ガス透過とは、損傷したシール端部の周囲ではなく、健全なポリマーの内部をガスが移動する現象です。長時間の圧力保持、真空用途、分析装置、特殊ガスシステムでは重要になる場合があります。しかし、一般的な工場の空圧設備では、継手の漏れ、バルブ経路、表面の傷、ピストンのバイパス漏れが測定損失の大部分を占めることが少なくありません。
この違いによって調査方法が変わります。NBR、FKM、TPU、PTFEといったポリマー系統名だけでは、完成したシリンダーの漏れ量は分かりません。透過量の推定を有用なものにするには、ガス、正確な配合、温度、圧力差、シール形状、つぶし率、潤滑状態、ハードウェアの状態、測定境界を把握する必要があります。
要点
- ParkerのOリング推定式は、5つの入力値から概算損失速度を算出します。
- 透過性データは、ガス、配合、温度、単位、試験方法が一致する場合にのみ比較してください。
- 圧力保持試験で測定されるのは総損失であり、曲線形状だけで透過を特定することはできません。
- ASTM D1434およびISO 15105の試験対象はフィルムまたはシートであり、完成したシリンダーシールではありません。
ガス透過とは何か、漏れとはどう違うのか
Parkerのハンドブックには、水素、窒素、ヘリウム、二酸化炭素という4種類のガスの透過係数表が掲載されています。同書では、加圧ガスがエラストマーに入り、非加圧側から抜け出る現象を透過と定義しています。また、シールの総損失には、完全には埋められていない表面凹凸を通るガス移動も含まれ得ることが示されています（Parker Oリングハンドブック、2024年）。
ガス透過とは、シール材料本体を通る移動です。一般的な溶解拡散モデルでは、分子がまず高圧側表面に溶解し、ポリマーマトリックス内を拡散して、低圧側表面から脱離します。透過係数は、材料に対するガスの溶解度と拡散率を組み合わせたものです。
ここで、は特定のガス・材料・温度条件における透過係数、は拡散係数、は溶解度係数です。これらの量は条件ごとに異なります。20°Cの乾燥窒素の値は、名称を変えただけで空気、ヘリウム、水素、または高温用途の値になるわけではありません。
機械的漏れは、シール周囲またはアセンブリ内の物理的な経路を通ります。その経路には、傷、押し出し損傷、不適切な溝、接触不良、ポート継手、バルブシート、ピストンのバイパスなどがあります。健全なシール材を交換しても漏れている継手は塞がらず、継手を締めても健全なエラストマー内の拡散は変わりません。
この2つのメカニズムは同時に発生する場合があります。表面粗さや不完全な接触によるガス経路はシール界面に存在しますが、材料本体の透過ではないため、特に区別が難しくなります。したがって、システムの圧力計だけでは損失をいずれか一方のメカニズムに帰属させることはできません。
部品の特定には、産業用シリンダーシールの種類に関するガイドをご参照ください。疑わしい経路がピストンを横切って一方の室から他方の室へ通じている場合は、別記事の空圧シリンダー内部漏れの確認手順をご利用ください。
3つのガス透過量を混同してはいけない
ASTM D1434では、ガス透過速度、パーミアンス、透過係数という3つの報告量を区別しています。適切な均質試験片の結果を厚さで正規化するのは透過係数だけであり、面積・圧力当たりの速度が自動的に材料定数になるわけではないため、この区別は重要です（ASTM D1434-23、2023年）。
ガス透過速度（GTR）は、所定条件下で単位時間に試験片の単位面積を通過する試験ガスの量を示します。これは試験した試験片に固有の値です。厚さ、形態、温度、湿度、圧力条件が変われば、報告値も変化する可能性があります。
パーミアンスは、透過量を駆動圧力差で割ったものです。これも試験片の構成に固有の値です。の値は単位に厚さが含まれないため、パーミアンスに相当します。
透過係数には長さの項が加わり、厚さとの関係が成立する場合に均質材料を特性評価するための値です。定常状態の平板試験片では、スクリーニング用の関係式は次のとおりです。
ここで、はガス流束、はガス透過係数、は試験ガスの分圧差、は試験片の厚さです。この式は平面状で均質な経路を表します。圧縮されたOリング、加圧型PTFEシール、Uカップ、ロッドレスシリンダーのシールバンドには、実際の形状に適した幾何学モデルが必要です。
ASTMは、厚さと透過量の関係が既知でない限り、透過試験の結果を透過係数へ換算しないよう警告しています。また、可塑剤含有量、不均質性、水分、試験手順、試験所を変動要因として挙げています。こうした注意事項から、条件の異なるサプライヤー値を転記して万能の材料表を作ることはできません。
ParkerのOリングモデルで透過量を推定する方法
ParkerのOリング近似式は、透過係数、Oリング内径、差圧、つぶし率・潤滑補正係数、断面圧縮率という5つの入力値を使用します。これらの入力値から概算損失速度を算出します。Parkerは、同一ポリマー系統内でも配合によって差があるため、結果は概算であるとも述べています（Parker Oリングハンドブック、2024年）。
Parkerが公開している表記を用いると、近似式は次のとおりです。
この式では、
- は単位の概算ガス損失です。
- は、ハンドブックに記載された単位によるParkerの表掲載透過係数です。
- はミリメートル単位のOリング内径です。
- はbar単位の差圧です。
- は圧縮および潤滑に関するParkerの補正係数です。
- は小数で表した断面圧縮率です。
この式は、Parkerの表に併記された単位と係数定義に従ってのみ使用してください。1平方センチメートル・1日当たりで報告された値を代入し、それを同じと見なしてはいけません。次元の異なる数値でも、もっともらしく見えながら無意味な結果を生む可能性があります。
この式には、変形後の断面が長方形であること、圧縮前後の断面積が等しいこと、ガス透過量が差圧に比例すること、という3つの幾何学的仮定も含まれています。したがって、これはOリングのスクリーニング用推定式であり、あらゆるシリンダーシールの認証方法ではありません。
最も有用な出力は、桁数の確認であることが少なくありません。計算した透過量が測定総損失を大幅に下回る場合は、まず界面、バルブ、チューブ、ポート、ピストンのバイパス、温度の影響を調査してください。推定値が測定損失に近い場合は、アクチュエーターの設計を変更する前に、配合固有の治具試験を依頼してください。
ポリマー系統だけでは普遍的な順位を付けられない理由
Parkerの窒素表では、同ハンドブックの係数スケールにおいて、TPUは23°Cで0.17、NBRは20°Cで0.5、FKMは30°Cで0.25と記載されています。この小さなデータ群でさえ3つの温度が混在しているため、無条件にTPU、NBR、FKMを順位付けする根拠にはなりません（Parker Oリングハンドブック、2024年）。
ベースポリマー名だけでは配合内容が分かりません。充填材、可塑剤、架橋化学、硬度、加工履歴、結晶化度、吸収した媒体はいずれも移動挙動を変える可能性があります。2つのNBR配合が同じ名称でも、透過性、圧縮永久ひずみ、摩耗、低温応答、耐薬品性が異なることがあります。
ガスの種類はポリマー系統と同じくらい重要です。透過は、分子拡散と材料への溶解度の両方に依存します。小さな分子は速く拡散する傾向がありますが、溶解度が高ければ、単純な分子サイズの順位から予想される以上に大きなガスが強く透過する場合があります。二酸化炭素は、サイズだけを変数として扱ってはいけない代表的な例です。
PTFEにも同じ慎重さが必要です。バージンPTFE、改質PTFE、充填PTFE、エラストマーで加圧されたPTFEシールは、相互に交換できる同一製品ではありません。試験片の透過係数が低くても、完成したシールの接触応力が十分であること、コールドフローが許容範囲であること、界面漏れが少ないこと、動的摩耗が適切であることは証明されません。
媒体、運動、温度、ハードウェアを含む総合的な選定には、空圧シリンダーのシール材料ガイドをご参照ください。透過は検討項目の一つであり、唯一の選定基準にすべきではありません。
ガスと温度によって結果は変わる
Parkerの表では、NBRの窒素係数は20°Cの0.5から80°Cの14へ上昇し、28倍になります。ヘリウムの場合、NBRは25°Cの8から80°Cの66へ上昇します。これらの値は、室温の空気データでは高温ヘリウム用途を検証できない理由を示しています（Parker Oリングハンドブック、2024年）。
温度は、拡散、溶解度、シールのつぶし、潤滑剤粘度、ハードウェア寸法を同時に変化させます。検証済みの温度範囲では配合にアレニウス関係が適合する場合がありますが、一般的な「20°Cごとに2倍」という規則は測定データの代わりにはなりません。外挿すると材料の遷移点をまたぎ、大きな誤差が生じる可能性があります。
圧力にも同様の注意が必要です。定常状態モデルでは透過量が差圧に比例すると仮定する場合がありますが、材料内部のガス濃度が平衡に近づくには時間がかかります。特に断面が厚い場合や高圧ガスでは、初期過渡状態、浸漬時間、圧力履歴、減圧速度が影響する可能性があります。
急減圧は別の故障問題です。エラストマーに吸収されたガスが、抜け出すより速く膨張すると、膨れ、亀裂、くぼみが発生する可能性があります。Parkerはこれを爆発的減圧と呼び、ガス、圧力、配合、断面寸法、減圧条件を用いて評価しています。透過量が少ない配合が、自動的に急減圧に最適な配合になるわけではありません。
比較表は、マーケティング上の名称ではなく試験条件ごとに作成してください。
| 必須項目 | 比較可能性を左右する理由 |
|---|---|
| 正確な配合とバッチ | ポリマー系統名では配合差が分かりません |
| 試験ガスと純度 | 拡散率と溶解度はガスごとに異なります |
| 温度 | 係数は数桁変化する場合があります |
| 圧力と分圧 | 駆動力は対象ガス固有の圧力差です |
| 試験片の厚さと形状 | 透過速度、パーミアンス、透過係数は異なる量です |
| 調整条件と湿度 | 吸収水分や過去の暴露が結果に影響する場合があります |
| 試験方法と単位 | 手順や単位基準が異なる値を暗黙に混在させることはできません |
圧力減衰試験で透過と漏れを分離できるか
ASTM D1434は水分変化0%の乾燥ガスを使用し（ASTM D1434-23、2023年）、そのフィルム試験手順にはシール試験の規定がないことを明記しています。したがって、シリンダーの圧力保持試験は異なる条件下で組立済みシステムを測定するものであり、追加の対照試験なしに、観測された圧力変化の一部を透過と特定することはできません。
温度が変化すれば圧力も変わります。剛体容積内のガス量が一定でも、わずかな温度変動によって圧力計の指示値は変化します。減衰を解釈する前に、絶対圧力、ガス温度、周囲温度、有効容積、バルブ状態、ピストン位置、安定化時間を記録してください。
定容積の理想気体近似では、温度補正したガス量の変化を次式で概算できます。
ここで、はガス量の変化、は校正済み試験容積、は気体定数、とは絶対圧力、とは絶対温度です。この式が示すのは見かけの総損失であり、その経路は特定できません。
妥当な調査では、次の対照を用います。
- バルブ、継手、ポート、チューブ、計器を分離するか、その特性を把握します。
- 時間を定めた保持試験の前に、試験体とガスの温度を安定させます。
- 反復試験では同じピストン位置と有効容積を使用します。
- 適切な漏れ検出方法で外部経路を確認します。
- 回路が許す場合は、ピストンのバイパス漏れを別に測定します。
- 複数の圧力および保持時間で試験を繰り返します。
- 残った損失を配合固有の透過推定値と比較します。
- 重要な結果は治具試験または部品試験で確認します。
圧力減衰漏れ量計算ツールを使用すると、管理された圧力変化と既知の容積から見かけの総損失を換算できます。この結果は測定境界として使用し、分子透過の証明とは見なさないでください。
試験規格で実際に証明できること
現在の2つの規格は適用範囲の境界を明確に示しています。ASTM D1434-23はプラスチックフィルムおよびシートを対象とする圧力測定法を使用し、ISO 15105-2:2025はフィルム、シート、積層材、共押出材、または柔軟なコーティング材を対象とする等圧法によるガス透過試験を規定しています。いずれの規格名も完成シリンダーの検証を対象としていません（ASTM、2023年、ISO、2025年）。
ASTM D1434では、ガス透過速度、パーミアンス、および適切な均質材料については透過係数を報告できます。また、測定値を半定量的な推定値と位置付け、試験方法と試験所が結果に影響し得ると警告しています。ASTMは、判定目的でこの方法を使用する前に、購入者と販売者が同じ量を測定していることを確認すべきだとしています。
ISO 15105-2:2025は等圧法を規定し、適用可能なプラスチック試験片の形態を説明しています。サプライヤーが認知された試験片試験法を必要とする場合に有用ですが、その結果も実際のシール配合、成形工程、圧縮、形状、表面接触、ハードウェアと関連付ける必要があります。
動的シリンダーシールでは、材料試験と部品試験を別々の証拠層として使用してください。
- 試験片データにより、管理された条件下で配合を絞り込みます。
- 寸法検査により、シールと溝を確認します。
- 治具試験により、特定のシール構成を分離します。
- シリンダー試験により、ハードウェア、組立、バルブ、界面、運動を評価します。
- 用途試験により、実際の温度、デューティサイクル、ガス、保持要件を確認します。
購入仕様には何を記載すべきでしょうか。必要な試験方法と試験片の条件を指定し、さらに温度、絶対圧力、有効容積、時間、許容総損失、バルブ境界、測定不確かさを管理した部品レベルの受入試験を追加してください。
シール選定前に技術者が指定すべき事項
Parkerの近似式には5つの定義済み入力値が必要ですが、有効な用途検討には式以外にも、正確な配合、ガス、温度、圧力履歴、形状、運動、表面状態、試験境界が必要です。いずれか一つでも欠けると、精密に見える透過係数が組付け済みシリンダーには無関係になる可能性があります（Parker Oリングハンドブック、2024年）。
シールサプライヤーには、次の情報を送付してください。
- シールの位置と機能
- 形状、寸法、つぶし率、溝図面、表面仕上げ
- 正確な配合記号と硬度
- ガス組成、純度、湿度、潤滑剤への暴露
- 最低、通常、最高温度
- 連続圧力、ピーク、滞留、サイクル、減圧速度
- 静止、往復、回転、揺動の各運動
- 許容総損失と保持時間
- 使用予定の試験片、治具、アセンブリ試験方法
- 測定不確かさと合否判定責任者
動的シールの場合は、速度、ストローク、潤滑状態、アライメント、摩耗許容量、汚染も含めてください。動的シールと静的シールの比較ガイドでは、エンドキャップのOリングに適した配合が、ピストンやロッドの界面には適さない場合がある理由を説明しています。
耐薬品性は、これとは別の判定項目です。透過係数が低くても、実際の媒体中で膨潤、硬化、亀裂、潤滑喪失が起きる配合は適切な選択ではありません。材料を承認する前に、シール適合性の確認方法と照合してください。
コストを検討するのは、容積単位が正しいことを確認した後です。仮の計算結果が年間2,200リットルであれば、年間容積は2,200立方メートルではなく、です。1立方メートル当たりUSD 0.03と仮定すると、年間コストはです。節約効果を主張する前に、この結果と材料の追加費用を比較してください。
この計算によって優先順位が変わることは少なくありません。エネルギーコストが小さくても、純度、真空、特殊ガス、長時間の隔離保持、安全要件に対しては分子透過が決定的になる場合があります。通常の圧縮空気工場では、透過係数の低い配合を購入するより、測定可能な機械的漏れを修理する方がはるかに大きな価値をもたらす可能性があります。
シリンダーシールのガス透過に関するよくある質問
Parkerの近似式は5つの入力値を使用し、同社のハンドブックには4種類のガスについて個別の係数表が掲載されています。一方、ASTM D1434はフィルム測定が半定量的であり、シール試験ではないと警告しています。以下の回答では、圧力減衰診断、材料順位、つぶし率、規格、見積依頼の判断を、文書化された範囲内で説明します（Parker、2024年、ASTM、2023年）。
圧力減衰試験でシリンダーシールの透過を証明できますか
いいえ。圧力減衰は、選択した測定境界内における温度変化、計器誤差、バルブ漏れ、継手漏れ、ピストンのバイパス、表面経路、材料本体の透過を合算した結果です。温度と容積を管理し、機械的経路の特性を把握したうえで、残りの損失を配合固有の推定値と比較してください。透過そのものを合否基準とする場合は、専用治具を使用してください。
PTFEは常に透過量が最も少ないシリンダーシール材料ですか
いいえ。ガス、PTFEグレード、加圧材、温度、圧力、試験片の試験方法、形状、組付け時の接触状態を指定しなければ、普遍的な順位付けはできません。バージンPTFE、改質PTFE、充填PTFEは特性が異なり、材料の透過係数が低くても、界面漏れが少ないことや動的摩耗が許容範囲であることは保証されません。条件を一致させて正確な製品データを比較し、シール構成全体を試験してください。
ASTM D1434のデータで完成した空圧シリンダーを認証できますか
いいえ。ASTM D1434はプラスチックフィルムおよびシートのガス透過を対象としており、シール試験の規定がないことを明記しています。試験片と条件が文書化されていれば、その結果を材料のスクリーニングに利用できます。完成したシリンダーには、温度、容積、圧力、バルブ境界、時間、不確かさを定義した部品レベルの保持試験または漏れ試験が必要です。
Oリングのつぶし率を上げれば、ガス損失は必ず減りますか
いいえ。Parkerの近似式にはつぶし率と潤滑補正が含まれますが、幾何学的仮定を伴う概算モデルです。つぶし率が過大になると、摩擦、組立力、発熱、摩耗、圧縮永久ひずみが増えたり、溝容積が不足したりする可能性があります。計算値だけを追ってつぶし率を最大化せず、選定したOリングの溝設計指針に従い、実際の動的デューティを検証してください。
シールの見積依頼には、どの透過データを含めるべきですか
正確な配合、シール形状と寸法、ガスと純度、湿度、潤滑剤、温度、絶対圧力と差圧、浸漬・減圧履歴、運動、つぶし率、表面仕上げ、採用する試験方法、試験片厚さ、単位、保持時間、総損失限度、測定境界、不確かさを指定してください。試験片データと完成部品の受入基準を分けて提示するよう、サプライヤーに依頼してください。