JPH11287329A - 摺動材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 密封対象液の温度（粘度）が変化するような
条件下でも安定した摺動性を発揮することのできる摺動
材を提供する。 【解決手段】 摺動面１に、異なる深さｄ_０，ｄ_１（ｄ
_０＜ｄ_１）の複数種類のディンプル３ａ，３ｂを形成す
る。この場合、温度上昇に伴う流体粘度の低下によって
摺動面１，２間の隙間ｈ_Ａがｈ_Ａ０に狭まると、深さｄ
_１のディンプル３ｂにおける負荷容量の減少を、深さｄ
_０のディンプル３ａにおける負荷容量の増大によって補
償し、逆に流体粘度の上昇によって摺動面１，２間の隙
間ｈ_Ａがｈ _Ａ１に広がると、深さｄ_０のディンプル３ａ
における負荷容量の減少を、深さｄ _１のディンプル３ｂ
における負荷容量の増大によって補償し、常に安定した
摺動性が発揮される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、機器の回転軸周で
流体を密封する軸封装置において回転軸側の密封要素も
しくはこれに摺接する静止側の密封要素として用いられ
る摺動材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】メカニカルシールは、回転軸側に設けら
れてこの回転軸と共に回転する摺動材と、非回転のハウ
ジング側に設けられた静止側の摺動材とが軸心に対して
垂直な端面同士で密接摺動することにより、軸周におけ
る流体の漏洩を阻止するものであるため、その摺動材に
は、優れた耐摩耗性や摺動特性が要求される。このた
め、摺動材の材料としては、耐摩耗性に優れた炭化珪
素、アルミナ等の硬質材あるいは自己潤滑性に優れたカ
ーボン等が用いられる。

【０００３】等温非圧縮性流体による潤滑下で平面同士
を摺動させた場合、前記平面が極めて平滑であれば、摺
動面間には理論的には定常状態において潤滑液膜は形成
されないが、実際のメカニカルシールでは、摺動面上に
生じた微小なうねりや、表面粗さ等の要因によって、潤
滑液膜が形成される。しかし、摺動中は、前記うねりや
表面粗さは摩擦熱等によって変化しており、この変化に
伴う潤滑液膜の厚さの変動によって、摺動面における摩
擦係数や発熱量も変動するため、摺動材をＰＶ値等の著
しく高い過酷な条件で使用すると、摩擦係数の平均値や
最大値及び摺動発熱量が増大して、摺動面の微小な変質
や破壊等が進展する。

【０００４】例えば、炭化珪素等の硬質摺動材は、自己
潤滑性を有するカーボンからなる摺動材と組み合わせて
使用した場合に、摩擦熱によってカーボン側の摺動面に
ブリスタと呼ばれる火膨れによる虫食い状の異常損耗が
しばしば発生することが知られている。このような摺動
面の破壊は、摺動面間の液体潤滑膜が完全に消滅したた
めに発生するものである。

【０００５】そこで近年は、摺動特性の向上を図るため
に、摺動面に多数のディンプルを規則的な配列パターン
で形成した摺動材が開発されている。この種の摺動材に
よれば、上述した摺動面でのブリスタ等の発生を有効に
防止することができる。これは、摺動面に形成された多
数のディンプルが潤滑液溜りとして機能することによっ
て、過酷な摺動条件でも安定した潤滑液膜を形成し、ま
た、スパイラル状の方向性をもったディンプルが摺動面
に介入する潤滑液にポンプ作用を与えることによって、
潤滑液膜の厚さ及び密封対象液の漏洩量を適切に制御
し、摺動面の潤滑及び冷却が促されるからである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
において摺動面に多数のディンプルを形成した摺動材
は、全てのディンプルの深さが例えば１０μｍ前後のほ
ぼ一定値であり、密封対象液が一定温度（一定の粘度）
であることを前提にしている。したがって、密封対象液
の温度が変動するような条件下では摺動面間に介在する
潤滑液膜の粘度の変化によって摩擦係数の変動が大きい
という問題が指摘される。

【０００７】本発明は、上記のような事情のもとになさ
れたもので、その技術的課題とするところは、密封対象
液の温度（粘度）が変化するような条件下でも安定した
摺動性を発揮することのできる摺動材を提供することに
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述した技術的課題は、
本発明によって有効に解決することができる。すなわち
本発明に係る摺動材は、平坦な摺動面に、深さの異なる
多数のディンプルが形成されたことを特徴とするもので
ある。好ましくは、前記ディンプルの最小深さを０．２
μｍ、最大深さを６０μｍとする。

【０００９】摺動面に形成した多数のディンプルは、相
手摺動面との間に流体力学的な潤滑液膜として介入する
密封対象液を保持するものである。そして、個々のディ
ンプルは、それぞれ図１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。

【００１０】図１において、一方の摺動面１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１ａが形成
されており、他方の摺動面２は平坦に形成されている。
摺動面１，２がレイリーステップ１ａと垂直な方向に相
対移動し、すなわち摺動面１が矢印Ａ方向へ移動する
か、又は摺動面２が矢印Ｂ方向へ移動すると、両摺動面
面１，２間に介在する流体が、その粘性によって摺動面
１又は２の移動方向へ追随移動しようとするので、その
際にレイリーステップ１ａの存在によって流体軸受圧力
（動圧）を発生する。この軸受圧力による負荷容量は、
摺動面１，２間の隙間の大きさをｈ_Ａ、レイリーステッ
プ１ａの底部と摺動面２の間の隙間の大きさをｈ_Ｂとす
ると、ｈ_Ｂ/ｈ_Ａの値が１．８６６である場合に最大に
なることが解析によって得られることは、良く知られて
いることである（例えば「トライポロジ」近代科学社発
行；第２３２頁参照）

【００１１】ここで、レイリーステップ１ａにより摺動
面２との隙間が拡大されている部分３をディンプルであ
るとすると、このディンプル３の深さｄを摺動面１，２
間の隙間ｈ_Ａの約９割程度とした場合に流体の動圧によ
る負荷容量が最大になり、摺動面１，２の摺動性が最も
安定するものと期待される。前記隙間ｈ_Ａの値は流体の
種類、温度及び圧力の関数である流体の粘度、摺動面
１，２を互いに押し付ける荷重等によって決まるもので
あり、流体の種類や前記荷重等は変化しないから、特
に、温度が一定に管理された条件で運転されていれば、
前記隙間ｈ_Ａは一定である。したがってこの場合は、深
さｄが全て同一のディンプル３で安定した負荷容量が得
られ、一定の摺動性を奏する。

【００１２】ところが、例えばプロセス流体温度や摺動
状況の変化等によって流体の温度が著しく変化するよう
な場合は、流体の粘度の変化によって摺動面１，２間の
隙間ｈ_Ａも変動することになる。特に油脂類のように、
粘度の温度依存性が大きい流体の場合は、温度変化に伴
う隙間ｈ_Ａの変動も大きくなるため、先に述べたよう
な、ディンプル深さｄが摺動面１，２間の隙間ｈ_Ａの約
９割程度である場合に負荷容量が最大になる条件から大
きく乖離し、すなわち十分な負荷容量による良好な液体
潤滑が発揮されないといった状況を生じることになる。

【００１３】その点、図２に示すように、異なる深さｄ
_０，ｄ_１（ｄ_０ ＜ｄ_１）の複数種類のディンプル３
ａ，３ｂを形成した場合は、例えば温度上昇に伴う流体
粘度の低下によって摺動面１，２間の隙間ｈ_Ａがｈ_Ａ０
に狭まると、深さｄ_１のディンプル３ｂにおいては前記
条件から乖離するが、深さｄ_０のディンプル３ａにおい
ては前記条件に近似して負荷容量が増大し、逆に流体粘
度の上昇によって摺動面１，２間の隙間ｈ_Ａがｈ_Ａ１に
広がると、深さｄ_０ のディンプル３ａにおいては前記
条件から乖離するが、深さｄ_１のディンプル３ｂにおい
ては前記条件に近似し負荷容量が増大する。したがっ
て、温度変化に伴う一部のディンプルの負荷容量の減少
が他のディンプルの負荷容量の増大によって補償される
ことになり、常に安定した摺動性が発揮される。

【００１４】ディンプル深さの最小値を０．２μｍ、最
大値を６０μｍとしたのは、次の理由による。例えば水
のように粘度の低い流体の場合には、摺動面１，２間の
隙間ｈ_Ａの最小値が０．３μｍ程度になるものと想定さ
れるため、ディンプル深さの最小値を０．２μｍとする
ことで、粘度低下に十分に対応することができることに
なる。また、低温の油の場合、水の２００倍程度まで粘
度が上昇するものと想定されるため、ディンプル深さの
最大値は６０μｍあれば粘度上昇に十分に対応すること
ができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態としては、例
えば密封対象流体の温度（粘度）が概して２水準で変化
するような場合は、ディンプル深さは２値の離散分布で
十分である。図３はその一例として、深さが２種類のデ
ィンプル３ａ，３ｂを、１：１の割合で摺動面２に格子
点状に交互に形成した場合を拡大して示すものである。

【００１６】また、密封対象流体の温度（粘度）がラン
ダムに変化するような場合は、ディンプル深さの値が極
めて多い連続分布とすることが望ましいが、実際には、
ディンプル深さが３〜５値の離散分布とする。これは、
ディンプル深さを連続分布としたディンプル加工をする
ことは困難であり、３〜５値の離散分布でも十分な効果
を発揮し得るからである。すなわち、運転中に摺動条件
の変化等によって流体温度がランダムに変化しても、こ
れに伴う摺動面間の隙間の変化に対して、前記３〜５値
のディンプル深さのうちいずれかが、流体軸受圧力によ
る負荷容量をほぼ最大となる深さに近似することになる
からである。

【００１７】

【実施例】以下に説明する実施例及び比較例を、メカニ
カルシール試験機を用いて、後述の試験条件により摺動
試験を行った。メカニカルシール試験機は、図４に示す
ように、試料である固定環１１をガスケット１２を介し
て非回転状態に支持するケーシング１３と、このケーシ
ング１３の内周に回転自在に挿通された回転軸１４と、
この回転軸１４の外周にパッキン１６を介して軸方向移
動自在に支持され前記固定環１１と軸方向に対向される
回転環１５と、この回転環１５を軸方向に付勢してその
摺動面を前記固定環１１の摺動面に密接させるバネ１７
とを備え、固定環１１、ガスケット１２、ケーシング１
３、回転軸１４、回転環１５及びパッキン１６で囲まれ
た密封空間には密封対象液Ｌが封入される。

【００１８】固定環１１として、高密度の炭化珪素摺動
材からなり、摺動面１１ａに直径が１２０μｍの円形デ
ィンプルをディンプル面積率８％で形成したものを用い
た。実施例においてはディンプル深さは１０μｍ及び３
０μｍの２種類とし、その割合を１：１として交互に形
成した図３のような形態とした。また、比較例において
は、同じく直径１２０μｍの円形ディンプルをディンプ
ル面積率８％で形成し、全てのディンプルを１０μｍの
均一な深さとしたものを用いた。

【００１９】この摺動試験において、回転環１５には樹
脂含浸焼成カーボンからなり摺動面をディンプルの存在
しない平滑面に形成したものを用い、それ以外の条件は
下記のとおりとした。 試験条件 (1) 密封対象液Ｌ 非粘質中性油 (2) 摺動面の周速 １．１ｍ／ｓ (3) 摺動面の面圧 １．５ＭＰａ (4) 密封対象液Ｌの温度 ３１０Ｋ，２９０Ｋの２条件

【００２０】図５は上記試験の結果を摩擦係数で評価し
たものである。この試験結果によれば、密封対象である
非粘質中性油の油温が３１０Ｋの水準では、実施例にお
ける摩擦係数は比較例における摩擦係数よりも僅かに大
きいが、油温が２９０Ｋの水準では、比較例における摩
擦係数が油温３１０Ｋの水準に比較して０．０９上昇し
ているのに対し、実施例による摩擦係数の上昇が僅か
０．０３に抑えられている。すなわち、比較例では油温
変化による摩擦係数の変動が大きいが、実施例では油温
変化による摩擦係数の変動が小さく、安定した摺動性能
が得られることが確認された。

【００２１】なお、本発明は、図示の実施形態によって
限定的に解釈されるものではない。例えば、ディンプル
の開口形状は図示のような円形に限らず、楕円形、長方
形など、他の形状にしても良い。

【００２２】

【発明の効果】本発明に係る摺動材によると、摺動面
に、深さの異なる多数のディンプルを形成したものであ
るため、摺動時に相手摺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
ず常に良好な摺動性を維持するといった効果が実現され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の摺動材において摺動面に形成したディ
ンプルの作用を説明するための図である。

【図２】本発明の摺動材において摺動面に形成した深さ
の異なるディンプルの作用を説明するための図である。

【図３】本発明の摺動材の一実施形態を拡大して示す一
部断面を表す斜視図である。

【図４】摺動材の摺動試験に用いるメカニカルシール試
験機を軸心を通る平面で切断した概略的な半断面図であ
る。

【図５】試験結果を示す説明図である。

【符号の説明】

１，２ 摺動面 ３，３ａ，３ｂ ディンプル

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平坦な摺動面に、深さの異なる複数種類
   のディンプルが多数形成されたことを特徴とする摺動
   材。
2. 【請求項２】 請求項１の記載において、 ディンプルの最小深さが０．２μｍ、最大深さが６０μ
   ｍであることを特徴とするメカニカルシール用摺動材。