WO2014042045A1 - 摺動部品 - Google Patents

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WO2014042045A1
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fluid
cavitation
pressure
sliding
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雄一郎 徳永
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イーグル工業株式会社
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    • F16J15/3464—Mounting of the seal
    • F16J15/348—Pre-assembled seals, e.g. cartridge seals

Definitions

  • the present invention relates to a sliding part suitable for a sliding part, for example, a mechanical seal, a bearing, and the like.
  • the present invention relates to a sliding component such as a seal ring or a bearing that requires a fluid to be interposed in the sliding surface to reduce friction and prevent fluid from leaking from the sliding surface.
  • Patent Document 1 discloses an invention in which a plurality of spiral grooves for transferring a fluid to a high-pressure chamber side are provided in the circumferential direction on the shaft sealing surface of a rotating ring.
  • the sealed fluid is introduced into the sliding surface by the suction means formed on the sealed fluid side of the sliding surface, and the introduced sealed fluid is formed on the sliding surface.
  • the fluid to be sealed is accumulated in the two dimple portions on the radially outer peripheral side and the radially inner peripheral side via the dam portion, and at the same time, the pump is pumped in the dimple portion on the radially inner peripheral side, thereby being radially inward from the two dimple portions
  • Patent Documents 1 and 2 when there is a pressure difference between the inner and outer periphery of a sliding surface such as a seal, a pumping action against the pressure is required, and the fluid is pushed back depending on the magnitude of the pressure. It may not be possible. For this reason, it is possible to prevent leakage when the pressure difference is small, but there is a problem that the amount of leakage must be increased when the pressure difference is large.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 8-277794 (5th page, FIG. 6) Japanese Patent Laid-Open No. 2005-180652
  • each sliding surface of two parts is configured as a smooth surface like a general mechanical seal, not only a film by a sealed fluid but also a phase caused by cavitation generated in the fluid is present between the sliding surfaces.
  • a phase composed of a liquid (sealed fluid) hereinafter referred to as a liquid phase
  • a phase composed of a gas hereinafter referred to as a gas phase
  • FIG. 1 it is generally known that a streak-like fluid flow 20 accompanying cavitation is generated in a hollow portion 10 such as a dimple formed on the sliding surface S.
  • the present invention provides a sliding surface by controlling the flow of a streak-like fluid accompanying cavitation that occurs in a dimple such as a dimple formed on the sliding surface (referred to herein as “dimple”). It is an object of the present invention to provide a sliding component that can prevent leakage regardless of the pressure difference between the inner and outer circumferences.
  • the present inventor conducted research on the fluid lubrication action of dimples on a sliding surface such as a mechanical seal, and as shown in FIG. 2, a groove 30 having directionality on the bottom surface of the dimple formed on the sliding surface.
  • a groove 30 having directionality on the bottom surface of the dimple formed on the sliding surface.
  • the edge portion 40 of the groove 30 acts on the gas-liquid interface as a geometrical barrier, and the streak-like fluid flow 20 is generated on the groove 30.
  • the streak-like fluid flow 20 moves to a certain degree along the edge portion 40 of the groove 30 and the streaky flow inside the cavitation is controlled.
  • the geometric barrier action of the edge portion is described in detail in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-185292, which is a patent application filed by the present applicant.
  • the sliding component of the present invention is firstly provided with dimples on one sliding surface of the pair of sliding components that slide relative to each other, and in the cavitation formation region in the dimple.
  • a groove having directionality is provided.
  • the edge of the groove acts on the gas-liquid interface as a geometrical barrier, and the flow of the streak fluid Prevents the fluid from passing over the groove, and as a result, the flow of the streak fluid moves to a certain extent along the edge of the groove, so that the streak flow inside the cavitation is controlled and leakage is prevented.
  • the sliding component of the present invention is secondly characterized in that, in the first feature, a groove having the directionality is provided at least on the low-pressure fluid side of the cavitation forming region. According to this feature, since the flow of the streak-like fluid by the groove having directionality is controlled at least on the low-pressure fluid side of the dimple, leakage to the low-pressure fluid side can be prevented.
  • a communication groove communicating with at least the high-pressure fluid side is provided in a portion other than the cavitation formation region in the dimple. It is characterized by. According to this feature, since the positive pressure on the downstream side of the dimple is released, the pressure on the upstream side decreases, cavitation is likely to occur on the upstream side, and the cavitation formation region is formed close to the downstream side of the dimple. Thus, it becomes possible to further control the flow direction of the streaky fluid by the cavitation formation region. Further, the fluid that has flowed into the positive pressure region can be returned to the high pressure fluid side.
  • the groove having the directionality provided in the cavitation formation region in the dimple has a direction in which the dimple slides. It is characterized by being formed so as to be symmetrical with respect to the sliding direction of the sliding surface with respect to the center of the direction. According to this feature, even when the rotation direction of the mating sliding surface is in both forward and reverse directions, the sliding component can be handled without replacement.
  • the present invention has the following excellent effects.
  • a dimple is provided on one sliding surface of the pair of sliding parts that slide relative to each other, and a directional groove is provided in the cavitation forming region in the dimple. It is possible to control the flow of the streak-like fluid accompanying the cavitation that occurs in the cavitation, and to prevent leakage regardless of the magnitude of the pressure difference between the inner and outer periphery of the sliding surface.
  • the directional groove provided in the cavitation forming region in the dimple is formed so that the direction is symmetrical with respect to the sliding direction of the sliding surface with respect to the center of the sliding direction of the dimple.
  • FIG. 2 shows a sliding surface of a sliding component according to Embodiment 1 of the present invention, where (a) shows a case where the dimple has a quadrilateral shape, and (b) shows a case where the dimple has a circular shape. Is shown.
  • (A) is a view for explaining a positive pressure generating mechanism consisting of a narrowing gap (step) on the downstream side of the dimple
  • (b) is a diagram for explaining a negative pressure generating mechanism consisting of an expanding gap (step) on the upstream side of the dimple. is there.
  • It is a top view of the principal part which shows an example at the time of providing the groove
  • the directional groove provided in the cavitation formation region of the dimple is symmetrical with respect to the sliding direction of the sliding surface with respect to the center of the sliding direction of the dimple. It is a top view of the principal part which shows an example at the time of being formed.
  • FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing an example of a mechanical seal, which is an inside type that seals the sealed fluid on the high-pressure fluid side that tends to leak from the outer periphery of the sliding surface toward the inner peripheral direction.
  • An annular rotary ring 3 provided on the rotary shaft 1 side for driving a pump impeller (not shown) on the high-pressure fluid side via a sleeve 2 so as to be rotatable integrally with the rotary shaft 1, and a pump
  • An annular stationary ring 5 provided in the housing 4 in a non-rotating state and movable in the axial direction is wrapped with a coiled wave spring 6 and a bellows 7 that urge the stationary ring 5 in the axial direction.
  • the sliding surfaces S mirror-finished are slid closely. That is, this mechanical seal prevents the sealed fluid from flowing out from the outer periphery of the rotating shaft 1 to the atmosphere side on the sliding surfaces S of the rotating ring 3 and the stationary ring 5.
  • FIG. 4 shows a sliding surface of the sliding component according to the first embodiment of the present invention, and a case where dimples are formed on the sliding surface of the stationary ring 5 in FIG. 3 will be described as an example.
  • the sliding surface S is provided with a plurality of quadrilateral dimples 10 in the circumferential direction.
  • the dimples 10 are not in communication with the high pressure fluid side and the low pressure fluid side, and the dimples 10 are provided independently of each other.
  • the number, area, and depth of the dimples 10 are set to optimum values depending on conditions such as the diameter and surface width of the stationary ring 5 and the pressure difference between the high-pressure fluid side and the low-pressure fluid side.
  • the shallow dimples are preferable in terms of fluid lubrication and liquid film formation.
  • the shape of the dimple 10 is such that two pieces on the inner diameter side and the outer diameter side have an arc shape with the center of the stationary ring 5 as the center, and 2 on the upstream side and the downstream side in the circumferential direction.
  • one piece is a straight line is shown, it may be a rectangle, a square, or a polygon, and is not particularly limited.
  • FIG. 4B shows a case where the dimples 11 are circular, and a plurality of dimples 11 are provided in the circumferential direction.
  • the dimple 11 is not in communication with the high-pressure fluid side and the low-pressure fluid side, and the dimples 11 are provided independently of each other.
  • the dimple 11 has a large diameter and is preferably shallow.
  • the size and depth of the dimple 11 depend on the viscosity of the fluid, the operating speed, and the membrane pressure, and comprehensively consider various conditions. Since it is determined by design, it is difficult to define it uniformly.
  • the rotating ring 3 rotates counterclockwise with respect to the fixed ring 5 as indicated by arrows, but dimples 10 and 11 are formed on the sliding surface S of the fixed ring 5.
  • a narrowing gap (step) 12 exists on the downstream side of the dimples 10 and 11.
  • the sliding surfaces of the opposed rotating rings 3 are flat.
  • the fluid interposed between the sliding surfaces of the rotating ring 3 and the stationary ring 5 tends to follow the moving direction of the rotating ring 3 due to its viscosity.
  • the presence of the narrowing gap (step) 12 generates a dynamic pressure (positive pressure) as indicated by a broken line.
  • FIG. 6 is a plan view of the main part showing an example in which a groove having directionality is provided on the bottom surface of the cavitation formation region of the dimple.
  • a plurality of quadrilateral dimples 10 are provided on the sliding surface S of the stationary ring 5 in the circumferential direction.
  • the dimples 10 are not in communication with the high-pressure fluid side and the low-pressure fluid side, and the dimples 10 are mutually connected. It is provided independently.
  • cavitation forming region 14 When the counterpart sliding surface (sliding surface of the rotating ring 3) rotates counterclockwise with respect to the fixed ring 5, cavitation occurs on the upstream side of the dimple 10, and a cavitation region indicated by reference numeral 14 is formed. (Hereinafter referred to as “cavitation forming region 14”).
  • a cavitation forming region 14 in the dimple 10 is provided with a directional groove 15. The range in which the groove 15 having the directivity is provided may be all or a part of the cavitation forming region 14.
  • the directional groove 15 is formed at the bottom of the dimple 10, and the width and depth thereof are not particularly limited, but in the “Principle” column of the means for solving the above-mentioned problem As described, the edge portion of the directional groove 15 acts as a geometrical barrier on the gas-liquid interface, preventing the flow of the streak-like fluid from passing over the directional groove 15. Anything can be used.
  • the directionality of the groove 15 is determined by how the fluid is controlled.
  • the fluid in the dimple 10 is pushed back to the high-pressure fluid side so as not to leak to the low-pressure fluid side. Therefore, it inclines counterclockwise from the inner diameter side toward the outer diameter side.
  • the inside of the cavitation is filled with a gas having a sufficiently small viscosity compared to the liquid, the fluidity is good, the pressure inside the cavitation is constant, and it is related to the differential pressure between the inner and outer circumferences of the sliding surface S. Therefore, when the groove 15 has a direction as shown in FIG. 6, the groove 15 provided in the cavitation formation region 14 causes the line in the dimple 10 to be controlled.
  • the flow of the fluid moves in a certain amount along the edge portion of the first groove 15 on the upstream side, and then moves in a certain amount along the edge portion of the second groove 15, thereby repeating the double line. As shown by, it is controlled to be pushed back to the high-pressure fluid side.
  • channel 15 provided with directionality should just be set to the optimal value by design, and is not specifically limited.
  • the dimples 10 are provided in the entire radial direction from the low-pressure fluid side to the high-pressure fluid side, whereas in FIG. Is provided only on the low-pressure fluid side.
  • the flow of the streak-like fluid by the directional groove 15 is controlled in the entire radial direction from the low-pressure fluid side to the high-pressure fluid side of the dimple 10, whereas in FIG. The flow of the streak-like fluid by the directional groove 15 is performed on the low-pressure fluid side of the dimple 10.
  • the directional groove 15 is not limited to being provided only on the low-pressure fluid side, and may be provided only on the high-pressure fluid side or only in the center in the radial direction. In accordance with this, a portion where the groove 15 having directionality is provided may be appropriately selected.
  • FIG. 7 is a plan view of a main part according to the second embodiment of the present invention, showing an example in which a communication groove communicating with the high-pressure fluid side or the like is provided at a place other than the cavitation formation region of the dimple.
  • the same reference numerals as those in the first embodiment indicate the same members as those in the first embodiment, and duplicate descriptions are omitted.
  • a cavitation formation region 14 is generated on the upstream side in the dimple 10, and a dynamic pressure is generated in other locations, that is, on the downstream side, so that a positive pressure region 16 is formed.
  • the positive pressure region 16 is provided with a communication groove 17 communicating with the high pressure fluid side.
  • the depth of the communication groove 17 is equal to or greater than the depth of the dimple 10.
  • the width of the communication groove 17 is sufficient to release the positive pressure.
  • the communication groove 17 communicating with the high-pressure fluid side is provided in the positive pressure region 16 on the downstream side of the dimple 10, the positive pressure on the downstream side of the dimple 10 is released, so that the upstream pressure decreases, and the upstream side In this case, cavitation is likely to occur. Therefore, the cavitation formation region 14 is formed to the vicinity of the downstream side of the dimple 10, and the flow direction of the streak-like fluid by the cavitation formation region 14 can be further controlled. Further, the fluid flowing into the positive pressure region 16 can be returned to the high pressure fluid side.
  • the positive pressure region 16 is provided with an inverted L-shaped communication groove 18 that communicates with the high-pressure fluid side.
  • the inverted L-shaped communication groove 18 communicates with a part of the downstream side of the cavitation forming region 14 in addition to the positive pressure region 16. For this reason, the positive pressure on the downstream side of the dimple 10 is further released, and the flow direction of the streak-like fluid by the cavitation forming region 14 can be further controlled.
  • the fluid that has flown near the downstream side of the cavitation formation region 14 and the fluid that has flowed into the positive pressure region 16 can be returned to the high pressure fluid side.
  • the positive pressure region 16 is provided with a communication groove 17 that communicates with the high-pressure fluid side and a communication groove 19 that communicates with the low-pressure fluid side. For this reason, the positive pressure on the downstream side of the dimple 10 is released to near the pressure on the low pressure side, and the flow direction of the streak-like fluid by the cavitation forming region 14 can be further controlled.
  • the fluid that has flowed into the positive pressure region 16 is likely to flow to the low pressure fluid side, when this example is applied to the seal device, it is considered to be unfavorable because it leads to leakage, but in the case of a bearing or the like, some leakage may occur. Since it is allowed and is expected to improve lubrication performance, it can be applied to all sliding parts including bearings.
  • FIG. 8 relates to the third embodiment of the present invention, and the groove having the directionality provided in the cavitation formation region of the dimple is symmetrical with respect to the sliding direction of the sliding surface with respect to the center in the sliding direction of the dimple. It is a top view of the principal part which shows an example at the time of being formed so that it may become.
  • the same reference numerals as those in the first embodiment indicate the same members as those in the first embodiment, and redundant description is omitted.
  • the sliding parts shown in the first and second embodiments can be applied only when the rotation direction is one direction, but the third embodiment can be applied even when the rotation direction is both directions.
  • the directional grooves 15 and 15 ′ provided in the cavitation forming region in the dimple 10 are slid at the radial line OO passing through the center of the sliding direction of the dimple 10. It is formed so as to be symmetric with respect to the sliding direction of the surface. 6 and 7, the cavitation formation region 14 is set to be formed over half of the dimple 10 from the upstream side. In FIG. 8, the cavitation formation region 14 is a half of the dimple 10 on the upstream side.
  • the cavitation formation region 14 is set so as to be formed about half of the upstream side of the dimple 10 even when the rotation direction of the mating sliding surface is reversed in the clockwise direction. For example, increasing the circumferential length of the dimple 10 or setting the depth of the dimple 10 to be shallow so that the negative pressure generation region is shortened in the circumferential direction is one method. Further, even if the cavitation formation region 14 is formed to extend downstream from the radial line OO, the flow of the streak-like fluid controlled in the outer diameter direction on the upstream side has an opposite directivity on the downstream side. Since it does not pass over the groove 15 ′, it does not affect the flow control of the streak-like fluid and can be controlled as desired.
  • the cavitation formation region 14 is formed in about half of the upstream side of the dimple 10, and the positive pressure region 16 is formed in about half of the downstream side, so that the cavitation formation region 14 has directionality.
  • the grooves 15 act to direct the fluid streak flow toward the high-pressure fluid side, while the grooves 15 ′ having directivity in the positive pressure region 16 act in the direction toward the low-pressure fluid side. Therefore, it may be likely to lead to leakage.
  • the fluid is controlled to move toward the high-pressure fluid side in the cavitation formation region 14, and the amount of fluid flowing into the positive pressure region 16 is small and the pressure does not increase. Even if it goes to the low-pressure fluid side, since it is sealed by the sliding surface S in the process of reaching the low-pressure fluid side, there is no risk of leakage.

Abstract

　摺動面に形成されたディンプルなどの窪み部分内に発生するキャビテーションに伴う筋状の流体の流れを制御することにより、摺動面の内・外周の差圧の大きさに関係することなく漏れを防止できる摺動部品を提供することを目的とする。　一対の摺動部品の互いに相対摺動する一方側の摺動面にディンプルが設けられ、前記ディンプル内のキャビテーション形成領域には方向性を備えた溝が設けられていることを特徴としている。

Description

摺動部品
　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。しかしながら、この場合、摺動面間に正圧が発生するため、流体が正圧部分から摺動面外へ流出する。軸受でいう側方漏れであり、シールの場合の漏れに該当する。 
　液体シールにおいては、気体より粘度が大きいため、平面同士であっても面の微小なうねりや粗さの凹凸等により動圧効果が得られる。このため、密封性能を優先した構造を採用することが多い。一方、密封と潤滑を両立させるために、漏れた液体を高圧側に引き戻す、ポンピング効果を有した機構もいくつか考案されている。たとえば、特許文献１には、回転リングの軸封面に流体を高圧室側へ移送するらせん溝が円周方向に複数設けられた発明が開示されている。 
　また、摺動部品に関する発明として、摺動面の被密封流体側に形成された吸込手段により、摺動面に被密封流体を導入し、この導入した被密封流体を摺動面に形成された径方向外周側及び径方向内周側の２つのディンプル部にダム部を介して被密封流体を蓄積すると同時に径方向内周側のディンプル部においてポンピングさせることにより、２つのディンプル部より径方向内周側に位置するシール面から被密封流体が漏洩するのを防止するようにした発明が知られている（特許文献２参照）。 
　しかしながら、上記特許文献１及び２に記載の発明では、シールなどの摺動面の内・外周に圧力差がある場合、圧力に対抗したポンピング作用が必要となり、圧力の大きさによっては流体を押し戻すことができない場合がある。このため、圧力差が小さい場合には漏れを防止することは可能であるが、圧力差が大きい場合には漏れ量は多くならざるを得ないという問題があった。 
特開平８－２７７９４１号公報（第５頁、図６） 特開２００５－１８０６５２号公報
　一般的なメカニカルシールのように、２部品の各摺動面が平滑面で構成される場合、摺動面間には、被密封流体による膜だけでなく、流体中に発生したキャビテーションによる相が形成されることが知られている（Ｈａｍｉｌｔｏｎ，Ｗａｌｏｗｉｔ，Ａｌｌｅｎ ： Ａ． Ｓ． Ｍ． Ｅ． Ｐａｐｅｒ Ｎｏ． ６５－Ｌｕｂ－１１（１９６５）参照）。すなわち、摺動面間には、液体（被密封流体）により構成される相（以下、液相と称する）と、気体により構成される相（以下、気相と称する）が形成される。 
　また、図１に示すように、摺動面Sに形成されたディンプルなどの窪み部分１０には、キャビテーションに伴う筋状の流体の流れ２０が生じることが一般的に知られている。 
　本発明は、摺動面に形成されたディンプルなどの窪み部分（本明細書においては「ディンプル」という。）内に発生するキャビテーションに伴う筋状の流体の流れを制御することにより、摺動面の内・外周の差圧の大きさに関係することなく漏れを防止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。 
〔原理〕 
　本発明者は、メカニカルシール等の摺動面におけるディンプルの流体潤滑作用に関する研究を行う中で、図２に示すように、摺動面に形成されたディンプルの底面に方向性をもった溝３０を設置すると、ディンプル１０内に発生するキャビテーション領域の筋状の流体の流れ２０の方向を変更または制御することができるという知見を得た。これは、キャビテーション内部は液体と比較し粘性の十分に小さい気体で満たされるため、流動性がよく、キャビテーション内部の圧力は一定となり、摺動面の内・外周の差圧に関係することなく、キャビテーション内部の筋状流れが制御されると考えられるものである。 
　すなわち、ディンプル１０の底面に方向性をもった溝３０が存在する場合、溝３０のエッジ部分４０が幾何学的な障壁として気液界面に作用し、筋状の流体の流れ２０が溝３０上を通過する移動を妨げ、この結果、筋状の流体の流れ２０は溝３０のエッジ部分４０に沿って一定程度移動し、キャビテーション内部の筋状流れが制御されると考えられるものである。 
　なお、エッジ部分の幾何学的な障壁作用については、本出願人による特許出願である特開２０１１－１８５２９２号公報に詳しく記載されている。 
〔手段〕 
　上記目的を達成するため本発明の摺動部品は、第１に、一対の摺動部品の互いに相対摺動する一方側の摺動面にディンプルが設けられ、前記ディンプル内のキャビテーション形成領域には方向性を備えた溝が設けられていることを特徴としている。 
　この特徴によれば、ディンプル内に発生するキャビテーションに伴う筋状の流体の流れを制御することができ、摺動面の内・外周の差圧の大きさに関係することなく漏れを防止できる。詳述すると、キャビテーション内部は液体と比較し粘性の十分に小さい気体で満たされるため、流動性がよく、キャビテーション内部の圧力は一定となり、摺動面の内・外周の差圧に関係することなく、キャビテーション内部の筋状流れが制御され、ディンプル内に方向性を備えた溝が存在する場合、該溝のエッジ部分が幾何学的な障壁として気液界面に作用し、筋状の流体の流れが溝上を通過する移動を妨げ、この結果、筋状の流体の流れは溝のエッジ部分に沿って一定程度移動するため、キャビテーション内部の筋状流れが制御され、漏れが防止されるものである。 
　また、本発明の摺動部品は、第２に、第１の特徴において、前記キャビテーション形成領域の少なくとも低圧流体側には前記方向性を備えた溝が設けられていることを特徴としている。 
　この特徴によれば、方向性を備えた溝による筋状の流体の流れの制御は少なくともディンプルの低圧流体側では行われるので、低圧流体側への漏洩を防止することができる。 
　また、本発明の摺動部品は、第３に、第１または第２の特徴において、前記ディンプル内のキャビテーション形成領域以外の箇所には少なくとも高圧流体側に連通する連通溝が設けられていることを特徴としている。 
　この特徴によれば、ディンプルの下流側の正圧が開放されるため、上流側の圧力が低下し、上流側においてキャビテーションが発生され易くなり、キャビテーション形成領域がディンプルの下流側の近くまで形成されることになり、キャビテーション形成領域による筋状の流体の流れの方向をより一層制御することが可能になる。また、正圧領域に流れ込んだ流体を高圧流体側に戻すことができる。 
　また、本発明の摺動部品は、第４に、第１または第２の特徴において、前記ディンプル内のキャビテーション形成領域に設けられる前記方向性を備えた溝は、その方向が前記ディンプルの摺動方向の中心を境に当該摺動面の摺動方向に対して対称となるように形成されていることを特徴としている。 
　この特徴によれば、相手側摺動面の回転方向が正逆の両方向の場合でも、当該摺動部品を交換をすることなく対応できる。 
　本発明は、以下のような優れた効果を奏する。 
（１）一対の摺動部品の互いに相対摺動する一方側の摺動面にディンプルが設けられ、ディンプル内のキャビテーション形成領域には方向性を備えた溝が設けられていることにより、ディンプル内に発生するキャビテーションに伴う筋状の流体の流れを制御することができ、摺動面の内・外周の差圧の大きさに関係することなく漏れを防止できる。 
（２）キャビテーション形成領域の少なくとも低圧流体側には方向性を備えた溝が設けられていることにより、該溝による筋状の流体の流れの制御は少なくともディンプルの低圧流体側では行われるので、低圧流体側への漏洩を防止することができる。 
（３）ディンプル内のキャビテーション形成領域以外の箇所には少なくとも高圧流体側に連通する連通溝が設けられていることにより、ディンプルの下流側の正圧が開放されるため、上流側の圧力が低下し、上流側においてキャビテーションが発生され易くなり、キャビテーション形成領域がディンプルの下流側の近くまで形成されることになり、キャビテーション形成領域による筋状の流体の流れの方向をより一層制御することが可能になる。また、正圧領域に流れ込んだ流体を高圧流体側に戻すことができる。 
（４）ディンプル内のキャビテーション形成領域に設けられる方向性を備えた溝は、その方向がディンプルの摺動方向の中心を境に当該摺動面の摺動方向に対して対称となるように形成されていることにより、相手側摺動面の回転方向が正逆の両方向の場合でも、当該摺動部品を交換をすることなく対応できる。 
摺動面に形成されたディンプルに生じるキャビテーションに伴う筋状の流体の流れを説明する図である。 摺動面に形成されたディンプルの底面に方向性をもった溝を設置すると、ディンプル内に発生するキャビテーション領域の筋状の流体の流れの方向が変更されることを説明する図である。 本発明の実施例に係るメカニカルシールの一例を示す縦断面図である。 本発明の実施例１に係る摺動部品の摺動面を示したものであって、（ａ）はディンプルの形状が四辺形の場合を、また、（ｂ）はディンプルの形状が円形の場合を示している。 （ａ）はディンプルの下流側の狭まり隙間（段差）からなる正圧発生機構を、（ｂ）はディンプルの上流側の拡がり隙間（段差）からなる負圧発生機構を、説明するための図である。 本発明の実施例１に係り、ディンプルのキャビテーション形成領域の底面に方向性を備えた溝が設けられた場合の一例を示す要部の平面図である。 本発明の実施例２に係り、ディンプルのキャビテーション形成領域以外の箇所に高圧流体側等に連通する連通溝が設けられた場合の一例を示す要部の平面図である。 本発明の実施例３に係り、ディンプルのキャビテーション形成領域に設けられる方向性を備えた溝がディンプルの摺動方向の中心を境に当該摺動面の摺動方向に対して対称となるように形成された場合の一例を示す要部の平面図である。
　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３ないし図６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、本実施例においては、メカニカルシールを構成する部品が摺動部品である場合を例にして説明する。　　 
　図３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円環状の回転環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円環状の固定環５とが、この固定環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、ラッピング等によって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。すなわち、このメカニカルシールは、回転環３と固定環５との互いの摺動面Ｓにおいて、被密封流体が回転軸１の外周から大気側へ流出するのを防止するものである。 
　図４は、本発明の実施例１に係る摺動部品の摺動面を示したもので、図３の固定環５の摺動面にディンプルが形成された場合を例にして説明する。 
　図４（ａ）において、摺動面Ｓには四辺形のディンプル１０が周方向に複数設けられている。ディンプル１０は、高圧流体側及び低圧流体側とは連通しておらず、また、各ディンプル１０は相互に独立して設けられている。ディンプル１０の数、面積及び深さは、固定環５の直径及び面幅並びに高圧流体側と低圧流体側との差圧等の条件により最適な値に設定されるが、面積が大きく、深さの浅いディンプルの方が流体潤滑作用及び液膜形成の点で好ましい。 
　なお、図４（ａ）では、ディンプル１０の形状は、内径側及び外径側の２つの片が固定環５の中心を中心とする円弧状をなし、周方向の上流側及び下流側の２つの片が直線である場合を示しているが、長方形、正方形、多角形でもよく、特に限定されない。 
　図４（ｂ）には、ディンプル１１が円形状の場合が示され、周方向に複数設けられている。図４（ａ）と同じく、ディンプル１１は、高圧流体側及び低圧流体側とは連通しておらず、また、各ディンプル１１は相互に独立して設けられている。ディンプル１１は、径が大きく浅いものが好ましいが、ディンプル１１の大きさ及び深さは、流体の粘度や作動させる速度や膜圧に依存するものであり、種々の条件を総合的に考慮して設計的に決定されるものであるため、一律に規定することは難しい。 
　ここで、図５を参照しながら、本発明におけるディンプルを設けた場合の正圧発生機構及び負圧発生機構について説明する。 
　図５（ａ）において、矢印で示すように、固定環５に対して回転環３が反時計方向に回転移動するが、固定環５の摺動面Ｓにディンプル１０、１１が形成されていると、該ディンプル１０、１１の下流側には狭まり隙間（段差）１２が存在する。相対する回転環３の摺動面は平坦である。 
　回転環３が矢印で示す方向に相対移動すると、回転環３及び固定環５の摺動面間に介在する流体が、その粘性によって、回転環３の移動方向に追随移動しようとするため、その際、狭まり隙間（段差）１２の存在によって破線で示すような動圧（正圧）が発生される。 
　図５（ｂ）においては、矢印で示すように、固定環５に対して回転環３は反時計方向に回転移動するが、固定環５の摺動面Ｓには、ディンプル１０、１１が形成されていると、ディンプル１０、１１の上流側には拡がり隙間（段差）１３が存在する。相対する回転環３の摺動面は平坦である。 
　回転環３が矢印で示す方向に相対移動すると、回転環３及び固定環５の摺動面間に介在する流体が、その粘性によって、回転環３の移動方向に追随移動しようとするため、その際、拡がり隙間（段差）１３の存在によって破線で示すような動圧（負圧）が発生される。 
　このため、ディンプル１０、１１内の上流側には負圧が発生し、下流側には正圧が発生することになる。そして、上流側の負圧発生領域にはキャビテーションが発生する。 
　図６は、ディンプルのキャビテーション形成領域の底面に方向性を備えた溝が設けられた場合の一例を示す要部の平面図である。 
　固定環５の摺動面Ｓには四辺形のディンプル１０が周方向に複数設けられ、ディンプル１０は、高圧流体側及び低圧流体側とは連通しておらず、また、各ディンプル１０は相互に独立して設けられている。 
　固定環５に対して相手側摺動面（回転環３の摺動面）が反時計方向に回転移動すると、ディンプル１０の上流側にはキャビテーションが発生し、符号１４で示すキャビテーション領域が形成される（以下、「キャビテーション形成領域１４」という。）。そして、ディンプル１０内のキャビテーション形成領域１４には方向性を備えた溝１５が設けられている。該方向性を備えた溝１５の設けられる範囲は、キャビテーション形成領域１４の全部でも一部でもよい。また、方向性を備えた溝１５はディンプル１０の底部に形成されるものであり、その幅及び深さは、特に限定されないが、先の課題を解決するための手段の（原理）の欄において説明したように、方向性を備えた溝１５のエッジ部分が幾何学的な障壁として気液界面に作用し、筋状の流体の流れが方向性を備えた溝１５上を通過する移動を妨げられるものであればよい。 
　また、溝１５の方向性は、流体をどのように制御するかにより決められるものであり、図６においては、ディンプル１０内の流体を高圧流体側に押し戻し、低圧流体側に漏洩させないようにするため、内径側から外径側に向かって反時計方向に傾斜している。先に説明したように、キャビテーション内部は液体と比較し粘性の十分に小さい気体で満たされ、流動性がよく、キャビテーション内部の圧力は一定となり、摺動面Ｓの内・外周の差圧に関係することなく、筋状の流れが制御されるものであるので、溝１５が図６に示すような方向性を持った場合、キャビテーション形成領域１４に設けられた溝１５により、ディンプル１０内の筋状の流体の流れは上流側の最初の溝１５のエッジ部分に沿って一定程度移動し、次に、２番目の溝１５のエッジ部分に沿って一定程度移動することを順次繰り返し、二重線で示すように、高圧流体側に押し戻されるように制御される。 
　なお、方向性を備えた溝１５のピッチｐは設計的に最適な値に設定されればよく、特に限定されない。 
　方向性を備えた溝１５は、図６（ａ）に示されるものでは、ディンプル１０は、低圧流体側から高圧流体側の径方向の全域に設けられているのに対し、図６（ｂ）に示されるものでは、低圧流体側にのみ設けられている。図６（ａ）では、方向性を備えた溝１５による筋状の流体の流れの制御はディンプル１０の低圧流体側から高圧流体側の径方向の全域で行われるが、図６（ｂ）では、方向性を備えた溝１５による筋状の流体の流れの制御はディンプル１０の低圧流体側で行われる。低圧流体側と高圧流体側との差圧が大きい場合には、図６（ａ）に示されるような方向性を備えた溝１５が低圧流体側から高圧流体側の径方向の全域に設けられるものが望ましいが、低圧流体側と高圧流体側との差圧が小さい場合には、図６（ｂ）に示されるような方向性を備えた溝１５が低圧流体側にのみ設けられるものでも漏洩を防止できる。 
　なお、方向性を備えた溝１５は、低圧流体側にのみ設けられる場合に限らず、高圧流体側にのみ、あるいは、径方向の中央にだけ設けられてもよく、要するに、差圧などの大きさに応じて、方向性を備えた溝１５を設ける部分を適宜選択すればよい。 
　図７は、本発明の実施例２に係り、ディンプルのキャビテーション形成領域以外の箇所に高圧流体側等に連通する連通溝が設けられた場合の一例を示す要部の平面図である。 
　なお、図７において、実施の形態１の符号と同じ符号は実施例１と同じ部材を示しており、重複する説明は省略する。 
　図７（ａ）において、ディンプル１０内の上流側においてはキャビテーション形成領域１４が、またそれ以外の箇所、すなわち、下流側においては動圧が発生し、正圧領域１６が形成されている。そして、正圧領域１６には高圧流体側に連通する連通溝１７が設けられている。連通溝１７の深さはディンプル１０の窪み深さと同じかそれ以上の深さである。また、連通溝１７の幅は正圧を開放するために十分なものである。 
　ディンプル１０の下流側の正圧領域１６に、高圧流体側に連通する連通溝１７が設けられると、ディンプル１０の下流側の正圧が開放されるため、上流側の圧力が低下し、上流側においてキャビテーションが発生され易くなる。そのため、キャビテーション形成領域１４がディンプル１０の下流側の近くまで形成されることになり、キャビテーション形成領域１４による筋状の流体の流れの方向をより一層制御することが可能になる。また、正圧領域１６に流れ込んだ流体を高圧流体側に戻すことができる。 
　図７（ｂ）では、正圧領域１６には高圧流体側に連通する逆Ｌ字状の連通溝１８が設けられている。この逆Ｌ字状の連通溝１８は、正圧領域１６の他、キャビテーション形成領域１４の下流側の一部分とも連通している。このため、ディンプル１０の下流側の正圧がより一層開放され、キャビテーション形成領域１４による筋状の流体の流れの方向をより一層制御することができる。また、キャビテーション形成領域１４の下流側の近くまで流れ込んだ流体及び正圧領域１６に流れ込んだ流体を高圧流体側に戻すことができる。 
　図７（ｃ）では、正圧領域１６には高圧流体側に連通する連通溝１７及び低圧流体側に連通する連通溝１９が設けられている。このため、ディンプル１０の下流側の正圧が低圧側の圧力近くまで開放されることになり、キャビテーション形成領域１４による筋状の流体の流れの方向をより一層制御することができる。 
　なお、正圧領域１６に流れ込んだ流体は低圧流体側に流され易いため、シール装置に本例を適用した場合、漏洩につながり好ましくないと考えられるが、軸受などの場合には多少の漏れは許容されるものであり、潤滑性能の向上にが見込まれるため、軸受を含む摺動部品全般においては適用可能である。 
　図８は、本発明の実施例３に係り、ディンプルのキャビテーション形成領域に設けられる方向性を備えた溝がディンプルの摺動方向の中心を境に当該摺動面の摺動方向に対して対称となるように形成された場合の一例を示す要部の平面図である。 
　なお、図８において、実施の形態１の符号と同じ符号は実施例１と同じ部材を示しており、重複する説明は省略する。 
　実施例１及び２に示した摺動部品では、回転方向が一方向の場合にしか適用できないが、実施例３では、回転方向が両方向の場合にも適用可能とするものである。 
　図８において、ディンプル１０内のキャビテーション形成領域に設けられる方向性を備えた溝１５、１５’は、その方向がディンプル１０の摺動方向の中心を通る半径線Ｏ－Ｏを境に当該摺動面の摺動方向に対して対称となるように形成されている。図６及び図７では、キャビテーション形成領域１４はディンプル１０の上流側から半分以上に亘って形成されるように設定されているが、図８では、キャビテーション形成領域１４はディンプル１０の上流側の半分程度しか形成されないように設定され、相手摺動面の回転方向が時計方向に逆転した場合でも、キャビテーション形成領域１４はディンプル１０の上流側の半分程度に形成されるように設定されている。例えば、ディンプル１０の周方向の長さを大きくするとか、ディンプル１０の深さを浅くして負圧発生領域を周方向に短く形成するように設定するのも１つの手法である。また、キャビテーション形成領域１４が半径線Ｏ－Ｏより下流側に延長して形成されたとしても、上流側において外径方向に制御された筋状の流体の流れは下流側の反対の方向性を持った溝１５’の上を通ることがないため、筋状の流体の流れの制御に影響はなく、所望の制御ができる。 
　図８の場合、ディンプル１０の上流側の約半分ではキャビテーション形成領域１４が形成され、下流側の約半分では正圧領域１６が形成されることになり、キャビテーション形成領域１４における方向性を備えた溝１５は流体の筋状の流れを高圧流体側に向かうように作用するが、正圧領域１６における方向性を備えた溝１５’は流体の筋状の流れを低圧流体側に向かう方向に作用するため、漏洩につながりやすいことが考えられる。しかし、本例の場合、キャビテーション形成領域１４において流体は高圧流体側に向かうように制御され、正圧領域１６に流れ込む流体の量は少なく、圧力も大きくならないことから、万一、一部の流体が低圧流体側に向かうとしても低圧流体側に至る過程で摺動面Ｓでシールされるので、漏洩の恐れはない。 
　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いずれか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、例えば、前記実施例では、外周側に高圧の被密封流体が存在する場合について説明したが、内周側が高圧流体の場合にも適用でき、その場合、方向性を備えた溝の方向を逆に配設すればよい。 
　また、例えば、前記実施例では、ディンプルの形状が四辺形の場合について主として説明したが、ディンプルの形状は四辺形に限らず、円形、楕円形、多角形でもよい。 
　 １　　　回転軸 
　 ２　　　スリーブ 
　 ３　　　回転環 
　 ４　　　ハウジング 
　 ５　　　固定環 
　 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 
　１２　 　レイリーステップ 
　１３　 　逆レイリーステップ 
　１４　 　キャビテーション形成領域 
　１５　 　方向性を備えた溝 
　１６　　 正圧領域 
　１７　　 連通溝 
　１８　　 連通溝 
　１９　　 連通溝 

Claims (4)

  1. 　一対の摺動部品の互いに相対摺動する一方側の摺動面にディンプルが設けられ、前記ディンプル内のキャビテーション形成領域には方向性を備えた溝が設けられていることを特徴とする摺動部品。 
  2. 　前記キャビテーション形成領域の少なくとも低圧流体側には前記方向性を備えた溝が設けられていることを特徴とする請求項１記載の摺動部品。 
  3. 　前記ディンプル内のキャビテーション形成領域以外の箇所には少なくとも高圧流体側に連通する連通溝が設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の摺動部品。 
  4. 　前記ディンプル内のキャビテーション形成領域に設けられる前記方向性を備えた溝は、その方向が前記ディンプルの摺動方向の中心を境に当該摺動面の摺動方向に対して対称となるように形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の摺動部品。 
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