JP6918012B2 - しゅう動部品 - 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、しゅう動部に適したしゅう動部品に関する。特に、しゅう動面に流体を介在させて摩擦を低減させるとともに、しゅう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しゅう動部品に関する。
しゅう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しゅう動材質やしゅう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、本出願人は、静止時に漏れず、回転初期を含み回転時には流体潤滑で作動するとともに漏れを防止し、密封と潤滑とを両立させることのできるしゅう動部品の発明を特許出願している（以下、「従来技術」という。特許文献１参照）。
そのような中で、本出願人は、静止時に漏れず、回転初期を含み回転時には流体潤滑で作動するとともに漏れを防止し、密封と潤滑とを両立させることのできるしゅう動部品の発明を特許出願している（以下、「従来技術」という。特許文献１参照）。
この従来技術の一実施形態として、図７に示すような、環状体からなるしゅう動部品３１の外周側が高圧流体側、内周側が低圧流体側であって、しゅう動面３２の高圧側には正圧発生機構を構成するレイリーステップ機構３３のグルーブ部３５が、低圧側には負圧発生機構を構成する逆レイリーステップ機構３４のグルーブ部３６が設けられるとともに、グルーブ部３５とグルーブ部３６との間に圧力開放溝４５が設けられ、グルーブ部３５、圧力開放溝４５及びグルーブ部３６は半径方向溝３７を介して高圧流体側に連通され、低圧流体側とはシール面３８により隔離されているしゅう動部品において、半径方向溝３７がグルーブ部３６に連通する内周側から外周側に向けて相手しゅう動面の回転方向に向かって傾斜する形状のしゅう動部品が提案されている。この実施形態の場合、しゅう動面３２の流体は矢印４６で示す方向に排出される。また、グルーブ部３５及びグルーブ部３６の溝深さは約数μｍ、半径方向溝３７及び圧力開放溝４５の溝深さは約数十μｍであって、半径方向溝３７及び圧力開放溝４５の溝深さはグルーブ部３５及びグルーブ部３６の溝深さより十分に深いものとされている。
しかし、上記の従来技術は、静止時に漏れず、回転初期を含み回転時には流体潤滑で作動するとともに漏れを防止し、密封と潤滑とを両立させることのできるようにした点できわめて優れたものであるが、圧力開放溝４５は正圧発生機構のグルーブ部３５と負圧発生機構のグルーブ部３６との間に設けられ、漏れ側である低圧流体側には負圧発生機構のグルーブ部３６が設けられているため、高圧流体側の流体をしゅう動面３２の低圧流体側まで導入することができず、低圧流体側のしゅう動面において液膜切れが発生し、しゅう動面の摩擦発熱による摩耗や焼損等が発生し、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本発明者において確認された。
本発明は、従来技術の長所を生かしつつ、その問題となる点を改良するために行われたものであり、密封と潤滑という相反する条件を両立させつつ、しゅう動面全体に積極的に流体を取り入れ、しゅう動面の摩擦発熱による摩耗や焼損等を防止すると共に漏れを防止することにより、長期間にわたりしゅう動面の密封機能を維持させることのできるしゅう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しゅう動部品は、第１に、
一対の環状体からなり互いに相対しゅう動するしゅう動面を有するしゅう動部品において、前記しゅう動部品の外周側と内周側のうち、一方は密封流体側、他方は反密封流体側であり、
少なくとも一方側の前記しゅう動面は、正圧発生溝を備えた正圧発生機構と、負圧発生溝を備えた負圧発生機構と、前記正圧発生溝及び前記負圧発生溝を前記反密封流体側から隔離するランド部と、前記正圧発生溝及び前記負圧発生溝の溝深さより深く、かつ、少なくとも前記密封流体側に連通する深溝と、を備え、
前記深溝は半径方向溝及び円周方向溝から構成され、
前記正圧発生溝又は前記負圧発生溝は、径方向において離間して複数列に配設され、前記円周方向溝は、前記正圧発生溝及び前記負圧発生溝より前記反密封流体側、及び、前記正圧発生溝と前記負圧発生溝との径方向の間に配設されることを特徴としている。
この特徴によれば、しゅう動面に正圧発生溝及び負圧発生溝を効率よく配設することができると共にしゅう動面全体に積極的かつ有効に流体を取り入れ、しゅう動面の液膜切れを抑制し、低トルク、低摩耗及び被密封流体溶融物の耐付着性を向上を図ると共に漏れを防止することにより、長期間にわたりしゅう動面の密封機能を維持させることのできるしゅう動部品を提供することができる。
一対の環状体からなり互いに相対しゅう動するしゅう動面を有するしゅう動部品において、前記しゅう動部品の外周側と内周側のうち、一方は密封流体側、他方は反密封流体側であり、
少なくとも一方側の前記しゅう動面は、正圧発生溝を備えた正圧発生機構と、負圧発生溝を備えた負圧発生機構と、前記正圧発生溝及び前記負圧発生溝を前記反密封流体側から隔離するランド部と、前記正圧発生溝及び前記負圧発生溝の溝深さより深く、かつ、少なくとも前記密封流体側に連通する深溝と、を備え、
前記深溝は半径方向溝及び円周方向溝から構成され、
前記正圧発生溝又は前記負圧発生溝は、径方向において離間して複数列に配設され、前記円周方向溝は、前記正圧発生溝及び前記負圧発生溝より前記反密封流体側、及び、前記正圧発生溝と前記負圧発生溝との径方向の間に配設されることを特徴としている。
この特徴によれば、しゅう動面に正圧発生溝及び負圧発生溝を効率よく配設することができると共にしゅう動面全体に積極的かつ有効に流体を取り入れ、しゅう動面の液膜切れを抑制し、低トルク、低摩耗及び被密封流体溶融物の耐付着性を向上を図ると共に漏れを防止することにより、長期間にわたりしゅう動面の密封機能を維持させることのできるしゅう動部品を提供することができる。
また、本発明のしゅう動部品は、第２に、第１の特徴において、
前記正圧発生溝及び前記負圧発生溝は前記半径方向溝を挟み円周方向に断続的に円弧状に配設されると共に、前記円周方向溝は前記半径方向溝を介して円周方向に連続して配設されることを特徴としている。
この特徴によれば、正圧発生溝及び負圧発生溝がそれぞれ複数配設される場合にも、しゅう動面に正圧発生溝及び負圧発生溝を効率よく配設することができると共にしゅう動面全体に有効に流体を取り入れることができる。
前記正圧発生溝及び前記負圧発生溝は前記半径方向溝を挟み円周方向に断続的に円弧状に配設されると共に、前記円周方向溝は前記半径方向溝を介して円周方向に連続して配設されることを特徴としている。
この特徴によれば、正圧発生溝及び負圧発生溝がそれぞれ複数配設される場合にも、しゅう動面に正圧発生溝及び負圧発生溝を効率よく配設することができると共にしゅう動面全体に有効に流体を取り入れることができる。
また、本発明のしゅう動部品は、第３に、第１又は第２の特徴において、
前記正圧発生溝がレイリーステップグルーブから形成され、前記負圧発生溝が逆レイリーステップグルーブ又はポンピンググルーブから形成されることを特徴としている。
この特徴によれば、しゅう動面において正圧及び負圧を効率よく発生することができる。
前記正圧発生溝がレイリーステップグルーブから形成され、前記負圧発生溝が逆レイリーステップグルーブ又はポンピンググルーブから形成されることを特徴としている。
この特徴によれば、しゅう動面において正圧及び負圧を効率よく発生することができる。
本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）正圧発生溝及び負圧発生溝の溝深さより深い深溝が正圧発生溝及び負圧発生溝より少なくとも反密封流体側に位置して配設され、深溝は少なくとも密封流体側に連通するように設けられることにより、しゅう動面全体に積極的に流体を取り入れ、しゅう動面の液膜切れを抑制し、低トルク、低摩耗及び被密封流体溶融物の耐付着性を向上を図ると共に漏れを防止することにより、長期間にわたりしゅう動面の密封機能を維持させることのできるしゅう動部品を提供することができる。
（１）正圧発生溝及び負圧発生溝の溝深さより深い深溝が正圧発生溝及び負圧発生溝より少なくとも反密封流体側に位置して配設され、深溝は少なくとも密封流体側に連通するように設けられることにより、しゅう動面全体に積極的に流体を取り入れ、しゅう動面の液膜切れを抑制し、低トルク、低摩耗及び被密封流体溶融物の耐付着性を向上を図ると共に漏れを防止することにより、長期間にわたりしゅう動面の密封機能を維持させることのできるしゅう動部品を提供することができる。
（２）深溝は半径方向溝及び円周方向溝から構成されることにより、しゅう動面に正圧発生溝及び負圧発生溝を効率よく配設することができると共にしゅう動面全体に有効に流体を取り入れることができる。
（３）正圧発生溝及び負圧発生溝は半径方向溝を挟み円周方向に断続的に円弧状に配設されると共に、円周方向溝は半径方向溝を介して円周方向に連続して配設されることにより、正圧発生溝及び負圧発生溝がそれぞれ複数配設される場合にも、しゅう動面に正圧発生溝及び負圧発生溝を効率よく配設することができると共にしゅう動面全体に有効に流体を取り入れることができる。
（４）正圧発生溝がレイリーステップグルーブから形成され、また、負圧発生溝が逆レイリーステップグルーブ又はポンピンググルーブから形成されることにより、しゅう動面において正圧及び負圧を効率よく発生することができる。
（５）正圧発生溝又は負圧発生溝は径方向において離間して複数列に配設され、円周方向溝は正圧発生溝及び負圧発生溝より反密封流体側、及び、正圧発生溝と負圧発生溝との径方向の間に配設されることにより、正圧及び負圧をしゅう動面全体に有効に発生することができると共に流体をしゅう動面全体に有効に取り入れることができる。
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ないし図６を参照して、本発明の実施例１に係るしゅう動部品について説明する。
なお、以下の実施例においては、しゅう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しゅう動部品の外周側を密封流体側、内周側を反密封流体側（空気側）として説明するが、本発明はこれに限定されることなく、密封流体側と反密封流体側（空気側）とが逆の場合も適用可能である。
なお、以下の実施例においては、しゅう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しゅう動部品の外周側を密封流体側、内周側を反密封流体側（空気側）として説明するが、本発明はこれに限定されることなく、密封流体側と反密封流体側（空気側）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、しゅう動面の外周から内周方向に向かって漏れようとする密封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、密封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しゅう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しゅう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しゅう動面Ｓ同士で密接しゅう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との互いのしゅう動面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に係るしゅう動部品のしゅう動面を示したものであって、ここでは、図２の固定側密封環５のしゅう動面に本発明が適用された場合を例にして説明する。
なお、回転側密封環３のしゅう動面に本発明が適用された場合も基本的には同様であるが、その場合、半径方向溝は密封流体側に連通すればよいため、しゅう動面の外周側まで設けられる必要はない。
なお、回転側密封環３のしゅう動面に本発明が適用された場合も基本的には同様であるが、その場合、半径方向溝は密封流体側に連通すればよいため、しゅう動面の外周側まで設けられる必要はない。
図２において、固定側密封環５のしゅう動面の外周側が密封流体側であり、また、内周側が反密封流体側（空気側）であり、相手しゅう動面は反時計方向に回転するものとして説明する。
固定側密封環５のしゅう動面Ｓには正圧発生溝１１を備えた正圧発生機構１０、及び、負圧発生溝１３を備えた負圧発生機構１２が配列されており、これらは反密封流体側とランド部Ｒ（シール面）により隔離されて設けられている。
なお、ランド部Ｒはしゅう動面Ｓの平滑な部分を指している。
そして、正圧発生溝１１及び負圧発生溝１３より少なくとも反密封流体側には、反密封流体側とランド部Ｒにより隔離されるようにして深溝１４が設けられている。
なお、ランド部Ｒはしゅう動面Ｓの平滑な部分を指している。
そして、正圧発生溝１１及び負圧発生溝１３より少なくとも反密封流体側には、反密封流体側とランド部Ｒにより隔離されるようにして深溝１４が設けられている。
図３（ｂ）に示すように、深溝１４の溝深さは正圧発生溝１１及び負圧発生溝１３の溝深さより深い。
また、図２に示すように、深溝１４は半径方向溝１４ａ及び円周方向溝１４ｂから構成されている。
本例では、円周方向溝１４ｂは８個の半径方向溝１４ａを介して円周方向に連続して配設されている。
さらに、正圧発生溝１１の上流側及び負圧発生溝１３の下流側は半径方向溝１４ａを介して密封流体側に連通するように設けられている。
また、図２に示すように、深溝１４は半径方向溝１４ａ及び円周方向溝１４ｂから構成されている。
本例では、円周方向溝１４ｂは８個の半径方向溝１４ａを介して円周方向に連続して配設されている。
さらに、正圧発生溝１１の上流側及び負圧発生溝１３の下流側は半径方向溝１４ａを介して密封流体側に連通するように設けられている。
図２の例では、しゅう動面の密封流体側においては、１つの半径方向溝１４ａ−１を挟み、当該半径方向溝１４ａ−１に連通するようにして下流側に正圧発生溝１１が、上流側に負圧発生溝１３が、円周方向に８等配で断続的に円弧状に配設されている。また、しゅう動面の反密封流体側においては、次の径方向溝１４ａ−２を挟み、当該半径方向溝１４ａ−２に連通するようにして下流側に正圧発生溝１１が、上流側に負圧発生溝１３が、円周方向に８等配で断続的に円弧状に配設されている。
すなわち、正圧発生溝１１の上流側、負圧発生溝１３の下流側は、それぞれ、半径方向溝１４ａに連通される必要があるため、円周方向の配列が交互に入れ替えられている。
たとえば、Ａ部を起点にして説明すると、Ａ部の密封流体側は正圧発生溝１１が、反密封流体側には負圧発生溝１３が配設され、下流側に向かって、順次、正圧発生溝１１と負圧発生溝１３とが円周方向の位置を入れ替えるようにして配列されている。
すなわち、正圧発生溝１１の上流側、負圧発生溝１３の下流側は、それぞれ、半径方向溝１４ａに連通される必要があるため、円周方向の配列が交互に入れ替えられている。
たとえば、Ａ部を起点にして説明すると、Ａ部の密封流体側は正圧発生溝１１が、反密封流体側には負圧発生溝１３が配設され、下流側に向かって、順次、正圧発生溝１１と負圧発生溝１３とが円周方向の位置を入れ替えるようにして配列されている。
正圧発生溝１１及び負圧発生溝１３及び深溝１４の配列の形態が、図２に示すように、順次、円周方向に交互に配列されている場合、相手しゅう動面の回転方向が矢印で示す反時計方向と反対の時計方向である場合にも、しゅう動部品として同様の機能を奏することができるため、両方向に回転する機器に適している。
なお、しゅう動面の径方向において正圧発生溝１１と負圧発生溝１３とを図２のように円周方向の配列が交互に入れ替えて配列することに限らず、密封流体側（外径側）には正圧発生溝１１を、その反密封流体側（内径側）には負圧発生溝１３を配設してもよい。
この場合、外径側には全周にわたって正圧が発生し、内径側全周にわたって負圧が発生するため、漏れを少なくすることができるが、一方向に回転する機器にしか適用できない。
また、正圧発生溝１１及び負圧発生溝１３はしゅう動面に少なくと１個あればよく、また、半径方向溝１４ａも正圧発生溝１１及び負圧発生溝１３の数に応じて適宜設けられる。
この場合、外径側には全周にわたって正圧が発生し、内径側全周にわたって負圧が発生するため、漏れを少なくすることができるが、一方向に回転する機器にしか適用できない。
また、正圧発生溝１１及び負圧発生溝１３はしゅう動面に少なくと１個あればよく、また、半径方向溝１４ａも正圧発生溝１１及び負圧発生溝１３の数に応じて適宜設けられる。
また、図２の例では、円周方向溝１４ｂは正圧発生溝１１及び負圧発生溝１３より反密封流体側に配設される反密封流体側円周方向溝１４ｂａに加えて、正圧発生溝１１と負圧発生溝１３との径方向の間にも配設される中間円周方向溝１４ｂｂを備えている。
さらに、図２の例では、正圧発生機構１０はレイリーステップ機構から形成され、また負圧発生機構１２は逆レイリーステップ機構から形成されている。レイリーステップ機構はレイリーステップグルーブ１１（正圧発生溝１１）を備え、また、逆レイリーステップ機構は逆レイリーステップグルーブ１３（負圧発生溝１３）を備えている。
負圧発生溝は逆レイリーステップグルーブ１３に限らず、ポンピンググルーブ（円周方向に延びた窪み）でもよく、この場合、ポンピンググルーブは深溝１４に連通される必要はない。
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。
負圧発生溝は逆レイリーステップグルーブ１３に限らず、ポンピンググルーブ（円周方向に延びた窪み）でもよく、この場合、ポンピンググルーブは深溝１４に連通される必要はない。
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。
半径方向溝１４ａは、密封流体側に連通する入口部１４ａａと、レイリーステップグルーブ１１の上流側、逆レイリーステップグルーブ１３の下流側、中間円周方向溝１４ｂｂ及び反密封流体側円周方向溝１４ｂａと連通する連通部１４ａｂとから構成され、図２の例では平面形状が略矩形状をなしている。
なお、半径方向溝１４ａの平面形状は、略矩形状に限らず、たとえば、密封流体側から流体が入りやすいように、入口部１４ａａが大きく、反密封流体側が小さい、略扇状でもよい。
なお、半径方向溝１４ａの平面形状は、略矩形状に限らず、たとえば、密封流体側から流体が入りやすいように、入口部１４ａａが大きく、反密封流体側が小さい、略扇状でもよい。
正圧発生機構１０は、その上流側において半径方向溝１４ａの連通部１４ａｂを介して密封流体側から流体を吸い込み、正圧を発生し、発生した正圧により相対しゅう動するしゅう動面の間隔を広げ、該しゅう動面に液膜を形成し、潤滑性を向上させるものである。
また、負圧発生機構１２は、上流側において負圧を発生させる結果、キャビテーションが発生し、キャビテーション内部圧力は、大気圧より低く負圧となるため、流体は図３（ａ）の矢印で示すように負圧発生機構１２へ流入する結果、しゅう動面の反密封流体側において吸い込みが発生し、密封流体側から反密封流体側への漏れを防止するものである。そして負圧発生機構１２に吸い込まれた流体はその下流側において密封流体側に接続された半径方向溝１４ａを介して密封流体側に排出される。
さらに、深溝１４は、密封流体側の被密封流体をしゅう動面Ｓの反密封流体側の部分をも含むほぼ全面に被密封流体を導き、しゅう動面の摩擦発熱による摩耗や焼損等を防止するものである。
すなわち、深溝１４の反密封流体側円周方向溝１４ｂａは、しゅう動面Ｓの密封流体側から反密封流体側に漏れようとする流体を導き、半径方向溝１４を介して密封流体側に逃す役割を果たすものである。
さらに、深溝１４の中間円周方向溝１４ｂｂは、正圧発生機構１０、例えば、レイリーステップ機構で発生した動圧（正圧）を高圧側流体の圧力まで開放することで、流体が低圧側の負圧発生機構１２、たとえば、逆レイリーステップ機構に流入し、負圧発生機構１２の負圧発生能力が弱まることを防止する役割を果たすものであり、高圧側の正圧発生機構１０で発生した圧力により反密封流体側に流入しようとする流体を中間円周方向溝１４ｂｂに導き、半径方向溝１４を介して密封流体側に逃す役割を果たすものである。
すなわち、深溝１４の反密封流体側円周方向溝１４ｂａは、しゅう動面Ｓの密封流体側から反密封流体側に漏れようとする流体を導き、半径方向溝１４を介して密封流体側に逃す役割を果たすものである。
さらに、深溝１４の中間円周方向溝１４ｂｂは、正圧発生機構１０、例えば、レイリーステップ機構で発生した動圧（正圧）を高圧側流体の圧力まで開放することで、流体が低圧側の負圧発生機構１２、たとえば、逆レイリーステップ機構に流入し、負圧発生機構１２の負圧発生能力が弱まることを防止する役割を果たすものであり、高圧側の正圧発生機構１０で発生した圧力により反密封流体側に流入しようとする流体を中間円周方向溝１４ｂｂに導き、半径方向溝１４を介して密封流体側に逃す役割を果たすものである。
レイリーステップグルーブ１１、逆レイリーステップグルーブ１３、及び深溝の深さ及び幅は、しゅう動部品の径、しゅう動面幅及び相対移動速度、並びに、密封及び潤滑の条件等に応じて適宜決定される性質のものである。
一例として示すと、しゅう動部品の径が約２０ｍｍ、しゅう動面幅が約２ｍｍの場合、正圧発生溝１１及び負圧発生溝１３の幅は０．４〜０．６ｍｍ、深さは数μｍであり、内周側のランド部Ｒの幅は０．２〜０．４ｍｍである。また、深溝１４の深さは数十μｍ〜数百μｍである。
一例として示すと、しゅう動部品の径が約２０ｍｍ、しゅう動面幅が約２ｍｍの場合、正圧発生溝１１及び負圧発生溝１３の幅は０．４〜０．６ｍｍ、深さは数μｍであり、内周側のランド部Ｒの幅は０．２〜０．４ｍｍである。また、深溝１４の深さは数十μｍ〜数百μｍである。
ここで、図４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４（ａ）において、相対するしゅう動部品である回転側密封環３、及び、固定側密封環５が矢印で示すように相対しゅう動する。例えば、固定側密封環５のしゅう動面には、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１１ａが形成され、該レイリーステップ１１ａの上流側には正圧発生溝であるグルーブ部１１が形成されている。相対する回転側密封環３及び固定側密封環５のしゅう動面は平坦である。
回転側密封環３及び固定側密封環５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のしゅう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または固定側密封環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１１ａ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、１５ａ、１５ｂは半径方向溝１５の入口部、出口部を、また、Ｒはシール面Ｓを構成するランド部を示す。
図４（ａ）において、相対するしゅう動部品である回転側密封環３、及び、固定側密封環５が矢印で示すように相対しゅう動する。例えば、固定側密封環５のしゅう動面には、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１１ａが形成され、該レイリーステップ１１ａの上流側には正圧発生溝であるグルーブ部１１が形成されている。相対する回転側密封環３及び固定側密封環５のしゅう動面は平坦である。
回転側密封環３及び固定側密封環５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のしゅう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または固定側密封環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１１ａ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、１５ａ、１５ｂは半径方向溝１５の入口部、出口部を、また、Ｒはシール面Ｓを構成するランド部を示す。
図４（ｂ）においても、相対するしゅう動部品である回転側密封環３、及び、固定側密封環５が矢印で示すように相対しゅう動するが、回転側密封環３及び固定側密封環５のしゅう動面には、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１３ａが形成され、該逆レイリーステップ１３ａの下流側には負圧発生溝であるグルーブ部１３が形成されている。相対する回転側密封環３及び固定側密封環５のしゅう動面は平坦である。
回転側密封環３及び固定側密封環５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のしゅう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または固定側密封環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１３ａ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、１４ａは半径方向溝を、また、Ｒはシール面Ｓを構成するランド部を示す。
回転側密封環３及び固定側密封環５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のしゅう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または固定側密封環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１３ａ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、１４ａは半径方向溝を、また、Ｒはシール面Ｓを構成するランド部を示す。
次に、図５に基づいて、本発明の実施例１に係るしゅう動部品における回転数と最小液膜の関係を説明する。最小液膜とは、しゅう動面全体に形成される液膜の内、その厚さが最小の部分の液膜を意味するものであり、反密封流体側のしゅう動面の液膜が相当する。
図５において、回転数が約５０ｒｐｍで最小液膜の厚さは０．１μｍであり、回転数が３００ｒｐｍまでは回転数の増大に伴い急速に増加し、その後、ゆるやかに増加する傾向にあり、回転数が約８００ｒｐｍで最小液膜の厚さは約０．３８μｍになる。
図５において、回転数が約５０ｒｐｍで最小液膜の厚さは０．１μｍであり、回転数が３００ｒｐｍまでは回転数の増大に伴い急速に増加し、その後、ゆるやかに増加する傾向にあり、回転数が約８００ｒｐｍで最小液膜の厚さは約０．３８μｍになる。
図５の結果によれば、本発明の実施例１に係るしゅう動部品は、最小の液膜が形成される反密封流体側のしゅう動面において、回転数の比較的小さい段階から液膜が形成され、回転数が約５００ｒｐｍ〜約８００ｒｐｍでは増加の程度が少ないことがわかる。すなわち、回転初期においても反密封流体側のしゅう動面に液膜が形成され、しゅう動面全体に潤滑状態が生成されること、及び、回転数が大きくなっても液膜の厚さがほぼ一定に保たれ、反密封流体側への漏れが少ないことを示している。
次に、図６に基づいて、本発明の実施例１に係るしゅう動部品における回転数と反密封流体側のしゅう動面における流量の関係を説明する。
図６において、回転数が約１００ｒｐｍ未満では反密封流体側の流量は少ない。
回転数が約１００ｒｐｍを超えると、反密封流体側の流量が増加し、８００ｒｐｍまでほぼ直線的に増加する。
反密封流体側のしゅう動面における流体の流量は、深溝１４を介して密封流体側から供給される流体の流量と密接に関係し、特に、反密封流体側のしゅう動面には負圧発生機構１２の存在により、図３（ａ）に示すように、しゅう動面の反密封流体側において吸い込み（ポンピング）が発生するため、負圧発生機構１２の吸い込み（ポンピング）が増加すれば増加する。
図６において、回転数が約１００ｒｐｍ未満では反密封流体側の流量は少ない。
回転数が約１００ｒｐｍを超えると、反密封流体側の流量が増加し、８００ｒｐｍまでほぼ直線的に増加する。
反密封流体側のしゅう動面における流体の流量は、深溝１４を介して密封流体側から供給される流体の流量と密接に関係し、特に、反密封流体側のしゅう動面には負圧発生機構１２の存在により、図３（ａ）に示すように、しゅう動面の反密封流体側において吸い込み（ポンピング）が発生するため、負圧発生機構１２の吸い込み（ポンピング）が増加すれば増加する。
図６の結果によれば、本発明の実施例１に係るしゅう動部品は、回転数の増大に伴い、反密封流体側の流量が増加していることから、深溝１４を介して密封流体側から反密封流体側に流体が供給されていること、及び、反密封流体側のしゅう動面に設けられた負圧発生機構１２による吸い込み（ポンピング）が有効に作用していることがわかる。このため、しゅう動面の潤滑状態を良好にすると共に漏れを防止することができる。
本発明の実施例１に係るしゅう動部品は上記のとおりであり、以下のような優れた効果を奏する。
（１）正圧発生溝１１及び負圧発生溝１３の溝深さより深い深溝１４が正圧発生溝１１及び負圧発生溝１３より少なくとも反密封流体側に位置して配設され、深溝１４は正圧発生溝１１の上流側、負圧発生溝１３の下流側及び密封流体側に連通するように設けられることにより、しゅう動面全体に積極的に流体を取り入れ、しゅう動面の液膜切れを抑制し、低トルク、低摩耗及び被密封流体溶融物の耐付着性を向上を図ると共に漏れを防止することにより、長期間にわたりしゅう動面の密封機能を維持させることのできるしゅう動部品を提供することができる。
（２）深溝１４は半径方向溝１４ａ及び円周方向溝１４ｂから構成されることにより、しゅう動面に正圧発生溝１１及び負圧発生溝１３を効率よく配設することができると共にしゅう動面全体に有効に流体を取り入れることができる。
（３）正圧発生溝１１及び負圧発生溝１３は半径方向溝１４ａを挟み円周方向に断続的に円弧状に配設されると共に、円周方向溝１４ｂは半径方向溝１４ａを介して円周方向に連続して配設されることにより、正圧発生溝１１及び負圧発生溝１３がそれぞれ複数配設される場合にも、しゅう動面に正圧発生溝１１及び負圧発生溝１３を効率よく配設することができると共にしゅう動面全体に有効に流体を取り入れることができる。
（４）正圧発生溝１１がレイリーステップグルーブから形成され、また、負圧発生溝１３が逆レイリーステップグルーブ又はポンピンググルーブから形成されることにより、しゅう動面において正圧及び負圧を効率よく発生することができる。
（５）正圧発生溝１１又は負圧発生溝１３は径方向において離間して複数列に配設され、円周方向溝１４ｂは正圧発生溝１１又は負圧発生溝１３より反密封流体側、及び、正圧発生溝１１と負圧発生溝１３との径方向の間に配設されることにより、正圧及び負圧をしゅう動面全体に有効に発生することができると共に流体をしゅう動面全体に有効に取り入れることができる。
（１）正圧発生溝１１及び負圧発生溝１３の溝深さより深い深溝１４が正圧発生溝１１及び負圧発生溝１３より少なくとも反密封流体側に位置して配設され、深溝１４は正圧発生溝１１の上流側、負圧発生溝１３の下流側及び密封流体側に連通するように設けられることにより、しゅう動面全体に積極的に流体を取り入れ、しゅう動面の液膜切れを抑制し、低トルク、低摩耗及び被密封流体溶融物の耐付着性を向上を図ると共に漏れを防止することにより、長期間にわたりしゅう動面の密封機能を維持させることのできるしゅう動部品を提供することができる。
（２）深溝１４は半径方向溝１４ａ及び円周方向溝１４ｂから構成されることにより、しゅう動面に正圧発生溝１１及び負圧発生溝１３を効率よく配設することができると共にしゅう動面全体に有効に流体を取り入れることができる。
（３）正圧発生溝１１及び負圧発生溝１３は半径方向溝１４ａを挟み円周方向に断続的に円弧状に配設されると共に、円周方向溝１４ｂは半径方向溝１４ａを介して円周方向に連続して配設されることにより、正圧発生溝１１及び負圧発生溝１３がそれぞれ複数配設される場合にも、しゅう動面に正圧発生溝１１及び負圧発生溝１３を効率よく配設することができると共にしゅう動面全体に有効に流体を取り入れることができる。
（４）正圧発生溝１１がレイリーステップグルーブから形成され、また、負圧発生溝１３が逆レイリーステップグルーブ又はポンピンググルーブから形成されることにより、しゅう動面において正圧及び負圧を効率よく発生することができる。
（５）正圧発生溝１１又は負圧発生溝１３は径方向において離間して複数列に配設され、円周方向溝１４ｂは正圧発生溝１１又は負圧発生溝１３より反密封流体側、及び、正圧発生溝１１と負圧発生溝１３との径方向の間に配設されることにより、正圧及び負圧をしゅう動面全体に有効に発生することができると共に流体をしゅう動面全体に有効に取り入れることができる。
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、しゅう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、円筒状しゅう動面の軸方向一方側に潤滑油を密封しながら回転軸としゅう動する軸受のしゅう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、しゅう動部品を構成するメカニカルシールの固定側密封環に正圧発生機構、負圧発生機構及び深溝を設ける場合について説明したが、これとは逆に、回転側密封環に設けてもよい。
また、例えば、一方のしゅう動環に正圧発生機構を、他方のしゅう動環に負圧発生機構を設け、深溝をいずれかのしゅう動環に設けるようにしてもよい。
また、例えば、一方のしゅう動環に正圧発生機構を、他方のしゅう動環に負圧発生機構を設け、深溝をいずれかのしゅう動環に設けるようにしてもよい。
また、例えば、前記実施例では、正圧発生機構であるレイリーステップが８枚設けられ、負圧発生機構である逆レイリースップが８枚設けられた例が説明されているが、これに限定されることなく、これより少ない例えば４枚でもよく、また、これより多い例えば１２枚等でもよい。
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
１１ 正圧発生溝（レイリーステップ）
１２ 負圧発生機構
１３ 負圧発生溝（逆レイリーステップ）
１４ 深溝
１４ａ 半径方向溝
１４ａａ 入口部
１４ａｂ 連通部
１４ｂ 円周方向溝
１４ｂａ 反密封流体側円周方向溝
１４ｂｂ 中間円周方向溝
Ｓ シール面
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
１１ 正圧発生溝（レイリーステップ）
１２ 負圧発生機構
１３ 負圧発生溝（逆レイリーステップ）
１４ 深溝
１４ａ 半径方向溝
１４ａａ 入口部
１４ａｂ 連通部
１４ｂ 円周方向溝
１４ｂａ 反密封流体側円周方向溝
１４ｂｂ 中間円周方向溝
Ｓ シール面
Ｒ ランド部
Claims (3)
- 一対の環状体からなり互いに相対しゅう動するしゅう動面を有するしゅう動部品において、前記しゅう動部品の外周側と内周側のうち、一方は密封流体側、他方は反密封流体側であり、
少なくとも一方側の前記しゅう動面は、正圧発生溝を備えた正圧発生機構と、負圧発生溝を備えた負圧発生機構と、前記正圧発生溝及び前記負圧発生溝を前記反密封流体側から隔離するランド部と、前記正圧発生溝及び前記負圧発生溝の溝深さより深く、かつ、少なくとも前記密封流体側に連通する深溝と、を備え、
前記深溝は半径方向溝及び円周方向溝から構成され、
前記正圧発生溝又は前記負圧発生溝は、径方向において離間して複数列に配設され、前記円周方向溝は、前記正圧発生溝及び前記負圧発生溝より前記反密封流体側、及び、前記正圧発生溝と前記負圧発生溝との径方向の間に配設されることを特徴とするしゅう動部品。 - 前記正圧発生溝及び前記負圧発生溝は前記半径方向溝を挟み円周方向に断続的に円弧状に配設されると共に、前記円周方向溝は前記半径方向溝を介して円周方向に連続して配設されることを特徴とする請求項１に記載のしゅう動部品。
- 前記正圧発生溝がレイリーステップグルーブから形成され、前記負圧発生溝が逆レイリーステップグルーブ又はポンピンググルーブから形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のしゅう動部品。
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