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WO2021205555A1 - 摺動部品 - Google Patents

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Publication number
WO2021205555A1
WO2021205555A1 PCT/JP2020/015743 JP2020015743W WO2021205555A1 WO 2021205555 A1 WO2021205555 A1 WO 2021205555A1 JP 2020015743 W JP2020015743 W JP 2020015743W WO 2021205555 A1 WO2021205555 A1 WO 2021205555A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
dimple
dimples
sliding
angle
sliding surface
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/JP2020/015743
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
啓志 鈴木
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 JP2022513757A priority Critical patent/JP7414968B2/ja
Priority to PCT/JP2020/015743 priority patent/WO2021205555A1/ja
Priority to KR1020227030699A priority patent/KR102744483B1/ko
Priority to EP20930551.5A priority patent/EP4102113B1/en
Priority to CN202080098310.5A priority patent/CN115280044A/zh
Priority to US17/908,690 priority patent/US12038087B2/en
Publication of WO2021205555A1 publication Critical patent/WO2021205555A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16JPISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00Sealings
    • F16J15/16Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/34Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member
    • F16J15/3404Sealings 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
    • F16J15/3408Sealings 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
    • F16J15/3424Sealings 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
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16JPISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00Sealings
    • F16J15/16Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/34Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member
    • F16J15/3404Sealings 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
    • F16J15/3408Sealings 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
    • F16J15/3412Sealings 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

Definitions

  • the present invention relates to a pair of sliding parts that slide relative to each other on a sliding surface, for example, a mechanical seal, a plain bearing, and other sliding parts suitable for a sliding part.
  • a sliding component such as a sealing ring or a bearing, which needs to prevent a fluid from leaking from the sliding surface while reducing friction by interposing a fluid in the sliding surface.
  • a sealing device for preventing leakage of the fluid to be sealed a device consisting of a pair of sliding parts that slide relative to each other on the sliding surface (for example, a mechanical seal) is known.
  • a sealing device it is necessary to maintain a high sealing property while reducing the sliding torque by forming a fluid lubricating film with a fluid to be sealed between the sliding surfaces.
  • a technique of arranging a plurality of dimples on the sliding surface is known as one method for realizing high sealing performance and low sliding torque.
  • dimples having a circular opening on the sliding surface can be arranged so as to be lined up on a virtual circumference centered on the rotation center of the sliding component to realize high sealing performance and low sliding torque. Has been done. (See, for example, Patent Document 1).
  • dimples having an elongated track-shaped opening are arranged at a predetermined dimple angle ⁇ , and the circular length L1 of the dimples on the circle passing through the center of the dimples and the circle of the land portion between the adjacent dimples on the same circle. It is known that by setting the ratio L1 / L2 to the circumferential length L2 to 0.001 ⁇ L1 / L2 ⁇ 0.1, the sealing property and sliding torque of the dimple as a whole can be optimally adjusted. (See, for example, Patent Document 2).
  • Patent Document 1 can achieve high sealing performance and low sliding torque under specific operating conditions, but cannot achieve high sealing performance and low sliding torque in a wide rotation speed range.
  • An object of the present invention is to provide a pair of sliding parts that slide relative to each other on a sliding surface, which can realize high sealing performance and low sliding torque even when used in a wide rotation speed range. And.
  • the sliding parts of the present invention are A pair of sliding parts that slide relative to each other on the sliding surface.
  • At least one of the sliding surfaces includes a group of dimples in which dimples having a major axis and a minor axis whose openings are orthogonal to each other are arranged in the radial and circumferential directions.
  • the dimple angle formed by the radial axis passing through the intersection of the long axis and the short axis of the dimple and the center of the sliding surface with the long axis is at least the radial direction or the circumferential direction of the sliding surface. It is characterized by changing in one direction.
  • the suction effect and the dynamic pressure effect of the dimples constituting the dimple group can be changed, so that various operating conditions can be obtained.
  • Dimples suitable for can be arranged, and high sealing performance and low sliding torque can be realized.
  • the sliding component of the present invention is The dimple angle is characterized in that it changes at a constant rate in the radial direction. According to this feature, the suction effect and the dynamic pressure effect of the dimples can be changed in the radial direction by changing the dimple angle of the dimples constituting the dimple group at a constant ratio in the radial direction.
  • the sliding component of the present invention is The dimple angle is characterized in that it changes discontinuously in the radial direction. According to this feature, by changing the dimple angle discontinuously in the radial direction, the suction effect and dynamic pressure effect of the dimples constituting the dimple group can be changed discontinuously in the radial direction, and a specific range. A group of dimples suitable for operating conditions can be placed in.
  • the sliding component of the present invention is The dimple angle is characterized in that the rate of change in the radial direction changes in the radial direction. According to this feature, by changing the rate of change of the dimple angle in the radial direction in the radial direction, dimples suitable for each usage condition can be easily arranged in the radial direction.
  • the sliding component of the present invention is The dimple angle is large on the leak side of the sliding surface and small on the sealed fluid side of the sliding surface.
  • the dimples arranged on the leak side have a large dimple angle, so that the suction effect becomes predominant, and the dimples can suck the fluid from the leak side to make the leak extremely small.
  • the dimples arranged on the sealed fluid side have a small dimple angle, the dynamic pressure effect becomes predominant, so that the dimples can discharge the fluid having a high pressure and reduce the sliding torque.
  • the dimple angle is characterized in that it changes at a constant rate in the circumferential direction. According to this feature, the fluid holding effect, suction effect, and sealing effect of the dimples can be changed in the circumferential direction by changing the dimple angle of the dimples constituting the dimple group at a constant ratio in the circumferential direction.
  • the sliding component of the present invention is The dimple angle is characterized in that it changes discontinuously in the circumferential direction. According to this feature, by changing the dimple angle discontinuously in the circumferential direction, the suction effect and dynamic pressure effect of the dimples constituting the dimple group can be changed discontinuously in the circumferential direction, and a specific range. A group of dimples suitable for operating conditions can be placed in.
  • the sliding component of the present invention is The dimple angle is characterized in that the rate of change in the circumferential direction changes in the circumferential direction. According to this feature, by changing the rate of change of the dimple angle in the radial direction in the circumferential direction, dimples suitable for each usage condition can be easily arranged in the circumferential direction.
  • the sliding component of the present invention is
  • the sliding surface has a plurality of regions defined by a land portion extending in the radial direction.
  • the dimple group is characterized in that it is arranged in the region. According to this feature, dimples suitable for various operating conditions can be arranged in each region, and high sealing performance and low sliding torque can be realized.
  • the sliding component of the present invention is The shape of the opening of the dimple is elliptical. According to this feature, it is possible to arrange dimples suitable for various operating conditions by utilizing the difference in suction effect and dynamic pressure effect in the long axis direction and the short axis direction of elliptical dimples, and by extension, high sealing performance and low sealing performance. Sliding torque can be realized.
  • It is a WW arrow view of FIG. 1, and is a figure which shows an example of the sliding surface of the sliding component which concerns on Example 1 of this invention.
  • It is a WW arrow view of FIG. 1, and is a figure which shows an example of the sliding surface of the sliding component which concerns on Example 2 of this invention.
  • It is a WW arrow view of FIG. 1, and is a figure which shows an example of the sliding surface of the sliding component which concerns on Example 3 of this invention.
  • It is a WW arrow view of FIG. 1, and is a figure which shows an example of the sliding surface of the sliding component which concerns on Example 4 of this invention.
  • 7A-7D show a modified example of the change mode of the dimple angle ⁇ in the radial direction of the sliding surface S.
  • 8A-8D show a modified example of the change mode of the dimple angle ⁇ in the circumferential direction of the sliding surface S.
  • a mechanical seal which is an example of a sliding component
  • the present invention is not limited to this, and for example, the lubricating oil is sealed on one side of the cylindrical sliding surface in the axial direction.
  • it can also be used as a sliding component of a bearing that slides on a rotating shaft.
  • the outer peripheral side of the sliding parts constituting the mechanical seal will be described as the sealed fluid side (high pressure fluid side), and the inner peripheral side will be described as the leakage side (low pressure fluid side, for example, the atmospheric side).
  • FIG. 1 is a vertical cross-sectional view showing an example of the mechanical seal 1, which is an inside type in which a fluid to be sealed that tends to leak from the outer periphery of the sliding surface S toward the inner circumference is sealed. It consists of a rotating cartridge and a fixed cartridge.
  • the rotating cartridge is a packing 8 that seals between the sleeve 2 fitted to the rotating shaft 100, the annular rotating side sealing ring 3 which is one of the sliding parts, and the sleeve 2 and the rotating side sealing ring 3.
  • the rotating cartridge rotates together with the rotating shaft 100.
  • the fixed-side cartridge includes a housing 4 attached to the casing 9, an annular fixed-side sealing ring 5 which is the other sliding component, a bellows 7 that seals the fixed-side sealing ring 5 and the housing 4, and a fixed-side cartridge.
  • a coiled wave spring 6 for urging the sealing ring 5 toward the rotating side sealing ring 3 via the bellows 7 is provided, and the housing 4 is fixed to the casing 9 in the rotational direction and the axial direction.
  • FIG. 1 shows a case where the width of the sliding surface of the rotating side sealing ring 3 is wider than the width of the sliding surface of the fixed side sealing ring 5, but the case is not limited to this, and in the opposite case. Of course, the present invention can also be applied.
  • the materials of the rotating side sealing ring 3 and the fixed side sealing ring 5 are selected from silicon carbide (SiC) having excellent wear resistance and carbon having excellent self-lubricating property.
  • SiC silicon carbide
  • both are SiC or rotating.
  • the side sealing ring 3 is made of SiC and the fixed side sealing ring 5 can be combined with carbon.
  • a plurality of dimples 11 are arranged in the fixed side sealing ring 5.
  • the dimple 11 is a recess having an opening 11a surrounded by a flat sliding surface S and a bottom recessed from the sliding surface S, and the opening 11a of the dimple 11 is a long axis orthogonal to each other. It has a shape having L and a minor axis K. Further, the dimples 11 are arranged apart from each other with the land portion R interposed therebetween.
  • the long axis L is a fictitious line that passes through the center of gravity G of the shape of the opening 11a and connects the maximum width portion of the opening 11a
  • the short axis K is the center of gravity G of the opening 11a. It is a fictitious line connecting the openings 11a facing each other in the direction orthogonal to the long axis L.
  • the opening 11a of the dimple 11 in this embodiment will be described by taking an ellipse having an orthogonal major axis L and a minor axis K as an example.
  • the shape is not limited to an ellipse, and any shape having an orthogonal major axis and a minor axis can be oval, rhombic, triangular, rectangular, polygonal, or any closed curve 91, 92, 93, as shown in FIG. It may consist of 94.
  • the function of the dimple 11 will be described.
  • the fluid between the sliding surfaces S and the fluid in the dimples 11 move due to the viscosity of the rotating-side sealing ring 3. It moves according to the direction. Since the flow path of the fluid flowing into the dimple 11 rapidly expands, a negative pressure is generated on the upstream side of the dimple 11 and cavitation occurs. However, since the magnitude of the negative pressure in the cavitation is limited by the value of the vapor pressure of the fluid, it does not become a large negative pressure.
  • the fluid is boosted to a positive pressure by the wedge effect (dynamic pressure effect) due to the rapid contraction of the flow path. Due to the negative pressure generated on the upstream side of the dimple 11, the dimple 11 exerts a suction effect of sucking the surrounding fluid.
  • the fluid boosted by the wedge effect is supplied to the sliding surface S, and the fluid lubrication state is maintained between the sliding surfaces S.
  • the dimple angle ⁇ includes the radial axis r passing through the intersection (center G) of the major axis L and the minor axis K of the center C of the sliding surface S and the dimple 11, and the major axis L.
  • the angle ⁇ between.
  • the dimple 11 has different suction effect and dynamic pressure effect depending on the dimple angle ⁇ size.
  • the dimple angle ⁇ 90 °, that is, when the long axis L of the dimple 11 is arranged in the circumferential direction, the dimple 11 has a higher function of holding the fluid.
  • the dimple angle ⁇ about 45 °, the suction effect of the dimple 11 becomes high.
  • the dimple angle is 0 °, that is, when the long axis L of the dimple 11 is arranged in the radial direction, the dynamic pressure effect becomes high.
  • the suction effect can be strengthened or the dynamic pressure effect can be strengthened. can. Furthermore, by changing the elliptical shape and depth, dimples with various characteristics can be obtained.
  • the dimple group 60 is configured by arranging sub-dimple groups 62 and 63 arranged in a line in the radial direction in a predetermined number (120 in the example of FIG. 2) in the circumferential direction at equal intervals.
  • Sub-dimple groups 62 are arranged in a radial direction on one peripheral edge (leakage side) of the sliding surface S, and sub-dimple group 63 is radially arranged on the other peripheral edge (sealed fluid side) of the sliding surface S. Are arranged in a row.
  • the dimples 62a, 62b, 62c, 62d, 62e, and the dimples 63a, 63b, 63c, 63d, 63e are formed into ellipses having substantially the same opening shape and depth.
  • the sub-dimple group 62 and the sub-dimple group 63 are each composed of five dimples, but the present invention is not limited to this.
  • the number of dimples constituting the sub-dimple group 62 and the sub-dimple group 63 may be 5 or more, 5 or less, or different numbers from each other.
  • the number of sub-dimple groups 62 and sub-dimple groups 63 is 120, respectively, on the sliding surface, but may be more or less than 120. Further, although the sub-dimple groups 62 and 63 arranged in the radial direction are arranged at equal intervals in the circumferential direction, they may be arranged unevenly in the circumferential direction.
  • the group 62 as a whole exhibits a high suction effect.
  • the sub-dimple group 63 as a whole exhibits a high dynamic pressure effect.
  • the sub-dimple group 62 sucks the fluid from the leak side, so that the leak can be extremely reduced.
  • the sub-dimple group 63 having a high dynamic pressure effect on the sealed fluid side of the sliding surface, the sub-dimple group 63 supplies the fluid with a high pressure to the sliding surface S, so that the sliding torque is increased. It can be extremely small.
  • the sliding component of the first embodiment has the following effects. 1.
  • the dimple 11 Due to the negative pressure generated on the upstream side of the dimple 11, the dimple 11 exerts a suction effect of sucking the surrounding fluid.
  • the dimple 11 supplies the fluid boosted by the wedge effect to the sliding surface S on the downstream side, the fluid lubrication effect of the sliding surface S is enhanced.
  • the sub-dimple group 62 sucks the fluid from the leak side, so that the leak can be extremely reduced.
  • the sealing property can be improved, and the sub-dimple group 63 having a high dynamic pressure effect is arranged on the sealed fluid side of the sliding surface.
  • the sliding torque can be made extremely small, so that high sealing performance and low sliding torque can be realized for the dimple group 60 as a whole.
  • a sliding component having high sealing performance and low sliding torque can be obtained.
  • FIG. 3 shows the sliding surface S of the sliding component according to the second embodiment.
  • the dimple group 70 of the second embodiment is different from the first embodiment in that the dimple angle ⁇ changes at a constant rate in the radial direction.
  • the same members and configurations as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
  • the dimple group 70 is configured by arranging a predetermined number of sub-dimple groups 72 arranged in a line in the radial direction (120 in the example of FIG. 2) at equal intervals in the circumferential direction.
  • the sub-dimple group 72 is configured by arranging dimples 72a, 72b, 72c, 72d, 72e, 72f, 72g, 72h, 72i, 72j in the radial direction with the land portion R interposed therebetween.
  • dimples 72a, 72b, 72c, 72d, 72e, 72f, 72g, 72h, 72i, 72j are referred to as "dimples 72a-72j").
  • the dimples 72a-72j constituting the sub-dimple group 72 are ellipses having the same shape, so that the suction effect and the dynamic pressure effect can be continuously changed.
  • the dimples 72a-72j constituting the sub-dimple group 72 the dimples 72a arranged on the leak-side peripheral edge 5a side of the sliding surface have a dimple angle of 45 °, and the suction effect is the highest. Further, since the dimple angle becomes large toward the sealed fluid side, the suction effect is gradually weakened, and the dynamic pressure effect of the dimples 72j arranged on the peripheral edge 5b side of the sliding surface on the sealed fluid side is the highest. Become.
  • the suction effect and the dynamic pressure effect can be continuously changed.
  • the dimples 72a-72j suitable for the respective usage conditions exist.
  • the mechanical seal 1 can reduce leakage and reduce sliding torque even when the usage conditions change.
  • the sliding parts of the second embodiment have the following effects in addition to the effects of the first embodiment. Since the dimple angle ⁇ of the dimples 72a-72j constituting the dimple group 70 continuously changes at a constant rate in the radial direction, the suction effect and the dynamic pressure effect can be continuously changed. As a result, even when the usage conditions such as the rotation speed and the pressure change, the dimples 72a-72j suitable for the respective usage conditions exist. As a result, the mechanical seal 1 can reduce leakage and reduce sliding torque even when the usage conditions change.
  • FIG. 4 shows the sliding surface S of the sliding component according to the third embodiment.
  • Other configurations are the same as in the second embodiment.
  • the same members and configurations as those in the second embodiment are designated by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
  • the dimple group 10 is configured by arranging a predetermined number of sub-dimple groups 12 arranged in a row in the radial direction (120 in the example of FIG. 2) at equal intervals in the circumferential direction.
  • the sub-dimple group 12 is configured by arranging dimples 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f, 12g, 12h, 12i, 12j in the radial direction with the land portion R interposed therebetween (hereinafter, dimples 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f, 12g, 12h, 12i, 12j are referred to as "dimples 12a-12j").
  • the dimple angle ⁇ of the dimples 12a-12j constituting the sub-dimple group 12 changes from 90 ° to 0 ° in the radial direction from the dimple 12a on the leak side toward the dimple 12j on the sealed fluid side at a constant rate in the radial direction.
  • the dimples 12a-12j have substantially the same shape and size of the ellipse of the opening.
  • the number of dimples constituting the sub-dimple group 12 may be more or less than 10. Further, the number of sub dimple groups 12 arranged on the sliding surface S may be more than 120 or less.
  • the dimple angle ⁇ of the dimples 12a-12j constituting the sub-dimple group 12 changes at a constant rate in the radial direction.
  • the dimples 12a, 12b, and 12c arranged on the leak side having a low peripheral speed have a large dimple angle ⁇ , so that the function of holding the fluid is enhanced.
  • the dimple angle ⁇ 90 ° to 70 on the inner diameter side of the sliding surface S.
  • the dynamic pressure effect can be enhanced.
  • the dimples 12g, 12h, 12i, and 12j arranged on the sealed fluid side having a high peripheral speed supply the fluid with a high pressure to the sliding surface S due to the dynamic pressure effect.
  • the fluid lubrication state can be maintained.
  • the sliding parts of the third embodiment have the following effects in addition to the effects of the first embodiment.
  • the dimples 12a, 12b, 12c having a high fluid retention function are arranged on the inner diameter side of the sliding surface S having a low peripheral speed, so that the dimples 12a, 12b, 12c It is possible to prevent the fluid held inside from being supplied to the sliding surface S and becoming poorly lubricated. 3.
  • the fluid is sucked into the dimples 12d, 12e, 12f from the sealed fluid side, so that the flow to the leak side is suppressed, so that the sealing property can be improved.
  • the dimples 12g, 12h, 12i, and 12j having a small dimple angle ⁇ are arranged on the sealed fluid side having a high peripheral speed, the dynamic pressure effect can be enhanced.
  • the dimples 12g, 12h, 12i, and 12j arranged on the sealed fluid side having a high peripheral speed supply the fluid with a high pressure to the sliding surface S due to the dynamic pressure effect.
  • the fluid lubrication state can be maintained.
  • FIG. 5 shows the sliding surface S of the sliding component according to the fourth embodiment, so that the dimple angle ⁇ of the dimples constituting the dimple group 80 is constant in the radial direction and continuously changes in the circumferential direction. It differs from the first embodiment in that it is arranged in. Other configurations are the same as in the first embodiment.
  • the same members and configurations as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
  • the sliding surface S of the fixed-side sealing ring 5 is divided into a predetermined number of regions 20 (4 in the example of FIG. 4) by land portions R provided from the sealed fluid side to the leaking side. ing.
  • a dimple group 80 is arranged in each region.
  • 30 sub dimple groups from the sub dimple group 21 to the sub dimple group 50 are arranged at equal intervals in the circumferential direction with the land portion R interposed therebetween.
  • nine dimples are arranged in a radial direction at equal intervals.
  • each of the sub dimple groups 21-50 is not limited to this, and the number may be more or less than nine. Further, the number of sub-dimple groups arranged in each region is not limited to 30, and may be more or less than 30.
  • a sub-dimple group 21 is arranged at one end (upstream side in the rotation direction) of the region 20, and a sub-dimple group 50 is arranged at the other end (downstream side in the rotation direction) of the region 20. Is arranged.
  • the sub-dimple group 21 has dimples 21a, 21b, 21c, 21d, 21e, 21d, 21f in a row with a land portion sandwiched from one peripheral edge (leakage side) of the sliding surface S to the other peripheral edge (sealed fluid side).
  • 21g, 21h, 21i (hereinafter referred to as "dimples 21a-21i") are arranged and configured.
  • the sub-dimple group 50 has dimples 50a, 50b, 50c, 50d, 50e, 50d, 50f, 50g, 50h, 50i (hereinafter, 50i) in a row with a land portion sandwiched from the leak side of the sliding surface S to the sealed fluid side. It is configured by arranging (denoted as "dimples 50a-50i").
  • the sliding component of the fourth embodiment has the following effects. 1.
  • the dimple angle of the dimple group arranged in the circumferential direction of the region 20 changes in the circumferential direction
  • the fluid holding effect, the suction effect, and the sealing effect of the dimples are continuous in the circumferential direction from the upstream side to the downstream side in the rotation direction.
  • dimple groups having different characteristics are evenly distributed from the sub dimple group 21 to the sub dimple group 50, so that dimple groups suitable for various operating conditions are arranged, and high sealing is performed under various operating conditions. It is possible to realize the property and low sliding torque.
  • FIG. 7A-7D show a modified example of the change mode of the dimple angle ⁇ in the radial direction of the sliding surface S.
  • the dimple angle ⁇ can be changed in the radial direction so as to meet the required operating conditions.
  • FIG. 7A corresponds to the embodiment of FIG. 2, and is a case where the dimple angle changes discontinuously in the radial direction of the sliding surface S.
  • the dimple angle ⁇ of the dimples forming the sub-dimple group arranged on the leak side of the sliding surface S and the dimple angle ⁇ of the dimples forming the sub-dimple group arranged on the sealed fluid side of the sliding surface S Is set to a different size.
  • FIG. 7B is a modification of FIG. 7A, in which the rate of change of the dimple angle on the leak side of the sliding surface and the rate of change of the dimple angle on the sealed fluid side of the sliding surface are different.
  • the dimples constituting the dimple group arranged on the leak side of the sliding surface S all have a constant dimple angle ⁇ , and although the dimple angle does not change, they are arranged on the sealed fluid side of the sliding surface S.
  • the dimple angle ⁇ of the dimples constituting the dimple group changes at a constant rate in the radial direction.
  • FIG. 7C corresponds to the embodiment of FIGS. 3 and 4, and the dimple angle ⁇ of the dimples constituting the dimple group is set so as to change at a constant rate in the radial direction.
  • FIG. 7D shows a case where the rate of change of the dimple angle on the leak side of the sliding surface and the rate of change of the dimple angle on the sealed fluid side of the sliding surface are different.
  • the dimple angle ⁇ of the dimples forming the dimple group arranged on the leak side of the sliding surface S changes at a constant rate in the radial direction.
  • the dimple angles ⁇ of the dimples forming the sub-dimple group arranged on the sealed fluid side of the sliding surface S all have a constant dimple angle ⁇ , and the dimple angles do not change.
  • the dimple angle ⁇ can be changed in the circumferential direction so as to meet the required operating conditions.
  • FIG. 8A shows a case where the dimple angle changes discontinuously from one side to the other in a region provided in the circumferential direction of the sliding surface.
  • FIG. 8B shows a case where the rate of change of the dimple angle on one side of the region and the rate of change of the dimple angle on the other side of the region are different.
  • FIG. 8C corresponds to the embodiment of FIG. 5, and shows a case where the dimple angle changes at a constant rate in the circumferential direction.
  • FIG. 8D shows a case where the rate of change of the dimple angle on one side of the region and the rate of change of the dimple angle on the other side of the region are different.
  • Example 1-3 the dimple angles of the dimples constituting the dimple group changed in the radial direction and were constant in the circumferential direction. Further, in Example 4, the dimple angles of the dimples constituting the dimple group changed in the circumferential direction and were constant in the radial direction. However, not limited to this, the dimple angle of the dimples constituting the dimple group can be set to change in the radial direction and the circumferential direction so as to meet the required operating conditions.
  • the shapes, sizes, and depths of the dimples 11 constituting the dimple group are the same, but at least one of the shapes, sizes, and depths of the adjacent dimples may be different. .. Further, the shape, size, and depth of the dimples may be different for each sub-dimple group.
  • the outer peripheral side is the sealed fluid side and the inner peripheral side is the leak side, but it is not limited to this, and it can be applied when the inner peripheral side is the sealed fluid side and the outer peripheral side is the leak side.

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Abstract

【課題】摺動面にて相対摺動する一対の摺動部品において,広い回転数範囲で,高い密封性及び低摺動トルクを実現できる摺動部品を提供すること。 【解決手段】摺動面Sにて互いに相対摺動する一対の摺動部品3,5であって, 少なとも一方の摺動面Sは,開口部11aの形状が直交する長軸L及び短軸Kを有するディンプル11を径方向及び周方向に配置してなるディンプル群60を備え,ディンプル11の長軸Lと短軸Kとの交点Gと,摺動面Sの中心Cと,を通る半径方向軸rが長軸Lとなすディンプル角度θは,摺動面Sの径方向又は周方向のうち少なくとも一方向に変化する。

Description

摺動部品
 本発明は,摺動面にて相対摺動する一対の摺動部品,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必要のある密封環または軸受などの摺動部品に関する。
 被密封流体の漏れを防止する密封装置として,摺動面にて相対摺動する一対の摺動部品からなるもの(例えば,メカニカルシール)が知られている。このような密封装置において,摺動面間に被密封流体による流体潤滑膜を形成して摺動トルクを低減しつつ,高い密封性を維持する必要がある。そして,高い密封性と低い摺動トルクを実現するための一つの方法として,摺動面にディンプルを複数配列する技術が知られている。
 たとえば,摺動面に円形の開口部を有するディンプルを該摺動部品の回転中心を中心とする仮想円周上に並ぶように配置して,高い密封性及び低摺動トルクを実現できることが知られている。(例えば,特許文献1参照)。
 また,細長いトラック状の開口部を有するディンプルを所定のディンプル角度θで配置し,ディンプル中心を通る円上におけるディンプルの円周方向長さL1と同円上における隣接するディンプル間のランド部の円周方向長さL2との比L1/L2を0.001≦L1/L2≦0.1とすることにより,ディンプル全体としての密封性と摺動トルクとを最適に調整することが知られている(例えば,特許文献2参照)。
特開2010-133496号公報 特許5456772号公報
 特許文献1の技術は,特定の運転条件で高い密封性及び低摺動トルクを達成できても,広い回転数領域において高い密封性及び低摺動トルクを達成できない。
 また,特許文献2の技術においても,ディンプル角度が固定されてしまうので,特定の運転条件で被密封流体の漏れ,及び,摺動トルクを低減することはできても,広い回転数領域において高い密封性及び低摺動トルクを達成できない。
 本発明は,摺動面にて相対摺動する一対の摺動部品において,広い回転数範囲で使用されても,高い密封性及び低摺動トルクを実現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,
 摺動面にて互いに相対摺動する一対の摺動部品であって,
 少なとも一方の前記摺動面は,開口部の形状が直交する長軸及び短軸を有するディンプルを径方向及び周方向に配置してなるディンプル群を備え,
 前記ディンプルの前記長軸と前記短軸との交点と,前記摺動面の中心と,を通る半径方向軸が前記長軸となすディンプル角度は,摺動面の径方向又は周方向のうち少なくとも一方向に変化することを特徴としている。
 この特徴によれば,ディンプル角度が径方向又は周方向のうち少なくとも一方向に変化することにより,ディンプル群を構成するのディンプルの吸込み効果及び動圧効果を変えることができるので,種々の運転条件に適合したディンプルを配置でき,延いては高い密封性及び低摺動トルクを実現できる。
 本発明の摺動部品は,
 前記ディンプル角度は,径方向に一定の割合で変化することを特徴としている。
 この特徴によれば,ディンプル群を構成するディンプルのディンプル角度を径方向に一定の割合で変化させることにより,ディンプルの吸込み効果及び動圧効果を径方向に変えることができる。
 本発明の摺動部品は,
 前記ディンプル角度は,径方向に不連続に変化することを特徴としている。
 この特徴によれば,ディンプル角度は,径方向に不連続に変化させることで,ディンプル群を構成するディンプルの吸込み効果及び動圧効果を径方向に不連続に変化せることができ,特定の範囲に運転条件に適合したディンプル群を配置できる。
 本発明の摺動部品は,
 前記ディンプル角度の径方向の変化割合が,径方向に変化することを特徴としている。
 この特徴によれば,ディンプル角度の径方向の変化割合が,径方向に変化させることで,容易にそれぞれの使用条件に適合したディンプルを径方向に配置できる。
 本発明の摺動部品は,
 前記ディンプル角度は,前記摺動面の漏れ側で大きく,前記摺動面の被密封流体側で小さいことを特徴としている。
 この特徴によれば,漏れ側に配設されるディンプルはディンプル角度が大きいので吸込み効果が優勢になり,ディンプルは漏れ側から流体を吸込んで漏れを極めて小さくできる。また,被密封流体側に配設されるディンプルはディンプル角度が小さいので動圧効果が優勢になるので,ディンプルは圧力の高い流体を吐き出して,摺動トルクを低減できる。
 前記ディンプル角度は,周方向に一定の割合で変化することを特徴としている。
 この特徴によれば,ディンプル群を構成するディンプルのディンプル角度を周方向に一定割合で変化せせることにより,ディンプルの流体保持効果,吸込み効果,密封効果を周方向に変化させることができる。
 本発明の摺動部品は,
 前記ディンプル角度は,周方向に不連続に変化することを特徴としている。
 この特徴によれば,ディンプル角度は,周方向に不連続に変化させることで,ディンプル群を構成するディンプルの吸込み効果及び動圧効果を周方向に不連続に変化せることができ,特定の範囲に運転条件に適合したディンプル群を配置できる。
 本発明の摺動部品は,
 前記ディンプル角度の周方向の変化割合が,周方向に変化することを特徴としている。
 この特徴によれば,ディンプル角度の径方向の変化割合が,周方向に変化させることで,容易にそれぞれの使用条件に適合したディンプルを周方向に配置できる。
 本発明の摺動部品は,
 前記摺動面は径方向に延びるランド部により区画される複数の領域を備え,
 前記ディンプル群は前記領域に配設されることを特徴としている。
 この特徴によれば,各領域に,種々の運転条件に適合したディンプルを配置でき,延いては高い密封性及び低摺動トルクを実現できる。
 本発明の摺動部品は,
 前記ディンプルの前記開口部の形状は楕円であることを特徴としている。
 この特徴によれば,楕円ディンプルの長軸方向,短軸方向の吸込み効果及び動圧効果の違いを利用して,種々の運転条件に適合したディンプルを配置でき,延いては高い密封性及び低摺動トルクを実現できる。
本発明に係る摺動部品をメカニカルシールに適用した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を示す図である。 図1のW-W矢視図であり,本発明の実施例2に係る摺動部品の摺動面の一例を示す図である。 図1のW-W矢視図であり,本発明の実施例3に係る摺動部品の摺動面の一例を示す図である。 図1のW-W矢視図であり,本発明の実施例4に係る摺動部品の摺動面の一例を示す図である。 本発明のディンプルの他の実施例を示す図である。 図7A-図7Dは,摺動面Sの半径方向におけるディンプル角度θの変化態様の変形例を示す。 図8A-図8Dは,摺動面Sの周方向におけるディンプル角度θの変化態様の変形例を示す。
 以下に図面を参照して,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及び図2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。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被密封流体側(高圧流体側),内周側を漏れ側(低圧流体側,たとえば大気側)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Sの外周から内周方向に向かって漏れようとする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,回転側カートリッジと固定側カートリッジからなる。回転側カートリッジは,回転軸100に嵌合されたスリーブ2と,一方の摺動部品である円環状の回転側密封環3と,スリーブ2と回転側密封環3との間をシールするパッキン8と,備え,回転側カートリッジは回転軸100とともに回転する。
 固定側カートリッジは,ケーシング9に取り付けられたハウジング4と,他方の摺動部品である円環状の固定側密封環5と,固定側密封環5とハウジング4とをシールするベローズ7と,固定側密封環5をベローズ7を介して回転側密封環3側へ付勢するコイルドウェーブスプリング6と,を備え,ハウジング4はケーシング9に対し回転方向及び軸方向に固定される。
 以上の構成を備えたメカニカルシール1は,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が,互いに摺動して被密封流体が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出来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。
 図2に示すように,固定側密封環5は,複数のディンプル11が配置される。本発明において,ディンプル11とは,平坦な摺動面Sに囲まれる開口部11a及び摺動面Sよりへこんだ底部を有する窪みのことであり,ディンプル11の開口部11aは,直交する長軸L及び短軸Kを有する形状からなる。また,ディンプル11同士はランド部Rを挟んで離間して配置されている。本発明において,長軸Lとは開口部11aの形状の図心Gを通り,かつ,開口部11aの最大幅部分を結ぶ架空の線であり,短軸Kとは開口部11aの図心Gを通り長軸Lに直交する方向で,対向する開口部11aを結ぶ架空の線である。本実施例におけるディンプル11の開口部11aは,直交する長軸L及び短軸Kを有する楕円を例として説明する。しかし,楕円に限らず,直交する長軸及び短軸を有する形状であれば,小判形,ひし形,三角形,長方形,多角形,又は,図6に示すように任意の閉曲線91,92,93,94からなるものでもよい。
 つぎに,ディンプル11の機能について説明する。ディンプル11が設けられた固定側密封環5と相対する回転側密封環3とが相対移動すると,摺動面S間の流体及びディンプル11内の流体は,その粘性により回転側密封環3の移動方向に追随して移動する。ディンプル11内に流れ込む流体は流路が急拡大するので,ディンプル11の上流側で負圧となりキャビテーションが発生する。ただし,キャビテーション内の負圧の大きさは流体の蒸気圧の値で制限されるので,大きな負圧となることはない。また,ディンプル11の下流側において,流路が急縮小することによりくさび効果(動圧効果)で流体は正圧に昇圧する。ディンプル11の上流側において発生する負圧により,ディンプル11は周囲の流体を吸込む吸込み効果を発揮する。一方,ディンプル11の下流側において,くさび効果により昇圧した流体が摺動面Sに供給され,摺動面S間は流体潤滑状態が保たれる。
 ディンプル角度について説明する。図2に示すように,ディンプル角度θは,摺動面Sの中心C及びディンプル11の長軸Lと短軸Kとの交点(図心G)を通る半径方向軸rと,長軸Lとの間の角度θである。
 また,ディンプル11はディンプル角度θ大きさによって,その吸込み効果及び動圧効果が異なる。ディンプル角度θ=90°,すなわちディンプル11の長軸Lを周方向に向けて配置した場合には,ディンプル11は流体を保持する機能が高くなる。ディンプル角度θ=約45°の場合にはディンプル11の吸込み効果が高くなる。また,ディンプル角度0°,すなわち,ディンプル11の長軸Lを径方向に向けて配置した場合には動圧効果が高くなる。このように,同じ楕円形状,同じ深さを有するディンプル11であっても,ディンプル角度を変えてディンプル11を配置することによって,吸込み効果を強くしたり,動圧効果を強くしたりすることができる。さらに楕円形状,深さを変えることによりさらに多様な特性を有するディンプルとすることができる。
 つぎに,ディンプル群60について説明する。図2に示すように,ディンプル群60は,径方向に一列に整列したサブディンプル群62,63を周方向に所定数(図2の例では120),等間隔で配列して構成される。摺動面Sの一方の周縁(漏れ側)にはサブディンプル群62が径方向に一列に配設され,摺動面の他方の周縁(被密封流体側)にはサブディンプル群63が径方向に一列に配設される。漏れ側に配設されるサブディンプル群62を構成するディンプル62a,62b,62c,62d,62eはディンプル角度θ=45°で配置して構成される。また,被密封流体側に配置されるサブディンプル群63を構成するディンプル63a,63b,63c,63d,63eは,ディンプル角度θ=0°で配置して構成される。すなわち,サブディンプル群62のディンプル角度θとサブディンプル群63のディンプル角度θは径方向に不連続に変化するように設定されている。
 ここで,ディンプル62a,62b,62c,62d,62e,ディンプル63a,63b,63c,63d,63eは,開口部の形状及び深さが実質的に同じ楕円に形成される。なお,図2の実施例において,サブディンプル群62,サブディンプル群63はそれぞれ5個のディンプルから構成されているが,これに限らない。サブディンプル群62とサブディンプル群63を構成するディンプルの個数は,それぞれ5以上であってもよいし,5以下であってもよいし,互いに異なる個数で構成してもよい。また,サブディンプル群62,サブディンプル群63の個数は,摺動面にそれぞれ120個配設されているが,120個より多くしても,少なくしてもよい。さらに,径方向に整列したサブディンプル群62,63を周方向に等間隔で配列したが,周方向に不等配に配列してもよい。
 サブディンプル群62を構成するディンプル62a,62b,62c,62dはディンプル角度θ=45°で配置されるので,ディンプル62a,62b,62c,62dは動圧効果より吸込み効果が優勢になり,サブディンプル群62全体として高い吸込み効果を発揮する。また,サブディンプル群63を構成するディンプル63a,63b,63c,63dは,ディンプル角度θ=0°で配置されるので,ディンプル63a,63b,63c,63dは吸込み効果より動圧効果が優勢になり,サブディンプル群63全体として高い動圧効果を発揮する。
 したがって,高い吸込み効果を有するサブディンプル群62を摺動面の漏れ側に配置することにより,サブディンプル群62は漏れ側から流体を吸込むので,漏れを極めて小さくできる。また,高い動圧効果の高いサブディンプル群63を摺動面の被密封流体側に配置することにより,サブディンプル群63は摺動面Sに高い圧力の流体を供給するので,摺動トルクを極めて小さくできる。
 以上述べたように,実施例1の摺動部品は以下の効果を奏する。
1.ディンプル11の上流側において発生する負圧により,ディンプル11は周囲の流体を吸込む吸込み効果を発揮する。一方,ディンプル11は下流側において,くさび効果により昇圧した流体を摺動面Sに供給するので,摺動面Sの流体潤滑効果を高める。
2.ディンプル11は直交する長軸及び短軸を有する楕円の開口部を有するので,ディンプル角度θ大きさを変えることによって,その吸込み効果及び動圧効果を変えることができる。ディンプル角度θ=90°でディンプル11を配置した場合には,ディンプル11は流体を保持する機能が高くなる。ディンプル角度θ=約45°の場合にはディンプル11の吸込み効果が高くなる。また,ディンプル角度0°には,ディンプル11の動圧効果が高くなる。このように,同じ楕円形状を有するディンプル11であっても,ディンプル角度を変えてディンプル11を配置することによって,吸込み効果を強くしたり,動圧効果を強くしたりすることができる。
3.ディンプル角度θ=約45°でディンプル11を配列したサブディンプル群62は吸込み効果が高くなる。したがって,吸込み効果の高いサブディンプル群62を摺動面の漏れ側に配置することにより,サブディンプル群62は漏れ側から流体を吸込むので,漏れを極めて小さくできる。
4.ディンプル角度θ=約0°でディンプル11を配列したサブディンプル群63は動圧効果が高くなる。したがって,動圧効果の高いサブディンプル群63を摺動面の被密封流体側に配置することにより,サブディンプル群63は摺動面Sに高い圧力の流体を供給するので,摺動トルクを極めて小さくできる。
5.高い吸込み効果を有するサブディンプル群62を摺動面の漏れ側に配置することにより,密封性を向上でき,また,動圧効果の高いサブディンプル群63を摺動面の被密封流体側に配置することにより,摺動トルクを極めて小さくできるので,ディンプル群60全体として高い密封性及び低い摺動トルクを実現できる。これにより,高い密封性及び低い摺動トルクを備えた摺動部品とすることができる。
 実施例2に係る摺動部品について説明する。図3は実施例2に係る摺動部品の摺動面Sを示したものである。実施例2のディンプル群70は,ディンプル角度θが径方向に一定の割合で変化している点で,実施例1と相違する。以下,実施例1と同じ部材,構成については同じ符号を付し,重複する説明は省略する。
 図3に示すように,ディンプル群70は,径方向に一列に整列したサブディンプル群72を周方向に所定数(図2の例では120),等間隔で配列して構成される。サブディンプル群72は,ディンプル72a,72b,72c,72d,72e,72f,72g,72h,72i,72jを径方向にランド部Rを挟んで配置して構成される。(以下,ディンプル72a,72b,72c,72d,72e,72f,72g,72h,72i,72jを「ディンプル72a-72j」と記す)。
 サブディンプル群72は,摺動面Sの漏れ側に配置されるディンプル72aはディンプル角度=45°で配置され,摺動面Sの被密封流体側に配置されるディンプル72jはディンプル角度0°で配置されている。そして,サブディンプル群72を構成するディンプル72a-72のディンプル角度θは,ディンプル72aからディンプル72jに向かって,45°から0°に径方向に一定の割合で変化する。
 サブディンプル群72を構成するディンプル72a-72jは,それぞれ同じ形状を有する楕円であっても,それぞれディンプル角度θが異なるので,吸込み効果と動圧効果を連続的に変化させることができる。サブディンプル群72を構成するディンプル72a-72jのうち,摺動面の漏れ側周縁5a側に配置されるディンプル72aはディンプル角度45°であり,吸込み効果が一番高くなる。また,被密封流体側に向かうしたがって,ディンプル角度は大きくなるので,吸込み効果を徐々に弱くなり,摺動面の被密封流体側の周縁5b側に配置されるディンプル72jの動圧効果が最も高くなる。
 ディンプル群70を構成するディンプル72a-72jのディンプル角度は,径方向に一定の割合で連続的に変化するので,吸込み効果と動圧効果を連続的に変化させることができる。これにより,回転数や圧力等の使用条件が変化する場合であっても,それぞれの使用条件に適合したディンプル72a-72jが存在するようになる。これにより,メカニカルシール1は使用条件が変化する場合でも漏れを小さくでき,摺動トルクを小さくすることができる。
 以上述べたように,実施例2の摺動部品は実施例1の効果に加え以下の効果を奏する。
 ディンプル群70を構成するディンプル72a-72jのディンプル角度θは径方向に一定の割合で連続して変化するので,吸込み効果と動圧効果を連続的に変化させることができる。これにより,回転数や圧力等の使用条件が変化する場合であっても,それぞれの使用条件に適合したディンプル72a-72jが存在するようになる。これにより,メカニカルシール1は使用条件が変化する場合でも漏れを小さくでき,摺動トルクを小さくすることができる。
 本発明の実施例3に係る摺動部品について説明する。図4は実施例3に係る摺動部品の摺動面Sを示したもので,ディンプル群10は,摺動面Sの漏れ側にディンプル角度θ=90°のディンプル12aが,被密封流体側にディンプル角度θ=0°のディンプル12jが配置される点で実施例2と相違する。他の構成は実施例2と同じである。以下,実施例2と同じ部材,構成については同じ符号を付し,重複する説明は省略する。
 図4に示すように,ディンプル群10は,径方向に一列に整列したサブディンプル群12を周方向に所定数(図2の例では120),等間隔で配列して構成される。サブディンプル群12は,ディンプル12a,12b,12c,12d,12e,12f,12g,12h,12i,12jを径方向にランド部Rを挟んで配置して構成される(以下,ディンプル12a,12b,12c,12d,12e,12f,12g,12h,12i,12jを「ディンプル12a-12j」と記す)。サブディンプル群12を構成するディンプル12a-12jのディンプル角度θは,漏れ側のディンプル12aから被密封流体側のディンプル12jに向かって90°から0°に径方向に一定の割合で変化する。ここで,ディンプル12a-12jは,それぞれ開口部の楕円の形状及び大きさが実質的に同じである。なお,サブディンプル群12を構成するディンプルの個数は,10個より多くしても,少なくしてもよい。また,摺動面Sに配設されるサブディンプル群12も120個より多くしても,少なくしてもよい。
 サブディンプル群12を構成するディンプル12a-12jは同じ形状を有する楕円であっても,サブディンプル群12を構成するディンプル12a-12jのディンプル角度θは,に径方向に一定の割合で変化するので,吸込み効果と動圧効果を連続的に変化させることができる。具体的には,ディンプル角度θ=90でディンプルを配置した場合には,ディンプルは流体を保持する機能が高くなる。ディンプル角度θ=約45°の場合にはディンプルの吸込み効果が高くなる。また,ディンプル角度0°には,ディンプルの動圧効果が高くなる。
 これにより,周速の低い漏れ側に配設されたディンプル12a,12b,12cは,ディンプル角度θが大きいので,流体を保持する機能が高くなる。特に,低速回転数で運転される場合や,周速の低い摺動面Sの内径側は貧潤滑状態をなりやすい場合には,摺動面Sの内径側にディンプル角度θ=90°~70°のディンプル12a,12b,12cを配置することにより,ディンプル12a,12b,12c内に保持された流体が摺動面Sに供給され,貧潤滑状態となるのを防ぐことができる。
 摺動面Sの中央部には,ディンプル角度θ=45°のディンプルは12d,12e,12fが配置されるので,吸込み効果が高くなる。これにより,被密封流体側から流体をディンプル12d,12e,12f内に吸い込むので,漏れ側への流れを抑制するので,密封性を向上できる。
 また,周速の高い被密封流体側には,ディンプル角度θが小さいディンプルは12g,12h,12i,12jは配置されるので,動圧効果を高めることができる。これにより,周速の高い被密封流体側に配設されるディンプル12g,12h,12i,12jは,動圧効果により高い圧力の流体を摺動面Sに供給するので,摺動面S間は流体潤滑状態を保つことができる。
 以上述べたように,実施例3の摺動部品は実施例1の効果に加え以下の効果を奏する。
1.ディンプル群10を構成するディンプル12a-12jは同じ形状を有する楕円であっても,ディンプル12a-12jのディンプル角度θが径方向に一定の割合で連続的に変化させることによって,吸込み効果と動圧効果を連続的に変化させることができる。
2.周速の低い漏れ側には,ディンプル角度θ=90°~70°のディンプル12a,12b,12cが配置されるので,流体を保持する機能が高くなる。特に,低速回転数で運転される場合であっても,周速の低い摺動面Sの内径側に流体保持機能の高いディンプル12a,12b,12cを配置することにより,ディンプル12a,12b,12c内に保持された流体が摺動面Sに供給され,貧潤滑状態となるのを防ぐことができる。
3.摺動面Sの中央部には,ディンプル角度θ=45°のディンプル12d,12e,12fが配置されるので,吸込み効果が高くなる。これにより,被密封流体側から流体をディンプル12d,12e,12f内に吸い込むので,漏れ側への流れを抑制するので,密封性を向上できる。
4.周速の高い被密封流体側には,ディンプル角度θが小さいディンプル12g,12h,12i,12jが配置されるので,動圧効果を高めることができる。これにより,周速の高い被密封流体側に配設されるディンプル12g,12h,12i,12jは,動圧効果により高い圧力の流体を摺動面Sに供給するので,摺動面S間は流体潤滑状態を保つことができる。
 本発明の実施例4に係る摺動部品について説明する。図5は実施例4に係る摺動部品の摺動面Sを示したもので,ディンプル群80を構成するディンプルのディンプル角度θが,径方向に一定で,周方向に連続的に変化するように配置される点で実施例1と相違する。他の構成は実施例1と同じである。以下,実施例1と同じ部材,構成については同じ符号を付し,重複する説明は省略する。
 図5に示すように,固定側密封環5の摺動面Sは被密封流体側から漏れ側に亘って設けられるランド部Rによって所定数(図4の例では4)の領域20に区画されている。各領域にはディンプル群80が配設される。ディンプル群80はサブディンプル群21からサブディンプル群50の30個のサブディンプル群がランド部Rを挟んで周方向に等間隔で配置されている。それぞれのサブディンプル群21-50には径方向に一列に9個のディンプルが等間隔で配設される。なお,図5の実施例において,それぞれのサブディンプル群21-50にはそれぞれ9個のディンプルが配設されているが,これに限らず,9個より多くても,少なくてもよい。また,各領域に配設されるサブディンプル群の個数も30個に限らず,30個より多くても,少なくてもよい。
 図5に示すように,領域20の一方の端部(回転方向上流側)にはサブディンプル群21が配設され,領域20の他方の端部(回転方向下流側)にはサブディンプル群50が配設される。サブディンプル群21は,摺動面Sの一方の周縁(漏れ側)から他方の周縁(被密封流体側)にランド部を挟んで一列にディンプル21a,21b,21c,21d,21e,21d,21f,21g,21h,21i(以下,「ディンプル21a-21i」と記す)を配置して構成される。サブディンプル群21を構成するディンプル21a-21iのディンプル角度は径方向に一定,すなわち,それぞれのディンプル21a-21iはディンプル角度=90°を有する。また,サブディンプル群50は摺動面Sの漏れ側から被密封流体側にランド部を挟んで一列にディンプル50a,50b,50c,50d,50e,50d,50f,50g,50h,50i(以下,「ディンプル50a-50i」と記す)を配置して構成される。ディンプル50a-50iのディンプル角度は径方向に一定,すなわち,ディンプル50a-50iのディンプル角度はそれぞれディンプル角度=0°に配設される。そして,サブディンプル群21からサブディンプル群50へ向かって,ディンプル角度θ=90°から0°になるようにサブディンプル群22-49を構成するディンプルのディンプル角度を周方向に一定に割合で変化するように配置される。
 領域20の回転方向上流側にはディンプル角度=90°のサブディンプル群21が配設されるので,吸込み効果及び動圧効果よりもディンプル内に流体を保持する保持効果が優勢になる。また,領域20の回転方向下流側にはディンプル角度=0°のサブディンプル群50が配設されるので,吸込み効果よりも動圧効果が優勢になる。さらに,領域20の上流側と下流側の間の中間の流域にはディンプル角度=45°のディンプル群が配設されるので,吸込み効果が優勢になる。すなわち,サブディンプル群21からサブディンプル群50へ向かって,ディンプル角度θ=90°から0°になるようにサブディンプル群22-49のディンプル角を周方向に変化するように配置するので,サブディンプル群21からサブディンプル群50へ特性の異なるディンプル群が万遍なく分布するので,種々の運転条件に適合したディンプル群が配置されるようになり,種々の運転条件で高い密封性及び低摺動トルクを実現できる。
 以上述べたように,実施例4の摺動部品は以下の効果を奏する。
1.領域20の回転方向上流側にはディンプル角度=90°のサブディンプル群21が配設されるので,吸込み効果及び動圧効果よりもディンプル内に流体を保持する保持効果が優勢になる。また,領域20の回転方向下流側にはディンプル角度=0°のサブディンプル群50が配設されるので,吸込み効果よりも動圧効果が優勢になる。さらに,領域20の上流側と下流側の間の中間の流域にはディンプル角度=45°のディンプル群が配設されるので,吸込み効果が優勢になる。
2.領域20の周方向に配設されるディンプル群のディンプル角度が周方向に変化するので,回転方向上流側から下流側に亘ってディンプルの流体保持効果,吸込み効果,密封効果を周方向に連続して変化させることができる。これにより,サブディンプル群21からサブディンプル群50へ特性の異なるディンプル群が万遍なく分布するので,種々の運転条件に適合したディンプル群が配置されるようになり,種々の運転条件で高い密封性及び低摺動トルクを実現できる。
 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。
 図7A-図7Dは,摺動面Sの半径方向におけるディンプル角度θの変化態様の変形例を示す。要求される運転条件に適合するように,ディンプル角度θを径方向に変化させて配置することができる。
 図7Aは,図2の実施例に対応するものであり,ディンプル角度が摺動面Sの径方向に不連続に変化する場合である。摺動面Sの漏れ側に配設されるサブディンプル群を構成するディンプルのディンプル角度θと,摺動面Sの被密封流体側に配設されるサブディンプル群を構成するディンプルのディンプル角度θとは,異なる大きさに設定される。
 図7Bは,図7Aの変形であり,摺動面の漏れ側におけるディンプル角度の変化割合と,摺動面の被密封流体側におけるディンプル角度の変化割合とが異なる場合である。摺動面Sの漏れ側に配設されるディンプル群を構成するディンプルは,すべて一定のディンプル角度θを有し,ディンプル角度は変化しないが,摺動面Sの被密封流体側に配設されるディンプル群を構成するディンプルのディンプル角度θは半径方向に一定の割合で変化している。
 図7Cは,図3,図4の実施例に対応するものであり,ディンプル群を構成するディンプルのディンプル角度θは径方向に一定の割合で変化するように設定される。
 図7Dは,摺動面の漏れ側におけるディンプル角度の変化割合と,摺動面の被密封流体側におけるディンプル角度の変化割合とが異なる場合である。摺動面Sの漏れ側に配設されるディンプル群を構成するディンプルのディンプル角度θは半径方向に一定の割合で変化している。一方,摺動面Sの被密封流体側に配設されるサブディンプル群を構成するディンプルのディンプル角度θは,すべて一定のディンプル角度θを有し,ディンプル角度は変化しない。
 図8A-図8Dは,摺動面Sの周方向におけるディンプル角度θの変化態様の変形例を示す。要求される運転条件に適合するように,ディンプル角度θを周方向に変化させて配置することができる。
 図8Aは,摺動面の周方向に設けられた領域において,ディンプル角度が一方の側から他方の側へ不連続に変化する場合を示す。
 図8Bは,領域の一方の側におけるディンプル角度の変化割合と,領域の他方の側におけるディンプル角度の変化割合とが異なる場合を示す。
 図8Cは,図5の実施例に対応するものであり,ディンプル角度が,周方向に一定の割合で変化する場合を示す。
 図8Dは,領域の一方の側におけるディンプル角度の変化割合と,領域の他方の側におけるディンプル角度の変化割合とが異なる場合を示す。
 実施例1-3は,ディンプル群を構成するディンプルのディンプル角度は径方向に変化し,周方向には一定であった。また,実施例4は,ディンプル群を構成するディンプルのディンプル角度は周方向に変化し,径方向には一定であった。しかし,これに限らず,要求される運転条件に適合するように,ディンプル群を構成するディンプルのディンプル角度を径方向及び周方向に変化するように設定することができる。
 上記実施例において,ディンプル群を構成するディンプル11の形状,大きさ,深さを同じにしていたが,隣接するディンプルの形状,大きさ,深さのうち少なくとも一つを異なるようにしてもよい。また,サブディンプル群ごとにディンプルの形状,大きさ,深さを異なるようにしてもよい。ディンプル角度だけでなく,ディンプルの大きさ,形状,大きさ,深さの異なるディンプルを摺動面Sに配設することにより,幅広い運転条件に適合するディンプルを摺動面Sに配設でき,延いては幅広い運転条件に対応した密封性が高く,摺動トルクの小さい摺動部品とすることができる。
 外周側が被密封流体側,内周側を漏れ側としているが,これに限らず,内周側が被密封流体側,外周側が漏れ側である場合も適用可能である。
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
5a       漏れ側周縁
5b       被密封流体側周縁
6        コイルドウェーブスプリング
7        ベローズ
8        パッキン
9        ケーシング
100      回転軸
10       ディンプル群
11       ディンプル
11a      開口部
12       サブディンプル群
12a      ディンプル
12b      ディンプル
12c      ディンプル
12d      ディンプル
12e      ディンプル
12f      ディンプル
12g      ディンプル
12h      ディンプル
12i      ディンプル
12i      ディンプル
12j      ディンプル
20       領域
21       サブディンプル群
21a      ディンプル
21b      ディンプル
21c      ディンプル
21d      ディンプル
21e      ディンプル
21f      ディンプル
21g      ディンプル
21h      ディンプル
21j      ディンプル
22       ディンプル群
30       サブディンプル群
40       サブディンプル群
49       サブディンプル群
50       サブディンプル群
50a      ディンプル
50b      ディンプル
50c      ディンプル
50d      ディンプル
50e      ディンプル
50f      ディンプル
50g      ディンプル
50h      ディンプル
50j      ディンプル
60       ディンプル群
62       サブディンプル群
62a      ディンプル
62b      ディンプル
62c      ディンプル
62d      ディンプル
62e      ディンプル
63       サブディンプル群
63a      ディンプル
63b      ディンプル
63c      ディンプル
63d      ディンプル
63e      ディンプル
70       ディンプル群
72       サブディンプル群
72a      ディンプル
72b      ディンプル
72c      ディンプル
72d      ディンプル
72e      ディンプル
72f      ディンプル
72g      ディンプル
72h      ディンプル
72i      ディンプル
72j      ディンプル
80       ディンプル群
K        短軸
L        長軸
R        ランド部
S        摺動面
θ        ディンプル角度

Claims (10)

  1.  摺動面にて互いに相対摺動する一対の摺動部品であって,
     少なとも一方の前記摺動面は,開口部の形状が直交する長軸及び短軸を有するディンプルを径方向及び周方向に配置してなるディンプル群を備え,
     前記ディンプルの前記長軸と前記短軸との交点と,前記摺動面の中心と,を通る半径方向軸が前記長軸となすディンプル角度は,摺動面の径方向又は周方向のうち少なくとも一方向に変化することを特徴とする摺動部品。
  2.  前記ディンプル角度は,径方向に一定の割合で変化することを特徴とする請求項1に記載の摺動部品。
  3.  前記ディンプル角度は,径方向に不連続に変化することを特徴とする請求項1に記載の摺動部品。
  4.  前記ディンプル角度の径方向の変化割合が,径方向に変化することを特徴とする請求項1に記載の摺動部品。
  5.  前記ディンプル角度は,前記摺動面の漏れ側で大きく,前記摺動面の被密封流体側で小さいことを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の摺動部品。
  6.  前記ディンプル角度は,周方向に一定の割合で変化す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.  前記ディンプル角度は,周方向に不連続に変化す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。
  8.  前記ディンプル角度の周方向の変化割合が,周方向に変化す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。
  9.  前記摺動面は径方向に延びるランド部により区画される複数の領域を備え,
     前記ディンプル群は前記領域に配設されることを特徴とする請求項1ないし8のいずれかに記載の摺動部品。
  10.  前記ディンプルの前記開口部の形状は楕円であることを特徴とする請求項1ないし9のいずれかに記載の摺動部品。
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