WO2016129553A1 - しゅう動部品 - Google Patents

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WO2016129553A1
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sliding
sliding surface
pressure fluid
fluid side
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猛 細江
井上　秀行
雄大 根岸
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イーグル工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a sliding part suitable for a sliding part, for example, a mechanical seal, a bearing, and the like.
  • the present invention relates to a sliding component such as a seal ring or a bearing that requires a fluid to be interposed on a sliding surface to reduce friction and prevent fluid from leaking from the sliding surface.
  • Patent Document 1 For example, in the invention described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-287329 (hereinafter referred to as “Patent Document 1”), a large number of dimples having different depths are formed on the sliding surface, so that the other side slides during sliding. The load capacity due to the hydrodynamic bearing pressure generated in the fluid intervening with the surface is reduced in some dimples as the fluid temperature changes but increases in other dimples. In spite of this, the effect of always maintaining good sliding performance can be obtained. Further, the invention described in Japanese Patent Application Laid-Open No.
  • Patent Document 2 forms a sliding surface by depositing a hard film on the surface of a base material made of a sintered ceramic material, By adopting a structure having a large number of dimples on the sliding surface, the wear resistance is improved and the liquid lubricity by dimples is improved.
  • Patent Document 1 focuses on the depth of the dimples provided on the sliding surface in order to always maintain good sliding performance regardless of temperature changes. No consideration has been given to satisfy both conditions. Further, the invention described in Patent Document 2 is intended to improve liquid lubricity by providing dimples on the sliding surface. As in Patent Document 1, both conflicting conditions of sealing and lubrication are compatible. No consideration is given to make it happen.
  • porous (a porous material) and dimples are used for the purpose of improving fluid lubricity due to a dynamic pressure effect, but on the other hand, there is a risk of increasing the amount of leakage. Further, if the amount of porous and dimples is reduced so as to reduce the liquid film in order to reduce leakage, the sliding surfaces come into contact with each other and wear easily occurs. In the sliding surface, the portion to be worn is particularly the leakage side (low pressure fluid side). In order to achieve sealing, it is necessary to make the liquid film on the sliding surface thin, but at the same time, lubrication on the low-pressure fluid side is poor, and direct contact is likely to occur.
  • An object of the present invention is to provide a sliding part capable of satisfying the contradictory conditions of lubrication.
  • a sliding component in which a plurality of dimples are arranged on at least one sliding surface of a pair of sliding components that slide relative to each other.
  • the dimples are provided independently of each other, and the area ratio of the plurality of dimples is set smaller on the low-pressure fluid side than on the high-pressure fluid side of the sliding surface.
  • the sliding component of the present invention is secondly arranged in the first feature such that a plurality of dimples having different opening diameters are randomly distributed, and the arrangement density is on the high-pressure fluid side of the sliding surface. It is characterized by being set so as to be smaller on the low-pressure fluid side. According to this feature, it is possible to improve the sliding characteristics, that is, to reduce the friction coefficient, in a wide range of the number of bearing characteristics on the sliding surface.
  • the sliding component of the present invention is characterized in that, in the second feature, the plurality of dimples have an opening diameter in a range of 10 to 500 ⁇ m. According to this feature, the sliding characteristics can be further improved in a wide range of the number of bearing characteristics on the sliding surface.
  • the plurality of dimples are set to have substantially the same opening diameter, and the arrangement density thereof is higher than that of the high-pressure fluid side of the sliding surface. And is set to be small on the low-pressure fluid side. This feature is easy to manufacture.
  • the area ratio of the plurality of dimples is 30 to 50% in any one of the first to fourth characteristics. According to this feature, it is possible to achieve both sealing and lubrication on the sliding surface.
  • the sliding component of the present invention is sixthly characterized in that in any one of the first to fifth features, the plurality of dimples have a depth set in a range of 50 to 10,000 nm. According to this feature, the friction coefficient on the sliding surface can be reduced.
  • the sliding component of the present invention is seventhly characterized in that in any one of the first to sixth features, the plurality of dimples have a depth set in a range of 50 to 1000 nm. According to this feature, it is possible to improve the sliding characteristics at an extremely low speed on the sliding surface.
  • the present invention has the following excellent effects. (1) On the high pressure fluid side of the sliding surface, fluid lubrication is achieved by the dynamic pressure effect. On the low pressure fluid side, fluid is retained in the dimples while the fluid is held in the dimples to prevent liquid film breakage and wear due to direct contact. Therefore, it is possible to achieve both sealing and lubrication on the sliding surface.
  • a plurality of dimples having different opening diameters are arranged so as to be distributed at random, and the arrangement density is set to be smaller on the low-pressure fluid side than on the high-pressure fluid side of the sliding surface.
  • the sliding characteristics can be improved, that is, the friction coefficient can be reduced in a wide range of the number of bearing characteristics on the surface.
  • the sliding characteristics can be further improved in a wide range of bearing characteristics on the sliding surface.
  • the plurality of dimples are set to have substantially the same opening diameter, and the arrangement density is set to be smaller on the low-pressure fluid side than on the high-pressure fluid side of the sliding surface. Sliding parts that can achieve both sealing and lubrication can be easily manufactured.
  • the friction coefficient on the sliding surface can be reduced.
  • Example 1 of this invention With reference to FIG. 1 thru
  • a mechanical seal which is an example of a sliding component, will be described as an example.
  • the present invention is not limited to this, and for example, lubricating oil is applied to one axial side of a cylindrical sliding surface. It can also be used as a sliding part of a bearing that slides on a rotating shaft while being sealed.
  • the outer peripheral side of the sliding part constituting the mechanical seal is described as the high pressure fluid side (sealed fluid side) and the inner peripheral side is described as the low pressure fluid side (atmosphere side)
  • the present invention is not limited to this.
  • the present invention can also be applied to the case where the high pressure fluid side and the low pressure fluid side are reversed.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an example of a mechanical seal, which is an inside type that seals a sealed fluid on the high-pressure fluid side that is about to leak from the outer periphery of the sliding surface toward the inner peripheral direction.
  • a mechanical seal which is an inside type that seals a sealed fluid on the high-pressure fluid side that is about to leak from the outer periphery of the sliding surface toward the inner peripheral direction.
  • annular ring which is one sliding component provided on the rotary shaft 1 side for driving a pump impeller (not shown) on the high pressure fluid side via a sleeve 2 so as to be rotatable integrally with the rotary shaft 1.
  • the annular stationary side sealing ring 5 which is the other sliding part provided in the pump housing 4 in a non-rotating state and movable in the axial direction.
  • FIG. 1 shows the case where the width of the sliding surface of the rotation-side sealing ring 3 is wider than the width of the sliding surface of the stationary-side sealing ring 5.
  • the present invention can also be applied.
  • the material of the rotating side sealing ring 3 and the stationary side sealing ring 5 is selected from silicon carbide (SiC) having excellent wear resistance and carbon having excellent self-lubricating properties.
  • SiC silicon carbide
  • the side seal ring 3 can be made of SiC and the fixed side seal ring 5 can be combined with carbon.
  • dimples 10 are disposed on at least one of the sliding surfaces of the rotating side sealing ring 3 and the stationary side sealing ring 5 that slide relative to each other.
  • a plurality of dimples 10 are disposed on the sliding surface S of the stationary seal ring 5.
  • the rotation-side sealing ring 3 may or may not be provided with dimples.
  • the cross-sectional shape of the sliding component 1 is a convex shape as shown in FIG. 1 (c), and the top surface forms a flat sliding surface S.
  • a large number of dimples 10 as shown in FIG. 1B are provided on the sliding surface S independently. These dimples 10 are not the entire radial width of the sliding surface S, but the low-pressure fluid side sealing surface IS formed so that the flat land portion R remains on the entire circumference with a constant width on the low-pressure fluid side. It is provided in the part. On the high pressure fluid side of the sliding surface S, the dimple 10 may be provided up to the edge.
  • the “dimple” is a recess formed in the flat sliding surface S, and the shape thereof is not particularly limited.
  • the planar shape of the depression includes various shapes such as a circle, an ellipse, an oval, or a polygon
  • the sectional shape of the depression includes various shapes such as a bowl or a rectangle.
  • a large number of dimples 10 formed on the sliding surface S allow a part of the liquid to intervene as a hydrodynamic lubricating liquid film between the sliding surface S and the opposing sliding surface that slides relative to the sliding surface S. Holding and stabilizing the lubricating liquid film.
  • Each dimple 10 can be regarded as constituting a Rayleigh step as shown in FIG.
  • a Rayleigh step 10a extending in a direction orthogonal to the cross section of the drawing is formed on the sliding surface S (R) of the fixed side sealing ring 5, and the sliding surface S of the rotation side sealing ring 3 is flat. Is formed.
  • the fluid interposed between the sliding surfaces tends to follow in the direction of the arrow due to its viscosity.
  • the presence of the Rayleigh step 10a causes a dynamic pressure (positive pressure). Pressure).
  • the generation of dynamic pressure increases the lubricating liquid film between the sliding surfaces, thereby improving the lubricating performance. While the lubrication performance is improved by the dynamic pressure effect, the amount of leakage may increase, and if the amount of dimples is reduced to reduce the amount of leakage to reduce the amount of leakage, the sliding surface S will contact and cause wear. It becomes easy.
  • FIG. 4 is an enlarged plan view of a part of the sliding surface S.
  • a plurality of dimples 10 are randomly arranged on the sliding surface of the portion excluding the low-pressure fluid-side sealing surface IS.
  • the area ratio is set smaller on the low-pressure fluid side than on the high-pressure fluid side of the sliding surface S.
  • the “area ratio of a plurality of dimples” is the total of the dimple opening area in the area of the sliding surface S of the portion where the dimples are provided.
  • the area ratio is set smaller on the low-pressure fluid side than on the high-pressure fluid side of the sliding surface S” means that the area ratio in the unit circumferential length L is in all the circumferential portions of the sliding surface S.
  • the radial direction of the sliding surface S is not limited to the case where the area ratio changes continuously, but includes a case where the area ratio changes discontinuously.
  • the “high-pressure fluid side” and “low-pressure fluid side” represent the side in the radial direction of the sliding surface S, but the sliding surface on the high-pressure fluid side and the sliding surface on the low-pressure fluid side.
  • B where B is the width of the portion excluding the radial width of the low-pressure fluid-side sealing surface IS, the point of B / 2, which is an intermediate point of B, is used as a guide.
  • the individual sizes (for example, diameters) of the dimples 10 may be all the same, all may be different, or some may be the same and some may be different.
  • the area ratio of the dimple 10 only needs to be set smaller on the low-pressure fluid side than on the high-pressure fluid side of the sliding surface S.
  • a low-pressure fluid-side sealing surface IS is formed so that a flat land R remains on the entire circumference with a constant width on the low-pressure fluid side, and the sliding surface is removed from the low-pressure fluid-side sealing surface IS.
  • a plurality of dimples 10 having different opening diameters are arranged so as to be distributed randomly independently of each other, and the area ratio of the plurality of dimples 10 is larger than that of the sliding surface S on the high-pressure fluid side. It is provided to be small on the low-pressure fluid side.
  • the area ratio of the plurality of dimples 10 is preferably set to 30 to 50% in order to achieve both sealing and lubrication.
  • a method for processing dimples on the sliding surface will be described as follows. (1) A random number is used to determine the diameter and position of the hole in the metal mask. (2) A hole is made in the metal mask by laser processing or the like with the determined diameter and position. (3) A metal mask with a random hole is installed on the sliding surface of the subject sliding component. (4) Dimples are formed on the sliding surface by irradiating a femtosecond laser or picosecond laser from above the metal mask or by using holes in the metal mask by ion etching or the like. Dimples having different opening diameters are uniformly arranged on the sliding surface with a predetermined distribution.
  • the random distribution of the plurality of dimples 10 having different opening diameters is set according to the bearing characteristic number G (fluid viscosity ⁇ speed / load) of the sliding surface.
  • the opening diameter is The thickness is preferably set in the range of 10 to 500 ⁇ m, more preferably 30 to 100 ⁇ m. Therefore, the fluid lubrication transition point shifts to the low G side, the friction coefficient at the fluid lubrication transition point decreases, and the friction coefficient decreases in a wide range of rotation speeds.
  • the depth of the plurality of dimples 10 is preferably set within a range of 50 to 10,000 nm, for example, from the viewpoint of reducing the friction coefficient, but preferably when the sliding characteristics at extremely low speed are important. It is set within the range of 50 to 1000 nm, more preferably 50 to 500 nm.
  • the sliding part of Example 1 has the following effects. (1) Since the area ratio of the plurality of dimples 10 is set smaller on the low-pressure fluid side than on the high-pressure fluid side of the sliding surface S, fluid lubrication is achieved on the high-pressure fluid side of the sliding surface S due to the dynamic pressure effect. On the low-pressure fluid side, the fluid is held in the dimple 10 while suppressing leakage while the fluid film breakage is suppressed and wear due to direct contact can be prevented, so that both sliding and lubrication on the sliding surface can be achieved. . (2) A plurality of dimples 10 having different opening diameters are arranged so as to be randomly distributed, and the arrangement density is set to be smaller on the low-pressure fluid side than on the high-pressure fluid side of the sliding surface S.
  • the sliding characteristics can be improved, that is, the friction coefficient can be reduced in a wide range of the bearing characteristics number G on the sliding surface.
  • the area ratio of the plurality of dimples 10 is 30 to 50%, both sealing and lubrication on the sliding surface S can be achieved.
  • the opening diameter of the plurality of dimples is preferably set in the range of 10 to 500 ⁇ m, more preferably 30 to 100 ⁇ m, so that the fluid lubrication transition point shifts to the low G side and the friction coefficient at the fluid lubrication transition point.
  • the friction coefficient can be reduced in a wide range of rotation speeds.
  • (5) By setting the depth of the plurality of dimples 10 within the range of 50 to 10,000 nm, the friction coefficient on the sliding surface S can be reduced.
  • (6) By setting the depth of the plurality of dimples 10 in the range of preferably 50 to 1000 nm, more preferably 50 to 500 nm, the sliding characteristics at the extremely low speed on the sliding surface can be improved. .
  • the second embodiment is different from the first embodiment in that the opening diameters of a plurality of dimples are set to be substantially the same, but the other configuration is the same as that of the first embodiment, and redundant description is omitted.
  • Example 2 shown in FIG. 5 the opening diameters of the plurality of dimples 11 are set to be substantially the same, and the arrangement density is set smaller on the low-pressure fluid side than the high-pressure fluid side of the sliding surface S.
  • the arrangement form of the plurality of dimples 11 may be distributed randomly or regularly.
  • the dimples 11 provided in the vicinity of the outer peripheral side of the low-pressure fluid-side sealing surface IS formed so that the flat land R on the low-pressure fluid side remains on the entire circumference with a constant width are regular in the circumferential direction.
  • the dimples 11 arranged at intervals and the other portions are randomly distributed. Further, in the sliding surface on the low-pressure fluid side, there is a portion where the dimple 11 is not provided in the radial intermediate portion.
  • the sliding component according to the second embodiment has the same effects as the first embodiment, and is easy to manufacture because the opening diameters of the plurality of dimples 11 are set to be substantially the same.
  • the sliding component is used in any one of the pair of rotation sealing rings and the fixing sealing ring in the mechanical seal device.
  • the lubricating oil is provided on one axial side of the cylindrical sliding surface. It is also possible to use as a sliding part of a bearing that slides on a rotating shaft while sealing.
  • a plurality of dimples having different opening diameters are randomly distributed
  • a plurality of dimples having substantially the same opening diameter are randomly and regularly arranged.
  • the present invention is not limited to these examples.
  • a plurality of dimples whose opening diameters are sequentially reduced from the high-pressure fluid side to the low-pressure fluid side are regularly arranged. You may make it do.

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Abstract

　しゅう動面において、高圧流体側では動圧効果により液膜を厚くして流体潤滑性を向上するとともに、低圧流体側では液膜を薄くして漏れを抑制する。　一対のしゅう動部品の互いに相対しゅう動する少なくとも一方側のしゅう動面にディンプル（１０）が複数配置されたしゅう動部品において、複数のディンプル（１０）は相互に他のディンプルと独立して設けられ、複数のディンプル（１０）の面積比率は、しゅう動面の高圧流体側に比べて低圧流体側において小さく設定されることを特徴としている。

Description

しゅう動部品
　本発明は、たとえば、メカニカルシール、軸受、その他、しゅう動部に適したしゅう動部品に関する。特に、しゅう動面に流体を介在させて摩擦を低減させるとともに、しゅう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しゅう動部品に関する。
　しゅう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、しゅう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しゅう動面にディンプルを配列したものが知られている。
　例えば、特開平１１－２８７３２９号公報（以下、「特許文献１」という。）に記載の発明は、しゅう動面に、深さの異なる多数のディンプルを形成することにより、しゅう動時に相手しゅう動面との間に介在する流体に発生する流体軸受圧力による負荷容量が、流体温度の変化に伴って一部のディンプルでは減少しても他のディンプルでは増大するので負荷容量が安定し、温度変化に拘らず常に良好なしゅう動性を維持するといった効果が得られるようにしたものである。
　また、特開２０００－１６９２６６号公報（以下、「特許文献２」という。）に記載の発明は、焼結したセラミックス材料からなる下地材の表面に硬質皮膜を蒸着したしゅう動面を形成し、このしゅう動面に、多数のディンプルを有する構成とすることにより、耐摩耗性の向上を図ると共に、ディンプルによる液体潤滑性の向上を図るようにしたものである。
特開平１１－２８７３２９号公報 特開２０００－１６９２６６号公報
　しかし、特許文献１に記載の発明は、温度変化に拘らず常に良好なしゅう動性を維持するためにしゅう動面に設けられるディンプルの深さに着目したものであって、密封と潤滑という相反する条件を両立させるための考察はされていない。
　また、特許文献２に記載の発明は、しゅう動面にディンプルを設けることで液体潤滑性の向上を図るようにしたものであるが、特許文献１と同様、密封と潤滑という相反する条件を両立させるための考察はされていない。
　一般的に、ポーラス（ポーラス材料）およびディンプル（任意加工の凹み）は動圧効果による流体潤滑性を向上させる目的で用いられるが、一方で漏れ量が増える恐れがある。
　また、漏れを減らすため液膜を薄くするようにポーラスおよびディンプルの量を少なくすると、しゅう動面が接触し摩耗を起こしやすくなる。
　しゅう動面において、摩耗する個所は、特に漏れ側（低圧流体側）である。密封するためにはしゅう動面の液膜を薄くする必要があるが、同時に低圧流体側での潤滑が乏しくなり、直接接触を起こしやすくなる。
　本発明は、しゅう動面において、高圧流体側では動圧効果により液膜を厚くして流体潤滑性を向上するとともに、低圧流体側では液膜を薄くして漏れを抑制することにより、密封と潤滑という相反する条件を両立させることができるしゅう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しゅう動部品は、第１に、一対のしゅう動部品の互いに相対しゅう動する少なくとも一方側のしゅう動面にディンプルが複数配置されたしゅう動部品において、前記複数のディンプルは相互に他のディンプルと独立して設けられ、前記複数のディンプルの面積比率は、前記しゅう動面の高圧流体側に比べて低圧流体側において小さく設定されることを特徴としている。
　この特徴によれば、しゅう動面の高圧流体側においては動圧効果により流体潤滑となり、低圧流体側においては漏れを抑制しつつ、ディンプルに流体を保持して液膜切れを抑制し、直接接触による摩耗を防止できるため、しゅう動面における密封と潤滑の両立を図ることができる。
 　また、本発明のしゅう動部品は、第２に、第１の特徴において、開口径の異なる複数のディンプルがランダムに分布するように配置され、その配置密度が前記しゅう動面の高圧流体側に比べて低圧流体側において小さくなるように設定されることを特徴としている。
　この特徴によれば、しゅう動面における軸受特性数の広い範囲においてしゅう動特性の向上、すなわち、摩擦係数の低減を図ることができる。
　また、本発明のしゅう動部品は、第３に、第２の特徴において、前記複数のディンプルは、開口径が１０～５００μｍの範囲に設定されることを特徴としている。
　この特徴によれば、しゅう動面における軸受特性数の広い範囲において、より一層、しゅう動特性を向上することができる。
 また、本発明のしゅう動部品は、第４に、第１の特徴において、前記複数のディンプルは、開口径が略同一に設定され、その配置密度は、前記しゅう動面の高圧流体側に比べて低圧流体側において小さくなるように設定されることを特徴としている。
　この特徴によれば、製作が容易である。
　また、本発明のしゅう動部品は、第５に、第１乃至第４のいずれかの特徴において、前記複数のディンプルの面積比率は、３０～５０％であることを特徴としている。
　この特徴によれば、しゅう動面における密封と潤滑の両立を図ることができる。
　また、本発明のしゅう動部品は、第６に、第１乃至５のいずれかの特徴において、前記複数のディンプルは、深さが５０～１００００ｎｍの範囲に設定されることを特徴としている。
　この特徴によれば、しゅう動面における摩擦係数を低減することができる。
　また、本発明のしゅう動部品は、第７に、第１乃至第６のいずれかの特徴において、前記複数のディンプルは、深さが５０～１０００ｎｍの範囲に設定されることを特徴としている。
　この特徴によれば、しゅう動面における極低速でのしゅう動特性を良好にすることができる。
　本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）しゅう動面の高圧流体側においては動圧効果により流体潤滑となり、低圧流体側においては漏れを抑制しつつ、ディンプルに流体を保持して液膜切れを抑制し、直接接触による摩耗を防止できるため、しゅう動面における密封と潤滑の両立を図ることができる。
（２）開口径の異なる複数のディンプルがランダムに分布するように配置され、その配置密度がしゅう動面の高圧流体側に比べて低圧流体側において小さくなるように設定されることにより、しゅう動面における軸受特性数の広い範囲においてしゅう動特性の向上、すなわち、摩擦係数の低減を図ることができる。
（３）複数のディンプルは、開口径が１０～５００μｍの範囲に設定されることにより、しゅう動面における軸受特性数の広い範囲において、より一層、しゅう動特性を向上することができる。
（４）複数のディンプルは、開口径が略同一に設定され、その配置密度は、しゅう動面の高圧流体側に比べて低圧流体側において小さくなるように設定されることにより、しゅう動面における密封と潤滑の両立を図ることができるしゅう動部品を容易に製作できる。
（５）複数のディンプルの面積比率は、３０～５０％であることにより、しゅう動面における密封と潤滑の両立を図ることができる。
（６）複数のディンプルは、深さが５０～１００００ｎｍの範囲に設定されることにより、しゅう動面における摩擦係数を低減することができる。
（７）複数のディンプルは、深さが５０～１０００ｎｍの範囲に設定されることにより、しゅう動面における極低速でのしゅう動特性を良好にすることができる。
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。 本発明の実施例１に係るしゅう動部品のしゅう動面の一例を説明するためのものであって、（ａ）はしゅう動面の平面図、（ｂ）はＡ－Ａ断面図、（ｃ）はＢ－Ｂ断面図である。 ディンプルの有する機能を説明する説明図である。 本発明の実施例１に係るしゅう動部品のしゅう動面の一部を拡大した平面図である。 本発明の実施例２に係るしゅう動部品のしゅう動面の一部を拡大した平面図である。
　以下に図面を参照して、この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４を参照して、本発明の実施例１に係るしゅう動部品について説明する。　なお、以下の実施例においては、しゅう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、円筒状しゅう動面の軸方向一方側に潤滑油を密封しながら回転軸としゅう動する軸受のしゅう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しゅう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。
　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、しゅう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しゅう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しゅう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、ラッピング等によって鏡面仕上げされたしゅう動面Ｓ同士で密接しゅう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との互いのしゅう動面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、図１では、回転側密封環３のしゅう動面の幅が固定側密封環５のしゅう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。
　相対しゅう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しゅう動面には、図２に示すように、ディンプル１０が配設されている。
　本例では、固定側密封環５のしゅう動面Ｓに複数のディンプル１０が配設されている。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。
　図２において、しゅう動部品１の断面形状は、図１（ｃ）に示すように凸形状をしており、その頂面が平坦なしゅう動面Ｓを構成している。このしゅう動面Ｓには、図１（ｂ）に示すような多数のディンプル１０が独立して設けられている。これらのディンプル１０は、しゅう動面Ｓの径方向の幅全体ではなく、低圧流体側においては平坦なランド部Ｒが一定幅で全周に残るように形成された低圧流体側密封面ＩＳを除いた部分に設けられる。しゅう動面Ｓの高圧流体側においては、ディンプル１０は縁部まで設けられてもよい。
　本発明において、「ディンプル」とは、平坦なしゅう動面Ｓに形成されるくぼみのことであり、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、楕円形、長円形、もしくは多角形など種々の形が包含され、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。
　そして、しゅう動面Ｓに形成された多数のディンプル１０は、このしゅう動面Ｓと相対しゅう動する相手側しゅう動面との間に流体力学的な潤滑液膜として介入する液体の一部を保持して、潤滑液膜を安定化させる機能を有するものである。
　個々のディンプル１０は、図３に示すようなレイリーステップを構成するものとみなすことができる。
　 図３において、固定側密封環５のしゅう動面Ｓ（Ｒ）には図の断面と直交する方向に延びるレイリーステップ１０ａが形成されており、回転側密封環３のしゅう動面Ｓは平坦に形成されている。回転側密封環３が矢印で示す方向に相対移動すると、両しゅう動面間に介在する流体が、その粘性によって矢印方向に追随移動しようとし、その際、レイリーステップ１０ａの存在によって動圧（正圧）を発生する。動圧の発生によりしゅう動面間の潤滑液膜が増大され、潤滑性能が向上されるものである。動圧効果により潤滑性能が向上させられる一方、漏れ量が増える恐れがあり、漏れ量を減らすため潤滑液膜を薄くするようにディンプルの量を少なくすると、しゅう動面Ｓが接触し摩耗を起こしやすくなる。
　図４は、しゅう動面Ｓの一部を拡大した平面図であって、低圧流体側密封面ＩＳを除いた部分のしゅう動面に、複数のディンプル１０がランダムに配置され、複数のディンプル１０の面積比率がしゅう動面Ｓの高圧流体側に比べて低圧流体側において小さく設定された状態が示されている。
　ここで、「複数のディンプルの面積比率」とは、ディンプルの設けられる部分のしゅう動面Ｓの面積に占めるディンプルの開口面積の総計である。
　また、「面積比率がしゅう動面Ｓの高圧流体側に比べて低圧流体側において小さく設定される」とは、しゅう動面Ｓの周方向の全ての部分において単位周長さＬにおける面積比率が高圧流体側に比べて低圧流体側において小さく設定されることである。
　なお、しゅう動面Ｓの径方向においては連続的に面積比率が変化する場合に限らず、不連続に変化する場合も含まれる。
　また、「高圧流体側」及び「低圧流体側」とは、しゅう動面Ｓの径方向における側（サイド）を表すものであるが、高圧流体側のしゅう動面と低圧流体側のしゅう動面との区分けは、低圧流体側密封面ＩＳの径方向の幅を除いた部分の幅をＢとした場合、Ｂの中間点であるＢ／２の点を目安とする。
　ディンプル１０の個々の大きさ（例えば直径）は全てが同じであっても、全てが異なっていても、あるいは、一部が同じであって一部が異なっていてもよく、要は、複数のディンプル１０の面積比率がしゅう動面Ｓの高圧流体側に比べて低圧流体側において小さく設定されていればよい。
　図４においては、低圧流体側において平坦なランド部Ｒが一定幅で全周に残るように形成された低圧流体側密封面ＩＳが設けられ、該低圧流体側密封面ＩＳを除いたしゅう動面の部分に、開口径の異なる複数のディンプル１０が相互に他のディンプルと独立してランダムに分布するよう配置され、複数のディンプル１０の面積比率が、しゅう動面Ｓの高圧流体側に比べて低圧流体側において小さくなるように設けられている。
　複数のディンプル１０の面積比率は、密封と潤滑の両立を図るため、３０～５０％に設定されることが好ましい。
　しゅう動面にディンプルを加工する方法の一例を説明すると、次のとおりである。
（１）乱数を用いて金属マスクにあける孔の径と位置とを決定する。
（２）決定された径と位置とで金属マスクにレーザ加工などで孔をあける。
（３）ランダムに孔のあけられた金属マスクを対象となるしゅう動部品のしゅう動面上に設置する。
（４）金属マスクの上からフェムト秒レーザあるいはピコ秒レーザを照射したり、イオンエッチングなどで金属マスクの孔を利用してしゅう動面にディンプルを形成する。しゅう動面には、開口径の異なるディンプルが所定の分布でもって一様に配置される。
　開口径の異なる複数のディンプル１０のランダム分布は、しゅう動面の軸受特性数Ｇ（流体の粘度×速度／荷重）などに応じて設定されるものであるが、本例では、開口径が、好ましくは１０～５００μｍ、より好ましくは３０～１００μｍの範囲に分布するよう設定されている。そのため、流体潤滑遷移点が低Ｇ側へシフトするとともに流体潤滑遷移点における摩擦係数が低下し、また、広い範囲の回転数域で摩擦係数が低減している。
　また、複数のディンプル１０の深さは、例えば、摩擦係数低減の面から５０～１００００ｎｍの範囲内に設定されることが好ましいが、極低速でのしゅう動特性を重視する場合には、好ましくは５０～１０００ｎｍ、より好ましくは５０～５００ｎｍの範囲内に設定される。
　実施例１のしゅう動部品は以下のような効果を奏する。
（１）複数のディンプル１０の面積比率がしゅう動面Ｓの高圧流体側に比べて低圧流体側において小さく設定されることにより、しゅう動面Ｓの高圧流体側においては動圧効果により流体潤滑となり、低圧流体側においては漏れを抑制しつつ、ディンプル１０に流体を保持して液膜切れを抑制し、直接接触による摩耗を防止できるため、しゅう動面における密封と潤滑の両立を図ることができる。
（２）開口径の異なる複数のディンプル１０がランダムに分布するように配置され、その配置密度がしゅう動面Ｓの高圧流体側に比べて低圧流体側において小さくなるように設定されることにより、しゅう動面における軸受特性数Ｇの広い範囲においてしゅう動特性の向上、すなわち、摩擦係数の低減を図ることができる。
（３）複数のディンプル１０の面積比率が３０～５０％であることにより、しゅう動面Ｓにおける密封と潤滑の両立を図ることができる。
（４）複数のディンプルの開口径が好ましくは１０～５００μｍ、より好ましくは３０～１００μｍの範囲に設定されることにより、流体潤滑遷移点が低Ｇ側へシフトするとともに流体潤滑遷移点における摩擦係数が低下し、また、広い範囲の回転数域で摩擦係数を低減することができる。
（５）複数のディンプル１０の深さが５０～１００００ｎｍの範囲に設定されることにより、しゅう動面Ｓにおける摩擦係数を低減することができる。
（６）複数のディンプル１０の深さが好ましくは５０～１０００ｎｍ、より好ましくは５０～５００ｎｍの範囲に設定されることにより、しゅう動面における極低速でのしゅう動特性を良好にすることができる。
　図５を参照して、本発明の実施例２に係るしゅう動部品について説明する。
　実施例２においては、複数のディンプルの開口径が略同一に設定される点で実施例１と相違するがその他の構成は実施例１と同じであり、重複する説明は省略する。
　図５に示す実施例２では、複数のディンプル１１の開口径が略同一に設定され、その配置密度は、しゅう動面Ｓの高圧流体側に比べて低圧流体側において小さく設定されている。
　複数のディンプル１１の配置形態は、ランダムに分布されてもよく、あるいは、規則的に分布されてもよい。
　図５では、低圧流体側において平坦なランド部Ｒが一定幅で全周に残るように形成された低圧流体側密封面ＩＳの外周側の近傍に設けられたディンプル１１は周方向に規則的な間隔で配置され、それ以外の部分のディンプル１１は、ランダムに分布されている。また、低圧流体側のしゅう動面において、径方向の中間部にはディンプル１１の設けられていない部分がある。
　実施例２に係るしゅう動部品においては、実施例１と同様の効果を奏する他、複数のディンプル１１の開口径が略同一に設定されているため、製作が容易である。
　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、しゅう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いずれかに用いる例について説明したが、円筒状しゅう動面の軸方向一方側に潤滑油を密封しながら回転軸としゅう動する軸受のしゅう動部品として利用することも可能である。
　また、例えば、前記実施例では、外周側に高圧の被密封流体が存在する場合について説明したが、内周側が高圧流体の場合にも適用できる。
　また、例えば、前記実施例１では、開口径の異なる複数のディンプルがランダムに分布されている場合、前記実施例２では、略同一の開口径の複数のディンプルがランダム及び規則的に配置されている場合について説明したが、これらは好ましい例を示したものであり、これらに限定されず、例えば、高圧流体側から低圧流体側に向けて開口径が順次小さくなる複数のディンプルを規則的に配置するようにしてもよい。
　 １　　　　　　　回転軸
　 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
　 １１　　　　　　ディンプル
 　Ｓ　　　　　　　しゅう動面
　 Ｒ　　　　　　　ランド部
　 ＩＳ　　　　　　低圧流体側密封面
　

Claims (7)

  1. 　一対のしゅう動部品の互いに相対しゅう動する少なくとも一方側のしゅう動面にディンプルが複数配置されたしゅう動部品において、前記複数のディンプルは相互に他のディンプルと独立して設けられ、前記複数のディンプルの面積比率は、前記しゅう動面の高圧流体側に比べて低圧流体側において小さく設定されることを特徴とするしゅう動部品。
  2. 　開口径の異なる複数のディンプルがランダムに分布するように配置され、その配置密度が前記しゅう動面の高圧流体側に比べて低圧流体側において小さくなるように設定されることを特徴とする請求項１に記載のしゅう動部品。
  3. 　前記複数のディンプルは、開口径が１０～５００μｍの範囲に設定されることを特徴とする請求項２に記載のしゅう動部品。
  4. 　前記複数のディンプルは、開口径が略同一に設定され、その配置密度は、前記しゅう動面の高圧流体側に比べて低圧流体側において小さくなるように設定されることを特徴とする請求項１に記載のしゅう動部品。
  5. 　前記複数のディンプルの面積比率は、３０～５０％であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のしゅう動部品。
  6. 　 前記複数のディンプルは、深さが５０～１００００ｎｍの範囲に設定されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のしゅう動部品。
  7. 　前記複数のディンプルは、深さが５０～１０００ｎｍの範囲に設定されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のしゅう動部品。
    　
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