JP7334017B2 - 摺動部材 - Google Patents

Description

本発明は，たとえば，メカニカルシール，軸受，その他，摺動部に適した摺動部材に関する。特に，摺動面に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又は軸受などの摺動部材に関する。

摺動部材の一例である，メカニカルシールにおいて，密封性を長期的に維持させるためには，「密封」と「潤滑」という相反する条件を両立させる技術がある。たとえば，互いに相対摺動する一対の摺動部材において，一方の摺動面の被密封流体側には正圧発生溝を，漏れ側には負圧発生溝を設け，正圧発生溝及び負圧発生溝をそれぞれ被密封流体側と連通させるとともに，漏れ側とはシール面により隔離されているものが知られている（例えば，特許文献１参照）。

上記構成の摺動部材が相対摺動すると，被密封流体側に設けられた正圧発生機構が発生する正圧によって，摺動面が押し広げられ，摺動面に液膜を介在させた流体潤滑状態とすることにより摺動トルクを低減することができる。また，漏れ側に設けられた負圧発生機構が発生する負圧を利用して，漏れ側から摺動面に流体を吸い込むポンピング作用を生じさせ，漏れ量を極めて小さくすることができる。

国際公開パンフレット ＷＯ２０１２／０４６７４９

しかし，上記技術は，摺動面の被密封流体側には正圧発生溝を，漏れ側には負圧発生溝を設ける必要があり，摺動面部品が大型化してしまうという問題があった。

本発明は，摺動トルクを低減でき，かつ，密封機能を維持できるとともに，小型化が可能な摺動部材を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために，本発明の摺動部材は，
摺動面にて互いに相対摺動する一対の摺動部材であって，
少なくとも一方の前記摺動面は，漏れ側のランド部によって漏れ側と隔離された負圧発生機構と，前記負圧発生機構内に配設されるランド部と，を備えることを特徴としている。
この特徴によれば，負圧発生機構内は圧力低下によりキャビテーションが発生し，キャビテーション内部は液体が気化して粘性の小さい気体で満たされるため，摺動部材の摺動トルクを低減することができる。また，負圧発生機構内に配設されたランド部のくさび効果により正圧が発生して，摺動面が押し広げられて摺動面に流体を介在させることができるので，さらに摺動トルクを低減することができる。加えて，負圧発生機構が発生する負圧を利用して，漏れ側から摺動面に流体を吸い込んで漏れ量を極めて小さくすることができる。従来技術のように正圧発生機構と負圧発生機構を別個に設けることなく，一つの負圧発生機構によって，摺動トルクの低減及び密封性の向上という相反する性能を向上することができるので小型化が可能となる。

本発明の摺動部材は，
前記負圧発生機構内に配設される前記ランド部は，前記負圧発生機構に囲まれて島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，島状ランド部の付近を正圧領域として流体潤滑機能を発揮させて摺動トルクを低減させるとともに，島状ランド部から離れた部分をキャビテーション領域による気相領域として摺動トルクの低減及びポンピング作用による密封性の向上を達成できるので，正圧発生機構と負圧発生機構を別個に設けることなく，一つの負圧発生機構２１によって，摺動トルクの低減及び密封性の向上という相反する性能を向上することができる。

本発明の摺動部材は，
前記島状の前記ランド部は被密封流体側のランド部へ延設されるブリッジ部をさらに備えることを特徴としている。
この特徴によれば，負圧発生機構内に配設される島状のランド部と被密封流体側のランド部へ延設されるブリッジ部とによって，負圧発生機構内の気体を効率よく堰き止めて正圧を発生するので，摺動面に気体を介在させてさらに摺動トルクを低減させることができる。

本発明の摺動部材は，
前記負圧発生機構は，漏れ側から前記負圧発生機構内に配設される前記ランド部へ向かうガイドグルーブを備えることを特徴としている。
この特徴によれば，負圧発生機構内の流体は，ガイドグルーブによって漏れ側から負圧発生機構内に配設されるランド部へ効率良く導かれて，ランド部に堰き止められて正圧するので，摺動トルクを低減することができる。

本発明の摺動部材は，
前記負圧発生機構は，漏れ側及び被密封流体側のそれぞれから前記負圧発生機構内に配設される前記ランド部へ向かうガイドグルーブを備えることを特徴としている。
この特徴によれば，負圧発生機構内の流体は，ガイドグルーブによって漏れ側及び被密封流体側から負圧発生機構内に配設されるランド部へ効率良く導かれて，ランド部に堰き止められて正圧するので，摺動トルクを低減することができる。

本発明の摺動部材は，
前記負圧発生機構は，前記摺動面から前記ランド部を除いた残部からなることを特徴としている。
この特徴によれば，負圧発生機構は摺動面からランド部を除いた残部から構成されるので，負圧発生機構の面積を大きくすることができ，延いては粘性の小さい気体と摺動面との接触面積を大きくできるので，摺動トルクを低減することができる。

本発明の摺動部材は，
前記負圧発生機構は，前記摺動面の平均径に跨って配設されることを特徴としている。
この特徴によれば，摺動面の平均径の両側に跨って負圧発生機構は配設されるので，負圧発生機構の面積を大きくすることができ，延いては粘性の小さい気体と摺動面との接触面積を大きくできるので，摺動トルクを低減することができる。

本発明の摺動部材は，
前記負圧発生機構は，被密封流体側に連通する流体導入溝と，下流側が前記流体導入溝に連通する開口部及び上流側がランド部によって囲まれる止端部を有する溝部と，を備えることを特徴としている。
この特徴によれば，負圧発生機構を容易に構成することができる。

本発明の摺動部材は，
前記止端部を囲む前記ランド部は，前記流体導入溝に連通する開口部を有する正圧発生機構を備えることを特徴とするとしている。
この特徴によれば，止端部を囲むランド部は正圧発生機構によって，起動時などの流体潤滑状態が十分に得られない状態であっても，正圧を発生させて流体潤滑状態を保つことができる。

本発明の摺動部材は，
前記負圧発生機構は，前記摺動面に複数配設されることを特徴としている。
この特徴によれば，摺動面の大きさに応じて，負圧発生機構及びランド部を最適に配置することができる。

本発明の摺動部材は，
前記負圧発生機構内に配設される前記ランド部は，前記負圧発生機構内に複数配設されることを特徴としている。
この特徴によれば，摺動面の大きさに応じて，負圧発生機構内にランド部を最適に配置することができる。

本発明の摺動部面を備えるメカニカルシールの一例を示す縦断面図である。 図１のＷ－Ｗ矢視で実施例1の摺動部材の摺動面を示す図である。 図１のＷ－Ｗ矢視で実施例２の摺動部材の摺動面を示す図である。 図３の摺動面の一部拡大図である。 図１のＷ－Ｗ矢視で実施例３の摺動部材の摺動面を示す図である。 図１のＷ－Ｗ矢視で実施例４の摺動部材の摺動面を示す図である。 図１のＷ－Ｗ矢視で５の摺動部材の摺動面を示す図である。 図１のＷ－Ｗ矢視で実施例６の摺動部材の摺動面を示す図である。 図１のＷ－Ｗ矢視で実施例７の摺動部材の摺動面を示す図である。

本発明に係る摺動部材を実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。

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に係る摺動部材について説明する。なお，実施例１においては，摺動部材の一例であるメカニカルシールについて説明する。実施例１においては，メカニカルシールを構成する摺動部材の外周側を被密封流体側（高圧流体側），内周側を漏れ側（低圧流体側）として説明する。

図１は，メカニカルシール１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，回転側カートリッジと固定側カートリッジからなる。回転側カートリッジは，回転軸１０に嵌合されたスリーブ２と，一方の摺動部材である環状の回転側密封環３と，スリーブ２と回転側密封環３との間をシールするパッキン８と，備え，回転側カートリッジは回転軸１０と一体に回転する。

固定側カートリッジは，ケーシング９に取り付けられるハウジング４と，他方の摺動部材である環状の固定側密封環５と，固定側密封環５とハウジング４とをシールするベローズ７と，固定側密封環５及びベローズ７を介して回転側密封環３側へ付勢するコイルドウェーブスプリング６と，を備え，固定側カートリッジはケーシング９に対し回転方向及び軸方向に固定される。

以上の構成を備えたメカニカルシール１は，回転側密封環３の摺動面Ｓと固定側密封環５の摺動面Ｓが，互いに摺動して被密封流体が外周側から内周側へ流出するのを防止するものである。なお，図１では，回転側密封環３の摺動面Ｓの幅が固定側密封環５の摺動面Ｓの幅より広い場合を示しているが，これに限定されることなく，逆の場合においても本発明を適用できることはもちろんである。

回転側密封環３及び固定側密封環５の材質は，耐摩耗性に優れた炭化ケイ素（ＳｉＣ）及び自己潤滑性に優れたカーボンなどから選定されるが，例えば，両者がＳｉＣ，あるいは，回転側密封環３がＳｉＣ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。

図２に示すように，固定側密封環５の摺動面Ｓは負圧発生機構２１を備えている。負圧発生機構２１は，漏れ側ランド部Ｒ２によっての漏れ側と隔離されている。負圧発生機構２１は，被密封流体側に連通する流体導入溝２２と，下流側が流体導入溝２２と連通する開口部２４，並びに，被密封流体側ランド部Ｒ１と漏れ側ランド部Ｒ２との間に配設される径方向ランド部Ｒ３によって囲まれる止端部２５を有する環状の溝部２３と，からなる。これにより，負圧発生機構２１は，上流側の止端部２５が被密封流体側ランド部Ｒ１と漏れ側ランド部Ｒ２との間に配設される径方向ランド部Ｒ３によって被密封流体側及び漏れ側と隔離され，下流側の開口部２４は被密封流体側に連通する。溝部２３の深さは１μｍ～５０μｍであり，流体導入溝２２は５０μｍから１０００μｍであり，流体導入溝２２は溝部２３に対し深く形成されている。

負圧発生機構２１は固定側密封環５の摺動面Ｓの平均径Ｒｍに跨って，平均径Ｒｍの両側に配設されている。ここで，平均径Ｒｍ＝（Ｒｏ＋Ｒi）／２であり，Ｒｏは摺動面Ｓの外径，Ｒiは摺動面Ｓの内径である。

図２に示すように，負圧発生機構２１の内部に所定数（図２の実施例では６個）のランド部２６を配置される。ランド部２６は溝部２３に囲まれて島状に形成される。ランド部２６は，内部空間２６ｅを囲む壁部２６ａ，２６ｂ，２６ｃと，上流側に向かって開口する開口部２６ｄと，を有し，内部空間２６ｅは開口部２６ｄによって溝部２３と連通している。ランド部２６の壁部２６ａ，２６ｂ，２６ｃが相手側摺動面Ｓ（回転側密封環３の摺動面Ｓ）と摺動する面は，被密封流体側ランド部Ｒ１，漏れ側ランド部Ｒ２及び負圧発生機構２１の径方向ランド部Ｒ３とほぼ同じ高さで平滑に仕上げられている。なお，ランド部２６の外形は矩形に形成されているが，ランド部２６の外形は三角形，五角形以上の多角形に形成してもよい。

負圧発生機構２１は，固定側密封環５の摺動面Ｓから島状のランド部２６，被密封流体側ランド部Ｒ１，漏れ側ランド部Ｒ２及び径方向ランド部Ｒ３を除いた残部からなる。

相手側の摺動部材（回転側密封環３）が所定方向（図２では反時計方向）に回転すると，負圧発生機構２１の溝部２３内の流体は，その粘性により回転側密封環３の移動方向に追随して下流側へ移動し，下流側の流体導入溝２２を通り，被密封流体側へ排出される。このため，負圧発生機構２１は，溝部２３内に供給される流体よりも溝部２３内から排出される流体が多くなり，負圧発生機構２１内は負圧となりキャビテーションが発生する。キャビテーション領域は，液体の流量不足により液膜が破断した結果生じる気相である。キャビテーション領域内において，摺動トルクは粘性の小さい気体による摩擦が支配的となり，従来の液体による流体潤滑に比べ摺動トルクを低減することができる。ここで，負圧発生機構２１は，固定側密封環５の摺動面Ｓの平均径Ｒｍに跨って，平均径Ｒｍの両側に略等しい幅で配設することにより，摺動面Ｓの漏れ側から被密封流体側に亘って広い範囲でキャビテーション領域とすることができる。これにより，摺動面Ｓは，広い範囲に亘って粘性の小さい気体と摺動するので，摺動トルクを低減することができる。

しかし，摺動面Ｓの広い領域でキャビテーション領域となると，摺動面Ｓが全体的として負圧となり，固定側密封環５と回転側密封環３とが互いに吸着して接触してしまうため，流体潤滑状態を維持できない。そこで，負圧発生機構２１の内部にランド部２６を配置し，ランド部２６に生じるくさび効果により正圧を発生させ，摺動面Ｓを押し広げて流体潤滑状態にすることができる。なお，ランド部２６の個数は，摺動面Ｓを押し広げて流体潤滑状態にすることができれば本実施例に限らず，ランド部２６の個数は６個より多くても，少なくてもよい。

以上述べたように，本発明の摺動部材は以下の効果を奏する。
１．負圧発生機構２１内部のキャビテーション領域は，摩擦の小さい気体との摺動が支配的となるので，従来の液体による流体潤滑に比べ摺動トルクを低減することができる。
２．負圧発生機構２１内の流体は，ランド部２６においてくさび効果による正圧を発生して，摺動面Ｓ間を押し広げて，摺動面Ｓを流体潤滑状態に維持することができるので，摺動トルクを低減できる。
３．，負圧発生機構２１は，その内部が負圧になるので，漏れ側から摺動面Ｓ内に流体を吸い込むポンピング作用を発揮して，漏れを極めて小さくできるので，密封性をさらに向上できる。
４．負圧発生機構２１の内部にランド部２６配置することにより，ランド部２６の周辺に正圧を発生させて摺動面Ｓ間を押し広げて，流体潤滑状態とすることができるので摺動トルクを低減できる。また負圧発生機構２１内部のキャビテーション領域は，摩擦の小さい気体との摺動が支配的となるので摺動トルクを一層低減できる。さらに，負圧発生機構２１は，負圧発生機構２１内の負圧を利用してポンピング作用を発揮するので漏れを極めて小さくできる。すなわち，従来技術のように正圧発生機構と負圧発生機構を別個に設けることなく，一つの負圧発生機構２１によって，摺動トルクの低減及び密封性の向上という相反する性能を達成できるので，摺動部材を小形化することができる。

本発明の実施例２に係る摺動部材について説明する。図３は実施例２に係る摺動部材の摺動面Ｓを示すもので，ガイドグルーブ２９を有する点で実施例１と相違するが，他の構成は実施例１と同じである。以下，実施例１と同じ部材には同じ符号を付し，重複する説明は省略する。

図３に示すように，固定側密封環５の摺動面Ｓは負圧発生機構２１を備えている。負圧発生機構２１は，被密封流体側に連通する流体導入溝２２と，下流側が流体導入溝２２と連通する開口部２４，並びに，被密封流体側ランド部Ｒ１，漏れ側ランド部Ｒ２及び径方向ランド部Ｒ３によって囲まれる止端部２５を有する環状の溝部２３と，からなる。これにより，負圧発生機構２１は，上流側の止端部２５が被密封流体側ランド部Ｒ１と漏れ側ランド部Ｒ２との間に配設される径方向ランド部Ｒ３によって被密封流体側及び漏れ側と隔離され，下流側の開口部２４が被密封流体側に連通する。溝部２３の深さは１μｍ～５０μｍであり，流体導入溝２２は５０μｍから１０００μｍであり，流体導入溝２２は溝部２３に対し深く形成されている。

図３及び図４に示すように，負圧発生機構２１の内部には，負圧発生機構２１に囲まれた島状のランド部２６が，所定数（図３の実施例では６個）配設されている。ランド部２６は，内部空間２６ｅを囲む壁部２６ａ，２６ｂ，２６ｃと，上流側に向かって開口する開口部２６ｄと，を有し，内部空間２６ｅは開口部２６ｄによって溝部２３と連通している。ランド部２６の壁部２６ａ，２６ｂ，２６ｃが相手側摺動面Ｓ（回転側密封環３の摺動面Ｓ）と摺動する面は，被密封流体側ランド部Ｒ１，漏れ側ランド部Ｒ２及び径方向ランド部Ｒ３とほぼ同じ高さで平滑に仕上げられている。なお，ランド部２６の外形は矩形に形成されているが，これに限らず，三角形，五角形以上の多角形，半円形，半楕円形等に形成してもよい。

負圧発生機構２１の底部には，ガイドグルーブ２９が設けられている。ガイドグルーブ２９は，負圧発生機構２１の溝部２３よりも浅い極細の溝を複数配設して構成される。ガイドグルーブ２９は，被密封流体側のランド部Ｒ１から摺動面Ｓの中央部（平均径Ｒｍ）に向かって周方向に略等間隔で配設される被密封流体側ガイドグルーブ２９ａ，及び，漏れ側ランド部Ｒ２から摺動面Ｓの中央部（平均径Ｒｍ）に向かって周方向に略等間隔で配設される漏れ側ガイドグルーブ２９ｂからなる。被密封流体側ガイドグルーブ２９ａ及び漏れ側ガイドグルーブ２９ｂは全体としてランド部２６の開口部２６ｄに向かうように配設されている。

負圧発生機構２１は，固定側密封環５の摺動面Ｓからランド部２６，被密封流体側ランド部Ｒ１，漏れ側ランド部Ｒ２及び径方向ランド部Ｒ３を除いた残部からなる。

図３及び図４に示すように，相手側の摺動部材（回転側密封環３）が所定方向（図３，図４では反時計方向）に回転すると，負圧発生機構２１の溝部２３内の流体は，その粘性により回転側密封環３の移動方向に追随して下流側へ流れ，最下流の流体導入溝２２を通り，被密封流体側へ排出される。このため，負圧発生機構２１は，溝部２３内に供給される流体よりも溝部２３内から排出される流体が多くなり，負圧発生機構２１内は負圧となりキャビテーションが発生する。キャビテーション領域は，液体の流量不足により液膜が破断した結果生じる気相領域である。キャビテーション領域内において，摺動トルクは粘性の小さい気体による摩擦が支配的となり，従来の液体による流体潤滑に比べ摺動トルクを低減することができる。ここで，負圧発生機構２１は，固定側密封環５の摺動面Ｓの平均径Ｒｍに跨って，平均径Ｒｍの両側に略等しい幅で配設することにより，摺動面Ｓの漏れ側から被密封流体側に亘って広い範囲でキャビテーション領域とすることができる。これにより，摺動面は，広い範囲に亘って粘性の小さい気体と摺動するので，摺動トルクを低減することができる。

しかし，摺動面Ｓの広い領域でキャビテーション領域となると，摺動面Ｓが全体的として負圧となり，固定側密封環５と回転側密封環３とが互いに吸着して接触し，流体潤滑状態を維持できない。そこで，負圧発生機構２１の内部にランド部２６を配置し，ランド部２６のくさび効果により正圧を発生させ，摺動面Ｓ間を押し広げて流体潤滑状態にすることができる。なお，ランド部２６の個数は，摺動面Ｓ間を押し広げて流体潤滑状態にすることができれば本実施例に限らず，ランド部２６の個数は６個より多くても，少なくてもよい。

キャビテーション領域は，主に気相の領域であるが，キャビテーション領域の内部には通常液体の流れも存在する。この液体は気体より重く負圧発生機構２１の底部に集まるため，ガイドグルーブ２９を負圧発生機構２１の底部に設けることにより，キャビテーション領域内の液体を負圧発生機構２１の内部に配設されたランド部２６へ効率良く集めることができる。そして，ランド部２６の開口部２６ｄへ集められた液体はランド部２６によるくさび効果で大きな正圧を発生して，摺動面Ｓ間を押し広げて流体潤滑状態を維持することができる。

図４に示すように，キャビテーション領域内の液体は，被密封流体側ガイドグルーブ２９ａ及び漏れ側ガイドグルーブ２９ｂによって導かれ，摺動面Ｓの中央部には帯状の液相領域が形成される。さらに液相領域は，回転側密封環３の回転によりランド部２６の開口部２６ｄへ導かれ，ランド部２６によるくさび効果で大きな正圧が発生し，摺動面Ｓ間を押し広げて，摺動面Ｓを流体潤滑状態に維持することができる。

また，液相領域の両側はキャビテーション領域となり，摺動トルクは粘性の小さい気体による摩擦が支配的となるので，従来の液体による流体潤滑に比べ摺動トルクを低減することができる。さらに，キャビテーション領域は負圧領域となっているので，負圧発生機構２１は，負圧を利用して漏れ側から摺動面Ｓ内に流体を吸い込むポンピング作用を発揮して，漏れを低減できる。

なお，本実施例において，ガイドグルーブ２９は，被密封流体側ガイドグルーブ２９ａ及び漏れ側ガイドグルーブ２９ｂからなるが，被密封流体側ガイドグルーブ２９ａ又は漏れ側ガイドグルーブ２９ｂから構成してもよい。

以上述べたように，本発明の摺動部材は以下の効果を奏する。
１．負圧発生機構２１に負圧を発生させて，負圧発生機構２１の内部をキャビテーション領域とすることによって，負圧発生機構２１においては気体による摩擦が支配的となるので，従来の液体による流体潤滑に比べ摺動トルクを低減することができる。
２．キャビテーション領域の液体は気体より重く負圧発生機構２１の底部に集まるため，ガイドグルーブ２９を負圧発生機構２１の底部に設けることにより，キャビテーション領域内に残る液体を効率的に所定の位置に導くことができる。
３．ガイドグルーブ２９によってランド部２６へ導かれたキャビテーション領域内の液体は，ランド部２６においてくさび効果による正圧を発生して，摺動面Ｓ間を押し広げて，摺動面Ｓを流体潤滑状態に維持することができる。
４．負圧発生機構２１は負圧領域となるので，負圧発生機構２１は負圧によって漏れ側から摺動面Ｓ内に流体を吸い込むポンピング作用を発揮して，漏れを低減でき，密封性をさらに向上できる。
５．負圧発生機構２１の内部にランド部２６配置することにより，ランド部２６の周辺に正圧を発生させて摺動面Ｓ間を押し広げて，流体潤滑状態とすることができるので，摺動トルクを低減できる。負圧発生機構２１内部のキャビテーション領域は，摩擦の小さい気相領域となるので摺動トルクを一層低減できる。負圧発生機構２１は，負圧発生機構２１内の負圧を利用してポンピング作用を発揮するので，漏れを極めて小さくでき密封性の向上できる。すなわち，従来技術のように正圧発生機構と負圧発生機構を別個に設けることなく，一つの負圧発生機構２１によって，摺動トルクの低減及び密封性の向上という相反する性能を達成できるので，摺動部材を小形化することができる。

本発明の実施例３に係る摺動部材について説明する。図５は実施例３に係る摺動部材の摺動面Ｓを示したもので，ランド部３６の形状及びガイドグルーブ３９の構成が実施例２と相違するのみで，他の構成は実施例２と同じである。以下，実施例２と同じ部材には同じ符号を付し，重複する説明は省略する。

図５に示すように，固定側密封環５の摺動面Ｓは負圧発生機構３１を備えている。負圧発生機構３１は，被密封流体側に連通する流体導入溝３２と，下流側が流体導入溝３２と連通する開口部３４，並びに，被密封流体側ランド部Ｒ１，漏れ側ランド部Ｒ２及び径方向ランド部Ｒ３によって囲まれる止端部３５を有する環状の溝部３３と，からなる。これにより，負圧発生機構３１は，上流側の止端部３５が被密封流体側ランド部Ｒ１と漏れ側ランド部Ｒ２との間に配設される径方向ランド部Ｒ３によって被密封流体側及び漏れ側と隔離され，下流側の開口部３４は被密封流体側に連通する。溝部３３の深さは１μｍ～５０μｍであり，流体導入溝３２は５０μｍから１０００μｍであり，流体導入溝３２は溝部３３に対し深く形成されている。

負圧発生機構３１の内部にはランド部３６が，所定数（図５の実施例では６個）配設されている。ランド部３６は島状ランド部３６ａと，島状ランド部３６ａ及び被密封流体側のランド部Ｒ１を接続するブリッジ部３６ｂとから略Ｌ字状に構成されている。Ｌ字形のランド部３６と被密封流体側ランド部Ｒ１に囲まれる内部空間３６ｅは，負圧発生機構３１の上流側に向かって開口する開口部３６ｄを介して負圧発生機構３１の溝部３３に連通している。ランド部３６の島状ランド部３６ａ及びブリッジ部３６ｂが相手側摺動面Ｓ（回転側密封環３の摺動面Ｓ）と摺動する面は，被密封流体側ランド部Ｒ１，漏れ側ランド部Ｒ２及び径方向ランド部Ｒ３と同じ高さで平滑に仕上げられている。

負圧発生機構３１の底部には，ガイドグルーブ３９が設けられている。ガイドグルーブ３９は，負圧発生機構３１の溝部３３よりも浅い筋状の極細の溝で，漏れ側ランド部Ｒ２から被密封流体側に向かって周方向に略等間隔で所定数配設されている。ガイドグルーブ３９は全体としてランド部３６の開口部３６ｄに向かうように配設されている。

相手側の摺動部材（回転側密封環３）が所定方向（図５では反時計方向）に回転すると，負圧発生機構３１の溝部３３内の流体は，その粘性により回転側密封環３の移動方向に追随して下流側へ移動し，下流側の流体導入溝３２を通り，被密封流体側へ排出される。このため，負圧発生機構３１は，溝部３３内に供給される流体よりも溝部３３内から排出される流体が多くなり，負圧発生機構３１内は負圧となりキャビテーションが発生する。キャビテーション領域内は気相の領域となるため，摺動トルクは粘性の小さい気体による摩擦が支配的となり，従来の液体による流体潤滑に比べ摺動トルクを低減することができる。

しかし，摺動面Ｓの広い領域でキャビテーション領域となると，摺動面Ｓが全体的として負圧となり，固定側密封環５と回転側密封環３とが互いに吸着して接触してしまうため，流体潤滑状態を維持できない。そこで，負圧発生機構３１の内部にランド部３６を配置し，ランド部３６に生じるくさび効果により正圧を発生させ，摺動面Ｓを押し広げ，流体潤滑状態を維持するようにしている。なお，ランド部３６の個数は，摺動面Ｓを押し広げて流体潤滑状態にすることができれば本実施例に限らず，ランド部３６の個数は６個より多くても，少なくてもよい。

キャビテーション領域の内部には通常液体の流れも存在する。この液体は気体より重く負圧発生機構３１の底部に集まるため，ガイドグルーブ３９を負圧発生機構３１の溝部３３の底部に設けることにより，キャビテーション領域内の液体を負圧発生機構３１の内部に配設されたランド部３６の開口部３６ｄへ効率良く集めることができる。そして，ランド部３６の開口部３６ｄへ集められた液体はランド部３６によるくさび効果で大きな正圧を発生して，流体潤滑状態を維持することができる。

特に，回転軸１０が高速で回転する場合には，キャビテーション領域の内部の液体は遠心力の影響を受けやすくなり，摺動面Ｓの径方向外側に集まりやすくなる。したがって，回転側密封環３が高速で回転する場合には，ランド部３６を被密封流体側（外径側）のランド部Ｒ１から延設される略Ｌ字状に構成することにより，効率的にキャビテーション領域内の液体をランド部３６に集めることができ，ランド部３６によるくさび効果で大きな正圧を発生させることができる。

以上述べたように，実施例３の摺動部材は以下の効果を奏する。
１．負圧発生機構３１に負圧を発生させて，負圧発生機構３１の内部をキャビテーション領域とすることによって，負圧発生機構３１においては気体による摩擦が支配的となるので，従来の液体による流体潤滑に比べ摺動トルクを低減することができる。
２．回転側密封環３が高速で回転する場合には，キャビテーション領域の内部の液体は遠心力の影響を受けて被密封流体側に集まりやすくなるので，ランド部３６を外径側のランド部Ｒ１から延設される略Ｌ字状に構成することにより，効率的にキャビテーション領域内の液体をランド部３６に集めることができる。
３．ガイドグルーブ３９によってランド部３６へ導かれたキャビテーション領域内の液体は，ランド部３６においてくさび効果による正圧を発生して，摺動面Ｓを押し広げて，摺動面Ｓを流体潤滑状態に維持することができる。
４．負圧発生機構３１は負圧領域となるので，負圧によって漏れ側から摺動面Ｓ内に流体を吸い込むポンピング作用を発揮するので，漏れを低減でき，密封性をさらに向上できる。
５．負圧発生機構３１は，固定側密封環５の摺動面Ｓの平均径Ｒｍの両側に跨って形成し，被密封流体側のランド部Ｒ１から延設される略Ｌ字状のランド部３６とすることにより，摺動面Ｓの被密封流体側を正圧領域として流体潤滑機能を発揮させて摺動トルクを低減させるとともに，摺動面Ｓの漏れ側はキャビテーション領域による気相領域として摺動トルクを一層低減できる。また，負圧発生機構３１内の負圧を利用してポンピング作用を発揮させて，密封性の向上を達成できる。すなわち，従来技術のように正圧発生機構と負圧発生機構を別個に設けることなく，一つの負圧発生機構３１によって，摺動トルクの低減及び密封性の向上という相反する性能を達成できるので，摺動部材を小形化できる。

本発明の実施例４に係る摺動部材について説明する。図６は実施例４に係る摺動部材の摺動面Ｓを示したもので，ランド部４６の形状が実施例３と相違するのみで，他の構成は実施例３と同じである。以下，実施例３と同じ部材には同じ符号を付し，重複する説明は省略する。

図６に示すように，固定側密封環５の摺動面Ｓは，負圧発生機構４１を備えている。負圧発生機構４１は，被密封流体側に連通する流体導入溝４２と，下流側が流体導入溝４２と連通する開口部４４，並びに，被密封流体側ランド部Ｒ１，漏れ側ランド部Ｒ２及び径方向ランド部Ｒ３によって囲まれる止端部４５を有する環状の溝部４３と，からなる。これにより，負圧発生機構４１は，上流側の止端部４５が被密封流体側ランド部Ｒ１と漏れ側ランド部Ｒ２との間に配設される径方向ランド部Ｒ３によって被密封流体側及び漏れ側と隔離され，下流側の開口部４４は被密封流体側に連通する。溝部４３の深さは１μｍ～５０μｍであり，流体導入溝４２は５０μｍから１０００μｍであり，流体導入溝４２は溝部４３に対し深く形成されている。

負圧発生機構４１の内部には，所定数（図６の実施例では６個）のランド部４６が配設されている。ランド部４６は尖頭状の島状のランド部４６ａと，ランド部４６ａ及び被密封流体側のランド部Ｒ１を接続するブリッジ部４６ｂとから弧状に構成されている。ランド部４６は，被密封流体側ランド部Ｒ１に囲まれる内部空間４６ｅ，負圧発生機構４１の上流側に向かって開口する開口部４６ｄを有し，開口部４６ｄを介して負圧発生機構４１の溝部４３に連通している。ランド部４６の尖頭状のランド部４６ａ及びブリッジ部４６ｂが相手側摺動面Ｓ（回転側密封環面３の摺動面Ｓ）と摺動する面は，被密封流体側ランド部Ｒ１，漏れ側ランド部Ｒ２及び負圧発生機構４１の径方向ランド部Ｒ３と同じ高さで平滑に仕上げられている。

負圧発生機構４１の底部には，ガイドグルーブ４９が設けられている。ガイドグルーブ４９は，溝部４３よりも浅い筋状の極細の溝で，漏れ側ランド部Ｒ２から被密封流体側に向かって周方向に略等間隔で所定数配設されている。ガイドグルーブ４９は全体としてランド部４６の開口部４６ｄに向かうように配設されている。

相手側の摺動部材（回転側密封環３）が所定方向（図６では反時計方向）に回転すると，負圧発生機構４１の溝部４３内の流体は，その粘性により回転側密封環３の移動方向に追随して移動し，下流側の流体導入溝４２を通り，被密封流体側へ排出される。このため，負圧発生機構４１は。溝部４３内に供給される流体よりも溝部３３内から排出される流体が多くなり，負圧発生機構４１内は負圧となりキャビテーションが発生する。キャビテーション領域は，気相領域となるため，摺動トルクは粘性の小さい気体による摩擦が支配的となり，従来の液体による流体潤滑に比べ摺動トルクを低減することができる。

しかし，摺動面Ｓの広い領域でキャビテーション領域となると，摺動面Ｓが全体的として負圧となり，固定側密封環５と回転側密封環３とが互いに吸着して接触するため，流体潤滑状態を維持できない。そこで，負圧発生機構４１の内部にランド部４６を配置し，ランド部４６の周辺にくさび効果による正圧を発生させ，摺動面Ｓ間を押し広げ流体潤滑状態を維持するようにしている。なお，ランド部４６の個数は，摺動面Ｓ間を押し広げて流体潤滑状態にすることができれば本実施例に限らず，ランド部４６の個数は６個より多くても，少なくてもよい。

キャビテーション領域は気相の領域であるが，キャビテーション領域の内部には通常液体の流れも存在する。この液体は気体より重く負圧発生機構４１の底部に集まるため，ガイドグルーブ４９を負圧発生機構４１の底部に設けることにより，キャビテーション領域内の液体を負圧発生機構４１の内部に配設されたランド部４６の開口部４６ｄへ効率良く集めることができる。そして，ランド部４６の開口部４６ｄへ集められた液体はランド部４６によるくさび効果で大きな正圧を発生して，流体潤滑状態を維持することができる。

ランド部４６の内部空間４６ｅは，上流側の開口部４６ｄから下流側に向かって先細りの流路になっているので，ランド部４６に導かれたキャビテーション領域内の液体は先細り流路による絞り効果と，ランド部３６によるくさび効果とにより，さらに大きな正圧を発生させることができる。

以上述べたように，実施例４に係る摺動部材は，実施例３の効果に加え，以下の効果を奏する。
ランド部４６は上流側の開口部４６ｄから下流側に向かって先細りの流路に形成されるので，ランド部４６に導かれたキャビテーション領域内の液体は先細りの流路による絞り作用による昇圧効果と，ランド部３６によるくさび効果とにより，実施例２及び３よりもさらに大きな正圧を発生させることができる。

本発明の実施例５に係る摺動部材について説明する。図７は実施例５に係る摺動部材の摺動面Ｓを示したもので，実施例４の負圧発生機構４１を摺動面Ｓに複数設けた点で実施例４と相違する。その他の構成は実施例４と同じである。以下，実施例４と同じ部材には同じ符号を付し，重複する説明は省略する。

図７に示すように，固定側密封環５の摺動面Ｓは，溝部４３内に所定数（図７の実施例では２か所）のランド部４６，及びガイドグルーブ４９を備える負圧発生機構４１が，径方向ランド部Ｒ３を挟んで周方向に所定数（図７では３個）配設されている。なお，径方向ランド部Ｒ３を挟んで周方向に配設される負圧発生機構４１の個数は，実施例に限らず，２個あるいは４個，５個若しくは６個以上であってもよい。

実施例５において，複数のランド部４６が配置された負圧発生機構４１が，径方向ランド部Ｒ３を挟んで周方向に３個設けられているので，摺動面Ｓは複数の箇所から流体導入溝４２によって流体が供給されるので，起動時などの低速回転状態において流体潤滑状態が十分でないときであっても，流体導入溝４２から供給される流体によって，摺動面Ｓの潤滑に寄与することができる。

以上述べたように，実施例５に係る摺動部材は，実施例４の効果に加え，以下の効果を奏する。
流体導入溝４２が複数設けられることにより，摺動面Ｓは周方向の複数の箇所で流体導入溝４２から流体が供給されるので，起動時などの低速回転状態において流体潤滑状態が十分でないときであっても，複数の流体導入溝４２から周方向に均等に供給される流体によって，摺動面Ｓの潤滑に寄与することができる。

本発明の実施例６に係る摺動部材について説明する。図８は実施例６に係る摺動部材の摺動面Ｓを示したもので，実施例５とランド部４６の個数が異なる点で実施例５と相違するが，その他の構成は実施例５と同じである。以下，実施例５と同じ部材には同じ符号を付し，重複する説明は省略する。

図８に示すように，固定側密封環５の摺動面Ｓは，溝部４３内に１つのランド部４６，及びガイドグルーブ４９を備える負圧発生機構４１が，径方向ランド部Ｒ３を挟んで周方向に所定数（図８では３個）配設されている。なお，径方向ランド部Ｒ３を挟んで周方向に配設される負圧発生機構４１の個数は，実施例に限らず，２個あるいは４個，５個若しくは６個以上であってもよい。

負圧発生機構４１内の流れは，下流側に設けられた１つのランド部４６に集中させることができるので，１つの負圧発生機構４１内に複数のランド部４６を設ける場合よりも大きな正圧を発生させることができる。小型の摺動部材で，摺動面Ｓに大きな圧力を発生させたい場合に適している。

以上述べたように，実施例６に係る摺動部材は，実施例５の効果に加え，以下の効果を奏する。
複数の負圧発生機構４１は，それぞれ下流側に１個のランド部４６を設けることで，キャビテーション領域内の流体の流れを１個のランド部４６に集中させることができ，先細り流路による昇圧効果と，ランド部４６によるくさび効果とにより，大きな正圧を発生させることができる。

本発明の実施例７に係る摺動部材について説明する。図９は実施例７に係る摺動部材の摺動面Ｓを示したもので，負圧発生機構４１の径方向ランド部Ｒ４内に正圧発生機構４７を設けた点で，実施例６と相違するが，その他の構成は実施例６と同じである。以下，実施例６と同じ部材には同じ符号を付し，重複する説明は省略する。

図９に示すように，固定側密封環５の摺動面Ｓは，溝部４３内に所定数（図９の例では1個）のランド部４６及びガイドグルーブ４９が配設された負圧発生機構４１が，径方向ランド部Ｒ４を挟んで周方向に所定数（図９では３個）配設されている。負圧発生機構４１のほぼ全域を覆うガイドグルーブ４９は最下流側に設けられた1つのランド部４６に向かうように配設される。なお，径方向ランド部Ｒ３を挟んで周方向に配設される負圧発生機構４１の個数は，実施例に限らず，２個あるいは４個，５個若しくは６個以上であってもよい。また，負圧発生機構４１のそれぞれに設けられるランド部４６の個数は，摺動面Ｓ間を押し広げて流体潤滑状態にすることができれば本実施例に限らず，ランド部４６の個数は２個あるいは３個以上あってもよい。

図９に示すように，被密封流体側ランド部Ｒ１及び漏れ側ランド部Ｒ２の間の径方向ランド部Ｒ４内には，正圧発生機構４７が設けられている。正圧発生機構４７は軸方向から見て矩形状で，有底の溝部であり，流体導入溝４２に連通する開口部４７ａを有し，開口部４７ａ以外の部分は径方向ランド部Ｒ４によって囲まれている。

相手側の摺動部材（回転側密封環３）が所定方向（図９では反時計方向）に回転すると，流体導入溝４２から開口部４７ａを通り正圧発生機構４７へ流体が流れ込む。正圧発生機構４７へ流れ込んだ流体は正圧発生機構４７内で堰き止められ，くさび効果により正圧が発生する。この正圧により，起動時などの低速回転状態において流体潤滑状態が十分でないときであっても，起動時の液膜形成を補助させることが可能となる。

以上述べたように，実施例７に係る摺動部材は，実施例６の効果に加え，以下の効果を奏する。
負圧発生機構４１の径方向ランド部Ｒ４内に正圧発生機構４７を設けることにより，起動時などの低速回転状態において流体潤滑状態が十分でないときであっても，正圧発生機構４７が発生する正圧により，起動時の液膜形成を補うことができる。

なお，正圧発生機構４７は軸方向から見て矩形状としたが，これに限らず，三角形，五角形等の多角形，半円，半楕円等の形状であってもよい。

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。

上記実施例において，外周側が被密封流体側，内周側を漏れ側としているが，これに限らず，内周側が被密封流体側，外周側が漏れ側である場合も適用可能である。

負圧発生機構，ランド部及びガイドグルーブを固定側密封環５の摺動面Ｓに設けたが，回転側密封環３の摺動面Ｓに設けてもよい。

１ メカニカルシール
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
８ パッキン
９ ケーシング
１０ 回転軸
２１ 負圧発生機構
２２ 流体導入溝
２３ 溝部
２４ 開口部
２５ 止端部
２６ ランド部
２６ａ 壁部
２６ｂ 壁部
２６ｃ 壁部
２６ｄ 開口部
２６ｅ 内部空間
２９ ガイドグルーブ
２９ａ 被密封流体側ガイドグルーブ
２９ｂ 漏れ側側ガイドグルーブ
３１ 負圧発生機構
３２ 流体導入溝
３３ 溝部
３４ 開口部
３５ 止端部
３６ ランド部
３６ｂ ブリッジ部
３９ ガイドグルーブ
４１ 負圧発生機構
４２ 流体導入溝
４３ 溝部
４４ 開口部
４５ 止端部
４６ ランド部
４６ａ ランド部
４６ｂ ブリッジ部
４６ｄ 開口部
４６ｅ 内部空間
４７ 正圧発生機構
４７ａ 開口部
４９ ガイドグルーブ
Ｒ１ 被密封流体側ランド部
Ｒ２ 漏れ側側ランド部
Ｒ３ 径方向ランド部
Ｒ４ 径方向ランド部
Ｒｍ 平均径
Ｓ 摺動面

Claims (9)

1. 摺動面にて互いに相対摺動する一対の摺動部材であって、
   少なくとも一方の前記摺動面は、
   被密封流体側に連通する流体導入溝と、相対回転方向下流側が前記流体導入溝に連通する開口部及び相対回転方向上流側がランド部によって囲まれる止端部を有する溝部を有し、漏れ側のランド部によって漏れ側と隔離された負圧発生機構と、前記溝部内に配設されるランド部と、を備え、
   前記溝部内に配設されるランド部は、周囲のランド部から独立した島状のランド部であることを特徴とする摺動部材。
2. 摺動面にて互いに相対摺動する一対の摺動部材であって、
   少なくとも一方の前記摺動面は、
   被密封流体側に連通する流体導入溝と、相対回転方向下流側が前記流体導入溝に連通する開口部及び相対回転方向上流側がランド部によって囲まれる止端部を有する溝部を有し、漏れ側のランド部によって漏れ側と隔離された負圧発生機構と、前記溝部内に配設されるランド部と、を備え、
   前記溝部内に配設されるランド部は、被密封流体側のランド部から延設されており、前記溝部内に配設されるランド部と前記被密封流体側のランド部に囲まれた凹部が相対回転方向上流側に開口することを特徴とする摺動部材。
3. 前記負圧発生機構は、漏れ側から前記溝部内に配設されるランド部へ向かうガイドグルーブを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の摺動部材。
4. 前記負圧発生機構は、漏れ側及び被密封流体側のそれぞれから前記溝部内に配設されるランド部へ向かうガイドグルーブを備えることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
5. 前記負圧発生機構は、前記摺動面から前記ランド部を除いた残部からなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の摺動部材。
6. 前記負圧発生機構は、前記摺動面の平均径に跨って配設されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の摺動部材。
7. 前記止端部を囲むランド部内には、一端が前記流体導入溝に連通する正圧発生機構を備えることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の摺動部材。
8. 前記負圧発生機構は、前記摺動面に複数配設されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の摺動部材。
9. 前記溝部内に配設されるランド部は、前記溝部内に複数配設されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の摺動部材。

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