石油由来の油は優れた潤滑剤であるため、これをエネルギー伝達媒体として使用するシステムは、長期間にわたって信頼性の高い運用が期待できます。しかし、多くのシステムおよび用途において、石油由来の油には一つの重大な欠点があります。すなわち、加圧状態では、油が漏れから噴霧（オイルスプレー）してミストを生じる可能性があることです。このミストは、多くの産業火災の原因となっています。

通常、石油由来の油を使用する際の火災リスクはそれほど高くありません。というのも、鉱物油は常温では容易に着火せず、マッチの炎を消すような消炎能力を有しているからです。しかし、高圧配管に微小な漏れが生じると、油が微細なミスト状で噴出します。このミストは非常に可燃性の高い混合物であり、極めて容易に着火されます。このような漏れは、燃料噴射装置（インジェクター）と見なすことができます。

火災リスクのある産業環境では、まず作業員の安全と、偶発的な火災を引き起こさずに生産を継続できることが最優先事項です。その環境で偶発的な着火源が発生する可能性がある場合、耐火性油圧作動油の使用が必要となります。このような作動油を用いることで、運用コストが増加します（耐火性作動油は鉱物油よりも高価です）とともに、部品の寿命が短縮されます。

本章の目的は、油圧システムで一般的に使用される耐火性油圧作動油を特定し、それらの使用に伴ういくつかの課題について検討するとともに、保守管理に関するガイドラインを示すことです。

耐火性の判定

耐火性作動油は「不燃性」ではありません。その名称が示す通り、単に着火しにくいという特性を持つにすぎません。耐火性作動油であっても、十分に高温まで加熱されれば、最終的には着火します。

特定の流体の耐火性は、引火点、発火点、および自己発火温度という3つの技術的測定値によって決定されます。以下の3つの試験説明における基準流体は、石油系油圧油です。

引火点

流体の引火点とは、その表面から点火可能な十分な蒸気を放出するために加熱しなければならない温度です。石油系油圧油の場合、350–450°F（176.6–232.2°C）まで加熱すると、炎を近づけた際に点火可能な量の蒸気が放出されます。ただし、炎を取り除くと、燃焼は停止します。

発火点

発火点とは、試験用の炎を取り除いた後も油が継続して燃焼を続けるために加熱しなければならない温度です。この温度を超えると、油の表面から十分な量の蒸気が放出され、一度点火されると、炎の供給源が除去された後でも油自身が持続的に燃焼し続けます。

自発着火温度

自動着火温度（AIT）とは、外部の炎や火花を用いずに油が自ら着火する温度です。石油系油圧油の場合、500–700°F（260–371°C）に加熱されると、自然に着火します。

難燃性と分類される流体は、石油系油に比べて引火点、発火点、および自動着火温度がより高くなっています。

難燃性油圧作動油の種類

難燃性作動油は、主に水系と合成系の2大カテゴリーに分けられます。

水系油圧作動油

最初の油圧作動媒体は水でした。水にはいくつかの欠点（特に潤滑性の面で）がありますが、不燃性であるため、当初、難燃性が求められる場合には単に水に戻すというアプローチが採られていました。しかし、ある程度の潤滑性が必要なため、油と水を乳化させて使用するようになりました。

油中水エマルション（W/Oエマルション）

これは、水と油からなる水系耐火性流体です。溶液ではなく、油と水は互いに溶解しません。この流体では、化学的エマルシファイアによって油が極めて微細な液滴に分散され、水を媒体として均一に分布させることで、潤滑性が向上します。この流体が炎に触れると、水が蒸気となって火を窒息させます。

この二相の水／油系流体は「エマルション」と呼ばれます。この種の流体が広く使用されていた時期には、典型的な混合比率は水60％、油40％であり、水が連続相（主相）で、油が分散相（分散液滴）でした。

高水ベース流体（HFA）

これは、水を主成分とする耐火性流体です。現在、漏れにより作動流体が大量に損失するシステムを除き、このタイプは油圧システムではほとんど使用されていません。この流体を使用するシステムでは、比較的安価である（水が成分の90％以上を占める）という経済的メリットと引き換えに、部品の寿命が短縮されます。

油分濃度が1～10％のエマルションは、高水ベース流体（水に油を分散させた溶液）と呼ばれます。「5％油溶液」という場合、それは95％の水と5％の油から構成される、すなわち化学的濃度比が95:5の溶液を意味します。

油／水エマルション（HFB）

油圧システムで使用される現代の水／油エマルションは、60％の油と40％の水からなる乳白色の流体です。これは、従来のHFAタイプ（水60％、油40％）と比べて比率が逆転しています。この流体の主成分は油であり、水は分散相であるため、HFBエマルションはHFAよりも潤滑性が優れていますが、耐火性はやや低下します。

水／油エマルションの粘度

石油系油と同様に、粘度は水／油エマルションにおいても重要な特性です。HFA流体は少なくとも90％の水分を含むため、その粘度は実質的に水の粘度と同等であり、比較的劣った潤滑剤となります。

一方、HFBエマルションは約60％の油から構成されていますが、これはその粘度が基材油の粘度と等しいことを意味するものではありません。二相間のせん断効果により、HFBエマルションは予想よりも低い粘度を示します。システム部品に十分な潤滑を確保するためには、使用されるHFBエマルションの粘度が、通常そのシステムで用いられる石油系油よりも高い必要があります。例えば、あるシステムで150 SUS（32 cSt）@ 100°F（37.7°C）の石油系油が使用されている場合、HFBエマルションの粘度は375 SUS（80.9 cSt）@ 100°F（37.7°C）である必要があります。

作動流体が油圧ポンプおよびシステムを通過する際、二相間のせん断効果によりHFBエマルションは粘度低下を示します。部品が十分に潤滑されるようにするためには、HFBエマルションの粘度が、当該システムで通常使用される石油系油の粘度よりも高くなければなりません。

油中水型エマルションの問題点

水系難燃性作動油をタンク内に貯蔵すると、問題が生じることがあります。HFBエマルションの場合、主な問題は相分離と細菌の増殖です。

相分離

HFBエマルションは低温作動を目的として設計されていません。華氏32°F（摂氏0°C）で氷の形成が始まり、約華氏-10°F（摂氏-23.3°C）でエマルションが完全に凍結します。凍結・融解サイクルにより、二相が分離します。水の凝固点（華氏32°F／摂氏0°C）では、エマルション中の一部の水滴が氷結晶として固化します。その後、システムが加熱されて氷が融解しても、エマルションが必ずしも再び元の状態に戻るとは限りません。この時点で、流体は部品の錆びやすさを高め、優れた潤滑剤ではなくなってしまいます。

繰り返される凍結・融解サイクルにより、水相と油相が永久的に分離します。一度分離した後は、両相を再びエマルション状態に戻すことは極めて困難であり、場合によっては不可能です。また、耐火性が深刻な懸念事項となります。

相分離の確認

目視検査により、エマルションが相分離しているかどうかを確認します。タンク内では2相の分離が生じているかどうかを判断するのは困難です。そのため、油をサンプリングし、広口瓶に注いでしばらく静置してください。すると、遊離水が瓶の底部に沈殿することが観察できます。

相分離が著しいと疑われる場合は、流体供給元に連絡してください。流体の交換を推奨される場合があります。

細菌の増殖

適切な温度条件下では、細菌がHFBエマルション中に増殖することがあります。大量の細菌は流量制御バルブのオリフィスやフィルター要素を詰まらせ、これらすべての影響によりシステムの信頼性が低下し、誤作動を引き起こします。

多くのHFBエマルションには、このような現象を防ぐための抗菌添加剤が含まれています。

細菌の増殖の確認

HFBエマルション中の細菌増殖は、目視および臭いによって検出できます。流体中に細菌が増殖した場合、インレットフィルターは粘性のスライムで被覆されたように見え、流体からは悪臭が発せられます。

乳化液中に細菌の増殖が見られる場合、流体を交換する必要がある可能性が高い。

水-グリコール（HFC）

水-グリコールは、水系難燃性流体のもう一種類である。これは水とグリコール（エチレングリコール）から構成されており、その化学構造は自動車用不凍液と非常に類似している。

水-グリコールは通常赤色またはピンク色である。一般的にはグリコール60％、水40％で構成され、粘度を高めるために化学的増粘剤が添加される。グリコールは水に実際に溶解するため、この流体は単相であり、乳化液とは異なり、顕微鏡で観察しても分離した水およびグリコールの液滴は存在しない。水-グリコールは低温環境下でも良好に機能する。

HFB乳化液と水-グリコールの比較

HFB乳化液と水-グリコールを比較すると、以下の点が明らかになる。

1. HFB乳化液の安定性は水-グリコール溶液よりも劣る。
2. 安定したHFB乳化液は潤滑性に優れている。
3. HFB乳化液はコストが低い。
4. 水-グリコールは難燃性に優れている。
5. 水・グリコール系は低温でより優れた性能を発揮します。

水系油圧作動油の問題点

油圧タンク内に水系難燃性作動油を使用すると、いくつかの問題が生じます。HFBエマルションにおいて主な問題は、部品の寿命短縮と水分の蒸発です。

水系作動油の潤滑性

水系難燃性作動油は難燃性を確保するために大量の水を含むため、その潤滑性は石油系油に比べて大幅に低くなります——これは本質的な欠点です。

潤滑添加剤および油性添加剤が配合されていても、実際の使用においては依然として部品の寿命を短縮させます。この悪影響を受けて、水系難燃性作動油は通常、1,800 psi（124 bar）を超える圧力で動作するシステムには使用されません。

HFA作動油、HFBエマルション、および水・グリコール系のうち、安定性に優れるHFBエマルションが最も潤滑性が高く、次いで水・グリコール系、そしてHFAとなります。

表4-1 水系難燃性油と石油系油における相対潤滑低下係数。係数が大きいほど、部品の摩耗が大きくなります。

水分蒸発量

多くの流体メーカーでは、水系油圧作動油の最高使用温度を華氏140°F（摂氏60°C）とし、理想としては華氏120°F（摂氏49°C）以下に保つことを推奨しています。華氏140°F（摂氏60°C）を超えると、過度な水分蒸発が生じる可能性があります。

水系作動油から水分が蒸発すると、いくつかの望ましくない現象が起こります。液体から逃げ出した水蒸気は、保護されていない鉄製部品表面に凝縮し、錆を発生させます。その後、一定期間が経過すると、この錆が剥離し、システム全体に混入する汚染源となります。

水系作動油には一般に防錆剤が含まれていますが、流体に浸漬されていない無保護の金属表面は、蒸発による水蒸気によって侵食されます。

水系流体の耐火性は水分含有量に依存するため、水分の蒸発により耐火性が低下します。また、蒸発は粘度にも影響を与えます。すなわち、水・グリコール系では水分の喪失により粘度が上昇し、HFBエマルション系では水分の喪失により粘度が低下し、エマルションが不安定になる可能性があります。最適な耐火性および適切な粘度を維持するためには、水系耐火性流体の水分含有量を定期的に確認し、狭い濃度範囲内に保つ必要があります。

図4-11 水系流体からの水分蒸発。蒸発は耐火性を低下させ、粘度を変化させ、さらに金属表面に蒸気が凝縮して錆を発生させる原因となります。

合成耐火性油圧作動油（HFDR）

合成耐火性油圧作動油は、高い耐火性を特徴とする人工的に製造された油であり、その潤滑性は石油系油に近いものです。最も広く使用されている合成耐火性作動油は、リン酸エステルです。

注意：合成耐火性流体は、シリコン樹脂、ケイ酸エステル、ジベース酸エステル、ポリオールエステル化合物、ポリエーテル、その他の合成流体と混合してはいけません。これらの合成化合物は特定の用途に必要な特定の特性を持つ場合がありますが、一般に耐火性があるとは見なされません。

リン酸エステル流体は高圧下で優れた性能を発揮し、非常に優れた耐火性を有しますが、コストが高くなります。耐火性が求められる高圧システムでは、リン酸エステルの高コストを考慮し、リン酸エステルと石油系油の混合液を使用することができます。このブレンドはシステムに必要な潤滑性を確保しますが、純粋なリン酸エステルに比べると耐火性は劣ります。

水系耐火性流体と合成耐火性流体の比較

水系耐火性流体と合成耐火性流体を比較する際には、以下の点に注意してください：

6. 合成流体は潤滑性が優れており、より高い圧力下での運用が可能です。
7. 合成流体はコストが高くなります。
8. 合成流体は耐火性が優れています。
9. リン酸エステル系油は、発火点が約455°F（235°C）、炎上点が約665°F（352°C）、自然発火温度が約1,150°F（621°C）です。

水系流体は、水を含むため、発火点および炎上点によって耐火性を示しません。水・グリコール系流体の自然発火温度は約1,100°F（593°C）であり、HFBエマルションの自然発火温度は約825°F（440.6°C）です。

図4-14：4種類の耐火性油とその貯蔵ドラム。左から順に、合成油（リン酸エステル系）、リン酸エステル系油と鉱油のブレンド油、HFBエマルション、水・グリコール系油。

耐火性油に起因する問題

油圧システムに耐火性油を使用すると、シール材および保護被膜との適合性、泡立ちおよび空気保持性、沈殿などの特定の問題が生じます。

耐火性油の適合性

石油系油圧システムにおける動的シールに最も広く使用される材料はニトリルゴム（ブナ-N）です。この材料はHFBエマルションおよび水-グリコール系油圧油とも互換性があります。石油系油圧油からHFBエマルションまたは水-グリコール系油圧油へ切替える場合、既存のシールがニトリルゴム製であれば、交換する必要はありません。ただし、リン酸エステルなどの合成油へ切替える場合は、シールの交換が必要です。

石油系油圧油から水系油圧油へ切替える際には、保護被膜に関して問題が生じる可能性があります。タンク内面が石油系油と互換性のあるコーティングまたは塗料で保護されている場合、水系油圧油がこれらの被膜を溶解させることがあります。

水・グリコール系および一部の化学濃縮液は、特定の金属と互換性がありません。亜鉛、カドミウム、マグネシウム、および一部のアルミニウム合金を腐食させ、バルブの開口部やフィルターを閉塞する粘着性スラグを生成し、バルブスプールの固着を引き起こす可能性があります。したがって、これらの金属を含む部品、またはこれらの金属で電気めっきされた部品を水・グリコール系流体とともに使用しないことを推奨します。該当する部品には、電気めっきパイプ、亜鉛めっきまたはカドミウムめっきフィルタースクリーン、パイプ継手、タンク付属品などが含まれます。

石油系油圧システムにおける動的シールに一般的に用いられるニトリルゴム製シール材は、リン酸エステル系またはリン酸エステル混合系流体では使用できません。これらの流体には、フッロエラストマー（バイトン）、エポキシ系ゴム、またはその他の互換性のあるシール材が必要です。

合成難燃性流体は、石油系油と互換性のある塗料およびワニスを溶解することがありますが、油圧システムに用いられる一般的な金属を腐食することはありません。

難燃性流体における発泡および空気保持

石油系油と比較して、水系および合成耐火性作動油は空気を保持しやすく、泡立ちやすい。

したがって、耐火性作動油を使用するシステムでは、石油系油を使用するシステムよりも大きなタンク（レザーバー）を採用する必要があります。

耐火性流体中の沈降

耐火性作動油がタンク（レザーバー）に戻る際、石油系油と比較して浮遊性異物を保持しやすくなります。適切なサイズの異物であれば、流体中でタンク底部へ沈降することが望まれますが、耐火性作動油では異物の沈降が十分に起こりにくいという特徴があります。

したがって、システムで耐火性油圧作動油を採用する場合、まず検討すべきは優れた流体フィルトレーション対策であり、磁気フィルターも見落としてはなりません。

メンテナンスガイドライン

保存

耐火性油圧作動油の保管は、石油系油と基本的に同じです。ドラム缶は横置きで保管し、上部に水がたまって浸入するのを防ぐ必要があります。

HFBエマルションの場合、追加の保管要件があります。繰り返される凍結・融解サイクルがその安定性に影響を与えるため、保管中に凍結しないよう十分に注意する必要があります。

ドラム缶からタンクへの作動油の移送

ドラム缶からタンクへの作動油の移送は、もう一つ重要な工程です。ドラム缶の栓を取り外す前に、ドラム缶の蓋を清掃し、移送作業に必要なすべての機器および工具（柔軟ホース、移送ポンプ、漏斗、タンク充填フィルター、および作業者の手）を準備してください。ドラム缶内の作動油のブランド名および粘度が正しいことを確認してください。

耐火性作動油の移送にポンプを使用する場合、ポンプ内に他の種類の作動油の残留物がないことを確認するとともに、ポンプ本体および継手の材質が当該作動油と適合していることを確認してください。

耐火性流体をタンクに充填した後は、指定された間隔で保守および監視を行う必要があります。油の保守には、最低レベルまで補充すること、漏れの対応、フィルター要素の交換が含まれます。

水系油圧作動油は、定期的に水分含有量を点検する必要があります。濃度は非常に狭い範囲内に保たなければならず、そうでないと粘度および耐火性に影響が出ます。

HFBエマルションに水を追加することは、一般的に推奨されていません。これは再エマルション化プロセスを必要とするためです。一方、水・グリコール溶液への水の追加は一般的ですが、庭用ホースを単にタンクに差し込んで行うべきではありません。補充用の水には、システムを汚染する鉱物質沈殿物が含まれていてはなりません。水・グリコール溶液には蒸留水または脱イオン水が適しています。追加する水量は、油サンプルの実験室分析結果に基づいて決定する必要があります。

* HFAは潤滑性が極めて劣るため、高圧システムではほとんど使用されない。この圧力限界は、技術的な制約というより実用上の制約である。