JP7370681B2 - 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。
従来、ポンプやタービン等の回転機械の回転軸を軸封し、被密封流体の漏れを防止する軸封装置には、相対的に回転し、かつ平面上の端面同士が摺動するように構成された２部品からなるもの、例えばメカニカルシールがある。メカニカルシールは、ハウジングに固定される摺動部品としての静止密封環と、回転軸に固定され回転軸とともに回転する摺動部品としての回転密封環と備え、これらの摺動面を相対回転させることにより、ハウジングと回転軸との間の隙間を軸封している。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、摺動による摩擦を低減させることにより摺動により失われるエネルギーの低減を図る特許文献１のような摺動部品が開発されている。
例えば、特許文献１に示される摺動部品には、一端が入口を成し摺動部品の摺動面に高圧の被密封液体側である外径側に連通するとともに摺動面において他端が閉塞端をなす動圧発生溝を設けている。これによれば、摺動部品の相対回転時には、入口から動圧発生溝に流入した被密封流体が動圧発生溝の閉塞端から摺動面間に流出され、その動圧により摺動面同士が離間するとともに、動圧発生溝が被密封液体を保持することで潤滑性が向上し、低摩擦化を実現している。
特許第６４４４４９２号公報（第５頁、第２図）
特許文献１で示される摺動部品にあっては、摺動部品同士の相対回転時には、回転に伴い発生する摺動面間のせん断力により、動圧発生溝内の被密封流体が動圧発生溝を構成する両側壁のうち一方側（以下、「動圧生成壁」という。）に向けて流れ、動圧生成壁にて高い圧力（動圧）が発生する。そして、この圧力は閉塞端に近づくにつれて徐々に高くなり、動圧発生溝の入口の、特に動圧生成壁とは周方向反対の側壁側には低い圧力が生成されやすくなっている。このように動圧発生溝の入口近傍の圧力が低下し負圧が生じると、動圧発生溝の入口から被密封流体が導入されにくくなり、動圧発生溝の動圧生成壁及び閉塞端から所期の圧力が発生されず、十分な圧力を生じさせることができないことから潤滑性が低下する。さらに、負圧が生じて動圧発生溝の入口近傍にキャビテーションが生じると、動圧発生溝の入口から被密封流体が顕著に導入されにくくなる。
本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、潤滑性に優れ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、一端が閉塞端を成し他端が径方向の被密封流体側と漏れ側のいずれか一方側に連通する入口をなす動圧発生溝が設けられ、
前記摺動面には、該動圧発生溝を構成する両側壁のうち一方側を構成する動圧生成壁とは周方向反対の側壁側において、前記動圧発生溝よりも深い深溝の入口が前記動圧発生溝の入口に連通して形成されている。
これによれば、摺動部品の相対回転時に動圧発生溝において最も低い圧力が生成されやすい箇所は、動圧発生溝の入口における、動圧発生溝を構成する両側壁のうち一方側を構成する動圧生成壁とは周方向反対の側壁側であり、この箇所に深溝の入口を連通させたことで、この深溝から動圧発生溝へ流体が十分に供給され、当該箇所に負圧が生じにくい。そのため、動圧発生溝に連続的に流体が供給され、動圧発生溝の閉塞端から所期の圧力を発生させることができ、潤滑性に優れる。
前記深溝は径方向において前記動圧発生溝の前記動圧生成壁とは周方向反対の側壁に沿って該動圧発生溝に連通されているとともに、該側壁よりも径方向に短くてもよい。
これによれば、深溝が動圧発生溝の動圧を発生させる機能に影響しにくくしながら、深溝から動圧発生溝への流入面積を広く確保できる。
前記深溝は径方向に並行して延びて対向する一対の壁部を備えていてもよい。
これによれば、深溝の内部空間は摺動面の周方向において対向する壁部に挟まれていることから、深溝内に被密封流体を保持しやすく、動圧発生溝に対して被密封流体を安定して供給することができる。
前記深溝は周方向の幅が径方向の長さよりも短く形成されていてもよい。
これによれば、深溝の周方向を短くすることで深溝において摺動部品の相対回転による動圧が発生しにくく、深溝内に被密封流体を保持しやすい。
前記深溝の入口の幅は前記動圧発生溝の入口の幅の半分以下であってもよい。
これによれば、摺動部品の相対回転時において動圧発生溝への被密封流体の導入と動圧発生溝の入口近傍への負圧の発生抑止とを確実に両立できる。
前記深溝の深さは前記動圧発生溝の深さの５倍以上であってもよい。
これによれば、深溝の容積が大きく、摺動部品の相対回転時に、深溝部から動圧発生溝に充分な量の被密封流体が供給される。
尚、本発明に係る径方向に延びるという表現は、少なくとも径方向の成分をもって延びていれば周方向の成分も持っていてもよい。
本発明の実施例１における摺動部品を備えるメカニカルシールが使用される回転機械の構造を示す断面図である。 静止密封環を摺動面側から見た図である。 動圧発生溝と深溝を入口側から見た斜視図である。 動圧発生溝と深溝との関係を示す図２におけるＡ－Ａ断面図である。 回転機械の回転時における流体の移動を示す概念図である。 変形例１における静止密封環を摺動面側から見た要部拡大図である。 変形例２における静止密封環を摺動面側から見た図である。 本発明の実施例２における静止密封環を摺動面側から見た要部拡大図である。
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５を参照して説明する。
本実施例における摺動部品は、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であるメカニカルシールを構成する回転密封環３と静止密封環６である。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に示されるように、本実施例のメカニカルシールは、摺動面の外周側である被密封流体側から内周側である漏れ側の方向に向かって漏れようとする被密封流体を密封する形式のインサイド形のものであって、回転軸１側にスリーブ２を介してこの回転軸１と共に回転可能な状態に設けられた円環状の回転密封環３と、回転機械のハウジング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円環状の静止密封環６とが、この静止密封環６を軸方向に付勢する付勢手段７によって、摺動面Ｓ同士で密接摺動するようになっている。すなわち、このメカニカルシールは、回転密封環３と静止密封環６との互いの摺動面Ｓにおいて、摺動面Ｓの外周側の高圧流体である被密封流体Ｆが低圧流体である大気Ａの存在する漏れ側である内周側へ流出するのを防止するものである（図２参照）。本実施例において、被密封流体Ｆは液体である。
回転密封環３及び静止密封環６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、摺動材料に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は適用可能である。ＳｉＣとしては、ボロン、アルミニウム、カーボンなど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などがあり、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、などが利用できる。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）、複合材料なども適用できる。
図２に示されるように、静止密封環６の摺動面Ｓには、周方向に沿って配置され互いに周方向に分離された複数の動圧発生溝１５が形成されている。動圧発生溝１５は、周方向に同じ離間幅で並んで形成されている。動圧発生溝１５は、鏡面加工された摺動面Ｓに、レーザ加工やサンドブラスト等による微細加工を施すことにより形成することができる。摺動面Ｓにおける、動圧発生溝１５と後述する深溝１６とが形成されていない部分は、平坦面を成すランド部２０となっている。
図２から図４に示されるように、動圧発生溝１５は一端が被密封流体Ｆ側に連通する入口１５ａを成し、他端が閉塞端１５ｂを成し、回転密封環３と静止密封環６との相対回転時において閉塞端１５ｂ側で動圧が発生するように回転方向に傾斜して形成されている。また、動圧発生溝１５は径方向に同一の深さで形成されている。動圧発生溝１５では、回転密封環３と静止密封環６との相対回転時において、回転に伴い発生する摺動面Ｓ間のせん断力により、動圧発生溝１５内の被密封流体Ｆが動圧発生溝１５を構成する左右の側壁１５ｃ，１５ｄにおける一方側の側壁１５ｄに向けて流れ、この動圧生成壁としての側壁１５ｄにて高い圧力、すなわち動圧が発生する。
深溝１６は動圧発生溝１５に対して、閉塞端１５ｂとは周方向反対側に位置し、動圧発生溝１５と周方向において連通している。詳しくは、深溝１６の左右の側壁における動圧発生溝１５側の側壁１６ｃは、動圧発生溝１５の左右の側壁１５ｃ，１５ｄにおける深溝１６とは反対側の動圧生成壁としての側壁１５ｄとは、周方向の反対側の側壁１５ｃ側に位置している。すなわち、図２に示されるように、摺動面Ｓに直交する側から見た平面視では、深溝１６が動圧発生溝１５に対して周方向に一部が重なるように形成されている。
また、図３に示されるように、動圧発生溝１５は底面１５ｅに両側壁１５ｃ，１５ｄが直交する断面形状はＵ字を成しており、底面１５ｅはランド部２０に平行となっている。深溝１６も同様に、底面１６ｅに両側壁１６ｃ，１６ｄが直交する断面形状はＵ字を成しており、底面１６ｅはランド部２０に平行となっている。尚、これら底面１５ｅ，１６ｅはランド部２０に対して傾斜してもよく、さらに、これらの断面形状はＵ字以外、例えばＶ字であってもよい。
また、被密封流体Ｆ側に連通する深溝１６の入口１６ａは、動圧発生溝１５の入口１５ａと周方向に連通している。
また、図２に示されるように、動圧発生溝１５の閉塞端１５ｂは上面視円周方向に向くとともに摺動面Ｓに直交する方向に延びる壁１５ｆと、摺動面Ｓに直交する側壁１５ｃ，１５ｄとによって画成されている。閉塞端１５ｂは、側壁１５ｄと壁１５ｆとが交わって、先端部１５ｈが鋭角に形成されている。
続いて、回転密封環３と静止密封環６との相対回転時における動圧発生溝１５と深溝１６の機能について図５を用いて説明する。尚、図２と図５とにおける矢印は、相手の摺動部品である回転密封環３の相対的な回転方向を指す。
前提として、回転機械の停止時においては、被密封流体Ｆは入口１５ａと深溝１６の入口１６ａとから進入し、動圧発生溝１５と深溝１６には被密封流体Ｆが満たされている。図５に示されるように、回転密封環３と静止密封環６との相対回転時には、回転に伴い摺動面Ｓ間に発生するせん断力により動圧発生溝１５内の被密封流体Ｆが側壁１５ｄ及び閉塞端１５ｂに向けて流れ、側壁１５ｄ及び閉塞端１５ｂにて動圧が発生する。
このとき、動圧発生溝１５では、摺動面Ｓ間のせん断力に伴う被密封流体Ｆの移動方向における最先端であり、かつその先端が鋭角に被密封流体Ｆの移動方向を向く先端部１５ｈに近づくにつれて徐々に高い圧力が発生するとともに、動圧発生溝１５の閉塞端１５ｂに向けて被密封流体Ｆが引き込まれる（移動方向を黒矢印で図示）ことで、動圧発生溝１５の入口１５ａの側壁１５ｄとは周方向反対の側壁１５ｃ側には低い圧力が生成されやすくなっている。
ここで、動圧発生溝１５の入口１５ａにおける周方向の側壁１５ｃ側に、動圧発生溝１５より深く形成された深溝１６が配置されているため、この深溝１６に確保されている被密封流体Ｆが動圧発生溝１５の入口１５ａ近傍において供給（白抜き矢印で図示）され、当該箇所において負圧が生じにくい。
そのため、動圧発生溝１５に連続的に被密封流体Ｆが供給され、動圧発生溝１５の閉塞端１５ｂから高い圧力を発生させることができ、かつ被密封流体Ｆの供給量不足によるキャビテーションの発生を抑えられ、潤滑性に優れる。
また、被密封流体Ｆ側に開口している深溝１６には、静的に入口１６ａを通って外部から被密封流体Ｆが供給されるため、深溝１６から動圧発生溝１５の入口１５ａ近傍に被密封流体Ｆを連続的に供給することができる。
また、深溝１６は動圧発生溝１５における閉塞端１５ｂの先端部１５ｈの対角にて浅溝である動圧発生溝１５に連通している。そのため、最も高い圧力が生成される閉塞端１５ｂの先端部１５ｈの対角に位置する深溝１６の入口１６ａは、最も低い圧力が生成されやすい箇所となっており、動圧発生溝１５の入口１５ａにおける小さい圧力の生成を最も効率よく抑制し、被密封流体Ｆの供給量不足によるキャビテーションの発生を抑えることができる。
また、深溝１６は径方向に動圧発生溝１５に沿って連通しているため、動圧発生溝１５の入口１５ａにおける閉塞端１５ｂとは周方向反対側に対して径方向に広い範囲で被密封流体Ｆを供給することができ、負圧の発生を効果的に防止することができる。加えて、深溝１６は動圧発生溝１５よりも径方向に短く形成されているため、動圧発生溝１５における潤滑性に必要な動圧を発生させる箇所を径方向に十分に確保しながら、深溝１６を形成しても動圧発生溝１５本来の機能に影響しにくい。
また、深溝１６は、径方向に並行に延びて対向する側壁１６ｃ，１６ｄを備え、その内部空間が摺動面Ｓの周方向において対向する側壁１６ｃ，１６ｄに挟まれているため、深溝１６内に被密封流体Ｆを保持しやすく、動圧発生溝１５に対して被密封流体Ｆを安定して供給することができる。
また、深溝１６の入口１６ａの幅は、動圧発生溝１５の入口１５ａの幅に比べて、小さく形成されている。詳しくは、深溝１６の入口１６ａの幅は動圧発生溝１５の入口１５ａの幅の半分以下が好ましく、本実施例では５分の１程度である。加えて、深溝１６の深さは動圧発生溝１５の深さの１０倍以上である。これによれば、深溝１６は、幅の小さい深溝であることから、被密封流体Ｆを保持するのに十分な深溝の内部空間の大きさを確保しながら、回転密封環３と静止密封環６との相対回転時にあっては、その表層のみで摺動面Ｓ間のせん断力に伴う被密封流体Ｆの移動があるのみで、深溝１６全体では摺動面Ｓ間のせん断力による高い圧力が発生しにくい。
また、図２からも分かるように、深溝１６は周方向の幅が径方向の長さよりも短く形成されている。これによれば、深溝１６の周方向を短くすることで深溝１６において回転密封環３と静止密封環６の相対回転による動圧が発生しにくく、深溝１６内に被密封流体Ｆを保持しやすい。
また、被密封流体Ｆ側には、深溝１６の入口１６ａと動圧発生溝１５の入口１５ａとがそれぞれ連通している。つまり、深溝１６から動圧発生溝１５に対して被密封流体Ｆを安定して供給するようにしながら、浅溝である動圧発生溝１５の入口１５ａを被密封流体Ｆ側に開口させることで、摺動面Ｓ間のせん断力による高い圧力を効率よく生じさせるのに十分な長さで動圧発生溝１５を形成することができる。
なお、前記実施例では、動圧発生溝１５と深溝１６は、静止密封環６の摺動面Ｓに形成されるものとして説明したが、これに限らず、回転密封環３の摺動面Ｓに形成されてもよい。
なお、動圧発生溝１５は直線形状に限らず、例えば周方向に延びる成分と径方向に延びる成分とからなる湾曲形状であり、このうち周方向に延びる成分が大きく、静止密封環６の外周縁側に向けて凸となるように形成されていてもよい。
なお、動圧発生溝１５は回転機械の駆動時に閉塞端１５ｂで動圧が立ち難い形状であればよいため、半径方向に直線状に形成されていてもよい。
なお、前記実施例においては、摺動面Ｓの漏れ側には気体が、被密封流体Ｆ側には液体がそれぞれ存在する態様で説明したが、これに限らず、例えば漏れ側と被密封流体側とが共に気体もしくは共に液体であってもよい。
また、前記実施例においては、摺動面Ｓの外周側には高圧流体である被密封流体Ｆが、内周側には低圧流体である大気Ａが、それぞれ存在する態様を例に説明したが、これに限らず、摺動面Ｓの被密封流体側と漏れ側とに存在する流体は、同じ圧力でもよい。
なお、前記実施例において、深溝１６は、径方向において動圧発生溝１５の側壁１５ｃに沿って平行に連通されているが、深溝１６は動圧発生溝１５の動圧が発生する側壁１５ｄとは周方向反対の側壁１５ｃ側に位置していれば、上記した構成に限られるものではない。
例えば、図６に示される変形例１のように、深溝２６は、動圧発生溝２５の入口においてその中央より動圧生成壁２５ｄとは周方向反対の側壁２５ｃ側に入口２６ａを有していればよく、動圧発生溝２５の幅方向内に配置されていてもよい。
また、図７に示される変形例２のように、摺動面Ｓの内周側から外周側へ向かって漏れようとする流体をシールする形式であるアウトサイド形に適用されてもよい。この場合、動圧発生溝３５と深溝３６は、入口３５ａ及び入口３６ａが摺動面Ｓの内周側に連通している。
次に、実施例２に係る摺動部品につき、図８を参照して説明する。尚、前記実施例と同一構成で重複する構成を省略する。
図８に示されるように、深溝４６の入口４６ａは、動圧発生溝４５の入口４５ａに連通している。また、深溝４６は動圧発生溝４５の傾斜方向とは別の方向に延設されており、その閉塞端４６ｂと側壁４６ｃは動圧発生溝４５の側壁４５ｃと離間して形成されている。これによれば、深溝４６と動圧発生溝４５とが入口４６ａと入口４５ａ近傍でのみ連通していることから、回転密封環３と静止密封環６との相対回転時に動圧発生溝４５内にて生じる被密封流体Ｆの移動が、深溝４６内に与える影響が少ないため、深溝４６内に被密封流体Ｆを保持しやすく、動圧発生溝４５に対して被密封流体Ｆを安定して供給することができる。
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、前記実施例における摺動部品はメカニカルシールを構成する場合を例に説明したが、これに限らず、例えばスラスト軸受に用いることができる。
また、深溝は入口から閉塞端まで同じ幅で形成される構成に限らず、例えば入口から閉塞端に向けて漸次幅が狭くなる構成でもよい。
また、深溝は入口から閉塞端まで同じ深さで形成される構成に限らず、例えば入口から閉塞端に向けて漸次浅くなる構成でもよい。
また、深溝は、その入口が動圧発生溝に連通していれば周方向に複数本形成されていてもよい。
１ 回転軸
２ スリーブ
３ 回転密封環（摺動部品）
４ ハウジング
５ シールカバー
６ 静止密封環（摺動部品）
７ 付勢手段
１１ 入口
１５ 動圧発生溝
１５ａ 動圧発生溝入口
１５ｂ 閉塞端
１５ｃ 側壁
１５ｄ 側壁（動圧生成壁）
１５ｅ 底面
１５ｆ 壁
１５ｈ 先端部
１６ 深溝
１６ａ 深溝入口
１６ｂ 閉塞端
１６ｃ 側壁
１６ｄ 側壁
１６ｅ 底面
２０ ランド部
２５ 動圧発生溝
２６ 深溝
３５ 動圧発生溝
３６ 深溝
４５ 動圧発生溝
４６ 深溝
４６ｂ 閉塞端
Ｓ 摺動面

Claims (6)

  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、一端が閉塞端を成し他端が径方向の被密封流体側と漏れ側のいずれか一方側に連通する入口をなす動圧発生溝が設けられ、
    前記摺動面には、該動圧発生溝を構成する両側壁のうち一方側を構成する動圧生成壁とは周方向反対の側壁側において、前記動圧発生溝よりも深い深溝の入口が前記動圧発生溝の入口に連通して形成されており、
    前記深溝は、前記動圧発生溝の前記動圧生成壁とは周方向反対の側壁よりも径方向に短い摺動部品。
  2. 前記深溝は径方向において前記動圧発生溝の前記動圧生成壁とは周方向反対の側壁に沿って該動圧発生溝に連通されている請求項１に記載の摺動部品。
  3. 前記深溝は径方向に延びて対向する壁部を備えている請求項１または２に記載の摺動部品。
  4. 前記深溝は周方向の幅が径方向の長さよりも短く形成されている請求項１ないし３のいずれかに記載の摺動部品。
  5. 前記深溝の入口の幅は前記動圧発生溝の入口の幅の半分以下である請求項１ないし４のいずれかに記載の摺動部品。
  6. 前記深溝の深さは前記動圧発生溝の深さの１０倍以上である請求項１ないし５のいずれかに記載の摺動部品。
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