表面テクスチャリングメカニカルシール

低損失と高密封性を両立させた世界初のシール技術

メカニカルシールの最も重要な機能は、流体の密封機能です。
しゅう動面間に流体膜を形成すれば摩擦低減によるトルク低減が図れる一方、しゅう動面間に隙間が生じることで流体が漏れやすくなります。
一方、隙間を小さくすれば漏れは少なくなりますが、トルクが上昇します。このため、メカニカルシールにおけるトルク低減と高密封性の両立は不可能なのが常識でした。
EKKは表面テクスチャリング技術を用いて、世界で初めて、この常識を覆しました。

表面テクスチャリング技術とは？

圧力と漏れのコントロール

表面テクスチャリングとは、しゅう動面上に加工された微細な凹凸のことです。
表面テクスチャリングにより、しゅう動面の回転時に周囲にある流体を導入し正圧を発生させることで流体膜を積極的に形成し、しゅう動面間を非接触化(流体潤滑)させます。
結果、従来のしゅう動面と比較し、90%以上の摩擦低減が可能です。
一方、表面テクスチャリングは、形状最適化により負圧を発生させ、しゅう動面間から漏れようとする流体を吸い戻すこともできます。
結果、90%以上の漏れ量低減が可能です。

表面テクスチャリング形状の例（液潤滑）

EKKでは必要な機能に応じた最適な表面テクスチャリング形状の設計が可能です。
また各種表面テクスチャリングを同一しゅう動面上にそれぞれ独立分離させて加工することで、複数の機能を持ったしゅう動面を実現します。

表面テクスチャリングの機能（液潤滑）

下図の例は、表面テクスチャリングによる発生圧力の数値解析結果と、実際のしゅう動面で発生する現象の比較・確認です。
発生圧力の解析による狙い通り、実際に大気側の流体（観察用に滴下したもの）が、しゅう動面の負圧発生領域の効果により流体側に吸い戻されています。（ポンピング作用）

表面テクスチャリングの摩擦低減作用（液潤滑）

下図右図は、従来のしゅう動面と、表面テクスチャリングしゅう動面の摩擦係数の比較試験結果です。表面テクスチャリングにより、98%の摩擦低減を実現しております。 また表面テクスチャリングしゅう動面の試験結果は数値解析結果とほぼ一致しており、解析結果の妥当性も確認できます。

EKKでは、メカニカルシールの膜厚形成能力を評価するため、レーザー励起蛍光法(laser-induced-fluorescence method; LIF法)を用いた、独自のしゅう動面可視化試験機を構築し，密封面間の膜厚を測定しました。本装置を用いることで、メカニカルシールしゅう動面間の静止時および回転時の液膜厚さ分布に関して、サブミクロンオーダでの定量的な測定・評価が可能となります。

膜厚計測の結果、表面テクスチャを付与したシールは、1μm前後の液膜厚さを形成しており、数値解析結果とも良く一致することが確認されました。このことより、表面テクスチャシールの流体潤滑機能は、数値解析により精度よく予測可能であることが分かります。

• 数値解析技術
• 試験計測技術

表面テクスチャリング形状の例（気液ハイブリッド潤滑）

高速回転時においては、液体潤滑を利用した非接触シールの場合であっても、液体の粘性による流体摩擦が大きく無視できない場合があります。
そこで、起動停止時は液体潤滑、超高速時は空気潤滑に自動的に切り替わることで、起動時から超高速回転の幅広い回転数をカバーする、気液ハイブリッド潤滑を実現可能な表面テクスチャ形状を世界で初めて提案し、実用化しました。

基本的な構成液潤滑と共通で、外周側（高圧側/赤色の領域）が潤滑溝，内周側（低圧側/青色の領域）がポンピング溝という構成をとっており、内周側のポンピング溝が気体潤滑機能を併せ持つという部分のみが液潤滑タイプと異なります。

起動-停止時および回転開始直後の低速回転時は、しゅう動面の外周側（高圧側）に配置されているレイリーステップにより、液体潤滑状態で作動する。
液体は内周側（低圧側）に配置されているスパイラルグルーブにより高圧側に引き戻されるため、漏れは生じません。
高速回転時には、内周側のスパイラル溝により空気がしゅう動面内に引き込まれた結果、低速時に導入された液体がしゅう動面から完全に排除され、完全な気体潤滑状態となります。
粘性の極めて小さい空気潤滑が主体となることで、高速回転時は超低摩擦状態での作動が実現できます。

下図右図は，気液ハイブリッド潤滑の摩擦特性を示したイメージ図です。液体潤滑状態では，低速時の摩擦係数は比較的低い反面，速度の増加とともに摩擦係数が増加します(a)。
対照的に、気体潤滑では、低速時の摩擦係数は非常に高いのですが、高速時には劇的に低下します(b)。気液ハイブリッド潤滑シールは、速度の増加とともに、遠心力などによりしゅう動面間の液体潤滑膜が排除され、気体に置き換わることで、液体潤滑から気体潤滑状態に自動的に遷移します。
このため、低速から超高速回転にわたり低摩擦を実現できるように設計されています(c)。
この表面テクスチャ形状は，主にEV向け軸冷却シール、e-Axle向けギアボックスシールなどの高速回転用途として実用化されています。

機能別シールの特徴

EKKは表面テクスチャリング技術を生かし、使用条件や、求められる機能に応じ、最適な表面テクスチャリングメカニカルシールをご提案致します。
どのシールにおいても弊社従来品比で90%以上のトルク低減と、高密封性の両立を実現しています。
また、しゅう動面が接触(境界潤滑)する弊社従来品においては、漏れを防ぎつつ対応可能な周速は50m/s程度が限界でしたが、表面テクスチャリングによる高密封性の確保と、回転中のしゅう動面の非接触化(流体潤滑)により、50m/s以上の高周速にも適用可能です。

シール部の潤滑条件	液体潤滑	気体潤滑用	気体＆液体潤滑用
表面テクスチャリング タイプ	レイリーステップ・逆レイリーステップ	スパイラルグルーブ	レイリーステップ・スパイラルグルーブ
表面テクスチャリング 付与しゅう動面	シーリング（固定環）	メイティングリング（回転環）	メイティングリング（回転環）
シール構造 液体の流れ 気体の流れ
主な用途	液体漏れ防止	気体漏れ防止 （気体の押し戻しによる）	液体漏れ防止 （気体での液体押し戻しによる）

用途別シールの適用事例紹介

自動車業界の事例

• e-モータ軸冷却
• e-Axleギアボックス
• e-ウォーターポンプ
• FCコンプレッサー

• F-1　回生装置
• カーボン軸受
• AT樹脂
• SRe-bike

一般産業機械業界の事例

• 高速圧縮機
• 高圧ポンプ（EK777ES）

半導体業界の事例

• ロータリージョイント

舶用業界の事例

• 船外機
• 潮流発電機

航空宇宙業界の事例

• 航空機用ギアボックス
• 再使用ロケットターボポンプ
• 空飛ぶクルマ

受賞履歴

EKKの表面テクスチャリング技術およびその応用技術が評価され、以下の賞を受賞しています。