JP4398326B2

JP4398326B2 - 往復動ポンプ軸シール

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Publication number: JP4398326B2
Application number: JP2004243323A
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: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2024-08-24
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Description

本発明は、往復動ポンプ軸シールに関し、さらに詳しくは液化ガス等の高圧流体に使用できる往復動ポンプのベローズ軸シールに関する。

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、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流体を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側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。オイルシールや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、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、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う。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程度までとされている。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。また、ベローズシールは軸の往復動に伴って、ベローズ部分の空間の容積が変わる。このため、低温のポンプ側から常温のベローズシール側へ、またはその逆方向に流体の移動が起こり、これによる熱移動すなわちポンプへの熱の流入が起こりやすい欠点もある。この軸方向での流体およびそれに伴う熱の移動を防ぐことによる流体の保冷をすることが課題でもあった。

特開２００３−２２２０７７号公報

本発明では、往復動ポンプの軸シールにおいて、高圧の内部流体の圧縮に利用でき、軸シール部における熱移動を抑えたベローズシールの開発を目的としている。

上記課題を解決するための第一の手段は、ベローズシールを有する複数の往復動ポンプにおいて、各ポンプのベローズシールより大気側の軸摺動部に補助シールを設け、補助シールとベローズとの間の空間を大気側空間とし、それぞれのポンプの大気側空間を導通路により導通し、一つのポンプの大気側空間が膨脹過程にあるとき、少なくとも他の一つのポンプの大気側空間が収縮過程にあり、導通しているすべてのポンプの大気側空間の容積の総和がポンプの往復動過程中一定であり、各ポンプのベローズシールよりポンプ側の軸摺動部に第二補助シールを設け、第二補助シールとベローズとの間の空間をポンプ側空間とし、それぞれのポンプのポンプ側空間を導通路により導通し、一つのポンプのポンプ側空間が膨脹過程にあるとき、少なくとも他の一つのポンプのポンプ側空間が収縮過程にあり、導通しているすべてのポンプのポンプ側空間の容積の総和がポンプの往復動過程中一定である軸シールである。好ましくは、前記大気側空間に液体を封入した上記軸シールである。

第二の手段は、ベローズシールを有する複数の往復動ポンプにおいて、各ポンプのベローズシールより大気側の軸に、ベローズの大気側の空間と導通し、軸の往復動に伴うベローズの大気側の空間の容積変化をシリンダーの容積変化で補う補助ポンプを備え、それぞれのポンプのベローズの大気側の空間を連結する連結路と、該連結路中にそれぞれのポンプのベローズの大気側の空間中の流体を隔離する弾性を有する隔離壁と、隔離壁の変位測定装置とを有し、ベローズの大気側の空間および補助ポンプのシリンダー内ならびに連結路に液体を封入した軸シールである。

本発明の軸シールは、ベローズシールを有し、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。また、本発明の軸シールは、軸の往復動に対しベローズシールの大気側部分の密閉空間の容積を一定に保ち、ベローズの伸縮によるベローズにかかる圧力変化をなくし、ベローズの破壊を防いでいる。または、軸の往復動に対しベローズシールのポンプ側部分の空間の容積を一定に保ち、軸の往復動によるポンプ側シール部空間の圧力を一定に保ち、圧力変動を小さくし、ベローズの変形、破損を防ぐこともできる。さらに、ベローズシール周辺とポンプ部分との流体の移動による熱移動が抑えられ、ポンプの作動により流体に熱流入による温度変化を与えない構造とできる。

本発明の第一の手段について説明する。本発明の往復動ポンプの軸シールは、二つ以上のベローズシールを有するポンプの軸シールを組み合わせて構成されている。説明は、まず基本的な構成である二つのポンプの軸シールの組み合わせで構成されている図１にしたがって進める。図１は、同じ形の二つのベローズシールａ，ｂが導通路により導通されている本発明のベローズシールの説明図である。

まず、ベローズシールの大気側空間について説明する。ベローズシールを有する二つの往復動ポンプにおいて、それぞれのベローズシールａ，ｂより大気側、すなわち図１においては上部側の軸摺動部に補助シール６ａ，６ｂを設ける。補助シール６ａ，６ｂとベローズ３ａ，３ｂとの間の空間を大気側空間４ａ，４ｂとする。大気側空間４ａ，４ｂを動通路８で導通する。ａのベローズシールとｂのベローズシールは、同じ形状のベローズシールである。そして、一方ａのベローズシールの大気側空間４ａが膨脹過程にあるとき、他方ｂのベローズシールの大気側空間４ｂが収縮過程にあるようにポンプすなわち軸１ａ，１ｂの往復動が制御されている。ベローズシールは、収縮または伸張に伴って、例えば、大気側空間４ａの容積が減少するとき、大気側空間４ｂの容積が増大する。そして、この容積の減少または増大は、ベローズシールの収縮または伸張の距離に比例する。それゆえ、収縮と伸張が反対の動きをしているベローズシールａ，ｂの大気側空間４ａ，４ｂを、導通路８で連通しておけば大気側空間４ａおよび４ｂの容積の総和がポンプの往復動運動過程中一定である。

軸シールをこのような組み合わせ構造とすることにより、ベローズシールの大気側空間４ａおよび４ｂの作る空間は、ポンプの往復動にかかわらず一定の容積に保たれ、その内部の流体が圧縮または膨脹することがない。すなわち、ポンプの往復動に対してベローズシールの大気側空間４ａおよび４ｂの作る空間は圧力変動を起こさない。このことは、少なくともベローズシールの大気側空間の圧力変動により、ベローズが往復動による伸縮の変形以外の圧力による剪断変形し、破損することがなくなることを意味している。この空間に非圧縮性流体を封入し、この空間の圧力をベローズのポンプ側の空間５ａ，５ｂと等しくしておけば、高圧流体を取り扱うポンプにおいてもベローズが異常変形、破損することがなくなる。仮に、ポンプ側の空間５ａ，５ｂに異常圧力が加わった場合でも、ベローズ３ａ，３ｂの大気側空間４ａ，４ｂが非圧縮性液体であれば圧力によっても容積変化しないので、ベローズが異常変形、破損することがなくなる。

上述の説明では、ａのベローズシールとｂのベローズシールは、同じ形状のベローズシールであるとしたが、必ずしも全く同じ形状とする必要はない。一方ａのベローズシールが収縮過程で減少していく大気側空間４ａの減少量に見合って、他方ｂのベローズシールの大気側空間４ｂが増加していく構造のベローズシールの組み合わせならよい。この場合、大気側空間４ａおよび４ｂの容積の和がポンプの往復動過程中一定となっている。

さらに、上述のベローズシールの組み合わせは、二つである必要もなく、三つ以上であってもよい。その場合も、それぞれのポンプは連動して往復動をしており、減少していく大気側空間の容積の減少量の総和と増加していく大気側空間の容積の増加量の総和とが常に等しいことが必要である。例えば、一つのベローズシールの大気側空間の容積の減少量の１／２づつ増加していく大気側空間容積を持ち、前記ベローズシールと往復動が逆になっているベローズシールが二つあり、これらが導通している構造の軸シールが挙げられる。勿論、それぞれの大気側空間は導通していることが必要である。導通の形態は、どのようなものでもよい。例えば、一つの導通路ですべての大気側空間を導通しても良いし、一つずつの大気側空間をそれぞれ別の導通路で導通していっても良い。このようなベローズシールの組み合わせは無限にあるが、通常は、同じ形状の軸シールを備えたポンプが、２つ、４つ、６つ組み合わせることが簡単で使いやすい。通常のポンプのように往復動を１サイクルとして１／２サイクル、１／４サイクル、１／６サイクルづつ各ポンプの往復動をずらしておけばよい。

ベローズ３ａ，３ｂは、図１では、説明の簡略化の為つづら折れ状の線としているが、どのような形態でもベローズの役目を果たす材質、構造ならよい。ベローズは、ベローズの伸縮距離に比例して大気側空間４ａ，４ｂの容積の増減量が変化する構造が好適である。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フッ素樹脂を切削加工して作られたコの字形に近いもの、熱可塑性樹脂を成形加工して曲率の反転する連続曲線上のものなどが利用しやすい。上記の構造のベローズは、ベローズの伸縮距離に比例して大気側空間の容積の増減量が変化し、本発明の好適なベローズシール用材料である。

補助軸シール６ａ，６ｂ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、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、Ｏリングなどが簡便で好都合である。なお、補助軸シール６ａ，６ｂ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、通常はグランドパッキン、Ｏリング、ロッドパッキンなどが利用しやすい。

つぎに、ポンプ側空間について説明する。図１に従って説明すれば、上述した大気側空間の容積を一定に保つ方法と同様の考え方で、導通路９により導通されているベローズシールのポンプ側空間５ａおよび５ｂの容積の和を一定に保ち、ベローズの伸縮によるポンプ側空間５ａおよび５ｂの圧力変化をなくす軸シールである。すなわち、二つのポンプのベローズシールよりもポンプ側の軸摺動部に、第二補助シール７ａ，７ｂを設け、それぞれのポンプの第二補助シール７ａ，７ｂとベローズ３ａ，３ｂとの間の空間をポンプ側空間５ａ，５ｂとする。ポンプ側空間５ａ，５ｂを導通路９により導通する。ベローズシールの特性上、上述のように大気側空間４ａ，４ｂが容積を補償し合う動きをするとき、ポンプ側空間５ａ，５ｂにおいても、一方ａのベローズシールのポンプ側空間５ａが膨脹過程にあるとき、他方ｂのベローズシールのポンプ側空間５ｂが収縮過程にあり、導通路９により導通している二つのポンプのポンプ側空間５ａおよび５ｂの容積の和がポンプの往復動過程中一定である軸シールとなる。本発明の軸シールは、ベローズの伸縮によるポンプ側空間の圧力変化がなくなり、少なくともベローズの伸縮に起因する圧力変動よる変形、破損はなくなる。第二補助シール７ａ，７ｂについても、補助シール６ａ，６ｂと同様のものを用いればよい。ただし、ポンプ内部流体と接触するので、シール選択の材質等について通常の注意は必要である。説明は、二つのポンプの場合で行ったが、上述の大気側空間での説明同様、三つ以上の軸シールや形状の異なる軸シールの組み合わせでも、導通しているすべてのベローズシールのポンプ側空間の容積の総和がポンプの往復動過程中一定であればよい。

上記大気側空間の手段とポンプ側空間の手段は重複して軸シールに設けることができるが、片方ずつ取り入れた軸シールとすることもでき、ベローズ両側の空間の圧力変動による破損は少なくなる。また、通常、大気側空間の圧力が小さいので、大気側空間に適当な流体を封入してポンプ側空間と圧力を同じにしておけば、ベローズの両側の圧力差がなくなり、ベローズ破損の心配はさらに小さくなる。封入流体としては、シール性のよい潤滑油などの液体が好適である。

本発明の軸シールは、ポンプ往復動に伴って、ポンプ側空間内の流体が、それぞれのベローズシールの導通されたポンプ側空間の間を流動するのみで、構造上補助軸シールを通ってポンプ側との間を流動することはないと考えられる。このことは、ポンプ側の流体の持つ熱が流体とともにベローズ側空間に直接は侵入してこない構造になっていることを示している。しかし、軸の往復動に伴い、流体と軸の伝導による熱移動は避けられない。そこで、図２に示すように、軸のベローズシールよりポンプ側、好ましくは導通路９よりポンプ側に断熱構造を設け、上記軸を介した熱の伝導による移動を抑えることが望ましい。例えば、第二補助シールとの摺動部の軸を発泡性材料や焼結金属等の断熱材として断熱構造とする。あるいは、第二補助シールまたはそれよりポンプ側のシリンダー壁との摺動部の軸を中空構造とし、さらにはその内部を真空として断熱性を高め、断熱構造の軸とすることが好ましい。断熱構造部の長さは、特に限定はないが、軸の往復動の距離より長いことが好ましい。さらに好ましい態様として、断熱構造の軸の摺動面と対するシリンダー壁も断熱構造とする方法がある。これにより、シリンダー壁側からの熱移動も防ぐことができる。なお、本発明の断熱構造の熱移動はポンプ側から軸シール側への移動として説明したが、逆に軸シール側からポンプ側への熱移動に対しても有効な断熱構造である。特に、ポンプ移送流体が低温の液化ガスなどの場合には有効な断熱構造ポンプ軸シールとなる。

さらに好ましい態様について説明する。通常、大気側空間は空気が満たされているが、ここに液体を封入した軸シールは好ましい態様である。液体は、空気に較べ粘性が高く補助シールのシール性を高める働きがある。液体は、流動性がよく導通路を流通しやすい液体が好ましい。しかし、補助軸シールではシール性を発揮できる粘度を持ち、摺動部の潤滑性を向上させるものがよい。例えば、通常の潤滑油などを温度や圧力、ベローズ等のシール材の材質などとの相性を考慮して使用するのが好適である。特に、上述の大気側空間の圧力を高める態様の軸シールにおいては、大気側空間に液体を封入した軸シールは非常に好ましい態様である。

本発明の第二の手段について説明する。まず、補助ポンプについて説明する。図３は、本手段に使用されるひとつのベローズシールの補助ポンプの形態および機能についての説明図である。ベローズシールを有する往復動ポンプにおいて、ベローズシールより大気側の軸１ａに、ベローズ３ａの大気側の空間４ａ’と連通し、軸の往復動に伴うベローズ３ａの大気側の空間４ａ’の容積変化、例えば減少をシリンダー１５ａの容積の変化、例えば増加で補う補助ポンプを有する軸シールである。ここで、シリンダー１５ａの容積の変化がベローズ３ａの大気側の空間４ａ’の容積変化を補う構造とは、大気側の空間４ａ’の容積とこれと連通しているシリンダー１５ａの容積との合計容積が、ほぼ一定であればよい。後述する弾性のある隔離壁１３が弾性変形でき、破損しない範囲内で少し変動する程度の容積変化があるほうが現実的であり、後述のベローズ破壊の検知にも好適である。すなわち、本手段では、ポンプ軸の往復動に伴って、大気側の空間４ａ’とシリンダー１５ａとの合計容積に上述した程度の容積変化が起こる状態をベローズ３ａの大気側の空間４ａ’の容積変化を補う構造と呼んでいる。ベローズ３ａの変形によっても対応できる容積変化である。

図３においては、ベローズシールのすぐ上にベローズシールに連接して、ポンプ軸１ａと軸を同じくする補助ポンプを有する。補助ポンプはシリンダー１５ａがベローズ３ａの大気側の空間４ａ’と連通している。補助ポンプのピストン１６ａは、軸１ａに設けられており、軸１ａと連動している。本発明で注意を要するのは、ベローズの大気側の空間４ａ’の断面積とシリンダー１５ａの断面積をほぼ等しくし、ベローズ往復動に伴う大気側の空間４ａ’の容積変化をシリンダー１５ａの容積変化で補うことができる構造である。具体的には、例えば、図３に示すように、ベローズシールと補助ポンプの部分で軸１ａの太さが変化しないとき、シリンダー１５ａの直径をベローズ３ａの有効直径とほぼ等しくすればよい。ベローズ３ａの有効直径とは、ベローズ３ａの上端と下端の水平面と、ベローズ３ａ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。この有効直径は、補助ポンプのピストン１６ａ、すなわち軸１ａの往復動、さらに連動しているベローズ３ａの伸縮に対して変化しない。

ベローズ３ａの大気側の空間４ａ’の上部にある補助ポンプのシリンダー１５ａの直径を、ベローズ３ａの有効直径とほぼ同じにすれば、補助ポンプのピストン１６ａとベローズ３ａとで区切られた空間の容積、すなわちベローズ３ａの大気側の空間４ａ’の容積とシリンダー１５ａの容積との和は、軸の往復動にかかわらずほぼ一定に保つことができる。言い換えれば、ベローズ３ａの大気側の空間４ａ’は軸の往復動があっても圧力もほとんど変化しない。すなわち、軸の往復動に起因するベローズ３ａの大気側の空間４ａ’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空間５ａの圧力とベローズ３ａの大気側の空間４ａ’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３ａは、軸の往復動に起因するベローズ３ａの大気側の空間４ａ’の圧力変化による圧力差で破損することがない。ポンプ側空間５ａの圧力とベローズ３ａの大気側の空間４の圧力との差が大きい場合は、ベローズ３ａの大気側の空間４ａ’に流体を封入して加圧し、ベローズ３ａの両側の圧力差を小さくすることが望ましい。

なお、図３では、ベローズ３ａの軸側が大気側と導通している構造であるが、ベローズ３ａのシリンダー壁側が大気側と導通している構造も考えられる。この場合は、補助ポンプのシリンダー１６ａの断面積から軸の断面積を差し引いた面積、すなわち補助ポンプのシリンダーの有効断面積を、ベローズシールの大気側と導通している空間の有効断面積とほぼ等しくなるようにすればよい。ベローズシールの大気側と導通している空間の有効断面積とは、ベローズシール部のシリンダーの断面積から上述のベローズの有効直径を直径とみなして計算したベローズの蛇腹状円柱の平均的断面積を差し引いた面積である。このようにすれば、軸１ａが往復動し、ベローズ３ａの大気側の空間４ａ’の容積が変化しても、補助ポンプのシリンダー１５ａがこの容積変化分を補い、ベローズ３ａの大気側の空間４ａ’の圧力変化は起こらない。よって、上述同様の効果が得られる。

さらに、ベローズ３ａの大気側の空間４ａ’および補助ポンプのシリンダー１５ａに上述したと同様、潤滑油等の液体を封入しておくことが好適である。また、ベローズ３ａの大気側の空間４ａ’および補助ポンプシリンダー１５ａ内の圧力をベローズのポンプ側の空間５ａ’と同じにしておけば、上記同様さらに好適である。また、ベローズ３ａの大気側の空間４ａ’または補助ポンプのシリンダー１５ａに圧力測定装置１２を付けておけば本発明の軸シールの異常を早急に発見でき好都合である。

本発明の第二の手段について上記補助ポンプの機能を踏まえて、図４に従って説明する。図４は本手段の例であり、上述の図３で説明した補助ポンプを備えた軸シールを有する二つの往復動ポンプのベローズの大気側の空間４ａ’，４ｂ’を連結路８ａ，８ｂにより連結し、該連結路中に弾性を有する隔離壁１３を設け、隔離壁に変位測定装置１４を設けた軸シールである。上記のような補助ポンプを備えた軸シールは、ポンプの往復動に対してベローズ３ａの大気側の空間４ａ’，４ｂ’の圧力変化はほとんど起こらないが、何らかの異常によりベローズが変形、破損などを起こした際、早急に発見することが必要である。その対策として、上述のベローズ３ａの大気側の空間４ａ’，４ｂ’または補助ポンプのシリンダー１６ａ内に圧力測定装置１２を付ける方法がある。しかし、複数のポンプを一組で使用する際には、一つひとつのポンプの軸シールに圧力測定装置１２を設けなくとも、ベローズの大気側の空間４を連結路８ａ，８ｂにより連結し、該連結路中に弾性変形可能な隔離壁１３を設け、隔離壁に変位測定装置１４を設けておけば、ベローズの破壊等大気側の空間４の変化に対し、変位測定装置１４の測定値の変化ですぐに発見できる。なお、弾性を有する隔離壁１３の材質は特に限定はない。ゴム、金属、プラスチックなどから封入流体の性質、温度、圧力等を勘案して適宜選択すればよい。

この場合も、ベローズ３ａ，３ｂの大気側の空間４ａ’，４ｂ’および補助ポンプシリンダー１６ａ，１６ｂならびに連結路８ａ，８ｂに上述したと同様、潤滑油等の非圧縮性液体を封入しておく。また、ベローズ３ａ，３ｂの大気側の空間４および補助ポンプシリンダー１６ａ，１６ｂ内の圧力をベローズのポンプ側空間５ａ’，５ｂ’と同じにしておけば、上記同様さらに好適である。

ベローズシールのポンプ側には、第一の手段と同様、各ポンプのベローズシールよりもポンプ側の軸摺動部に、第二補助シール７ａ，７ｂを設け、それぞれのポンプの第二補助シール７ａ，７ｂとベローズ３ａ，３ｂとの間の空間をポンプ側空間５ａ’，５ｂ’とし、ポンプ側空間５ａ’，５ｂ’を導通路９により導通しておく。ベローズシールの特性上、上述のようにベローズシールａとベローズシールｂとで大気側の空間４ａ’，４ｂ’がベローズの往復動に対し容積を補償し合う動きをするとき、ポンプ側空間５ａ’，５ｂ’においても、一方ａのベローズシールのポンプ側空間５ａ’が膨脹過程にあるとき、他方ｂのベローズシールのポンプ側空間５ｂ’が収縮過程にあり、導通路９により導通している二つのポンプのポンプ側空間５ａ’および５ｂ’の容積の和がポンプの往復動過程中一定である軸シールとなる。このため、ベローズ３ａ，３ｂの両側にかかる圧力は常に一定となる。ベローズ３ａ，３ｂの両側にかかる圧力が等しい場合には、ポンプ運転中でもベローズには流体による変形応力は全くかからない。よって、ポンプの往復動に基ずく流体の圧力変化によるベローズの破損は起こる心配がない。

上述のように、ベローズの両側の流体の圧力は等しいことが望ましい。しかし、このような状態では、何らかの原因でベローズが破損しても、すぐに検知することが難しい。そのような場合には、上述したように図４のａ側のベローズシールについては、ベローズの大気側の空間４ａ’の容積変化を補う補助シリンダー１５ａの容積変化を完全な補償量とせず、例えば、補助シリンダー１５ａの容積変化のほうを若干少なくしておく。そして、ポンプの往復動に伴う、ベローズの大気側の空間４ａ’の容積と補助シリンダー１５ａの容積との合計容積の変化量は、隔離壁１３の弾性変形の許容量内とする。

図４のｂ側のベローズシールについても、ａ側のベローズシールと同じように、ベローズの大気側の空間４ｂ’の容積変化を補う補助シリンダー１５ｂの容積変化のほうを補助シリンダー１５ａと同じ容積量だけ少なくしておく。このようにすることにより、ポンプ往復動に伴って隔離壁１３が弾性変形による振動をしながらベローズ３ａ，３ｂの両側にかかる圧力が等しくなっている。この隔離壁１３の振動を変位測定装置１４で測定しておれば、ベローズが正常な場合は規則的な振動をしている。一方、何らかの理由で例えば、ベローズ３ａが破損すると、ポンプの往復動によるベローズの大気側の空間４ａ’と補助シリンダー１５ａとに存在する流体は、破損したベローズ３ａを通りベローズのポンプ側の空間５ａ’に流出入し、隔離壁１３を変形させる流体量が変化する。これにより、隔離壁１３の振動に変化が起こる。この振動の変化を変位測定装置１４で検出すれば、たちどころにベローズ３ａの異常を検知できる。ベローズ３ｂの破損についても同様に検知することができる。以上のような理由で、図４のａ側で説明すれば、ベローズの大気側の空間４ａ’の容積変化を補う補助シリンダー１５ａの容積変化を完全な補償量とせず、例えば、補助シリンダー１５ａの容積変化のほうを若干少なくしておく。図４のｂ側も同様にする。そして、ポンプの往復動によるベローズの大気側の空間４ａ’の容積と補助シリンダー１５ａの容積との合計容積の変化量は、隔離壁１３の弾性変形の許容量内としておくことが好ましい。

図５に本発明のベローズシールを持つポンプの実例の概略断面図を示す。本ポンプは、２連式で下部に供給液体槽３６を有し、上部に設けられている軸作動用ピストン２０ａ，２０ｂを油圧により作動する液化ガス用のポンプである。二つのポンプは、同じ形であるが、吸入過程と吐出過程が逆になって作動する。本実施例のポンプは、上記第二の手段のポンプである。図の左側のポンプのシールが、図４のａに相当し、右側のポンプが、図４のｂに相当する。

ａに相当する左側のポンプで説明すると、ポンプのピストンは下死点（ピストンが最も下がった状態）にある。ポンプの軸のほぼ中央部にベローズシールがあり、ベローズは最も伸びた状態である。そのすぐ上にベローズ３ａの大気側の空間４ａ’とシリンダーを連通する補助ポンプがある。補助ポンプのピストンは最下点にあり、シリンダー容積はほとんど０の状態である。ピストンには、ピストンリングが設けてあり補助的シールの役目を果たしている。ベローズシールの部分の軸の太さと補助ポンプの部分の軸の太さは同じであり、ベローズの有効直径と補助ポンプのシリンダー直径が等しくなっている。このようにすれば、軸の往復動に伴うベローズの大気側の空間４ａの容積変化を、補助ポンプのシリンダー容積の変化で補う事ができる。なお、ベローズの大気側の空間４ａ’と補助ポンプのシリンダーとが作る空間にはスピンドル油のような低粘度の潤滑油が封入してある。

ベローズシールの下部のシリンダー壁１０ａと軸は断熱構造となっている。具体的な構造は、シリンダー壁１０ａと軸を中空にして内部を真空状態にしてある。この軸の断熱構造部分とシリンダー壁の摺動部には第二補助シール７ａが設けてあり、ベローズシールの下部のポンプ側空間を隔離空間としている。

右側のポンプも上述した左側のポンプと同じ構造をしているが、ポンプのピストンは上死点にあり、ベローズは最も縮まった状態、補助ポンプのピストンは最上点の状態である。そして、右側と左側のポンプは、常に逆の往復動状態になるよう作動する。

両ポンプの空間は、３箇所で連通している。補助ポンプのピストン上部の空間を連通する導通路２１、ベローズのポンプ側の空間を連通する導通路９、ポンプ本体のピストン上部空間を連通する導通路３５である。上記３つの導通路で連通された空間はピストンリングまたは第二補助シール７ａ等のシール機構によりそれぞれ隔離されており、ポンプ軸の往復によってそれぞれのポンプの空間容積は変化するが、二つのポンプの軸が互いに逆作動することによりそれぞれの容積を補償しあっている。それ故、それぞれの空間内の流体は導通路２１，９，３５を通って流通することで、その体積および圧力の変化をきたさない。

二つのポンプの補助ポンプのシリンダーとベローズの大気側の空間とが作る空間を繋ぐ連結路８ａ，８ｂの間には、薄い金属板製の隔離膜１３が設けてあり、空間同士が導通はしていない。しかし、それぞれのポンプの補助ポンプのシリンダーとベローズの大気側の空間とが作る空間は、上述のように軸の往復動に伴うベローズの大気側の空間と補助ポンプのシリンダーが、容積変化を補い合っており、軸の往復動に対し体積、圧力の変化はほとんど起こらない。つまり、通常は、隔離膜１３は形状変化しない。しかし、一方のポンプに何らかの異常があり、ベローズの大気側の空間の圧力変化があると、隔離膜１３が形状変化する。これを隔離膜１３に取り付けた変位測定装置等により測定し、ポンプのベローズシールの異常を早期に発見できる。

さらに、それぞれのポンプの第二補助シール７ａ，７ｂの摺動部の上下の流体圧力は、軸往復動に対して変化しないので、第二補助シール７ａ，７ｂを通って上下に流体が流通することはない。よって、第二補助シール７ａ，７ｂ部で流体の移動による熱の拡散はしない。また、第二補助シール７ａ，７ｂの付近の軸およびシリンダー壁は、断熱構造となっているので軸およびシリンダー壁を介しての伝導による熱移動も少ない。このため、取扱い流体のシール部を通っての上部への熱移動は十分に防ぐことができる。

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、高圧および断熱を必要とする内部流体を取り扱う往復動ポンプに適している。

図１は、本発明の第一の手段の軸シールの説明図である。図２は、本発明の第一の手段の好ましい態様の軸シールの説明図である。図３は、本発明の第二の手段の軸シールの補助ポンプに係る説明図である。図４は、本発明の第二の手段の軸シールの説明図である。図５は、本発明の実施例の軸シールの説明用断面図である。

符号の説明

ａ：ベローズが伸張状態にあるベローズシール
ｂ：ベローズが収縮状態にあるベローズシール
１ａ：軸
１ｂ：軸
２ａ：シリンダー壁
２ｂ：シリンダー壁
３ａ：ベローズ
３ｂ：ベローズ
４：ベローズシールの大気側の空間
４ａ：大気側空間
４ａ’：ベローズシールの大気側の空間
４ｂ：大気側空間
４ｂ’：ベローズシールの大気側の空間
５ａ：ポンプ側空間
５ａ’：ベローズシールのポンプ側の空間
５ｂ：ポンプ側空間
５ｂ’：ベローズシールのポンプ側の空間
６ａ：補助軸シール
６ｂ：補助軸シール
７ａ：第二補助軸シール
７ｂ：第二補助軸シール
８：導通路（大気側）
８ａ：連結路
８ｂ：連結路
９：導通路（ポンプ側）
１０ａ：断熱構造
１０ｂ：断熱構造
１１：導通路
１２：圧力測定装置
１３：隔離壁
１４：変位測定装置
１５ａ：補助ポンプシリンダー
１５ｂ：補助ポンプシリンダー
１６ａ：補助ポンプピストン
１６ｂ：補助ポンプピストン
２０ａ：ポンプ作動用ピストン
２０ｂ：ポンプ作動用ピストン
２１：導通路
３０：流体流入口
３１：流体流出口
３２ｂ：吸入弁
３３ｂ：吐出弁
３４ｂ：ポンプピストン
３５：導通路
３６：流体槽

Claims

ベローズシールを有する複数の往復動ポンプにおいて、各ポンプのベローズシールより大気側の軸摺動部に補助シールを設け、補助シールとベローズとの間の空間を大気側空間とし、それぞれのポンプの大気側空間を導通路により導通し、一つのポンプの大気側空間が膨脹過程にあるとき、少なくとも他の一つのポンプの大気側空間が収縮過程にあり、導通しているすべてのポンプの大気側空間の容積の総和がポンプの往復動過程中一定であり、各ポンプのベローズシールよりポンプ側の軸摺動部に第二補助シールを設け、第二補助シールとベローズとの間の空間をポンプ側空間とし、それぞれのポンプのポンプ側空間を導通路により導通し、一つのポンプのポンプ側空間が膨脹過程にあるとき、少なくとも他の一つのポンプのポンプ側空間が収縮過程にあり、導通しているすべてのポンプのポンプ側空間の容積の総和がポンプの往復動過程中一定である軸シール。
前記大気側空間に液体を封入した請求項１に記載の軸シール。
ベローズシールを有する複数の往復動ポンプにおいて、各ポンプのベローズシールより大気側の軸に、ベローズの大気側の空間と導通し、軸の往復動に伴うベローズの大気側の空間の容積変化をシリンダーの容積変化で補う補助ポンプを備え、それぞれのポンプのベローズの大気側の空間を連結する連結路と、該連結路中にそれぞれのポンプのベローズの大気側の空間中の流体を隔離する弾性を有する隔離壁と、隔離壁の変位測定装置とを有し、ベローズの大気側の空間および補助ポンプのシリンダー内、ならびに連結路に液体を封入した軸シール。