単体対二重作用シリンダー 機械工学の主要な傾向

機械工学において、シリンダーは往復エンジンの主要コンポーネントとして機能し、その動作原理はシステムの出力と効率に直接影響します。作動流体がピストンとどのように相互作用するかに基づいて、シリンダーは通常、単動式または複動式に分類されます。これらの2種類のシリンダー（その動作メカニズム、用途、およびさまざまなエンジンタイプにおける進化）を理解することは、機械工学の専門家にとって不可欠です。

単動シリンダーは、作動流体がピストンの片側だけに力を加える比較的シンプルな設計を特徴としています。これは、ピストンが1方向にのみ力を生成することを意味し、その戻り運動は、負荷抵抗、スプリング、他のシリンダーからの同期運動、またはフライホイール慣性などの外部力に依存します。この設計の利点には、構造の単純さ、製造コストの削減、およびメンテナンスの容易さがあります。

単動シリンダーは、さまざまな往復エンジンで広く使用されています。ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関では、単動シリンダーがほぼ普遍的に採用されています。また、スターリングエンジンや特定の蒸気エンジンなどの外燃機関にも登場します。エンジン以外にも、これらのシリンダーはポンプや油圧アクチュエータで一般的に使用されています。

単動シリンダーの動作は簡単です。作動流体（圧縮空気または蒸気）がシリンダーに入ると、ピストンを1方向に押し、力を生成します。流体の供給が停止または使い果たされると、外部の力がピストンを初期位置に戻します。たとえば、基本的な空気圧単動シリンダーでは、圧縮空気が一端から入り、ピストンを前方に押し、空気圧が解放されると内部スプリングがピストンを戻します。このようなシリンダーは、空気圧パンチやクランプなど、迅速で断続的な動きを必要とする用途に最適です。

• 内燃機関： ガソリンエンジンとディーゼルエンジンは、単動シリンダーを標準構成として使用しており、燃焼圧力がピストンを下降させ、クランクシャフトの回転と他のシリンダーの動きが戻りを促進します。
• スターリングエンジン： これらの外燃機関のいくつかのバージョンは、ピストンの戻りにスプリングまたはカウンターウェイトを備えた単動設計を採用しています。
• ポンプ： 単動シリンダーは、手動ウォーターポンプに代表されるように、流体移送用のポンプピストンを駆動します。
• 油圧アクチュエータ： これらは、ジャッキなどの用途に強力な一方向推力を生成します。

単動シリンダーとは異なり、複動シリンダーは、作動流体が交互に両方のピストン側を加圧することを可能にし、優れた制御と効率のために双方向の力生成を可能にします。この設計には、流体漏れを防ぐために、詰め物箱などのシール機構を備えた、片方のシリンダー端のロッド通路が必要です。

複動シリンダーは蒸気エンジンで普及していますが、他のエンジンタイプではあまり一般的ではなく、掘削機やクレーンなど、双方向の力生成を必要とする油圧および空気圧システムで広く使用されています。

複動シリンダーは、反対側のピストン側に配置された2つのポートを介して動作します。一方のポートに入る流体はピストンを駆動し、反対側のポートから排出され、流体の流れの方向が変わるとプロセスが逆転します。空気圧バージョンでは、どちらかの端に入る圧縮空気がピストンの動きの方向と速度を正確に制御します。

• 蒸気エンジン： これらは、クランクシャフトの回転を駆動する交互の蒸気供給により、出力と効率を向上させるために複動シリンダーを一般的に使用します。
• 油圧アクチュエータ： 掘削機のバケットやクレーンブームなど、双方向の力を必要とする機器に不可欠です。
• 空気圧アクチュエータ： 機械アームやバルブの制御など、自動化されたシステムで使用されます。

大気エンジンやビームエンジンなどの初期の蒸気エンジンは、主に鉱山ポンプなどの一方向の力用途に適した単動シリンダーを使用していました。しかし、ジェームズ・ワットの回転ビームエンジンの開発は、機械的駆動におけるよりスムーズな動力伝達のための複動シリンダーの重要性を強調しました。リチャード・トレヴィシックの高圧エンジンは、後に複動設計を蒸気エンジンの標準として確立しましたが、一部の高速バリアントは、ピストンロッドを排除する統合クロスヘッドを備えた単動原理を再導入しました。これは、内燃機関の設計に似た概念です。

蒸気エンジンとは異なり、ほぼすべての内燃機関は、コネクティングロッドのリストピンを含む統合ピストンを備えた単動シリンダーを使用しています。これにより、クロスヘッドとピストンロッドが排除され、ピストンの冷却と局所的な過熱の防止に不可欠な効果的なクランクケース潤滑が促進されます。

小型の2ストロークガソリンエンジンは、ピストンの下面を空気圧縮機として使用しながら、動力生成のために単動分類を維持し、クランクケース圧縮を採用しています。エティエンヌ・ルノワールの1860年の設計のような初期のガスエンジンは、最初は蒸気エンジンの複動構成を模倣していましたが、ベアリング負荷の考慮事項と燃焼室の要件により、単動設計に急速に移行しました。

注目すべき例外には、高炉ブロワー用の非常に大型のガスエンジンと、1930年代のBurmeister & Wainの海兵隊用2ストローク複動ディーゼルエンジンがあり、一部のユニットは24,000馬力を供給しました。しかし、複動内燃機関の設計はまれであり、1930年代の米国の潜水艦のH.O.R.エンジンの失敗が目立ち、従来の単動ユニットへの交換を促しました。

油圧シリンダー（加圧されたオイルによって駆動される機械式アクチュエータ）は、建設機械、製造機械、土木プロジェクトなど、さまざまな用途に使用されており、運用要件に基づいて単動および複動の原理を活用しています。

単動シリンダーと複動シリンダーは、それぞれ特定の用途に明確な利点を提供する2つの基本的な機械工学ソリューションを表しています。単動設計は、費用対効果の高い一方向の用途に優れていますが、複動バリアントは、双方向の操作に優れた制御と効率を提供します。継続的な技術進歩により、シリンダー設計における継続的な革新が保証され、業界全体でますます効率的で信頼性の高い電力ソリューションが提供されています。