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JP7036748B2 - 摺動部品 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば、メカニカルシール、軸受、その他、摺動部に適した摺動部品に関する。特に、摺動面に流体を介在させて摩擦を低減させるとともに、摺動面から流体が漏洩するのを防止する必要のある密封環、例えば、ターボチャージャー用あるいは航空エンジン用のギアボックスに使用されるオイルシール、または軸受などの摺動部品に関する。
摺動部品の一例である、メカニカルシールにおいて、その性能は、漏れ量、摩耗量、及びトルクによって評価される。従来技術ではメカニカルシールの摺動材質や摺動面粗さを最適化することにより性能を高め、低漏れ、高寿命、低トルクを実現している。しかし、近年の環境問題に対する意識の高まりから、メカニカルシールの更なる性能向上が求められており、従来技術の枠を超える技術開発が必要となっている。
そのような中で、例えば、ターボチャージャーのような回転部品のオイルシール装置に利用されるものとして、ハウジングに回転可能に収納された回転軸と、回転軸とともに回転する円盤状の回転体と、ハウジングに固定され、回転体の端面に当接して外周側から内周側へオイルの漏れるのを防止する円盤状の固定体とを備え、固定体の当接面には流体の遠心力により正圧を発生する環状の溝が設けられ、オイルが外周側から内周側へ漏れるのを防止するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
また、例えば、有毒の流体をシールする回転軸の軸封装置において、回転軸とともに回転リングとケーシングに取付けられた静止リングとを備え、回転リング及び静止リングのいずれかの摺動面に回転リングの回転により低圧側の液体を高圧側に向かって巻き込むスパイラル溝が高圧側の端部が行止まり形状であるように設けられ、高圧側の被密封流体が低圧側へ漏れるのを防止するようにしたものが知られている（例えば、特許文献２参照。）。
また、例えば、ターボチャージャーの駆動軸を圧縮機ハウジングに対してシールするのに適した面シール構造として、協働する１対のシールリングのうち、その一方は回転構成要素に設けられ、他方は静止構成要素に設けられ、これらのシールリングは、作動中に実質的に半径方向に形成されたシール面を有して、シール面同士の間に、シール面の外側区域をシール面の内側区域に対してシールするためのシールギャップが形成され、シール面の少なくとも一方に、ガスを送り込むのに有効な周方向に離間した複数の凹部が設けられ、該凹部はシール面の一方の周縁から他方の周縁に向かって延びているとともに、凹部の内端は前記シール面の他方の周縁から半径方向に離間して設けられ、非ガス成分を含むガス媒体中の非ガス成分がシールされるようにしたものが知られている（例えば、特許文献３参照。）。
実開昭６２－１１７３６０号公報 特開昭６２－３１７７５号公報 特開２００１－１２６１０号公報
しかしながら、上記の特許文献１ないし３に記載の従来技術においては、相対摺動する１対の摺動部品の摺動面に設けられたスパイラル溝等の溝により流体の流れが摺動面内に集中し、摺動面内に摩耗粉やコンタミ等の異物が堆積し、摺動面の摩耗及び漏れが発生するという問題があった。
本発明は、相対摺動する１対の摺動部品の少なくとも一方の摺動面に表面テクスチャを施し、起動時から定常運転状態において摺動面に積極的に流体を導入して潤滑性を向上させるとともに、摺動面内に摩耗粉やコンタミ等の異物が堆積するのを防止し、摺動面の摩耗及び漏れの発生を防止できる摺動部品を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため本発明の摺動部品は、第１に、
互いに相対摺動する一対の摺動部品を備え、一方の摺動部品は固定側密封環であり、他方の摺動部品は回転側密封環であり、これらの密封環は半径方向に形成された摺動面を有し、被密封流体である液体又はミスト状の流体が漏洩するのをシールするものであって、
前記摺動面の少なくとも一方に、前記摺動面の被密封流体側の周縁に連通し、漏れ側の周縁には連通しないように構成された正圧発生溝を有する正圧発生機構、及び、
上流側の端部が前記漏れ側に位置すると共に下流側の端部が前記被密封流体側に位置するように傾斜して配設された吐出し溝を備え、
前記吐出し溝は前記正圧発生機構の周方向の間に配置され、前記吐出し溝の前記下流側の端部の径方向位置は、前記正圧発生溝の下流側端部の径方向位置と同一である、又は、前記正圧発生溝の下流側端部の径方向位置よりも前記被密封流体側にあることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動面間の流体膜を増加させ、摺動面の潤滑性能を向上させると共に、摺動面に存在する摩耗粉やコンタミ等の異物を摺動面内から被密封流体側に排出することができ、摺動面の摩耗及び漏れの発生を防止することができる。
また、本発明の摺動部品は、第２に、第１の特徴において、
前記吐出し溝は、前記上流側の端部が前記漏れ側と非連通であって、前記下流側の端部が前記被密封流体側と連通されていることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動面内部からの流体の流れが外周側まで形成され、確実に異物を摺動面内から被密封流体側に排出することができる。
また、本発明の摺動部品は、第３に、第１の特徴において、
前記吐出し溝は、前記上流側の端部が前記漏れ側と連通され、前記下流側の端部が前記被密封流体側と非連通であることを特徴としている。
この特徴によれば、漏れ側の流体を積極的に摺動面にポンピングすることができ、内周から摺動面への流体の流れを促進し、遠心力を利用して摺動面に存在する摩耗粉やコンタミ等の異物を外周側に排出することができる。
また、本発明の摺動部品は、第４に、第１の特徴において、
前記吐出し溝は、前記上流側の端部が前記漏れ側と非連通であって、前記下流側の端部が前記被密封流体側と連通される溝、及び、前記上流側の端部が前記漏れ側と連通され、前記下流側の端部が前記被密封流体側と非連通の溝からなることを特徴としている。
この特徴によれば、内周吐出し溝タイプの吐出し溝により漏れ側の流体を積極的に摺動面Ｓにポンピングすることができ、内周から摺動面への流体の流れを促進することができると共に、外周吐出し溝タイプの吐出し溝により摺動面内部からの流体の流れを外周側まで形成することができるので、より一層、確実に異物を摺動面内から被密封流体側に排出することができる。
また、本発明の摺動部品は、第５に、第１ないし第４のいずれかの特徴において、前記摺動面には、上流側の端部が前記漏れ側と連通され、下流側の端部が前記被密封流体側の周縁には非連通であって、上流側から下流側に向けて傾斜するように配設されたスパイラル溝が設けられることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動面の漏れ側から正圧発生機構付近にかけて気体潤滑の状態となり非常に低摩擦にできると共に、漏れ側の気体が非密封流体側に向けてポンピングされるため、被密封流体が漏れ側へ漏洩することを防止できる。
また、本発明の摺動部品は、第６に、第５の特徴において、前記吐出し溝の溝深さは、前記正圧発生溝又は前記スパイラル溝の溝深さよりも深いことを特徴としている。
この特徴によれば、摩耗粉やコンタミ等の異物の排出を確実にすると共に、負圧の発生を防止し、摺動面全体の浮上力の低下を防止することができる。
また、本発明の摺動部品は、第７に、第１の特徴において、正圧発生溝は、レイリーステップ機構のグルーブ部から構成されることを特徴としている。
この特徴によれば、起動時などの回転側密封環の低速回転状態においても正圧（動圧）を発生するため、摺動面における低速時の液膜が増大され、低速時における潤滑性能を向上させることができる。
また、本発明の摺動部品は、第８に、第７の特徴において、前記グルーブ部は、下流側の幅又は深さが上流側の幅又は深さに比べて小さく設定されることを特徴としている。
この特徴によれば、正圧の発生効果を高めることができる。
また、本発明の摺動部品は、第９に、第１ないし第８のいずれかの特徴において、前記摺動面のランド部には、ディンプルが設けられることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動面全体に流体を蓄積することができると共に摺動面間に正圧を発生して摺動面の潤滑性能を高めることができる。
本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）摺動面の少なくとも一方に、摺動面の被密封流体側の周縁に連通し、漏れ側の周縁には連通しないように構成された正圧発生溝を有する正圧発生機構、及び、上流側の端部が漏れ側に位置すると共に下流側の端部が被密封流体側に位置するように傾斜して配設された吐出し溝を備えることにより、摺動面間の流体膜を増加させ、摺動面の潤滑性能を向上させると共に、摺動面に存在する摩耗粉やコンタミ等の異物を摺動面内から被密封流体側に排出することができ、摺動面の摩耗及び漏れの発生を防止することができる。
（２）吐出し溝は、上流側の端部が漏れ側と非連通であって、下流側の端部が前記被密封流体側と連通された外周吐出し溝タイプであることにより、摺動面内部からの流体の流れが外周側まで形成され、確実に異物を摺動面内から被密封流体側に排出することができる。
（３）吐出し溝は、上流側の端部が漏れ側と連通され、下流側の端部が被密封流体側と非連通の内周吐出し溝タイプであることにより、漏れ側の流体を積極的に摺動面にポンピングすることができ、内周から摺動面への流体の流れを促進し、遠心力を利用して摺動面に存在する摩耗粉やコンタミ等の異物を外周側に排出することができる。
（４）吐出し溝は、外周吐出し溝タイプ及び前記内周吐出し溝タイプであることにより、内周吐出し溝タイプの吐出し溝により漏れ側の流体を積極的に摺動面にポンピングすることができ、内周から摺動面への流体の流れを促進することができると共に、外周吐出し溝タイプの吐出し溝により摺動面内部からの流体の流れを外周側まで形成することができるので、より一層、確実に異物を摺動面内から被密封流体側に排出することができる。
（５）摺動面には、上流側の端部が漏れ側と連通され、下流側の端部が被密封流体側の周縁には非連通であって、上流側から下流側に向けて傾斜するように配設されたスパイラル溝が設けられることにより、摺動面の漏れ側から正圧発生機構付近にかけて気体潤滑の状態となり非常に低摩擦にできると共に、漏れ側の気体が非密封流体側に向けてポンピングされるため、被密封流体が漏れ側へ漏洩することを防止できる。
（６）吐出し溝の溝深さは、正圧発生溝又はスパイラル溝の溝深さよりも深いことにより、摩耗粉やコンタミ等の異物の排出を確実にすると共に、負圧の発生を防止し、摺動面全体の浮上力の低下を防止することができる。
（７）正圧発生溝は、レイリーステップ機構のグルーブ部から構成されることにより、起動時などの回転側密封環の低速回転状態においても正圧（動圧）を発生するため、摺動面における低速時の液膜が増大され、低速時における潤滑性能を向上させることができる。
（８）グルーブ部は、下流側の幅又は深さが上流側の幅又は深さに比べて小さく設定されることにより、正圧の発生効果を高めることができる。
（９）摺動面のランド部には、ディンプルが設けられることにより、摺動面全体に流体を蓄積することができると共に摺動面間に正圧を発生して摺動面の潤滑性能を高めることができる。
本発明の実施例１に係るメカニカルシールの一例を示す縦断面図である。 本発明の実施例１に係る摺動部品の摺動面を示したものであって、固定側密封環の摺動面に表面テクスチャ（正圧発生機構及び吐出し溝）が設けられている。 本発明の実施例２に係る摺動部品の摺動面を示したものであって、固定側密封環の摺動面に表面テクスチャ（正圧発生機構及び吐出し溝）が設けられている。 本発明の実施例３に係る摺動部品の摺動面を示したものであって、固定側密封環の摺動面に表面テクスチャ（正圧発生機構及び吐出し溝）が設けられている。 本発明の実施例４に係る摺動部品の摺動面を示したものであって、固定側密封環の摺動面に表面テクスチャ（正圧発生機構、吐出し溝及びポンピング溝）が設けられている。 本発明の実施例５に係る摺動部品の摺動面を示したものであって、固定側密封環の摺動面に表面テクスチャ（正圧発生機構、吐出し溝及びポンピング溝）が設けられている。 本発明の実施例６に係る摺動部品の摺動面を示したものであって、固定側密封環の摺動面に表面テクスチャ（正圧発生機構、吐出し溝及びポンピング溝）が設けられている。
以下に図面を参照して、この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。
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。また、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（液体側あるいはミスト状の流体側）、内周側を漏れ側（気体側）として説明するが、本発明はこれに限定されることなく、外周側が漏れ側（気体側）、内周側が被密封流体側（液体側あるいはミスト状の流体側）である場合も適用可能である。また、被密封流体側（液体側あるいはミスト状の流体側）と漏れ側（気体側）との圧力の大小関係については、例えば、被密封流体側（液体側あるいはミスト状の流体側）が高圧、漏れ側（気体側）が低圧、あるいは、その逆のいずれでもよく、また、両方の圧力が同一であってもよい。
図１は、メカニカルシール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被密封流体、例えば、軸受部に使用された潤滑油を密封する形式のインサイド形式のものであり、ターボチャージャに備えられたコンプレッサのインペラー１を駆動させる回転軸２側にスリーブ３を介してこの回転軸２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４と、ハウジング５にカートリッジ６を介して非回転状態で、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７とが設けられ、固定側密封環７を軸方向に付勢するコイルドウェーブスプリング８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４及び固定側密封環７は半径方向に形成された摺動面Ｓを有し、互いの摺動面Ｓにおいて、被密封流体、例えば、液体あるいはミスト状の流体（以下、単に「液体」ということがある。）が摺動面Ｓの外周から内周側の漏れ側へ流出するのを防止するものである。
なお、符号９はＯリングを示しており、カートリッジ６と固定側密封環７との間をシールするものである。
また、本例では、スリーブ３と回転側密封環４とは別体の場合について説明しているが、これに限らず、スリーブ３と回転側密封環４とを一体に形成してもよい。
また、固定側密封環７の外径は回転側密封環４の外径より大きい場合を示しているが、これに限定されることなく、逆であってもよい。
回転側密封環４及び固定側密封環７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、いずれか一方がＳｉＣであって他方がカーボンの組合せが可能である。
図２は、本発明の実施例１に係る摺動部品の摺動面Ｓを示したものであって、本例では、図１の固定側密封環７の摺動面Ｓに表面テクスチャである吐出し溝１０及び正圧発生機構１１が設けられる場合について説明する。
なお、本例では、固定側密封環７の外径が回転側密封環４の外径より大きく設定されているため、吐出し溝１０及び正圧発生機構１１は固定側密封環７の摺動面Ｓの外周側端部
まで設けられる必要はなく、破線で示す回転側密封環４の外周側端部まで設けられていればよい。
また、本例においては、固定側密封環７の摺動面Ｓに吐出し溝１０及び正圧発生機構１１の加工が行われるため、固定側密封環７はカーボンから形成され、回転側密封環４は炭化ケイ素（ＳｉＣ）から形成されている。
図２において、固定側密封環７の摺動面Ｓの外周側が被密封流体側、例えば液体側であり、また、内周側が漏れ側、例えば気体側であり、相手側摺動面は矢印に示すように反時計方向に回転するものとする。
固定側密封環７の摺動面Ｓには、該摺動面Ｓの被密封流体側、すなわち、外周側の周縁に連通し、漏れ側、すなわち、内周側の周縁には連通しないように構成された正圧発生溝１２を備えた正圧発生機構１１が設けられる。
図２の場合、正圧発生機構１１はレイリーステップ機構から構成され、また、正圧発生溝１２は、レイリーステップ機構のグルーブ部から構成されている。正圧発生溝であるグルーブ部１２の上流側の端部１２ａは半径方向深溝１３により被密封流体側と連通され、下流側の端部１２ｂにおいてレイリーステップを構成し、レイリーステップにおいて正圧を発生する。正圧の発生により摺動面間の流体膜は増加され、摺動面Ｓの潤滑性能を向上させるものである。この正圧発生機構１１は、特に、起動時などの回転側密封環４の低速回転状態においても正圧（動圧）を発生するため、摺動面Ｓにおける低速時の液膜が増大され、低速時における潤滑性能を向上させることができる。
グルーブ部１２は、下流側の幅又は深さを上流側の幅又は深さに比べて小さくなるように形成して正圧の発生を増大させるようにすることも有効である。
本例では、正圧発生機構１１は、周方向に１２等配に設けられているが、１以上あればよく、また、等配に限らない。
また、摺動面Ｓには、上流側の端部１０ａが漏れ側に位置すると共に下流側の端部１０ｂが被密封流体側に位置するように傾斜して配設された吐出し溝１０が設けられる。
吐出し溝１０は、一定の幅を有し、径方向に延びており、相対摺動により、上流側の端部１０ａから下流側の端部１０ｂに向けて流体が流れ易いように傾斜して設けられるものであって、たとえば、スパイラル状あるいは矩形状をなしている。
吐出し溝１０の溝深さは正圧発生溝１２の溝深さに比較して十分に深く設定され、例えば、２５μｍ～５００μｍ程度に設定される。このため、摩耗粉やコンタミ等の異物の排出を確実にすると共に、負圧の発生を防止し、摺動面全体の浮上力を低下させることがない。
図２の場合、吐出し溝１０は、上流側の端部１０ａが漏れ側と非連通であって、下流側の端部１０ｂが被密封流体側と連通された「外周吐出し溝タイプ」である。
吐出し溝１０は正圧発生機構１１の周方向の間に配設され、その下流側の端部１０ｂは、正圧発生溝１２よりも外周側に延びており、外周側への流体の排出を確実にしている。
吐出し溝１０は、摺動面Ｓに存在する摩耗粉やコンタミ等の異物を摺動面内から摺動面外に排出させ、摺動面Ｓにおける摩耗を抑制するものである。
図２に示す、外周吐出し溝タイプの吐出し溝１０は、外周への流体の流れを促進し、遠心力を利用して摺動面Ｓに存在する摩耗粉やコンタミ等の異物を外周側に排出する機能を奏する。
なお、摺動面Ｓのランド部Ｒ（摺動面の溝加工がされていない平滑部を意味する。）には、図示を省略するディンプル（円形溝等からなる溝）が適切な密度で複数設けられてもよい。このディンプルは、内部に流体を蓄積する機能、及び、摺動面間に正圧を発生する機能を有するものである。
今、コンプレッサのインペラー１が駆動され、回転軸２を介して回転側密封環４が回転されると、摺動面Ｓ間の相対摺動により、正圧発生機構１１において正圧が発生されて摺動面Ｓの間がわずかに離間され、外周側の液体が徐々に摺動面Ｓの間に導入されて流体潤滑作用により摺動面Ｓが非接触状態に保持される。その際、摺動面Ｓにおいて、吐出し溝１０の上流側の端部１０ａ付近から下流側の端部１０ｂ（非密封流体側）にかけて外周へ向かう流れが促進され、摺動面Ｓに存在する摩耗粉やコンタミ等の異物は摺動面内から被密封流体側に排出される。
本例では、特に、吐出し溝１０は、下流側の端部１０ｂが被密封流体側と連通された外周吐出し溝タイプであって、下流側の端部１０ｂが正圧発生溝１２よりも外周側に延びているため、流体の流れが外周側まで形成され、確実に異物を摺動面内から被密封流体側に排出することができる。
以上説明した実施例１の構成によれば、以下のような効果を奏する。
（１）摺動面の少なくとも一方に、摺動面の被密封流体側の周縁に連通し、漏れ側の周縁には連通しないように構成された正圧発生溝１２を有する正圧発生機構１１、及び、上流側の端部１０ａが漏れ側に位置すると共に下流側の端部１０ｂが被密封流体側に位置するように傾斜して配設された吐出し溝１０を備えることにより、摺動面Ｓ間の流体膜を増加させ、摺動面Ｓの潤滑性能を向上させると共に、摺動面Ｓに存在する摩耗粉やコンタミ等の異物を摺動面内から被密封流体側に排出することができ、摺動面の摩耗及び漏れの発生を防止することができる。
（２）吐出し溝１０は、上流側の端部１０ａが漏れ側と非連通であって、下流側の端部１０ｂが被密封流体側と連通された外周吐出し溝タイプであることにより、摺動面Ｓ内部からの流体の流れが外周側まで形成され、確実に異物を摺動面内から被密封流体側に排出することができる。
（３）吐出し溝１０の溝深さは、正圧発生溝１２の溝深さよりも深いことにより、摩耗粉やコンタミ等の異物の排出を確実にすると共に、負圧の発生を防止し、摺動面全体の浮上力の低下を防止することができる。
（４）正圧発生溝は、レイリーステップ機構のグルーブ部から構成されることにより、起動時などの回転側密封環４の低速回転状態においても正圧（動圧）を発生するため、摺動面Ｓにおける低速時の液膜が増大され、低速時における潤滑性能を向上させることができる。
（５）グルーブ部は、下流側の幅又は深さが上流側の幅又は深さに比べて小さく設定されることにより、正圧の発生効果を高めることができる。
（６）摺動面のランド部にはディンプルが設けられることにより、摺動面Ｓ全体に流体を蓄積することができると共に摺動面間に正圧を発生して摺動面Ｓの潤滑性能を高めることができる。
図３を参照して、本発明の実施例２に係る摺動部品について説明する。
実施例２に係る摺動部品は、吐出し溝が内周吐出し溝タイプである点で実施例１の摺動部品と相違するが、その他の基本構成は実施例１と同じであり、同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
図３において、摺動面Ｓには、上流側の端部１４ａが漏れ側に位置すると共に下流側の端部１４ｂが被密封流体側に位置するように傾斜して配設された吐出し溝１４が設けられる。
吐出し溝１４は、一定の幅を有し、径方向に延びており、相対摺動により、上流側の端部１４ａから下流側の端部１４ｂに向けて流体が流れ易いように傾斜して設けられるものであって、たとえば、スパイラル状あるいは矩形状をなしている。
吐出し溝１４の溝深さは正圧発生溝１２の溝深さに比べて深く設定される。
図３の場合、吐出し溝１４は、上流側の端部１４ａが漏れ側と連通され、下流側の端部１４ｂが被密封流体側と非連通の「内周吐出し溝タイプ」である。
吐出し溝１４は正圧発生機構１１の周方向の間に配設され、その下流側の端部１４ｂは、正圧発生溝１２と径方向において重なる位置に設定されている。
図３に示す、内周吐出し溝タイプの吐出し溝１４は、上流側の端部１４ａが漏れ側と連通されているため、漏れ側の流体を積極的に摺動面Ｓにポンピングすることができ、内周から摺動面Ｓへの流体の流れを促進し、遠心力を利用して摺動面Ｓに存在する摩耗粉やコンタミ等の異物を外周側に排出する機能を奏することができる。
また、吐出し溝１４の下流側の端部１４ｂが正圧発生溝１２と径方向においてほぼ重なる位置に設定されているため、正圧発生溝１２の付近において正圧を発生させる効果も奏することができる。
以上説明した実施例２の構成によれば、特に、以下のような効果を奏する。
（１）吐出し溝１４は、上流側の端部１４ａが漏れ側と連通され、下流側の端部１４ｂが被密封流体側と非連通の内周吐出し溝タイプであることにより、漏れ側の流体を積極的に摺動面Ｓにポンピングすることができ、内周から摺動面Ｓへの流体の流れを促進し、遠心力を利用して摺動面Ｓに存在する摩耗粉やコンタミ等の異物を外周側に排出することができる。
（２）吐出し溝１４の下流側の端部１４ｂが正圧発生溝１２と径方向においてほぼ重なる位置に設定されていることにより、正圧発生溝１２の付近において正圧を重畳的に発生させることができる。
図４を参照して、本発明の実施例３に係る摺動部品について説明する。
実施例３に係る摺動部品は、吐出し溝として外周吐出し溝タイプと内周吐出し溝タイプとの両者を備える点で実施例１の摺動部品と相違するが、その他の基本構成は実施例１と同じであり、同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
図４において、摺動面Ｓには、外周吐出し溝タイプの吐出し溝１０と、内周吐出し溝タイプの吐出し溝１４との両者が設けられている。
図４の場合、外周吐出し溝タイプの吐出し溝１０と内周吐出し溝タイプの吐出し溝１４とがペアを構成するようにして正圧発生機構１１の周方向の間に１２等配で配設され、外周吐出し溝タイプの吐出し溝１０が上流側に、内周吐出し溝タイプの吐出し溝１４が下流側に位置して配設されているが、これに限定されるものではない。
たとえば、内周吐出し溝タイプの吐出し溝１４が上流側に、外周吐出し溝タイプの吐出し溝１０が下流側に位置して配設されてもよい。
以上説明した実施例３の構成によれば、特に、内周吐出し溝タイプの吐出し溝１４により漏れ側の流体を積極的に摺動面Ｓにポンピングすることができ、内周から摺動面Ｓへの流体の流れを促進することができると共に、外周吐出し溝タイプの吐出し溝１０により摺動面Ｓ内部からの流体の流れを外周側まで形成することができるので、より一層、確実に異物を摺動面内から被密封流体側に排出することができる。
図５を参照して、本発明の実施例４に係る摺動部品について説明する。
実施例４に係る摺動部品は、摺動面に正圧発生機構及び外周吐出し溝タイプの吐出し溝に加えてスパイラル溝を備える点で実施例１（図２）の摺動部品と相違するが、その他の基本構成は実施例１と同じであり、同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
図５において、摺動面Ｓには、正圧発生機構１１及び外周吐出し溝タイプの吐出し溝１０に加えてスパイラル溝１５が設けられる。スパイラル溝１５は、上流側の端部１５ａが漏れ側と連通され、下流側の端部１５ｂが被密封流体側の周縁には非連通であって、上流側から下流側に向けて傾斜するように配設される。スパイラル溝１５は、外周吐出し溝タイプの吐出し溝１０の周方向の間に配設され、外周吐出し溝タイプの吐出し溝１０の内周側部分とスパイラル溝１５の外周側部分とが重複するように配設される。また、スパイラル溝１５の下流側の端部１５ｂは、正圧発生機構１１の内側付近まで延びている。
スパイラル溝１５は、一定の幅を有し、径方向に延びており、相対摺動により、上流側の端部１５ａから下流側の端部１５ｂに向けて流体が流れ易いように傾斜して設けられるものであって、スパイラル形状（螺旋形状）に限らず、たとえば、上流側の端部１５ａと下流側の端部１５ｂを結ぶ両側の線が直線状であってスパイラル形状と同様に傾斜して配設されたものも含む。
本例では、スパイラル溝１５は、周方向に適宜の間隔で４個を１組として１２等配にに設けられているが、１以上あればよく、また、等配に限らない。
なお、外周吐出し溝タイプの吐出し溝１０の溝深さは、正圧発生溝１２及びスパイラル溝１５の溝深さよりも深い。
スパイラル溝１５は、起動時から定常運転等の回転側密封環４の高速回転状態において、上流側の端部１５ａから気体を吸い込み、下流側の端部１５ｂ付近で動圧（正圧）を発生する。このため、回転側密封環４と固定側密封環７との摺動面Ｓに僅かな間隙が形成され、摺動面Ｓの内周側から下流側の端部１５ｂである正圧発生機構１１付近にかけて気体潤滑の状態となり非常に低摩擦となる。同時に、スパイラル形状であるため内周側の気体が外周側に向けてポンピングされ、外周側の液体が内周側へ漏洩することを防止できる。また、スパイラル溝１５は外周側とはランド部Ｒにより隔離されているため、静止時において漏れが発生することがない。
上記のように、正圧発生機構１１及びスパイラル溝１５が配列された場合、正圧発生機構１１のレイリーステップ１２ｂ及びスパイラル溝１５の外周側の端部１５ｂの付近では高い圧力値を示すことが本発明者により確認されており、この高い圧力値を示す部分には流れが集中し、摩耗粉やコンタミ等の異物も集中する。
図５に示された外周吐出し溝タイプの吐出し溝１０は、外周側の端部１０ａが被密封流体側の周縁に連通し、内周側の端部１０ａが漏れ側の周縁には連通せず、摺動面の高い圧力値を示す部分より内周側まで延びているから、集中的に存在する摩耗粉やコンタミ等の異物を摺動面内から外周側に排出することができる。
図６を参照して、本発明の実施例５に係る摺動部品について説明する。
実施例５に係る摺動部品は、摺動面に正圧発生機構及び内周吐出し溝タイプの吐出し溝に加えてスパイラル溝を備える点で実施例２（図３）の摺動部品と相違するが、その他の基本構成は実施例２と同じであり、同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
図６において、摺動面Ｓには、正圧発生機構１１及び内周吐出し溝タイプの吐出し溝１４に加えて正圧発生機能を有するスパイラル溝１５が設けられる。スパイラル溝１５は、上流側の端部１５ａが漏れ側と連通され、下流側の端部１５ｂが被密封流体側の周縁には非連通であって、上流側から下流側に向けて傾斜するように配設される。スパイラル溝１５は、内周吐出し溝タイプの吐出し溝１４の周方向の間に配設され、内周吐出し溝タイプの吐出し溝１４の先端部分より内周側の部分と重複するように配設される。また、スパイラル溝１５の下流側の端部１５ｂは、正圧発生機構１１より径方向の内周側まで延びている。
なお、内周吐出し溝タイプの吐出し溝１４の下流側の端部１４ｂはスパイラル溝１５の下流側の端部１５ｂより外周側に延びている。
スパイラル溝１５は、一定の幅を有し、径方向に延びており、相対摺動により、上流側の端部１５ａから下流側の端部１５ｂに向けて流体が流れ易いように傾斜して設けられるものであって、スパイラル状に限らず、たとえば、矩形状でもよい。。
本例では、スパイラル溝１５は、周方向に適宜の間隔で４個を１組として１２等配にに設けられているが、１以上あればよく、また、等配に限らない。
なお、内周吐出し溝タイプの吐出し溝１４の溝深さは、正圧発生溝１２及びスパイラル溝１５の溝深さよりも深い。
スパイラル溝１５は、起動時から定常運転等の回転側密封環４の高速回転状態において、内周側の入口１５ａから気体を吸い込み、外周側の端部１５ｂ付近で動圧（正圧）を発生する。このため、回転側密封環４と固定側密封環７との摺動面Ｓに僅かな間隙が形成され、摺動面Ｓの内周側から外周側の端部１５ｂ付近にかけて気体潤滑の状態となり非常に低摩擦となる。同時に、スパイラル形状であるため内周側の気体が外周側に向けてポンピングされ、外周側の液体が内周側へ漏洩することが防止される。また、スパイラル溝１５は外周側とはランド部Ｒにより隔離されているため、静止時において漏れが発生することがない。
上記のように、正圧発生機構１１及びスパイラル溝１５が配列された場合、正圧発生機構１１のレイリーステップ１２ｂ及びスパイラル溝１５の外周側の端部１５ｂの付近では高い圧力値を示すことが本発明者により確認されており、この高い圧力値を示す部分には流れが集中し、摩耗粉やコンタミ等の異物も集中する。
図６に示された内外周吐出し溝タイプの吐出し溝１４は、上流側の端部１４ａが漏れ側と連通され、下流側の端部１４ｂが被密封流体側と非連通であって摺動面の高い圧力値を示す部分より外周側まで延びているから、漏れ側の流体を積極的に摺動面Ｓにポンピングすることができ、内周から摺動面Ｓへの流体の流れを促進し、集中的に存在する摩耗粉やコンタミ等の異物を摺動面内から外周側に排出することができる。
図７を参照して、本発明の実施例５に係る摺動部品について説明する。
実施例６に係る摺動部品は、摺動面に正圧発生機構、外周吐出し溝タイプの吐出し溝及び内周吐出し溝タイプの吐出し溝に加えてスパイラル溝を備える点で実施例３（図４）の摺動部品と相違するが、その他の基本構成は実施例３と同じであり、同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
図７において、摺動面Ｓには、正圧発生機構１１、外周吐出し溝タイプの吐出し溝１０及び内周吐出し溝タイプの吐出し溝１４に加えて正圧発生機能を有するスパイラル溝１５が設けられる。スパイラル溝１５は、上流側の端部１５ａが漏れ側と連通され、下流側の端部１５ｂが被密封流体側の周縁には非連通であって、上流側から下流側に向けて傾斜するように配設される。スパイラル溝１５は、外周吐出し溝タイプの吐出し溝１０と内周吐出し溝タイプの吐出し溝１４との間に配設され、外周吐出し溝タイプの吐出し溝１０の内周側部分とスパイラル溝１５の外周側部分とが重複され、内周吐出し溝タイプの吐出し溝１４の先端部分より内周側の部分と重複するように配設される。また、スパイラル溝１５の下流側の端部１５ｂは、正圧発生機構１１より径方向の内周側まで延びている。
スパイラル溝１５は、一定の幅を有し、径方向に延びており、相対摺動により、上流側の端部１５ａから下流側の端部１５ｂに向けて流体が流れ易いように傾斜して設けられるものであって、スパイラル状に限らず、たとえば、矩形状でもよい。。
本例では、スパイラル溝１５は、周方向に適宜の間隔で３個を１組として１２等配にに設けられているが、１以上あればよく、また、等配に限らない。
なお、外周吐出し溝タイプの吐出し溝１０及び内周吐出し溝タイプの吐出し溝１４の溝深さは、正圧発生溝１２及びスパイラル溝１５の溝深さよりも深い。
スパイラル溝１５は、起動時から定常運転等の回転側密封環４の高速回転状態において、内周側の入口１５ａから気体を吸い込み、外周側の端部１５ｂ付近で動圧（正圧）を発生する。このため、回転側密封環４と固定側密封環７との摺動面Ｓに僅かな間隙が形成され、摺動面Ｓの内周側から外周側の端部１５ｂ付近にかけて気体潤滑の状態となり非常に低摩擦となる。同時に、スパイラル形状であるため内周側の気体が外周側に向けてポンピングされ、外周側の液体が内周側へ漏洩することが防止される。また、スパイラル溝１５は外周側とはランド部Ｒにより隔離されているため、静止時において漏れが発生することがない。
上記のように、正圧発生機構１１及びスパイラル溝１５が配列された場合、正圧発生機構１１のレイリーステップ１２ｂ及びスパイラル溝１５の外周側の端部１５ｂの付近では高い圧力値を示すことが本発明者により確認されており、この高い圧力値を示す部分には流れが集中し、摩耗粉やコンタミ等の異物も集中する。
図７に示された外周吐出し溝タイプの吐出し溝１０は、外周側の端部１０ａが被密封流体側の周縁に連通し、内周側の端部１０ａが漏れ側の周縁には連通せず、摺動面の高い圧力値を示す部分より内周側まで延びており、また、内外周吐出し溝タイプの吐出し溝１４は、上流側の端部１４ａが漏れ側と連通され、下流側の端部１４ｂが被密封流体側と非連通であって摺動面の高い圧力値を示す部分より外周側まで延びているから、内外周吐出し溝タイプの吐出し溝１４で漏れ側の流体を積極的に摺動面Ｓにポンピングし、外周吐出し溝タイプの吐出し溝１０により外周側に排出し、内周から外周への流体の流れを促進し、集中的に存在する摩耗粉やコンタミ等の異物を摺動面内から外周側に排出することができる。
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、前記実施例では、摺動部品をメカニカルシール装置における一対の回転用密封環及び固定用密封環のいずれかに用いる例について説明したが、円筒状摺動面の軸方向一方側に潤滑油を密封しながら回転軸と摺動する軸受の摺動部品として利用することも可能である。
また、例えば、前記実施例では、摺動部品の外周側を被密封流体側（液体側あるいはミスト状の流体側）、内周側を漏れ側（気体側）として説明したが、本発明はこれに限定されることなく、外周側が漏れ側（気体側）、内周側が被密封流体側（液体側あるいはミスト状の流体側）である場合も適用可能である。また、被密封流体側（液体側あるいはミスト状の流体側）と漏れ側（気体側）との圧力の大小関係については、例えば、被密封流体側（液体側あるいはミスト状の流体側）が高圧、漏れ側（気体側）が低圧、あるいは、その逆のいずれでもよく、また、両方の圧力が同一であってもよい。
また、例えば、前記実施例では、正圧発生機構１１は、半径方向深溝１３を介して外周側の周縁に連通する正圧発生溝１２、たとえばレイリーステップを備えたレイリーステップ機構のグルーブ部から構成される場合について説明したが、これに限定されることなく、スパイラル溝から構成される正圧発生機構でもよく、要は、正圧を発生する機構であればよい。
１ インペラー
２ 回転軸
３ スリーブ
４ 回転側密封環
５ ハウジング
６ カートリッジ
７ 回転側密封環
８ コイルドウェーブスプリング
１０ 吐出し溝（外周吐出し溝タイプ）
１０ａ 上流側の端部
１０ｂ 下流側の端部
１１ 正圧発生機構（レイリーステップ機構）
１２ 正圧発生溝（レイリーステップを有するグルーブ部）
１２ａ 上流側の端部
１２ｂ 下流側の端部
１３ 半径方向深溝
１４ 吐出し溝（内周吐出し溝タイプ）
１４ａ 上流側の端部
１４ｂ 下流側の端部
１５ スパイラル溝
１５ａ 上流側の端部
１５ｂ 下流側の端部
Ｓ 摺動面
Ｒ ランド部

Claims (9)

  1. 互いに相対摺動する一対の摺動部品を備え、一方の摺動部品は固定側密封環であり、他方の摺動部品は回転側密封環であり、これらの密封環は半径方向に形成された摺動面を有し、被密封流体である液体又はミスト状の流体が漏洩するのをシールするものであって、
    前記摺動面の少なくとも一方に、前記摺動面の被密封流体側の周縁に連通し、漏れ側の周縁には連通しないように構成された正圧発生溝を有する正圧発生機構、及び、
    上流側の端部が前記漏れ側に位置すると共に下流側の端部が前記被密封流体側に位置するように傾斜して配設された吐出し溝を備え、
    前記吐出し溝は前記正圧発生機構の周方向の間に配置され、前記吐出し溝の前記下流側の端部の径方向位置は、前記正圧発生溝の下流側端部の径方向位置と同一である、又は、前記正圧発生溝の下流側端部の径方向位置よりも前記被密封流体側にあることを特徴とする摺動部品。
  2. 前記吐出し溝は、前記上流側の端部が前記漏れ側と非連通であって、前記下流側の端部が前記被密封流体側と連通されていることを特徴とする請求項１に記載の摺動部品。
  3. 前記吐出し溝は、前記上流側の端部が前記漏れ側と連通され、前記下流側の端部が前記被密封流体側と非連通であることを特徴とする請求項１に記載の摺動部品。
  4. 前記吐出し溝は、前記上流側の端部が前記漏れ側と非連通であって、前記下流側の端部が前記被密封流体側と連通される溝、及び、前記上流側の端部が前記漏れ側と連通され、前記下流側の端部が前記被密封流体側と非連通の溝からなることを特徴とする請求項１に記載の摺動部品。
  5. 前記摺動面には、上流側の端部が前記漏れ側と連通され、下流側の端部が前記被密封流体側の周縁には非連通であって、上流側から下流側に向けて傾斜するように配設されたスパイラル溝が設けられることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の摺動部品。
  6. 前記吐出し溝の溝深さは、前記正圧発生溝又は前記スパイラル溝の溝深さよりも深いことを特徴とする請求項５に記載の摺動部品。
  7. 前記正圧発生溝は、レイリーステップ機構のグルーブ部から構成されることを特徴とする請求項１に記載の摺動部品。
  8. 前記グルーブ部は、下流側の幅又は深さが上流側の幅又は深さに比べて小さく設定されることを特徴とする請求項７に記載の摺動部品。
  9. 前記摺動面のランド部には、ディンプルが設けられることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の摺動部品。
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