(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外側部材と内側部材とからなる二部材間に形成された環状間隙を封止して高圧部と低圧部を仕切るために前記環状間隙内に前記高圧部側から順に弾性リング、パッキンリング、バックアップリング、ボトムリングを配置してなる超高圧流体封止装置であって、前記パッキンリングが前記外側部材の内周面と前記内側部材の外周面に当接する壁部を形成し、該壁部から高圧部側に向かって縮径する外周テーパ面と該外周テーパ面の縮径側先端に連なる平行筒状端部を有して前記弾性リングと密着させ圧縮し、さらに、前記壁部から低圧部側に向かって縮径する外周テーパ面とを有し、前記ボトムリングが前記外側部材の内周面と前記内側部材の外周面とに当接する壁部を形成し、高圧部側に向かって縮径するテーパ面を有し、前記バックアップリングが断面台形状で形成され、該断面台形状の下底面部が前記パッキンリングの低圧部側テーパ面と密着し、かつ、前記断面台形状の両側面が前記外側部材の内周面と前記ボトムリングの高圧部側テーパ面とにそれぞれ密着して前記パッキンリングと前記ボトムリングとで形成される断面略三角形の環状空間内に備えられ、前記ボトムリングのテーパ先端部で前記バックアップリングと前記内側部材の外周面に当接する部分を非金属材料とし他の部分を金属材料とした二つの部材で前記ボトムリングのテーパ面を構成し、前記ボトムリングの金属材料部分と非金属材料部分との双方の部分が、前記内側部材の外周面に当接する壁部となると共に前記バックアップリングの前記低圧部側テーパ面と密着することを特徴とする超高圧流体封止装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高圧室と低圧室との間でプランジャ（ピストン等の類似のものを含む）が往復運動するポンプ等の流体機械において、流体をシールする超高圧流体封止装置の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高圧水を利用した加工技術も、洗浄，剥離，はつり，切断，静水圧等多種多様の用途に応用されており、流体の圧力も数百ＭＰａ以上にも及ぶ超高圧水を発生させる往復動プランジャポンプが各種類開発されている。この種の流体装置では、高圧部と低圧部とを仕切るための高圧流体封止手段において、使用条件に応じて幅広く素材を選択し、また、形状に工夫をこらし、より良好なシール効果が得られ、しかもできるだけ長寿命で安定した性能を維持し得るようにシール技術の開発が続けられている。
【０００３】
一般的な封止手段としては、パッキンや弾性リング等を用いて構成されたもので、大別してセルフシール型パッキンと圧縮型パッキンがある。
【０００４】
本出願人においても特開平１−２０３７６４号公報では圧力が５００ＭＰａまで適用できる流体封止装置として、往復動プランジャポンプのシリンダ内周面とプランジャ外周面との間に形成された環状間隙内に、高圧部側から低圧部側へ向かって順次弾性ペンタリング、パッキンリング、バックアップリングが配置され、アダプタリングによってシリンダ内から部材が抜け出さないように係止された圧縮型パッキンによる超高圧流体のシール効果について開示した。
【０００５】
さらに、本出願人は特開平８−３０３５９１号公報により、５００ＭＰａ以上の超々高圧の加圧テストや静水圧加工用の超高圧水発生装置の開発にともない、前記シール技術を応用した流体封止装置として、前記圧縮型パッキンのパッキン形状と組み合わせを工夫した改良型超々高圧シール技術を確立した装置を提供した。
【０００６】
つまり、特開平８−３０３５９１号公報で開示した装置によれば、往復動プランジャポンプのシリンダ内周面とプランジャ外周面との間に形成された環状間隙内に設けられる超高圧流体封止装置において、高圧部側から順に弾性リング、パッキンリング、バックアップリング、ボトムリングが配されてなり、パッキンリングは高圧部側に向かって縮径する外周テーパ面と該外周テーパ面の縮径先端に連なる平行筒状端部を有し、弾性リングはパッキンリングより高圧部側で外側部材の内周面に当接し、パッキンリングにより押圧された状態で設けられ、外側部材の内周面と前記外周テーパ面と前記平行筒状端部の外周面とによって圧縮される。さらに低圧部側に向かって縮径するテーパ面を有するパッキンリングと高圧部側に向かって縮径するテーパ面を有するボトムリングとのそれぞれのテーパ面で形成される断面三角形状の環状空間内に配置された断面台形状のバックアップリングは、前記パッキンリングより高い降伏強度を有するものを使用しており、前記パッキンリングの低圧部側テーパ面に密着する面を下底面とし、前記ボトムリングの高圧部側テーパ面および前記外側部材内周面とにそれぞれ密着する面を両側面部とし、上底面部はボトムリングの高圧部側テーパ面と外側部材内周面とで断面三角形状の環状空間を形成するように構成されている。
【０００７】
以上のような構成を持つ従来の超高圧流体封止装置の作用を図３を用いて以下に説明する。まず、流体圧によって弾性リングＧおよびパッキンリングＰが低圧部側（図中矢印方向）へ押圧されるのに伴い、係止手段であるアダプタＸによって環状間隙内に係止されているボトムリングＡのテーパ面に沿って断面台形状バックアップリングＢが環状間隙の低圧部側、即ちその上底面部が一辺となる断面三角形状の環状空間Ｓ側に押し込まれ、その両側面がシール面としてシリンダ面とボトムリングＡのテーパ面を押す力が大きくなると共に、パッキンリングＰによる摺動面のシール力も大きくなる。したがって、流体圧の上昇に伴って、断面台形状のバックアップリングＢの両側面部の接触面及びパッキンリングＰの摺動面に対するシール力がそれぞれ強力となり、たとえ５００ＭＰａ以上の超高圧においても良好に流体を封止できるという効果があった。
【０００８】
なお、このように内部部材が外側部材および超高圧流体封止装置に対して摺動する場合、パッキンリングは摺動面に直接当接するため、高分子ポリエチレン等の比較的柔らかい材質からなるものとし、またボトムリングは超高圧で押圧されても殆ど変形しないステンレス等の金属の剛性材質からなるものが使用されてきた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の如き従来の超高圧流体封止装置を用いて３ｍｍ／ｓｅｃ．までのプランジャ速度で作動させる従来のプランジャポンプでの昇圧は、たとえ５００ＭＰａ以上でも問題なく可能であったが、用途により、または使用者の希望により超高圧ポンプ自体の小型軽量化が要求される場合があり、プランジャ速度をかなり上げる高速性能を持つ装置が必要となった。たとえば、２８ｍｍ／ｓｅｃ．までプランジャ速度を上げるとバックアップリングに押圧されている金属製のボトムリングの高圧側縮径先端内周面部がプランジャの往復運動で金属同士の接触により摩擦熱を発生し、ひどくなるとプランジャに焼き付きを起こしてプランジャ表面に付着してしまい、その付着物でプランジャの摺動中にパッキンリング（耐熱性樹脂）の内周面を軸方向に傷をつけて超高圧流体を良好に封止できなくなった。
【００１０】
あるいは、プランジャの速度によってはプランジャの焼き付きまでには至らなくても摺動により金属製ボトムリングの高圧側縮径先端内周面部に発生した摩擦熱でプランジャ表面を熱くし、パッキンリング自体が軟化して溶出してしまいパッキンリング寿命を短くしてしまう不都合があった。
【００１１】
本発明は、上記問題点に鑑み、５００ＭＰａ以上の超々高圧下で、たとえプランジャ摺動速度を上げたとしても長時間良好にシールし得る超高圧流体封止装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係わる超高圧流体封止装置では、外側部材と内側部材とからなる二部材間に形成された環状間隙を封止して高圧部と低圧部を仕切るために前記環状間隙内に前記高圧部側から順に弾性リング、パッキンリング、バックアップリング、ボトムリングを配置してなる超高圧流体封止装置であって、前記パッキンリングが前記外側部材の内周面と前記内側部材の外周面に当接する壁部を形成し、該壁部から高圧部側に向かって縮径する外周テーパ面と該外周テーパ面の縮径側先端に連なる平行筒状端部を有して前記弾性リングと密着させ圧縮し、さらに、前記壁部から低圧部側に向かって縮径する外周テーパ面とを有し、前記ボトムリングが前記外側部材の内周面と前記内側部材の外周面とに当接する壁部を形成し、高圧部側に向かって縮径するテーパ面を有し、前記バックアップリングが断面台形状で形成され、該断面台形状の下底面部が前記パッキンリングの低圧部側テーパ面と密着し、かつ、前記断面台形状の両側面が前記外側部材の内周面と前記ボトムリングの高圧部側テーパ面とにそれぞれ密着して前記パッキンリングと前記ボトムリングとで形成される断面略三角形の環状空間内に備えられ、前記ボトムリングのテーパ先端部で前記バックアップリングと前記内側部材の外周面に当接する部分を非金属材料とし他の部分を金属材料とした二つの部材で前記ボトムリングのテーパ面を構成し、前記ボトムリングの金属材料部分と非金属材料部分との双方の部分が、前記内側部材の外周面に当接する壁部となると共に前記バックアップリングの前記低圧部側テーパ面と密着することを特徴とする超高圧流体封止装置である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
高圧部側に配置された弾性リング、パッキンリング、バックアップリングの形状や材質は従来の流体封止部材と同様にする。つまり、パッキンリングは外側部材の内周面と内側部材の外周面に当接する壁部を形成し、該壁部から高圧部側に向かって縮径する外周テーパ面と該外周テーパ面の縮径側先端に連なる平行筒状端部を有し、弾性リングはパッキンリングより高圧部側で外側部材の内周面に当接し、パッキンリングにより押圧された状態で設けられ、外側部材の内周面と前記外周テーパ面と前記平行筒状端部の外周面とによって圧縮されているため、前記パッキンリングの縮径側先端に連なる平行筒状端部が容易に内側へ押圧されて面圧が確保され、シール性が高くなるといった同じ作用が得られるのは明かである。
【００１４】
本発明においては、外側部材と内側部材とからなる二部材間に形成された環状間隙内に設けられる流体封止部材の一つであるボトムリングの構成に特徴をもたせたもので、バックアップリングとのシール性能を良好に維持しつつさらに摺動面と接触しても摩擦熱の発生をおさえる構造として、以下のように改良したものである。
【００１５】
従来のボトムリングは、押圧による変形をしないように考慮してステンレス等の金属部材の一体物で構成され、さらに、バックアップリングとの強力な密着性を維持するために、外側部材の内周面と内側部材の外周面とに当接する壁部から高圧部側に向かって縮径するテーパ面を有している。ところが、内側金属部材の摺動速度が速くなると、前記ボトムリングの内周面と摺動する内側金属部材の外周面において、金属同士の接触による摩擦熱が発生してしまう。そこで、本発明では、特に摩擦熱を発生するボトムリングのテーパ先端部に前記縮径するテーパ面形状を保つ樹脂等の非金属材料のパッキンリングを使用し、他の部分を金属材料のままとした二つの部材でボトムリングを一体的に構成したため、高速往復運動によりテーパ先端部の内周面に発生する摩擦熱を非常に低くおさえることができ、強いシール力を維持しながらもパッキン類の寿命を長く延ばすことが可能となった。
【００１６】
すなわち、内側部材が外側部材および超高圧流体封止装置に対して摺動する場合には、断面台形状のバックアップリングにおける下底近傍の一側面と密着して押圧されるボトムリングの縮径するテーパ面の先端部分の内周面が内側部材外周摺動面とより激しく接触して焼き付きやカジリを発生するため、その先端部のみに摺動グレードに処置した樹脂あるいは合成ゴム等焼き付けやカジリを発生しにくい材質のパッキンを使用するだけで十分に摩擦熱を低くおさえることができる。また、前記断面台形状のバックアップリングにおける上底近傍の側面と密着するボトムリングの縮径するテーパ面部は金属材料の剛性材質のままとしているため超高圧の押圧でも従来通り、殆ど変形しない状態を維持することが可能となった。
【００１７】
【実施例】
本発明の一実施例として、往復動プランジャポンプのシリンダ摺動部に採用した超高圧流体封止装置の構成図を図１の断面図に示す。
【００１８】
摺動部における本実施例の超高圧流体封止装置は、シリンダ１０内周面とプランジャ９の外周面間に形成される環状間隙内にそれぞれ嵌合されており、高圧部側（図中スペーサリング５側）から順に、ウレタンゴムからなる断面五角形状のペンタリング１、高分子ポリエチレンからなるパッキンリング２、銅製の断面台形状のバックアップリング３、摺動特性の良い樹脂からなる断面略三角形状のデルタリング６、ステンレス製のボトムリング４が配されてなるものであり、このボトムリング４は、アダプタ７によってシリンダ１０からのプランジャ挿入側端部で係止されているため、超高圧で押圧されても環状間隙からシリンダ外へ脱落することはない。
【００１９】
また、本実施例では、パッキンリング２は高圧部側に向かって縮径する外周テーパ面２ａと該外周テーパ面２ａの縮径側先端に連なる平行筒状端部を有し、ペンタリング１はパッキンリング２より高圧部側でシリンダ１０内周面に当接してパッキンリング２により押圧された状態で設けられ、シリンダ１０内周面と外周テーパ面２ａと平行筒状端部の外周面２ｂとによって圧縮されている。
【００２０】
さらに、パッキンリング２は低圧部側に向かって最小径の断面頂点部がプランジャ９外周面と当接するまで縮径し、プランジャ９外周面に対して６０゜の角度を持つテーパ面２ｃと、ボトムリング４の高圧部側に向かって縮径し、プランジャ９外周面に対して６０゜の角度を持つテーパ面４ａと該テーパ面角度と同じ角度にしたテーパ面を有して前記ボトムリング４の縮径先端部に一体化して取り付けた断面略三角形状のデルタリング６のテーパ面とシリンダ１０内周面とで環状間隙内に形成する断面正三角形状の環境空間内に、パッキンリング２のテーパ面２ｃに密着する面を下底面部とし、ボトムリング４とデルタリング６とで構成するテーパ面４ａおよびシリンダ１０内周面とにそれぞれ密着する面を両側面部とした断面台形状のバックアップリング３を設け、該断面台形状の上底面部はボトムリング４のテーパ面４ａとシリンダ１０内周面とで断面三角形の環状空間８を形成している。
【００２１】
このような構成の超高圧往復動プランジャポンプの摺動部において、まず、パッキンリング２のテーパ面２ａがペンタリング１の圧縮力をプランジャ９方向の力に変換してプランジャ９方向に縮小すべく作用し、また逆に、ペンタリング１とパッキンリング２との当接面がペンタリング１の圧縮力をシリンダ１０内周面方向の力に変化してシリンダ１０内周面方向に縮小すべく作用する。即ち、ペンタリング１の復元力はその全周に作用し、各当接面はパッキンリング２により全周で密着状態となり、高圧シリンダ摺動部における初期シールが完了する。
【００２２】
以上のような状態の超高圧プランジャポンプにおいて、プランジャ９を作動させ、超高圧の流体圧が上昇するに伴って、摺動部では、流体圧によってペンタリング１およびパッキンリング２が低圧部側へ押圧され、係止手段であるアダプタ７によって環状間隙内に係止されているボトムリング４とデルタリング６のテーパ面４ａと６ａに沿って断面台形状のバックアップリング３が環状間隙の低圧部側、即ちその上底面部が一辺となる断面三角形状の環状空間８側に押し込まれ、その両側面がシール面としてシリンダ１０内周面とデルタリング６と一体的に形成されたボトムリング４のテーパ面を押す力が大きくなると共に、パッキンリング２による摺動面へのシール力も大きくなる。
【００２３】
つまり、図２に示すように、デルタリング６はボトムリング４の高圧部側に向かって縮径するテーパ面４ａの先端部分に位置するようにテーパ角度を同じにしてボトムリング４と一体的に構成し、該先端テーパ面６ａは断面台形状のバックアップリング３における下底面部３ａ近傍の一側面部３ｂと密着させ、かつ、該内周面６ｂはボトムリング４の内周面４ｂと一致させてプランジャ外周面９ａと接触させているため、昇圧時には、断面台形状のパックアップリング３の下底面部３ａがパッキンリング２により押圧され、バックアップリング３の一側面３ｂが密着しているデルタリング６とボトムリング４とで形成するテーパ面６ａと４ａを押圧する。押圧されたデルタリング６は該内周面６ｂと当接するプランジャ外周面方向に縮小すべく作用するが、非金属材料で構成されているため摺動するプランジャと接触しても、摩擦熱の発生を低くおさえることができる。また、残りの上底近傍の一側面部３ｃは、金属製の剛性材質からなるボトムリング４のテーパ面４ａと密着させているため、たとえ超高圧で押圧されても殆ど変形しない構成となっている。
【００２４】
結果として、本実施例による超高圧流体封止装置を摺動部に備えた超高圧プランジャポンプでは、流体圧１０００ＭＰａ以上という超高圧状態においても良好に流体が封止され、かつ、デルタリングの内周面と接触するプランジャ外周面状態が良好に保たれ、封止装置の寿命を延長することができた。
【００２５】
実際のシール実験では、１０≪／７００ＭＰａの昇圧作動において、従来のパッキン構成の封止装置では３０回程度の昇圧／減圧作動繰り返しでシール不良となっていたが、本発明の封止装置を使用したところ、１０倍の３００回の昇圧／減圧作動でも良好なシールが可能となった。
【００２６】
なお、以上の実施例においては、弾性リングとしてペンタリングを用いたが、本発明では弾性リングの形状を断面五角形に限定するものではなく、断面略円形状または断面三角形状等、種々の形状のものが使用可能であるが、初期シール性が良好となり、また弾性リングの圧力変形が大きくて寿命が短縮化されるのを避けるためにも、外側部材の内周面とパッキンリングの外周面とのあいだの環状間隙にほぼ嵌合するものが望ましい。
【００２７】
また、上記実施例では、弾性リングにウレタンゴム、パッキンリングに高分子ポリエチレン、バックアップリングに銅、デルタリングに樹脂、ボトムリングにステンレスをそれぞれ材質として用いたが、本発明はこれに限るものではない。これらの他に、例えば、弾性リングには合成ゴムや天然ゴムなど、パッキンリングにはテフロンなど、バックアップリングには銅以外に、鉛、すず、アルミ、チタンなど、デルタリングには高分子ポリエチレンやテフロンなど、また、アダプタあるいはボトムリングにはステンレス以外にチタン，合金鋼などが、また従来の一般的な高圧流体封止装置に用いられていたものが同様に利用できる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明では、摺動部による摩擦熱が最も発生しやすいボトムリングのテーパ面先端部近傍にのみピーク樹脂等の非金属材料を使用するように構成したため、プランジャ摺動時には金属と樹脂との接触となり従来の金属と金属との摩擦による種々の問題、例えば、焼き付きやカジリ等が発生せず、しかも、流体圧の上昇に伴って、断面台形状のバックアップリングの両側面部の接触面に対する強力なシール力も維持できるパッキン形状としているため、５００ＭＰａ以上の超高圧においても良好に流体を封止でき、かつ、パッキンの寿命も従来と比べ格段に延ばすことが可能という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による超高圧流体封止装置を用いた超高圧プランジャポンプの概略構成縦断面図である。
【図２】図１の超高圧流体封止装置におけるＡ部の拡大詳細図である。
【図３】従来の超高圧プランジャポンプの摺動部のシールに用いられている高圧流体封止装置の作用を示す説明図である。
【符号の簡単な説明】
１・・・・・・ペンタリング
２・・・・・・パッキンリング
３・・・・・・バックアップリング
４・・・・・・ボトムリング
５・・・・・・スペーサリング
６・・・・・・デルタリング
７・・・・・・アダプタ
８・・・・・・環状空間
９・・・・・・プランジャ
１０・・・・・シリンダ
【図１】
0004123547.tif 000002
【図２】
0004123547.tif 000003
【図３】
0004123547.tif 000004