JP5518527B2 - 摺動部品 - Google Patents
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Description
ように、従来、摺動部品500における摺動面に、複数のディンプル501を設けることによって、摺動面に潤滑液(被密封流体)による膜を安定的に形成させ、摺動摩耗の抑制効果の向上を狙っていた。
相対的に回転し、かつ平面状の端面同士が摺動する2部品のうちの一方を構成する摺動部品において、
前記2部品が相対的に回転する際に、該2部品の摺動部に回転中心の周りを周回するように形成される、液体により構成される相(以下、液相と称する)及び気体により構成される相(以下、気相と称する)のうち、気体により構成される相を位置決めせしめるように、摺動面に複数のディンプルが配置されていると共に、
前記複数のディンプルは、個々のディンプルにおける開口端縁に沿って設けられるエッジ部分のうち、回転方向の上流側のエッジ部分におけるディンプル側面と表面とのなす角度が130°以下に設定されており、これらのディンプルは、回転方向に対して隣り合う2つのディンプルのうち回転方向の上流側のディンプルのエッジ部分に沿って形成される気体の膜が、摺動時に回転方向の下流側に形成する膜の範囲内に、前記2つのディンプルのうち回転方向の下流側のディンプルが存在する位置関係となるように配置されていることを特徴とする。
図1〜図12を参照して、本発明の実施例1に係る摺動部品について説明する。なお、本実施例においては、メカニカルシールを構成する部品が摺動部品である場合を例にして説明する。
図1を参照して、本発明の実施例に係る摺動部品が適用されるメカニカルシールについて説明する。図1は本発明の実施例に係るメカニカルシールの使用状態を示す模式的断面図である。
の平面状の端面と、第2摺動部品200における図中左側の端面が摺動するように構成されている。そして、これら端面同士の摺動部によって、密封された液体Mの漏れを防止している。
図2及び図3を参照して、第1摺動部品100の構成について説明する。図2は本発明の実施例1に係る摺動部品(第1摺動部品)の平面図である。図3は本発明の実施例1に係る摺動部品(第1摺動部品)の一部拡大図である。なお、図3は図2中X部分の拡大図である。
ると、ディンプル101の内部容積が大きくなってしまう。これにより、気相を安定的に形成させるために必要な気体の量が多くなってしまうので、あまり深すぎないように適度な深さにするのが望ましい。
図4及び図5を参照して、複数のディンプル101によって、気相を安定的に位置決めさせる機能が発揮するメカニズムについて説明する。なお、気相が位置決めされると、液体が気相を通り抜けることが阻止されるため、結果的に液相も位置決めされる。図4及び図5は本発明の実施例1に係る摺動部品(第1摺動部品)における摺動面の様子を模式的に示す平面図である。回転する前の状態では、ディンプル101内は気相となっており、回転により、その気相が周方向に流れて、図4に示すような状態となる。また、回転により発生したキャビテーションが加わり、図5に示すような状態となる。
本実施例に係る摺動部品(第1摺動部品100)によれば、2部品(第1摺動部品100及び第2摺動部品200)の摺動部に、2部品の回転中心の周りを周回するように形成される液相E11,E12,E13,E14及び気相K11,K12,K13が位置決めされる。これにより、これらの位置決めされた相は、気液界面を安定して形成することにより、流体の径方向への移動を阻止する機能を発揮する。従って、液相が、摺動部から消失してしまうことを抑制でき、摺動面には安定的に液体による膜(潤滑膜)が形成され、摺動摩耗を抑制することができる。また、本実施例では、第1摺動部品100と第2摺動部品200によってメカニカルシール10を構成しており、被密封流体の漏れを抑制することができる。
図7及び図8を参照して、ディンプルに関する寸法設定について説明する。上記のような機能を十分に発揮させるためには、ディンプルの寸法を適切に設定する必要がある。この点について、以下に説明する。
摺動部品における摺動面の径方向の幅をWとし、ディンプルにおける摺動面の径方向の幅をDrとする。また、摺動部品に設けられたディンプルの径方向に並ぶ数をnとする(図7に示す例ではn=2)。このとき、Dr×n÷Wを0.15以上0.5以下に設定するとよい。何故なら、周方向に隣り合うディンプルを繋ぐように気相を形成させるためにはディンプルにおける径方向の幅を有る程度確保する必要がある。一方、摺動面の径方向の幅Wに対するディンプルの径方向の幅の占める割合が大き過ぎると、荷重支持領域や液相の保持幅が少なくなり過ぎてしまう。そこで、気相と液相(荷重支持領域にも相当)との割合が適度な割合となるように、上記のような関係を満たすようにすると良い。
周方向に隣り合うディンプル同士の間隔をSとする。このとき、S÷Drを0以上10以下に設定するとよい。何故なら、周方向に隣り合うディンプルを繋ぐように気相を形成させるためには、周方向に隣り合うディンプル同士の間隔を狭くする必要がある。一方、狭い分には下限がないため、ディンプル同士が接していても良い。そこで、上記のような関係を満たすと良い。
ディンプルにおける開口端縁に沿って設けられるエッジ部分(相手側の摺動面の回転方向の上流側のエッジ部分)の角度Eは130°以下に設定するとよい。何故なら、当該エッジ部分は、その角度が大きくなるほど、気液界面に対する幾何学的障壁作用が小さくなってしまうため、気相の保持能力を十分に発揮させる必要があるからである。
ディンプルの深さPは、5μm以上50μm以下に設定するとよい。ディンプルの深さについては、気相と液相を保持する機能の観点からはあまり関連性はない。ただし、ディンプルが深すぎると、ディンプル内部に溜める気体の量が多くなりすぎるので、上限は50μm程度が適当である。また、レーザ加工によってディンプルを形成する場合、現在のレーザ加工技術によって、寸法精度を十分にするためには下限は5μm程度が適当である。
図9〜図12を参照して、本実施例に係る摺動部品と比較例に係る摺動部品との評価試験結果について説明する。
、SiC製の緻密材からなるものを用いている。この試験においては、被密封流体の漏洩量と試験後の第1摺動部品100の摩耗量を測定した。なお、このシール性能の評価試験に関しては、各部分の寸法(パラメータ)を種々変更したサンプルについて試験を行った。その結果は図20に示す。図20に示す表の結果において、漏れ量や摩耗量が多いものについては、数値の後に(NG)を付している。
図13〜図17には、本発明の実施例2が示されている。上記実施例1では、複数のディンプルを仮想円周上に並ぶように配置する場合の構成について示した。本実施例では、複数のディンプルを仮想的な渦巻き線上に並ぶように配置する場合の構成について示す。複数のディンプルの配置以外の構成および作用については実施例1と同一なので、同一の構成部分については、適宜、その説明は省略する。
)の径方向の幅をTとする。このとき、T÷Drを0.5以上1以下にするとよい。何故なら、上記の幅Tを小さくすれば小さくするほど、周方向に隣り合うディンプルを繋ぐような気相が形成され難くなってしまうからである。なお、図20の表に示すように、T÷Drを0.3とした場合(サンプル10)には漏れ量がNGであった。
実施例1及び実施例2に示すディンプルは、上記の通り、ディンプル配列上に気相を形成するため、荷重支持能力を持たない。そのため、ディンプルの数を増やすほど、摺動面
における荷重支持領域が減少する。このことから、ディンプルの数を増やしすぎると、却って、面圧が増加する結果、潤滑膜(液体による膜)を保持可能な限界が低下してしまう。従って、ディンプルの数は、気相や液相の位置決めによって潤滑膜が安定的に形成され、かつ被密封流体の漏れ防止ができる範囲内で、極力少なくして、荷重支持領域を確保するのが望ましい。
100 第1摺動部品
101 ディンプル
101a,101b ディンプル
110 第1摺動部品
111 ディンプル
130 第1摺動部品
140 第1摺動部品
141 ディンプル
200 第2摺動部品
300 回転軸
400 ハウジング
C1,C2,C3,C4 仮想円周
E11,E12,E13,E14 液相
E20 液相
K11,K12,K13 気相
K20 気相
M 液体
U 仮想的な渦巻き線
Claims (5)
- 相対的に回転し、かつ平面状の端面同士が摺動する2部品のうちの一方を構成する摺動部品において、
前記2部品が相対的に回転する際に、該2部品の摺動部に回転中心の周りを周回するように形成される、液体により構成される相及び気体により構成される相のうち、気体により構成される相を位置決めせしめるように、摺動面に複数のディンプルが配置されていると共に、
前記複数のディンプルは、個々のディンプルにおける開口端縁に沿って設けられるエッジ部分のうち、回転方向の上流側のエッジ部分におけるディンプル側面と表面とのなす角度が130°以下に設定されており、これらのディンプルは、回転方向に対して隣り合う2つのディンプルのうち回転方向の上流側のディンプルのエッジ部分に沿って形成される気体の膜が、摺動時に回転方向の下流側に形成する膜の範囲内に、前記2つのディンプルのうち回転方向の下流側のディンプルが存在する位置関係となるように配置されていることを特徴とする摺動部品。 - 前記複数のディンプルは、前記2部品の回転中心に中心点を有する仮想円周上に並ぶように配置されていることを特徴とする請求項1に記載の摺動部品。
- 前記複数のディンプルは、前記2部品の回転中心に中心点を有する、径の異なる複数の仮想円周上に、それぞれ複数並ぶように配置されていることを特徴とする請求項1に記載の摺動部品。
- 前記複数のディンプルは、前記2部品の回転方向に周回する仮想的な渦巻き線上に並ぶように配置されていることを特徴とする請求項1に記載の摺動部品。
- 前記複数のディンプルは、摺動面のうち、内周側と外周側のうち液体が満たされている側とは反対側であって、摺動面の径方向の幅の3分の2以下の範囲の領域内に設けられることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載の摺動部品。
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