古くは麻や綿などの天然繊維に油脂を含浸させたものが主流でしたが、現代では炭素繊維、アラミド繊維、フッ素樹脂繊維、膨張黒鉛といった先端材料を編み込んだ複合材料へと進化しています。メカニカルシールと比較して構造が単純であり、突発的な破損が少なく、調整によって漏れをコントロールできるという特性から、原子力発電所の主要弁から化学プラントのプロセス用ポンプ、船舶のスクリュー軸に至るまで、極めて広範な産業分野で利用され続けています。

シール原理と接触面圧の力学

グランドパッキンのシールメカニズムは、外部から与えられた締め付け力を、流体を遮断するための接触面圧へと変換するプロセスに基づいています。

軸方向力から径方向力への変換

スタッフィングボックス内に充填されたパッキンは、グランドボルトを締め込むことによって、軸方向すなわちパッキンの長さ方向に圧縮されます。パッキンは弾性体であるため、軸方向に圧縮されると体積一定の法則あるいはポアソン比の効果により、横方向すなわち径方向へ膨らもうとします。

しかし、外側はスタッフィングボックスの壁面に、内側は回転軸に拘束されているため膨らむことができません。行き場を失ったこの膨張力が、軸表面およびボックス内壁への強い接触面圧となります。この面圧が、内部から漏れ出そうとする流体の圧力よりも高ければ、流体は封止されます。これがグランドパッキンの基本的なシール原理です。

圧力分布と最小面圧

パッキン層内の接触面圧は均一ではありません。グランド押さえに近い側ほど面圧が高く、奥に行くほど摩擦によって締め付け力が減衰するため面圧は低くなります。 一般的に、流体をシールするために必要な最小面圧は、流体圧力と等しいか、あるいはそれよりわずかに高い値である必要があります。

最も流体圧力が高いボックスの最奥部で十分な面圧を確保しようとすると、入り口付近では過剰な面圧となり、軸の摩耗や発熱の原因となります。この圧力分布の不均一性はグランドパッキンの宿命的な課題であり、これを緩和するためにパッキン材料には応力緩和が少なく、かつ滑りの良い特性が求められます。

ポンプ用とバルブ用の機能的差異

グランドパッキンは用途によって、ポンプ用とバルブ用で求められる機能と運転方法が根本的に異なります。

ポンプ用パッキンと漏れ管理

ポンプの主軸は高速で回転します。この環境下でパッキンを完全に締め切って漏れをゼロにすると、摩擦熱によってパッキンが焼き付き、軸が異常摩耗してしまいます。 そのため、ポンプ用パッキンでは、意図的に微量の流体を漏らすことが技術的な鉄則となります。漏れ出る流体は、摩擦面を潤滑する潤滑油の役割と、発生した摩擦熱を外部へ運び去る冷却材の役割を同時に担います。

ポンプ用パッキンの管理とは、漏れを止めることではなく、適切な漏れ量を維持することにあります。この「健全な漏れ」を実現するために、パッキン材料には熱伝導性が高く、かつ摩擦係数の低いものが選定され、内部には潤滑油やPTFEディスパージョンなどの潤滑剤が含浸されています。

バルブ用パッキンと気密性

一方、バルブの弁棒は、頻繁には動かず、動いたとしても低速の往復運動や回転運動です。しかし、ポンプに比べて扱う圧力や温度が高く、かつ一度閉止したら長期間漏らしてはならないという高い気密性が求められます。 ここでは、摩擦熱の除去よりも、高圧下での耐はみ出し性や、ガス透過を防ぐ緻密性が優先されます。そのため、バルブ用パッキンには、金属線で補強された膨張黒鉛など、構造が緻密で強固な材料が使用され、高トルクで強固に締め付けられます。近年では、微量な有害ガスの漏洩も許さないVOC規制に対応するため、高度な低漏洩技術が投入されています。

編組構造と材料の進化

現代のグランドパッキンは、単一の素材ではなく、繊維と潤滑剤、そして微粒子充填材の複合体です。その性能を決定づけるのは、素材の組み合わせと、それを一本の紐にまとめ上げる編組技術です。

編み方の技術

パッキンの断面形状は一般的に正方形ですが、その編み方には種類があります。 最も一般的なのは、八編みや袋編みと呼ばれる構造ですが、これらは切断した際に断面がほつれやすいという欠点がありました。 これに対し、現在主流となっているのが格子編みあるいはインターロック編みと呼ばれる手法です。繊維を芯まで複雑に絡ませながら編み上げることで、断面を切断してもほつれにくく、また装着後の変形も少ないという特徴があります。さらに、軸との接触面積を増やし、シール性を向上させる効果もあります。

先端材料の適用

炭素繊維・黒鉛繊維: 耐熱性と耐薬品性に優れ、熱伝導率も高いため、高速回転するポンプや高温バルブに適しています。

アラミド繊維: 鋼鉄の数倍の引張強度を持つ有機繊維です。耐摩耗性が極めて高く、スラリーすなわち固形物を含んだ流体に対して圧倒的な耐久性を示します。ただし、繊維自体が硬く軸を摩耗させやすいため、軸表面の硬化処理が必要です。

PTFE繊維: 耐薬品性が最強であり、酸・アルカリ・溶剤などあらゆる流体に使用できます。また摩擦係数が極めて低いですが、熱伝導率が悪く、熱膨張しやすいため、高速回転には不向きです。

膨張黒鉛: 鱗片状の黒鉛を酸処理して膨張させ、シート状や紐状にしたものです。柔軟性、耐熱性、耐薬品性に優れ、放射線環境下でも劣化しないため、原子力プラントなどで多用されています。

トライボロジーとPV値

回転機器においてパッキンを選定する際、最も重要な指標となるのがPV値です。これは流体圧力Pと軸周速Vの積で表される数値で、パッキンが耐えうる摩擦発熱の限界を示唆します。

摩擦発熱のメカニズム

パッキンと軸の接触面で発生する摩擦熱量は、摩擦係数、接触面圧、および滑り速度に比例します。接触面圧は流体圧力をシールするために必要な値であるため、結果として圧力Pと速度Vが高いほど発熱量は増大します。 発生した熱が放熱能力を超えると、パッキン内部の潤滑剤が枯渇あるいは炭化し、パッキン自体が硬化・収縮します。これによりシール力が低下して漏れが増えるか、あるいは焼き付いて軸を損傷させます。 各パッキンメーカーは、材料ごとに限界PV値を設定しており、設計者はこの範囲内で使用する必要があります。例えば、熱伝導率の良い炭素繊維パッキンは高いPV値まで許容されますが、断熱性の高いPTFEパッキンは低いPV値でしか使用できません。

スリーブの役割

パッキンによる軸の摩耗は避けられない現象です。高価な主軸そのものが摩耗すると交換コストが莫大になるため、パッキンが接触する部分にスリーブと呼ばれる円筒状の保護カバーを取り付けることが一般的です。摩耗した場合はこのスリーブのみを交換することで、メンテナンスコストと時間を大幅に削減できます。スリーブ表面には、セラミックス溶射やステライト盛りなどの硬化処理を施し、パッキンによる攻撃に耐える仕様とします。

施工技術と初期馴染み

グランドパッキンの性能は、その取り付け作業の良し悪しに大きく依存します。正しい手順で装着されなかったパッキンは、短期間で漏れや発熱トラブルを引き起こします。

リング成形と切断

パッキンは通常、リールに巻かれた状態で供給されます。これを軸径に合わせて切断し、リング状にします。 切断する際は、切り口を斜め45度にする方法と、垂直90度にする方法がありますが、シール性を高めるためには切り口同士が重なり合う斜めカットが有利です。ただし、取り扱いの容易さから垂直カットが採用されることもあります。 重要なのは、正確な長さに切ることです。短すぎれば隙間から漏れが発生し、長すぎれば装着時に波打ってしまい均一な面圧が得られません。

装着と締め付け

リング状にしたパッキンをスタッフィングボックスに挿入する際は、切り口の位置が重ならないように、各層ごとに90度あるいは120度ずつずらして配置します。これを層間変位と呼び、漏れ経路を迷路状にすることでシール性を高めます。 全てのリングを挿入した後、グランドボルトを締め込みますが、ここでいきなり強く締め付けるのは厳禁です。最初は手締め程度にし、ポンプを起動してから、漏れ具合を見ながら徐々に増し締めを行っていく初期馴染み運転、ランニングインが不可欠です。

応力緩和への対応

パッキンは装着直後から応力緩和、すなわち反発力の低下が始まります。特に運転初期は、馴染みによる体積減少や潤滑剤の流出により、面圧が急速に低下します。 したがって、定期的な増し締めメンテナンスが必要です。これを怠ると、面圧不足による漏れの増大を招くだけでなく、パッキンとボックスの間に隙間が生じ、パッキン全体が共回りする現象が発生して機能を喪失する恐れがあります。

特殊な機能付加とランタンリング

流体の性質によっては、単にパッキンを詰め込むだけでは対応できない場合があります。その際に用いられるのがランタンリングと注水システムです。

封水と潤滑

スラリーを含む液や、有毒な液、あるいは負圧になるポンプの場合、パッキンの途中にH型断面を持つ金属製のリング、ランタンリングを挿入します。 そして、スタッフィングボックスの外側から、ランタンリングの位置に向けて清浄な水（封水）を注入します。 注入された水は、パッキンの隙間を通って機内へわずかに流れ込みます。これにより、内部のスラリーがパッキン部に侵入するのを防ぎ、同時にパッキンと軸の潤滑・冷却を行います。このシステムは、浚渫船のポンプや排煙脱硫装置など、過酷な環境で広く採用されています。

メカニカルシールとの比較と住み分け

現代の流体機器において、グランドパッキンと双璧をなすのがメカニカルシールです。両者はそれぞれ明確な長所と短所を持ち、適材適所で使い分けられています。

メカニカルシールの優位性

メカニカルシールは、精密に研磨された摺動面でシールを行うため、漏れ量をほぼゼロに近く、メンテナンスフリー期間が長いという特徴があります。高価で複雑ですが、省エネや環境対策が重視される化学プラントなどでは主流です。

グランドパッキンの復権

一方、グランドパッキンは、構造が単純で堅牢です。 軸の振動や振れが大きくても追従でき、砂などが混入しても即座に破損することはなく、突然の大漏洩を起こすリスクが極めて低いです。また、パッキン自体が安価であり、交換作業も現場で容易に行えます。 この「タフさ」と「扱いやすさ」により、水道設備、下水処理、船舶、製紙工場など、止めることが許されないインフラ設備や、メンテナンス要員が確保しやすい現場では、現在でもグランドパッキンが第一選択肢として選ばれ続けています。

未来への技術展望

グランドパッキンは枯れた技術と思われがちですが、環境規制の強化や省メンテナンス化の要求に応えるため、進化を続けています。

低トルク・高シール性

従来のパッキンは、漏れを止めるために強く締め付ける必要があり、それが軸トルクの増大を招いていました。 最新のパッキンでは、特殊な潤滑剤の配合や、断面形状の工夫により、低い締め付け力でも高いシール性を発揮する低トルク型が開発されています。これにより、ポンプの消費電力を削減し、省エネに貢献しています。

ライブローディングシステム

バルブ用パッキンにおいて、皿バネを組み込んだボルトを使用し、パッキンのヘタリに合わせて自動的に締め付け力を維持するシステム、ライブローディングの導入が進んでいます。これにより、メンテナンス周期を大幅に延長し、長期的な信頼性を確保することが可能になっています。

回転する軸と固定されたケーシングとの間には必ず隙間が存在します。この隙間から内部の液体や気体が外部へ漏れ出すのを防ぐ、あるいは外部からの異物が内部へ侵入するのを防ぐことが軸封装置の役割です。

かつて主流であったグランドパッキンが、繊維状の詰め物を軸に押し付けて締め上げることで漏れを抑制していたのに対し、メカニカルシールは平滑に仕上げられた面をバネや流体圧力によって押し付け合い、その間に極めて薄い流体膜を形成させることで、漏れを最小限に抑えつつ摩耗を抑制するという機能を発揮します。

現代の産業プラントにおいて環境汚染の防止、省エネルギー、メンテナンスコストの低減といった要求に応えるため極めて重要な機械要素です。

基本構造と作動原理

メカニカルシールの基本構造は軸と一緒に回転する回転環と、ケーシング側に固定されて動かない固定環の二つのリングから構成されます。これら二つのリングの接触面を摺動面あるいは密封面と呼びます。

端面によるシール

グランドパッキンが軸の外周面でシールを行うのに対し、メカニカルシールは軸に垂直な平面でシールを行います。 回転環と固定環はスプリングやベローズなどの弾性要素によって常に軸方向に押し付けられています。

機器が停止しているときはこのバネの力によって二つの面が密着し、漏れを防ぎます。 機器が運転を開始し、軸が回転すると、密封対象である流体が遠心力や圧力差によって摺動面の間に浸入します。すると二つの面の間にミクロンオーダーの厚さを持つ流体膜が形成されます。この流体膜が潤滑剤の役割を果たし直接的な固体接触を防ぐことで、摩耗や発熱を劇的に低減させます。

二次シールの役割

回転環と軸の間、および固定環とケーシングの間からの漏れを防ぐために、OリングやVリング、ガスケットなどの二次シール材が使用されます。 特に回転環側の二次シールは、軸の回転に伴う振動や振れ、熱膨張による軸方向の移動に追従しながらシール性を維持する必要があるため、材料の弾性と形状設計が重要となります。

トライボロジーと流体膜の制御

メカニカルシールの重要な機能は漏れを止めることと、摺動面を潤滑することです。

閉じる力と開く力のバランス

摺動面には二つの対抗する力が作用しています。 一つは閉じる力です。これはスプリングの荷重と、背後から作用する流体圧力の合力であり、二つの面を密着させようとします。 もう一つは開く力です。これは摺動面の間に浸入した流体膜の圧力、すなわち揚力です。 正常な運転状態では、これらの力が釣り合い、摺動面の間には0.5ミクロンから3ミクロン程度の極めて微細な隙間が維持されます。この隙間が大きすぎれば漏れが発生し、逆に小さすぎれば潤滑膜が破断して固体接触による焼き付きや摩耗が発生します。

流体潤滑と境界潤滑

メカニカルシールは、常に完全な流体潤滑状態で運転されているわけではありません。起動・停止時や、負荷変動時には、流体膜が薄くなり、部分的に固体同士が接触する混合潤滑や境界潤滑の状態になります。 したがって、摺動材には、潤滑膜が形成されているときの耐流体摩耗性だけでなく、膜が切れたときでも焼き付きにくい自己潤滑性が求められます。また、高速回転時には、微小な表面粗さやうねりがポンピング作用を生み出し、流体膜の圧力を高める流体動圧効果も設計上の重要な要素となります。

バランス比と構造分類

扱う流体の圧力や性質に応じて、メカニカルシールの構造は最適化されます。その際の最も重要な設計パラメータがバランス比です。

アンバランス型とバランス型

回転環の背面に流体圧力が作用する受圧面積と、実際の摺動面の面積の比率をバランス比と呼びます。 バランス比が1以上、つまり受圧面積の方が大きいものをアンバランス型と呼びます。構造が単純で安価ですが、流体圧力が高くなると摺動面を押し付ける力が過大になり、摩耗や発熱が増大するため、低圧条件で使用されます。 一方、軸に段差を設けるなどして受圧面積を小さくし、バランス比を1未満、通常は0.7から0.8程度に設定したものをバランス型と呼びます。高圧条件下でも押し付け力を適切に制御できるため、プロセス用ポンプの多くで採用されています。

マルチスプリングとシングルスプリング

摺動面に荷重を与えるスプリングの形態による分類です。 複数の小さなコイルバネを円周上に配置したマルチスプリング型は、面圧の分布が均一になりやすく、コンパクトに設計できますが、スプリング材が細いため腐食や詰まりに弱いという側面があります。 太い一本のコイルバネを用いたシングルスプリング型は、スラリーや汚れに強いですが、遠心力によるバネの変形や、面圧の不均一が生じやすい傾向があります。

静止型と回転型

スプリング機構が回転側にあるか静止側にあるかの違いです。 一般的な回転型は、スプリングが軸と共に回転するため、高速回転時には遠心力の影響を受けます。これに対し静止型は、スプリングが固定環側にあるため、高速回転でも安定した追従性を発揮します。また、軸の偏心やミスアライメントに対する許容度も静止型の方が高いとされています。

摺動材料の科学

メカニカルシールの寿命と性能は、摺動材の組み合わせによって大きく左右されます。基本的には、硬い材料と軟らかい材料を組み合わせることで、馴染み性と耐摩耗性のバランスをとります。

カーボン黒鉛

最も一般的な軟質材料です。黒鉛の結晶構造に由来する優れた自己潤滑性を持ち、相手材との摩擦係数を低く抑えることができます。また、耐薬品性や耐熱性にも優れています。強度を高めるために樹脂や金属を含浸させたものが使用されます。

セラミックスと超硬合金

硬質材料の代表格です。 アルミナセラミックスは、酸やアルカリなどの腐食性流体に強いですが、熱衝撃に弱いという欠点があります。 炭化ケイ素すなわちSiCは、ダイヤモンドに次ぐ硬度を持ち、熱伝導率が高いため摺動熱を逃がしやすく、耐摩耗性と耐熱衝撃性のバランスが極めて優れた材料です。現代の高性能シールの主流となっています。 超硬合金（タングステンカーバイド）は、靭性が高く割れにくいのが特徴ですが、SiCに比べると耐食性や耐熱衝撃性で劣る場合があります。

材種の組み合わせ

一般的な水や油などの清浄な流体には、カーボン対セラミックス、あるいはカーボン対SiCの組み合わせが選ばれます。カーボンが微小に摩耗することで摺動面に馴染みを作り、安定したシール性を発揮します。 一方、スラリーを含む流体など、摩耗が激しい環境では、SiC対SiC、あるいはSiC対超硬合金という、硬質材同士の組み合わせが採用されます。この場合、馴染み性が期待できないため、より高精度な平面度管理と流体膜制御が必要となります。

ダブルシールと封液システム

有毒ガスや揮発性の高い液体、あるいは重合しやすいモノマー液などを扱う場合、単一のシール（シングルシール）では安全性が確保できないことがあります。このような場合、二つのシールを直列あるいは背中合わせに配置するダブルシールが用いられます。

タンデム配列とバックツーバック配列

二つのシールを同じ向きに並べるタンデム配列は、大気側のシールがバックアップとして機能します。万が一プロセス側のシールが漏れても、外部への流出を防ぐことができます。 二つのシールを背中合わせにするバックツーバック配列は、二つのシールの間に外部から封液（バッファ流体やバリア流体）を供給する方式です。

封液の役割

ダブルシールの間に満たされる液体には重要な役割があります。 封液の圧力をプロセス流体よりも高く設定した場合、微量な漏れは封液からプロセス側へと向かいます。これにより、プロセス流体が摺動面に噛み込むのを防ぐことができます。これはスラリー液や固化しやすい液体のシールに有効です。 逆に、封液の圧力を低く設定した場合は、プロセス流体の漏れを封液で捕捉し、安全に回収するシステムとして機能します。

フラッシングと環境制御

メカニカルシール単体では、過酷な運転条件に耐えられない場合があります。そのため、シールの周囲環境を制御する補助配管システム、いわゆるフラッシングが不可欠です。

フラッシングの目的

フラッシングとは、シールボックス内に液体を注入・循環させる操作のことです。その主な目的は三つあります。 第一に冷却です。摺動発熱や流体温度によるシール材の過熱を防ぎ、液膜の蒸発（ベーパライジング）を防止します。 第二に潤滑です。ガス溜まりを除去し、常に摺動面周囲を液体で満たすことで、安定した流体潤滑を維持します。 第三に洗浄です。スラリーや異物を摺動面付近から洗い流し、堆積を防ぎます。

APIプラン

石油化学プラントなどでは、米国石油協会（API）が定めた配管計画、APIプランに基づいてフラッシングシステムが構築されます。 例えば、ポンプの吐出側から高圧の液を抜き出し、オリフィスで減圧してシールボックスに注入する自己フラッシング（プラン11）や、熱交換器を通して冷却した液を戻すプラン（プラン21、23）などが代表的です。これらのシステム選定は、シールの寿命を決定づけるエンジニアリングの要諦です。

故障解析とメンテナンス

メカニカルシールは消耗品であり、いつかは寿命を迎えますが、その故障モードを解析することは、設備の信頼性向上にとって重要です。

異常摩耗とリーク

摺動面に同心円状の深い傷が入っている場合は、スラリーによるアブレシブ摩耗が疑われます。一方、一部が欠けたり、ヒートチェックと呼ばれる微細な亀裂が入っている場合は、潤滑不足による熱衝撃やドライ運転が原因である可能性が高いです。

二次シールの損傷

Oリングが膨潤したり、硬化して弾力を失ったりしている場合は、流体との化学的適合性や耐熱性の不一致が考えられます。また、ブリスターと呼ばれる水ぶくれ状の損傷は、高圧ガスがゴム内部に浸透し、急激な減圧時に内部で膨張することで発生します。

設置精度の重要性

メカニカルシールの性能を最大限に発揮するためには、取り付け精度が極めて重要です。軸の振れ、ケーシングとの直角度、軸方向のガタつきなどが許容値を超えていると、摺動面の追従が間に合わず、振動や漏れの原因となります。したがって、メンテナンス時には、単にシールを交換するだけでなく、回転機器全体の精密なアライメント調整が求められます。

最新技術とガスシール

近年では、液体ではなく気体をシール媒体とするドライガスシールの技術が進化しています。

スパイラルグルーブの原理

ドライガスシールの摺動面には、スパイラル状の微細な溝が刻まれています。回転に伴って気体がこの溝に引き込まれ、中心に向かって圧縮されることで強力な動圧が発生します。 この圧力によって摺動面は数ミクロンの隙間で非接触状態に保たれ、摩耗することなく気体をシールします。摩擦損失が極めて少なく、コンタミネーションも発生しないため、高速回転する大型コンプレッサーや、環境負荷低減が求められるポンプにおいて採用が拡大しています。

わずか数百円から数千円程度の小さなゴム部品ですが、この部品が一つ機能不全に陥るだけで、巨大なプラントが停止したり、自動車が走行不能になったりするほど、機械システムの信頼性を左右する重要な要素です。Oリングなどの固定用シール（ガスケット）とは異なり、高速で回転する軸と接触しながらシール機能を維持しなければならないため、その設計にはトライボロジー（摩擦・摩耗・潤滑の科学）、材料力学、流体力学といった高度な物理法則が適用されています。

基本構造と各部の機能

オイルシールの構造は、一見単純なリング状のゴムに見えますが、それぞれの部位が明確な役割を持った複合構造体です。一般的には、補強環と呼ばれる金属製のリングに、加硫接着によって合成ゴムを一体成形した構造をしています。

リップ部

シールの要となる部分であり、軸表面と直接接触して流体を密封します。 最も重要なのが主リップあるいはシールリップと呼ばれる部分です。断面形状を見ると鋭角な楔形をしており、軸に対して線接触することで高い面圧を発生させます。この楔形の角度は、油側（密封対象側）と大気側で非対称に設計されています。

通常、油側の角度は大きく、大気側の角度は小さく設定されます。この角度差が、後述する密封原理において決定的な役割を果たします。 また、主リップの外側には、外部からの異物侵入を防ぐための副リップ、通称ダストリップが設けられることが一般的です。ダストリップは主リップとは異なり、軸との接触圧は低く設定され、発熱を抑えつつ異物を弾く役割を担います。

ばね（ガータースプリング）

主リップの周囲には、金属製のコイルばねが装着されています。 ゴム自身の弾性だけでは、長期間の使用によるヘタリ（永久歪み）や熱による弾性低下により、軸への締め付け力（緊迫力）が不足してしまいます。このばねは、ゴムの弾性を補い、長期間にわたって安定した締め付け力を維持し、軸の偏心に対する追随性を確保するために不可欠な要素です。

はめあい部と金属環

オイルシールをハウジング（ケース）に固定するための外周部分です。 金属環（メタルケース）は、ゴムの剛性を補強し、ハウジングへの圧入を確実にする役割を果たします。外周がゴムで覆われているタイプと、金属が露出しているタイプがあり、使用環境やハウジングの材質、シール性への要求度によって使い分けられます。

密封メカニズムの物理

オイルシールが流体を漏らさないのは、単にゴムで隙間を塞いでいるからではありません。回転時には、リップと軸の間にミクロンオーダーの極めて薄い油膜が形成され、流体力学的な作用によって漏れを制御しています。

メニスカスと表面張力

軸が停止しているときは、リップの締め代とばね荷重による接触面圧によって、物理的に隙間をなくし漏れを防いでいます。しかし、軸が回転を始めると、リップと軸の間には流体が引き込まれ、薄い潤滑膜が形成されます。 このとき、大気側の接触端部では、油と空気の界面に表面張力が働き、メニスカスと呼ばれる曲面が形成されます。このメニスカスがダムのような役割を果たし、油が外へ漏れ出そうとするのを食い止めます。

吸引作用（ポンピング作用）

最も興味深い物理現象が、回転に伴う自己吸引作用です。 前述の通り、シールリップの角度は油側が急勾配、大気側が緩勾配になっています。これにより、接触面圧の分布は油側で高く、大気側に向かってなだらかに低下する非対称な分布となります。 軸が回転すると、リップ表面の微細な凹凸やゴムの粘弾性変形によって、油膜内部に圧力勾配が生じます。

この圧力分布と接触幅内のせん断流れの相互作用により、流体は大気側から油側へと押し戻される力が働きます。これをポンピング作用と呼びます。 つまり、オイルシールは単なる栓ではなく、微小なポンプとして機能しており、漏れ出そうとする油を能動的に内部へ押し戻し続けているのです。この機能が働くためには、適切な油膜の存在と、リップ先端の形状維持が絶対条件となります。

材料科学と選定基準

オイルシールの性能と寿命は、使用されるゴム材料の特性に大きく依存します。使用温度、対象流体の種類、周速などの条件に合わせて最適な材料を選定する必要があります。

ニトリルゴム NBR

最も一般的で安価な材料です。 アクリロニトリルとブタジエンの共重合体であり、耐油性と耐摩耗性に優れています。アクリロニトリルの含有量を変えることで、耐油性と耐寒性のバランスを調整できます。一般的な鉱物油やグリースには適していますが、耐熱性は摂氏100度から120度程度が限界であり、高温環境や特殊な添加剤を含む油には不向きです。

アクリルゴム ACM

耐熱性と耐油性のバランスが良い材料です。 特に、自動車のエンジンオイルやトランスミッションオイルに含まれる硫黄系や塩素系の極圧添加剤に対して優れた耐性を示します。そのため、デファレンシャルギアやトランスミッションのシールとして多用されます。ただし、耐寒性や耐水性はNBRに劣るため、寒冷地仕様や水回りでの使用には注意が必要です。

フッ素ゴム FKM

耐熱性、耐薬品性、耐油性のすべてにおいて最高レベルの性能を持つ高機能材料です。 摂氏200度を超える高温環境や、ガソリン、酸、溶剤といった過酷な流体に対して安定した性能を発揮します。かつては高価な材料でしたが、近年のエンジンの高出力化や長寿命化の要求に伴い、クランクシャフトシールやバルブステムシールなどでの採用が標準化しています。

シリコーンゴム VMQ

耐熱性と耐寒性の両方に優れ、非常に広い温度範囲で使用できる材料です。 しかし、引裂き強さなどの機械的強度が低く、耐油性も他の材料に比べて劣るため、回転軸用のオイルシールとして使用されるケースは限定的です。主にエンジンのクランクシャフトのねじりダンパーなど、油と接触しない部位や、極低温環境で使用されます。

軸表面のトポグラフィー

オイルシールは軸とペアで機能するため、軸側の表面状態管理もシール性にとって決定的な要因となります。

硬度と表面粗さ

リップは常に軸と擦れ合っているため、軸表面が柔らかいと、ゴムよりも硬い軸の方が摩耗してしまうという現象が起きます。 これを防ぐため、軸のシール接触部は高周波焼入れや浸炭焼き入れによって硬化処理を施すのが一般的です。 また、表面粗さも重要です。粗すぎるとリップの摩耗が早まり、滑らかすぎると潤滑油を保持する微細なポケットがなくなり、油膜切れによる焼き付きやスティックスリップの原因となります。適切な粗さに仕上げる必要があります。

研削リードの禁止

軸の仕上げ加工において最も警戒すべき欠陥が、研削リードあるいは加工目です。 円筒研削盤で軸を仕上げる際、砥石の送り速度と軸の回転速度の関係によって、目に見えない微細な螺旋状の溝が形成されることがあります。これがねじポンプのような働きをし、軸の回転方向によっては、内部の油を強力に外部へ排出し、漏れを引き起こします。 これを防ぐためには、砥石を送りなしで回転させるスパークアウト加工を行ったり、プランジ研削を採用したりして、実質的なリード角をゼロにする必要があります。

トライボロジーと摩擦損失

近年の環境規制や省エネルギー化の要求により、オイルシールにも低摩擦化が強く求められています。

摩擦と発熱

リップと軸の接触部では、粘性抵抗と境界潤滑による摩擦が発生します。この摩擦力は動力損失となるだけでなく、摩擦熱を発生させます。 ゴムは熱伝導率が低いため、発生した熱は蓄積されやすく、リップ先端の温度は雰囲気温度よりも数十度高くなることがあります。この熱によりゴムの硬化や亀裂が進行し、寿命を縮めます。

低フリクション技術

摩擦を低減するために、様々な技術開発が行われています。 材料面では、自己潤滑性を持つ固体潤滑剤や、低摩擦フィラーを配合したゴムが開発されています。 形状面では、リップの接触幅を極限まで狭く設計したり、接触面に特殊なテクスチャ（微細な突起や溝）を付与して流体潤滑膜の形成を促進させたりする手法が採られています。特に電気自動車のモーターなど、1万回転を超える高速回転領域では、これらの低フリクション技術が必須となります。

故障モードと解析

オイルシールの漏れトラブルが発生した場合、外したシールを観察することで原因を特定することができます。

リップの硬化と摩耗

リップ先端がカチカチに硬化し、弾力を失っている場合は、熱による劣化が原因です。摩擦熱が過大であったか、あるいは使用温度限界を超えた環境であったことが疑われます。また、リップの接触幅が異常に広がっている場合は、過度な摩耗や軸の振れ、あるいは内圧過多が考えられます。

膨潤と軟化

ゴムがブヨブヨに膨らんで柔らかくなっている場合は、使用している油とゴム材料の化学的適合性が悪いことによる膨潤劣化です。特にエステル系の合成油や、特殊な添加剤を含む油を使用する場合は、事前の適合性試験が不可欠です。

傷と打痕

リップ先端に軸方向の微細な傷がある場合は、異物の噛み込みが原因です。一方、組み付け時に軸のキー溝やスプラインを通す際、養生を行わずに無理に通すと、リップに切り傷がつき、初期漏れの原因となります。これは製造現場で最も多いトラブルの一つです。

特殊なオイルシールと応用技術

標準的なタイプ以外にも、特定の用途に特化した高機能なオイルシールが存在します。

カセットシール（ハブシール）

建設機械や農業機械の車軸など、泥水や土砂が激しく降りかかる環境で使用されるシールです。 オイルシール自体に、相手となる軸の役割を果たすスリーブや、迷路のようなラビリンス構造を持ったダストカバーを一体化させた複合ユニットです。軸の摩耗を防ぎ、かつ極めて高い防塵防水性能を発揮します。

PTFEシール

ゴムの代わりに、低摩擦で耐薬品性に優れたPTFE（ポリテトラフルオロエチレン）樹脂をリップに使用したシールです。 ゴムのような弾性がないため、ばねの代わりに樹脂の形状記憶特性や板ばねを利用します。潤滑油が少ないドライ環境や、ゴムを溶かすような溶剤、超高速回転など、ゴム製シールでは対応不可能な領域で使用されます。

圧力対応シール

通常のオイルシールは0.03メガパスカル程度までの圧力しか耐えられませんが、油圧ポンプやモーターなど高圧がかかる部位には、リップの肉厚を増やし、補強環の形状を工夫して変形を抑えた耐圧型シールが使用されます。

パッキンとは、流体機器において気体や液体などの流体が接続部や可動部から漏れ出すことを防止し、あるいは外部からの異物が内部へ侵入することを防ぐために用いられるシール部品の総称です。

広義には固定用シールであるガスケットと、運動用シールであるパッキンの両方を含んで呼ばれることもありますが、日本工業規格JISなどの専門的な分類においては、静止した面をシールするものをガスケット、回転や往復運動をする摺動面をシールするものをパッキンと明確に区別しています。

パッキンは、油圧シリンダー、ポンプ、バルブ、自動車のエンジンやトランスミッション、さらには半導体製造装置に至るまで、あらゆる機械システムの信頼性を担保する要石です。その設計には、流体力学、材料力学、界面化学といった多岐にわたる物理法則が凝縮されています。

シール機能の物理的原理

パッキンが流体を止める基本的な原理は、接触面圧の制御にあります。

接触面圧と流体圧力

流体が隙間を通って漏れ出そうとする力、すなわち流体圧力に対し、パッキンが相手面（軸やハウジング）を押し付ける力、すなわち接触面圧が上回っている場合、理論上漏れは発生しません。 パッキンは、装着された時点で予備圧縮を与えられることで初期の接触面圧を発生させます。これを締め代あるいはスクィーズと呼びます。この初期面圧が流体圧力よりも高い状態を維持することが、シールの基本条件となります。

馴染みと表面粗さ

機械加工された金属表面は、肉眼では平滑に見えても、ミクロな視点では無数の凹凸が存在します。パッキン材料には、この金属表面の微細な凹凸に追従して隙間を埋める能力、すなわち馴染み性が求められます。 弾性体であるパッキン材料が加圧されることで変形し、金属表面の谷間に入り込むことで、流体の通り道となる微小なトンネルを遮断します。したがって、相手面の表面粗さの管理はパッキンの性能を左右する重要な因子であり、粗すぎれば埋めきれずに漏れの原因となり、滑らかすぎれば潤滑油膜を保持できずに摩耗の原因となります。

エラストマーの材料科学

パッキンの材料として最も多用されるのが、ゴム状弾性体すなわちエラストマーです。金属やプラスチックとは異なるその特異な挙動が、シール材としての適性を決定づけています。

エントロピー弾性

金属のバネが原子間結合のエネルギー変化によって弾性力を生むのに対し、ゴムは高分子鎖のエントロピー変化によって弾性力を生み出します。 無負荷状態ではランダムに縮こまっている高分子鎖が、外力によって引き伸ばされると整列し、エントロピーが減少します。自然界はエントロピーが増大する方向へ進むため、分子鎖は再び縮こまろうとします。これがゴムの復元力の正体です。この性質により、ゴムは大きな変形を与えても破断せず、元の形状に戻ろうとする追従性を発揮します。

粘弾性挙動

ゴムは弾性だけでなく、粘性も併せ持っています。これは、変形を与えた際に内部でエネルギーが散逸する性質であり、時間依存性の挙動として現れます。 代表的な現象が応力緩和とクリープです。一定の圧縮率でパッキンを装着し続けると、時間の経過と共に反発力が徐々に低下していきます。これが応力緩和です。また、一定の荷重をかけ続けると変形が増大していくのがクリープです。 パッキンの寿命とは、この応力緩和によって接触面圧が流体圧力を下回った時点、あるいは熱や化学変化によって弾性そのものを失った時点と言えます。

代表的な材料

ニトリルゴム NBR: 耐油性に優れ、安価であるため、一般的な油圧・空圧機器で最も広く使用されます。

フッ素ゴム FKM: 耐熱性、耐薬品性に極めて優れ、高温環境や特殊な流体を扱う化学プラントや自動車エンジン回りで使用されます。

ウレタンゴム AU/EU: 機械的強度が非常に高く、耐摩耗性に優れるため、高圧の油圧シリンダーや建設機械のパッキンとして多用されます。

PTFE テフロン: ゴムではありませんが、耐薬品性と低摩擦特性を活かし、バックアップリングや特殊なリップパッキンとして使用されます。

スクィーズパッキンの力学

Oリングに代表されるスクィーズパッキンは、断面を圧縮して溝に装着するタイプです。その最大の特徴は、自封作用という圧力増幅メカニズムを持っていることです。

自封作用のメカニズム

溝に装着されたOリングには、初期圧縮による反発力が作用しています。ここに流体圧力がかかると、Oリングは流体のような挙動を示し、溝の壁面に押し付けられます。 パスカルの原理により、Oリングが受けた流体圧力は、そのまま接触面圧に加算されます。つまり、流体圧力が高くなればなるほど、Oリングは自らを相手面に強く押し付け、シール力を自動的に増大させるのです。この機能により、Oリングは極めて単純な形状でありながら、数十メガパスカルもの高圧をシールすることが可能です。

はみ出し現象

しかし、圧力には限界があります。圧力が過大になると、Oリングはシリンダーとピストンの僅かな隙間（クリアランス）に向かって流動し、むりやり押し込まれてしまいます。これをはみ出しと呼びます。 はみ出しが発生すると、パッキンの一部が食いちぎられ、急速に損傷して漏れに至ります。これを防ぐために、隙間を塞ぐための硬いリング、すなわちバックアップリングをOリングの背面に配置する手法が採られます。

リップパッキンの構造と機能

油圧シリンダーのロッドシールやピストンシールとして用いられるUパッキンやVパッキンは、断面がリップ形状（唇状）をしています。これらはスクィーズパッキンとは異なる設計思想に基づいています。

干渉代とリップの挙動

リップパッキンは、装着前の外径がハウジングの内径よりも大きく（あるいは内径が軸径より小さく）作られています。この寸法差を締め代あるいは干渉代と呼びます。 装着すると、リップ部分がたわんで相手面に密着します。流体圧力が作用すると、リップの内側に圧力がかかり、リップをさらに相手面に押し広げる力が働きます。 Oリングに比べて接触面積が小さく、またリップの先端のみでシールを行うため、摩擦抵抗を低く抑えることができ、運動への追従性が高いのが特徴です。

左右非対称設計

多くのリップパッキンは、流体側と大気側で形状が非対称になっています。流体側のリップ角度は急峻に、大気側の角度は緩やかに設計されることが一般的です。 これにより、往復運動において、流体側へ戻る行程では油膜を掻き落とさずに通過させ、大気側へ出る行程では油膜を掻き落としてシールするという、一種のポンプ作用を持たせています。この制御により、摺動面の潤滑を維持しながら漏れを防ぐという相反する機能を両立させています。

グランドパッキンの圧縮原理

ポンプやバルブの軸封として古くから用いられているのがグランドパッキンです。これは角紐状のパッキンをスタッフィングボックスと呼ばれる空間に詰め込み、軸方向から圧縮して使用します。

軸方向力から径方向力への変換

グランド押さえボルトを締め込むと、パッキンは軸方向に圧縮されます。パッキン材料は体積一定あるいはポアソン比の効果により、径方向へ膨らもうとします。 外側はボックス壁面、内側は軸によって拘束されているため、この膨張力は接触面圧へと変換されます。これがグランドパッキンのシール原理です。

圧力分布と漏れの許容

グランドパッキンを締め込む力は、奥に行くほど摩擦によって減衰します。そのため、接触面圧は入り口付近で最も高く、奥側で低くなります。 回転ポンプに使用する場合、漏れを完全にゼロにしようとして強く締めすぎると、摩擦熱でパッキンが焼き付き、軸を摩耗させてしまいます。そのため、ポンプ用グランドパッキンにおいては、微量の流体を意図的に漏らし、それを潤滑剤および冷却材として利用するという運用が行われます。漏れを管理しながら使うシール、それがグランドパッキンです。

トライボロジーと潤滑

運動用パッキンにおいて、摩擦・摩耗・潤滑を扱うトライボロジーの知識は不可欠です。パッキンの損傷の多くは、潤滑不良に起因するからです。

潤滑膜の形成

パッキンと軸が接触しているといっても、健全な状態ではその間にミクロンオーダーの薄い流体膜が存在しています。 軸が動く際、流体の粘性によってパッキンと軸の間に流体が引き込まれ、動圧が発生してパッキンをわずかに浮き上がらせます。この流体膜が固体同士の直接接触を防ぎ、摩耗を抑制します。

スティックスリップ

潤滑膜が十分に形成されない低速運転時や、作動開始時には、パッキンが軸に凝着しては剥がれるという挙動を繰り返すことがあります。これをスティックスリップと呼び、ビビリ振動や異音の原因となります。 これを防ぐために、パッキン表面にPTFEコーティングを施したり、ゴム材料に固体潤滑剤を配合したりして、摩擦係数を下げる対策がとられます。

主な損傷モードと対策

パッキンの故障原因を分析し、対策を講じることは、機械の信頼性向上に直結します。

摩耗

最も一般的な寿命要因です。長期間の摺動によりリップ先端が削れ、締め代が失われて漏れが発生します。潤滑油中の異物や、軸表面の粗さが原因で加速されることがあります。 対策としては、耐摩耗性の高いウレタンゴムへの変更や、ダストシールの強化による異物排除が有効です。

はみ出し（Extrusion）

前述の通り、高圧によってパッキンが隙間に押し出され、背面が欠損する現象です。 バックアップリングの併用や、より硬度の高い材料への変更、あるいは隙間精度の見直しが必要です。

熱硬化と圧縮永久歪み

高温環境下での使用により、ゴムの分子鎖がさらに架橋反応を起こして硬くなり、弾力を失う現象です。断面が四角く変形したまま戻らなくなります。 使用温度範囲に適した材料（フッ素ゴムなど）への変更や、冷却システムの導入が検討されます。

ブリスター（発泡破壊）

高圧ガスシールにおいて、ゴム内部に浸透したガスが、急激な減圧時に内部で膨張し、パッキンを内側から破壊する現象です。表面に水膨れのような膨らみが多数発生します。 耐ブリスター性の高い高硬度材料や、ガス透過性の低い材料を選定する必要があります。

選定における設計パラメータ

最適なパッキンを選定するためには、以下のパラメータを総合的に検討する必要があります。

1. 流体の種類: 油、水、薬品、ガスなど、対象流体に対して材料が化学的に安定であるか（膨潤や溶解しないか）を確認します。
2. 圧力: 最高使用圧力だけでなく、サージ圧力（衝撃圧）の有無も考慮し、パッキンの形状や硬度、バックアップリングの要否を決定します。
3. 温度: 雰囲気温度だけでなく、摺動発熱による温度上昇も考慮して、耐熱範囲内の材料を選びます。低温側の脆化温度にも注意が必要です。
4. 速度: 摺動速度が速いほど発熱しやすく、油膜形成能力も変化します。許容周速を超えないパッキン形状を選定します。
5. ストロークと頻度: 往復運動の距離や頻度は、摩耗寿命に直結します。

19世紀に発明され、第二次世界大戦中に航空機の油圧システム用として飛躍的に発展したこの部品は、設計の簡素化、省スペース化、コスト低減を同時に実現する画期的な発明でした。しかし、その選定や溝設計を誤れば、チャレンジャー号爆発事故のような歴史的な惨事を招く要因ともなり得ます。

自封作用の物理メカニズム

Oリングがシールとして機能する基本原理は、材料の反発力と流体圧力の相互作用による自封作用にあります。

初期圧縮と接触面圧

Oリングは通常、その断面径よりも浅い溝に装着され、相手側の壁面によって押し潰されます。このとき、ゴム材料は弾性変形し、元に戻ろうとする応力が発生します。この応力が、溝の底面と相手側の壁面に対する接触面圧となります。 流体の圧力がない状態では、この初期圧縮による面圧、すなわちスクィーズによる反発力が流体をせき止めます。

パスカルの原理と圧力の増幅

流体圧力が作用すると、Oリングは溝の壁面に押し付けられ、流体と同じ圧力を受けます。ゴム材料は非圧縮性流体に近い挙動を示すため、パスカルの原理により、受けた圧力はあらゆる方向に等しく伝達されます。 その結果、シール面における接触面圧は、初期圧縮による面圧に、流体からの圧力がそのまま加算された値となります。つまり、流体圧力が上昇すればするほど、Oリングは自らを壁面に強く押し付け、シール力を増大させるのです。このメカニズムにより、Oリングは数メガパスカルから数十メガパスカルという高圧流体を漏らすことなく封止することが可能となります。

ゴム材料の粘弾性とエントロピー弾性

金属製のバネが原子間の結合エネルギーの変化によって弾性力を生むエネルギー弾性であるのに対し、Oリングに使用されるゴム材料はエントロピー弾性によって復元力を発揮します。

ゴム弾性の本質

ゴム分子は、長く柔軟な鎖状の高分子が架橋点によって緩やかに結ばれた網目構造をしています。外力が加わっていない状態では、分子鎖はランダムに丸まった状態にあり、これは熱力学的にエントロピーが高い、すなわち乱雑さの度合いが大きい安定した状態です。 これを圧縮したり引き伸ばしたりすると、分子鎖は引き伸ばされて整列し、エントロピーが低い状態になります。自然界にはエントロピーを増大させようとする法則があるため、分子鎖は再び丸まった乱雑な状態に戻ろうとします。これがゴムの弾性力の正体です。 このため、ゴムは温度が上がると分子運動が活発になり、より強く縮まろうとする、つまり張力が増大するという金属とは逆の性質を示します。これをジュール効果と呼びます。

粘弾性挙動と応力緩和

また、ゴムは粘性と弾性の両方の性質を持つ粘弾性体です。Oリングを圧縮した瞬間は高い反発力を示しますが、時間が経過すると分子鎖の滑りや再配列が起こり、反発力が徐々に低下していきます。これを応力緩和と呼びます。 長期間の使用において、この応力緩和が進行しすぎると、初期圧縮による面圧が失われ、低圧時のシール性が損なわれる原因となります。

主要な材料とその化学的特性

Oリングの性能は、使用されるポリマーの種類によって決定づけられます。流体との適合性、すなわち耐油性や耐薬品性、そして使用温度範囲に基づいて最適な材料を選定する必要があります。

ニトリルゴム NBR

最も一般的で標準的な材料です。アクリロニトリルとブタジエンの共重合体であり、アクリロニトリルの含有量によって耐油性と耐寒性のバランスが変化します。鉱物油系の作動油やグリースに対して優れた耐性を示し、価格も安価であるため、一般的な油圧・空圧機器に広く使用されています。

フッ素ゴム FKM

耐熱性、耐油性、耐薬品性のすべてにおいて優れた性能を持つ高機能材料です。炭素とフッ素の強固な結合エネルギーにより、摂氏200度を超える高温環境や、ガソリン、酸性の薬液などに対して高い安定性を示します。自動車のエンジン周りや化学プラントなどで多用されます。

エチレンプロピレンゴム EPDM

耐候性、耐オゾン性、耐水性に優れます。特に水蒸気や極性溶剤、アルコール、ブレーキフルードに対して強い耐性を持ちますが、鉱物油には著しく膨潤するため使用できません。水回りや屋外機器に適しています。

パーフロロエラストマー FFKM

フッ素ゴムのフッ素含有量を極限まで高め、ポリマー主鎖の水素をほぼすべてフッ素に置き換えた材料です。PTFE樹脂に近い耐薬品性と、ゴム弾性を兼ね備えた究極の材料であり、半導体製造装置などの極めて過酷な環境で使用されます。

溝設計の幾何学パラメータ

Oリングを適切に機能させるためには、Oリングそのものの選定だけでなく、それを収める溝の設計が極めて重要です。

つぶし代 圧縮率

Oリングをどれだけ押し潰すかという比率、すなわちつぶし代は、シール性と寿命のトレードオフで決定されます。 固定用、スタティックシールとして使用する場合は、断面径の15パーセントから30パーセント程度と高めに設定し、確実なシール性を確保します。 一方、運動用、ダイナミックシールとして使用する場合は、摩擦抵抗や摩耗を抑えるために8パーセントから15パーセント程度と低めに設定します。つぶし代が大きすぎると圧縮割れや圧縮永久歪みの原因となり、小さすぎると漏れの原因となります。

充填率

Oリングを溝に入れた際、溝の断面積に対してOリングの断面積が占める割合を充填率と呼びます。通常は75パーセントから85パーセント程度に設計し、溝の中に必ず隙間を設けます。 これは、ゴムの熱膨張係数が金属の約10倍もあり、温度上昇時に体積が膨張するためです。また、流体によってゴムが膨潤する場合もあります。もし溝に逃げ場がなければ、膨張したゴムは行き場を失って溝からはみ出し、噛み込みや破損を引き起こします。

溝形状と表面粗さ

溝の形状は、一般的に長方形溝が用いられますが、Oリングの脱落を防ぐためのアリ溝や、三角溝なども存在します。 溝の表面粗さも重要です。シール面となる底面や壁面が粗すぎると、そこから漏れが発生したり、Oリング表面が摩耗したりします。逆に滑らかすぎると、潤滑油膜が保持できずにスティックスリップ現象を引き起こすことがあります。

はみ出しとバックアップリング

高圧環境下において、Oリングにとって最も致命的な破壊モードの一つが、はみ出し現象です。

はみ出しのメカニズム

Oリングによってシールされている高圧側と低圧側の間には、シリンダーとピストンの隙間、すなわちクリアランスが存在します。 高圧がかかると、Oリングは流体のように振る舞い、この微小な隙間へ向かって塑性流動しようとします。圧力がゴムの弾性限度を超えると、Oリングの一部が隙間にむりやり押し込まれ、食いちぎられたように損傷します。これがはみ出しです。

対策技術

これを防ぐために、Oリングの低圧側に硬い樹脂製や金属製のリング、バックアップリングを配置します。バックアップリングは隙間を物理的に塞ぎ、Oリングが隙間に吸い込まれるのを防ぐ壁として機能します。圧力がさらに高い場合や、両側から圧力がかかる場合は、Oリングの両側に配置することもあります。 また、ゴム材料自体を高硬度のものに変更することも有効ですが、柔軟性が低下するためシール性との兼ね合いが必要となります。

運動用シールにおける特殊現象

ピストンやロッドの往復運動、あるいは回転運動のシールとしてOリングを使用する場合、固定用にはない特有のトラブルが発生します。

スパイラル破壊（ねじれ）

往復運動用シールにおいて、Oリングの一部が溝壁との摩擦で拘束され、他の部分が滑ることで、Oリング全体がよじれてしまう現象です。 このよじれが繰り返されると、Oリング表面に螺旋状の深い亀裂が入り、最終的に破断します。これを防ぐためには、つぶし代を小さくする、潤滑を良くする、あるいは断面形状をX型やT型にした異形リングを採用するなどの対策が必要です。

スティックスリップ

摩擦係数の高いゴム材料が、運動開始時や低速運転時に、滑りと固着を繰り返す振動現象です。ビビリ音や偏摩耗の原因となります。表面に梨地加工を施したり、二硫化モリブデンやPTFEなどの固体潤滑剤をコーティングしたりして摩擦係数を下げることが有効です。

環境要因による劣化モード

Oリングは、熱や化学物質だけでなく、物理的な環境変化によっても損傷を受けます。

圧縮永久歪み ヘタリ

高温環境下で長時間圧縮され続けると、ゴムの分子鎖が熱的な架橋反応や酸化劣化を起こし、弾性を失って元の形状に戻らなくなります。断面が円形から四角形に近い形状に変形し、シール力が低下します。これを防ぐには、耐熱性の高い材料選定や、適切な寿命交換が必要です。

急激な減圧による発泡 ブリスター

高圧のガスシールに使用される場合、ガス分子がゴムの分子鎖の間隙に浸透し、内部に溶け込みます。 この状態で急激に圧力を下げると、内部に溶け込んでいたガスが一気に気化して体積膨張を起こし、ゴムの内側から亀裂を生じさせたり、表面に水膨れのような膨らみを作ったりします。これをブリスターあるいは爆発的減圧破壊と呼びます。耐ブリスター性の高い高硬度材料や、ガス透過性の低い材料が求められます。

真空および極低温環境への対応

極限環境においては、標準的な設計思想とは異なるアプローチが必要です。

真空シール

真空環境では、ゴムからのガス放出、アウトガスが問題となります。ゴムに含まれる可塑剤や添加剤が揮発し、真空度を低下させたり、チャンバー内を汚染したりします。 そのため、真空用Oリングには、添加剤を極力排除し、表面を洗浄処理した高純度のフッ素ゴムなどが用いられます。また、気体透過率の低い材料を選ぶことも真空度維持には不可欠です。

極低温シール

液体窒素や液体水素などの極低温環境では、ゴムはガラス転移点を下回り、ガラスのように硬く脆くなります。弾性を失ったゴムはシール機能を果たせません。 このような環境では、金属製のOリング（メタルOリング）や、バネを内蔵して弾性を確保した樹脂製シールが用いられます。また、常温で締め付けた後に冷却されると、ゴムが熱収縮して締め付け力が低下するため、設計時には収縮率を考慮した溝寸法や初期圧縮量の設定が必要です。