JP6076985B2

JP6076985B2 - 摺動部品

Info

Publication number: JP6076985B2
Application number: JP2014529442A
Authority: JP
Inventors: 壮敏板谷; 雄一郎徳永
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 2012-08-04
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2017-02-08
Anticipated expiration: 2033-07-31
Also published as: EP2881632B1; CN104334939A; CN104334939B; JPWO2014024742A1; EP2881632A4; WO2014024742A1; US20150123350A1; US9772037B2; EP2881632A1

Description

本発明は、たとえば、メカニカルシール、軸受、その他、摺動部に適した摺動部品に関する。特に、摺動面に流体を介在させて摩擦を低減させるとともに、摺動面から流体が漏洩するのを防止する必要のある密封環または軸受などの摺動部品に関する。

摺動部品の一例である、メカニカルシールにおいて、密封性を長期的に維持させるためには、「密封」と「潤滑」という相反する条件を両立させなければならない。特に、近年においては、環境対策などのために、被密封流体の漏れ防止を図りつつ、機械的損失を低減させるべく、より一層、低摩擦化の要求が高まっている。低摩擦化の手法としては、回転により摺動面間に動圧を発生させ、液膜を介在させた状態で摺動する、いわゆる流体潤滑状態とすることにより達成できる。しかしながら、この場合、摺動面間に正圧が発生するため、流体が正圧部分から摺動面外へ流出する。軸受でいう側方漏れであり、シールの場合の漏れに該当する。

従来、図８に示すように、シール面外周側に高圧流体（被密封流体）、内周側に低圧流体（大気）があり、外周側の高圧流体を密封している、いわゆるインサイド形といわれているメカニカルシール等に用いられる摺動部品において、回転軸の回転速度にかかわらず摺動特性を安定させることを目的として、摺動面５０に、動圧発生溝５１ａ、５１ｂと、複数の平行な微小溝で構成される凹凸部５２ａ、５２ｂと、がそれぞれ複数形成され、動圧発生溝５１ａ及び凹凸部５２ａは、被密封流体の流動方向が矢印ａの方向の場合に、動圧発生溝５１ｂ及び凹凸部５２ｂは、被密封流体の流動方向が矢印ｂの方向の場合に、それぞれ、所望の動圧発生、潤滑性向上を図るように構成されている（以下、「従来技術１」という。例えば、特許文献１参照。）。

また、図９に示すように、同じくインサイド形といわれているメカニカルシールにおいて、回転密封環６０のシール面６１に円周方向に等間隔で外端が径外側に開口しかつ内端がシール面内に存在して径内方向にのびる流体導入溝６２が複数形成され、これら流体導入溝６２に連通し、かつ円周方向の一方にのびる動圧発生グルーブ６３が形成され、回転密封環６０を矢印ａ方向に回転させることによって、流体導入溝６２から高圧流体側（被密封流体側）の流体が動圧発生グルーブ６３に流入して、回転密封環６０のシール面６１と、静止密封環のシール面の間に動圧を発生させるようにしたものが知られている（以下、「従来技術２」という。例えば、特許文献２の図５参照。）。

また、図１０に示すように、同じくインサイド形といわれているメカニカルシールにおいて、低回転時のように動圧効果が小さい時には静圧効果の補足によって密封端面の非接触状態を保持しつつ、回転時には密封端面に外高歪みが発生しようとも動圧効果によって密封端面の非接触状態を保持することを目的として、回転密封環７０の密封端面７１に、幅広の複数のスパイラル状グルーブ７２が形成され、このスパイラル状グルーブ７２の先端側に密封端面７１の幅の７〜９割の位置まで延びる幅狭部分７３を備え、スパイラル状グルーブ７２と幅狭部分７３とは、異なる深さに設定されたものが知られている（以下、「従来技術３」という。例えば、特許文献３の図４〜６参照。）。

しかし、従来技術１は、回転方向がいずれの場合でも、動圧発生及び潤滑性向上を図るため、動圧発生溝と微小溝で構成される凹凸部とを対に配設したものであるから、作動中において対の一方の負の段差部（高い面から低い面に向かう際にできる段差部）では、必ず、キャビテーションが発生し、自動車用水ポンプのメカニカルシールとして使用した場合、このキャビテーションの影響で被密封流体中の成分が摺動面に析出・付着・堆積し、大量漏れに至る可能性があるという問題があった。

また、従来技術２は、キャビテーションによる被密封流体中の成分の摺動面への析出は少なくなると推測されるが、動圧発生グルーブ６３が高圧流体側（被密封流体側）に直接連通していないため、万一、動圧発生グルーブ６３において析出物が生成されたり、あるいは、動圧発生グルーブ６３に析出物などの異物が入り込んだ場合、異物は動圧発生グルーブ６３から排出されずに滞留し、漏れの原因になるという問題があった。

また、従来技術３は、低回転時のように動圧効果が小さい時には静圧効果の補足によって密封端面の非接触状態を保持しつつ、回転時には密封端面に外高歪みが発生しようとも動圧効果によって密封端面の非接触状態を保持することを目的とするものであって、動圧効果の小さい低回転時においては幅狭部分７３に侵入する高圧流体によって静圧効果を得、また、回転時にはスパイラル状グルーブ７２のポンピング作用によって動圧を発生させるというものであり、キャビテーションの発生を防止するという技術思想は一切開示されていない。

国際公開第２０１１／１１５０７３号特開平０５−６０２４７号公報特公平０６−１０５１０５号公報

本発明は、回転により摺動面間に動圧を発生させ、液膜を介在させた状態で摺動するようにした摺動部品において、動圧発生機構におけるキャビテーションの発生を防止して該キャビテーションの発生に伴う漏洩の問題を解消し、密封と潤滑を両立させることのできる摺動部品を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため本発明の摺動部品は、第１に、一対の摺動部品の互いに相対摺動する一方側の摺動面には、該摺動面の高圧流体側に面してレイリーステップ機構を構成する極浅溝を配設すると共に、前記極浅溝の上流側に前記高圧流体側と連通して前記高圧流体を導入するための流体導入用深溝を設けることを特徴としている。
この特徴によれば、極浅溝の周方向の上流側には流体導入用深溝を介して高圧流体が積極的に導入されるので、極浅溝に流入の際の減圧が抑えられ、キャビテーションの発生が防止される。また、万一、極浅溝において析出物が生成されたり、あるいは、析出物などの異物が入り込んだ場合でも、異物は極浅溝から高圧流体側に排出され、極浅溝に滞留し、漏れの原因となることはない。

また、本発明の摺動部品は、第２に、第１の特徴において、前記極浅溝は、環状に少なくとも１つ以上設けられることを特徴としている。
この特徴によれば、極浅溝の数を適宜設定することにより、キャビテーションの発生の要因となる負の段差部（高い面から低い面に向かう際にできる段差部）の数を制御可能である。

また、本発明の摺動部品は、第３に、第１または第２の特徴において、前記極浅溝の前記摺動面からの深さは、好ましくは、０．１〜０．６μｍであり、前記流体導入用深溝の前記摺動面からの深さは、好ましくは、１０μｍ以上であることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動面において発生する動圧を最適な範囲に設定できると共に、キャビテーションの発生をより確実に防止できる。

また、本発明の摺動部品は、第４に、第１ないし第３のいずれかの特徴において、前記極浅溝及び前記流体導入用深溝の低圧流体側に面して前記極浅溝及び前記流体導入用深溝と前記低圧流体側の摺動面とを分離して前記低圧流体側の摺動面に作用する圧力を低減するための環状の圧力低減用深溝を設けることを特徴としている。
この特徴によれば、動圧発生部である極浅溝と極浅溝及び流体導入用深溝より低圧流体側の摺動面Ｓとは分離され、該低圧流体側の摺動面に作用する流体圧力は高圧流体側の圧力とほぼ同等まで低減され、低圧流体側に漏洩する流体の量を低減することができる。

また、本発明の摺動部品は、第５に、第４の特徴において、前記圧力低減用深溝の前記摺動面からの深さは、好ましくは、１０μｍ以上であることを特徴としている。
この特徴によれば、低圧流体側の摺動面に作用する流体圧力のより確実に低減し、低圧流体側に漏洩する流体の量をより確実に低減することができる。

また、本発明の摺動部品は、第６に、第１ないし第５のいずれかの特徴において、前記低圧流体側に面する前記摺動面には、前記高圧流体側から前記低圧流体側に漏洩しようとする流体を前記高圧流体側に押し戻す作用を有する環状のポンピング溝を設けることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動面から低圧流体側に漏洩しようとする流体を低減することができる。

また、本発明の摺動部品は、第７に、第１ないし第５のいずれかの特徴において、前記圧力低減用深溝の前記低圧流体側に面する前記摺動面には前記高圧流体側から前記低圧流体側に漏洩しようとする流体を前記高圧流体側に押し戻す作用を有する環状のポンピング溝を設けることを特徴としている。
この特徴によれば、ポンピング溝が摺動面より低い環状の極浅段差部の面に設けられた場合でも、ポンピング溝の高圧流体側には、低圧流体側に漏洩しようとする流体を高圧流体側に押し戻す際の障壁となる壁がないので、十分なポンピング効果を発揮することができ、低圧流体側への漏洩を防止することができる。

また、本発明の摺動部品は、第８に、第６または第７の特徴において、前記ポンピング溝は、前記摺動面より低い環状の極浅段差部の面に設けられていることを特徴としている。
この特徴によれば、万一、摺動面に流体が無くなったとしても、ポンピング溝は相手側摺動面と直接接触しないため、ポンピング溝が回転トルクの増加要因となることを防止できる。

本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）摺動面の高圧流体側に面してレイリーステップ機構を構成する極浅溝を配設すると共に、極浅溝の上流側に前記高圧流体側と連通して前記高圧流体を導入するための流体導入用深溝を設けることにより、極浅溝の周方向の上流側には流体導入用深溝を介して高圧流体が積極的に導入されるので、極浅溝に流入の際の減圧が抑えられ、キャビテーションの発生が防止される。また、万一、極浅溝において析出物が生成されたり、あるいは、析出物などの異物が入り込んだ場合でも、異物は極浅溝から高圧流体側に排出され、極浅溝に滞留し、漏れの原因となることはない。
（２）極浅溝の数を適宜設定することにより、キャビテーションの発生の要因となる負の段差部（高い面から低い面に向かう際にできる段差部）の数を制御可能である。

（３）極浅溝及び流体導入用深溝の低圧流体側に面して極浅溝及び流体導入用深溝と低圧流体側の摺動面とを分離して前記低圧流体側の摺動面に作用する圧力を低減するための環状の圧力低減用深溝を設けることにより、動圧発生部である極浅溝と極浅溝及び流体導入用深溝より低圧流体側の摺動面Ｓとは分離され、該低圧流体側の摺動面に作用する流体圧力は高圧流体側の圧力とほぼ同等まで低減され、低圧流体側に漏洩する流体の量を低減することができる。
（４）低圧流体側に面する摺動面には、高圧流体側から低圧流体側に漏洩しようとする流体を高圧流体側に押し戻す作用を有する環状のポンピング溝を設けることにより、摺動面から低圧流体側に漏洩しようとする流体を低減することができる。
（５）圧力低減用深溝の前記低圧流体側に面する摺動面には高圧流体側から低圧流体側に漏洩しようとする流体を高圧流体側に押し戻す作用を有する環状のポンピング溝を設けることにより、ポンピング溝が摺動面より低い環状の極浅段差部の面に設けられた場合でも、ポンピング溝の高圧流体側には、低圧流体側に漏洩しようとする流体を高圧流体側に押し戻す際の障壁となる壁がないので、十分なポンピング効果を発揮することができ、低圧流体側への漏洩を防止することができる。
（６）ポンピング溝を、摺動面より低い環状の極浅段差部の面に設けられていることにより、万一、摺動面に流体が無くなったとしても、ポンピング溝は相手側摺動面と直接接触しないため、ポンピング溝が回転トルクの増加要因となることを防止できる。

一般産業機械用のメカニカルシールの一例を示す縦断面図である。本発明の実施形態１に係り、極浅溝及び流体導入用深溝が形成された摺動面を示す平面図である。（ａ）は図２のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図２のＢ−Ｂ断面図である。本発明の実施形態２に係り、極浅溝及び流体導入用深溝が形成された摺動面を示す平面図である。図４のＣ−Ｃ断面図である。本発明の実施形態３に係り、極浅溝及び流体導入用深溝が形成された摺動面を示す平面図である。図６のＤ−Ｄ断面図である。従来技術１を説明する図である。従来技術２を説明する平面図である。従来技術３を説明する平面図である。

本発明に係る摺動部品を実施するための形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、本実施形態においてはメカニカルシールを構成する部品が摺動部品である場合を例にして説明するが、本発明はこれに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加えうるものである。

〔実施形態１〕
本発明の実施形態１に係る摺動部品について図１ないし３を参照しながら説明する。
図１は、一般産業機械用のメカニカルシールの一例を示す正面断面図である。
図１のメカニカルシールは摺動面の外周から内周の方向に向かって漏れようとする高圧流体（被密封流体）を密封する形式のインサイド形式のものであって、高圧流体側（被密封流体側）のポンプインペラ（図示省略）を駆動させる回転軸１側にスリーブ２を介してこの回転軸１と一体的に回転可能な状態に設けられた一方の摺動部品を構成する円環状の回転環３と、ポンプのハウジング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他方の摺動部品を構成する円環状の固定環６とが、この固定環６を軸方向に付勢するベローズ７によって、ラッピング等によって鏡面仕上げされた摺動面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、回転環３と固定環６との互いの摺動面Ｓにおいて、高圧流体（被密封流体）が回転軸１の外周から内周側へ流出するのを防止するものである。

回転環３及び固定環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及び３では、例えば、一方の摺動部品である円環状の固定環６の摺動面Ｓに本発明の極浅溝及び流体導入用深溝が設けられた場合について説明するが、円環状の回転環３の摺動面に設けられてもよいことはもちろんである。
通常、摺動部品の摺動面Ｓの内外周の一方側に高圧流体（被密封流体）が存在し、他方側は低圧流体（大気）であるが、図２及び３においては、説明の都合上、外周側に高圧流体が存在し、内周側に低圧流体（大気）が存在する場合について説明する。

固定環６の断面形状は、図１に示すように凸形状をしており、その頂面が摺動面Ｓを構成している。回転環３と固定環６との摺動面の間隙は、メカニカルシールの場合、種類によって様々であるが、一般的には０．２５〜２．５μｍとされている。固定環６の摺動面Ｓには、図２及び３に示すように、高圧流体側に面してレイリーステップ機構、すなわち、回転環３及び固定環６の相対移動により摺動面間に介在する粘性を有する流体が動圧（正圧）を発生する段差を有するレイリーステップ機構を構成する極浅溝１０が配設されている。図２では、極浅溝１０は、平面視において、半径方向の幅ｂが摺動面Ｓの半径方向幅の約１／２程度に設定され、周方向に１６等配で環状に配設され、各極浅溝１０は周方向において摺動面Ｓで区切られ独立して形成されている。また、極浅溝１０の摺動面Ｓからの深さｈは、０．１〜０．６μｍの範囲に設定されるのが好ましい。
なお、極浅溝１０は、必ずしも周方向に複数設けられる必要はなく、少なくとも１個設けられていればよく、また、半径方向の幅ｂも被密封流体の種類、圧力などに基づいて適宜設定されるものであり、例えば、摺動面の径方向の幅の１／２〜１／１０の範囲が好ましい。

図２では、極浅溝１０の面には、より動圧効果を向上させるための、同心円状の微細周期溝１２が形成されている例が示されている。ここでは、微細周期溝１２を分かり易いように示しているだけであり、微細周期溝１２の本数は多くても構わない。微細周期溝１２のような動圧効果をより向上させるための溝は必ず必要というわけではなく、設けなくてもよい。また、微細周期溝１２のような溝を設ける場合でも、同心円状に限らず、同心円の接線に対して一定の角度を有する線状の微細周期溝でもよい。同心円の接線に対して一定の角度を有する直線状の微細周期溝の場合、極浅溝１０で発生する動圧をコントロールできる利点がある。
なお、本発明において、微細周期溝とは、相互に平行で一定のピッチの複数の微細な線状の凹凸をいい、線状の凹凸には、直線状の凹凸、直線状の凹凸形成の過程で出現される多少湾曲された凹凸、または、円弧状の凹凸など曲線状の凹凸も包含される。

極浅溝１０の上流側には高圧流体側と連通して極浅溝１０に高圧流体を導入するための流体導入用深溝１１が設けられている。流体導入用深溝１１は極浅溝１０の上流側に面して極浅溝１０の半径方向の全体に設けられる。また、流体導入用深溝１１の摺動面Ｓからの深さＨは、１０μｍ以上に設定されるのが好ましい。この場合、深さＨの上限は固定環６の軸方向の長さにより自ずと有限な値に限定されるものであって、無限大ではない。さらに、流体導入用深溝１１の周方向の長さは被密封流体の種類及び摺動面の摺動速度に応じて決められるものであって、極浅溝１０に高圧流体が導入されやすいように少なくとも極浅溝１０の深さｈより大きいことが望ましい。
極浅溝１０、流体導入用深溝１１及び微細周期溝１２の形成は、例えば、エッチング、フェムト秒レーザ、ピコ秒レーザなどにより行われる。

仮に、極浅溝１０の上流側に高圧流体側と連通して極浅溝１０に高圧流体を導入するための流体導入用深溝１１が設けられていない場合、摺動面間より大きい体積を有する極浅溝１０の部分に流体が流入する際減圧され、キャビテーションが発生するが、本発明のように、極浅溝１０に高圧流体を導入するための流体導入用深溝１１が設けられていると、極浅溝１０の周方向の上流側の流体が流体導入用深溝１１を介して極浅溝１０に積極的に導入されるので、流入の際の減圧が抑えられ、キャビテーションの発生が防止される。また、万一、極浅溝１０において析出物が生成されたり、あるいは、析出物などの異物が入り込んだ場合でも、異物は極浅溝から高圧流体側に排出され、極浅溝に滞留することがないため、漏れの原因となることはない。
なお、本発明の実施形態１においては、極浅溝１０の上流側に高圧流体側と連通して極浅溝１０に高圧流体を導入するための流体導入用深溝１１が設けられる関係上、固定環６（または回転環３）は片回転方向仕様となり、両回転方向には不適切である。

また、極浅溝１０の配設された摺動面Ｓには、低圧流体側に面して摺動面Ｓから低圧流体側に漏洩しようとする流体を高圧流体側に押し戻す作用を有する環状のポンピング溝１４が設けられる。このようにポンピング溝１４が設けられた場合、摺動面Ｓから低圧流体側に漏洩しようとする流体は低減される。ポンピング溝１４は、例えば、スパイラル形状の溝、ディンプルあるいは微細周期溝などから構成される。

また、ポンピング溝１４は、摺動面Ｓと同じ面に設けても良いが、摺動面Ｓより低い環状の極浅段差部１３の面に設けられるのが望ましい。極浅段差部１３の摺動面Ｓからの深さｈ’は、０．１〜０．６μｍの範囲に設定されるのが好ましい。また、極浅段差部１３の径方向の幅ｂ’は、例えば、摺動面Ｓの径方向の幅の１／２〜１／１０の範囲に設定されるのが好ましい。摺動面Ｓに直接ポンピング溝１４が形成される場合と異なり、摺動面Ｓより低い環状の極浅段差部１３の面にポンピング溝１４が形成される場合、万一、摺動面Ｓに流体が無くなったとしても、極浅段差部１０は相手側摺動面と直接接触しないため、ポンピング溝１４が回転トルクの増加要因とはならない。極浅段差部１３及びポンピング溝１４の形成は、例えば、エッチング、フェムト秒レーザ、ピコレーザなどにより行われる。

〔実施形態２〕
本発明の実施形態２に係る摺動部品について図４及び５を参照しながら説明する。
実施形態２は、圧力低減用深溝が付加されている点において実施形態１と相違するが、その他の構成は実施形態１と同じであり、実施形態１と同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

図４において、極浅溝１０及び流体導入用深溝１１が設けられた固定環６の摺動面において、極浅溝１０及び流体導入用深溝１１の低圧流体側に面して極浅溝１０及び流体導入用深溝１１と低圧流体側の摺動面とを分離して低圧流体側の摺動面に作用する圧力を低減するための環状の圧力低減用深溝１５が設けられている。圧力低減用深溝１５は流体導入用深溝１１を介して高圧流体側と連通している。

図４では、極浅溝１０及び流体導入用深溝１１の径方向の幅が実施形態１より狭く形成され、狭くされた部分に圧力低減用深溝１５が形成されているものであり、極浅溝１０及び流体導入用深溝１１の低圧流体側の摺動面Ｓ及び極浅段差部１３のそれぞれの径方向の幅は実施形態１と同じに設定されている。
また、圧力低減用深溝１５は極浅溝１０及び流体導入用深溝１１の低圧流体側に面して全周にわたって設けられている。さらに、圧力低減用深溝１５の摺動面Ｓからの深さＨ’は、１０μｍ以上に設定されるのが好ましい。この場合、深さＨ’の上限は固定環６の軸方向の長さにより自ずと有限な値に限定されるものであって、無限大ではない。圧力低減用深溝１５の形成は、例えば、エッチング、フェムト秒レーザ、ピコ秒レーザなどにより行われる。

回転環３及び固定環６の相対移動により摺動面間に介在する粘性を有する流体が極浅溝１０により発生する動圧（正圧）により、極浅溝１０及び流体導入用深溝１１より低圧流体側の摺動面Ｓに作用する流体圧力は高圧流体側の圧力より高くなるが、圧力低減用深溝１５を極浅溝１０及び流体導入用深溝１１の低圧流体側に面して全周にわたって設けることにより、動圧発生部である極浅溝１０は圧力低減用深溝１５により低圧流体側の摺動面Ｓとは分離されることから、該低圧流体側の摺動面Ｓに作用する流体圧力は高圧流体側の圧力とほぼ同等まで低減される。

〔実施形態３〕
本発明の実施形態３に係る摺動部品について図６及び７を参照しながら説明する。
実施形態３は、環状のポンピング溝が圧力低減用深溝の低圧流体側に面する摺動面に設けられている点において実施形態２と相違するが、その他の構成は実施形態２と同じであり、実施形態２と同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

図６において、環状のポンピング溝１４は、実施形態１及び２のように低圧流体側に面する摺動面Ｓに設けられているのではなく、圧力低減用深溝１５の低圧流体側に面する摺動面Ｓに設けられている。また、ポンピング溝１４は、実施形態１及び２と同様に摺動面Ｓより低い環状の極浅段差部１３の面に設けられるのが望ましい。

図７に示すように、ポンピング溝１４が圧力低減用深溝１５の低圧流体側に面する摺動面Ｓに設けられていると、該ポンピング溝１４が摺動面Ｓより低い環状の極浅段差部１３の面に設けられた場合でも、ポンピング溝１４の高圧流体側には、低圧流体側に漏洩しようとする流体を高圧流体側に押し戻す際の障壁となる壁がないので、十分なポンピング効果を発揮することができ、低圧流体側への漏洩を防止することができる。

本発明の実施の形態に係る摺動部品の作用・効果は以下のとおりである。
本発明の実施形態１及び２に係る摺動部品を備えた図１に示すようなメカニカルシールにおいて、固定環３及び回転環６の摺動面Ｓには高圧の被密封流体が入り込み極浅溝１０で発生される動圧により隙間を広げようとするが、該隙間を広げようとする力と、回転環６を背部から押す流体圧及びベローズ７による力とがバランスして狭い隙間を保持することで摺動面Ｓは流体潤滑状態を維持する。この際、本発明においては、極浅溝１０に高圧流体を導入するための流体導入用深溝１１が設けられているため、極浅溝１０の周方向の上流側には流体導入用深溝１１を介して高圧流体が積極的に導入されるので、極浅溝１０に流入の際の減圧が抑えられ、キャビテーションの発生が防止されるものである。また、万一、極浅溝１０において析出物が生成されたり、あるいは、析出物などの異物が入り込んだ場合でも、異物は極浅溝から高圧流体側に排出され、極浅溝に滞留することがないため、漏れの原因となることはない。

また、本発明の実施形態２に係る摺動部品を備えた図１に示すようなメカニカルシールにおいては、圧力低減用深溝１５が極浅溝１０及び流体導入用深溝１１の低圧流体側に面して全周にわたって設けられていることにより、動圧発生部である極浅溝１０は圧力低減用深溝１５により低圧流体側の摺動面Ｓとは分離されることから、該低圧流体側の摺動面Ｓに作用する流体圧力は高圧流体側の圧力とほぼ同等まで低減され、低圧流体側に漏洩する流体の量を低減することができる。

また、摺動面Ｓの狭い隙間に浸入した高圧流体（被密封流体）は低圧流体側に漏洩しようとするが、本発明の実施形態１及び２に係る摺動部品においては、摺動面Ｓの低圧流体側（図２〜５では内周側）に面して設けられたポンピング溝１４により低圧流体側に漏洩しようとする流体は高圧流体側（被密封流体側）に押し戻される。このため、低圧流体側へ漏洩する高圧流体（被密封流体）の量は相当程度低減される。
さらに、本発明の実施形態３に係る摺動部品においては、ポンピング溝１４が圧力低減用深溝１５の低圧流体側に面する摺動面Ｓに設けられているため、該ポンピング溝１４が摺動面Ｓより低い環状の極浅段差部１３の面に設けられた場合でも、ポンピング溝１４の高圧流体側には、低圧流体側に漏洩しようとする流体を高圧流体側に押し戻す際の障壁となる壁がないので、十分なポンピング効果を発揮することができ、低圧流体側への漏洩を防止することができる。
さらに、本発明の実施形態１ないし３に係る摺動部品においては、ポンピング溝１４が摺動面Ｓより低い環状の極浅段差部１３の面に設けられているため、摺動面Ｓに直接形成された従来技術１及び２の溝と異なり、万一、摺動面Ｓに流体が無くなったとしても、ポンピング溝１４は相手側摺動面と直接接触しないため、ポンピング溝１４が回転トルクの増加要因とはならない。

以上、本発明の実施の形態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の形態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、前記実施の形態では、摺動部品をメカニカルシール装置における一対の回転用密封環及び固定用密封環のいずれかに用いる例について説明したが、円筒状摺動面の軸方向一方側に潤滑油を密封しながら回転軸と摺動する軸受の摺動部品として利用することも可能である。

また、例えば、前記実施の形態では、外周側に高圧の被密封流体が存在する場合について説明したが、内周側が高圧流体の場合にも適用でき、その場合、極浅溝１０及び流体導入用深溝１１は摺動面の内周側に、極浅段差部１３及びポンピング溝１４は摺動面の外周側に配設すると共に、圧力低減用深溝１５は極浅溝１０及び流体導入用深溝１１の外周側に配設すればよい。

１回転軸
２スリーブ
３回転環
４ハウジング
５シールカバー
６固定環
７ベローズ
１０極浅溝
１１流体導入用深溝
１２微細周期溝
１３極浅段差部
１４ポンピング溝
１５圧力低減用深溝
Ｓ摺動面
Ｂ摺動面の径方向の幅（極浅段差部を含む）
ｂ極浅溝の径方向の幅
ｂ’ 極浅段差部の径方向の幅
ｈ極浅溝の摺動面からの深さ
ｈ’ 極浅段差部の摺動面からの深さ

Claims

一対の摺動部品の互いに相対摺動する一方側の摺動面には、該摺動面の高圧流体側に面してレイリーステップ機構を構成する極浅溝が配設されると共に、前記極浅溝の上流側に前記高圧流体側と連通して前記高圧流体を導入するための流体導入用深溝が設けられ、前記極浅溝は、該極浅溝の周方向の全長にわたって、径方向に開口し前記高圧流体側と連通していることを特徴とする摺動部品。
前記極浅溝は、環状に少なくとも１つ以上設けられることを特徴とする請求項１記載の摺動部品。
前記極浅溝の前記摺動面からの深さは、０．１〜０．６μｍであり、前記流体導入用深溝の前記摺動面からの深さは、１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１または２記載の摺動部品。
前記極浅溝及び前記流体導入用深溝の低圧流体側に面する前記摺動面には前記極浅溝及び前記流体導入用深溝と前記低圧流体側の摺動面とを分離して前記低圧流体側の摺動面に作用する圧力を低減するための環状の圧力低減用深溝を設けることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の摺動部品。
前記圧力低減用深溝の前記摺動面からの深さは、１０μｍ以上であることを特徴とする請求項４記載の摺動部品。
前記極浅溝及び前記流体導入用深溝の低圧流体側に面する前記摺動面には前記高圧流体側から前記低圧流体側に漏洩しようとする流体を前記高圧流体側に押し戻す作用を有する環状のポンピング溝を設けることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の摺動部品。
前記圧力低減用深溝の前記低圧流体側に面する前記摺動面には前記高圧流体側から前記低圧流体側に漏洩しようとする流体を前記高圧流体側に押し戻す作用を有する環状のポンピング溝を設けることを特徴とする請求項４または５に記載の摺動部品。
前記ポンピング溝は、前記摺動面より低い環状の極浅段差部の面に設けられていることを特徴とする請求項６または７に記載の摺動部品。