JP2004003578A

JP2004003578A - 摺動部品

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Publication number: JP2004003578A
Application number: JP2002219792A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Tejima; 手嶋　芳博
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 2002-04-02
Filing date: 2002-07-29
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2022-07-29
Also published as: EP1350996A3; US7500676B2; DE60318511D1; DE60318511T2; EP1350996B1; JP4205910B2; EP1350996A2; US20030189294A1

Abstract

【課題】摺動部品の摺動面の摩擦係数を低減すると共に、シール能力を向上させることにある。
【解決手段】摺動部品２の第１摺動面３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅに細長いディンプル５を配列すると共に、ディンプル５の回転方向先端５Ａ１を回転円の接線に対して傾斜させ、且つ第１摺動面３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅの被密封流体と反対の第２摺動面に平坦面又は第２ディンプル６を有する第２摺動面を設けたものである。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、相対回転する摺動部品の技術分野に関する。特に、摺動面の摩擦係数を小さくすると共に、被密封流体の漏洩量を低減する摺動部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本発明の炭化珪素焼結部品の先行技術として、特公平５−６９０６６号公報（対応する米国特許第５，０８０，３７８号明細書も存在する）が存在する。この米国特許明細書及び図面には、図８に示すメカニカルシールが開示されている。
【０００３】
図８はポンプ及び冷凍機などに用いられているメカニカルシール１００の半断面図である。
図８に於いて、回転軸１３０とケーシング１４０との間にはメカニカルシール１００が配置されている。そして、このメカニカルシール１００は、ポンプ又は冷凍機などに用いられて液体をシールするものである。
【０００４】
メカニカルシール１００は、多孔質炭化珪素焼結のシールリング１０１が回転軸１３０に嵌合している。この回転環１０１には、側面にシール面１０２が設けられている。更に、回転環１０１における内径面の段部１０３には、回転軸１３０との間をシールするためにパッキング１２０Ａ、１２０Ｂが設けられている。
このパッキング１２０Ａ、１２０Ｂは、押えリング１０５により押さえられて回転軸１３０と回転環１０１との間をシールする。更に、ソケットねじ１０８により回転軸１３０に固定された支持リング１０９は、ばね装置１０６を支持すると共に、ばね装置１０６を介して押えリング１０５を弾発に支持している。
【０００５】
又、シール面１０２と密接摺動する対向シール面１１１が、固定リング１１０に設けられている。この固定リング１１０は、ケーシング１４０に於ける回転軸１３０が貫通する孔に、Ｏリング１１５、１１５を介して、固着されている。
この固定リング１１０の材質はカーボンである。
この様に構成された従来のメカニカルシール１００は、シールリング１０１と固定リング１１０との密接により高圧Ｐ１側と低圧Ｐ２側とをシールする。
このシールリング１０１は、球状をした平均気孔径が０．０１０から０．０４０ｍｍの気孔が結晶組織内に点在して摺動抵抗を改良した炭化珪素焼結体である。
【０００６】
この炭化珪素焼結体の摺動面に有する気孔は、焼結前にポリスチレンビーズを添加し、仮焼結時に分解・昇華して気孔を形成するものである。この為に、炭化珪素焼結体は、結晶粒内に気孔が点在する欠点を有し、製造法に於いても高圧圧縮成形が困難であり、成形した寸法に問題が惹起する。また、焼結によりポリスチレンビーズを分解するものであるから、摺動部品としての焼結品の強度に問題がある。更に、この気孔は、単に摺動面にランダムに配置されているので、気孔に潤滑油を保持するだけであって摺動面の摩擦係数を低減する効果が期待できない。
【０００７】
次に、上述の摺動部品の強度の低下及び被密封流体の漏れ量を改善したものとして特開昭５７−１６１３６８号公報のメカニカルシールが存在する。
このメカニカルシールは、図８と同様に構成されている。そして、ハウジングに保持された固定リングと回転軸に固定された図９に示す従動リング１５５との摺動面が密接して被密封流体をシールする。
この従動リング１５５の摺動面１５５Ａには、凹部１５６が多数形成されている。この凹部１５６は最小幅が３０×１０^−６ｍから１００×１０^−６ｍとし、最大幅を６０×１０^−６ｍから５００×１０^−６ｍとすると共に、最小幅に対して最大幅の寸法比率を２倍以上とするものであって、凹部１５６は摺動面１５５Ａの回転方向に対してランダムに傾斜した形状に成されている。
【０００８】
この凹部１５６は従動リング１５５の摺動面１５５Ａと固定リングの摺動面間に浸入した被密封流体を内部に貯蔵するごとく保持する役目をする。すなわち、従動リングの外周側から浸入した流体は内周端側へ至る以前に凹部１５６に補足されて蓄えられる。この蓄えられた被密封流体は、その粘性作用と従動リングの回転方向によって凹部１５６の周方向後方へ移動し、凹部の蓄積容量を越えると凹部１５６の外周部から摺動面間を漏洩した後、次の凹部１５６に補足される。このようにして、被密封流体は、摺動面の回転後方の外周端側方向へ流される。
【０００９】
そして、この凹部１５６は、凹部１５６の縦横の寸法が小さくしたものであるから、摺動面に被密封流体を保持する能力に欠点が存する。又、凹部１５６が小さいために被密封流体を浸入側へ押し戻すポンピング作用も小さい。それ故、従動リング１５６の摺動面の摩擦係数や摺動発熱を低減する効果が期待ができない。更に、従動リングの回転速度が低速の場合には、摺動抵抗を小さくすることが困難である。
【００１０】
更に、特許第３０２６２５２号のメカニカルシール用摺動材が関連技術として存在する。このメカニカルシール用摺動材の摺動面には摺動方向と直角の長手方向となる溝状に整列したディンプルが形成されている。このディンプルはディンプル内に発生する動圧が大きくなるために被密封流体による潤滑油膜が形成されるが、潤滑油がディンプル内に蓄えられて摺動面の摩擦係数を低減する効果は期待できない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述のような問題点に鑑み成されたものであって、その発明が解決しようとする課題は、摺動面に被密封流体の被膜を形成して摩擦抵抗を低減すると共に、摺動面に浸入した被密封流体を摺動面に対して効果的に保持し、密封能力を向上させることにある。同時に、摺動面の発熱を防止する。更に、摺動面の摩耗を防止して耐久能力を向上させることにある。
特に、摺動部品の低速回転時にシール能力と共に、摩擦抵抗を低減することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述のような技術的課題を解決するために成されたものであって、その解決するための手段は、以下のように構成されている。
【００１３】
請求項１に係わる本発明の摺動部品は、静止用摺動部品と回転用摺動部品とが互いに相対摺動する摺動面の径方向一方側に存在する被密封流体をシールする摺動部品であって、前記摺動面のうち前記被密封流体側に第１摺動面を有すると共に前記被密封流体側と反対の側に第２摺動面を有し、前記第１摺動面には回転する円周方向の接線に対し傾斜すると共に前記傾斜方向へ向かって長く形成されたディンプルを有し、前記第２摺動面には平坦な面又は前記ディンプルより小さな形状で点在する第２ディンプルを有するものである。
【００１４】
この請求項１に係わる本発明の摺動部品では、被密封流体側と反対の側にシール機能を付与された第２摺動面が設けられた上で、被密封流体側の第１摺動面のディンプルが円周の回転方向の接線に対して回転方向先端側を内方又は外方へ傾斜させるものであるから、ディンプルが配置された第１摺動面に被密封流体を巻き込んで潤滑膜を厚く保持し、このディンプル付き第１摺動面に保持される潤滑膜により摺動面の摩擦係数を低減することが可能になる。又、この第１摺動面に介在する潤滑膜を第２摺動面でシールし、この潤滑膜により潤滑作用を保持しながら第２摺動面で被密封流体のシール能力を向上される効果が期待できる。特に、摺動部品の回転数が低速の場合に被密封流体のシール能力と共に、摩擦係数を低減することが期待できる。
【００１５】請求項２に係わる本発明の摺動部品は、静止用摺動部品と回転用摺動部品とが互いに相対摺動する摺動面の径方向一方側に存在する被密封流体をシールする摺動部品であって、前記摺動面のうち前記被密封流体側に第１摺動面を有すると共に前記被密封流体と反対の側に第２摺動面を有し、前記第１摺動面には円周の回転接線方向に対し前記被密封流体側の周面へ向かって長手方向先端が近寄る方向へ傾斜した楕円形状又は長方形状の複数のディンプルを少なくとも１種類有し、前記ディンプルの大きさは縦の最大幅が１００×１０^−６ｍ以上で１０００×１０^−６ｍ以下の寸法範囲であり、横の長さの寸法が５００×１０^−６ｍ以上であって且つ前記ディンプルの幅より大きく前記第１摺動面の径方向幅よりも小さい寸法範囲に形成されており、前記ディンプルの溝深さが１×１０^−６ｍ以上から２５×１０^−６ｍの寸法範囲に形成され、前記第２摺動面には平坦な面又は前記ディンプルより小さな形状で点在する第２ディンプルを有するものである。
【００１６】
この請求項２に係わる本発明の摺動部品では、ディンプル付き第１摺動面に保持される潤滑液膜により摺動面の摩擦係数を低減するとともに、この第１摺動面に介在する潤滑液膜を第２摺動面でシールし、この潤滑液膜により潤滑作用を保持しながら第２摺動面で被密封流体のシール能力を向上される効果が期待できる。
このために、摺動面の摩擦係数を飛躍的に向上することが可能になる。同時に、摺動面により被密封流体のシール能力が向上する。特に、摺動部品の回転数が低速の場合に被密封流体のシール能力と共に、摩擦係数を低減することが可能になる。
【００１７】
この請求項３に係わる本発明の摺動部品は、静止用摺動部品と回転用摺動部品とが互いに相対摺動する摺動面の径方向一方側に存在する被密封流体をシールする摺動部品であって、前記摺動面に第１摺動面を有すると共に前記第１摺動面の両側に第２摺動面を有し、前記第１摺動面には円周の回転接線方向に対し前記被密封流体側の周面へ向かって長手方向先端が近寄よる方向へ傾斜した楕円形状又は長方形状のディンプルを少なくとも１種類有し、前記ディンプルの大きさは縦の最大幅が１００×１０^−６ｍ以上で１０００×１０^−６ｍ以下の寸法範囲であり、横の長さの寸法が５００×１０^−６ｍ以上であって且つ前記ディンプルの幅より大きく前記第１摺動面の径方向幅よりも小さい寸法範囲に形成されており、前記ディンプルの溝深さが１×１０^−６ｍ以上から２５×１０^−６ｍの寸法範囲に形成され、且つ前記第２摺動面には平坦な面又は前記ディンプルの長さより小さな形状で点在する第２ディンプルを有するものである。
【００１８】
この請求項３に係わる本発明の摺動部品では、第１摺動面に引き込むと共に第１摺動面に介在する潤滑液膜を両側の第２摺動面でシールして保持し、この潤滑液膜により潤滑作用を発揮させながら第１摺動面と被密封流体と反対側の第２摺動面とで被密封流体のシール能力を大きく向上させる効果が期待できる。
このために、摺動面により被密封流体のシール能力が大きく向上する。同時に、シールされた潤滑液膜により摺動面の摩擦係数を向上することが可能になる。特に、摺動部品の回転数が低速の場合に被密封流体のシール能力と共に、摩擦係数を低減する効果が期待できる。
【００１９】
請求項４に係わる本発明の摺動部品は、ディンプルが径方向線に沿って複数に配列されたディンプル列を有すると共にディンプル列が周方向に沿って半径方向へ放射状に形成されているものである。
【００２０】
請求項４に係わる本発明の摺動部品は、第１摺動面にディンプルを被密封流体側へ傾斜した形状で径方向と周方向へ整列して配置されているので、被密封流体を摺動面に均一に導入するようにして介在させ、摺動面間に介在された被密封流体の均一な被膜により、むらのない摩擦係数を低減し、第２摺動面によりシールして優れたシール能力を発揮させる効果が期待できる。
【００２１】
請求項５に係わる本発明の摺動部品は、第２ディンプルの形状は円形、正方形、菱形、径方向又は軸方向の長方形・楕円形に形成されているものである。
【００２２】
請求項５に係わる本発明の摺動部品では、第１摺動面に形成されたディンプルにより、被密封流体を第１摺動面へ導入して介在させると共に、第２摺動面に円形、正方形、菱形、径方向又は軸方向の長方形・楕円形に形成されたディンプルが設けられているので、この第２摺動面により第１摺動面に巻き込んだ潤滑膜を第１摺動面へ押し戻すポンピング作用によりシール能力と共に、摩擦係数を低減することが可能になる。
又、第２摺動面は小さなディンプルによりシール能力を向上させる効果が期待できる。
【００２３】
請求項６に係わる本発明の摺動部品は、摺動面の径方向幅に対するディンプルが設けられた第１摺動面の径方向幅の割合が０．２５から０．７５の値に形成されているものである。
【００２４】
この請求項６に係わる本発明の摺動部品では、平坦な摺動面に対し、摺動面の径方向幅に対する前記ディンプルが設けられた第１摺動面の径方向幅の割合が０．２５から０．７５の値に形成されているものでは、４０から６０％の摩擦係数とシール能力が向上することが認められる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態に係わる摺動部品を図面に基づいて詳述する。尚、図１は、本発明に係わる第１実施の形態を示す摺動部品の摺動面を示す正面図である。
又、図２は、本発明に係わる第２実施の形態を示す摺動部品の摺動面を示す正面図である。
更に、図３は、本発明に係わる第３実施の形態を示す摺動部品の摺動面を示す正面図である。
図４は、摺動面の１個のディンプルの平面図である。
図６は、本発明に係わる第４実施の形態を示す摺動部品の摺動面を示す正面図である。
図７は、本発明に係わる第５実施の形態を示す摺動部品の摺動面を示す正面図である。
【００２６】
図１は、本発明の摺動部品２の摺動面３に設けられたディンプル５の配置を示すものである。この摺動部品２は、一方側に被密封流体が存在し、その被密封流体をシールする、例えば、メカニカルシール装置等に取り付けるものである。
又、潤滑油を摺動面間に密封しながら回転軸と摺動する軸受等に設けられるものである。
そして、摺動部品２は、図１の状態で反時計方向へ回転する。つまり、この摺動部品２は、ディンプル付きの第１摺動面３Ａを被密封流体側又は潤滑油側に配置するものである。
【００２７】
この摺動部品２における摺動面３は、半径ｒ１−ｒＬの径方向長さで全周がその面積範囲である。このうち、半径ｒ１−ｒ２の範囲の面積がディンプル付きの第一摺動面３Ａである。このディンプル付きの第１摺動面３Ａにはディンプル５が配置されている。そして、ディンプル５は、摺動部品２の半径ｒ１の外周面に近い位置から直接に形成されている。
このディンプル５はディンプル付きの第１摺動面３Ａに、平面から見て長方形を成している。この長方形のディンプル５の配置は、摺動面３の回転方向Ｎの円周線に対して接線方向から３０°に回転方向先端５Ａ１（図４参照）が、被密封流体が存在する外周側へ近寄る方向へ傾斜している。このディンプル５の傾斜角度Ｃは、１０°から８０°好ましくは１６°から５５°にするとよい。
このように形成されたディンプル５は、径方向線に沿ってディンプル５が９個数を等配に配列してディンプル列５Ａを形成している。
更に、このディンプル５は、ディンプル付きの第１摺動面３Ａに放射状にディンプル列５Ａが、図１に示すように、配列されている。
【００２８】
又、摺動面３の内周側はディンプル５が形成されていない平坦な第２摺動面Ｒ１に形成されている。
この平坦な第２摺動面Ｒ１の範囲領域は、半径ｒ２−ｒＬの長さで全周面積の範囲である。
このディンプル付きの第１摺動面３Ａ（ｒ１−ｒ２）と摺動面３（ｒ１−ｒＬ）の比は、（ｒ１−ｒ２）／（ｒ１−ｒＬ）＝０．２５〜１の範囲に形成される。更に、この値の好ましい範囲は０．２５〜０．７５である。そして、摺動面３はディンプル付きの第１摺動面３Ａと平坦な第２摺動面Ｒ１とから成る。
このディンプル付きの第１摺動面３Ａは、摺動面の摩擦係数とシール能力を考慮して設計される。このディンプル付きの第１摺動面３Ａと平坦な第２摺動面Ｒ１の境界基準円周線は半径ｒ２の円周を境にして分けられている。この第１実施の形態では、ディンプル付きの第１摺動面３Ａと摺動面３の比を０．２５、０．５、０．７５、１．０にしたものがある。
【００２９】
この摺動部品２は、超硬合金、炭化珪素、セラミックなどの硬質材料から製作することができる。特に、この摺動部品２を炭化珪素等などにすると適材である。つまり、摺動部品２としての強度が向上すると共に、摺動面の耐摩耗性が向上する。
一方、従来技術のような全体に気孔を形成した焼結材料では、摺動面の摩耗が大きく、更に被密封流体や潤滑油が摺動材を浸透して漏洩する問題が存する。しかし、本発明の摺動部品２では、このような問題点を効果的に改善する。
【００３０】
この硬質材料の摺動面にディンプル５を形成する加工方法の１つは、サンドブラスト用感光性フィルムを摺動面に貼り付けて加工するサンドブラスト方法による。
このサンドブラスト方法は、摺動面３にサンドブラスト用感光性フィルムを貼り付けて、ディンプル形状を焼き付けたポジフィルムを密着させてサンドブラスト用感光性フィルムを露光する。その後、サンドブラスト用感光性フィルムを現像し、その面にサンドブラストを行うことによりポジフィルムのパターンと一致したディンプル５に加工して形成する。
【００３１】
このディンプル５の形状は、例えば図４に示すように、長方形の両端が半円状に形成されたものが存する。更に、第２実施例として図示省略する長方形に形成したものも存する。
このディンプル５の長方形の幅Ａは、１５０×１０^−６ｍから１０００×１０^−６ｍの範囲に形成されている。この幅Ａの具体例として１５０×１０^−６ｍ、２５０×１０^−６ｍにしたものがある。又、ディンプル５の長手方向の長さＢは、幅Ａの２倍以上であり、摺動面３の幅寸法以下に形成されている。例えば、具体的なディンプル列５の長Ｂさとして６００×１０^−６ｍ、１０００×１０^−６ｍにしたものがある。そして、ディンプル５の深さは、１×１０^−６ｍから２５×１０^−６ｍの寸法に形成されている。
【００３２】
図２は、本発明の第２実施の形態として半径ｒ１の境界基準円周線から内周面にディンプル５を配置したディンプル付きの第一摺動面３Ｂに形成されている。このディンプル５の形状は、摺動面３の回転方向Ｎに対してディンプル５の回転方向先端５Ａ１が内周側に傾斜している。又、このディンプル付きの第１摺動面３Ｂに於けるディンプル５の配列は、図１のディンプルと同様に軸心から放射状に形成されている。更に、ディンプル付きの第１摺動面３Ｂの内周側に配列されたディンプル５は内周面に近い位置からディンプル付きの第１摺動面３Ｂの全面に配列されている。そして、内周側に介在する被密封流体を流入できるようにしている。
【００３３】
このディンプル５の形状は平面から見て長方形をしており、この長方形のディンプル５の配置は、摺動面３の回転円に対して接線方向から２５°に回転方向先端５Ａ１側が内周側へ傾斜している。このディンプル５の傾斜角度Ｃの範囲は、１０°から８０°好ましくは１６°から５５°にすると良い。
このように形成されたディンプル５は、直径線に沿ってディンプル５が９個数を等配に配列してディンプル列５Ａを形成されている。
更に、このディンプル５は、ディンプル付きの第１摺動面３Ｂに放射状にディンプル列５Ａが図２に示すように配列されている。
その他の形状、材質は、図１に示す摺動部品２とほぼ同一である。
【００３４】
他の実施例としてディンプル５の平面形状が楕円形にしたものがある。更に瓢箪形にしたものも存する。これらのディンプル５の傾斜角度Ｃは、回転する円周の接線に対して２０°又は３０°に形成されている。この傾斜角度Ｃは、設計上から摩擦係数、シール能力等を考慮して設定される。この傾斜角度Ｃを小さくするとシール能力が向上する傾向がある。又、傾斜角度Ｃを大きくすると摺動抵抗が小さくなる傾向がある。このディンプル５の傾斜角度Ｃの範囲は１０°から８０°にすると良く、好ましくは１６°から５５°の範囲にすると摩擦係数を低減する効果がある。
【００３５】
図３は、本発明に係わる摺動部品２の第３実施の形態を示すものである。この図３のディンプル５の傾斜角度Ｃは、ほぼ３０°に近い角度である。
このディンプル５の傾斜角度Ｃの範囲は、１０°から８０°であるが、好ましくは、ディンプル５の傾斜角度Ｃを１６°から５５°の範囲に小さく形成したものである。
そして、ディンプル付きの第１摺動面３Ｃは、摺動面３のうちｒ１−ｒ２の範囲に形成されている。更に、ディンプル付きの第１摺動面３Ｃの内外径側のｒｈ−ｒ１の範囲とｒ２−ｒＬの範囲は平坦な第２摺動面Ｒ１に形成されている。又、この平坦な第２摺動面Ｒ１には第１摺動面３Ｃに設けられたディンプル５の大きさよりも小さいディンプル６（図示省略するので図６参照）を点在させた実施例がある。更に、この２つの第２摺動面Ｒ１、Ｒ１のうち被密封流体側の第２摺動面Ｒ１に第２ディンプル６を点在すると共に、第１摺動面３Ｃの被密封流体と反対側の第２摺動面Ｒ１は平坦な面に形成した実施例がある。更には、被密封流体の特性に応じて被密封流体の第２摺動面Ｒ１を平坦な面に形成すると共に、他方の第２摺動面Ｒ１に第２ディンプル６を点在させた実施例がある。
そして、第１摺動面Ｃ３に設けられるディンプル５の平面形状は、長方形状、楕円形状、瓢箪形状、十字形状に形成されている。その他の形状、材質は、図１に示す摺動部品２とほぼ同一である。
このようにディンプル５の形状を工夫することにより摺動面のシール能力、摩擦係数を向上することが可能になる。
更に、ディンプル５の傾斜角度Ｃと個数を設定することにより摩擦係数と共に、シール能力が共に改善される。
【００３６】
図６は、本発明に係わる摺動部品２の第４実施の形態を示すものである。
この摺動部品２は、図６では外周側に被密封流体が存在する場合である。例えば、メカニカルシール装置等に取り付けられて被密封流体側にディンプル付きの第１摺動面３Ｄを設けるものである。又、潤滑油側にディンプル付きの第１摺動面３Ｄを設けて摺動面に潤滑油を介在させながら回転軸と摺動する軸受等に設けられるものである。
そして、摺動部品２は、図６に示すように、時計方向へ回転する。つまり、この摺動部品２は、ディンプル付きの第１摺動面３Ｄをメカニカルシールの被密封流体側又は軸受けの潤滑油側に形成するものである。
【００３７】
この摺動部品２における摺動面３は、半径ｒ１−ｒＬの径方向長さを配置できる全周がその面積範囲である。この摺動面３のうち、半径ｒ１−ｒ２の範囲の面積がディンプル付きの第１摺動面３Ｄである。このディンプル付きの第１摺動面３Ｄにはディンプル５が配置されている。そして、ディンプル５は、摺動部品２の半径ｒ１の外周面に近い位置から内方へ形成されている。
このディンプル５はディンプル付きの第１摺動面３Ｄに、平面から見て長方形を成している。この長方形のディンプル５の配置は、摺動面３の回転円に対して接線方向から３０°に回転方向先端５Ａ１が被密封流体側へ傾斜している。このディンプル５の傾斜角度Ｃは、１０°から８０°好ましくは１６°から５５°にすると良い。
このように形成されたディンプル５は、径方向線に沿ってディンプル５が３個数を等配に配列してディンプル列５Ａが形成されている。
更に、このディンプル５は、ディンプル付きの第１摺動面３Ｄに放射状にディンプル列５Ａが、図６に示すように、配列されている。
【００３８】
又、摺動面３の内周側である第２摺動面Ｒ２には、ディンプル５の最大長さより全体が小さい形状の第２ディンプル６が図６に示すように点在している。この第２ディンプル６の形状は、円形、正方形、菱形、径方向及び軸方向に傾斜していない長方形、楕円形の何れかの形状であって、この形状の第２ディンプル６を１種類又は複数種類含むものである。この第２ディンプル６は第２摺動面Ｒ２に複数個が径方向へディンプル列６Ａを成している。又、このディンプル列６Ａは、更に周方向へ等配に放射状に配列されている。この第２ディンプル６の形状が小さいときは、第２摺動面Ｒ２にランダムに点在させても良い。
【００３９】
この第２摺動面Ｒ２の範囲領域は、半径ｒ２−ｒＬの長さで全周面積である。
又、ディンプル付きの第１摺動面３Ｄ（ｒ１−ｒ２）と摺動面３（ｒ１−ｒＬ）の比は、（ｒ１−ｒ２）／（ｒ１−ｒＬ）＝０．２５〜１．０の範囲に形成される。更に、この値の好ましい範囲は０．２５〜０．７５である。そして、摺動面３はディンプル付きの第１摺動面３Ｄと第２摺動面Ｒ２とから成る。
このディンプル付きの第１摺動面３Ｄは、摺動面の摩擦係数とシール能力を考慮して設計される。このディンプル付きの第１摺動面３Ｄと第２摺動面Ｒ２の境界基準円周線は半径ｒ２の円周を境にして分けられている。この第４実施の形態では、ディンプル付きの第１摺動面３Ａと摺動面３の比を０．２５、０．５、０．７５、１．０にした実施例がある。
【００４０】
この摺動部品２は、超硬合金、炭化珪素、セラミックなどの硬質材料から製作することができる。特に、この摺動部品２を炭化珪素等などにすると適材である。炭化珪素の場合には、摺動部品２としての強度が向上すると共に、摺動面の耐摩耗性が向上する。
一方、従来技術のような全体に気孔を形成した焼結材料では、摺動面の摩耗が大きく、更に被密封流体や潤滑油が摺動材を浸透して漏洩する問題が存する。しかし、本発明の摺動部品２では、このような問題点を効果的に改善する。
【００４１】
この硬質材料の摺動面にディンプル５を形成する加工方法の１つは、サンドブラスト用感光性フィルムを摺動面に貼り付けて加工するサンドブラスト方法による。　このサンドブラスト方法は、摺動面３にサンドブラスト用感光性フィルムを貼り付けて、ディンプル形状を焼き付けたポジフィルムを密着させてサンドブラスト用感光性フィルムを露光する。その後、サンドブラスト用感光性フィルムを現像し、その面にサンドブラストを行うことによりポジフィルムのパターンと１致したディンプル５に加工して形成する。
【００４２】
このディンプル５の形状は、例えば図４に示すように、長方形の両端が半円状に形成されたものが存する。更に、他の実施例として長方形に形成したものも存する。そして、傾斜角度Ｃが図４とは反対に回転方向先端５Ａ１が下方（点線で示すように）に形成されている。
このディンプル５の長方形の幅Ａは、１００×１０^−６ｍから１０００×１０^−６ｍの範囲に形成されている。この幅Ａの具体例として１５０×１０^−６ｍ、２５０×１０^−６ｍにしたものがある。又、長手方向の長さＢは、５００×１０^−５ｍ以上で幅Ａより大きく、摺動面３の幅寸法以下に形成されている。この長さＢの具体例として６００×１０^−６ｍ、７５０×１０^−６ｍにしたものがある。そして、ディンプル５の深さは、１×１０^−６ｍから２５×１０^−６ｍの寸法に形成されている。具体的な深さの例として８×１０^−６ｍ、１０×１０^−６ｍにしたものがある。
【００４３】
図７は、本発明に係わる摺動部品２の第５実施の形態を示すものである。この摺動部品２は、半径ｒ１の境界基準円周線から内周の第１摺動面３Ｅにディンプル５を配置したディンプル付きの第１摺動面３Ｅに形成されている。このディンプル５の形状は、摺動面３の回転方向Ｎに対してディンプル５の回転方向先端５Ａ１が被密封流体側（内径側）へ傾斜している。又、このディンプル付きの第１摺動面３Ｅに於けるディンプル５の配列は、図７に示すように、軸心から放射状に形成されている。更に、ディンプル付きの第１摺動面３Ｅに配列されたディンプル５は内周面に近い位置からディンプル付きの第１摺動面３Ｅの全面に配列されている。そして、内周側に介在する被密封流体を流入できるようにしている。
【００４４】
このディンプル５の形状は平面から見て長方形をしており、この長方形のディンプル５の配置は、摺動面３の回転円に対する接線から２５°に回転方向先端５Ａ１が内周側へ傾斜している。このディンプル５の傾斜角度Ｃの範囲は、１０°から８０°好ましくは１６°から５５°にすると良い。
このように形成されたディンプル５は、直径線に沿ってディンプル５が３個数を等配に配列してディンプル列５Ａを形成されている。このディンプル列５Ａの個数は１個から１０個の各個数で用いられている。
更に、このディンプル５は、ディンプル付きの第１摺動面３Ｅに放射状に略等列にディンプル列５Ａが、図７に示すように、配列されている。
その他の形状、材質は、図１に示す摺動部品２とほぼ同一である。
【００４５】
以上のディンプル５の形状は摩耗粉により容易に消滅しない形状であることが好ましい。このため、ディンプル５の形状、方向性、更には、被密封流体の皮膜の厚みを増加させる形状にすることである。
この加工方法として、前述した他に固体金属との反応等によるディンプル５の加工やエッチング加工等で処理することができる。
【００４６】
本発明に係わる摺動部品２は、メカニカルシール装置、軸受等に利用することが可能である。
メカニカルシール装置等に利用するときには、摺動部品２を静止用密封環又は回転用密封環の一方又は両方に利用することが可能である。つまり、一方の密封環とする場合には、他方の密封環の対向して密接する摺動面を平坦な摺動面にすることができる。
更に、軸受として利用する場合には、軸を受ける摺動部品２のラジアル又はスラスト等の摺動面に利用する。特に、摺動面の軸方向内方に潤滑油がある場合には潤滑油を潤滑側へポンピングするように、ディンプル５の傾斜角度Ｃを設定する。
【００４７】
図５は、本発明の摺動部品２をテストしたメカニカルシール型試験機の断面図である。
図５に於いて、摺動部品用の試験機１０には、中心部に回転可能な円筒状のハウジング２０が設けられている。このハウジング２０内の被密封流体室２０Ａに設けられた取付面には静止用密封環１１がＯリングを介して密封に嵌着されている。又、回転軸１５に固着された保持装置１３には回転用密封環１２が軸方向へ移動自在にスプリングにより弾発に保持されている。そして、回転用密封環１２のシール面が静止用密封環１１の対向シール面に密接して被密封流体室２０Ａ内の被密封流体が外部へ漏洩しないようにシールしている。
【００４８】
モータ１６により回転する回転軸１５の軸心には流通路１５Ａが設けられている。この流通路１５Ａには通路管１４が貫通して配置されている。この通路管１４から導入される被密封流体、例えば油が被密封流体室２０Ａ内に流入すると共に、流通路１５Ａから流出するように構成されている。
この流通路１５Ａと通路管１４の端部は図示省略の循環パイプに連通し、このパイプに接続したポンプ装置により設定温度と設定圧力に制御された被密封流体を循環するように構成されている。尚、モータ１６は、図示されていないインバータにより、回転数の制御が可能にされている。
【００４９】
静止用密封環１１を保持したハウジング２０は、ベアリング１８に回転可能に保持された軸１９に固着されている。そして、静止用密封環１１と回転用密封環１２との回転時の摺動抵抗により回動するように構成されている。
【００５０】
一方、静止用密封環１１の対向シール面の近傍１ｍｍの位置には直径２ｍｍの穴が設けられており、図示省略の熱電温度計に結線した白金ロジウム−白金又はアルメル−クロメル等の導線１７の他端が穴に結線されている。そして、この熱電温度計により静止用密封環１１の摺動面の温度を測定する。
【００５１】
又、軸１９を支持する支持台にはロードセル２１が設けられており、カンチレバー２２を介して摺動トルクＭを検出できるように成されている。尚、この摺動トルクＭの値から摩擦係数Ｆを算出する。算出する式は、Ｆ＝Ｍ／（Ｗ×Ｒｍ）である。
但し、Ｗ＝荷重
Ｒｍ＝摺動面平均半径　である。
【００５２】
本試験機１０は、内流・アンバランス型である。そして、被密封流体の圧力とスプリングの弾発力によりシール面を押圧する。又、被密封流体の圧力が０の時は、保持装置１３のスプリングのみにより摺動面が押圧される。このようにして測定した試験中の測定項目は、摺動部品２の摺動トルクＭ、摺動面の温度、被密封流体の温度、更に、摺動面から漏洩する被密封流体の量でる。
【００５３】
【実施例】
実施例１
１）摺動部品２は図１及び図３に示すものを試験したものである。
２）この摺動部品２は図５に示す試験機１０により試験した。
【００５４】
３）摺動部品２のディンプル５の形状について、
ａ．回転用密封環は、炭化珪素摺動部品（内径２５ｍｍ×外径４４ｍｍ×長さ１２ｍｍ）
ｂ．静止用密封環は、炭化珪素摺動部品（内径２８ｍｍ×外径５０ｍｍ×長さ１４ｍｍ）
ｃ．ディンプル５の配置は、図１及び図３に示す通りである。
ｄ．ディンプル５の幅Ａは、１５０×１０^−６ｍ、
長さＢは、６００×１０^−６ｍ、
深さＨは、８×１０^−６ｍである。
ｅ．摺動面３に対するディンプル付き摺動面３Ｃの割合は、（ｒ１−ｒ２）／（ｒ１−ｒＬ）＝１．０である。
ｆ．ディンプル５の傾斜角度Ｃは、３０°である。
４）摺動面の表面粗さは、Ｒｚ０．２×１０^−６ｍ
５）平坦度は、１バンド（ヘリウムライト）以下
６）試験時間は、３０分
７）被密封流体の温度は、３０°Ｃ
８）被密封流体の圧力は、０．３ＭＰａ、０．５ＭＰａ、１．０ＭＰａ
９）周速度１ｍ／ｓ
１０）スプリングの荷重は、２０Ｎ
１１）被密封流体は、出光興産製スーパーマルチオイル１０
【００５５】
以上の条件で試験した結果の摩擦係数と被密封流体の漏れ量（ｇ／ｈ）は表１の通りである。
尚、以下の各表では、Ａ＝被密封流体の圧力（ＭＰａ）、Ｂ＝平坦な摺動面同士の摩擦係数と発明の摩擦係数との割合（％）である。
【００５６】
【表１】

【００５７】
実施例２
１）摺動部品２は図１及び図３に示すものである。
２）摺動面３に対するディンプル付きの第１摺動面３Ｃの割合は、（ｒ１−ｒ２）／（ｒ１−ｒＬ）＝１．０である。
３）摺動部品２のディンプル５の形状について、
ａ．ディンプル５の幅は２５０×１０^−６ｍ、
長さは１０００×１０^−６ｍ、
深さは８×１０^−６ｍである。
４）その他の条件は実施例１と同一である。
【００５８】
以上の条件で試験した結果の摩擦係数と被密封流体の漏れ量（ｇ／ｈ）は表２の通りである。
尚、以下の各表では、Ａ＝被密封流体の圧力（ＭＰａ）、Ｂ＝平坦な摺動面同士の摩擦係数と発明の摩擦係数との割合（％）である。
【００５９】
【表２】

【００６０】
実施例３
１）摺動部品２の形状は図１及び図３に示す通りである。
２）ディンプル付きの第１摺動面３Ａと摺動面３の比は（ｒ１−ｒ２）／（ｒ１−ｒＬ）＝０．７５である。
３）ディンプル５の形状について、
ａ．ディンプル５の幅は１５０×１０^−６ｍ、
長さは６００×１０^−６ｍ、
深さは８×１０^−６ｍである。
４）その他の条件は実施例１と同一である。
【００６１】
以上の条件で試験した結果の摩擦係数と被密封流体の漏れ量（ｇ／ｈ）は表３の通りである。
尚、以下の各表では、Ａ＝被密封流体の圧力（ＭＰａ）、Ｂ＝平坦な摺動面同士の摩擦係数と発明の摩擦係数との割合（％）である。
【００６２】
【表３】

【００６３】
実施例４
１）摺動部品２の形状は図１及び図３に示す通りである。
２）ディンプル付き摺動面３Ａと摺動面３の比は（ｒ１−ｒ２）／（ｒ１−ｒＬ）＝０．５０である。
３）ディンプル５の形状について、
ａ．ディンプル５の幅は１５０×１０^−６ｍ、
長さは６００×１０^−６ｍ、
深さは８×１０^−６ｍである。
４）その他の条件は実施例１と同一である。
【００６４】
以上の条件で試験した結果の摩擦係数と被密封流体の漏れ量（ｇ／ｈ）は表４の通りである。
尚、以下の各表では、Ａ＝被密封流体の圧力（ＭＰａ）、Ｂ＝平坦な摺動面同士の摩擦係数と発明の摩擦係数との割合（％）である。
【００６５】
【表４】

【００６６】
実施例５
１）摺動部品２の形状は図１及び図３に示す通りである。
２）ディンプル付き摺動面３Ａと摺動面３の比は（ｒ１−ｒ２）／（ｒ１−ｒＬ）＝０．２５である。
３）ディンプル５の形状について、
ａ．ディンプル５の幅は１５０×１０^−６ｍ、
長さは６００×１０^−６ｍ、
深さは８×１０^−６ｍである。
４）その他の条件は実施例１と同一である。
【００６７】
以上の条件で試験した結果の摩擦係数と被密封流体の漏れ量（ｇ／ｈ）は表５の通りである。
尚、以下の各表では、Ａ＝被密封流体の圧力（ＭＰａ）、Ｂ＝平坦な摺動面同士の摩擦係数と発明の摩擦係数との割合（％）である。
【００６８】
【表５】

【００６９】
実施例６
１）摺動部品２の形状は図６及び図７に示す通りである。
２）ディンプル付きの第１摺動面３Ｄ又は第１摺動面３Ｅと摺動面３の比は（ｒ１−ｒ２）／ｒ１−ｒＬ＝０．５０である。
３）各ディンプル５の形状について、
ａ．第１摺動面３Ｄ、３Ｅにおけるディンプル５の幅は１５０×１０^−６ｍ、
長さは６００×１０^−６ｍ、
深さは８×１０^−６ｍである。
ｂ．第２摺動面における第２ディンプル６は、
円形に形成されて直径が１００×１０^−６、
深さが８×１０^−６　である。
４）その他の条件は実施例１と同一である。
【００７０】
以上の条件で試験した結果の摩擦係数と被密封流体の漏れ量（ｇ／ｈ）は表６の通りである。
尚、以下の各表では、Ａ＝被密封流体の圧力（ＭＰａ）、Ｂ＝平坦な摺動面同士の摩擦係数と発明の摩擦係数との割合（％）である。
【００７１】
【表６】

【００７２】
比較例
１）摺動材２の形状は従来例の図９に示す通りである。
２）ディンプル付き摺動面１５５Ａと摺動面１５５の比は１．０である（図３と同様の構成である）。
３）ディンプル５の形状について、
ａ．ディンプル５の幅は５０×１０^−６ｍ、
長さは２００×１０^−６ｍ、
深さは８×１０^−６ｍである。
４）その他の条件は実施例１と同一である。
【００７３】
以上の条件で試験した結果の摩擦係数と被密封流体の漏れ量（ｇ／ｈ）は表６の通りである。
尚、以下の各表では、Ａ＝被密封流体の圧力（ＭＰａ）、Ｂ＝平坦な摺動面同士の摩擦係数と発明の摩擦係数との割合（％）である。
【００７４】
【表７】

【００７５】
以上の実施例１から６と比較例とを対比する。
表１から表６の被密封流体の漏れ量（ｇ／ｈ）について検討する。この漏れ量（ｇ／ｈ）は、各国の多数の使用実積に基づく規格（３ｍｌ／ｈ以下）の範囲以下であり、問題とはならない。そして、摺動面３に平坦な摺動面Ｒ１を設けた場合には漏れ量を更に低減することが可能になる。
このように、被密封流体の漏れ量を合格範囲内に抑えた状態で、比較例と実施例１から５について比較すると、比較例が平坦な摺動面同士の摩擦係数に対して７７％から９３％であるのに対し、実施例１では５７％から８４％であり、実施例２では１２％から３６％であり、実施例３では、４４％から８３％であり、実施例４では、４３％から６８％であり、実施例５では、４４％から６６％であり、実施例６では、４４％から５８％である。つまり、比較例に対して摩擦係数を大きく低減することが可能になる。
特に、被密封流体の圧力が小さい範囲では摩擦係数を更に小さくすることが可能になる。又、ディンプル５の長さを大きくすると、摩擦係数を低減することが期待できる。更に、摺動部品２の回転が低速の場合に、摩擦係数を大きく低減することが可能になる。
【００７６】
摺動部品２の摺動面３に設けられるディンプル５の形状は、幅が１００×１０^−６ｍ以上であって１０００×１０^−６ｍ以下であり、長さが５００×１０^−６ｍ以上で且つディンプル５の幅より大きく摺動面３の幅より小さくしたものである。
又、ディンプル５の深さは１×１０^−６ｍ以上２５×１０^−６ｍ以下である。
このように形成されたディンプル５の形状としては、長方形、楕円形、瓢箪形、十字形等の形状が適している。
この摺動部品２は、化学プラントなどの反応装置などの用いられるメカニカルシール装置の密封環として適している。特に、密封環の摺動面が低速回転で、被密封流体の圧力が高圧である場合に適している。
【００７７】
【発明の効果】
本発明に係わる摺動部品によれば、第１摺動面にディンプルが回転する回転方向先端を回転円の接線方向に対して最適に吸い込むように傾斜させると、ディンプル間に被密封流体が導入されて摺動面に被密封流体の潤滑膜を形成する。そして、この被密封流体の潤滑膜が第２摺動面によりシールされて第１摺動面に介在し、この保持される潤滑膜により摺動面の摩擦係数を低減する効果を奏する。そして、摺動面の発熱を効果的に低減できる。更に、摺動面の摩耗、損傷を防止する効果が期待できる。
【００７８】
更に、摺動部品には、ディンプルが配列されて、ディンプル付きの第１摺動面の被密封流体と反対側に平坦な第２摺動面が設けられているから、この第２摺動面により被密封流体をシールして第１摺動面に均等に介在させて摩擦係数を低減すると共に、平坦な第２摺動面が第１摺動面と協働し、被密封流体のシール能力が向上できる効果を奏する。
【００７９】
又、摺動部品は、摩擦係数を低減できると共に、摺動面の摩耗が低減できるので、摺動時に生じる鳴きやリンキングを低減する効果を奏する。しかも、この摺動部品をカーボン材と対向させて摺動させてもブリスタ現象を防止する効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる第１実施の形態を示す摺動部品の摺動面の正面図である。
【図２】本発明に係わる第２実施の形態を示す摺動部品の摺動面の正面図である。
【図３】本発明に係わる第３実施の形態を示す摺動部品の摺動面の正面図である。
【図４】本発明に係わる摺動部品の摺動面における１個のディンプルの平面図である。
【図５】本発明に係わる摺動部品を取り付けて試験した試験機の断面図である。
【図６】本発明に係わる第４実施の形態を示す摺動部品の摺動面の正面図である。
【図７】本発明に係わる第５実施の形態を示す摺動部品の摺動面の正面図である。
【図８】従来例のメカニカルシールの断面図である。
【図９】従来例の摺動材の摺動面にディンプルが配置された正面図である。
【符号の説明】
２　摺動部品
３　摺動面
３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ　第１摺動面
５　ディンプル
５Ａ　ディンプル列
５Ａ１　回転方向先端
６　第２ディンプル
６Ａ　ディンプル列
Ｃ　外周側のディンプルの傾斜角度
Ｎ　回転方向
Ｒ１、Ｒ２　第２摺動面
ｒ１　ディンプルの配列における外周の半径
ｒ２　ディンプルの配列における内周の半径
ｒｈ　摺動部品の外径
ｒＬ　摺動部品の内径

Claims

静止用摺動部品と回転用摺動部品とが互いに相対摺動する摺動面の径方向一方側に存在する被密封流体をシールする摺動部品であって、前記摺動面のうち前記被密封流体側に第１摺動面を有すると共に前記被密封流体側と反対の側に第２摺動面を有し、前記第１摺動面には円周の回転接線方向に対し傾斜すると共に前記傾斜方向へ向かって長く形成されたディンプルを有し、前記第２摺動面には平坦な面又は前記ディンプルより小さな形状で点在する第２ディンプルを有することを特徴とする摺動部品。
静止用摺動部品と回転用摺動部品とが互いに相対摺動する摺動面の径方向一方側に存在する被密封流体をシールする摺動部品であって、前記摺動面のうち前記被密封流体側に第１摺動面を有すると共に前記被密封流体と反対の側に第２摺動面を有し、前記第１摺動面には円周の回転接線方向に対し前記被密封流体側の周面へ向かって長手方向先端が近寄る方向へ傾斜した楕円形状又は長方形状の複数のディンプルを少なくとも１種類有し、前記ディンプルの大きさは縦の最大幅が１００×１０^−６ｍ以上で１０００×１０^−６ｍ以下の寸法範囲であり、横の長さの寸法が５００×１０^−６ｍ以上であって且つ前記ディンプルの幅より大きく前記第１摺動面の径方向幅よりも小さい寸法範囲に形成されており、前記ディンプルの溝深さが１×１０^−６ｍ以上から２５×１０^−６ｍの寸法範囲に形成され、前記第２摺動面には平坦な面又は前記ディンプルより小さな形状で点在する第２ディンプルを有することを特徴とする摺動部品。
静止用摺動部品と回転用摺動部品とが互いに相対摺動する摺動面の径方向一方側に存在する被密封流体をシールする摺動部品であって、前記摺動面に第１摺動面を有すると共に前記第１摺動面の両側に第２摺動面を有し、前記第１摺動面には円周の回転接線方向に対し前記被密封流体側の周面へ向かって長手方向先端が近寄よる方向へ傾斜した楕円形状又は長方形状のディンプルを少なくとも１種類有し、前記ディンプルの大きさは縦の最大幅が１００×１０^−６ｍ以上で１０００×１０^−６ｍ以下の寸法範囲であり、横の長さの寸法が５００×１０^−６ｍ以上であって且つ前記ディンプルの幅より大きく前記第１摺動面の径方向幅よりも小さい寸法範囲に形成されており、前記ディンプルの溝深さが１×１０^−６ｍ以上から２５×１０^−６ｍの寸法範囲に形成され、且つ前記第２摺動面には平坦な面又は前記ディンプルの長さより小さな形状で点在する第２ディンプルを有することを特徴とする摺動部品。
前記ディンプルが径方向線に沿って複数に配列されたディンプル列を有すると共に前記ディンプル列が周方向に沿って半径方向へ放射状に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３に記載の摺動部品。
前記第２ディンプルは円形、正方形、菱形、径方向又は軸方向の長方形・楕円形に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の摺動部品。
前記摺動面の径方向幅に対する前記ディンプルが設けられた第１摺動面の径方向幅の割合が０．２５から０．７５の値に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３に記載の摺動部品。