JP4495402B2

JP4495402B2 - 摺動部品

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Publication number: JP4495402B2
Application number: JP2003059009A
Authority: JP
Inventors: 芳博手嶋
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 2002-03-19
Filing date: 2003-03-05
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2023-03-05
Also published as: JP2003343741A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メカニカルシール等の摺動部品の技術分野に関する。特に、摺動面の摩擦係数を小さくすると共に、摺動面で被密封流体の漏洩を防止する摺動部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本発明に係わる摺動部品の関連技術として、図８に示すメカニカルシールが存在する〔例えば、特許文献１参照〕。
【０００３】
【特許文献１１】
特公平５−６９０６６号公報第（１−３頁）
（対応米国特許第５，０８０，３７８号−図１）
【０００４】
この図８は、ポンプ及び冷凍機などに用いられているメカニカルシール１００の半断面図である。
図８に於いて、回転軸１３０とケーシング１４０との間にはメカニカルシール１００が配置されている。そして、このメカニカルシール１００は、ポンプ又は冷凍機などに用いられて水などの液体をシールするものである。
【０００５】
メカニカルシール１００は、多孔質炭化珪素焼結製のシールリング１０１が回転軸１３０に嵌合している。この回転するシールリング１０１には、側面にシール面１０２が設けられている。
更に、シールリング１０１における内径面の段部１０３には、回転軸１３０との間をシールするためにパッキング１２０Ａ、１２０Ｂが設けられている。このパッキング１２０Ａ、１２０Ｂは、押えリング１０５により押さえられて回転軸１３０とシールリング１０１との間をシールする。
更に、ソケットねじ１０８により回転軸１３０に固定された支持リング１０９は、ばね装置１０６を支持すると共に、ばね装置１０６により押さリング１０５を弾発に支持している。
【０００６】
又、シール面１０２と密接摺動する対向シール面１１１が、固定リング１１０に設けられている。この固定リング１１０は、ケーシング１４０に於ける回転軸１３０が貫通する孔に、Ｏリング１１５、１１５を介して、固着されている。
この固定リング１１０の材質はカーボンである。
この様に構成された従来のメカニカルシール１００は、シールリング１０１と固定リング１１０との密接により高圧Ｐ１側と低圧Ｐ２側とをシールする。
このシールリング１０１は、球状をした平均気孔径が０．０１０から０．０４ｍｍの気孔が結晶組織内に点在して摺動抵抗を改良した炭化珪素焼結体である。
【０００７】
この炭化珪素焼結体の摺動面に有する気孔は、焼結前にポリスチレンビーズを添加し、仮焼結時に分解・昇華して気孔を形成するものである。この為に、炭化珪素焼結体は、結晶粒内に気孔が点在しているので、製造法に於いても高圧圧縮成形が困難である。この為に、成形した寸法精度に問題が惹起する。また、焼結によりポリスチレンビーズを分解するものであるから、摺動部品としての焼結品の強度に問題がある。
【０００８】
次に、上述した摺動部品の強度及びシール面における被密封流体の漏れ量を改善したものとして図９に示すメカニカルシールが存在する（例えば、特許文献２参照）。
【０００９】
【特許文献２】
特開昭５７−１６１３６８号公報（明細書４−１０頁、図２）
【００１０】
このメカニカルシールは、図８と同様に構成されている。そして、ハウジングに保持された固定リングと回転軸に固定された図９に示す従動リング５’との摺動面が密接して被密封流体をシールする。
この従動リング５’の摺動面５Ａ’には、凹部６’が多数形成されている。この凹部６’は最小幅が３０×１０^−６mから１００×１０^−６mとし、最大幅を６０×１０^−６ｍから５００×１０^−６mとすると共に、最小幅に対して最大幅の寸法比率を２倍以上とするものであって、図９に示すように、凹部６’は摺動面５Ａ’の回転方向に対して傾斜するように形成されている。
【００１１】
この凹部６’は従動リング５’の摺動面５Ａ’と固定リングの摺動面間に浸入した被密封流体の漏れを阻止する役目をする。すなわち、従動リングの外周側から浸入した被密封流体は内周端側へ至る以前に凹部６’に補足されて蓄えられる。この蓄えられた被密封流体は、その粘性作用と従動リングの回転方向によって凹部６’の外周方向へ移動し、外周部の蓄積容量を越えると凹部６’の外周部から摺動面間を漏洩した後、次の凹部６’に補足される。このようにして、順次繰り返えされた被密封流体は、摺動面の外周端側へ戻される。
【００１２】
しかし、このような凹部６’は、図９に示すように、従来の螺旋溝を断続に点在して配置し、その点在する凹部６’の形状を楕円形に設計したものであるから、被密封流体を押し戻すポンピング作用が小さい。しかも、エッチング加工等により凹部６’の製作が容易であると共に、従動リング６’の強度を低下させない材質に構成できる反面、摺動面の摩擦係数や摺動発熱を低減する効果が螺旋溝に比較して大きな効果は期待ができない。
【００１３】
更に、他の関連技術としてメカニカルシール用摺動部品が存在する。このメカニカルシール用摺動部品の摺動面には摺動方向と直角の長手方向となる溝状に整列したディンプルが形成されている。このディンプルはディンプル内に発生する動圧が大きくなるために被密封流体による潤滑油膜が形成されるが、潤滑油膜がディンプル内に蓄えられて摺動面の摩擦係数を期待したほど小さくすることはできない。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述のような問題点に鑑み成されたものであって、その発明が解決しようとする課題は、摺動面に被密封流体の潤滑膜を形成して摺動抵抗を低減すると共に、摺動面に浸入した被密封流体を効果的に保持し、被密封流体が摺動面から外部へ漏洩するのを防止して密封能力を向上させることにある。同時に、摺動面の摺動発熱を防止する。更に、摺動部品の強度を保持すると共に、摩耗を防止して耐久能力を向上させることにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述のような技術的課題を解決するために成されたものであって、その解決するための手段は、以下のように構成されている。
【００１６】
請求項１に係わる本発明の摺動部品は、静止用摺動部品と回転用摺動部品とが互いに相対摺動する摺動部品であって、摺動部品の摺動面に境界基準線を境に外周側と内周側とが傾斜方向を異にする複数の細長いディンプルを有し、外周側のディンプルが回転方向先端を外周側へ向かって傾斜させると共に内周側のディンプルが回転方向先端を内周側へ向かって傾斜させるものである。
【００１７】
この請求項１に係わる本発明の摺動部品では、外周側のディンプルが回転方向の長手先端側を外周側へ向かって傾斜させると共に内周側のディンプルが回転方向の長手先端側を内周側へ向かって傾斜させるものであるから、外周側と内周側とのディンプル間の摺動面に被密封流体の潤滑膜を厚く保持してシール能力を向上される効果が期待できる。又、この摺動面に保持される潤滑膜により摺動面の摩擦係数を低減することが可能になる。この為に、被密封流体をシールする密封環の他に、ピストンリング、軸受け等の摺動部品として利用できる。
【００１８】
請求項２に係わる本発明の部品は、静止用摺動部品と回転用摺動部品とが互いに相対摺動する摺動面間で１方側に存在する被密封流体をシールする摺動部品であって、摺動部品の摺動面に境界基準線を境に外周側と内周側とが傾斜方向を異にする複数の細長いディンプルを有し、外周側のディンプルと内周側のディンプルが径方向へ列を成して互いにハ形状に傾斜すると共に、列が周方向に複数列に配置されているものである。
【００１９】
この請求項２に係わる本発明の摺動部品では、ディンプルをハ形状に配置できるので、被密封流体の被膜を内外周のディンプルにより境界基準線の近傍にかき集めるようにして集中させ、摺動面間に介在された被密封流体の被膜により、摩擦係数と共に、シール能力を向上させることが期待できる。又、このように構成された摺動部品はメカニカルシール等の密封環として優れている。
【００２０】
請求項３に係わる本発明の摺動部品は、内周側のディンプル数と外周側のディンプル数のうち摺動面の被密封流体側のディンプル数が少なく形成されているものである。
【００２１】
請求項３に係わる本発明の摺動部品では、外周側に被密封流体が存在する場合、内周側のディンプルの数を多くすると、内周側のディンプルにより被密封流体を外周側に押し戻すことができる。又、内周側に被密封流体が存在する場合、外周側のディンプルの数を多くすると、この外周側のディンプルの数により被密封流体を内周側へ押し戻すことが可能になる。このために、シール能力が飛躍的に向上する。更に、摺動面に介在するこの被密封流体の皮膜は、摺動面の摩擦係数を効果的に低減することができる。
【００２２】
請求項４に係わる本発明の摺動部品は、ディンプルは平面が楕円形状又は長方形状を成して幅が５０×１０^−６mから１０００×１０^−６mであると共に長さが幅の２倍以上で摺動面幅の１／２以下で、且つ深さが１×１０^−６mから２５×１０^−６mmに形成されているものである。
【００２３】
この請求項４に係わる本発明の摺動部品では、実験の結果から、摩擦係数が最小になる範囲であると共に、シール能力が最大になる範囲であるために、ディンプル５の形状をこの両効果が共有した範囲に形成することが可能になる。
【００２４】
請求項５に係わる本発明の摺動部品は、炭化珪素、炭化チタン、炭化タングステン等の炭化物を含有する摺動材で形成されているものである。
【００２５】
この摺動材により摩擦係数を低減できると共に、摺動時に生じる泣きやリンキングを低減することが可能になる。しかも、この摺動部品をカーボン材と対向させて摺動させてもブリスタ現象を防止する効果が期待できる。
【００２６】
請求項６に係わる本発明の摺動部品は、摺動部品が鋳鉄叉はステンレス鋼叉は窒化珪素叉は窒化アルミニウムの材質で形成されているものである。
【００２７】
この請求項６に係わる本発明の摺動部品では、摺動部品の材質を鋳鉄、ステンレス鋼、窒化珪素、窒化アルミ等で形成すると共に、摺動面にディンプルが形成されているために、摺動面の摩擦係数が低減される。更に、低温の初動時に発生する摺動面の割れが防止できる。更に、高温時に発生する焼き付きも効果的に防止される。この為に、メカニカルシールの密封環としてだけではなく、摺動部品としてピストンリング、軸受けとしても有用である。
一方で従来は、摺動面が平坦面の場合には、この摺動部品を鋳鉄叉はステンレス鋼の材質で製造にしても摺動面の割れや、焼き付きを防止することができなかった。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態に係わる摺動部材を図面に基づいて詳述する。図１は、本発明に係わる第１実施の形態を示す摺動部品２の摺動面を示す正面図である。又、図２は、摺動面３におけるディンプル５の配置のうち内周側の２個のディンプル５Ｂと外周側の２個のディンプル５Ａとの組み合わせを示す平面図である。図３は、摺動面３の１個のディンプルの平面図である。
図４は、本発明に係わる第２実施の形態を示す摺動部品の摺動面を示す正面図である。
図５は、本発明の摺動部品を取り付けたメカニカルシールの断面図である。
又、図６は、本発明の摺動部品を試験したメカニカルシール型の試験機である。図７は、図６に示す試験機により試験した実施例と比較例に於いて本発明の摺動部品と平面な摺動材との摺動時の摩擦係数を示すグラフである。
【００２９】
図１は、本発明の摺動部品２の摺動面３に設けられた全体のディンプル５の配置を示す１実施例である。
この外周側のディンプル５Ａと内周側のディンプル５Ｂとの中間が境界基準線Ｘであって、外周側に配列されたディンプル５Ａのうちの外周半径がｒ１である。又、内周側に配列されたディンプル５Ｂの内周半径がｒ２である。そして、境界基準線Ｘの半径はｒｈである。
この境界基準線Ｘは、摺動面のシール能力を考慮して設計された直径の円周を境にして外周側領域Ｒ１と内周側領域Ｒ２にわけている。この１実施例では、摺動面３の中央に境界基準線Ｘが決められており、外周側のディンプル５Ａと内周側のディンプル５Ｂとが同数に設計されている。又、このディンプル５Ａ、５Ｂは平面から見て長方形又は楕円形に形成されており、そのディンプル５の傾斜角度Ｃ、Ｃ’は径方向に対し各々６０°から８０°であり、具体的な実施例では傾斜角度Ｃ、Ｃ’を６０°に傾斜させている。
このディンプル５を設けた摺動部品２は、ディンプル５と材質が協働して摩擦係数を低減する効果を奏する。この材質は、炭化珪素、炭化チタン、炭化タングステン、鋳鉄、ステンレス鋼、窒化珪素、窒化アルミ等が好ましい。更に、高速回転時の摺動面の焼きつきや、低温状態での摺動するときに発生する割れは、ディンプル５と鋳鉄叉はステンレス鋼叉は窒化珪素叉は窒化アルミニウム（以下、窒化アルミと略称する）等の材質との協働作用により、効果的に防止できる。
【００３０】
図２に第２実施の形態として境界基準線Ｘから両側の２個のディンプル５を拡大して示したものである。
この摺動面３に於けるディンプル５の配置は、径方向へ１列に成るように複数個の外周側のディンプル５Ａと内周側のディンプル５Ｂとが回転方向へハ形状に配置されている。そして、この１列のディンプル５Ａ、５Ｂが摺動面３に沿って等配に多数の列に配置されている。
このディンプル５の形状は、第２実施例として長方形に形成されている。このディンプル５の長方形の幅Ａは、５０×１０^−６mから１０００×１０^−６mの範囲に形成されている。又、長手方向の長さBは、幅Ａの２倍以上であり、摺動面３の幅の１／２以下に形成されている。そして、ディンプル５の深さは、１×１０^−６mから２５×１０^−６mの寸法に形成されている。
【００３１】
この外周側のディンプル５Ａは、摺動部品の回転方向Ｎ又は相対回転方向Ｎに対して回転方向先端５Ａ１が境界基準線Ｘから回転方向の外周側へ向かって傾斜している。この傾斜角度Ｃは径方向に対して３０°に形成されている（この傾斜角度Ｃはほぼ最小に近い状態である）。傾斜角度Ｃ、Ｃ’は、摩擦定数、シール能力等の設計に応じて設定される。この傾斜角度Ｃ、Ｃ’を小さくするとシール能力が向上する傾向がある。又、傾斜角度Ｃ、Ｃ’を大きくすると摺動抵抗が小さくなる傾向がある。この外周側におけるディンプル５Ａの傾斜角度Ｃの範囲は３０°から８５°にすると良く、好ましくは４５°から８０°の範囲にすると摩擦係数を低減する効果がある。
又、内周側のディンプル５Ｂは、摺動部品の回転方向Ｎ又は相対回転方向Ｎに対して回転方向先端５Ｂ１が境界基準線Ｘから回転方向の内周側へ向かって傾斜している。この傾斜角度Ｃ’は径方向に対して３０°に形成されている。又、傾斜角度Ｃ’は、摩擦定数、シール能力等の設計に応じて設定される。更に、傾斜角度Ｃ’を大きくすると摺動抵抗が低下する傾向にある。又、内周側のディンプル５Ｂを多数個にするとシール能力が向上する。この内側におけるディンプル５Ｂの傾斜角度Ｃ’の範囲は３０°から８５°にすると良く、好ましくは４５°から８０°の範囲にすると摩擦係数を低減する効果が発揮される。
【００３２】
図３はディンプル５の第３実施例である。この図３のディンプル５Ａの傾斜角度Ｃはほぼ最小角度３０°に近い状態を示すものである。この外周側のディンプル５Ａは回転方向先端５Ａ１が円弧状に形成されていると共に、回転方向後端も円弧状に形成されている。更に、図示は省略されているが、第４実施例として平面形状が楕円形に形成されたものがある。これらのディンプル５も第１実施例と同様な寸法に形成されている。この他に図示は省略するが、摺動面３におけるディンプル５の形状を平面から見て瓢箪形状にすることもできる。
このようにディンプル５の形状を工夫することにより摺動面のシール能力、摩擦係数を向上することが可能になる。
更に、ディンプル５の傾斜角度Ｃ、Ｃ’と個数を設定することにより摩擦係数と共に、シール能力が共に改善される。
【００３３】
図４は、本発明の第３実施の形態を示す摺動部品２の摺動面３に於けるディンプル５の配置関係である。このディンプル５の配置は、摺動面の外周側に被密封流体が存在する場合のディンプル５の配置を示すものである。この摺動面３には、内周側のディンプル５Ｂの個数が６個に形成したものである。そして、外周側のディンプル５Ａの数は２個と内周側のディンプル５Ｂ数に対して少なくしたものである。このディンプル５の形状も、第１実施例、第２実施例、第３実施例、第４実施例のように形成される。このように、ディンプル５の形状及びディンプル５の外周側と内周側の配列数、並びにディンプル５の形状の傾斜角度Ｃ、Ｃ’を選択することにより摺動抵抗と共に、シール能力を向上することが可能になる。この第３実施の形態の摺動部品では、内周側のディンプル５Ｂが多数に形成されているので、この多数のディンプル５Ｂのポンピング作用によりシール能力が向上する。又、摺動面３に於ける各ディンプル５の配列角度を大きくすることにより摺動抵抗を低減することが可能になる。
【００３４】
ディンプル５の形状は摩耗粉により容易に消滅しない形状であることが好ましい。このため、ディンプル５の形状、方向性、更には、被密封流体の潤滑皮膜の厚みを増加させる形状にすることである。
このディンプル５の加工方法はサンドブラスト用感光性フィルムを使用することができる。この方法は、摺動面３にサンドブラスト用感光性フィルムを貼り付ける。そして、このディンプル５の形状を焼き付けたポジフィルムを密着させてサンドブラスト用感光性フィルムを露光する。その後にサンドブラスト用感光性フィルムを現像してサンドブラスト加工を行うことによりポジフィルムのパターンと一致したディンプル５を形成することが可能になる。サンドブラスト用感光性フィルムはＣＡＤのデータにより作成されたポジフィルムにより現像して作るので形状の作成が容易である。
この他の加工方法として、固体金属との反応等によるディンプル５の加工をすることもできる。
【００３５】
図５は、本発明の摺動部品２を取り付けたメカニカルシール１の断面図である。
メカニカルシール１は、回転軸５０とハウジング６０との間の取付空間に取り付けられている。摺動部品２は回転用密封環として回転軸５０にOリング３４を介して軸方向移動自在に嵌合している。又、摺動部品２は、回転軸５０に嵌合したOリング押さえ３５を介してコイルスプリング３７により押圧されている。このコイルスプリング３７は、回転軸５０に嵌着した支持部３６により支持されている。
【００３６】
摺動部品２はコイルスプリング３７により摺動面３を対向する静止用密封環３１の対向シール面３１Ａと密接するように押圧されている。この静止用密封環３１の外周面３１Ｂをハウジング６０の取付孔４２に嵌着して取り付けられている。又、静止用密封環３１と取付孔４２との接合面間にはＯリング溝４３が設けられており、このＯリング溝４３にＯリング３３が装着されて静止用密封環３１を嵌合した接合間をシールしている。
このようにして、ハウジング６０の被密封流体側Ａと大気側Ｂとを摺動部品２のシール面３と静止用密封環３１の対向シール面３１Ａとの密接によりシールする。
【００３７】
この摺動部品２は回転用密封環２として用いられているが、静止用密封環３１としても用いられる。又、回転用密封環２と静止用密封環３１を共に摺動部品２を用いることもできる。
この摺動部品２は、炭化珪素、炭化チタン、炭化タングステン等の炭化物系を含有する摺動材により形成されている。又、炭化タングステン等の超硬合金を用いることもできる。これは、摺動部品２の摺動面３にディンプル５が形成されているので、硬質合金を利用することを可能にする。
【００３８】
図６は、本発明の摺動部品２をテストしたメカニカルシール型試験機の断面図である。
図６に於いて、摺動部品２用の試験機１０には、中心部に回転可能な円筒状のハウジング２０が設けられている。このハウジング２０内の被密封流体室２０Ａに設けられた取付面には静止用密封環１１がＯリングを介して密封に嵌着されている。又、回転軸１５に固着された保持装置１３には回転用密封環１２が軸方向へ移動自在にスプリングにより弾発に保持されている。そして、回転用密封環１２のシール面が静止用密封環１１の対向シール面に密接して被密封流体室２０Ａ内の被密封流体が外部へ漏洩しないようにシールしている。
【００３９】
モータ１６により回転する回転軸１５の軸心には流通路１５Ａが設けられている。この流通路１５Ａには通路管１４が貫通して配置されている。この通路管１４から導入される被密封流体、例えば、油が被密封流体室２０Ａ内に流入すると共に、流通路１５Ａから流出するように構成されている。この流通路１５Ａと通路管１４の端部は図示省略の循環パイプに連通し、このパイプに接続したポンプ装置により設定温度と設定圧力に制御された被密封流体を循環するように構成されている。尚、モータ１６は、図示されていないインバータにより、回転数の制御が可能にされている。
【００４０】
静止用密封環１１を保持したハウジング２０は、ベアリング１８に回転可能に保持された軸１９に固着されている。そして、静止用密封環１１と回転用密封環１２との回転時の摺動抵抗により回動するように構成されている。
【００４１】
一方、静止用密封環１１の対向シール面の近傍１mmの位置には直径２mmの穴が設けられており、図示省略の熱電温度計に結線した白金ロジウム−白金又はアルメル−クロメル等の導線１７の他端が穴に結線されている。そして、この熱電温度計により静止用密封環１１の摺動面の温度を測定する。
【００４２】
又、軸１９を支持する支持台にはロードセル２１が設けられており、カンチレバー２２を介して摺動トルクMを検出できるように成されている。尚、この摺動トルクMの値から摩擦係数Fを算出する。算出する式は、Ｆ=M／（Ｗ×Ｒｍ）である。
但し、Ｗ＝荷重
Ｒｍ＝摺動面平均半径である。
【００４３】
本試験機１０は、内流・アンバランス型である。そして、被密封流体の圧力とスプリングの弾発力によりシール面を押圧する。又、被密封流体の圧力が０の時は、保持装置１３のスプリングのみにより摺動面が押圧される。このようにして測定した試験中の測定項目は、摺動部品２の摺動トルクＭ、摺動面の温度、被密封流体の温度、更に、摺動面から漏洩する被密封流体の量である。
【００４４】
【実施例】
実施例１
実施例１は図１に示す摺動部品２を試験したものである。この摺動部品２は図６に示す試験機１０により試験した。
【００４５】
その摺動条件は以下の通りである。
１）摺動部品２
回転用密封環は、炭化珪素摺動部品（内径２５mm×外径４４mm×長さ１２mm）。
静止用密封環は、炭化珪素摺動部品（内径２８mm×外径５０mm×長さ１４mm）。
摺動面の径は、（内径３２ｍｍ×外径４０mm）
この密封環のうちの一方の摺動面３にディンプル５を設けると共に、他方の摺動面３はディンプル５のない平滑な平面である。
ディンプル５の形状は、図１及び図２に示す通りである。すなわち、ディンプル５の幅Ａは、１５０×１０^−６m、長さＢは、６００×１０^−６m、深さHは、８×１０^−６mである。又、全ディンプルの全摺動面に対する面積比率の割合は８％である。
ディンプル５の外側傾斜角度Ｃ及び内側傾斜角度Ｃ’は、共に６０°（境界基準線Ｘからは、各々３０°である）である。
２）摺動面の表面粗さは、Ｒｚ０．２×１０^−６m。
３）平坦度は、１バンド（ヘリウムライト）。
４）試験時間は、３０分。
５）被密封流体の温度は、３０°Ｃ。
６）被密封流体の圧力は、０．０７MPa。
７）周速度１，２，５，１０ｍ／ｓ。
８）スプリングの荷重は、２０N。
９）境界基準線の半径Ｒｈを１８mmとする。
１０）被密封流体は、出光興産製スーパーマルチオイル１０。
【００４６】
そして、これらの条件で試験した結果の摩擦係数は、表１の通りである。又、ディンプル５のない平滑な摺動面同士による摩擦係数に対する上記の摺動部品２の摩擦係数の割合（％）〔摺動部品２の摩擦係数／ディンプルのない摺動面を形成した摺動部品の摩擦係数〕が表２に示す通りである。更に、被密封流体の漏れ量（ｇ／ｈ）が表３の通りである。尚以下の各表で、Ａは、摺動部品２の摺動速度（ｍ／ｓ）である。又、Ｂは、被密封流体の圧力（ＭＰa）である。
【００４７】
【表１】

【００４８】
【表２】

【００４９】
【表３】

【００５０】
表３の被密封流体の漏れ量（ｇ／ｈ）について検討する。先ず、被密封流体の圧力が０MPaの場合には、被密封流体の漏洩量が０ｇ／ｈであるのに対し、０．０７MPaの場合には、被密封流体の漏洩が圧力との関係で測定不能であるが、微小発生すると思われる。この理由は、被密封流体が０MPaの場合は、外周側のディンプル５Ａと内周側のディンプル５Ｂが対象に形成されているので、ディンプル５のポンピングの作用により発生する圧力が釣り合うために、摺動面３間を横断する被密封流体の流れは発生しないものと考えられる。
又、被密封流体の圧力が０．０７MPaの場合では、ディンプル５のポンピング作用により漏洩は発生しないが、被密封流体の圧力の上昇に応じて被密封流体の漏洩が微小発生すると考えられる程度である。
【００５１】
この根拠は、平行な静止用密封環と回転用密封環の摺動面間の放射状漏れに関するポアズイユの理論式により、被密封流体の漏洩量は被密封流体の圧力により比例することがわかる。
【００５２】
実施例２
次に、実施例２は、図４に示す摺動部品２について試験したものである。この摺動面では、図４に示すように外周側のディンプル５Ａの配列幅ｒ１−ｒｈと内周側のディンプル５Ｂの配列幅ｒｈ−ｒ２の比を１／３の値にしたものである。尚、実施例２のその他の条件は実施例１と同じ条件である。
そして、これらの条件で実施例２の摺動部品２を試験した結果の摩擦係数は、表４の通りである。又、ディンプルのない平滑な摺動面同士（摺動面）による摩擦係数と実施例２の摩擦係数の割合（％）〔摺動部品２の摩擦係数／ディンプルのない摺動面を形成した摺動部品の摩擦係数〕が表５の通りである。更に、被密封流体の漏れ量（ｇ／ｈ）が表６の通りである。
【００５３】
【表４】

【００５４】
【表５】

【００５５】
【表６】

【００５６】
実施例２の表４の摩擦係数及び表５の摺動部品２とディンプルのない摺動部品との摩擦係数の割合（％）は、共に比較例1の対応する表16、表17に比べて摩擦係数が小さくなる。このために、摩擦を低減する能力に優れている。特に、高速摺動時に摺動発熱が小さいので焼き付きを惹起しない。
又、表６は被密封流体の漏洩量（ｇ/ｈ）であるが、被密封流体の圧力を上昇させても被密封流体の漏洩は認められない。つまり、摺動部品２は摩擦係数が小さく且つシール能力に優れる。
【００５７】
実施例３
１）試験条件
実施例３の摺動部品２は、実施例1と同一条件のもとに同一試験機により実験した。
２）摺動部品２
（１）この摺動部品２は図4に示す摺動部品2と摺動面が同一の形状である。つまり、外周のディンプル５の配列幅ｒ１−ｒｈと、内周のディンプルの配列幅ｒｈ−ｒ２の比を１／３とした。
（２）回転用密封環の材質及び径は、クロムモリブデン鋳鉄（内径２５ｍｍ×外径４４ｍｍ×長さ１２mm）
（３）静止用密封環の材質及び径は、クロムモリブデン鋳鉄（内径２５ｍｍ×外径５０ｍｍ×長さ１４mm）
（４）回転摺動面の径は、（内径32ｍｍ×外形４０ｍｍ）
（５）その他の条件は実施例１と同一である。
【００５８】
これらの条件で試験した結果の摩擦係数は、表７の通りである。
又、ディンプルのない平滑な摺動面同士による摩擦係数と、実施例３の摩擦係数の割合（％）〔摺動部品２の摩擦係数／ディンプルのない摺動面を形成した摺動部品の摩擦係数〕を示す結果は、表８の通りである。
更に、被密封流体の漏れ量（ｇ／ｈ）は表９の通りである。尚、鋳鉄FC35でも同様な結果となる。
【００５９】
【表７】

【００６０】
【表８】

【００６１】
【表９】

【００６２】
実施例３の表７の摩擦係数及び表８の摺動部品２とディンプルのない摺動部品との摩擦係数の割合（％）は、共に比較例1の対応する表16、表17に比べて摩擦係数が小さくなる。このために、摩擦を低減する能力に優れている。特に、高速摺動時に摺動発熱が小さいので焼き付を惹起しない。
又、表９は被密封流体の漏洩量（ｇ/ｈ）であるが、被密封流体の圧力を上昇させても被密封流体の漏洩は認められない。つまり、摺動部品２は摩擦係数が小さく且つシール能力に優れる。
【００６３】
実施例４
１）試験条件
実施例４の摺動部品2は、実施例1と同一条件のもとに同一試験機により実験した。
２）摺動部品２
（１）この摺動部品２は図4に示す摺動部品2の摺動面と同一の形状である。つまり、外周のディンプル５の配列幅ｒ１−ｒｈと、内周のディンプルの配列幅ｒｈ−ｒ２の比を１／３とした。
（２）回転用密封環の材質及び径は、ステンレス鋼(SUS420J2 )（内径２５ｍｍ×外径４４ｍｍ×長さ１２mm）
（３）静止用密封環の材質及び径は、ステンレス鋼(SUS420J2 )（内径２５ｍｍ×外径５０ｍｍ×長さ１４mm）
（４）回転摺動面の径は、（内径32ｍｍ×外形４０ｍｍ）
（５）その他の条件は実施例１と同一である。
【００６４】これらの条件で試験した結果の摩擦係数は、表１０の通りである。
又、ディンプルのない平滑な摺動面同士による摩擦係数と、実施例４の摩擦係数の割合（％）〔摺動部品２の摩擦係数／ディンプルのない摺動面を形成した摺動部品の摩擦係数〕を示す結果は、表１１の通りである。
更に、被密封流体の漏れ量（ｇ／ｈ）は表１２の通りである。
【００６５】
【表１０】

【００６６】
【表１１】

【００６７】
【表１２】

【００６８】
実施例４の表１０の摩擦係数及び表１１の摺動部品２とディンプルのない摺動部品との摩擦係数の割合（％）は、共に比較例1の対応する表16、表17に比べて摩擦係数が小さい。このために、摩擦を低減する能力に優れている。特に、高速摺動時に摺動発熱が小さいので焼き付が惹起しない。
又、表１２は被密封流体の漏洩量（ｇ/ｈ）であるが、被密封流体の圧力を上昇させても被密封流体の漏洩は認められない。つまり、摺動部品２は摩擦係数が小さく且つシール能力に優れる。
【００６９】
実施例５
１）試験条件
実施例５の摺動部品2は、実施例１と同一条件のもとに同一試験機により実験した。
２）摺動部品２
（１）図4に示す摺動部品2と摺動面と同一の形状である。つまり、外周のディンプル５Ａの配列幅ｒ１−ｒｈと、内周のディンプル５Ｂの配列幅ｒｈ−ｒ２の比を１／３とした。
（２）回転用密封環の材質及び径は、窒化珪素（内径２５ｍｍ×外径４４ｍｍ×長さ１２mm）
（３）静止用密封環の材質及び径は、窒化珪素（内径２５ｍｍ×外径５０ｍｍ×長さ１４mm）
（４）回転摺動面の径は、（内径32ｍｍ×外形４０ｍｍ）
（５）その他の条件は実施例１と同一である。
【００７０】
これらの条件で試験した結果の摩擦係数は、表１３の通りである。
又、ディンプルのない平滑な摺動面同士による摩擦係数と、実施例５の摩擦係数の割合（％）〔摺動部品２の摩擦係数／ディンプルのない摺動面を形成した摺動部品の摩擦係数〕の結果は、表１４の通りである。
更に、被密封流体の漏れ量（ｇ／ｈ）は表１５の通りである。
【００７１】
【表１３】

【００７２】
【表１４】

【００７３】
【表１５】

【００７４】
実施例５の表１３の摩擦係数及び表１４の摺動部品２とディンプルのない摺動部品との摩擦係数の割合（％）は、共に比較例1の対応する表16、表17に比べて摩擦係数が小さい。このために、摩擦を低減する能力に優れている。特に、高速摺動時に摺動発熱が小さいので焼き付が惹起しない。
又、表１５は被密封流体の漏洩量（ｇ/ｈ）であるが、被密封流体の圧力を上昇させても被密封流体の漏洩は認められない。つまり、摺動部品２は摩擦係数が小さく且つシール能力に優れる。
【００７５】
比較例１
比較例１として特許第３０２６２５２号公報の図１に示すようなメカニカルシール用摺動材について試験したものである。この摺動材は摺動面に摺動方向に対して直角方向へ長手の楕円形状のディンプルを径方向と周方向へ等配に複数配列したものである。この楕円形のディンプルは幅が５０×１０^−６mで、長手方向の長さが２００×１０^−６mであり、深さが８×１０^−６mである。又、摺動面に於ける配列は摺動する円周方向に対して約４００×１０^−６m、半径方向に対して約２００×１０^−６mの間隔に配列したものである。そして、全ディンプルの全摺動面の面積に対する面積比率を約８％の割合に形成した。
【００７６】
そして、これらの条件で比較例１の摺動部品を試験した結果の摩擦係数は、表１６の通りである。又、比較例１の摩擦係数に対するディンプル５のない摺動面平面同士の摩擦係数との割合（％）〔比較例１の摩擦係数／ディンプルのない摺動面同士の摩擦係数〕が表１７の通りである。更に、被密封流体の漏れ量（ｇ／ｈ）が表１８の通りである。
【００７７】
【表１６】

【００７８】
【表１７】

【００７９】
【表１８】

【００８０】
以上の試験結果から、実施例１は、比較例１に対し、摩擦係数の割合（％）について同一条件で比較すると全ての点で１／３以下に低減されている。
又、実施例２は、比較例１に対し、被密封流体の漏洩量は同等であるが摩擦係数の割合が最大で２８％以下に低減されている。
更に、実施例３は、比較例１に対し、被密封流体の漏洩量（ｇ／ｈ）はほとんど認められない。しかし、比較例1に対して、摩擦係数の割合が最大の値で３０％以下に低減されていることが認められる。
更に、実施例４は、比較例１に対し、被密封流体の漏洩量（ｇ／h）はほとんど認められない。しかし、比較例1に対して、摩擦係数の割合が最大の値で２９％以下に低減されていることが認められる。
更に、実施例５は、比較例１に対し、被密封流体の漏洩量（ｇ／h）はほとんど認められない。しかし、比較例1に対して、摩擦係数の割合が最大の値で２６％以下に低減されていることが認められる。
【００８１】
又、以上の試験結果について、実施例１及び２の摺動部品２並びに比較例１の摺動部品の摩擦係数に対するディンプル５のない摺動面同士の摩擦係数の割合（％）をグラフに表したのが図７である。更に、実施例３、４、５についても同様なグラフになるので、グラフの表示は省略する。
この図７のグラフから判断して実施例１、実施例２、実施例３、実施例４及び実施例５とも比較例１に比較して摩擦係数等の全ての値が低減している。
更に、実施例３、実施例４及び実施例５において、この摺動部品２の材質と同じ材質の摺動部品でもディンプル５を設けないと、高速回転時に焼き付きが惹起して使用不能になる。しかし、摺動面３に、本発明のようなディンプル５を設けることにより、焼き付きが防止できる。その上、ディンプル５のない炭化珪素材製の摺動部品では、寒冷地などで低温時には、摺動面に割れが発生することがあるが、ディンプル５を設けた鋳鉄叉はステンレス鋼叉は窒化珪素叉は窒化アルミ等の材製の摺動部品５は、低温時でも、更には摺動面が凍結した場合でも摺動面に割れの発生が認められない。このために、摺動部品の耐久能力が向上する。
尚、本発明の摺動部品２は軸受、シリンダーと摺動するピストンリング等の摺動面を有する摺動部品としての用途にも利用することができる。
【００８２】
【発明の効果】
請求項１から請求項３に係わる本発明の摺動部品によれば、外周側のディンプルが回転方向の長手先端側を外周側へ向かって傾斜させると共に、内周側のディンプルが回転方向の長手先端側を内周側へ向かって傾斜させると、外周側と内周側のディンプル間に潤滑膜を形成して摺動面に被密封流体の潤滑膜を保持し、シール能力が向上する効果を奏する。又、この保持される潤滑膜により摺動面の摩擦係数を低減する効果を奏する。そして、摺動面の発熱を効果的に低減する。このために、密封環、ピストンリング、軸受等の摺動面に利用して有用である。
【００８３】
又、ディンプルをハ形状に配置できるので、被密封流体の潤滑膜を内外周のディンプルにより境界基準線の近傍にかき集めるようにして集中させ、摺動面間に介在された被密封流体の潤滑膜により、摩擦係数と、シール能力とを共に向上させる効果が発揮される。
【００８４】
更に、摺動面の被密封流体と反対側の多数のディンプルにより被密封流体を被密封流体側に押し戻すので、被密封流体のシール能力が飛躍的に向上できる効果を奏する。又、このときの摺動面に介在する被密封流体の潤滑皮膜は、摺動面の摩擦係数を低減する効果を奏する。
【００８５】
請求項４に係わる本発明の摺動部品によれば、摩擦係数が最小になる範囲であると共に、シール能力が最大になる範囲であるため、この両効果が共有して発揮される。
【００８６】
請求項５に係わる本発明の摺動部品によれば、炭化物より成る摺動材にすると、摩擦係数を低減できると共に、摺動時に生じる泣きやリンキングを低減することが可能になる。しかも、この摺動部品をカーボン材と対向させて摺動させてもブリスタ現象を防止する効果が期待できる。
【００８７】
請求項６に係わる本発明の摺動部品によれば、鋳鉄、ステンレス鋼、窒化硅素、窒化アルミ等の材製の摺動部品は、摩擦係数を低減できると共に、低温時に発生する摺動面の割れが防止できるので、シール能力と、耐久能力が共に向上する。更に、高速摺動時に発生する摺動面の焼き付きも効果的に防止できる。叉、軸受、ピストンリング等の摺動部品としても摩擦係数を小さくして、耐久能力を向上させる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる第１実施の形態を示す摺動部品の摺動面の正面図である。
【図２】本発明に係わる第２実施の形態を示すディンプルの配列の１部を示す平面図である。
【図３】本発明に係わる実施例３を示すディンプルの平面図である。
【図４】本発明に係わる第３実施の形態を示す摺動部品の摺動面の平面図である。
【図５】本発明に係わる摺動部品を取り付けたメカニカルシールの断面図である。
【図６】本発明に係わる摺動部品の試験機の断面図である。
【図７】本発明に係わる実施例と比較例に於ける摺動部品とディンプルのない摺動面との摩擦係数の対比割合を示すグラフである。
【図８】特許文献のメカニカルシールの断面図である。
【図９】特許文献の摺動部品の摺動面を示す平面図である。
【符号の説明】
１メカニカルシール
２摺動部品
３摺動面
５ディンプル
５Ａ外周側のディンプル
５Ｂ内周側のディンプル
５Ａ１回転方向先端
５Ｂ１回転方向先端
Ｘ境界基準線
Ｎ回転方向
Ｒ１外周側領域
Ｒ２内周側領域
ｒ１ディンプルの配列の外周の半径
ｒ２ディンプルの配列の内周の半径
ｒｈ境界基準線の半径
Ｃ外周側のディンプルの傾斜角度
Ｃ’ 内周側のディンプルの傾斜角度

Claims

静止用摺動部品と回転用摺動部品との摺動面が互いに相対摺動する摺動部品であって、
前記摺動面に境界基準線を境に外周側と内周側とが傾斜方向を異にする複数のディンプルを隣り合う径方向の列に存在するディンプルの周方向端部同士が重ならないように１列に配置し、
前記外周側のディンプルが径方向へ複数の列を成して回転方向先端を外周側へ向かって傾斜させると共に内周側のディンプルが径方向へ複数の列を成して回転方向先端を内周側へ向かって傾斜させて、前記列が周方向に沿って複数列に配置され、
前記ディンプルは平面が楕円形状又は長方形状を成して幅が５０×１０ ^−６ｍから１０００×１０ ^−６ｍであると共に長さが前記幅の２倍以上で前記摺動面幅の１／２以下で、深さが１×１０ ^−６ mから２５×１０ ^−６ mに形成されていることを特徴とする摺動部品。
静止用摺動部品と回転用摺動部品とが互いに相対摺動する摺動面間で１方側に存在する被密封流体をシールする摺動部品であって、
前記摺動面に境界基準線を境に外周側と内周側とが傾斜方向を異にする複数のディンプルを隣り合う径方向の列に存在するディンプルの周方向端部同士が重ならないように１列に配置し、
前記外周側のディンプルと内周側のディンプルが径方向へ複数の列を成して互いにハ形状に傾斜すると共に前記列が周方向に沿って複数列に配置され、
前記ディンプルは平面が楕円形状又は長方形状を成して幅が５０×１０ ^−６ｍから１０００×１０ ^−６ｍであると共に長さが前記幅の２倍以上で前記摺動面幅の１／２以下で、深さが１×１０ ^−６ mから２５×１０ ^−６ mに形成されていることを特徴とする摺動部品。
前記内周側のディンプル数と外周側のディンプル数のうち前記摺動面の被密封流体側の前記ディンプル数が少なく形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の摺動部品。
前記摺動部品が炭化珪素、炭化チタン、炭化タングステン等の炭化物を含有する摺動材で形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３に記載の摺動部品。
前記摺動部品が鋳鉄叉はステンレス鋼叉は窒化珪素叉は窒化アルミニウムの材質で形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３に記載の摺動部品。