(57)【要約】【課題】密封環同士の摺動特性に優れ、摩擦抵抗が小さく、耐用寿命に優れたメカニカルシール機構を廉価に提供する。【解決手段】回転体１２の側に取付けられた回転密封環４のシール面、もしくは上記回転体１２を収納するハウジング１３の側に取付けられた固定密封環７の対向シール面、又はこれら両者のシール面に、例えばＤＬＣから成り、水素含有量が２０原子％以下の硬質炭素薄膜１０を形成すると共に、密封しようとする液体にグリコールの１種又は２種以上のグリコールの混合物を含有させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと該ハウジングに回転自在に収納された回転体の間からの液体の流出又は流入を防止するメカニカルシール機構であって、一端側にシール面を有し上記回転体に取付けられた回転密封環と、当該回転密封環のシール面に摺接する対向シール面を有し上記ハウジングに取付けられた固定密封環を備え、上記回転密封環のシール面と固定密封環の対向シール面の少なくとも一方のシール面が硬質炭素薄膜により被覆されており、上記液体が少なくとも１種のグリコールを含有していると共に、上記硬質炭素薄膜の水素含有量が２０原子％以下であることを特徴とするメカニカルシール機構。
【請求項２】
上記硬質炭素薄膜の水素含有量が１０原子％以下であることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール機構。
【請求項３】
上記硬質炭素薄膜の水素含有量が０．５原子％以下であることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール機構。
【請求項４】
上記硬質炭素薄膜が実質的に水素を含まないことを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール機構。
【請求項５】
上記硬質炭素薄膜の被覆前における基材の表面粗さがＲａで０．１μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載のメカニカルシール機構。
【請求項６】
上記液体がエチレングリコール及び／又はプロピレングリコールを含有していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載のメカニカルシール機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハウジングとハウジング内で回転する軸の間から、油や水などの液体が漏れるのを防止するために用いられるメカニカルシール機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ウォーターポンプのように水中で用いられる機器のメカニカルシールにおいては、回転軸側に取り付けられる回転密封環には炭化珪素、回転軸の周囲に位置するハウジングの側に取り付けられる固定密封環にはカーボン材を使用するのが一般的である。
すなわち、回転密封環に炭化珪素を用いるのは、硬度が高く耐摩耗性に優れると共に、高温高圧の水蒸気に曝されても腐食されないことによる。一方、固定密封環にカーボン材を用いるのは、自己潤滑性に優れ、潤滑状態が悪化した場合にも異常摩耗や異音発生（いわゆる、「鳴き」）を抑制するためである。
【０００３】
なお、回転密封環、固定密封環の両方に、炭化珪素を用いる場合もあるが、この場合には密閉液体による潤滑状態が悪化した場合の異音発生を防止するため、ポーラス状の炭化珪素を適用する必要がある（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−３２３１４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように、炭化珪素は、メカニカルシール用の摺動材として好適な材料ではあるものの、高価な材料であるため、特に上記特許文献１に記載されているように、回転密封環、固定密封環の両方に適用した場合には、材料コストが高騰してしまうという問題がある。また、炭化珪素を用いた摺動材は成熟技術となっており、これ以上摩擦抵抗を低減することは、技術的に困難なものとなっている。
【０００５】
本発明は、従来のメカニカルシール用摺動材料における上記課題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、密封環同士の摺動特性に優れ、摩擦抵抗が小さく、耐用寿命に優れたメカニカルシール機構を廉価に提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、上記課題を達成すべく、メカニカルシールの密封環に好適な摺動材料について種々検討すると共に、これら摺動材料の摺動面に介在することになる密封液体との組合せなどについて鋭意検討を重ねた結果、密封液体にエチレングリコールやプロピレングリコールなどのグリコールを含有させると共に、互いに摺動する両密閉環のうちの少なくとも一方の摺動面に、例えばダイヤモンドライクカーボン（以下、「ＤＬＣ」と称する）などの硬質炭素薄膜による被覆を施すことによって、耐摩耗性と低摩擦抵抗を両立させることができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
すなわち、本発明のメカニカルシール機構は、上記知見に基づくものであって、ハウジングとこのハウジング内に回転可能に収納された回転体の間から液体の流出及び流入を防止するためのメカニカルシール機構において、回転体の側に取付けられて一端側にシール面を備えた回転密封環と、ハウジングの側に取付けられて上記回転密封環のシール面に摺接する対向シール面を備えた固定密封環を有し、上記回転密封環のシール面と固定密封環の対向シール面の少なくとも一方のシール面が、硬質炭素薄膜により被覆されていると共に、上記液体が少なくとも１種のグリコールを含有し、かつ上記硬質炭素薄膜の水素含有量が２０原子％以下であることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、メカニカルシールにおける回転密封環のシール面及び該シール面に摺接する固定密封環の対向シール面のうち、少なくとも一方のシール面にＤＬＣなどの硬質炭素薄膜を被覆すると共に、当該シール機構によって密封しようとする液体にエチレングリコールやプロピレングリコールなどのグリコールを含有させるようにしているので、両シール面の摩擦性能が改善され、摩擦抵抗及び摩耗量が減少し、優れたシール性能を長期に亘って発揮することができると共に、安価な材料を使用することによって大幅なコスト削減が可能になるという優れた効果がもたらされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明について、更に詳細に説明する。なお、本明細書において「％」は、特記しない限り質量百分率を示すものとする。
【００１０】
図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明のメカニカルシール機構を自動車用エンジンの冷却系統に用いられるウォーターポンプに装着した例を示すものであって、本発明のメカニカルシール１は、先端部にインペラ１１を取付けたシャフト（回転体）１２と、当該シャフト１２を収納するポンプハウジング１３の間に装着されて、ハウジング外の冷却液がハウジング１３の内部（シャフト１２との間）に流れ込まないようにシールしている。
【００１１】
上記メカニカルシール１は、図１（ｂ）に拡大して示すように、ステンレス鋼製のスリーブ２と合成ゴム製のガスケット３を介して上記シャフト１２に取付けられたマッチリング（回転密封環）４と共に、同じくステンレス鋼製のカートリッジ５と合成ゴム製のベローズ６を介して上記ハウジング１３に取付けられたシールリング（固定密封環）７を備えており、当該シールリング７は、ばね用ステンレス鋼から成るコイルスプリング８によってマッチリング４に圧接され、シャフト１２と一体的に回転するマッチリング４のシール面に、シールリング７の対向シール面が摺接することによって内外の流通が遮断され、冷却液がシールできるようになっている。
【００１２】
そして、上記両シール面、すなわちマッチリング４のシール面及びシールリング７の対向シール面の少なくとも一方、この例ではマッチリング４のシール面に硬質炭素薄膜１０が成膜してあり、これによって両シール面の摩擦係数が低下し、摩擦抵抗が少なくなって摩耗量が減少し、耐用寿命が向上することになる。
このとき、シールリング７の対向シール面に硬質炭素薄膜を形成することも、これらシール面の双方に硬質炭素薄膜を成膜することも可能であって、同様の効果が得られることになる。
【００１３】
ここで、硬質炭素薄膜としては、炭素を含有する結晶質又は非晶質の薄膜、特にダイヤモンド薄膜及びＤＬＣ薄膜を挙げることができる。
このＤＬＣ材料は、例えばＣＶＤ法（化学気相蒸着法）やＰＶＤ法（物理気相蒸着法）により成膜することができ、炭素原子を主体として構成される非晶質のものであって、炭素同士の結合形態がダイヤモンド構造（ＳＰ３結合）とグラファイト結合（ＳＰ２結合）の両方から成る。
【００１４】
具体的には、炭素元素だけから成るａ−Ｃ（アモルファスカーボン）、水素を含有するａ−Ｃ：Ｈ（水素アモルファスカーボン）、及びチタン（Ｔｉ）やモリブデン（Ｍｏ）等の金属元素を一部に含むＭｅＣなどを好適に用いることができるが、本発明においては、水素含有量が少ないものほど好ましく、水素含有量が２０原子％以下のもの、好ましくは１０原子％以下、特に０．５原子％以下、更には水素を含まないａ−Ｃ系（アモルファスカーボン系）材料を好適に用いることができる。
【００１５】
すなわち、硬質炭素薄膜中の水素含有量が増加すると摩擦係数が増すことから、本発明においては水素含有量の上限を２０原子％とする必要があるが、摺動時の摩擦係数を十分に低下させ、さらに安定した摺動特性を確保するためには、１０原子％以下、さらには０．５原子％以下とすることが望ましい。
【００１６】
一般に、硬質炭素薄膜に含まれる水素量は、成膜方法により左右され、このような水素含有量の低い硬質炭素薄膜は、例えばスパッタリング法やイオンプレーティング法など、水素や水素含有化合物を実質的に使用しないＰＶＤ法によって成膜することによって得られる。
この場合、成膜時に水素を含まないガスを用いるだけでなく、場合によっては反応容器や基材保持具のベーキングや、基材表面のクリーニングを十分に行ったうえで成膜することが被膜中の水素量を減らすために望ましい。
【００１７】
また、上記硬質炭素薄膜を被覆する前の基材の表面粗さについては、硬質炭素薄膜の膜厚が相当に薄いために、成膜後も膜表面の粗さに大きく影響することから、表面粗さＲａ（中心線平均粗さ）を０．１μｍ以下とすることが望ましい。すなわち、基材の表面粗さＲａが０．１μｍを超えて粗い場合には、膜表面の粗さに起因する突起部が相手材との局部的な接触面圧を増大させ、膜の割れを誘発する可能性が高くなることによる。
【００１８】
本発明のメカニカルシール機構において、密封環の材料としては、基本的に従来と同様に炭化珪素やカーボン材を用いることもできるが、少なくとも一方のシール面に硬質炭素薄膜を成膜するようにしているので、密封環同士の摩擦特性（低摩擦性、耐摩耗性）が向上することから、上記材料に限定されることなく、密封しようとする流体の特性に応じた種々のより安価な材料を用いることができるようになり、大幅なコスト削減が可能になる。
【００１９】
例えば、回転密封環に硬質炭素薄膜を被覆する場合の基材としては、ある程度の硬度と耐食性を備えていればよいので、ステンレス鋼の他、露出面の全面を硬質炭素薄膜によって被覆すれば、アルミニウム合金や鋼などを用いることができるようになり、さらなるコスト低減が可能になることから好ましい。
一方、固定密封環の基材としては、回転密封環よりも低硬度で、耐食性、耐摩耗性、低摩擦性に優れていることが要求されるので、カーボン材の他には、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、芳香族ポリアミド、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）、ポリーテルイミド（ＰＥＩ）などの樹脂、特に耐摩耗性を確保するために、これら樹脂をガラス繊維や炭素繊維で補強した繊維強化樹脂材の使用が好ましい。
【００２０】
このように、回転密封環よりも低硬度の基材を固定密封環に用いた場合には、回転密封環により高度の高い水素原子含有量０．５原子％以下の硬質炭素薄膜を被覆すること、及び／又は固定密封環にやや低硬度となる水素原子含有量０．５原子％以下の硬質炭素薄膜を被覆することが耐摩耗性を確保する上でより好ましい。
【００２１】
次に、本発明のメカニカルシール機構によってシールされる液体には、上記したように少なくとも１種のグリコールが含まれており、このような液体が両密封環のシール面間に介在することによって、摩擦特性が大幅に改善されることになる。
ここで、上記グリコールとしては、特に限定されず、例えばエチレングリコール、プロピレングリコール、トリメチレングリコール、ブタンジオール、ペンタンジオール、ヘキサンジオール、ヘプタンジオール、オクタンジオールなどを単独で、あるいはこれらの２種以上を混合して使用することができるが、これらのうちでは、流動特性や冷却効率、また市場での入手のし易さや、価格の点などから、エチレングリコール又はプロピレングリコール、あるいはこれらの混合物を使用することが望ましい。
【００２２】
また、上記グリコールの含有量としては、その１種又は２種以上の合計量として０．１〜９７％の範囲とすることが望ましい。すなわち、グリコールの含有量が０．１％未満では、摩擦抵抗を低減する効果を十分に得られないこととなり、９７％を超えると、添加成分が不溶となる可能性があるため好ましくない。
【００２３】
グリコール以外の成分としては、水やアルコールを挙げることができ、この他に上記液体が接触する金属材料の防錆を目的として、トリアゾール類、チアゾ−ル類、りん酸塩、カルボン酸類などの添加剤を総量として１０％以下の範囲内で添加することができる。
【実施例】
【００２４】
以下、本発明を実施例と比較例によって、さらに具体的に説明するが、本発明は、これら実施例のみに限定されるものではない。
【００２５】
〔摩擦摩耗試験〕
図２に示すように、摺動側試験片としてシリンダー状試験片２１、相手側試験片としてディスク状試験片２２を用いて、シリンダーオンディスク単体往復動摩擦試験を行い、以下に示す条件のもとに、１０分経過後の摩擦係数を測定した。
摩擦試験条件
試験装置    ：シリンダーオンディスク単体往復動摩擦試験装置
摺動側試験片：φ１５×２２ｍｍシリンダー状試験片
相手側試験片：φ２４×７．９ｍｍディスク状試験片
荷重        ：１００Ｎ（摺動側試験片の押し付け荷重）
振幅        ：１．０ｍｍ
周波数      ：５０Ｈｚ
試験温度    ：８０℃
測定時間    ：１０分
【００２６】
（実施例１）
ＪＩＳ  Ｇ４８０５に高炭素クロム軸受鋼鋼材として規定されるＳＵＪ２鋼から、上記のような２４ｍｍ径×７．９ｍｍ厚さのディスク状試験片基材を切り出し、この基材の上部摺動表面にＰＶＤアークイオン式イオンプレーティング法によって、水素量が０．５原子％以下、ヌープ硬度Ｈｋ＝２１７０ｋｇ／ｍｍ２、表面粗さＲｙ＝０．０３μｍのＤＬＣ薄膜を０．５μｍの厚さに成膜し、ディスク状試験片２２を作成し、これを本実施例の相手側試験片（ディスク型試験片）として使用した。なお、上記基材のＤＬＣ成膜面における表面粗さＲａは、０．０１μｍであった。
一方、焼成カーボン材から１５ｍｍ径×２２ｍｍのシリンダー状試験片２１を形成し、これを摺動側試験片として使用し、上記条件による摩擦試験を実施した。なお、当該実施例においては、エチレングリコールを基材とする液体を摺動側試験片２１に塗布した状態で上記摩擦試験を実施した。このような材料の組合せを表１に纏めて示すと共に、その結果を図３に示す。
【００２７】
（実施例２）
表１に示すように、エチレングリコールに代えてプロピレングリコールを基材とする液体を摺動側試験片（シリンダー状試験片２１）に塗布したこと以外は、上記実施例１と同様の摩擦試験を実施し、その結果を図３に併せて示す。
【００２８】
（実施例３）
摺動側試験片として、１５ｍｍ径×２２ｍｍのシリンダー状試験片基材の表面に、ＤＬＣ薄膜を上記実施例１と同様の条件で成膜して成るシリンダー状試験片２１を使用したことを除いて、上記実施例１と同様の摩擦試験を実施した。その結果を図３に併せて示す。
【００２９】
（実施例４）
表１に示すように、エチレングリコールに代えてプロピレングリコールを基材とする液体を摺動側試験片（シリンダー状試験片２１）に塗布したこと以外は、上記実施例３と同様の摩擦試験を実施し、その結果を図３に併せて示す。
【００３０】
（比較例１）
相手側試験片（ディスク状試験片２２）として、ＳｉＣ（炭化珪素）から成る同一サイズのものを使用したことを除いて、上記実施例１と同様の摩擦試験を実施した。その結果を図３に併せて示す。
【００３１】
（比較例２）
相手側試験片（ディスク状試験片２２）として、ＳｉＣ（炭化珪素）から成る同一サイズのものを使用したことを除いて、上記実施例２と同様の摩擦試験を実施した。その結果を図３に併せて示す。
【００３２】
（比較例３）
相手側試験片（ディスク状試験片２２）として、アルミナセラミックスから成る同一サイズのものを使用したことを除いて、上記実施例１と同様の摩擦試験を実施した。その結果を図３に併せて示す。
【００３３】
（比較例４）
相手側試験片（ディスク状試験片２２）として、アルミナセラミックスから成る同一サイズのものを使用したことを除いて、上記実施例２と同様の摩擦試験を実施した。その結果を図３に併せて示す。
【００３４】
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】（ａ）本発明のメカニカルシール機構をウォーターポンプに適用した例を示す断面説明図である。（ｂ）図１（ａ）に示したメカニカルシール機構の拡大断面図である。
【図２】本発明の実施例に用いたシリンダーオンディスク単体往復動摩擦試験機の構造を示す概略図である。
【図３】実施例及び比較例の摩擦係数を比較して示すグラフである。
【符号の説明】
【００３６】
１  メカニカルシール
４  マッチリング（回転密封環）
７  シールリング（固定密封環）
１０  硬質炭素薄膜
１２  シャフト（回転体）
１３  ハウジング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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