アプリケーションノート

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平成 20 年 6 月 23 日 株式会社ダイアディックシステムズ

空圧シリンダの電動化による温室効果ガス削減効果
京都議定書を受けて公布された地球温暖化対策推進法のもとで、産業界全体に対する、温室効果ガス削減へのプレッシャーが増大するに伴い、従来から工場の動力源として広く利用されてきた空圧機器の低エネルギー効率が大きな問題となって来ております。
ダイアディックシステムズのメカシリンダは、空圧シリンダの代わりにご使用頂けるフィードバック制御された電動シリンダであり、高機能／高精度制御という特長に加えて、空圧シリンダに対する極めて高いエネルギー効率を有しており、工場の自動機械の動力源を空圧シリンダからメカシリンダに代えることによって大きな省エネルギー効果を得ることができます。本アプリケーションノートでは、メカシリンダの持つこの特長によって得られる省エネルギー効果による運用コストメリットを CO2 削減量の形で明確化致します。
一般に空圧シリンダは、シリンダ内に導入された圧縮空気を行程毎に捨てているため、エネルギーの利用効率が極めて低く、また一般に圧縮空気の圧力は、負荷条件に拘わらず元圧で一定となっているため、負荷からの反力が小さい用途においては、さらにエネルギー利用効率が低下致します。
これに対してメカシリンダにおいては、投入されたエネルギーは、電子回路とモータにおける熱損失を除いて全てが機械エネルギーに変換されるため高いエネルギー効率が得られ、さらにその推力は、フィードバック信号に基づいて負荷からの反力に応じた最適値に制御されるため、位置決め動作を中心としたアプリケーションでは、空圧シリンダとのエネルギー効率の差はさらに大きくなります。
以上により工場の自動機械の動力源を空圧シリンダからメカシリンダに代えることにより、大きな CO2 削減効果が得られます。
１．

CO2 削減量算定対象期間

本書では、CO2 削減量算定対象期間を１年度（4 月 1 日から翌年 3 月 31 日まで）と致します。
２．

対象機器の選定（１） 評価対象メカシリンダ
本書では、高速タイプとして SCN5-010-150-S03（最大推力 10kgf）、高推力タイプとして SCN6-050150-B（最大推力 50kgf）の 2 機種を評価対象機種と致します。
（２） 比較対象空圧シリンダ（ベースライン製品）
空圧シリンダの推力は、一般に下式によって与えらます。
FA ＝ Ｆ・μ ＝（Ａ・Ｐ）× μ
FA：実際の推力 [Ｎ]Ｆ ：理論推力 [Ｎ]Ｐ：使用圧力 [MPa]Ａ：ピストン受圧面積 [mm2]μ：シリンダ推力効率
ここで、シリンダ径を Ｄ[mm]、ピストンロッド径をｄ[mm]とすると押し出し推力 ＝ π／４ ×（Ｄ2・Ｐ・μ）
引き込み推力 ＝ π／４ ×（(Ｄ2―ｄ2)・Ｐ・μ）
上記により往復行程の平均推力は、
平均推力 Ｆave ＝ π／４ ×（(Ｄ2―((ｄ2 )/ 2) )・Ｐ・μ）

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チューブ内径φ20mm の空圧シリンダの場合、D=20[mm]、d=8[mm]となるので、使用圧力 0.5Mpa、シリンダ推力効率 0.8 とすると平均推力は
平均推力 ＝ π／４ ×（(202―((82 )/ 2) )・0.5・0.8）＝ 116[N]＝ 11.8[kgf]チューブ内径φ40mm の空圧シリンダの場合、D=40[mm]、d=14[mm]となるので、使用圧力 0.5Mpa、シリンダ推力効率 0.8 とすると平均推力は
平均推力 ＝ π／４ ×（(402―((142 )/ 2) )・0.5・0.8）＝472[N]＝ 48.2[kgf]以上により比較対象ベースライン製品として、SCN5-010-150-S03 に対してチューブ内径φ20mm、ストローク 150mm の空圧シリンダ、SCN6-050-150-B に対してチューブ内径φ40mm、ストローク 150mmの空圧シリンダを選定致します。
３．

基準負荷

現在の空圧シリンダの生産現場での応用の大半は、自動化／省力化という言い方がされているものであり、多くはマテリアルハンドリングの範疇に属するもので、慣性質量負荷の位置決め動作に帰着するものと考えられます。従って、算定にあたっての基準負荷としては、下記のような慣性質量に対する位置決め動作パターンを採用致します。

200mm/sec
TaTa

TcTc

TaTa-200mm/sec
T

負荷慣性質量 10kg, 摩擦係数 0.2, ストローク 150mm, Ta=0.2sec, Tc=0.55sec, T=4.9sec
SCN5-010-150-S03（最大推力 10kgf）の基準負荷75mm/sec
TaTa

Tc

Tc

TaTa-75mm/sec
T

負荷慣性質量 50kg, 摩擦係数 0.2, ストローク 150mm, Ta=0.2sec, Tc=1.80sec, T=7.4sec
SCN6-050-150-B（最大推力 50kgf）の基準負荷アプリケーションノート

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４． 算定方法（年間エネルギー消費量算定方法）
前述の基準負荷におけるエネルギー原単位使用量を慣性質量負荷を往復移動させた時の総仕事と定義
すると以下のようになります。
SCN5-010-150-S03（最大推力 10kgf）の基準負荷の場合
基準負荷 1 サイクルにおける原単位使用量は、((10×0.2)×9.8) [N]×0.3 [m] = 5.88[J]年間稼動時間 2500[h]と仮定すると年間原単位使用量は、5.88[J]×(3600×2500)/4.9 [回] ×10-6 = 10.8 [MJ]
SCN6-050-150-B（最大推力 50kgf）の基準負荷の場合
基準負荷 1 サイクルにおける原単位使用量は、((50×0.2)×9.8) [N]×0.3 [m] = 29.4[J]
年間稼動時間 2500[h]と仮定すると年間原単位使用量は、29.4[J]×(3600×2500)/7.4 [回] ×10-6 = 35.76 [MJ]
この基準負荷におけるメカシリンダの消費電気エネルギーは、実測値に基き、下記のようになります。
SCN5-010-150-S03（最大推力 10kgf）の基準負荷の場合
年間消費電気エネルギーは、((1.1 [A]×24 [V])/0.75)×(1.9×2500)/4.9 [h] = 34.1[kWh]SCN6-050-150-B（最大推力 50kgf）の基準負荷の場合
年間消費電気エネルギーは、((2.8 [A]×24 [V])/0.75)×(4.4×2500)/7.4 [h] = 133.2[kWh]この基準負荷における空圧シリンダの消費電気エネルギーは、下記のように算出することができます。
チューブ内径φ20mm、ストローク 150mm の空圧シリンダの基準負荷の場合電磁弁から内径φ6mm で 1.5m 配管とした時の押し出し時の空気消費量は、
π/4(202×150×10-6×((0.5+0.1)/0.1)+62×1500×10-6×(0.5/0.1))= 0.49[l]電磁弁から内径φ6mm で 1.5m 配管とした時の引き込み時の空気消費量は、
π/4((202-82)×150×10-6×((0.5+0.1)/0.1)+62×1500×10-6×(0.5/0.1))= 0.45[l]
平均的なエアコンプレッサの変換効率を 0.11 kWh／m3 とすると年間消費電気エネルギーは、(0.49+0.45) [l]×10-3×(3600×2500)/4.9 [回] ×0.11= 183.7[kWh]チューブ内径φ40mm、ストローク 150mm の空圧シリンダの基準負荷の場合電磁弁から内径φ6mm で 1.5m 配管とした時の押し出し時の空気消費量は、
π/4(402×150×10-6×((0.5+0.1)/0.1)+62×1500×10-6×(0.5/0.1))= 1.34[l]電磁弁から内径φ6mm で 1.5m 配管とした時の引き込み時の空気消費量は、
π/4((402-142)×150×10-6×((0.5+0.1)/0.1)+62×1500×10-6×(0.5/0.1))= 1.20[l]
平均的なエアコンプレッサの変換効率を 0.11 kWh／m3 とすると年間消費電気エネルギーは、(1.34+1.20) [l]×10-3×(3600×2500)/7.4 [回] ×0.11= 339.8[kWh]アプリケーションノート

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以上により、エネルギーの使用に係わる原単位として下記のように位置決めエネルギー変換効率を定義致します。
SCN5-010-150-S03 の位置決めエネルギー変換効率
10.8 [MJ] / 34.1 [kWh] = 0.317 [MJ/kWh]
SCN6-050-150-B の位置決めエネルギー変換効率
35.76 [MJ] / 133.2 [kWh] = 0.268 [MJ/kWh]
チューブ内径φ20mm、ストローク 150mm の空圧シリンダの位置決めエネルギー変換効率
10.8 [MJ] / 183.7 [kWh] = 0.059 [MJ/kWh]
チューブ内径φ40mm、ストローク 150mm の空圧シリンダの位置決めエネルギー変換効率
35.76 [MJ] / 339.8 [kWh] = 0.105 [MJ/kWh]
５． CO2 削減量算定例
例として、チューブ内径φ20mm、ストローク 150mm の空圧シリンダ 4 軸とチューブ内径φ40mm、ストローク 150mm の空圧シリンダ 2 軸で構成された自動機を想定します。この自動機のサイクルタイムは、12秒/サイクルであり、年間の平均稼動時間は 2500h とします。この時の年間消費電気エネルギーは、((5.88×4/0.059+ 29.4×2/0.105)×(3600×2500)/12) ×10-6 = 718 [kWh]この自動機の空圧シリンダをそれぞれ対応するメカシリンダ SCN5-010-150-S03 4 軸と SCN6-050-150B 2 軸に置き換えたシステムを考えます。この場合の年間消費電気エネルギーは、((5.88×4/0.317+ 29.4×2/0.268)×(3600×2500)/12) ×10-6 = 220 [kWh]
この年間電気使用量の差から、CO2 排出係数のデフォルト値 0.391 [kgCO2/kWh] を用いて、この自動機の電動化による年間 CO2 削減量を算出すると下記のようになります。
(718－220) [kWh] × 0.391 [kgCO2/kWh] = 195 [kgCO2] = 0.195 [tCO2]

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付表 各機種別の年間 CO2 削減量
動作
ストローク

動作速度mmmm/sec

50100150200250300
50100150200250300
50100150200250300200200200200200200
150
15015015015015075757575
75
75

メカシリンダ

年間CO2空圧シリンダ
年間消費
年間消費
排出
空気消費量
ボア径 ロッド径
電気電気
押し出し 引き込み削減量
型番
エネルギー
エネルギー
sec sec
mmmmllkgCO2kwhkwh
0.05 3.90 SCN5-010-050-S03
20.31
2080.306
0.291
151.6851.4
0.30 4.40 SCN5-010-100-S03
28.00
2080.401
0.370
173.4656.9
0.55 4.90 SCN5-010-150-S03
34.12
2080.495
0.450
190.8061.3
0.80 5.40 SCN5-010-200-S03
39.11
2080.589
0.529
204.9364.8
1.05 5.90 SCN5-010-250-S03
43.25
2080.683
0.608
216.6667.8
1.30 6.40 SCN5-010-300-S03
46.75
2080.778
0.687
226.5670.3
0.13 4.07 SCN6-020/040-050-B
46.16
32120.453
0.419
212.4665.0
0.47 4.73 SCN6-020/040-100-B
64.45
32120.695
0.627
276.3782.9
0.80 5.40 SCN6-020/040-150-B
78.22
32120.936
0.834
324.5096.3
1.13 6.07 SCN6-020/040-200-B
88.97
32121.177
1.041
362.05106.8
1.47 6.73 SCN6-020/040-250-B
97.58
32121.418
1.249
392.16115.2
1.80 7.40 SCN6-020/040-300-B
104.6532121.660
1.456
416.85122.1
0.47 4.73 SCN6-050/060-050-B
82.03
40
140.589
0.543
236.7560.5
1.13 6.07 SCN6-050/060-100-B
113.2340
140.9660.874
300.2273.1
1.80 7.40 SCN6-050/060-150-B
133.1940141.343
1.204
340.8281.2
2.47 8.73 SCN6-050/060-200-B
147.0540141.720
1.535
369.0286.8
3.13 10.07 SCN6-050/060-250-B
157.2540142.097
1.866
389.7590.9
3.80 11.40 SCN6-050/060-300-B
165.0540
142.474
2.197
405.6394.1

基準負荷動作プロフィール
負荷
Tc
T
慣性質量 Takg

sec10101010101020202020202050505050
50
50

0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2

動作速度
TaTa

Tc

Tc

TaTa

動作速度
T

年間稼動時間：2500 [h]CO2排出係数：0.391 [kgCO2/kWh]