すでにご存知の通り、最大システム圧力は、通常閉じた圧力制御バルブで制御できます。このバルブの一次ポートはシステム圧力に接続され、二次ポートはタンクに接続されます。スプールは、あらかじめ設定された圧力を基準として制御され、一次および二次流路が所定の圧力に達すると、一部の流量がタンクへと分流します。この通常閉じた圧力制御バルブが、リリーフバルブです。本章では、圧力制御バルブのすべての種類（構造、回路への応用、主要な性能特性）について解説します。

圧力調整

圧力制御バルブでは、通常、調整ネジを用いてバイアススプリングの初期荷重を調整することで圧力を設定します。ネジを回すことで圧力が変化します。

図11-1：通常閉じた圧力制御バルブ。調整ネジによりスプリングの初期荷重が設定され、これによってスプールが持ち上がりバルブが開く圧力が決定されます。

通常閉じた圧力制御バルブの応用

油圧システムにおいて、常時閉じ型の圧力制御バルブはいくつかの用途があります。システムの安全弁として使用されるだけでなく、動作の順序を制御するためにも用いられます——つまり、ある動作が他の動作よりも先に発生するように制御します。また、外部からの機械的力をバランスさせるためにも使用できます。

シーケンスバルブ

ある動作が他の動作よりも先に発生するように制御する常時閉じ型の圧力制御バルブは、シーケンスバルブと呼ばれます。

シーケンスバルブ回路の応用

クランプとドリルの両方を実行する油圧回路において、クランプシリンダはドリルシリンダより先に作動しなければならない。これを実現するために、順序弁はドリルシリンダ直前の回路に配置される。順序弁内のスプリングは、一次側および二次側の流路を接続するスプールが、スプリング力に打ち勝つのに十分な高圧になるまで作動させないため、その間はドリルシリンダへの流体の流れが遮断される。これにより、クランプシリンダがまず作動する。クランプがワークピースに接触すると、抵抗を克服するためにポンプはより高い圧力を供給しなければならない。これにより、順序弁のスプールに作用するパイロット圧力よりも高い圧力が発生し、一次側および二次側の流路が接続されてドリルシリンダへ流体が供給され、ドリルシリンダが作動を開始する。

図11-2 順序弁回路。順序弁がシステム圧力が上昇するまでドリルシリンダへの流れを遮断するため、常にクランプが閉じてからドリル加工が始まる。

カウンターバランスバルブ

通常閉じている圧力制御弁で、荷重（例えばプレスのプラテンなど）をバランス調整または支持するために使用されるものをカウンターバランス弁と呼びます。

カウンターバランス弁回路の応用

プレス回路において、方向制御弁がシリンダのロッド側（無桿側）に油を供給すると、ピストンロッドに接続されたプレスプラテンは重力によって制御不能な状態で落下し、ポンプの吐出流量が吸い尽くされてしまいます。これを防ぐため、プレス用シリンダの下流側に通常閉じている圧力制御弁を設置します。この弁のスプールは、シリンダ底部の圧力がプラテンの重量によって生じる圧力を上回るまで、一次側から二次側への通路を開きません。言い換えれば、シリンダのロッド側（無桿側）へ油を供給する際に、この方式により、下降行程全体を通してプラテンの重量をバランス調整します。

バランス弁は、重負荷の油圧モーターの回転運動を制動する目的でも使用できます。重い車輪を駆動する油圧モーターの場合、車輪が慣性を帯びると、モーターがオーバースピード（ランアウェイ）になることがあります。モーターの吐出側にバランス弁を設置すると、吐出圧力が設定圧に達した場合にのみ弁が開きます。このバックプレッシャーにより、重い車輪の回転慣性によって生じる力を相殺します。

図11-3 バランス弁。（上）プレスプレートの制御不能な落下を防止。（下）負荷がモーターを駆動する際に、重負荷モーターのオーバースピードを防止。

単純リリーフ弁

単純リリーフ弁は、基本的に、硬めのばねで付勢されたスプールを備えた弁本体から構成されます。ばねと反対側のスプール面に作用する圧力が十分に高くなると、スプールが移動して通路を開き、ポンプの吐出流量をタンクへ逃がします。

例示回路において、単純なリリーフバルブは、ポンプ吐出圧が1,000 psi（68.97 bar）に達したときに10 gpm（37.9 lpm）のリリーフ流量が発生するよう設定されています。これは、バルブが1,000 psiで急激に開くことを意味するものではありません。むしろ、1,000 psi（68.97 bar）より低い圧力においても、バルブは比較的低い圧力から徐々に開き始め、一部の流量をタンクへ流します。圧力が1,000 psi（68.97 bar）に近づくにつれて、バルブ開口は徐々に大きくなり、より多くの流量をタンクへ流すようになります。設定圧力である1,000 psi（68.97 bar）に達すると、オリフィス開口は全流量10 gpm（37.9 lpm）を通過させるのに十分な大きさになります。システム圧力がリリーフバルブの開弁圧力を下回ると、バルブ開口によって形成されたタンクへの通路は回路から消失します。

リリーフバルブの設定値に対する温度の影響

リリーフバルブの開口は本質的にオリフィス機能です。他のオリフィス装置と同様に、その通過流量は流体の温度、すなわち粘度に影響を受けます。

1,000 psi（68.97 bar）に設定されたリリーフバルブが10 gpm（37.9 L/min）をバイパスする場合、油の粘度は一定であると仮定しています。室温下では、機器のタンク内油の粘度は400～500 SUS（86.3～107.9 cSt）です。この粘度条件下では、システムのリリーフ圧を1,000 psi（68.97 bar）に設定すると、オーリフィス開口部を通じて10 gpm（37.9 L/min）がバイパスされます。油温が上昇すると、ポンプ圧は900 psi（62 bar）以下に制限される場合があります。その理由は、油温の上昇に伴い粘度が低下し（例えば100 SUS［21.6 cSt］程度になる）、結果としてより低い圧力でも、リリーフバルブの開口部を介して10 gpm（37.9 L/min）の流量をタンク側へ流すことができるためです。

逆に、リリーフバルブを作動時の粘度に基づいて設定した場合、ポンプ起動時に油温が低く、粘度が高いため、ポンプ圧が1,100 psi（75.9 bar）に達する可能性があります。最大ポンプ圧に厳格な制限があるシステムでは、リリーフバルブの調整前にシステムを十分に暖機運転する必要があります。

図11-5 リリーフバルブの設定に対する温度の影響。低温（高粘度）の油は、同じ流量を通過させるためにより高い圧力を必要とします。リリーフバルブの設定を行う前に、必ずシステムを十分に温めてください。

ポンプの摩耗がリリーフバルブの設定に与える影響

ポンプの摩耗は、リリーフバルブの設定にも影響します。流量10 gpm（37.9 lpm）、圧力1,000 psi（68.97 bar）でバイパスするように設定されたリリーフバルブの場合、バルブのインレットポートに1,000 psi（68.97 bar）の圧力が供給されていれば、ポンプから出力される流量のうち10 gpm（37.9 lpm）がバルブのオーバーフローオリフィスを通過してタンクへバイパスされます。しかし、 液圧ポンプ ポンプが摩耗すると、その吐出流量は減少し、結果としてリリーフバルブを通過する流量も減少し、圧力も低下します。たとえば、1,000 psi（68.97 bar）で10 gpm（37.9 lpm）をバイパスするよう設定されたバルブにおいて、ポンプの摩耗によりバイパス流量が5 gpm（18.95 lpm）まで減少した場合、システムのリリーフバルブ圧力はわずか900 psi（62 bar）となることがあります。リリーフバルブの設定を調整する際も、同様の状況が生じます。

シンプルなリリーフバルブの開弁圧

クラック圧とは、リリーフバルブがバイパス通路の開閉を開始する圧力である。単純なリリーフバルブの場合、この圧力はリリーフバルブの設定圧よりわずかに低い。単純なリリーフバルブは、予備クラック圧（プリクラック圧）という特性を持つ。

単純なリリーフバルブの性能曲線図において、バルブは1,000 psi（68.97 bar）で10 gpm（37.9 lpm）のバイパス流量を設定されている。曲線によると、バルブは800 psi（55.2 bar）で開き始め、圧力が1,000 psi（68.97 bar）に近づくにつれてバイパス流量が増加し、最終的に1,000 psi（68.97 bar）では、オーフィスの開口面積が十分に大きくなり、10 gpm（37.9 lpm）の流量を通過できるようになる。

予備クラック圧（プリクラック圧）がシステムに与える影響

リリーフバルブの開弁圧は、システムにとって不利な要因となります。たとえば、ポンプ／モータが750 psi（51.7 bar）を発生し、アクチュエータに10 gpm（37.9 lpm）を供給する場合、負荷には550 psi（37.9 bar）が必要であり、残りの200 psi（13.8 bar）は流体抵抗を克服するために消費されます。単純なリリーフバルブを1,000 psi（68.97 bar）に設定した場合、この時点でバルブは閉じたままとなり、全圧力油が直接作業負荷へと供給されます。

負荷圧が700 psi（48.28 bar）まで上昇した場合、ポンプ／モータはその出力を900 psi（62.1 bar）まで高める必要があります（流量は一定と仮定）。リリーフバルブの開弁圧が800 psi（55.2 bar）であるため、現在のポンプ圧では5 gpm（18.95 lpm）がバイパスされ、アクチュエータにはポンプの全流量が供給されず、動作速度が低下します。同時に、油はリリーフバルブのオーフィスを通過して不要な熱を発生させます。

負荷圧力が750 psi（51.7 bar）の場合、ポンプ／モータは950 psi（65.5 bar）の圧力を発生させる必要があります。さらに、リリーフバルブのオーバーフローオリフィスを通過する流量が増加すると、アクチュエータの速度はさらに低下し、不要な熱もさらに多く発生します。

図11-7：プリクラッキング圧力の影響。単純なリリーフバルブは、設定圧力に達する前にすでに流量をバイパスし始め、中間的な負荷圧力においてアクチュエータの速度を低下させ、エネルギーを熱として無駄にします。

常時開放型圧力制御弁

常時閉止型圧力制御弁では、通常位置で一次ポートと二次ポートが遮断されており、一次ポートの圧力を検出します。一方、常時開放型圧力制御弁では、通常位置で一次ポートと二次ポートが接続されており、二次ポートの圧力を検出します。

減速バルブ

減圧弁は、通常、常時開放型の圧力制御弁です。

減圧弁の動作原理

減圧弁は、弁の下流側の圧力を検出して動作します。下流側圧力が弁の設定圧力に達すると、スプールが部分的に閉じて絞りを形成し、上流側の過剰な圧力エネルギーを熱に変換します。下流側圧力が低下すると、スプールはさらに開き、圧力が再び上昇するようにします。

減圧弁回路の応用

この例示されるクランプ回路では、クランプシリンダBがクランプシリンダAよりも小さい力を発生させる必要があります。これを実現するために、クランプシリンダB直前に減圧弁を設置し、シリンダBへ供給される圧力を減圧弁の設定圧力まで低下させます。この設定圧力において、減圧弁のスプール動作により絞り機能が働き、上流側の過剰な圧力エネルギーが熱に変換されます。シリンダBは、低下した圧力でクランプを行います。

減圧弁の静的圧力降下（オフセット）

定格流量条件における減圧弁の二次側ポート圧力は、ゼロ流量条件時よりも低くなります。この2つの減圧値の差が、減圧弁の静的圧力降下オフセットです。静的圧力降下は減圧弁固有の特性であり、流量増加に伴う圧力上昇の理由をさらに説明するものです。定格流量15 gpm（56.85 L/min）・定格作動圧力の減圧弁では、静的圧力降下オフセットは約50 psi（3.45 bar）ですが、定格流量100 gpm（379 L/min）の減圧弁では、静的圧力降下オフセットが最大で150 psi（10.3 bar）に達することもあります。

図11-9 減圧弁の静的圧力降下。流量がある場合の出口圧力は、流量が停止した場合よりもわずかに低くなります。弁の定格流量が大きいほど、このオフセットも大きくなります。

ドレイン — 内部および外部

圧力制御バルブのスプールがバルブ本体内で移動する際、加圧されたオイルの一部がスプール上部の空洞に漏れ出ます。バルブが正常に機能するためには、スプールの動きを妨げないよう、この空洞内のオイルを継続的に排出（ドレイン）する必要があります。このドレインは、バルブ本体内にドレイン通路を設け、それをオイルタンク（リザーバー）に接続することによって実現されます。

内蔵ドレイン

圧力制御バルブの二次ポートがリリーフバルブやカウンターバランスバルブのようにオイルタンク（リザーバー）に接続されている場合、ドレイン通路は内部で二次ポート（戻りポート）に接続されます。これを「内蔵ドレイン」といいます。

外部ドレイン

シーケンスバルブや減圧バルブのように、圧力制御バルブの二次ポートが圧力ポート（作動ポート）である場合、ドレイン通路はオイルタンク（リザーバー）へとつながる独立した配管となります。これを「外部ドレイン」といいます。シーケンスバルブおよび減圧バルブは、通常、外部ドレイン式の圧力制御バルブです。

直接制御および遠隔制御

これまでのところ、圧力検出はバルブ本体内部の通路を通じて行われてきました。通常、常時閉タイプのバルブでは一次側ポートで検出し、常時開タイプのバルブでは二次側ポートで検出します。このような圧力検出方式は「直接制御」または「局所制御」と呼ばれます。また、圧力制御バルブは、外部配管を介してシステム内の他の部位から圧力を検出することも可能であり、これを「遠隔制御」または「パイロット制御」といいます。

図11-10：直接制御（左）ではバルブ自体のポートで圧力を検出します。遠隔制御（右）では、離れた場所からの圧力信号によってバルブを開いたり調整したりできます。これはアキュムレータのアンロードや複数アクチュエータの順次作動に有効です。

アンロードバルブ

アンロードバルブは、遠隔制御式の常時閉型圧力制御バルブです。検出点におけるシステム圧力が所定値に達すると、このバルブは流量をタンクへバイパスさせます。

アンロードバルブ回路の応用

直接制御圧力弁を備えたアキュムレータ回路では、アキュムレータが弁の設定圧力まで充填されると、ポンプの吐出流量はリリーフ弁の設定圧力でタンクへ戻されます。これにより、多大な動力が浪費され、不要な大量の熱が発生します。制御ラインをチェックバルブの下流側にあるアンローディングバルブに接続すると、アキュムレータが弁の設定圧力まで充填された際に、制御圧力によってバルブが開き、ポンプ流量が最低圧力でタンクへ導かれます。このとき、アンローディングバルブを開放したまま維持するためにポンプが高圧を供給する必要はなく、チェックバルブによって遮断されたアキュムレータから制御圧力が供給されるためです。この時点でポンプ圧力は実質的にゼロに等しいため、動力損失も無視できるほど小さくなります。

図11-11 アンローディングバルブ回路。アキュムレータが充填されると、チェックバルブがアキュムレータとポンプを遮断し、アンローディングバルブがポンプ流量を最小圧力でタンクへ導きます。これにより、待機時のポンプ動力のほぼすべてを節約できます。

リモート制御式カウンターバランスバルブ

プレスプラテンを支持するシリンダの下流側に直接作用型のカウンターバランスバルブを設置することで、プラテンの重量を効果的にバランス調整または相殺できます。ただし、プレス加工工程中において、プラテンが材料を通過する際には、プラテンの重量が総合的なプレス力に加算されないことが望ましい場合があります。このような場合、カウンターバランスバルブはリモート制御方式を採用し、その制御配管を他方のシリンダの作動配管に接続する必要があります。リモート制御式カウンターバランスバルブを用いることで、プラテンは下降行程中も引き続きバランスが保たれますが、プレス加工工程中にはプラテンの自重をプレス力として活用できます。下降行程全体において、空走行程ではプラテンの自重がシリンダロッドを下方へ引き下げようとするため、上流側圧力および制御配管内の圧力が低下し、カウンターバランスバルブは閉じようとする傾向があり、抵抗が増大して流量が下降速度に追従できなくなります。一方、プレス加工工程中には、高い上流側制御圧力によってカウンターバランスバルブが十分に開放され、ロッド側にバックプレッシャーが生じないため、プラテンの自重をプレス力に加算することができます。

モータ回路における直接作用型バランスバルブ

図に示す油圧モータ回路では、直接作用型バランスバルブを用いて、重負荷による回転慣性を制動しています。このバランスバルブは800 psi（55.2 bar）に設定されており、回転負荷に対して常にバックプレッシャーを供給するため、負荷の回転速度がポンプ流量を超えてオーバースピードになるのを防ぎます。ただし、これによりモータの入口圧力が負荷の作動圧力に加えて800 psi（55.2 bar）以上である必要があり、これが欠点となります。この問題を解決するには、代わりにブレーキバルブを使用できます。

ブレーキバルブ

ブレーキバルブは、通常閉じている圧力制御バルブで、直接制御ポートとリモート制御ポートの両方を備えています。両方の制御方式が同時に接続されます。ブレーキバルブは、油圧モータとの併用に広く用いられ、油圧モータ回路において直接作用型バランスバルブに代わって使用されます。

ブレーキバルブの構造

ブレーキバルブは、バルブボディ、スプール、制御ピストン、バイアススプリング、およびスプリング調整装置で構成されています。バルブボディには、プライマリ通路、セカンダリ通路、内蔵制御通路、および外付け制御通路が設けられています。

ブレーキバルブの作動原理

ブレーキバルブは通常閉じているバルブです。バイアススプリングが800 psi（55.2 bar）の直接制御による開弁に設定されていると仮定します。内部制御通路の圧力が800 psi（55.2 bar）に達すると、制御ピストンが上昇し、スプールを押し上げてブレーキバルブを開きます。圧力が800 psi（55.2 bar）を下回ると、バルブは閉じます。この動作は、直接作用型カウンターバランスバルブと同一です。内部制御ピストンの面積はスプールの断面積よりもはるかに小さく、通常の面積比は8:1です。外部制御ポートは一般にモーターの他の作動ラインに接続されます。外部からの圧力はスプールのスプリング収容部の反対側端面に作用します。この圧力はスプールの底部端面（制御ピストンの面積の8倍）に作用するため、バルブを開くにはわずか100 psi（6.89 bar）の圧力で十分です。

ブレーキバルブ回路の応用

ブレーキバルブが800 psi（55.2 bar）の直接制御で設定されていると仮定します。モータインレット配管内の圧力が100 psi（6.89 bar）に達すると、ブレーキバルブが開き、モータインレット圧力が負荷を駆動するのに完全に使用されます（100 psi／6.89 barがより高い場合）。負荷がオーバーランした場合、モータインレット圧力が低下し、ブレーキバルブが閉じます。その後、800 psi（55.2 bar）のバックプレッシャーが再びバルブを開き、抵抗を増加させて負荷を減速させます。

ブレーキバルブは通常閉じている圧力制御バルブです。その動作はモータ負荷の要件と直接関係しています。

図11-13 ブレーキバルブ。単純なカウンタバランスバルブとは異なり、ブレーキバルブには直接（内部）制御とリモート（外部）制御の両方が備わっています。8:1の面積比により、バルブを開くために必要な外部パイロット圧力はわずか100 psiです。これにより、モータは負荷を容易に駆動できる一方で、負荷がオーバースピードを起こそうとした際に800 psiのバックプレッシャーによる制動力を提供します。

圧力制御バルブを逆方向に流れる場合

リリーフバルブおよびアンロードバルブを除き、通常、すべての圧力制御バルブは逆流を自由に通過させるために逆流を必要とします。常時閉じ型の圧力制御バルブは一次ポートの圧力を検知します。流れが逆転すると、一次ポートの圧力が低下し、スプールが閉じて一次側と二次側の接続が遮断されます。常時閉じ型の圧力制御バルブでは逆流が通過できないため、この種のバルブをバイパスするにはチェックバルブを用いる必要があります。

常時開き型の圧力制御バルブは二次側通路の圧力を検知します。流れが逆転している限り、下流側の圧力が設定値以下に保たれるため、バルブの通路は常に開放されたままとなり、逆流用のチェックバルブは不要です。ただし実際には、二次ポートの圧力が設定値を超えると、スプールが急激に閉じます。これを防止するため、実務上ではチェックバルブと減圧バルブを併用して逆流を確実に確保することが一般的です。

圧力制御バルブのまとめ

本章の学習を通じて、圧力制御バルブに関する主要な規則を以下のようにまとめることができます：

• ルールA：二次ポートが圧力回路に接続された圧力制御バルブ（シーケンスバルブおよび減圧バルブ）は、外部ドレインを必要とする。
• ルールB：二次ポートがタンクに接続された圧力制御バルブ（リリーフバルブ、アンロードバルブ、カウンターバランスバルブ、およびブレーキバルブ）は、通常、内部ドレインを使用する。
• ルールC：圧力制御バルブを逆方向に自由に流すためには、チェックバルブを併用しなければならない。

図11-15 全圧力制御バルブのグラフィック記号。注：シーケンスバルブおよび減圧バルブは常に外部ドレインライン（タンクへ向かう点線で示される）を有する。リリーフバルブ、アンロードバルブ、およびカウンターバランスバルブは内部ドレインを使用する。

圧力制御バルブの用語解説

圧力制御バルブに関連する主な用語：

• 直接制御（じかせいせいぎょ） — バルブ本体内部の制御通路から得た油圧を用いてスプールを制御すること。「局所作用」— スプールはばね力のみによってバイアスされる。
• タンクへのオーバーフロー（タンクへ向かうオーバーフローバルブ通過） — 流体がリリーフバルブを通過すること。
• パイロット（先導） — スプールの移動を制御するために使用される油圧。バルブ本体から離れた場所での圧力検出。
• クラッキング圧力（開始圧力） — 圧力放出弁がバイパス通路の開放を開始する圧力。
• プレクラッキング圧力（事前開放圧力） — 一部のバルブ（特に単純な圧力放出弁）が設定圧力より低い圧力で開放し始める傾向。
• バックプレッシャー（逆圧） — バルブまたはアクチュエータの出口側に発生し、流体の流れまたは運動を妨げる圧力。