JP6305428B2

JP6305428B2 - 摺動部品

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Publication number: JP6305428B2
Application number: JP2015549181A
Authority: JP
Inventors: 壮敏板谷; 和正砂川; 雄一郎徳永; 亮磨山川
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 2013-11-22
Filing date: 2014-11-20
Publication date: 2018-04-04
Anticipated expiration: 2034-11-20
Also published as: JPWO2015076319A1; EP3073159A1; EP3073159A4; AU2014354094B2; CN105683632B; WO2015076319A1; CN105683632A; US20160252182A1; AU2014354094A1; EP3073159B1

Description

本発明は、例えば、メカニカルシール、軸受、その他、摺動部に適した摺動部品に関する。特に、摺動面に流体を介在させて摩擦を低減させるとともに、摺動面から流体が漏洩するのを防止する必要のある密封環または軸受などの摺動部品に関する。

摺動部品の一例である、メカニカルシールにおいて、その性能は、漏れ量、摩耗量、及びトルクによって評価される。従来技術ではメカニカルシールの摺動材質や摺動面粗さを最適化することにより性能を高め、低漏れ、高寿命、低トルクを実現している。しかし、近年の環境問題に対する意識の高まりから、メカニカルシールの更なる性能向上が求められており、従来技術の枠を超える技術開発が必要となっている。
そのような中で、例えば、水冷式エンジンの冷却に用いられるウォーターポンプのメカニカルシールにおいては、時間の経過とともに不凍液の１種であるＬＬＣの添加剤、例えばシリケートやリン酸塩など（以下、「堆積物発生原因物質」という。）が、摺動面で濃縮され、堆積物が生成されメカニカルシールの機能が低下するおそれのあることが本件発明者において確認された。この堆積物の生成は薬品やオイルを扱う機器のメカニカルシールにおいても同様に発生する現象と考えられる。

従来のメカニカルシールにおいては、摺動面の摩擦発熱による摩耗や焼損の発生を防止するために、摺動面に流体層を形成させるべく流体導入溝を形成したものが知られている（例えば、特許文献１、２、３参照。）が、漏れ及び摩耗の低減に加えて、摺動面における堆積物の生成を防止するための方策を講じたものは提案されていないのが現状である。

特開平７−１８０７７２号公報特開平７−２２４９４８号公報米国特許第５４９８００７号明細書

本発明は、密封と潤滑という相反する条件を両立させつつ、摺動面に対して流体を積極的に取り入れ、摺動面から排出させることにより、摺動面における堆積物発生原因物質の濃縮を防止し、ひいては堆積物発生を防止し、長期間にわたり摺動面の密封機能を維持させることのできる摺動部品を提供することを目的とする。

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摺動面の少なくとも一方側には、高圧流体側から入る入口部、高圧流体側に抜ける出口部、及び、前記入口部及び前記出口部とを連通する連通部から構成される流体循環溝が設けられ、前記流体循環溝は低圧流体側とはランド部により隔離されており、前記流体循環溝の底壁の断面が丸底形状に形成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、密封と潤滑という相反する条件を両立させつつ、摺動面に対して流体を積極的に取り入れ、摺動面から排出させることにより、摺動面における堆積物発生原因物質の濃縮を防止し、ひいては堆積物発生を防止し、長期間にわたり摺動面の密封機能を維持させることのできる摺動部品を提供することができる。
特に、流体循環溝の底壁の断面が丸底形状に形成されているため、底壁付近における流体の滞留が防止され、より流体循環効果を向上させることができる。

また、本発明の摺動部品は、第２に、第１の特徴において、前記流体循環溝は、前記摺動面の周方向にランド部で隔離されて複数設けられ、前記入口部及び前記出口部は、平面視において低圧側から高圧側に向かってそれぞれ開く方向に傾斜されていることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動面全体に均一に流体を取り入れ、排出することが容易である。

また、本発明の摺動部品は、第３に、第１または第２の特徴において、前記流体循環溝と高圧流体側とで囲まれる部分には、前記流体循環溝より浅い正圧発生溝からなる正圧発生機構が設けられ、前記正圧発生機構は前記入口部に連通され、前記出口部及び前記高圧流体側とはランド部により隔離されていることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動面間の流体膜を増加させることにより潤滑性能を向上させ、また、ランド部により密封することにより、密封と潤滑という相反する条件を両立させつつ、摺動面における堆積物発生を防止できる摺動部品を提供することができる。

また、本発明の摺動部品は、第４に、第３の特徴において、前記正圧発生機構は、レイリーステップ機構からなることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動面にレイリーステップを設けることで容易に正圧発生機構を形成することができる。

また、本発明の摺動部品は、第５に、第１ないし４のいずれかの特徴において、前記一方側の摺動面の前記流体循環溝と高圧流体側とで囲まれる部分の外側には、前記摺動部品の相対摺動により流体を高圧流体側に排出するスパイラル溝が設けられ、前記スパイラル溝は、高圧流体側に連通され、低圧流体側とはランド部により隔離されていることを特徴としている。
この特徴によれば、正圧発生機構の設けられていないところの隣接する流体循環溝の間において高圧流体側から低圧流体側に漏洩しようとする被密封流体を高圧流体側に押し戻し、密封性を向上させるもので、摺動面全体の密封性の向上を図ることができる。また、スパイラル溝は低圧流体側とはランド部により隔離されているため、静止時において漏洩が生じることもない。

また、本発明の摺動部品は、第６に、第１ないし４のいずれかの特徴において、前記一方側の摺動面の前記流体循環溝と高圧流体側とで囲まれる部分の外側には、前記流体循環溝より浅い負圧発生溝からなる負圧発生機構が設けられ、前記負圧発生溝は前記入口部に連通され、前記出口部及び前記低圧流体側とはランド部により隔離されていることを特徴としている。
この特徴によれば、レイリーステップ機構の設けられていない部分であるところの隣接する流体循環溝の間において高圧流体側から低圧流体側に漏洩しようとする被密封流体を負圧発生溝に取り込み、流体循環溝を介して高圧流体側に戻すことにより、密封性を向上させ、摺動面全体の密封性を向上させることができる。

また、本発明の摺動部品は、第７に、第６の特徴において、前記負圧発生機構は、逆レイリーステップ機構から構成されることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動面に逆レイリーステップを設けることで容易に負圧発生機構を形成することができる。

また、本発明の摺動部品は、第８に、第１ないし７のいずれかの特徴において、前記流体循環溝を流れる流体の前記連通部における圧力が低下されるように、少なくとも、前記入口部または前記出口部における溝の断面積は前記連通部における溝の断面積と異なるように設定されていることを特徴としている。
この特徴によれば、流体循環溝を流れる流体の連通部における圧力を低下させ、摺動面に取り入れられた流体の低圧流体側への漏洩を防止することにより、長期間にわたり摺動面の密封機能を維持させることのできる摺動部品を提供することができる。

また、本発明の摺動部品は、第９に、第８の特徴において、前記入口部の溝の断面積が前記連通部および前記出口部の溝の断面積より小さく設定されることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動面に対する流体の取り入れを確保しつつ、流体循環溝を流れる流体の連通部における圧力を低下させることができる。

また、本発明の摺動部品は、第１０に、第８の特徴において、前記出口部の溝の断面積が前記連通部および前記入口部の溝の断面積より大さく設定されることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動面に対する流体の取り入れを確保しつつ、流体循環溝を流れる流体の連通部における圧力を低下させることができる。

本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）密封と潤滑という相反する条件を両立させつつ、摺動面に対して流体を積極的に取り入れ、摺動面から排出させることにより、摺動面における堆積物発生原因物質の濃縮を防止し、ひいては堆積物発生を防止し、長期間にわたり摺動面の密封機能を維持させることのできる摺動部品を提供することができる。
特に、流体循環溝の底壁の断面が丸底形状に形成されているため、底壁付近における流体の滞留が防止され、より流体循環効果を向上させることができる。

（２）流体循環溝は、摺動面の周方向にランド部で隔離されて複数設けられ、入口部及び出口部は、平面視において低圧側から高圧側に向かってそれぞれ開く方向に傾斜されていることにより、摺動面全体に均一に流体を取り入れ、排出することが容易である。

（３）流体循環溝と高圧流体側とで囲まれる部分には、流体循環溝より浅い正圧発生溝からなる正圧発生機構が設けられ、正圧発生機構は前記入口部に連通され、出口部及び高圧流体側とはランド部により隔離されていることにより、摺動面間の流体膜を増加させることにより潤滑性能を向上させ、また、ランド部により密封することにより、密封と潤滑という相反する条件を両立させつつ、摺動面における堆積物発生を防止できる摺動部品を提供することができる。

（４）正圧発生機構が、レイリーステップ機構からなることにより、摺動面にレイリーステップを設けることで容易に正圧発生機構を形成することができる。

（５）一方側の摺動面の前記流体循環溝と高圧流体側とで囲まれる部分の外側には、前記摺動部品の相対摺動により流体を高圧流体側に排出するスパイラル溝が設けられ、前記スパイラル溝は、高圧流体側に連通され、低圧流体側とはランド部により隔離されていることにより、正圧発生機構の設けられていないところの隣接する流体循環溝の間において高圧流体側から低圧流体側に漏洩しようとする被密封流体を高圧流体側に押し戻し、密封性を向上させるもので、摺動面全体の密封性の向上を図ることができる。また、スパイラル溝は低圧流体側とはランド部により隔離されているため、静止時において漏洩が生じることもない。

（６）一方側の摺動面の前記流体循環溝と高圧流体側とで囲まれる部分の外側には、流体循環溝より浅い負圧発生溝からなる負圧発生機構が設けられ、負圧発生溝は前記入口部に連通され、出口部及び低圧流体側とはランド部により隔離されていることにより、レイリーステップ機構の設けられていない部分であるところの隣接する流体循環溝の間において高圧流体側から低圧流体側に漏洩しようとする被密封流体を負圧発生溝に取り込み、流体循環溝を介して高圧流体側に戻すことにより、密封性を向上させ、摺動面全体の密封性を向上させることができる。

（７）負圧発生機構が、逆レイリーステップ機構から構成されることにより、摺動面に逆レイリーステップを設けることで容易に負圧発生機構を形成することができる。

（８）流体循環溝を流れる流体の前記連通部における圧力が低下されるように、少なくとも、前記入口部または前記出口部における溝の断面積は前記連通部における溝の断面積と異なるように設定されていることにより、流体循環溝を流れる流体の連通部における圧力を低下させ、摺動面に取り入れられた流体の低圧流体側への漏洩を防止することにより、長期間にわたり摺動面の密封機能を維持させることのできる摺動部品を提供することができる。

（９）入口部の溝の断面積が連通部および出口部の溝の断面積より小さく、又は、大さく設定されることにより、摺動面に対する流体の取り入れを確保しつつ、流体循環溝を流れる流体の連通部における圧力を低下させることができる。

本発明の実施例１に係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に係る摺動部品の摺動面を示したものであって、流体循環溝が周方向に独立して複数設けられた場合を示したものである。図２のＡ−Ａ断面図である。本発明の実施例２に係る摺動部品の摺動面を示したものである。本発明の実施例３に係る摺動部品の摺動面を示したものである。本発明の実施例４に係る摺動部品の摺動面を示したものである。図６のＢ−Ｂ断面図である。レイリーステップ機構などからなる正圧発生機構及び逆レイリーステップ機構などからなる負圧発生機構を説明するためのものであって、図（ａ）はレイリーステップ機構を、図（ｂ）は逆レイリーステップ機構を示したものである。流体循環溝の底壁の断面形状と流体循環溝内を流れる流体の滞留との関係をＣＦＤ解析し、その結果を模した説明図である。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置などは、特に明示的な記載がない限り、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１ないし図３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、以下の実施例においては、摺動部品の一例であるメカニカルシールを例にして説明する。また、メカニカルシールを構成する摺動部品の外周側を高圧流体側（被密封流体側）、内周側を低圧流体側（大気側）として説明するが、本発明はこれに限定されることなく、高圧流体側と低圧流体側とが逆の場合も適用可能である。

図１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一方の摺動部品である円環状の回転環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他方の摺動部品である円環状の固定環５とが設けられ、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１では、回転環３の摺動面の幅が固定環５の摺動面の幅より広い場合を示しているが、これに限定されることなく、逆の場合においても本発明を適用出来ることはもちろんである。

図２は、本発明の実施例１に係る摺動部品の摺動面を示したものであって、ここでは、図２の固定環５の摺動面に流体循環溝が形成される場合を例にして説明する。
なお、回転環３の摺動面に流体循環溝が形成される場合も基本的には同様であるが、その場合、流体循環溝は被密封流体側に連通すればよいため、摺動面の外周側まで設けられる必要はない。

図２において、固定環５の摺動面の外周側が高圧流体側であり、また、内周側が低圧流体側、例えば大気側であり、相手摺動面は反時計方向に回転するものとする。
固定環５の摺動面には、高圧流体側に連通されると共に低圧流体側とは摺動面の平滑部Ｒ（本発明においては、「ランド部」ということがある。）により隔離された流体循環溝１０が周方向に複数設けられている。

流体循環溝１０は、高圧流体側から入る入口部１０ａ、高圧流体側に抜ける出口部１０ｂ、及び、入口部１０ａ及び出口部１０ｂとを周方向に連通する連通部１０ｃから構成され、低圧流体側とはランド部Ｒにより隔離されている。流体循環溝１０は、摺動面において腐食生成物などを含む流体が濃縮されることを防止するため、積極的に高圧流体側から被密封流体を摺動面上に導入し排出するという役割を担うものであり、相手摺動面の回転方向に合わせて摺動面上に被密封流体を取り入れ、かつ、排出しやすいように入口部１０ａ及び出口部１０ｂが形成される一方、漏れを低減するため、低圧流体側とはランド部Ｒにより隔離されている。
なお、流体循環溝の形状は、図２に示すような略Ｖ字形、あるいは、略Ｕ字形のものなど種々の形態を取り得るが、本明細書においては原則として、「高圧流体側から入る入口部」とは流体循環溝の内径方向に向かう部分を、「高圧流体側に抜ける出口部」とは流体循環溝の外径方向に向かう部分を指すものとして説明する。したがって、「入口部と出口部とを連通する連通部」は、きわめて短い場合から相当程度の長さを有する場合がある。

本例では、流体循環溝１０は、摺動面の平面視において、摺動面の半径線ｒを基準にして左右略対称の形状に形成され、流体循環溝１０の左右の部分、すなわち、入口部１０ａと出口部１０ｂとのなす高圧流体側における交角αが１２０°〜１８０°の範囲に設定されている。
なお、流体循環溝１０の平面視における形状において、半径線ｒを基準にして必ずしも左右対称の形状である必要はなく、入口部１０ａの交角α１を出口部１０ｂの交角α２より大きくしてもよく、また、その逆であってもよい。
本明細書において、左右略対称という場合、α１＝α２±５゜の範囲を意味する。

また、交角αとしては、１２０°〜１８０°の範囲が好ましい範囲ではあるが、必ずしも、１２０°〜１８０°の範囲に限定されるものではない。
さらに、流体循環溝１０の平面視における形状において、直線部分のない、全体として曲線状（円弧状など）にしてもよい。
また、流体循環溝１０の幅及び深さは、被密封流体の圧力、種類（粘性）などに応じて最適なものに設定されればよい。

図２に示す流体循環溝１０は、左右対称であって、交角αが１６０°と大きいため、入口部１０ａへの被密封流体の流入及び出口部１０ｂからの被密封流体の排出が容易である。

流体循環溝１０が設けられた摺動面には、流体循環溝１０と高圧流体側とで囲まれる部分に流体循環溝１０より浅い正圧発生溝１１ａを備える正圧発生機構１１が設けられている。正圧発生機構１１は、正圧（動圧）を発生することにより摺動面間の流体膜を増加させ、潤滑性能を向上させるものである。
正圧発生溝１１ａは流体循環溝１０の入口部に連通し、出口部１０ｂ及び高圧流体側とはランド部Ｒにより隔離されている。
本例では、正圧発生機構１１は、流体循環溝１０の入口部１０ａに連通する正圧発生溝１１ａ及びレイリーステップ１１ｂを備えたレイリーステップ機構から構成されるが、これに限定されることなく、例えば、ダム付きフェムト溝で構成してもよく、要は、正圧を発生する機構であればよい。
なお、レイリーステップ機構及び逆レイリーステップ機構については、後に、詳しく説明する。

次に、図３を参照しながら、流体循環溝１０の断面形状について説明する。
なお、本発明において、流体循環溝の断面とは、該流体循環溝の長手方向と直交する断面を意味する。
図３（ａ）において、流体循環溝１０溝は、両側壁１０ｄ、１０ｄと底壁１０ｅから構成され、底壁１０ｅの断面は、両側壁１０ｄ、１０ｄに繋がる単一の円弧でもって結ばれた丸底形状に形成されている。
すなわち、円弧の半径Ｒ１は、溝幅をｄとして場合、
Ｒ１≧ｄ／２
に設定されている。このため、底壁１０ｅは半径Ｒ１の単一の円弧で結ばれた丸底形状に形成される。
また、両側壁１０ｄ、１０ｄとランド部Ｒとは半径Ｒ２の円弧で接続されている。

図３（ｂ）は、流体循環溝１０の断面形状の他の例を示したものである。
本例では、流体循環溝１０溝の両側壁１０ｄ、１０ｄと底壁１０ｅとは、両隅において半径Ｒ３の円弧で結ばれている。半径Ｒ３の大きさは、溝幅をｄとした場合、
ｄ／３＜Ｒ３＜ｄ／２
に設定されている。このため、底壁１０ｅの中央部の一部には直線部を含むが、全体としては丸底形状となる。
なお、Ｒ３は、通常行われる隅部のＲ加工とは目的が異なることから、Ｒ加工におけるＲよりは大きく設定される。

また、底壁１０ｅの形状は、必ずしも、両側壁１０ｄ、１０ｄと底壁１０ｅとが半径Ｒ１の単一の円弧あるいは両隅においてそれぞれＲ３の円弧で結ばれた丸底形状に限らず、例えば、楕円あるいは滑らかな曲線から構成された丸底形状を包含する。
なお、本発明において、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示す丸底形状の他、楕円あるいは滑らかな曲線から構成された丸底形状を総称して、「流体循環溝の底壁の断面が丸底形状に形成されている」という。

底壁の断面が丸底形状の流体循環溝を形成する手法としては、例えば、摺動部品を型成形で製作する際、流体循環溝を同時に成形する方法がある。その他、機械加工等により成形してもよい。

以上説明したように、実施例１の構成によれば、流体循環溝１０により摺動面に流体が積極的に導かれ排出されることにより摺動面間の流体が循環し、堆積物発生原因物質などを含む流体の濃縮および摩耗粉や異物の滞留が防止され、ひいては堆積物の形成が防止され、長期間にわたり摺動面の密封機能を維持することができる。その際、流体循環溝１０はランド部Ｒにより低圧流体側と隔離されているため、流体循環溝１０から低圧流体側への流体の漏洩を低減できると共に、静止時における漏洩も防止できる。また、同時に、正圧発生機構１１により、摺動面間の流体膜を増加させることにより潤滑性能を向上させ、摺動面間の流体の循環をより一層促すことができる。さらに、流体循環溝１０の底壁１０ｅの断面が丸底形状に形成されていることにより、底壁付近における流体の滞留が防止され、より流体循環効果を向上させることができる。

図４を参照して、本発明の実施例２に係る摺動部品について説明する。
実施例２に係る摺動部品は、摺動面に流体循環溝１０が周方向に４等配で配設されている点、及び、流体を高圧流体側に排出するスパイラル溝１２が摺動面に付加的に設けられる点で実施例１の摺動部品と相違するが、その他の基本構成は実施例１と同じであり、同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

図４において、固定環５の摺動面の流体循環溝１０と高圧流体側とで囲まれる部分の外側、すなわち、隣接する流体循環溝１０と１０との間には、回転環３と固定環５との相対摺動により流体を高圧流体側に排出するスパイラル溝１２が設けられている。スパイラル溝１２は、内周側から外周側に向けて反時計方向に傾斜するように曲線状（スパイラル状）に複数本設けられ、高圧流体側には連通され、低圧流体側とはランド部Ｒにより隔離されている。スパイラル溝１２は、高圧流体側から低圧流体側に漏洩しようとする被密封流体を高圧流体側に押し戻し、密封性を向上させる役割を果たすもので、正圧発生機構１１の設けられていないところの隣接する流体循環溝１０と１０との間における漏洩を防止し、摺動面全体の密封性の向上に寄与するものである。また、スパイラル溝１２は低圧流体側とはランド部Ｒにより隔離されているため、静止時において漏洩が生じることもない。

本例において、流体循環溝１０の底壁は、実施例１と同じく、断面が丸底形状に形成されている。このため、底壁付近における流体の滞留が防止され、より流体循環効果を向上させることができる。

図５を参照して、本発明の実施例３に係る摺動部品について説明する。
実施例３に係る摺動部品は、実施例２のスパイラル溝の代わりに逆レイリーステップ機構１５を設ける点で図４に示す実施例２と相違するが、その他の基本構成は図４と同じであり、同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

図５において、固定環５の摺動面には、周方向に６等配に配設された流体循環溝１０及びレイリーステップ機構１１が設けられ、さらに、流体循環溝１０と高圧流体側とで囲まれた部分の外側、すなわち、隣接する流体循環溝１０、１０の間には、流体循環溝１０より浅い負圧発生溝を構成するグルーブ１５ａ及び逆レイリーステップ１５ｂからなる負圧発生機構を構成する逆レイリーステップ機構１５が設けられている。グルーブ１５ａは入口部１０ａに連通し、出口部１０ｂ及び低圧流体側とはランド部Ｒにより隔離されている。

本実施例３において、負圧発生機構を構成する逆レイリーステップ機構１５は、負圧の発生により高圧流体側から低圧流体側に漏洩しようとする被密封流体をグルーブ１５ａに取り込み、流体循環溝１０を介して高圧流体側に戻し、密封性を向上させる役割を果たすもので、レイリーステップ機構１５の設けられていない部分であるところの隣接する流体循環溝１０と１０との間における漏洩を防止し、摺動面全体の密封性を向上させるものである。
なお、レイリーステップ機構１１及び逆レイリーステップ機構１５の等配数やレイリーステップ機構１１と逆レイリーステップ機構１５の長さの比は、適宜最適なものを選定できる。

図６を参照して、本発明の実施例４に係る摺動部品について説明する。
実施例４に係る摺動部品は、流体循環溝の入口部または出口部における溝の断面積が連通部における溝の断面積と異なるように設定されている点、及び、正圧発生機構が設けられていない点で図２の場合と相違するが、その他の基本構成は図２と同じであり、同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

図６（ａ）において、流体循環溝１０は、高圧流体側から入る入口部１０ａ、高圧流体側に抜ける出口部１０ｂ、及び、入口部１０ａ及び出口部１０ｂとを周方向に連通する連通部１０ｃから構成されている。流体循環溝１０は、摺動面において腐食生成物などを含む流体が濃縮されることを防止するため、積極的に高圧流体側から被密封流体を摺動面上に導入し排出するという役割を担うものであり、相手摺動面の回転方向に合わせて摺動面上に被密封流体を取り入れ、かつ、排出しやすいように入口部１０ａ及び出口部１０ｂが形成される一方、漏れを低減するため、低圧流体側とはランド部Ｒにより隔離されている。

なお、流体循環溝１０は低圧流体側とはランド部Ｒにより隔離されているとはいっても、低圧流体側と圧力勾配が存在する限り微量の漏れは避けられず、図６（ａ）に示す流体循環溝１０のように低圧流体側に近い連通部１０ｃにおいては最も圧力勾配が大きいため、連通部１０ｃから流体の漏洩が発生しやすいものである。

本例では、流体循環溝１０は、入口部１０ａ及び出口部１０ｂの傾斜角度が大きく設定され、両者は低圧流体側（図６（ａ）においては内周側）において交差するように略Ｖ字状に配設され、この交叉部が連通部１０ｃを形成している。入口部１０ａと出口部１０ｂとの交叉角度は鈍角（例えば、約１５０°）であるが、特にこれに限定されるものではなく、入口部１０ａ及び出口部１０ｂの傾きをさらに大きくしてもよく、また、直線状ではなく曲線状（円弧状など）にしてもよい。また、流体循環溝１０の幅及び深さは、被密封流体の圧力、種類（粘性）などに応じて最適なものに設定されるが、この点については、後に、詳細に説明する。

図６（ａ）に示す流体循環溝１０は、入口部１０ａ及び出口部１０ｂの傾斜角度が大きいため、入口部１０ａへの流体の流入及び出口部１０ｂからの流体の排出が容易である。また、流入低圧流体側に近い連通部１０ｃの長さが短いことから、連通部１０ｃから低圧流体側への漏洩は減少される。

次に、図６及び図７を参照しながら流体循環溝の断面形状について説明する。
まず、図６（ｂ）（ｃ）を参照しながら、流体循環溝１０の溝幅の大小により溝の断面積が変更される場合について説明する。
図６（ｂ）は、入口部１０ａの溝幅ｂ１が連通部１０ｃ及び出口部１０ｂの溝幅ｂより小さく設定されている場合を示している。この場合、入口部１０ａ、連通部１０ｃ及び出口部１０ｂの溝深さは一定とされている。
図６（ｂ）に示す入口部１０ａは、高圧流体側に面する入口面において溝幅がｂ１に設定され、連通部１０ｃに向かってなだらかに拡大して溝幅ｂになるようにテーパ形状に形成されている。

入口部１０ａの溝幅ｂ１が連通部１０ｃに向かって拡大する態様としては、高圧流体側に面する入口面から一定距離までは溝幅ｂ１とし、その後、連通部１０ｃに向かってなだらかに拡大するように設定される場合の他、高圧流体側に面する入口面から一定の距離までは溝幅ｂ１とし、その後、段差部により急激に溝幅ｂまで拡大されるように設定されてもよい。

図６（ｃ）は、出口部１０ｂの溝幅ｂ２が連通部１０ｃ及び入口部１０ａの溝幅ｂより大きく設定されている場合を示している。この場合、入口部１０ａ、連通部１０ｃ及び出口部１０ｂの溝深さは同じである。
図６（ｃ）に示す出口部１０ｂは、連通部１０ｃから出口部１０ｂに向けてなだらかに拡大され、高圧流体側に面する出口面において溝幅がｂ２になるようにテーパ形状に形成されている。

出口部１０ｂの溝幅ｂ２が連通部１０ｃから出口部１０ｂに向かって拡大する態様としては、高圧流体側に面する出口面から一定距離までは溝幅ｂ２とし、その後、連通部１０ｃに向かってなだらかに縮小するように設定される場合の他、高圧流体側に面する出口面から一定の距離までは溝幅ｂ２とし、その後、段差部により急激に溝幅ｂまで縮小されるように設定されてもよい。

以上のように、図６（ｂ）に示すように、流体循環溝１０の入口部１０ａの溝幅ｂ１は連通部１０ｃ及び出口部１０ｂの溝幅ｂより小さく設定されている場合、溝深さが一定とされている場合であっても、溝の断面積が入口部１０ａにおいて連通部１０ｃ及び出口部１０ｂより小さい。そのため、流体循環溝１０の入口部１０ａにおける断面積が連通部１０ｃ及び出口部１０ｂと同じ大きさで一定とされている場合に比べて、流体循環溝１０への流体の流入量が減少し、低圧流体側に最も近い連通部１０ｃにおける流体の圧力も低減される。その結果、連通部１０ｃと低圧流体側との圧力勾配も小さくなり、低圧流体側に最も近い連通部１０ｃからの漏れが減少されることになる。
また、図６（ｃ）に示すように、出口部１０ｂの溝幅ｂ２が連通部１０ｃ及び入口部１０ａの溝幅ｂより大きく設定されている場合、溝深さが一定とされている場合であっても、溝の断面積が出口部１０ｂにおいて連通部１０ｃ及び出口部１０ｂより大きい。そのため、流体循環溝１０の出口部１０ｂにおける断面積が連通部１０ｃ及び入口部１０ａと同じ大きさで一定とされている場合に比べて、出口部１０ｂでの流体の排出抵抗が小さくなり、連通部１０ｃにおける流体の圧力が低減される。その結果、連通部１０ｃと低圧流体側との圧力勾配も小さくなり、低圧流体側に最も近い連通部１０ｃからの漏れが減少されることになる。

次に、図７を参照しながら流体循環溝１０の溝深さの大小により溝の断面積が変更される場合について説明する。
図７（ａ）において、流体循環溝の入口部１０ａの溝深さｈ１は高圧流体側に面する入口面において連通部１０ｃ及び出口部１０ｂの溝深さｈより小さく設定されている。この場合、入口部１０ａ、連通部１０ｃ及び出口部１０ｂの溝幅は一定とされている。
図７（ａ）に示す入口部１０ａは、高圧流体側に面する入口面においてランド部Ｒから溝底面１０ｄまでの溝深さがｈ１に設定され、連通部１０ｃに向かってなだらかに深くなるように底面１０ｄがテーパ形状に形成されている。

図７（ｂ）に示す入口部１０ａは、高圧流体側に面する入口面から一定の距離ｍにおいてランド部Ｒから溝底面１０ｄまでの溝深さがｈ１に設定され、その後、連通部１０ｃに向かってなだらかに深くなるテーパ形状に形成されている。

図７（ｃ）に示す入口部１０ａは、高圧流体側に面する入口面から一定の距離ｍにおいてランド部Ｒから溝底面１０ｄまでの溝深さがｈ１に設定され、その後、段差部により溝深さｈまで深くなるように形成されている。

以上のように、図７に示す流体循環溝１０の入口部１０ａの溝深さｈ１は連通部１０ｃ及び出口部１０ｂの溝深さｈより小さく設定されていることにより、溝幅が一定とされている場合であっても、溝の断面積が入口部１０ａにおいて連通部１０ｃ及び出口部１０ｂより小さい。そのため、流体循環溝１０の断面積が連通部１０ｃ及び出口部１０ｂと同じ大きさで一定とされている場合に比べて、流体循環溝１０への流体の流入量が減少し、低圧流体側に最も近い連通部１０ｃにおける流体の圧力も低減される。その結果、連通部１０ｃと低圧流体側との圧力勾配も小さくなり、低圧流体側に最も近い連通部１０ｃからの漏れが減少されることになる。

なお、上記においては、溝深さ及び溝幅のいずれか一方を一定として他方を変化させる場合について説明したが、溝深さ及び溝幅の両方を変化させてもよく、要は、断面積が所望のとおりに変化されればよい。

以上説明したように、実施例４の構成によれば、流体循環溝１０により摺動面に流体が積極的に導かれ排出されることにより摺動面間の流体が循環し、堆積物発生原因物質などを含む流体の濃縮および摩耗粉や異物の滞留が防止され、ひいては堆積物の形成が防止され、長期間にわたり摺動面の密封機能を維持することができる。その際、流体循環溝１０を流れる流体の連通部１０ｃにおける圧力が低下されるように、少なくとも、入口部１０ａまたは出口部１０ｂにおける溝の断面積が連通部１０ｃにおける溝の断面積と異なるように設定、より具体的には、入口部１０ａの溝の断面積が連通部１０ｃおよび出口部１０ｂの溝の断面積より小さく、あるいは、出口部１０ｂの溝の断面積が連通部１０ｃおよび入口部１０ａの溝の断面積より大さく設定されているため、流体循環溝１０のもっとも低圧流体側に近い部分に位置する連通部１０ｃから低圧流体側への流体の漏洩をより一層低減できる。また、流体循環溝１０の底壁は、実施例１と同じく、断面が丸底形状に形成されているため、底壁付近における流体の滞留が防止され、より流体循環効果を向上させることができる。

次に、図８を参照しながら、レイリーステップ機構などからなる正圧発生機構及び逆レイリーステップ機構などからなる負圧発生機構を説明する。
図８（ａ）において、相対する摺動部品である回転環３、及び、固定環５が矢印で示すように相対摺動する。例えば、固定環５の摺動面には、相対的移動方向と垂直かつ上流側に面してレイリーステップ１１ｂが形成され、該レイリーステップ１１ｂの上流側には正圧発生溝であるグルーブ部１１ａが形成されている。相対する回転環３及び固定環５の摺動面は平坦である。
回転環３及び固定環５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または固定環５の移動方向に追随移動しようとするため、その際、レイリーステップ１１ｂの存在によって破線で示すような正圧（動圧）を発生する。
なお、１０ａ、１０ｂは流体循環溝の入口部、出口部を、また、Ｒはランド部を示す。

図８（ｂ）においても、相対する摺動部品である回転環３、及び、固定環５が矢印で示すように相対摺動するが、回転環３及び固定環５の摺動面には、相対的移動方向と垂直かつ下流側に面して逆レイリーステップ１５ｂが形成され、該逆レイリーステップ１５ｂの下流側には負圧発生溝であるグルーブ部１５ａが形成されている。相対する回転環３及び固定環５の摺動面は平坦である。
回転環３及び固定環５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または固定環５の移動方向に追随移動しようとするため、その際、逆レイリーステップ１５ｂの存在によって破線で示すような負圧（動圧）を発生する。
なお、１０ａ、１０ｂは流体循環溝の入口部、出口部を、また、Ｒはランド部を示す。

次に、図９を参照しながら、流体循環溝の底壁の断面が丸底形状である場合と、矩形状である場合との相違について説明する。
図９（ａ）は、流体循環溝の底壁の断面が矩形状である場のＣＦＤ解析結果を模したものであって、流体は右下の入口から右上の出口まで渦を巻きながら流体循環溝内を流れていくが、底壁の左右において流れのない箇所が見受けられ、この箇所において流体が滞留しているものと判断される。
これに対して、流体循環溝の底壁の断面が丸底形状である場合のＣＦＤ解析結果を模した図９（ｂ）の場合、流体の滞留がほとんどないことが確認できる。

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、摺動部品をメカニカルシール装置における一対の回転用密封環及び固定用密封環のいずれかに用いる例について説明したが、円筒状摺動面の軸方向一方側に潤滑油を密封しながら回転軸と摺動する軸受の摺動部品として利用することも可能である。

また、例えば、前記実施例では、外周側に高圧の被密封流体が存在する場合について説明したが、内周側が高圧流体の場合にも適用できる。

また、例えば、前記実施例では、摺動部品を構成するメカニカルシールの固定環に流体循環溝、正圧発生機構及び負圧発生機構又はスパイラル溝を設ける場合、について説明したが、これとは逆に、回転環に流体循環溝、正圧発生機構及び負圧発生機構又はスパイラル溝を設けてもよい。その場合、流体循環溝及びスパイラル溝は回転環の外周側まで設けられる必要はなく、被密封流体側と連通すればよい。

１回転軸
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流体循環溝
１１正圧発生機構（レイリーステップ機構）
１２スパイラル溝
１５負圧発生機構（逆レイリーステップ機構）
Ｒランド部

Claims

一対の摺動部品の互いに相対摺動する摺動面の少なくとも一方側には、高圧流体側から入る入口部、高圧流体側に抜ける出口部、及び、前記入口部及び前記出口部とを連通する連通部から構成される流体循環溝が設けられ、前記流体循環溝は低圧流体側とはランド部により隔離されており、前記流体循環溝の底壁の断面が丸底形状に形成されていることを特徴とする摺動部品。
前記流体循環溝は、前記摺動面の周方向にランド部で隔離されて複数設けられ、前記入口部及び前記出口部は、平面視において低圧側から高圧側に向かってそれぞれ開く方向に傾斜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。
前記流体循環溝と高圧流体側とで囲まれる部分には、前記流体循環溝より浅い正圧発生溝からなる正圧発生機構が設けられ、前記正圧発生機構は前記入口部に連通され、前記出口部及び前記高圧流体側とはランド部により隔離されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部品。
前記正圧発生機構は、レイリーステップ機構からなることを特徴とする請求項３に記載の摺動部品。
前記一方側の摺動面の前記流体循環溝と高圧流体側とで囲まれる部分の外側には、前記摺動部品の相対摺動により流体を高圧流体側に排出するスパイラル溝が設けられ、前記スパイラル溝は、高圧流体側に連通され、低圧流体側とはランド部により隔離されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の摺動部品。
前記一方側の摺動面の前記流体循環溝と高圧流体側とで囲まれる部分の外側には、前記流体循環溝より浅い負圧発生溝からなる負圧発生機構が設けられ、前記負圧発生溝は前記入口部に連通され、前記出口部及び前記低圧流体側とはランド部により隔離されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の摺動部品。
前記負圧発生機構は、逆レイリーステップ機構から構成されることを特徴とする請求項６に記載の摺動部品。
前記流体循環溝を流れる流体の前記連通部における圧力が低下されるように、少なくとも、前記入口部または前記出口部における溝の断面積は前記連通部における溝の断面積と異なるように設定されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の摺動部品。
前記入口部の溝の断面積が前記連通部および前記出口部の溝の断面積より小さく設定されることを特徴とする請求項８に記載の摺動部品。
前記出口部の溝の断面積が前記連通部および前記入口部の溝の断面積より大さく設定されることを特徴とする請求項８に記載の摺動部品。