JP5968889B2 - 摺動部品 - Google Patents
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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、相対的回転し、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。この流体流出はシールの場合の漏れに該当する。
本出願人らは、先に、図７に示されるように、相対回転摺動する摺動面の径方向一方側に存在する被密封流体をシールするメカニカルシールにおいて、摺動面に、相互に平行な複数の直線状の凹凸部が所定のピッチで所定の区画内に形成されたグレーティング部５０が、内径Ｒ１及び外径Ｒ４の摺動面５１の半径Ｒ２〜Ｒ３の範囲に、かつ、周方向において各々分離して複数形成され、複数のグレーティング部の直線状の凹凸部が、当該凹凸部の方向が当該摺動面の摺動方向に対して所定の角度を成して傾斜するように形成されることにより、摺動面間への被密封流体の導入及びその保持を良好にし、安定的かつ良好な潤滑性を得るようにしたメカニカルシール摺動材の発明を特許出願している（以下「従来技術」という。特許文献１参照。）。
メカニカルシールの機能は「密封」であり、静止時に漏れを発生させないためには、被密封流体の通り道を完全に塞ぐ必要がある。そのため、上記の従来技術では、グレーティング部５０より大気側に位置する内周部５２にシールダム部としての機能をもたせ、静止時の漏れを防止している。
上記の従来技術では、グレーティング部５０が設けられているため、該グレーティング部５０付近の摺動面においては回転初期から摺動面の潤滑性が向上されているものの、シールダム部としての内周部５２ではどうしても潤滑不足になり易い。実際に試験を行って見ると、内周部５２に摩耗が発生していることが確認された。
上記の従来技術では、グレーティング部５０が設けられているため、該グレーティング部５０付近の摺動面においては回転初期から摺動面の潤滑性が向上されているものの、シールダム部としての内周部５２ではどうしても潤滑不足になり易い。実際に試験を行って見ると、内周部５２に摩耗が発生していることが確認された。
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あって、静止時に漏れず、回転初期を含み回転時には流体潤滑で作動するとともに漏れを防止し、密封と潤滑を両立させることの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。
上記目的を達成するため本発明の摺動部品は、 固定側に固定される円環状の固定環と、回転軸とともに回転する円環状の回転環とが対向して互いの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の被密封流体収容空間に存在する被密封流体を密封する摺動部品において、
前記固定環または回転環の摺動面のいずれか一方には、前記摺動面により円周方向に分離された複数の被密封流体収容ブロックが被密封流体収容空間と連通するように径方向の被密封流体側に形成されると共に、前記被密封流体と反対側の区域には該摺動面と面一をなすシールダム部が形成され、
前記複数の被密封流体収容ブロックの底部には、前記固定環と前記回転環との相対回転摺動によりポンピング作用を生起するポンピング部が形成され、
前記ポンピング部は、被密封流体を前記被密封流体収容ブロックに取り込む作用をする線状の凹凸により構成される吸入ポンピング部と、前記被密封流体収容ブロックからこの取り込まれた被密封流体を前記被密封流体側に戻す作用をする線状の凹凸により構成される吐出ポンピング部を備え、
前記シールダム部は、静止時おいて被密封流体の漏れを生じさせないためのシールダムとしての機能を有することを特徴としている。
また、 前記被密封流体収容ブロックは、前記被密封流体を収容できるように前記摺動面と段差を有して凹状をなしており、さらに
前記シールダム部が潤滑性に優れた摺動材料より形成されることを特徴としている。
前記固定環または回転環の摺動面のいずれか一方には、前記摺動面により円周方向に分離された複数の被密封流体収容ブロックが被密封流体収容空間と連通するように径方向の被密封流体側に形成されると共に、前記被密封流体と反対側の区域には該摺動面と面一をなすシールダム部が形成され、
前記複数の被密封流体収容ブロックの底部には、前記固定環と前記回転環との相対回転摺動によりポンピング作用を生起するポンピング部が形成され、
前記ポンピング部は、被密封流体を前記被密封流体収容ブロックに取り込む作用をする線状の凹凸により構成される吸入ポンピング部と、前記被密封流体収容ブロックからこの取り込まれた被密封流体を前記被密封流体側に戻す作用をする線状の凹凸により構成される吐出ポンピング部を備え、
前記シールダム部は、静止時おいて被密封流体の漏れを生じさせないためのシールダムとしての機能を有することを特徴としている。
また、 前記被密封流体収容ブロックは、前記被密封流体を収容できるように前記摺動面と段差を有して凹状をなしており、さらに
前記シールダム部が潤滑性に優れた摺動材料より形成されることを特徴としている。
また、本発明の摺動部品は、第２に、第１の特徴において、前記被密封流体収容ブロック、ポンピング部及び潤滑性に優れた摺動材料よりなるシールダム部が軟質材料からなる固定環に形成されることを特徴としている。
また、本発明の摺動部品は、第３に、第１の特徴において、前記被密封流体収容ブロック、ポンピング部及び潤滑性に優れた摺動材料よりなるシールダム部が硬質材料からなる回転環に形成されることを特徴としている。
また、本発明の摺動部品は、第３に、第１の特徴において、前記被密封流体収容ブロック、ポンピング部及び潤滑性に優れた摺動材料よりなるシールダム部が硬質材料からなる回転環に形成されることを特徴としている。
また、本発明の摺動部品は、第４に、第１ないし第３のいずれかの特徴において、前記潤滑性に優れた摺動材料より形成されるシールダム部が、前記固定環または回転環と一体的に形成されることを特徴としている。
また、本発明の摺動部品は、第５に、第１ないし第３のいずれかの特徴において、前記潤滑性に優れた摺動材料より形成されるシールダム部が、前記固定環または回転環と別体に形成されていることを特徴としている。
また、本発明の摺動部品は、第５に、第１ないし第３のいずれかの特徴において、前記潤滑性に優れた摺動材料より形成されるシールダム部が、前記固定環または回転環と別体に形成されていることを特徴としている。
また、本発明の摺動部品は、第６に、第１ないし第５のいずれかの特徴において、前記潤滑性に優れた摺動材料が、ＰＴＦＥ、ＭｏＳ２、ＷＳ２、グラファイトまたはＢＮ等のいずれか１つの固体潤滑剤を含有した材料であることを特徴としている。
また、本発明の摺動部品は、第７に、第１ないし第５のいずれかの特徴において、前記潤滑性に優れた摺動材料が、潤滑油を含有した材料であることを特徴としている。
また、本発明の摺動部品は、第７に、第１ないし第５のいずれかの特徴において、前記潤滑性に優れた摺動材料が、潤滑油を含有した材料であることを特徴としている。
本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）上記第１〜第３の特徴により、静止時には、固定環及び回転環の摺動面間は固体接触状態となるため、円周方向に連続した摺動面、特に、シールダム部により漏れを防止することによりシール性が維持されるとともに、起動時には、被密封流体収容ブロック内の空間に被密封流体を取り込むことによってすばやく潤滑流体膜を形成することができ、シールダム部が潤滑性に優れた摺動材料により形成されていることと相俟って摺動面の摺動トルクを低くし摩耗を低減することができる。さらに、運転時には、吸入ポンピング部を備えた被密封流体収容ブロック内に被密封流体を取り込み、この被密封流体を摺動面を介して分離された位置にある吐出ポンピング部を備えた被密封流体収容ブロックに送り込み、吐出ポンピング部の作用により該被密封流体収容ブロックからこの被密封流体を被密封流体側に戻すことにより、摺動面の潤滑性を確保するとともに、漏れを防止し、シール性を保つことができる。
さらに、シールダム部が潤滑性に優れた摺動材料により形成されていることにより、シールダム部の摩耗が低減され、シール機能を長期間にわたり維持することができる。
（２）上記第４及び第５の特徴により、固定環又は回転環に潤滑性に優れた摺動材料からなるシールダム部を容易、かつ、確実に形成することができる。
（３）上記第６及び第７の特徴により、シールダム部を格段に潤滑性に優れたものとすることができ、シールダム部の摩耗を一層低減することができる。
（１）上記第１〜第３の特徴により、静止時には、固定環及び回転環の摺動面間は固体接触状態となるため、円周方向に連続した摺動面、特に、シールダム部により漏れを防止することによりシール性が維持されるとともに、起動時には、被密封流体収容ブロック内の空間に被密封流体を取り込むことによってすばやく潤滑流体膜を形成することができ、シールダム部が潤滑性に優れた摺動材料により形成されていることと相俟って摺動面の摺動トルクを低くし摩耗を低減することができる。さらに、運転時には、吸入ポンピング部を備えた被密封流体収容ブロック内に被密封流体を取り込み、この被密封流体を摺動面を介して分離された位置にある吐出ポンピング部を備えた被密封流体収容ブロックに送り込み、吐出ポンピング部の作用により該被密封流体収容ブロックからこの被密封流体を被密封流体側に戻すことにより、摺動面の潤滑性を確保するとともに、漏れを防止し、シール性を保つことができる。
さらに、シールダム部が潤滑性に優れた摺動材料により形成されていることにより、シールダム部の摩耗が低減され、シール機能を長期間にわたり維持することができる。
（２）上記第４及び第５の特徴により、固定環又は回転環に潤滑性に優れた摺動材料からなるシールダム部を容易、かつ、確実に形成することができる。
（３）上記第６及び第７の特徴により、シールダム部を格段に潤滑性に優れたものとすることができ、シールダム部の摩耗を一層低減することができる。
本発明に係る摺動部品を実施するための形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、本実施形態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、改良を加えうるものである。
なお、本実施形態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、改良を加えうるものである。
図１は、一般産業機械用のメカニカルシールの一例を示す正面断面図である。
図１のメカニカルシールは摺動面の外周から内周方向に向かって漏れようとする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って、被密封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固定環６とが、この固定環６を軸方向に付勢するベローズ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６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。
回転環３及び固定環６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、摺動材料に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は適用可能である。ＳｉＣとしては、ボロン、アルミニウム、カーボンなど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などがあり、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、などが利用できる。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）、複合材料なども適用できる。
図１のメカニカルシールは摺動面の外周から内周方向に向かって漏れようとする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って、被密封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固定環６とが、この固定環６を軸方向に付勢するベローズ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６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。
回転環３及び固定環６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、摺動材料に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は適用可能である。ＳｉＣとしては、ボロン、アルミニウム、カーボンなど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などがあり、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、などが利用できる。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）、複合材料なども適用できる。
図２は、ウォータポンプ用のメカニカルシールの一例を示す正面断面図である。
図２のメカニカルシールは摺動面の外周から内周方向に向かって漏れようとする冷却水を密封する形式のインサイド形式のものであって、冷却水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６とが、この固定環６を軸方向に付勢するコイルドウェーブスプリング８及びベローズ９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６との互いの摺動面Ｓにおいて、冷却水が回転軸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２のメカニカルシールは摺動面の外周から内周方向に向かって漏れようとする冷却水を密封する形式のインサイド形式のものであって、冷却水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６とが、この固定環６を軸方向に付勢するコイルドウェーブスプリング８及びベローズ９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６との互いの摺動面Ｓにおいて、冷却水が回転軸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。
〔実施形態１〕
図３は、図１及び２のメカニカルシールにおいて、固定環６及び回転環３の摺動面のうち、径方向の幅が小さい固定環６の摺動面Ｓに被密封流体収容ブロック１０、ポンピング部及び潤滑性に優れたシールダム部が形成される場合の一実施形態を示す平面図である。
図３において、固定環６は、シールリングと呼ばれ、多くは、カーボン（軟質材料）から形成される。この固定環６の摺動面Ｓには、円周方向に分離された複数の被密封流体収容ブロック１０が、摺動面Ｓの径方向の一部であって被密封流体収容空間と外周側１２を介して直接連通するように形成されている。
なお、被密封流体側が回転環３及び固定環６の内側に存在するアウトサイド形のメカニカルシールの場合、被密封流体収容ブロック１０は、摺動面Ｓの径方向の一部であって被密封流体収容空間と内周側を介して直接連通するように形成すればよい。
被密封流体収容ブロック１０の径方向の幅ａは、摺動面Ｓの径方向の幅Ａのおよそ１／３〜２／３であり、また、被密封流体収容ブロック１０の周方向の角度範囲ｂは、隣接する被密封流体収容ブロック１０、１０間に存在する摺動面の角度範囲Ｂと同じかやや大きく設定される。
図３は、図１及び２のメカニカルシールにおいて、固定環６及び回転環３の摺動面のうち、径方向の幅が小さい固定環６の摺動面Ｓに被密封流体収容ブロック１０、ポンピング部及び潤滑性に優れたシールダム部が形成される場合の一実施形態を示す平面図である。
図３において、固定環６は、シールリングと呼ばれ、多くは、カーボン（軟質材料）から形成される。この固定環６の摺動面Ｓには、円周方向に分離された複数の被密封流体収容ブロック１０が、摺動面Ｓの径方向の一部であって被密封流体収容空間と外周側１２を介して直接連通するように形成されている。
なお、被密封流体側が回転環３及び固定環６の内側に存在するアウトサイド形のメカニカルシールの場合、被密封流体収容ブロック１０は、摺動面Ｓの径方向の一部であって被密封流体収容空間と内周側を介して直接連通するように形成すればよい。
被密封流体収容ブロック１０の径方向の幅ａは、摺動面Ｓの径方向の幅Ａのおよそ１／３〜２／３であり、また、被密封流体収容ブロック１０の周方向の角度範囲ｂは、隣接する被密封流体収容ブロック１０、１０間に存在する摺動面の角度範囲Ｂと同じかやや大きく設定される。
メカニカルシールを低摩擦化させるためには、被密封流体の種類、温度などによるが、通常、摺動面間に０．１μｍ〜１０μｍほどの液膜が必要である。この液膜を得るために、上記したように、摺動面Ｓに、円周方向に独立した複数の被密封流体収容ブロック１０が配置され、該複数の被密封流体収容ブロック１０の底部には、固定環６と回転環３との相対回転摺動によりポンピング作用を生起するポンピング部１１が形成されている。該ポンピング部１１は、被密封流体を吸い込む方向に作用する吸入ポンピング部１１ａと被密封流体を吐き出す方向に作用する吐出ポンピング部１１ｂとを備えている。
ポンピング部１１の各々には、後記する図５で詳細に説明するように、相互に平行で一定のピッチの複数の線状の凹凸（本発明においては、「線状の凹凸の周期構造」ともいう。）が形成され、該線状の凹凸の周期構造は、例えば、フェムト秒レーザにより形成される微細な構造である。
なお、本発明において「線状の凹凸」には、直線状の凹凸の他、直線状の凹凸形成の過程で出現される多少彎曲された凹凸、または曲線状の凹凸も包含される。
なお、本発明において「線状の凹凸」には、直線状の凹凸の他、直線状の凹凸形成の過程で出現される多少彎曲された凹凸、または曲線状の凹凸も包含される。
前記被密封流体収容ブロック１０が形成された摺動面の被密封流体側と反対側である内周側は静止時において漏れを発生させないためのシールダムとして機能する必要がある。このシールダム機能を奏するシールダム部１３は被密封流体（潤滑性流体）が十分には行きわたらない部分であるため貧潤滑状態となり摩耗が発生し易い。シールダム部１３の摩耗を防止し、摺動摩擦を低減させるため、本発明においては、シールダム部１３が潤滑性に優れた摺動材料より形成される。
図４は、図３の被密封流体収容ブロック、ポンピング部及び潤滑性に優れたシールダム部を説明するものであって運転時の状態を示しており、図４（ａ）は要部の拡大平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＸ−Ｘ断面図である。
図４において、固定環６は実線で、また、相手側摺動部材である回転環３は二点鎖線で示されており、回転環３はＲ方向に回転する。
図４（ａ）に示すように、複数の被密封流体収容ブロック１０は、円周方向において隣接する被密封流体収容ブロック１０と摺動面Ｓにより分離され、また、大気側とも摺動面Ｓにより非連通となっている。また、図４（ｂ）に示すように、被密封流体収容ブロック１０は、摺動面Ｓの径方向の一部に形成されており、被密封流体を収容できるように凹状をなし、摺動面Ｓと段差を有し、被密封流体収容空間とは外周側１２を介して直接連通している。このため、静止時には、固定環６及び回転環３の摺動面間は固体接触状態となるため、円周方向に連続した摺動面によりシール性が維持されるとともに、起動時においては、図４（ａ）において二点鎖線の矢印で示すように、被密封流体収容ブロック１０へ被密封流体の取り込みが行われるようになっている。
さらに、図４（ａ）に示すように、ポンピング部１１に形成される線状の凹凸は、摺動面Ｓの摺動方向、換言すれば摺動面Ｓの回転接線方向に対して所定の角度θで傾斜するように形成される。所定の角度θは、摺動面Ｓの回転接線に対して内径方向及び外径方向の両方向において各々１０°〜８０°の範囲であることが好ましい。
図４において、固定環６は実線で、また、相手側摺動部材である回転環３は二点鎖線で示されており、回転環３はＲ方向に回転する。
図４（ａ）に示すように、複数の被密封流体収容ブロック１０は、円周方向において隣接する被密封流体収容ブロック１０と摺動面Ｓにより分離され、また、大気側とも摺動面Ｓにより非連通となっている。また、図４（ｂ）に示すように、被密封流体収容ブロック１０は、摺動面Ｓの径方向の一部に形成されており、被密封流体を収容できるように凹状をなし、摺動面Ｓと段差を有し、被密封流体収容空間とは外周側１２を介して直接連通している。このため、静止時には、固定環６及び回転環３の摺動面間は固体接触状態となるため、円周方向に連続した摺動面によりシール性が維持されるとともに、起動時においては、図４（ａ）において二点鎖線の矢印で示すように、被密封流体収容ブロック１０へ被密封流体の取り込みが行われるようになっている。
さらに、図４（ａ）に示すように、ポンピング部１１に形成される線状の凹凸は、摺動面Ｓの摺動方向、換言すれば摺動面Ｓの回転接線方向に対して所定の角度θで傾斜するように形成される。所定の角度θは、摺動面Ｓの回転接線に対して内径方向及び外径方向の両方向において各々１０°〜８０°の範囲であることが好ましい。
複数の被密封流体収容ブロック１０の各々におけるポンピング部１１の線状の凹凸の回転接線に対する傾斜角度θは、全て同じであってもよいし、ポンピング部１１ごとに異なっていてもよい。しかし、この傾斜角度θに応じて摺動面Ｓの摺動特性が影響を受けるので、要求される潤滑性や摺動条件等に応じて、適切な特定な傾斜角度θに各ポンピング部１１の線状の凹凸の傾斜角度を統一するのが安定した摺動特性を得るために有効である。
従って、摺動面Ｓの回転摺動方向が一方向であれば、複数のポンピング部１１の各々における線状の凹凸の回転接線に対する傾斜角度θは、最適な特定の角度に規定される。
また、摺動面Ｓの回転摺動方向が正逆両方向であれば、一方の方向の回転の際に適切な摺動特性となる第１の角度で回転接線に対して傾斜する線状の凹凸を有する第１のポンピング部と、それとは反対方向の回転の際に適切な摺動特性となる第２の角度で回転接線に対して傾斜する線状の凹凸を有する第２のポンピング部とを混在させることが望ましい。そのような構成であれば、摺動面Ｓが正逆両方向に回転する際に、各々適切な摺動特性を得ることができる。
さらに具体的には、摺動面Ｓが正逆両方向に回転する場合には、吸入ポンピング部１１ａと吐出ポンピング部１１ｂとの各線状の凹凸の傾斜角度θは、回転接線に対して対称となるような角度となるように形成しておくのが好適である。
また、吸入ポンピング部１１ａと吐出ポンピング部１１ｂとは、摺動面Ｓの周方向に沿って交互に配置されるように形成するのが好適である。
図３及び図４に示す摺動面Ｓは、そのような摺動面Ｓが両方向へ回転する場合に好適な摺動面Ｓの構成である。
なお、吸入ポンピング部１１ａと吐出ポンピング部１１ｂとは、摺動面Ｓの周方向に沿って交互に配置されなくてもよく、例えば、吸入ポンピング部１１ａが２個、吐出ポンピング部１１ｂが１個の割合で配置されても、あるいは、逆の割合で配置されてもよい。
また、吸入ポンピング部１１ａと吐出ポンピング部１１ｂとは、摺動面Ｓの周方向に沿って交互に配置されるように形成するのが好適である。
図３及び図４に示す摺動面Ｓは、そのような摺動面Ｓが両方向へ回転する場合に好適な摺動面Ｓの構成である。
なお、吸入ポンピング部１１ａと吐出ポンピング部１１ｂとは、摺動面Ｓの周方向に沿って交互に配置されなくてもよく、例えば、吸入ポンピング部１１ａが２個、吐出ポンピング部１１ｂが１個の割合で配置されても、あるいは、逆の割合で配置されてもよい。
相互に平行で一定のピッチの複数の線状の凹凸を精度よく所定のピッチで配置した構造（周期構造）であるポンピング部１１は、例えば、フェムト秒レーザを用いて、摺動面Ｓの所定の領域に厳密に区画分けされ、さらに各区画において線状の凹凸の方向を精度よくコントロールして形成される。
加工しきい値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを基板に照射すると、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凹凸状の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。この時、フェムト秒レーザをオーバーラップさせながら操作を行うことにより、その線状の凹凸の周期構造パターンを表面に形成することができる。
加工しきい値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを基板に照射すると、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凹凸状の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。この時、フェムト秒レーザをオーバーラップさせながら操作を行うことにより、その線状の凹凸の周期構造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を利用した線状の凹凸の周期構造では、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るため、離散的な小区画に分けて各区画ごとに所望の線状の凹凸の周期構造の形成ができる。すなわち、円環状のメカニカルシール摺動材の摺動面を回転させながらこの方法を用いれば、摺動面に選択的に微細な周期パターンを形成することができる。そしてまたフェムト秒レーザを利用した加工方法では、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線状の凹凸の形成が可能である。
前記被密封流体収容ブロック１０及び線状の凹凸の周期構造の形成は、フェムト秒レーザに限らず、ピコ秒レーザや電子ビームを用いてもよい。また、前記被密封流体収容ブロック１０及び線状の凹凸の周期構造の形成は、線状の凹凸の周期構造を備えた型を用いて円環状のメカニカルシール摺動材の摺動面を回転させながらスタンプ又は刻印することにより行われてもよい。
さらに、前記被密封流体収容ブロック１０の形成は、エッチングで行い、その後、フェムト秒レーザなどにより被密封流体収容ブロック底部に線状の凹凸の周期構造を形成させてもよい。さらに、フェムト秒レーザなどにより、摺動面に線状の凹凸の周期構造のみ形成させ、その後、線状の凹凸の周期構造が形成されていない摺動面にメッキあるいは成膜を行うことで、被密封流体収容ブロック１０を形成させてもよい。
さらに、前記被密封流体収容ブロック１０の形成は、エッチングで行い、その後、フェムト秒レーザなどにより被密封流体収容ブロック底部に線状の凹凸の周期構造を形成させてもよい。さらに、フェムト秒レーザなどにより、摺動面に線状の凹凸の周期構造のみ形成させ、その後、線状の凹凸の周期構造が形成されていない摺動面にメッキあるいは成膜を行うことで、被密封流体収容ブロック１０を形成させてもよい。
一方、シールダム部１３は摺動面Ｓの一部を構成し、摺動面Ｓと面一をなすもので、複数の被密封流体収容ブロック１０の形成された区域より内周側の摺動面Ｓがシールダム部１３となる。このシールダム部１３を潤滑性に優れた材料から形成する方法の１つとして、固定環６の成形段階において、被密封流体収容ブロック１０の形成される区域となる径方向の外周側を硬質材で形成し、シールダム部１３を含む内周側を潤滑性に優れた材料から形成し、その後、両部材を張り合わせた状態で焼成し、成形する方法がある。
また、潤滑性に優れたシールダム部１３を形成する他の方法としては、硬質材を基材とした固定環６のシールダム部１３となる部分に潤滑性の優れた摺動材料からなるリング状部材を接着剤で接着する方法がある。また、接着する代わりに、溶着してもよく、あるいは、嵌合、接合によって一体化してもよい。
さらに、潤滑性に優れたシールダム部１３を形成する他の方法としては、シールダム部１３となる部分を潤滑性に優れた材料で表面を改質する方法もある。さらに、シールダム部１３となる部分をスパッタや塗布によるコーティング、ブラストによる潤滑物質の埋め込み、こすり付けることによる転移を利用して形成する方法もある。さらには、固定環６全体を軟質の固体潤滑材で成形し、被密封流体収容ブロック１０の部分のみ硬質化する方法もあり、硬質化の方法としては、高温での焼成、反応性材料を用いる硬化、スパッタコーティングによる硬質化、硬質材の接着、嵌合などが挙げられる。
さらに、潤滑性に優れたシールダム部１３を形成する他の方法としては、シールダム部１３となる部分を潤滑性に優れた材料で表面を改質する方法もある。さらに、シールダム部１３となる部分をスパッタや塗布によるコーティング、ブラストによる潤滑物質の埋め込み、こすり付けることによる転移を利用して形成する方法もある。さらには、固定環６全体を軟質の固体潤滑材で成形し、被密封流体収容ブロック１０の部分のみ硬質化する方法もあり、硬質化の方法としては、高温での焼成、反応性材料を用いる硬化、スパッタコーティングによる硬質化、硬質材の接着、嵌合などが挙げられる。
潤滑性に優れた摺動材料としては、ＰＴＦＥ、ＭｏＳ２、ＷＳ２、グラファイトまたはＢＮ等のいずれか１つの固体潤滑剤を含有した材料が望ましい。特に、ＳｉＣやカーボンを基材にグラファイトを含有した材料が望ましい。
また、潤滑性に優れた摺動材料としては、潤滑油を含有した材料でもよい。特に、フッ素系オイルを含有させるのが望ましい。
また、潤滑性に優れた摺動材料としては、潤滑油を含有した材料でもよい。特に、フッ素系オイルを含有させるのが望ましい。
図５は、図３及び図４の被密封流体収容ブロック、ポンピング部及び潤滑性に優れたシールダム部を説明するもので、被密封流体側から見た斜視図である。
固定環６と回転環３との摺動面間には、図４（ｂ）に示すように、回転初期から運転時において、厚さ０．１μｍ〜１０μｍの液膜ｈが形成されるが、その場合、ポンピング部１１において、凹凸の頂点を結ぶような仮想平面をとると、該仮想平面は液膜ｈに応じて摺動面Ｓよりｄ１＝０．１ｈ〜１０ｈ低く設定され、仮想平面が摺動面Ｓと段差ｄ１を形成する形状となっている。この段差ｄ１により形成された被密封流体収容ブロック１０内の空間に被密封流体が取り込まれ、十分な液膜が形成される。しかし、十分な液膜を形成するだけでは圧力差により漏れが発生することになる。このため、被密封流体収容ブロック１０の底部には、被密封流体が大気側に漏れないように液体の流れを生起させるポンピング部１１が形成されているのである。
フェムト秒レーザによる場合には、まず、被密封流体収容ブロック１０が形成され、その後続いて、ポンピング部１１が形成される。
また、線状の凹凸の頂点と底部との深さｄ２は、ｄ２＝０．１ｈ〜１０ｈの範囲が望ましい。
ポンピング部１１の線状の凹凸のピッチｐは、被密封流体の粘度に応じて設定されるが、０．１μｍ〜１００μｍが望ましい。被密封流体の粘度が高い場合、溝内に流体が十分に入り込めるようにピッチｐを大きくした方がよい。
固定環６と回転環３との摺動面間には、図４（ｂ）に示すように、回転初期から運転時において、厚さ０．１μｍ〜１０μｍの液膜ｈが形成されるが、その場合、ポンピング部１１において、凹凸の頂点を結ぶような仮想平面をとると、該仮想平面は液膜ｈに応じて摺動面Ｓよりｄ１＝０．１ｈ〜１０ｈ低く設定され、仮想平面が摺動面Ｓと段差ｄ１を形成する形状となっている。この段差ｄ１により形成された被密封流体収容ブロック１０内の空間に被密封流体が取り込まれ、十分な液膜が形成される。しかし、十分な液膜を形成するだけでは圧力差により漏れが発生することになる。このため、被密封流体収容ブロック１０の底部には、被密封流体が大気側に漏れないように液体の流れを生起させるポンピング部１１が形成されているのである。
フェムト秒レーザによる場合には、まず、被密封流体収容ブロック１０が形成され、その後続いて、ポンピング部１１が形成される。
また、線状の凹凸の頂点と底部との深さｄ２は、ｄ２＝０．１ｈ〜１０ｈの範囲が望ましい。
ポンピング部１１の線状の凹凸のピッチｐは、被密封流体の粘度に応じて設定されるが、０．１μｍ〜１００μｍが望ましい。被密封流体の粘度が高い場合、溝内に流体が十分に入り込めるようにピッチｐを大きくした方がよい。
被密封流体と直接連通するように摺動面Ｓの外周側に設けられた被密封流体収容ブロック１０の区域より内周側（大気側）には、全周にわたって潤滑性に優れた摺動材料からなるシールダム部１３が形成される。このため、静止時には、特に、シールダム部１３において固定環６及び回転環３の摺動面間が固体接触状態となり漏れを防止する一方、回転時においては、シールダム部１３が潤滑性に優れた摺動材料からなることから、摩耗を低減することができる。
なお、図５において、ポンピング部１１は、円周方向及び径方向において、軸と直交する面と平行に形成されているが、円周方向または／及び径方向において、必要に応じて、任意に傾斜させることができる。例えば、図３に示すようにポンピング部１１が形成される場合、吸入ポンピング部１１ａは、径方向内側に向かって次第に低くなるように形成されて被密封流体を吸い込み易くし、吐出ポンピング部１１ｂは、径方向内側に向かって次第に高くなるように形成されて被密封流体を吐出し易くすることが考えられる。
上記のように、静止時には、固定環６及び回転環３の摺動面間は固体接触状態となるため、円周方向に連続した摺動面Ｓ、特に、シールダム部１３により漏れを防止することによりシール性が維持されるとともに、起動時には、被密封流体収容ブロック１０内の空間に被密封流体を取り込むことによってすばやく潤滑流体膜を形成することができ、シールダム部１３が潤滑性に優れた摺動材料により形成されていることと相俟って摺動面Ｓの摺動トルクを低くし摩耗を低減することができる。さらに、運転時には、吸入ポンピング部１１ａを備えた被密封流体収容ブロック１０内に被密封流体を取り込み、この被密封流体を摺動面Ｓを介して分離された位置にある吐出ポンピング部１１ｂを備えた被密封流体収容ブロック１０に送り込み、吐出ポンピング部１１ｂの作用により該被密封流体収容ブロック１０からこの被密封流体を被密封流体側に戻すものである（図４（ａ）の二点差線で示す矢印参照。）。このような被密封流体の流れを通じて、摺動面Ｓの潤滑性を確保するとともに、漏れを防止し、シール性を保つことができる。さらに、ポンピング部１１の線状の凹凸の頂点を結ぶ仮想平面が摺動面Ｓより低く設定され、仮想平面が摺動面Ｓと段差ｄ１を有する形状となっていることにより、起動時に段差ｄ１により形成された空間に被密封流体を取り込むことによってすばやく潤滑流体膜を形成することができる。
さらに、シールダム部１３が潤滑性に優れた摺動材料により形成されていることにより、シールダム部１３の摩耗が低減され、シール機能を長期間にわたり維持することができる。
さらに、シールダム部１３が潤滑性に優れた摺動材料により形成されていることにより、シールダム部１３の摩耗が低減され、シール機能を長期間にわたり維持することができる。
〔実施形態２〕
図６は、図１及び２のメカニカルシールにおいて、固定環及び回転環の摺動面のうち、径方向の幅が大きい回転環の摺動面に被密封流体収容ブロック、ポンピング部及び潤滑性に優れたシールダム部が形成される場合の一実施形態示すもので、摺動面に直交する面で切断した断面図である。
図６において、回転環３は、メイティングリングと呼ばれ、多くは、ＳｉＣ（硬質材料）から形成される。この回転環３の摺動面Ｓに、円周方向に分離された複数の被密封流体収容ブロック１０が形成されている。これら複数の被密封流体収容ブロック１０は、摺動面Ｓの径方向の外方及び内方を残して一部に形成され、かつ、被密封流体収容ブロック１０の被密封流体側の一部が相対する固定環６の摺動面Ｓで覆われないように形成されるものである。このため、静止時のシール性が維持されるとともに、起動時においては、被密封流体収容ブロック１０へ被密封流体が取り込まれるものである。
図６は、図１及び２のメカニカルシールにおいて、固定環及び回転環の摺動面のうち、径方向の幅が大きい回転環の摺動面に被密封流体収容ブロック、ポンピング部及び潤滑性に優れたシールダム部が形成される場合の一実施形態示すもので、摺動面に直交する面で切断した断面図である。
図６において、回転環３は、メイティングリングと呼ばれ、多くは、ＳｉＣ（硬質材料）から形成される。この回転環３の摺動面Ｓに、円周方向に分離された複数の被密封流体収容ブロック１０が形成されている。これら複数の被密封流体収容ブロック１０は、摺動面Ｓの径方向の外方及び内方を残して一部に形成され、かつ、被密封流体収容ブロック１０の被密封流体側の一部が相対する固定環６の摺動面Ｓで覆われないように形成されるものである。このため、静止時のシール性が維持されるとともに、起動時においては、被密封流体収容ブロック１０へ被密封流体が取り込まれるものである。
回転環３の摺動面Ｓの被密封流体収容ブロック１０の区域より内周側（大気側）には、潤滑性に優れた摺動材料よりなるシールダム部１３が形成されている。この場合、回転環３の摺動面Ｓの被密封流体収容ブロック１０の機器より内周側の全部を潤滑性に優れた摺動材料より形成してもよいが、本例では、固定環６と摺動する部分のみを潤滑性に優れた摺動材料より形成している。
なお、被密封流体側が回転環３及び固定環６の内側に存在するアウトサイド形のメカニカルシールの場合は、被密封流体収容ブロック１０の径方向内側の一部が相対する固定環６の摺動面により覆われないように配置すればよい。
１ 回転軸
２ スリーブ
３ 回転環
４ ハウジング
５ シールカバー
６ 固定環
７ ベローズ
８ コイルドウェーブスプリング
９ ベローズ
１０ 被密封流体収容ブロック
１１ ポンピング部
１１ａ 吸入ポンピング部
１１ｂ 吐出ポンピング部
１２ 外周側
１３ 潤滑性に優れた摺動材料よりなるシールダム部
Ｓ 摺動面
２ スリーブ
３ 回転環
４ ハウジング
５ シールカバー
６ 固定環
７ ベローズ
８ コイルドウェーブスプリング
９ ベローズ
１０ 被密封流体収容ブロック
１１ ポンピング部
１１ａ 吸入ポンピング部
１１ｂ 吐出ポンピング部
１２ 外周側
１３ 潤滑性に優れた摺動材料よりなるシールダム部
Ｓ 摺動面
Claims (8)
- 固定側に固定される円環状の固定環と、回転軸とともに回転する円環状の回転環とが対向して互いの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の被密封流体収容空間に存在する被密封流体を密封する摺動部品において、
前記固定環または回転環の摺動面のいずれか一方には、前記摺動面により円周方向に分離された複数の被密封流体収容ブロックが被密封流体収容空間と連通するように径方向の被密封流体側に形成されると共に、前記被密封流体と反対側の区域には該摺動面と面一をなすシールダム部が形成され、
前記複数の被密封流体収容ブロックの底部には、前記固定環と前記回転環との相対回転摺動によりポンピング作用を生起するポンピング部が形成され、
前記ポンピング部は、被密封流体を前記被密封流体収容ブロックに取り込む作用をする線状の凹凸により構成される吸入ポンピング部と、前記被密封流体収容ブロックからこの取り込まれた被密封流体を前記被密封流体側に戻す作用をする線状の凹凸により構成される吐出ポンピング部を備え、
前記シールダム部は、静止時において被密封流体の漏れを生じさせないためのシールダムとしての機能を有することを特徴とする摺動部品。 - 前記被密封流体収容ブロックは、前記被密封流体を収容できるように前記摺動面と段差を有して凹状をなしており、さらに
前記シールダム部が潤滑性に優れた摺動材料より形成されることを特徴とする請求項１記載の摺動部品。 - 前記被密封流体収容ブロック、ポンピング部及び潤滑性に優れた摺動材料よりなるシールダム部が軟質材料からなる固定環に形成されることを特徴とする請求項２記載の摺動部品。
- 前記被密封流体収容ブロック、ポンピング部及び潤滑性に優れた摺動材料よりなるシールダム部が硬質材料からなる回転環に形成されることを特徴とする請求項２記載の摺動部品。
- 前記潤滑性に優れた摺動材料より形成されるシールダム部が、前記固定環または回転環と一体的に形成されることを特徴とする請求項２に記載の摺動部品。
- 前記潤滑性に優れた摺動材料より形成されるシールダム部が、前記固定環または回転環と別体に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の摺動部品。
- 前記潤滑性に優れた摺動材料が、ＰＴＦＥ、ＭｏＳ２、ＷＳ２、グラファイトまたはＢＮ等のいずれか１つの固体潤滑剤を含有した材料であることを特徴とする請求項２ないし６のいずれか１項に記載の摺動部品。
- 前記潤滑性に優れた摺動材料が、潤滑油を含有した材料であることを特徴とする請求項２ないし６のいずれか１項に記載の摺動部品。
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