JP4425089B2

JP4425089B2 - 軸シール

Info

Publication number: JP4425089B2
Application number: JP2004243322A
Authority: JP
Inventors: 義昭小西
Original assignee: Nikkiso Co Ltd
Current assignee: Nikkiso Co Ltd
Priority date: 2004-08-24
Filing date: 2004-08-24
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2024-08-24
Also published as: JP2006057610A

Description

本発明は、軸シールに関し、さらに詳しくは高圧往復動ポンプにも使用できるベローズ型軸シールを含む軸シールに関する。

一般に、往復動ポンプ（ポンプは流体を圧縮、移送する装置一般を表し、液体用のポンプ、気体用のコンプレッサー、圧縮機等を含む。以下同じ）は、ピストンまたはピストンロッド（ピストン、プランジャー、およびピストンロッドを合わせて軸ということがある。）に軸シールを有し、これによりポンプ内の流体を大気中とシールしている。通常、往復動ポンプの軸シールとしては、グランドパッキン、Ｖパッキン、リップシール、ラビリンス形ピストンロッドパッキン、セグメント形ピストンロッドパッキンなどが用いられている。しかし、これらのシールは、軸とシリンダーの摺動を可能にしながらシールする機構であり、流体を封止する部分に摺動部が存在するため、内部流体を完全に大気とシールすることは難しい。特に、内部流体がガス状で、高圧の場合には、構造的に完全に漏れを防ぐことはできない。オイルシールは高圧に適さず、給油式セグメント形ピストンロッドパッキンは、流体の漏れを防ぐ点では優れているが、オイルの循環が必要であり、シールの構造が複雑、大がかりになる。一方、ダイアフラムやベローズシールは比較的簡単で内部流体を完全に封止するシールであり、摺動部を持たないため完全な漏れ防止が可能である。しかし、ダイアフラムは変位量が小さく大ストロークに適さず、その構造および材質上、内部流体の圧力が高い場合はベローズが破壊してしまい、通常ベローズシールの利用できる内部流体の圧力は０．３ＭＰａ程度までとされてきた。このため、各種の検討がなされており、例えば、特許文献１には、高圧圧縮機の軸シール機構に特殊なリップシール構造を使用する方法が開示されている。しかし、内部流体が空気のような無害なガスの場合には有効でも、少量の漏れも許されない水素などには使用が難しいものである。

特開２００３−２２２０７７号公報

本発明は、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中への漏れを完全に封止できるベローズ型軸シールの提供を目的としている。

上記課題を解決するため本発明者らは、ベローズ型軸シールに補助シール等を組合わせた下記のような軸シールを発明した。
（１）ベローズ型軸シールを有する往復動ポンプにおいて、ベローズ型軸シール部よりも大気側の軸とシリンダーの摺動部に補助軸シールを設け、該補助軸シールに接する部分の軸またはシリンダー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ーの摺動部に一次シールを設け、該一次シールに接する部分の軸またはシリンダーの直径をベローズの有効直径と等しくした往復動ポンプの軸シール。
（２）一次シールよりもポンプ側の軸直径を一次シール部の軸直径と変化させ、直径を変化した軸とシリンダーの摺動部に二次シールを設け、ポンプ往復動により一次シールと二次シールとの間に形成される空間を減圧室とし、一次シールは該減圧室側からベローズ型軸シール側への流体の流入を抑制する一方向性構造とし、二次シールはポンプ側から減圧室側への流体の流入を抑制する一方向性構造とし、二次シールよりもポンプ側の軸とシリンダーの摺動部に無方向性構造の三次シールを設け、二次シールと三次シールとの間の空間をポンプ吸込側と導通した（１）に記載の軸シール。
（３）一次シールとベローズ型軸シールとの間の空間をポンプ吸込側と導通し、ポンプ側からベローズ型軸シール側への流体の流入を抑制する一方向性構造の一次シールを備えた（１）に記載の軸シール。
（４）ベローズ型軸シールと補助軸シールとの間の空間に液体を封入した、または／および一次シールとベローズ型軸シールとの間の軸とシリンダーの摺動部に無方向性構造の四次シールを設け、ベローズ型軸シールと四次シールとの間の空間に液体を封入した（１）〜（３）のいずれかに記載の軸シール。

本発明の軸シールは、ベローズ型軸シール部を有し、ポンプ側と大気側を完全にシールしているので内部流体の大気側への漏れはない。ベローズの破壊は、ベローズの大気側とポンプ側に圧力差が生じ、ベローズが軸の往復動に伴う変形とは異なる変形を受けることで、ベローズに強い剪弾力が働く場合に生ずる。このベローズの大気側とポンプ側に圧力差ベローズに異常圧力が加わった場合以外にも、ベローズが軸の往復動に伴うベローズ近傍の構成要素の運動による閉空間の容積変化による圧力の変化にもよる。本発明の軸シールは、ベローズに加わる圧力差を低減するために、閉空間の容積変化によるポンプ作用を用いること、およびベローズの大気側空間に非圧縮性の液体を封入し、ポンプの往復動によっても流体が封止された空間の容積を変化させないで、ベローズのポンプ側から高圧または異常圧がかかっても非圧縮性の液体が体積変化しないのでベローズの変形を防ぐことができる。すなわち、ベローズには圧縮荷重はかかっても剪断荷重はかからないのでベローズの異常変形および破損を防ぐことができる。

本発明の軸シールを、図１を参照にしながら説明する。図１のａ図、ｂ図は、本発明の軸シールの１態様の説明図である。ベローズ型軸シール部分を中心に表しており、下がポンプ側、上が大気側、かつ駆動部側である。そして、軸１が左側、シリンダー２が右側である。補助軸シール６を介して大気側と導通しているベローズ室３と、一次シール８を介してポンプ側と導通しているベローズ室４の間にベローズ５が設置されている。ａ図はピストンが最も下がった位置（下死点という。）であり、ｂ図はピストンが最も上がった位置（上死点という。）を表している。ベローズ５は下死点で最も伸びており、上死点で最も縮んでいる。ベローズ５は、説明の簡略化の為つづら折れ状の線としているが、ベローズの役目を果たす材質、構造ならどのようなものでもよい。ポンプの内部流体の性質、内部流体の圧力、温度、軸シールの製造の容易性などを考慮して最適な材料、構造を選べばよい。一般に、金属ベローズとして使用される円錐台状の板を交互に重ねた波形のベローズやテフロン（登録商標）を切削加工して作られたコの字形に近いベローズ、樹脂を成形して作成したベローズなどが利用しやすい。

本発明で注意を要するのは、シリンダー２に設置されている補助軸シール６に接する軸１の直径である。この部分の軸１の直径をベローズ５の有効直径と等しくすることが必要である。ベローズ５の有効直径とは、ベローズ５の上端と下端の水平面と、ベローズ５の蛇腹状の円周部分、例えば円錐台状の板を交互に重ねたもの、とが作る略円柱（蛇腹状円柱という）の体積をこの蛇腹状円柱の高さで除したものを円の面積とみなして、その円の直径に相当する長さである。すなわち、有効直径は、この蛇腹状円柱を円柱とみなして体積を出すための仮想的な直径である。図１では、この有効直径をベローズ室のベローズの部分に線７で表している。この有効直径７は、ポンプのピストン、すなわち軸１の往復動、さらに連動しているベローズ５の伸縮に対して変化しない。そこで、ベローズ室３の上部にある補助軸シール６に接する軸１の直径を、ベローズ５の有効直径７と同じにすれば、補助軸シール６とベローズ５で仕切られたベローズ室３の容積は軸の往復動にかかわらず一定に保つことができる。言い換えれば、ベローズ室３は軸の往復動があっても容積、圧力とも変化しない。すなわち、大気側のベローズ室３に圧力変化が起こってベローズが破損することはない。よって、ポンプ内部流体、より正確にはポンプ側ベローズ室４の圧力とベローズ室３の圧力との差圧に耐えるベローズの構造であれば、ベローズ５はベローズ室３の圧力変化に起因する圧力差により破損することがない。

なお、図１のでは、補助軸シール６は、シリンダー２側に設置され、軸１とは摺動する構造で表しているが、逆に補助軸シール６が、軸１側に設置され、シリンダー２と摺動する構造でもよい。この場合は上述の、「シリンダー２に設置されている補助軸シール６に接する軸１の直径である。この部分の軸１の直径をベローズ５の有効直径と等しくすることが必要である。」との記述を「軸１に設置されている補助軸シール６に接するシリンダー２の直径である。この部分のシリンダー２の直径をベローズ５の有効直径と等しくすることが必要である。」と読み替えればよい。また、補助軸シール６は、どのような構造のシールでもよいが、例えばグランドパッキン、Ｏリングや、Ｖパッキン、リップシール、スプリング付きリップシールなど一方向性構造のシールを組み合わせても使用できる。なお、補助軸シール６は、流体の封止性に特に方向性のあるシールの必要はなく、グランドパッキン、Ｏリングなどが好適である。

図１のｃ図，ｄ図も、本発明の軸シールの１態様である。ａ図，ｂ図と同じような構造であるが、ベローズが上部で軸と接合しており、下部でシリンダーと接合している点がａ図，ｂ図と異なっている。そのため、大気側のベローズ室３がシリンダー側にあり、ポンプ室流体側のベローズ室４が軸側になる。また、ピストンはｃ図の場合に最上部（上死点）にあり、ｄ図の場合に最下部（下死点）となる。大気側ベローズ室３の位置は上記ａ図，ｂ図の説明と反対になるが、上述と同様ベローズ５の有効直径と補助軸シール６に接する軸の直径とを等しくすれば上述と同じ効果が得られる。

ここまでは、本発明の軸シールの大気側のベローズ室３を中心に説明してきたが、ポンプ側のベローズ室４についても同じことが言える。図１のａ図，ｂ図で説明すれば一次シール８が補助軸シール６と同じように内部流体とベローズ室４とを隔離している。そして、軸の往復動、すなわちベローズ５の伸縮によるベローズ室４の容積変化および圧力変化はない。これにより、ベローズ５は伸縮による大気側、ポンプ側の差圧の変化はほとんどなく、ベローズ５に対するポンプ往復動による圧力変化に起因する破損のおそれがさらに小さくなる。この一次シール８は、ベローズ室４側への流体の流入を抑止するような一方向性構造であればどのような構造のシールでもよいが、構造の比較的簡単なＶパッキン、リップシール、スプリング付きリップシールなどが経済的で好適である。なお、通常は、一次シール８としては、ポンプ側の圧力がベローズ室４側の圧力より高いので、Ｖパッキン、リップシール等逆止弁的機能のあるのシールをベローズ室４側への流体の流入を抑止するような一方向性構造に設置する。

さらに、望ましい態様として図２のｅ図，ｆ図に示す構造がある。上記図１のｃ図，ｄ図に示した軸シールの構造に付加して、一次シール８よりもポンプ側の軸１の直径を一次シール部の軸１の直径と変化させ、変化した軸１とシリンダー２の摺動部に二次シール９を設ける。ちなみに、図２では、軸１の直径を細く変化させている。一次シール８と二次シール９との間の空間を減圧室１２とし、一次シール８は減圧室１２側からベローズ室４側への流体の流入を抑制するとともにベローズ室４から減圧室１２側へ流体を流出させる一方向性構造とし、二次シール９はポンプ側から減圧室１２側への流体の流入を抑制するとともに減圧室１２からポンプ側へ流体を流出させる一方向性構造とする。さらに、二次シール９よりもポンプ側の軸１とシリンダー２の摺動部に三次シール１０を設け、二次シール９と三次シール１０との間の空間にポンプ吸込側との導通路１１を設け、この空間の圧力をポンプ吸入側と同じくする。一次シール８は減圧室１２側からベローズ室４側への流体の流入を抑制する一方向性構造とし、二次シール９はポンプ側から減圧室１２側への流体の流入を抑制する一方向性構造とする。

これにより、軸の往復動に伴って、ベローズ室４および減圧室１２は、ポンプの圧縮工程においても圧力上昇が抑えられる。減圧室１２は、減圧室４に比べて高い圧縮比を持つため、ポンプの一方向性シールと組み合わせると往復導運動により、減圧室１２、さらにはベローズ室４を減圧にすることができる。これにより、ポンプ吸入部の圧力が大気圧より高くても、ベローズ室４の圧力を大気圧近く、またはそれ以下にすることができ、ベローズ室４とベローズ室３の圧力差を０．１ＭＰａ以下とすることができる。さらに、二次シール９と三次シール１０の間の空間はポンプ吸込側と導通しているのでポンプ吸込側の圧力より高くなることはない。よって、ベローズ室４は常にポンプ吸込口の圧力より高くなることはない。このようにすれば、ベローズ室４の圧力はさらに安定し、ベローズ５の破損の恐れはますます小さくなる。二次シール９についても、一次シール８と同様に材質、構造はポンプで操作される流体の性質、圧力、温度等に応じて適宜選択すればよい。例えば、簡便なＶパッキン、リップシール、スプリング付きリップシール等逆止弁的機能のあるシールを、ポンプ側からの内部流体の流入を抑制する一方向性構造にして設けることが望ましい。また、三次シール１０は上記補助軸シール６と同様どのようなシールでもよい。例えばＯリング、ピストンリング、Ｖパッキン、リップシール、スプリング付きリップシール、ロッドパッキンなどが簡便で好都合である。また、説明図ではシールは、シリンダー側に設置し軸と摺動するように示しているが、軸側に設置しシリンダーと摺動するようにしてもよい。

上記態様の軸シールより簡易な軸シールとして、一次シール８、二次シール９、減圧室１２を省いた構造の軸シールも有効な軸シールである。この場合は、図２では三次シール１０で示されているが、機能上は一次シールであり、例えば、簡便なＶパッキン、リップシール、スプリング付きリップシール等逆止弁的機能のあるシールをポンプ側からの流入を重点的に抑制する一方向性構造にして設けることが望ましい。これにより、ベローズ室４の圧力が常にポンプの吸込側圧力より高くなることはない。

さらに好適な軸シールの態様として、上記ベローズ室３と補助シール６とが作る空間、および／またはベローズ室４と軸１の一次シール８のベローズ室４側に設けた四次シールとが作る空間に液体を封入することが望ましい。液体は、非圧縮性で、使用温度範囲で気化し難く、熱膨張の少ないものが好ましい。液体としては、潤滑油のように補助軸シール６から大気側へ漏れ難い性質のものが好ましい。しかし、あまり粘度が高いと軸の往復動やベローズの伸縮の抵抗になるので、ピストンの往復導速度等も勘案して液体を選択する必要がある。通常は機械油などを用いればよいが、液化ガスのように低温環境でのポンプの使用では、ベローズ室の温度に即した液体の選定にも注意が必要である。なお、ベローズ室４に液体を封入する場合は、軸１の一次シール８のベローズ室４側に四次シールを設ける。四次シールは、補助軸シールと同様どのようなシールでもよいが、グランドパッキンなどのシール機能に方向性のない無方向性のシールが望ましい。

また、一次シール８、二次シール９および三次シール１０、および四次シールはピストン軸に設置しなくとも、ピストンに設置されていてもよい。また、ポンプとピストンの区別がないプランジャーポンプのような場合には、本発明で説明した軸はプランジャーの意味である。

参考例

本発明の参考例である軸シールについて例示する。図３は、液体水素用プランジャーポンプの軸シールの断面図である。図示していないが、下部に液体水素用のポンプ部があり、およそ−２５３℃に冷却保温されている。上部には、図示していないがプランジャーの駆動装置がある。図において、中心線の左側はプランジャーが下死点の状態を示している。中心線の右側は、プランジャーが上死点の状態を示している。ベローズ５は金属製のベローズであり、補助軸シール６は常温のＯリングである。また、一次シール８および二次シール９は、Ｖパッキンを用い、三次シール１０はピストンリングなどのシールである。一次シール８および二次シール９は内部流体の水素がポンプ側からベローズ型軸シール部へ流入することを抑制する一方向性構造に設置してある。導通路１１は、全部は図示していないがポンプ吸込部に繋がっている。このような軸シールは、ポンプ圧縮工程においても、圧縮された水素が三次シール１０を通過しても導通路１１を通って吸入部に戻り、二次シール９と三次シール１０との間の空間はポンプ吸入側の圧力より高くなることはない。また、減圧室１２は、ベローズ室４側から二次シール９と三次シール１０との間の空間側へと流体を排出するポンプの機能を持っている。すなわち、ベローズ室４の流体は、減圧室１２へと排出され、減圧室１２の流体は二次シール９と三次シール１０との間の空間側へと排出される。よって、ベローズ室４は減圧室１２の圧力以下、さらに吸入口の圧力以下に保たれる。

一方、ベローズ５より大気側の空間であるベローズ室３は、ベローズの有効直径（Ｂ）と補助軸シール６と接する部分の軸１の直径が同じになっているので、ピストンの往復動に対してその容積が変わらない。すなわち、ベローズ５がポンプ往復動による伸縮変形のみで、ポンプ側ベローズ室４の圧力変動等による変形をしなければ、大気側ベローズ室３は、常に一定圧力に保たれる。つまり、ベローズ５の両側にかかる差圧はピストンの動きにかかわらず、一定であり、ベローズの両側の圧力差による破損の恐れはなくなる。ベローズ５の両側にかかる差圧が大きいときには、大気側ベローズ室３に補助シール６から漏れ難い潤滑油等を満たすことで、ポンプ側ベローズ室４と同じ程度の圧力の反力がかかるため、ベローズ５の両側に同じ圧力がかかるため差圧はほぼ０となる。

本発明の軸シールは、複雑なシール機構を設けることなく、各種の往復動ポンプ、特に内部流体の漏れを確実に防止し、高圧の内部流体を取り扱う往復動ポンプに適している。

図１は、本発明の軸シールの説明図である。図２は、本発明の軸シールの他の態様の説明図である。図３は、本発明の参考例となる軸シールの説明用断面図である。

ａ：大気側ベローズ室が軸側にある場合の、本発明の軸シールのピストンが上死点にある状態の説明図
ｂ：大気側ベローズ室が軸側にある場合の、本発明の軸シールのピストンが下死点にある状態の説明図
ｃ：大気側ベローズ室がシリンダー側にある場合の、本発明の軸シールのピストンが上死点にある状態の説明図
ｄ：大気側ベローズ室がシリンダー側にある場合の、本発明の軸シールのピストンが下死点にある状態の説明図
ｅ：図１のｃ図に減圧室を付加した場合の、本発明の軸シールのピストンが下死点にある状態の説明図
ｆ：図１のｄ図に減圧室を付加した場合の、本発明の軸シールのピストンが下死点にある状態の説明図
Ａ：補助軸シール部の軸の直径
Ｂ：ベローズの有効直径
Ｃ：ベローズ部の軸の直径
Ｄ：二次シール部の軸の直径
１：軸
２：シリンダー
３：大気側ベローズ室
４：ポンプ側ベローズ室
５：ベローズ
６：補助軸シール
７：ベローズの有効直径を表す仮想線
８：一次シール
９：二次シール
１０：三次シール
１１：導通路
１２：減圧室

Claims

ベローズ型軸シールを有する往復動ポンプにおいて、ベローズ型軸シール部よりも大気側の軸とシリンダーの摺動部に補助軸シールを設け、該補助軸シールに接する部分の軸またはシリンダー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ーの摺動部に一次シールを設け、該一次シールに接する部分の軸またはシリンダーの直径をベローズの有効直径と等しくした往復動ポンプの軸シール。
一次シールよりもポンプ側の軸直径を一次シール部の軸直径と変化させ、直径を変化した軸とシリンダーの摺動部に二次シールを設け、ポンプ往復動により一次シールと二次シールとの間に形成される空間を減圧室とし、一次シールは該減圧室側からベローズ型軸シール側への流体の流入を抑制する一方向性構造とし、二次シールはポンプ側から減圧室側への流体の流入を抑制する一方向性構造とし、二次シールよりもポンプ側の軸とシリンダーの摺動部に無方向性構造の三次シールを設け、二次シールと三次シールとの間の空間をポンプ吸込側と導通した請求項１に記載の軸シール。
一次シールとベローズ型軸シールとの間の空間をポンプ吸込側と導通し、ポンプ側からベローズ型軸シール側への流体の流入を抑制する一方向性構造の一次シールを備えた請求項１に記載の軸シール。
ベローズ型軸シールと補助軸シールとの間の空間に液体を封入した、および／または一次シールとベローズ型軸シールとの間の軸とシリンダーの摺動部に無方向性構造の四次シールを設け、ベローズ型軸シールと四次シールとの間の空間に液体を封入した請求項１〜３のいずれかに記載の軸シール。