JPWO2013176011A1 - 摺動部品 - Google Patents
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Abstract
Description
h:隙間高さ
η:流体粘度
p:圧力
上記式より、流体潤滑を促進し、動圧を発生させ、液膜を形成させるほど、内周端側の圧力勾配∂p/∂rが大きくなり、hが大きくなった結果、漏れ量Qが増大することがわかる。
したがって、シールの場合、漏れ量Qを減少させるには、隙間hおよび圧力勾配∂p/∂rを小さくする必要がある。
図4の横軸は、粘度η×速度v/荷重FNであって、粘度及び荷重が一定の場合、速度になる。今、粘度及び荷重を一定とした場合、中速域である混合潤滑領域「第2:h(隙間)≒R(表面粗さ)」及び高速域である流体潤滑領域「第1:h(隙間)>>R(表面粗さ)」では、摩擦係数は小さいが、起動時である境界潤滑領域「第3:h(隙間)→0」では摩擦係数はきわめて大きくなる。
そして、一般に、メカニカルシールに施される動圧発生溝は、常用回転数域で効果が出るように、また十分に流体を摺動面へ導入するという観点で設計されており、動圧発生溝の加工は、機械加工、ブラスト、及びレーザで行われ、数μm以上の溝深さであった。そのため、中速域及び高速域では低摩擦になるが、低速域では負荷容量を得ることはできず、低摩擦を実現することは困難であった。特に、起動または停止時に十分な動圧が発生できないために十分な潤滑特性を発揮できず、起動または停止時に鳴きの発生や摺動面の過度な接触が生起されるという問題があった。
第1の特徴により、極浅平行溝内に浸入する被密封流体が極薄の流体膜を形成し、表面張力の作用により、漏れを増大することなく流体をシールできる圧力域を高くすることができると共に、回転時には、相手側摺動面との相対的な摺動により動圧が発生され、動圧効果で摺動面を必要最低限浮上させることができる。また、極浅平行溝より低圧流体側の摺動面に極浅細溝が形成されているため、極浅平行溝より低圧流体側の摺動面における流体の流れを制御することができ、極浅細溝の方向を所望の方向に設定することにより、摺動面における流体の流れの方向を摺動面全体に流れるようにしたり、あるいは、摺動面に取り込んだ流体を高圧流体側に排出したりすることができ、摺動面潤滑特性の向上と漏れ低減を両立することができる。
また、本発明の摺動部品は、第3に、第2の特徴において、前記極浅平行溝は、好ましくは、溝深さhが50〜500nmであり、溝底部の表面粗さaが1〜30nmであって、h>aの関係にあることを特徴としている。
第2及び第3の特徴により、より一層、摺動面潤滑特性の向上と漏れ低減を両立することができる。
第4の特徴により、摺動面の流体を所望の方向に向かうように整流することができ、漏れを増大することなく、起動または停止時の潤滑特性を著しく向上することができる。
第5の特徴により、摺動面の流体は低圧流体側に向かうように整流され、摺動面を十分に潤滑することができる。
第6の特徴により、摺動面の流体は高圧流体側に向かうように整流され、低圧流体側への漏れをより一層防止することができる。
第7の特徴により、摺動面の流体は高圧流体側から低圧流体側に取り込まれ、高圧流体側へ排出されるように整流され、摺動面の潤滑を十分に行うとともに、低圧流体側への漏れを一層防止することができる。また、摺動部品が両方向に回転する場合に好都合である。
第8の特徴により、摺動面の流体は極浅平行溝から低圧流体側に向かうように整流され、摺動部品の起動または停止時においても、摺動面全体に流体が流れ込みやすく、摺動部品の起動または停止時の潤滑特性を向上することができる。漏れ防止の観点からは、極浅細溝とシール面内周との間に形成されるシール面の幅が広い場合に適している。
第9の特徴により、摺動面の面圧を良好な状態に保つとともに、漏れを少なくし、起動または停止時の潤滑特性を著しく向上することができる。
第10の特徴により、漏れを増大することなく良好な潤滑性能を維持でき、特に、起動または停止時の潤滑特性を著しく向上することができるメカニカルシールを得ることができる。また、摺動面の流体の流れを制御することができ、摺動面潤滑特性の向上と漏れ低減を両立できる。
(1)一対の摺動部品の互いに相対摺動する一方側の摺動面には、前記摺動面とほぼ平行にサブミクロンの段差を有する極浅平行溝からなる正圧発生機構が周方向に独立して複数設けられ、前記極浅平行溝より低圧流体側の前記摺動面には極浅細溝が形成され、前記極浅平行溝は、高圧流体側とは連通し、前記極浅細溝は前記極浅平行溝と連通し、低圧流体側とはシール面により隔離されていることにより、極浅平行溝内に浸入する被密封流体が極薄の流体膜を形成し、表面張力の作用により、漏れを増大することなく流体をシールできる圧力域を高くすることができるとともに、回転時には、相手側摺動面との相対的な摺動により動圧が発生され、動圧効果で摺動面を必要最低限浮上させることができる。また、極浅平行溝より低圧流体側の摺動面に極浅細溝が形成されているため、極浅平行溝より低圧流体側の摺動面における流体の流れを制御することができ、極浅細溝の方向を所望の方向に設定することにより、摺動面における流体の流れの方向を摺動面全体に流れるようにしたり、あるいは、摺動面に取り込んだ流体を高圧流体側に排出したりすることができ、摺動面潤滑特性の向上と漏れ低減を両立することができる。
第10の特徴により、漏れを増大することなく良好な潤滑性能を維持でき、特に、起動または停止時の潤滑特性を著しく向上することができるメカニカルシールを得ることができる。また、摺動面の流体の流れを制御することができ、摺動面潤滑特性の向上と漏れ低減を両立できる。
そして、この被密封流体を摺動部品1を用いて効果的にシールすることができる。例えば、この摺動部品1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。回転用密封環の摺動面と、これに対向する固定用密封環の摺動面とを密接させて摺動面の内外周のいずれか一方に存在する被密封流体をシールする。また、円筒状摺動面の軸方向一方側に潤滑油を密封しながら回転軸と摺動する軸受の摺動部品として利用することも可能である。
図1においては、説明の都合上、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する。
正圧発生機構を構成する極浅平行溝2は、極浅であること、例えば、溝深さhが10nm〜1μmの範囲にあり、溝底部の表面粗さaが1〜30nmの範囲であって、溝深さh>溝底部の表面粗さaの関係にあるため、極浅平行溝2内に浸入する被密封流体が極薄の流体膜を形成し、表面張力の作用により、漏れを増大することなく流体をシールできる圧力域を高くすることができる。回転時には、相手側摺動面との相対的な摺動により動圧が発生され、動圧効果で摺動面を浮上させる。このように、極浅平行溝2により構成された必要最低限の正圧発生機構により、漏れを増大することなく、起動または停止時の潤滑特性を著しく向上することができる。
図2(a)に示すように、本発明の場合、極浅平行溝2は、極浅であって、溝深さh>溝底部の表面粗さaの関係にあるため、相手側摺動面との相対的な摺動により発生する動圧の圧力分布は大きくなる。
一方、図2(b)に示すように、従来技術の場合、動圧発生溝は、溝の深さとほぼ同じ高さ分、動圧発生溝が形成されているため、相手側摺動面との相対的な摺動により発生する動圧の圧力分布は本発明の場合に比べて小さい。
摺動面S自体は鏡面加工によって、極浅平行溝2が明瞭になる程度の表面粗さに設定される。
極浅細溝10は、極浅平行溝2より低圧流体側の摺動面Sにおける流体の流れを制御するためのものであり、極浅細溝の方向を所望の方向に設定することにより、摺動面における流体の流れの方向を摺動面全体に流れるようにしたり、あるいは、摺動面に取り込んだ流体を高圧流体側に排出したりすることができる。
極浅細溝10は、極浅平行溝2より低圧流体側の摺動面Sにおける流体の流れを制御するためのものであり、一定の方向に向かって形成される。
図3(a)では、極浅細溝10は、径方向外側から内側に向けて相手側摺動材の回転方向と同方向に傾斜して形成され、すべての極浅細溝10が同一方向に形成されている。このため、相手側摺動材が時計方向に回転するとした場合、摺動面Sの流体は、矢印で示すように、低圧流体側に向かうように整流され、摺動面Sを十分に潤滑し、低圧流体側への漏れはシール面3により抑制される。
正圧発生機構を構成する極浅平行溝2は、極浅であって、溝深さh>溝底部の表面粗さaの関係にあるため、極浅平行溝2内に浸入する被密封流体が極薄の流体膜を形成し、表面張力の作用により、漏れを増大することなく流体をシールできる圧力域を高くすることができる。回転時には、相手側摺動面との相対的な摺動により動圧が発生され、動圧効果で摺動面を必要最低限浮上させる。また、極浅平行溝2より低圧流体側の摺動面Sに極浅細溝10が形成されているため、極浅平行溝2より低圧流体側の摺動面Sにおける流体の流れを制御することができ、極浅細溝10の方向を所望の方向に設定することにより、摺動面における流体の流れの方向を摺動面全体に流れるようにしたり、あるいは、摺動面に取り込んだ流体を高圧流体側に排出したりすることができ、摺動面潤滑特性の向上と漏れ低減を両立することができる。
2 極浅平行溝
3 シール面
10 極浅細溝
S 摺動面
Claims (10)
- 一対の摺動部品の互いに相対摺動する一方側の摺動面には、前記摺動面とほぼ平行にサブミクロンの段差を有する極浅平行溝からなる正圧発生機構が周方向に独立して複数設けられ、前記極浅平行溝より低圧流体側の前記摺動面には極浅細溝が形成され、前記極浅平行溝は、高圧流体側とは連通し、前記極浅細溝は前記極浅平行溝と連通し、低圧流体側とはシール面により隔離されていることを特徴とする摺動部品。
- 前記極浅平行溝は、溝深さhが10nm〜1μmであり、溝底部の表面粗さaが1〜100nmであって、h>aの関係にあり、前記極浅細溝は、溝深さhが極浅平行溝2と同等の深さであり、ピッチpが1〜500μmであることを特徴とする請求項1記載の摺動部品。
- 前記極浅平行溝は、好ましくは、溝深さhが50〜500nmであり、溝底部の表面粗さaが1〜30nmであって、h>aの関係にあることを特徴とする請求項2記載の摺動部品
- 前記極浅細溝は、前記摺動面の摺動方向に対して所定の角度を成して傾斜するように形成されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の摺動部品。
- 前記極浅細溝は、相手側摺動材の回転方向と同方向に傾斜して形成されていることを特徴とする請求項4記載の摺動部品。
- 前記極浅細溝は、相手側摺動材の回転方向と反対方向に傾斜して形成されていることを特徴とする請求項4記載の摺動部品。
- 前記極浅細溝は、隣り合う極浅細溝の方向が前記摺動面の摺動方向に対して対称となるように形成されていることを特徴とする請求項4記載の摺動部品。
- 前記極浅細溝は、径方向に沿って形成されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の摺動部品。
- 前記極浅平行溝は、摺動面の面積に対し、好ましくは、5〜70%の範囲で設けられることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の摺動部品。
- 一対の摺動部品が互いに相対回転するメカニカルシールの静止側摺動部材又は回転側摺動部材として使用される環状体からなることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の摺動部品。
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