JP7366945B2

JP7366945B2 - 摺動部品

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Publication number: JP7366945B2
Application number: JP2020572262A
Authority: JP
Inventors: 忠継井村; 啓志鈴木; 岩王; 雄一郎徳永
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 2019-02-14
Filing date: 2020-02-12
Publication date: 2023-10-23
Anticipated expiration: 2040-02-12
Also published as: EP3926187C0; EP3926187B1; CN113412369A; US11767916B2; CN113412369B; US20220106980A1; WO2020166589A1; JPWO2020166589A1; KR20210121229A; EP3926187A4; KR102682943B1; EP3926187A1

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。

被密封液体の漏れを防止する軸封装置として例えばメカニカルシールは相対回転し摺動面同士が摺動する一対の環状の摺動部品を備えている。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、摺動面間の潤滑性を向上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、摺動部品の摺動面に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一端が閉塞する動圧発生溝が設けられている。これによれば、摺動部品の相対回転時には被密封流体側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し流体膜が形成された流体潤滑が維持されることで潤滑性が向上し、低摩擦化を実現している。

また、動圧発生溝として特許文献２に示されるようなものもある。特許文献２の動圧発生溝は、被密封液体側である外径側から漏れ側である内径側に向けて弧状に延び、且つ内径側の閉塞端が先細りするスパイラル形状をなしている。

特開平４－５０５５９号公報（第３頁、第２図）特許第３０７９５６２号公報（第４頁、第２図）

しかしながら、特許文献１，２にあっては、摺動部品の相対回転初期や低速回転時には、摺動面間に流体膜が十分に形成されておらず、加えて、動圧発生溝が形成された一方の摺動部品の摺動面における動圧発生溝以外のランド部や他方の摺動部品の摺動面におけるランド部にはうねりや微細な凸部が存在しているため、一方の摺動部品のランド部と他方の摺動部品のランド部とが互いに摺動することにより局所的な摩耗が発生することがあった。そして、一方の摺動部品のランド部に摩耗が発生した場合には、動圧発生溝の変形・破損により潤滑性に悪影響を与える虞があった。また、流体潤滑状態となった定常状態においても、摺動面間へのコンタミの進入等により一方の摺動部品の摺動面のランド部に局所的な摩耗が発生することがあった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、摺動面の摩耗による動圧発生機構の変形・破損を抑制することができ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、少なくとも一方の摺動部品の摺動面に凹部から構成される複数の動圧発生機構が設けられ、一対の摺動部品の摺動面のランド部同士を摺動させて被密封流体をシールする環状をなす一対の摺動部品であって、
前記凹部が設けられた一方の摺動部品の該凹部の周辺の領域が対向する他方の摺動部品の対向領域と離間して形成されている。
これによれば、相対回転する一対の摺動部品の摺動面間において互いのランド部同士が接触状態または僅かに離間した非接触状態で摺動している状態において、一方の摺動部品の動圧発生機構を構成する凹部の周辺の領域が対向する他方の摺動部品の対向領域と軸方向に離間することにより、一方の摺動部品凹部の周辺の領域が対向する他方の摺動部品の対向領域に対して確実に非接触の状態となるため、摺動面の摩耗による動圧発生機構の変形・破損を抑制することができる。

前記凹部は一端が閉塞された凹溝であって、該一端が環状をなす前記ランド部同士が対向する領域内まで延びていてもよい。
これによれば、凹部における動圧により高圧が生じる高圧部から一対の摺動部品のランド部同士が対向する領域内に流体を流出させ、動圧により一対の摺動部品の摺動面同士を安定して離間させることができる。

他方の摺動部品の対向領域には該他方の摺動部品の前記ランド部よりも凹む環状の微小凹みが形成されていてもよい。
これによれば、凹部と環状の微小凹みを別々の摺動部品の摺動面に形成することができるため、加工を行いやすい。また、微小凹みは、凹部よりも軸方向の凹み量が小さいので動圧発生機構による動圧の発生に影響を与え難い。

前記他方の摺動部品の環状の微小凹みの前記ランド側の境界部分は、軸方向視波形に形成されていてもよい。
これによれば、他方の摺動部品の微小凹みはランド側の境界部分が径方向に一定ではないため、摺動面間における潤滑性と摺動トルクのバランスを両立させることができる。

隣接する前記凹部の間は、微小凹みにより繋がっていてもよい。
これによれば、凹部と微小凹みが同じ摺動部品に形成されているので、一対の摺動部品の相対回転時に凹部と微小凹みとの相対位置がずれることなく、所期の動圧を発生させることができ、摺動面の摩耗による動圧発生機構の変形・破損を確実に抑制することができる。

隣接する前記凹部の間には、前記微小凹みに周囲を囲まれた独立ランド部が形成されていてもよい。
これによれば、微小凹みにより摺動面の摩耗による動圧発生機構の変形・破損を確実に抑制しながら、独立ランド部により摺動面間における摺動トルクをバランスよく受けることができる。

前記微小凹みの前記ランド側の境界部分は、軸方向視波形上に配置されるように形成されていてもよい。
これによれば、微小凹みはランド側の境界部分が径方向に一定ではないため、摺動面間における潤滑性と摺動トルクのバランスを両立させることができる。

前記凹部は傾斜溝であってもよい。
これによれば、凹部は径方向に対して傾斜しているので、流体の導入部から高い動圧が生じる高圧部までの距離を長くできるため、大きな圧力を得ることができる。

前記凹部は漏れ側に連通していてもよい。
これによれば、動圧発生機構によって被密封流体の漏れ側への漏れを低減できる。加えて、微小凹みによって動圧発生機構の凹部の周辺の領域における摺動面間の距離は、一対の摺動部品の互いのランド部同士が対向する領域における摺動面間の距離よりも長くなるため、動圧発生機構によって被密封流体側に戻される流体に混入したコンタミ等の進入による摺動面の摩耗を抑制することができる。

少なくとも一方の摺動部品の摺動面には、前記動圧発生機構よりも被密封流体側に配置され前記動圧発生機構とは独立する凹部から構成される特定動圧発生機構が設けられており、
前記特定動圧発生機構の凹部が設けられた摺動部品の該凹部の周辺の領域が対向する摺動部品の対向領域と離間して形成されていてもよい。
これによれば、一対の摺動部品の相対回転時に、特定動圧発生機構により摺動面間を離間させて摺動面間に適当な流体膜を生成しつつ、動圧発生機構によって被密封流体の漏れ側への漏れを低減できる。加えて、相対回転する一対の摺動部品の摺動面間において互いのランド部同士が接触状態または僅かに離間した非接触状態で摺動している状態において、動圧発生機構を構成する凹部の周辺の領域が対向する摺動部品の対向領域に対して確実に非接触の状態となるため、摺動面の摩耗による動圧発生機構及び特定動圧発生機構の変形・破損を抑制することができる。

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における回転密封環の摺動面を軸方向から見た図である。（ａ）は、図２のＡ－Ａ断面図であり、（ｂ）は、図３のＢ－Ｂ断面図である。実施例１における静止密封環の摺動面と回転密封環の摺動面とが接触した状態を示す断面図である。（ａ）～（ｄ）は、本発明における動圧発生機構の変形例を示す部分拡大図である。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図である。図６のＣ－Ｃ断面図である。実施例２における静止密封環の摺動面と回転密封環の摺動面とが接触した状態を示す断面図である。（ａ）は、本発明の実施例３における静止密封環の摺動面の断面図であり、（ｂ）は、実施例３における回転密封環の摺動面の断面図である。実施例３における静止密封環の摺動面と回転密封環の摺動面とが接触した状態を示す断面図である。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図である。（ａ）は、本発明の実施例６における静止密封環の摺動面を軸方向から見た図であり、（ｂ）は、実施例６における回転密封環の摺動面を軸方向から見た図である。実施例６における静止密封環の変形例を示す説明図である。本発明における静止密封環の変形例を示す説明図である。

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。尚、本実施例においては、摺動部品がメカニカルシールである形態を例に挙げ説明する。また、メカニカルシールを構成する摺動部品の外径側を漏れ側としての大気側（低圧側）、内径側を被密封流体側としての被密封液体側（高圧側）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ドットを付すこともある。

図１に示される一般産業機械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被密封液体Ｆを密封するアウトサイド形のものであって、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た摺動部品としての円環状の回転密封環２０と、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移動可能な状態で設けられた摺動部品としての円環状の静止密封環１０と、から主に構成され、ベローズ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。

静止密封環１０及び回転密封環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に示されるように、静止密封環１０に対して回転密封環２０が矢印で示すように相対回転するようになっており、静止密封環１０の摺動面１１の外径部には複数の動圧発生機構１５が静止密封環１０の周方向に均等に配設されている。摺動面１１の動圧発生機構１５以外の部分は平端面をなすランド部１２となっている。すなわち、ランド部１２は、静止密封環１０の摺動面１１において、動圧発生機構１５が形成されない内径側の環状部分と動圧発生機構１５間にそれぞれ形成された放射状部分とが連続して形成されている。

動圧発生機構１５は、内径側の一端が閉塞し、外径側の他端が大気側に連通し、摺動面１１の径方向に対して傾斜して延びる凹部及び凹溝としての傾斜溝９から構成されている。傾斜溝９は、ランド部１２に対して微小に凹み、内径側の一端において回転方向に対して傾斜する壁面９ａと、外径側の他端から径方向に対して傾斜する側壁９ｂ，９ｃと、を有している。また、傾斜溝９は、図２の拡大部分に示されるように、壁面９ａ及び側壁９ｂ，９ｃの内径側端部から形成される閉塞端部９ｄが後述する回転密封環２０の摺動面２１におけるランド部２２と微小凹み２３との境界部分である段差２４よりも内径側の位置まで延設されている。すなわち、傾斜溝９の閉塞端部９ｄは、ランド部１２により囲まれ、静止密封環１０のランド部１２の環状部分と回転密封環２０のランド部２２の環状部分とが対向する領域内まで延設されている。尚、壁面９ａは、回転方向に対して傾斜することに限られるものではなく、例えば径方向に対して直交していてもよいし、先細り形状や階段状に形成されていてもよい。また、本実施例１における複数の動圧発生機構１５は、同じ幅、同じ長さに形成される傾斜溝９から構成されている。

また、図４（ａ）に示されるように、本実施例１における傾斜溝９の凹み量である深さ寸法Ｌ１０は、１μｍに形成されている。尚、傾斜溝９の深さ寸法Ｌ１０は、好ましくは１μｍ～１０μｍである。また、傾斜溝９の底面は平坦面をなしランド部１２に平行に形成されているが、平坦面に微細凹部を設けることやランド部１２に対して傾斜するように形成することを妨げない。さらに、傾斜溝９の壁面９ａ及び側壁９ｂ，９ｃはそれぞれ傾斜溝９の底面に直交している（図２参照）。

尚、動圧発生機構１５は、摺動面１１においてランド部１２に対して凹む凹部から構成されるものであれば、本実施例１のような傾斜溝に限らず、例えば周方向に延びる円弧状の側壁を有するスパイラル形状（図６（ａ）参照）やＬ字状（図６（ｂ）参照）の凹溝などの他の形状であってもよい。また、動圧発生機構１５は、例えばＴ字状（図６（ｃ）参照）の凹溝から構成することにより、静止密封環１０と回転密封環２０との相対回転方向に関わらず使用できるようにしてもよい。また、図２、図６（ａ）及び図６（ｂ）の複数の凹溝の略半数を他の凹溝の延在方向とは反対に形成することで、相対回転方向に関わらず使用できるようにしてもよい。さらに、動圧発生機構１５は、ディンプル形状（図６（ｄ）参照）のように大気側及び被密封液体Ｆ側のいずれにも連通しない凹部から構成されていてもよい。

図３に示されるように、回転密封環２０には、摺動面２１の内径部において平端面をなすランド部２２の外径側にランド部２２に対する凹み量が傾斜溝９よりも少ない環状の微小凹み２３が設けられており、ランド部２２と微小凹み２３との境界部分には、軸方向視、すなわち摺動面２１を直交する方向から見て円形をなす深さ方向の段差２４が形成されている。

微小凹み２３は、回転密封環２０の摺動面２１において、静止密封環１０の摺動面１１に配設される動圧発生機構１５を構成する傾斜溝９の周辺の領域Ｘ（図２の拡大部分参照）に対向する対向領域Ｙに形成されている。また、本実施例１では、微小凹み２３は、大気側に連通し、傾斜溝９の壁面９ａよりも外径側の位置に対応するように延設されている。すなわち、ランド部２２と微小凹み２３との境界部分である段差２４は、壁面９ａよりも外径側の位置に対応して形成されている（図２の拡大部分参照）。尚、微小凹み２３は、傾斜溝９の壁面９ａの外径側の位置に対応するように延設されるものに限らず、傾斜溝９の壁面９ａに対応する位置または傾斜溝９の壁面９ａよりも内径側の位置に対応するように延設されていてもよい。

また、図４（ｂ）に示されるように、本実施例１における微小凹み２３の凹み量である深さ寸法Ｌ２０は、０．１μｍに形成されている。尚、微小凹み２３の深さ寸法Ｌ２０は、動圧発生機構１５を構成する傾斜溝９の深さ寸法Ｌ１０よりも小さく（Ｌ２０＜Ｌ１０）、好ましくは該深さ寸法Ｌ２０が傾斜溝９の深さ寸法Ｌ１０の５分の１以下に形成されている。さらに別観点から好ましくは静止密封環１０の摺動面１１のランド部１２における表面のうねりや微細な凸部よりも大きく形成される。また、微小凹み２３の底面は平坦面をなしランド部２２に平行に形成されているが、平坦面に微細凹部を設けることやランド部２２に対して傾斜するように形成することを妨げない。さらに、段差２４はランド部２２に直交する側面により形成されているが、傾斜または湾曲する側面により形成されていてもよい。

次いで、静止密封環１０と回転密封環２０との相対回転時の動作について説明する。まず、回転密封環２０が回転していない一般産業機械の非稼動時には、摺動面１１，２１間には摺動面１１，２１よりも内径側の被密封液体Ｆが毛細管現象によって僅かに進入しているとともに、動圧発生機構１５には一般産業機械の停止時に残っていた被密封液体Ｆと摺動面１１，２１よりも外径側から進入した大気とが混在した状態となっている。尚、被密封液体Ｆは気体と比べ粘度が高いため、一般産業機械の停止時に動圧発生機構１５から低圧側に漏れ出す量は少ない。

一般産業機械の停止時に動圧発生機構１５に被密封液体Ｆがほぼ残っていない場合には、回転密封環２０が静止密封環１０に対して相対回転（図２黒矢印参照）すると、大気側の低圧側流体Ａが傾斜溝９の低圧側の開口から導入され、傾斜溝９によって低圧側流体Ａが回転密封環２０の回転方向に追随移動するため、傾斜溝９内に動圧が発生するようになる。

傾斜溝９の一端である壁面９ａ近傍、すなわち閉塞端部９ｄが最も圧力が高くなり、低圧側流体Ａは閉塞端部９ｄからその周辺に流出する。尚、傾斜溝９の低圧側の開口に向かうにつれて漸次圧力が低くなっている。すなわち、傾斜溝９の閉塞端部９ｄは、傾斜溝９における動圧により高圧が生じる高圧部となっている。

また、静止密封環１０と回転密封環２０との相対回転時には、摺動面１１，２１間にそれらの内径側から高圧の被密封液体Ｆが随時流入しており、いわゆる流体潤滑をなすようになっている。このとき、傾斜溝９近傍の被密封液体Ｆは、上述したように傾斜溝９の特に閉塞端部９ｄは高圧となっているため、ランド部１２の環状部分に位置したままで、傾斜溝９にはほぼ進入しない。一方、傾斜溝９の低圧側の開口近傍の被密封液体Ｆは、傾斜溝９が低圧側に連通していることから、傾斜溝９に進入しやすくなっている。

次いで、傾斜溝９に吸い込まれた被密封液体Ｆが摺動面１１，２１間に流出される動作を説明する。

回転密封環２０が静止密封環１０に対して相対回転（図２の黒矢印参照）すると、摺動面１１，２１間に進入した被密封液体Ｆは、傾斜溝９の開口側に形成された相対的に低い圧力によって傾斜溝９に吸い込まれる。

その後、傾斜溝９に吸い込まれた被密封液体Ｆは回転密封環２０から大きなせん断力を受け、圧力が高められながら傾斜溝９内を壁面９ａ側に移動し、閉塞端部９ｄからその周辺のランド部１２に流出する。

その後、傾斜溝９に吸い込まれる被密封液体Ｆの量が増え、傾斜溝９から連続的に被密封液体Ｆが摺動面１１，２１間に流出する定常状態となる。定常状態では、摺動面１１，２１間にそれらの内径側や傾斜溝９から高圧の被密封液体Ｆが随時流入しており、上述したように流体潤滑となっている。尚、相対回転初期から低速回転の状態を経て定常状態となるまでは過渡的な短い時間である。また、固体に対する界面張力は気体よりも液体の方が大きいので、摺動面１１，２１間には被密封液体Ｆが保持されやすく大気は静止密封環１０、回転密封環２０よりも外径側に排出されやすい。

以上のように、静止密封環１０に対して相対回転する回転密封環２０は、静止密封環１０の摺動面１１に配設される動圧発生機構１５を構成する傾斜溝９の周辺の領域Ｘが対向する回転密封環２０の摺動面２１の対向領域Ｙに対して環状の微小凹み２３によって離間されている。そのため、特に図５の拡大部分に示されるように、相対回転する静止密封環１０と回転密封環２０の摺動面１１，２１間において、静止密封環１０の摺動面１１のランド部１２と回転密封環２０の摺動面２１のランド部２２とが接触状態または僅かに離間した非接触状態で摺動している状態において、回転密封環２０の摺動面２１に環状の微小凹み２３が設けられていることにより、静止密封環１０に配設される動圧発生機構１５を構成する傾斜溝９の周辺の領域Ｘ、すなわち静止密封環１０の摺動面１１に配設される動圧発生機構１５間のランド部１２を対向する回転密封環２０の摺動面２１の対向領域Ｙにおけるうねりや微細な凸部に対して確実に非接触の状態とすることができる。これにより、静止密封環１０に対する回転密封環２０の相対回転初期や低速回転時において、静止密封環１０の摺動面１１のランド部１２の摩耗による動圧発生機構１５の変形・破損を抑制することができる。

また、動圧発生機構１５よる動圧により摺動面１１，２１同士が離間し流体膜が形成された流体潤滑状態となった定常状態においても、摺動面１１，２１間へのコンタミの進入等に基づく静止密封環１０の摺動面１１のランド部１２の摩耗による動圧発生機構１５の変形・破損を抑制することができ、摺動面１１，２１間の潤滑性を維持することができる。

また、微小凹み２３は、動圧発生機構１５が配設される静止密封環１０の摺動面１１とは異なる回転密封環２０の摺動面２１に形成され、動圧発生機構１５は周囲をランド部１２によって囲われているため、動圧発生機構１５の傾斜溝９における動圧により高圧が生じやすくなっている。また、静止密封環１０の摺動面１１に傾斜溝９を、回転密封環２０の摺動面２１に微小凹み２３をそれぞれ形成することができるため、すなわち別々の密封環に傾斜溝と微小凹みを形成することができるため、加工を行いやすい。

また、静止密封環１０の摺動面１１において、傾斜溝９における動圧により高圧が生じる高圧部となる閉塞端部９ｄの周辺はランド部１２となっており、摺動面１１，２１間において最も近接する静止密封環１０のランド部１２と回転密封環２０のランド部２２とが対向する領域内に被密封液体Ｆを流出させることができるため、動圧により摺動面１１，２１同士を安定して離間させることができる。

また、動圧発生機構１５を構成する凹部は傾斜溝９であることから、傾斜溝９における外径側開口である流体の導入部から高い動圧が生じる高圧部である閉塞端部９までの距離を長くできるため、大きな圧力を得ることができる。

また、傾斜溝９は低圧側に連通しており、動圧発生機構１５によって被密封液体Ｆが高圧側に戻されることにより被密封液体Ｆの低圧側への漏れを低減できる。

さらに、回転密封環２０の摺動面２１に形成される微小凹み２３によって、静止密封環１０に配設される動圧発生機構１５を構成する傾斜溝９の周辺の領域Ｘにおける摺動面１１，２１間の距離は、回転密封環２０のランド部２２と静止密封環１０のランド部１２とが対向する領域における摺動面１１，２１間の距離よりも長くなるため、動圧発生機構１５によって高圧側に戻される被密封液体Ｆに混入したコンタミ等の進入による静止密封環１０の摺動面１１のランド部１２の摩耗を抑制することができる。尚、動圧発生機構１５によって被密封液体Ｆが高圧側に戻されることにより摺動面１１，２１間の低圧側でコンタミ等が堆積しやすくなるが、微小凹み２３によって動圧発生機構１５が形成される低圧側における摺動面１１，２１間の距離が広げられることにより、コンタミ等の堆積を許容できるとともに、摺動面１１，２１の摩耗を抑制することができる。

次に、実施例２に係る摺動部品につき、図７～図９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、静止密封環１１０の摺動面１１１には複数の動圧発生機構１５が静止密封環１１０の周方向に均等に配設されている。摺動面１１１の動圧発生機構１５以外の部分は、動圧発生機構１５を構成する傾斜溝９の壁面９ａ周辺よりも内径側に平端面をなすランド部１１２が設けられ、該ランド部１１２の外径側にランド部１１２よりも僅かに深く凹む微小凹み１１３が設けられている。すなわち、動圧発生機構１５の間は、摺動面１１１の全周に亘って微小凹み１１３により繋がっている。また、傾斜溝９における動圧により高圧が生じる高圧部である閉塞端部９ｄはランド部１１２により囲まれており、傾斜溝９の閉塞端部９ｄよりも外径側は微小凹み１１３により囲まれている。尚、回転密封環１２０の摺動面１２１は平坦面となっており、この平坦面には凹み部が設けられていない。

また、微小凹み１１３は、静止密封環１１０の摺動面１１１において、大気側に連通し傾斜溝９の壁面９ａよりも外径側の位置に対応するように延設されている。すなわち、ランド部１１２と微小凹み１１３との境界部分である段差１１４は、壁面９ａよりも外径側の位置に対応して形成されている。また、ランド部１１２は、静止密封環１１０の摺動面１１１において、動圧発生機構１５が形成されない内径側の環状部分と動圧発生機構１５間にそれぞれ形成された放射状部分とが連続して形成されている。尚、微小凹み１１３は、傾斜溝９の壁面９ａの外径側の位置に対応するように延設されるものに限らず、傾斜溝９の壁面９ａに対応する位置または傾斜溝９の壁面９ａよりも内径側の位置に対応するように延設されていてもよい。

また、図８に示されるように、本実施例２における傾斜溝９の深さ寸法Ｌ１０は、１μｍに形成され、微小凹み２３の深さ寸法Ｌ２０は、０．１μｍに形成されている。

このように、静止密封環１１０は、動圧発生機構１５を構成する傾斜溝９の周辺の領域Ｘが対向する回転密封環１２０の摺動面１２１の対向領域Ｙに対して微小凹み１１３によって離間されている。そのため、特に図９の拡大部分に示されるように、相対回転する静止密封環１１０と回転密封環１２０の摺動面１１１，１２１間において、静止密封環１１０の摺動面１１１のランド部１１２と回転密封環１２０の摺動面１２１のランド部１２２とが接触状態または僅かに離間した非接触状態で摺動している状態において、静止密封環１１０の摺動面１１１に微小凹み１１３が設けられていることにより、傾斜溝９の周辺の領域Ｘを対向する回転密封環１２０の摺動面１２１の対向領域Ｙにおけるうねりや微細な凸部に対して確実に非接触の状態とすることができる。これにより、静止密封環１１０の摺動面１１１の摩耗による動圧発生機構１５の変形・破損を確実に抑制することができ、摺動面１１１，１２１間の潤滑性を維持することができる。

また、微小凹み１１３と傾斜溝９とが同じ静止密封環１１０の摺動面１１１に形成されているので、静止密封環１１０と回転密封環１２０との相対回転時に微小凹み１１３と傾斜溝９との相対位置がずれることなく、所期の動圧を発生させることができ、静止密封環１１０の摺動面１１１の摩耗による動圧発生機構１５の変形・破損を確実に抑制することができる。尚、動圧発生機構１５の間は、摺動面１１１の全周に亘って微小凹み１１３により繋がっているものに限らず、一部が繋がっていなくてもよい。

次に、実施例３に係る摺動部品につき、図１０及び図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１０（ａ）に示されるように、静止密封環２１０の摺動面２１１には複数の動圧発生機構１５が静止密封環２１０の周方向に均等に配設されている。摺動面２１１の動圧発生機構１５以外の部分は、動圧発生機構１５を構成する傾斜溝９の壁面９ａ周辺よりも内径側に平端面をなすランド部２１２が設けられ、該ランド部２１２の外径側にランド部２１２よりも僅かに深く凹む微小凹み２１３が設けられ、ランド部２１２と微小凹み２１３との境界部分には、深さ方向の段差２１４が形成されている。すなわち、動圧発生機構１５を構成する傾斜溝９の周辺の領域Ｘに微小凹み２１３が設けられている。

また、本実施例３における傾斜溝９の凹み量である深さ寸法Ｌ１０は、１μｍに形成され、微小凹み２１３の凹み量である深さ寸法Ｌ３０は、０．０５μｍに形成されている。尚、微小凹み２１３の深さ寸法Ｌ３０は、動圧発生機構１５を構成する傾斜溝９の深さ寸法Ｌ１０よりも小さく（Ｌ３０＜Ｌ１０）、好ましくは該深さ寸法Ｌ３０が傾斜溝９の深さ寸法Ｌ１０の５分の１以下に形成される。さらに別観点から好ましくは回転密封環２２０の摺動面２２１のランド部２２２における表面のうねりや微細な凸部よりも大きく形成される。

図１０（ｂ）に示されるように、回転密封環２２０には、摺動面２２１の内径部において平端面をなすランド部２２２の外径側にランド部２２２に対する凹み量が傾斜溝９よりも少ない環状の微小凹み２２３が設けられており、ランド部２２２と微小凹み２２３との境界部分には、深さ方向の段差２２４が形成されている。すなわち、動圧発生機構１５を構成する傾斜溝９の周辺の領域Ｘに対向する対向領域Ｙに微小凹み２２３が設けられている。

また、本実施例３における微小凹み２２３の凹み量である深さ寸法Ｌ３０は、静止密封環２１０に形成される微小凹み２１３と同じ凹み量に形成されている。尚、静止密封環２１０に形成される微小凹み２１３と回転密封環２２０に形成される微小凹み２２３の凹み量は異なっていてもよい。

このように、静止密封環２１０は、動圧発生機構１５を構成する傾斜溝９の周辺の領域Ｘが対向する回転密封環１２０の摺動面１２１の対向領域Ｙに対して微小凹み２１３，２２３によって離間されている。そのため、特に図１１の拡大部分に示されるように、相対回転する静止密封環２１０と回転密封環２２０の摺動面２１１，２２１間において、静止密封環２１０の摺動面２１１のランド部２１２と回転密封環２２０の摺動面２２１のランド部２２２とが接触状態または僅かに離間した非接触状態で摺動している状態において、静止密封環２１０の摺動面２１１に微小凹み２１３、回転密封環２２０の摺動面２２１に微小凹み２２３がそれぞれ対向して設けられていることにより、傾斜溝９の周辺の領域Ｘを対向する回転密封環２２０の摺動面２２１の対向領域Ｙにおけるうねりや微細な凸部に対して確実に非接触の状態とすることができる。これにより、静止密封環２１０の摺動面２１１の摩耗による動圧発生機構１５の変形・破損を確実に抑制することができ、摺動面２１１，２２１間の潤滑性を維持することができる。

次に、実施例４に係る摺動部品につき、図１２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１２に示されるように、静止密封環３１０には、隣接する動圧発生機構１５間に形成される微小凹み３１３に周囲を囲まれた複数の独立ランド部３１８が形成されている。すなわち、静止密封環３１０の摺動面３１１において、独立ランド部３１８は傾斜溝９から離間している。また、静止密封環３１０の摺動面３１１において、独立ランド部３１８は内径側に形成されるランド部３１２と同一平面上に形成されている。尚、本実施例４において、独立ランド部３１８は、軸方向視円形をなしているが、これに限らず、矩形状や線状などの他の形状をなしていてもよい。また、独立ランド部３１８は、微小凹み３１３に複数形成されているが、隣接する動圧発生機構１５間に１つの独立ランド部３１８が形成されるものであってもよい。

このように、静止密封環３１０には、隣接する動圧発生機構１５間に形成される微小凹み３１３に周囲を囲まれた複数の独立ランド部３１８が形成されている。そのため、相対回転する静止密封環３１０と回転密封環１２０の摺動面３１１，１２１間において、静止密封環３１０の摺動面３１１のランド部３１２及び独立ランド部３１８と回転密封環１２０の摺動面１２１のランド部１２２とが接触状態または僅かに離間した非接触状態で摺動している状態において、静止密封環３１０の摺動面３１１に微小凹み３１３が設けられていることにより動圧発生機構１５を構成する傾斜溝９の周辺の領域Ｘを対向する回転密封環１２０の摺動面１２１における対向領域Ｙにおけるうねりや微細な凸部に対して確実に非接触の状態とすることができる。これにより、静止密封環３１０の摺動面３１１の摩耗による動圧発生機構１５の変形・破損を確実に抑制することができる。

また、独立ランド部３１８により動圧発生機構１５を構成する傾斜溝９の周辺の領域Ｘにおいても回転密封環１２０の摺動面１２１に対して摺動する面積を増やし、摺動面３１１，１２１間における摺動トルクをバランスよく受けることができる。

尚、本実施例４では、独立ランド部３１８は、微小凹み３１３に周囲を囲まれ傾斜溝９から離間しているものであれば、摺動面３１１の内径側に形成されるランド部３１２と接していてもよい。

次に、実施例５に係る摺動部品につき、図１３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１３に示されるように、静止密封環４１０の摺動面４１１には、複数の動圧発生機構１５が静止密封環４１０の周方向に均等に配設されている。摺動面４１１の動圧発生機構１５以外の部分は、動圧発生機構１５を構成する傾斜溝９の壁面９ａ周辺よりも内径側に平端面をなすランド部４１２が設けられ、該ランド部４１２の外径側にランド部４１２に対する凹み量が傾斜溝９よりも少ない微小凹み４１３が設けられている。また、ランド部４１２と微小凹み４１３との境界部分である深さ方向の段差４１４は、軸方向視波形上に離間して配置されるように形成されている。

このように、静止密封環４１０には、摺動面４１１においてランド部４１２と微小凹み４１３との境界部分は軸方向視波形上に離間して配置されるように形成されており、摺動面４１１においてランド部４１２と微小凹み４１３が周方向に交互に配置されるため、摺動面４１１，１２１間における潤滑性と摺動トルクのバランスを両立させることができる。

尚、本実施例５では、動圧発生機構１５が形成される静止密封環４１０の摺動面４１１に微小凹み４１３が形成されているが、前記実施例１のように回転密封環の摺動面において、ランド部と微小凹みとの境界部分が軸方向視波形に周方向に途切れることなく連続的になるように構成されていてもよい。また、ランド部４１２と微小凹み４１３との境界部分の波形は、サイン波、三角波等の各種波形や階段状などの他の形状に形成されてもよい。また、隣接する動圧発生機構１５間に前記実施例４のように微小凹みに周囲を囲まれる独立ランド部が形成されていてもよい。

次に、実施例６に係る摺動部品につき、図１４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１４（ａ）に示されるように、静止密封環５１０の摺動面５１１には、傾斜溝５０９から構成される動圧発生機構５１５と、特定動圧発生機構１６とが複数形成されている。尚、傾斜溝５０９の内径側において周方向に延びる側面は、同一円周上に位置している。特定動圧発生機構１６は、高圧側である被密封液体Ｆ側に連通する凹部及び凹溝としての液体誘導溝部１６１と、液体誘導溝部１６１の外径側端部から紙面反時計回りに静止密封環５１０と同心状に周方向に延びる凹部及び凹溝としてのレイリーステップ１７を備えている。尚、液体誘導溝部１６１は深溝であり、レイリーステップ１７は浅溝である。また、摺動面５１１の動圧発生機構５１５及び特定動圧発生機構１６以外の部分は平端面をなすランド部５１２となっている。

図１４（ｂ）に示されるように、回転密封環５２０の摺動面５２１には平端面をなすランド部５２２の外径側にランド部５２２に対する凹み量が傾斜溝５０９やレイリーステップ１７よりも少ない微小凹み５２３が設けられ、ランド部５２２の内径側に微小凹み５２３と同じ凹み量の微小凹み５２７が設けられている。尚、微小凹み５２３，５２７は、ランド部５２２対する凹み量が傾斜溝５０９やレイリーステップ１７よりも少ないものであれば、異なる凹み量に形成されてもよい。

外径側の微小凹み５２３は、回転密封環５２０の摺動面５２１において、静止密封環５１０の摺動面５１１に配設される動圧発生機構５１５を構成する傾斜溝５０９の周辺の領域Ｘに対向する対向領域Ｙに形成されている。また、本実施例６では、外径側の微小凹み５２３は、大気側に連通し傾斜溝５０９の壁部５０９ａに対応する位置まで延設されており、ランド部５２２と微小凹み５２３との境界部分は軸方向視円形をなしている。

内径側の微小凹み５２７は、回転密封環５２０の摺動面５２１において、静止密封環５１０の摺動面５１１に配設される特定動圧発生機構１６を構成する液体誘導溝部１６１及びレイリーステップ１７の周辺の領域Ｘ’に対向する対向領域Ｙ’に形成されている。また、本実施例６では、内径側の微小凹み５２７は、被密封液体Ｆ側に連通し液体誘導溝部１６１の外径側端部及びレイリーステップ１７の外径側の側壁に対応する位置まで延設されており、ランド部５２２と微小凹み５２７との境界部分は軸方向視円形をなしている。

図１４（ａ）の紙面反時計回りに回転密封環５２０が相対回転する場合には、被密封液体Ｆが移動してレイリーステップ１７内に動圧が発生する。

このように、特定動圧発生機構１６で発生する動圧により摺動面５１１，５２１間を離間させて適当な液膜を生成しつつ、摺動面５１１から低圧側に漏れようとする被密封液体Ｆを動圧発生機構５１５によって回収できる。加えて、静止密封環５１０に対して相対回転する回転密封環５２０には、静止密封環５１０に配設される動圧発生機構５１５及び特定動圧発生機構１６の周辺の領域Ｘ，Ｘ’に対向する対向領域Ｙ，Ｙ’に回転密封環５２０の摺動面５２１のランド部５２２対する凹み量が傾斜溝５０９やレイリーステップ１７よりも少ない微小凹み５２３，５２７がそれぞれ形成されている。そのため、相対回転する静止密封環５１０と回転密封環５２０の摺動面５１１，５２１間において、静止密封環５１０の摺動面５１１のランド部５１２と回転密封環５２０の摺動面５２１のランド部５２２とが接触状態または僅かに離間した非接触状態で摺動している状態において、回転密封環５２０の摺動面５２１に微小凹み５２３，５２７が設けられていることにより、動圧発生機構５１５及び特定動圧発生機構１６の周辺の領域Ｘ，Ｘ’を対向する回転密封環５２０の摺動面５２１の対向領域Ｙ，Ｙ’におけるうねりや微細な凸部に対して確実に非接触の状態とすることができる。これにより、静止密封環５１０の摺動面５１１の摩耗による動圧発生機構５１５及び特定動圧発生機構１６の変形・破損を確実に抑制することができ、摺動面５１１，５２１間の潤滑性を維持することができる。

尚、本実施例６において、動圧発生機構５１５は、傾斜溝に限らず、例えば周方向に延びる円弧状の側壁を有するスパイラル形状やＬ字状の溝、ディンプル形状などの他の形状であってもよい。

また、特定動圧発生機構１６は、液体誘導溝部１６１とレイリーステップ１７により摺動面５１１を直交する方向から見て逆Ｌ字形状に形成されていたが、これに限らず、特定動圧発生機構は例えば傾斜状やスパイラル形状の溝、ディンプル形状などの他の形状であってもよい。

また、変形例として、図１５に示すように、静止密封環５１０の摺動面５１１には、動圧発生機構５１５及び特定動圧発生機構１６の周辺の領域Ｘ，Ｘ’に摺動面５１１のランド部５１２対する凹み量が傾斜溝５０９やレイリーステップ１７よりも少ない外径側の微小凹み５１３及び内径側の微小凹み５１７が形成されていてもよい。尚、外径側の微小凹み５１３及び内径側の微小凹み５１７の一方が回転密封環５２０の摺動面５２１に設けられていてもよい。

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、一般産業機械用のメカニカルシールを例に説明したが、自動車やウォータポンプ用等の他のメカニカルシールであってもよい。また、メカニカルシールに限られず、すべり軸受などメカニカルシール以外の摺動部品であってもよい。

また、前記実施例では、動圧発生機構を静止密封環にのみ設ける例について説明したが、動圧発生機構を回転密封環にのみ設けてもよく、回転密封環と静止密封環の両方に設けてもよい。

また、前記実施例では、摺動部品に同一形状の動圧発生機構が複数設けられる形態を例示したが、形状の異なる動圧発生機構が複数設けられていてもよい。また、動圧発生機構の間隔や数量などは適宜変更できる。

また、前記実施例では、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被密封液体Ｆを密封するアウトサイド形のものとして説明したが、本発明の摺動部品は、摺動面の外径側から内径側に向かって漏れようとする被密封液体Ｆを密封するインサイド形のメカニカルシールに適用されてもよく、図１６に示されるように、動圧発生機構１５を構成する傾斜溝９は、被密封液体Ｆ側に連通するものであってもよい。また、図１６のような構成を前記実施例２～前記実施例６の摺動部品に適用してもよい。

また、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、被密封流体側が低圧側、漏れ側が高圧側となっていてもよいし、被密封流体側と漏れ側とは略同じ圧力であってもよい。

９傾斜溝（凹部，凹溝）
９ａ壁部
９ｄ閉塞端部（一端）
１０静止密封環（摺動部品）
１１摺動面
１２ランド部
１５動圧発生機構
１６特定動圧発生機構
１７レイリーステップ（凹部，凹溝）
２０回転密封環（摺動部品）
２１摺動面
２２ランド部
２３微小凹み
１１０静止密封環（摺動部品）
１１１摺動面
１１２ランド部
１１３微小凹み
１２０回転密封環（摺動部品）
１２１摺動面
１２０ランド部
１６１液体誘導溝部（凹部，凹溝）
２１０静止密封環（摺動部品）
２１１摺動面
２１２ランド部
２１３微小凹み
２２０回転密封環（摺動部品）
２２１摺動面
２２２ランド部
２２３微小凹み
３１０静止密封環（摺動部品）
３１１摺動面
３１２ランド部
３１３微小凹み
３１８独立ランド部
４１０静止密封環（摺動部品）
４１１摺動面
４１２ランド部
４１３微小凹み
５０９傾斜溝（凹部，凹溝）
５１０静止密封環（摺動部品）
５１１摺動面
５１２ランド部
５１３，５１７微小凹み
５１５動圧発生機構
５２０回転密封環（摺動部品）
５２１摺動面
５２２ランド部
５２３，５２７微小凹み
Ａ低圧側流体
Ｆ被密封液体
Ｘ領域（動圧発生機構の凹部の周辺の領域）
Ｙ対向領域（対向する摺動部品の対向領域）

Claims

回転機械の相対回転する箇所に配置され、少なくとも一方の摺動部品の摺動面に凹部から構成される複数の動圧発生機構が設けられ、一対の摺動部品の摺動面のランド部同士を摺動させて被密封流体をシールする環状をなす一対の摺動部品であって、
前記凹部が設けられた一方の摺動部品の該凹部の周辺の領域が対向する他方の摺動部品の対向領域と離間して形成されており、
前記対向する他方の摺動部品の対向領域には該他方の摺動部品の前記ランド部よりも凹み、かつ前記凹部の凹み量よりも小さい環状の微小凹みが形成されている摺動部品。
回転機械の相対回転する箇所に配置され、少なくとも一方の摺動部品の摺動面に凹部から構成される複数の動圧発生機構が設けられ、一対の摺動部品の摺動面のランド部同士を摺動させて被密封流体をシールする環状をなす一対の摺動部品であって、
前記凹部が設けられた一方の摺動部品の該凹部の周辺の領域が対向する他方の摺動部品の対向領域と離間して形成されており、
隣接する前記凹部の間は微小凹みにより繋がっている摺動部品。
前記凹部は一端が閉塞された凹溝であって、該一端が環状をなす前記ランド部同士が対向する領域内まで延びている請求項１または２に記載の摺動部品。
前記他方の摺動部品の微小凹みの前記ランド部側の境界部分は、軸方向視波形に形成されている請求項１に記載の摺動部品。
隣接する前記凹部の間には、前記微小凹みに周囲を囲まれた独立ランド部が形成されている請求項２に記載の摺動部品。
前記微小凹みの前記ランド部側の境界部分は、軸方向視波形上に配置されるように形成されている請求項２または５に記載の摺動部品。
前記凹部は傾斜溝である請求項１ないし６のいずれかに記載の摺動部品。
前記凹部は漏れ側に連通している請求項１ないし７のいずれかに記載の摺動部品。
少なくとも一方の摺動部品の摺動面には、前記動圧発生機構よりも被密封流体側に配置され前記動圧発生機構とは独立する凹部から構成される特定動圧発生機構が設けられており、
前記特定動圧発生機構の凹部が設けられた摺動部品の該凹部の周辺の領域が対向する摺動部品の対向領域と離間して形成されている請求項１ないし８のいずれかに記載の摺動部品。