- ▸グラファイトシールは、回転面と固定面の間に0.5～3μmの微小流体膜が存在し、硬接触ではないことに依存している
- ▸バネ力が初期の面圧（0.2～0.6 MPa）を提供し、運転中は媒体圧力がシール力を加える
- ▸グラファイトの層状結晶構造により層間滑りが可能で、乾摩擦係数は0.04～0.15と低い
- ▸カーボングラファイトは軟質面としてシリコンカーバイド硬質面と組み合わされる；硬質面は平坦性を維持し、軟質面は自己潤滑性と犠牲摩耗を提供する
- ▸流体膜の蒸発が乾摩擦故障の根本原因であり、PV限界超過、熱伝導不足、または媒体温度が沸点近くにある場合に発生する
1. 基本的なシール問題
メカニカルシールの核心的課題は、回転するポンプ軸が固定されたポンプケーシングを貫通する必要があるため、高速回転しながら軸から媒体の漏れを防ぐ方法です。従来のパッキンシールは軟質パッキンを軸表面に圧縮する方式であり、摩耗が早く、漏れが多く、頻繁なメンテナンスが必要です。
メカニカルシール（面シール）は根本的に異なるアプローチを取ります。回転リング（軸に取り付け）と固定リングの二つの超平坦な面を押し付け、その間の微小ギャップを媒体が通過できないほど小さくします。グラファイトシールは、カーボングラファイトを一方の面（通常は軟質面）に用いたメカニカルシールです。
2. 面流体膜メカニズム
多くの人はシール面が「硬質同士の硬接触」だと誤解しています。実際には、両面間に0.5～3μmの微小流体膜が存在し、同時にシールと潤滑の役割を果たしています。
2.1 膜の形成
シール面は通常、表面粗さRa 0.05～0.2μmに精密ラッピングされています。この平坦度でも微小なピークと谷が存在します。バネ力で面が押し付けられると、微小谷間に閉じ込められた媒体が流体膜を形成します。膜の厚さは面圧、媒体の粘度、相対速度に依存します。
2.2 膜のシール作用
膜は非常に薄く（数μm）、極めて大きな流れ抵抗を生み出します。媒体は極端なせん断抵抗を克服しなければ通過できず、実際の漏れは非常に少なく（通常1 mL/h未満）、事実上「準シール」となります。
2.3 膜の潤滑作用
膜は二つの面を分離し、金属／グラファイト面と硬質面の直接接触を防ぎ、摩擦と摩耗を劇的に低減します。膜が破壊される（例えば、過度の面温度による媒体の蒸発で）と、シールは乾摩擦状態に入り、カーボングラファイト面が急速に摩耗・加熱し、最終的に故障します。
3. スプリング圧力と媒体圧力
フェイス接触圧力は以下の2つの要因から発生します。
3.1 スプリング力（機械的圧力）
シールアセンブリには、常に0.2～0.6 MPaのフェイス圧力を供給するスプリング（ヘリカルスプリング、波形スプリング、またはベローズ）が含まれています。この力は以下を保証します。
- 媒体圧力がゼロの状態（停止時）でもフェイスが接触し続けること
- フェイスの摩耗を補償して接触を維持すること
- 組立公差や振動を克服すること
3.2 媒体圧力（油圧圧力）
運転中、媒体圧力は回転リングまたは固定リングの非シール側に作用し、さらにフェイスを押し付けます。圧力の大きさはシール構造と媒体圧力に依存します。
- アンバランス型：媒体圧力がそのままフェイスに伝わり、フェイス圧力は媒体圧力に比例して増加します。低圧（1.5 MPa未満）に適しています。
- バランス型：段付き軸設計により加圧フェイス面積が媒体圧力面積より小さくなり、フェイス圧力は媒体圧力の50～70％となります。高圧（1.5 MPa以上）に適しています。
3.3 適切なフェイス圧力範囲
圧力が低すぎると漏れが発生し、高すぎると乾式摩擦、発熱、摩耗が起こります。シール設計の核心はこれらのバランスを取ることです。典型的な範囲は0.2～0.6 MPaで、媒体、回転速度、材料の組み合わせにより異なります。
4. グラファイトの自己潤滑機構
カーボングラファイトがソフトフェイスとして優れている最大の利点は自己潤滑性です。その層状結晶構造では、層内の結合は強い共有結合である一方、層間の結合は弱いファンデルワールス力です。2つのフェイスが滑る際に、
1.グラファイト結晶内で層間せん断滑りが発生し、摩擦面に「固体潤滑膜」が効果的に形成されます。
2.乾式摩擦係数は0.04～0.15と非常に低く、金属対金属（0.3～0.6）よりはるかに低い値です。
3.膜が局所的に破損しても、グラファイトの自己潤滑性によりフェイスのガリングを防ぎ、故障許容度を高めます。
このため、シールのソフトフェイスは通常、金属やセラミックではなくカーボングラファイトが使われます。金属は自己潤滑性がなく乾式摩擦でガリングを起こしやすく、セラミックは硬いものの脆く、犠牲摩耗面としては適しません。カーボングラファイトは自己潤滑性、熱伝導率、そして「柔らかい犠牲摩耗面」の特性を兼ね備えています。
5. PV値とシール寿命
シールの使用過酷度はPV値（フェイス圧力×フェイス線速度）で測定され、単位はMPa·m/sです。
- カーボングラファイト対シリコンカーバイド：許容PV値7～15 MPa·m/s
- カーボングラファイト対硬質合金：許容PV値5～10 MPa·m/s
- カーボングラファイト対アルミナ：許容PV値3～7 MPa·m/s
PV値が材料の許容限界を超えると、フェイス温度が上昇し→潤滑膜が蒸発し→乾式摩擦が発生し→摩耗が激化し→さらに温度が上昇するという悪循環が起こります。これがシール選定時にPV値の確認が必須である理由です。
6. 典型的なシール故障メカニズム
グラファイトシールの動作原理を理解すると、故障の根本原因が明らかになります。
1.潤滑膜の蒸発：媒体温度が沸点に近いか、PV値が過大で膜が不安定になる。
2.スプリング故障：腐食、疲労、または固着によりフェイス圧力が不足する。
3.フェイス摩耗：固形物を含む媒体や膜の破損によりフェイスが摩耗し漏れが発生する。
4.Oリングの劣化：補助シールが硬化し、補償能力を失う。
5.グラファイトリングの破損：組立応力、熱衝撃、過大なフェイス圧力により脆性破壊が起こる。
これらのメカニズムを理解することで、適切な選定、正しい設置、予防保全によりシール寿命を延ばすことが可能です。