JP6578047B2 - 摺動部品 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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(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。
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)
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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