KR101275873B1 - 메카니컬 씰 장치 - Google Patents

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KR101275873B1
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이구루코교 가부시기가이샤
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Abstract

제 1 씰링용 슬라이딩 부재와 제 2 씰링용 슬라이딩 부재를 서로 맞대어 씰링하는 메카니컬 씰 장치로서, 상기 제 1 씰링용 슬라이딩 부재가 탄화규소를 기재로 하고 카본을 함유하는 씰링용 슬라이딩 부재이고, 또한, 상기 제 2 씰링용 슬라이딩 부재가 탄화규소를 주성분으로 함유하고 5 ~ 200㎛의 지름을 가지는 기공이 독립·분산되어 있는 씰링용 슬라이딩 부재인 것을 특징으로 하는 메카니컬 씰 장치. 본 발명에 따르면, 내구성과 드라이 슬라이딩성이 우수하여, 씰링용 슬라이딩 부재의 눌어붙음이나 마모가 방지되고, 또한, 슬라이딩 시의 소음의 발생이 효과적으로 억제된 메카니컬 씰 장치를 제공할 수 있다.

Description

메카니컬 씰 장치{Mechanical seal device}
도 1은, 본 발명의 일실시형태에 따른 메카니컬 씰 장치의 단면도이다.
도 2는, 본 발명의 실시예의 소음 시험을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은, 자동차 등에 장착되는 워터 펌프 등의 범용 펌프용 메카니컬 씰 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 내구성과 드라이 슬라이딩성이 우수하여 씰링용 슬라이딩 부재의 눌어붙음이나 마모가 방지되고, 또한, 슬라이딩 시의 소음 현상의 발생이 효과적으로 억제된 메카니컬 씰 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 유체를 밀봉하는 메카니컬 씰 등의 씰링으로서 카본 슬라이딩 부재가 널리 이용되고 있다. 이 종류의 카본 슬라이딩 부재는 고체 윤활성에 더해 슬라이딩면에 적당한 요철을 가지고 있어, 상대측 슬라이딩 부재의 씰링 슬라이딩면과의 사이에 밀봉 유체에 의한 액막을 유지하는 것이 가능하고 우수한 윤활특성을 발휘한다.
그러나 메카니컬 씰을 이물질량이 많은 조건에서 사용하면 카본 슬라이딩 부재는 이물질에 의해 면 거칠어짐, 마모 등이 발생하고 씰링 기능이 손상되어 밀봉 유체의 누설에 이르게 되는 경우가 있다. 또한, 실리케이트 농도가 높은 밀봉 유체를 사용하면 슬라이딩면 사이에 실리케이트가 석출·퇴적되어 마찬가지로 씰링 기능이 손상되어 밀봉 유체의 누설(漏泄)에 이르는 경우가 있다.
이와 같은 문제에 대하여, 카본 슬라이딩 부재 대신 고경도·고강도 재료로서 탄화규소를 대표로 하는 경질 재료를 채용하고, 상대측 슬라이딩 재료로서도 탄화규소를 대표로 하는 경질 재료에 기공을 분산시킨 재료를 조합한 메카니컬 씰이 사용되는 경우가 있다. 그러나 이와 같은 메카니컬 씰은 하기와 같은 문제점을 가진다.
먼저, 탄화규소는 매우 딱딱하여 내마모성이 뛰어나나 자기 윤활성이 부족하여 탄화규소 부재끼리의 조합에서 고부하 조건하에서 슬라이딩하면, 슬라이딩면이 쉽게 경면(鏡面)화되어 버린다. 이 때문에 슬라이딩 정지 시에 슬라이딩면 사이의 윤활막이 끊어진 경우에는, 경면화된 씰 슬라이딩면끼리가 고착되어 슬라이딩 기동 시의 마찰계수가 비정상적으로 상승하여 눌어붙는 경우가 있다. 또한, 탄화규소는 자기 윤활성이 부족하기 때문에, 슬라이딩 시에 슬라이딩면이 흡착되어 스틱 슬립 현상이 일어나 슬라이딩 시에 삐걱거리는 소리가 발생한다는 문제가 있다. 이 삐걱거리는 소리의 발생에 의해 슬라이딩면이 진동원이 되어 펌프 전체를 진동시키는 원인이 됨과 동시에, 소음이 연속하여 계속해서 발생하면 이상 마모를 일으키는 경우도 있다.
또한, 탄화규소 매트릭스 중에 기공을 분산시킴으로써 밀봉 유체의 슬라이딩면으로의 침입으로, 액 고임 효과나 슬라이딩시의 유체역학적 효과가 발생하여, 슬 라이딩 토크의 이상이나 눌어붙음을 경감시킬 수 있다(예를 들어, 일본 특허 공고 평5-69066호 공보 참조). 그러나 어떠한 이유로 단기간이라도 씰 슬라이딩면 근방에 밀봉 유체가 존재하지 않는 상태가 발생한 경우나, 상대 운동하는 씰 슬라이딩면이 유체 윤활 상태를 기대할 수 없는 기동 시 또는 정지 시에는, 슬라이딩면 사이는 고체 접촉 상태가 되어 상기와 마찬가지의 상태가 되게 된다.
이와 같은 고체 접촉 상태가 발생하면 급격한 슬라이딩 발열이 발생하여 고무 패킹 등의 이차 씰링부가 열에 의해 손상되어 씰링 기능을 안정적으로 유지하는 것이 불가능한 상태가 되거나, 슬라이딩면 사이에 밀봉유체에 용해된 물질이 석출·퇴적되어 씰링 기능을 안정적으로 유지하는 것이 불가능한 상태가 되는 경우가 있다.
본 발명은, 이상과 같은 문제점에 착안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 내구성과 드라이 슬라이딩성이 뛰어나 씰링용 슬라이딩 부재의 눌어붙음이나 마모가 방지되고, 또한 슬라이딩 시의 소음 현상의 발생이 효과적으로 억제된 메카니컬 씰 장치를 제공하는 것이다.
본 발명자 등은 일방의 씰링용 슬라이딩 부재로서 탄화규소를 기재로 하고 카본을 함유하는 씰링용 슬라이딩 부재를 사용하고, 타방의(상대측의) 씰링용 슬라이딩 부재로서 탄화규소를 주성분으로 함유하는 다공성의 씰링 슬라이딩 부재를 사용함으로써 상기 목적을 달성할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하는 데 이르렀 다.
즉, 본 발명의 메카니컬 씰 장치는,
제 1 씰링용 슬라이딩 부재와 제 2 씰링용 슬라이딩 부재를 서로 맞대어 씰링하는 메카니컬 씰 장치로서,
상기 제 1 씰링용 슬라이딩 부재가 탄화규소를 기재로 하고 카본을 함유하는 씰링용 슬라이딩 부재이고,
상기 제 2 씰링용 슬라이딩 부재가 탄화규소를 주성분으로 함유하고, 5 ~ 200㎛의 직경을 가지는 기공이 독립·분산되어 있는 씰링용 슬라이딩 부재인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서는, 상기 제 1 씰링용 슬라이딩 부재로서 탄화규소 기재(Si를 함유하는 상압소결 SiC)에 카본을 함유시킨 슬라이딩 부재를 사용함으로써, 자기 윤활성의 개선 및 슬라이딩 시의 소음의 발생을 방지하는 것이 가능해진다. 이에 의해, 자기 윤활성의 개선효과에 의해 탄화규소만을 함유하는 슬라이딩 부재를 사용한 경우에 문제가 되고 있던 씰링용 슬라이딩 부재의 눌어붙음이나 슬라이딩 시의 소음 현상의 발생을 효과적으로 방지하는 것이 가능하다.
게다가, 본 발명에 있어서는, 상기 제 1 씰링용 슬라이딩 부재로서 탄화규소 기재에 카본을 함유시킨 슬라이딩 부재를 사용함과 동시에, 타방의 씰링용 슬라이딩 부재(제 2 씰링용 슬라이딩 부재)로서 탄화규소를 주성분으로 함유하는 다공성의 씰링용 슬라이딩 부재를 사용한다. 이에 의해, 자기 윤활성의 개선 효과 및 소음의 발생 방지 효과와 함께 내구성 및 내마모성의 향상을 도모할 수 있다.
한편, 상기 제 1 씰링용 슬라이딩 부재 및 상기 제 2 씰링용 슬라이딩 부재는, 어는 한쪽이 회전 슬라이딩 부재이고, 또한, 타방이 정지 슬라이딩 부재이면 된다. 즉, 예를 들어, 상기 제 1 씰링용 슬라이딩 부재를 회전 슬라이딩 부재로 하고, 상기 제 2 씰링용 슬라이딩 부재를 정지 슬라이딩 부재로 하는 것이 가능하며, 또한, 그 반대로 하는 것도 가능하다.
바람직하게는, 상기 카본이 상기 탄화규소 기재 중에 분산된 상태로 상기 제 1 씰링용 슬라이딩 부재 중에 함유되어 있다.
상기 카본이 상기 제 1 씰링용 슬라이딩 부재 중에 효율적으로 분산되어 있음으로써 카본의 첨가 효과를 더욱 높일 수 있다.
상기 제 1 씰링용 슬라이딩 부재의 카본의 면적 비율이 바람직하게는 0.4 ~ 80%, 더욱 바람직하게는 1 ~ 10%, 카본 함유량이 상기 제 1 씰링용 슬라이딩 부재 전체에 대하여 바람직하게는 0.1 ~ 30중량%, 더욱 바람직하게는 0.2 ~ 5중량%이다.
상기 카본의 면적 비율과 함유량을 상기 범위로 함으로써, 탄화규소가 가지는 이점을 손상시키는 일 없이, 카본의 첨가에 의한 자기 윤활성의 향상이 실현 가능해진다. 한편, 본 발명에 있어서는, 카본의 면적 비율이란, 씰링용 슬라이딩 부재의 표면 혹은 임의의 단면에 있어서의 카본 성분의 존재 비율을 면적비로 표현한 것을 말한다.
상기 카본으로는 특별히 한정되지 않으나 예를 들어, 그래파이트(인조 흑연, 천연 흑연) 등의 흑연질 카본, 카본 블랙, 페놀 수지나 에폭시 수지 등을 탄소화한 합성수지탄, 목탄류 등의 탄소질 카본 등을 들 수 있으며, 이것들 중 1종 또는 2종 이상인 것이 바람직하다. 특히, 본 발명에 있어서는 그래파이트(인조 흑연, 천연 흑연) 등의 흑연질 카본이 바람직하게 이용되며 이것들을 주성분으로서 함유하는 것이 바람직하다.
상기 제 1 씰링용 슬라이딩 부재의 빅커스 경도는 슬라이딩 재료로서의 강도를 유지하기 위하여 바람직하게는 300 ~ 3000, 더욱 바람직하게는 600 이상으로 한다. 또한, 본 발명에 있어서는, 상기 제 1 씰링용 슬라이딩 부재의 겉보기 비중을 2.0 ~ 3.2로 하는 것이 바람직하다.
상기 제 2 씰링용 슬라이딩 부재에 함유되는 상기 기공의 형상은 구(球)상으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 기공의 평균 지름은 바람직하게는 10 ~ 70㎛이고, 상기 기공의 기공률은 바람직하게는 3 ~ 20vol%, 더욱 바람직하게는 4 ~ 8vol%이다.
본 발명에 있어서는, 상기 제 2 씰링용 슬라이딩 부재에 포함되는 기공을 상기 범위로 제어함으로써, 내마모성 및 내구성을 향상시키는 것이 가능함과 동시에 윤활성을 부여하는 것이 가능하다. 한편, 상기 기공 면적 비율이란, 씰링용 슬라이딩 부재의 표면 혹은 임의의 단면에 있어서의 기공의 존재 비율을 면적비로 표현한 것을 말한다.
바람직하게는, 상기 제 2 씰링용 슬라이딩 부재의 빅커스 경도는 슬라이딩 재료로서의 강도를 유지하기 위하여 바람직하게는 2000 ~ 3000, 더욱 바람직하게는 2200 이상으로 한다. 또한, 본 발명에 있어서는 상기 제 2 씰링용 슬라이딩 부재의 겉보기 비중을 2.7 ~ 3.2로 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 씰링 장치의 용도로서는, 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어 자동차 등에 장착되는 워터 펌프 등에 사용하는 것이 가능하다. 또한, 본 발명의 씰링장치에 있어서 사용되는 밀봉유체로서는 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어, 물이나 물과 에틸렌글리콜의 혼합 액체인 LLC(롱 라이프 쿨런트) 등의 수(水)계의 밀봉 유체가 바람직하게 사용될 수 있다. 통상적으로 밀봉유체로서 물을 사용한 경우에 있어서는, 슬라이딩 시의 소음이 특히 발생하기 쉬워지는 경향이 있다. 그러나 본 발명에 따르면, 물을 사용한 경우에 있어서도 슬라이딩 시의 소음의 발생을 효과적으로 억제하는 것이 가능하다.
본 발명에 따르면, 일방의 씰링용 슬라이딩 부재로서 탄화규소를 기재로 하고 카본을 함유하는 씰링용 슬라이딩 부재를 사용하고, 타방의(상대측의) 씰링용 슬라이딩 부재로서 탄화규소를 주성분으로 하여 함유하는 다공성의 씰링용 슬라이딩 부재를 사용함으로써, 내구성과 드라이 슬라이딩성이 뛰어나 씰링용 슬라이딩 부재의 눌어붙음이나 마모가 방지되고 또한, 슬라이딩 시의 소음의 발생이 효과적으로 억제된 메카니컬 씰 장치를 제공하는 것이 가능하다.
이하에, 본 발명의 실시형태에 대하여, 도면에 근거하여 상세하게 설명한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태의 메카니컬 씰 장치(1)는 씰 하우징(20)과 회전축(22) 사이에 배치되어 있다. 이 메카니컬 씰 장치(1)는 고정측의 링인 씰 링(2)과 회전측의 링인 메이팅 링(4)이 각각의 슬라이딩면(2a, 4a)을 개재하여 조합되며, 이들 슬라이딩면이 씰면 및 회전 접촉면으로서 기능하는 구조로 되어 있다. 씰 링(2)은 카트리지(6)를 개재하여 씰 하우징(20)에 장착되고, 메이팅 링 (4)은 지지부(18)를 개재하여 회전축(22)에 장착되어 있다.
고정측의 링인 씰 링(2)은 슬라이딩면(2a)을 개재하여 메이팅 링(4)의 슬라이딩면(4a)에 대하여 압접되도록 벨로즈(8)를 개재하여 스프링(10)의 탄성력에 의해 가압되고 있다. 한편, 벨로즈(8)는 제 1 장착부(12) 및 제 2 장착부(14)에 의해 고정되어 있으며, 또한, 스프링(10)은 제 1 장착부(12) 및 카트리지(6) 사이에 유지되는 구조로 되어 있다.
한편, 회전측의 링인 메이팅 링(4)은 슬라이딩면(4a)을 개재하여 씰 링(2)의 슬라이딩면(2a)에 압접되어 있음과 동시에, 가스켓(16)을 개재하여 지지부(18)에 장착되어 있으며 회전축(22)과 함께 회전이 자유자재로 되어 있다.
본 실시형태에서는, 상기 씰 링(2)으로서 탄화규소를 기재로 하는 씰링용 슬라이딩 부재를 사용하고, 또한, 메이팅 링(4)으로서 탄화규소를 주성분으로 함유하는 다공성의 씰링용 슬라이딩 부재를 사용한다.
이하, 씰 링(2) 및 메이팅 링(4)에 대하여 설명한다.
씰 링(2)
씰 링(2)은 탄화규소를 기재로 하는 씰링용 슬라이딩 부재로 구성되며, 카본을 탄화규소 기재 중에 분산된 상태로 함유하고 있다. 즉, 본 실시형태의 씰 링(2)은 탄화규소 결정 중에 카본이 분산된 씰링용 슬라이딩 부재로 구성되어 있다.
탄화규소 결정 중에 분산되는 카본으로서는, 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어, 그래파이트(인조 흑연, 천연 흑연) 등의 흑연질 카본, 카본 블랙, 페놀 수지나 에폭시 수지 등을 탄소화한 합성수지탄, 목탄류 등의 탄소질 카본 등을 들 수 있으며, 이것들 중 1종 또는 2종 이상인 것이 바람직하다. 특히, 본 실시형태에서는, 그래파이트(인조 흑연, 천연 흑연) 등의 흑연질 카본을 주성분으로 함유하는 것이 바람직하다.
씰 링(2) 중에 상기 카본은 면적 비율이 바람직하게는 0.4 ~ 80%, 더욱 바람직하게는 1 ~ 10%가 되도록 함유된다.
또한, 상기 카본 함유량은 씰 링(2) 전체에 대하여 바람직하게는 0.1 ~ 30중량%, 더욱 바람직하게는 0.2 ~ 5중량%의 비율로 함유된다.
카본의 면적비율과 함유량을 상기 범위로 함으로써, 탄화규소가 가지는 이점을 손상시키는 일 없이, 카본의 첨가에 의한 자기 윤활성의 향상이 실현 가능해진다. 카본의 면적 비율이나 함유량이 지나치게 낮으면 카본의 첨가 효과가 발휘되지 않아 자기 윤활성이 불충분해져 드라이 슬라이딩성이 저하되어 눌어붙음이 발생하기 쉬워지는 경향이 있다. 한편, 지나치게 많으면 마모가 촉진되어 내구성이 떨어지는 결과가 되는 경향이 있다.
본 실시형태에서는, 카본의 첨가량을 상기 범위로 함으로써, 씰 링(2)의 빅커스 경도를 바람직하게는 300 ~ 3000, 더욱 바람직하게는 600 이상, 씰 링(2)의 겉보기 비중을 바람직하게는 2.0 ~ 3.2로 하는 것이 가능하다. 씰 링(2)의 빅커스 경도가 지나치게 낮으면 마모가 심해져 내구성이 저하되는 경향이 있다. 또한, 겉보기 비중이 지나치게 높으면 씰링 장치 자체의 경량화에 방해가 된다.
본 실시형태의 씰 링(2)의 제조방법으로서는, 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어, 이하의 방법에 의해 제조된다.
먼저, 수성 용매 등을 사용하여 탄화규소 결정 분말, 카본 분말, 각종 바인더 수지 및 필요에 따라 소결조제를 첨가하고, 볼 밀 등을 사용하여 원료의 혼합을 행한다. 이어서, 얻어진 혼합물을 분무 건조기(스프레이 드라이어) 등을 사용해 과립화하고, 얻어진 과립을 원하는 형상으로 성형한다. 그리고 얻어진 성형체를 소성함으로써 씰 링(2)은 제조된다.
메이팅 링(4)
메이팅 링(4)은 탄화규소를 주성분으로 함유하고, 또한, 5 ~ 200㎛의 직경을 가지는 기공이 독립·분산되어 있는 씰링용 슬라이딩 부재로 구성된다.
상기 기공은 그 평균 지름이 바람직하게는 10 ~ 70㎛이다. 기공의 평균 지름이 지나치게 작거나 지나치게 커도 기공을 마련한 효과를 충분히 얻을 수 없게 되는 경향이 있다.
또한, 상기 기공의 기공률이 바람직하게는 3 ~ 20vol%, 더욱 바람직하게는 4 ~ 8vol%이다. 기공의 기공 면적 비율이 지나치게 작으면 기공을 마련한 효과를 충분히 얻을 수 없게 되는 경향이 있으며, 지나치게 크면 내구성 및 내마모성이 저하되는 경향이 있다.
본 실시형태에서는, 탄화규소 중에 형성되는 기공을 상기 범위로 제어함으로써, 내마모성 및 내구성을 향상시킬 수 있음과 동시에 윤활성을 부여하는 것이 가능하다.
또한, 본 실시형태에서는, 탄화규소 중에 형성되는 기공을 상기 범위로 함으로써, 메이팅 링(4)의 빅커스 경도를 바람직하게는 2000 ~ 3000, 더욱 바람직하게는 2200 이상, 메이팅 링(4)의 겉보기 비중을 바람직하게는 2.7 ~ 3.2로 하는 것이 가능하다. 메이팅 링(4)의 빅커스 경도가 지나치게 낮으면 마모가 심해져 내구성이 저하되는 결과가 되는 경향이 있다.
메이팅 링(4)의 제조방법으로서는, 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어, 이하의 방법 등을 들 수 있다.
먼저, 탄화규소 결정 분말과 각종 바인더 수지와 필요에 따라, 그 외의 화합물을 준비하고 수계 용매를 사용하여 혼합한다. 이 혼합액을 분무 건조(스프레이 드라이어) 등을 이용하여 과립화하고, 그 과립과 소정량으로 평균 입자 40 ~ 60㎛ 정도의 수지 입자를 혼합한다. 이 혼합 분말을 원하는 형상으로 성형하고 이 성형체를 진공 또는 불활성 분위기에서 소성하여 바인더 수지를 탄화시킴과 동시에 40 ~ 60㎛ 정도의 수지 입자를 열 분해, 비산시켜 기공을 형성한다. 그 후, 연속하여 소정의 온도에서 소성함으로써 다공질 탄화규소로 이루어지는 메이팅 링(4)을 얻는다.
본 실시형태에서는, 씰 링(2)으로서 탄화규소 기재에 카본을 함유시킨 슬라이딩 부재를 사용하기 때문에, 슬라이딩면(2a)의 자기 윤활성을 개선하는 것이 가능하며, 슬라이딩면의 눌어붙음이나 슬라이딩 시의 소음의 발생을 효과적으로 방지하는 것이 가능하다. 또한, 본 실시형태에서는, 씰 링(2)으로서 탄화규소 기재에 카본을 함유시킨 슬라이딩 부재를 사용함과 동시에, 메이팅 링(4)으로서 탄화규소를 주성분으로 함유하는 다공성의 씰링용 슬라이딩 부재를 사용한다. 따라서, 자기 윤활성의 개선효과와 함께 내구성 및 내마모성의 향상을 도모할 수 있다.
한편, 본 발명은, 상술한 실시형태로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범위내에서 다양하게 변형하는 것이 가능하다. 예를 들어, 상술한 실시형태에서는, 씰 링(2)으로서 탄화규소 기재에 카본을 함유시킨 슬라이딩 부재를 사용하고, 메이팅 링(4)으로서 탄화규소를 주성분으로 함유하는 다공성의 슬라이딩 부재를 사용하였으나, 각각, 반대의 슬라이딩 부재를 사용하는 것도 가능하다. 즉, 씰 링(2)으로서 탄화규소를 주성분으로 함유하는 다공성의 슬라이딩 부재를 사용하고, 메이팅 링(4)으로서 탄화규소 기재에 카본을 함유시킨 슬라이딩 부재를 사용하는 것도 가능하다.
실시예
이하, 본 발명을, 더욱 상세한 실시예에 근거하여 설명하나, 본 발명은 이들 실시예로 한정되지 않는다.
실시예 1
실시예 1에서는, 씰 링(2)으로서 탄화규소 기재에 카본이 분산된 슬라이딩 부재를 사용하고, 메이팅 링(4)으로서 독립·분산된 기공을 가지는 탄화규소로 구성되는 슬라이딩 부재를 사용하여 도 1에 나타내는 씰링 장치(1)를 제조하였다.
먼저, 그래파이트 분산 탄화규소로 이루어지는 씰 링(2)을 제조하기 위하여, 평균 입자 지름 0.7㎛인 α형 탄화규소 결정 분말을 92.5중량%, 그래파이트를 4중량%, 성형용 바인더로서 페놀 수지를 2중량%, 소결조제로서 탄화 붕소 분말을 0.5중량%를 준비했다. 이어서, 이것들에 물을 가하여 볼 밀 혼합한 후, 스프레이 드라이어에 의해 분무건조함으로써, 조립(造粒, 과립화)하였다. 또한, 이것들을 성형면 압 1000㎏/㎠으로 냉간(冷間) 프레스하여 도 1에 나타내는 씰 링 형상으로 성형하였다. 그리고 이 성형체를 아르곤 분위기 하에서 800℃ 및 12시간의 조건에서 열 처리하고, 마지막으로 2140℃ 및 1시간의 조건으로 소결함으로써 탄화규소 기재에 그래파이트가 분산된 슬라이딩 부재로 이루어지는 씰 링(2)을 제작하였다.
이어서, 얻어진 씰 링(2)에 대하여, 빅커스 경도, 겉보기 비중 및 카본의 면적 비율(카본 분산율)을 측정하였다. 측정 결과, 빅커스 경도: 2350, 겉보기 비중:3.15, 카본의 면적 비율: 1%였다.
이어서, 상대 슬라이딩 재료가 되는 메이팅 링(4)으로서 치밀한 조직을 띠고 상압소결의 탄화규소 기재로 이루어지는 다공성의 메이팅 링(4)을 준비하였다. 탄화규소 메이팅 링(4)은, 빅커스 경도: 2550, 겉보기 비중: 3.04, 기공의 평균 지름: 65㎛, 기공의 면적 비율: 4%인 것을 사용하였다.
비교예 1
씰 링(2)으로서 연질 카본으로 이루어지는 슬라이딩 부재를 사용한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 도 1에 나타내는 씰링 장치(1)를 제조하였다. 즉, 비교예 1에서는, 연질 카본 씰 링(2)과 탄화규소 메이팅 링(4)으로 이루어지는 씰링 장치(1)를 제조하였다.
연질 카본 씰 링(2)은 빅커스 경도: 90, 겉보기 비중: 1.60인 것을 사용하였다.
비교예 2
씰 링(2)으로서 독립·분산된 기공을 가지는 탄화규소로 구성되는 슬라이딩 부재를 사용한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 도 1에 나타내는 씰링 장치(1)를 제조하였다. 즉, 비교예 2에서는, 탄화규소 씰 링(2)과, 탄화규소 메이팅 링(4)으로 이루어지는 씰링 장치(1)를 제조하였다.
비교예 3
메이팅 링(4)으로서, 탄화규소 기재에 그래파이트가 분산된 슬라이딩 부재를 사용한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 도 1에 나타내는 씰링 장치(1)를 제조하였다. 즉, 비교예 3에서는 그래파이트 분산 탄화규소 씰 링(2)과 그래파이트 분산 탄화규소 메이팅 링(4)으로 이루어지는 씰링 장치(1)를 제조하였다.
씰 링 장치의 평가
상기에서 제조한 실시예 1, 비교예 1 ~ 3의 씰링 장치에 대하여, 실리케이트 퇴적 시험, 이물질에 의한 면 거칠어짐 시험, 소음 시험 및 드라이 슬라이딩성 시험의 각 시험을 행하였다.
실리케이트 퇴적 시험
실리케이트 퇴적 시험은, LLC(롱 라이프 쿨런트) 중에, 방청을 목적으로 함유되어 있는 Ca, P, Si 등의 용해 성분의 석출·퇴적 현상에 대한 내성을 평가하기 위한 시험이다. 상기 용해 성분이 씰 링 상 혹은 메이팅 링 상에 석출·퇴적되면, 각 링이 마모되어 LLC의 누설이 발생하게 되는 문제점이 발생한다.
실리케이트 퇴적 시험은, 메카니컬 씰 실기(實機) 시험기로, 밀봉유체로서, LLC 50% 수용액을 사용하고, 시험 온도 110℃, 시험 시간 1000시간, 유체밀봉압력 0.1㎫의 조건에서, 회전수 600min-1에서 8초간, 회전수 6710min-1에서 4초간 교대로 회전수를 변화시킴으로써 행하였다. 각 시료의 평가는 1000시간 후의 LLC의 누설량을 측정함으로써 행하였다. LLC의 누설량은 적을수록 바람직하다. 결과를 표 1에 나타낸다.
또한, 실시예 1에 대해서는, 저하중 및 고하중 각각의 조건에서 시험을 행하였다. 결과를 표 2에 나타낸다.

 씰 링 메이팅 링 하중
[N]		 LLC의 누설량
[㎖]
실시예1 그래파이트 분산
탄화규소		 다공성 탄화규소 26.0 10.0
비교예1 연질 카본
 다공성 탄화규소 26.0 76.0
비교예2 다공성 탄화규소
 다공성 탄화규소 28.8 13.2
비교예3 그래파이트 분산
탄화규소		 그래파이트 분산
탄화규소		 26.0 18.0
하중
[N]		 LLC의 누설량
[㎖]
실시예1 저하중 26.0 10.0
실시예1 고하중 19.6 2.0
표 1에서, 그래파이트(카본) 분산 탄화규소 씰 링 및 다공성 탄화규소 메이팅 링을 사용한 실시예 1의 씰링 장치는, 1000시간 후의 LLC의 누설량이 10.0㎖로서 적어 양호한 결과가 되었다. 또한, 실시예 1의 씰링 장치는 시험 완료 후에도 양호한 씰링성을 나타내고 있으며, Si 등의 퇴적물도 발견되지 않았다.
또한, 표 2에서, 실시예 1의 씰링 장치는, 씰링의 하중을 변화시켜도 1000시간 후 LLC 누설량이 적어 양호한 결과가 됨이 확인 가능했다.
한편, 씰 링으로서 연질 카본 혹은 다공성 탄화규소를 사용한 비교예 1, 2, 씰 링 및 메이팅 링으로서 그래파이트(카본) 분산 탄화규소를 사용한 비교예 3에 있어서는, 표 1에서, 1,000시간 후의 LLC의 누설량이, 각각, 76.0㎖, 13.2㎖ 및 18.0㎖가 되어 누설량이 많아지는 결과가 되었다.
이물질에 의한 면 거칠기 시험(이물질 내마모성 시험)
이물질에 의한 면 거칠기 시험은, LLC에 이물질을 혼입시켜 이물질 혼입 시에 있어서의 씰링 장치의 내마모성을 평가하기 위한 시험이다.
이물질에 의한 면 거칠기 시험은, 메카니컬 씰 실기 시험기로, 밀봉유체로서, 이물질을 혼입시킨 LLC 50% 수용액을 사용하고, 시험 온도 90℃, 시험 시간 50시간, 유체밀봉압력 0.1㎫의 조건에서, 회전수 8000min-1의 조건에서 행하였다. 본 시험에 있어서는, LLC에는 이물질로서, LLC 1000g에 대하여, JIS Z 8901 ‘시험용 분체 및 시험용 입자’의 3종 및 8종을 각각 2.8g, 주사(鑄砂)(#80 ~ 100)를 2.8g 첨가하였다. 한편, JIS Z 8901의 3종 및 8종은 질량 기준의 중간 지름(50% 경)이 모두 6.6 ~ 8.6㎛로 되어 있는 시험용 입자이다.
각 시료의 평가는, 50시간 후의 LLC의 누설량을 측정함으로써 행하였다. LLC의 누설량은 적을수록 바람직하다. 결과를 표 3에 나타낸다.
씰 링 메이팅 링 하중
[N]		 LLC의 누설량
[㎖]
실시예 1 그래파이트 분산
탄화규소		 다공성 탄화규소 23.0 0.2
비교예 1 연질 카본 다공성 탄화규소 25.8
 50.0
비교예 2 다공성 탄화규소 다공성 탄화규소 26.7
 6.0
비교예 3 그래파이트 분산
탄화규소		 그래파이트 분산
탄화규소		 26.0 5.0
표 3에서, 그래파이트(카본) 분산 탄화규소 씰 링 및 다공성 탄화규소 메이팅 링을 사용한 실시예 1의 씰링 장치는, 50시간 후의 LLC 누설량이 0.2㎖로 적어 양호한 결과가 되었다. 또한, 실시예 1의 씰링 장치는 시험 완료 후에도 양호한 씰링성을 나타내고 있으며, 또한, 슬라이딩면 형상도 양호하였다.
한편, 씰 링으로서 연질 카본 혹은 다공성 탄화규소를 사용한 비교예 1, 2, 씰 링 및 메이팅 링으로서 그래파이트(카본) 분산 탄화규소를 사용한 비교예 3은, 50시간 후의 LLC 누설량이 각각, 50.0㎖, 6.0㎖ 및 5.0㎖로 누설량이 많아지는 결과가 되었다. 또한, 씰 링으로서 다공성 경질 카본을 사용한 비교예 1은 씰링성에 대해서는 큰 문제는 발생하지 않았으나, 슬라이딩면에 마모·면 거칠어짐이 현저하게 발생하는 결과가 되어, 따라서, 내구성이 떨어지는 결과가 됨이 확인되었다.
소음 시험
소음 시험은, 회전 속도 및 측정 온도를 변화시켰을 때의, 각 시험조건에서의 소음의 발생 유무를 조사함으로써 행하였다.
소음 시험은, 소음 시험기(메카니컬 씰 장치를 액조(液槽) 내에 장착하여 씰면으로부터 누설된 액체를 하조에 담아 계측하는 시험을 행하는 장치)에서, 밀봉유체로서, LLC 50% 수용액 혹은 물을 사용하고, 유체 압력 0㎫(대기압)으로 하고, 축 치수 φ6인 회전축을 시험용 회전축으로 사용하여 행하였다. 한편, 측정은 도 2에 나타낸 바와 같이, 회전 속도 0 ~ 2000min-1 사이의 각 조건, 측정 온도 40 ~ 100℃ 사이의 각 조건에 있어서, 회전 속도 및 측정 온도를 변화시킴으로써 행하였다.
각 시료의 평가는 전 측정점(AT: Area of Test)에 대한 소음 발생점(AR: Area of Ring)의 비율로부터 하기식(1)에 의해 소음 발생률을 산출함으로써 행하였다. 즉, 소음 발생률이 낮을수록 광범위한 회전 속도 및 온도에서 소음의 발생이 억제되어 있음을 의미하고, 또한, 소음 발생률이 높을수록 회전 속도 및 온도에 의존하여 소음이 발생하기 쉬움을 의미한다. 한편, 도 2에 나타내는 바와 같이, 낮은 회전 속도 및 고온의 조건에서 특히 소음이 발생하기 쉬워지는 경향이 있다. 또한, 본 실시예에 있어서, 소음 시험은 각 시료에 대하여 동일한 측정점 및 동일한 조건으로 행하였다.
소음 발생률(%)=소음 발생점(AR)/전 측정점(AT)×100 …
(1)
소음 발생률은 낮을수록 바람직하다. 결과를 표 4에 나타낸다.

 씰 링 메이팅 링 소음 발생률[%]
LLC 50% 수용액 물
실시예 1 그래파이트 분산
탄화규소		 다공성 탄화규소 0 5.4
비교예 1 연질 카본 다공성 탄화규소 0
 5.4
비교예 2 다공성 탄화규소 다공성 탄화규소 0
 10.0
비교예 3 그래파이트 분산
탄화규소		 그래파이트 분산
탄화규소		 16.4 36.7
표 4로부터, 그래파이트(카본) 분산 탄화규소 씰 링 및 다공성 탄화규소 메이팅 링을 사용한 실시예 1의 씰링 장치는, 밀봉 유체로서 LLC 및 물 중 어느 하나를 사용한 경우에 있어서도 소음 발생률이 낮아, 광범위한 회전 속도 및 회전 속도 및 온도에서 소음 발생 제어가 가능해짐이 확인가능하였다.
한편, 씰 링으로서 다공성 탄화규소를 사용한 비교예 2, 씰 링 및 메이팅 링으로서 그래파이트(카본) 분산 탄화규소를 사용한 비교예 3에 있어서는, 특히, 밀봉유체로서 물을 사용한 경우에 있어서, 소음의 발생률이 각각 10.0%, 36.7%가 되어 양쪽 모두 소음이 발생하기 쉬움이 확인가능하였다. 이들 시료는 특히 낮은 회전수 및 고온의 조건에서, 소음이 발생하기 쉬워지는 경향이 있었다. 한편, 씰 링으로서 연질 카본을 사용한 비교예 1에 있어서는 소음 발생률이 실시예 1과 동등한 정도였다.
드라이 슬라이딩성 시험
드라이 슬라이딩성 시험은, 밀봉유체를 사용하지 않고 슬라이딩 시험을 행하여, 눌어붙음이 발생하기까지의 시간을 측정하는 시험이다. 드라이 슬라이딩성을 향상시킴으로써 씰링 슬라이딩면끼리의 고체접촉에 의한 응착현상이 발생하는 경우에 있어서도, 씰 장치의 눌어붙음을 효과적으로 방지하는 것이 가능하다.
드라이 슬라이딩성 시험은, 메카니컬 씰 실기 시험기로, 대기(드라이) 분위기, 대기압에서, 시험 시간 10분, 회전수 2000min-1의 조건에서 행하였다. 각 시료의 평가는, 시험 개시부터 씰 장치가 눌어붙을 때까지의 시간(눌어붙음 시간)을 평가함으로써 행하였다. 눌어붙음 시간은 긴 편이 바람직하다. 결과를 표 5에 나타낸다.
씰 링 메이팅 링 하중
[N]		 눌어붙음 시간
[min.]
실시예 1 그래파이트 분산
탄화규소		 다공성 탄화규소 24.6 9.0
비교예 1 연질 카본
 다공성 탄화규소 25.0 발생 안 함
비교예 2 다공성 탄화규소
 다공성 탄화규소 24.6 1.5
비교예 3 그래파이트 분산
탄화규소		 그래파이트 분산
탄화규소		 25.0 12.0
표 5로부터, 씰 링 및 메이팅링으로서 모두 높은 경도를 가진 재료를 사용한 실시예 1 및 비교예 2에 있어서는, 비교예 2에서는 눌어붙음 시간이 1.5분이었던 데 비해 실시예 1에서는 눌어붙음 시간은 9분으로, 실시예 1 쪽이 눌어붙음 발생까지의 시간이 길어 드라이 슬라이딩성이 뛰어남이 확인가능하였다. 한편, 실시예 1에서는 시험 개시 후 5분 경과 시점에 있어서는, 슬라이딩면에 손상은 확인되지 않았다. 또한, 비교예 1은 씰 링으로서 연질의 재료를 사용하고 있기 때문에 눌어붙음이 발생하는 일은 없었다.
종합 평가
표 6에, 실시예 1, 비교예 1 ~ 3의 씰링 장치의 실리케이트 퇴적시험, 이물질에 의한 면 거칠기 시험, 소음 시험 및 드라이 슬라이딩성 시험의 각 시험 결과를 나타낸다. 표 중 ‘○’는, 결과가 양호했음을 나타내고 있으며, ‘×’는, 양호한 결과를 얻을 수 없었음을 나타내고 있다.
씰 링 메이팅 링 실리
케이트
퇴적시험		 이물질에 의한
면 거칠기시험		 소음
시험		 드라이
슬라이딩성
시험
실시예 1 그래파이트 분산
탄화규소		 다공성 탄화규소 ○ ○ ○ ○
비교예 1 연질 카본 다공성 탄화규소
 × × ○ ○
비교예 2 다공성 탄화규소 다공성 탄화규소
 ○ ○ ○ ×
비교예 3 그래파이트 분산
탄화규소		 그래파이트 분산
탄화규소		 ○ ○ × ○
표 6에 나타낸 바와 같이, 그래파이트(카본) 분산 탄화규소 씰 링 및 다공성 탄화규소 메이팅 링을 사용한 실시예 1은, 실리케이트 퇴적시험, 이물질에 의한 면 거칠기 시험, 소음 시험 및 드라이 슬라이딩성 시험의 각 시험에서 모두 양호한 결과였다.
한편, 씰 링으로서 연질 카본을 사용한 비교예 1은 내구성(실리케이트 퇴적시험, 이물질에 의한 면 거칠기 시험)이 저하되는 결과가 되고, 씰 링으로서 다공성 탄화규소를 사용한 비교예 2는 드라이 슬라이딩 성능이 저하된 결과였다.
또한, 씰 링 및 메이팅 링으로서 그래파이트 분산 탄화규소를 사용한 비교예 3은, 소음이 발생하기 쉬운 결과가 되었다. 한편, 비교예 3의 결과로부터, 씰 링 및 메이팅 링 양쪽에 그래파이트 분산 탄화규소를 사용한 경우에 있어서는 소음이 발생하기 쉬워져 본 발명의 효과를 얻는 것이 불가능함이 확인가능하였다.
따라서, 이 결과로부터 그래파이트(카본) 분산 탄화규소 씰 링과 다공성 탄화규소 메이팅 링을 조합하여 사용함으로써, 내구성과 드라이 슬라이딩성이 뛰어나 씰링용 슬라이딩 부재의 눌어붙음이나 마모가 방지되고, 또한, 슬라이딩 시의 소음 의 발생이 효과적으로 억제되어 있는 메카니컬 씰 장치를 얻는 것이 가능함이 확인가능하였다.

Claims (8)

  1. 제 1 씰링용 슬라이딩 부재와 제 2 씰링용 슬라이딩 부재를 서로 맞대어 씰링하는 워터펌프용 메카니컬 씰 장치로서,
    상기 제 1 씰링용 슬라이딩 부재가 탄화규소를 기재로 하고 상기 탄화규소에 그래파이트가 분산된 상태로 함유되어 있는 씰링용 슬라이딩 부재이고,
    상기 제 2 씰링용 슬라이딩 부재가 탄화규소를 주성분으로 하고, 독립·분산된 기공을 가지는 씰링용 슬라이딩 부재이고,
    상기 그래파이트는 상기 탄화규소 기재 중에 면적 비율이 1~10%이고, 함유량이 상기 제1 씰링용 슬라이딩 부재의 전체에 대하여 0.2~5중량%이고,
    상기 기공은 평균 지름이 10~70㎛이고, 기공률이 4~8vol%이고,
    상기 제 1 씰링용 슬라이딩 부재의 빅커스 경도가 600 ~ 3000, 겉보기 비중이 2.0 ~ 3.2이고,
    상기 제 2 씰링용 슬라이딩 부재의 빅커스 경도가 2200 ~ 3000, 겉보기 비중이 2.7 ~ 3.2인 것을 특징으로 하는 워터 펌프용 메카니컬 씰 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 씰링용 슬라이딩 부재는, 그래파이트가 분산된 탄화규소 결정이고,
    수성 용매를 사용하여 탄화규소 결정 분말, 그래파이트 분말, 바인더 수지 및 소결조제를 첨가한 후 혼합을 행한 다음 얻어진 혼합물을 과립화하고, 얻어진 과립을 원하는 형상으로 성형한 후 얻어진 성형체를 소성함으로써 제조되고,
    상기 제 2 씰링용 슬라이딩 부재는, 다공질 탄화규소로 이루어지고,
    탄화규소 결정 분말과 바인더 수지를 수계 용매를 사용하여 혼합한 혼합액을 과립화하고, 얻어진 과립과 평균 입자 40 ~ 60㎛ 정도의 수지 입자를 혼합하고, 얻어진 혼합 분말을 원하는 형상으로 성형하여 얻어진 성형체를 진공 또는 불활성 분위기에서 소성하여, 상기 바인더 수지를 탄화시킴과 동시에 상기 수지 입자를 열 분해 및 비산시켜 기공을 형성한 후, 연속하여소성함으로써 얻어지는 것을 특징으로 하는 워터 펌프용 메카니컬 씰 장치.
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