WO2019151396A1 - 摺動部品 - Google Patents

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recess
sliding
dynamic pressure
stepped
seal ring
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忠継 井村
広行 橋本
雄一郎 徳永
井上　秀行
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イーグル工業株式会社
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    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/34—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member
    • F16J15/3404—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member and characterised by parts or details relating to lubrication, cooling or venting of the seal
    • F16J15/3408—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member and characterised by parts or details relating to lubrication, cooling or venting of the seal at least one ring having an uneven slipping surface
    • F16J15/3412—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member and characterised by parts or details relating to lubrication, cooling or venting of the seal at least one ring having an uneven slipping surface with cavities
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16J15/3408—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member and characterised by parts or details relating to lubrication, cooling or venting of the seal at least one ring having an uneven slipping surface
    • F16J15/3424—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member and characterised by parts or details relating to lubrication, cooling or venting of the seal at least one ring having an uneven slipping surface with microcavities
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/40—Sealings between relatively-moving surfaces by means of fluid

Definitions

  • the present invention relates to a sliding component that rotates relative to the sliding component, for example, a sliding component used for a mechanical seal in an automobile, a general industrial machine, or other sealing fields.
  • the sealing performance is maintained for a long period of time in a two-component device that is configured to rotate relative to each other and slide on end surfaces on a plane, for example, a mechanical seal.
  • a two-component device that is configured to rotate relative to each other and slide on end surfaces on a plane, for example, a mechanical seal.
  • the conflicting conditions of “sealing” and “lubrication” must be compatible.
  • a technique for reducing the friction can be achieved by generating a dynamic pressure between the sliding surfaces by rotation and sliding in a state where a liquid film is interposed.
  • the present invention has been made to solve the problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a sliding component with low leakage of high-pressure sealed fluid and low torque.
  • the sliding component of the present invention is: An annular mating ring and an annular seal ring are opposed to each other and each sliding surface is rotated relative to each other so that the sealed surface exists on one side in the radial direction of the sliding surface that slides relative to each other.
  • sliding parts that seal fluid On the sliding surface of at least one of the mating ring and the seal ring, a plurality of stepped recesses are formed in the circumferential direction that generate dynamic pressure by relative rotational sliding of the mating ring and the seal ring.
  • the step-shaped recess is characterized in that the dynamic pressure recess surrounds the hydrostatic recess having a depth deeper than the dynamic pressure recess and is formed in a stepped cross section by the dynamic pressure recess and the static pressure recess. .
  • the stepped recess having a stepped cross section is changed from a hydrostatic recess having a deeper depth than the dynamic pressure recess to a dynamic pressure recess surrounding the hydrostatic recess. Since the sealed fluid can be supplied, dynamic pressure can be reliably generated without poor lubrication.
  • the dynamic pressure concave portion mainly serves to adjust the contact surface pressure between the sliding surfaces by generating dynamic pressure between the sliding surfaces
  • the static pressure concave portion mainly serves as a cover to be held therein. It fulfills the function of supplying the sealing fluid to the dynamic pressure recess on the outer diameter side. In this way, by generating dynamic pressure to such an extent that the seal ring and mating ring do not float relative to each other, the contact surface pressure can be suppressed while both sliding surfaces are in contact with each other. It is possible to obtain a sliding component with low leakage of high-pressure sealed fluid and low torque.
  • the dynamic pressure recess and the static pressure recess are circular in a front view. According to this, the pressure generated in the dynamic pressure recess can be raised smoothly.
  • the dynamic pressure recess is provided concentrically with the static pressure recess. This facilitates processing of the dynamic pressure recess and the static pressure recess on the sliding surface. It can also be used for relative rotation in both directions of the seal ring and mating ring.
  • the dynamic pressure recess is provided eccentric to the static pressure recess in the rotational direction. According to this, a wide positive pressure region is generated on the rotational direction side of the dynamic pressure recess with respect to the relative rotation in one direction of the seal ring and the mating ring, and a narrow negative pressure region is generated on the opposite rotational direction side. Therefore, the dynamic pressure generation efficiency can be increased.
  • the circumferential length of the hydrostatic recess is longer than the circumferential length of the dynamic pressure recess. According to this, since the generation area of the static pressure increases compared to the dynamic pressure, the fluid holding function by the static pressure recess can be enhanced.
  • the said dynamic pressure recessed part is formed in the cross-sectional multiple step shape from which depth differs. According to this, since the positive pressure generated in the dynamic pressure recess can have a steep peak, the dynamic pressure generation efficiency can be increased.
  • the stepped recess is arranged only on the sealed fluid side of the sliding surface of the mating ring or the seal ring. According to this, poor lubrication on the sealed fluid side can be prevented during relative rotation of the seal ring and the mating ring.
  • a stepless recess different from the stepped recess is disposed on at least one of the sliding surfaces of the mating ring and the seal ring.
  • the stepped recess formed on the sealed fluid side surely generates dynamic pressure without poor lubrication, and the stepless recess is covered inside at a place where the stepped recess is not formed. By holding the sealing fluid, poor lubrication is difficult.
  • the dynamic pressure recess has a depth dimension smaller than the opening maximum diameter dimension in a front view, and the static pressure recess has a depth dimension of 10 ⁇ m or more. According to this, the function of supplying the sealed fluid to the hydrodynamic recess on the outer diameter side of the static pressure recess is enhanced, and the function of holding the sealed fluid inside is enhanced.
  • the sealed fluid is a high-pressure liquid of 0.1 MPa or more. According to this, even if the fluid to be sealed is at a high pressure, there is little surface roughness of the sliding surface and there is little leakage.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a modified example B of a dynamic pressure recess in the stepped recess of Example 1.
  • A)-(d) is a top view which shows the modification C of the step-shaped recessed part of Example 1.
  • FIG. 1 It is a step-shaped recessed part which concerns on Example 2 of this invention, (a) is an enlarged plan view which shows the dynamic pressure recessed part and the static pressure recessed part which comprise the step-shaped recessed part in the sliding surface of a mating ring, (b) is FIG. It is sectional drawing at the time of the non-rotation which cut the seal ring and mating ring which concern on Example 3 of this invention by radial direction. It is sectional drawing at the time of the non-rotation which cut the seal ring and mating ring which concern on Example 4 of this invention by radial direction.
  • the sliding component according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.
  • a mechanical seal which is an example of a sliding part will be described as an example.
  • the outer peripheral side of the sliding component constituting the mechanical seal is described as the sealed fluid side, and the inner peripheral side is described as the atmosphere side.
  • the mechanical seal for a general industrial machine shown in FIG. 1 is an inside type that seals a sealed fluid that is about to leak from the outer peripheral side to the inner peripheral side of the sliding surface.
  • An annular mating ring 20 (sliding part) provided so as to be rotatable integrally with the rotary shaft 1 via the sleeve 2 and a seal cover 5 fixed to the housing 4 of the mounted device are not rotated.
  • An annular seal ring 10 (sliding part) provided in a state that is movable in the axial direction is mainly configured, and the seal ring 10 is urged in the axial direction by the bellows 7 so that lapping or the like is performed.
  • the sliding surface 11 of the seal ring 10 that has been mirror-finished and the sliding surface 21 of the mating ring 20 slide closely against each other.
  • the sealed fluid in this embodiment is a high-pressure liquid of 0.1 MPa or more.
  • the seal ring 10 and the mating ring 20 are typically formed of SiC (hard material) or a combination of SiC (hard material) and carbon (soft material), but the sliding material is mechanical. Any material can be used as long as it is used as a sliding material for sealing.
  • SiC the material which consists of two or more types of phases from which a component and a composition differ, including the sintered compact which used boron, aluminum, carbon, etc. as a sintering auxiliary agent, for example, SiC, SiC with which the graphite particle was disperse
  • the carbon resin-molded carbon, sintered carbon, etc. can be used as well as carbon mixed with carbonaceous and graphite.
  • a metal material, a resin material, a surface modifying material (coating material), a composite material, and the like are also applicable.
  • the seal ring 10 has an annular sliding surface 11 at one end in the axial direction when viewed from the axial direction.
  • the sliding surface 11 is formed as a flat surface.
  • the mating ring 20 has an annular sliding surface 21 that faces the sliding surface 11 of the seal ring 10 in the axial direction.
  • the sliding surface 21 is a flat surface, and a plurality of stepped recesses 24 and dimples 25 (stepless recesses) are formed in the circumferential direction.
  • the stepped recess 24 arranged on the outer diameter side (sealed fluid side) of the sliding surface 21 includes a dimple 22 (static pressure recess) and a counterbore 23 (dynamic pressure recess) formed around the dimple 22. It is composed of
  • the sliding surface 21 can be said to be a land portion with respect to the stepped recess 24 and the dimple 25, and the counterbore 23 is surrounded by the sliding surface 21 without any interruption.
  • the radial length w21 of the sliding surface 21 of the mating ring 20 is longer than the radial length w11 of the sliding surface 11 of the seal ring 10 (w11 ⁇ w21) (FIG. 5). reference).
  • the dimple 22 of the stepped recess 24 is circular (see FIGS. 3 and 4A) in a front view as viewed from the axial direction, and has a cylindrical shape with a substantially rectangular cross section in the radial direction (see FIGS. 4B and 5).
  • the six dimples 25 are arranged in a zigzag manner on the entire sliding surface 21 together with the dimples 25 in the radial direction. Note that the entire surface of the sliding surface 21 indicates a region that substantially slides with the sliding surface 11.
  • the dimples 22 and the dimples 25 of the stepped recess 24 of this embodiment are formed by laser processing, but the present invention is not limited to this, and may be formed by other methods.
  • the depth dimension h22 of the dimple 22 of the stepped recess 24 is larger than the maximum opening diameter dimension r22 of the dimple 22 in front view (r22 ⁇ h22) (see FIG. 4).
  • the dimple 22 has a function of supplying a sealed fluid to a counterbore 23 formed around the dimple 22 and a function of holding the sealed fluid inside.
  • the depth dimension h22 of the dimple 22 may be smaller than or substantially the same as the maximum opening diameter r22 of the dimple 22 in front view.
  • the depth dimension h22 in the axial direction of the dimple 22 is preferably 10 ⁇ m or more at which the wedge action does not sufficiently work.
  • the counterbore 23 is defined by a bottom surface 23A formed as a plane parallel to the sliding surface 21 on the outer diameter side of the dimple 22 and an inner peripheral wall 23B formed as a wall surface orthogonal to the bottom surface 23A. It is formed as a concentric shallow groove that surrounds the periphery of the dimple 22 in a circular shape (see FIGS. 3 and 4A) as viewed from the front. Thereby, the counterbore 23 and the dimple 22 on the sliding surface 21 can be easily processed, and the seal ring 10 and the mating ring 20 can be used for relative rotation in both directions.
  • the counterbore 23 and the dimple 22 are formed in a circular shape when viewed from the front, so that the pressure generated in the counterbore 23 can be raised smoothly. Furthermore, since the inner peripheral wall 23B of the spot facing 23 is formed so as to be orthogonal to the sliding surface 21 in an edge shape, a large positive pressure can be generated.
  • the counterbore 23 of the stepped recess 24 of this embodiment is formed by laser processing, but is not limited thereto, and may be formed by other methods.
  • the depth dimension h23 of the spot facing 23 is formed smaller than the maximum opening dimension r23 of the spot facing 23 when viewed from the front (h23 ⁇ r23) (see FIG. 4).
  • the counterbore 23 can generate a sufficient dynamic pressure between the sliding surfaces 11 and 21.
  • the depth of the counterbore 23 in the axial direction is formed to be less than 5 ⁇ m, preferably 1 ⁇ m or more, and in a region of 1/2 or less, preferably 1/4 or less of the radial direction on the outer diameter side of the sliding surface 21. It is formed only on the dimples 22 (stepped recesses 24) to be arranged (see FIG. 3).
  • the counterbore 23 is preferably not disposed on the inner diameter side of the sliding surface 11. Thereby, at the time of relative rotation of the seal ring 10 and the mating ring 20, it becomes difficult for the outer diameter side of the sliding surface 21 to come into direct contact with the opposing sliding surface 11, and poor lubrication on the outer diameter side where the rotation speed is fast is prevented. it can.
  • the maximum opening diameter r23 of the spot facing 23 is formed larger than the maximum opening diameter r22 of the dimple 22 (r22 ⁇ r23).
  • the depth dimension h22 of the dimple 22 is formed larger than the depth dimension h23 of the spot facing 23 (h23 ⁇ h22).
  • the stepped recess 24 is formed in a stepped cross section by the dimple 22 and the counterbore 23.
  • the circumferential length (L1) of the dimple 22 is longer than the circumferential length (2 ⁇ L2) of the spot facing 23 (bottom surface 23A) (2 ⁇ L2 ⁇ L1).
  • FIG. 6 when the seal ring 10 and the mating ring 20 are rotated relative to each other (the rotation direction is indicated by a white arrow from the upper side to the lower side in FIG. 6), the counterbore in the stepped recess 24 is formed.
  • the counter rotation direction side 23 of FIG. 6 (the lower side of the drawing in FIG. 6: the opposite rotation direction side with respect to the rotation direction of the seal ring 10 on the other side) is negative pressure, while the rotation direction side (the upper side of the drawing in FIG. A positive pressure is generated, and the positive pressure is increased by the wedge action of the inner peripheral wall 23B on the rotation direction side of the counterbore 23.
  • the positive pressure acts as a whole, and a large buoyancy is obtained.
  • the counterbore 23 is supplied with the sealed fluid from the dimple 22 having a depth deeper than that of the counterbore 23, and thus can generate dynamic pressure without causing poor lubrication.
  • the counterbore 23 mainly functions to generate a dynamic pressure between the sliding surfaces 11 and 21 to adjust the contact surface pressure between the sliding surfaces 11 and 21, and the dimple 22 mainly It fulfills the function of supplying the sealed fluid retained inside to the counterbore 23.
  • the stepless dimple 25 in which the counterbore 23 is not formed also has a function of holding the sealed fluid inside on the inner diameter side of the sliding surface 21, and thus is hardly lubricated on the sliding surfaces 11 and 21. Further, as shown in FIG.
  • the spot facing 23 of the stepped recess 24 formed on the outer diameter side of the sliding surface 21 is formed by overlapping the sliding surface 11 in the radial direction. 21 is not open to the outer diameter side (sealed fluid side), and the dynamic pressure generation efficiency by the counterbore 23 is enhanced.
  • the sliding surfaces 11 and 21 are microscopically wavy due to surface roughness, undulation, and deformation due to dynamic pressure.
  • the stepped recess 24 slides by generating dynamic pressure to the extent that the seal ring 10 and the mating ring 20 do not float relative to each other due to the counterbore 23 and the dimple 22 acting together.
  • the surfaces 11 and 21 are mixed lubrication in which fluid lubrication and boundary lubrication are mixed, and a part of the surfaces 11 and 21 are in contact with each other, the contact surface pressure is increased while the sliding surfaces 11 and 21 are in contact with each other. Therefore, it is possible to obtain a sliding component with low leakage of high-pressure sealed fluid and low torque. Furthermore, surface roughness of the sliding surfaces 11 and 21 can be suppressed by reducing the torque.
  • the conventional dimple generates a fluid film for fluid lubrication.
  • the inner peripheral wall 23B of the counterbore 23 may not be orthogonal to the bottom surface 23A, for example, may intersect in an inclined state.
  • the bottom surface 23A may not be parallel to the sliding surface 21, and may be, for example, an inclined surface.
  • the bottom surface 23A may not be a flat surface, and may be, for example, a curved surface.
  • the cross-sectional shape of the dimple 22 is a conical shape shown in FIG. 7A and a half-spheroid shape shown in FIG. 7B. May be formed.
  • the counterbore 23 may be formed as a two-stage counterbore having different depth dimensions. According to this, since the positive pressure generated in the counterbore can have a steep peak, the dynamic pressure generation efficiency can be increased.
  • the counterbore is not limited to a two-step cross section, and may be formed in a plurality of cross-sections having different depths.
  • FIGS. 9 (a) to 9 (d) the shape in plan view is different as shown in FIGS. 9 (a) to 9 (d).
  • the left-right direction is the direction along the circumferential direction of the sliding surface 21, and the up-down direction is the radial direction of the sliding surface 21.
  • the stepped recess 24a is formed in a front stadium shape as a whole by sandwiching two dimples 22a having a front view rectangle between two counterbore 23a having a semicircular shape in front view. .
  • the stepped recess 24b is formed in a square shape in front view by arranging a small dimple 22b in square shape in front view at the center of a counterbore 23b in square shape in front view.
  • the stepped recess 24c has mating surfaces 24x and 24y as a whole with two dimples 22c having a substantially rectangular shape in front view sandwiched between two counterbore 23c having a substantially rectangular shape in front view.
  • the ring 20 is formed in a front view band shape parallel to the outer peripheral surface 20 x of the ring 20.
  • the stepped recess 24d has two small dimples 22d and 22d with a front view in the radial direction in the center of a counterbore 23d with a front view. Is formed.
  • the stepped recesses 24 can be configured by combining the modifications A to C with each other.
  • Example 2 The sliding part in Example 2 will be described.
  • the dimple 122 (static pressure recess) of the stepped recess 124 is circular in a front view as viewed from the axial direction, and the radial cross section is substantially as shown in FIG. 10 (b). It is formed in a rectangular cylindrical shape.
  • the counterbore 123 (dynamic pressure recess) is defined by a bottom surface 123A formed as a plane parallel to the sliding surface 21 on the outer diameter side of the dimple 122 and an inner peripheral wall 123B formed as a wall surface orthogonal to the bottom surface 123A. In addition, it is formed as a shallow groove that is circular (see FIG. 10A) in a front view when viewed from the axial direction and is eccentric to the rotational direction side (left side of FIG. 10) of the stepped recess 124.
  • Example 3 The sliding part in Example 3 will be described. As shown in FIG. 11, the counterbore 23 of the stepped recess 24 formed on the outer diameter side of the sliding surface 21 is caused by the difference in the length of the sliding surfaces 11 and 21 in the radial direction (w11 ⁇ w21). The outer diameter side (sealed fluid side) is slightly opened between the sliding surfaces 11 and 21.
  • the stepped recess 24 contributes to the generation of dynamic pressure between the sliding surfaces 11 and 21 by introducing a static pressure by the sealed fluid from the open part on the outer diameter side of the counterbore 23. Can do.
  • Example 4 The sliding part in Example 4 will be described. As shown in FIG. 12, a stepped portion 26 that is recessed in the axial direction is formed on the outer diameter side of the mating ring 20, and the seat of the stepped recess 24 formed on the outer diameter side of the sliding surface 21.
  • the bore 23 slightly opens the outer diameter side (sealed fluid side) between the sliding surfaces 11 and 21.
  • a mechanical seal for a general industrial machine has been described as an example, but another mechanical seal for a water pump or the like may be used.
  • the mechanical seal may be an outside type.
  • the stepped recess and the stepless dimple are provided only on the mating ring, but the stepped recess and the stepless dimple may be provided only on the seal ring. And both on the mating ring.
  • the step-shaped recess is described as being disposed in the circumferential direction on the outer diameter side of the sliding surface, and the stepless dimple is disposed on the inner diameter side.
  • the stepped dimple may be disposed only on the outer diameter side of the sliding surface without the stepless dimple, or the stepless dimple may be slid without being disposed.
  • Stepped recesses may be arranged on the entire surface, and stepped recesses and stepless dimples are alternately arranged in the circumferential direction on the outer diameter side of the sliding surface. May be. If the number of stepped recesses is too large, the generated dynamic pressure increases. If the number of stepped recesses is too small, the change in the dynamic pressure acting over the circumferential direction of the sliding surface increases. It is preferably set.
  • the mechanical seal has been described as an example of the sliding component, a sliding component other than the mechanical seal such as a slide bearing may be used.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

高圧の被密封流体の漏れが少なくかつ低トルクの摺動部品を提供する。　円環状のメイティングリング２０と、円環状のシールリング１０とが対向して各摺動面１１，２１を相対回転させることにより、当該相対回転摺動する摺動面１１，２１の径方向の一方側に存在する被密封流体を密封する摺動部品１０，２０において、メイティングリング２０およびシールリング１０の少なくともいずれかの摺動面１１，２１には、メイティングリング２０とシールリング１０との相対回転摺動により動圧を生起する段状凹部２４が円周方向に複数形成され、段状凹部２４は、動圧凹部２３が該動圧凹部２３よりも深さの深い静圧凹部２２を取り囲んで該動圧凹部２３と該静圧凹部２２とにより断面段状に形成されている。

Description

摺動部品
　本発明は、相対回転する摺動部品に関し、例えば自動車、一般産業機械またはその他のシール分野のメカニカルシールに用いられる摺動部品に関する。
　被密封流体の漏れを防止する密封装置として、相対回転し、かつ平面上の端面同士が摺動するように構成された２部品からなるもの、例えば、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、環境対策等のために、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ことにより達成できる。
　従来、回転により摺動面間に動圧を発生させるようにしたメカニカルシールとして、例えば特許文献１に記載された摺動部品を使用したものが知られている。一方の摺動部品の摺動面には、平坦な摺動面に深さの異なる２種類のディンプルが多数形成され、個々のディンプルは、レイリーステップを構成している。摺動部品が相対回転すると、ディンプルの反回転方向側は負圧となる一方、同回転方向側では正圧が生じ、ディンプルの回転方向下流側の端面壁によるくさび作用によって正圧が大きくなり、全体として正圧が作用し、大きな浮力が得られる。また、深さの異なる２種類のディンプルを形成することにより、密封条件によらず安定した摺動性を発揮できるようになっている。
　このようなメカニカルシールでは、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。この流体の流出は、シールの場合の被密封流体の漏れに該当する。
特開平１１－２８７３２９号公報（第３頁、第２図）
　ところで、高圧の被密封流体を対象とする摺動部品においても更なる「密封」と「潤滑」の向上が求められている。ディンプルの形状・深さを変更することにより、高圧の被密封流体を密封することができる。深さが深すぎると浮力が不十分となって潤滑性の悪化、一方、深さが浅すぎると貧潤滑となって潤滑性の悪化が確認され、漏れが多いまたは高トルクの摺動部品となってしまうという問題があった。これらの問題は、被密封流体の圧力が高圧となるほど顕著であった。また、高圧の被密封流体を対象とするほど、十分な浮力を得るためにディンプルの深さを浅くする傾向にあり、ディンプルの体積が小さくなるので内部に被密封流体を保持する機能が低下することが考えられる。
　本発明は、従来技術の問題を解決するためになされたもので、高圧の被密封流体の漏れが少なくかつ低トルクの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、
　円環状のメイティングリングと、円環状のシールリングとが対向して各摺動面を相対回転させることにより、当該相対回転摺動する前記摺動面の径方向の一方側に存在する被密封流体を密封する摺動部品において、
　前記メイティングリングおよび前記シールリングの少なくともいずれかの摺動面には、前記メイティングリングと前記シールリングとの相対回転摺動により動圧を生起する段状凹部が円周方向に複数形成され、
　前記段状凹部は、動圧凹部が該動圧凹部よりも深さの深い静圧凹部を取り囲んで該動圧凹部と該静圧凹部とにより断面段状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、シールリングとメイティングリングとの相対回転時に、断面段状の段状凹部は、動圧凹部よりも深さの深い静圧凹部から該静圧凹部を取り囲む動圧凹部に被密封流体が供給され得るようになっているため、貧潤滑となることなく確実に動圧を生じさせることができる。このとき、動圧凹部は、主に摺動面間に動圧を発生させて摺動面間の接触面圧を調整する機能を果たすとともに、静圧凹部は、主にその内部に保持する被密封流体を外径側の動圧凹部に供給する機能を果たしている。このようにして、シールリングとメイティングリングとが互いに完全に相対的に浮上しない程度に動圧を発生させることにより、両摺動面が互いに接触状態にありながら接触面圧が抑えられるため、高圧の被密封流体の漏れが少なくかつ低トルクの摺動部品を得ることができる。
　好適には、前記動圧凹部および前記静圧凹部は、正面視円形である。
　これによれば、動圧凹部において発生する圧力を滑らかに立ち上がらせることができる。
　好適には、前記動圧凹部は、前記静圧凹部と同心状に設けられている。
　これによれば、摺動面における動圧凹部および静圧凹部の加工が容易になる。また、シールリングとメイティングリングとの両方向の相対回転に使用できる。
　好適には、前記動圧凹部は、前記静圧凹部に対して回転方向に偏心して設けられている。
　これによれば、シールリングとメイティングリングとの一方向の相対回転に対して動圧凹部の回転方向側で広い正圧領域を生成するとともに、同反回転方向側で狭い負圧領域を生成することができるため、動圧発生効率を高めることができる。
　好適には、前記静圧凹部の周方向の長さは、前記動圧凹部の周方向の長さよりも長い。
　これによれば、動圧に比べて静圧の発生領域が多くなるため、静圧凹部による流体保持機能を高めることができる。
　好適には、前記動圧凹部は、深さの異なる断面複数段状に形成されている。
　これによれば、動圧凹部において発生する正圧に急峻なピークを持たせることができるため、動圧発生効率を高めることができる。
　好適には、前記段状凹部は、前記メイティングリングまたは前記シールリングの摺動面の前記被密封流体側のみに配置されている。
　これによれば、シールリングとメイティングリングとの相対回転時に、被密封流体側における貧潤滑を防止できる。
　好適には、前記段状凹部とは異なる無段状凹部が、前記メイティングリングおよび前記シールリングの少なくともいずれかの摺動面に配置されている。
　これによれば、被密封流体側に形成される段状凹部は、貧潤滑となることなく確実に動圧を生じさせるとともに、無段状凹部は、段状凹部が形成されない箇所において内部に被密封流体を保持することにより、貧潤滑になり難くなっている。
　好適には、前記動圧凹部は、その深さ寸法がその正面視における開口最大径寸法よりも小さく、かつ前記静圧凹部は、その深さ寸法が１０μｍ以上である。
　これによれば、静圧凹部は、外径側の動圧凹部に被密封流体を供給する機能が高められるとともに、内部に被密封流体を保持する機能が高められる。
　好適には、前記被密封流体は、０．１ＭＰａ以上の高圧液体である。
　これによれば、被密封流体が高圧でも摺動面の面荒れが少なくかつ漏れが少ない。
本発明の実施例１に係る一般産業機械用のメカニカルシールの一例を示す断面図である。 本発明の実施例１に係るシールリングの摺動面を示す平面図である。 図２のシールリングに対向配置される段状凹部および無段状凹部が形成されたメイティングリングの摺動面を示す平面図である。 （ａ）は、メイティングリングの摺動面における段状凹部を構成する動圧凹部および静圧凹部を示す拡大平面図、（ｂ）は、同じく拡大断面図である。 図２および図３のシールリングおよびメイティングリングを径方向で切った非回転時の断面図である。 図２および図３のシールリングおよびメイティングリングによる動圧発生を説明するための周方向で切った回転時の断面模式図である。 （ａ）および（ｂ）は、実施例１の段状凹部における静圧凹部の変形例Ａを示す断面図である。 実施例１の段状凹部における動圧凹部の変形例Ｂを示す断面図である。 （ａ）～（ｄ）は、実施例１の段状凹部の変形例Ｃを示す平面図である。 本発明の実施例２に係る段状凹部であり、（ａ）は、メイティングリングの摺動面における段状凹部を構成する動圧凹部および静圧凹部を示す拡大平面図、（ｂ）は、同じく拡大断面図である。 本発明の実施例３に係るシールリングおよびメイティングリングを径方向で切った非回転時の断面図である。 本発明の実施例４に係るシールリングおよびメイティングリングを径方向で切った非回転時の断面図である。
　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９を参照して説明する。尚、本実施例においては、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。また、メカニカルシールを構成する摺動部品の外周側を被密封流体側、内周側を大気側として説明する。
　図１に示される一般産業機械用のメカニカルシールは、摺動面の外周側から内周側に向かって漏れようとする被密封流体を密封するインサイド形のものであって、回転軸１側にスリーブ２を介して回転軸１と一体的に回転可能な状態で設けられた円環状のメイティングリング２０（摺動部品）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円環状のシールリング１０（摺動部品）と、から主に構成され、ベローズ７によってシールリング１０が軸方向に付勢されることにより、ラッピング等により鏡面仕上げされたシールリング１０の摺動面１１とメイティングリング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、本実施における被密封流体は、０．１ＭＰａ以上の高圧液体であるものとする。
　シールリング１０およびメイティングリング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、シールリング１０は、軸方向一端に軸方向から見た正面視において環状の摺動面１１を有している。摺動面１１は、平坦面として形成されている。
　図３に示されるように、メイティングリング２０は、シールリング１０の摺動面１１と軸方向に対向する環状の摺動面２１を有している。摺動面２１は、平坦面であって、円周方向に複数の段状凹部２４およびディンプル２５（無段状凹部）が形成されている。摺動面２１の外径側（被密封流体側）に配置される段状凹部２４は、ディンプル２２（静圧凹部）と、ディンプル２２の周囲に形成される座ぐり２３（動圧凹部）とから構成されている。尚、摺動面２１は、段状凹部２４およびディンプル２５に対してランド部とも言え、座ぐり２３は摺動面２１に全周が途切れることなく囲まれている。
　また、メイティングリング２０の摺動面２１の径方向の長さｗ２１は、シールリング１０の摺動面１１の径方向の長さｗ１１よりも長く（ｗ１１＜ｗ２１）形成されている（図５参照）。
　段状凹部２４のディンプル２２は、軸方向から見た正面視において円形（図３および図４（ａ）参照）、径方向断面略矩形（図４（ｂ）および図５参照）の円柱状に形成され、ディンプル２５とともに摺動面２１の全面に径方向に６個ずつ千鳥配置されている。尚、摺動面２１の全面とは、摺動面１１との実質的に摺動する領域のことを示している。さらに尚、本実施例の段状凹部２４のディンプル２２およびディンプル２５は、レーザ加工により形成されているが、これに限らず、他の方法で形成されてもよい。
　また、段状凹部２４のディンプル２２の深さ寸法ｈ２２は、正面視におけるディンプル２２の開口最大径寸法ｒ２２よりも大きく（ｒ２２＜ｈ２２）形成されている（図４参照）。これにより、ディンプル２２は、周囲に形成される座ぐり２３に被密封流体を供給する機能が高められるとともに、内部に被密封流体を保持する機能が高められる。尚、ディンプル２２の深さ寸法ｈ２２は、正面視におけるディンプル２２の開口最大径寸法ｒ２２よりも小さく、または略同一に形成されていてもよい。また、ディンプル２２の軸方向の深さ寸法ｈ２２は、くさび作用が十分に作用しない１０μｍ以上であることが好ましい。
　座ぐり２３は、ディンプル２２の外径側に摺動面２１と平行な平面として形成される底面２３Ａと、底面２３Ａに直交する壁面として形成される内周壁２３Ｂとにより画成され、軸方向から見た正面視において円形（図３および図４（ａ）参照）、かつディンプル２２の周囲を取り囲む同心状の浅溝として形成されている。これにより、摺動面２１における座ぐり２３およびディンプル２２の加工が容易になるとともに、シールリング１０とメイティングリング２０との両方向の相対回転に使用できる。また、段状凹部２４において、座ぐり２３とディンプル２２が正面視円形に形成されているため、座ぐり２３において発生する圧力を滑らかに立ち上がらせることができる。さらに、座ぐり２３の内周壁２３Ｂは、摺動面２１に対してエッジ状に直交するように形成されているため、大きな正圧を発生させることができる。尚、本実施例の段状凹部２４の座ぐり２３は、レーザ加工により形成されているが、これに限らず、他の方法で形成されてもよい。
　また、座ぐり２３の深さ寸法ｈ２３は、正面視における座ぐり２３の開口最大径寸法ｒ２３よりも小さく（ｈ２３＜ｒ２３）形成されている（図４参照）。これにより、座ぐり２３は、摺動面１１，２１間に十分な動圧を発生させることができる。さらに、座ぐり２３の軸方向の深さは、５μｍ未満、好ましくは１μｍ以上に形成され、摺動面２１の外径側における径方向の１／２以下、好ましくは１／４以下の領域に配置されるディンプル２２（段状凹部２４）にのみ形成されている（図３参照）。これにより、座ぐり２３で発生する各動圧の全体の合計の力（浮力）が大きくなり過ぎることがない。尚、座ぐり２３は、摺動面１１の内径側に配置されないことが好ましい。これにより、シールリング１０とメイティングリング２０との相対回転時に、摺動面２１の外径側が対向する摺動面１１と直接接触し難くなり、回転速度の速い外径側における貧潤滑を防止できる。
　図４（ａ）に示されるように、段状凹部２４において、座ぐり２３の開口最大径寸法ｒ２３は、ディンプル２２の開口最大径寸法ｒ２２よりも大きく（ｒ２２＜ｒ２３）形成されている。また、図４（ｂ）に示されるように、ディンプル２２の深さ寸法ｈ２２は、座ぐり２３の深さ寸法ｈ２３よりも大きく（ｈ２３＜ｈ２２）形成されている。このように、段状凹部２４は、ディンプル２２と座ぐり２３とにより断面段状に形成されている。さらに、ディンプル２２の周方向の長さ（Ｌ１）は、座ぐり２３（底面２３Ａ）の周方向の長さ（２×Ｌ２）よりも長く形成されている（２×Ｌ２＜Ｌ１）。これにより、段状凹部２４において、動圧に比べて静圧の発生領域が多くなるため、ディンプル２２による流体保持機能を高めることができる。
　次いで、摺動面１１，２１間における動圧発生について説明する。図６に示されるように、シールリング１０とメイティングリング２０とが相対回転（回転方向は、図６において紙面上側から紙面下側に向かう白矢印で図示）すると、段状凹部２４における座ぐり２３の反回転方向側（図６の紙面下側：相手側のシールリング１０の回転方向を基準として反対の回転方向側）は負圧となる一方、同回転方向側（図６の紙面上側）は正圧が生じ、座ぐり２３の回転方向側の内周壁２３Ｂによるくさび作用によって正圧が大きくなり、全体として正圧が作用し、大きな浮力が得られる。また、座ぐり２３は、座ぐり２３よりも深さの深いディンプル２２から被密封流体が供給されるため、貧潤滑となることなく確実に動圧を発生させることができる。このとき、座ぐり２３は、主に摺動面１１，２１間に動圧を発生させて摺動面１１，２１間の接触面圧を調整する機能を果たすとともに、ディンプル２２は、主にその内部に保持する被密封流体を座ぐり２３に供給する機能を果たしている。また、座ぐり２３が形成されない無段状のディンプル２５も、摺動面２１の内径側において内部に被密封流体を保持する機能を果たしているため、摺動面１１，２１において貧潤滑となり難い。さらに、図５に示されるように、摺動面２１の外径側に形成される段状凹部２４の座ぐり２３は、摺動面１１が径方向に重畳することにより、摺動面１１，２１間において外径側（被密封流体側）に開放しておらず、座ぐり２３による動圧発生効率が高められている。尚、図６に模式的に示すように、摺動面１１，２１は微視的には表面の粗さ、うねり、動圧による変形によって波打つ形状となっている。
　このように、段状凹部２４は、座ぐり２３とディンプル２２の恊働によって、シールリング１０とメイティングリング２０とが互いに完全に相対的に浮上しない程度に動圧を発生させることにより、摺動面１１、２１同士は、流体潤滑と境界潤滑とが混合した混合潤滑となり、互いに一部が接触した状態となることで、両摺動面１１、２１が互いに接触状態にありながら接触面圧が抑えられるため、高圧の被密封流体の漏れが少なくかつ低トルクの摺動部品を得ることができる。さらに、低トルクとなることにより、摺動面１１、２１の面荒れを抑えることができる。尚、実施例１とは異なり、従来のディンプルは流体潤滑となる流体膜を発生させるものであった。
　尚、実施例１における段状凹部２４の座ぐり２３の変形例として、座ぐり２３の内周壁２３Ｂは、底面２３Ａに直交しなくてもよく、例えば傾斜した状態で交差してもよい。また、底面２３Ａは、摺動面２１に対して平行でなくともよく、例えば傾斜面であってもよい。さらに、底面２３Ａは、平面でなくてもよく、例えば湾曲面であってもよい。
　また、実施例１における段状凹部２４のディンプル２２の変形例Ａとして、ディンプル２２の断面形状は、図７（ａ）に示される円錐形、図７（ｂ）に示される半回転楕円体形状に形成されてもよい。
　また、実施例１における段状凹部２４の座ぐり２３の変形例Ｂとして、図８に示されるように、座ぐり２３は、深さ寸法の異なる二段階座ぐりとして形成されてもよい。これによれば、座ぐりにおいて発生する正圧に急峻なピークを持たせることができるため、動圧発生効率を高めることができる。尚、座ぐりは、断面二段状のものに限らず、深さの異なる断面複数段状に形成されていてもよい。
　さらに、実施例１の段状凹部２４の変形例Ｃとして、図９（ａ）～（ｄ）に示されるように平面視の形状が異なっている。尚、図９において、左右方向は摺動面２１の周方向に沿った方向であり、上下方向は摺動面２１の半径方向である。
　図９（ａ）に示されるように、段状凹部２４ａは、正面視半円形状の２つの座ぐり２３ａに正面視矩形のディンプル２２ａが挟まれて全体として正面視スタジアム形状に形成されている。
　図９（ｂ）に示されるように、段状凹部２４ｂは、正面視正方形の座ぐり２３ｂの中央に小さな正面視正方形のディンプル２２ｂが配置され全体として正面視正方形に形成されている。
　図９（ｃ）に示されるように、段状凹部２４ｃは、正面視略矩形の２つの座ぐり２３ｃに正面視略矩形のディンプル２２ｃが挟まれて全体として周方向面２４ｘ，２４ｙがメイティングリング２０の外周面２０ｘに平行な正面視帯状に形成されている。
　図９（ｄ）に示されるように、段状凹部２４ｄは、正面視円形の座ぐり２３ｄの中央に径方向に２つの小さな正面視円形のディンプル２２ｄ，２２ｄが配置され全体として正面視円形に形成されている。
　尚、変形例Ａ～Ｃを互いに組み合わせて段状凹部２４を構成できることはいうまでもない。
　次に、実施例２に係る摺動部品につき、図１０を参照して説明する。尚、前記実施例に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。
　実施例２における摺動部品について説明する。図１０（ａ）に示されるように、段状凹部１２４のディンプル１２２（静圧凹部）は、軸方向から見た正面視において円形、図１０（ｂ）に示されるように、径方向断面略矩形の円柱状に形成されている。
　座ぐり１２３（動圧凹部）は、ディンプル１２２の外径側に摺動面２１と平行な平面として形成される底面１２３Ａと、底面１２３Ａに直交する壁面として形成される内周壁１２３Ｂとにより画成され、軸方向から見た正面視において円形（図１０（ａ）参照）、かつ段状凹部１２４の回転方向側（図１０の紙面左側）に偏心した浅溝として形成されている。
　これによれば、シールリング１０とメイティングリング２０との一方向の相対回転（回転方向は、図１０（ａ）において紙面右側から紙面左側に向かう白矢印で図示）に対して座ぐり１２３の回転方向側（図１０の紙面右側）で広い正圧領域を生成するとともに、同反回転方向側（図１０の紙面左側）で狭い負圧領域を生成することができるため、動圧発生効率を高めることができる。
　次に、実施例３に係る摺動部品につき、図１１を参照して説明する。尚、前記実施例に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。
　実施例３における摺動部品について説明する。図１１に示されるように、摺動面２１の外径側に形成される段状凹部２４の座ぐり２３は、摺動面１１，２１の径方向の長さの違い（ｗ１１＜ｗ２１）により、摺動面１１，２１間において外径側（被密封流体側）を僅かに開放させている。
　これによれば、段状凹部２４は、座ぐり２３の外径側の開放部分から被密封流体による静圧を導入することにより、摺動面１１，２１間における動圧の発生に寄与することができる。
　次に、実施例４に係る摺動部品につき、図１２を参照して説明する。尚、前記実施例に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。
　実施例４における摺動部品について説明する。図１２に示されるように、メイティングリング２０の外径側には軸方に窪む段部２６が形成されており、摺動面２１の外径側に形成される段状凹部２４の座ぐり２３は、摺動面１１，２１間において外径側（被密封流体側）を僅かに開放させている。
　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。
　また、前記実施例では、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したが、本発明はこれに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。
　例えば、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、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、メカニカルシールは、アウトサイド形のものであってもよい。
　また、前記実施例では、段状凹部と無段状のディンプルをメイティングリングにのみ設ける例について説明したが、段状凹部と無段状のディンプルをシールリングにのみ設けてもよく、シールリングとメイティングリングの両方に設けてもよい。
　また、前記実施例では、段状凹部は、摺動面の外径側に周方向に亘って配置され、内径側に無段状のディンプルが配置されるものとして説明したが、これに限らず、例えば、無段状ディンプルが配置されることなく摺動面の外径側に段状凹部のみ配置されるものであってもよいし、また、無段状ディンプルが配置されることなく摺動面の全面に段状凹部を配置されるものであってもよいし、さらに、摺動面の外径側には、段状凹部と無段状のディンプルとが周方向に交互に配置されていてもよい。尚、段状凹部の数は、多すぎると発生する動圧が大きくなり、少なすぎると摺動面の周方向に亘って作用する動圧の変化が大きくなるため、使用環境等に応じて適宜設定されることが好ましい。
　また、摺動部品として、メカニカルシールを例について説明したが、すべり軸受等メカニカルシール以外の摺動部品であってもよい。
１　　　　　　　　回転軸
２　　　　　　　　スリーブ
４　　　　　　　　ハウジング
５　　　　　　　　シールカバー
７　　　　　　　　ベローズ
１０　　　　　　　シールリング（摺動部品）
１１　　　　　　　摺動面
２０　　　　　　　メイティングリング（摺動部品）
２１　　　　　　　摺動面
２２　　　　　　　ディンプル（静圧凹部）
２３　　　　　　　座ぐり（動圧凹部）
２３Ａ　　　　　　底面
２３Ｂ　　　　　　内周壁
２４　　　　　　　段状凹部
２５　　　　　　　ディンプル（無段状凹部）
１２２　　　　　　ディンプル（静圧凹部）
１２３　　　　　　座ぐり（動圧凹部）
１２３Ａ　　　　　底面
１２３Ｂ　　　　　内周壁
１２４　　　　　　段状凹部

Claims (10)

  1. 　円環状のメイティングリングと、円環状のシールリングとが対向して各摺動面を相対回転させることにより、当該相対回転摺動する前記摺動面の径方向の一方側に存在する被密封流体を密封する摺動部品において、
    　前記メイティングリングおよび前記シールリングの少なくともいずれかの摺動面には、前記メイティングリングと前記シールリングとの相対回転摺動により動圧を生起する段状凹部が円周方向に複数形成され、
    　前記段状凹部は、動圧凹部が該動圧凹部よりも深さの深い静圧凹部を取り囲んで該動圧凹部と該静圧凹部とにより断面段状に形成されていることを特徴とする摺動部品。
  2. 　前記動圧凹部および前記静圧凹部は、正面視円形である請求項１に記載の摺動部品。
  3. 　前記動圧凹部は、前記静圧凹部と同心状に設けられている請求項１または２に記載の摺動部品。
  4. 　前記動圧凹部は、前記静圧凹部に対して回転方向に偏心して設けられている請求項１または２に記載の摺動部品。
  5. 　前記静圧凹部の周方向の長さは、前記動圧凹部の周方向の長さよりも長い請求項１ないし４のいずれかに記載の摺動部品。
  6. 　前記動圧凹部は、深さの異なる断面複数段状に形成されている請求項１ないし５のいずれかに記載の摺動部品。
  7. 　前記段状凹部は、前記メイティングリングまたは前記シールリングの摺動面の前記被密封流体側のみに配置されている請求項１ないし６のいずれかに記載の摺動部品。
  8. 　前記段状凹部とは異なる無段状凹部が、前記メイティングリングおよび前記シールリングの少なくともいずれかの摺動面に配置されている請求項７に記載の摺動部品。
  9. 　前記動圧凹部は、その深さ寸法がその正面視における開口最大径寸法よりも小さく、かつ前記静圧凹部は、その深さ寸法が１０μｍ以上である請求項１ないし８のいずれかに記載の摺動部品。
  10. 　前記被密封流体は、０．１ＭＰａ以上の高圧液体である請求項１ないし９のいずれかに記載の摺動部品。
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