JP2020173020A - 摺動部品 - Google Patents

Abstract

【課題】摺動部品の高い相対回転数において摺動面間に所望の正圧を確実に発生させることができる摺動部品を提供する。【解決手段】回転機械の相対回転する箇所に配置される環状の摺動部品１０，２０であって、摺動部品１０，２０の摺動面１１，２１には、回転方向下流側の下流側端部１４Ａに正圧発生部が設けられる少なくとも周方向に延びる帯状の溝１４が形成されており、溝１４の少なくとも一部に、周方向に沿って漏れ側に開放する開口部１５が形成されている。【選択図】図３

Description

本発明は、相対回転する摺動部品に関し、例えば自動車、一般産業機械、あるいはその他のシール分野の回転機械の回転軸を軸封する軸封装置に用いられる摺動部品、または自動車、一般産業機械、あるいはその他の軸受分野の機械の軸受に用いられる摺動部品に関する。

被密封流体の漏れを防止する軸封装置として例えばメカニカルシールは相対回転し摺動面同士が摺動する一対の環状の摺動部品を備えている。このようなメカニカルシールにおいては、近年、環境対策等のために摺動により失われるエネルギーの低減が望まれており、摺動部品の相対回転時には、正圧を発生させて摺動面同士を離間させるとともに、摺動面間に流体膜を介在させることで潤滑性を向上させることにより、低摩擦化を実現している。

また、メカニカルシールは、密封性を長期的に維持させるために、「潤滑」に加えて「密封」という条件が求められている。例えば、特許文献１に示されるメカニカルシールは、一方の摺動部品において、漏れ側から回転方向下流側かつ径方向に延びる溝が設けられており、溝は、一端が漏れ側に開口するとともに、他端が回転方向下流側かつ被密封流体側に閉塞している。これによれば、摺動部品の相対回転時には、溝の一端から漏れ側の流体を吸込み、他端にて正圧を発生させることができるため、他端から摺動面間に流出させた漏れ側の流体により潤滑性を向上させるとともに、被密封流体が漏れ側へ漏洩することを抑制している。

特許第６４４４４９２号公報（第８〜１０頁、第２図）

しかしながら、特許文献１にあっては、溝が略同一幅で回転方向下流側に傾斜して径方向へ長く帯状に延びており、溝の一端から漏れ側の流体を吸い込む構成であることから、回転機械の回転数が非常に高いものには、所望の正圧を発生させることができなり、充分な潤滑性が確保されない虞があった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、摺動部品の高い相対回転数において摺動面間に所望の正圧を確実に発生させることができる摺動部品を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の摺動部品は、
回転機械の相対回転する箇所に配置される環状の摺動部品であって、
前記摺動部品の摺動面には、回転方向下流側の下流側端部に正圧発生部が設けられる少なくとも周方向に延びる帯状の溝が形成されており、該溝の少なくとも一部に、周方向に沿って漏れ側に開放する開口部が形成されている。
これによれば、溝が周方向に沿って漏れ側に大きく開口する開口部が形成されており、その開口部から漏れ側の流体が溝内に取り込まれるので、摺動部品の相対回転数が高まっても、開口部から漏れ側の流体を溝内に多く取り込み、摺動面間に所望の正圧を発生させることができる。また、摺動部品の相対回転時に溝からの正圧によって被密封流体が漏れ側に漏れにくくなっている。

前記溝は、その周方向長さの１／３以上に亘って前記開口部が形成されていてもよい。
これによれば、開口部から漏れ側の流体を十分に取り込むことができ、正圧発生部により摺動面間に高い正圧を確実に発生させることができる。

前記正圧発生部は、その先端が回転方向下流側に向けて先細りするように形成されていてもよい。
これによれば、正圧発生部の先端に向かって流体が収束されることから、下流側端部における正圧発生の効率を向上させることができる。

前記溝は、前記開口部が形成され周方向に延びる第１溝部と、前記第１溝部の下流側端部から径方向に延設されその端部が閉塞された前記正圧発生部が形成される第２溝部と、を有していてもよい。
これによれば、漏れ側からより離間した被密封流体側に漏れ側の流体を導入可能となるため、被密封流体の漏れ側への移動を抑制することができる。

前記第２溝部は、径方向に対し傾斜して回転方向下流側に延設されていてもよい。
これによれば、第２溝部内への漏れ側の流体の導入効率を向上させることができる。

前記溝は、周方向に沿って複数設けられており、一の前記溝の下流側端部と、該溝に隣接する溝の上流側端部とは、径方向において重畳して設けられていてもよい。
これによれば、一の溝の下流側端部から摺動面間に流出された漏れ側の流体によって、隣接する溝の上流側端部に被密封流体が引き込まれ難くなることから、被密封流体の漏れをより抑制することができる。

前記溝は、径方向に延びる線を基準として線対称に形成されていてもよい。
これによれば、摺動部品の相対回転方向に限られず使用できる。

尚、本発明に係る摺動部品の第２溝部が径方向に延設されているというのは、第２溝部が少なくとも径方向の成分をもって延設していればよい。

本発明の実施例１におけるメカニカルシールの一例を示す縦断面図である。 本発明の実施例１における静止密封環の摺動面を軸方向から見た図である。 本発明の実施例１における静止密封環の摺動面における要部拡大図である。 本発明の実施例１における変形例１を示す静止密封環の摺動面を軸方向から見た図である。 本発明の実施例２における静止密封環の摺動面を軸方向から見た図である。 本発明の実施例２における静止密封環の摺動面における要部拡大図である。 本発明の実施例３における静止密封環の摺動面を軸方向から見た図である。 本発明の実施例４における静止密封環の摺動面を軸方向から見た図である。 本発明の実施例４における静止密封環の摺動面における要部拡大図である。 本発明の実施例５における静止密封環の摺動面を軸方向から見た図である。 本発明の実施例５における静止密封環の摺動面における要部拡大図である。 本発明の実施例６における静止密封環の摺動面を軸方向から見た図である。 本発明の実施例６における静止密封環の摺動面における要部拡大図である。 本発明の実施例７における静止密封環の摺動面を軸方向から見た図である。 本発明の実施例８における静止密封環の摺動面を軸方向から見た図である。 本発明の実施例９における静止密封環の摺動面を軸方向から見た図である。 本発明の実施例１０における静止密封環の摺動面を軸方向から見た図である。 本発明の実施例１１における静止密封環の摺動面を軸方向から見た図である。 本発明の実施例１２における静止密封環の摺動面を軸方向から見た図である。

本発明に係る摺動部品を実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。

実施例１に係る摺動部品につき、図１から図３を参照して説明する。尚、本実施例においては、摺動部品がメカニカルシールである形態を例に挙げ説明する。また、メカニカルシールを構成する摺動部品の外径側を被密封流体側としての被密封液体側（高圧側）、内径側を漏れ側としての大気側（低圧側）として説明する。また、説明の便宜上、図面において、摺動面に形成される溝等にドットを付すこともある。

図１に示される一般産業機械用のメカニカルシールは、摺動面の外径側から内径側に向かって漏れようとする被密封液体Ｆを密封するインサイド形のものであって、回転軸１にスリーブ２を介して回転軸１と一体的に回転可能な状態で設けられた円環状の摺動部品である回転密封環２０と、被取付機器のハウジング４に固定されたシールカバー５に非回転状態かつ軸方向移動可能な状態で設けられた摺動部品としての円環状の静止密封環１０と、から主に構成され、ベローズ７によって静止密封環１０が軸方向に付勢されることにより、静止密封環１０の摺動面１１と回転密封環２０の摺動面２１とが互いに密接摺動するようになっている。尚、回転密封環２０の摺動面２１は平坦面となっており、この平坦面には凹み部が設けられていない。

静止密封環１０及び回転密封環２０は、代表的にはＳｉＣ（硬質材料）同士またはＳｉＣ（硬質材料）とカーボン（軟質材料）の組み合わせで形成されるが、これに限らず、摺動材料はメカニカルシール用摺動材料として使用されているものであれば適用可能である。尚、ＳｉＣとしては、ボロン、アルミニウム、カーボン等を焼結助剤とした焼結体をはじめ、成分、組成の異なる２種類以上の相からなる材料、例えば、黒鉛粒子の分散したＳｉＣ、ＳｉＣとＳｉからなる反応焼結ＳｉＣ、ＳｉＣ−ＴｉＣ、ＳｉＣ−ＴｉＮ等があり、カーボンとしては、炭素質と黒鉛質の混合したカーボンをはじめ、樹脂成形カーボン、焼結カーボン等が利用できる。また、上記摺動材料以外では、金属材料、樹脂材料、表面改質材料（コーティング材料）、複合材料等も適用可能である。

図２に示されるように、静止密封環１０に対して回転密封環２０が実線矢印で示すように相対摺動するようになっており、静止密封環１０の摺動面１１には複数の溝１４が静止密封環１０の周方向に沿って等配、かつ、後述する下流側端部１４Ａから上流側端部１４Ｂに亘って同心円状に配設されている。摺動面１１の溝１４以外の部分は平端面を成すランド１２となっている。

次に、溝１４の概略について図２及び図３に基づいて説明する。尚、以下の説明において、特に断らない限り、図２において実線矢印で示されるように、静止密封環１０に対して回転密封環２０が相対的に紙面反時計回り方向に回転しているものとして説明する。これに伴い、図３の紙面左側を回転方向下流側とし、図３の紙面右側を回転方向上流側として説明する。また、回転方向上流側については、単に「上流側」と記載することもあり、回転方向下流側についても同様に、単に「下流側」と記載することもある。

溝１４は、大気側に開放するとともに周方向に延設された開口部１５と、開口部１５に連通するとともに回転方向下流側に形成された正圧発生部としての下流側端部１４Ａと、開口部１５に連通して回転方向上流側に形成された負圧発生部としての上流側端部１４Ｂと、を有し、軸方向視において周方向に沿って弧状に湾曲した帯状を成し、径方向の区画壁よりも周方向の区画壁が長く形成されている。また、溝１４は、径方向に延びる線Ｓ１を基準に線対称に形成されている。

溝１４の構成について詳しくは、開口部１５の下流側端およびランド１２に略直交して径方向に延設された下流側壁部１４ａと、下流側壁部１４ａの外径側端およびランド１２に略直交して周方向に延設された周壁部１４ｂと、周壁部１４ｂの上流側端に略直交して径方向に延設されて開口部１５の上流側端およびランド１２に略直交する上流側壁部１４ｃと、下流側壁部１４ａ、周壁部１４ｂ及び上流側壁部１４ｃに直交する底面と、を有しており、下流側端部１４Ａに下流側壁部１４ａと周壁部１４ｂの下流側端部とが配設され、上流側端部１４Ｂに上流側壁部１４ｃと周壁部１４ｂの上流側端部が配設されている。

また、溝１４は、開口部１５と周壁部１４ｂとが略平行に形成されており、開口部１５と周壁部１４ｂとの間の径方向における幅寸法Ｄ２は略一定となっている。また、幅寸法Ｄ２は、開口部１５の開口寸法Ｄ１よりも短寸であり（Ｄ１＞Ｄ２）、開口寸法Ｄ１は、幅寸法Ｄ２の約５倍となっている。尚、開口部１５は、周方向に延びる内径側の全長に亘って開口していたが、軸方向から見て溝１４の周方向に沿って略同心状に延びる壁（本実施例では周壁部１４ｂ）の周方向長さの少なくとも１／３以上、好ましくは１／２以上が開口していればよい。また、開口寸法及び幅寸法については、開口寸法が幅寸法よりも大きくなっていれば適宜変更してもよい。また、溝１４の幅寸法Ｄ２が周方向に亘って一定であることを妨げない。

また、溝１４は、ランド１２の表面から溝１４の底面までの深さ寸法は５μｍに形成されている。尚、溝１４の深さ寸法は、適宜変更してもよい。また、溝１４の底面は平坦面をなしランド１２に平行に形成されているが、平坦面に微細凹部を設けることやランド１２に対して傾斜するように形成することを妨げない。

次いで、静止密封環１０と回転密封環２０との相対回転時の動作について説明する。まず、回転密封環２０が回転していない一般産業機械の非稼動時には、摺動面１１，２１間には摺動面１１，２１よりも外径側の被密封液体Ｆが毛細管現象によって僅かに進入しているとともに、溝１４には一般産業機械の停止時に残っていた被密封液体Ｆと摺動面１１，２１よりも内径側から進入した気体とが混在した状態となっている。尚、被密封液体Ｆは気体と比べ粘度が高いため、一般産業機械の停止時に溝１４から低圧側に漏れ出す量は少ない。

一般産業機械の停止時に溝１４に被密封液体Ｆがほぼ残っていない場合には、回転密封環２０が静止密封環１０に対して相対回転（実線矢印参照）すると、図３に示されるように、溝１４内の低圧側流体Ａが回転密封環２０の回転方向に矢印Ｌ１に示すように追随移動するため、下流側端部１４Ａ内に動圧が発生するようになる。

下流側端部１４Ａには、回転密封環２０の回転に伴って低圧側流体Ａが流入し続けることにより、下流側端部１４Ａ内の圧力が高められて正圧が発生し、低圧側流体Ａは矢印Ｌ２に示すように下流側壁部１４ａ近傍からその周辺に流出する。詳しくは、周壁部１４ｂに沿って案内されて移動する低圧側流体Ａが下流側端部１４Ａにおける下流側壁部１４ａから摺動面１１，２１間に流出、特に下流側壁部１４ａと周壁部１４ｂとが略直交する角部に向かって収束され、この角部から摺動面１１，２１間に流出することとなる。そのため、下流側壁部１４ａと周壁部１４ｂとの角部から流出する低圧側流体Ａの圧力が最も高く、この角部から下流側壁部１４ａの内径側または周壁部１４ｂの上流側に向かうにつれて漸次圧力が低くなる。なお、低圧側流体Ａには遠心力が作用するため、周壁部１４ｂに沿って流れやすくなっている。

また、回転密封環２０の回転に伴って低圧側流体Ａが下流側端部１４Ａ側に追従移動し下流側端部１４Ａに正圧が発生することにより、上流側端部１４Ｂに負圧が発生し、大気側の低圧側流体Ａが矢印Ｌ３に示すように開口部１５の周方向中央部や、矢印Ｌ４に示すように開口部１５の上流側端部１４Ｂから導入される。また、溝１４において下流側端部１４Ａ近傍が最も圧力が高くなっているので、下流側端部１４Ａ近傍の低圧側流体Ａの大部分は摺動面１１，２１間に流出し、低圧側流体Ａの一部は開口部１５における下流側端部１４Ａ近傍から大気側に漏れる。

また、上流側端部１４Ｂでは、発生する負圧によって、隣接する上流側の溝１４の下流側端部１４Ａから流出した低圧側流体Ａが矢印Ｌ５に示すように上流側壁部１４ｃ側から導入される。

また、摺動面１１，２１間の内径側に流出する被密封液体Ｆが溝１４の下流側端部１４Ａに到達すると、その被密封液体Ｆを溝１４の下流側端部１４Ａから摺動面１１，２１間に流出する低圧側流体Ａにより外径側に押し返すことができる。また、摺動面１１，２１間の被密封液体Ｆが溝１４の上流側端部１４Ｂに到達すると、溝１４の上流側端部１４Ｂで発生する負圧によりその被密封液体Ｆを回収することができる。加えて、被密封液体Ｆは気体と比べ粘度が高く、比重も大きいことから回転の影響を受け易いため、溝１４内に回収されると、回転力や遠心力によって下流側壁部１４ａまたは周壁部１４ｂに沿って移動することとなる。よって、摺動面１１，２１間の大気側に流出した被密封液体Ｆを回収して下流側端部１４Ａから低圧側流体Ａと共に摺動面１１，２１間に確実に戻すことができる。

以上のことから、静止密封環１０と回転密封環２０との相対回転時において、摺動面１１，２１間の内径側には、低圧側流体Ａによる流体膜が形成されることとなる。これによれば、摺動面１１，２１同士を離間させ、流体膜により潤滑性を向上させることができる。

このように、溝１４には、周方向に沿って大気側に大きく開口する開口部１５が形成されており、溝１４の開口部１５側の体積が正圧を発生させる下流側端部１４Ａ側の体積よりも大きいので、回転軸１の回転数を上げたときに溝１４における下流側端部１４Ａ側の圧力が高まっても、開口部１５から大気側の低圧側流体Ａを溝１４内に多く取り込み、溝１４内に動圧を発生させることができ、下流側端部１４Ａにより摺動面１１，２１間に高い正圧を発生させることができる。また、溝１４の上流側端部１４Ｂで発生する負圧により溝１４内に積極的に低圧側流体Ａを取り込むことができる。

また、溝１４は、内径側に亘って開口部１５が形成されているので、開口部１５から低圧側流体Ａを十分に取り込むことができ、下流側端部１４Ａにより摺動面１１，２１間に高い正圧を確実に発生させることができる。

また、溝１４は、線Ｓ１を基準に線対称に形成されていることから、図２において点線矢印で示されるように、静止密封環１０に対して回転密封環２０が相対的に紙面時計回り方向に回転する場合には、下流側端部１４Ａから上流側端部１４Ｂに向かって低圧側流体Ａが移動して、上流側端部１４Ｂ側で正圧が発生し、下流側端部１４Ａ側で負圧が発生することとなる。すなわち、静止密封環１０に対して回転密封環２０が相対的に紙面反時計回り方向に回転した場合とは逆に機能することとなる。よって、静止密封環１０と回転密封環２０との相対回転方向に限られず使用できる。

また、溝１４は、周方向に沿って複数設けられているので、周方向における摺動面１１，２１間の圧力バランスが取りやすい。尚、本実施例では、溝１４が周方向に等配される形態を例示したが、不等配に配設されていてもよい。また、溝１４の数量も自由に変更することができる。

［変形例］
次いで、溝の変形例について説明する。図４に示されるように、静止密封環１０１に設けられる変形例１の溝１４１は、軸方向から見て略３５０度の円弧状、すなわちＣ字状に形成されており、径方向に延びる線Ｓ２を基準に線対称に形成されている。また、溝１４１の開口部１５１は、溝１４１と同様に、軸方向から見て略３５０度の円弧状に形成されており、溝１４１内に低圧側流体Ａを多く導入することができる。このように、溝は、一つ以上形成されていればよい。また、複数形成する際にも、等配に限らず不等配に配設されていてもよい。

次に、実施例２に係る摺動部品につき、図５及び図６を参照して説明する。尚、前記実施例１と同一構成で重複する構成の説明を省略する。

図５及び図６に示されるように、静止密封環１０２に設けられる溝１４２は、開口部１５と、開口部１５の下流側端から回転方向下流側に傾斜して径方向に延設された下流側壁部１４２ａと、周壁部１４ｂと、上流側壁部１４ｃと、を有している。下流側端部１４２Ａは、下流側壁部１４２ａと周壁部１４ｂとが交差する角部が、回転方向下流側かつ被密封液体Ｆ側に突出するように先端に向かって鋭角に形成されている。

このように、下流側壁部１４２ａが径方向に対し回転方向下流側に傾斜していることで、下流側壁部１４２ａに低圧側流体Ａが案内されるにあたって、下流側端部１４２Ａ近傍の低圧側流体Ａが矢印Ｌ１’，Ｌ３’に示すように下流側端部１４２Ａの先端の狭い箇所に向かって収束されることから、下流側端部１４２Ａにおける正圧発生の効率を向上させることができる。

また、溝１４２は、矢印Ｌ２’に示すように下流側端部１４２Ａの先端から流出される低圧側流体Ａの圧力を前記実施例１よりも高めやすいことから、より被密封液体Ｆの移動を抑制しやすい。

次に、実施例３に係る摺動部品につき、図７を参照して説明する。尚、前記実施例２と同一構成で重複する構成の説明を省略する。

図７に示されるように、静止密封環１０３に設けられる溝１４３は、径方向に延びる線Ｓ３を基準に線対称に形成されており、開口部１５と、下流側壁部１４３ａと、周壁部１４ｂと、周壁部１４ｂの上流側端から回転方向下流側に傾斜して径方向に延設された上流側壁部１４３ｃと、を有している。すなわち、上流側壁部１４３ｃと周壁部１４ｂとにより形成される上流側端部１４３Ｂは、上流側壁部１４３ｃと周壁部１４ｂとが交差する角部が回転方向上流側に突出するように先端に向かって鋭角に形成されている。

これにより、溝１４３は、図７において実線矢印で示されるように、静止密封環１０３に対して回転密封環２０が相対的に紙面反時計回り方向に回転する場合にも、図７において点線矢印で示されるように、静止密封環１０３に対して回転密封環２０が相対的に紙面時計回り方向に回転する場合にも、下流側端部１４３Ａまたは上流側端部１４３Ｂに低圧側流体Ａを収束させて、正圧発生の効率を向上させることができる。よって、静止密封環１０３と回転密封環２０との相対回転方向に限られず使用できる。

次に、実施例４に係る摺動部品につき、図８及び図９を参照して説明する。尚、前記実施例１と同一構成で重複する構成の説明を省略する。

図８及び図９に示されるように、静止密封環１０４に設けられる溝１４４は、開口部１５を有し周方向に延びる第１溝部１４４Ｃと、第１溝部１４４Ｃの下流側端部に直交して径方向に延設される第２溝部１４４Ｄと、から構成され、軸方向から見て逆Ｌ字状に形成されている。

図９に示されるように、溝１４４の構成について詳しくは、開口部１５の下流側端に略直交して径方向に延設された下流側壁部１４４ａと、下流側壁部１４４ａの外径側端に略直交して延設された外径側周壁部１４４ｄと、外径側周壁部１４４ｄの上流側端に略直交して径方向に延設された中間壁部１４４ｅと、中間壁部１４４ｅの内径側端に略直交して周方向に延設された内径側周壁部１４４ｂと、上流側壁部１４４ｃと、溝１４４の底部と、を有している。内径側周壁部１４４ｂ、上流側壁部１４４ｃ、溝１４４の底部は、第１溝部１４４Ｃを構成しており、下流側壁部１４４ａ、外径側周壁部１４４ｄ、中間壁部１４４ｅ、溝１４４の底部は、第１溝部１４４Ｃに連通する第２溝部１４４Ｄを構成している。

図８に戻って、溝１４４は、開口部１５と外径側周壁部１４４ｄとが略平行に形成されており、開口部１５と外径側周壁部１４４ｄとの間の径方向における幅寸法Ｄ２０は略一定となっている。また、幅寸法Ｄ２０は、幅寸法Ｄ２の約２倍となっており、開口部１５の開口寸法Ｄ１よりも短寸であり（Ｄ１＞Ｄ２０）、開口寸法Ｄ１は、幅寸法Ｄ２０の約３倍となっている。

また、溝１４４は、内径側周壁部１４４ｂと中間壁部１４４ｅとが略直交していることから、内径側周壁部１４４ｂと中間壁部１４４ｅとの間の角度θ１は略９０度となっている（θ１＜１８０度）。

また、第２溝部１４４Ｄは、下流側壁部１４４ａの内径側端と中間壁部１４４ｅ内径側端との間の開口寸法Ｄ４０（図９参照）、すなわち第２溝部１４４Ｄの開口寸法Ｄ４０が開口部１５の開口寸法Ｄ１よりも短寸であり（Ｄ１＞Ｄ４０）、開口寸法Ｄ１は、開口寸法Ｄ４０の約４倍となっている。

図８および図９において実線矢印で示されるように、静止密封環１０４に対して回転密封環２０が相対的に紙面反時計回り方向に回転すると、矢印Ｌ１で示すように溝１４４内を移動してきた低圧側流体Ａが、矢印Ｌ１０で示すように下流側壁部１４４ａと外径側周壁部１４４ｄとの角部側へと流入し、該角部から矢印Ｌ２０で示すように低圧側流体Ａが摺動面１１，２１間に流出される。

さらに、第２溝部１４４Ｄでは、遠心力に加えて、下流側壁部１４４ａと外径側周壁部１４４ｄとの角部から摺動面１１，２１間に低圧側流体Ａが流出することに伴って動圧が発生するため、第１溝部１４４Ｃの下流側端部に最も近い開口部１５、すなわち開口部１５の下流側端部において矢印Ｌ３０で示すように低圧側流体Ａが導入される。

これらにより、下流側壁部１４４ａと外径側周壁部１４４ｄとの角部に対して低圧側流体Ａを多く導入することができるとともに、大気側から離間した被密封流体側に正圧を発生させることができるため、摺動面１１，２１間の被密封液体Ｆを外径側の被密封液体側に戻すことができ、被密封液体Ｆの大気側への移動を抑制して、被密封液体Ｆが大気側に漏れることを効果的に抑制することができる。

次に、実施例５に係る摺動部品につき、図１０及び図１１を参照して説明する。尚、前記実施例４と同一構成で重複する構成の説明を省略する。

図１０及び図１１に示されるように、静止密封環１０５に設けられる溝１４５は、第１溝部１４５Ｃと、第１溝部１４５Ｃの下流側端部から回転方向下流側に傾斜して径方向に延設された第２溝部１４５Ｄと、から構成されており、軸方向から見てＶ字状に形成されている。

図１１に示されるように、溝１４５の構成について詳しくは、開口部１５の下流側端から回転方向下流側に傾斜して外径方向に延設された下流側壁部１４５ａと、下流側壁部１４５ａの外径側端から周方向に延設された外径側周壁部１４５ｄと、外径側周壁部１４５ｄの上流側端と内径側周壁部１４５ｂとを繋ぐ中間壁部１４５ｅと、内径側周壁部１４５ｂと、上流側壁部１４５ｃと、溝１４５の底部と、を有している。内径側周壁部１４５ｂ、上流側壁部１４５ｃ、溝１４５の底部は、第１溝部１４５Ｃを構成しており、下流側壁部１４５ａ、外径側周壁部１４５ｄ、中間壁部１４５ｅ、溝１４４の底部は、第１溝部１４５Ｃに連通する第２溝部１４５Ｄを構成している。また、第２溝部１４５Ｄの下流側端部は、下流側壁部１４５ａと外径側周壁部１４５ｄとが交差する角部が回転方向下流側に向かって鋭角に形成されている。

図１０に戻って、溝１４５は、開口部１５と外径側周壁部１４５ｄとが略平行に形成されており、開口部１５と外径側周壁部１４５ｄとの間の径方向における幅寸法Ｄ２１は略一定となっている。また、幅寸法Ｄ２１は、幅寸法Ｄ２の約２倍となっており、開口部１５の開口寸法Ｄ１よりも短寸であり（Ｄ１＞Ｄ２１）、開口寸法Ｄ１は、幅寸法Ｄ２０の約２倍となっている。

また、溝１４５は、内径側周壁部１４５ｂと中間壁部１４５ｅとの間の角度θ２が約１６０度となっている（θ２＜１８０度）。

また、第２溝部１４５Ｄは、下流側壁部１４５ａの内径側端と中間壁部１４５ｅの内径側端との間の開口寸法Ｄ４１、すなわち第２溝部１４５Ｄの開口寸法Ｄ４１が開口寸法Ｄ１よりも短寸であり（Ｄ１＞Ｄ４１）、開口寸法Ｄ１は、開口寸法Ｄ４１の約２倍となっている。

このように、第２溝部１４５Ｄが回転方向下流側に傾斜して径方向に延びているので、第１溝部１４５Ｃと第２溝部１４５Ｄとの連通部分近傍で乱流を発生することが抑制され、低圧側流体Ａを矢印Ｌ１１，Ｌ３１のように円滑に第２溝部１４５Ｄ内に導入することができる。また、第２溝部１４５Ｄにおける外径側周壁部１４５ｄと中間壁部１４５ｅとで構成される角部は約１６０度の鈍角に形成されているので、外径側周壁部１４５ｄと中間壁部１４５ｅとの角部で低圧側流体Ａが滞留することが回避され、低圧側流体Ａを矢印Ｌ１２のように円滑に下流側壁部１４５ａと外径側周壁部１４５ｄとが交差する角部内に移動させることができる。また、下流側壁部１４５ａと外径側周壁部１４５ｄとが交差する角部に低圧側流体Ａが収束されるので、効率よく正圧を発生させることができる。

また、溝１４５は、矢印Ｌ２１に示すように下流側壁部１４５ａと外径側周壁部１４５ｄとの角部の先端から流出される低圧側流体Ａの圧力を前記実施例４よりも高めやすいことから、より被密封液体Ｆの大気側への移動を抑制しやすい。尚、内径側周壁部１４５ｂと中間壁部１４５ｅとは、連続する円弧状を成すように形成されていてもよい。

次に、実施例６に係る摺動部品につき、図１２及び図１３を参照して説明する。尚、前記実施例５と同一構成で重複する構成の説明を省略する。

図１２及び図１３に示されるように、静止密封環１０６に設けられる溝１４６は、第１溝部１４６Ｃと第２溝部１４６Ｄとから構成されている。第２溝部１４６Ｄは、第１溝部１４６Ｃの下流側端部から回転方向下流側に傾斜して径方向に延設された傾斜部１４Ｄと、傾斜部１４Ｄの外径側端部から回転方向下流側に周方向に延設された延設部１４Ｅと、を有しており、第２溝部１４６Ｄは、軸方向から見て逆Ｖ字状に形成されている。

延設部１４Ｅは、回転方向下流側に向かって鋭角に形成された角部である下流側端部１４６Ａを有し、その内径側には、ランド１２を挟んで、隣接する溝１４６の第１溝部１４６Ｃにおける上流側端部１４６Ｂを含む上流側が配置されており、径方向において重畳している。

これにより、第２溝部１４６Ｄによって被密封液体Ｆの大気側への移動が抑制されるので、第１溝部１４６Ｃの上流側端部１４６Ｂに被密封液体Ｆが導入されることが抑制される。

次に、実施例７に係る摺動部品につき、図１４を参照して説明する。尚、前記実施例４と同一構成で重複する構成の説明を省略する。

図１４に示されるように、静止密封環１０７に設けられる溝１４７は、開口部１５を有し周方向に延びる第１溝部１４７Ｃと、第１溝部１４７Ｃの下流側端部から径方向に傾斜して直線状に延設される第２溝部１４７Ｄと、第１溝部１４７Ｃの上流側端部から径方向に傾斜して直線状に延設される第２溝部１４７Ｄ’と、から構成され、軸方向から見てΩ状に形成されている。

第２溝部１４７Ｄは、その内径側の角部１４７Ａが回転方向下流側に向かって鋭角に形成されており、第２溝部１４７Ｄ’は、その内径側の角部１４７Ｂが回転方向上流側に向かって鋭角に形成されている。すなわち、溝１４７は、線Ｓ４を基準に線対称に形成されている。

図１４において実線矢印で示されるように、静止密封環１０７に対して回転密封環２０が相対的に紙面反時計回り方向に回転すると、第２溝部１４７Ｄ，１４７Ｄ’および第１溝部１４７Ｃ内の低圧側流体Ａが角部１４７Ａにて収束されて摺動面１１，２１間に流出するようになっている。

一方、図１４において点線矢印で示されるように、静止密封環１０７に対して回転密封環２０が相対的に紙面時計回り方向に回転すると、第２溝部１４７Ｄ，１４７Ｄ’および第１溝部１４７Ｃ内の低圧側流体Ａが角部１４７Ｂにて収束されて摺動面１１，２１間に流出するようになっている。

このように、溝１４７は、線Ｓ４を基準に線対称に形成されているので、静止密封環１０と回転密封環２０との相対回転方向に限られず使用できる

次に、実施例８に係る摺動部品につき、図１５を参照して説明する。尚、前記実施例８と同一構成で重複する構成の説明を省略する。

図１５に示されるように、静止密封環１０８に設けられる溝１４８は、第１溝部１４８Ｃと、第２溝部１４８Ｄと、第２溝部１４８Ｄ’と、から構成され、軸方向から見てΩ状に形成されている。

第２溝部１４８Ｄは、その内径側の角部１４８Ａが回転方向下流側に向かって鋭角に形成されており、第２溝部１４８Ｄ’は、その外径側の角部１４８Ｂが回転方向上流側に向かって鋭角に形成されている。すなわち、溝１４８の対角線に角部１４８Ａ，１４８Ｂが形成されている。また、第２溝部１４８Ｄの最長部分の長さ寸法Ｄ３は、第２溝部１４８Ｄ’の最長部分の長さ寸法Ｄ３’よりも長く形成されている（Ｄ３＞Ｄ３’）。

図１５において実線矢印で示されるように、静止密封環１０８に対して回転密封環２０が相対的に紙面反時計回り方向に回転すると、第２溝部１４８Ｄ，１４８Ｄ’および第１溝部１４８Ｃ内の低圧側流体Ａが角部１４８Ａにて収束されて摺動面１１，２１間に流出するようになっている。第２溝部１４８Ｄ’の最長部分の長さ寸法Ｄ３’よりも長く形成されており、角部１４８Ａが角部１４８Ｂよりも外径側に配置されるので、角部１４８Ａから被密封液体Ｆ側に低圧側流体Ａを排出させやすく、角部１４８Ｂから被密封液体Ｆを吸い込みにくくすることができる。

次に、実施例９に係る摺動部品につき、図１６を参照して説明する。尚、前記実施例６と同一構成で重複する構成の説明を省略する。

図１６に示されるように、静止密封環１０９に設けられる溝１４９は、第１溝部１４９Ｃと第２溝部１４９Ｄとから構成されている。第２溝部１４９Ｄは、第１溝部１４９Ｃの下流側端部から回転方向下流側に傾斜して径方向に延設された傾斜部１４Ｄと、傾斜部１４Ｄの外径側端部から回転方向下流側に周方向に延設された延設部１４Ｅと、を有しており、第２溝部１４９Ｄは、軸方向から見て逆Ｖ字状に形成されている。また、本実施例の延設部１４Ｅは、実施例６の延設部１４Ｅよりも幅狭に形成されており、正圧を発生させやすくなっている。

また、静止密封環１０９の外径側には、特定動圧発生機構３０が形成されている。特定動圧発生機構３０は、被密封液体側に連通する複数の液体誘導溝部３１と、各液体誘導溝部３１の内径側端部を連通するように延びる環状の連通溝部３２と、液体誘導溝部３１における連通溝部３２よりも外径側の位置から下流側に向けて静止密封環１０９と同心状に周方向に延びるレイリーステップ３３と、から構成されている。この液体誘導溝部３１および連通溝部３２は、溝１４９の深さ寸法よりも深い１００μｍに形成されており、レイリーステップ３３は溝１４９と同一の深さ寸法である５μｍに形成されている。

回転密封環２０が回転していない一般産業機械の非稼動時には、特定動圧発生機構３０内に被密封液体Ｆが進入している。また、図１６において実線矢印で示されるように、静止密封環１０９に対して回転密封環２０が相対的に紙面反時計回り方向に回転すると、被密封液体Ｆが液体誘導溝部３１からレイリーステップ３３側に移動してレイリーステップ３３内に動圧が発生し、特に低速回転時には、レイリーステップ３３の下流側端部３３Ａから摺動面１１，２１間に流出する被密封液体Ｆにより液膜を形成して潤滑性を向上させることができる。また、液体誘導溝部３１および連通溝部３２は深溝となっているので、被密封液体Ｆを多量に保持することができ、低速回転時に摺動面１１，２１間が貧潤滑となることを回避できる。

次に、実施例１０に係る摺動部品につき、図１７を参照して説明する。尚、前記実施例９と同一構成で重複する構成の説明を省略する。

図１７に示されるように、静止密封環１１０に設けられる溝１５０は、第１溝部１５０Ｃと下流側の第２溝部１５０Ｄと上流側の第２溝部１５０Ｄ’とから構成され、軸方向から見てΩ状に形成されている。

また、静止密封環１１０の外径側には、特定動圧発生機構３０’が形成されている。特定動圧発生機構３０’は、所定の液体誘導溝部３１から上流側に向けて静止密封環１０９と同心状に周方向に延びる逆レイリーステップ３４と、から構成されている。これによれば、静止密封環１１０と回転密封環２０との相対回転方向に関わらず、レイリーステップ３３および逆レイリーステップ３４により動圧を発生させることができる。

尚、本実施例１０では、レイリーステップ３３および逆レイリーステップ３４が同一の深さ寸法である場合を例示したが、異なる深さ寸法に形成されていてもよい。また、両者は周方向長さ、径方向幅についても同じであっても異なっていてもよい。

また、特定動圧発生機構の数量は自由に変更してもよい。また、特定動圧発生機構は、軸方向から見て円形を成す凹形状のディンプルなどであってもよい。

次に、実施例１１に係る摺動部品につき、図１８を参照して説明する。尚、前記実施例１０と同一構成で重複する構成の説明を省略する。尚、図１８の拡大部は、説明の便宜上、溝１５２のみを図示し、特定動圧発生機構３０’の図示を省略している。

図１８に示されるように、静止密封環１１１に設けられる溝１５２は、第１溝部１５２Ｃと下流側の第２溝部１５２Ｄと上流側の第２溝部１５２Ｄ’とから構成され、軸方向から見て略Ω状に形成されている。第２溝部１５２Ｄは、第１溝部１５２Ｃの下流側端部から回転方向下流側に傾斜して径方向に延設された傾斜部１５Ｄと、傾斜部１５Ｄの外径側端部から回転方向下流側に周方向に延設された延設部１５Ｅと、を有しており、第２溝部１５２Ｄは、軸方向から見て逆Ｖ字状に形成されている。また、第２溝部１５２Ｄ’は、第１溝部１５２Ｃの上流側端部から回転方向上流側に傾斜して径方向に延設された傾斜部１５Ｄ’と、傾斜部１５Ｄ’の外径側端部から回転方向上流側に周方向に延設された延設部１５Ｅ’と、を有している。傾斜部１５Ｄと傾斜部１５Ｄ’とは、軸方向から見て内径側から外径側に向かって互いに離れる方向に傾斜して延設されており、その外径側から延設部１５Ｅ，１５Ｅ'が周方向に延設されている。

図１８において実線矢印で示されるように、静止密封環１１１に対して回転密封環２０が相対的に紙面反時計回り方向に回転する場合には、傾斜部１５Ｄが傾斜しているので、傾斜部１５Ｄを構成する２つの側壁部１５２ａに沿って低圧側流体Ａが移動し、第２溝部１５２Ｄに対して円滑に低圧側流体Ａを導入することができる。また、第２溝部１５２Ｄにおける延設部１５Ｅは第１溝部１５２Ｃよりも流路断面が小さいので延設部１５Ｅに高い正圧を発生させることができる。

また、図１８において点線矢印で示されるように、静止密封環１１１に対して回転密封環２０が相対的に紙面時計回り方向に回転する場合には、傾斜部１５Ｄ’が傾斜しているので、傾斜部１５Ｄ’を構成する２つの側壁部１５２ｃに沿って低圧側流体Ａが移動し、第２溝部１５２Ｄ’に対して円滑に低圧側流体Ａを導入することができる。また、第２溝部１５２Ｄ’における延設部１５Ｅ’は第１溝部１５２Ｃよりも流路断面が小さいので延設部１５Ｅ’に高い正圧を発生させることができる。

次に、実施例１２に係る摺動部品につき、図１９を参照して説明する。尚、前記実施例１０と同一構成で重複する構成の説明を省略する。

図１９に示されるように、本実施例１２のメカニカルシールは、摺動面の内径側から外径側に向かって漏れようとする被密封液体Ｆを密封するアウトサイド形のものであって、静止密封環１１２に設けられる溝１５３は、外径側に開口する開口部１５を有する第１溝部１５３Ｃと下流側の第２溝部１５３Ｄと上流側の第２溝部１５３Ｄ’とから構成され、軸方向から見てΩ状に形成されている。

また、静止密封環１１２の内径側には、特定動圧発生機構４０が形成されている。特定動圧発生機構４０は、被密封液体側に連通する複数の液体誘導溝部４１と、各液体誘導溝部４１の外径側端部を連通するように延びる環状の連通溝部４２と、液体誘導溝部４１における連通溝部４２よりも内径側の位置から下流側に向けて静止密封環１１２と同心状に周方向に延びるレイリーステップ４３と、液体誘導溝部４１における連通溝部４２よりも内径側の位置から上流側に向けて静止密封環１１２と同心状に周方向に延びる逆レイリーステップ４４と、から構成されている。これによれば、静止密封環１１２と回転密封環２０との相対回転方向に関わらず、レイリーステップ４３および逆レイリーステップ４４により動圧を発生させることができる。

このように、本発明の摺動部品は、摺動面の内径側から外径側に向かって漏れようとする被密封液体Ｆを密封するアウトサイド形の摺動部品であってもよく、この場合であっても、溝１５３により摺動面１１，２１間に高い正圧を発生させることができ、潤滑性能を維持することができる。また、溝１５３は周方向両側に第２溝部１５３Ｄ，１５３Ｄ’が形成されているので、静止密封環１１２と回転密封環２０との相対回転方向に限られず使用できる。

尚、実施例１２では、前記実施例１０，１１におけるインサイド形の摺動部品をアウトサイド形の摺動部品とする形態を例示したが、前記実施例１〜９におけるインサイド形の摺動部品をアウトサイド形の摺動部品としてもよい。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

例えば、前記実施例では、摺動部品として、一般産業機械用のメカニカルシールを例に説明したが、自動車やウォータポンプ用等の他のメカニカルシールであってもよい。また、メカニカルシールに限られず、すべり軸受などメカニカルシール以外の摺動部品であってもよい。

また、前記実施例では、溝を静止密封環にのみ設ける例について説明したが、溝を回転密封環２０にのみ設けてもよく、静止密封環と回転密封環の両方に設けてもよい。

また、前記実施例では、摺動部品に同一形状の溝が複数設けられる形態を例示したが、形状の異なる溝が複数設けられていてもよい。また、溝の間隔や数量などは適宜変更できる。

また、被密封流体側を高圧側、漏れ側を低圧側として説明してきたが、被密封流体側が低圧側、漏れ側が高圧側となっていてもよいし、被密封流体側と漏れ側とは略同じ圧力であってもよい。

また、前記実施例４〜実施例１１では、第１溝部の周方向の長さ寸法が第２溝部の径方向の長さ寸法よりも長い形態を例示したが、第１溝部は第２溝部と同じ寸法、または第２溝部よりも短く形成されていてもよい。

１０ 静止密封環
１１ 摺動面
１４ 溝
１４Ａ 下流側端部（正圧発生部）
１４Ｂ 上流側端部
１４Ｄ 傾斜部
１４Ｅ 延設部
１５ 開口部
２０ 回転密封環
２１ 摺動面
３０，３０’ 特定動圧発生機構
１０１〜１１０ 静止密封環
１４１〜１４４ 溝
１４４Ｃ 第１溝部
１４４Ｄ 第２溝部
１４５ 溝
１４５Ｃ 第１溝部
１４５Ｄ 第２溝部
１４６ 溝
１４６Ｃ 第１溝部
１４６Ｄ 第２溝部
１４７ 溝
１４７Ｃ 第１溝部
１４７Ｄ 第２溝部
１４７Ｄ’ 第２溝部
１４８ 溝
１４８Ｃ 第１溝部
１４８Ｄ，１４８Ｄ’ 第２溝部
１４８Ｄ’ 第２溝部
１４９ 溝
１４９Ｃ 第１溝部
１４９Ｄ 第２溝部
１５０ 溝
１５０Ｃ 第１溝部
１５０Ｄ，１５０Ｄ’ 第２溝部
１５１ 開口部
１５３ 溝
１５３Ｃ 第１溝部
１５３Ｄ，１５０Ｄ’ 第２溝部
Ａ 低圧側流体
Ｆ 被密封液体

Claims (7)

1. 回転機械の相対回転する箇所に配置される環状の摺動部品であって、
   前記摺動部品の摺動面には、回転方向下流側の下流側端部に正圧発生部が設けられる少なくとも周方向に延びる帯状の溝が形成されており、該溝の少なくとも一部に、周方向に沿って漏れ側に開放する開口部が形成されている摺動部品。
2. 前記溝は、その周方向長さの１／３以上に亘って前記開口部が形成されている請求項１に記載の摺動部品。
3. 前記正圧発生部は、その先端が回転方向下流側に向けて先細りするように形成されている請求項１または２に記載の摺動部品。
4. 前記溝は、前記開口部が形成され周方向に延びる第１溝部と、前記第１溝部の下流側端部から径方向に延設されその端部が閉塞された前記正圧発生部が形成される第２溝部と、を有している請求項１ないし３のいずれかに記載の摺動部品。
5. 前記第２溝部は、径方向に対し傾斜して回転方向下流側に延設されている請求項４に記載の摺動部品。
6. 前記溝は、周方向に沿って複数設けられており、一の前記溝の下流側端部と、該溝に隣接する溝の上流側端部とは、径方向において重畳して設けられている請求項１ないし５のいずれかに記載の摺動部品。
7. 前記溝は、径方向に延びる線を基準として線対称に形成されている請求項１ないし６のいずれかに記載の摺動部品。

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