JPWO2020040234A1 - 摺動部材 - Google Patents

Abstract

【課題】低速回転からボンビング作用を発揮することができるとともに，密封機能及び潤滑機能を発揮することができる摺動部材を提供する。【解決手段】 摺動面Ｓにて互いに相対摺動する一対の摺動部材３，５であって，少なくとも一方の摺動面Ｓは動圧発生機構１１を備え，動圧発生機構１１の曲率は該動圧発生機構１１の流路長に比例して増大するように設定される。【選択図】図２

Description

本発明は，たとえば，メカニカルシール，軸受，その他，摺動部に適した摺動部材に関する。特に，摺動面に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材に関する。

摺動部材の一例である，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る技術がある。たとえば，互いに相対摺動する一対の摺動部材において，摺動部品の摺動面にスパイラル溝を設け，該スパイラル溝のボンビング作用を利用して，低圧流体側に漏洩しようとする被密封流体を被密封流体側に押し戻すことにより，摺動面のシール機能を向上するものが知られている（例えば，特許文献１参照）。

実開昭６１−８２１７７号公報

しかし，上記技術は，一定の回転数以上にならないとスパイラル溝のボンビング作用が発揮されないため，低速回転の機器において，摺動面にスパイラル溝を設けても十分なシール効果を得ることができなかった。

本発明は，低速回転からボンビング作用を発揮することができるとともに，密封機能及び潤滑機能を発揮することができる摺動部材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，本発明の摺動部材は，
摺動面にて互いに相対摺動する一対の摺動部材であって，
少なくとも一方の摺動面は動圧発生機構を備え，前記動圧発生機構の曲率は該動圧発生機構の入口開口部からの流路長に応じて増加することを特徴としている。
この特徴によれば，動圧発生機構の形状は，動圧発生機構の入口開口部にて曲率小さく（曲率半径が大きい），動圧発生機構の入口開口部からの流路長に比例して曲率が大きくなる（曲率半径が小さい）。これにより，流体が動圧発生機構へ流れ込む角度と，動圧発生機構の入口開口部の角度との差を小さくできる。また，動圧発生機構内における流体の回転方向速度が流路下流側に流れるにしたがって効率良く半径方向速度に変換される。これにより，流体が動圧発生機構の入口開口部へ流入するときの流入損失を小さくできるとともに，低速回転時からポンピング作用を生じさせることができる。

本発明の摺動部材は，
前記摺動面の内周縁と前記動圧発生機構の入口開口部とのなす角度は０°から４５°に設定されることを特徴としている。
この特徴によれば，摺動面Ｓの内周縁５ｂと動圧発生機構の入口開口部とのなす角度θ１を０°≦θ１≦４５°とすることで，流体が動圧発生機構へ流入するときの流入損失を極めて小さくすることができる。

本発明の摺動部材は，
前記流路の形状は以下の式で表されることを特徴としている。

ただし，Ｐは前記動圧発生機構上の点の位置ベクトル，Ｐ_０は前記動圧発生機構の前記入口開口部の位置ベクトル，ｓはＰ_０からＰまでの流路長さ，ｈは前記動圧発生機構の流路の全長，Ｓはｓをｈで正規化したもの，φはＰにおける接線方向角，ｉ＝√−１は虚数単位，φ_０はＰ_０における接線方向角，φ_ｖはφ_０を有する長さｈの円弧においてｈにおけるφ_０に対する接線角の増分，φｕはｈにおけるφ_ｖに対する接線角の増分である。
この特徴によれば，上記式によって容易に、流体が動圧発生機構の入口開口部へ流入するときの流入損失を小さくできるとともに，低速回転時からポンピング作用を生じさせることができる。

本発明の摺動部材は，
前記流路は，一端が漏れ側に連通するとともに他端がランド部に囲まれていることを特徴としている。
この特徴によれば，動圧発生機構は低速時からポンピング作用を発揮するので，低速時において動圧発生機構による動圧が十分に発生していないときであっても，動圧発生機構に流れ込んだ流体はくさび効果により正圧を発生できるので，低速回転時から摺動面を流体潤滑状態に保つことができる。

本発明の摺動部材は，
前記流路は，溝部からなることを特徴としている。
この特徴によれば，溝部により動圧発生機構を容易に構成することができる。

本発明の摺動部材は，
前記流路は，複数のディンプルからなるディンプル群からなる疑似流路であることを特徴としている。
この特徴によれば，ディンプル群により動圧発生機構を容易に構成することができる。

本発明の摺動部材を備え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矢視で摺動部材の摺動面を示す図である。 本発明の動圧発生機構と従来のスパイラル形状の動圧発生機構の違い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〜図３を参照して，本発明に係る摺動部材について，摺動部材の一例であるメカニカルシールについて説明する。実施例１においては，メカニカルシールを構成する摺動部材の外周側を被密封流体側，内周側を漏れ側として説明する。

図１のメカニカルシール１は，回転軸９側に取付けられたスリーブ２と一体に回転可能な回転側密封環３，かつ，ケーシング４に対して軸方向移動可能で，回転不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，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と，固定側密封環５をシールするベローズ７を備え，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。

このメカニカルシール１は，回転側密封環３及び固定側密封環５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，被密封流体が摺動面Ｓの外周側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，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。

図２に示すように，固定側密封環５の摺動面Ｓには動圧発生機構１１が，所定数（図２の実施例では１８個）配設されている。動圧発生機構１１は，摺動面Ｓの漏れ側に向かって凸となる弧状の溝部であり，漏れ側の周縁５ｂに開口する入口開口部１１ａを介して，漏れ側に連通するとともに，被密封流体側はランド部によって囲まれる止端部１１ｂを有し，被密封流体側と隔離されている。

動圧発生機構１１は，入口開口部１１ａ（上流）から止端部１１ｂ（下流）に向かって，動圧発生機構１１の曲率が連続的に増加する形状を有する。極座標系で表した動圧発生機構１１の中心線の形状は，以下の式（１）〜式（３）にて表される。

ただし，Ｐ_０は始点（動圧発生機構１１の入口開口部１１ａ）の位置ベクトル，Ｐは動圧発生機構１１上の点の位置ベクトル，ｓはＰ_０からＰまでの曲線の長さ（ｍ），ｈは動圧発生機構１１の流路の全長（ｍ），Ｓは長さｓを流路の全長ｈで正規化したもの，φは動圧発生機構１１のＰにおける接線方向角（ｒａｄ），ｉ＝√−１は虚数単位，φ_０は初期方向（Ｐ_０における動圧発生機構１１の接線方向角（ｒａｄ）），φ_ｖは初期方向φ_０を有する長さｈの円弧のｈにおけるφ_０に対する接線角の増分（ｒａｄ），φｕは動圧発生機構１１のｈにおけるφ_ｖに対する接線角の増分（ｒａｄ）である。すなわち，ｈ（Ｓ＝１）における接線方向角φ＝φ_０＋φ_ｖ＋φ_ｕである。

たとえば，動圧発生機構１１は上記４つのパラメータｈ，φ_０，φ_ｖ，φｕよって定めることができる。なお，φ_０及びφ_ｖがともに零のとき，等角螺旋と一致する。φ_ｖ，φ_ｕが正の値のとき摺動面Ｓの漏れ側に向かって凸の曲線となる。本発明における動圧発生機構１１の形状を定めるために，０≦φ_ｖ≦２，０≦φ_ｕ≦１の範囲で設定する。また，φ_ｖ，φ_ｕが負の値のとき摺動面Ｓの漏れ側に向かって凹の曲線となる。図３Ａは，式（１）〜式（３）を用いて，φ_０が零としたときのベクトルを用いて動圧発生機構１１の形状を定めたものである。すなわち，動圧発生機構１１の形状は，動圧発生機構１１の入口開口部１１ａにて曲率小さく（曲率半径が大きい），動圧発生機構１１の入口開口部１１ａからの流路長さに応じて曲率が大きくなる（曲率半径が小さい）ように設定されている。

図３に示すように，相手側の摺動部材（回転側密封環３）が所定方向（図３では時計方向）に回転すると，流体は，その粘性により回転側密封環３の移動方向に追随して移動して，動圧発生機構１１内に流れ込む。たとえば，図３Ａに示すように，固定側密封環５から流体の流れを観察すると，動圧発生機構１１へ流れ込む流体の速度ｖｉは，回転側密封環３の回転速度に応じた周方向速度ｕと，動圧発生機構１１のポンピン作用による径方向速度ｖｐとを合成したものとなる。

図３Ａにおいて，周方向速度ｕの影響が大きく，径方向速度が小さいため流体が動圧発生機構１１へ流れ込む角度αは非常に小さい。一方，動圧発生機構１１の入口開口部１１ａにおける，初期曲率が零に設定されているので，摺動面Ｓの内周縁５ｂと動圧発生機構１１の凸側の面とのなす角度，すなわち動圧発生機構1１の入口開口部１１ａの入口角度も零となる。これにより，流体が動圧発生機構１１へ流れ込む角度αと，動圧発生機構１１の入口開口部１１ａの角度との差は非常に小さくなるので，流体が動圧発生機構１１の入口開口部１１ａへ流入するときの流入損失を小さくできる。また，動圧発生機構１１内における流体の周方向速度ｕは，流路下流側に行くにしたがって効率良く径方向速度ｖｐに変換されるので，低速回転時から漏れ側から摺動面Ｓ内に流体を吸込むポンピング作用を生じさせることができる。

一方，図３Ｂは従来のスパイラル形状を有する動圧発生機構１２に流体が流れ込む状態を示す。スパイラル形状を有する動圧発生機構１２の場合には，流体が動圧発生機構１２へ流れ込む角度αと，動圧発生機構１２の入口開口部１１ａの角度θ２との差は，非常に大きくなるので，流体が動圧発生機構１２へ流入するときの流入損失は非常に大きくなる。このため，漏れ側から摺動面Ｓ内に流体を吸込むポンピング作用は，高速回転にならないと発生しない。

このように，本発明の動圧発生機構１１を有する摺動部材は，回転側密封環３が回転を開始すると低回転時（１０ｒｐｍ程度）からポンピング作用を発揮して漏れ側から流体を吸い込み，低圧流体側に漏洩しようとする被密封流体を被密封流体側に押し戻すことができるので，密封性能を向上することができる。特に，摺動面Ｓの内周縁５ｂと動圧発生機構１１の入口開口部１１ａとのなす角度θ１を０°≦θ１≦４５°，好ましくは０°≦θ１≦１０°とすることで，流体が動圧発生機構１１へ流入するときの流入損失を極めて小さくすることができる。ここで，θ１は式２のφ_０に相当する。

また，動圧発生機構１１は低速時からポンピング作用を発揮するので，低速時において動圧発生機構１１による動圧が十分に発生していないときであっても，動圧発生機構１１の止端部１１ｂにおけるくさび効果により正圧を発生できるので，低速回転時から摺動面Ｓを流体潤滑状態に保つことができる。

以上述べたように，本発明の摺動部材は以下の効果を奏する。
１．動圧発生機構１１の曲率が入口開口部１１ａからの動圧発生機構１１の流路長に比例して増大する形状に設定されるので，流体が動圧発生機構１１へ流れ込む角度αと，動圧発生機構1１の入口開口部１１ａの入口角度との差を極めて小さく設定することができるので，流体が動圧発生機構１１へ流れ込むときの流入損失を極めて小さくできる。また，動圧発生機構１１内における流体の周方向速度ｕは，流路下流側に行くにしたがって効率良く径方向速度ｖｐに変換されるので，低速回転時から漏れ側から摺動面Ｓ内に流体を吸込むポンピング作用を生じさせることができる。
２．動圧発生機構１１を式（１）から（３）の形状を有するように設定することで，容易に低損失の動圧発生機構１１を設計できる。
３．動圧発生機構１１は低速時からポンピング作用を発揮するので，低速時において動圧発生機構１１による動圧が十分に発生していないときであっても，動圧発生機構１１の止端部１１ｂにおけるくさび効果により正圧を発生できるので，低速回転時から摺動面Ｓを流体潤滑状態に保つことができる。

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。
上記実施例において，動圧発生機構１１は溝部から構成したが，これに限らない。たとえば，微小なディンプルを近接して配置した疑似流路から動圧発生機構を構成してもよい。

外周側が被密封流体側，内周側を漏れ側としているが，これに限らず，内周側が被密封流体側，外周側が漏れ側である場合も適用可能である。たとえば，動圧発生機構１１の入口開口部１１ａを摺動面の外周縁とし、−２≦φ_ｖ≦０，−１≦φ_ｕ≦０の範囲で設定することにより、動圧発生溝１１を定めることができる。

また，動圧発生機構１１を固定側密封環５の摺動面Ｓに設けたが，回転側密封環３の摺動面Ｓに設けてもよい。

１ メカニカルシール
２ スリーブ
３ 回転側密封環
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
８ パッキン
９ ケーシング
１０ 回転軸
１１ 動圧発生機構
１１ａ 入口開口部
１１ｂ 止端部
１２ 動圧発生機構
Ｓ 摺動面

Claims (8)

1. 摺動面にて互いに相対摺動する一対の摺動部材であって，
   少なくとも一方の摺動面は動圧発生機構を備え，前記動圧発生機構の曲率は該動圧発生機構の入口開口部からの流路長に応じて増加することを特徴としている。
2. 前記摺動面の周縁と前記動圧発生機構の入口開口部とのなす角度は０°から４５°に設定されることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
3. 前記動圧発生機構の形状は以下の式で表されることを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材。
   

   

   ただし，Ｐは前記動圧発生機構上の点の位置ベクトル，Ｐ_０は前記動圧発生機構の前記入口開口部の位置ベクトル，ｓはＰ_０からＰまでの流路長さ，ｈは前記動圧発生機構の流路の全長，Ｓはｓをｈで正規化したもの，φはＰにおける接線方向角，ｉ＝√−１は虚数単位，φ_０はＰ_０における接線方向角，φ_ｖはφ_０を有する長さｈの円弧においてｈにおけるφ_０に対する接線角の増分，φｕはｈにおけるφ_ｖに対する接線角の増分である。
4. 前記動圧発生機構は，一端が漏れ側に連通するとともに他端がランド部に囲まれ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材。
5. 前記動圧発生機構は，一端がランド部に囲まれるとともに他端が被密封流体側に連通す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材。
6. 前記動圧発生機構は，ランド部に囲まれ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材。
7. 前記動圧発生機構は，溝部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材。
8. 前記動圧発生機構は，複数のディンプルからなるディンプル群からなる疑似流路であ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材。

Images