(57)【要約】【課題】管内の温度変動を抑制し、および・または、結露を抑制可能な配管やピストンを提供する。【解決手段】配管２は、空気圧システムに使用される。配管２は、その管内４の少なくとも一部６には金属線８が充填される。少なくとも一部６は、配管２の端部であってもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気圧システムに使用される配管であって、その管内の少なくとも一部に線状または多孔質状の金属が充填されることを特徴とする配管。
【請求項２】
空気の単位体積当たりの前記金属の表面積は、４×１０２[ｍ−１]より大きいことを特徴とする請求項１に記載の配管。
【請求項３】
前記線状の金属の直径は、１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の配管。
【請求項４】
前記少なくとも一部は、前記配管の端部であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の配管。
【請求項５】
前記少なくとも一部は、圧力変動の大きな箇所であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の配管。
【請求項６】
前記少なくとも一部における前記線状または多孔質状の金属の充填率は、１％以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の配管。
【請求項７】
空気圧システムに使用され、そのシリンダ内に線状または多孔質状の金属を充填したことを特徴とする空気圧アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気圧システムに使用される配管や空気圧アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
空気圧システムでは、空気流量の少ない配管に加圧（流入）と除圧・減圧（放出）を繰り返すと、配管の末端あるいは空気圧アクチュエータに結露が発生し、水滴が溜まるという問題がある。溜まった水滴は機器の作動特性や寿命、信頼性に影響を及ぼすため、対策が必要とされる（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】空気圧システムにおける結露対策、［online］、ＳＭＣ株式会社、［2014/07/08検索］、インターネット＜URL：http://www.smcworld.com/docs/technological_material/ja/pdf/341-P-01-11B.pdf＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
結露対策としては、供給空気の湿度をより下げる方法、配管の材料を変える方法、バイパス回路を利用する方法、急速排気弁を利用する方法などが提案されている。
【０００５】
本発明はかかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、管内の温度変動を抑制し、および・または、結露を抑制可能な配管やピストンの提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様は、空気圧システムに使用される配管に関する。この配管には、その管内の少なくとも一部に線状の金属、つまり金属線が充填される。
【０００７】
この態様によると、金属線が蓄熱体となって管内の温度変動を抑制することができ、ひいては結露を抑制できる。加えて金属線を用いることにより、圧力損失の増大を抑制しつつも、表面積を大きくすることができ、ひいては管内の温度変動を抑制し、および・または、結露を抑制できる
【０００８】
なお、本明細書において、「配管」とは、（i）ある程度の長さを有しており、空気圧システムにおいて、ある箇所と別の箇所の間で圧力の伝達を目的として使用される配管のほか、（ii）配管と配管を連結する目的、あるいは配管の向きを変える目的、あるいは結露防止や温度変動を目的として使用される長さの短いアタッチメントを含む。
【０００９】
空気の単位体積当たりの金属の表面積は、４×１０２[ｍ−１]より大きくてもよい。
【００１０】
線状の金属の直径は、１００μｍ以下であってもよい。金属の直径は細ければ細いほど表面積が大きくなるため好ましいが、機械的な強度、コスト、入手のしやすさ等を考慮すると、その直径は１μｍ以上であってもよい。
【００１１】
少なくとも一部は、配管の端部であってもよい。
結露は配管の端部に溜まりやすい傾向があるため、この箇所に金属線を充填することで、結露を抑制できる。
【００１２】
少なくとも一部は、圧力変動の大きな箇所であってもよい。これにより、圧力変動に起因する温度変動を抑制できる。
【００１３】
少なくとも一部における金属線の充填率（体積比）は、１〜８％であってもよい。これにより、結露抑制の効果を得つつ、圧力損失の低減を図ることができる。
【００１４】
本発明の別の態様は、空気圧アクチュエータに関する。空気圧アクチュエータは、そのシリンダ内に金属線が充填される。
【００１５】
本発明のある態様は、空気圧システムに使用される配管あるいは空気圧アクチュエータに関する。配管あるいは空気圧アクチュエータは、その管内の少なくとも一部に、グラファイトなどの炭素系素材が充填される。
【００１６】
配管の内部には、金属線に代えて、あるいはそれに加えて多孔質状の金属が充填されてもよい。
【００１７】
なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、あるいは本発明の表現を、方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のある態様によれば、結露を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施の形態に係る配管の断面図である。
【図２】図１の配管を備える空気圧システムの動作を示す図である。
【図３】図３（ａ）、（ｂ）は、金属線が充填された配管と、充填されない配管それぞれにおける、圧力変動にともなう温度変化の測定結果を示す図である。
【図４】温度Ｔと飽和水蒸気量αの関係を示す図である。
【図５】図５（ａ）、（ｂ）は、銅線の充填率と水滴量の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００２１】
（構成）
図１は、実施の形態に係る配管２の断面図である。配管２は、空気圧システムに使用される。配管２はたとえば樹脂チューブであり、その管内４の少なくとも一部（充填箇所という）６に金属線８が充填される。金属線８の材料は熱伝導率が高い材料、具体的には銅やアルミ、銀、金が利用可能であるが、コストを考慮すれば銅が好適である。一方、配管２の材料は特に限定されず、樹脂の他、金属を用いてもよい。また金属線８の直径としては、数ミクロン〜数百ミクロンが好適であり、より具体的には２０μｍ〜５０μｍの金属線を用いてもよい。あるいは別の実施の形態において、直径１μｍ〜１００μｍの金属線を用いてもよい。
【００２２】
金属線８が充填される箇所６は、圧力変動が大きな箇所であることが望ましい。別の観点から言えば、箇所６は、配管２の端部、より具体的には、空気圧源から遠い末端部であってもよい。
【００２３】
（原理）
以上が配管２の構成である。続いてその原理を説明する。
図２は、図１の配管２を備える空気圧システムの動作を示す図である。たとえば空気圧システム１０は、電磁弁１２および空気圧アクチュエータ（空気圧シリンダ）１４を備え、それらの間は、配管２で接続される。
【００２４】
電磁弁１２は、給気および排気が切りかえ可能に構成される。電磁弁１２が給気側のポートに開くと、圧縮空気が低圧状態の配管２の管内４に流入する（図中矢印Ａ）。このとき管内４の空気が圧縮され、温度が上昇しようとする。空気の温度上昇は、金属線８により吸収され、蓄熱される。
【００２５】
続いて電磁弁１２が排気側のポートに開くと、管内４の圧縮された空気が一気に排出され（図中矢印Ｂ）、断熱膨張により管内４の圧力が急激に低下し、急激な温度の低下を引き起こす。低下後の温度が霧点温度を下回ると、霧が発生することとなる。
【００２６】
ここで直前のサイクルにおいて金属線８には熱が蓄えられている。したがって金属線８から空気への熱の放出により、空気の温度低下が抑制される。言い換えれば、空気の膨張が金属線８を冷却するものと把握することもできる。
【００２７】
このように給気・排気サイクルを繰り返す空気圧システム１０において、配管２内に金属線８を充填することにより、温度変動を抑制することができる。温度変動の抑制は、温度変動にともなう劣化を抑制できるという効果をもたらす。
【００２８】
また、管内４の温度が霧点温度を下回るのを抑制でき、結露を抑制できる。これにより、機器の作動特性や寿命、信頼性へ及ぼす水滴の影響を低減することができる。
【００２９】
（実験結果−温度変動抑制）
図３（ａ）、（ｂ）は、金属線８が充填された配管２と、充填されない配管それぞれにおける、圧力変動にともなう温度変化の測定結果を示す図である。各図の上段は圧力上昇時の、下段は圧力下降時の温度測定結果である。
【００３０】
実験には、内径５ｍｍ、外径８ｍｍ、長さ３５０ｍｍの配管２を用いた。金属線８には、直径２０μｍの銅線を用い、配管２の先端から長さ１００ｍｍにわたって充填した。充填量は１．０４ｇであり、充填率（体積比率）は５．９１％である。管内４の圧力は、２０〜４５０ｋＰａ（絶対値）の範囲で２０秒の周期で変化させた。温度変化は、Ｋ型熱電対および０．５ｍｓ以下の応答速度を有する熱電対温度変換器（アンプ）を用いた。なお実験時の天候は晴れ、室温は２６°Ｃ、湿度５４％、気圧１００１ｈＰａであった。
【００３１】
はじめに図３（ｂ）を参照し、金属線８を充填しない配管の温度変化について説明する。加圧時においては１００°Ｃを超える温度まで上昇し、反対に減圧時にはＴＭＩＮ＝−６０°Ｃ付近まで低下する。したがって、加圧、減圧を繰り返すサイクルでは、管内の温度は−６０〜１００°Ｃの範囲で変動することとなる。
【００３２】
続いて図３（ａ）を参照し、金属線８を充填した配管２の温度変化について説明する。金属線８を充填することにより、加圧時、減圧時の温度変化は、いずれも６〜７°Ｃにまで抑制される。このように金属線８を充填することにより、温度変動幅を顕著に抑制することができる。
【００３３】
加えて、金属線８を充填した場合、減圧時の管内温度の最低値ＴＭＩＮが１９°Ｃ程度となるため、霧点温度が高くなり結露しにくくなるという効果を得ることができる。ここで、Ｔｅｔｅｎｓの式および状態方程式を用いると、飽和水蒸気圧Ｅおよび飽和水蒸気量αは次式にて求まる。図４は、温度Ｔと飽和水蒸気量αの関係を示す図である。
Ｅ＝６．１１×１０２＋７．５×Ｔ／（２３７．３＋Ｔ）
α（Ｔ）＝Ｅ×１０３／（４６１．５×（Ｔ＋２７３．１５））
【００３４】
金属線８を充填しないときの最低温度ＴＭＩＮは−６０°Ｃでありそのときの飽和水蒸気量αは０．０１ｇ／ｍ３であるのに対して、金属線８を充填したときの最低温度ＴＭＩＮは１９°Ｃでありそのときの飽和水蒸気量αは１０ｇ／ｍ３であるから、３桁近く大きくなっており、金属線８を充填することにより結露を抑制できることが示される。
【００３５】
（実験結果−結露抑制）
続いて、結露防止の効果を確認するための実験を行った。実験には、一端を封止した内径５ｍｍの樹脂製の配管２を用いた。配管２の一端は、空気圧アクチュエータ（シリンダピストン）を模擬するために封止し、他端から給気、排気を行うことで管内４に圧力変動を発生させた。実験には相対湿度８％の空気（＠大気圧、２０°Ｃ）を用いた。管内圧力は、５００ｋＰａ（Ｇ）から真空圧−８０ｋＰａまで変化させることを繰り返したのちに管内に溜まった水滴量を電子量りを用いて測定した。金属線８としては直径５０μｍの銅線を用い、その充填率を０，４，６，８％と変化させた。
【００３６】
図５（ａ）、（ｂ）は、銅線の充填率と水滴量の関係を示す図である。銅線を４％充填すると水滴量は充填しない場合に比べて３０％近く減少する。さらに充填率を８％まで増大すると、水滴量を８５％減少させることができる。なお充填率８％の金属線による流路抵抗は、φ５ｍｍがφ４．８ｍｍとなることに相当し、抵抗損失（圧力損失）は極めて小さいといえる。
【００３７】
なお、工場で使用されるドライエアの相対湿度は６％であり、実験に用いたものよりも低い。したがって、実施の形態に係る配管２を工場で用いた場合には、さらに水滴量を減らすことができる。
【００３８】
金属線８の線径をさらに細く、たとえば２０μｍ程度とした場合、体積当たりの表面積がさらに増大するため、４％よりも小さな、たとえば１％以上の充填率においても、十分に温度変動を抑制し、および・または、結露を抑制できる。金属線８の線形は、２０μｍよりもさらに細く、１μｍ程度としてもよい。金属線８の直径は細ければ細いほど表面積が大きくなるため好ましいが、機械的な強度、コスト、入手のしやすさ等を考慮すると、その直径は１μｍ以上が実用的である。
【００３９】
結露防止や温度変動抑制の効果を得るためには、配管２内の空気の体積に対する、金属線８の表面積の比が重要となる。いま、配管２内に、半径ｒの金属線が、充填率ｘ［％］で均等に充填されているとする。このとき、配管２内の空気の単位体積当たりの金属線の体積Ｖは、Ｖ＝１［ｍ３］×ｘ／１００＝ｘ／１００[ｍ３]であり、したがって金属線の長さＬ[ｍ]は、Ｌ＝ｘ／１００÷πｒ２＝ｘ／（１００×πｒ２）[ｍ]となり、その表面積Ｓ[ｍ２]は、Ｌ×２πｒ＝ｘ／（５０ｒ）[ｍ２]となる。したがって、空気の単位体積当たりの金属線の表面積は、以下の式で与えられる。
ｘ／（５０ｒ）[ｍ２]／１［ｍ３］＝ｘ／（５０ｒ）  [ｍ−１]
【００４０】
直径１００μｍの金属線を１％充填した場合であっても、結露防止あるいは温度変動抑制の効果が見込まれることから、空気の単位体積当たりの金属線の表面積は、４×１０２［ｍ−１］より高ければよく、圧力損失が問題とならない範囲で決定すればよい。
【００４１】
実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
【００４２】
実施の形態では、配管２の管内の一部に金属線８を充填する場合を説明したが、金属線８の充填箇所は、それには限定されず、温度変動や結露を抑制したい箇所に充填すればよい。すなわち本発明は、配管のみでなく、空気圧アクチュエータなどにも適用可能である。空気圧アクチュエータは、シリンダおよびピストンを備え、シリンダ内部において温度変動や結露が問題となる場合には、シリンダ内に金属線を充填してもよい。
【００４３】
実施の形態では、金属線８を充填したが、それに代えて、あるいはそれに加えて、多孔質構造の金属（多孔質金属）を充填してもよい。多孔質金属は、金属線と同様に体積に対する表面積の割合を高めることができるため、圧力損失を低減しつつ、温度変動の抑制、結露防止の効果を得ることができる。
【００４４】
実施の形態およびその変形例では、金属線や多孔質金属を充填する場合を説明したが、金属材料に代えて、グラファイトなどの熱伝導率の高い炭素系材料を用いてもよい。
【符号の説明】
【００４５】
２…配管、４…管内、６…一部、８…金属線、１０…空気圧システム、１２…電磁弁、１４…空気圧アクチュエータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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