JP7369151B2

JP7369151B2 - 摺動部品

Info

Publication number: JP7369151B2
Application number: JP2020572261A
Authority: JP
Inventors: 岩王; 忠継井村; 啓志鈴木
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 2019-02-15
Filing date: 2020-02-12
Publication date: 2023-10-25
Anticipated expiration: 2040-02-12
Also published as: EP3926188A1; US20220120313A1; EP3926188A4; US11821461B2; WO2020166588A1; CN113412370A; KR20210124430A; KR102646386B1; JPWO2020166588A1; CN113412370B

Description

本発明は、相対回転する摺動部品に関し、例えば自動車、一般産業機械、あるいはその他のシール分野の回転機械の回転軸を軸封する軸封装置に用いられる摺動部品、または自動車、一般産業機械、あるいはその他の軸受分野の機械の軸受に用いられる摺動部品に関する。

被密封液体の漏れを防止する軸封装置として例えばメカニカルシールは相対回転し摺動面同士が摺動する一対の環状の摺動部品を備えている。このようなメカニカルシールにおいて、近年においては環境対策等のために摺動により失われるエネルギーの低減が望まれており、摺動面間の潤滑性を向上させることにより摺動により失われるエネルギーの低減を図る特許文献１のような摺動部品が開発されている。

例えば、特許文献１に示される摺動部品には、摺動部品の摺動面に被密封液体側である外径側に連通するとともに摺動面において一端が閉塞する動圧発生溝が設けられている。これによれば、摺動部品の相対回転時には、被密封液体側から動圧発生溝に流入した被密封流体が動圧発生溝の周方向終端から摺動面間に流出され、その動圧により摺動面同士が離間するとともに、動圧発生溝が被密封液体を保持することで潤滑性が向上し、低摩擦化を実現している。

また、動圧発生溝として特許文献２に示されるようなものもある。特許文献２の動圧発生溝は、被密封液体側である外径側から漏れ側である内径側に向けて弧状に延び、且つ内径側の端部が先細りするスパイラル形状を成している。

特開平４－５０５５９号公報（第３頁、第２図）特許第３０７９５６２号公報（第４頁、第２図）

特許文献１，２で示される被密封流体には、摺動面同士の摺動により発生する摩耗紛や塵埃などのコンタミが混入することがあり、被密封流体に混入したコンタミは、動圧発生溝内を流れる流体により該動圧発生溝の終端に導かれて堆積しやすくなっており、動圧発生溝の終端にコンタミが堆積すると、動圧発生溝の動圧発生機能の低下や、摺動面同士が不均一に接触するなどの虞があった。尚、本願において、「コンタミ」とはコンタミネーション（ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ）の略称であり、多細粒子状の導電性異物などの「粒子状異物」を意味する。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、動圧発生機構の浅溝部内にコンタミが堆積することを抑制できる摺動部品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、本発明の摺動部品は、
回転機械の相対回転する箇所に配置される環状を成す一対の摺動部品であって、
一方の摺動部品の摺動面には、漏れ側に連通する少なくとも浅溝部を有する動圧発生機構が複数設けられており、他方の摺動部品の摺動面には、前記動圧発生機構よりも深い寸法を有する深溝が漏れ側に連通して設けられており、相対回転時に前記深溝は前記動圧発生機構の浅溝部に重なる。
これによれば、一対の摺動部品の相対回転時に、深溝は動圧発生機構の浅溝部上を横切り、そのタイミングで動圧発生機構の浅溝部に深溝が連通し、浅溝部から深溝に移動する流体によりコンタミが動圧発生機構の浅溝部に堆積しにくくなっている。

前記動圧発生機構の浅溝部と前記深溝とが同一方向を向くように延設されていてもよい。
これによれば、動圧発生機構の浅溝部と深溝とを広い領域で連通させることができ、浅溝部の終端以外の部分からも流体を深溝側に移動させることができる。

前記深溝において少なくとも前記動圧発生機構の浅溝部の終端側で重なる部分の開口幅が該浅溝部の開口幅よりも長く形成されていてもよい。
これによれば、動圧発生機構の浅溝部と深溝とを長い時間連通させることができるので、浅溝部内のコンタミを深溝内に流出させやすい。

前記深溝の開口面の総面積は前記浅溝部の開口面の総面積よりも小さくてもよい。
これによれば、摺動部品の相対回転時において動圧発生機構の浅溝部と深溝とが連通しない領域を広く確保できるので、動圧発生機構で動圧を効率よく発生させることができる。

前記摺動部品は回転するものであって、外径側に連通する前記深溝が形成されていてもよい。
これによれば、遠心力により深溝内のコンタミを外径側に排出することができる。

いずれか一方の摺動部品の摺動面には、前記動圧発生機構よりも被密封流体側に配置され前記動圧発生機構とは独立する特定動圧発生機構が設けられていてもよい。
これによれば、摺動部品の相対回転時に、特定動圧発生機構により摺動面間を離間させて摺動面間に適当な液膜を生成しつつ、動圧発生機構によって被密封液体の漏れ側への漏れを低減できる。

本発明の実施例１におけるメカニカルシールの一例を示す縦断面図である。静止密封環の摺動面を軸方向から見た図である。回転密封環の摺動面を軸方向から見た図である。Ａ－Ａ断面図である。Ｂ－Ｂ断面図である。（ａ）は動圧発生機構と深溝とが連通していない状態において静止密封環の摺動面を軸方向から見た図、（ｂ）は同じく断面図である。動圧発生機構と深溝とが連通した状態において静止密封環の摺動面を軸方向から見た図である。（ａ）～（ｄ）は動圧発生機構上を深溝が横切る一連の動きを示す説明図である。深溝に流出したコンタミを含む被密封液体が漏れ側に排出される状態を示す概略図である。（ａ）は本発明の実施例２における動圧発生機構を示す概略図、（ｂ）は同じく深溝を示す概略図である。（ａ）はレイリーステップ内のコンタミを漏れ側に排出する形態を示す概略図、（ｂ）は逆レイリーステップ内のコンタミを漏れ側に排出する形態を示す概略図である。（ａ）は本発明の変形例１を示す説明図、（ｂ）は本発明の変形例２を示す説明図である。本発明の変形例３を示す説明図である。

本発明に係る摺動部品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。

実施例１に係る摺動部品につき、図１から図９を参照して説明する。尚、本実施例においては、摺動部品がメカニカルシールである形態を例に挙げ説明する。また、メカニカルシールを構成する摺動部品の外径側を漏れ側としての大気側（低圧側）、内径側を被密封液体側（高圧側）として説明する。また、説明の便宜上、図面において、摺動面に形成される溝等にドットを付すこともある。

図１に示される一般産業機械用のメカニカルシールは、摺動面の内径側から外径側に向かって漏れようとする被密封液体Ｆを密封するアウトサイド形のものであって、回転軸１にスリーブ２を介して回転軸１と共に回転可能な状態で設けられた円環状の摺動部品としての回転密封環２０と、被取付機器のハウジング４に固定されたシールカバー５に非回転状態かつ軸方向移動可能な状態で設けられた円環状の摺動部品としての静止密封環１０と、から主に構成され、ベローズ７によって静止密封環１０が軸方向に付勢されることにより、静止密封環１０の摺動面１１と回転密封環２０の摺動面２１とが互いに密接摺動するようになっている。

静止密封環１０及び回転密封環２０は、代表的にはＳｉＣ（硬質材料）同士またはＳｉＣ（硬質材料）とカーボン（軟質材料）の組み合わせで形成されるが、これに限らず、摺動材料はメカニカルシール用摺動材料として使用されているものであれば適用可能である。尚、ＳｉＣとしては、ボロン、アルミニウム、カーボン等を焼結助剤とした焼結体をはじめ、成分、組成の異なる２種類以上の相からなる材料、例えば、黒鉛粒子の分散したＳｉＣ、ＳｉＣとＳｉからなる反応焼結ＳｉＣ、ＳｉＣ－ＴｉＣ、ＳｉＣ－ＴｉＮ等があり、カーボンとしては、炭素質と黒鉛質の混合したカーボンをはじめ、樹脂成形カーボン、焼結カーボン等が利用できる。また、上記摺動材料以外では、金属材料、樹脂材料、表面改質材料（コーティング材料）、複合材料等も適用可能である。

図２に示されるように、静止密封環１０に対して回転密封環２０が矢印で示すように相対摺動するようになっており、静止密封環１０の摺動面１１には動圧発生機構１４と特定動圧発生機構１６とが静止密封環１０の周方向に均等に複数個ずつ配設されている。摺動面１１の動圧発生機構１４及び特定動圧発生機構１６以外の部分は平端面を成すランド１２となっている。

動圧発生機構１４は、摺動面１１を直交する方向から見て一定幅の弧状を成し、外径側である大気側に連通し、内径側に向けて径方向及び周方向に交差するように延びている。この動圧発生機構１４は、全長に亘って深さが一定を成し、後述のように、静止密封環１０と回転密封環２０とが相対回転したときに、動圧発生機構１４内に動圧を発生させる浅溝部のみから構成されている。動圧発生機構１４は、動圧発生機構１４の２つの円弧状の面と、円弧状の面同士に交差して延びる壁部１４ａと、摺動面１１に平行な底面との４面で囲まれており、内径側端部は閉塞されている。また、動圧発生機構１４と特定動圧発生機構１６とはランド１２を隔てて配置されている。

図４に示されるように、動圧発生機構１４は、幅寸法Ｌ２０が１ｍｍ、深さ寸法Ｌ２３が１μｍに形成されている。また、隣接する動圧発生機構１４の離間寸法Ｌ２１は、２ｍｍに形成されている。尚、図４～図８は、説明の便宜上、深さ寸法を実際の寸法よりも深く図示している。

尚、動圧発生機構１４の幅寸法及び深さ寸法は、静止密封環１０と回転密封環２０とが相対回転したときに動圧発生機構１４内に動圧を発生させることができる寸法であればよく、好ましくは動圧発生機構１４の幅寸法Ｌ２０が後述する深溝２２の幅寸法Ｌ２２よりも小さく形成されていればよい。また、動圧発生機構１４の離間寸法Ｌ２１も自由に変更できるが、好ましくは動圧発生機構１４の離間寸法Ｌ２１が後述する深溝２２の幅寸法Ｌ２２よりも大きく形成されていればよい。

図２に戻って、特定動圧発生機構１６は、高圧側に連通する液体誘導溝部１６１と、液体誘導溝部１６１の外径側端部から回転密封環２０の回転方向に向けて静止密封環１０と同心状に周方向に延びるレイリーステップ１６２と、を備えており、摺動面１１を直交する方向から見て逆Ｌ字形状を成している。特定動圧発生機構１６は、動圧発生機構１４よりも半分以下の個数で形成されている。レイリーステップ１６２の深さ寸法は、動圧発生機構１４と同じ１μｍに形成されており、液体誘導溝部１６１はレイリーステップ１６２よりも深い１００μｍの深さ寸法に形成されている。

図３に示されるように、回転密封環２０の摺動面２１には、深溝２２が周方向に離間して４つ、すなわち動圧発生機構１４の半分以下の個数で均等配置されている。摺動面２１の深溝２２以外の部分は平端面を成すランド２３となっている。

深溝２２は、動圧発生機構１４と鏡像関係にあってほぼ相似形かつ僅かに摺動面２１を直交する方向から見た面積が大きいものであり、摺動面２１を直交する方向から見て一定幅の弧状を成し、外径側である大気側に連通し、内径側に向けて径方向及び周方向に交差するように延びている。具体的には、深溝２２は、深溝２２の２つの円弧状の面と、円弧状の面同士に交差して延びる壁部と、摺動面２１に平行な底面との４面で囲まれており、内径側端部は閉塞されている。このように、深溝２２は、内径側の幅寸法よりも外径側の幅寸法が周方向に若干大きくなっている。図５に示されるように、深溝２２は、径方向の幅寸法Ｌ２２が１．５ｍｍ、深さ寸法Ｌ２４が１０μｍに形成されている。すなわち、深溝２２の径方向の幅寸法Ｌ２２は、動圧発生機構１４の幅寸法Ｌ２０よりも大きく（Ｌ２０＜Ｌ２２）、隣接する動圧発生機構１４の離間寸法Ｌ２１よりも小さい（Ｌ２１＞Ｌ２２）。また、深溝２２の深さ寸法Ｌ２４は、動圧発生機構１４の深さ寸法Ｌ２３よりも深く形成されている（Ｌ２３＜Ｌ２４）。

また、深溝２２の深さ寸法Ｌ２４は、静止密封環１０と回転密封環２０とが相対回転したときに、深溝２２内に動圧が略発生しない深さとなっている。尚、深溝２２の幅寸法及び深さ寸法は、静止密封環１０と回転密封環２０とが相対回転したときに深溝２２内に動圧が略発生しなければ自由に変更することができ、好ましくは深溝２２の深さ寸法Ｌ２４は動圧発生機構１４の深さ寸法Ｌ２３の５倍以上である。また、深溝２２の径方向の幅寸法Ｌ２２は、動圧発生機構１４の幅寸法Ｌ２０よりも大きくなっていれば自由に変更できる。

尚、動圧発生機構１４の底面は平坦面を成しランド１２に平行に形成されているが、平坦面に微細凹部を設けることやランド１２に対して傾斜するように形成することを妨げない。さらに、動圧発生機構１４の周方向に延びる２つの円弧状の面はそれぞれ動圧発生機構１４の底面に直交している。また、深溝２２の底面は平坦面を成しランド１２に平行に形成されているが、平坦面に微細凹部を設けることやランド１２に対して傾斜するように形成することを妨げない。さらに、深溝２２の周方向に延びる２つの円弧状の面はそれぞれ深溝２２の底面に直交している。

これら動圧発生機構１４と深溝２２とは、図６（ａ）及び図７に示されるように、静止密封環１０の摺動面１１と回転密封環２０の摺動面２１とを対向させたときに、同一方向を向くように配置される鏡像関係となっている。また、静止密封環１０と回転密封環２０との相対回転時には、図６に示されるように動圧発生機構１４と深溝２２とが軸方向視において重ならない状態と、図７に示されるように動圧発生機構１４と深溝２２とが軸方向視において重なる状態と、が存在する。深溝２２は、軸方向視で動圧発生機構１４よりも大きく形成されているので軸方向視において全領域が重なるようになっている（特に図７（ａ）参照）。

次いで、静止密封環１０と回転密封環２０との相対回転時の動作について図６～図９を参照して説明する。尚、図６（ａ）及び図７（ａ）は、静止密封環１０の摺動面１１を直交する方向から見た図であり、回転密封環２０の深溝２２は二点鎖線で示している。また、図６（ｂ）及び図８は、動圧発生機構１４の壁部１４ａ近傍を切断した図である。

まず、静止密封環１０と回転密封環２０との相対回転時の動作の概略を説明する。回転密封環２０が回転していない一般産業機械の非稼動時には、摺動面１１，２１間には摺動面１１，２１よりも内径側の被密封液体Ｆが毛細管現象によって僅かに進入しているとともに、動圧発生機構１４には一般産業機械の停止時に残っていた被密封液体Ｆと摺動面１１，２１よりも外径側から進入した大気とが混在した状態となっている。また、深溝２２も同様に一般産業機械の停止時に残っていた被密封液体Ｆと摺動面１１，２１よりも外径側から進入した大気とが混在した状態となっている。尚、被密封液体Ｆは気体と比べ粘度が高いため、一般産業機械の停止時に動圧発生機構１４及び深溝２２から低圧側に漏れ出す量は少ない。

一般産業機械の停止時に動圧発生機構１４に被密封液体Ｆがほぼ残っていない場合には、回転密封環２０が静止密封環１０に対して相対回転（黒矢印参照）すると、図６（ａ）に示されるように、大気側の低圧側流体Ａが矢印Ｌ１に示すように外径側から動圧発生機構１４内に導入されて追随移動するため、動圧発生機構１４内に動圧が発生するようになる。

動圧発生機構１４の下流側端部である壁部１４ａ近傍が最も圧力が高くなり、低圧側流体Ａは矢印Ｌ２に示すように壁部１４ａ近傍からその周辺に流出する。尚、動圧発生機構１４の上流側に向かうにつれて漸次圧力が低くなっている。

また、回転密封環２０が静止密封環１０に対して相対回転すると、高圧側の被密封液体Ｆが矢印Ｌ１１に示すように特定動圧発生機構１６の液体誘導溝部１６１から導入されるとともに、レイリーステップ１６２によって被密封液体Ｆが回転密封環２０の回転方向に矢印Ｌ１２に示すように追随移動するため、レイリーステップ１６２内に動圧が発生するようになり、被密封液体Ｆは矢印Ｌ１３に示すように終端である壁部１６２ａ近傍からその周辺に流出する。液体誘導溝部１６１は深溝であることから被密封液体Ｆを多く保持でき、液体誘導溝部１６１に連通する浅溝であるレイリーステップ１６２により動圧を発生させることができる。

静止密封環１０と回転密封環２０との相対回転時には、摺動面１１，２１間にそれらの内径側から高圧の被密封液体Ｆが随時流入しており、いわゆる流体潤滑を成すようになっている。このとき、上述したように動圧発生機構１４の下流側は高圧となっているため、矢印Ｈ１に示すように、動圧発生機構１４の下流側近傍に位置する被密封液体Ｆは、ランド１２に位置したままで動圧発生機構１４にはほぼ進入せず、動圧発生機構１４の上流側近傍に位置する被密封液体Ｆは、動圧発生機構１４の上流側端部から該動圧発生機構１４内に僅かずつ進入する。

また、レイリーステップ１６２近傍の被密封液体Ｆは、レイリーステップ１６２の下流側は高圧となっているため、矢印Ｈ２に示すように、ランド１２に位置したままで、レイリーステップ１６２にはほぼ進入しない。一方、液体誘導溝部１６１の近傍の被密封液体Ｆは、液体誘導溝部１６１が深溝部であることから、矢印Ｈ３に示すように、液体誘導溝部１６１に進入しやすくなっている。

静止密封環１０と回転密封環２０とがある程度相対回転すると、動圧発生機構１４に進入する被密封液体Ｆの量が増え、動圧発生機構１４から連続的に被密封液体Ｆが摺動面１１，２１間に流出する定常状態となる。定常状態では、摺動面１１，２１間にそれらの内径側や動圧発生機構１４から高圧の被密封液体Ｆが随時流入しており、上述したように流体潤滑となっている。尚、動圧発生機構１４に被密封液体Ｆがほぼ残っていない状態から定常状態となるまでは過渡的な短い時間である。また、一般産業機械の停止時に動圧発生機構１４に被密封液体Ｆが残っている場合には、動圧発生機構１４に被密封液体Ｆが残存している量によって定常状態となるまでの時間が変動することとなる。

次いで、静止密封環１０と回転密封環２０との相対回転時における動圧発生機構１４と深溝２２との関係について説明する。

図６（ａ）に示されるように、静止密封環１０と回転密封環２０との相対回転時において、動圧発生機構１４と深溝２２とが軸方向視に重ならない状態にあっては、矢印Ｌ１に示すような流体の流れが生じ、動圧発生機構１４内に動圧が発生している。このときには、図６（ａ），（ｂ）に示されるように、動圧発生機構１４内に発生する流れにより被密封液体Ｆ内に混入するコンタミＣは動圧発生機構１４内の壁部１４ａ近傍に集まりやすくなっている。尚、動圧発生機構１４と深溝２２とが軸方向視に重ならない状態にあっては、深溝２２に被密封液体Ｆが僅かに進入する。

一方、図７に示されるように、静止密封環１０と回転密封環２０との相対回転時において、動圧発生機構１４と深溝２２とが軸方向視に重なった状態にあっては、動圧発生機構１４と深溝２２とが軸方向に連通する。

具体的には、図８（ａ）に示されるように、動圧発生機構１４と深溝２２とが軸方向視に重ならない状態にあっては、矢印Ｈ４に示されるように摺動面１１，２１間の被密封液体Ｆが深溝２２内に相対回転上流側から僅かに進入する。尚、深溝２２内の被密封液体Ｆは、相対回転下流側かつ摺動面１１側に寄っている。すなわち、深溝２２内の相対回転上流側は、摺動面１１，２１側が最も深くなり、深溝２２の深さ方向に向かうにしたがって浅くなるようになっている。

次いで、図８（ｂ）に示されるように、深溝２２の相対回転上流側が動圧発生機構１４の相対回転下流側に軸方向に一部重畳し、深溝２２と動圧発生機構１４とが一部連通すると、深溝２２の容積は動圧発生機構１４の容積よりも大きいので、動圧発生機構１４内の圧力は深溝２２の圧力に近づくように変化し、その圧力変化により動圧発生機構１４の被密封液体Ｆは深溝２２内に勢いよく流入することとなる（矢印Ｌ６参照）。このとき、動圧発生機構１４のコンタミＣは被密封液体Ｆとともに深溝２２内に流入し、深溝２２の深さ方向奥側に誘導される。

次いで、図８（ｃ）に示されるように、軸方向視において深溝２２が動圧発生機構１４の全領域が重なったときには、深溝２２内の被密封液体Ｆが矢印Ｌ７に示すように動圧発生機構１４内に戻るが、被密封液体Ｆ内を浮遊するコンタミＣは深溝２２の深さ方向奥側に誘導されている（矢印Ｌ８参照）ので、矢印Ｌ７に示す被密封液体Ｆとともに動圧発生機構１４内に戻ることが抑制される。尚、上述した図８（ａ）に示す動圧発生機構１４と深溝２２とが軸方向視に重ならない状態にあっては、深溝２２内の被密封液体Ｆはほぼ清浄であって、ほとんどコンタミＣを含んでいないので、矢印Ｌ７による流れによって動圧発生機構１４にコンタミＣが流入することはほぼない。

そして、深溝２２が動圧発生機構１４を完全に横切り、深溝２２の相対回転上流側が動圧発生機構１４の回転下流側に軸方向に一部重畳し、深溝２２と動圧発生機構１４とが一部連通した状態にあっては、動圧発生機構１４内の被密封液体Ｆの一部が回転密封環２０から受けるせん断力により深溝２２内に回収される（矢印Ｌ９参照）。このとき、深溝２２内に回収される被密封液体ＦとともにコンタミＣが深溝２２内に流入する。すなわち、コンタミＣが動圧発生機構１４内に堆積しにくくなっている。さらに、図８（ｂ），（ｃ），（ｄ）のように、動圧発生機構１４内の被密封液体Ｆが深溝２２に流入した後、動圧発生機構１４内に戻り、再度深溝２２に流入するように移動するため、被密封液体Ｆの移動により動圧発生機構１４内が洗浄される。

図９（ａ）に示されるように、動圧発生機構１４から深溝２２内に移動したコンタミＣを含む被密封液体Ｆは、遠心力により回転密封環２０の回転方向と反対側の側壁２２ａに押し付けられ、その後図９（ｂ）に示されるように、コンタミＣを含む被密封液体Ｆは、遠心力により側壁２２ａに沿って大気側である外径側に移動し、動圧発生機構１４における大気側との連通部２２ｂから大気側に吹き飛ばされて排出されるため、深溝２２内にコンタミＣが堆積しにくくなっている。

以上、説明したように、一方の摺動部品である静止密封環１０の摺動面１１には、漏れ側としての大気側に連通する浅溝部として機能する動圧発生機構１４が複数設けられており、他方の摺動部品である回転密封環２０の摺動面２１には、動圧発生機構１４よりも深い寸法を有する深溝２２が大気側に連通して設けられており、深溝２２は相対回転時に動圧発生機構１４に重なる。これによれば、静止密封環１０及び回転密封環２０の相対回転時に、深溝２２は動圧発生機構１４上を横切り、そのタイミングで動圧発生機構１４に深溝２２が軸方向において連通するので、動圧発生機構１４から深溝２２に被密封液体Ｆが移動して動圧発生機構１４内の圧力は深溝２２内の圧力に近づくように変化する。これにより動圧発生機構１４に流入したコンタミＣに圧力変化による流体の力が作用し、コンタミＣが動圧発生機構１４に堆積しにくくなっている。また、低圧側に深溝２２が連通しており、且つ動圧発生機構１４よりも深いため、深溝２２内の圧力と動圧発生機構１４内の圧力との差圧を確実に生じさせることができ、動圧発生機構１４内のコンタミを深溝２２内に誘導しやすい。

尚、本実施例１では、動圧発生機構１４に流入したコンタミＣに圧力変化による流体の力が作用することで動圧発生機構１４から深溝２２内にコンタミＣを移動させる形態を例示したが、コンタミＣに圧力変化による流体の力が作用することで動圧発生機構１４内にコンタミＣが定着することを阻止できれば、必ずしもコンタミＣが深溝２２内に移動しなくてもよい。

また、低圧側に動圧発生機構１４が連通して設けられており、静止密封環１０と回転密封環２０との相対回転時において、動圧発生機構１４に進入した被密封液体Ｆを引き込んで動圧が発生しているので、摺動面１１の低圧側まで被密封液体Ｆを供給しても、被密封液体Ｆを回収して動圧発生機構１４により摺動面１１，２１間に戻すことができるため、摺動面１１の広い面積で潤滑性を向上させることができる。

また、動圧発生機構１４と深溝２２とが同一方向を向くように延設されている。具体的には、静止密封環１０の摺動面１１と回転密封環２０の摺動面２１とを対向させたときに、動圧発生機構１４と深溝２２とが同一方向を向くように配置される鏡像関係となっているため、動圧発生機構１４と深溝２２とが軸方向視で重なったときに、動圧発生機構１４と深溝２２とを広い領域で連通させることができる。これによれば、動圧発生機構１４の壁部１４ａ近傍だけでなく、動圧発生機構１４の壁部１４ａよりも上流側も深溝２２に連通するため、動圧発生機構１４の壁部１４ａ近傍に到達する前のコンタミＣも動圧発生機構１４から深溝２２に移動させることができる。

また、軸方向視における深溝２２の幅寸法Ｌ２２は、動圧発生機構１４の幅寸法Ｌ２０よりも長く形成されている。これによれば、深溝２２が１つの動圧発生機構１４上を横切るまでにかかる時間、すなわち深溝２２と該動圧発生機構１４とが軸方向に連通する時間を長く確保できるので、動圧発生機構１４内のコンタミＣを深溝２２内に流出させやすい。また、動圧発生機構１４と深溝２２との間に絞りとなる段差が形成されることを回避できるので、動圧発生機構１４から深溝２２に移動するコンタミＣが前記段差に引っ掛かることなく、コンタミＣを深溝２２にスムーズに移動させることができる。

また、深溝２２は動圧発生機構１４の全領域に重なるので、動圧発生機構１４と深溝２２との連通領域を最大限確保することができ、動圧発生機構１４内のコンタミＣを深溝２２に流入させやすい。

また、動圧発生機構１４の離間寸法Ｌ２１が深溝２２の幅寸法Ｌ２２よりも大きいので、隣接する２つの動圧発生機構１４が深溝２２に同時に連通することが回避され、動圧発生機構１４と深溝２２とが連通したときの深溝２２内の圧力と動圧発生機構１４内の圧力との差圧を確実に発生させることができる。

また、深溝２２は動圧発生機構１４よりも少ない個数であるため、静止密封環１０及び回転密封環２０の相対回転時において、動圧発生機構１４と深溝２２とが連通しない領域を広く確保できる。言い換えれば、深溝２２の開口面の総面積は動圧発生機構１４の開口面の総面積よりも小さい。すなわち、静止密封環１０及び回転密封環２０の相対回転時において、動圧発生機構１４と深溝２２とが軸方向視で重ならない状態を確保することができ、動圧発生機構１４と深溝２２とが軸方向視で重ならないときには、動圧発生機構１４内で動圧が発生するため、摺動面１１，２１同士を離間させる機能が低下することを回避でき、摺動面１１，２１間の潤滑性を維持できる。

尚、本実施例１では、深溝２２の数量が４つである形態を例示したが、動圧発生機構１４及び深溝２２の個数は自由に変更でき、好ましくは、深溝２２の個数は動圧発生機構１４の個数の半分以下であればよい。

また、深溝２２は回転する回転密封環２０に形成されており、該深溝２２及び静止密封環１０に形成される動圧発生機構１４は外径側に連通している。すなわち、摺動面１１，２１の内径側から外径側に向かって漏れようとする被密封液体Ｆを密封するアウトサイド形のメカニカルシールであり、遠心力により深溝２２内に流入したコンタミＣを深溝２２の外径側の連通部２２ｂから大気側に排出することができ、深溝２２内にコンタミＣが堆積することを抑制できる。

さらに、深溝２２の連通部２２ｂは、回転密封環２０の回転方向とは反対方向を向くので、遠心力により深溝２２内に流入したコンタミＣを含む被密封液体Ｆを深溝２２の外径側の連通部２２ｂから大気側に排出させやすい。

また、静止密封環１０の摺動面１１には、動圧発生機構１４よりも高圧側に配置され動圧発生機構１４とは独立する特定動圧発生機構１６が設けられている。これによれば、静止密封環１０及び回転密封環２０の相対回転時に、特定動圧発生機構１６により摺動面１１，２１間を離間させて摺動面１１，２１間に適当な液膜を生成しつつ、動圧発生機構１４によって被密封液体Ｆの低圧側への漏れを低減できる。

尚、本実施例１では、動圧発生機構１４を静止密封環１０に設け、深溝２２を回転密封環２０に設ける例について説明したが、動圧発生機構１４を回転密封環２０に、深溝２２を回転密封環２０に設けてもよく、静止密封環１０と回転密封環２０の両方に動圧発生機構１４及び深溝２２を設けてもよい。

また、本実施例１では、軸方向視で動圧発生機構１４と深溝２２とが重なったときに、深溝２２が動圧発生機構１４の全領域に重なる形態を例示したが、動圧発生機構１４と深溝２２とが一部のみ重なるようになっていてもよい。例えば、動圧発生機構１４と深溝２２とが摺動面１１，２１を重ね合わせたときに異なる方向を向くようになっていてもよい。好ましくは、深溝２２の径方向の長さが動圧発生機構１４と同等以上に形成されていればよい。

また、本実施例１では、特定動圧発生機構１６が静止密封環１０の摺動面１１に形成されている形態を例示したが、回転密封環２０の摺動面２１に形成されていてもよい。

次に、実施例２に係る摺動部品につき、図１０及び図１１を参照して説明する。尚、前記実施例と同一構成で重複する構成の説明を省略する。

図１０（ａ）に示されるように、動圧発生機構１４１は、大気側に連通して内径方向に延びる液体誘導溝部１４２と、液体誘導溝部１４２の内径側端部から下流側に向けて静止密封環１０と同心状に周方向に延びる浅溝部としてのレイリーステップ１４３と、液体誘導溝部１４２の内径側端部から上流側に向けて静止密封環１０と同心状に周方向に延びる浅溝部としての逆レイリーステップ１４４と、を備えている。すなわち、動圧発生機構１４１は、摺動面１１を直交する方向から見てＴ字形状を成している。

液体誘導溝部１４２の深さ寸法は１００μｍに形成されており、レイリーステップ１４３及び逆レイリーステップ１４４の深さ寸法は１μｍに形成されている。すなわち、液体誘導溝部１４２とレイリーステップ１４３及び逆レイリーステップ１４４との間には、深さ方向の段差１８が形成されている。また、液体誘導溝部１４２の径方向の長さ寸法Ｌ４０は２ｍｍに形成されている。

一方、図１０（ｂ）に示されるように、深溝２２１は大気側に連通して内径方向に直交するように延びている。深溝２２１の径方向の長さ寸法Ｌ５０は液体誘導溝部１４２の径方向の長さ寸法Ｌ４０と同じ２ｍｍに形成されている。

図１１（ａ）の実線矢印で示す紙面反時計回りに回転密封環２０が回転する場合には、低圧側流体Ａが矢印Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５の順に移動してレイリーステップ１４３内に動圧が発生する。このとき、深溝２２１が軸方向視においてレイリーステップ１４３の終端である壁部１４３ａ近傍に重なったときに、レイリーステップ１４３の壁部１４３ａ近傍に集まったコンタミＣが深溝２２１に移動し低圧側に排出される。

また、図１１（ｂ）の点線矢印で示す紙面時計回りに回転密封環２０が回転する場合には、低圧側流体Ａが矢印Ｌ３，Ｌ４’，Ｌ５’の順に移動して逆レイリーステップ１４４内に動圧が発生する。このとき、深溝２２１が軸方向視において逆レイリーステップ１４４の終端である壁部１４４ａ近傍に重なったときに、逆レイリーステップ１４４の壁部１４４ａ近傍に集まったコンタミＣが深溝２２１に移動し低圧側に排出される。すなわち、図１０（ｂ）の紙面時計回りに回転密封環２０が回転する場合には、逆レイリーステップ１４４がレイリーステップとして機能し、レイリーステップ１４３が逆レイリーステップとして機能する。

このように、液体誘導溝部１４２から周方向両側にレイリーステップ１４３及び逆レイリーステップ１４４が延設されており、レイリーステップ１４３及び逆レイリーステップ１４４のいずれか一方を動圧発生用の浅溝部として利用できるため、静止密封環１０と回転密封環２０との相対回転方向に関わらず使用できる。

また、深溝２２１の径方向の長さ寸法Ｌ５０は液体誘導溝部１４２の径方向の長さ寸法Ｌ４０と同じ寸法に形成されているので、深溝２２１がレイリーステップ１４３及び逆レイリーステップ１４４の径方向に亘って連通するため、コンタミＣが深溝２２１に移動しやすい。

次いで、特定動圧発生機構の変形例を説明する。図１２（ａ）に示すように、変形例１の特定動圧発生機構は、摺動面１１を直交する方向から見て円形を成す凹形状のディンプル３０である。尚、ディンプル３０の形状、数量、配置などは自由に変更することができる。尚、変形例１の特定動圧発生機構は実施例１、２に採用し得る。

また、図１２（ｂ）に示すように、変形例２の特定動圧発生機構は、径方向に向けて傾斜しながら円弧状に延びる円弧溝３１である。具体的には、円弧溝３１は、動圧発生機構１４と同じ個数設けられており、内径側の端部が高圧側に連通し、外径側の端部が動圧発生機構１４の内径側の端部よりも内径側に離間して配置されている。すなわち、円弧溝３１の外径側の端部と動圧発生機構１４の内径側の端部とはランド１２により区画されている。尚、円弧溝３１の大きさ、数量、配置などは自由に変更することができる。尚、変形例２の特定動圧発生機構は実施例１、２も採用し得る、実施例２に採用する場合には円弧溝の半数は他の半数の円弧溝と反対方向に傾斜していることが好ましい。

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。

例えば、前記実施例１，２では、摺動部品として、一般産業機械用のメカニカルシールを例に説明したが、自動車やウォータポンプ用等の他のメカニカルシールであってもよい。また、メカニカルシールに限られず、すべり軸受などメカニカルシール以外の摺動部品であってもよい。

また、前記実施例１，２では、摺動面１１，２１の内径側から外径側に向かって漏れようとする被密封液体Ｆを密封するアウトサイド形のメカニカルシールを例に挙げ説明したが、摺動面の外径側から内径側に向かって漏れようとする被密封液体Ｆを密封するインサイド形のメカニカルシールであってもよい。尚、インサイド形のメカニカルシールであっても、前記実施例１のように、動圧発生機構が片回転に対応する弧状に形成されていてもよいし、前記実施例２の動圧発生機構を適用してもよい。また、特定動圧発生機構が図１１のように形成されていてもよい。

また、前記実施例１，２では、摺動部品に同一形状の動圧発生機構が複数設けられる形態を例示したが、形状の異なる動圧発生機構が複数設けられていてもよい。また、動圧発生機構の間隔や数量などは適宜変更できる。

また、特定動圧発生機構は必ずしも設けられる必要はなく、特定動圧発生機構の構成を省略してもよい。

また、図１３に示される変形例３のように、メカニカルシールは、動圧発生機構２４１及び深溝２２２が高圧側に連通するものであってもよい。この場合であっても、動圧発生機構２４１と深溝２２２との圧力差により動圧発生機構２４１から深溝２２２に向かう液体の流れが生じ、動圧発生機構２４１内のコンタミＣを深溝２２２側に移動させることができる。また、動圧発生機構２４１と深溝２２２とが常に被密封液体Ｆにより満たされており、動圧発生機構２４１と深溝２２２とが連通したときに生じる被密封液体Ｆは動圧発生機構２４１から深溝２２２に向けて流れるため、深溝２２２に移動したコンタミＣが動圧発生機構２４１側へ戻ることが抑制されている。尚、変形例３の動圧発生機構、深溝の連通対象は、実施例１、２にも採用し得る。

また、被密封流体側を高圧側、漏れ側を低圧側として説明してきたが、被密封流体側が低圧側、漏れ側が高圧側となっていてもよいし、被密封流体側と漏れ側とは略同じ圧力であってもよい。

また、前記実施例１，２及び変形例１～３では、被密封流体が液体である形態を例示したが、被密封流体は、気体であってもよいし、液体と気体が混合したミスト状であってもよい。

１０静止密封環（一方の摺動部品）
１１摺動面
１２ランド
１４動圧発生機構（浅溝部）
１６特定動圧発生機構
２０回転密封環（他方の摺動部品）
２１摺動面
２２深溝
２３ランド
３０ディンプル（特定動圧発生機構）
３１円弧溝（特定動圧発生機構）
１４１動圧発生機構
１４３レイリーステップ（浅溝部）
１４４逆レイリーステップ（浅溝部）
２２１深溝

Claims

回転機械の相対回転する箇所に配置される環状を成す一対の摺動部品であって、
一方の摺動部品の摺動面には、漏れ側に連通する少なくとも浅溝部を有する動圧発生機構が複数設けられており、他方の摺動部品の摺動面には、前記動圧発生機構よりも深い寸法を有する深溝が漏れ側に連通して設けられており、相対回転時に前記深溝は前記動圧発生機構の浅溝部に重なり、
前記浅溝部の数は、前記深溝の数よりも多く、
前記深溝の開口面の面積は、前記浅溝部それぞれの開口面の面積よりも大きい摺動部品。
前記動圧発生機構の浅溝部と前記深溝とが同一方向を向くように延設されている請求項１に記載の摺動部品。
前記深溝において少なくとも前記動圧発生機構の浅溝部の終端側に重なる部分の開口幅が該浅溝部の開口幅よりも長く形成されている請求項１または２に記載の摺動部品。
前記深溝の開口面の総面積は前記浅溝部の開口面の総面積よりも小さい請求項１ないし３のいずれかに記載の摺動部品。
前記摺動部品は回転するものであって、外径側に連通する前記深溝が形成されている請求項１ないし４のいずれかに記載の摺動部品。
いずれか一方の摺動部品の摺動面には、前記動圧発生機構よりも被密封流体側に配置され前記動圧発生機構とは独立する特定動圧発生機構が設けられている請求項１ないし５のいずれかに記載の摺動部品。