(57)【要約】  超純水、純水等の水環境で使用する場合であっても、ＳｉＣ製の摺動環へのＳｉＯ２の付着を極力抑制でき、長期に安定したシール効果を維持できる水環境で使用するメカニカルシール装置及びその摺動環を提供することを目的とする。  ＳｉＣ製の静止側摺動環と当該静止側摺動環に対向して配置されるＳｉＣ製の回転側摺動環との対向した摺動面同士が密接することにより超純水、純水等の比抵抗値の高い被密封流体をシールする水環境で使用するメカニカルシール装置において、前記摺動面を含む摺動環は、母材としてのＳｉＣにＡｌ添加剤が配合された材料の焼結体で構成されており、該摺動面を含む摺動環の比抵抗値を１００Ω・ｃｍ以下である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣ製の静止側摺動環と当該静止側摺動環に対向して配置されるＳｉＣ製の回転側摺動環との対向した摺動面同士が密接することにより超純水、純水等の比抵抗値の高い被密封流体をシールするメカニカルシール装置において、
前記摺動面を含む摺動環は、母材としてのＳｉＣにＡｌ添加剤が配合された材料の焼結体で構成されており、該摺動面を含む摺動環の比抵抗値は１００Ω・ｃｍ以下であることを特徴とする水環境で使用するメカニカルシール装置。
【請求項２】
前記摺動環が４Ｈ結晶構造を摺動面に１５％以上含むＳｉＣであることを特徴とする請求項１に記載の水環境で使用するメカニカルシール装置。
【請求項３】
前記摺動環が１５Ｒ結晶構造を含むＳｉＣであることを特徴とする請求項２に記載の水環境で使用するメカニカルシール装置。
【請求項４】
前記静止側摺動環における摺動面を含む摺動環本体と、前記回転側摺動環における摺動面を含む摺動環本体と、の両摺動環本体が、母材としてのＳｉＣにＡｌ添加剤が配合された材料の焼結体で構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の水環境で使用するメカニカルシール装置。
【請求項５】
少なくとも一方の前記摺動環は、その焼結体の摺動面に平均径１０〜６０μｍの気孔が露出していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の水環境で使用するメカニカルシール装置。
【請求項６】
少なくとも一方の前記摺動環は、前記Ａｌ添加剤が、平均径１０〜６０μｍの酸化アルミであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の水環境で使用するメカニカルシール装置。
【請求項７】
前記摺動環は、Ｂ源０．０５〜０．５ｗｔ％、Ｃ源１．０〜３．０ｗｔ％及びＡｌ添加剤０．２５〜１．２５ｗｔ％、所定量の結合剤、分散剤、離型剤、残部としてＳｉＣが配合された材料の焼結体であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の水環境で使用するメカニカルシール装置。
【請求項８】
摺動面を含む摺動環が、ＳｉＣにＡｌ添加剤が配合された材料の焼結体で構成され、該摺動面を含む摺動環の比抵抗値が１００Ω・ｃｍ以下であることを特徴とする水環境で使用するメカニカルシール装置の摺動環。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静止側摺動環と静止側摺動環に対向して配置される回転側摺動環との対向した摺動面同士が密接することにより被密封流体をシールする水環境で使用するメカニカルシール装置及びその摺動環に関する。
【背景技術】
【０００２】
メカニカルシール装置は、静止側摺動環と静止側摺動環に対向して配置される回転側摺動環との対向した摺動面には、用途に応じて種々の素材が利用されている。【０００３】
特にコンタミを嫌う用途では、摺動環からの磨耗が少ない、ＳｉＣが摺動環の材料として用いられる。例えば、洗浄や冷却のために超純水、純水が用いられる、半導体製造工場や原子力関連施設等において使用されるメカニカルシールの両摺動環にも、前記したＳｉＣ製の摺動環が採用されている。しかしながら、両摺動環の摺動面に二酸化珪素（ＳｉＯ２）が堆積し表面が白色化する現象が確認されている。【０００４】
ＳｉＯ２は被密封流体の汚染源となるばかりか、ＳｉＯ２の堆積により摺動面のシール性を損ったり、摺動面にチッピングや面荒れが生じる不具合も確認されている。チッピングや面荒れのメカニズムは正確には解明されていないが、これらは摺動面へのＳｉＯ２の堆積との関係があることが発明者らの研究から判明した。【０００５】
摺動面の異常磨耗を招く要因と考えられているこれらＳｉＯ２の堆積は、超純水、純水等の高い比抵抗値（４ＭΩ・ｃｍ以上）にも原因があると考えられている。摺動面にＳｉＯ２が堆積しないようにするために、一方の摺動環又は両摺動環の摺動面に比抵抗値が１Ω・ｃｍ以下のＳｉＣ化学蒸着膜を設けるものが提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２５５９７号公報（段落００２４、００２７、００３１、図２、３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記した特許文献１にあっては、比抵抗値の高い焼結体のＳｉＣにより形成された摺動環に比抵抗値が低い２０Ω・ｍ、膜厚５０μｍのＳｉＣ化学蒸着膜が施されている。しかしながら、特許文献１に示される膜厚の薄いＳｉＣ化学蒸着膜にあっても、ＳｉＯ２の堆積により摺動面のシール性を損ったり、摺動面にチッピングや面荒れが生じる不具合が十分に解決されないのが現状である。【０００８】
その原因として、ＳｉＣ化学蒸着膜はその製法上、厚みに限界があり、摺動部に発生する電荷の量によっては導電経路の通過断面が狭く摺動部に発生した電荷を迅速に逃がすことができず、ＳｉＯ２の付着を十分に抑制できないことが考えられる。特にＳｉＣ化学蒸着膜を施す位置によっては、電荷を逃がす導電経路が制限され、この問題が顕著となる。【０００９】
本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、超純水、純水等の水環境で使用する場合であっても、ＳｉＣ製の摺動環へのＳｉＯ２の付着を極力抑制でき、長期に安定したシール効果を維持できるメカニカルシール装置及びその摺動環を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するために、本発明の水環境で使用するメカニカルシール装置は、
ＳｉＣ製の静止側摺動環と当該静止側摺動環に対向して配置されるＳｉＣ製の回転側摺動環との対向した摺動面同士が密接することにより超純水、純水等の比抵抗値の高い被密封流体をシールする水環境で使用するメカニカルシール装置において、
前記摺動面を含む摺動環は、母材としてのＳｉＣにＡｌ添加剤が配合された材料の焼結体で構成されており、該摺動面を含む摺動環の比抵抗値は１００Ω・ｃｍ以下であることを特徴としている。
この特徴によれば、前記摺動面を含む摺動環は、ＳｉＣにＡｌ添加剤が配合された材料の焼結体で一体に製造されているため、摺動環自体は比抵抗値が１００Ω・ｃｍ以下の低抵抗、かつ大容積の吸電体として機能し、摺動面に電荷が溜まりにくくなる。そのため、電気化学的反応による摺動面及びその近傍へのＳｉＯ２の付着や摺動面の腐食が抑制され、良好なシール性を長期に確保できることになる。【００１１】
前記摺動環が４Ｈ結晶構造を摺動面に１５％以上含むＳｉＣであることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動環の比抵抗値を低減することができ、水環境で使用しても摺動面に堆積が生じず良好なシール性を確保できる。【００１２】
前記摺動環が１５Ｒ結晶構造を含むＳｉＣであることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動環の比抵抗値を低減することができ、水環境で使用しても摺動面に堆積が生じず良好なシール性を確保できる。【００１３】
前記静止側摺動環における摺動面を含む摺動環本体と、前記回転側摺動環における摺動面を含む摺動環本体と、の両摺動環本体が、母材としてのＳｉＣにＡｌ添加剤が配合された材料の焼結体で構成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動面に生ずる電荷に対して両摺動環本体が協働して大容積の吸電体として機能することになるため、ＳｉＣ製の摺動環へのＳｉＯ２の付着を、極力抑制できることになる。なお、摺動環本体は摺動環の摺動面と本体部とを有するものであり、摺動環本体のみにより摺動環が構成される場合と、摺動環本体と他体とにより摺動環が構成される場合とが含まれる。【００１４】
少なくとも一方の前記摺動環は、その焼結体の摺動面に平均径１０〜６０μｍの気孔が露出していることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動面に微小な気孔が露出されているため、気孔に被密封流体や潤滑剤等が入り込み潤滑効果が向上する。【００１５】
少なくとも一方の前記摺動環は、前記Ａｌ添加剤が、平均径１０〜６０μｍの酸化アルミであることを特徴としている。
この特徴によれば、前記Ａｌ添加剤に起因して、摺動面に平均径１０〜６０μｍの気孔が形成される。摺動面に微小な気孔が露出するため、気孔に被密封流体や潤滑剤等が入り込み潤滑効果が向上する。【００１６】
前記摺動環は、Ｂ源０．０５〜０．５ｗｔ％、Ｃ源１．０〜３．０ｗｔ％及びＡｌ添加剤０．２５〜１．２５ｗｔ％、所定量の結合剤、分散剤、離型剤、残部としてＳｉＣが配合された材料の焼結体であることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動環の比抵抗値が１００Ω・ｃｍ以下と低く、水環境で使用しても白色のＳｉＯ２堆積物が発生し難く、良好なシール性を確保できる。【００１７】
摺動面を含む摺動環が、ＳｉＣにＡｌ添加剤が配合された材料の焼結体で構成され、該摺動面を含む摺動環の比抵抗値が１００Ω・ｃｍ以下であることを特徴としている。
この特徴によれば、前記摺動面を含む摺動環が、ＳｉＣにＡｌ添加剤が配合された材料の焼結体であるため、摺動環自体は比抵抗値が１００Ω・ｃｍ以下の低抵抗、かつ大容積の吸電体として機能し、摺動面に電荷が溜まりにくくなる。そのため、電気化学的反応による摺動面及びその近傍へのＳｉＯ２の付着や摺動面の腐食が抑制され、良好なシール性を長期に確保できることになる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】メカニカルシール装置のシール性能を評価する試験装置の概略図である。
【図２】試料Ａの摺動環の摺動面を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による撮像画である。
【図３】試料Ｂの摺動環の摺動面を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による撮像画である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明に係る水環境で使用するメカニカルシール装置及びその摺動環を実施の形態に基づいて以下に説明する。
【００２０】
メカニカルシール装置の摺動環を製造するための材料の配合Ａ〜Ｃについて説明する。各配合は以下のとおりである。
配合Ａ
・主成分：炭化珪素微粉末(平均粒子径：０．７μｍ、純度９７％)、残部
・Ｂ源：炭化ホウ素微粉末(平均粒子径：０．６μｍ)、０．１４ｗｔ％
・Ｃ源：水溶性フェノール樹脂、２．０ｗｔ％
・Ａｌ添加剤：酸化アルミニウム粉末、０．５ｗｔ％、平均粒子径０．５μｍ
・その他：所定の量の結合剤、分散剤、離型剤
配合Ｂ
・主成分：炭化珪素微粉末(平均粒子径：０．７μｍ、純度９７％)、残部
・Ｂ源：炭化ホウ素微粉末(平均粒子径：０．６μｍ)、０．１４ｗｔ％
・Ｃ源：水溶性フェノール樹脂、２．０ｗｔ％
・Ａｌ添加剤：酸化アルミニウム粉末、１．０ｗｔ％、平均粒子径2.0μｍ
・その他：所定の量の結合剤、分散剤、離型剤
配合Ｃ
・主成分：炭化珪素微粉末(平均粒子径：０．７μｍ、純度９７％)、残部
・Ｂ源：炭化ホウ素微粉末(平均粒子径：０．６μｍ)、０．１４ｗｔ％
・Ｃ源：水溶性フェノール樹脂、２．０ｗｔ％
・その他：所定の量の結合剤、分散剤、離型剤
【００２１】
配合Ａ〜Ｃの調合原料を振動ミルに投入し２時間混合してスラリー化した。このスラリーを噴霧乾燥して炭化珪素の顆粒を作製した。次に、これらの顆粒それぞれ金型に充填し、摺動環(静止側摺動環と回転側摺動環)の形状に成形した。成形された摺動環を、脱脂後、Ａｒ（アルゴン）雰囲気において摂氏２１００°で２時間焼結した。得られた焼結体の摺動面になる面にラップ加工を施して表面粗さをＲａ０．０８μｍとし、試料Ａ〜Ｃを得た。
【００２２】
図２のＳＥＭ撮像画に示されるように、試料Ａは、ラップ加工が施された摺動面に、平均径が２０μｍ程度の気孔が概ね５００μｍ四方内に１〜２個程度の分布が観察された。すなわち、開気孔率は１．０％未満であった。図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のＳＥＭ撮像画に示されるように、試料Ｂは、ラップ加工が施された摺動面に、平均径が２０μｍ程度の気孔が概ね１００μｍ四方内に１〜２個程度の分布が観察された。すなわち、開気孔率は１．０〜５．０％の範囲であった。開気孔率は全開気孔の面積占有率として、顕微鏡を用いて、倍率１００倍にして、ＣＣＤカメラで摺動面の画像を取り込み、画像解析装置（旭化成エンジニアリング社製（Ａ像くん））により画像内の１視野の測定面積を９．０×１０−２ｍｍ２、測定視野数を１０、測定総面積を９．０×１０−１ｍｍ２として測定すればよい。
また、気孔の有無は、１００μｍ四方内に０．５以上の開気孔の有無を基準として判断した。焼結体に気孔が含まれた試料Ｂについて、気孔率をＪＩＳ１６３４により測定したところ５体積％であった。一方、試料Ａ、試料Ｃについては０体積％であった。
更に、摺動面における結晶構造を面積比で測定したところ、配合Ａ，Ｂ中のＳｉＣに４Ｈ結晶構造が多く含まれることを確認した。
これら、配合Ａ〜Ｃ及び試料Ａ〜Ｃの成分、気孔及びＳｉＣ結晶構造を表１にまとめた。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
上述により得られた静止側摺動環及び静止側摺動環を使用して図１に示す試験装置を用いてメカニカルシール装置の性能を評価した。試験条件については後述する。試験装置は、ハウジング１に固定された静止側摺動環１０，１０、軸２に固定された回転側摺動環１１，１１、タンク３からハウジング１内に純水を供給するインジェクションポンプ４から構成されている。
【００２５】
焼結により形成された静止側摺動環１０は、外径８１ｍｍ、内径５６ｍｍ、軸方向長さ２７ｍｍ、摺動突起部の外径６６ｍｍ、内径５９ｍｍ、軸方向長さ３ｍｍである。同様に焼結により形成された回転側摺動環１１は、摺動部側の外径７５ｍｍ、内径５６ｍｍ、軸方向長さ１０ｍｍ、中間部の外径７７ｍｍ、内径６９ｍｍ、軸方向長さ１７ｍｍ、摺動部とは反対側である二次シール側の外径７７ｍｍ、内径６９ｍｍ、軸方向長さ２７ｍｍである。
【００２６】
これらの形状に形成された回転側摺動環の比抵抗値は、配合Ａの焼結体が１７Ω・ｃｍ、配合Ｂの焼結体が２９Ω・ｃｍ、配合Ｃの焼結体が１．０×１０８Ω・ｃｍであった。同様に、静止側摺動環の比抵抗値は、配合Ａの焼結体が６Ω・ｃｍ、配合Ｂの焼結体が１４Ω・ｃｍ、配合Ｃの焼結体が１．０×１０８Ω・ｃｍであった。
【００２７】
上記の結果から、４Ｈ結晶構造としては摺動面に面積比で１５％以上、好ましくは２５％以上、より好ましくは４０％以上含むと良い。また、４Ｈ結晶構造に加え、１５Ｒ結晶構造が含まれていると良い。
【００２８】
実施例１〜２、比較例１〜３として、回転側摺動環と静止側摺動環として次のような配合の焼結体の組み合わせにより試験を行った。
(実施例１)両摺動環とも配合Ａの焼結体
(実施例２)両摺動環とも配合Ｂの焼結体
(比較例１)両摺動環とも配合Ｃの焼結体
(比較例２)回転側摺動環は配合Ａの焼結体、静止側摺動環は配合Ｃの焼結体
(比較例３)回転側摺動環は配合Ｂの焼結体、静止側摺動環は配合Ｃの焼結体
【００２９】
（試験条件）
シール液：超純水
液温：２０℃
液圧：０．３ＭＰａ
軸回転数：１８００ｒｐｍ
評価時間：２０時間
【００３０】
（評価方法）
上述の試験条件により試験をした後、試験装置から回転側摺動環及び静止側摺動環の摺動面を顕微鏡によりＳｉＯ２の堆積の有無を観察した。また、試験中に試験装置外に漏れた超純水を回収しその量を計量した。
これらの結果を表２にまとめた。
【００３１】
【表２】
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【００３２】
表２に示されるように、両摺動環とも比抵抗値が小さい実施例１、２は、漏れも無く、摺動面の変化も認められなかった。一方、両摺動環とも比抵抗値が大きい比較例１は漏れが発生しＳｉＯ２の堆積も認められた。また、回転側摺動環の比抵抗値が小さく、静止側摺動環の比抵抗値が大きい比較例２、３は漏れが多量でありＳｉＯ２の堆積も認められた。
【００３３】
一方の摺動環の比抵抗値が大きいと、ＳｉＯ２の堆積が認められ、シール部材としては好ましくないことが判明した。さらに、比較例２、３のように、比抵抗値が小さい回転側摺動環と比抵抗値が大きい静止側主動環とを組み合わせると、漏れが大量になることが判明した。この原因については、明らかではないものの、摺動部を介して比抵抗値の大きい静止側摺動環から比抵抗値の小さい回転側摺動環に電荷（電子）が移動することが何らかの影響を及ぼしていると推測される。
【００３４】
このことから、両摺動環とも比抵抗値が小さい１００Ω・ｃｍ以下の焼結体を用いると、漏れも無く、摺動面にＳｉＯ２が堆積しないことから好ましい。また、摺動環を焼結により製造しているため、化学蒸着処理が不要であり、製造プロセスが単純である。特に摺動環の摺動面以外の内面等にも化学蒸着処理をする場合に比較し製造プロセスが単純である。さらに、比抵抗値が小さい１００Ω・ｃｍ以下の焼結体自体を摺動環に用いるため、摺動環全体が低抵抗体となり、摺動面に発生された電荷を迅速に除去することができる。すなわち、上述の摺動環は、それ自身がＳｉＣで構成されているため、ＳｉＣ膜に比較し、多くの電荷を吸電する吸電体として機能することができる。さらに、摺動環を導電性のハウジング、押圧バネ、ハウジング、リテーナ等の導電性部材に接触される構成とすれば、摺動環から導電性部材に電荷が逃げるから好ましい。そして、摺動環の全体の比抵抗値が小さいため、導電性部材に接触させる構成とする場合にその構成が容易である。
【００３５】
また、表１に示されるように、配合Ｂの焼結体は、摺動面に平均径２０μｍの気孔が形成されることが確認された。配合Ａ、Ｃの焼結体は気孔がほとんど確認されないことから、気孔の平均径は酸化アルミの平均径が関連していると考えられる。このことから、Ａｌ添加剤としての酸化アルミの平均径は１０〜６０μｍが好ましい。摺動面に微小な気孔が露出されていると、気孔に被密封流体や潤滑剤等が入り込み潤滑効果が向上される。ここで、気孔の平均径が１０μｍよりも小さいと潤滑効果の向上が少なく、６０μｍよりも大きいと気孔周りの強度が小さく摺動面が荒れる要因となる、と考えられる。また、焼結体自体が気孔を有しているため、摺動面が磨耗しても摺動環内部から新たな気孔が露出されるため、経年的に気孔による作用が少なくなることもない。また、焼結体自体の気孔を利用するため、蒸着膜に気孔を設けたものに比べ、上述の経年的な作用に加え、その製造が容易である。
【００３６】
以上、本発明の実施の形態を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。
【００３７】
例えば、上述した実施の形態では、メカニカルシール装置はタンデム型のものを例に説明したがこれに限られない。両摺動環とも比抵抗値が小さい１００Ω・ｃｍ以下の焼結体を用いる場合について説明したが、一方の摺動環を比抵抗値が小さい１００Ω・ｃｍ以下の焼結体として、他方の摺動環として摺動面近傍のみが比抵抗が小さいものとの組み合わせであってもよい。
【００３８】
また、Ｂ源として、炭化ホウ素微粉末を例に説明したが、炭化ホウ素微粉末以外であってもよい。要するに、ホウ素が焼結助剤として機能し、焼結体が所望の強度や硬度が得られる材料であればよい。
また、Ｃ源として、水溶性フェノール樹脂を例に説明したが、水溶性フェノール樹脂以外のカーボンブラックであってもよい。上述と同様に、要するに、炭素が焼結助剤として機能し、焼結体が所望の強度や硬度が得られる材料であればよい。
また、Ａｌ添加剤として酸化アルミニウム粉末を例に説明したが、酸化アルミニウム粉末以外の窒化アルミニウム粉であってもよい。要するに、アルミニウムが低電気抵抗体として機能し、焼結体が所望の比抵抗値が得られる材料であればよい。
【符号の説明】
【００３９】
１０                静止側摺動環
１１                回転側摺動環
【図１】
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【図２】
2016152437.tif 000006
【図３】
2016152437.tif 000007
【国際調査報告】
2016152437.tif 000008
2016152437.tif 000009