第8章：チェックバルブ、アキュムレータ、および油圧シリンダ

チェックバルブ

逆止弁の構造

逆止弁は、主に入口および出口ポートを備えた弁本体と、スプリングで付勢された可動部から構成されます。この可動部はディスク、プレート、またはポペットであり、油圧システムでは、最も一般的にはボールまたはポペットシートです。

逆止弁の動作原理

流体は逆止弁を通過する際に、一方向（自由流方向）でのみ流れることができます。入口ポートにおけるシステム圧力がポペットを付勢するスプリング力に打ち勝つほど高くなると、ポペットはそのシートから押し離され、流体が通過します。これが自由流方向です。逆に、出口ポート側から流体が逆流しようとした場合、ポペットはシートに押し付けられ、通路が密閉されて逆流が阻止されます。

図8-1 逆止弁。逆流時にスプリング負荷のポペットがシートに座り、完全に逆流を遮断します。逆止弁は、油圧回路における一方通行の道路に相当します。

回路内における逆止弁の応用

チェックバルブは、方向制御機能と圧力制御機能の両方を備えており、流体の流れを一方向にのみ許容します。油圧システムでは、チェックバルブは一般的にバイパスバルブとして使用され、流体が特定の部品を迂回して流れるようにします。例えば、流量制御バルブと並列に配置されたチェックバルブは、逆方向の流れが流量制御バルブを迂回することを可能にします。

チェックバルブは、システム内の分岐回路や部品を隔離する目的でも使用されます。例えば、アキュムレータとの組み合わせでは、チェックバルブにより、アキュムレータ内の圧力がリリーフバルブや油圧ポンプを通じて逆流するのを防ぎます。

チェックバルブは一般に低漏れの装置であり、実際には完全に漏れのないように設計することも可能です。チェックバルブは負荷をほぼ無期限に保持できます。ただし、チェックバルブは一方向バルブであることを忘れないでください。負荷を解放するには、可動部をシートから強制的に離す必要があります。この目的のために、パイロット式チェックバルブと呼ばれる特殊なタイプのチェックバルブが必要です。

図8-2 液圧回路におけるチェックバルブの3つの一般的な用途：流量制御弁へのバイパス、アキュムレータの遮断、およびスプリング負荷型圧力閾値。

懸垂負荷の保持

ほとんどのスプール式油圧部品には、内部バイパス流が若干存在します。これは品質不良を意味するものではなく、その大部分はむしろ部品の潤滑を目的として意図的に設計されたものです。しかし、シリンダが負荷を懸垂状態で保持し、クリープ（徐々に沈下）することなく保持する必要があるシステムでは、漏れが問題となります。このような場合、密閉性能を備えたチェックバルブを使用する必要があります。

パイロット式チェックバルブ

パイロット式逆止弁は、一方方向への自由な流れを許容します。パイロット圧力により可動部がシートから離脱すると、逆方向の流れも通過可能になります。

建設業

通常の逆止弁と同様に、パイロット式逆止弁は入口および出口ポートを備えたバルブ本体、スプリングでバイアスされたポペット（可動部）およびシートから構成されます。さらに、シートと正対する位置に、ポペットにはプッシュロッドおよび軟質スプリングでバイアスされたパイロットピストンが取り付けられています。パイロットポートから供給されるパイロット圧力がこのピストンに作用します。また、ピストンのスプリング収容部にはドレインポートが設けられています。

どのように機能するか

パイロット式逆止弁は、通常の逆止弁と同様に、入口から出口への自由な流れを許容します。出口側から流入しようとする流体はポペットをシートに押し付け、通路を閉じます。十分なパイロット圧力がパイロットピストンに作用すると、ピストンが移動してチェック用ポペットを押し上げ、ポペットをシートから離脱させます。パイロットピストンに作用する力が十分である限り、出口から入口への流れが可能になります。

図8-3 パイロット式逆止弁。パイロット圧力が作用していない場合は、通常の逆止弁と同様に機能し（一方向への自由な流れのみを許容）、パイロット圧力が印加されると逆方向の流れも許容されるため、負荷の解放が可能となる。

回路用途

シリンダーのBポートからの流体を遮断するためにパイロット式逆止弁を1個使用すると、シリンダーのシールが有効であり、配管・シリンダー・逆止弁いずれにおいても漏れがない限り、負荷を懸吊状態で保持できる。負荷を降下させるには、A側配管から制御ピストンへパイロット圧力を供給すればよい。

パイロット式逆止弁のパイロット圧力は、油圧シリンダーの作動配管から得られる——A側配管内の圧力が十分に高い限り、逆止弁は開放されたままとなる。負荷を上昇させる際には、その方向が自由流方向であるため、油は逆止弁を容易に通過する。

特定の状況では、シリンダーのピストンロッドに取り付けられた負荷を完全に静止させたまま固定する必要があります。これを実現するためには、各シリンダーの作動配管にパイロット式逆止弁を設置します。このパイロット式逆止弁は、シリンダーから流出する油流を遮断します。シリンダーのシールが有効に機能し、どこにも漏れがない限り、負荷は所定の位置で保持されます。

液压アキュムレーター

アキュムレータは油圧圧力を貯蔵します。この油圧圧力は、作動エネルギー（流量および圧力）に変換可能な潜在エネルギーです。

アキュムレータの種類

アキュムレータは、重力荷重式、ばね荷重式、および流体／ガス式に分類されます。これらは、貯蔵された油に作用する作動力を維持する方式において異なります。

重力荷重式アキュムレータ

重力式アキュムレータは、ピストンまたはプランジャーに作用する重い物体の重量を利用して、貯留された油に作動力を維持します。この重量は、鉄、コンクリート、あるいは水など、あらゆる重い材料で構成できます。重力式アキュムレータは一般に非常に大型であり、数百ガロンもの油を貯留することもあります。複数の油圧システムを同時に供給し、ロール成形機や中央油圧システムなどで使用されます。

重力式アキュムレータの望ましい特性は、容器が満タンでもほぼ空でも、油を比較的一定の圧力で貯留できることです。これは、油に作用する力が重力（重量）であり、その大きさが一定であるためです。アキュムレータ内に貯留されている油の量がいくらであっても、加わる力は変わりません。

重力式アキュムレータの望ましくない特性の一つはショックの発生である。重力式アキュムレータが急速な流量出力中に急停止すると、重いおもりの慣性によってシステム内に著しい圧力ピークが生じる。これにより配管や継手から漏れが発生したり、金属疲労を引き起こして部品の早期劣化・破損を招く可能性がある。

図8-6 重力式アキュムレータ。一定の重量により、油の体積に関係なく一定の圧力を発生する。鋼鉄製造所などの大型産業用油圧システムに使用される。

スプリング式アキュムレータ

スプリング式アキュムレータは、ピストンに作用するスプリングを利用して、貯留された油に力を加えます。スプリング式アキュムレータは、一般に重力式よりも小型で、数ガロン程度の油を保持します。通常、単一の油圧システムに供給され、低圧で動作します。圧力油がスプリング式アキュムレータに入ると、貯留された油の圧力はスプリングの圧縮量によって決まります。ピストンが上昇してスプリングを10インチ（25.4 cm）圧縮した場合の貯留圧力は、スプリングが4インチ（10.2 cm）圧縮された場合よりも高くなります。

オイルの漏れがスプリングキャビティ内にたまらないようにするため、スプリングキャビティには漏れたオイルを排出するためのドレインポートが設けられています。スプリング式アキュムレータは、タンク（リザーバー）へ外部にドレインしてはならず、そうするとオイルが泡立つ原因となります。ドレインパイプの先端がタンク内の油面より上方にあるか下方にあるかに関わらず、アキュムレータ作動中は常に泡立ちが発生します——アキュムレータが急速に流量を出力する際、ピストン上部のオイルがピストンの動きに追従できず、スプリングキャビティ内に部分真空が生じ、その結果オイルから空気が分離します。アキュムレータが再充填される際、ピストンが上昇し、空気を含んだオイルをタンクへ押し戻します。タンク内に気泡が存在することは望ましくないため、スプリング式アキュムレータは通常、外部ドレインを行いません。

外部スプリングキャビティドレインを備えたスプリング式アキュムレータにおいて、ピストンシールが摩耗した場合は、直ちに対応する必要があります。適切な修理が遅れると、清掃作業が必要になる場合があります。

図8-7 スプリング式アキュムレータ。ピストンが上昇するにつれて、スプリング力（したがって蓄圧）が増加する。小規模・低圧システムに使用される。

流体／ガス式アキュムレータ

流体／ガス式アキュムレータは、産業用油圧システムで最も広く使用されているタイプである。作動油を貯留する際に、圧縮ガスを用いて作動力を維持する。

流体／ガス式アキュムレータは、ガスと油を分離するために用いられる装置の種類に応じて、ピストン式、ダイヤフラム式、ブレッダー式に分類される。

ピストン式蓄圧器

ピストン式アキュムレータは、バレルと弾性シールリングを備えた可動ピストンで構成される。ピストンの上部空間には圧縮ガスが充填されている。油圧油がバレル内に充填されると、ガスが圧縮される。アキュムレータから油圧油が放出されると、ガス圧が低下する。すべての油圧油が放出されると、ピストンはその行程の終端に達し、出口ポートを閉じてアキュムレータ内のガスを保持する。

ダイヤフラム式アキュムレータ

ダイヤフラム式アキュムレータは、2つの金属半球をボルトで締結して形成された球体である。内部空間は合成ゴム製のダイヤフラムによって分割されており、上部室にはガスが充填されている。圧力油が他の室に入ると、ガスが圧縮される。すべての油圧油が放出されると、ダイヤフラムが出口ポートを覆ってアキュムレータ内のガスを保持する。また、ダイヤフラムはその厚みを超えて押し出されることはない。

ブレッダー式アキュムレータ

ブレッダー式アキュムレータは、金属製のシェルと内部の合成ゴム製ブレッダーで構成されます。ブレッダーにはガスが充填されています。油がシェル内に流入すると、ブレッダー内のガスが圧縮され、油がシェルから流出します。すべての油が排出された後、ガスの圧力によりブレッダーが出口ポートを通じて押し出されようとするのですが、ブレッダーが出口側のシートバルブに接触すると、シェル内の油が自動的に密封されます。

図8-8 3種類の流体／ガス式アキュムレータ。いずれも圧縮窒素を用いて油圧エネルギーを蓄えます。ピストン式（上）、ダイアフラム式（中央）、ブレッダー式（下）は、ガスと油を分離する方式が異なります。

アキュムレータ回路の応用

アキュムレータは、油圧システムにおいて、流量供給、圧力維持、衝撃吸収の複数の機能を果たすことができます。

流量供給

アキュムレータは、流量供給の用途にも使用されます。充電されたアキュムレータは、油圧の潜在エネルギー源です。システムがポンプの供給能力を超える流量を必要とする場合、アキュムレータに蓄えられたエネルギーを用いてシステム流量を生成できます。例えば、機械の作業時間（サイクル中の実際の稼働時間）が極めて短いように設計されている場合、小排気量ポンプでしばらくアキュムレータを充電することができます。機械が作動すると、方向制御弁が作業位置に切り替わり、アキュムレータは即座に必要な圧力油をアクチュエータに供給します。このように小規模ポンプとアキュムレータを組み合わせる方法では、ピーク電力（つまり、短時間で大流量／大出力を発生させる大規模ポンプ／モーター）を、長時間にわたって平均化された小規模ポンプ／モーターで代替することができるのです。

圧力維持

アキュムレータは圧力維持にも使用できます。ポンプ／モーターがシステムの他の部分に流量を供給している間、アキュムレータは回路の一部（分岐回路）における圧力を維持することができます。

システムがクランプシリンダAの復帰を要求する際、クランプシリンダBは圧力を維持しなければならない。方向制御弁Aが切り替わると、油圧ポンプおよびシリンダAの配管内の圧力は急激に低下するが、シリンダBの圧力はアキュムレータによって維持される。このアキュムレータには、すでにシリンダBの配管における漏れを補償するのに十分な圧力油が蓄えられている。

別の応用例として、炉の近くに設置された作業用シリンダでは、周囲温度が非常に高いため油が熱膨張を起こす。アキュムレータはこの体積増加を吸収し、圧力を比較的一定のレベルで維持する。アキュムレータがなければ、配管内の圧力上昇は制御不能となり、部品のハウジング、配管、または継手の破損を引き起こす可能性がある。

図8-10 圧力維持用アキュムレータ。（上）ポンプが他の回路に供給している間、ある回路分岐の圧力を維持する。（下）熱源付近での油の熱膨張による体積変化を吸収する。

衝撃吸収

流体／ガス蓄圧器は、システムの衝撃を吸収する目的でも使用できます。油圧システムにおける衝撃は、シリンダーやモーターに接続された負荷の慣性、あるいは流量の急激な遮断、方向制御弁の急速な切り替えなどによって引き起こされ、これらは流体の慣性により衝撃を生じさせます。回路内に設置された蓄圧器は、この衝撃の一部を吸収し、システム全体への伝播を防ぐことができます。

外部からの機械的力も油圧衝撃を引き起こすことがあります。反発傾向を持つ負荷が油圧シリンダーに接続されている場合、その負荷がピストンを押し戻すことで油圧衝撃が発生します。シリンダーラインに設置された蓄圧器は、適切に充填されていれば、この衝撃効果を低減するのに役立ちます。一方、不適切な充填圧で設定された場合、過圧を引き起こす可能性もあります。

等温充填および断熱充填

流体／ガス蓄圧器は、圧縮されたガスを用いて油圧を貯蔵するため、ガスの性質が蓄圧器の性能に影響を与えます。流体／ガス蓄圧器を充填すると、ガスが圧縮され、その温度が上昇します。一定圧力下では、高温のガスは低温のガスよりも大きな体積を占めます。

等温過程とは、ガスの温度が一定に保たれた状態での蓄圧器の動作状態を表します。充填時に等温動作が実現するには、ガスが十分にゆっくりと圧縮され、圧縮によって生じるすべての熱が完全に放散される必要があります。断熱過程とは、ガスの温度が変化する状態での蓄圧器の動作状態を表します。充填時に断熱動作が実現するには、ガスが非常に急速に圧縮され、発生したすべての熱が保持される必要があります。

同一圧力まで充填された流体／ガス蓄圧器において、等温過程は断熱過程よりも多くの油を貯蔵できます。

数値例：ピストン式アキュムレータは、初期状態でガス圧力が500 psi（34.48 bar）、温度が70°F（21°C）である。断熱過程（急速充填）により1,000 psi（68.97 bar）まで充填すると、温度と圧力が同時に上昇する。1,000 psi（68.97 bar）に達した時点で油の流入が停止し、温度は150°F（65.6°C）となり、アキュムレータには135 in³（2,215.65 cm³）の油が貯留される。等温過程（緩やかな充填）で充填した場合、温度は常に70°F（21°C）に保たれる。1,000 psi（68.97 bar）に達した時点で油の流入が停止し、アキュムレータには150 in³（2,458.5 cm³）の油が貯留される。

図8-12 等温充填と断熱充填の比較。同一最終圧力において、緩やかな（等温）充填では、急速な（断熱）充填よりも多くの油を貯留できる。これは、温度が低く保たれ、ガスが占める体積が小さくなるためである。

等温および断熱放電

オイル排出中、ガスは膨張して冷却されます。一定圧力下では、低温のガスは高温のガスよりも体積が小さくなります。実際には、アキュムレータの動作は一般に断熱的（等温的ではない）です。以下のセクションでは、アキュムレータが貯留できるオイル量ではなく、圧力が所定の下限値まで低下するまでの間に放出するオイル量が主な関心事となります。この放出量は、プリチャージ圧力によって大きく影響を受けます。

プリチャージ圧力

アキュムレータ内のオイルが完全に空になった状態で、流体／ガス式アキュムレータに充填されるガスの圧力がプリチャージ圧力です。この圧力は、アキュムレータの有効容積および衝撃吸収性能に大きな影響を与えます。

プリチャージ圧力が有効容積に与える影響

流体／ガス蓄圧器は、システム内の流量を発生させたり、圧力を維持するために使用され、通常、最大作動圧力と最小作動圧力の間で動作します。油で完全に充填された状態では、蓄圧器は最大作動圧力に達します。必要に応じて作動圧力が低下すると、蓄圧器から油が放出され、より低い最小圧力まで下がります。最大作動圧力から最小作動圧力までの間に蓄圧器から放出される油の体積が、有効体積です。

プリチャージ圧は有効体積に影響を与えます。例：システム内で使用される231 in³（3,786 cm³）の流体／ガス蓄圧器では、小型ポンプを用いて油をシステム圧力（2,000 psi＝137.9 bar）まで充填します。流量を供給するため、圧力を1,500 psi（103.4 bar）まで低下させます。選択されたプリチャージ圧によって、蓄圧器がシステムに供給できる油の量が決まります。

性能表から、231 in³（3,786 cm³）の容量を持つアキュムレータで、100 psi（6.89 bar）のプリチャージ圧を設定した場合、等温充填（上限＝等温値）時の1,000 psiでは210 in³（3,441.9 cm³）の油を貯留できる。1,500 psi（103.4 bar）では202 in³（3,310.8 cm³）を貯留し、この二つの圧力間で8 in³（131 cm³）の油を供給する。この低プリチャージ圧のアキュムレータは大量の油を貯留できるが、供給量は極めて少ない。

プリチャージ圧を1,000 psi（68.96 bar）に高めると、2,000 psi（137.9 bar）では93 in³（1,524.3 cm³）、1,500 psi（103.4 bar）では59.5 in³（975 cm³）の油を貯留でき、その差である33.5 in³（594.1 cm³）を供給できる。高いプリチャージ圧では貯留される油量は少なくなるが、供給量は大幅に増加する。プリチャージ圧を1,400 psi（96.6 bar）にすると、貯留油量は最小となるが、供給油量は最大となる。

図8-13 アキュムレータ性能表（231 in³容量）。プリチャージ圧を高く設定すると、所定の圧力範囲内で1サイクルあたりに供給できる油量は増加するが、総貯留油量は減少する。プリチャージ圧は、全容量ではなく、必要な有効容積に基づいて選定する必要がある。

有効体積出力を制御すること

アキュムレータの有効体積出力は、流量によって制御されるべきである。圧力維持のためには、補償が必要な漏れ量に基づいて制御流量が決定される。圧力油を供給するために使用されるアキュムレータにおいて、下流側の方向制御弁が切り替わると、有効体積出力が速くなりすぎることがある。このため、このようなアキュムレータには、入口／出口ポートに流量制御バルブおよびバイパスチェックバルブが設けられることが多い。

流体／ガス式アキュムレータを衝撃吸収装置として使用する場合、そのプリチャージ圧は通常、回路内の最大作動圧よりもわずかに高い値に設定される（リリーフバルブの設定圧より約100 psi／6.896 bar高い値に設定）。最大作動圧がリリーフバルブによって設定される場合、プリチャージ圧はリリーフバルブの設定圧より約100 psi高い値に設定できる。

プリチャージが衝撃吸収性能に与える影響

流体／ガス式アキュムレータのプリチャージ圧は、その衝撃吸収能力に影響を与えます。油圧システムにおいて、衝撃は、シリンダーやモーターに外部機械的力が加わって急激な圧力上昇を引き起こす場合、あるいは油圧バルブが急激に閉じられた際に流体の慣性によって生じる場合があります。

アキュムレータは、自身が圧縮および伝達可能な範囲内の衝撃圧力による油を吸収できます。アキュムレータを備えた配管回路は、ある一定圧力以上で圧縮可能になります。アキュムレータのプリチャージ圧が低すぎると、衝撃到達前にすでに一部の油を貯留しているため、吸収できる量は4 in³（65.6 cm³）にとどまります。一方、プリチャージ圧が2,500 psi（172.4 bar）と高すぎると、4 in³を吸収するまでに圧力がほぼ2,800 psi（193 bar）まで上昇します。ショックアブソーバーにおいては、プリチャージ圧が極めて重要です。

プリチャージ圧の喪失

流体／ガスアキュムレータは、適切なプリチャージ圧力まで一度だけガスを充填します。つまり、同一のプリチャージ圧力を無期限に維持することはできません。アキュムレータが作動中には、圧縮されたガスがガスバルブから漏れ出ることがあります——これは、ガスバルブの故障や密封不良、あるいはテーパー形状のバルブコアがバルブシートに正しく座らないことなどに起因する可能性があります。また、ブレッダー式およびダイアフラム式アキュムレータでは、油圧油の排出中にガス圧が徐々に低下します。この現象は通常、急激に進行し、合成ゴム製のダイアフラム材が破断することを引き起こします。ピストン式アキュムレータの場合、排出過程において、充填されたガスがピストン部の摩耗したシールを通過して漏れ出ることがあります。プリチャージ圧力の徐々なる低下は、ある程度摩耗したピストン式アキュムレータを示唆しています。

プリチャージ圧力の点検

正しいプリチャージ圧力は、流体／ガスアキュムレータの性能にとって極めて重要であるため、定期的に点検する必要があります。プリチャージ圧力を確認するには、圧力計付きの充填装置が必要です。この装置は主に充填チャック、ブリードバルブ、および圧力計で構成されています。

点検手順：アキュムレータ内の油をすべて排出した後、保護キャップ（通常は上部のガスバルブに装着）を取り外します。チャックハンドルを完全に引き出した状態で、ブリードバルブが閉じていることを確認します。充填チャックをアキュムレータのガスバルブに接続し、ウィングナットを締め、ガスバルブへの確実な接続を確保します。チャックのねじを回してアキュムレータのガスバルブ芯を完全に押し込み、圧力計の表示値を読み取ります。この値がアキュムレータのプリチャージ圧力です。

プリチャージが正しく行われている場合は、チャックハンドルを外側に回してアキュムレータのガスバルブを閉じ、ブリードバルブを開けて充填装置の圧力を抜き、チャックのウィングナットを緩めて装置をアキュムレータから取り外し、ガスバルブの保護キャップを再装着してください。

プリチャージ圧が高すぎる場合は、ブリードバルブを開いて過剰な圧力を放出してください。プリチャージ圧を上昇させる必要がある場合は、まずチャックハンドルを引き抜いてアキュムレータガスバルブを閉じ、次にブリードバルブを開いて充填装置の圧力を解放した後、ブリードバルブを閉じ、充填装置を窒素ボンベに接続します。チャックハンドルを押し込んでアキュムレータガスバルブのバルブ芯を完全に押圧し、窒素ボンベのバルブを開けてガスをゆっくりとアキュムレータ内に供給します。ゲージが所定の圧力を示したら、ガスバルブを閉じます。ゲージが正しいプリチャージ圧を示した時点で、窒素ボンベのバルブを閉じ、チャックハンドルを引き抜いてアキュムレータガスバルブを閉じ、ブリードバルブを開き、その後フレキシブル充填チューブおよび充填装置を切断します。

図8-15 アキュムレータのプリチャージの点検および設定。（上）ピストンシールの摩耗により、徐々にプリチャージ圧が低下します。（下）標準窒素充填キット——常に乾燥窒素を使用し、絶対に圧縮空気を使用しないでください。

アキュムレータ回路における油圧ポンプのアンロード

アキュムレータを備えた典型的な油圧回路では、アキュムレータが完全に充電され、システムのどの部分も作動していない場合、ポンプ／モーターの流量を可能な限り低圧でタンク（レザーバー）へアンロードする必要があります。図示された回路では、このアンロードにダンプバルブが使用されています。アキュムレータの圧力がダンプバルブの設定圧に達すると、ダンプバルブが開き、ポンプの流量をタンクへ導きます。

通常、このようなタイプのアンロードは数秒間しか持続できません。これは、チェックバルブの下流側には常に何らかの漏れが存在するためです。アキュムレータはこの漏れを補償しなければならず、その結果、圧力は徐々に低下します。これによりダンプバルブは徐々に閉じられ、タンクへの開口部は次第に小さくなっていき、最終的にアキュムレータ内の圧力がバルブの開弁圧以下にまで低下します。バルブが閉じるにつれて、ポンプ／モーターは再びアキュムレータをダンプバルブの設定圧まで再充電するためにより大きな動力を発生させる必要があります。

アキュムレータの再充填前にポンプ／モーターを完全にアンロードするためには、圧力スイッチを使用できます。この回路では、圧力スイッチがアキュムレータ内の圧力を検出し、設定された圧力ポイントで電気的なスイッチング信号を出力します。この電気信号は、通常閉じている2方向ソレノイドバルブへ送られます。このソレノイドバルブは、パイロット式リリーフバルブを制御してアンロードさせることができます。アキュムレータの圧力が圧力スイッチの設定値に達すると、リレーがソレノイドバルブに信号を送り、リリーフバルブをアンロードし、ポンプ／モーターの流量をリリーフバルブを通じてタンク（レザボア）へ流すように切り替えます。

図8-16 アキュムレータアンロード回路。（上）単純なダンプバルブ：アキュムレータの圧力が設定値に達するとタンクへアンロードされるが、サイクリングしやすい。（下）圧力スイッチとパイロット式リリーフバルブを組み合わせた方式：完全なアンロードを保証し、正確な圧力帯域制御が可能。

差圧式アンロードバルブ

アキュムレータの充電が完了した後、差圧式アンロードバルブを圧力スイッチおよびソレノイドバルブの代わりに使用して、リリーフバルブを開いてポンプ／モーターをアンロードすることができます。この差圧式アンロードバルブは、アキュムレータ用途に特化して設計された油圧バルブです。その名称が示す通り、このバルブは圧力差を利用してポンプ／モーターをアンロードします。

建設業

差圧式アンロードバルブは、パイロット式リリーフバルブ、チェックバルブ、および差動ピストンを1つのバルブ本体に組み込んだ構造になっています。バルブ本体には3つのポート（圧力ポート、リターンポート、アキュムレータポート）が設けられています。

どのように機能するか

差圧式アンロードバルブ内部では、チェックバルブおよびパイロット式リリーフバルブが正常に動作します。ポンプの吐出油はチェックバルブを介してアキュムレータに充填されます。差動ピストンはパイロットリリーフバルブのスプールと向かい合って配置されており、そのボア内で自由に移動できます。ピストンの両端には等しい面積の圧力が作用します。アキュムレータが充填されている間は、ピストンの両側の圧力はほぼ等しくなります（チェックバルブによる圧力損失は無視）ため、ピストンは移動しません。パイロットバルブスプールに作用する圧力が十分に大きくなると、パイロットスプールがシートから押し離されます。既知の通り、このパイロットスプールの移動により、主バルブのスプリング収容室の圧力が制限されます。主バルブのスプリング収容室および差動ピストンの一端が圧力制限されるため、ピストンはパイロットバルブスプール方向へ移動し、パイロットスプールを完全にシートから押し離します。これにより、主スプールのスプリング収容室への制御圧力が解放され、リリーフバルブがアンロードされ、ポンプ／モーターがアンロードされます。同時にチェックバルブが閉じるため、アキュムレータ内の油がリリーフバルブを通じて排出されることはありません。

圧力にさらされる差動ピストンの面積は、パイロットバルブのスプール面積よりも15％大きい。力＝圧力×面積であるため、パイロットスプールをシートから離れた状態に保つ力は、パイロットスプールを持ち上げる力よりも15％大きくなる。つまり、パイロットスプールを再座席させるには、ばねが他の場所から15％以上の力を得る必要がある——あるいは、パイロットスプールが再座席できるまで、システム圧力が15％低下する必要がある。

これにより、差動圧式アンロードバルブは、アキュムレータの充填後にポンプ／モーターをアンロード状態で維持し、圧力がパイロットバルブ設定値の固定百分率（通常約15％）低下するまでその状態を保つことができる。例えば、パイロットバルブの設定値が1,000 psi（69 bar）の場合、アンロード動作は1,000 psi（69 bar）から850 psi（59 bar）の間で発生する。また、パイロットバルブの設定値が2,000 psi（138 bar）の場合、アンロード範囲は2,000 psi（138 bar）から1,700 psi（117 bar）となる。

油圧シリンダ — 詳細な構造および動作

あらゆる用途において、油圧作動エネルギーが有用な仕事をするためには、機械的エネルギーに変換される必要があります。油圧シリンダーは、油圧エネルギーを直線的な機械運動に変換します。

シリンダー構造

油圧シリンダーは、シリンダーバレル、柔軟なシールリングを備えた可動ピストンおよびピストンロッドで構成され、さらに2つの端部キャップからなります。端部キャップは、ねじ式、フランジ式、引き抜き式、または溶接式でバレルに取り付けられます。産業用油圧シリンダーでは、一般的にボルト締め式のロッド端部接続が採用されています。ピストンロッドが移動する際には、ピストンロッドシールキットまたは着脱式ガイドリングと呼ばれる部品が、ピストンロッドを案内・支持します。

ピストンロッドが突出する側の端部は「ロッド端」と呼ばれ、ロッドがない反対側の端部は「ブラインド端」と呼ばれます。入口および出口ポートは、それぞれロッド端キャップおよびブラインド端キャップに設けられています。

シール

正常な作動を確保するためには、油圧シリンダのピストンおよびピストンロッドガイドシールが確実な密封性を有している必要があります。油圧シリンダのピストンで一般的に使用されるシールには、リップシール、鋳鉄製ピストンリング、または単一の両方向シールユニットなどがあります。シール材および部品は、作動流体および使用条件と適合していることを確認する必要があります。

ピストンロッド用マルチレイヤーシールは、効果的なピストンロッドシール方式の一つであり、内面がリップ形状の主シール、作動中に常にピストンロッド表面に接触し、ピストンロッド表面から作動油を掻き取るワイパー、および主シールによって残された微量の油を回収する二次ダストシール（防塵シール）から構成されます。また、ピストンロッドの引き込み時に、ピストンロッド表面に付着した異物を拭き取ります。

シールキャビティ排水

上記のように、主シールとダストシールの間の空隙に蓄積された油は、リトラクションストローク中にシリンダーボアへ戻ることがあります。これは正常な現象です。ただし、シリンダーストロークが特に長い場合（10フィート／3.05メートル以上）、シール空隙内に蓄積される油量がピストンロッドシールの許容容量を超過する可能性があります。このような状況、およびシール空隙内に過剰な油が存在する場合には、ピストンロッドシール空隙に外部ドレイン接続を設ける必要があります。

図8-18 シリンダー構造の詳細。ロッド端キャップにはピストンロッドシールアセンブリが収められています。長ストロークシリンダーでは、シールへの油の過負荷を防止するためにドレインポートが追加されます。

油圧ショック

油圧エネルギーによってシリンダーピストンがストローク終端（シリンダー行程の終端）まで駆動された際、油の慣性が衝撃として作用し、「油圧ショック」と呼ばれます。この衝撃エネルギーが十分に大きい場合、油圧シリンダーに損傷を与える可能性があります。

クッション装置

油圧シリンダを過度の衝撃から保護するために、クッション装置を取り付けることができます。クッション装置は、ストローク終了直前にシリンダピストンを減速させます。クッション装置は、油圧シリンダの片側端または両端に取り付けることができます。

クッション装置の構造

クッション装置は、ピストンのロッド側（ブラインドエンド）に設置された流量制御用ニードルバルブおよびクッションスピア、およびピストンロッドに設置されたクッションスリーブで構成されます。これらの部品は、各端部でプラグとして機能します。

クッションの作動原理

油圧シリンダのピストンがストローク終端に近づくと、クッションスパイアまたはクッションスリーブが通常のオイル出口を遮断します。これにより、オイルはニードルバルブのみを通過して流れるようになります。リリーフバルブの設定圧力で発生した一部の圧力油が、ニードルバルブから逃げます。残りの流量がニードルバルブを通過することで、シリンダの減速率が決定されます。ニードルバルブの調整によって、ピストンの減速率が決まります。復帰ストロークでは、流量が単一のチェックバルブ（図示せず）を通じてシリンダ内に流入し、ニードルバルブをバイパスするため、逆方向の速度には影響しません。

ストローク調整

場合によっては、油圧シリンダのストローク長を外部制御によって制限する必要があります。シリンダ本体にねじ込み・ねじ出し可能なストップネジを取り付けることで、ストロークを事前に調整できます。あらゆるタイプのストローク調整装置は、停止力、衝突、衝撃および寸法的影響に関する要求仕様に対して検証される必要があります。

図8-19 シリンダーのクッション、ストローク調整器、取付け方式、および負荷タイプ。クッションはシリンダーのストローク終端における保護を目的としており、取付け方式はシリンダーがその負荷をどの程度効果的に支えられるかを決定します。

油圧シリンダーの取付け方式

油圧シリンダーには、フランジ、トラニオン、サイド・ラグ取付け、センター・ラインねじ、ダブル・ラグリング、タイロッド、および溶接取付けなど、多数の取付け方式があります。センター・ラグ取付けまたは溶接取付けは、シリンダー動作時の誤整列を最小限に抑える非常に優れた設計です。

機械的運動

油圧シリンダーは、油圧エネルギーを直線的あるいは一次元的な機械的運動に変換できます。ただし、機械的リンク機構の選択次第で、シリンダーはさまざまな種類の機械的運動を実現することも可能です。

負荷タイプ

油圧シリンダーは、多数のアプリケーションにおいて多様なタイプの負荷を駆動できます。一般に、ピストンロッドによって押し出される負荷は「プッシュ負荷」と呼ばれ、ピストンロッドによって引き込まれる負荷は「プル負荷」と呼ばれます。

ストップチューブ

ストップチューブとは、ピストンロッドに取り付けられた固体の金属製スリーブです。長行程シリンダのピストンロッドが完全に突出した状態では、ストップチューブによりピストンとガイドスリーブの間に所定の間隔が確保されます。ピストンロッドガイドスリーブは、シリンダ作動中にピストンロッドを支持するベアリングであり、一定の荷重を支えるように設計されています。このガイドスリーブは単なる軸であるだけでなく、ピストンロッドの荷重点でもあります。負荷が接続された長行程シリンダにおいて、剛性ガイドのないピストンロッドは、完全に突出した際にたわみを生じたり、ガイドスリーブ部で曲げ変形を起こしたりし、その結果としてサイドロードが発生してピストンロッドガイドスリーブを損傷する可能性があります。

ストップチューブの機能は、ピストンロッドが完全に突出した際にピストンとガイドスリーブの間に所定の間隔を確保し、ピストンロッドガイドスリーブにかかる荷重を低減することです。

シリンダの種類

油圧シリンダにはさまざまな種類があります。以下に、一般的に使用されるシリンダの種類を示します。これらの種類は、後続のレッスンで登場する特定の応用回路にも現れます。

• シングルロッドシリンダ：シリンダのピストンロッドが片側のみから延出しています。
• ダブルロッドシリンダ：シリンダには1つのピストンがあり、ピストンロッドが両端から延出しています。
• 二動式シリンダ：このタイプでは、油圧が交互にシリンダピストンの両面に作用し、ピストンロッドを伸長および収縮させます。
• テレスコピックシリンダ：シリンダバレルに複数の伸縮式セクションが備わっており、収縮時の短い長さから長いストロークを実現できます。
• タンデムシリンダ：シリンダは直列に配置された2つ以上のシリンダで構成され、ピストンロッド同士が接続されて共通のピストンロッドを形成します。シリンダ間にはピストンロッドシールが設置されており、各シリンダが二動式で作動します。
• デュプレックスシリンダ：シリンダは少なくとも2つのバレルから構成され、各シリンダが二動式で作動します。

図8-20 油圧シリンダの種類。各タイプは特定の用途に適しており、テレスコピック式は限られた設置空間内で長ストロークを実現するのに適し、タンデム式はボア径が制限される中で高出力を得るのに適し、両ロッド式は前後両方向で等しい力／速度を実現するのに適しています。

両動式単ロッドシリンダの動作

産業用油圧システムで最も一般的なタイプは、両動式単ロッドシリンダです。このタイプでは、許容流量（gpm）および許容圧力（psi）、ならびに変換された機械的出力およびピストンロッドの動きが主な検討事項となります。

ピストン面積および有効ピストン面積

ピストン面積および有効ピストン面積は、一般に両動式単ロッドシリンダについて議論されます。大ピストン面積とは、シリンダのブラインドエンド（ロッドなし側）において圧力が作用するピストンの全断面積を指します。一方、有効小面積（環状面積）とは、ロッド側において圧力が作用するピストン面積であり、これはピストンロッドがピストン面積の一部を占有しているためです。したがって、有効小面積は一般に大面積より小さくなります。

ピストンロッドの伸長速度

油圧シリンダのピストンロッドの伸長速度は、流体がシリンダのブラインドエンド（ロッド側と反対側）にどれだけ速く充填されるかによって決まります。ピストンロッドの速度は通常、ft/minまたはm/minで表されます。

例：ピストン面積が10 in²（64.5 cm²）のシリンダに5 gpm（18.95 Lpm）の流量が供給される場合、ロッド速度＝（5 × 19.25）÷ 10 ＝ 9.63 ft/min（49 mm/s）となります。流量を2倍（10 gpm／37.9 Lpm）にすると、ロッド速度も2倍になり、19.25 ft/min（97.33 mm/s）となります。

ピストンロッドの収縮速度

ピストンロッドの収縮時には、流量がロッドエンド（ロッド側）に流入します。同じ入力流量において、収縮速度は伸長速度よりも速くなります。この場合、式には小さい方の（環状の）ピストン面積を使用してください。

例：流量10 gpm（38 L/min）が、大径面積10 in²（65 cm²）、小径面積8 in²（52 cm²）のシリンダーのロッド側端に流入する。収縮速度＝（10 × 19.25）÷ 8 ＝ 24.06 ft/min（0.12 m/s）。

同一の入力流量において、両動式単ロッドシリンダーは収縮時の方が伸長時よりも速く動作する。

収縮時の吐出流量

収縮中は、流量がロッド側端に流入し、ブラインド側端から流出する。吐出流量は入力流量より大きくなる——これはgpm（L/min）を求めるのと同じ式で計算可能だが、ピストンの大径面積を用いる。例：ロッド側端へ10 gpmが流入し、ロッド速度が24.06 ft/minの場合：流出量＝（24.06 × 10）÷ 19.25 ＝ 12.5 gpm（46 L/min）。

シリンダー出力力に影響を与える要因

図に示すように、油圧シリンダが発生する力は、シリンダのピストン面積に作用する油圧に依存します。特定のシリンダが現在の最大出力力を上回る力を発生させる必要がある場合、多くの場合、圧力を比例的に高めることで対応できます。ただし、システムの圧力およびシリンダのサイズによって、より大きなシリンダを採用できない状況もあります——このような場合、タンデムシリンダが解決策となります。

タンデムシリンダ回路

タンデムシリンダは、直列に配置された2つ以上のシリンダから構成されます。各シリンダのピストンロッドは連結されて1本の共通ピストンロッドを形成します。シリンダ同士の間にはピストンロッドシールが設けられており、それぞれのシリンダが両動式で動作可能になっています。設置スペースや機械のサイズによってシリンダの径が制限される場合でも、ポンプ／モータによる吐出圧が比較的低い状態においても、同等の機械的出力力を得ることができます。

例：最大の機械設置では、10 in²（64.5 cm²）のピストン面積が可能である。負荷抵抗を克服するための最大圧力はわずか500 psi（34.48 bar）である。8 in²（51.6 cm²）の有効面積側に500 psi（34.48 bar）の圧力を加え、背面圧力を発生させると、781 psi（53.86 bar）の力が生じる。2つのシリンダーからなるタンデム回路において、各シリンダーが500 psi（34.48 bar）で、10 in²の面積および8 in²の有効面積を持つ場合、合計出力ははるかに大きくなる。