【シール知識】機械シールの歴史

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機械シール（mechanical seal）とは、回転軸線に対して垂直な少なくとも1対の端面が、流体圧力および補償機構の弾力（または磁力）の作用、さらには補助シールの協力によって密着した状態を保ちながら相対的に滑動することで、流体の漏れを防ぐ装置のことです。弾性負荷機構と補助シールは、金属製の波形チューブを用いた機械シールで、私たちはこれを金属波形チューブシールと呼んでいます。軽量シールにおいては、補助シールとしてゴム製の波形チューブを使用するものもあり、ゴム製波形チューブの弾力性には限りがあるため、一般的には負荷用の弾力を得るためにバネを併用する必要がある。 “「機械シール」は、一般的に「機封」と略されます。機械シールの登場　機械シールとは、回転軸用のシール、あるいは回転機械の端面シールの一種で、1885年にイギリスで特許として登場し、1900年になってようやく実用化されました。1920年には冷凍装置に使用され、それ以前はベアリングのシールとして用いられていた。当時の機械式シールの使用条件は非常に厳しかった。1930年になって初めて内燃機関用遠心ポンプとして使用されるようになった。1939年から1945年にかけて、石油化学の発展や、グラファイト、セラミックス、超硬合金といった新しい材料の出現により、加工技術における表面粗さが向上し、使用されるパラメータも高くなった。その結果、機械式シールがアメリカで広く普及し、石油・化学産業にも応用されるようになり、バランス型シールが登場した。旧ソ連は1950年代半ばに石油精製所の遠心油ポンプに機械シールを導入し、我が国の蘭州石油精製所の建設時にも、遠心油ポンプには機械シールが搭載されていた。我が国では1960年代初頭に機械シールを自製し、普及させました。他の石油精製所も次々と導入し、改良を加えてきました。1960年代半ば、導入されたプラチナリフォーミング装置ではほぼすべて機械シールが採用され、これは石油精製業における機械シール技術の発展に大きく貢献しました。我が国の石油化学工業の発展に伴い、各工場や鉱山、関連する学校や研究所などが機械シールについて深く研究を行ってきました。その結果、我が国には独自の機械シールシリーズが生まれ、専門的にこれを製造する企業も100社近く存在します。しかし、機械シールは構造、材料、補助措置などの面で絶えず発展し、改良が続けられている。 機械シールの構造的特徴　機械シール、正確に言えば回転機械の端面シールとは、弾性要素によって静止環と動環の端面間の摩擦部を予圧し、さらに媒体の圧力と弾性要素の圧力によって密閉を実現する軸方向のシール装置である。機械シールを構成する主要な部品には、端面摩擦対（静止環と動環）、弾性部品（バネ）、補助シール部品（Oリング）、伝達部品（伝達ピン、伝達ネジ）、回転防止部品（回転防止ピン）、および固定部品（バネとプレッシャーロック）がある。機械シールの基本部品の役割は以下の通りである：(1)端面摩擦対（動環、静止環）が密着した状態を保ち、シール面を形成して媒体の漏れを防ぐ。動環と静環は優れた耐摩耗性を持つ必要があり、動環は軸方向に移動して密封面の摩耗を自動的に補償し、静環と密着させる。静環には浮動性があり、緩衝作用を果たす。 (2)弾性要素（ばね、波形板、蛇行スリーブなど）は主に補償、予圧、緩衝の役割を果たし、またシール端面に適切な比圧を生み出す要因でもある。補助シールや駆動部品の摩擦を克服し、スタートリングの補償機能を発揮するために、常に柔軟性を保つことが求められる。材料は耐腐食性が必要である。(3)補助シール（Oリング、Vリング、ウェッジリング、その他の特殊形状のシールリング）は、主に静止環と動環のシール機能を果たすとともに、浮動性や緩衝作用も担う。スタティックリングの補助シール要素は、スタティックリングとプレッシャーロッドとの間のシール性を保ち、スタティックリングに一定の浮動性を与える必要がある；動環の補助シール要素は、動環と軸または軸受けとの間のシールを保証します。材料は、耐熱性および耐寒性において媒体に近いものでなければならない。 (4)伝動部品（伝動ピン、伝動リング、伝動ベース、伝動スリーブ、伝動キー、伝動突起、またはギア式カップラー）で、軸のトルクを動環に伝達する役割を果たす。材料は耐腐食性と耐摩耗性が求められる。 (5)締め付け部品（締め付けネジ、スプリングベース、プレート、組立ケーシング、シールリング）は、静止環および動環の位置決めと締め付けを行う役割を果たす。正確な位置決めが求められ、摩擦対のシール面が適切な位置にあり、良好な密着状態を維持するためのばね圧力が必要である；同時に、取り付けや分解が容易で、簡単に位置決めでき、繰り返し使用できることも求められる。補助シールとの接合部では、シールリングの面取りや圧縮量に注意する必要があり、特に動環シールリングと軸受けの接合部については、耐腐食性と耐摩耗性が求められるため、必要に応じて硬質コーティングを施す。 機械シールの漏れ状況　機械シールの主な漏れ経路は3つある：(1)端面摩擦対のシール面からの漏れA。これが主要なシール面であり、機械シールの摩擦特性やシール性能を決定する重要な要素であり、同時に機械シールの使用寿命も左右する。したがって、接続端面には高い要求があり、粗さは鏡面に近く、平面度は0.0009に達しなければならない。異なる媒体に対しては、適切な摩擦ペア材料の組み合わせを用い、耐摩耗性や耐腐食性に配慮し、適切な幾何学的パラメータ（負荷係数、幅径比など）および性能パラメータ（比圧、ばね定数、圧力比など）を選定する必要がある。 (2)静環と圧蓋の静環シール部からの漏れをA、動環と軸（軸受）の動環シール部からの漏れをDという。これらは補助シール面であり、メカニカルシールの密封性や動環の浮動性を決定する重要な要素である。特に動環と軸（軸受）のシール面では、まず錆やスケール、または化学反応による物質の堆積が動環の「固着」（弾かない状態）を引き起こすのを防ぐ必要がある。 (3)キャップとシールボディの静密封C、およびシャフトリングとシャフトの静密封E。これら2箇所はいずれも静密封であり、シールする媒体に応じて適合する材料を選択できる。また、動環がはめ込み構造を採用している場合、はめ込み接合部で漏れが生じる可能性もあり、その部分の嵌合には注意が必要です。 機械シールの漏れ量はパッキンシールに比べてはるかに少なく、一般的には0.01～3mL/hであり、無視できないシール方式です。機械シールを正しく理解することで、漏れを効果的に防ぎ、装置を正常に稼働させることができます。