Oリングシール設計、パート2：外部圧力用ラジアルシール
海洋工学者の第一の任務は、船体への水の浸入を防ぐことである。船体に亀裂が入れば、せっかくの航海も台無しになってしまう。
Oリングシール設計に関する議論は、Marine Technology Reporter誌2026年1月/2月号20～23ページに掲載されたフェースシールに関する記事から始まりました。
その記事には、この記事にも同様に関係する重要な背景情報や基本事項が記載されていますが、ここではすべてを繰り返すことはしません。それらの基本事項を要約すると次のようになります。
- Oリングシール設計に関する設計参考資料として、パーカーOリングハンドブック（ORD-5700）に勝るものはありません。PDF版は無料でダウンロードできます（下記の「参考文献」を参照）。海洋技術者にとって必読書であり、あらゆる記事では伝えきれないほどの詳細な情報が掲載されています。
- Oリングシールは流体の流れを遮断するバリアとなる。Oリングシールアセンブリは、溝に嵌め込まれたOリングで構成されている。
- 組み立て用潤滑剤は常に少量ずつ使用してください。潤滑剤は摩擦を低減し、Oリングが圧力に反応して溝内でスムーズに動くようにするために使用されます。
- Oリングの故障の主な原因は、隙間からの押し出しです。
- ラジアルシールは、組み立てを容易にするために隙間が必要ですが、フェースシール設計ではそのような隙間は必要ありません。
ラジアルシールは、1) フェースシールとエンドキャップ固定ボルトのためのフランジ面積が限られている場合、または 2) プライマリーフェースシールのセカンダリーバックアップシールとして選択されます。 場合によっては、2つのラジアルシールが使用される。最初に圧力を受けるシールがプライマリーシールであり、プライマリーシールが故障した場合に備えて、2番目に圧力を受けるシールがセカンダリーシールとなる。
Oリングの伸縮：理想的な溝のサイズが2つのOリングサイズの中間にある場合、小さい方のOリングを伸縮させて大きい方の溝に合わせることができます。小さいOリングを大きくすることはできますが、大きいOリングを小さくすることはできません。Oリングを溝に取り付ける際に伸縮させると、断面が平らになります。伸縮率が2～3%を超えると、必要な締め付け力を維持するために溝の深さを浅くする必要があります。パーカー社は、Oリングの伸縮率が5%を超えると寿命が短くなるため、5%を超えないように推奨しています。（参照：パーカー社 ORD 5700、セクション3.5「伸縮」）。
組み立て時に溝に到達するための内径の一時的な拡張は、通常25～50%を超えない。
硬度：硬度の高いOリングは押し出しに対する耐性が優れています。硬度の低いOリングは表面の凹凸に対する許容度が高くなります。硬度70のOリングに硬度90のバックアップリングを組み合わせることで、両方の利点を最大限に活かすことができます。
外側溝と内側溝：プラグの外径にあるOリング溝は「オス」溝とみなされます。これらは機械加工、陽極酸化処理、洗浄、組み立て、検査がはるかに容易です。一方、嵌合するエンドキャップの内側にある溝は「メス」溝とみなされます。これらはあまり頻繁には見られません。
設計アプローチ
図2に、ラジアルシールの設計手順を示します。1) ギャップを決定する、2) チューブの内径を決定する、3) これらの2つの数値を用いてプラグの外径を計算する。（画像はパーカーシール社の提供によるもので、筆者がこの記事用に改変したものです。）
図2を参照すると、ラジアルシールの設計手順は以下のとおりです。
- パーカーOリングラジアルシール設計表（ORD 5700、セクション4.2、設計表4-1）と押出限界チャート（図4参照）を使用して、許容最大ギャップを決定します。チャートには「直径」または「半径」のいずれかが示されているため、「穴」（直径）または「ギャップ」（半径＝直径の1/2）に数値を適用する際には注意してください。
- 管の内径から除去して円形の穴を作るために必要な最小限の材料量を決定してください。除去量が多すぎると、圧力ケースが弱くなります。
- 穴の寸法から（2×ギャップ）の寸法を差し引きます。これがプラグの外径です。陽極酸化処理を行うアルミニウムを使用する場合は、表面の成長を考慮して寸法を調整してください（下記の「陽極酸化処理」を参照）。
ギャップの選定：嵌合プラグとボアを設計する際には、プラグの外径とボアの内径を指定するためにパーカー社の仕様を使用してください。（パーカー社ORD 5700、設計表4-1を参照）。
いくつかトレードオフがあります。
Oリングの断面積が大きいほど、許容される隙間も大きくなる。
Oリングの断面積が小さいほど、必要な圧縮力は少なくなり、組み立てが容易になる。
小さな隙間を狙うには、より精密な加工が必要となる。
一般的な断面0.070インチのOリングの場合、直径方向のクリアランスは0.002インチ～0.005インチが許容されます。つまり、片側の最大半径方向ギャップは0.0025インチです。
バックアップリング：ラジアルOリングを使用する際は、必ずバックアップリングを使用することをお勧めします。バックアップリングは安価で場所を取らず、Oリングの突出を防ぐように設計されています。（上記注4を参照。）
バックアップリングは、Oリングの低圧側に配置してください。Oリングは最初に圧力を受ける側です。バックアップリングは、キャッチャーミットのように、Oリングのバックストップとして機能します。
図3．Oリングの主な故障原因は、隙間への押し出し（左）である。より硬度の高い材料で作られたバックアップリング（右）は、押し出し防止装置として機能する。（画像はパーカー・ハニフィン社提供、筆者が本稿用に改変。）
溝が少し大きくなった場合にOリングを伸ばす必要があるため、私はパーカー・パーバック製の90デュロメーターのブナN製バックアップリングを使用するのを好みます。また、これらが一体成型である点も気に入っています。切削加工されたテフロン製バックアップリングは伸縮性がなく、中心線距離が大きすぎると両端の間に望ましくない隙間が生じてしまいます。
片側から圧力がかかる場合（一般的に水中機器の場合）、バックアップリングは1つで十分です。圧力補償システムのように、Oリングの両側に交互に圧力がかかる場合は、Oリングの両側に1つずつ、合計2つのバックアップリングを使用することが推奨されます。（参照：パーカーORD-5700、第6項）
Parbakの部品番号は「8-」で始まり、その後にOリングの3桁のハイフン番号が続きます。例えば、2-018のOリングには、8-018のParbakバックアップリングを使用します。実に理にかなっています。
バックアップリングの有効性を確認するには、パーカー社の押出成形用Oリング限界曲線（ORD-5700、セクション3.1.4、図3.2）を使用してください。（図4を参照。）低圧シールでは、この曲線は基本的なラジアルシール設計チャートよりも広い許容クリアランスを示します。高圧用途では、この曲線はパーバックを追加することで標準カタログの溝寸法以上を使用できるかどうかを示します。チャートの寸法は「ラジアルクリアランス」を参照しているため、「直径クリアランス」の場合はその2倍の値になります。
図4。「90デュロメーター曲線はOリングから得られたデータに基づいているが、バックアップリングの性能を判断する上でも有用な指標となり得る。」(ORD-5700、セクション3.1.4、図3.2) (画像およびテキストはパーカー・ハニフィン社の提供による。)
設計のあらゆる側面を確認するためには、圧力試験用のプロトタイプを製作するのが常に望ましい。私のエンジニアリングの師の一人であるフランク・スノッドグラス博士は、「自然は常に隠れた欠陥の味方をする」といった賢明な言葉を私に伝えてくれた。
表面仕上げ：一般的な目安として、シール面の表面粗さは32 rmsを超えないようにしてください（図5参照）。旋盤またはスポットフェースツールで部品を加工し、溝の方向に沿った円形のパターンを作成するのも良い方法です。この仕様は、設計図では円Cで示されることがよくあります。エンドミルやルーターで加工した部品は、Oリングを横切る微細な溝を形成することがあり、Oリングの幅全体にわたってアンダーカットが発生する可能性があるため問題となります。このような仕上げは、綿密に検査する必要があります。
図5に、Oリング溝の推奨表面仕上げについて説明します。図に示すように、より滑らかな仕上げが必要な主要なシール面は上面と下面です。溝の前面と背面は、より粗い仕上げでも構いません。溝の抜き勾配は0～5°で、多くの場合、加工業者に任されます。私の工場では通常0°を使用しています。（画像はパーカー・ハニフィン社提供、筆者がこの記事用に改変。）
陽極酸化処理：アルミニウムの陽極酸化処理は、表面材料を酸化してセラミックコーティングを形成する処理です。表面層は、指定された厚さの 1/2 だけ厚くなります。私は通常、厚さを 0.002 インチと指定しますが、これはベース材料に 0.001 インチが入り込み、残りの 0.001 インチが外側に成長することを意味します。これにより、完成品の寸法が変わります。ラジアルシールの直径方向の隙間が非常に狭い場合、この変化を考慮することが非常に重要です。外径は 0.002 インチ大きくなり、内径は 0.002 インチ小さくなります。溝の深さは、底面と上面が同じ方向に外側に成長するため同じままです。溝は狭くなりますが、チューブの外径や長さなどの寸法は大きくなりますが、問題にはなりません。図面を加工業者に渡す前に、関連する部品の寸法を調整してください。
リードイン面取り：Oリングを圧縮するために、ボアへのリードインを10～20度面取りすると、組み立てが簡単になります。面取りの外径はOリングの外径よりわずかに大きくなります。Oリングに意図しない損傷を与える可能性のある鋭利なエッジを取り除くために、面取りの角を丸めます。また、組み立て時にプラグをボア内で位置合わせして中央に配置するのに役立つように、ピストンの先端にも面取りを施します。ボアのシール面を損傷する可能性のある鋭利なエッジを取り除くために、鋭利な角も丸めます。これにより、陽極酸化処理の仕上がりも向上します。
組み立て時の注意：Oリングシールが開いている場合は、開いた傷口と同じように慎重に取り扱ってください。シールおよびシール面の清潔さと丁寧な取り扱いが不可欠です。
補足事項：
- パーカーのアプリケーションエンジニアリング部門の担当者が、温度、圧力、溝（グランド）設計、ボルトトルク、表面仕上げなど、お客様のプロジェクトをレビューいたします。必要に応じて、代替設計案もご提案いたします。パーカーOリング＆エンジニアードシール部門は、米国ケンタッキー州レキシントンにあります。電話番号：1-(859) 269-2351、ファックス番号：1-(859) 335-5128、ウェブサイト：www.parkerorings.com 。
- DeepSea Power & Light社の無料ソフトウェア「Under Pressure」を使用すると、エンジニアは最適な圧力ケースとエンドキャップの寸法を決定するのに役立ちます。これは、さまざまな状況を想定したシミュレーションに非常に有効です。このプログラムは、 https://www.deepsea.com/under-pressure-design-softwareから無料でダウンロードできます。
謝辞
著者は、スクリップス研究所の機械工であるマート・イングラハム氏に感謝の意を表します。彼は、まだ若い頃のスクリップス研究所で開発された1960年代のOリング設計ガイドラインを最初に私に教えてくれました。私は今でも、ORD-5700のコピーにそのガイドラインを書き留めています。厳しい公差が求められるときは、「マート・フィット」と呼んでいました。
引用文献
パーカー・ハネフィン社、ORD-5700、50周年記念版、2021年 https://www.parker.com/content/dam/Parker-com/Literature/O-Ring-Division-Literature/ORD-5700.pdf
フリットニー、ロバート、『シールと封印ハンドブック』第6版、エルゼビア、2014年
「ランダーラボ」は、海洋着陸機の技術と戦略、そしてそれらを開発する人々について実践的に解説するコラムです。海洋着陸機は、他に類を見ない無人潜水機の一種です。このコラムは、Make Magazineやその他のDIYコミュニティと同様に、世界の海洋着陸機コミュニティに貢献することを目的としています。
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