液体を介してエネルギーを伝達することについて話す前に、液体のいくつかの性質および力が液体を介してどのように伝達されるかを理解する必要があります。これにより、油圧（ハイドロリクス）がなぜそのような仕組みで作動するのかを理解することができます。

液体で

流体とは、一定の形状を持たない物質の総称であり、液体と気体の両方を含みます。

液体

液体は気体と同様、分子から構成されています。しかし気体とは異なり、液体中の分子は互いに強く引き寄せられて密に集まっています——ただし、固体のように固定された位置に完全に拘束されるほどには密ではありません。そのため、液体は自由に流れ、容器の形状に従って形をとります。

図2-1：液体の分子（下）は密に詰まっており絶えず運動していますが、気体の分子（上）は互いに離れて存在しています。

分子の運動エネルギー

液体内部の分子は常に運動しており、液体が一見静止しているように見えても例外ではありません。それらは絶えず互いに滑りながら移動しています。このような分子の運動は、液体の内部エネルギーと呼ばれます。

液体は容器の形状に従って形を取ります

この絶え間ない分子の滑りによって、液体は流動し、それを収容する容器の形状を常に満たします。液体の量が多かろうと少なかろうと、常に容器の形状をとります。この性質は、後続の章で取り上げる「粘度」と密接に関連しています。

液体は比較的非圧縮性である

液体の分子は互いに密に詰まっているため、液体は固体と同様に重要な性質を1つ示します。すなわち、比較的非圧縮性である——つまり、著しく小さな体積に圧縮することはできません。

これが、ダイバーが水中へ入る際に、腹部から衝撃を受ける「ベリーフロップ」ではなく、足先または手先から入水する「ナイフ・エントリー」を選ぶ理由です。広い平らな表面で水を打つと、水は十分な速さでその場から退避できず、衝撃は固体に衝突したのと同じようになります。一方、足や手は小さな断面積で水を分断するため、衝撃力が大幅に小さくなります。

液体が比較的非圧縮性であり、また任意の容器の形状をとるという性質を持つため、力の伝達において実際的な利点があります。

力の伝達

エネルギー伝達の4つの方法（機械的、電気的、油圧的、空気圧的）は、いずれも静的力（位置エネルギー）と動的力（運動エネルギー）の両方を伝達できます。液体を通じて静的力を伝達する場合、特別な現象が生じます。

液体を通じて伝達される力

固体に作用する力とは異なり、密閉された液体に加えられた力は、圧力として液体全体に伝達され、その圧力は液体中のあらゆる点で等しくなります。

液体で満たされた容器の上部に設置された可動ピストンを押し下げると、私たちが加える力によって圧力が発生し、その圧力は液体中をあらゆる方向に均等に伝達されます。

圧力がピストン、手、重力、ばね、圧縮空気、あるいはそれらの組み合わせのいずれによって生じたとしても、一度密閉された液体内部に入ると、力は圧力に変換され、液体全体に均等に伝達されます。

液体は容器の形状に応じて形を変えるため、容器の形状に関係なく圧力の伝達が可能です。

図2-4 ピストンに加わる力が液体中の圧力になります。この圧力は、あらゆる方向に均等に伝わります——これが油圧技術の鍵です。

パスカルの法則

液体がすべての方向に等しく圧力を伝達する性質は、その発見者であるブレーズ・パスカルにちなんで「パスカルの法則」と呼ばれます。

パスカルの法則の数学的表現は、第1章で紹介した圧力の公式と同じです：

圧力計

圧力計は、システム内の液体に作用している圧力を測定します。油圧システムで最も一般的な2種類の圧力計は、ブールドン管式圧力計とピストン式圧力計です。

ブールドン管式圧力計

ブールドン管圧力計は、ダイヤル面とポインターで構成されます。ポインターは、湾曲した柔軟な金属管（ブールドン管）に接続されています。システムの圧力は、入口からこの管内に導入されます。目盛りは通常、psi、bar、またはPaで表示されます。

ブールドン管の動作原理

システム圧力が上昇すると、湾曲した管の内側と外側の面積差によって、管がまっすぐに伸びようとする力が生じます。この伸長運動により、ポインターがダイヤル上を動いて圧力を示します。ブールドン管圧力計は高精度計測器であり、全スケールに対する精度は0.1％～3.0％です。実験室での試験や、圧力測定の精度が極めて重要な用途で使用されます。

ピストン式圧力計

ピストン式圧力計は、ピストン、バランススプリング、ポインター、および目盛り盤で構成されます。システムの圧力がピストン面に作用し、ピストンをスプリングに対して押し込みます。このピストンの動きにより、ポインターがダイヤル上を移動します。目盛り盤はpsi（bar）単位で校正されています。ピストン式圧力計は耐久性が高くコストパフォーマンスに優れており、日常的なシステム監視に広く用いられる一般的な選択肢です。

図2-6 ピストン式圧力計：システム圧力がピストンをスプリングに対して押し込みます。このピストンの変位がポインターを駆動します。

圧力を機械的力に変換すること

密閉された液体を介して圧力を伝達することは、その圧力をどこかで再び機械的力に変換できる場合にのみ有効です。この役割を担うのがアクチュエータ（作動素子）であり、油圧を受けて機械的力を発生させます。

油圧シリンダはアクチュエータの一種です。

液体シリンダー

油圧シリンダは油圧を受け取り、直線的（一次元的）な機械的力を発生させます。適切な機械的リンク機構を用いることで、回転運動にも変換可能です。

シリンダー構造

シリンダーの基本構成部品には、バレル（筒）、端蓋、ピストン、ピストンロッド、および入口／出口ポートがあります。両端にはそれぞれ1つの端蓋が設けられています。ピストンはバレル内をスライドできます。ロッドはピストンに接続されています。バレルの両端にある入口および出口ポートから作動油が流入・流出します。

図2-8 液圧シリンダーの断面図。油が一方のポートから流入し、ピストンを押し、ロッドが突出します。他方のポートから流出した油はタンクへ戻ります。

シリンダーの動作原理

シリンダーの入口ポートをシステムに接続すると、シリンダーはそのシステムの一部となります。点Aからの圧力がシステムを通じてシリンダー内部のピストンに伝達されます。この圧力がピストンの面積に作用することで、点B（ロッド端）に機械的力を生じさせます。

圧力を加えながら

密閉された液体を介して圧力が伝達される場合、何らかの可動部品がその圧力を発生させます。これまでのすべての例において、この可動部品はピストンです。力をピストンの面積で割ることで、システム内の圧力（P = F／A）が得られます。

機械的力の増幅

油圧は機械的力を増幅（倍増）させることができます。その倍率は、油圧シリンダのピストン面積（in²またはcm²）に依存します。密閉された液体中では圧力が均等に伝達されるため、出力側シリンダのピストン面積が入力側ピストンより大きい場合、出力側の力は入力側の力よりも大きくなります。

例：5,000 lbs（22,200 N）の力が、面積10 in²（64.52 cm²）のピストンに作用し、以下の圧力を生じます。

この同じ500 psiが、15 in²（96.78 cm²）の出力側ピストンに作用します。

図2-9 機械的力の倍増。両方のピストンに同一の圧力が作用しますが、より大きなピストンによりより大きな力が発生します。F = P × A。

圧力増幅器

圧力増幅装置（ブースターとも呼ばれる）は、油圧を増幅することができます。この装置は、1本のロッドで接続された2つのピストンを、インレット、アウトレット、ドレインの各ポートを備えた単一ハウジング内に収めた構造です。大径ピストンがシステム圧力を検知し、その際に発生する力を小径ピストンに伝達します。小径ピストンの面積が小さいため、出力圧力が高くなります。

圧力増幅装置の動作原理

大径ピストンがシステム圧力を検知し、その力をロッドを介して小径ピストンに伝達します。小径ピストンの面積が小さいため、小径ピストン側の出力圧力が高くなり、圧力が増幅されます。

例：大径ピストン（面積：15 in²／96.78 cm²）に5,000 lbs（22,200 N）の力が作用します。圧力＝333 psi（22.9 bar）。この力が小径ピストン（面積：0.76 cm²）に伝達されます。出力圧力＝5,000 lbs ÷ 0.76 cm² × (1／10,000) ＝ 2,000 psi（137.9 bar）。出力力＝30,000 lbs（133,200 N）。

圧力増幅装置の一般的な用途の一つは、クランプ治具への応用です。

図2-11 圧力増幅器。大ピストンがその力を小ピストンに伝達し、小ピストンの面積ははるかに小さいため、出力側でははるかに高い圧力が発生する。

油圧エネルギー伝達

機械において油圧（または他のエネルギー伝達方式）を用いる目的は、有用な仕事を行うことにあります。シリンダーが仕事を行うには、負荷に対して力を加え、かつ一定の距離だけそれを移動させる必要があります。したがって、このシステムには、エネルギーを用いて液体を連続的に供給できる部品が必要です。

液压アキュムレーター

これまで検討してきた、密閉された液体中に圧力を発生させるすべての装置は、ピストンとシリンダーを用いています。ピストンが力を加え、シリンダーが液体を密閉します。このような装置はアキュムレータ（蓄圧器）と呼ばれます。

アキュムレータは、圧力を受ける液体の持つ位置エネルギー（ポテンシャルエネルギー）を貯蔵できます。この貯蔵された位置エネルギーは、作動エネルギー（流量および圧力）に変換されます。

例：500 psi（34.5 bar）のアキュムレータが負荷を押し出すための圧力を供給する。貯蔵された500 psiのうち、400 psi（27.6 bar）が負荷抵抗を克服するために使用され、残りの圧力は流量に変換されて負荷を動かす。

アキュムレータには制限がある：負荷が非常に大きい場合、それを克服するのに十分な圧力が得られないため、作業が行えない。また、貯蔵された液体が完全に放出されると、その後は流量が得られなくなる。

負荷を克服するのに十分な圧力を発生させ、かつ継続的に流量を供給し続けるためには、別の装置——容積式油圧ポンプ——が必要となる。

図2-12 アキュムレータの動作。貯蔵された圧力で負荷を押し出すことは可能だが、流体が使い果たされると流量が停止する——アキュムレータ単体では連続的な作業を維持できない。

容積式油圧ポンプ

容積式ポンプは、往復運動または回転運動による内部の反復的な動作によって、液体を連続的に送り出します。このポンプは、流体の運動エネルギー（流量）と圧力エネルギーの両方を供給し、連続的な油圧作業に必要な作動エネルギーを提供します。

往復動ピストンポンプ

往復式ピストンポンプは、クランクまたはカムを介して原動機（エンジンまたは電動モーター）に接続されたピストンで構成されます。入口および出口にはそれぞれボール型の逆止弁が設けられています。ピストンが引き出されると、内部容積が拡大し、入口側のボール弁が開いて液体が流入します。一方、ピストンが押し込まれると、内部容積が縮小し、圧力が上昇して入口側のボール弁が閉じ、出口側のボール弁が開きます——これにより液体がシステム内へ押し出されます。この連続的な前後往復運動によって脈動流が生じ、圧力はシステムが必要とする任意の値に設定できます。

図2-13 往復式ピストンポンプ。ピストンが往復運動を行い、入口側の逆止弁を通じて油を吸入し、出口側の逆止弁を通じて油を吐出します。

回転式容積式ポンプ

産業用油圧システムで最も一般的なポンプは、ロータリーポジティブディスプレースメントポンプです。このポンプは比較的滑らかで加圧された流量を生み出し、電動モーターまたはエンジンによる駆動が容易です。回転要素の1回転ごとに、一定体積の液体が送り出されます。

ロータリーポンプの構造

ロータリーポンプは、ハウジングと回転アセンブリから構成されています。ハウジングには吸入口と吐出口があります。回転アセンブリが流量および圧力を発生させます。図に示した例では、ロータに設けられたスロット内を自由に出入りするベーンを備えたロータとベーンから構成されています。

ロータリーポンプの動作原理

回転アセンブリはハウジング内に偏心（中心からずれた）状態で取り付けられており、ドライブシャフトを介して原動機に接続されています——ローターが回転します。ローターが回転すると、遠心力によってベーンがハウジング内壁に押し出され、密閉されたチャンバーが形成されます。吸込側ではチャンバー容積が増大し、液体が吸入されます。吐出側ではチャンバー容積が縮小し、圧力が上昇して液体がシステム外へ押し出されます。このポンプが発生する圧力は、システム内の最小抵抗に等しくなるだけであり、それ以上にはなりません。

図2-15 ロータリーベーンポンプ。ベーンがハウジング内壁に密着してチャンバーを形成し、ローターの回転に伴ってチャンバー容積が拡大（吸込）および収縮（吐出）します。

抵抗と圧力

油圧システムにおいて、圧力と抵抗は直接的に関係しています。ポンプが液体をシステム内に押し込むと、その圧力の大きさは抵抗の大きさによって決まります。抵抗が大きい → 圧力が高い；抵抗が小さい → 圧力が低い。流体の流れに対する抵抗が、発生する圧力の大きさを決定します。

ポンプに対する抵抗

ポンプは2種類の抵抗に直面します：負荷抵抗と流量抵抗です。流量抵抗を無視した場合、存在する抵抗は負荷抵抗のみです。たとえば、負荷抵抗を克服するために200 psi（13.8 bar）が必要な場合、ポンプは200 psiを発生させ、油圧作動エネルギーをアクチュエータに供給し、これにより負荷が駆動されます。

流量抵抗は常に存在します。この抵抗により、ポンプは原動機からより多くのエネルギーを吸収し、それを克服するためにより高い圧力を発生させる必要があります。

図2-16 抵抗と圧力。ポンプ圧力は、負荷抵抗と流量（摩擦）抵抗を含む総抵抗を克服するために上昇します。

追加のエネルギー変換

ポンプが液体に付与する、流れの抵抗を克服するための余分なエネルギーは、アクチュエータで有効な油圧作動エネルギーに変換されず、流れによる摩擦によって消費されます。この「消費された」エネルギーは、エネルギー保存則の観点から失われるわけではなく、熱に変換されて流体の温度を上昇させます。この熱こそが、システムの非効率性を表します。

流速および流量

動的（流動中）の油圧システムでは、液体が配管内を一定の流速（速度）で移動します。流速の単位はft/s（フィート毎秒）またはm/s（メートル毎秒）です。

単位時間あたりに特定の断面を通過する液体の体積を「流量」といいます。油圧システムでは、通常gpm（米国ガロン毎分）またはLpm（リットル毎分）が用いられます。

流速と流量は相互に関係しています。たとえば、5ガロン（18.95 L）の容器を1分間で満たす場合、大口径の配管を通る液体の流速は10 ft/s（3.04 m/s）になります。一方、口径が半分の配管では、同じ5 gpmの流量を確保するために、液体の流速は20 ft/s（6.10 m/s）でなければなりません。流量は同一ですが、流速は異なります。

図2-17 同じ流量、異なる流速。管径が小さい場合、単位時間あたりに同じ体積の流体を通過させるには、流体の流速を速くする必要があります。

摩擦により熱が発生します

油圧配管内を流れる液体は、摩擦によって熱を発生します。流速が速いほど、発生する熱量も大きくなります。産業用途では、ポンプとアクチュエータ間の配管内の推奨流体流速は15 ft/s（4.572 m/s）です。

曲がり部で熱が発生します

直管内を流れる液体が曲がり部に到達すると、急激に流れの方向を変える必要があります。その際、流体分子同士および管壁との衝突が生じ、これによっても熱が発生します。管径に応じて、単一の90°エルボーによる熱発生量は、数フィート分の直管に相当することがあります。

圧力差

圧力差とは、システム内の任意の2点間における圧力の差を指します。圧力差から以下の2つのことがわかります：

1. その2点間に、油圧作動エネルギー（加圧され、流れている液体）が存在することを示しています。
2. これは、その2点間で油圧エネルギーが熱に変換された量を測定します。

例：圧力計1の読み取り値は200 psi（13.79 bar）、圧力計2の読み取り値は180 psi（12.41 bar）です。差圧＝20 psi（1.38 bar）となります。これは以下を意味します：

3. 液体は圧力計1から圧力計2に向かって流れています。
4. 2つの圧力計の間で流動摩擦により、20 psi分の油圧エネルギーが熱に変換されました。

図2-19 圧力差。この配管区間における20 psiの圧力降下は、流体の流れが存在することを示しており、また摩擦熱として失われる油圧エネルギーの量を定量化しています。

油圧システムにおける発熱低減のための設計

油圧エネルギーを熱に変換することは、システムがエネルギーを無駄にしていることを意味します。効率を向上させるためには、設計者が適切な油の粘度を選択し、配管の径を正しく設定し、曲げ部や継手の数を最小限に抑える必要があります。これらすべての措置は流動抵抗を低減し、結果として熱として失われるエネルギーを削減します。

図2-20 実際の回路における発熱。すべての配管、継手、曲げ部およびバルブが圧力損失およびエネルギー損失に寄与しています。