(57)【要約】【課題】液圧シリンダが円滑に動作でき、作動液の漏れによる環境汚染を防止でき、かつ火災の発生を防止できる液圧シリンダシステムを提供する。【解決手段】液圧シリンダシステムは、加圧された水系作動液を動力伝達媒体とする液圧シリンダ装置１と、前記液圧シリンダ装置１に対して水系作動液を給排する作動液給排装置２とを備える。水系作動液は、水とポリアクリル酸ナトリウムとを含み、該水系作動液における水に対するポリアクリル酸ナトリウムの量が０．３〜１．５質量パーセントの範囲であり、水系作動液の水素指数がｐＨ９〜ｐＨ１１の範囲内に調整される。【選択図】図１
2020056461.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加圧された水系作動液を動力伝達媒体とする液圧シリンダと、前記液圧シリンダに対して水系作動液を給排する作動液給排装置とを備えている液圧シリンダシステムであって、
前記作動液給排装置は、
・水系作動液を貯留する作動液貯槽と、
・前記作動液貯槽に貯留された水系作動液を前記液圧シリンダに供給するとともに、前記液圧シリンダから排出された水系作動液を前記作動液貯槽に還流させる作動液給排通路と、
・前記作動液給排通路の一部をなす作動液供給通路に介設され、前記作動液貯槽に貯留されている水系作動液を吸入・加圧して吐出する作動液供給ポンプと、
・前記液圧シリンダと前記作動液供給ポンプの間において前記作動液給排通路に介設され、前記作動液給排通路における水系作動液の流れる方向を順方向及び逆方向に切り換える通路切換弁とを有し、
水系作動液は、水とポリアクリル酸ナトリウムとを含み、該水系作動液における水に対するポリアクリル酸ナトリウムの量が０．３〜１．５質量パーセントの範囲であり、
水系作動液の水素指数がｐＨ９〜ｐＨ１１の範囲内に調整されていることを特徴とする液圧シリンダシステム。
【請求項２】
水系作動液における水に対するポリアクリル酸ナトリウムの量が０．４〜１．３５質量パーセントの範囲であることを特徴とする、請求項１に記載の液圧シリンダシステム。
【請求項３】
水系作動液の水素指数が、水酸化ナトリウムを添加することによりｐＨ９〜ｐＨ１１の範囲内に調整されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の液圧シリンダシステム。
【請求項４】
水系作動液がプロピレングリコールを含み、該水系作動液における水に対するプロピレングリコール添加量が、０℃より低温側でありかつプロピレングリコールの凝固点より高温側の温度範囲内で予め設定されたシステム使用下限温度を凝固点とするプロピレングリコール水溶液における水に対するプロピレングリコール添加量と同量であるか又はこれより多いことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の液圧シリンダシステム。
【請求項５】
水系作動液がエタノールを含み、該水系作動液における水に対するエタノール添加量が、０℃より低温側でありかつエタノールの凝固点より高温側の温度範囲内で予め設定されたシステム使用下限温度を凝固点とするエタノール水溶液における水に対するエタノール添加量と同量であるか又はこれより多いことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の液圧シリンダシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加圧された水系作動液を動力伝達媒体とする液圧シリンダと、該記液圧シリンダに対して水系作動液を給排する作動液給排装置とを備えている液圧シリンダシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、シリンダ内に摺動可能に嵌挿されたピストンが、ポンプから吐出された作動液の圧力によりシリンダ内で往復運動をする液圧シリンダは、種々の機械装置や土木建設用車両などのアクチュエータとして広く用いられている。従来、液圧シリンダの作動液としては、適切な粘性を有し、かつ摺動摩擦低減効果が高いことから、鉱物油等を原料とする作動油が広く用いられている（例えば、特許文献１〜４参照）。
【０００３】
作動液として作動油を用いる液圧シリンダ、すなわち油圧シリンダには、通常、油圧ポンプから吐出された作動油を油圧シリンダに対して給排するための作動油給排装置が設けられる。そして、作動油給排装置には、作動油タンクと油圧シリンダとの間に配設される複数の油路と、これらの油路に介設される油圧ポンプ、油路切換弁、流量調整弁、リリーフ弁、逆止弁等の種々の油圧機器とが設けられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１１０７１０号公報
【特許文献２】特開２００３−７４５１８号公報
【特許文献３】特開２００４−６８８６３号公報
【特許文献４】特開２０１８−８４２９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
油圧シリンダ及び作動油給排装置は、これらを構成する多数の部材が接続ないしは連結された構造物であるので、例えばある部材と他の部材の接続部等で作動油が漏れることがある。そして、このような油圧シリンダが、例えば河川や用水路などに配設された水門等を駆動するためのものである場合、油圧シリンダないしは作動油給排装置から作動油が漏れると、この作動油が河川や用水路を流れる水に混入し、重大な環境汚染が生じるといった課題がある。
【０００６】
また、作動油は可燃物であるので、延焼、事故等により油圧シリンダ及び作動油給排装置に火災が発生するおそれがあるといった課題がある。
【０００７】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、液圧シリンダを円滑に動作させることができ、作動液の漏れによる環境汚染を防止することができ、かつ火災の発生を防止することができる液圧シリンダシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するためになされた本発明に係る液圧シリンダシステムは、
加圧された水系作動液を動力伝達媒体とする液圧シリンダと、前記液圧シリンダに対して水系作動液を給排する作動液給排装置とを備えており、
前記作動液給排装置は、
・水系作動液を貯留する作動液貯槽と、
・前記作動液貯槽に貯留された水系作動液を前記液圧シリンダに供給するとともに、前記液圧シリンダから排出された水系作動液を前記作動液貯槽に還流させる作動液給排通路と、
・前記作動液給排通路の一部をなす作動液供給通路に介設され、前記作動液貯槽に貯留されている水系作動液を吸入・加圧して吐出する作動液供給ポンプと、
・前記液圧シリンダと前記作動液供給ポンプの間において前記作動液給排通路に介設され、前記作動液給排通路における水系作動液の流れる方向を順方向及び逆方向に切り換える通路切換弁とを有し、
水系作動液は、水とポリアクリル酸ナトリウムとを含み、該水系作動液における水に対するポリアクリル酸ナトリウムの量が０．３〜１．５質量パーセント（好ましくは０．４〜１．３５質量パーセント）の範囲であり、
水系作動液の水素指数がｐＨ９〜ｐＨ１１の範囲内に調整されている。
【０００９】
本発明に係る液圧シリンダシステムにおいて、水系作動液の水素指数が、水酸化ナトリウムを添加することによりｐＨ９〜ｐＨ１１の範囲内に調整されていることが好ましい。
【００１０】
本発明に係る液圧シリンダシステムにおいて、水系作動液がプロピレングリコールを含み、該水系作動液における水に対するプロピレングリコール添加量が、０℃より低温側でありかつプロピレングリコールの凝固点より高温側の温度範囲内で予め設定されたシステム使用下限温度を凝固点とするプロピレングリコール水溶液における水に対するプロピレングリコール添加量と同量であるか又はこれより多いことが好ましい。
【００１１】
本発明に係る液圧シリンダシステムにおいて、水系作動液がエタノールを含み、該水系作動液における水に対するエタノール添加量が、０℃より低温側でありかつエタノールの凝固点より高温側の温度範囲内で予め設定されたシステム使用下限温度を凝固点とするエタノール水溶液における水に対するエタノール添加量と同量であるか又はこれより多いことが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る液圧シリンダシステムによれば、動力伝達媒体として作動油ではなく水系作動液を用いるので、液圧シリンダ装置又は作動液給排装置で作動液の漏れが発生しても、油圧シリンダの場合のような環境の油汚染ないしは製品の油汚染は生じない。このため、液圧シリンダシステムは、作動液による汚染が問題となる設備、例えば水門の開閉装置や、食品、化粧品、薬品などの製造設備に有効に用いることができる。また、水系作動液は不燃性であり、水系作動液を用いる液圧シリンダシステムに火災が発生する可能性はなく、防火の点で極めて有利である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る液圧シリンダシステムの一例を示す構成図である。
【図２】動摩擦係数測定装置の構成図である。
【図３】ポリアクリル酸ナトリウム水溶液の粘度と濃度の関係を示すグラフである。
【図４】ポリアクリル酸ナトリウム水溶液の粘度と温度の関係を示すグラフである。
【図５】ポリアクリル酸ナトリウム水溶液の動摩擦係数と濃度の関係を示すグラフである。
【図６】エタノール水溶液およびプロピレングリコール水溶液について凝固点と濃度の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の実施形態を具体的に説明する。なお、この実施形態では、加圧された水系作動液を動力伝達媒体とする液圧アクチュエータとして液圧シリンダを使用する液圧シリンダシステムについて説明するが、本発明は、液圧シリンダ以外のもの（例えば、液圧モータ、液圧ポンプ等）を用いた液圧駆動システムにも同様に応用することができる。
【００１５】
＜液圧シリンダシステムの概要＞
図１は、本発明に係る液圧シリンダシステムの一例を示す構成図である。液圧シリンダシステムＳは、加圧された水系作動液を動力伝達媒体とする片ロッド形複動式の液圧シリンダ装置１と、液圧シリンダ装置１に対して水系作動液を給排する作動液給排装置２とを備えている。液圧シリンダ装置１は、略円筒形のシリンダ３と、シリンダ３の円柱形の中空部（以下「シリンダ中空部」）に嵌入又は挿入された略円柱形のピストン４と、ピストン４の一方の端部に取り付けられた細長い円柱形（丸棒状）のピストンロッド５とを備えている。液圧シリンダ装置１は、シリンダ３、ピストン４及びピストンロッド５の各中心軸が鉛直方向（上下方向）に伸びるように配置された縦置き型のものである。液圧シリンダ装置は、縦置き型のものに限定されるわけではなく、横置き型又は傾斜型のものであってもよい。
【００１６】
ピストンロッド５の先端部（ピストン４と反対側の端部）は、液圧シリンダ装置１によってピストンロッド中心軸方向に移動させられる負荷６（例えば、水門の扉体等）に連結されている。以下では、液圧シリンダ装置１におけるキャップ側の位置を「上（上側）」といい、ロッド側の位置を「下（下側）」という。
【００１７】
ピストン４は、シリンダ中空部内で上下方向に移動（摺動）することができる。そして、シリンダ中空部は、ピストン４によって上下に仕切られ、ピストン４の上側（キャップ側）に第１液室７が形成され、ピストン４の下側（ロッド側）に第２液室８が形成されている。液圧シリンダ装置１においては、加圧された作動液が第１液室７に供給されたときには、作動液の圧力によってピストン４及びピストンロッド５が下向きに移動させられ、加圧された作動液が第２液室８に供給されたときには、作動液の圧力によってピストン４及びピストンロッド５が上向きに移動させられ、これによって負荷６が上下方向に移動させられる。
【００１８】
作動液給排装置２は、液圧シリンダ装置１の動作時（ピストン摺動時）には、加圧された作動液を液圧シリンダ装置１の任意の一方の液室（第１液室７又は第２液室８）に供給するとともに、他方の液室（第２液室８又は第１液室７）から作動液を排出する。作動液給排装置２には、４ポート３位置方向制御弁である電磁式の通路切換弁１１が設けられている。通路路切換弁１１の第１ポートＰ１は第１作動液通路１２を介して第１液室７に接続され、第２ポートＰ２は第２作動液通路１３を介して第２液室８に接続されている。また、通路切換弁１１の第３ポートＰ３には作動液供給路１４が接続され、第４ポートＰ４には作動液還流路１５が接続されている。作動液供給路１４及び作動液還流路１５の先端（通路切換弁１１に接続されていない方の端部）は、作動液を貯留する作動液貯槽１６内に導入されている。
【００１９】
作動液供給路１４の先端には、作動液供給路１４に吸入される作動液中の異物、ごみ等を除去するフィルタ１７（又はストレーナ）が取り付けられ、このフィルタ１７は、作動液貯槽１６内に貯留された作液に浸漬されている。作動液貯槽１６には、貯留している作動液の上面に紫外線を照射して作動液に殺菌処理を施す紫外線灯１８が設けられている。紫外線灯１８としては、とくに殺菌効果が高い２５０〜２６０ｎｍの紫外線（例えば、水銀のスペクトル線のうち、２５３.７ｎｍ付近（ＵＶ−Ｃ領域）のもの）を放射するものを用いるのが好ましい。なお、紫外線灯１８は必要に応じて省略することも可能である。
【００２０】
作動液供給路１４には、モータ１９（エンジンでもよい）によって駆動される作動液供給ポンプ２０が介設されている。作動液供給ポンプ２０は、作動液貯槽１６内の作動液を吸入し、加圧して通路切換弁１１の第３ポートＰ３に供給する。作動液の流れ方向に関して、作動液供給ポンプ２０より下流側（通路切換弁側）の作動液供給路１４と作動液還流路１５とを接続する第１バイパス通路２１が設けられ、この第１バイパス通路２１に、作動液供給ポンプ２０から吐出された作動液の圧力を調整するリリーフ弁２２が介設されている。
【００２１】
第１バイパス通路２１との接続部より作動液貯槽側において作動液還流路１５に、作動液還流路内の作動液を加熱する作動液加熱装置２３が設けられている。作動液加熱装置２３としては、高温のスチーム又は熱媒体を熱源とする熱交換器や電気ヒータなどを用いることができる。また、作動液加熱装置２３より作動液貯槽側において作動液還流路１５に、作動液を冷却する冷却器２４が設けられている。冷却器２４としては、水冷式の多管型熱交換器などを用いることができる。なお、冷却器２４は必要に応じて省略することも可能である。
【００２２】
通路切換弁１１は、液圧シリンダ装置１への作動液の給排経路を切り換える。通路切換弁１１は制御装置（図示せず）によって制御されるソレノイド弁であり、作動液供給ポンプ２０によって加圧され第３ポートＰ３に供給された作動液を、第１作動液通路１２を介して第１液室７に供給する第１の状態と、第２作動液通路１３を介して第２液室８に供給する第２の状態と、液圧シリンダ装置１には作動液を供給しない第３の状態（図１に示されている状態）のいずれかにセットすることができる。
【００２３】
第１の状態では、第２液室８内の作動液は、第２作動液通路１３と作動液還流路１５とを介して作動液貯槽１６に還流し、第２の状態では、第１液室７内の作動液は、第１作動液通路１２と作動液還流路１５とを介して作動液貯槽１６に還流する。また、第３の状態では、第１作動液通路１２及び第２作動液通路１３の通路切換弁側の端部は閉止される。通路切換弁１１を、第３の状態で作動液供給路１４と作動液還流路１５とが連通するように構成してもよい。
【００２４】
第１作動液通路１２には、通路切換弁側から液圧シリンダ装置側に向かって順に、基本的には液圧シリンダ装置側から通路切換弁側への作動液の流れを阻止する第１パイロット操作式逆止弁２５と、互いに並列に接続された流量調整弁２６ａと逆止弁２６ｂとで構成される第１逆止弁付流量調整弁２６とが直列に介設されている。第１逆止弁付流量調整弁２６は、通路切換弁側から液圧シリンダ装置側への作動液の流れはとくには規制しないが、液圧シリンダ装置側から通路切換弁側への作動液の流量を調整する。第２作動液通路１３に設定圧以上の液圧（パイロット圧）がかかっているときには、第１パイロット操作式逆止弁２５は、第１作動液通路１２における液圧シリンダ装置側から、通路切換弁側への作動液の流れを許容する。
【００２５】
第２作動液通路１３には、通路切換弁側から液圧シリンダ装置側に向かって順に、基本的には液圧シリンダ装置側から通路切換弁側への作動液の流れを阻止する第２パイロット操作式逆止弁２７と、互いに並列に接続された流量調整弁２８ａと逆止弁２８ｂとで構成される第２逆止弁付流量調整弁２８とが直列に介設されている。第２逆止弁付流量調整弁２８は、通路切換弁側から液圧シリンダ装置側への作動液の流れはとくには規制しないが、液圧シリンダ装置側から通路切換弁側への作動液の流量を調整する。第１作動液通路１２に設定圧以上の液圧（パイロット圧）がかかっているときには、第２パイロット操作式逆止弁２７は、第２作動液通路１３における液圧シリンダ装置側から通路切換弁側への作動液の流れを許容する。
【００２６】
第１逆止弁付流量調整弁２６より液圧シリンダ装置側において、第１作動液通路１２に第１開閉弁３０が設けられる一方、第２逆止弁付流量調整弁２８より液圧シリンダ装置側において、第２作動液通路１３に第２開閉弁３１が設けられている。そして、第１、第２開閉弁３０、３１より通路切換弁側であり、かつ第１、第２逆止弁付流量調整弁２６、２８より液圧シリンダ装置側の位置において、第１作動液通路１２と第２作動液通路１３とを接続する第２バイパス通路３２が設けられ、この第２バイパス通路３２に第３開閉弁３３が介設されている。これらの第１〜第３開閉弁３０、３１、３３は、例えば第１、第２作動液通路１２、１３のフラッシングを行う際に、手動操作により開閉される（例えば、第１、第２開閉弁３０、３１が閉じられ、第３開閉弁３３が開かれる。）。
【００２７】
なお、第１逆止弁付流量調整弁２６を、第１作動液通路１２ではなく、第２作動液通路１３に介設してもよい。この場合、第１逆止弁付流量調整弁２６は、第２パイロット操作式逆止弁２７と第２逆止弁付流量調整弁２８の間に介設し、かつ逆止弁２６ｂは、通路切換弁側から液圧シリンダ装置側への作動液の流れを阻止するように配置される。
【００２８】
＜水系作動液について＞
１．水系作動液とは
油圧シリンダ、油圧モータ等の油圧装置は、一般に、動力伝達媒体として鉱物油からなる作動油を用いているが、鉱物油は可燃性であるので、延焼、事故等により油圧装置に火災を発生させるおそれがある。また、油圧装置が河川の水門等に用いられた場合、震災時等における作動油の大量漏出により下流側の広い水域にわたって水環境が損なわれるおそれがある。そこで本発明は、作動油に代わる作動液として、火災を発生させるおそれがなく、かつ河川等に漏出した場合でも水環境を損なわない新規な水系作動液を提案するものである。
【００２９】
２．水系作動液の開発において考慮した事項
本発明者は、新規な水系作動液を開発する際に下記の事項について検討した。
（１）粘度（動粘度）が作動油と同等であること
（２）粘度の温度変化が小さいこと
（３）摺動部間の動摩擦係数が作動油を用いる場合と同等であること
（４）生体に対する毒性がないこと
（５）漏出・排出による環境汚染性が低いこと
（６）火災の可能性がないこと
（７）寒冷地では低温時に凍結しないこと
（８）酸化による劣化がほとんどないこと
（９）ゴムパッキンに対する腐食性が低いこと
（１０）アルミ系材料及び鉄系材料に対する金属腐食性が低いこと
（１１）空気中の水蒸気の混入による弊害がないこと
（１２）液貯槽内での気泡分離性が良好なこと
（１３）生物的劣化（腐敗）がほとんどないこと
【００３０】
３．水系作動液の主成分の一例
（１）純水（蒸留水）
（２）増粘剤兼摺動摩擦低減剤（例えば、ポリアクリル酸ナトリウム（ＰＡＮａ）、ポリアクリル酸）
（３）凍結防止剤（例えば、エタノール、プロピレングリコール）
（４）ｐＨ調整剤（例えば、水酸化ナトリウム）
（５）水系作動液のｐＨ：９〜１１
【００３１】
４．ポリアクリル酸ナトリウム水溶液の粘度の測定
（１）オストワルド粘度計を用いて、純水に対するポリアクリル酸ナトリウム水溶液の相対粘度を測定し、この相対粘度と純水の粘度（周知）とから、ポリアクリル酸ナトリウム水溶液の粘度を算出した。
【００３２】
（２）測定結果
図３は、ポリアクリル酸ナトリウム水溶液の粘度と濃度の関係を示すグラフである。このグラフから、粘度と濃度はほぼ正比例の関係にあることが判る。また、その比例係数（勾配）は温度に応じて変化すると考えられる。
【００３３】
【表１】
2020056461.tif 000003
【００３４】
（３）粘度の温度依存性
図４は、ポリアクリル酸ナトリウム水溶液の粘度と温度の関係を示すグラフである。このグラフから、ポリアクリル酸ナトリウム水溶液（１ｗｔ％）は、０℃〜５０℃の温度範囲に渡って温度が高いほど、粘度は小さくなり、逆に温度が低いほど、粘度は大きくなることが判る。一方、作動油は、ポリアクリル酸ナトリウム水溶液よりも温度依存性が大きく、許容温度範囲もより狭いことが判る。
【００３５】
５．ポリアクリル酸ナトリウム水溶液の動摩擦係数の測定
（１）図２に示す動摩擦係数測定装置を用いて、ポリアクリル酸ナトリウム（ＰＡＮａ）水溶液を用いたときの摺動部間の動摩擦係数を測定した。この動摩擦係数測定装置は、テーブルと、テーブルの上を自由に走行する台車と、台車のフロント部に糸を介して接続された重りと、糸を案内する滑車と、台車のリア部にナイロンラインを介して接続された可動物体と、可動物体が摺動するチャンネルと、ナイロンラインの張力を測定するテンションゲージなどを備える。
【００３６】
（２）チャンネルの仕様
内周面を平滑面としたステンレススチール製の「コ」の字型チャンネル
幅５０ｍｍ    高さ２５ｍｍ    長さ１５００ｍｍ
【００３７】
（３）可動物体の仕様
チャンネルの溝部内に収容され、チャンネル長手方向に摺動可能な、外周面が平滑面であるステンレススチール製の「コ」の字型チャンネル
幅４０ｍｍ    高さ３０ｍｍ    長さ１００ｍｍ    質量９２ｇ
【００３８】
（４）動摩擦係数の測定方法
チャンネルの両端を閉止し、チャンネルの溝部内に水系作動液を注入して可動物体を入れ、台車で可動物体をチャンネル長手方向に一定の速度で引っ張り、テンションゲージで張力を測定し、張力の測定値を可動物体の質量（重量）で除算して動摩擦係数を算出した。
【００３９】
（５）台車及び可動物体の移動速度の調整
台車に積載する重りの質量を増減することにより、台車及び可動物体の移動速度を一定にした。台車及び可動物体の移動速度は、可動物体に対する水系作動液の流動抵抗を実質的に無視しうるレベルまで低減できるよう非常に小さくした（２ｃｍ／秒以下）。
【００４０】
（６）測定結果
図５は、ポリアクリル酸ナトリウム水溶液の動摩擦係数と濃度の関係を示すグラフである。下記の表２は、測定データを示す。このグラフから、濃度ＰＡＮａ量：０．７５ｗｔ％〜１．０ｗｔ％において動摩擦係数は最小値０．０１１になり、これは作動油の動摩擦係数に匹敵するレベルである。そこから濃度が増加または減少するほど、動摩擦係数は増加するが、せいぜい０．０２２程度に収まり、充分に実用レベルであることが判る。
【００４１】
【表２】
2020056461.tif 000004
【００４２】
６．適切なポリアクリル酸ナトリウムの濃度
ポリアクリル酸ナトリウム濃度と粘度の関係およびその温度依存性は、図３と図４に示される。また、ポリアクリル酸ナトリウム濃度と摺動摩擦係数の関係は、図５に示される。そこで、ａ）適切な粘度を１０〜５０ｍＰａ・ｓに設定した場合、図３のグラフを参照して、対応するポリアクリル酸ナトリウム濃度は０．３〜１．５ｗｔ％となる。また、ｂ）適切な摺動摩擦係数を０．０２以下に設定した場合、図５のグラフを参照して、対応するポリアクリル酸ナトリウム濃度は０．２〜１．５ｗｔ％となる。その結果、両方の条件ａ），ｂ）を満たす濃度は、０．３〜１．５ｗｔ％となる。
また、ｃ）適切な摺動摩擦係数をより好ましく０．０１５以下に設定した場合、図５のグラフを参照して、対応するポリアクリル酸ナトリウム濃度は０．４〜１．３５ｗｔ％となる。その結果、両方の条件ａ），ｃ）を満たす濃度は、０．４〜１．３５ｗｔ％となる。
【００４３】
７．低温時の凍結防止
（１）ポリアクリル酸ナトリウム水溶液に、凍結防止剤としてエタノール又はプロピレングリコールを添加することが好ましい。ただし、プロピレングリコールの添加量が多い場合は、低温時に粘度が急増することがある。なお、エタノールを添加した場合は、低温時でも粘度はさほど上昇しないことが判明している。
【００４４】
（２）凍結防止剤の添加量
図６は、エタノール水溶液およびプロピレングリコール水溶液について凝固点と濃度の関係を示すグラフである。このグラフから、両方の水溶液とも濃度０ｗｔ％（即ち、水）で凝固点は０℃であり、そこから濃度が増加するほど、凝固点が低下することが判る。従って、ポリアクリル酸ナトリウムを含む水系作動液においても、水に対する凍結防止剤添加量は、０℃〜凍結防止剤凝固点の温度範囲内で予め設定されたシステム使用下限温度を凝固点とする凍結防止剤水溶液における水に対する凍結防止剤添加量と同量か、又はこれより多くすることが好ましい。
【００４５】
８．水系作動液と作動油の比較
（１）圧縮性
液圧シリンダの作動液は非圧縮性であることが必須であるが、水系作動液も作動油も非圧縮性である。
【００４６】
（２）粘度（動粘度）
作動液の粘度（動粘度）は、液圧シリンダにおけるピストンとシリンダの摺動部での液漏れ防止の観点からは高いのが好ましいが、作動液通路における圧力損失低減の観点からは低いのが好ましい。両者を両立させるため、一般に、作動液の常温での粘度は１０〜５０ｍＰａ・ｓ程度に設定される。
【００４７】
水系作動液の場合、ポリアクリル酸ナトリウム濃度を０．３〜１.５ｗｔ％にすれば、常温（２５℃）での粘度を１０〜５０ｍＰａ・ｓとすることができる。ポリアクリル酸ナトリウムの量を増減することにより、作動液の粘度を１０〜５０ｍＰａ・ｓの範囲内で調整することができる。
【００４８】
作動油の場合、粘度は、用いる鉱物油の種類ないしは配合を変えることにより調整する。
【００４９】
作動液は、粘度の温度変化が小さい方が好ましい。水系作動液の粘度は、ポリアクリル酸ナトリウムと水との間の水素結合、イオン結合、疎水結合などの相互作用によって生じるが、このような結合力の温度依存性は比較的小さい。このため、水系作動液の粘度の温度変化は、作動油に比べて非常に小さい。
【００５０】
（３）摺動摩擦係数
液圧シリンダのピストンとシリンダの摺動部、あるいは作動液給排系統のギヤポンプの歯車噛合部での摩耗を低減するために、摺動部での摺動摩擦係数は小さければ小さい方が好ましい。この点については、水系作動液は作動油と同等である。
【００５１】
（４）酸化による劣化
作動液は、酸化反応（とくに高温時）による劣化が生じにくいことが必須である。水系作動液は、基本的には水とポリアクリル酸ナトリウムとからなるが、ポリアクリル酸ナトリウムはその燃焼温度（数百℃）未満では酸素と化合しないので、水系作動液に酸化による劣化は生じない。他方、鉱物油からなる作動油は、必然的に酸化により劣化し、劣化速度は温度が高いほど大きくなる。
【００５２】
（５）パッキンとの適合性
一般に、油圧シリンダのパッキンの材料はニトリルゴムであるが、ポリアクリル酸ナトリウムはニトリルゴムを劣化させることはないので、ニトリルゴム製のパッキンを用いることができる。
【００５３】
（６）金属腐食性
液圧シリンダ及び作動液給排装置は、一般にアルミニウム合金又は鉄合金で作成されるが、アルミニウム合金以外の液圧装置の金属材料は、ｐＨ９以上では酸（水素イオンＨ+）による腐食は起こらず、またアルカリ（水酸化物イオンＯＨ−）による腐食も起こらない。アルミニウム合金は、ｐＨ１１以上ではアルカリ（水酸化物イオンＯＨ−）による腐食が生じる可能性がある。水系作動液のｐＨが９〜１１の範囲では、たとえ液圧シリンダ又は作動液給排装置にアルミニウム合金製の部品が使用されても、ほとんど腐食が起こることはない。そこで、水系作動液のｐＨを９〜１１に調整することが好ましい。なお、作動油は、硫黄分が入っていない限り、金属腐食性は比較的低い。
【００５４】
（７）水蒸気の混入の影響
液圧装置は、おおむね閉鎖系であり、外部から土塵や埃等の異物が侵入しない構造となっているが、完全な密閉系ではないので、大気中からの水蒸気の侵入は防ぐことができない。このため、油圧装置では、大気中から作動油に水蒸気が混入し、作動油の劣化や白濁が生じる。水系作動液は大半が水であるので、大気中からの水蒸気の侵入は、とくには不具合を生じさせない。
【００５５】
（８）火災の可能性
水系作動液は大半が水であるので不燃性であり、水系作動液を用いる液圧シリンダシステムに火災が発生する可能性はなく、防火の点で極めて有利である。一方、鉱物油からなる作動油は可燃性であるので、延焼、事故等により油圧シリンダシステムに火災が発生する可能性がある。
【００５６】
（９）毒性・環境汚染性
ポリアクリル酸ナトリウムないしはポリアクリル酸は、食品や化粧品の製造分野で増粘剤として用いられているものであり、生体に対する毒性は極めて低いものである。したがって、水系作動液の生体に対する毒性は極めて低いものであり、たとえ河川等に流出しても水中の生態系に悪影響を及ぼすものではない。
【００５７】
ポリアクリル酸ナトリウムないしはポリアクリル酸は、生体に対する毒性は極めて低く、かつ窒素化合物、リン化合物等の養分が十分に存在する自然環境下では、微生物によって生物分解され、最終的には二酸化炭素と水になるものである。水系作動液は水溶液であり、河川等に漏出した場合、河川等の水と即時に混和し、水底に沈殿したり、水面に浮遊したりすることはない。したがって、水系作動液は、液圧シリンダシステムから河川、湖沼等に漏出した場合でも、自然界の自浄作用により分解されるものであり、環境汚染性は非常に低い。
【００５８】
作動油は、生体に対して毒性があり、また河川、湖沼等に漏出した場合、水面に浮遊して水環境を非常に悪化させる。
【００５９】
（１０）気泡の挙動
一般に、液圧シリンダシステムの作動液は、作動液貯槽内で常時空気と接触しているので、ほぼ飽和溶解度まで空気が溶解している。空気飽和溶解度は、おおむね作動液の圧力に比例して変化する。このため、作動液の循環回路内で作動液が減圧状態（大気圧未満）になるところ（例えば、ポンプ吸込口）では、作動液中に溶解していた空気の一部が溶解できなくなり微小な気泡が発生する。これらの気泡は、作動液の圧力が再び上昇したときに作動液に溶解することになるが、気泡が作動液に完全に溶解するには、ある程度の時間を必要とする。このため、残留している気泡によって、ポンプのキャビテーションや部品のエロージョンが発生することがある。
【００６０】
大気圧下では、鉱物油からなる作動油の常温での空気飽和溶解度は体積基準で９％程度であるが、水系作動液の場合は体積基準で２％程度である。このように、水系作動液の空気飽和溶解度は作動油に比べて小さいので、気泡の発生量が少なくなり、ポンプのキャビテーションや部品のエロージョンの発生が低減される。
【００６１】
作動液中に気泡が存在する場合、気泡は圧縮性であるので、加圧された作動液によって駆動される液圧シリンダの動作に不具合が生じるおそれがある。また、作動液の加圧により気泡が断熱圧縮された場合、気泡外への熱放散が悪いと気泡は高温となる（例えば、１０ＭＰａで約８００℃）。このため、作動液として作動油を用いた場合、気泡外への熱放散が悪いので、気泡と隣接する作動油が高温となって熱劣化ないしは酸化が起こる可能性がある。
【００６２】
水系作動液では、作動油に比べて気泡の発生量が少ないので、気泡による液圧装置の動作の不具合は低減される。また、水系作動液は熱伝導率が高く（作動油の約５倍）、かつ熱容量が大きいので、断熱圧縮により気泡に発生した熱は、迅速に気泡外に放散され、気泡はさほど高温とはならない。このため、気泡に隣接する水系作動液が高温となることない。なお、水系駆動液は、たとえその沸点まで温度が上昇しても酸化又は熱劣化することはない。
【００６３】
また、一般に、液圧シリンダシステムでは、作動液貯槽に気泡浮上分離装置が付設されるが、作動液の密度が高ければ高いほど気泡の浮力が大きく、気泡の分離効率は良くなる。
【００６４】
鉱物油からなる作動油の密度は０．８５ｇ／ｃｍ３程度であるが、水系作動液の密度は１ｇ／ｃｍ３程度である。したがって、水系作動液を用いる場合は作動油を用いる場合に比べて、気泡浮上分離装置における気泡の浮力が大きくなり、気泡の除去がより容易かつ迅速となる。
【００６５】
（１１）生物的劣化（腐敗）
水系作動液の主原料であるポリアクリル酸ナトリウムないしはポリアクリル酸は炭素、水素あるいは酸素を含む有機化合物であり、基本的には微生物の栄養源となりうるものである。したがって、微生物の増殖に必要な窒素化合物、リン化合物等が十分に供給された場合は、水系作動液は微生物によって生物分解される（腐敗する）可能性はある。
【００６６】
しかし、ほぼ閉鎖系である液圧シリンダシステムには、微生物の増殖に必須である窒素化合物、リン化合物等が侵入する可能性はないので、水系作動液中で通常の微生物が増殖する可能性はなく、水系作動液の生物的劣化（腐敗）は生じない。なお、水系作動液が河川、湖沼等に排出された場合、外界には窒素化合物、リン化合物等が大量に存在するので、水系作動液は生物分解される。
【００６７】
（１２）不凍性
液圧シリンダシステムが寒冷地に設置される場合、作動液は冬季に凍結しないことが必須である。この場合、水系作動液に、凍結防止剤としてエタノール又はプロピレングリコールを添加して凍結を防止することが好ましい。エタノール又はプロピレングリコールの添加量は、使用温度に応じて調整する。
【００６８】
【表３】
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【００６９】
＜水系作動液についての法的規制＞
１．水系作動液の原料の特性
（１）ポリアクリル酸ナトリウム又はポリアクリル酸
合成系の薬剤であるが、生体に対する毒性ないしは有害性は極めて低く、品質が食品添加レベルのポリアクリル酸ナトリウム又はポリアクリル酸は、食品分野で増粘剤として使用されている。ポリアクリル酸ナトリウム又はポリアクリル酸の使用が、生体の保護の観点から法的に規制されることはない。
【００７０】
（２）エタノール
エタノールは、医薬品や飲料として用いられているものであり、生体に対する毒性ないしは有害性は極めて低いものである。
【００７１】
（３）プロピレングリコール
プロピレングリコールは、医薬品や、化粧品や、麺や米飯などの食品に品質改善剤として用いられているものであり、生体に対する毒性ないしは有害性は極めて低いものである。なお、プロピレングリコールは、可燃性であることから消防法では危険物第４類に分類されているが、加工水のプロピレングリコール濃度は可燃限界濃度よりはるかに低い。よって、加工水が、プロピレングリコールを含むことに起因して消防法による規制を受けることはない。
【００７２】
（４）水酸化ナトリウム
水酸化ナトリウムは、水中ではナトリウムイオン（Ｎａ+）と水酸化物イオン（ＯＨ−）とに電離しており、水中の水酸化物イオン濃度が高いとアルカリ性は強くなるものの、両イオンとも元々生体内に存在するイオンであり、物質としては生体にとって有毒ないしは有害なものではない。よって、アルカリ性ないしはｐＨに基づく規制を受けることはさておき、水酸化ナトリウムの使用自体が、生体の保護の観点から法的に規制されることはない。
【００７３】
２．水系作動液に対する規制
水系作動液は、耐用年数の経過後に水域に排出され又は廃棄されるものであるが、公共用水域（河川、湖沼、海）に排出される場合は水質汚濁防止法ないしはその上乗せ条例によって規制される可能性があり、公共下水道に排出される場合は下水道法ないしはその上乗せ条例によって規制される可能性がある。水質汚濁防止法又は下水道法ないしはその上乗せ条例は、事業場等から排出される排出水又は汚水が、健康項目に係る所定の有害物質（２８種類）を含む場合は、排出量の大小にかかわらず、排出水又は汚水の有害物質の濃度が排出基準以下となるように規制している。
【００７４】
一方、生体に対して直接的な毒性又は有害性のない、生活環境項目に係る排出水又は汚水の水質については、水質汚濁防止法又は下水道法では、排出水又は汚水の１日の平均排出量が５０ｍ３未満の事業所等については、その排出を何ら規制していない。なお、上乗せ条例により、排出水又は汚水の１日の平均排出量が１０ｍ３以上の場合は、その排出を規制している各都道府県もある。
【００７５】
水系作動液は、水質汚濁防止法又は下水道法に規定された健康項目に係る有害物質は何も含んでいない。また、水系作動液を用いる液圧シリンダシステムでは、水系作動液は循環使用され、耐用年数の経過後に、おおむね５００〜１０００リットル程度の水系作動液が公共用水域又は公共下水道に排出されるだけである。したがって、最も厳しい上乗せ基準が適用される都道府県においても、水系作動液を用いる液圧シリンダシステムから、１日平均で１０ｍ３以上の排出水又は汚水が公共用水域又は公共下水道に排出される可能性は皆無である。よって、水系作動液を用いる液シリンダシステムにおいて、水系作動液を公共用水域又は公共下水道に排出する際に、水質汚濁防止法もしくは下水道法又はその上乗せ条例による規制を受けることはない。
【符号の説明】
【００７６】
Ｓ  液圧シリンダシステム、  Ｐ１  第１ポート、  Ｐ２  第２ポート、
Ｐ３  第３ポート、  Ｐ４  第４ポート、  １  液圧シリンダ装置、
２  作動液給排装置、  ３  シリンダ、  ４  ピストン、  ５  ピストンロッド、
６  負荷、  ７  第１液室、  ８  第２液室、  １１  通路路切換弁、
１２  第１作動液通路、  １３  第２作動液通路、  １４  作動液供給路、
１５  作動液還流路、  １６  作動液貯槽、  １７  フィルタ、  １８  紫外線灯、
１９  電動機、  ２０  作動液供給ポンプ、  ２１  第１バイパス通路、
２２  リリーフ弁、  ２３  作動液加熱装置、  ２４  冷却器、
２５  第１パイロット操作式逆止弁、  ２６  第１逆止弁付流量調整弁、
２６ａ  流量調整弁、  ２６ｂ  逆止弁、  ２７  第２パイロット操作式逆止弁、
２８  第２逆止弁付流量調整弁、  ２８ａ  流量調整弁、  ２８ｂ  逆止弁、
３０  第１開閉弁、  ３１  第２開閉弁、  ３２  第２バイパス通路、
３３  第３開閉弁。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2020056461.tif 000009
【図５】
2020056461.tif 000010
【図６】
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