空気圧シャトルバルブ（OR論理）の技術ガイド
空気圧シャトルバルブは、作動していない入口を遮断しながら、2つの空気信号入力を1つの出力にまとめます。 電力を使わずにOR機能を実現しますが、2つの入口圧力を加算したり、圧力を調整したり、機械の安全機能を立証したりするものではありません。
単純な記号の背後には、いくつもの選定上の検討事項があります。両方が加圧された場合、どちらの入口が選択されるのでしょうか。空気が流れている間、下流のパイロットには十分な圧力が届くのでしょうか。一方の信号に漏れがある場合や、到達が遅れた場合はどうなるのでしょうか。信頼できる選定には、OR記号だけでなく、そのバルブの正確なデータが必要です。
要点
- シャトルバルブは、いずれかの有効な入力を通過させ、もう一方の入口への逆流を遮断します。
- 圧力バランス、到達順序、最小差圧、流量容量は、モデルごとに異なります。
- 標準シャトルバルブが自動的に安全定格部品になるわけではありません。
- ねじサイズだけでなく、動的圧力とメーカーの流量データに基づいてサイズを選定します。
小型のSTシリーズ空気圧シャトルバルブは、典型的な物理構造を示しています。2つの入口ポートが可動内部要素に作用し、3つ目のポートが選択された信号を下流へ送ります。
空気圧シャトルバルブは実際に何をするのですか？
SMCは、VR1210/1220シャトルバルブをORバルブと説明しています。いずれかのINポートに供給された空気がOUTに到達し、入口圧力が異なる場合は高圧側が出口へ供給します。このシリーズの定格は、0.05～1.0 MPa、および凍結なきことを条件に-5°C～60°Cです（SMC VR Series、2026年参照）。
空気圧シャトルバルブは、2つの入口と1つの出口を持つ3ポートセレクターです。ボール、ポペット、スプール、または同様の可動要素が、一方の入口シート側へ移動します。開いた側は出口と連通し、着座した側は遮断されます。これにより、一方の制御ラインからもう一方へ空気がそのまま逆流するのを防ぎます。
1がゼロを超える任意の圧力ではなく、有効な空気圧信号を意味するなら、ブール論理の真理値表は明快です。
| 入力A | 入力B | 論理出力 | 物理的な動作 |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | どちらの入口も出口へ供給できません |
| 1 | 0 | 1 | AがOUTへ供給し、Bは遮断されます |
| 0 | 1 | 1 | BがOUTへ供給し、Aは遮断されます |
| 1 | 1 | 1 | 圧力、タイミング、バルブ構造に応じて一方の入口経路が選択されます |
出口圧力はAとBの合計ではありません。選択された経路において、シャトルバルブ、チューブ、継手、上流の信号機器で生じる損失を差し引いた後に利用できる圧力です。この違いは、OUTで大型方向切換弁をパイロット操作する場合や、離れた制御容積へ充填する場合に重要です。
AND、OR、NOT、メモリ、タイミング機能のより広い関係については、制御システム設計における空気圧論理弁の役割をご覧ください。
OR論理が優先順位の保証と同じではないのはなぜですか？
Parkerは、N164シャトルバルブのあるシリーズについて最小差圧3 psigを指定し、両入口が加圧された場合は高圧側のポートが選択されるとしています（Parker Automation Valves、2026年参照）。これは特定モデルのデータであり、すべてのシャトルバルブに共通するしきい値ではありません。
標準シャトルバルブは、内部要素に加わる力に反応します。設計者がどちらの供給源を主系統と考えているかを認識することはできません。通常供給源が5.8 bar、予備供給源が6.0 barであれば、両方が正常でも予備側が優勢になる場合があります。2つの圧力が非常に近い場合は、摩擦、流体力、漏れ、到達タイミングが、どちら側が着座したままになるかに影響します。
このため、実用上は次の4つの制約があります。
- 供給源の固定識別がない： 別の部品で優先順位を設定しない限り、AとBは入れ替え可能です。
- 圧力を加算しない： 6 barの入力が2つあっても、12 barの出力にはなりません。
- 無瞬断切替を保証しない： 供給源の切替中に、出口圧力が一時的に低下したり脈動したりする場合があります。
- 健全性を診断しない： 有効な出力があっても、入口の故障や漏れが隠れている可能性があります。
工学的に重要なのは、可用性論理と優先論理を区別することです。シャトルバルブは、AまたはBからOUTを利用可能にできます。しかし、それだけではAが常に優先されること、Aの故障後にのみBが使われること、または切替時の圧力低下が規定最大値以内に収まることを保証できません。
供給源の優先順位を確定的にする必要がある場合は、シャトルバルブを圧力シーケンス回路、制御式方向切換弁、または監視機能付き電気論理と比較してください。適切な選択は、必要な切替状態、許容逆流、切替時間、故障時の応答によって決まります。
シャトルバルブの流量・圧力サイジング
ISO 6358-1は、圧縮性流体を使用する空気圧機器の定常流試験方法を定めています。SMCは、VR1210-01およびVR1220-02について、それぞれ1.3および2.9 dm³/(s·bar)の音速コンダクタンスを公表しており、どちらも臨界圧力比は0.2です（ISO 6358-1、SMC VR Series）。
ポートねじは接続サイズを示すだけです。有効内部流路、圧力損失、下流パイロットに届く流量までは分かりません。同じ1/4インチのバルブでも、シートや可動要素が異なればコンダクタンスは大きく異なる場合があります。
まず下流側の要件を明確にします。
- 空気が流れている状態で、パイロット、クランプ、その他の負荷に必要な最小圧力を定義します。
- レギュレータ設定値だけでなく、各入口で利用できる最小圧力を記録します。
- ピーク流量、または下流容積に必要な充填時間を見積もります。
- 上流バルブ、シャトルバルブ、継手、チューブ、排気経路に圧力損失を割り当てます。
- AからOUT、BからOUTの両方向をメーカーのデータと照合します。
| 公表パラメータ | SMC VR1210-01 | SMC VR1220-02 | 選定上の意味 |
|---|---|---|---|
| ポートサイズ | 1/8 | 1/4 | 接続互換性のみ |
| 最低使用圧力 | 0.05 MPa | 0.05 MPa | カタログ上の最低使用点 |
| 最高使用圧力 | 1.0 MPa | 1.0 MPa | 部品の上限 |
| 音速コンダクタンスC | 1.3 dm³/(s·bar) | 2.9 dm³/(s·bar) | 圧縮性流量の比較 |
| 臨界圧力比b | 0.2 | 0.2 | ISO 6358の流量特性評価に使用 |
ParkerのN164シリーズも同じ点を示しています。公表Cv値は、1/8インチが0.32、1/4インチが1.65、3/8インチが2.02です。正しい換算方法と試験条件を用いずに、これらの数値をISO 6358のコンダクタンスと直接比較してはいけません。
動的損失の詳細については、空気圧バルブの圧力降下ガイドおよび流量制御弁サイジングの技術者向けガイドをご覧ください。計算ツールは一次選別の補助手段であり、選定モデルの圧縮性流量データに代わるものではありません。
シャトルバルブのOR論理に適した用途
SMCのVRカタログには、入力AまたはBのどちらを作動させてもシリンダが作動するOR回路が示されています。これがシャトルバルブの自然な用途です。2つの独立した空気圧指令を組み合わせると同時に、作動中の指令がもう一方の信号ラインへ逆流するのを防ぎます（SMC VR Series、2026年参照）。
適した用途には、いずれの入力も同じ出力状態を正当に要求できるという共通条件があります。
- 2つの手動操作ステーションから、同じ非安全関連の生産指令を送れます。
- 相互作用が文書化されていれば、機械のサイクル信号または保守用ジョグ信号で、同じ方向切換弁をパイロット操作できます。
- 2つの独立したセンサーから、1つの排出またはブローオフ機能を開始できます。
- 切替動作が安全上重要でない場合、通常の空気信号と許可された予備信号を1つのパイロットへ供給できます。
- 指令ライン間の逆流を抑えながら、別々の空気圧分岐を統合できます。
不適切な用途とは何でしょうか。両方の指令がそろう必要がある場合、同時入力を拒否する必要がある場合、一方の供給源を常に固定優先にする必要がある場合、または出口圧力を調整する必要がある場合は、標準シャトルバルブを使用しないでください。ANDバルブ、監視機能付き制御システム、シーケンスバルブ、レギュレータ、方向切換弁の方が、これらの要件に適している場合があります。
あらゆる一方向流れの用途で、チェックバルブの代わりにシャトルバルブを使用しないでください。チェックバルブには入口と出口が1つずつあり、逆流を遮断します。シャトルバルブには競合する2つの入口と、選択される1つの出口があります。空気圧チェックバルブガイドでは、クラッキング圧力、逆漏れ、負荷保持限界の違いを説明しています。
記号を選ぶ前に、必要な出力状態を書き出してください。「AまたはBが有効なときにOUT」は、シャトルバルブに適しています。「AとBが一致したときだけOUT」、「Aが健全な間はAからのみOUT」、「単一故障後に安全停止」は、いずれも2本の入力線を含む図であっても、異なる制御要件です。
シャトルバルブの安全上の限界
ISO 13849-1:2023は、電気、油圧、空気圧、機械のいずれの技術を使用するかにかかわらず、制御システムの安全関連部に適用されます。安全機能の設計・統合方法を規定していますが、特定の機械に必要な機能やパフォーマンスレベルを指定するものではありません（ISO 13849-1、2023年）。
標準シャトルバルブが、自動的に非常停止弁、両手操作装置、または安全定格の冗長要素になるわけではありません。OR論理は停止方針と相反する場合さえあります。どちらか一方の信号でOUTが維持される場合、一方の入力が固着または圧力を閉じ込めると、もう一方の入力が消失した後も指令が作動し続ける可能性があります。
ISO 4414は、空気圧システムに伴う重大な危険源を扱い、設計、据付、運転、保守、意図した使用の全般に適用されます（ISO 4414、2010年）。したがって、機械のリスクアセスメントでは、部品の通常の真理値表だけでなく、さらに多くの事項を考慮する必要があります。
安全関連用途では、少なくとも次の項目を定義し、妥当性を確認してください。
- いずれかの入口、主供給、または電源が失われた後の安全状態
- シャトルの固着、チューブの閉塞、内部漏れ、残圧の影響
- 必要な診断範囲と故障検出時間
- 圧力復帰後の再起動およびリセット動作
- 必要なパフォーマンスレベルとサブシステム構成
- 部品の信頼性データと妥当性確認の証拠
非常停止、ガードインターロック、両手操作、危険な動作の防止に関する機能であれば、まず安全要求仕様書から検討してください。ISO 13849空気圧安全回路ガイドでは、より広い妥当性確認の背景を説明しています。
据付と試運転
SMCは、VR1210/1220シリーズの1/8インチRまたはNPT継手について3～5 N·m、1/4インチ継手について8～12 N·mの締付トルクを指定しています。同社の取扱説明書は、シールテープや異物をバルブ内へ入れないよう注意も促しています（SMC VR1210/1220 Manual、2026年参照）。
これらの値は、「確実に締め付ける」だけでは据付仕様にならない理由を示しています。該当モデルに指定されたトルク、ねじのかみ合い、適合シール材、チューブサイズ、取付指示を使用してください。別のメーカーでは、ボディ材質やポート設計が異なり、別の方法が必要になる場合があります。
次の順序で試運転を行ってください。
- 機械で承認された手順に従い、空気圧エネルギーを遮断して放出します。
- バルブの表示または図面から、両方のINポートとOUTポートを特定します。
- 新しいチューブは、接続前にフラッシングまたは清掃します。
- 切断したテープ、液状シール材、切粉、チューブ片がポートに入らないようにします。
- バルブボディに位置ずれや曲げ荷重がかからないよう、配管を支持します。
- Aだけを加圧してOUTを確認し、Bへ逆流しないことを点検します。
- Bだけを加圧して同じ試験を繰り返します。
- 想定される最低使用圧力で両方の入力を加圧し、出口の応答を記録します。
- 各信号を個別に除去し、必要な復帰または切替動作を確認します。
- 機械で空気需要が同時に最大となる条件で、機能試験を繰り返します。
取付姿勢も、選定した製品の資料に従う必要があります。ボール、ポペット、スプール構造は、重力や振動に対してすべて同じように応答するわけではありません。すべてのシャトルバルブを水平に取り付ける、または決して逆向きにしないという一律の指示には根拠がありません。
手動弁・機械操作弁の選定ガイドは、AとBへ信号を供給する上流機器の仕様策定に役立ちます。
シャトルバルブの不安定動作を診断する方法
SMCは、VR1210/1220シリーズについて、0.05 MPa以上の圧力差があると高圧側の入口が継続的にOUTへ供給するとしています。据付済みバルブが圧力均衡付近でチャタリングしたり、予期せず供給源を切り替えたりする場合は、部品を交換する前に、測定した差圧を選定モデルの仕様と比較してください（SMC VR Series、2026年参照）。
不具合発生中に、3つの全ポートで圧力を測定します。レギュレータの静的な圧力計では、パイロット弁が開くときや長いチューブへ充填するときに生じる過渡的な圧力低下を捉えられない場合があります。
| 症状 | シャトルバルブで考えられる原因 | 除外すべきその他の原因 | 有効な確認方法 |
|---|---|---|---|
| Aから出力されない | ポート誤接続、流路閉塞、可動要素の固着 | 上流バルブの閉止、Aの低圧、チューブの折れ | Aだけを加圧し、AとOUTを測定 |
| Aは作動するがBは作動しない | 異物混入、またはB側シート／流路の損傷 | B信号弁の不良、継手の絞り | 許可されていれば、管理された試験で入力を入れ替える |
| 流動時の出口圧力が低い | コンダクタンス不足、または異物混入 | 細いチューブ、供給圧力不足、上流バルブの絞り | 需要発生中のA/BおよびOUT圧力を記録 |
| AとBの間で供給源がチャタリングする | 差圧不足、または圧力不安定 | レギュレータのハンチング、コンプレッサの脈動、振動 | 両入口圧力を同時にトレンド記録 |
| 非作動入口から空気が出る | シート漏れ、異物、可動要素の損傷 | チューブ誤接続、外部の交差接続 | 分岐を切り離し、定義された漏れ試験を実施 |
| 一方の入力を排気しても指令が残る | もう一方の入口が有効、または圧力が閉じ込められている | 排気閉塞、信号弁の漏れ、下流メモリ | リセット中に全ポートを測定 |
「誤った入口が選択される」問題は、バルブ単体ではなく3圧力の問題として扱ってください。バルブが設計どおりに機能していても、本当の不具合は意図した供給源の動的圧力低下である可能性があります。A、B、OUTを同一時間軸で記録すると、供給源の不安定と内部切替不良を区別できます。
加圧されたチューブを取り外して、作動中の入口を特定してはいけません。定格に適合するテストポイント、ガード付き設備、承認されたエネルギー管理手順を使用してください。
完備したシャトルバルブRFQ
Parkerは、1/8、1/4、3/8インチポートを備え、Cv値が0.32～2.02、最高使用圧力が200 psig、最小差圧が3 psigのN164モデル3種類を掲載しています。したがって、有用なRFQでは単に「ORバルブを1個」と依頼するのではなく、必要な使用点を特定する必要があります（Parker Automation Valves、2026年参照）。
サプライヤーには次の情報を送付してください。
- A、B、OUTを明記した空気圧回路図
- 各入口の通常、最小、最大圧力
- 両入口が作動しているときの想定圧力差
- 必要な下流パイロット圧力とピーク流量
- 許容圧力降下、または下流の最大充填時間
- ポートねじ規格とチューブサイズ
- 空気品質、給油方針、凝縮水、汚染条件
- 周囲温度および流体温度の範囲
- ボディおよびシールの適合要件
- 取付姿勢、振動、洗浄、設置スペースの制約
- 各入口と非作動分岐間の許容漏れ量
- 必要な切替、リセット、耐久、故障状態試験
- 安全関連機能、および機械設計で必要となる証拠
両方の入口から出口までの各経路について、流量曲線またはISO 6358特性を依頼してください。また、応答時間や漏れ量の数値については、その試験条件も確認します。上流圧力、下流圧力、温度、合否基準が伴わない数値は、設計レビューで活用することが困難です。
空気圧シャトルバルブに関するよくある質問
SMCとParkerは、それぞれのシャトルバルブシリーズについて異なる最低圧力と差圧値を公表しています。この違いが、購入者から寄せられる多くの質問への中心的な回答です。OR記号は論理機能を定義しますが、圧力、流量、切替、漏れ、温度、据付の限界は、選定したメーカーのデータによって決まります。
シャトルバルブは両入口の圧力を加算しますか？
いいえ。シャトルバルブは一方の入口経路を選択して出口へ接続し、もう一方の入口を遮断します。6 barの信号が2つあっても、12 barの出力にはなりません。実際のOUT圧力は、選択された入口圧力から、信号弁、シャトル要素、継手、チューブを通過する際の動的損失を差し引いた値です。
シャトルバルブの両入力が同圧の場合はどうなりますか？
両入口が開いたままになる、または可動要素が完全に中央に留まると想定しないでください。圧力がほぼ等しい場合、選択される経路は、到達順序、内部摩擦、流体力、漏れ、構造に左右されることがあります。メーカーの切替仕様を使用し、実回路を最小差圧条件で試験してください。
シャトルバルブに必要な最小差圧はいくらですか？
モデルによって異なります。ParkerはN164のあるシリーズについて最小差圧3 psigを指定しています。SMCはVR1210/1220シリーズについて、0.05 MPa以上の差があると高圧側がOUTへ供給し続けるとしています。どちらの数値も、資料による裏付けなしに別のバルブへ適用してはいけません。
シャトルバルブを非常停止回路に使用できますか？
自動的に認められる安全対策としては使用できません。標準シャトルバルブはOR論理を提供しますが、必要な安全状態、パフォーマンスレベル、診断、リセット動作、耐故障性を確立するものではありません。安全関連の空気圧制御には、機械のリスクアセスメント、規定されたアーキテクチャ、適切な部品データ、適用規格に基づく妥当性確認が必要です。
シャトルバルブはどのようにサイズ選定しますか？
まず、下流パイロット圧力、ピーク流量、最小入口圧力、許容圧力損失、必要充填時間を確認します。次に、両方の入口経路について、メーカーのCvまたはISO 6358流量特性を比較します。正確な品番を承認する前に、圧力範囲、温度、ポート規格、材質適合性、漏れ、切替差圧を確認してください。