１６標準化−５

調査・研究報告書の要約
書 名
平成１６年度空気圧システムの高速精密制御特性に関する調査研究報告書
発行機関名
社団法人 日本機械工業連合会・社団法人 日本フルードパワー工業会
発行年月
平 成 1７ 年 3 月 頁 数
114 頁
判 型
A４
［目 次］
調査研究の概要･･･････････････････････････････････････････････････････････

1････････････････････････････････････････････････････・･

1･････････････････････････････････････････････････････････・･･

1

は じ め に ･･･････････････････････････････････････････････････････････････････

3

第 1 章 ラ ウ ン ド ロ ビ ン テ ス ト ･････････････････････････････････････････････・･･･

4

1.1

基 準 器 試 験 ･････････････････････････････････････････････････････････････

4

1.2

各 種 機 器 試 験 ･･･････････････････････････････････････････････････････････ 101.

事業の背景と目的

2.

事業の内容第 2 章 等 温 化 放 出 試 験 方 法 の 改 良 ･････････････････････････････････････････････

19

2.1

ラ ウ ン ド ロ ビ ン テ ス ト 出 発 点 に お け る 検 証 ････････････････････････････････

192.2

特 性 計 算 の 改 良 ･･･････････････････････････････････・････････････････････

222.3

銅 線 充 填 率 が 計 測 結 果 に 及 ぼ す 影 響 ･･････････････････････････････････････

27

2.4

ポ リ エ ス テ ル 繊 維 の 等 温 化 性 能 ･･････････････････････････････････････････

31

2.5

グ ラ ス ウ ー ル の 等 温 化 性 能 ･･････････････････････････････････････････････

34

2.6

等 温 化 タ ン ク 用 熱 媒 体 の 選 定 資 料 ･･･････････････････････････････････････

38

第 3 章 ISO 会 議 お よ び 海 外 対 策 ････････････････････････････････････････････････

41

3.1

ISO フ ラ ン ク フ ル ト 会 議 ･ ･･ ･ ･･ ･･･ ･ ･ ･･ ･ ･ ･ ･･ ･ ･ ･･ ･ ･ ･ ･･ ･ ･ ･･ ･ ･ ･ ･･ ･ ･ ･･ ･ ･ ･ ･･ ･

41

3.2

バ ー ス ワ ー ク シ ョ ッ プ ･･････････････････････････････････････････････････

42

3.3

イ ギ リ ス 工 業 会 BFPA 訪 問 ････････････････････････････････････････････････

44

3.4

フ ラ ン ス 工 業 会 UNITOP 訪 問 ･･････････････････････････････････････････････

44

3.5ISO パ リ 会 議 ･･･････････････････････････････････････････････････････････

46

第4章
4.1

代 替 試 験 方 法 規 格 案 の 再 編 成 ･･････････････････････････････････････････

58

再 編 成 の 必 要 性 ････････････････････････････････････････････････････････

58

4.2

ポ リ ト ロ ー プ 放 出 試 験 ･･････････････････････････････････････････････････

65

4.3

等 温 化 放 出 試 験 の 補 償 ･･････････････････････････････････････････････････

73

第5章

海 外 文 献 の 調 査 ･･････････････････････････････････････････････････････

82

フ ラ ン ス 規 格 ： NF E 49-300･････････････････････････････････････････････

82

5.2 フ ラ ン ス 論 文 :タ ン ク の 充 填 お よ び 放 出 に よ る 圧 縮 空 気 の 流 量 係 数 の 決 定 ････

87

5.3

フ ラ ン ス デ ー タ 集 ･･････････････････････････････････････････････････････

90

5.4

ポ ー ラ ン ド ASME 文 献 ･･････････････････････････････････････････････････ 106

5.1

第6章

外 部 発 表 文 献 ････････････････････････････････････････････････････････ 112

お わ り に ･･･････････････････････････････････････････････････････････････････ 114［要約］
油圧・空気圧などの流体エネルギーを機械仕事に変換するシステムでは、流体の流量や圧力を簡単な機構で制御出来ることを特徴としている。しかし、近年電動制御技術の進歩が目覚ましく、油空圧産業分野の一部では、電動化による浸食を受けるようになってきている。油空圧システムがさらに利用されるためには、従来のレベルより数段高い精密な流量（ 圧 力 ）の 制 御 を 行 い 、シ ス テ ム の 性 能 を 高 め る こ と が 、根 本 的 か つ 喫 緊 の 課 題 で あ る 。
又昨今は、ＩＣ製造装置に見られるように空気圧システムのユーザーの高速化要求が強くな っ て き て お り 、今 後 は こ の 高 速・高 頻 度 化 へ の 対 応 が 欠 か せ な い 重 要 課 題 と な っ て い る 。
したがって、本事業では、これらの課題を解決するために、空気圧システムを構成する要素機器単体の性能改善の基本となる応答性を把握するとともにシステム全体の特性を表示可能とする流量特性の試験方法及び表示方法について調査研究を行うものである。既に一部測定法は規格化され、使用されているものもあるが、このような動向に対応するには問題点が多く残されており、空気圧業種の将来を見込んだ要素機器の流量特性表示法や試験方法に関しては、系統的かつ高いレベルでの調査研究は行われていない。
とくに空気圧機器に関する基本的技術基準となるＩＳＯの個別機器の規格においては、「供給者の提出する資料は、使用者の個々の用途に対する最適な機器の選定に役立つものでなければならない」と顧客満足を重視してはいるが、概念的な要求事項を規定しているの み で あ る 。そ こ で 、Ｉ Ｓ Ｏ ６ ３ ５ ８（ 空 気 圧 機 器 の 流 量 試 験 方 法 ）の 基 本 概 念 に 則 り ながら、電磁弁、速度制御弁、管継手及びシリンダなどの機器により構成される空気圧システムの要求性能に対し、正確で統一された基準に基づく特性表示法により各機器の最適な機種の選定を可能にする技術基準を確立すること及びユーザーに対して”使えるデータベ

ー ス ”を 提 供 す る と と も に 、最 終 的 に は Ｊ Ｉ Ｓ 及 び Ｉ Ｓ Ｏ の 改 正 ･制 定 時 に 反 映 さ せ る こ とができるよう諸データを整備することが本事業の目的である。本事業は、空気圧機器・システムの高度化を図ることにより、それらを利用する産業機械及び製造プロセスの高度化を達成する為のものであり、将来的には、規格化、標準化にかかわる問題である。
2.事 業 の 内 容
まず、昨年度の成果を踏まえ現状の整理と解決すべき課題の抽出し、課題解決のための方 策 の 検 討 及 び 追 補 試 験 の 実 施 す る と と も に 種 々 の 流 量 測 定 法（ 流 量 法・充 填 法・放 出 法 ）に つ い て 、ラ ウ ン ド ロ ビ ン テ ス ト を 実 施 し 、整 合 性 及 び 誤 差 の フ ィ ー ル ド デ ー タ を 採 取 し 、規格制定のデータベース化を図る。
さ ら に 、規 格 普 及 の た め の 空 気 圧 機 器 の 特 性 表 示 方 法 と 試 験 方 法 の 技 術 基 準 の 作 成 及 び 各
要素機器のＪＩＳ改正原案検討及びＩＳＯ ６３５８改正提案のための準備計画を作成する。併せて特性表示方法と試験方法に関係する文献資料調査を行う。
平成１６年度は、平成１５年度“空気圧機器の特性表示方法と試験方法の規格化に関する調査研究”事業の成果を基に、下記内容に関する調査研究（試験を含む）を行い、空気圧 各 要 素 機 器 の JIS 及 び ISO 規 格 の 改 定 を 推 進 す る と と も に 、空 気 圧 シ ス テ ム の 高 速 精 密制御に適合する技術基準を確立する。
(1) 各 流 量 特 性 試 験 方 法 の 整 合①ラウンドロビンテスト実施②課題抽出と改善策(2) 等 温 化 放 出 法 の 充 実①等温化性能のフィールドテスト②等温化装置の安全・耐久性、低価格化の方策の検討③計測・データ処理のプログラム作成(3) 高 速 精 密 制 御 へ の 適 用 基 準 の 確 立①特性表示法と試験法の技術基準の作成②システム特性計算のガイダンス(4) JIS 及 び ISO 規 格 改 正 の 推 進① ISO 規 定 書 式 の 提 案 書 の 作 成② ISO 国 際 会 議 出 席 、 審 議 対 応③ 日 本 案 の 各 国 ISO 委 員 ・ 各 国 工 業 会 へ プ レ ゼ ン 活 動はじめに
平成１６年に社団法人日本機械工業連合会から社団法人フルードパワー工業会に「空気圧システムの高速精密制御特性に関する調査研究」が受託され、これを受けて同工業会では調査研究委員会を設置し、次に示す項目について調査研究を行った。
先ず本報告書第１章においては、ISO に提案する等温化放出法と簡易放出法の代替試験法としての実用性を確認するために行ったラウンドロビンテストの試験結果を報告する。
ラウンドロビンテストが基準器と各種機器を供試機器とし国内で 4 つの大学実験室で行われ、その結果から、等温化放出法と簡易放出法では安定した計測結果が得られることが確認できた。
次いで第２章では、従来に提案した等温化放出法による計測結果のばらつきなどから、等温化放出法の改良必要性を示す一方、その改良方策を検討している。まずは特性計算による不具合を考察しその修正手法を提案して、実測例に適用した後の有効性を示している。
その後、充填材のコストや飛び出し、耐久性などの実用上の問題を取り上げ、充填率の引き下げ、ポリエステル繊維やガラスなどの非金属充填材の使用を検討している。
第３章では、ISO 会議および ISO 規格化事業を推進するための海外対策を述べている。
第 4 章では代替試験法規格案の再編成についてその方向性を述べている。

第 5 章では

ISO 規格化事業に関連した資料を紹介している。大口径機器を試験対象とした放出法のフランス規格、可変オリフィスの流量特性を検討しているフランスのデータ、圧力比によってチョーク流れの流量が変化すると主張する ASME 文献を添付している。
第 6 章では、本調査研究で発表された文献をリストしている。
以上要するに，圧縮性流体を駆動媒体とする空気圧機器の流量特性表示とその簡便かつより精度の高い計測法についての調査研究が行われ、有益な結果が得られた。
第１章 ラウンドロビンテスト
先ず第１章においては、ISO に提案する等温化放出試験と簡易放出試験の代替試験方法としての実用性を確認するために行ったラウンドロビンテストの試験結果を報告する。ラウンドロビンテストが基準器と各種機器を供試機器とし国内で 4 つの大学実験室で行われ、その結果から、等温化放出試験と簡易放出試験では安定した計測結果が得られることが確認できた。
1.1 基準器試験
1.1.1 試験状況
(1) 検証対象とする試験方法
ISO 6358rev-1：インライン試験
ISO 6358rev-2：等温化放出試験
ISO 6358rev-4：簡易放出試験(2) 試験目的① 幾つかの実験室で同一試験方法によって得られた試験結果のばらつきを確認する。

② 基準であるインライン法と試験結果を比較することにより、代替試験方法である等温化放出試験、簡易放出試験の有効性を確認する。
(3) 試験期間2004 年 8 月〜11 月(4) 試験者
沼津高専の黒下研、東工大の香川研、日工大の寺島研、足工大の桜井研(5) 供試機器
下記の同一の機器が試験者の間に回され試験された。
① 3 ポート直動形電磁弁② 固定オリフィス（穴径 4.02mm）

図 1.1.1 電磁弁の試験回路

第２章

図 1.1.2

固定オリフィスの試験回路

等温化放出試験方法の改良

本章では、等温化放出試験による計測結果の偏り・ばらつきの発生について、試験方法の改良必要性を示し、その改良方策を検討している。まずは特性計算による不具合を考察しその修正手法を提案して、実測例に適用した後の有効性を示している。その後、試験装置のコストに関係する充填材の充填率の低減、ポリエステル繊維やグラスウールなどの非金属充填材の試行と選定基準について検討した。

2.1

ラウンドロビンテストの出発点における検証第１陣ラウンドロビンテスト供試品について、先頭ラボの試験結果が出た時点で、今後の改良点を予測するための予備検証を試みた。個体の異同は不明だが、同一品番の機器について、平成 14、15 年に実施した流量測定試験結果を基準データに見立てて、比較した。
2.1.1

音速コンダクタンス

図 2.1.1 に音速コンダクタンスの比較を示す。等温化放出試験による Ｃ id は、 Ｃ が 1.5以上では、ほとんどが流量測定試験による Ｃ ｆより小さい方へ偏りがある。偏差は、ほぼ＋10〜−20％の範囲であり、回帰直線は−10％程度、すなわち比例係数は 1 以下の様相である。機器の種類および試験方法（インライン/大気排気）による特異性の有無までは窺えない。

図 2.1.1

2.1.2

音速コンダクタンスの比較臨界圧力比

図 2.1.2 に臨界圧力比の比較を示す。等温化放出試験による ｂ id は、ばらつきが非常に大きく、ほとんどが流量測定試験による ｂ ｆより小さい方へ偏りがある。偏差は、ほぼ 0〜−0.2 程度で、回帰直線は、−0.1 を超える様相である。機器の種類および試験方法（インライン/大気排気）による特異性の有無までは窺えない。

第３章

ISO 会議および海外対策本章では、ISO における規格化を推進するための海外対応について述べている。ISO フ
ランクフルト会議およびパリ会議、イギリスおよびフランスの工業会訪問、バースワークショップにおける論文発表の状況と結果を記録した。
3.1

ISO フランクフルト会議

日時：2004 年 5 月 13 日(木)PM、5 月 14 日(金) AM
場所：VDMA 会議室
出席者：米、独ら十数名、日本：高橋浩爾（上智大学）、小根山尚武、蔡茂林
議長：John Berninger（Parker Hannifin、米国）
3.1.1 関係文書
1) Pneumatic fluid power-Components using compressible fluids-Determination offlow-rate characteristics Part 1: General rules（改正素案第 1 部−基本通則）
2) Part 2: Isothermal discharge method（改正素案第２部−代替試験方法−等温化放出試験）
3) Part 3: Vacuum charge method（改正素案第３部−代替試験方法−真空充填試験）
4) Part 4: Simple discharge method（改正素案第４部−代替試験方法−簡易放出試験）
3.1.2

経緯

（１）ミルウォーキー会議（2003-10-01）：SC5/WG3 において、ISO 6358:1989「空気圧−圧縮性流体用機器−流量特性の試験方法」の改正を図るべく、2003-08 に開催され た
FLUCOME’03 における発表論文３篇に基づいて、日本提案の趣旨を発表した。基本的な了解が得られ、主要国委員で構成される特命委員会が設けられた。
（２）特命委員会（2003-11〜2004-01）：各国委員から寄せられた質問と提供文献に対し、3 篇の回答書を提出した。4 部からなる規格改正素案を作成し、2004 年３月に特命委員会へ提出した。
3.1.2 議事
（1）ISO 6358 規格改正素案の説明（5 月 13 日 PM ：ISO/TC131/-/WG4 会議の追加議題）
第１部：基本通則、第２部：代替試験方法−等温化放出試験、第３部：代替試験方法−
真空充填試験、第４部：代替試験方法−簡易放出試験からなる改正素案を、43 葉のパワーポイントを用いて、小根山と蔡が説明した（添付参照）。強調点は、以下の通りである。
第１部は、ISO 6358:1989 の直接的な改正に該当し、まず、すべての機器に高精度に適用できる流量特性表示式を拡張定義した。また、インライン試験と大気排気試験の 2 つの流量測定試験の結果が良く一致するように試験方法を改良し、かつ各種の機器に適用できるように試験回路を改良した。
第２部から第４部は、空気タンク内の圧力応答を利用する新規な代替試験方法であり、大容量の空気圧源を必要としない、大型の機器にも容易に適用できる、エネルギー消費量が少ない、試験時間が短いなどの長所を有する。第１部の流量測定試験方法に比べて、１〜10％のエネルギー消費量、1/4〜1/2 の試験時間である。

第４章

代替試験方法規格案の再編

本章では、3 つの Part で構成した代替試験方法の規格案について、不整合性を分析して、完成度を向上させるための再編成の方向性を示し、着手した試行について報告している。

第5章

海外文献の調査

本章では、ISO 規格化に関して、海外から提供された資料を紹介している。大口径機器を試験対象とする放出試験方法を規定したフランス規格とその根拠論文、可変オリフィスなどの流量特性を収録したフランスのデータ集、圧力比によってチョーク流れの流量が変化すると主張する ASME 文献を抄録した。
5.1

フランス規格：NF E 49-300

NF E 49-300：Methode de caracterisation des coefficients de debit pneumatique parvidange de reservoir (Septembre 2000).（タンク放出による空気流量係数の特定方法）.
5.1.1

要約

この規格は、ISO 6358: 1989 の見直し所見として、ISO/TC131/SC5/WG3 N 348 (2004-09-15)
文書において、フランスから情報提供されて始めてその存在が明らかになったものである。
大きな空気圧源を必要としないで大口径の機器の試験を可能にし、ISO 6358:1989 を補完する目的の代替試験方法を規定するものである。これは、圧縮空気を充填したタンクから大気へ放出するときの空気の状態変化を利用する試験方法であり、日本の規格改正提案のPart 2、４と類似する。
NF E 49-300 と日本提案とは、試験装置、手順および試験作業に相違点がある。この規格の記述の厳格さ、空気の状態変化をポリトロープ変化として扱うこと、積分法によりデータ処理を行うことなどについて検討し、包含的に日本提案を改良することが必要である。
5.1.2

試験装置

（1）試験回路NF E 49-300 の試験回路を、図 5.1、図 5.2 に示す。日本提案との主な相違点は、以下のようである。
①

インライン機器と大気排気機器の 2 つの試験回路を規定しており、インライン機器の場合の開閉弁 G は供試機器の下流に設置する。日本提案は、開閉弁を、供試機器の上流に設ける回路に統一した。これは、インライン機器と大気排気機器を等価の回路で試験し、試験結果の整合度を高めるため、および開閉弁をタンクと一体の固定設備として試験作業の利便性を高めるためである。なお、開閉弁のポートサイズは圧力測定管の内径の 2 倍以上としているが、これは日本提案における、供試機器の推定コンダクタンスの 5 倍以上と同レベルであろう。

②

ISO 6358:1989 と同様に、圧力測定管を供試機器の上流・下流に接続し、圧力を測定する。日本提案は、供試機器に整流管を接続し、タンク内の圧力を測定する。
③

非常に低露点（−40 ℃）のエアドライヤを使用する。これは、熱電対への結露・結氷を防ぐためとしている。日本提案は、供給空気の湿度について言及していない。
④

線径 10 µm 以下の非常に微細な熱電対を用いる。これは、放出途中の温度を測定し、特性計算に使うためである。日本提案は、整定温度を測定するだけなので、温度計の仕様を特定していない。
第6章

外部発表文献本章では、本調査研究に関して、外部へ発表された文献をリストしている。
本委員会における調査研究に関連して、平成１６年度に外部へ発表した論文および報告を一覧する。
(1)小根山：空気圧機器の流量特性に関する規格化事業（第 1 回）、JFPA「フルードパワー」、(2004 年 7 月)、pp．5/11．
(2)小根山：空気圧機器の流量特性に関する規格化事業（第２回）、JFPA「フルードパワー」、(2004 年 10 月)、pp．3/10．
(3)高橋浩爾：ISO/TC131 フランクフルト会議報告、JFPA「フルードパワー」、(2004 年 7月)、pp．12/14．
(4)小根山,高橋,最上,長岐：空気圧機器の流量特性に関する規格提案,平成 16 年度春季フルードパワーシステム講演会講演論文集,(2004 年 5 月),pp．121/123.
(5)張、妹尾、小根山、叶：等温化タンクの開発、平成 16 年度春季フルードパワーシステ
ム講演会講演論文集,(2004 年 5 月),pp．115/117.
(6)妹尾、張、孟、小根山：空気圧機器の流量特性に関する系譜、平成 16 年度春季フルー
ドパワーシステム講演会講演論文集,(2004 年 5 月),pp．118/120.
(7)孟、張 、小根山：空気圧機器の合成流量特性に関する研究、平成 16 年度春季フルード
パワーシステム講演会講演論文集,(2004 年 5 月),pp．124/126.
(8)寺島、寺田、中島、小根山：空気圧機器の流量特性評価法について（小径接続機器の流量特性）、平成 16 年度春季フルードパワーシステム講演会講演論文集,(2004 年 5 月),pp．
127/129.
(9)黒下幸信、黒下清志：空気圧機器のハイブリッド流量特性試験法、平成 16 年度春季フルードパワーシステム講演会講演論文集,(2004 年 5 月),pp．130/132.
(10)T. Kagawa, M. Cai, K. Kawashima, T. Wang, T. Nagaki, T. Hasegawa, N. Oneyama:
Extended representation of flow-rate characteristics for pneumatic components andits measurement using isothermal discharge method, Bath Workshop on Power
Transmission and Motion Control, 2004

(11)K. Kuroshita, Y. Sekiguchi, K. Oshiki, N. Oneyama: Development of new test method
for flow-rate characteristics of pneumatic components, Bath Workshop on Power
Transmission and Motion Control, 2004, pp．243/256.
(12)K.

Kuroshita,N.

Oneyama:

ImprovementsofTest

MethodofFlow-rate

Characteristics of Pneumatic Components, SICE Annual Conference 2004 in Sapporo, 2004,
pp.147/152.
(13)妹尾、張、小根山 尚武：空気圧用配管の流量特性に関する研究(第 2 報)、平成 16 年度秋
季フルードパワーシステム講演会講演論文集,(2004 年 11 月),pp．212/2

この事業は、オートレースの補助金を受けて実施したものです。