JP6345695B2 - 摺動部品 - Google Patents
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Description
そのような中で、本出願人は、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、密封と潤滑とを両立させることのできる摺動部品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)。
詳述すると、摺動部品の一例であるメカニカルシールの密封性は、おおむね高圧流体側と低圧流体側との差圧及び摺動面の隙間により決定されるものであり、上記従来技術では低圧流体圧力よりも、摺動面上に設けられた逆レイリーステップ機構23のグルーブ部23a内の圧力を低くすることで、グルーブ部23aの内周側の一部25(破線で囲まれた部分)の圧力勾配を逆転させて負圧領域とし、グルーブ部23aの設けられている領域において低圧流体側に漏れようとする流体及びグルーブ部23aの設けられていない領域26(二点鎖線で囲まれた正圧領域)から漏れようとする流体を吸い込むことで密封性を向上させている。
一方、メカニカルシールとしての密封性は、摺動面内周の円周上のグルーブ部23aからなる負圧領域が多ければ多いほど向上する。
よって、上記の従来技術において、逆レイリーステップ機構23のグルーブ部23aの負圧が十分発生するようにするにはランド幅b(正圧領域)を一定程度確保する必要があり、グルーブ部23aからなる負圧領域を設ける範囲が制限されるため、密封限界が決定されるという問題があった。
この特徴によれば、ランド部の周方向の長さbの相対的に大きい部分で十分な負圧を得ると共に、ランド部の周方向の長さbの相対的に小さい部分を存在させることにより、負圧発生機構である逆レイリーステップ機構の負圧発生力を小さくすることなく、負圧発生溝の設けられていない領域、すなわり、正圧領域であるランド幅を小さくすることができ、密封性を向上させることができる。
この特徴によれば、周速の大きい外径側のランド部の周方向の長さbが大きいため大きな負圧を得ることができると共に、内径側において負圧発生溝の設けられていない領域を小さくすることができるため、より一層、密封性を向上させることができる。
この特徴によれば、逆レイリーステップ機構の負圧発生溝の内径側の圧力が外径側の圧力に近くなり、逆レイリーステップ機構の負圧発生力が小さくならないため、摺動面の密封機能を向上させることができる。
この特徴によれば、外径側において負圧発生溝の設けられていないランド部の領域がほぼ扇状に確保できるため、この部分に、例えば、正圧発生機構であるレイリーステップなどを設けることができ、設計の自由度を増大させることができる。
この特徴によれば、負圧発生力を小さくすることなく、負圧発生溝の設けられていない領域を小さくすることができ、密封性を向上させることができることに加えて、流体循環溝により、積極的に高圧流体側から被密封流体が摺動面上に導入されると共に排出されるため、摺動面における腐食生成物などを含む流体が濃縮されることが防止される。
また、正圧発生機構により、摺動面に正圧(動圧)が発生されるため、摺動面間の流体膜が増加され、潤滑性能が向上される。
(1)負圧発生溝の周方向の長さaと負圧発生溝の上流側端部と深溝の間のランド部の周方向の長さbとの比率x=b/aは径方向において異なるように設定されていることにより、ランド部の周方向の長さbの相対的に大きい部分で十分な負圧を得ると共に、ランド部の周方向の長さbの相対的に小さい部分を存在させることにより、負圧発生機構である逆レイリーステップ機構の負圧発生力を小さくすることなく、負圧発生溝の設けられていない領域、すなわり、正圧領域であるランド幅を小さくすることができ、密封性を向上させることができる。
また、正圧発生機構により、摺動面に正圧(動圧)が発生されるため、摺動面間の流体膜が増加され、潤滑性能が向上される。
なお、以下の実施例においては、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高圧流体側(被密封流体側)、内周側を低圧流体側(大気側)として説明するが、本発明はこれに限定されることなく、高圧流体側と低圧流体側とが逆の場合も適用可能である。
なお、回転環3の摺動面に本発明が適用された場合も基本的には同様であるが、その場合、深溝は高圧流体側(被密封流体側)に連通すればよいため、摺動面の外周側まで設けられる必要はない。
なお、負圧発生溝10aの上流側端部10bは逆レイリーステップを構成するものであり、以下において、上流側端部を逆レイリーステップということがある。
一方、メカニカルシールとしての密封性は、逆レイリーステップ機構10の負圧発生溝10aからなる負圧領域が多ければ多いほど向上する。
具体的には、負圧発生溝10aの上流側端部10bの形状が、半径線rを基準にして、内径側から外径側に向かって下流側の方向に傾斜するように設定されている。このため、内径側においては外径側に対して、負圧発生溝10aの周方向の長さaが大きく、負圧発生溝10aの上流側端部10bと深溝11の間のランド部Rの周方向の長さbが小さくなり、比率xは、内径側が小さく外径側が大きくなっている。
なお、負圧発生溝10aの上流側端部10bの傾斜態様は、直線的あるいは曲線的のいずれでもよいが、比率xは徐々に変化するように設定されている。
比率xが徐々に変化するように設定されていると、逆レイリーステップ機構10の負圧発生溝10aの内径側の圧力が外径側の圧力に近くなり、逆レイリーステップ機構の負圧発生力が小さくならないため、摺動面の密封機能を向上させることができる。
逆に、図2における外径側と同じ状態で比率xを設定した場合、負圧発生力は大きくなるが、負圧発生溝10aからなる負圧領域が小さくなり、負圧発生溝10aの設けられていない領域13が大きくなるため、低圧流体側に漏れようとする流体が増大し、密封性が低下する。
これに対して、本実施例のように、比率x=b/aが径方向において異なるように設定されていると、負圧発生力を小さくすることなく、負圧発生溝10aの設けられていない領域13を小さくすることができ、密封性を向上させることができる。
特に、内径側において外径側に対して、負圧発生溝10aの周方向の長さaを大きく、負圧発生溝10aの上流側端部10bと深溝11の間のランド部Rの周方向の長さbを小さくした場合、周速の大きい外径側のランド部Rの周方向の長さbが大きいため大きな負圧を得ることができると共に、内径側において負圧発生溝10aの設けられていない領域13を小さくすることができるため、より一層、密封性を向上させることができる。
実施例2に係る摺動部品は、負圧発生溝10aの上流側端部10bの形状がステップ状に変化するように設定されている点で実施例1の摺動部品と相違するが、その他の基本構成は実施例1と同じであり、同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
具体的には、負圧発生溝10aの上流側端部10bの形状が、内径側においては、負圧発生溝10aの周方向の長さa1が大きく、負圧発生溝10aの上流側端部10bと深溝11の間のランド部Rの周方向の長さb1が小さく設定され、外径側においては負圧発生溝10aの周方向の長さa2が小さく、負圧発生溝10aの上流側端部10bと深溝11の間のランド部Rの周方向の長さb2が大きく設定されている。このため、内径側においては外径側よりも、負圧発生溝10aの周方向の長さと負圧発生溝10aの上流側端部10bと深溝11の間のランド部Rの周方向の長さbとの比率xは、内径側の比率x=b1/a1が小さく外径側の比率x=b2/a2が大きくなっている。
比率xがステップ状に変化するように設定されていると、外径側において負圧発生溝の10aの設けられていないランド部Rの領域がほぼ扇状に確保できるため、この部分に、例えば、正圧発生機構であるレイリーステップなどを設けることができ、設計の自由度を増大させることができる。
逆に、図3における外径側と同じ状態で比率xを設定した場合、負圧発生力は大きくなるが、負圧発生溝10aからなる負圧領域が小さくなり、負圧発生溝10aの設けられていない領域13が大きくなるため、低圧流体側に漏れようとする流体が増大し、密封性が低下する。
これに対して、本実施例のように、比率x=b/aが径方向において異なるように設定されていると、負圧発生力を小さくすることなく、負圧発生溝10aの設けられていない領域13を小さくすることができ、密封性を向上させることができる。
特に、内径側において外径側に対して、負圧発生溝10aの周方向の長さa1を大きく、負圧発生溝10aの上流側端部10bと深溝11の間のランド部Rの周方向の長さb1を小さくした場合、周速の大きい外径側のランド部Rの周方向の長さb2が大きいため大きな負圧を得ることができると共に、内径側において負圧発生溝10aの設けられていない領域13を小さくすることができるため、より一層、密封性を向上させることができる。
実施例2に係る摺動部品は、流体循環溝15及び正圧発生機構であるレイリーステップ機構16が周方向に複数等配で設けられ、負圧発生機構である逆レイリーステップ機構が流体循環溝の間の摺動面に設けられている点で実施例1の摺動部品と相違するが、その他の基本構成は実施例1と同じであり、同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
正圧発生溝16aは流体循環溝15の入口部に連通し、出口部15b及び連通部15c並びに高圧流体側とはランド部Rにより隔離されている。
本例では、正圧発生機構16は、流体循環溝15の入口部15aに連通する正圧発生溝16a及びレイリーステップ16bを備えたレイリーステップ機構から構成されるが、これに限定されることなく、例えば、ダム付きフェムト溝で構成してもよく、要は、正圧を発生する機構であればよい。
なお、レイリーステップ機構及び逆レイリーステップ機構については、後に、詳しく説明する。
なお、負圧発生溝17aの上流側端部17bの傾斜態様は、直線的あるいは曲線的であって比率xが徐々に変化するようにしてもよく、また、ステップ状に急激に変化するようにしてもよい。
また、正圧発生機構16により、摺動面に正圧(動圧)が発生されるため、摺動面間の流体膜が増加され、潤滑性能が向上される。
図5(a)において、相対する摺動部品である回転環3、及び、固定環5が矢印で示すように相対摺動する。例えば、固定環5の摺動面には、相対的移動方向と垂直かつ上流側に面してレイリーステップ16bが形成され、該レイリーステップ16bの上流側には正圧発生溝である負圧発生溝16aが形成されている。相対する回転環3及び固定環5の摺動面は平坦である。
回転環3及び固定環5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または固定環5の移動方向に追随移動しようとするため、その際、レイリーステップ16aの存在によって破線で示すような正圧(動圧)を発生する。
なお、15a、15bは流体循環溝15の入口部、出口部を、また、Rは摺動面S(シール面)を構成するランド部を示す。
回転環3及び固定環5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または固定環5の移動方向に追随移動しようとするため、その際、逆レイリーステップ10b(17b)の存在によって破線で示すような負圧(動圧)を発生する。
なお、11は深溝を、また、15a、15bは流体循環溝15の入口部、出口部を、さらに、Rは摺動面S(シール面)を構成するランド部を示す。
また、例えば、一方の摺動環に負圧発生機構である逆レイリーステップを、他方の摺動環に正圧発生機構であるレイリーステップを設け、流体循環溝をいずれかの摺動環に設けるようにしてもよい。
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 逆レイリーステップ機構
10a 負圧発生溝
10b 負圧発生溝の上流側端部
10c 負圧発生溝の下流側端部
11 深溝
12 負圧発生溝の内周側の一部
13 負圧発生溝の設けられていない領域
15 流体循環溝
15a 流体循環溝の入口部
15b 流体循環溝の出口部
15c 流体循環溝の連通部
16 正圧発生機構(レイリーステップ機構)
16a 正圧発生溝
16b レイリーステップ
17 負圧発生機構(逆レイリーステップ機構)
17a 負圧発生溝
17b 逆レイリーステップ
S 摺動面(シール面)
R ランド部
r、r1 半径線
a、a1、a2 負圧発生溝の周方向の長さ
b、b1、b2,b3 負圧発生溝の上流側端部と深溝又は流体循環溝の出口部との間のランド部の周方向の長さ
x b/aで表される比率
Claims (8)
- 一対の環状体からなる摺動部品の互いに相対摺動する摺動面の少なくとも一方側には、負圧発生機構である逆レイリーステップ機構が設けられ、前記逆レイリーステップ機構を構成する負圧発生溝は高圧流体側及び低圧流体側とはランド部により隔離されるようにして前記摺動面の周方向に沿って円弧状に設けられ、前記負圧発生溝の上流側端部と下流側端部とはランド部によって隔離されると共に下流側端部は深溝を介して高圧流体側に連通されており、前記負圧発生溝の周方向の長さaと前記負圧発生溝の上流側端部と前記深溝の間のランド部の周方向の長さbとの比率x=b/aは径方向において異なるように設定されることを特徴とする摺動部品。
- 前記負圧発生溝の上流側端部と前記深溝の間のランド部の前記周方向の長さbが、内径側においては外径側に対して、小さくなることを特徴とする請求項1に記載の摺動部品。
- 前記摺動部品の外周側が高圧流体側であり、内周側が低圧流体側であることを特徴とする請求項1又は2に記載の摺動部品。
- 前記摺動部品の内周側が高圧流体側であり、外周側が低圧流体側であることを特徴とする請求項1又は2に記載の摺動部品。
- 前記比率xは、内径側が小さく外径側が大きくなるように設定されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の摺動部品。
- 前記比率xは、徐々に変化するように設定されることを特徴とする請求項5に記載の摺動部品。
- 前記比率xは、ステップ状に変化するように設定されることを特徴とする請求項5に記載の摺動部品。
- 一対の環状体からなる摺動部品の互いに相対摺動する摺動面の少なくとも一方側には、高圧流体側から入る入口部、高圧流体側に抜ける出口部、及び、前記入口部及び前記出口部とを連通する連通部から構成される流体循環溝が設けられ、前記流体循環溝は低圧流体側とはランド部により隔離されると共に前記摺動面の周方向にランド部で隔離されて複数設けられており、前記流体循環溝と高圧流体側とで囲まれる部分には正圧発生機構が設けられ、前記複数の流体循環溝の間には負圧発生機構である逆レイリーステップ機構が設けられ、前記逆レイリーステップ機構を構成する負圧発生溝は高圧流体側及び低圧流体側とはランド部により隔離されるようにして前記摺動面の周方向に沿って円弧状に設けられ、前記負圧発生溝の上流側端部と下流側端部とはランド部によって隔離されると共に下流側端部は前記流体循環溝の入口部を介して高圧流体側に連通されており、前記負圧発生溝の上流側端部と前記流体循環溝の出口部の間のランド部の周方向の長さは内径側が小さく外径側が大きくなるように設定されていることを特徴とする摺動部品。
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