JP7387239B2

JP7387239B2 - 摺動部品

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Publication number: JP7387239B2
Application number: JP2020571160A
Authority: JP
Inventors: 啓志鈴木
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 2019-02-04
Filing date: 2020-01-31
Publication date: 2023-11-28
Anticipated expiration: 2040-01-31
Also published as: JPWO2020162351A1; EP3922872B1; EP3922872A4; WO2020162351A1; CN113439167B; KR20210113364A; US12498044B2; KR102627904B1; EP3922872C0; EP3922872A1; EP4345328A3; EP4345328A2; CN113439167A; US20220099189A1

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、摺動部品の摺動面に高圧の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正圧発生溝を設けている。これによれば、摺動部品の相対回転時には、正圧発生溝に正圧が発生して摺動面同士が離間するとともに、正圧発生溝には被密封液体が外径側から導入され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。

さらに、メカニカルシールは、密封性を長期的に維持させるためには、「潤滑」に加えて「密封」という条件が求められている。例えば、特許文献１に示されるメカニカルシールは、一方の摺動部品において、被密封液体側に連通するレイリーステップ及び逆レイリーステップが設けられている。これによれば、摺動部品の相対回転時には、レイリーステップにより摺動面間に正圧が発生して摺動面同士が離間するとともに、レイリーステップが被密封液体を保持することで潤滑性が向上する。一方、逆レイリーステップでは相対的に負圧が生じるとともに逆レイリーステップはレイリーステップよりも漏れ側に配置されているため、レイリーステップから摺動面間に流れ出た高圧の被密封液体を逆レイリーステップに吸い込むことができる。このようにして、一対の摺動部品間の被密封液体が漏れ側に漏れることを防止して密封性を向上させていた。

国際公開第２０１２／０４６７４９号（第１４－１６頁、第１図）

しかしながら、特許文献１にあっては、逆レイリーステップで被密封液体を被密封液体側へ戻す構造であるため、摺動面間における漏れ側に被密封液体が供給されず、潤滑性に寄与していない部分が生じる虞があり、より潤滑性の高い摺動部品が求められていた。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、被密封流体を摺動面間における漏れ側まで供給して高い潤滑性を発揮するとともに被密封流体の漏れの少ない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の摺動部品であって、
前記摺動部品の摺動面には、漏れ側に連通する深溝部と、該深溝部に連通して周方向に並列して延設される複数の浅溝部と、から構成される動圧発生機構が複数設けられている。
これによれば、深溝部は溝の深さが深く容積が大きいので、摺動面の漏れ側まで供給された多くの量の被密封流体を回収して浅溝部から被密封流体を摺動面間に流出させることができるため、摺動面の広い面積で潤滑性を向上させることができる。また、漏れ側に連通する深溝部によって被密封流体を回収し、回収した被密封流体を浅溝部から摺動面間に流出させて一部を径方向被密封流体側に戻すので、漏れ側に漏れる被密封流体が少ない。加えて、並列する複数の浅溝部において、被密封流体側の浅溝部から流出する被密封流体を漏れ側に並列配置される浅溝部により捕集することができるため、潤滑性をより向上させるとともに、漏れ側に漏れる被密封流体をより少なくできる。

前記浅溝部が被密封流体側に向かって延びていてもよい。
これによれば、浅溝部の延設方向端部における動圧により高圧が生じる高圧部を被密封流体側に近付けて配置することができ、浅溝部の延設方向端部から被密封流体を摺動面間の被密封流体側に近づけた位置に戻すことができる。

前記浅溝部は、周方向に湾曲していてもよい。
これによれば、浅溝部の曲率に応じて動圧を調整することができる。また、浅溝部の延設方向端部までの距離を長くできるため、大きな圧力を得ることができる。

前記動圧発生機構は、漏れ側に直接連通し前記浅溝部の漏れ側で並列して周方向に延びる前記浅溝部とは独立したサブ浅溝部を有していてもよい。
これによれば、深溝部と連通する複数の浅溝部において、延設方向端部から流出する被密封流体を漏れ側のサブ浅溝部によりさらに捕集することができるため、漏れ側に漏れる被密封流体をさらに少なくできる。また、深溝部と連通しないサブ浅溝部に対する被密封流体の導入量を増やすことができるため、動圧発生機構の有効範囲を広げることができる。

前記浅溝部は、前記深溝部から周方向両側に延びていてもよい。
これによれば、深溝部の周方向のいずれか一方に配置される浅溝部を動圧発生用の浅溝部として利用できるため、摺動部品の回転方向に限られず使用できる。

前記深溝部は内径側に連通していてもよい。
これによれば、浅溝部から摺動面間に供給された被密封流体を遠心力により被密封流体側に戻すことができるとともに、遠心力により深溝部内に被密封流体を保持しやすい。

前記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を備えていてもよい。
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流体膜を生成しつつ、動圧発生機構によって被密封流体の漏れ側への漏れを低減できる。

尚、本発明に係る摺動部品の浅溝部が周方向に延設されているというのは、浅溝部が少なくとも周方向の成分をもって延設していればよく、好ましくは径方向よりも周方向に沿った成分が大きくなるように延設されていればよい。また深溝部が径方向に延びているというのは、深溝部が少なくとも径方向の成分をもって延設していればよく、好ましくは周方向よりも径方向に沿った成分が大きくなるように延設されていればよい。

また、被密封流体は、液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。

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。Ａ－Ａ断面図である。静止密封環の摺動面における要部拡大図である。（ａ）～（ｃ）は相対回転初期に液体誘導溝部の内径側から吸い込まれた被密封液体が摺動面間に流出される動作を説明する概略図である。相対回転初期に液体誘導溝部の内径側から吸い込まれた被密封液体が摺動面間に流出される動作を説明する概略図である。本発明の実施例２における静止密封環の摺動面を軸方向から見た図である。本発明の実施例３における静止密封環の摺動面を軸方向から見た図である。（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。本発明の実施例４における静止密封環の摺動面を軸方向から見た図である。

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６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被密封流体側としての被密封液体側（高圧側）、内径側を漏れ側としての大気側（低圧側）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と一体的に回転可能な状態で設けられた円環状の摺動部品である回転密封環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摺動部品としての円環状の静止密封環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。尚、回転密封環２０の摺動面２１は平坦面となっており、この平坦面には凹み部が設けられていない。

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には複数の動圧発生機構１４が静止密封環１０の周方向に均等に配設されている。摺動面１１の動圧発生機構１４以外の部分は平端面をなすランド１２となっている。

次に、動圧発生機構１４の概略について図２～図４に基づいて説明する。尚、以下、静止密封環１０及び回転密封環２０が相対的に回転したときに、図４の紙面左側を後述するスパイラル溝９Ａ，９Ｂ内を流れる被密封液体Ｆの下流側とし、図４の紙面右側をスパイラル溝９Ａ，９Ｂ内を流れる被密封液体Ｆの上流側として説明する。

動圧発生機構１４は、大気側に連通して外径方向に延びる深溝部としての液体誘導溝部１５と、液体誘導溝部１５から下流側に向けて周方向に並列して延びる浅溝部としての複数のスパイラル溝９Ａと、スパイラル溝９Ａの内径側において大気側に連通してスパイラル溝９Ａと周方向に並列して延びるスパイラル溝９Ａとは独立したサブ浅溝部としての複数のスパイラル溝９Ｂと、を備えている。尚、本実施例１の液体誘導溝部１５は、静止密封環１０の軸に直交するように径方向に延びている。また、本実施例１の４本のスパイラル溝９Ａと５本のスパイラル溝９Ｂは、液体誘導溝部１５から下流側に向けて液体誘導溝部１５の径方向の幅と同じ幅で静止密封環１０と同心状に周方向に延びる帯状の領域内において等間隔に並列している。また、液体誘導溝部１５とスパイラル溝９Ａとは連通しており、連通部分には深さ方向の段差１８が形成されている。

また、スパイラル溝９Ａ，９Ｂは、延設方向端部、すなわち下流側の端部に先細り形状を成す壁部９ａが形成されている。尚、壁部９ａは、先細りすることに限られるものではなく、例えば回転方向に対して直交または傾斜していてもよいし、階段状に形成されていてもよい。

また、液体誘導溝部１５の深さ寸法Ｌ１０は、スパイラル溝９Ａの深さ寸法Ｌ２０よりも深くなっている（Ｌ１０＞Ｌ２０）。具体的には、本実施例１における液体誘導溝部１５の深さ寸法Ｌ１０は、１００μｍに形成されており、スパイラル溝９Ａの深さ寸法Ｌ２０は、５μｍに形成されている。すなわち、液体誘導溝部１５とスパイラル溝９Ａとの間には、液体誘導溝部１５における下流側の側面とスパイラル溝９Ａの底面とにより深さ方向の段差１８が形成されている。尚、液体誘導溝部１５の深さ寸法がスパイラル溝９Ａの深さ寸法よりも深く形成されていれば、液体誘導溝部１５及びスパイラル溝９Ａの深さ寸法は自由に変更でき、好ましくは寸法Ｌ１０は寸法Ｌ２０の５倍以上である。また、説明の便宜上、図示を省略するが、スパイラル溝９Ｂは、スパイラル溝９Ａと同一の深さ寸法Ｌ２０（５μｍ）に形成されている。

尚、スパイラル溝９Ａ，９Ｂの底面は平坦面をなしランド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、スパイラル溝９Ａ，９Ｂの周方向に延びる２つの円弧状の面はそれぞれスパイラル溝９Ａ，９Ｂの底面に直交している。また、液体誘導溝部１５の底面は平坦面をなしランド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、液体誘導溝部１５の径方向に延びる２つの平面はそれぞれ液体誘導溝部１５の底面に直交している。

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説明する。まず、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よりも外径側の被密封液体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よりも内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（図２の黒矢印参照）すると、図４に示されるように、大気側の低圧側流体Ａが矢印Ｌ１に示すように液体誘導溝部１５から導入されるとともに、スパイラル溝９Ａによって低圧側流体Ａが回転密封環２０の回転方向に矢印Ｌ２に示すように追随移動するため、スパイラル溝９Ａ内に動圧が発生するようになる。また、矢印Ｌ４に示すように、スパイラル溝９Ｂの低圧側の開口からも大気側の低圧側流体Ａが導入され、スパイラル溝９Ｂによって低圧側流体Ａが回転密封環２０の回転方向に矢印Ｌ５に示すように追随移動するため、スパイラル溝９Ｂ内にも動圧が発生するようになる。

スパイラル溝９Ａ，９Ｂの下流側端部である壁部９ａ近傍が最も圧力が高くなり、低圧側流体Ａは矢印Ｌ３，Ｌ６に示すように壁部９ａ近傍からその周辺に流出する。尚、スパイラル溝９Ａ，９Ｂ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、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間にそれらの外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なすようになっている。このとき、スパイラル溝９Ａ，９Ｂ近傍の被密封液体Ｆは、上述したようにスパイラル溝９Ａ，９Ｂ特に下流側は高圧となっているため、矢印Ｈ１に示すように、ランド１２に位置したままで、スパイラル溝９Ａ，９Ｂにはほぼ進入しない。一方、液体誘導溝部１５の近傍の被密封液体Ｆは、液体誘導溝部１５が深溝部であってかつ低圧側に連通していることから、矢印Ｈ２に示すように、液体誘導溝部１５に進入しやすくなっている。加えて、被密封液体Ｆは液体であって表面張力が大きいことから、液体誘導溝部１５の側壁面に沿って移動して液体誘導溝部１５に進入しやすくなっている。尚、説明の便宜上、矢印Ｈ１は最外径のスパイラル溝９Ａに対してのみ図示している。

また、矢印Ｌ３に示すように、低圧側流体Ａが高圧側のスパイラル溝９Ａの下流側端部である壁部９ａ近傍からその周辺に流出することにより、低圧側に並列配置されるスパイラル溝９Ａとの間でランド１２に位置していた被密封液体Ｆの一部が押されて、高圧側のスパイラル溝９Ａの壁部９ａの周辺まで並列して延設される低圧側のスパイラル溝９Ａに進入するようになっている。尚、このような低圧側流体Ａによる被密封液体Ｆの押し込みは、図４に示される並列するスパイラル溝９Ａ，９Ａ間に限られるものではなく、矢印Ｌ３，Ｌ６に示すように、各スパイラル溝９Ａ，９Ｂの壁部９ａからその近傍に流出する低圧側流体Ａにより他の並列するスパイラル溝９Ａ，９Ｂ間またはスパイラル溝９Ｂ，９Ｂ間においても同様に行われる。

次いで、液体誘導溝部１５に吸い込まれた被密封液体Ｆが摺動面１１，２１間に流出される動作を説明する。

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、回転密封環２０が静止密封環１０に対して相対回転（図２の黒矢印参照）すると、図５（ａ）に示されるように、液体誘導溝部１５に進入した被密封液体Ｆは、符号Ｈ３に示すように、塊状の液滴となる。その後、図５（ｂ）に示されるように、液滴がある程度の体積となると、符号Ｈ４に示すように、スパイラル溝９Ａ，９Ａ’の上流側に形成された相対的に低い圧力によってスパイラル溝９Ａ，９Ａ’に引き込まれる。同時に、新たに液体誘導溝部１５に被密封液体Ｆが進入し、液滴Ｈ３’となる。このとき、液体誘導溝部１５には、図５（ａ）における相対回転の初期状態よりも多くの被密封液体Ｆが進入する。

その後、図５（ｃ）に示されるように、スパイラル溝９Ａ，９Ａ’に引き込まれた被密封液体Ｆは回転密封環２０から大きなせん断力を受け、圧力が高められながらスパイラル溝９Ａ，９Ａ’内を下流側に移動し、矢印Ｈ５に示すように壁部９ａ近傍からその周辺に流出する。また、壁部９ａ近傍からその周辺に流出した被密封液体Ｆの一部は、矢印Ｈ６に示すように低圧側に並列配置されるスパイラル溝９Ａとの間でランド１２に位置していた被密封液体Ｆの一部と共に低圧側のスパイラル溝９Ａに進入する。同時に、新たに液体誘導溝部１５に被密封液体Ｆが進入し、液滴Ｈ３’’となるとともに、液滴Ｈ３’が符号Ｈ４’に示すように、各スパイラル溝９Ａに引き込まれる。また、スパイラル溝９Ｂの開口からも被密封液体Ｆが進入し、液滴Ｈ７となる。尚、スパイラル溝９Ｂの開口側から進入する被密封液体Ｆは少量であるため、液滴Ｈ７は液滴Ｈ４と比べると小さな塊である。

図６に示されるように、スパイラル溝９Ａ，９Ａ’に引き込まれた被密封液体Ｆはスパイラル溝９Ａ，９Ａ’内を下流側に移動し、矢印Ｈ５’に示すように壁部９ａ近傍からその周辺に流出する。また、壁部９ａ近傍からその周辺に流出した被密封液体Ｆの一部は、矢印Ｈ６に示すように低圧側に並列配置されるスパイラル溝９Ａ，９Ａ’またはスパイラル溝９Ｂとの間でランド１２に位置していた被密封液体Ｆの一部と共に低圧側のスパイラル溝９Ａ，９Ａ’またはスパイラル溝９Ｂに進入する。同時に、液体誘導溝部１５に被密封液体Ｆがさらに進入し、液滴Ｈ３’’’となるとともに、液滴Ｈ３’’が符号Ｈ４’’に示すように、各スパイラル溝９Ａに引き込まれる。

その後、図６に示される状態よりも液体誘導溝部１５に進入する被密封液体Ｆの量が増え、各スパイラル溝９Ａ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間にそれらの外径側やスパイラル溝９Ａ，９Ｂ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、図５（ａ），（ｂ），（ｃ）を経て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、図５（ａ）の状態、図５（ｂ）の状態、図５（ｃ）の状態、定常状態のいずれかから動作が開始することとなる。

ここで、液体誘導溝部１５が深溝部であってかつ低圧側に連通していることから、矢印Ｈ５で示す被密封液体Ｆは、隣接する液体誘導溝部１５内に引き込まれやすくなっており、摺動面１１，２１間の被密封液体Ｆの量が安定し、高い潤滑性を維持できるようになっている。尚、スパイラル溝９Ｂは開口側まで同じ深さの浅い溝であるから、定常状態においても、液体誘導溝部１５に比べてスパイラル溝９Ｂの開口側から進入する被密封液体Ｆの量が大きく増えることはない。また、固体に対する界面張力は気体よりも液体の方が大きいので、摺動面１１，２１間には被密封液体Ｆが保持されやすく大気は静止密封環１０、回転密封環２０よりも内径側に排出されやすい。

以上のように、静止密封環１０と回転密封環２０との相対回転時において、スパイラル溝９Ａには、液体誘導溝部１５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。液体誘導溝部１５は溝の深さが深く容積が大きいので、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を回収してスパイラル溝９Ａ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、摺動面１１，２１よりも内径側の低圧側に連通する液体誘導溝部１５によって被密封液体Ｆを回収し、回収した被密封液体Ｆをスパイラル溝９Ａから摺動面１１，２１間に流出させて一部を高圧側に戻すので、低圧側に漏れる被密封液体Ｆが少ない。また、スパイラル溝９Ａの下流側端部が先細り形状であることにより、スパイラル溝９Ａの壁部９ａから摺動面１１，２１間に戻される被密封液体Ｆの流量が確保されやすくなるため、動圧を安定して発生させることができる。加えて、並列する複数のスパイラル溝９Ａにおいて、高圧側のスパイラル溝９Ａの壁部９ａ近傍から周辺に流出する被密封液体Ｆを低圧側に並列配置されるスパイラル溝９Ａにより捕集することができるため、潤滑性をより向上させるとともに、低圧側に漏れる被密封液体Ｆをより少なくできる。

さらに、液体誘導溝部１５と連通する複数のスパイラル溝９Ａの壁部９ａ近傍から周辺に流出する被密封液体Ｆを低圧側のスパイラル溝９Ｂによりさらに捕集することができるため、低圧側に漏れる被密封液体Ｆをさらに少なくできる。また、液体誘導溝部１５と連通しないスパイラル溝９Ｂに対する被密封液体Ｆの導入量を増やすことができるため、摺動面１１における動圧発生機構１４の有効範囲を広げることができる。

また、多くの量の被密封液体Ｆが液体誘導溝部１５に保持されるため、スパイラル溝９Ａ内に引き込まれる被密封液体Ｆの量を十分に確保できるとともに、液体誘導溝部１５に保持される被密封液体Ｆの量が短い時間において増減してもスパイラル溝９Ａ内に引き込まれる被密封液体Ｆの量を略一定とすることができ、摺動面１１，２１が貧潤滑となることを回避できる。また、液体誘導溝部１５が低圧側に連通しているので、摺動面１１，２１間の被密封液体Ｆの圧力に比べ液体誘導溝部１５内の圧力は低くなっており、液体誘導溝部１５の近傍の被密封液体Ｆは液体誘導溝部１５内に引き込まれやすくなっている。

また、スパイラル溝９Ａ，９Ｂは、高圧側に向かって延びているため、スパイラル溝９Ａ，９Ｂの壁部９ａにおける動圧による高圧部を高圧側に近付けて配置することができ、特にスパイラル溝９Ａにおいては、液体誘導溝部１５を介した吸い込み能力を高めることができる。また、スパイラル溝９Ａ，９Ｂの壁部９ａから被密封液体Ｆを摺動面１１，２１間の高圧側に近づけた位置に戻すことができるから、被密封液体Ｆの漏れを少なくすることができる。

また、スパイラル溝９Ａ，９Ｂは、周方向に湾曲しているため、スパイラル溝９Ａ，９Ｂの曲率に応じて動圧を調整することができる。また、スパイラル溝９Ａ，９Ｂの壁部９ａまでの距離を長くできるため、大きな圧力を得ることができる。尚、スパイラル溝９Ａ，９Ｂは、異なる曲率で形成されていてもよい。

また、液体誘導溝部１５は、径方向に延びている。具体的には、液体誘導溝部１５は、静止密封環１０の中心軸と直交する方向に延びているため、周方向の幅を短くして静止密封環１０の周方向に多く配置できるので設計自由度が高い。尚、液体誘導溝部１５は、静止密封環１０の中心軸と直交する方向に限られず、静止密封環１０の中心軸と直交する位置から傾いていてもよいが、４５度未満の傾きであることが好ましい。さらに、液体誘導溝部１５の形状は円弧状など自由に変更できる。

また、スパイラル溝９Ａと液体誘導溝部１５との連通部分には、液体誘導溝部１５における下流側の側面とスパイラル溝９Ａの底面とにより段差１８が形成されているので、動圧の影響を直接的に受けずに被密封液体Ｆを液体誘導溝部１５に保持できる。

また、スパイラル溝９Ａは、それぞれ径方向の全幅に亘って液体誘導溝部１５に連通しているため、スパイラル溝９Ａの液体誘導溝部１５への開口領域を確保でき、液体誘導溝部１５に保持された被密封液体Ｆを効率的に吸い上げることができる。

また、液体誘導溝部１５は、静止密封環１０の内径側に連通している。すなわち、摺動部品は、インサイド型のメカニカルシールであり、静止密封環１０及び回転密封環２０の相対回転時には、遠心力によりスパイラル溝９Ａ内の被密封液体Ｆを高圧側に戻すことができるとともに、被密封液体Ｆの摺動面１１，２１よりも内径側の低圧側への漏れを低減できる。

また、静止密封環１０に動圧発生機構１４が設けられているため、静止密封環１０及び回転密封環２０の相対回転時に、液体誘導溝部１５内を大気圧に近い状態に保ちやすい。

尚、本実施例１では、液体誘導溝部１５とスパイラル溝９Ａとの連通部分に段差が設けられていなくてもよく、例えば、液体誘導溝部１５とスパイラル溝９Ａとが傾斜面で連通していてもよい。この場合、例えば、５μｍ以下の深さ寸法を有する部分がスパイラル溝９Ａとなり、５μｍよりも深い部分を液体誘導溝部１５とすることができる。

また、スパイラル溝９Ａ，９Ｂは、液体誘導溝部１５から下流側に向けて液体誘導溝部１５の径方向の幅と同じ幅で静止密封環１０と同心状に周方向に延びる帯状の領域内に形成される形態に限られず、例えば、円弧状または台形状など他の形状の領域内に形成されていてもよい。また、スパイラル溝９Ａ，９Ｂは、並列に延びるものであれば等間隔に形成されなくてもよい。また、スパイラル溝９Ａ，９Ｂは、液体誘導溝部１５から直線状に延設されるようになっていてもよいし、蛇行して延設されていてもよい。また、スパイラル溝９Ｂは設けなくてもよい。

次に、実施例２に係る摺動部品につき、図７を参照して説明する。尚、前記実施例１と同一構成で重複する構成の説明を省略する。

図７に示されるように、静止密封環１０１に設けられる動圧発生機構１４１は、液体誘導溝部１１５と、スパイラル溝１０９Ａ，１０９Ｂと、液体誘導溝部１１５から下流側に向けて周方向に並列して延びる浅溝部としての複数のスパイラル溝１０９Ｃと、スパイラル溝１０９Ｃの内径側において大気側に連通してスパイラル溝１０９Ｃと周方向に並列して延びるスパイラル溝１０９Ｃとは独立したサブ浅溝部としての複数のスパイラル溝１０９Ｄと、を備えている。また、スパイラル溝１０９Ｃ，１０９Ｄは、スパイラル溝１０９Ａ，１０９Ｂと同じ５μｍの深さ寸法で形成されている。

図７の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Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３及びＬ４，Ｌ５，Ｌ６の順に移動してスパイラル溝１０９Ａ，１０９Ｂ内に動圧が発生する。また、図７の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Ｌ１，Ｌ２’，Ｌ３’及びＬ４’，Ｌ５’，Ｌ６’の順に移動してスパイラル溝１０９Ｃ，１０９Ｄ内に動圧が発生する。

このように、液体誘導溝部１１５から周方向両側にスパイラル溝１０９Ａ，１０９Ｃが延設されているので、スパイラル溝１０９Ａ，１０９Ｃ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１０１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、スパイラル溝１０９Ｂ，１０９Ｄについても、いずれか一方を動圧発生用のサブ浅溝部として利用できるため、静止密封環１０１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、動圧発生機構１４１における下流側端部に形成されるスパイラル溝１０９Ｂは、隣接する動圧発生機構１４１’における上流側端部に形成されるスパイラル溝１０９Ｄと周方向に隣接している。これによれば、動圧発生機構１４１における下流側端部に形成されるスパイラル溝１０９Ｂの壁部９ａ近傍からその周辺に流出し、内径側に移動しようとする被密封液体Ｆが隣接する動圧発生機構１４１’における上流側端部に形成されるスパイラル溝１０９Ｂから吸い込まれるため、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２では、スパイラル溝１０９Ａ，１０９Ｂ及びスパイラル溝１０９Ｃ，１０９Ｄが同一の深さ寸法である場合を例示したが、異なる深さ寸法に形成されていてもよい。また、両者は周方向長さ、径方向幅についても同じであっても異なっていてもよい。

また、動圧発生機構１４１における下流側端部に形成されるスパイラル溝１０９Ｂと隣接する動圧発生機構１４１’における上流側端部に形成されるスパイラル溝１０９Ｄとを周方向に長い距離離間させ、摺動面１１，２１間を離間させる圧力をより高めるようにしてもよい。

次に、実施例３に係る摺動部品につき、図８を参照して説明する。尚、前記実施例２と同一構成で重複する構成の説明を省略する。

図８に示されるように、静止密封環１０２には、動圧発生機構１４１と、特定動圧発生機構１６と、が複数形成されている。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の外径側端部から下流側に向けて静止密封環１０２と同心状に周方向に延びるレイリーステップ１７Ａと、液体誘導溝部１６１の外径側端部から上流側に向けて静止密封環１０２と同心状に周方向に延びる逆レイリーステップ１７Ｂと、を備えている。液体誘導溝部１６１と液体誘導溝部１１５とは、周方向に対応する位置に形成されている。すなわち、液体誘導溝部１６１と液体誘導溝部１１５とは、径方向に沿って形成されている。また、液体誘導溝部１６１は、特定動圧発生機構１６の深溝部として機能しており、レイリーステップ１７Ａ及び逆レイリーステップ１７Ｂは、特定動圧発生機構１６の浅溝部として機能している。

動圧発生機構１４１のスパイラル溝１０９Ａ，１０９Ｂ及びスパイラル溝１０９Ｃ，１０９Ｄは、特定動圧発生機構１６のレイリーステップ１７Ａ及び逆レイリーステップ１７Ｂよりも周方向に広い領域内に形成されている。また、レイリーステップ１７Ａ及び逆レイリーステップ１７Ｂは、スパイラル溝１０９Ａ，１０９Ｂ及びスパイラル溝１０９Ｃ，１０９Ｄと同じ５μｍの深さ寸法で形成されている。また、動圧発生機構１４１の容積は、特定動圧発生機構１６の容積よりも大きくなっている。

図８の紙面反時計回りに回転密封環２０が回転する場合には、被密封液体Ｆが矢印Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３の順に移動してレイリーステップ１７Ａ内に動圧が発生する。また、図８の紙面時計回りに回転密封環２０が回転する場合には、被密封液体Ｆが矢印Ｌ１１，Ｌ１２’，Ｌ１３’の順に移動して逆レイリーステップ１７Ｂ内に動圧が発生する。このように、静止密封環１０２と回転密封環２０との相対回転方向に関わらず特定動圧発生機構１６内に動圧を発生させることができる。

また、特定動圧発生機構１６で発生する動圧により摺動面１１，２１間を離間させて適当な液膜を生成しつつ、摺動面１１から低圧側に漏れようとする被密封液体Ｆを動圧発生機構１４１によって回収できる。

また、液体誘導溝部１６１と液体誘導溝部１１５とは、径方向に沿って形成されているため、摺動面１１，２１間において液体誘導溝部１６１から低圧側に漏れようとする被密封液体Ｆが液体誘導溝部１１５に導入されやすくなるため、被密封液体Ｆの低圧側への漏れを効率よく低減できる。

また、動圧発生機構１４１の容積が特定動圧発生機構１６の容積よりも大きいので、動圧発生機構１４１のスパイラル溝１０９Ａ，１０９Ｂ及びスパイラル溝１０９Ｃ，１０９Ｄの吸い込み力を大きくして、低圧側の動圧発生機構１４１と高圧側の特定動圧発生機構１６との動圧のバランスを調整できる。

尚、スパイラル溝１０９Ａ，１０９Ｂ及びスパイラル溝１０９Ｃ，１０９Ｄの周方向の長さは、レイリーステップ１７Ａ及び逆レイリーステップ１７Ｂと同一の長さ、またはレイリーステップ１７Ａ及び逆レイリーステップ１７Ｂよりも短く形成されていてもよい。また、レイリーステップ１７Ａ及び逆レイリーステップ１７Ｂは、スパイラル溝１０９Ａ，１０９Ｂ及びスパイラル溝１０９Ｃ，１０９Ｄと異なる深さ寸法に形成されていてもよい。また、レイリーステップ１７Ａ及び逆レイリーステップ１７Ｂの径方向の幅は、スパイラル溝１０９Ａ，１０９Ｂ及びスパイラル溝１０９Ｃ，１０９Ｄの径方向の幅と同一に形成されてもよく、スパイラル溝１０９Ａ，１０９Ｂ及びスパイラル溝１０９Ｃ，１０９Ｄの径方向の幅よりも大幅または小幅に形成されていてもよい。好ましくは、動圧発生機構１４１の容積が特定動圧発生機構１６の容積よりも大きくなっていればよい。

次いで、特定動圧発生機構の変形例を説明する。図９（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。

また、図９（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３１，３２である。具体的には、円弧溝３１，３２は外径側の端部が高圧側に連通しており、円弧溝３１は、スパイラル溝１０９Ａ，１０９Ｂの外径側に複数配設されており、円弧溝３２は、スパイラル溝１０９Ｃ，１０９Ｄの外径側に複数配設されている。

また、円弧溝３１は、回転密封環２０が図９（ｂ）の紙面反時計回りに回転したときに内径側に向けて被密封液体Ｆが移動する形状となっており、円弧溝３２は、回転密封環２０が図９（ｂ）の紙面時計回りに回転したときに内径側に向けて被密封液体Ｆが移動する形状となっている。回転密封環２０が反時計回りに回転したときには円弧溝３１の内径側の圧力が高くなり、時計回りに回転したときには円弧溝３２の内径側の圧力が高くなるため、摺動面１１，２１を離間させて適当な液膜を生成できるようになっている。尚、円弧溝３１，３２の形状、数量、配置などは自由に変更することができる。

次に、実施例４に係る摺動部品につき、図１０を参照して説明する。尚、前記実施例３と同一構成で重複する構成の説明を省略する。

図１０に示される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る。動圧発生機構１４１は低圧側に連通するように外径側に配置されており、特定動圧発生機構１６は、高圧側に連通するように内径側に配置されている。尚、アウト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ように形成されていてもよい。また、前記実施例１のように、特定動圧発生機構が設けられていなくてもよいし、特定動圧発生機構が前記実施例３の変形例に示したディンプルや円弧溝等の他の形態に形成されていてもよい。

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。

例えば、前記実施例では、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、前記実施例では、動圧発生機構を静止密封環にのみ設ける例について説明したが、動圧発生機構を回転密封環２０にのみ設けてもよく、回転密封環２０と静止密封環の両方に設けてもよい。

また、前記実施例では、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、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。

９Ａスパイラル溝（浅溝部）
９Ｂスパイラル溝（サブ浅溝部）
１０静止密封環（摺動部品）
１１摺動面
１４動圧発生機構
１５液体誘導溝部（深溝部）
１６特定動圧発生機構
１７Ａレイリーステップ（浅溝部）
１７Ｂ逆レイリーステップ（浅溝部）
１８段差
２０回転密封環（摺動部品）
２１摺動面
１０９Ａ，１０９Ｃスパイラル溝（浅溝部）
１０９Ｂ，１０９Ｄスパイラル溝（サブ浅溝部）
１１５液体誘導溝部（深溝部）
１４１動圧発生機構

Claims

回転機械の相対回転する箇所に配置される環状の摺動部品であって、
前記摺動部品の摺動面には、漏れ側に連通する深溝部と、該深溝部に連通して周方向に並列して延設される複数の浅溝部と、から構成される動圧発生機構が複数設けられ、
前記動圧発生機構は、漏れ側に直接連通し前記浅溝部の漏れ側で並列して周方向に延びる前記浅溝部とは独立したサブ浅溝部を有している摺動部品。
前記サブ浅溝部は、前記浅溝部と径方向で重なる請求項１に記載の摺動部品。
前記浅溝部が被密封流体側に向かって延びている請求項１または２に記載の摺動部品。
前記浅溝部は、周方向に湾曲している請求項１ないし３のいずれかに記載の摺動部品。
前記浅溝部は、前記深溝部から周方向両側に延びている請求項１ないし４のいずれかに記載の摺動部品。
前記深溝部は内径側に連通する請求項１ないし５のいずれかに記載の摺動部品。
前記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を備えている請求項１ないし６のいずれかに記載の摺動部品。