JPWO2020162349A1

JPWO2020162349A1 - 摺動部品

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Publication number: JPWO2020162349A1
Application number: JP2020571158A
Authority: JP
Inventors: 忠継井村; 啓志鈴木
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 2019-02-04
Filing date: 2020-01-31
Publication date: 2021-12-09
Anticipated expiration: 2040-01-31
Also published as: EP3922873A1; EP3922873A4; JP7297394B2; CN113348308A; EP3922873B1; EP3922873C0; KR20210111856A; WO2020162349A1; CN113348308B; US12209668B2; KR102576181B1; US20220099188A1

Abstract

被密封流体を摺動面間における漏れ側まで供給して高い潤滑性を発揮するとともに被密封流体の漏れの少なく、且つ摺動面間に多くの量の被密封流体を保持できる摺動部品を提供する。回転機械の相対回転する箇所に配置される環状の摺動部品１０であって、摺動部品１０の摺動面１１には、漏れ側に連通する第１溝部１５と、第１溝部１５に連通して周方向に両側に延設される第２溝部９Ａ，９Ｂと、から構成される動圧発生機構１４が複数設けられており、第２溝部９Ａ，９Ｂは、延設方向の端面９ａ，９ｂが第１溝部１５との連通部よりも被密封流体側に配置されている。

Description

本発明は、相対回転する摺動部品に関し、例えば自動車、一般産業機械、あるいはその他のシール分野の回転機械の回転軸を軸封する軸封装置に用いられる摺動部品、または自動車、一般産業機械、あるいはその他の軸受分野の機械の軸受に用いられる摺動部品に関する。

被密封液体の漏れを防止する軸封装置として例えばメカニカルシールは相対回転し摺動面同士が摺動する一対の環状の摺動部品を備えている。このようなメカニカルシールにおいて、近年においては環境対策等のために摺動により失われるエネルギーの低減が望まれており、摺動部品の摺動面に高圧の被密封液体側である外径側に連通するとともに摺動面において一端が閉塞する正圧発生溝を設けている。これによれば、摺動部品の相対回転時には、正圧発生溝に正圧が発生して摺動面同士が離間するとともに、正圧発生溝には被密封液体が外径側から導入され被密封液体を保持することで潤滑性が向上し、低摩擦化を実現している。

さらに、メカニカルシールは、密封性を長期的に維持させるためには、「潤滑」に加えて「密封」という条件が求められている。例えば、特許文献１に示されるメカニカルシールは、一方の摺動部品において、被密封液体側に連通するレイリーステップ及び逆レイリーステップが設けられている。これによれば、摺動部品の相対回転時には、レイリーステップにより摺動面間に正圧が発生して摺動面同士が離間するとともに、レイリーステップが被密封液体を保持することで潤滑性が向上する。一方、逆レイリーステップでは相対的に負圧が生じるとともに逆レイリーステップはレイリーステップよりも漏れ側に配置されているため、レイリーステップから摺動面間に流れ出た高圧の被密封液体を逆レイリーステップに吸い込むことができる。このようにして、一対の摺動部品間の被密封液体が漏れ側に漏れることを防止して密封性を向上させていた。

国際公開第２０１２／０４６７４９号（第１４−１６頁、第１図）

しかしながら、特許文献１にあっては、逆レイリーステップで被密封液体を被密封液体側へ戻す構造であるため、摺動面間における漏れ側に被密封液体が供給されず、潤滑性に寄与していない部分が生じる虞があり、より潤滑性の高い摺動部品が求められていた。また、レイリーステップから摺動面間に流出した被密封液体はレイリーステップよりも漏れ側に配置された逆レイリーステップに即座に吸い込まれてしまい、摺動面間に多くの量の被密封液体を保持することが難しかった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、被密封流体を摺動面間における漏れ側まで供給して高い潤滑性を発揮するとともに被密封流体の漏れの少なく、且つ摺動面間に多くの量の被密封流体を保持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、
回転機械の相対回転する箇所に配置される環状の摺動部品であって、
前記摺動部品の摺動面には、漏れ側に連通する第１溝部と、該第１溝部に連通して周方向に両側に延設される第２溝部と、から構成される動圧発生機構が複数設けられており、
前記第２溝部は、延設方向の端面が前記第１溝部との連通部よりも被密封流体側に配置されている。
これによれば、摺動面の漏れ側まで供給された被密封流体を漏れ側に連通する第１溝部により回収し、回収した被密封流体を第２溝部から摺動面間に流出させて一部を径方向被密封流体側に戻すので、漏れ側に漏れる被密封流体が少ないとともに、摺動面の広い面積で潤滑性を向上させることができる。また、第２溝部が摺動部品の相対回転方向と交差して被密封流体側に延びるので、下流側の第２溝部の端面から被密封流体を摺動面間の被密封流体側に流出させることができ、摺動面間に流出した被密封流体を被密封流体側に排出しやすくかつ漏れ側に移動することを抑制して、摺動面間に多くの量の被密封流体を保持させることができる。

前記第１溝部が前記第２溝部よりも深い寸法に形成されていてもよい。
これによれば、第１溝部は溝の深さが深く容積が大きいので、摺動面の漏れ側まで供給された多くの量の被密封流体を回収できる。

前記第２溝部は、漏れ側に凸となるように湾曲して延設されていてもよい。
これによれば、第２溝部内で円滑に動圧を発生させることができる。

前記第２溝部の端面は、被密封流体側を向くように形成されていてもよい。
これによれば、第２溝部の端面から被密封流体側に向けて被密封流体が流出するので、被密封流体を被密封流体側に排出させやすい。

前記第１溝部の被密封流体側端面は、前記第２溝部の被密封流体側の側面に沿って、または前記第２溝部の被密封流体側の側面よりも漏れ側に配置されていてもよい。
これによれば、摺動面間における第１溝部よりも被密封流体側の被密封流体が第１溝部に流入することを抑制し、摺動面の漏れ側まで供給された被密封流体を効率よく回収することができる。

前記摺動部品の摺動面には、前記動圧発生機構よりも被密封流体側に配置され前記動圧発生機構とは独立する特定動圧発生機構を備えていてもよい。
これによれば、摺動部品の相対回転時に、特定動圧発生機構により摺動面間を離間させて摺動面間に適当な流体膜を生成しつつ、動圧発生機構によって被密封流体の漏れ側への漏れを低減できる。

前記第１溝部は内径側に連通していてもよい。
これによれば、遠心力により第２溝部内の被密封流体を被密封流体側に戻すことができるとともに、第１溝部内に被密封流体を保持しやすい。

尚、本発明に係る摺動部品の第２溝部が周方向に延設されているというのは、第２溝部が少なくとも周方向に沿った成分が大きくなるように延設していればよく、好ましくは径方向よりも周方向に沿って延設されていればよい。また第１溝部が径方向に延びているというのは、第１溝部が少なくとも径方向の成分をもって延設していればよく、好ましくは周方向よりも径方向に沿った成分が大きくなるように延設されていればよい。

また、被密封流体は、液体であってもよいし、液体と気体が混合したミスト状であってもよい。

本発明の実施例１におけるメカニカルシールの一例を示す縦断面図である。静止密封環の摺動面を軸方向から見た図である。Ａ−Ａ断面図である。静止密封環の摺動面における要部拡大図である。（ａ）〜（ｃ）は相対回転初期に液体誘導溝部の内径側から吸い込まれた被密封液体が摺動面間に流出される動作を説明する概略図である。レイリーステップの壁部から摺動面間に被密封液体が流出した状態を示す概略図である。本発明の変形例１を示す説明図である。本発明の実施例２における静止密封環の摺動面を軸方向から見た図である。本発明の実施例３における静止密封環の摺動面を軸方向から見た図である。本発明の実施例４における静止密封環の摺動面を軸方向から見た図である。（ａ）は本発明の変形例２を示す説明図、（ｂ）は本発明の変形例３を示す説明図である。

本発明に係る摺動部品を実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。

実施例１に係る摺動部品につき、図１から図７を参照して説明する。尚、本実施例においては、摺動部品がメカニカルシールである形態を例に挙げ説明する。また、メカニカルシールを構成する摺動部品の外径側を被密封液体側（高圧側）、内径側を大気側（低圧側）として説明する。また、説明の便宜上、図面において、摺動面に形成される溝等にドットを付すこともある。

図１に示される一般産業機械用のメカニカルシールは、摺動面の外径側から内径側に向かって漏れようとする被密封液体Ｆを密封するインサイド形のものであって、回転軸１にスリーブ２を介して回転軸１と共に回転可能な状態で設けられた円環状の摺動部品である回転密封環２０と、被取付機器のハウジング４に固定されたシールカバー５に非回転状態かつ軸方向移動可能な状態で設けられた摺動部品としての円環状の静止密封環１０と、から主に構成され、ベローズ７によって静止密封環１０が軸方向に付勢されることにより、静止密封環１０の摺動面１１と回転密封環２０の摺動面２１とが互いに密接摺動するようになっている。尚、回転密封環２０の摺動面２１は平坦面となっており、この平坦面には凹み部が設けられていない。

静止密封環１０及び回転密封環２０は、代表的にはＳｉＣ（硬質材料）同士またはＳｉＣ（硬質材料）とカーボン（軟質材料）の組み合わせで形成されるが、これに限らず、摺動材料はメカニカルシール用摺動材料として使用されているものであれば適用可能である。尚、ＳｉＣとしては、ボロン、アルミニウム、カーボン等を焼結助剤とした焼結体をはじめ、成分、組成の異なる２種類以上の相からなる材料、例えば、黒鉛粒子の分散したＳｉＣ、ＳｉＣとＳｉからなる反応焼結ＳｉＣ、ＳｉＣ−ＴｉＣ、ＳｉＣ−ＴｉＮ等があり、カーボンとしては、炭素質と黒鉛質の混合したカーボンをはじめ、樹脂成形カーボン、焼結カーボン等が利用できる。また、上記摺動材料以外では、金属材料、樹脂材料、表面改質材料（コーティング材料）、複合材料等も適用可能である。

図２に示されるように、静止密封環１０に対して回転密封環２０が矢印で示すように相対摺動するようになっており、静止密封環１０の摺動面１１には複数の動圧発生機構１４が静止密封環１０の周方向に均等に配設されている。摺動面１１の動圧発生機構１４以外の部分は平端面を成すランド１２となっている。

次に、動圧発生機構１４の概略について図２〜図４に基づいて説明する。尚、以下、静止密封環１０及び回転密封環２０が相対的に回転したときに、図４の紙面左側を後述するレイリーステップ９Ａ内を流れる被密封液体Ｆの下流側とし、図４の紙面右側をレイリーステップ９Ａ内を流れる被密封液体Ｆの上流側として説明する。

動圧発生機構１４は、大気側に連通して外径方向に延びる第１溝部としての液体誘導溝部１５と、液体誘導溝部１５の外径側端部から内径側に凸となるように外径側に向けて弧状、言い換えると４分の１楕円弧状に延びる下流側の第２溝部としてのレイリーステップ９Ａと、液体誘導溝部１５の外径側端部から内径側に凸となるように外径側に向けて弧状、言い換えると４分の１楕円弧状に延びる上流側の第２溝部としての逆レイリーステップ９Ｂと、を備えている。すなわち、動圧発生機構１４は、液体誘導溝部１５、レイリーステップ９Ａ、逆レイリーステップ９Ｂにより、摺動面１１を直交する方向から見てＹ字形状を成している。尚、本実施例１の液体誘導溝部１５は、静止密封環１０の軸に直交するように径方向に延びている。また、液体誘導溝部１５とレイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂとは連通しており、連通部分には深さ方向の段差１８が形成されている。

また、レイリーステップ９Ａは、下流側の端部に回転方向に対して直交する壁部９ａが形成されている。また、逆レイリーステップ９Ｂは、上流側の端部に回転方向に対して直交する壁部９ｂが形成されている。尚、壁部９ａ，９ｂは、回転方向に直交することに限られるものではなく、例えば回転方向に対して傾斜していてもよいし、階段状に形成されていてもよい。

また、液体誘導溝部１５の深さ寸法Ｌ１０は、レイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂの深さ寸法Ｌ２０よりも深くなっている（Ｌ１０＞Ｌ２０）。具体的には、本実施例１における液体誘導溝部１５の深さ寸法Ｌ１０は、１００μｍに形成されており、レイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂの深さ寸法Ｌ２０は、５μｍに形成されている。すなわち、液体誘導溝部１５とレイリーステップ９Ａとの間には、液体誘導溝部１５における下流側の側面とレイリーステップ９Ａの底面とにより深さ方向の段差１８が形成されており、液体誘導溝部１５と逆レイリーステップ９Ｂとの間にも同様の段差１８が形成されている。尚、液体誘導溝部１５の深さ寸法がレイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂの深さ寸法よりも深く形成されていれば、液体誘導溝部１５及びレイリーステップ９Ａ、逆レイリーステップ９Ｂの深さ寸法は自由に変更でき、好ましくは寸法Ｌ１０は寸法Ｌ２０の５倍以上である。

尚、レイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂの底面は平坦面をなしランド１２に平行に形成されているが、平坦面に微細凹部を設けることやランド１２に対して傾斜するように形成することを妨げない。さらに、レイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂの周方向に延びる２つの円弧状の面はそれぞれレイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂの底面に直交している。また、液体誘導溝部１５の底面は平坦面をなしランド１２に平行に形成されているが、平坦面に微細凹部を設けることやランド１２に対して傾斜するように形成することを妨げない。さらに、液体誘導溝部１５の径方向に延びる２つの平面はそれぞれ液体誘導溝部１５の底面に直交している。

次いで、静止密封環１０と回転密封環２０との相対回転時の動作について説明する。まず、回転密封環２０が回転していない一般産業機械の非稼動時には、摺動面１１，２１間には摺動面１１，２１よりも外径側の被密封液体Ｆが毛細管現象によって僅かに進入しているとともに、動圧発生機構１４には一般産業機械の停止時に残っていた被密封液体Ｆと摺動面１１，２１よりも内径側から進入した大気とが混在した状態となっている。尚、被密封液体Ｆは気体と比べ粘度が高いため、一般産業機械の停止時に動圧発生機構１４から低圧側に漏れ出す量は少ない。

一般産業機械の停止時に動圧発生機構１４に被密封液体Ｆがほぼ残っていない場合には、回転密封環２０が静止密封環１０に対して相対回転（図２の黒矢印参照）すると、図４に示されるように、大気側の低圧側流体Ａが矢印Ｌ１に示すように液体誘導溝部１５から導入されるとともに、レイリーステップ９Ａによって低圧側流体Ａが回転密封環２０の回転方向に矢印Ｌ２に示すように追随移動するため、レイリーステップ９Ａ内に動圧が発生するようになり、これにより逆レイリーステップ９Ｂに存在する低圧側流体Ａが回転密封環２０の回転方向に矢印Ｌ４に示すように追従移動するようになる。

レイリーステップ９Ａの下流側端部である壁部９ａ近傍が最も圧力が高くなり、低圧側流体Ａは矢印Ｌ３に示すように壁部９ａ近傍からその周辺に流出する。尚、レイリーステップ９Ａの上流側に向かうにつれて漸次圧力が低くなっている。

また、静止密封環１０と回転密封環２０との相対回転時には、摺動面１１，２１間にそれらの外径側から高圧の被密封液体Ｆが随時流入しており、いわゆる流体潤滑を成すようになっている。このとき、レイリーステップ９Ａ近傍の被密封液体Ｆは、上述したようにレイリーステップ９Ａの特に下流側は高圧となっているため、矢印Ｈ１に示すように、ランド１２に位置したままで、レイリーステップ９Ａにはほぼ進入しない。一方、液体誘導溝部１５の近傍の被密封液体Ｆは、液体誘導溝部１５が深溝部であってかつ低圧側に連通していることから、矢印Ｈ２に示すように、液体誘導溝部１５に進入しやすくなっている。加えて、被密封液体Ｆは液体であって表面張力が大きいことから、液体誘導溝部１５の側壁面に沿って移動して液体誘導溝部１５に進入しやすくなっている。また、逆レイリーステップ９Ｂ近傍の被密封液体Ｆは、矢印Ｌ４に示す低圧側流体Ａの移動により矢印Ｈ２’に示すように逆レイリーステップ９Ｂに進入し、その後液体誘導溝部１５内に進入する。

次いで、液体誘導溝部１５に吸い込まれた被密封液体Ｆが摺動面１１，２１間に流出される動作を説明する。

動圧発生機構１４に被密封液体Ｆがほぼ残っていない場合に、回転密封環２０が静止密封環１０に対して相対回転（図２の黒矢印参照）すると、図５（ａ）に示されるように、液体誘導溝部１５に進入した被密封液体Ｆは、符号Ｈ３に示すように、塊状の液滴となる。その後、図５（ｂ）に示されるように、液滴がある程度の体積となると、符号Ｈ４に示すように、レイリーステップ９Ａの上流側に形成された相対的に低い圧力によってレイリーステップ９Ａに引き込まれる。同時に、新たに液体誘導溝部１５に被密封液体Ｆが進入し、液滴Ｈ３’となる。このとき、液体誘導溝部１５には、図５（ａ）における相対回転の初期状態よりも多くの被密封液体Ｆが進入する。

その後、図５（ｃ）に示されるように、レイリーステップ９Ａに引き込まれた被密封液体Ｆは回転密封環２０から大きなせん断力を受け、圧力が高められながらレイリーステップ９Ａ内を下流側に移動し、矢印Ｈ５に示すように壁部９ａ近傍に流出する。同時に、新たに液体誘導溝部１５により多くの被密封液体Ｆが進入し、液滴Ｈ３’’となるとともに、液滴Ｈ３’が符号Ｈ４’に示すように、レイリーステップ９Ａに引き込まれる。

その後、図５（ｃ）に示される状態よりも液体誘導溝部１５に進入する被密封液体Ｆの量が増え、レイリーステップ９Ａから連続的に被密封液体Ｆが摺動面１１，２１間に流出する定常状態となる。定常状態では、摺動面１１，２１間にそれらの外径側やレイリーステップ９Ａから高圧の被密封液体Ｆが随時流入しており、上述したように流体潤滑となっている。尚、図５（ａ），（ｂ），（ｃ）を経て定常状態となるまでは過渡的な短い時間である。また、一般産業機械の停止時に動圧発生機構１４に被密封液体Ｆが残っている場合には、動圧発生機構１４に被密封液体Ｆが残存している量によって、図５（ａ）の状態、図５（ｂ）の状態、図５（ｃ）の状態、定常状態のいずれかから動作が開始することとなる。

また、固体に対する界面張力は気体よりも液体の方が大きいので、摺動面１１，２１間には被密封液体Ｆが保持されやすく大気は静止密封環１０、回転密封環２０よりも内径側に排出されやすい。

また、図６に示されるように、レイリーステップ９Ａの端面を構成する壁部９ａは、高圧側を向くように周方向に沿って形成されており、壁部９ａ近傍の摺動面１１，２１間に流出される被密封液体Ｆの多くは、矢印Ｈ６に示すように高圧側に向けて流出されるようになり、低圧側に向けて流出される被密封液体Ｆは、矢印Ｈ７に示すように少量となる。

以上のように、静止密封環１０と回転密封環２０との相対回転時において、レイリーステップ９Ａには、液体誘導溝部１５に進入した被密封液体Ｆを引き込んで動圧が発生しているので、摺動面１１，２１間の低圧側まで供給された被密封液体Ｆを液体誘導溝部１５により回収し、回収した被密封液体Ｆをレイリーステップ９Ａから摺動面１１，２１間に流出させて一部を径方向高圧側に戻すので、低圧側に漏れる被密封液体Ｆが少ないとともに、摺動面１１，２１の広い面積で潤滑性を向上させることができる。

また、レイリーステップ９Ａが静止密封環１０と回転密封環２０との相対回転方向と交差して高圧側に延びるので、レイリーステップ９Ａから被密封液体Ｆを摺動面１１，２１間の高圧側に流出させることができ、摺動面１１，２１間に流出した被密封液体Ｆを高圧側に排出しやすく、かつ低圧側に移動することを抑制できる。すなわち、摺動面１１，２１間に流出した被密封液体Ｆが再度レイリーステップ９Ａに引き込まれる量を少なくできるため、レイリーステップ９Ａによって発生された圧力により摺動面１１，２１間を離間させつつ摺動面１１，２１間に多くの量の被密封液体Ｆを保持させることができるとともに、液体誘導溝部１５からレイリーステップ９Ａ内に引き込む被密封液体Ｆの量が低下することを抑制できる。

また、液体誘導溝部１５はレイリーステップ９Ａよりも溝の深さが深く容積が大きいので、摺動面１１，２１間の低圧側まで供給された多くの量の被密封液体Ｆを回収できる。さらに、多くの量の被密封液体Ｆが液体誘導溝部１５に保持されるため、レイリーステップ９Ａ内に引き込まれる被密封液体Ｆの量を十分に確保できるとともに、液体誘導溝部１５に保持される被密封液体Ｆの量が短い時間において増減してもレイリーステップ９Ａ内に引き込まれる被密封液体Ｆの量を略一定とすることができ、摺動面１１，２１が貧潤滑となることを回避できる。また、液体誘導溝部１５が低圧側に連通しているので、摺動面１１，２１間の被密封液体Ｆの圧力に比べ液体誘導溝部１５内の圧力は低くなっており、液体誘導溝部１５の近傍の被密封液体Ｆは液体誘導溝部１５内に引き込まれやすくなっている。

また、レイリーステップ９Ａは、低圧側に凸となるように湾曲して円弧状に延設されているため、レイリーステップ９Ａ内で円滑に動圧を発生させることができるとともに、レイリーステップ９Ａの壁部９ａを高圧側に近付けて配置することができる。また、レイリーステップ９Ａの壁部９ａが高圧側を向くように配置することができる。

また、レイリーステップ９Ａの端面を構成する壁部９ａは高圧側を向くように周方向に沿って形成されており、壁部９ａ近傍の摺動面１１，２１間に流出される被密封液体Ｆは高圧側に多く排出されるようになり、被密封液体Ｆが低圧側に移動することが抑制されるので、摺動面１１，２１間に多くの量の被密封液体Ｆを保持させることができるとともに、液体誘導溝部１５からレイリーステップ９Ａ内に引き込む被密封液体Ｆの量が低下することを抑制できる。

また、逆レイリーステップ９Ｂは、レイリーステップ９Ａと対称の形状であり、該逆レイリーステップ９Ｂの壁部９ｂは、高圧側を向くように周方向に沿って形成されている。すなわち、レイリーステップ９Ａの壁部９ａと逆レイリーステップ９Ｂの壁部９ｂとが周方向に向き合わないので、レイリーステップ９Ａから摺動面１１，２１間に流出する被密封液体Ｆが周方向に隣接する逆レイリーステップ９Ｂに即座に吸い込まれることを回避でき、摺動面１１，２１間に多くの量の被密封液体Ｆを保持させることができる。

また、図６を参照して、液体誘導溝部１５の被密封流体側端面としての高圧側の端面１５ａは、レイリーステップ９Ａの高圧側の側面９ｃに沿って延設されているので、摺動面１１，２１間における液体誘導溝部１５よりも高圧側の被密封液体Ｆが液体誘導溝部１５内に流入する量を少なくでき、摺動面１１，２１よりも内径側から液体誘導溝部１５内に引き込む被密封液体Ｆの量の低下を抑制して効率よく回収することができる。尚、液体誘導溝部１５の高圧側の端面１５ａは、レイリーステップ９Ａの高圧側の側面９ｃよりも低圧側に配置されていてもよい。

また、液体誘導溝部１５は、径方向に延びている。具体的には、液体誘導溝部１５は、静止密封環１０の中心軸と直交する方向に延びており、その外径側端部からレイリーステップ９Ａが交差するように周方向に配置されているため、レイリーステップ９Ａ内で生じる被密封液体Ｆの流れの慣性や、動圧の影響を受けにくくなっている。このことから、静止密封環１０の内側面に付着した被密封液体Ｆや低圧側流体Ａが液体誘導溝部１５の内径側から直接レイリーステップ９Ａに吸い込まれにくくなっている。また、動圧の影響を直接的に受けずに、被密封液体Ｆを液体誘導溝部１５に保持できる。

尚、液体誘導溝部１５は、静止密封環１０の中心軸と直交する方向に限られず、静止密封環１０の中心軸と直交する位置から傾いていてもよいが、４５度未満の傾きであることが好ましい。さらに、液体誘導溝部１５の形状は円弧状など自由に変更できる。

また、レイリーステップ９Ａと液体誘導溝部１５との連通部分には、液体誘導溝部１５における下流側の側面とレイリーステップ９Ａの底面とにより段差１８が形成されているので、動圧の影響を直接的に受けずに被密封液体Ｆを液体誘導溝部１５に保持できる。

また、レイリーステップ９Ａは、径方向の全幅に亘って液体誘導溝部１５に連通しているため、レイリーステップ９Ａの液体誘導溝部１５への開口領域を確保でき、液体誘導溝部１５に保持された被密封液体Ｆを効率的に吸い上げることができる。

また、液体誘導溝部１５は、静止密封環１０の内径側に連通している。すなわち、摺動部品は、インサイド形のメカニカルシールであり、静止密封環１０及び回転密封環２０の相対回転時には、遠心力によりレイリーステップ９Ａ内の被密封液体Ｆを高圧側に戻すことができるとともに、被密封液体Ｆの摺動面１１，２１よりも内径側の低圧側への漏れを低減できる。

また、静止密封環１０に動圧発生機構１４が設けられているため、静止密封環１０及び回転密封環２０の相対回転時に、液体誘導溝部１５内を大気圧に近い状態に保ちやすい。

尚、本実施例１では、図２の紙面反時計回りに回転密封環２０が静止密封環１０に対して相対回転する形態を例示したが、図２の紙面時計回りに回転密封環２０が静止密封環１０に対して相対回転してもよい。このときには、低圧側流体Ａが矢印Ｌ１，Ｌ２’，Ｌ３’の順に移動して逆レイリーステップ９Ｂ内に動圧が発生することとなる（図８参照）。すなわち、図２の紙面時計回りに回転密封環２０が回転する場合には、逆レイリーステップ９Ｂがレイリーステップとして機能し、レイリーステップ９Ａが逆レイリーステップとして機能する。このように、レイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂのいずれか一方を動圧発生用の第２溝部として利用できるため、静止密封環１０と回転密封環２０との相対回転方向に関わらず使用できる。

また、本実施例１では、液体誘導溝部１５とレイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂが摺動面１１を直交する方向から見てＹ字形状を成している形態を例示したが、例えば、液体誘導溝部１５とレイリーステップ９Ａとが交差することなく滑らかに、例えば直線状、円弧状を成すように連通していてもよい。また、レイリーステップ９Ａと逆レイリーステップ９Ｂとは対称形状に形成されていたが、両者は深さ寸法、周方向長さ、径方向幅について同じであっても異なっていてもよい。

また、液体誘導溝部１５とレイリーステップ９Ａとの連通部分に段差１８が設けられていなくてもよく、例えば、液体誘導溝部１５とレイリーステップ９Ａとが傾斜面で連通していてもよい。この場合、例えば、５μｍ以下の深さ寸法を有する部分が第２溝部としてのレイリーステップ９Ａとなり、５μｍよりも深い部分を第１溝部としての液体誘導溝部１５とすることができる。

また、本実施例１では、第１溝部としての液体誘導溝部１５が第２溝部としてのレイリーステップ９Ａよりも深い寸法に形成されている形態を例示したが、第１溝部は第２溝部と同一の深さ寸法に形成されていてもよい。

また、レイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂは、低圧側に凸となるように湾曲して円弧状に延設される形態に限られず、例えば、高圧側に凸となるように湾曲して円弧状に延設されていてもよい。

また、レイリーステップ９Ａの壁部９ａ及び逆レイリーステップ９Ｂの壁部９ｂは、高圧側を向くことに限られず、周方向を向いていてもよい。また、第２溝部としてのレイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂの終端が先細りする形状などであってもよい。また、第２溝部の端面の少なくとも一部が高圧側に配置されていれば、第１溝部から蛇行して延設されていてもよい。

次いで、第２溝部の変形例を説明する。図７に示されるように、変形例１の第２溝部としてのレイリーステップ９１Ａ及び逆レイリーステップ９１Ｂは、液体誘導溝部１５に直交するように直線状に延設されている。具体的には、レイリーステップ９１Ａの壁部９１ａ及び逆レイリーステップ９１Ｂの壁部９１ｂの少なくとも一部が周方向から見たときに高圧側に配置されている。このような形状であれば摺動面１１，２１間に流出した被密封液体Ｆを高圧側に排出しやすい。

次に、実施例２に係る摺動部品につき、図８を参照して説明する。尚、前記実施例１と同一構成で重複する構成の説明を省略する。

図８に示されるように、静止密封環１０１には、動圧発生機構１４と、特定動圧発生機構１６と、が複数形成されている。特定動圧発生機構１６は、高圧側に連通する液体誘導溝部１６１と、液体誘導溝部１６１の内径側端部から下流側に向けて静止密封環１０１と同心状に周方向に延びるレイリーステップ１７Ａと、液体誘導溝部１６１の内径側端部から上流側に向けて静止密封環１０１と同心状に周方向に延びる逆レイリーステップ１７Ｂと、を備えている。液体誘導溝部１６１と液体誘導溝部１５とは、周方向に対応する位置に形成されている。また、液体誘導溝部１６１は、特定動圧発生機構１６の第１溝部として機能しており、レイリーステップ１７Ａ及び逆レイリーステップ１７Ｂは、特定動圧発生機構１６の第２溝部として機能している。

動圧発生機構１４のレイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂは、特定動圧発生機構１６のレイリーステップ１７Ａ及び逆レイリーステップ１７Ｂよりも周方向に長く形成されている。また、レイリーステップ１７Ａ及び逆レイリーステップ１７Ｂの深さ寸法は、レイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂと同じ５μｍに形成されている。また、レイリーステップ１７Ａ及び逆レイリーステップ１７Ｂの径方向の幅は、レイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂの径方向の幅よりも小幅に形成されている。すなわち、動圧発生機構１４１の容積は、特定動圧発生機構１６の容積よりも大きくなっている。

図８の実線矢印で示す紙面反時計回りに回転密封環２０が回転する場合には、被密封液体Ｆが矢印Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３の順に移動してレイリーステップ１７Ａ内に動圧が発生する。また、図８の点線矢印で示す紙面時計回りに回転密封環２０が回転する場合には、被密封液体Ｆが矢印Ｌ１１，Ｌ１２’，Ｌ１３’の順に移動して逆レイリーステップ１７Ｂ内に動圧が発生する。このように、静止密封環１０１と回転密封環２０との相対回転方向に関わらず特定動圧発生機構１６内に動圧を発生させることができる。

また、特定動圧発生機構１６で発生する動圧により摺動面１１，２１間を離間させて適当な液膜を生成しつつ、摺動面１１から低圧側に漏れようとする被密封液体Ｆを動圧発生機構１４によって回収できる。

また、動圧発生機構１４の容積が特定動圧発生機構１６の容積よりも大きいので、動圧発生機構１４のレイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂの吸い込み力を大きくして、低圧側の動圧発生機構１４と高圧側の特定動圧発生機構１６との動圧のバランスを調整できる。

また、動圧発生機構１４の終端である壁部９ａと、特定動圧発生機構１６の終端である壁部１７ａとが周方向にずれているため、摺動面１１，２１の周方向に圧力を分散できバランスがよい。

尚、レイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂの周方向の長さは、レイリーステップ１７Ａ及び逆レイリーステップ１７Ｂと同一、またはレイリーステップ１７Ａ及び逆レイリーステップ１７Ｂよりも短く形成されていてもよい。また、レイリーステップ１７Ａ及び逆レイリーステップ１７Ｂは、レイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂと異なる深さ寸法に形成されていてもよい。また、レイリーステップ１７Ａ及び逆レイリーステップ１７Ｂの径方向の幅は、レイリーステップ９Ａ及び逆レイリーステップ９Ｂの径方向の幅よりも大幅に形成されていてもよい。好ましくは、動圧発生機構１４１の容積が特定動圧発生機構１６の容積よりも大きくなっていればよい。

次に、実施例３に係る摺動部品につき、図９を参照して説明する。尚、前記実施例２と同一構成で重複する構成の説明を省略する。

図９に示されるように、静止密封環１０２は、特定動圧発生機構１６が隣接する動圧発生機構１４同士の間に位置するように、動圧発生機構１４と周方向にずれて配設されている。これによれば、動圧発生機構１４１の終端である壁部９ａと、特定動圧発生機構１６の終端である壁部１７ａとが周方向にずれているため、摺動面１１，２１の周方向に圧力を分散できバランスがよい。尚、特定動圧発生機構１６は、隣接する動圧発生機構１４に周方向に跨るように径方向に重畳して配置されていてもよい。

次に、実施例４に係る摺動部品につき、図１０を参照して説明する。尚、前記実施例１と同一構成で重複する構成の説明を省略する。

図１０に示されるメカニカルシールは、摺動面の内径側から外径側に向かって漏れようとする被密封液体Ｆを密封するアウトサイド形のものである。動圧発生機構１４は低圧側に連通するように外径側に配置されており、特定動圧発生機構１６は、高圧側に連通するように内径側に配置されている。尚、アウトサイド形のメカニカルシールであっても、前記実施例１のように、動圧発生機構が片回転に対応する逆Ｌ字形状やＬ字形状に形成されていてもよいし、図７に示す動圧発生機構の変形例などを適用してもよい。また、前記実施例１のように、特定動圧発生機構が設けられていなくてもよいし、特定動圧発生機構が図８や後述する図１１のように形成されていてもよい。

次いで、特定動圧発生機構の変形例を説明する。図１１（ａ）に示すように、変形例２の特定動圧発生機構は、摺動面１１を直交する方向から見て円形を成す凹形状のディンプル３０である。尚、ディンプル３０の形状、数量、配置などは自由に変更することができる。

また、図１１（ｂ）に示すように、変形例２の特定動圧発生機構は、径方向に向けて傾斜しながら円弧状に延びる円弧溝３１，３２である。具体的には、円弧溝３１，３２は外径側の端部が高圧側に連通しており、円弧溝３１は、レイリーステップ９Ａの外径側に複数配設されており、円弧溝３２は、逆レイリーステップ９Ｂの外径側に複数配設されている。

また、円弧溝３１は、回転密封環２０が図１１（ｂ）の紙面反時計回りに回転したときに内径側に向けて被密封液体Ｆが移動する形状となっており、円弧溝３２は、回転密封環２０が図１１（ｂ）の紙面時計回りに回転したときに内径側に向けて被密封液体Ｆが移動する形状となっている。回転密封環２０が反時計回りに回転したときには円弧溝３１の内径側の圧力が高くなり、時計回りに回転したときには円弧溝３２の内径側の圧力が高くなるため、摺動面１１，２１を離間させて適当な液膜を生成できるようになっている。尚、円弧溝３１，３２の形状、数量、配置などは自由に変更することができる。

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。

例えば、前記実施例では、摺動部品として、一般産業機械用のメカニカルシールを例に説明したが、自動車やウォータポンプ用等の他のメカニカルシールであってもよい。また、メカニカルシールに限られず、すべり軸受などメカニカルシール以外の摺動部品であってもよい。

また、前記実施例では、動圧発生機構を静止密封環にのみ設ける例について説明したが、動圧発生機構を回転密封環２０にのみ設けてもよく、静止密封環と回転密封環の両方に設けてもよい。

また、前記実施例では、摺動部品に同一形状の動圧発生機構が複数設けられる形態を例示したが、形状の異なる動圧発生機構が複数設けられていてもよい。また、動圧発生機構の間隔や数量などは適宜変更できる。

また、被密封流体側を高圧側、漏れ側を低圧側として説明してきたが、被密封流体側が低圧側、漏れ側が高圧側となっていてもよいし、被密封流体側と漏れ側とは略同じ圧力であってもよい。

９Ａレイリーステップ（第２溝部）
９Ｂ逆レイリーステップ（第２溝部）
９ａ壁部（端面）
９ｂ壁部（端面）
１０静止密封環（摺動部品）
１１摺動面
１４動圧発生機構
１５液体誘導溝部（第１溝部）
１５ａ端面（被密封流体側端面）
１６特定動圧発生機構
２０回転密封環（摺動部品）
２１摺動面

Claims

回転機械の相対回転する箇所に配置される環状の摺動部品であって、
前記摺動部品の摺動面には、漏れ側に連通する第１溝部と、該第１溝部に連通して周方向に両側に延設される第２溝部と、から構成される動圧発生機構が複数設けられており、
前記第２溝部は、延設方向の端面が前記第１溝部との連通部よりも被密封流体側に配置されている摺動部品。
前記第１溝部が前記第２溝部よりも深い寸法に形成されている請求項１に記載の摺動部品。
前記第２溝部は、漏れ側に凸となるように湾曲して延設されている請求項１または２に記載の摺動部品。
前記第２溝部の端面は、被密封流体側を向くように形成されている請求項１ないし３のいずれかに記載の摺動部品。
前記第１溝部の被密封流体側端面は、前記第２溝部の被密封流体側の側面に沿って、または前記第２溝部の被密封流体側の側面よりも漏れ側に配置されている請求項１ないし４のいずれかに記載の摺動部品。
前記摺動部品の摺動面には、前記動圧発生機構よりも被密封流体側に配置され前記動圧発生機構とは独立する特定動圧発生機構を備えている請求項１ないし５のいずれかに記載の摺動部品。
前記第１溝部は内径側に連通する請求項１ないし６のいずれかに記載の摺動部品。