【特集】『耐熱性能に優れた製品と技術』
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・1
● ご挨拶・
代表取締役社長

瀧澤

利一

兼

CEO

● 技術論文プラント向け高温用ガスケット・
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・2

シール開発部野々垣

開発グループ肇● 技術論文耐熱タイプパーフロロエラストマー FLUORITZ®-HS、
D5370（開発品）、D5575（開発品）
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・7

シール開発部岡崎
戸田

開発グループ雅則
清華● 技術論文

ふっ素系有機圧電材料の開発と応用・
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・12
関西大学 システム理工学部

田實

佳郎

米田

哲也

研究開発部

副学部長・教授

研究・企画グループ● 製品の紹介

インフラートシール®・
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・18

シール営業本部岡野浩● 製品の紹介

ダイアフラムシール・
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調達部

松下

正美

● 製品の紹介

耐熱性に優れたPEEKTM絶縁ワイヤー・
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・24
機能樹脂事業部有本

優

技術部 チューブチーム

ご挨拶
日本バルカー工業株式会社
代表取締役社長 兼 CEO

瀧澤利一

謹んで新年のご祝詞を申し上げます。
読者の皆さまには日頃より本誌をご愛読いただき洵に有難く厚く御礼申し上げます。
バルカー技術誌

昨年の世界経済は、依然として不透明ななかで推移した一年となりました。欧米では財政・金融問題が断続的に発生、アジアではGDP世界第2位の中国においても成長スピードの鈍化がみられるなど、世界経済の回復は弱含みとなっています。一方日本国内では、ようやく長いデフレから脱しつつあり、また2020年の東京オリンピッ
ク開催が決まるなど、少しずつ明るさが見えてまいりました。

Winter 2014

こうした状況のなか、当社はあらゆる変化を新たな成長へのチャンスと捉え、中期経営計画“ＮＶ・Ｓ６”を基軸に挑戦を続けております。成長分野、成長市場への積極的な事業展開と、徹底した事業の合理化を進め、ＣＳＲ経営の推進、人材育成の強化により、グローバル市場で勝ち抜く企業を実現してまいります。

No.26

その実現に向け、当社ではこれまで培ったコア技術を基に、成長分野である「環境」「エネルギー」分野においては、新たな差別化技術の創出により、機能膜などの高付加価値製品の展開を図り、ふっ素樹脂の特性活用を進めています。また、成長市場である中国・ASEANに対しては、ローカルニーズに即した新製品開発を進めるとともに、シールエンジニアリングをより高め、安全・安心を実現するソフト＆ハードの提供に力を入れています。本誌におきましては、よりシビアな高温環境下においても安全・安心に使用できる製品・技術をテーマに取り上げ、「耐熱性能に優れた製品と技術」特集としてご紹介させていただいております。

今後とも社会に貢献できる技術開発・製品開発を進め、お客さまに感動いただける製品・サービスをお届けいたします。同時にタイムリーな技術情報のご提供にも努めてまいります。本誌が当社製品をご理解いただく一助になれば幸いです。

最後になりましたが、今後とも一層のお引き立てを賜りますようお願い申し上げますとともに、読者の皆さまの益々のご発展を祈念いたしまして、新年のご挨拶とさせていただきます。
1

技術論文

プラント向け高温用ガスケット

1. はじめに
ガスケットは、あらゆる産業でさまざまな流体、温度、圧力

高温用ガスケットの基本はメタルガスケットである。ただし、メタルガスケットは高圧用途として用いられることが多い。
Table1に主なメタルガスケットを示す。

漏洩が発生した場合には、火災や爆発あるいは有害物質
漏出による環境汚染といった問題をもたらすこともあるため、バルカー技術誌に対して長期間にわたりシールすることが要求される。仮にTable1 メタルガスケット

使用条件に適したガスケットを選定することが極めて重要となる。
石油精製、石油化学プラントや火力発電プラントなどではWinter 2014

蒸気やプロセス流体が数百度の高温になり、特に火力発電プラントにおける発電効率の向上に伴い、使用温度は上昇傾向にあるため、より耐熱性の高いシール製品が求められている。
本報ではこうしたプラントで使用されているシール製品の概要を紹介し、近年の動向についても触れる。

No.26

2. ガスケットの使用区分プラントで使用されているガスケットは多岐にわたるが、使用温度別でFigure1のように大別される。

Figure1 ガスケット使用指針2

プラント向け高温用ガスケット

中温中圧～高温高圧領域に使用されるセミメタルガスケッ

当社マイカフィラーは高温水蒸気雰囲気下での重量減少

トはうず巻形ガスケット、メタルジャケットガスケットがある。

の原因となる補強用ガラスクロスを用いず、また、有機成分

300℃以下の低温低圧に使用されるソフトガスケットとしては、を大幅に低減することにより、優れた高温シール性を実現しジョイントシート、ふっ素樹脂系シートガスケット、膨張黒鉛シーている。Table3にマイカフィラーの特性を、Figure3に熱サ

ト（400℃）などがある。

イクルシール試験結果を示す。また、高温での使用実績をプラントの運転条件をTable2に示すが、大半は500℃程

Table4に示す。マイカフィラーは最大 750℃まで使用可能で度であり、これを超える場合はメタルガスケットが使用される。

あり、流動接触分解装置（FCC）
やエチレンプラントなどの高Table2 プラントの主な運転条件
プラント
温度（℃）
圧力（MPa）

バルカー技術誌

ナフサの熱分解
火力発電 700℃級 USC
600 度級 USC
超々臨界
（USC）
超臨界
石油精製
（接触分解）
石油精製（接触改質）
アンモニア合成（Haber-Bosch 法）
メタノール合成
（低圧法）

850
700
620
593
374.1
470 ～ 540
450 ～ 540
500
200 ～ 300

35
31
24.1
22.1
0.5 ～ 3.5
25 ～ 35
5 ～ 10温加熱蒸気ラインにも使用されている。

フィラー
マイカ
他社マイカ
他社バーミ
キュライト

Table3 マイカフィラーの特性
空気中 600℃×96h 加熱
重量減少率 形状保持性
柔軟性
耐粉体化
1.9%
4.8%

○
○

○
×

○
△

6.0%

○

×

○

3. 石油精製、石油化学プラント

Winter 2014

450～500℃超までの反応領域ではうず巻形ガスケットが使用される。膨張黒鉛をフィラーにしたうず巻形ガスケットはシール性に優れ、よく利用されている。しかし、450℃を超える酸化性雰囲気（空気を含む）
において使用される場合は、膨張黒鉛が酸化反応によって徐々に二酸化炭素になり消失

No.26

する。そのため、450℃を超える条件の場合は、複合フィラー
うず巻形ガスケットが使用される。複合フィラーうず巻形ガス
ケットは膨張黒鉛フィラーをシール要素とし、酸化雰囲気側に

Figure3

無機質紙やマイカなどの耐熱フィラーを配し、高温時の膨張
黒鉛の酸化消失を耐熱フィラーで保護（酸素の供給を遮断）したもので、高温での長期シール性が維持できるガスケットである。Figure2に複合フィラーうず巻形ガスケットの構造を示す。
無機質紙フィラー または マイカフィラー

フィラー
複合
複合
複合
複合
複合
複合
複合
マイカ

熱サイクルシール試験結果

Table4
設備 ･ 機器

RFCC 設備
FCC 設備エチレンプラント
エチレンプラント
エチレンプラント
ボイラー
無機繊維製造ライン
HTSポンプ

高温での使用実績
温度
使用期間

600℃
400－650℃
700℃
350－500℃
500℃
400℃以上
650℃
420℃

状態

1 年で定期交換
良好
数ヶ月使用中良好
不明
良好
4ヶ月で定期交換 良好
1 年 10ヶ月使用中 良好
11ヶ月使用中良好
1 年 2ヶ月使用中 良好
2 ～ 6 年使用中
良好
2012 年 4月現在

しかし、複合フィラーうず巻形ガスケットも膨張黒鉛の酸化
バルカホイルフィラー

Figure2

複合フィラーうず巻形ガスケット

消失を完全に抑制することは不可能であり、時間経過とともに膨張黒鉛は消失し、いわゆる“寿命”が存在する。複合フィ
ラーうず巻形ガスケットの寿命については、非石綿化のため

当社は複合フィラーうず巻形ガスケットとして、耐熱フィラーの緊急プロジェクトである2006 年 NEDO 開発支援事業におに無機質紙を用いたNo.8590Lシリーズと、マイカフィラーを用

いて、膨張黒鉛の酸化減量にArrhenius 式を適用し、膨張いたNo.M590Lシリーズをラインアップしている。

黒鉛フィラー酸化の活性化エネルギーを測定し、その寿命予

3

技術論文

測が可能であることを確認した 1）。すなわち、許容漏洩量以全であった。これより、複合フィラーうず巻形ガスケットの膨張

上の漏洩が発生する膨張黒鉛の消失量（限界消失量）が求

黒鉛の酸化消失は、ガスケットとフランジの界面に沿って進む

められれば、膨張黒鉛消失の反応速度定数から算出されるのではなく、大気側から、膨張黒鉛１巻きごとに進んでいるこ

膨張黒鉛の消失速度によって、シール寿命を推定できる。

とがわかった。

膨張黒鉛と酸素との反応は、反応速度は、式（１）のように酸素濃度と反応速度定数によって表される。
dW
V＝ ＝−kC［O2］dt
V：反応速度（１）

W：重量k：反応速度定数

t：時間

C［O2］
：酸素濃度

反応速度定数 kは、式（２）で表され、いくつかの温度でのバルカー技術誌

反応速度定数を求め反応速度定数 kと１／ Tで整理すれば、活性化エネルギーを導くことができ、これにより、反応の律速過程の推定や任意の温度における反応速度定数を求めることができる。
Ea
k＝Aexp（− ）RTFigure4（２）Ea：活性化エネルギー

R：気体定数

T：絶対温度

こうして求めた膨張黒鉛の酸化消失速度と、膨張黒鉛の減量と漏洩量の関係からガスケットの寿命が求められる。すなわち、フランジ締結状態での膨張黒鉛消失の活性化エネ

膨張黒鉛単独での重量経時変化、及びフランジ締結したルギーから対象温度での膨張黒鉛消失の速度定数を求め、ガスケットの膨張黒鉛消失減量の経時変化にArrhenius 式

膨張黒鉛消失速度を算出し、更に消失速度から、シール限を適用して、それぞれ膨張黒鉛単体、フランジ締結状態で界減量率となる時間を導いた。

のガスケットの膨 張 黒 鉛の活 性 化エネルギーを求めた。
（Table5）
Table5

NEDOの実証試験では、許容漏洩量を4.7×10−3 Pa・m3/sとした場合のシール限界減量率 67%としたとき、Table6に示

膨張黒鉛消失反応の活性化エネルギー

膨張黒鉛単体フランジ締結状態

Es
Ef

活性化エネルギー

49.7 kcal/mol

したように、寿命予測結果は600℃で4.5ヶ月、450℃で約 16ヶ月であった。

10.4 kcal/mol

膨張黒鉛単体の活性化エネルギーは、49.7kcal/molであり、この値は、Fullerによって導かれた膨張黒鉛の活性化エ

温度
推定寿命

Table6 シール寿命推定結果例
℃
600
500
month
day
h

4.5
136
3,260

9.8
294
7,066

450

15.7
470
11,272

ネルギー44.2 kcal/mol ２）やZaghibらによる44.9±0.5 kcal/
mol 3）とも整合するものである。一方、フランジ締結状態での膨張黒鉛消失の活性化エネルギーは、10.4 kcal/molであった。通常、拡散の活性化エネルギーは、反応の活性化エネ

4. 火力発電プラント他

ルギーより小さく、2.9～9.6 kcal/mol 程度とされる。すなわ

火力発電でも現行の600℃級超々臨界（USC）
ではうず巻

ち、フランジ締結状態での膨張黒鉛の消失は、拡散律速が形ガスケットが使用されている。ただし、火力発電は石油、支配的であり、マイカフィラーによる酸素遮蔽効果がみとめら

石炭、天然ガスなどの化石資源を燃料としているため、資源れる。

の節減と二酸化炭素排出抑制の観点から、より一層の熱効

次に、フランジ締結状態で膨張黒鉛の消失が進行したガ率の向上が求められている。熱効率を向上させるためには

スケット断面を観察したところ（Figure4）、外径側 1 巻き目のタービン入口条件の高温高圧化が必要で、特に次世代高効

膨張黒鉛がほぼ消失しているのに対し、2 巻き目は、ほぼ健率発電システムとして期待される700℃級超々臨界圧発電
4Winter 2014

A：頻度因子

約 10％減量を生じたガスケット断面（外径側から大気侵入したケース）

No.26

プラント向け高温用ガスケット（A-USC）
では、金属材料開発を含めた開発が国家プロジェ
クトとして進められている。
その他の高温領域としては、製鉄所のコークス炉や高炉、転炉などが挙げられる。これらは内圧が極めて低いため、高度なシール性は必要なく、織布ガスケットなども多く用いられている。当社ではバルカテックスガスケットとしてNo.N214、
No.N314 およびNo.N314に無機充填材を含浸し気密性を高めたNo.N314KSをラインアップしている。
（Table7）
Figure6

Figure5にN314とN314KSのシール性比較を示す。

製品番号
No.N214

Table7 バルカテックスガスケット
製品概要

ゴム引きガラス繊維を所定の平面形状に仕上げたガスケット

バルカー技術誌

ゴム引き金属線入りセラミック繊維布を所定の平面形状に仕上げたガスケット
ゴム引き無機充填材・金属線入りセラミック
No.N314KS 繊維布を所定の平面形状に仕上げたガスケット
No.N314

Table8
温度限界
圧力限界

使用温度
400℃

No.N340M 構成

No.N340M 使用範囲
800℃
0.49MPa※ 高度の気密性が要求される箇所には適さない。

800℃

5. おわりに

800℃

今日、高温用ガスケットの主体はうず巻形ガスケットであるが、膨張黒鉛は450℃以上で酸化消失するため、複合フィ
ラーうず巻形ガスケットが使用されてきた。しかし、火力発電

Winter 2014

プラントをはじめ、高温化が進むことが予想され、より高度な高温仕様が要求されることも考えられる。そのため、マイカ
フィラーなどの耐熱フィラーの高度化やメタルガスケットの充実など、ニーズに応じた製品開発を行っていく所存である。

6. 参考文献
No.26

1）NEDO 平成 18 年度成果報告書、緊急アスベスト削減実用化基盤技術開発プロジェクト、シール材の非石綿代替Figure5

製品に関する寿命推定実証技術の研究開発、2007 年 3

No.N314KSとNo.N314シール性能比較

月

ボイラ・タービンの排熱ダクトの継手部分、ダンパ、マンホー

2）E.L. Fuller, J.M. Okoh Kinetics and mechanisms ofルなどにグランドパッキンが使用される例も少なくない。No.

the reaction of air with nuclear grade graphite：IG-

N340Mは基材に耐熱性の高いセラミックを使用しており、ま110, J of nuclear materials 240（1997），241-250.

た、シール性向上を目的とした充填材にも無機化合物を使用

3）K.Zaghib,X.Song,K.Kinoshita, Thermal analysis of

しているため、耐熱性、耐薬品性に優れている。

oxidation of natural graphite: isothermal kinetic
studies, Thermochimica Acta 371（2001），57-64.

（abstract）
The plant makes use of a variety of gaskets. Depending on the usage, selecting the proper sealant is of utmost importance.
High temperature gaskets are primarily metallic and semi-metallic. Metal gaskets are suitable for high pressure situations.
In oil refining, petrochemical, and thermal power generation plants temperatures can reach 500℃; here Spiral Wound
Gaskets are largely employed. Metal gaskets are used in the case where temperatures exceed 500℃.
Although Spiral Wound Gaskets make use of an expanded graphite ﬁller and a compound ﬁller when temperatures exceed
5

技術論文

500℃, deterioration and shortened service life due to oxidization has necessitated the development of resilient new ﬁllers
such as mica.
Keywords:
high temperature gaskets，Spiral Wound Gaskets，mica（摘要）
生产装置中会用到各种各样的密封垫片,符合使用条件的垫片选型则是重中之重。
高温用密封垫片基本上是金属、半金属密封垫片，其中金属密封垫片是高压用途下的主要选择。
石油精炼、石油化学以及火力发电相关的生产装置，多数都在500℃左右，使用的主要是缠绕密封垫片。超出该条件的情况则使用金属密封垫片。缠绕密封垫片中常用到膨胀石墨填料带以及复合填料带，但是膨胀石墨的氧化消失以及由此带来的寿

バルカー技術誌

命问题使得云母等耐热填料带的开发变得越发重要。
关键词：
高温用密封垫片，缠绕密封垫片，云母Winter 2014

野々垣 肇 Hajime NONOGAKI
シール開発部

開発グループ

No.26

6

耐熱タイプパーフロロエラストマー FLUORITZ®-HS、D5370（開発品）、D5575（開発品）

耐熱タイプパーフロロエラストマー
FLUORITZ®-HS、D5370（開発品）、
D5575（開発品）
FFKMをはじめとするふっ素ゴムは、ふっ素樹脂と類似した構造を有しており、ほとんどが結合エネルギーの大きな炭素と1. はじめにふっ素（C-F 結合）で構成され、ふっ素原子が主鎖である炭1-1）パーフロロエラストマーについて

素と炭素の結合
（C-C結合）を覆うような構造を持っている。まバルカー技術誌

パーフロロエラストマー（FFKM）はゴム材料（エラスト

た、FKMは分子構造に一部 C-H 結合を有するが、FFKM

マー）の中でふっ素ゴムに分類され、そのふっ素ゴムの中でもは、分子構造に全くC-H 結合を有さず、主骨格の構成元素

最も耐熱性に優れた材料として位置付けられる。二元系には炭素、ふっ素、酸素のみである。そのため、FFKMは化代表される一般のふっ素ゴムはFKMと表記されるが、パー学的に安定しており、NBR、EPDMやFKMと比較して分

フロロエラストマーはFFKMと表記され、ふっ素ゴムの中でも子構造が強く、外部からの熱に対して構造が破壊されにく区別されている。

い１）。

Winter 2014

ゴム材料の耐熱性はゴム材料の分子構造に起因する。
１-2）FFKM の用途例について

Table1に各種ゴム材料の分子構造を示す。
Table1
パーフロロ
エラストマー（FFKM）

様々な市場で、小型化、高性能化、高効率化が進む中、各種ゴム材料の分子構造

ゴム材料の使用環境が低温から高温にシフトし、ゴム材料へも高い耐熱性が求められている。Table2にFFKMの用途例
完全ふっ素化

架橋部位を示す。
Table2 パーフロロエラストマーの用途例

No.26

分野

ふっ素樹脂
（参考）

一般工業分野航空宇宙分野

ふっ素ゴム
2 元系
（FKM）

食品分野
水素原子含有架橋部位

シリコーンゴム
（VMQ）

電力分野

ガスタービン
蒸気チャンバー
（食品の殺菌、熟成、焼成など）
蒸気タービン（原子力、火力、地熱発電）

半導体分野

熱酸化、熱拡散
アニール、CVD
エッチング

その他

分析機器
樹脂ゴム成型機
タイヤ加硫器
熱交換器

架橋部位

ニトリルゴム（NBR）

用途例
プラント内重合装置
各種ケミカルポンプ
コンプレッサー など求められる特性
耐熱性
反応性流体への耐性
耐熱性
反応性流体への耐性
高温蒸気耐性
高温蒸気耐性
耐熱性
反応性流体への耐性
クリーン性
低放出ガス性
耐熱性
高温蒸気耐性
反応性流体への耐性など

架橋部位

これらの用途では、200℃を超える高温環境が想定される

エチレン
プロピレンゴム（EPDM）

が、汎用的に使用されるゴム材料では対応が難しく、FFKM
架橋部位が使用される。各用途で求められる特性は異なり、当社では独自の材料配合技術を駆使して、様々なコンセプトでFFKM

ニトリルゴム（NBR）
やエチレンプロピレンゴム（EPDM）など材料の開発を行っている。当社において、特に耐熱性に優は主に炭素と水素（C-H 結合）で構成されているのに対して、れたFLUORITZ®-HS、耐熱性とクリーン性を備えたD5370

7

技術論文

（開発品）
、耐高温水蒸気性に優れたD5575（開発品）につ２-2）基本特性
Table3にFLUORITZ®-HSの 基 本 特 性 を 示 し た。

いて、以下に述べる。

FLUORITZ®-HSは優れた機械的特性を有している。

2. FLUORITZ®-HSFLUORITZ®-HSは当社 FFKMの中で最高の耐熱性を有した材料として独自の材料設計技術を駆使して開発した製品である。以下に、FLUORITZ®-HSの耐熱性に関する
代表的な特性を示す 2）。

Table3

FLUORITZ®-HS の基本特性

FLUORITZ®-HS
黒色
77
20.0
160
9.3

外観
硬さ
（shore A）
引張り強さ
（MPa）
伸び
（％）
100％ﾓｼﾞｭﾗｽ
（MPa）

注）
上記データは測定値であり、規格値ではありません。

２-3）用途事例
２-1）圧縮永久歪率

FLUORITZ®-HSは従来のFFKMと比較して、優れた耐熱性を有することから、耐熱性が必要とされる様々な高温環性が低いと、シール材が早期に劣化してゴム弾性を失い、元境に適用可能である。以下にFLUORITZ®-HSの用途事例の形状に戻らなくなり、リークの要因となる。シール材の耐熱を示した。

性を見極める最も重要な特性の一つとして圧縮永久歪率が・プラント、化学工業、分析機器などにおいて高温環境で使挙げられる。圧縮永久歪率が小さいほど、シール材としては優れており、高温での圧縮永久歪率の値が小さいほど長期間にわたって使用出来る。圧縮永久歪率の測定方法、及び行われる装置のシール材
・半導体製造装置や液晶製造装置分野におけるエッチング装置やCVD 装置の高温となる部位のシール材
・その他、耐熱性が要求される装置、部位のシール材

3. 開発品D5370

一般的に、ゴム材料には補強を目的として無機充填材がFigure1

圧縮永久歪率の測定方法、及び算出方法

配合されている。しかし、プラズマCVDやプラズマエッチン
グ装置などの半導体製造装置向けのシール材としてゴム材

一般的に圧縮永久歪率 80％がシール限界と考えられてい3）®

料を使用する場合には、無機充填材を含まない材料が好ま

るが 、FLUORITZ -HSの 圧 縮 永 久 歪 率 は、 従 来 のれる。それは、無機充填材を使用していると、ゴム成分がプ

FFKMと比べ、300℃の高温においても非常に小さい値であラズマによりエッチングされることで、無機充填材がシール材

り、より長寿命化が期待出来る。
（Figure2）

表面に露出し飛散した場合、プロセスチャンバー内を汚染する懸念があるためである。しかしながら、ゲート部のような動的部で使用する場合、無機充填材を含まないゴム材料では応力が低くなるため、シール材の変形が大きくなり、弁体同士の接触によるパーティクル発生などのトラブルの懸念がある。そこで無機充填材を含まず、動的部でも使用可能で、かつ耐熱性に優れた材料をコンセプトに開発した。
３-1）基本特性
Table4に開発品 D5370の基本特性を示した。
100%モジュラス、伸びにおいては、当社従来品と比較し、20%以上向上させた。応力が高くなるほど、変形への耐性

Figure2

圧縮永久歪率測定結果が高くなり、伸びが大きくなるほど、変形に対する追随性が良8Winter 2014

算出方法をFigure1に示す。

用される装置、部位のシール材
・拡散装置、LPCVD、アニール装置などの高温プロセスがバルカー技術誌

シール材が高温環境で使用される場合、ゴム材料の耐熱No.26

耐熱タイプパーフロロエラストマー FLUORITZ®-HS、D5370（開発品）、D5575（開発品）

Table4

開発品 D5370 基本特性

外観
硬さ
（shore A）
引張り強さ
（MPa）
伸び
（％）
100％モジュラス（MPa）

開発品 D5370
濃褐色
71
12.0
215
3.92

注）
上記データは測定値であり、規格値ではありません。

蒸気環境においては、顕著に特性を下げることが確認されている。現状、乾熱環境においては300℃を超える環境でも耐え得るFFKMは存在するが、蒸気環境においては、200℃近傍が上限値と言える。つまり、200℃を超える蒸気環境では、使用出来る有機系のシール材は非常に限られてしまう。
例えば、蒸気性に優れたFFKMであっても、200℃を超える

くなるため、開発品D5370は動的な用途にも適した機械特性

場合は、耐熱性が不足することにより、長寿命は全く期待でを有すると考えられる。

きない。また、TFE-Pr 系のFKMの場合も同様で、FFKMに比べ圧倒的に安価ではあるものの、耐熱性が不足するこ３-2）圧縮永久歪率とで、交換頻度が増加し、材料費を無視出来るほどの費用

一般的に耐熱性評価として実施される圧縮永久歪試験に
より耐熱性を評価した。
（Figure3）

バルカー技術誌

評価結果から、260℃の高温においても良好な圧縮永久がかかってしまう場合がある。高温でも使用可能なメタルガス
ケットの場合、フランジの開閉や、振動による微妙なフランジの動きに対し、対応することは困難である。

歪みを有しており、耐熱性に優れた材料であることが確認でこれらから、200℃を超える蒸気環境においては、適切なきる。他社 FFKMと比較しても非常に小さな値であり、長寿ゴム材料のシール材は存在せず、その結果、ユーザーは現命化が期待出来る。

有のシール材を用い、メンテナンスサイクルの増加、シール信
頼性の不足によるトラブルなどを慢性的に抱え、本来のシール材のコストを大きく超える費用が必要となっている。

Winter 2014

これらの問題を解決するために、当社開発品のD5575を提案する。
４-2）圧縮永久歪率
D5575の特性を把握するために、一般的な他社耐熱グ
レードFFKMと比較評価を行う。評価としては、一般的に耐熱性評価に用いられる圧縮永久歪試験を飽和蒸気環境にNo.26て実施する。
Figure4に175℃飽和蒸気圧縮永久歪率試験結果を示す。
Figure3

D5370 及び他社 FFKM の圧縮永久歪率３-3）用途事例
開発品 D5370は無機充填材の使用が好まれないクリーンな環境で、かつ高耐熱が求められる環境において優れた特性を有している。その特性を活かし以下の用途への適用が考えられる。
・プラズマ環境においてシール材のエッチングの程度が大きく
パーティクルの発生が問題となっている部位
・ゲートバルブなどの動的なシール部位

4. 開発品D5575

４-1）高温蒸気環境への適合
FFKMは非常に安定した特性を有しているものの、高温
9Figure4

D5575 及び他社 FFKM の圧縮永久歪率

技術論文

乾熱環境では、特に大きな差異は確認されないものの、

5. おわりに

蒸気環境においては、決して175℃と言うFFKMにとっては高い温度ではないにもかかわらず、他社耐熱グレードは時間

FFKM が様々な市場に浸透し始めて日が浅く、FFKMと経過と共に、明らかに変形が進行し、200 時間にも満たない

合致する未開拓市場は、多数存在すると確信している。今段階でシール限界である80％変形に到達している。対して

後市場に最適な製品を提供するため、更なる開発を続ける

D5575は、初期こそ多少変形が見られるものの、48 時間以所存であり、皆さま方よりご意見や情報、ご相談を頂ければ降は全く変形しておらず、蒸気 175℃近傍では全く劣化して幸いである。

いないことが確認出来る。なお、FFKMの構造によっては、

なお、本文中のデータは、当社における一定環境での評

Figure5のように蒸気 200℃では溶解してしまうものも存在す

価データの一例であり、すべての使用環境に適合するわける。しかしながら、特にこれは異常なことではなく、FFKMにではない。そのため、実際の使用に際して、使用環境での限らず、ポリマー中の最も弱い部分が使用限界を超えてし評価を実施し、特に高温環境においては、十分に適性を確まった場合、通常起り得ることであり、決して、FFKMとは言認した上で使用して頂きたい。

バルカー技術誌

え、万能ではないと理解しておくことが必要である。

6. 参考文献1）
岡崎 雅則 バルカー技術誌№1

2-4（2001）2）
岡崎 雅則 バルカー技術誌№ 2310-12（2012）3）
川村 敏雄：バルカーレビュー, Vol26, No.6（1982）

Winter 2014

Figure5

FFKM200℃蒸気溶解写真４-3）基本特性

No.26

Table5にD5575の基本特性を示した。FLUORITZ®-HS
同様にD5575は優れた機械的特性を有している。
Table5外観
硬さ（shore A）
引張り強さ
（MPa）
伸び
（％）
100％モジュラス（MPa）D5575 の基本特性
D5575
黒色
77
20.8
180
10.7

注）
上記データは測定値であり、規格値ではありません。

（abstract）
Among seals made from rubber material, general rubber construction NBR and EPDM cannot be used as they cannot
withstand high temperature environments above 200℃. FKM rubber is more resilient but poses problems over long periodsof usage. Perﬂuoroelastomer rubber is the only rubber material which can stably withstand high temperature environments
above 200℃ for extended durations of time.
Elastomer owes its thermal resistant characteristics to its molecular structure. Representative rubber-made NBR and
EPDM units largely feature C-H bonding.
Most of Fluoroelastomer’s (FKM) structure is due to stronger-energy C-F bonding--as well as some C-H bonding.
Perﬂuoroelastomer (FFKM) in particular, however, which features a C-F bonding structure throughout and does not include
10

耐熱タイプパーフロロエラストマー FLUORITZ®-HS、D5370（開発品）、D5575（開発品）

C-H bonding, has excellent thermal resistance.
Our product lineup includes FLUORITZ®-HS, which has excellent thermal resistance, D5370, which contains no inorganic
ﬁller material (and is currently under development), and D5575, which features excellent steam resistant qualities (and iscurrently under development).
Keywords:
perﬂuoroelastomer, molecular structure, thermal resistance, steam resistant（摘要）橡胶材质的密封件在超过200℃的使用环境下,像NBR和EPDM等一般通用橡胶是无法适用的。就连耐热性优秀的普通氟橡胶（FKM）也很难长期使用。在超过200℃的使用环境下，可以长期稳定使用的只有全氟橡胶。

バルカー技術誌橡胶弹性体的耐热性主要取决于主链的分子结构。以NBR、EPDM为代表的一般橡胶材质主要由C-H键构成。而普通的氟橡胶（FKM）虽然含有部分C-H键但主要是由键能较大的C-F键构成。尤其是全氟橡胶（FFKM）主链中不含有C-H键，拥有完全氟
化的结构，因此耐热性优秀。
本公司的产品阵容方面有耐热性优秀的FLUORITZ®-HS，适用于半导体行业的无机填充材D5370（开发品），耐水蒸汽优秀
的D5575（开发品）。

Winter 2014关键词：
全氟橡胶、分子结构、耐热性、耐水蒸汽

No.26

11

岡崎 雅則 Masanori OKAZAKI

戸田 清華 Sayaka TODA

シール開発部

シール開発部

開発グループ開発グループ技術論文

ふっ素系有機圧電材料の開発と応用

荷により、電気分極が生じるという圧電効果を検証したことか

1. はじめにら圧電材料の実用的な利用が始まった。主に、PZTをベースとしたセラミックス系材料が知られており、各種圧力センが盛んに行われている。薄膜大面積化が可能という特徴をサーや超音波振動子などとして広く用いられ、長い使用実績

生かし、ウェアラブルエレクトロニクスを始めとする、種々の用もあり信頼性の高い材料であるといえる。

途への展開が想定されている。しかし、圧電特性、耐熱性

一般的にセラミックス系材料は脆いために加工性が悪く、の点では、既存のセラミックス系圧電材料に及ばない点があ

大面積かつ薄膜材料として、成形・加工するのが困難であることも事実である。

る。また、PZTには環境負荷の大きい鉛が含まれているが、代替材料がないためにEUにおいてもRoHS指令に対して適し、かつ、耐熱性に優れたふっ素系有機圧電材料の特徴を用免除の対象となり継続して使用されているのが実情であ紹介する。当社は、多孔性ふっ素材料を用い、構成材料、る。このような背景から、近年では鉛フリー材料の研究も多多孔構造、気孔率などの因子を制御することによって、以下数報告されている。

に示すような優れた特性を有する有機圧電材料を開発する

これに対し、大面積かつフレキシブル性を有する圧電材料として、PVDFに代表される有機圧電材料がある。これら有ことができた。

Winter 2014

本報では、当社が開発した従来にない高い圧電特性を示

バルカー技術誌

近年、フレキシブル性を特徴とする有機圧電材料の開発

機圧電材料は、基本的に鉛を含まないことから環境に配慮（1）高い圧電特性 d33＞ 100 pC/N（優れた応答性）（2）優れた高温・高湿耐久性（3）軽量・フレキシブル、良好な形状追従性

した材料といえる。
永久双極子型圧電材料は、1969 年に河合が PVDFを一軸延伸することによって得られるβ型結晶が自発分極を示す
結晶構造を有し、さらに、コロナ分極処理を施すことによって圧電材料は、Figure1に示すように、セラミックス系とポリ圧電特性を示すことを明らかにして以来、種々の研究開発

マー系に大別され、主な材料としては、前者はチタン酸ジルがなされてきた１）。この方法は、以下に述べる圧電性セラミッ

コン酸鉛（PZT）
が、後者はポリふっ化ビニリデン（PVDF）
がクス粒子複合型とは異なり、圧電特性の発現を圧電性セラ知られている。

ミックス粒子に頼らないために、ポリマー材料が本来有する柔軟性を損なうことなく大面積の材料を比較的容易に作製できるという点でメリットがある。更に、圧電性を示すβ型結晶の割合を高め、熱的な安定性の向上と未延伸で圧電性を発Figure 1

代表的な圧電材料の分類

現するものとして、ふっ化ビニリデン（VDF）と三ふっ化エチレン（TrFE）の共重合体に関する検討がなされてきた２-３）。これ

ポリマー系では、PVDFと圧電メカニズムが異なる各種構らPVDF 系材料は、圧電特性ではセラミックス系には及ばな成の材料があり、高圧電率化などの特性向上が検討されていものの、既に圧力センサーや超音波振動子として活用されきたが、未だセラミックス系材料の圧電特性や耐熱性に及ばている。しかしながら、これらPVDF系材料はPZTと比較すないのが実情である。

ると圧電特性が小さく、また焦電性を有するという問題から

以下に各材料について現状とその課題を述べる。
1880 年にキュリーらが石英やロッシェル塩などへの応力負用途が限定されていた。
近年では、ポリ乳酸の延伸膜もその分子構造から圧電性
12

No.26

ふっ素系有機圧電材料の開発と応用を示すことが明らかにされ実用研究が進み３-４）、各社からそ５-６）

性に優れたふっ素系材料を用いた有機圧電材料の開発を。ポリ乳酸を利用し行い、既存の有機圧電材料にはない高い圧電特性と耐熱た圧電材料は分極処理を必要とせず、また、ずりの圧電特性の向上を達成できた。これにより既存のセラミックス系圧電性および高い透明性を有していることが特徴であり、主に電材料からの代替およびフレキシブルなデバイスへの応用な子デバイスへの応用が検討されているホットな材料である。

ど、新たな用途開拓が可能となったと考えている。

の成果が相次いでリリースされている

一方、柔軟なゴム材料に圧電性セラミックス粒子を配合して圧電材料として利用する検討がなされている。ゴムの柔軟性を活かすためには、配合する圧電性セラミックス粒子をより少量にする必要があるが、高い圧電特性を発現させるため

バルカー技術誌

Winter 2014
No.26

2. 開発品の特長
今回開発したふっ素系有機圧電材料の主な特長は以下には、逆により多量のセラミックス粒子を配合する必要があるの通りであり、それぞれの特長について詳細を述べる。

ものの、柔軟性が失われる。間々田らは、このトレードオフの（1）圧電特性 d33 が 100pC/N 以上（応答性に優れる）

関係を両立させるために、圧電性セラミックス粒子をゴム中で（2）優れた高温・高湿耐久性

配向させる方法を検討し、圧電特性 d33 が85pC/Nまで向上（3）軽量・フレキシブル、良好な形状追従性７）することを報告している 。しかしながら、圧電性の発現にはPZTなどのセラミックス材料を用いていることから鉛フリーで

２- １）圧電特性今回開発したふっ素系有機圧電材料は、多孔性エレクトはない。
更に、多孔構造を有するポリマー材料がエレクトレット性のレット型圧電材料である。多孔性エレクトレット型としては、既圧電特性を示すことがS. Baureらによって示された８-９）。そのに多孔性PPや延伸PTFEを利用した検討 12）がなされている

後、フィンランド国立技術開発センター（VTT）が、多孔性

が、Table1に示すように、セラミックス系なみの特性を持つもを有するポリマー材料が非常に大きな圧電特性を示す事をのがなかった。

見出し、その値が PVDF 系材料の特性を凌駕し、PZTに迫

当社は、種々検討を進める中で、多孔性ふっ素材料を用ることを見出した。これは、多孔部分に電荷をトラップすること

い、材料構成、多孔構造、気孔率などの種々の因子を制御によって、多孔部分が巨大な双極子として振る舞うエレクト

することによって、セラミックス系なみの特性を発現させること

レット型 圧 電 材 料として機 能するものである。 近 年ではが可能であることを見出した。

EMFIT 社がこの技術を利用して、多孔性ポリプロピレンを

Figure2に開発品と既存品の特性を比較した。

ベースとした材料を開発し、主に医療・介護の分野で感圧センサーとして製品化している10）。ポリプロピレンがベースであるために耐熱性が 50℃程度と低く、使用用途が限定されるものの、近年では、耐熱性を改善する取り組みも進められている11）。
Table1に上述の代表的な圧電材料について主な特徴を示した。
Table1

代表的な圧電材料の特徴比較
圧電率
圧電
代表例 メカニズム
d33
耐熱温度 柔軟性 大面積化
（pC/N）
無機系
有機系

100 ～
> 300℃
600
PVDF 強誘電型 ～ 40
< 80℃
多孔性 エレクト 100 ～ < 50℃
PP
レット型
170
PZT

強誘電型

△

△

◯

◯

◯

◯

Figure2

開発品と従来品の特性比較（圧電特性・耐熱温度）

ふっ素系材料の代表的な材料であるPVDFは80℃程度

有機圧電材料は、セラミックス系にはない柔軟性や大面の耐熱性があるが、圧電特性 d33 が約 40pC/Nと低い。一積化の点でメリットがあるが、圧電特性や耐熱性に関しては方、多孔性 PPは圧電特性 d33 が 100pC/N 以上であるのにセラミックス系材料に及ばず、広く普及するには至っていな

対し、耐熱性が 50℃以下と低い。多孔性の延伸ポリテトラフ

い。

ルオロエチレン（PTFE）
は、耐熱温度は高いものの、圧電特

有機圧電材料に関する上記の実情を鑑み、当社は耐熱13性d33 が約50 pC/Nである。当社の開発品は、低温（−30℃）、

技術論文

常温および 200℃暴露後に圧電特性 d33 が 100pC/N 以上あることを確認している。
高い圧電特性 d33を持つということは、厚さ方向への微小な変形量に対して、良好な応答性が期待でき、非常に小さな隙間への挟み込みによる高感度センシング用素子などとしての活用が可能となる。

Table2に85℃ /85% RH/200hの耐久性試験を実施した
結果を示す。
Table2
試験方法

高温高湿保管
常温乾燥保管

高温高湿試験後の圧電特性の変化
試験条件
試験後圧電特性 d33（pC/N）

85℃ /85% RH/200h
RT/25% RH/200h

130 ～ 180
170 ～ 200

常温の乾燥条件で保管したサンプルは、200h 後に圧電
２- ２）高温特性

特 性 d33 が 170～200pC/Nで あった。 一 方、85℃ /85%

Figure3に高温条件に暴露後の圧電特性の測定結果の一例を示す。

RH/200hの高温高湿暴露後であっても圧電特性 d33 が 130～180pC/Nの値を保持しており、常温乾燥条件と遜色ない
良好な値を示した。このことから、当社開発品は、長時間の高温高湿暴露後でも、高い圧電特性を保持可能であること

3. 使用例３- １）応答性制御の例
開発品を用いて、シート厚みが異なる２種類の圧電シート
性挙動を観察した。その結果をFigure4 及び Figure5に示す。３センチ角の圧電シートの厚み方向にロードセルによって荷重を負荷し、生じる電荷量の変化を計測して評価した。
Figure3

高温試験後の圧電特性の変化

Figure４に示したように、圧電シート厚みを制御することによって、応答性が大きく変化することが分かった。サンプルA

当社開発品と、当社の延伸 PTFE 膜を利用したサンプル

は応力に対する電荷量変化の立ち上がりが急峻であり、高に対してコロナ分極処理した後、100℃、200℃の恒温槽に感度のセンシングが可能であると想定される。一方、サンプ

所定時間保管し、その後、常温に戻して圧電特性を測定し

ルB は約 0.1N/cm2 付近に屈曲点があり、0.1N/cm2 以下のた。

応力域では、サンプルA と同様に電荷の変化量が大きいた

開発品は、200℃暴露後も圧電特性 d33 が 100pC/N 以上

めに、微小応力に対応したセンシング材料として適用可能との値を示したが、延伸 PTFE 膜を利用したサンプルは約 60想定される。0.1N/cm2 以上では広い応力域に対応したセン

pC/Nまで低下した。
この結果から、ふっ素系多孔性材料では、多孔構造の各種因子を制御することによって、特に高温条件下でも高い圧電特性を保持することが可能であることが分かった。
２- ３）高温高湿特性
エレクトロニクス分野や自動車分野での用途を想定した場
合、高温高湿条件に対する耐久性が求められる。一般的に、多孔構造のエレクトレット型圧電材料の場合は、内部に保持した電荷は環境中の水分の影響によって容易に減衰すると考えられている。これに対し当社開発品は、撥水性を有するふっ素系材料のみで構成しており、湿度に対して一定の耐久性を確保できた。

Winter 2014

（サンプルA,サンプルB）を作製し、外部応力に対する応答

バルカー技術誌が示唆された。

Figure4構造による応答性の違い（0 ～ 20N/cm2）
14

No.26

ふっ素系有機圧電材料の開発と応用サーとして利用可能と想定され、例えば、大きな衝撃力を検まず、衝撃力検知などを想定し、直径 17mm、重量 180g

知するセンサー用途、
トラッフィクセンサーのような重量検知セの金属製棒を圧電シートの上方20cmの所から自由落下させンサーなどに利用できるものと考えられる。

た際の衝撃力に対する応答性をFigure6に示した。
この実験から、開発品は大きな衝撃力に対して±数十ボル
ト程度の良好な応答性を示すことが分かった。
次に、手首の脈動部分に圧電シートを密着させて巻き付
けその応答性を計測した。計測結果をFigure7に示す。

バルカー技術誌

Figure5

低応力域での応答性挙動
微小振動に対する応答性（脈拍）

Winter 2014について詳細に確認すると、サンプルAはサンプルBよりも、

当社開発品は、脈動を鮮明に再現することが可能である

特に微小応力域においてリニアに近い挙動でより大きな電荷ことが分かった。このような微小な振動に対しても優れた応

量変化を検出可能である事がわかった。従って、サンプルA

答性を示すのは、開発品の圧電特性d33 が大きく高感度であは微小応力下の高感度センシングに特に有効に活用可能でることに加え、フレキシビリティが高く形状追従性に富むことがあると想定される。例えば、バイタルデータなどの微小振動の要因であると考えている。

モニタリングや装置の異常振動感知センサーとしての利用が

No.26

Figure7

更に、Figure5に示すように0.1N/cm2までの微量応力域想定される。

また、携帯電話のバイブレーション振動を計測した結果をFigure8に示した。

今回は、シート厚みの異なるサンプルAおよびサンプルBの２種類のみの挙動を示したが、多孔構造、気孔率、厚さなどの因子を制御することによって、種々の応答性を有する圧電シートの設計・ラインナップが可能である。
３- ２）測定事例
Figure6～Figure8に実使用で想定される種々の応力や振動に対する応答性を観察した結果を示す。
Figure8

携帯電話バイブレーション測定の一例

バイブレーションのような比較的周波数の高い振動に関しても、振動パターンを含め再現性よく検出できることが分かった。
以上の結果から、当社開発品は、前述したように高温高湿に対する耐久性を有し、かつ、従来のエレクトレット型圧電材料なみの高いセンシング性能を示すことが分かった。
Figure615

衝撃力に対する応答性

技術論文

4. まとめられる。
本報で紹介した測定データは開発品の一例を示したもの

従来にはない、高い圧電特性と耐熱性および耐湿性、フレキシブル性に優れたふっ素系有機圧電材料の開発を行っである。なお、本開発品は特許出願中である。

た。多孔性ふっ素樹脂をベースとした材料において種々の6. 参考文献構成に関して検討した結果、以下の特徴を示す有機圧電材料を開発することができた。
（1）圧電特性 d33 が 100pC/N 以上である。

1）H. Kawai, Jpn J. Appl. Phys., vol. 8 pp. 975-976（1969）（2）200℃に対する高温耐久性を有する。

2）T. Furukawa, Phase Transitions: A Multinational
Journal, vol. 18, 3-4, pp. 143-211（1989）（3）85℃ /85% RH/ 200h 高温高湿に対する耐久性を有

3）E . Fukada, Jpn. J. Appl. Phys., 37, pp.2775-2780

する。

（1998）（4）多孔構造、気孔率、厚さなどの因子を制御することに4）T . Yoshida, K. Imoto, T. Nakai, R. Uwami, T.
Kataoka, M. Inoue, T. Fukumoto, Y. Kamiura, A.

ある。

Kato, Y. Tajitsu, Jpn. J. Appl. Phys., 50,（2011）（5）衝撃力のようなより大きな応力から、脈動のような微細

09ND13.

な振動挙動まで、幅広い応力に対する応答性を有す

5）村田製作所技術広報誌 metamorphosis 16 号（2012）

る。

6）帝人、関西大学、プレスリリース資料（2012 年 9月6日付）
7）S . Mamada, D. Sato, N. Yaguchi, M. Suzuki, M.
Hansaka, RTRI REPORT, vol. 25, No. 10, pp. 39-44（2011）

今回開発したふっ素系有機圧電材料は、高い圧電特性、耐熱性、耐湿性を持つことが明らかとなった。このような特長

8）G. S. Neugschwandtner, R. Schwodiauer, S. Bauer-を活かし、今後は、プラント分野、輸送機器分野、ヘルスケ

Gogonea, S. Bauer, Appl. Phys., A 70, pp. 1-4（2000）

ア分野、電子機器分野など幅広い用途への展開を視野に

9）S . Bauer, Piezo, Pyro,and Ferroelectrets, IEEE
Trans.Diel.Elec.Insl., 13（5）,pp. 953-962,（2006）

検討する予定である。
これまでは、主にセンシング用途での利用を想定した評価を行ってきた。これは、変形を電気に変換する機能（正圧電No.2610）EMFIT 社ホームページ, www.emfit.com
11）P. Mika, et. al., Key Eng. Mater., vol. 538, pp. 65-68（2012）

現象）を利用していることから、今後は振動を利用したエネル

Winter 2014

5. おわりに

バルカー技術誌

よって、応力に対する応答性を制御することが可能で

ギーハーベスト（環境発電）への展開も考えられる。また、圧12）S . Kaimori, J. Sugawara, Y. Tajitsu, Polymer

電材料は、逆圧電現象として電気によって変形を生じさせる

Preprints, Japan Vol. 61, No. 1, p.1296（2012）

ことも可能であるため、アクチュエーターとしての展開も考え（abstract）
A new polymer piezoelectric ﬁlm with a high piezoelectric coefﬁcient (d 33) has been developed showing excellent hightemperature/high humidity stability. The ﬁlm is made of a porous ﬂuoropolymer and can be formed into various sizes andshapes. The high d 33 coefﬁcient showed more than 100 pC/N.
Due to its large, stable d 33 coefﬁcient, the ﬁlm has shown that it can be used with ﬂexibility as a highly sensitive sensor for
detecting pressure, vibration, and biological vital signs, etc. Furthermore, ﬁlm maintained integrity at more than 100 pC/N
despite exposure to conditions of 200℃/200h and 85℃/85%RH/200h. These results indicate that this porous ﬂuoropolymer
based piezoelectric ﬁlm can be used under high temperature/high humidity conditions.

16ふっ素系有機圧電材料の開発と応用

Keywords:
piezoelectric ﬁlm, high piezoelectric coefﬁcient (d 33), excellent high-temperature/high humidity stability , ﬂexibility , highly
sensitive sensor（摘要）开发了一种在高温高湿环境下具有高压电率(d33)的新型有机薄膜压电材料。这种有机压电薄膜由多孔性氟系树脂构成，可以
加工成各种尺寸和形状。该有机薄膜的压电率有100 pC/N以上，因此可以作为柔软性高感度元件使用（例：压力传感器，振动传感器以及生物传感器等）。特别是在200℃/200 h，或85℃/85%RH/200 h条件下暴露以后，压电率能够维持在100
pC/N以上。由此可见，这种由多孔性氟系材料为基本成分的有机压电薄膜，在高温高湿环境下具有良好的应用可行性。
关键词：
高温高湿环境，高压电率，有机薄膜压电材料，柔软性，高感度压力传感器

バルカー技術誌‘No Photo’

田實 佳郎
関西大学 システム理工学部

Winter 2014

副学部長・教授No.26

17

米田 哲也 Tetsuya KOMEDA
研究開発部

研究・企画グループ

製品の紹介インフラートシール®

3. インフラートシールの特徴

インフラートシール ® はスライドドアやゲートなどの可動部分

インフラートシール ® はそのユニークな機構により以下のようの隙間を有する個所に多く用いられているシール材で、内圧な特徴を有しており、従来のシール材とは異なる特性を活かを供給することにより膨張し、シール相手面に対してコンタクト

して、機器・装置の設計が可能となる。

してシールする特徴を有している。本報においては、より多くのお客様にご使用頂けるよう、製品紹介を行う。

3-1）面圧付加機能
 従来のパッキンのように外力によって締め付ける（圧縮す

2. インフラートシール®とはに対して面圧を発生させることが出来る。この機能により、インフラートシール は補強布入りのゴム、またはゴム単体にシール材を外力で圧縮する必要が無く、シール面の隙間

よって構成された中空状で、使用方法、使用条件、使用目を保ったままで扉やシャッターを開閉させることができ、大き的によって円形状、額縁形状のエンドレス、及び直線形状にな駆動力や複雑な機構が不要となる。

成形したシール材である。
一般的なパッキン・ガスケット（O-RING、配管フランジガス

3-2）
シール面を選ばないケットなど）
はシール材を圧縮した際に発生する反発力でシー 自らが膨張してシール面に接触する構造で変位量が大ル性を付与させるが、インフラートシール ® は中空部分に圧力きいため、従来のシール材（O-RINGなど）
ではシール性能を印加してシール材自体を膨張させ、印加した圧力で接触に影響が発生するようなシール面（扉やシャッターなど）に面圧を発生させ、流体のシールを行う画期的な構造のシー

多少のうねりや凹凸（滑らかなもの）がある場合でも、良好ル材である。
（Figure1）

なシール性能を発揮する。また、シール面が圧力や動きによって変動した場合でも、許容ストローク範囲内であれば追随が可能である。
3-3）
クリープ耐性 圧縮タイプのガスケット、パッキンと異なり、インフラート

Figure1シール®はクリープ現象が発生せず、クリープ（圧縮永久歪インフラートシール ® はその構造上、シール材としてだけでみ）に起因するシール性能の経時変化が起こらず、増締はなく、パワーアクチュエータ、ハンドリングシステム、エアー

めは不要である。

チャックなどにも適用が可能である。
（Figure2）

4. 断面構造について
インフラートシール ® は内部の中空部分に圧力を供給して膨張させるシール部品である。標準品（標準断面）には①反Figure2

Winter 2014®

る）必要が無く、インフラートシール ® 自体が膨張しシール面

バルカー技術誌

1. はじめに転タイプ と ②膨張タイプがあり、各々の断面構造で膨張す
18

No.26

インフラートシール ®

Table1断面のタイプ

断面のタイプと特徴

反転タイプ

膨張タイプ

断面構造
（形状）

バルカー技術誌

Winter 2014
No.26

膨張の
メカニズム

シール中央の凹部が中空部分への供給圧力によって反転し膨張す 供給圧力によって扁平な膜が膨らみ断面が円形状に変形する。
る。
膜の中央部（断面上部の中心）がせり出すように膨張する。
膨張は両肩部分より中央の凹部の膜が転動するようにせり出す。
膨張過程では中央の凹部が残ったままシール相手面に接触する。

メリット

必要なストロークに対して幅寸法が小さくできる。
シール面の変動許容範囲が広い。
（設定する隙間寸法に対して溝及びシール材の幅方向の寸法がコ （隙間ゼロから最大までの間で変動しても使用可能である。）
ンパクトになる。）
膨張過程に於いてシール相手面と擦れることがない。

デメリット

隙間の変動に対しての許容範囲が狭い。
（断面寸法で使用可能な 必要なストロークに対して幅寸法が大きくなる。
隙間が限定される。）（設定する隙間寸法に対してシール材の幅及びリテーナを使用する
膨張過程に於いてシール相手面と擦れが発生する。
構造であるが故に幅方向の寸法が大きくなる。）

るメカニズムと特徴が異なり、各々にメリットデメリットがある。

5-2）材質のラインアップ

概ね反転タイプと膨張タイプの特性は相反することが多い傾 インフラートシール ® は標準ゴム材質としてEPDM、CR、向にある。
（Table1）

NBR、VMQを準備しており、このゴム膜をポリアミド、またはアラミドの繊維（織布）で補強する。圧力供給口金材質

5. ラインアップ

はSUS304 が基本であるが、標準外として他の金属材質

5-1）サイズのラインアップするためにエンドレス加工部（継ぎ目）にゴム製の芯を挿入

ででも製作可能である。インフラートシール ® は中空を形成

 インフラートシール は断面構造で反転タイプと膨張タイして製造する。このゴム製の芯はNBR、EPDM、FKM

プの2タイプ、断面サイズでタイプＡ～タイプＧまでの合計７で成形された物で、本体材質に応じて当社にて設定すサイズをラインアップしている。
（Table2）

る。Table3にゴム材質と補強布材質のライアップについて

 本報では、断面サイズと適用可能なクリアランスサイズ

紹介する。

®

®

の紹介をする。インフラートシール のラインアップはクリアラ
ンスサイズを基本としており、お客様で設計される装置のク
リアランスに応じて選定することが出来る。
Table2 サイズのラインアップ
断面タイプ

断面形状

サイズ
タイプＡ

Ｗ：15mm

H：12.5mm

C：0 ～ 1.0mm

タイプＢ

Ｗ：20mm

H：19mm

C：1.0 ～ 5.0mm

タイプＣ

Ｗ：25mm

H：24mm

C：5.0 ～ 8.0mm

タイプＤ

Ｗ：35mm

H：34mm

C：8.0 ～ 12.0mm

タイプＥ

Ｗ：30mm

H：16mm

C：0 ～ 5.0mm

タイプＦ

Ｗ：50mm

H：21mm

C：0 ～ 12.5mm

タイプＧ

Ｗ：80mm

H：28mm

C：0 ～ 25.0mm

反転タイプ

膨張タイプ

19

製品の紹介Table3

材質のラインアップ

ゴム材質
材料記号

EPDM
H0060

CR
J0060

NBR
B0060

VMQ
E1460

ポリアミド

アラミド

使用可能温度範囲

-10 ～
150℃

-25 ～
100℃

-20 ～
80℃

-40 ～
200℃

-40 ～
100℃

-40 ～
200℃

特徴

耐性

引き裂き抵抗

○

◎

○

×

伸張性

◎

◎

○

△

耐油性

×

○

◎

○

耐燃料油性

×

△

○

×

耐候性

◎

◎

×

◎

耐オゾン性

◎

○

×

◎

耐放射線性

○

○

○

△

耐酸性

○

△

△

×

耐アルカリ性

◎

○

△

△

耐水蒸気性

◎

×

×

△

バルカー技術誌

7. 参考文献

6. おわりに
本報ではユニークな機構を有する当社のインフラートシー®

1）上田 彰，バルカー技術誌，No.17，8-15（2009）®

ル 標準品を紹介した。本報によりインフラートシール が広く認知され、お客様各位のお役に立てば幸いである。

Winter 2014

（abstract）
This technical report describes the function and the performance of our unique InﬂateSeal product.
O-rings typically experience sealing difﬁculties due to large distortions and curves in sealing surfaces.
Our InﬂateSeal product is the best solution for solving such situations. In this report, we introduce some examples of how
InﬂateSeal is used, as well as its basic performance.

No.26

Keywords:
InﬂateSeal, distortions and curves in sealing surfaces（摘要）在这份技术报告书上，对本公司独自开发的产品【充气密封件】的技能和性能进行了说明。
对于不平整的表面、以及弯曲的表面，如果使用O型圈来进行密封的话会很困难。
在这种情况下，【充气密封件】是最佳的密封产品，在报告书上介绍了其基本的性能和使用举例。
关键词：充气密封、不平整的表面、弯曲的表面

岡野 浩 Hiroshi OKANO
シール営業本部
20

ダイアフラムシール

ダイアフラムシール

1. はじめに
近年、産業界の急速な技術発展に伴い、広い分野で液（1） 構造が簡単で構成部品が少なく、管理、保守が容易である。

バルカー技術誌

体や気体などの流体を扱う回転機器にとって、軸受と共に（2） ダイアフラムはゴム製で柔軟性に富み、シートリング

シールが必要不可欠な構造部品となっている。各種流体機の追従性が優れているため、軸ぶれ、取り付け面と器に採用されているシールには数多くの種類があるが、メカ

軸芯との直角度、芯ずれ、振動など機器精度の誤ニカルシールを始め、オイルシール、グランドパッキンなど各種差にシール性能が左右されにくい。

Winter 2014

機器に適合したシール方式が選定され、使用されている。

（3） 機器への装着位置は、大気側のシールリングにより

しかし、これらのパッキンは機器のパッキン装着部の精度容易に調整でき、装着に特殊な技術を必要としない。

不良によるトラブルの発生が少なくない。回転機器は高速回（4） 外向流れ形（アウトサイド形）構造で、大気側で部品転の場合、その性質上、構造、設計などに留意され、高精の全体が観察でき、シール寿命、部品の不具合な度に保持されているが、低速回転機器、特に長尺軸を使用

どによる取り替え時期の把握が容易である。

した機器においては、高精度とは言い難いものがある。
そこで、低速回転機器で軸封部精度が低いという、シールにとっては過酷な条件下に最も適していると言える
「ダイア

No.26

れば、次のような特長がある。

フラムシール」について紹介する。

（5） 機器フランジなどに直接取り付けができ、特別なスタ
フィングボックスを必要としない。
（6） 構
 成部品が少なく、構造が簡単なため、装着長さが短い。
（7） 内 圧を利用して摺動シール面に面圧を与える構造

2. ダイアフラムシールの構造と特長
ダイアフラムシールはFigure1に示すように、ゴム製の「ダイアフラム」に「シートリング」が挿入された非回転部品と、「Oリング」（シャフトパッキン）が装着された「シールリング」に軸固

で、多少の装備位置の誤差も吸収できる。
（長尺軸を使用している場合、温度差による回転軸の伸縮も許容範囲内で吸収可能）（8） 端面シール構造であるため、回転軸を摩耗させることがない。

定用の「セットボルト」が使用されている回転部品で構成され、一般のメカニカルシールと比較し、簡単な構造になっている。
ダイアフラムは、機器内流体の漏洩防止用ガスケットとシー
トリング挿入部のシールを兼ね、更に機器内の流体圧力を利用してシートリングの密封端面に面圧を与える機能を持っている。
シールリングはシートリングの相手摺動面であると同時に、回転軸からの漏洩を防止するOリングが装着されている。
ダイアフラムシールは、スプリングを持たないアウトサイド形（摺動面の内周から外周方向へ向かって漏れようとする流体をシールする形式）
であり、一般のメカニカルシールと比較す
21

Figure1 ダイアフラムシール断面構造

製品の紹介

3. ダイアフラムシールの適用機器

フィルムの搬送ローラーの軸シールとして、グランドパッキンがダイアフラムシールはその構造上、軸ぶれ、あるいは非回し、頻繁にパッキンと軸スリーブの交換を余儀なくされていた。

転部品の密封端面が軸芯に対して直角に装着するのが困ダイアフラムシールを採用してからは１年以上の使用に耐えて難な機器であっても、摺動材は偏摩耗することがなく、良好

おり、シール交換にかかるコストを大幅に低減することが可能

なシール効果を長期間発揮することができる。また、流体圧となっている。

採用されていたが、軸ぶれが大きく１～２ヶ月で漏洩が発生

力による受圧面積が非常に大きなアンバランス形のシールでこのように、従来短寿命であったシール方式をダイアフラムあるため、低速回転で流体圧力が低い機器に適している。

シールに改造したことで、シール寿命が延長された事例は数

Table 1
機

種

項 目

取付機器の要求精度

単位：mm

ダイアフラムシール メカニカルシール

船用メカニカルシール標準（日本船用工業会）

３以下
１以下
１．
５以下
１以下

軸径／１２０以下
０．
１２７以下
軸径／１２０以下
０．
２以下

軸径／１２０以下―
軸径／１２０以下
０．
５以下

バルカー技術誌

軸ぶれ
偏芯度
直角度
軸方向の動き多くあり、好評を頂いている。

ダイアフラムシールは、以上のような特性を有効に生かして、様々な産業分野で広く使用されている。
次に示すのは、ダイアフラムシールが採用されている機器

Figure2 ダイアフラムシール外観

Winter 2014の代表例である。
・液体シール用ダイアフラムシールの適用機器
船尾管、洗浄機、攪拌機、メッキ槽、染色機器など
・粉体、気体シール用ダイアフラムシールの適用機器
スクリューフィーダー、ロータリーバルブ、乾燥機、攪拌
機、ミキシング機器など

No.26

一例として、某社のスクリューフィーダーに採用されたダイ
アフラムシールについて紹介する。
（Figure3）
このスクリューフィーダーは、低圧、低速回転でシール流体が粉体であり、設置当初軸封にグランドパッキンが使用されていたが、約３ヵ月程度で漏洩が多くなり、パッキン及び軸ス
リーブの新規製作、交換などを頻繁に行いながら使用していた。漏洩の原因は明らかではないが、軸ぶれが 0.1mm から

Figure3

スクリューフィーダーへの装着例

大きなもので１mmもあり、グランドパッキンの軸への追従性が限界を超えていたことと、流体が粉体状の物質であったことなどから、パッキン、スリーブなどが早期に摩耗したことも原因になったのではないかと考えられている。
そのような状況から、ダイアフラムシール方式に改造後、軸封部からの漏洩はほとんどなくなり、寿命も短いもので1 年、長いもので2 年以上の使用に耐えている。

4. おわりに
軸シールを必要とする回転機器は、今後ますます高度なシール性能が要求され、機器構造も複雑、高精度化する傾向にあると考えられる。
しかし、構造上、経済上など様々な事情で高精度を保持

寿命のばらつきに大きな変化があるのは、仕様条件やそすることが困難な機器も数多く存在している。ダイアフラム

れぞれの機器の精度誤差によると考えられ、特に軸ぶれによシールは、こうした機器に適応したシール方式の一つとして、る影響を受けていることが推定できる。

シール性能を充分発揮できるものであり、さらに広範囲な分

また、某社の樹脂製フィルムの洗浄装置においては、当初

野にも提供していきたいと考えている。
22

ダイアフラムシール（abstract）
The diaphragm seal is the optimal seal system to be used under the severe condition where the precision of the shaft seal
part of the low-speed rotating equipment is low.
Flexibility of the diaphragm ensures excellent tracking performance of the seat ring. The diaphragm seal is suitable foruse in the equipment that has relatively high shaft runout, squareness between the mounting surface and the shaft center,
misalignment and vibration.
The outside type diaphragm seal without spring uses ﬂuid pressure to apply contact pressure, having a simple structurecompared to general mechanical seals. It is easy both to attach to the equipment without specialized technique and tohandle.
The diaphragm seal has not only the end-face seal structure as with the general mechanical seals, but also thecharacteristics to prevent wear of the rotary shaft.
There are plenty of cases where the seal life span is lengthened by converting the conventional short-lived seal system

バルカー技術誌

into the diaphragm seal system with such characteristics. Thus the diaphragm seal is highly appreciated in a wide range ofﬁelds.
Keywords:
diaphragm, ﬂexibility, tracking performance, outside type, simple structure, end-face seal

Winter 2014

（摘要）
隔膜密封是在低速旋转机器轴封部精度低等苛刻的密封条件下最佳的密封方式。
隔膜的柔韧性使密封圈具有优良的追随性，尤其适用于轴抖动、安装面与轴芯的垂直度、偏芯、振动等较大的机器。
隔膜密封为外密封形，不带弹簧，是利用流体压力对表面施加压力的密封方式，与普通机械密封相比，结构简单，安放于机器上时无需特殊技术，易于操作。

No.26

此外，因为采用了与普通机械密封相同的端面密封结构，所以具有不磨损旋转轴的特点。
在实际应用中，有很多将现有使用寿命短的密封方式改进为隔膜密封方式后，延长了密封使用寿命的实例，在广泛领域获得了高度评价。
关键词：
隔膜、柔韧性、追随性、外密封形、结构简单、端面密封

松下 正美 Masami MATSUSHITA
調達部

23

製品の紹介耐熱性に優れたPEEK 絶縁ワイヤー
TM

発電機または変圧器などの磁気ワイヤーや巻線などで使用

1. はじめにされている。

当社は米国ZEUS社（ズース社）と2009 年にアライアンス契®

権を取得した。更に、本年からPEEK

TM

業においても幅広く使用されている。

絶縁ワイヤーも販売
製品（PEEKTM 絶縁ワイヤー）の特長：

開始することとなった。
本報では、ZEUS 社の持つ多くのラインアップより、電気、
自動車、航空宇宙などの最先端分野で優れた特徴をもった
PEEKTM 絶縁ワイヤーを紹介する。

• PEEK 熱収縮チューブ（PEEKshrink®）を使用すること
でPEEKTM 絶縁ワイヤーとの接続が可能• ASTM B-3による焼きなまし、ソリッドまたはラウンド裸銅線

2. 特長• 絶縁部の肉厚範囲 0.025mm から0.381mm

熱可塑性樹脂の中で、スーパーエンジニアリングプラスチッ• 丸線、角線、平角線など、多様な形状に対応可能• 押出工程内に100%のACスパーク検査を実施

クとして高い性能を持ち、広く認められているPEEK（ポリエーテルエーテルケトン）
は、非常に高い耐熱性と剛性を備
え、電気的特性や耐薬品性に富む素材である。PEEK™ 絶縁ワイヤーは、PEEKを絶縁部として線材と同時に押出被覆した製品である。

• 銀 およびニッケルメッキなど、ご指定のワイヤーに対応
可能
絶縁部（PEEK）の特性：• 耐熱性：連続使用温度 260℃、融点 340℃、分解温度
約 500℃で非常に耐熱性に優れている。
• 難燃性：PEEKの酸素指数値 38で、難燃性に優れている。
• 機械特性：常温での引張強度100MPa、250℃での引張強度 10～15MPaであり、高温でも十分な強度を有している。
• 電気特性に優れている。
耐電圧 105KV/mm 誘電率（at60Hz）3.2

Figure1

PEEK の分子構造

体積固有抵抗 4.9×1016Ωcm 表面抵抗 2×1016Ωcm• 耐薬品性に優れている。
（濃硫酸は使用不可）

PEEK™ 絶縁ワイヤーは、260℃の環境下で連続使用が可能で、優れた耐摩耗性と耐薬品性、および絶縁耐力を備えている。
また、ピンホールレスで長期間にわたって素材の特性を維
持できる。
PEEK

3. 用途
電気電子、石油掘削機器、自動車、航空宇宙およびその他の産業で使用されるアクチュエータ、発電機、モーター、

ＴＭ

絶縁ワイヤーは、特に厳しい環境下での使用をWinter 2014

• AWG4 からAWG32までの幅広いラインアップ

バルカー技術誌約を締結し、PEEK 熱収縮チューブ（PEEKshrink ）の販売

また、電気電子、石油掘削機器、自動車、航空宇宙産及び変圧器用のコイル用電線などに使用されている。

念頭に設計されており、高い信頼性が求められるモーター、
24

No.26

耐熱性に優れた PEEKTM 絶縁ワイヤー

4. 製品仕様

Table3絶縁部（PEEK 部）の肉厚は、要望に応じて、下表に基づき用意可能である。
Table1
サイズ
AWG

バルカー技術誌

Winter 2014
No.26

4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18

寸法
（銅線外径、及び絶縁部肉厚）

銅線外径
銅線外径
絶縁部 サイズ
絶縁部
inchmm 肉厚：mm AWG inchmm 肉厚：mm
0.2043 5.189
19 0.0359 0.912
0.1819 4.620
20 0.0320 0.813
0.1620 4.115
21 0.0285 0.724
0.1443 3.665
22 0.0253 0.643
0.1285 3.264
23 0.0226 0.574
0.1144 2.906
24 0.0201 0.511
0.1019 2.588
25 0.0179 0.455 0.025 ～0.025 〜
0.381
0.0907 2.304
26 0.0159 0.404
0.381
0.0808 2.052
27 0.0142 0.361
0.0720 1.829
28 0.0126 0.320
0.0641 1.628
29 0.0113 0.287
0.0571 1.450
30 0.0100 0.254
0.0508 1.290
31 0.0089 0.226
0.0453 1.151
32 0.0080 0.203
0.0403 1.024

製品特性（NEMA 規格）NEMA PEEK 絶縁ワイヤー試験 ( 参考値）
特性
基準
結果
測定対象品
フィルムコーティングに接着性と柔軟性無し
目に見える亀裂なきこと
280℃でフィルムコー
AWG18
熱衝撃
ティングに目に見える無し
絶縁部厚み
亀裂なきこと0.0015inch
常温12,200VAC （0.0381mm）
絶縁破壊
最低 5700VAC
260℃
11,650VAC
導通チェック
漏電 10 回以下
0回

6. おわりに2011年に掲載したPEEK熱収縮チューブ（PEEKshrink®）
や、今回紹介したPEEKＴＭ絶縁ワイヤーなどのZEUS 高機
能チューブは、電気・通信・機械・航空宇宙などのあらゆる分野で使用されている。そして、この間に蓄積された45 年を超える高分子化学における経験を活かし、高水準の品質管理の下で生産された製品を世界に提供し続けている。
また、極細径・極薄肉・異形断面・後加工・機能付与（帯5. 製品特性

電防止、着色他）などの顧客要求に合わせた対応を得意としている。

以下に示す Table2，3の製品特性は、特定サイズでの参お客さまのお持ちのアイデアを実現するために、是非ともＴＭ

当社にご相談頂き、また、一緒に開発に取り組むことによっ

絶 縁ワイヤーには米 国 NEMA 規 格（National Electricalて、お客さまの抱える困難な課題解決に貢献していきたいと

Manufacturers Association）
で定められた値が無いため、こ考えている。

考値であり、機能を保証するものではない。また、PEEK

こではNEMA MW1000 基準でMW-16C（240℃）の最高温

7. 参考文献度に基づいている。
Table2

製品特性（ASTM 規格）ASTM PEEK 絶縁ワイヤー試験（参考値）
特性
規格
単位
結果
測定対象品
抵抗性試験
B3
Ωlb/mile2859
AWG8
絶縁破壊電圧D149
KV RMS,60Hz
25
絶縁部厚み
比誘電率
D150
─
2.72
0.008inch
散逸係数
D150
%
0.14
（0.203mm）
DC 抵抗
D257
TΩin
2.72

1）斉藤学 バルカー技術誌 No.20 19-20（2011）（abstract）
Regarded by many as the best performing thermoplastic, PEEK has amazing strength, heat resistant properties and isable to withstand intense pressure and caustic fluids. Zeus PEEK™ Insulated Wire results from the extrusion of PEEK
over copper wire.
PEEK Insulated Wire has a high continuous operating temperature, excellent abrasion and chemical resistance, anddielectric strength. Material properties are maintained in long, continuous lengths without pinholes.
Designed specifically for use in challenging environments, typical applications include magnet and winding wire formotors, generators and transformers. PEEK Insulated Wire is currently used in petroleum, automotive, aerospace andelectrical industries.
25

製品の紹介Keywords:
amazing strength, heat resistant properties（摘要）在热塑性树脂中，作为超级工程塑料的PEEK，拥有非常优异的性能，被广泛使用。它拥有惊人的强度，耐热性能和耐腐蚀性。Zeus 的PEEK绝缘电缆是通过与被包裹的铜芯同时挤出成形的方法制造的。
PEEK绝缘电缆可以在260℃高温下连续工作，拥有优良的耐磨性、耐化学性以及绝缘性。在无微孔的同时，还能长时间的保持材料的性能。
PEEK绝缘电缆在开发时，就是设计为在最严酷的环境下使用。被应用于对可靠性要求非常高的电机，发电机和变压器的电磁线和卷线。此外还被广泛应用于石油，汽车，航空和电子行业。

バルカー技術誌关键词：惊人的强度，耐热性能Winter 2014

有本 優 Masaru ARIMOTO
機能樹脂事業部

技術部 チューブチーム

No.26

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