涂覆金刚石的轴承或密封结构及包含它们的流体机械的制作方法

专利名称：：涂覆金刚石的轴承或密封结构及包含它们的流体机械的制作方法
技术领域：
：本发明涉及要求耐磨性及小摩擦系数的轴承或密封结构，更具体地，涉及适合用于如泵、涡轮或压缩机等旋转式机械、或如液压缸等直线运动机械的轴承或密封结构，本发明还涉及包括该轴承或密封结构的流体处理机械(例如泵、涡轮或压缩^L等)。技术背景在用于如泵、涡轮机或压缩机等的旋转式机械或如流体压力缸等直线运动机械的轴承或密封结构中，可动件和固定轴承或密封件通常用如金属、硬质合金、聚合材料、陶瓷或上述材料的组合的材料制造；可动件用作(或连接到)转动轴并与可动侧相应，固定轴承或密封件与可动件成对并与固定侧相应。近年来，为了保护环境，已在这些旋转式机械或直线运动机械中采用了无油密封件和/或轴承。要求减小尺寸和增加旋转式机械的速度及容量使得轴承和密封件的操作条件更为严格，因而轴承及密封件可经受更高的速度及更重的负荷。另外，安装在液氢泵或氢气压缩机中的轴承或密封件用在很低粘度的生产流体中，因此需要用具有耐磨性及低摩擦的可滑动材料制成。对于用于处理如空气、氢气或液态氢等的生产流体的旋转式机械用的轴承或密封件的现有材料(例如硬质合金和SiC)已指出有下面的问题固体间的滑动接触造成热冲击破坏或热疲劳开裂。为改善现有材料的摩擦特性，已试图进行如碳化处理或氮化处理之类的硬化处理或形成氮化物基或氧化物基的陶瓷涂层。但是就改性层的硬度、耐磨性、摩擦特性而言，这些表面处理并不能使滑动材料令人满意。另一方面，已提出一种技术，该技术通过近年在要求有耐磨性的元件(如切削刀具)的表面上形成金刚石外皮来改进耐磨性，例如示出在日本专利待审公开No.2002-142434。如果要求有耐磨性的元件是切削刀具，则通过把构成金刚石外皮的金刚石晶体的尺寸减小到一定值或较小值，就消除了抛光金刚石外皮表面的需要。但是，如果金刚石外皮形成在轴承或密封件的表面上而使外皮表面用作可滑动表面，则该表面优选进行抛光以减小滑动阻力。但是，金刚石是最硬的材料，抛光金刚石外皮表面在经济上是不可行的。
发明内容本发明是为了解决上述问题而做出的。本发明的主要目的是提供具有减小的摩擦系数和改进的耐磨性的轴承或密封结构。本发明的另一个目的是提供一种包括可动件和固定件的轴承或密封结构，其中，相对的表面中的至少一个涂覆多晶金刚石以减小摩擦系数和改进耐磨性。本发明的再一个目的是提供一种包括可动件和固定件的轴承或密封结构，其中，相对的表面中的至少一个涂覆多晶金刚石，该结构表面再涂以另一种材料以减小摩擦系数和改进耐磨性。本发明的又一个目的是提供一种包括上述轴承或密封结构的、如泵、涡轮或压缩机之类的流体处理机械。本发明提供了一种具有可动件和固定件的涂覆金刚石的轴承或密封结构，其中所述可动件和固定件中的至少一个由热膨胀系数至多为8xl(T卞C或更小的材料制成，并且，多晶金刚石涂在由所述材料制成的元件与另一元件相对的表面上。在本发明中，与涂覆有多晶金刚石元件不同的元件可以是SiC烧结件或涂覆SiC的元件，或可由碳化钨、碳化铬或碳化钛等的硬质合金制成，或可由入1203或Zr02等氧化物基烧结材料制成，或可以涂覆TiN等的氮化物基材料。在本发明中，在涂覆多晶金刚石的元件中，维氏硬度Hv为2000<Hv<8000的硬碳层涂覆在多晶金刚石上。在技术方案7中限定的本发明提供了一种供水装置，其中装有按照技术方案1-6中任一项的涂覆金刚石的轴承或密封结构。在技术方案8中限定的本发明提供了一种用于在先运转预备操作的立轴泵装置，其中安装着按照技术方案1-6中任一项的涂覆金刚石的轴承或密封结构。在技术方案9中限定的本发明提供了一种压缩机，其中安装着按照技术方案1-6中任一项的涂覆金刚石的轴承或密封结构。在技术方案10中限定的本发明提供了具有可动件和固定件并用在净水或超净水中的涂覆金刚石的轴承或密封结构，其中多晶金刚石涂覆在形成所述可动件和固定件的材料的相对表面中的至少一个上。在技术方案10请求保护的本发明中，与涂覆多晶金刚石的元件不同的元件可以是SiC烧结件或涂覆SiC的元件；或由碳化钨、碳化铬或碳化钛之类的硬质合金制成；或由入1203或ZrOz之类的氧化物基烧结材料制成；或可以涂覆如TiN之类的氮化物基材料。在技术方案10请求保护的本发明中，在涂覆多晶金刚石的元件中，维氏硬度Hv为2000<Hv<8000的硬碳层涂覆在多晶金刚石上。本发明提供了下面的效果。1.可减小轴承或密封结构的摩擦系数并改进耐磨性。2.延长了使用该轴承和/或密封结构的流体机械的寿命。3.现有的材料组合在机器于空气中致动或停止时会引起可滑动表面的损坏。但是，本发明提供了可在空气中稳定操作的轴承或密封件。4.提供了可用于具有极低粘度的氢气或液态氢等的生产流体的轴承或密封件。图l是示出按照本发明的轴承结构的一个实施例的剖面图；图2是图1中部分A的放大的剖面图；图3是示出按照本发明的密封结构的一个实施例的剖面图；图4是图3中部分B的放大的剖面图；图5是热丝CVD装置的概念图；图6是示出金刚石涂敷表面的扫描电子显微镜图像的图，其中图6(a)示出按照表3-l中所示的具体实施例2的金刚石涂敷表面，图6(b)示出按照表3-l中所示的具体实施例5的金刚石涂敷表面；图7是示出在金刚石涂敷前后得到的触针表面粗糙度(needlesurfaceroughness)测量的图表，其中图7(a)示出进行金刚石涂敷(SiC)前的表面粗糙度，图7(b)示出进行金刚石涂敷后的表面粗糙度；图8是示出按照表3-l的具体实施例1的金刚石涂层的喇曼光谱图；图9是示出X射线分析特性曲线的图表，其中图9(a)示出表3-1中具体实施例2的X射线分析特性曲线，而图9(b)示出表3-l中具体实施例4的X射线分析特性曲线；图IO是微波CVD装置的概念图；图11是示出按照表3-l中具体实施例11的金刚石涂敷表面的扫描电子显微镜图像的图；图12是示出按照表3-l中具体实施例11的金刚石涂敷表面的喇曼光谱图；图13是磨损试验部分的概念图；图14是应用了本发明的用于离心压缩机的非接触端表面密封装置的剖面图；图15是示出包括止推轴承的筒装的马达泵的图，其中，该止推轴承应用了本发明；图16是示出可应用按照本发明的轴承结构的、在先运转预备操作立轴泵的剖面图；图17是示出平行安排的用于在先运转预备操作立轴泵的多个立轴式泵的剖面图；图18是可应用按照本发明的轴承和/或密封结构的供水装置的示意图；图19示出在净水中涂覆金刚石的元件的摩擦和磨损特性。具体实施例方式下面参照本发明的实施例。图1示出作为滑动轴承(或轴颈轴承)型的轴承结构的本发明的一个实施例。轴承结构1包括用作可动件的转动轴2或绕转动轴2外周边安装的轴套3、和用作可转动地支承转动件的固定件的轴承件4。在说明书中，如果转动轴2形成为整体件，则"可动件"相当转动轴，或者如图所示若轴套绕着转动轴2的外周边安装，则"可动件"相当于轴套。作为可动件的轴套3本身和作为固定件的轴承件4中的至少一个(在本实施例中两者都是)由低热膨胀材料制成。按照本实施例，多晶金刚石的外皮7形成在轴套3面向轴承件4的表面(轴颈表面)5上和轴承件4面向轴套的表面6上，如图2所示。上面和下面说明的金刚石外皮7通过用已知的化学沉积法沉积多晶金刚石而形成。低热膨胀材料具有小于等于10x1(TV。C且大于等于0.5xl(rVC的热膨胀系数，优选地为小于等于8xl(T""C，更优选地为小于等于8xlO勺。C且大于等于lxl(T6/。C。如此形成的金刚石外皮7的表面构成转动件和固定件可相互滑动接触的可滑动表面。在上述实施例中，虽然金刚石外皮形成在轴套件和轴承件两者的相对表面上，但也可仅形成两表面中的一个上。微波等离子体CVD法、高频等离子体、DC放电等离子体法、电弧放电等离子体喷射法和燃烧火焰法。用于该气相合成方法的材料是包含混有一定百分比的如甲烷、乙醇、乙炔等烃类的氢气的混合气体。根据生产工艺，氢气可与一氧化碳、二氧化碳等混合，或可将少量的其它气体加入到氢气中。对于这些混合气体来说，下面是常见的材料气体主要包括氢气，并转化成等离子体或由热激发而活化。该活化的氢气很好地腐蚀非金刚石碳，但基本不腐蚀金刚石。上面的气相合成方法通过合适地使用该选择的腐蚀作用来抑制基体材料上非金刚石成分的增长而仅沉积金刚石，从而形成金刚石薄膜。上述方法是已知的，省略了对方法细节的说明。如果外皮要形成在柱形轴承件4(这可以是类似形状的密封件)的内周表面上，则可适用热丝CVD法，这是因为其具有较高的目标形状自由度。多个丝以相等的间隔加到柱体里面，并且金刚石形成在内表面。为了在轴套3的外周边形成外皮(如果轴与轴套3成整体，则外皮形成在轴的外周边上)，可以使用热丝CVD法把多个丝以等间隔加到基体的外面，并把金刚石沉积在目标基体材料的表面上。当通过热丝CVD法把金刚石涂在用作可动件的轴套3的相对表面5上及用作固定件的轴承件4(或密封件)的相对表面6上、以使得这两表面构成可滑动表面时，最终的结构具有如下说明的小摩擦系数和高耐磨性。这使得可能提供摩擦特性好的密封件或轴承件。在包括用作可动件的轴套3和用作固定件的轴承件4(或密封件)的组合的轴承结构(或密封结构)中，在轴套和轴承件(密封件)的可滑动表面上发生固体间的滑动接触。因此，表面上的凹部和凸部增加了接触阻力。因此，希望减小可滑动表面的表面粗糙度。一般，在涂覆金刚石之前，优选地磨光或抛光基体材料的表面，使得其表面粗糙度Ra为0.3nm或更小。另一方面，由化学沉积法形成的多晶金刚石涂覆表面的表面粗糙度取决于晶粒尺寸、膜厚、晶体取向等。通过集中的研究，本发明人已发现，为了减小摩擦系数以改进耐磨性，可滑动表面的平均表面粗糙度优选地设成0.3nm或更小，更优选地为O.lnm或更小。用于使得金刚石涂覆表面的平均表面粗糙度在0.3pm或更小的手段如下1.金刚石晶体优选地具有最多为5pm的平均晶粒尺寸，更优选地为O.l拜。2.金刚石优选地具有至多为10|um、更优选地为5|um的膜厚。3.对于金刚石晶粒，1(100)个面是高度地定向的。使用热丝CVD法，在成膜过程中，基体的温度在800-1000。C之间。因此，基体材料的实例包括如硅、氮化硅、氧化铝和碳化硅之类的无机材料以及如钼和铂等的高熔点金属。另外，由于在成膜时基体是热的，因此，当在基体材料和金刚石薄膜之间的热膨胀系数有大的差别时，倾向出现明显的变形。当将具有与金刚石的热膨胀系数类似的热膨胀系数的材料用作基体材料时，变形量及泄漏小，从而获得优异的密封效果及高耐磨性。由于金刚石的热膨胀系数为i.ixio-6/x:，故基体材料希望有8xio-Vc或更小的热膨胀系数。材料不局限于如SiC和Si3N4之类的陶瓷，也可以是金属，只要其热膨胀系数为8xl(T6/'C或更小即可。要求尽可能减小金刚石涂覆表面的表面粗糙度。为得到光滑的表面，在生成金刚石涂敷的表面后，必须对其进行抛光。抛光由超硬材料形成的金刚石涂覆表面是要求高成本且不实际的。按照本发明，硬碳膜形成在金刚石涂层上，因此便于基于用金刚石磨粒抛光进行的后处理。或者，通过两个涂层表面相互相对研磨可移去细小的凹部及凸部。移去细小的凹部及凸部明显地减小了研磨表面的摩擦阻力，使得可得到理想的光滑表面。硬碳膜意味着通过混合由比金刚石软的非金刚石成分、或类金刚石碳(下面简称"DLC")、或类石墨碳构成的碳而得到的薄膜。硬碳膜可由热丝CVD法、等离子体CVD法或多弧离子镀法制成。热丝法可通过增加甲烷浓度来使得非金刚石成分的硬碳膜容易地形成。本发明的另一实施例示出如图3所示的机械密封型的密封结构。密封结构10包括用作可动件的环形可动密封件13和用作固定件的环形固定密封件14。该环形可动密封件13绕安装在转动轴11外面的轴套12的外周边设置。可动件和固定件中的至少一个(在本实施例中为两者)由上述实施例那样的低热膨胀材料制成。该低热膨胀材料的热膨胀系数不大于10xl(rVr且不小于0.5x1(TV"C，优选地为不大于8xl0V"C，更优选地为不大于8xlO-6/'C且不小于lxlO力"C。硬碳材料(维氏硬度Hv为2000<Hv<6000)的外皮18可有选择地形成在如上所述形成在可动密封件的相对表面(或密封表面)15上的多晶金刚石外皮17和如上所述形成在固定密封件14的相对表面16上的多晶金刚石外皮17中的一个表面上(在本实施例中，形成在固定密封件的金刚石涂覆表面上)。在本实施例中，硬碳材料的外皮表面和滑动接触的可滑动表面。硬碳外皮6的厚度优选地为0.5-20[im，更优选地为0.5-5pm。这是因为如果外皮厚度小于0.5pm则不能达到理想的高耐磨性，并且如果外皮厚度大于5pm，则成膜方法增加硬碳膜本身的内应力值，可能使薄膜从基体移去。为了得到光滑的表面，在金刚石涂层形成后，必须抛光该涂层表面。抛光金刚石涂敷表面、超硬的材料，要求高成本且是不实际的。按照本发明，硬碳材料的外皮18形成在多晶金刚石外皮17的表面上，使得外皮18的表面构成可滑动表面。这便于基于用金刚石磨粒抛光的后处理。用于合成类金刚石碳或类石墨碳的方法的实例包括热丝CVD法、微波等离子体CVD法、高频等离子体法、DC放电等离子体法、使用电弧的离子镀法、溅射沉积法和离子沉积法。碳化合物用作化学沉积法用的材料。材料的实例包括饱和烃，如甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等；不饱和烃，如乙烯、丙烯、乙炔和丁二烯等；和芳香烃，如苯和甲苯等。碳目标基体用于物理沉积法，如使用电弧的离子镀法和溅射沉积法。上述方法是已知的，不再详细说明。DLC薄膜是含有类似金刚石键的键(sp3)的无定形碳薄膜。DLC薄膜一般很硬且滑动性优异。期望DLC薄膜可用到多种产品，包括重负栽可滑动件(如轴承和密封等)以及轻负载滑动件(如用于磁记录介质的保护膜等)。称为DLC薄膜的无定形碳膜显示多种特性，如不同的sp3键合率。依据制造方法和成膜条件来改变得到的DLC薄膜。不利地，现有的DLC单层薄膜不会显示有与移去薄膜本身等有关的足够的性能。通过形成紧紧地粘到基体的多晶金刚石薄膜并随后形成DLC薄膜，本发明可提供具有高耐磨性和高滑动性的可滑动材料。硬碳材料外皮当然可以形成在图1所示的轴承结构的金刚石薄膜的表面上。另外，当然硬碳材料外皮可有选择地形成在以前说明的图3的密封装置中。在另一实施例中，虽然没有在图中示出，但与上述实施例同样的低热膨胀材料用于制造用作可动件的轴套或可动密封件(例如轴套或可动密封件)和用作固定件的轴承件(或固定密封件)，这两元件示出在上述实施例中，并且多晶金刚石外皮如上所述形成在轴套或可动密封件的相对表面(轴颈或密封表面)上。另一方面，SiC烧结材料或其它材料(例如低热膨胀材料)可以用来制造用作可动件的轴套或可动密封件和用作固定件的轴承件(或固定密封件)中的另一个，并且，轴承件的相对表面上可以涂敷SiC烧结材料。在本实施例中，金刚石外皮和SiC烧结材料的表面构成转动件和固定件相互滑动接触的可滑动表面。在本发明的另一实施例中，用作固定件并且其上未形成金刚石外皮的轴承件(或固定密封件；如果金刚石外皮不形成在用作可动件的轴套或可动密封环上则是轴套或可动密封环)可由硬质合金件(如碳化鴒、碳化铬或碳化钛)、众1203烧结件或TiN材料制成。或者，轴承件可由其它材料制成，而相对表面涂有基于碳化钨、碳化铬、碳化钛等的硬质合金件、入1203烧结件或TiN材料。<实例1>图5示出用热丝CVD法如何形成金刚石涂覆层的概念图。形成有多晶金刚石涂覆层的基体材料环22固定地放在Mo制的试样保持器21上。丝23放置成与基体材料环(下面简称为基体材料)22相对。构成材料的甲烷(CH4)和氢气(H2)的混合气体被引导至丝23和基体材料22。丝加热并分解混合气体以使金刚石沉积在基体材料上。烧结SiC用作基体材料22并成形为预定的环。要形成料层的表面被磨光使得表面粗糙度Rmax=0.1|am或更小。在进行成膜试验前，试样的涂层表面用金刚石粉刮擦以增加金刚石生核密度。在表1-1所示的条件下，多晶金刚石涂层形成在基体材料22刮擦过的表面上。一根小0.5mm的Ta线用作丝。丝的温度用辐射温度计测量并用电压调节器调节。成膜试验进行到金刚石目标涂层的厚度成为约l-10nm为止。表l-l合成金刚石涂层的条件__反应气流100-200sccm<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>扫描电子显微镜(SEM)、喇曼光谱和X射线分析用来评价形成在基体22(材料烧结SiC)的端表面上的多晶金刚石涂层。表1-2示出基于热丝CVD法的成膜条件和评价。图6示出使用SEM观察的金刚石外皮表面。图7示出使用触针表面粗糙度试验器对金刚石涂覆表面的测量。图8和图9分别示出基于喇曼光谱及X射线分析的评价。图8示出金刚石的靠近1333cm"的特征峰。<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>1.表面粗糙度标准平均表面粗糙度Ra评价Ra<l|am〇0.3(im<Ra<l|im◎<实例2>图10示出如何由微波等离子体CVD法形成金刚石涂层的概念图。为了增加显示金刚石晶粒生长的生核密度，SiC表面使用金刚石粉刮擦。使用混合到乙醇的金刚石颗粒用超声使表面形成伤痕。CH4和H2的混合气体用作材料气体。表2-l示出合成金刚石的条件。表2-l合成金刚石涂层的条件<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>在基体材料(基体材料环)22上合成的多晶金刚石涂层用扫描电子显微镜(SEM)、喇曼光镨、X射线分析和触针表面粗糙度试验器进行评价。表2-2示出成膜条件和金刚石涂层的评价。图ll示出用SEM观察的金刚石涂覆表面。喇曼光谱(显微喇曼法；点直径1pm)用来对涉及没有结晶性的石墨或无定形碳之类的金刚石组分的混合物作定性评价。图12示出喇曼光谱。图12示出金刚石的靠近1333cnT1的特征峰。虽然观察到起因于无定形碳和石墨的小峰靠近1500cnr1,但确认到产生了较高质量的金刚石。表2-2基于微波CVD法的成膜条件和金刚石涂层的评价<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table><实例3>现在说明本发明的一个具体实施例。如前述那样，轴承结构(或密封结构)包括构成转动側的可动件(在图l-4所示的实例中为转动轴、轴套或可动密封件)和构成固定侧的固定件(在图1-4所示的实例中为轴承件或固定密封件)。在本发明的一个具体实施例中，使用表3-1所示的材料组合构造了轴承(或密封)结构，用于转动件和固定件。表3-2示出使用表3-l示出的材料组合、在表3-3的试验条件下进行的摩擦试验的结果。为了考察组合材料的摩擦和磨损特性，轴承(密封)结构一般不是图l-4所示的结构而是图13所示的结构，以便使之适于试验器。在上述结构中，具有形成在表面上的多晶金刚石薄膜37的基体材料33固定到转动轴32的前端。基体材料33绕转动轴32转动。其上形成有多晶金刚石薄膜37的固定环34放置成与其上形成有多晶金刚石薄膜37的基体材料33的表面相对。基体材料33形成环状，其外径为10-50mm。固定环34形成环状，其外径为12-60mm。如上述结构的摩擦和磨损试验器用来在室温下、在空气中进行试验。加在形成有金刚石外皮37的基体材料33的表面上的压强控制在O.l-l.OMPa。圆周速度控制在从0.2m/s起。运动距离控制在1000-5000m。在这些条件下考察摩擦系数。按照本发明的结构具有比涉及现有技术的比较实例1小的摩擦系数。因此，按照本发明的结构比现有技术受到更小的强摩擦。表3-1组合材料<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>脚注:DLC:由等离子体CVD法制造的类金刚石碳膜DC:由热丝CVD法制造的多晶金刚石薄膜DC复合材料由热丝CVD法制造的金刚石和非金刚石的混合物DLC/DC涂覆材料形成在多晶金刚石薄膜上的类金刚石碳膜表3-2组合材料的摩擦和磨损特性<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>1.摩擦系数的标准<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>0.1<)i<0.2o|Li<0.1◎2.耐磨性的标准<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>◎表3-3摩擦条件滑动环境接触压强圆周速度_运动距离摩擦系数l^3ST/2nW(R,3-R23)S:滑动面积；T:力矩；W:加压负栽R1:滑动部分的外半径；R2:滑动部分的内半径<实例4>下面说明一个具体的实例，其中本发明应用到离心压缩机的干气密封，该压缩机在特定的压强下把如空气之类的气体供到所需端。使用多级离心压缩机作为提供预定压强和预定供应流速的吹风机，其中叠置两个或更多的所谓径向叶轮；径向叶轮把动能提供给流体，流体随后被下游扩散器压缩。图14是示出在离心压缩机中干气密封的结构的实例的图。在图中，轴向轴套41设置在收容于密封壳体中的转动轴42上。轴向轴套41通过键41a、41a保持转动环43、43(配合环)。被固定的环或固定环44设成与各转动环43相对。SiC烧结材料用作转动环43的基体材料。薄的金刚石薄膜由上述热丝CVD法形成在基体材料的表面(与固定环相对)上。当转动环与固定环开始滑动接触时，金刚石外皮的表面构成可滑动表面。虽然图中未示出，螺旋槽可设在转动环43的可滑动表面中以便从高压侧H延伸到低压侧L。空气中O.l墨l纖Pa0.2m/s1000-5000m各固定环44通过销44a与密封环保持架44b连接。密封环保持架44b由密封壳体保持着，并经由设在密封壳体和密封环保持架44b之间的弹簧49朝向转动环被施压。这也使固定环44被压向转动环43。在如上构造的非接触端表面密封中，转动轴42的转动使得转动环43和固定环44之间相对运动。这造成高压侧H上的流体被捕集在设在转动环43中的螺旋槽中，从而在密封表面上形成流体薄膜。流体薄膜把密封表面带到非接触状态以在转动环43和固定环44的密封表面之间形成小间隙。在通常的操作模式中，也就是，当密封环的外周边速度为2.4m/s或更高时，在密封端表面施加动压以把干气密封带到非接触状态。另一方面，在压缩机起动后和在正常操作模式前的期间、以及在正常操作模式起动后和压缩机停止前的期间，转动密封环和固定密封环处在固体间的接触。因此，可滑动件要求具有增加的耐磨性和减小的摩擦的材料组合。按照本发明，薄的金刚石薄膜形成在由低热膨胀材料组成的可动件和固定件的可滑动表面上。这些薄的金刚石薄膜的组合使得可能提供具有减小的变形量和漏泄量、优异的密封能力、减小的摩擦系数和高耐磨性的密封件。因此本发明适合用于如在生产气体中操作的压缩机之类的旋转式机械的干气密封。<实例5>下面说明一个实例，其中本发明应用到磁力泵中的止推轴承。图15示出泵结构的图。在图中，附图标记50表示构成止推轴承的固定件54固定于其上的隔板。可动件53设成与固定件54相对；可动件53固定到叶轮51上并构成止推轴承。永久磁铁56经由隔板50与永久磁铁57相对，永久磁铁56固定到磁性联接器，而永久磁铁57固定到叶轮51。磁性联接器55的转动利用作用在永久磁铁56和57之间磁吸引或排斥力把转动力传到叶轮51。因此，叶轮57以其止推方向被止推轴承支承的方式转动。使用热丝CVD法在构成止推轴承的可动件53和固定件54的可滑动表面上形成薄金刚石薄膜。该止推轴承的结构提供了具有优异的摩擦特性的止推轴承，也就是具有小的摩擦系数和低的特定碳磨损。虽然图中未示出，具有类似特性的径向轴承可通过在径向轴承的可动件和固定件的滑动表面上形成薄的金刚石薄膜而构成。在上述实施例中，SiC烧结材料用作基体材料。但是，本发明并不限于此，使用金属材料、硬质合金或其它陶瓷也可以发挥同样的效果，只要这些材料具有小的热膨胀系数。在本实例中，本发明应用到作为供水泵的一个实例的磁力泵中的止推轴承和径向轴承。但是，本发明不限于此实例，即使本发明应用到供水泵中的机械密封件，通过采用类似上述止推轴承用的材料的组合材料也可以发挥同样的效果。在现有技术中，用于泵的轴承或密封件包括SiC烧结材料的组合、SiC烧结材料和硬质合金的组合或类似的组合。但是，若空气被捕获在可滑动部分中，则会增加摩擦系数而显著损坏可滑动表面。本发明可提供即使在水中或即使空气被捕获在可滑动部分中也能显示改善的耐磨性及减小的摩擦的组合材料。如果现有的组合材料(SiC烧结材料对SiC烧结材料)用于用在比电阻10MQcm的泵的轴承或密封件，该泵用于处理已从其中最大地移去如颗粒、细菌、发热物质和溶解氧等杂质的超净水，那么可滑动表面会在短时间中明显地损坏。虽然损坏的机理还未知，但是即使用于自来水的、显示高滑动性的SiC烧结材料也不能用于超净水。本发明将金刚石薄膜(最硬的和化学稳定材料)用于轴承或密封结构，使它可在净水或超净水中显示优异的摩擦特性，这可以在进一步的实施例的说明中清楚。<实例6>下面说明一个实例，其中本发明应用到立轴泵的径向轴承中用于在先运转预备操作。在城市中，建筑物林立并且几乎所有的道路都铺上路面。因此，大雨将引起雨水冲进排水泵的场地而没有渗进地里。另一方面，在起动排水泵后，要在排水泵场地花费很长的时间完成排水泵的操作。因此，在排水泵场地的抽吸水平已升高到足够的程度后，即使起动排水泵，排水也不及时地开始。因此，在开始降雨的同时，排水泵场地的排水泵在空气中起动，由此进行在先运转预备操作以等待水流到场地。因此，在起动后且在水开始流入抽吸槽而开始实际的排水之前，泵执行空气中的干操作。图16是示出这种现有的在先运转预备操作泵的示意剖面图。如图所示，在先运转预备操作泵IOO包括喷射缸81、装有叶轮87的叶轮缸82、抽吸喇叭口84、弯曲的喷射缸85和轴86,喷射缸81、叶轮缸82和抽吸喇叭口84连接到悬伸的缸80的底部侧，弯曲的喷射缸85连接到悬伸的缸80的顶部，轴86i殳在泵壳的里面并从喷射缸85的顶部突出，轴86与驱动装置(图中未示出)连接。导向叶片88固定到喷射缸81中。缸89设在导向叶片88的中部。轴86的轴承(下轴承)91设在缸89中。该轴承是水润滑的径向轴承。另一方面，轴密封部分95设成绕着从喷射缸85突出的轴86的一部分，以防止内部的泵送水泄漏。轴86的轴承(上轴承)97设成高于轴密封部分。该轴承是油润滑的径向止推轴承。通孔98设在抽吸喇叭口84的位于靠近叶轮进口的位置处。向上折的抽吸管99连接到通孔98。当泵的操作使液面降到基于抽吸喇叭口直径的最小值时，通过抽吸管抽吸空气。使用在空气、水、空气与水相混合状态下操作的如在先运转预备操作立轴泵等的旋转式机械，在干操作(在先操作)时，没有水用于水润滑；水用来润滑或冷却轴承(下轴承)91。这会引起摩擦并产生热而造成损坏。为了解决这一问题，本发明使用涂覆金刚石的径向轴承作为在先运转预备操作立轴泵中的轴承中的一个，在该泵中，用于转动驱动设在泵壳中的叶轮的轴的轴承设在泵壳的顶部和内部。按照本发明，金刚石薄膜设在由低热膨胀材料构成的可动件和固定件的滑动表面上。这些薄金刚石薄膜的组合使得可以提供具有减小的变形量和泄漏量、优异的密封性、减小的摩擦系数和高耐磨性的密封件或轴承。本发明因此适合于用于空气及水中操作的在先运转预备操作立轴泵等的旋转式机械。如果使用如上述实例中所示的一个在先运转预备操作立轴泵，则如图17所示平行地安排多个(例如在实施例中，如图17所示为三个)这种泵100a、100b和100c，而不是仅仅一个。多个立轴泵中的至少一个中的叶轮具有与其它的立轴泵的叶轮不同的高度位置(所有泵中的叶轮可有不同的位置)。这允许泵顺序地抽水以便当液面提高时增加叶轮的高度使得具有最高的叶轮的泵最后开始排水。这使得可以抑制由于迅速开始排水会在抽吸槽中产生的喘振现象，并可防止电力供应设备上的负载的迅速变化。相反地，在随着排水的进行而使液面减低的情况下，可防止迅速地停止排水。图18示意地示出应用本发明的轴承和/或密封结构的供水装置的实例。供水装置基于压力槽系统，并包括接收槽、泵(储存泵)、压力槽和将它们连接起来的管等，这些在图中均未示出，此外，还有图中未示出的提升管、高位槽、泵单元、供水管等。按照泵的目的来选择合适的泵作为供水泵。通过应用本发明的轴承或密封结构可提高效率。<实例7>下面说明本发明的其它实施例。如在前面说明的实施例那样，轴承结构(或密封结构)包括构成转动侧的可动件(在图l-4所示的实例中为转动轴、轴套或可动密封件)和构成固定侧的固定件(在图1-4所示的实例中为轴承件或固定密封件)。在该实施例中，轴承结构(或密封结构)在水中或超净水中使用。可动件和固定件的各自的基体部分借助例如烧结工艺由SiC制成。固定件和可动件各自的基体部分的相对表面(可动件面向固定件的表面以及固定件面向可动件的表面)涂覆多晶金刚石。设定金刚石涂覆表面的平均表面粗糙度的条件和装置与前面的实施例相同。多晶金刚石薄膜的厚度也可以与前面的实施例相同。形成轴承和密封件的材料可以是氧化物基、碳化物基或氮化物基的陶瓷。为了考察如上所述构造的轴承或密封结构的摩擦和磨损特性，使用相应第三实施例的、如图13所示的摩擦和磨损试验器，在室温下、在净水中(比电阻1.5MQ.cm)进行试验。在多晶(CVD)金刚石涂覆的SiC元件的接触表面的接触表面压强是3MPa、圆周速度为0.5m/s和试验时间为60分的条件下考察了摩擦系数。试验结果在图19中示出。在本申请中，"净水"被定义为具有比电阻大于等于1.0MQcm且小于10MQcm的水，"超净水"被定义为比电阻大于等于10MQ.cm的水。从图19的说明中明白，虽然在接触表面压强为实际使用的轴承结构的三倍多的条件下进行试验，但按照本发明该实施例的轴承或密封结构具有摩擦系数4=0.03的可接受的低摩擦特性。我们发现按照本发明的轴承或密封结构通过涂敷CVD金刚石涂层而具有低摩擦系数和改进的优异耐磨性(按照表3-2脚注所示的判断标准，相应最大损坏深度h<l|im(◎)(双环)，磨损值为0,5mm3/NmxlO-6或更小)。可认为按照本发明的轴承或密封结构提高了用于超净水中的优异摩擦和耐磨特性。虽然试验时间短，例如60分钟，但在转动环和固定环的多晶金刚石薄膜相互稳定地接触的状态下，转动环相对固定环转动。另一方面，在实际使用的轴承中，由于产生动压差而在轴承件的多晶金刚石薄膜的表面之间生成流体薄膜，从而导致这两表面在操作中相互不接触。它们相互短时间接触，如在操作的开始和终了时为小于几分钟。而且，操作的起动和停止不是频繁地实现。因此，可以说由60分的短的试验时间得到的结果可应用到实际使用的轴承或密封结构。按照本发明的轴承和密封结构可用于如泵、涡轮和压缩机之类的旋转式机械。权利要求1.一种具有可动件和固定件的涂覆金刚石的轴承或密封结构，其中所述可动件和固定件中的至少一个由热膨胀系数小于等于8×10-6/℃的材料制成，并且，多晶金刚石涂在由所述材料制成的元件与另一元件相对的表面上。2.按照权利要求1所述的涂覆金刚石的轴承或密封结构，其特征在于，与上述涂覆多晶金刚石的元件不同的元件是SiC烧结件或SiC涂覆件。3.按照权利要求1所述的涂覆金刚石的轴承或密封结构，其特征在于，与上述涂覆多晶金刚石的元件不同的元件由碳化钨、碳化铬或碳化钛等的硬质合金制成。4.按照权利要求1所述的涂覆金刚石的轴承或密封结构，其特征在于，与上述涂覆多晶金刚石的元件不同的元件由八1203或ZK)2等的氧化物基烧结材料制成。5.按照权利要求1所述的涂覆金刚石的轴承或密封结构，其特征在于，与上述涂覆多晶金刚石的元件不同的元件涂覆有TiN等的氮化物基材料。6.按照权利要求1-5中任一项所述的涂覆金刚石的轴承或密封结构，其特征在于，对涂覆有多晶金刚石的元件，维氏硬度Hv为2000<Hv<8000的硬碳层涂覆在该多晶金刚石上。7.—种供水装置，其中装有按照权利要求1-6中任一项所述的涂覆金刚石的轴承或密封结构。8.—种在先运转预备操作立轴泵，其中装有按照权利要求l-6中任一项所述的涂覆金刚石的轴承或密封结构。9.一种压缩机，其中装有按照权利要求1-6中任一项所述的涂覆金刚石的轴承或密封结构。10.—种具有可动件和固定件并用于净水或超净水中的涂覆金刚石的轴承或密封结构，其中多晶金刚石涂覆在形成所述固定件和可动件的材料的相对表面中的至少一个上。全文摘要本发明提供一种具有可动件和固定件的轴承或密封结构(1或10)。在轴承或密封结构中，所述可动件(2或13)和固定件(4或14)中的至少一个由热膨胀系数小于等于8×10^-6/℃的材料制成。多晶金刚石涂在由所述材料制成的元件与另一元件相对的表面上。文档编号F04D29/10GK101133184SQ20068000669公开日2008年2月27日申请日期2006年3月1日优先权日2005年3月2日发明者小川俊之,杉山宪一,长坂浩志申请人:株式会社荏原制作所