(57)【要約】【課題】本発明は、簡易な構成で水漏れが少なく、振動（鳴き）の少ないウォーターポンプ用メカニカルシールを提供する物である。【解決手段】ポンプのケーシングに対し、その車夫と貫通孔を囲むように固定されるリング状の固定側摺動部材１と、シャフトを囲み固定側摺動部材１に摺接する回転側摺動部材４より構成されるメカニカルシールであって、固定側摺動部材１の摺動面における内周側エリアにフッ素系化合物とセラミックスの撥水性複合膜３を形成し、外周側エリアに有機物とセラミックスの親水性複合膜２を形成した構成とし、漏水を少なくし、潤滑作用を安定に保つメカニカルシールを実現する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングに対しそのシャフト貫通孔を囲むように固定されたリング状の固定側摺動部材と、シャフトを囲み前記固定側摺動部材に摺接する円筒状の回転側摺動部材で構成されるメカニカルシールであって、前記固定側摺動部材の摺動面の内周側にフッ素系化合物とセラミックスの撥水性複合膜を形成し、その他の面に有機物とセラミックスの親水性複合膜を形成し、前記親水性複合膜に回転側摺動部材が摺接するようにしたことを特徴とするウォーターポンプ用メカニカルシール。
【請求項２】
固定側摺動部材における親水性複合膜を形成するセラミックス部材が、シリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニアのうち少なくとも１種からなることを特徴とする請求項１記載のウォーターポンプ用メカニカルシール。
【請求項３】
固定側摺動部材における親水性複合膜を形成する有機物材料が、脂肪酸エステル、脂肪酸エーテル、硫酸エステル、リン酸エステルおよびサルフェート類の親水性有機化合物の中のすくなくとも１種であることを特徴とする請求項１記載のウォーターポンプ用メカニカルシール。
【請求項４】
固定側摺動部材における摺動面が、外周部から内周部に向かって低くなるように傾斜を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のウォーターポンプ用メカニカルシール。
【請求項５】
固定側摺動部材における摺動面が、外周部から内周部に向かって高くなるように傾斜を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のウォーターポンプ用メカニカルシール。
【請求項６】
固定側摺動部材における摺動面は、その外周部と内周部の境界部が、外周部と内周部よりも高くなるように傾斜を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のウォーターポンプ用メカニカルシール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸水ポンプや循環ポンプ等のウォーターポンプに用いられるメカニカルシールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、自吸式ポンプは、羽根車を収容するケーシングと、ケーシングの羽根車収容部内に水を充満させておくための呼び水用のケーシングカバーを有している。
【０００３】
特にケーシングとケーシングカバーとが一体になった型のポンプとして、図６に示されるように構成されたものがある。図６は従来のメカニカルシールを用いた自給式ポンプの断面図である。
【０００４】
以下図６を基に説明すると、モータ１１５には防錆処理された鉄板よりなるブラケット１１９が取りつけられ、このブラケット１１９に、耐食および軽量化のために樹脂成型品よりなり、かつ、モータ１１５と反対側端が開口したケーシング１１１を取りつけている。ケーシング１１１内には、モータ１１５と接続され、かつ、丸鋼材を切削して作られたシャフト１１０を挿入してあり、シャフト１１０の先端にはねじを形成している。また、ケーシング１１１内には、放射状の羽根と前面シュラウドを有する密閉式の羽根車１０９を収容している。この羽根車１０９は耐食性、軽量化のため、また、溶着の相性の良い熱可塑性の樹脂成型品よりなっている。そして羽根車１０９に金属製のねじ加工品をインサートし、このねじ加工品をシャフト１１０のねじに螺合して羽根車１０９をシャフト１１０に結合している。シャフト１１０は羽根車１０９とモータ１１５を連結しており、ポンプ室内に在る羽根車１０９と大気中に在るモータ１１５の間の水の漏洩を防止するため、シャフト１１０の外周部にメカニカルシールが配置されている。
【０００５】
前記のメカニカルシールは、炭素材料とバネおよびゴムパッキンよりなる回転側摺動部材１０４と、この回転側摺動部材１０４に摺接するセラミックス部材をゴムパッキンで支持し、ケーシング１１１のシャフト貫通穴を囲むように固定した固定側摺動部材１０１との組み合わせからなり、水漏れを防止するようにしている。
【０００６】
ケーシング１１１の開口側には、所定の位置に通水口を有する仕切板１１３とパッキン１１４を介在させてケーシングカバー１１２の開口側を結合させている。ケーシングカバー１１２は内部に呼び水用タンク１１６を形成し、また、吸込口１１７、吐出口１１８を持っている。
【０００７】
前記構成において、あらかじめケーシングカバー１１２内に呼び水を注入する。ケーシングカバー１１２内に注入された水は、呼び水用タンク１１６およびケーシング１１１内に充満する。まず、始動時では、モータ１１５の回転がシャフト１１０により羽根車１０９に伝達され、ケーシング１１１に収容された羽根車１０９が回転する。するとケーシング１１１内の水は羽根車１０９によってかき回され、水の中に空気が混入してくる。水と空気の混合水はケーシング１１１から押し出され、呼び水用タンク１１６に流れ込み、水と一緒に押し出された空気のみが吐出口１１８より外部へ流出する。そしてこの状態が続くとケーシング１１１内の空気圧が徐々に低くなり、外部との圧力差により吸込口１１７から水が流入し、本格的な水送出状態に入ると呼び水用タンク１１６には水が充満し、あふれた水が吐出口１１８より外部へ流出する。
【０００８】
このとき、羽根車１０９の回転は水に遠心力を与え、前面シュラウドは羽根車１０９内へ導入された水流の昇圧をする作用を有する。また、ケーシング１１１は羽根車１０９から流出した水流をケーシングカバー１１２へ吐出する作用を行う。また、ケーシングカバー１１２は、吸込口１１７よりケーシング１１１への導水とケーシング１１１から吐出口１１８への吐水を行う。
【０００９】
しかしながら、上記のような構成の自吸式ポンプにおいては、揚水時にメカニカルシールの摺接している回転側摺動部材１０４と固定側摺動部材１０１の間より若干の水漏れが発生する。また、摺接が十分でない場合、振動して「鳴き」という状態に陥ることになる。
【００１０】
メカニカルシールは、固定側摺動部材１０１としてアルミナやジルコニア等のセラミックをリング板状に加工し、摺接面を研磨し平滑な面に仕上げている。回転側摺動部材１０４としては、カーボンやフッ素系樹脂等潤滑性に優れた材料を円筒状に加工し、その摺接面を研磨し平滑な面に仕上げている。そして、固定側摺動部材１０１と回転側摺動部材１０４はバネにより軽く押し付けられ、摺接部よりの水の漏洩を抑えている。しかしながら、両摺接部が平滑過ぎて間に水の侵入がないと、振動して「鳴き」という現象を生じることとなり、具合が良くない。このため摺接面には少量の水が介在することが必要であり、水の若干の漏洩を前提として、系外に漏れた水がモータ１１５部に浸入しないような対策を行うのが通常の手段であった。
【００１１】
密封性能の改善および摺動特性の改善のため、特開昭６１−１６８５６６号公報が提案されている（例えば特許文献１参照）。図７（ａ）は従来のメカニカルシールにおける回転側摺動部材の上面図、図７（ｂ）は同回転側摺動部材の断面図を示す。回転側摺動部材１２０である炭化珪素材料１２１と炭素質材料１２２からなる摺接面に、炭素質材料１２２のみが分散配置され、かつ、この炭素質材料１２２が回転軸挿通孔方向に筋状に伸びている構造となっている。
【００１２】
この複合物の摺接面を研磨すると、炭化珪素より柔らかい炭素質材料１２２のみが若干研磨されやすいため炭素質材料１２２部が窪んだ形となり、結果として浅い溝を形成することになる。リングの外周側から浸入した水は、この溝に入るが回転による遠心力で飛ばされる。また、炭素質材料１２２は自己潤滑性が高いのでスムーズな摺動特性を得ることになる。
【００１３】
【特許文献１】
特開昭６１−１６８５６６号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような複合材の作成はきわめて難しい。炭素質材料１２２の埋め込まれる部分の溝の形成、溝部への炭素質材料１２２の充填、炭素質材料１２２と炭化珪素材料１２１の密着度の向上と多くの課題があり、民生用のポンプに適用するにはコスト面において極めて大きな問題点があった。
【００１５】
本発明は前記従来の問題に留意し、漏水を少なくし、潤滑作用を安定に保つことができる信頼性に優れたメカニカルシールを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明は、ポンプのケーシングに対し、そのシャフト貫通孔を囲むように固定されたリング状の固定側摺動部材と、シャフトを囲み前記固定側摺動部材に摺接する円筒状の回転側摺動部材で構成されるメカニカルシールにおいて、固定側摺動部材の摺動面を内周側エリアと外周側エリアに分け、その内周側エリアにフッ素系化合物とセラミックスの撥水性複合膜を形成し、外周側エリアに有機物とセラミックスの親水性複合膜を形成し、前記親水性複合膜に回転側摺動部材が摺接するようにした構成のウォーターポンプ用メカニカルシールとする。
【００１７】
本発明によれば漏水を少なくし、潤滑作用を安定に保つことができるため、信頼性に優れたメカニカルシールを実現できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載された発明は、ケーシングに対しそのシャフト貫通孔を囲むように固定されたリング状の固定側摺動部材と、シャフトを囲み固定側摺動部材に摺接する円筒状の回転側摺動部材で構成されるメカニカルシールであって、固定側摺動部材の摺動面の内周側にフッ素系化合物とセラミックスの撥水性複合膜を形成し、その他の面に有機物とセラミックスの親水性複合膜を形成し、親水性複合膜に回転側摺動部材が摺接するようにしたウォーターポンプ用メカニカルシールであり、摺接部からの水漏れを防止できる。
【００１９】
本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１に記載のウォーターポンプ用メカニカルシールにおいて、固定側摺動部材における親水性複合膜を形成するセラミックス部材が、シリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニアのうち少なくとも１種からなることとしたものであり、耐磨耗性にすぐれ長期間安定した摺動性能が得られる。
【００２０】
本発明の請求項３に記載された発明は、請求項１に記載のウォーターポンプ用メカニカルシールにおいて、固定側摺動部材における親水性複合膜を形成する有機物材料が、脂肪酸エステル、脂肪酸エーテル、硫酸エステル、リン酸エステルおよびサルフェート類の親水性有機化合物の中のすくなくとも１種であることとしたものであり、潤滑性に優れたメカニカルシールが得られる。
【００２１】
本発明の請求項４に記載された発明は、請求項１〜３のいずれかに記載のウォーターポンプ用メカニカルシールにおいて、固定側摺動部材における摺動面が、外周部から内周部に向かって低くなるように傾斜を有する形状としたものであり、潤滑のために内周側から外周側に向かって保持された水が安定して存在し、効果的な潤滑を促す。
【００２２】
本発明の請求項５に記載された発明は、請求項１〜３のいずれかに記載のウォーターポンプ用メカニカルシールにおいて、固定側摺動部材における摺動面が、外周部から内周部に向かって高くなるように傾斜を有する形状としたものであり、潤滑のために外周側から内周側に向かって保持された水が安定して存在し、効果的な潤滑を促す。
【００２３】
本発明の請求項６に記載された発明は、請求項１〜３のいずれかに記載のウォーターポンプ用メカニカルシールにおいて、固定側摺動部材における摺動面は、その外周部と内周部の境界部が、外周部と内周部よりも高くなるように傾斜を有する計上としたものであり、潤滑のために外周側および内周側から中央部に向かって保持された水が安定して存在し、効果的な潤滑を促す。
【００２４】
以下に本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２５】
（実施の形態１）
図１（ａ）は本発明の実施の形態１のメカニカルシールにおける固定側摺動部材の上面図、図１（ｂ）は同固定側摺動部材の断面図、図１（ｃ）は同メカニカルシールにおける回転側摺動部材の上面図、図１（ｄ）は同メカニカルシールにおける回定側摺動部材の断面図、図２は、同２つの摺動部材を用いたメカニカルシールの組立て図である。
【００２６】
なお、メカニカルシールを除く自吸式ポンプの全体構成については図６と同じであるので、その詳細な説明は省略する。
【００２７】
図２のメカニカルシールの組立て図に基づいて説明する。図２において９は羽根車、１０はシャフト、１１はケーシングであり、ケーシング１１にはシャフト貫通孔を囲むようにリング板状の固定側摺動部材１を設けてあり、シャフト１０を囲む円筒状の回転側摺動部材４は、バネ６により軽く固定側摺動部材１に押し付けられている。
【００２８】
この構成において、羽根車９が回転すると、羽根車９のシャフト１０に固定されている回転側摺動部材４も回転する。このとき、回転側摺動部材４はバネ６により軽く固定側摺動部材１に押し付けられており、これら摺動部材１、４間から水が漏洩するのを防止している。なお、固定側摺動部材１とケーシング１１の間にはパッキンａ７が、回転側摺動部材４とシャフト１０の間にはパッキンｂ８が存在し水漏れを防いでいる。
【００２９】
ここで滑らかな摺動性能を得るためには、二つの摺動部材１、４間にごく薄い水の層ができていることが必要である。この水の層が厚すぎると水の漏洩が大きくなり、薄すぎると振動や鳴きといった現象が起こり偏った磨耗を起こし、その結果、水の漏洩を大きくさせてしまう。
【００３０】
このため本実施の形態１では、図１に示すように固定側摺動部材１の摺動面を内周側のエリアと外周側のエリアに分け、内周側のエリアにはフッ素系化合物とセラミックスの撥水性複合膜３を、外周側エリアには有機物とセラミックスの親水性複合膜２を形成する。回転側摺動部材４は、この外周側エリアの親水性複合膜２と対向し接触する摺接面５を持つような内径および外径を選ぶものとする。
【００３１】
具体的な動作としては、ポンプ槽内に呼び水を注入し、羽根車９およびそれに固定されたシャフト１０、さらに、シャフト１０に固定された回転側摺動部材４が回り始めると、羽根車９の周囲の圧力が高まり、水が吐出口から押し出される。このとき、羽根車９の裏側にあたるメカニカルシールの周囲も水圧が高まり、一部が摺動部材間の隙間に入り込んでくる。
【００３２】
回転側摺動部材４は炭素材料を主としたものが多いので、この部分は基本的には疎水性である。したがって、水が薄い層を形成するような状態を得るには、固定側摺動部材１の親水性度合いが重要である。固定側摺動部材１における親水性複合膜２を形成するシリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニア等は基本的には親水性素材であるが、さらに親水性を向上させるため、有機物材料を加えて複合膜として被着させる。これら有機物材料としては、たとえば特開平８−２９２３０１に記載されている脂肪酸エステル、脂肪酸エーテル、硫酸エステル、リン酸エステルおよびサルフェート類の親水性有機化合物等の中から一つ以上を選び、セラミック材料と混合し被着することが望ましい。被着方法としてはスピンコート、印刷、スプレー等の手段の中から選ぶことができる。また、固定側摺動部材１の内周側エリアには撥水性複合膜３を被着する。これにより、外周側から浸入してきた水はこのエリアを越えて漏水してしまうことを防止できる。撥水性複合膜３としては、フッ素系材料とセラミック部材を混合したものを用いる。被着方法としては親水性複合膜２の素材と同じくスピンコート、印刷、スプレー等が使われる。二つの膜を被着した後、一括して乾燥、加熱硬化し被着力を高め、その後、研磨手段により表面を滑らかに加工する。
【００３３】
（実施の形態２）
図３（ａ）は本発明の実施の形態２のメカニカルシールにおける固定側摺動部材の上面図、図３（ｂ）は同固定側摺動部材の断面図、図３（ｃ）は同メカニカルシールにおける回転側摺動部材の上面図、図３（ｄ）は同メカニカルシールにおける回定側摺動部材の断面図、図４（ａ）は本発明の実施の形態２の別例メカニカルシールにおける固定側摺動部材の上面図、図４（ｂ）は同固定側摺動部材の断面図、図４（ｃ）は同メカニカルシールにおける回転側摺動部材の上面図、図４（ｄ）は同メカニカルシールにおける回定側摺動部材の断面図、図５（ａ）は本発明の実施の形態２の別例メカニカルシールにおける固定側摺動部材の上面図、図５（ｂ）は同固定側摺動部材の断面図、図５（ｃ）は同メカニカルシールにおける回転側摺動部材の上面図、図５（ｄ）は同メカニカルシールにおける回定側摺動部材の断面図である。
【００３４】
図３（ａ）、（ｂ）に示すものは、摺動面における内周側エリアを外周部エリアより低くなるように傾斜をもたせた固定側摺動部材１を示している。
【００３５】
図４（ａ）、（ｂ）に示すものは、摺動面における内周側エリアを外周部エリアより高くなるように傾斜をもたせた固定側摺動部材１を示している。
【００３６】
図５（ａ）、（ｂ）に示すものは、摺動面における内周部エリアと外周部エリアを、その境界部より次第に低くなるように傾斜をもたせた固定側摺動部材１を示している。
【００３７】
このような加工方法については、固定側摺動部材１の加工面とは反対の面をワークに固定し、ダイヤモンドないしはアルミナの微粒子を埋め込んだ錫定盤に押し当て定盤を回転しながら削り取っていく、ここでダイヤモンドあるいはアルミナの粒径は１μｍ前後が適当である。摺動面を平坦に加工した後、錫定盤から弾力性のある定盤に変更し、今度は定盤を固定し、ワークを回転させながら加工することにより、固定側摺動部材１の外周側あるいは内周側エリア、または、外周側エリアと内周側エリアをより強く研磨することが可能となる。
【００３８】
なお、図３、図４、図５ではデフォルメして表現されているが、この場合の外周側エリアと内周側エリア、または中心部と外周あるいは内周側の高さの差は１μｍ前後が最適となる。
【００３９】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明のメカニカルシールは、その固定側摺動部材の摺動面における外周部エリアを親水性素材に、内周部エリアを撥水性素材というように領域分けすること、あるいは、固定側摺動部材の摺動面における外周部エリアから内周部エリアにかけて傾斜を持たせたり、中央部、すなわち外周部エリアと内周部エレアの境界に頂点を持ってくるような形状に形成しているので、漏水を少なくし、潤滑作用を安定に保つことができるため、信頼性に優れたメカニカルシールを実現できるという優れた特徴を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１のメカニカルシールにおける固定側摺動部材の上面図
（ｂ）同固定側摺動部材の断面図
（ｃ）同メカニカルシールにおける回転側摺動部材の上面図
（ｄ）同メカニカルシールにおける回定側摺動部材の断面図
【図２】本発明の実施の形態１の２つの摺動部材を用いたメカニカルシールの組立て図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態２のメカニカルシールにおける固定側摺動部材の上面図
（ｂ）同固定側摺動部材の断面図
（ｃ）同メカニカルシールにおける回転側摺動部材の上面図
（ｄ）同メカニカルシールにおける回定側摺動部材の断面図
【図４】（ａ）本発明の実施の形態２の別例メカニカルシールにおける固定側摺動部材の上面図
（ｂ）同固定側摺動部材の断面図
（ｃ）同メカニカルシールにおける回転側摺動部材の上面図
（ｄ）同メカニカルシールにおける回定側摺動部材の断面図
【図５】（ａ）本発明の実施の形態２の別例メカニカルシールにおける固定側摺動部材の上面図
（ｂ）同固定側摺動部材の断面図
（ｃ）同メカニカルシールにおける回転側摺動部材の上面図
（ｄ）同メカニカルシールにおける回定側摺動部材の断面図
【図６】従来のメカニカルシールを用いた自給式ポンプの断面図
【図７】（ａ）従来のメカニカルシールにおける回転側摺動部材の上面図
（ｂ）同回転側摺動部材の断面図
【符号の説明】
１  固定側摺動部材
２  親水性複合膜
３  撥水性複合膜
４  回転側摺動部材
５  摺接面
６  バネ
８  パッキンｂ
９  羽根車
１０  シャフト
１１  ケーシング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2004183810.tif 000007
【図６】
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【図７】
2004183810.tif 000009