メカニカルシールによる熱の計算方法

機械シールによって発生する熱を計算することは、機械業界においては複雑ですが重要な作業です。エンジニアは、故障を防ぎ、パフォーマンスを最適化するために、シールの熱を正確に測定する必要があります。

関連する主要なパラメータと計算式を明確に理解していないと、コストのかかるミスが発生し、効率の低下、ダウンタイムの増加、さらには壊滅的なシールの故障につながる可能性があります。

このブログ記事では、メカニカル シールの熱を計算する方法を段階的に説明します。考慮すべき重要なシール形状、動作条件、材料特性について説明します。API 682 ヒート ソーク方程式を含む主要な公式を学び、実際の計算例を確認します。

シール形状と寸法

• シール面の外径: 回転シール面と固定シール面の外径。これらの寸法は、摩擦にさらされる面積の量に影響し、熱の発生に影響します。
• シール面の内径: 回転シール面と固定シール面の内径。外径とともに内径によってシール領域が定義されます。
• 平均面直径: 外側と内側の平均 シール面 平均直径。平均直径は、回転速度に基づいて線形摩擦速度を計算するために使用されます。

操作条件

• 回転速度: シャフトと回転シール部品の回転速度。通常は毎分回転数 (RPM) で表されます。速度が速いほど、摩擦熱が多く発生します。
• 圧力差: シールの高圧側から低圧側までの流体圧力の差。圧力差が大きいとシール面間の接触圧力が高まり、摩擦と熱が大きくなります。
• 流体の粘度: 流体の流れに対する抵抗の尺度。粘度の高い流体は、シール界面でより大きな粘性せん断と流体摩擦を生成する傾向があります。
• 温度: 動作温度は流体の特性とシール部品の熱膨張に影響し、インターフェースの形状と熱発生に影響します。

材料特性

• 熱伝導率: シール面の材料の熱伝導能力。熱伝導率が高いほど、シール部品を通して熱がより効率的に放散されます。
• 比熱: シール材料の温度を 1 度上げるために必要な熱量。比熱値が高い材料は、より多くの熱エネルギーを吸収します。
• 密度: シール材料の単位体積あたりの質量。密度は、シール部品の熱容量と熱慣性の計算に影響します。

メカニカルシールによる熱計算式

摩擦熱発生式

摩擦熱発生式は、シール面間の相対運動によりシール界面で発生する熱量を計算するために使用されます。式は次のとおりです。

H = f × P × V

どこ：

• Hは摩擦熱発生量（W）
• fは摩擦係数（無次元）
• Pはシール面間の接触圧力（Pa）
• Vは滑り速度（m/s）

摩擦係数は、シール面の材質、潤滑油の特性、表面粗さなどのさまざまな要因によって異なります。接触圧力は、スプリング力とシール面に作用する油圧によって決まります。滑り速度は、シャフトの直径と回転速度に基づいて計算されます。

API 682 ヒートソーク方程式

アメリカ石油協会 (API) 規格 682 では、メカニカル シールのヒート ソークを推定するための簡略化された方程式が提供されています。ヒート ソークは、シールされた流体と周囲のコンポーネントによって吸収される熱の量を表します。API 682 ヒート ソーク方程式は次のとおりです。

Q = k × D × N

どこ：

• Qは熱吸収量（W）
• kはシール係数（W/mm/rpm）
• Dはシャフト径（mm）
• Nはシャフトの回転速度（rpm）です。

シール係数 (k) は、シールの種類、サイズ、動作条件によって異なる経験値です。API 682 では、さまざまなシールの配置と用途に対して推奨されるシール係数値が規定されています。

実例: ステップバイステップの計算

メカニカルシールの摩擦熱発生とヒートソークの計算を説明する実用的な例を考えてみましょう。次のパラメータを持つ単一のメカニカルシールがあるとします。

• シャフト径（D）：50mm
• 回転速度（N）：3,000rpm
• シール面接触圧力（P）：1MPa
• 摩擦係数（f）：0.1
• API 682 シール係数 (k): 0.5 W/mm/rpm

ステップ1: 滑り速度(V)を計算する

V = π × D × N / 60,000 V = π × 50 mm × 3,000 rpm / 60,000 V = 7.85 m/s

ステップ2: 摩擦熱発生量(H)を計算する

H = f × P × V H = 0.1 × 1,000,000 Pa × 7.85 m/s H = 785 W

ステップ3: API 682の式を使用してヒートソーク(Q)を計算する

Q = k × D × N Q = 0.5 W/mm/rpm × 50 mm × 3,000 rpm Q = 75,000 W = 75 kW

この例では、摩擦熱発生は 785 W、ヒートソークは 75 kW です。これらの値は、シーリング システムにかかる熱負荷についての洞察を提供し、適切なシール材料、冷却剤、および放熱方法を選択するのに役立ちます。