ロッカードリル用アキュムレータ・ダイアフラムの材質は何ですか？NBR、HNBR、ポリウレタンについて解説

すべての油圧式ロックスドリルアキュムレータは、 ダイアフラム その窒素ガス充填部と油圧油回路を分離するためのダイヤフラムに依存しており、このダイヤフラムは特定のエラストマーまたは熱可塑性ポリマーで成形されています。材料の選択は偶然ではなく、ダイヤフラムが熱、油、摩耗性異物、および通常の運転中に非常に高い頻度で繰り返される変形（フレキシング）にどれだけ耐えられるかを決定します。本稿では、ロックスドリルアキュムレータ用ダイヤフラムに最もよく用いられる材料、それらの違い、およびそれらが実際の使用における部品の挙動にどのような影響を与えるかについて解説します。 ダイアフラム , その違い、およびそれが実際の使用における部品の挙動に与える影響について

ロックスドリルアキュムレータのダイヤフラムはどのような材料で作られているか？

現在の製品では、ロックスドリル用アキュムレータのダイアフラムは、ほぼ常に成形された合成エラストマーで、最も一般的にはニトリルゴム（NBR）または水素添加ニトリルゴム（HNBR）、あるいは鋳造または成形されたポリウレタン（PU）製の部品である。一部の部品カタログでは、この部品をいまだに「レザーカップ」と表記しているが、これは過去のダイアフラムやカップシール構造に由来する名称であり、名称とは裏腹に、現在販売・装着されている部品は革製ではない。メーカーおよび地域によっては、「ダイアフラム」「メンブレン」「ガスセパレータ」などと呼ぶ場合もあるが、いずれも機能的には同一の部品——すなわち、アキュムレータ本体内部の窒素室と油室の間に配置された柔軟性のある隔壁——を指す。

なぜロックスドリルのダイアフラム材質が重要なのか？

ロックスドリルのアキュムレータ内部では、ダイヤフラムが油圧回路において最も過酷な作動環境の一つにさらされています。ダイヤフラムは片面で油圧油と常時接触し、他方の片面では加圧された窒素ガスにさらされます。また、作動中のドリルによって油温は周囲温度を大幅に上回る状態となり、ダイヤフラムはその温度にもさらされます。さらに、衝撃ピストンが往復するたびに、完全な圧縮・復元サイクルを繰り返します。この往復動作は、ドリルが作動している間、高頻度で継続します。

こうした条件に不適切な材料は、予測可能な形でその欠点を示します。たとえば、作動油に対する耐性が不十分な場合、膨潤や軟化が生じます。また、作動油の使用温度に耐えられない場合は、硬化や亀裂が発生します。さらに、繰り返し曲げに耐えられない化合物では、ドリルの他の部品が交換を要するよりもはるかに早い段階で疲労亀裂が現れます。そのため、ダイヤフラムの材料選定は、単に部品形状の後付けではなく、独立したエンジニアリング上の判断事項として扱われます。

その画像における熱関連の劣化部分には、よく文書化された化学的要因があります。ゴム研究者らは、熱酸化劣化を、自己増速型のラジカル連鎖反応と説明しています。すなわち、まず熱によってゴムの分子骨格から水素原子が剥離し、反応性の高いラジカルが生成されます。このラジカルは溶解した酸素と反応してペルオキシラジカルを形成し、さらにそのペルオキシラジカルが隣接するポリマー鎖から水素原子を引き抜くことで、ヒドロペルオキシドと新たなラジカルを生じさせ、連鎖反応を継続させます。特定のポリマーの種類に応じて、この連鎖反応は、追加的な架橋（ゴムを硬化・亀裂化させる）か、あるいは主鎖切断（ゴムを軟化・強度低下させる）のいずれかを優先的に進行させます。実用上の結論はどちらの場合も同じです。すなわち、時間とともに熱と酸素にさらされることで、ダイアフラム用ゴム配合物の機械的特性は、単一の過負荷事象とは無関係に変化します。これが、ダイアフラムの実使用寿命がピーク圧力だけでなく、持続的な運転温度にも依存する理由の一つです。

写真1： 横方向 ‑ダイアフラムの断面構造図 ‑蓄圧器タイプ

NBRとは何か、そしてなぜダイアフラム材料の標準として採用されてきたのか？

NBR（ニトリルブタジエンゴム）はアクリロニトリルとブタジエンの共重合体であり、数十年にわたり、ロックスドリル用蓄圧器のダイアフラムを含む鉱物油系油圧シール用途において、汎用エラストマーとして広く選ばれてきました。そのアクリロニトリル含有量により、鉱物油系油圧油に対する優れた耐性を示し、著しい膨潤を起こさず、さらに窒素ガスに対する比較的低い透過性も備えています。この特性により、蓄圧器は点検間隔を長く保ったまま、プリチャージを維持できます。

NBR配合材は通常、約－30℃から100～120℃程度までの範囲で連続使用が可能とされていますが、正確な数値はメーカーごとの配合組成によって異なります。優れた油耐性と適正なコストパフォーマンスを兼ね備えているため、NBRは現在でも多くのロックスドリルおよび油圧ブレーカー用ダイアフラムの標準仕様として採用されています。

NBRの実作業圧力下における機械的耐久性は、単なるメーカーの主張にとどまらず、有限要素法によるシール性能評価試験が実際に検証することを目的としている特性でもあります。最近行われたNBR オーリング シールの高圧条件下での評価研究では、例えば接触応力を媒体圧力に対してモデル化し、その結果、接触応力が試験範囲全体で媒体圧力と同調して増加しつつも、常に媒体圧力を上回り続けることが確認されました——これはゴム製シールが漏れずに密封機能を維持するために満たすべき基本条件です。ダイアフラムはOリングとは形状・用途が異なりますが、その材料挙動の根幹には同じゴム科学が適用されており、これもまたNBRが厳しい要求が課される油圧部品において長年にわたり主流の材料であり続けている理由の一つです。

写真 2成形NBRゴム製アキュムレータ用ダイアフラム（実物サンプル）

HNBRとは何か、および標準NBRとの違い

HNBRは、NBRを水素添加することによって製造される。この工程では、ポリマー主鎖に残っている反応性の高い炭素－炭素二重結合の大部分が除去される。この点は、前述の劣化化学反応と直接関係しており、これらの二重結合こそが、熱と酸素による連鎖反応が開始される主な反応部位である。したがって、それらの大部分を除去することで、劣化に対する脆弱性も大幅に低減される。実用上の効果として、NBR本来の優れた強度および耐油性を維持しつつ、耐熱性および長期劣化に対する耐性が著しく向上し、引張強さおよび耐ちぎれ性も高まる。

標準NBRの連続使用上限温度は通常100～120°C程度ですが、HNBR配合材は一般的に約150°Cまで耐えられるほか、低温下での柔軟性もNBRにほぼ匹敵します。この特性の組み合わせにより、HNBRは高温で動作するロックスドリル、長時間連続運転が必要なロックスドリル、あるいは寒冷時始動から油圧システムが完全に暖機されるまでの温度変化が大きい気候条件下で使用されるロックスドリルにおいて、よく採用されるアップグレード材となっています。ただし、コスト面でのトレードオフがあり、HNBR配合材は標準NBRよりも製造コストが高くなります。

「HNBR」も、単一の固定された配合ではありません。複数の市販HNBRグレードを比較した研究では、2つの配合変数が実際の性能差と関連付けられています。まず、ムーニー粘度（分子量に関係する指標）が高いほど、加硫ゴムの架橋密度および機械的強度が一般に向上します。また、アクリロニトリル含有量が高いほど耐油性は向上しますが、同時に化合物のガラス転移温度も上昇し、ダイアフラムが冷却される際により早く硬直化します。同様の研究では、水素添加率が非常に高い（約99％）グレードが、熱劣化に対する耐性および120℃での長時間暴露後の圧縮永久ひずみ・引張強度の保持性において最も優れていることが示されています。実用上の意味合いとして、両方とも正しく「HNBR」と表示されたダイアフラムであっても、その性能が必ずしも同一であるとは限りません。水素添加率および具体的な配合は、ベースポリマーの名称と同等に重要です。

ポリウレタン（PU）とは？また、ゴムの代わりに使用されるのはどのような場合ですか？

ポリウレタン（略称：PU、またはエラストマー分類ではAU）は、NBRやHNBRとは異なる種類の材料です。従来の加硫ゴムではなく、ウレタン結合を基本構造とする、キャスト成形または射出成形による熱可塑性またはエラストマー系高分子です。その最大の特長は、標準的なゴム化合物と比較して著しく優れた耐摩耗性・耐裂性および高い引張強度です。

この組み合わせにより、ポリウレタン（PU）製ダイアフラムは、油圧油を完全に清浄な状態に保つことが困難な用途——たとえば多くの掘削現場や鉱山現場で現実的に見られる状況——において、一般的な選択肢となっています。これは、PUがNBR（ニトリルゴム）に比べて、懸濁粒子による侵食に対してより優れた耐性を示すためです。ただし、温度に対する性能では逆のトレードオフが生じます。すなわち、PU配合材は通常、NBRやHNBRに比べて連続使用可能な上限温度が低く、一般的には約80°C程度とされています。また、低温下ではNBRやHNBRよりも顕著に硬化しやすくなります。したがって、PUは耐熱性向上を目的とするのではなく、中温域かつ汚染されやすい環境における優れた耐摩耗性を活かして選ばれることがほとんどです。

写真 3ポリウレタン製ダイアフラムとゴム製ダイアフラムの外観比較

FKMやその他の特殊配合材は、どこに位置づけられるのか？

FKM（フルオロエラストマー）は、商標名「バイトン（Viton）」でも知られる耐熱性・耐薬品性に優れたゴム材料で、連続使用温度範囲は一般的に最高200°Cまでと、NBRやHNBRを大幅に上回ります。また、ニトリル系ゴムが劣化するような特定の流体や添加剤に対しても優れた耐性を示します。ただし、岩盤掘削用ドリルのダイアフラムでは、低温での柔軟性がNBRやHNBRより明確に劣り、かつコストも高いため、標準的な選択肢とはなりません。

実際には、FKMは、特定の条件（例：異常に高い持続的な油温、標準的な鉱物油範囲外の作動油、または顧客仕様による要求）がある場合にのみ、ロックスリルや油圧ブレーカー用途で採用されます。シール材として他分野では一般的なEPDMや標準シリコンゴムは、この用途では一般に不適切です。これらの材料は鉱物系油圧作動油に対する耐性が低く、ロックスリルのアキュムレータダイアフラムとして指定されることはほとんどありません。

連続使用温度の上限値だけでは、高温域における性能を完全に把握することはできません。他の高温密封機器で用いられるFKM製シール材に関する研究によると、高温下では時間とともに応力緩和が生じ、つまりシール材の密封力を発揮する応力が、その化合物の公称耐熱範囲内であっても徐々に低下していきます。さらに長時間の高温暴露は、この現象をさらに加速させます。化学薬品への耐性についても同様の注意が必要です。HNBR製シール材に関する研究では、同程度の温度条件下において、単純な油圧油よりも、高温かつ酸性の環境下で明確に劣化が速くなることが確認されています。また、水素添加度や特定の充填剤系の違いによって、その化合物がどの程度耐性を維持できるかも左右されます。こうした知見は、通常の鉱物油を用いるロータリードリル回路における基本的な材料選定を変えるものではありませんが、いずれも「温度という数値ひとつだけでは、実際の使用条件下での材料の耐久性を十分に説明できない」ことを示す重要な教訓です。したがって、特殊な流体や長時間にわたる高温環境が想定される場合は、単に『油に強いエラストマーなら何でもよい』と安易に判断せず、あらかじめサプライヤーへ明確に伝えておくことが重要です。

これらの材料を並べて比較するとどうなるか？

以下の表は、上記で説明した一般的な特性をまとめたものです。実際の性能は、各メーカーが採用する具体的な配合組成に常に依存します。したがって、この表は個々の製品仕様ではなく、あくまで典型的な位置付けを示すための参考情報としてご覧ください。

写真4：NBR、HNBR、PU製交換用ダイアフラムの実物比較

高周波屈曲条件下における疲労寿命への材料選択の影響は？

ロッドドリル用アキュムレータのダイアフラムは、通常、初日から破れたり貫通したりして故障するわけではありません。長時間にわたってドリルが稼働している間、非常に高い周波数で、完全な圧縮サイクルを繰り返し屈曲させられるため、その結果として故障します。つまり、材料が亀裂を生じることなく、繰り返しの曲げや応力反転にどれだけ耐えられるか——いわゆる「曲げ疲労抵抗性」——は、静的強度の数値と同等、あるいはそれ以上に重要です。

エラストマーの疲労に関する研究では、通常、この挙動を2つの方法のいずれかで評価します。1つ目は「亀裂発生」アプローチで、初期に欠陥のない試験片が亀裂を初めて生じるまでに耐えられる負荷サイクル数を追跡するものであり、通常はひずみベースまたはエネルギー・ベースの負荷パラメーターと相関付けられます。2つ目は「亀裂進展」アプローチで、あらかじめ小さな既存欠陥を有する試験片から始め、その欠陥が1サイクルあたりどれだけ速く拡大するかを測定します。この2番目のアプローチの古典的な理論的枠組みは、リブリンとトーマスによってゴムに初めて適用され、現在でも分野における標準的な基準となっています。この枠組みでは、亀裂進展は応力やひずみ振幅単独ではなく、「破断エネルギー」——すなわち、新たに生成される亀裂面の単位面積あたりに解放されるひずみエネルギー——によって支配されると考えます。この枠組みから得られる有用な知見の一つが「疲労閾値」の概念です。すなわち、ある特定のゴム配合において、破断エネルギーが一定値を下回ると、既存の亀裂は繰り返し負荷下でも実質的に進展しなくなるのです。そのため、成形ダイアフラムに存在する微小で制御された欠陥が、必ずしも早期破損を招くとは限りません。

コンパウンドの配合選択は、この疲労挙動に直感的とは限らない形で影響を与えます。架橋密度はその一例です。一般に、架橋密度を高めると疲労抵抗性は一定の範囲までは向上しますが、それを過度に高めすぎるとゴムのひずみ吸収能力が低下し、かえって疲労寿命が短縮される場合があります。したがって、アキュムレータ用ダイアフラムに適したコンパウンド設計とは、「可能な限り多くの架橋を導入する」ことではなく、あくまでバランスの取れた配合である必要があります。また、アキュムレータ用ダイアフラム向けゴムコンパウンドに関する専門的な研究では、フィラーの分散状態やその他の添加剤全体の組成が、ベースポリマーが同一であってもガス透過性や曲げ亀裂抵抗性に大きく影響することが示されています。ある公表された研究では、NBR系ダイアフラムコンパウンドにおけるフィラー分散性を改善したところ、標準化された曲げ亀裂試験（デ・マティア方式）およびガス透過試験法を用いて評価した結果、窒素透過率が明確に低減され、亀裂発生までの曲げサイクル数が増加しました。さらに、環境要因もこれらすべてに複合的に作用します。高温、高湿度、大気中のオゾン濃度の上昇は、いずれもゴム材料の延性を低下させ、表面を劣化させるため、亀裂の発生・成長を促進することが文書化されています。これは、油温の継続的な上昇が、単に老化反応の速度に影響を与えるだけでなく、ダイアフラム寿命そのものに直接悪影響を及ぼすもう一つの理由でもあります。

実用上の意味合いとして、紙面上で「同一材料」とされる2つのダイアフラムが、必ずしも同じ疲労寿命を有するとは限りません。具体的なコンパウンド配合や試験方法は、ベースとなるポリマーの名称と同程度に重要です。材料選定は疲労性能の上限を決定しますが、実際にその上限に到達できるかどうかは、コンパウンドの配合内容、成形品質、およびアキュムレータの窒素プリチャージ圧が適切に設定されているかどうか——不適切なプリチャージ圧では、1サイクルごとのダイアフラムの変位量が変化するため——に大きく左右されます。

使用環境は、どの材料が最も優れた性能を発揮するかにどのように影響するか？

すべての条件下で常に最適な単一の材料というのは存在しません。そのため、ロックスドリル用ダイアフラムは、同一機種でも複数のコンパウンドで市販されています。以下の一般的な傾向を念頭に置いておくとよいでしょう：

• 寒冷地、あるいは寒い朝に屋外で一晩放置された機器では、低温でも柔軟性を保つ標準的なNBRやHNBRなどの材質が、低温で硬化しやすいPU系化合物よりも安全な選択肢となることが多い。
• 高温地、あるいは油圧油の温度が周囲温度を大幅に上回る高負荷連続運転を行う機械では、HNBRは標準NBRよりも連続使用可能な温度範囲が広いため、より余裕のある選択となる。
• 地下作業や粉塵の多い屋外作業など、油圧油の清浄状態を常に維持することが困難な現場では、PUの優れた耐摩耗性がその比較的狭い使用温度範囲を上回る利点となる場合がある。
• 油圧作動油自体が特殊な場合（例：特定の難燃性油や合成油など）には、標準NBRやHNBR系化合物が想定通りに機能するかどうかにかかわらず、まず当該作動油との化学的適合性を確認する必要がある。

これらの要因は互いに異なる方向へと影響を及ぼす可能性があるため、最適な材質の選定は、あらゆるロックスドリルに一律に適用できる固定されたルールではなく、各現場の具体的な条件に基づく判断となります。

既存のダイアフラムの材質を特定するにはどうすればよいですか？

ダイアフラムの交換が必要になった際には、外観（色や質感）だけに頼って材質を推定するのではなく、メーカーごとに色や質感の基準が統一されておらず、化合物の特定には信頼性が低いという点を踏まえ、実際に使用されている材質を確認することが重要です。最も信頼性の高い情報源は、当該ロックスドリルの純正部品カタログまたはサービスマニュアルであり、通常、部品番号とともに指定材質が明記されています。

その文書が入手できない場合、当該ロッカードリルのブランドおよび型式に詳しいサプライヤーが、OEM部品番号や、破損したダイアフラムの実物サンプル（一部の場合）から材質を特定できることが多い。特に現場の使用条件が通常の範囲を超える場合などには、材質の等級について口頭での説明に頼るのではなく、書面による確認を求めることが、交換部品の採用前にとるべき合理的な予防措置です。

写真 5技術者が、部品の取扱説明書に基づきダイアフラムの材質仕様を確認する

本稿で参照した主な技術文献：

1. 高　勇、肖　鹏、羅　振ら他「ゴム材料の熱酸化劣化に関する研究進展」『中国ゴム工業』、2026年、第73巻第7号、pp.548–556。
2. 薛　洋「水素添加ニトリルゴムの高温特性に関する研究とその応用」揚州大学修士論文、2023年。
3. Jin G.『ポリウレタンエラストマーの疲労挙動と微視的メカニズムに関する研究』。北京化工大学博士論文、2025年。
4. 梁傑、閻磊、唐松ら。「エネルギー蓄積器用ゴム製ダイアフラム配合へのストロンウィ粉末TNKの影響」『中国ゴム工業』、2024年、第71巻第8号、599–603頁。
5. 曹健、馬磊、石強ら。「常温高圧条件下におけるNBRオーリングの密封性能に関する研究」『中国ゴム工業』、2026年、第73巻第7号、483–490頁。
6. 黄曉、隋振、郝勇、李強、閻超。「FKMフルオロゴムの高温機械的挙動とその油井用パッカー密封性能への影響」『実験技術と管理』、2026年、第43巻第4号、130–136頁。
7. 張旭、金鑫、賈東ら。「高温酸性環境下における水素添加ニトリルブタジエンゴム（HNBR）密封材料の腐食挙動と性能最適化」『潤滑工程』、オンライン先行公開、2026年。