金属中空Oリングは、金属チューブから作られた円形のシーリングリングで、通常は円形の断面を持ちますが、楕円形や長方形なども考えられます。圧縮によって弾性変形し、シーリング界面間の微小な隙間を埋めることでシールを実現します。エラストマーシールとは異なり、高温、高圧、高真空、そして強い腐食を伴う過酷な環境下におけるシーリングの課題に対応するために特別に設計されています。
I. 動作原理：弾性変形と線接触シール
金属中空 O リングのシール原理は、従来の「線接触」メカニズムに基づいており、次の主要な手順が含まれます。
- プリロードとラインコンタクト:
- フランジまたはコネクタをボルトで締め付けると、溝カバーが金属製の中空 O リングに軸方向の圧縮力を加えます。
- この力により、中空の金属リングの壁は弾性変形（平坦化）により、外壁がシール溝の底部とカバープレートにしっかりと押し付けられ、連続した「線接触」のシールバンドが形成されます。この初期接触により、基本的な静的シールが実現します。
- システム圧力アシストシーリング（自己エネルギー効果）:
- システム内部の圧力が上昇すると、中圧が溝底の通気孔を通して、または直接、O リングの内側に作用します。
- この圧力により、O リングはさらに外側に拡張され、シール リップ (平坦化によって形成された接触エッジ) が反対側のシール面にさらにしっかりと押し付けられます。システム圧力が高くなるほど、シール接触圧力も大きくなります。この「自己励磁効果」により、シールの信頼性が大幅に向上します。
固体金属Oリングとの違い:
- 固体金属Oリングは主に、大きな圧縮力を利用して金属を塑性変形させ、隙間を埋めます。高い密封力が必要であり、分解後は再利用できないことがよくあります。
- 中空金属Oリングは主にチューブ壁の弾性変形に依存しており、必要なシール力が大幅に低減され、弾性回復が優れているため、再利用性に優れています。
II. コアとなる利点
金属中空 O リングは、その動作原理と金属材料に基づいて、次のような優れた利点を備えています。
- 非常に広い温度耐性: 最も注目すべき利点。材質の選択（例：インコネル、ステンレス鋼316、ハステロイ）に応じて、極度の温度に耐えることができます。-250℃から1000℃以上あらゆるポリマーシーリング材をはるかに上回ります。
- 優れた高圧・高真空シール性能：数百メガパスカル（MPa）の超高圧に耐えることができます。高真空システムでは、金属自体の非常に低いガス透過性により、優れた真空完全性が確保されます。
- 優れた耐腐食性:特殊合金は、さまざまな強酸、アルカリ、有機溶剤、高温酸化環境に耐えることができます。
- クリープや弛緩がなく、シールが長持ちします。金属材料は、高温でもプラスチックやゴムのように変形したり老化したりしないため、長期間にわたって安定したシール力を維持し、弛緩による漏れを防止します。
- 再利用性:正しい設計と設置により、永久的な破砕（過圧縮）が発生しない限り、複数回分解して再利用できるため、長期的なメンテナンスコストを削減できます。
- 耐放射線性:原子力産業など、放射線にさらされる環境に適しています。
III. 設置溝の設計と主要パラメータ
溝の設計は、金属製中空Oリングが適切に機能するために非常に重要です。主な目的は次のとおりです。O リングの横方向の流れを制限しながら、O リングに正確な圧縮スペースを提供します。
1. 溝の種類
- オープングルーブ（最も一般的）:片方のフランジ面に溝が機械加工されており、もう片方は平坦なシール面となっています。ほとんどの高圧スタティックシールに適しています。
- クローズドグルーブ（2部グルーブ）:溝は、フランジ面に半溝を加工することで形成されます。Oリングの位置決めと取り付けが容易になりますが、高い加工精度が求められます。
2. キー溝寸法設計
溝の寸法は、Oリングの自由径（OD）と壁厚（WT）と密接に関連しています。以下は、円形断面の中空金属Oリングの基本的な設計原則です（具体的な寸法については、規格またはサプライヤーの推奨事項を参照してください）。
- 溝幅（W）:
- Oリングの自由径（OD）よりわずかに大きいサイズにする必要があります。通常、W ≈ OD + (10% ~ 20%) OD.
- 幅が大きすぎると、O リングが圧力を受けて過度に変形し、隙間に押し出されて損傷する可能性があります。
- 溝の深さ（D）:
- これは 最も重要パラメータは、Oリングの 圧縮比.
- 圧縮率 = (OD – D) / OD × 100%
- 静的シールの場合、推奨される初期圧縮比は通常、 15%と30%比率が低すぎると漏れが発生する可能性があり、高すぎるとOリングが潰れて弾力性が失われ、再利用できなくなる可能性があります。
- 溝の深さ (D) は、O リングの自由直径 (OD) よりも小さくする必要があります。
- 溝面粗さ:
- シール接触面の表面粗さは非常に重要です。通常、Ra≤0.8μm良好なライン接触を確保し、漏れ経路を最小限に抑えるために必要です。
- 溝のコーナー:
- 溝の底と側壁の接合部には、応力の集中と O リングの傷を防ぐために適切な半径 (小さな面取り) が必要です。
3. 圧縮制御：パーセント圧縮
取り付け後、Oリングの高さは圧縮されます。この圧縮度合いは「圧縮率」で測定されます。
- 圧縮率 = (自由高 - 圧縮高) / 自由高 × 100%
- 標準的な円形断面中空金属Oリングの場合、20%～30%の圧縮は一般的かつ効果的な範囲です。この範囲を確保するには、溝の深さを正確に計算し、適切なガスケットまたはスペーサーを選択する必要があります。
IV. 典型的なアプリケーション
- 航空宇宙:エンジン、燃料システム、高温パイプライン。
- 石油化学製品:高温高圧反応器、バルブ、パイプ接続部。
- 原子力産業:原子炉および関連機器。
- 真空炉、半導体装置：超高真空メンテナンスを必要とするチャンバードアシール。
- 超臨界流体装置。
結論
金属製中空Oリングは、過酷な条件下でのシーリング課題に対する究極のソリューションの一つです。その成功は、以下の点に大きく依存します。正しい材料の選択 （媒体と温度を合わせる）、 精密な溝設計 （圧縮の制御）、および きれいでプロフェッショナルな設置選択および使用の際には、フェイルセーフ動作を確実にするために、専門のサプライヤーまたは標準仕様（AMSシリーズなど）と詳細に協議することを強くお勧めします。
投稿日時: 2025年10月20日