JP6058018B2 - 摺動部品 - Google Patents
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Description
また、キャビテーション領域内の筋状の流体の流れを制御することにより、より一層、漏れ防止の機能を向上させた摺動部品を提供することを目的とするものである。
この特徴によれば、高圧流体側の被密封流体の低圧流体側への漏洩を防止することができるだけでなく、低圧流体側に漏れた流体を高圧流体側に引き戻すポンピング作用が実現できると共に、正圧発生領域で発生した正圧により摺動面に流体潤滑膜を形成することができ、密封と潤滑の両立を図ることができる。
この特徴によれば、正圧発生領域から低圧流体側に漏洩しようとする流体および低圧流体側に漏洩した流体はキャビテーション形成領域に吸入されるので、低圧流体側への漏洩を一層防止することができる。
この特徴によれば、正圧発生領域にはキャビテーション形成領域からだけでなく、高圧流体側からも流体が取り込まれるため、潤滑作用をより一層行うことができる。
この特徴によれば、回転側の摺動環が正逆両方向に回転する場合にも固定側の摺動環を交換することなく、密封と潤滑の両立を図ることができる。
この特徴によれば、回転側の摺動環が正逆両方向に回転する摺動部品において、正圧発生領域にはキャビテーション形成領域からだけでなく、高圧流体側からも流体が取り込まれるため、潤滑作用をより一層行うことができる。
この特徴によれば、高圧流体側の被密封流体が低圧流体側に漏洩することが防止されると共に、正圧発生領域で発生した正圧で摺動面に流体潤滑膜が形成され、摺動面の潤滑が図られることに加えて、キャビテーション形成領域に設けられた方向性を備えた溝により、キャビテーション形成領域内の筋状の流体の流れは正圧発生領域に移動されるように制御されるため、流体の漏洩を一層防止することができる。
この特徴によれば、流体の漏洩を一層防止する摺動部品において、低圧流体側と高圧流体側との差圧が小さい場合に好適である。
この特徴によれば、高圧流体側に配設されたレイリーステップからなる正圧発生機構で流体膜を形成して潤滑し、低圧流体側に配設されたディンプルで密封と潤滑とを行うことができる摺動部品において、ディンプルのキャビテーション形成領域で吸入された流体は正圧発生領域から圧力開放溝に導かれ、半径方向溝を介して高圧流体側に戻されるため、ディンプルによる密封作用を確実なものとすることができる。
この特徴によれば、高圧流体側に配設されたレイリーステップからなる正圧発生機構で流体膜を形成して潤滑し、低圧流体側に配設されたディンプルで密封と潤滑とを行うことができる摺動部品において、ディンプルによる密封作用を確実なものとする密封に加えて、回転側の摺動環が正逆両方向に回転する場合にも固定側の摺動環を交換することなく対応可能である。
(1)各ディンプルの上流側のキャビテーション形成領域は低圧流体側に寄って配置されると共に下流側の正圧発生領域は高圧流体側に寄って配置され、各ディンプルのキャビテーション形成領域で吸入された流体は当該ディンプル内を通って正圧発生領域から高圧流体側に戻されることにより、高圧流体側の被密封流体の低圧流体側への漏洩を防止することができるだけでなく、低圧流体側に漏れた流体を高圧流体側に引き戻すポンピング作用が実現できると共に、正圧発生領域で発生した正圧により摺動面に流体潤滑膜を形成することができ、密封と潤滑の両立を図ることができる。
(2)周方向において隣接するディンプルにおいて、上流側に位置するディンプルの正圧発生領域と下流側に位置するディンプルのキャビテーション形成領域とが径方向において重複するように配設されていることにより、正圧発生領域から低圧流体側に漏洩しようとする流体および低圧流体側に漏洩した流体はキャビテーション形成領域に吸入されるので、低圧流体側への漏洩を一層防止することができる。
(3)ディンプルの正圧発生領域がディンプルの深さ以上の連通溝により高圧流体側に連通されていることにより、正圧発生領域にはキャビテーション形成領域からだけでなく、高圧流体側からも流体が取り込まれるため、潤滑作用をより一層行うことができる。
(5)回転側の摺動部品が正逆両方向に回転する摺動部品において、ディンプルの周方向の中心と回転中心とを結ぶ径方向の線に対して、連通溝が対称になるように配設されていることにより、回転側の摺動環が正逆両方向に回転する摺動部品において、正圧発生領域にはキャビテーション形成領域からだけでなく、高圧流体側からも流体が取り込まれるため、潤滑作用をより一層行うことができる。
(7)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、流体の漏洩を一層防止する摺動部品において、低圧流体側と高圧流体側との差圧が小さい場合に好適である。
(9)回転側の摺動部品が正逆両方向に回転する摺動部品であって、ディンプルの周方向の中心と回転中心とを結ぶ径方向の線に対して、キャビテーション形成領域及び前記正圧発生領域がそれぞれ対称になるように配設されている摺動部品において、ディンプルが設けられた摺動面の高圧流体側、又は、他方の摺動面の高圧流体側には高圧流体側と半径方向溝を介して連通するレイリーステップからなる正圧発生機構が配設され、また、低圧流体側にはディンプルが配設され、正圧発生機構とディンプルとの間に圧力開放溝が設けられ、圧力開放溝は高圧流体側と半径方向溝を介して連通されていることにより、高圧流体側に配設されたレイリーステップからなる正圧発生機構で流体膜を形成して潤滑し、低圧流体側に配設されたディンプルで密封と潤滑とを行うことができる摺動部品において、ディンプルによる密封作用を確実なものとする密封に加えて、回転側の摺動環が正逆両方向に回転する場合にも固定側の摺動環を交換することなく対応可能である。
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1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。
なお、本発明は、インサイド形式のものに限らず、摺動面の内周から外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アウトサイド形式のものにも適用できることはいうまでもない。
なお、回転環3の摺動面にディンプルが形成される場合も同じである
図2に示されたディンプル10は、上流側のキャビテーション形成領域10a及び下流側の正圧発生領域10bが、それぞれ、円弧状をなすように一定幅を有して周方向に延び、キャビテーション形成領域10a及び下流側の正圧発生領域10bが径方向において一体的に連通されてクランク状の形状をしており、また、キャビテーション形成領域10aの周方向の長さが正圧発生領域10bの周方向の長さより長く形成されている。図2のディンプル10では、キャビテーション形成領域10aの周方向の長さが正圧発生領域10bの周方向の長さより長いため、流体の吸入される量が多くなり、漏洩防止効果が大きい。
図3(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が形成されていると、該ディンプル10の下流側には狭まり隙間(段差)11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)11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。
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)12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。
上流側に位置するディンプル10の正圧発生領域10bで動圧(正圧)が発生すると、流体は正圧発生領域10bに近い高圧流体側に主として戻されるが、一部の流体は低圧流体側に漏れようとする。しかし、当該正圧発生領域10bの低圧流体側には下流側のディンプル10のキャビテーション形成領域10aが配設されているため、低圧流体側に漏洩しようとする流体は当該キャビテーション形成領域10aに吸入されるので、低圧流体側への漏洩は防止される。
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8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。
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。
なお、方向性を備えた溝30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。
なお、方向性を備えた溝30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、径方向の中央にのみ設けられてもよく、要するに、差圧などの大きさに応じて、方向性を備えた溝30を設ける部分を適宜選択すればよい。
なお、低圧流体側のディンプルとして、図4に示す実施例2のディンプルを採用してもよい。
レイリーステップ26は、狭まり段差29、上流側のグルーブ部28及び高圧流体側と連通する半径方向溝25から構成されており、レイリーステップ26とディンプル10との間には高圧流体側と半径方向溝25を介して連通された圧力開放溝27が設けられている。圧力開放溝27は、レイリーステップ26で発生した動圧(正圧)を高圧側流体の圧力まで開放することで、流体が低圧流体側のディンプル10に流入し、ディンプル10の負圧発生能力が弱まることを防止するためのものであり、高圧流体側のレイリーステップ26で発生した正圧により低圧流体側に流入しようとする流体を圧力開放溝27に導き、高圧流体側に逃す役割を果たすものである。
図16は、ディンプル10の形状が図15のものと若干相違するがその他の点では図15と同じであり、重複する説明は省略する。
図16に示すディンプル10は、上流側のキャビテーション形成領域10a及び下流側の正圧発生領域10bが、それぞれ、円弧状をなすように一定幅を有して周方向に延び、キャビテーション形成領域10a及び下流側の正圧発生領域10bが径方向において一体的に連通されてクランク状の形状をしており、また、キャビテーション形成領域10aの周方向の長さが正圧発生領域10bの周方向の長さより長く形成されている点では図15のディンプルと共通するが、図16に示すディンプル10では、キャビテーション形成領域10aと下流側の正圧発生領域10bとを内径側から外径側に向かって一体的に連通する部分が相手摺動面回転方向に傾斜している。このため、キャビテーション形成領域10aで吸入された流体の正圧発生領域10bへのポンピング効果が増大され、ポンピング機能が強化される。
図17は、ディンプル10の形状が図16のものと若干相違するがその他の点では図16と同じであり、重複する説明は省略する。
図17に示すディンプル10は、キャビテーション形成領域10aと下流側の正圧発生領域10bとを内径側から外径側に向かって一体的に連通する部分が相手摺動面回転方向に傾斜している点では図16のディンプル10と共通するが、図17に示すディンプル10では、キャビテーション形成領域10a及び正圧発生領域10b並びにこれらを一体的に連通する径方向に傾斜する部分が滑らかな円弧形状に形成されている。このため、キャビテーション形成領域10aで吸入された流体の正圧発生領域10bへのポンピング機能の強化に加えて、流体の流れが円滑になされる。
なお、低圧流体側に配設されたディンプルとして、図6に示す実施例4のディンプルを採用してもよい。
図19は、ディンプル17の形状及びレイリーステップ26、26’の枚数が図18のものと若干相違するがその他の点では図18と同じであり、重複する説明は省略する。
図19のディンプル17は、ディンプル17の周方向の中心と回転中心とを結ぶ径方向の線0−0に対して、キャビテーション形成領域17a、17a’及び正圧発生領域17b、17b’がそれぞれ対称になるように配設されている点で図18のものと共通するが、図19のディンプル17では、キャビテーション形成領域17a、17a’と下流側の正圧発生領域17b、17b’とを内径側から外径側に向かって一体的に連通する部分が相手摺動面回転方向に傾斜しており、また、キャビテーション形成領域17a、17a’及び正圧発生領域17b、17b’並びにこれらを一体的に連通する径方向に傾斜する部分が滑らかな円弧形状に形成されている。このため、キャビテーション形成領域17a、17a’で吸入された流体の正圧発生領域17b、17b’へのポンピング機能の強化に加えて、流体の流れが円滑になされる。
また、レイリーステップ26、26’は、その枚数がディンプル17の数と同じに設定され、また、各ディンプル17の位置に対応して高圧流体側に配置されている。
図20は、ディンプル17の正圧発生領域17b、17b’が摺動面Sの高圧流体側に寄って配置されている点で図19のものと相違するがその他の点では図19と同じであり、重複する説明は省略する。
図20では、ディンプル17の正圧発生領域17b、17b’は摺動面Sの高圧流体側に寄って配置されるため、各レイリーステップ26、26’はディンプル17のキャビテーション形成領域17a、17a’の範囲に対応するように周方向の長さが短く設定されると共に、圧力開放溝27も各レイリーステップ26、26’の低圧流体側を取り巻くように延び、両端において高圧流体側と連通している。各レイリーステップ26、26’の間のスペースには、ディンプル17の正圧発生領域17b、17b’が高圧流体側の近くまで延びて配設されている。このため、各レイリーステップ26、26’はディンプル17のキャビテーション形成領域17a、17a’の範囲内で高圧流体側において動圧(正圧)を発生する役割を担うが、キャビテーション形成領域17a、17a’の範囲外においては、ディンプル17の正圧発生領域17b、17b’が動圧(正圧)を発生するものである。
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
10a キャビテーション形成領域
10b 正圧発生領域
11 狭まり隙間(段差)
12 拡がり隙間(段差)
13 連通溝
15 ディンプル
15a、15a’ キャビテーション形成領域
15b、15b’ 正圧発生領域
16 連通溝
17 ディンプル
17a、17a’ キャビテーション形成領域
17b、17b’ 正圧発生領域
20 筋状の流体の流れ
25 半径方向溝
26、26’ レイリーステップ
27 圧力開放溝
28、28’ グルーブ
29、29’ 狭まり段差
30 方向性を備えた溝
40 方向性を備えた溝のエッジ部分
Claims (9)
- 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、各ディンプルの上流側のキャビテーション形成領域は低圧流体側に寄って配置されると共に下流側の正圧発生領域は高圧流体側に寄って配置され、前記各ディンプルの前記キャビテーション形成領域で低圧流体側より吸入された流体は当該ディンプル内を通って前記正圧発生領域から高圧流体側に戻されることを特徴とする摺動部品。
- 周方向において隣接する前記ディンプルにおいて、上流側に位置するディンプルの前記正圧発生領域と下流側に位置するディンプルの前記キャビテーション形成領域とが径方向において重複するように配設されていることを特徴とする請求項1記載の摺動部品。
- 前記ディンプルの前記正圧発生領域が前記ディンプルの深さ以上の連通溝により高圧流体側に連通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。
- 前記一対の摺動部品のうち、回転側の摺動部品が正逆両方向に回転する摺動部品において、前記ディンプルの周方向の中心と回転中心とを結ぶ径方向の線に対して、前記キャビテーション形成領域及び前記正圧発生領域がそれぞれ対称になるように配設されていることを特徴とする請求項1記載の摺動部品。
- 前記一対の摺動部品のうち、回転側の摺動部品が正逆両方向に回転する摺動部品において、前記ディンプルの周方向の中心と回転中心とを結ぶ径方向の線に対して、前記連通溝が対称になるように配設されていることを特徴とする請求項3記載の摺動部品。
- 前記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請求項1ないし5のいずれか1項に記載の摺動部品。
- 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6記載の摺動部品。
- 請求項1または2記載の摺動部品において、前記ディンプルが設けられた摺動面の高圧流体側、又は、他方の摺動面の高圧流体側には高圧流体側と半径方向溝を介して連通するレイリーステップからなる正圧発生機構が配設され、また、低圧流体側には前記ディンプルが配設され、前記正圧発生機構と前記ディンプルとの間に圧力開放溝が設けられ、前記圧力開放溝は高圧流体側と前記半径方向溝を介して連通されていることを特徴とする摺動部品。
- 請求項4記載の摺動部品において、前記ディンプルが設けられた摺動面の高圧流体側、又は、他方の摺動面の高圧流体側には高圧流体側と半径方向溝を介して連通するレイリーステップからなる正圧発生機構が配設され、また、低圧流体側には前記ディンプルが配設され、前記正圧発生機構と前記ディンプルとの間に圧力開放溝が設けられ、前記圧力開放溝は高圧流体側と前記半径方向溝を介して連通されていることを特徴とする摺動部品。
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