空圧伝達の基本方程式は、ゲージ値を絶対状態へ変換し、シリンダ形状を計算し、正味の力を求め、チャンバ容積を明示した空気流量の基準状態へ換算し、その後に速度、バルブ容量、圧力損失を検証する計算チェーンを構成します。 次の式を暗記して, , and も、これらの境界条件がなければ、もっともらしくても使えない答えになります。
NISTは標準大気圧1 atmを101,325 Paと示し、[標準]ガス流量単位には異なる基準温度が使われる場合があると注意しています。ISO 6358は空圧部品の流れを圧縮性流れとして扱い、亜音速流とチョーク流を区別します。この2点が基本条件を定めます。すべての結果の横に、圧力の基準、温度の基準、流量の基準状態、システム境界を書き添えてください。
要点
- 気体状態の計算には絶対圧力とケルビンを使います。
- シリンダ力には差圧、有効面積、摩擦を使います。
- 標準流量をチャンバ流量や配管内速度と混同しません。
- 平均空気消費量だけでは、バルブがピーク流量を供給できる証拠になりません。
単位と基準状態から始める
NISTは1 atmを101,325 Pa、1 psiを6,894.757 Paと定義し、ガス流量の指針では標準立方センチメートルに異なる基準温度が使われる場合があると説明しています(NIST、2025年更新)。 圧縮空気の容積を自由空気容積へ換算する計算では、必ず基準圧力と基準温度を記載します。
4つのラベルで、単位と状態に関する多くの誤りを防げます。
- ゲージ圧力 は、現地の大気圧を基準に測定します。
- 絶対圧力 は、完全真空を基準に測定します。
- 実容積流量 は、指定した断面における圧力と温度の状態に属します。
- 基準状態換算容積流量 は、SCFM、SLPM、NL/min、ANRなど、明示した圧力と温度へ換算した流量です。
気体の法則を適用する前に、圧力と温度を換算します。
は絶対圧力、 はゲージ圧力、 and は計算に用いる大気圧です。 はケルビンで表した絶対温度、 は摂氏温度です。標高がある場合は、101.325 kPaを機械的に加えるのではなく、関係する測定値または指定大気圧を使います。
力の計算は別です。ピストンの両側が最終的に同じ大気圧を基準とする場合、2つの圧力×面積項にはゲージ圧力を一貫して使えます。一方のチャンバにだけ大気圧を加え、もう一方から省かないでください。
空圧計算の結果は、状態タグを付けるまで完全には定義されません。 [120 L/min]は、コンプレッサの自由空気量、バルブカタログ流量、実際のチューブ流量、チャンバ流量のいずれも表し得ます。これらは異なる密度における同じ質量流量を表す場合がありますが、同じ容積流量や速度ではありません。
理想気体の法則は空圧システムにどう適用するか?
NISTは、熱力学温度を理想気体の関係式に現れる絶対温度と説明しています。 (NIST, 2021). 産業空圧では、理想気体の法則は同じ量の空気を圧力、容積、温度の状態間で換算するために最も役立ちます。レギュレータ単体の挙動を予測する式ではありません。
モル形式は次のとおりです。
は絶対圧力、 は容積、 はモルで表した気体量、 はモル気体定数、 は絶対温度です。同じ閉じ込められた空気量が2つの平衡状態にある場合、 は相殺されます。
この関係は、レシーバ、隔離チャンバ、圧力減衰試験、基準状態換算に有用です。運転中のシリンダ圧力が周囲温度に正比例して上昇しなければならない、という意味ではありません。接続された空圧回路では、ピストン動作で容積が変わる間に、レギュレータ、バルブ、シール、排気を通じて質量が出入りします。
気体の式を選ぶ前に、検査対象の制御容積を図にします。気体質量は閉じ込められていますか? 容積は固定されていますか? 温度は安定していますか? 高速なシリンダ充填は完全な等温ではなく、レギュレータは閉じた空気量を保つのではなく質量流量を生み出します。
ゲージ圧力、絶対圧力、大気圧を詳しく扱うには、 絶対圧力とは何か、空圧システム性能にどう影響するか?.
計算に含めるべきシリンダの面積と容積はどれか?
ISO 15552は、ボア径32 mmから320 mm、最大定格圧力1,000 kPaまたは10 barの標準取外し式取付シリンダを扱います(ISO 15552, 2018). これらのカタログ寸法がピストンとロッドの形状を定義します。バレル外径や外側表面積の合計から推力を計算することはできません。
ボア径 、ロッド径 :
はピストン全面積です。 は片ロッドシリンダのロッド側環状面積です。ストローク に対応する掃引チャンバ容積は次のとおりです。
はキャップ側の掃引容積、 はロッド側の掃引容積です。チャンバと一緒に充填・排気されるポート、クッション、バルブ、マニホールド、チューブのデッドボリュームも加えます。長いチューブはピストン力を生まなくても、空気消費量と応答を大きく変えることがあります。
ロッドレスシリンダは両方向で圧力作用面積が等しい、またはほぼ等しい場合がありますが、最終的には製品図面に従います。シールバンド、内部ロッド、磁気構造、クッション構造、異なるポート容積によって、力と空気消費のモデルに含める対象が変わることがあります。
この 既存の シリンダ計算式リファレンス では、形状とボア選定の計算を詳しく扱います。この記事では、結果をより広い伝達システムへつなぐため、形状の説明を簡潔にします。
正しい空圧シリンダ力の方程式は何か?
Parkerはピストン面積に作用する圧力から理論シリンダ力を定義していますが、実際の出力では反対側に作用する圧力と機械抵抗も考慮する必要があります(Parker技術データ、2026年参照)。 利用可能な力を計算するときは、指定した動作中にシリンダの両ポートで測定した圧力を使います。
複動片ロッドシリンダの伸長では、次のように表します。
はキャップ側ゲージ圧力、 はロッド側ゲージ圧力、 は伸長に対抗する測定抵抗または型式固有抵抗です。両圧力は同じ大気圧を基準とするため、一貫して組み合わせられます。後退では圧力×面積項の作用側を入れ替え、その方向の抵抗を使います。
すべての不確かさを1つの効率係数に隠さないでください。利用可能な力を、別途計算した必要力と比較します。
はプロセス荷重、 は動作軸方向の重量成分、 は移動質量、 は必要加速度です。これらの物理項目を特定した後、文書化した設計余裕を適用します。
定常動作中の機械出力は次のとおりです。
は、力をニュートン、シリンダ速度をメートル毎秒で表したときの機械出力ワットです。コンプレッサの電気入力ではありません。空圧システム全体の効率を求めるには、コンプレッサ、配管、バルブ、排気、漏れ、デューティサイクルのデータが必要です。
この シリンダ力損失ガイド では、2チャンバの計算と測定手順を詳しく説明しています。
チャンバ容積を空気消費量へどう換算するか?
Parkerの空圧シリンダガイドは、ゲージ圧力に14.7 psiを加えて大気圧で割る絶対圧力比を使い、排出チャンバ容積を自由空気消費量へ換算します(Parkerアプリケーションエンジニアリングガイド、2026年参照)。 運転温度と報告温度が異なる場合は、温度項も必要です。
チャンバ容積 を運転時の絶対圧力 と温度 で表したとき、明示した基準条件での等価容積 は次のようになります。
は同じ理想気体質量に対する基準換算空気容積です。 and を結果の横に記載します。文字 はここでは単なるラベルであり、[標準]状態の普遍的な定義を示すものではありません。
複動サイクルでは、各加圧チャンバに供給する空気量を計算して合計します。
サイクル速度における平均基準換算流量 は次のようになります。
平均消費量はコンプレッサ容量と長期エネルギー使用量の目安になります。一方、バルブは実際のストローク時間中に各チャンバへ空気を供給できなければなりません。伸長時間を :
これはイベント中の一次近似平均流量であり、瞬時の圧縮性流れ曲線ではありません。要求の厳しいサイクルでは、圧力立ち上がり、クッション容積、チューブ容積、漏れ、バルブ切替、動作プロファイルを含めます。イベント流量は シリンダ流量要求計算機で見積もり、その後、選定部品をカタログの方法で検証します。
Q = vAに密度確認が必要なのはなぜか?
NASAは、チューブを通る質量流量が であり、定常流では一定に保たれる一方、気体の圧縮性が関係すると密度が変化すると説明しています(NASA、2026年参照)。 より短い関係式 は、同じ局所密度と同じ断面における実容積流量に限って有効です。
ピストン速度と空気速度には別の記号を使います。
はストロークにおける平均ピストンまたはキャリッジ速度 と時間 . は、有効ピストン面積に対するチャンバ状態での幾何学的チャンバ充填流量 です。自動的にSCFMやSLPMになるわけではありません。
チューブを流れる空気では、次のようになります。
は質量流量、 は局所空気密度、 は局所平均空気速度、 は流路面積です。高圧チャンバから低圧排気へ同じ質量流量が移動すると、密度が変化するため、経路に沿って実容積流量と速度も変化します。
経験上、表計算で最も多い誤りは、バルブの標準リットル毎分をピストン面積で直接割り、その結果をシリンダ速度と呼ぶことです。まずカタログ流量を必要な状態へ換算するか、メーカーのサイジング方法を使います。その後、機械上の実ストローク時間を確認してください。
バルブ流量にISO 6358またはCvデータを使うべきなのはいつか?
ISO 6358-1は、圧縮性流体を使う空圧部品の定常流量試験を定めており、2026年版には測定不確かさを扱う改訂が含まれます(ISO 6358-1、2013年、2026年改訂を含む)。 バルブを単純なチューブとして扱わず、部品に示された音速コンダクタンスと臨界圧力比、または承認済みのCv方法を使います。
上流と下流の圧力比が十分に大きいと、流路の最狭部でチョークが起こります。その後、下流圧力をさらに下げても、非圧縮性の式が予測する比例的な流量増加は生じません。NASAは、限界状態を制御スロートでのマッハ1と説明しています(NASA、2026年参照)。
ISO 6358-3は、特性が既知の空圧部品と配管を組み合わせた定常流量特性を計算する方法を示し、亜音速流とチョーク流の両方を扱います(ISO 6358-3, 2014).
各供給経路と排気経路について、次を集めます。
- 上流絶対圧力と温度。
- 必要な下流圧力または許容圧力損失。
- ストローク中に必要な基準換算流量。
- バルブの音速コンダクタンスと臨界圧力比、または文書化されたCvの根拠。
- レギュレータ、FRL、継手、チューブ、マニホールド、速度制御、サイレンサのデータ。
- 流れ方向。供給容量と排気容量は異なる場合があるためです。
ポートねじサイズだけでは内部容量を証明できません。同じねじの2つのバルブでも、オリフィス、スプール形状、試験済み流量特性が異なる場合があります。 空気流量と圧力のガイド では、ISO 6358とチョーク流の判断を別途詳しく扱います。
エンジニアは圧力損失をどう見積もるべきか?
米国エネルギー省の圧縮空気ソースブックは、システムの圧力プロファイルを測定することを推奨し、配管と部品全体の摩擦や制限が圧力損失を生むと説明しています(DOEソースブック、2026年参照)。 固定の0.1 bar余裕や、全機械に共通する1つのチューブ速度限界では、すべての機械サイクルを表せません。
定義した定常配管区間では、ダーシー・ワイスバッハ式に小損失係数を加えた形が、スクリーニング用の有効な式になります。
は圧力損失、 はダーシー摩擦係数、 は配管長、 は内径、 は継手と局所的な制限、 はその区間に使う密度、 はその状態での平均速度です。
圧縮空気では、経路に沿って密度が変化することがあります。長い配管、大きな圧力比、大流量、チョークに近い制限には、圧縮性流れの方法、測定した部品データ、または区間分割計算が必要です。ダーシー式の推定だけで、バルブ、レギュレータ、フィルタ、サイレンサの流量曲線を代用することはできません。
静圧と動圧を次の位置で測定します。
- 機械入口。
- FRLの上流と下流。
- バルブマニホールド入口。
- 対象ストローク中のシリンダ両ポート。
- 背圧が疑われる場合の排気側チャンバ。
Use the 圧縮空気圧力損失計算機 を使って直線配管の一次推定を行います。その後、計算損失を時間同期した圧力測定値と比較します。測定値から、仮定した流量、粗さ、密度、制限モデルが実機を表しているか判断できます。
圧力損失計算は、配管径だけでなく測定位置で終えるべきです。 設計要件がワークの力なら、決定的な値はシリンダポートの動圧です。要件がストローク時間なら、供給側と排気側の両方の圧力履歴が重要です。
計算例:力、空気消費量、ピーク流量
この例では、NISTが1 atmをその値と定義しているため、101.325 kPaを大気圧の基準に使います(NIST、2025年更新)。 ボア径50 mm、ロッド径20 mm、ストローク300 mm、運転状態と基準状態の温度20℃、例示的な毎分20サイクルを仮定します。
伸長時の測定キャップ側圧力は0.55 MPaゲージ、ロッド側圧力は0.08 MPaゲージです。測定運転抵抗は80 Nで、伸長は0.60秒以内に完了する必要があります。
まずピストン面積と環状面積を計算します。
1 MPaは1 N/mm²に等しいため、利用可能な伸長力は次のとおりです。
この結果は定格可搬質量ではありません。重力、加速度、プロセス力、治具、不確かさ、必要な設計余裕を差し引く、または比較する必要があります。
キャップ側の掃引容積は次のとおりです。
供給絶対圧力は651.325 kPaです。運転温度と基準温度が同じ場合、101.325 kPaで表した伸長側空気量は次のとおりです。
後退にも同じ0.55 MPaゲージの供給圧力を使うと、その対応容積は同じ基準状態で3.181 Lです。したがって1サイクル全体では、チューブのデッドボリュームと漏れを含める前に、基準換算で6.967 Lを使います。
毎分20サイクルでは、
伸長イベントでは、0.60秒の時間枠に大幅に高い平均流量が必要です。
この差から、コンプレッサが平均消費量をまかなえても、現地バルブやチューブの容量不足でストローク時間の目標を外す理由が分かります。
工学計算シートにはどの方程式を載せるべきか?
ISO 6358は、シリンダが流体とエネルギーを交換し、部品の定常試験範囲外となるため、部品流量特性とシリンダを分けています(ISO 6358-1, 2013). したがって有用な計算シートでは、機械試験で結合する前に、気体状態、アクチュエータ機構、消費量、部品流量確認を別ブロックに分けます。
次の簡潔な一覧を使います。
| 工学上の問い | 方程式または方法 | 必要な境界条件 |
|---|---|---|
| 絶対状態はどうなっているか? | and | 現地大気圧と温度尺度 |
| 閉じ込められた空気はどう状態変化するか? | 同じ気体質量と明示した平衡仮定 | |
| どの面積に圧力が作用するか? | and | 正確なボア、ロッド、アクチュエータ構造 |
| 利用可能な力はいくらか? | 動作中の両ポート圧力 | |
| 1ストロークでどれだけ空気を使うか? | 明示した運転状態と基準状態 | |
| 平均ピストン速度はいくらか? | 定義したストローク時間 | |
| 局所質量流量はいくらか? | 同じ断面における密度と面積 | |
| バルブは流量を通せるか? | ISO 6358パラメータまたは承認済みCv方法 | 上流と下流の絶対圧力 |
| 予想される配管損失はどれか? | ダーシー・ワイスバッハによるスクリーニングと部品データ | 密度モデル、長さ、内径、継手、流量状態 |
| 機械出力はいくらか? | 同じ時点の荷重力と速度 |
計算をリリースする前に、型式番号、動作方向、可搬質量、向き、サイクル時間、供給・排気経路、空気の基準状態、周囲条件範囲、受入限界を記録します。その後、試運転時に測定したポート圧力とストローク時間の波形を保管します。測定点のない計算では、設置済み機械がなぜ一致しないのかを示せません。
まとめ
NISTの101.325 kPa大気圧基準と、ISO 6358が空圧の亜音速流とチョーク流を別々に扱うことから、1つの方程式でシステム全体を表せない理由が分かります(NIST, 2025; ISO, 2014). 信頼できる設計は、定義した状態から形状、機構、消費量、部品容量、測定へ進みます。
気体状態の換算には絶対圧力とケルビンを使います。シリンダ力には両チャンバ圧力を使います。標準流量と局所容積流量を分けます。平均消費量とイベント流量を別々に計算します。最後に、機械が指定動作を行っている間にシリンダポートで結果を検証します。
空圧伝達方程式に関するFAQ
NISTは1 atmを101.325 kPaと定義し、標準ガス流量単位には異なる基準温度が使われる場合があると注意しています。そこで以下では、システム境界なしに普遍値を示すのではなく、各方程式に対応する圧力、温度、面積、流量条件を明示します(NIST, 2025).
理想気体の法則に絶対圧力とケルビンを使う必要があるのはなぜですか?
絶対圧力と熱力学温度はどちらも物理的なゼロから始まり、理想気体の法則の比例関係にはそれが必要です。ゲージ圧力と摂氏温度のゼロ点は任意です。先に換算し、計算全体で同じ単位と状態基準を使います。
標準流量をQ = vAの式に直接使えますか?
いいえ。標準流量または基準換算流量は、明示した圧力と温度における気体容積を表します。速度の関係式には、同じ局所状態での実容積流量と面積が必要です。チューブ速度やピストン速度を計算する前に、流量を換算するか、局所密度を使った質量連続式を使います。
F = PAは空圧シリンダの実際の力と同じですか?
これは理想的な圧力×面積項の1つを示します。実際の利用可能な力には、反対側のピストン面積に作用する圧力と機械抵抗も含まれます。動作中に両ポート圧力を測定し、対抗する力を計算してから、プロセス荷重、重力、加速度、設計余裕と結果を比較します。
空圧流れはいつチョークしますか?
流れは、指定した上流状態と圧力比に対して、制御制限部が限界音速状態に達するとチョークします。下流圧力をさらに下げても、非圧縮性モデルが予測する比例的な流量増加は生じません。ISO 6358パラメータまたは部品メーカーの承認済みサイジング方法を使います。
空圧計算の引き継ぎには、どの値を記載すべきですか?
型式、ボア、ロッド、ストローク、方向、荷重、向き、サイクル時間、両ポート圧力、摩擦の根拠、温度、大気圧、流量基準状態、バルブ流量データ、チューブ内径と長さ、継手、排気制限、受入限界を含めます。すべての計算結果に単位と仮定を添付します。
出典・技術参考資料
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NIST、圧力とガス流量の単位換算。2025年更新。
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NIST、熱力学温度とケルビンの定義. 2021.
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ISO 15552:2018、取外し式取付を備えた空圧シリンダ。2026年7月27日取得。
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ISO 6358-1:2013、空圧部品の定常流量特性、2026年改訂2を含む。
-
ISO 6358-3:2014、システムの定常流量特性の計算。2026年7月27日取得。
-
NASAグレン研究センター、質量流量の方程式。2026年7月27日取得。
-
Parker Hannifin、空圧シリンダ技術データ。2026年7月27日取得。
-
Parker Miller Fluid Power、アプリケーションエンジニアリングガイド。2026年7月27日取得。
-
米国エネルギー省、圧縮空気システム性能の改善。2026年7月27日取得。
-
AutomationDirect、空圧シリンダの選定方法。2026年7月27日取得。

