バルブマニホールドの共通流路における圧力降下とは、複数のバルブが同じ給気または排気ギャラリを共有するとき、マニホールド入口と選択したステーションの間で生じる損失です。これは分岐ネットワークの問題です。片側給気では入口付近の流量が最大で、各給気分岐の後に減少し、共有排気流路では反対方向に合流します。
ポートのねじサイズだけでは、この挙動を予測できません。同時に作動できるバルブを特定し、各分岐のピーク給気流量と排気流量を割り当て、マニホールドメーカーの複数バルブデータまたはISO 6358の部品特性を使います。最後に、実機のシーケンス中に入口、遠端ステーション、排気ギャラリの動的圧力を測定します。
要点
- SMCは、1つのVPAマニホールド系列で4ステーションを超える場合、両端からの給気・排気を求め、同時作動による圧力降下を警告しています。
- 共通流路の流量は各アクティブ分岐の後で変化するため、一定流量の配管計算だけでは不十分です。
- 最悪の同時作動サイクル中に、給気の圧力低下と排気背圧を分けて測定します。
マニホールド共通流路の圧力降下とは？
SMCは、VPAマニホールド系列では同時作動によって圧力降下が生じ、4ステーションを超える場合は両端から給気・排気するよう説明しています（SMC VPAカタログ、2026年取得）。したがって、共通流路は独立したポートの集合ではなく、共有容量として評価しなければなりません。
マニホールド共通流路とは、複数のバルブステーションに給気を分配し、または排気を集める内部ギャラリです。同時需要が利用可能なコンダクタンスを超えると、給気ギャラリは遠端側のバルブを流量不足にします。複数のシリンダが同時に排気すると、共通排気ギャラリに背圧が生じることがあります。
重要なのは動的な圧力損失です。すべてのバルブが閉じていると、流量がほぼないため入口と遠端ステーションはほぼ同じ圧力を示すことがあります。複数のバルブが切り替わると、同じ内部制限によって圧力差が大きくなります。損失は流れているときに現れます。そのため静的な圧力計では故障を見逃すことがあります。1軸だけを試験し、次に実際の重複動作を試験して、両方の波形を比較します。
アクチュエータでは給気側と排気側の問題が似た症状に見えることがあります。
| 共通流路の状態 | マニホールド内部で起きること | 典型的な機械症状 |
|---|---|---|
| 給気ギャラリの制限 | 充填中に遠端ステーションの圧力が下がる | 加速が遅い、推力が低い、サイクル時間を満たせない |
| 共通排気の制限 | チャンバ排気中に背圧が上昇する | 戻りが遅い、正味推力が低い、動きがぎくしゃくする |
| 長いレールを片側からだけ給気 | 入口側ステーションの流路が短くなる | ステーション位置によって性能が変わる |
| 複数のバルブを同時に切り替え | 共有ピーク流量が単一バルブ試験のケースを超える | 自動運転時だけ故障が現れる |
| 圧力ゾーンの割り当てが不適切 | 高需要の分岐が限られた給気・排気を共有する | 一つの工程が別の工程を乱す |
本記事は共有ギャラリを扱います。1つのP-to-A、P-to-B、A-to-EA、またはB-to-EB経路を評価する場合は、単一バルブの圧力降下ガイドを使います。制限がコンプレッサ、ドライヤ、FRL、配管、チューブにある可能性がある場合は、システム圧力降下ガイドを使います。
ポート径だけで共通流路のサイズを決められないのはなぜですか？
FestoのVTUS資料には、3つの呼びサイズの標準・コンパクトなマニホールドブロックが掲載され、それぞれ最大10バルブポジションに対応し、共通供給マニホールドと追加の供給プレートも用意されています（Festo VTUS、2025年）。この選択肢は、接続ねじだけでは、その背後にあるギャラリ、曲がり、バルブ経路、同時流量の挙動を表せないことを示しています。
ポートは流路の境界の一つにすぎません。外部接続が同じ2つのマニホールドでも、内部ギャラリ面積、分岐形状、ステーションシール、供給ブロック位置、排気構成、バルブコンダクタンスが異なる場合があります。選択したバルブ機能によって、流れる通路も変わります。
圧力損失が径の4乗に反比例するというよく知られた説明は、マニホールドに普遍的に適用できる規則ではありません。これは限定された管内流れの仮定から導かれたものです。バルブアイランドでは区間ごとに流量が変化し、局所損失が重要になることがあり、絶対圧力によって密度も変わります。制限部がレールではなくバルブ内部にある場合もあります。
同様に、「共通流路をバルブポートの2倍または3倍にする」といった固定ルールは同時作動を無視しています。大きなバルブ1台が小さなバルブ数台より多くの流量を要求することがあります。3台が同時に切り替わることはなくても、8台が同じ100 msの間隔で開くことがあります。作動シーケンスをサイズ決定の入力に含めます。
ねじサイズは容量定格ではなく、インターフェースとして扱います。サプライヤーから得るべきデータは、複数バルブを並列に切り替えたときのバルブ1台当たりの基準流量、各給気方式で許容されるステーション数、組立済みマニホールド構成の圧力または流量曲線です。
最悪条件の同時流量マトリクスを作る
Festoは、並列に切り替えた複数バルブの基準流量情報を公開し、対象のVTUSマニホールドブロックで最大10バルブポジションを認めています（Festo VTUS、2025年）。流路を計算する前に、どのステーションが時間的に重なるかを特定します。設置した全バルブの最大流量を合計することは、1台だけが作動すると仮定するのと同じくらい誤解を招く場合があります。
共有需要が高くなる可能性のある機械状態ごとに、1行を作成します。
| サイクル状態 | アクティブなステーション | 給気経路 | 排気経路 | ピーク継続時間 | 受入変数 |
|---|---|---|---|---|---|
| 起動時の充填 | リセット後に加圧するバルブ | 共通Pギャラリから作動ポート | 反対側チャンバから排気 | チャンバが満たされるまで | 遠端の最低供給圧力 |
| 高速アプローチ | 最高速度で動く軸 | 複数のP-to-AまたはP-to-B経路 | 複数の戻りをEA/EBへ | 動作区間 | ストローク時間と給気低下 |
| クランプまたはプレス | 推力を発生する分岐 | 接触後は低い流量 | 少量の漏れまたはリリーフ流量 | 保持区間 | チャンバ圧力または推力 |
| 戻りストローク | 同時に後退する軸 | 反対側の給気経路 | 合流した排気流量 | 動作区間 | 排気背圧と時間 |
| 故障復帰 | 定義済みの安全状態へのバルブ切替 | 回路固有 | 同時ベントの可能性 | 遷移区間 | 安全な圧力と動作 |
片側給気のレールでは、区間 i を流れる質量流量は、下流でアクティブな分岐流量の合計です。
ここで、ṁ_iはレール区間iを流れる質量流量、ṁ_jは下流でアクティブなステーションjが要求する質量流量、nは最後のステーションです。分岐を加算するときは、質量流量、または基準条件を一貫させた基準流量を使います。実体積流量は局所の絶対圧力と温度によって変化します。
このマトリクスには、推測した多様性係数ではなく制御プログラムを使います。たとえば包装機では、伸長は1軸ずつでも3軸が同時に後退することがあります。PLCのタイミング、アクチュエータの充填需要、指令速度、起動、復帰を確認します。許容される重複動作は、すべて有効なサイズ決定ケースです。
共通流路の圧力降下はどのように計算しますか？
2025年に確認されたISO 6358-3は、部品と配管で構成されたシステムの全体特性を計算し、亜音速流れとチョークした圧縮性流れの両方を扱います（ISO 6358-3:2014）。複数の分岐を持つ組立済み空圧マニホールドに、液体用の単一の平方根式を適用するより適切な枠組みです。
次の優先順位で進めます。
- メーカーの並列作動データ：正確なバルブ系列、ステーション数、供給ブロック、圧力ゾーン、排気構成を一致させます。
- ISO 6358の部品特性：対象マニホールドとバルブ経路の既知のコンダクタンスおよび限界圧力比を組み合わせます。
- 区間モデル：各分岐でレールを分割し、各区間に同時流量を割り当て、接続部と局所損失を含めます。
- 動的試験：実際の切替シーケンスで組立済みマニホールドの予測最悪条件を検証します。
ISO 6358-1は、内部流路が固定または可変である空圧部品の定常試験を定め、現在は測定不確かさに関する2026年改訂も含んでいます（ISO 6358-1:2013）。これは呼びポート径を流量定格に変えるものではありません。メーカーが試験したコンダクタンス、限界圧力比、または並列流量曲線を要求します。
ステーション k で直接測定する給気損失は、次のとおりです。
ここで、p_inはマニホールド入口の動的圧力、p_sup,kはステーションkに供給するギャラリまたは作動経路の動的圧力です。同じ圧力基準を持ち、切替過渡を捉えられる応答性のセンサを使います。
基準流量と実際のギャラリ速度を混同しないでください。標準L/minまたはSCFMは指定された基準条件に換算した流量です。マニホールド内部の速度は、局所の絶対圧力と温度における実体積流量で決まります。チョーク流ガイドでは、制限されたバルブ経路で圧力比が重要になる理由を説明しています。
初期の配管検討では、圧縮空気圧力降下計算ツールを使って、流量、長さ、内径、圧力、相当継手から、きれいな直線配管の損失を見積もれます。このツールは、分岐マニホールド、ステーションシール、バルブ経路、共通排気、同時切替をモデル化しません。最終的なマニホールド受入計算の外側で使ってください。
給気の圧力低下と排気背圧はどう測定しますか？
SMCはVPA系列で共通排気と個別排気の構成を用意し、共通排気の背圧が場合によっては誤作動を起こすと警告しています（SMC VPAカタログ、2026年取得）。少なくとも、チャンバ充填中の遠端供給圧力と、チャンバ排出中の共通排気圧力という2つの異なる量を測定します。
試験ごとに1台の圧力計を移動させるのではなく、同期した圧力センサを使います。イベントを複数回実行し、波形が再現することを確認します。次を記録します。
- マニホールド入口の直前における供給圧力
- 最も遠く、需要が高いステーションの供給ギャラリまたは作動ポート圧力
- アクティブなステーションまたは排気ブロック付近の共通排気圧力
- バルブ指令のタイミングと同時作動したすべてのステーションの識別
- 受入に関係するアクチュエータ位置、ストローク時間、チャンバ圧力、または推力
大気圧を基準とする共通排気背圧は、次の式です。
ここで、p_exh,kはステーションkに通じる排気経路の絶対圧力、p_atmは現地の大気圧です。センサがゲージ圧を示す場合、その値はすでに大気圧に対する背圧を表します。ゲージ圧から大気圧を二重に引かないでください。
公称供給圧力と許容最低供給圧力で試験します。切替頻度が高い場合は、冷間起動時と熱安定後にも繰り返します。正確な同時作動シーケンスを実行し、機械プログラムが変わる可能性がある場合は、管理した余裕ケースも追加します。平均値だけでは不十分です。タイムスタンプ付きで最低供給圧力とピーク排気背圧を記録します。
ステーション位置は診断変数です。同じバルブとアクチュエータを入口側から遠端側へ移したときに性能が変わるなら、共通流路または給気方式が有力な原因になります。故障がバルブについて移動するなら、そのバルブ経路を調べます。
背圧ガイドでは、排気圧が有効アクチュエータ推力から差し引かれる仕組みを説明しています。モジュール式回路の構成については、モジュールバルブで信頼性の高い空圧回路を構築する方法を参照してください。
両端給気、供給プレート、圧力ゾーンはいつ追加しますか？
Festoは16ポジションのVTUS構成で最大9つの圧力ゾーンを認め、セパレータ間に少なくとも2つのバルブポジションを要求しています。SMCは4つを超えるVPAステーションで両端給気・排気を求めています（Festo VTUS、2025年；SMC VPA、2026年取得）。どちらのしきい値も別のマニホールドへそのまま移さず、対象系列の規則を使います。
診断した制約に応じて構成を選びます。
| 変更内容 | 適する状況 | 変わること | 証明できないこと |
|---|---|---|---|
| レールを両端から給気 | 遠端ステーションの給気が低下する長いレール | 最大流量経路を短くする | 共通排気容量が十分であること |
| 両端から排気 | 複数ステーションが同時に排気する | 共通排気経路を分割する | 給気側の圧力降下が低いこと |
| 供給・排気プレートを追加 | 局所クラスターのピーク需要が高い | 別の給気または排気点を設ける | 下流のバルブ選定が正しいこと |
| 圧力ゾーンを作る | 工程ごとに圧力や分離が必要 | 選択した給気・排気ダクトを分離する | 各ゾーンの流量が無制限であること |
| 個別排気を使う | 共通背圧がバルブまたはアクチュエータを乱す | 選択した排気流量を共通ギャラリから外す | サイレンサと下流排気配管が十分であること |
| バルブアイランドを分割 | 電気または空圧の規模が1本のレールを超える | 共有流量と故障の連成を減らす | アイランド間の同期が正しいこと |
根拠なく給気点を追加しないでください。2つ目の入口が役立つのは、上流のホース、レギュレータ、供給分岐が合計需要を供給できる場合だけです。同様に、2つの排気口が1本の細い配管や制限の大きいサイレンサにつながっていれば失敗します。変更後は毎回もう一度測定します。
圧力ゾーンは外乱の境界にもなります。同じ公称圧力を使っていても、高流量の動作グループが低流量の精密グループを引き下げることを防げます。ただし、ゾーンごとに固有の同時作動マトリクスに対する給気・排気容量を明示的に設計する必要があります。
RFQと受入試験のチェックリスト
CAGIは、コンプレッサ吐出から使用点までのシステム全体の圧力降下を10%以内、配管内流速を20 ft/s以下にすることを推奨しています（CAGI 圧力降下テクニカルブリーフ、2026年取得）。これはシステムレベルの参考値であり、自動的にマニホールド限界になるものではありません。アクチュエータの圧力、速度、推力要件からバルブアイランドの予算を配分します。
最悪の共有流量ケースを再現できるだけのRFQ情報を送ります。
- 正確なマニホールド系列、バルブ型式、スプール機能、ステーション数、ブランク位置
- 給気・排気ブロック位置、ポートサイズ、ねじ種類、サイレンサ、下流配管
- 圧力ゾーン、セパレータ、個別排気、内部または外部パイロット構成
- 入口の最低・公称圧力と、許容する最大排気背圧
- 基準条件と単位を付けた各アクティブバルブ経路の流量需要
- 同時作動マトリクス、指令タイミング、デューティサイクル、最大重複時間
- アクチュエータのボア、ストローク、向き、移動負荷、目標速度、必要な推力余裕
- 要求するメーカー資料：並列作動流量、ISO 6358特性、または試験済み圧力・流量曲線
受入試験は自由流量のベンチ試験だけで終わらせません。
- 納入構成とすべての給気・排気オプションを承認図面と照合します。
- 入口、遠端給気、共通排気、および関連する工程変数に計測器を取り付けます。
- 許容最低入口圧力で、最悪条件の同時作動状態をそれぞれ実行します。
- 過渡的な最小値・ピーク値、整定挙動、ステーション間のばらつき、回復を記録します。
- システムが通常の運転温度に達した後に繰り返します。
- 必要に応じて、指令喪失、供給復旧、排気閉塞または低下、定義済みの安全状態を試験します。
- 波形と合否限界を機械文書とともに保管します。
単一バルブの公称流量は、10ステーションのアイランドで複数アクチュエータを同時に動かす場合の証拠としては不十分です。合格すべき組立済みマニホールド、給気方式、排気方式、同時作動ケースを指定してください。
バルブマニホールドの圧力降下に関するFAQ
SMCは、同時作動による圧力降下を警告し、参照したVPA系列で4ステーションを超える場合の両端給気・排気を求めています（SMC VPAカタログ、2026年取得）。このしきい値は製品固有ですが、選定の原則は一般的です。実際の同時バルブシーケンスで、組立済みマニホールドを検証します。
バルブマニホールドで許容できる圧力降下はどの程度ですか？
マニホールドに共通する割合はありません。アクチュエータ速度、推力、バルブのパイロット作動、工程安定性を満たせる最低圧力と最大背圧から限界を設定します。CAGIの10%推奨値はコンプレッサから使用点までの全システムを対象とするため、マニホールドに割り当てられるのは総圧力予算の一部です。
最大のバルブポートだけを基準にマニホールドのサイズを決められますか？
いいえ。ポートサイズからは、内部ギャラリ面積、分岐の曲がり、ステーションシール、バルブコンダクタンス、共通排気容量、同時需要は分かりません。メーカーの正確な複数バルブデータまたはISO 6358特性を使い、組立済み構成で入口、遠端ステーション、排気圧力を動的に確認します。
最後のバルブステーションの圧力が低くなるのはなぜですか？
片側給気では、入口区間に下流でアクティブなすべてのステーションの合計需要が流れます。各区間と分岐が抵抗を加えるため、同時流量中は遠端ステーションの損失が大きくなることがあります。メーカーが許可する場合は、両端給気または局所供給プレートで共有する高流量経路を短くできます。
給気と排気のどちらがアクチュエータを制限しているか、どう分かりますか？
同じサイクルで両方を測定します。チャンバ充填中に遠端供給圧力が低ければ、給気側の制限を示します。チャンバ排出中に排気ゲージ圧が高ければ、背圧を示します。バルブ経路、チューブ、速度制御弁、サイレンサが実際の制限である可能性もあるため、作動ポート圧力とアクチュエータの動作も記録します。
バルブアイランドを圧力ゾーンに分割するのはいつですか？
グループごとに異なる圧力、分離、または相互のピーク需要からの保護が必要な場合にゾーンを使います。各ゾーンを固有の同時作動マトリクスからサイズ決定し、必要な給気・排気経路を設けます。セパレータだけでは流量容量は増えません。FestoはVTUSの各圧力ゾーンに少なくとも1つの供給プレートまたはエア供給を指定しています。
参考資料と技術情報
SMC：VPA4*50 Series 5 Port Air Operated Valve and Manifold。共通・個別排気、ステーション限界、同時作動の警告、両端給気・排気の指示。2026-07-22取得。
Festo：VUWS Valves and VTUS Valve Manifold Assembly。マニホールドサイズ、並列バルブ流量データ、供給プレート、圧力ゾーン、ダクトセパレータ、排気指針。2025-12版。
ISO：ISO 6358-1:2013。圧縮性流体を使う空圧部品の定常試験方法。2020年および2026年改訂を含む。2026-07-22取得。
ISO：ISO 6358-3:2014。既知の部品・配管特性からシステム流量特性を推定する方法。亜音速流れとチョーク流を含む。2025年確認。
CAGI：圧力降下テクニカルブリーフ。システム全体の圧力降下、配管流速、圧力監視に関する指針。2026-07-22取得。