油圧ユニット、どこから設計すればいいんだ問題

シリンダの推力とストロークは決まった。あとはポンプとモーターを選ぶだけ――そう思って仕様書を開いた瞬間、流量・圧力・kW・タンク容量という四つの変数がにらみ合ってきて、頭を抱えた経験はないだろうか。ギアポンプのカタログを眺めていると、吐出量と圧力とモーター軸出力が複雑に絡み合い、どこから数字を決めていけばいいのか分からなくなる。

このツールは、そんな油圧パワーユニット（HPU: Hydraulic Power Unit）の選定を、シリンダ作動条件から一気通貫で片付けるためのものだ。内径・ストローク・推力・動作時間・使用圧力・総合効率を入れれば、ピストン面積から電動機所要kW、タンク容量までを一画面で出す。概算が5秒で出るので、提案書の下書きや初期検討の叩き台にちょうどいい。

なぜ作ったのか

社内の油圧ユニットをリプレースする案件で、先輩から「ポンプ吐出量20L/minくらいで、モーター5.5kWで、タンクは60Lあればいい」とざっくり言われた。ところが数字の出所を聞いても「経験則」としか返ってこない。仕方なく自分で計算を始めたのだが、単位換算で何度も詰まった。L/minとm³/s、MPaとPa、kNとN――この三つを行き来しているだけで電卓の履歴が埋まった。

既存のオンラインツールもいくつか試した。シリンダ推力を出すだけのものは多い。ポンプ流量だけを出すものもある。だが「シリンダ条件から電動機kWとタンク容量までを一度に出す」ものは、英語圏のメーカーサイトに断片的にあるだけで、日本語で使えるものが見当たらなかった。とくにタンク容量の3倍則（JIS B 8361相当）まで含めて即答してくれる計算機がなかった。

同じ現場にいる設計者仲間に聞いても、「Excelシートを自作している」「メーカーに丸投げしている」という答えばかり。だったらWebで一元化してしまえば、初めて油圧ユニットを組む若手も、経験値の無い異分野からの転向組も、同じ土俵で議論できる。そう思って作った。

油圧パワーユニットとは何か

油圧パワーユニット（HPU）の構成要素

油圧パワーユニットとは、電動機でポンプを回して作動油を加圧し、シリンダやモーターといった油圧アクチュエータに動力を供給する装置一式のことだ。主な構成要素は次の五つ。

電動機: 回転動力源。三相誘導モーターが主流
油圧ポンプ: 電動機の回転を油の圧力・流量に変換する。ギアポンプ、ベーンポンプ、ピストンポンプがある
油タンク（リザーバ）: 作動油を貯め、気泡を抜き、熱を放散する
制御弁（リリーフ・方向切換）: 圧力を一定に保ち、油の流れる方向を切り換える
配管・継手・フィルター: 作動油の経路と清浄度を管理

電気で言えば、電動機＋ポンプが「電源回路＋変圧器」に、タンクが「平滑コンデンサ」に、リリーフ弁が「過電圧保護」に相当する、と考えると腑に落ちやすい。

油圧動力の基本式

油圧系のパワーは、流量と圧力の積で決まる。これは電気の P = V·I と同じ構造だ。流量Qが電流、圧力pが電圧に対応すると思えばいい。

// 油圧動力 [kW]
P_h = Q [L/min] * p [MPa] / 60

// 電動機軸動力 [kW]
P_m = P_h / η

60で割っているのは、L/minとMPaの組み合わせをkWに揃えるための単位換算だ。1 L/min × 1 MPa = 1/60 kW という関係を覚えておくと、暗算でも概算が出せる。総合効率ηはポンプ効率と電動機効率をひっくるめた値で、ギアポンプ＋一般的な電動機で0.75〜0.85程度になる。

タンク容量の3倍則

タンク容量はポンプ吐出量の3倍を目安に設計する、という慣行がある。これは JIS B 8361（油圧用語）や ISO 4413 に準拠した実務的なルールで、次の三つの役割を担うためだ。

熱放散: 油圧動力の損失分は熱になる。タンクが小さいと油温が上がり、粘度が下がって漏れや効率低下を招く
気泡除去: 還流油の中のエアが抜けきる時間（滞留時間）を確保する。3倍容量で滞留時間は約3分
流量変動吸収: 短時間ピーク流量に対するバッファ

半導体工場など常時運転の用途では4〜5倍にする例もあるが、断続運転の産業機械なら3倍で足りる。

容量選定を誤ったときの実害

「経験則で5.5kW」と決めたユニットが、実際には要求流量を満たせないまま稼働し、シリンダ速度が設計値の半分しか出なかった――現場でありがちな失敗だ。では、選定ミスは具体的にどう跳ね返ってくるのか。

動作速度不足: 流量不足の症状はシリンダ速度に直結する。タクトタイムが延び、生産量が落ちる。後から改善しようにも、モーターと配管までを含めた改造は数百万円規模になる。

モーター焼損: 逆に要求圧力がシリンダの必要圧を下回っていると、起動時にリリーフ弁が開きっぱなしになり、全流量が余剰として熱に変わる。ポンプ入口の油温が60℃を超えると粘度低下→漏れ増加→さらに発熱という悪循環に入り、電動機が過負荷トリップ、最悪は焼損する。

省エネ法・契約電力への影響: 工場全体の契約電力は50kW刻みで料金が変わる（高圧電力A契約）。過大なモーターを1台増設しただけで月数万円の基本料金アップ、という話は珍しくない。逆に省エネ法ではエネルギー使用の合理化等に関する法律により大規模事業所は毎年1%のエネルギー原単位低減を求められているため、過大選定は指導対象になりうる。

JIS B 8361/ISO 4413との整合: 日本国内で稼働する産業機械油圧システムは、JIS B 8361（旧B 8370）の適用が事実上の標準だ。圧力区分や呼び径の選定根拠を示せないと、受入検査で指摘される。設計初期に概算レベルでも数字を押さえておけば、後工程で「根拠なし」と突き返されることがなくなる。

活躍する場面

中型プレス・油圧プレスの初期検討: 推力30〜80kN級のプレスは町工場にも広く普及している。シリンダ内径とストロークが決まった段階で、電動機kWとタンク容量が即答できると提案書作成が一気に進む。

射出成型機のリプレース見積もり: 既存機のシリンダを流用しつつ、ポンプとモーターだけ更新するケース。現状のスペックから「これより大きい機種が必要か、小さくできるか」を判断する一次スクリーニングに使える。

クランプ装置・治具の内製: 生産ラインで使う簡易クランプを社内で作る場合、ユニットはパッケージ品を買うのが一般的だ。事前に必要kWとタンク容量を算出しておけば、適切なサイズのパッケージを選べる。

保全現場での故障診断: 「シリンダの動作が遅い」「モーターが熱い」というトラブル時、本来必要な流量・圧力・kWと現状のポンプ仕様を突き合わせると、原因が選定不足なのか経年劣化なのかを切り分けられる。

基本の使い方

シリンダ条件を入れる: 内径D[mm]、ストロークL[mm]、所要推力F[kN]、押出し動作時間t[s]。推力は負荷＋摩擦＋背圧の合計値
システム条件を入れる: 使用圧力P[MPa]（一般産業機械は14〜21MPa）と総合効率η（初期検討は0.80でよい）
結果を読む: 電動機所要動力kWを確認し、JIS標準モーターの直上値（3.7/5.5/7.5/11/15/18.5/22/30kW…）に切り上げる。圧力マージンが20%未満ならシリンダ内径の再検討、50%以上なら機器が過大の可能性

コピーボタンで全結果を書き出せる。そのまま提案書や議事録に貼り付けると話が早い。

計算例で感覚をつかむ

ケース1: 小型クランプ装置（D=50mm, L=300mm, F=10kN, t=1.5s, P=10MPa, η=0.80）

治具ワークのクランプ用途。内径50mmのシリンダで10kNの押し付け力を1.5秒で出す。

ピストン面積: 19.63 cm²
必要圧力: 5.09 MPa
シリンダ速度: 0.200 m/s
必要流量: 23.56 L/min
油圧動力: 3.93 kW
電動機所要動力: 4.91 kW → JIS標準5.5kWを選定
推奨タンク容量: 70.7 L

解釈: 設定圧10MPaに対し必要圧5.09MPa、マージン約96%。余裕がありすぎるので、内径40mmに絞れば必要圧力が上がり、ポンプも小さくできる。

ケース2: 中型プレス（D=80mm, L=500mm, F=30kN, t=2s, P=16MPa, η=0.80）

汎用油圧プレスの主シリンダ。30kNで500mmを2秒押し出す。

ピストン面積: 50.27 cm²
必要圧力: 5.97 MPa
シリンダ速度: 0.250 m/s
必要流量: 75.40 L/min
油圧動力: 20.11 kW
電動機所要動力: 25.13 kW → JIS標準30kWを選定
推奨タンク容量: 226.2 L

解釈: 設定圧16MPa、マージン168%。圧力側にかなり余裕があるので、ポンプ吐出量を優先したピストンポンプ構成が向く。

ケース3: 大型リフト（D=125mm, L=800mm, F=80kN, t=3s, P=21MPa, η=0.80）

工場内の重量物昇降装置。80kNで800mmを3秒で持ち上げる。

ピストン面積: 122.72 cm²
必要圧力: 6.52 MPa
シリンダ速度: 0.267 m/s
必要流量: 196.35 L/min
油圧動力: 68.72 kW
電動機所要動力: 85.91 kW → JIS標準90kWを選定
推奨タンク容量: 589.0 L

解釈: モーターが大型化し、三相200V動力契約だけでは賄いきれない領域。400V系の検討と冷却ファン必須。タンクも600L級で大型化する。

ケース4: 射出成型機の型締シリンダ（D=100mm, L=600mm, F=50kN, t=2.5s, P=18MPa, η=0.82）

中型射出成型機の型締ユニット。効率は高精度ピストンポンプ前提で0.82に上げている。

ピストン面積: 78.54 cm²
必要圧力: 6.37 MPa
シリンダ速度: 0.240 m/s
必要流量: 113.10 L/min
油圧動力: 33.93 kW
電動機所要動力: 41.38 kW → JIS標準45kWを選定
推奨タンク容量: 339.3 L

解釈: 効率ηを0.80→0.82に上げるだけで、電動機出力は約2.5%下がる。長時間連続稼働の成型機ではこの差が電気代に効く。

ケース5: 工作機械クランプ（D=40mm, L=200mm, F=5kN, t=1s, P=14MPa, η=0.78）

マシニングセンタのワーククランプ。小容量・小型ポンプで構成。

ピストン面積: 12.57 cm²
必要圧力: 3.98 MPa
シリンダ速度: 0.200 m/s
必要流量: 15.08 L/min
油圧動力: 3.52 kW
電動機所要動力: 4.51 kW → JIS標準5.5kWを選定
推奨タンク容量: 45.2 L

解釈: 設定圧14MPa、マージン252%。クランプは保持力が主目的なので、高圧小流量ポンプで圧力側に余裕を持たせるのが定石。効率を0.78と低めに置いているのは、小型ギアポンプの実測値を反映したもの。

ケース6: 高圧プレス（D=160mm, L=1000mm, F=150kN, t=4s, P=25MPa, η=0.80）

厚板打ち抜き用の高圧プレス。設定圧25MPaの高圧仕様。

ピストン面積: 201.06 cm²
必要圧力: 7.46 MPa
シリンダ速度: 0.250 m/s
必要流量: 301.59 L/min
油圧動力: 125.66 kW
電動機所要動力: 157.08 kW → JIS標準160kWを選定
推奨タンク容量: 904.8 L

解釈: 25MPa超の高圧域では配管・継手・シール材の耐圧規格確認が必須。モーター160kWは400V三相の大容量契約が前提で、受変電設備の容量も見直す必要がある。タンクも1m³級で、冷却器併設が一般的。

仕組み・アルゴリズム

手法の選び方: 吐出量先行か、圧力先行か

油圧ユニット選定には二つの流派がある。

吐出量先行法: シリンダ速度から必要流量を決め、その流量を満たすポンプを選び、最後に使用圧力を当てはめて動力を出す
圧力先行法: 使用圧力を先に決め打ちし、必要なピストン面積を逆算する

このツールは前者（吐出量先行法）を採用している。理由は単純で、シリンダの内径・ストローク・動作時間は設計初期に決まっていることが多いからだ。プレスもリフトも「何kNで何秒」という要求仕様が先に来る。圧力は後から14/16/21MPaなどの標準値に合わせ込めばよい。

実装フロー

// 入力: bore[mm], stroke[mm], force[kN], time[s], pressure[MPa], eta[-]

// 1. ピストン面積 [m²]
const A = Math.PI / 4 * Math.pow(bore / 1000, 2);

// 2. 必要圧力 [MPa]
const reqP = (force * 1000) / A / 1e6;

// 3. シリンダ速度 [m/s]
const v = (stroke / 1000) / time;

// 4. 必要流量 [L/min]
const Q = A * v * 60 * 1000;

// 5. 油圧動力 [kW]
const Ph = Q * pressure / 60;

// 6. 電動機軸動力 [kW]
const Pm = Ph / eta;

// 7. 推奨タンク容量 [L]（JIS B 8361 慣行の3倍則）
const V = Q * 3;

// 8. 圧力マージン [%]
const margin = (pressure - reqP) / reqP * 100;

総合効率ηの考え方

ηには二種類ある。

全効率（ポンプ単体）: 容積効率×機械効率。ギアポンプで0.85前後、ピストンポンプで0.90前後
総合効率（ポンプ＋電動機）: さらに電動機効率0.88〜0.92を掛けたもの。結果として0.75〜0.85程度

本ツールは後者（総合効率）を使っている。ポンプ型式がまだ決まっていない初期検討では、0.80を既定値に置いておけば大きく外さない。詳細設計段階では、メーカーから提出されるポンプP-Q曲線と電動機効率テーブルを使って個別に計算し直す。

タンク容量3倍則の計算根拠

タンク容量 V [L] = 吐出量 Q [L/min] × 3 [min] は、「滞留時間3分」と読み替えられる。つまり油がタンクを1周するのに3分かかる設計にしておけば、気泡が浮き上がり、熱が壁面から逃げる時間が確保できる、という経験則だ。

ケース2（Q=75.40 L/min）で検算すると、V=226.2 L。これはタンクに75.40 L/minの油を入れて227 L溜める計算なので、満タンから空になるまで3分ちょうど。ISO 4413 では2〜5分の幅で許容しているが、国内の産業機械では3分が最も使われている。

圧力マージンの閾値設定

ツール内部では圧力マージンを4段階で評価している。

50%以上: 標準機器で十分な余裕あり（safe）
20〜50%: 適正範囲（good）
0〜20%: マージン僅少・再検討（caution）
0%未満: 圧力不足・設定見直し必須（danger）

20%を下限に置いているのは、リリーフ弁の設定圧とシステム設定圧の間に一般に10〜15%の差が必要で、そこに配管圧損と安全余裕を加えた実用値が20%になるからだ。

他ツールとの違い（棲み分け）

このサイトには流体・アクチュエータ系の計算ツールが複数ある。役割が重なりそうに見えて、実は担当領域が違う。迷わないように整理しておく。

/hydraulic-cylinder — シリンダ単体の推力・速度・座屈を見るツール。「このボアで何トン出せるか」を確かめるのが主目的。パワーユニット側（ポンプ・モーター・タンク）は扱わない。
/pneumatic-cylinder — エア駆動のシリンダ選定。作動媒体が空気なので推力レンジ・応答性・効率の考え方が油圧とは全く別物。低推力・高速・クリーン環境向け。
/pump-head-calc — 水ポンプの全揚程を計算するツール。扱う流体は水、対象は遠心ポンプと配管抵抗。油圧の容積ポンプ（ギア・ピストン）とは設計思想が違う。
本ツール（hydraulic-power-unit） — シリンダの作動条件を起点に、ポンプ吐出量・油圧動力・電動機kW・タンク容量までを一気通貫で弾く。装置一式のラフ見積りをしたい瞬間にここに来る。

流れとしては「hydraulic-cylinder で推力と内径を詰める → hydraulic-power-unit で駆動源側を決める」の二段構え。逆に空気でいけそうなら pneumatic-cylinder、水循環や冷却配管なら pump-head-calc。用途で機械的に振り分けられるようにした。

豆知識：JIS B 8361・油温管理・作動油

JIS B 8361 と ISO 4413

油圧装置の設計指針は JIS B 8361「油圧システム通則」に集約されている。これは国際規格 ISO 4413（油圧 — 一般規則および機械装置・構成部品の安全要求事項）の翻訳対応版で、配管取り回し、圧力設定、タンク容量、安全装置の要求までを横断的に規定している。タンク容量「吐出量の3倍」という業界の経験則も、この規格系譜の中で放熱・脱泡・沈殿の時間を確保するために示された数字だ。明文で「3倍」と書かれているわけではないが、実務慣行として定着している。

油温管理のシビアさ

作動油の常用温度は 40〜60℃ が目安。70℃を超えると粘度低下で内部漏れが増え、効率が落ちる。さらに80℃を超えると油の酸化劣化が急激に進み、スラッジ・バーニッシュがバルブに堆積して作動不良を起こす。一般に油温が10℃上がると寿命は半分という経験則（アレニウスの法則の応用）が知られている。タンク容量を大きく取るのは、冷却器なしでも熱容量で温度上昇を抑える狙いがある。

作動油の種類

主流は鉱油系（ISO VG32, VG46, VG68）。VG32は低温立ち上がりが良く寒冷地向け、VG46が一般機械の標準、VG68は高温・高負荷向け。食品機械ではNSF H1認証の合成油、建機ではせん断安定性に優れたマルチグレード油、難燃性が要求される鉄鋼プラントでは水グリコール系やリン酸エステル系が使われる。粘度グレードが違うと同じポンプでも容積効率が変わるため、メーカー仕様書は必ず指定粘度を確認したい。参考: JIS K 2213 タービン油、ISO 3448 粘度分類。

Tips：現場で効く小ワザ

アキュムレータで流量ピークを平滑化する — プレスや射出成型のように短時間だけ大流量が欲しい用途では、蓄圧式アキュムレータを併用するとポンプ容量を1/2〜1/3に縮められる。待機中にポンプがゆっくり蓄圧し、動作瞬間にアキュムレータから放出する仕組み。電動機kWが1ランク下げられればコスト・省エネの両面で効く。
モーター出力はJIS標準値に切り上げる — 計算値が 25.1kW でも実装は 30kW を選ぶ。JIS C 4210 の標準出力（0.75/1.5/2.2/3.7/5.5/7.5/11/15/18.5/22/30/37/45kW…）に合わせないと入手性・交換性で不利になる。
タンクは「縦長より横長」が基本 — 同じ容量なら液面が広い方が脱泡・放熱に有利。リターン配管はサクション配管から離して配置し、戻り油のエアがすぐ吸われないようにする。
圧力マージンは20%以上確保する — 必要圧力ギリギリの設定だと、配管抵抗やバルブの圧損を吸収できず動作不良になる。本ツールのStatusCardも20%を適正判定のラインにしている。
起動時トルクは定常の2〜3倍を見込む — 本ツールは定常動力の概算値を出すが、実機ではインバータやソフトスタータで起動電流を抑えない限り、瞬間的に2〜3倍の電流が流れる。電動機・契約電力の検討では余裕を見たい。

よくある質問

必要流量が想定より大きく出ました。どう下げればいいですか？

動作時間 t を延ばすか、シリンダ内径 D を絞るかの二択になる。流量は Q = A × v、速度は v = L / t なので、同じストロークでも動作時間を2倍にすれば流量は半分。ただしサイクルタイムの要求があるならアキュムレータ併用で平滑化する方法もある。

引き側（ロッド側）動作は計算できますか？

本ツールは押出し側（ヘッド側）のみを対象にしている。引き側はロッド断面積の分だけピストン面積が小さくなるため、同じ圧力でも推力は約70〜80%に落ち、同じ流量なら速度が約1.3倍速くなる。両側同じ条件で使う用途では、まず本ツールで押出し側を決め、引き側は別途 /hydraulic-cylinder で確認してほしい。

タンク容量は本当に吐出量の3倍必要ですか？

「3倍」はJIS B 8361系の実務慣行で、放熱・脱泡・沈殿時間を確保するための目安だ。連続運転で発熱が大きい用途なら3〜5倍、間欠運転で冷却器付きなら1.5〜2倍まで縮められる。省スペース型パワーユニットでは1倍程度の製品もあるが、その場合は油冷クーラーが必須になる。

総合効率 η は何を入れればいいですか？

ポンプ容積効率 × ポンプ機械効率 × 電動機効率の総合値。ギアポンプ構成で 0.75〜0.85、ピストンポンプだと 0.85〜0.90 程度。不明なら既定値の 0.80 で見積もり、メーカー選定段階で各要素のカタログ値に差し替えるとよい。

25MPaを超える高圧仕様は何に注意すべきですか？

配管・継手・ホース・シール材の耐圧規格が変わる。一般的な SAE 100R2 ホースは21MPaまで、それを超えると R9/R12/R13 の多層スパイラル構造が必要になる。継手も JIS B 8363 の高圧用、マニホールド・バルブも31.5MPa耐圧品に切り替える。本ツールでも25MPa超では警告を出すようにしてある。

このツールの計算は保存されますか？

計算はすべてブラウザ内で完結しており、入力値・結果はサーバーに送信されない。社外秘の装置仕様を入れても外部に残らない設計だ。別端末に引き継ぎたい場合は「結果をコピー」ボタンでテキスト化してメモ等に貼り付けてほしい。

まとめ

油圧パワーユニットは「シリンダ条件 → 流量 → 動力 → タンク」の順に決めれば、若手設計者でも概算までは一気に辿り着ける。本ツールはその導線をワンフォームに押し込んだ。詰めの検討では /hydraulic-cylinder でシリンダ側を、空圧への置き換え検討では /pneumatic-cylinder を、冷却・潤滑の水配管側は /pump-head-calc を併用してほしい。不明点や計算の疑問があればお問い合わせまで。

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