JPWO2015087800A1

JPWO2015087800A1 - 摺動部品

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Publication number: JPWO2015087800A1
Application number: JP2015552422A
Authority: JP
Inventors: 壮敏板谷; 和正砂川
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 2013-12-09
Filing date: 2014-12-05
Publication date: 2017-03-16
Anticipated expiration: 2034-12-05
Also published as: US9677670B2; EP3091257A1; AU2014362551A1; AU2014362551B2; CN105793628A; EP3091257B1; EP3091257A4; WO2015087800A1; JP6345695B2; US20170002930A1; CN105793628B

Abstract

負圧領域と正圧領域の比率を摺動面の径方向において変化させ、負圧発生力を確保しつつ正圧領域を減少させることにより、摺動面の密封機能を維持させることのできる摺動部品を提供する。一対の環状体からなる摺動部品の互いに相対摺動する摺動面の少なくとも一方側には、負圧発生機構である逆レイリーステップ機構１０が設けられ、逆レイリーステップ機構１０を構成する負圧発生溝１０ａは高圧流体側及び低圧流体側とはランド部Ｒにより隔離されるようにして摺動面の周方向に沿って円弧状に設けられ、負圧発生溝１０ａの上流側端部１０ｂと下流側端部１０ｃとはランド部Ｒによって隔離されると共に下流側端部１０ｃは深溝１１を介して高圧流体側に連通されており、負圧発生溝１０ａの周方向の長さａと負圧発生溝の上流側端部と深溝１１の間のランド部Ｒの周方向の長さｂとの比率ｘ＝ｂ／ａは径方向において異なるように設定されていることを特徴としている。

Description

本発明は、例えば、メカニカルシール、軸受、その他、摺動部に適した摺動部品に関する。特に、摺動面に流体を介在させて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または軸受などの摺動部品に関する。

摺動部品の一例である、メカニカルシールにおいて、その性能は、漏れ量、摩耗量、及びトルクによって評価される。従来技術ではメカニカルシールの摺動材質や摺動面粗さを最適化することにより性能を高め、低漏れ、高寿命、低トルクを実現している。しかし、近年の環境問題に対する意識の高まりから、メカニカルシールの更なる性能向上が求められており、従来技術の枠を超える技術開発が必要となっている。
そのような中で、本出願人は、静止時に漏れず、回転初期を含み回転時には流体潤滑で作動するとともに漏れを防止し、密封と潤滑とを両立させることのできる摺動部品の発明を特許出願している（以下、「従来技術」という。特許文献１参照）。

この従来技術の一実施形態として、図６に示すような、環状体からなる摺動部品２０の外周側が高圧流体側、内周側が低圧流体側であって、一方の摺動部品２０−１の摺動面２１−１の高圧側には正圧発生機構を構成するレイリーステップ機構２２のグルーブ部２２ａが設けられ、他方の摺動部品２０−２の摺動面２１−２の低圧側には負圧発生機構を構成する逆レイリーステップ機構２３のグルーブ部２３ａが設けられるとともに、レイリーステップ機構２２のグルーブ部２２及び逆レイリーステップ機構２３のグルーブ部２３ａは、それぞれ、半径方向溝２４−１及び２４−２を介して高圧流体側に連通され、低圧流体側とは平坦なランド部Ｒにより隔離されている摺動部品が提案されている。グルーブ部２２ａ及びグルーブ部２３ａの溝深さは約数μｍ、半径方向溝２４−１及び２４−２の溝深さは約十μｍであって、半径方向溝２４−１及び２４−２の溝深さはグルーブ部２２ａ及びグルーブ部２３ａの溝深さより十分に深いものとされている。

国際公開第２０１２／０４６７４９号

上記の従来技術は、逆レイリーステップ機構２３により摺動面２１−２の低圧側において負圧を発生させ密封性を向上させるという点で画期的な発明である。
詳述すると、摺動部品の一例であるメカニカルシールの密封性は、おおむね高圧流体側と低圧流体側との差圧及び摺動面の隙間により決定されるものであり、上記従来技術では低圧流体圧力よりも、摺動面上に設けられた逆レイリーステップ機構２３のグルーブ部２３ａ内の圧力を低くすることで、グルーブ部２３ａの内周側の一部２５（破線で囲まれた部分）の圧力勾配を逆転させて負圧領域とし、グルーブ部２３ａの設けられている領域において低圧流体側に漏れようとする流体及びグルーブ部２３ａの設けられていない領域２６（二点鎖線で囲まれた正圧領域）から漏れようとする流体を吸い込むことで密封性を向上させている。

ここで、逆レイリーステップ機構２３のグルーブ部２３ａの負圧発生力は、始点となる円周方向のランド幅ｂとグルーブ部２３ａの長さａとの比率ｘによって決定され、図６に示すように、ある程度のランド幅ｂを確保しなければならない。
一方、メカニカルシールとしての密封性は、摺動面内周の円周上のグルーブ部２３ａからなる負圧領域が多ければ多いほど向上する。
よって、上記の従来技術において、逆レイリーステップ機構２３のグルーブ部２３ａの負圧が十分発生するようにするにはランド幅ｂ（正圧領域）を一定程度確保する必要があり、グルーブ部２３ａからなる負圧領域を設ける範囲が制限されるため、密封限界が決定されるという問題があった。

本発明は、上記の従来技術の特徴を生かしつつ、その問題となる点を改良するために行われたものであり、負圧領域と正圧領域の比率を摺動面の径方向において変化させ、負圧発生力を確保しつつ正圧領域を減少させることにより、摺動面の密封機能を維持させることのできる摺動部品を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明の摺動部品は、第１に、一対の環状体からなる摺動部品の互いに相対摺動する摺動面の少なくとも一方側には、負圧発生機構である逆レイリーステップ機構が設けられ、前記逆レイリーステップ機構を構成する負圧発生溝は高圧流体側及び低圧流体側とはランド部により隔離されるようにして前記摺動面の周方向に沿って円弧状に設けられ、前記負圧発生溝の上流側端部と下流側端部とはランド部によって隔離されると共に下流側端部は深溝を介して高圧流体側に連通されており、前記負圧発生溝の周方向の長さａと前記負圧発生溝の上流側端部と前記深溝の間のランド部の周方向の長さｂとの比率ｘ＝ｂ／ａは径方向において異なるように設定されていることを特徴としている。
この特徴によれば、ランド部の周方向の長さｂの相対的に大きい部分で十分な負圧を得ると共に、ランド部の周方向の長さｂの相対的に小さい部分を存在させることにより、負圧発生機構である逆レイリーステップ機構の負圧発生力を小さくすることなく、負圧発生溝の設けられていない領域、すなわり、正圧領域であるランド幅を小さくすることができ、密封性を向上させることができる。

また、本発明の摺動部品は、第２に、第１の特徴において、前記比率ｘは、内径側が小さく外径側が大きくなるように設定されることを特徴としている。
この特徴によれば、周速の大きい外径側のランド部の周方向の長さｂが大きいため大きな負圧を得ることができると共に、内径側において負圧発生溝の設けられていない領域を小さくすることができるため、より一層、密封性を向上させることができる。

また、本発明の摺動部品は、第３に、第２の特徴において、前記比率ｘは、徐々に変化するように設定されることを特徴としている。
この特徴によれば、逆レイリーステップ機構の負圧発生溝の内径側の圧力が外径側の圧力に近くなり、逆レイリーステップ機構の負圧発生力が小さくならないため、摺動面の密封機能を向上させることができる。

また、本発明の摺動部品は、第４に、第２の特徴において、前記比率ｘは、ステップ状に変化するように設定されることを特徴としている。
この特徴によれば、外径側において負圧発生溝の設けられていないランド部の領域がほぼ扇状に確保できるため、この部分に、例えば、正圧発生機構であるレイリーステップなどを設けることができ、設計の自由度を増大させることができる。

また、本発明の摺動部品は、第５に、第１ないし第４のいずれかの特徴において、一対の環状体からなる摺動部品の互いに相対摺動する摺動面の少なくとも一方側には、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ると共に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は正圧発生機構が設けられ、前記複数の流体循環溝の間には前記負圧発生機構である逆レイリーステップ機構が設けられ、前記逆レイリーステップ機構を構成する負圧発生溝は高圧流体側及び低圧流体側とはランド部により隔離されるようにして前記摺動面の周方向に沿って円弧状に設けられ、前記負圧発生溝の上流側端部と下流側端部とはランド部によって隔離されると共に下流側端部は前記流体循環溝の入口部を介して高圧流体側に連通されており、前記負圧発生溝の上流側端部と前記流体循環溝の出口部の間のランド部の周方向の長さは内径側が小さく外径側が大きくなるように設定されていることを特徴としている。
この特徴によれば、負圧発生力を小さくすることなく、負圧発生溝の設けられていない領域を小さくすることができ、密封性を向上させることができることに加えて、流体循環溝により、積極的に高圧流体側から被密封流体が摺動面上に導入されると共に排出されるため、摺動面における腐食生成物などを含む流体が濃縮されることが防止される。
また、正圧発生機構により、摺動面に正圧（動圧）が発生されるため、摺動面間の流体膜が増加され、潤滑性能が向上される。

本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）負圧発生溝の周方向の長さａと負圧発生溝の上流側端部と深溝の間のランド部の周方向の長さｂとの比率ｘ＝ｂ／ａは径方向において異なるように設定されていることにより、ランド部の周方向の長さｂの相対的に大きい部分で十分な負圧を得ると共に、ランド部の周方向の長さｂの相対的に小さい部分を存在させることにより、負圧発生機構である逆レイリーステップ機構の負圧発生力を小さくすることなく、負圧発生溝の設けられていない領域、すなわり、正圧領域であるランド幅を小さくすることができ、密封性を向上させることができる。

（２）前記比率ｘが、内径側が小さく外径側が大きくなるように設定されることにより、周速の大きい外径側のランド部の周方向の長さｂが大きいため大きな負圧を得ることができると共に、内径側において負圧発生溝の設けられていない領域を小さくすることができるため、より一層、密封性を向上させることができる。

（３）前記比率ｘが、徐々に変化するように設定されることをにより、逆レイリーステップ機構の負圧発生溝の内径側の圧力が外径側の圧力に近くなり、逆レイリーステップ機構の負圧発生力が小さくならないため、摺動面の密封機能を向上させることができる。

（４）前記比率ｘが、ステップ状に変化するように設定されることにより、外径側において負圧発生溝の設けられていないランド部の領域がほぼ扇状に確保できるため、この部分に、例えば、正圧発生機構であるレイリーステップなどを設けることができ、設計の自由度を増大させることができる。

（５）摺動面には、流体循環溝及び正圧発生機構が設けられ、複数の流体循環溝の間には負圧発生機構である逆レイリーステップ機構が設けられ、逆レイリーステップ機構を構成する負圧発生溝の上流側端部と流体循環溝の出口部の間のランド部の周方向の長さは内径側が小さく外径側が大きくなるように設定されていることにより、負圧発生力を小さくすることなく、負圧発生溝の設けられていない領域を小さくすることができ、密封性を向上させることができることに加えて、流体循環溝により、積極的に高圧流体側から被密封流体が摺動面上に導入されると共に排出されるため、摺動面における腐食生成物などを含む流体が濃縮されることが防止される。
また、正圧発生機構により、摺動面に正圧（動圧）が発生されるため、摺動面間の流体膜が増加され、潤滑性能が向上される。

本発明の実施例１に係るメカニカルシールの一例を示す縦断面図である。本発明の実施例１に係る摺動部品の摺動面を示したものである。本発明の実施例２に係る摺動部品の摺動面を示したものである。本発明の実施例３に係る摺動部品の摺動面を示したものである。レイリーステップ機構などからなる正圧発生機構及び逆レイリーステップ機構などからなる負圧発生機構を説明するためのものであって、図（ａ）はレイリーステップ機構を、図（ｂ）は逆レイリーステップ機構を示したものである。従来技術を説明する図である。

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に係る摺動部品について説明する。
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。

図１は、メカニカルシール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高圧流体側の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、高圧流体側のポンプインペラ（図示省略）を駆動させる回転軸１側にスリーブ２を介してこの回転軸１と一体的に回転可能な状態に設けられた一方の摺動部品である円環状の回転環３と、ポンプのハウジング４に非回転状態かつ軸方向移動可能な状態で設けられた他方の摺動部品である円環状の固定環５とが設けられ、固定環５を軸方向に付勢するコイルドウェーブスプリング６及びベローズ７によって、ラッピング等によって鏡面仕上げされた摺動面Ｓ同士で密接摺動するようになっている。すなわち、このメカニカルシールは、回転環３と固定環５との互いの摺動面Ｓにおいて、被密封流体が回転軸１の外周から大気側へ流出するのを防止するものである。

図２は、本発明の実施例１に係る摺動部品の摺動面を示したものであって、ここでは、図２の固定環５の摺動面に本発明が適用された場合を例にして説明する。
なお、回転環３の摺動面に本発明が適用された場合も基本的には同様であるが、その場合、深溝は高圧流体側（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。

図２において、固定環５の摺動面の外周側が高圧流体側であり、また、内周側が低圧流体側、例えば大気側であり、相手摺動面は反時計方向に回転するものとして説明する。

固定環５の摺動面には、負圧発生機構である逆レイリーステップ機構１０が設けられ、逆レイリーステップ機構１０を構成する負圧発生溝１０ａは高圧流体側及び低圧流体側とはランド部Ｒにより隔離されるようにして摺動面の周方向に沿って円弧状に設けられ、負圧発生溝１０ａの上流側端部１０ｂと下流側端部１０ｃとはランド部Ｒによって隔離されると共に下流側端部１０ｃは深溝１１を介して高圧流体側に連通されている。
なお、負圧発生溝１０ａの上流側端部１０ｂは逆レイリーステップを構成するものであり、以下において、上流側端部を逆レイリーステップということがある。

相手摺動面が反時計方向に回転されて相対摺動すると、逆レイリーステップ機構１０の負圧発生溝１０ａ内の圧力が低圧流体圧力よりも低くなり、負圧発生溝１０ａの内周側の一部１２（破線で囲まれた部分）の圧力勾配が逆転されて負圧領域となる。このため、負圧発生溝１０ａの設けられている領域において低圧流体側に漏れようとする流体及び負圧発生溝１０ａの設けられていない領域１３（二点鎖線で囲まれた正圧領域）から低圧流体側に漏れようとする流体が負圧発生溝１０ａ内に吸い込まれる。負圧発生溝１０ａ内に吸い込まれた流体は、深溝１１を介して高圧流体側に排出されるため、摺動面の密封性が確保されるものである。

ところで、逆レイリーステップ機構１０の負圧発生溝１０ａの負圧発生力は、負圧発生溝１０ａの周方向の長さａと、始点となる負圧発生溝１０ａの上流側端部１０ｂと深溝１１の間のランド部Ｒの周方向の長さｂとの比率ｘによって決定されるものであり、ある程度ランド部Ｒの周方向の長さｂを確保しなければならない。
一方、メカニカルシールとしての密封性は、逆レイリーステップ機構１０の負圧発生溝１０ａからなる負圧領域が多ければ多いほど向上する。

図２に示す例では、負圧発生溝１０ａの周方向の長さａと、負圧発生溝１０ａの上流側端部１０ｂと深溝１１の間のランド部Ｒの周方向の長さｂとの比率ｘ＝ｂ／ａは径方向において異なるように設定される。
具体的には、負圧発生溝１０ａの上流側端部１０ｂの形状が、半径線ｒを基準にして、内径側から外径側に向かって下流側の方向に傾斜するように設定されている。このため、内径側においては外径側に対して、負圧発生溝１０ａの周方向の長さａが大きく、負圧発生溝１０ａの上流側端部１０ｂと深溝１１の間のランド部Ｒの周方向の長さｂが小さくなり、比率ｘは、内径側が小さく外径側が大きくなっている。
なお、負圧発生溝１０ａの上流側端部１０ｂの傾斜態様は、直線的あるいは曲線的のいずれでもよいが、比率ｘは徐々に変化するように設定されている。
比率ｘが徐々に変化するように設定されていると、逆レイリーステップ機構１０の負圧発生溝１０ａの内径側の圧力が外径側の圧力に近くなり、逆レイリーステップ機構の負圧発生力が小さくならないため、摺動面の密封機能を向上させることができる。

内径側における負圧発生溝１０ａの上流側端部１０ｂと深溝１１の間のランド部Ｒの周方向の長さｂが小さくなると、その分負圧発生溝１０ａの内径側では負圧発生力が低下するが、負圧発生溝１０ａの外径側ではランド部Ｒの周方向の長さｂが大きくなり十分な負圧が発生する。負圧発生領域内では流体は蒸気となっており流動性が高いため、負圧発生溝１０ａの外径側の負圧が大きくなると、これに引っ張られて内径側も十分な負圧となることが可能となる。

従来技術においては、負圧発生溝１０ａの周方向の長さａと、負圧発生溝１０ａの上流側端部１０ｂと深溝１１の間のランド部Ｒの周方向の長さｂとの比率ｘは一定であり、仮に、図２における内径側と同じ状態で比率ｘを設定した場合、負圧発生力は小さくなり、低圧流体側に漏洩しようとする流体を吸引する力が弱くなり、密封性が低下する。
逆に、図２における外径側と同じ状態で比率ｘを設定した場合、負圧発生力は大きくなるが、負圧発生溝１０ａからなる負圧領域が小さくなり、負圧発生溝１０ａの設けられていない領域１３が大きくなるため、低圧流体側に漏れようとする流体が増大し、密封性が低下する。
これに対して、本実施例のように、比率ｘ＝ｂ／ａが径方向において異なるように設定されていると、負圧発生力を小さくすることなく、負圧発生溝１０ａの設けられていない領域１３を小さくすることができ、密封性を向上させることができる。
特に、内径側において外径側に対して、負圧発生溝１０ａの周方向の長さａを大きく、負圧発生溝１０ａの上流側端部１０ｂと深溝１１の間のランド部Ｒの周方向の長さｂを小さくした場合、周速の大きい外径側のランド部Ｒの周方向の長さｂが大きいため大きな負圧を得ることができると共に、内径側において負圧発生溝１０ａの設けられていない領域１３を小さくすることができるため、より一層、密封性を向上させることができる。

図３を参照して、本発明の実施例２に係る摺動部品について説明する。
実施例２に係る摺動部品は、負圧発生溝１０ａの上流側端部１０ｂの形状がステップ状に変化するように設定されている点で実施例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３において、逆レイリーステップ機構１０は、負圧発生溝１０ａの周方向の長さと、負圧発生溝１０ａの上流側端部１０ｂと深溝１１の間のランド部Ｒの周方向の長さとの比率ｘが径方向において異なるように、負圧発生溝１０ａの上流側端部１０ｂの形状がステップ状に変化するように設定されている。
具体的には、負圧発生溝１０ａの上流側端部１０ｂの形状が、内径側においては、負圧発生溝１０ａの周方向の長さａ１が大きく、負圧発生溝１０ａの上流側端部１０ｂと深溝１１の間のランド部Ｒの周方向の長さｂ１が小さく設定され、外径側においては負圧発生溝１０ａの周方向の長さａ２が小さく、負圧発生溝１０ａの上流側端部１０ｂと深溝１１の間のランド部Ｒの周方向の長さｂ２が大きく設定されている。このため、内径側においては外径側よりも、負圧発生溝１０ａの周方向の長さと負圧発生溝１０ａの上流側端部１０ｂと深溝１１の間のランド部Ｒの周方向の長さｂとの比率ｘは、内径側の比率ｘ＝ｂ１／ａ１が小さく外径側の比率ｘ＝ｂ２／ａ２が大きくなっている。
比率ｘがステップ状に変化するように設定されていると、外径側において負圧発生溝の１０ａの設けられていないランド部Ｒの領域がほぼ扇状に確保できるため、この部分に、例えば、正圧発生機構であるレイリーステップなどを設けることができ、設計の自由度を増大させることができる。

内径側における負圧発生溝１０ａの上流側端部１０ｂと深溝１１の間のランド部Ｒの周方向の長さｂ１が小さくなると、その分負圧発生溝１０ａの内径側では負圧発生力が低下するが、負圧発生溝１０ａの外径側ではランド部Ｒの周方向の長さｂ２が大きくなり十分な負圧が発生する。負圧発生領域内では流体は蒸気となっており流動性が高いため、負圧発生溝１０ａの外径側の負圧が大きくなると、これに引っ張られて内径側も十分な負圧となることが可能となる。

従来技術においては、負圧発生溝１０ａの周方向の長さと、負圧発生溝１０ａの上流側端部１０ｂと深溝１１の間のランド部Ｒの周方向の長さとの比率ｘは一定であり、仮に、図３における内径側と同じ状態で比率ｘを設定した場合、負圧発生力は小さくなり、低圧流体側に漏洩しようとする流体を吸引する力が弱くなり、密封性が低下する。
逆に、図３における外径側と同じ状態で比率ｘを設定した場合、負圧発生力は大きくなるが、負圧発生溝１０ａからなる負圧領域が小さくなり、負圧発生溝１０ａの設けられていない領域１３が大きくなるため、低圧流体側に漏れようとする流体が増大し、密封性が低下する。
これに対して、本実施例のように、比率ｘ＝ｂ／ａが径方向において異なるように設定されていると、負圧発生力を小さくすることなく、負圧発生溝１０ａの設けられていない領域１３を小さくすることができ、密封性を向上させることができる。
特に、内径側において外径側に対して、負圧発生溝１０ａの周方向の長さａ１を大きく、負圧発生溝１０ａの上流側端部１０ｂと深溝１１の間のランド部Ｒの周方向の長さｂ１を小さくした場合、周速の大きい外径側のランド部Ｒの周方向の長さｂ２が大きいため大きな負圧を得ることができると共に、内径側において負圧発生溝１０ａの設けられていない領域１３を小さくすることができるため、より一層、密封性を向上させることができる。

図４を参照して、本発明の実施例３に係る摺動部品について説明する。
実施例２に係る摺動部品は、流体循環溝１５及び正圧発生機構であるレイリーステップ機構１６が周方向に複数等配で設けられ、負圧発生機構である逆レイリーステップ機構が流体循環溝の間の摺動面に設けられている点で実施例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において、摺動面には流体循環溝１５が周方向に４等配で隔離されて設けられている。流体循環溝１５は、高圧流体側から入る入口部１５ａ、高圧流体側に抜ける出口部１５ｂ、及び、入口部１５ａ及び出口部１５ｂとを周方向に連通する連通部１５ｃから構成され、低圧流体側とはランド部Ｒにより隔離されている。流体循環溝１５は、摺動面において腐食生成物などを含む流体が濃縮されることを防止するため、積極的に高圧流体側から被密封流体を摺動面上に導入し排出するという役割を担うものであり、相手摺動面の回転方向に合わせて摺動面上に被密封流体を取り入れ、かつ、排出しやすいように入口部１５ａ及び出口部１５ｂが形成される一方、漏れを低減するため、低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、入口部１５ａ及び出口部１５ｂは半径線ｒ１と交わる点から略Ｖ字形に開かれた方向に直線状に形成されているが、特にこれに限定されるものではなく、曲線状（円弧状など）にしてもよく、また、入口部１５ａ及び出口部１５ｂの開きをさらに大きくしてもよい。

流体循環溝１５と高圧流体側とで囲まれる部分に流体循環溝１５より浅い正圧発生溝１６ａを備える正圧発生機構１６が設けられている。正圧発生機構１６は、正圧（動圧）を発生することにより摺動面間の流体膜を増加させ、潤滑性能を向上させるものである。
正圧発生溝１６ａは流体循環溝１５の入口部に連通し、出口部１５ｂ及び連通部１５ｃ並びに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１６は、流体循環溝１５の入口部１５ａに連通する正圧発生溝１６ａ及びレイリーステップ１６ｂ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。

周方向に４等配に配設された流体循環溝１５の隣接する流体循環溝１５、１５の間には、流体循環溝１５より浅い負圧発生溝１７ａ及び逆レイリーステップ１７ｂ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１７が設けられている。負圧発生溝１７ａは、高圧流体側及び低圧流体側とはランド部Ｒにより隔離されるようにして摺動面の周方向に沿って円弧状に設けられ、負圧発生溝１７ａの上流側端部の逆レイリーステップ１７ｂと流体循環溝１５の出口部１５ｂとの間はランド部Ｒによって隔離されると共に下流側端部１７ｃは流体循環溝１５の入口部１５ａを介して高圧流体側に連通されている。
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。

負圧発生溝１７ａの上流側端部（逆レイリーステップ）１７ｂの形状は、流体循環溝１５の出口部１５ｂと平行ではなく、負圧発生溝１７ａの上流側端部（逆レイリーステップ）１７ｂと流体循環溝１５の出口部１５ｂとの間のランド部Ｒの周方向の長さが内径側から外径側に向かって大きくなるように下流側の方向に傾斜するように設定されている。このため、内径側においては外径側に対して、負圧発生溝１７ａの上流側端部１７ｂと流体循環溝１５の出口部１５ｂの間のランド部Ｒの周方向の長さｂ３が小さくなっている。
なお、負圧発生溝１７ａの上流側端部１７ｂの傾斜態様は、直線的あるいは曲線的であって比率ｘが徐々に変化するようにしてもよく、また、ステップ状に急激に変化するようにしてもよい。

内径側における負圧発生溝１７ａの上流側端部１７ｂと流体循環溝１５の出口部１５ｂの間のランド部Ｒの周方向の長さｂ３が小さくなると、その分負圧発生溝１７ａの内径側では負圧発生力が低下するが、負圧発生溝１７ａの外径側ではランド部Ｒの周方向の長さｂ３が大きくなり十分な負圧が発生する。負圧発生領域内では流体は蒸気となっており流動性が高いため、負圧発生溝１７ａの外径側の負圧が大きくなると、これに引っ張られて内径側も十分な負圧となることが可能となる。

本例においては、負圧発生溝１７ａの上流側端部（逆レイリーステップ）１７ｂの形状が、流体循環溝１５の出口部１５ｂと平行ではなく、負圧発生溝１７ａの上流側端部（逆レイリーステップ）１７ｂと流体循環溝１５の出口部１５ｂとの間のランド部Ｒの周方向の長さが内径側から外径側に向かって大きくなるように下流側の方向に傾斜するように設定されているため、負圧発生力を小さくすることなく、負圧発生溝１７ａの設けられていない領域を小さくすることができ、密封性を向上させることができることに加えて、流体循環溝１５により、積極的に高圧流体側から被密封流体が摺動面上に導入されると共に排出されるため、摺動面における腐食生成物などを含む流体が濃縮されることが防止される。
また、正圧発生機構１６により、摺動面に正圧（動圧）が発生されるため、摺動面間の流体膜が増加され、潤滑性能が向上される。

ここで、図５を参照しながら、レイリーステップ機構などからなる正圧発生機構及び逆レイリーステップ機構などからなる負圧発生機構を説明する。
図５（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１６ｂが形成され、該レイリーステップ１６ｂの上流側には正圧発生溝である負圧発生溝１６ａ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１６ａ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、１５ａ、１５ｂは流体循環溝１５の入口部、出口部を、また、Ｒは摺動面Ｓ（シール面）を構成するランド部を示す。

図５（ｂ）においても、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が、回転環３及び固定環５の摺動面には、相対的移動方向と垂直かつ下流側に面して逆レイリーステップ１０ｂ（１７ｂ）が形成され、該逆レイリーステップ１０ｂ（１７ｂ）の下流側には負圧発生溝であるグルーブ部１０ａ（１７ａ）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、逆レイリーステップ１０ｂ（１７ｂ）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、１１は深溝を、また、１５ａ、１５ｂは流体循環溝１５の入口部、出口部を、さらに、Ｒは摺動面Ｓ（シール面）を構成するランド部を示す。

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例について説明したが、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。

また、例えば、前記実施例では、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したが、内周側が高圧流体の場合にも適用できる。

また、例えば、前記実施例では、摺動部品を構成するメカニカルシールの固定環に負圧発生機構である逆レイリーステップ、流体循環溝及び正圧発生機構であるレイリーステップを設ける場合について説明したが、これとは逆に、回転環に設けてもよい。
また、例えば、一方の摺動環に負圧発生機構である逆レイリーステップを、他方の摺動環に正圧発生機構であるレイリーステップを設け、流体循環溝をいずれかの摺動環に設けるようにしてもよい。

また、例えば、前記実施例１及び２では、負圧発生機構である逆レイリースップ機構が１枚設けられた例を説明したが、これに限定されることなく、例えば２枚以上でもよい。

１回転軸
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逆レイリーステップ機構
１０ａ負圧発生溝
１０ｂ負圧発生溝の上流側端部
１０ｃ負圧発生溝の下流側端部
１１深溝
１２負圧発生溝の内周側の一部
１３負圧発生溝の設けられていない領域
１５流体循環溝
１５ａ流体循環溝の入口部
１５ｂ流体循環溝の出口部
１５ｃ流体循環溝の連通部
１６正圧発生機構（レイリーステップ機構）
１６ａ正圧発生溝
１６ｂレイリーステップ
１７負圧発生機構（逆レイリーステップ機構）
１７ａ負圧発生溝
１７ｂ逆レイリーステップ
Ｓ摺動面（シール面）
Ｒランド部
ｒ、ｒ１半径線
ａ、ａ１、ａ２負圧発生溝の周方向の長さ
ｂ、ｂ１、ｂ２，ｂ３負圧発生溝の上流側端部と深溝又は流体循環溝の出口部との間のランド部の周方向の長さ
ｘｂ／ａで表される比率

Claims

一対の環状体からなる摺動部品の互いに相対摺動する摺動面の少なくとも一方側には、負圧発生機構である逆レイリーステップ機構が設けられ、前記逆レイリーステップ機構を構成する負圧発生溝は高圧流体側及び低圧流体側とはランド部により隔離されるようにして前記摺動面の周方向に沿って円弧状に設けられ、前記負圧発生溝の上流側端部と下流側端部とはランド部によって隔離されると共に下流側端部は深溝を介して高圧流体側に連通されており、前記負圧発生溝の周方向の長さａと前記負圧発生溝の上流側端部と前記深溝の間のランド部の周方向の長さｂとの比率ｘ＝ｂ／ａは径方向において異なるように設定されていることを特徴とする摺動部品。
前記比率ｘは、内径側が小さく外径側が大きくなるように設定されることを特徴とする請求項１に記載の摺動部品。
前記比率ｘは、徐々に変化するように設定されることを特徴とする請求項２に記載の摺動部品。
前記比率ｘは、ステップ状に変化するように設定されることを特徴とする請求項２に記載の摺動部品。
一対の環状体からなる摺動部品の互いに相対摺動する摺動面の少なくとも一方側には、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ると共に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は正圧発生機構が設けられ、前記複数の流体循環溝の間には前記負圧発生機構である逆レイリーステップ機構が設けられ、前記逆レイリーステップ機構を構成する負圧発生溝は高圧流体側及び低圧流体側とはランド部により隔離されるようにして前記摺動面の周方向に沿って円弧状に設けられ、前記負圧発生溝の上流側端部と下流側端部とはランド部によって隔離されると共に下流側端部は前記流体循環溝の入口部を介して高圧流体側に連通されており、前記負圧発生溝の上流側端部と前記流体循環溝の出口部の間のランド部の周方向の長さは内径側が小さく外径側が大きくなるように設定されていることを特徴とする摺動部品。