JP5583440B2 - メカニカルシールの摺動材及びメカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、メカニカルシールの摺動材及びこの摺動材を用いたメカニカルシールに関し、特に摺動面に動圧生成溝を設けたものに関する。

従来から、メカニカルシールの静止側摺動材又は回転側摺動材として使用される摺動材の摺動面に、相手摺動材との相対回転によって摺動面間に動圧を生成する動圧生成溝を設けたものが知られている。たとえば、特許文献１には、動圧生成溝を微小な凹凸部が所定ピッチで繰り返される多数の周期構造の溝とした構成が提案されている。

このような動圧生成溝によって、被封止流体側から被封止流体を汲み入れ、溝終端の壁に当てることにより正圧を生じさせ、摺動面間に流体潤滑膜を保持して摺動面の摩擦を低減するようになっている。

ＷＯ２００９／０８７９９５号公報

しかし、従来の動圧生成溝を設けた摺動材では、動圧生成溝によって発生する流体圧によって摩耗が低減されるものの、発生する圧力によって隙間が広がるので、被封止流体が反被封止流体側への漏洩量が多くなってしまう。特許文献１のような微細構造とした場合、漏洩量が少なくなるものの、近年では、使用条件がより厳しくなっており、漏洩量をより低減することが要請されている。

本発明は上記した従来の要請に応えるべくなされたもので、その目的とするところは、被封止流体の漏洩量をより少なくし、さらなる潤滑特性の向上を図り得るメカニカルシールの摺動材及びそれを用いたメカニカルシールを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、
互いに回転摺動するメカニカルシールの静止側摺動材又は回転側摺動材として使用される環状の摺動材であって、摺動面に相手摺動材との相対回転によって摺動面間に動圧を生成する動圧生成溝が周方向に複数設けられたメカニカルシールの摺動材において、
前記摺動面の動圧生成溝に対して反被封止流体側の領域に、回転中心を中心とする円環状の環状溝を設け、
前記動圧生成溝は微小な凹凸部が１０μｍ以下のピッチで繰り返される多数の周期構造の溝とすると共に、溝の深さを１μｍ以下とし、
さらに、前記摺動面の外周から動圧生成溝の被封止流体側端部が被封止流体側に露出しており、
前記動圧生成溝は、レーザ照射により形成された多数の周期構造の溝が周全体に亘って形成されていることを特徴とする。
前記環状溝は、微小な凹凸部が半径方向に同心円状に所定ピッチで繰り返される多数の周期構造の溝とすることができる。

また、本発明のメカニカルシールは、互いに相対回転するハウジングと回転軸間をシールするもので、前記ハウジングに取り付けられる静止側摺動材と、前記回転軸に取り付けられ前記静止側摺動材と回転摺動する回転側摺動材とを有し、前記静止側摺動材と回転側摺動材の内の一方の摺動材の摺動面に、相手摺動材との相対回転によって摺動面間に動圧を生成する動圧生成溝が形成されたメカニカルシールにおいて、
前記摺動面の動圧生成溝に対して反被封止流体側の領域に、回転中心と同心円状の環状溝を設け、
前記動圧生成溝は微小な凹凸部が１０μｍ以下のピッチで繰り返される多数の周期構造の溝とすると共に、溝の深さを１μｍ以下とし、
さらに、前記摺動面の外周から動圧生成溝の被封止流体側端部が被封止流体側に露出しており、
前記動圧生成溝は、レーザ照射により形成された多数の周期構造の溝が周全体に亘って形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、摺動面の被被封止流体側の端縁から摺動面間に被封止流体が汲み入れられて摺動面間に流体潤滑膜が形成され、動圧生成溝によって正圧を発生させて相手摺動材との間の浮上力が確保される。
一方、動圧生成溝に対して反被封止流体側の領域には環状溝に沿った環状の流れが生成されており、この環状の流れが壁となり、動圧生成溝から反被封止流体側の空間へ排出される被封止流体の漏洩量が低減される。それにより、摺動材は良好・安定的な潤滑性を得ることができる。
また、動圧生成溝と環状溝の少なくとも一方を、周期構造の溝とすることにより、潤滑膜が安定して保持され摺動面同士が過大に押圧することが無いため、良好な摩擦係数のシールを得ることができる。さらに、摩擦を少なくするために、摺動面での温度上昇も少なく、良好なシール性を確保することができる。

図１（Ａ）は本発明の実施の形態に係るメカニカルシールの摺動材の摺動面を模式的に示す図、（Ｂ）は（Ａ）の動圧生成溝の周期構造を部分的に示す模式図、（Ｃ）は（Ｂ）のＣ部を拡大して示す模式図である。 図２（Ａ）はメカニカルシールの漏洩量を測定する試験機の概略構成を示す図、（Ｂ）は本発明が適用された静止側摺動材の摺動面を模式的に示す図、（Ｃ）は比較例となる静止側摺動材の摺動面を模式的に示す図である。

以下に本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この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（Ａ）はメカニカルシール用の摺動材の摺動面の動圧生成溝を模式的に示す正面図、（Ｂ），（Ｃ）は（Ａ）の動圧生成溝の微細な周期構造を示す模式図である。
図１（Ａ）は、摺動材１の摺動面Ｓを示すもので、特に図示しないが、互いに回転摺動するメカニカルシールの静止側摺動材又は回転側摺動材として使用されるものである。メカニカルシールの構成としては、特に、形式は問わない。また、摺動材の断面形状、材質等も問わず、種々の構造のものに適用可能である。

図示例では、ハウジングに固定される静止側摺動材に利用されるもので、外径側が被封止流体側Ｆで、内径側が反被封止流体側である大気側Ａである。
この摺動面Ｓは回転軸と直交する平坦面で、外径線Ｓ_１１と内径線Ｓ_１２の間の環状の中途領域に、動圧生成溝２が周方向に複数設けられている。この複数の動圧生成溝２が設けられた領域を動圧生成溝形成領域２００とすると、摺動面Ｓは、この動圧生成溝形成領域２００に対して被封止流体側（外径側）の被封止流体側領域Ｓ_Ｆ、動圧生成溝形成領域２００に対して反被封止流体側（内径側）である大気側領域Ｓ_Ａの３つの環状領域が、回転中心Ｏを中心として同心円状に区分されている。

動圧生成溝２は、図示例では、回転接線方向に対して、半径方向外方に向かうに従って周方向同一方向に徐々に傾斜角度が小さくなるような曲線状のスパイラル溝で、周方向に多数設けられている。
この動圧生成溝２は、微小な凹凸が所定ピッチで繰り返される周期構造によって構成さ
れるもので、そのピッチは１０μｍ以下、その溝の深さは１μｍ以下に形成されることが好ましい。一つの動圧生成溝２は微小な凹凸の谷部であり、図１（Ａ）では、各動圧生成溝２間の周方向の間隔は広く描いているが、模式的に示しているだけで、周期構造は１０μｍ以下のピッチで形成されている。摺動面Ｓ自体は鏡面加工によって、動圧生成溝２が明瞭になる程度の表面粗さに設定される。

このような微細な周期溝は、ＷＯ２００９／０８７９９５号公報にも記載されている通り、フェムト秒レーザによって加工される。すなわち、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザーを照射し、入射光と基板の表面に沿った散乱光又はプラズマ波の干渉により、波長オーダーのピッチと溝深さを持つ周期構造が偏光方向に直交して自己組織的に形成される。このとき、フェムト秒レーザーをオーバーラップさせながら走査することにより、周期構造のパターンを表面に形成することができる。このようなフェムト秒レーザーを利用した周期構造ではその方向性の制御が可能であり、加工位置の制御も可能であり、メカニカルシールの潤滑性向上及び漏洩低減に有効なサブミクロンオーダーの深さの溝の形成が可能である。もちろん、加工方法はフェムト秒レーザによるレーザ加工に限定されるものではなく、他の加工方法によって形成してもよい。

なお、動圧生成溝２はスパイラル溝に限るものではなく、回転接線に対して周方向一方向に傾斜する直線状の溝でもよい。また、この例では、一方向の回転により正圧を生成する形成する溝パターンとなっているが、両方向の回転により正圧を得るような構成でもよい。その場合には、半径方向に延びる放射状溝としてもよいし、また、ＷＯ２００９／０８７９９５号公報にも記載されているように、傾斜の向きの互いに逆向きの溝を形成した動圧生成溝形成領域を、周方向に交互に設ける構成としてもよい。
この動圧生成溝形成領域２の反被封止流体側（内径側）である大気側領域Ｓ_Ａには、回転中心Ｏを中心とする円環状の環状溝３が設けられている。この環状溝３も、半径方向に同心円状に複数周期的に設けられたもので、環状溝３が形成された領域を環状溝領域３００とすると、所定幅の円環状の領域である。

この実施例では、環状溝３も微小な凹凸部が所定ピッチで繰り返される周期構造によって構成される。もっとも、このように微細な凹凸部の周期構造である必要はなく、大きいサイズの所定幅の環状溝であってもよい。
この摺動面Ｓに接する相手摺動材の摺動部５の形状は、動圧生成溝形成領域２００と環状溝形成領域３００を包含する幅の環状の領域である。摺動部５の外径線５１を、動圧生成溝形成領域２００の外径線２０１よりも僅かに内側に位置させ、動圧生成溝２の被封止流体側端部が被封止流体側Ｆに露出していることが好ましい。
もっとも、摺動部５の外径線５１が動圧生成溝形成領域２００の外径線２０１よりも外側に位置していてもよい。
一方、環状溝形成領域３００は、その外径線３０１が、動圧生成溝形成領域２００の内径線２０２からランド部を隔てて所定寸法離れていることが好ましい。摺動部５の内径線５２は、環状溝領域３００の内径線３０２と摺動面Ｓの内径線Ｓ_１２の間である。

本発明によれば、被封止流体が動圧生成溝２の外径端部から動圧生成溝２に汲み入れられ、動圧生成溝２によって正圧が発生し、静止側摺動材に対して回転側摺動材に浮上力が確保される。
一方、動圧生成溝２に対して反被封止流体側の大気側領域Ｓ_Ａには、環状溝３に沿った環状の流れが生成されており、この環状の流れが壁となり、大気側Ａへの被封止流体の漏洩が低減される。漏洩量を低減させることにより、摺動面間に形成される流体潤滑膜が安定して保持されるので、回転側および静止側摺動材は良好・安定的な潤滑性を得ることができる。
また、動圧生成溝２と環状溝３の少なくとも一方を、周期構造の溝とすることにより、
摺動面同士が過大に押圧することが無いため、良好な摩擦係数のシールを得ることができる。さらに、摩擦が少なくなるために、摺動面での温度上昇も少なく、良好なシール性を確保することができる。

［他の実施の形態］
なお、上記実施の形態では、動圧生成溝形成領域２００を半径方向一か所に設けた例について説明したが、動圧生成溝形成領域２００を半径方向に複数同心円状に形成してもよい。
また、動圧生成溝２をフェムト秒レーザで加工した微細な周期構造とした例について説
明したが、フェムト秒レーザで加工した周期構造に限定されるものではなく、フェムト秒レーザ以外で加工するような構造としてもよい。
一方、環状溝３についても、環状溝形成領域３００を半径方向一か所に設けた場合を例示しているが、環状溝形成領域３００を半径方向に複数同心円状に設けてもよい。

実験例
図２は、メカニカルシールの漏洩量（リーク量）を測定する試験機を示している。
この試験機は、ハウジング２０と、ハウジング２０に相対回転自在に挿入される回転軸１５とを備え、ハウジング２０と回転軸１５の間に、試験対象のメカニカルシールを装着するようになっている。
ハウジング２０は内部中空の円筒形状で、ハウジング２０の内部が試験用の被封止流体が収納される流体室２０Ａとなっている。このハウジング２０の一端に、回転軸１５を挿入するための軸挿入口が設けられ、片持ち状態の回転軸１５の自由端が軸挿入口から挿入される。

回転軸１５は、モータ１６により回転駆動される。モータ１６は図示されていないインバータにより回転数が制御され、モータ１６は両方向に回転可能である。
回転軸１５には、軸心方向に流通路１５Ａが設けられ、この流通路１５Ａにはパイプ１４が貫通して配置され、このパイプ１４から、油等の被封止流体が導入されて流体室２０Ａ内に流入するとともに、流通路１５Ａから流出される。この流通路１５Ａとパイプ１４の端部は、図示省略の油循環ユニットに連通しており、このパイプ１４に接続されたポンプ装置により、所定圧力、所定温度に制御された被封止流体が流体室２０Ａと油循環ユニットとの間を循環するように構成されている。

ハウジング２０の軸挿入口の枠体に、Ｏリングを介して、試験片の静止側摺動材１１が嵌着される。また、回転軸１５に固着された保持装置１３に、試験片となる回転側摺動材１２が軸方向へ移動自在にスプリングにより所定荷重によって付勢された状態で保持される。
これにより、回転側摺動材１２の摺動部１２Ａが静止側摺動材１１の対向摺動面に密接し、流体室２０Ａ内の被封止流体が外部へ漏えいしないようにシールされる。静止側摺動材１１と回転側摺動材１２の外径側は被封止流体、内径側は大気に接触している。
また、ハウジング２０の軸挿入口と反対側の端部は、ベアリング１８に回転可能に保持された軸１９に固着され、静止側摺動材１１と回転側摺動材１２との回転時の摩擦力（摺動抵抗）により回転可能な構造とされており、これによって回転トルクを測定可能に構成されている。

本試験機は、内流・アンバランス型であり、被封止流体の圧力とスプリングの弾発力に
よりシール面を押圧する。被封止流体の圧力が０のときは、保持装置１３のスプリングのみにより摺動面が押圧され、被封止流体の圧力増加により摺動面への押しつけ圧力が増加する。
このような構成の試験機を用いて、本発明の実施例としてメカニカルシール摺動材と比較例としての摺動材について、その漏洩量（リーク量）を測定する。
漏洩量は、あらかじめ重量を測定した濾紙に漏洩した被封止流体を沁み込ませた後、再度重量を測定し、重量の差を漏洩量とすることにより求める。

本発明の実施例及び比較例のメカニカルシールの摺動材を加工制作する際の条件、及びその特性等の条件は以下の通りである。
１．フェムト秒レーザー試験片加工条件
（１）周期構造の角度：スパイラル（動圧生成溝）：回転接線方向に対して４５°
環状溝：回転接線方向に対して０°
レーザ：チタンサファイアレーザ（パルス幅１２０ｆｓ、中心波長８００ｎｍ、繰り返し周波数１ｋＨｚ）

２．実験条件
（１）摺動材：回転側摺動材：炭化ケイ素材料（φ２５×φ４４×ｔ１２）
静止側摺動材：炭化ケイ素材料（φ２８×φ５０×ｔ１４）
摺動部形状：（φ３２×φ４０）
（２）表面粗さ：Ｒａ０．０２μｍ以下（フェムト秒レーザ照射前鏡面仕上げ表面粗さ）
Ｒａ ０．０５〜０．１０μｍ（ラッピング工程後の表面粗さ）
（３）平坦度：１バンド（ヘリウムライト）以下
（４）被封止流体：出光興産スーパーマルチオイル１０
（５）試験時間：０．５（ｈ）
（６）被封止流体温度：３０℃
（７）被封止流体圧力：０，０．０７，０．１５，０．３，０．５，１．０（ＭＰａＧ）（８）周速：１，２，５，１０（ｍ／ｓ）
（９）スプリング荷重：２０（Ｎ）

本発明の実施例及び比較例の具体的な構成は次の通りである。
実施例１
実施例１として、回転側摺動材１２には鏡面仕上げした摺動面を有する摺動材、静止側摺動材１１には鏡面仕上げした後にフェムト秒レーザーにて複数の微細なスパイラル溝を、動圧生成溝形成領域２００に全周にわたって形成し、さらに大気側領域Ｓ_Ａの環状溝形成領域３００に環状溝を半径方向に周期的に形成したメカニカルシールの摺動材を用いた。
静止側摺動材１１の摺動面Ｓは、図２（Ａ）に示すように、φ２８×φ５０ｍｍ（内径×外径）の範囲、動圧生成溝形成領域２００の中心直径はφ３９．５ｍｍ、幅ｔ_２が２ｍｍである。また、環状溝形成領域３００は、中心直径Ｄ_３は、３６ｍｍ、幅ｔ_３が０．５ｍｍであり、溝間のピッチ及び溝深さは動圧生成溝と同一である。
そして、静止側摺動材１１の摺動面Ｓ上で、回転側摺動材１２が摺接する摺動部１２Ａの形状は、φ３２×φ４０ｍｍ（内径×外径）の範囲であり、動圧生成溝形成領域２００の被封止流体側の端部が摺動部１２Ａの形状の被封止流体側の端部より外側に位置する。

比較例
上記実施例１と同一寸法形状の静止側摺動材１１１で、同一の寸法形状の動圧生成溝を動圧生成溝形成領域２００に全周にわたって形成し、環状溝を形成していない摺動材を比較例とした。回転側摺動材は上記実施例１と同一である。
このような実施例及び比較例に対する漏洩量の検出結果は、次の表１、２の通りである
。
表１は、実施例１の条件における被封止流体圧力及び回転周速毎の漏洩量を示す表であり、表２は、比較例の条件における被封止流体圧力及び回転周速毎の漏洩量を示す表である。

表１及び表２に示すように、本実施例の条件の範囲では、０．０４８４〜０．７６７１［ｃｃ／ｈ］の範囲、比較例では０．１８７６〜２．０９９３［ｃｃ／ｈ］の範囲となり、すべての条件の範囲で微量であった。

以上説明したように、本発明のメカニカルシールの摺動材においては、摺動面に微細な複数のスパイラル溝を形成しているので、メカニカルシールとして構成した場合、摺動面間への被封止流体の導入及びその保持を良好に行え、安定的かつ良好な潤滑特性を得ることができる。
また、直線偏光のフェムト秒レーザを、加工閾値近傍の照射エネルギーで材料表面に照射することにより、動圧生成溝及び環状溝を形成しているので、摺動面の表面に微細溝を一定ピッチで多数簡単に形成することができる。

１ 摺動材
２ 動圧生成溝
３ 環状溝
２００ 動圧生成溝形成領域
３００ 環状溝形成領域
１１ 静止側摺動材
１２ 回転側摺動材
１３ 保持装置
１４ パイプ
１５ 回転軸、１５Ａ 流通路
１６ モータ
１８ ベアリング、１９ 軸
２０ ハウジング
２０Ａ 流体室
Ｓ_Ｆ 被封止流体側領域
Ｓ_Ａ 大気側領域
Ｏ 回転中心
Ｓ 摺動面
Ｓ１１ 外径線
Ｓ１２ 内径線

Claims (3)

1. 互いに回転摺動するメカニカルシールの静止側摺動材又は回転側摺動材として使用される環状の摺動材であって、摺動面に相手摺動材との相対回転によって摺動面間に動圧を生成する動圧生成溝が周方向に複数設けられたメカニカルシールの摺動材において、
   前記摺動面の動圧生成溝に対して反被封止流体側の領域に、回転中心を中心とする円環状の環状溝を設け、
   前記動圧生成溝は微小な凹凸部が１０μｍ以下のピッチで繰り返される多数の周期構造の溝とすると共に、溝の深さを１μｍ以下とし、
   さらに、前記摺動面の外周から動圧生成溝の被封止流体側端部が被封止流体側に露出しており、
   前記動圧生成溝は、レーザ照射により形成された多数の周期構造の溝が周全体に亘って形成されていることを特徴とするメカニカルシールの摺動材。
2. 前記環状溝は、微小な凹凸部が半径方向に同心円状に所定ピッチで繰り返される多数の周期構造の溝とした請求項１に記載のメカニカルシールの摺動材。
3. 互いに相対回転するハウジングと回転軸間をシールするもので、前記ハウジングに取り付けられる静止側摺動材と、前記回転軸に取り付けられ前記静止側摺動材と回転摺動する回転側摺動材とを有し、前記静止側摺動材と回転側摺動材の内の一方の摺動材の摺動面に、相手摺動材との相対回転によって摺動面間に動圧を生成する動圧生成溝が形成されたメカニカルシールにおいて、
   前記摺動面の動圧生成溝に対して反被封止流体側の領域に、回転中心と同心円状の環状溝を設け、
   前記動圧生成溝は微小な凹凸部が１０μｍ以下のピッチで繰り返される多数の周期構造の溝とすると共に、溝の深さを１μｍ以下とし、
   さらに、前記摺動面の外周から動圧生成溝の被封止流体側端部が被封止流体側に露出しており、
   前記動圧生成溝は、レーザ照射により形成された多数の周期構造の溝が周全体に亘って形成されていることを特徴とするメカニカルシール。

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