(57)【要約】【課題】  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の提供を目的としている。【解決手段】  ピストンにピストンリングまたはパッキングを設け、ピストン軸部に補助シールを設け、該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ー室側を大気側から密封する軸シールを備えた往復動ポンプ、好ましくは、シリンダー室側を大気側から密封する軸シールがベローズシールである往復動ポンプ、あるいは、補助シールがシリンダー室側からの流体の流入のみを抑える一方向性のシールである上記の往復動ポンプの提供。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンにピストンリングまたはパッキングを設け、ピストン軸部に補助シールを設け、該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ー室側を大気側から密封する軸シールを備えた往復動ポンプ。
【請求項２】
シリンダー室側を大気側から密封する軸シールがベローズシールである請求項１に記載の往復動ポンプ。
【請求項３】
補助シールがシリンダー室側からの流体の流入のみを抑える一方向性のシールである請求項１または２に記載の往復動ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、往復動ポンプに関し、さらに詳しくはベローズ等の可撓性部材を利用した軸シールを備えた低温流体、特に液化ガス用に有効に使用できる往復動ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
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軸（ピストン、プランジャー、およびピストンロッドを含めてピストン軸ということがある。）に軸シールを備え、これによりポンプ内の流体を外界から封止している。通常、往復動ポンプの軸シールとしては、ピストン部分にはピストンリング、軸部分に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。
【０００３】
しかし、これらのシールは、軸とシリンダー壁の摺動を可能にしながらポンプ内部の流体を大気中から封止する機構であり、流体を封止する機能と軸とシリンダー壁を摺動させる機能を両立させるため、内部流体を完全に大気とシールすることは難しい場合が多い。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。そのため、漏れた流体を窒素ガスや空気で拡散したり水などで吸収したりして対応している場合もある。しかし、内部流体が可燃性ガスや有害物質の場合はこれでは十分とは言えない。
【０００４】
例えば、図４は従来型の往復動ポンプのポンプ軸シール部を中心とした断面図である。このようなポンプの場合、ピストンリング４および補助シール５でシールをしていても、内部流体の吐出圧が高い場合にはポンプ運転中補助シール５から少量の流体が大気側へ漏洩することは避けられない。例えば、圧縮流体が液化石油ガスの場合、液化石油ガスは周囲の熱を奪い気化しながらピストン軸３に添って上昇し、補助シール５を通って補助シール５の上部のピストン軸３とシリンダー壁１の間隙１１から大気側へ漏れ出す。このような構造では、シリンダー壁１やピストン軸３の補助シール５付近の部分、図４では記号１１で示した部分は流体の冷熱および気化熱により冷却され温度が低下する。漏洩部分が大気温度より低下すると、着霜が起こりやすくなり、氷点下になれば氷結することもある。軸とシリンダー壁の間隙が氷結すればポンプは停止するし、着霜は錆の原因となりポンプの劣化やトラブルを起こしやすい。また、着霜すると埃等が付着しやすくなり、補助シール５付近のピストン軸３に埃や異物が付くと、ピストンの往復動に伴って補助シール５やその付近のシリンダー壁１とピストン軸３の間隙にこれらの埃や異物が噛み込んでポンプトラブルの原因となことがある。
【０００５】
このような課題を解決するためのシールとして、例えば給油式セグメント形ピストンロッドパッキンなどのオイルシール機構が知られている。しかし、これらの設備は流体の漏れを防ぐ点では優れているが、内部流体封止用のオイルの循環が必要であり、シールの構造が複雑、大がかりになってしまう欠点がある。他の方法としてベローズシールがある。ベローズシールは構造が比較的簡単で内部流体を完全に密封するシールであり、摺動部を持たないためポンプ往復動に大きな抵抗にならず完全な漏れ防止が可能なシールである。しかし、その構造上ポンプ吐出圧力の影響を直接受け易く、吐出圧力が高い場合はベローズが破壊してしまう欠点があった。通常ベローズシールの利用できる内部流体の吐出圧力は０．３ＭＰａ、高くとも０．５ＭＰａ程度までとされてきた。このため、各種のシール機構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可燃性ガスなどには適用が難しいものである。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２２２０７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、大がかりで複雑な設備を必要とせずに、高圧の内部流体の大気中への漏れを完全に封止できるポンプ軸シールを備えた往復動ポンプの提供を目的としている。特に、内部流体として液化ガスのような気化しやすい低温液体を扱う場合にも、シール部が漏れ出した内部流体で冷やされて着霜凍結したり、シール部付近に着霜した水分が錆や埃の付着を誘発し、これによるポンプトラブルの起こることを防ぐ往復動ポンプの提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため本発明者らは、ベローズのような可撓性シール部材を用いた軸シールに補助シール等を組み合わせた下記に示す軸シールを備えた往復動ポンプを発明した。
（１）  ピストンにピストンリングまたはパッキングを設け、ピストン軸部に補助シールを設け、該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ー室側を大気側から密封する軸シールを備えた往復動ポンプである。
（２）  シリンダー室側を大気側から密封する軸シールがベローズシールである（１）に記載の往復動ポンプである。
（３）補助シールがシリンダー室側からの流体の流入のみを抑える一方向性のシールである請求項（１）または（２）に記載の往復動ポンプである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の往復動ポンプは、複雑なシール構造を設けることなく、ポンプ内部流体の漏れを確実に防止し、通常のベローズシールを備えた往復動ポンプに比べ吐出圧の高い内部流体に対しても利用でき、有害物質や可燃性物質を含む流体を取扱うポンプとして利用することに適している。特に、液化ガスのような低温で吐出圧の高い内部流体を取り扱う往復動ポンプにおいては、シール部に漏れ出す少量の低温ガスによるシール部付近の着霜や氷結の恐れがなく、シール部の腐食、固着や異物噛み込みなどのポンプトラブルを防止することができる。これにより、ポンプ運転の信頼性が増し、ポンプの寿命も長くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の往復動ポンプを、図１を参照にしながら説明する。図１は、本発明の往復動ポンプ構造の一例を示す説明図であり、下がポンプ側、上が大気側かつピストン軸駆動部側である。そして、中心軸の左右にピストン位置の異なる状態を図示している。中心軸の左側がピストン２の下死点（ピストン最下位置）、右側がピストン２の上死点（ピストン最上位置）の状態を表している。ピストン２にはシール機構としてピストンリングまたはパッキング４（以下ピストンリング４ともいう）が設置されている。ピストンリング４はポンプの流体の性質や温度等の条件に応じて使用できる通常のピストンリング等を使用すればよい。通常ピストンリング４は、シール性は高くないので複数備えていることが多い。ピストン２の上部のピストン軸３には補助シール５が設けてある。補助シール５は、どのような構造のシールでもよいが、例えば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や、グランドパッキン、Ｏリングなどが使用できる。補助シール５は、特に流体の上部への流入のみを防ぐ封止機能に方向性のある一方向性のシールが望ましく、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のシール構造が好適である。
【００１１】
ピストン軸の補助シールよりさらに上部の大気側に、図１では下部にあるシリンダー室側を上部の大気側から密封するように可撓性部材、好適な部材としてはベローズシールを設置する。図１では、ベローズ６がこの役目を果たしている。図の左側のピストン下死点でベローズ６が最も収縮し、右側のピストン上死点でベローズ６が最も伸びている。このベローズシールによってポンプの内部流体は完全にシール部からの大気中への流出を遮断される。ベローズ６は、図では記載の簡略化の為つづら折れ状の線としているが、通常のベローズの役目を果たす材質、構造、形状ならどのようなものでもよい。可撓性がありポンプ軸の往復動に追随でき、ポンプ内部の流体を密封性できる材料であれば、ポンプ内部流体の性質、圧力、温度、シールの製造、取り付けの容易性などを考慮して最適な材料、構造、形状を選べばよい。一般にはベローズシールが用いられ、金属ベローズとしては円錐台状の板を交互に重ねた波形のベローズ、フッ素樹脂を切削加工して作られたベローズ、樹脂を成形して作成した樹脂製ベローズなどが利用しやすい。ベローズ６のかわりに可撓性または伸縮性のあるシートのような部材の一端をポンプ軸３に、多端をシリンダー壁１に密着させた軸シールでもよい。
【００１２】
本発明の往復動ポンプにおいては、ピストンリング上部空間と吸込み側は均圧孔１２により導通しているためベローズシールのベローズ６にはポンプ吐出圧力が伝播してこない構造となっている。特に、補助シール５を一方向性構造のシールとすればポンプ吸入工程中はピストン側ベローズ室７の圧力は容易にポンプ吸込み側圧力まで下がり、吐出工程におけるピストン側ベローズ室７の圧力上昇は小さいものとなる。このような構造とすれば吐出圧が０．５ＭＰａを超える場合でもベローズの破壊なしで使用することができる。
【００１３】
図２も本発明の往復動ポンプの１態様である。図１と同じような構造であるが、ベローズ６が下部でピストン軸２と接合しており、上部でシリンダー壁１と接合している点が図１と異なっている。そのため、大気側のベローズ室８がピストン軸３側にあり、ピストン側ベローズ室７がシリンダー壁１側になる。
【００１４】
他の態様として、ポンプで圧縮される流体が気体の場合、補助シールとベローズシールの間の空間、すなわちピストン側ベローズ室７を潤滑油のような液体で満たしておくこともできる。この場合は、ピストン側ベローズ室７の容積をピストン往復動中一定としておき、補助シールはグランドパッキングやＯリングのように一方向性構造でないシール構造とする。これによりピストン側ベローズ室７に満たした液体が補助シール５からピストン側へ漏れ出さないようにする。通常、液体は気体より粘度が高く補助シール部で封止され易く、ベローズ室７すなわちベローズ６への吐出圧の影響を減らすことができる。
【００１５】
ピストンリング４と補助シール５との間の空間はポンプの流体入り口の上流側と均圧孔１２により導通している。このため、ポンプ作動中ポンプの圧縮圧力がどんなに高くても、補助シール部にかかる圧力はポンプ吸込み側圧力より高くなることはない。これによりベローズにかかる圧力もポンプ吸込み側圧力より高くなることはない。
【００１６】
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、本発明で説明したピストン軸３はプランジャーの意味であり、ピストンリングまたはパッキング４と補助シール５は兼用してもよい。その場合、兼用するシールは補助シール５のようにシール性能がよく一方向性構造のシールが望ましい。
【実施例】
【００１７】
（実施例１）
本発明の実際の往復動ポンプについて例示する。図３は、液化石油ガス用ポンプのポンプの断面図である。下部の液化石油ガス容器中に液化石油ガス用のポンプ部があり、冷却保冷されている。上部には、図示していないがピストン軸の駆動装置がある。図において、中心線の右側はピストンが下死点（最下部）の状態を示している。中心線の左側は、ピストンが上死点（最上部）の状態を示している。軸の上部に設置されているベローズ６は金属製のベローズであり、その下部に設置されている補助シール５はＶパッキンを用い、最もポンプ室９に近いシールであるピストンリングは通常の樹脂製ピストンリングである。補助シール５は内部流体がポンプ側からピストン側ベローズ室７へ流入することを抑制する一方向性構造に複数設置してある。このような構造とすることで、補助シール５近辺より上部にはポンプ流体の吐出圧力はほとんど伝播せず、気化した内部流体が滞留している状態である。滞留している気体は温度も室温に近く、勿論ベローズ６により密封されているので漏れ出す心配もない。さらに、補助シール５やベローズシール６の近辺の温度を低下させることもないのでこの付近のシリンダー壁１やピストン軸２に着霜や氷結が起こらず、埃や異物が付着することも防げる。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
本発明の往復動ポンプは、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の内部流体の漏れを確実に防止し、特に低温の内部流体を取り扱う往復動ポンプのシール部に適した往復動ポンプである。本発明の往復動ポンプは液化石油ガス、液化天然ガス、液体炭酸ガス、液体アンモニア、液体空気、液体窒素、液体酸素などの低温液化ガス、低沸点の有機溶媒など、特にガス漏洩が問題となる可燃性や毒性の液化ガスや液体の圧縮、輸送に適している。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の往復動ポンプの説明図である。
【図２】図２は、本発明の往復動ポンプの他の態様の説明図である。
【図３】図３は、実施例における本発明の往復動ポンプの説明用断面図である。
【図４】図４は、従来の往復動ポンプの説明用断面図である。
【符号の説明】
【００２０】
１：  シリンダー壁
２：  ピストン
３：  ピストン軸
４：  ピストンリングまたはパッキング
５：  補助シール
６：  ベローズ
７：  ピストン側ベローズ室
８：  大気側ベローズ室
９：  ポンプ室
１０：  ベローズの有効直径を表す仮想線
１１：  着霜、氷結、埃等が付着しトラブルを起こしやすい部分
１２：  均圧孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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