JP6578047B2 - 摺動部品 - Google Patents

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。メカニカルシールに関する従来技術としては、図１５に示すように、相対摺動する一対の摺動環の間において動圧を得るために、一方の摺動環５０の摺動面５１にグルーブ（溝）５２を設けることが行われている（例えば、特許文献１参照。）。

実公昭６３−３３０２７号公報（図４、５）

上記従来技術におけるグルーブ（溝）５２は、高圧流体側（被密封流体側）に連通され、低圧流体側とはランド部Ｒにより非連通とされ、各グルーブ（溝）５２は周方向においてランド部Ｒにより隔離されている。このように、グルーブ（溝）５２は袋小路の構造をしているため、各グルーブ（溝）５２内に進入した流体の循環が乏しく、流体中に不純物が混入している場合、袋小路の下流端部５３に不純物の堆積５４が起こり、ひいては、堆積物が摺動面５１上を周回し、摺動面５１の損傷を起こす原因となったり、堆積の進行で一対の摺動環の摺動面間が押し広げられ、被密封流体の漏れの原因となるという問題があった。

本発明は、摺動面に形成された動圧発生用の溝（以下、「動圧発生溝」という。）に進入した流体の循環を図ることにより、流体に含まれる不純物による摺動面の損傷を防止すると共に、一対の摺動環の摺動面間が不純物の堆積により押し広げられることを防止し、寿命及びシール機能を向上させた摺動部品を提供することを目的とするものである。

〔原理〕
本発明は、高圧流体側に面する動圧発生用のランド部及び低圧流体側に面する密封面を除く部分を一段低く形成し、この低い面を流体連通路として構成することにより、動圧発生用の溝の行き止まりを無くし、流体の循環を図り、流体に含まれる不純物による摺動面の損傷を防止すると共に、一対の摺動環の摺動面間が不純物の堆積により押し広げられることを防止することにある。

〔手段〕
上記目的を達成するため本発明の摺動部品は、第１に、一対の摺動部品の摺動面の相対摺動により動圧を発生する機構が設けられた摺動部品において、一方側の摺動面には、高圧流体側に面して動圧発生用のランド部及び低圧流体側に面して密封面が設けられ、前記ランド部と前記密封面とは径方向に離間されて配設され、前記摺動面の前記ランド部及び前記密封面を除く部分はこれらの面より低く形成されて流体連通路として構成されることを特徴としている。
この特徴によれば、高圧流体側から径方向の流体連通路に進入した流体は、ランド部の動圧発生作用により昇圧され、正圧を発生するので、摺動面の間隔が広げられ、摺動面の潤滑性を向上する。その際、流体に含まれる不純物は、流体連通路を周回し、最終的には遠心力で高圧流体側に排出されるため、摺動面を損傷することがないので摺動部品の寿命を著しく向上させることができる。また、不純物が摺動面に堆積して摺動面の間隔を広げることもないので、シール機能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、前記ランド部は、周方向に等配で複数設けられることを特徴としている。
この特徴によれば、必要とされる動圧が周方向において均一に発生されるので摺動面全体の潤滑性が向上されると共に、流体に含まれる不純物の排出を確実に行うことができる。

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、前記ランド部の輪郭が略Ｕ字形をなし、かつ、略Ｕ字形の上方が高圧流体側に面するように配設されることを特徴としている。
この特徴によれば、動圧発生部が径方向に長く存在するため、潤滑性が向上され、低摩擦となる。また、径方向の流体連通路と周方向の流体連通路とが円弧状に滑らかに連通されるため、流体に含まれる不純物は途中で停滞することなく排出され、不純物の堆積を防止できる。この結果、摺動面が損傷されることもないので、摺動面の腐食を防止できる。

また、本発明の摺動部品は、第４に、第１または第２の特徴において、前記ランド部の輪郭が四辺形をなし、かつ、四辺形の１つの角部が高圧流体側に面するように配設されることを特徴としている。
この特徴によれば、流体連通路は、高圧流体側に面する入口部分が広く、この入口から低圧流体側に向かって、一端、狭ばめられた後、周方向の流体連通路に近づくにつれ、再度、広げられるので、流体に含まれる不純物を、より一層、排出することができる。

また、本発明の摺動部品は、第５に、第１または第２の特徴において、前記ランド部の輪郭が円を径方向に複数配列された形状をなしていることを特徴としている。
この特徴によれば、スラスト軸受に適したシール構造を提供することができ、また、流体に含まれる不純物を効率よく高圧流体側に排出することができる。

また、本発明の摺動部品は、第６に、第１ないし第５のいずれかの特徴において、前記流体連通路には、流体排出用のスパイラル溝が設けられることを特徴としている。
この特徴によれば、流体連通路に進入した流体は、流体排出用のスパイラル溝により高圧流体側へ付勢されるため、流体に含まれる不純物は遠心力とスパイラル溝による付勢力により、より一層、高圧流体側に排出される。

また、本発明の摺動部品は、第７に、第１ないし第６のいずれかの特徴において、前記低圧流体側に面して設けられる密封面の高圧流体側に、負圧発生機構が設けられることを特徴としている。
また、本発明の摺動部品は、第８に、第７の特徴において、前記負圧発生機構が逆レイリーステップ機構であることを特徴としている。
これらの特徴によれば、摺動面及び流体連通路から低圧流体側に漏洩しようとする流体は負圧発生機構に流入し、流体連通路を介して高圧流体側に排出されるので、流体の漏洩を、一層低減することができる。

また、本発明の摺動部品は、第９に、第１ないし第６のいずれかの特徴において、前記低圧流体側に面して設けられる密封面の高圧流体側に、流体排出用のスパイラル溝が設けられることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動面及び流体連通路から低圧流体側に漏洩しようとする流体はスパイラル溝により高圧流体側に排出されるので、流体の漏洩を、一層低減することができる。

また、本発明の摺動部品は、第１０に、第１ないし第９のいずれかの特徴において、他方側の摺動面には、高圧流体側に連通すると共に、低圧流体側とは前記密封面により隔離された流体排出用のスパイラル溝が設けられることを特徴としている。
この特徴によれば、高圧流体側から低圧流体側に漏れようとする流体を一層低減できる。また、スパイラル溝は低圧流体側とは密封面により隔離されているので、静止時において流体が漏洩するのを防止できる。

また、本発明の摺動部品は、第１１に、第１ないし第５のいずれかの特徴において、前記一方側の摺動面には、全周にわたって動圧発生の補助となるディンプルが設けられることを特徴としている。
この特徴によれば、ディンプルは動圧補助溝として機能し、摺動面の流体潤滑遷移点の低速化を実現することができ、回転数の全域において低トルクを図ることができる。

また、本発明の摺動部品は、第１２に、第１ないし第５のいずれかの特徴において、前記密封面には、周方向の少なくとも１個所において前記ランド部に接続される径方向の張出部が設けられ、前記密封面の前記低圧流体側から径方向に離間した位置にポンピング溝が設けられ、前記ポンピング溝は周方向に延び、その端部は前記張出部と前記ランド部との接続部近傍に位置されることを特徴としている。
この特徴によれば、回転数の大きい領域においてもトルクの増大を抑えることができる。

また、本発明の摺動部品は、第１３に、第１ないし第５のいずれかの特徴において、ランド部の径方向の長さが異なることを特徴としている。
この特徴によれば、漏れ量の低減及びトルクの低減を図ることができる。

また、本発明の摺動部品は、第１４に、第１ないし第１３のいずれかの特徴において、前記一方側の摺動面には親水化処理が施されることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動面の低トルク化を図ることができる。

本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）高圧流体側から径方向の流体連通路に進入した流体は、ランド部の動圧発生作用により昇圧され、正圧を発生するので、摺動面の間隔が広げられ、摺動面の潤滑性を向上する。その際、流体に含まれる不純物は、流体連通路を周回し、最終的には遠心力で高圧流体側に排出されるため、摺動面を損傷することがないので摺動部品の寿命を著しく向上させることができる。また、不純物が摺動面に堆積して摺動面の間隔を広げることもないので、シール機能を向上させることができる。

（２）ランド部は、周方向に等配で複数設けられることにより、必要とされる動圧が周方向において均一に発生されるので摺動面全体の潤滑性が向上されると共に、流体に含まれる不純物の排出を確実に行うことができる。

（３）ランド部の輪郭が略Ｕ字形をなし、かつ、略Ｕ字形の上方が高圧流体側に面するように配設されることを特徴としている。
この特徴によれば、動圧発生部が径方向に長く存在するため、潤滑性が向上され、低摩擦となる。また、径方向の流体連通路と周方向の流体連通路とが円弧状に滑らかに連通されるため、流体に含まれる不純物は途中で停滞することなく排出され、不純物の堆積を防止できる。この結果、摺動面が損傷されることもないので、摺動面の腐食を防止できる。
（４）ランド部の輪郭が四辺形をなし、かつ、四辺形の１つの角部が高圧流体側に面するように配設されることにより、流体連通路は、高圧流体側に面する入口部分が広く、この入口から低圧流体側に向かって、一端、狭ばめられた後、周方向の流体連通路に近づくにつれ、再度、広げられるので、流体に含まれる不純物を、より一層、排出することができる。
（５）ランド部の輪郭が円を径方向に複数配列された形状をなしていることにより、スラスト軸受に適したシール構造を提供することができ、また、流体に含まれる不純物を効率よく高圧流体側に排出することができる。

（６）流体連通路には、流体排出用のスパイラル溝が設けられることにより、流体連通路に進入した流体は、流体排出用のスパイラル溝により高圧流体側へ付勢されるため、流体に含まれる不純物は遠心力とスパイラル溝による付勢力により、より一層、高圧流体側に排出される。

（７）低圧流体側に面して設けられる密封面の高圧流体側に、負圧発生機構が設けられることにより、摺動面及び流体連通路から低圧流体側に漏洩しようとする流体は負圧発生機構に流入し、流体連通路を介して高圧流体側に排出されるので、流体の漏洩を、一層低減することができる。

（８）低圧流体側に面して設けられる密封面の高圧流体側に、流体排出用のスパイラル溝が設けられることにより、摺動面及び流体連通路から低圧流体側に漏洩しようとする流体はスパイラル溝により高圧流体側に排出されるので、流体の漏洩を、一層低減することができる。

（９）他方側の摺動面には、高圧流体側に連通すると共に、低圧流体側とは前記密封面により隔離された流体排出用のスパイラル溝が設けられることにより、高圧流体側から低圧流体側に漏れようとする流体を一層低減できる。また、スパイラル溝は低圧流体側とは密封面により隔離されているので、静止時において流体が漏洩するのを防止できる。

（１０）一方側の摺動面には、全周にわたって動圧発生の補助となるディンプルが設けられることにより、ディンプルは動圧補助溝として機能し、摺動面の流体潤滑遷移点の低速化を実現することができ、回転数の全域において低トルクを図ることができる。

（１１）密封面には、周方向の少なくとも１個所において前記ランド部に接続される径方向の張出部が設けられ、密封面の低圧流体側から径方向に離間した位置にポンピング溝が設けられ、ポンピング溝は周方向に延び、その端部は張出部とランド部との接続部近傍に位置されることにより、回転数の大きい領域においてもトルクの増大を抑えることができる。

（１２）ランド部の径方向の長さが異なることにより、漏れ量の低減及びトルクの低減を図ることができる。

（１３）一方側の摺動面には親水化処理が施されることにより、摺動面の低トルク化を図ることができる。

本発明の実施例１に係る摺動部品としての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。 本発明の実施例５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６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７に係る摺動部品の摺動面を示したものである。 （ａ）は本発明の実施例８に係る摺動部品の摺動面を、（ｂ）はその摺動部品のトルク試験結果を示したものである。 本発明の実施例９に係る摺動部品の摺動面を示したものである。 実施例９に係る摺動部品の試験結果を示したもので、（ａ）はトルク試験結果を、（ｂ）は漏れ確認試験結果を示したものである。 本発明の実施例１０に係る摺動部品の摺動面を示したものである。 実施例１０に係る摺動部品の試験結果を示したもので、（ａ）はトルク試験結果を、（ｂ）は漏れ確認試験結果を示したものである。 実施例１１に係る摺動部品の試験結果を示したもので、（ａ）（ｂ）はトルク試験結果を、（ｃ）はフラットな摺動面に親水化処理を施した場合と施さない場合とのトルク試験結果の比較を示したものである。 従来技術を説明する図である。

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及び図２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、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。

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、ここでは、図１の固定環５の摺動面にポンピング溝が形成された場合を例にして説明する。
なお、回転環３の摺動面にポンピング溝が形成される場合も同様である。

図２において、固定環５の摺動面の外周側が高圧流体側（被密封流体側）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、高圧流体側に面して動圧発生用のランド部１０及び低圧流体側に面して密封面１１が設けられている。密封面１１は、摺動面の平滑部により構成され密封作用を行う部分である。ランド部１０と密封面１１とは径方向に離間されて配設される。また、摺動面のランド部１０及び密封面１１を除く部分はこれらの面より低く形成されており、この低い部分でもって流体連通路１２が構成される。

図２において、ランド部１０は、周方向に等配に複数設けられ、各ランド部１０は離間されて独立している。そして、隣接するランド部１０と１０との間には径方向の流体連通路１２ａが高圧流体側に面して複数形成される。また、ランド部１０と密封面１１との間には周方向の流体連通路１２ｂが形成され、複数の径方向の流体連通路１２ａは周方向の流体連通路１２ｂを介して連通される。各ランド部１０の周方向の幅、径方向の流体連通路１２ａ及び周方向の流体連通路１２ｂの幅、並びに、これら流体連通路１２ａ、１２ｂの深さは、摺動面の相対速度や、被密封流体の粘度等に基づいて最適な値に設定される。一例を挙げると、各ランド部１０の周方向の幅はミリメートルのオーダーであり、流体連通路１２ａ、１２ｂの幅はランド部１０の周方向の幅と同等か小さい。各ランド部１０の面は密封面１１と略同じ高さである。また、径方向の流体連通路１２ａ及び周方向の流体連通路１２ｂは、密封面１１から、例えば、１０ｎｍ〜１μｍ低く設定される。流体連通路１２ｂの深さが１μｍ以上では、高速回転時に高い動圧が発生し、摺動面の間隔が広げらされ過ぎるため、漏れの原因となるので、１μｍ以下が好ましい。

今、回転環３が回転し、回転環３と固定環５との摺動面Ｓが相対摺動すると、高圧流体側から径方向の流体連通路１２ａに進入した流体は、ランド部１０の動圧発生作用により昇圧され、正圧を発生するので、回転環３と固定環５との摺動面Ｓの間隔が広げられ、摺動面Ｓの潤滑性が向上される。その際、流体に含まれる不純物は、周方向の流体連通路１２ｂを周回し、最終的には遠心力で高圧流体側に排出されるため、摺動面を損傷することはない。また、不純物が摺動面に堆積して摺動面の間隔を広げることもないので、摺動部品の寿命を著しく向上させることができる。

図２の場合、ランド部１０の輪郭はＵ字形をしており、かつ、Ｕ字形の上方が高圧流体側に面するように配設されている。
このように、ランド部１０の輪郭がＵ字形の場合、動圧発生部が径方向に長く存在するため、潤滑性が向上され、低摩擦となる。また、径方向の流体連通路１２ａと周方向の流体連通路１２ｂとが円弧状に滑らかに連通されるため、流体に含まれる不純物は途中で停滞することなく排出され、不純物の堆積を防止できる。この結果、摺動面が損傷されることもないので、摺動面の腐食を防止できる。

図３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においては、ランド部の輪郭が実施例１と相違するが、基本的構成は実施例１と同じであり、実施例１と同じ部材には実施例１の符号と同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

図３において、ランド部１５の輪郭は、Ｕ字の変形型をしている。すなわち、ランド部１５の輪郭は、Ｕ字の上部は通常の形であるが、底部（低圧流体側に近い部分）が相手摺動面の摺動方向と反対方向を向くように、約１５〜６０°傾斜されている。このため、流体連通路１６の径方向の流体連通路１６ａは上流側に向かって「くの字」に曲げられる。

径方向の流体連通路１６ａが上流側に向かう「くの字」であるため、高圧流体側から径方向の流体連通路１６ａに進入した流体による動圧の発生が、一層、向上される。そして、この場合でも、径方向の流体連通路１６ａと周方向の流体連通路１６ｂとが円弧状に滑らかに連通されるため、流体に含まれる不純物は途中で停滞することなく排出される。
なお、本発明においては、Ｕ字形及びＵ字の変形型を含めて略Ｕ字形と呼ぶ。

図４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においては、ランド部の輪郭が実施例１と相違するが、基本的構成は実施例１と同じであり、実施例１と同じ部材には実施例１の符号と同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

図４において、ランド部２０の輪郭は四辺形をなし、かつ、四辺形の１つの角部２０ａが高圧流体側に面するように配設される。また、高圧流体側に面する角部２０ａの対角２０ｂは低圧流体側を向いている。さらに、角部２０ａと対角２０ｂを結ぶ対角線２０ｃは、他の対角を結ぶ対角線よりも長く、低圧流体側から高圧流体側に向けて相手側摺動面の回転方向に傾斜されている。流体連通路２１の径方向の流体連通路２１ａは、高圧流体側に面する入口部分が広く、この入口から低圧流体側に向かって、一端、狭ばめられた後、周方向の流体連通路２１ｂに近づくにつれ、再度、広げられる。

実施例３の摺動部品においては、径方向の流体連通路２１ａが低圧流体側に向かって、一端、狭ばめられた後、周方向の流体連通路２１ｂに近づくにつれ、再度、広げられるので、流体に含まれる不純物が周方向の流体連通路２１ｂに流れやすく、より一層、不純物を排出することができる。

図５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においては、ランド部の輪郭が実施例１と相違するが、基本的構成は実施例１と同じであり、実施例１と同じ部材には実施例１の符号と同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

図５において、ランド部２５の輪郭は円を径方向に複数配列した形状をしている。
高圧流体側の円２５ａは、摺動面の外周面の近くに配設される。また、低圧流体側の円２５ｂは、密封面１１との間に隙間を有するように配設される。

実施例４の摺動部品は、スラスト軸受に適したシール構造であり、径方向の流体連通路２６ａに進入した流体に含まれる不純物は周方向の流体連通路２６ｂを介して周方向に周回し、遠心力で高圧流体側に排出される。

図６を参照して、本発明の実施例５に係る摺動部品について説明する。
実施例５においては、流体連通路には、流体排出用のスパイラル溝が付加的に設けられる点で実施例１と相違するが、その他の構成は実施例１と同じであり、実施例１と同じ部材には実施例１の符号と同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

図６において、流体連通路１２には流体排出用のスパイラル溝１３が設けられる。このスパイラル溝１３は、流体連通路１２の面にスパイラル状の溝を設けることにより形成されるもので、図６では、スパイラル溝１３は低圧流体側（内周側）から高圧流体側（外周側）に向かって相手摺動面の回転方向に傾斜している。

実施例５の摺動部品においては、流体連通路１２に流体排出用のスパイラル溝１３が設けられているので、流体連通路１２の径方向の流体連通路１２ａから周方向の流体連通路１２ｂに進入した流体は、流体排出用のスパイラル溝１３により高圧流体側へ付勢される。このため、流体に含まれる不純物は遠心力とスパイラル溝１３による付勢力により、より一層、高圧流体側に排出されやすくなる。

図７を参照して、本発明の実施例６に係る摺動部品について説明する。
実施例６においては、密封面の高圧流体側に負圧発生機構または流体排出用のスパイラル溝が設けられる点で実施例１と相違するが、その他の構成は実施例１と同じであり、実施例１と同じ部材には実施例１の符号と同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

図７（ａ）において、低圧流体側に設けられる密封面１１の高圧流体側に負圧発生機構３０が設けられている。図７の場合、負圧発生機構３０は逆レイリーステップ機構から構成される。この逆レイリーステップ機構は、密封面１１に形成されたグルーブ（溝）３０ａとグルーブ（溝）３０ａの上流側の逆レイリーステップ３０ｂと備え、グルーブ（溝）３０ａの下流側は周方向の流体連通路１２ｂに連通されている。グルーブ（溝）３０ａの深さは、周方向の流体連通路１２ｂの深さと同じか、やや浅く形成されるのが望ましい。逆レイリーステップ機構３０は周方向に等配に複数設けられる。

実施例６の摺動部品においては、低圧流体側に設けられる密封面１１の高圧流体側に負圧発生機構３０が設けられているので、摺動面及び流体連通路１２から低圧流体側に漏洩しようとする流体は負圧発生機構３０に流入し、流体連通路１２を介して高圧流体側に排出されるので、流体の漏洩を低減できる。

図７（ａ）では、低圧流体側に設けられる密封面１１の高圧流体側に負圧発生機構３０が設けられる場合について示しているが、図７（ｂ）に示すように、負圧発生機構に代えて、流体排出用のスパイラル溝１３を設けてもよい。

図８を参照して、本発明の実施例７に係る摺動部品について説明する。
実施例７においては、他方側の摺動面に流体排出用のスパイラル溝が設けられる点で実施例１と相違するが、一方側の摺動面の構成は実施例１と同じであり、実施例１と同じ部材には実施例１の符号と同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

図８において、図８（ａ）は固定環５の摺動面を、図８（ｂ）は回転環３の摺動面を示している。
図８（ｂ）に示すように、 回転環３の摺動面には、高圧流体側に連通すると共に、低圧流体側とは密封面１１により隔離された流体排出用のスパイラル溝１４が全面に設けられる。

実施例７の摺動部品においては、他方側の摺動面である回転環３の摺動面に流体排出用のスパイラル溝が設けられているので、高圧流体側から低圧流体側に漏れようとする流体を一層低減できる。また、スパイラル溝１４は低圧流体側とは密封面１１により隔離されているので、静止時において流体が漏洩するのを防止できる。

図９を参照して、本発明の実施例８に係る摺動部品について説明する。
実施例８においては、一方側の摺動面には、全周にわたって動圧発生の補助となるディンプルが設けられる点で実施例１と相違するが、その他の構成は実施例１と同じであり、実施例１と同じ部材には実施例１の符号と同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

図９（ａ）において、動圧発生用のＵ字形のランド部１０、密封面１１及び流体連通路１２が設けられた一方側の摺動面である固定環５の摺動面には、全周にわたって動圧発生の補助となるディンプル３０が設けられている。
ディンプル３０は、例えば、気孔率（面積率）が約５％になる程度設けられるが、それ以上あるいは以下であってもよい。また、ディンプル３０の深さは、例えば、１００ｎｍ程度の極浅いものであるが、特段限定されるものではない。
なお、図９（ａ）では、ディンプル３０が摺動面の全周にわたって全面に設けられているが、ランド部１０及び密封面１１より低い部分である流体連通路１２（１２ａ、１２ｂ）には必ずしも設けられる必要はない。

動圧発生用のＵ字形等のランド部１０の設けられた形状は、摺動面のうねりやダレといった現象により、摺動部品のトルク特性に影響を及ぼすものであり、特に、摺動面の半径方向の内周側から外周側にかけてのダレは、動圧効果を抑制してしまい、摺動面の流体潤滑遷移点が高速側になる。ところが、多数の極浅いディンプル３０が摺動面の少なくともランド部１０及び密封面１１の全周にわたって設けられると、これらのディンプル３０は動圧補助溝として機能し、摺動面の流体潤滑遷移点の低速化を図ることができる。

図９（ｂ）は摺動面にディンプルを設けた実施例８の摺動部品とディンプルを設けない摺動部品とのトルク試験結果を示したものであり、回転数が０→１０００→０ｒｐｍの試験において、摺動面にディンプルを設けた実施例８の摺動部品の場合、回転数のほぼ全域においてトルクが一定して低いのに比べ、ディンプルを設けない摺動部品の場合、回転数が０から６００ｒｐｍを超える範囲までトルクが高いことがわかる。
すなわち、摺動面にディンプルを設けた実施例８の摺動部品においては、流体潤滑遷移点の低速化を実現することができ、回転数の全域において低トルク化を図ることができる。

図１０を参照して、本発明の実施例９に係る摺動部品について説明する。
実施例９においては、一方側の摺動面には、密封面の低圧流体側から径方向に離間した位置にポンピング溝が周方向に延びて設けられる点で実施例１と相違するが、その他の構成は実施例１と同じであり、実施例１と同じ部材には実施例１の符号と同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

図１０を参照すると、動圧発生用のＵ字形のランド部１０、密封面１１及び流体連通路１２が設けられた一方側の摺動面である固定環５の摺動面において、密封面１１は、周方向の４等配においてランド部１０に接続される径方向の張出部１１ａを備え、密封面１１の低圧流体側から径方向に離間した位置にポンピング溝３２が４等配で設けられている。ポンピング溝３２は周方向に延び、その両端部３２ａ、３２ａは外径方向に曲折され、張出部１１ａとランド部１０との接続部近傍に位置されている。
なお、 図１０では、密封面１１の張出部１１ａ及びポンピング溝３２は周方向に４等配で配設されているが、これに限定されることなく、少なくと１つあればよい。また、図１０では、ポンピング溝３２が左右対称形状であるため、摺動部品の両回転において使用できる。

図１０（ａ）のＡ−Ａ断面を示した図１０（ｂ）を参照すると、ポンピング溝３２は、例えば、断面が略矩形状であり、溝深さは流体連通路１２より浅く設定されている。
固定環５の摺動面が相手摺動面と相対摺動されると、ポンピング溝３２内においてキャビテーションが発生され、このキャビテーションにより低圧流体側（内周側）の密封面１１上の流体もポンピング溝３２内に吸い込まれる。ポンピング溝３２内に吸い込まれた流体は外周側で動圧を発生する。
このように、ポンピング溝３２の形成により、低圧流体側へと漏れようとする流体は高圧流体側（外周側）に運ばれ、漏れ量が低減されると共に、キャビテーションによるせん断抵抗の減少からトルクの低減にもつながる。
なお、図１０の例では、ポンピング溝３２の溝深さは流体連通路１２より浅く設定されているが、これに限らず、流体連通路１２より深く設定されてもよい。

図１１（ａ）は、摺動面にポンピング溝が設けられた実施例９に係る摺動部品とポンピング溝が設けられない摺動部品とのトルク試験結果を示したものであり、回転数が０→１０００→０ｒｐｍの試験において、回転数のほぼ全域においてポンピング溝が設けられない摺動部品のトルクが大きくなっており、特に、回転数が約５００回転以上の領域においてポンピング溝が設けられた実施例９に係る摺動部品のトルクと比べて大きいことが分かる。
すなわち、摺動面にポンピング溝が設けられた実施例９に係る摺動部品においては回転数が大きい領域においてもトルクの増大を抑えることができる。

図１１（ｂ）は、摺動面にポンピング溝が設けられた実施例９に係る摺動部品とポンピング溝が設けられない摺動部品との漏れ確認試験結果を示したものであり、回転数が８０００ｒｐｍ、圧力が０１５ＭＰａＧの条件において、摺動面にポンピング溝が設けられていない摺動部品においては試験開始から漏れ量が増大していくのに対し、摺動面にポンピング溝が設けられた実施例９に係る摺動部品においては７０時間経過しても漏れ量は３ｍｌに過ぎない。
すなわち、摺動面にポンピング溝が設けられた実施例９に係る摺動部品においては時間が経過しても漏れ量は増大していないことがわかる。

図１２を参照して、本発明の実施例１０に係る摺動部品について説明する。
実施例１０においては、周方向に設けられる動圧発生用の複数のランド部の径方向の長さが異なる点で実施例１と相違するが、その他の構成は実施例１と同じであり、実施例１と同じ部材には実施例１の符号と同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

図１２を参照すると、周方向に設けられる動圧発生用の複数のＵ字形のランド部１０において、径方向の長さが異なる複数のランド部１０が周期的に等配に配列されている。
詳述すると、複数のランド部１０は、径方向の長さが異なる５種類のランド部から構成され、例えば、径方向に一番長いランド部１０−１を起点として相手摺動面の回転方向に沿って、径方向に一番短いランド部１０−５まで徐々に短くなる順に整列され、次に、当該径方向に一番短いランド部１０−５を起点として相手摺動面の回転方向に沿って、径方向に一番長いランド部１０−１までが徐々に長くなる順に整列されるといった具合に、周方向に繰り返し設けられている。
図１２の場合、複数のランド部１０は径方向の長さが異なる５種類のランド部から構成されているが、５種類に限定されることなく、例えば、２種類以上であればよい。また、図１２の場合、左右対称形状に構成されているので両回転で使用することができる。

固定環５の摺動面が相手摺動面と相対摺動されると、図１２の拡大図にハッチングで示すように、径方向の長さが長いランド部の下流からキャビテーションが発生し、径方向の長さが短いランド部の内周部においてもキャビテーションが発生する。径方向の長さが異なるランド部１０が周方向に配列された場合（以下、長短Ｕ字形という場合がある。）、径方向の長さが一定のランド部が周方向に同数配列された場合（以下、単一長さＵ字形という場合がある。）に比べて、キャビテーションの発生エリアが広範囲となり、漏れ量の低減及びトルクの低減を図ることができる。

図１３（ａ）は、長短Ｕ字形である実施例１０に係る摺動部品と単一長さＵ字形の摺動部品とのトルク試験結果を示したものであり、回転数が０→１０００→０ｒｐｍの試験において、回転数のほぼ全域において単一長さＵ字形の摺動部品のトルクが大きくなっており、特に、回転数が約５００回転以上の領域において長短Ｕ字形である実施例１０に係る摺動部品のトルクと比べて大きいことが分かる。
すなわち、長短Ｕ字形である実施例１０に係る摺動部品においては回転数が大きい領域においてもトルクの増大を抑えることができる。

図１３（ｂ）は、長短Ｕ字形である実施例１０に係る摺動部品と単一長さＵ字形の摺動部品との漏れ確認試験結果を示したものであり、回転数が８０００ｒｐｍ、圧力が０１５ＭＰａＧの条件において、単一長さＵ字形の摺動部品においては試験開始から漏れ量が増大していくのに対し、長短Ｕ字形である実施例１０に係る摺動部品においては７０時間経過しても漏れ量は３ｍｌに過ぎない。
すなわち、長短Ｕ字形である実施例１０に係る摺動部品においては時間が経過しても漏れ量は増大していないことがわかる。

図１４を参照して、本発明の実施例１１に係る摺動部品について説明する。
実施例１１においては、摺動面に親水化処理が施される点で実施例１と相違するが、その他の構成は実施例１と同じである。

本出願の発明者の研究によれば、図２に示す実施例１の摺動部品を気孔などがない供試体で製作した場合、高温・高速の条件下では摺動面に液膜を保持することができずトルクが増大する傾向を示すが、摺動面を親水化させた供試体で製作した場合、高温・高速の条件下でも摺動面に液膜を保持することができ、流体潤滑性を示すことが判明した。

摺動面の親水化の処理方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、摺動面にプラズマを照射する方法が挙げられる。また、プラズマ照射にもいくつかの種類があるが、例えば、酸素プラズマ照射が挙げられる。

図１４（ａ）（ｂ）は、実施例１１に係る摺動部品のトルク試験結果を示したものである。
回転数が０→１０００→０ｒｐｍの試験において、液温が６０℃である場合の図１４（ａ）を参照すると、摺動面に親水化処理が施されていない「未処理」においては、摺動面に親水化処理が施された「親水化」に比べて、回転数が６０００ｒｐｍ以上においてトルクが大きくなっている。
また、液温が１２０℃である場合の図１４（ｂ）を参照すると、摺動面に親水化処理が施されていない「未処理」においては、摺動面に親水化処理が施された「親水化」に比べて、回転数のほぼ全域においてトルクが大きくなっており、特に、回転数が約３０００ｒｐｍ以上においてトルクが増大している。

図１４（ｃ）は、フラットな摺動面に親水化処理を施した場合と施さない場合とのトルク試験結果の比較を示したものである。
図１４（ａ）（ｂ）に示すように、摺動面に実施例１のような動圧発生用のＵ字形のランド部１０、密封面１１及び流体連通路１２が設けられたものを親水化した場合は低トルクの効果を示している。
しかしながら、実施例１のような摺動面に動圧発生用のＵ字形のランド部１０などが設けられていないフラットな摺動面に親水化処理を施した場合、図１４（ｃ）に示すように、低トルクの効果は表れなかった。
以上の試験結果によれば、摺動面に実施例１のような動圧発生用のＵ字形のランド部１０、密封面１１及び流体連通路１２が設けられたものを親水化した場合に特有の顕著な効果が奏されることがわかる。

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、主に、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、いわゆる、インサイド形について説明したが、内周側が高圧流体が存在する、いわゆる、アウトサイド形の場合にも適用できることはもちろんである。この場合、動圧発生用のランド部及び密封面の径方向の配置は逆になる。

また、例えば、前記実施例では、固定環の摺動面に動圧発生用のランド部、流体連通路及び密封面を設ける場合について説明したが、これに限定されるものではなく、回転環の摺動面に動圧発生用のランド部、流体連通路及び密封面を設けてもよい。

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 ランド部
１１ 密封面
１２ 流体連通路
１２ａ 径方向の流体連通路
１２ｂ 周方向の流体連通路
１３ スパイラル溝
１４ スパイラル溝
１５ ランド部
１６ 流体連通路
１６ｂ 周方向の流体連通路
２０ ランド部
２１ 流体連通路
２１ａ 径方向の流体連通路
２１ｂ 周方向の流体連通路
２５ ランド部
２６ａ 径方向の流体連通路
２６ｂ 周方向の流体連通路
３０ ディンプル
３２ ポンピング溝

Claims (4)

1. 一対の摺動部品の摺動面の相対摺動により動圧を発生する機構が設けられた摺動部品において、一方側の摺動面には、高圧流体側に面して動圧発生用の複数のランド部及び低圧流体側に面して密封面が設けられ、前記複数のランド部と前記密封面とは径方向に離間されて配設され、前記摺動面の前記複数のランド部及び前記密封面を除く部分はこれらの面より低く形成されて流体連通路として構成されており、前記複数のランド部は、径方向の長さが異なる複数種類のランド部から構成され、前記ランド部の輪郭が略Ｕ字形をなし、かつ、略Ｕ字形の上方が高圧流体側に面するように配設されることを特徴とする摺動部品。
2. 前記複数のランド部は、周方向に等配で設けられることを特徴とする請求項１に記載の摺動部品。
3. 前記複数のランド部は、径方向に一番長いランド部を起点として相手摺動面の回転方向に沿って、径方向に一番短いランド部まで徐々に短くなる順に整列され、更に、前記径方向に一番短いランド部を起点として相手摺動面の回転方向に沿って、径方向に一番長いランド部までが徐々に長くなる順に整列されることを特徴とする請求項１または２に記載の摺動部品。
4. 前記一方側の摺動面には親水化処理が施されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の摺動部品。

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