機械シール

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ポンプ用機械シールの動作原理概要　機械シールは、回転機械に一般的に用いられる軸シールの一種です。機械シールは、ポンプや反応釜など、ガスや液体をはじめとするさまざまな媒体のシールに主に使用されます。また、圧縮機の媒体軸のシールなど、ガスのシールにも用いられます。 機械シールは、漏れ量が少なく定期的なメンテナンスが不要であるという特長から、キャップ式のソフトパッキンシールに広く取って代わられています。 機械シールには一般的に、回転軸の軸線に垂直な2つのシール面があり、そのため「半径方向端面シール」とも呼ばれます。一方のシール面コンポーネントはポンプカバー、エンドキャップ、またはポンプ本体に取り付けられて静止した状態を保ち、もう一方は軸に固定されてそれに合わせて回転する。静止しているものを静環コンポーネント（静止型メカニカルシールでは浮動環コンポーネントとも呼ばれる）、回転しているものを動環（回転環）コンポーネントと呼ぶ。漏れ量を極めて小さな範囲に抑えるため、通常の一般的な機械シールにおける回転リングと静止リングの端面の研削面精度の許容差は0.0006です。 2つの面における摩擦による発熱や摩耗量を許容範囲内に保つため、シール面の間には必ず流体潤滑膜が必要である。単端面シールの場合、通常はシール媒体を潤滑剤として使用するが、有毒・有害・可燃性・爆発性・強腐食性の媒体に対しては、二重端面または直列型の機械シールが用いられ、媒体と混和可能なシール液が潤滑剤および冷却剤として使用される。 摩耗や製造誤差を補償するために、弾性要素と媒体の圧力の両方の作用により、軸方向にある程度移動できるシール面が必要である。同時に、回転部品の角度偏差によって生じる揺れに対応するために、半径方向にわずかに浮動できるシール端面も必要である。通常、1つのシール面がこれら2つの機能を兼ね備えている。 回転軸のシールにおいて、メカニカルシールが最も一般的なシールタイプです。機械シールは、遠心ポンプのように液体シールとして使用されることが多く、また圧縮機や撹拌装置のシールなど、ガスシールにも用いられます。本教材では、主にポンプ類に対する液体媒体用のポンプ用機械シールについて解説します。 機械シールは、漏れ量が少なく定期的なメンテナンスが不要であるという特長から、フィラー式シールに広く取って代わられています。 機械シールには一般的に、回転軸に垂直な2つのシール面があり、そのため「半径方向端面シール」とも呼ばれます。そのうちの1つのシール面は固定されたポンプ支持枠またはポンプ本体に取り付けられ、「ステータリングリング」と呼ばれ、もう1つは回転する軸に取り付けられて同軸で一緒に回転し、「ローテーティングリング」と呼ばれる。媒体の漏れ量を許容範囲内に保つために、これら2つの相対運動する接触面は非常に小さな隙間を保つ必要があり、通常は0.001mm未満でなければならない。また、機械シールの端面を冷却し潤滑するための補助システムも必要である。 図1-1 密封ギャップ　2つの端面の摩擦によって発生する熱や摩耗量を許容範囲内に保つため、密封面の間には、密封される媒体からなる流体潤滑膜が存在しなければならない。理論上、機械シールにはどうしてもある程度の漏れが生じますが、他のシールに比べてその量ははるかに少ないです。また、一部のシールでは漏れが見えないこともありますが、それは漏れ出た液体がシール面を出る際に既に気化してしまい、目に見えないからです。全体的に見ると、同じ機械シールにおいては、漏れ量と寿命は反比例の関係にある。漏れ量が多ければ端面の液膜の厚さも厚くなり、寿命も長くなる。したがって、機械シールの取り付けにあたっては、漏れ量を小さくすることだけを目指してはならず、総合的な要因を考慮すべきです。もし漏れ量のみを追求してばかりいると、バネの圧縮が増大し、その結果機械シールの端面が深刻に摩耗してしまいます。微視的に見ると、2つのシール面は非常に滑らかではなく、表面の粗さによって波のような隆起部と凹み部が存在する（図1-1、2参照）。これらの隆起部と凹み部の間には液体膜があるが、互いに繋がっていないため、静止状態では通常漏れることはない。 図1–2　給水ポンプの機械シール動環シール面の顕微鏡写真　摩耗や製造誤差を補償するため、軸方向に移動可能なシール面が必要である。また、回転部品の角度偏差によって生じる揺れに対応するため、一方のシール面が半径方向に浮動できる構造であるべきである。通常、同じシール面がこれら2つの機能を兼ね備えている。浮動する端は、静止環でも動環でもよい。しかし、回転軸表面の線速度が15m/sを超える場合は、遠心力の影響を避けるために浮動端を静環として設定する。 実際、機械シールのシール面の動作状態は、スライド式推力軸受と同じです。しかし、機械シールは動きの隙間が小さくなければならず、潤滑性能が悪く、潤滑流量も少ないといった特徴があるため、設計が困難で、運用時の信頼性も低くなってしまう。ここでは、機械シールとスラストベアリングの動作パラメータを比較してみます。表1-1は、機械シールとスラストベアリングのパラメータ比較表です。図1～3は、当発電所でよく見られる機械シールの構造です。そのシール面は、動環と静環の平面が相対回転する際の接触面である。シール面は研削加工によって非常に高い平面度を持つようになり、光の波長で測定することができる（我が国のJB4127-85「機械シール技術規格」では、シール端面の平面度は0.9μm以下でなければならないと規定されているが、一般的には出荷時には0.6μmを達成することが求められる）。回転式機械シールでは、動環が軸方向に移動できる。一方、静止式機械シールでは、静環（浮動環とも呼ばれる）が軸方向に移動できる。このようにして、運転時にはシール液の圧力とばね力によってシール面が接触した状態を保ち、液体の圧力が不足してもばねがその圧力を補うことができる。 図1～3 機械シール構造 シール圧縮力の大きさは、漏れと摩耗という2つの要因を総合的に考慮する必要がある。機械的な振動や圧力の変動が大きい場合には、シール面の密着を保つために十分な圧縮力が必要である。補助的な静的シールには、通常「0」型ゴムリングが使用されます。 シール端面同士の相対的な滑動によって生じる摩擦は、大量の熱を発生させます。中型モデルで回転数も中程度のシールは、発熱量が100～1000Wの範囲です。これらの熱はシール部品を通じて伝導され、最終的に周囲の液体に伝わり、シール洗浄または冷却システムによって運び去られます。表面から漏れ出た液体も、ごくわずかな熱を持ち去ります。 シール端面間の温度は、シール媒体の沸点以下に安全に制御する必要があります。媒体が気化するとシールが激しく摩耗するため、これは非常に重要です！一般的な構成では、ポンプの高圧側から液体を引き出してメカニカルシールを洗浄します（後ほど詳しく説明します）。もし媒体の温度が高すぎる場合は、補助冷却装置を設置する必要があります。シール媒体は冷却システム内で、ポンプの入口と出口の圧力差、またはシール自体に備わったポンプ装置によって生じる圧力によって循環し、コンデンサーを通じて二次冷却水によって熱が奪われる。媒体中の粒子や不純物がシール面を摩耗させるのを防ぐため、このシステムには通常、フィルターやスピンドルセパレーターも設置されている。 シール端面の材料選定には、以下のようなポイントがある：優れた滑動特性（密着適合性）；媒体による化学的腐食への耐性（化学的適合性）；温度やその他の運用上の要因（耐摩耗性、熱伝導性など）に対する適応能力。 通常、シールリングの一方は炭素－黒鉛材料であり、それに対応するもう一方のリングは金属、合金、セラミックス、または超硬合金材料である。カーボン・グラファイトは、滑動特性と化学的適合性（耐食性）を兼ね備えている。シールリングとして使用する場合、カーボン・グラファイトは通常、樹脂や金属に浸す処理が施されます。 シール界面の潤滑は、それ自体の調節によって行われる。構造や負荷の違いに応じて、その潤滑は両端面を分離する液膜によって行われるか、あるいは端面の粗さによって生じる凹凸が点接触となり液膜も併用される。スライド界面が適切に潤滑されて初めて、満足のいくシール効果が得られ、そうでなければ機械シールの端面は急速に摩耗し、その結果寿命が短くなる。