高速回転シール材質：PTFE、エラストマー、金属

高速回転機器向けシールの仕様策定とトラブルシューティングに長年携わってきた経験に基づき、本記事を執筆しています。本稿では、PTFE（およびその充填材入り）、エラストマー（NBR、FKM、FFKM、シリコン、EPDM）、そして金属製ソリューションが高速回転シールにおいてどのように挙動するかを概説し、現実的な性能限界について考察するとともに、業界の参考文献や規格に照らして検証可能な実用的な選定および設計ガイダンスを提供します。温度、表面速度、潤滑、摩耗、摩擦熱、適合性といった現実的な制約条件に焦点を当てることで、お客様がアプリケーションに最適な材料とシール形状を選択できるよう支援します。

高速回転シールの材料選定

私が評価する主要なパフォーマンス基準

高速回転シールの材料を評価する際には、摩擦係数（発熱量を決定）、想定される表面速度における耐摩耗性（通常は表面速度m/sで表されます）、熱安定性（連続温度およびピーク温度）、プロセス流体との化学的適合性、硬度／弾性（リップシールにとって重要）、そして圧力下での寸法安定性を優先します。その他の実用的な基準としては、サプライチェーンの可用性、製造性（成形、機械加工）、そしてコストがあります。

アプリケーション主導の選択

すべての高速アプリケーションに同じ特性が求められるわけではありません。例えば、軽量空気圧モーターのダイナミックシールでは低摩擦と低リークが重視されます。研磨性流体を扱う高速ポンプでは高い耐摩耗性が求められます。ターボ機械では金属またはハイブリッドの面シールが必要になる場合があります。私はアプリケーション（シャフト径、回転数、潤滑状態／乾燥状態、圧力、媒体）を目標表面速度（U = π·D·n / 60）にマッピングし、目標Uと使用条件に基づいて材料を選定します。

私が使用する基準と参考文献

設計上の決定の根拠として、OリングについてはISO 3601、エラストマーの選択についてはASTM D2000などの一般的な分類規格を参照しています。材料特性や一般的な背景については、WikipediaのPTFEの項目（https://en.wikipedia.org/wiki/ポリテトラフルオロエチレン）および油圧シールの概要（https://en.wikipedia.org/wiki/油圧シール）。製造元の技術ノート（SKF、Parker、Trelleborg）には、速度と圧力の検証済み動作限界が記載されており、最終検証のために確認する必要があります。

高速回転シール用PTFEおよびPTFE複合材料

材料特性とPTFEが機能する理由

PTFE（ポリテトラフルオロエチレン）は、極めて低い摩擦、優れた耐薬品性、そして広い動作温度範囲（バージンPTFEで約-200～+260℃）を特徴としています。これらの特性により、PTFEは高速回転シール、特に低摩耗性と低発熱性が重視される軽負荷または潤滑条件下での使用に最適です。PTFEに関するWikipediaの項目は、私がよく参照する簡潔な技術概要です（https://en.wikipedia.org/wiki/ポリテトラフルオロエチレン）。

充填PTFEの種類とトレードオフ

純粋なPTFEは比較的柔らかく、荷重下でクリープが発生しやすいため、充填剤入りPTFEグレードは回転シールによく使用されます。一般的な充填剤には、青銅、炭素、グラファイト、二硫化モリブデン（MoS2）、ガラスなどがあります。充填剤の種類によって、摩耗、摩擦、温度挙動が異なります。

• ブロンズ充填 PTFE: 耐荷重性と耐摩耗性が向上し、バージン PTFE に比べて摩擦がわずかに増加します。
• カーボン充填 PTFE: さまざまな摺動条件下で摩擦を軽減し、耐摩耗性を向上させます。
• グラファイトまたは MoS2 充填 PTFE: 優れた潤滑性と高温性能を提供します。

Polypac は充填 PTFE シール (ブロンズ、カーボン、グラファイト、MoS2、ガラス) の製造を開始しました。これらは多くの回転アプリケーションで実証済みの選択肢となっています。

PTFE回転シールの設計上の考慮事項

PTFEロータリーシールの選定にあたっては、接合面の仕上げ（低摩擦化にはRa < 0.4 µmが理想的）、シャフトの振れおよび波打ちの許容範囲、適切なスプリングプリロードまたはエナジャイザーの選択、そして高圧時のはみ出しを防ぐためのバックアップリングの使用などに注意を払っています。PTFEは多くのエラストマーよりも高い表面速度で動作できますが、システムの潤滑と放熱は依然として重要です。摩擦熱を管理しないと、PTFEは局所的に軟化してしまうからです。

エラストマー：柔軟な素材が優れた性能を発揮するとき

一般的なエラストマーとその強み

エラストマー（NBR、FKM/バイトン、FFKM/パーフルオロエラストマー、シリコーン、EPDM）は、適度なシャフト偏芯で良好なシール性を提供し、コストが低く、取り付けが簡単なため、多くのロータリーリップシールの標準材料となっています。静的および低速の動的シールに適した弾力性、成形の容易さ、そして優れた復元力といった利点があります。よく見かけるのは、以下のような材料です。

• NBR (ニトリル): 汎用油圧/空気圧シール、最大約 120 ºC までの優れた耐油性。
• FKM (フッ素エラストマー): 最大約 200 ºC までの高温および耐薬品性。
• FFKM: 腐食性媒体に対するクラス最高の耐薬品性と温度安定性。
• シリコン: 低温柔軟性に優れ、高速走行時の耐摩耗性が限られています。
• EPDM: 優れた耐蒸気性/耐水性がありますが、ほとんどの炭化水素油には適していません。

ASTM D2000などの規格では、ゴム材料の公称温度/化学グループ分けが規定されています（https://www.astm.org/d2000-20.）。

動的シール挙動と速度制限

エラストマーリップシールは、高速用途では実用上の限界があります。シールメーカー（SKF、Parker）の一般的な工場ガイダンスによると、エラストマーリップシールは、中程度のシャフト表面速度（材質、潤滑剤、硬度によって異なりますが、通常は8～15 m/sの範囲）まで良好に機能するとされています。この範囲を超えると、摩擦熱、リップの劣化、および押し出しが加速します。私は常に、特定のシールプロファイルと材質についてメーカーの速度チャートを確認しています。多くのサプライヤーは、設計検証に信頼できる速度/圧力チャートを公開しています。

温度、媒体、寿命のトレードオフ

エラストマーは熱老化や化学的な攻撃に敏感です。たとえ材料が最高温度に耐えられるとしても、高温が続くと弾性が低下し、透過性が増大します。腐食性の高い流体や高温環境では、コストは高くなりますが、FKMまたはFFKMが適切な選択肢となることがよくあります。潤滑システムにおいて高回転数での長寿命化を図るには、ハイブリッドPTFEリップまたはPTFEコーティングされたエラストマーが最適な選択肢となります。

回転シールにおける金属およびハイブリッドソリューション

金属シールとコーティング面

極度の速度、温度、または摩耗環境によりポリマーシールが適さない場合には、金属面シール（例：ラビリンスシール、金属リング付きメカニカル面シール）が一般的です。金属は、ターボ機械や一部の航空宇宙用途に必要な構造安定性と熱伝導性を提供します。表面処理、例えばハードコーティング（PVD、窒化処理）や制御されたマイクロテクスチャは、シール接触と漏れを管理する上で不可欠です。

バックアップリング、インサート、表面処理

高速回転シールでは、圧力下での軟質材料の押し出しを防ぎ、高速回転時の形状を安定させるために、バックアップリング（PTFEまたはPEEK）を頻繁に使用します。PTFEリングに金属インサート（ステンレス鋼または複合材キャリア）を組み込むことで、剛性が向上し、取り付けと熱伝導が向上します。シャフトの仕上げ、硬化、コーティングの選択（クロムメッキ、高周波焼入れ、セラミックコーティング）は、軟質シール材の摩耗率に直接影響します。

ハイブリッドシール：PTFE、エラストマー、金属を組み合わせたもの

ハイブリッド設計（例えば、PTFEシーリングリップをエラストマーOリングで駆動し、金属キャリアで支持する設計）は、非常に実用的なアプローチです。PTFEの低摩擦性と耐薬品性に​​加え、エラストマーのプリロードと金属構造強度も兼ね備えています。私は、中程度の汚染環境において低トルクと長寿命が求められる用途にハイブリッドシールを使用しています。ハイブリッドシールでは、公差と組立てに関する設計管理がより厳格になりますが、その分、耐用年数という面で大きなメリットが得られます。

比較データ表

以下に、出発点として使用できる、一般的に公開されている典型的な範囲をまとめました。最終設計にあたっては、必ずメーカーのデータシートと照らし合わせて検証してください。

出典: メーカーの技術ガイド (SKF、Parker)、PTFEの概要 (ウィキペディア）、ASTM/ISO 分類規格に準拠しています。

私が実際に使用している選択ワークフロー

1) 動作範囲を定義する

シャフト表面の速度を計算し、圧力、媒体、温度、潤滑状態、および汚染の予測を決定します。これにより、候補材料の絞り込みが可能になります。

2) 制限に対する材料の選別

候補となる材料を、速度、温度、耐薬品性、および予想寿命の観点から比較検討します。メーカーの速度／圧力チャートを参考に、不適切な材料を早期に排除してください。

3) 実際の路面で試作とテストを行う

候補となるシールは、必ず実際のハードウェアまたは代表的な試験装置でテストします。実験室での摩擦・摩耗試験はあくまでも目安であり、実際のシャフトの振れ、振動、汚染が現場での性能を左右することがよくあります。

Polypacの機能と、カスタム高速ソリューションに推奨する理由

ポリパックは、シール製造、シール材開発、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。ポリパック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面積を誇り、工場敷地面積は8,000平方メートルです。同社の生産設備および試験設備は、業界最先端の水準を誇ります。中国最大級のシール製造・開発専門企業として、ポリパックは国内外の数多くの大学や研究機関と長年にわたる連携・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リングを製品ラインに加えています。Polypacの主要製品は、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、ダストリングなどです。

私がポリパック社を高速回転シールプロジェクトの競争力のあるパートナーと考え​​る理由:

• 回転環境における摩耗と負荷容量を改善する充填 PTFE 配合に関する実証済みの経験。
• 大規模で最新の生産能力と高度なテスト機器により、一貫した品質と拡張性が実現します。
• 研究機関との積極的な連携により、特殊な用途向けの材料開発と性能検証をサポートします。
• 包括的な製品ポートフォリオ（エラストマーと PTFE）により、単一材料の選択を強制するのではなく、ハイブリッドおよびカスタマイズされたソリューションが可能になります。

特殊な媒体、狭い温度範囲、または非常に高い表面速度など、特定の高速アプリケーション向けに設計されたシールが必要な場合、充填 PTFE の専門知識、エラストマーの機能、および社内テストを組み合わせれば、Polypac は設計段階の早い段階で関与できる実用的なサプライヤーになります。

よくある質問

1. PTFE ロータリーシールの実際の最大シャフト表面速度はどれくらいですか?

PTFEは多くのエラストマーよりも高い表面速度に耐えることができますが、実際の限界は潤滑、シャフトの仕上げ、負荷、冷却条件によって異なります。一般的な潤滑油を使用する用途では、PTFEは約20～30 m/sまで良好な性能を示します。具体的な使用条件については、メーカーのデータシートと試験結果をご確認ください。PTFEの特性については、以下をご覧ください。https://en.wikipedia.org/wiki/ポリテトラフルオロエチレン。

2. エラストマーシールよりも充填剤入り PTFE を選択すべきなのはどのような場合ですか?

低摩擦、幅広い耐薬品性、そして高速性能が必要な場合は、充填PTFEをお選びください。シャフトの凹凸への追従性、コスト削減、そして静的または低速動作におけるシンプルなシールが必要な場合は、エラストマーをお選びください。ハイブリッドソリューションは、両方の長所を兼ね備えています。

3. エラストマー リップ シールは高回転でも機能しますか?

エラストマーリップシールは中程度の回転数で動作可能です。多くのメーカーは、一般的な油圧システムや潤滑システムにおいて、表面速度を約8～15 m/sまでと評価しています。これより高い速度では、材料の選定、潤滑、および熱管理を慎重に行う必要があります。

4. シャフトの仕上げとランアウトはどの程度重要ですか?

極めて重要です。低摩擦材料（PTFE）の場合、より細かい仕上げ（Ra < 0.4 µm）を目標とし、振れやうねりを制御します。エラストマーは多少粗い仕上げでも許容しますが、局所的な過熱や摩耗の加速を防ぐため、振れを最小限に抑える必要があります。

5. 高速シールには常にバックアップ リングが必要ですか?

必ずしもそうとは限りませんが、加圧システムやシールのはみ出しリスクがある場合には、PTFEまたはPEEK製のバックアップリングが一般的です。バックアップリングは、高速走行時の形状を安定させ、脈動によるはみ出しを低減するのにも役立ちます。

6. 高速シール設計を検証するにはどうすればよいですか?

実機または代表的な試験装置を用いたプロトタイプテストは不可欠です。長時間のデューティサイクルにおけるトルク、リーク、摩耗率、温度上昇を検証してください。サプライヤーの速度／圧力チャートや材料データシートを用いてテストを補完してください。

技術相談、カスタム材料の選択、またはPolypacの製品ラインナップと試験能力の詳細については、プロジェクトサポートとサンプル提供のためPolypacにお問い合わせください。標準およびカスタムのロータリーシール、Oリング、ロッドおよびピストンシール、バックアップリングなど、高速回転アプリケーションに最適なソリューションをお探しいただけます。

お問い合わせ/ご相談: Polypac に連絡して動作範囲について相談し、データシート、テスト レポート、カスタム見積りを依頼してください。