JP7275028B2 - 摺動部品 - Google Patents

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Description

本発明は、たとえば、メカニカルシール、すべり軸受、その他、摺動部に適した摺動部品に関する。特に、摺動面に流体を介在させて摩擦を低減させるとともに、摺動面から流体が漏洩するのを防止する必要のある密封環または軸受などの摺動部品に関する。
摺動部品の一例である、メカニカルシールにおいて、密封性を維持しつつ、回転中の摺動摩擦を極限まで下げることが求められている。低摩擦化の手法としては、摺動面に多様なテクスチャリングを施すことで、これらの実現を図ろうとしており、例えば、テクスチャリングのひとつとして摺動面にディンプルを配列したものが知られている。
従来、摺動面にディンプルを設ける場合、複数のディンプルを整列に配置するのが一般的である。例えば、特開2003-343741号公報(以下、「特許文献1」という。)に記載の発明は、摺動面の摩擦係数を低減すると共に、シール能力を向上させることを目的として、摺動面に境界基準線Xを境に外周側と内周側とが傾斜方向を異にする複数の細長いディンプルを規則的に整列して設け、外周側のディンプルの回転方向先端を外周側へ向かって傾斜させると共に、内周側のディンプルの回転方向先端を内周側へ向かって傾斜させるようにしたものである。
また、従来、潤滑性の向上のため、複数のディンプルをランダムに配置することも知られている。例えば、特開2001-221179号公報(以下、「特許文献2」という。)に記載の発明は、ロータリ圧縮機のシリンダの内壁と摺動するベーンの先端面及び両側端面に、複数個のディンプルをランダム配列したものである。
特開2003-343741号公報 特開2001-221179号公報
しかし、特許文献1に記載の発明は、ディンプルを整列配置していることから、漏れ側から摺動面への吸い込み効果及び被密封流体側から摺動面への流入効果が少ないため、外周側のディンプルの回転方向先端を外周側へ向かって傾斜させると共に、内周側のディンプルの回転方向先端を内周側へ向かって傾斜させるという複雑な構成をとる必要があり、また、摺動面の径方向の中心部に流体が集中するため摺動面全体を均一に潤滑することができないという問題があった。
また、特許文献2に記載の発明は、潤滑性の向上のため、複数のディンプルをランダムに配置したというに過ぎず、ディンプルの配置がどのように潤滑性能に影響しているか不明瞭であるという問題もあった。
本発明は、複数のディンプルをランダム配置する場合において、ディンプル配置と潤滑性能との関係を明らかにして、潤滑性及び密封性を向上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。
本願発明の発明者は、摺動面に複数ディンプルをランダムに配置した摺動部品において、ラテン超方格法による実験計画を用いた200ケースの配置条件の数値実験を行った結果、ディンプルの配置と潤滑特性との間には以下の関係があるという知見を得た。
相対摺動する摺動面のトルクは、ディンプル群を構成するディンプルの角度方向標準偏差σθと相関があることも判明した(スピアマン順位相関係数0.595)。図2に示すように、角度方向標準偏差σθが1より小さく、より好ましくは、0.8より小さくなると、摺動面の外周側(被密封流体側)から摺動面への流入特性を向上させ、厚い液膜によって大きなトルクが発生しにくくなる。ここで、角度方向標準偏差σθは、ランダムディンプル群を構成するディンプルの角度方向座標の標準偏差を、整列ディンプル群を構成するディンプルの角度方向座標の標準偏差によって正規化したもので、ディンプル群の角度方向の分散度合を示すものである。
本発明の摺動部品は、上記知見を利用して上記課題を解決するものである。
本発明の摺動部品は、
互いに相対摺動する摺動面を有する一対の摺動部品であって、
少なくとも一方側の前記摺動面は複数のディンプルがランダムに配設されたランダムディンプル群と、前記ランダムディンプル群を前記摺動面の周方向に分離する少なくとも一つのランド部と、を備え、
前記ランダムディンプル群は、複数の前記ディンプルが前記摺動面の内周部から外周部に亘って配設される帯状体からなり、前記一方側の前記摺動面の周方向に偏って配設されることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動面に配設されたランダムディンプル群は、上記知見に示したように摺動面の周方向に偏って配設されることによって、流体潤滑効果向上させることができる。加えて、複数のディンプルが摺動面の内周部から外周部に亘って配設され、帯状体からなるランダムディンプル群は、ランド部によって周方向に分離されるので、ランダムディンプル群内を流れる流体はランド部によってせき止められて、摺動面の内周部から外周部に亘って正の動圧が発生する効果が得られるので、ランダムディンプル群が有する流体潤滑効果を相乗的に増大して、摺動面の面荒れが防止され密封性の信頼性が向上する。ここで、流体潤滑効果とは被密封流体側から摺動面に流体を流入させ、厚い液膜を形成させることにより潤滑性を向上させる効果である。
本発明の摺動部品は、
前記ランダムディンプル群の角度方向標準偏差が1未満であることを特徴としている。
また、前記ランダムディンプル群の角度方向標準偏差が0.8未満になるように前記ディンプルが配置されることを特徴としている。
この特徴によれば、ランダムディンプル群の角度方向標準偏差を利用して、潤滑性に優れたランダムディンプルのディンプル配置を決めることができる。
本発明の摺動部品は、
前記ランド部は、前記摺動面の内周部から外周部に亘って、かつ、前記ランダムディンプル群の周方向幅より狭い周方向幅を有する平坦面であることを特徴としている。
この特徴によれば、様々な角度方向標準偏差を有するランダムディンプル群をランド部によって分離することで、厚い流体皮膜を形成するとともに、様々な回転数、温度(粘度)に適応した摺動部品とすることができる。
本発明の摺動部品は、
前記ランダムディンプル群は、前記摺動面の外周部に開口部を備えることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動面の外周部からから摺動面への流体が流入して潤滑性を向上させる効果を高めることができる。
本発明の摺動部品は、
前記ランダムディンプル群は、前記摺動面の内周部に開口部を備えることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動面の内周側に配置されたディンプルに吸い込まれ、流体が徐々に内径側から外径側へ運ばれる密封機能が得られる。
本発明の実施例1に係るメカニカルシールの一例を示す縦断面図である。 本発明の原理を説明するための説明図であり、摺動部品の摺動トルクと、角度方向標準偏差σθとの相関を示す図である。 図1のW-W矢視図であり、本発明の実施例1に係るランダムディンプル群を備える摺動部品の摺動面の一例を示すもので、角度方向標準偏差σθ=0.776の場合を示す。 図1のW-W矢視図であり、本発明の実施例1に係るランダムディンプル群を備える摺動部品の摺動面の一例を示すもので、角度方向標準偏差σθ=0.896の場合を示す。 図1のW-W矢視図であり、本発明の実施例1に係るランダムディンプル群を備える摺動部品の摺動面の一例を示すもので、角度方向標準偏差σθ=0.946の場合を示す。 図1のW-W矢視図であり、本発明の実施例2に係るランダムディンプル群及びランド部を備える摺動部品の摺動面の一例を示すもので、角度方向標準偏差σθ=0.776の場合を示す。 図1のW-W矢視図であり、本発明の実施例2に係るランダムディンプル群及びランド部を備える摺動部品の摺動面の一例を示すもので、角度方向標準偏差σθ=0.896の場合を示す。 図1のW-W矢視図であり、本発明の実施例2に係るランダムディンプル群及びランド部を備える摺動部品の摺動面の一例を示すもので、角度方向標準偏差σθ=0.946の場合を示す。
以下に図面を参照して、本発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置などは、特に明示的な記載がない限り、本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ないし図5を参照して、本発明の実施例1に係る摺動部品について説明する。
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が、これに限定されることなく、例えば、円筒状摺動面の軸方向一方側に潤滑油を密封しながら回転軸と摺動する軸受の摺動部品として利用することも可能である。
なお、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(漏れ側)として説明する。
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一方の摺動部品である円環状の回転側密封環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他方の摺動部品である円環状の固定側密封環5とが設けられ、固定側密封環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、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、回転側密封環3と固定側密封環5との互いの摺動面Sにおいて、被密封流体が回転軸1の外周側から内周側へ流出するのを防止するものである。
なお、図1では、回転側密封環3の摺動面の幅が固定側密封環5の摺動面の幅より広い場合を示しているが、これに限定されることなく、逆の場合においても本発明を適用出来ることはもちろんである。
回転側密封環3及び固定側密封環5の材質は、耐摩耗性に優れた炭化ケイ素(SiC)及び自己潤滑性に優れたカーボンなどから選定されるが、例えば、両者がSiC、あるいは、回転側密封環3がSiCであって固定側密封環5がカーボンの組合せが可能である。
相対摺動する回転側密封環3あるいは固定側密封環5の少なくともいずれか一方の摺動面には、ディンプルが配設される。
本発明において、「ディンプル」とは、平坦な摺動面Sに形成される窪みのことであり、その形状は特に限定されるものではない。例えば、くぼみの平面形状は円形、三角形、楕円形、長円形、もしくは矩形が包含され、くぼみの断面形状もお椀状、または、方形など種々の形が包含される。
本例では、固定側密封環5の摺動面Sに複数のディンプルがランダムに配置される場合について説明する。この場合、回転側密封環3にはディンプルは設けられなくても、設けられてもよい。なお、ランダム配置とは、規則性を持って配置される整列配置を除く配置の意味であり、千鳥配置は含まれない。
摺動面にディンプル群をランダムに配置することにより、潤滑と密封という相反する機能を向上させることができる。ここで、潤滑機能及び密封機能を向上させるメカニズムは次のとおりである。
相手側摺動面が相対移動すると、摺動面に形成されたディンプルの穴部には流体の粘性によって流体が吸い込まれ、穴部の上流側の部分では負圧、下流側の部分ではくさび効果によって正圧が発生する。その際、穴部の上流側の負圧部分では、液膜が破断され、液体の蒸気や気泡による空洞が形成され(キャビテーション)、負圧が打ち消される。その結果、正圧のみが残り負荷能力が発生することで、摺動面Sが持ち上がる。摺動面Sが持ち上がると、相対摺動する2つの摺動面の間隙が大きくなり、摺動面Sに潤滑性の流体が流入し、潤滑機能が得られる。
また、ディンプルに吸い込まれた流体はディンプル内で昇圧してディンプルから吐き出される。すなわちディンプル内への流体の吸込みと、ディンプルから昇圧された流体の吐出しが連続して行われる。そして複数のディンプルがランダムに配置されていると、摺動面の内周側に配置されたディンプルに吸い込まれ、そして吐き出された流体は、さらに外径側に配置されたディンプルに吸い込み、吐き出しが連続的に繰返され、流体が徐々に内径側から外径側へ運ばれる密封機能が得られる。
図3において、固定側密封環5の摺動面Sは複数の区画16(図3では36個)に等しく分けられ、それぞれの区画16に複数のディンプル10がランダムに配置されたランダムディンプル群11が配置される。ランダムディンプル群11は、複数のディンプル10が摺動面Sの内周部5a(漏れ側)から外周部5b(被密封流体側)に亘って配置され、ランダムディンプル群11の外周部13は被密封流体側に直接接触する開口部となっている。また、ランダムディンプル群11の内周部12は漏れ側に直接接触する開口部となっている。さらにランダムディンプル群11は、周方向に偏りをもって配置されている。図3において、区画16に複数のディンプル10が周方向の一方に偏って配置されているが、区画16の中央部に偏って配置されていてもよい。これにより、ディンプル10が密に配置された部分と疎に配置された部分が周方向に周期的に配設される。具体的には、ランダムディンプル群11を構成するディンプル10の角度方向標準偏差σθが1未満であるように区画16に配置され、径方向に延びる帯状体となっている。
ここで、角度方向標準偏差σθ(正規化角度方向標準偏差)は、ランダムディンプル群11を構成するディンプル10の角度方向座標の標準偏差σ11を、均一に配置された整列ディンプル群を構成するディンプルの角度方向座標の標準偏差σrによって正規化したもので、次の式1のとおりである。
角度方向標準偏差σθ=ランダムディンプル群の角度方向座標の標準偏差σ11/整列ディンプル群の角度方向座標の標準偏差σr (式1)
各ランダムディンプル群11において、角度方向標準偏差σθが1未満であるように配置されると、被密封流体側から摺動面への流体が流入して潤滑性を向上させる効果(以下「流体潤滑効果」と記す。)が高まり、摺動面Sの潤滑性が向上して大きなトルク(摺動の抵抗)の発生が防止される。また、角度方向標準偏差が0.8未満であるように配置されると、より一層、流体潤滑効果が高まって潤滑性が向上し、摺動面Sの面荒れが防止され密封性の信頼性が向上する。本発明において、角度方向標準偏差が1未満であるように配置されてなるランダムディンプル群を「潤滑形ランダムディンプル群」と呼ぶ。
図3において、ディンプル10は各区画16に単にランダムに配置されるのでなく、下記の手順にしたがってディンプル10は区画16にランダムに配置される。
(1)ディンプル10を質点系の電子とみなし、電子間に働くクーロン力によって複数のディンプル10をブロック内にソフトウェアを用いて配置する。
(2)摺動面の周方向に偏ってディンプル10が配置されるように、ソフトウェアで仮想の力を操作する。
(3)周方向に偏りを与えたディンプルの座標から、ソフトウェアを用いて、ランダムディンプル群の角度方向座標の標準偏差σ11を算出する。
(4)上記の式1に基づいて、ランダムディンプル群11の角度方向標準偏差を、整列ディンプル群の角度方向座標の標準偏差σrによって正規化した角度方向標準偏差σθが1未満か確認し、1未満であれば採用する。
(5)角度方向標準偏差σθが1より大きい場合は、上記(2)から(4)の操作を繰り返す。
ここで、整列ディンプル群の角度方向座標の標準偏差σrについて説明する。図3において、摺動面Sは36個の区画16に等しく分けられているので、区画16の中心角θcは10°であり、区画16の中心位置17からの均等位置は2.5°の位置になる。よって、36等配の場合の整列ディンプル群の角度方向座標の標準偏差σrは2.5°となる。区画16の中心角θcの大きさが10°と異なる場合でも同じ手順で整列ディンプル群の角度方向座標の標準偏差σrは計算される。
図4及び図5は、上記の手順により決定されたディンプル10のランダム配置の一例である。図4の実施例において、区画26に配置されるランダムディンプル群21の角度方向標準偏差σθは0.896であり、図5の実施例において、区画36に配置されるランダムディンプル群31の角度方向標準偏差σθは0.946である。角度方向標準偏差σθが小さいほど被密封流体側から摺動面へ流体が流入する流体潤滑効果が高まり、摺動面Sの面荒れが防止され密封性の信頼性が向上する。
なお、図3から図5のランダムディンプル群11、21、31は、ディンプル10のランダム配置の一例を示したものであり、同じ角度方向標準偏差σθであっても、異なるディンプル10のランダム配置のパターンは無数に存在する。
なお、図3の場合には、摺動面Sは36個の区画16に等しく分けられ、各ブロックにランダムディンプル群11が配設されているが、36等配に限定されることなく、ブロック数は1でもよいし、2以上の自然数に分割してもよい。
図3の36個のランダムディンプル群11はすべて同じ角度方向標準偏差σθを有するが、これに限らず、角度方向標準偏差が1より小さければ、異なる角度方向標準偏差σθを有するランダムディンプル群11を区画16に配置してもよい。図4、図5のランダムディンプル群21、31についても同じである。
また、図3から図5において、36個の区画16、26、36は、同じ中心角θcを有しているが、これに限らず異なる中心角を有する複数の区画16、26、36としてもよい。
図6から図8を参照して、本発明の実施例2に係る摺動部品について説明する。
実施例2に係る摺動部品は、ランダムディンプル群を摺動面の周方向に分離するランド部を備える点で実施例1の摺動部品と相違し、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。
図6において、固定側密封環5の摺動面Sは複数の区画46(図6では36個)に等しく分けられ、各区画46にはランダムディンプル群41とランド部45が配置される。また、各区画46に複数のディンプル10が前述の手法によって配置され、ランダムディンプル群を構成した後、ランド部を形成する様にいくつかのディンプル群を排除することでランダムディンプル群41が構成される。ランダムディンプル群41は、複数のディンプル10が摺動面Sの内周部5a(漏れ側)から外周部5b(被密封流体側)に亘って配置され、ランダムディンプル群41の外周部43は被密封流体側に直接接触する開口部となっている。また、ランダムディンプル群41の内周部42は漏れ側に直接接触する開口となっている。さらに、ランダムディンプル群41は、周方向に偏りをもって配置されており、具体的には、ランダムディンプル群41を構成するディンプル10の角度方向標準偏差σθが1未満であるように区画46に配置され、径方向に延びる帯状体となっている。また、ランド部45は、摺動面Sの内周部5a(漏れ側)から外周部5b(被密封流体側)の全長に亘って、ランダムディンプル群41の周方向幅より狭い周方向幅を有する平坦面である。このランド部45よってランダムディンプル群41は隣接する他のランダムディンプル群41と分離される。
区画46に配設されるランダムディンプル群41の角度方向標準偏差σθは0.766になるように複数のディンプル10が配置されてなる潤滑形ランダムディンプル群41から構成される。これにより、区画46の周方向の一方にランダムディンプル群41が偏って配設され、流体潤滑効果が向上して大きなトルク(摺動の抵抗)の発生が防止される。
また、隣接するランダムディンプル群41同はランド部45によって分離されるので、ランダムディンプル群41を流れる流体はランド部45によってせき止められて正の動圧が発生する効果(以下「動圧発生効果」という。)が得られ、より一層、摺動面Sの潤滑性が向上して、摺動面Sの面荒れが防止され密封性の信頼性が向上する。
図7及び図8は、ディンプル10の別のランダム配置例である。図7の実施例において、ランダムディンプル群51の角度方向標準偏差σθは0.896であり、図8の実施例において、ランダムディンプル群61の角度方向標準偏差σθは0.946である。図6から図8に示すように、角度方向標準偏差σθが小さいほどランダムディンプル群は摺動面Sの周方向の一方に偏って配設され、角度方向標準偏差σθが1より小さく、より好ましくは、0.8より小さくなると、流体潤滑効果が高まり大きなトルク(摺動の抵抗)の発生が防止される。
以上説明したように、ランダムディンプル群41、51、61は、角度方向標準偏差σθが1より小さくすることによって流体潤滑効果が高まり、摺動面Sの潤滑性が向上する。さらに、ランダムディンプル群41、51、61を流れる流体はランド部45によってせき止められて動圧発生効果が得られ、より一層、摺動面Sの潤滑性が向上して、摺動面Sの面荒れが防止され密封性の信頼性が向上する。
なお、図6、図7の実施例では、摺動面Sは36個の区画46、56に等しく分けられ、図8の実施例では、摺動面Sは24個の区画66に等しく分けられているが、これに限定されることなく、区画数は1でもよいし、2以上の自然数に分割してもよい。
また、図6の実施例においては、36個のランダムディンプル群41はすべて同じ角度方向標準偏差σθを有するが、これに限らない。たとえば、角度方向標準偏差が1より小さければ、異なる角度方向標準偏差σθを有するランダムディンプル群41を摺動面の周方向に配置してもよい。図7、図8のランダムディンプル群51、61についても同じである。
さらに、図6から図8において、区画46、56、66は、それぞれ同じ中心角θcを有しているが、これに限らず区画46、56、66は、それぞれ異なる複数の中心角θcを有するように形成してもよい。
以上、本発明の実施の形態を実施例により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例の形態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。
例えば、実施例1及び実施例2では、摺動部品をメカニカルシール装置における一対の回転用密封環及び固定用密封環の少なくともいずれか一方に用いる例について説明したが、円筒状摺動面の軸方向一方側に潤滑油を密封しながら回転軸と摺動する軸受の摺動部品として利用することも可能である。
また、実施例1及び実施例2において、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(漏れ側)として説明しているが、本発明はこれに限定されることなく、摺動部品の外周側を低圧流体側(漏れ側)、内周側を高圧流体側(被密封流体側)の場合にも適用可能である。
1 回転軸
2 スリーブ
3 回転側密封環
4 ハウジング
5 固定側密封環
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
11 ランダムディンプル群
16 区画
17 区画の中心位置
21 ランダムディンプル群
26 区画
31 ランダムディンプル群
36 区画
41 ランダムディンプル群
45 ランド部
46 区画
51 ランダムディンプル群
55 ランド部
56 区画
61 ランダムディンプル群
66 区画
S 摺動面

Claims (6)

  1. 互いに相対摺動する摺動面を有する一対の摺動部品であって、
    少なくとも一方側の前記摺動面は複数のディンプルがランダムに配設されたランダムディンプル群と、前記ランダムディンプル群を前記摺動面の周方向に分離する少なくとも一つのランド部と、を備え、
    前記ランダムディンプル群は、複数の前記ディンプルが前記摺動面の最も内周側の端部から最も外周側の端部に亘って配設される帯状体からなり、
    前記ランダムディンプル群の周方向一方側の端部から、周方向他方側に隣り合う前記ランダムディンプル群の周方向一方側の端部までの領域において、
    前記領域の中心位置を挟んで前記周方向一方側にも前記周方向他方側にも前記ディンプルが配設されるとともに、前記領域の中心位置を挟んで前記周方向一方側に偏って前記ディンプルが配設されることを特徴とする摺動部品。
  2. 前記領域における前記ランダムディンプル群の角度方向標準偏差が1未満であることを特徴とする請求項1に記載の摺動部品。
  3. 前記領域における前記ランダムディンプル群の角度方向標準偏差が0.8未満であることを特徴とする請求項1に記載の摺動部品。
  4. 前記ランド部は、前記摺動面の内周部から外周部に亘って、かつ、前記ランダムディンプル群の周方向幅より狭い周方向幅を有する平坦面であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の摺動部品。
  5. 前記ランダムディンプル群は、前記摺動面の外周部に開口部を備えることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の摺動部品。
  6. 前記ランダムディンプル群は、前記摺動面の内周部に開口部を備えることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の摺動部品。
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