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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)
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。
表面テクスチャリングの設計においては、様々な数値解析・計測技術を用いております。
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。
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。
用途別シールの適用事例紹介
EKKの表面テクスチャリング技術は、既に様々な分野への適用が進んでおります。
自動車業界の事例
一般産業機械の事例
半導体製造装置の事例
船舶・海洋発電機の事例
航空宇宙産業の事例
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。
受賞履歴
- トライボロジー学会 第2回トライボロジー秋の学校 2011 in 呉 優秀ポスター賞
- トライボロジー学会 2014年度 奨励賞
- トライボロジー学会 2018年度 技術賞( NOK/EKK ATシールリング)
- トライボロジー学会 第10回トライボロジー秋の学校 2019 in 愛知 最優秀ポスター賞
- 21st Tribo-PPRIME Workshop 2022 Michel Fillon Prize(Best Paper)
発表済み論文・文献
EKKの表面テクスチャリング技術に関する発表済みの文献一覧は、次の通りです。
タイトル | 発表・筆頭著者 | 発表・投稿先 | ジャンル | 年 |
---|---|---|---|---|
Recent developments in high speed mechanical seal applications with textured surface for e-motor shaft seals and cryogenic turbopumps | Y. Tokunaga | TRIBO-PPRIME 21st workshop, Proc. | 学会発表 | 2022 |
電動車用駆動モータ軸水冷システムのシールとテクスチャ技術 | 細江猛 | 車載テクノロジー(技術情報協会) | 解説 | 2022 |
高い冷却効率を実現するEVモータの軸水冷システム向け軸シールの開発動向 | 井村忠継 | トライボロジー会議2022秋 福井 予稿集 | 学会発表 | 2022 |
メカニカルシールにおけるキャビテーション圧力に及ぼす密封液種および溶存気体の影響 | 板谷壮敏 | トライボロジー会議2022秋 福井 予稿集 | 学会発表 | 2022 |
高回転・高効率EVモータ向け沸騰冷却システム用軸シールの開発 | 内山智弘 | トライボロジー会議2022秋 福井 予稿集 | 学会発表 | 2022 |
メカニカルシールにおける異音発生メカニズム解明に向けた高速度カメラによる摩擦振動の可視化 | 相澤啓貴 | トライボロジー会議2022秋 福井 予稿集 | 学会発表 | 2022 |
メカニカルシールの表面テクスチャ形状最適化における機械学習活用の検討 | 王岩 | トライボロジー会議2022秋 福井 予稿集 | 学会発表 | 2022 |
メカニカルシールの研究・開発動向 | 池上直久 | 月刊トライボロジー | 解説記事 | 2022 |
Advanced Surface Textured Mechanical Seal for Tidal Power Generator | EKK | Wave & Tidal Energy Network (Green Energy Publishing Ltd.) | 解説 | 2021 |
表面テクスチャリングメカニカルシールの特徴と活用ポイント | 徳永雄一郎 | 主要機械要素の選定・活用ガイド2021(日刊工業新聞社) | 解説 | 2021 |
極低温流体向け動圧浮上型メカニカルシール技術の適用事例 | 井村忠継 | トライボロジー会議2021秋 松江 予稿集 | 学会発表 | 2021 |
極低温流体対応メカニカルシール技術の最新動向 | 木村航 | トライボロジー会議2021秋 松江 予稿集 | 学会発表 | 2021 |
機械学習を用いたメカニカルシールの表面テクスチャで発生する圧力分布の予測 | 王岩 | トライボロジー会議2021秋 松江 予稿集 | 学会発表 | 2021 |
メカニカルシールにおけるキャビテーション圧力に及ぼす負圧溝形状の影響 | 板谷壮敏 | トライボロジー会議2021春 東京 予稿集 | 学会発表 | 2021 |
メカニカルシールにおけるキャビテーション領域の観察と圧力測定 | 板谷壮敏 | トライボロジスト | 論文 | 2021 |
面接触におけるDLC膜の摩擦特性と気体生成の関係 | 國崎佑介 | トライボロジー会議2021秋 松江 予稿集 | 学会発表 | 2021 |
半導体製造装置における真空シール技術 | 山本祥 | 月刊トライボロジー | 解説記事 | 2021 |
メカニカルシールへのDLC膜の適用 | 池上直久 | 月刊トライボロジー | 解説記事 | 2021 |
新規シール材料:濃厚ポリマーブラシ | 鈴木望(NOK) | NOKテクニカルレポート | 2021 | |
炭化ケイ素同士のメカニカルシール型面接触における水中低摩擦発現 第1報 すべり軸受型面接触との相違 Low Friction in Mechanical Seal of SiC Sliding against Itself in Water |
福原拓人 | トライボロジスト | 論文 | 2021 |
濃厚ポリマーブラシを用いた低摩擦シールの開発 | 青木岳也(NOK) | トライボロジー会議2021秋 松江 予稿集 | 学会発表 | 2021 |
Observation and pressure measurement of cavitation region in mechanical seal | M. Itadani | 25th International Conference on Fluid Sealing (BHRG2020), Proc. | 学会発表 | 2020 |
Dynamic Sealing with Ultra-low Friction for e-Drives | R. Dircks | CTI Symposium, Proc. | 学会発表 | 2020 |
Low-friction Sealing System for E-drives | H. Inoue | MTZ (Springer) | 解説 | 2020 |
Development of Ultra-Low-Friction and Zero-Leakage Mechanical Seal for High-Speed e-Mobility Shaft Sealing Applications | Y. Tokunaga | WCX 2020 SAE World Congress Experience, Proc. | 学会発表 | 2020 |
Visualization of micro cavity flow of surface textured mechanical seal by Particle Tracking Velocimetry | I. Ou | STLE Tribology Frontiers Virtual Conference 2020, Proc. | 学会発表 | 2020 |
メカニカルシールにおけるキャビテーション領域および圧力に及ぼす密封液種の影響 | 板谷壮敏 | トライボロジー会議2020秋 別府 予稿集 | 学会発表 | 2020 |
電気自動車用モータ冷却シール技術に関わるトライボロジー | 細江猛 | トライボロジスト | 解説 | 2020 |
GlideX™ – frictionless sealing solution for electric drives | R. Dircks | Antriebstechnisches Kolloquium 2019, Proc. | 学会発表 | 2019 |
Sealing Performance of Surface Textured Mechanical Seal in Cryogenic Condition of Liquid Hydrogen on Rocket Engine Turbopump | Y. Tokunaga | International Tribology Coference Sendai 2019, Proc. | 学会発表 | 2019 |
メカニカルシールにおけるCAE解析の活用事例 | 徳永雄一郎 | 月刊トライボロジー(新樹社) | 解説 | 2019 |
半導体製造装置における磁性流体シール技術の動向 | 山本祥 | トライボロジスト | 解説記事 | 2019 |
水中でのSiC同士の面接触すべりにおける低摩擦の発生 | 福原拓人 | NOKテクニカルレポート | 2019 | |
Realization of Ultra-High Speed, Zero-Leakage and Low-Friction Textured Mechanical Seals by combining Liquid and Gas Lubrications – Gas Liquid Hybrid Face | W. Kimura | 20th International Sealing Conference Stuttgart 2018, Proc. | 学会発表 | 2018 |
Realisation of Zero-Leakage and Low-Friction Surface Textured Mechanical Seals for Tidal Turbine | Y. Negishi | 20th International Sealing Conference Stuttgart 2018, Proc. | 学会発表 | 2018 |
The Multi-Objective Optimization focused on the Pumping Action for Zero-Leakage and Low-Friction Texturing Mechanical Seals | H. Suzuki | 24th International Conference on Fluid Sealing (BHRG2018), Proc. | 学会発表 | 2018 |
Realization of Surface Textured Mechanical Seals for Tidal Turbine | Y. Negishi | 6th International OTEC Symposium, Proc. | 学会発表 | 2018 |
Recent developments in zero-leakage and low-friction mechanical seal with textured surface | Y. Tokunaga | 17th EDF/Pprime Workshop, Proc. | 学会発表 | 2018 |
超高速対応ゼロリーク・極低摩擦を実現する表面テクスチャリングメカニカルシール | 根岸雄大 | 産業機械(日本産業機械工業会) | 解説 | 2018 |
潮流発電機用表面テクスチャリングメカニカルシール | 根岸雄大 | 産業機械(日本産業機械工業会) | 解説 | 2018 |
極低摩擦と漏れゼロを実現させた表面テクスチャリングメカニカルシール | 根岸雄大 | 産業機械(日本産業機械工業会) | 解説 | 2018 |
メカニカルシールの摩擦低減技術 | 徳永雄一郎 | 数値解析と表面分析におけるトライボロジーの解明と制御(テクノシステム) | 解説 | 2018 |
メカニカルシールにおける楕円ディンプルの流体潤滑特性および密封特性 | 鈴木啓志 | トライボロジー会議2018秋 伊勢 予稿集 | 学会発表 | 2018 |
メカニカルシールにおけるキャビテーション圧力に及ぼす表面テクスチャ形状と流体温度の影響 | 板谷壮敏 | トライボロジー会議2018秋 伊勢 予稿集 | 学会発表 | 2018 |
メカニカルシールにおけるクロソイド曲線を用いた螺旋溝の流体潤滑特性および密封特性 | 井村忠継 | トライボロジー会議2018秋 伊勢 予稿集 | 学会発表 | 2018 |
耐熱性磁性流体およびこれを用いた磁性流体真空シール | 山本祥 | 日本AEM学会誌 | 解説記事 | 2018 |
メカニカルシールへの炭素系硬質膜の適用 | 池上直久 | トライボロジスト | 解説記事 | 2018 |
セラミックスのシール材料への適用 | 福原拓人 | トライボロジスト | 解説記事 | 2018 |
The Optimization of Dimple-Arrangement for Sealing and Lubrication Characteristics on Mechanical Seal Surface | T. Imura | World Tribology Congress 2017 Beijing, Proc. | 学会発表 | 2017 |
Multi-objective design optimization for zero-leakage and low-friction mechanical seals with surface texturing | Y. Tokunaga | World Tribology Congress 2017 Beijing, Proc. | 学会発表 | 2017 |
ゼロリークと低損失を実現したテクスチャリングメカニカルシールのポンピング作用に関する多目的最適化 | 鈴木啓志 | トライボロジー会議2017秋 高松 予稿集 | 学会発表 | 2017 |
メカニカルシールにおけるキャビテーション領域の観察と圧力測定 | 板谷壮敏 | トライボロジー会議2017秋 高松 予稿集 | 学会発表 | 2017 |
メカニカルシールしゅう動面上のディンプル配置の多目的最適化によるポンピング作用の実現 | 井村忠継 | トライボロジー会議2017秋 高松 予稿集 | 学会発表 | 2017 |
メカニカルシールにおけるランダムディンプル配列のしゅう動特性およびポンピング作用への影響 | 谷島綾乃 | トライボロジー会議2017秋 高松 予稿集 | 学会発表 | 2017 |
液体および気体潤滑を組み合わせた超高速対応ゼロリーク・低損失テクスチャリングメカニカルシールの実現 | 木村航 | トライボロジー会議2017秋 高松 予稿集 | 学会発表 | 2017 |
潮流発電機用両回転テクスチャリングメカニカルシールの実用化 | 根岸雄大 | トライボロジー会議2017秋 高松 予稿集 | 学会発表 | 2017 |
メカニカルシールにおけるキャビテーション領域の形状と圧力 | 板谷壮敏 | トライボロジー会議2017春 東京 予稿集 | 学会発表 | 2017 |
メカニカルシールの摩擦低減技術の最新動向 | 徳永雄一郎 | トライボロジスト | 解説 | 2017 |
窒素ガス用DLC膜適応メカニカルシールの使用可能条件 | 岡昌男 | 日本機械学会論文集 | 論文 | 2017 |
表面テクスチャメカニカルシール実用化検討 -流体循環溝の形状と効果- | 板谷壮敏 | トライボロジー会議2016秋 新潟 予稿集 | 学会発表 | 2016 |
メカニカルシールにおけるディンプル深さのしゅう動特性への影響 | 根岸雄大 | トライボロジー会議2016秋 新潟 予稿集 | 学会発表 | 2016 |
表面テクスチャメカニカルシールにおけるしゅう動面堆積物への対応 | 板谷壮敏 | トライボロジー会議2016春 東京 予稿集 | 学会発表 | 2016 |
IBAD法によるTi-Si-N系被膜を施したメカニカルシールとベローズの性能評価 | 上村訓右 | 材料試験技術 | 論文 | 2016 |
ダイヤモンドコーティングのスラリー環境下における摩耗特性 | 加藤雅史 | トライボロジー会議2016秋 新潟 予稿集 | 学会発表 | 2016 |
密封機構と摩擦低減機構を有するメカニカルシールの開発と性能評価 -実験的検討- | 德永雄一郎 | トライボロジスト | 論文 | 2015 |
メカニカルシールに関するグラファイトのトライボロジー特性 | 岡昌男 | トライボロジー会議2015春 姫路 予稿集 | 学会発表 | 2015 |
DLC膜の摩擦摩耗評価 | 岡昌男 | 第42回炭素材料学会年会 予稿集 | 学会発表 | 2015 |
Ti-Si-N系コーティング皮膜の評価 | 上村訓右 | 材料試験技術 | 論文 | 2015 |
メカニカルシールへの表面テクスチャリング技術の適用に関する研究動向 | 徳永雄一郎 | トライボロジー会議2014秋 盛岡 予稿集 | 学会発表 | 2014 |
メカニカルシールにおけるディンプル深さのしゅう動特性への影響 | 根岸雄大 | トライボロジー会議2014秋 盛岡 予稿集 | 学会発表 | 2014 |
メカニカルシールにおけるテクスチャリング技術の動向 | 井上秀行 | トライボロジスト | 解説 | 2014 |
シールを支える可視化技術 | 徳永雄一郎 | トライボロジスト | 解説 | 2014 |
溶接ベローズ材へのIBAD法によるTiNコーティングの評価 | 上村訓右 | 材料試験技術 | 論文 | 2014 |
メカニカルシールにおけるディンプル開口径のしゅう動特性への影響 | 井上秀行 | トライボロジー会議2013秋 福岡 予稿集 | 学会発表 | 2013 |
密封機構と潤滑機構を有するメカニカルシールの開発と性能評価 | 徳永雄一郎 | トライボロジー会議2013秋 福岡 予稿集 | 学会発表 | 2013 |
微細溝形状の流体潤滑作用を利用したメカニカルシールしゅう動面へのポンピング機構の付与 | 徳永雄一郎 | トライボロジー会議2013春 東京 予稿集 | 学会発表 | 2013 |
メカニカルシールにおけるディンプル開口径のしゅう動特性への影響 | 細江猛 | トライボロジー会議2013秋 福岡 予稿集 | 学会発表 | 2013 |
密封機構と摩擦低減機構を有するメカニカルシールの開発と性能評価―理論的検討― | 徳永雄一郎 | トライボロジスト | 論文 | 2013 |
溶接ベローズへの表面コーティングに関する検討 | 上村訓右 | 2013年度 春季ばね及び復元力応用講演会 予稿集 | 学会発表 | 2013 |
TiN被膜の耐食性に関する検討 | 上村訓右 | 材料と環境2013 予稿集 | 学会発表 | 2013 |
メカニカルシールにおける潤滑溝ナノメートル深さのしゅう動特性への影響 | 井上秀行 | トライボロジー会議2012秋 室蘭 予稿集 | 学会発表 | 2012 |
TiN被膜のトライボロジー特性 | 岡昌男 | トライボロジー会議2012秋 室蘭 予稿集 | 学会発表 | 2012 |
Improvement in sealing performance and friction reduction by laser surface tesxuring for mechanical seal | Y. Tokunaga | 21st International Conference on Fluid Sealing (BHRG2011), Proc. | 学会発表 | 2011 |
AM350材薄板の機械的特性に及ぼす熱処理の影響 | 岡昌男 | 熱処理学会 第69回講演大会 予稿集 | 学会発表 | 2010 |
AM350材薄板の機械的特性に及ぼす熱処理の影響 | 岡昌男 | 2010年度 日本ばね学会 秋季定例講演会 予稿集 | 学会発表 | 2010 |
Sliding characteristic of silicon carbide under water-lubricated conditions | Masao Oka | Proc. World Triboloby Congress 2009 | 学会発表 | 2009 |
真空シール向け高温環境対応磁性流体 | 山本祥 | 月刊トライボロジー | 解説記事 | 2008 |
Corrosion Resistance of Plasma-Oxidized Stainless Steel | Jiro Okado | SURFACE AND COATING TECHNOLOGY | 論文 | 2008 |
Measurement of film distribution by two-dimensional dynamic measuring system for mechanical seals | Y. Tokunaga | 19th International Conference on Fluid Sealing (BHRG2007), Proc. | 学会発表 | 2007 |
ニハード系鋳鉄の摩耗に及ぼすクロム含有量の影響 | 長田晴裕 | トライボロジスト | 論文 | 2006 |
水中でのSiC同士の面接触すべりにおける低摩擦の発生 | 福原拓人 | トライボロジー会議2018春 東京 予稿集 | 学会発表 | |
水中SiC同士面接触すべりにおける表面粗さ制御による低摩擦発現 | 福原拓人 | トライボロジー会議2018秋 伊勢 予稿集 | 学会発表 | |
Formation process of low friction interface in plane contact of SiC sliding against itself in water | Takuto Fukuhara | Proc. International Tribology Coference Sendai 2019 | 学会発表 |