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March/2012■ 技術講座知りたい油圧講座③「油圧システムと省エネ」
機能部品事業

Things to Know about Oil Hydraulic,"Hydraulic system and energy-saving"〈キーワード〉油圧システム・インバーター・ハイブリッド
発熱・振動

油圧事業部／技術部

久保光生

Mitsuo KUBO

知りたい油圧講座③「油圧システムと省エネ」

要旨

1.省エネには

世の中では、家電製品や自動車などで省エネ製ハイブリッド、インバーター品が普及しています。工作機械やプレス機などで使自動車でエコカーといえばハイブリッド車が筆頭に用される油圧システムにおいても、省エネをはかった挙げられます。国内販売台数でみると上位をエコカー省エネ油圧機器が使用されています。それらの機が占め、ハイブリッド車が首位を獲得していますので、器がどんな方法で省エネをはかっているのか、また、「ハイブリッド」＝「省エネ」と広く認識されていると現在使用している油圧装置が省エネ効果が高いも思われます。また、冷蔵庫、洗濯機、エアコンなどののなのかどうかを見極める際のポイントなどについて家電製品をみると、省エネ度をアピールした製品は、解説します。

いずれも「インバーター」を搭載したもので、「インバーター」＝「省エネ」ということも世の中に広く認識されAbstract
Many energy-efficient products such as appliances and automobiles are gaining popularity in the world. Energy-efficient hydraulicunits are used in the hydraulic systems of machine tools and press machines. The methods
used to save energy in these units are explained along with key points to identify whether a hydraulic unit that is currently in use isenergy-efficient.

1ていることと思います。このように、「ハイブリッド」や「インバーター」は省エネというイメージがありますが、実際は、「ハイブリッド」化や「インバーター」を使用したことで、システムとして省エネをはかったという表現の方が正しいといえるでしょう。
同様に油圧システムにおいても、「インバーター」や「ハイブリッド」が、省エネのキーワードになっています。今回の講座では、どんな方法で油圧システムの省エネをはかっているのかを解説していきます。

2. 油圧システムとエネルギー損失
知りたい油圧講座① で、油圧システムは「圧力1）

このように油圧システムでは、ものの動きをコントローを離れた場所に伝えて大きな物を動かしたり、支えルする際に、エネルギーの変換や伝達を行なうため、たりする」目的で使われ、一般的に油圧の5大要素エネルギーの損失が生じます。油圧システムにおけからなることを説明しました（図１）。

る損失のイメージを図2に示します。これを見ると油油圧ポンプでは機械エネルギーを油圧エネルギー

圧システムは、エネルギーの損失が大きいシステムだに変換、その油圧エネルギーを油圧バルブで調整（コと思われるかもしれませんが、「熱い（発熱）」、「うるントロール）
し、実際に物を動かす油圧アクチュエーター

さい（騒音）」などは、入力したエネルギーの一部がに伝達、油圧エネルギーを機械エネルギーに変換し形を変えたものであり、油圧に限らずどのようなシスて物の動きをコントロールします。なお、
この油圧エネ

テムにおいても発生します。問題はその程度であり、

2）

ルギーを運ぶのが知りたい油圧講座② で説明した

省エネ油圧システムを使うことで損失を大きく低減

油圧作動油の重要な役割です。

できますが、現在稼働している油圧システムの中には、図2のような損失の大きなものが依然としてあるというのも現実です。空調や照明、エアコンプレッサーな油圧アクチュエーター
油圧エネルギーを運動エネルギー（仕事）に変換する

どの省エネにとり組んでいるところは多いですが、油圧システムで省エネができることがあまり知られていないこと、また、古い油圧システムでもとくに問題なく動いていることから、損失の大きなものが今でも多く残っているものと思われます。逆にいえば、まだまだ油圧油圧バルブ
油の流れる方向、量、圧力をコントロールするには省エネにとり組む対象が残っているといえるかもしれません。

油圧ポンプ
油を吸って吐き出す運動エネルギーを油圧エネルギーに変換する

油圧アクセサリー
油圧装置の補助的役割を行なう

油圧タンク
油を貯蔵する

図1

油圧の5大要素

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知りたい油圧講座③「油圧システムと省エネ」

3. エネルギー損失の低減
それでは、図２のエネルギー損失を低減していく
ためにどんな方法があるのか順に見ていきましょう。

1）油圧不要時の運転損失

2）電動機での損失
油圧システムでは、ポンプを駆動する電動機として三相誘導電動機が一般的に用いられています。
損失が小さいとはいい換えると効率が高いというこ家電製品で「使わない時は電源を切る」のと同様、とですが、最近ではより効率の高い電動機の普及

油圧システムも「使わない時は油圧ポンプを止める」が海外ですすめられています。ただ、油圧ポンプとのが省エネの基本です。ただし、機械によっては待組合せて使う油圧システムにおいては、一般的な電機時も圧力を供給することで稼働部を固定保持し動機とは違った観点で電動機の効率を見ていくこている場合がありますので、単純にポンプを止めてとが重要です。一般的に電動機の効率値は定格（100はいけません。この場合は、ポンプを止めずに運転％）負荷時の効率値をうたっているため、どの電動しておくか、ポンプを止めて別の方法で待機時の圧機メーカもこの値をいかにして高めるかに注力して力を確保するか、のいずれかが必要となります。後います。一方で、可変ポンプと呼ばれる省エネ油圧者の例では、充放電が可能なバッテリーのように油ポンプと組みあわせて使う場合には、電動機は40％圧エネルギーを蓄えられるアキュムレータというもので、以下の低い負荷条件で運転されることがほとんどでポンプ運転中に油圧エネルギーを貯め、ポンプを止す。よって、定格負荷時の効率が多少低くても、低めた後はそのエネルギーを放出し、待機時の圧力をい負荷条件の時に効率の良い電動機を使うことが確保するという方法があります。ただし、バッテリーと結果として油圧システムの省エネにつながることに同様に蓄えられるエネルギーに限りがあるため、長時なります。電動機単品の定格時効率ばかりが重要間の保持が必要な場合には対応が難しくなります。

視されている今の状況は、油圧メーカからすると、本また、ポンプの起動／停止制御とエネルギーの蓄積来の目的である省エネとは少し違った方向を向いて／放出の制御が必要になります。

いるのでは無いかと感じるところがあります。
もちろん、ポンプを止めることが可能な場合では、ポンプのどの負荷条件でも効率の高い電動機を使えばよい起動／停止制御を行ない、不要な時にポンプを停のは間違いありませんので、お金に糸目を付けない止することで省エネをはかることができます。ただし、という気前の良い方には、迷わずサーボモーターを機械側でポンプのＯＮ／ＯＦＦを制御する機能が無お奨めします。

い場合には簡単にできないことが多いと思われます。
そこで、機械側を改造することなく簡単に省エネをはかりたい場合や、ポンプを止められない場合には、待機運転中のエネルギー消費が小さいものを選ぶのが早道といえるでしょう。例えば、待機中のポンプ回転数を「インバーター」を使って低く抑えることで回転に伴う損失を低減した油圧装置があります。
さらに、

入力エネルギー

有効エネルギー：
効率の良いシステムでも40〜60％程度
油圧不要時の運転損失
ポンプ駆動用電動機の損失
ポンプの損失制御バルブの損失
配管の圧力損失
アクチュエータの損失

電動サーボモーターで必要な時にだけ油圧ポンプをエネルギー損失（発熱、振動、騒音）駆動し、待機時にはポンプが停止する油圧と電動の「ハイブリッド」システムもあります。

3

図2

油圧システムのエネルギー損失

仕事
︵出力︶

3）ポンプでの損失
機械エネルギーを油圧エネルギーに変換するのが油圧ポンプの働きです。入力された機械エネルギー

このように制御バルブにはエネルギー損失がありますが、次のような場合に制御バルブを使うメリットがあります。

をどれだけ損失なく油圧エネルギーに変換できるか１つのバルブが１つの制御自由度を持っています

がポンプの効率であり、当然効率の高いものを使えので、バルブを追加することで簡単に制御軸数を増ば省エネ効果が高いということになります。ポンプには、やすことができます。また、複数軸同時動作時にも7MPaまでの低圧で効率が高いベーンポンプや7〜それぞれ独立して調整ができます。

21MPaの中高圧で効率が高いピストンポンプなど、種類によって効率の高い圧力がことなっているので、使用圧力に応じてポンプを使い分けるというのも省

5）配管での圧力損失
油圧エネルギーは配管内を通る油圧作動油によって伝達されます。伝達時の損失により、配管の入りエネのポイントです。
また、物を動かすためにアクチュエーターが必要と口に対して出口では圧力が低下します。損失を減らする油圧エネルギーを、必要な分だけ供給する機能

すには、太く、短く、を心がけて設計する必要がありを持ったポンプを使用することで、無駄な機械エネます。

ルギーを消費しない損失の少ない油圧システムとすることができます。

4）制御バルブでの損失

6）アクチュエーターでの損失
アクチュエーターにおける損失としては、動作時の摩擦があります。直線運動をする油圧シリンダーの油圧エネルギーを制御するバルブには、圧力を制場合は、作動油が漏れないようにシールするゴムパッ御するバルブ、流量を制御するバルブ、方向を制御キンが抵抗となって、油圧エネルギーから変換したするバルブの3種類があります。これらのバルブで油力を弱める方向に働きます。その大きさはパッキンの圧エネルギーを制御することによって、アクチュエーター種類や動作速度によってことなってきます。また、油の力、速度、方向をコントロールします。

圧シリンダーそのものの損失以外にも、シリンダーと圧力や流量制御バルブでは、ポンプから供給され共に稼働する機構部分の抵抗も損失として上乗せた油圧エネルギーを調整して（実際には減らして）アされますので、機械設計時に考慮が必要です。また、クチュエーターへ供給します。この時減らした分の油古くなったシリンダーではパッキンが劣化してシリンダー圧エネルギーがバルブでの損失として熱や音、振動内部や外部へ作動油が漏れ、せっかく送った油圧などのエネルギーに変わっていきます。このように、エネルギーを無駄にしている場合もありますので、定圧力、流量制御バルブは基本的にエネルギーを損期的な点検が必要です。

失をさせることで機能を発揮しているものといえます。
これに対し、3）で説明した必要な分だけの圧力や流量を供給するポンプを使用すると、方向制御弁のみを使用した省エネ油圧システムができます。また、制御バルブを全く使用せずに、両回転ポンプとサーボモーターで圧力、流量、方向を制御する、さらに省エネ効果の高い油圧システムもあります。

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知りたい油圧講座③「油圧システムと省エネ」

4. 省エネ油圧システム
ここでは、3章で説明した損失の低減により省エネをはかった油圧システムを参考として紹介します。

2）プレス機向けのパワーマイスター（ ハイブリッド システム）①待機中はポンプ停止。必要な時のみポンプを運転

1）工作機械向けのインバーター駆動ＮＳＰ（ インバーター 制御システム）②電動機には、どの負荷条件でも効率のよいサーボ①待機運転中（圧力保持中）はインバーターで低速③ポンプには、高圧でも効率の高い両回転ピストン回転モーターを使用ポンプを使用②電動機には、低負荷率時の効率を上げた専用電動機を使用③ポンプには、可変容量ポンプを使用④制御バルブは未使用⑤コンパクトなユニットにより、アクチュエーターのそばに設置可能で配管が短い

図4

図3 インバーター駆動NSP

5パワーマイスター

5. 省エネにするとこんなにいいことがこれまでに油圧システムを省エネにするためにどうしたらよいかという見方をしてきました。ここでは、省エネにするとどのようなメリットが出てくるのか見ていきたいと思います。油圧システムを省エネにすると、・損失が減って油温が上がらないので、作動油量を削減できる。
（コスト、スペース、寿命）
・使用作動油量を削減できることで、廃却作動油量も減少する。
（コスト）

直接的なメリットは消費電力が下がるということです

・冷却用の水クーラが不要となる。
（コスト、スペース）が、損失が減少し油温が上がらないということから更・油温が上がらないので、ゴムなどのシール材の劣なるメリットが出てきます。

化も抑制できる。
（寿命）
・油圧システムの周りの温度も上がらないので、空調用電力も削減できる。
（コスト）

6. 油圧システムの省エネ見極め
現在の油圧システムが省エネであるかどうか見極

1）作動油温度・・・室温に対して何度高いか調べる。

める上では、油圧システムが消費している電力を実省エネシステムでは室温に対して数度高い程度。

際に測定することで判断できますが、電力を測定し温度が高いもの（15℃以上高いもの）は省エネでなくても、ある程度の見極めができます。図2で示しはない可能性がある。

たように、油圧システムにおける損失は、発熱や振動、

2）タンクの大きさ・・・アクチュエーター動作による油騒音となって現れますので、これらを手がかりにお面変動が小さいのに油タンクが大きいものは、省使いの油圧システムが省エネなのかどうかの目安をエネではない可能性がある。

得ることができますので、省エネ油圧システムへの置き換え対象を探す時の参考にしてください。

3）作動油を水冷・・・水クーラ等で作動油を冷却しているものは、省エネではない可能性が高い。
4）騒音・・・周りの油圧システムに比べてうるさいものは機器に何らかの異常が生じている可能性が高い。

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7. これからの油圧システム
油圧システムは他のシステムに比べてエネルギー器メーカが、お客さまに取ってのデメリットを無くし、損失が比較的大きいといえますが、それでも使われメリットをさらに拡げていく努力を続けることが使命で続けているのは、「簡単に大きな力を出せる」ことをあると同時に、これからの油圧システムを提示していはじめとしたメリットが大きいためです。今後も油圧くことも重要な役割であるといえます。

システムをお使いいただくためには、私たち油圧機

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NACHI TECHNICAL REPORT Vol.22 D1、September（2011）

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March / 2012〈発行〉 2012年3月29日
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