JP7842769B2 - 摺動部品 - Google Patents

Description

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ーの低減が望まれており、摺動環の摺動面に正圧発生溝を設けているものがある。

例えば、特許文献１に示されるメカニカルシールは、一方の摺動環の摺動面に動圧発生機構が周方向に複数設けられている。この動圧発生機構は、相対回転方向に対して傾いて延設され両端が閉塞する第１動圧発生溝と、相対回転方向に対して第１動圧発生溝と逆方向に傾いて延設され両端が閉塞する第２動圧発生溝と、を備えている。第１動圧発生溝と第２動圧発生溝は、摺動面において径方向に並んで配置され、詳しくは、第１動圧発生溝が外径側（被密封流体側）、第２動圧発生溝が内径側（漏れ側）に配置されている。また、第１動圧発生溝と第２動圧発生溝は、溝全体がそれぞれ一定の深さを有している。

摺動環の相対回転時には、第１動圧発生溝内に存在する被密封流体が相対回転下流側（内径側）の端部に向けて移動し、該端部に被密封流体が集中して正圧が発生することで摺動面同士が離間するとともに、摺動面に被密封流体の流体膜が形成されることで潤滑性が向上し、低摩擦化を実現している。一方で、第２動圧発生溝は、相対回転上流側（内径側）の端部近傍で相対的な負圧が生じ、摺動面に流出した被密封流体が第２動圧発生溝内に吸い込まれるため、漏れ側の空間への被密封流体の漏れを少なくすることができるようになっている。

特開２００５－１８０６５２号公報（第５～６頁、第１図）

特許文献１のメカニカルシールにあっては、上述した方向への相対回転に対しては、第１動圧発生溝および第２動圧発生溝の相対回転下流側において正圧が高まりやすく、摺動面の径方向中央に被密封流体を集めて流体膜を形成することにより潤滑性が高められている。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、逆方向への相対回転が考慮されていないため、逆方向への相対回転に対しては、第１動圧発生溝および第２動圧発生溝の相対回転下流側において順方向への相対回転時のように正圧が高まらず、摺動面同士が離間しないという問題があった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、両方向への相対回転に対して摺動面同士が離間し、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対向して配置され、一対の摺動面のいずれか一方には、相対回転方向に対して傾いて延設される第１動圧発生溝と、前記一対の摺動面のいずれか一方には、相対回転方向に対して前記第１動圧発生溝と逆方向に傾いて延設される第２動圧発生溝が設けられた摺動部品であって、
前記第１動圧発生溝と前記第２動圧発生溝は、底面が径方向に同じ向きに傾斜している。
これによれば、第１動圧発生溝は相対回転下流側の端部に向かうにつれて浅くなっている。第２動圧発生溝は相対回転下流側の端部に向かうにつれて深くなっている。これにより、順方向への相対回転に対しては、第１動圧発生溝において正圧が生じやすく、かつ第２動圧発生溝において負圧が生じ難くなっている。一方、逆方向への相対回転に対しては、第１動圧発生溝において負圧が生じ難く、かつ第２動圧発生溝において正圧が生じやすくなっている。そのため、両方向への相対回転に対して、摺動面に設けられた第１，第２動圧発生溝全体で正圧が確実に生じ、摺動面同士が離間することで、摺動部品は潤滑性に優れる。

前記第１動圧発生溝は、深い側の端部が被密封流体側または漏れ側のいずれかの空間に連通していてもよい。
これによれば、順方向への相対回転に対しては、第１動圧発生溝内に被密封流体または漏れ側の流体が供給されやすくなるため、正圧が高まりやすい。また、逆方向への相対回転に対しては、第１動圧発生溝内から被密封流体側または漏れ側の空間に流体が排出されやすくなるため、負圧が生じ難い。

前記第２動圧発生溝は、閉塞された溝であって、かつ前記第１動圧発生溝における傾き方向の前記第１動圧発生溝の長さよりも前記第２動圧発生溝における傾き方向の前記第２動圧発生溝の長さが長く形成されていてもよい。
これによれば、逆方向への相対回転に対して、被密封流体側および漏れ側のいずれかの空間にも連通しない第２動圧発生溝における正圧発生能力が高められている。そのため、両方向への相対回転に対して、第１，第２動圧発生溝によって同程度の正圧が生じる。

前記第１動圧発生溝と前記第２動圧発生溝は、繋がっていてもよい。
これによれば、第１動圧発生溝と第２動圧発生溝との間で流体の供給が行われやすい。

前記第１動圧発生溝と前記第２動圧発生溝は、径方向に並んで配置されていてもよい。
これによれば、摺動面における径方向に異なる大きさの動圧が発生するため、摺動面の周方向に亘って動圧が均等に生じやすい。

一方の摺動部品の摺動面に前記第１動圧発生溝と前記第２動圧発生溝が設けられていてもよい。
これによれば、第１，第２動圧発生溝全体で生じる動圧のバランスを調整しやすい。

本発明の実施例１におけるメカニカルシールの一例を示す縦断面図である。 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における静止密封環の摺動面を軸方向から見た拡大図である。 図３のＡ－Ａ断面図である。 実施例１における第１動圧発生溝と第２動圧発生溝の径方向の深さ分布を示す図である。 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拡大図である。 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拡大図である。 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拡大図である。 図９のＢ－Ｂ断面図である。 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拡大図である。 変形例１における静止密封環の摺動面を軸方向から見た拡大図である。 変形例２における静止密封環の摺動面を軸方向から見た拡大図である。 変形例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。 変形例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に係る摺動部品としてのメカニカルシールにつき、図１から図６を参照して説明する。尚、本実施例においては、メカニカルシールの内空間Ｓ１に被密封流体Ｆが存在し、外空間Ｓ２に大気Ａ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被密封流体側（高圧側）、外径側を漏れ側（低圧側）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浅深を示すグラデーションを付すこともある。

図１に示される自動車用のメカニカルシールは、摺動面の内径側から外径側に向かって漏れようとする内空間Ｓ１内の被密封流体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。尚、本実施例では、被密封流体Ｆが高圧の気体であり、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、摺動部品としての回転密封環２０と、摺動部品としての静止密封環１０と、から主に構成されている。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。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。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および図３に示されるように、静止密封環１０に対して相手側密封環である回転密封環２０が実線矢印で示す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、この状態を静止密封環１０と回転密封環２０との順方向の相対回転として説明する。

静止密封環１０の摺動面１１には、内径側に複数の動圧発生機構１３と、外径側に複数の動圧発生機構１６が設けられている。動圧発生機構１３は、摺動面１１の内径側において周方向に均等に配設（本実施例では１２個）されている。動圧発生機構１６は、摺動面１１の外径側において周方向に均等に配設（本実施例では１２個）されている。尚、本実施例では、動圧発生機構１３，１６は、径方向に並んで配置されているが、これに限らず、動圧発生機構１３，１６は、周方向にずれて配置されてもよい。

また、摺動面１１における動圧発生機構１３，１６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。ランド１２の平坦面が回転密封環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。

図３に示されるように、内径側の動圧発生機構１３は、第１動圧発生溝１４と、第２動圧発生溝１５と、から構成されている。第１動圧発生溝１４は、内空間Ｓ１に連通し、静止密封環１０の内周面１０ｇから相対回転方向に対して傾いて外径方向に直線状に延びている。第２動圧発生溝１５は、第１動圧発生溝１４の外径側の端部から相対回転方向に対して第１動圧発生溝１４と逆方向に傾いて外径方向に直線状に延びている。ここで溝が「傾く」とは、溝は長手方向に相対回転方向（すなわち周方向）と平行に延びておらず、かつ、相対回転方向とは直交せずに延びていることを示している。なお、溝の一部の箇所が相対回転方向（すなわち周方向）と平行や直交となっていてもよい。

また、第１動圧発生溝１４と第２動圧発生溝１５は、径方向に並んで配置されており、端部同士が繋がっている。

また、第２動圧発生溝１５は、第１動圧発生溝１４よりも溝の延伸方向における溝の長さ、言い換えれば溝の長手方向における溝の長さ、あるいは溝の傾き方向における溝の長さが長く、詳しくは溝の延伸方向における周方向成分が長い。尚、第１動圧発生溝１４と第２動圧発生溝１５は、溝の延伸方向における径方向成分が略同じ長さである。

また、隣接する第２動圧発生溝１５同士はその端部が径方向に重畳して配置されている。詳しくは、第２動圧発生溝１５の相対回転上流側の端部、すなわち端縁１５ｆを有する端部が、周方向に隣接する第２動圧発生溝１５’の相対回転下流側の端部、すなわち端縁１５ｅ’を有する端部よりも外径側で径方向に重畳するように配置されている。

第１動圧発生溝１４は、底面１４ａと、側面１４ｂ，１４ｃと、から構成されている。底面１４ａは、ランド１２の平坦面に対して傾斜して直線状に延びている。側面１４ｂ，１４ｃは、底面１４ａの周方向両端縁から立ち上がっている。また、第１動圧発生溝１４の内径側の端部には、内空間Ｓ１に連通する開口１４Аが形成されている。

図４に示されるように、第１動圧発生溝１４は、内空間Ｓ１に連通する開口１４Аに位置する底面１４ａの内径側の端縁１４ｄが最も深く、底面１４ａの外径側の端縁１４ｅが最も浅くなるようにランド１２の平坦面に対してその径方向に傾斜している。すなわち、第１動圧発生溝１４は、底面１４ａの内径側の端縁１４ｄから外径側の端縁１４ｅに向かうにつれて深さが浅くなるように形成されている。また、第１動圧発生溝１４は、図２および図３において実線矢印で示される順方向の相対回転に対して、相対回転上流側が深く、相対回転下流側が浅くなるように形成されている。

図３に示されるように、第２動圧発生溝１５は、底面１５ａと、側面１５ｂ，１５ｃと、内径側の端面１５ｄと、から構成されている。底面１５ａは、ランド１２の平坦面に対して傾斜して直線状に延びている。側面１５ｂ，１５ｃは、底面１５ａの周方向両端縁から立ち上がっている。内径側の端面１５ｄは、底面１５ａの内径端から立ち上がり、側面１５ｂ，１５ｃに直交連結している。

図４に示されるように、第２動圧発生溝１５は、底面１５ａの内径側の端縁１５ｅが最も深く、底面１５ａの外径側の端縁１５ｆが最も浅くなるようにランド１２の平坦面に対してその径方向に傾斜している。すなわち、第２動圧発生溝１５は、底面１５ａの内径側の端縁１５ｅから外径側の端縁１５ｆに向かうにつれて深さが浅くなるように形成されている。また、第２動圧発生溝１５は、図２および図３において実線矢印で示される順方向の相対回転に対して、相対回転上流側が浅く、相対回転下流側が深くなるように形成されている。

このように、動圧発生機構１３を構成する第１動圧発生溝１４と第２動圧発生溝１５は、相対回転方向に対する深さ関係が逆になっている。

また、第１動圧発生溝１４の底面１４ａの内径側の端縁１４ｄにおける深さＤ１は、第２動圧発生溝１５の底面１５ａの内径側の端縁１５ｅにおける深さＤ２と同一（Ｄ１＝Ｄ２）に形成されている。言い換えると、第１動圧発生溝１４と第２動圧発生溝１５の最も深い箇所は同じ深さとなっている。尚、図４において、第１動圧発生溝１４および第２動圧発生溝１５における深さＤ１，Ｄ２は、説明の便宜上、実際よりも深く表現している。また、本実施例では、第１動圧発生溝１４の底面１４ａの外径側の端縁１４ｅと、第２動圧発生溝１５の底面１５ａの外径側の端縁１５ｆは、ランド１２の平坦面と同一平面上に配置されており、実質的に深さを有していない。

尚、本実施例では、図４において、第１動圧発生溝１４の底面１４ａのランド１２の平坦面に対する径方向の傾きが、第２動圧発生溝１５の底面１５ａのランド１２の平坦面に対する径方向の傾きよりも大きく表現されている。これは、図４が図３のＡ－Ａ断面図であり、上述したように、第２動圧発生溝１５が第１動圧発生溝１４よりも溝の延伸方向における溝の長さが長く、詳しくは溝の延伸方向における周方向成分が長く形成されているためである。

また、本実施例では、図５に示されるように、第１動圧発生溝１４と第２動圧発生溝１５は、径方向の深さ分布が同じ傾き度合となるように形成されている。

図３に示されるように、外径側の動圧発生機構１６は、第１動圧発生溝１７と、第２動圧発生溝１８と、から構成されている。第１動圧発生溝１７は、外空間Ｓ２に連通し、静止密封環１０の外周面１０ｈから相対回転方向に対して傾いて内径方向に直線状に延びている。第２動圧発生溝１８は、第１動圧発生溝１７の内径側の端部から相対回転方向に対して第１動圧発生溝１７と逆方向に傾いて内径方向に直線状に延びている。

また、第１動圧発生溝１７と第２動圧発生溝１８は、径方向に並んで配置されており、端部同士が繋がっている。

また、第２動圧発生溝１８は、第１動圧発生溝１７よりも溝の延伸方向における溝の長さが長く、詳しくは溝の延伸方向における周方向成分が長い。尚、第１動圧発生溝１７と第２動圧発生溝１８は、溝の延伸方向における径方向成分が略同じ長さである。

また、隣接する第２動圧発生溝１８同士はその端部が径方向に重畳して配置されている。詳しくは、第２動圧発生溝１８の相対回転上流側の端部、すなわち端縁１８ｆを有する端部が、周方向に隣接する第２動圧発生溝１８’の相対回転下流側の端部、すなわち端縁１８ｅ’を有する端部よりも内径側で径方向に重畳するように配置されている。

第１動圧発生溝１７は、底面１７ａと、側面１７ｂ，１７ｃと、から構成されている。底面１７ａは、ランド１２の平坦面に対して傾斜して直線状に延びている。側面１７ｂ，１７ｃは、底面１７ａの周方向両端縁から立ち上がっている。また、第１動圧発生溝１７の外径側の端部には、外空間Ｓ２に連通する開口１７Аが形成されている。

説明の便宜上、図示を省略するが、第１動圧発生溝１７は、外空間Ｓ２に連通する開口１７Аに位置する底面１７ａの内径側の端縁１７ｄが最も深く、底面１７ａの外径側の端縁１７ｅが最も浅くなるようにランド１２の平坦面に対してその径方向に傾斜している。すなわち、第１動圧発生溝１７は、底面１７ａの内径側の端縁１７ｄから外径側の端縁１７ｅに向かうにつれて深さが浅くなるように形成されている。また、第１動圧発生溝１７は、図２および図３において実線矢印で示される順方向の相対回転に対して、相対回転上流側が深く、相対回転下流側が浅くなるように形成されている。

第２動圧発生溝１８は、底面１８ａと、側面１８ｂ，１８ｃと、外径側の端面１８ｄと、から構成されている。底面１８ａは、ランド１２の平坦面に対して傾斜して直線状に延びている。側面１８ｂ，１８ｃは、底面１８ａの周方向両端縁から立ち上がっている。外径側の端面１８ｄは、底面１８ａの内径端から立ち上がり、側面１８ｂ，１８ｃに直交連結している。

説明の便宜上、図示を省略するが、第２動圧発生溝１８は、底面１８ａの内径側の端縁１８ｅが最も深く、底面１８ａの外径側の端縁１８ｆが最も浅くなるようにランド１２の平坦面に対してその径方向に傾斜している。すなわち、第２動圧発生溝１８は、底面１８ａの内径側の端縁１８ｅから底面１８ａの外径側の端縁１８ｆに向かうにつれて深さが浅くなるように形成されている。また、第２動圧発生溝１８は、図２および図３において実線矢印で示される順方向の相対回転に対して、相対回転上流側が浅く、相対回転下流側が深くなるように形成されている。

このように、動圧発生機構１６を構成する第１動圧発生溝１７と第２動圧発生溝１８は、相対回転方向に対する深さ関係が逆になっている。また、動圧発生機構１６は、動圧発生機構１３に対して摺動面の径方向における図示しない中央線を基準にして、いわゆる鏡像関係となるように第１動圧発生溝１７と第２動圧発生溝１８が形成されている。

次いで、静止密封環１０と回転密封環２０との順方向の相対回転時の動作について図３を用いて説明する。尚、図３においては、被密封流体Ｆの流れを黒矢印、大気Ａの流れを白矢印で示している。

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が第１動圧発生溝１４内に開口１４Аから流入するとともに、第１動圧発生溝１４内に流入した被密封流体Ｆが底面１４ａの外径側の端縁１４ｅを乗り越えて外径側に繋がる第２動圧発生溝１５にも僅かに流入している。また、大気Ａが第１動圧発生溝１７に開口１７Аから流入するとともに、第１動圧発生溝１７内に流入した大気Ａが底面１７ａの外径側の端縁１７ｅを乗り越えて内径側に繋がる第２動圧発生溝１８にも僅かに流入している。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が外空間Ｓ２に漏れ出す量はほぼない。

図３に示されるように、回転密封環２０が静止密封環１０に対して順方向に相対回転すると、第１動圧発生溝１４内および第２動圧発生溝１５内の被密封流体Ｆが摺動面２１とのせん断により回転密封環２０の回転方向に追随移動する。

具体的には、第１動圧発生溝１４内では、被密封流体Ｆが矢印Ｆ１に示すように開口１４А近傍から外径側の端縁１４ｅに向かって移動する。これにより開口１４А近傍の流体圧は、周辺の流体圧よりも相対的に低くなる。言い換えれば、開口１４А近傍には相対的な負圧が生じ、内空間Ｓ１の被密封流体Ｆが矢印Ｆ２に示すように第１動圧発生溝１４内に吸い込まれる。

また、第１動圧発生溝１４内では、開口１４Аに位置する内径側の端縁１４ｄの深さＤ１が最も深い（図４参照）ため、第１動圧発生溝１４内に被密封流体Ｆを多く流入させることができる。

また、第１動圧発生溝１４内では、被密封流体Ｆが矢印Ｆ３に示すように外径側の端縁１４ｅに向かって側面１４ｂに沿って移動する。端縁１４ｅに向かって移動した被密封流体Ｆは、端縁１４ｅと側面１４ｂとにより形成される角部１４Ｂおよびその近傍で圧力が高められる。すなわち、第１動圧発生溝１４の角部１４Ｂおよびその近傍で正圧が発生する。

また、第１動圧発生溝１４は、内径側の端縁１４ｄから外径側の端縁１４ｅに向かうにつれて深さが浅くなっていくため、被密封流体Ｆは、第１動圧発生溝１４の角部１４Ｂに向かって移動していく過程でも圧力が高められやすくなっている。また、回転密封環２０の回転速度が低速につき被密封流体Ｆの移動量が少なくても第１動圧発生溝１４の角部１４Ｂおよびその近傍にて正圧が発生しやすくなっている。

また、第１動圧発生溝１４の角部１４Ｂおよびその近傍で発生した正圧による力により、摺動面１１，２１間が若干離間される（図示略）。これにより、摺動面１１，２１間には、主に矢印Ｆ４に示すように第１動圧発生溝１４内の被密封流体Ｆが流出する。このように摺動面１１，２１間に被密封流体Ｆが介在することにより潤滑性が向上し、摺動面１１，２１同士の摩耗を抑制することができる。尚、摺動面１１，２１同士の浮上距離が僅かであるため、第１動圧発生溝１４から摺動面１１，２１間に流出する被密封流体Ｆは少なく、かつ摺動面１１，２１間に流出しても周方向に隣接する動圧発生機構１３の第２動圧発生溝１５により回収されるため（矢印Ｆ６参照）、外空間Ｓ２にはほとんど漏れ出さないようになっている。

また、第２動圧発生溝１５内では、被密封流体Ｆが矢印Ｆ５に示すように外径側の端縁１５ｆから内径側の端縁１５ｅに向かって移動する。第２動圧発生溝１５は、外径側の端縁１５ｆから内径側の端縁１５ｅに向かうにつれて深さが深くなっていくため、第２動圧発生溝１５内で動圧はほとんど発生しない。

詳しくは、第２動圧発生溝１５の外径側の端縁１５ｆ近傍には相対的な負圧が生じ、内径側の端縁１５ｅ近傍には相対的な正圧が生じるが、これら負圧、正圧の絶対値は極めて小さい。そのため、上述したように、第２動圧発生溝１５においては、第１動圧発生溝１４に比べ格段に動圧が生じ難くなっている。

また、第２動圧発生溝１５には、周方向において相対回転上流側に隣接する動圧発生機構１３’の第１動圧発生溝１４’から摺動面１１，２１間に流出した被密封流体Ｆが矢印Ｆ６に示すように第２動圧発生溝１５内に吸い込まれる。さらに、第２動圧発生溝１５には、同じ動圧発生機構１３の第１動圧発生溝１４の端縁１４ｅを乗り越えた被密封流体Ｆの一部が流入する。このことからも、第２動圧発生溝１５では動圧が生じ難くなっている。

さらに、図５に示されるように、第１動圧発生溝１４と第２動圧発生溝１５は、径方向の深さ分布が同じ直線状の傾き度合となるように底面１４ａ，１５ａが傾斜していることにより、第１動圧発生溝１４では、正圧が一層生じやすくなっており、第２動圧発生溝１５では、負圧が生じ難くなっている。尚、これらの傾きは直線状でなく曲線状であってもよい。また、第１動圧発生溝１４の傾きと第２動圧発生溝１５は、径方向の深さ分布における傾き度合が同じでなくてもよい。

尚、動圧発生機構１６における大気Ａの流れについては、上述した動圧発生機構１３における被密封流体Ｆと略同一の流れ（図３に示される白矢印を参照）として説明できることから、詳細な説明を省略する。

次いで、静止密封環１０と回転密封環２０との逆方向への相対回転時の動作について図６を用いて説明する。尚、図６においても図３と同様に、被密封流体Ｆの流れを黒矢印、大気Ａの流れを白矢印で示している。また、回転密封環２０の停止時の態様については同一であるため、説明を省略する。

図６に示されるように、回転密封環２０が静止密封環１０に対して逆方向に相対回転すると、第１動圧発生溝１４内および第２動圧発生溝１５内の被密封流体Ｆが摺動面２１とのせん断により回転密封環２０の回転方向に追随移動する。

具体的には、第１動圧発生溝１４内では、被密封流体Ｆが矢印Ｆ１１に示すように外径側の端縁１４ｅから開口１４Аに向かって移動する。第１動圧発生溝１４は、外径側の端縁１４ｅから内径側の端縁１４ｄに向かうにつれて深さが深くなっていくため、第１動圧発生溝１４内で動圧はほとんど発生しない。

詳しくは、第１動圧発生溝１４の外径側の端縁１４ｅ近傍には相対的な負圧が生じ、内径側の端縁１４ｄ近傍には相対的な正圧が生じるが、これら負圧、正圧の絶対値は極めて小さい。そのため、上述したように、第１動圧発生溝１４においては、第２動圧発生溝１５に比べ格段に動圧が生じ難くなっている。

また、第１動圧発生溝１４は、開口１４Аにより内空間Ｓ１に連通しているため、第１動圧発生溝１４内に動圧がほとんど生じなくなっている。このことから、摺動面１１，２１間から第１動圧発生溝１４内への被密封流体Ｆの吸い込みはほとんど生じない。

また、第２動圧発生溝１５内では、被密封流体Ｆが矢印Ｆ１２に示すように内径側の端縁１５ｅから外径側の端縁１５ｆに向かって移動する。これにより内径側の端縁１５ｅの流体圧は、周辺の流体圧よりも相対的に低くなる。言い換えれば、内径側の端縁１５ｅ近傍には相対的な負圧が生じ、周方向において相対回転方向上流側に隣接する動圧発生機構１３’の第２動圧発生溝１５’から摺動面１１，２１間に流出した被密封流体Ｆが矢印Ｆ１３に示すように第２動圧発生溝１５内に吸い込まれる。尚、上述したように、第１動圧発生溝１４においては、動圧がほとんど生じないため、第２動圧発生溝１５の内径側の端縁１５ｅの流体圧は、第１動圧発生溝１４の外径側の端縁１４ｅの流体圧よりも相対的に低くなる。そのため、摺動面１１，２１間の被密封流体Ｆは、第１動圧発生溝１４よりも第２動圧発生溝１５内に吸い込まれやすくなっている。

また、第２動圧発生溝１５内では、内径側の端縁１５ｅの深さＤ２が最も深い（図４参照）ため、第２動圧発生溝１５内に被密封流体Ｆを多く流入させることができる。

また、第２動圧発生溝１５内では、被密封流体Ｆが矢印Ｆ１４に示すように外径側の端縁１５ｆに向かって側面１５ｂに沿って移動する。端縁１５ｆに向かって移動した被密封流体Ｆは、端縁１５ｅと側面１５ｂとにより形成される角部１５Ｂおよびその近傍で圧力が高められる。すなわち、第２動圧発生溝１５の角部１５Ｂおよびその近傍で正圧が発生する。

また、第２動圧発生溝１５は、内径側の端縁１５ｅから外径側の端縁１５ｆに向かうにつれて深さが浅くなっていくため、被密封流体Ｆは、第２動圧発生溝１５の角部１５Ｂに向かって移動していく過程でも圧力が高められやすくなっている。また、回転密封環２０の回転速度が低速につき被密封流体Ｆの移動量が少なくても第２動圧発生溝１５の角部１５Ｂおよびその近傍にて正圧が発生しやすくなっている。

さらに、第２動圧発生溝１５は、第１動圧発生溝１４よりも延伸方向に長く、詳しくは溝の延伸方向における周方向成分が長く形成されているため、第２動圧発生溝１５の角部１５Ｂに向かって移動していく過程で圧力が一層高められやすくなっている。

また、第２動圧発生溝１５の角部１５Ｂおよびその近傍で発生した正圧による力により、摺動面１１，２１間が若干離間される（図示略）。これにより、摺動面１１，２１間には、主に矢印Ｆ１５に示すように第２動圧発生溝１５内の被密封流体Ｆが流出する。さらに、第２動圧発生溝１５の外径側の端縁１５ｆは、ランド１２の平坦面と同一平面上に配置されているため、角部１５Ｂだけでなく、外径側の端縁１５ｆに亘って広い範囲で正圧が発生する。このように摺動面１１，２１間に被密封流体Ｆが介在することにより潤滑性が向上し、摺動面１１，２１同士の摩耗を抑制することができる。

尚、動圧発生機構１６における大気Ａの流れについては、上述した動圧発生機構１３における被密封流体Ｆと略同一の流れ（図６に示される白矢印を参照）として説明できることから、詳細な説明を省略する。

尚、本実施例では、図３に示される順方向への相対回転時と、図６に示される逆方向への相対回転時において、動圧発生機構１３，１６全体で同程度の正圧が生じる。

以上説明したように、動圧発生機構１３，１６を構成する第１動圧発生溝１４，１７と第２動圧発生溝１５，１８は、底面が径方向に同じ向きに傾斜しており、相対回転方向に対する深さ関係が逆になっている。これによれば、順方向への相対回転（図３参照）に対しては、第１動圧発生溝１４，１７は、相対回転下流側の端部、すなわち端縁１４ｅ，１７ｅを有する端部に向かうにつれて浅くなっている。第２動圧発生溝１５，１８は、相対回転下流側の端部、すなわち端縁１５ｅ，１８ｅを有する端部に向かうにつれて深くなっている。これにより、第１動圧発生溝１４，１７において正圧が生じやすく、かつ第２動圧発生溝１５，１８において負圧が生じ難くなっている。一方、逆方向への相対回転（図６参照）に対しては、第１動圧発生溝１４，１７において負圧が生じ難く、かつ第２動圧発生溝１５，１８において正圧が生じやすくなっている。そのため、両方向への相対回転に対して摺動面１１に設けられた第１，第２動圧発生溝全体で正圧が確実に生じ、摺動面１１，２１同士が離間することで、静止密封環１０と回転密封環２０は潤滑性に優れる。

また、動圧発生機構１３を構成する第１動圧発生溝１４は、深い側の端部、すなわち端縁１４ｄを有する端部が被密封流体Ｆ側の空間である内空間Ｓ１に連通し、動圧発生機構１６を構成する第１動圧発生溝１７は、深い側の端部、すなわち端縁１７ｄを有する端部が大気Ａ側の空間である外空間Ｓ２に連通している。これによれば、順方向の相対回転に対しては、第１動圧発生溝１４，１７内に被密封流体Ｆまたは大気Ａが供給されやすくなるため、正圧が高まりやすい。また、逆方向への相対回転に対しては、第１動圧発生溝１４，１７内から内空間Ｓ１または外空間Ｓ２に流体が排出されやすくなるため、負圧が生じ難い。

また、第２動圧発生溝１５，１８は、閉塞された溝であって、かつ第１動圧発生溝１４，１７よりも溝の延伸方向における溝の長さが長く、詳しくは溝の延伸方向における周方向成分が長く形成されている。これによれば、逆方向への相対回転に対して、内空間Ｓ１にも外空間Ｓ２にも連通しない第２動圧発生溝１５，１８における正圧発生能力が高められている。そのため、両方向への相対回転に対して、第１動圧発生溝１４，１７、第２動圧発生溝１５，１８によって同程度の正圧が生じる。

また、第１動圧発生溝１４，１７と第２動圧発生溝１５，１８は、実質的にランド１２を介さず、繋がっていることにより、第１動圧発生溝１４，１７と第２動圧発生溝１５，１８との間で流体の供給が行われやすい。これにより、いずれの相対回転方向にあっても、正圧が生じる動圧発生溝から負圧が生じ難くなる動圧発生溝に流体が供給されることから、負圧が生じる動圧発生溝において一層負圧が生じ難くなっている。

また、第１動圧発生溝１４，１７と第２動圧発生溝１５，１８は、径方向に並んで配置されている。これによれば、摺動面１１における径方向に異なる大きさの動圧が発生するため、摺動面１１の周方向に亘って動圧が均等に生じやすい。また、動圧発生機構１３，１６を摺動面１１の周方向に効率よく配置することができる。

また、回転密封環２０の摺動面２１は平坦面であり、静止密封環１０の摺動面１１に第１動圧発生溝１４，１７と第２動圧発生溝１５，１８が設けられている。これによれば、第１動圧発生溝１４，１７、第２動圧発生溝１５，１８全体で生じる動圧のバランスを調整しやすい。

また、第１動圧発生溝１４，１７と第２動圧発生溝１５，１８は、最深部分と最浅部分の深さがそれぞれ同一に形成される（図４参照）ことにより、両方向への相対回転に対して第１動圧発生溝１４，１７、第２動圧発生溝１５，１８全体で生じる動圧のバランスを同程度に調整しやすい。

次に、実施例２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１と同一構成で重複する構成の説明を省略する。

図７に示されるように、本実施例２の静止密封環２１０は、動圧発生機構２１３を構成する第１動圧発生溝２１４と第２動圧発生溝２１５、動圧発生機構２１６を構成する第１動圧発生溝２１７と第２動圧発生溝２１８がそれぞれ径方向に離間して繋がっていない点で実施例１と異なり、その他の点は実施例１と同一構成となっている。

本実施例２の静止密封環２１０は、第１動圧発生溝２１４，２１７と第２動圧発生溝２１５，２１８が径方向に離間している。すなわち、第１動圧発生溝２１４の底面２１４ａの外径側の端縁２１４ｅと第２動圧発生溝２１５の底面２１５ａの内径側の端縁２１５ｅとの間、第１動圧発生溝２１７の底面２１７ａの内径側の端縁２１７ｅと第２動圧発生溝２１８の底面２１８ａの外径側の端縁２１８ｅとの間は略平行で離間し、その間は周方向に延びる帯状のランド２１２ａとなっている。尚、帯状のランド２１２ａは、ランド２１２の一部である。

本実施例２の静止密封環２１０においては、実施例１の形態に比べて第１動圧発生溝２１４の外径側の端縁２１４ｅ、第１動圧発生溝２１７の内径側の端縁２１７ｅに沿ってそれぞれ摺動面２１１，２１間に被密封流体Ｆまたは大気Ａを流出させることができるため、正圧をより広い範囲で生じさせることができる。

次に、実施例３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１と同一構成で重複する構成の説明を省略する。

図８に示されるように、本実施例３の静止密封環３１０は、動圧発生機構３１３を構成する第２動圧発生溝３１５、動圧発生機構３１６を構成する第２動圧発生溝３１８がそれぞれ第１動圧発生溝３１４，３１７よりも延伸方向における径方向成分が長く、かつ溝の延伸方向における周方向成分が略同じ長さである点で実施例１と異なり、その他の点は実施例１と同一構成となっている。

また、説明の便宜上、図示を省略するが、本実施例３においては、実施例１と異なり、第２動圧発生溝３１５，３１８は、第１動圧発生溝３１４，３１７よりも径方向の深さ分布が緩やかな傾きとなるように形成されている。

本実施例３の静止密封環３１０においては、第２動圧発生溝３１５，３１８が第１動圧発生溝３１４，３１７よりもそれぞれ延伸方向における径方向成分が長く、かつ溝の延伸方向における周方向成分が略同じ長さとなるように形成されているため、実施例１の形態に比べて動圧発生機構３１３，３１６を周方向に多く配置でき、摺動面３１１の周方向に亘ってバランスよく正圧を生じさせることができる。

次に、実施例４に係る摺動部品につき、図９および図１０を参照して説明する。尚、前記実施例１，３と同一構成で重複する構成の説明を省略する。

図９に示されるように、本実施例４の静止密封環４１０は、動圧発生機構４１３を構成する第１動圧発生溝４１４と第２動圧発生溝４１５、動圧発生機構４１６を構成する第１動圧発生溝４１７と第２動圧発生溝４１８において、それぞれ溝の延伸方向における径方向成分および周方向成分が略同じ長さとなるように形成されている。

図１０に示されるように、第１動圧発生溝４１４は、底面４１４ａの内径側の端縁４１４ｄが最も浅く、底面４１４ａの外径側の端縁４１４ｅが最も深くなるようにランド１２の平坦面に対して径方向に傾斜している。すなわち、第１動圧発生溝４１４は、底面４１４ａの内径側の端縁４１４ｄから外径側の端縁４１４ｅに向かうにつれて深さが浅くなるように形成されている。また、第１動圧発生溝４１４は、図９において実線矢印で示される順方向の相対回転に対して、相対回転上流側が浅く、相対回転下流側が深くなるように形成されている。

第２動圧発生溝４１５は、底面４１５ａの内径側の端縁４１５ｅが最も浅く、底面４１５ａの外径側の端縁４１５ｆが最も深くなるように径方向に傾斜している。すなわち、第２動圧発生溝４１５は、底面４１５ａの内径側の端縁４１５ｅから外径側の端縁４１５ｆに向かうにつれて深さが深くなるように形成されている。また、第２動圧発生溝４１５は、図９において実線矢印で示される順方向の相対回転に対して、相対回転上流側が深く、相対回転下流側が浅くなるように形成されている。

また、説明の便宜上、図示を省略するが、本実施例４においては、第１動圧発生溝４１４，４１７と第２動圧発生溝４１５，４１８は、径方向の深さ分布が実施例１と逆の傾きとなるように形成されている。

このように、動圧発生機構４１３を構成する第１動圧発生溝４１４と第２動圧発生溝４１５は、相対回転方向に対する深さ関係が逆になっている。また、詳細な説明は省略するが、動圧発生機構４１６は、動圧発生機構４１３に対して摺動面の径方向における図示しない中央線を基準にして、いわゆる鏡像関係となるように第１動圧発生溝４１７と第２動圧発生溝４１８が形成されている。

本実施例４の静止密封環４１０においては、第１動圧発生溝４１４，４１７が線状の端縁４１４ｄ、４１７ｄによって内空間Ｓ１または外空間Ｓ２に対して仕切られている。そのため、動圧発生機構４１３を構成する第１動圧発生溝４１４と第２動圧発生溝４１５、動圧発生機構４１６を構成する第１動圧発生溝４１７と第２動圧発生溝４１８をそれぞれ溝の延伸方向における径方向成分および周方向成分が略同じ長さとなるように形成することにより、両方向への相対回転に対して、同程度の正圧を生じさせることができる。

次に、実施例５に係る摺動部品につき、図１１を参照して説明する。尚、前記実施例２と同一構成で重複する構成の説明を省略する。

図１１に示されるように、本実施例５の静止密封環５１０は、動圧発生機構５１３を構成する第１動圧発生溝５１４と動圧発生機構５１６を構成する第１動圧発生溝５１７が、それぞれ内空間Ｓ１または外空間Ｓ２に連通しておらず、第２動圧発生溝５１５，５１８よりも溝の延伸方向における周方向成分が長く形成されている点、１個の第１動圧発生溝５１４，５１７に対して、複数（本実施例５では３個）の第２動圧発生溝５１５，５１８がそれぞれ配置されている点、第１動圧発生溝５１４，５１７の溝幅が第２動圧発生溝５１５，５１８よりもそれぞれ大きく形成されている点で実施例１，２と異なり、その他の点は実施例２と同一構成となっている。

本実施例５の静止密封環５１０は、第１動圧発生溝５１４，５１７が内空間Ｓ１または外空間Ｓ２に連通していないため、溝の延伸方向における周方向成分が長く、溝幅が大きく形成される第１動圧発生溝５１４，５１７に対して、正圧発生能力が低い第２動圧発生溝５１５，５１８をそれぞれ複数配置することにより、両方向への相対回転に対して、同程度の正圧を生じさせることができる。

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、前記実施例では、摺動部品として、自動車用のメカニカルシールを例に説明したが、一般産業機械等の他のメカニカルシールであってもよい。

また、前記実施例１～５では、動圧発生機構を構成する第１動圧発生溝と第２動圧発生溝を静止密封環に設ける例について説明したが、第１動圧発生溝と第２動圧発生溝を回転密封環に設けてもよいし、第１動圧発生溝と第２動圧発生溝を静止密封環と回転密封環にそれぞれ一方ずつ、または両方設けてもよい。言い換えると、本発明の摺動部品は静止密封環であっても回転密封環であってもよい。

また、前記実施例１～５では、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では、内径側が被密封流体側、外径側が漏れ側として説明してきたが、外径側が被密封流体側、内径側が漏れ側であってもよい。

また、前記実施例１～５では、被密封流体Ｆは高圧の気体と説明したが、これに限らず液体または低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。

また、前記実施例１～５では、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。

また、前記実施例１～５では、第１動圧発生溝と第２動圧発生溝が直線状に延びている形態を例示したが、第１動圧発生溝と第２動圧発生溝は湾曲して延びていてもよい。すなわち、溝を軸方向視した際、溝の周方向の少なくとも一方側において溝が狭まる構造になっていてもよい。

また、前記実施例１～５では、第１動圧発生溝と第２動圧発生溝の底面がランドの平坦面に対して傾斜して直線状に延びている形態を例示したが、第１動圧発生溝と第２動圧発生溝の底面は、溝の延伸方向に対して深さが深くなる、または浅くなるものであれば、底面は湾曲していてもよいし、段状に深さが変化してもよい。

また、前記実施例１～５では、第１動圧発生溝と第２動圧発生溝の底面において最も浅くなる端縁がランドの平坦面と同一平面上に配置されている形態を例示したが、第１動圧発生溝と第２動圧発生溝の底面において最も浅くなる端縁は、正圧を十分に発生させることができる深さであれば、所定の深さを有していてもよい。

また、前記実施例１～５では、図１２に示される変形例１の静止密封環６１０のように、第１動圧発生溝と第２動圧発生溝が周方向にずれて配置されてもよい。尚、第１動圧発生溝と第２動圧発生溝が周方向にずれた状態で端部同士の一部が繋がっていてもよい。

また、前記実施例１～５では、図１３に示される変形例２の静止密封環７１０のように、第１動圧発生溝と第２動圧発生溝の相対回転方向（周方向）に対する傾きが逆向きに形成されてもよい。

また、前記実施例１～５や変形例１，２では、動圧発生機構が摺動面の内径側と外径側に形成されている形態を例示したが、動圧発生機構は、図１４に示される変形例３の静止密封環８１０のように、摺動面の内径側のみに形成されてもよいし、図１５に示される変形例４の静止密封環９１０のように、摺動面の外径側のみに形成されてもよい。また、動圧発生機構は、摺動面の径方向に３つ以上形成されてもよい。

また、前記実施例１～５や変形例１～４では、第１動圧発生溝と第２動圧発生溝が径方向に並んで配置される形態を例示したが、第１動圧発生溝と第２動圧発生溝は、周方向に並んで配置されてもよい。

１ 回転軸
２ スリーブ
４ ハウジング
１０ 静止密封環（摺動部品）
１１ 摺動面
１２ ランド
１３，１６ 動圧発生機構
１４ 第１動圧発生溝
１５ 第２動圧発生溝
１７ 第１動圧発生溝
１８ 第２動圧発生溝
２０ 回転密封環（摺動部品）
２１ 摺動面
Ａ 大気
Ｆ 被密封流体
Ｓ１ 内空間（被密封流体側の空間）
Ｓ２ 外空間（漏れ側の空間）

Claims (6)

1. 回転機械の相対回転する箇所に対向して配置され、一対の摺動面のいずれか一方には、相対回転方向に対して傾いて延設される第１動圧発生溝と、前記一対の摺動面のいずれか一方には、相対回転方向に対して前記第１動圧発生溝と逆方向に傾いて延設される第２動圧発生溝が設けられた摺動部品であって、
   前記第１動圧発生溝と前記第２動圧発生溝は、径方向で見て少なくとも一部が重畳するように配置されており、
   前記第１動圧発生溝と前記第２動圧発生溝は、底面が径方向に同じ向きに傾斜している摺動部品。
2. 前記第１動圧発生溝は、深い側の端部が被密封流体側または漏れ側のいずれかの空間に連通している請求項１に記載の摺動部品。
3. 前記第２動圧発生溝は、閉塞された溝であって、かつ前記第１動圧発生溝における傾き方向の前記第１動圧発生溝の長さよりも前記第２動圧発生溝における傾き方向の前記第２動圧発生溝の長さが長く形成されている請求項２に記載の摺動部品。
4. 前記第１動圧発生溝と前記第２動圧発生溝は、繋がっている請求項１ないし３のいずれかに記載の摺動部品。
5. 前記第１動圧発生溝と前記第２動圧発生溝は、径方向に並んで配置されている請求項１ないし３のいずれかに記載の摺動部品。
6. 一方の摺動部品の摺動面に前記第１動圧発生溝と前記第２動圧発生溝が設けられている請求項１に記載の摺動部品。