Oリングとは

Oリングが漏れを防ぐのはなぜか

各種の油空圧機器に密封装置として組み込まれており、機器からの物質の漏れを防ぐもの、それがシールです。
では、なぜシールが漏れを止めることが出来るかと言う理論を、非常に簡単なOリングを代表シールとして説明します。

Oリングのつぶし代

Oリングの太さ:d2 mm
溝 深 さ:H mm とすると
左図のようにOリングにつぶし代が発生します。
Oリングのつぶし代=d2-H(mm)

Oリングにつぶし代を与えることにより接触圧力(反発力)が発生します。
この圧力によりシール(密封)することができることになるのです、したがって、つぶし代を増やす(溝深さ:Hを小さくする、またはOリングの太さ:d2を太くすることにより変えられる)ことや逆にすることにより減少できることも理解できると思います。
この接触圧力は、このつぶし代以外に使用するゴム材料の硬さを変えることにより変化させることもできます。
通常シールとしてはゴムの硬さは70が一般ですが、90にしますとこの接触圧力も大きくなります。

Oリングの場合、一般には硬さ70が使用されています。しかし、用途が固定用と限定されますと、硬さを90にすれば接触応力が大きくなり密封機能が良くなります。
また運動用では、密封機能と同時に抵抗力が大きくなると困る場合もあるので、硬さ70を使用します。
現在ゴム硬さの規格が変わり、従来使用されていたスプリング硬さは廃止され、タイプAデュロメータが使用されています。(将来はIRHD という硬さがメインとなります)

Oリングの密封機構

Oリングには自封性という機能があります。
初期に与えたつぶし代による接触圧力がP'となります。(最大の値)(図1)
次に密封すべき圧力PがOリングにかかるとこの圧力により図2 のように最大の接触圧力はP+P'となり、密封圧力が導入されたことになります。
したがって、常に最大接触圧力は密封すべき圧力より高くなり密封できる仕組みです。
このことを自封性といいます。Oリングのつぶし代をOリングの太さで割った値がつぶし率といい、%で表現します。

JIS B 2406「Oリング取付溝部の形状・寸法」では、JIS B 2401「O リング」用の溝寸法を決めていますが、このつぶし率はOリングの太さにより異なりますが(太さが小さい方が大きなつぶし率にしている)約 8%から30%となっています。

Oリングに使用される材料について

ここからは、Oリングに使用している材料について説明します。
JIS B 2401 はOリングに関する規格ですが、使用されている人はご存知のようにOリングの材料も規定されています。
下記の表は規格の内容です。

種類記号用途硬さゴム種類※
1種A1A耐鉱物油用70NBR
1種B1B90NBR
2種2耐ガソリン用70NBR
3種3耐動植物油用70EPDM
4種C4C耐熱、耐寒用70VMQ
4種D4D耐熱、耐油、耐薬品用70FKM

※規格にはゴムの種類は規定していないので、この種類は市販で一般に適用されている代表のものを示しています。
では、ここからはゴム材料について少し詳しく説明いたします。

ゴム材料について

現在シール用に使用されているゴム材料は一部を除いて大半は合成ゴムで、石油から合成されたものです。
ゴム状弾性体の総称としてエラストマー(Elastic Polymer)という言葉もあります。このエラストマーは「主原料は高分子物質で、常温でゴム状弾性をもつ固体をいう」と定義されています。
エラストマーは外部からの力に敏感に応答する性質を有するので、シールのような面と面との"すきま"を密封する材料として誠に適切なものです。

ゴムという言葉に代わりエラストマーという言葉が使用されるようになった理由としては、ゴムに似ていながらゴムとは定義することができないような新しいゴム状弾性体が、最近多く出現したことからです。
ここでは、いわゆるゴムについてみますと、多くの配合剤(充填材、老化防止剤、可塑剤、加硫剤など)を原料ポリマーに添加混合し、加硫工程を経て成形品にされたもので、分子構造的には分子内に架橋点(加硫によって分子同士が結合)を持ち、3 次元の網目構造を持ち、材料の流動性を防止しているので、高温において加圧されても流動しない。このことから、いわゆるゴムが伸び、縮むなどの挙動することがこの加硫によることがお分かりでしょう。

同じように合成されたプラスチックにはこのような加硫工程はありません。
プラスチックには熱可塑性と熱硬化性の分類と構造的に非晶性と結晶性に分けられますが、エラストマーのような3 次元の網目構造はありません。従って、プラスチックは通常、剛性が高くゴム状弾性をもちません。
前に述べたようにゴムには大半は合成ゴムと天然ゴムがあり、主として使用されているのは、ほとんどが合成ゴムです。
ゴム材料には、多くの種類があります。

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