液圧と空圧の違い

Question

小さな製品に外側から水圧をかけたいと思います。
そのやり方についてアドバイスを下さい。

密閉容器に水を途中まで入れ製品を沈めた後に、
上部の隙間の空気圧を所望の水圧と同じにすれば、
直接水を圧送して所望の水圧にしたのと同じ事になる
と思ったのですが調べていったら自信がなくなりました。

JIS規格の圧力容器の試験を見ると、基本的には空圧ではなく
液圧で行い、その際には余分な空気を抜く事が書いてありました。
この余分な空気も液体と同じ圧力で容器に力を加えていると思うのですが、
液体は空気と違い圧力で大きく体積が変わらない事がなにか
結果に影響するのでしょうか？
また、容器（内圧）と製品（外圧）とで、
その加圧容器内に残存する空気の影響は違うのでしょうか？

空気が無い方が良いと感覚的には思うのですが、水を圧送する装置だと
大掛かりになるので避けたいのです。
以上宜しくお願いします。

気体の液中への溶け込みに関して疑問は残りますが、
それは大きく影響しないだろうと判断しました。

今回は当初の予定通り、水の入った容器に空圧をかける事にしました。
その際は安全の為に、空気の部分が極力少なくなる様に気をつけて行う様に
作業マニュアルを作る事にします。

皆様ありがとうございました。

Accepted Answer

結論からすると液でも空気でも力的には一緒です。(水深の影響はありますが)

JISやKHKの規格で液を使う理由は危険を避けるためです。今回どれくらいの圧力容器はわかりませんが、高圧の容器の場合耐圧試験でもし壊れた場合、空気だと爆発(膨張)の危険があります。液であれば漏れるだけで危険が少ないです。

私もいやというほど油圧も扱っております。(笑)
同じ圧力であれば液でも空気でも作用する面には同じ力で作用します。これは自然科学の法則です。
油圧のライン内にエアが混入すると問題なのは空気がばねとして作用してしまったり空気が油に溶け込むとキャビテーションを起こし易くなったりするからでしょう。
これらはいずれも油を流して使う場合(動圧として使う場合)に問題になるのであって今回のように静圧として使う場合には関係ありません。

たとえば強度の十分あるストローに水を半分くらい入れます。
下のほうは水がたまっていてその先に圧力計を付けます。
上の方から圧力計を介して空気で圧力をかけます。
空気の部分の圧力計の指す目盛りと水の部分の圧力計の指す目盛りは違いますかねぇ？
水頭圧分の差はありますがほぼ同じ圧力を指すはずですよね。
もし違いがあるとすれば中の流体は圧力の低いほうに流れます。(圧の低いほうに押される)
逆に考えるとこれが流体が流れるときの上流と下流の差圧(圧損)です。
この差圧を考えない場合(流体を流さないかほとんど流れない場合)が今回のケースですよね。＝静圧と言うことです。
エアハイドロコンバーターは私も知りませんでしたが、インターネットで見るところによると液圧でテーブルのようなものを上下するもののようですね。
想像するにこのテーブルがふわふわとばねのように上下してしまうのを嫌って液圧を使っているのでしょう。
空気圧でシリンダーを押してシリンダーの反対から液圧を伝えて仕事に使いますがシリンダーの出口に逆止弁やそれなりの制御弁(手動ボールバルブ？)がついているのだと思います。バルブから先は液体なのでバルブを閉めればテーブルはふわふわしません。１次側に空気圧を使うのはコンプレッサ－などで簡単に圧力源を得られるからではないでしょうか？

Answer

他にも影響を及ぼしそうな条件は浮かびますが…
気体の圧縮性と溶け込みについて考えるだけで十分ですね。
気体と液体が接した状態で、気体に加圧した分だけ液圧も上がったはず、
と期待しない方が良いですね。

基本どおり液圧だけで試験するべきですが、気体を併用する方法としては、
　気体で加圧して、液圧で管理する
と言うものが考えられます。

Answer

同じように加圧できると思います。
しかし、どなたも間違いとはいえないと思います。
まだ十分には説明されていない注意事項に気づきました。
きたじさんの説明は経験に基づいているので無視できないのですが、理論的には正しくない（説明不足）のように思われます。
ｓｙｏ002さんの説明の補足をします。
圧力容器内の空気圧スペースが大きいほど蓄積される空気圧のエネルギーが大きく、万一容器が水面下で破損すると噴出する水の（たぶん）速度が、とんでもないことになります。（コンクリートの切断ができてしまったりするわけですよね）
ということで、
・エネルギーのロス
・漏水時の危険
が無視できない。（いずれも空気圧スペースを極力減らすべき）
また、
・水への空気のとけ込みと液面振動による問題
がエアハイドロコンバーターの要求される理由だと思われます。
・空気を圧縮すれば加熱するので必要な対策（あれば）は忘れずに。
はみなさん織り込み済みですよね。
きたじさんの「加圧できない」のは上記エネルギーのロスと溶け混みだけで説明できると思いますが、溶け混みはよくわかりません。少ないと思いますが。

大きな物はいじったことがなく、理屈だけで考えていますので、まだ挙がっていない問題になる現象がありましたらごめんなさい。

要するに、実験室さんの方法で、
・推奨方法と結果は変わらず、気体の圧力は水圧と等しくなる。
・危険度が高い理由は、容器破損時に圧縮空気のエネルギーが水を加速するため。（ペットボトルロケットと同様跳ぶかも。コンクリート切断は別の話でした。）
・「製品を沈めた後の上部の隙間」が無視できるほど小さければ、圧縮空気が”比較的”少量で済むため、ロスも危険も少なくなって現実的なのではないでしょうか。配管の途中まで含めて全部を水で満たして、配管部分で圧縮空気に接するようにできれば、（できれば、ですが）理想的と考えます。
念のため確認ですが、加圧容器は液体専用ですか？そうだとすると、ま～ちゃんさんのおっしゃっている観点から「上部の隙間」はなくした方が良いですね。

Answer

回答３へ投稿させてもらいます
エアハイドロコンバーターを使うのはシリンダーのスピード調整が
しやすいからだと思います。シリンダの負荷が大きく変動する場合、
エアーよりも油圧の方が正確に調整できます。エアーでは負荷の変動に
つられてしまいスピードが一定になりません

Answer

油圧を扱う人間からの意見としてですが・・・
たぶん　空気圧力を上げても　同じだけ液圧が上がるとは言えないと思います
よくは　判りませんけどね（笑）

油圧の場合、ライン内に　エアが混入してる状態が問題であると言われるのは
そのエアに　圧力が集中するからです
ちょっと違いますけど　応力集中みたいな効果が現れて　エアが溜まってる部位に
亀裂や　破損といった不具合が発生する場合もあります。
特に　高圧で使用する場合　危険です。
これらから　想像するに　たぶん　空気圧力では　液圧力は　ある程度まで
上昇するでしょうけど　ある圧力値で値が停滞するような気がします。
（ある程度まで空気圧を上げると　液面の反力のほうが勝ってしまうような気がします）

簡単に液圧力を上げようと思うのであれば、
油圧用若しくは　ハイドロ用の　とにかく安いシリンダーを購入されて
シリンダーの　いづれかのポートと圧力容器を繋いで
で、ロッドは　ネジとかハンドルとかを適当に付けて　手動でストロークさせられるようにして、
後は　どこかにレギュレーター付ければ出来るのでは　ないでしょうか？

あらら　ごめんなさい
レギュレーターではなく　圧力計ですね
訂正します。

投稿者さんごめんなさい　ちょっとだけコアな話していいですか？（笑）
ま～ちゃんさんのおっしゃってる内容は理解できるんですけどね
よく本に載ってますから　でもね・・・・
必ず　空気圧＝液圧力には　ならないと思うんですよね　どうしても（笑）
ちょっと　私の観点がズレてるのかなぁ～
あぁ　静圧には今回は　当てはまらないと思うんですけど・・・・
液体圧力の静圧って　意味合いがたぶん違うと思いますよ
ふと思った事は　仮に　空気圧力＝液圧力となるのであれば
エアハイドロコンバーターなる商品を売る意味が無くなると思ったんですよ
他には　バケツに入れた水の水圧の場合は　大気圧がかかってますから
この場合は　表面張力って言う自然化学の法則になるでしょうけど
加圧してる場合は　ちょっと違うように思いますよ

Answer

まず、空気と液の違いは、空気は圧縮性がありますが、液（油圧作動油など）はほとんど圧縮性がありません。

必要な圧力が空気圧で得られるのであれば空気でもいいかもしれません。空気圧はコンプレッサーを使うと思いますが、エネルギーは食うと思います。トータルで判断したほうがいいと思います。

液圧にする場合、空気が残存していると、はじめにその空気が圧縮されますがその間圧が上がらずロスとなります。

液圧と空圧の違い