空気圧

このような空気圧（圧縮空気）式の無火機関車は、蒸気機関が爆発の危険を伴う鉱山で列車を牽引するためによく使用されました。この機関車は、 1923年製HKポーター社No.3290として保存されています。

空気圧（ギリシャ語のπνεῦμα pneuma 「風、呼吸」に由来）は、機械システムにおけるガスまたは加圧空気の使用です。

産業界で使用される空気圧システムは、一般的に圧縮空気または圧縮不活性ガスによって駆動されます。中央に設置された電動コンプレッサが、シリンダー、エアモーター、空気圧アクチュエータ、その他の空気圧機器に電力を供給します。手動または自動ソレノイドバルブで制御される空気圧システムは、電気モーターや油圧アクチュエータよりも低コスト、柔軟性、安全性に優れている場合に選択されます。

空気圧は歯科、建設、鉱業などの分野 でも応用されています。

歴史

空気圧の初期の歴史は不明瞭な点が多いものの、吹き矢は世界中の様々な先住民族によって独自に作られたことから、最も初期の空気圧機器と考えられています。ふいごは初期の空気圧縮機の一種で、主に製錬と鍛造に使用されていました。アレクサンドリアのクテシビオスは、空気圧の父と称されることが多く、「紀元前3世紀初頭に活動し、圧力をかけた空気、水、蒸気で動く数々の機械玩具を発明した」とされています。クテシビオスの著作は現存していませんが、ビザンツ帝国のフィロンの著書『機械論』やウィトルウィウスの『建築について』に大きな影響を与えたと考えられています。[ 1 ]紀元前1世紀、古代ギリシャの数学者アレクサンドリアのヘロンは、著書『空気圧』の中で数十もの装置の設計図をまとめています。この研究の多くはクテシビオスの功績であると考えられています。[ 2 ]これらの古文書に記載されている空気圧実験は、後にルネサンス期の発明家たちにインスピレーションを与え、空気の加熱と冷却を利用して水柱をチューブ内で上下に動かす装置である温度計と空気温度計を発明しました。 [ 3 ] : 4–5

ドイツの物理学者オットー・フォン・ゲーリケ（1602–1686）は、接続された容器から空気またはガスを排出する装置である真空ポンプを発明しました。彼は、この真空ポンプを用いて空気圧を利用して一対の銅製半球を分離できることを実証しました。

空気圧システムで使用されるガス

空気圧バタフライバルブ

工場などの固定設備における空気圧システムでは、大気を圧縮することで持続的な供給が可能となるため、圧縮空気が使用されます。[ 4 ]空気は通常、水分が除去されており、腐食を防ぎ、機械部品を潤滑するためにコンプレッサーで少量のオイルが追加されます。

工場で配管された空気圧式動力装置を使用する場合、ガスは通常空気であるため、有毒ガスの漏洩を心配する必要はありません。空気以外の圧縮ガスは窒息の危険性があり、空気の78%を占める窒素も例外ではありません。圧縮酸素（空気の約21%）は窒息の危険性はありませんが、火災の危険性があり、高価で、空気に比べて性能上の利点がないため、空気圧式動力装置では使用されません。小型システムやスタンドアロンシステムでは、窒息の危険性がある他の圧縮ガス、例えば窒素（ボンベで供給される場合はOFN（無酸素窒素）と呼ばれることが多い）を使用できます。

ロボットウォーズなどの趣味用途の携帯用空気圧工具や小型車両は、圧縮二酸化炭素を動力源とすることがよくあります。これは、ソーダストリームのキャニスターや消火器など、二酸化炭素を収容する容器が容易に入手できること、そして液体と気体の相変化により、圧縮空気よりも軽い容器から大量の圧縮ガスを得ることができるためです。二酸化炭素は窒息性物質であり、適切に排出しないと凍結の危険があります。

油圧との比較

空気圧と油圧はどちらも流体動力の応用分野です。空気圧は空気や適切な純ガスなどの容易に圧縮できる気体を使用し、油圧は油などの比較的圧縮性のない液体媒体を使用します。ほとんどの産業用空気圧アプリケーションでは、約80～100  psi（550～690  kPa）の圧力が使用されます。油圧アプリケーションでは一般的に1,000～5,000 psi（6.9～34.5 MPa）が使用されますが、特殊なアプリケーションでは50,000 psi（340 MPa）を超える場合もあります。[ 5 ]

空気圧の利点

  • 設計と制御のシンプルさ- マシンは標準のシリンダーやその他のコンポーネントを使用して簡単に設計され、シンプルなオン/オフ制御で動作します。
  • 信頼性— 空気圧システムは一般的に長寿命で、メンテナンスもほとんど必要ありません。ガスは圧縮性があるため、機器が衝撃による損傷を受けにくくなります。ガスは過剰な力を吸収しますが、油圧システムでは流体が力を直接伝達します。圧縮ガスは貯蔵できるため、停電時でも機械はしばらく稼働し続けます。
  • 安全性- 油圧オイルに比べて火災の可能性が非常に低いです。新しい機械は通常、一定の限度まで過負荷に対して安全です。

油圧の利点

  • 流体は供給されたエネルギーを一切吸収しません。
  • 非圧縮性のため、はるかに高い荷重を移動し、はるかに低い力を提供することができます。
  • 作動油は実質的に非圧縮性であるため、バネ作用は最小限に抑えられます。作動油の流れが停止すると、負荷のわずかな動きによって負荷への圧力が解放されます。負荷への圧力を解放するために加圧空気を「ブリードオフ」する必要はありません。
  • 空気圧式に比べて応答性に優れています。
  • 空気圧よりも多くの電力を供給します。
  • 潤滑、冷却、動力伝達など、一度に多くの目的を果たすこともできます。

空気圧ロジック

空気圧ロジック システム (エア ロジック制御と呼ばれることもあります) は、次のような主要なロジック ユニットで構成され、産業プロセスの制御に使用されることがあります。

  • そしてユニット
  • またはユニット
  • リレーまたはブースターユニット
  • ラッチングユニット
  • タイマーユニット
  • 空気以外の可動部品を持たない流体増幅器

空気圧ロジックは、産業プロセスにおける信頼性と機能性に優れた制御方法です。近年、デジタル制御の小型化、低コスト、高精度、そして強力な機能により、新規設備においては、空気圧ロジックシステムは電子制御システムに大きく置き換えられています。しかし、アップグレードコストや安全性が重視される分野では、依然として空気圧機器が使用されています。[ 6 ]

空気圧ロジックが有益なもう一つの分野はソフトロボティクスです。よりシンプルな空気圧ロジック部品をソフトロボティクスに導入することで、高価で剛性の高い部品を置き換えたり削減したりすることができ、ソフトロボティクスシステムの製造コストを削減できます。[ 7 ]

空気圧システムとコンポーネントの例

参照

注記

  1. ^ベリーマン、シルヴィア（ 2019年1月25日）[2016年3月7日]。「空気圧」。オックスフォード古典研究百科事典。オックスフォード古典辞典。オックスフォード大学出版局。doi ：10.1093/acrefore/9780199381135.013.5146。ISBN 978-0-19-938113-5. 2024年5月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。2023年11月29日閲覧。
  2. ^アレクサンドリアのヘロン（1851年）。アレクサンドリアのヘロンの空気力学、ギリシャ語原典より。ロンドン：テイラー・ウォルトン・アンド・メイバリー。p. xv。2023年12月12日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2023年11月29日閲覧。
  3. ^ Middleton, WEK (1966).温度計の歴史と気象学におけるその利用. インターネットアーカイブ. ジョンズ・ホプキンス出版. ISBN 978-0-8018-7153-5。
  4. ^ Swedberg, Tim (2019年10月4日). 「空気圧システム部品の様々な種類」 . JHFOSTER . 2025年5月17日閲覧。
  5. ^シモンズ、ブランドン. 「油圧レベルごとの異なる目的とは？」 . blog.mensor.com . 2023年5月30日時点のオリジナルよりアーカイブ。2025年1月2日閲覧。
  6. ^ KMC Controls. 「空気圧からデジタルへ：オープンシステムへの変換」（PDF） . 2017年3月29日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） 。 2015年10月5日閲覧。
  7. ^ Drotman, Dylan; et al. (2021). 「電子回路を使わない空気圧回路によるソフトレッグロボットの制御」 . Science Robotics . 6 eaay2627. doi : 10.1126/scirobotics.aay2627 .

参考文献

  • Brian S. Elliott著『圧縮空気操作マニュアル』、McGraw Hill Book Company、2006年、ISBN 0-07-147526-5。
  • Heeresh Mistry著『空気圧工学の基礎』 Create Space e-Publication、2013年、ISBN 1-49-372758-3。
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