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JP7387238B2 - 摺動部材 - Google Patents

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Description

本発明は，たとえば，メカニカルシール，軸受，その他，摺動部に適した摺動部材に関する。特に，摺動面に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又は軸受などの摺動部材に関する。
摺動部材の一例である，メカニカルシールにおいて，密封性を長期的に維持させるためには，「密封」と「潤滑」という相反する条件を両立させる技術がある。たとえば，互いに相対摺動する一対の摺動部材において，一方の摺動面の被密封流体側には正圧発生溝を，漏れ側には負圧発生溝を設け，正圧発生溝及び負圧発生溝はそれぞれ被密封流体側と連通させるとともに，漏れ側とはシール面により隔離されているものが知られている（例えば，特許文献１参照）。
上記構成の摺動部材が相対摺動すると，被密封流体側に設けられた正圧発生機構が発生する正圧によって，摺動面が押し広げられ，摺動面に液膜を介在させた流体潤滑状態とすることにより摺動トルクを低減することができる。また，漏れ側に設けられた負圧発生機構が発生する負圧によって，漏れ側から摺動面に流体を吸い込むポンピング作用が生じ，漏れ量を極めて小さくすることができる。
国際公開パンフレット ＷＯ２０１２／０４６７４９
しかし，上記技術は，摺動面の被密封流体側には正圧発生溝を，漏れ側には負圧発生溝を設ける必要があり，摺動面部品が大型化してしまうという問題があった。また，上記技術を両回転用の機器に適用する場合には，正転用の動圧発生機構と逆回転用の動圧発生機構を設ける必要がり，構造が複雑になる問題があった。
本発明は，摺動トルクの低減及び密封機能を向上しながら，小形化が可能で，両回転用の機器に適用可能な摺動部材を提供することを目的とする。
前記課題を解決するために，本発明の摺動部材は，
摺動面にて互いに相対摺動する一対の摺動部材であって，
少なくとも一方の前記摺動面は，ランド部に囲まれた負圧発生機構と，
前記摺動面内に配設されるとともに前記負圧発生機構から分岐する第１分岐部と，を備えることを特徴としている。
この特徴によれば，負圧発生機構内は圧力低下によりキャビテーションが発生して，流体が気化するので，粘性の小さい気体との摺動が支配的となり，摺動トルクを低減することができる。また，負圧発生機構内の負圧によって漏れ側から摺動面内に流体を吸い込むポンピング作用が得られるので，漏れを極めて小さくできる。さらに，第１分岐部におけるくさび効果によって正圧を発生して摺動面を流体潤滑状態に保つことができる。従来技術のように正圧発生機構と負圧発生機構を別個に設けることなく，一つの負圧発生機構によって，摺動トルクの低減及び密封性の向上という相反する性能を向上することができるので小形化が可能となる。
本発明の摺動部材は，
前記摺動面内に配設されるとともに前記第１分岐部から分岐する第２分岐部をさらに備えることを特徴としている。
この特徴によれば，第１分岐部がさらに第２分岐部によって分岐するので，両回転機器に容易に適用できる。
本発明の摺動部材は，
前記第１分岐部は，隣接する前記第１分岐部と周方向に重なる重なり部を備えることを特徴としている。
この特徴によれば，第１分岐部は，隣接する第１分岐部と周方向に重なる重なり部を有するので，高い正圧を発する第１分岐部から負圧発生機構への漏れ流れを規制して，第１分岐部が発生する高い正圧の利用効率を高め，摺動面を流体潤滑状態に維持することができる。
本発明の摺動部材は，
前記第２分岐部は，隣接する前記第１分岐部と周方向に重なる重なり部を備えることを特徴としている。
この特徴によれば，第２分岐部は，隣接する第１分岐部と周方向に重なる重なり部を有するので，高い正圧を発する第２分岐部から負圧発生機構への漏れ流れを規制して，第２分岐部が発生する高い正圧の利用効率を高め，摺動面を流体潤滑状態に維持することができる。
本発明の摺動部材は，
少なくとも前記負圧発生機構は，前記負圧発生機構から前記第１分岐部へ向かうガイドグルーブを備えることを特徴としている。
この特徴によれば，少なくとも負圧発生機構の底部を流れる流体をガイドグルーブにより所望の方向へ導くことができる。
本発明の摺動部材は，
時計方向に延設される前記第１分岐部及び反時計方向に延設される前記第１分岐部を備えることを特徴としている。
この特徴によれば，時計方向に延設される第１分岐部及び反時計方向に延設される第１分岐部を備えるので，両回転機器に容易に適用できる。
本発明の摺動部材は，
前記第１分岐部の端部は先細りの溝部であることを特徴としている。
この特徴によれば，第１分岐部を流れる液体は，端部の先細りの溝部により絞られて圧力が上昇するので，摺動面に液膜を介在させた流体潤滑状態とすることにより摺動トルクを低減できる。
本発明の摺動部材は，
時計方向に延設される前記第２分岐部及び反時計方向に延設される前記第２分岐部を備えることを特徴としている。
この特徴によれば，時計方向に延設される第２分岐部及び反時計方向に延設される第２分岐部を備えるので，両回転機器に容易に適用できる。
本発明の摺動部材は，
前記第２分岐部は先細りの溝部であることを特徴としている。
この特徴によれば，第２分岐部を流れる液体は，先細りの溝部により絞られて圧力が上昇するので，摺動面に液膜を介在させた流体潤滑状態とすることにより摺動トルクを低減できる。
本発明の摺動部材は，
前記負圧発生機構の周方向の中心と回転中心とを結ぶ径方向軸に対して，前記第１分岐部及び前記第２分岐部は対称に配設されることを特徴としている。
この特徴によれば，分岐部は，径方向軸に対して対称に配設されているので，正回転，逆回転に関わらず流体潤滑効果及びポンピング効果を発揮することができる。
本発明の摺動部材は，
前記負圧発生機構は，前記摺動面に複数配設されることを特徴としている。
この特徴によれば，摺動面の大きさに応じて，負圧発生機構及び分岐部を最適に配置することができる。
本発明の摺動部材は，
被密封流体側に連通する流体導入溝と，一端が前記流体導入溝に連通するとともに他端がランド部によって囲まれる動圧発生機構と，ランド部内に設けられるとともに前記流体導入溝に連通する開放溝と，をさらに備えることを特徴としている。
この特徴によれば，摺動面は，流体導入溝から流体が供給されるので，起動時などの低速回転状態において流体潤滑状態が十分でないときであっても，流体導入溝から供給される流体によって，摺動面Ｓの潤滑することができるとともに，動圧発生機構が流体導入溝から取り入れた流体をくさび効果により大きな正圧を発生して，摺動面を流体潤滑状態に保つことができる。
本発明の摺動部材は，
時計方向に延設される前記動圧発生機構及び反時計方向に延設される前記動圧発生機構を備えることを特徴とするとしている。
この特徴によれば，時計方向に延設される動圧発生機構及び反時計方向に延設される動圧発生機構によって，回転方向に関係なく確実に大きな正圧を発生して，摺動面を流体潤滑状態に保つことができる。
本発明の摺動部材は，
前記動圧発生機構は前記流体導入溝に対し対称に配置されること特徴としている。
この特徴によれば，動圧発生機構は流体導入溝に対し対称に配置されているので，正回転，逆回転に関わらず流体潤滑効果及びポンピング効果を発揮することができる。
本発明の摺動部材を備えるメカニカルシールの一例を示す縦断面図である。 図１のＷ－Ｗ矢視で実施例１の摺動部材の摺動面を示す図である。 図１のＷ－Ｗ矢視で実施例２の摺動部材の摺動面を示す図である。 図１のＷ－Ｗ矢視で実施例３の摺動部材の摺動面を示す図である。 図４の摺動面の一部拡大図である。 図１のＷ－Ｗ矢視で実施例４の摺動部材の摺動面を示す図である。 図１のＷ－Ｗ矢視で実施例５の摺動部材の摺動面を示す図である。 図７の摺動面の一部拡大図である。 図１のＷ－Ｗ矢視で実施例６の摺動部材の摺動面を示す図である。
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２を参照して，本発明の実施例１に係る摺動部材について説明する。なお，実施例１においては，摺動部材の一例であるメカニカルシールについて説明する。実施例１においては，メカニカルシールを構成する摺動部材の外周側を被密封流体側，内周側を漏れ側として説明する。
図１は，メカニカルシール１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を密封する形式のインサイド形式のものであり，回転側カートリッジと固定側カートリッジからなる。回転側カートリッジは，回転軸１０に嵌合されたスリーブ２と，一方の摺動部材である円環状の回転側密封環３と，スリーブ２と回転側密封環３との間をシールするパッキン８と，備え，回転側カートリッジは回転軸１０と一体に回転する。
固定側カートリッジは，ケーシング９に取り付けられたハウジング４と，他方の摺動部材である円環状の固定側密封環５と，固定側密封環５とハウジングとをシールするベローズ７と，固定側密封環５をベローズ７を介して回転側密封環３側へ付勢するコイルドウェーブスプリング６と，を備え，固定側カートリッジはケーシング９に対し回転方向及び軸方向に固定される。
以上の構成を備えたメカニカルシール１は，回転側密封環３の摺動面Ｓと固定側密封環５の摺動面Ｓが，互いに摺動して被密封流体が外周側から内周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の摺動面の幅が固定側密封環５の摺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できることはもちろんである。
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。
図２に示すように，固定側密封環５の摺動面Ｓの漏れ側には負圧発生機構４１及び分岐部４２（本発明に係る第１分岐部）を備える。負圧発生機構４１は，環状で有底状の溝部である。また，負圧発生機構４１及び分岐部４２は，被密封流体側ランド部Ｒ１及び漏れ側ランド部Ｒ２によって囲まれ，漏れ側及び被密封流体側と隔離されている。
分岐部４２は，負圧発生機構４１から被密封流体側に向かって径方向に分岐する分岐基部４３及び分岐基部４３の端部から相手摺動面の回転方向（反時計方向）に延びる分岐端部４４（本発明に係る端部）からなる。分岐端部４４は，径方向幅が下流側に向かって徐々に先細りになる有底状の溝部であり，かつ，ランド部により囲まれて，深さが階段状に狭くなる狭まり段差４４ａを備えている。分岐端部４４は隣接する分岐部４２と周方向に重なる重なり部Ｌｐを有する。
負圧発生機構４１及び分岐部４２は０．１μｍ～１０μｍの深さを有する溝である。負圧発生機構４１及び分岐部４２の深さは一定の深さでもよいし，分岐端部４４の狭まり段差４４ａにむかって徐々に浅くなるようにしてもよい。また，負圧発生機構４１は環状一体に形成されているが，周方向にランド部を挟んで複数に分割されていてもよい。
相手側の摺動部材（回転側密封環３）が所定方向（図２では反時計方向）に回転すると，負圧発生機構４１内の流体は，その粘性により回転側密封環３の移動方向に追随して移動し，遠心力によって分岐部４２へ流れ込む。このとき，負圧発生機構４１へ流入する流体よりも負圧発生機構４１から流出する流体が多くなり，負圧発生機構４１内は負圧となりキャビテーションが発生する。
キャビテーション領域では，粘性の小さい気体との摩擦による摺動トルクが支配的となり，従来の液体による流体潤滑に比べ摺動トルクを低減することができる。また，負圧発生機構４１内は負圧となっているので，漏れ側から負圧発生機構４１内に流体を吸い込むポンピング作用が生じるので，漏れを極めて小さくできる。
また，負圧発生機構４１内はキャビテーション状態となっても，すべてが気体になる訳ではなく，液体の流れも存在する。この液体は気体より重く負圧発生機構４１の底部に集まり，遠心力の影響により分岐部４２へ流れ込む。分岐部４２へ流れ込んだ流体は下流側の分岐端部４４に流れ，分岐端部４４の先細りの溝部による絞り効果と，狭まり段差４４ａによるくさび効果により大きな正圧が発生する。この正圧により摺動面Ｓ間は押し広げられ，摺動面に液膜を介在させた流体潤滑状態とすることにより摺動トルクを一層低減することができる。
また，分岐部４２の分岐端部４４は隣接する分岐部４２と周方向に重なる重なり部Ｌｐを有する。回転側密封環３の回転による遠心力と重なり部Ｌｐによって，分岐部４２の分岐端部４４で発生する高い圧力が負圧発生機構４１へ漏れるのを防止できる。これにより，分岐部が発生する高い圧力を効率良く利用して，確実に摺動面Ｓを押し拡げて流体潤滑状態を維持することができる。
以上述べたように，実施例１の摺動部材は以下の効果を奏する。
１．負圧発生機構４１はその内部にキャビテーションが発生するので，負圧発生機構４１内では粘性の小さい気体による摩擦が支配的となり，従来の液体による流体潤滑に比べ摺動トルクを低減することができる。
２．負圧発生機構４１内は負圧となるので，漏れ側から負圧発生機構４１内に流体を吸い込むポンピング作用が生じ，漏れを極めて小さくできる。
３．負圧発生機構４１から分岐基部４３を通り分岐端部４４に流れ込んだ流体は，分岐端部４４の先細り溝部による絞り効果と，狭まり段差４４ａによるくさび効果により大きな正圧が発生する。この正圧により摺動面Ｓ間は押し広げられ，摺動面に液膜を介在させた流体潤滑状態とすることにより摺動トルクを一層低減することができる。
４．分岐部４２の分岐端部４４は隣接する分岐基部４３と周方向に重なる重なり部Ｌｐを有するので，高い圧力を発生する分岐端部４４から負圧発生機構４１への漏れ流れを規制できる。これにより，分岐部４２が発生する高い圧力を効率良く利用して，確実に摺動面Ｓの流体潤滑状態を維持することができる。
５．従来技術のように正圧発生機構と負圧発生機構を別個に設けることなく，摺動トルクの低減及び密封性の向上という相反する性能を向上することができるので小形化が可能となる。
本発明の実施例２に係る摺動部材について説明する。図３は実施例２に係る摺動部材の摺動面Ｓを示したもので，負圧発生機構４１，分岐部４２の底部にガイドグルーブ４５を設けた点で実施例１と相違する。以下，実施例１と同じ部材，構成については同じ符号を付し，重複する説明は省略する。
図３に示すように，固定側密封環５の摺動面Ｓの漏れ側には負圧発生機構４１，分岐部４２，及びガイドグルーブ４５が配設されている。また，負圧発生機構４１及び分岐部４２は，被密封流体側ランド部Ｒ１及び漏れ側ランド部Ｒ２によって囲まれ，漏れ側及び被密封流体側と隔離されており，負圧発生機構４１及び分岐部４２の構成は実施例１と同じである。
図３に示すように，負圧発生機構４１，分岐部４２及び分岐端部４４の底部にガイドグルーブ４５を備える。ガイドグルーブ４５は，負圧発生機構４１，分岐部４２及び分岐端部４４の底部に，筋状の溝を所定間隔で所定数並べて配置され，全体として，負圧発生機構４１から分岐部４２を通り分岐端部４４に向かう方向性を持って配置されている。
相手側の摺動部材（回転側密封環３）が所定方向（図３では反時計方向）に回転すると，負圧発生機構４１内の流体は，その粘性により回転側密封環３の移動方向に追随して移動し，分岐部４２へ流れ込む。このとき，負圧発生機構４１内へ供給される流体よりも分岐部４２へ流れ込む流体が多くなり，負圧発生機構４１内は負圧となりキャビテーションが発生する。
キャビテーション状態となった負圧発生機構４１の内部には，通常液体の流れも存在する。この液体は気体より重く負圧発生機構４１の底部に集まるため，ガイドグルーブ４５を負圧発生機構４１の底部に設けることにより，負圧発生機構４１から分岐部４２へ液体を効率良く導くことができる。負圧発生機構４１から分岐部４２を通り，分岐部４２の下流側の分岐端部４４に集中した流体は，分岐端部４４の先細りの溝部による絞り効果と，狭まり段差４４ａによるくさび効果により大きな正圧が発生する。この正圧により摺動面Ｓ間は押し広げられ，摺動面に液膜を介在させた流体潤滑状態とすることにより摺動トルクを低減することができる。
ここで，ガイドグルーブ４５は，負圧発生機構４１から分岐部，分岐端部４４へ流れを導くように，連続した筋状の溝を所定間隔で所定数並べて配置しているが，これに限らない。ガイドグルーブ４５は，負圧発生機構４１，分岐基部４３，分岐端部４４ごとに独立して配置してもよい。たとえば，負圧発生機構４１，分岐基部４３，分岐端部４４のそれぞれにおいて，流れが集中する箇所に，ガイドグルーブ４５を集中配置して負圧発生機構４１から分岐基部４３及び分岐端部４４へ効率的に流れを導くようにしてもよい。なお，ガイドグルーブの深さは負圧発生機構４１の深さよりも深く、負圧発生機構４１の深さ０．１μｍ～１０μｍに対し、さらに約１μｍ以上深く形成されている。
以上述べたように，実施例２の摺動部材は，実施例１の効果１～５のほかに，以下の効果を奏する。
負圧発生機構４１，分岐基部４３及び分岐端部４４の底部に配設されたガイドグルーブ４５によって，流体は，負圧発生機構４１から分岐基部４３及び分岐端部４４へ効率的に導かれる。分岐端部４４に導かれた流体は，分岐端部４４の先細りの溝部による絞り効果と，狭まり段差４４ａによるくさび効果により大きな正圧が発生する。この正圧により摺動面Ｓ間は押し広げられ，摺動面に液膜を介在させた流体潤滑状態とすることにより摺動トルクを低減することができる。
本発明の実施例３に係る摺動部材について説明する。図４は実施例３に係る摺動部材の摺動面Ｓを示したもので，被密封流体側のランド部Ｒ１内に流体導入溝３３，動圧発生機構３１及び開放溝３５を設けた点で実施例１と相違する。負圧発生機構４１及び分岐部４２の構成は実施例１と同じである。以下，実施例１と同じ部材，構成については同じ符号を付し，重複する説明は省略する。
図４に示すように，固定側密封環５の摺動面Ｓは，負圧発生機構４１，分岐部４２，ガイドグルーブ４５，被密封流体側のランド部Ｒ１内に流体導入溝３３，動圧発生機構３１と，開放溝３５と，を備えている。
ランド部Ｒ１内には，環状の開放溝３５と，一端が被密封流体側に連通するとともに，他端が開放溝３５に連通する流体導入溝３３が設けられている。流体導入溝３３は，所定数（図４の実施例では１６個），略等間隔で設けられている。また，ランド部Ｒ１内には溝部からなる動圧発生機構３１が配設される。動圧発生機構３１は，その一端（上流側端部）に流体導入溝３３に連通する開口部３１ａを有し，他端（下流側端部）にランド部Ｒ１で囲まれた止端部３１ｂを有する。なお，動圧発生機構３１は，０．１μｍ～１０μｍの深さを有する溝である。流体導入溝３３及び開放溝３５の溝深さは動圧発生機構３１の１０倍～５０倍程度に形成されている。
相手側の摺動部材（回転側密封環３）が所定方向（図４では反時計方向）に回転すると，負圧発生機構４１内は負圧となりキャビテーションが発生し，キャビテーション領域では，摺動面Ｓの摺動トルクは気体による摩擦が支配的となり，従来の液体による流体潤滑に比べ摺動トルクを低減することができる。また，負圧発生機構４１内は負圧となっているので，負圧によって漏れ側から負圧発生機構４１内に流体を吸い込むポンピング作用を発揮するので，漏れを低減できる（図５参照）。
また，負圧発生機構４１及び分岐部４２に設けられたガイドグルーブ４５によって，キャビテーション内の液体は分岐部４２へ導かれる。分岐部４２へ導かれた液体は，分岐部４２の分岐端部４４の先細り形状による絞り効果，及び，狭まり段差４４ａにおけるくさび効果により大きな正圧が発生し，摺動面Ｓは押し広げられ，摺動面Ｓを流体潤滑状態に維持することができる。
さらに，流体導入溝３３から動圧発生機構３１へ取り込まれた流体は止端部３１ｂにおけるくさび効果により大きな正圧が発生する。これにより，摺動面Ｓは押し広げられ，摺動面Ｓの流体潤滑効果を一層高めることができる。また流体導入溝３３が複数設けられることにより，摺動面Ｓは複数箇所で被密封流体側から流体が供給されるので，起動時などの低速回転状態において流体潤滑状態が十分でないときであっても，流体導入溝３３から供給される流体によって，摺動面Ｓを潤滑することができる。
加えて，動圧発生機構３１と，負圧発生機構４１及び分岐部４２との間には開放溝３５が設けられている。開放溝３５は，動圧発生機構３１で発生した動圧（正圧）を被密封流体側の圧力と同一レベルまで開放する役目と，分岐端部４４の狭まり段差４４ａにおけるくさび効果により発生した正圧を開放する役割を有する。これにより，動圧発生機構３１からの高圧の流体が負圧発生機構４１へ流れ込み，負圧発生機構４１のポンピング効果が弱まることを防止するとともに，動圧発生機構３１の正圧発生機能と分岐部４２の正圧発生機能が干渉するのを防止することができる（図５参照）。
以上のべたように，実施例３の摺動部材は，実施例１の効果１～４及び実施例２の効果のほかに，以下の効果を奏する。
１．動圧発生機構３１は，流体導入溝３３から取り入れた流体が止端部３１ｂにおけるくさび効果により大きな正圧を発生させることができる。これにより，摺動面Ｓは押し広げられ，摺動面Ｓの流体潤滑効果を一層高めることができる。
２．流体導入溝３３が複数設けられることにより，摺動面Ｓは複数箇所で被密封流体側から流体が供給されるので，起動時などの低速回転状態において流体潤滑状態が十分でないときであっても，流体導入溝３３から供給される流体によって，摺動面Ｓの潤滑に寄与することができる。
３．開放溝３５は，動圧発生機構３１で発生した動圧（正圧）を開放する。これにより，動圧発生機構３１から負圧発生機構４１へ高圧流体が流れ込んで，負圧発生機構４１のポンピング効果が弱まることを防止するとともに，動圧発生機構３１の正圧発生機能と分岐部４２の正圧発生機能が干渉するのを防止することができる。
実施例１～実施例３において，分岐部４２の形状はすべて同じとしたが，これに限らず，分岐部４２の大きさ，形状又は深さをすべて異なるようにしてもよいし，分岐部４２のうち一部の大きさ，形状又は深さを異なるようにしてもよい。
本発明の実施例４に係る摺動部材について説明する。図６は実施例１から３が一方向回転に適した摺動部材であったのに対し，実施例４に係る摺動部材は両方向回転に適した摺動部材である。以下，実施例１～３と同じ部材，構成については同じ符号を付し，重複する説明は省略する。
図６に示すように，固定側密封環５の摺動面Ｓの漏れ側には負圧発生機構２１，第１分岐部５２，６２，７２及び第２分岐部７４，８４を備える。負圧発生機構２１は，環状で有底状の溝部である。また，負圧発生機構２１，第１分岐部５２，６２，７２及び第２分岐部７４，８４からなる構成が，ランド部を挟んで，所定数（図６の実施例では４個）配設される。負圧発生機構２１，第１分岐部５２，６２，７２及び第２分岐部７４，８４は，被密封流体側ランド部Ｒ１及び漏れ側ランド部Ｒ２によって囲まれ，漏れ側及び被密封流体側と隔離されている。さらに，負圧発生機構２１，第１分岐部５２，６２，７２及び第２分岐部７４，８４の底部には，ガイドグルーブ５５，６５が設けられている。
第１分岐部５２は，負圧発生機構２１から被密封流体側に向かって径方向に分岐する分岐基部５３，及び，分岐基部５３の端部から反時計方向に延びる分岐端部５４（本発明に係る端部）からなる。また，第１分岐部６２は，負圧発生機構２１から被密封流体側に向かって径方向に分岐する分岐基部６３，及び，分岐基部６３の端部から時計方向に延びる分岐端部６４（本発明に係る端部）からなる。分岐端部５４，６４は，径方向幅が徐々に先細りになる溝部であり，かつ，ランド部により囲まれて，深さが階段状に狭くなる狭まり段差５４ａ，６４ａを備えている。１つの負圧発生機構２１に第１分岐部５２，６２は，それぞれ所定数（図６の実施例では各３個）設けられている。
また，第１分岐部５２と第１分岐部６２との間に，負圧発生機構２１から被密封流体側に向かって径方向に分岐する第１分岐部７２が配設される。第１分岐部７２の端部から反時計方向に分岐する第２分岐部７４，及び，第１分岐部７２の端部から時計方向に分岐する第２分岐部８４を備える。第２分岐部７４，８４は，径方向幅が徐々に先細りになる狭まり有底状の溝部であり，その端部に，ランド部により囲まれて，深さが階段状に狭くなる狭まり段差７４ａ，８４ａを備えている。
負圧発生機構２１，第１分岐部５２，６２，７２及び第２分岐部７４，８４は０．１μｍ～１０μｍの深さを有する溝である。負圧発生機構４１及び分岐部４２の深さは一定の深さでもよいし，分岐端部５４，６４，第２分岐部７４，８４は狭まり段差に向かって徐々に浅くなるようにしてもよい。
第１分岐部５２，６２は，それぞれ隣接する第１分岐部５２，６２と周方向に重なる重なり部Ｌｐを有する。また，第２分岐部７４，８４はそれぞれ隣接する第１分岐部５２，６２と周方向に重なる重なり部Ｌｐを有する。
負圧発生機構２１，第１分岐部５２，６２，７２及び第２分岐部７４，８４の底部にはガイドグルーブ５５，６５が設けられている。ガイドグルーブ５５，６５は負圧発生機構２１，第１分岐部５２，６２，７２及び第２分岐部７４，８４の底部に所定数設けられ，全体として，負圧発生機構２１から分岐端部５４，６４，第２分岐部７４，８４の先端部に向かうように方向性を持っている。
相手側の摺動部材（回転側密封環３）が反時計方向に回転すると，負圧発生機構２１内の流体は，その粘性により回転側密封環３の移動方向に追随して移動し，第１分岐部５２へ流れ込む。このとき，第１分岐部６２から負圧発生機構２１への流れは，回転側密封環３の回転による遠心力の影響が大きいため非常に少ない。このため，負圧発生機構２１内へ供給される流体よりも第１分岐部５２へ流れ込む流体が多くなり，負圧発生機構２１内は負圧となりキャビテーションが発生する。キャビテーション領域では，摺動面Ｓの摺動トルクは気体による摩擦が支配的となり，従来の液体による流体潤滑に比べ摺動トルクを低減することができる。
キャビテーション状態となった負圧発生機構２１の内部には，通常液体の流れも存在する。この液体は気体より重く負圧発生機構２１の底部に集まるため，負圧発生機構２１，第１分岐部５２，６２，７２及び第２分岐部７４，８４の底部に設けられたガイドグルーブ５５，６５により，負圧発生機構２１から第１分岐部５２，６２，７２及び第２分岐部７４，８４へ液体を効率良く導くことができる。負圧発生機構２１から第１分岐部５２，６２，７２及び第２分岐部７４，８４へ導かれた液体は，分岐端部５４，６４，第２分岐部７４，８４の先細り形状による絞り効果と，狭まり段差５４ａ，６４ａ，７４ａ，８４ａによるくさび効果により大きな正圧が発生する。この正圧により摺動面Ｓは押し広げられ，摺動面Ｓを流体潤滑状態に維持することができる。
また，第１分岐部５２，６２は，それぞれ隣接する第１分岐部５２，６２と周方向に重なる重なり部Ｌｐ，また，第２分岐部７４，８４はそれぞれ隣接する第１分岐部５２，６２と周方向に重なる重なり部Ｌｐによって，高い圧力を有する分岐端部５４，６４及び第２分岐部７４，８４が負圧発生機構２１と直接に面することがなくなるので，高圧の流体が負圧発生機構２１へ直接流れ込むことを防ぐことができる。これにより，分岐部が発生する高い正圧を効率良く利用して，確実に摺動面Ｓの流体潤滑状態を維持することができる。
さらに，反時計方向に延設される分岐端部５４を有する第１分岐部５２と時計方向に延設される分岐端部６４を有する第１分岐部６２は，負圧発生機構２１の周方向の中心と回転中心とを結ぶ径方向軸に対して，対称に配設されている。同じく，反時計方向に延設される第２分岐部７４と時計方向に延設される第２分岐部８４も負圧発生機構２１の周方向の中心と回転中心とを結ぶ径方向軸に対して，対称に配設されている。これにより，回転側密封環３が反時計方向へ回転した場合だけでなく，時計方向に回転した場合でも，負圧発生機構２１は負圧によって漏れ側から負圧発生機構２１内に流体を吸い込むポンピング作用を発揮し，第１分岐部５２及び第１分岐部６２，並びに，第２分岐部７４及び第２分岐部８４は高圧を発生して流体潤滑効果を発揮することができる。
以上述べたように，実施例４の摺動部材は以下の効果を奏する。
１．負圧発生機構２１に負圧を発生させて，負圧発生機構２１の内部をキャビテーション領域とすることによって，負圧発生機構２１においては気体による摩擦が支配的となるので，従来の液体による流体潤滑に比べ摺動トルクを低減することができる。
２．負圧発生機構２１内は負圧となるので，漏れ側から負圧発生機構２１内に流体を吸い込むポンピング作用を発揮するので，漏れを低減できる。
３．負圧発生機構２１，第１分岐部５２，６２，７２及び第２分岐部７４，８４の底部に設けられたガイドグルーブ５５，６５により，負圧発生機構２１から第１分岐部５２，６２，７２及び第２分岐部７４，８４へ液体を効率良く導くことができる。
４．負圧発生機構２１から第１分岐部５２，６２，７２及び第２分岐部７４，８４へ導かれた液体は，分岐端部５４，６４，第２分岐部７４，８４の先細り形状による絞り効果と，狭まり段差５４ａ，６４ａ，７４ａ，８４ａによるくさび効果により大きな正圧が発生する。この正圧により摺動面Ｓは押し広げられ，摺動面Ｓを流体潤滑状態に維持することができる。
５．第１分岐部５２，６２，第２分岐部７４，８４は，それぞれ隣接する第１分岐部５２，６２と周方向に重なる重なり部Ｌｐを有する。重なり部Ｌｐによって，高い圧力を発生する分岐端部５４，６４及び第２分岐部７４，８４は，負圧発生機構２１と直接に面することがなくなるので，高い圧力を有する流体が負圧発生機構２１へ直接流れ込むことを防ぐことができる。これにより，分岐部が発生する高い正圧を効率良く利用して，確実に摺動面Ｓの流体潤滑状態を維持することができる。
６．第１分岐部５２及び第１分岐部６２，並びに，第２分岐部７４と第２分岐部８４は，負圧発生機構２１の周方向の中心と回転中心とを結ぶ径方向軸に対して，対称に配設されている。これにより，回転方向に関係なく，上記１～５の効果を発揮することができる。
７．従来技術のように正圧発生機構と負圧発生機構を別個に設けることなく，一つの負圧発生機構によって，摺動トルクの低減及び密封性の向上という相反する性能を向上することができるので小形化が可能となる。
なお，実施例４では，負圧発生機構２１，第１分岐部５２，６２，７２及び第２分岐部７４，８４の底部にガイドグルーブを配設した例を示すが，実施例１と同じように，ガイドグルーブは設けなくてもよい。
本発明の実施例５に係る摺動部材について説明する。図７は実施例５に係る摺動部材の摺動面Ｓを示したもので，被密封流体側のランド部Ｒ１内に流体導入溝３３，３４，動圧発生機構３１，３２及び開放溝３５を設けた点で実施例４と相違する。負圧発生機構２１，第１分岐部５２，６２，７２，第２分岐部７４，８４及びガイドグルーブ５５，６５の構成は実施例４と同じである。以下，実施例４と同じ部材，構成については同じ符号を付し，重複する説明は省略する。
図７に示すように，固定側密封環５の摺動面Ｓは，漏れ側のランド部Ｒ２内に負圧発生機構２１，第１分岐部５２，６２，７２，第２分岐部７４，８４及びガイドグルーブ５５，６５，並びに，被密封流体側のランド部Ｒ１内に流体導入溝３３，３４，動圧発生機構３１，３２及び開放溝３５を備えている。負圧発生機構２１，第１分岐部５２，６２，７２，第２分岐部７４，８４及びガイドグルーブ５５，６５は漏れ側のランド部Ｒ２によって囲まれ，被密封流体側及び漏れ側と隔離されている。なお，負圧発生機構２１，第１分岐部５２，６２，７２，第２分岐部７４，８４及びガイドグルーブ５５，６５の構成は実施例４と同じなので，説明を省略する。
被密封流体側のランド部Ｒ１内には，環状の開放溝３５と，一端が被密封流体側に連通するとともに，他端が開放溝３５に連通する流体導入溝３３，３４が設けられている。流体導入溝３３，３４は，それぞれ所定数（図７の実施例ではそれぞれ８個），略等間隔で交互に設けられている。また，ランド部Ｒ１内には動圧発生機構３１，３２が設けられ，動圧発生機構３１，３２の一端はそれぞれ開口部３１ａ，３２ａによって流体導入溝３３に連通し，他端はランド部Ｒ１で囲まれた止端部３１ｂ，３２ｂを有する溝部からなる。流体導入溝３３は被密封流体側及び開放溝３５に連通するとともに動圧発生機構３１，３２に連通している。一方，流体導入溝３４は被密封流体側及び開放溝３５に連通するのみで，動圧発生機構３１，３２には連通していない。
なお，動圧発生機構３１，３２は，それぞれ０．１μｍ～１０μｍの深さを有する溝である。流体導入溝３３，３４及び開放溝３５の溝の深さは動圧発生機構３１，３２の１０倍～５０倍程度に形成されている。
相手側の摺動部材（回転側密封環３）が反時計方向に回転すると，流体導入溝３３から動圧発生機構３１へ取り入れた流体は止端部３１ｂにおけるくさび効果により大きな正圧が発生する。これにより，摺動面Ｓは押し広げられ，摺動面Ｓの流体潤滑効果を一層高めることができる。また流体導入溝３３，３４が複数設けられることにより，摺動面Ｓは複数箇所で被密封流体側から流体が供給されるので，起動時などの低速回転状態において流体潤滑状態が十分でないときであっても，流体導入溝３３，３４から供給される流体によって，摺動面Ｓの潤滑に寄与することができる。
反時計方向に延設される動圧発生機構３１と時計方向に延設される動圧発生機構３２とは，流体導入溝３３に対して対称に形成されるので，回転側密封環３が時計方向，反時計方向のどちらに回転しても，摺動面Ｓが押し広げられ，摺動面Ｓに液膜を介在させた流体潤滑状態とすることにより摺動トルクを低減することができる。
加えて，動圧発生機構３１，３２と，負圧発生機構２１，第１分岐部５２，６２，７２，及び第２分岐部７４，８４との間には開放溝３５が設けられている。開放溝３５は，動圧発生機構３１，３２で発生した動圧（正圧）を被密封流体側の圧力と同一レベルまで開放する役目と，第１分岐部５２，６２，７２，及び第２分岐部７４，８４におけるくさび効果により発生した大きな正圧を開放溝３５に導き，高圧流体側に逃す役割を有する。これにより，動圧発生機構３１，３２からの高圧の流体が負圧発生機構２１へ流れ込み，負圧発生機構２１のポンピング効果が弱まることを防止するとともに，動圧発生機構３１，３２の正圧発生機能と第１分岐部５２の正圧発生機能が干渉するのを防止することができる（図８参照）。
以上述べたように，実施例５の摺動部材は，実施例４の効果１～６のほかに，以下の効果を奏する。
１．流体導入溝３３，３４が複数設けられることにより，摺動面Ｓは複数箇所で被密封流体側から流体が供給されるので，起動時などの低速回転状態において流体潤滑状態が十分でないときであっても，流体導入溝３３，３４から供給される流体によって，摺動面Ｓの潤滑に寄与することができる。
２．動圧発生機構３１，３２は，流体導入溝３３から取り入れた流体が止端部３１ｂにおけるくさび効果により大きな正圧を発生させるので，摺動面Ｓが押し広げられ，摺動面Ｓに液膜を介在させた流体潤滑状態とすることにより摺動トルクを低減することができる。
３．動圧発生機構３１，３２は，流体導入溝３３に対して対称に形成されるので，回転側密封環３が正逆どちらに回転しても確実に大きな正圧を発生させることができる。
４．開放溝３５は，動圧発生機構３１，３２にて発生した正圧及び第１分岐部５２，６２，７２，及び第２分岐部７４，８４にて発生した大きな正圧を高圧流体側に逃すので，動圧発生機構３１，３２からの高圧の流体が負圧発生機構２１へ流れ込んで，負圧発生機構２１のポンピング効果が弱まることを防止するとともに，動圧発生機構３１，３２の正圧発生機能と第１分岐部５２，６２，７２，及び第２分岐部７４，８４との正圧発生機能が干渉するのを防止することができる。
なお，負圧発生機構２１，第１分岐部５２，６２，７２及び第２分岐部７４，８４の底部にガイドグルーブを配設した例を示すが，実施例１と同じように，ガイドグルーブは設けなくてもよい。
また，反時計方向に延設される動圧発生機構３１と時計方向に延設される動圧発生機構３２とは，流体導入溝３３に対して対称に配置されていたが，これに限らない。動圧発生機構３１と動圧発生機構３２は，形状，大きさ，深さを異なるようにしてもよい。また，動圧発生機構３１と動圧発生機構３２とは，流体導入溝３３に対して径方向にずらして配置してもよい。
本発明の実施例６に係る摺動部材について説明する。図９は実施例６に係る摺動部材の摺動面Ｓを示したものである。本発明の実施例４及び実施例５に係る摺動部材は、反時計方向に延設される第１分岐部５２と時計方向に延設される第１分岐部６２が同数配設されていたが、実施例６は第１分岐部５２と第１分岐部６２の個数が異なる点で相違する。負圧発生機構２１，第１分岐部５２，６２，７２，第２分岐部７４，８４及びガイドグルーブ５５，６５の構成は実施例４と同じである。以下，実施例４と同じ部材，構成については同じ符号を付し，重複する説明は省略する。
図９に示すように，固定側密封環５の摺動面Ｓの漏れ側には負圧発生機構２１，第１分岐部５２，６２，７２及び第２分岐部７４，８４を備える。負圧発生機構２１は，環状で有底状の溝部である。また，負圧発生機構２１，第１分岐部５２，６２，７２及び第２分岐部７４，８４からなる構成が，ランド部を挟んで，所定数（図９の実施例では４個）摺動面Ｓに配設される。負圧発生機構２１，第１分岐部５２，６２，７２及び第２分岐部７４，８４は，被密封流体側ランド部Ｒ１及び漏れ側ランド部Ｒ２によって囲まれ，漏れ側及び被密封流体側と隔離されている。さらに，負圧発生機構２１，第１分岐部５２，６２，７２及び第２分岐部７４，８４の底部には，ガイドグルーブ５５，６５が設けられている。
第１分岐部５２は，負圧発生機構２１から被密封流体側に向かって径方向に分岐する分岐基部５３，及び，分岐基部５３の端部から反時計方向に延びる分岐端部５４（本発明に係る端部）からなる。また，第１分岐部６２は，負圧発生機構２１から被密封流体側に向かって径方向に分岐する分岐基部６３，及び，分岐基部６３の端部から時計方向に延びる分岐端部６４（本発明に係る端部）からなる。１つの負圧発生機構２１に第１分岐部５２が所定数（図９の実施例では５個），第１分岐部６２は，所定数（図９の実施例では１個）配設されている。
また，第１分岐部５２と第１分岐部６２との間に，負圧発生機構２１から被密封流体側に向かって径方向に分岐する第１分岐部７２が配設される。第１分岐部７２の端部から反時計方向に分岐する第２分岐部７４，及び，第１分岐部７２の端部から時計方向に分岐する第２分岐部８４がそれぞれ１個ずつ設けられている。
本実施例においては、反時計方向に延設される第１分岐部５２の個数が、時計方向に延設される第１分岐部６２の個数より多く設けられている。これにより、反時計方向の使用頻度が高く、時計方向の使用頻度が低い機器に適した摺動部材とすることができる。反時計方向に延設される第１分岐部５２の個数と、時計方向に延設される第１分岐部６２の個数との割合は、具体的な使用条件に応じて決定できる。
また，回転方向の使用頻度に応じて、反時計方向に延設される第１分岐部５２と、時計方向に延設される第１分岐部６２の大きさ，形状，深さは異なるようにしてもよいし、第１分岐部５２同士又は第１分岐部６２同士の形状，大きさ，深さを互いに異なるようにしてもよい。
同じく、回転方向の使用頻度に応じて、反時計方向に延設される第２分岐部７４と時計方向に延設される第２分岐部８４も，個数，大きさ，形状，深さを異なるようにしてもよい。
さらに、回転方向によって流体潤滑機能の強さを変えることもできる。たとえば、反時計方向に延設される第１分岐部５２，第２分岐部７４の個数を時計方向に延設される第１分岐部６２，第２分岐部８４より多くすると，時計方向回転時よりも反時計方向回転時の流体潤滑機能を高めることができる。
なお，実施例６では，負圧発生機構２１，第１分岐部５２，６２，７２及び第２分岐部７４，８４の底部にガイドグルーブを配設した例を示すが，実施例１と同じように，ガイドグルーブは設けなくてもよい。
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。
上記実施例において，外周側が被密封流体側，内周側を漏れ側としているが，これに限らず，内周側が被密封流体側，外周側が漏れ側である場合も適用可能である。
負圧発生機構，ランド部及びガイドグルーブを固定側密封環５の摺動面Ｓに設けたが，回転側密封環３の摺動面に設けてもよい。
１ メカニカルシール
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
８ パッキン
９ ケーシング
１０ 回転軸
２１ 負圧発生機構
３１ 動圧発生機構
３１ａ 開口部
３１ｂ 止端部
３２ 動圧発生機構
３２ａ 開口部
３２ｂ 止端部
３３ 流体導入溝
３４ 流体導入溝
３５ 開放溝
３７ 第２分岐部
４１ 負圧発生機構
４２ 分岐部（第１分岐部）
４３ 分岐基部
４４ 分岐端部（端部）
４４ａ 狭まり段差
４５ ガイドグルーブ
５２ 第１分岐部
５３ 分岐基部
５４ 分岐端部（端部）
５４ａ 狭まり段差
５５ ガイドグルーブ
６２ 第１分岐部
６３ 分岐基部
６４ 分岐端部（端部）
６５ ガイドグルーブ
６４ａ 狭まり段差
７２ 第１分岐部
７４ 第２分岐部
７４ａ 狭まり段差
８４ 第２分岐部
８４ａ 狭まり段差
Ｌｐ 重なり部
Ｒ１ 被密封流体側ランド部
Ｒ２ 漏れ側ランド部
Ｓ 摺動面

Claims (14)

  1. 摺動面にて互いに相対摺動する一対の摺動部材であって、
    少なくとも一方の前記摺動面は、負圧発生機構と、
    前記摺動面内に配設されるとともに前記負圧発生機構から分岐する第１分岐部と、を備え、
    前記負圧発生機構及び前記第１分岐部は、ランド部によって漏れ側と被密封流体側の両方から隔離されており、
    前記第１分岐部は、周方向に沿って複数形成されていることを特徴とする摺動部材。
  2. 前記摺動面内に配設されるとともに前記第１分岐部から分岐する第２分岐部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
  3. 前記第１分岐部は、隣接する前記第１分岐部と周方向に重なる重なり部を備えることを特徴とする請求項２に記載の摺動部材。
  4. 前記第２分岐部は、隣接する前記第１分岐部と周方向に重なる重なり部を備えることを特徴とする請求項２又は３に記載の摺動部材。
  5. 少なくとも前記負圧発生機構は、前記負圧発生機構から前記第１分岐部へ向かうガイドグルーブを備えることを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の摺動部材。
  6. 時計方向に延設される前記第１分岐部及び反時計方向に延設される前記第１分岐部を備えることを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の摺動部材。
  7. 前記第１分岐部の端部は先細りの溝部であることを特徴とする請求項６に記載の摺動部材。
  8. 時計方向に延設される前記第２分岐部及び反時計方向に延設される前記第２分岐部を備えることを特徴とする請求項２ないし７のいずれかに記載の摺動部材。
  9. 前記第２分岐部は先細りの溝部であることを特徴とする請求項８に記載の摺動部材。
  10. 前記負圧発生機構の周方向の中心と回転中心とを結ぶ径方向軸に対して、前記第１分岐部及び前記第２分岐部は対称に配設されることを特徴とする請求項２ないし９のいずれかに記載の摺動部材。
  11. 前記負圧発生機構は、前記摺動面に複数配設されることを特徴とする請求項２ないし１０のいずれかに記載の摺動部材。
  12. 被密封流体側に連通する流体導入溝と、一端が前記流体導入溝に連通するとともに他端がランド部によって囲まれる動圧発生機構と、ランド部内に設けられるとともに前記流体導入溝に連通する開放溝と、をさらに備えることを特徴とする請求項２ないし１１のいずれかに記載の摺動部材。
  13. 時計方向に延設される前記動圧発生機構及び反時計方向に延設される前記動圧発生機構を備えること特徴とする請求項１２に記載の摺動部材。
  14. 前記動圧発生機構は前記流体導入溝に対し対称に配置されること特徴とする請求項１２又は１３に記載の摺動部材。
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