油圧システムは、加圧流体を介して動力を伝達し、機械を作動させます。これらのシステムは機械エネルギーを油圧エネルギー (圧力と流量) に変換し、力と動きの正確な制御を可能にします。油圧システムは、出力密度、応答性、堅牢性が高いため、建設、製造、航空宇宙、モバイル機器などの分野で広く採用されています。材料、制御方法、流体技術の進歩により、効率、信頼性、性能が継続的に向上しています。
油圧ポンプは、機械的入力 (電気モーターやエンジンなど) を油圧エネルギーに変換する機械装置です。これは、システム圧力に対抗して流体の流れを生成することによって行われ、それがシリンダーやモーターなどのアクチュエーターを駆動します。
油圧システムのほとんどのポンプは 容積式 ポンプであり、圧力に関係なく (漏れが支配的になるまで) サイクルごとに (ほぼ) 同じ量を供給します。これらは固定容量型と可変容量型に大別されます。
油圧システムで使用される一般的なポンプのタイプは次のとおりです。
ギア ポンプ
ギア ポンプ (外部または内部) は、最もシンプルで最も経済的な容積式ポンプの 1 つです。噛み合うギアを使用し、流体をギアの歯の周りの入口側から排出側に運びます。
利点: コンパクト、低コスト、メンテナンスが容易
欠点: 騒音が大きく、流量リップルが大きく、高圧での圧力能力と効率が限られている
ベーン ポンプ
ベーン ポンプは、ローター内に収容されたスライド ベーンを使用します。ローターが回転すると、ベーンが半径方向にスライドしてポンプ ハウジングとの接触を維持し、流体を吸い込んだり押し出したりするための膨張および収縮するチャンバーを作成します。
ギアポンプよりもスムーズな流れと低騒音を実現し、多くの設計で圧力補償や可変容量制御が可能です。
ピストン ポンプ (アキシャルおよびラジアル)
ピストン (またはプランジャー) ポンプはより複雑ですが、高圧および高効率が可能です。複数のピストンがシリンダー ボア内で往復運動し、多くの場合、斜板または屈曲軸機構によって駆動されます。
これらのポンプは、堅牢な性能、正確な制御、および高圧能力を必要とする要求の厳しい用途でよく使用されます。
その他のタイプ
スクリューポンプ / プログレッシブキャビティポンプ: 粘性またはせん断に敏感な流体に適しています。計量または特殊流体用途でよく使用されます
フレキシブルインペラポンプ: 低圧設定での自吸式または双方向の流れに便利
動作原理
油圧ポンプは基本的に入口に部分真空を生成し、リザーバから流体を流入させます。次に、ポンプはシステムの圧力に負けて、その出口からシステムに流体を押し込みます。
主要なパフォーマンスパラメータ
流量 (Q) : 単位時間当たりに送出される流体の量。
圧力 (P) : システムを通して流体を供給するためにポンプが克服しなければならない面積あたりの力。
効率:
• 体積効率 (η_v) = 実際の流量 / 理論上の流量。内部漏れにより低下します。
• 機械効率 (η_m) = 理論上の入力トルク / 実際のトルク (摩擦による損失など)。
• 全体効率 (η_o) = η_v × η_m (つまり、体積 × 機械効率)
通常、損失は熱として現れ、流体の温度が上昇し、システムのパフォーマンスが低下するため、効率が重要です。
設計と選択に関する考慮事項
ポンプは、最高効率点付近で動作するサイズにする必要があります。設計外の操作は効率を低下させます。
圧力、流量、流体の適合性 (粘度、添加剤)、温度、汚染レベルを考慮する必要があります。
可変容量ポンプまたは圧力補償ポンプを使用すると、無駄な流量が削減され、システムのエネルギー効率が向上します。
ポンプタイプの効率チャートは、さまざまな性能範囲を示しています。たとえば、ピストンポンプは、より高い圧力レベルでもより高い効率を維持する傾向があります。
油圧ポンプは、大きな力、正確な制御、または連続運転を必要とするシステムの基礎です。一部のドメインには次のものが含まれます。
建設および重機: 掘削機、ローダー、クレーンなどには、高圧で大流量を供給するポンプが必要です。
産業および製造業: プレス、射出成形機、スタンピングライン、その他の工作機械。
航空宇宙および防衛: フラップ、着陸装置、ブレーキの作動 - 厳密な制御、高い信頼性、軽量設計が必要です。
海洋 / オフショア: 船舶のステアリング、ウインチ、オフショア プラットフォームのポンプは、耐腐食性があり、過酷な環境でも確実に機能する必要があります。
油圧パワー ユニット (HPU) は、ポンプとその駆動、リザーバ、濾過、冷却/加熱、および制御システムを統合したターンキー油圧動力源です。
リザーバー/タンク: 作動油を貯蔵し、熱放散と空気の分離を可能にします。
原動機 (モーターまたはエンジン) : ポンプを駆動するための機械的動力を供給します。
ポンプ: システムの圧力と流量の要求を満たすために選択されます。
フィルターシステム: 流体の清浄度を維持します。汚染は油圧故障の主な原因の 1 つです。
冷却/加熱システム: 流体を最適な温度範囲に保ち、粘度を維持し、劣化を軽減します。
制御バルブ、圧力リリーフ、センサー、計装: 流量、圧力、温度などを指示および調整します。
始動: 原動機がポンプを回転させ、流体の循環を開始します。
加圧: 流体がリザーバーから引き出され、加圧されます。
供給: 加圧流体は制御バルブを介して油圧回路に供給されます。
戻りと調整: 液体はフィルターとクーラー/ヒーターを通ってリザーバーに戻ります。
監視と制御: センサーとコントローラーがシステムの状態をリアルタイムで調整します。
HPU には複数のコンポーネントが含まれているため、フィルター、配管の摩擦、熱交換などの損失により、システム レベルの効率はポンプ単体よりも低くなります。
FAおよび加工ライン：プレス、金型、ロボット用のコンパクトで集中的な油圧パワー。
モバイルおよびオフロード機械: HPU はコンパクトで、耐振動性があり、堅牢である必要があります。
航空宇宙および防衛システム: 高い信頼性、冗長性、軽量構造が重要です。
海洋、石油およびガス、海洋プラットフォーム: 耐腐食性、高出力、過酷な条件下での堅牢性。
HPU を設計または選択する場合、主なトレードオフには、 初期コスト, 効率、, メンテナンスの複雑さ、, 生涯コスト、および スペース/重量の制約が含まれます。.
| 寸法 | 油圧ポンプ単体 | 油圧パワーユニット（HPU） |
|---|---|---|
| 範囲 | 単一コンポーネント (ポンプ) | 統合システム (ポンプ + ドライブ + リザーバー + コントロールなど) |
| 役割 | 流体の流れと圧力を提供します | 完全な油圧動力源として機能 |
| インストールと使用方法 | 既存の油圧システムに組み込み | モジュール式のスタンドアロン電源として機能 |
| カスタマイズ性 | ポンプパラメータに限定される | 柔軟性: リザーバーサイズ、制御方式、冷却など。 |
| 初期費用 | 下部（ポンプのみ） | 上位 (複数のサブシステムを含む) |
| システム効率 | 高い（補助損失が少ない） | 低い方（濾過、配管、冷却損失を含む） |
| メンテナンスと複雑さ | シンプルさ (保守するコンポーネントが少ない) | より複雑 (フィルター、センサー、クーラー、バルブ) |
| 適切な用途 | 既存のセットアップの補足または置き換え | 新しいシステムパワーモジュールまたはスタンドアロン油圧源 |
実際には、すでに油圧インフラストラクチャがある場合は、ポンプを追加または交換するだけで十分な場合があります。ただし、新しいシステムやモジュール式システムの場合、HPU は利便性、コンパクトな統合、および導入の容易さを提供します。
流量と圧力を需要に合わせる: 安全性と将来の拡張を考慮して、ピーク需要に対応できる余裕のあるポンプまたは HPU を常に選択してください。
適切なポンプ タイプの選択: 高圧、精密システムの場合、ピストン ポンプは多くの場合、効率と耐久性の点でギア/ベーン タイプよりも優れています。
可変変位または補償を使用する: 可変負荷システムの無駄な流れを削減し、エネルギー効率を向上させるのに役立ちます。
効率の最適化: ポンプを最高効率点付近で運転します。パフォーマンスを低下させる大幅な設計外の動作を回避します。
流体と環境の適合性: 流体の粘度範囲、極端な温度、汚染、腐食を考慮します。
メンテナンスの計画: フィルター、監視センサー、サービスへのアクセスが十分に考慮されていることを確認します。
冗長性と保護: 重要なシステムには、リリーフバルブ、過圧保護、冗長ポンプ、障害検出が含まれます。
総ライフサイクルコスト: 購入価格だけに注目しないでください。エネルギーコスト、ダウンタイムコスト、修理部品、寿命は同等かそれ以上に重要です。
最新の省エネ戦略の一例として、掘削機のアクチュエータ回路での漏れ補償制御の使用が挙げられます。これにより、従来の比例弁回路と比較してシステムのエネルギー効率が約 8.5% 向上することが実証されています。
