JPWO2019013233A1 - 摺動部材 - Google Patents

Abstract

【課題】高速で使用される摺動部品であっても、摺動部の摩擦損失を低減するとともに冷却性能を向上して、温度を低減することができる摺動部品を提供することを目的とする。【解決手段】互いに相対摺動する摺動面Ｓを有する一対の摺動部品であって、摺動面Ｓの高圧流体側の周面において所定の周方向間隔Ｙで開口部２２ａを有するとともに径方向に延びる流体導入部２２と、流体導入部２２に連通し周方向に延びる極浅溝１１からなるレイリーステップ機構と、を備え、流体導入部２２の開口部２２ａの周方向幅Ｘは、流体導入部２２の径方向幅Ｚより大きい。【選択図】図２

Description

本発明は、たとえば、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、密封性を長期的に維持させるためには、「密封」と「潤滑」という相反する条件を両立させなければならない。特に、近年においては、環境対策などのために、被密封流体の漏れ防止を図りつつ、機械的損失を低減させるべく、より一層、低摩擦化の要求が高まっている。低摩擦化の手法としては、回転により摺動面間に動圧を発生させ、液膜を介在させた状態で摺動する、いわゆる流体潤滑状態とすることにより達成できる。

たとえば、回転密封環のシール面の周方向に等間隔で一端が径外側に開口しかつ他端がシール面内に存在して径内方向にのびる流体導入部が複数形成され、これら流体導入部に連通し、かつ円周方向の一方にのびる動圧発生グルーブが形成され、回転密封環を回転させることによって、流体導入部から高圧流体側（被密封流体側）の流体が動圧発生グルーブに流入して、回転密封環のシール面と、静止密封環のシール面の間に動圧を発生させ、流体潤滑性能を向上させるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１。）。

また、一対の摺動部品の一方側の摺動面にレイリーステップ機構を構成する極浅溝と、前記極浅溝の上流側に高圧流体側と連通して高圧流体を導入するための流体導入用深溝と、前記流体導入用深溝の低圧流体側に該流体導入用深溝を連通する環状の圧力低減用深溝と、該環状の圧力低減用深溝と低圧流体側の摺動面との間に流体を前記高圧流体側に押し戻す作用を有する環状のポンピング溝と、を備える摺動部品により、流体潤滑性能を向上させるとともに密封性を向上させることが知られている（例えば、特許文献２。）。

特開平５−６０２４７号公報（第２ページ、図５） 特許６０７６９８５号公報（第８、９ページ、図６）

近年、流体機械の高速化がますます進み、これに伴いメカニカルシールの摺動面の周速も高くなっている。たとえば、メカニカルシールの摺動面の摺動半径における周速Ｖが１０ｍ／ｓを超えると、メカニカルシールの温度が高くなり、特に３０ｍ／ｓを超えるとメカニカルシールの温度が顕著に高くなる傾向にある。しかしながら、高速回転で使用されるメカニカルシールに対し、従来技術１、２の低摩擦化の手法を適用するだけでは、メカニカルシール部の温度を十分に低減することができず、メカニカルシールの長期の信頼性を確保することが困難であった。ここで、摺動半径とは、摺動面の外半径と内半径との平均である。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、高速回転で使用される摺動部品であっても、摺動部の摩擦損失を低減するとともに冷却性能を向上して、温度を低減することができる摺動部品を提供することを目的とする。

前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、
前記摺動面の高圧流体側の周面において所定の周方向間隔で開口部を有するとともに径方向に延びる流体導入部と、
前記流体導入部に連通し周方向に延びるレイリーステップ機構を構成する極浅溝と、を備え、
前記流体導入部の前記開口部の周方向幅は、前記流体導入部の径方向幅より大きいことを特徴としている。
この特徴によれば、流体導入部の開口部の周方向幅は流体導入部の径方向幅より大きく形成されることで、摺動面Ｓの面積が減少するので摺動損失を低減することができるとともに、開口部から流体導入部内を通り摺動面に至る流路のボトルネックが解消され被密封流体の流動抵抗が低減するので、摺動面を効率よく冷却することができる。

本発明の摺動部品は、
前記流体導入部の前記開口部の前記周方向幅と前記周方向間隔との比が０．２から０．９であることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動面における流体導入部の開口面積を大きくすることができ、摺動面と流体導入部内の流体とが直接接触する面積を増加させることができ、効率よく冷却できる。

本発明の摺動部品は、
前記摺動面の摺動半径における周速が１０ｍ／ｓ以上であることを特徴としている。
この特徴によれば、温度上昇の影響が大きくなる１０ｍ／ｓ以上の摺動部品を確実に冷却することができる。

本発明の摺動部品は、
前記流体導入部の低圧流体側には、前記流体導入部同士を連通する連通溝を備えることを特徴としている。
この特徴によれば、極浅溝から低圧流体側へ流れる高圧流体の圧力を連通溝によって開放して、極浅溝から低圧流体側の摺動面へ向かう漏れを低減することができる。
ことができる。

前記連通溝の低圧流体側にはポンピング部を備えることを特徴としている。
この特徴によれば、ポンピング部によって、低圧流体側から高圧流体側へ流体が押し戻されるので、漏れを低減することができる。

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。 （ａ）は図２における断面Ａ−Ａ、（ｂ）は図２における断面Ｂ−Ｂ、（ｃ）は図２における断面Ｃ−Ｃ、（ｄ）は図２における断面Ｄ−Ｄを示す図である。 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。

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３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１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、回転軸９側にスリーブ２を介してこの回転軸９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、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９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できることはもちろんである。

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でも可能である。

図２、図３に示すように、固定側密封環５の摺動面Ｓには、流体導入部２２及び流体導入部２２に連通するレイリーステップ機構としての極浅溝１１が複数配設され、隣接する流体導入部２２の間にはランド部１５を備え、流体導入部２２及び極浅溝１１はそれぞれランド部１５によって互いに隔離されている。また、摺動面Ｓの漏れ側に面して環状に形成されたランド部１７をさらに備え、極浅溝１１及び流体導入部２２はそれぞれランド部１７によって低圧流体側から隔離されている。

流体導入部２２は、摺動面Ｓに摺動面開口部２２ｅを有し、摺動面Ｓに対して窪んだ有底状の凹部であり、被密封側流体側のみが被密封流体側開口部２２ａによって開放され、低圧流体側とはランド部１５、１７によって隔離されている。具体的には、摺動面の被密封側流体側の周面５ａにおいて、周方向間隔Ｙごとに設けられかつ周方向に開口幅Ｘを有する被密封流体側開口部２２ａ（本発明に係る開口部）と、被密封流体側開口部２２ａから径方向に延びるとともに摺動面Ｓに対し所定寸法ｆだけ窪んだ位置に設けられる底部壁２２ｃと、底部壁２２ｃを周方向に挟んで、底部壁２２ｃに立設される一対の側部壁２２ｂ、２２ｄと、被密封流体側開口部２２ａの反対側において底部壁２２ｃ及び一対の側部壁２２ｂ、２２ｄに立設される周壁２２ｆとによって区画される凹部である。なお、周壁２２ｆ及び一対の側部壁２２ｂ、２２ｄは底部壁２２ｃに対して略垂直に形成され、摺動面開口部２２ｅと底部壁２２ｃの面積は略等しくなっている。なお、流体導入部２２は、摺動面Ｓの周方向に複数（図２においては８個）形成されているが、８個に限定されることなく、流体導入部２２の個数は条件に応じて８個以下、８個以上にすることができる。

ここで、被密封流体が被密封流体側開口部２２ａから流体導入部２２内を通り摺動面開口部２２ｅに至る流動抵抗を低減するために、被密封流体側開口部２２ａの周方向幅Ｘは大きく形成されている。すなわち、摺動面Ｓの被密封側流体側の周面５ａにおいて、流体導入部２２の被密封流体側開口部２２ａの周方向幅Ｘは、流体導入部２２の径方向幅Ｚより大きく形成されている。また、被密封流体側開口部２２ａの周方向幅Ｘと周方向間隔Ｙとの比は０．２≦Ｘ／Ｙ≦０．９に設定されている。なお、周方向間隔Ｙは、摺動面Ｓの被密封側流体側の周面５ａにおいて、流体導入部２２が設けられる周方向間隔である。周方向幅Ｘは摺動面Ｓの被密封側流体側の周面５ａにおける被密封流体側開口部２２ａの周方向幅である。また、径方向幅Ｚは流体導入部２２の径方向幅、すなわちＺ＝（ｄ２−ｄ１）／２である。ここで、ｄ２は摺動面Ｓの外径（流体導入部２２の外周部直径）、ｄ１は流体導入部２２の内径（流体導入部２２の内周部直径）である。

レイリーステップ機構を構成する極浅溝１１は、摺動面Ｓからｇだけ窪んだ周方向溝で、流体導入部２２側のみが開放され流体導入部２２に連通して、そのほかは周囲をランド部１５、１７によって囲まれ、低圧流体側から隔離されている。なお、極浅溝１１の深さｇは流体導入部２２の深さｆに対して十分浅く形成されている。回転側密封環３が回転すると、回転側密封環３及び固定側密封環５の摺動面間に介在する流体は、その粘性によって流体導入部２２から極浅溝１１へ引き込まれ、極浅溝１１の下流側の壁部１１ｆによる段差によって、回転側密封環３及び固定側密封環５との間の隙間が急縮小して動圧（正圧）が発生する。この正圧によって、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に流体が流入して潤滑される。

以上の構成を有するメカニカルシールの作用効果について説明する。被密封流体は、流体導入部２２の被密封流体側開口部２２ａから流体導入部２２内を通り摺動面開口部２２ｅの全面から相手側摺動面となる回転側密封環３の摺動面Ｓを冷却するとともに、固定側密封環５と回転側密封環３との間の隙間に被密封流体を供給して潤滑及び冷却を行う。

ここで、被密封流体側開口部２２ａの周方向幅Ｘは流体導入部２２の径方向幅Ｚより大きく形成されることで、摺動面Ｓの摺動面積が減少するので摺動損失を低減することができる。また、被密封流体側開口部２２ａの周方向幅Ｘは流体導入部２２の径方向幅Ｚより大きく形成されることで、被密封流体側開口部２２ａから流体導入部２２内を通り摺動面Ｓに至る流路のボトルネックが解消されるので被密封流体の流動抵抗が低減する。これにより、摺動損失を低減した状態で、回転側密封環３及び固定側密封環５との間の隙間に低圧力損失で、安定して流体を供給できるようになるので、摺動面Ｓを効率よく冷却できる。さらに、流体導入部２２の周方向幅Ｘを径方向幅Ｚより大きく形成し、さらに流体導入部２２の周方向幅Ｘと周方向間隔Ｙとの比を０．２≦Ｘ／Ｙ≦０．９に設定することで、摺動面開口部２２ｅの面積を大きくすることができる。大きく形成した摺動面開口部２２ｅの全面を通して被密封流体側の流体が摺動面Ｓに直接接触して、摺動面Ｓを冷却することができる。

以上の構成を有する本発明の摺動部品は以下の顕著な効果を有する。被密封流体側開口部２２ａの周方向幅Ｘを流体導入部２２の径方向幅Ｚより大きくすることで、摺動面Ｓの摺動面積を減少させて摺動損失を低減できるとともに、流体導入部２２における流体の流動抵抗を低減できる。これにより、摺動損失の低減した状態で、回転側密封環３及び固定側密封環５との間の隙間に流体を安定して効率よく供給して、冷却できるので温度を大幅に低減できる。また、大きな摺動面開口部２２ｅの全面を通して摺動面Ｓの広い範囲を被密封流体側の流体と直接接触させて、摺動面Ｓを冷却できる。これにより、メカニカルシール１の摺動面の摺動半径における周速が１０ｍ／ｓを超えて温度上昇が顕著になっても、安定して冷却できるようになる。特に、従来、十分な冷却が困難であった周速３０ｍ／ｓを超えるようなメカニカルシール１であっても、格別、顕著な冷却能力を発揮して温度を大幅に低減でき、メカニカルシールの長期の信頼性を向上させることができる。

次に、実施例２に係る摺動部品につき、図４を参照して説明する。尚、実施例１と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に示すように、固定側密封環５の摺動面Ｓには、流体導入部１２及び流体導入部１２に連通するレイリーステップ機構としての極浅溝１１が複数配設され、流体導入部１２の低圧流体側（漏れ側）には各流体導入部１２同士を連通する環状の連通溝１６、流体導入部１２と連通溝１６によって囲まれる島状のランド部１５、摺動面Ｓの漏れ側に面するとともに環状に形成されるランド部１７、連通溝１６とランド部１７の間に形成されるポンピング部１８を主に備える。極浅溝１１、流体導入部１２、連通溝１６及びポンピング部１８はランド部１７によって低圧流体側（漏れ側）と隔離されている。実施例２の摺動部品は、摺動面Ｓに連通溝１６及びポンピング部１８を備える点で実施例１と相違し、その他の構成は実施例１とほぼ同じである。以下、連通溝１６及びポンピング部１８について説明する。

連通溝１６は、極浅溝１１及び流体導入部１２の低圧流体側（漏れ側）において、流体導入部１２同士を連通している。連通溝１６の径方向幅は流体導入部１２の径方向幅、周方向幅より十分に狭く、連通溝１６の深さは極浅溝１１の深さより十分に深く、流体導入部１２の深さとほぼ同じに形成されている。

回転側密封環３及び固定側密封環５の相対移動によりレイリーステップとしての極浅溝１１における流体の圧力は、流体導入部１２（高圧流体側）より高圧になる。この高圧の流体が摺動面Ｓへ流れ込みの流体潤滑性能が向上する。しかし、極浅溝１１によって発生する高圧により流体潤滑性能が向上する反面、極浅溝１１から漏れ側へ向かう流れ、すなわち漏れも多くなる。そこで、流体導入部１２の漏れ側に流体導入部１２同士を連通する連通溝１６を全周にわたって設け、極浅溝１１と漏れ側のランド部１７とを分離することにより、極浅溝１１からの高圧の流体を連通溝１６にて開放して、極浅溝１１から漏れ側へ向かう漏れを低減することができる。なお、本実施例において連通溝１６は環状に連結しているが、極浅溝１１からの高圧の流体を連通溝１６にて開放できれば、周方向に分割されていてもよい。

さらに、連通溝１６とランド部１７との間の摺動面Ｓには、ランド部１７から漏れ側に漏洩しようとする流体を高圧流体側に押し戻す作用を有するポンピング部１８が全周に亘って設けられている。ポンピング部１８は、そのポンプ作用により、ランド部１７側から流体を吸込んで、連通溝１６側へ流体を押し戻すので、連通溝１６とポンピング部１８の相乗効果によりランド部１７から漏れ側への流体の漏れを低減することができる。ポンピング部１８は、例えば、極浅に形成したスパイラル形状の溝を周方向に所定ピッチで複数設けて形成される。ポンピング部１８はスパイラル形状の溝に限らず、ディンプルあるいは微細周期溝などから構成してもよい。

また、実施例１と同じく、実施例２の摺動部品は、流体導入部１２の被密封流体側開口部１２ａ（本発明に係る開口部）の周方向幅Ｘは流体導入部１２の径方向幅Ｚより大きく形成されることで、摺動面Ｓの摺動面積が減少するので摺動損失を低減することができる。また、被密封流体側開口部１２ａの周方向幅Ｘは流体導入部１２の径方向幅Ｚより大きく形成されることで、被密封流体側開口部１２ａから流体導入部１２内を通り摺動面Ｓに至る流路のボトルネックが解消されるので流動抵抗が低減する。これにより、摺動損失の低減と相俟って、回転側密封環３及び固定側密封環５との間の隙間に低損失で、安定して流体を供給できるようになるので、回転側密封環３及び固定側密封環５との隙間を効率よく冷却して、温度を低減できる。さらに、流体導入部１２の周方向幅Ｘと周方向間隔Ｙとの比を０．２≦Ｘ／Ｙ≦０．９に設定することで、摺動面開口部１２ｅの面積を大きくすることができ、回転側密封環３は摺動面開口部１２ｅ全面から被密封流体側の流体によって直接接触して、冷却することができる。

実施例２の摺動部品は、摺動面Ｓの摺動面積を減少して摺動損失を低減するとともに、回転側密封環３及び固定側密封環５との間の隙間に低損失で、安定して流体を供給して冷却できるようになるので、摺動面Ｓの温度を低減できる。また、摺動面Ｓに連通溝１６及びポンピング部１８を備えることで、密封性能が向上する。特に、従来冷却が困難であった摺動半径における周速が３０ｍ／ｓを超えるようなメカニカルシール１であっても、格別ｍ顕著な冷却効果を発揮して、メカニカルシール１の温度を大幅に低減できるので、メカニカルシールの摺動性及び密封性を確保して長期の信頼性を向上させることができる。

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。

実施例１及び実施例２において、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 メカニカルシール
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
６ コイルドウェーブスプリング
７ ベローズ
９ 回転軸
１１ 極浅溝
１２ 流体導入部
１２ａ 被密封流体側開口部（本発明に係る開口部）
１２ｅ 摺動面開口部
１５ ランド部
１６ 連通溝
１７ ランド部
１８ ポンピング部
２２ 流体導入部
２２ａ 被密封流体側開口部（本発明に係る開口部）
２２ｂ 側部壁
２２ｃ 底部壁
２２ｄ 側部壁
２２ｅ 摺動面開口部
２２ｆ 周壁
Ｐ 面圧
Ｓ 摺動面
Ｖ 周速
Ｘ 流体導入部の被密封流体側開口部の周方向幅
Ｙ 摺動面の被密封流体側の周面における隣接する流体導入部の周方向間隔
Ｚ 流体導入部の径方向幅

Claims (5)

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、
   前記摺動面の高圧流体側の周面において所定の周方向間隔で開口部を有するとともに径方向に延びる流体導入部と、
   前記流体導入部に連通し周方向に延びるレイリーステップ機構を構成する極浅溝と、を備え、
   前記流体導入部の前記開口部の周方向幅は、前記流体導入部の径方向幅より大きいことを特徴とする摺動部品。
2. 前記流体導入部の前記開口部の前記周方向幅と前記周方向間隔との比が０．２から０．９であることを特徴とする請求項１に記載の摺動部品。
3. 前記摺動面の摺動半径における周速が１０ｍ／ｓ以上であ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. 前記流体導入部の低圧流体側には、前記流体導入部同士を連通する連通溝を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の摺動部品。
5. 前記連通溝の低圧流体側の前記摺動面にポンピング部を備えることを特徴とする請求項４のいずれかに記載の摺動部品。

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