実施形態に係る浸水部材の断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。以下に示す実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために、例を挙げて説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
【００１２】
図１は、一実施形態に係るポンプ１の概略構成図である。
本実施形態のポンプ１は、図１に示すようなポンプ機場に設置されている。このポンプ１は、横軸ポンプ１０と、横軸ポンプ１０を稼働させる補機２０（真空ポンプ２１）と、を備える。なお、ポンプ１は、横軸ポンプ１０でなく、縦軸ポンプを備える形態であっても構わない。また、ポンプ１が揚水する液体は、腐食性が高い液体（例えば海水）であってもよいし、腐食性が低い液体（例えば河川水）であっても構わない。
【００１３】
横軸ポンプ１０は、図１に示すように、吸込口１１ａを有する吸込ベル１１Ａと、吸込ベル１１Ａに接続された揚水管１１Ｂと、揚水管１１Ｂに接続されたポンプケーシング１１Ｃと、ポンプケーシング１１Ｃに接続され、吐出口１１ｂを有する吐出管１１Ｄと、を備える。吸込ベル１１Ａと、揚水管１１Ｂの一部は、吸込水槽２内の液体に浸水している。また、吐出管１１Ｄの一部は、吐出水槽３内の液体に浸水している。
【００１４】
吸込水槽２、吐出水槽３には、吸込側，吐出側の水位を計測する水位計２ａ，３ａが設けられている。ポンプケーシング１１Ｃは、横方向（水平方向）に延びるポンプ軸１２が挿入されている。ポンプ軸１２には、図示しないインペラ（羽根車）が接続されている。また、当該インペラの下流側かつ吐出管１１Ｄの上流側には、吐出弁１３が設けられている。
【００１５】
横軸ポンプ１０は、例えば、内燃機関４によって駆動する。内燃機関４は、エアモーターなどによって始動するディーゼルエンジンである。内燃機関４の駆動軸４ａには減速機５が連結され、減速機５には横軸ポンプ１０のポンプ軸１２が連結されている。内燃機関４を駆動することによって、減速機５を介してポンプ軸１２が回転し、横軸ポンプ１０によって吸込水槽２内の水が揚水されて、その水が吐出水槽３に吐出されるようになっている。
【００１６】
真空ポンプ２１は、横軸ポンプ１０の起動時にポンプケーシング１１Ｃ内の空気を吸引し、ポンプケーシング１１Ｃ内を呼び水で満たす。真空ポンプ２１は、ポンプケーシング１１Ｃに吸気ライン３０（吸気配管）を介して接続されている。吸気ライン３０には、ポンプケーシング１１Ｃ内の呼び水の満水を検知するための満水検知器１４と、吸気ライン３０を開閉するための吸気弁３１（電動弁又は電磁弁）と、が設けられている。
【００１７】
真空ポンプ２１は、電動機２１ａによって駆動する。この真空ポンプ２１は、例えば水封式（具体的にはナッシュ式）真空ポンプであって、その吸気側には補給水を給水する給水管が接続され、排気側には給水された水及び吸い込んだ空気を排出する排出管が接続されている。
【００１８】
上記構成のポンプ１においては、吸込ベル１１Ａと揚水管１１Ｂとの接続部Ａが、吸込水槽２内において液体に浸水している。接続部Ａにおいては、吸込ベル１１Ａと揚水管１１Ｂのそれぞれの金属が近接するため、その隙間に液体が侵入すると、ガルバニック腐食などが生じ易い。
以下、この接続部Ａ（浸水部）における腐食を防止する特徴的な構造について説明する。
【００１９】
図２は、一実施形態に係る吸込ベル１１Ａと揚水管１１Ｂとの接続部Ａにおける断面模式図である。
図２に示すように、本実施形態の接続部Ａには、シール部材１５が挟み込まれている。つまり、接続部Ａは、吸込ベル１１Ａに設けられた第１フランジ１６と、揚水管１１Ｂに設けられた第２フランジ１７と、第１フランジ１６と第２フランジ１７との間に挟持されたシール部材１５と、を有している。第１フランジ１６と第２フランジ１７は、図示しないボルトなどにより締結されている。
【００２０】
第１フランジ１６は、吸込ベル１１Ａの上端部に円環平板状に形成されている。また、第２フランジ１７は、揚水管１１Ｂの下端部に円環平板状に形成されている。シール部材１５は、第１フランジ１６及び第２フランジ１７との間に挟み込まれたガスケットであり、図２に示す例では、第１フランジ１６及び第２フランジ１７と略同様の内径及び外径を有する円環平板状に形成されている。
【００２１】
シール部材１５は、第１フランジ１６の端面１６ａに対向する第１面１５ａと、第２フランジ１７の端面１７ａに対向する第２面１５ｂと、を有する。接続部Ａは、シール部材１５の第１面１５ａと第１フランジ１６の端面１６ａとの隙間、及び、シール部材１５の第２面１５ｂと第２フランジ１７の端面１７ａとの隙間からの液体の浸入を防止するナノピラー構造体８４を有する。
【００２２】
図３は、一実施形態に係るナノピラー構造体８４の拡大図である。
ナノピラー構造体８４は、図３に示すように、ナノサイズのピラー８５（柱状体）を複数有している。ピラー８５は、ベース８６の表面８７において、二次元配置されている。なお、ピラー８５が立設するベース８６は、吸込ベル１１Ａ、揚水管１１Ｂ、シール部材１５などの浸水部材と一体であってもよいし、それら浸水部材と別体であってもよい。ベース８６が浸水部材と別体である場合、ベース８６は、第１面１５ａ、第２面１５ｂ、端面１６ａ、端面１７ａなどに貼り付け可能なシート体であるとよい。
【００２３】
ピラー８５は、ナノサイズの略円柱状ないし略円錐台状に形成されている。すなわち、ナノピラー構造体８４とは、ナノメータオーダーの大きさからなる断面を備えた円柱ないし円錐台の柱状体が、ベース８６の表面８７に亘って複数突設された構造を意味する。
【００２４】
以下、ピラー８５の寸法を例示すると、ピラー８５の直径Ｄは、１００ｎｍ（ナノメートル）以下であって、好ましくは、４ｎｍ〜２０ｎｍ程である。また、ピラー８５の高さＨは、１００ｎｍ以下であって、好ましくは、１０ｎｍ〜１００ｎｍ程である。また、隣り合うピラー８５のピラー間距離Ｓは、１００ｎｍ以下であって、好ましくは、６ｎｍ〜５０ｎｍ程である。
【００２５】
このようなピラー８５は、Ｓｉ（シリコン）やカーボン（グラフェン）など、無機／有機いずれの基材（ベース８６）に対しても形成可能である。例えば、ベース８６が有機基材の場合、表面８７にＳｉをスパッタしてから、以下の説明（Ｓｉウェハ基材の場合）と同様にして製造することができる。
【００２６】
図４は、一実施形態に係るナノピラー構造体８４の製造方法の一例を示す工程図である。
本手法では、先ず、図４（ａ）に示すように、ベース８６として、無機基材のＳｉウェハ基材を用意する。なお、ベース８６が有機基材の場合、上述したように有機基材のベース８６の表面８８にＳｉをスパッタするとよい。このようなベース８６を用意したら、ベース８６の表面８８（ピラー８５形成前）に酸化膜（ＳｉＯ２）を形成する。
【００２７】
次に、図４（ｂ）に示すように、酸化膜を形成したベース８６の表面に、金属核１０１をたんぱく質１０２に内包したフェリチン１００を二次元配置する。フェリチン１００は、リステリアフェリチン、バイオコンジュゲートとも呼ばれている。フェリチン１００は、鉄コアとも呼ばれる酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）からなる金属核１０１が、ポルフィリンという環状の化合物の中心に結合しているヘム基を含むたんぱく質１０２に内包された構造を有する。フェリチン１００は、金属核１０１内に、例えば４５００原子もの鉄イオン（Ｆｅ３＋）を含有しうる物質であり、また、２４個のポリペプチドサブユニットを含む約４８０ｋＤａの複合体たんぱく質である。
【００２８】
次に、図４（ｃ）に示すように、フェリチン１００のたんぱく質１０２を酸素雰囲気中でアニールして除去する。これにより、ベース８６の表面８８の酸化膜上には、酸化鉄コアからなる金属核１０１が残され、金属核１０１が二次元に配列された状態となる。これら金属核１０１が、次の工程のエッチング用マスクとなる。
【００２９】
次に、図４（ｄ）に示すように、金属核１０１をマスクとしたＮＦ３ガス／水素ラジカル処理で、マスクから露出したベース８６の表面８８の酸化膜（ＳｉＯ２）を除去すると共に、さらに金属核１０１とその下の酸化膜をマスクにし、異方性（垂直）の中性粒子ビーム（ＮＢ）エッチングを行う。この工程で、マスクの周囲が表面８７（ピラー８５形成後）までエッチングされることで、マスクの形状がピラー８５としてベース８６に転写される。
【００３０】
最後に、金属核１０１をＨＣｌ（塩酸）のウェットエッチングで除去する。なお、金属核１０１の下の酸化膜は、ＮＦ３処理等で除去することができる。このようにして、図３に示すような、ナノサイズの複数のピラー８５が配列されたナノピラー構造体８４を作製することができる。なお、ここでいう「配列」とは、複数のピラー８５の配置及び形状に規則性がある（ランダムではない）ことを意味するが、作製誤差等に起因する多少の位置ズレ、多少の形状の不均一さは許容する。ちなみに、ピラー間距離Ｓは、図４（ｂ）に示すたんぱく質１０２に適当な分子量のＰＥＧ（ポリエチレングリコール）を装飾することで制御可能である。
【００３１】
図５は、一実施形態に係るナノピラー構造体８４の形成工程で用いた中性粒子ビームエッチング装置２００の構成図である。
図５に示すように中性粒子ビームエッチング装置２００は、ベース８６（基材）を支持する支持台２０１と、ベース８６に中性粒子ビームを照射する中性粒子ビーム照射装置２０２と、を有している。
【００３２】
中性粒子ビーム照射装置２０２は、ビーム生成部２０３と、オリフィス板２０４と、を有する。ビーム生成部２０３では、ＳＦ６，ＣＨＦ３，ＣＦ４，Ｃｌ２，Ａｒ，Ｏ２，Ｎ２，Ｃ４Ｆ８等のガスを導入すると共に、プラズマ化するものである。オリフィス板２０４は、このプラズマ化により発生したイオンを加速すると共に中性化し、その中性化した中性粒子ビームをベース８６に照射するものである。
【００３３】
オリフィス板２０４は、複数の開口部２０４ａを有し、ビーム生成部２０３と支持台２０１との間に配置されている。このオリフィス板２０４は、表面が誘電膜で覆われた電極であり、イオンを加速させて、開口部２０４ａに導く。イオンは、開口部２０４ａの周壁において中性化されるか、開口部２０４ａの内部に残留しているガスとの電荷交換によって中性化されるか、あるいは、オリフィス板２０４の誘電膜に帯電した電子と再結合することによって中性化され、中性粒子ビームとなる。
【００３４】
オリフィス板２０４の通過中に中性化された中性粒子ビームは、開口部２０４ａから直進して支持台２０１に載置されたベース８６に照射され、この中性粒子ビームによってベース８６のエッチング処理を行うことが可能となる。オリフィス板２０４は、イオンを中性化する手段としてだけではなく、プラズマから発生する放射光がベース８６に照射されるのを防止する手段としても機能する。これにより、ベース８６に損傷を与えるような紫外線などの影響を低減することができる。また、ガラスやセラミック材料等の絶縁物の加工に際しては、表面にチャージアップという問題が生じるが、このように中性化された中性粒子を照射することによりチャージアップ量を小さく保ちながら、高精度のエッチングが可能となる。
【００３５】
なお、ナノピラー構造体８４の形成工程においては、ベース８６の材質に応じて、上述した手法以外のドライエッチング方法も使用できる。例えば、米国特許第８９０６２４４号明細書に示されたような電子線リソグラフィ技術を用いてドライエッチングを行う方法などを用いてもよい。あるいは、例えば、特表２０１５−５３１８１６号公報や特開２０１８−１６１７１４号公報に示されたような、ベース層上にナノピラーが配列しているハイブリッドナノ構造体を製造する方法などを用いてナノピラー構造体８４を形成してもよい。
【００３６】
上記構成のナノピラー構造体８４によれば、図２に示すように、吸込ベル１１Ａと揚水管１１Ｂとの接続部Ａへの液体の浸入を抑制できる。すなわち、ナノピラー構造体８４は、ピラー８５間のナノサイズの隙間に空気を保持し、空気溜まりを形成することができる。この空気溜まりによって、接続部Ａの隙間において発生する毛細管力を低減し、その隙間への液体の浸入を抑制することができる。また、ピラー８５間の空気溜まりによって液体が侵入しなければ、液体との接液面積も減るため、吸込ベル１１Ａと揚水管１１Ｂの液中での腐食速度を低下させることができる。
【００３７】
したがって、上述の本実施形態によれば、液体に浸る浸水部（この例では接続部Ａ）に、ナノサイズの複数のピラー８５を有するナノピラー構造体８４を設けることで、浸水部材（この例では吸込ベル１１Ａと揚水管１１Ｂ）の耐用寿命を延長できる。
また、このナノピラー構造体８４を接続部Ａに備えるポンプ１によれば、接続部Ａにおけるメンテナンス頻度を低減し、稼働可能な時間を増やすことができる。
【００３８】
図６は、他の実施形態に係る浸水部材４０、４１の断面模式図である。
図６において紙面左側に示す浸水部材４０は、金属などの無機材料であって、その浸水部（表面）に上述したナノピラー構造体８４が設けられている。この浸水部材４０は、例えば、腐食性の高い液体の成分を分析するために、その液体の中にプローブなどを浸す分析装置などに適用することができる。つまり、プローブの表面（浸水部）にナノピラー構造体８４を設けることで、プローブの腐食速度を低下させ、耐用寿命を延長させることができる。
【００３９】
また、図６において紙面右側に示す浸水部材４１は、木、紙、生分解プラスチックなどの有機材料であって、その浸水部（表面）に上述したナノピラー構造体８４が設けられている。この浸水部材４１は、例えば、紙製ストローなどに適用することができる。つまり、紙製ストローの浸水部にナノピラー構造体８４を設けることで、紙製ストローの湿潤速度を低下させ、耐用寿命を延長させることができる。
【００４０】
以上、本発明の好ましい実施形態を記載し説明してきたが、これらは本発明の例示的なものであり、限定するものとして考慮されるべきではないことを理解すべきである。追加、省略、置換、およびその他の変更は、本発明の範囲から逸脱することなく行うことができる。従って、本発明は、前述の説明によって限定されていると見なされるべきではなく、特許請求の範囲によって制限されている。
【００４１】
例えば、上記実施形態では、図２に示すように、吸込ベル１１Ａとシール部材１５の両者の対向面（端面１６ａ、第１面１５ａ）にナノピラー構造体８４を設けているが、片方の対向面のみにナノピラー構造体８４を設けてもよい。
【００４２】
また、上記実施形態では、揚水管１１Ｂとシール部材１５の両者の対向面（端面１７ａ、第２面１５ｂ）にナノピラー構造体８４を設けているが、片方の対向面のみにナノピラー構造体８４を設けてもよい。
【００４３】
さらに、上記実施形態では、吸込ベル１１Ａと揚水管１１Ｂとの間にシール部材１５を挟み込んでいたが、シール部材１５がなく、吸込ベル１１Ａと揚水管１１Ｂが直接接続されていてもよい。この場合、吸込ベル１１Ａの端面１６ａ及び揚水管１１Ｂの端面１７ａの少なくともいずれか一方にナノピラー構造体８４を設けるとよい。
【００４４】
また、ナノピラー構造体８４を適用する浸水部は、吸込ベル１１Ａと揚水管１１Ｂとの接続部Ａに限られるものではなく、他の浸水部においても同様に適用することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１  ポンプ
１１ａ  吸込口
１１ｂ  吐出口
１１Ａ  吸込ベル（浸水部材、第１筒体）
１１Ｂ  揚水管（浸水部材、第２筒体）
１１Ｃ  ポンプケーシング
１１Ｄ  吐出管（浸水部材）
１５  シール部材
１５ａ  第１面（対向面）
１５ｂ  第２面（対向面）
１６  第１フランジ
１６ａ  端面（対向面）
１７  第２フランジ
１７ａ  端面（対向面）
４０  浸水部材
４１  浸水部材
８４  ナノピラー構造体
８５  ピラー
８６  ベース
Ａ  接続部（浸水部）
【図１】
2020115028.tif 000003
【図２】
2020115028.tif 000004
【図３】
2020115028.tif 000005
【図４】
2020115028.tif 000006
【図５】
2020115028.tif 000007
【図６】
2020115028.tif 000008