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技術 摺動部品

出願人 イーグル工業株式会社
発明者 板谷壮敏砂川和正千葉啓一吉柳健二
出願日 2016年1月26日 (5年11ヶ月経過) 出願番号 2016-572047
公開日 2017年11月9日 (4年1ヶ月経過) 公開番号 WO2016-121739
状態 特許登録済
技術分野 メカニカルシール
主要キーワード 緩衝溝 発生原因物質 摺動面内 相対的回転運動 負圧発生領域 高圧側流体 硬質薄膜 相対的移動方向
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (9)

課題・解決手段

摺動面の負圧部分における析出物堆積を防止する。 固定側密封環(5)または回転側密封環(3)のいずれか一方の摺動面には、固定側密封環(5)と回転側密封環(3)との相対回転摺動により負圧を発生する負圧発生機構(12)が設けられ、少なくとも負圧発生機構(12)の表面は耐凝着性材料の膜(15)により被覆されていることを特徴としている。

概要

背景

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。 これに対応すべく、本出願人は、メカニカルシール等の摺動部品において、トルク低減と漏れ量低減の二律背反両立させるため、摺動面に、例えば、レイリーステップ、逆レイリーステップ、逆スパイラルグルーブ、U字あるいはナノレベル凹凸等の表面テクスチャを用いたメカニカルシールが本出願人らによって開発されている(例えば、特許文献1、2及び3参照。)。

また、従来より、例えば、水冷式エンジンの冷却に用いられるウォーターポンプのメカニカルシールにおいては、時間の経過とともに不凍液一種であるLLCの添加剤、例えばシリケートリン酸塩など(以下、「堆積物発生原因物質」という。)が、摺動面で濃縮され、堆積物が生成され、メカニカルシールの機能が低下されるおそれのあることが確認されている。この堆積物の生成は薬品オイルを扱う機器のメカニカルシールにおいても同様に発生する現象と考えられる。

本発明者らの研究によれば、表面テクスチャを用いたメカニカルシールにおいては、その特性により摺動面内で負圧が発生することがあるが、その負圧により摺動面内に侵入した被密封流体蒸発することで堆積物発生原因物質が過度析出・生成され、堆積物が加速度的に発生し、メカニカルシールの機能が低下するおそれのあることが実験において確認されている。また、摺動面外漏洩した濃縮・蒸発した流体が負圧により引き戻されることがあり、それにより摺動面に堆積されることもある。

摺動面における堆積物の発生を防止するため、本出願人は、先に、被密封流体を高圧流体側に押し戻すための高圧流体側に連通するポンピング溝低圧流体側端部(相手摺動面との相対運動に伴う流体流れの上流側部分。)の負圧を緩和して蒸気性キャビテーションの発生を防止することにより、ポンピング溝の低圧流体側端部における析出物の発生を防止するようにした発明を特許出願している(特許文献4参照。)。 また、同様に、流体を高圧流体側へ排出する流体排出手段を備えた摺動部品において、流体排出手段よりも低圧側の摺動面には低圧流体の高圧流体側への進入を緩和する緩衝溝を設け、この緩衝溝が低圧流体側から摺動面に進入する低圧流体の高圧流体に対する緩衝バッファー)となり、摺動面が低圧流体(例えば空気)で満たされるまでの時間を遅延させ、高圧流体の脱水縮合反応を抑制するようにした発明も特許出願している(特許文献5参照。)。

概要

摺動面の負圧部分における析出物の堆積を防止する。 固定側密封環(5)または回転側密封環(3)のいずれか一方の摺動面には、固定側密封環(5)と回転側密封環(3)との相対回転摺動により負圧を発生する負圧発生機構(12)が設けられ、少なくとも負圧発生機構(12)の表面は耐凝着性材料の膜(15)により被覆されていることを特徴としている。

目的

本発明は、摺動面の負圧により摺動面内に侵入した被密封流体が蒸発することで堆積物発生原因物質が析出・生成される場合でも、負圧部分における析出物の堆積を防止することにより、ランド部における堆積物の付着を防止し、摺動面のシール機能を向上させた摺動部品を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
2件

この技術が所属する分野

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請求項1

固定側に固定される円環状の固定側密封環と、回転軸とともに回転する円環状の回転側密封環とを備え、前記固定側密封環及び前記回転側密封環の対向する各摺動面を相対回転させることにより、当該相対回転摺動する前記摺動面の径方向の一方側に存在する高圧流体密封する摺動部品において、前記固定側密封環または前記回転側密封環のいずれか一方の摺動面には、前記固定側密封環と前記回転側密封環との相対回転摺動により負圧を発生する負圧発生機構が設けられ、少なくとも前記負圧発生機構の表面は耐凝着性材料の膜により被覆されていることを特徴とする摺動部品。

請求項2

前記負圧発生機構が前記摺動面に形成されたディンプル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。

請求項3

前記負圧発生機構が前記摺動面に形成され、前記摺動面に浸入する流体高圧流体側に排出するポンピング溝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。

請求項4

前記負圧発生機構は、前記摺動面の低圧側に位置して設けられ、高圧流体側と連通するとともに低圧流体側とはランド部により隔離された負圧発生溝を備えることを特徴とする請求項1記載の摺動部品。

請求項5

前記負圧発生機構が逆レイリーステップ機構から構成されることを特徴とする請求項4に記載の摺動部品。

請求項6

前記負圧発生機構が逆スパイラルグルーブから構成されることを特徴とする請求項4に記載の摺動部品。

技術分野

0001

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または軸受などの摺動部品に関する。

背景技術

0002

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。 これに対応すべく、本出願人は、メカニカルシール等の摺動部品において、トルク低減と漏れ量低減の二律背反両立させるため、摺動面に、例えば、レイリーステップ、逆レイリーステップ、逆スパイラルグルーブ、U字あるいはナノレベル凹凸等の表面テクスチャを用いたメカニカルシールが本出願人らによって開発されている(例えば、特許文献1、2及び3参照。)。

0003

また、従来より、例えば、水冷式エンジンの冷却に用いられるウォーターポンプのメカニカルシールにおいては、時間の経過とともに不凍液一種であるLLCの添加剤、例えばシリケートリン酸塩など(以下、「堆積物発生原因物質」という。)が、摺動面で濃縮され、堆積物が生成され、メカニカルシールの機能が低下されるおそれのあることが確認されている。この堆積物の生成は薬品オイルを扱う機器のメカニカルシールにおいても同様に発生する現象と考えられる。

0004

本発明者らの研究によれば、表面テクスチャを用いたメカニカルシールにおいては、その特性により摺動面内で負圧が発生することがあるが、その負圧により摺動面内に侵入した被密封流体蒸発することで堆積物発生原因物質が過度析出・生成され、堆積物が加速度的に発生し、メカニカルシールの機能が低下するおそれのあることが実験において確認されている。また、摺動面外に漏洩した濃縮・蒸発した流体が負圧により引き戻されることがあり、それにより摺動面に堆積されることもある。

0005

摺動面における堆積物の発生を防止するため、本出願人は、先に、被密封流体を高圧流体側に押し戻すための高圧流体側に連通するポンピング溝低圧流体側端部(相手摺動面との相対運動に伴う流体流れの上流側部分。)の負圧を緩和して蒸気性キャビテーションの発生を防止することにより、ポンピング溝の低圧流体側端部における析出物の発生を防止するようにした発明を特許出願している(特許文献4参照。)。 また、同様に、流体を高圧流体側へ排出する流体排出手段を備えた摺動部品において、流体排出手段よりも低圧側の摺動面には低圧流体の高圧流体側への進入を緩和する緩衝溝を設け、この緩衝溝が低圧流体側から摺動面に進入する低圧流体の高圧流体に対する緩衝バッファー)となり、摺動面が低圧流体(例えば空気)で満たされるまでの時間を遅延させ、高圧流体の脱水縮合反応を抑制するようにした発明も特許出願している(特許文献5参照。)。

先行技術

0006

WO 2012/046749 A1
WO 2014/112455 A1
WO 2014/148316 A1
WO 2014/103631 A1
WO 2014/174725 A1

発明が解決しようとする課題

0007

しかしながら、上記の特許文献4及び5に記載の発明では、摺動面に堆積物発生原因物質の堆積物が生成するのを防止するため、摺動面に新たな溝を設ける必要があるが、摺動面に堆積物生成防止のための溝が設けられると摺動部分の面積が減少し、摺動面の面圧が増大して摩耗が促進されるという問題があった。

0008

本発明は、摺動面の負圧により摺動面内に侵入した被密封流体が蒸発することで堆積物発生原因物質が析出・生成される場合でも、負圧部分における析出物の堆積を防止することにより、ランド部における堆積物の付着を防止し、摺動面のシール機能を向上させた摺動部品を提供することを目的とするものである。

課題を解決するための手段

0009

原理〕 本発明は、耐凝着性材料の持つ防汚性及び低凝着性の特性に着目し、堆積物が析出・生成されやすい負圧発生機構の表面に耐凝着性材料の膜を被覆し、負圧発生機構の表面において堆積物が堆積されるのを防止し、摺動面における堆積物の付着を防止し、摺動面のシール機能を向上させるようにしたものである。耐凝着性材料の膜のうち、特に、ダイヤモンドライクカーボン膜は、高硬度高耐摩耗性低摩擦係数、高化学安定性及び高耐焼き付き性などの優れた特性を有する。 なお、本発明において、耐凝着性材料とは、堆積物発生原因物質に対して防汚性及び低凝着性を有する材料であり、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)、ダイヤモンドフッ素樹脂PTFE)、フッ素窒化チタン(TiN)、及び、シリコン樹脂のいずれかの材料を意味する。

0010

〔手段〕 上記目的を達成するため本発明の摺動部品は、第1に、固定側に固定される円環状の固定側密封環と、回転軸とともに回転する円環状の回転側密封環とを備え、前記固定側密封環及び前記回転側密封環の対向する各摺動面を相対回転させることにより、当該相対回転摺動する前記摺動面の径方向の一方側に存在する高圧流体を密封する摺動部品において、 前記固定側密封環または前記回転側密封環のいずれか一方の摺動面には、前記固定側密封環と前記回転側密封環との相対回転摺動により負圧を発生する負圧発生機構が設けられ、 少なくとも前記負圧発生機構の表面は耐凝着性材料の膜により被覆されていることを特徴としている。 この特徴によれば、負圧発生機構の負圧により堆積物発生原因物質が析出される場合でも、耐凝着性材料の膜の持つ防汚性及び低凝着性により、負圧発生機構の表面に析出物が堆積するのを防止することができ、ひいては、ランド部においても堆積物の付着が防止される結果、摺動面のシール機能を向上させた摺動部品を提供するができる。

0011

また、本発明の摺動部品は、第2に、第1の特徴において、前記負圧発生機構が前記摺動面に形成されたディンプル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、負圧発生機構であるディンプルの表面に析出物が堆積するのを防止することができ、ひいては、ランド部においても堆積物の付着が防止される結果、摺動面のシール機能を向上させた摺動部品を提供するができる。

0012

また、本発明の摺動部品は、第3に、第1の特徴において、前記負圧発生機構が前記摺動面に形成され、前記摺動面に浸入する流体を高圧流体側に排出するポンピング溝から構成されることことを特徴としている。 この特徴によれば、負圧発生機構であるポンピング溝の低圧流体側端部の表面に析出物が堆積するのを防止することができ、ひいては、ランド部においても堆積物の付着が防止される結果、摺動面のシール機能を向上させた摺動部品を提供するができる。

0013

また、本発明の摺動部品は、第4に、第1の特徴において、前記負圧発生機構は、前記摺動面の低圧側に位置して設けられ、高圧流体側と連通するとともに低圧流体側とはランド部により隔離された負圧発生溝を備えることことを特徴としている。 この特徴によれば、高圧流体側から低圧流体側への流体の漏洩を効果的に防止できるようにしたものにおいて、負圧発生機構である負圧発生溝の表面に析出物が堆積するのを防止することができ、ひいては、ランド部においても堆積物の付着が防止される結果、摺動面のシール機能を向上させた摺動部品を提供するができる。

0014

また、本発明の摺動部品は、第5に、第4の特徴において、前記負圧発生機構が逆レイリーステップ機構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、摺動部品の摺動面に形成可能な負圧発生機構として好適な逆レイリーステップ機構を備えたもにおいて、負圧発生機構である逆レイリーステップ機構の表面に析出物が堆積するのを防止することができ、ひいては、ランド部においても堆積物の付着が防止される結果、摺動面のシール機能を向上させた摺動部品を提供するができる。

0015

また、本発明の摺動部品は、第6に、第4の特徴において、前記負圧発生機構が逆スパイラルグルーブ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、摺動部品の摺動面に形成可能な負圧発生機構として好適な逆スパイラルグルーブを備えたものにおいて、負圧発生機構である逆スパイラルグルーブの表面に析出物が堆積するのを防止することができ、ひいては、ランド部においても堆積物の付着が防止される結果、摺動面のシール機能を向上させた摺動部品を提供するができる。

発明の効果

0016

本発明は、以下のような優れた効果を奏する。(1)少なくとも前記負圧発生機構の表面は耐凝着性材料の膜により被覆されていることにより、負圧発生機構の負圧により堆積物発生原因物質が析出される場合でも、耐凝着性材料の膜の持つ防汚性及び低凝着性により、負圧発生機構の表面に析出物が堆積するのを防止することができ、ひいては、ランド部においても堆積物の付着が防止される結果、摺動面のシール機能を向上させた摺動部品を提供するができる。

0017

(2)負圧発生機構であるディンプルの表面に析出物が堆積するのを防止することができ、ひいては、ランド部においても堆積物の付着が防止される結果、摺動面のシール機能を向上させた摺動部品を提供するができる。(3)負圧発生機構であるポンピング溝の表面に析出物が堆積するのを防止することができ、ひいては、ランド部においても堆積物の付着が防止される結果、摺動面のシール機能を向上させた摺動部品を提供するができる。

0018

(4)高圧流体側から低圧流体側への流体の漏洩を効果的に防止できるようにしたものにおいて、負圧発生機構である負圧発生溝の表面に析出物が堆積するのを防止することができ、ひいては、ランド部においても堆積物の付着が防止される結果、摺動面のシール機能を向上させた摺動部品を提供するができる。

0019

(5)摺動部品の摺動面に形成可能な負圧発生機構として好適な逆レイリーステップ機構を備えたものにおいて、負圧発生機構である逆レイリーステップ機構の表面に析出物が堆積するのを防止することができ、ひいては、ランド部においても堆積物の付着が防止される結果、摺動面のシール機能を向上させた摺動部品を提供するができる。(6)摺動部品の摺動面に形成可能な負圧発生機構として好適な逆スパイラルグルーブを備えたものにおいて、負圧発生機構である逆スパイラルグルーブの表面に析出物が堆積するのを防止することができ、ひいては、ランド部においても堆積物の付着が防止される結果、摺動面のシール機能を向上させた摺動部品を提供するができる。

図面の簡単な説明

0020

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る。
堆積物発生原因物質を含んだ被密封流体をダイヤモンドライクカーボン膜が被覆されない摺動部品を用いて密封試験を行った際の負圧発生溝が設けられた摺動面の状況を示す図である。
堆積物発生原因物質を含んだ被密封流体をダイヤモンドライクカーボン膜が被覆された摺動部品を用いて密封試験を行った際の負圧発生溝が設けられた摺動面の状況を示す図である。
実施例1に係る負圧発生機構を構成する逆レイリーステップを説明する図である。
本発明の実施例2に係る負圧発生機構を構成する逆スパイラルグルーブを示す図である。
本発明の実施例3に係る負圧発生機構を構成するディンプルを示す図である。
本発明の実施例4に係る負圧発生機構を構成するポンピング溝を示す図である。

0021

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。

0022

図1乃至図5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、本実施例においては、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。

0023

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高圧流体側の被密封流体を密封する形式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摺動部品である円環状の回転側密封環3と、ポンプハウジング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摺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3と固定側密封環5との互いの摺動面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。

0024

図2は、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、図1の固定側密封環5の摺動面に負圧発生機構が設けられた場合を例にして説明するものである。 なお、回転側密封環3の摺動面に負圧発生機構が設けられる場合も同様である。

0025

図2において、固定側密封環5の摺動面Sの外周側が高圧流体側であり、また、内周側が低圧流体側、例えば大気側であり、相手摺動面は反時計方向に回転するものとする。

0026

固定側密封環5の摺動面には、高圧流体側に連通されるとともに低圧流体側とは摺動面Sの平滑部R(本発明においては、「ランド部」ということがある。)により隔離された流体循環溝10が周方向に4等配で設けられている。 流体循環溝10は、高圧流体側から入る入口部10a、高圧流体側に抜ける出口部10b、及び、入口部10a及び出口部10bとを周方向に連通する連通部10cから構成され、低圧流体側とはランド部Rにより隔離されている。流体循環溝10は、摺動面において腐食生成物などを含む流体が濃縮されることを防止するため、積極的に高圧流体側から被密封流体を摺動面上に導入し排出するという役割を担うものであり、相手摺動面の回転方向に合わせて摺動面上に被密封流体を取り入れ、かつ、排出しやすいように入口部10a及び出口部10bが形成される一方、漏れを低減するため、低圧流体側とはランド部Rにより隔離されている。本例では、入口部10a及び出口部10bは摺動面の中心から放射方向に向けた直線状に形成されているが、特にこれに限定されるものではなく、入口部10a及び出口部10bの傾きをさらに大きくしてもよく、また、直線状ではなく曲線状(円弧状など)にしてもよい。また、流体循環溝10の幅及び深さは、被密封流体の圧力、種類(粘性)などに応じて最適なものに設定される。

0027

流体循環溝10が設けられた摺動面には、流体循環溝10と高圧流体側とで囲まれる部分に流体循環溝10より浅い正圧発生溝11aを備える正圧発生機構11が設けられている。正圧発生機構11は、正圧動圧)を発生することにより摺動面間流体膜を増加させ、潤滑性能を向上させるものである。 正圧発生溝11aは流体循環溝10の入口部に連通し、出口部10b及び高圧流体側とはランド部Rにより隔離されている。 本例では、正圧発生機構11は、流体循環溝10の入口部10aに連通する正圧発生溝11a及びレイリーステップ11bを備えたレイリーステップ機構から構成されるが、これに限定されることなく、例えば、ダム付きフェムト溝で構成してもよく、要は、正圧を発生する機構であればよい。

0028

図2において、固定側密封環5の摺動面には、さらに、流体循環溝10と高圧流体側とで囲まれた部分の外側、すなわち、隣接する流体循環溝10、10の間であって摺動面の径方向における低圧側には、負圧発生機構を構成する逆レイリーステップ機構12が設けられている。逆レイリーステップ機構12は、流体循環溝10より浅い負圧発生溝を構成するグルーブ12a及び逆レイリーステップ12bからなり、グルーブ12aは、低圧流体側とはランド部Rにより隔離されているとともに、下流側において流体循環溝10の入口部10aに連通し、上流側の逆レイリーステップ12bはランド部Rにより上流側の流体循環溝10と隔離されている。

0029

本実施例1において、負圧発生機構を構成する逆レイリーステップ機構12は、負圧の発生により高圧流体側から低圧流体側に漏洩しようとする被密封流体をグルーブ12aに取り込み、流体循環溝10を介して高圧流体側に戻し、密封性を向上させる役割を果たすもので、レイリーステップ機構12の設けられていない部分であるところの隣接する流体循環溝10と10との間における漏洩を防止し、摺動面全体の密封性を向上させるものである。 なお、逆レイリーステップ機構12については、後記において詳細に説明する。 また、流体循環溝10、レイリーステップ機構11及び逆レイリーステップ機構12の等配数やレイリーステップ機構11と逆レイリーステップ機構12の長さの比は、適宜最適なものを選定できる。

0030

流体循環溝10、正圧発生機構11の正圧発生溝11a及び逆レイリーステップ機構12のグルーブ12aの深さ及び幅は、摺動部品の径、摺動面幅及び相対移動速度、並びに、密封及び潤滑の条件等に応じて適宜決定される性質のものである。 一例として示すと、摺動部品の径が約20mm、摺動面幅が約2mmの場合、正圧発生溝11及びグルーブ12aの幅は0.4〜0.6mm、深さは数百ナノ〜1μmであり、内周側のシール面16の幅は0.2〜0.4mmである。また、流体循環溝10の幅は高圧の流体を循環させるために十分の幅であり、深さは数十μm〜数百μmである。

0031

逆レイリーステップ機構12のグルーブ12aは負圧になるため、グルーブ12a内に侵入した被密封流体が蒸発し、堆積物発生原因物質が過度に析出・生成され、グルーブ12a内で堆積し、ランド部Rに付着・堆積し、密封性を低下させる要因となっている。 このため、本実施例においては、グルーブ12aの表面にダイヤモンドライクカーボン膜(「DLC膜」ともいう。)15が被覆されている。

0032

ダイヤモンドライクカーボン膜15は、CVD法化学気相蒸着法)やPVD法(物理気相蒸着法)、あるいは、スパッタリング法イオンプレーティング法などにより成膜される。DLC材料は、非晶質のものであって、炭素同士結合形態ダイヤモンド構造(SP3結合)とグラファイト結合(SP2結合)の両方から成る。例えば、炭素元素だけから成るa−C(アモルファスカーボン)、水素を含有するa−C:H(水素アモルファスカーボン)、及びチタン(Ti)やモリブデン(Mo)等の金属元素を一部に含むMeCなどを用いることができる。 ダイヤモンドライクカーボン膜15の厚さは、特に限定されないが、例えば、0.5μm程度に設定した場合、グルーブ12aの深さが数μmであるから、逆レイリーステップ機構12の負圧発生に影響を及ぼすことはない。

0033

成膜されたダイヤモンドライクカーボン膜は、アモルファス構造のため結晶粒界を持たないことから多結晶構造硬質薄膜と比べて非常に平滑な表面をしている。 ダイヤモンドライクカーボン膜は、高硬度、高耐摩耗性、低摩擦係数、高化学安定性及び高耐焼き付き性などの優れた特性を有するものであり、本実施例においては、特に、ダイヤモンドライクカーボン膜の持つ防汚性及び低凝着性の特性に着目し、堆積物が析出・生成されやすい負圧発生機構の表面にダイヤモンドライクカーボン膜を被覆し、負圧発生機構の表面において析出物が付着・堆積されるのを防止し、摺動面における堆積物の付着を防止し、摺動面のシール機能を向上させるようにしたものである。

0034

図3は、堆積物発生原因物質を含んだ被密封流体を、逆レイリーステップ機構12のグルーブ12aにダイヤモンドライクカーボン膜15が被覆されない摺動部品を用いて密封試験を行った際の逆レイリーステップ機構12が設けられた摺動面の状況を示す図である。 密封試験の最後に、負圧発生溝が設けられた摺動面に水を流水後、エアブローした状態において写真撮影したもので、グルーブ12a及びランド部に析出物の堆積が認められた。堆積の高さは約5μmであった。

0035

図4は、堆積物発生原因物質を含んだ被密封流体を、逆レイリーステップ機構12のグルーブ12aにダイヤモンドライクカーボン膜15が被覆された摺動部品を用いて密封試験を行った際の逆レイリーステップ機構12が設けられた摺動面の状況を示す図である。 密封試験の最後に、逆レイリーステップ機構12が設けられた摺動面に水を流水後、エアブローした状態において写真で撮影したもので、グルーブ12a及びランド部Rには析出物の堆積は認められなかった。

0036

上記のように、逆レイリーステップ機構12のグルーブ12aにダイヤモンドライクカーボン膜15が被覆されない場合、グルーブ12aの表面及びランド部Rには堆積物発生原因物質の堆積が認められたが、逆レイリーステップ機構12のグルーブ12aにダイヤモンドライクカーボン膜が被覆された場合、グルーブ12aの表面及びランド部Rには堆積物発生原因物質の堆積は認められなかった。これは、逆レイリーステップ機構12の負圧により堆積物発生原因物質が析出される場合でも、ダイヤモンドライクカーボン膜15の持つ防汚性及び低凝着性により、析出物がグルーブ12aの表面に付着、堆積することができなかったため、グルーブ12aのみならずランド部Rにも析出物の堆積が防止されたものと推定される。

0037

ここで、図5を参照しながら逆レイリーステップ機構12について説明する。図5(a)において、矢印で示すように、回転側密封環3は時計方向に、相対する固定側密封環5は反時計方向に相対回転するものとする。固定側密封環5の摺動面Sには、相対的移動方向と垂直かつ下流側に面して逆レイリーステップ12b(広がり段差)が形成され、該逆レイリーステップ12bの下流側にはグルーブ部12aが形成されている。相対する回転側密封環3の摺動面は平坦である。 回転側密封環3及び固定側密封環5が矢印で示す方向に相対移動すると、両密封環3及び5の摺動面S間に介在する流体が、その粘性によって、密封環3または5の移動方向に追随移動しようとするため、その際、逆レイリーステップ12bの存在によって破線で示すような動圧(負圧)を発生する。

0038

図5(b)は、図5(a)の逆レイリーステップ12bを直線的な傾斜面12b−1に形状変更したものであり、また、図5(c)は、図5(a)の逆レイリーステップ12bを曲線的な傾斜面12b−2に形状変更したものである。図5(b)及び(c)の構成でも、図5(a)とほぼ同様の負圧が発生される。本発明においては、図5(b)及び(c)の機構を逆変形レイリーステップ機構と呼び、逆レイリーステップに包含されるものである。

0039

以上説明したように、実施例1に係る摺動部品は、固定側に固定される円環状の固定側密封環5と、回転軸1とともに回転する円環状の回転側密封環3とを備え、固定側密封環5及び回転側密封環3の対向する各摺動面を相対回転させることにより、当該相対回転摺動する摺動面の径方向の一方側に存在する高圧流体を密封する摺動部品において、固定側密封環5または回転側密封環3のいずれか一方の摺動面には、固定側密封環5と回転側密封環3との相対回転摺動により負圧を発生する負圧発生機構である逆レイリーステップ機構12が設けられ、逆レイリーステップ機構12は、摺動面の低圧側に位置して設けられ、高圧流体側と連通するとともに低圧流体側とはランド部Rにより隔離された負圧発生溝であるグルーブ12aを備え、逆レイリーステップ機構12の表面がダイヤモンドライクカーボン膜15により被覆されているため、逆レイリーステップ機構12の負圧により堆積物発生原因物質が析出される場合でも、ダイヤモンドライクカーボン膜15の持つ防汚性及び低凝着性により、析出物がグルーブ12aの表面に析出物が堆積するのを防止することができ、ひいては、ランド部Rにおいても堆積物の付着が防止される結果、摺動面のシール機能を向上させた摺動部品を提供するができる。

0040

図6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。 なお、図6において、実施例1の符号と同じ符号は実施例1と同じ部材を示しており、重複する説明は省略する。

0041

図6において、負圧発生機構である逆スパイラルグルーブ20は、低圧流体側と直接連通することなくランド部Rにより隔離されている。逆スパイラルグルーブ20は、固定側密封環5の摺動面全周にわたって設けられる。また逆スパイラルグルーブ20の高圧側端部20aは圧力開放溝21に連通し、圧力開放溝21の一部が半径方向溝22介して高圧流体側に接続される。逆スパイラルグルーブ20は相手側摺動面との相対的回転運動により、負圧を発生して高圧側流体から漏れてくる流体を吸い込み、高圧流体側に接続された圧力開放溝を通して高圧流体側に押し戻す作用をする。そして、逆スパイラルグルーブ20にはキャビテーションが発生し、当該逆スパイラルグルーブ20に析出物が発生し、逆スパイラルグルーブ20及びランド部Rに析出物が付着・堆積し、密封性を低下させる要因となっている。

0042

このため、逆スパイラルグルーブ20には、実施例1と同様のダイヤモンドライクカーボン膜15が被覆されている。負圧発生機構である逆スパイラルグルーブ20の表面はダイヤモンドライクカーボン膜15により被覆されているため、逆スパイラルグルーブ20の負圧により堆積物発生原因物質が析出される場合でも、ダイヤモンドライクカーボン膜15の持つ防汚性及び低凝着性により、析出物が逆スパイラルグルーブ20の表面に堆積し、ランド部Rに付着することが防止され、摺動面のシール機能を向上させた摺動部品を提供するができる。

0043

図7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。 なお、図7において、実施例1の符号と同じ符号は実施例1と同じ部材を示しており、重複する説明は省略する。

0044

図7において、固定側密封間5の摺動面Sには四辺形のディンプル25が周方向に複数設けられている。ディンプル25は、高圧流体側及び低圧流体側とは連通しておらず、また、各ディンプル25は相互に独立して設けられている。ディンプル25の数、面積及び深さは、固定環5の直径及び面幅並びに高圧流体側と低圧流体側との差圧等の条件により最適な値に設定されるが、面積が大きく、深さの浅いディンプルの方が流体潤滑作用及び液膜形成の点で好ましい。

0045

図7において、矢印で示すように、固定側密封環5に対して回転側密封環3が反時計方向に回転移動するが、固定環5の摺動面Sにディンプル25が形成されていると、該ディンプル25の下流側には狭まり隙間(段差)25aが、また、上流側には拡がり隙間(段差)25bが存在する。固定側密封環5及び回転側密封環3の摺動面間に介在する流体が、その粘性によって、回転側密封環3の移動方向に追随移動しようとするため、その際、狭まり隙間(段差)25aの存在によって正圧が発生され、拡がり隙間(段差)25bの存在によって破線で示すような動圧(負圧)が発生される。このように、ディンプル25内の下流側には正圧が発生し、上流側には負圧が発生する。そして、上流側の負圧発生領域にはキャビテーションが発生し、当該負圧発生領域の部分に析出物が発生し、負圧発生領域及びランド部Rに析出物が付着・堆積し、密封性を低下させる要因となっている。

0046

このため、ディンプル25には、実施例1と同様のダイヤモンドライクカーボン膜15が被覆されている。正圧及び負圧を発生するディンプル25の表面はダイヤモンドライクカーボン膜15により被覆されているため、拡がり隙間(段差)25b付近の負圧によりディンプル25内に堆積物発生原因物質が析出される場合でも、ダイヤモンドライクカーボン膜15の持つ防汚性及び低凝着性により、析出物がディンプル25の表面に堆積し、ランド部Rに付着するのを防止することができ、摺動面のシール機能を向上させた摺動部品を提供するができる。 なお、ダイヤモンドライクカーボン膜15は、ディンプル25の全面ではなく、上流側の負圧発生領域にのみ被覆されてもよい。

0047

図8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。 なお、図8において、実施例1の符号と同じ符号は実施例1と同じ部材を示しており、重複する説明は省略する。

0048

図8において、固定側密封環5の摺動面Sには、相手摺動面との相対摺動により、流体を高圧流体側に排出する角度をつけたスパイラル溝30が設けられ、該スパイラル溝30の粘性ポンプ効果で流体を高圧流体側に押し戻し、漏れを防止するというものである。 スパイラル溝30の低圧流体側端部(相手摺動面との相対運動に伴う流体流れの上流側部分。図8においては内周側)31の部分に蒸気性のキャビテーションが発生することがあり、被密封流体として、シリケート系のクーラントを使用した場合などにおいて、蒸気性キャビテーションの発生するスパイラル溝30の低圧流体側端部31の部分に析出物が発生し、ランド部Rに付着・堆積し、密封性を低下させる要因となっている。

0049

このため、スパイラル溝30には、実施例1と同様のダイヤモンドライクカーボン膜15が被覆されている。 スパイラル溝30の表面はダイヤモンドライクカーボン膜15により被覆されているため、低圧流体側端部31付近の負圧によりスパイラル溝30内に堆積物発生原因物質が析出される場合でも、ダイヤモンドライクカーボン膜15の持つ防汚性及び低凝着性により、析出物がスパイラル溝30の表面及びランド部Rに付着・堆積するのを防止することができ、摺動面のシール機能を向上させた摺動部品を提供するができる。 なお、ダイヤモンドライクカーボン膜15は、スパイラル溝30の全面ではなく、上流側の負圧発生領域にのみ被覆されてもよい。

0050

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。

0051

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。

0052

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。

0053

また、例えば、前記実施例では、負圧発生機構として、逆レイリーステップ機構12、逆スパイラルグルーブ20、ディンプル25及びスパイラル溝30について説明したが、これらに限定されることなく、例えば、摺動面のうねりにより負圧発生部分も包含される。

0054

また、例えば、前記実施例では、固定側密封環または前記回転側密封環のいずれか一方の摺動面に設けられる負圧発生機構の負圧発生部の表面にダイヤモンドライクカーボン膜15が被覆される場合について説明したが、製造工程上、摺動面全面に被覆した方が製造容易な場合には、摺動面全面に被覆してもよい。 また、長時間の使用において、析出物が負圧発生機構の負圧発生部の表面のみならず、ランド部Rに付着・堆積する場合があるため、例えば、負圧発生部の設けられない相手摺動面に被覆してもよい。

実施例

0055

また、例えば、前記実施例では、負圧発生機構の表面に被覆される耐凝着性材料の膜がダイヤモンドライクカーボン膜である場合を説明したが、これに限定されることなく、ダイヤモンド、フッ素樹脂(PTFE)、フッ素、窒化チタン(TiN)、及び、シリコン樹脂のいずれかの材料から形成される膜であればよい。

0056

1回転軸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6コイルドウェーブスプリング7ベローズ10流体循環溝 10a 入口部 10b出口部 10c 連通部 11正圧発生機構11a正圧発生溝 11bレイリーステップ12 逆レイリーステップ機構12aグルーブ12b 逆レイリーステップ 15ダイヤモンドライクカーボン膜20 逆スパイラルグルーブ20a高圧側端部 21圧力開放溝22半径方向溝25ディンプル25a 狭まり隙間(段差) 25b拡がり隙間(段差) 30スパイラル溝31低圧流体側端部 S摺動面 R ランド部

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