カーボングラファイトシールリングの基本：構造、原理および用途

カーボングラファイト製シールリングは炉から出た時点で10％～20％の多孔率を持ち、含浸を行わなければ媒体が多孔質を通じて漏れてしまいます。したがって、シールリング製造における成否を分ける工程は含浸であり、多孔率を2％以下に抑える必要があります。本記事ではこの重要なポイントを軸に、材料組成、シール機構、典型的な構造と用途について解説します。乾式摩擦係数0.04～0.15、熱伝導率70～150 W/(m·K)、非酸化性媒体での600℃以上の使用温度が意味するところや、エンジニアや購買担当者が最初に確認すべきパラメータについても触れます。

1. カーボングラファイト製シールリングの材料組成

カーボングラファイト製シールリングの基材は、石油コークス、ピッチコークス、またはフレーク状黒鉛を主原料とし、配合、混合、成形、焼成、黒鉛化の工程を経て製造されます。天然黒鉛鉱石とは異なり、厳密な工程管理のもとで製造されたエンジニアードカーボングラファイトであり、物理的・化学的特性が安定しています。

1.1 基材の特性

カーボングラファイトのマトリックスは、いくつかの優れた特性を備えています。第一に、優れた自己潤滑性を持ち、層状結晶構造により乾式摩擦下で摩擦係数が0.04～0.15と非常に低いことです。第二に、耐熱性に優れ、非酸化性媒体中で600℃以上の長期使用が可能です。第三に、高い化学安定性を有し、ほとんどの酸、アルカリ、塩類溶液に耐性があります。第四に、熱伝導率が70～150 W/(m·K)と工学プラスチックよりもはるかに高く、シール面からの熱を効果的に放散します。

1.2 なぜ含浸が必要か

含浸を施していない焼成カーボングラファイトは多孔率が10％～20％あり、媒体が浸透して漏れを引き起こします。したがって、シールリング製造ではこれらの多孔を含浸により充填する必要があります。一般的な含浸剤にはフェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂、アンチモン金属、バビット合金、PTFEなどがあります。含浸は多孔率を2％以下に低減するだけでなく、腐食耐性、耐摩耗性、高温性能を特定の使用条件に合わせて調整する役割も果たします。

2. カーボングラファイトシールリングのシール原理

メカニカルシールのシール機能は、回転リングと固定リングの間に形成される微小なシール界面に依存しています。カーボングラファイトは通常、軟らかい面材として使用され、シリコンカーバイド、タングステンカーバイド、またはアルミナセラミックなどの硬質材料と組み合わせて摩擦対を形成します。

2.1 面シール機構

シール面はスプリング力と媒体圧力によって押し付けられ、理論上は剛接触を形成します。しかし実際の運転では、シール面の微細な凹凸と流体膜の存在により、約0.5～3μmの潤滑膜が両面間に存在します。この膜は潤滑を行うとともに、シール圧力の一部を支持します。カーボングラファイトの高い熱伝導率と低い膨張係数により、摩擦熱が速やかに伝導され、膜の蒸発や空転による故障を防止します。

2.2 バランス構造とアンバランス構造

シール面にかかる媒体圧力の負荷比率に基づき、メカニカルシールはアンバランス（負荷係数B>1）、バランス（B<1）、およびオーバーバランスに分類されます。カーボングラファイトシールリングの場合、一般的な圧縮強度が150～300MPaであることから、媒体圧力が1.5MPaを超える場合は、面の単位圧力を低減しシール寿命を延ばすためにバランス構造が推奨されます。

3. 代表的な構造形式

3.1 一体型シールリング

一体型カーボングラファイトシールリングは構造が簡単で、中低圧力かつ小型から中型サイズに適しています。代表的な形式にはG6、G60、104、109などの標準モデルがあります。これらのリングは加工が容易ですが、カーボングラファイトは脆いため、組立時の打撃は避ける必要があります。

3.2 カートリッジシールリング

構造強度を高め、高価な材料を節約するために、大型のシールリングでは金属ハウジングにカーボングラファイトリングを保持する方式がよく用いられます。金属リングが機械的応力を負担し、カーボングラファイトリングがシール機能を提供します。この構造は化学ポンプや高温ポンプで広く採用されています。

3.3 ベローズシール

高温、高腐食性、または結晶化性のサービス条件では、スプリングや二次シール部材の代わりに金属ベローズを用い、カーボングラファイト固定リングと組み合わせて二次シールの劣化故障を回避します。

4. 代表的な用途

カーボングラファイトシールリングは多くの産業分野で重要な役割を果たしています。化学プロセスポンプでは、フラン樹脂含浸グラファイトリングが塩酸、硫酸などの強腐食性媒体に耐えます。食品・医薬品機器ではPTFE含浸グラファイトリングが衛生要件を満たします。高温熱油ポンプではアンチモン含浸グラファイトリングが400℃で連続運転します。自動車用ウォーターポンプでは、カーボングラファイトメカニカルシールリングが業界標準の構成となっています。

5. 結論

カーボングラファイトシールリングの材料、原理、構造を理解することは、適切な選定と使用の基礎です。Huahao Sealing Co., Ltd.は長年にわたりカーボングラファイトシール製品を専門に取り扱い、材料選定から構造設計、量産までワンストップでお客様に提供しています。今後も選定、設置、保守に関する深い技術情報を発信してまいります。ご期待ください。