空気圧の基礎: 重要概念とシステム応用

空気圧と空気圧システムの基礎

空気圧技術は、機械的作業の実行において長年にわたり重要な役割を果たしてきました。また、オートメーションソリューションの開発にも利用されています。空気圧システムは油圧システムと類似していますが、作動流体として油圧油の代わりに圧縮空気を使用します。

空気圧システムとは、圧縮空気を用いてエネルギーを伝達・制御するシステムです。様々な産業で広く使用されており、ほとんどの空気圧システムは圧縮空気の継続的な供給に依存しています。この供給は空気圧縮機（コンプレッサ）によって行われます。コンプレッサは大気から空気を吸い込み、レシーバと呼ばれる高圧タンクに貯蔵します。この圧縮空気は、配管とバルブを通じてシステムに供給されます。

「プネウマ（Pneuma）」は空気を意味します。空気圧とは、圧縮空気を用いて作業を行う技術です。圧縮空気は、大気中の空気を圧縮して体積を減らし、圧力を高めたものです。通常、6〜8 kgf/cm²（約0.6〜0.8 MPa）の圧力で作動媒体として使用されます。空気圧システムでは、最大50 kNの力を発生させることができます。制御の作動は手動、空気圧、電気のいずれかにより行われます。圧縮空気は主にピストンやベーンに作用して作業を行い、このエネルギーは鉄鋼業など多くの分野で利用されています。

空気圧システムの利点

空気圧システムは、自動機械の駆動のために様々な産業で広く使用されており、多くの利点を持っています。

• 高い効率性 – 大気中に無限の空気供給があり、大容量での貯蔵が容易です。圧縮空気は配管を通じて容易に輸送できるため、距離による制約を受けません。使用後は処理なしで大気へ直接放出できます。
• 高い耐久性と信頼性 – 空気圧システムの構成部品は極めて耐久性が高く、容易には損傷しません。電気駆動部品と比較しても、空気圧部品の方が耐久性と信頼性に優れています。
• シンプルな設計 – 空気圧部品の設計は比較的単純であり、シンプルな自動制御システムに適しています。直線運動や角度回転運動など、無段階に速度を変えられる多様な動きが可能です。
• 過酷な環境への高い適応性 – 他システムの要素と比較して、圧縮空気は高温、粉塵、腐食性環境などの影響を受けにくいため、過酷な環境下での使用に適しています。
• 安全性 – 空気圧システムは、可燃性環境下でも火災や爆発を引き起こさず作動できるため、電気駆動システムより安全です。また、過負荷時には滑りや停止が生じるのみで、電気部品のように焼損や過熱の心配がありません。
• 速度と圧力の容易な選定 – 直線運動や往復運動の速度調整が容易で、制約も少ないです。圧力と圧縮空気の流量は、レギュレータ（圧力調整弁）で簡単に調整できます。
• 環境に優しい – 空気圧システムの作動は汚染物質を発生しません。クリーンで、適切な排気処理によりクリーンルーム基準にも対応可能です。例えば、集積回路の生産ラインなどで使用されています。
• 経済的 – 空気圧部品は高価ではなく、システムコストが低いです。また、耐久性が高いため、他システムと比較してメンテナンスコストが大幅に低減できます。

空気圧システムの制限事項

多くの利点がある一方で、いくつかの制約も存在します。

• 比較的低い精度 – 圧縮空気の力で駆動されるため、空気の体積変化（圧縮や加熱による）が供給精度に影響し、システム全体の精度低下を招くことがあります。
• 低負荷 – 使用されるシリンダが大型でないため、重すぎる負荷を駆動することはできません。
• 使用前の処理が必要 – 圧縮空気は水分や粉塵を除去するために使用前に処理する必要があります。これを怠ると、可動部の摩擦による早期摩耗の原因となります。
• 不均一な移動速度 – 空気は容易に圧縮されるため、ピストンの移動速度が比較的不安定になります。
• 騒音 – 空気圧部品から圧縮空気が排出される際に騒音が発生することが多いです。

空気圧システムの構成要素

空気圧シリンダ、ロータリ・アクチュエータ、エア・モータは、材料の把持、移動、成形、加工のための力と動きを提供します。これらのアクチュエータを操作・制御するには、圧縮空気の調整用エア・サービス・ユニットや、圧力・流量・方向を制御するバルブなどが必要です。基本的な空気圧システムは、以下の2つの主要セクションで構成されます。

• 圧縮空気の生成・輸送・分配システム
• 圧縮空気の消費システム

生成・輸送・分配システムの主要構成部品: 空気圧縮機、電動機とモータ制御盤、圧力スイッチ、チェックバルブ、貯蔵タンク、圧力計、オートドレン、エア・ドライヤ、フィルタ、エア・ルブリケータ、配管、各種バルブ。

消費システムの主要構成部品: 吸気フィルタ、圧縮機、エア・テイクオフ・バルブ、オートドレン、エア・サービス・ユニット、方向制御弁、アクチュエータ、速度制御弁。基本構成を図1に示します。

図1 空気圧システムの主要構成部品

主要部品の説明

吸気フィルタ（エア・フィルタ）: 空気中の異物を除去します。

空気圧縮機: 電動機や内燃機関の機械エネルギーを圧縮空気の位置エネルギーに変換します。目的の最高吐出圧力と必要流量に基づき、往復動式（ピストン式、ダイヤフラム式）、回転式（スライドベーン式、スクリュー式）、遠心式、軸流式などが選定されます。

電動機: 電気エネルギーを機械エネルギーに変換し、圧縮機を駆動します。

エア・レシーバ（貯蔵タンク）: 圧縮機からの脈動流を平滑化し、空気を冷却して水分を凝縮させます。圧縮機の吐出空気を全量保持できる容量が必要で、系の運転圧力より高い圧力を保持して配管損失を補います。また、大表面積により圧縮空気の熱を放散します。

空気処理（エア・トリートメント）: 満足なシステム運転には、圧縮空気の清浄化と乾燥が不可欠です。大気中の粉塵、煙、湿気は部品摩耗や腐食の原因となるため除去します。圧縮時に空気温度が上昇するためクーラで冷却し、セパレータやエア・ドライヤで水分を分離します。処理は3段階に分けられます。第1段階で吸気フィルタが大粒子を除去、第2段階でクーラとドライヤにより冷却・乾燥（一次処理）、第3段階でさらなる濾過（二次処理）を行います。ドライヤには吸着式、吸収式、冷凍式、半透膜式などがあります。

潤滑: シリンダやバルブの可動部潤滑のため、空気圧機器の手前にルブリケータを設置し、微細なオイルミストを圧縮空気中に混入させます。一般に運動粘度20〜50 cSt程度の潤滑油が用いられます。

制御バルブ: 方向、流量、圧力の制御・監視を行います。主機能は、上流側圧力変動に関わらず下流側圧力を一定に保つことです。圧縮空気の高速流動による圧力降下を考慮し、レシーバ圧力は系圧力より高く保たれ、使用箇所でレギュレートされます。局所圧力制御には、非リリーフ型レギュレータ、リリーフ型レギュレータ、大負荷用の制御ループ（圧力センサ、コントローラ、ベントバルブ）の3方式があります。

アクチュエータ

エア・シリンダとエア・モータは、圧縮空気のエネルギーを機械的運動に変換する出力デバイスです。主に把持・移動作業に使用され、直線運動型（リニア・アクチュエータ）、回転運動型（ロータリ・アクチュエータ）、流量制御弁操作型の3種類に分類されます。油圧と空圧のリニア・アクチュエータ構造は類似していますが、使用圧力範囲が異なります（油圧シリンダ: 約100 kgf/cm²、空圧シリンダ: 約10 kgf/cm²）。

圧縮空気の分配

良好な性能を得るには適切な分配が重要です。主な要件:

• 配管レイアウト（オープン・ループまたはクローズド・ループ）と、対角線上のコーナーへのドレンバルブ設置
• 配管設計: 所定流量での管径、圧力降下、継手の数と種類、絶対圧力
• 圧縮機からのメイン水平ヘッダの勾配（通常1:20）
• 水平ヘッダの上面から分岐を取る（U字または45度）
• 全ての垂直ヘッダの底部にドレン付きアキュムレータを設置
• エア・サービス・ユニットを垂直ヘッダに直角に接続

空気圧シンボルと回路図

主要部品はシンプルな空気圧シンボルで表現され、機能のみを示します（構造は示さない）。シンボルを組み合わせて空気圧回路図を作成し、部品間の関係（システム設計）を記述します。典型的な回路図を図2に示します。

図2 空気圧システムの典型的な回路図

空気圧回路の解析・設計における4つの重要考慮事項

• 運転の安全性
• 所望機能の達成
• 運転効率
• コスト

空気圧システムの応用例

空気圧プレス、空気圧ドリル、空気・水・薬品用システムバルブの操作、ホッパー・ビンのアンローディング、工作機械、空気圧ラマー、物体の揚重・移動、スプレー塗装、治具・固定具での保持、ろう付け・溶接時の保持、成形作業、リベット打ち、プロセス機器の操作など多数あります。