JPWO2019013271A1 - 摺動部品 - Google Patents

Abstract

【課題】漏れ側から摺動面への吸い込み特性の向上を図ることにより、密封性の優れた摺動部品を提供する。【解決手段】互いに摺動する摺動面Ｓ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を配置してなるディンプル群２０を備え、ディンプル群２０のディンプル１０の中心座標の半径方向座標平均が摺動面Ｓの摺動半径Ｒｍより小さくなるようにディンプル１０が配置される。【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、密封と潤滑という相反する条件を両立させるため、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、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、密封性の向上に関しての考察はされていない。

複数のディンプルを配置することで潤滑性能の向上がみられるが、低圧流体側に漏れようとする流体を吸い込む効果、いわゆる、ポンピング効果が得られにくいことから漏れが生じるという問題がある。また、どのような配置がどのように潤滑性能に影響しているか不明瞭であるという問題もあった。

本発明は、第一に、複数のディンプルを配置する場合のディンプル配置特性とポンピング特性との関係を解明し、漏れ側から摺動面への流体の吸い込み特性の向上を図ることにより、密封性の優れた摺動部品を提供することを目的とするものである。
また、本発明は、第二に、上記第一の目的に加えて、被密封流体側から摺動面への流体の流入特性の向上を図ることにより、密封と潤滑という相反する条件を両立させることができる摺動部品を提供することを目的とするものである。

〔本発明の原理〕
本願発明の発明者は、摺動面にディンプルを複数配置した摺動部品において、ラテン超方格法による実験計画を用いた配置条件の数値実験を行った結果、ディンプルの配置とポンピング特性及び潤滑特性との間には以下の関係があるという知見を得た。
（１）漏れ側から摺動面への吸い込み量（以下、ポンピング量ということもある。）は、ディンプルの摺動面の半径方向座標の平均値と相関がある。すなわち平均半径方向座標ｒmeanが０．５より小さくなると摺動面の内周側（漏れ側）から摺動面内に流体を吸い込む量が多くなる。ここで、平均半径方向座標ｒmeanは次の式により表される。
ｒmean＝（ディンプル群を構成するディンプルの中心座標の半径方向座標の平均値−摺動面の内半径Ｒｉ）／（摺動面の外半径Ｒｏ−摺動面の内半径Ｒｉ）
（２）相対摺動する摺動面のトルクは、均一な分布によって正規化されたディンプルの角度方向座標の標準偏差（以下「角度方向標準偏差σ_θ」といい、ディンプル群の角度方向の分散度合を意味する。）と相関があり、角度方向標準偏差σ_θが１より小さく、より好ましくは、０．８より小さくなると、大きなトルクが発生しにくくなる。
本願発明は、上記の知見に基づき、第一に、ディンプルの中心座標の半径方向座標平均値が摺動半径より小さくなるようにディンプルを配置して、漏れ側から摺動面への吸い込み特性の向上を図ることにより密封性を向上させるものであり、第二に、ディンプルの角度方向標準偏差σ_θが１より小さく、より好ましくは０．８より小さくなるようにディンプルを配置して、潤滑性を向上させ、大きなトルクの発生を防止するものである。

〔解決手段〕
上記目的を達成するため本発明の摺動部品は、
互いに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前記摺動面は複数のディンプルを配置してなるディンプル群を備え、
前記ディンプル群の前記ディンプルの中心座標の半径方向座標平均が前記摺動面の摺動半径より小さくなるように前記ディンプルが配置されることを特徴としている。
この特徴によれば、漏れ側から摺動面への流体の吸い込み特性を向上することができ、密封性の優れた摺動部品を提供することができる。

本発明の摺動部品は、
前記ディンプル群は、ランド部を介して前記摺動面の周方向に独立して複数形成されることを特徴としている。
この特徴によれば、ディンプル群を流れる流体はランド部により堰き止められ動圧を発生して潤滑性能を向上させることができる。

本発明の摺動部品は、
前記ディンプル群の前記ディンプルの中心座標の角度方向標準偏差が１未満になるように前記ディンプルが配置されることを特徴としている。
この特徴によれば、被密封流体側から摺動面への流体の流入特性を向上させ、厚い液膜を得ることができ、潤滑性の優れたと摺動部品を提供することができる。

本発明の摺動部品は、
前記ディンプル群の前記ディンプルの中心座標の角度方向標準偏差が０．８未満になるように前記ディンプルが配置されることを特徴としている。
この特徴によれば、より一層、被密封流体側から摺動面への流体の流入特性を向上させ、厚い液膜を得ることができ、潤滑性の優れた摺動部品を提供することができる。

本発明の摺動部品は、
前記摺動面の漏れ側には、前記ディンプル群の前記ディンプルの中心座標の半径方向座標平均が前記摺動面の摺動半径より小さくなるように前記ディンプルが配置されてなるポンピング形ディンプル群が配設され、
前記摺動面の被密封流体側には、前記ディンプル群の前記ディンプルの中心座標の角度方向標準偏差が少なくとも１未満になるように前記ディンプルが配置されてなる潤滑形ディンプル群が配設されることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動面の密封性を向上させると共に、潤滑性を、より一層、向上させることができる。

本発明の摺動部品は、
前記摺動面は、前記ポンピング形ディンプル群と前記潤滑形ディンプル群との間に配設される環状溝と、前記環状溝と前記被密封流体側とを連通する連通溝と、をさらに備えることを特徴としている。
この特徴によれば、連通溝と環状溝を介して摺動面に被密封流体側から流体を供給できるので摺動面の潤滑性を向上することができると共に、環状溝によりポンピング形ディンプル群と潤滑形ディンプル群との相互干渉を防止して、ポンピング形ディンプル群及び潤滑形ディンプル群の有するそれぞれの機能を十分に発揮させることができる。

本発明の摺動部品は、
前記整列ディンプル群は、複数の前記ディンプルを円環状に配置してなるサブディンプル群を同心状に複数配置してなることを特徴としている。
この特徴によれば、密封性能を高めた配列を有するディンプル群を容易に形成できる。

本発明の摺動部品は、
同心状に配置される前記サブディンプル群の径方向の間隔は径方向外側に向かって徐々に広くなるように配置されることを特徴としている。
この特徴によれば、複数のディンプルの半径方向座標平均が摺動面の摺動半径より小さいディンプル群を容易に構成して、密封性能を高めたディンプル群とすることができる。

本発明の摺動部品は、
前記整列ディンプル群を構成する複数の前記ディンプルは、径方向軸に対して傾斜する軸に沿って配置されることを特徴としている。
この特徴によれば、整列ディンプル群は、漏れ側から摺動面に効率良く漏れ側流体を取り込んで密封性を向上させることができる。

前記摺動面は、前記ディンプルが周方向に密に配列された部分と周方向に疎に配列された部分とが交互に配置されることを特徴としている。
この特徴によれば、潤滑性能を高めた整列ディンプル群を容易に形成することができる。

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ディンプルの配置例を示す平面図である。 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ディンプルの配置の変形例を示す平面図である。 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ディンプルの配置の他の変形例を示す平面図である。 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ディンプルの配置例を示す平面図である。 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ディンプルの配置の変形例を示す平面図である。 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ディンプルの配置の他の変形例を示す平面図である。 図１のＷ−Ｗ矢視図であり、本発明の実施例３に係る摺動部品の摺動面のディンプルの配置例を示す平面図である。 図１のＷ−Ｗ矢視図であり、本発明の実施例４に係る摺動部品の摺動面のディンプルの配置例を示す平面図である。

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１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出来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（ランド部）に囲まれた開口部を有し、摺動面Ｓよりへこんだ底部を有す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、くぼみの開口部の形状は円形、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円錐状、円錐台状、半円状、お椀状、または、方形など種々の形が包含される。また、各ディンプルは重ならないように配置されている。

摺動面の摩擦係数を低減させるためには、流体潤滑状態で作動させることが望ましい。ディンプルは窪み形状により流体潤滑作用が得られるものであり、ディンプルにおける流体潤滑の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、ディンプルの穴部のくさび作用によって、穴部の上流側の部分では負圧、下流側の部分で正圧が発生する。その際、ディンプル１０の上流側の負圧部分ではキャビテーションが発生し、キャビテーション領域では流体の蒸気圧に依存した圧力となるので負圧Ｐ１のピークが小さくなる。この結果、ディンプル１０内では正圧Ｐ２の影響が支配的となり、負荷能力が発生して摺動面Ｓが持ち上がる。そして摺動面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に流体が流入し、潤滑機能が得られる。

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整列配置されてなるディンプル群２０を設け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。

図２において、ディンプル群２０は、複数のディンプル１０が、固定側密封環５の漏れ側周面５ｂから被密封流体側周面５ａに亘りかつ全周に亘って、整列配置されて構成される。ディンプル群２０は、複数のディンプル１０を半径Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、……、Ｒ９、Ｒ１０を有する円環状に配置してなるサブディンプル群２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、……、２０ｉ、２０ｊを同心状に配置して構成される。各サブディンプル群２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、……、２０ｉ、２０ｊには、ディンプル１０が等角度ピッチで配置（図２の例では１°ごと３６０個配置）され、サブディンプル群２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、……、２０ｉ、２０ｊの半径Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、……、Ｒ９、Ｒ１０の大きさは、径方向外側に向かって徐々に大きくなる。このように、同心状に配置されるサブディンプル群２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、……、２０ｉ、２０ｊ同士の径方向の間隔が径方向外側に向かって徐々に広くなるように配置されることにより、ディンプル群２０の半径方向座標の平均が、摺動半径Ｒｍ＝（Ｒｉ＋Ｒｏ）／２より小さくなるように配置できる。これにより、ディンプル群２０は、摺動面Ｓの内周側（漏れ側）から摺動面内に流体の吸い込み量が多くなり、ディンプル群２０の密封性が向上する。ここで、Ｒｉは摺動面の内半径、Ｒｏは摺動面の外半径である。

なお、円環状のサブディンプル群２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、……、２０ｉ、２０ｊの半径Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、……、Ｒ９、Ｒ１０の大きさは、径方向外側に向かって一定の割合で線形に大きくしたが、これに限らない。たとえば、サブディンプル群２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、……、２０ｉ、２０ｊの半径Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、……、Ｒ９、Ｒ１０の大きさは、非線形に徐々に大きくなるように配置して、密封性を向上してもよい。

（式１）のように正規化した平均半径方向座標ｒmeanを使って、平均半径方向座標ｒmeanが０．５より小さくなるように、複数のディンプル１０を摺動面Ｓに配置することによって、ディンプル群２０の密封性を向上できる。
ｒmean＝（ディンプル群を構成するディンプルの中心座標の半径方向座標の平均値−摺動面の内半径Ｒｉ）／（摺動面の外半径Ｒｏ−摺動面の内半径Ｒｉ） （式１）

なお、摺動面Ｓに配置された複数のディンプル１０の平均半径方向座標ｒmeanが０．５より小さくして、漏れ側から摺動面内への流体の吸い込み量を多くしたものを「ポンピング形ディンプル群」と呼ぶ。

これに対し、（式２）のように正規化した角度方向標準偏差σ_θを使って、複数のディンプル１０の中心座標の角度方向標準偏差σ_θが１未満となるように、複数のディンプル１０を摺動面Ｓに配置することにより、摺動面Ｓの潤滑性が向上することができる。
角度方向標準偏差σ_θ＝ディンプル群の角度方向標準偏差σ／均一配置の整列ディンプル群の角度方向標準偏差σｒ （式２）

角度方向標準偏差σ_θが１未満となるように、複数のディンプル１０が配置されると、被密封流体側から摺動面Ｓへの流体の流れ込む量が増加して潤滑性が向上し、大きなトルク（摺動の抵抗）の発生が防止される。また、角度方向標準偏差σ_θが０．８未満であるように配置されると、より一層、摺動面Ｓの潤滑性が向上され、摺動トルクが低下する。本発明において、角度方向標準偏差σ_θが１未満であるように配置されてなるディンプル群を「潤滑形ディンプル群」と呼ぶ。

ディンプル群の角度方向標準偏差σ_θは次のように求めることができる。
（１）たとえば、図５において、ディンプル群２１は摺動面Ｓの周方向に３６等配で配設されているため、まず、３６等配の場合の均一配置の整列ディンプル群のディンプルの中心座標の角度方向標準偏差σｒを求める。３６等配の場合の均一配置の整列ディンプル群の区画１６の角度は１０°であり、区画１６の中心位置１７からの均等位置は２．５°の位置になる。よって、３６等配の場合の均一配置の整列ディンプル群の角度方向標準偏差σｒは２．５°となる。
（２）区画１６の中心位置１７からディンプル群２１を構成するディンプル１０の中心座標の角度方向標準偏差σを算出する。
（３）上記の式２に基づいて、ディンプル群２１の角度方向標準偏差σを均一配置の整列ディンプル群の角度方向標準偏差σｒによって正規化して、角度方向標準偏差σ_θが求められる。

図２のディンプル群２０を構成するディンプル１０は径方向軸ｒに沿って配列されているが、これに限らない。たとえば、図３に示すように、円環状のサブディンプル群３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、……、３０ｉ、３０ｊを同心状に配置したディンプル群３０において、複数のディンプル１０を径方向軸ｒに対して、回転側密封環３の回転方向（図３では回転側密封環３の回転方向は時計方向）の遅れ側（下流側）に角度θ傾いた軸ＲＳに沿って配置してもよい。これにより、ディンプル群３０は、漏れ側から摺動面内へ流体を低圧力損失で吸い込むことができ、さらに密封性能を向上させることができる。

また、ディンプル群２０、ディンプル群３０を構成する複数のディンプル１０は周方向に等ピッチで配設されているが、これに限らない。たとえば、図４に示すように、摺動面Ｓを所定の角度（図４の例では２０°）を有する複数の区画２６に分けて、複数の区画のそれぞれにディンプル群４０が配置される。そして、ディンプル群４０は、複数のディンプルを円環状に配列したサブディンプル群４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、……、４０ｉ、４０ｊを同心状に配置して構成され、サブディンプル群４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、……、４０ｉ、４０ｊ同士の径方向の間隔が径方向内側で狭く、径方向外側に向かって徐々に広くなるように配置される。これにより、ディンプル群４０の半径方向座標の平均が、摺動半径Ｒｍ＝（Ｒｉ＋Ｒｏ）／２より小さくなり、摺動面Ｓの内周側（漏れ側）から摺動面内に流体の吸い込み量が多くなり、ディンプル群２０の密封性が向上する。

また、ディンプル群４０は、それぞれの区画２６の中心軸２７に対し左右対称に配置され、区画２６の中央部を密に、区画２６の中央部から周方向端部に向かった徐々に疎になるようにディンプル１０が配置され、複数の区画２６のそれぞれにディンプル１０が周方向に密に配列された部分と周方向に疎に配列された部分が形成される。すなわち、サブディンプル群４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、……、４０ｉ、４０ｊを構成する各ディンプル１０は径方向軸ｒ1、ｒ2、…、ｒ10に沿って放射状に配置され、かつ、径方向軸ｒ1、ｒ2、…、ｒ10同士の周方向間隔は区画２６の中央部で狭く、区画２６の中央部から周方向端部に向かって徐々に広くなるように配置される。これにより、摺動面Ｓ全体としてディンプル１０が周方向に密に配列された部分と周方向に疎に配列された部分が連続して形成され、ディンプル群４０の角度方向標準偏差σ_θが１より小さくなり、被密封流体側からディンプル群４０内へ流体の流れ込む量が増加して流体潤滑性能を向上でき、大きなトルク（摺動の抵抗）の発生を防止することができる。

以上の説明によれば、本発明の実施例１に係る摺動部品は以下のような格別顕著な効果を奏する。

一対の摺動部品の互いに相対摺動する少なくとも一方側の環状の摺動面にディンプルが複数配置される摺動部品において、複数のディンプル１０の中心座標の半径方向座標平均が摺動面Ｓの摺動半径Ｒｍより小さくなるようにディンプル１０が配置されるディンプル群２０を備えることにより、漏れ側から摺動面への流体の吸い込み特性を向上することができ、密封性の優れた摺動部品を提供することができる。

ディンプル群３０を構成するディンプル１０を径方向軸ｒに対して、相手側摺動面の回転方向の遅れ側に角度θ傾けることにより、ディンプル群３０は、漏れ側から摺動面内へ効率よく流体を吸い込むことができ、さらに密封性能を向上させることができる。

ディンプル群４０は、ディンプル１０の半径方向座標の平均を摺動半径Ｒｍ＝（Ｒｉ＋Ｒｏ）／２より小さくなるように配置されるので、密封性能を向上できる。さらに摺動面Ｓにディンプル１０が周方向に密に配列された部分と周方向に疎に配列された部分とが交互に配置することにより、ディンプル群４０の角度方向標準偏差σ_θが１より小さくなり、被密封流体側からディンプル群４０内へ流体の流れ込む量が増加して流体潤滑性能を向上でき、大きなトルク（摺動の抵抗）の発生を防止することができる。
すなわち、摺動面Ｓに一種類のディンプル群４０を配置することにより、密封性能と潤滑性能の両方を向上させることができる。

つぎに、本発明の実施例２に係る摺動部品について図５〜図７を参照して説明する。実施例２に係る摺動部品は、ディンプル群２１、３１、４１がランド部Ｒによって分離され、摺動面Ｓの周方向に分離独立して複数形成される点で、実施例１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５に示すディンプル群２１は、図２のディンプル群２０のディンプル配列と同じ配列を有しているが、各ディンプル群２１はランド部Ｒによって所定の角度（図５の例では１０°）ごとに分離されている点で図２のディンプル群２０と相違する。

ディンプル群２１を構成するディンプル１０の中心座標の半径方向座標の平均が摺動面Ｓの摺動半径Ｒｍより小さくなるように、すなわち平均半径方向座標ｒmeanが０．５以下になるように配置されているので、摺動面Ｓの内周側（漏れ側）から摺動面内へ吸い込まれる流体量が増加して、メカニカルシール１の密封性能が向上する。

また、ディンプル群２１は、ランド部Ｒによって周方向に分離されているので、摺動面Ｓ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が発生し、この正圧により相対摺動する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、流体潤滑作用が向上する。

また、図６に示すディンプル群３１は、図３のディンプル群３０のディンプル配列と同じ配列を有しているが、ディンプル群３１は傾斜ランド部Ｒによって周方向に分離されている点で相違する。ディンプル群３１のディンプル１０は、径方向軸ｒに対して、回転側密封環３の回転方向の遅れ側に傾いた径方向軸に沿って配置される。これにより、ディンプル群３１全体が径方向軸ｒに対して傾斜するので、ディンプル群３１の全体形状によってポンピング効果を発揮して、漏れ側流体はディンプル群３１内へ効率良く吸い込まれ、より高いポンピング効果が得られる。すなわち、ディンプル群３１は、平均半径方向座標ｒmeanが０．５以下になるようにディンプル１０を配置して得られるポンピング作用に加え、ディンプル群３１の全体形状により得られるポンピング効果により、漏れ側から摺動面内へ吸い込まれる流体量が増加し、メカニカルシール１の密封性が向上する。

さらに、ディンプル群３１は、ランド部Ｒを介して周方向に分離されているので、ディンプル群４１内を流れる流体は、ランド部Ｒによって堰き止められ、ランド部Ｒにおいて動圧発生効果が増大して、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に潤滑性の流体が流入し、流体潤滑作用が一層向上させることができる。

図７に示すディンプル群４１は、図４のディンプル群４０のディンプル配列と同じであるが、ディンプル群４１はランド部Ｒによって所定の角度（図７の例では２０°）ごとに分離されている点で、図４のディンプル群４０と相違する。

ディンプル群４１を構成するディンプル１０は、半径方向座標の平均が摺動半径Ｒｍ＝（Ｒｉ＋Ｒｏ）／２より小さくなるように配列されているので、漏れ側から摺動面内に流体の吸い込み量が多くなり密封性が向上する。さらに、区画２６に配置されるディンプル群４１の中央部を密に、区画２６の中央部から周方向に離れるにしたがって疎になるようにディンプル１０を配置することにより、摺動面Ｓにディンプル１０が周方向に密に配列された部分と周方向に疎に配列された部分とが交互に配置される。これにより、ディンプル群４１の角度方向標準偏差σ_θが１より小さくなり、被密封流体側からディンプル群４１内へ流体の流れ込む量が増加して流体潤滑性能を向上でき、大きなトルク（摺動の抵抗）の発生を防止することができる。

加えて、ディンプル群４１は、ランド部Ｒを介して周方向に分離されているので、ディンプル群４１内を流れる流体は、ランド部Ｒによって堰き止められ動圧が発生して、流体潤滑作用が一層向上させることができる。

図８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３に係る摺動部品は、ポンピング形ディンプル群に加え、潤滑形ディンプル群が区分けされて別々に配設される点で実施例１及び２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８において、平均半径方向座標ｒmeanが０．５以下となるポンピング形ディンプル群１１Ｐが摺動面Ｓの漏れ側（図６においては内周側）に３６等配で配設され、角度方向標準偏差σ_θが１未満となる潤滑形ディンプル群１１Ｌが、摺動面Ｓの被密封流体側（図６においては外周側）に３６等配で配設されている。

ディンプル群２１、３１、４１は、略矩形の形状に形成されていたが、ポンピング形ディンプル群１１Ｐ、潤滑形ディンプル群１１Ｌは摺動面Ｓによって囲まれた島状に形成されている。島状のポンピング形ディンプル群１１Ｐ、潤滑形ディンプル群１１Ｌのディンプル配列は、ディンプル群２１、３１、４１のディンプル配列と同じ配列を有する。また、ポンピング形ディンプル群１１Ｐは、固定側密封環５の漏れ側周面５ｂに開口部１３を有し、漏れ側にのみに連通している。これにより、開口部１３からポンピング形ディンプル群１１Ｐ内へ漏れ側流体を吸込み、密封性能を向上できる。しかも、ポンピング形ディンプル群１１Ｐは平均半径方向座標ｒmeanが０．５以下になるように構成されるので、摺動面Ｓの内周側（漏れ側）から摺動面内へ吸い込まれる流体量が一層増加して、密封性がさらに向上する。

また、潤滑形ディンプル群１１Ｌは摺動面Ｓによって囲まれた島状に形成され、固定側密封環５の被密封流体側周面５ａに開口部１４を有し、被密封流体側のみに連通している。これにより、開口部１４から潤滑形ディンプル群１１Ｌ内へ被密封流体の流れ込む量が増加して、流体潤滑性能を向上できる。しかも、潤滑形ディンプル群１１Ｌは角度方向標準偏差σ_θが１未満となるように構成されるので、大きなトルク（摺動の抵抗）の発生がさらに一層防止される。

本例では、摺動面Ｓの漏れ側に摺動面Ｓへの大きな吸い込み量を有するポンピング形ディンプル群１１Ｐが配設されるとともに、被密封流体側に摺動面Ｓへの流体の流入特性が向上させ、液膜厚さを厚くする潤滑形ディンプル群１１Ｌが配設されることにより、密封性能と潤滑性能の両方を向上することができる。

また、ポンピング形ディンプル群１１Ｐ及び潤滑形ディンプル群１１Ｌは、隣接する２個のディンプル群１１Ｐ及びディンプル群１１Ｌがそれぞれ回転中心を通る中心軸１７に対して対称に形成されている。そのため、相手側摺動面がいずれの方向に回転しても同様の機能を果たすことができ、両回転型の摺動部品に適した形状とされている。なお、ポンピング形ディンプル群１１Ｐ及び潤滑形ディンプル群１１Ｌは、３６等配に限らず、複数であればよく、また、等配でなくてもよい。

以上の説明によれば、本発明の実施例２に係る摺動部品は以下のような格別顕著な効果を奏する。

摺動面Ｓの漏れ側には、平均半径方向座標ｒmeanが０．５以下となるポンピング形ディンプル群１１Ｐが配設され、摺動面Ｓの被密封流体側には、角度方向標準偏差σ_θが１未満となる潤滑形ディンプル群１１Ｌが配設されることにより、摺動面Ｓの密封性を向上させるとともに、潤滑性を、より一層、向上させることができる。

隣接する２個のディンプル群１１Ｐ及びディンプル群１１Ｌは、それぞれ、回転中心を通る中心軸１７に対して対称に形成されることにより、両回転型に好適な摺動部品を提供することができる。

図９を参照して、本発明の実施例４に係る摺動部品について説明する。実施例４に係る摺動部品は、深溝１２が設けられている点で実施例３の摺動部品と相違するが、その他の基本構成は実施例３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９において、摺動面Ｓの漏れ側にはポンピング形ディンプル群１１Ｐが３６等配で配設され、摺動面Ｓの被密封流体側には潤滑形ディンプル群１１Ｌが配設され、ポンピング形ディンプル群１１Ｐと潤滑形ディンプル群１１Ｌとの間には深溝１２が配設されている。

深溝１２は、円周方向深溝１２Ａ（本発明に係る環状溝）と半径方向深溝１２Ｂ（本発明に係る連通溝）とから構成され、漏れ側とは隔離されている。円周方向深溝１２Ａは摺動面Ｓの全周に亘って設けられており、半径方向深溝１２Ｂを介して被密封流体側と連通されている。

深溝１２は、摺動面Ｓに被密封流体側から流体を供給し、摺動面Ｓを潤滑する機能を有すると共に、ポンピング形ディンプル群１１Ｐの配設されたポンピング領域と潤滑形ディンプル群１１Ｌの配設された液膜保持領域との間を遮断し、両領域の有するそれぞれの効果を減殺させることなく発揮させる機能を有するものである。

以上の説明によれば、本発明の実施例４に係る摺動部品は以下のような格別顕著な効果を奏する。
（１）摺動面Ｓには、漏れ側と離隔されると共に被密封流体側と連通された深溝１２が配設され、深溝１２の円周方向深溝１２Ａがポンピング形ディンプル群１１Ｐと潤滑形ディンプル群１１Ｌとの間に配設されることにより、摺動面Ｓに被密封流体側から流体を供給し、摺動面Ｓの潤滑性を向上できると共に、ポンピング形ディンプル群１１Ｐと潤滑形ディンプル群１１Ｌとの相互干渉を防止し、ポンピング形ディンプル群１１Ｐ及び潤滑形ディンプル群１１Ｌの有するそれぞれの機能を十分に発揮させることができる。
（２）ポンピング形ディンプル群１１Ｐと潤滑形ディンプル群１１Ｌとの役割が分けられるため、摺動部品の設計を容易にすることができる。

以上、本発明の実施の形態を実施例により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例の形態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、上記実施例において、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
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 ディンプル群
１１Ｐ ポンピング形ディンプル群
１１Ｌ 潤滑形ディンプル群
１２ 深溝
１２Ａ 円周方向深溝（環状溝）
１２Ｂ 半径方向深溝（連通溝）
１６ 区画
１７ 区画の中心位置
２０ ディンプル群
２０ａ サブディンプル群
２０ｂ サブディンプル群
２０ｃ サブディンプル群
２１ ディンプル群
２６ 区画
２７ 区画の中心位置
３０ ディンプル群
３０ａ サブディンプル群
３０ｂ サブディンプル群
３０ｃ サブディンプル群
３１ ディンプル群
４０ ディンプル群
４０ａ サブディンプル群
４０ｂ サブディンプル群
４０ｃ サブディンプル群
４１ ディンプル群
Ｓ 摺動面
Ｒ ランド部
Ｒｍ 摺動半径
ｒ 径方向軸
ｒmean 平均半径方向座標
σθ 角度方向標準偏差

Claims (11)

1. 互いに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前記摺動面は複数のディンプルを配置してなるディンプル群を備え、
   前記ディンプル群の前記ディンプルの中心座標の半径方向座標平均が前記摺動面の摺動半径より小さくなるように前記ディンプルが配置されることを特徴とする摺動部品。
2. 前記ディンプル群は、ランド部を介して前記摺動面の周方向に独立して複数形成されることを特徴とする請求項１に記載の摺動部品。
3. 前記ディンプル群の前記ディンプルの中心座標の角度方向標準偏差が１未満になるように前記ディンプルが配置され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. 前記ディンプル群の前記ディンプルの中心座標の角度方向標準偏差が０．８未満になるように前記ディンプルが配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部品。
5. 前記摺動面の漏れ側には、前記ディンプル群の前記ディンプルの中心座標の半径方向座標平均が前記摺動面の摺動半径より小さくなるように前記ディンプルが配置されてなるポンピング形ディンプル群が配設され、
   前記摺動面の被密封流体側には、前記ディンプル群の前記ディンプルの中心座標の角度方向標準偏差が少なくとも１未満になるように前記ディンプルが配置されてなる潤滑形ディンプル群が配設されることを特徴とする請求項３又は４に記載の摺動部品。
6. 前記摺動面は、前記ポンピング形ディンプル群と前記潤滑形ディンプル群との間に配設される環状溝と、前記環状溝と前記被密封流体側とを連通する連通溝と、をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の摺動部品。
7. 前記ディンプル群は、複数の前記ディンプルを整列配置してなる整列ディンプル群からなることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の摺動部品。
8. 前記整列ディンプル群は、複数の前記ディンプルを円環状に配置してなるサブディンプル群を同心状に複数配置してなることを特徴とする請求項７に記載の摺動部品。
9. 同心状に配置される前記サブディンプル群の径方向の間隔は径方向外側に向かって徐々に広くなるように配置されることを特徴とする請求項８に記載の摺動部品。
10. 前記整列ディンプル群を構成する複数の前記ディンプルは、径方向軸に対して傾斜する軸に沿って配置されることを特徴とする請求項７ないし９のいずれかに記載の摺動部品。
11. 前記摺動面は、前記ディンプルが周方向に密に配列された部分と周方向に疎に配列された部分とが交互に配置されることを特徴とする請求項７ないし１０のいずれかに記載の摺動部品。

Images