JPWO2018212108A1 - 摺動部品 - Google Patents

Abstract

【課題】潤滑効果及び密封効果を向上できる摺動部品を提供する。【解決手段】互いに相対摺動する摺動面を有する一対の摺動部品であって、少なくとも一方側の摺動面Ｓは複数のディンプル１０がランダムに配設されたランダムディンプル群１１と、ランダムディンプル群１１の径方向部１１ａ、１１ｂを区画する少なくとも一つのランド部１５と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、たとえば、メカニカルシール、すべり軸受、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、密封性を維持しつつ、回転中の摺動摩擦を極限まで下げることが求められている。低摩擦化の手法としては、摺動面に多様なテクスチャリングを施すことで、これらの実現を図ろうとしており、例えば、テクスチャリングのひとつとして摺動面にディンプルを配列したものが知られている。

従来、摺動面にディンプルを設ける場合、複数のディンプルを整列に配置するのが一般的である。例えば、特開２００３−３４３７４１号公報（以下、「特許文献１」という。）に記載の発明は、摺動面の摩擦係数を低減すると共に、シール能力を向上させることを目的として、摺動面に境界基準線Ｘを境に外周側と内周側とが傾斜方向を異にする複数の細長いディンプルを規則的に整列して設け、外周側のディンプルの回転方向先端を外周側へ向かって傾斜させると共に、内周側のディンプルの回転方向先端を内周側へ向かって傾斜させるようにしたものである。

また、従来、潤滑性の向上のため、複数のディンプルをランダムに配置することも知られている。例えば、特開２００１−２２１１７９号公報（以下、「特許文献２」という。）に記載の発明は、ロータリ圧縮機のシリンダの内壁と摺動するベーンの先端面及び両側端面に、複数個のディンプルをランダム配列したものである。

特開２００３−３４３７４１号公報 特開２００１−２２１１７９号公報

しかし、特許文献１に記載の発明は、ディンプルを整列配置していることから、漏れ側から摺動面への吸い込み効果及び被密封流体側から摺動面への流入効果が少ないため、外周側のディンプルの回転方向先端を外周側へ向かって傾斜させると共に、内周側のディンプルの回転方向先端を内周側へ向かって傾斜させるという複雑な構成をとる必要があり、また、摺動面の径方向の中心部に流体が集中するため摺動面全体を均一に潤滑することができないという問題があった。

また、特許文献２に記載の発明は、潤滑性の向上のため、複数のディンプルをランダムに配置したというに過ぎず、ランダムディンプルの性能を十分引き出していない。

本発明は、複数のディンプルをランダム配置したランダムディンプル群の性能を十分に引き出し、潤滑性能及び密封性能を向上させた摺動部品を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために本発明の摺動部品は、
互いに相対摺動する摺動面を有する一対の摺動部品であって、
少なくとも一方側の摺動面は複数のディンプルがランダムに配設されたランダムディンプル群と、
前記ランダムディンプル群の径方向部を区画する少なくとも一つのランド部と、を備えることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動面に流入した流体の周方向の移動がランド部によって堰き止められ正圧を発生するので、ランダムディンプル群が有する流体潤滑効果及び密封効果を相乗的に増大させ、密封性及び潤滑性に優れた摺動部品を提供することができる。ここで、流体潤滑効果とは被密封流体側から摺動面に流体を流入させて潤滑性を向上させる効果であり、密封効果とはポンピング効果ともいい、漏れ側から摺動面へ流体を吸い込んで密封性を向上させる効果である。

本発明の摺動部品は、
前記ランダムディンプル群の前記径方向部は、径方向軸に対し傾斜していることを特徴としている。
この特徴によれば、前記ランダムディンプル群の前記径方向部は、径方向軸に対し傾斜させることにより、流体潤滑効果と密封効果の影響度合いを変化させることができる。

本発明の摺動部品は、
前記ランダムディンプル群の一対の前記径方向部は、径方向内側に向かって開いて傾斜していることを特徴としている。
この特徴によれば、ランダムディンプル群の内径側が大きく形成されるので、漏れ側から摺動面へより多くの流体を取り込んで密封効果を高めることができる。

本発明の摺動部品は、
前記ランダムディンプル群の一対の前記径方向部は、径方向外側に向かって開いて傾斜していることを特徴としている。
この特徴によれば、ランダムディンプル群の外径側が大きく形成されるので、被密封流体側から摺動面へより多くの流体を多く取り込んで流体潤滑効果を高めることができる。

本発明の摺動部品は、
前記ランダムディンプル群の形状と前記ランダムディンプル群に隣接する他の前記ランダムディンプル群の形状とが異なることを特徴としている。
この特徴によれば、異なる密封効果、流体潤滑効果を有するランダムディンプル群を組合わせて配置することにより、様々な摺動速度や温度（流体粘度）に適応することができる。

本発明の摺動部品は、
前記ランダムディンプル群の一対の前記径方向部は、径方向外側に向かって開いて傾斜し、前記ランダムディンプル群に隣接する他の前記ランダムディンプル群の一対の前記径方向部は、径方向内側に向かって開いて傾斜していることを特徴としている。
この特徴によれば、密封性能に優れたランダムディンプルと潤滑性能に優れたランダムディンプルとを組み合わせて配列することにより、様々な摺動速度や温度（流体粘度）に適応することができる。

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。 図１のＷ−Ｗ矢視図であり、本発明の実施例１に係る摺動部品の摺動面の一例である。 図１のＷ−Ｗ矢視図であり、本発明の実施例１に係る摺動部品の摺動面の変形例である。 図１のＷ−Ｗ矢視図であり、本発明の実施例１に係る摺動部品の摺動面の他の変形例である。 図１のＷ−Ｗ矢視図であり、本発明の実施例２に係る摺動部品の摺動面の一例である。 図１のＷ−Ｗ矢視図であり、本発明の実施例２に係る摺動部品の摺動面の変形例である。

以下に図面を参照して、本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が、これに限定されることなく、例えば、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。
なお、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（漏れ側）として説明する。

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側密封環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側密封環５とが設けられ、固定側密封環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、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３と固定側密封環５との互いの摺動面Ｓにおいて、被密封流体が回転軸１の外周側から内周側へ流出するのを防止するものである。
なお、図１では、回転側密封環３の摺動面の幅が固定側密封環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。また、回転軸１、回転側密封環３及び固定側密封環５の回転中心はほぼ一致している。

回転側密封環３及び固定側密封環５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、回転側密封環３がＳｉＣであって固定側密封環５がカーボンの組合せが可能である。
相対摺動する回転側密封環３あるいは固定側密封環５の少なくともいずれか一方の摺動面には、ディンプルが配設される。

本発明において、「ディンプル」とは、平坦な摺動面Ｓに形成される窪みのことであり、その形状は特に限定されるものではない。例えば、くぼみの平面形状は円形、三角形、楕円形、長円形、もしくは矩形が包含され、くぼみの断面形状もお椀状、または、方形など種々の形が包含される。

本例では、固定側密封環５の摺動面Ｓに複数のディンプルがランダムに配置される場合について説明する。この場合、回転側密封環３にはディンプルは設けられなくても、設けられてもよい。なお、ランダム配置とは、規則性を持って配置される整列配置を除く配置の意味であり、千鳥配置は含まれない。

摺動面にディンプル群をランダムに配置することにより、潤滑と密封という相反する機能を向上させることができる。ここで、潤滑機能及び密封機能を向上させるメカニズムは次のとおりである。

相手側摺動面が相対移動すると、摺動面に形成されたディンプルの穴部には流体の粘性によって流体が吸い込まれ、穴部の上流側の部分では負圧、下流側の部分ではくさび効果によって正圧が発生する。その際、穴部の上流側の負圧部分では、液膜が破断され、液体の蒸気や気泡による空洞が形成され（キャビテーション）、負圧が打ち消される。その結果、正圧のみが残り負荷能力が発生することで、摺動面Ｓが持ち上がる。摺動面Ｓが持ち上がると、相対摺動する２つの摺動面の間隙が大きくなり、摺動面Ｓに潤滑性の流体が流入し、潤滑機能が得られる。

また、ディンプルに吸い込まれた流体はディンプル内で昇圧してディンプルから吐き出される。すなわちディンプル内への流体の吸込みと、ディンプルから昇圧された流体の吐出しが連続して行われる。そして複数のディンプルがランダムに配置されていると、摺動面の内周側に配置されたディンプルに吸い込み、そして吐き出された流体は、さらに外径側に配置されたディンプルに吸い込み、吐き出しが連続的に繰り返され、流体が徐々に内径側から外径側へ運ばれる密封機能が得られる。

図２において、固定側密封環５の摺動面Ｓには複数のランダムディンプル群１１（図２では２４個）が等しい間隔で配置される。ランダムディンプル群１１は、複数のディンプル１０が摺動面Ｓの内周部５ａ（漏れ側）から外周部５ｂ（被密封流体側）の全長に亘ってランダムに配置される。また、ランダムディンプル群１１の径方向部１１ａ、１１ｂは、径方向に延びるランド部１５によって区画され、ランダムディンプル群１１は摺動面Ｓの内周部５ａ（漏れ側）から外周部５ｂ（被密封流体側）に亘ってほぼ同じ周方向幅を有するように構成される。ランダムディンプル群が漏れ側と接する内側周方向部１１ｃは摺動面Ｓの内周部５ａによって区画される。また、ランダムディンプル群が被密封流体側と接する外側周方向部１１ｄは摺動面Ｓの外周部５ｂによって区画される。なお、内側周方向部１１ｃ及び外側周方向部１１ｄはほぼ同一幅に形成される。

ランド部１５は、摺動面Ｓの内周部５ａ（漏れ側）から外周部５ｂ（被密封流体側）の全長に亘って、ランダムディンプル群１１の周方向幅より狭い周方向幅を有する平坦面である。ランド部１５によってランダムディンプル群１１は隣接する他のランダムディンプル群１１と分離される。またランド部１５、ランダムディンプル群１１の径方向部１１ａ、１１ｂは、回転中心を通る径方向軸ｒに対して傾斜している。

隣接するランダムディンプル群１１はランド部１５によって分離されることにより、摺動面Ｓに流入した流体の周方向の移動が堰き止められ正圧を発生する動圧発生効果が得られ、相対摺動する２つの摺動面の間隙が大きくなり、摺動面Ｓに潤滑性の流体が流入し、流体潤滑作用が得られる。

さらに、ランダムディンプル群１１の径方向部１１ａ、１１ｂは径方向軸ｒに対して傾斜を有することにより、傾斜を有しない場合に比較して密封効果を一層高めることができる。たとえば、図２において、固定側密封環５に対し回転側密封環３が反時計方向に回転している場合には、ランダムディンプル群１１が反時計方向、すなわち回転方向遅れ側に傾斜させることにより、漏れ側からランダムディンプル群１１のへ流体は効率良く取り込まれ密封性能が向上する。

図３は図２の変形であり、ランダムディンプル群２１の一対の径方向部２１ａ、２１ｂは、径方向外側に向かって開いて傾斜している。これにより、ランダムディンプル群２１の外側周方向部２１ｄの周方向幅は内側周方向部２１ｃの周方向幅より大きくなり、被密封流体側からランダムディンプル群２１への流体の流入が増加して潤滑性効果を向上させることができる。すなわち、ランダムディンプル群２１は、一対の径方向部２１ａ、２１ｂの傾斜を変化させることで、図２のランダムディンプル群１１よりも流体潤滑性能を向上させることができる。

図４は図２のさらなる変形であり、ランダムディンプル群３１の一対の径方向部３１ａ、３１ｂは、径方向内側に向かって開いて傾斜している。これにより、ランダムディンプル群３１の内側周方向部３１ｃの周方向幅は外側周方向部３１ｄの周方向幅より大きくなり、漏れ側からランダムディンプル群３１への流体の流入が増加して密封性効果を一層向上させることができる。

実施例１の摺動部品は以下の格別な効果を発揮する。

摺動面Ｓに形成されたランダムディンプル群１１、２１、３１は、潤滑と密封という相反する機能を向上させることができる。

ランダムディンプル群１１は、ランド部１５によって分離、区画されることで、摺動面Ｓに流入した流体の周方向の移動が堰き止められ正圧を発生する動圧発生効果によって、流体潤滑効果を一層向上させることができる。ランダムディンプル群２１、３１についても同様の効果を発揮する。

ランダムディンプル群１１の径方向部１１ａ、１１ｂの傾斜の大きさ、傾斜の態様を変化させることで、密封効果を強めたり、流体潤滑効果を強めたりすることができる。これにより、摺動速度や温度（流体粘度）に応じて、ランダムディンプル群１１の径方向部１１ａ、１１ｂの傾斜の大きさ、傾斜の態様を調整することで、様々な条件に適応した摺動部品を提供できる。ランダムディンプル群２１、３１についても同様の効果を発揮する。

図２の実施例において、ランダムディンプル群１１は隣接する他のランダムディンプル群と同じ形状としたが、これに限らず、ランダムディンプル群１１は隣接する他のランダムディンプル群と異なる形状としてもよい。たとえば、摺動速度や温度（流体粘度）に応じて、ランダムディンプル群１１の形状と異なる形状を有するランダムディンプル群を組み合わせて配置して、様々な条件に適応させることができる。また、図３、図４の実施例のランダムディンプル群２１、３１についても、異なる形状を有するランダムディンプル群を組み合わせて配置して様々な条件に適応させることができる。

なお、図２の実施例において、摺動面Ｓには２４個のランダムディンプル群１１が等しい間隔で配設されているが、２４等配に限定されることなく、ランダムディンプル群とランド部をそれぞれ１個配置して構成してもよいし、２、３、…、３６個、あるいは３６個以上のランダムディンプル群とランド部と配置してもよい。また、図３、図４の実施例のランダムディンプル群２１、３１についても同様である。

また、図２の実施例において、複数のランダムディンプル群１１は、同一半径位置においてそれぞれ等しい中心角を有する、径方向に延びる帯状体に形成される。また複数のランド部１５は、同一半径位置においてそれぞれ等しい中心角を有する、径方向に延びる平坦面に形成されている。しかしながら、これに限らず、同一半径位置において、異なる中心角を有するランダムディンプル群と、異なる中心角を有するランド部とを組み合わせて構成してもよい。あるいは、同一半径位置において、等しい中心角を有するランダムディンプル群と、異なる中心角を有するランド部とを組み合わせて構成してもよい。さらには、同一半径位置において、異なる中心角を有する複数ランダムディンプル群と、等しい中心角を有するランド部とを組み合わせて構成してもよい。また、図３、図４の実施例のランダムディンプル群２１、３１についても同様である。

実施例２に係る摺動部品を図５及び図６を参照して説明する。実施例２に係る摺動部品は、少なくとも一つの隣接するランダムディンプル群同士の形状が異なる点で相違し、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５に示すように、隣接するランダムディンプル群４１、４２の形状がそれぞれ異なっている。ランダムディンプル群４１の一対の径方向部４１ａ、４１ｂは径方向外側に向かって開いて傾斜している。これにより、ランダムディンプル群４１の外側周方向部４１ｄの周方向幅は内側周方向部４１ｃの周方向幅より大きくなり、被密封流体側からランダムディンプル群４１への流体の流入が増加して潤滑性効果をさらに向上させることができる。一方、ランダムディンプル群４１に隣接するランダムディンプル群４２の一対の径方向部４２ａ、４２ｂは径方向内側に向かって開いて傾斜している。これにより、ランダムディンプル群４２の内側周方向部４２ｃの周方向幅は外側周方向部４２ｄの周方向幅より大きくなり、漏れ側からランダムディンプル群４２への流体の流入が増加して密封性効果をさらに向上させることができる。このように流体潤滑効果を向上させたランダムディンプル群４１と、密封効果を高めたランダムディンプル群４２とを交互に配列して、相反する性能を向上した摺動部品とすることができる。

さらにランダムディンプル群４１、４２は左右対称に形成されている。これにより、どちらの方向に回転しても同じ密封効果、流体潤滑効果を発揮することができる。

図６は図５の変形例であり、隣接するランダムディンプル群５１、５２は左右非対称に形成されている点で図５と異なる。これにより摺動部品の回転を効率よく利用できるので、図６のランダムディンプル群５１、５２は、図５のランダムディンプル群４１、４２に比較してさらに密封効果や流体潤滑性能を高めることができる。たとえば、固定側密封環５に対し回転側密封環３が反時計方向に回転している場合には、ランダムディンプル群５１の径方向部５１ｂを反時計方向、すなわち回転方向遅れへさらに傾斜させることで、被密封流体側からランダムディンプル群５１への流体の流入を増加させて流体潤滑効果を強めることができる。また、ランダムディンプル群５２の径方向部５２ａも回転方向遅れ側にさらに傾斜させることで、漏れ側からランダムディンプル群５２への流体の流入を増加させて流体潤滑効果を強めることができる。

実施例２の摺動部品は、以下の格別な効果を奏する。

流体潤滑効果を向上させたランダムディンプル群４１、５１と、密封効果を高めたランダムディンプル群４２、５２とを交互に配列して、相反する性能を向上した摺動部品とすることができる。

ランダムディンプル群５１、５２の径方向部５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂの傾斜の大きさ、傾斜の態様をそれぞれ独立して変化させることで、ランダムディンプル群５１、５２のそれぞれの密封効果、流体潤滑効果を独立して調整することができる。これにより、摺動速度、温度（流体粘度）に応じて密封効果や流体潤滑効果を調整して、異なる特性を有するランダムディンプル群５１、ランダムディンプル群５２を交互に配列して、様々な摺動速度、温度（流体粘度）に適応した摺動部品を提供することができる。

なお、図５の実施例において、摺動面Ｓにはそれぞれ９個のランダムディンプル群４１、５１と、１８個のランド部が配設されているが、これに限定されることなく、それぞれ１個のランダムディンプル群４１、５１と、２個のランド部を配設して摺動部品を構成してもよい。さらに、それぞれ２、３、…、３６個以上のランダムディンプル群４１、５１と、４、６、…、７２以上のランド部を配置して構成してもよい。また、図３、図４の実施例のランダムディンプル群２１、３１についても同様である。

また、図５の実施例において、摺動面Ｓに形成された複数のランダムディンプル群４１、５１は、同一半径位置において、それぞれ等しい中心角を有する帯状体に形成され、複数のランド部１５は、同一半径位置においてそれぞれ等しい中心角を有する平坦面に形成されている。しかしながら、これに限らず、同一半径位置において異なるランダムディンプル群と、異なる中心角を有するランド部とを組み合わせて構成してもよい。あるいは、同一半径位置において、等しい中心角を有するランダムディンプル群と、異なる中心角を有するランド部とを組み合わせて構成してもよい。さらには、異なる中心角を有するランダムディンプル群と、等しい中心角を有するランド部とを組み合わせて構成してもよい。また、図６の実施例についても同様である。

実施例１及び実施例２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少なくともいずれか一方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、実施例１及び実施例２において、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（漏れ側）として説明しているが、本発明はこれに限定されることなく、摺動部品の外周側を低圧流体側（漏れ側）、内周側を高圧流体側（被密封流体側）の場合にも適用可能である。

１ 回転軸
２ スリーブ
３ 回転側密封環
４ ハウジング
５ 固定側密封環
５ａ 内径部
５ｂ 外径部
６ コイルドウェーブスプリング
７ ベローズ
１０ ディンプル
１１ ランダムディンプル群
１１ａ 径方向部
１１ｂ 径方向部
１５ ランド部
２１ ランダムディンプル群
２１ａ 径方向部
２１ｂ 径方向部
２５ ランド部
３１ ランダムディンプル群
３１ａ 径方向部
３１ｂ 径方向部
３５ ランド部
４１ ランダムディンプル群
４１ａ 径方向部
４１ｂ 径方向部
４５ ランド部
５１ ランダムディンプル群
５１ａ 径方向部
５１ｂ 径方向部
５５ ランド部
５２ ランダムディンプル群
５２ａ 径方向部
５２ｂ 径方向部
５６ ランド部
Ｓ 摺動面
ｒ 径方向軸

Claims (6)

1. 互いに相対摺動する摺動面を有する一対の摺動部品であって、
   少なくとも一方側の摺動面は、複数のディンプルがランダムに配設されたランダムディンプル群と、前記ランダムディンプル群の径方向部を区画する少なくとも一つのランド部と、を備えることを特徴とする摺動部品。
2. 前記ランダムディンプル群の前記径方向部は、径方向軸に対し傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の摺動部品。
3. 前記ランダムディンプル群の形状と前記ランダムディンプル群に隣接する他の前記ランダムディンプル群の形状とが異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。
4. 前記ランダムディンプル群の一対の前記径方向部は、径方向内側に向かって開いて傾斜していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の摺動部品。
5. 前記ランダムディンプル群の一対の前記径方向部は、径方向外側に向かって開いて傾斜していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の摺動部品。
6. 前記ランダムディンプル群の一対の前記径方向部は、径方向外側に向かって開いて傾斜し、前記ランダムディンプル群に隣接する他の前記ランダムディンプル群の一対の前記径方向部は、径方向内側に向かって開いて傾斜していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の摺動部品。

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