WO2023053964A1 - 摺動部品 - Google Patents

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WO2023053964A1
WO2023053964A1 PCT/JP2022/034390 JP2022034390W WO2023053964A1 WO 2023053964 A1 WO2023053964 A1 WO 2023053964A1 JP 2022034390 W JP2022034390 W JP 2022034390W WO 2023053964 A1 WO2023053964 A1 WO 2023053964A1
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WO
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groove
fluid
leakage
reverse
leak
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/034390
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English (en)
French (fr)
Inventor
忠継 井村
啓志 鈴木
翔悟 福田
健太 内田
Original Assignee
イーグル工業株式会社
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Publication date
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    • F16J15/16Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/34Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member
    • F16J15/3404Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member and characterised by parts or details relating to lubrication, cooling or venting of the seal
    • F16J15/3408Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member and characterised by parts or details relating to lubrication, cooling or venting of the seal at least one ring having an uneven slipping surface
    • F16J15/3412Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member and characterised by parts or details relating to lubrication, cooling or venting of the seal at least one ring having an uneven slipping surface with cavities
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    • F16C33/06Sliding surface mainly made of metal
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    • F16C33/1025Construction relative to lubrication with liquid, e.g. oil, as lubricant
    • F16C33/106Details of distribution or circulation inside the bearings, e.g. details of the bearing surfaces to affect flow or pressure of the liquid
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    • F16J15/34Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member

Definitions

  • the present invention relates to sliding parts used for shaft seals and bearings.
  • a mechanical seal consisting of a pair of annular sliding rings that rotate relative to each other and whose sliding surfaces slide against each other is known as a sliding part that prevents leakage of the sealed fluid around the rotating shaft in a rotating machine.
  • a sliding part that prevents leakage of the sealed fluid around the rotating shaft in a rotating machine.
  • a plurality of spiral grooves on the inner diameter side and a plurality of spiral grooves on the outer diameter side are provided on the sliding surface of one of the sliding rings.
  • the spiral groove on the inner diameter side communicates with the space on the leakage side, which is on the inner diameter side of the sliding surface, and extends in the outer diameter direction while being inclined in one direction in the circumferential direction.
  • the spiral groove on the outer diameter side communicates with the space on the sealed fluid side, which is the outer diameter side of the sliding surface, and extends in the inner diameter direction while being inclined in the other circumferential direction. Since the spiral groove extends in the radial direction while being inclined in the circumferential direction in this way, it is possible to obtain a higher dynamic pressure generation capability than recesses or grooves such as dimples or Rayleigh steps extending along the radial direction.
  • the fluid to be sealed flows into the space between the slide surfaces through the spiral groove on the outer diameter side, forming a liquid film.
  • gas on the leakage side is sucked in from the starting end on the inner diameter side of the spiral groove on the inner diameter side, and dynamic pressure is generated at the terminal end.
  • the lubricity between the sliding surfaces is improved.
  • the spiral groove on the outer diameter side sucks in the sealed fluid between the sliding surfaces and discharges it to the outer diameter side, which prevents the sealed fluid from leaking into the space on the leakage side. It is designed to be
  • the present invention has been devised with a focus on such problems, and it is possible to allow the sliding surfaces to slide smoothly from a low speed state to a high speed state regardless of whether the direction of relative rotation is positive or reverse.
  • An object of the present invention is to provide a sliding part that can
  • the sliding component of the present invention is A sliding component provided with a pair of sliding surfaces arranged to face a portion that rotates relative to each other when a rotary machine is driven, and partitioning a fluid-side space and a leakage-side space, On one sliding surface, a fluid side groove communicating with the fluid side space and extending in the positive direction of relative rotation; a fluid-side reverse groove communicating with the fluid-side space and extending in a direction opposite to the relative rotation; a leakage side groove having at least one end disposed closer to the leakage side space than the fluid side groove and the fluid side reverse groove, and extending from the end toward the fluid side space in the positive direction of relative rotation; a leak-side reverse groove having at least one end disposed closer to the leak-side space than the fluid-side groove and the fluid-side reverse groove, and extending from the end toward the fluid-side space in a direction opposite to the relative rotation; A deep groove partitions a fluid side area where the fluid side groove and the fluid side reverse groove are provided and
  • the lubricity between the sliding surfaces is improved mainly by the sealed fluid supplied between the sliding surfaces from the closed end of the fluid side groove.
  • the sealed fluid supplied between the sliding surfaces from the fluid side groove is collected in the deep groove, so the positive pressure in the fluid side groove is suppressed.
  • the lubricity between the sliding surfaces is improved mainly by the sealed fluid supplied between the sliding surfaces from the closed end of the fluid-side reverse groove.
  • the sealed fluid supplied between the sliding surfaces from the fluid-side reverse groove is collected in the deep groove, so positive pressure in the fluid-side reverse groove is suppressed.
  • the leakage side groove or the leakage side reverse groove prevents the sealed fluid from leaking into the leak side space.
  • the deep groove may communicate with the fluid side space. According to this, since the fluid enters and exits the deep groove from the fluid side space, the amount of the sealed fluid in the deep groove is stabilized.
  • Each leakage side end of the leakage side groove and the leakage side reverse groove may communicate with the leakage side space. According to this, the leakage side fluid can be efficiently introduced from the leakage side space into the leakage side groove during relative rotation in the forward direction, and the leakage side fluid can be efficiently introduced from the leakage side space into the leakage side reverse groove during relative rotation in the reverse direction. can be introduced.
  • the one sliding surface may be provided with a communication groove that communicates the leak side end portions of the leak side groove and the leak side reverse groove. According to this, during relative rotation in the positive direction, the fluid collected in the leakage side reverse groove can be guided to the leakage side groove through the communication groove, and during relative rotation in the reverse direction, the fluid collected in the leakage side groove can be guided to the communication groove. can be led to the reverse groove on the leakage side through
  • the communication groove may be annular. According to this, the fluid sucked into the leakage side groove or the leakage side reverse groove can be recovered by the annular communication groove, and the fluid in the annular communication groove can be guided to the leakage side groove or the leakage side reverse groove. Furthermore, since the land is formed on the leakage side of the deep annular groove, the fluid recovered in the communication groove is less likely to leak into the leakage side space.
  • the terminal end portions of the leakage side groove and the leakage side reverse groove may be arranged closer to the fluid side space than the terminal end portions of the fluid side groove and the fluid side reverse groove. According to this, the length of each groove can be sufficiently secured.
  • the deep groove has a first inclined portion extending along the fluid side groove and the leakage side reverse groove, and a second inclined portion extending along the fluid side reverse groove and the leakage side groove.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an example of a mechanical seal in Example 1 of the present invention
  • FIG. FIG. 4 is a view of the sliding surface of the stationary seal ring in Example 1 as seen from the axial direction; 4 is an enlarged view of the sliding surface of the stationary seal ring when the rotary seal ring rotates forward at low speed in Embodiment 1, as seen from the axial direction.
  • FIG. 4 is an enlarged view of the sliding surface of the stationary seal ring when the rotary seal ring rotates forward at high speed in Embodiment 1, viewed from the axial direction.
  • FIG. It is the figure which looked at the sliding surface of the stationary seal ring in Example 2 of this invention from the axial direction.
  • FIG. 11 is a view of the sliding surface of the stationary seal ring in Example 3 of the present invention as seen from the axial direction;
  • FIG. 11 is a view of the sliding surface of the stationary seal ring in Example 4 of the present invention, viewed from the axial direction;
  • FIG. 11 is a view of the sliding surface of the stationary seal ring in Example 5 of the present invention as seen from the axial direction; It is the schematic which shows the modification of a fluid side groove
  • FIG. 1 A sliding component according to Example 1 will be described with reference to FIGS. 1 to 4.
  • FIG. 1 a mechanical seal will be described as an example of a sliding component.
  • the atmosphere A exists in the inner space S1
  • the sealed fluid F exists in the outer space S2.
  • the outer diameter side will be described as the sealed fluid side (high pressure side).
  • dots may be attached to grooves formed on the sliding surface in the drawings.
  • the mechanical seal shown in FIG. 1 seals a sealed fluid F in an outer space S2 as a fluid-side space that tends to leak from the outer diameter side to the inner diameter side of the sliding surface, and seals the sealed fluid F in an inner space S1 as a leakage side space.
  • the sealed fluid F is a high-pressure liquid
  • the atmosphere A is a gas with a pressure lower than that of the sealed fluid F.
  • a mechanical seal is mainly composed of a stationary seal ring 10 and a rotary seal ring 20.
  • the stationary seal ring 10 has an annular shape and is provided in a non-rotating and axially movable state on a seal cover 5 fixed to a housing 4 of a device to which it is attached.
  • the rotary seal ring 20 has an annular shape and is provided on the rotary shaft 1 via the sleeve 2 so as to be rotatable together with the rotary shaft 1 .
  • the stationary seal ring 10 is urged in the axial direction by the elastic member 7, so that the sliding surface 11 of the stationary seal ring 10 and the sliding surface 21 of the rotary seal ring 20 closely slide against each other. .
  • the sliding surface 21 of the rotary seal ring 20 is a flat surface, and this flat surface is not provided with recesses such as grooves.
  • the stationary seal ring 10 and the rotary seal ring 20 are typically made of a combination of SiC (hard material) or SiC (hard material) and carbon (soft material). Any material that is used as a sliding material for mechanical seals can be applied.
  • SiC include sintered bodies using boron, aluminum, carbon, etc. as sintering aids, and materials composed of two or more phases with different components and compositions, such as SiC and SiC in which graphite particles are dispersed.
  • Metal materials, resin materials, surface modification materials (coating materials), composite materials, etc. are also applicable in addition to the sliding materials described above.
  • the rotating seal ring 20 which is the mating seal ring, rotates relative to the stationary seal ring 10 clockwise as indicated by solid arrows or counterclockwise as indicated by dashed arrows. It is designed to slide.
  • the direction indicated by the solid line arrow is the forward rotation direction of the rotary seal ring 20
  • the direction indicated by the broken line arrow is the reverse rotation direction of the rotary seal ring 20.
  • the sliding surface 11 of the stationary seal ring 10 has a plurality of fluid side spiral grooves 13 as fluid side grooves, a plurality of fluid side reverse spiral grooves 14 as fluid side reverse grooves, and a plurality of leakage side spiral grooves as leakage side grooves.
  • Grooves 15a to 15c, a plurality of leakage side reverse spiral grooves 16a to 16c as leakage side reverse grooves, and a plurality of deep grooves 17 are provided.
  • the spiral groove means that the extending direction of the groove has both a radial component and a circumferential component.
  • a plurality (three in this embodiment) of the fluid-side spiral grooves 13 are arranged in the circumferential direction on the outer diameter side of the sliding surface 11 .
  • the fluid-side spiral groove 13 communicates with the outer space S2 at its outer diameter side end portion 13A, and extends in the forward rotation direction of the rotary seal ring 20, that is, in one circumferential direction, based on the communication point.
  • the fluid-side spiral groove 13 is a spiral groove that extends in an arcuate shape from the outer diameter side toward the inner diameter side while being inclined with a clockwise component.
  • the end portion 13B on the inner diameter side of the fluid-side spiral groove 13 has a closed shape, that is, a closed end portion.
  • the fluid-side spiral groove 13 has a constant depth in the extending direction.
  • a plurality (three in this embodiment) of the fluid-side reverse spiral grooves 14 are arranged in the circumferential direction on the outer diameter side of the sliding surface 11 .
  • the fluid-side reverse spiral groove 14 communicates with the outer space S2 at its outer diameter side end portion 14A, and extends in the opposite direction of rotation of the rotary seal ring 20, that is, in the other circumferential direction, based on the communication point.
  • the fluid-side reverse spiral groove 14 is a spiral groove that extends in an arcuate shape while being inclined with a counterclockwise component from the outer diameter side to the inner diameter side.
  • the end portion 14B on the inner diameter side of the fluid-side reverse spiral groove 14 has a closed shape, that is, a closed end portion.
  • the fluid-side reverse spiral groove 14 has a constant depth in the extending direction.
  • the fluid-side spiral groove 13 and the fluid-side reverse spiral groove 14 have the same depth.
  • the fluid-side reverse spiral groove 14 is circumferentially symmetrical with the fluid-side spiral groove 13 .
  • a plurality of leak side spiral grooves 15a to 15c are arranged in the inner diameter side of the sliding surface 11 in the circumferential direction.
  • the leak-side ends of the leak-side spiral grooves 15a to 15c that is, the inner diameter-side end 15A, communicate with the inner space S1.
  • the leak-side spiral grooves 15a-15c extend substantially parallel to the fluid-side spiral groove 13. As shown in FIG.
  • the leak-side spiral grooves 15a to 15c are spiral grooves that extend in an arcuate direction from the inner diameter side to the outer diameter side while being inclined with a clockwise component. Further, the ends 15B on the outer diameter side of the leak side spiral grooves 15a to 15c are in a closed shape, that is, closed ends.
  • the leak side spiral grooves 15a to 15c have a constant depth in the extending direction.
  • the lengths of the three leak-side spiral grooves 15a to 15c are different.
  • the leak-side spiral groove 15a is longer than the leak-side spiral groove 15b, and the leak-side spiral groove 15b is longer than the leak-side spiral groove 15c.
  • the ends 15B of the leak side spiral grooves 15a to 15c are arranged side by side in the radial direction.
  • each end 15B of the leak-side spiral grooves 15a to 15c is arranged on the outer diameter side of the end 13B of the fluid-side spiral groove 13 and the end 14B of the fluid-side reverse spiral groove .
  • a plurality of leakage-side reverse spiral grooves 16a to 16c are arranged on the inner diameter side of the sliding surface 11 in the circumferential direction.
  • the leak-side reverse spiral grooves 16a to 16c communicate with the inner space S1 at their leak-side ends, ie, the inner diameter side end 16A, and rotate in the reverse rotation direction, ie, the circumferential direction, etc. extending in the direction
  • the leak-side reverse spiral grooves 16 a - 16 c extend substantially parallel to the fluid-side reverse spiral groove 14 .
  • the leak-side reverse spiral grooves 16a to 16c are spiral grooves extending in an arcuate direction from the inner diameter side to the outer diameter side while being inclined with a counterclockwise component. Further, the ends 16B on the outer diameter side of the leak-side reverse spiral grooves 16a to 16c are in a closed shape, that is, closed ends. In other words, the leak-side reverse spiral grooves 16a-16c and the leak-side spiral grooves 15a-15c are circumferentially symmetrical.
  • the leak-side reverse spiral grooves 16a to 16c have a constant depth in the extending direction.
  • the leakage side spiral grooves 15a to 15c and the leakage side reverse spiral grooves 16a to 16c have the same depth, and the leakage side spiral grooves 15a to 15c and the leakage side reverse spiral grooves 16a to 16c have the same depth. It is deeper than the spiral groove 13 and the reverse spiral groove 14 on the fluid side.
  • the capacities of the leak-side spiral grooves 15a-15c and the leak-side reverse spiral grooves 16a-16c are larger than the capacities of the fluid-side spiral groove 13 and the fluid-side reverse spiral groove .
  • the lengths of the leak-side reverse spiral grooves 16a to 16c are different.
  • the leak-side reverse spiral groove 16a is longer than the leak-side reverse spiral groove 16b, and the leak-side reverse spiral groove 16b is longer than the leak-side reverse spiral groove 16c.
  • the ends 16B of the leak-side reverse spiral grooves 16a-16c are arranged radially side by side.
  • each end 16B of the leak-side reverse spiral grooves 16a to 16c is arranged radially outside the end 13B of the fluid-side spiral groove 13 and the end 14B of the fluid-side reverse spiral groove 14.
  • the fluid-side spiral groove 13 and the fluid-side reverse spiral groove 14 facing each other so that the ends 13B and 14B approach each other in the circumferential direction are regarded as one set, and the respective ends 15B and 16B face each other in the circumferential direction as leakage-side spiral grooves.
  • the grooves 15a to 15c and the reverse spiral grooves 16a to 16c on the leak side are described as one set.
  • One set of leakage side spiral grooves 15a to 15c and leakage side reverse spiral grooves 16a to 16c are arranged between one set of fluid side spiral grooves 13 and another set of adjacent fluid side reverse spiral grooves 14 in the circumferential direction. are arranged.
  • a plurality of (three in this embodiment) deep grooves 17 are arranged in the sliding surface 11 in the circumferential direction.
  • the deep groove 17 has a constant depth in the extending direction.
  • the deep groove 17 is deeper than the leakage side spiral grooves 15a to 15c and the leakage side reverse spiral grooves 16a to 16c.
  • the depth of the deep groove 17 is such that the relative rotation between the stationary seal ring 10 and the rotary seal ring 20 causes almost no dynamic pressure.
  • the deep groove 17 communicates with the outer space S2 at both ends 17A and 17B in the circumferential direction, and extends so as to surround a pair of the fluid-side spiral groove 13 and the fluid-side reverse spiral groove 14 .
  • the deep groove 17 has a first portion 171 as a first inclined portion, a second portion 172 as a second inclined portion, and a third portion 173 .
  • the first portion 171 is a portion that extends between and substantially parallel to the fluid side spiral groove 13 and the leakage side reverse spiral grooves 16a to 16c.
  • the second portion 172 is a portion that extends substantially parallel between the fluid side reverse spiral groove 14 and the leakage side spiral grooves 15a to 15c.
  • the third portion 173 extends concentrically with the stationary seal ring 10 and connects the inner diameter ends of the first portion 171 and the second portion 172 .
  • the land 12 has a flat surface.
  • the flat surface of the land 12 functions as a sliding surface that substantially slides on the sliding surface 21 of the rotary seal ring 20 .
  • the sliding surface 11 is divided into a fluid side area A1 and a leakage side area A2 by a deep groove 17.
  • a set of fluid-side spiral grooves 13 and fluid-side reverse spiral grooves 14, and lands 12 partitioning them are provided in the fluid-side region A1.
  • the leak side area A2 is provided with all the leak side spiral grooves 15a to 15c and the leak side reverse spiral grooves 16a to 16c, and the land 12 that partitions them.
  • the leak side area A2 is an area of the sliding surface 11 other than the fluid side area A1.
  • the sealed fluid F moves to the end portion 13B, and positive pressure is generated at the end portion 13B and its vicinity.
  • the sealed fluid F moves to the end portion 14A, and a relative negative pressure is generated at and near the end portion 14B.
  • the air A moves to each end 15B, and positive pressure is generated at each end 15B and its vicinity.
  • the leak-side reverse spiral grooves 16a to 16c the air A moves to each end 16A, and a relative negative pressure is generated at each end 16B and its vicinity.
  • relative negative pressure refers to a state in which the pressure is lower than the ambient pressure, not in a vacuum state.
  • FIG. 3 the case where the rotary seal ring 20 rotates in the normal direction will be described as an example, and the explanation when the rotary seal ring 20 rotates in the reverse direction will be omitted.
  • FIGS. 3 and 4 for convenience of explanation, the range of positive pressure generated in each spiral groove is illustrated so as to be surrounded by a one-dot chain line.
  • the sealed fluid F flows into the fluid-side spiral groove 13 and the fluid-side reverse spiral groove 14 through the openings of the ends 13A and 14A. Further, the sealed fluid F flows into the deep groove 17 from the openings of the end portions 17A and 17B. Also, the atmosphere A flows into the leakage side spiral grooves 15a to 15c and the leakage side reverse spiral grooves 16a to 16c from the openings of the ends 15A and 16A. Since the stationary seal ring 10 is urged toward the rotary seal ring 20 by the elastic member 7, the sliding surfaces 11 and 21 are in contact with each other, and the fluid F to be sealed between the sliding surfaces 11 and 21 is kept in contact with each other. There is almost no amount of leaking into the inner space S1.
  • the fluid-side spiral groove 13 is filled with a sealed fluid F whose pressure is higher than the atmosphere A flowing into the leak-side spiral grooves 15a to 15c, and the fluid-side spiral groove 13 is a leak-side spiral groove. Since the capacities are smaller than those of 15a-15c, the first force due to the positive pressure generated at the end 13B of the fluid side spiral groove 13 is due to the positive pressure generated at each end 15B of the leak side spiral grooves 15a-15c. greater than the second force. Therefore, when the rotary seal ring 20 rotates at a low speed, the first force mainly acts to separate the sliding surfaces 11 and 21 from each other.
  • the sealed fluid F is supplied between the sliding surfaces 11 and 21 from the fluid-side spiral groove 13, and the sliding surfaces 11 and 21 are slightly spaced apart, so that lubricity is maintained even during low-speed rotation. is improved, and wear between the sliding surfaces 11 and 21 can be suppressed.
  • the sealed fluid F supplied to the fluid side area A1 on the sliding surface 11 is mainly sucked into the fluid side reverse spiral groove 14 as indicated by the arrow H1, and is partially sucked as indicated by the arrow H2. is collected in the deep groove 17. Further, since the floating distance between the sliding surfaces 11 and 21 is small, the sealed fluid F hardly flows into the leak side area A2 of the sliding surface 11 . Therefore, the sealed fluid F is suppressed from leaking into the inner space S1. In addition, when the amount of the sealed fluid F that can be stored in the deep groove 17 is recovered, the excess sealed fluid F is returned to the outer space S2.
  • the negative pressure generated at each end 16B of the leakage side reverse spiral grooves 16a to 16c and its vicinity is relatively small, and the leakage side spiral grooves 15a to 15c facing each other are
  • the positive pressure generated at each end 15B acts to push out most of the sealed fluid F flowing from the outer diameter side of the leak side area A2 to the outer space S2.
  • the sliding surfaces 11 and 21 are separated by the sealed fluid F supplied between the sliding surfaces 11 and 21 mainly from the end portion 13B of the fluid-side spiral groove 13 . lubricity is improved. Further, when the relative rotation of the mechanical seal is forward rotation at high speed, the sealed fluid F supplied between the sliding surfaces 11 and 21 from the fluid-side spiral groove 13 is collected in the deep groove 17. The positive pressure is suppressed, and the positive pressure generated mainly at the ends 15B of the leak-side spiral grooves 15a to 15c separates the sliding surfaces 11 and 21 from each other, thereby improving lubricity.
  • the sliding surface 11 also has a fluid-side reverse spiral groove 14 circumferentially symmetrical with the fluid-side spiral groove 13 and a leak-side reverse spiral groove circumferentially symmetrical with the leak-side spiral grooves 15a to 15c. Since 16a to 16c are provided, when the relative rotation of the mechanical seals is reversed, the same function as above is exhibited.
  • the sealed fluid F can be taken in and out between the deep groove 17 and the outer space S2, and the amount of the sealed fluid F in the deep groove 17 is stabilized. . That is, the sealed fluid F supplied between the sliding surfaces 11 and 21 from the fluid-side spiral groove 13 or the fluid-side reverse spiral groove 14 can be reliably recovered in the deep groove 17 .
  • the ends 15A, 16A of the leak-side spiral grooves 15a-15c and the leak-side reverse spiral grooves 16a-16c communicate with the inner space S1. According to this, when the mechanical seal rotates relative to the normal direction, the atmosphere A can be introduced from the inner space S1 into the leakage side spiral grooves 15a to 15c, and when the mechanical seal rotates in the opposite direction, the leakage side reverse spiral grooves 15a to 15c can be introduced from the inner space S1. Since the atmosphere A can be introduced into the grooves 16a to 16c, positive pressure can be stably generated in the leak side spiral grooves 15a to 15c and the leak side reverse spiral grooves 16a to 16c.
  • each end 15B of the leakage side spiral grooves 15a to 15c and each end 16B of the leakage side reverse spiral grooves 16a to 16c are connected to the end 13B of the fluid side spiral groove 13 and the end 14B of the fluid side reverse spiral groove 14. It is arranged on the outer diameter side, that is, on the outer space S2 side. According to this, the length of each spiral groove can be sufficiently secured.
  • the deep groove 17 has a first portion 171 extending along the fluid side spiral groove 13 and the leakage side reverse spiral grooves 16a to 16c, and a first portion 171 extending along the fluid side reverse spiral groove 14 and the leakage side spiral grooves 15a to 15c.
  • the spiral grooves can be efficiently arranged in the circumferential direction.
  • An annular land 18 is provided on the inner diameter side edge of the sliding surface 111 of the stationary seal ring 100 of the second embodiment.
  • An annular deep groove 117 as a communication groove is formed concentrically with the stationary seal ring 100 on the outer diameter side of the annular land 18 .
  • the annular deep groove 117 and the third portion 173 of the deep groove 17 are separated by the land 112 forming the leak side area A20.
  • the annular deep groove 117 is formed to a depth that hardly generates dynamic pressure due to the relative rotation of the mechanical seal.
  • leakage side spiral grooves 151a to 151c and leakage side reverse spiral grooves 161a to 161c are provided on the outer diameter side of this annular deep groove 117.
  • Each end 151A of the leakage side spiral grooves 151a to 151c and each end 161A of the leakage side reverse spiral grooves 161a to 161c communicate with the annular deep groove 117.
  • the configuration other than the above is the same as that of the first embodiment.
  • the sealed fluid F collected in the leakage side reverse spiral grooves 161a to 161c can be guided to the leakage side spiral grooves 151a to 151c through the annular deep groove 117. Further, when the mechanical seal rotates in the reverse direction, the sealed fluid F collected in the leak-side spiral grooves 151a-151c can be led through the annular deep groove 117 to the leak-side reverse spiral grooves 161a-161c. Therefore, the sealed fluid F collected in the leakage side spiral grooves 151a to 151c and the leakage side reverse spiral grooves 161a to 161c hardly leaks into the inner space S1.
  • annular deep groove 117 can recover the sealed fluid F from portions other than the leakage side spiral grooves 151a to 151c and the leakage side reverse spiral grooves 161a to 161c, that is, the lands 112 forming the leakage side area A20.
  • annular land 18 is formed on the inner diameter side of the annular deep groove 117 .
  • the sealed fluid F collected in the annular deep groove 117 is less likely to leak into the inner space S1.
  • the deep groove and the annular communication groove are partitioned by the land, but the deep groove and the annular communication groove may communicate with each other.
  • Two fluid-side spiral grooves 213a and 213b and two fluid-side reverse spiral grooves 214a and 214b are provided in the fluid-side region A10 of the sliding surface 211 of the stationary seal ring 200 of the third embodiment. ing.
  • the fluid-side spiral groove 213a is longer than the fluid-side spiral groove 213b.
  • the fluid-side spiral groove 213a is arranged side by side in the reverse rotation direction of the rotary seal ring 20 of the fluid-side spiral groove 213b.
  • the fluid-side reverse spiral groove 214a is longer than the fluid-side reverse spiral groove 214b and has the same length as the fluid-side spiral groove 213a.
  • the fluid-side reverse spiral groove 214a is arranged side by side in the forward rotation direction of the rotary seal ring 20 of the fluid-side reverse spiral groove 214b.
  • fluid-side spiral groove 213b and the fluid-side reverse spiral groove 214b have the same length.
  • the configuration other than the above is the same as that of the second embodiment.
  • the sliding surface 311 of the stationary seal ring 300 of Embodiment 4 is provided with a deep groove 317 continuous in the circumferential direction.
  • the deep groove 317 has a first portion 317a, a second portion 317b, a third portion 317c, and a fourth portion 317d.
  • the first portion 317a is a portion extending substantially parallel between the fluid side spiral groove 13 and the leakage side reverse spiral grooves 161a to 161c.
  • the outer diameter end of the first portion 317a does not communicate with the outer space S2.
  • the second portion 317b is a portion extending substantially parallel between the fluid side reverse spiral groove 14 and the leak side spiral grooves 151a to 151c.
  • the outer diameter end of the second portion 317b does not communicate with the outer space S2.
  • the third portion 317c extends concentrically with the stationary seal ring 300 and connects the inner diameter ends of the first portion 317a and the second portion 317b.
  • the fourth portion 317d extends concentrically with the stationary seal ring 300 and connects the outer diameter ends of the first portion 317a and the second portion 317b.
  • the endless deep groove 317 is arranged between the leak side area A20′ and the outer space S2, the amount of the sealed fluid F flowing into the leak side area A20′ is small. Leakage of the sealed fluid F to S1 can be reduced as much as possible.
  • the mechanical seal of the fifth embodiment is of an outside type in which the sealed fluid F in the inner space S1 is sealed and the outer space S2 communicates with the atmosphere A. That is, in the fifth embodiment, the inner space S1 functions as a fluid side space, and the outer space S2 functions as a leak side space.
  • the sliding surface 411 of the stationary seal ring 400 of the fifth embodiment is provided with an annular land 18' on its outer diameter side edge.
  • An annular deep groove 117' is formed as a communication groove on the inner diameter side of the annular land 18'.
  • Four deep grooves 417 having both ends communicating with the inner space S1 are provided in the circumferential direction on the inner diameter side of the annular deep groove 117'.
  • the deep groove 417 does not communicate with the outer space S2.
  • a fluid-side spiral groove 413 and a fluid-side reverse spiral groove 414 are provided in the fluid-side region A100.
  • the leakage side region A200 is provided with leakage side spiral grooves 451a to 451c and leakage side reverse spiral grooves 461a to 461c.
  • the leak-side spiral grooves 451a-451c and the leak-side reverse spiral grooves 461a-461c communicate with the annular deep groove 117' and extend radially inward.
  • the fluid side groove and the fluid side reverse groove are directly connected to the fluid side space.
  • a fluid side groove 513 extends from the first portion 171 in one circumferential direction concentrically with the stationary seal ring 500, and a fluid side reverse groove 514 extends from the second portion 172 of the deep groove 17 in the other circumferential direction concentrically with the stationary seal ring 500. May be extended.
  • the fluid side groove 513 and the fluid side reverse groove 514 may communicate with the outer space S2, that is, the fluid side space through the deep groove 17 .
  • the fluid side groove 513 and the fluid side reverse groove 514 may not have a radial component, that is, they may not be spiral grooves.
  • Example 1 to 5 the fluid side groove and the fluid side reverse groove are symmetrical, and the leakage side groove and the leakage side reverse groove are symmetrical.
  • the form in which negative pressure is generated has been exemplified, it is not limited to this, and each groove is made asymmetrical so that positive pressure and relative negative pressure are generated differently in the positive direction and the reverse direction of relative rotation. good too.
  • the communication grooves communicating the leakage side ends of the leakage side groove and the leakage side reverse groove are deep grooves. It may be a shallow groove having a depth of
  • the form in which the communicating groove is annular was exemplified. good.
  • the communication groove is not limited to an arc shape, and may extend in a sine wave shape or in a straight line shape.
  • each groove and deep groove may be freely changed.
  • the fluid side groove and the leakage side reverse groove, and the fluid side reverse groove and the leakage side groove have substantially the same degree of inclination in the circumferential direction when viewed from the axial direction. may have different degrees of inclination to .
  • the grooves are provided in the stationary seal ring, but the grooves may be provided in the rotary seal ring.
  • each groove has a constant depth in the extending direction, but a step or an inclined surface may be formed on the bottom surface of the groove.
  • the fluid side groove and the fluid side reverse groove are shallower than the leakage side groove and the leakage side reverse groove, and the capacity is small.
  • the capacity may be formed to the same extent as the depth and capacity of the leakage side groove and the leakage side reverse groove.
  • the sealed fluid side is assumed to be the high pressure side and the leakage side is assumed to be the low pressure side, the sealed fluid side may be the low pressure side and the leakage side may be the high pressure side. It may be the same pressure.
  • the sealed fluid F is described as a high-pressure liquid, but it is not limited to this, and may be a gas or a low-pressure liquid. good too.
  • the fluid on the leak side is explained to be the atmosphere A, which is a low-pressure gas. It may be in the form of a mist.
  • stationary seal ring 11 sliding surface 12 land 13 fluid side spiral groove (fluid side groove) 13A end 13B end (terminal) 14 fluid side reverse spiral groove (fluid side reverse groove) 14A end 14B end (terminal) 15A end 15B end (terminal end, leak side end) 15a to 15c leak side spiral groove (leak side groove) 16A end 16B end (terminal) 16a to 16c Leakage side reverse spiral groove (leakage side reverse groove) 17 deep groove 18 annular land 20 rotary seal ring 21 sliding surface 117 annular deep groove A atmosphere A1 fluid side area A2 leak side area F sealed fluid S1 inner space (leak side space) S2 outer space (fluid side space)

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Abstract

正回転、逆回転いずれの相対回転方向であっても低速状態から高速状態まで摺動面同士を円滑に摺動させることができる摺動部品を提供する。 流体側溝13及び流体側逆溝14が設けられる流体側領域A1と漏れ側溝15a~15c及び漏れ側逆溝16a~16cが設けられる漏れ側領域A2とを区画する深溝17を備えている。

Description

摺動部品
 本発明は、軸封や軸受に用いられる摺動部品に関する。
 回転機械において回転軸周辺の被密封流体の漏れを防止する摺動部品として、例えば相対回転し摺動面同士が摺動する一対の環状の摺動環からなるメカニカルシールが知られている。このようなメカニカルシールにおいては、近年、環境対策等のために摺動により失われるエネルギの低減が望まれており、摺動環の摺動面に動圧発生溝が設けられているものがある。
 例えば、特許文献1に示されるメカニカルシールは、一方の摺動環の摺動面に内径側のスパイラル溝と、外径側のスパイラル溝と、が複数個ずつ設けられている。内径側のスパイラル溝は摺動面の内径側である漏れ側の空間に連通し周方向一方に傾斜しながら外径方向に延びている。また、外径側のスパイラル溝は摺動面の外径側である被密封流体側の空間に連通し周方向他方に傾斜しながら内径方向に延びている。このようにスパイラル溝は周方向に傾斜しながら径方向に延びることから、ディンプルや径方向に沿って延びるレイリーステップ等の凹部や溝に比べて高い動圧発生能力を得ることができる。
 摺動環の相対回転低速時には、外径側のスパイラル溝から摺動面間に被密封流体が流入して液膜が形成される。また、摺動環の相対回転高速時には、内径側のスパイラル溝の内径側の始端部から漏れ側の気体を吸い込み、終端部で動圧を発生させるため、摺動面同士が僅かに離間し、摺動面同士の潤滑性が向上する。また、摺動環の相対回転高速時には、外径側のスパイラル溝が摺動面間の被密封流体を吸い込んで外径側に排出するため、漏れ側の空間に被密封流体が漏れることが抑制されるようになっている。
国際公開2018/051867号(第10頁、第2図)
 回転機械の種類によっては、回転方向を状況に応じて切り換えるものもあり、摺動環の両方の相対回転方向に対応できるメカニカルシールが望まれていた。しかしながら、特許文献1のようなメカニカルシールにあっては、摺動環の逆方向の相対回転低速時には使用できるものの、高速回転時には実際に使用することができず、摺動環の両方の相対回転方向において低速状態から高速状態まで対応できるものではなかった。
 本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、正回転、逆回転いずれの相対回転方向であっても低速状態から高速状態まで摺動面同士を円滑に摺動させることが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、
 回転機械の駆動時に相対回転する箇所に対向して配置され、流体側空間と漏れ側空間とを区画する一対の摺動面を備える摺動部品であって、
 一方の摺動面には、
 前記流体側空間と連通し、相対回転正方向に延びる流体側溝と、
 前記流体側空間と連通し、相対回転逆方向に延びる流体側逆溝と、
 少なくとも一方の端部が前記流体側溝及び前記流体側逆溝よりも前記漏れ側空間側に配置され、該端部から前記流体側空間に向けて相対回転正方向に延びる漏れ側溝と、
 少なくとも一方の端部が前記流体側溝及び前記流体側逆溝よりも前記漏れ側空間側に配置され、該端部から前記流体側空間に向けて相対回転逆方向に延びる漏れ側逆溝と、
 前記流体側溝及び前記流体側逆溝が設けられる流体側領域と前記漏れ側溝及び前記漏れ側逆溝が設けられる漏れ側領域とを区画する深溝と、を備えている。
 これによれば、摺動部品の相対回転が正回転低速時には、主に流体側溝の閉塞端部から摺動面間に供給される被密封流体により摺動面同士の潤滑性が向上する。正回転高速時には、流体側溝から摺動面間に供給される被密封流体が深溝に回収されるため、流体側溝での正圧が抑えられている。また、相対回転が逆回転低速時には、主に流体側逆溝の閉塞端部から摺動面間に供給される被密封流体により摺動面同士の潤滑性が向上する。逆回転高速時には、流体側逆溝から摺動面間に供給される被密封流体が深溝に回収されるため、流体側逆溝での正圧が抑えられる。また、一方の流体側溝または流体側逆溝の閉塞端部から摺動面間に流入した流体は、他方の流体側溝または流体側逆溝と深溝により回収されるため、漏れ側溝または漏れ側逆溝の吸い込み機能により被密封流体が漏れ側空間に漏れることが抑制される。
 前記深溝は、前記流体側空間に連通していてもよい。
 これによれば、深溝には流体側空間から流体が出入するため、深溝内の被密封流体の量が安定する。
 前記漏れ側溝及び前記漏れ側逆溝の各漏れ側端部は、前記漏れ側空間に連通していてもよい。
 これによれば、正方向に相対回転時には、漏れ側空間から漏れ側溝に漏れ側流体を効率よく導入でき、逆方向に相対回転時には、漏れ側空間から漏れ側逆溝に漏れ側流体を効率よく導入できる。
 前記一方の摺動面には、前記漏れ側溝及び前記漏れ側逆溝の各漏れ側端部を連通する連通溝が設けられていてもよい。
 これによれば、正方向に相対回転時には、漏れ側逆溝で回収された流体を連通溝を通じて漏れ側溝に導くことができ、逆方向に相対回転時には、漏れ側溝で回収された流体を連通溝を通じて漏れ側逆溝に導くことができる。
 前記連通溝は環状であってもよい。
 これによれば、漏れ側溝または漏れ側逆溝で吸い込まれた流体を環状の連通溝で回収できるとともに、環状の連通溝内の流体を漏れ側溝または漏れ側逆溝に導くことができる。さらに環状深溝よりも漏れ側にはランドが形成されているので、連通溝に回収された流体が漏れ側空間に漏れにくい。
 前記漏れ側溝及び前記漏れ側逆溝の各終端部は、前記流体側溝及び前記流体側逆溝の各終端部よりも前記流体側空間側に配置されていてもよい。
 これによれば、各溝の長さを十分に確保できる。
 前記流体側溝と、前記漏れ側逆溝と、前記流体側逆溝と、前記漏れ側溝とが傾斜して配置され、
 前記深溝は、前記流体側溝と前記漏れ側逆溝とに沿うように延びる第1傾斜部と、前記流体側逆溝と前記漏れ側溝とに沿うように延びる第2傾斜部と、を有していてもよい。
 これによれば、流体側溝と漏れ側逆溝との間に第1傾斜部、流体側逆溝と漏れ側溝との間に第2傾斜部を配置することができるので、各溝を周方向に効率よく複数配置することができる。
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。 実施例1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。 実施例1において回転密封環の正回転低速時の静止密封環の摺動面を軸方向から見た拡大図である。 実施例1において回転密封環の正回転高速時の静止密封環の摺動面を軸方向から見た拡大図である。 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。 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。 本発明の実施例4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。 本発明の実施例5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。 流体側溝及び流体側逆溝の変形例を示す概略図である。
 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4を参照して説明する。尚、本実施例においては、摺動部品としてメカニカルシールを例に挙げ説明する。本実施例のメカニカルシールは内空間S1に大気Aが存在し、外空間S2に被密封流体Fが存在しており、メカニカルシールを構成する摺動環の内径側を漏れ側(低圧側)、外径側を被密封流体側(高圧側)として説明する。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もある。
 図1に示されるメカニカルシールは、摺動面の外径側から内径側に向かって漏れようとする流体側空間としての外空間S2の被密封流体Fを密封し漏れ側空間としての内空間S1が大気Aに通ずるインサイド形のものである。尚、本実施例では、被密封流体Fが高圧の液体であり、大気Aが被密封流体Fよりも低圧の気体である形態を例示する。
 メカニカルシールは、静止密封環10と、回転密封環20と、から主に構成されている。静止密封環10は、円環状をなし、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に移動可能な状態で設けられている。回転密封環20は、円環状をなし、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ている。弾性部材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は平坦面となっており、この平坦面には溝等の凹み部が設けられていない。
 静止密封環10および回転密封環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、相手側密封環である回転密封環20は、静止密封環10に対して実線矢印で示されるように時計回り、または破線矢印で示されるように反時計回りに相対摺動するようになっている。以下、実線矢印の方向を回転密封環20の正回転方向、破線矢印の方向を回転密封環20の逆回転方向として説明する。
 静止密封環10の摺動面11には、流体側溝としての複数の流体側スパイラル溝13と、流体側逆溝としての複数の流体側逆スパイラル溝14と、漏れ側溝としての複数の漏れ側スパイラル溝15a~15cと、漏れ側逆溝としての複数の漏れ側逆スパイラル溝16a~16cと、複数の深溝17と、が設けられている。ここで、本明細書において、スパイラル溝とは、溝の延在方向が径方向の成分と周方向の成分の両方を有しているものである。
 流体側スパイラル溝13は、摺動面11の外径側において周方向に複数(本実施例では3個)配設されている。流体側スパイラル溝13は、その外径側の端部13Aが外空間S2に連通し、その連通箇所を基準に回転密封環20の正回転方向、すなわち周方向一方向に延びている。
 詳しくは、流体側スパイラル溝13は、外径側から内径側に向けて時計回りの成分を持って傾斜しながら円弧状に延びるスパイラル溝である。また、流体側スパイラル溝13の内径側の端部13Bは閉塞された形状、すなわち閉塞端部となっている。この流体側スパイラル溝13は延伸方向に一定の深さとなっている。
 流体側逆スパイラル溝14は、摺動面11の外径側において周方向に複数(本実施例では3個)配設されている。流体側逆スパイラル溝14は、その外径側の端部14Aが外空間S2に連通し、その連通箇所を基準に回転密封環20の逆回転方向、すなわち周方向他方向に延びている。
 詳しくは、流体側逆スパイラル溝14は、外径側から内径側に向けて反時計回りの成分を持って傾斜しながら円弧状に延びるスパイラル溝である。また、流体側逆スパイラル溝14の内径側の端部14Bは閉塞された形状、すなわち閉塞端部となっている。この流体側逆スパイラル溝14は延伸方向に一定の深さとなっている。尚、本実施例では流体側スパイラル溝13と流体側逆スパイラル溝14とは同じ深さである。言い換えれば、流体側逆スパイラル溝14は、流体側スパイラル溝13と周方向に対称形状を成している。
 漏れ側スパイラル溝15a~15cは、摺動面11の内径側において周方向に複数個ずつ(本実施例では3個ずつ)配設されている。漏れ側スパイラル溝15a~15cは、その漏れ側端部、すなわち内径側の端部15Aが内空間S1に連通し、その連通箇所を基準に回転密封環20の正回転方向、すなわち周方向一方向に延びている。漏れ側スパイラル溝15a~15cは、流体側スパイラル溝13と略平行に延びている。
 詳しくは、漏れ側スパイラル溝15a~15cは、内径側から外径側に向けて時計回りの成分を持って傾斜しながら円弧状に延びるスパイラル溝である。また、漏れ側スパイラル溝15a~15cの外径側の端部15Bは閉塞された形状、すなわち閉塞端部となっている。この漏れ側スパイラル溝15a~15cは延伸方向に一定の深さとなっている。
 また、3つの漏れ側スパイラル溝15a~15cは長さが異なる。漏れ側スパイラル溝15aは漏れ側スパイラル溝15bよりも長く、漏れ側スパイラル溝15bは漏れ側スパイラル溝15cよりも長い。漏れ側スパイラル溝15a~15cの各端部15Bは半径方向に並んで配置されている。
 また、漏れ側スパイラル溝15a~15cの各端部15Bは、流体側スパイラル溝13の端部13Bおよび流体側逆スパイラル溝14の端部14Bよりも外径側に配置されている。
 漏れ側逆スパイラル溝16a~16cは、摺動面11の内径側において周方向に複数個ずつ(本実施例では3個ずつ)配設されている。漏れ側逆スパイラル溝16a~16cは、その漏れ側端部、すなわち内径側の端部16Aが内空間S1に連通し、その連通箇所を基準に回転密封環20の逆回転方向、すなわち周方向他方向に延びている。漏れ側逆スパイラル溝16a~16cは、流体側逆スパイラル溝14と略平行に延びている。
 詳しくは、漏れ側逆スパイラル溝16a~16cは、内径側から外径側に向けて反時計回りの成分を持って傾斜しながら円弧状に延びるスパイラル溝である。また、漏れ側逆スパイラル溝16a~16cの外径側の端部16Bは閉塞された形状、すなわち閉塞端部となっている。言い換えれば、漏れ側逆スパイラル溝16a~16cは、漏れ側スパイラル溝15a~15cと周方向に対称形状を成している。
 この漏れ側逆スパイラル溝16a~16cは延伸方向に一定の深さとなっている。尚、本実施例では漏れ側スパイラル溝15a~15cと漏れ側逆スパイラル溝16a~16cとは同じ深さであり、漏れ側スパイラル溝15a~15cおよび漏れ側逆スパイラル溝16a~16cは、流体側スパイラル溝13および流体側逆スパイラル溝14よりも深く形成されている。さらには、漏れ側スパイラル溝15a~15cおよび漏れ側逆スパイラル溝16a~16cの容量は流体側スパイラル溝13および流体側逆スパイラル溝14の容量よりも大きくなっている。
 漏れ側逆スパイラル溝16a~16cは長さが異なる。漏れ側逆スパイラル溝16aは漏れ側逆スパイラル溝16bよりも長く、漏れ側逆スパイラル溝16bは漏れ側逆スパイラル溝16cよりも長い。漏れ側逆スパイラル溝16a~16cの各端部16Bは半径方向に並んで配置されている。
 また、漏れ側逆スパイラル溝16a~16cの各端部16Bは、流体側スパイラル溝13の端部13Bおよび流体側逆スパイラル溝14の端部14Bよりも外径側に配置されている。
 尚、以下、端部13B,14Bが周方向に近づくように対向する流体側スパイラル溝13および流体側逆スパイラル溝14を1組とし、各端部15B,16Bが周方向に対向する漏れ側スパイラル溝15a~15cおよび漏れ側逆スパイラル溝16a~16cを1組として説明する。
 1組の漏れ側スパイラル溝15a~15cおよび漏れ側逆スパイラル溝16a~16cは、周方向において、一の組の流体側スパイラル溝13および隣接する他の組の流体側逆スパイラル溝14の間に配設されている。
 深溝17は、摺動面11において周方向に複数(本実施例では3個)配設されている。この深溝17は、延伸方向に一定の深さとなっている。深溝17は、漏れ側スパイラル溝15a~15cおよび漏れ側逆スパイラル溝16a~16cよりも深く形成されている。尚、深溝17の深さは、静止密封環10と回転密封環20との相対回転によって動圧がほとんど発生しない程度の深さとなっている。
 深溝17は、周方向両端部17A,17Bが外空間S2に連通しており、1組の流体側スパイラル溝13および流体側逆スパイラル溝14を囲うように延びている。詳しくは、深溝17は、第1傾斜部としての第1部位171と、第2傾斜部としての第2部位172と、第3部位173とを有する。第1部位171は、流体側スパイラル溝13および漏れ側逆スパイラル溝16a~16cとの間にてこれらと略平行に延びる部位である。第2部位172は、流体側逆スパイラル溝14および漏れ側スパイラル溝15a~15cの間にてこれらと略平行に延びる部位である。第3部位173は静止密封環10と同心円状に延び、第1部位171および第2部位172の内径端同士を連結する部位である。
 また、摺動面11における流体側スパイラル溝13、流体側逆スパイラル溝14、漏れ側スパイラル溝15a~15c、漏れ側逆スパイラル溝16a~16c、深溝17以外の部分は同一平面上に配置された平坦面を有するランド12となっている。このランド12の平坦面は回転密封環20の摺動面21と実質的に摺動する摺動面として機能している。
 摺動面11は、深溝17により流体側領域A1と漏れ側領域A2とに区画されている。流体側領域A1には、1組の流体側スパイラル溝13および流体側逆スパイラル溝14と、それらを区画するランド12と、が設けられる。漏れ側領域A2は、全ての漏れ側スパイラル溝15a~15cおよび漏れ側逆スパイラル溝16a~16cと、それらを区画するランド12が設けられている。言い換えれば、漏れ側領域A2は摺動面11における流体側領域A1以外の領域である。
 次いで、静止密封環10と回転密封環20との相対回転時における被密封流体Fおよび大気Aの流れについて図2を参照して概略的に説明する。尚、ここでは、静止密封環10と回転密封環20の相対回転速度を特定せずに説明する。
 回転密封環20が静止密封環10に対して正方向に相対回転すると、流体側スパイラル溝13では、端部13Bに被密封流体Fが移動して端部13Bおよびその近傍で正圧が発生する。また、流体側逆スパイラル溝14では、端部14Aに被密封流体Fが移動して端部14Bおよびその近傍で相対的な負圧が発生する。また、漏れ側スパイラル溝15a~15cでは、各端部15Bに大気Aが移動して、各端部15Bおよびその近傍で正圧が発生する。また、漏れ側逆スパイラル溝16a~16cでは、各端部16Aに大気Aが移動して、各端部16Bおよびその近傍で相対的な負圧が発生する。尚、ここでいう相対的な負圧とは、真空状態ではなく、周囲の圧力よりも低い圧力である状態を指す。
 一方、回転密封環20が静止密封環10に対して逆方向に相対回転すると、流体側スパイラル溝13では、端部13Aに被密封流体Fが移動して端部13Bおよびその近傍で相対的な負圧が発生する。また、流体側逆スパイラル溝14では、端部14Bに被密封流体Fが移動して端部14Bおよびその近傍で正圧が発生する。また、漏れ側スパイラル溝15a~15cでは、各端部15Aに大気Aが移動して、各端部15Bおよびその近傍で相対的な負圧が発生する。また、漏れ側逆スパイラル溝16a~16cでは、各端部16Bに大気Aが移動して、各端部16Bおよびその近傍で正圧が発生する。
 次いで、摺動面11,21を離間させる力の変化について図3および図4を参照して説明する。尚、ここでは、回転密封環20が正回転方向に回転するときを例に挙げ説明し、回転密封環20が逆転方向に回転するときの説明を省略する。また、図3および図4では、説明の便宜上、各スパイラル溝で生じる正圧の範囲を1点鎖線で囲うように図示している。
 まず、回転密封環20が回転していない停止時には、被密封流体Fが流体側スパイラル溝13および流体側逆スパイラル溝14内に端部13A,14Aの開口から流入する。また、深溝17内には、被密封流体Fが端部17A,17Bの開口から流入する。また、漏れ側スパイラル溝15a~15cおよび漏れ側逆スパイラル溝16a~16c内には大気Aが端部15A,16Aの開口から流入する。尚、弾性部材7によって静止密封環10が回転密封環20側に付勢されているので摺動面11,21同士は接触状態となっており、摺動面11,21間の被密封流体Fが内空間S1に漏れ出す量はほぼない。
 回転密封環20が静止密封環10に対して相対回転し始めた直後の低速時では、図3に示されるように、流体側スパイラル溝13の端部13B、漏れ側スパイラル溝15a~15cの各端部15Bで正圧が発生する。この正圧により摺動面11,21間が若干離間する。
 詳しくは、流体側スパイラル溝13内には、漏れ側スパイラル溝15a~15cに流入する大気Aよりも圧力が高い被密封流体Fが流入しているとともに、流体側スパイラル溝13は漏れ側スパイラル溝15a~15cよりも容量が小さいので、流体側スパイラル溝13の端部13Bで発生した正圧による第1力の方が、漏れ側スパイラル溝15a~15cの各端部15Bで発生した正圧による第2力よりも大きい。そのため、回転密封環20の低速回転時では、第1力が主体となって摺動面11,21同士を離間させるようになっている。
 このように摺動面11,21間には、流体側スパイラル溝13から被密封流体Fが供給されるとともに、摺動面11,21間が若干離間することにより、低速回転時においても潤滑性が向上し、摺動面11,21同士の摩耗を抑制することができる。
 また、摺動面11における流体側領域A1に供給された被密封流体Fは、主に矢印H1に示されるように流体側逆スパイラル溝14に吸い込まれるとともに、矢印H2に示されるように一部が深溝17に回収される。また、摺動面11,21同士の浮上距離は僅かであるため、摺動面11における漏れ側領域A2には被密封流体Fがほとんど流入しない。そのため、被密封流体Fが内空間S1に漏洩することが抑えられる。尚、深溝17に対して貯留可能な量よりも多くの被密封流体Fが回収されたときには、余分な被密封流体Fは外空間S2に戻されるようになっている。
 回転密封環20の相対回転速度が高まると、図4に示されるように、流体側スパイラル溝13の端部13B、漏れ側スパイラル溝15a~15cの各端部15Bで生じる正圧が徐々に高まる。これにより、第1力および第2力が高まるため、図3の状態に比べて摺動面11,21間はさらに離間する。
 尚、回転密封環20の相対回転速度が一定以上になると、矢印H3に示されるように流体側スパイラル溝13の端部13Bから摺動面11,21間に供給される被密封流体Fの一部が深溝17に回収されるため、流体側スパイラル溝13の端部13Bで生じる正圧による第1力はそれ以上大きくならないようになっている。
 回転密封環20の相対回転速度がさらに上がり高速回転、すなわち定常運転状態に達すると、漏れ側スパイラル溝15a~15cに引き込まれる大気Aの流入量がさらに増えて高い正圧が発生し、第2力が大きくなり、摺動面11,21間がより大きく離間する。
 本実施例において、回転密封環20の高速回転により浮上距離が大きくなると、流体側スパイラル溝13で発生する正圧は無視できるほど小さくなる。よって、回転密封環20の高速回転時では、第2力が主体となって摺動面11,21同士を離間するようになっている。
 また、メカニカルシールの定常運転状態にあっては、漏れ側逆スパイラル溝16a~16cの各端部16B及びその近傍で発生する負圧は相対的に小さく、対向する漏れ側スパイラル溝15a~15cの各端部15Bで生じる正圧は、漏れ側領域A2の外径側から流入する被密封流体Fのほとんどを外空間S2に押し出すように作用する。
 このように、メカニカルシールの相対回転が正回転低速時には、主に流体側スパイラル溝13の端部13Bから摺動面11,21間に供給される被密封流体Fにより摺動面11,21同士の潤滑性が向上する。また、メカニカルシールの相対回転が正回転高速時には、流体側スパイラル溝13から摺動面11,21間に供給される被密封流体Fが深溝17に回収されるため、流体側スパイラル溝13での正圧が抑えられ、主に漏れ側スパイラル溝15a~15cの各端部15Bで生じる正圧により摺動面11,21同士を離間させて潤滑性が向上する。
 また、流体側スパイラル溝13の端部13Bから摺動面11,21間に流入した被密封流体Fは、流体側逆スパイラル溝14と深溝17により回収されるため、漏れ側逆スパイラル溝16a~16cの吸い込み機能により被密封流体Fが内空間S1に漏れることが抑制される。
 また、摺動面11には、流体側スパイラル溝13と周方向に対称形状を成す流体側逆スパイラル溝14と、漏れ側スパイラル溝15a~15cと周方向に対称形状を成す漏れ側逆スパイラル溝16a~16cと、が設けられているので、メカニカルシールの相対回転が逆回転時には、上記と同様の機能を発揮する。
 また、深溝17は外空間S2に連通しているため、深溝17と外空間S2との間で被密封流体Fの出し入れを行うことができ、深溝17内の被密封流体Fの量が安定する。つまり、流体側スパイラル溝13または流体側逆スパイラル溝14から摺動面11,21間に供給された被密封流体Fを深溝17内に確実に回収することができる。
 また、漏れ側スパイラル溝15a~15c及び漏れ側逆スパイラル溝16a~16cの各端部15A,16Aは、内空間S1に連通している。これによれば、メカニカルシールの正方向への相対回転時には、内空間S1から漏れ側スパイラル溝15a~15cに大気Aを導入でき、逆方向への相対回転時には、内空間S1から漏れ側逆スパイラル溝16a~16cに大気Aを導入できるため、漏れ側スパイラル溝15a~15c及び漏れ側逆スパイラル溝16a~16cで安定して正圧を発生させることができる。
 また、漏れ側スパイラル溝15a~15cの各端部15Bおよび漏れ側逆スパイラル溝16a~16cの各端部16Bは、流体側スパイラル溝13の端部13Bおよび流体側逆スパイラル溝14の端部14Bよりも外径側、すなわち外空間S2側に配置されている。これによれば、各スパイラル溝の長さを十分に確保できる。
 また、深溝17は、流体側スパイラル溝13と漏れ側逆スパイラル溝16a~16cとに沿うように延びる第1部位171と、流体側逆スパイラル溝14と漏れ側スパイラル溝15a~15cとに沿うように延びる第2部位172と、を有しているため、各スパイラル溝を周方向に効率よく複数配置することができる。
 次に、実施例2に係る摺動部品につき、図5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。
 本実施例2の静止密封環100における摺動面111の内径側縁部には、環状ランド18が設けられている。環状ランド18の外径側には、連通溝としての環状深溝117が静止密封環100と同心円状に形成されている。この環状深溝117と深溝17の第3部位173とは漏れ側領域A20を構成するランド112により区画されている。尚、環状深溝117は、メカニカルシールの相対回転によって動圧がほとんど発生しない程度の深さに形成されている。
 この環状深溝117の外径側には、漏れ側スパイラル溝151a~151cおよび漏れ側逆スパイラル溝161a~161cが設けられている。漏れ側スパイラル溝151a~151cの各端部151Aおよび漏れ側逆スパイラル溝161a~161cの各端部161Aは環状深溝117に連通している。尚、上記以外の構成は、実施例1と同一構成である。
 これによれば、メカニカルシールの正方向への相対回転時には、漏れ側逆スパイラル溝161a~161cで回収された被密封流体Fを環状深溝117を通じて漏れ側スパイラル溝151a~151cに導くことができる。また、メカニカルシールの逆方向への相対回転時には、漏れ側スパイラル溝151a~151cで回収された被密封流体Fを環状深溝117を通じて漏れ側逆スパイラル溝161a~161cに導くことができる。そのため、漏れ側スパイラル溝151a~151cおよび漏れ側逆スパイラル溝161a~161cで回収した被密封流体Fが内空間S1に漏れにくい。
 また、環状深溝117は漏れ側スパイラル溝151a~151cおよび漏れ側逆スパイラル溝161a~161c以外の部分、すなわち漏れ側領域A20を構成するランド112からも被密封流体Fを回収することができる。
 さらに、環状深溝117の内径側には、環状ランド18が形成されている。言い換えれば、環状深溝117と内空間S1とが環状ランド18により分断されるので、環状深溝117に回収された被密封流体Fは内空間S1に漏れにくい。
 尚、本実施例では、深溝と環状の連通溝とがランドにより区画されている形態を例示したが、深溝と環状の連通溝が連通していてもよい。
 次に、実施例3に係る摺動部品につき、図6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。
 本実施例3の静止密封環200における摺動面211の流体側領域A10には、2本の流体側スパイラル溝213a,213bと、2本の流体側逆スパイラル溝214a,214bと、が設けられている。
 流体側スパイラル溝213aは、流体側スパイラル溝213bよりも長い。また、流体側スパイラル溝213aは、流体側スパイラル溝213bの回転密封環20の逆回転方向に並んで配置されている。
 流体側逆スパイラル溝214aは、流体側逆スパイラル溝214bよりも長く、流体側スパイラル溝213aと同じ長さとなっている。また、流体側逆スパイラル溝214aは、流体側逆スパイラル溝214bの回転密封環20の正回転方向に並んで配置されている。
 また、流体側スパイラル溝213bと流体側逆スパイラル溝214bとは同じ長さとなっている。尚、上記以外の構成は、実施例2と同一構成である。
 次に、実施例4に係る摺動部品につき、図7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。
 本実施例4の静止密封環300における摺動面311は、周方向に亘って連続した深溝317が設けられている。この深溝317は、第1部位317aと、第2部位317bと、第3部位317cと、第4部位317dと、を有する。
 第1部位317aは、流体側スパイラル溝13および漏れ側逆スパイラル溝161a~161cとの間に略平行に延びる部位である。第1部位317aの外径端は外空間S2に連通していない。第2部位317bは、流体側逆スパイラル溝14および漏れ側スパイラル溝151a~151cの間に略平行に延びる部位である。第2部位317bの外径端は外空間S2に連通していない。
 第3部位317cは静止密封環300と同心円状に延び、第1部位317aおよび第2部位317bの内径端同士を連結する部位である。第4部位317dは静止密封環300と同心円状に延び、第1部位317aおよび第2部位317bの外径端同士を連結する部位である。
 これによれば、漏れ側領域A20’と外空間S2との間には、無端状の深溝317が配置されるため、被密封流体Fの漏れ側領域A20’への流入が少ないため、内空間S1への被密封流体Fの漏れを極力減らすことができる。
 次に、実施例5に係る摺動部品につき、図8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。
 本実施例5のメカニカルシールは、内空間S1の被密封流体Fを密封し外空間S2が大気Aに通ずるアウトサイド形のものである。すなわち、本実施例5では、内空間S1が流体側空間、外空間S2が漏れ側空間として機能する。
 本実施例5の静止密封環400における摺動面411は、その外径側縁部に環状ランド18’が設けられている。環状ランド18’の内径側には、連通溝としての環状深溝117’が形成されている。環状深溝117’の内径側には、両端が内空間S1に連通する深溝417が周方向に4つ設けられている。深溝417は外空間S2に連通していない。
 流体側領域A100には、流体側スパイラル溝413および流体側逆スパイラル溝414が設けられている。漏れ側領域A200には、漏れ側スパイラル溝451a~451cおよび漏れ側逆スパイラル溝461a~461cが設けられている。漏れ側スパイラル溝451a~451cおよび漏れ側逆スパイラル溝461a~461cは環状深溝117’に連通し内径側に延びている。
 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1~5では、摺動部品として、メカニカルシールを例に説明したが、一般産業機械や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1~5では、流体側溝及び流体側逆溝が流体側空間に直接連通している形態を例示したが、図9に示される静止密封環500のように、深溝17の第1部位171から流体側溝513が静止密封環500と同心円状に周方向一方向に延び、深溝17の第2部位172から流体側逆溝514が静止密封環500と同心円状に周方向他方向に延びていてもよい。言い換えれば、流体側溝513及び流体側逆溝514は深溝17を介して外空間S2、すなわち流体側空間に連通していてもよい。また、流体側溝513及び流体側逆溝514は径方向の成分を有していなくてもよい、すなわちスパイラル溝でなくてもよい。
 また、前記実施例1~5では、流体側溝と流体側逆溝が対称形状、漏れ側溝と漏れ側逆溝が対称形状であり、相対回転正方向、逆方向ともに同じように正圧および相対的負圧が発生する形態を例示したが、これに限られず、各溝を非対称形状として、相対回転正方向と逆方向とで異なるように正圧および相対的負圧が発生するようになっていてもよい。
 また、前記実施例1~5では、漏れ側溝及び漏れ側逆溝の各漏れ側端部を連通する連通溝が深溝である形態を例示したが、メカニカルシールの相対回転によって動圧が発生する程度の深さを有する浅溝であってもよい。
 また、前記実施例2~5では、連通溝が環状である形態を例示したが、これに限られず、漏れ側溝および漏れ側逆溝の漏れ側端部を連通するように弧状に延びていてもよい。尚、連通溝は弧状に限られず、正弦波状や直線状に延びていてもよい。
 また、各溝および深溝の数量は自由に変更してもよい。
 また、前記実施例1~5では、軸方向から見た流体側溝と漏れ側逆溝、流体側逆溝と漏れ側溝の周方向への傾き度合いがほぼ同じである形態を例示したが、周方向への傾き度合いが異なっていてもよい。
 また、前記実施例1~5では、静止密封環に各溝が設けられる形態を例示したが、回転密封環に各溝が設けられていてもよい。
 また、前記実施例1~5では、各溝が延伸方向に一定の深さを有している形態を例示したが、溝の底面に段差や傾斜面が形成されていてもよい。
 また、前記実施例1~5では、流体側溝および流体側逆溝が漏れ側溝および漏れ側逆溝よりも浅く、また容量が小さい形態を例示したが、流体側溝および流体側逆溝の深さおよび容量が漏れ側溝および漏れ側逆溝の深さおよび容量と同じ程度に形成されていてもよい。
 また、被密封流体側を高圧側、漏れ側を低圧側として説明してきたが、被密封流体側が低圧側、漏れ側が高圧側となっていてもよいし、被密封流体側と漏れ側とは略同じ圧力であってもよい。
 また、前記実施例1~5において、被密封流体Fは高圧の液体と説明したが、これに限らず気体または低圧の液体であってもよいし、液体と気体が混合したミスト状であってもよい。
 また、前記実施例1~5において、漏れ側の流体は低圧の気体である大気Aであると説明したが、これに限らず液体または高圧の気体であってもよいし、液体と気体が混合したミスト状であってもよい。
10       静止密封環
11       摺動面
12       ランド
13       流体側スパイラル溝(流体側溝)
13A      端部
13B      端部(終端部)
14       流体側逆スパイラル溝(流体側逆溝)
14A      端部
14B      端部(終端部)
15A      端部
15B      端部(終端部、漏れ側端部)
15a~15c  漏れ側スパイラル溝(漏れ側溝)
16A      端部
16B      端部(終端部)
16a~16c  漏れ側逆スパイラル溝(漏れ側逆溝)
17       深溝
18       環状ランド
20       回転密封環
21       摺動面
117      環状深溝
A        大気
A1       流体側領域
A2       漏れ側領域
F        被密封流体
S1       内空間(漏れ側空間)
S2       外空間(流体側空間)

Claims (7)

  1.  回転機械の駆動時に相対回転する箇所に対向して配置され、流体側空間と漏れ側空間とを区画する一対の摺動面を備える摺動部品であって、
     一方の摺動面には、
     前記流体側空間と連通し、相対回転正方向に延びる流体側溝と、
     前記流体側空間と連通し、相対回転逆方向に延びる流体側逆溝と、
     少なくとも一方の端部が前記流体側溝及び前記流体側逆溝よりも前記漏れ側空間側に配置され、該端部から前記流体側空間に向けて相対回転正方向に延びる漏れ側溝と、
     少なくとも一方の端部が前記流体側溝及び前記流体側逆溝よりも前記漏れ側空間側に配置され、該端部から前記流体側空間に向けて相対回転逆方向に延びる漏れ側逆溝と、
     前記流体側溝及び前記流体側逆溝が設けられる流体側領域と前記漏れ側溝及び前記漏れ側逆溝が設けられる漏れ側領域とを区画する深溝と、を備えている摺動部品。
  2.  前記深溝は、前記流体側空間に連通している請求項1に記載の摺動部品。
  3.  前記漏れ側溝及び前記漏れ側逆溝の各漏れ側端部は、前記漏れ側空間に連通している請求項1または2に記載の摺動部品。
  4.  前記一方の摺動面には、前記漏れ側溝及び前記漏れ側逆溝の各漏れ側端部を連通する連通溝が設けられている請求項1または2に記載の摺動部品。
  5.  前記連通溝は環状である請求項4に記載の摺動部品。
  6.  前記漏れ側溝及び前記漏れ側逆溝の各終端部は、前記流体側溝及び前記流体側逆溝の各終端部よりも前記流体側空間側に配置されている請求項1に記載の摺動部品。
  7.  前記流体側溝と、前記漏れ側逆溝と、前記流体側逆溝と、前記漏れ側溝とが傾斜して配置され、
     前記深溝は、前記流体側溝と前記漏れ側逆溝とに沿うように延びる第1傾斜部と、前記流体側逆溝と前記漏れ側溝とに沿うように延びる第2傾斜部と、を有している請求項6に記載の摺動部品。
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