JP2006057610A5 - - Google Patents
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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。 The present invention relates to a shaft seal, and more particularly to a shaft seal including a bellows type shaft seal that can also be used for a high-pressure reciprocating pump.
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。 In general, a reciprocating pump (a pump represents a general device for compressing and transferring a fluid, and includes a pump for liquid, a compressor for gas, a compressor, etc. The same shall apply hereinafter) is a piston or a piston rod (piston, plunger, And the piston rod together may be referred to as a shaft.) Has a shaft seal, thereby sealing the fluid in the pump from the atmosphere. Usually, as a shaft seal of a reciprocating pump, a gland packing, a V packing, a lip seal, a labyrinth type piston rod packing, a segment type piston rod packing or the like is used. However, these seals are mechanisms that seal while allowing the shaft and cylinder to slide, and since there is a sliding portion in the portion that seals the fluid, it is difficult to completely seal the internal fluid from the atmosphere. . In particular, when the internal fluid is in a gaseous state and has a high pressure, the leakage cannot be completely prevented structurally. The oil seal is not suitable for high pressure, and the oil-filled segmented piston rod packing is excellent in preventing fluid leakage, but requires oil circulation, and the seal structure is complicated and large. On the other hand, the diaphragm or bellows seal is a relatively simple seal that completely seals the internal fluid, and since it does not have a sliding portion, it can completely prevent leakage. However, the diaphragm has a small displacement and is not suitable for a large stroke. Due to its structure and material, if the pressure of the internal fluid is high, the bellows will break, and the pressure of the internal fluid that can normally be used for the bellows seal is about 0.3 MPa. Until now. For this reason, various studies have been made. For example, Patent Document 1 discloses a method of using a special lip seal structure for a shaft seal mechanism of a high-pressure compressor. However, although it is effective when the internal fluid is a harmless gas such as air, it is difficult to use it for hydrogen or the like where a small amount of leakage is not allowed.
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。 An object of the present invention is to provide a bellows-type shaft seal that can completely seal leakage of high-pressure internal fluid into the atmosphere in a shaft seal of a reciprocating pump.
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。
In order to solve the above problems, the present inventors have invented the following shaft seal in which an auxiliary seal or the like is combined with a bellows type shaft seal.
(1) In a reciprocating pump having a bellows type shaft seal, an auxiliary shaft seal is provided on a shaft on the atmosphere side of the bellows type shaft seal portion and a sliding portion of the cylinder, and the shaft or cylinder of the portion in contact with the auxiliary shaft seal Make the diameter equal to the effective diameter of the bellows, provide a primary seal on the pump side shaft and cylinder sliding part from the bellows type shaft seal part, and set the diameter of the shaft or cylinder in contact with the primary seal to the effective diameter of the bellows Shaft seal for reciprocating pumps equal to
(2) The shaft diameter on the pump side with respect to the primary seal is changed to the shaft diameter of the primary seal part, and the secondary seal is provided on the sliding part of the shaft and the cylinder where the diameter is changed. The space formed with the seal is a decompression chamber, the primary seal has a unidirectional structure that suppresses the inflow of fluid from the decompression chamber side to the bellows shaft seal side, and the secondary seal is from the pump side to the decompression chamber. A unidirectional structure that suppresses the inflow of fluid to the side, and a tertiary seal with a non-directional structure is provided on the shaft and cylinder sliding part on the pump side of the secondary seal, between the secondary seal and the tertiary seal. The shaft seal according to (1), wherein the space is electrically connected to the pump suction side.
(3) A primary seal having a unidirectional structure that conducts the space between the primary seal and the bellows type shaft seal to the pump suction side and suppresses the inflow of fluid from the pump side to the bellows type shaft seal side is provided ( The shaft seal according to 1).
(4) A liquid is sealed in the space between the bellows type shaft seal and the auxiliary shaft seal, and / or the non-directional structure of the shaft and cylinder sliding part between the primary seal and the bellows type shaft seal is four. The shaft seal according to any one of (1) to (3), wherein a secondary seal is provided, and a liquid is sealed in a space between the bellows-type shaft seal and the quaternary seal.
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。 The shaft seal of the present invention has a bellows type shaft seal portion and completely seals the pump side and the atmosphere side, so that there is no leakage of the internal fluid to the atmosphere side. The bellows breakage occurs when a pressure difference is generated between the air side and the pump side of the bellows, and the bellows undergoes a deformation different from the deformation accompanying the reciprocating movement of the shaft, and thus a strong scavenging force acts on the bellows. In addition to the case where an abnormal pressure is applied to the pressure difference bellows between the air side and the pump side of the bellows, the bellows also changes in pressure due to the volume change of the closed space due to the movement of the components near the bellows due to the reciprocating movement of the shaft. According. The shaft seal of the present invention uses a pump action due to the volume change of the closed space in order to reduce the pressure difference applied to the bellows, and encloses an incompressible liquid in the atmosphere side space of the bellows, thereby reciprocating the pump. Therefore, it is possible to prevent deformation of the bellows because the volume of the incompressible liquid does not change even when high pressure or abnormal pressure is applied from the pump side of the bellows without changing the volume of the space in which the fluid is sealed. In other words, even if a compressive load is applied to the bellows, no shear load is applied, so that abnormal deformation and breakage of the bellows can be prevented.
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。 The shaft seal of the present invention will be described with reference to FIG. FIGS. 1a and 1b are explanatory views of one embodiment of the shaft seal of the present invention. The bellows type shaft seal portion is mainly shown, the lower side is the pump side, the upper side is the atmosphere side, and the drive unit side. The shaft 1 is on the left side and the cylinder 2 is on the right side. A bellows 5 is installed between the bellows chamber 3 that is in communication with the atmosphere side via the auxiliary shaft seal 6 and the bellows chamber 4 that is in communication with the pump side via the primary seal 8. Figure a shows the position where the piston is lowered most (referred to as bottom dead center), and Figure b shows the position where the piston is raised most up (referred to as top dead center). Bellows 5 is the most extended at the bottom dead center and the most contracted at the top dead center. The bellows 5 is a bent line for simplification of description, but any material or structure that serves as a bellows may be used. The optimum material and structure may be selected in consideration of the nature of the internal fluid of the pump, the pressure and temperature of the internal fluid, and the ease of manufacturing the shaft seal. In general, corrugated bellows, which are used as metal bellows, and corrugated bellows, a bellows close to a U-shape made by cutting Teflon (registered trademark), and a bellows made by molding resin Etc. are easy to use.
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。 What should be noted in the present invention is the diameter of the shaft 1 in contact with the auxiliary shaft seal 6 installed in the cylinder 2. It is necessary to make the diameter of the shaft 1 in this part equal to the effective diameter of the bellows 5. The effective diameter of the bellows 5 is a substantially cylindrical shape (a bellows-like cylinder) formed by alternately stacking bellows 5 on the horizontal surface of the bellows 5 and a bellows-like circumferential portion of the bellows 5, for example, a truncated cone-like plate. Is the length corresponding to the diameter of the circle. In other words, the effective diameter is an imaginary diameter for taking the bellows-like cylinder as a cylinder and taking out the volume. In FIG. 1, this effective diameter is represented by a line 7 in the bellows portion of the bellows chamber. The effective diameter 7 does not change with respect to the pump piston, that is, the reciprocating motion of the shaft 1 and the expansion / contraction of the bellows 5 that is interlocked. Therefore, if the diameter of the shaft 1 in contact with the auxiliary shaft seal 6 at the upper part of the bellows chamber 3 is the same as the effective diameter 7 of the bellows 5, the volume of the bellows chamber 3 partitioned by the auxiliary shaft seal 6 and the bellows 5 is It can be kept constant regardless of the reciprocation of the shaft. In other words, the bellows chamber 3 does not change in volume or pressure even if the shaft reciprocates. That is, a change in pressure does not occur in the bellows chamber 3 on the atmosphere side and the bellows is not damaged. Therefore, if the bellows structure can withstand the pressure inside the pump, more precisely, the pressure difference between the pressure in the pump side bellows chamber 4 and the pressure in the bellows chamber 3, the bellows 5 has a pressure difference caused by the pressure change in the bellows chamber 3. Will not be damaged.
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。 In FIG. 1, the auxiliary shaft seal 6 is installed on the cylinder 2 side and is slid with the shaft 1, but conversely, the auxiliary shaft seal 6 is installed on the shaft 1 side and the cylinder The structure which slides with 2 may be sufficient. In this case, “the diameter of the shaft 1 in contact with the auxiliary shaft seal 6 installed in the cylinder 2 is necessary. It is necessary to make the diameter of the shaft 1 in this portion equal to the effective diameter of the bellows 5.” "The diameter of the cylinder 2 in contact with the auxiliary shaft seal 6 installed on the shaft 1 is read. It is necessary to make the diameter of the cylinder 2 in this portion equal to the effective diameter of the bellows 5." Just do it. The auxiliary shaft seal 6 may be any type of seal, but may be used in combination with a seal having a unidirectional structure such as a gland packing, an O-ring, a V packing, a lip seal, or a lip seal with a spring. The auxiliary shaft seal 6 is not required to have a particularly directional seal for fluid sealing, and a gland packing, an O-ring or the like is suitable.
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。 FIG. 1 c and FIG. D are also one embodiment of the shaft seal of the present invention. The structure is the same as in FIGS. a and b except that the bellows is joined to the shaft at the upper part and joined to the cylinder at the lower part. Therefore, the bellows chamber 3 on the atmosphere side is on the cylinder side, and the bellows chamber 4 on the fluid side of the pump chamber is on the shaft side. Further, the piston is at the uppermost part (top dead center) in the case of FIG. C, and is at the lowest part (bottom dead center) in the case of FIG. Although the position of the atmosphere side bellows chamber 3 is opposite to that described in FIGS. A and b, the same effect as described above can be obtained if the effective diameter of the bellows 5 and the diameter of the shaft in contact with the auxiliary shaft seal 6 are equal. can get.
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。 Up to this point, the description has focused on the bellows chamber 3 on the atmosphere side of the shaft seal of the present invention, but the same can be said for the bellows chamber 4 on the pump side. 1A and 1B, the primary seal 8 isolates the internal fluid and the bellows chamber 4 in the same manner as the auxiliary shaft seal 6. FIG. There is no volume change or pressure change of the bellows chamber 4 due to reciprocation of the shaft, that is, expansion and contraction of the bellows 5. Thereby, the bellows 5 hardly changes in the differential pressure between the air side and the pump side due to expansion and contraction, and the possibility of damage due to the pressure change due to the reciprocating pump with respect to the bellows 5 is further reduced. The primary seal 8 may be a seal of any structure as long as it is a unidirectional structure that suppresses the inflow of fluid to the bellows chamber 4 side, but a V packing, a lip seal, a spring having a relatively simple structure. An attached lip seal is economical and suitable. Normally, as the primary seal 8, since the pressure on the pump side is higher than the pressure on the bellows chamber 4 side, a seal having a check valve function such as a V-packing or lip seal is used as a fluid for the bellows chamber 4 side. Install in a unidirectional structure to prevent inflow.
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。 Furthermore, as a desirable mode, there is a structure shown in FIG. In addition to the structure of the shaft seal shown in FIGS. 1c and 1d above, the diameter of the shaft 1 on the pump side with respect to the primary seal 8 is changed to the diameter of the shaft 1 of the primary seal portion, and the changed shaft 1 A secondary seal 9 is provided on the sliding portion of the cylinder 2. Incidentally, in FIG. 2, the diameter of the shaft 1 is changed thinly. The space between the primary seal 8 and the secondary seal 9 is a decompression chamber 12, and the primary seal 8 suppresses the inflow of fluid from the decompression chamber 12 side to the bellows chamber 4 side and from the bellows chamber 4 to the decompression chamber 12 side. The secondary seal 9 has a unidirectional structure that suppresses the inflow of fluid from the pump side to the decompression chamber 12 side and allows the fluid to flow from the decompression chamber 12 to the pump side. Further, a tertiary seal 10 is provided in the sliding portion between the shaft 1 and the cylinder 2 on the pump side relative to the secondary seal 9, and a conduction path 11 to the pump suction side is provided in the space between the secondary seal 9 and the tertiary seal 10. The pressure in this space is the same as the pump suction side. The primary seal 8 has a unidirectional structure that suppresses the inflow of fluid from the decompression chamber 12 side to the bellows chamber 4 side, and the secondary seal 9 has a unidirectional property that suppresses the inflow of fluid from the pump side to the decompression chamber 12 side. Structure.
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。 Thereby, with the reciprocation of the shaft, the bellows chamber 4 and the decompression chamber 12 are restrained from increasing in pressure even in the pump compression process. Since the decompression chamber 12 has a higher compression ratio than the decompression chamber 4, the decompression chamber 12 and further the bellows chamber 4 can be decompressed by a reciprocating motion when combined with a one-way seal of the pump. Thereby, even if the pressure of the pump suction part is higher than the atmospheric pressure, the pressure in the bellows chamber 4 can be made close to or lower than the atmospheric pressure, and the pressure difference between the bellows chamber 4 and the bellows chamber 3 is 0.1 MPa or less. It can be. Further, since the space between the secondary seal 9 and the tertiary seal 10 is electrically connected to the pump suction side, it does not become higher than the pressure on the pump suction side. Therefore, the bellows chamber 4 does not always become higher than the pressure of the pump suction port. In this way, the pressure in the bellows chamber 4 is further stabilized, and the risk of damage to the bellows 5 becomes smaller. The material and structure of the secondary seal 9 may be appropriately selected according to the nature, pressure, temperature, etc. of the fluid operated by the pump, as with the primary seal 8. For example, it is desirable to provide a seal having a check valve function, such as a simple V-packing, lip seal, or lip seal with a spring, with a unidirectional structure that suppresses the inflow of internal fluid from the pump side. The tertiary seal 10 may be any seal similar to the auxiliary shaft seal 6. For example, an O-ring, piston ring, V packing, lip seal, lip seal with spring, rod packing, etc. are convenient and convenient. Further, in the explanatory diagram, the seal is shown to be installed on the cylinder side and slides with the shaft, but may be installed on the shaft side and slide with the cylinder.
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。 As a simpler shaft seal than the shaft seal of the above aspect, a shaft seal having a structure in which the primary seal 8, the secondary seal 9, and the decompression chamber 12 are omitted is also an effective shaft seal. In this case, although shown by the tertiary seal 10 in FIG. 2, it is a primary seal in terms of function. For example, a seal having a check valve function such as a simple V-packing, lip seal, or spring-loaded lip seal is pumped. It is desirable to provide a unidirectional structure that mainly suppresses inflow from the side. Thereby, the pressure of the bellows chamber 4 does not always become higher than the suction side pressure of the pump.
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。 As a more preferable mode of the shaft seal, a space formed by the bellows chamber 3 and the auxiliary seal 6 and / or a space formed by the bellows chamber 4 and the quaternary seal provided on the side of the bellows chamber 4 of the primary seal 8 of the shaft 1 is formed. It is desirable to enclose the liquid. The liquid is preferably incompressible, hardly vaporized in the temperature range of use, and has little thermal expansion. As the liquid, it is preferable to use a liquid that does not easily leak from the auxiliary shaft seal 6 to the atmosphere side, such as lubricating oil. However, if the viscosity is too high, resistance to reciprocation of the shaft and expansion / contraction of the bellows will cause resistance. Therefore, it is necessary to select the liquid in consideration of the reciprocating speed of the piston. Normally, machine oil or the like may be used. However, when a pump is used in a low temperature environment such as liquefied gas, it is necessary to pay attention to selection of a liquid in accordance with the temperature of the bellows chamber. When liquid is sealed in the bellows chamber 4, a quaternary seal is provided on the side of the bellows chamber 4 of the primary seal 8 of the shaft 1. The quaternary seal may be any seal similar to the auxiliary shaft seal, but a non-directional seal having no directionality in the sealing function such as a gland packing is desirable.
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。 Further, the primary seal 8, the secondary seal 9, the tertiary seal 10, and the quaternary seal may not be installed on the piston shaft, but may be installed on the piston. In the case of a plunger pump where there is no distinction between the pump and the piston, the shaft described in the present invention means the plunger.
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。 A shaft seal which is a reference example of the present invention will be illustrated. FIG. 3 is a cross-sectional view of the shaft seal of the liquid hydrogen plunger pump. Although not shown, a liquid hydrogen pump unit is provided at the lower portion, and is cooled and kept at approximately -253 ° C. At the top is a plunger drive, not shown. In the figure, the left side of the center line shows the state where the plunger is at the bottom dead center. The right side of the center line indicates that the plunger is at the top dead center. The bellows 5 is a metal bellows, and the auxiliary shaft seal 6 is an O-ring at room temperature. The primary seal 8 and the secondary seal 9 use V packing, and the tertiary seal 10 is a seal such as a piston ring. The primary seal 8 and the secondary seal 9 are installed in a unidirectional structure that suppresses the flow of internal fluid hydrogen from the pump side to the bellows-type shaft seal portion. Although not all shown, the conduction path 11 is connected to the pump suction portion. Even in the pump compression process, such a shaft seal returns to the suction portion through the conduction path 11 even if the compressed hydrogen passes through the tertiary seal 10, and the space between the secondary seal 9 and the tertiary seal 10. Will not be higher than the pressure on the pump suction side. The decompression chamber 12 has a function of a pump that discharges fluid from the bellows chamber 4 side to the space side between the secondary seal 9 and the tertiary seal 10. That is, the fluid in the bellows chamber 4 is discharged to the decompression chamber 12, and the fluid in the decompression chamber 12 is discharged to the space side between the secondary seal 9 and the tertiary seal 10. Therefore, the bellows chamber 4 is kept below the pressure of the decompression chamber 12, and further below the pressure of the suction port.
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。 On the other hand, in the bellows chamber 3, which is the space on the atmosphere side from the bellows 5, the effective diameter (B) of the bellows and the diameter of the shaft 1 in contact with the auxiliary shaft seal 6 are the same. The volume does not change. That is, the bellows chamber 3 is always kept at a constant pressure unless the bellows 5 is deformed only by expansion and contraction due to the pump reciprocation and is not deformed due to pressure fluctuation of the pump bellows chamber 4. That is, the differential pressure applied to both sides of the bellows 5 is constant regardless of the movement of the piston, and there is no risk of damage due to the pressure difference between the two sides of the bellows. When the differential pressure applied to both sides of the bellows 5 is large, filling the atmosphere-side bellows chamber 3 with lubricating oil that does not easily leak from the auxiliary seal 6 causes a reaction force with the same pressure as the pump-side bellows chamber 4. Since the same pressure is applied to both sides of 5, the differential pressure is almost zero.
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。 The shaft seal of the present invention is suitable for various reciprocating pumps, particularly for reciprocating pumps that reliably prevent leakage of internal fluid and handle high-pressure internal fluid without providing a complicated sealing mechanism.
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
a: Explanatory drawing of the state where the piston of the shaft seal of the present invention is at the top dead center when the atmosphere side bellows chamber is on the shaft side b: The shaft seal of the present invention when the atmosphere side bellows chamber is on the shaft side Fig. 3c is an explanatory diagram of a state where the piston is at bottom dead center c: An explanatory diagram of a state where the piston of the shaft seal of the present invention is at top dead center when the atmospheric side bellows chamber is on the cylinder side. Explanation e of the state where the piston of the shaft seal of the present invention is at the bottom dead center when it is on the cylinder side e: The piston of the shaft seal of the present invention is bottom dead when a decompression chamber is added to the figure c of FIG. Explanation of the state at the point f: Explanation of the state where the piston of the shaft seal of the present invention is at the bottom dead center when the decompression chamber is added to the d diagram of FIG. 1A: Diameter of the shaft of the auxiliary shaft seal portion B: Effective diameter of bellows C: Diameter of shaft of bellows part D: Of secondary seal part Shaft diameter 1: Shaft 2: Cylinder 3: Atmospheric side bellows chamber 4: Pump side bellows chamber 5: Bellows 6: Auxiliary shaft seal 7: Virtual line representing effective diameter of bellows 8: Primary seal 9: Secondary seal 10: Tertiary seal 11: Conduction path 12: Decompression chamber
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