流体機械

流体機械とは

流体機械とは、水や空気などの流体と機械の間で、エネルギーをやり取りする装置の総称です。一般的に、電動機などが生み出す機械的な回転エネルギーと、流体の持つ運動エネルギーや圧力エネルギーを相互に変換します。ただし、プロペラのように流体によって直接推力を生み出すものも含まれます。

歴史

人類の歴史において、流体機械は古くから重要な役割を果たしてきました。特に、農耕生活に不可欠な水の確保は最大の課題であり、古代文明が栄えた大河周辺では、水を汲み上げる装置が考案されました。紀元前1000年頃には、中国やメソポタミア、エジプトなどで水車が利用され始め、初期の下掛け水車から、より効率的な上掛け水車へと発展しました。紀元前3世紀頃には、エジプトでアルキメデスがアルキメディアン・スクリューを改良したと伝えられています。

また、風の力を利用した動力としては、船の帆が最も古いと考えられています。紀元前2800年頃のエジプトでは、ナイル川などで帆船が用いられていました。風車は、この帆船の三角帆から進化したとも言われています。

これらの原始的な流体機械から、現在見られるような革新的な技術への大きな転換点は、ジェームズ・ワットによる蒸気機関の発明以降の産業革命期に訪れます。現代の多様な機械は、この産業革命以降に大きく発展したものであり、例えば、鉱山の換気のために送風機が開発されたのは19世紀になってからです。

20世紀に入ると、より複雑な流体機械が登場します。流体継手やトルクコンバーターのようなターボ型流体伝動装置は、1905年にドイツのヘルマン・フェッティンガーによって発明されました。過給機の概念は1885年にゴットリープ・ダイムラーの特許に見られますが、機械駆動式が実用化されたのは1920年代のレーシングカーやスポーツカーで、排気タービン式は耐熱材料の発展を待って実用化が遅れ、第一次世界大戦中の航空機用エンジン開発で促進され、1938年のボーイングB-17搭載エンジンで本格的に実用化されました。以降、航空機から自動車、建設機械、船舶、産業用途へと広く普及しています。

分類

流体機械は、いくつかの異なる視点から分類することができます。

作動流体による分類

扱う流体の種類によって、以下のように分けられます。

液体機械: 水や油などを扱います。流体の密度や粘度が高いため、比較的低い回転速度で運転されます。圧力が極端に低下するとキャビテーションという現象が発生し、性能低下を招くため、これを防ぐ設計が必要です。ポンプ、油圧モーター、水車などが含まれます。
空気機械: 空気やガスを扱います。密度や粘度が低いため、一般的に高速で回転します。液体と異なり、高圧では圧縮されて温度が上昇する特性があります（低圧の送風機では圧縮性を考慮しないこともあります）。圧縮機、送風機（ブロワ、ファン）、ガスタービンエンジン、ターボチャージャー、風車などが含まれます。
蒸気機械: 主に蒸気を扱います。蒸気タービンなどが代表的です。

作動原理による分類

エネルギー変換の方式によって、以下のように分けられます。

ターボ型: 回転する羽根車を介して、流体と機械の間でエネルギーを連続的に変換します。ポンプ、送風機、圧縮機、水車、ガスタービンなどがこれに該当します。流体の流れの方向によって、遠心式、斜流式、軸流式などにさらに細分化されます。
容積型: 決まった量の流体を容器内に吸い込み、その容積を変化させることで加圧または減圧し、吐き出す方式です。比較的高圧・小流量の用途に適しており、油圧や空圧分野で広く利用されます。ロータの回転で流体を押し出す回転式（歯車ポンプ、ねじポンプなど）と、ピストンの往復運動で容積を変える往復式（ピストンポンプ、往復動圧縮機など）があります。
その他特殊型: 上記に分類されない特殊な原理を利用するものがあります。渦流を利用する渦流ポンプや、噴流の引き込み作用を利用するジェットポンプ、気泡の浮力を利用する気泡ポンプ、水撃作用を利用する水撃ポンプなどがあります。

エネルギー変換の方向による分類

流体のエネルギーと機械エネルギーの間の変換の向きに着目して、以下のように分けられます。

原動機: 流体のエネルギーを機械的なエネルギー（回転や直線運動）に変換します。水車、ガスタービン、蒸気タービン、油圧モーター、空気シリンダなどが含まれます。
被動機: 機械的なエネルギーを流体のエネルギー（圧力や運動エネルギー）に変換します。ポンプ、送風機、圧縮機、真空ポンプなどが含まれます。
伝動装置: 機械エネルギーを流体を介して別の機械エネルギーに伝えます。流体継手やトルクコンバーターなどがあります。
エネルギー伝達: 流体エネルギーを別の流体エネルギーに変換・伝達します。ターボチャージャーやポンプ水車などがこれに当たります。

性能

流体機械の性能を示す代表的な指標には、単位時間あたりに扱える流体の量を示す流量、流体を押し上げる高さや圧力の増加量を示す揚程（液体の場合）または圧力（気体の場合）があります。そして、これら流体が得る（または失う）エネルギーの大きさを表す動力があります。被動機では駆動軸への入力として軸動力、原動機では軸からの出力としてトルクも重要な指標となります。これらの性能は運転条件によって変化し、グラフ化された性能曲線によって示されます。

損失と効率

流体機械の運転においては、摩擦などによるエネルギー損失が必ず発生します。機械の入力エネルギーに対する出力エネルギーの割合を効率と呼びます。主な損失には、軸受けやシールでの摩擦による機械損失、流体が機械内を流れる際の摩擦や流れの乱れによる水力損失、回転部と静止部の隙間から流体が漏れることによる漏れ損失があります。これらの損失に対応して、機械効率、水力効率、体積効率があり、全効率はこれらを組み合わせて表されます。

理論解析の基礎

流体機械の複雑な挙動を解析するためには、相似則や次元解析といった手法が用いられます。これにより、機械の寸法や流体の物性、運転条件など、多数の物理量が関わる問題を整理し、パラメータを少なくして考えることができます。ターボ型機械の解析では、流量係数や圧力係数、動力係数といった無次元数が用いられます。また、流体の粘性の影響を示すレイノルズ数や、圧縮性の影響を示すマッハ数も考慮される場合があります。機械の種類を特徴づける指標として比速度という無次元数が利用されることもあります。羽根車内部での流体の速度や圧力の変化を解析する手法として、速度三角形も用いられます。

主な応用例：油圧装置

流体機械の一分野として、油圧装置は非常に重要です。これは、油などの非圧縮性液体に圧力を加えて動力を伝達・変換する装置システム全般を指します。外部の駆動源（電動機など）で油圧ポンプを動かし、高圧になった作動油で油圧モーターや油圧シリンダといったアクチュエータを動かし、大きな力を生み出します。油圧ショベルなどの建設機械、フォークリフトのような産業車両、農業機械、特装車などで広く採用されています。また、製鉄機械や工作機械、射出成形機といった一般産業機械の駆動源としても不可欠な存在です。最近では、一部の産業機械で電動化が進む分野もありますが、依然として油圧の持つ高い出力密度や制御性は多くの分野で重宝されています。自動車のブレーキやクラッチ機構の一部も、油圧を用いた装置と言えます。

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