製品設計 — 静的シール設計

密封設計の核心は,構造,耐久性,材料,その他の要因の組み合わせによって,製品が使用期間中にすべての漏れ経路をブロックすることを確認することです.

封印のリングの耐久度や 部品の耐久度や 封印の老化後の性能などなど チェックを怠ると 漏れが容易になります デザインの初めから これらの要素を考慮しなければなりません

公開情報では,シールが静的シールと動的シールに分けられています (シールと部品が動作しているときに相対的な動きがあるかどうか). デザインの焦点は それぞれ違います この記事では静的シールについてだけ説明します.

内容物

1 について 密封原理と故障モード

2 について 封印リング構造の設計

1. 労働力 障害 の 仕方

2. 信頼性 LMC の接触圧と接触長さ

3. 信頼する 填充率とMMC下での局所的なストレスは

3. 信頼する 封印 環 の 耐候 性

1. 労働力 圧縮セットの定義

2. 圧縮永久ひずみと圧力（圧縮率）、温度、および経時変化時間との関係

3. 経時変化後の迅速評価方法

4. 本稿の範囲および今後のトピック

1 について 密封原理と故障モード

製品がシールを形成するのは、エラストマー（シールリング）が接触面に押し付けられ、気体または液体の通過を阻止するためである。

漏れ経路の観点から、シールの不具合には主に以下の2つの形態がある。

・界面漏れ：シールリングと接触面との間の密着が不十分な場合に生じる。流体が界面や隙間を沿って流れ込む。

・材料透過：気体または液体の分子がゴムやプラスチックなどの材料自体を分子レベルで透過する。

実際のエンジニアリングでは、正圧バブル試験は比較的大きな界面漏れをより容易に検出できる。一方、浸漬後の絶縁不良は、製品全体がシステムレベルで漏れを起こしているかどうかを判断するのに適している。

重要な注意点：試験結果は、自動的に正確な故障メカニズムを示すものではありません。例えば、製品が正圧下では気泡が発生しなくても、負圧下では絶縁不良を起こすことがあります。これは、材料の透過性によるものであることを証明するものではなく、界面からの漏れ、シールリングの局所的な欠陥、あるいは他の漏れ経路が原因である可能性があります。

2 について 封印リング構造の設計

公表されている設計ガイドラインでは、シールリングの設計にあたっては、圧縮量、溝充填率、伸長／取付状態、表面粗さ、および公差を総合的に検討するよう強く推奨しています。圧縮量が少なすぎると接触不良を招き、多すぎると永久変形が加速したり、組立時の荷重が過大になったり、局所的な損傷を引き起こす可能性があります。

工学的設計においては、有限要素解析（FEA）を用いて、シールリングの伸長時や組立時の挙動をシミュレーションし、主要な数値指標に基づいて信頼性を評価することができます。以下に、重要なレビュー項目を示します。

注：これらの数値は、漏れそのものを直接測定したものではなく、工学上の代理指標（プロキシ・インジケーター）です。

1. 労働力 障害 の 仕方

構造レビューの際には、まず異なるサイズ組み合わせおよび組立状態において、明確な故障モードが発生するかどうかを確認します。例えば：

• シールリップの崩れ

• 反り返りまたは挟み込み

• 局所的な押し出し

• 明確な異常応力集中の有無

このステップにより、シールが依然として正常な作動状態にあるかどうかを判断できます。たとえ公称圧縮率が許容範囲内であっても、極端な組立条件下でシールリップが崩れたり折れ曲がったりした場合、信頼性は依然として低下する可能性があります。

2. LMC（最小材質条件）における接触圧力および接触長

静的シールの場合、LMC（シールリングの公差下限寸法、溝ギャップの公差上限寸法）は、接触圧力および接触長がより容易に低下するため、しばしば最も弱い状態となります。

コネクタ部において、経験則よりシリコンゴムの場合、初期設計では接触圧力＞500 kPa、接触長＞0.6 mmを目標とすることが推奨されます。これは、125°Cで1008時間保持した後の気密性（約3 mの水深に相当）が28 kPaを満たすことを保証するための基準値です。

補足事項：

① 必要に応じて、締結部品の力による変形も検討してください。

② 接触圧力および接触長はマクロレベルでの検討項目であり、ミクロレベルでは表面粗さによって形成される漏れ経路についても検討する必要があります。

3. 最大実体状態（MMC：Maximum Material Condition）における充填率および局所応力

MMC下ではシールリングが過圧縮されやすくなります。以下の点に注目してください：

• 断面充填率が高すぎないか（100％未満でなければなりません）。

• 局所応力が材料の許容範囲を超えていないか（ゴムの引張強度未満でなければならず）、また圧潰傾向を示していないか。

• 押出し（エクストルージョン）のリスクがあるかどうか。

3. 信頼する 封印 環 の 耐候 性

前半部分では、新品時のシールリングの性能について述べており、有限要素解析（FEA）を用いれば、その性能について比較的正確な結果を得ることができます。

しかし、ゴム材料は長期間にわたって永久圧縮変形（コンプレッションセット）、応力緩和、熱劣化および物性の低下を受けるため、シール界面は徐々に元の接触力を失っていきます。

初期検査を通過したからといって、寿命末期においても信頼性が保たれるとは限りません。設計の初期段階から、劣化要因を考慮する必要があります。

1. 労働力 圧縮セットの定義

コンプレッションセットは、ゴムが長期間圧縮された後にどれだけ弾性を保持できるかを評価する際の重要な指標です。

これは、シールリングが長期間圧縮・劣化した後に荷重を除去しても、元の形状に完全には復元できないことを意味します。コンプレッションセットの値が大きいほど、復元能力は低下し、寿命末期に有効なシール接触を喪失するリスクが高まります。

（本稿では、コンプレッションセットの図をここに示しています。）

（記事では、シールリングの圧縮永久ひずみを測定するための標準産業用試験治具——プレート間に配置された標準サイズのゴムブロック——が示されています。）

2. 圧縮永久ひずみと圧力（圧縮率）、温度、および経時変化時間との関係

定性的には、主な要因は3つあります：圧力（圧縮率）、温度、および時間です。

（記事では、VMQシリコーンゴムの圧縮永久ひずみと圧縮率との関係を示すグラフが掲載されています。VMQの場合、圧縮率が低すぎても高すぎても、長期的な性能には最適ではありません。）

（注：圧縮が非常に軽微な場合、「パーセント」で表される圧縮永久ひずみの数値は、非常に高くなることがあります。）

（記事では、異なる温度で経時劣化させた後の圧縮永久ひずみのグラフが示されています——温度が高くなるほど、復元性は悪くなります。）

（記事では、各種シール材の異なる温度における概算使用寿命が示されています——参考用のみです。）

（記事では、NBRゴムの圧縮永久ひずみと経時劣化時間との関係を示すグラフが掲載されています。）

3. 経時変化後の迅速評価方法

工学的な実践において、経時劣化後の圧縮永久ひずみ値を初期設計に再入力することで、十分な余裕があるかどうかを迅速に確認し、寿命末期における故障リスクを判断できます。

例：初期設計時の圧縮率が10%である場合、125°Cで1008時間経過後に圧縮永久ひずみが17%に達したとすると、経時劣化後のシールは非常に高い確率で機能不全に陥ります。この場合、初期の圧縮率を高めるか、あるいは圧縮永久ひずみ特性に優れたゴム材質を選択する必要があります。

注：本手法は、迅速なチェックや傾向判断には有効ですが、最終的な漏れ率を直接予測するものではありません。

4. 本稿の範囲および今後のトピック

本稿では、シール設計のための定性的な枠組みを提示していますが、表面粗さと密封性との関係、低温がシール性能に与える影響、漏れ率の定量的評価手法、および温度・経時劣化に関するフィッティングモデルの構築など、多くのトピックについては未だ言及していません。

参考文献

[1] Parker Hannifin Corporation. Parker O-Ring Handbook: ORD 5700[M]. Cleveland, OH: Parker Hannifin Corporation, 2021.

[2] 錢 Y H、肖 H Z、聶 M Hら．変圧器油中における圧縮応力下でのアクリロニトリル・ブタジエンゴム（NBR）の寿命予測[C]//2016年 第5回国際計測・計装・自動化会議（ICMIA 2016）論文集．パリ：アトランティス・プレス，2016年：189–194．DOI: 10.2991/icmia-16.2016.35．