真空ポンプは工業生産や科学研究における重要な設備であり、その性能はシステム全体の運転効率に直接関係しています。シーリングシステムは真空ポンプの中核部品であり、外部ガスの真空システムへの侵入とポンプ内部媒体の環境への漏洩を防止します。本稿では、真空ポンプシールの種類、材料選定、メンテナンスのポイントを体系的に紹介し、関連技術者にとって専門的な参考資料を提供します。
1. 真空ポンプシールの分類と原理
真空ポンプのシールは、静的シールと動的シールの 2 つの主なカテゴリに分けられ、それぞれ異なる動作条件と要件に適しています。
1.1 静的シール技術
静的シールは、主に次の 2 つの形式で、比較的静止した部品の間に使用されます。
Oリングシールは最も一般的な静的シールです。断面はO字型で、製造が簡単で低コストでありながら、優れたシール性能を発揮します。静的シール用途において、Oリングは最大100MPaの圧力に耐えることができ、動作温度範囲は約-60～200℃です。Oリングのシール原理は、設置時の予圧縮によって発生する反発力を利用しており、シール面に接触圧力を発生させることで漏れ経路を遮断します。
ガスケットシールは、遠心ポンプにおける静的シールの基本形態です。材料の塑性変形を利用してフランジシール面の微細な凹凸を埋めます。ガスケット材料の選定には、媒体特性、運転温度、圧力、腐食性などの要素を総合的に考慮する必要があります。
1.2 ダイナミックシーリングテクノロジー
ダイナミックシールは、相対的に動く部品間に使用されます。高度な技術要件が求められ、種類も豊富です。
メカニカルシールメカニカルシールは、現代の真空ポンプにおける最も精密な動的シールです。回転リングと固定リング、二次シール、伝達部品などで構成され、端面の相対的な摺動によってシールを形成します。メカニカルシールはリーク率が非常に低く、長寿命ですが、製造コストが高く、厳格な設置精度が求められます。
パックされたシールは最も古いシール方法の一つです。圧縮性と弾力性を備えたパッキング材をスタッフィングボックス内に配置することで、グランドからの軸方向の圧縮力を半径方向のシール力に変換します。構造はシンプルで交換が容易、安価で幅広い用途に使用できますが、一定の漏れ量があり、極めて高い気密性が求められる用途には適していません。
オイルシールは、自己締め付けリップシールの一種です。コンパクトで低コストであり、媒体の漏れと外部汚染物質の侵入の両方を防止できますが、耐圧性が低く、通常は低圧環境で使用されます。
高度なシーリング技術 ラビリンスシール、ダイナミックシール（例：エクスペラーシール）、スパイラルシール、および ドライガスシール非接触シールの代表例として、ドライガスシールは、端面の外側に流体力学的溝を形成し、極めて薄いガス膜（厚さわずか1～3マイクロメートル）にガスを送り込むことで、媒体の漏れや排出をゼロに抑えます。特に、高パラメータの動作条件に適しています。
2. シール材の選定と考慮すべき事項
シールの性能は材料の選択に大きく依存し、複数の要素を総合的に考慮する必要があります。
2.1 硬質材料
メカニカルシールの摩擦ペア（回転リングと固定リング）の場合、炭化ケイ素と高品質の膨れ防止グラファイト は一般的な選択肢です。粒子、高粘度媒体、高圧条件を伴う用途では、シリコンカーバイド同士のような硬質表面の組み合わせがよく使用されます。これらの材料は、高い硬度、優れた耐摩耗性、そして化学的安定性を備えています。
2.2 エラストマー材料
Oリング、二次シールなどに使用されます。フッ素エラストマーは、優れた総合特性から一般的な選択肢となっています。動作温度や化学的適合性要件がフッ素エラストマーの限界を超える場合、パーフルオロエラストマー最高動作温度290℃まで使用可能です。
3.3 特殊な条件における材料の選択
腐食性の高い媒体の場合は、次のような特殊プラスチックが適しています。ポリテトラフルオロエチレンとポリエーテルエーテルケトンを選択する必要があります。高温用途の場合は、金属材料 （ステンレス鋼など）または 膨張黒鉛 を選択できます。食品業界や医薬品業界では、衛生基準を満たすシール材が求められます。
2.4 選択における総合的な考慮
シールの選択には複数の要素のバランスが必要です。真空レベル要件 （粗真空、高真空、または超高真空）、 伝送媒体の特性（腐食性、粒子の存在）、動作温度範囲、 圧力条件、そして コスト制約例えば、腐食性媒体を扱う場合、材料の耐腐食性が第一に考慮されますが、高温条件下では、材料の耐熱性が重要な要素となります。
3. シーリングシステムの設置および保守仕様
シーリングシステムの長期にわたる安定した動作を確保するには、正しい設置と標準化されたメンテナンスが不可欠です。
3.1 設置精度管理
メカニカルシールを取り付ける際は、取り付け時のズレを防止し、グランドとシャフトまたはスリーブの同心度を確保する必要があります。スプリングの圧縮量は、仕様に従って厳密に調整し、誤差を最小限に抑える必要があります。シール面の平坦度と清浄度はシール性能に直接影響し、わずかな傷や不純物でもシール不良につながる可能性があります。
3.2 起動前のチェックとデバッグ
始動前に水圧試験を実施し、漏れがないか確認してください。ポンプを手で回し、滑らかで均一な回転を確認してください。空運転やシール面の損傷を防ぐため、始動前にシールチャンバーに液体が満たされていることを確認してください。
3.3 運用監視とトラブルシューティング
ポンプの起動直後は軽微な漏れは許容範囲ですが、数時間の連続運転後には大幅に減少するはずです。漏れが続く場合は、ポンプを停止して点検してください。運転中はシール部の温度変化を注意深く監視してください。異常な発熱は、多くの場合、シールの不具合を示唆しています。乾燥摩擦によるシール面の損傷を防ぐため、ポンプのランアウト状態は避けてください。
3.4 定期メンテナンスシステム
シール漏れの定期点検、シール部の温度監視、シール寿命の記録などを含む、科学的な定期保守システムを確立してください。重要な機器のメカニカルシールについては、振動解析、温度傾向監視などの手段を用いて潜在的な問題を事前に特定する予知保全を検討してください。
4. 結論
真空ポンプのシールシステムは、複数の分野にわたる技術が絡み合う複雑な分野です。シールの選定、設置、メンテナンスは、真空ポンプの性能と寿命に直接影響を及ぼします。新材料と新プロセスの継続的な開発により、真空ポンプのシール技術はゼロリーク、長寿命、そして高い信頼性を目指して進化を続けています。様々なシール技術の原理と特性を深く理解し、実際の動作条件に基づいた科学的な選定と標準化されたメンテナンスを組み合わせることが、真空システムの効率的で安定した運用を保証する鍵となります。
特定のアプリケーション シナリオでは、専門のシール サプライヤーと緊密にコミュニケーションを取り、その専門知識と経験を活用し、機器のパフォーマンスを確保しながらライフサイクル コストを最適化するために最も適切なシール ソリューションを選択することをお勧めします。
投稿日時: 2025年10月13日