【実施例1】
【0023】
図1ないし
図4を参照して、本発明の実施例1に係るしゅう動部品について説明する。
なお、以下の実施例においては、しゅう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、円筒状しゅう動面の軸方向一方側に潤滑油を密封しながら回転軸としゅう動する軸受のしゅう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しゅう動部品の外周側を高圧流体側(被密封流体側)、内周側を低圧流体側(大気側)として説明するが、本発明はこれに限定されることなく、高圧流体側と低圧流体側とが逆の場合も適用可能である。
【0024】
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、しゅう動面の外周から内周方向に向かって漏れようとする高圧流体側の被密封流体を密封する形式のインサイド形式のものであり、高圧流体側のポンプインペラ(図示省略)を駆動させる回転軸1側にスリーブ2を介してこの回転軸1と一体的に回転可能な状態に設けられた一方のしゅう動部品である円環状の回転側密封環3と、ポンプのハウジング4に非回転状態かつ軸方向移動可能な状態で設けられた他方のしゅう動部品である円環状の固定側密封環5とが設けられ、固定側密封環5を軸方向に付勢するコイルドウェーブスプリング6及びベローズ7によって、ラッピング等によって鏡面仕上げされたしゅう動面S同士で密接しゅう動するようになっている。すなわち、このメカニカルシールは、回転側密封環3と固定側密封環5との互いのしゅう動面Sにおいて、被密封流体が回転軸1の外周から大気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のしゅう動面の幅が固定側密封環5のしゅう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。
【0025】
回転側密封環3及び固定側密封環5の材質は、耐摩耗性に優れた炭化ケイ素(SiC)及び自己潤滑性に優れたカーボンなどから選定されるが、例えば、両者がSiC、あるいは、回転側密封環3がSiCであって固定側密封環5がカーボンの組合せが可能である。
相対しゅう動する回転側密封環3あるいは固定側密封環5の少なくともいずれか一方のしゅう動面には、
図2に示すように、ディンプル10が配設されている。
本例では、固定側密封環5のしゅう動面Sに複数のディンプル10が配設されている。この場合、回転側密封環3にはディンプルは設けられなくても、設けられてもよい。
【0026】
図2において、しゅう動部
品の断面形状は、
図1(c)に示すように凸形状をしており、その頂面が平坦なしゅう動面Sを構成している。このしゅう動面Sには、
図1(b)に示すような多数のディンプル10が独立して設けられている。これらのディンプル10は、しゅう動面Sの径方向の幅全体ではなく、低圧流体側においては平坦なランド部Rが一定幅で全周に残るように形成された低圧流体側密封面ISを除いた部分に設けられる。しゅう動面Sの高圧流体側においては、ディンプル10は縁部まで設けられてもよい。
【0027】
本発明において、「ディンプル」とは、平坦なしゅう動面Sに形成されるくぼみのことであり、その形状は特に限定されるものではない。例えば、くぼみの平面形状は円形、楕円形、長円形、もしくは多角形など種々の形が包含され、くぼみの断面形状もお椀状、または、方形など種々の形が包含される。
そして、しゅう動面Sに形成された多数のディンプル10は、このしゅう動面Sと相対しゅう動する相手側しゅう動面との間に流体力学的な潤滑液膜として介入する液体の一部を保持して、潤滑液膜を安定化させる機能を有するものである。
【0028】
個々のディンプル10は、
図3に示すようなレイリーステップを構成するものとみなすことができる。
図3において、固定側密封環5のしゅう動面S(R)には図の断面と直交する方向に延びるレイリーステップ10aが形成されており、回転側密封環3のしゅう動面Sは平坦に形成されている。回転側密封環3が矢印で示す方向に相対移動すると、両しゅう動面間に介在する流体が、その粘性によって矢印方向に追随移動しようとし、その際、レイリーステップ10aの存在によって動圧(正圧)を発生する。動圧の発生によりしゅう動面間の潤滑液膜が増大され、潤滑性能が向上されるものである。動圧効果により潤滑性能が向上させられる一方、漏れ量が増える恐れがあり、漏れ量を減らすため潤滑液膜を薄くするようにディンプルの量を少なくすると、しゅう動面Sが接触し摩耗を起こしやすくなる。
【0029】
図4は、しゅう動面Sの一部を拡大した平面図であって、低圧流体側密封面ISを除いた部分のしゅう動面に、複数のディンプル10がランダムに配置され、複数のディンプル10の面積比率がしゅう動面Sの高圧流体側に比べて低圧流体側において小さく設定された状態が示されている。
ここで、「複数のディンプルの面積比率」とは、ディンプルの設けられる部分のしゅう動面Sの面積に占めるディンプルの開口面積の総計である。
また、「面積比率がしゅう動面Sの高圧流体側に比べて低圧流体側において小さく設定される」とは、しゅう動面Sの周方向の全ての部分において単位周長さLにおける面積比率が高圧流体側に比べて低圧流体側において小さく設定されることである。
なお、しゅう動面Sの径方向においては連続的に面積比率が変化する場合に限らず、不連続に変化する場合も含まれる。
また、「高圧流体側」及び「低圧流体側」とは、しゅう動面Sの径方向における側(サイド)を表すものであるが、高圧流体側のしゅう動面と低圧流体側のしゅう動面との区分けは、低圧流体側密封面ISの径方向の幅を除いた部分の幅をBとした場合、Bの中間点であるB/2の点を目安とする。
【0030】
ディンプル10の個々の大きさ(例えば直径)は全てが同じであっても、全てが異なっていても、あるいは、一部が同じであって一部が異なっていてもよく、要は、複数のディンプル10の面積比率がしゅう動面Sの高圧流体側に比べて低圧流体側において小さく設定されていればよい。
図4においては、低圧流体側において平坦なランド部Rが一定幅で全周に残るように形成された低圧流体側密封面ISが設けられ、該低圧流体側密封面ISを除いたしゅう動面の部分に、開口径の異なる複数のディンプル10が相互に他のディンプルと独立してランダムに分布するよう配置され、複数のディンプル10の面積比率が、しゅう動面Sの高圧流体側に比べて低圧流体側において小さくなるように設けられている。
複数のディンプル10の面積比率は、密封と潤滑の両立を図るため、30〜50%に設定されることが好ましい。
【0031】
しゅう動面にディンプルを加工する方法の一例を説明すると、次のとおりである。
(1)乱数を用いて金属マスクにあける孔の径と位置とを決定する。
(2)決定された径と位置とで金属マスクにレーザ加工などで孔をあける。
(3)ランダムに孔のあけられた金属マスクを対象となるしゅう動部品のしゅう動面上に設置する。
(4)金属マスクの上からフェムト秒レーザあるいはピコ秒レーザを照射したり、イオンエッチングなどで金属マスクの孔を利用してしゅう動面にディンプルを形成する。しゅう動面には、開口径の異なるディンプルが所定の分布でもって一様に配置される。
【0032】
開口径の異なる複数のディンプル10のランダム分布は、しゅう動面の軸受特性数G(流体の粘度×速度/荷重)などに応じて設定されるものであるが、本例では、開口径が、好ましくは10〜500μm、より好ましくは30〜100μmの範囲に分布するよう設定されている。そのため、流体潤滑遷移点が低G側へシフトするとともに流体潤滑遷移点における摩擦係数が低下し、また、広い範囲の回転数域で摩擦係数が低減している。
また、複数のディンプル10の深さは、例えば、摩擦係数低減の面から50〜10000nmの範囲内に設定されることが好ましいが、極低速でのしゅう動特性を重視する場合には、好ましくは50〜1000nm、より好ましくは50〜500nmの範囲内に設定される。
【0033】
実施例1のしゅう動部品は以下のような効果を奏する。
(1)複数のディンプル10の面積比率がしゅう動面Sの高圧流体側に比べて低圧流体側において小さく設定されることにより、しゅう動面Sの高圧流体側においては動圧効果により流体潤滑となり、低圧流体側においては漏れを抑制しつつ、ディンプル10に流体を保持して液膜切れを抑制し、直接接触による摩耗を防止できるため、しゅう動面における密封と潤滑の両立を図ることができる。
(2)開口径の異なる複数のディンプル10がランダムに分布するように配置され、その配置密度がしゅう動面Sの高圧流体側に比べて低圧流体側において小さくなるように設定されることにより、しゅう動面における軸受特性数Gの広い範囲においてしゅう動特性の向上、すなわち、摩擦係数の低減を図ることができる。
(3)複数のディンプル10の面積比率が30〜50%であることにより、しゅう動面Sにおける密封と潤滑の両立を図ることができる。
(4)複数のディンプルの開口径が好ましくは10〜500μm、より好ましくは30〜100μmの範囲に設定されることにより、流体潤滑遷移点が低G側へシフトするとともに流体潤滑遷移点における摩擦係数が低下し、また、広い範囲の回転数域で摩擦係数を低減することができる。
(5)複数のディンプル10の深さが50〜10000nmの範囲に設定されることにより、しゅう動面Sにおける摩擦係数を低減することができる。
(6)複数のディンプル10の深さが好ましくは50〜1000nm、より好ましくは50〜500nmの範囲に設定されることにより、しゅう動面における極低速でのしゅう動特性を良好にすることができる。
【実施例2】
【0034】
図5を参照して、本発明の実施例2に係るしゅう動部品について説明する。
実施例2においては、複数のディンプルの開口径が略同一に設定される点で実施例1と相違するがその他の構成は実施例1と同じであり、重複する説明は省略する。
【0035】
図5に示す実施例2では、複数のディンプル11の開口径が略同一に設定され、その配置密度は、しゅう動面Sの高圧流体側に比べて低圧流体側において小さく設定されている。
複数のディンプル11の配置形態は、ランダムに分布されてもよく、あるいは、規則的に分布されてもよい。
図5では、低圧流体側において平坦なランド部Rが一定幅で全周に残るように形成された低圧流体側密封面ISの外周側の近傍に設けられたディンプル11は周方向に規則的な間隔で配置され、それ以外の部分のディンプル11は、ランダムに分布されている。また、低圧流体側のしゅう動面において、径方向の中間部にはディンプル11の設けられていない部分がある。
【0036】
実施例2に係るしゅう動部品においては、実施例1と同様の効果を奏する他、複数のディンプル11の開口径が略同一に設定されているため、製作が容易である。
【0037】
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。
【0038】
例えば、前記実施例では、しゅう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、円筒状しゅう動面の軸方向一方側に潤滑油を密封しながら回転軸としゅう動する軸受のしゅう動部品として利用することも可能である。
【0039】
また、例えば、前記実施例では、外周側に高圧の被密封流体が存在する場合について説明したが、内周側が高圧流体の場合にも適用できる。
【0040】
また、例えば、前記実施例1では、開口径の異なる複数のディンプルがランダムに分布されている場合、前記実施例2では、略同一の開口径の複数のディンプルがランダム及び規則的に配置されている場合について説明したが、これらは好ましい例を示したものであり、これらに限定されず、例えば、高圧流体側から低圧流体側に向けて開口径が順次小さくなる複数のディンプルを規則的に配置するようにしてもよい。