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WO2019009345A1 - 摺動部材 - Google Patents

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WO2019009345A1
WO2019009345A1 PCT/JP2018/025425 JP2018025425W WO2019009345A1 WO 2019009345 A1 WO2019009345 A1 WO 2019009345A1 JP 2018025425 W JP2018025425 W JP 2018025425W WO 2019009345 A1 WO2019009345 A1 WO 2019009345A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sliding
recess
dimple
fluid
peripheral portion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2018/025425
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
忠継 井村
井上　秀行
雄一郎 徳永
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Eagle Industry Co Ltd
Original Assignee
Eagle Industry Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Eagle Industry Co Ltd filed Critical Eagle Industry Co Ltd
Priority to US16/622,826 priority Critical patent/US11248706B2/en
Priority to JP2019527756A priority patent/JP7086489B2/ja
Priority to CN201880040725.XA priority patent/CN110770456B/zh
Priority to EP18828562.1A priority patent/EP3650722B1/en
Priority to KR1020197037621A priority patent/KR102302877B1/ko
Publication of WO2019009345A1 publication Critical patent/WO2019009345A1/ja
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    • F16J15/3412—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member and characterised by parts or details relating to lubrication, cooling or venting of the seal at least one ring having an uneven slipping surface with cavities
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    • F16J15/3408—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member and characterised by parts or details relating to lubrication, cooling or venting of the seal at least one ring having an uneven slipping surface
    • F16J15/3424—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member and characterised by parts or details relating to lubrication, cooling or venting of the seal at least one ring having an uneven slipping surface with microcavities
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    • F16C2300/02—General use or purpose, i.e. no use, purpose, special adaptation or modification indicated or a wide variety of uses mentioned

Definitions

  • the present invention relates to, for example, mechanical seals, sliding bearings, and other sliding parts suitable for sliding parts.
  • the present invention relates to a sliding component such as a seal ring or a bearing for interposing a fluid on a sliding surface to reduce friction and preventing fluid from leaking from the sliding surface.
  • Patent Document 1 A sliding portion such as a mechanical seal is often provided with a concave portion called a dimple to improve lubricity and sealing performance.
  • Patent Document 2 Patent Document 2
  • the present invention has been made in view of such problems, and can sufficiently draw out the performance of a plurality of dimples formed on the sliding surface, thereby improving the lubricating performance and the sealing performance. It aims to provide a sliding part.
  • the dimple is characterized by including a concave portion, and an outer peripheral portion of the concave portion and a peripheral portion shallower than the concave portion.
  • a high pressure is generated at the shallow peripheral portion of the outer peripheral portion of the recess to further improve the fluid lubrication effect and the sealing effect by the recess, and to provide a sliding component having excellent sealing performance and lubricity.
  • the sliding component of the present invention is The peripheral portion is characterized by including an inclined wall portion connected to the sliding surface and having a smaller gradient than the wall portion of the recess. According to this feature, a higher pressure can be generated by utilizing the wedge portion formed by the inclined wall portion of the outer peripheral portion of the recess, and the fluid lubrication effect and the sealing effect of the dimple can be enhanced.
  • the sliding component of the present invention is The inclined wall portion is characterized in that at least a part thereof has a curved surface. According to this feature, it is possible to easily form extremely small gradients using curved surfaces.
  • the sliding component of the present invention is It is characterized in that the slope of the peripheral portion is 1/100 or less. According to this feature, the peripheral portion can always form a wedge with a small slope and can reliably generate high pressure.
  • the sliding component of the present invention is The peripheral portion is characterized by comprising a Rayleigh step or a reverse Rayleigh step. According to this feature, it is possible to suck in fluid by the reverse Rayleigh step, generate high pressure by the Rayleigh step, and enhance the fluid lubrication effect and sealing effect of the dimple.
  • the sliding component of the present invention is When a depth of the recess is G and an opening diameter of the recess in the sliding surface is D, a ratio G / D of the depth to the opening diameter is 0.25 to 1. According to this feature, the fluid stored in the recess can be supplied to the peripheral portion to form a fluid film at the peripheral portion.
  • the sliding component of the present invention is When the width of the peripheral portion is E, the ratio E / D of the width to the opening diameter is 0.15 to 0.5. According to this feature, it is possible to increase the load capacity by increasing the area of the peripheral portion that generates high pressure.
  • the sliding component of the present invention is
  • the depth G of the recess may be 5 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • the fluid stored in the recess can be sufficiently supplied to the peripheral portion to form a high pressure fluid film at the peripheral portion.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along a line AA in FIG. 2 and illustrates a cross-sectional shape of a dimple according to Example 1 of the present invention. It is a figure which shows the pressure distribution in the dimple based on Example 1 of this invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along a line AA in FIG. 2 and illustrates a cross-sectional shape of a dimple according to Example 2 of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along a line AA in FIG. 2 and illustrates a cross-sectional shape of a dimple according to Example 3 of the present invention.
  • (A) shows the modification of the C section of FIG. 5
  • (b) shows the modification of the D section of FIG.
  • a sliding component according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4.
  • a mechanical seal which is an example of a sliding component
  • lubricating oil is applied to one axial side of a cylindrical sliding surface. It is also possible to use as a sliding part of a bearing that slides on a rotating shaft while sealing.
  • the outer peripheral side of the sliding component which comprises a mechanical seal is demonstrated as a high-pressure fluid side (sealed fluid side), and an inner peripheral side is a low-pressure fluid side (leakage side).
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an example of the mechanical seal 1 and is of the inside type in which a sealed fluid on the high pressure fluid side which tends to leak from the outer periphery of the sliding surface toward the inner circumferential direction is sealed.
  • a circle which is one sliding component provided in a rotatable manner integrally with the rotary shaft 9 via the sleeve 2 on the side of the rotary shaft 9 for driving the pump impeller (not shown) on the high pressure fluid side.
  • An annular rotary side sealing ring 3 and an annular stationary side sealing ring 5 which is the other sliding part provided in the pump housing 4 in a non-rotational state and capable of axial movement are provided.
  • the material of the rotating side sealing ring 3 and the stationary side sealing ring 5 is selected from silicon carbide (SiC) excellent in wear resistance and carbon excellent in self-lubricity.
  • the side seal ring 3 may be SiC and the fixed side seal ring 5 may be a combination of carbon.
  • a dimple is disposed on the sliding surface of at least one of the rotating seal ring 3 and the fixed seal ring 5 that slide relative to each other.
  • the term "dimple” refers to a recess having an opening surrounded by a flat sliding surface S (land) and having a bottom recessed from the sliding surface S, and the shape thereof is particularly It is not limited.
  • the shape of the opening of the recess includes a circle, a triangle, an ellipse, an oval, or a rectangle, and the cross-sectional shape of the recess also has various shapes such as a cone, a truncated cone, a semicircle, a bowl, or a square. The form is included.
  • the rotary sealing ring 3 may be provided with no dimples.
  • the plurality of dimples may be regularly arranged on the sliding surface S to form an aligned dimple group, or may be irregularly arranged to form a random dimple group, and further, the array dimples may be formed.
  • the group and the random dimple group may be arranged in combination.
  • a plurality of dimples 10 having substantially circular openings are disposed on substantially the entire sliding surface S of the stationary sealing ring 5.
  • the dimple 10 is mainly composed of a recess 15 having a conical step shape and a peripheral edge 11 connected to the outer periphery of the wall 15 a of the recess 15 and spreading like a trumpet.
  • the concave portion 15 has a bottom portion 15b having a depth G at the center thereof, and a wall portion 15a which inclines with a substantially constant gradient from the vicinity of the bottom portion 15b toward the sliding surface and the opening gradually increases.
  • the opening diameter D of the recess 15 in the sliding surface S is defined as the diameter of an imaginary figure in which the sliding surface S intersects with the extension surface 15 c extending the surface that divides the wall portion 15 a.
  • the peripheral edge portion 11 has an outer peripheral edge portion 11a smoothly connected to the sliding surface S outside the opening diameter D of the concave portion 15 and a downward sliding inclination from the outer peripheral edge portion 11a to the central portion of the concave portion 15
  • the inner wall 11b has a curved surface convex toward the inside and has a gradient smaller than that of the wall 15a, and an inner peripheral edge 11c in which the inclined wall 11b and the wall 15a are connected.
  • the outer peripheral edge portion 11a, the inclined wall portion 11b, the inner peripheral edge portion 11c, and the wall portion 15a may be a convex curved surface directed to the inside of the dimple 10 as a whole.
  • the bottom portion 15b of the recess 15 has a pointed shape, the present invention is not limited to this, and may be a hemispherical surface or a flat surface.
  • the relationship between the depth G of the dimple 10, that is, the depth G of the recess 15, the radial width E1 of the peripheral edge 11, and the opening diameter D of the recess 15 is 0.25 ⁇ G / D ⁇ 1, 0. It is set to about 15 ⁇ E1 / D ⁇ 0.5.
  • the gradient of the peripheral part 11 is set to 1/100 or less.
  • the opening diameter D is about 36 ⁇ m
  • the dimple depth G is about 25 ⁇ m
  • the radial width E1 of the peripheral portion 11 is about 8 ⁇ m.
  • the opening diameter D of the recess 15 is preferably 10 ⁇ m to 60 ⁇ m
  • the radial width E1 of the peripheral portion 11 is 5 ⁇ m to 20 ⁇ m
  • the depth G of the recess 15 is 5 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • the peripheral edge portion 11 of the dimple 10 is formed of a curved surface, the outer peripheral edge portion 11a where the peripheral edge portion 11 smoothly communicates with the sliding surface S can easily form a slope of about 1/1000.
  • the mechanical seal 1 having the dimple 10 configured as described above has the following effects.
  • the peripheral edge portion 11 of the dimple 10 is formed in a very small gradient of 1/100 or less, the sliding surface S of the rotating seal ring 3 and the sliding surface S of the stationary seal ring 5 In between can always form a wedge. Thereby, the fluid sucked into the dimple 10 from the sliding surface S on the upstream side of the dimple 10 efficiently generates a positive pressure at the wedge portion of the peripheral portion 11 on the downstream side, and the peak Pmax of the positive pressure P2 Can also be raised.
  • the radial direction width E1 to be wide within the range of 0.15 ⁇ E1 / D ⁇ 0.5, the area of the region where the high positive pressure P2 is generated can be increased, so the sliding surface S can improve the lifting force, that is, the load capacity of the dimple 10.
  • the pressure of the sealed fluid is a high pressure fluid having a pressure of 1 MPa or more, for example, about 5 MPa, the sliding surface S can reliably obtain a lubricating function.
  • the depth G of the dimple 10 is formed deep within the range of 0.25 ⁇ G / D ⁇ 1 with respect to the opening diameter D of the recess 15, the volume of the recess 15 can be increased.
  • the fluid sucked into the dimple 10 is sufficiently stored in the recess 15 and the fluid can be stably supplied from the recess 15 to the positive pressure region of the peripheral portion 11, so that a stable lubricating function is achieved without breakage of the fluid film.
  • the dimple 10 according to the present invention has a wide peripheral portion 11 with a very small gradient and a wide peripheral portion 11 on the outer peripheral portion of the concave portion 15 so that the load capability of the dimple 10 is obtained. Can be enhanced efficiently. Further, by arranging a plurality of dimples 10 having an increased load capacity on the sliding surface S, it is possible to enhance the lubricating performance and the sealing performance of the entire sliding component.
  • the inclined wall portion 11b of the peripheral portion 11 of the first embodiment is a curved surface, while the inclined wall portion 21b of the peripheral portion 21 of the second embodiment is different in that it is an inclined surface having a certain slope.
  • the same reference numerals are given to the same components as the components shown in the above embodiment, and the redundant description will be omitted.
  • the dimple 10 is mainly composed of a conical recess 15 and a peripheral edge 21 continuous with the outer periphery of the wall 15a of the recess 15 and having a smaller gradient than the wall 15a.
  • the concave portion 15 has a bottom portion 15b having a depth G at its central portion, and a wall portion 15a which inclines with a substantially constant gradient from the vicinity of the bottom portion 15b toward the sliding surface and the opening gradually increases.
  • the opening diameter D of the conical recess 15 is the diameter of an imaginary figure formed by crossing the extension surface 15c extending the surface defining the wall portion 15a and the sliding surface S.
  • the peripheral edge portion 21 has an outer peripheral edge portion 21a connected to the sliding surface S outside the opening diameter D of the recessed portion 15, a constant downward inclination from the outer peripheral edge portion 21a to the center of the recessed portion 15, and smaller than the wall portion 15a. It includes an inclined wall portion 21b having a slope, and an inner peripheral portion 21c in which the inclined wall portion 21b and the wall portion 15a are connected.
  • the relationship between the depth G of the dimple 10, the radial width E2 of the peripheral portion 21, and the opening diameter D of the recess 15 is 0.25 ⁇ G / D ⁇ 1, 0.15 ⁇ E2 / D ⁇ 0. It is set to about 5.
  • the gradient of the peripheral part 21 is set to 1/100 or less.
  • the opening diameter D is approximately 36 ⁇ m
  • the dimple depth G is approximately 25 ⁇ m
  • the radial width E2 of the peripheral portion 21 is approximately 8 ⁇ m.
  • the peripheral portion 21 of the dimple 10 is formed to have a very small gradient of 1/100 or less, so the sliding surface S of the rotating seal ring 3 and the sliding surface of the stationary seal ring 5 A wedge can always be formed between it and S.
  • the fluid sucked into the dimple 10 from the sliding surface S on the upstream side of the dimple 10 efficiently generates a positive pressure at the wedge portion of the peripheral portion 11 on the downstream side, and the peak Pmax of the positive pressure P2 Can also be raised.
  • the radial direction width E2 is formed to be wide within the range of 0.15 ⁇ E2 / D ⁇ 0.5, the area of the region where the high positive pressure P2 is generated can be made large. Load capacity can be improved.
  • the depth G of the dimple 10 is formed deep within the range of 0.25 ⁇ G / D ⁇ 1 with respect to the opening diameter D of the recess 15, the volume of the recess 15 can be increased.
  • the fluid sucked into the dimple 10 is sufficiently stored in the recess 15 and the fluid can be stably supplied from the recess 15 to the positive pressure region of the peripheral portion 11, so that the stable lubricating performance can be achieved without breakage of the fluid film.
  • the dimple 10 is provided with the deeply formed recess 15 and the wide peripheral portion 21 with a very small gradient on the outer peripheral portion of the recess 15, the dimple 10 is Can effectively increase the load capacity of the Further, by arranging a plurality of dimples 10 having an increased load capacity on the sliding surface S, it is possible to enhance the lubricating performance and the sealing performance of the entire sliding component.
  • the inclined wall 21 b of the peripheral portion 21 is an inclined surface having a certain slope
  • the present invention is not limited to this.
  • the inflow resistance when fluid flows in into a wedge part can be reduced by making the inner peripheral part 21d which the inclined wall part 21b and the wall part 15a continue on a curved surface.
  • high pressure can be generated more efficiently at the peripheral portion 21 of the dimple 10, and the load capacity of the dimple 10 can be improved.
  • the inclined wall portion 11b of the peripheral portion 11 of the first embodiment is a curved surface
  • the inclined wall portion 21b of the peripheral portion 21 of the second embodiment is an inclined surface having a constant slope.
  • Bottom wall 31b differs in that it has a bottom with a constant depth.
  • the dimple 10 is mainly composed of a conical recess 15 and a peripheral edge 31 having a recess shallower than the recess 15 outside the wall 15 a of the recess 15.
  • the recess 15 is inclined at a substantially constant gradient from the vicinity of the bottom 15b and the bottom 15b having the depth G at the center to the sliding surface, and the wall gradually increases in size It has 15a.
  • the opening diameter D of the conical recess 15 is defined as the diameter of an imaginary figure formed by crossing the extension surface 15c extending the surface defining the wall portion 15a and the sliding surface S.
  • the peripheral edge 31 is an outer peripheral edge 31a connected to the sliding surface S outside the opening diameter D of the recess 15, a peripheral wall 31e standing on the outer peripheral edge 31a, a bottom wall connected to the peripheral wall 31e and having a constant depth ⁇ . 31b, and an inner peripheral edge 31c in which a bottom wall 31b and a wall 15a are connected.
  • the relationship between the depth G of the dimple 10 (the depth G of the recess 15), the radial width E3 of the peripheral edge 31, and the aperture diameter D of the recess 15 is 0.25 ⁇ G / D ⁇ 1, 0. It is set to about 15 ⁇ E3 / D ⁇ 0.5.
  • the opening diameter D is approximately 36 ⁇ m
  • the dimple depth G is approximately 25 ⁇ m
  • the radial width E3 of the peripheral portion 21 is approximately 8 ⁇ m.
  • the opening diameter D of the recess 15 is 10 ⁇ m to 60 ⁇ m
  • the radial width E3 of the peripheral edge 11 is 5 ⁇ m to 20 ⁇ m
  • the depth G of the recess 15 is 5 ⁇ m to 50 ⁇ m
  • the depth ⁇ of the bottom wall 31 b of the peripheral edge 31 is 1 ⁇ m It is preferable to form in about 5 micrometers.
  • the bottom wall 31b of the peripheral portion 31 of the dimple 10 Since the bottom wall 31b of the peripheral portion 31 of the dimple 10 has a constant depth ⁇ , it acts as an inverse Rayleigh step on the upstream side of the dimple 10 to generate a negative pressure to flow fluid from the sliding surface S into the dimple 10 Can be drawn with low loss and act downstream as a Rayleigh step to generate positive pressure.
  • the radial width E3 is formed to be wide within the range of 0.15 ⁇ E3 / D ⁇ 0.5, so that the load capability of the dimple 10 is obtained. Can be improved.
  • the depth G of the dimple 10 is formed deep within the range of 0.25 ⁇ G / D ⁇ 1 with respect to the opening diameter D of the recess 15, the volume of the recess 15 can be increased.
  • the fluid sucked into the dimple 10 is sufficiently stored in the recess 15 and the fluid can be stably supplied from the recess 15 to the positive pressure region of the peripheral portion 11, so that the stable lubricating performance can be achieved without breakage of the fluid film.
  • the peripheral edge portion 31 of the third embodiment has the bottom wall 31b of the fixed depth ⁇ , it can be easily manufactured, and the load capacity of the dimple 10 can be efficiently enhanced. Further, by arranging a plurality of dimples 10 having an increased load capacity on the sliding surface S, it is possible to enhance the lubricating performance and the sealing performance of the entire sliding component.
  • the inner peripheral edge portion 31d in which the bottom wall 31b and the wall portion 15a are connected can be a curved surface to reduce the inflow resistance when fluid flows into the Rayleigh step.
  • high pressure can be generated more efficiently in the peripheral portion 31 of the dimple 10, and the load capacity of the dimple 10 can be improved.
  • the dimples 10 are provided on the entire surface of the sliding surface S in the above embodiment, the present invention is not limited to this.
  • sealing performance and lubricity can be achieved. It may be improved.
  • the island-like dimple group may be communicated with the low pressure fluid side, and the suction amount may be increased from the low pressure fluid side to further improve the sealing performance, or the island-like dimple group may be communicated with the high pressure fluid side. The amount of fluid supplied from the high pressure fluid side may be increased to further improve the lubricity.
  • the island-like dimple group may be communicated with the low pressure fluid side and the high pressure fluid side to further improve the sealing performance and the lubricity.
  • Examples 1 to 3 although the outer peripheral side of the sliding component is described as the high pressure fluid side (sealed fluid side) and the inner peripheral side is the low pressure fluid side (leakage side), the present invention is not limited thereto.
  • the present invention is not limited to the above, and is applicable to the case where the outer peripheral side of the sliding component is the low pressure fluid side (leakage side) and the inner peripheral side is the high pressure fluid side (sealed fluid side).

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Abstract

【課題】摺動面に形成された複数のディンプルの性能を十分に引き出すことができ、延いては潤滑性能及び密封性能を向上させた摺動部品を提供することを目標とする。 【解決手段】互いに相対摺動する摺動面Ｓを有する一対の摺動部品であって、少なくとも一方側の摺動面Ｓは、複数のディンプル１０を備え、ディンプル１０は、凹部１５と、凹部１５の外周部に、かつ、凹部１５より浅い周縁部１１と、を備える。

Description

摺動部材
　本発明は、たとえば、メカニカルシール、すべり軸受、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ための密封環または軸受などの摺動部品に関する。
　メカニカルシール等の摺動部にディンプルと呼ばれる凹部を設け、潤滑性や密封性を向上させることがしばしば行われている。（特許文献１、特許文献２）
特開２００３－３４３７４１号公報 特許５５１８５２７号公報
　近年、ノンフロン冷媒としてＣＯ２等の自然冷媒の普及が進んでいる。しかし、これら自然冷媒の使用圧力は非常に高く、従来のディンプルを設けたメカニカルシールでは焼き付き等が発生し、十分な密封性を発揮できない場合がある。
　本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、摺動面に形成された複数のディンプルの性能を十分に引き出すことができ、延いては潤滑性能及び密封性能を向上させた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、
　互いに相対摺動する摺動面を有する一対の摺動部品であって、少なくとも一方側の摺動面は、複数のディンプルを備え、
　前記ディンプルは、凹部と、前記凹部の外周部に、かつ、前記凹部より浅い周縁部と、を備えることを特徴としている。
　この特徴によれば、凹部の外周部の浅い周縁部に高い圧力を発生させて、凹部による流体潤滑効果及び密封効果をさらに向上させ、密封性及び潤滑性に優れた摺動部品を提供することができる。
　本発明の摺動部品は、
　前記周縁部は、前記摺動面に連なり前記凹部の壁部より小さな勾配を有する傾斜壁部を備えることを特徴としている。
　この特徴によれば、凹部の外周部の傾斜壁部によって形成されるくさび部を利用してさらに高い圧力発生させて、ディンプルの流体潤滑効果及び密封効果を高めることができる。
　本発明の摺動部品は、
　前記傾斜壁部は、少なくとも一部に曲面を備えることを特徴としている。
　この特徴によれば、曲面を利用して極めて小さな勾配を容易に形成することができる。
　本発明の摺動部品は、
　前記周縁部の前記勾配は１／１００以下であることを特徴としている。
　この特徴によれば、周縁部は小さな勾配を有するくさび部を常に形成でき、確実に高圧を発生させることができる。
　本発明の摺動部品は、
　前記周縁部は、レイリーステップ又は逆レイリーステップを備えることを特徴としている。
　この特徴によれば、逆レイリーステップにより流体を吸込み、レイリーステップにより高圧を発生させ、ディンプルの流体潤滑効果及び密封効果を高めることができる。
　本発明の摺動部品は、
　前記凹部の深さをＧ、前記摺動面における前記凹部の開口径をＤとしたとき、前記深さと前記開口径との比Ｇ／Ｄは０．２５から１であることを特徴としている。
　この特徴によれば、凹部に貯蔵された流体を周縁部に供給して周縁部で流体膜を形成することができる。
　本発明の摺動部品は、
　前記周縁部の巾をＥとしたき、前記巾と前記開口径との比Ｅ／Ｄは０．１５から０．５であることを特徴としている。
　この特徴によれば、高圧を発生する周縁部の面積を大きくして負荷容量を高めることができる。
　本発明の摺動部品は、
　前記凹部の前記深さＧは５μｍから５０μｍであることを特徴としている。
　凹部に貯められた流体を周縁部に十分に供給して、周縁部に高い圧力の流体膜を形成することができる。
本発明に係る摺動部品を適用したメカニカルシールの一例を示す縦断面図である。 図１のＷ－Ｗ矢視図であり、本発明の実施例１に係る摺動部品の摺動面の一例である。 図２の断面Ａ－Ａであり、本発明の実施例１に係るディンプルの断面形状を示す。 本発明の実施例１に係るディンプルにおける圧力分布を示す図である。 図２の断面Ａ－Ａであり、本発明の実施例２に係るディンプルの断面形状を示す。 図２の断面Ａ－Ａであり、本発明の実施例３に係るディンプルの断面形状を示す。 （ａ）は図５のＣ部の変形例、（ｂ）は図６のＤ部の変形例を示す。
　本発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置などは、特に明示的な記載がない限り、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
　図１ないし図４を参照して、本発明の実施例１に係る摺動部品について説明する。なお、以下の実施例においては、摺動部品の一例であるメカニカルシールを例にして説明するが、これに限定されることなく、例えば、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。なお、メカニカルシールを構成する摺動部品の外周側を高圧流体側（被密封流体側）、内周側を低圧流体側（漏れ側）として説明する。
　図１は、メカニカルシール１の一例を示す縦断面図であって、摺動面の外周から内周方向に向かって漏れようとする高圧流体側の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り、高圧流体側のポンプインペラ（図示省略）を駆動させる回転軸９側にスリーブ２を介してこの回転軸９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である円環状の回転側密封環３と、ポンプのハウジング４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である円環状の固定側密封環５とが設けられ、固定側密封環５を軸方向に付勢するコイルドウェーブスプリング６及びベローズ７によって、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、回転側密封環３と固定側密封環５との互いの摺動面Ｓにおいて、被密封流体が回転軸９の外周側から内周側へ流出するのを防止するものである。なお、図１では、回転側密封環３の摺動面の幅が固定側密封環５の摺動面の幅より広い場合を示しているが、これに限定されることなく、逆の場合においても本発明を適用できることはもちろんである。
　回転側密封環３及び固定側密封環５の材質は、耐摩耗性に優れた炭化ケイ素（ＳｉＣ）及び自己潤滑性に優れたカーボンなどから選定されるが、例えば、両者がＳｉＣ、あるいは、回転側密封環３がＳｉＣであって固定側密封環５がカーボンの組合せが可能である。相対摺動する回転側密封環３あるいは固定側密封環５の少なくともいずれか一方の摺動面には、ディンプルが配設される。
　本発明において、「ディンプル」とは、平坦な摺動面Ｓ（ランド部）に囲まれた開口部を有し、摺動面Ｓよりへこんだ底部を有する窪みのことであり、その形状は特に限定されるものではない。例えば、くぼみの開口部の形状は円形、三角形、楕円形、長円形、もしくは矩形が包含され、くぼみの断面形状も円錐状、円錐台状、半円状、お椀状、または、方形など種々の形が包含される。
　本例では、固定側密封環５の摺動面Ｓに複数のディンプルが配置される場合について説明する。この場合、回転側密封環３にはディンプルは設けられなくても、設けられてもよい。なお、複数のディンプルは、摺動面Ｓに規則的に配置して整列ディンプル群として形成してもよいし、また不規則に配置してランダムディンプル群として形成してもよし、さらには整列ディンプル群とランダムディンプル群とを組み合わせて配置してもよい。
　図２に示すように、固定側密封環５の摺動面Ｓのほぼ全面に、略円形の開口部を有する複数のディンプル１０が配置される。
　図３に示すように、ディンプル１０は、段面形状が円錐状の凹部１５と凹部１５の壁部１５ａの外周部に連なりラッパ状に拡がる周縁部１１とから主に構成される。凹部１５は、その中央に深さＧを有する底部１５ｂ、底部１５ｂ近傍から摺動面に向かって略一定の勾配で傾斜し、徐々に開口が大きくなる壁部１５ａを有する。以下、摺動面Ｓにおける凹部１５の開口径Ｄは、壁部１５ａを区画する面を延長した延長面１５ｃと摺動面Ｓとが交差してなる架空の図形の直径として定義する。周縁部１１は、凹部１５の開口径Ｄの外側において摺動面Ｓに滑らかに連なる外周縁部１１ａ、外周縁部１１ａから凹部１５の中央部に向かう下り傾斜で、相手摺動面（ディンプル１０の内部）に向かって凸状の曲面で、かつ、壁部１５ａより小さな勾配を備える傾斜壁部１１ｂ、及び、傾斜壁部１１ｂと壁部１５ａとが連なる内周縁部１１ｃからなる。外周縁部１１ａ、傾斜壁部１１ｂ、内周縁部１１ｃ及び壁部１５ａは全体としてディンプル１０の内部に向かう凸状の曲面としてもよい。また、凹部１５の底部１５ｂは尖った形状を有しているが、これに限らず半球面であっても、平坦面であってもよい。
　また、ディンプル１０の深さＧ、すなわち凹部１５の深さＧ、周縁部１１の径方向幅Ｅ１、及び、凹部１５の開口径Ｄの関係は、０．２５≦Ｇ／Ｄ≦１、０．１５≦Ｅ１／Ｄ≦０．５程度に設定される。また、周縁部１１の勾配は１／１００以下に設定される。たとえば、図３のディンプル１０においては、開口径Ｄは約３６μｍ、ディンプル深さＧは約２５μｍ、周縁部１１の径方向幅Ｅ１は約８μｍ程度に形成されている。特に、凹部１５の開口径Ｄを１０μｍから６０μｍ、周縁部１１の径方向幅Ｅ１を５μｍから２０μｍ、凹部１５の深さＧを５μｍから５０μｍとするのが好ましい。また、ディンプル１０の周縁部１１は曲面から形成されるので、周縁部１１が摺動面Ｓに滑らかに連なる外周縁部１１ａにおいて容易に１／１０００程度の勾配を形成できる。
　このように構成されたディンプル１０を有するメカニカルシール１は、以下のような作用効果を奏する。
　図４に示すように、相手側摺動面の回転側密封環３が矢印方向へ固定側密封環５に対して相対移動すると、回転側密封環３と固定側密封環５との間の流体は粘性により図４の矢印方向、すなわち左側（以下、「上流側」と記す。）から右側（以下、「下流側」と記す。）に流れる。この結果、摺動面Ｓからディンプル１０内へ流体の粘性によって流体が吸い込まれ、ディンプル１０の上流側では負圧Ｐ１が発生し、ディンプル１０の下流側ではくさび効果によって流体は昇圧して正圧Ｐ２が発生する。その際、ディンプル１０の上流側の負圧部分ではキャビテーションが発生し、キャビテーション領域では流体の蒸気圧に依存した圧力となるので負圧Ｐ１のピークが小さくなる。この結果、ディンプル１０内では正圧Ｐ２の影響が支配的となり、負荷能力が発生して摺動面Ｓが持ち上がる。そして摺動面Ｓが持ち上がると、相対摺動する２つの摺動面の間隙が大きくなり、摺動面Ｓに流体が流入し、潤滑機能が得られる。
　ここで、ディンプル１０の周縁部１１は、勾配１／１００以下の非常に小さな勾配に形成されるので、回転側密封環３の摺動面Ｓと固定側密封環５の摺動面Ｓとの間に常にくさび部を形成することができる。これにより、ディンプル１０の上流側において、摺動面Ｓからディンプル１０内に吸い込まれた流体は、下流側において周縁部１１のくさび部で効率よく正圧を発生させ、しかも正圧Ｐ２のピークＰmaxも高めることができる。
　また、径方向幅Ｅ１は０．１５≦Ｅ１／Ｄ≦０．５の範囲で幅広に形成されることで、高い正圧Ｐ２が発生する領域の面積を大きくすることができるので、摺動面Ｓが持ち上げる力、すなわちディンプル１０の負荷能力を向上させることができる。これにより、被密封流体の圧力が１ＭＰａ以上、たとえば５ＭＰａ程度の高圧流体であっても、摺動面Ｓは確実に潤滑機能を得ることができる。
さらに、ディンプル１０の深さＧは、凹部１５の開口径Ｄに対し０．２５≦Ｇ／Ｄ≦１の範囲で深く形成されるので、凹部１５の容積を大きくできる。これにより、ディンプル１０内に吸い込まれた流体は凹部１５に十分に貯蔵され、凹部１５から周縁部１１の正圧領域へ安定して流体を供給できるので、流体膜が切れることなく安定した潤滑機能を発揮できる。
　加えて、流体を吸込み、昇圧された流体を吐き出すディンプル１０が摺動面Ｓに複数配列されていると、摺動面の内周側に配置されたディンプル１０内へ吸い込まれ、吐き出された昇圧流体は、さらに外径側に配置された複数のディンプル１０による吸い込み、吐き出しが繰り返され、流体は摺動面Ｓの内周部から外周部へ運ばれ、摺動面Ｓ全体として密封機能が向上する。
　以上説明したように、本発明のディンプル１０は、深く形成された凹部１５と、凹部１５の外周部に非常に小さな勾配で、かつ、幅広の周縁部１１とを備えるので、ディンプル１０の負荷能力を効率よく高めることができる。また、負荷能力を高めたディンプル１０を摺動面Ｓに複数配列することにより、摺動部品全体として潤滑性能及び密封性能を高めることができる。
　次に、実施例２に係る摺動部品につき、図１、図２及び図５を参照して説明する。実施例１の周縁部１１の傾斜壁部１１ｂは曲面からなるのに対し、実施例２の周縁部２１の傾斜壁部２１ｂは一定の勾配を有する傾斜面からなる点で異なる。なお、前記実施例に示される構成部分と同一構成部分に付いては同一符号を付して重複する説明を省略する。
　図５に示すように、ディンプル１０は円錐状の凹部１５と、凹部１５の壁部１５ａの外周部に連なるとともに壁部１５ａより小さな勾配を有する周縁部２１とから主に構成される。凹部１５は、その中央部に深さＧを有する底部１５ｂ、底部１５ｂ近傍から摺動面に向かって略一定の勾配で傾斜し、徐々に開口が大きくなる壁部１５ａを有する。以下、円錐形状の凹部１５の開口径Ｄは、壁部１５ａを区画する面を延長した延長面１５ｃと摺動面Ｓとが交差してなる架空の図形の直径である。周縁部２１は、凹部１５の開口径Ｄの外側において摺動面Ｓに連なる外周縁部２１ａ、外周縁部２１ａから凹部１５の中央に向かって一定の下り傾斜で、かつ、壁部１５ａより小さな勾配を備える傾斜壁部２１ｂ、及び、傾斜壁部２１ｂと壁部１５ａとが連なる内周縁部２１ｃからなる。
　また、ディンプル１０の深さＧ、周縁部２１の径方向幅Ｅ２、及び、凹部１５の開口径Ｄの関係は、０．２５≦Ｇ／Ｄ≦１、０．１５≦Ｅ２／Ｄ≦０．５程度に設定される。また、周縁部２１の勾配は１／１００以下に設定される。たとえば、図５のディンプル１０においては、開口径Ｄは約３６μｍ、ディンプル深さＧは約２５μｍ、周縁部２１の径方向幅Ｅ２は約８μｍ程度に形成されている。特に、凹部１５の開口径Ｄを１０μｍから６０μｍ、周縁部１１の径方向幅Ｅ２を５μｍから２０μｍ、凹部１５の深さＧを５μｍから５０μｍとするのが好ましい。
　実施例１と同じく、ディンプル１０の周縁部２１は、勾配１／１００以下の非常に小さな勾配に形成されるので、回転側密封環３の摺動面Ｓと固定側密封環５の摺動面Ｓとの間に常にくさび部を形成できる。これにより、ディンプル１０の上流側において、摺動面Ｓからディンプル１０内に吸い込まれた流体は、下流側において周縁部１１のくさび部で効率よく正圧を発生させ、しかも正圧Ｐ２のピークＰmaxも高めることができる。
　また、径方向幅Ｅ２は０．１５≦Ｅ２／Ｄ≦０．５の範囲で幅広に形成されることで、高い正圧Ｐ２が発生する領域の面積を大きくすることができるので、ディンプル１０の負荷能力を向上させることができる。
　さらに、ディンプル１０の深さＧは、凹部１５の開口径Ｄに対し０．２５≦Ｇ／Ｄ≦１の範囲で深く形成されるので、凹部１５の容積を大きくできる。これにより、ディンプル１０内に吸い込まれた流体は凹部１５に十分に貯蔵され、凹部１５から周縁部１１の正圧領域へ安定して流体を供給できるので、流体膜が切れることなく安定した潤滑性能を発揮できる。
　以上説明したように、実施例２においても、ディンプル１０は、深く形成された凹部１５と、凹部１５の外周部に非常に小さな勾配で、かつ、幅広の周縁部２１とを備えるので、ディンプル１０の負荷能力を効率よく高めることができる。また、負荷能力を高めたディンプル１０を摺動面Ｓに複数配列することにより、摺動部品全体として潤滑性能及び密封性能を高めることができる。
　なお、図５において、周縁部２１の傾斜壁部２１ｂは一定の勾配を有する傾斜面としたがこれに限らない。たとえば、図７（ａ）に示すように、傾斜壁部２１ｂと壁部１５ａとが連なる内周縁部２１ｄを曲面として、流体がくさび部に流入するときの流入抵抗を低減することができる。これにより、ディンプル１０の周縁部２１においてさらに効率よく高圧を発生させ、ディンプル１０の負荷容量を向上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１、図２及び図６を参照して説明する。実施例１の周縁部１１の傾斜壁部１１ｂは曲面からなり、実施例２の周縁部２１の傾斜壁部２１ｂは一定勾配を有する傾斜面からなるのに対し、実施例３の周縁部３１の底部壁３１ｂは一定深さの底部を有する点で異なる。なお、前記実施例に示される構成部分と同一構成部分に付いては同一符号を付して重複する説明を省略する。
　図６に示すように、ディンプル１０は円錐状の凹部１５と凹部１５の壁部１５ａの外側に凹部１５より浅いくぼみを有する周縁部３１とから主に構成される。実施例１及び２と同じく、凹部１５は、その中央部に深さＧを有する底部１５ｂ、底部１５ｂ近傍から摺動面に向かって略一定の勾配で傾斜し、徐々に開口が大きくなる壁部１５ａを有する。以下、円錐形状の凹部１５の開口径Ｄは、壁部１５ａを区画する面を延長した延長面１５ｃと摺動面Ｓとが交差してなる架空の図形の直径として定義する。周縁部３１は、凹部１５の開口径Ｄの外側において摺動面Ｓに連なる外周縁部３１ａ、外周縁部３１ａに立設される周壁３１ｅ、周壁３１ｅに連なり一定の深さδを有する底部壁３１ｂ、及び、底部壁３１ｂと壁部１５ａとが連なる内周縁部３１ｃからなる。
　また、ディンプル１０の深さＧ（凹部１５の深さＧ）、周縁部３１の径方向幅Ｅ３、及び、凹部１５の開口径Ｄの関係は、０．２５≦Ｇ／Ｄ≦１、０．１５≦Ｅ３／Ｄ≦０．５程度に設定される。たとえば、図６のディンプル１０においては、開口径Ｄは約３６μｍ、ディンプル深さＧは約２５μｍ、周縁部２１の径方向幅Ｅ３は約８μｍ程度に形成されている。特に、凹部１５の開口径Ｄを１０μｍから６０μｍ、周縁部１１の径方向幅Ｅ３を５μｍから２０μｍ、凹部１５の深さＧを５μｍから５０μｍ、周縁部３１の底部壁３１ｂの深さδは１μｍから５μｍ程度に形成するのが好ましい。
　ディンプル１０の周縁部３１の底部壁３１ｂは一定の深さδを有するので、ディンプル１０の上流側において、逆レイリーステップとして機能して負圧を発生して摺動面Ｓからディンプル１０内に流体を低損失で吸い込み、下流側において、レイリーステップとして機能して正圧を発生させることができる。
　また、径方向幅Ｅ３は０．１５≦Ｅ３／Ｄ≦０．５の範囲で幅広に形成されることで、正圧が発生する領域の面積を大きくすることができるので、ディンプル１０の負荷能力を向上させることができる。
　さらに、ディンプル１０の深さＧは、凹部１５の開口径Ｄに対し０．２５≦Ｇ／Ｄ≦１の範囲で深く形成されるので、凹部１５の容積を大きくできる。これにより、ディンプル１０内に吸い込まれた流体は凹部１５に十分に貯蔵され、凹部１５から周縁部１１の正圧領域へ安定して流体を供給できるので、流体膜が切れることなく安定した潤滑性能を発揮できる。
　このように、実施例３の周縁部３１は一定深さδの底部壁３１ｂを有するので容易に製作でき、ディンプル１０の負荷能力を効率よく高めることができる。また、負荷能力を高めたディンプル１０を摺動面Ｓに複数配列することにより、摺動部品全体として潤滑性能及び密封性能を高めることができる。
　なお、図６において、周縁部３１の底部壁３１ｂは一定の深さを有していたが、これに限らない。たとえば、図７（ｂ）に示すように、底部壁３１ｂと壁部１５ａとが連なる内周縁部３１ｄを曲面として、流体がレイリーステップに流入するときの流入抵抗を低減することができる。これにより、ディンプル１０の周縁部３１においてさらに効率よく高圧を発生させ、ディンプル１０の負荷容量を向上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、上記実施例において、ディンプル１０は摺動面Ｓの全面に設けられていたが、これに限らない。たとえば、複数のディンプル１０を摺動面Ｓで囲んで島状のディンプル群を形成し、摺動面Ｓの負荷の高い部分に島状のディンプル群を配置することによって、密封性、潤滑性を向上させてもよい。また、島状のディンプル群を低圧流体側に連通させて、低圧流体側から吸込み量を増加させて密封性をさらに向上させてもよいし、島状のディンプル群を高圧流体側に連通させて、高圧流体側からの流体供給量を増加させて潤滑性をさらに向上させてもよい。さらに、島状のディンプル群を低圧流体側及び高圧流体側に連通させて密封性及び潤滑性をさらに向上させてもよい。
　実施例１～実施例３において、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少なくともいずれか一方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、実施例１～実施例３において、摺動部品の外周側を高圧流体側（被密封流体側
）、内周側を低圧流体側（漏れ側）として説明しているが、本発明はこれに限定されるこ
となく、摺動部品の外周側を低圧流体側（漏れ側）、内周側を高圧流体側（被密封流体側
）の場合にも適用可能である。
１　　　　　　メカニカルシール
２　　　　　　スリーブ
３　　　　　　回転側密封環
４　　　　　　ハウジング
５　　　　　　固定側密封環
６　　　　　　コイルドウェーブスプリング
７　　　　　　ベローズ
９　　　　　　回転軸
１０　　　　　ディンプル
１１　　　　　周縁部
１１ａ　　　　外周縁部
１１ｂ　　　　傾斜壁部
１１ｃ　　　　内周縁部
１５　　　　　凹部
１５ａ　　　　壁部
１５ｂ　　　　底部
１５ｃ　　　　延長面
２１　　　　　周縁部
２１ａ　　　　外周縁部
２１ｂ　　　　傾斜壁部
２１ｃ　　　　内周縁部
２１ｄ　　　　内周縁部
３１　　　　　周縁部
３１ａ　　　　外周縁部
３１ｂ　　　　底部壁
３１ｃ　　　　内周縁部
３１ｅ　　　　周壁
Ｄ　　　　　　摺動面における凹部の開口径
Ｅ１　　　　　周縁部の径方向幅
Ｅ２　　　　　周縁部の径方向幅
Ｅ３　　　　　周縁部の径方向幅
Ｓ　　　　　　摺動面

Claims (10)

  1. 　互いに相対摺動する摺動面を有する一対の摺動部品であって、少なくとも一方側の摺動面は、複数のディンプルを備え、
    　前記ディンプルは、凹部と、前記凹部の外周部に、かつ、前記凹部より浅い周縁部と、を備えることを特徴とする摺動部品。
  2. 　前記周縁部は、前記摺動面に連なり、前記凹部の壁部より小さな勾配を有する傾斜壁部を備えることを特徴とする請求項１に記載の摺動部品。
  3. 　前記傾斜壁部は、少なくとも一部に曲面を備えることを特徴とする請求項２に記載の摺動部品。
  4. 　前記周縁部の前記勾配は１／１００以下であることを特徴とする請求項２又は３に記載の摺動部品。
  5. 　前記周縁部は、レイリーステップ又は逆レイリーステップを備えることを特徴とする請求項１に記載の摺動部品。
  6. 　前記凹部の深さをＧ、前記摺動面における前記凹部の開口径をＤとしたとき、前記深さと前記開口径との比Ｇ／Ｄは０．２５から１であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の摺動部品。
  7. 　前記周縁部の巾をＥとしたき、前記巾と前記開口径との比Ｅ／Ｄは０．１５から０．５であることを特徴とする請求項６に記載の摺動部品。
  8. 　前記凹部の前記深さＧは５μｍから５０μｍであることを特徴とする請求項６又は７に記載の摺動部品。
  9. 　前記周縁部の巾Ｅは５μｍから２０μｍであることを特徴とする請求項７又は８に記載の摺動部品。
  10. 　前記開口径Ｄを１０μｍから６０μｍ、前記巾Ｅを５μｍから２０μｍ及び前記深さＧを５μｍから５０μｍとすることを特徴とする請求項７ないし９のいずれかに記載の摺動部品。
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