JP2017075655A - 軸シール機構 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、圧力境界における往復軸の軸シール機構として、内部流体を完全に封止できるベローシールとそれに対する与圧機構を組み合わせた軸シール機構を提供する。
【解決手段】 本発明は、駆動機構によりシリンダ６内を往復動する往復軸を、シリンダ６に摺動自在に保持する保持部材に設けられる軸シール機構１において、前記往復軸の一方の先端であってシリンダ６内に突出する先端２ａと前記保持部材の間に連設されるベローズ１２と、前記保持部材のベローズ１２と反対側に設けられ、与圧空間１０を画成する与圧シリンダ９と、前記与圧シリンダ９の軸方向端部を閉塞すると共に、前記往復軸と共に移動する与圧ピストン１１とを具備し、前記与圧空間１０と前記ベローズ１２の内部空間１３とは連通通路を介して接続され、前記与圧空間１０、前記連通通路及び前記ベローズの内部空間１３には、非圧縮性流体又は圧縮空気が収容されることにある。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ポンプ等の耐圧構造体に挿入する往復軸のシールを行う軸シール機構に関する。

一般に、往復動式の圧送ポンプ、弁、油圧シリンダ等では、内部流体（気体を含む）の発生圧力を封止する耐圧構造体を貫通して挿入される往復軸（例えば、ピストン、ピストンロッド又はプランジャ等）に、耐圧構造体の内と外との圧力境界を形成する軸シールを有し、これによって、往復軸動作時及び静止時に、内部流体の漏出を封止している。

通常、往復軸の軸シールとしては、各種のグランドパッキンやメカニカルシールが用いられている。しかし、これらのシールは、圧力境界において往復軸の摺動を可能にしているため、摺動面における油膜保持の必要や摺動面の損耗、シール材の特性などから、内部流体の微量漏出が認められる。

一方ダイヤフラムやベローズ型軸シール（以下、ベローシールという。）は、圧力境界に摺動部位がないため、内部流体を完全に封止することが可能な軸シールである。

このベローシールの一例として、特許文献１（特開２００６−５７６１０号公報）には、往復動ポンプの軸シールにおいて、高圧の内部流体の大気への漏れを完全に封止できるベローズ型軸シールを含む軸シール構造が開示される。この軸シール構造は、ベローズ型軸シール部よりも大気側の軸とシリンダの摺動部に補助軸シールを設け、この補助軸シールに接する部分の軸又はシリンダの直径をベローズの有効直径と等しくし、ベローズ型軸シール部よりもポンプ側の軸とシリンダの摺動部に１次シールを設け、この１次シールに接する部分の軸又はシリンダの直径をベローズの有効直径と等しくしたことを特徴とするものである。

また、特許文献２（特開２００６−１４４７４１号公報）は、往復動ポンプの軸シールにおいて、ポンプ内部流体の大気中への漏れを完全に封止し、シール部の氷結や異物の混入によるトラブルを防止するポンプ軸シールを開示する。この往復動ポンプは、ピストンにピストンリング又はパッキングを設け、ピストン軸部に補助シールを設け、この補助シールより大気側のピストン軸部に可撓性部材によりシリンダ室側を大気側から密封する軸シールを備え、その軸シールがベローズシールであることを特徴とするものである。

特開２００６−５７６１０号公報 特開２００６−１４４７４１号公報

大きなストロークが必要な往復軸では、ダイヤフラムは過大なクリープ変形や破損防止の観点から適用できない場合がある。一方、ベローシールは、往復動ストローク及びベローズ内外圧差に応じて、ベローズ構造（板厚、ピッチ、１山当たりの伸縮量）を適切に選定すれば、一定程度の回数までは破壊に至らずに往復軸に追従した繰り返し伸縮が可能である。

一般に、ベローズの繰り返し伸縮に対する耐久回数は、ベローズの寿命算定式「M .W. Kellogg社の式」や「浜田、竹園の式」により近似的に求めることができる。これによると、往復ストロークによるベローズ内部応力（以下、伸縮応力という。）及び変動圧力によるベローズ内部応力（以下、変動圧応力という。）の和が耐久回数に直接寄与することがわかる。したがって、各応力成分が小さいほど、圧力を受けながらの伸縮に対する耐久回数を向上させることができる。

また、上述したKelloggの式によると、伸縮応力はベローズの板厚及び伸縮量に比例する。また変動圧応力は、変動圧に比例し、ベローズ板厚の二乗に反比例する。このため、伸縮応力を下げるためにはベローズ板厚を小さくすると、変動圧応力が増大してしまい、一般にベローズ全長は設計・製造上ある程度制限を受けることを考え合わせると、比較的長いストロークの往復動軸シールにベローシールを適用する場合、耐圧構造体が封止する圧力をそのままベローズが受圧する構造では、耐久回数を大幅に向上させることは難しい。

このため、本発明は、内部流体を完全に封止できるベローシールの高耐久化技術を提供することを目的とするもので、ベローシールとそれに対する与圧機構を組み合わせた軸シール機構を提供するものである。

したがって、本発明は、駆動機構によりシリンダ内を往復動する往復軸を、シリンダに摺動自在に保持する保持部材に設けられる軸シール機構において、前記往復軸の一方の先端であってシリンダ内に突出する先端と前記保持部材の間に連設されるベローズと、前記保持部材のベローズと反対側に設けられ、与圧空間を画成する与圧シリンダと、前記与圧シリンダの軸方向端部を閉塞すると共に、前記往復軸と共に移動する与圧ピストンとを具備し、前記与圧空間と前記ベローズの内部空間とは連通通路を介して接続され、前記与圧空間、前記連通通路及び前記ベローズの内部空間には、非圧縮性流体又は圧縮空気が収容されることにある。また、前記保持部材は、いわゆる耐圧構造体の一部を構成し、前記与圧シリンダ及び与圧ピストンで画成された与圧空間が連通通路によってベローズの内部空間と連通されることによって与圧機構が形成されるものである。

以上のように、ベローズの固定端が前記保持部材に固定され、またベローズの自由端は前記往復動の一方の先端に固定され、往復軸の移動と共にベローズが伸縮する。前記ベローズの伸縮に伴って、ベローズの内部空間の容積は変動するが、与圧空間、連通通路及びベローズの内部空間に収容された非圧縮流体又は圧縮空気等の作動流体がベローズの内部空間の容積の変動に伴って移動するため、前記ベローズの内部空間の圧力が維持されるので、ベローズ圧力変形（断面変形）が拘束を受け、変動圧応力が抑制される。なお、前記与圧空間及び前記ベローズの形状は、往復軸が単位長さ移動した時の与圧空間の容積変化とベローズ内部空間の容積変化が等しくなるように設定されることが望ましい。

さらに、前記連通通路は、前記保持部材に形成された連通孔であることが望ましい。これによって、前記与圧空間と前記ベローズの内部空間とが直接接続されるため、前記作動流体の移動が容易となる。また連通孔の径を調整することによって作動流体の移動速度を調整することが可能となる。

さらにまた、前記往復軸に沿って前記往復軸の周囲に所定の連通空間を画成するように、前記往復軸の一方の先端と前記与圧ピストンとの間に配置される内挿管を具備し、前記内挿管には、前記与圧空間と前記連通空間を連通する第１の連通孔と、前記連通空間と前記ベローズの内部空間とを連通する第２の連通孔が形成され、前記連通通路は、前記第１の連通孔、前記連通空間及び前記第２の連通孔によって形成されることにある。

この場合、前記往復軸に沿って往復軸との間に所定の連通空間を形成するように内挿管が配置され、連通空間を介して前記与圧空間と前記内部空間とが連通される構造となっている。さらに、前記与圧空間及び前記ベローズの形状は、往復軸が単位長さ移動した時の与圧空間の容積変化とベローズ内挿管とベローズの内部空間の容積変化が等しくなるように設定されることが望ましい。

以上のように、本発明によれば、耐圧構造体と一体の圧力境界を形成するため、内部流体を完全に封止することができると共に、変動圧応力振幅を抑制することができるので、伸縮応力と変動圧応力の重畳によって決定されるベローズ耐久回数を向上させることができるものである。

本発明の実施例１に係る軸シール機構において、往復軸がシリンダから引き出された状態を示した説明図である。 本発明の実施例１に係る軸シール機構において、往復軸がシリンダ内に押し込まれた状態を示した説明図である。 本発明の実施例２に係る軸シール機構において、往復軸がシリンダから引き出された状態を示した説明図である。 本発明の実施例２に係る軸シール機構において、往復軸がシリンダ内に押し込まれた状態を示した説明図である。

以下、本発明の実施例について図面により説明する。

図１及び図２に示す実施例１に係る軸シール機構１は、往復軸としてピストンロッド２を使用するプランジャポンプ３に装備されるものである。このプランジャポンプ３の一端は例えば図示しないエアシリンダなどの複動式駆動機構に接続される。

前記プランジャポンプ３は、吐出口４が形成された吐出口ブロック部５と、この吐出口ブロック５に固定され、内部にシリンダ空間７を画成するシリンダ６と、前記吐出口ブロック部５に固定され、前記シリンダ６の一端を閉塞すると共に前記ピストンロッド２を摺動自在に保持する保持部材としてのベースフランジ８とを具備し、さらに前記吐出口ブロック部５には与圧シリンダ９が配置される。

前記与圧シリンダ９は、与圧空間としての与圧シリンダ室１０を有し、与圧ピストン１１によってその一端が閉塞されている。

前記シリンダ空間７内に延出するピストンロッド２の先端２ａには、ベローズ１２の自由端１２ａが固定接続され、ベローズ１２の固定端１２ｂは、前記ベースフランジ８に固定接続され、前記ピストンロッド２との間に、ベローズ１２の内部空間１３が画成される。この内部空間１３は、前記ベースフランジ８に形成された連通孔１４を介して前記与圧シリンダ室１０と連通される。

また、前記与圧シリンダ室１０、前記連通孔１４及び前記内部空間１３には、油圧作動油等の非圧縮流体又は圧縮空気が収容される。

図２に示されるように、駆動機構によりピストンロッド２が吐出口ブロック部５に挿入される方向に駆動されると、吐出口ブロック部５、ベースフランジ８及びシリンダ６で囲まれるシリンダ空間７に収容される圧送流体の一部が排除され、吐出口４より吐出される。その粘性抵抗により圧力が発生し、この圧力がベローズ１２の外面に対して変動圧荷重として作用する。この時、与圧シリンダ室１０内の非圧縮流体又は圧縮空気は、連通孔１４を通してベローズ１２の内部空間１３に流入し、ベローズ１２の外面からの変動圧荷重と釣り合うことで、ベローズ変動圧応力を生じさせるような断面変形に対しての拘束作用が得られるようになるものである。

一方、図１に示されるように、駆動機構によりピストンロッド２が吐出口ブロック部５より引き抜かれる方向に駆動される場合には、ベローズ１２の内部空間１３内の非圧縮流体又は圧縮空気は、前記連通孔１４を介して与圧シリンダ室１０内に流入して釣り合うことで、前述した場合と同様にベローズ１２の変動圧応力を生じさせるような断面変形に対して拘束効果が得られるものである。

以上のことから、ベローズ変動圧応力が抑制若しくは緩和されるので、繰り返しのプランジャ往復動作によるベローズ１２の破損までの耐久回数を向上させることができるものである。

図３及び図４に示す実施例２に係る軸シール機構１は、上述した実施例１の場合と同様に、往復軸としてピストンロッド２を使用するプランジャポンプ３に装備されるものである。このプランジャポンプ３の一端は例えば図示しないエアシリンダなどの複動式駆動機構に接続される。

前記プランジャポンプ３は、吐出口４が形成された吐出口ブロック部５と、この吐出口ブロック５に固定され、内部にシリンダ空間７を画成するシリンダ６と、前記吐出口ブロック部５に固定され、前記シリンダ６の一端を閉塞すると共に前記ピストンロッド２を間接的に摺動自在に保持する保持部材としてのベースフランジ８とを具備し、さらに前記吐出口ブロック部５には与圧シリンダ９が配置される。また、前記ピストンロッド２に沿って前記ピストンロッド２の周囲に連通空間１６を画成するように内挿管１５が配置される。尚、前記ベースフランジ８は、前記ピストンロッド２に外装される内挿管１５を直接的に摺動自在に保持する。

前記与圧シリンダ９は、与圧空間としての与圧シリンダ室１０を有し、与圧ピストン１１によってその一端が閉塞されている。また、前記内挿管１５は、前記ピストンロッド２の先端２ａと前記与圧ピストン１１との間に配置される。

前記シリンダ空間７内に延出するピストンロッド２の先端２ａには、ベローズ１２の自由端１２ａが固定接続され、ベローズ１２の固定端１２ｂは、前記ベースフランジ８に固定接続され、前記ピストンロッド２との間に、ベローズ１２の内部空間１３が画成される。この内部空間１３は、前記内挿管１５に形成された第１及び第２の連通孔１４ａ，１４ｂ、さらには連通空間１６を介して前記与圧シリンダ室１０と連通される。

また、前記与圧シリンダ室１０、前記第１の連通孔１４ａ、連通空間１６、第２の連通孔１４ｂ及び前記内部空間１３には、油圧作動油等の非圧縮流体又は圧縮空気が収容される。

図４に示されるように、駆動機構によりピストンロッド２が吐出口ブロック部５に挿入される方向に駆動されると、吐出口ブロック部５、ベースフランジ８及びシリンダ６で囲まれるシリンダ空間７に収容される圧送流体の一部が排除され、吐出口４より吐出される。その粘性抵抗により圧力が発生し、この圧力がベローズ１２の外面に対して変動圧荷重として作用する。この時、与圧シリンダ室１０内の非圧縮流体又は圧縮空気は、第１の連通孔１４ａ、前記連通空間１６及び第２の連通孔１４ｂを通してベローズ１２の内部空間１３に流入し、ベローズ１２の外面からの変動圧荷重と釣り合うことで、ベローズ変動圧応力を生じさせるような断面変形に対しての拘束作用が得られるようになるものである。

一方、図３に示されるように、駆動機構によりピストンロッド２が吐出口ブロック部５より引き抜かれる方向に駆動される場合には、ベローズ１２の内部空間１３内の非圧縮流体又は圧縮空気は、第２の連通孔１４ｂ、前記連通空間１６及び第１の連通孔１４ａを通して、与圧シリンダ室１０内に流入して釣り合うことで、前述した場合と同様にベローズ１２の変動圧応力を生じさせるような断面変形に対して拘束効果が得られるものである。

以上のことから、ベローズ変動圧応力が抑制若しくは緩和されるので、繰り返しのプランジャ往復動作によるベローズ１２の破損までの耐久回数を向上させることができるものである。

１ 軸シール機構
２ ピストンロッド
２ａ 先端
３ プランジャポンプ
４ 吐出口
５ 吐出ブロック部
６ シリンダ
７ シリンダ空間
８ ベースフランジ
９ 与圧シリンダ
１０ 与圧シリンダ室
１１ 与圧ピストン
１２ ベローズ
１２ａ 自由端
１２ｂ 固定端
１３ 内部空間
１４ 連通孔
１４ａ 第１の連通孔
１４ｂ 第２の連通孔
１５ 内挿管
１６ 連通空間

Claims (3)

1. 駆動機構によりシリンダ内を往復動する往復軸を、シリンダに摺動自在に保持する保持部材に設けられる軸シール機構において、
   前記往復軸の一方の先端であってシリンダ内に突出する先端と前記保持部材の間に連設されるベローズと、
   前記保持部材のベローズと反対側に設けられ、与圧空間を画成する与圧シリンダと、
   前記与圧シリンダの軸方向端部を閉塞すると共に、前記往復軸と共に移動する与圧ピストンとを具備し、
   前記与圧空間と前記ベローズの内部空間とは連通通路を介して接続され、
   前記与圧空間、前記連通通路及び前記ベローズの内部空間には、非圧縮性流体又は圧縮空気が収容されることを特徴とする軸シール機構。
2. 前記連通通路は、前記保持部材に形成された連通孔であることを特徴とする請求項１記載の軸シール機構。
3. 前記前記往復軸に沿って前記往復軸の周囲に所定の連通空間を画成するように、前記往復軸の一方の先端と前記与圧ピストンとの間に配置される内挿管を具備し、
   前記内挿管には、前記与圧空間と前記連通空間を連通する第１の連通孔と、前記連通空間と前記ベローズの内部空間とを連通する第２の連通孔が形成され、
   前記連通通路は、前記第１の連通孔、前記連通空間及び前記第２の連通孔によって形成されることを特徴とする請求項１記載の軸シール機構。

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