高速回転シール：速度、温度、圧力の限界

シールと油圧システムの長年の実務経験に基づいて執筆しています。この記事では、速度、温度、圧力の相互作用によって高速回転シールの実用限界がどのように決まるのか、そして信頼性の高い性能を実現するために材料、形状、試験をどのように選定すればよいのかを概説します。本稿は、要求の厳しい回転アプリケーションにおいて、漏れ制御、摩擦、摩耗、耐用年数のバランスを取らなければならない設計エンジニア、メンテナンス責任者、調達担当者を対象としています。

ダイナミックシーリングの理解：基礎と一般的な故障モード

ロータリーシールとは何か？高速回転がなぜゲームを変えるのか？

最も単純な形態では、回転シールは回転する界面を介して流体を分離します。例としては、モーターのシャフトシール、ロータリーユニオン、油圧スイベル、高速スピンドルなどが挙げられます。静的シールと比較すると、主な問題は摩擦熱、流体膜の形成、リップフラッター、遠心力の影響です。メカニカルシールと回転シールの技術概要については、こちらをご覧ください。メカニカルシール（Wikipedia）。

シャフト速度上昇時の一般的な故障メカニズム

シャフトの表面速度が上昇すると、通常は次のメカニズムによって寿命が決まります。

• シールリップでの摩擦熱により熱劣化や押し出しが発生します。
• 断続的な漏れを引き起こす流体力学的揚力または接触の喪失（リップフラッター）。
• 遠心力によって悪化する混入粒子による摩耗。
• バックアップ リングでサポートされていない場合、システム圧力が高いときに圧力によって押し出しが発生します。

これらを理解することで、材料、潤滑、形状、または極限条件に対するフェースシール/メカニカルシールへの切り替えなどの対策を選択できます。

主要なパフォーマンス指標：表面速度、PV、摩擦力

エンジニアは、熱負荷と摩耗負荷を推定するために、シャフト表面速度（m/s）とpv（圧力×速度）の複合パラメータをよく使用します。表面速度 = π × D × rpm / 60。シールの許容pvは有用な比較指標ですが、温度と潤滑条件と併せて解釈する必要があります。トライボロジーの背景については、以下を参照してください。トライボロジー（Wikipedia）。

速度、温度、圧力の制限

速度制限の解釈：表面速度と回転数

メーカーが単一の回転速度制限を明記することは稀で、通常は最大軸表面速度（m/s）を指定します。以下は、一般的な回転シール方式における、標準的かつ保守的な動作範囲の実際的な概要です。これらは業界標準のガイドラインであり、実際の制限は潤滑、表面仕上げ、シール設計、冷却条件によって異なります。

これらの範囲は、一般的なサプライヤーのガイドラインと業界慣行に基づいています。必ず試作品の試験結果とベンダーのデータシートでご確認ください。材料の熱的限界と速度時の挙動については、下記のリンク先にあるPTFEおよびエラストマーの参考資料をご覧ください。

材料別の温度限界

材料の選択は多くの場合、決定的な要素となります。

• PTFE（ポリテトラフルオロエチレン）：静的使用では約-200°Cから+260°Cで使用可能。動的シールでは高温での熱老化とクリープを考慮する必要がある（PTFE（ウィキペディア））。
• ニトリル（NBR）：通常-40°C～+120°C。耐油性は良好だが、高温安定性は低い（ニトリルゴム（Wikipedia））。
• FKM（フッ素エラストマー）：200℃まで使用可能。優れた耐高温性と耐薬品性（フッ素エラストマー（Wikipedia））。
• シリコンと FFKM: 特殊な高温用途に使用されますが、摩耗と機械的強度が異なります。

注：記載されている温度範囲は材料科学的な範囲です。動的かつ高速での使用では、接触部での摩擦熱により、実際の許容温度は低くなります。接触温度を監視し、想定される動作温度よりも高い温度余裕を持つ材料を使用することが不可欠です。

圧力限界と設計戦略

回転シールの耐圧性能は、原材料よりもシール形状と支持要素（バックアップリング、はみ出し防止機構）に大きく依存します。一般的なガイドライン：

• バックアップ リングのない軽量ロータリー リップ シール: 通常は低圧用途 (< 1～10 bar) 向けです。
• バックアップ リングと適切なグランド設計を備えた油圧回転シール: 適切にサポートされている場合、数十から数百バールで動作できます。
• 非常に高圧の回転サービスの場合、機械式面シールまたは特殊な高圧回転ユニオンを検討してください。面シール設計では、圧力負荷がフレキシブル リップではなく面インターフェイスに伝達されます。

Oリングの寸法と許容差の規格（例：ISO 3601）は、圧力によるはみ出しを防ぐグランド設計に役立ちます。高圧回転設計の場合は、より硬い材料または金属で作られたはみ出し防止リングを指定してください。

高速回転アプリケーションの設計：実践的な手順

材料の選択と潤滑戦略

速度が制限要因となる場合は、低摩擦材料（充填PTFE、特殊低摩擦エラストマー、またはコーティングリップ）を選択してください。潤滑は速度向上の最も重要な要素となる場合が多くあります。選択肢には以下が含まれます。

• 熱を運び去り流体膜を形成するための継続的な流体潤滑（オイルまたはグリース膜）。
• 摩耗を軽減するための金属カウンター面への表面処理またはコーティング（グラファイト、MoS2、PVD コーティング）。
• PTFE 複合材 (青銅充填、炭素充填、MoS2 充填) を使用して低摩擦と耐摩耗性を組み合わせることが、一部の専門メーカーの当初の焦点でした。

材料を選択するときは、サプライヤーの pv および温度のガイダンスに従い、ベンチ テストで検証します。

シール形状、公差、表面仕上げ

シャフト径、真円度、表面仕上げ（Ra）を厳密に管理することが重要です。一般的な推奨事項：

• シャフトの硬度と表面仕上げはシールの材質と一致する必要があります。柔らかいシールは摩耗を防ぐために滑らかな表面が必要です。
• グランド許容差は、潤滑膜の形成を可能にしながら、圧力下での押し出しを防止する必要があります。
• 放射状の干渉（唇の接触圧力）により、漏れと摩擦が設定されます。バランスをとるためにシミュレーションまたはテストを行います。

表面仕上げと振れ許容値を指定すると、高速走行時のリップフラッターのリスクが軽減されます。

試験、計測機器、標準

高速アプリケーションでは、計装環境下でのプロトタイプテストは必須です。主な測定項目には、接触温度（熱電対または赤外線）、トルク（摩擦）、リーク率、摩耗深さなどがあります。該当する場合は、標準化団体の試験方法を参照し、PVおよび寿命試験データを提供するサプライヤーと連携してください。Oリングおよびシールの寸法については、以下をご覧ください。ISO 3601。

ポリパック：能力、製品、そして私たちが良いパートナーである理由

私たちについて、そして私たちの技術的強み

Polypacは、シール製造、シール材料開発、そして特殊な作動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およびオイルシールサプライヤーです。2008年の設立以来、充填PTFEシール（ブロンズ充填、カーボン充填、グラファイトPTFE、MoS₂充填、ガラス充填）の製造を開始し、その後、エラストマーをはじめとする幅広い製品ラインへと事業を拡大してきました。国内外の大学や研究機関と長期的な連携を図り、最新の材料科学およびトライボロジーの進歩に沿った製品開発に取り組んでいます。

製造能力と先進設備

当社のカスタムゴムリングおよびOリング工場は、10,000平方メートルを超える敷地を有し、そのうち8,000平方メートルは工場スペースです。当社の生産設備および試験設備は業界最先端のものであり、高速回転シールの精密な寸法管理、コンパウンド開発、加速寿命試験を可能にしています。

高速回転サービス向け製品ラインナップと具体的なサービス

Polypac は、高速回転アプリケーションに最適な以下の製品を供給およびカスタム設計します。

• Oリング（NBR、FKM、シリコン、EPDM、FFKM）
• 油圧用ロッドシールおよびピストンシール
• 端面スプリングシールおよびロータリーシール（充填PTFEタイプを含む）
• スクレーパーシール、バックアップリング、ダストリング

当社の競争優位性は、材料に関する深い専門知識（特にPTFE複合材料）、社内コンパウンドおよびツール製造能力、そして安定供給を可能にする規模にあります。高い表面速度を必要とする設計には、充填剤入りPTFEロータリーシールをご提供するほか、お客様のデューティサイクルに合わせたグランド設計、はみ出し防止リング、冷却・潤滑戦略をご提案いたします。

高速回転シールを指定する前に行う実用的なチェックリスト

• 最悪のサイクルにおけるシャフト表面速度 (m/s) と pv 負荷を計算します。
• 摩擦による予想される接触温度の上昇を推定し、材料の温度マージンを指定します (20 ～ 50 °C 以上を推奨)。
• 潤滑が連続的か、断続的か、乾式かを決定します。これにより材料の選択が決まります。
• 図面に表面仕上げ、硬度、振れ、グランド許容差を指定します。
• 許容可能な漏れ率を定義し、計測条件下での加速寿命テストを計画します。
• 押し出し防止機能を組み込むか、高圧/高速コンボ用のフェース/メカニカル シールに切り替えます。

よくある質問（FAQ）

1. ロータリーシールの「高速」とはどのくらいの速度ですか?

高速とは状況によって異なります。エラストマーリップシールの場合、一般的に5～8 m/sを超える速度が高速とみなされますが、PTFEベースのシールでは10～20 m/sを超える速度となる場合があります。直径が重要なため、回転数だけでなく、常にシャフト表面速度（m/s）を使用してください。

2. 回転軸に標準の O リングを使用できますか?

通常は不要です。Oリングは主に静電気を帯びた部品です。回転部品の場合は、特殊なグランド設計、低摩擦コーティング、または動PTFEリップの背後にOリングを静電気帯び部品として使用する必要があります。ISO 3601寸法基準用。

3. リップシールよりもメカニカルフェイスシールを選択すべきなのはどのような場合ですか?

非常に高い速度と圧力の組み合わせ、または漏れ許容度が非常に低い場合は、メカニカルフェイスシールをお選びください。メカニカルフェイスシールは、制御された潤滑膜上で動作するように設計されており、通常、フレキシブルリップシールよりも高いPV値に対応します。

4. シャフトの表面仕上げはどの程度重要ですか?

非常に影響があります。粗さ、波状、および硬い箇所は摩耗とリップの振動を増加させます。多くのダイナミックシールで推奨されるRaは0.2～0.8µmの範囲ですが、選択した材料についてはシールサプライヤーの推奨事項をご確認ください。

5. 充填された PTFE シールは常に高速に適していますか?

充填PTFEは摩擦が低く、高速性能に優れている傾向がありますが、熱膨張を制御し、はみ出しを防ぐためにグランドの設計を最適化する必要があります。また、エラストマーとは異なる摩耗特性も備えています。温度、圧力、化学物質への曝露など、デューティサイクル全体を考慮して材料を選定する必要があります。

6. シールサプライヤーにどのようなテストを依頼すればよいですか?

PV定格試験データ、動作速度および圧力における動的リーク試験、摩擦／トルク測定、加速寿命試験をご依頼ください。特に接触温度測定機器は貴重です。

参考文献

• メカニカルシール — Wikipedia
• PTFE（ポリテトラフルオロエチレン） — Wikipedia
• ニトリルゴム（NBR） — Wikipedia
• フッ素エラストマー (FKM) — ウィキペディア
• トライボロジー — Wikipedia
• ISO 3601 — Oリング（ISO）

高速シャフト回転、高温、高圧が求められるプロジェクトの場合、デューティサイクルの検討、候補材料の選定、グランド形状の選定、試験の実施をお手伝いいたします。製品データシート、試作サンプル、エンジニアリングサポートについては、Polypacまでお問い合わせください。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、幅広い製品ラインナップをご用意しております。ご相談やお見積もりについては、当社の技術営業チームまでお問い合わせいただくか、製品ページをご覧ください。

お問い合わせ・ご相談:特注ソリューションやサンプルのご依頼は、Polypacの技術チームまでお問い合わせください。高速回転シールプロジェクト向けの材料開発、カスタムツール、試験をご提供いたします。