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KR20210124431A - 슬라이딩 부품 - Google Patents

슬라이딩 부품 Download PDF

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KR20210124431A
KR20210124431A KR1020217028879A KR20217028879A KR20210124431A KR 20210124431 A KR20210124431 A KR 20210124431A KR 1020217028879 A KR1020217028879 A KR 1020217028879A KR 20217028879 A KR20217028879 A KR 20217028879A KR 20210124431 A KR20210124431 A KR 20210124431A
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groove
sliding
dynamic pressure
liquid
sealed
Prior art date
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KR1020217028879A
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KR102664813B1 (ko
Inventor
히로시 스즈키
타다츠구 이무라
이와 오우
유이치로 토쿠나가
Original Assignee
이구루코교 가부시기가이샤
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Filing date
Publication date
Application filed by 이구루코교 가부시기가이샤 filed Critical 이구루코교 가부시기가이샤
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Abstract

고속 회전시에 기체에 의한 비접촉 상태로 신속하게 이행시킬 수 있는 슬라이딩 부품을 제공한다. 회전 기계의 구동시에 상대 회전하는 개소에 배치되고, 내경 또는 외경의 한쪽측에 피밀봉 액체(F)가 존재하고 다른 한쪽측에 기체(A)가 존재하는 환상(環狀)을 이루는 한 쌍의 슬라이딩 부품으로서, 슬라이딩 부품(20)의 슬라이딩면(21)에는, 지름 방향의 기체(A)측과 연통하여 회전 기계의 구동시에 기체(A)에 의해 슬라이딩면(21) 사이에 동압을 발생시키는 동압 발생홈(23)이 형성되어 있고, 슬라이딩 부품(10)에는 둘레 방향으로 연장되는 홈(13)이 형성되어 있다.

Description

슬라이딩 부품
본 발명은, 상대 회전하는 슬라이딩 부품에 관한 것으로, 예를 들면 자동차, 일반 산업 기계, 혹은 그 외의 시일 분야의 회전 기계의 회전축을 축봉하는 축봉 장치에 사용되는 슬라이딩 부품, 또는 자동차, 일반 산업 기계, 혹은 그 외의 베어링 분야의 회전 기계의 베어링에 사용되는 슬라이딩 부품에 관한 것이다.
종래, 펌프나 터빈 등의 회전 기계의 회전축을 축봉하고, 피밀봉 유체의 누설을 방지하는 축봉 장치에는, 상대적으로 회전하고, 또한 평면상의 단면끼리가 슬라이딩하도록 구성된 2부품으로 이루어지는 것, 예를 들면 메커니컬 시일이 있다. 메커니컬 시일은, 하우징에 고정되는 슬라이딩 부품으로서의 정지 밀봉환과, 회전축에 고정되어 회전축과 함께 회전하는 슬라이딩 부품으로서의 회전 밀봉환을 구비하고, 이들의 슬라이딩면을 상대 회전시킴으로써, 하우징과 회전축 사이의 극간을 축봉하고 있다.
이러한 메커니컬 시일에 있어서, 최근에 있어서는 환경 대책 등의 이유 때문에 슬라이딩에 의해 상실되는 에너지의 저감이 요망되고 있어, 슬라이딩에 의한 마찰을 저감시킴으로써 슬라이딩에 의해 상실되는 에너지의 저감을 도모하는 특허문헌 1과 같은 슬라이딩 부품이 개발되고 있다.
예를 들면, 특허문헌 1에 나타나는 슬라이딩 부품은, 외경측에 피밀봉 액체가 존재하고, 내경측에 기체가 존재하는 메커니컬 시일이며, 한쪽의 슬라이딩 부품의 슬라이딩면에 기체측과 연통함과 동시에 슬라이딩면에 있어서 일단이 폐색된 스파이럴 형상의 동압 발생홈이 마련되어 있다. 슬라이딩 부품의 상대 회전시에는, 기체가 동압 발생홈 내로 취입되어, 동압 발생홈의 종단에서 발생하는 정압에 의해 슬라이딩면 사이가 이간된 상태, 소위 슬라이딩면 사이를 비접촉 상태로 하여 저마찰화를 실현하고 있다.
국제공개공보 제2017/002774호(8페이지, 도 2)
특허문헌 1에 있어서는, 회전 기계를 정지시킨 상태에 있어서 슬라이딩면 사이에 피밀봉 액체가 모세관 현상에 의해 기체측까지 진입하고 있는 점에서, 회전 기계의 시동시에는 슬라이딩면 사이의 피밀봉 액체를 피밀봉 액체측으로 배출하는 데에 많은 시간을 필요로 하여, 슬라이딩면 사이가 비접촉 상태가 될 때까지 시간이 걸리고, 회전 기계의 시동시의 부하가 높아, 회전 기계의 성능에 악영향을 미치게 할 우려가 있었다.
본 발명은, 이러한 문제점에 착목하여 이루어진 것으로, 고속 회전시에 기체에 의한 비접촉 상태로 신속하게 이행시킬 수 있는 슬라이딩 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 슬라이딩 부품은,
회전 기계의 구동시에 상대 회전하는 개소에 배치되고, 내경 또는 외경의 한쪽측에 피밀봉 액체가 존재하고 다른 한쪽측에 기체가 존재하는 환상(環狀)을 이루는 한 쌍의 슬라이딩 부품으로서,
상기 한쪽의 슬라이딩 부품의 슬라이딩면에는, 지름 방향의 기체측과 연통하여 상기 회전 기계의 구동시에 상기 기체에 의해 슬라이딩면 사이에 동압을 발생시키는 동압 발생홈이 형성되어 있고, 상기 한쪽 또는 다른 한쪽의 슬라이딩 부품의 적어도 어느 한쪽에는 둘레 방향으로 연장되는 홈이 형성되어 있다.
이에 의하면, 회전 기계의 정지시에 한쪽 또는 다른 한쪽의 슬라이딩 부품의 슬라이딩면에 형성된 홈에 피밀봉 액체가 진입함으로써, 기액계면의 표면적이 증가하여, 그 넓은 기액계면의 표면 장력에 의해 피밀봉 액체의 기체측으로의 더 한층의 진입을 억제할 수 있다. 그 때문에, 회전 기계의 시동시에 기체에 의해 배출되는 피밀봉 액체의 양이 적어 슬라이딩면 사이를 단시간에 비접촉 상태로 이행시킬 수 있다.
상기 동압 발생홈은 한쪽의 슬라이딩 부품의 슬라이딩면에 형성되고, 상기 홈은 다른 한쪽의 슬라이딩 부품의 슬라이딩면에 형성되어 있어도 좋다.
이에 의하면, 양쪽의 슬라이딩 부품에 동압 발생홈 및 홈이 분산하여 마련되기 때문에, 슬라이딩 부품의 슬라이딩면의 강도가 유지된다.
상기 홈은 상기 동압 발생홈의 종단보다도 기체측으로 배치되어 있어도 좋다.
이에 의하면, 홈이 동압 발생홈에 의한 동압 발생 기능을 저해하지 않아, 동압 발생홈에 의한 동압을 피밀봉 액체측에 발생시킬 수 있다. 또한, 홈과 동압 발생홈이 축방향으로 겹쳐지는 부분을 깊게 확보할 수 있다.
상기 홈은 상기 동압 발생홈보다도 깊게 형성되어 있어도 좋다.
이에 의하면, 홈 내로 진입한 피밀봉 액체의 기액계면의 표면적이 넓은 것에도 대응할 수 있다.
상기 홈은, 당해 홈에 있어서의 상기 피밀봉 액체측의 측면과 상기 다른 한쪽의 슬라이딩 부품의 슬라이딩면으로 이루어지는 각도가 90도 이하인 벽부를 갖고 있어도 좋다.
이에 의하면, 홈 내로 진입한 피밀봉 액체의 기액계면의 표면적을 확실하게 또한 크게 확보할 수 있다.
상기 홈은 둘레 방향으로 한 바퀴 이상 연장되어 있어도 좋다.
이에 의하면, 피밀봉 액체의 기체측으로의 진입을 둘레 방향에 걸쳐 억제할 수 있다.
상기 홈은 동심원에 복수 마련되는 원환홈이라도 좋다.
이에 의하면, 피밀봉 액체의 기체측으로의 진입이 억제되는 능력이 높다.
상기 홈은 와권(渦卷) 형상으로 마련되어 있어도 좋다.
이에 의하면, 피밀봉 액체의 기체측으로의 진입이 억제되는 능력이 높다. 또한, 홈의 길이를 길게 취할 수 있기 때문에, 홈 내로 진입한 피밀봉 액체에 의해 회전 기계의 시동시의 윤활성이 높다.
또한, 본 발명에 따른 둘레 방향으로 연장되는 홈이라는 것은, 홈이 적어도 둘레 방향의 성분을 갖고 연장되어 있으면 된다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 있어서의 슬라이딩 부품을 구비하는 메커니컬 시일이 사용되는 회전 기계의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 2는 회전 밀봉환을 슬라이딩면측으로부터 본 도면이다.
도 3은 정지 밀봉환을 슬라이딩면측으로부터 본 도면이다.
도 4의 (a)는 회전 밀봉환 및 정지 밀봉환의 슬라이딩면끼리를 합친 상태에서 회전 밀봉환을 슬라이딩면측으로부터 본 도면, (b)는 (a)의 요부(要部) 확대도이다.
도 5의 (a)~(c)는 피밀봉 액체가 동압 발생홈으로부터 원환홈 내로 진입하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 6은 회전 기계의 극저속 회전시의 유체의 이동을 나타내는 개념도이다.
도 7은 회전 기계의 고속 회전시의 유체의 이동을 나타내는 개념도이다.
도 8은 본 발명의 실시예 2에 있어서의 정지 밀봉환을 슬라이딩면측으로부터 본 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예 3에 있어서의 정지 밀봉환을 슬라이딩면측으로부터 본 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예 4에 있어서의 회전 밀봉환을 슬라이딩면측으로부터 본 요부 확대도이다.
도 11은 본 발명의 실시예 5에 있어서의 홈을 설명하는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 실시예 6에 있어서의 회전 밀봉환을 슬라이딩면측으로부터 본 도면이다.
본 발명에 따른 슬라이딩 부품을 실시하기 위한 형태를 실시예에 기초하여 이하에 설명한다.
실시예 1
실시예 1에 따른 슬라이딩 부품에 대해, 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명한다. 또한, 본 실시예에 있어서는, 슬라이딩 부품이 메커니컬 시일인 형태를 예로 들어 설명한다. 또한, 메커니컬 시일을 구성하는 슬라이딩 부품의 내경측을 누설측이며 기체측으로서의 대기측(저압측), 외경측을 피밀봉 액체측(고압측)으로 하여 설명한다. 또한, 설명의 편의상, 도면에 있어서, 슬라이딩면에 형성되는 홈 등에 도트를 부여하는 경우도 있다.
도 1에 나타나는 일반 산업 기계용의 메커니컬 시일은, 슬라이딩면의 외경측으로부터 내경측을 향하여 누설되려고 하는 피밀봉 액체(F)를 밀봉하는 인사이드형의 시일이며, 회전축(1)에 슬리브(2)를 통하여 회전축(1)과 함께 회전 가능한 상태로 마련된 원환상의 슬라이딩 부품으로서의 회전 밀봉환(20)과, 피장착 기기의 하우징(4)에 고정된 시일 커버(5)에 비회전 상태 또한 축방향 이동 가능한 상태로 마련된 원환상의 슬라이딩 부품으로서의 정지 밀봉환(10)으로 주로 구성되고, 벨로우즈(7)에 의해 정지 밀봉환(10)이 축방향으로 부세(付勢)됨으로써, 정지 밀봉환(10)의 슬라이딩면(11)과 회전 밀봉환(20)의 슬라이딩면(21)이 서로 밀접 슬라이딩하도록 되어 있다.
정지 밀봉환(10) 및 회전 밀봉환(20)은, 대표적으로는 SiC(경질 재료)끼리 또는 SiC(경질 재료)와 카본(연질 재료)의 조합으로 형성되지만, 이에 한정하지 않고, 슬라이딩 재료는 메커니컬 시일용 슬라이딩 재료로서 사용되고 있는 것이면 적용 가능하다. 또한, SiC로서는, 보론, 알루미늄, 카본 등을 소결 조제로 한 소결체를 비롯하여, 성분, 조성이 상이한 2종류 이상의 상으로 이루어지는 재료, 예를 들면, 흑연 입자가 분산된 SiC, SiC와 Si로 이루어지는 반응 소결 SiC, SiC-TiC, SiC-TiN 등이 있고, 카본으로서는, 탄소질과 흑연질이 혼합된 카본을 비롯하여, 수지 성형 카본, 소결 카본 등을 이용할 수 있다. 또한, 상기 슬라이딩 재료 이외로는, 금속 재료, 수지 재료, 표면 개질 재료(코팅 재료), 복합 재료 등도 적용 가능하다.
도 2에 나타나는 바와 같이, 정지 밀봉환(10)에 대하여 회전 밀봉환(20)이 화살표로 나타내는 바와 같이 상대 슬라이딩하도록 되어 있고, 회전 밀봉환(20)의 슬라이딩면(21)에는, 둘레 방향으로 이간하여 복수의 동압 발생홈(23)이 형성되어 있다. 동압 발생홈(23)은, 둘레 방향으로 전부 15개 형성되고, 둘레 방향으로 동일한 이간폭으로 나란히 형성되어 있다. 슬라이딩면(21)의 동압 발생홈(23) 이외의 부분은 평탄면을 이루는 랜드(22)로 되어 있다. 또한, 동압 발생홈(23)의 개수는 사용 환경에 맞추어 자유롭게 변경할 수 있다.
동압 발생홈(23)은, 슬라이딩면(21)을 직교하는 방향으로부터 보아 일정폭의 호상(弧狀)을 이루고, 내경측인 대기측과 연통하고, 외경측을 향하여 지름 방향 및 둘레 방향으로 교차하도록 연장되어 있다. 상세하게는, 동압 발생홈(23)은 둘레 방향으로 연장되는 성분과 지름 방향으로 연장되는 성분으로 이루어지는 만곡 형상이며, 이 중 둘레 방향으로 연장되는 성분이 크다.
동압 발생홈(23)은, 전장(全長)에 걸쳐 일정한 깊이 치수(L12)(도 5 참조)를 가지며, 후술하는 바와 같이 정지 밀봉환(10)과 회전 밀봉환(20)이 상대 회전했을 때에, 동압 발생홈(23) 내에 동압을 발생시키도록 되어 있다. 또한, 본 실시예 1의 동압 발생홈(23)의 깊이 치수(L12)는 1μm로 되어 있다. 추가로 또한, 동압 발생홈(23)의 폭 치수 및 깊이 치수는, 정지 밀봉환(10)과 회전 밀봉환(20)이 상대 회전했을 때에 동압 발생홈(23) 내에 동압을 발생시킬 수 있는 치수이면 된다.
동압 발생홈(23)은 경면 가공된 슬라이딩면(21)에 레이저 가공이나 샌드블라스트 등에 의한 미세 가공을 시행함으로써 형성할 수 있다. 또한 동압 발생홈(23)은, 동압 발생홈(23)의 2개의 원호 형상의 면과, 원호 형상의 면끼리 교차하여 연장되는 벽부(23a)와, 슬라이딩면(21)에 평행한 바닥면의 4면으로 둘러싸여 있고, 외경측 단부는 폐색되어 있다.
도 3에 나타나는 바와 같이, 정지 밀봉환(10)의 슬라이딩면(11)에는, 정지 밀봉환(10)과 동심 형상으로 연장되고 둘레 방향으로 연속하는 원환홈(13)이 형성되어 있다. 슬라이딩면(11)의 원환홈(13) 이외의 부분은 평탄면을 이루는 랜드(12)로 되어 있다.
원환홈(13)은, 전장에 걸쳐 일정한 깊이 치수(L11)(도 5 참조)를 가지며, 정지 밀봉환(10)과 회전 밀봉환(20)이 상대 회전했을 때에 동압이 발생하지 않는 깊이로 되어 있다. 본 실시예 1의 원환홈(13)의 깊이 치수(L11)는 5μm로 되어 있다.
또한, 원환홈(13)의 피밀봉 액체측, 즉 외경측의 벽부(13A)는, 슬라이딩면(11)의 랜드(12)와 원환홈(13)의 외측면(13a)으로 구성되어 있고, 랜드(12) 및 외측면(13a)은 직교하고 있다.
또한, 동압 발생홈(23)의 바닥면은 평탄면을 이루어 랜드(22)에 평행하게 형성되어 있지만, 평탄면에 미세 오목부를 마련하는 것이나 랜드(22)에 대하여 경사지도록 형성하는 것도 무방하다. 또한, 동압 발생홈(23)의 둘레 방향으로 연장되는 2개의 원호 형상의 면은 각각 동압 발생홈(23)의 바닥면과 직교하고 있다. 또한, 원환홈(13)의 바닥면은 평탄면을 이루어 랜드(12)에 평행하게 형성되어 있지만, 평탄면에 미세 오목부를 마련하는 것이나 랜드(12)에 대하여 경사지도록 형성하는 것도 무방하다. 또한, 원환홈(13)의 둘레 방향으로 연장되는 2개의 원호 형상의 면은 각각 원환홈(13)의 바닥면과 직교하고 있다.
도 4(a), (b)에 나타나는 바와 같이, 정지 밀봉환(10)의 슬라이딩면(11)과 회전 밀봉환(20)의 슬라이딩면(21)을 서로 겹치게 한 상태에 있어서, 원환홈(13)은, 동압 발생홈(23)의 벽부(23a)보다도 저압측인 내경측에 배치되어 있다. 바꿔 말하면, 동압 발생홈(23)의 외경측 단부는, 원환홈(13)보다도 고압측인 외경측에 배치되어 있다.
계속해서, 일반 산업 기계의 비가동 상태의 경우에 대해서 설명한다. 도 4(b)에 나타나는 바와 같이, 회전 밀봉환(20)이 회전하고 있지 않는 일반 산업 기계의 비가동시에는, 본 실시예의 메커니컬 시일에 있어서는, 원환홈(13)보다도 내경측으로의 피밀봉 액체(F)의 진입이 억제되어 있다.
구체적으로는, 일반 산업 기계의 정지시에 피밀봉 액체(F)가 슬라이딩면(11, 21)보다도 외경측으로부터 슬라이딩면(11, 21) 사이에 진입하여, 도 5(a)에 나타나는 바와 같이, 동압 발생홈(23) 내를 내경측을 향하여 흐른다. 이때, 동압 발생홈(23)의 깊이 치수(L12)는 일정하기 때문에 피밀봉 액체(F)의 유속은 거의 일정하다. 또한, 기액계면(α)에 있어서의 피밀봉 액체(F)측의 압력은 압력(P1)이 되어 있음과 동시에, 피밀봉 액체(F)측의 압력(P1)은 저압측 유체(A)(기체)의 압력(P2)보다도 커져 있다(P1>P2).
여기에서, 표면 장력(γ)에 의한 압력 손실(△P)은, 슬라이딩면(11, 21) 사이에 진입하는 피밀봉 액체(F)의 유량(△V)을 일정하다고 가정한 경우, 이하의 식(Young-Laplace의 식)대로,
△P=γ△S/△V
로 도출된다. 즉, 기액계면(α)의 표면적(△S)이 증가할수록 압력 손실(△P)이 증가한다.
도 5(b)에 나타나는 바와 같이, 피밀봉 액체(F)는 원환홈(13)에 도달한다. 원환홈(13)은, 동압 발생홈(23)보다도 용적이 크기 때문에, 원환홈(13)에 도달한 피밀봉 액체(F)는, 당해 피밀봉 액체(F)와 저압측 유체(A)의 기액계면(α)의 표면적(△S)이 증가하여 표면적(△S')이 된다(△S<△S'). 상기 식과 같이, 도 5(b)의 시점의 피밀봉 액체(F)는, 기액계면(α)의 표면적(△S')이 도 5(a) 시점의 기액계면(α)의 표면적(△S)보다도 커져 있기 때문에, 도 5(a) 시점에 있어서 피밀봉 액체(F)에 발생하는 압력 손실(△P)보다도 큰 압력 손실(△P')이 발생하게 되어 있다(△P<△P'). 따라서, 도 5(b)의 시점의 기액계면(α)에 있어서의 피밀봉 액체(F)측의 압력(P1')은, 도 5(a) 시점의 피밀봉 액체(F)측의 압력(P1)보다도 작다(P1>P1'). 또한, 도 5(b)의 시점의 기액계면(α)에 있어서의 피밀봉 액체(F)측의 압력(P1')은, 저압측 유체(A)의 압력(P2)보다도 약간 크기 때문에, 피밀봉 액체(F)는 슬라이딩면(11, 21) 사이의 저압측으로 근소하게 진입한다(P1'>P2).
그리고, 도 5(c)에 나타나는 바와 같이, 원환홈(13)에 도달하는 피밀봉 액체(F)의 양이 도 5(b)의 상태보다도 증가하면, 기액계면(α)의 표면적(△S')보다도 더욱 증가한 표면적(△S")이 된다(△S'<△S"). 즉, 도 5(c)의 시점에 있어서는, 상기 식으로부터 도 5(b) 시점에 있어서 피밀봉 액체(F)에 발생하는 압력 손실(△P')보다도 큰 압력 손실(△P")이 발생한다(△P'<△P"). 따라서, 도 5(c)의 시점의 기액계면(α)에 있어서의 피밀봉 액체(F)측의 압력(P1")은, 도 5(b) 시점의 피밀봉 액체(F)측의 압력(P1')보다도 작다(P1'>P1"). 또한, 도 5(c)의 시점의 기액계면(α)에 있어서의 피밀봉 액체(F)측의 압력(P1")은, 저압측 유체(A)의 압력(P2)과 거의 동일하기 때문에, 피밀봉 액체(F)는 슬라이딩면(11, 21) 사이의 저압측으로의 진입이 억제된다(P1"=P2).
또한, 슬라이딩면(11, 21)에 있어서의 랜드(12, 22) 사이의 극간은, 동압 발생홈(23)의 깊이 치수(L12)에 비하여 매우 작고, 랜드(22)와 원환홈(13)이 축방향으로 겹쳐진 부분에 있어서는 피밀봉 액체(F)가 거의 유입되지 않기 때문에 도시와 설명을 생략하지만, 당해 부분에 있어서도 상기와 마찬가지로 원환홈(13) 내로 진입한 피밀봉 액체(F)는 누설측으로의 더 한층의 진입이 억제된다.
계속해서, 도 6과 도 7을 사용하여 일반 산업 기계의 구동시에 있어서의 동작을 설명한다.
도 6은, 시동시 등의 극저속 회전시의 경우 및 정지 상태의 경우를 나타내는 도면이다. 극저속 회전시에 있어서는, 누설측의 저압측 유체(A)가 화살표(L1)로 나타내는 바와 같이 내경측으로부터 동압 발생홈(23) 내로 도입되어 외경측으로 이동하기 때문에, 동압 발생홈(23) 내에 동압이 발생하게 된다. 동압 발생홈(23)의 하류측 단부인 벽부(23a) 근방이 가장 압력이 높아져, 저압측 유체(A)는 화살표(L2)로 나타내는 바와 같이 벽부(23a) 근방으로부터 그 주변으로 유출된다.
또한, 정지 밀봉환(10)에 대한 회전 밀봉환(20)의 극저속 회전시에는, 회전수가 낮기 때문에, 동압 발생홈(23)의 벽부(23a) 근방의 압력이 낮고, 슬라이딩면(11, 21) 사이에 있어서 원환홈(13)보다도 고압측에 피밀봉 액체(F)가 존재하여 액체막이 형성되어, 소위 유체 윤활을 이루도록 되어 있다.
도 7에 나타나는 바와 같이, 일반 산업 기계가 고속 회전으로 이행하면, 화살표(L1)로 나타내는 저압측 유체(A)의 유량이 증가하여, 동압 발생홈(23)의 벽부(23a) 근방에 발생하는 동압이 커져, 슬라이딩면(11, 21) 사이의 이간폭이 근소하게 커진다. 또한, 피밀봉 액체(F)는 화살표(H1)로 나타내는 바와 같이 동압 발생홈(23)의 벽부(23a) 근방으로부터 슬라이딩면(11, 21) 사이로 유출되는 고압의 저압측 유체(A)에 의해, 슬라이딩면(11, 21)보다도 외경측으로 배출된다. 이와 같이 하여 회전 밀봉환(20)과 정지 밀봉환(10)은 이간하여 비접촉 윤활이 된다.
이상 설명한 바와 같이, 일반 산업 기계의 정지시에 있어서, 슬라이딩면(11, 21) 사이의 피밀봉 액체(F)가 원환홈(13) 내로 진입함으로써, 기액계면(α)의 표면적(△S)이 증가하고, 그 넓은 기액계면(α)에 작용하는 표면 장력(γ)에 의해 피밀봉 액체(F)의 저압측 유체(A)측으로의 더 한층의 진입을 억제할 수 있어, 피밀봉 액체(F)는 슬라이딩면(11, 21) 사이의 외경측에만 보지(保持)되어 있다. 그 때문에, 일반 산업 기계의 시동시에 저압측 유체(A)에 의해 배출되는 피밀봉 액체(F)의 양이 적어, 슬라이딩면(11, 21) 사이를 단시간에 비접촉 상태로 이행시킬 수 있다.
구체적으로는, 기액계면(α)의 표면적(△S)이 증가함에 따라 표면 장력(γ)에 의한 압력 손실(△P)도 증가한다. 이 압력 손실(△P)의 증가에 의해 기액계면(α)에 있어서의 피밀봉 액체(F)측의 압력(P1)이 저하되어, 기액계면(α)에 있어서의 피밀봉 액체(F)측의 압력(P1)과 저압측 유체(A)의 압력(P2)이 균형을 이룸으로써, 피밀봉 액체(F)의 저압측으로의 진입을 억제할 수 있다. 이에 따라, 피밀봉 액체(F)에 의한 유체 윤활로부터 저압측 유체(A)에 의한 비접촉 윤활로의 이행을 신속하게 행할 수 있어, 고속 회전시에 있어서의 회전 저항을 억제하여 일반 산업 기계의 회전 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 회전 밀봉환(20)의 슬라이딩면(21)에 동압 발생홈(23)이 형성되고, 정지 밀봉환(10)의 슬라이딩면(11)에 원환홈(13)이 형성되어 있기 때문에, 정지 밀봉환(10) 및 회전 밀봉환(20)의 어느 한쪽에 동압 발생홈(23) 및 원환홈(13)이 형성되는 형태에 비하여 슬라이딩면(11) 및 슬라이딩면(21)의 강도를 확보할 수 있다.
또한, 원환홈(13)은 동압 발생홈(23)의 종단으로서의 벽부(23a)보다도 저압측으로 배치되어 있다. 이에 의하면, 정지 밀봉환(10)과 회전 밀봉환(20)의 상대 회전시에 동압 발생홈(23)의 벽부(23a) 근방으로부터 슬라이딩면(11, 21) 사이로 유출되는 저압측 유체(A)가 원환홈(13)에 들어가는 것을 회피할 수 있어, 슬라이딩면(11, 21)을 이간시키는 동압이 저하되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 저압측 유체(A)를 동압 발생홈(23)의 벽부(23a) 근방으로부터 슬라이딩면(11, 21) 사이에 있어서의 원환홈(13)보다도 고압측으로 유출시킬 수 있다.
또한, 저압측으로부터 동압 발생홈(23) 내로 도입되는 저압측 유체(A)는 일단 원환홈(13) 내로 유입되어, 원환홈(13) 내의 압력이 높아진 후, 동압 발생홈(23)의 벽부(23a) 근방측으로 이동하기 때문에, 동압 발생홈(23)의 벽부(23a) 근방으로부터 슬라이딩면(11, 21) 사이로 유출되는 저압측 유체(A)의 압력을 둘레 방향으로 균등하게 할 수 있다.
또한, 원환홈(13)의 깊이 치수(L11)는 동압 발생홈(23)의 깊이 치수(L12)보다도 깊게 형성되어 있기 때문에, 원환홈(13) 내로 진입한 피밀봉 액체(F)의 기액계면(α)의 표면적이 넓은 경우라도 대응할 수 있다.
또한, 원환홈(13)의 피밀봉 액체측, 즉 외경측의 벽부(13A)는, 슬라이딩면(11)의 랜드(12)와 원환홈(13)의 외측면(13a)으로 구성되어 있고, 랜드(12) 및 외측면(13a)은 직교하고 있기 때문에, 원환홈(13)에 진입한 피밀봉 액체(F)의 기액계면(α)의 표면적을 확실하게 또한 크게 확보할 수 있다.
또한, 원환홈(13)은 둘레 방향으로 연속하여 연장되어 있기 때문에, 피밀봉 액체(F)의 저압측으로의 진입을 둘레 방향에 걸쳐 억제할 수 있다.
또한, 본 실시예 1에서는, 동압 발생홈(23)을 회전 밀봉환(20)에 마련하고, 원환홈(13)을 정지 밀봉환(10)에 마련하는 예에 대해서 설명했지만, 동압 발생홈(23)을 정지 밀봉환(10)에, 원환홈(13)을 회전 밀봉환(20)에 마련해도 좋고, 정지 밀봉환(10)과 회전 밀봉환(20)의 양쪽에 동압 발생홈(23) 및 원환홈(13)을 마련해도 좋다.
또한, 본 실시예 1에서는, 홈으로서 축방향으로부터 보았을 때 진원(眞圓)을 이루는 원환홈(13)을 예시했지만, 축방향으로부터 보았을 때 타원 형상이나 파선에 의해 형성되는 환상 등이라도 좋다. 또한, 홈은, 환상으로 형성되는 것에 한정되지 않고, 적어도 둘레 방향으로 연장되는 성분을 갖는 호상 등의 형상을 이루고 있으면 좋고, 홈이 호상을 이루는 경우, 둘레 방향의 단부가 지름 방향으로 중첩되도록 복수 마련되는 것이 바람직하다.
또한, 본 실시예 1에서는, 원환홈(13)이 동압 발생홈(23)에 있어서의 벽부(23a)측에 겹쳐지도록 배치되어 있었지만, 동압 발생홈(23)의 중앙부 또는 누설측과 겹쳐지도록 배치되어 있어도 좋다.
또한, 본 실시예 1에서는, 원환홈(13)은 동압 발생홈(23)의 벽부(23a)보다도 누설측으로 배치되는 형태를 예시했지만, 원환홈(13)은 동압 발생홈(23)의 벽부(23a)보다도 피밀봉 액체측으로 배치되어 있어도 좋다.
추가로 또한, 원환홈(13)의 깊이 치수는, 동압 발생홈(23)의 깊이 치수와 동등 이상이면 되며, 바람직하게는 동압 발생홈(23)의 깊이 치수보다도 깊게 형성되어 있으면 좋다.
실시예 2
다음으로, 실시예 2에 따른 슬라이딩 부품에 대해, 도 8을 참조하여 설명한다. 또한, 상기 실시예 1과 동일한 구성, 중복하는 구성의 설명은 생략한다.
도 8에 나타나는 바와 같이, 본 실시예 2에 있어서의 정지 밀봉환(10)의 슬라이딩면(11)에는, 원환홈(13)과, 원환홈(13)과 동심원이며 당해 원환홈(13)보다도 소경(小徑)인 원환홈(131)이 마련되어 있다. 이에 의하면, 피밀봉 액체(F)가 원환홈(13)을 넘어 저압측으로 근소하게 진입했다고 해도, 당해 피밀봉 액체(F)가 내경측의 원환홈(131)에 진입하기 때문에, 피밀봉 액체(F)의 저압측으로의 진입을 확실하게 억제할 수 있다.
또한, 원환홈(13, 131)은, 동심원에 형성되는 것에 한정되지 않고, 상이한 형상의 원환홈이 지름 방향으로 복수 마련되어 있어도 좋다.
실시예 3
다음으로, 실시예 3에 따른 슬라이딩 부품에 대해, 도 9를 참조하여 설명한다. 또한, 상기 실시예 1과 동일한 구성, 중복하는 구성의 설명은 생략한다.
도 9에 나타나는 바와 같이, 본 실시예 3에 있어서의 정지 밀봉환(10)의 슬라이딩면(11)에는, 와권 형상의 홈(132)이 마련되어 있다. 홈(132)은 지름 방향으로 3중을 이루도록 연장되어 있다. 이에 의하면, 피밀봉 액체(F)가 외경측의 홈(132)을 넘어 저압측으로 근소하게 진입했다고 해도, 당해 피밀봉 액체(F)가 내경측의 홈(132)으로 진입하기 때문에, 피밀봉 액체(F)의 저압측으로의 진입을 확실하게 억제할 수 있다. 또한, 홈(132)의 길이를 길게 취할 수 있기 때문에, 홈(132) 내로 진입하는 피밀봉 액체(F)가 많으며, 이 피밀봉 액체(F)에 의해 일반 산업 기계의 시동시의 윤활성이 높다.
또한, 홈(132)에 있어서의 지름 방향으로 겹쳐지는 부분의 이간폭은, 자유롭게 변경할 수 있고, 바람직하게는, 둘레 방향으로 한 바퀴 이상 연장되어 있으면 좋다.
실시예 4
다음으로, 실시예 4에 따른 슬라이딩 부품에 대해, 도 10을 참조하여 설명한다. 또한, 상기 실시예 1과 동일한 구성, 중복하는 구성의 설명은 생략한다.
도 10에 나타나는 바와 같이, 본 실시예 4에 있어서의 회전 밀봉환(20)의 동압 발생홈(231)은, 회전 밀봉환(20)의 외경측과 연통하여 배치되어 있다. 즉, 본 실시예 4의 메커니컬 시일은, 슬라이딩면(11, 21)의 내경측으로부터 외경측을 향하여 누설되려고 하는 피밀봉 액체(F)를 밀봉하는 아웃사이드형의 메커니컬 시일이다.
또한, 아웃사이드형의 메커니컬 시일이라도, 상기 실시예 1과 같이 원환홈(13)이 마련되어 있어도 좋고, 상기 실시예 2, 3과 같은 홈을 적용해도 좋다. 또한, 특정 동압 발생 기구가 상기 실시예 1~3과 같이 마련되어 있지 않아도 좋고, 상기 실시예 4와 같이 마련되어 있어도 좋다.
실시예 5
다음으로, 실시예 5에 따른 슬라이딩 부품에 대해, 도 11을 참조하여 설명한다. 또한, 상기 실시예 1과 동일한 구성, 중복하는 구성의 설명은 생략한다.
도 11에 나타나는 바와 같이, 본 실시예 5에 있어서의 원환홈(133)의 피밀봉 액체측, 즉 외경측의 벽부(133A)는, 슬라이딩면(11)의 랜드(12)와 원환홈(133)의 외측면(133a)으로 구성되어 있고, 랜드(12) 및 외측면(133a)으로 이루어지는 각도(θ)가 45도로 되어 있다. 즉, 벽부(133A)는 예각을 이루고 있기 때문에, 원환홈(133)에 진입한 피밀봉 액체(F)의 기액계면(α)의 표면적을 확실하게 또한 크게 확보할 수 있다. 또한, 랜드(12) 및 외측면(133a)으로 이루어지는 각도(θ)는 45도에 한정되지 않고 자유롭게 변경할 수 있으며, 바람직하게는 90도 이하로 형성되어 있으면 좋다.
실시예 6
다음으로, 실시예 6에 따른 슬라이딩 부품에 대해, 도 12를 참조하여 설명한다. 또한, 상기 실시예 1과 동일한 구성, 중복하는 구성의 설명은 생략한다.
도 12에 나타나는 바와 같이, 본 실시예 6에 있어서의 원환홈(134)은, 회전 밀봉환(20)의 슬라이딩면(21)에 형성되어 있다. 즉, 회전 밀봉환(20)의 슬라이딩면(21)에는, 동압 발생홈(23)과 원환홈(134)이 형성되어 있고, 동압 발생홈(23)과 원환홈(134)은 연통하고 있다. 또한, 본 실시예 6에서는, 정지 밀봉환(10)에 있어서의 슬라이딩면(11)(랜드(12))은 평탄면으로 형성되어 있다.
이와 같이, 회전 밀봉환(20)의 슬라이딩면(21)에 동압 발생홈(23)과 원환홈(134)이 형성됨으로써, 정지 밀봉환(10)과 회전 밀봉환(20)의 상대 회전시에 동압 발생홈(23)과 원환홈(134)의 위치 관계가 변화하지 않기 때문에, 동압 발생홈(23)에 의해 발생하는 동압이 안정된다. 그리고, 또한, 실시예 6에서는, 정지 밀봉환(10)의 슬라이딩면(11)이 평탄면으로 형성되어 있는 형태에 대해서 설명했지만, 정지 밀봉환(10)에 실시예 1과 동일한 원환홈이 형성되어 있어도 좋다. 또한, 실시예 6에서는, 동압 발생홈(23)과 원환홈(134)이 회전 밀봉환(20)의 슬라이딩면(21)에 형성되는 형태를 예시했지만, 동압 발생홈과 원환홈이 정지 밀봉환(10)의 슬라이딩면(11)에 형성되어 있어도 좋다.
이상, 본 발명의 실시예를 도면에 의해 설명했지만, 구체적인 구성은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
예를 들면, 상기 실시예 1~5에서는, 슬라이딩 부품으로서, 일반 산업 기계용의 메커니컬 시일을 예로 설명했지만, 자동차나 워터 펌프용 등의 다른 메커니컬 시일이라도 좋다. 또한, 메커니컬 시일에 한정되지 않고, 미끄럼 베어링 등 메커니컬 시일 이외의 슬라이딩 부품이라도 좋다.
또한, 상기 실시예 1~5에서는, 슬라이딩 부품에 동일 형상의 동압 발생홈이 복수 마련되는 형태를 예시했지만, 형상이나 깊이가 상이한 동압 발생홈이 복수 마련되어 있어도 좋다. 또한, 동압 발생홈의 간격이나 수량 등은 적절히 변경할 수 있다.
또한, 동압 발생홈은, 예를 들면 축방향으로부터 본 경우 T자 형상, 또는 축방향으로부터 본 경우 L자 형상, 역(逆)L자 형상을 혼재시키는 등 하여, 회전 밀봉환의 양(兩)회전에 대응하도록 되어 있어도 좋다.
또한, 피밀봉 액체측을 고압측, 누설측인 기체측을 저압측으로 하여 설명했지만, 피밀봉 액체측이 저압측, 기체측이 고압측으로 되어 있어도 좋고, 피밀봉 액체측과 기체측이 거의 동일한 압력이라도 좋다.
1; 회전축
10; 정지 밀봉환
11; 슬라이딩면
13; 원환홈(홈)
20; 회전 밀봉환
21; 슬라이딩면
23; 동압 발생홈
23a; 벽부
131; 원환홈(홈)
132; 홈
133; 원환홈(홈)
134; 원환홈(홈)
231; 동압 발생홈

Claims (8)

  1. 회전 기계의 구동시에 상대 회전하는 개소에 배치되고, 내경 또는 외경의 한쪽측에 피밀봉 액체가 존재하고 다른 한쪽측에 기체가 존재하는 환상(環狀)을 이루는 한 쌍의 슬라이딩 부품으로서,
    상기 한쪽의 슬라이딩 부품의 슬라이딩면에는, 지름 방향의 기체측과 연통하여 상기 회전 기계의 구동시에 상기 기체에 의해 슬라이딩면 사이에 동압을 발생시키는 동압 발생홈이 형성되어 있고, 상기 한쪽 또는 다른 한쪽의 슬라이딩 부품의 적어도 어느 한쪽에는 둘레 방향으로 연장되는 홈이 형성되어 있는 슬라이딩 부품.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 홈은 다른 한쪽의 슬라이딩 부품의 슬라이딩면에 형성되어 있는 슬라이딩 부품.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 홈은 상기 동압 발생홈의 종단보다도 기체측으로 배치되어 있는 슬라이딩 부품.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 홈은 상기 동압 발생홈보다도 깊게 형성되어 있는 슬라이딩 부품.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 홈은, 당해 홈에 있어서의 상기 피밀봉 액체측의 측면과 상기 다른 한쪽의 슬라이딩 부품의 슬라이딩면으로 이루어지는 각도가 90도 이하인 벽부를 갖고 있는 슬라이딩 부품.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 홈은 둘레 방향으로 한 바퀴 이상 연장되어 있는 슬라이딩 부품.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 홈은 동심원에 복수 마련되는 원환홈인 슬라이딩 부품.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 홈은 와권(渦卷) 형상으로 마련되어 있는 슬라이딩 부품.
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