メカニカルシールフェイスの圧力計算方法と設計事例

面圧は感覚で設定してはいけないメカニカルシールの重要パラメータです。内蔵型シールは0.3～0.6 MPa、外付け型は0.15～0.35 MPaが目安で、過大だと摩擦熱で面が放射状に割れ、過小だと面が開いて漏れます。負荷係数K、スプリング圧力、膜圧係数にはそれぞれ選定基準があります。本稿では計算式、パラメータ選定の原則、具体的な計算例を示し、設計の確認に役立てることで現場の問題の多くを回避できます。

1. 面圧の基本概念

1.1 面圧の定義

面圧（Pc）とは、回転シールリングと固定シールリングの接触単位圧力で、単位はMPaです。スプリング圧力（Ps）と有効媒体圧力（Pe）から構成されます：

Pc = Ps + Pe × K

ここでKは負荷係数で、媒体圧力がシール面に作用する有効割合を示します。

1.2 推奨圧力範囲

条件別の推奨面圧値は以下の通りです：

• 内蔵型メカニカルシール：0.3～0.6 MPa
• 外付け型メカニカルシール：0.15～0.35 MPa
• 高速シール（線速度 > 25 m/s）：0.2～0.4 MPa
• 高粘度媒体用シール：0.5～0.8 MPa

2. スプリング圧力の選定

2.1 スプリング圧力の役割

スプリング圧力（Ps）はスプリング部品により発生し、以下の役割を果たします：

• ポンプ停止時や圧力変動時に面接触を維持
• シールリングの摩耗を補償
• 補助シールの摩擦に打ち勝つ

2.2 選定原則

• 一般条件：0.05～0.25 MPa
• 真空または負圧条件：0.15～0.25 MPa（面の開きによる空気吸引防止のため上限寄り）
• 高圧（>2.0 MPa）：0.05～0.15 MPa（加熱摩耗を抑制するため下限寄り）
• 高速（>25 m/s）：0.05～0.15 MPa（加熱を抑制するため下限寄り）

2.3 スプリング種類の選定

• 小型スプリング（複数分散配置）：力が均一で軸方向寸法がコンパクト、ほとんどのポンプシールに適合
• 大型スプリング（単一）：構造が単純で、大径軸や低速シールに適合
• ウェーブスプリング：剛性が低く補償量が大きい、高温または温度変動条件に適合

3. 荷重係数Kの計算

3.1 Kの定義

荷重係数Kは、媒体圧力下の有効面積とシール面接触面積の比率です：

K = (D2² - d0²) / (D2² - D1²)

ここで、D2は外径、D1は内径、d0はバランス径（補助シール位置径）を示します。

3.2 アンバランスシール

d0 ≤ D1の場合、K ≥ 1.0となり、媒体圧力がシール面に全面的に作用します。典型的なK値は1.1～1.3です。構造は単純ですが、媒体圧力に伴いシール面圧が急激に上昇するため、圧力1.0 MPa以下に適しています。

3.3 バランスシール

有効力作用面積を減らすことで、K < 1.0となります。典型的なK値は0.65～0.85です。シール面圧は媒体圧力に対して緩やかに上昇し、高圧（1.0～10 MPa）条件に適していますが、構造が複雑でバランス径の精密な管理が必要です。

3.4 K選定の推奨

• 媒体圧力 ≤0.5 MPa：アンバランス、K = 1.2～1.3
• 媒体圧力 0.5～1.0 MPa：境界領域、総合的に検討
• 媒体圧力 1.0～3.0 MPa：バランス、K = 0.75～0.85
• 媒体圧力 3.0～10 MPa：バランス、K = 0.65～0.75
• 媒体圧力 >10 MPa：多段バランスまたは差圧シール

4. シール面圧計算例

4.1 運転条件

遠心ポンプ用メカニカルシール：

• 媒体：水、20℃
• シール室圧力：P = 1.5 MPa
• 軸径：60 mm
• 回転数：2950 rpm
• 回転リング外径D2 = 75 mm、内径D1 = 65 mm
• バランス径d0 = 70 mm
• バネ力F = 200 N

4.2 計算手順

1) 荷重係数K：

K = (75² - 70²) / (75² - 65²) = (5625 - 4900) / (5625 - 4225) = 725 / 1400 = 0.518

2) バネ圧力Ps：

シール面積A = π/4 × (D2² - D1²) = π/4 × (75² - 65²) = π/4 × 1400 = 1099.56 mm²

Ps = F / A = 200 / 1099.56 = 0.182 MPa

3) 有効媒体圧力Pe：

Pe = P × K = 1.5 × 0.518 = 0.777 MPa

4) シール面圧Pc：

Pc = Ps + Pe = 0.182 + 0.777 = 0.959 MPa

4.3 結果の分析

計算されたシール面圧は0.959 MPaで、推奨上限の0.6 MPaをやや超えています。媒体が水（潤滑性が低い）であるため、実際の圧力は低めに設定すべきです。バネ力を100～120 Nに調整し、Pcを0.5～0.6 MPaの範囲に収めることを推奨します。

4.4 PV値の検証

平均シール面線速度：

v = π × (D2 + D1)/2 × n / 60 = π × 0.07 × 2950 / 60 = 10.79 m/s

PV = Pc × v = 0.5 × 10.79 = 5.4 MPa·m/s

アンチモン含浸カーボングラファイトの許容PV値は10 MPa·m/sです。実際のPV値5.4 MPa·m/sは安全率約1.85であり、要求を満たしています。

5. シール面圧に影響を与える要因

5.1 媒体圧力の変動

遠心ポンプの始動・停止や弁切替によりシール室圧力が変動します。設計時には1.2～1.5倍の変動係数を考慮し、最低圧力でもシール面接触が維持されるようにします。

5.2 温度の影響

温度上昇によりシールリング材料の強度が低下し、バネ剛性が変化し、媒体の粘度も低下します。設計では最大温度時のシール面圧を検証し、通常は20℃時の80～90％程度の値を目安とします。

5.3 摩耗補償

シールリングが摩耗するとバネが伸び、バネ力が低下します。設計では摩耗限界位置でもバネ圧力が初期値の少なくとも70％を維持するようにします。

5.4 補助シールの摩擦

補助シール（Oリング、Vリングなど）の摩擦によりバネ力の一部が消費されます。有効圧力は摩擦損失を差し引く必要があり、通常0.02～0.05 MPa程度です。

6. フェイス圧力調整方法

計算されたフェイス圧力が推奨範囲を超える場合：

1.スプリング力の調整：スプリングの交換または予圧の調整を行う

2.荷重係数の変更：バランス直径d0やシールリングの寸法D1、D2を調整する

3.シール構造の変更：アンバランスからバランス型に変更、または多面シールを使用する

4.補助シールの最適化：低摩擦のPTFE Oリングを使用する

結論

フェイス圧力の適切な計算と管理はメカニカルシール設計の核心です。科学的なパラメータ選定とPV検証を通じて、シールは様々な条件下で安定した動作と長寿命を実現できます。Huahao Sealing Co., Ltd.は、シールリング製品から完全なメカニカルシールアセンブリまでの設計・製造能力を有し、カスタマイズされたフェイス圧力計算およびシール選定サービスを提供しています。詳細なご相談は当社の技術チームまでお問い合わせください。