JP6279474B2 - 摺動部品 - Google Patents
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Description
また、図1に示すように、摺動面Sに形成されたディンプルなどの窪み部分10には、キャビテーションに伴う筋状の流体の流れ20が生じることが一般的に知られている。
本発明者は、メカニカルシール等の摺動面におけるディンプルの流体潤滑作用に関する研究を行う中で、図2に示すように、摺動面に形成されたディンプルの底面に方向性をもった溝30を設置すると、ディンプル10内に発生するキャビテーション領域の筋状の流体の流れ20の方向を変更または制御することができるという知見を得た。これは、キャビテーション内部は液体と比較し粘性の十分に小さい気体で満たされるため、流動性がよく、キャビテーション内部の圧力は一定となり、摺動面の内・外周の差圧に関係することなく、キャビテーション内部の筋状流れが制御されると考えられるものである。
すなわち、ディンプル10の底面に方向性をもった溝30が存在する場合、溝30のエッジ部分40が幾何学的な障壁として気液界面に作用し、筋状の流体の流れ20が溝30上を通過する移動を妨げ、この結果、筋状の流体の流れ20は溝30のエッジ部分40に沿って一定程度移動し、キャビテーション内部の筋状流れが制御されると考えられるものである。
なお、エッジ部分の幾何学的な障壁作用については、本出願人による特許出願である特開2011−185292号公報に詳しく記載されている。
上記目的を達成するため本発明の摺動部品は、第1に、一対の摺動部品の互いに相対摺動する一方側の摺動面にディンプルが設けられ、前記ディンプル内のキャビテーション形成領域には方向性を備えた溝が設けられていることを特徴としている。
この特徴によれば、ディンプル内に発生するキャビテーションに伴う筋状の流体の流れを制御することができ、摺動面の内・外周の差圧の大きさに関係することなく漏れを防止できる。詳述すると、キャビテーション内部は液体と比較し粘性の十分に小さい気体で満たされるため、流動性がよく、キャビテーション内部の圧力は一定となり、摺動面の内・外周の差圧に関係することなく、キャビテーション内部の筋状流れが制御され、ディンプル内に方向性を備えた溝が存在する場合、該溝のエッジ部分が幾何学的な障壁として気液界面に作用し、筋状の流体の流れが溝上を通過する移動を妨げ、この結果、筋状の流体の流れは溝のエッジ部分に沿って一定程度移動するため、キャビテーション内部の筋状流れが制御され、漏れが防止されるものである。
この特徴によれば、方向性を備えた溝による筋状の流体の流れの制御は少なくともディンプルの低圧流体側では行われるので、低圧流体側への漏洩を防止することができる。
この特徴によれば、ディンプルの下流側の正圧が開放されるため、上流側の圧力が低下し、上流側においてキャビテーションが発生され易くなり、キャビテーション形成領域がディンプルの下流側の近くまで形成されることになり、キャビテーション形成領域による筋状の流体の流れの方向をより一層制御することが可能になる。また、正圧領域に流れ込んだ流体を高圧流体側に戻すことができる。
この特徴によれば、相手側摺動面の回転方向が正逆の両方向の場合でも、当該摺動部品を交換をすることなく対応できる。
(1)一対の摺動部品の互いに相対摺動する一方側の摺動面にディンプルが設けられ、ディンプル内のキャビテーション形成領域には方向性を備えた溝が設けられていることにより、ディンプル内に発生するキャビテーションに伴う筋状の流体の流れを制御することができ、摺動面の内・外周の差圧の大きさに関係することなく漏れを防止できる。
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3は、メカニカルシールの一例を示す縦断面図であって、摺動面の外周から内周方向に向かって漏れようとする高圧流体側の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り、高圧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5とが、この固定環5を軸方向に付勢するコイルドウェーブスプリング6及びベローズ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5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。
なお、図4(a)では、ディンプル10の形状は、内径側及び外径側の2つの片が固定環5の中心を中心とする円弧状をなし、周方向の上流側及び下流側の2つの片が直線である場合を示しているが、長方形、正方形、多角形でもよく、特に限定されない。
図5(a)において、矢印で示すように、固定環5に対して回転環3が反時計方向に回転移動するが、固定環5の摺動面Sにディンプル10、11が形成されていると、該ディンプル10、11の下流側には狭まり隙間(段差)12が存在する。相対する回転環3の摺動面は平坦である。
回転環3が矢印で示す方向に相対移動すると、回転環3及び固定環5の摺動面間に介在する流体が、その粘性によって、回転環3の移動方向に追随移動しようとするため、その際、狭まり隙間(段差)12の存在によって破線で示すような動圧(正圧)が発生される。
回転環3が矢印で示す方向に相対移動すると、回転環3及び固定環5の摺動面間に介在する流体が、その粘性によって、回転環3の移動方向に追随移動しようとするため、その際、拡がり隙間(段差)13の存在によって破線で示すような動圧(負圧)が発生される。
このため、ディンプル10、11内の上流側には負圧が発生し、下流側には正圧が発生することになる。そして、上流側の負圧発生領域にはキャビテーションが発生する。
固定環5の摺動面Sには四辺形のディンプル10が周方向に複数設けられ、ディンプル10は、高圧流体側及び低圧流体側とは連通しておらず、また、各ディンプル10は相互に独立して設けられている。
なお、方向性を備えた溝15のピッチpは設計的に最適な値に設定されればよく、特に限定されない。
なお、方向性を備えた溝15は、低圧流体側にのみ設けられる場合に限らず、高圧流体側にのみ、あるいは、径方向の中央にだけ設けられてもよく、要するに、差圧などの大きさに応じて、方向性を備えた溝15を設ける部分を適宜選択すればよい。
なお、図7において、実施の形態1の符号と同じ符号は実施例1と同じ部材を示しており、重複する説明は省略する。
なお、正圧領域16に流れ込んだ流体は低圧流体側に流され易いため、シール装置に本例を適用した場合、漏洩につながり好ましくないと考えられるが、軸受などの場合には多少の漏れは許容されるものであり、潤滑性能の向上にが見込まれるため、軸受を含む摺動部品全般においては適用可能である。
なお、図8において、実施の形態1の符号と同じ符号は実施例1と同じ部材を示しており、重複する説明は省略する。
図8において、ディンプル10内のキャビテーション形成領域に設けられる方向性を備えた溝15、15’は、その方向がディンプル10の摺動方向の中心を通る半径線O−Oを境に当該摺動面の摺動方向に対して対称となるように形成されている。図6及び図7では、キャビテーション形成領域14はディンプル10の上流側から半分以上に亘って形成されるように設定されているが、図8では、キャビテーション形成領域14はディンプル10の上流側の半分程度しか形成されないように設定され、相手摺動面の回転方向が時計方向に逆転した場合でも、キャビテーション形成領域14はディンプル10の上流側の半分程度に形成されるように設定されている。例えば、ディンプル10の周方向の長さを大きくするとか、ディンプル10の深さを浅くして負圧発生領域を周方向に短く形成するように設定するのも1つの手法である。また、キャビテーション形成領域14が半径線O−Oより下流側に延長して形成されたとしても、上流側において外径方向に制御された筋状の流体の流れは下流側の反対の方向性を持った溝15’の上を通ることがないため、筋状の流体の流れの制御に影響はなく、所望の制御ができる。
2 スリーブ
3 回転環
4 ハウジング
5 固定環
6 コイルドウェーブスプリング
7 ベローズ
10 ディンプル
11 ディンプル
12 レイリーステップ
13 逆レイリーステップ
14 キャビテーション形成領域
15 方向性を備えた溝
16 正圧領域
17 連通溝
18 連通溝
19 連通溝
Claims (1)
- 一対の摺動部品の互いに相対摺動する一方側の摺動面にディンプルが設けられ、前記ディンプル内のキャビテーション形成領域の少なくとも低圧流体側には方向性を備えた溝が設けられ、前記ディンプル内のキャビテーション形成領域以外の箇所には少なくとも高圧流体側に連通する連通溝が設けられていることを特徴とする摺動部品。
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