ポンプのメカニカルシールはどのように機能するのでしょうか？

メカニカルシール堅牢なポンプシール機構回転するポンプシャフト周辺からの流体漏れを効果的に防止します。メカニカルシール作動原理認識することを含むポンプシールにおけるOリングの重要性静的シールと機械式シールにおけるバネの役割顔の接触を維持するため。この包括的なアプローチは、遠心ポンプのメカニカルシールの仕組み2024年には、これらの重要なコンポーネントが20億426万米ドルの市場収益を生み出しました。

主なポイント

• メカニカルシールポンプの回転軸周辺からの液漏れを防ぐための部品です。回転面と固定面という2つの主要部品が互いに押し合わさることで、しっかりと密閉されます。
• これらの面の間には、流体膜と呼ばれる薄い流体層が形成されます。この膜は潤滑剤のように働き、摩耗を軽減し、漏れを防ぐことで、シールの寿命を延ばします。
• 適切なメカニカルシールの選択シールの性能は、流体の種類、圧力、速度などの要因によって異なります。適切な選定と手入れを行うことで、シールの性能が向上し、メンテナンス費用を節約できます。

ポンプメカニカルシールの主要構成部品

理解するメカニカルシールの個々の部品全体的な機能を明確にするのに役立ちます。各コンポーネントは、漏れを防ぎ、ポンプの効率的な動作を確保する上で重要な役割を果たします。

回転シール面

回転シール面はポンプシャフトに直接取り付けられます。シャフトと共に回転し、主要なシール面の片側を形成します。メーカーは、流体の特性と運転条件に基づいて、この部品の材料を選定します。

回転シール面によく使用される材料には、以下のようなものがあります。

• カーボンとグラファイトの混合物は、装着面の素材としてよく使用される。
• 炭化タングステンは、コバルトまたはニッケルで結合された硬質の表面材料である。
• 酸化アルミニウムなどのセラミックは、低負荷用途に適している。
• 青銅は、より柔らかく柔軟性のある素材だが、潤滑性は限られている。
• Ni-Resistは、ニッケルを含むオーステナイト系鋳鉄である。
• ステライト®は、コバルトクロム合金金属です。
• GFPTFE（ガラス繊維強化PTFE）。

回転シール面では、表面仕上げと平面度の両方が重要です。表面仕上げは粗さを表し、「rms」（二乗平均平方根）またはCLA（中心線平均）で測定されます。一方、平面度は、隆起や凹みのない水平な表面を表します。エンジニアは、メカニカルシールの平面度をうねりと呼ぶことがよくあります。通常、平面度は光学平面とヘリウムガス光源などの単色光源を使用して測定します。この光源は光の帯を生成します。各ヘリウム光の帯は、平面度からの0.3ミクロン（0.0000116インチ）のずれを表します。観測される光の帯の数は平面度の度合いを示し、帯が少ないほど平面度が高いことを意味します。

密閉するには、1平方インチあたり100万分の1インチという極めて高い平面度が必要となる。

回転シール面を含むほとんどの用途において、理想的な表面粗さは通常1～3マイクロインチ（0.025～0.076マイクロメートル）程度です。平面度公差も非常に厳しく、多くの場合、数百万分の1インチ以内の精度が求められます。わずかな反りや凹凸でも漏れの原因となる可能性があります。以下の表は、一般的な平面度と表面仕上げの要件を示しています。

固定シール面

固定シール面はポンプハウジングに固定されたままです。これは、一次シール界面のもう一方の半分を構成します。この部品は回転しません。回転面との継続的な接触に耐えるため、その材料は高い硬度と耐摩耗性を備えている必要があります。

カーボンシール面は広く使用されており、摩擦抵抗を変化させるために合金化することも可能です。一般的に化学的に不活性です。炭化タングステンは、カーボンに比べて優れた耐薬品性、耐摩擦性、耐熱性を備えています。炭化ケイ素は高温でも強度を維持し、優れた耐食性と低い熱膨張率を有しています。そのため、研磨性、腐食性、高圧用途に適しています。酸化アルミニウムは、その硬度により優れた耐摩耗性を発揮します。

以下に、一般的な材料とその特性をいくつか示します。

• 炭化タングステンこの材料は非常に高い弾力性を持ち、優れた耐粉性および耐衝撃性を備えていますが、摩擦特性は炭化ケイ素よりも劣ります。モース硬度は9です。
• 炭素炭素は、より硬い材料と組み合わせることで最も効果を発揮し、商業的にも魅力的な素材です。しかし、柔らかく脆いため、固体粒子を含む媒体には適していません。トリプルフェノール樹脂含浸カーボングラファイトは、潤滑が不十分な場合や腐食性の高い化学物質にさらされる過酷な用途において、より高い耐摩耗性能を発揮します。
• アルミナセラミック（純度99.5%）これは、高い硬度による優れた耐薬品性と耐摩耗性を備えた経済的な選択肢です。モース硬度は9～10です。ただし、物理的および熱的な衝撃による破損を起こしやすい性質があります。そのため、固体粒子を含む媒体、潤滑性の低い媒体、または急激な温度変化のある媒体には適していません。
• 炭化ケイ素この材料は、カーボンと組み合わせた場合に最も優れた摩擦特性を発揮すると考えられています。最も硬く、最も耐摩耗性に優れたシール面材であり、卓越した耐薬品性を備えています。固体粒子を多く含む潤滑媒体には、2枚の炭化ケイ素製シール面を組み合わせることをお勧めします。モース硬度は9～10です。

二次シール要素

二次シール要素は、シール部品とポンプハウジングまたはシャフトとの間の静的シールを提供します。また、シール面の軸方向の動きも許容します。これらの要素により、一次シール面がわずかに動いた場合でも、確実なシールが維持されます。

二次シール要素には、以下のような種類があります。

1. Oリングこれらは円形の断面形状をしています。取り付けが簡単で汎用性が高く、最も一般的なタイプです。Oリングは、さまざまな温度や化学的適合性のニーズに合わせて、多様な弾性化合物と硬度で提供されています。
2. エラストマーまたは熱可塑性樹脂製のベローズこれらは、スライド式ダイナミックシールが最適ではない場合に使用されます。滑りを伴わずに動きを可能にするためにたわみ、さまざまな材質で製造されています。一般的には「ブーツ」とも呼ばれています。
3. くさび（PTFEまたはカーボン／グラファイト製）断面形状から名付けられたウェッジは、温度や化学物質への曝露によりOリングが使用できない場合に使用されます。外部からの通電が必要ですが、コスト効率に優れています。ただし、汚れた環境下での「引っかかり」やフレッティングが発生する可能性があるという欠点があります。
4. 金属製のふいごこれらは高温、真空、または衛生的な用途で使用されます。一枚の金属から成形されるか、溶接によって作られます。二次シール機能と軸方向の動きに対するバネ荷重の両方を提供します。
5. 平型ガスケットこれらは、メカニカルシールのグランド部を取付フランジやアセンブリ内のその他の静的な界面にシールするなど、静的シール用途に使用されます。可動性はなく、圧縮式シールであり、通常は使い捨てです。
6. UカップとVリング断面形状にちなんで名付けられたこれらの部品は、エラストマーまたは熱可塑性材料で作られています。低温・高圧の用途や、特定の化学的適合性が求められる用途に使用されます。

二次シール要素の材料適合性は非常に重要です。腐食性の高い流体はシール材料と反応し、その分子構造を破壊する可能性があります。これにより、材料の強度低下、脆化、または軟化が生じます。その結果、二次シール要素を含むシール部品が薄くなったり、穴が開いたり、完全に崩壊したりする可能性があります。フッ化水素酸（HF）などの腐食性の高い流体の場合、二次シール要素としてパーフルオロエラストマーが推奨されます。これは、このような腐食性の高い化学物質の揮発性と圧力に耐えられる耐薬品性材料が必要となるためです。化学的不適合は、二次シール要素を含むメカニカルシールの材料劣化と腐食につながります。これにより、シール部品が膨張、収縮、ひび割れ、または腐食する可能性があります。このような損傷はシールの完全性と機械的特性を損ない、漏れや耐用年数の短縮につながります。高温、または不適合な流体によって引き起こされる発熱反応も、シール材料の臨界温度限界を超えることで材料を損傷する可能性があります。これにより、強度と完全性が低下します。適合性を決定づける主要な化学的特性には、流体の動作温度、pH値、システム圧力、および化学物質濃度が含まれます。これらの要因によって、材料の劣化に対する耐性が決まります。

バネ機構

バネ機構は、回転するシール面と固定されたシール面を接触状態に保つために、一定かつ均一な力を加えます。これにより、シール面が摩耗したり、圧力が変動したりしても、確実なシール状態が維持されます。

バネ機構には、以下のような種類があります。

• 円錐形スプリングこのスプリングは円錐形をしています。開放的な設計のため粒子が蓄積しにくく、スラリーや汚れた媒体での使用に適しています。均一な圧力とスムーズな動作を実現します。
• シングルコイルスプリングこれはシンプルならせんばねです。主に水や油などの清浄な液体用のプッシャー型シールに使用されます。組み立てが容易で、低コストであり、安定したシール力を発揮します。
• ウェーブスプリングこのスプリングは平らで波状になっています。軸方向のスペースが限られているコンパクトなシールに最適です。狭い空間でも均一な圧力を確保し、シール全体の長さを短縮し、安定した面接触を促進します。これにより、摩擦が低減され、シールの寿命が長くなります。
• 複数のコイルばねこれらはシール面の周囲に配置された多数の小さなバネで構成されています。これらは一般的にバランスの取れたメカニカルシール高速ポンプは、あらゆる方向から均一な圧力を加え、面の摩耗を軽減し、高圧または高回転数でもスムーズに作動します。また、スプリングが1つ故障しても信頼性を維持します。

他にも、板バネ、金属ベローズ、エラストマーベローズなど、様々な形態のバネ機構が存在する。

グランドプレートアセンブリ

グランドプレートアセンブリは、メカニカルシールをポンプハウジングに取り付けるための取り付けポイントとして機能します。これにより、固定シール面がしっかりと固定されます。このアセンブリは、ポンプ内部におけるシール部品の適切な位置合わせを保証します。

メカニカルシールの作動原理

シーリングバリアの作成

メカニカルシール回転軸と固定ハウジングの間に動的シールを確立することで、流体の漏れを防ぎます。軸と共に回転する面とポンプケーシングに固定された面の2つの精密に設計された面が、主要なシールバリアを形成します。これらの面が互いに押し合い、非常に狭い隙間を作り出します。ガスシールの場合、この隙間は通常2～4マイクロメートル（µm）です。この距離は、圧力、適用速度、およびシールされるガスの種類によって変化する可能性があります。水系流体で動作するメカニカルシールでは、シール面間の隙間は0.3マイクロメートル（µm）まで小さくすることができます。この極めて小さな間隔は、効果的なシールに不可欠です。シール面間の流体膜厚は、さまざまな動作要因の影響を受け、数マイクロメートルから数百マイクロメートルまで変化します。マイクロメートルは1メートルの100万分の1、つまり0.001mmです。

流体力学的膜

回転するシール面と固定するシール面の間には、流体潤滑膜と呼ばれる薄い流体層が形成されます。この膜はシールの動作と寿命にとって不可欠です。潤滑剤として働き、シール面間の摩擦と摩耗を大幅に低減します。また、流体漏れを防ぐバリアとしても機能します。この流体潤滑膜は、最​​大の流体潤滑荷重支持を実現し、摩耗を大幅に低減することでメカニカルシールの寿命を延ばします。片面の円周方向の波状構造が流体潤滑を引き起こすことがあります。

流体力学的フィルムは、多くの静水圧設計に比べてフィルム剛性が高く、漏れが少なくなります。また、リフトオフ（またはスピンアップ）速度も低くなります。溝は流体を積極的に界面に送り込み、流体力学的圧力を高めます。この圧力が荷重を支え、直接接触を低減します。ディフューザー溝は、同じ漏れ量でも、断面が平らならせん状溝に比べて、より高い開口力を実現できます。

潤滑状態の違いによって、膜の挙動が説明される。

流体の粘度は、この膜の形成と安定性に重要な役割を果たします。薄い粘性ニュートン流体膜に関する研究では、奇数粘度が流れの圧力勾配に新たな項を導入することが示されました。これにより、膜厚に関する非線形発展方程式が大きく変化します。線形解析では、奇数粘度が流れ場に対して一貫して安定化効果を発揮することが示されています。垂直板の動きも安定性に影響を与え、下方への動きは安定性を高め、上方への動きは安定性を低下させます。数値解は、等温環境における様々な板の動きの下での薄膜流れにおける奇数粘度の役割をさらに明らかにし、流れの安定性に対するその影響を明確に示しています。

メカニカルシールに影響を与える力

ポンプ運転中、シール面には複数の力が作用し、シール面同士の接触を維持し、シール効果を保っています。これらの力には、機械力と油圧が含まれます。機械力は、スプリング、ベローズ、その他の機械要素によって発生し、シール面同士の接触を維持します。油圧は、作動流体の圧力によって発生し、シール面同士を押し付けることでシール効果を高めます。これらの力が組み合わさることで、シールが効果的に機能するバランスの取れたシステムが構築されます。

メカニカルシールの潤滑と熱管理

適切な潤滑機械式シールの信頼性の高い動作と長寿命化には、適切な熱管理が不可欠です。流体潤滑膜は摩擦と摩耗を最小限に抑え、潤滑効果を発揮します。しかし、シール界面では摩擦によって熱が発生します。工業用シールの場合、一般的な熱流束率は10～100 kW/m²です。高性能用途では、熱流束率は1000 kW/m²にも達することがあります。

摩擦による発熱が主な原因です。これはシール界面で発生します。発熱率（Q）はμ × N × V × A（μは摩擦係数、Nは垂直抗力、Vは速度、Aは接触面積）で計算されます。発生した熱は、回転面と静止面の熱特性に基づいて分配されます。粘性せん断加熱も発熱の原因となります。このメカニズムは、薄い流体膜のせん断応力に関係しています。Q = τ × γ × V（せん断応力 × せん断速度 × 体積）で計算され、高粘度流体や高速用途で特に重要になります。

軸回転速度の上昇に伴う発熱を最小限に抑えるためには、バランス比を最適化することが重要な設計上の考慮事項となります。機械式フェースシールに関する実験的研究では、バランス比と蒸気圧の組み合わせが摩耗率と摩擦損失に大きく影響することが実証されました。具体的には、バランス比が高い場合、シール面間の摩擦トルクは蒸気圧に正比例することが分かりました。また、この研究では、バランス比を低くすることで摩擦トルクと摩耗率を大幅に低減できることも明らかになりました。

メカニカルシールの種類と選定

一般的なメカニカルシールの種類

メカニカルシールには様々な設計があり、それぞれ特定の用途に適しています。プッシャーシールシャフトに沿って移動して接触を維持するエラストマーOリングを使用する。対照的に、非プッシャーシールエラストマー製または金属製のベローズを採用しており、これらは動くのではなく変形します。この設計により、非プッシャー式シールは、研磨性流体や高温流体、腐食性環境や高温環境に最適であり、摩耗率が低い場合が多いです。

もう一つの違いはカートリッジシールそしてコンポーネントシールカートリッジ式メカニカルシールは、すべてのシール部品が単一のハウジング内に収められた、組み立て済みのユニットです。この設計により、設置が簡素化され、エラーのリスクが低減されます。一方、コンポーネント式シールは、現場で個々の部品を組み立てる必要があるため、設置がより複雑になり、エラーのリスクも高くなります。カートリッジ式シールは初期費用は高くなりますが、多くの場合、メンテナンスコストの削減とダウンタイムの短縮につながります。

シールは、バランス型とアンバランス型に分類されます。バランス型メカニカルシールは、より高い圧力差に対応し、シール面の位置を安定に保つため、重要な用途や高速機器に適しています。エネルギー効率の向上と機器寿命の延長にも貢献します。一方、アンバランス型シールは、よりシンプルな設計で価格も手頃です。信頼性が重要ではあるものの、高圧が問題とならないウォーターポンプや空調システムなど、要求される圧力が低い用途に適しています。

メカニカルシールの選定基準

適切なメカニカルシールを選択するには、いくつかの重要な要素を慎重に検討する必要があります。応用それ自体が、機器の設置方法や操作手順など、多くの選択肢を決定づける。例えば、連続運転式のANSI規格プロセスポンプは、同じ液体を使用する場合でも、間欠運転式のサンプポンプとは大きく異なる。

メディアシールと接触する流体を指します。技術者は、流体の成分と性質を厳密に評価する必要があります。ポンプで送られる流体に固体や硫化水素（H2S）や塩化物などの腐食性汚染物質が含まれているかどうかを確認します。また、製品が溶液の場合はその濃度、そして何らかの条件下で固化するかどうかも考慮します。危険な製品や適切な潤滑剤が不足している製品の場合は、外部フラッシングや二重加圧シールが必要となることがよくあります。

プレッシャーそしてスピードシールチャンバー内の圧力は、シールの静圧限界を超えてはなりません。また、シール材と流体特性に基づいて、動圧限界（PV）にも影響を与えます。速度は、特に極端な状況下では、シールの性能に大きな影響を与えます。高速ではスプリングに遠心力が働くため、固定スプリング設計が有利です。

流体の特性、作動温度、圧力は、シールの選定に直接影響します。研磨性のある流体はシール面に摩耗を引き起こし、腐食性のある流体はシール材を損傷します。高温では材料が膨張し、漏れの原因となる可能性があります。低温では材料が脆くなります。高圧ではシール面にさらに大きな負荷がかかるため、堅牢なシール設計が求められます。

メカニカルシールの応用例

メカニカルシールは、漏れを防ぎ、操業効率を確保する上で重要な役割を果たすため、様々な産業分野で広く利用されている。

In 石油・ガス採掘シールは、過酷な条件下で稼働するポンプにとって不可欠です。シールは炭化水素の漏洩を防ぎ、安全性と環境規制への準拠を確保します。海底ポンプに用いられる特殊なシールは、高圧と腐食性の海水に耐え、環境リスクと稼働停止時間を低減します。

化学処理および保管腐食性の高い物質の漏洩を防ぐためには、シールが不可欠です。漏洩が発生すると、安全上の危険や製品の損失につながる可能性があります。セラミックやカーボンなどの耐腐食性材料を用いた高性能シールは、反応器や貯蔵タンクで広く使用されています。これらのシールは、機器の寿命を延ばし、製品の純度を維持します。

水処理および廃水処理各種設備では、ポンプやミキサーにシールを使用して水や薬品を封じ込めています。これらのシールは、連続運転と生物付着に対する耐性を考慮して設計されています。海水淡水化プラントでは、シールは高圧と高塩分環境に耐える必要があり、運転信頼性と環境規制遵守のために耐久性が最優先されます。

研磨性スラリーや腐食性流体は、特有の課題をもたらします。研磨粒子はシール面の摩耗を加速させ、特定の流体の化学反応性はシール材を劣化させます。解決策としては、優れた耐薬品性を備えた先進的なエラストマーや熱可塑性樹脂の使用が挙げられます。また、バリア流体システムや環境制御といった保護機能も有効です。

メカニカルシールは、回転面と固定面の間に動的なバリアを形成することで漏れを防ぎます。これにより、メンテナンスコストを大幅に削減し、機器の寿命を延ばすことができます。適切な選定とメンテナンスを行うことで、3年以上もの長寿命を実現し、ポンプの信頼性の高い運転を可能にします。

よくある質問

メカニカルシールの主な機能は何ですか？

メカニカルシールポンプの回転軸周辺からの液漏れを防ぎます。動的なバリアを形成し、ポンプの効率的かつ安全な運転を保証します。

メカニカルシールの主な構成要素は何ですか？

主な構成要素は、回転シール面と固定シール面、二次シール要素、バネ機構そして、腺板アセンブリ。各部品はそれぞれ重要な役割を担っています。

機械式シールにおいて、流体潤滑膜が重要な理由は？

流体潤滑膜はシール面を潤滑し、摩擦と摩耗を低減します。また、バリアとして機能し、流体の漏れを防ぎ、シールの寿命を延ばします。