高圧、極端な温度、または腐食性流体を扱うシステムでは、わずかな漏れでも深刻な損傷を引き起こす可能性があります。ベローズシールは、このような条件下に対応できるように設計されており、ストレス下でも信頼性の高い、しっかりとした柔軟なシールを提供します。化学ポンプ、真空チャンバー、蒸気システム、半導体製造装置など、クリーンで漏れのないシールが不可欠なあらゆる場所で、ベローズシールがよく使用されています。従来のシールとは異なり、ベローズシールは摺動部品や動的なOリングに頼ることなく、圧力と動きを制御します。NASAのこのPDFガイドでは、航空宇宙および真空システムにおけるベローズの用途について概説しています。
この記事では、ベローズシールの仕組み、材質、用途、システムに適したベローズシールを選択する際に考慮すべき事項について説明します。
ベローズシールとは何ですか?
ベローズシールは、従来のバネと二次シールを組み合わせた構造ではなく、柔軟な金属製ベローズを使用したメカニカルシールの一種です。ポンプ、コンプレッサー、バルブなどの回転機器において、特に熱、圧力、化学物質への曝露によって従来のシールが損傷するような過酷な環境下で、気密性と漏れのないシールを実現するように設計されています。
標準的なシールとは異なり、ベローズシールには、摩擦や摩耗を引き起こす動的Oリングやエラストマーは使用されていません。代わりに、薄肉の金属ベローズの膨張と圧縮を利用してシール圧力を維持します。そのため、化学処理、真空システム、半導体製造装置など、超クリーンな動作が求められるシステムに最適です。
ベローズシールの主要コンポーネント
すべてのベローズシールは、その機能を果たすいくつかのコア部品で構成されています。一般的なベローズシールには以下の部品が含まれます。
金属ベローズ要素
これは最も重要な部品で、柔軟なバネのような役割を果たします。薄い金属板を波形に溶接して作られており、これにより、気密性を保ちながら曲げたり圧縮したりすることができます。
シーリング面
片方の面はシャフトと共に回転し、もう片方の面は固定されています。これらの面は、炭化ケイ素、カーボン、セラミックなど、耐摩耗性と耐熱性に優れた材料で作られています。良好なシール性は、これらの面の平坦性と滑らかさに左右されます。
Hardware
これには、リテーナー、グランド、ハウジングが含まれます。これらの部品はシール全体を所定の位置に保持し、ポンプまたはバルブ本体に接続します。また、シャフトから回転部品への動きを伝達するピンやセットスクリューなどの駆動機構もあります。
オプションの二次シールまたはバックアップリング
一部のベローズシールには、バックアップリングまたは固定式Oリングが組み込まれている場合もあります。これらは通常、PTFEなどの耐薬品性材料で作られています。これらは高圧または真空システムにおいて保護性能を高めますが、動作中に動くことはありません。
ベローズシールの仕組み
ベローズシールは、金属製のベローズと精密なシール面を用いて、圧力と温度のかかった流体を制御します。その動作原理は以下のとおりです。
1. シール機能
シャフトが回転すると、ベローズ要素が2つのシール面を接触状態に保ちます。内部から流体圧力が作用すると、シール面が押し付けられます。ベローズはわずかに圧縮され、一定の圧力が加わることで、密閉状態が維持されます。摺動するエラストマーはなく、金属同士、または金属とセラミックの接触によって流体が封じ込められます。
2. 軸方向の柔軟性と圧力の封じ込め
ベローズ要素は軸に沿って曲がり、流体圧力に応じて圧縮または膨張します。この柔軟性により、シールは自動的に調整されます。流体圧力が高いとベローズが圧縮され、面同士が押し付けられます。一方、圧力が低いとベローズはわずかに緩みます。その結果、外部スプリングやOリングを必要とせずに接触を維持する自己調整シールが実現します。
3. シャフトの動きと熱膨張の補正
ベローズシールは、剛性シールとは異なり、接触を遮断することなく、シャフトの軸方向の動きと熱膨張を吸収します。シャフトの動きや環境温度の上昇に応じてベローズが柔軟に動きます。この動きによりシール面の位置合わせが維持され、位置ずれによる漏れを防止します。また、シャフトとベアリングへの応力が軽減されるため、機器の寿命が長くなります。
過酷な環境での漏れを防ぐ方法
ベローズシールは、過酷な条件下でもシール面間の圧力接触を一定に保つことで漏れを防ぎます。ASMEの金属ベローズにおける圧力補償に関するホワイトペーパーで説明されているように、内部圧力は高圧システムにおけるシールの性能向上に役立ちます。圧力が上昇するにつれてシール面が押し付けられ、より密閉性の高いシールが形成されます。このため、ベローズシールは運転中に圧力が変動する可能性のある状況に最適です。
真空環境では、シールは逆の方向に作用します。システム外の圧力によってベローズがわずかに潰れますが、シール面は接触状態を維持します。摺動するOリングやエラストマーがないため、システム内に空気を吸い込んだり、経年劣化したりすることはありません。オールメタル構造により、システムが加圧下でも真空下でも、両方向で漏れのない性能を確保します。
さらに、ベローズシールは単一の溶接構造で作られているため、流体の漏れを生じさせる接合部や継ぎ目がありません。この設計により、シャフトの動きや温度変化があっても、潜在的なリーク経路を最小限に抑えることができます。耐薬品性材料と精密に機械加工されたシール面と組み合わせることで、ベローズ構造は、従来のシールでは機能不全に陥りやすい環境においても、信頼性の高いシール性能を提供します。
ベローズシールの種類
ベローズシールには様々な種類があり、それぞれ特定の用途に適しています。用途、圧力範囲、温度、媒体の種類に応じて、異なるベローズシール設計が使用されます。それぞれに利点と限界があるため、選択する前に選択肢を理解することが重要です。産業界で使用されている主な種類は次のとおりです。
1. エッジ溶接金属ベローズ
このタイプは、打ち抜き加工された金属ダイヤフラムをプレス成形し、エッジ同士を溶接することで製造されます。その結果、自由長の最大90%まで曲げられる、非常に柔軟で精密なベローズが実現します。一方、成形タイプでは自由長のわずか20%までしか曲げることができません。エッジ溶接ベローズは、優れた疲労寿命、高いバネ定数、そして完全な制御性を備えており、高圧、クリーン、高サイクルのシステムに最適です。
2. 成形ベローズ（冷間成形、ハイドロフォーミング、電気成形）
成形ベローズは、金属管を圧延、油圧（ハイドロフォーミング）、または電鋳によって成形することで作られます。製造コストは低くなりますが、エッジ溶接タイプに比べて柔軟性が低く、耐用サイクル数も少なくなります。成形ベローズは、精度よりもコストと容積が重視される、よりシンプルな低圧用途で一般的に使用されます。
3. 電気鋳造ベローズ
マンドレルに金属めっきを施し、その後マンドレルを剥離することで作られる成形ベローズの一種です。電気鋳造ベローズは、わずか数マイクロメートルという極めて薄い壁厚を実現し、非常に精密です。微細な動きに対する感度が求められる、繊細な低圧用途に最適です。
4. 機械加工ベローズ
機械加工ベローズは、金属の塊から直接削り出して作られます。高い強度と精度を誇りますが、コストは高くなります。航空宇宙分野、高性能アクチュエータ、あるいは寸法や圧力に関する厳しい仕様が求められるシステムなどで使用されています。当社の専門的なCNCフライス加工サービスの詳細については、こちらをご覧ください。
5. エラストマーベローズ（ゴムまたはPTFE）
これらは柔軟なポリマーで作られており、低温、低圧、または汎用用途に最適です。高温や強力な化学物質には適していませんが、水ポンプ、HVACシステム、基本的な産業用途に適しています。
シングルベローズシールとデュアルベローズシールの設計
シングルベローズシールは、漏れが許容される、または安全に管理できるシステム向けに設計されています。シンプルでコストが低く、取り付けも容易です。非毒性または非危険性の流体を使用するアプリケーションでよく見られます。
一方、デュアルベローズシールは、危険性の高い用途や極めて繊細な用途向けに設計されています。2組のシール面を使用し、その間にバリア液が介在していることがよくあります。この構造により、毒性または可燃性の流体を完全に密封し、保護性能を高めます。安全性、環境制御、または漏れゼロが求められる場合に最適な選択肢です。デュアルシールは、空気に触れると結晶化、詰まり、または乾燥する流体を密封する際にも役立ちます。バリア液は内部の物質を安定に保ちます。
比較表: シングルベローズシールとデュアルベローズシールの設計
| 機能 | シングルベローズシール | デュアルベローズシール |
|---|---|---|
| シーリングセットアップ | シーリング面1セット | 2組のシーリング面（背中合わせまたは対面） |
| リークコントロール | 軽度の漏れを許容 | 外部漏れゼロ設計 |
| 以下のためにベスト | 無毒またはクリーンな液体 | 危険物、可燃性、または毒性のある液体 |
| 費用 | 低くなる | 追加されたコンポーネントにより高くなる |
| ユースケースの例 | 水ポンプ、軽油、クリーンプロセス | 化学処理、製薬システム、真空装置 |
ベローズシールの一般的な用途
ベローズシールは、信頼性、清浄性、そして漏れ防止が極めて重要なシステムに使用されます。圧力変化、動き、そして過酷な条件にも耐えうる能力を備えているため、幅広い業界で不可欠な存在となっています。
以下で、最もよく使用される場所とその理由を確認してください。
1. 化学および製薬産業におけるポンプ
ベローズシールは、刺激性または高圧の薬品を日常的に取り扱う化学・製薬用ポンプやミキサーに広く使用されています。耐腐食性に優れ、溶剤、酸、高流量撹拌機にさらされても密閉性を維持します。また、軸方向の変位にも漏れなく対応できるため、工業用リアクターや計量装置に最適です。その柔軟性により、医療現場における機器の清潔さと衛生基準の遵守が維持されます。
2. 真空システムと半導体ツール
半導体製造装置のような高真空または超クリーン環境において、ベローズシールは化学蒸着、エッチング、イオン注入などの工程においてチャンバー内の気密性を維持します。溶接構造によりガス放出を防ぎ、金属構造は真空・加圧サイクルを通して漏れを防止します。そのため、ベローズシールは真空バルブや半導体装置によく使用されています。例えば、ベローズシールは半導体製造装置におけるシールの不具合防止に不可欠です。
3. 極低温システム
ベローズシールは、液体窒素やヘリウムシステムなどの極低温環境下でも優れた性能を発揮します。金属のみで構成された構造により、極低温収縮にも亀裂を生じさせることなく対応し、-153℃以下の温度でもシールの気密性を維持します。インジウムまたは金属エッジシールを用いた設計は、MRIや極低温ポンプシステムなどの極低温用途における厳しい真空要件を満たします。
4. 高純度または腐食性環境
システムが汚染ゼロを要求される場合、または腐食性流体にさらされる場合、インコネル、ハステロイ、または特殊ステンレス鋼製のベローズシールが最適です。これらの材料は化学腐食に耐え、パーティクルを放出しないため、高純度水システム、強力な化学処理、または滅菌操作に最適です。
5. 蒸気または高温流体の取り扱い
ベローズシールは、発電所、ボイラー給水システム、高温パイプラインにおける高温流体や蒸気の取り扱いに最適です。熱負荷下でも柔軟性を維持し、サイクルを通して密閉性を維持し、スケール付着を防ぎます。全金属製の溶接ベローズにより、高温蒸気への曝露でよく発生するOリングの破損を回避できます。
ベローズシールを選択する際の設計上の考慮事項
適切なベローズシールを選ぶには、システムの動作要件に慎重に適合させる必要があります。以下に、エンジニアが考慮すべき重要な要素を示します。それぞれ、実際の数値と専門的な仕様に基づいています。
1. 使用温度範囲
温度は材料の性能に直接影響します。Alloy 718またはAM350鋼製のエッジ溶接ベローズは、最高425℃（800℉）までの温度に耐えることができます。チェスタートンの886HTシールは、エラストマーではなくグラファイトシールを使用しており、-28℃（-20°F）から20℃（200℉）まで動作します。ただし、ベローズの材質は、想定される温度サイクルに合わせて選定してください。
2. 流体の種類と圧力
まず、圧力範囲と圧力の種類（正圧または負圧）を確認してください。例えば、ジョン・クレーン社のタイプ604シールは、単層構造で最大360psi（25bar）、二重構造で最大1000psi（69bar）の負圧に対応します。したがって、ベローズの耐圧性能がシステムの最大作動圧力と一致するか、またはそれを超えていることを確認してください。
3. 必要な軸方向の動き
ベローズは、シャフトの動きと熱膨張に対応できるほどの柔軟性が必要です。固定式ベローズ設計は、取り付け時に一度だけ曲げることで、継続的な応力を軽減し、シール寿命を延ばします。熱サイクルや軸方向サイクルが頻繁に発生するシステムでは、このタイプは経年劣化による疲労破損を回避します。
4. 溶接と仕上げにおけるベンダーの能力
ベローズの品質は、精密な溶接と機械加工に大きく左右されます。API-682準拠設計のような高仕様製品に求められるエッジ溶接技術で作られたシールは、安定した性能を発揮し、応力点を低減します。そのため、厳密な溶接制御、同心円加工、そして最終的な面ラッピングを提供できるサプライヤーをお選びください。
圧力、温度、腐食、疲労に対する材料選択が重要な理由
適切な材料を選択することで、シールの耐腐食性、圧力サイクルへの耐性、そして繰り返しの温度変化への耐久性を確保できます。ベローズの標準合金は以下の通りです。
- 合金718またはAM350: 圧力定格は層あたり最大 360 psi、耐熱性は 425 °C です。
- SS316L, Inconel, Hastelloy, チタン: 腐食性または高温のシステムで使用され、圧力定格はベローズの厚さに応じて 2.5 ～ 6.9 MPa (360 ～ 1000 psi) です。
- グラファイトまたはシリコンカーバイドのフェイス: 急速な摩耗を起こさずに研磨性または高温の液体を取り扱ってください。
ベローズシールの限界と使用してはいけない場合
ベローズシールは多くの要求の厳しい用途において優れた性能を発揮しますが、必ずしもすべてのシステムに適合するとは限りません。エンジニアやバイヤーは、シーリングソリューションを選択する際に、特に機械的ストレスが高い、アライメントの問題、あるいはコスト制約のあるシステムにおいては、これらの制約を慎重に検討する必要があります。
1. 半径方向の動きに対する許容範囲の制限
ベローズシールはシャフト軸に沿って曲がるように設計されていますが、ラジアル方向の動き（左右方向の動き）には適していません。システムにシャフトのずれや偏心回転がある場合、シールの摩耗が早まったり、面間の接触が失われたりする可能性があります。
2. 初期費用が高い
精密溶接、高品質素材、クリーンルーム対応仕上げのため、ベローズシールは従来のスプリング式シールよりも一般的に高価です。長期的にはメンテナンス費用を節約できますが、リスクが低い用途や予算が厳しい用途では、初期価格が障壁となる場合があります。
3. 高サイクル用途における金属の経時疲労
繰り返しの圧力変化、熱サイクル、またはシャフトの動きは、特に高速または高周波の機器において、ベローズを時間の経過とともに疲労させる可能性があります。金属が疲労限界を超えて曲がると、小さな亀裂が発生し、早期に発見しないと故障につながる可能性があります。
4. シャフトのミスアライメントがあるシステムには適していません
システムのシャフトがぐらついたり、負荷がかかった際に曲がったり、運転中に位置ずれを起こしたりすると、ベローズシールは信頼性の高いシール性能を発揮できない可能性があります。こうした状況では、ベローズとシール面に不均一な圧力がかかり、シールの寿命が短くなったり、漏れが生じたりする可能性があります。
結論
ベローズシールは、標準的なシールでは対応できない高圧、真空、腐食性環境において、漏れのない信頼性の高いソリューションを提供します。ケミカルポンプから真空チャンバーまで、その柔軟性、耐久性、そして圧力や温度の変化への対応力は、ベローズシールを不可欠なものにしています。しかしながら、適切な材料と設計を選択することが長期的な性能の鍵となります。システムのニーズに最適なシールをお選びください。
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よくあるご質問
溶接ベローズと成形ベローズの違いは何ですか?
溶接ベローズは、薄い金属ダイヤフラムを精密溶接で接合することで作られ、高圧または高サイクルシステムにおいて優れた柔軟性と強度を実現します。一方、成形ベローズは1本の金属管から成形されており、通常は柔軟性と耐久性に劣りますが、軽負荷用途ではよりコスト効率に優れています。溶接タイプは、真空システムや化学ポンプなどのクリティカルな用途に適しています。
ベローズシールは研磨性流体を処理できますか?
直接的な影響はありません。ベローズシールは、シール面が急速に摩耗するため、研磨性粒子を含む流体の取り扱いには適していません。しかし、シール面にシリコンカーバイドなどの硬質材料を使用することで、耐性を向上させることができます。また、粒子を洗い流し、シールを損傷から保護するために、外部フラッシュシステムを設置することも一般的です。
ベローズの漏れはどの程度までなら多すぎるのでしょうか?
適切に機能するベローズシールは、目に見える漏れが全くないはずです。ほとんどのベローズシールは、通常の使用条件下では完全に漏れないように設計されています。もし、継続的な漏れ、液体の蓄積、圧力低下が見られる場合は、故障または疲労の兆候です。真空システム、化学システム、クリーンルームシステムでは、微量の漏れでも問題となる可能性があるため、測定可能な漏れがあれば直ちに対処する必要があります。
