メカニカルシールの設計と選定において、開口力は重要なパラメータです。このブログ記事では、開口力に影響を与える要因を詳細に検討し、メカニカルシールの開口力を決定するために必要な計算手順を解説します。 メカニカルシール.
開口力に寄与する4つの主要な要素、すなわちバネ力、油圧力、摩擦力、そして粘着力について考察します。それぞれの要素について、その根底にある原理を説明し、詳細な公式と計算例を用いて、それらが全体の開口力に与える影響を定量化する方法を説明します。
開口力とは
リフトオフ力とも呼ばれる開弁力は、メカニカルシールの設計と操作において重要なパラメータです。これは、シールに作用する閉弁力を克服するために必要な力を指します。 シール面シール面同士が分離し、シール面間に流体膜を形成します。この流体膜はシール面同士の直接接触を防ぎ、摩耗を最小限に抑え、放熱を促進するため、シールの適切な動作に不可欠です。
開口力に影響を与える要因
ばね力
スプリング力は、メカニカルシールの開弁力の主要構成要素の一つです。メカニカルシールには通常、コイルスプリングや ベローズシール面に一定の閉じ力をかけます。スプリングの力は、運転中のシール面間の接触を維持し、摩耗や熱膨張を補正します。
スプリング力の大きさは、スプリングの設計、材質、圧縮力によって異なります。シールメーカーは、製品のスプリング力データを提供していることが多く、このデータは開口力の計算に使用できます。
油圧
油圧（流体圧力とも呼ばれる）は、シール面を開放する力に大きく寄与するもう一つの要因です。この力は、シール面に作用する流体圧力によって発生します。油圧はシール面を押し広げる方向に作用し、シール面の閉鎖力を相殺し、流体膜の形成を促進します。
油圧の大きさは、流体圧力、シール面の形状、およびシールのバランス比によって決まります。バランス比は、流体圧力を受けるシール面面積の割合を決定する設計パラメータです。
摩擦力
摩擦力は、シール面間の相対運動に抵抗する力です。メカニカルシールでは、回転シール面と固定シール面の接触によって摩擦力が発生します。この力は、表面仕上げ、材料特性、およびシール面間の接触圧力に依存します。
摩擦力はメカニカルシールの閉じる力に寄与し、適切なシール動作を実現するには、その大きさを開放する力が克服する必要があります。
接着力
粘着力（スティクション力とも呼ばれる）は、シール面が密着した際に発生する引力です。この力は、ファンデルワールス力などの分子間相互作用によって生じ、表面特性や汚染物質、流体膜の存在によって影響を受けます。
接着力は、シール面が高度に研磨されている場合や粘性流体を扱う場合など、特定の用途では重要になることがあります。
開口力の計算
バネ力の計算
バネ力（Fs）はフックの法則を使って計算されます。
Fs = k × x
どこ：
- kはバネ定数（N/m）
- xはバネの圧縮力（m）
例：
- バネ定数（k）＝10,000 N/m
- バネ圧縮（x）＝0.005 m
Fs = 10,000 N/m × 0.005 m = 50 N
油圧計算
油圧（Fh) は、次の式を使用して計算されます。
Fh = P × A × B
どこ：
- Pは流体圧力（Pa）
- Aはシール面面積（m²）です
- Bはバランス比率（単位なし）
例：
- 流体圧力（P）＝1,000,000 Pa（10 bar）
- シール面面積（A）＝0.0001m²
- バランス比率（B）= 0.8
Fh = 1,000,000 Pa × 0.0001 m² × 0.8 = 80 N
摩擦力の計算
摩擦力（Ff) は、次の式を使用して計算されます。
Ff = μ × Fc
どこ：
- μは摩擦係数（単位なし）
- Fc は、バネ力とその他の閉じる力を含む閉じる力（N）である。
例：
- 摩擦係数（μ）＝0.1
- 閉鎖力（Fc） = 100 N （先ほど計算したバネ力を含む）
Ff = 0.1 × 100 N = 10 N
接着力推定
接着力（Fa）は、表面特性、流体特性、環境条件など様々な要因に依存するため、正確に計算することが困難です。実際には、付着力は実験データや経験式に基づいて推定されることが多いです。
この例では、推定接着力が 5 N であると仮定します。
Fa = 5N
総開口力
総開口力（Fo）は、油圧と粘着力の合計から、バネ力と摩擦力を引いたものです。
Fo =Fh + Fa - Fs - Ff
前の例の値を使用します。
- 油圧（Fh） = 80 N
- 接着力（Fa） = 5 N
- バネ力（Fs） = 50 N
- 摩擦力（Ff） = 10 N
Fo = 80 N + 5 N – 50 N – 10 N = 25 N
この例では、合計開口力は 25 N です。この値は、閉じる力を克服し、シール面間に流体膜を作成するために必要な最小の力を示しています。
