空圧システムのコンポーネントは、個々の機械部品と制御部品、コンプレッサー、空気調整ユニット、バルブ、アクチュエーター、チューブ、継手であり、これらが連携して機械動力源として圧縮空気を生成、調整、誘導し、適用します。 機能するすべての空気圧回路は、空気生成、空気準備、空気圧制御コンポーネント、作動、接続配管という 5 つのリンクされたハードウェア グループに依存します。これらのグループがどのように相互作用するかを理解することは、シリンダーの動作不良を診断したり、空気消費量を削減したり、新しいシステムを最初に正しく指定したりするための最も早い方法です。
このガイドでは、実際的な観点から各コンポーネント グループを分類し、方向制御弁、流量レギュレータ、圧力コントローラなどの空気圧制御コンポーネントが回路の動作をどのように制御するかを説明し、圧縮空気機器を扱うエンジニア、メンテナンス技術者、調達チーム向けの詳細な FAQ で締めくくっています。
空気圧システムの 5 つの機能グループ
長い部品リストを暗記するよりも、空気圧システムを、生成から有用な作業まで空気が通過する 5 つの段階として考えると役立ちます。各ステージには個別のジョブがあり、そのいずれかに弱いリンクがあると、システム全体のパフォーマンスが制限されます。
| ステージ | 一次機能 | 代表的なコンポーネント |
|---|---|---|
| 空気の生成 | 電気エネルギーまたは機械エネルギーを圧縮空気に変換する | 往復動式、ロータリースクリュー式、またはスクロール式コンプレッサー。エアレシーバー |
| 空気の準備 | 汚染物質、水分を除去し、作動圧力を設定します | フィルター、レギュレーター、ルブリケーター（FRLユニット）、ドライヤー |
| 空気圧制御 | 気流を指示、計測、計測する | 方向制御弁、流量制御装置、圧力スイッチ |
| 作動 | 空気圧を直線運動または回転運動に変換します。 | シリンダ、ロータリアクチュエータ、エアモータ、グリッパ |
| 配布 | コンポーネント間の空気の損失を最小限に抑えます | 硬質配管、フレキシブルチューブ、プッシュインおよびねじ込み継手 |
システムの効率性は、その最も弱い段階で決まります。たとえば、レシーバーと高速サイクルシリンダーの間のサイズが小さいチューブは、コンプレッサー自体に障害がない場合でも、サイズが小さいコンプレッサーと同じくらい激しく流れを絞る可能性があります。
空気の生成: コンプレッサーとレシーバー
コンプレッサーはあらゆる空気圧回路の出発点です。産業用途では 3 つのタイプのコンプレッサーが主流であり、それぞれが異なるデューティ サイクルと流量需要に適しています。
レシプロ（ピストン）コンプレッサー
往復コンプレッサーは、ピストンとシリンダーの配置を使用して、個別のストロークで空気を圧縮します。初期費用が低く、メンテナンスが簡単であるため、ワークショップや軽工業では依然として一般的ですが、ロータリー設計よりも多くの熱と脈動が発生するため、供給をスムーズにするために下流のレシーバータンクが不可欠です。
ロータリースクリューコンプレッサー
ロータリー スクリュー コンプレッサーは、2 つの連動するヘリカル ローターを使用して、パルスではなく連続的に空気を圧縮します。 この連続フロー設計により、ロータリー スクリュー ユニットが 1 シフトあたり数時間以上稼働する生産ラインの標準的な選択肢になります。 同等の容量のピストンコンプレッサーよりも振動が少なく、滑らかな出力圧力で高いデューティサイクルを処理できるためです。
オイルフリースクロールコンプレッサー
スクロール コンプレッサーは、1 つは固定され、もう 1 つは旋回する 2 つのらせん状の要素の間で空気を圧縮します。圧縮室内で潤滑油を使用せずに動作できるため、空気流への油の持ち込みが許容されない食品加工、電子機器の組み立て、医療機器の製造で好まれています。
エアレシーバーの役割
エアレシーバータンクは、コンプレッサーの下流で圧縮空気を保管し、3 つの実用的な目的を果たします。圧力脈動を平滑化し、需要の突然の急増に対するバッファーを提供し、空気がシステム内にさらに移動する前に凝縮した水分を沈降させます。一般的なサイジング規則として、多くのシステム設計者は、安定した汎用アプリケーションの場合、コンプレッサー出力の立方フィート/分 (CFM) あたりのレシーバー容積をおよそ 1 ガロンにすることを目標としていますが、需要の高いシステムや断続的な負荷のシステムでは、それ以上の容積が必要になることがよくあります。
空気の準備: フィルター、レギュレーター、ルブリケーター
コンプレッサーから直接出てくる生の圧縮空気には湿気、油蒸気、微粒子が含まれており、未処理のまま放置すると下流のバルブやアクチュエーターに損傷を与えます。 FRL ユニット、フィルタ、レギュレータ、ルブリケータは 3 段階でこれに対処し、通常は使用場所の近くにコンパクトなアセンブリとして一緒に取り付けられます。
- フィルター 気流から粒子状物質、水滴、凝集油を除去します。通常、一般用途では 5 ミクロン範囲まで、精密用途ではさらに微細になります。
- レギュレーター ライン圧力を下流の機器が必要とするレベルまで下げて安定させ、主供給ラインよりも低い圧力に定格されているコンポーネントを保護します。
- ルブリケーター 微細なオイルミストを空気流に導入し、継続的な潤滑を必要とするシリンダーやエアツールなどのコンポーネントの摩擦と摩耗を軽減します。潤滑空気は下流のオイルフリー FRL 定格機器と互換性がないことに注意してください。
塗装、計装空気、またはバルブ内で結露が凍結する可能性がある寒冷環境での動作など、湿気制御が重要な用途では、冷凍式乾燥剤式ドライヤーがコンプレッサーの後、FRL ユニットの前に追加されることがよくあります。
空気圧制御コンポーネント : 気流の方向とタイミングの仕組み
空気圧制御コンポーネントは、圧縮空気がどこに行くか、どのくらいの速さで流れるか、いつオンまたはオフになるかを決定するデバイスです。これらは空気準備ステージとアクチュエータの間に位置し、通常、回路設計の中で最もエンジニアリングが集中する部分です。
方向制御弁
方向制御バルブは空気を 1 つのポートまたは別のポートに送り、シリンダーまたはアクチュエーターの動きの方向を決定します。これらはポート数とスイッチング位置によって分類されており、通常は 3/2、4/2、または 5/3 と表記されます。これは、ポート数の後に位置数が続くことを意味します。たとえば、5/2 バルブには 5 つのポートと 2 つの切り替え位置があり、複動シリンダを制御するための標準的な選択肢です。
流量制御バルブ
流量制御バルブは、アクチュエータに流入または流出する空気流量を計測し、それによって作動速度が制御されます。ほとんどの工業用流量制御は、逆止弁と組み合わせられた一方向絞り器であり、一方向には自由流を許可し、もう一方の方向には制限され調整可能な流量を許可します。この構成はメータアウト制御として知られており、負荷によるオーバーランに抵抗するため、一般にシリンダに好まれます。
圧力制御コンポーネント
圧力スイッチ、リリーフバルブ、シーケンスバルブはシステムを保護し、複数のアクチュエータのシーケンスを調整します。ライン圧力が設定されたしきい値を超えると、圧力スイッチが制御システムに信号を送り、圧力が安全限界を超えるとリリーフバルブが自動的に空気を排出し、下流のシールとハウジングを過圧による損傷から保護します。
バルブの作動方法
| 作動 type | 仕組み | 典型的な使用例 |
|---|---|---|
| 手動/手元レバー | オペレーターがバルブスプールを物理的に移動させる | 手動オーバーライド、テスト、低サイクルアプリケーション |
| ソレノイド | 電磁コイルが電気信号によりスプールを移動させます。 | PLC制御の自動ライン |
| パイロットエア | 小さな空気信号がメインバルブのスプールを移動します。 | 現地電力のないシステム、大流量メインバルブ |
| メカニカル/ローラー | 可動部品との物理的接触によりバルブがトリップする | 機械におけるリミットスイッチ形式のシーケンス |
ソレノイド作動バルブは、プログラマブル ロジック コントローラーと直接統合されており、手動または機械作動だけでは達成するのが難しい正確で再現可能なタイミングを可能にするため、最新の自動化機器の主流となっています。
アクチュエーター: 空気圧を運動に変える
空気圧シリンダ
シリンダは最も一般的な空気圧アクチュエータであり、空気圧を直線的な力と動きに変換します。単動シリンダは空気圧を使用して一方向に移動し、バネを戻して使用します。一方、複動シリンダは伸長ストロークと後退ストロークの両方に空気圧を使用し、両方向に力を伝達し、速度と位置をより細かく制御します。
ロータリーアクチュエーター
ロータリー アクチュエータは、通常、ラック アンド ピニオンまたはベーン機構を介して、直線的なピストン運動またはベーンの動きを回転出力に変換し、制御された回転ストローク (多くの場合 90 度または 180 度) を必要とするバルブ回転、部品反転、クランプ アームなどの用途で一般的です。
エアモーターとグリッパー
エアモーターはツールやミキサーに連続的な回転出力を提供し、電気モーターとは異なり、負荷がかかっても過熱することなく安全に停止する能力が高く評価されています。平行または角度のある空気圧グリッパーは、シリンダー駆動のジョーを使用して自動アセンブリで部品をピックアンドプレースします。多くの場合、圧力定格だけではなく、グリップ力とジョーのストロークによって指定されます。
流通: チューブ、配管、継手
正しく指定されたコンプレッサー、FRL ユニット、バルブ セットであっても、分配ネットワークが小さすぎたり、空気が漏れたりすると、パフォーマンスが低下します。ラインのサイジング、材料の選択、継手の品質は、圧力降下とエネルギーコストに直接影響します。
- ポリウレタンおよびナイロンチューブ 軽量、耐ねじれ性、プッシュ接続継手との互換性により、柔軟なポイントオブユースの実行に標準的な選択肢です。
- アルミまたはステンレス配管 恒久的な主分配ヘッダーに適しており、ねじ付き鋼よりも長期的な漏れが少なく、溶接パイプよりも簡単に再構成できます。
- ワンタッチ接続継手 工具を使わずに迅速な組み立てと分解が可能であり、固定設置の場合はネジ付きフィッティングにより、より恒久的な耐振動接続が提供されます。
チューブのサイズが小さいことは、シリンダーの性能低下の最も一般的で見落とされている原因の 1 つです。出力が不足しているように見えるシリンダーは、シリンダー自体の故障ではなく、チューブの直径がボア サイズやストローク速度に対して小さすぎるために流れが不足していることがよくあります。
空気圧システムのサイジング: 実践的なガイドライン
適切なサイジングにより、過大なコンプレッサーによるエネルギーの無駄と、過小なコンプレッサーによる慢性的なパフォーマンス低下の両方を防ぎます。出発点は常に、ピーク流量だけではなく、総空気需要です。
シリンダ空気消費量の計算
複動シリンダの空気消費量は、ボア面積、ストローク長、作動圧力、サイクルレートの関数です。実際の近似として、シリンダーは、全サイクルごとに、作動圧力での圧縮比を乗じたおおよその掃引容積を消費します。このサイクルごとの数値に 1 分あたりのサイクル数を掛けると、圧縮機と配電ネットワークが一時的ではなく継続的にサポートする必要がある平均流量需要が求められます。
漏れの考慮
漏れは、圧縮空気システムにおける最大の隠れたコストの 1 つです。産業プラントに関する業界調査では、漏れ検出プログラムが実施されていないシステムで生成される圧縮空気の総量のうち、漏れが一般的にかなりの割合を占めており、多くの場合 20 ～ 30% の範囲であることが判明しており、定期的な超音波漏れ調査は、空圧機器で利用できるメンテナンス活動の中で最も収益が高いものの 1 つとなっています (出典: 米国エネルギー省圧縮空気システム ガイダンス)。
圧力損失の予算設定
適切に設計されたシステムでは、単一のコンポーネントが不釣り合いな割合を消費するのではなく、濾過、調整、チューブ配管、バルブバンクの各段階にわたって許容可能な圧力降下予算が割り当てられます。経験則として、レシーバから使用点までの総圧力降下を供給圧力の約 10% 以下に抑えると、アクチュエータの力とサイクル速度が維持されます。
空気圧コンポーネントが使用される場所
空気圧システムは、油圧システムの生の出力密度よりもクリーンさ、シンプルさ、および時折起こる失速に対する許容度の点で、依然として好ましい動力伝達方式です。
| 産業 | 代表的なコンポーネント used | 空気圧が選ばれる理由 |
|---|---|---|
| 自動車組立 | ソレノイド valves, rotary actuators, grippers | 速いサイクル時間、再現性のあるクランプ力 |
| 食品および飲料の包装 | オイルフリーコンプレッサー、ステンレス継手 | 汚染防止、洗浄耐久性 |
| マテリアルハンドリング | 真空発生器、空圧グリッパー | 軽量ツーリング、優しい部品取り扱い |
| 木工とクランプ | 単動シリンダ、フットペダルバルブ | シンプルかつ低コストのリニアクランプ力 |
| プロセス計装 | レギュレーター, precision pressure controllers | 安定した低ノイズの制御信号空気 |
空気圧作動、油圧作動、電気作動の比較
空気圧、油圧、電気作動のいずれを選択するかは、力の要件、精度、環境、およびコストの許容度によって異なります。普遍的に優れているものはありません。それぞれが異なる動作範囲に適合します。
| 因子 | 空気圧 | 油圧 | 電気 |
|---|---|---|---|
| 力密度 | 中等度 | 非常に高い | 高、ギア付き |
| 速度 | 速い | 中等度 | 変数、プログラム可能 |
| 清潔さ | クリーン、大気への通気口 | 油漏れのリスク | クリーン |
| 精密な位置決め | センサーを追加しないと制限される | サーボバルブとの相性が良い | 素晴らしい |
| 軸あたりの一般的なコスト | 低い | 高 | 中等度 to high |
空気圧アクチュエータは、ドライブトレインを損傷するのではなく、過剰な負荷の下で失速するだけであるため、特に過負荷の安全性が重要な場合、高速、適度な力の繰り返し動作では、空気圧システムが依然として実用的なデフォルトとなっています。
メンテナンスとよくある故障箇所
空気圧システムの障害のほとんどは、繰り返し発生する一連の根本原因に遡り、これらの点に日常的に注意を払うことで、計画外のダウンタイムの大部分を防ぐことができます。
| 症状 | 考えられる原因 | 推奨チェック |
|---|---|---|
| シリンダーのサイクルが遅い | チューブのサイズが小さい、フィルタの詰まり、レギュレータの設定値が低い | 負荷がかかっているシリンダポートのライン圧力を確認してください |
| バルブが動かない | シールの摩耗、空気の汚染、ソレノイドコイルの故障 | コイル抵抗とスプールにゴミがないか検査します。 |
| 過剰な空気消費量 | フィッティングの漏れ、シリンダーシールの摩耗 | アイドル期間中の超音波漏れ調査 |
| エアライン内の水 | 乾燥機が小さすぎるか欠落している、レシーバーのドレンが無視されている | オートドレン機能とドライヤー露点の確認 |
| アクチュエータ速度の異常 | 流量制御バルブのドリフト、不均一な供給圧力 | メータアウト流量制御を再調整し、レギュレータの安定性を確認します |
継手でヒス音を聞き、レシーバーのドレン機能をチェックし、フィルターの差圧を確認する簡単な週に一度のウォークスルーにより、発生中の障害の大部分を、生産停止を引き起こす前に発見できます。
空気圧コンポーネント設計の現在のトレンド
空圧ハードウェアは成熟したテクノロジーですが、コンポーネントの設計は、エネルギーコストの圧力と製造装置のコネクテッド化への幅広い推進に応えて進化し続けています。
- 電子的に監視されるバルブマニホールド サイクル数、応答時間、コイルの状態を制御システムに報告することで、カレンダーベースのメンテナンスではなく予測的なメンテナンスが可能になります。
- 低摩擦シリンダーシール材 離脱圧力を低減し、ボアサイズを変えることなく軽負荷時の空気消費量を削減します。
- デジタル比例圧力調整器 PLC から直接制御されるプログラム可能で再現可能な圧力設定値が必要なアプリケーションで、機械式スプリング式レギュレータを置き換えます。
- コンパクトで大流量のプッシュ接続継手 より大きなねじ付き継手の流量係数に近い流量係数を維持しながら、マニホールドの設置面積を縮小し続けます。
これらの開発に共通するのは、データの可視化です。かつては静かに動作していた空気圧制御コンポーネントは、接続された生産ラインの残りの部分と一緒に流量、圧力、サイクル挙動を追跡できるように、ますます計測化されています。
よくある質問
一般的な回路における主な空気圧システムコンポーネントは何ですか?
一般的な回路には、空気生成用のコンプレッサー、空気準備用の FRL ユニット、空気圧制御用の方向制御弁と流量制御弁、動作用のシリンダまたはロータリー アクチュエータ、およびそれらの間の分配用のチューブまたは配管が含まれます。
方向制御弁と流量制御弁の違いは何ですか?
方向制御バルブは空気がどのポートを流れるかを決定し、アクチュエータの動きの方向を制御します。一方、流量制御バルブはその空気流量を制限して動きの速度を制御します。ほとんどの回路では両方を併用します。
空気圧シリンダーの動きが予想より遅いのはなぜですか?
シリンダーの動きが遅い場合は、シリンダー自体の故障ではなく、チューブのサイズが小さすぎる、フィルターエレメントの詰まり、レギュレーターの設定が低すぎる、または流量制御バルブが時間の経過とともに閉じたままになっていることが最も多くの場合発生します。
漏れが発生すると実際にどれくらいの空気コストがかかりますか?
1 つの小さな漏れは些細なことのように思えるかもしれませんが、コンプレッサーはライン圧力を維持するために継続的に動作するため、漏れは積み重なっていきます。産業プラントにおける超音波漏れ調査は、圧縮空気の総生成量に占める重要な割合を占める漏れ率を定期的に明らかにするため、漏れ修理は施設内で最も早く回収できるメンテナンス活動の 1 つとなります。
ルブリケータの役割は何ですか?必ず必要ですか?
ルブリケータは、空気流に細かいオイルミストを加えて、潤滑された状態で動作するように設計されたコンポーネントの内部摩擦を低減します。常に必要なわけではありません。最新のシリンダーとバルブの多くは、オイルを含まない乾燥した空気で動作するように設計された、潤滑済みの低摩擦シールを使用しているため、同じ回路内で潤滑されたコンポーネントと潤滑されていないコンポーネントを混合することは避けるべきです。
単動シリンダと複動シリンダはどのように選べばよいですか?
単動シリンダは、スプリングの戻りが許容され、一方向のみに力が必要な単純なクランプまたはプッシュ作業に適しています。複動シリンダは、両方向の力と制御された速度が必要な場合に最適な選択肢であり、自動化された産業用途の大部分をカバーします。
空気圧ラインに湿気が発生する原因は何ですか?
空気を圧縮すると温度が上昇し、下流で冷却されるにつれて水蒸気を保持する能力が低下し、結露が発生します。適切な乾燥とレシーバーの自動ドレンが適切に機能しないと、この湿気がシステム内を移動してバルブを損傷し、腐食を引き起こす可能性があります。
空気圧作動と電気作動を同じ機械内で組み合わせることができますか?
はい、これは現代のオートメーションでは一般的です。一般的なハイブリッド設計では、精密な位置決め作業には電気軸を使用し、高速で繰り返しのクランプまたは排出作業には空気圧シリンダーを使用し、1 つの技術だけに依存するのではなく、それぞれの技術の長所を活用します。
