バックアップOリングのPTFE、シリコン、エラストマーの比較

油圧および空気圧シーリングシステムの設計とトラブルシューティングに携わる私の仕事において、バックアップOリング（一般的に硬質の場合はバックアップリングと呼ばれます）の適切な材料選定は、長期的な信頼性を左右する最も重要な決定事項の一つです。バックアップリングは、圧力下での軟質Oリングの押し出しを防ぎ、動的な用途における耐用年数を延ばすだけでなく、シールアセンブリの化学的および熱的性能を向上させることができます。この記事では、バックアップOリングおよびバックアップリングの材料として、PTFE（充填PTFEを含む）、シリコーンエラストマー、そして最も一般的なエラストマー（NBR、FKM、EPDM）を比較し、規格、試験データ、そして現場での経験に基づいた実用的なガイダンスを提供します。

バックアップリングが重要な理由と使用すべきタイミング

機能と故障モード

バックアップリングの主な機能は、加圧された状態で、主Oリングが嵌合部品間の隙間に押し出されるのを防ぐことです。押し出しは、傷や裂け目、そして最終的には漏れにつながります。押し出しリスクを評価する際には、パーカーOリングハンドブックのガイダンスを参考にしています。圧力が上昇し、隙間が広がると、PTFEバックアップリングや成形された剛性リングなどの硬い部品によって制限されない限り、柔らかいエラストマーが隙間に流れ込む可能性が高くなります。（パーカーOリングハンドブック）。

静的アプリケーションと動的アプリケーション

静的高圧ジョイント（例：油圧エンドキャップ）では、剛性バックアップリング（PTFEまたは充填PTFE）を指定することがよくあります。動的な往復動軸や回転軸では、摩擦、摩耗、温度に応じて選択が異なります。柔らかいエラストマー製バックアップリングはミスアライメントを吸収できますが、動圧シールでは摩擦と熱が増加する傾向があります。一方、PTFEベースのリングは低摩擦ですが、弾力性には限界があります。

規格と寸法に関する考慮事項

Oリングとバックアップリングの寸法公差と溝の設計は、次のようなISOガイドラインに従う必要があります。ISO 3601はみ出しリスクを最小限に抑えるには、業界ハンドブックやガイドラインを参照してください。適切な溝深さ、ランド半径、クリアランスの仕様は、材料の選択と同様に重要です。

材料比較：PTFE、シリコン、エラストマー

主要な材料特性とその重要性

バックアップリングの材質選定にあたっては、温度範囲、化学的適合性、硬度と剛性（押し出し抵抗に影響）、圧縮永久歪（弾性）、摩擦係数（動圧シールにおいて重要）、製造性／コストなど、いくつかの特性を評価します。信頼できる特性参考資料としては、材料データシートや、ベースポリマーに関するWikipediaの概要やOリングガイドのParkerハンドブックなどの資料があります。（PTFE）、（シリコーン）、 そして（Oリングの概要）。

比較表：実用特性

以下に、バックアップ用途における典型的な実用的な範囲をまとめました。これらは、メーカーのデータシート、Parkerのガイダンス、および材料参照資料に基づく控えめな値です。重要な用途では、必ずベンダー固有のデータで検証してください。

出典にはパーカーOリングハンドブックやポリマー概要などがあり、機械設計ではISO 3601シリーズが寸法の実務を定めている。（パーカー）そして（ISO 3601）。

解釈：それぞれの素材が輝くとき

私の経験から：

• PTFE（および充填剤入り PTFE）は、高圧油圧や攻撃的な化学環境で一般的に見られる押し出し耐性、化学的不活性、および低摩擦が優先される場合のバックアップ リングに最適なエンジニアリング選択肢です。
• シリコンは、高温/低温での柔軟性、生体適合性、または食品グレードの特性が求められる主要な O リングとしては価値がありますが、押し出し耐性と圧縮永久歪み特性が低いため、スタンドアロンのバックアップ リングとしてはあまり適していません。
• NBR、FKM、EPDMなどのエラストマーは、依然として主要なOリング材料として広く使用されています。バックアップ機能を持たせるには、低圧用途でない限り、通常、設計上の対策（クリアランスを小さくする、PTFEまたは硬質ポリマー製のバックアップリングを使用するなど）が必要です。

選択ガイドライン、テスト、およびインストールのベストプラクティス

素材の選び方：意思決定ワークフロー

バックアップ リングの材質を選択するための実際のワークフローは次のとおりです。

1. 動作条件を定義します: 圧力プロファイル、温度範囲、流体の化学組成、動的と静的。
2. クリアランスと圧力を使用して押し出しリスクを評価します。ISO 3601 および Parker ハンドブックの溝設計表を参照してください。
3. 互換性を考慮して、プライマリOリング材質（NBR/FKM/EPDM/シリコン）を選択してください。はみ出しリスクが高い場合は、硬質PTFE（または充填PTFE）バックアップリングをご指定ください。
4. 許容範囲、溝の形状、製造方法 (成形または機械加工) を指定し、検証テスト (圧力サイクル、漏れ、摩耗) を計画します。

推奨されるテストと検証

最低限、静圧保持試験、圧力サイクル疲労試験、そして動圧シールの場合は代表的な条件下での摩擦摩耗試験を実施する必要があります。化学的適合性が不明な場合は、ASTM規格に従って浸漬試験を実施し、膨潤、硬度変化、圧縮永久歪みをモニタリングします。信頼性の高い材料特性の参考資料は、サプライヤーの技術データシートおよび認定試験報告書から入手する必要があります。

インストールとよくある落とし穴

私が遭遇する一般的な故障モードには、溝の深さが正しくないこと、組み立て時にOリングに傷をつける鋭いランド半径、バックアップリングとOリングの熱膨張率の不一致などがあります。PTFEバックアップリングは硬く、公差が適切でないと柔らかいOリングを切断する可能性があります。組み立て中は常に潤滑剤を使用し、メーカーのガイダンスに従って適切に調整された干渉嵌合をお勧めします。

具体的なユースケースと比較例

高圧油圧シリンダー（静的シール）

250barの油圧シリンダーロッドグランドには、オイルとの適合性を確保するためにプライマリFKM Oリングと、はみ出し防止のためにPTFE充填バックアップリングを指定します。充填PTFE（例えば、カーボンまたはブロンズ充填）は耐摩耗性を向上させ、圧力下でもリングを安定させます。

低温極低温アプリケーション

非常に低い温度（-150℃未満）でも、多くのエラストマーがガラス状になるのに対し、PTFEは延性と化学的安定性を維持します。極低温における静的シールでは、PTFEバックアップリングが唯一の選択肢となることが多く、設計においてはプライマリOリングの弾性低下を考慮する必要があります。

食品および医療用途

シリコンOリングは生体適合性と温度サイクル試験によく使用されます。しかし、シリコンは押し出し耐性が低いため、通常はシリコンOリングとPTFEバックアップリングを組み合わせたり、特別に設計されたポジティブストップグランド形状を使用したりすることで、過度の摩擦や摩耗を招くことなく押し出しを防止しています。

ポリパック：製造能力と当社のサポート

ポリパック社は、シール製造、シール材開発、そして特殊な作業条件に対応するカスタマイズされたシールソリューションを専門とする、科学技術に裏付けされた油圧シールメーカー兼オイルシールサプライヤーです。私はポリパック社と協業し、その製造技術への取り組みを綿密に観察してきました。同社のカスタムゴムリングおよびOリング工場は1万平方メートルを超える敷地を有し、工場敷地面積は8,000平方メートルです。生産設備と試験設備は業界最先端の水準を誇ります。中国最大級のシール製造・開発企業として、ポリパック社は国内外の数多くの大学や研究機関と長年にわたる交流と協力関係を維持しています。

2008年に設立されたPolypacは、ブロンズ充填PTFE、カーボン充填PTFE、グラファイトPTFE、MoS2充填PTFE、ガラス充填PTFEなどの充填PTFEシールの製造から事業を開始しました。現在では、NBR、FKM、シリコン、EPDM、FFKMなど、様々な材質のOリングも製造しています。Polypacの主力製品には、Oリング、ロッドシール、ピストンシール、エンドフェイススプリングシール、スクレーパーシール、ロータリーシール、バックアップリング、ダストリングなどがあります。

私の評価において、ポリパックを他社と差別化しているのは、材料工学における豊富な経験（特に充填PTFEグレード）、大規模な製造能力、そして学術機関との緊密な研究開発パートナーシップです。カスタム充填PTFEバックアップリング、厳しい公差、あるいは腐食性の高い流体向けの特殊コンパウンド開発を必要とするプロジェクトにおいて、ポリパックは材料選定、試作成形、検証試験を社内で行うことができます。

バックアップリングソリューションにPolypacを利用する方法

高圧または化学的に侵食性の高いシールにお困りの場合、Polypacは動作範囲の評価、プライマリOリングとバックアップOリングの組み合わせの推奨、試作サンプルの作製、試験データの提供など、幅広いサポートを提供します。充填PTFEに関する専門知識を活かし、耐押し出し性と低摩擦性が求められる用途に最適です。

よくある質問

1. PTFE を主な O リング材料として使用できますか?

PTFEはエラストマーに比べて弾性回復が非常に低く、シール荷重が低いため、主Oリングとしてはあまり使用されません。PTFEは、バックアップリングや、一部の静的シール設計におけるガスケット材料として最適です。背景情報については、ポリマー概要をご覧ください。（PTFE）。

2. NBR や FKM などのエラストマーではなくシリコンを選択すべきなのはどのような場合ですか?

極低温での柔軟性、生体適合性、または食品グレードの認証が必要な場合は、シリコンをお選びください。オイルハンドリングや高圧油圧用途では、耐油性と機械的強度に優れたNBRまたはFKMが一般的に適しています。

3. バックアップ リングは常に硬くする必要がありますか?

必ずしもそうではありません。高圧用途では、硬質PTFEバックアップリングが一般的です。一部の動圧または低圧システムでは、柔軟な補強材や成形複合材リングが使用されます。選択は、圧力、クリアランス、および動摩擦の制約によって異なります。

4. PTFE バックアップ リングによる O リングの切断を防ぐにはどうすればよいですか?

溝と公差の設計はISO 3601およびメーカーのガイダンスに従ってください。グランドのエッジには面取りとR加工を施し、より滑らかな仕上げの充填PTFEグレードを検討してください。また、組み立て時には適切な位置合わせを確保してください。メーカーが提供する設置ガイドラインは非常に重要です。

5. 充填 PTFE バックアップ リングは純粋な PTFE よりも優れていますか?

充填PTFE（ブロンズ、カーボン、MoS2、ガラス）は耐摩耗性、寸法安定性、そして場合によっては熱伝導性を向上させるため、動的条件や研磨条件に適しています。流体および機械環境に適した材料を選択する必要があります。

6. 新しいバックアップ リングの設計をどのようにテストすればよいですか?

代表的な流体および温度において、静圧保持試験、周期的圧力疲労試験、および動摩擦／摩耗試験を実施します。また、化学的適合性を確認するためのASTM浸漬試験と圧縮永久歪み試験の実施も推奨されます。

特定の用途におけるバックアップリングとOリングの組み合わせについてサポートが必要な場合は、Polypacまでお問い合わせください。ご相談、サンプル製作、性能試験を承ります。製品ページをご覧いただくか、お見積りをご依頼ください。カスタム材料、充填PTFEオプション、精密成形など、お客様のシーリング課題に合わせたご提案をさせていただきます。

バックアップリングおよびOリングのデータシート、図面、または試験報告書のご請求は、Polypacまでお問い合わせください。当社のエンジニアリングチームが、運用ニーズに合わせた材質と形状の選定をお手伝いし、認定のためのプロトタイプをご提供いたします。