JP2023120417A

JP2023120417A - 摺動部品

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Publication number: JP2023120417A
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Inventors: 岩王; Yan Wang
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Publication date: 2023-08-29
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Abstract

【課題】被密封流体を摺動面間における漏れ側まで供給して高い潤滑性を発揮するとともに被密封流体の漏れの少ない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であって、摺動部品１０の摺動面１１には、漏れ側に連通する深溝部１５と、深溝部１５に連通して周方向に延設される浅溝部９Ａと、から構成される動圧発生機構１４が複数設けられており、漏れ側は、被密封流体側よりも低圧な気体空間側であって、深溝部１５は、漏れ側のみに連通しており、浅溝部９Ａは、ランド部１２により漏れ側及び被密封流体側の双方の空間から隔離されており、摺動面１１において浅溝部９Ａから被密封流体側の端部まで径方向にランド部１２が連続して形成されている。【選択図】図２

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。

被密封液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、近年においては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、摺動部品の摺動面に高圧の被密封液体側である外径側に連通するとともに摺動面において一端が閉塞する正圧発生溝を設けている。これによれば、摺動部品の相対回転時には、正圧発生溝に正圧が発生して摺動面同士が離間するとともに、正圧発生溝には被密封液体が外径側から導入され被密封液体を保持することで潤滑性が向上し、低摩擦化を実現している。

さらに、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は、「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、被密封液体側に連通するレイリーステップ及び逆レイリーステップが設けられている。これによれば、摺動部品の相対回転時には、レイリーステップにより摺動面間に正圧が発生して摺動面同士が離間するとともに、レイリーステップが被密封液体を保持することで潤滑性が向上する。一方、逆レイリーステップでは相対的に負圧が生じるとともに逆レイリーステップはレイリーステップよりも漏れ側に配置されているため、レイリーステップから摺動面間に流れ出た高圧の被密封液体を逆レイリーステップに吸い込むことができる。このようにして、一対の摺動部品間の被密封液体が漏れ側に漏れることを防止して密封性を向上させていた。

国際公開第２０１２／０４６７４９号（第１４－１６頁、第１図）

しかしながら、特許文献１にあっては、逆レイリーステップで被密封液体を被密封液体側へ戻す構造であるため、摺動面間における漏れ側に被密封液体が供給されず、潤滑性に寄与していない部分が生じる虞があり、より潤滑性の高い摺動部品が求められていた。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、被密封流体を摺動面間における漏れ側まで供給して高い潤滑性を発揮するとともに被密封流体の漏れの少ない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、漏れ側に連通する深溝部と、該深溝部に連通して周方向に延設される浅溝部と、から構成される動圧発生機構が複数設けられている。
これによれば、深溝部は溝の深さが深く容積が大きいので、摺動面の漏れ側まで供給された多くの量の被密封流体を回収して浅溝部から被密封流体を摺動面間に流出させるので、摺動面の広い面積で潤滑性を向上させることができる。また、漏れ側に連通する深溝部によって被密封流体を回収し、回収した被密封流体を浅溝部から摺動面間に流出させて一部を径方向被密封流体側に戻すので、漏れ側に漏れる被密封流体が少ない。

前記深溝部が径方向に延びていてもよい。
これによれば、動圧の影響を受けずに被密封流体を深溝部に保持できる。

前記浅溝部と前記深溝部との連通部分には、深さ方向の段差が形成されていてもよい。
これによれば、動圧の影響を受けずに被密封流体を深溝部に保持できる。

前記浅溝部は、前記深溝部から周方向両側に延びていてもよい。
これによれば、深溝部の周方向のいずれか一方に配置される浅溝部を動圧発生用の浅溝部として利用できるため、摺動部品の相対回転方向に限られず使用できる。

前記動圧発生機構における一方の浅溝部は、隣接する前記動圧発生機構における他方の浅溝部と周方向に隣接していてもよい。
これによれば、摺動部品の相対回転時に、動圧発生機構における一方の浅溝部から摺動面間に供給され漏れ側に移動しようとする被密封流体を隣接する動圧発生機構における他方の浅溝部により回収できる。

前記深溝部は内径側に連通していてもよい。
これによれば、浅溝部から摺動面間に供給された被密封流体を遠心力により被密封流体側に戻すことができるとともに、遠心力により深溝部内に被密封流体を保持しやすい。

前記摺動部品の摺動面には、前記動圧発生機構よりも被密封流体側に配置され前記動圧発生機構とは独立する特定動圧発生機構を備えていてもよい。
これによれば、摺動部品の相対回転時に、特定動圧発生機構により摺動面間を離間させて摺動面間に適当な流体膜を生成しつつ、動圧発生機構によって被密封流体の漏れ側への漏れを低減できる。

尚、本発明に係る摺動部品の浅溝部が周方向に延設されているというのは、浅溝部が少なくとも周方向の成分をもって延設していればよく、好ましくは径方向よりも周方向に沿った成分が大きくなるように延設されていればよい。また深溝部が径方向に延びているというのは、深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く、好ましくは周方向よりも径方向に沿った成分が大きくなるように延設されていればよい。

また、被密封流体は、液体であってもよいし、液体と気体が混合したミスト状であってもよい。

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。静止密封環の摺動面を軸方向から見た図である。Ａ－Ａ断面図である。静止密封環の摺動面における要部拡大図である。（ａ）～（ｃ）は相対回転初期に液体誘導溝部の内径側から吸い込まれた被密封液体が摺動面間に流出される動作を説明する概略図である。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。（ａ）は本発明の変形例１を示す説明図、（ｂ）は本発明の変形例２を示す説明図である。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。（ａ）は本発明の変形例３を示す説明図、（ｂ）は本発明の変形例４を示す説明図である。（ａ）は本発明の変形例５を示す説明図、（ｂ）は本発明の変形例６を示す説明図である。（ａ）は本発明の変形例７を示す説明図、（ｂ）は本発明の変形例８を示す説明図である。（ａ）は本発明の変形例９を示す説明図、（ｂ）は本発明の変形例１０を示す説明図である。（ａ）は本発明の変形例１１を示す説明図、（ｂ）は本発明の変形例１２を示す説明図である。

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５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と共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には複数の動圧発生機構１４が静止密封環１０の周方向に均等に配設されている。摺動面１１の動圧発生機構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、動圧発生機構１４の概略について図２～図４に基づいて説明する。尚、以下、静止密封環１０及び回転密封環２０が相対的に回転したときに、図４の紙面左側を後述するレイリーステップ９Ａ内を流れる被密封液体Ｆの下流側とし、図４の紙面右側をレイリーステップ９Ａ内を流れる被密封液体Ｆの上流側として説明する。

動圧発生機構１４は、大気側に連通して外径方向に延びる深溝部としての液体誘導溝部１５と、液体誘導溝部１５の外径側端部から下流側に向けて静止密封環１０と同心状に周方向に延びる浅溝部としてのレイリーステップ９Ａと、を備えている。すなわち、動圧発生機構１４は、液体誘導溝部１５、レイリーステップ９Ａにより、摺動面１１を直交する方向から見て逆Ｌ字形状を成している。尚、本実施例１の液体誘導溝部１５は、静止密封環１０の軸に直交するように径方向に延びている。また、液体誘導溝部１５とレイリーステップ９Ａとは連通しており、連通部分には深さ方向の段差１８が形成されている。

また、レイリーステップ９Ａは、下流側の端部に回転方向に対して直交する壁部９ａが形成されている。尚、壁部９ａは、回転方向に直交することに限られるものではなく、例えば回転方向に対して傾斜していてもよいし、階段状に形成されていてもよい。

また、液体誘導溝部１５の深さ寸法Ｌ１０は、レイリーステップ９Ａの深さ寸法Ｌ２０よりも深くなっている（Ｌ１０＞Ｌ２０）。具体的には、本実施例１における液体誘導溝部１５の深さ寸法Ｌ１０は、１００μｍに形成されており、レイリーステップ９Ａの深さ寸法Ｌ２０は、５μｍに形成されている。すなわち、液体誘導溝部１５とレイリーステップ９Ａとの間には、液体誘導溝部１５における下流側の側面とレイリーステップ９Ａの底面とにより深さ方向の段差１８が形成されている。尚、液体誘導溝部１５の深さ寸法がレイリーステップ９Ａの深さ寸法よりも深く形成されていれば、液体誘導溝部１５及びレイリーステップ９Ａの深さ寸法は自由に変更でき、好ましくは寸法Ｌ１０は寸法Ｌ２０の５倍以上である。

尚、レイリーステップ９Ａ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。さらに、レイリーステップ９Ａの周方向に延びる２つの円弧状の面はそれぞれレイリーステップ９Ａの底面に直交している。また、液体誘導溝部１５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。さらに、液体誘導溝部１５の径方向に延びる２つの平面はそれぞれ液体誘導溝部１５の底面に直交している。

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、動圧発生機構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大気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動圧発生機構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動圧発生機構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（図２の黒矢印参照）すると、図４に示されるように、大気側の低圧側流体Ａが矢印Ｌ１に示すように液体誘導溝部１５から導入されるとともに、レイリーステップ９Ａによって低圧側流体Ａが回転密封環２０の回転方向に矢印Ｌ２に示すように追随移動するため、レイリーステップ９Ａ内に動圧が発生するようになる。

レイリーステップ９Ａの下流側端部である壁部９ａ近傍が最も圧力が高くなり、低圧側流体Ａは矢印Ｌ３に示すように壁部９ａ近傍からその周辺に流出する。尚、レイリーステップ９Ａの上流側に向かうにつれて漸次圧力が低くなっている。

また、静止密封環１０と回転密封環２０との相対回転時には、摺動面１１，２１間にそれらの外径側から高圧の被密封液体Ｆが随時流入しており、いわゆる流体潤滑を成すようになっている。このとき、レイリーステップ９Ａ近傍の被密封液体Ｆは、上述したようにレイリーステップ９Ａの特に下流側は高圧となっているため、矢印Ｈ１に示すように、ランド１２に位置したままで、レイリーステップ９Ａにはほぼ進入しない。一方、液体誘導溝部１５の近傍の被密封液体Ｆは、液体誘導溝部１５が深溝部であってかつ低圧側に連通していることから、矢印Ｈ２に示すように、液体誘導溝部１５に進入しやすくなっている。加えて、被密封液体Ｆは液体であって表面張力が大きいことから、液体誘導溝部１５の側壁面に沿って移動して液体誘導溝部１５に進入しやすくなっている。

次いで、液体誘導溝部１５に吸い込まれた被密封液体Ｆが摺動面１１，２１間に流出される動作を説明する。

動圧発生機構１４に被密封液体Ｆがほぼ残っていない場合に、回転密封環２０が静止密封環１０に対して相対回転（図２の黒矢印参照）すると、図５（ａ）に示されるように、液体誘導溝部１５に進入した被密封液体Ｆは、符号Ｈ３に示すように、塊状の液滴となる。その後、図５（ｂ）に示されるように、液滴がある程度の体積となると、符号Ｈ４に示すように、レイリーステップ９Ａの上流側に形成された相対的に低い圧力によってレイリーステップ９Ａに引き込まれる。同時に、新たに液体誘導溝部１５に被密封液体Ｆが進入し、液滴Ｈ３’となる。このとき、液体誘導溝部１５には、図５（ａ）における相対回転の初期状態よりも多くの被密封液体Ｆが進入する。

その後、図５（ｃ）に示されるように、レイリーステップ９Ａに引き込まれた被密封液体Ｆは回転密封環２０から大きなせん断力を受け、圧力が高められながらレイリーステップ９Ａ内を下流側に移動し、矢印Ｈ５に示すように壁部９ａ近傍に流出する。同時に、新たに液体誘導溝部１５により多くの被密封液体Ｆが進入し、液滴Ｈ３’’となるとともに、液滴Ｈ３’が符号Ｈ４’に示すように、レイリーステップ９Ａに引き込まれる。

その後、図５（ｃ）に示される状態よりも液体誘導溝部１５に進入する被密封液体Ｆの量が増え、レイリーステップ９Ａから連続的に被密封液体Ｆが摺動面１１，２１間に流出する定常状態となる。定常状態では、摺動面１１，２１間にそれらの外径側やレイリーステップ９Ａから高圧の被密封液体Ｆが随時流入しており、上述したように流体潤滑となっている。尚、図５（ａ），（ｂ），（ｃ）を経て定常状態となるまでは過渡的な短い時間である。また、一般産業機械の停止時に動圧発生機構１４に被密封液体Ｆが残っている場合には、動圧発生機構１４に被密封液体Ｆが残存している量によって、図５（ａ）の状態、図５（ｂ）の状態、図５（ｃ）の状態、定常状態のいずれかから動作が開始することとなる。

ここで、液体誘導溝部１５が深溝部であってかつ低圧側に連通していることから、矢印Ｈ５で示す被密封液体Ｆは、隣接する液体誘導溝部１５内に引き込まれやすくなっており、摺動面１１，２１間の被密封液体Ｆの量が安定し、高い潤滑性を維持できるようになっている。また、固体に対する界面張力は気体よりも液体の方が大きいので、摺動面１１，２１間には被密封液体Ｆが保持されやすく大気は静止密封環１０、回転密封環２０よりも内径側に排出されやすい。

以上のように、静止密封環１０と回転密封環２０との相対回転時において、レイリーステップ９Ａには、液体誘導溝部１５に進入した被密封液体Ｆを引き込んで動圧が発生している。液体誘導溝部１５は溝の深さが深く容積が大きいので、摺動面１１の低圧側まで被密封液体Ｆを供給しても、被密封液体Ｆを回収してレイリーステップ９Ａにより摺動面１１，２１間に戻すことができるため、摺動面１１の広い面積で潤滑性を向上させることができる。また、摺動面１１，２１よりも内径側の低圧側に連通する液体誘導溝部１５によって被密封液体Ｆを回収するので、低圧側に漏れる被密封液体Ｆが少ない。

また、多くの量の被密封液体Ｆが液体誘導溝部１５に保持されるため、レイリーステップ９Ａ内に引き込まれる被密封液体Ｆの量を十分に確保できるとともに、液体誘導溝部１５に保持される被密封液体Ｆの量が短い時間において増減してもレイリーステップ９Ａ内に引き込まれる被密封液体Ｆの量を略一定とすることができ、摺動面１１，２１が貧潤滑となることを回避できる。また、液体誘導溝部１５が低圧側に連通しているので、摺動面１１，２１間の被密封液体Ｆの圧力に比べ液体誘導溝部１５内の圧力は低くなっており、液体誘導溝部１５の近傍の被密封液体Ｆは液体誘導溝部１５内に引き込まれやすくなっている。

また、液体誘導溝部１５は、径方向に延びている。具体的には、液体誘導溝部１５は、静止密封環１０の中心軸と直交する方向に延びており、その外径側端部からレイリーステップ９Ａが交差するように周方向に配置されているため、レイリーステップ９Ａ内で生じる被密封液体Ｆの流れの慣性や、動圧の影響を受けにくくなっている。このことから、静止密封環１０の内側面に付着した被密封液体Ｆや低圧側流体Ａが液体誘導溝部１５の内径側から直接レイリーステップ９Ａに吸い込まれにくくなっている。また、動圧の影響を直接的に受けずに、被密封液体Ｆを液体誘導溝部１５に保持できる。

また、液体誘導溝部１５の周方向の幅を短くして静止密封環１０の周方向に多く配置できるので設計自由度が高い。尚、液体誘導溝部１５は、静止密封環１０の中心軸と直交する方向に限られず、静止密封環１０の中心軸と直交する位置から傾いていてもよいが、４５度未満の傾きであることが好ましい。さらに、液体誘導溝部１５の形状は円弧状など自由に変更できる。

また、レイリーステップ９Ａと液体誘導溝部１５との連通部分には、液体誘導溝部１５における下流側の側面とレイリーステップ９Ａの底面とにより段差１８が形成されているので、動圧の影響を直接的に受けずに被密封液体Ｆを液体誘導溝部１５に保持できる。

また、レイリーステップ９Ａは、径方向の全幅に亘って液体誘導溝部１５に連通しているため、レイリーステップ９Ａの液体誘導溝部１５への開口領域を確保でき、液体誘導溝部１５に保持された被密封液体Ｆを効率的に吸い上げることができる。

また、液体誘導溝部１５は、静止密封環１０の内径側に連通している。すなわち、摺動部品は、インサイド形のメカニカルシールであり、静止密封環１０及び回転密封環２０の相対回転時には、遠心力によりレイリーステップ９Ａ内の被密封液体Ｆを高圧側に戻すことができるとともに、被密封液体Ｆの摺動面１１，２１よりも内径側の低圧側への漏れを低減できる。

また、静止密封環１０に動圧発生機構１４が設けられているため、静止密封環１０及び回転密封環２０の相対回転時に、液体誘導溝部１５内を大気圧に近い状態に保ちやすい。

尚、本実施例１では、液体誘導溝部１５とレイリーステップ９Ａとが摺動面１１を直交する方向から見て逆Ｌ字形状を成している形態を例示したが、例えば、液体誘導溝部１５とレイリーステップ９Ａとが交差することなく滑らかに、例えば直線状、円弧状を成すように連通していてもよい。

また、液体誘導溝部１５とレイリーステップ９Ａとの連通部分に段差１８が設けられていなくてもよく、例えば、液体誘導溝部１５とレイリーステップ９Ａとが傾斜面で連通していてもよい。この場合、例えば、５μｍ以下の深さ寸法を有する部分が浅溝部としてのレイリーステップ９Ａとなり、５μｍよりも深い部分を深溝部としての液体誘導溝部１５とすることができる。

また、浅溝部は、静止密封環と同心状に周方向に延びる形態に限られず、例えば、下流側端部が高圧側に向くように円弧状に形成されていてもよい。また、浅溝部は、深溝部から直線状に延設されるようになっていてもよいし、蛇行して延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６に示されるように、静止密封環１０１に設けられる動圧発生機構１４１は、液体誘導溝部１５と、レイリーステップ９Ａと、液体誘導溝部１５の外径側端部から下流側に向けて静止密封環１０１と同心状に周方向に延びる浅溝部としての逆レイリーステップ９Ｂと、を備えている。すなわち、動圧発生機構１４１は、摺動面１１を直交する方向から見てＴ字形状を成している。また、逆レイリーステップ９Ｂは、レイリーステップ９Ａと同じ５μｍの深さ寸法で形成されている。

図６の実線矢印で示す紙面反時計回りに回転密封環２０が回転する場合には、低圧側流体Ａが矢印Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の順に移動してレイリーステップ９Ａ内に動圧が発生する。また、図６の点線矢印で示す紙面時計回りに回転密封環２０が回転する場合には、低圧側流体Ａが矢印Ｌ１，Ｌ２’，Ｌ３’の順に移動して逆レイリーステップ９Ｂ内に動圧が発生する。すなわち、図６の紙面時計回りに回転密封環２０が回転する場合には、逆レイリーステップ９Ｂがレイリーステップとして機能し、レイリーステップ９Ａが逆レイリーステップとして機能する。

このように、液体誘導溝部１５から周方向両側にレイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂが延設されており、レイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂのいずれか一方を動圧発生用の浅溝部として利用できるため、静止密封環１０１と回転密封環２０との相対回転方向に関わらず使用できる。

また、動圧発生機構１４１におけるレイリーステップ９Ａは、隣接する動圧発生機構１４１’の逆レイリーステップ９Ｂと周方向に隣接している。これによれば、動圧発生機構１４１におけるレイリーステップ９Ａの壁部９ａ近傍から流出し、内径側に移動しようとする被密封液体Ｆが隣接する動圧発生機構１４１’における逆レイリーステップ９Ｂから吸い込まれるため、被密封液体Ｆの低圧側への漏れを低減できる。

尚、本実施例２では、レイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂ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、動圧発生機構１４１におけるレイリーステップ９Ａと隣接する動圧発生機構１４１’の逆レイリーステップ９Ｂとを周方向に長い距離離間させ、摺動面１１，２１間を離間させる圧力をより高めるようにしてもよい。

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１０２には、動圧発生機構１４１と、特定動圧発生機構１６と、が複数形成されている。特定動圧発生機構１６は、高圧側に連通する液体誘導溝部１６１と、液体誘導溝部１６１の内径側端部から下流側に向けて静止密封環１０２と同心状に周方向に延びるレイリーステップ１７Ａと、液体誘導溝部１６１の内径側端部から上流側に向けて静止密封環１０２と同心状に周方向に延びる逆レイリーステップ１７Ｂと、を備えている。液体誘導溝部１６１と液体誘導溝部１５とは、周方向に対応する位置に形成されている。また、液体誘導溝部１６１は、特定動圧発生機構１６の深溝部として機能しており、レイリーステップ１７Ａ及び逆レイリーステップ１７Ｂは、特定動圧発生機構１６の浅溝部として機能している。

動圧発生機構１４１のレイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂは、特定動圧発生機構１６のレイリーステップ１７Ａ及び逆レイリーステップ１７Ｂよりも周方向に長く形成されている。また、レイリーステップ１７Ａ及び逆レイリーステップ１７Ｂの深さ寸法は、レイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂと同じ５μｍに形成されている。また、レイリーステップ１７Ａ及び逆レイリーステップ１７Ｂの径方向の幅は、レイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂの径方向の幅よりも小幅に形成されている。すなわち、動圧発生機構１４１の容積は、特定動圧発生機構１６の容積よりも大きくなっている。

図７の実線矢印で示す紙面反時計回りに回転密封環２０が回転する場合には、被密封液体Ｆが矢印Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３の順に移動してレイリーステップ１７Ａ内に動圧が発生する。また、図７の点線矢印で示す紙面時計回りに回転密封環２０が回転する場合には、被密封液体Ｆが矢印Ｌ１１，Ｌ１２’，Ｌ１３’の順に移動して逆レイリーステップ１７Ｂ内に動圧が発生する。このよに、静止密封環１０２と回転密封環２０との相対回転方向に関わらず特定動圧発生機構１６内に動圧を発生させることができる。

また、特定動圧発生機構１６で発生する動圧により摺動面１１，２１間を離間させて適当な液膜を生成しつつ、摺動面１１から低圧側に漏れようとする被密封液体Ｆを動圧発生機構１４１によって回収できる。

また、動圧発生機構１４１の容積が特定動圧発生機構１６の容積よりも大きいので、動圧発生機構１４１のレイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂの吸い込み力を大きくして、低圧側の動圧発生機構１４１と高圧側の特定動圧発生機構１６との動圧のバランスを調整できる。

また、動圧発生機構１４１の終端である壁部９ａと、特定動圧発生機構１６の終端である壁部１７ａとが周方向にずれているため、摺動面１１，２１の周方向に圧力を分散できバランスがよい。

尚、レイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂの周方向の長さは、レイリーステップ１７Ａ及び逆レイリーステップ１７Ｂと同一、またはレイリーステップ１７Ａ及び逆レイリーステップ１７Ｂよりも短く形成されていてもよい。また、レイリーステップ１７Ａ及び逆レイリーステップ１７Ｂは、レイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂと異なる深さ寸法に形成されていてもよい。また、レイリーステップ１７Ａ及び逆レイリーステップ１７Ｂの径方向の幅は、レイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂの径方向の幅よりも大幅に形成されていてもよい。好ましくは、動圧発生機構１４１の容積が特定動圧発生機構１６の容積よりも大きくなっていればよい。

次いで、特定動圧発生機構の変形例を説明する。図８（ａ）に示すように、変形例１の特定動圧発生機構は、摺動面１１を直交する方向から見て円形を成す凹形状のディンプル３０である。尚、ディンプル３０の形状、数量、配置などは自由に変更することができる。

また、図８（ｂ）に示すように、変形例２の特定動圧発生機構は、径方向に向けて傾斜しながら円弧状に延びる円弧溝３１，３２である。具体的には、円弧溝３１，３２は外径側の端部が高圧側に連通しており、円弧溝３１は、レイリーステップ９Ａの外径側に複数配設されており、円弧溝３２は、逆レイリーステップ９Ｂの外径側に複数配設されている。

また、円弧溝３１は、回転密封環２０が図８（ｂ）の紙面反時計回りに回転したときに内径側に向けて被密封液体Ｆが移動する形状となっており、円弧溝３２は、回転密封環２０が図８（ｂ）の紙面時計回りに回転したときに内径側に向けて被密封液体Ｆが移動する形状となっている。回転密封環２０が反時計回りに回転したときには円弧溝３１の内径側の圧力が高くなり、時計回りに回転したときには円弧溝３２の内径側の圧力が高くなるため、摺動面１１，２１を離間させて適当な液膜を生成できるようになっている。尚、円弧溝３１，３２の形状、数量、配置などは自由に変更することができる。

次に、実施例４に係る摺動部品につき、図９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９に示されるように、静止密封環１０３は、特定動圧発生機構１６が隣接する動圧発生機構１４１同士の間に位置するように、動圧発生機構１４１と周方向にずれて配設されており、特定動圧発生機構１６は、隣接する動圧発生機構１４１と径方向に重畳している。これによれば、特定動圧発生機構１６のレイリーステップ１７Ａの下流側端部から流出した被密封液体Ｆが動圧発生機構１４１の逆レイリーステップ９Ｂに引き込まれ、動圧発生機構１４１のレイリーステップ９Ａの下流側から流出した被密封液体Ｆが特定動圧発生機構１６の逆レイリーステップ１７Ｂに引き込まれて循環するため、摺動面１１，２１の間に液膜を安定して形成することができる。

また、動圧発生機構１４１の終端である壁部９ａと、特定動圧発生機構１６の終端である壁部１７ａとが周方向にずれているため、摺動面１１，２１の周方向に圧力を分散できバランスがよい。さらに、特定動圧発生機構１６のレイリーステップ１７Ａの下流側端部から流出した被密封液体Ｆを、動圧発生機構１４１の液体誘導溝部１５に効率よく回収することができる。

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１０に示されるように、特定動圧発生機構１６２は、液体誘導溝部１６１の外径側端部からレイリーステップ１７１Ａ及び逆レイリーステップ１７１Ｂが形成されており、レイリーステップ１７１Ａ及び逆レイリーステップ１７１Ｂは高圧側に連通している。

次に、実施例６に係る摺動部品につき、図１１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１１に示される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る。動圧発生機構１４１は低圧側に連通するように外径側に配置されており、特定動圧発生機構１６は、高圧側に連通するように内径側に配置されている。尚、アウトサイド形のメカニカルシールであっても、前記実施例１のように、動圧発生機構が片回転に対応する逆Ｌ字形状やＬ字形状に形成されていてもよいし、後述する動圧発生機構の変形例を適用してもよい。また、前記実施例１のように、特定動圧発生機構が設けられていなくてもよいし、特定動圧発生機構が図８～図１０のように形成されていてもよい。

次いで、実施例１～５の動圧発生機構の変形例について図１２～図１６に基づいて説明する。

図１２（ａ）に示されるように、変形例３の動圧発生機構１４２は、レイリーステップ９１Ａ及び逆レイリーステップ９１Ｂが液体誘導溝部１５の径方向中央部から周方向に延設されている。これによれば、液体誘導溝部１５がレイリーステップ９１Ａ及び逆レイリーステップ９１Ｂよりも外径側に延びているので、外径側の被密封液体Ｆが液体誘導溝部１５に進入しやすく、液体誘導溝部１５内に被密封液体Ｆを多く溜めることができる。

また、図１２（ｂ）に示されるように、変形例４の動圧発生機構１４３は、深溝部としての液体誘導溝部１５の外径側にずれて周方向に延びる浅溝部としての溝９２が円弧状に形成されており、摺動面１１を直交する方向から見てＴ字状を成している。これによれば、溝９２における液体誘導溝部１５よりも上流側の部位である逆レイリーステップから、液体誘導溝部１５よりも下流側の部位であるレイリーステップに被密封液体Ｆを直接供給できる。尚、浅溝部と深溝部が連通していれば、深溝部における浅溝部の位置は自由に変更できる。

また、図１３（ａ）に示されるように、変形例５の動圧発生機構１４４における液体誘導溝部１５１は、レイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂと連通する外径側端部１５１ａの周方向の幅がその内径側端部１５１ｂよりも小さくなっている。これによれば、内径側端部１５１ｂが外径側端部１５１ａよりも周方向に幅広に形成されているので、摺動面１１よりも内側面に付着する被密封液体Ｆを液体誘導溝部１５１内に吸い込みやすい。

また、図１３（ｂ）に示されるように、変形例６の動圧発生機構１４５における液体誘導溝部１５２は、その内径側端部１５２ｂの深さ寸法が外径側端部１５２ａの深さ寸法よりも深く形成されている。これによれば、内径側端部１５２ｂと外径側端部１５２ａとの連通部分に段差が形成されるので、内径側端部１５２ｂ内に保持される被密封液体Ｆが低圧側に流出し難くなっている。

また、図１４（ａ）に示されるように、変形例７の動圧発生機構１４６における液体誘導溝部１５３は、レイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂよりも内径側に位置する第１部位１５３ｂと、第１部位１５３ｂよりも周方向に小幅に形成され該第１部位１５３ｂの外径側に延びる第２部位１５３ａと、から構成されている。レイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂは、第２部位１５３ａの外径側の端部に連通しており、第１部位１５３ｂよりも外径側に離間して配設されている。

また、図１４（ｂ）に示されるように、変形例８の動圧発生機構１４７における液体誘導溝部１５４は、レイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂと連通する第２部位１５４ａがその内径側に位置する第１部位１５４ｂよりも周方向に大きな幅に形成されている。尚、第１部位１５４ｂとレイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂとは、径方向に同一幅となっており、全幅に亘って連通している。これによれば、第１部位１５４ｂは第２部位１５４ａよりも幅が狭く絞られているので、外径側の第２部位１５４ａ内に保持される被密封液体Ｆが低圧側に流出し難くなっている。

また、図１５（ａ）に示されるように、変形例９の動圧発生機構１４８における液体誘導溝部１５５は、レイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂと連通する部位が外径側に向けて先細りしている。これにより、液体誘導溝部１５５の外径側に被密封液体Ｆを誘導できる。

また、図１５（ｂ）に示されるように、変形例１０の動圧発生機構１４９における液体誘導溝部１５６は、レイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂよりも内径側の部位が内径側に向けて先細りしている。これによれば、液体誘導溝部１５６内に保持された被密封液体Ｆが低圧側に流出し難い。

また、図１６（ａ）に示されるように、変形例１１の動圧発生機構２４１における液体誘導溝部１５７は、レイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂよりも内径側の部位が円弧状を成しており、レイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂと連通する部位よりも周方向に膨らんで形成されている。液体誘導溝部１５７の内径側の部分は曲面なので被密封液体Ｆを円滑に流すことができる。

また、図１６（ｂ）に示されるように、変形例１２の静止密封環１０には、動圧発生機構１４と動圧発生機構２４２とが周方向に交互に配設されている。動圧発生機構２４２は、液体誘導溝部１５８と、液体誘導溝部１５８の外径側端部から下流側に周方向に延設される逆レイリーステップ９Ｂと、から構成されている。すなわち、動圧発生機構２４２は、摺動面１１を直交する方向から見てＬ字形状を成している。これによれば、回転密封環２０の回転方向に限られず使用することができる。

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、動圧発生機構を静止密封環にのみ設ける例について説明したが、動圧発生機構を回転密封環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動圧発生機構が複数設けられる形態を例示したが、形状の異なる動圧発生機構が複数設けられていてもよい。また、動圧発生機構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。

９Ａレイリーステップ（浅溝部）
９Ｂ逆レイリーステップ（浅溝部）
１０静止密封環（摺動部品）
１１摺動面
１４動圧発生機構
１５液体誘導溝部（深溝部）
１６特定動圧発生機構
１７Ａレイリーステップ（浅溝部）
１７Ｂ逆レイリーステップ（浅溝部）
１８段差
２０回転密封環（摺動部品）
２１摺動面
１４１動圧発生機構

Claims

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、漏れ側に連通する深溝部と、該深溝部に連通して周方向に延設される浅溝部と、から構成される動圧発生機構が複数設けられており、
漏れ側は、被密封流体側よりも低圧な気体空間側であって、
前記深溝部は、漏れ側のみに連通しており、
前記浅溝部は、ランド部により漏れ側及び被密封流体側の双方の空間から隔離されており、
前記摺動面において前記浅溝部から被密封流体側の端部まで径方向にランド部が連続して形成されている摺動部品。
前記深溝部が径方向に延びている請求項１に記載の摺動部品。
前記浅溝部と前記深溝部との連通部分には、深さ方向の段差が形成されている請求項１または２に記載の摺動部品。
前記浅溝部は、前記深溝部から周方向両側に延びている請求項１ないし３のいずれかに記載の摺動部品。
前記動圧発生機構における一方の浅溝部は、隣接する前記動圧発生機構における他方の浅溝部と周方向に隣接する請求項４に記載の摺動部品。
前記深溝部は内径側に連通する請求項１ないし５のいずれかに記載の摺動部品。