JPWO2014103630A1 - 摺動部品 - Google Patents
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Abstract
Description
そのような中で、例えば、水冷式エンジンの冷却に用いられるウォーターポンプのメカニカルシールにおいては、時間の経過とともに不凍液の1種であるLLCの添加剤、例えばシリケートやリン酸塩など(以下、「堆積物発生原因物質」という。)が、摺動面で濃縮され、堆積物が生成され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件発明者において確認された。この堆積物の生成は薬品やオイルを扱う機器のメカニカルシールにおいても同様に発生する現象と考えられる。
この特徴によれば、流体循環溝により摺動面に積極的に流体を取り入れ、摺動面から排出させて摺動面における流体の循環を図ることにより、摺動面における堆積物発生原因物質の濃縮を防止し、ひいては摺動面における堆積物発生を防止すると共に、正圧発生機構により摺動面間の流体膜を増加させることにより潤滑性能を向上させ、また、ランド部により密封することにより、密封と潤滑という相反する条件を両立させつつ、摺動面における堆積物発生を防止できる摺動部品を提供することができる。
この特徴によれば、摺動面全体に均一に流体を取り入れることができる。
この特徴によれば、摺動面にレイリーステップを設けることで容易に正圧発生機構を形成することができる。
この特徴によれば、正圧発生機構の設けられていないところの隣接する流体循環溝の間において高圧流体側から低圧流体側に漏洩しようとする被密封流体を高圧流体側に押し戻し、密封性を向上させるもので、摺動面全体の密封性の向上を図ることができる。また、スパイラル溝は低圧流体側とはランド部により隔離されているため、静止時において漏洩が生じることもない。
この特徴によれば、正圧発生機構の設けられていないところの隣接する流体循環溝の間において高圧流体側から低圧流体側に漏洩しようとする被密封流体を高圧流体側に押し戻し、密封性を向上させるもので、摺動面全体の密封性の向上を図ることができる。また、スパイラル溝は、低圧流体側にも連通しているため、スパイラル溝の低圧側において蒸気性キャビテーションが発生しにくいというメリットがある。
この特徴によれば、レイリーステップ機構の設けられていない部分であるところの隣接する流体循環溝の間において高圧流体側から低圧流体側に漏洩しようとする被密封流体を負圧発生溝に取り込み、流体循環溝を介して高圧流体側に戻すことにより、密封性を向上させ、摺動面全体の密封性を向上させることができる。
この特徴によれば、摺動面に逆レイリーステップを設けることで容易に負圧発生機構を形成することができる。
この特徴によれば、特に、流体循環溝、正圧発生機構及び/又は負圧発生機構と、スパイラル溝とが別の摺動面に設けられるため、加工が容易であり、また、スパイラル溝を全周にわたり連続して設けられるので密封性をより一層向上させることができる。
この特徴によれば、特に、流体循環溝、正圧発生機構及び/又は負圧発生機構と、スパイラル溝とが別の摺動面に設けられるため、加工が容易であり、また、スパイラル溝を全周にわたり連続して設けられるので密封性をより一層向上させることができる。
この特徴によれば、特に、流体を高圧流体側に排出するスパイラル溝の設けられる面はランド部より低く設定されているため、この部分の液膜が厚くなり摩耗を低減することができる。
(1)流体循環溝により摺動面に積極的に流体を取り入れ、摺動面から排出させて摺動面における流体の循環を図ることにより、摺動面における堆積物発生原因物質の濃縮を防止し、ひいては摺動面における堆積物発生を防止すると共に、正圧発生機構により摺動面間の流体膜を増加させることにより潤滑性能を向上させ、また、ランド部により密封することにより、密封と潤滑という相反する条件を両立させつつ、摺動面における堆積物発生を防止できる摺動部品を提供することができる。
なお、以下の実施例においては、摺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摺動部品の外周側を高圧流体側(被密封流体側)、内周側を低圧流体側(大気側)として説明するが、本発明はこれに限定されることなく、高圧流体側と低圧流体側とが逆の場合も適用可能である。
なお、図1では、回転環3の摺動面の幅が固定環5の摺動面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出来ることはもちろんである。
なお、回転環3の摺動面に流体循環溝が形成される場合も基本的には同様であるが、その場合、流体循環溝は被密封流体側に連通すればよいため、摺動面の外周側まで設けられる必要はない。
固定環5の摺動面には、高圧流体側に連通されると共に低圧流体側とは摺動面の平滑部R(本発明においては、「ランド部」ということがある。)により隔離された流体循環溝10が周方向に複数設けられている。
正圧発生溝11aは流体循環溝10の入口部に連通し、出口部10b及び高圧流体側とはランド部Rにより隔離されている。
本例では、正圧発生機構11は、流体循環溝10の入口部10aに連通する正圧発生溝11a及びレイリーステップ11bを備えたレイリーステップ機構から構成されるが、これに限定されることなく、例えば、ダム付きフェムト溝で構成してもよく、要は、正圧を発生する機構であればよい。
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。
図2(b)において、図2(a)と同様に、高圧流体側に連通されると共に低圧流体側とは摺動面の平滑部Rにより隔離された流体循環溝15の入口部15a及び出口部15bが対をなすように周方向に複数設けられ、連通部15cは、対をなす入口部15a及び出口部15bを連通すると共に、全周に延び、すべての流体循環溝15の連通部を連通している。また、流体循環溝15の入口部15a及び出口部15bは、例えば、中心線O−Oを基準にして高圧流体側に向けて広がると共に、対称に形成され、入口部15a及び出口部15bの交差角は鈍角(例えば、約120°)をなすように設定されている。
図3(a)において、相対する摺動部品である回転環3、及び、固定環5が矢印で示すように相対摺動する。例えば、固定環5の摺動面には、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11bが形成され、該レイリーステップ11bの上流側には正圧発生溝であるグルーブ部11aが形成されている。相対する回転環3及び固定環5の摺動面は平坦である。
回転環3及び固定環5が矢印で示す方向に相対移動すると、回転環3及び固定環5の摺動面間に介在する流体が、その粘性によって、回転環3または固定環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11b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、10a、10bは流体循環溝の入口部、出口部を、また、Rはランド部を示す。
回転環3及び固定環5が矢印で示す方向に相対移動すると、回転環3及び固定環5の摺動面間に介在する流体が、その粘性によって、回転環3または固定環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11b’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、10a、10bは流体循環溝の入口部、出口部を、また、Rはランド部を示す。
実施例2に係る摺動部品は、流体を高圧流体側に排出するスパイラル溝12を摺動面に付加的に設けた点で実施例1の摺動部品と相違するが、その他の基本構成は実施例1と同じであり、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4(b)における流体循環溝20は、出口部20b及び連通部20cの溝幅が入口部20aに比べて狭く、また、出口部20bの傾斜角度が入口部20aに比べて大きく、中心線O−Oに対して非対称をなしている。また、レイリーステップ機構21のレイリーステップ21bも出口部20bに沿うようにして傾斜角度が大きく設定されている。さらに、スパイラル溝22の傾斜角も出口部20bに沿うように大きく設定されている。
図5(a)において、流体循環溝25は、入口部25a及び出口部25bの傾斜角度が大きく設定され、両者は低圧流体側(図5においては内周側)において交差するように配設され、この交叉部が連通部25cを形成している。入口部25aと出口部25bとの交叉角度は鈍角(例えば、約150°)である。固定環5の摺動面の流体循環溝25と高圧流体側とで囲まれる部分の外側、すなわち、隣接する流体循環溝25と25との間には、回転環3と固定環5との相対摺動により流体を高圧流体側に排出するスパイラル溝28が設けられている。
また、図5(b)に示す固定環5は、流体循環溝25の形状が略直線状をなしている点で図4(a)及び(b)と異なると共に、流体循環溝25が周方向に3等配で設けられている点で相違するが、その他の基本構成は図4(a)(b)と同じである。
図5(a)に示す流体循環溝25は、入口部25a及び出口部25bの傾斜角度が大きいため、入口部25aへの流体の流入及び出口部25bからの流体の排出が容易であり、また、低圧流体側に近い連通部25cの長さが短いことから、連通部25cから低圧流体側への漏洩をより一層防止することができる。
また、図5(b)に示す流体循環溝25は、入口部25a、連通部25c及び出口部25bが略直線状をなしているため、入口部25aから出口部25bへの流体の流通が容易であり、さらに、連通部25cから低圧流体側への漏洩もない。
実施例3に係る摺動部品は、流体を高圧流体側に排出するスパイラル溝13が低圧流体側に連通するように設けられている点で、図4及び図5の実施例2と相違するが、その他の基本構成は図4及び図5の実施例2と同じであり、同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
また、図6(b)に示す固定環5は、流体循環溝10と高圧流体側とで囲まれた部分であってレイリーステップ機構11を除く部分にもスパイラル溝13’が高圧流体側に連通するように設けられている。
さらに、図7(a)に示す固定環5は、レイリーステップ機構11部分にもスパイラル溝13’が高圧流体側に連通するように設けられている。
図6及び図7に示す流体循環溝10と高圧流体側とで囲まれた部分の外側に設けられるスパイラル溝13は、低圧流体側にも連通しているため、スパイラル溝13の低圧側において蒸気性キャビテーションが発生しにくいというメリットがある。また、図6(b)に示す固定環5は、流体循環溝10と高圧流体側とで囲まれた部分であってレイリーステップ機構11を除く部分にもスパイラル溝13’が設けられているため、スパイラル溝13’の部分においても流体を高圧流体側に排出するため、漏れを一層低減できる。また、図7(a)に示す固定環5は、スパイラル溝加工を簡単にできる。しかし、レイリーステップ機構11の正圧発生量が減少するデメリットもある。
本例における流体循環溝25と高圧流体側とで囲まれた部分の外側に設けられるスパイラル溝29は、低圧流体側に連通されているため、スパイラル溝29の低圧側において蒸気性キャビテーションが発生しにくいというメリットがある。
一方、流体循環溝25と高圧流体側とで囲まれた部分のスパイラル溝29’は、高圧流体側から低圧流体側に漏洩しようとする流体を高圧流体側に排出するため、漏洩をさらに低減する効果がある。
実施例4に係る摺動部品は、スパイラル溝の代わりに逆レイリーステップ機構27を設ける点で図5(a)に示す実施例2と相違するが、その他の基本構成は図5(a)と同じであり、同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
また、図9は、図8(b)に示す摺動面において、逆レイリーステップ機構27のグルーブ27aにスパイラル溝28’が付加的に設けられる点で図8(b)と相違するが、その他の構成は図8(b)と同じである。図9に示す摺動面においては、逆レイリーステップ機構27のグルーブ27aに吸入された流体はスパイラル溝28’で効率よく排出される。
なお、レイリーステップ機構26及び逆レイリーステップ機構27の等配数やレイリーステップ機構26と逆レイリーステップ機構27の長さの比は、適宜最適なものを選定できる。
実施例5に係る摺動部品は、スパイラル溝12を他方の摺動面に設ける点で図4(a)に示す実施例2と相違するが、その他の基本構成は図4(a)と同じであり、同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
固定環5の摺動面には、流体循環溝10及び正圧発生機構11が設けられている。
回転環3の摺動面には、回転環3と固定環5との相対摺動により流体を高圧流体側に排出するスパイラル溝12が全周にわたり設けられている。図7(b)では、スパイラル溝12は、内周側から外周側に向けて時計方向に傾斜するように曲線状(スパイラル状)に複数本設けられ、高圧流体側には連通され、低圧流体側とはランド部Rにより隔離されている。スパイラル溝12は、高圧流体側から低圧流体側に漏洩しようとする被密封流体を高圧流体側に押し戻し、密封性を向上させる役割を果たすもので、周方向に連続して設けられるため摺動面全体の密封性を一層向上させることができる。
実施例6に係る摺動部品は、スパイラル溝13を他方の摺動面に設ける点で図10に示す実施例5と共通するが、スパイラル溝13が低圧流体側に連通されている点で図7に示す実施例5と相違する。
固定環5の摺動面には、流体循環溝10及び正圧発生機構11が設けられている。
回転環3の摺動面には、回転環3と固定環5との相対摺動により流体を高圧流体側に排出するスパイラル溝13が全周にわたり設けられている。図11(b)では、スパイラル溝13は、内周側から外周側に向けて時計方向に傾斜するように曲線状(スパイラル状)に複数本設けられ、高圧流体側及び低圧流体側に連通されている。
本例におけるスパイラル溝13は、低圧流体側に連通しているため、スパイラル溝13の低圧側において蒸気性キャビテーションが発生しにくいというメリットがある。しかし、静止時の漏洩を防止できないというデメリットもある。
実施例7に係る摺動部品は、流体循環溝25を設ける側の一方の摺動面は図8(a)に示す実施例4と同じであり、他方の摺動面には、図10に示す実施例5と同様のスパイラル溝12を設けたものである。
図12(a)において、固定環5の摺動面には、周方向に6等配に配設された流体循環溝25及び正圧発生機構26が設けられ、さらに、流体循環溝25と高圧流体側とで囲まれた部分の外側、すなわち、隣接する流体循環溝25、25の間には、流体循環溝25より浅い負圧発生溝を構成するグルーブ27aからなる負圧発生機構を構成する逆レイリーステップ機構27が設けられている。グルーブ27aは入口部25aに連通し、出口部25b及び低圧流体側とはランド部Rにより隔離されている。
また、図12(b)において、回転環3の摺動面には、回転環3と固定環5との相対摺動により流体を高圧流体側に排出するスパイラル溝12が全周にわたり設けられている。本例においてスパイラル溝12は、図12(b)では内周側から外周側に向けて時計方向に傾斜するように曲線状(スパイラル状)に複数本設けられ、高圧流体側には連通され、低圧流体側とはランド部Rにより隔離されている。スパイラル溝12は、高圧流体側から低圧流体側に漏洩しようとする被密封流体を高圧流体側に押し戻し、密封性を向上させる役割を果たすもので、摺動面全体の密封を向上させるものである。
実施例8に係る摺動部品は、スパイラル溝13を他方の摺動面に設ける点で図12に示す実施例7と共通するが、スパイラル溝13が低圧流体側に連通されている点で図12に示す実施例7と相違する。
固定環5の摺動面には、周方向に6等配に配設された流体循環溝25及び正圧発生機構26が設けられ、さらに、流体循環溝25と高圧流体側とで囲まれた部分の外側、すなわち、隣接する流体循環溝25、25の間には、流体循環溝25より浅い負圧発生溝を構成するグルーブ27aからなる負圧発生機構を構成する逆レイリーステップ機構27が設けられている。グルーブ27aは入口部25aに連通し、出口部25b及び低圧流体側とはランド部Rにより隔離されている。
回転環3の摺動面には、回転環3と固定環5との相対摺動により流体を高圧流体側に排出するスパイラル溝13が全周にわたり設けられている。本例においてスパイラル溝13は、図13(b)では内周側から外周側に向けて時計方向に傾斜するように曲線状(スパイラル状)に複数本設けられ、高圧流体側及び低圧流体側に連通されている。
本例におけるスパイラル溝13は、低圧流体側に連通しているため、スパイラル溝13の低圧側において蒸気性キャビテーションが発生しにくいというメリットがある。しかし、静止時の漏洩を防止できないというデメリットもある。
実施例9に係る摺動部品は、流体循環溝と高圧流体側とで囲まれた部分であってレイリーステップ機構26を除く部分にもスパイラル溝28’が設けられている点、並びに、該スパイラル溝28’及び流体循環溝と高圧流体側とで囲まれた部分の外側に設けられるスパイラル溝28の面がランド部Rより低く、レイリーステップ機構26のグルーブ26aより高い位置に設定される点で、図5(a)に示す実施例2と相違するが、その他の基本構成は図5(a)に示す実施例2と同じであり、同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
また、流体循環溝25と高圧流体側とで囲まれた部分であってレイリーステップ機構26を除く部分にもスパイラル溝28’が設けられている。また、流体循環溝と高圧流体側とで囲まれた部分の外側には流体を高圧流体側に排出するスパイラル溝28が設けられている。そして、これらのスパイラル溝28、28’の設けられる面は、ランド部Rより低く、レイリーステップ機構26のグルーブ26aより高い位置に設定されている。
なお、スパイラル溝加工を簡単にするため、レイリーステップ機構26部分にもスパイラル溝29’が高圧流体側に連通するように設けられてもよい。
2 スリーブ
3 回転環
4 ハウジング
5 固定環
6 コイルドウェーブスプリング
7 ベローズ
10 流体循環溝
11 正圧発生機構(レイリーステップ機構)
12 スパイラル溝
13、13’ スパイラル溝
15 流体循環溝
16 正圧発生機構(レイリーステップ機構)
20 流体循環溝
21 正圧発生機構(レイリーステップ機構)
22 スパイラル溝
25 流体循環溝
26 正圧発生機構(レイリーステップ機構)
27 負圧発生機構(逆レイリーステップ機構)
28、28’ スパイラル溝
29、29’ スパイラル溝
R ランド部
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、高圧流体側から入る入口部、高圧流体側に抜ける出口部、及び、前記入口部及び前記出口部とを連通する連通部から構成される流体循環溝が設けられ、前記流体循環溝は低圧流体側とはランド部により隔離されており、前記流体循環溝と高圧流体側とで囲まれる部分に正圧発生機構が設けられ、前記正圧発生機構は前記入口部に連通され、前記出口部及び前記高圧流体側とはランド部により隔離されていることを特徴とする摺動部品。
- 前記流体循環溝は、前記摺動面の周方向にランド部で隔離されて複数設けられることを特徴とする請求項1記載の摺動部品。
- 前記正圧発生機構は、レイリーステップ機構からなることを特徴とする請求項1又は2に記載の摺動部品。
- 前記一方側の摺動面の前記流体循環溝と高圧流体側とで囲まれる部分の外側には、前記摺動部品の相対摺動により流体を高圧流体側に排出するスパイラル溝が設けられ、前記スパイラル溝は、高圧流体側に連通され、低圧流体側とはランド部により隔離されていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の摺動部品。
- 前記一方側の摺動面の前記流体循環溝と高圧流体側とで囲まれる部分の外側には、前記摺動部品の相対摺動により流体を高圧流体側に排出するスパイラル溝が設けられ、前記スパイラル溝は、高圧流体側及び低圧流体側に連通されていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の摺動部品。
- 前記一方側の摺動面の前記流体循環溝と高圧流体側とで囲まれる部分の外側には、前記流体循環溝より浅い負圧発生溝からなる負圧発生機構が設けられ、前記負圧発生溝は前記入口部に連通され、前記出口部及び前記低圧流体側とはランド部により隔離されていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の摺動部品。
- 前記負圧発生機構は、逆レイリーステップ機構から構成されることを特徴とする請求項6記載の摺動部品。
- 一対の摺動部品の互いに相対摺動する他方側の摺動面には、前記摺動部品の相対摺動により流体を高圧流体側に排出するスパイラル溝が設けられ、前記スパイラル溝は、高圧流体側に連通され、低圧流体側とはランド部により隔離されていることを特徴とする請求項1〜3、6又は7のいずれか1項に記載の摺動部品。
- 一対の摺動部品の互いに相対摺動する他方側の摺動面には、前記摺動部品の相対摺動により流体を高圧流体側に排出するスパイラル溝が設けられ、前記スパイラル溝は、高圧流体側及び低圧流体側に連通されていることを特徴とする請求項1〜3、6又は7のいずれか1項に記載の摺動部品。
- 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、高圧流体側から入る入口部、高圧流体側に抜ける出口部、及び、前記入口部及び前記出口部とを連通する連通部から構成される流体循環溝が設けられ、前記流体循環溝は低圧流体側とはランド部により隔離されており、前記流体循環溝と高圧流体側とで囲まれる部分に正圧発生機構が設けられ、前記正圧発生機構は前記入口部に連通されており、前記流体循環溝と高圧流体側とで囲まれる部分の外側、並びに、前記正圧発生機構と前記出口部及び前記高圧流体側との間には、前記摺動部品の相対摺動により流体を高圧流体側に排出するスパイラル溝が設けられ、前記スパイラル溝は、低圧流体側とはランド部により隔離されており、前記スパイラル溝の設けられる面はランド部より低く、かつ、前記正圧発生機構より高く設定されることを特徴とする摺動部品。
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