9-2)空気圧機器

 空気圧機器には、いろいろな種類の機器があります。それぞれの機器の種類、基本的な機能、特徴を理解してカタログを読み、選定し、使用することが、機器を上手に長持ちさせて使用できることにつばがります。

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エアコンプレッサ

 空気圧システムのエネルギー媒体である圧縮空気は、空気圧縮機(エアコンプレッサ)で作り出され、産業用では電動式の容積形圧縮機が一般的に使用されています。

コンプレッサの種類

・吐出し圧力による分類

空気圧縮機(エアコンプレッサ):吐出し圧力が0.1MPa以上

ブロワ :吐出し圧力が0.01~0.1MPa

送風機(ファン):吐出し圧力が0.01MPa未満

・圧縮機構による分類

容積形   往復式  ピストン形、ダイヤフラム形

      回転式  スクリュー形、スクロール形、ベーン形

ターボ形  遠心形、軸流形、斜流形

・給油の有無による分類

給油式

無給油式

往復圧縮機(レシプロ:reciprocating compressor)

 一般的にはピストン式をさし、シリンダ内のピストンを往復させて、吸込み弁を開き、空気を吸い込み、容積を小さく圧縮して吐出し弁を開け、圧縮空気を吐き出す構造の圧縮機です。シリンダとピストンの摺動部に油を給油する給油タイプと無給油タイプがあります。

 構造が単純で低圧タイプから、吐出空気を吸い込みさらに圧縮する多段にすることにより高圧(1MPa以上)を得られる高圧タイプまでの多くの種類があります。しかし、騒音・振動が大きく、脈動(圧力の変動)が大きくなりやすい欠点があります。

スクリュー圧縮機(screw compressor)

 ねじ(スクリュー)形の「おす」および「めす」のロータを嚙み合わせ、外側ケースとの空間に吸い込み、ねじの回転により空間の容積を小さくして、圧縮して吐き出す圧縮機です。騒音・振動が比較的小さく、脈動も小さいのですが、高圧タイプには向きません。

スクロール圧縮機(scroll compressor)

 渦巻状の固定スクロールと旋回スクロールを組み合わせた構造で、外側から吸い込んだ空気をスクロールが旋回することにより、渦の中心に向かって空間を小さくして圧縮し、吐き出す圧縮機です。スクリュー形と同様に、騒音・振動が小さく脈動も小さいのですが、高圧タイプには向きません。

ターボ圧縮機(Turbo compressor)

 ケーシングの中で羽根車を回転させ、遠心力により空気に運動エネルギーを与え、空気を圧縮する圧縮機です。遠心圧縮機と軸流圧縮機の種類があります。吐出し空気量が大きい大容量タイプに適しています。

 

 

空気圧のノーマルクローズは電気ではノーマルオープン

 電気のスイッチなど、接点をもっている電気機器では、ノーマル状態で接点が閉(クローズ)して電気が通じている(流れる)状態を常時閉またはノーマルクローズ(NC)といい、別名b接点またはブレーク接点といいます。空気圧では空気が流れていない状態を常時閉(ノーマルクローズ)というので、まったく逆の意味になります。

 同様に、電気では常時開またはノーマルオープン(NO)は、ノーマル状態で接点が開(オープン)して電気が流れないことをいい、別名a接点またはメーク接点と言います。空気圧の場合とは、考え方が逆になるので、特に電気技術者は注意が必要です。

エアドライヤ

 圧縮空気は、多量の水蒸気を含んでおり、液化するとコンプレッサ油と混合し白濁したドレンとなります。この水蒸気を除去し乾燥空気にする機器がエアドライヤです。

冷凍式エアドライヤ

 圧縮空気を冷凍機により冷却し、水蒸気を液化させて分離除去する機器です。冷凍機用に電源が必要ですが、大きな処理空気量が得られるので一般的に使用されています。

 コンプレッサからの圧縮空気は、熱交換器で冷却された空気により予冷されます。熱交換器に入り、冷凍(フロン)により0.7MPaの圧力下で圧力露店10℃程度(大気圧露店で-17℃)に冷却され水分が凝縮されます。発生したドレンは、ドレンセパレータで分離され排出されます。冷却された乾燥空気は、再加熱器で入口の圧縮空気により再加熱され出口から送り出されます。

吸着式エアドライヤ

 モレキュラシープス、活性アルミナなどの吸着剤が入った容器に圧縮空気を通し、圧縮空気中の水蒸気を吸着剤に吸着させ、乾燥空気を得る方式のエアドライヤです。

 大気圧露店で-30~-70℃の超乾燥空気が得られ、水分を嫌う半導体生産ラインや計装用などで使用されます。吸着剤の再生方式により、加熱により再生させる加熱再生方式、得られた乾燥空気の一部を使い再生する非加熱方式があります。

複式エアドライヤ(メンブレンエアドライヤ)

 容器の中に高分子分離膜の中空糸のチューブに圧縮空気を通し、圧縮空気中の水蒸気を分離外部へ排出し、乾燥空気を得るエアドライヤです。大気圧露店は、小形のものでー20℃、低露店タイプでー60℃程度の乾燥空気が得られます。

 高分子膜は液化した水は分離せず、油分が付着すると機能を発揮しないため、入口側に空気圧フィルタとオイルミストセパレータを取付ける必要があります。

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空気圧フィルタ

 空気圧機器をトラブルなく使用するために、空気中の液化したドレンと固形異物の汚染物を除去し、清浄な空気を供給する機器が空気圧フィルタです。

 空気圧フィルタ(Pneumatic filter)はエアフィルタとも呼ばれ、比較的大きなごみを補足し、液化しているドレンを分離貯留し除去する機器です。水蒸気は除去せず出口での湿度は100%なので、フィルタ以降で温度が下がるとドレンが発生します。

 圧縮空気は、デフレクタにより旋回流になり比較的質量の大きなごみとドレンを遠心力(サイクロン効果)によりケースの内壁面に叩きつけ、叩きつけられたドレンは、バッフルとケース内側のすきまを通りケース(ボウル)の下側に貯留されます。

 ドレンを分離した空気は、フィルタエレメントで固形物のごみを補足し、清浄な空気となり送り出されます。溜まったドレンは、ドレン排出器(ドレンコック)を操作して排出します。

 ろ過度は、フィルタエレメントを通過したときに除去できる粒子の大きさ(直径)を示す呼びです。一般的な空気圧フィルタのろ過度は5μm(5/1000mm)が標準です。

 標準の空気圧フィルタのケース(ボウル)は、ドレンが見えるように透明プラスチック(ポリカーボネート樹脂)製です。ポリカーボネート樹脂は、機械的強度に優れハンマーで叩いたぐらいでは破壊しません。しかし、塗装に使用されるシンナーなどの有機溶剤に非常に弱く、ひび割れが生じ、ケース内の空気圧力により破裂し、破片が飛び散り危険です。

 このため、透明ケースの外側にケースガード(ボウルガード)を装着しケースと一体化したケースアッセンブリとして組み込み、破裂した際の飛散を防止しています。また、有機溶剤環境で使用できる金属ケースも用意されています。

 空気圧フィルタの取付け姿勢は、分離したドレンをケース下側に重力で落下させて貯留するので、ドレン排出口を下側にして垂直に取り付けます。

 入口出口ポートを逆に接続すると、ごみは補足できますがドレンは分離されません。入口出口を間違えないように、IN・OUT表示や矢印マークに注意して取付けます。

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オイルミストセパレータ

 圧縮空気中のオイルミスト(油粒子)を分離除去する機器をオイルミストセパレータと呼びます。

 オイルミストセパレータは、コアレッシングフィルタ構造のものが一般的で、コアレッシングフィルタ、オイルミストフィルタとも呼ばれます。また、ろ過度がさらに小さなものをマイクロミストセパレータとも呼びます。

コアレッシングフィルタ(Coalescing filter)

 圧縮空気中に含まれている油粒子は、エアコンプレッサの潤滑油が高温で、酸化・劣化した非常に細かい油粒子(オイルエアロゾル)の状態にあります。空気圧フィルタのフィルタエレメント(ろ過度5μm)では、分離除去できず通過してしまいます。

 このオイルエアロゾルを凝集効果で捕捉分離するのがコアレッシングフィルタです。分離した油は、エレメントの下面に到達しない前にドレンコックを操作して排出します。

 入口ポートから入ったオイルミスト(油粒子)が混入した圧縮空気は、エレメントの内側から外側に向かって流れ、圧縮空気中に浮遊しているオイルミストは、ファイバ層に入ると、質量の比較的大きいオイルフォグは、空気の流れに乗り、直接繊維に衝突または接触して捕獲されます。

 さらに細かいオイルエアロゾルは、空気の流れに関係なく粒子が動き回るブラウン運動により繊維などに付着します。また、エアロゾル同士が合体して大きな油粒子に凝集されプラスチックフォーム層で落下しケースに貯留されます。

差圧計・インジケータ(目詰まり確認)

 目詰まり状態の確認は、差圧0.05~0.1MPaを目安にセパレータに差圧計を取付けるか目詰まり表示器(インジケータ)で監視します。目視では油でプラスチックフォームの色が変わりますので、これが全面に広がらない前にエレメントを交換します。

 コアレッシングフィルタは、油粒子以外の水滴およびごみも捕捉します。これが多過ぎるとすぐに目詰まりを生じますので、コアレッシングフィルタの前に空気圧フィルタを設け、水滴とごみを除去した空気を処理することが重要です。

 しかし、エレメントを通過する空気流量が過大で空気速度が速すぎると、フォーム層にせっかく溜めた油が吹きちぎられ、圧縮空気に混入してしまいます。このため最大処理空気量以下で使用することが重要な選定項目となります。

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オートドレン

 フィルタの必須管理項目は溜まったドレンを排出することです。このドレンを自動的に排出する装置が自動ドレン排出器(オートドレン)でフロート式と差圧式があります。

フロート式オートドレン

・ノーマルオープンタイプ(NO)

 一般的なフロート式オートドレンはノーマルオープン(NO)タイプで、ノーマルオープンタイプは、圧力がない状態でドレン弁が開いている構造のものを言います。

1)無加圧状態

 フロートは下がりバルブは閉じてピストンはスプリングにより下に押されドレン弁は開いています。(ドレン弁がノーマル状態でオープンです)

2)加圧状態

 空気圧が供給されると、下側のオリフィスが大気と通じておりピストン内の圧力は大気圧なので、下側からの圧力でピストンはスプリングを押し上に動作し、ドレン弁を閉じ、ケース内にドレンを貯留します。

3)ドレン排出

 ドレンが溜まりフロートが浮力で浮かぶとバルブが開き上のオリフィスから空気圧がピストン上側に入り、スプリングの力でピストンが下がりドレン弁を開き、溜まったドレンを排出します。

4)自動排出

 ドレンが排出されるとフロートが下がり、バルブを閉じ、再びピストンが上に動きドレン弁を閉じドレンを溜め始めます。空気圧システム稼働終了後、回転圧力を排気すると無加圧状態にもどりドレン弁は開いているので、ドレンが溜まるとドレンは自動的に排出されます。

・ノーマルクローズタイプ(NC)

 無加圧の状態でドレン弁が閉じているタイプをノーマルクローズ(NC)タイプといいます。ドレンが溜まりフロートが上がると、バルブが開きピストン上側に空気圧が入ります。ピストンはスプリングを押して下がりドレン弁を開きドレンを排出します。

ピストン式オートドレン

 フロート式の自動ドレン排出器を内蔵できない小形の空気圧フィルタに使用されピストンドレンとも呼ばれます。シリンダを往復動作させるような断続的に空気圧力が変動する場合に使用します。ドレンが発生しやすく、ドレン貯容量が小さな場合は、ドレンがピストンを超えて溜まり、動作しなくなる場合があります。

基本構造は、ケース(ボウル)と小さな隙間を持って上下するピストンの単純構造で、ピストンは下側にドレン弁が一体になっています。

レギュレータ(減圧弁)

 空気圧力によりアクチュエータ(シリンダ)の力が決まります。圧力をいかに一定に保持するかが重要で、この圧力を制御する機器が減圧弁です。

リリーフ付き減圧弁

 減圧弁はレギュレータ(regulator)とも呼びます。入口圧力より低い範囲で出口圧力をほぼ一定に保つ圧力制御弁で、リリーフ機能を持ったリリーフ付き減圧弁が標準です。

 一般的な減圧弁の主な構造は、アルミダイカスト製の本体、樹脂製の調節ノブとボンネット、圧力設定用の調節ばね、出口側の圧力で動作するダイアフラム、空気流路を開閉するとステムと一体の弁体、弁体を押し付ける弁ばねからなっています。

①圧力上昇 ⇒ 弁体を開ける

 調節ノブを回転させると、中心の調節ねじが噛みあうスプリング受けが下がり、調節ばねを圧縮します。調節ばねの力は、ダイアフラムを下に押し下げ、ステムと一体の弁体を押し開き、入口ポートの空気を出口ポートへ流します。

②設定圧力に到達 ⇒ 弁体を閉じる

 出口ポートの空気は、同時にダイアフラムの下側に導かれダイアフラムを押して持ち上げます。出口圧力による力と調節ばねの設定力と同じになり力がバランスすると、ダイアフラムはもとの位置に戻り弁を閉じます。

③圧力低下 ⇒ 弁体を開ける

 出口圧力が低下すると、ダイアフラムの力より調整ばねの力が上回り、ダイアフラムを押し下げ弁体が開き、出口側に不足した空気圧を補充します。

④圧力上昇 ⇒ リリーフ機能が働く

 出口圧力による力が調節ばねの力より上回ると、ダイアフラムは調節ばねを押し上げ弁体を閉じます。ダイアフラムはさらに上へ押し上げ、ダイアフラム受けがステムの先端から離れ、リリーフポートが開き出口圧力を排気します。

ノンリリーフ減圧弁

 ノンリリーフ減圧弁は、出口側で常時空気を消費するような回路、外部に空気を排気できないようなクリーンな環境(クリーンルームなど)の場合に使用します。さらに、酸素または窒素など外部へ排気できない気体の圧力を調整する場合にも使用します。

 ノンリリーフ減圧弁は、ダイアフラム受けにリリーフポートがない減圧弁で、出口圧力が上昇した場合は、ダイアフラムが持ち上げられたままで減圧しません。減圧させるには、出口側の空気を消費(排気)してやる必要があります。

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ルブリケータ

 圧縮空気には潤滑性はありませんので、給油が必要な機器には潤滑油を給油してやる必要があります。この潤滑油を空気中に噴霧する機器がルブリケータです。

機能と種類

 ルブリケータは、空気中に霧吹きの原理で潤滑油をオイルミストにして含ませ、機器へ給油してやるための機器です。現在は、ほとんどの機器が無給油機器でルブリケータによる給油は不要です。

 ルブリケータで作られた油霧は、5μm以上の壁に付着しやすいウェットフォグと5μm以下の軽くて付着しにくいドライフォグに分けられ、送り出すフォグにより次の種類があります。

・全量式

 発生したウェットフォグとドライフォグのすべて送り出す方式で、空気圧システムでは、この形式が一般的です。

・選択式

 ドライフォグのみを選択して送り出す方式です。遠距離まで油霧を送ることができ、主にエアモータなどの空気圧工具の潤滑用に使用されます。

動作原理

 全量式のルブリケータの入口からの空気圧は、メイン流路を流れると同時にケース内に導かれ、ケース内に貯留された潤滑油の油面を押します。入口からの空気は可変絞り機構を通り、高速で流れるため滴下ノズル部の圧力は下がります。

 ケース内で油面を押す圧力と滴下ノズル部の流路の圧力差により、油は導油管から透明樹脂の滴下調整機構に導かれます。滴下量は滴下窓を見ながら調整ノブを回転することにより調整されます。滴下した油は滴下ノズルからメイン流路の空気中に噴霧されます。

 メイン流路に設けられた可変絞り機構は小流量から大流量まで圧力差を一定に保ち滴下量を一定に保つ役割をします。しかし、最少滴下流量以下の小流量ですと圧力差が得られず滴下しません。

油面の管理

 油の滴下量は、流量300ℓ/min(ANR)あたり1滴(約0.02cm3)を目安に調整します。また、目視ではしばらく給油した後、電磁弁の排気ポートがオイルミストで湿ってくる程度に調整します。

 ケース内の潤滑油は、油面が導油管の先端から下回らないように点検補給します。また、油面が1週間経っても変化しない場合は、油が滴下してないので再調整します。給油は給油プラグを開けて行います。

使用潤滑油

 ルブリケータで使用する潤滑油は、空気圧機器のゴムや樹脂を侵さない劣化しにくいタービン油1種(無添加)ISOVG32を使用します。ISOVG32は、油の粘膜を表しており、数字が大きい粘度の高い油は使用を避けます。

 タービン油2種(添加)は、添加材が合成ゴムを侵す場合があるので使用せず、マシン油やスピンドル油は合成ゴムを侵すので絶対に使用しないことが重要です。

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バルブ

2ポート弁

 2ポート弁は、入口ポートと出口ポートの2つを持ったバルブです。空気圧を流す(開ける)か、止める(閉じる)かの機能を持った最も基本的なバルブです。

 2ポート弁はポペット構造が一般的です。ポペット弁は、弁体(ポペット)が弁座に直角方向に移動して流路を開閉する構造で、円形の通路を平らな蓋で開け閉めするバルブです。弁体が動くと空気は弁体と弁座の円環状(ストロークx円周)から流れ出ます。

3ポート弁

 3ポート弁は、入口ポート、出口ポートおよび排気ポートの3つのポートを持ったバルブです。ポペット弁、スプール弁、スライド弁などの種類があります。

 3ポート弁は、空気圧回路では空気圧の供給排気が必要な、単動シリンダの制御や空気圧操作弁の制御、空気圧回路への空気圧の供給・排気を行います。

 3ポート弁は、ポペット弁構造のものが多く使用されています。一般的な電磁弁の構造は、本体内部の流路上下に弁座を設け、これを開閉する弁体(シール)を設けたソレノイドのプランジャ(可動鉄心)、ノーマル状態でプランジャを下の弁座に押しつけるスプリングからなっています。

 一般的な3ポート電磁弁は、プランジャに二つの弁体を内蔵したタイプですが、小形電磁弁などでは分離した構造や圧力バランス形構造のものがあります。

5ポート弁

 5ポート弁は入口ポートが1つ、2個の出口ポートおよび2個の排気ポートの合計5個のポートを持ったバルブで、2つの流路の接続を切り換えるバルブです。

 空気圧回路では、5ポート弁は複動シリンダをはじめとするアクチュエータの駆動に使用され、多くの種類があります。5ポート弁では複数の流路を同時に切り換えることに適しているスプール構造のものが多く使用されています。

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