空気圧コンポーネントの効率を最大化するための同期方法

産業用オートメーションにおいて、効率はコンポーネントレベルの仕様として扱われることが多くあります。技術者は、高効率のアクチュエータや低消費電力のバルブを選択すれば、システムが効率的に動作すると思うかもしれません。しかし、効率的な部品で構成された機械でも、それらの部品が同期していなければ、依然として過剰なエネルギーを消費する可能性があります。

空気圧システムにおけるエネルギー損失は、多くの場合、個々の部品の故障ではなく、システム構成に起因することがよくあります。効率的なアクチュエータも、制限されたチューブで供給されたり、大きすぎるバルブで制御されたりすれば、十分に性能を発揮することはできません。したがって、エネルギーの節約は、空気圧システム全体を調和させ、あらゆる接続部分における制限やデッドボリュームを最小限に抑えることで達成されます。本記事では、空気圧設計におけるシステムレベルのアプローチについて概説し、6つの主要コンポーネントカテゴリを同期させることでエネルギー効率を向上させる方法を示します。

初期圧力損失の低減に向けた準備の改善

システムの効率は、空気調質工程から始まります。小型すぎる、あるいは詰まった空気調質機器は、圧力損失を引き起こす可能性があります。フィルタレギュレータが流量制限による圧力損失を引き起こす場合、その抵抗に打ち勝つためにコンプレッサはより高い圧力で動作しなければなりません。このような動作は、負荷を動かすためではなく、単に制限箇所を空気が通過するためにエネルギーが消費される結果となります。

同期システムの第一歩は、高流量空気調質機器です。図1に示すFestoのMSシリーズフィルタレギュレータ（MS6-LFR）は、この初期の流量制限を最小限に抑えるように設計されています。標準公称流量4000l/min（DIN1343規格準拠）を有するMS6-LFRは、需要のピーク時でも下流コンポーネントへの安定した供給を維持します。

図1：MS6-LFRフィルタレギュレータは高流量ろ過（4000l/min）と精密な圧力調整を組み合わせ、入力部のボトルネックを解消します。（画像提供：Festo）

また、本レギュレータは、0.5bar～12barまでの範囲で調整可能で、機械のベース圧力を必要なレベルに正確に設定することができます。同様の目的で、LRP精密レギュレータ（図2）は、高い安定性が求められるアプリケーション向けに、最大0.02barの圧力ヒステリシスを提供し、システム圧力の安定性を保証します。

図2：LRP-1/4-4精密レギュレータは0.02barのヒステリシス特性を有し、高精度なアプリケーションにおける超安定圧力制御を実現します。（画像提供：Festo）

どちらのレギュレータとも、2次排気機能を備えています。下流側圧力が増加した場合（例：アクチュエータへ外部力による）、レギュレータは過剰圧力を排出し、動作を妨げる背圧を防ぎます。流量を一定に保つレギュレータを使用することで、メインラインの圧力を必要最低限に抑え、全体のエネルギー使用量を削減できます。

使用箇所での調整によるエネルギーの最適化

多くのシステムでは、最も要求の厳しい単一のアクチュエータが必要とする圧力レベルで機械全体に供給しています。たとえば、大型プレス機に6barの圧力が必要な場合、3barしか必要としない軽量なクランプ動作や戻り行程であっても、回路全体に6barの圧力がかかることがよくあります。このため、これらの軽作業においてエネルギーの約50%が無駄になります。

分散型調整では、図3に示すように、MS2-LR圧力レギュレータを使用して、使用箇所に直接圧力ゾーンを作ります。このレギュレータは小型（サイズ2）で、最大350l/minの流量に対応するため、特定の機械群を分離するのに最適です。つまり、MS2-LRを近接して設置することで、メインマニホールドに6barの圧力を供給しつつ、特定の分岐ラインのみを3barに調整し、軽作業に対応することが可能となります。

図3：MS2-LR圧力レギュレータはアクチュエータに直接圧力制御を行います。（画像提供：Festo）

基本型レギュレータとは異なり、MS2-LRは逆流機能と2次排気機能を備えています。これにより、戻り行程時やシステム排気時に過剰圧力を迅速に排出でき、空気圧ロックを防ぎ、安全性を確保します。

MS2-LR-QS6-D6-AR-BAR-Bモデル（図4）には圧力計が内蔵されており、作業者はゾーンがエネルギー効率の高い低減設定で動作していることを視覚的に確認できます。一方、さらに軽量化（28.3g）を実現した、A8バージョンでは、カスタムゲージ用のポートが用意されています。

図4：統合監視により、省エネ圧力ゾーンを即時確認が可能となります。（画像提供：Festo）

空気伝達におけるデッドボリュームの最小化

バルブとアクチュエータ間のチューブは、エネルギー損失の大きな原因となります。チューブ内の容積は、サイクルごとに加圧および減圧される必要があります。このデッドボリュームは、動作を行わずに圧縮空気を消費します。さらに、チューブの漏れはコンプレッサの基底負荷を増加させます。

伝達効率は、材料の選択と幾何学的最適化によって達成されます。

• 材料の完全性：PUN-Hチューブは耐加水分解性TPE-U（ポリウレタン）製です。経年劣化や漏れの可能性がある標準的なPVCとは異なり、PUN-Hは、-35°C～+63°Cの使用温度範囲で、さまざまな環境下で柔軟性とシール完全性を維持します。その滑らかな内壁は摩擦を最小限に抑え、層流を促進します。
• 形状戦略：バルブをアクチュエータに近接して配置し、最適長にカットされたチューブを接続することで、1サイクルあたりの必要空気量を低減できます。PUN-Hシリーズはカラーコーディングによる回路識別が可能で黒色および青色のバリエーションは、最小曲げ半径9.7mmを実現し、狭い場所での引き回しに対応します。ナチュラルカラーのバリエーションは曲げ半径がやや大きめ（14mm）となりますので、設置スペースに合わせた選択が必要です。

エネルギー効率を高めるバルブ選定の最適化

バルブ選定において、流量特性よりもポートサイズを基準に選択されることが少なからずあります。過大なサイズのバルブは、小型シリンダに過剰な空気量を供給し、非効率につながります。逆に、過小サイズのバルブはアクチュエータの動作を遅らせ、作業者が圧力を上げて補おうとする原因となります。バルブは速度と消費量のバランスを考慮すべきです。

図5に示すVUVGソレノイドバルブは、この目的のために設計されています。

• 流量対サイズ比：VUVGは、小型設計でありながら大流量（例：14mmサイズで660l/min）を実現し、制限を設けることなく負荷を駆動します。
• 速度および精度：切替時間8ms（双安定型の場合）と最大切替周波数2Hzのにより、VUVGは高速応答性を提供します。この精度により、バルブ遮断の遅延によるラインの過圧状態を防止します。
• 低消費電力：VUVGのコイル消費電力は0.8W（24VDC時）です。IP65保護等級と組み合わせることで、過剰な電流を消費することなく、産業環境における信頼性を確保します。

図5：VUVGソレノイドバルブの高流量対サイズ比により、負荷を制限なく駆動します。（画像提供：Festo）

アクチュエータの容量に適合したバルブを選択することで、シリンダに必要な空気量を無駄なく供給することができます。

軽量アクチュエータによるエネルギー負荷の低減

重い可動部品を動かすには、より大きな力（および圧力）が必要です。したがって、軽量化の原則に反し、過大なシリンダを使用すると加速に必要なエネルギーが増加します。さらに、不要な内径サイズが1ミリ増えるごとに、シリンダを満たすのに必要な空気量が増加し、実際に移動する負荷に関係なく、すべてのストロークごとにエネルギーの浪費が複合的に増加します。アクチュエータは、用途に合わせて最適化する必要があります。

DSBC ISOシリンダは、軽量でありながら性能を発揮するように設計されています。図6は、移動質量133gのDSBC-32-25-PVAを示しています。理論的には6barで483Nの前進力を発揮します。この出力重量比により、より重い代替品と比較して、ピストンを加速するために必要な力が低減されます。

図6：DSBC ISOシリンダは低移動質量と効果的なクッション機能を組み合わせ、運動エネルギーの利用効率を最大化します。（画像提供：Festo）

DSBCファミリは、効率性を向上させる空気圧式クッションオプションを備えています。DSBC-32-25-PVAは、17mmの長さで負荷を滑らかに減速させる調節可能なクッション機能を備え（衝撃エネルギー< 0.4J）、負荷の衝撃を効果的に吸収します。さらに簡素化するため、DSBCには、自動調整バリエーション（PPSA）もご用意しています。これにより、手動調整ネジが不要となり、メンテナンス作業と漏れのリスクを低減します。

ガイド付き動作における摩擦の最小化

精密用途では、摩擦は効率を低下させます。標準的な摺動ガイドは抵抗を生じ、静止摩擦を克服し動作を維持するためにより高い空気圧を必要とします。これは摩擦低減という目標に相反します。時間経過とともに、摺動接点での摩耗は位置決め精度を低下させ、抵抗の不均一性生じさせ、速度維持のためにシステムに過大な負荷をかける可能性があります。

ガイド付き作業では、DGST-10-20-E1Aミニスライド（図7）が転動体を利用することで効率を向上させています。

• 循環ボールベアリング：DGSTのスライド部は、摺動ブッシュの代わりに精密ボールベアリングガイドを使用しています。これにより摩擦係数を低下させ、0.5m/sまでの速度でも滑らかな動作を実現します。
• ツインピストン効率：ツインピストン設計により、小型ユニットで出力を向上させています。本スライドは、移動質量134gにおいて94Nの理論的な力（6barでの前進力）を発揮します。
• 一体型ヨーク：スライドとヨークを固定ユニットに統合することで、位置ずれを解消します。本ユニットは、最大トルク3Nm、最大力480Nの負荷に対応し、空気圧を直接直線運動に変換します。

図7：DGSTミニスライドは循環ボールベアリングを使用して摩擦を低減し、摺動ガイドを大幅に上回る性能を実現します。（画像提供：Festo）

まとめ

空気圧システムの最適化には、単一のコンポーネントの変更ではなく、システム全体の設計アプローチが求められます。システムを連動したチェーンとして捉えることで、技術者は個々の部品のアップグレードをはるかに上回る累積的な効率向上を達成することができます。本記事で述べた6つの要素が調和されたとき、効率の向上、圧力の低減、サイクルタイムの短縮、漏れの最小化が可能となります。この結果により、コンポーネント間の接続が強化され、全体的な性能が向上します。