作動流体

流体動力の場合、作動流体は主に力、運動、または機械的エネルギーを伝達する気体または液体です。油圧では、水または油圧流体が、油圧機械、油圧駆動システムなどに組み立てられた油圧ポンプ、油圧シリンダー、油圧モーターなどの油圧コンポーネント間で力を伝達します。空気圧では、作動流体は空気または別のガスであり、コンプレッサー、真空ポンプ、空気圧シリンダー、空気圧モーターなどの空気圧コンポーネント間で力を伝達します。空気圧システムでは、作動ガスは圧縮性であるため、エネルギーを蓄えます。(ガスは圧縮されると熱くなり、膨張すると冷えますが、この付随的なヒートポンプはほとんど利用されていません。) (一部のガスは圧縮されると液体に凝縮し、圧力が低下すると沸騰します。)

受動的な熱伝達の場合、作動流体は気体または液体であり、通常は冷却剤または熱伝達流体と呼ばれ、主に伝導、対流、および/または強制対流（ポンプによる液体冷却、空冷など）によって対象領域内外に熱を伝達します。

熱機関またはヒートポンプの作動流体は、通常、冷媒、冷却剤、または作動ガスと呼ばれる気体または液体であり、主に相変化および/または圧縮熱と膨張熱によって熱エネルギー(温度変化) を機械エネルギー (またはその逆) に変換します。相変化を使用する例としては、蒸気機関における水↔蒸気、および蒸気圧縮冷凍および空調システムにおける冷媒があります。相変化を伴わない例としては、スターリングエンジンなどの熱風機関における空気または水素、ガスサイクルヒートポンプにおける空気またはガスなどがあります。(一部のヒートポンプおよび熱機関は、弾性熱量冷凍または熱弾性冷却にゴムバンドなどの「作動固体」を使用し、プロトタイプの熱機関では ニッケルチタンを使用します。)

空気や水以外の作動流体は、必然的にループ内で再循環されます。一部の油圧および受動熱伝達システムは、ブリーザーフィルターを介して給水および/または大気に開放されています。熱機関、ヒート ポンプ、および揮発性液体または特殊ガスを使用するシステムは、通常、安全弁の背後に密閉されています。

作動流体の特性は、熱力学システムを完全に記述するために不可欠です。作動流体には定義できる多くの物理的特性がありますが、エンジニアリング設計や分析で頻繁に必要となる熱力学的特性はごくわずかです。最も一般的なものは、圧力、温度、エンタルピー、エントロピー、比容積、内部エネルギーです。

少なくとも 2 つの熱力学的特性が分かっている場合、作動流体の状態を定義できます。これは通常、1 つの特性と別の特性を単純にプロットした特性図で行われます。

作動流体がタービンやコンプレッサーなどのエンジニアリング コンポーネントを通過すると、特定の特性が変化する可能性があるため、特性図上の点が移動します。したがって、理論上は、流体の熱力学的特性を完全に表す線/曲線を描くことができます。ただし、実際には、プロセスが可逆的である場合にのみこれを行うことができます。そうでない場合、特性の変化は特性図上で点線で表されます。この問題は、ほとんどの場合、プロセスの最終状態が求められるため、熱力学分析にはあまり影響しません。

作動流体は、タービンで使用すると、有用な仕事を出力するために使用できます。また、熱力学サイクルでは、コンプレッサーによって作動流体にエネルギーを入力することができます。作動流体が存在するシリンダーを考えれば、これを数学的に定式化することは非常に簡単です。ピストンは、流体に有用な仕事を入力するために使用されます。力学から、プロセスの状態 1 から状態 2 に行われる仕事は次のように表されます。

${\displaystyle W=-\int _{1}^{2}\mathbf {F} \cdot \mathrm {d} \mathbf {s} }$

ここで、ds はある状態から次の状態への増分距離であり、Fは適用される力です。この場合、体積の減少が考慮されるため、負の符号が導入されます。状況を次の図に示します。

力はシリンダー内の圧力と断面積の積で表され、

${\displaystyle {\begin{aligned}W&=-\int _{1}^{2}PA\cdot \mathrm {d} \mathbf {s} \\&=-\int _{1}^{2}P\cdot \mathrm {d} V\end{aligned}}}$

ここで、A⋅ds = dV はシリンダー容積の基本的な変化です。状態 1 から状態 2 に容積が増加する場合、作動流体は実際に周囲に対して仕事をしており、これは通常、負の仕事で表されます。容積が減少する場合、仕事は正です。上記の積分で与えられた定義により、行われた仕事は圧力-容積図の下の面積で表されます。一定圧力プロセスの場合を考えると、仕事は次のように単純に与えられます。

${\displaystyle {\begin{aligned}W&=-P\int _{1}^{2}\mathrm {d} V\\&=-P\cdot \left(V_{2}-V_{1}\right)\end{aligned}}}$

用途に応じて、さまざまな種類の作動流体が使用されます。熱力学サイクルでは、作動流体の状態が気体から液体へ、またはその逆に変化する場合があります。ヘリウムなどの特定のガスは、理想気体として扱うことができます。これは通常、過熱蒸気には当てはまらず、理想気体方程式は実際には成り立ちません。ただし、はるかに高い温度でも、比較的正確な結果が得られます。熱力学システムを設計する場合、作動流体の物理的および化学的特性は非常に重要です。たとえば、冷凍ユニットでは、作動流体は冷媒と呼ばれます。アンモニアは一般的な冷媒であり、主要な作動流体として使用できます。水（冷媒としても使用可能）と比較すると、アンモニアは比較的高い圧力を使用するため、より堅牢で高価な機器が必要になります。

ガスタービンサイクルと同様に、空気標準サイクルでも作動流体は空気です。オープンサイクルガスタービンでは、空気がコンプレッサーに入り、圧力が上昇します。そのため、コンプレッサーは作動流体に仕事を入力します (正の仕事)。次に、流体は燃焼室に送られ、今度は燃料の燃焼によって熱エネルギーが入力されます。次に、空気はタービン内で膨張し、周囲に対して仕事を行います (負の仕事)。

作動流体はそれぞれ特性が異なり、設計者は特定の作動流体を選択する際に主要な要件を特定する必要があります。冷凍ユニットでは、大きな冷凍能力を実現するために高い潜熱が必要です。

次の表は、作動流体の一般的な用途とそれぞれの例を示しています。

• ガス一覧
• 水力エンジン

• Eastop & McConkey (1993)。工学技術者のための応用熱力学（第 5 版）。シンガポール：Prentice Hall。pp. 9–12。ISBN 0-582-09193-4。