JP6820120B2 - 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。
例えば、水冷式エンジンの冷却に用いられる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添加剤、例えば防錆成分が、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されるおそれのあることが確認されている。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。
また、表面テクスチャを用いたメカニカルシールにおいては、その特性により摺動面内で負圧が発生することがあるが、その負圧により摺動面内に侵入した被密封流体が蒸発することで堆積物発生原因物質が過度に析出・生成され、堆積物が加速度的に発生し、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実験において確認されている。
耐凝着性材料の膜として、例えば、ダイヤモンド状炭素（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ；ＤＬＣと略称される）の膜に着目し、特許文献１及び２に記載のように、摺動部材の摺動面にダイヤモンド状炭素を被覆することにより、堆積物が析出・生成されやすい負圧発生機構の表面において堆積物が堆積されるのを防止することが考えられる（以下、「従来技術１」という。）。
また、同じく、堆積物が堆積されるのを防止するという視点から、摺動部品をガラス状炭素により製作することも考えられる（以下、「従来技術２」という。）。
一方、優れたトライボロジー特性を有する摺動材として、摺動材の摺動面全体にガラス状炭素が生成された硬質カーボン膜と、硬質カーボン膜の表面に超短パルスレーザを照射して形成された微細周期構造と、微細周期構造を被覆するように形成された固体潤滑剤を含む潤滑層とを備えたものが知られている（以下、「従来技術３」という。例えば、特許文献３参照。）。
特開２０１２−６２５３４号公報 特開平５−２９６２４８号公報 特開２００７−１６２０４５号公報
しかしながら、従来技術１は、ダイヤモンドライクカーボン膜の厚さは略１μｍ程度であるため、剥がれやすく、耐久性に問題があった。
また、従来技術２は、ガラス状炭素はボリュームの大きいものが製作できないため、製作サイズに限界があること、炭化させる際に発生するガスが内部から逃げにくくクラックや変形が生じること、及び、内部から発生するガスの放出を緩やかにする必要上、製作に時間が掛かるといった問題があった。
また、従来技術３は、基材を選択する必要があり、基材が熱的、機械的に変質しないように高密度のエネルギーを加える必要があるなど、高度な製作技術が求められるといった問題があった。
本発明は、例えば、水冷式エンジンの冷却に用いられるメカニカルシールのように、不凍液に防錆剤が添加された液体をシールする場合でも、堆積物発生原因物質の摺動面での堆積物の生成を防止し、摺動面の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。
特に、本発明は、摺動面の負圧により摺動面内に侵入した被密封流体から堆積物発生原因物質が析出・生成される場合でも、負圧部分における析出物の堆積を防止し、ランド部における堆積物の付着を防止し、摺動面の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。
また、本発明は、摺動面の耐摩耗性を向上させると共に耐異物性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。
上記目的を達成するため本発明の摺動部品は、第１に、
固定側に固定される円環状の固定側密封環と、回転軸とともに回転する円環状の回転側密封環とを備え、前記固定側密封環及び前記回転側密封環の対向する各摺動面を相対回転させることにより、相対回転摺動する前記摺動面の径方向の一方側に存在する高圧流体を密封する摺動部品において、
前記固定側密封環及び前記回転側密封環の少なくとも一方は、基材と、前記基材の摺動面側に接着層と、前記接着層を介して前記基材に貼り付けられるガラス状炭素のシート状部材とを備え、
前記シート状部材は、該シート状部材を貫通する表面テクスチャーを備えることを特徴としている。
この特徴によれば、密封環の摺動面Ｓにガラス状炭素が存在することにより、摺動面Ｓでの堆積物発生原因物質の濃縮及び堆積物の生成が防止され、摺動面のシール機能を向上させた摺動部品を提供することができる。
また、ガラス状炭素は耐摩耗性に優れた材料であるため、流体潤滑状態で摺動する摺動面における摩耗が深部に達することを防止でき、摺動部品の耐摩耗性を向上させると共に耐異物性能も向上させることができる。
また、密封環の基材とは別に、基材の摺動面側にガラス状炭素をシート状にしたシート状部材を貼り付ける構成とすることにより、上記従来技術２のように、密封環全体をガラス状炭素で形成する場合に比べて、内部から発生するガスを逃げ易くし、クラックの発生を防止することができる。さらに、ガラス状炭素の熱伝導率の悪さを基材の材質でカバーすることができる。
また、密封環全体をガラス状炭素で形成する場合には製作できなかった大きなサイズの密封環でも製作することができる。
また、摺動面に表面テクスチャーを形成する際にも、シート状部材に表面テクスチャーを形成すればよいため、加工が容易である。
また、密封環の基材とは別に、基材の摺動面側にガラス状炭素をシート状にしたシート状部材を貼り付ける構成とすることにより、上記従来技術３のように、摺動材の摺動面にガラス状炭素の改質領域を生成する場合に比べて、高度な技術を要することなく摺動面にガラス状炭素の領域を設けることができる。
また、基材の材質についてはガラス状炭素の改質領域が生成可能な材料に限定されないため、材料選択の自由度を大きくすることができる。例えば、安価な材料を選択して材料コストの削減を図ることができる。また、例えば、熱伝導率のよい材料を選択して、放熱性の高い摺動部品を得ることができる。
また、摺動面に表面テクスチャーを形成する際にも、シート状部材に表面テクスチャーを形成すればよいため、加工が容易である。
また、本発明の摺動部品は、第２に、第１の特徴において、前記基材は、カーボン、ＳｉＣまたは超硬合金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、摺動部品を通常使用される材料により作製することができる。
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、前記接着層は、熱硬化性樹脂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、接着層を加熱するだけでガラス状炭素のシート状部材と基材とを確実に一体化できる。
また、本発明の摺動部品は、第４に、第１ないし第３のいずれかの特徴において、
前記表面テクスチャーはディンプルであることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動面に被密封流体を保持できると共に、正圧（動圧）を発生することができ、各摺動面間の流体膜を増加させ、潤滑性能を向上させることができる。
また、シート状部材を作製するときに型あるいは打ち抜きによりディンプルを予め設けることができるため、シート状部材の基材への接着後のディンプルの加工を不要とすることができ、ディンプルの加工を容易に行うことができる。
また、ディンプル内の上流側で負圧が発生し、摺動面内に侵入した被密封流体が蒸発することで堆積物発生原因物質が析出・生成される場合でも、ガラス状炭素のシート状部材の存在により負圧部分における析出物の堆積を防止し、ランド部における堆積物の付着を防止することができる。
また、本発明の摺動部品は、第５に、第１ないし第３のいずれかの特徴において、
前記表面テクスチャーは螺旋溝であることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動面に正圧（動圧）を発生することができ、各摺動面間の流体膜を増加させ、潤滑性能を向上させることができる。
また、シート状部材を作製するときに型あるいは打ち抜きにより螺旋溝を予め設けることができるため、シート状部材の基材への接着後の螺旋溝の加工を不要とすることができ、螺旋溝の加工を容易に行うことができる。
また、螺旋溝内の上流側で負圧が発生し、摺動面内に侵入した被密封流体が蒸発することで堆積物発生原因物質が析出・生成される場合でも、ガラス状炭素のシート状部材の存在により負圧部分における析出物の堆積を防止し、ランド部における堆積物の付着を防止することができる。
また、本発明の摺動部品は、第６に、第１ないし第３のいずれかの特徴において、
前記表面テクスチャーはレイリーステップ機構であることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動面に正圧（動圧）を発生することができ、各摺動面間の流体膜を増加させ、潤滑性能を向上させることができる。
また、シート状部材を作製するときに型によりレイリーステップ機構を予め設けることができるため、シート状部材の基材への接着後のレイリーステップ機構の加工を不要とすることができ、レイリーステップ機構の加工を容易に行うことができる。
また、レイリーステップ機構内の上流側で負圧が発生し、摺動面内に侵入した被密封流体から堆積物発生原因物質が析出・生成される場合でも、ガラス状炭素のシート状部材の存在により負圧部分における析出物の堆積を防止し、ランド部における堆積物の付着を防止することができる。
本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）固定側密封環及び回転側密封環の少なくとも一方は、基材と、基材の摺動面側に接着層と、接着層を介して基材に貼り付けられるガラス状炭素のシート状部材とを備えていることにより、密封環の摺動面Ｓにガラス状炭素が存在することにより、摺動面Ｓでの堆積物発生原因物質の濃縮及び堆積物の生成が防止され、摺動面のシール機能を向上させた摺動部品を提供することができる。
また、ガラス状炭素は耐摩耗性に優れた材料であるため、流体潤滑状態で摺動する摺動面における摩耗が深部に達することを防止でき、摺動部品の耐摩耗性を向上させると共に耐異物性能も向上させることができる。
また、密封環の基材とは別に、基材の摺動面側にガラス状炭素をシート状にしたシート状部材を貼り付ける構成とすることにより、上記従来技術２のように、密封環全体をガラス状炭素で形成する場合に比べて、内部から発生するガスを逃げ易くし、クラックの発生を防止することができる。さらに、ガラス状炭素の熱伝導率の悪さを基材の材質でカバーすることができる。
また、密封環全体をガラス状炭素で形成する場合には製作できなかった大きなサイズの密封環でも製作することができる。
また、摺動面に表面テクスチャーを形成する際にも、シート状部材に表面テクスチャーを形成すればよいため、加工が容易である。
また、密封環の基材とは別に、基材の摺動面側にガラス状炭素をシート状にしたシート状部材を貼り付ける構成とすることにより、上記従来技術３のように、摺動材の摺動面にガラス状炭素の改質領域を生成する場合に比べて、高度な技術を要することなく摺動面にガラス状炭素の領域を設けることができる。
また、基材の材質についてはガラス状炭素の改質領域が生成可能な材料に限定されないため、材料選択の自由度を大きくすることができる。例えば、安価な材料を選択して材料コストの削減を図ることができる。また、例えば、熱伝導率のよい材料を選択して、放熱性の高い摺動部品を得ることができる。
また、摺動面に表面テクスチャーを形成する際にも、シート状部材に表面テクスチャーを形成すればよいため、加工が容易である。
（２）基材は、カーボン、ＳｉＣまたは超硬合金から構成されることにより、摺動部品を通常使用される材料により作製することができる。
（３）接着層は、熱硬化性樹脂から構成されることにより、接着層を加熱するだけでガラス状炭素のシート状部材と基材とを確実に一体化できる。
（４）シート状部材の摺動面にはディンプルが設けられていることにより、摺動面に被密封流体を保持できると共に、正圧（動圧）を発生することができ、各摺動面間の流体膜を増加させ、潤滑性能を向上させることができる。
また、シート状部材を作製するときに型あるいは打ち抜きによりディンプルを予め設けることができるため、シート状部材の基材への接着後のディンプルの加工を不要とすることができ、ディンプルの加工を容易に行うことができる。
また、ディンプル内の上流側で負圧が発生し、摺動面内に侵入した被密封流体から堆積物発生原因物質が析出・生成される場合でも、ガラス状炭素のシート状部材の存在により負圧部分における析出物の堆積を防止し、ランド部における堆積物の付着を防止することができる。
（５）シート状部材の摺動面には螺旋溝が設けられることにより、摺動面に正圧（動圧）を発生することができ、各摺動面間の流体膜を増加させ、潤滑性能を向上させることができる。
また、シート状部材を作製するときに型あるいは打ち抜きにより螺旋溝を予め設けることができるため、シート状部材の基材への接着後の螺旋溝の加工を不要とすることができ、螺旋溝の加工を容易に行うことができる。
また、螺旋溝内の上流側で負圧が発生し、摺動面内に侵入した被密封流体が蒸発することで堆積物発生原因物質が析出・生成される場合でも、ガラス状炭素のシート状部材の存在により負圧部分における析出物の堆積を防止し、ランド部における堆積物の付着を防止することができる。
（６）シート状部材の摺動面にはレイリーステップ機構が設けられることにより、摺動面に正圧（動圧）を発生することができ、各摺動面間の流体膜を増加させ、潤滑性能を向上させることができる。
また、シート状部材を作製するときに型によりレイリーステップ機構を予め設けることができるため、シート状部材の基材への接着後のレイリーステップ機構の加工を不要とすることができ、レイリーステップ機構の加工を容易に行うことができる。
また、レイリーステップ機構内の上流側で負圧が発生し、摺動面内に侵入した被密封流体が蒸発することで堆積物発生原因物質が析出・生成される場合でも、ガラス状炭素のシート状部材の存在により負圧部分における析出物の堆積を防止し、ランド部における堆積物の付着を防止することができる。
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に係る摺動部品の一方の摺動部品を拡大して示したものであり、（ａ）は摺動面が上方に位置するように配設された断面図、（ｂ）は摺動面の平面図である。 本発明の実施例２に係る摺動部品の一方の摺動部品を拡大して示したものであり、（ａ）は摺動面が上方に位置するように配設された断面図、（ｂ）は摺動面の平面図である。 本発明の実施例３に係る摺動部品の一方の摺動部品を拡大して示したものであり、（ａ）は摺動面が上方に位置するように配設された断面図、（ｂ）は摺動面の平面図である。 本発明の実施例４に係る摺動部品の一方の摺動部品を拡大して示したものであり、（ａ）は摺動面が上方に位置するように配設された断面図、（ｂ）は摺動面の平面図である。 本発明におけるレイリーステップの機能について説明する説明図である。
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Ｓ（本明細書においては、一対の摺動面からなる摺動面の各々を指すことに意味がある場合は「各摺動面Ｓ」といい、単に、一方の摺動面を指す場合は「摺動面Ｓ」という。）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、高圧流体側の回転部材（図示省略）を駆動させる回転軸１側にスリーブ２及びカップガスケット８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密封環である円環状の回転側密封環３と、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スリーブ７を介して設けられた他方の密封環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付勢部材６によって、ラッピング等によって鏡面仕上げされた各摺動面Ｓ同士で密接摺動する。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との互いの各摺動面Ｓにおいて、被密封流体が両密封環３、５の高圧流体側（外周側）から低圧流体側（内周側）へ流出するのを防止するものである。
図１においては、回転側密封環３の摺動面Ｓの径方向の幅は固定側密封環５の摺動面Ｓの径方向の幅より小さく設定されており、回転側密封環３の摺動面Ｓの全域が固定側密封環５の摺動面Ｓに対して当接され、両密封環３、５の摺動面が流体潤滑状態で相対的に摺動するものである。
なお、本発明においては、図１に限定されることなく、回転側密封環３の摺動面Ｓの径方向の幅は固定側密封環５の摺動面Ｓの径方向の幅より大きく設定されてもよい。
図１及び図２に示すように、回転側密封環３及び固定側密封環５のうち、少なくとも一方の密封環、本例の場合、回転側密封環３は、基材３ａと、基材３ａの摺動面側に接着層３ｂと、接着層３ｂを介して基材３ａに貼り付けられるガラス状炭素のシート状部材３ｃとを備えている。この点については後に詳しく説明する。
また、他方の密封環、本例の場合、固定側密封環５は基材により一体で形成されている。
なお、本発明においては、図１及び図２に限定されることなく、固定側密封環が基材の摺動面側に接着層と、該接着層を介して基材に貼り付けられるガラス状炭素のシート状部材を備え、回転側密封環が基材により一体で形成されていてもよい。
被密封流体は、防錆剤が添加された不凍液等の流体である。
通常、回転側密封環３及び固定側密封環５の基材の材質は、耐摩耗性に優れた炭化珪素（ＳｉＣ）、自己潤滑性に優れたカーボン及び超硬合金などから選定されるが、例えば、両者が炭化珪素、あるいは、回転側密封環３が炭化珪素であって固定側密封環５がカーボンの組合せが可能である。
特に、炭化珪素はメカニカルシール等の摺動材として放熱性が良く、耐摩耗性に優れた好適な材料であることが知られている。ところが、上記したように、不凍液中に含まれる防錆成分の特性上、濃縮・生成された堆積物発生原因物質が摺動面に堆積し、摺動面の平滑さが失われ、漏れにつながるという問題がある。
そのため、本発明においては、 回転側密封環３又は固定側密封環５の少なくともいずれか一方の密封環は、基材と、基材の摺動面側に接着層と、接着層を介して基材に貼り付けられるガラス状炭素のシート状部材とを備えるところに特徴がある。
ガラス状炭素は、ガラスではなく熱硬化性樹脂を炭素化した素材で、気体を通さない、電気を通す、酸性に強い、耐摩耗性があるなどの特徴がある。
ガラス状炭素の製造方法は、一般的に、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂などの熱硬化性樹脂を射出成形，圧縮成形などの方法で成型し，その樹脂成形品を不活性ガス雰囲気中において、千数百℃で焼成して炭素化するものである。焼成により樹脂成形品中の炭素以外の元素、すなわち水素、窒素、酸素等がまわりの炭素と化合して二酸化炭素，メタン，エタン等の分解ガスとなり放出され、最後に炭素の網目骨格だけが残り、ガラス状カーボンとなる。
また、ガラス状炭素には、熱硬化性樹脂に充填剤であるフィラーを混練し、焼成た複合性ガラス状炭素もある。この複合性ガラス状炭素の場合、ミクロサイズやナノサイズのフィラーを混ぜ合わせることで、潤滑性等の性能をさらに高めることが可能になる。
図２に拡大して示すように、回転側密封環３は、基材３ａと、基材３ａの摺動面側に接着層３ｂと、接着層３ｂを介して基材３ａに貼り付けられるガラス状炭素のシート状部材３ｃとを備えている。
ガラス状炭素のシート状部材３ｃは、別途、ガラス状炭素のシート状部材とされたものを、基材３ａの摺動面側の平面形状と同じ形状に加工して形成される。本発明におけるガラス状炭素のシート状部材３ｃの厚さは、従来技術１におけるダイヤモンドライクカーボン膜の厚さ略１μｍよりも約１００倍程度で厚いので、ダイヤモンドライクカーボン膜を被覆した場合に比べて剥離しにくいという特徴がある。
接着層３ｂは、熱硬化性樹脂から構成され、ガラス状炭素のシート状部材３ｃの全面に施される。
基材３ａは、炭化珪素（ＳｉＣ）またはカーボンから構成され、所定の内径ｄ１、外径ｄ２及び厚さｔに加工される。
回転側密封環３の製作においては、まず、所定の形状に加工された基材３ａの摺動面側に熱硬化性樹脂からなる接着層３ｂを塗布し、その上に、ガラス状炭素のシート状部材３ｃを添接し、接着層３ｂを介してガラス状炭素のシート状部材３ｃを基材３ａに貼り付ける。次に、熱硬化性樹脂からなる接着層３ｂを加熱して硬化処理を行う。熱硬化性樹脂の接着層３ｂの硬化により、ガラス状炭素のシート状部材３ｃは基材３ａの摺動面側に貼り付けられ、基材３ａと一体化される。
なお、熱硬化性樹脂からなる接着層３ｂの硬化処理は、接着層３ｂを約３００℃程度に加熱し、熱硬化性樹脂を熱硬化させる。基材３ａの種類にもよるが、必要に応じ、熱硬化性樹脂を炭化するまで加熱してもよい。
以上説明した実施例１の摺動部品は以下のような優れた効果を奏する。
（１）密封環の摺動面Ｓにガラス状炭素が存在することにより、摺動面Ｓでの堆積物発生原因物質の濃縮及び堆積物の生成が防止され、摺動面Ｓのシール機能を向上させた摺動部品を提供することができる。
また、ガラス状炭素は耐摩耗性に優れた材料であるため、流体潤滑状態で摺動する摺動面における摩耗が深部に達することを防止でき、摺動部品の耐摩耗性を向上させると共に耐異物性能も向上させることができる。
なお、上記の異物としては外部からの異物や堆積物などが含まれる。
（２）密封環の基材３ａとは別に、基材３ａの摺動面Ｓ側にガラス状炭素をシート状にしたシート状部材３ｃを貼り付ける構成とすることにより、上記従来技術２のように、密封環全体をガラス状炭素で形成する場合に比べて、内部から発生するガスを逃げ易くし、クラックの発生を防止することができる。さらに、ガラス状炭素の熱伝導率の悪さを基材３ａの材質でカバーすることができる。
また、密封環全体をガラス状炭素で形成する場合には製作できなかった大きなサイズの密封環でも製作することができる。
また、摺動面Ｓに表面テクスチャーを形成する際にも、シート状部材３ｃに表面テクスチャーを形成すればよいため、加工が容易である。
（３）密封環の基材３ａとは別に、基材３ａの摺動面Ｓ側にガラス状炭素をシート状にしたシート状部材３ｃを貼り付ける構成とすることにより、上記従来技術３のように、摺動材の摺動面にガラス状炭素の改質領域を生成する場合に比べて、高度な技術を要することなく摺動面Ｓにガラス状炭素の領域を設けることができる。
また、基材３ａの材質についてはガラス状炭素の改質領域が生成可能な材料に限定されないため、材料選択の自由度を大きくすることができる。例えば、安価な材料を選択して材料コストの削減を図ることができる。また、例えば、熱伝導率のよい材料を選択して、放熱性の高い摺動部品を得ることができる。
また、摺動面Ｓに表面テクスチャーを形成する際にも、シート状部材３ｃに表面テクスチャーを形成すればよいため、加工が容易である。
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に係る摺動部品は、摺動面に表面テクスチャーが施されている点で実施例１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、重複する説明は省略する。
図３において、回転側密封環３は、基材３ａと、基材３ａの摺動面側に接着層３ｂと、接着層３ｂを介して基材３ａに貼り付けられるガラス状炭素のシート状部材３ｃとを備え、シート状部材３ｃの摺動面Ｓにはディンプル１０が設けられている。
図３においては、ディンプル１０はシート状部材３ｃを貫通するように設けられているが、これに限らず、例えば、シート状部材３ｃの厚さより浅く設けられてもよい。
図３においては、円形のディンプル１０が周方向に複数、それぞれ独立して配列され、高圧流体側及び低圧流体側とはランド部Ｒ（摺動面Ｓのうち、ディンプルなどの溝が形成されていない部分を意味する。）により隔離されている。
ディンプル１０の形状は円形の他、長円形、楕円形あるいは矩形でもよい。また、ディンプル１０の径及び深さは摺動部品の諸元、すなわち、摺動面の直径、摺動速度及び被密封流体の粘度などに応じて設計的に決められる。例えば、ディンプル１０の径としては５０μｍ〜２００μｍ、深さとしては０．１μｍ〜１００μｍの範囲が適当である。また、ディンプル１０の径方向の配列は２列に限らず、３列以上でもよく、周方向のピッチも必要に応じて設計的に決められる。
摺動面に形成された多数のディンプル１０は、相手摺動面との間に流体力学的な潤滑液膜として介入する被密封流体を保持するものである。そして、個々のディンプル１０は、それぞれ、レイリーステップを構成するものとみなすことができる。
すなわち、図３（ｂ）において、回転側密封環３の摺動面に形成された各ディンプル１０の矢印で示す相手摺動面の回転方向と直交する下流側の面１０ａにはレイリーステップが形成されており、固定側密封環の摺動面Ｓは平坦に形成されている。回転側密封環３の摺動面の相手側摺動面が矢印方向へ相対回転すると、各摺動面Ｓ間に介在する流体が、その粘性によって各摺動面Ｓの移動方向へ追随移動しようとするので、ディンプル１０内の上流側では負圧になると同時に、レイリーステップ１０ａにおいて正圧（動圧）を発生する。
なお、レイリーステップの機能については、後記において詳しく説明する。
ディンプル１０から構成される正圧発生機構は、被密封流体を保持すると共に、正圧（動圧）を発生することにより各摺動面Ｓ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。
以上説明した実施例２の摺動部品は上記実施例１の効果に加えて以下のような優れた効果を奏する。
（１）シート状部材３ｃを作製するときに型でディンプル１０を予め設けることができるため、シート状部材３ｃの基材３ａへの接着後のディンプル１０の加工を不要とすることができ、ディンプル１０の加工を容易に行うことができる。
（２）作製されたシート状部材３ｃに対して基材３ａへの貼り付け前に予めディンプル１０の加工を行う場合にも、シート状であるため、ディンプル１０の加工を打ち抜きにより加工することも可能であり、ディンプル１０の加工を比較的容易に行うことができる。
（３）ディンプル１０内の上流側で負圧が発生し、摺動面Ｓ内に侵入した被密封流体が蒸発することで堆積物発生原因物質が析出・生成される場合でも、ガラス状炭素のシート状部材３ｃの存在により負圧部分における析出物の堆積を防止し、ランド部Ｒにおける堆積物の付着を防止することができる。
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に係る摺動部品は、摺動面に表面テクスチャーが施されている点で実施例１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、重複する説明は省略する。
図４において、回転側密封環３は、基材３ａと、基材３ａの摺動面側に接着層３ｂと、接着層３ｂを介して基材３ａに貼り付けられるガラス状炭素のシート状部材３ｃとを備え、シート状部材３ｃの摺動面Ｓには螺旋溝１１が設けられている。
図４に示すように、シート状部材３ｃの摺動面Ｓには、周方向に間隔をおいて複数の螺旋溝１１が形成されている。螺旋溝１１は、摺動面Ｓの外周側から内周側に向かって相手摺動面の回転方向に傾斜しており、外周側の基端部１１ａが高圧流体側に連通され、内周側の先端部１１ｂは低圧流体側とは摺動面Ｓのランド部Ｒにより隔離され、溝の出口が封じられている。このため、内周側の先端部１１ｂはレイリーステップを構成するものとみなすことができる。
なお、螺旋溝１１の形状としては図４に示す形状に限らず、例えば、矩形状の溝が摺動面Ｓの外周側から内周側に向かって相手摺動面の回転方向に傾斜した配設されたものでもよい。また、外周側の基端部１１ａが高圧流体側に連通することなく、ランド部Ｒで高圧流体側と隔離されてもよい。
なお、螺旋溝１１の幅及び深さは摺動品の諸元、すなわち、摺動面の直径、摺動速度及び被密封流体の粘度などに応じて設計的に決められる。
回転側密封環３が回転すると、摺動面Ｓの外周側の基端部１１ａから被密封流体が螺旋溝１１に微量取り込まれると共に、各摺動面Ｓ間に介在する流体が、その粘性によって各摺動面Ｓの移動方向へ追随移動しようとするので、螺旋溝１１内の上流側では負圧になると同時に、先端部１１ｂ（レイリーステップ）において正圧（動圧）を発生する。
なお、レイリーステップの機能については、後記において詳しく説明する。
螺旋溝１１から構成される正圧発生機構は、螺旋溝１１内に被密封流体を導入すると共に正圧（動圧）を発生することにより各摺動面Ｓ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。
以上説明した実施例３の摺動部品は上記実施例１の効果に加えて以下のような優れた効果を奏する。
（１）シート状部材３ｃを作製するときに型で螺旋溝１１を予め設けることができるため、シート状部材３ｃの基材３ａへの接着後の螺旋溝１１の加工を不要とすることができ、螺旋溝１１の加工を容易に行うことができる。
（２）作製されたシート状部材３ｃに対して基材３ａへの貼り付け前に予め螺旋溝１１の加工を行う場合にも、シート状であるため、螺旋溝１１の加工を打ち抜きにより加工することが可能であり、螺旋溝１１の加工を比較的容易に行うことができる。
（３）螺旋溝１１内の上流側で負圧が発生し、摺動面Ｓ内に侵入した被密封流体が蒸発することで堆積物発生原因物質が析出・生成される場合でも、ガラス状炭素のシート状部材３ｃの存在により負圧部分における析出物の堆積を防止し、ランド部Ｒにおける堆積物の付着を防止することができる。
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に係る摺動部品は、摺動面に表面テクスチャーが施されている点で実施例１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、重複する説明は省略する。
図５において、回転側密封環３は、基材３ａと、基材３ａの摺動面側に接着層３ｂと、接着層３ｂを介して基材３ａに貼り付けられるガラス状炭素のシート状部材３ｃとを備え、シート状部材３ｃの摺動面Ｓにはレイリーステップ機構１２が設けられている。
図５に示すように、シート状部材３ｃの摺動面Ｓには、正圧発生溝１２ａを備えるレイリーステップ機構１２が設けられており、正圧発生溝１２ａは、上流側の入口部１２ｂにおいて正圧発生溝１２ａより深い半径方向溝１３に連通し、入口部１２ｂ以外の部分はランド部Ｒにより隔離されている。
一例として、摺動面Ｓの径が約２０ｍｍ、摺動面幅が約２ｍｍの場合、正圧発生溝１２ａの幅は０．４〜０．６ｍｍ、深さは数μｍであり、半径方向溝１３の幅（円周方向の角度）は約６°、深さは数十μｍである。
図５においては、レイリーステップ機構１２は摺動面Ｓの周方向に複数設けられているが、これに限らず、１以上であればよい。
回転側密封環３が回転すると、半径方向溝１３を介して被密封流体が正圧発生溝１２ａに進入すると共に、各摺動面Ｓ間に介在する流体が、その粘性によって各摺動面Ｓの移動方向へ追随移動しようとするので、正圧発生溝１２ａの上流側では負圧になると同時に、下流側端部のレイリーステップ１２ｃにおいて正圧（動圧）を発生する。
なお、レイリーステップの機能については、後記において詳しく説明する。
レイリーステップ機構１２は、正圧（動圧）を発生することにより各摺動面Ｓ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。
以上説明した実施例４の摺動部品は上記実施例１の効果に加えて以下のような優れた効果を奏する。
（１）シート状部材３ｃを作製するときに型でレイリーステップ機構１２及び半径方向溝１３を予め設けることができるため、シート状部材３ｃの基材３ａへの接着後のレイリーステップ機構１２及び半径方向溝１３の加工を不要とすることができ、レイリーステップ機構１２及び半径方向溝１３の加工を容易に行うことができる。
（２）作製されたシート状部材３ｃに対して基材３ａへの貼り付け前に予めレイリーステップ機構１２及び半径方向溝１３の加工を行う場合にも、シート状であるため、例えば、半径方向溝１３の加工を打ち抜きにより加工することが可能であり、半径方向溝１３の加工を比較的容易に行うことができる。
（３）レイリーステップ機構１２の上流側で負圧が発生し、摺動面Ｓ内に侵入した被密封流体が蒸発することで堆積物発生原因物質が析出・生成される場合でも、ガラス状炭素のシート状部材３ｃの存在により負圧部分における析出物の堆積を防止し、ランド部Ｒにおける堆積物の付着を防止することができる。
次に、図６を参照しながら、本発明におけるレイリーステップの機能について説明する。
図６（ａ）において、固定側密封環５に対して回転側密封環３が矢印で示す方向に回転移動すると、回転側密封環３の摺動面Ｓにディンプル１０、螺旋溝１１またはレイリーステップ機構１２などからなる表面テクスチャーが施されていると、該表面テクスチャーの下流側には狭まり隙間（段差）１４が存在する。相対する固定側密封環５の摺動面は平坦である。
回転側密封環３が矢印で示す方向に相対移動すると、回転側密封環３及び固定側密封環５の摺動面間に介在する流体が、その粘性によって、回転側密封環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）１４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。
図６（ｂ）においては、矢印で示すように、固定側密封環５に対して回転側密封環３が矢印で示す方向に回転移動すると、回転側密封環３の摺動面Ｓにディンプル１０、螺旋溝１１またはレイリーステップ機構１２などからなる表面テクスチャーが施されていると、該表面テクスチャーの上流側には拡がり隙間（段差）１５が存在する。相対する固定側密封環５の摺動面は平坦である。
回転側密封環３が矢印で示す方向に相対移動すると、回転側密封環３及び固定側密封環５の摺動面間に介在する流体が、その粘性によって、回転側密封環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）１５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、螺旋溝１１またはレイリーステップ機構１２などからなる表面テクスチャー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。
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うち、回転用密封環について、基材と、基材の摺動面側に接着層と、接着層を介して前記基材に貼り付けられるガラス状炭素のシート状部材とを備える例について説明したが、これに限定されることなく、固定用密封環について、基材と、基材の摺動面側に接着層と、接着層を介して前記基材に貼り付けられるガラス状炭素のシート状部材とを備える構成としてもよい。
また、例えば、前記実施例では、回転用密封環及び固定用密封環の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、ガラス状炭素のシート状部材３ｃの厚さは、ダイヤモンドライクカーボン膜の厚さ略１μｍよりも約１００倍程度で厚いと説明したが、これは一応の目安を示したに過ぎず、摺動部品の諸元、例えば、外径、内径及び摺動速度などに応じて設計的に決められるものである。
１ 回転軸１
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 付勢部材
７ スリーブ
８ カップガスケット
１０ ディンプル
１０ａ ディンプルの下流側の面
１１ 螺旋溝
１１ａ 外周側の基端部
１１ｂ 内周側の先端部
１２ 正圧発生機構
１２ａ 正圧発生溝
１２ｂ 入口部
１２ｃ レイリーステップ
１３ 半径方向溝
１４ 狭まり隙間（段差）
１５ 拡がり隙間（段差）
Ｓ 摺動面
Ｒ ランド部

Claims (6)

  1. 固定側に固定される円環状の固定側密封環と、回転軸とともに回転する円環状の回転側密封環とを備え、前記固定側密封環及び前記回転側密封環の対向する各摺動面を相対回転させることにより、相対回転摺動する前記摺動面の径方向の一方側に存在する高圧流体を密封する摺動部品において、
    前記固定側密封環及び前記回転側密封環の少なくとも一方は、基材と、前記基材の摺動面側に接着層と、前記接着層を介して前記基材に貼り付けられるガラス状炭素のシート状部材とを備え、
    前記シート状部材は、該シート状部材を貫通する表面テクスチャーを備えることを特徴とする摺動部品。
  2. 前記基材は、カーボン、ＳｉＣまたは超硬合金から構成されることを特徴とする請求項１に記載の摺動部品。
  3. 前記接着層は、熱硬化性樹脂から構成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. 前記表面テクスチャーはディンプルであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の摺動部品。
  5. 前記表面テクスチャーは螺旋溝であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の摺動部品。
  6. 前記表面テクスチャーはレイリーステップ機構であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の摺動部品。
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