CN104321568B - 滑动部件 - Google Patents

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Abstract

目的在于提供一种滑动部件，通过控制在形成于滑动面的凹痕等凹陷部分内产生的、与气穴相伴随的筋状的流体流，由此能够与滑动面的内和外周的压差的大小无关地防止泄漏。在一对滑动部件的彼此相对滑动的一侧的滑动面上设置有凹痕，在所述凹痕内的气穴形成区域中设置有具有方向性的槽。

Description

滑动部件
技术领域
本发明涉及例如适用于机械密封件、轴承以及其它滑动部的滑动部件。特别是涉及使流体存在于滑动面来减少摩擦并且需要防止流体从滑动面泄漏的密封环或者轴承等滑动部件。
背景技术
在作为滑动部件的一个例子的机械密封件中，为了长期地维持密封性，必须兼顾“密封”与“润滑”这样相悖的条件。特别是，在近年，为了应对环境问题等，进一步提高了对低摩擦化的要求，以在防止被密封流体的泄漏的同时降低机械损失。作为低摩擦化的方法能够这样达成：通过旋转使滑动面之间产生动压，形成在存在有液膜的状态下进行滑动的所谓的流体润滑状态。可是，在这样的情况下，由于在滑动面之间产生正压，因此流体从正压部分向滑动面外流出。是轴承中所谓的侧方泄漏，相当于密封时的泄漏。
在液体密封中，因为液体的粘度比气体粘度大，因此，即使是平面之间，由于面的微小的波纹或粗糙的凹凸等也能够得到动压效果。因此，多采用以密封性能为优先的构造。另一方面，为了兼顾密封与润滑，还设计了若干将所泄漏的液体拉回到高压侧的具有泵浦效果的机构。例如，在专利文献1中公开了这样的发明：在旋转环的轴封面上在圆周方向上设置有将流体向高压室侧输送的多个螺旋槽。
另外，作为与滑动部件相关的发明，已知这样的发明：通过在滑动面的被密封流体侧所形成的吸入构件，将被密封流体导入至滑动面，在将该导入的被密封流体经阻挡部蓄积在形成于滑动面的径向外周侧以及径向内周侧的2个凹痕部的同时在径向内周侧的凹痕部中产生泵浦，由此防止被密封流体从比2个凹痕部靠径向内周侧的密封面泄漏(参照专利文献2)。
可是，在上述专利文献1和2所记载的发明中，在密封件等的滑动面的内周和外周存在压力差的情况下，需要与压力对抗的泵浦作用，存在由于压力大而无法将流体推回的情况。因此，在压力差小的情况下，能够防止泄漏，但是，在压力差大的情况下，存在泄漏量增多这样的问题。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平8-277941号公报(第5页，图6)
专利文献2：日本特开2005-180652号公报
发明内容
发明要解决的课题
如普通的机械密封件那样，已知：在2个部件各自的滑动面由平滑面构成的情况下，在滑动面之间不仅形成有被密封流体的膜，还形成有在流体中产生的气穴的相(参照Hamilton,Walowit,Allen：A.S.M.E.Paper No.65-Lub-11(1965))。即，在滑动面之间形成有由液体(被密封流体)构成的相(以下，称作液相)和由气体构成的相(以下，称作气相)。
另外，如图1所示，普遍公知：在形成于滑动面S的凹痕等凹陷部分10中会产生与气穴相伴随的筋状的流体流20。
本发明的目的在于提供一种滑动部件，其中，通过控制在形成于滑动面的凹痕等凹陷部分(在本说明书中称作“凹痕”。)内产生的、与气穴相伴随的筋状的流体流，由此能够与滑动面的内外周的压差的大小无关地防止泄漏。
用于解决问题的手段
(原理)
本发明人在进行关于机械密封件等的滑动面上的凹痕的流体润滑作用的研究的过程中认识到：如图2所示，如果在形成于滑动面的凹痕的底面上设置具有方向性的槽30，则能够变更或控制在凹痕10内产生的气穴区域的筋状的流体流20的方向。这可以认为是：由于气穴内部被粘性比液体足够小的气体填满，因此流动性良好，气穴内部的压力变得固定，从而与滑动面的内外周的压差无关地控制气穴内部的筋状流动。
即，可以认为是：在凹痕10的底面存在具有方向性的槽30的情况下，槽30的边缘部分40作为几何上的障碍壁对气液界面进行作用，阻碍了筋状流体流20在槽30上通过的移动，其结果是，筋状流体流20沿着槽30的边缘部分40移动一定程度，气穴内部的筋状流动被控制。
并且，关于边缘部分在几何上的障碍壁作用，在本申请人的专利申请即日本特开2011-185292号公报中详细地进行了记载。
(手段)
为了达成上述目的，本发明的滑动部件的第1特征在于，在一对滑动部件的彼此相对滑动的一侧的滑动面上设置有凹痕，在所述凹痕内的气穴形成区域中设置了具有方向性的槽。
根据该特征，能够控制与在凹痕内产生的气穴相伴随的、流体的筋状流动，并且能够与滑动面的内外周的压差的大小无关地防止泄漏。详细来说，由于气穴内部被粘性比液体足够小的气体填满，因此，流动性良好，气穴内部的压力变得固定，从而能够与滑动面的内外周的压差无关地控制气穴内部的筋状流动，在凹痕内存在具有方向性的槽的情况下，该槽的边缘部分作为几何上的障碍壁对气液界面进行作用，阻碍了筋状流体流在槽上通过的移动，其结果是，筋状流体流沿着槽的边缘部分移动一定的程度，因此，气穴内部的筋状流动被控制，防止了泄漏。
另外，本发明的滑动部件的第2特征在于，在第1特征中，在所述气穴形成区域的至少低压流体侧设置了所述具有方向性的槽。
根据该特征，具有方向性的槽对筋状流体流的控制至少在凹痕的低压流体侧进行，因此能够防止向低压流体侧的泄漏。
另外，本发明的滑动部件的第3特征在于，在第1或第2特征中，在所述凹痕内的除了气穴形成区域以外的部位至少设置有与高压流体侧连通的连通槽。
根据该特征，凹痕的下游侧的正压被释放，因此上游侧的压力降低，在上游侧容易产生气穴，气穴形成区域形成至凹痕的下游侧的附近，能够进一步控制气穴形成区域的筋状流体的流动方向。并且，能够使流入至正压区域的流体返回到高压流体侧。
另外，本发明的滑动部件的第4特征在于，在第1或第2特征中，在所述凹痕内的气穴形成区域中设置的所述具有方向性的槽形成为：其方向以所述凹痕的滑动方向上的中心为界关于该滑动面的滑动方向对称。
根据该特征，即使在对方侧滑动面的旋转方向为正反两个方向的情况下，也能够在不更换该滑动部件的情况下进行应对。
发明效果
本发明起到下面这样的优异效果。
(1)在一对滑动部件的彼此相对滑动的一侧的滑动面上设置有凹痕，在凹痕内的气穴形成区域设置具有方向性的槽，由此能够控制与在凹痕内产生的气穴相伴随的、流体的筋状流动，能够与滑动面的内外周的压差的大小无关地防止泄漏。
(2)在气穴形成区域的至少低压流体侧设置具有方向性的槽，由此，该槽对流体的筋状流动的控制至少在凹痕的低压流体侧进行，因此能够防止向低压流体侧的泄漏。
(3)在凹痕内的除了气穴形成区域以外的部位至少设置有与高压流体侧连通的连通槽，由此，凹痕的下游侧的正压被释放，因此上游侧的压力降低，在上游侧容易产生气穴，气穴形成区域形成至凹痕的下游侧的附近，能够进一步控制气穴形成区域的筋状的流体的流动方向。并且，能够使流入至正压区域的流体返回到高压流体侧。
(4)在凹痕内的气穴形成区域中设置的具有方向性的槽形成为：其方向以凹痕的滑动方向上的中心为界关于该滑动面的滑动方向对称，由此，即使在对方侧滑动面的旋转方向为正反两个方向的情况下，也能够在不更换该滑动部件的情况下进行应对。
附图说明
图1是对与在形成于滑动面的凹痕中产生的气穴相伴随的筋状流体的流动进行说明的图。
图2是对下述情况进行说明的图：如果在形成于滑动面的凹痕的底面上设置具有方向性的槽，则可以变更在凹痕内产生的气穴区域的筋状流体的流动方向。
图3是示出本发明的实施例的机械密封件的一个例子的纵剖视图。
图4是示出本发明的实施例1的滑动部件的滑动面的图，(a)示出了凹痕的形状是四边形的情况，另外，(b)示出了凹痕的形状是圆形的情况。
图5中，(a)是用于说明凹痕的下游侧的由变窄的间隙(阶梯差)构成的正压产生机构的图，(b)是用于说明凹痕的上游侧的由变宽的间隙(阶梯差)构成的负压产生机构的图。
图6涉及本发明的实施例1，是示出在凹痕的气穴形成区域的底面上设置有具有方向性的槽的情况的一个例子的主要部位的俯视图。
图7涉及本发明的实施例2，是示出在凹痕的除了气穴形成区域以外的部位设置有与高压流体侧等连通的连通槽的情况的一个例子的主要部位的俯视图。
图8涉及本发明的实施例3，是示出下述情况的一个例子的主要部位的俯视图：在凹痕的气穴形成区域设置的具有方向性的槽形成为以凹痕的滑动方向的中心为界关于该滑动面的滑动方向对称。
具体实施方式
以下，参照附图，并基于实施例对用于实施本发明的形态例示性地进行说明。但是，关于在该实施例中记载的结构部件的尺寸、材质、形状及其相对配置等，只要没有特别明确的记载，就不是将本发明的范围限定于此的主旨。
实施例1
参照图3至图6，对本发明的实施例1的滑动部件进行说明。
并且，在本实施例中，以构成机械密封件的部件是滑动部件的情况为例进行说明。
图3是示出机械密封件的一个例子的纵剖视图，并且是对欲从滑动面的外周朝向内周方向泄漏的、高压流体侧的被密封流体进行密封的形式的内装形式的机械密封件，圆环状的旋转环3和圆环状的固定环5借助于对该固定环5沿轴方向施力的螺旋波浪形弹簧6和波纹管7，在通过研磨等被镜面加工成的滑动面S之间压紧滑动，所述旋转环3在对高压流体侧的泵轮(省略图示)进行驱动的旋转轴1侧被设置成能够经由套筒2与该旋转轴1一体地旋转的状态，所述固定环5以非旋转状态且能够轴方向移动的状态设置于泵的壳体4。即，该机械密封件在旋转环3与固定环5彼此的滑动面S中，防止被密封流体从旋转轴1的外周向大气侧流出。
图4是示出本发明的实施例1的滑动部件的滑动面的图，以在图3的固定环5的滑动面上形成有凹痕的情况为例进行说明。
在图4(a)中，在滑动面S上沿周向设置有多个四边形的凹痕10。凹痕10与高压流体侧及低压流体侧不连通，并且，各凹痕10相互独立地设置。凹痕10的数量、面积和深度根据固定环5的直径和面宽、以及高压流体侧与低压流体侧的压差等条件被设定为最佳值，面积大、深度浅的凹痕在流体润滑作用和液膜形成这些方面是优选的。
另外，在图4(a)中，凹痕10的形状示出了下述情况：内径侧和外径侧的2个片呈以固定环5的中心为中心的圆弧状，并且周向的上游侧和下游侧的2个片为直线，但是，凹痕10的形状也可以是长方形、正方形、多边形，并不特别限定。
在图4(b)中，示出了凹痕11为圆形的情况下，沿周向设置有多个凹痕11。与图4(a)相同，凹痕11与高压流体侧及低压流体侧不连通，并且，各凹痕11相互独立地设置。关于凹痕11，直径大且较浅的凹痕是优选的，但是，凹痕11的大小和深度取决于流体的粘度、动作的速度或膜压，是综合考虑各种条件来设计决定的，因此，难以统一地规定。
在此，参照图5，对本发明中的设有凹痕的情况下的正压产生机构和负压产生机构进行说明。
在图5(a)中，如箭头所示，旋转环3相对于固定环5绕逆时针方向旋转移动，但是，当在固定环5的滑动面S上形成有凹痕10、11时，在该凹痕10、11的下游侧存在变窄的间隙(阶梯差)12。相对的旋转环3的滑动面平坦。
当旋转环3沿箭头所示的方向相对移动时，介于旋转环3的滑动面和固定环5的滑动面之间的流体由于其粘性而欲沿着旋转环3的移动方向追随移动，因此，此时，由于变窄的间隙(阶梯差)12的存在而产生如虚线所示那样的动压(正压)。
在图5(b)中，如箭头所示，旋转环3相对于固定环5绕逆时针方向旋转移动，但是，当在固定环5的滑动面S形成有凹痕10、11时，在凹痕10、11的上游侧存在变宽的间隙(阶梯差)13。相对的旋转环3的滑动面平坦。
当旋转环3沿箭头所示的方向相对移动时，介于旋转环3的滑动面和固定环5的滑动面之间的流体由于其粘性而欲沿着旋转环3的移动方向追随移动，因此，此时，由于变宽的间隙(阶梯差)13的存在而产生如虚线所示那样的动压(负压)。
因此，在凹痕10、11内的上游侧产生负压，在凹痕10、11内的下游侧产生正压。进而，在上游侧的负压产生区域产生气穴。
图6是示出在凹痕的气穴形成区域的底面上设置有具有方向性的槽的情况的一个例子的主要部位的俯视图。
在固定环5的滑动面S上沿周向设置有多个四边形的凹痕10，凹痕10与高压流体侧及低压流体侧不连通，并且，各凹痕10相互独立地设置。
当对方侧滑动面(旋转环3的滑动面)相对于固定环5绕逆时针方向旋转移动时，在凹痕10的上游侧产生气穴，形成由标号14所示的气穴区域(以下，称作“气穴形成区域14”。)。并且，在凹痕10内的气穴形成区域14设置有具有方向性的槽15。该设置有具有方向性的槽15的范围可以是气穴形成区域14的全部也可以是一部分。并且，具有方向性的槽15形成于凹痕10的底部，其宽度和深度并不特别限定，如在前面的用于解决课题的手段(原理)的一栏中所说明的那样，只要是下述这样的槽即可：具有方向性的槽15的边缘部分作为几何上的障碍壁对气液界面进行作用，筋状流体流在具有方向性的槽15上通过的移动被阻碍。
另外，槽15的方向性取决于如何控制流体，在图6中，为了将凹痕10内的流体向高压流体侧推回，以免其向低压流体侧泄漏，槽15从内径侧朝向外径侧沿逆时针方向倾斜。如在前面所说明的那样，气穴内部被粘性比液体足够小的气体填满，流动性良好，气穴内部的压力变得固定，从而与滑动面S的内外周的压差无关地控制筋状流动，因此，在槽15具有图6所示那样的方向性的情况下，利用设置于气穴形成区域14的槽15，使得凹痕10内的筋状流体的流动依次重复进行下述动作：沿着上游侧的最初的槽15的边缘部分移动一定的程度，接下来，沿着第2号槽15的边缘部分移动一定的程度，从而如双划线所示，筋状流体以被推回至高压流体侧的方式被控制。
另外，具有方向性的槽15的间距p只要在设计上被设定为最优值即可，并不特别限定。
当具有方向性的槽15是图6(a)所示的结构时，凹痕10设在从低压流体侧至高压流体侧的径向全部区域，与此相对，当所述槽15是图6(b)所示的结构时，凹痕10仅设置于低压流体侧。在图6(a)中，具有方向性的槽15对筋状流体的流动的控制在从凹痕10的低压流体侧至高压流体侧的径向全部区域中进行，而在图6(b)中，具有方向性的槽15对筋状流体的流动的控制在凹痕10的低压流体侧进行。在低压流体侧与高压流体侧的压差较大的情况下，优选图6(a)所示那样的将具有方向性的槽15设置于从低压流体侧至高压流体侧的径向全部区域的结构，但是，在低压流体侧与高压流体侧的压差较小的情况下，即使是图6(b)所示那样的将具有方向性的槽15仅设置于低压流体侧的结构，也能够防止泄漏。
另外，具有方向性的槽15并不限于仅设置于低压流体侧的情况，也可以仅设置于高压流体侧，或者仅设置于径向的中央，总之，只要根据压差等的大小适当地选择设置具有方向性的槽15的部分即可。
实施例2
图7涉及本发明的实施例2，是示出在凹痕的除了气穴形成区域以外的部位设置有与高压流体侧等连通的连通槽的情况的一个例子的主要部位的俯视图。
另外，在图7中，与实施方式1的标号相同的标号表示与实施例1相同的部件，省略重复的说明。
在图7(a)中，在凹痕10内的上游侧形成有气穴形成区域14，并且在上游侧之外的部位、即下游侧产生动压而形成正压区域16。并且，在正压区域16设置有与高压流体侧连通的连通槽17。连通槽17的深度是与凹痕10的凹陷深度相同或更深的深度。并且，连通槽17的宽度是能够充分释放正压的宽度。
当在凹痕10的下游侧的正压区域16设置有与高压流体侧连通的连通槽17时，凹痕10的下游侧的正压被释放，因此，上游侧的压力降低，在上游侧容易产生气穴。因此，气穴形成区域14形成至凹痕10的下游侧的附近，能够进一步控制气穴形成区域14的筋状流体的流动方向。并且，能够使流入至正压区域16的流体返回到高压流体侧。
在图7(b)中，在正压区域16中设置有与高压流体侧连通的倒L字状的连通槽18。该倒L字状的连通槽18除了与正压区域16连通之外，也与气穴形成区域14的下游侧的一部分连通。因此，凹痕10的下游侧的正压被进一步释放，能够进一步控制气穴形成区域14的筋状流体的流动方向。并且，能够使流入至气穴形成区域14的下游侧的附近的流体和流入至正压区域16的流体返回到高压流体侧。
在图7(c)中，在正压区域16中设置有与高压流体侧连通的连通槽17以及与低压流体侧连通的连通槽19。因此，凹痕10的下游侧的正压被释放至低压侧的压力附近，能够进一步控制气穴形成区域14的筋状流体的流动方向。
另外，由于流入至正压区域16的流体容易向低压流体侧流动，因此，在将本发明应用于密封装置的情况下，会认为容易引起泄漏而不是优选的，但是，在将本发明应用于轴承等的情况下，允许少许泄漏，可以预料到会提高润滑性能，因此能够在包括轴承在内的滑动部件整体中应用。
实施例3
图8涉及本发明的实施例3，是示出下述情况的一个例子的主要部位的俯视图：在凹痕的气穴形成区域设置的具有方向性的槽形成为以凹痕的滑动方向的中心为界关于该滑动面的滑动方向对称。
另外，在图8中，与实施方式1的标号相同的标号表示与实施例1相同的部件，省略重复的说明。
在实施例1和2所示的滑动部件中，仅能够应用于旋转方向为单向的情况，但是在实施例3中，即使在旋转方向为双向的情况下也能够应用。
图8中，在凹痕10内的气穴形成区域中设置的具有方向性的槽15、15’形成为：其方向以通过凹痕10的滑动方向上的中心的半径线O-O为界关于该滑动面的滑动方向对称。在图6和图7中，气穴形成区域14被设定成从凹痕10的上游侧遍及一半以上的区域形成，但是，在图8中，气穴形成区域14被设定成仅形成于凹痕10的上游侧的一半左右的区域，并且，即使在对方滑动面的旋转方向绕顺时针方向反转的情况下，气穴形成区域14也被设定成仅形成于凹痕10的上游侧的一半左右的区域。例如，设定成增大凹痕10的周向长度、或者使凹痕10的深度变浅并使负压产生区域在周向上形成得较短，这也是一种方法。另外，即使气穴形成区域14形成为延长至比半径线O-O靠下游侧的位置，但由于在上游侧被向外径方向控制的筋状流体的流动不会在下游侧的具有相反的方向性的槽15’上通过，因此，不会对筋状流体的流动的控制产生影响，从而能够进行所希望的控制。
在图8的情况下会认为：在凹痕10的上游侧的大约一半的区域形成了气穴形成区域14，在下游侧的大约一半的区域形成了正压区域16，气穴形成区域14中的具有方向性的槽15以使流体的筋状的流动朝向高压流体侧的方式进行作用，但是正压区域16中的具有方向性的槽15’向使流体的筋状的流动朝向低压流体侧的方向进行作用，因此，容易引起泄漏。可是，在本例的情况下，在气穴形成区域14中，流体被控制成朝向高压流体侧，流入至正压区域16的流体的量较少，压力也不会变大，因此，即使万一一部分流体朝向低压流体侧，但由于在到达低压流体侧的过程中被滑动面S密封，因此不存在泄漏的担忧。
以上，根据附图对本发明的实施例进行了说明，但具体的结构并不限定于这些实施例，在不脱离本发明的主旨的范围内的变更或追加也包含于本发明。
例如，在所述实施例中，对将滑动部件应用于机械密封装置中的一对旋转用密封环和固定用密封环中的任一个的例子进行了说明，但是，也可以用作下述的轴承的滑动部件：在圆筒状滑动面的轴向一侧密封有润滑油，并且与旋转轴进行滑动。
另外，例如，在所述实施例中，对在外周侧存在高压的被密封流体的情况进行了说明，但是也能够应用于内周侧为高压流体的情况，在这种情况下，只要相反地配设具有方向性的槽的方向即可。
另外，例如，在所述实施例中，主要对凹痕的形状为四边形的情况进行了说明，但是凹痕的形状并不限于四边形，也可以是圆形、楕圆形、多边形。
标号说明
1：旋转轴；
2：套筒；
3：旋转环；
4：壳体；
5：固定环；
6：螺旋波浪形弹簧(コイルドウェーブスプリング)；
7：波纹管；
10：凹痕；
11：凹痕；
12：瑞利台阶(Rayleigh step)；
13：反向瑞利台阶；
14：气穴形成区域；
15：具有方向性的槽；
16：正压区域；
17：连通槽；
18：连通槽；
19：连通槽。

Claims (4)

1.一种滑动部件，其特征在于，
在一对滑动部件的彼此相对滑动的一侧的滑动面上设置有比该滑动面凹陷形成的凹痕，仅在所述凹痕内的上游侧的负压产生区域中形成的气穴形成区域的底面的全部或一部分上设置了具有方向性的多个槽。
2.根据权利要求1所述的滑动部件，其特征在于，
在所述气穴形成区域的至少低压流体侧设置了所述具有方向性的槽。
3.根据权利要求1或2所述的滑动部件，其特征在于，
在所述凹痕内的除了气穴形成区域以外的部位至少设置有与高压流体侧连通的连通槽。
4.根据权利要求1或2所述的滑动部件，其特征在于，
在所述凹痕内的气穴形成区域中设置的所述具有方向性的槽形成为：其方向以所述凹痕的滑动方向上的中心为界对称。
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