JP6713990B2 - 摺動部品 - Google Patents
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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３に示すように、高圧流体側の摺動面には、正圧発生機構５０、例えば、グルーブ５０ａ及びレイリーステップ５０ｂを備えたレイリーステップ機構が設けられている（例えば、特許文献１参照。）。正圧発生機構５０は、高圧流体側及び低圧流体側とランド部Ｒにより隔離され、周方向に等間隔で８等配に設けられている。
さらに、正圧発生機構５０と低圧流体側との間に位置するように周方向に連続して環状の圧力開放溝５１が設けられている。圧力開放溝５１は、正圧発生機構５０のグルーブ５０ａとは径方向においてランド部Ｒにより離間されている。
さらに、正圧発生機構５０と低圧流体側との間に位置するように周方向に連続して環状の圧力開放溝５１が設けられている。圧力開放溝５１は、正圧発生機構５０のグルーブ５０ａとは径方向においてランド部Ｒにより離間されている。
圧力開放溝５１と高圧流体側とを連通するように半径方向溝５２が設けられている。半径方向溝５２は、周方向において正圧発生機構５０のグルーブ部５０ａの上流側の端部５０ｃに接する位置であって、圧力開放溝５１と高圧流体側とを連通するように半径方向に８等配で設けられる。圧力開放溝５１及び半径方向溝５２は正圧発生機構５０のグルーブ５０ａより深い。また、半径方向溝５２は、本例では、圧力開放溝５１より幅が広く形成されている。
正圧発生機構５０は、正圧（動圧）を発生することにより相対摺動する摺動面の間隔を広げ、該摺動面に液膜を形成し、潤滑性を向上させるために設けられるものである。
圧力開放溝５１は、高圧側の正圧発生機構５０で発生した正圧（動圧）を高圧側流体の圧力まで開放することで、流体が低圧流体に漏れることを防止するためのものであり、高圧側の正圧発生機構５０で発生した圧力により低圧流体側に流入しようとする流体を圧力開放溝５１に導き、半径方向溝５２を経由して高圧流体側に逃す役割を果たすものである。このため、摺動面における密封性が一層向上される。
圧力開放溝５１は、高圧側の正圧発生機構５０で発生した正圧（動圧）を高圧側流体の圧力まで開放することで、流体が低圧流体に漏れることを防止するためのものであり、高圧側の正圧発生機構５０で発生した圧力により低圧流体側に流入しようとする流体を圧力開放溝５１に導き、半径方向溝５２を経由して高圧流体側に逃す役割を果たすものである。このため、摺動面における密封性が一層向上される。
ところで、圧力開放溝５１と半径方向溝５２とが交差するＴ字部５３において、圧力開放溝５１の外周側側壁５１ａと半径方向溝５２の両側壁５２ａ、５２ｂとが接続されるコーナには角部５３ａ、５３ｂが形成されている。
今、相手側摺動面が矢印で示すように反時計方向に回転すると、圧力開放溝５１及び半径方向溝５２においては、角部５３ａ、５３ｂの存在により、クロス状のハッチングで示す位置に負圧が発生し、斜線のハッチングで示す位置に正圧が発生する。
すなわち、圧力開放溝５１における負圧の発生は、下流側の角部５３ｂの存在による急激な縮流現象に伴うものであり、隣接する２つの半径方向溝５２に挟まれた周方向中央付近の負圧が最も大きい。圧力開放溝５１の深さがある程度深くない場合、周方向中央付近の負圧の最も大きい部分５４においてキャビテーションが発生しやすい。
また、半径方向溝５２における負圧の発生は、上流側の側壁５２ａの急激な深さの変化によるものであるが、上流側の角部５３ａの存在により負圧の発生が助長され、上流側の側壁５２ａの付近の負圧が最も大きくなる。半径方向溝５２の深さがある程度ない場合、上流側の側壁５２ａの付近の負圧も最も大きい部分５５においてキャビテーションが発生しやすい。
今、相手側摺動面が矢印で示すように反時計方向に回転すると、圧力開放溝５１及び半径方向溝５２においては、角部５３ａ、５３ｂの存在により、クロス状のハッチングで示す位置に負圧が発生し、斜線のハッチングで示す位置に正圧が発生する。
すなわち、圧力開放溝５１における負圧の発生は、下流側の角部５３ｂの存在による急激な縮流現象に伴うものであり、隣接する２つの半径方向溝５２に挟まれた周方向中央付近の負圧が最も大きい。圧力開放溝５１の深さがある程度深くない場合、周方向中央付近の負圧の最も大きい部分５４においてキャビテーションが発生しやすい。
また、半径方向溝５２における負圧の発生は、上流側の側壁５２ａの急激な深さの変化によるものであるが、上流側の角部５３ａの存在により負圧の発生が助長され、上流側の側壁５２ａの付近の負圧が最も大きくなる。半径方向溝５２の深さがある程度ない場合、上流側の側壁５２ａの付近の負圧も最も大きい部分５５においてキャビテーションが発生しやすい。
上記の従来技術において、圧力開放溝５１及び半径方向溝５２においてキャビテーションが発生すると、正圧発生機構５０のグルーブ５０ａに必要な流体が供給されなくなり、動圧発生効果が不安定になる。
また、圧力開放溝５１及び半径方向溝５２の深さをキャビテーションの発生しない深さまで深くすることが考えられるが、これらの溝の深さを深く設定すると金型で摺動部品を製作することができず、量産性が失われるという問題がある。
また、圧力開放溝５１及び半径方向溝５２の深さをキャビテーションの発生しない深さまで深くすることが考えられるが、これらの溝の深さを深く設定すると金型で摺動部品を製作することができず、量産性が失われるという問題がある。
本発明は、圧力開放溝及び半径方向溝の深さを必要以上に深く設定することなく、これらの溝におけるキャビテーションの発生を防止できるようにすることにより、正圧発生機構における動圧（正圧）発生効果を安定させ、摺動面の潤滑性を向上させることができるようにした摺動部品を提供することを目的とするものである。
上記目的を達成するため本発明の摺動部品は、第１に、摺動面にて互いに相対摺動する固定側密封環及び回転側密封環を備え、前記摺動面から被密封流体が漏洩するのをシールするための摺動部品であって、
前記固定側密封環及び前記回転側密封環のうち少なくとも一方の摺動面には、グルーブ及びレイリーステップを備え動圧を発生する正圧発生機構、環状の圧力開放溝及び前記圧力開放溝と交差する半径方向溝が設けられ、
前記圧力開放溝と前記半径方向溝との交差部におけるコーナーは前記圧力開放溝と前記半径方向溝とが滑らかな曲面で結ばれる曲面形状に形成されることを特徴としている。
この特徴によれば、圧力開放溝及び半径方向溝の深さを必要以上に深く設定することなく、これらの溝におけるキャビテーションの発生を防止でき、正圧発生機構における動圧（正圧）発生効果を安定させ、摺動面の潤滑性を向上させることができる。
前記固定側密封環及び前記回転側密封環のうち少なくとも一方の摺動面には、グルーブ及びレイリーステップを備え動圧を発生する正圧発生機構、環状の圧力開放溝及び前記圧力開放溝と交差する半径方向溝が設けられ、
前記圧力開放溝と前記半径方向溝との交差部におけるコーナーは前記圧力開放溝と前記半径方向溝とが滑らかな曲面で結ばれる曲面形状に形成されることを特徴としている。
この特徴によれば、圧力開放溝及び半径方向溝の深さを必要以上に深く設定することなく、これらの溝におけるキャビテーションの発生を防止でき、正圧発生機構における動圧（正圧）発生効果を安定させ、摺動面の潤滑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２に、第１の特徴において、前記コーナーは、Ｒ状の曲面形状に形成されることを特徴としている。
この特徴によれば、滑らかな曲面形状の形成を容易に行うことができる。
この特徴によれば、滑らかな曲面形状の形成を容易に行うことができる。
本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）圧力開放溝と前記半径方向溝との交差部におけるコ−ナーは前記圧力開放溝と前記半径方向溝とが滑らかな曲面で結ばれる曲面形状に形成されることにより、圧力開放溝及び半径方向溝の深さを必要以上に深く設定することなく、これらの溝におけるキャビテーションの発生を防止でき、正圧発生機構における動圧（正圧）発生効果を安定させ、摺動面の潤滑性を向上させることができる。
（１）圧力開放溝と前記半径方向溝との交差部におけるコ−ナーは前記圧力開放溝と前記半径方向溝とが滑らかな曲面で結ばれる曲面形状に形成されることにより、圧力開放溝及び半径方向溝の深さを必要以上に深く設定することなく、これらの溝におけるキャビテーションの発生を防止でき、正圧発生機構における動圧（正圧）発生効果を安定させ、摺動面の潤滑性を向上させることができる。
（２）コーナーは、Ｒ状の曲面形状に形成されることにより、滑らかな曲面形状の形成を容易に行うことができる。
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。
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側密封環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側密封環５とが設けられ、固定側密封環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、回転側密封環３と固定側密封環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、本例では、図１の固定側密封環５の摺動面Ｓに本発明に係る正圧発生機構、圧力開放溝及び半径方向溝が形成された場合を例にして説明する。
なお、回転側密封環３の摺動面に本発明に係る正圧発生機構、圧力開放溝及び半径方向溝が形成される場合も同様である。
なお、回転側密封環３の摺動面に本発明に係る正圧発生機構、圧力開放溝及び半径方向溝が形成される場合も同様である。
図２において、固定側密封環５の摺動面Ｓ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。
摺動面Ｓの高圧流体側の摺動面には、正圧発生機構１０、例えば、グルーブ１０ａ及びレイリーステップ１０ｂを備えたレイリーステップ機構が設けられている。正圧発生機構１０は、高圧流体側及び低圧流体側とは、摺動面Ｓの平滑部Ｒ（本発明においては、「ランド部Ｒ」ということがある。）により隔離され、周方向に等間隔で８等配に設けられている。
なお、本例では、正圧発生機構１０は８等配に設けられているが、これに限らず、１つ以上であればよい。
摺動面Ｓの高圧流体側の摺動面には、正圧発生機構１０、例えば、グルーブ１０ａ及びレイリーステップ１０ｂを備えたレイリーステップ機構が設けられている。正圧発生機構１０は、高圧流体側及び低圧流体側とは、摺動面Ｓの平滑部Ｒ（本発明においては、「ランド部Ｒ」ということがある。）により隔離され、周方向に等間隔で８等配に設けられている。
なお、本例では、正圧発生機構１０は８等配に設けられているが、これに限らず、１つ以上であればよい。
さらに、低圧流体側と正圧発生機構１０との間に位置するように周方向に連続して環状の圧力開放溝１１が設けられている。圧力開放溝１１は、正圧発生機構１０のグルーブ１０ａとは径方向においてランド部Ｒにより離間されている。
圧力開放溝１１と高圧流体側とを連通するように半径方向溝１２が設けられている。半径方向溝１２は、周方向において正圧発生機構１０のグルーブ１０ａの上流側の端部に接する位置に８等配で設けられる。圧力開放溝１１及び半径方向溝１２は正圧発生機構１０のグルーブ１０ａより深い。また、半径方向溝１２は、本例では、圧力開放溝１１より幅が広く形成されている。
正圧発生機構１０は、正圧（動圧）を発生することにより相対摺動する摺動面の間隔を広げ、該摺動面に液膜を形成し、潤滑性を向上させるために設けられるものである。
圧力開放溝１１は、高圧側の正圧発生機構１０で発生した正圧（動圧）を高圧側流体の圧力まで開放することで、流体が低圧流体側に流入し、流体が漏洩することを防止するためのものであり、高圧側の正圧発生機構１０で発生した圧力により低圧流体側に流入しようとする流体を圧力開放溝１１に導き、高圧流体側に逃す役割を果たすものである。
圧力開放溝１１は、高圧側の正圧発生機構１０で発生した正圧（動圧）を高圧側流体の圧力まで開放することで、流体が低圧流体側に流入し、流体が漏洩することを防止するためのものであり、高圧側の正圧発生機構１０で発生した圧力により低圧流体側に流入しようとする流体を圧力開放溝１１に導き、高圧流体側に逃す役割を果たすものである。
圧力開放溝１１と半径方向溝１２とが交差するＴ字溝部１３において、圧力開放溝１１の外周側側壁１１ａと半径方向溝１２の両側壁１２ａ、１２ｂとが接続されるコーナ１３ａ、１３ｂは、圧力開放溝１１の外周側側壁１１ａと半径方向溝１２の両側壁１２ａ、１２ｂとがＴ字溝部１３側に凸の滑らかな曲面で結ばれている。
本例では、コーナ１３ａ、１３ｂはＴ字溝部１３側に凸のＲ状の曲面形状に形成されている。このため、曲面形状の形成を容易に行うことができる。
本例では、コーナ１３ａ、１３ｂはＴ字溝部１３側に凸のＲ状の曲面形状に形成されている。このため、曲面形状の形成を容易に行うことができる。
今、相手側摺動面が矢印で示すように反時計方向に回転するとすると、圧力開放溝１１及び半径方向溝１２においては、クロス状のハッチングで示す位置、すなわち、圧力開放溝１１においては隣接する半径方向溝１２、１２に挟まれた周方向の中間の付近１１ｂ、また、半径方向溝１２においては上流側のコーナ１３ａから上流側の側壁１２ａに沿って径方向外側に向けた付近１２ｃに負圧が発生する。
なお、半径方向溝１２の下流側側壁１２の付近の斜線のハッチングで示す位置１２ｄにには正圧が発生する。
なお、半径方向溝１２の下流側側壁１２の付近の斜線のハッチングで示す位置１２ｄにには正圧が発生する。
しかしながら、本発明においては、コーナ１３ａ、１３ｂは、圧力開放溝１１の外周側側壁１１ａと半径方向溝１２の両側壁１２ａ、１２ｂとがＴ字溝部１３側に凸の滑らかな曲面で結ばれているため、摺動面Ｓの直径、摺動面Ｓの幅、一対の摺動面Ｓ間の相対摺動速度、並びに、圧力開放溝１１及び半径方向溝１２の深さが、上記の従来技術と同じ場合であっても、下表に示すように、上記の負圧発生領域１１ｂ及び１２ｃにおいてキャビテーションの発生が抑制されることが実験により確認された。
すなわち、圧力開放溝１１における負圧の発生は、下流側のコーナ１３ｂの存在による縮流現象に伴うものであるが、本発明においては、下流側のコーナ１３ｂがＴ字溝部１３側に凸の滑らかな曲面形状であるため、急激な縮流現象が緩和され、図２の矢印で示すような連続した流れが生成され、キャビテーションの発生する負圧には至らないものである。
また、半径方向溝１２における負圧の発生は、上流側の側壁１２ａの急激な深さの変化によるものであるが、上流側のコーナ１３ａがＴ字溝部１３側に凸の滑らかな曲面形状であるため、図２の矢印で示すように上流側の側壁１２ａ付近にも流体が回り込み、負圧の発生が抑制され、キャビテーションの発生する負圧には至らないものである。
また、半径方向溝１２における負圧の発生は、上流側の側壁１２ａの急激な深さの変化によるものであるが、上流側のコーナ１３ａがＴ字溝部１３側に凸の滑らかな曲面形状であるため、図２の矢印で示すように上流側の側壁１２ａ付近にも流体が回り込み、負圧の発生が抑制され、キャビテーションの発生する負圧には至らないものである。
以上説明した実施例１の構成によれば、以下のような効果を奏する。
（１）圧力開放溝１１と半径方向溝１２との交差部１３におけるコ−ナー１３ａ、１３ｂは圧力開放溝１１と半径方向溝１２とが滑らかな曲面で結ばれる曲面形状に形成されることにより、圧力開放溝１１及び半径方向溝１２の深さを必要以上に深く設定することなく、これらの溝におけるキャビテーションの発生を防止でき、正圧発生機構における動圧（正圧）発生効果を安定させ、摺動面の潤滑性を向上させることができる。
（２）コーナー１３ａ、１３ｂがＲ状の曲面形状に形成されることにより、滑らかな曲面形状の形成を容易に行うことができる。
（１）圧力開放溝１１と半径方向溝１２との交差部１３におけるコ−ナー１３ａ、１３ｂは圧力開放溝１１と半径方向溝１２とが滑らかな曲面で結ばれる曲面形状に形成されることにより、圧力開放溝１１及び半径方向溝１２の深さを必要以上に深く設定することなく、これらの溝におけるキャビテーションの発生を防止でき、正圧発生機構における動圧（正圧）発生効果を安定させ、摺動面の潤滑性を向上させることができる。
（２）コーナー１３ａ、１３ｂがＲ状の曲面形状に形成されることにより、滑らかな曲面形状の形成を容易に行うことができる。
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、固定側密封環５の摺動面Ｓに正圧発生機構１０、圧力開放溝１１及び半径方向溝１２が形成される場合について説明したが、これに限らず、回転側密封環３の摺動面に正圧発生機構、圧力開放溝及び半径方向溝が形成されてもよい。
また、例えば、前記実施例では、正圧発生機構１０及び半径方向溝１２が８等配に設けられる場合について説明したが、これに限らず、１以上であればよい。
また、例えば、前記実施例では、コーナ１３ａ、１３ｂはＲ状の曲面形状に形成されている場合について説明したが、これに限らず、流体がスムーズに流れ、コーナ１３ａ、１３ｂから流体が剥離しないような形状、例えば、楕円弧の曲面形状でもよい。
１ 回転軸
２ スリーブ
３ 回転側密封環
４ ハウジング
５ 固定側密封環
６ コイルドウェーブスプリング
７ ベローズ
１０ 正圧発生機構
１０ａ グルーブ
１０ｂ レイリーステップ
１１ 圧力開放溝
１１ａ 外周側側壁
１１ｂ 周方向の中間の付近
１２ 半径方向溝
１２ａ 上流側の側壁
１２ｂ 下流側の側壁
１２ｃ 上流側のコーナから径方向外側に向けた付近
１２ｄ 下流側側壁の付近の斜線のハッチングで示す位置
１３ Ｔ字溝部
１３ａ 上流側のコーナ
１３ｂ 下流側のコーナ
Ｓ 摺動面
Ｒ ランド部
２ スリーブ
３ 回転側密封環
４ ハウジング
５ 固定側密封環
６ コイルドウェーブスプリング
７ ベローズ
１０ 正圧発生機構
１０ａ グルーブ
１０ｂ レイリーステップ
１１ 圧力開放溝
１１ａ 外周側側壁
１１ｂ 周方向の中間の付近
１２ 半径方向溝
１２ａ 上流側の側壁
１２ｂ 下流側の側壁
１２ｃ 上流側のコーナから径方向外側に向けた付近
１２ｄ 下流側側壁の付近の斜線のハッチングで示す位置
１３ Ｔ字溝部
１３ａ 上流側のコーナ
１３ｂ 下流側のコーナ
Ｓ 摺動面
Ｒ ランド部
Claims (2)
- 摺動面にて互いに相対摺動する固定側密封環及び回転側密封環を備え、前記摺動面から被密封流体が漏洩するのをシールするための摺動部品であって、
前記固定側密封環及び前記回転側密封環のうち少なくとも一方の摺動面には、グルーブ及びレイリーステップを備え動圧を発生する正圧発生機構、環状の圧力開放溝及び前記圧力開放溝と交差する半径方向溝が設けられ、
前記圧力開放溝と前記半径方向溝との交差部におけるコーナーは前記圧力開放溝と前記半径方向溝とが滑らかな曲面で結ばれる曲面形状に形成されることを特徴とする摺動部品。 - 前記コーナーは、Ｒ状の曲面形状に形成されることを特徴とする請求項１記載の摺動部品。
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