メカニカルシールのスプリング圧力選定と計算：シール面締付力の精密制御から

メカニカルシールのシール性能と寿命は、シールリング面圧の合理的な設計に大きく依存します。面圧が小さすぎると面が開いて漏れが生じ、大きすぎると摩擦と摩耗が激しくなります。Huahao Sealing Co., Ltd.（霍邱县华豪密封件有限公司）は長年のシール設計・製造の実績から、ばね圧力設計に関する豊富な経験を蓄積しています。本稿ではメカニカルシールのばね圧力の計算方法と選定原則を体系的に紹介し、シール技術者の精密設計を支援します。

1. シールリング面圧の構成と計算

1.1 シールリング面圧の公式

メカニカルシールのシールリング面圧 Pb は、ばね圧力 Ps と媒体からの有効圧力 Pp の和で表されます：

Pb = Ps + (β - k) · P

ここで：

• Pb：シールリング面圧（MPa）
• Ps：ばね圧力（MPa）、ばね力 Fs をシールリング面積 A で割った値
• β：バランス係数、媒体圧力が作用する回転リングの面積比率をシールリング面積に対する比で表したもの
• k：膜圧係数、シールリング間の平均液膜圧力と媒体圧力の比率
• P：媒体圧力（MPa）

1.2 ばね圧力の計算

ばね圧力 Ps = Fs / A

ここでばね力 Fs = n × k_s × x

• n：ばねの本数（通常4～12本）
• k_s：単一ばねのばね定数（N/mm）
• x：ばねの圧縮量（mm）

例えば、Φ50 mmのシールリング面（面積19.63 cm²）に対し、8本の小ばねを用い、単一ばね定数0.5 N/mm、圧縮量5 mmの場合：

• Fs = 8 × 0.5 × 5 = 20 N
• Ps = 20 / (19.63×10⁻⁴) = 0.0102 MPa

このように、ばね圧力は慎重に設計する必要があり、大きすぎても小さすぎてもシール性能に影響を及ぼします。

2. 推奨されるスプリング圧力範囲

2.1 取付方法による分類

1.内部取付メカニカルシール：スプリング圧力は0.15～0.25 MPaを推奨します。内部取付シールの回転リングは媒体圧力を受けており、面圧は主に媒体圧力によって供給されます。スプリング圧力は起動および停止時の面閉鎖を確保するために必要です。

2.外部取付メカニカルシール：スプリング圧力は0.20～0.35 MPaを推奨します。外部取付シールの回転リングは媒体圧力を受けず、面圧は全てスプリング力によって供給されるため、より大きなスプリング圧力が必要です。

3.ベルローズメカニカルシール：スプリング圧力は0.10～0.20 MPaを推奨します。ベルローズ自身の弾性が面閉鎖力と補償能力の一部を提供するため、スプリング圧力を適切に低減できます。

2.2 媒体の粘度による分類

• 低粘度媒体（1 cP未満、液体炭化水素、LPGなど）：スプリング圧力は0.10～0.18 MPa。低粘度媒体は潤滑性が低いため、過剰なスプリング圧力は面での乾式摩擦を引き起こし、摩耗を加速させます。

• 中粘度媒体（1～100 cP、水、軽油など）：スプリング圧力は0.15～0.25 MPa。最も一般的な条件であり、適度なスプリング圧力が適用されます。

• 高粘度媒体（100 cP超、重油、シロップなど）：スプリング圧力は0.25～0.35 MPa。高粘度媒体はシール面に厚い油膜を形成しやすいため、面接触を維持するためにより大きなスプリング圧力が必要です。

2.3 媒体圧力による分類

• 低圧（0.5 MPa未満）：スプリング圧力は上限値を採用し、面閉鎖を確保
• 中圧（0.5～3 MPa）：スプリング圧力は中間値を採用
• 高圧（3 MPa超）：スプリング圧力は下限値を採用し、主に媒体圧力によって面圧を確保

3. バランス係数βの選定

3.1 バランス係数の定義

バランス係数 β = A2 / A1

ここで、A1はシール面積、A2は媒体圧力を受ける回転リングの有効面積です。

• β>1：アンバランスタイプ、媒体圧力が面圧を増加させる
• β=1：バランスタイプ、媒体圧力は面圧に影響しない
• β<1：オーバーバランスタイプ、媒体圧力が面圧を減少させる（実務では稀）

3.2 推奨β値

• 低圧条件（0.6 MPa未満）：β=1.0～1.2（アンバランスタイプ）、構造が簡単
• 中圧条件（0.6～3 MPa）：β=0.75～0.85（部分バランスタイプ）
• 高圧条件（3 MPa超）：β=0.65～0.75（深バランスタイプ）

4. フィルム圧力係数kの選定

フィルム圧力係数kはシール面間の液膜の圧力分布を反映します。シール面材料の組み合わせや媒体によりk値は異なります：

• 一般的な水媒体：k=0.5
• 軽油媒体：k=0.5～0.6
• 高粘度油媒体：k=0.6～0.7
• 液化ガス媒体：k=0.7～0.85（蒸発しやすく、液膜圧力が媒体圧力に近い）

5. 設計例

媒体が常温の水で、圧力1.5 MPa、シール面径Φ50 mm、内部取付けの部分バランス構造、β=0.8、k=0.5の遠心ポンプ用メカニカルシールの場合：

• ばね圧力Ps=0.2 MPaとする
• シール面圧Pb = 0.2 + (0.8-0.5) × 1.5 = 0.2 + 0.45 = 0.65 MPa

この値は、アンチモン含浸グラファイト/シリコンカーバイド組合せの許容シール面圧0.6 MPaを超えていますか？調整が必要です。βを0.75に下げることができます：

Pb = 0.2 + (0.75-0.5) × 1.5 = 0.2 + 0.375 = 0.575 MPa

これで要件を満たします。

結論

メカニカルシールのばね圧設計は、シール性能と寿命を保証する重要な要素です。Huahao Sealing Co., Ltd.は、カーボングラファイト製シールリングのフルラインアップを提供し、お客様の運転条件に基づくカスタムばね圧設計・計算サービスを行っています。技術チームまでお問い合わせください。専門的なエンジニアリング経験に基づき、最適なシールソリューションをご提供いたします。