JP5968889B2 - 摺動部品 - Google Patents
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Description
上記の従来技術では、グレーティング部50が設けられているため、該グレーティング部50付近の摺動面においては回転初期から摺動面の潤滑性が向上されているものの、シールダム部としての内周部52ではどうしても潤滑不足になり易い。実際に試験を行って見ると、内周部52に摩耗が発生していることが確認された。
前記固定環または回転環の摺動面のいずれか一方には、前記摺動面により円周方向に分離された複数の被密封流体収容ブロックが被密封流体収容空間と連通するように径方向の被密封流体側に形成されると共に、前記被密封流体と反対側の区域には該摺動面と面一をなすシールダム部が形成され、
前記複数の被密封流体収容ブロックの底部には、前記固定環と前記回転環との相対回転摺動によりポンピング作用を生起するポンピング部が形成され、
前記ポンピング部は、被密封流体を前記被密封流体収容ブロックに取り込む作用をする線状の凹凸により構成される吸入ポンピング部と、前記被密封流体収容ブロックからこの取り込まれた被密封流体を前記被密封流体側に戻す作用をする線状の凹凸により構成される吐出ポンピング部を備え、
前記シールダム部は、静止時おいて被密封流体の漏れを生じさせないためのシールダムとしての機能を有することを特徴としている。
また、 前記被密封流体収容ブロックは、前記被密封流体を収容できるように前記摺動面と段差を有して凹状をなしており、さらに
前記シールダム部が潤滑性に優れた摺動材料より形成されることを特徴としている。
また、本発明の摺動部品は、第3に、第1の特徴において、前記被密封流体収容ブロック、ポンピング部及び潤滑性に優れた摺動材料よりなるシールダム部が硬質材料からなる回転環に形成されることを特徴としている。
また、本発明の摺動部品は、第5に、第1ないし第3のいずれかの特徴において、前記潤滑性に優れた摺動材料より形成されるシールダム部が、前記固定環または回転環と別体に形成されていることを特徴としている。
また、本発明の摺動部品は、第7に、第1ないし第5のいずれかの特徴において、前記潤滑性に優れた摺動材料が、潤滑油を含有した材料であることを特徴としている。
(1)上記第1〜第3の特徴により、静止時には、固定環及び回転環の摺動面間は固体接触状態となるため、円周方向に連続した摺動面、特に、シールダム部により漏れを防止することによりシール性が維持されるとともに、起動時には、被密封流体収容ブロック内の空間に被密封流体を取り込むことによってすばやく潤滑流体膜を形成することができ、シールダム部が潤滑性に優れた摺動材料により形成されていることと相俟って摺動面の摺動トルクを低くし摩耗を低減することができる。さらに、運転時には、吸入ポンピング部を備えた被密封流体収容ブロック内に被密封流体を取り込み、この被密封流体を摺動面を介して分離された位置にある吐出ポンピング部を備えた被密封流体収容ブロックに送り込み、吐出ポンピング部の作用により該被密封流体収容ブロックからこの被密封流体を被密封流体側に戻すことにより、摺動面の潤滑性を確保するとともに、漏れを防止し、シール性を保つことができる。
さらに、シールダム部が潤滑性に優れた摺動材料により形成されていることにより、シールダム部の摩耗が低減され、シール機能を長期間にわたり維持することができる。
(2)上記第4及び第5の特徴により、固定環又は回転環に潤滑性に優れた摺動材料からなるシールダム部を容易、かつ、確実に形成することができる。
(3)上記第6及び第7の特徴により、シールダム部を格段に潤滑性に優れたものとすることができ、シールダム部の摩耗を一層低減することができる。
なお、本実施形態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が、本発明はこれに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加えうるものである。
図1のメカニカルシールは摺動面の外周から内周方向に向かって漏れようとする被密封流体を密封する形式のインサイド形式のものであって、被密封流体側のポンプインペラ(図示省略)を駆動させる回転軸1側にスリーブ2を介してこの回転軸1と一体的に回転可能な状態に設けられた円環状の回転環3と、ポンプのハウジング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円環状の固定環6とが、この固定環6を軸方向に付勢するベローズ7によって、ラッピング等によって鏡面仕上げされた摺動面S同士で密接摺動するようになっている。すなわち、このメカニカルシールは、回転環3と固定環6との互いの摺動面Sにおいて、被密封流体が回転軸1の外周から大気側へ流出するのを防止するものである。
回転環3及び固定環6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、摺動材料に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は適用可能である。SiCとしては、ボロン、アルミニウム、カーボンなど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などがあり、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、などが利用できる。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)、複合材料なども適用できる。
図2のメカニカルシールは摺動面の外周から内周方向に向かって漏れようとする冷却水を密封する形式のインサイド形式のものであって、冷却水側のポンプインペラ(図示省略)を駆動させる回転軸1側にスリーブ2を介してこの回転軸1と一体的に回転可能な状態に設けられた円環状の回転環3と、ポンプのハウジング4に非回転状態かつ軸方向移動可能な状態で設けられた円環状の固定環6とが、この固定環6を軸方向に付勢するコイルドウェーブスプリング8及びベローズ9によって、ラッピング等によって鏡面仕上げされた摺動面S同士で密接摺動するようになっている。すなわち、このメカニカルシールは、回転環3と固定環6との互いの摺動面Sにおいて、冷却水が回転軸1の外周から大気側へ流出するのを防止するものである。
図3は、図1及び2のメカニカルシールにおいて、固定環6及び回転環3の摺動面のうち、径方向の幅が小さい固定環6の摺動面Sに被密封流体収容ブロック10、ポンピング部及び潤滑性に優れたシールダム部が形成される場合の一実施形態を示す平面図である。
図3において、固定環6は、シールリングと呼ばれ、多くは、カーボン(軟質材料)から形成される。この固定環6の摺動面Sには、円周方向に分離された複数の被密封流体収容ブロック10が、摺動面Sの径方向の一部であって被密封流体収容空間と外周側12を介して直接連通するように形成されている。
なお、被密封流体側が回転環3及び固定環6の内側に存在するアウトサイド形のメカニカルシールの場合、被密封流体収容ブロック10は、摺動面Sの径方向の一部であって被密封流体収容空間と内周側を介して直接連通するように形成すればよい。
被密封流体収容ブロック10の径方向の幅aは、摺動面Sの径方向の幅Aのおよそ1/3〜2/3であり、また、被密封流体収容ブロック10の周方向の角度範囲bは、隣接する被密封流体収容ブロック10、10間に存在する摺動面の角度範囲Bと同じかやや大きく設定される。
なお、本発明において「線状の凹凸」には、直線状の凹凸の他、直線状の凹凸形成の過程で出現される多少彎曲された凹凸、または曲線状の凹凸も包含される。
図4において、固定環6は実線で、また、相手側摺動部材である回転環3は二点鎖線で示されており、回転環3はR方向に回転する。
図4(a)に示すように、複数の被密封流体収容ブロック10は、円周方向において隣接する被密封流体収容ブロック10と摺動面Sにより分離され、また、大気側とも摺動面Sにより非連通となっている。また、図4(b)に示すように、被密封流体収容ブロック10は、摺動面Sの径方向の一部に形成されており、被密封流体を収容できるように凹状をなし、摺動面Sと段差を有し、被密封流体収容空間とは外周側12を介して直接連通している。このため、静止時には、固定環6及び回転環3の摺動面間は固体接触状態となるため、円周方向に連続した摺動面によりシール性が維持されるとともに、起動時においては、図4(a)において二点鎖線の矢印で示すように、被密封流体収容ブロック10へ被密封流体の取り込みが行われるようになっている。
さらに、図4(a)に示すように、ポンピング部11に形成される線状の凹凸は、摺動面Sの摺動方向、換言すれば摺動面Sの回転接線方向に対して所定の角度θで傾斜するように形成される。所定の角度θは、摺動面Sの回転接線に対して内径方向及び外径方向の両方向において各々10°〜80°の範囲であることが好ましい。
また、吸入ポンピング部11aと吐出ポンピング部11bとは、摺動面Sの周方向に沿って交互に配置されるように形成するのが好適である。
図3及び図4に示す摺動面Sは、そのような摺動面Sが両方向へ回転する場合に好適な摺動面Sの構成である。
なお、吸入ポンピング部11aと吐出ポンピング部11bとは、摺動面Sの周方向に沿って交互に配置されなくてもよく、例えば、吸入ポンピング部11aが2個、吐出ポンピング部11bが1個の割合で配置されても、あるいは、逆の割合で配置されてもよい。
加工しきい値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを基板に照射すると、入射光と基板の表面に沿った散乱光又はプラズマ波の干渉により、波長オーダーのピッチと溝深さを持つ凹凸状の周期構造が偏光方向に直交して自己組織的に形成される。この時、フェムト秒レーザをオーバーラップさせながら操作を行うことにより、その線状の凹凸の周期構造パターンを表面に形成することができる。
さらに、前記被密封流体収容ブロック10の形成は、エッチングで行い、その後、フェムト秒レーザなどにより被密封流体収容ブロック底部に線状の凹凸の周期構造を形成させてもよい。さらに、フェムト秒レーザなどにより、摺動面に線状の凹凸の周期構造のみ形成させ、その後、線状の凹凸の周期構造が形成されていない摺動面にメッキあるいは成膜を行うことで、被密封流体収容ブロック10を形成させてもよい。
さらに、潤滑性に優れたシールダム部13を形成する他の方法としては、シールダム部13となる部分を潤滑性に優れた材料で表面を改質する方法もある。さらに、シールダム部13となる部分をスパッタや塗布によるコーティング、ブラストによる潤滑物質の埋め込み、こすり付けることによる転移を利用して形成する方法もある。さらには、固定環6全体を軟質の固体潤滑材で成形し、被密封流体収容ブロック10の部分のみ硬質化する方法もあり、硬質化の方法としては、高温での焼成、反応性材料を用いる硬化、スパッタコーティングによる硬質化、硬質材の接着、嵌合などが挙げられる。
また、潤滑性に優れた摺動材料としては、潤滑油を含有した材料でもよい。特に、フッ素系オイルを含有させるのが望ましい。
固定環6と回転環3との摺動面間には、図4(b)に示すように、回転初期から運転時において、厚さ0.1μm〜10μmの液膜hが形成されるが、その場合、ポンピング部11において、凹凸の頂点を結ぶような仮想平面をとると、該仮想平面は液膜hに応じて摺動面Sよりd1=0.1h〜10h低く設定され、仮想平面が摺動面Sと段差d1を形成する形状となっている。この段差d1により形成された被密封流体収容ブロック10内の空間に被密封流体が取り込まれ、十分な液膜が形成される。しかし、十分な液膜を形成するだけでは圧力差により漏れが発生することになる。このため、被密封流体収容ブロック10の底部には、被密封流体が大気側に漏れないように液体の流れを生起させるポンピング部11が形成されているのである。
フェムト秒レーザによる場合には、まず、被密封流体収容ブロック10が形成され、その後続いて、ポンピング部11が形成される。
また、線状の凹凸の頂点と底部との深さd2は、d2=0.1h〜10hの範囲が望ましい。
ポンピング部11の線状の凹凸のピッチpは、被密封流体の粘度に応じて設定されるが、0.1μm〜100μmが望ましい。被密封流体の粘度が高い場合、溝内に流体が十分に入り込めるようにピッチpを大きくした方がよい。
さらに、シールダム部13が潤滑性に優れた摺動材料により形成されていることにより、シールダム部13の摩耗が低減され、シール機能を長期間にわたり維持することができる。
図6は、図1及び2のメカニカルシールにおいて、固定環及び回転環の摺動面のうち、径方向の幅が大きい回転環の摺動面に被密封流体収容ブロック、ポンピング部及び潤滑性に優れたシールダム部が形成される場合の一実施形態示すもので、摺動面に直交する面で切断した断面図である。
図6において、回転環3は、メイティングリングと呼ばれ、多くは、SiC(硬質材料)から形成される。この回転環3の摺動面Sに、円周方向に分離された複数の被密封流体収容ブロック10が形成されている。これら複数の被密封流体収容ブロック10は、摺動面Sの径方向の外方及び内方を残して一部に形成され、かつ、被密封流体収容ブロック10の被密封流体側の一部が相対する固定環6の摺動面Sで覆われないように形成されるものである。このため、静止時のシール性が維持されるとともに、起動時においては、被密封流体収容ブロック10へ被密封流体が取り込まれるものである。
2 スリーブ
3 回転環
4 ハウジング
5 シールカバー
6 固定環
7 ベローズ
8 コイルドウェーブスプリング
9 ベローズ
10 被密封流体収容ブロック
11 ポンピング部
11a 吸入ポンピング部
11b 吐出ポンピング部
12 外周側
13 潤滑性に優れた摺動材料よりなるシールダム部
S 摺動面
Claims (8)
- 固定側に固定される円環状の固定環と、回転軸とともに回転する円環状の回転環とが対向して互いの摺動面を相対回転させることにより、当該相対回転摺動する前記摺動面の径方向の一方側の被密封流体収容空間に存在する被密封流体を密封する摺動部品において、
前記固定環または回転環の摺動面のいずれか一方には、前記摺動面により円周方向に分離された複数の被密封流体収容ブロックが被密封流体収容空間と連通するように径方向の被密封流体側に形成されると共に、前記被密封流体と反対側の区域には該摺動面と面一をなすシールダム部が形成され、
前記複数の被密封流体収容ブロックの底部には、前記固定環と前記回転環との相対回転摺動によりポンピング作用を生起するポンピング部が形成され、
前記ポンピング部は、被密封流体を前記被密封流体収容ブロックに取り込む作用をする線状の凹凸により構成される吸入ポンピング部と、前記被密封流体収容ブロックからこの取り込まれた被密封流体を前記被密封流体側に戻す作用をする線状の凹凸により構成される吐出ポンピング部を備え、
前記シールダム部は、静止時において被密封流体の漏れを生じさせないためのシールダムとしての機能を有することを特徴とする摺動部品。 - 前記被密封流体収容ブロックは、前記被密封流体を収容できるように前記摺動面と段差を有して凹状をなしており、さらに
前記シールダム部が潤滑性に優れた摺動材料より形成されることを特徴とする請求項1記載の摺動部品。 - 前記被密封流体収容ブロック、ポンピング部及び潤滑性に優れた摺動材料よりなるシールダム部が軟質材料からなる固定環に形成されることを特徴とする請求項2記載の摺動部品。
- 前記被密封流体収容ブロック、ポンピング部及び潤滑性に優れた摺動材料よりなるシールダム部が硬質材料からなる回転環に形成されることを特徴とする請求項2記載の摺動部品。
- 前記潤滑性に優れた摺動材料より形成されるシールダム部が、前記固定環または回転環と一体的に形成されることを特徴とする請求項2に記載の摺動部品。
- 前記潤滑性に優れた摺動材料より形成されるシールダム部が、前記固定環または回転環と別体に形成されていることを特徴とする請求項2に記載の摺動部品。
- 前記潤滑性に優れた摺動材料が、PTFE、MoS2、WS2、グラファイトまたはBN等のいずれか1つの固体潤滑剤を含有した材料であることを特徴とする請求項2ないし6のいずれか1項に記載の摺動部品。
- 前記潤滑性に優れた摺動材料が、潤滑油を含有した材料であることを特徴とする請求項2ないし6のいずれか1項に記載の摺動部品。
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