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Oリングは、パッキンまたはトーリックジョイントとも呼ばれ、トーラス状の形状をした機械式ガスケットです。円形の断面を持つエラストマー製のループで、溝に装着され、2つ以上の部品間の組み立て時に圧縮されることで、接合面にシールを形成するように設計されています。
Oリングは、静的用途または部品とOリングの間に相対運動がある動的用途で使用できます。動的用途の例としては、回転するポンプシャフトや油圧シリンダーピストンなどがあります。Oリングの静的用途には、流体またはガスのシール用途があり、次の条件を満たす必要があります。(1) Oリングが圧縮されてクリアランスがゼロになる、(2) Oリング材料が加硫固体で、流体またはガスを通さない、(3) Oリング材料が流体またはガスによる劣化に耐性がある。[ 1 ] シールする必要のある液体やガスの範囲が広いため、Oリング材料の範囲が広く開発されてきました。Oリングは、安価で、製造が容易で、信頼性が高く、取り付け要件が簡単なため、機械設計で使用される最も一般的なシールの1つです。最大5,000 psi (34 MPa )の圧力でシールするようにテストされています。[ 2 ] Oリングシールの推奨最大圧力は、シールの硬度、材質、断面直径、および半径方向のクリアランスによって異なります。[ 3 ]
Oリングの最初の特許は、1896年5月12日にスウェーデン特許として取得されました。Oリングの発明者であるJO Lundbergが特許を取得しました。 [ 5 ] Oリングの米国特許[ 6 ] [ 7 ]は、当時72歳だったデンマーク生まれの機械工、Niels Christensenによって1937年に出願されました。[ 8 ] 1933年に出願された特許2115383 [ 9 ]の出願書類の中で、彼は「この発明は、油圧ブレーキの新規かつ有用な改良、特に動力伝達シリンダーのピストンの改良されたシールに関するものです」と述べています。彼は「固体ゴムまたはゴム組成物で作られた円形断面のリング 」について説明し、「このリングの滑りまたは部分的な回転 によって、リングの材料が練り込まれ、表面上でのゴムの純粋な静的滑りによって生じる擦り傷の悪影響なしに、リングが生き生きとして柔軟に保たれる。このわずかな回転または練り込み作用によって、リングの寿命が延びる」と述べている。1937年に提出された彼の出願書類には、「これは、1933年12月29日に出願され、現在1938年4月26日に付与された米国特許第2,115,383号である、同時係属中の油圧ブレーキに関する出願第704,463号の一部継続出願である」と記されている。
1891年に米国に移住して間もなく、彼は路面電車用の空気ブレーキシステムの特許を取得しました。彼の法的努力にもかかわらず、特許はウェスティングハウス社に渡るまで、企業から企業へと渡りました。[ 8 ]第二次世界大戦 中、米国政府はOリングの特許を重要な戦争関連品目として徴用し、製造権を他の組織に与えました。クリステンセンは、その努力に対して7万5000米ドルの一時金を受け取りました。訴訟の結果、彼の死後19年後の1971年に、彼の相続人に10万ドルが支払われました。[ 8 ]
Oリングは、メートル法とインチ法のさまざまな標準サイズで入手可能です。サイズは、内径と断面直径（厚さ）で指定されます。米国では、最も一般的なインチ標準サイズはSAE AS568C規格（例：AS568-214）に準拠しています。ISO 3601-1:2012には、世界中で最も一般的に使用されているインチおよびメートル法の標準サイズが記載されています。英国にもBSサイズと呼ばれる標準サイズがあり、通常はBS001からBS932までの範囲です。その他にもいくつかのサイズ規格が存在します。
Oリング接合部の設計を成功させるには、Oリングに予測可能な変形を与える強固な機械的取り付けが必要です。これにより、Oリングの接触面に計算された機械的応力が発生します。封入される流体の圧力がOリングの接触応力を超えない限り、漏れは発生しません。封入された流体の圧力は、基本的に非圧縮性のOリング材料を通して伝達され、圧力の上昇に伴って接触応力も増加します。このため、Oリングは機械的に破損しない限り、高圧を容易にシールできます。最も一般的な破損は、相手部品からの押し出しです。
このシールは、Oリングとシール面が点接触するように設計されています。これにより、Oリング本体の降伏応力を超えずに高圧に耐えられる高い局所応力が得られます。Oリング材料の柔軟性により、取り付け部品の不完全さを吸収できます。しかし、特にシールゴムがガラス転移温度に達して柔軟性が失われ、ガラス状になる低温環境では、相手部品の表面仕上げを良好に保つことが重要です。表面仕上げは、動的な用途においても特に重要です。表面仕上げが粗すぎるとOリングの表面が摩耗し、表面が滑らかすぎるとシールが流体膜によって適切に潤滑されません。
真空用途では、材料の透過性により点接触が使用できなくなります。代わりに、より高い取り付け力が使用され、リングが溝全体を埋めます。また、リングの過度の変形を防ぐために、丸いバックアップリングが使用されます。 [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]
リングはシール部分でのみ周囲圧力とガスの分圧を受けるため、シール付近では勾配が急になり、内部では勾配が緩やかになります（接触応力の勾配とは逆になります[ 14 ]（真空フランジ#KF.2FQFを参照） 。10⁻⁹ Torr以下の高真空システムでは、銅またはニッケルのO リングが使用されます。また、液体窒素に浸漬する必要のある真空システムでは、ゴムが低温で硬く脆くなるため、インジウムのOリングが使用されます。
高温用途によっては、ゴー・ジュール効果を補償するために、Oリングを接線方向に圧縮された状態で取り付ける必要がある場合があります。
O リングにはさまざまなサイズがあります。米国自動車技術者協会 (SAE) 航空宇宙規格 568 (AS568) [ 15 ]では、シール用途およびストレートねじチューブ継手ボスガスケットに使用される O リングの内径、断面、公差、およびサイズ識別コード (ダッシュ番号) を規定しています。英国規格 (BS) は、インチサイズまたはメートルサイズです。O リングの一般的な寸法は、内径 (id)、外径 (od)、および厚さ / 断面 (cs) です。
メートル規格のOリングは通常、内径×断面積で定義されます。メートル規格Oリングの一般的な部品番号は、内径×断面積（材質とショア硬度）で表されます。2x1N70は、内径2mm、断面積1mm、ニトリルゴム製でショア硬度70のOリングであることを示しています。BS規格のOリングは、標準規格によって定義されます。
世界最大のOリングは、トレレボルグ・シーリング・ソリューションズ・テュークスベリーがテュークスベリー・スクールの生徒20名と提携してギネス世界記録に挑戦し、成功を収めたものです。完成したOリングは、中世のテュークスベリー修道院の周りに設置され、円周は364m （1,194フィート） 、内径は約116m （381フィート）、断面は7.2mm （0.28インチ）でした。[ 16 ]
Oリングの選択は、化学的適合性、適用温度、シール圧力、潤滑要件、硬度、サイズ、およびコストに基づいて行われます。[ 17 ]
Oリングはもともと円形の断面形状からその名が付けられましたが、現在では断面形状に様々なバリエーションがあります。形状は、X字型断面など、様々なプロファイルを持つことができ、一般的にはXリング、Qリング、または商標名クワッドリングと呼ばれています。取り付け時に圧縮されると、上下に2つの小さな接触面を持つ4つの接触面でシールされます。[ 22 ]これは、標準的なOリングの上下に比較的大きな単一の接触面とは対照的です。Xリングは、往復運動用途で最も一般的に使用され、Oリングと比較して、運転摩擦とブレークアウト摩擦が低減され、らせん状になるリスクが低減されます。
正方形の断面を持つリングもあり、これらは一般的にスクエアカット、旋盤カット、タブラーカット、またはスクエアリングと呼ばれています。Oリングは目新しさ、効率的な製造プロセスの欠如、および高い労働コストのために高価格で販売されていたため、Oリングの経済的な代替品としてスクエアリングが導入されました。スクエアリングは通常、エラストマースリーブを成形し、それを旋盤で切削することによって製造されます。このタイプのシールは、特定の材料と成形技術（圧縮成形、トランスファー成形、射出成形）を使用すると、特に少量生産の場合、製造コストが低くなることがあります。静的用途におけるスクエアリングの物理的なシール性能はOリングよりも優れていますが、動的用途ではOリングよりも劣ります。スクエアリングは通常、キャップシールアセンブリのエナジャイザーとして動的用途でのみ使用されます。スクエアリングはOリングよりも取り付けが難しい場合もあります。
断面が円形でない同様の装置は、シール、パッキン、またはガスケットと呼ばれます。ワッシャー（ハードウェア）も参照してください。[ 23 ]
自動車のシリンダーヘッドは通常、銅で覆われた平らなガスケットで密閉されている。
高真空用途では、銅製ガスケットに押し込まれたナイフエッジが使用される。
シール材としては、その場で固化するエラストマーや軟質金属が用いられる。
Oリングの材質は、高温または低温、化学薬品による腐食、振動、摩耗、および動きにさらされる可能性があります。エラストマーは、状況に応じて選択されます。
Oリング材には、-330 °F (-200 °C)という低温から480 °F (250 °C)という高温まで耐えられるものがあります。低温では、ほとんどすべてのエンジニアリング材料が硬化してシール機能を失います。高温では、材料が燃えたり分解したりすることがよくあります。化学攻撃によって材料が劣化したり、脆い亀裂が発生したり、膨張したりすることがあります。例えば、NBRシールは、保護されていない限り、非常に低濃度のオゾンガスにさらされると亀裂が入ることがあります。低粘度の流体と接触して膨張すると、寸法が大きくなり、ゴムの引張強度も低下します。その他の故障の原因としては、特定の凹部に対して不適切なサイズのリングを使用することで、ゴムが押し出されることが挙げられます。
使用温度、化学物質への曝露、または要求されるシール寿命がエラストマーで提供できる範囲を超える場合、エラストマーOリングの代わりにPTFEジャケット付きスプリング式シールが使用されることがあり、内部の金属スプリングがポリマーだけでは生成できないシール力を供給します。[ 24 ] [ 25 ]
エラストマーは電離放射線に敏感です。一般的な用途では、Oリングは紫外線や軟X線などの透過力の低い放射線からは十分に保護されますが、中性子などの透過力の高い放射線は急速な劣化を引き起こす可能性があります。このような環境では、軟質金属シールが使用されます。
Oリングが故障する一般的な原因はいくつかあります。
1986年1月28日に発生したスペースシャトル・チャレンジャー号の事故原因は、Oリングシールの不具合であると断定された。重要な要因の一つは、打ち上げ前の寒冷な気候であった。このことは、カリフォルニア工科大学の物理学教授リチャード・ファインマンが、小さなOリングを氷水に入れ、その後、調査委員会の前でその柔軟性が失われる様子をテレビで実演したことで有名である。
破損したOリングの材質はFKMで、これはスペースシャトルのモーター請負業者であるモートン・チオコール社が指定したものです。Oリングはガラス転移温度Tg以下に冷却されると、弾性を失い脆くなります。さらに重要なのは、OリングがTg付近（ただしTgを超えない）に冷却されると、圧縮された冷たいOリングは通常よりも元の形状に戻るのに時間がかかるということです。Oリング（およびその他のすべてのシール）は、表面に正圧をかけることで漏れを防ぐ仕組みになっています。打ち上げ前夜には、極めて低い気温が記録されました。そのため、NASAの技術者が検査を実施したところ、周囲温度は打ち上げパラメータの範囲内であったため、打ち上げシーケンスは続行されました。しかし、ゴム製Oリングの温度は周囲の空気の温度よりもかなり低いままでした。ファインマンは打ち上げ映像の調査中に、事故直前に固体ロケットブースターの2つのセグメントの接合部から小さなガス放出が発生しているのを確認しました。これはOリングシールの不具合が原因とされた。漏れ出した高温ガスが外部タンクに衝突し、その結果、車両全体が破壊された。
事故以来、ゴム製造会社は変更を実施してきました。現在では、多くのOリングには医薬品製造で行われているように、流通を正確に追跡および管理するために、バッチと硬化日のコードが付けられています。航空宇宙および軍事用途では、Oリングは通常個別に包装され、材質、硬化日、バッチ情報が記載されたラベルが貼られています。必要に応じて、Oリングは店頭から回収できます。[ 26 ]さらに、Oリングやその他のシールは、製造業者によって品質管理のために定期的にバッチテストされ、多くの場合、販売業者と最終エンドユーザーによってさらに数回品質保証テストが行われます。
ブースター本体に関しては、NASAとモートン・チオコール社は新しいジョイント設計を採用し、従来の2個ではなく3個のOリングを使用するように再設計しました。ジョイント自体には、気温が50 °F（10 °C）を下回ると作動するオンボードヒーターが搭載されています。チャレンジャー号事故以降、Oリングに関する問題は発生しておらず、2003年のスペースシャトル・コロンビア号事故にも関与していません。