急速な温度変化を伴う真空混合乾燥機には、とりわけメタルベローズ支持のメカニカルシール、そして制御されたシールリキッドを用いる二重メカニカルシールシステムが適しています。高い純度要求がある場合、あるいはシールリキッドの製品への混入を排除したい場合には、ガスシールド式、あるいは適した運転条件下ではガス潤滑式のシールが候補になります。ただし選定を最高温度だけに基づいて行ってはなりません。決め手となるのは、温度プロファイル全体、真空レベル、混合軸の回転数と軸方向の動き、製品・溶剤・洗浄媒体に対する耐薬品性、求められる気密性、ATEXおよび不活性化への要求、そして洗浄・保守のコンセプトです。

動的なシャフトシールは、真空混合乾燥機において最も要求水準の高いシール箇所です。回転する混合軸を真空空間に対して密閉すると同時に、シャフト、シールハウジング、軸受、容器の間の相対的な動きを吸収しなければなりません。ジャケットや混合物が急速に加熱・冷却されると、これらの部品は程度も時間差も異なる形で膨張・収縮します。シャフトは軸方向に伸びることがあり、ハウジングは径方向に変形することがあり、シール部には大きな温度勾配が生じることがあります。適さないシールはこれにより傾いたり、予圧を失ったり、過度に摩耗したり、リークを起こしたりすることがあります。

こうした用途には、メタルベローズ形メカニカルシールがとりわけ適しています。金属製ベローズが軸方向の可動性を担い、摺動面の予圧を与えます。これによりシャフト上に動的に摺動するエラストマー製Oリングを必要とすることなく、シャフトの熱による長さ変化を吸収できます。まさにこの動的なエラストマー製Oリングは、大きな温度変化、腐食性の強い溶剤、製品の付着、あるいは堆積物がある場合に問題となりえます。膨潤したり、収縮したり、硬化したり、摩擦や堆積物によって動きが妨げられたりすることがあります。メタルベローズシールはこのリスクを大幅に回避できるため、真空、高温、腐食性の強い薬品、そして大きく変動するプロセス条件に用いられます。

金属製ベローズ自体は、それぞれの媒体と発生する温度変化に対して耐性のある材料でなければなりません。用途に応じて、高合金ステンレス鋼やニッケル基合金が候補になります。選定は、酸、アルカリ、塩化物、溶剤、温度、水分、起こりうる応力腐食割れ、そして想定される熱サイクル数などに左右されます。同様に重要なのが摺動面の選定です。炭化ケイ素、炭化タングステン、あるいはカーボン材といった硬質材料の組み合わせは、潤滑状態、研磨性、真空、温度、許容される汚染に応じて用いることができます。適合性が製品、回転数、運転状態に大きく左右されるため、普遍的に通用する材料の組み合わせは存在しません。

要求水準の高い真空混合乾燥機には、二段作動式のメカニカルシールが、多くの場合最も頑健な総合的解決策となります。これは、制御された空間を挟んで前後に配置された2つのシール段から構成されます。このシール室は、シールリキッドまたはシールガスで運転できます。第2のシール段はプロセス安全性を高め、周囲空気が真空プロセスへ侵入することを困難にし、故障時に生じうる製品の外部への漏出を制限します。これは特に有毒、可燃性、臭気の強い、あるいは高価値の製品において重要です。

液体でシールされた二重シールでは、シール媒体が複数の機能を果たします。摺動面を潤滑・冷却し、摩擦熱を排出し、シール部の温度変動を緩衝することができます。サーモサイフォンや外部循環ユニットにより、圧力、温度、液位、必要に応じて流量が求められる範囲内に保たれます。とりわけ急速な温度変化がある場合、シール媒体を制御して温度調節することで、シールの寿命を大幅に向上できます。内側の摺動面にかかる熱負荷が軽減され、二次シール要素への負担が減り、シール部の変形リスクが下がります。二重のメタルベローズ支持シールは、メタルベローズの熱補償能力と、シール系による追加の安全・監視機能を兼ね備えています。

シール圧力は、シールコンセプトとプロセス圧力に適合していなければなりません。加圧された液体バリア方式では、シール圧力は通常プロセス圧力よりも高く設定されます。真空運転では、その際、内部リークが発生した場合にシールリキッドが製品に混入しうるかどうかを特に確認する必要があります。医薬品、微細化学品、あるいは高純度プロセスでは、そのためシール媒体をコンテインメント・洗浄・リスク分析の枠組みの中で評価しなければなりません。用途に応じて、適した熱媒油、水・グリコール混合液、あるいは医薬品用途として許容されるシール流体などを用いることができます。選定は、製品への微量混入が生じた場合にどのような結果を招くかによって決まります。

シールリキッドの混入が望ましくない、あるいは許容されない場合には、二重ガスシールド式のメカニカルシールが有効なことがあります。ここではしばしば窒素がシールガスとして用いられます。ガス流はプロセスと周囲との間に定義されたバリアを形成し、同時に不活性化にも寄与できます。これは酸化や水分に敏感な製品、そして可燃性溶剤において有利です。ただし急速な温度変化がある場合には、加熱・冷却の際にガスの圧力と体積が変化するため、ガス供給を特に安定して制御しなければなりません。シールガス圧力、消費量、シール室内の温度、そして生じうるリーク流の排出は監視すべきです。窒素または空気バリアを用いた乾式運転のミキサー乾燥機用シールシステムは、シール室内の圧力を状態指標として利用でき、大きな温度変化と熱膨張を伴う用途向けに特化して提供されています。

ガス潤滑式の非接触シール――しばしばドライガスシールと呼ばれます――は、ガスシールド技術の特殊な形態です。特殊な構造の摺動面が、適切な回転のもとで薄いガス膜を生み出します。通常運転では摺動面はほとんど接触しなくなります。これにより摩擦、摩耗、発熱が抑えられます。こうしたシステムは、非常に高い純度要求と適した運転条件のもとでは魅力的な選択肢になりえます。ただし、精密に加工された摺動面、安定したガス供給、確実な圧力制御、そして十分な運転条件が必要です。低速で高トルクの混合工具では、ガス潤滑式シールのすべてが等しく適しているわけではありません。したがって具体的な適合性は、シールメーカーとともに、そして起動・停止・非常運転の状態を考慮して評価しなければなりません。

動的なシャフトシールに加え、あらゆる静的な接合部も真空気密でなければなりません。これにはマンホール蓋、点検扉、のぞき窓、フランジ、センサー接続部、フィルターハウジング、加熱ジャケット接続部、排出機構が含まれます。こうした用途には、さまざまなシール材料が用意されています。FFKMは非常に腐食性の強い薬品、高温、そして扱いの難しい洗浄媒体に適しています。FKMは、多くの有機溶剤、油、中程度から高めの温度で広く用いられる経済的な解決策です。EPDMは特に熱水、蒸気、水系洗浄媒体に適していますが、多くの油、グリース、無極性溶剤には適していません。PTFEおよび変性PTFEは非常に幅広い耐薬品性と低い反応性を備えていますが、冷間流動の性質があるため、それに合った構造的な支持が必要です。金属製のCリング、Eリング、あるいは渦巻形ガスケットは、高温、高い差圧、あるいは特に高い形状安定性への要求がある場合に有効なことがありますが、フランジ形状、表面品質、締付力に対する要求は高くなります。

静的シールでは、正しい溝形状が材料と同じくらい重要です。シールは温度範囲全体にわたって十分に圧縮された状態を保たなければなりませんが、温度変化、膨潤、あるいは永久変形によって損傷するほど強く負荷をかけてはなりません。定義された圧縮率、適切な溝深さと溝幅、清浄な表面、均一なフランジ締結、そして制御された締付トルクは、そのため恒久的な真空気密性のための本質的な前提条件です。重要な接合部では、弾性コアを持つPTFE被覆シールや金属で補強されたシールにより、高い耐薬品性の利点に追加の形状安定性を組み合わせることができます。

シールを真空混合乾燥機に構造的に組み込む方法は、少なくともシールそのものと同じくらい重要です。シャフト、シールハウジング、フランジが大きく異なる温度で動作しないよう、シール部はできるだけ均一に温度調節すべきです。シールハウジングを狙って冷却あるいは温度調節することで、二次シール、軸受、摺動面の温度を許容範囲内に保つことができます。同時に、軸方向・径方向の熱膨張は構造上考慮すべきです。大きな混合軸は、大きな温度差のもとで著しく伸びることがあります。メタルベローズシールは、軸方向の動きを弾性的に吸収できるため、これにとりわけ適しています。水平型乾燥機・反応器向けシールの一例は、大きな温度変化と熱膨張の間も真空を確実に保持するよう明確に設計されています。

確かなシールコンセプトには、さらに継続的な状態監視が必要です。シールリキッド系では、少なくともシール圧力、温度、液位、必要に応じて流量を監視すべきです。ガスシールド系では、ガス圧力、ガス消費量、ガス品質、排気の処理が重要です。加えて、プロセス・シール室・大気の間の差圧、シールハウジングの温度、軸受温度、振動、駆動トルクは、摩耗、リーク、製品付着、あるいはシャフトのゆがみに関する重要な手がかりを与えることがあります。警報限界、遮断ロジック、点検間隔、そして予防保全のコンセプトは、すでに設計の段階で定めておくべきです。

実務上、頻繁で急速な温度変化を伴う真空混合乾燥機には、監視されたシール系を備えた二重メタルベローズ形メカニカルシールが、多くの場合好ましい出発点となる解決策です。シャフトの熱による動きを吸収し、動的に摺動するエラストマー製Oリングを回避し、第2のシール段によって高いプロセス安全性を提供します。摺動面の冷却・潤滑がとりわけ重要で、適合するシール媒体を許容できる場合には、液体シールド式が有利です。シールリキッドが製品中に望ましくない場合、あるいはプロセスがいずれにせよ窒素で不活性化されている場合には、ガスシールド式が優先されます。極端な温度変化、腐食性の強い媒体、高い真空要求に対しては、メタルベローズ支持の構造が、動的に動くエラストマーを用いる従来型のプッシャー形シールよりも、多くの場合頑健です。