JPWO2016186019A1 - 摺動部品 - Google Patents
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Abstract
定常運転時には摺動面を流体潤滑の低摩擦とすると共に、被密封流体の漏れ及び摺動面へのダストの進入を防止する。一対の摺動部品の少なくとも一方の摺動部品の摺動面には、両摺動面のランド部により被密封流体側及び漏れ側と非連通に隔離されるように動圧発生溝１０が設けられ、動圧発生溝１０の漏れ側の端部１０ａと漏れ側との間には動圧発生溝１０と漏れ側とを連通する流体導入溝１１が設けられ、流体導入溝１１の断面積は動圧発生溝１０の断面積より小さく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、例えば、ターボチャージャー用あるいは航空エンジン用のギアボックスに使用されるオイルシール、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、例えば、ターボチャージャーのような回転部品のオイルシール装置に利用されるものとして、ハウジングに回転可能に収納された回転軸と、回転軸とともに回転する円盤状の回転体と、ハウジングに固定され、回転体の端面に当接して外周側から内周側へオイルの漏れるのを防止する円盤状の固定体とを備え、固定体の当接面には流体の遠心力により正圧を発生する環状の溝が設けられ、オイルが外周側から内周側へ漏れるのを防止するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
そのような中で、例えば、ターボチャージャーのような回転部品のオイルシール装置に利用されるものとして、ハウジングに回転可能に収納された回転軸と、回転軸とともに回転する円盤状の回転体と、ハウジングに固定され、回転体の端面に当接して外周側から内周側へオイルの漏れるのを防止する円盤状の固定体とを備え、固定体の当接面には流体の遠心力により正圧を発生する環状の溝が設けられ、オイルが外周側から内周側へ漏れるのを防止するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
また、例えば、有毒の流体をシールする回転軸の軸封装置において、回転軸とともに回転リングとケーシングに取付けられた静止リングとを備え、回転リング及び静止リングのいずれかの摺動面に回転リングの回転により低圧側の液体を高圧側に向かって巻き込むスパイラル溝が高圧側の端部が行止まり形状であるように設けられ、高圧側の被密封流体が低圧側へ漏れるのを防止するようにしたものが知られている（例えば、特許文献２参照。）。
また、例えば、ターボチャージャーの駆動軸を圧縮機ハウジングに対してシールするのに適した面シール構造として、協働する１対のシールリングのうち、その一方は回転構成要素に設けられ、他方は静止構成要素に設けられ、これらのシールリングは、作動中に実質的に半径方向に形成されたシール面を有して、シール面同士の間に、シール面の外側区域をシール面の内側区域に対してシールするためのシールギャップが形成され、シール面の少なくとも一方に、ガスを送り込むのに有効な周方向に離間した複数の凹部が設けられ、該凹部はシール面の一方の周縁から他方の周縁に向かって延びているとともに、凹部の内端は前記シール面の他方の周縁から半径方向に離間して設けられ、非ガス成分を含むガス媒体中の非ガス成分がシールされるようにしたものが知られている（例えば、特許文献３参照。）。
また、例えば、ターボチャージャーの駆動軸を圧縮機ハウジングに対してシールするのに適した面シール構造として、協働する１対のシールリングのうち、その一方は回転構成要素に設けられ、他方は静止構成要素に設けられ、これらのシールリングは、作動中に実質的に半径方向に形成されたシール面を有して、シール面同士の間に、シール面の外側区域をシール面の内側区域に対してシールするためのシールギャップが形成され、シール面の少なくとも一方に、ガスを送り込むのに有効な周方向に離間した複数の凹部が設けられ、該凹部はシール面の一方の周縁から他方の周縁に向かって延びているとともに、凹部の内端は前記シール面の他方の周縁から半径方向に離間して設けられ、非ガス成分を含むガス媒体中の非ガス成分がシールされるようにしたものが知られている（例えば、特許文献３参照。）。
しかしながら、上記の特許文献１ないし３に記載の従来技術においては、例えば図６に示すように、静止リング５１の摺動面５１ａに回転リング５２の回転により低圧流体側（以下、「漏れ側」ということがある。）の流体を被密封流体側（高圧流体側）に向かって巻き込むスパイラル溝５３の漏れ側の端部５３ａが漏れ側に直接開口しているため、漏れ側から容易にダストが進入するという問題があった。
本発明は、相対摺動する一対の摺動部品の摺動面において、定常運転時には摺動面を流体潤滑の低摩擦とすると共に、被密封流体の漏れ及び摺動面へのダストの進入を防止し、摺動面の密封と潤滑との相反する両機能を向上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、互いに相対摺動する一対の摺動部品を備え、一方の摺動部品は固定側密封環であり、他方の摺動部品は回転側密封環であり、これらの密封環は半径方向に形成された摺動面を有し、被密封流体が漏洩するのをシールするものであって、前記一対の摺動部品の少なくとも一方の摺動部品の摺動面には、両摺動面のランド部により被密封流体側及び漏れ側と非連通に隔離されるように動圧発生溝が設けられ、前記動圧発生溝の漏れ側の端部と前記漏れ側との間には前記動圧発生溝と漏れ側とを連通する流体導入溝が設けられ、前記流体導入溝の断面積は前記動圧発生溝の断面積より小さく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、定常運転時には摺動面を流体潤滑の低摩擦とすると共に、漏れ側の流体中に混在するダストの摺動面への進入を防止し、摺動面の密封と潤滑との相反する両機能を向上させることのできる摺動部品を提供することができる。また、動圧発生溝は被密封流体側とはランド部により隔離されているため、静止時においても漏れが発生することがない。
この特徴によれば、定常運転時には摺動面を流体潤滑の低摩擦とすると共に、漏れ側の流体中に混在するダストの摺動面への進入を防止し、摺動面の密封と潤滑との相反する両機能を向上させることのできる摺動部品を提供することができる。また、動圧発生溝は被密封流体側とはランド部により隔離されているため、静止時においても漏れが発生することがない。
また、本発明の摺動部品は、第２に、互いに相対摺動する一対の摺動部品を備え、一方の摺動部品は固定側密封環であり、他方の摺動部品は回転側密封環であり、これらの密封環は半径方向に形成された摺動面を有し、被密封流体である液体又はミスト状の流体が漏洩するのをシールするものであって、前記一対の摺動部品の少なくとも一方の摺動部品の摺動面には、両摺動面のランド部により被密封流体側及び漏れ側と非連通に隔離されるように動圧発生溝が設けられ、前記動圧発生溝の漏れ側の端部と前記漏れ側との間には前記動圧発生溝と漏れ側とを連通する流体導入溝が設けられ、前記流体導入溝の断面積は前記動圧発生溝の断面積より小さく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、定常運転時には摺動面を流体潤滑の低摩擦とすると共に、被密封流体である液体の漏れ及び漏れ側の流体中に存在するダストの摺動面への進入を防止し、摺動面の密封と潤滑との相反する両機能を向上させることのできる摺動部品を提供することができる。また、動圧発生溝は被密封流体である液体側とはランド部により隔離されているため、静止時においても漏れが発生することがない。
この特徴によれば、定常運転時には摺動面を流体潤滑の低摩擦とすると共に、被密封流体である液体の漏れ及び漏れ側の流体中に存在するダストの摺動面への進入を防止し、摺動面の密封と潤滑との相反する両機能を向上させることのできる摺動部品を提供することができる。また、動圧発生溝は被密封流体である液体側とはランド部により隔離されているため、静止時においても漏れが発生することがない。
また、本発明の摺動部品は、第３に、第１又は第２の特徴において、前記動圧発生溝は、漏れ側の流体を吸い込み被密封流体側にポンピングするスパイラル形状をなしていることを特徴としている。
この特徴によれば、定常運転時には漏れ側の流体が被密封流体側に向けてポンピングされ、被密封流体が漏れ側へ漏洩することが防止される。
この特徴によれば、定常運転時には漏れ側の流体が被密封流体側に向けてポンピングされ、被密封流体が漏れ側へ漏洩することが防止される。
また、本発明の摺動部品は、第４に、第１ないし第３のいずれかの特徴において、前記流体導入溝は、前記漏れ側から前記動圧発生溝側に向けてその断面積が小さ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、漏れ側の流体中に存在するダストの摺動面への進入を、一層、防止することができる。
この特徴によれば、漏れ側の流体中に存在するダストの摺動面への進入を、一層、防止することができる。
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、前記流体導入溝は、前記漏れ側から前記動圧発生溝側に向けて上流側に傾斜するように配設されることを特徴としている。
この特徴によれば、漏れ側の流体中に存在するダストの摺動面への進入を、一層、防止することができる。
この特徴によれば、漏れ側の流体中に存在するダストの摺動面への進入を、一層、防止することができる。
また、本発明の摺動部品は、第６に、第１ないし５のいずれかの特徴において、前記流体導入溝は、その断面形状において底面及び側面が波形状の滑らかな曲線から形成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、漏れ側の流体中に存在するダストが流体導入溝の漏れ側の端部に付着するおそれは少ない。また、流体の導入を容易にできると同時に、開口面積を狭めることができ、流体導入溝へのダストの進入を防止できる。さらに、側面が波形状の滑らかな曲線で開口部につながるため、開口部による相手側の摺動面に対する攻撃性を低減することができる。
この特徴によれば、漏れ側の流体中に存在するダストが流体導入溝の漏れ側の端部に付着するおそれは少ない。また、流体の導入を容易にできると同時に、開口面積を狭めることができ、流体導入溝へのダストの進入を防止できる。さらに、側面が波形状の滑らかな曲線で開口部につながるため、開口部による相手側の摺動面に対する攻撃性を低減することができる。
また、本発明の摺動部品は、第７に、第１ないし６のいずれかの特徴において、前記一対の摺動部品の少なくとも一方の摺動部品の摺動面には、被密封流体側に連通し、漏れ側には連通しないように構成された流体導入溝が設けられることを特徴としている。
この特徴によれば、起動時などの回転側密封環の低速回転状態において摺動面の外周側に存在する液体が、積極的に摺動面に導入され、摺動面の潤滑を行うことができる。
また、回転側密封環が定常運転等の高速回転時において流体導入溝から摺動面に導入された液体は遠心力により排出されるため、漏れ側である内周側に液体が漏洩することはない。
この特徴によれば、起動時などの回転側密封環の低速回転状態において摺動面の外周側に存在する液体が、積極的に摺動面に導入され、摺動面の潤滑を行うことができる。
また、回転側密封環が定常運転等の高速回転時において流体導入溝から摺動面に導入された液体は遠心力により排出されるため、漏れ側である内周側に液体が漏洩することはない。
本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）互いに相対摺動する一対の摺動部品を備え、一方の摺動部品は固定側密封環であり、他方の摺動部品は回転側密封環であり、これらの密封環は半径方向に形成された摺動面を有し、被密封流体が漏洩するのをシールするものであって、一対の摺動部品の少なくとも一方の摺動部品の摺動面には、両摺動面のランド部により被密封流体側及び漏れ側と非連通に隔離されるように動圧発生溝が設けられ、動圧発生溝の漏れ側の端部と漏れ側との間には動圧発生溝と漏れ側とを連通する流体導入溝が設けられ、流体導入溝の断面積は動圧発生溝の断面積より小さく設定されていることにより、定常運転時には摺動面を流体潤滑の低摩擦とすると共に、漏れ側の流体中に混在するダストの摺動面への進入を防止し、摺動面の密封と潤滑との相反する両機能を向上させることのできる摺動部品を提供することができる。また、動圧発生溝は被密封流体側とはランド部により隔離されているため、静止時においても漏れが発生することがない。
（１）互いに相対摺動する一対の摺動部品を備え、一方の摺動部品は固定側密封環であり、他方の摺動部品は回転側密封環であり、これらの密封環は半径方向に形成された摺動面を有し、被密封流体が漏洩するのをシールするものであって、一対の摺動部品の少なくとも一方の摺動部品の摺動面には、両摺動面のランド部により被密封流体側及び漏れ側と非連通に隔離されるように動圧発生溝が設けられ、動圧発生溝の漏れ側の端部と漏れ側との間には動圧発生溝と漏れ側とを連通する流体導入溝が設けられ、流体導入溝の断面積は動圧発生溝の断面積より小さく設定されていることにより、定常運転時には摺動面を流体潤滑の低摩擦とすると共に、漏れ側の流体中に混在するダストの摺動面への進入を防止し、摺動面の密封と潤滑との相反する両機能を向上させることのできる摺動部品を提供することができる。また、動圧発生溝は被密封流体側とはランド部により隔離されているため、静止時においても漏れが発生することがない。
（２）互いに相対摺動する一対の摺動部品を備え、一方の摺動部品は固定側密封環であり、他方の摺動部品は回転側密封環であり、これらの密封環は半径方向に形成された摺動面を有し、被密封流体である液体又はミスト状の流体が漏洩するのをシールするものであって、一対の摺動部品の少なくとも一方の摺動部品の摺動面には、両摺動面のランド部により被密封流体側及び漏れ側と非連通に隔離されるように動圧発生溝が設けられ、動圧発生溝の漏れ側の端部と漏れ側との間には動圧発生溝と漏れ側とを連通する流体導入溝が設けられ、前記流体導入溝の断面積は前記動圧発生溝の断面積より小さく設定されていることにより、定常運転時には摺動面を流体潤滑の低摩擦とすると共に、被密封流体である液体の漏れ及び漏れ側の流体中に存在するダストの摺動面への進入を防止し、摺動面の密封と潤滑との相反する両機能を向上させることのできる摺動部品を提供することができる。また、動圧発生溝は被密封流体である液体側とはランド部により隔離されているため、静止時においても漏れが発生することがない。
（３）動圧発生溝は、漏れ側の流体を吸い込み被密封流体側にポンピングするスパイラル形状をなしていることにより、定常運転時には漏れ側の流体が被密封流体側に向けてポンピングされ、被密封流体が漏れ側へ漏洩することが防止される。
（４）流体導入溝は、漏れ側から動圧発生溝側に向けてその断面積が小さくなるように設定されていることにより、漏れ側の流体中に存在するダストの摺動面への進入を、一層、防止することができる。
（５）流体導入溝は、漏れ側から動圧発生溝側に向けて上流側に傾斜するように配設されることにより、漏れ側の流体中に存在するダストの摺動面への進入を、一層、防止することができる。
（６）流体導入溝は、その断面形状において底面及び側面が波形状の滑らかな曲線から形成されていることにより、漏れ側の流体中に存在するダストが流体導入溝の漏れ側の端部に付着するおそれは少ない。また、流体の導入を容易にできると同時に、開口面積を狭めることができ、流体導入溝へのダストの進入を防止できる。さらに、側面が波形状の滑らかな曲線で開口部につながるため、開口部による相手側の摺動面に対する攻撃性を低減することができる。
（７）一対の摺動部品の少なくとも一方の摺動部品の摺動面には、被密封流体側に連通し、漏れ側には連通しないように構成された流体導入溝が設けられることにより、起動時などの回転側密封環の低速回転状態において摺動面の外周側に存在する液体が、積極的に摺動面に導入され、摺動面の潤滑を行うことができる。
また、回転側密封環が定常運転等の高速回転時において流体導入溝から摺動面に導入された液体は遠心力により排出されるため、漏れ側である内周側に液体が漏洩することはない。
また、回転側密封環が定常運転等の高速回転時において流体導入溝から摺動面に導入された液体は遠心力により排出されるため、漏れ側である内周側に液体が漏洩することはない。
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ないし図４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被密封流体側（液体側あるいはミスト状の流体側）、内周側を漏れ側（気体側）として説明するが、本発明はこれに限定されることなく、外周側が漏れ側（気体側）、内周側が被密封流体側（液体側あるいはミスト状の流体側）である場合も適用可能である。また、被密封流体側（液体側あるいはミスト状の流体側）と漏れ側（気体側）との圧力の大小関係については、例えば、被密封流体側（液体側あるいはミスト状の流体側）が高圧、漏れ側（気体側）が低圧、あるいは、その逆のいずれでもよく、また、両方の圧力が同一であってもよい。
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被密封流体側（液体側あるいはミスト状の流体側）、内周側を漏れ側（気体側）として説明するが、本発明はこれに限定されることなく、外周側が漏れ側（気体側）、内周側が被密封流体側（液体側あるいはミスト状の流体側）である場合も適用可能である。また、被密封流体側（液体側あるいはミスト状の流体側）と漏れ側（気体側）との圧力の大小関係については、例えば、被密封流体側（液体側あるいはミスト状の流体側）が高圧、漏れ側（気体側）が低圧、あるいは、その逆のいずれでもよく、また、両方の圧力が同一であってもよい。
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被密封流体、例えば、軸受部に使用された潤滑油を密封する形式のインサイド形式のものであり、ターボチャージャに備えられたコンプレッサのインペラー１を駆動させる回転軸２側にスリーブ３を介してこの回転軸２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側密封環４と、ハウジング５にカートリッジ６を介して非回転状態で、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側密封環７とが設けられ、固定側密封環７を軸方向に付勢するコイルドウェーブスプリング８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、回転側密封環４及び固定側密封環７は半径方向に形成された摺動面Ｓを有し、互いの摺動面Ｓにおいて、被密封流体、例えば、液体あるいはミスト状の流体（以下、液体あるいはミスト状の流体を、単に「液体」ということがある。）が摺動面Ｓの外周から内周側の漏れ側へ流出するのを防止するものである。
なお、符号９はＯリングを示しており、カートリッジ６と固定側密封環７との間をシールするものである。
また、本例では、スリーブ３と回転側密封環４とは別体の場合について説明しているが、これに限らず、スリーブ３と回転側密封環４とを一体に形成してもよい。
なお、符号９はＯリングを示しており、カートリッジ６と固定側密封環７との間をシールするものである。
また、本例では、スリーブ３と回転側密封環４とは別体の場合について説明しているが、これに限らず、スリーブ３と回転側密封環４とを一体に形成してもよい。
回転側密封環４及び固定側密封環７の材質は、耐摩耗性に優れた炭化ケイ素（ＳｉＣ）及び自己潤滑性に優れたカーボンなどから選定されるが、例えば、両者がＳｉＣ、あるいは、いずれか一方がＳｉＣであって他方がカーボンの組合せが可能である。
図２は、本発明の実施例１に係る摺動部品の摺動部分を拡大して示したものである。
図２において、回転側密封環４の摺動面Ｓには、回転側密封環４及び固定側密封環７の摺動面のランド部Ｒにより被密封流体側及び漏れ側と非連通に隔離されるように動圧発生溝１０が設けられている。すなわち、本例においては、動圧発生溝１０は、回転側密封環４の摺動面Ｓにのみ設けられ、動圧発生溝１０の径方向における漏れ側及び非密封流体側にはランド部Ｒが存在し、この回転側密封環４のランド部Ｒに対して固定側密封環７の摺動面Ｓが摺接することにより、動圧発生溝１０を被密封流体側及び漏れ側と非連通に隔離している。詳述すると、固定側密封環７の摺動面Ｓの被密封流体側の外径は、回転側密封環４の動圧発生溝１０の被密封流体側の端部より径方向に大きく、また、固定側密封環７の摺動面Ｓの漏れ側の内径は、動圧発生溝１０の漏れ側の端部より径方向に小さく設定され、固定側密封環７の摺動面Ｓと回転側密封環４の動圧発生溝１０の内径側及び外径側のランド部Ｒとが摺接することにより動圧発生溝１０が被密封流体側及び漏れ側と非連通に隔離されているのである。
図２において、回転側密封環４の摺動面Ｓには、回転側密封環４及び固定側密封環７の摺動面のランド部Ｒにより被密封流体側及び漏れ側と非連通に隔離されるように動圧発生溝１０が設けられている。すなわち、本例においては、動圧発生溝１０は、回転側密封環４の摺動面Ｓにのみ設けられ、動圧発生溝１０の径方向における漏れ側及び非密封流体側にはランド部Ｒが存在し、この回転側密封環４のランド部Ｒに対して固定側密封環７の摺動面Ｓが摺接することにより、動圧発生溝１０を被密封流体側及び漏れ側と非連通に隔離している。詳述すると、固定側密封環７の摺動面Ｓの被密封流体側の外径は、回転側密封環４の動圧発生溝１０の被密封流体側の端部より径方向に大きく、また、固定側密封環７の摺動面Ｓの漏れ側の内径は、動圧発生溝１０の漏れ側の端部より径方向に小さく設定され、固定側密封環７の摺動面Ｓと回転側密封環４の動圧発生溝１０の内径側及び外径側のランド部Ｒとが摺接することにより動圧発生溝１０が被密封流体側及び漏れ側と非連通に隔離されているのである。
図３にも示すように、動圧発生溝１０の漏れ側の端部１０ａと漏れ側との間には動圧発生溝１０を漏れ側と連通させる流体導入溝１１が設けられている。流体導入溝１１の断面積は動圧発生溝１０の断面積より小さく設定され、漏れ側の流体中に混在するダストの進入を抑制している。
本例においては、動圧発生溝１０の断面における底面及び側面は略直線状であり、上面は開口されている。また、流体導入溝１１の断面における底面及び側面は、図４に示すように、波形状の滑らかな曲線により形成され、上面は開口されている。
本例においては、動圧発生溝１０の断面における底面及び側面は略直線状であり、上面は開口されている。また、流体導入溝１１の断面における底面及び側面は、図４に示すように、波形状の滑らかな曲線により形成され、上面は開口されている。
動圧発生溝１０は、漏れ側の流体を吸い込み被密封流体側にポンピングするためのものであり、例えば、図３に示すようにスパイラル形状をなしている
スパイラル形状の動圧発生溝１０は、漏れ側の端部１０ａが流体導入溝１１の動圧発生溝側の端部１１ｂと連通され、被密封流体側の端部１０ｂは被密封流体側には連通されておらず、回転側密封環４と固定側密封環７の相対摺動により、漏れ側の端部１０ａから被密封流体側の端部１０ｂに向けてポンピング作用を発揮するようにスパイラル状に傾斜され、動圧（正圧）を発生する。
スパイラル形状の動圧発生溝１０は、図３においては、溝幅が一定に形成されているが、流体導入溝１１の動圧発生溝側の端部１１ｂと連通されている漏れ側の端部１０ａの溝幅を拡大、すなわち、端部１０ａの周方向長さを他の部分より長くし、動圧発生溝１０内への流体の供給効果を増大してもよい。
スパイラル形状の動圧発生溝１０は、漏れ側の端部１０ａが流体導入溝１１の動圧発生溝側の端部１１ｂと連通され、被密封流体側の端部１０ｂは被密封流体側には連通されておらず、回転側密封環４と固定側密封環７の相対摺動により、漏れ側の端部１０ａから被密封流体側の端部１０ｂに向けてポンピング作用を発揮するようにスパイラル状に傾斜され、動圧（正圧）を発生する。
スパイラル形状の動圧発生溝１０は、図３においては、溝幅が一定に形成されているが、流体導入溝１１の動圧発生溝側の端部１１ｂと連通されている漏れ側の端部１０ａの溝幅を拡大、すなわち、端部１０ａの周方向長さを他の部分より長くし、動圧発生溝１０内への流体の供給効果を増大してもよい。
スパイラル形状の動圧発生溝１０は、定常運転等の回転側密封環４の高速回転状態において、漏れ側から流体導入溝１１を介して気体を吸い込み、被密封流体側の端部１０ｂ付近で動圧（正圧）を発生するため、回転側密封環４と固定側密封環７との摺動面Ｓには僅かな間隙が形成され、摺動面Ｓは気体潤滑の状態となり非常に低摩擦となる。
一方、流体導入溝１１は、漏れ側と動圧発生溝１０とを連通させるものであるが、本発明においては、漏れ側の流体中に混在するダストが流体導入溝１１に付着しなような断面形状に、さらに、漏れ側の流体中に混在するダストが、流体導入溝１１を経由して動圧発生溝１０に進入しないような経路の形状に形成されている。
まず、流体導入溝１１の断面形状において、その底面及び側面は、上記した波形状の滑らかな曲線により形成されることに限らず、任意の形状を採ることが可能であるが、図４に示すような、断面形状が波形状である場合、角部がなく滑らかな曲線状であることから、漏れ側の流体中に混在するダストが流体導入溝１１の漏れ側の端部１１ａに付着するおそれは少ない。また、断面形状を波形状とした場合、流体の導入を容易にできると同時に、開口面積を狭めることができ、流体導入溝１１へのダストの進入を防止できる。さらに、波形であるため、相手側の摺動面、すなわち、固定側密封環７の摺動面に対する攻撃性を低減することができる。
次に、流体導入溝１１の経路形状において、漏れ側の流体中に混在するダストができる限り流体導入溝１１を経由して動圧発生溝１０に進入しないようするため、上記したように、流体導入溝１１の断面積は動圧発生溝１０の断面積より小さく設定されている。
その他、図３（ｂ）に示すように、流体導入溝１１は、漏れ側の端部１１ａから動圧発生溝１０側の端部１１ｂに向けてその断面積が徐々に小さくなるように設定されてもよい。その場合、断面の幅を徐々に小さくしたり、深さを徐々に小さくしたり、あるいは、幅及び深さの両方を徐々に小さくしてもよい。漏れ側から動圧発生溝１０側に向けてその断面積が徐々に小さくなるように設定すると、流体導入溝１１内へのダストの進入を低減することができる。
その他、図３（ｂ）に示すように、流体導入溝１１は、漏れ側の端部１１ａから動圧発生溝１０側の端部１１ｂに向けてその断面積が徐々に小さくなるように設定されてもよい。その場合、断面の幅を徐々に小さくしたり、深さを徐々に小さくしたり、あるいは、幅及び深さの両方を徐々に小さくしてもよい。漏れ側から動圧発生溝１０側に向けてその断面積が徐々に小さくなるように設定すると、流体導入溝１１内へのダストの進入を低減することができる。
さらに、図３（ｃ）に示すように、流体導入溝１１を、漏れ側の端部１１ａから動圧発生溝１０側の端部１１ｂに向けて上流側に傾斜するように配設してもよい。この構成によれば、ダストの流体導入溝１１の漏れ側の端部１１ａから動圧発生溝１０側の端部１１ｂに向けての進入は困難になる。
以上説明した実施例１の構成によれば、以下のような効果を奏する。
（１）一対の摺動部品の少なくとも一方の摺動部品の摺動面Ｓ（回転側密封環４の摺動面Ｓ）には、両摺動面Ｓのランド部Ｒにより被密封流体である液体側及び漏れ側と非連通に隔離されるように動圧発生溝１０が設けられ、動圧発生溝１０の漏れ側の端部１０ａと漏れ側との間には動圧発生溝１０と漏れ側とを連通する流体導入溝１１が設けられ、流体導入溝１１の断面積は動圧発生溝１０の断面積より小さく設定されていることにより、定常運転時には摺動面を流体潤滑の低摩擦とすると共に、被密封流体である液体の漏れ及び漏れ側の流体中に存在するダストの摺動面への進入を防止し、摺動面の密封と潤滑との相反する両機能を向上させることのできる摺動部品を提供することができる。また、動圧発生溝は被密封流体である液体側とはランド部により隔離されているため、静止時においても漏れが発生することがない。
（２）動圧発生溝１０は、漏れ側の流体を吸い込み被密封流体である液体側にポンピングするスパイラル形状をなしていることにより、定常運転時には漏れ側の流体が被密封流体である液体側に向けてポンピングされ、被密封流体である液体が漏れ側へ漏洩することが防止される。
（３）流体導入溝１１は、漏れ側の端部１１ａから動圧発生溝１０側の端部１１ｂに向けてその断面積が小さくなるように設定されていることにより、漏れ側の流体中に存在するダストの摺動面への進入を、一層、防止することができる。
（４）流体導入溝１１は、漏れ側の端部１１ａから動圧発生溝１０側の端部１１ｂに向けて上流側に傾斜するように配設されることより、漏れ側の流体中に存在するダストの摺動面への進入を、一層、防止することができる。
（５）流体導入溝１１の断面形状は、底面及び側面が波形状の滑らかな曲線から形成されていることにより、漏れ側の流体中に存在するダストが流体導入溝１１の漏れ側の端部１１ａに付着するおそれは少ない。また、流体の導入を容易にできると同時に、開口面積を狭めることができ、流体導入溝１１へのダストの進入を防止できる。さらに、側面が波形状の滑らかな曲線で開口部につながるため、開口部による相手側の摺動面、すなわち、固定側密封環７の摺動面に対する攻撃性を低減することができる。
（１）一対の摺動部品の少なくとも一方の摺動部品の摺動面Ｓ（回転側密封環４の摺動面Ｓ）には、両摺動面Ｓのランド部Ｒにより被密封流体である液体側及び漏れ側と非連通に隔離されるように動圧発生溝１０が設けられ、動圧発生溝１０の漏れ側の端部１０ａと漏れ側との間には動圧発生溝１０と漏れ側とを連通する流体導入溝１１が設けられ、流体導入溝１１の断面積は動圧発生溝１０の断面積より小さく設定されていることにより、定常運転時には摺動面を流体潤滑の低摩擦とすると共に、被密封流体である液体の漏れ及び漏れ側の流体中に存在するダストの摺動面への進入を防止し、摺動面の密封と潤滑との相反する両機能を向上させることのできる摺動部品を提供することができる。また、動圧発生溝は被密封流体である液体側とはランド部により隔離されているため、静止時においても漏れが発生することがない。
（２）動圧発生溝１０は、漏れ側の流体を吸い込み被密封流体である液体側にポンピングするスパイラル形状をなしていることにより、定常運転時には漏れ側の流体が被密封流体である液体側に向けてポンピングされ、被密封流体である液体が漏れ側へ漏洩することが防止される。
（３）流体導入溝１１は、漏れ側の端部１１ａから動圧発生溝１０側の端部１１ｂに向けてその断面積が小さくなるように設定されていることにより、漏れ側の流体中に存在するダストの摺動面への進入を、一層、防止することができる。
（４）流体導入溝１１は、漏れ側の端部１１ａから動圧発生溝１０側の端部１１ｂに向けて上流側に傾斜するように配設されることより、漏れ側の流体中に存在するダストの摺動面への進入を、一層、防止することができる。
（５）流体導入溝１１の断面形状は、底面及び側面が波形状の滑らかな曲線から形成されていることにより、漏れ側の流体中に存在するダストが流体導入溝１１の漏れ側の端部１１ａに付着するおそれは少ない。また、流体の導入を容易にできると同時に、開口面積を狭めることができ、流体導入溝１１へのダストの進入を防止できる。さらに、側面が波形状の滑らかな曲線で開口部につながるため、開口部による相手側の摺動面、すなわち、固定側密封環７の摺動面に対する攻撃性を低減することができる。
次に、図５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、一対の摺動部品の少なくとも一方の摺動部品の摺動面に流体導入溝及び正圧発生機構が設けられる点で前記実施例と相違するが、その他の基本構成は前記実施例と同じであり、同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
実施例２に係る摺動部品は、一対の摺動部品の少なくとも一方の摺動部品の摺動面に流体導入溝及び正圧発生機構が設けられる点で前記実施例と相違するが、その他の基本構成は前記実施例と同じであり、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５（ａ）において、回転側密封環４の摺動面Ｓには、該摺動面Ｓの被密封流体側、すなわち、外周側の周縁に連通し、漏れ側、すなわち、内周側の周縁には連通しないように構成された流体導入溝１２が設けられている。
流体導入溝１２は、外周側の周縁に沿うように１個以上配設され、平面形状は略矩形状に形成され、摺動面Ｓの外周側の周縁において被密封流体側と連通し、内周側とはランド部Ｒにより隔離されている。
また、流体導入溝１２の円周方向の下流側に連通して流体導入溝１２より浅い正圧発生溝１３ａを備える正圧発生機構１３が設けられている。正圧発生機構１３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１３ａは、上流側が流体導入溝１２に連通し、外周側とはランド部Ｒにより隔離されている。
本例では、正圧発生機構１３は、上流側において流体導入溝１２に連通する正圧発生溝１３ａ及びレイリーステップ１３ｂ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、要は、正圧を発生する機構であればよい。
図５（ａ）において、流体導入溝１２及び正圧発生機構１３のなす平面形状は略Ｌ字状をなしている。
正圧発生溝１３ａは、上流側が流体導入溝１２に連通し、外周側とはランド部Ｒにより隔離されている。
本例では、正圧発生機構１３は、上流側において流体導入溝１２に連通する正圧発生溝１３ａ及びレイリーステップ１３ｂ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、要は、正圧を発生する機構であればよい。
図５（ａ）において、流体導入溝１２及び正圧発生機構１３のなす平面形状は略Ｌ字状をなしている。
今、回転側密封環４が反時計方向に回転するとした場合、外周側の液体は略矩形状の流体導入溝１２から摺動面に導入され、摺動面Ｓの潤滑を行うことができる。その際、正圧発生機構１３により正圧（動圧）が発生されるため、摺動面間の流体膜が増大され、潤滑性能をさらに向上させることができる。
また、回転側密封環４が定常運転等の高速回転時において流体導入溝１２から摺動面に導入された液体は遠心力により排出されるため、漏れ側である内周側に液体が漏洩することはない。
また、回転側密封環４が定常運転等の高速回転時において流体導入溝１２から摺動面に導入された液体は遠心力により排出されるため、漏れ側である内周側に液体が漏洩することはない。
図５（ｂ）は、流体導入溝の形状が異なる点で図５（ａ）と相違するが、その他は図５（ａ）と同じである。
図５（ｂ）において、回転側密封環４の摺動面Ｓには、該摺動面Ｓの被密封流体側、すなわち、外周側の周縁に連通し、漏れ側、すなわち、内周側の周縁には連通しないように構成された流体導入溝１４が設けられている。
流体導入溝１４は、外周側の周縁に沿うように配設され、摺動面Ｓの外周側の周縁にのみ連通する流体導入部１４ａ及び流体導出部１４ｂ、並びにこれらを周方向に連通する流体連通部１４ｃから構成され、内周側とはランド部Ｒにより隔離されている。
本例では、流体導入部１４ａ及び流体導出部１４ｂは周方向において一定距離隔てて設けられ、それぞれ、径方向に直線状に延びているため、流体導入溝１４の平面形状は略Ｕ字形をなしている。
本例では、流体導入部１４ａ及び流体導出部１４ｂは周方向において一定距離隔てて設けられ、それぞれ、径方向に直線状に延びているため、流体導入溝１４の平面形状は略Ｕ字形をなしている。
また、流体導入溝１４と外周側とで囲まれる部分に流体導入溝１４より浅い正圧発生溝１３ａを備える正圧発生機構１３が設けられている。正圧発生機構１３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１３ａは、上流側が流体導入部１４ａに連通し、流体導出部１４ｂ及び外周側とはランド部Ｒにより隔離されている。
本例では、正圧発生機構１３は、上流側において流体導入溝１４の流体導入部１４ａに連通する正圧発生溝１３ａ及びレイリーステップ１３ｂ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、要は、正圧を発生する機構であればよい。
正圧発生溝１３ａは、上流側が流体導入部１４ａに連通し、流体導出部１４ｂ及び外周側とはランド部Ｒにより隔離されている。
本例では、正圧発生機構１３は、上流側において流体導入溝１４の流体導入部１４ａに連通する正圧発生溝１３ａ及びレイリーステップ１３ｂ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、要は、正圧を発生する機構であればよい。
今、回転側密封環４が時計方向に回転するとした場合、外周側の液体は略Ｕ字形の流体導入溝１４の流体導入部１４ａから摺動面に導入され、流体導出部１４ｂから外周側に排出されるが、その際、起動時などの回転側密封環４の低速回転状態において摺動面Ｓの外周側に存在する液体が、積極的に摺動面Ｓに導入され、摺動面Ｓの潤滑を行うことができる。その際、正圧発生機構１３により正圧（動圧）が発生されるため、摺動面間の流体膜が増大され、潤滑性能をさらに向上させることができる。
また、回転側密封環４が定常運転等の高速回転時において流体導入溝１４から摺動面に導入された液体は遠心力により排出されるため、漏れ側である内周側に液体が漏洩することはない。
また、回転側密封環４が定常運転等の高速回転時において流体導入溝１４から摺動面に導入された液体は遠心力により排出されるため、漏れ側である内周側に液体が漏洩することはない。
図５（ｂ）では、流体導入溝１４の平面形状は略Ｕ字形に形成されているが、これに限らず、流体導入部１４ａと流体導出部１４ｂとが内径側において交叉する形状、すなわち、略Ｖ字でに形成されてもよい。
以上説明した実施例２の構成によれば、実施例１の効果に加えて以下のような効果を奏する。
回転側密封環４の摺動面Ｓには、該摺動面Ｓの被密封流体側、すなわち、外周側の周縁に連通し、漏れ側、すなわち、内周側の周縁には連通しないように構成された流体導入溝１２または１４が設けられることにより、起動時などの回転側密封環４の低速回転状態において摺動面Ｓの外周側に存在する液体が、積極的に摺動面Ｓに導入され、摺動面Ｓの潤滑を行うことができる。その際、正圧発生機構１３により正圧（動圧）が発生されるため、摺動面間の流体膜が増大され、潤滑性能をさらに向上させることができる。
また、回転側密封環４が定常運転等の高速回転時において流体導入溝１２または１４から摺動面に導入された液体は遠心力により排出されるため、漏れ側である内周側に液体が漏洩することはない。
回転側密封環４の摺動面Ｓには、該摺動面Ｓの被密封流体側、すなわち、外周側の周縁に連通し、漏れ側、すなわち、内周側の周縁には連通しないように構成された流体導入溝１２または１４が設けられることにより、起動時などの回転側密封環４の低速回転状態において摺動面Ｓの外周側に存在する液体が、積極的に摺動面Ｓに導入され、摺動面Ｓの潤滑を行うことができる。その際、正圧発生機構１３により正圧（動圧）が発生されるため、摺動面間の流体膜が増大され、潤滑性能をさらに向上させることができる。
また、回転側密封環４が定常運転等の高速回転時において流体導入溝１２または１４から摺動面に導入された液体は遠心力により排出されるため、漏れ側である内周側に液体が漏洩することはない。
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、摺動部品の外周側を被密封流体側（液体側あるいはミスト状の流体側）、内周側を漏れ側（気体側）として説明したが、本発明はこれに限定されることなく、外周側が漏れ側（気体側）、内周側が被密封流体側（液体側あるいはミスト状の流体側）である場合も適用可能である。また、被密封流体側（液体側あるいはミスト状の流体側）と漏れ側（気体側）との圧力の大小関係については、例えば、被密封流体側（液体側あるいはミスト状の流体側）が高圧、漏れ側（気体側）が低圧、あるいは、その逆のいずれでもよく、また、両方の圧力が同一であってもよい。
また、例えば、前記実施例では、動圧発生溝１０がスパイラルグルーブである場合について説明したが、これに限定されることなく、レイリーステップと逆レイリーステップの組み合わせでもよく、要は、漏れ側の流体を吸い込んで動圧（正圧）を発生する機構であればよい。
また、例えば、前記実施例では、流体導入溝１１の断面形状が波形状である場合について説明したが、これに限らず、例えば、円弧状など、滑らかに曲率の変化する形状であればよい。
１ インペラー
２ 回転軸
３ スリーブ
４ 回転側密封環
５ ハウジング
６ カートリッジ
７ 回転側密封環
８ コイルドウェーブスプリング
１０ 動圧発生溝
１０ａ 漏れ側の端部
１０ｂ 被密封流体側の端部
１１ 流体導入溝
１１ａ 漏れ側の端部
１１ｂ 動圧発生溝側の端部
１２ 流体導入溝
１３ 正圧発生機構
１４ 流体導入溝
Ｓ 摺動面
Ｒ ランド部
２ 回転軸
３ スリーブ
４ 回転側密封環
５ ハウジング
６ カートリッジ
７ 回転側密封環
８ コイルドウェーブスプリング
１０ 動圧発生溝
１０ａ 漏れ側の端部
１０ｂ 被密封流体側の端部
１１ 流体導入溝
１１ａ 漏れ側の端部
１１ｂ 動圧発生溝側の端部
１２ 流体導入溝
１３ 正圧発生機構
１４ 流体導入溝
Ｓ 摺動面
Ｒ ランド部
Claims (7)
- 互いに相対摺動する一対の摺動部品を備え、一方の摺動部品は固定側密封環であり、他方の摺動部品は回転側密封環であり、これらの密封環は半径方向に形成された摺動面を有し、被密封流体が漏洩するのをシールするものであって、前記一対の摺動部品の少なくとも一方の摺動部品の摺動面には、両摺動面のランド部により被密封流体側及び漏れ側と非連通に隔離されるように動圧発生溝が設けられ、前記動圧発生溝の漏れ側の端部と前記漏れ側との間には前記動圧発生溝と漏れ側とを連通する流体導入溝が設けられ、前記流体導入溝の断面積は前記動圧発生溝の断面積より小さく設定されていることを特徴とする摺動部品。
- 互いに相対摺動する一対の摺動部品を備え、一方の摺動部品は固定側密封環であり、他方の摺動部品は回転側密封環であり、これらの密封環は半径方向に形成された摺動面を有し、被密封流体である液体又はミスト状の流体が漏洩するのをシールするものであって、前記一対の摺動部品の少なくとも一方の摺動部品の摺動面には、両摺動面のランド部により被密封流体側及び漏れ側と非連通に隔離されるように動圧発生溝が設けられ、前記動圧発生溝の漏れ側の端部と前記漏れ側との間には前記動圧発生溝と漏れ側とを連通する流体導入溝が設けられ、前記流体導入溝の断面積は前記動圧発生溝の断面積より小さく設定されていることを特徴とする摺動部品。
- 前記動圧発生溝は、漏れ側の流体を吸い込み被密封流体側にポンピングするスパイラル形状をなしていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の摺動部品。
- 前記流体導入溝は、前記漏れ側から前記動圧発生溝側に向けてその断面積が小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の摺動部品。
- 前記流体導入溝は、前記漏れ側から前記動圧発生溝側に向けて上流側に傾斜するように配設されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の摺動部品。
- 前記流体導入溝は、その断面形状において底面及び側面が波形状の滑らかな曲線から形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の摺動部品。
- 前記一対の摺動部品の少なくとも一方の摺動部品の摺動面には、被密封流体側に連通し、漏れ側には連通しないように構成された流体導入溝が設けられることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の摺動部品。
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