論文

蛍光法による圧力シールの密封性能の考察
楼黎明白井良昌

Investigation of Seal Pumping Rate by Using Fluorescent Method
L. LOU Y. SHIRAIThe seal pumping rate measurement is established by using the fluorescent substance contained in mineraloil. In this paper, the principle of the measurement method and measuring system are explained in detail.
Furthermore, the selection of collecting liquid and the agitation method of oil in collecting liquid, theoptimization of excitation wavelength, and the calibration method are also explained. Finally the relation
between seal pumping rate and pressure and the ralation between seal pumping rate and lip wear width,
which are difficult to measure by conventional method, are investigated using new measuring method. Theresults show that helix lip seal has large pumping rate compared with plain lip seal under all test conditions.
Therefore, it can be said that helix lip seal is very useful for the usage where pressure is existed.

1．はじめに
2．測定方法
2.1

測定装置

2.2

回収液の選定2.3
2.4

回収液の攪拌
励起光波長の設定

2.5

検量線の作成4．結果および考察
4.1
4.2

圧力によるポンプ量の変化
摩耗の進展によるポンプ量の変化

5．おわりに

3．測定条件

1．はじめにくる油を軸の回転により油側に送り返す作用のことをいう．一般的に単位時間当たり送り返せる最オイルシール（以下シールと称す）
は各種機械に大油量をポンプ量と呼ぶ．ポンプ量の測定には従使用されている潤滑油の外部への漏れを防ぐため来よく重量法が用いられていた．重量法とは回収に広く使用されている．近年，技術の進歩によりした油の重量を測ることにより，油量に換算する機械の高性能化や長寿命化などが顕著に進み，機方法のことである．しかし，その重量法では，油械要素の１つであるシールに対する性能向上の要を手動で回収する必要があるために，大気圧でし求も年々厳しくなってきている．そこで，筆者らか測定できず，シールに圧力がかけられないためは特にシールの動的密封効果（以下ポンプ作用と圧力シールのポンプ量は測定できなかった．

称す）を上げるための研究に精力的に取り組んできた

１〜６)．本報では，圧力のかかる場所で使用されるシール（以下圧力シールと称す）の密封性能の2．測定方法向上を目指して，油中に含まれる蛍光物質を利用

鉱油にはクリセン，フローレン，ピレンなどのし，従来測定が困難とされた圧力シールのポンプ芳香族炭化水素が含まれている ．それらの芳香作用測定法を確立して，現在圧力シールの大半を族炭化水素が紫外線や可視光の照射により蛍光を占めるプレーンシールの代わりにヘリックスシー発する．油量が多いほど発する蛍光の強度が高く

７）ルの使用可否ならびにそのメリットの有無についなる（図1）．本研究では，その特性を利用して油て検討することを目的としている．の定量測定を図ることにした．

なお，ポンプ作用とはシールが空気側に漏れてKOYO Engineering Journal No.157 (2000)15−蛍光法による圧力シールの密封性能の考察−

2.280
油量60

文

回収液の選定回収液は油を回収でき，しかも，シールゴムに小悪影響を及ぼしてはならないという制限条件があ中るために，その選定に当たり，下記のことを考慮

大

蛍光強度論

40に入れた．
①ゴムの性能に悪影響が小さい②油との相溶性がよい③蛍光物質を含有しない

20④洗浄性がよい⑤安価
0350

380410440

本報では合成油を選定使用した．

蛍光波長，nm2.3

図1 蛍光スペクトル
Fluorescent spectrum

回収液の攪拌

回収液槽に流れ込む油の量を正しく検出するた
めに，回収液中の油を均一化する必要がある．本

2.1

測定装置

研究では，回収液の粘性と軸の回転を利用して油図2に測定装置の原理図を示す．測定装置にはの均一化を図った．すなわち軸の回転により，粘油槽とその油槽から漏れ出す油を回収するための性をもつ回収液が絶えず軸回りに流動する．それ回収液槽を設けている．油槽には実際に使用されより，油槽から流れ出す油を回収液中に均一に溶ている潤滑油を，回収液槽には蛍光物質の入ってけるようになる．粘性の持たない回収液を使用すいない液体をそれぞれ入れてある．シールのリッる場合には別途攪拌装置を取り付ける必要があ

プと軸との間から流れ出す油は回収液槽に流れ込る．

むように設計しており，回収液槽に流れ込む油は自動的に回収液と均一に混ざるように工夫してい2.4

励起光波長の設定

る．回収液槽内の油の濃度を検出するために，蛍油を含んだ回収液の蛍光スペクトルを計測する光測定器を使用した．サンプルの採集時間を省く際に，励起光の波長選定は非常に重要である．励ために，回収液槽から自動的にサンプル液体を吸起光の波長により蛍光スペクトルは大きく変化すい取り蛍光測定器に送り込むポンプを備えている．本研究では，蛍光強度が最も強くなる時の励る．蛍光濃度を測定終了後，サンプル液体は再び起光波長（345nm）を使用した．

ポンプで自動的に回収液槽に送り返される．蛍光測定法の測定精度は多くの要因に左右される．次2.5

検量線の作成に，回収液の選定や回収液の攪拌方法，励起光波

回収液槽に流れ込む油の定量測定を行うため長の設定および検量線の測定について紹介する．に，回収液中の蛍光強度と油量との関係を表す検量線をあらかじめ作成しておく必要がある．検量油槽

シール

回収液槽

線を作成することにより，測定可能な油の濃度（すなわち，油量）
範囲を把握できる．本研究では，回収液槽に既知の油量を少しずつ注入することに流れ方向より図3に示す検量線を作成した．そして，本研究の測定条件下において，検出可能な最小油濃度

潤滑蛍光
測定器

軸

油は１ppmであることが分かった．

回収液ポンプ

図2 測定装置の原理図
Principle of measuring system

16

KOYO Engineering Journal No.157 (2000)

論文−蛍光法による圧力シールの密封性能の考察−

図7からヘリックスシールの場合は大きなポンプ500量を有している．しかも，プレーンシールの場合は圧力の上昇によりポンプ量が低下するのに対し油の濃度，ppm400て，ヘリックスシールの場合は逆に増えている．
図8，9に摩耗幅0.7mm時の測定結果を示す．

300

0.2

200

−1

回転数，min

1000200400

ポンプ量，mR/h01 000

新品600

蛍光強度

図3 検量線
Calibration curve

2 0003 0000.103．測定条件

01234

圧力，×100kPa

主な測定条件を表1に示す．

図4 ポンプ量の変化（プレーンシール）
Pumping rate vs. pressure

表1 測定条件
Measurement conditions（外形×内径×幅）
種

類

シール材質

回転数，min

30×20×7
ヘリックスシール
FKM
エンジンオイル

潤滑油

加圧方法

空気圧

100

圧力負荷

0, 49, 98, 196, 392kPa

シールリップ摩耗幅

0, 0.3, 0.7mm

摩耗方法

強制摩耗

室温

励起光波長

345nm

回収液

合成油

組付偏心0.05mm以下

回収液量

400mr

軸偏心0.05mm以下

測定時間

３分間

回転数

450〜3 000min

温7.5W-30SE
度

−1

1 000
新品

ポンプ量，mR/h

シール寸法

120

2 000

80

3 000

60
40200−101234

圧力，×100kPa

4．結果および考察
4.1

図5 ポンプ量の変化（ヘリックスシール）
Pumping rate vs. pressure

圧力によるポンプ量の変化

図4，5に，新品時のプレーンシールとヘリッ

0.2

クスシールの測定結果を示す．図4から，プレー−1

回転数，minンシールの場合，ポンプ量は圧力の増加に従い著

強制摩耗品（摩耗幅：0.3mm）

98kPaを超えると，ポンプ量はほぼゼロになっている．それに対して，ヘリックスシールの場合は
図5から，圧力によるポンプ量の大きな変化は認められなかった．これはヘリックスシールの場合，ポンプ量，mR/hしく減少することが分かる．そして，圧力が1 000
2 000
3 0000.1

圧力をかけても，リブによるポンプ効果は低下しないことを意味する．そして，ポンプ量そのものはヘリックスシールの方がプレーンシールに比べて200倍以上も大きいことが分かる．
図6，7に摩耗幅0.3mm時の測定結果を示す．
図6からプレーンシールの場合，摩耗幅0.3mmの時に，ポンプ量はすでに非常に小さいのに対して，KOYO Engineering Journal No.157 (2000)

001234圧力，×100kPa

図6 ポンプ量の変化（プレーンシール）
Pumping rate vs. pressure17−蛍光法による圧力シールの密封性能の考察−

文

摩耗幅0.7mmの時に，プレーンシールの場合はポ120
回転数，min100
ポンプ量，mR/h論−1

ンプ量がほぼゼロになっているのに対して，ヘリックスシールの場合は比較的に大きなポンプ量を

1 000
2 000
3 000

強制摩耗品（摩耗幅：0.3mm）

80有している．この場合でも，ヘリックスシールのポンプ量は圧力の上昇により増加している．
なぜ，圧力によるポンプ量の変化がプレーンシ

60ールとヘリックスシールが全く異なるのであろう
か．その原因は，シールに圧力をかけると，ポン

40

プ量に次の２つの相反する働きが作用するからと200考えられる．
①圧力をかけると，油側から油を漏らそうとす
01234圧力，×100kPaる圧力勾配が増える．また，リップの軸に対する締め付け力が増えることにより，リップ

図7 ポンプ量の変化（ヘリックスシール）
Pumping rate vs. pressureと軸の間に油が通過しにくくなり，これがポンプ量を低下させる方向に働く．
②一方，圧力をかけると，リップの軸に対する締め付け力が増えて，リップに設けたリブの軸に対する接触部分が大きくなる．それより，

0.2

リブのポンプ効果が増加し，シールのポンプ−1

ポンプ量，mR/h

回転数，min
強制摩耗品（摩耗幅：0.7mm）量を増加させる方向に働く．

1 000

プレーンシールの場合はリブが設けていないの2 000で，前記の働き①でポンプ量が低下する．しかし，

3 000

ヘリックスシールの場合は，相反する２つの働き0.1が同時に作用するので，シールとしてのポンプ量の増加あるいは減少はこの２つの働きのどちらが勝るかにより決まる．本報の実験条件下において，リブのポンプ効果が勝っているものと思われる．

0

そして，ヘリックスシールのポンプ量がプレー01234圧力，×100kPa

ンシールに比べて非常に大きくなる理由は次のよ
うに説明できる．プレーンシールの場合はしゅう

図8 ポンプ量の変化（プレーンシール）
Pumping rate vs. pressure

動部の表面粗さによりポンプ量が発生するが，その表面粗さが一般的に非常に小さいために，そのポンプ効果も非常に小さくなる．表面粗さが大きくなると，静的密封効果が低下し，静止時あるいは低速時の油漏れを引き起こす可能性が大きくな

120
回転数，min

ポンプ量，mR/h

100るから，しゅう動部の表面粗さを大きくすること−1ができない．一方，ヘリックスシールのポンプ作

1 000
2 000
3 000

強制摩耗品
（摩耗幅：0.7mm）

80

用はしゅう動部の表面粗さによるものとリップに設けたリブによるものから成り立っている．通常，リブの方が表面粗さに比べて非常に大きいため60に，そのポンプ作用も圧倒的に大きくなる．
図10に圧力によるリブ接触幅の変化の測定事

40

例を示す．図10から，リブ接触幅が圧力の増加
200と共に増加することが分かる．ここで，リブ接触幅はシールを中空の透明軸に取り付け，顕微鏡で0123圧力，×100kPa

図9 ポンプ量の変化（ヘリックスシール）
Pumping rate vs. pressure

184

透明軸の中からしゅう動部を観察することにより測定した．図11にシールしゅう動部の観察事例を示す．

KOYO Engineering Journal No.157 (2000)

論文−蛍光法による圧力シールの密封性能の考察−

1120

ポンプ量，mR/h

リブ接触幅，mm0.60.40.20圧力，kPa

1000.8

回転数−11 000min

800499860
402001230400.20.40.60.8圧力，100kPa

摩耗幅，mm

図10 リブ接触幅の変化
Lip wear width vs. pressure

図13 ポンプ量の変化（ヘリックスシール）
Pumping rate vs. lip wear width

しゅう動部しゅう動部

4.2

摩耗の進展によるポンプ量の変化

図12，13に，回転数が1 000min−1の時の摩耗幅によるポンプ量の変化を示す．ここで，摩耗幅は強制摩耗により得たものである．図12はプレーンシールの場合であり，図13はヘリックスシールの場合である．図12と図13から分かるよう

リブ

リブ接触幅

リブ接触幅

リブに，プレーンシールとヘリックスシールの双方が摩耗の進展によりポンプ量が低下している．しかし，摩耗によるポンプ量の低下率はプレーンシー

圧力：小圧力：大ルの方が大きい．ヘリックスシールの場合は摩耗

図11 しゅう動部の接触状態
Contact situation of lipの進展によりポンプ量は低下するものの，その低下率は比較的に少ない．
−1

図14，15に，回転数が3 000min の時の摩耗ポンプ量，mR/h0.2によるポンプ量の変化を示す．1 000min−1の場合
圧力，kPaと同様に，ヘリックスシールの場合は摩耗の進展0によるポンプ量の低下率はプレーンシールに比べ49て非常に低く，ポンプ量の値もプレーンシールに98比べて圧倒的に大きい．プレーンシールの場合は回転数−1
1 000min0.1

摩耗幅0.5mm以後，ポンプ量はほぼゼロになっているのに対して，ヘリックスシールのポンプ量は20mr/h以上となっている．
以上の結果から，圧力シールの場合，ヘリック

0スシールのポンプ効果は非常に大きく，それはシ00.2

0.4

0.6

0.8ールが摩耗した場合においても同様であった．し

摩耗幅，mm

たがって，ポンプ効果の観点から言えば，プレー

図12 ポンプ量の変化（プレーンシール）
Pumping rate vs. lip wear width

ンシールの代わりにヘリックスシールを使用することにより，シールの密封性能を大きく向上できるものと考えられる．それにより，圧力シールの寿命も大きく延ばせる可能性があるものと思われる．

KOYO Engineering Journal No.157 (2000)19−蛍光法による圧力シールの密封性能の考察−

文

参考文献

0.2

ポンプ量，mR/h論圧力，kPa１）Lou Liming, K. Yamamoto, K. Ikeuchi :0ASME Journal of Tribology, vol. 120, no. 7

49(1998) 476.

回転数−1
3 000min

98２）楼

0.1

黎明，満丸道敏：トライボロジー会議

予稿集，（東京1996）418.
３）楼

黎明，満丸道敏，池内健：トライボ

ロジー会議予稿集，（東京1997）
197.
４）楼
0

黎明，満丸道敏，池内健：トライボ

ロジー会議予稿集，（大阪1997）
498.
00.2

0.4

0.6

0.8

摩耗幅，mm５）楼

黎明，満丸道敏，岡田利喜生，田村委

三：トライボロジー会議予稿集，（東京1998）

図14 ポンプ量の変化（プレーンシール）
Pumping rate vs. lip wear width

462.
６）楼

黎明，山本和俊，池内健：トライボ

ロジー会議予稿集，（東京1999）175.
120７）Perutz：Industrie der Mineralöl（1886）
68.
圧力，kPa

ポンプ量，mR/h

100
回転数−13 000min

8004998604020000.20.40.60.8

摩耗幅，mm

図15 ポンプ量の変化（ヘリックスシール）
Pumping rate vs. lip wear width

5．おわりに油中に含まる蛍光物質を利用した圧力シールのポンプ量定量測定法を確立できた．その蛍光測定法を利用して従来考察が困難とされた圧力によるポンプ量の変化および圧力がかかる条件下での摩筆 者

耗によるポンプ量の変化を考察した結果，ヘリックスシールのポンプ量はプレーンシールに比べて非常に大きく，摩耗によるポンプ量の低下率も比較的に少ないことが分かった．したがって，ヘリックスシールを圧力シールとして使用するメリットが大きいものと思われる．

楼 黎明*
L. LOU*

白井良昌**
Y. SHIRAI

総合技術研究所 電子システム研究所
電子システム技術開発部

工学博士** 総合技術研究所

電子システム研究所

電子システム技術開発部

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KOYO Engineering Journal No.157 (2000)