寄稿

気体潤滑技術の源流から現在まで
Gas Film Lubrication Technology− From its Headspring to the Present Current −矢部寛*Prof. Hiroshi YABE

The development of gas film lubrication technology is briefly reviewed in this article. Some noteworthy
studies (by Hirn, Tower, Reynolds, Kingsbury and Harisson) before the "dawn" in the history of gas
lubrication are summarized, then the current of the development of gas lubrication after the "burst" of thetechnology in 1950's is outlined with referring to a number of papers appeared in the Transactions of ASME
as a measure of the trend of the technology.

1．はじめに実験をしたところ，軸受は空気で潤滑され，摩擦力は油やグリースの場合の1/300程度にまで下が気体潤滑技術は，その特異な長所を生かせば，った』，『水や空気も潤滑剤となりうるが，その場通常の転がり軸受やすべり軸受では達成できない

合は，それらを軸受の中に引き込むために十分速ような応用展開ができ，現在，工業のいろいろなく軸を回転しなければならない．速度を下げるや分野で用いられている．このような気体潤滑技術

いなや，粘性のないそれらの流体は圧力によっての開発が本格的に取り組まれた年代は比較的明確押し出され，両面はすぐに接触し，摩擦は一挙にであり，それは1950年代後半であるとされる．

大きくなる』というような主旨のことを述べていこの気体潤滑技術開発の黎明期を「気体潤滑紀る．

元」とするならば，全ての技術がそうであるように，それまでの「紀元前」にも「紀元後」の発展

1850

1854

Hirn

軸受摩擦発熱の実験

1873

Thurston

潤滑剤の摩擦係数の測定

18811883
1883
1885
1886
1897

Hertz
Petrov
Tower
Tower
Reynolds
Kingsbury

弾性接触理論
流体軸受摩擦の理論
軸受摩擦の実験
油膜圧力測定流体軸受理論
空気軸受の実験

1902
1904
1905
1905
1913
1919
1925

Stribeck
Sommerfeld
Michell
Kingsbury
Harisson
Hardy
Gümbel

軸受摩擦特性
潤滑膜圧力分布解
傾斜パッド軸受、2次元流体潤滑理論
傾斜パッド軸受
気体潤滑理論
表面吸着層による潤滑効果
流体軸受摩擦理論

1946
1950
1953

Holm
Bowden & Tabor
Dubois & Ocvirk

真実接触面積の概念
境界潤滑モデル
短軸受理論の礎となるいくつかの道標的な研究があった．
本稿では，そのような，「紀元前」の研究を振り返るとともに，「紀元後」の気体潤滑技術の開発の流れについてごく簡単に考えてみることにしたい．

2．
「紀元前」の時代の流体潤滑の研究
1900

図1に，気体潤滑技術と，いくつかの潤滑関係の研究の源流（一応，1960年までとした）を年表の形で示す．

2.1

イルンのつぶやき

気体潤滑の可能性を初めて指摘したのはイルン
１）（G. A. Hirn） で，1854年のことである．イルン
はジャーナル軸受の摩擦仕事を，彼が「摩擦バランス」と呼んでいる方法で測定した．摩擦バランス法は，後の図2のタワーの実験装置と同列の形式であり，詳しくは文献２）を参照されたい．
報告の中で，イルンは『油の痕跡を拭ってから

1950

1959

第1回気体軸受国際会議

図1 「紀元前」の研究の年表
Chronological table of the studies on
lubrication before "dawn" age*京都大学大学院工学研究科 精密工学専攻 教授 工学博士

KOYO Engineering Journal No.157 (2000)

1

−気体潤滑技術の源流から現在まで−

寄稿

しかし，イルンは元来熱力学分野の研究者であof pressure と言っている）に浮いている状態にあり，彼の興味は「摩擦発熱」あるいは「機械仕事る』ことを報告した．これは「流体潤滑機構」にと熱量との関係」の方にあったようで，「軸受」初めて注目したものであった．タワーは自分ではについてはそれ以上追求しなかった．

流体潤滑の機構を理論的に説明することはできなかったが，流体潤滑の機構の存在とその重要性を2.2タワーの意気込みといらだち

直感的に，あるいは実験による経験から感じてい気体潤滑ではないが，流体潤滑の歴史を述べるたように思われる．タワーは，さらに，流体潤滑上ではタワー（B. Tower）の実験の話は避けて通の存在を強調するため，軸受すきま内での圧力分れない．

布を測定して，約１年の後，再び委員会に報告している5）．図3はその結果である．
しかしながら，この報告を受けた委員会の面々にはこの実験が意味する工学的本質を理解できなかったようである．文献３）〜５）には約半分を割いて委員会の方々のコメントが載せられているのであるが，現在の我々からみると，本当に重要な「流体潤滑」に関する議論とはほど遠い，かなりピントはずれなものばかりである．そのときのタワーのいらいらした気持ちが伝わってくるとともに，新しい技術の芽に対しては常に心して対さないと，今までの既成概念の陰につい見捨てがちになるという教訓を得た次第である．

図2 タワーの実験装置
Schematic diagram of Tower's experimental apparatus

2.3

レイノルズの才能

タワーの指摘は，レイノルズ（O. Reynolds）の解析６）によって流体潤滑機構の理論という見事な形にまとめられた．レイノルズの論文は大略３つの部分から成っている．
その１は潤滑油（オリーブ油）の粘度の温度依存性の実験である．軸受潤滑機構の定量的な評価には軸受すきま内での粘度の値が欠かせないという認識にたつものである．
その２は，勿論，くさび膜作用による流体潤滑膜圧力発生の機構の説明で，その内容は，現在我々が機械要素学などの講義で行っている説明と全く変わらない．１世紀前にその本質が説明され

図3 タワーの実験結果
Experimental results by Towerている．
その３は圧力分布の理論と実験の比較で，実験値としてはタワーの結果を用いた（当然ながら，英国機械学会の摩擦委員会の委託により，タワ当時，それ以外に測定例がなかった）．タワーのーは鉄道車両用ジャーナル軸受（部分軸受形式）の実験は注意深く行われ，種々のデータが記録され摩擦の実験的研究に取り組み，1883年，委員会のているが，唯一つ，軸受すきまの値が不詳であっ

３）
, ４）

．図2はその実験装置で，た（もっとも，タワー自身は，軸と軸受は完全に軸は径４in（101.6mm），長さ６in（152.4mm）の鋼密着している，すなわち軸受すきまはゼロである製，軸受は砲金−真鍮製である．軸受摩擦によると考えていた）
ことと，軸受すきま内での温度（粘モーメントを下部の錘の移動と釣り合わせて測定度）は推定するより他になかったことが問題点でする．タワーは軸受摩擦に関する基礎的な特性とあった．レイノルズは論文の後半をさいて，実験ともに，『非常に興味深い発見』として，『軸受すデータから，半径すきまの大きさと軸受すきま内きま内の油には平均面圧の２倍以上にもなる油膜温度の推定を行い，理論と実験の比較を行ってい圧力が発生し，軸受は油膜の上（彼はこれを seat

る．図4はその結果で，ここでは，軸温度70°
Ｆ

前で結果を報告した

2KOYO Engineering Journal No.157 (2000)

寄稿−気体潤滑技術の源流から現在まで−（21℃），半径すきま0.00077in（19.6μm），偏心率0.51，偏心角48°としている．

pressure

1.00.500
θ（deg）

80

図5 キングスベリーの実験装置
Schematic diagram of Kingsbury's experimental apparatus
Oil level00.51.0

図4 レイノルズの計算結果
Calculated results by Reynolds

2.4

キングスベリーのセンス

空気潤滑軸受を対象にした実験を最初に行った７）のはキングスベリー(A. Kingsbury)である ．図5
はその実験装置で，軸は径６in（152.4mm），長さ6.25in（158.8mm），重さ50.5 lbs（224.4N）［これが軸受負荷となる］の鋼製，軸受は鋳鉄製，直径す

図6 偏心量の測定原理
Explanatory diagram for measurementof the displacement of rotor

きま 0.0016in（41μm）であった．彼はこの装置を用い，非常に苦労して，軸偏心量，偏心方向，圧力分布，最大圧力位置，軸受摩擦等を測定している．圧力分布の測定結果の１例を後の図7中に示す．
図6は軸偏心量の測定原理を示す図である．軸受Ｒに取り付けられた微動ねじＳを送ることによって，ねじの先と軸面とを接触させ（ａ），通電によってそれを検知する．つぎに軸受を回転させ再び通電が生じる位置ｂを求める．a，ｂの位置を変えてこれを何度か行えば，軸変位方向IJと最小すきまCHをかなりの確かさで測定できるという仕組みである．このような方法で，彼はミクロン単位での軸偏心量の測定を行っている．
このような実験手腕の巧みさや論文に記載されている言葉の端々から，キングスベリーの極めてすぐれた工学的センスを伺うことができるのであるが，特に，気体軸受の研究に関して，彼は，『通常の目的のために空気を用いることを提唱しているのではない．しかし，空気潤滑の利点が認められるような場合があれば，そこでは有益に使用されるようになるであろう』と言っている．誠

2.5

ハリソンの努力

気体潤滑ジャーナル軸受の特性解析に取り組んだのはハリソン（M. A. Harrison）である８）．非圧
縮性流体によるジャーナル軸受すきま内圧力分布
解は，すでにゾンマーフェルトが発表していた（1904年）が，ハリソンはそれをもとに，今日，ハリソンの式として知られる圧縮性流体潤滑の基礎方程式を導き，また，境界条件として，圧力の周期条件と，軸受すきま内で気体の質量が保存されるという条件式を示した．しかし，基礎式は非線形方程式であり，解析解を得ることはできなかった．そこで，彼は，手計算でルンゲ法によって数値的に解を求めることにしたが，２個の積分定数を逐次近似で決定する必要があり，一本の圧力分布解を得るのに，約12000個の数字を書いたと述懐している．ともあれ，ハリソンはそのような苦労の末にキングスベリーの実験結果と対照すべき理論解を得た．図7はその結果の１例である．にもって正鵠を射た言葉であると思う．

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3

−気体潤滑技術の源流から現在まで−

3.24.0寄稿

気体潤滑技術の進展

図8に，ごく概略の流れを知るために，Trans.
of ASMEに発表された潤滑関係論文数とその中のPressure, Rbs / in22.0

すべり軸受関係の論文，および，さらにその中の気体潤滑関係の論文の数の推移を示した．勿論，他の雑誌にも多くの成果が報告されているし，ま0

た，会議のProceedingとして別にまとめられている場合も多い．したがって図8は単にごく概略の−2.0指標と考えていただきたい．
1960年前後から気体潤滑関係の論文が発表され−4.0

はじめ，1960〜1965年では，潤滑関係論文総数が0°120°

240°

360°

θ

図7 ハリソンの計算結果
Calculated results by Harisson
注：キングスベリーの実験結果によると偏心率約0.1，偏心角約52°である．

年平均20件程度である中，気体潤滑関係が６〜７件であるから，気体潤滑関係は論文数自体はそんなに多くないが，それが占める割合から見るとかなり多いと言え，その傾向は1970年頃まで続く．
J. of Lub. Tech. が発刊されることによって，1967年を境に潤滑関係論文数の絶対量はかなり増加している．1968年には第２回気体潤滑国際会議が開催されたこともあって，気体潤滑関係の論文数は3．
「紀元後」の気体潤滑技術
3.1ピークを迎えている．
このようにして，1960年代に気体潤滑技術は著気体潤滑技術開発の駆動源（その１）

このように，気体潤滑問題については，偉人たちの才能と努力によって，その時点ではいつ誰が通るか分からない道に道しるべが建てられていった．そして，気体潤滑技術は，1950年代後半，「発明の母」とも言うべき開発の必要性から，急激に，クローズアップされることとなる．

しい進展を遂げ，ほぼその全容が明らかにされた．
軸受基礎特性の解析をはじめとし，静圧および動圧の種々の形式の軸受の特性，動特性解析法や高速安定化法，あるいは気体軸受の応用，さらには，自動調整形式や自動制御形式の工夫など，研究は多方面にわたっている．

この「紀元期」の気体潤滑技術開発の駆動源は，米国における宇宙航行用ジャイロ軸受としての必要性と英国における原子炉用炭酸ガス循環機軸受300としての要請であったと言われている．東西冷戦
ベリーが言う「気体潤滑による以外にはない」とれた．当初は国家の機密技術とされていたようで文あるが，やがて民生用に開放され，また，時をほ論いう条件にマッチして，気体潤滑の開発が始めら数，件や原子力開発という国家的背景を受け，キングス

ぼ同じくしてＩＢＭ社が磁気記録開発の旗揚げを200100

すべり軸受

50気体潤滑発表したこともあって，気体潤滑技術は華々しく採り上げられることとなった．1959年には，気体潤滑技術開発のその後の指針を明らかにする上で50

潤滑関係論文

01950

196019701980199020000開催され，一方，英国では，1963年以降，隔年ご

図8 Trans. of ASME掲載論文数
Trend of the number of papers appeared in Trans. of ASMEとに気体軸受シンポジウムが開催されるなど，活注：「すべり軸受」：油潤滑すべり軸受，スクイズフィルムダンパ

意義深い第１回気体軸受国際会議がワシントンで発な活動が続いた．

4ー等を含む．EHL関係は含まない．

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寄稿−気体潤滑技術の源流から現在まで−

10文

10030

論数，件02020うとするものである．確かに，近年，非接触ガス
非接触ガスシール

シールがかなり多くの分野で用いられるようになってきており，またその作動条件，すなわち回転磁気記録・薄膜気体潤滑関係

速度やシール差圧が益々厳しいものになってきているということは耳にするが，学術誌で報告された論文数という点では意外に少ない．これは，非気体潤滑一般

接触ガスシールの作動は基本的には気体軸受の場

1001950合と同じであり，理論的な面からの新しい知見が
1960

1970

1980

1990

2000

比較的少ないこと，それよりも，各社が各自のノウハウを蓄積し，公表したがらないことがその一

図9 気体潤滑関係論文数の内訳
Number of papers concerning gas lubrication

3.3

気体潤滑技術開発の駆動源（その2）

気体潤滑技術開発の第２の駆動源は電子計算機の発達のための要請であった．
１つは，半導体部品の加工や検査のための超精密な支持と位置決めの必要性によるもので，スライシングマシン，エアスライド，ロータリーテーブルなどの高精度な応用例が高度に発達した．
もう１つは，磁気記録関係，すなわち磁気ディ因 で は な い か と 思 う ． ち な み に ， Trans. of
ASME 掲載の非接触シール関係の論文数は図9に示す程度である．
1980年代以降の気体潤滑関係論文はその多くが，上述のように，磁気記録関係なのであるが，その他の分野として，高速回転軸受を対象とする注目しておくべき一群の論文がある．それは，マイクロガスタービン等の軸受への応用のための研究であって，そこではリーフフォイル軸受やバンプフォイル軸受（図10参照）などが用いられている．

スク上での浮動ヘッドスライダーの浮上支持である．磁気記録装置の記録密度向上のためには浮動ヘッドの浮上量を極度に小さくすることが必要でフォイル

フォイルあり，浮上量低下の割合はおおよそ10年間で１桁の割合で進み，現在 0.02μm程度に達しているが，まだその低下の割合は衰えていない．浮動ヘッド

荷重軸

バンプフォイル
軸の浮上は気体潤滑技術を適用して行われているが，そのような極微小すきまでの気体潤滑の解析においては，気体を分子として扱う気体分子運動論に基礎を求めねばならず，薄膜気体潤滑という分野が展開した．この間の事情は他の種々の場でリーフフォイル軸受

バンプフォイル軸受

図10 フォイル軸受
Schematic diagram of foil bearings

紹介されていることもあり，ここでは詳細は省略させていただき，図9を示すだけにとどめたい．
図9は図8の中，気体潤滑関係の論文をさらに分類し，磁気記録関係（磁気ディスク，磁気テープなど），後で述べる非接触ガスシール関係，その他気体潤滑一般に分けて，その数を示したものである．1980年代後半からの電子計算機関係への気体潤滑技術の精力的な展開が読みとれる．

3.4

第3の駆動源は？

パン（C. H. T. Pan）
は1990年の ASME-STLE
Tribology Conference において，気体潤滑研究の流れについて総括し，その中で，気体潤滑技術開発の第３の駆動源は非接触ガスシールではないか
９）と述べている ．
非接触ガスシールは，気体軸受における軸受剛性を得る原理を援用してシールすきまを小さく安図11 小型ガスタービン用軸受への応用
Application of foil bearing to a small-sized gas turbine machine

定に保ち，それによって高圧気体の漏れを抑えよ

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5

−気体潤滑技術の源流から現在まで−

寄稿

図11はその一例10）であって，これは航空機の空気循環機用の軸受として開発されたものでバンプフォイル軸受を用いている．ロータは重さ772g，ジャーナル軸径35mm，軸受長さ31mm，称呼直径すきま 76μmで，約９万rpm の高速運転ができたと報告されている．この種の軸受の最大の特徴は面圧の大きさであって，同形式の軸受で，回転数６万rpm で約0.66MPaの高面圧を達成している．

4．むすびに代えて気体潤滑技術の開発が本格的に始められてからほぼ半世紀を経た．
よく言われるように，技術は何かの駆動源があって一段と発展する．気体潤滑技術発展の次の駆動源は何なのだろうか．多分真近に存在しているのだろう．マイクロマシン用軸受ではないかと言う声も聞く．超クリーンな軸受であることを売り込み文句にできないかとの意見もある．ここでは私見でもよいから何かの展望を述べて締めくくるべきなのだが，凡庸の私にはそれを見極めることができない．願わくば，自分の力でそれを見付けられることを祈っている．

参考文献
１）G. A. Hirn: Bulletin Soc. Ind. Mulhouse, 26(1854) 188-237.
２）D. ダウソン：トライボロジーの歴史，工業調査会 (1997) 140.
３）B. Tower: Proc. Inst. Mech. Eng., 36 (1883)
632-659.
４）Proc. Inst. Mech. Eng., 36 (1884) 29-35.
５）B. Tower: Proc. Inst. Mech. Eng., 37 (1885)
58-70.
６）O. Reynolds: Phil. Trans. Roy. Soc. of London,Ser. A, 177 (1886) 157-234.
７）A. Kingsbury: Journal of Am. Soc. NavalEng., 9 (1897) 267-292.
８）M. A. Harrison: Trans. Cambridge Phil. Soc.,
22 (1913) 39-54.
９）C. H. T. Pan： Proc. 1990 ASME/STLE
Tribology Conference (1990) 31.
10）H. Hashmat & P. Hermel：Proc. of 19thLeeds-Lyon Symposium on Thin Film in
Tribology, Elsevier (1993) 559.

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