JP7404351B2 - 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回転機械の回転軸を軸封する軸封装置に用いられる摺動部品、または自動車、一般産業機械、あるいはその他の軸受分野の機械の軸受に用いられる摺動部品に関する。
被密封液体の漏れを防止する軸封装置として例えばメカニカルシールは相対回転し摺動面同士が摺動する一対の環状の摺動部品を備えている。このようなメカニカルシールにおいて、近年においては環境対策等のために摺動により失われるエネルギーの低減が望まれており、摺動部品の摺動面に高圧の被密封液体側に連通するとともに摺動面において一端が閉塞する正圧発生溝を設けているものがある。
例えば、特許文献１に示されるメカニカルシールは、一方の摺動部品の摺動面において、大気側に向かいながら回転方向の下流側に傾斜して延設し、被密封流体側に連通する開口部を有する正圧発生溝が周方向に沿って複数配置されている。これによれば、摺動部品の相対回転時には、正圧発生溝に被密封液体が導入され、正圧発生溝の下流側の最先端に位置する最先端部に被密封液体が集中して正圧が発生し、摺動面間に液膜が生成されるとともに摺動面同士が僅かに離間することで、潤滑性が向上し低摩擦化を実現している。
また、特許文献２に示されるメカニカルシールは、一方の摺動部品の摺動面において、回転方向の下流側に尖部の向いたＶ字状を成すＶ字溝が周方向に亘って複数配置されている。このＶ字溝を構成する２辺のうち被密封液体側に連通する１辺は正圧発生溝として機能し、またＶ字溝の２辺が交差する尖部は相対回転方向の下流側の最先端部に位置している。これによれば、特許文献１と同様に、Ｖ字溝の尖部に被密封液体が集中することにより、被密封液体の液膜が形成されて潤滑性が向上する。
特開平５－１６４２４９号公報（第４頁、第２，３図） 米国特許第６，１５２，４５２号明細書（第１４頁、ＦＩＧ．８）
しかしながら、特許文献１にあっては、摺動面の周方向に沿って配置される複数の正圧発生溝の最先端部は、径方向に同じ位置にあり、すなわち複数の最先端部は、全て同一の円周上に並んでいる。同様に、特許文献２にあっては、摺動面の周方向に沿って配置される複数のＶ字溝の尖部は、全て同一の円周上に並んでいる。したがって、特許文献１，２にあっては、同一の円周上に複数並ぶ最先端部や尖部を中心に正圧が発生することで、摺動面の径方向の圧力勾配が大きくなり、摺動面の広い領域で均一に液膜を形成し難くなるため、結果として摺動面の全面に高い潤滑性を得られず、摺動面は貧潤滑状態になる虞があった。加えて、特許文献２にあっては、被密封液体の液膜が同一の円周上に複数並ぶ尖部を中心に形成されることで、摺動部品の相対回転時に被密封液体側の被密封液体と漏れ側の大気との気液界面が径方向の特定の狭い範囲に固定される問題がある。
本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、摺動面の全面に亘り高い潤滑性を得ることのできる摺動部品を提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明の摺動部品は、
回転機械の相対回転する箇所に配置される環状の摺動部品であって、
前記摺動部品の摺動面には、前記摺動部品の相対回転時に被密封流体側の被密封流体が導入されて正圧を発生する正圧発生溝が周方向に複数並設されており、それぞれの前記正圧発生溝は、相対回転方向の下流側の最先端に最先端部を有し、周方向に複数並設された前記最先端部の少なくとも一部は、径方向に各々異なる位置に配置されている。
これによれば、摺動部品の相対回転時には、被密封流体が各正圧発生溝の相対回転方向の下流側に流れ最先端部に集中し正圧が発生する。それぞれの正圧発生溝の最先端部の少なくとも一部は径方向に各々異なる位置に配置されているので、摺動面においては、正圧は周方向に沿って径方向の異なる位置で発生し、摺動面における径方向の圧力勾配が小さくなるため、摺動面の広い領域で均一に液膜が形成され易い。そのため、摺動面の被密封流体による潤滑性が良好となる。
複数並設された前記最先端部は、周方向に沿って規則的に配置されていてもよい。
これによれば、摺動部品の相対回転時に被密封流体の流体膜が規則的に配置された位置に形成されるため、潤滑性が良好となる。
複数並設された前記最先端部は、周方向に沿って径方向の位置が漸次変化し、波形状に配置されていてもよい。
これによれば、摺動部品の相対回転時に被密封流体の流体膜が波形状に形成されるため、潤滑性が良好となる。
前記正圧発生溝は、被密封流体側に連通する開口部を有していてもよい。
これによれば、摺動部品の相対回転時には、正圧発生溝の開口部において被密封流体が被密封流体側から導入されやすくなるため、最先端部にて被密封流体の流体膜が形成されやすくなり、摺動面の潤滑性が良好となる。
前記正圧発生溝は、漏れ側に向かいながら相対回転方向の下流側に傾斜して延設されており、
前記正圧発生溝には、前記正圧発生溝の漏れ側端部から連続して漏れ側に向かいながら相対回転方向の上流側に傾斜して延設する負圧発生溝が設けられていてもよい。
これによれば、摺動部品の相対回転時には、最先端部で形成された被密封流体の流体膜を相対的に負圧となっている負圧発生溝が吸い込むため、被密封流体の漏れ側への漏れを防止し、摺動部品の密封性を向上できる。
前記摺動面の前記負圧発生溝よりも漏れ側には、周方向に亘って延びるランドが設けられていてもよい。
これによれば、負圧発生溝の漏れ側端部はランドにより閉塞されているため、摺動部品の静止時には、被密封流体の漏れ側への漏れを防止できる。
前記負圧発生溝より漏れ側の前記ランドは、周方向に亘って径方向の幅が一定であってもよい。
これによれば、負圧発生溝の漏れ側端部の径方向の位置が周方向に亘って一定であるため、製造しやすい。
複数並設された前記最先端部と、前記正圧発生溝と前記負圧発生溝とが交差する相対回転方向の上流側の屈曲部とは、周方向に沿って径方向の位置が漸次変化し、波形状に配置されていてもよい。
これによれば、波形状の仮想曲線上に最先端部と屈曲部とが配置されるため、製造しやすい。
前記摺動面には、前記正圧発生溝よりも漏れ側において前記正圧発生溝とは独立し、前記回転機械の相対回転時に前記正圧発生溝よりも漏れ側の流体が導入されて正圧を発生する第２正圧発生溝が設けられており、前記第２正圧発生溝は相対回転方向の下流側の最先端に第２最先端部を備えていてもよい。
これによれば、摺動部品の相対回転時に漏れ側の流体が第２正圧発生溝の相対回転方向の下流側に流れ第２最先端部に集中し正圧が発生するため、被密封流体側から第２最先端部近傍に接近する被密封流体を弾き返し、被密封流体の漏れ側への漏洩を防ぐことができる。
前記第２正圧発生溝は、前記正圧発生溝の数及び位置に対応して配置されていてもよい。
これによれば、正圧発生溝の数及び位置にそろえて第２正圧発生溝を加工することができ、製造しやすい。
前記正圧発生溝と前記第２正圧発生溝との径方向の間に周方向に亘って延びるランドが備えられていてもよい。
これによれば、正圧発生溝と第２正圧発生溝とを離間させることができ、相対回転時における両者の機能を明確化できる。
前記正圧発生溝と前記第２正圧発生溝との径方向の間に備えられている前記ランドの径方向の幅は、周方向に亘って一定であってもよい。
これによれば、第２最先端部が最先端部から一定寸法漏れ側に離間しており、周方向において異なる径の長さの位置で相対回転時に正圧の発生した第２最先端部が配置されることから、相対回転時に最先端部で発生した流体膜から流れる被密封流体が漏れ側に進入するのを防止できる。
複数並設された前記最先端部と、前記正圧発生溝の漏れ側端部の相対回転方向の上流側に位置する隅部とは、周方向に沿って径方向の位置が漸次変化し、波形状に配置されていてもよい。
これによれば、波形状の仮想曲線上に最先端部と隅部とが配置されるため、製造しやすい。
本発明の実施例１におけるメカニカルシールの一例を示す縦断面図である。 静止密封環の摺動面を軸方向から見た図である。 相対回転中の静止密封環の摺動面における要部拡大図である。 本発明の実施例２における静止密封環の摺動面を軸方向から見た図である。 相対回転中の静止密封環の摺動面における要部拡大図である。 本発明の変形例１を示す説明図である。 本発明の変形例２を示す説明図である。 本発明の実施例３における静止密封環の摺動面を軸方向から見た図である。 相対回転中の静止密封環の摺動面における要部拡大図である。 相対回転中の静止密封環の摺動面において第２正圧発生に被密封液体が進入した際の要部拡大図である。 本発明の変形例３を示す説明図である。
本発明に係る摺動部品を実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。
実施例１に係る摺動部品につき、図１から図３を参照して説明する。尚、本実施例においては、摺動部品がメカニカルシールである形態を例に挙げ説明する。また、メカニカルシールを構成する摺動部品の外径側を被密封液体側（高圧側）、内径側を大気側（漏れ側、低圧側）として説明する。尚、これに限らず、被密封液体側が低圧側で、漏れ側が高圧側であってもよいし、また被密封流体は、液体に限らず気体でもよく、例えば大気であっても構わない。また、説明の便宜上、図面において、摺動面に形成される溝等にドットを付すことがある。
図１に示される一般産業機械用のメカニカルシールは、摺動面の被密封液体側から大気側に向かって漏れようとする被密封液体Ｆを密封するインサイド形のものであって、回転軸１にスリーブ２を介して回転軸１と共に回転可能な状態で設けられた円環状の摺動部品である回転密封環２０と、被取付機器のハウジング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摺動部品としての円環状の静止密封環１０と、から主に構成され、ベローズ７によって静止密封環１０が軸方向に付勢されることにより、静止密封環１０の摺動面１１と回転密封環２０の摺動面２１とが互いに密接摺動するようになっている。尚、回転密封環２０の摺動面２１は平坦面を成すものでも、凹み部が設けられているものでもよい。
静止密封環１０及び回転密封環２０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、これに限らず、摺動材料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であれば適用可能である。尚、ＳｉＣとしては、ボロン、アルミニウム、カーボン等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等があり、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、焼結カーボン等が利用できる。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）、複合材料等も適用可能である。
図２に示されるように、静止密封環１０に対して回転密封環２０が矢印で示すように相対摺動するようになっており、静止密封環１０の摺動面１１には複数の動圧発生機構１４が静止密封環１０の周方向に沿って均等に配設されている。摺動面１１の動圧発生機構１４以外の部分は平端面を成すランド１２となっている。
次に、動圧発生機構１４の概略について図２，図３に基づいて説明する。尚、以下、静止密封環１０及び回転密封環２０が相対的に回転したときに、図３の紙面左側を被密封液体Ｆの下流側とし、図３の紙面右側を被密封液体Ｆの上流側として説明する。
動圧発生機構１４は、被密封液体側に開放して連通する開口部１５ａを備え、大気側に向かいながら下流側に傾斜して、漏れ側端部として閉塞した大気側端部９ｂまで直線状に凹設された正圧発生溝１５を有しており、該大気側端部９ｂの下流側の最先端には最先端部９ａが配置されている。正圧発生溝１５よりも大気側にはランド１２が備えられているため、回転密封環２０の静止時には、被密封液体Ｆの大気側への漏れを防止できる。また、複数並設された正圧発生溝１５の各最先端部９ａは、周方向に沿って径方向の位置が漸次変化しており、周方向に亘り正弦波形状の滑らかで且つ連続した仮想曲線Ｃ上に配置されている。尚、本実施例に限られず、特に図示しないが、最先端部９ａに加え、正圧発生溝１５の大気側端部９ｂの上流側に位置する隅部９ｃが、仮想曲線Ｃ上に配置されていてもよい。さらに尚、仮想曲線Ｃは周期性を有しているが、これに限らず周期性を有していなくてもよい。
尚、複数の正圧発生溝１５は、それぞれの開口部１５ａが周方向に沿って均等に配置され、且つそれぞれの正圧発生溝１５の傾斜角度が異なるように設けられているため、狭い領域で複数の正圧発生溝１５の並設が可能となっているが、これに限らず、それぞれの開口部１５ａが周方向に沿って不均等に配置され、且つそれぞれの正圧発生溝１５の傾斜角度が一定となるように設けられていてもよい。
次いで、静止密封環１０と回転密封環２０との相対回転時の動作について説明する。まず、回転密封環２０が回転していない一般産業機械の非稼動時には、摺動面１１，２１間には摺動面１１，２１よりも被密封液体側の被密封液体Ｆが毛細管現象によって僅かに進入しているとともに、動圧発生機構１４は正圧発生溝１５の開口部１５ａから流入した被密封液体Ｆによって満たされている。尚、被密封液体Ｆは気体と比べ粘度が高いため、一般産業機械の停止時に動圧発生機構１４から大気側に漏れ出す量は極めて少ない。
次に、図３に示されるように、回転密封環２０が静止密封環１０に対して回転すると、被密封液体側の被密封液体Ｆが矢印Ｈ１に示すように正圧発生溝１５の開口部１５ａから最先端部９ａに向かって導入される流れが生じるため、正圧発生溝１５内に動圧が発生するようになる。尚、正圧発生溝１５の内部は上流側である開口部１５ａ側から下流側の最先端部９ａに向かうにつれて漸次正圧が高まるようになっている。
すなわち、正圧発生溝１５の下流側最先端に位置する最先端部９ａ近傍が最も圧力が高くなり、摺動面１１，２１同士が離間するとともに、被密封液体Ｆは矢印Ｈ２に示すように最先端部９ａ近傍からその周辺の摺動面１１，２１間に流出することで、摺動面１１，２１間における被密封液体側に被密封液体Ｆの液膜が形成される。これによれば、複数の正圧発生溝１５の最先端部９ａ近傍で被密封液体Ｆの液膜が形成されるため、摺動面１１，２１間においていわゆる流体潤滑を成し、潤滑性が向上し、低摩擦化を実現している。尚、正圧発生溝１５の最先端部９ａ以外の箇所から下流側に僅かに被密封液体Ｆが流出している。
また、複数の最先端部９ａは上述の通り正弦波形状の仮想曲線Ｃ上に配置されていることから、回転密封環２０の相対回転時に摺動面１１においては、正圧は周方向に沿って径方向の異なる位置で発生し、摺動面１１における径方向の圧力勾配が小さくなるため、摺動面１１の広い領域で略均一に液膜が形成され易い。そのため、摺動面１１の被密封液体Ｆによる潤滑性が良好となる。
また、上述したように正圧発生溝１５からランド１２に流出した被密封液体Ｆは、矢印Ｈ３に示すように、当該正圧発生溝１５よりも下流側に並設される別の正圧発生溝１５に流入することで、正圧発生溝１５内の圧力を安定させることができる。
以上のように、周方向に複数並設された最先端部９ａの少なくとも一部は、径方向に各々異なる位置に配置されていることから、回転密封環２０の相対回転時には、被密封液体Ｆが各正圧発生溝１５の相対回転方向の下流側に流れ最先端部９ａに集中し正圧が発生する。それぞれの正圧発生溝１５の最先端部９ａの少なくとも一部は径方向に各々異なる位置に配置されているので、摺動面１１においては、正圧は周方向に沿って径方向の異なる位置で発生し、摺動面１１における径方向の圧力勾配が小さくなるため、摺動面１１の広い領域で略均一に液膜を形成し易い。そのため、摺動面１１の被密封液体Ｆによる潤滑性が良好となる。
また、複数並設された最先端部９ａは、周方向に沿って規則的に配置されていることから、回転密封環２０の相対回転時に被密封液体Ｆの流体膜が規則的に配置された位置に形成されるため、潤滑性が良好となる。
また、複数並設された最先端部９ａは、周方向に沿って径方向の位置が漸次変化し、波形状に配置されていることから、回転密封環２０の相対回転時に被密封液体Ｆの液膜が波形状に形成されるため、潤滑性が良好となる。
また、正圧発生溝１５は、被密封液体側に連通する開口部１５ａを有していることから、回転密封環２０の相対回転時には、正圧発生溝１５の最先端部９ａにおいて被密封液体Ｆが被密封液体側から導入されやすくなるため、最先端部９ａにて被密封液体Ｆの液膜が形成されやすくなり、摺動面１１の潤滑性が良好となる。
次に、実施例２に係る摺動部品につき、図４から図７を参照して説明する。尚、前記実施例１と同一構成で重複する構成の説明を省略する。
図４，図５に示されるように、静止密封環１０１の摺動面１１には、下流方向に尖部の向いたＶ字形状を成す動圧発生機構１４１が静止密封環１０１の周方向に均等に複数配設されている。動圧発生機構１４１は、Ｖ字形状を構成する２辺のうち被密封液体側に開放して連通する１辺は、大気側に向かいながら下流側に傾斜して直線状に凹設された正圧発生溝１５に相当し、この正圧発生溝１５に連続する他方の１辺は、大気側に向かいながら上流側に傾斜して、漏れ側端部として閉塞した大気側端部１７１ａまで直線状に凹設された負圧発生溝１７１に相当し、またこれらＶ字形状の２辺が交差する尖部は最先端部９ａに相当する。また、複数並設された正圧発生溝１５の各最先端部９ａは、周方向に沿って径方向の位置が漸次変化しており、周方向に亘り正弦波形状の滑らかで且つ連続した仮想曲線Ｃ上に配置されている。
次いで、回転密封環２０の相対回転時の動作について説明する。まず、回転密封環２０が回転していない一般産業機械の非稼動時には、摺動面１１，２１間には摺動面１１，２１よりも被密封液体側の被密封液体Ｆが毛細管現象によって僅かに進入しているとともに、動圧発生機構１４１には正圧発生溝１５の開口部１５ａから流入した被密封液体Ｆによって満たされている。尚、被密封液体Ｆは気体と比べ粘度が高いため、一般産業機械の停止時に動圧発生機構１４１から大気側に漏れ出す量は極めて少ない。
次に、図５に示されるように、回転密封環２０が静止密封環１０１に対して回転すると、被密封液体側の被密封液体Ｆが矢印Ｈ１に示すように正圧発生溝１５の開口部１５ａから最先端部９ａに向かって導入される流れが生じるため、正圧発生溝１５内に動圧が発生するようになる。尚、正圧発生溝１５の内部は上流側である開口部１５ａ側から下流側の最先端部９ａに向かうにつれて漸次正圧が高まるようになっている。
すなわち、正圧発生溝１５の下流側最先端に位置する最先端部９ａ近傍が最も圧力が高くなり、摺動面１１，２１同士が離間するとともに、被密封液体Ｆは矢印Ｈ２に示すように最先端部９ａ近傍からその周辺の摺動面１１，２１間に流出することで、摺動面１１，２１間における被密封液体側に被密封液体Ｆの液膜が形成される。これによれば、複数の正圧発生溝１５の最先端部９ａ近傍で被密封液体Ｆの液膜が形成されるため、摺動面１１，２１間においていわゆる流体潤滑を成し、潤滑性が向上し、低摩擦化を実現している。尚、正圧発生溝１５の最先端部９ａ以外の箇所から下流側に僅かに被密封液体Ｆが流出している。
また、複数の最先端部９ａは上述の通り正弦波形状の仮想曲線Ｃ上に配置されていることから、回転密封環２０の相対回転時に摺動面１１においては、正圧は周方向に沿って径方向の異なる位置で発生し、摺動面１１における径方向の圧力勾配が小さくなるため、摺動面１１の広い領域で略均一に液膜を形成し易い。そのため、摺動面１１の被密封液体Ｆによる潤滑性が良好となる。
また、上述したように正圧発生溝１５からランド１２に流出した被密封液体Ｆは、矢印Ｈ３に示すように、当該正圧発生溝１５よりも下流側に並設される別の正圧発生溝１５に流入することで、正圧発生溝１５内の圧力を安定させることができる。
次いで回転密封環２０の相対回転時の負圧発生溝１７１について説明する。回転密封環２０が静止密封環１０に対して回転すると、負圧発生溝１７１内に負圧の動圧が発生し、負圧発生溝１７１の大気側端部１７１ａ側に導入された被密封液体Ｆは、矢印Ｈ４に示すように負圧発生溝１７１の大気側端部１７１ａから最先端部９ａに向かって導入される流れが生じる。尚、負圧発生溝１７１の内部は上流側である大気側端部１７１ａ側から下流側に向かうにつれて漸次正圧が高まるようになっており、大気側端部１７１ａは相対的に負圧となる。
すなわち、最先端部９ａ近傍が最も圧力が高くなり、摺動面１１，２１同士が離間するとともに、被密封液体Ｆは矢印Ｈ５に示すように最先端部９ａ近傍からその周辺の摺動面１１，２１間に流出することで、摺動面１１，２１間における被密封液体側に被密封液体Ｆの液膜が形成される。そして、該液膜から流出する被密封液体Ｆは下流側に隣接する別の動圧発生機構１４１の負圧発生溝１７１に流れる。このように、一度開口部１５ａから導入された被密封液体Ｆは、複数の動圧発生機構１４１間において周方向に循環されるため、被密封液体Ｆの大気側への漏洩を防ぐことができる。
また、上述の通り、正弦波形状の仮想曲線Ｃ上に配置された複数の最先端部９ａの相対回転時に被密封液体Ｆが複数の動圧発生機構１４１間において周方向に循環されることから、摺動面１１における被密封液体Ｆと大気Ａとの気液界面Ｙ１は仮想曲線Ｃよりも大気側にて略正弦波形状に形成され、液膜形成領域Ｙ（図４において線状のハッチングで示す。）は正圧発生溝１５と負圧発生溝１７１の一部とを含む被密封液体側に形成される（図４参照）。尚、負圧発生溝１７１の大気側端部１７１ａ側において相対的な負圧が発生することで周囲の被密封液体Ｆは吸い込まれるため、大気側に漏れ出そうとする被密封液体Ｆを外径側である被密封液体Ｆ側に戻すことができる。また、気液界面Ｙ１の位置及び液膜形成領域Ｙの範囲は、回転密封環２０の相対回転時の回転速度、被密封液体Ｆの圧力等によって図４に示す位置から変動することは言うまでもない。
また、上述したように負圧発生溝１７１からランド１２に流出した被密封液体Ｆは、矢印Ｈ６に示すように、当該負圧発生溝１７１よりも下流側に並設される別の負圧発生溝１７１に流入することで、負圧発生溝１７１内の圧力を安定させることができる。
以上のように、正圧発生溝１５は、大気側に向かいながら下流側に傾斜して延設されており、正圧発生溝１５の大気側端部９ｂから連続して大気側に向かいながら上流側に傾斜して延設する負圧発生溝１７１が摺動面に設けられている。このことから、回転密封環２０の相対回転時には、最先端部９ａで形成された被密封液体Ｆの液膜を相対的に負圧となっている負圧発生溝１７１が吸い込むため、被密封液体Ｆの大気側への漏れを防止し、静止密封環１０及び回転密封環２０の密封性を向上できる。
また、摺動面１１の負圧発生溝１７１よりも漏れ側には、周方向に亘って連続するように、すなわち環状にランド１２が設けられていることから、負圧発生溝１７１の大気側端部１７１ａはランド１２により閉塞されているため、回転密封環２０の静止時には、被密封液体Ｆの大気側への漏れを防止できる。
また、負圧発生溝１７１より大気側のランド１２は、周方向に亘って径方向の幅が一定であることから、負圧発生溝１７１の大気側端部１７１ａの径方向の位置が周方向に亘って一定であるため、製造しやすい。
次いで、本実施例の変形例を説明する。尚、前記実施例と同一構成で重複する説明を省略する。図６に示されるように、変形例１は静止密封環１０１’の摺動面１１において、上述した周方向に並設される動圧発生機構１４１に加え、尖部が動圧発生機構１４１とは逆側を向く逆動圧発生機構１４１’を複数備えている。逆動圧発生機構１４１’は動圧発生機構１４１を周方向に反転させた略同一の構造を成し、Ｖ字形状を構成する２辺のうち被密封液体側に開放して連通する１辺は、大気側に向かいながら正圧発生溝１５とは逆側に傾斜して直線状に凹設された逆正圧発生溝１５’に相当し、この逆正圧発生溝１５’に連続して凹設される他方の１辺は、大気側に向かいながら負圧発生溝１７１とは逆側に傾斜して、漏れ側として閉塞した大気側端部１７１ａ’まで直線上に凹設された逆負圧発生溝１７１’に相当し、またＶ字形状の２辺が交差する尖部は逆最先端部９ａ’に相当する。
図６の実線矢印で示す紙面反時計回りに回転密封環２０が回転、すなわち順回転する場合には、正圧発生溝１５では開口部１５ａから導入された被密封液体Ｆが下流側に追従移動することで最先端部９ａに正圧が発生し液膜が形成され、負圧発生溝１７１では導入された被密封液体Ｆが下流側に追従移動することで大気側端部１７１ａ側に相対的な負圧が発生する。また、図６の点線矢印で示す紙面時計回りに回転密封環２０が回転、すなわち逆回転する場合には、逆正圧発生溝１５’では開口部１５ａ’から導入された被密封液体Ｆが逆回転時における下流側に追従移動することで逆最先端部９ａ’に正圧が発生し液膜が形成され、逆負圧発生溝１７１’では導入された被密封液体Ｆが逆回転時における下流側に追従移動することで大気側端部１７１ａ’側に相対的な負圧が発生する。すなわち、図６の紙面時計回りに回転密封環２０が回転する場合には、逆正圧発生溝１５’が正圧発生溝として機能し、逆負圧発生溝１７１’が負圧発生溝として機能する。
このように、静止密封環１０１’の摺動面１１には、尖部が順回転時における相対回転方向の下流側を向く動圧発生機構１４１と、尖部が逆回転時における相対回転方向の下流側を向く逆動圧発生機構１４１’とが備えられているため、静止密封環１０１と回転密封環２０との相対回転方向に関わらず使用できる。
次いで、変形例２について説明する。図７に示されるように、静止密封環１０２の摺動面１１には、複数並設された最先端部９ａと、正圧発生溝１５２と負圧発生溝１７２とが交差する上流側の複数の屈曲部９２ｃとは、周方向に沿って径方向の位置が漸次変化し、正弦波形状の仮想曲線Ｃ上に配置されるため、製造しやすい。
次に、実施例３に係る摺動部品につき、図８から図１１を参照して説明する。尚、前記実施例２と同一構成で重複する構成の説明を省略する。
図８から図１０に示されるように、静止密封環１０３の摺動面１１には、大気側に向かいながら下流側に傾斜して延設する正圧発生溝１５と、該正圧発生溝１５から独立し大気側に向かいながら上流側に傾斜して延設する第２正圧発生溝１７３と、により構成される動圧発生機構１４３が周方向に均等に複数配設されている。尚、第２正圧発生溝１７３は、正圧発生溝１５と同数であり、且つそれぞれ同一半径上に位置するように対応して配置されているが、これに限らず数または位置が対応していなくてもよい。
正圧発生溝１５は被密封液体側に開放して連通する開口部１５ａを備え、閉塞した大気側端部９ｂまで直線状に凹設され、該大気側端部９ｂの下流側の最先端には最先端部９ａが配置されている。また、複数並設された正圧発生溝１５の各最先端部９ａは、周方向に沿って径方向の位置が漸次変化しており、周方向に亘り正弦波形状の滑らかで且つ連続した仮想曲線Ｃ上に配置されている。
第２正圧発生溝１７３は大気側に開放して連通する開口部１７３ａを備え、閉塞した被密封液体側端部１７ｂまで直線状に凹設され、該被密封液体側端部１７ｂの下流側の最先端には最先端部９ａが配置されている。また、正圧発生溝１５と第２正圧発生溝１７３との径方向の間に備えられるランド１２の径方向の幅は、周方向に亘って一定幅に形成されている。
次いで、回転密封環２０の相対回転時の動作について説明する。尚、正圧発生溝１５における動作は実施例１，２と同様であるため、特に断らない限り重複する説明を省略する。
まず、回転密封環２０が回転していない一般産業機械の非稼動時には、摺動面１１，２１間には摺動面１１，２１よりも被密封液体側の被密封液体Ｆが毛細管現象によって僅かに進入しているとともに、動圧発生機構１４３には正圧発生溝１５の開口部１５ａから流入した被密封液体Ｆによって満たされている。尚、被密封液体Ｆは気体と比べ粘度が高いため、一般産業機械の停止時に動圧発生機構１４３から大気側に漏れ出す量は極めて少ない。
次に、図９，図１０に示されるように、回転密封環２０が静止密封環１０３に対して回転すると、被密封液体側の被密封液体Ｆが矢印Ｈ１に示すように正圧発生溝１５の開口部１５ａから最先端部９ａに向かって導入される流れが生じるため、正圧発生溝１５内に動圧が発生するようになる。尚、正圧発生溝１５の内部は上流側である開口部１５ａ側から下流側の最先端部９ａに向かうにつれて漸次正圧が高まるようになっている。
すなわち、正圧発生溝１５の下流側最先端に位置する最先端部９ａ近傍が最も圧力が高くなり、摺動面１１，２１同士が離間するとともに、被密封液体Ｆは矢印Ｈ２に示すように最先端部９ａ近傍からその周辺の摺動面１１，２１間に流出することで、摺動面１１，２１間における被密封液体側に被密封液体Ｆの液膜が形成される。これによれば、複数の正圧発生溝１５の最先端部９ａ近傍で被密封液体Ｆの液膜が形成されるため、摺動面１１，２１間においていわゆる流体潤滑を成し、潤滑性が向上し、低摩擦化を実現している。尚、正圧発生溝１５の最先端部９ａ以外の箇所から下流側に僅かに被密封液体Ｆが流出している。
また、複数の最先端部９ａは上述の通り正弦波形状の仮想曲線Ｃ上に配置されていることから、回転密封環２０の相対回転時に摺動面１１においては、正圧は周方向に沿って径方向の異なる位置で発生し、摺動面１１における径方向の圧力勾配が小さくなるため、摺動面１１の広い領域で略均一に液膜を形成し易い。そのため、摺動面１１の被密封液体Ｆによる潤滑性が良好となる。
また、上述したように正圧発生溝１５からランド１２に流出した被密封液体Ｆは、矢印Ｈ３に示すように、当該正圧発生溝１５よりも下流側に並設される別の正圧発生溝１５に流入することで、液膜形成領域Ｗ（図８において線状のハッチングで示す。）に略均一の膜厚の液膜が形成される。
次いで回転密封環２０の相対回転時の第２正圧発生溝１７３について説明する。図９に示されるように、回転密封環２０が静止密封環１０３に対して回転すると、大気側の大気Ａが矢印Ｌ１に示すように第２正圧発生溝１７３の開口部１７３ａから第２最先端部１７ａに向かって導入される流れが生じるため、第２正圧発生溝１７３内に動圧が発生するようになる。尚、第２正圧発生溝１７３の内部は上流側である開口部１７３ａ側から下流側の第２最先端部１７ａに向かうにつれて漸次正圧が高まるようになっている。
すなわち、第２正圧発生溝１７３の下流側最先端に位置する第２最先端部１７ａ近傍が最も圧力が高くなり、摺動面１１，２１同士が離間するとともに、大気Ａは矢印Ｌ２に示すように第２最先端部１７ａ近傍からその周辺の摺動面１１，２１間に流出する。このように、第２最先端部１７ａ近傍で正圧が発生することにより、被密封液体側から第２最先端部近傍に接近する被密封液体Ｆを弾き返し、被密封液体Ｆの大気側への漏洩を防ぐことができる。
また、上述の通り、正弦波形状の仮想曲線Ｃ上に配置された複数の最先端部９ａにおいて回転密封環２０の相対回転時に液膜が形成されることに加え、回転密封環２０の相対回転時に複数の第２最先端部１７ａに大気Ａが集中して発生した正圧により当該液膜を大気側に進入させないため、摺動面１１における被密封液体Ｆと大気Ａとの気液界面Ｗ１は複数の大気側端部９ｂと複数の被密封液体側端部１７ｂとの間に正弦波形状に形成され、液膜形成領域Ｗは正圧発生溝１５を含む被密封液体側に形成される（図８参照）。また、気液界面Ｗ１の位置及び液膜形成領域Ｗの範囲は、回転密封環２０の相対回転時の回転速度、被密封液体Ｆの圧力等によって図８に示す位置から変動することは言うまでもない。
先ず、回転密封環２０の相対回転時に大気側のランド１２に被密封液体Ｆが進入していない場合について説明する。第２正圧発生溝１７３内の大気Ａの一部は、回転密封環２０の相対回転に追従し、下流側のランド１２に圧力が高められて流出することで、気液界面Ｗ１は図８に示される正圧発生溝１５と第２正圧発生溝１７３との間に維持され、第２正圧発生溝１７３側に進入しようとする被密封液体Ｆは阻止される。
次いで、回転密封環２０の相対回転時に大気側のランド１２に被密封液体Ｆが進入した場合について説明する。図１０に示されるように、大気側の大気Ａが矢印Ｌ３に示すように第２正圧発生溝１７３の開口部１７３ａから第２最先端部１７ａに向かって導入されるとともに、矢印Ｈ９に示すようにランド１２から導入され、矢印Ｌ３に示す大気Ａの流れに被密封液体Ｆが合流し矢印Ｈ７に示すような第２最先端部１７ａに向かう被密封液体Ｆの流れが生じ、第２正圧発生溝１７３内に動圧が発生するようになる。尚、図９の場合と同様に、第２正圧発生溝１７３の内部は上流側である開口部１７３ａ側から下流側の第２最先端部１７ａに向かうにつれて漸次正圧が高まるようになっている。
すなわち、第２正圧発生溝１７３の下流側最先端に位置する第２最先端部１７ａ近傍が最も圧力が高くなっており、被密封液体Ｆは矢印Ｈ８に示すように第２最先端部１７ａ近傍からその周辺の摺動面１１，２１間に流出する。このように、ランド１２に進入した被密封液体Ｆを外径側である被密封液体側に戻し、被密封液体Ｆの大気側への漏洩を防ぐことができる。尚、被密封液体Ｆは大気に比べ非圧縮性を有し粘度が高いことから、第２正圧発生溝１７３に進入した被密封液体Ｆは回転密封環２０の相対回転に伴って摺動面１１，２１間に流出しやすくなっている。
以上のように、正圧発生溝１５よりも大気側において正圧発生溝１５とは独立し、回転密封環２０の相対回転時に正圧発生溝１５よりも大気側の大気が導入されて正圧を発生する第２正圧発生溝１７３が設けられており、第２正圧発生溝１７３は相対回転方向の下流側の最先端に第２最先端部１７ａを備えている。このことから、回転密封環２０の相対回転時に大気側の大気が第２正圧発生溝１７３の下流側に流れ第２最先端部１７ａに集中し正圧が発生するため、被密封液体側から第２最先端部１７ａ近傍に接近する被密封液体Ｆを弾き返し、被密封液体Ｆの大気側への漏洩を防ぐことができる。
また、第２正圧発生溝１７３は、正圧発生溝１５の数及び位置に対応して配置されていることから、正圧発生溝１５の数及び位置にそろえて第２正圧発生溝１７３を加工することができ、製造しやすい。
また、正圧発生溝１５と第２正圧発生溝１７３との径方向の間に環状に１２が備えられていることから、正圧発生溝１５と第２正圧発生溝１７３とを離間させることができ、相対回転時における両者の機能を明確化できる。
また、正圧発生溝１５と第２正圧発生溝１７３との径方向の間に備えられているランド１２の径方向の幅は、周方向に亘って一定であることから、第２最先端部１７ａが最先端部９ａから一定寸法漏れ側に離間しており、周方向において異なる径の長さの位置で相対回転時に正圧の発生した第２最先端部１７ａが配置されることから、相対回転時に最先端部９ａで発生した液膜から流れる被密封液体Ｆが大気側に進入するのを防止できる。
次いで、変形例を説明する。尚、前記実施例と同一構成で重複する説明を省略する。図１１に示されるように、変形例３において、静止密封環１０４の摺動面１１には、複数並設された最先端部９ａと、正圧発生溝１５４の大気側端部９ｂの上流側に位置する隅部９ｃとは、周方向に沿って径方向の位置が漸次変化し、正弦波形状の仮想曲線Ｃ上に配置されるため、製造しやすい。
以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例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、前記実施例では、摺動部品として、一般産業機械用のメカニカルシールを例に説明したが、自動車やウォータポンプ用等の他のメカニカルシールであってもよい。また、メカニカルシールに限られず、すべり軸受などメカニカルシール以外の摺動部品であってもよい。
また、前記実施例では、動圧発生機構を静止密封環１０にのみ設ける例について説明したが、動圧発生機構を回転密封環２０にのみ設けてもよく、静止密封環と回転密封環の両方に設けてもよい。
また、前記実施例では、最先端部９ａ、及び隅部９ｃ若しくは屈曲部９２ｃが滑らかで且つ連続した正弦波形状の仮想曲線Ｃ上に配置されていると説明したが、これに限らず、仮想曲線が例えば周期の小さい波状や矩形波状であってもよい。
また、前記実施例では、正圧発生溝１５，負圧発生溝，逆正圧発生溝１５’，逆負圧発生溝１７１’及び第２正圧発生溝１７３は直線状に凹設されていると説明したが、これに限らず、例えば曲線状に凹設されていてもよい。
また、正圧発生溝は被密封液体側に開放して連通する開口部１５ａを備えると説明したが、これに限らず、開口せずに閉塞していてもよい。
また、第２正圧発生溝１７３は大気側に開放して連通する開口部１７３ａを備えると説明したが、これに限らず、開口せずに閉塞していてもよい。
１ 回転軸
２ スリーブ
４ ハウジング
５ シールカバー
７ ベローズ
９ａ 最先端部
９ｂ 大気側端部（漏れ側端部）
９ｃ 隅部
１０ 静止密封環（摺動部品）
１１ 摺動面
１２ ランド
１４ 動圧発生機構
１５ 正圧発生溝
１５ａ 開口部
１７ａ 第２最先端部
２０ 回転密封環（摺動部品）
２１ 摺動面
９２ｃ 屈曲部
１７１ 負圧発生溝
１７３ 第２正圧発生溝

Claims (13)

  1. 回転機械の相対回転する箇所に配置される環状の摺動部品であって、
    前記摺動部品の摺動面には、前記回転機械の相対回転時に被密封流体側の被密封流体が導入されて正圧を発生する正圧発生溝が周方向に複数並設されており、それぞれの前記正圧発生溝は、径方向に対して傾斜して形成されているとともに、相対回転方向の下流側の最先端に最先端部を有し、周方向に複数並設された前記最先端部の少なくとも一部は、径方向に互いに異なる位置に配置されている摺動部品。
  2. 複数並設された前記最先端部は、周方向に沿って規則的に配置されている請求項１に記載の摺動部品。
  3. 複数並設された前記最先端部は、周方向に沿って径方向の位置が漸次変化し、波形状に配置されている請求項１または２に記載の摺動部品。
  4. 前記正圧発生溝は、被密封流体側に連通する開口部を有している請求項１ないし３のいずれかに記載の摺動部品。
  5. 前記正圧発生溝は、漏れ側に向かいながら相対回転方向の下流側に傾斜して延設されており、前記正圧発生溝の漏れ側端部から連続して漏れ側に向かいながら相対回転方向の上流側に傾斜して延設する負圧発生溝が前記摺動面に設けられている請求項１ないし４のいずれかに記載の摺動部品。
  6. 前記摺動面の前記負圧発生溝よりも漏れ側には、周方向に亘ってランドが設けられている請求項５に記載の摺動部品。
  7. 前記負圧発生溝より漏れ側の前記ランドは、周方向に亘って径方向の幅が一定である請求項６に記載の摺動部品。
  8. 複数並設された前記最先端部と、前記正圧発生溝と前記負圧発生溝とが交差する相対回転方向の上流側の屈曲部とは、周方向に沿って径方向の位置が漸次変化し、波形状に配置されている請求項５ないし７のいずれかに記載の摺動部品。
  9. 前記正圧発生溝よりも漏れ側において前記正圧発生溝とは独立し、前記回転機械の相対回転時に前記正圧発生溝よりも漏れ側の流体が導入されて正圧を発生する第２正圧発生溝が設けられており、前記第２正圧発生溝は相対回転方向の下流側の最先端に第２最先端部を備えている請求項１ないし４のいずれかに記載の摺動部品。
  10. 前記第２正圧発生溝は、前記正圧発生溝の数及び位置に対応して配置されている請求項９に記載の摺動部品。
  11. 前記正圧発生溝と前記第２正圧発生溝との径方向の間に周方向に亘ってランドが備えられている請求項１０に記載の摺動部品。
  12. 前記正圧発生溝と前記第２正圧発生溝との径方向の間に備えられている前記ランドの径方向の幅は、周方向に亘って一定である請求項１１に記載の摺動部品。
  13. 複数並設された前記最先端部と、前記正圧発生溝の漏れ側端部の相対回転方向の上流側に位置する隅部とは、周方向に沿って径方向の位置が漸次変化し、波形状に配置されている請求項３，９，１０，１１または１２に記載の摺動部品。
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