(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールハウジングとその内周に挿通された回転軸との間に静止側密封要素と回転側密封要素とが互いに密接摺動される接触式メカニカルシール構造を有するシール装置において、シール面の外周から内周方向へ向かって漏れようとする流体をシールする形式のシール装置であって、静止側密封要素または回転側密封要素のシール面に、径方向に複数縦列したディンプルを周方向に２以上形成し、各ディンプルは回転方向先端が内周側へ向かうディンプル角度θを有し、該θは０＜θ＜９０゜の範囲であり、隣接する複数縦列したディンプルの近接端部間には周方向のランド部が形成され、径方向に複数縦列したディンプルの各列のディンプルは、該ディンプル中心を通る円上における各ディンプルの円周方向長さＬ１と同円上における隣接するディンプル間のランド部の円周方向長さＬ２との比を表すギャップ比Ｌ１／Ｌ２が下式で示される範囲であるように配列されていることを特徴とするシール装置。
０．００１≦Ｌ１／Ｌ２≦０．１
【請求項２】
ギャップ比Ｌ１／Ｌ２が、０．００１≦Ｌ１／Ｌ２≦０．０５ の範囲にあることを特徴とする請求項１記載のシール装置。
【請求項３】
径方向に複数縦列したディンプルの各列のディンプルは、シール面の内周側には貫通しないことを特徴とする請求項１または２記載のシール装置。
【請求項４】
ディンプルの深さが１〜２００μｍであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のシール装置。
【請求項５】
ディンプルの幅ｂと長さｌとの縦横比ｌ／ｂが２〜３０であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のシール装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば、航空エンジン用ギアボックスシール、ロケットエンジン用シール又は一般産業用ポンプシール等に使用されるメカニカルシール構造のシール装置に関し、特に、シール面間の潤滑性を高めると共に被密封流体の漏洩を防止するようにしたシール装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、航空エンジン用ギアボックスに使用されるメカニカルシールにおいては、上流側の被密封流体である潤滑油が静止側と回転側のシール面間に侵入して微小な油膜を形成し、境界潤滑状態となっている。上流側が高圧の場合、圧力によりシール面間の潤滑油が下流側へ押し出され漏洩となる。また、軸振動が過大の場合、回転側シール面の振れに対して軸方向の追随が遅れるとシール面間が広がり漏洩となる。これに対処するため、バネなどによる軸方向押付力を大きくするとシール面間の微小油膜が薄くなり、漏洩は抑えられるが、固体潤滑・直接接触に近づくため摩耗量が過大となり装置の耐久性が低下する。また、摺動トルクが過大となり、装置への負荷も大きくなる。更には、冷却流量を多くする必要が出るなどの問題が発生する。【０００３】
一方、被密封流体である潤滑皮膜の厚さ及び被密封流体の漏洩量の制御機能をもたせるため、図１６に示すように、環状の下地金属材料の表面に硬質皮膜が被着され、摺動面全域に、略一定の断面形状を有する多数のディンプルが規則的な配列パターン、例えば、その摺動面に、幅６０μｍ、長さ１２０μｍの略楕円形であって、長径を摺動方向に対して４５°傾斜させたディンプルを、摺動面の面積に対し８％の面積率で形成した摺動材が知られている（以下「従来技術１」という。例えば、特許文献１参照。）。
この従来技術１によると、摺動面に形成されたディンプルによって潤滑皮膜の厚さ及び被密封流体の漏洩量が制御され、摺動面の耐摩耗性によりファインセラミックスと同等の摺動特性が得られるものである。【０００４】
また、摺動面の摩擦係数を小さくすると共に摺動面での被密封流体の漏洩を低減するため、図１７に示すように、摺動面に境界基準線を境に外周側と内周側とが傾斜方向を異にする複数の細長いディンプルを有し、外周側のディンプルが回転方向先端を外周側へ向かって傾斜させると共に内周側のディンプルが回転方向先端を内周側へ向かって傾斜させるもので、例えば、ディンプルとしては平面が楕円形状又は長方形状を成して幅が５０×１０−６ｍから１０００×１０−６ｍであると共に長さが幅の２倍以上で摺動面幅の１／２以下で、且つ深さが１×１０−６mから２５×１０−６mに形成されている摺動部品が知られている（以下「従来技術２」という。例えば、特許文献２参照。）。
この従来技術２によると、外周側と内周側とのディンプル間の摺動面に被密封流体の潤滑皮膜を厚く保持してシール能力を向上する効果が期待できる。【０００５】
さらに、摺動面の摩擦係数を小さくすると共に摺動面での被密封流体の漏洩を低減するため、図１８に示すように、摺動面のうち被密封流体側に第１摺動面を有すると共に被密封流体と反対の側に第２摺動面を有し、第１摺動面には円周の回転接線方向に対し被密封流体側の周面へ向かって長手方向先端が近寄る方向へ傾斜した楕円形状又は長方形状の複数のディンプルを少なくとも１種類有し、ディンプルの大きさは縦の最大幅が１００×１０−６ｍ以上で１０００×１０−６ｍ以下の寸法範囲であり、横の長さの寸法が５００×１０−６ｍ以上であって且つディンプルの幅より大きく第１摺動面の径方向幅よりも小さい寸法範囲に形成されており、ディンプルの溝深さが１×１０−６ｍ以上から２５×１０−６ｍの寸法範囲に形成され、第２摺動面には平坦な面を有するようにした摺動部品が知られている（以下「従来技術３」という。例えば、特許文献３参照。）。
この従来技術３によると、ディンプル付き第１摺動面に保持される潤滑皮膜により摺動面の摩擦係数を低減するとともに、この第１摺動面に介在する潤滑皮膜を第２摺動面でシールし、この潤滑皮膜により潤滑作用を保持しながら第２摺動面で被密封流体のシール能力を向上する効果が期待できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−２３６９７６号公報
【特許文献２】特開２００３−３４３７４１号公報
【特許文献３】特開２００４−３５７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記した従来技術１は、ディンプルの幅、長さ及び摺動面の面積に対する面積率を決めているもの、ディンプル全体のもつポンプ効果とシール面の面圧との関係が考慮されていないため、ポンプ効果及び面圧の両者を満足するものではなかった。
また、従来技術２及び３は、基本的には摺動面に潤滑剤を封じ込める形式のものであって、ディンプルによって被密封流体を高圧側（上流側）に掻き出す効果（以下、「ポンプ効果」ともいう。）を目的とするものではなく、摺動面に潤滑剤を封じ込めるようにディンプルの角度、幅、長さ及び深さを決めているが、従来技術１と同じく、ディンプル全体のもつポンプ効果とシール面の面圧との関係が考慮されていないため、ポンプ効果及び面圧の両者を満足するものではなかった。【０００８】
本発明は、回転側または静止側の一方のシール面の周方向に多位相かつ径方向に複数縦列に細長い溝（以下「ディンプル」という。）を形成したものにおいて、ディンプル全体のもつポンプ効果とシール面の面圧との両者を満足するようにディンプルを配列することにより、シール面の潤滑性を高めるとともに被密封流体の漏洩を防止し、併せてシール面の過大発熱及び過大摩耗を防止するようにしたシール装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため本発明のシール装置は、第１に、シールハウジングとその内周に挿通された回転軸との間に静止側密封要素と回転側密封要素とが互いに密接摺動される接触式メカニカルシール構造を有するシール装置において、シール面の外周から内周方向へ向かって漏れようとする流体をシールする形式のシール装置であって、静止側密封要素または回転側密封要素のシール面に、径方向に複数縦列したディンプルを周方向に２以上形成し、各ディンプルは回転方向先端が内周側へ向かうディンプル角度θを有し、該θは０＜θ＜９０゜の範囲であり、隣接する複数縦列したディンプルの近接端部間には周方向のランド部が形成され、径方向に複数縦列したディンプルの各列のディンプルは、該ディンプル中心を通る円上における各ディンプルの円周方向長さＬ１と同円上における隣接するディンプル間のランド部の円周方向長さＬ２との比を表すギャップ比Ｌ１／Ｌ２が下式で示される範囲であるように配列されていることを特徴としている。
０．００１≦Ｌ１／Ｌ２≦０．１
第１の特徴により、ディンプル全体のもつポンプ効果とシール面の面圧との両者を満足することができることから、シール面の潤滑性を高めるとともに被密封流体の漏洩を防止し、併せてシール面の過大発熱及び過大摩耗を防止することができる。【００１０】
また、本発明のシール装置は、第２に、第１の特徴において、ギャップ比Ｌ１／Ｌ２が、０．００１≦Ｌ１／Ｌ２≦０．０５ の範囲にあることを特徴としている。
第２の特徴により、シール面の潤滑性を確保しつつ、面圧を小さくすることができる。
【００１１】
また、本発明のシール装置は、第３に、第１または第２の特徴において、径方向に複数縦列したディンプルの各列のディンプルは、シール面の内周側には貫通しないことを特徴としている。
第３の特徴により、静止時において、被密封流体の漏洩を防止することができる。【００１２】
また、本発明のシール装置は、第４に、第１ないし第３のいずれかの特徴において、ディンプルの深さが１〜２００μｍであることを特徴としている。
第４の特徴により、ディンプルのポンプ効果を一層高めることができる。
また、本発明のシール装置は、第５に、第１ないし第４のいずれかの特徴において、ディンプルの幅ｂと長さｌとの縦横比ｌ／ｂが２〜３０であることを特徴としている。
第５の特徴により、ディンプルのポンプ効果とシール面の潤滑性との両者を満足することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）シール面の外周から内周方向へ向かって漏れようとする流体をシールする形式のシール装置であって、静止側密封要素または回転側密封要素のシール面に、径方向に複数縦列したディンプルを周方向に２以上形成し、各ディンプルは回転方向先端が内周側へ向かうディンプル角度θを有し、該θは０＜θ＜９０゜の範囲であり、隣接する複数縦列したディンプルの近接端部間には周方向のランド部が形成され、径方向に複数縦列したディンプルの各列のディンプルは、該ディンプル中心を通る円上における各ディンプルの円周方向長さＬ１と同円上における隣接するディンプル間のランド部の円周方向長さＬ２との比を表すギャップ比Ｌ１／Ｌ２を、０．００１≦Ｌ１／Ｌ２≦０．１  とすることにより、ディンプル全体のもつポンプ効果とシール面の面圧との両者を満足することができることから、シール面の潤滑性を高めるとともに被密封流体の漏洩を防止し、併せてシール面の過大発熱及び過大摩耗を防止することができる。
（２）ギャップ比Ｌ１／Ｌ２が、０．００１≦Ｌ１／Ｌ２≦０．０５  の範囲にあることにより、シール面の潤滑性を確保しつつ、面圧を小さくすることができる。【００１４】
（３）径方向に複数縦列したディンプルの各列のディンプルは、シール面の内周側には貫通しないことにより、静止時において、被密封流体の漏洩を防止することができる。【００１５】
（４）ディンプルの深さを１〜２００μｍの範囲とすることにより、ディンプルのもつポンプ効果を一層高めることができる。
（５）ディンプルの幅ｂと長さｌとの縦横比ｌ／ｂを２〜３０とすることにより、ディンプルのポンプ効果とシール面の潤滑性との両者を満足することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態に係り、航空エンジン用ギアボックスでの適用例を示したものであって、シールハウジングとその内周に挿通された回転軸との間に静止側密封要素と回転側密封要素とが互いに密接摺動される接触式メカニカルシール構造を有するシール装置において、回転側密封要素であるメイティングリングに本発明のディンプルを形成した場合を示す断面図である。
【図２】シール面にディンプル等の加工は施されていない従来のシール面における被密封流体の漏洩経路を説明したものである。
【図３】本発明の実施の形態に係り、シール面に長さ数ｍｍのディンプルを回転方向先端が内周側へ向かうように設けた例を示したものである。
【図４】図３の場合のシール面における被密封流体の挙動を示したものである。
【図５】（ａ）は、周方向に隣接する２つの縦列ディンプルにおける第Ｎ列目のディンプルに着目した拡大説明図であり、（ｂ）は、円周方向において縦列ディンプルの配置数を増やした場合の説明図である。
【図６】メイティングリングの外径が１００ｍｍの場合において、縦列ディンプルを周方向に２、６、２８及び５３等配、設けた状態を示す説明図である。
【図７】メイティングリングの外径が１０ｍｍの場合において、縦列ディンプルを周方向に２及び４等配、設けた状態を示す説明図である。
【図８】縦列ディンプルの様々なパターンにおけるギャップ比の算出の仕方を説明する説明図である。
【図９】１つの縦列ディンプル内において、径方向に隣接するディンプル同士が径方向に重ならない場合と、重なる場合における、ランド部の流体膜が形成状態を説明する説明図である。
【００１７】
【図１０】本発明の実施の形態に係り、周方向に形成された複数縦列したディンプルにおいて、ディンプルがシール面の上流側及び下流側のいずれにも貫通していない例を示したものである。
【図１１】本発明の実施の形態に係り、周方向に形成された複数縦列したディンプルにおいて、上流側に貫通する縦列したディンプルと上流側に貫通しない縦列したディンプルとを交互に設けた例を示したものである。
【図１２】本発明の実施の形態に係り、周方向に形成された複数縦列したディンプルにおいて、ディンプル角度θの異なるディンプルを組み合わせて配列した例を示したものである。
【図１３】本発明のシール装置をテストするメカニカルシール型試験機の断面図である。
【図１４】図９に示した試験機を用いた試験の試験時間（ｍｉｎ）を横軸に、試験器の回転数（ｒｐｍ）及び供試油温度（℃）を縦軸に示したものである。
【００１８】
【図１５】本発明の実施の形態にかかるメイティングリングとディンプル無しのメイティングリングのオイルリーク量の試験結果を示したものである。
【図１６】本発明の実施の形態にかかるシール装置のギャップ比＝Ｌ１／Ｌ２とポンプ効果（Ｎ）との関係を片対数のグラフで示したものである。
【図１７】本発明の実施の形態にかかるシール装置のギャップ比＝Ｌ１／Ｌ２とシール面Ｓの面圧（ＭＰａ）との関係を片対数のグラフで示したものである。
【図１８】本発明の実施の形態にかかるシール装置のディンプル角度θ（゜）とポンプ効果（Ｎ）との関係を示したものである。
【図１９】本発明の実施の形態にかかるシール装置のディンプル縦横比とポンプ効果との関係を片対数のグラフで示したものである。
【図２０】従来技術１を説明するための斜視図である。
【図２１】従来技術２の摺動面を示す正面図である。
【図２２】従来技術３の摺動面を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明に係るシール装置を実施するための形態を図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加えうるものである。  
【００２０】
図１は、例えば航空エンジン用ギアボックスでの適用例を示したものであって、シールハウジングとその内周に挿通された回転軸との間に静止側密封要素と回転側密封要素とが互いに密接摺動される接触式メカニカルシール構造を有するシール装置において、回転側密封要素であるメイティングリングに本発明のディンプルを形成した場合を示す断面図である。
メカニカルシール１は、回転軸５０と航空エンジン用ギアボックスのケーシング７０にボルト７１等の固定手段により装着されたシールハウジング６０との間の取付け空間に取り付けられている。ケーシング７０とシールハウジング６０との間にはＯリング７２が装着されている。
回転軸５０は、軸受７３を介して回転自在に支持されている。
回転側密封要素であるメイティングリング２は回転軸５０の切欠５０Ａに突起２Ａが係合するようにしてＯリング３を介して取付けられている。
【００２１】
静止側密封要素であるシールリング４は、その外周側に形成された切欠き５がシールハウジング６０の突起６に係合することにより回転不能かつ軸方向移動自在にシールハウジング６０に支持されている。シールリング４はシールハウジング６０との間に設けられたウェーブスプリング７により、そのシール面８が対向するメイティングリング２のシール面９と密接するようにワッシャー１０を介して後端側から押圧されている。シールリング４を押圧する部材としてはウェーブスプリングに限らずコイルスプリングを使用することができるが、ウェーブスプリングの方がコイルスプリングより軸方向長さを小さくできるという利点がある。このシールリング４の内周面にはＯリング溝１１が設けられており、このＯリング溝１１にＯリング１２が装着されてシールリング４とシールハウジング６０との接合間をシールしている。
このようにして、ケーシング７０の高圧側（上流側）Ａと低圧側（下流側）Ｂとをシールリング４のシール面８とメイティングリング２のシール面９とが密接するシール面Ｓ（シールリング４のシール面８とメイティングリング２のシール面９とで形成するシール面を意味する。以下同じ。）によりシールしている。
【００２２】
航空エンジン用ギアボックスの場合、軸受７３を潤滑油により潤滑するが、ギアボックス内の潤滑油の圧力と機外側の圧力との圧力差は約０．１〜０．１５ＭＰａとなる。また、回転軸５０の回転数は、運転時で４０００〜３００００ｒ．ｐ．ｍで、シール面の周速度は約３０〜６０ｍ／ｓとなる
【００２３】
メイティングリング２の材料としては、クロムモリブデン鋼、アルミニウムモリブデン鋼などの窒化鋼、あるいはステンレス等が用いられるが、これらに特に限定されるものではない。また、必要に応じてシール面に窒化処理またはクロムメッキ等が施される。シールリング４の材料としてはカーボンが用いられる。
【００２４】
図２は、シールリング４のシール面８とメイティングリング２のシール面９とが密接するシール面Ｓにおける被密封流体、例えば、ギアボックス内の潤滑油（以下、「被密封流体」と総称する。）の漏洩経路を説明したものである。この場合、シール面Ｓにはディンプル等の加工は施されていない。
今、外周側が高圧の場合、シール面Ｓの外周側に存在する高圧側（上流側）の被密封流体は低圧側（下流側）との圧力差のためシール面Ｓに侵入し内周側に向かおうとする。その際、メイティングリング２が回転方向Nで回転しているため、被密封流体は１３で示す経路で漏洩する。また、軸方向の振動が過大の場合、回転側シール面の振れに対して軸方向の追随が遅れるとシール面間が広がり漏洩となる。これに対処するため、バネなどによる軸方向押付力を大きくするとシール面間の微小皮膜が薄くなり、漏洩は抑えられるが、固体潤滑・直接接触に近づくため摩耗量が過大となり装置の耐久性が低下する。また、摺動トルクが過大となり、装置への負荷も大きくなる。更には、冷却流量を多くする必要が出るなどの問題が発生する。
【００２５】
図３は、シール面Ｓにおける被密封流体の微小皮膜の形成を保ち、高圧の上流側の被密封流体のシール面Ｓへの侵入を防ぎ、軸方向追随遅れで開くシール面Ｓへの上流側被密封流体の侵入を防ぐために、シール面Ｓに回転により発生する遠心力でシール面Ｓの被密封流体を上流側へ掻き出すポンプ効果を持つ長さ数ｍｍのディンプル１４を回転方向先端が内周側へ向かうように設けた一例を示したものである。
なお、下流側から上流側へ連続するような長いディンプルを形成してしまうと、シール面Ｓの掻き出し効果（ポンピング効果）が大きくなりすぎて、シール面Ｓの潤滑皮膜が部分的に膜切れを起こし、固体潤滑モードに入ってしまう。この場合、摺動発熱の発生、及び熱的要因による潤滑流体のコーキング、シール部材の摩耗を引き起こして、寿命を消費する。これを避けるため、本発明においては、長さが数ｍｍの短いディンプルを多数設ける構造とし、各ディンプルが被密封流体ポケットの役割を果たし、上流側から侵入した被密封流体を一時的に溜めておくことができるので、被密封流体のポンプ効果と同時にシール面Ｓの潤滑性を高める効果を併せ持つことができるようにしたものである。
【００２６】
図３の例では、ディンプル１４はメイティングリング２のシール面９に形成された場合を示しているが、シールリング４のシール面８に形成しても良く、また、両者に形成しても良い。また、ディンプルは、静的リークを考慮してシール面Ｓより下流側（シール面Ｓの内周より内側）には貫通せず、上流側（シール面Ｓの外周より外側）に貫通するようにして設けられている。
各ディンプル１４の幅及び深さ並びに傾きは個々の使用条件に応じて設定されるものであるが、最適な値については後述する。
【００２７】
各ディンプル１４は、径方向に複数縦列（この例では５列）に形成されており、該複数縦列したディンプル１５が周方向に複数形成されている。この例では、複数縦列したディンプル１５を周方向に１５゜間隔で２４等配配置しているが、必ずしも等間隔に規則的に配置する必要はなく、また、その間隔も１５゜に限ることはない。
本発明において、「径方向に複数縦列したディンプル」とは、径方向に複数設けられるディンプルが周方向にずれていても、全てのディンプルに共通する周方向の重なりがあるように配列されたディンプル群をいう（以下「縦列ディンプル」と略称する。）。複数のディンプルの径方向の間隔が一定でない場合、及び、各ディンプル角度θが一定でない場合も本発明の縦列ディンプルに含まれる。
なお、ディンプル角度θは、各ディンプルの中心線が該ディンプルの中心を通る円の接線となす角度を意味する。
【００２８】
図４は、図３に示したシール面Ｓにディンプル１４を設けた場合のシール面Ｓにおける被密封流体の挙動を示したものである。
シール面Ｓに侵入した被密封流体は、上流側（外径側）の圧力と下流側（内径側）の圧力差のため下流側へ向かおうとするが、メイティングリング２の回転に伴い、ディンプル１４内に入り込んだ被密封流体はディンプル１４により下流側から上流側へ向けてポンピング作用を受けて矢印１７で示すように上流側へ掻き出される。そのため、ほとんどの被密封流体は、軌跡１８で示すようにシール面Ｓの内周から内側へ漏洩する前に上流側に掻き出されることになる。ディンプル１４のポンピング作用で上流側へ掻き出される被密封流体は、周方向に隣接する縦列ディンプル１５の近接端部間に形成された周方向のランド部１６を流れる際、該ランド部１６を潤滑する。ディンプル１４内には被密封流体が存在するため、シール面Ｓは固体潤滑とはならず、過大摩耗や異常発熱、高トルクの発生を抑えることができる。また、通常、ディンプル１４は下流側には貫通していないため、非回転時の漏洩には影響しない。上流側には貫通しているため、直接被密封流体が掻き出されることにより、一層の漏洩量低減の効果がある。
【００２９】
図５（ａ）は、周方向に隣接する２つの縦列ディンプル１５−１、１５−２における第Ｎ列目のディンプルに着目した拡大説明図である。
各ディンプル１４の中心ｏを通る中心線ｘは、中心ｏを通る円ｃの接線に対してディンプル角度θを有し、各ディンプル１４は、長さｌ、幅ｂを有する。
図において、Ｌ１は各ディンプル１４の中心を通る円ｃ上における各ディンプル１４の円周方向長さを、また、Ｌ２は円ｃ上における隣接するディンプル１４間のランド部の円周方向長さを示しており、Ｌ１とＬ２との比であるＬ１／Ｌ２をギャップ比と定義することとする。
各ディンプル１４の幅ｂが一定であるとしても、ディンプル角度θが変動すると、Ｌ１及びＬ２が変動するのでギャップ比も変動する。ギャップ比の最適範囲については後述する。
【００３０】
図５（ｂ）は、円周方向において縦列ディンプル１５の配置数を増やした場合の説明図であって、図示のように円周方向において縦列ディンプル１５の配置数を増やしていくと、縦列ディンプル１５−１のディンプル１４と、縦列ディンプル１５−２のディンプル１４の近接端部ｙ１、ｙ２が円周方向において重なり、周方向のランド部が形成されなくなる。このように、周方向のランド部が形成されないと、前列のディンプルで掻き出された被密封流体が、破線矢印で示すように、後列の外側のディンプルに流れ込み、ランド部に流体が行きわたらず膜切れを起こしてしまう恐れがある。
この問題を回避するため、本発明においては、図５（ａ）に示すように、周方向において隣接するディンプル１４の近接端部ｙ１、ｙ２が円周方向において重なることがなく、両端部ｙ１、ｙ２間に周方向のランド部１６が形成されるようにしたものである。ディンプル１４のポンピング作用で上流側へ掻き出される被密封流体は、周方向に隣接する縦列ディンプル１５の近接端部ｙ１、ｙ２間に形成された周方向のランド部１６を流れることになり、該ランド部１６を十分に潤滑することができる。
【００３１】
メイティングリング２は、外径が１０〜１００ｍｍ程度のものが使用されるが、この大きさの場合、どの程度の間隔で縦列ディンプル１５が周方向に配置されるかを説明する。
図６は、メイティングリング２の外径が１００ｍｍの場合、図７は、メイティングリング２の外径が１０ｍｍの場合を示したものである。
図６において、（ａ）は縦列ディンプル１５が周方向に２等配でギャップ比が０．００３、（ｂ）は縦列ディンプル１５が周方向に６等配でギャップ比が０．０１、（ｃ）は縦列ディンプル５が周方向に２８等配でギャップ比が０．０５、（ｄ）は縦列ディンプル５が周方向に２８等配でギャップ比が０．１である。
図７において、（ａ）は縦列ディンプル１５が周方向に２等配でギャップ比が０．０４７、（ｂ）は縦列ディンプル１５が周方向に４等配でギャップ比が０．１である。
いずれの場合も、隣接する縦列ディンプル１５間に周方向のランド部１６が十分に形成されており、該ランド部１６がディンプル１４のポンピング作用で上流側へ掻き出される被密封流体により潤滑される。
なお、図６及び７には、ギャップ比が０．００１の場合を示していないが、ディンプル１４の角度及び幅などを変更することで容易に実現できる。
【００３２】
縦列ディンプル１５におけるディンプル１４の数及び角度には様々なパターンがあり、ディンプル１４の数に限っても、図３の例では５個、図６の例では６個、図７の例では４個と様々である。このように様々な縦列ディンプル１５のパターンが１つのシール面に形成されている場合におけるギャップ比の算出の仕方を図８に基づいて説明する。
図８は、説明の都合上、シール面Ｓを直線状に表示している。図８（ａ）は、隣接する縦列ディンプル１５において、ディンプル１４の数及び径方向の位置が異なる場合を示しており、図の左側には、５個のディンプル１４が径方向外側に偏って配置され、同右側には、４個のディンプル１４が径方向内側に偏って配置されている。この場合、全てのディンプル１４の最外径をＯＤ、最内径をＩＤとし、最外径ＯＤと最内径ＩＤとの中間を中心径とし、中心径の位置に仮想ディンプル（破線）があるとして、ギャップ比を算出する。
また、図８（ｂ）は、縦列ディンプル１５において、周方向及び径方向に少しずれたディンプル１４が存在する場合を示している。この場合、全てのディンプル１４の最外径をＯＤ、最内径をＩＤとし、最外径ＯＤと最内径ＩＤとの中間を中心径とし、中心径の位置であって、縦列ディンプル１５の周方向の中心に仮想ディンプル（破線）があるとして、ギャップ比を算出する。さらに、縦列ディンプル１５において、ディンプル角度θが異なるディンプル１４が存在する場合も、平均のディンプル角度θに基づいて算出する。
【００３３】
本発明において、縦列ディンプル１５としては、図８（ｂ）に示すような、周方向及び径方向にずれたディンプル１４が存在しても、径方向のどこかの個所でディンプル１４同士が重なっていれば、１つの縦列ディンプル１５とみなすものである。
そして、図８（ｂ）に示すように、隣接する縦列ディンプル１５の間にランド部１６が存在する場合、縦列ディンプル１５の数としては複数存在することになるが、図５（ｂ）に示すように、隣接する縦列ディンプル１５−１と１５−２との間にランド部１６が存在しない状態で全周に亘って続く場合、縦列ディンプル１５の数は１個となる。
【００３４】
図９（ａ）は、１つの縦列ディンプル１５内における径方向に隣接するディンプル１４同士が径方向に重なりがないように配置された場合を示しており、また、図９（ｂ）は、１つの縦列ディンプル１５内における径方向に隣接するディンプル１４同士が径方向に重なりがあるように配置された場合を示している。
図９（ａ）のように、径方向に隣接するディンプル１４同士が径方向に重なりがないように配置された場合、被密封流体は、隣接するディンプル１４の間を通過して周方向に流れることができるため、ランド部１６に流体の膜が形成され、潤滑作用が向上する。
逆に、９図（ｂ）のように、径方向に隣接するディンプル１４同士が径方向に重なりがあるように配置された場合、被密封流体は、隣接するディンプル１４の間を通過して周方向に流れることができず、ディンプル１４により外周側にポンピングされるため、ランド部１６に十分な流体の膜が形成されない可能性がある。
【００３５】
ディンプル１４の形状は摩耗粉により容易に消滅しない形状であることが好ましい。このディンプル１４の加工方法はサンドブラスト用感光性フィルムを使用することができる。この方法は、ディンプル加工面、すなわち、メイティングリング２のシール面９にサンドブラスト用感光性フィルムを貼り付ける。そして、このディンプル１４の形状を焼き付けたポジフィルムを密着させてサンドブラスト用感光性フィルムを露光する。その後にサンドブラスト用感光性フィルムを現像してサンドブラスト加工を行うことによりポジフィルムのパターンと一致したディンプル１４を形成することが可能になる。サンドブラスト用感光性フィルムはＣＡＤのデータにより作成されたポジフィルムにより現像して作るので形状の作成が容易である。この他の加工方法として、レーザーによりディンプル１４の加工をすることもできる。
【００３６】
図１０〜図１２は、本発明の他の実施の形態を示したものである。  
図１０は、周方向に形成された複数縦列したディンプル１５において、ディンプル１４がシール面Ｓの上流側及び下流側のいずれにも貫通していない例を示したものである。
この例では、ディンプル１４が上流側には貫通していないため、直接被密封流体が上流側に掻き出されないため、ディンプル１４のポンピング効果は低下する。したがって、上流側と下流側との圧力差の小さい条件等の場合に適している。
【００３７】
図１１は、周方向に形成された複数縦列したディンプル１５において、上流側に貫通する縦列したディンプル１５Ｋと貫通しない縦列したディンプル１５Ｓとを交互に設けた例を示したものである。
上流側に貫通する縦列したディンプル１５Ｋと貫通しない縦列したディンプル１５Ｓとの比率を条件に応じて適宜変更することでディンプル１４によるポンピング効果を調整することができる。
【００３８】
図１２は、周方向に形成された複数縦列したディンプル１５において、ディンプル角度θの異なるディンプル１５Ｃ、１５Ｄ、１５Ｅ及び１５Ｆを組み合わせた例を示したものである。この例では、回転方向に向かってディンプル角度θの大きい順に繰り返し配列している。この配列このように、ディンプル角度θの異なるディンプルを組み合わせることにより、広範囲の回転数に対応できる。
【００３９】
図１３は、本発明のシール装置をテストしたメカニカルシール型試験機の断面図である。
図１３において、シール装置用の試験機２０には、中心部に回転軸２１及び回転軸２１外周にＯリング３３を介してスリーブ２２が設けられ、該スリーブ２２の外周にＯリング２４を介してメイティングリング２３が取付けられている。
ケーシング２５にＯリング２６を介して装着されたシールハウジング２７にはシールリング２８がＯリング２９を介して軸方向移動自在に設けられている。シールリング２８はウェーブスプリング３０によりメイティングリング２３に向けて付勢されている。
高圧側（上流側）Ａには、オイルジェットをメカニカルシールに向けて噴射するオイル噴射装置３１が設けられている。また、低圧側（下流側）Ｂには、シール面から漏洩したオイルを収容するリークオイル回収装置３２が設けられている。
メイティングリング２３のシール面に本発明にかかるディンプルを形成し、メイティングリング２３は容易に交換できるようにされている。
【００４０】
図１４は、図１３に示した試験機２０を用いた試験の試験時間（ｍｉｎ）を横軸に、試験器２０の回転数（ｒｐｍ）及び供試油温度（℃）を縦軸に示したものである。
回転数は、１０００ｒｐｍからスタートして供試油温度が１００℃に達した後に略１５０００ｒｐｍ（フルパワー時の回転数）まで上昇させてその後５０００ｒｐｍ（アイドリング時の回転数）まで下げ、回転数を５０００ｒｐｍと１５０００ｒｐｍを数回繰り返し、その後は１５０００ｒｐｍを維持した。供試油温度は航空用ギアボックスでの一般的な条件に合わせ１００℃とした。
【００４１】
図１５は、図１３の試験機２０を用いて図１４の試験条件で、本発明の実施の形態にかかるメイティングリングとディンプル無しのメイティングリングのオイルリーク量を測定した試験結果を示したものである。
オイルリーク量は、本発明の実施の形態にかかるメイティングリングを用いた場合０．０５ｃｃ、ディンプル無しのメイティングリングを用いた場合０．９ｃｃであった。本発明の実施の形態にかかるメイティングリングを用いた場合、ディンプル無しのメイティングリングを用いた場合に比べてオイルリーク量が１／１８に低減されているのが分かる。
【００４２】
次に、ディンプル角度θ、ディンプルの長さ、幅及び深さ、並びにギャップ比＝Ｌ１／Ｌ２を変化させた時のディンプルの有するポンプ効果及びシール面の面圧について説明する。
【００４３】
図１６は、本発明の実施の形態にかかるシール装置のギャップ比＝Ｌ１／Ｌ２とポンプ効果との関係を片対数のグラフで示したものである。
ギャップ比が大きくなるほどポンプ効果は増加する傾向を示している。ギャップ比が０．１〜１０の時にポンプ効果が高くなることが分かる。
ギャップ比によりポンプ効果の大小はあるが、ディンプルを設ければポンプ効果があることも分かる。
【００４４】
図１７は、本発明の実施の形態にかかるシール装置のギャップ比＝Ｌ１／Ｌ２とシール面Ｓの面圧（ＭＰａ）との関係を片対数のグラフで示したものである。
ギャップ比が大きくなるほど面圧は増加する傾向を示している。ギャップ比が０．１を越えると面圧が急激に増える。面圧が大きいとオイル漏洩を抑えられる反面、過大発熱や過大摩耗を起こす。
図１６からギャップ比が０．１〜１０の時にポンプ効果が高くなるが、ギャップ比を大きくするとディンプルの総数が多く取れるため、シール面Ｓにおけるランド部の面積が小さくなる。そのため、軸方向にシール面Ｓを押す力を受ける面積が小さくなるため面圧が大きくなる。
これらのことから、ギャップ比＝Ｌ１／Ｌ２は、０．００１≦Ｌ１／Ｌ２≦０．１の範囲に設定することが望ましいことが分かる。
【００４５】
図１８は、本発明の実施の形態にかかるシール装置のディンプル角度θ（゜）とポンプ効果（Ｎ）との関係を示したものである。
ポンプ効果は、ディンプル角度θが、０＜θ＜９０゜で得られることが分かる。
また、ディンプルの深さ（μｍ）が１μｍ未満の時は、ほとんどポンプ効果は得られず、深さが５００μｍの場合は、ポンプ効果のピークは０＜θ＜５゜の範囲にあるため、少しのディンプルの傾きでポンプ効果に変化が起きることが分かる。
そのため、ディンプルの深さは１〜２００μｍの範囲が望ましい。
【００４６】
図１９は、本発明の実施の形態にかかるシール装置のディンプル縦横比（ｌ／ｂ）とポンプ効果（Ｎ）との関係を片対数のグラフで示したものである。
ディンプルの縦横比ｌ／ｂが２以下の場合、ポンプ効果はほとんどない。また、縦横比ｌ／ｂが大きくなるとポンプ効果は高くなるが、３０を越えると被密封流体が不足したドライ環境が発生し、過大摩耗とつながる。したがって、  ディンプルの幅ｂと長さｌとの縦横比ｌ／ｂは２〜３０が最適範囲であることが分かる。
【００４７】
以上、ディンプル１４を回転側密封要素であるメイティングリング２のシール面９に設ける例を説明したが、静止側密封要素であるシールリング４のシール面８に設ける場合は、シールリング４の相対的回転方向のディンプル先端が内周側へ向かうように設ける必要がある。
【符号の説明】
【００４８】
１    メカニカルシール
２    メイティングリング（回転側密封要素）
３    Ｏリング
４    シールリング（静止側密封要素）
５    切欠き
６    突起
７    ウェーブスプリング
８    シールリングのシール面
９    メイティングリングのシール面
１０   ワッシャー
１１   Ｏリング溝
１２   Ｏリング
１３   従来のシール面における被密封流体の漏洩経路
１４   ディンプル
１５   複数縦列したディンプル
１６   近接端部間に形成された周方向のランド部
１７   ポンピング作用を示す矢印
１８   シール面における被密封流体の軌跡
２０   シール装置用の試験機
２１   回転軸
２２   スリーブ
２３   メイティングリング
２４   Ｏリング
２５   ケーシング
２６   Ｏリング
２７   シールハウジング
２８   シールリング
２９   Ｏリング
３０   ウェーブスプリング
３１   オイル噴射装置
３２   リークオイル回収装置
３３   Ｏリング  
５０   回転軸
６０   シールハウジング
７０   ケーシング
７１   ボルト
７２   Ｏリング
７３   軸受
Ｓ     シール面
Ａ     高圧側（上流側）
Ｂ     低圧側（下流側）
θ     ディンプル角度
ｏ     ディンプルの中心
ｌ     ディンプルの長さ
ｂ     ディンプルの幅
ｘ     ディンプルの中心線
Ｌ１   ディンプルの中心を通る円上におけるディンプルの円周方向長さ
Ｌ２   ディンプルの中心を通る円上における隣接するディンプル間のランド部の円周方向長さ
ｙ１   周方向において隣接するディンプルの近接端部
ｙ２   周方向において隣接するディンプルの近接端部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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