省エネルギー・環境保全特集の発行に当たってエネルギー・環境のためにも「半分と倍のイノベーション」を
常務執行役員牛山

仁司

東日本大震災で大きな被害を受けられた方々に心よりお見舞い申し上げますとともに、一日も早い復興をお祈り申し上げます。
当社グループでも、震災直後からいち早く復旧・復興に向けて微力ながら取り組んできました。ただ、東日本大震災ではあまりにも広範で激甚な被害なので、復興の長期化が懸念されています。特に、社会インフラに対する被害はすさまじく、半年以上が経過した今でもなお一部を除き、住宅整備、道路や橋の復旧なども思うように進まず、果てしなく広がる瓦礫の山や、下水処理機能の復旧の遅れなどにより環境保全が著しく脅かされています。こういう状況下で、私たちに与えられた使命は、国や社会の要請に応え、できる限りの復興支援をさらに続けていくことだと考えています。
一方では、震災に伴う福島第１原子力発電所の深刻な事故をきっかけとして、エネ
ルギー政策が「短期的には安定的供給で、中長期的には新たなエネルギー源の開発を進める」との方向で見直しが検討されています。省エネ商品・節電商品の技術開発、省エネを機とした社会システムの変革、再生可能エネルギーの導入なども含めて、震災後のエネルギーイノベーションのための重点課題が議論されています。
当社グループでは、「一流商品」と「一流サービス」を通して環境負荷を低減し、地球環境保全に取り組み、持続発展可能な社会の構築に貢献する企業を目指しています。
中期計画では「半分と倍のイノベーション」のスローガンを掲げ、商品やサービスの「一流化」、グローバル展開を推進することにより、環境面でも環境負荷を半分、社会貢献を倍にすることも努力したいと考えています。
今回の特集では、当社グループ商品の中から顧客、生活する人の視点に立って開発
した、環境保全・創エネルギー・省エネルギー・再資源化に貢献できる商品・技術を厳選しました。バイオマス資源を活用するバイオマス発電ボイラ、産業廃棄物などのロータリーキルン再資源化設備、下水処理場処理装置として大幅な「省エネルギー」を実現した超微細気泡散気装置や撹拌機、太陽電池分野で高発電効率と低コスト化を目指した成膜装置などを含む代表的な開発成果をご紹介させていただきます。
今回の震災で、社会インフラ整備の防災・減災の重要性を改めて認識するとともに、こうした事業を数多く手がける当社にとっても、被害の実態に寄り添いながら環境負荷が小さく災害にも強い商品・技術の開発を進め、エネルギー面・環境面でも震災後の社会システム変革に貢献していく所存です。
今後とも皆様のご指導、ご鞭撻を賜りますよう、よろしく御願い申し上げます。

住友重機械技報 177
No.

巻頭言

2011

省エネルギー・環境保全特集

牛山仁司

エネルギー・環境のためにも「半分と倍のイノベーション」を

省エネルギー・環境保全特集
論文・報告 小型CFBボイラ開発の完了

藤井大也，渡邊建聖，中谷好宏

１

山下智生，柴田竜徳

5渡邊建聖，伊藤一芳，中谷好宏

9

メンブレンパイプ式超微細気泡散気装置

松﨑祐子

13

テーパーインペラ式撹拌機

鈴木

茂

17

直樹，山村健治，島倉大輔，須田祐一，橋本庸平

23

CFBボイラ燃焼技術開発
CFB燃焼技術を用いた再生可能燃料の混焼・有効利用について

DMSO含有排水の膜分離活性汚泥処理

長

RPD法による薄膜系太陽電池向け透明導電膜成膜技術

牧野博之，筑後了治

27

荷電粒子線励起 X 線分析法
（PIXE）
による環境大気浮遊粒子状物質の分析サービス

鵜野浩行，井上剛

31

射出成形システムの省エネルギー化技術

天野光昭，阿部昌博，羽野勝之

35

住友重機械グループのCO2削減活動と環境配慮製品

本藤和臣，越智敏朗，近藤裕幸

39

技 術 解 説 LTV運行管理システム
誘導電動機の高効率化の動向

晃

45

水谷清信

47

後藤

No. 177 2011
Sumitomo Heavy Industries
Special Section of Energy Saving and Environmental Protection
Technical Review"Innovations of Halving and Doubling" for Our Energy and Environment

Hitoshi USHIYAMA

Special Section of Energy Saving and Environmental Protection
T/PAPER

Completion of Advanced Small Module CFB Boiler Development
Hirotada FUJII, Takemi WATANABE, Yoshihiro NAKATANI

Development of Combustion Technology in CFB Boilers
Tomoo YAMASHITA, Tatsunori SHIBATA

Co-combustion and The Effective Utilization of Renewable Fuels Using CFB Combustion Technology
Takemi WATANABE, Kazuyoshi ITO, Yoshihiro NAKATANI

Ultra Fine Bubble Membrane Tube Diffuser System

5
9

Yuko MATSUZAKI

13

Shigeru SUZUKI

17Tapered-Impeller Type Mixer
MBR Treatment for Waste Water Containing DMSO
Naoki CHO, Kenji YAMAMURA, Daisuke SHIMAKURA, Yuichi SUDA, Youhei HASHIMOTO

Technology of Transparent Conductive Oxide Film Deposited by RPD Method for Thin Film Solar Cell
Hiroyuki MAKINO, Ryoji CHIKUGO

Environmental Atmosphere Suspended Particulate Matter Analysis using PIXE

23
27

Hiroyuki UNO, Takeshi INOUE

31

Mitsuaki AMANO, Masahiro ABE, Katsunobu HANO

35

Energy Saving Injection Molding System Technology
CO2 reduction activity and the ecologically friendly product of Sumitomo Heavy Industries, Ltd. Group
Kazuomi HONDO, Toshiro OCHI, Hiroyuki KONDO

T/INVITATION

1

Implementation of Energy Saving and Safety Driving by Utilizing LTV System

39

Akira GOTO

45

Kiyonobu MIZUTANI

47

Trend of High Efficiency Regulation for Induction Motors

省エネルギー・環境保全特集

論文・報告

小型 CFB ボイラ開発の完了

小型CFBボイラ開発の完了
Completion of Advanced Small Module CFB Boiler Development
●藤

井

大

Hirotada FUJII

也＊

渡

邊

建

聖＊

Takemi WATANABE

中

谷

好

宏＊

Yoshihiro NAKATANI小型CFBを適用した発電設備鳥瞰図
Overview of power plant with Small module CFB boiler

バイオマスや低品位燃料などのエネルギー有効利用は地球温暖化防止の観点から世界的な要求であるとともに，ユーザにとっても運転費用の削減などの利点がある。それらの燃料は工業地域では，CFB（Circulating
Fluidized Bed）
技術によって利用が促進され始めている。
しかしながら，小規模分散型の燃料であり，インフラの整っていない地域などでは収集・輸送の困難さから利用が進んでいない。さらなる有効利用に向けては，地産地消が最も効果的であるが，収集量の制限や建設制限などの問題もあった。
当社は工業地域で建設実証したCFB混焼技術を活用し，地産地消利用向けに小型CFBボイラを開発した。小型

The effective use of low grade fuels such as biomass
and low-grade coal has advantages for the preventionof global warming in addition to saving running costfor customers. These fuels are collected and has
been utilized in industrial area by CFB co-combustion
technology. However, still in local area, there areproblems by cost for collection and transportation.
‘Use in local’is the most effective way to utilize thosedecentralized fuels, but collectable fuel amountand construction inconvenience are pointed out. To
facilitate‘Use in local’, SHI has developed Small module
CFB boiler based on SHI co-combustion technology.
Features of Small module CFB boiler are module
design, short construction period and short delivery
time with basic CFB function.

CFBはモジュール構造化設計をしており，建設の容易さに加え短期納入が可能である。

１

まえがき

近年，エネルギーの利用に伴う環境問題，とりわけ地球温暖化問題への対応が世界的に求められている。二酸化炭素排1スや農産物由来バイオマスにも注目が集まっている。また，
エネルギーの有効利用の観点から，バイオマスエネルギーと並行して未利用の低品位炭エネルギーを活用した小規模発電にも注目が集まっている。

出削減が大きな課題であり，カーボンニュートラルの特性を

CFB燃焼技術は，多種燃料の幅広い高効率利用が可能であ有するバイオマス燃料の活用に注目が集まっている。しかしることが特長であり，未利用のバイオマス燃料や低品位炭をながら，バイオマス燃料は化石燃料と比較し小規模分散型の有効に利用できる技術である。しかしながら，既存のCFBボ

エネルギーであり，収集の困難性から未利用のまま存在してイラサイズでは，収集の困難性や小規模のエネルギー需要にいるバイオマス燃料種がある。日本では，間伐材に代表され対して規模過大であるという課題があった。また，同時に解るような林野系バイオマスが未利用バイオマスとしてあげら決すべき課題として，建設候補地が輸送や建設等の困難な内れ，海外では林野系バイオマスに加えてトロピカルバイオマ

陸部に多く存在していることがあげられる。これらの解決を＊エネルギー環境事業部

住友重機械技報 No.177 2011

論文・報告表１

小型 CFB ボイラ開発の完了

基本仕様とコンセプト
Base specifications of boiler

ボイラ基本仕様
蒸発量

25

t/h

主蒸気圧力

5.4

MPaG

主蒸気温度

453

degC

ボイラ設計
火炉

水冷壁＋キックアウト構造

サイクロン

水冷壁＋耐火被覆構造

火炉底

ステップグリッド，アローヘッド

適用燃料

石炭〜バイオマス

排気ガス環境対策
SOx

炉内脱硫，湿式脱硫など

NOx

低温燃料＋２段燃焼，無触媒脱硫

煤塵

バグフィルタ

など

など

組立完了図

分割図

図１

小型CFBボイラ鳥瞰図Overview of Small module CFB boiler

目指し小型CFBボイラの開発が進められてきた。

２

小型 CFB ボイラの開発

CFB燃焼技術の特長は，

図２

従来の中型および大型CFBボイラの分割
Decomposition of industrial size CFB boiler

分散型小規模発電に適した小型CFBボイラを開発した。表１に小型CFBボイラの基本仕様とコンセプトを，図１に鳥瞰図を示す。
小型CFBボイラは，建設工程の削減を狙いとして，モジュ① 燃料灰や添加材（石灰石，砂）などで形成される循環材

ール構造化した設計としている。輸送および建設工程の削減と燃焼ガスの強い混合力によって，低品位炭やバイオマによる短納期の実現だけではなく，現地建設コストの削減やスを幅広く燃料として利用できる。

製造品質の維持が容易となる。

② 外部循環系による未燃分の回収および再燃焼により高い燃焼効率を得ることができる。
③ 低温燃焼および２段燃焼により窒素酸化物（NOx）
発生
量を抑制することができる。
などがあげられる。

３3.1

小型 CFB が提供するイノベーション
短納期が実現可能

小型CFBボイラは，受注から納入までの期間を従来の18ヶ
月から14ヶ月以下へ短縮することを目標としている。主要部

未利用バイオマスや低品位炭のエネルギーの有効利用に向分の詳細設計を完了させていることと，モジュール構造化しけて，既存の中型および大型CFBボイラの特長を保ちつつ，て工場内での製作および建設現場での溶接作業を極力削減し
住友重機械技報 No.177 20112

論文・報告小型 CFB ボイラ開発の完了

ホットガスダクト（前）ホットガスダクト（後）水冷式サイクロン
蒸気ドラム

過熱器/水冷式ゲージ
コーンダクト火炉
ダウンカマー
節炭器/ケージング

ループシール

火炉下部ケージング/風箱灰ホッパ

ボトムサポート

図３

図４

小型CFBボイラの分割
Decomposition of Small module CFB boiler①第一節架構建方②火炉下部、
灰ホッパ 仮吊り③ECO 搬入⑤第二節架構建方⑥コンベクション
据付け⑦サイクロン、
ドラム 据付け据付け④ループシール、
火炉上部 据付け⑧ホットガスダクト
据付け

小型CFBボイラの建設工法
Construction flow of Small module CFB boiler

た設計としていることにより短納期を可能としている。
短納期により，ユーザの早期事業実現および建設費の低減 ，

従来の中型および大型CFBボイラは，輸送制限により各モジュールを各パネルに分割輸送し，建設場所にて溶接組立を建設中の環境負荷の低減など，さまざまなメリットをもたら

していた
（図２）
。これに対して小型CFBボイラは，各モジュすことができる。

ールを分割することなく輸送ができ（図３），溶接作業を大幅3.2に削減することが可能である。

モジュール構造化による輸送および建設の簡易化

小型CFBボイラのモジュール構造化は，「設計 - 製作 - 輸
送 - 建設」過程中の前工程にあたる設計と製作に，後工程にあたる輸送と建設の最適化を考慮したものである。
3

リターンシュート

また，モジュール構造化は，管理が容易な工場製作を極大化することとなり，製造品質の確保が容易になる。
図４に，建設工法について示す。モジュールごとに組み立
住友重機械技報 No.177 2011

論文・報告表２

パイロット試験機サイズ
Size of pilot test facility

小型 CFB ボイラ開発の完了

型式のボイラ（ストーカ式およびバブリング流動層式）と比較して高効率燃焼が可能である。
小型CFB

試験機

熱出力

MWｔｈ

19

1

火炉高さ

m

18

20

火炉断面寸法mm

2 500×3 000

φ600

4.1.2 SOｘ
小型CFBボイラは，従来のCFB燃焼の燃料灰や添加材（石灰石，砂）などで形成される循環材と燃焼ガスの強い混合力 ，
低温燃焼および外部循環系などの特長はそのままに，石灰石などの脱硫剤を利用した炉内脱硫には適した環境である。炉内にそれらの脱硫剤を供給することによって，排出されるSOxの低減も可能である。
4.1.3 NOx
小型CFBボイラは，従来の低温燃焼および２段燃焼等の特長はそのままにNOx発生量を抑制することができる。また，ガスの混合が激しく行われるサイクロン部に，尿素水やアンモニアなどの脱硝剤を噴霧することにより，無触媒脱硝が可能となり，さらに排出されるNOxを低減することもできる。

５

今後の動向

5.1

日本国内の動向

未利用の林野系バイオマスは再生可能エネルギーの一つであり，有益なエネルギー源として注目が集まっている。
林野系バイオマスは一般的に収集の困難な分散エネルギー源であり，大規模な発電設備の導入は困難なケースが多いが，小型CFBボイラはその解決策を提供するものである。2012年には林野系バイオマスをエネルギー源とした発電プラント設
図５

パイロット試験機
Over view of pilot test factory

備の稼動を予定している。
5.2 アジア諸国の動向
日本と同様に，各国で未利用バイオマスを有効に利用する動きが進んできており，分散型エネルギーに対する小型CFB
ボイラの適用が期待される。

てることができ，建設工程の簡易化を図ることが可能である。

４

小型 CFB ボイラの性能

小型CFBボイラが，既存の中型および大型CFBボイラと同等な性能を有していることを検証するべく，CFBの燃焼プ
ロセスを再現したパイロット試験機による設計検証を実施しするべく，小規模石炭火力発電設備での需要がある。そこでは輸出される石炭と異なる低品位の石炭を有効利用することが要求されることから，小型CFBボイラの適用が期待される。

６

むすび（1）小型CFBボイラは，分散していることが多い未利用バ

た。
4.1

また，各地に分散している小規模なエネルギー需要に対応

パイロット試験機による検証

愛媛製造所新居浜工場に設置されているパイロット試験機（図５）は，さまざまな燃料を利用するCFBボイラの性能をイオマスおよび低品位炭利用による分散型小規模発電設備への適用が可能である。
（2）小型CFBボイラは，既存の中型および大型CFBボイラ

把握および検証するべく活用されており，表２に示すとおり，の高効率，低公害という特長をそのままに小型化に成功

小型CFBボイラの設計検証にも最適な規模である。

したものである。未利用バイオマスや低品位炭の有効利

パイロット試験機において，今後利用が見込まれるバイオ用が可能である。

マス，石炭などを燃焼し，燃料の燃焼効率，排出されるエミッション（硫黄酸化物 SOx，窒素酸化物 NOx）
に対して試験
および検証を実施した。
4.1.1 燃焼効率評価
比較的燃焼の容易なバイオマス，褐炭および一般的な石炭
火力用燃料として利用されてきた瀝青炭については，小型
CFBボイラにおいても既存の中型および大型CFBボイラと同等の燃焼効率が得られることが検証された。固定炭素分が多く，難燃性の無煙炭は，専用設計された既存のCFBボイ
ラと比較して燃焼効率が若干低下すると予測される。しかし
外部循環系を有するCFB燃焼の特長はそのままであり，他
住友重機械技報 No.177 20114

省エネルギー・環境保全特集

論文・報告

CFB ボイラ燃焼技術開発

CFBボイラ燃焼技術開発
Development of Combustion Technology in CFB Boilers
●山

下

智

生＊

Tomoo YAMASHITA

柴

田

竜

徳＊

Tatsunori SHIBATA

CFBパイロット試験機
CFB pilot test facility

現在CO2削減，FIT（Feed-in Tariff

固定価格買取制度）の導入，さらなる発電コストの低減要求などにより，再生可能エネルギーを含む未利用燃料活用発電が注目されるなか，当社においても石炭燃料に限らず，再生プラ
スチック燃料（RPF Refuse Paper & Plastic Fuel），廃タイヤ（TDF Tire Derived Fuel），建築廃材，スラッジ
および各種バイオマス燃料など多種多様な燃料を循環流
動層（CFB Circulating Fluidized Bed）
ボイラに適用することを目指している。
しかし，燃料によっては含有している成分によって流，動不良（アグロメレーション）
や通風不良（過熱器灰付着）
過熱器腐食などさまざまな問題が危惧され，CFBボイ
ラへの適用には解決すべき多くの課題がある。そこで当社では，想定される各種問題に対して新居浜研究所の3つの試験装置である，FF（Fluidized Furnace）
試験装置，デポ（過熱器付着灰）試験装置およびCFBパイロット実証試験機を用いた検証評価にもとづいた実機設計を行っている。

１

まえがき

風力発電，カーボンニュートラルの特性を有するバイオマス
発電など再生可能エネルギーの普及に向けた環境が整備され近年，地球温暖化および省資源・省エネルギーに対する世つつある。同時に発電コスト低減に向けた取組みも必要とさ

排出量の削減が界的な意識の高まりから，二酸化炭素（CO2）れている。これらの経緯から，バイオマス燃料を中心とした先進国を始めとした世界中のさまざまな産業において大きな再生可能エネルギーを含む，従来利用が困難であった燃料を課題となっている。また，FITの導入を実施あるいは検討し利用した発電が今後大いに期待されている。

ている国も多く，CO2排出量の少ない太陽光・太陽熱発電や
5Power generation utilizing potential fuels suchas biomass including unused forest residues andwaste fuels supported by FIT (feed-in tariff) scheme
is recently focused on for the mitigation of global
warming in public and for the demand for the power
generation cost reduction by users etc.. For thisrequirement, the Energy & Environment Group in
SHI develops CFB (Circulating Fluidized Bed boiler)
technology for variety of fuels such as RPF (Refused
Paper and Plastic Fuel), TDF (Tire Derived Fuel),various biomass fuels such as demolition wood,
sludge, and so on. These fuels, however, containmany harmful materials caused fluidization problemsby agglomeration in furnace, draft problems bydeposit formation and serious corrosion problems
in superheater section. To solve the problems, SHI
evaluates these fuels by three original testing devices
with real fuels, FF (Fluidized Furnace), Deposit
testing system, and a large scale CFB pilot test
facility installed in Niihama R&D center. All detailed
evaluation is reflected to the boiler design to achievea reliable performance of commercial boilers.

＊エネルギー環境事業部

図１に，当社の主力製品の一つであるCFBボイラを示す。
住友重機械技報 No.177 2011

論文・報告1

CFB ボイラ燃焼技術開発

燃料由来のガス成分が，循環材粒子表面に凝縮，低融点のコーティング層を形成し，その粒子同士が凝集する。

燃料由来のガス成分
粒子表面に凝縮

低融点コーティング層形成

粒子同士が凝集循環材

2

燃料由来の低融点灰が，循環材同士を凝集させる。

燃料由来の低融点灰粒子同士が凝集

粒子表面に凝縮

循環材

図２

図１

アグロメレーション生成原理
Principle agglomeration generation

CFBボイラCFB boiler

CFBボイラは，流動層燃焼ボイラの一種であり，火炉内のガ，ス流速が固定床ボイラ（0.8～1.5 m/s）
よりも速く
（４～８m/s）
サイクロンと呼ばれる固気分離装置により，火炉内に存在する粒子の多くが火炉内を循環する。つまり，CFBボイラでは ，火炉内に多量に保有されている粒子（炉内循環材）の滞留時間が長くなる。火炉へ供給された燃料が燃焼する際に発生した熱を受けた炉内循環材は，火炉壁を構成する水管と効率よく熱交換を行うことが可能であると同時に，高い燃焼効率を得られるという特長を有している。
当社はこれまでに石炭のみならずRPFやTDFおよび建築図３

FF試験装置FF test equipment

廃材などを燃料とした数多くの実機納入実績があるが，幅広
い種類の燃料が適用可能なCFBボイラの特性を活かし，従来は未利用の燃料を使用するCFBボイラへの適用に取り組んでいることが知られている。CFBボイラにおける炉内循環材に

きた。

よる凝集塊
（アグロメレーション）の生成は，流動不良現象を

未利用燃料が広く活用されなかった理由の一つに，燃料中の成分が流動不良，通風不良および過熱器腐食などの問題を発生させる主要因であると考えられている。図２に，アグロ
メレーションの生成原理を示す⑴。

引き起こすことが懸念されていることがあげられる。そこで，

CFBボイラにおいて，アグロメレーション生成を起こさず

当社を中心として，さまざまな未利用燃料を実機CFBボイラにバイオマス燃料を安定して燃焼させる重要なパラメータとへ適用するべく，FF試験装置，デポ試験装置およびCFBパ

して①燃焼温度

イロット実証試験機を用いることにより，流動不良，通風不内循環材中アルカリ濃度があげられる。

②アグロメレーション抑制添加剤量③炉

良および過熱器腐食について評価試験を行うことが可能とな

効率的な熱交換を行うには， ①燃焼温度はできるだけ高温る。本報では，ナトリウムやカリウムを多量に含むバイオマ

である方がよい。しかし，温度が高くなるほどアグロメレー

ス燃料の利用拡大に向けた開発を例に，これら３つの試験装ション生成のリスクは大きくなる。また，②アグロメレーシ

置の概要および試験・評価手法について紹介する。

ョン抑制添加剤は，添加量が多いほどアグロメレーション生

２

FF 試験装置成のリスクは低くなるが，ランニングコストは高くなる。③
炉内循環材中アルカリ濃度は，低濃度であるほどアグロメレ

CFBボイラでバイオマス燃料を燃焼させる際には，燃料中ーション生成のリスクは低くなるが，濃度を調整するのに炉に含まれるカリウムおよびナトリウム化合物が炉内で結合剤内への循環材補充が必要であり，ランニングコストは高くなとなり，砂などの炉内循環材同士を凝集させる働きを有してる。したがって，アグロメレーション生成を抑制し，高効率
住友重機械技報 No.177 20116

論文・報告CFB ボイラ燃焼技術開発

800

1.0

2.0
3.0
4.0
アグロメレ−ション抑制剤添加量

5.0

ボイラ蒸気

6.0

気化成分の凝縮
灰粒子付着の進行

過熱器断面FF試験結果（流動不良温度とアグロメレーション抑制剤添加量の関係）
FF test result (The relationship between de-fluidized temperature andAdditive amount of agglomeration inhibitor )図５

初期付着層の形成

灰付着原理
Ash deposition principle

なボイラを実現するには燃焼温度，アグロメレーション抑制

による過熱器に対する灰付着成長速度を定量的に評価するべ

添加剤量および循環材中アルカリ濃度の最適値を求めること

く，試験を行っている。図６に，デポ試験装置を示す。

が重要である。

本試験装置は，高さ4.3 m，内径78.1 mmの円筒縦型電気炉

そこで当社は，CFBボイラにおけるバイオマス燃料でのアと，炉内ガス温度を調節する炉上部に設置されたLPGバーナ

グロメレーションによる流動不良発生リスクを評価するべくおよび供試飛灰サンプル連続供給器から構成される。炉内に試験を行っている。図３に，FF試験装置を示す。

は表面温度を制御した過熱器模擬の空冷式プローブを設置し，本試験装置は，内径50 mm円筒容器と容器加熱用の電気ヒータで構成されている。容器底部から流動気体を供給し，容サイトグラスにてプローブへの灰付着状況を連続的に観察記録することで灰付着成長速度の測定が可能である。

器内に充填した供試流動材サンプルを流動させ，容器上部か

この試験装置を用いて，プローブ設置箇所のガス温度を実ら容器内の流動状態を連続観察できる。また，容器内の圧力

機相当温度に調整し，装置上部から供試飛灰サンプルを炉内変化を連続的に監視することで，供試サンプルの流動不良発に供給しながら所定の時間でプローブを取り外し，プローブ

生を検知することが可能である。

への灰付着重量および付着高さの測定結果から灰付着成長速

この試験装置を用いて，各種条件での供試流動材サンプル度を定量的に評価する。図７に，デポ試験結果からの灰付着の流動不良発生温度，アグロメレーション抑制剤添加量およ成長指標の一例を示す。バイオマスA，BおよびCについて試

び流動材中アルカリ濃度の関係（流動不良抑制条件）を求めた 。

験を行い，結果を指標化した。評価対象であるバイオマスA

図４に，FF試験結果からの一例を示す。炉内温度が高いほでの灰付着成長速度は，基準となる既設実機バイオマスB（灰

ど必要添加剤量も多くなっている。

付着成長速度大）とバイオマスC（灰付着成長速度小）の中間で３デポ試験装置CFBボイラにおいて，火炉燃焼ガスとともにサイクロンで未補集の燃焼灰や微粒の循環材は，サイクロンからバックパ

あり，バイオマスAは， 過熱器灰付着に関して実機適用可能な燃料と判断される。

４

CFB パイロット試験機

スへと移動する。過熱器は，バックパス煙道内を横切るよう

既述のFF試験装置およびデポ試験装置を用いた流動不良な形で設置され，燃焼ガスとの熱交換の効率を上げるようにと過熱器灰付着に関する評価のみでは，CFBボイラ実機での設計されている。

すべての挙動を評価することは難しいことから，より実機にバイオマス燃料を燃焼させる際に発生するガス中には，気近い規模および条件での長時間の検証が必要である。

化したカリウム化合物およびナトリウム化合物が含まれていそこで当社では， CFBボイラの実機を模した試験機を用る。長沼⑵によれば，これらが燃焼ガスよりも低温である過いて各種燃料での最終的な検証試験を行っている。図８に，熱器表面で急激に冷却 - 凝縮 - 液化し，バックパス内を通過

CFBパイロット試験機を示す。

する燃焼灰や循環材を付着し，捕捉することで，時間の経過

本試験装置は，高さ約20 m，内径0.6 mの炉に燃料供給ライとともに過熱器表面で灰付着成長が起こるとしている。図５

ンから形状（ペレット，フラフなど）
や性状などが異なる多種に，灰付着原理を示す。この過熱器表面での灰付着が進行す

多様な燃料を炉内へと供給可能である。隣接する中央操作室

ると，過熱器の熱交換効率の低下やバックパス閉塞が起こり，にて試験機の各種指示数値（温度，圧力および排ガス中成分

通風不良などの問題が生じる。

濃度）の監視ができるだけでなく，運転状況に応じた燃料供

バイオマス燃料は，同類燃料であっても産地によって大きく成分性状が異なり，過熱器に対する灰付着成長速度も異な

給量，空気量および砂や添加剤などの供給量を適宜変更調整
することが可能である。

るものと考えられる。このことから，過熱器灰付着に対する

また，過熱器灰付着性に関しては，実機と同材質の空冷式リスクを評価するには，灰付着成長速度を定量的に評価する

プローブをループシール部やバックパス部に設置し，設置箇ことが重要である。

所の温度およびプローブ材質表面温度を実機相当に調整した

そこで当社では，CFBボイラにおけるバイオマス燃料燃焼
7

アルカリ成分などの気化

溶融灰粒子の付着

0.0

図４

Na
K

燃焼
溶融灰の生成ガス流れ

流動不良温度（℃）

燃料

条件で暴露試験を実施することにより評価している。
住友重機械技報 No.177 2011

論文・報告図６

デポ試験装置
Deposit test equipment

図８

CFB ボイラ燃焼技術開発

CFBパイロット試験機
CFB pilot test facilityの評価が可能である。
８（3）過熱器灰付着に対しては，デポ試験装置を用いたリス

灰付着成長指標（−）７５（4）CFBパイロット試験機では，長時間燃焼試験を行うこ

４とにより燃焼プロセス，排ガス特性および過熱器灰付着

３性などの評価が可能である。

２（5）CFBパイロット試験機を用いて，各種燃料での運転に

１
０

図７

ク評価および灰付着成分の評価が可能である。

６

バイオマス Aバイオマス Bて生じる問題点を抽出し，FF試験およびデポ試験結果

バイオマス Cを踏まえた運転条件の見直し再検証を繰り返すことで，問題発生リスクを最小限に低減したCFBボイラ運転プ

デポ試験結果（灰付着成長指標）
Deposit test result (Ash deposition growing index)

ロセスや設計を実機計画にフィードバックしている。
（参考文献）

本試験機を用いた検証試験では，①燃焼プロセス評価として試験運転中の温度・圧力トレンド解析，採取サンプルの分
析および試験後の試験機各所点検②排ガス性状評価として(1)

H.J.M.Visser,The influence of fuel composition on agglomeration

behavior in fluidized-bed combustion,ECN-C-04-054,2004,８,ECN.
(2)

長沼宏,固体燃焼ボイラにおける灰付着低減技術, 火力原子力発電,

60-633,2009,p.24〜30.

バグフィルタ出口や煙突入口に設置した排ガス分析計による
窒素酸化物，硫黄酸化物および塩化水素などのガス中成分濃度トレンド解析③過熱器灰付着性として試験機に設置したプローブの試験後外観観察および各種測定・分析（肉厚寸法測定，SEM（走査型電子顕微鏡），EDX（エネルギー分散型X
線分析）
，EPMA
（電子線マイクロアナライザ））などを実施し，総合的な想定実機の評価を行っている。

５

むすび（1）当社では，各種バイオマス燃料を燃焼させる際に発生が懸念される流動不良や過熱器灰付着といった問題に対して，FF試験装置，デポ試験装置およびCFBパイロッ
ト試験機を用いて総合的な評価を行い，実機計画に反映させている。
（2）流動不良に関しては，FF試験装置を用いたリスク評
価および温度・添加剤・循環材中アルカリ濃度の関係性
住友重機械技報 No.177 20118

省エネルギー・環境保全特集

論文・報告

CFB 燃焼技術を用いた再生可能燃料の混焼・有効利用について

CFB燃焼技術を用いた再生可能燃料の混焼・有効利用について
Co-combustion and The Effective Utilization of Renewable Fuels Using CFB Combustion Technology
●渡

邊

建

聖＊

Takemi WATANABE

伊

藤

一

芳＊

Kazuyoshi ITO

中

谷

好

宏＊

Yoshihiro NAKATANI

Figure １

Typical biomass CFB boiler configuration

バイオマスなどの再生可能燃料の有効利用は，地球温暖化防止の観点から，電力・動力源の化石燃料の代替燃料として注目されている。一方で，再生可能燃料の利用促進にはいくつかの課題があることから，発電事業用あるいは大型動力用ボイラでは再生可能燃料の利用が進んでいない。これらの課題を解決するべく，当社は技術提携先のFoster Wheeler社が保有する循環流動層（CFB
Circulating Fluidized Bed）
ボイラ技術をもとにした混焼技術を発展させた。当社の混焼技術は，客先ごとに異なる燃料事情に最適な混焼条件を提供できるものである。
本報では，当社の混焼技術とCFBボイラ技術の環境負荷低減に対する貢献をいくつかの実例とともに示すものである。
（なお，本論分は，Renewable Energy World
Asia 2010での発表論文内容より再構成した）。

１

BACK GROUND IN JAPANFor the world wide request of mitigating global warming
under Kyoto protocol, usage of renewable energy is promoted
in Japan especially after the year of 2000.

9

For the prevention of global warming, the effective
utilization of renewable fuels such as biomass for
power utility is focused for an alternative to fossil
fuels. Conversely, utilizing those fuels for power utility
is restricted by problems in both quantity and quality.
Sumitomo Heavy Industries (SHI) has developed anadvanced co-combustion technology for renewable fuelutilization, which is based on the circulating fluidized bed(CFB) boiler technology licensed by Foster Wheeler. The
advanced technology is capable of utilizing renewablefuels with various customers requests. This paper
describes SHI’s advanced co-combustion technology andcontribution to the prevention of global warming with
our experiences. (This paper has been reconstructedbased on the content of the paper presented at the
Renewable Energy World Asia 2010 exhibition.)

Eco-friendly fuel. In addition, since the fossil fuel prices
are getting higher and higher in these recent years, costcompetitive renewable fuels utilization in stead of the fossil
fuels is in demand.
On the other hand, unique characteristics of those fuels

Biomass and some of the other renewable fuels (theand its collecting problem sometimes hang around about

rest is omitted as “renewable fuels”) are well known as

renewable fuels utilization for users especially power boiler＊エネルギー環境事業部

住友重機械技報 No.177 2011

論文・報告 CFB 燃焼技術を用いた再生可能燃料の混焼・有効利用について

Table １SHI’s CFB boiler delivery record
Main steam condition

Fuel mixing ratio (% thermal basis)

Startup

Referenceyear

Project

Flow(t/h)

Temp.(deg C)

Press.(MPa)

Coal

1988

OHM

35

485

6.1

100

1988

CHF

54

500

10.8

100

1989

NSH

250

571

12.5

100
100

Pet-Coke

Biomass

TDF

RPF,Plastic

1989

NDH

150

541

12.3

1990

KGW

225

543

10.3

100

(15)

1995

SF4

120

540

12.1

100

(15)

1996

NSK

96

541

10.3

100

1999

SOK

230

541

12.8

100

2001

IPS

475

569/54117.0/3.6

100

2003

VND

205×２

540

12.7

100

2004

SMP

196

513

10.1

30

2005

TPS

525

569/54117.0/3.5

100

2005

KPS

237

541

12.8

100

2005

BCG

220×３

540

9.8

100

2006

HKP

195

513

10.0

40

2006

ONC

130

541

11.5

2006

CPF

130

530

12.2

2007

NPF

230

505

2007

DOP

300

541

2007

NPI

230

2007

NDT

180

(30)
(20)
(20)
70

60

３

17

80

22

６

60

10.2

20

60

12.6

70

505

10.2

40

480

7.8

90

2008

TPI

65

450

6.2

2008

KMH

250×２

540

12.7

70

2008

NPA

170

510

10.2

2008

NPS

280

536

2009

OPT

300

485

2009

NDN

280

2010

TRE

156

2010

JOP

2011

KBP

Sludge

３
12
20

30
40

20

10
70

30

22

54

20

３

１

12.7

85

９

５

１

6.9

49

30

21

535

9.8

90

10

541

10.3

80

20

200

541

12.9

94

137

513

10.2

30

３

2012

TBS

450

510

10.5

80

20

ABP

80

493

6.2

30

60

2012

CPH

130

541

12.9

100
30

2012

GKB

25

453

5.4

GHA

25

453

5.4

３

100

2012

2012

２

10
(16)

(1.5)

70
100

on condition that high temperature and pressure steam

appropriate CFB boiler to meet each customer’s situation.

condition.

Concretely, renewable fuel co-combustion with coal or

Because, generally, renewable fuels have quite low heatingsome of the other renewable fuels only becomes one of thevalue and contain much corrosive components and foreign

solutions to this kind of problem.

materials, there are risk for stable combustion and plant
operation. In addition, all these fuels are spreading over thegeographically elongate shape island country and it makes
difficult to collect single fuel for the plant.
Therefore, in order to utilize renewable fuels for power
station, there are two major design requirements as follows;２

EXPERIENCES

In order to satisfy the design requirements described in
section 1, SHI developed co-combustion technology with CFB
boiler (Foster Wheeler technology).
SHI has supplied 18 renewable fuel co-combustion(1) Utilize renewable fuels for high temperature and

CFB boilers up to mid of 2011. Currently, 3 boilers arepressure boiler with taking measures to deal withconstruction stage and 2 boilers are design stage. 4

corrosion mitigation, contamination removal and soboilers are equipped with renewable fuel feed system afteron.

commercial operation.

(2) Co-combustion technology such as utilizing variety

SHI’s CFB delivery records are shown in Table 1. Andof fuels and its flexible mixing ratio change is strongly

typical biomass CFB boiler configuration is illustrated inrequired in case of large power generation in Japan.

Figure 1. From the developing history aspect, Table 1 is

For the purpose of solving these problems, SHI provides anrearranged in Figure 2.
住友重機械技報 No.177 201110

論文・報告 CFB 燃焼技術を用いた再生可能燃料の混焼・有効利用について

t/hCommercial CFB boiler

Steam output

300

Wood
（60）
RPF
（20）
Coal
（20）

Wood
（70）
Coal
（30）

200

Veriﬁcation in pilot plant
Wood

TDF

RPF

2002

Figure ２

2.1

Fluﬀ plastic
（50）
RPF
（20）
, Wood（12）
Sludge（5）, Coal
（21）

TDF
（40）
, RPF
（20）
Sludge, Coal
（40）

Wood
（30）
, Bark
（30）
TDF
（7）
, RPF
（5）
Sludge（3）, Coal
（20）

TDF
（80）
Wood
（17）
Sludge
（3）

100

TDF
（50）
Coal
（50）

2004

TDF
（60）
, RPF
（15）
Wood
（5）
, Coal（20）

Wood/Living
tree
（100）

TDF
（50）
Wood
（50）
Plastic

Fluﬀ plastic
2006

2008

2010

YEAR

The development history of SHI’s renewable fuels utilizing CFB boiler

Biomass co-combustion experiences

Renewable fuels contain foreign and/or corrosive
components. For example, wood contains building materials,
nail and hinge etc. In case of Tire Derived Fuel (TDF), beadand radial wires are included. In addition, those renewable

Figure ３

Step gridsuperheater, severe corrosion should be occurred due to its
high metal temperature. Accordingly, INTREX is conducted tothese renewable fuel boilers.

３

COMBUSTION TEST

fuels often contain some of corrosive components such

SHI has own CFB pilot test facility in SHI’s NIIHAMAas chlorine, sodium, potassium and the other hazardous

works in Japan. Table 2 shows the main features of thecomponents.

facility.

Those foreign materials become a trigger of poor bed

SHI developed co-combustion technology based

fluidization and circulation, blockage of bottom ash discharge

on coal combustion experiences with this pilot testfrom furnace bottom area and damage of furnace water wall

facility and actual commercial plant.

tubes. And severe corrosion on furnace and superheater

each fuels evaluation, co-combustion condition, burning

heating surface may be caused by corrosive molten salt

characteristics, corrosion data, ash characteristics etc. areformation. As a result, those troubles prevent stableevaluated with this test facility.

continuous boiler operation.

Starting from

Consequently, not only biomass but also the other up

Therefore, contamination control and countermeasurements

coming renewable fuels utilization has been achieved.

against corrosive materials become primary importance.

The plant overview and schematic flow diagram of the

For the above trouble potential, special attention andtest facilities are shown in Figure 4and 5 respectively.

consideration is taken into the boiler design.

The pilot test facility has approx. 1 MW thermal input

Regarding the contamination trouble, step grid nozzle iscapacity. The unit has been designed and extensively

effective solution. Step grid is located at furnace bottom.

used in developing support data for a design ofSince step grid has stair-like configuration (See Figure 3),commercial plant scale boiler by firing a variety of solid

heavier foreign materials are roll down on the step gridfuels such as any kind of coal, sludge, biomass, refusedsurface and discharged from furnace bottom via large size

plastic fuels, tire and so on.

opening of step grid.

SHI has been developed not only coal combustion

In addition, Foster Wheeler’s patent superheater called

and also co-combustion with the other fuels such as

superheater (the rest is omitted as “INTREX”)

demolition wood, bark, Palm Kernel Shell (PKS), sludge,

INTREX

TM

functioning against corrosion.

TDF and Refuse Paper and Plastic Fuel (RPF). Actually, as

INTREX is installed in the refractory covered box whicha result of the combustion test, SHI has been developed

located in the lower part of boiler and the inside of the box

TDF and biomass combustion technology and suppliedis always filled with hot circulating materials. Since INTREX

those boilers without any difficulties in plant operation.

tubes are submerged under the hot circulating materials,

Since the test results have been utilized to SHI’s CFB

those high temperature tubes are never exposed to corrosive

boiler design, those knowledge enable SHI not only toflue gas phase and are protected from severe corrosion.

do sure boiler design but also extend CFB combustion

If a conventional type superheater is selected as a final
11

Agro-biomass

technology.
住友重機械技報 No.177 2011

論文・報告 CFB 燃焼技術を用いた再生可能燃料の混焼・有効利用について

Table ２Main feature of the pilot test plant
Unit

Notes

Furnace inner diameter

Items

mm

600

Furnace heightm

20

Thermal input

MW

Approx.１

Over view of CFB boiler pilot facility

Figure ４

Flue gas measuring point
Back pass
CycloneSand &
Limestone

Fuel bankers

M

M

M

M

M

M

IDF
M

Air

M

FIC
FIC
FDF

FIC

FurnaceWind box

Combustion air feed system

The flow diagram of CFB boiler pilot facility

Figure ５

These experienced data is fully reflected to the reliable
CFB commercial plant design.

４

Bag house

renewable fuel utilization in CFB boiler contributes to
CO2 emission reduction.
(3) In order to expand the source of available renewable

CONCLUSIONS

fuels, well understanding of the characteristics of(1) It is considered that it takes long time to conduct

each fuel is required. SHI has been developed the

CO 2

CFB and renewable fuel utilization technologies

Capture and Storage (CCS) to the industrial powerin accordance with Foster Wheeler and CFB pilot

plant.

combustion test results.

the emission friendly technologies such as

		 On the other hand, there is no time to reduce CO2

SHI will keep on supplying ECO-friendly biomass CFB

emission due to global warming. From the above

boiler and added value solution to customer from now

point of view, since the renewable fuels are carbon

on.

neutral, the technology of renewable fuel utilization
in indispensable technology.
(2) It has been proven that CFB technology has great
potential to utilize not only low grade coal, butalso a variety of renewable fuels. And eventually,
住友重機械技報 No.177 201112

省エネルギー・環境保全特集

論文・報告

メンブレンパイプ式超微細気泡散気装置

メンブレンパイプ式超微細気泡散気装置
Ultra Fine Bubble Membrane Tube Diffuser System
●松

﨑

祐

子＊

Yuko MATSUZAKI

ブロワ

F

B

空気管

ライザ−管

ヘッダー管

散気装置

反応タンク

メンブレンパイプ式超微細気泡散気装置（D-2000）
Ultra Fine Bubble Membrane Tube Diffuser System (D-2000)

下水処理プロセスでは，反応タンクに大量の空気を送る送風機設備で多くのエネルギーを消費する。その電力消費量削減に大きく寄与する技術の一つに，超微細気泡散気装置があげられる。超微細気泡散気装置とは，非常に微細な気泡を発生させることで酸素を効率的に水に溶解させ，必要空気量を大幅に削減するものである。メン
ブレンパイプ式超微細気泡散気装置は，メンブレンに耐久性の高い特殊シリコンゴムを用いることで，電力消費量の削減に加えて装置の長寿命化を実現しており，採用が増加している。
本報では，メンブレンパイプ式超微細気泡散気装置の深槽式反応タンクへの適用性を評価し，その電力削減効
果と撹拌性能を確認したので報告する。

１

13

まえがき

In the sewage treatment process, air blowers consume
large amount of energy to send air to reaction tanks.
One of the technologies that substantially contributeto reducing power consumption of the blowers is anultra fine bubble diffuser system. The ultra fine bubble
diffuser system drastically reduces the required amountof air by generating ultra fine bubbles and efficiently
dissolving oxygen into water. The ultra fine bubble
membrane tube diffuser achieves of a reduction power
consumption and extends system life by using special
silicone rubber membrane with high durability, andis adopted in an increasing number of applications.
This paper reports the results of evaluation of theapplicability of the ultra fine bubble membrane tube
diffuser to deep reaction tanks, and validation of its
power reduction effect and agitation performance.

ーを消費する。その電力消費量削減に大きく寄与する技術の一つに，超微細気泡散気装置があげられる。非常に微細な気地球温暖化防止対策の一層の推進が求められるなか，下水泡を発生させることで酸素を効率的に水に溶解させ，従来の処理事業においても，省エネ・新エネ対策の導入などによる散気装置に比べて送風量を大幅に削減することで，電力消費

温室効果ガス排出量の削減を進めていく必要がある。

量，温室効果ガス排出量の削減に貢献できる。

下水処理プロセスでは，反応タンクに空気を吹き込み，生超微細気泡散気装置の中で主流となっているのは，微細な物処理に必要な酸素供給を行う送風機設備で多量のエネルギ孔を有するメンブレンから散気するものである⑴⑵。メンブレ＊住友重機械エンバイロメント株式会社

住友重機械技報 No.177 2011

論文・報告1

D-1000タイプ

メンブレンパイプ式超微細気泡散気装置

燃料由来のガス成分が，循環材粒子表面に凝縮，低融点のコーティング層を形成し，その粒子同士が凝集する。

燃料由来のガス成分

散

気

低融点コーティング層形成

粒子表面に凝縮部

粒子同士が凝集

循環材

取

2

付

部

燃料由来の低融点灰が，循環材同士を凝集させる。

燃料由来の低融点灰粒子同士が凝集

粒子表面に凝縮

散

気

部

循環材

ヘッダ管

(

)内はオプション
名

図１

型式

外径
(mm)

全長
(m)

散気部長さ
(m)

重量
(kg)

D-1000

66

1.2

1.0

1.70

D-1500

66

1.7

1.5

2.25

D-2000

66

2.2

2.0

2.75

主な仕様
Specifications of diffuser

本

超微細気泡

材

質

体 ポリプロピレン

メ ン ブ レ ン 特殊シリコンゴム
バ

ン

＊１

ド SUS304相当(SUS316相当)

固 定 金 具 SUS304相当(SUS316相当)＊１：軟化剤(可塑剤)を含まない

図２

●散気時

称

構造と材質
Configuration and materials

によって水槽内の撹拌を行うことができる。
（2）メンブレンパイプ式超微細気泡散気装置
図１に，メンブレンパイプ式超微細気泡散気装置の主な仕様を，図２に，構造と材質を示す。

スリット開
ヘッダ管

スリット開

本散気装置は，ポリプロピレン製の円筒本体の両側に空気分配溝

散気部を有している。散気部は，本体を特殊シリコンゴ
ム製の円筒状メンブレンに差し込み，バンドでメンブレ
ン両端を締めつけた構造である。メンブレンには超微細●停止時気泡を発生するスリットが多数設けられている。
散気装置中央の取付け部をヘッダ管の取付け用接続穴に差し込み，ヘッダ管に固定することにより，簡単に取本体
バンド メンブレン

図３

り付けられ，継手や散気装置用架台などは不要である。

スリット閉装置本体を円筒形状にすることで，散気時に生じる装置への浮力を最小にして浮力による振動などを防止する

散気原理
Principle of foaming

とともに，撹拌時の流れの抵抗を抑制する効果がある。
また，本体には３種類のラインナップがあり，反応タン
クの形状にあわせて効率的な配置設計ができる。

ンパイプ式超微細気泡散気装置は，メンブレンに耐久性の高い材質を採用することで，装置の長寿命化を実現している。

（3）散気原理
図３に示すように，散気性能を左右するメンブレンは ，高効率，高耐久性の散気装置として主に標準式反応タンク
で採用が増加しているが，今回，深槽式反応タンクへの適用

空気が供給されていないときには，収縮により円筒状本性を評価し，その電力削減効果と撹拌性能を確認したので報体に密着する。それに伴いスリットが閉じることで，汚告する。

水がメンブレン内側に浸入しにくくなり，内側からの目

２
2.1

詰まりリスクが低減する。

技術の概要

一方，空気が散気装置中央部のヘッダ管から散気装置

適用範囲に供給されると，装置に設けられた空気分配溝によって ，下水処理設備における反応タンク散気装置として，新設 ，メンブレン先端まで均一に分配される。本体とメンブレ増設，改築および更新などに適用する。

ンの間の空気圧が高くなると，メンブレンが膨張してス

2.2

リットが開き，そこから超微細気泡が発生する。スリッ

装置の概要

トは，空気供給量が大きくなると，その開度が大きくな（1）全体構成る構造になっている。

送風機により吸引され，フィルタを通った清浄な空気は，空気管を通って反応タンクに送られる。反応タンク

水中への酸素移動効率が高くなる理由として，気泡がでは，ライザ管にて池底部近くまで送られ，さらにヘッ

超微細化することで大きな比表面積が確保でき，気泡の水中滞留時間が長くなることがあげられる。

ダ管にて分散される。その後，ヘッダ管に設置された散気装置から超微細気泡として散気される。気泡が水中に滞留することで酸素が供給されるとともに，気泡の上昇

2.3

運転方法

本散気装置は散気停止時の目詰まりが生じにくく，運転可
住友重機械技報 No.177 201114

流動不良温度（℃）

論文・報告

800

酸素移動効率特性（清水，散気水深５ｍ）
Measurements of oxygen transfer efficiency in freshwater

0.0

空気倍率
（m3/m3）

6.0

1.0

5.0

2.0
3.0
4.0
14
12
アグロメレ−ション抑制剤添加量

30％ 削減4.0

メンブレン引張強さ（MPa）

図４

メンブレンパイプ式超微細気泡散気装置

3.0
2.0
1.0

セラミック散気板での運転

0.0−150 −120 −906030

本散気装置での運転
0

30

60

90

120 150 180 210 240

5.0

10
８
６
４
２
０

１

２

３

本散気装置の運転日数（日）図５

空気量削減効果
Effect of reduction in air/wastewater ratio by installation of
Ultra Fine Bubble Membrane Tube Diffuser

図６も容易に行うことができる。

3.1

５

６

７

８

９

10

メンブレンの物性評価結果
Tensile properties of membrane

これらを根拠として，10年以上の長期安定運転が期待で
きる。
3.3

特長

槽内の確実な撹拌散気装置には酸素を供給するほか，反応タンク内を混合撹

高い酸素溶解性能

拌する機能が求められる。本散気装置は，本体が円筒状で流生物処理に必要な空気量を削減することで，ランニングコれを阻害しないので，少ない風量でも槽内を効率的に撹拌でストの削減と地球温暖化防止に貢献できる。図４に，本散気きる。風量制御範囲が広く高風量での運転もできることから ，装置の酸素移動効率特性を示す。散気水深５mにおける酸素処理方式にあわせた設計で効率的な散気・撹拌が可能である。

移動効率は，全面エアレーション式で31～33 %，旋回流式
（標

3.4

準式）
で22～31%と，セラミック散気板（旋回流式で14～16%）⑶に比べて大幅に向上している。
セラミック散気板が稼動していた国内下水処理場の反応タ
ンクに本散気装置を導入し，導入前後で空気量を調査した。
図５に，結果を示す。
散気板での運転時には約4.6倍だった空気倍率が，本散気装
置導入後には約3.2倍となり，同等の処理条件で空気量を30 %削減できた。
3.2

長期の安定運転

高温空気や排水中の油分などによる材質劣化リスクを最小化した，高耐久性の特殊シリコンゴム製メンブレンを採用している。さらに，発泡部をスリット構造として微生物などによる目詰まり（圧損上昇）
リスクを軽減している。
図６に，メンブレンの物性評価結果を示す。長期間使用したメンブレンでも劣化傾向はなく，十分な強度を有していた。
図７に，海外および国内の処理場における圧力損失の経年

15

４

使用年数
（年）

能な通気量の範囲が広いので，間欠運転や硝化促進運転など

３6.0

更新コストの大幅低減

散気装置の更新時には，本体をそのまま使用し，メンブレ
ンのみを交換することができるので，低コストでの更新および長寿命化が可能である（図８）。
また，高い酸素移動効率により必要空気量が減少することで，送風機の更新時には，小型化や台数削減による大幅なコ
スト低減が望める。

４

深槽式反応タンクへの適用

本散気装置の深槽式反応タンクでの性能を評価するべく，試験水槽で性能試験を実施した。
4.1

試験設備

試験水槽に隔壁を設置し，本散気装置を水槽の片側に配置
して深槽旋回流方式とした。表１に試験条件を，図９に設備の外観を示す。
4.2

試験内容（1）酸素移動効率変化を示す。ここで示されている圧力損失には配管類の圧力/ m・h）
で酸素移動効率の測定
通気量範囲2.1～6.4 Sm3（

損失も含まれ，処理場間で値に差があるが，長期にわたってを行った。非定常法によって基準条件(清水 20℃，溶存

急激な上昇はなく安定している。

酸素濃度０ mg/L)における総括酸素移動容量係数を求め ，
住友重機械技報 No.177 2011

論文・報告12
散気装置圧力損失※（kPa）

表１※ 配管，弁類の圧損含む10

メンブレンパイプ式超微細気泡散気装置

深槽試験条件Measurement conditions of oxygen transfer efficiency

エアレーション方式

深槽旋回流式（隔壁有）

槽形状

幅３ m×長10 m×水深10 m

散気水深

８
６

処理場名

Kriftel（０−７・間欠）
Mainz（４−10）
Bad Vilbel（４−10）
Karben（４−10）
Lingen（５− ９）
K 処理場（３− ６）
Wilhelmshaven（３− ６）

４
２
０
０

１

２

３

４

５

６

散気装置仕様使用風量負荷（m3（m・h））

７

Iserlohn（０− ９・間欠）
Russelsheim（４−10）
Schladen（４−10）
Noerdlingen（０− 10・間欠）
Syke（０− ７・間欠）
H 浄化センター（３− 10）
Hannover

８

５m
寸

法

φ0.066 m×２ m（D-2000）

本

数

20本

占有面積比

10 %

散気水深

５m

９

10

図９

深槽試験設備Test facility

運転時間
（年）

図７

圧力損失の経年変化
Temporal trend in pressure loss

図８

メンブレンの交換方法
Replacement of membranes

酸素移動効率を計算した。

（4）深槽式反応タンクに対する適用性評価を行った結果，（2）撹拌能力

酸素移動効率は25～34 %と高く，槽内も十分に撹拌でき撹拌能力の評価指標として，槽底部（底面から10 cm）のた。深槽式反応タンクにおいて，より高い省エネ効果を流速を測定した。三軸流速センサにより，流速の瞬時値4.3発揮できることを確認した。

を１分間×３回測定した。１分間の平均値として得られ本散気装置は高い省エネ効果と耐久性が評価され，近年採た幅方向，長さ方向および深さ方向の３成分の流速から用が増加している。現在までに国内下水処理場で38件（農集

合成流速を求めた。

排含む）の実績がある。2010年３月には公的な技術評価として，試験結果

財団法人下水道新技術推進機構の建設技術審査証明（下水道

深槽式反応タンクにおける酸素移動効率は25～34 %で，標技術）を取得した⑷。

準式反応タンクよりさらに高い性能を有し，空気量削減に有

さらに，電力消費量削減効果をより向上させた高効率型メ効であることが示された。底部流速は汚泥が堆積しない毎秒

ンブレン，初期の圧損を低下させた低圧損型メンブレンも新10 cm以上を確保しており，槽内の撹拌能力も十分に有してたに開発し，高密度配置や既設ヘッダ管を流用した長寿命化

いた。

対策など，さまざまなニーズに対応可能となった。今後も本５

むすび

散気装置の拡販を推進し，地球温暖化防止対策に貢献していく所存である。

（1）酸素移動効率が全面エアレーション式において平均31～33 %，旋回流式（標準式）
において平均22～31 %（散気水（参考文献）

深５m，清水）と高いことから，必要空気量の削減による(1)

電力削減効果が期待できる。実処理場で30 %の必要空気量削減を達成した。
（2）流れを阻害しない本体形状であり，反応タンク内の活性汚泥混合液を効率的に撹拌できる。
（3）メンブレンのみの交換が可能な構造で，低コストでの更新・長寿命化が可能である。

財団法人下水道新技術推進機構, メンブレンパネル式散気装置技術マニュアル, 2004,p.４～30.
(2)
書
(3)

財団法人下水道新技術推進機構,建設技術審査証明(下水道技術)報告
超微細気泡メンブレンディフューザー,2007.
日本下水道協会,下水道施設計画・設計指針と解説

後編

2001年

度版,2001,p.93～96.
(4)
書財団法人下水道新技術推進機構,建設技術審査証明(下水道技術)報告
メンブレンパイプ式超微細気泡散気装置,2010.

住友重機械技報 No.177 201116

省エネルギー・環境保全特集

論文・報告

テーパーインペラ式撹拌機

テーパーインペラ式撹拌機
Tapered-Impeller Type Mixer●鈴木茂＊

Shigeru SUZUKI

テーパーインペラ式撹拌機（深槽用）
Tapered-Impeller type Mixer(For deep tank)

近年，栄養塩類(窒素・りん)が閉鎖性水域に多量に流れ込むことによって発生する富栄養化を原因とした赤潮や青潮が問題となっている。下水の高度処理では，反応タンクに従来の好気槽に嫌気・無酸素槽を組み合わせることで効率的に窒素やりんの除去を行っている。嫌気・無酸素槽での運転では，水中撹拌機による撹拌が主流であるが，その撹拌機は撹拌動力が大きく，水中部設置のため保守点検作業が多いなどの問題が指摘されている。
本報では，これらの問題を解決するべく，省エネ，省メンテおよび省リプレイスを商品コンセプトとしたテーパーインペラ式撹拌機を商品化して，下水処理施設反応タ
ンクでの適用性を検証した結果を報告する。

１

17

まえがき

Recently, red tide or blue tide caused by eutrophication due to massive inflow of nutrient salts(nitrogen, phosphorus) into closed water areas has
become an environmental problem. Advanced sewage
treatment removes efficiently nitrogen and phosphorus
from sewage by using a reaction tank consisting of aconventional, aerobic tank and an anaerobic/anoxic
tank. The anaerobic/anoxic tank operation is generally
performed through agitation by a submerged stirrer.
However, the submerged stirrer has disadvantages
such as the necessity of various maintenance andinspection work because it requires large agitation
power and is installed underwater. This paper
reports the results of commercialization of a taperedimpeller stirrer under the product concept of energy
saving, maintenance saving and replacement saving
in order to solve these problems, and verification of
its applicability to a sewage treatment plant reactiontank.

中の窒素とりんの除去を目的に下水高度処理プロセスが導入されている。下水高度処理プロセスでは，従来の好気槽に嫌

閉鎖性水域では，富栄養化を原因とする赤潮や青潮が発生

気・無酸素槽を組み合わせた反応タンクで効率的に窒素とりしており，十分な水質改善が進んでいない。このことから，んを除去している。好気槽での運転は散気装置による酸素溶

原因物質である窒素やりんの負荷軽減が求められている。下解，嫌気・無酸素槽での運転では水中撹拌機による撹拌が主

水処理プロセスの反応タンクでは，散気装置などで汚水中に流である。嫌気・無酸素槽の水中撹拌機は，槽内を良好に混

酸素を溶解させている好気槽にて微生物（活性汚泥）により汚合撹拌できるが，撹拌動力が大きく，駆動部を含めた撹拌機

水中の有機物を処理するが，さらに富栄養化対策として汚水が水中に設置され，高速回転していることから，保守点検時＊住友重機械エンバイロメント株式会社

住友重機械技報 No.177 2011

論文・報告

電動機
減速機
スカート
架台

軸受

テーパーインペラ式撹拌機

駆動装置
スラブ上
設置場所
撹拌動力密度 標準槽 ２ W/m3 程度
深 槽 ２ W/m3 程度
電動機＋減速機
駆動方式

撹
材
寸

拌

質
法

軸
SUS316 相当
φ50 〜 150 mm

イ ン ペ ラ
材
質
インペラ径
インペラ数
回 転 数
設置高さ

SUS316 相当
1.5 〜 5.0 m
２枚 × １段
10 〜 25 rpm（定速回転）
底部から１ 〜 ２ m 程度

撹拌システムの全体構成
Configuration of Mixer

図１

処理場
処理方法
計画処理水量
第１ 槽

第２槽

第３槽

第４槽

第５槽

第６槽

第７槽

湖南中部浄化センター
４系水処理設備 ４−１系列
凝集剤添加多段ステップ硝化脱窒法
6 500 m3/d・系列

第８槽

A

9 000

試験水槽
測定箇所
水中撹拌機

水中撹拌機

水中撹拌機

散気装置

水中撹拌機

散気装置

テーパーインペラ式撹拌機
A

平面図

水中撹拌機 水中撹拌機

10 051

水中撹拌機

散気装置

散気装置

テーパーインペラ式撹拌機
5 100

5 100

7 100

7 100

9 100

9 100

8 100

断面図

図２

2 300

水中撹拌機

9 000
A−A 断面図

試験場所撹拌機配置図
Agitator arrangement at test siteの吊上げ・吊下ろし作業の負担が大きく，交換部品や交換頻シミュレーションによる撹拌性能予測方法や，大地震時の影度が多いなどの問題が指摘されている。

響についても評価する。

そこで，これらの問題を解決するべく，汚泥消化槽の撹拌機として多くの実績を有するインペラ式撹拌機を反応タンク用に改良して，省エネ，省メンテおよび省リプレイスを商品

２
2.1

装置の概要
テーパーインペラ式撹拌機の概要

コンセプトとしたテーパーインペラ式撹拌機を商品化した。

図１に，テーパーインペラ式撹拌機の概略仕様を示す。駆効率のよいテーパー翼形状のインペラを低速回転させるテー

動装置，撹拌軸およびインペラからなるシンプルな構造を有パーインペラ式撹拌機の導入により，低動力化およびCO2削しており，水中部に軸受や振れ止めなど支持構造やバッフル減が図れる。また，駆動装置を槽上部に設置することで水中板などの整流機構が不要である。

部メンテナンスフリーとし，保守点検作業の大幅低減が可能

槽内でのインペラによる撹拌は次のように行われる。インとなる。さらに，低速回転により軸受などの交換部品・交換

ペラの回転により作り出される強力な下向流を底部に衝突さ頻度が低減し，部品の長寿命化が図れる。

せ，底部上を側壁に向けて広がる流れを形成することによっ

本報では，実下水処理施設深槽反応タンクでのテーパーイて，汚泥の底部堆積を防止している。さらに，側壁近くではンペラ式撹拌機の長期実証運転によって，実下水での撹拌性

上昇流，水面近くでは撹拌軸への集中流，撹拌軸近くでは下能特性および長期運転特性を調査し，省エネ性，長期安定性

向流を作り出し，槽全体として図１のような強い循環流を作および維持管理性などについて，水中撹拌機と対比して評価り出している。この循環流により，槽内の均一な撹拌混合，を行ったので，その結果を報告する。さらに，補足的に流体

汚泥の底部堆積防止およびスカム成長を抑制する水面流の形
住友重機械技報 No.177 201118

論文・報告表１

テーパーインペラ式撹拌機

試験装置の仕様Specifications of testing mixer

モータ
入力動力

軸動力

インバータ
入力動力

軸受 操作盤

槽

電源

水

インバータ

電動機
減速機
スカート
架台

項 目
系
列
流 入 水
寸 法
縦横比
容 量
撹拌方法

撹拌軸

駆動部一体型
型 式
テーパーインペラ 型 式
FC, SUS304
材 質
SUS316相当 材 質
200 rpm
18rpm（5〜23rpm） 回転数
インペラ 回転数
インペラ数 ２翼 × １段 インペラ数 ４翼 × １段
インペラ径 約 800 mm
インペラ径 2 600 mm
底部から5.5 m
設置高さ
底部から2.3 m 設置高さ
撹拌軸

材

ガ イ ド
パ イ プ

9 000

重

3.6
m
0m

試

O

撹拌機

5.

１m ２m ３m ４m５m

材
寸

質 SUS304
法 φ860 × 5.2 m ×１

材
寸

質 SUS304
法 125 A × 12 m ×１
100 A × 12 m ×１
1 900 kg

900 kg

量

験

回

1.5 m

A

2.2 m

D 2600C
B

SUS316相当

質

ドラフト
チューブ

N〜 23 rpm

2 300

F

器

10 000機

インペラ

試験対象水槽
比較対象水槽４-１ 系列第７槽
４-２ 系列第７槽
流入水量6 500 m3/d MLSS 2 400〜2 600 mg/L
9.0 m（W）× 8.1 m（L）× 10.0 m
（H）
１：1.1
697 m3（ハンチ含まず）
水中撹拌機
テーパーインペラ式撹拌機
電動機 2.2 kW
電動機
7.5 kW
駆動装置
回転数制御 VVVF（試験用）

期

間

転

2009年６月末〜

数18 rpm

電動機入力動力

1.0 kW撹 拌 動 力 密 度

1.5 W/m3
開口（水面部平面）A

15

１m ２m３m ４m５m

3.0 m
1.0 m
0.1 m

15
流入

（長）8 100（底部平面）

図３

F1→F2の幅方向
水路流れ方向
深さ方向

0

9 00

Y
X
Z

試験条件と測定点
Testing condition and measurement point in the tank成ができる撹拌システムとなっている。

で，均一な流れを効率よく発生させるべく，特長のある

構造的特徴・材質を次に示す。

三次元的なテーパー翼形状としている。インペラの径・（1）駆動装置

回転数・設置レベルは水槽の形状や水深により決定する

駆動装置は，電動機，減速機，スカート部および架台が，インペラ径は1.5～５ｍ程度，回転数は10～25 r /mで構成され，反応タンクの上（槽上）に設置できる。

程度の低速回転で，設置レベルは底部上方１～２ｍ程度（2）撹拌軸駆動装置で発生する回転力をインペラに伝達するものであり，耐食性に優れたSUS316相当の材質を標準としが一般的な仕様である。

３

ている。

3.1

（3）インペラ

3.1.1

インペラは，２枚１段で，羽根の撹拌軸側から先端ま
19

DE
C B
8 100

X 方向
Y 方向
Z 方向

流出

テーパーインペラ

00

Y
X

00

2 000

5.0 m

2 000

撹拌機

（幅）9 000

B

2.2m

E
D
C

3.6 m
4.1
4. m
5m

7.0 m

10 051

F
C B

9.9 m
9.0 m

実施設での撹拌性検証
試験条件
試験実施場所

試験は，図２に示す凝集剤添加多段ステップ硝化脱窒法
住友重機械技報 No.177 2011

論文・報告テーパーインペラ式撹拌機

撹拌動力密度撹拌均一性

MLSS 濃度条

２ W/m3 以下
深さ方向分布の変動幅±10 ％以下

件

底部流速0.1 m/s以上（水面流速0.1 m/s以上）（MLSS安定）

長期安定性

動力 振動
底部流速

安定状態

回転数一定

維持管理性

保守点検項目
オイル交換時間

水中撹拌機と比べて省メンテ

オイル交換作業性
を調査

水処理性

硝酸性窒素
全窒素

水中撹拌機系列と比べて同等各測定点の測定項目
Measurement items at each measurement point

表３

測

定

点

中心からの距離 （m）
r
動
回

○

A

B

C

D

E

F

０

1.5

2.2

3.6

4.1

4.5

5.0

力
転

数

測 定 項 目水面 （水深 0.1m）
流

速 高さ方面（水深 １〜９m）
底部 （水深 9.9m）

2.5,
09/06/08,
09/08/26,
09/10/05,
10/04/27

2.0
1.5

,
09/07/16,
09/09/11,
10/02/04

3.0
2.0

1.0 kW

1.5 W/m3

0.5

1.0

0.0

0.0

0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0

撹拌動力密度（W/m3 ）

省エネ性

標

目

最低流速（m/s）

評価項目

底部 MLSS（mg/L）

試験項目

モータ入力動力（kW）

試験項目
Examinations items

表２

底部隅流速（E）

水面流速（C）

4 000

C 点で測定

3 500
3 000
2 500
2 000
1 500

水面 （水深 0.1m）

０

5

10

15

18 rpm 20

25

回転数
（rpm）

M L S S 高さ方面（水深 １〜９m）
底部 （水深 9.9m）
水中カメラ 底部 （水深 9.9m）
図３測定点記号表参照

図４

省エネ性能の最適化
Optimization of energy saving performanceの高度処理で運転されている滋賀県湖南中部浄化センターの４系水処理設備４-１系列反応タンク第７槽（後脱窒槽）を

目標値を設定して試験結果を評価した。

試験対象水槽として，既設の水中撹拌機１台をテーパーイ

底部流速の測定では，撹拌機中心部からの距離に対する変化

ンペラ式撹拌機１台に置き換えて実施した。既設の水中撹拌機が設置された４-１系列の隣の４-２系列第７槽をその比を測定するとともに，底部の隅を最低底部流速として測定し

較対象水槽とした。

撹拌機中心からの距離が異なるいくつかの点で高さ方向に対3.1.2

して実施した。ここでMLSSとは，反応タンクの浮遊物質を試験設備の仕様

表１に，試験対象水槽のテーパーインペラ式撹拌機と，

図３に試験条件と測定点を，表３に測定項目を示す。

た。MLSS（Mixed Liquor Suspended Solids）
濃度の測定は，表す。

比較対象水槽の水中撹拌機の仕様概要を示す。両水槽は同3.2形状で，容量が697m3，縦横比が１：1.1，水深が10 mの深槽

3.2.1

式反応タンク水槽である。
テーパーインペラ式撹拌機仕様は水中撹拌機と比べて以下の相違がある。
・駆動部が撹拌部（インペラ）と一体でなく，槽上に設置されているので，メンテナンスが容易。
・電動機出力が水中撹拌機電動機出力の1/10程度と省エネ化を実現。
・インペラ径が水中撹拌機の４倍程度と撹拌動力を小さくしやすい。
・インペラ設置位置が底部近くで，底部流速を確保しやす
い。

試験結果
省エネ性

図４に，インペラ回転数に対するモータ入力動力，底部
MLSS濃度
（C点）
，底部流速
（E点）
および水面流速
（C点）
の特
性を示す。
底部MLSS濃度では，濃度変動の影響が小さくなるインペ
ラ回転数は15 r/m以上である。底部流速はインペラ回転数に比例して増加傾向を示し，汚泥が堆積しない目安の流速とされる0.1 m/s以上を確保できる回転数は，余裕を考慮して８ r/m以上と判断した。一方，水面流速に関しても，インペラ回転数に対して比例的に変化し，底部流速の40 %程度の流速であった。底部流速と同様に0.1 m/s以上を確保するのに必要な回転数は，余裕を考慮して13 r/m以上と判断した。

・撹拌軸は必要だが，ドラフトチェーブやガイドパイプな以上の点を考慮し，MLSS濃度の変動や流入負荷が変動しどが不要となり，撹拌機全体質量は水中撹拌機の1/2程た場合でも安定した運転が行える最適な回転数は18 r/mとし度と軽量。

た。この場合のモータ入力動力は1.0 kW程度，モータ入力動

3.1.3

試験条件

力を槽容量で除した撹拌動力密度は，開発目標値２ W/m3よ

試験期間は2009年６月から2010年５月までとした。

り小さい1.5 W/m 3 とすることができる。水中撹拌機が６～

表２に示すように，省エネ性，撹拌均一性，長期安定性，

10 W/m3であることを考慮すると，本撹拌機は水中撹拌機に

維持管理性および水処理性などの項目の観点から評価項目と比べて1/4～1/6に動力削減され，優れた省エネ性を有してい
住友重機械技報 No.177 201120

論文・報告中心からの距離 2.2 m（テーパーインペラ式撹拌機）
中心からの距離 3.6 m（テーパーインペラ式撹拌機）

9.0
8.0

中心からの距離 5.0 m（テーパーインペラ式撹拌機）
中心からの距離 5.0 m（水中撹拌機）

テーパーインペラ式撹拌機

7.0

底部ハンチ隅

6.0
5.0
4.0
3.0

水中撹拌機

2.0

1.3 m

1.0
0.0
0.0

1.0

2.0

10.0
底部からの高さ
（m）

底部流速
（m/s）

テーパーインペラ式撹拌機

3.0

4.0

4.5

8.0
6.0
4.0
2.0

5.0

0.0
０

中心からの距離（m）

1 000

2 000

3 000

4 000

M LS S 濃度（mg/L）
図５

底部流速特性
Profile of bottom velocity

ると言える。

MLSS濃度分布特性
Profile of bottom MLSS concentration

し作業が不要となり，保守点検箇所は槽上の駆動装置のみで，図４で選定したインペラ回転数18 r/mのときのテーパーイ

点検項目も少なくなる。インペラが低速回転であるので，シンペラ式撹拌機で作られる底部流速分布と，既設水中撹拌機

ールや軸受の磨耗が軽減され点検・交換頻度も低くなり長寿で作られる底部流速分布を図５に比較した。図５から分かる

命化できる。湖南中部浄化センターで実施したテーパーイン

ように，撹拌機中心からの距離によって撹拌機で作られる底ペラ式撹拌機のオイル交換作業は，１人作業で約25分/台の部流速は，ともに中心から減衰傾向を示し，底部のハンチ隅作業負荷であったのに対し，同浄化センターで確認した水中で最低になると考えられる。また，テーパーインペラ式撹拌

撹拌機では，２人作業で約95分/台の作業負荷となった。テ機の底部流速は，水中撹拌機に比べて，中心から２ ｍ程度でーパーインペラ式撹拌機でのオイル交換作業時間は水中撹拌3.5倍，ハンチ隅で約2.5倍大きいことが分かる。

機と比べて1/3程度，１人当たりで1/6程度となるので，大幅このときの撹拌動力密度が，テーパーインペラ式で1.5 W/m3 ，に保守点検作業時間の短縮につながると考えられる。

水中撹拌機で9.6 W/m3であることを考慮すれば，テーパーイ

3.2.5

水処理性

ンペラ式は水中撹拌機に比べて，約1/5の動力で2.5～3.5倍の水処理性については，テーパーインペラ式撹拌機設置系列

底部流速を作り出しており，大幅な省エネ・低動力化を実現と水中撹拌機設置系列の無酸素環境下での窒素除去性能を比できている。

較したが，その結果，撹拌機の違いによる水処理性への影響

3.2.2

はほとんどないと考えられる。

撹拌均一性

図６に，撹拌機中心からの距離（水平方向）の違いによる高3.3

槽内流速予測さ方向のMLSS濃度分布特性を示す。高さ方向MLSS濃度分

図８に，試験対象水槽にテーパーインペラ式撹拌機を設置

布は，テーパーインペラ式，水中撹拌機とも平均して2500mg/L

した状態での撹拌状態を流体シミュレーション解析にて予測

前後で10 %以内の変動であり，撹拌機中心からの距離，高さ

した槽内流速分布結果を示す。2.1で示したような槽内の強方向においても均一な撹拌を作り出していると判断できる。

い循環流のパターンを再現しており，流体シミュレーション

3.2.3

手法は槽内撹拌状況の予測に有効なツールとなることを確認

長期安定運転性

図７に，テーパーインペラ式撹拌機のモータ入力動力，駆動装置振動および水槽底部ハンチ隅流速の経時変化を試験開

した。
3.4

耐震性

始から11ヶ月間測定した結果を示す。インペラ回転数18 r/m

図９に，兵庫県南部地震（阪神淡路大震災，M７クラス）のでの連続試験を開始した2009年６月末以降，モータ入力動力

地震波を駆動装置に与えた場合における撹拌軸の振れ状態をはほぼ1.0kWの一定で，振動速度はISO規格値の良判定を大シミュレーションし，その最大振れ状態での撹拌軸の応力分

きく下回っており，撹拌機運転として安定した状態であった 。

布を示す。このとき，駆動装置近くの撹拌軸で最大応力が発底部ハンチ隅流速も汚泥堆積の目安となる0.1 ｍ/s以上の生しており，その値は評価値である0.2 %耐力の半分程度であ0.4 m/s程度で安定しており，底部流速全体および槽内撹拌状るので，テーパーインペラ式撹拌機の撹拌軸は阪神淡路大震

態も安定していると判断できる。

災程度の揺れに対して十分な耐震性を有していると判断でき

運転期間中の2009年11月末と2010年５月末に水中部インる。なお，駆動装置直近で最大応力が発生していない理由とペラへの表面状況をダイバーにより確認したが，この期間でして，駆動装置に直結した撹拌軸の仕様が他と異なることがテーパーインペラへのし渣絡みつきはまったくなく，水中部

あげられる。

メンテナンスフリーで運転できた。
3.2.4

維持管理性

テーパーインペラ式撹拌機は，駆動装置が槽上，撹拌部が

21

図６

４

むすび

以上の結果から，テーパーインペラ式撹拌機は従来方式で

水中部にあるが，保守点検作業時には，駆動装置・撹拌部一ある水中撹拌機と比較して，体構造の水中撹拌機では必要とされる撹拌機吊上げ・吊下ろ（1）撹拌動力密度では水中撹拌機の1/5程度になり，省エ
住友重機械技報 No.177 2011

底部流速
E ２点（m/s）

駆動部振動速度実効値（mm/s）

図７

2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0

インペラ回転数

18 r pm
3.0

定格 2.2 kW

2.0
1.0
0.0

X 方向
Y 方向
Z 方向

I SO 振動評価規格（小型機械）良判定 0.71 mm/s 以下し渣絡みつき確認 1

７月

８月

９月 10月
2009年

11月

12月

テーパーインペラ式撹拌機

１月

撹拌動力密度（W/m3）

モータ入力動力
（kW）

論文・報告

し渣絡みつき確認 ２

２月

３月 ４月
2010年

５月

長期運転特性Long-term operation trend

曲げ応力 0.2 ％耐力
20 40 60 80 100 ％０

流速（m/s）
0.20

地震解析結果による軸強度評価〈解析条件〉

２

0.15

４

0.05

６

軸長

0.10

対象地震 兵庫県南部地震（M7.3）
水槽 深槽反応タンク
撹 拌 機 φ2.6 m × 9.4 m長

Z
0.00

Y

X

８
9.4 m

図８

流体シミュレーションによる槽内解析結果
Velocity vector profile in tank by CFD

ネ・低動力化が実現できる。

図９

撹拌軸の応力分布
Simulated stress profile of mixing shaft

めたものである。共同研究において，さまざまなアドバイス（2）保守点検作業の代表作業としてオイル交換の作業時間とご協力をいただいた，滋賀県琵琶湖環境部下水道課，滋賀は，水中撹拌機と比べて，１人工あたり1/6に削減でき

県下水道公社，並びに日本メンテナンスエンジニアリング株

る。

式会社 琵琶湖事業所の皆様に心から感謝申し上げる。

などの利点があり，水中撹拌機と同様に（3）MLSS濃度分布も高さ方向・水平方向とも，その変動は±10 %以内であり，十分な撹拌状態である。
（4）１年近くの長期運転でも動力・駆動部振動などの運転
条件が安定しており，性能としての底部流速も安定して（参考文献）(1)

社団法人日本下水道協会, 第47回下水道研究発表会講演集, 2011,

p.471～473.
(2)

財団法人下水道新技術推進機構,建設技術審査証明(下水道技術)報告

書,槽上設置型テーパーインペラ式低動力撹拌機,2010.

いる。
（5）水処理性能は水中撹拌機と同程度である。
本撹拌機は，2010年３月には財団法人下水道新技術推進機
構の厳しい技術審査をクリアし，建設技術審査証明（下水道技術）を取得し，公的にも技術評価された商品となっている⑵。
また，2009年度から納入を開始し，省エネ，省メンテおよび省リプレイスを推進する自治体で順調に稼働しており，
2013年度末までに40台以上の納入が見込まれている。今後は，
本撹拌機を下水処理場水処理設備の地球温暖化防止対策や省エネ対策に貢献させるべく，拡販に注力していく所存である。
本報で示した試験結果は，滋賀県との共同研究成果をまと
住友重機械技報 No.177 201122

省エネルギー・環境保全特集

論文・報告

DMSO 含有排水の膜分離活性汚泥処理

DMSO含有排水の膜分離活性汚泥処理
MBR Treatment for Waste Water Containing DMSO
●長直樹＊

Naoki CHO

山

村

健

治＊

Kenji YAMAMURA

島

倉

大

輔＊

Daisuke SHIMAKURA

須

田

祐

Yuichi SUDA

一＊

橋

本

庸

平＊＊

Youhei HASHIMOTO

膜分離活性汚泥実証試験装置
Field test apparatus of MBR(membrane bioreactor)

DMSO（ジメチルスルホキシド）含有排水の処理を生物処理単独で行うことを目的として，膜分離活性汚泥処理試験を行った。ラボ試験の結果，DMSO濃度300～
1 800 mg/Lの排水に対しDMSO/MLSS（活性汚泥濃度）
負荷の限界は約0.2 kgDMSO/（ kgMLSS･d）であった。
こ の 時 の 処 理 水 T O C（ 全 有 機 炭 素 ）濃 度 は ５ mg / L（DMSO 25 mg/L）以下であり，良好な処理が可能であった。
LCD（液晶ディスプレイ）製造工場に試験装置を設置し，実排水を対象に実証試験を行った。DMSO/MLSS
負荷をラボ試験で得られた限界負荷以下となるように運転管理を行うことで，ラボ試験と同等の処理性能が得られた。本試験ではDMSO中の硫黄はSO42−（硫酸イオン）
まで酸化され，臭気が問題となるDMS（硫化ジメチル）な
どの中間生成物の蓄積はなかった。また，馴養した活性汚泥の微生物群はHyphomicrobium属の細菌が優占種と考えられた。

１

23

A demonstration test for examining MBR (Membrane
BioReactor) treatment (activated sludge treatment
combined with submerged membrane filtration
process) was conducted with the aim of treating
waste water containing DMSO (dimethylsulfoxide)with biological treatment alone. Laboratory scale tests
revealed that the limit of DMSO/MLSS (activatedsludge concentration) loading was approximately 0.2
kg DMSO/(kgMLSS･d) in the case of waste waterwith a DMSO concentration of 300 to 1 800 mg/L.
The TOC (total organic carbon) concentration of thetreated water was ５ mg/L (DMSO 25 mg/L) or less,which indicates that MBR is capable of providing
high-performance treatment. A demonstration test was
conducted, in which test equipment was installed at
an LCD (liquid crystal display) production plant andan actual factory effluent was used. By controlling theoperation so that the DMSO/MLSS loading did notexceed the limit load obtained in the laboratory scale
tests, treatment performance equivalent to that of thelaboratory scale tests was achieved. In this test, sulfur
in DMSO was oxidized to SO42−(sulfate ion), and nointermediate products such as DMS (dimethyl sulfide),which produces offensive odor, were accumulated. In
the microbial community of the acclimated activatedsludge, Hyphomicrobium sp. bacteria seemed to be
the dominant species.

理あるいはそれら複数を組み合せた方法が知られている⑴が，まえがき

物理化学処理は薬品費や副生する汚泥の処理などに費用がか

半導体やLCD製造工場などからは，剥離剤や洗浄剤としてさむことから実用化されていない。また，複数処理法の組合

DMSOを含有する洗浄水が排出されている。DMSOには規制

せでは工程や管理項目が増えるなどの問題がある。これらの基準はないが，有毒なものとして工場外への排出を制限してことから一般的に処理費用が低廉で，かつ管理が容易な生物いる工場が多い。その処理法として，物理化学処理や生物処処理のみで行うことが望まれる。

＊住友重機械エンバイロメント株式会社＊＊技術本部

住友重機械技報 No.177 2011

論文・報告

撹拌機
M
原水

P

pHコントローラ

吸引ポンプ
原水

P

AP

空気

DMSO 含有排水の膜分離活性汚泥処理

空気

処理水

P

P

P

pHコントローラ

AP

処理水

pHセンサ

pHセンサ

散気球

散気球

図１

曝気部
（２L）

曝気部
（７L）

沈澱部
（２L）

活性汚泥処理ラボ試験装置
Test apparatus for activated sludge treatment

P

図２

P

pH調製剤槽 栄養剤槽

す。曝気槽
（曝気槽容量215 L）に浸漬型平膜（膜面積4.5 m2）を取りつけて処理装置とした。空気供給は円筒型メンブレン式
pHC
DO

剥離排水

膜分離活性汚泥処理ラボ試験
Test apparatus for MBR treatment

T

ΔP

散気装置を用いて行った。

膜吸引ポンプP

なお，上記の試験装置はいずれも曝気槽のpH値はpHコン
トローラにより制御可能とした。
処理水

浸漬型平膜

2.2

供試排水

ラボ試験①②ではDMSO，MEA（モノエタノールアミン）
Pおよび栄養塩類などが所定濃度となるように調製した模擬排P

B

原水槽 曝気ブロワ

散気装置 レベル計処理水槽 処理水ポンプ

原水ポンプ 曝気槽
（有効容量 215L）

図３

水を用いた。LCD製造工場内における実証試験では工場の剥離排水を用いた。
2.3

膜分離活性汚泥処理実証試験装置
Flow of field test apparatus for MBR treatment

水質分析

原水，処理水のpH値，DMSO濃度，TOC濃度，CODcr値（化
学的酸素要求量），SO42−濃度，MLSS濃度などを分析し処理

DMSO含有排水を生物処理する場合，溶存酸素が少ない嫌性能の検討を行った。DMSOはガスクロマトグラフ法を用い ，気的な状態になると，分解プロセスの中間物質と考えられる

本分析条件ではDMSO濃度定量下限が25 mg/Lであることか

DMSなどが生成され，強い臭気を発するという問題が指摘

ら，処理性能は主としてTOC濃度で評価することとした。

されているが，一方では、活性汚泥単独処理によりDMSOを

TOC濃度はTOC分析計による方法，CODcr値は吸光光度法 ，硫酸イオンまで酸化分解している例も報告されている 。

SO42−濃度はイオンクロマトグラフ法，MLSS濃度は重量法に⑵

そこで，活性汚泥を高濃度に維持することで安定した運転が可能となる膜分離活性汚泥処理の適用性を検討した。本報では，模擬排水を用いたラボ試験およびLCD製造工場の実排水を用いた実証試験の結果について報告する。

２
2.1

試験方法
試験装置

活性汚泥処理ラボ試験①ではアクリル製の曝気槽と沈殿槽を一体とした処理装置（曝気部容量２ L，沈殿部容量１ L）を用いた。図１に，試験装置の概要を示す。曝気部は散気球により曝気するとともに，堆積防止には撹拌機を用いた。

より分析した。
2.4

活性汚泥の馴養DMSOを含むLCD製造工場の剥離排水を，曝気槽滞留時
間が48時間となるように通水し処理することで活性汚泥の馴養を行った。種汚泥には浄化槽汚泥を用い，初発のMLSS
濃度を20 000 mg/Lに調整した。処理温度は室温（20～25 ℃）とした。またラボ試験，実証試験も同様に曝気槽内のpH値は6.5に制御した。
2.5

活性汚泥処理条件の検討

模擬排水のDMSO濃度と流入量を変化させ，図１の試験装置を用いて活性汚泥処理を行い，DMSO負荷が処理に与

また，固液分離に膜を使用した膜分離活性汚泥処理ラボ試える影響について調査した。当初，処理温度は室温（20～25℃）

験②では透明塩ビ製の角型曝気槽（曝気部容量７L）に，有効としたが，途中で処理温度を変化させ，処理への温度の影響

膜面積0.1 m の浸漬型平膜を取りつけた装置を用いた。図２について検討を行った。

に，試験装置の概要を示す。生物分解と膜面更新に必要な空2.62

気は膜の下部より供給し，膜透過液を吸引し処理水として取り出した。
図３に，工場排水を対象とした実証試験装置のフローを示

実排水を対象とした実証試験

ラボ試験①②の結果を実排水で検証するべく，図３の試験装置をLCD製造工場内に設置して実証試験を行った。処理対
象は生産工程から排出される剥離排水とした。MLSS濃度と ，住友重機械技報 No.177 201124

模擬排水による活性汚泥ラボ試験結果
Test results of activated sludge treatment using sham water

140

ラボ試験①
ラボ試験②
濃度負荷限界 水量負荷限界 膜分離活性汚泥処理
処理条件
滞留時間
DMSO容積負荷
DMSO/MLSS負荷
温度
pH
MLSS
原水性状
DMSO
TOC
CODcr
処理水質
DMSO
TOC
T-CODcr
S-CODcrhkgDMSO/(m3･d)
kgDMSO/(kgMLSS･d)
℃
mg/L

24
1.81
0.18
20
6.5
10 300

４
1.80
0.22
20
6.5
8 300

６
2.60
0.17
25
6.5
18 500

mg/L
mg/L
mg/L

1 810
－
859

303
117
180

700
296
389

mg/L
mg/L
mg/L

<25
－
62

<25
3.7
54

<25
4.3
－

mg/L

31

６

－

原水通水量を調整して所定負荷とし処理性能を調べた。また処理水中のSO 濃度の変化を測定し，臭気源となる中間生成
24

120

240

100

原水 TOC 200 mg/L
DMSO 500 mg/L

200

80

160

60

120

40

80

20

40

０
14

図４

3.3

280
処理水 TOC
処理水 DMSO

０
16

18
20
水温
（℃）

22

24

処理温度の影響Effluent of treatment temperature

処理温度の影響

半導体製造工場の剥離排水を対象とした活性汚泥処理では，物の蓄積についても検討した。

処理温度の影響を受けやすいという報告⑸があることから，

2.7

本試験でも処理温度について検討した。温度を22 ℃，20 ℃ ，

微生物群集解析試験で馴養した活性汚泥に対し，16 SrDNA法により微生

18 ℃および16 ℃と順次変化させ，DMSO濃度を500 mg/Lに物種の検討を行った。サンプル汚泥は遠心濃縮，超音波処理調整した模擬排水の処理に与える影響について検討した。

および洗浄処理後に得られたペレットからDNAを抽出した。

図４に，処理温度と処理水のDMSO，TOC濃度の関係を示

次に，PCR反応により16 SrRNA遺伝子領域を増幅 しす。20 ℃以上では処理水のDMSO濃度は25 mg/L以下，TOC

た。プライマーセットは，真性細菌に汎用的な27 f（AGAGT

濃度は６ mg/L以下で除去率はいずれも95 ％以上の良好な

r
TTGATCMTGGCTCAG）⑶，および907 （CCGTCAATTC

処理性能が得られた。しかし，18～20 ℃以下では処理水のCTTTRAGTTT） を使用した。増幅した16SrRNA断片は ，

DMSO，TOC濃度が上昇し処理性能の悪化が認められた。

⑷

精製しクローニングしたのち，37 ℃で一晩培養してコロニーを採取し，シークェンシングを行って塩基配列を決定した 。

３
3.1

結果および考察
活性汚泥の馴養

浄化槽汚泥を種汚泥としてLCD製造工場の剥離排水処理を行うことにより活性汚泥の馴養を行った。原水のDMSO濃度は320 mg/Lであった。

DMSO，TOC除去率95 ％以上の処理性能を得るには，処
理温度は20 ℃以上とする必要があると考えられる。
3.4

膜分離活性汚泥処理ラボ試験

活性汚泥処理ラボ試験①では処理水への活性汚泥流出が見られたことから，汚泥流出防止と装置のコンパクト化を目的として，図２の試験装置を用いて膜分離活性汚泥処理ラボ試
験②を行った。
原水の曝気槽滞留時間を一定（６時間）とし，原水DMSO

処理開始後，約７日間で処理水のDMSO濃度が25 mg/L以

濃度を段階的に上げて処理を行った結果，限界容積負荷は下となり，短期間でDMSO分解能を有する活性汚泥を馴養す

3.0 kgDMSO/（ m 3･d），DMSO/MLSS負荷は0.2 kgDMSO/

ることができた。

（kgMLSS･d）
であった。

3.2

DMSO濃度および負荷条件の検討

表１に，模擬排水を用いた活性汚泥処理ラボ試験における処理状況を示す。

25

処理水TOC 濃度（mL/L）

表１

DMSO 含有排水の膜分離活性汚泥処理

処理水DMSO 濃度（mL/L）

論文・報告

DMSO/MLSS負荷の限界値は活性汚泥ラボ試験と同様であったことからも，DMSO/MLSS負荷は処理における重要な管理指標と考えられる。表１に示すように，本試験では原水のDMSO濃度は約1 800 mg/L，原水の曝気槽滞留時間

開始時のMLSS濃度は14 000 mg/Lであったが約３ヶ月後に，DMSO/
は24時間でDMSO容積負荷は1.8 kgDMSO/（m3･d）

18 500 mg/Lまで上昇した。限界負荷時の処理水のTOC濃度

MLSS負荷は0.18 kgDMSO/（ kgMLSS･d）であった。原水は４ mg/L（DMSO濃度 25 mg/L以下），除去率は98 ％でありDMSO濃度を約300mg/Lとした場合に必要とする曝気槽滞留時処理は非常に良好であった。

間は４時間以上で，その負荷における容積負荷は約1.8kg DMSO/

3.5

実排水を用いた膜分離活性汚泥実証試験（m3･d），DMSO/MLSS負荷は0.22 kgDMSO/（ kgMLSS･d）3.5.1

膜分離活性汚泥法による実排水処理であった。処理水のTOC濃度は５ mg/L
（DMSO25 mg/L）

ラボ試験②で馴養した活性汚泥を使用し，DMSO/MLSS

以下でTOC除去率は95 ％以上であった。なお，表１に示す

負荷が約0.2 kgDMSO/（ kgMLSS･d）となるように，原水流ように処理水のS-CODcr値（処理水をろ紙№５Cでろ過した量やMLSS濃度を調整しながら処理を開始した。図５に処ろ液のCODcr値）とT-CODcr値（ろ過せずそのまま分析した

理水質の経時変化を示す。運転開始後３日目には処理水のCODcr値）との値に差があり，活性汚泥の一部が流出したもTOCは５ mg/L（DMSO25 mg/L）以下となり，処理装置は順のと考えられる。

調に立ち上がった。曝気槽温度は19～29 ℃，原水のDMSO
住友重機械技報 No.177 2011

800

0.40
原水 DMSO
処理水 DMSO
原水 TOC
処理水 TOCDMSO 汚泥負荷

DMSO,TOC 濃度（mg/L）

700
600

0.35
0.30

500

0.25

400

0.20
計画的運転停止

限界汚泥負荷0.2 kgDMSO/kgMLSS・d

300

0.15

200

0.10

100

0.05

０
０

図５

５

10

15

20

25

30 35 40
運転日数
（日）

45

50

55

60

DMSO/MLSS負荷（DMSO/kgMLSS・d）

論文・報告

DMSO 含有排水の膜分離活性汚泥処理

ハイフォマイクロビウム属
42 %

その他
38 %

シュードキサントモナス属
1%
未培養のバクテリア
8%

0.00
65

未培養の
バクテロイデテス門の
バクテリア
10 %

ニトロスピラ属
1%

DMSO含有排水の膜分離活性汚泥処理試験結果
MBR treatment of waste water containing DMSO

図６

活性汚泥の16 SrDNA解析結果
16 SrDNA analysis of activated sludge

濃度は350～600 mg/L
（TOCは130～280 mg/L）
で変動した。

このことから本活性汚泥ではHyphomicrobium属のバクテ

運転日数10～18日の間はDMSO/MLSS負荷が大きく変動し，リアが優占種と考えられた。Hyphomicrobium属はDMSOの

0.2 kgDMSO/（kgMLSS･d）を超える状況が続いたことから，分解に関与する微生物として報告されており⑹，本試験でも運転18～20日にかけて処理水のTOC濃度が上昇するなど

Hyphomicrobium属のバクテリアがDMSOの分解に寄与してい処理の悪化が認められた。その後，DMSO/MLSS負荷をたものと考えられる。

0.2 kgDMSO/（ kgMLSS･d）以下となるように負荷を調整することで，処理水TOCは５ mg/L（DMSO25 mg/L）以下の良４

むすび

好な処理性能が得られた。これらのことから工場の実排水（1）模擬排水を用いた活性汚泥ラボ試験①および膜分離活においても模擬排水を用いたラボ試験と同等の処理性能が性汚泥ラボ試験②の結果，DMSO濃度300～1 800 mg/L

確認された。

では限界DMSO/MLSS負荷は0.2 kgDMSO/（kgMLSS･d）であった。このときの処理水TOC濃度は５ mg/L
（DMSO

また，工場操業の一時停止を想定した計画的な運転停止

25 mg/L）
以下で良好な処理が可能であった。

の試験（運転44～51日）を行った。約１週間の停止期間後，処理復帰に支障はなく，１週間程度の工場の操業停止には（2）L C D 製 造 工 場 の 剥 離 排 水 を 用 い た 実 証 試 験 で ，
DMSO/MLSS負荷をラボ試験で得られた限界負荷以下十分対応できると考えられる。
3.5.2

DMSOの生物分解生成物

DMSOを生物的に酸化分解すると成分中の硫黄からSOとなるように運転管理することで，ラボ試験と同等の処理性能が得られた。

2−4が生じる。処理水SO42−濃度の解析から，本試験では処理が（3）本試験ではDMSO中の硫黄はSO42−まで酸化され，臭気良好なときの処理水SO42−濃度は理論生成量の75～95 ％であが問題となるDMSなどの中間生成物の蓄積はなかった。

った。また，反応に伴い消費するアルカリ量も理論生成SO42−（4）馴養した活性汚泥の微生物群はHyphomicrobium属の細を中和するのに必要な消費量にほぼ一致していた。さらに，菌が優占種と考えられた。

本試験期間中は臭気の発生は確認されなかったことから，臭気源とされるDMSなどの中間生成物の蓄積は起こらなかっ（参考文献）たものと推定される。

(1)

3.5.3

活性汚泥混合液の膜分離

ラボ試験②および実証試験において，活性汚泥混合液の固液分離は浸漬型平膜により行った。膜のFlux（ 透過流束）/ m2･d）
程度として運転することにより，膜の吸引を0.25 m3（
差圧を11 kPa程度（推奨される差圧は20 kPa以内）に維持できた。また，本試験期間中は差圧の上昇は見られず膜分離に

村上(仁田)貴子,桐村光太郎,木野邦器,宇佐美昭次,ジメチルスルホキ

シド含有排水の処理技術,水処理技術,vol.42,no.12,2001,p.３～９(2)

村谷利明,有機排水(DMSO含有排水)のバイオリサイクルシステム,シャープ技報,第73号,1999,p.20～24(3)Lane, D.J, 16S/23S rRNA sequencing, In E.Stackebrandt and

M.Goodfellow(ed.), Nucleic acid techniques in bacteria systematics, John Wiley and Sons Ltd., Chichester, United
Kingdom.,1991, p.115-175.
(4)Lane, D.J., B.Pace, G.J.Olsen, D.A.Stahlt, M.L.Sogint, and関する問題は生じなかった。試験終了後の膜面観察でも汚N.R.Pace, Rapid determination of 16S ribosomal RNA sequences for

泥の付着などは見られず良好な膜分離が行えたと考えられ

phylogenetic analyses. Proc. Natl. Acad. Sci.USA 82:6955–6959,

る。
3.6

馴養汚泥の微生物群集解析結果

活性汚泥処理ラボ試験①で馴養した活性汚泥に対し
16 SrDNAクローン解析を行った。得られた96クローンのDNA配列をBLAST検索した結果，Hyphomicrobium属と97 ％以上の相同性で一致するクローンが40クローン存在した。
図６に，16 SrDNA解析の結果を示す。

1985.
(5)

石垣秀高,半導体工場における有機廃液の削減事例－バイオリサイク

ルシステムによる改善－,沖テクニカルレビュー, vol.71, no.3, 2004, p.14
～17
(6)

Kuniki Kino, Takako Murakami-Nitta, Masashi Oishi, Seij Ishiguro,and Kohtaro Kirimura, Isolation of dimethyl sulfone-degrading
microorganisms and application to odorless degradation of dimethyl
sulfoxide, J of Bioscience and Bioengineering, vol.97, no.1, 2004
p.82-84.

住友重機械技報 No.177 201126

省エネルギー・環境保全特集

論文・報告

RPD 法による薄膜系太陽電池向け透明導電膜成膜技術

RPD法による薄膜系太陽電池向け透明導電膜成膜技術
Technology of Transparent Conductive Oxide Film Deposited by RPD Method for Thin Film Solar Cell
●牧

野

博

Hiroyuki MAKINO

之＊

筑

後

了

Ryoji CHIKUGO

治＊

RPD成膜装置
RPD deposition system

薄膜系太陽電池に適した透明導電膜について，当社独自のRPD（Reactive Plasma Deposition）
法を適用した成膜技術について報告する。RPD法は，蒸発材料がプ
ラズマを通過してイオン化することで反応性を高めた蒸着法であり，良好な性能を持つ透明導電膜が成膜可能である。薄膜Si太陽電池用途としては，GZO（Gaを添加した酸化亜鉛）
を使用しており，ここでは導入酸素量とGa
添加量の影響について検証した。また，エッチングにより表面にテクスチャー構造を作製することにより高いヘ
イズ率を実現し，変換効率の向上を可能とした。CIGS（ Cu，
In，Ga，Seの化合物）
太陽電池用途としては，ITO（Snを添加した酸化インジウム）を使用し，成膜温度と成膜後のアニールの影響について検証するとともに，Sn添加量が及ぼす影響についても検証した。得られた結果か
らRPD法の特長である低い電気抵抗を活かして膜厚を薄くし，変換効率の向上を可能とした。最後に生産性向上に必要な，大面積への成膜を実証した。

１

27

まえがき

This paper describes a film formation method that
adopts SHI’s original RPD (Reactive Plasma Deposition) method for a transparent conductive oxide(TCO) film suitable for thin film solar cells. RPD isa vapor deposition technique that achieves highreactivity by ionizing the evaporation material
passing through plasma, and is capable of forminga transparent conductive film with excellent
performance. GZO (Ga-doped zinc oxide) is used as
an application of thin-film Si solar cells. The effectsof the amount of the introduced oxygen and theamount of the doped Ga were verified in this paper. In
addition, a high haze ratio was achieved by building a
texture structure on the surface by etching to improvethe conversion efficiency. ITO (Sn-doped indium
oxide) is used as an application of CIGS solar cells.
The effects of the deposition temperature and theanneal after film formation, as well as the effect of theamount of the doped Sn, were verified. The acquired
findings indicate that the conversion ratio can beincreased by reducing the film thickness while taking
advantage of the low electric resistance, which is afeature of RPD. Finally, film formation on a large area,
which is required to increase the productivity, wasvalidated.

コストはまだ高く，本格的な普及には低コスト化が欠かせない 。
より安価な太陽電池として注目されている薄膜系太陽電池

エネルギー資源の枯渇，CO2排出による地球温暖化などのには，薄膜Si太陽電池とCIGSや，CdTe（Cd，Teの化合物）に諸問題から，再生可能エネルギーへの注目が高まっているの代表される化合物太陽電池がある。これら薄膜系太陽電池のは周知のごとくである。FIT（Feed-in Tariff 固定価格買取

受光面側電極には透明導電膜が用いられ，その特性において制度）を始めとする国家レベルの後押しもあり，ここ数年で高い光透過率と低い電気抵抗が求められる。この要求を実現

太陽電池は急速な増加を見せている。しかしながら太陽電池すべく本報では，薄膜系太陽電池に適する透明導電膜の成膜＊量子機器事業部

住友重機械技報 No.177 2011

論文・報告RPD 法による薄膜系太陽電池向け透明導電膜成膜技術

Substrate
Plasmagun

100

Plasmatransmittance (%)

80

Main hearth

Beamcontroller

60
40

O2 - 1 : 4.4μΩ・mO2 - 2 : 3.3μΩ・mO2 - 3 : 2.6μΩ・mO2 - 4 : 2.4μΩ・m

20

TCO
source

０
400

600

1 000
800
wavelength (nm)

1 200(a) eﬀect of introducing oxygen ﬂow as deposition

図１

100

RPDプロセス模式図
Schematic view of RPD process80transmittance (%)

を可能とする，当社独自のRPD法の成膜技術について報告する。

２

RPD 法の成膜プロセス

RPD法は蒸発源の直上に高密度プラズマを配置し，昇華さ

60
40

Ga2O3 - 1 : 10.7μΩ・mGa2O3 - 2 : 6.0μΩ・mGa2O3 - 3 : 3.3μΩ・m

20

せた材料蒸気を通過させることにより，蒸発材料をイオン化

０400・活性化させて反応性を高める蒸着法である。図１に示すよ
うに，圧力勾配型プラズマガン⑴，環状の磁石で構成された

600

1 000
800
wavelength (nm)

1 200(b) eﬀect of added galium oxide

プラズマビームコントローラ⑵，蒸発源および蒸発材料供給機構を組み合わせたシステムによりRPD法は実現される。

図２

ウ化ランタン）
圧力勾配型プラズマガンは，Ta管とLaB（六ホ6GZO膜の抵抗と透過率に及ぼす導入酸素量およびGa添加量の影響
Effect of introducing O2 flow and added Ga to the resistivity andtransmittance of GZO film

円板の複合陰極と中間電極により構成される。成膜室との間に差圧を設けることで，外乱に対する影響を受けにくい構造

蒸発材料は導電性であることが好ましく，また昇華性であるとしており，陽極となる蒸発源との間に長時間安定した直流ことも重要である。このような条件から導電性酸化物はRPD

アーク放電を維持させることができる。生成されたプラズマに最適な材料である。また，円柱形状の材料は製造が容易なは，100 V以下の低電圧と100～200 A程度の大電流にて形成ので，膜特性を変更する目的で，酸化物中の微量添加材料のされており，電子温度は数 eV，電子密度は10 個/cm 程度を量を調整するといった材料開発の実施も可能である。

123有した高密度なプラズマである。
プラズマビームコントローラは，蒸発源を中心として環状

３

薄膜 Si 太陽電池用透明導電膜への適用に磁石とコイルを配置し，蒸発源の上方にカスプ磁場を形成

薄膜Si太陽電池用として用いられる透明導電膜は，一般的することでビームをいったん発散，再集束させてから蒸発源に受光面側のガラス基板に成膜する。発電層にて光吸収を効の真上に高密度プラズマ空間を形成し，さらにビームを蒸発果的に行うには，表面に細かい凹凸を配したテクスチャー構

材料に直上より入射させるように制御する機構である。蒸発造を必要とし，低電気抵抗で高光透過率であることに加えて，源にて加熱され昇華した材料は，高密度プラズマを通過する

光散乱の指標であるヘイズ率の高さが要求される。現在はことでイオン化・活性化される。

CVD（Chemical Vapor Deposition）
で成膜されるSnO2(酸化ス

また，本方式はアーク放電を利用することにより低電圧でズ)膜が用いられることが多いが，SnO2膜は電気抵抗率が高の放電維持が可能である。ゆえに，基板に到達する粒子のエい(５×10-6 Ω･m程度)という欠点があり，ZnO（酸化亜鉛）系

ネルギーは10～30 eVと低い。このエネルギー領域は成膜過による代替が検討されている。ZnO系はInの資源的な問題か程において表面のマイグレーションに有効であり，かつスパらも関心の高い透明導電膜であり，エッチングプロセスによッタリングで用いられるような高電圧の印加⑶がないことかりテクスチャー構造を付与することが可能な材料である。

ら，100 eVを超える高エネルギー粒子はプロセス中に存在せ

ZnOの微量添加材料としてAl，GaおよびBなどがあるが，ず，膜に与えるダメージを低くすることで低抵抗な膜を作製

RPD法では広い面積に均一にGZOを成膜することが可能でできる。

ある⑷。導電性酸化物の場合，膜質は成膜時の導入酸素量に蒸発材料には，通常φ30 mm×t40 mmの円柱形状が用いらより大きく変化する。図２（a）に，導入酸素量を変えて成膜れる。この材料を蒸発源に設置し，材料供給機構により蒸発膜の電気抵抗率と各波長におしたGZO（３ wt%Ga2O3を添加）する速度に合わせて一定速度で供給して，材料面を常に同じける光透過率曲線を示す。導入酸素量は１が最少で４まで順高さに保つことで長時間の安定した成膜を実現する。なお ，次増加させており、膜厚は約250 nmである。

材料の加熱には通電によるジュール加熱を利用することから，酸素量が少ないと膜質は酸素欠乏状態となって光透過率は
住友重機械技報 No.177 201128

論文・報告RPD 法による薄膜系太陽電池向け透明導電膜成膜技術

100transmittance ( % )80
60

no heat 3.7μΩ・m
200℃ anneal after no heat deposition
2.0μΩ・m

40

200℃ deposition 1.3μΩ・m

20
０
400

Sheet resistance: 6.4 Ω/ □（as deposition）
Transmittance : 90 % （as deposition 400-800nm average）
Haze ratio : 38 %(400-800nm average)

図３

テクスチャー構造作製後のGZO表面形状
GZO film surface after making texture

図４

500

600

700

900
800
wavelength (nm)

1 000

1 100

1 200

ITO膜の抵抗と透過率に及ぼす温度の影響
Effect of temperature on the resistivity and transmittance of ITO film

低下し黒い膜となる。一方，酸素量が多いと酸素過剰状態となり，光透過率は特に長波長側で向上するが電気抵抗率も４CIGS 太陽電池用透明導電膜への適用高くなる。したがって酸素量の適正化が必要である。また添CIGS太陽電池用は，薄膜系太陽電池の中で高い変換効率

加材料の割合も膜質に影響を与える。図２（b）に，Ga2O3の添が実現されており，ラボレベルでは最高20.3 %，量産レベル

加量を変えて成膜したGZOの電気抵抗率と各波長における光では12～13 %程度と，多結晶Si太陽電池と同程度の性能を

透過率曲線を示す。Ga2O3添加量は１が最少で３まで順次増有する。ここで用いられる透明導電膜はスパッタリング法に加させた。Ga添加量が少ないと長波長側の光透過率は高いが，よるITO膜，AZO膜（Alを添加した酸化亜鉛）や，CVD法に電気抵抗率も高くなる。

よるBZO膜（Bを添加した酸化亜鉛）など，複数が存在する。

薄膜Si太陽電池における透明導電膜の要求仕様は，発電層がアモルファスSi単層の場合，光吸収領域が可視光領域であRPD法によるITO膜は，低い電気抵抗という特長を活かし，薄膜化できることから注目されている。

り，シート抵抗値10 Ω/□以下であり，光透過率90 %以上，

CIGS太陽電池の製造プロセスは，薄膜Si太陽電池とは反ヘイズ率10 %以上(いずれも波長領域400～800 nmの平均値)で対に，受光面側に向かってCIGS光吸収層（発電層），バッフある。最近は変換効率向上を目的として，微結晶Siと組み合ァ層および保護層を形成し，その上に透明導電膜を成膜する

わせたタンデム型が主流となりつつあるが，こちらは光吸収ことから，成膜温度やダメージの制約を受けることになる。

領域が400～1 200 nmとなることから，長波長側における光透RPD法では加熱成膜と無加熱成膜（必要に応じてアニール過率の向上と，さらに高いヘイズ率が必要となる。RPD法で処理を実施）により，２つのプロセスを選択することが可能成膜したGZO膜は，光透過率を維持しながら低い電気抵抗率である。

（３×10-6 Ω･m程度）を実現できるので，SnO2膜に比べて導電膜の薄膜化が可能である。

膜，お図４に，200℃と室温にて成膜したITO（５wt%SnO2）
よび室温成膜後にアニール処理（200 ℃にて30分，大気雰囲気）

次に表面テクスチャー構造の作製は，酸によるエッチングを行ったときの電気抵抗率と各波長における光透過率曲線をにて可能である。実験では希塩酸を用いて濃度・温度・時間示す。膜厚は約150 nmである。200 ℃成膜では1.3×10-6 Ω･mをパラメータとしたが，全体の傾向としてGa添加量が少ないの低電気抵抗が実現されている。一方，室温成膜ではITO膜

方がヘイズ率は高くなることが分かった。この現象はGaがエが結晶化していないことから電気抵抗は高く光透過率も低い

ッチングを阻害する起点となり，表面の凹凸の形成に影響をが，アニール処理を行うことで結晶化が進み，電気抵抗率は与えているものと思われる。

ある程度まで低くなる。光透過率は可視光領域で改善され，これらの特性を活かして，GZOを２層構造とすることが有効である。実験では，ガラス基板側から見て下側には導電性

長波長側では若干低下するが200 ℃成膜よりも高い状態を維持できる。

確保のためにGa添加量の多い低電気抵抗の膜とし，上側には

図５（a）に加熱成膜温度，図５（b）に室温成膜後のアニール温

Ga添加量の少ない高光透過率と高ヘイズ率を有した膜を作製

度によるキャリア密度とホール移動度をそれぞれ示す。キャした。図３に，その表面状態を電子顕微鏡にて観察した結果

リア密度は，膜中の酸素空孔と添加材料のSnがInと置換したを示す。表面にクレーターのような凹凸ができていることがドナーの総和と考えられ，ホール移動度は，膜中の通り抜け分かる。この時のヘイズ率は38 %（波長領域400～800 nmの平やすさから結晶性を示すものと考えられる。両者ともに導電均値）の高い値を示した。また作製した透明電極膜を用いて，率（電気抵抗率の逆数）のパラメータであり，高いほど電気抵

164×164mmのアモルファスSi単層による薄膜Si太陽電池を作

抗率は低くなる。成膜温度が高くなるほど移動度は高くなり，製して変換効率を計測したところ，従来のSnO2膜を有したも結晶化が進むものと考えられる。キャリア密度は150 ℃で大のに比べて約９ %向上した結果が得られている。今後はタンきく向上している。

デム型でも評価を行い，GZO膜の展開につなげていく所存である。

一方，室温成膜後のアニール処理でもキャリア密度と移動度は向上する。加熱成膜のときと比較すると，移動度は同等となるがキャリア密度は低い。これは膜中の結晶性は温度に

29

住友重機械技報 No.177 2011

60

1E＋21

50

1E＋21

50

8E＋20

40

8E＋20

40

6E＋20

30

6E＋20

30

4E＋20

20

4E＋20

20

2E＋20

10

2E＋20

10

150 ℃

０

200 ℃

０

(a) substate temperature as deposition ( deg. )no heat

150 ℃

200 ℃

０

図５

(b) annealing temperature after no heat deposition

100

16

90

14

80

12

70

10

60

８

50

−500

−400

−300

−200

−100

０

100

200

300

400

500

ITO膜のキャリア密度と移動度に及ぼす温度の影響
Effect of temperature on the carrier
density and mobility of ITO film

Sheet resistance (Ω/□)

no heatmobility (cm2 /V・sec.)

1.2E＋21carrier density (cm-3)

60

０

Average 400 -1100nm of transmittance (%)

RPD 法による薄膜系太陽電池向け透明導電膜成膜技術

1.2E＋21

mobility (cm2 /V・sec.)

carrier density (cm-3)

論文・報告

６

Lateral distance from center (mm) Plus : R-side

図６

幅方向のシート抵抗と透過率分布
Sheet resistance and transmittance inlateral distance deposited by RPD

よって向上するが，キャリアとなるべきSnのドナー形成には

分布は±６ %となり，均一性は良好で低電気抵抗のITO膜が成膜時の温度影響が大きいと考えられる。キャリア密度が小得られており，光透過率も85 %以上を維持している。RPD法

さいことは，そこに存在する電子のプラズマ振動による光反による透明導電膜は生産性と膜質の両面で薄膜系太陽電池に射の影響が小さいということになるので，図４で示した高波

適することから，広く貢献できることを期待している。

長側の光透過率が高いことと一致する。
また，添加材料であるSnの量も膜質に影響を与える。その６

むすび

傾向は導電性酸化物で見られるように，Sn量が少なくなる（1）RPD法は薄膜系太陽電池用の透明導電膜として，低電と電気抵抗率は高くなるが，光透過率は特に長波長側が高く気抵抗で高光透過率を実現できる高い性能を有しているなる。CIGS太陽電池用途でも400～800 nmの可視光領域のみ
ならず，赤外域の長波長領域の光も吸収することから400～
1200nm付近まで高透過率であることが重要となる。
低電気抵抗の特性を活かして薄膜化したITO膜（膜厚200nm）を用いて，300×300 mmのCIGS太陽電池を作製して変換効率ことを示した。
（2）薄膜Si太陽電池用途としてGZOを適用し，導入酸素量とGa添加量を検証した。また材料の特性を活かして表面のテクスチャー構造から高ヘイズ率を保有した透明導電膜を得た。

を計測したところ，既存のAZO膜を有したものに比べて約９ %（3）CIGS太陽電池用途としてITOを適用し，成膜時およ向上した結果が出ている。また当社ではCIGS太陽電池製造

びアニール処理時の温度の影響を検証した。基板の状況

プロセスにおいて，先に述べたバッファ層の上に保護層としに合わせた成膜プロセスを構築するとともに，低い電気て使われるi(intrinsic)-ZnO膜の成膜も行っている。基板の違を活かした透明導電膜を示した。
抵抗（1.3×10-6 Ω･m）

いにより要求仕様にあわせた成膜プロセスと材料の選択を行（4）低コスト化の要望に対して，生産性向上に向けて大面

い，保護層と透明導電層の２層を成膜できることで展開を図積のRPD法を適用し均一な膜質を得た。

っている。

５

（参考文献）

大面積成膜(1 ) 浦本上進,イオンプレーティングのための大電流,長寿命陰極の研究,
真空,25-10,1982,p.16．

薄膜系太陽電池においても，さらなる低コスト化は重要な(2) 田中勝,牧野博之,筑後了治,酒見俊之,粟井清,高安定性プラズマイ

課題であり，生産性を高めるには大面積による成膜が不可欠

オンプレーティング装置による各種成膜技術への応用,真空, 44-４,となる。これに対応すべく，プラズマガンを３つ並べたRPD
成膜装置を製作し基板幅1 100 mmのITO膜の大面積成膜を実証した。図６に，成膜温度150 ℃における膜厚約150 nmのシート抵抗値および光透過率（波長域400～1 200 nm平均値）の幅

2001,p.435．
(3) 豊田浩孝, スパッタプラズマ中の高エネルギー粒子計測と制御, 真空,51-４,2008,p.24．
(4) 山本哲也, 酒見俊之, 粟井清, 白方祥, 反応性プラズマ蒸着法による酸化亜鉛透明導電膜,コンバーテック,６,2004,p.68．

方向における分布を示す。電気抵抗率は1.5×10 Ω･m以下，-6

住友重機械技報 No.177 201130

省エネルギー・環境保全特集

論文・報告

荷電粒子線励起 X 線分析法
（PIXE）
による環境大気浮遊粒子状物質の分析サービス

荷電粒子線励起X線分析法（PIXE）による環境大気浮遊粒子状物質の分析サービス
Environmental Atmosphere Suspended Particulate Matter Analysis using PIXE
●鵜

野

浩

Hiroyuki UNO

行＊

井

上

剛＊

Takeshi INOUE

照射チャンバ

分析チャンバ

照射ライン
分析ライン

分析電磁石

加速器本体

図１

分析装置全体図
General view of analysis device

大気環境の環境基準として浮遊粒子状物質（SPM）があげられるが，近年ではSPMの中でも粒径2.5 μm以下の微小粒子状物質（PM2.5）濃度が重要視され，環境基準が定められている。住重試験検査株式会社では，バンデグラフ加速器を用いた荷電粒子線励起X線分析法（PIXE）によってPM2.5の成分分析を行っている。このPIXEによる分析システムは外部標準法により定量している。信頼度の確認方法として，標準物質SRM2783の認証値と住重試験検査株式会社の分析値の比較を行い，この分析システムを用いたPM2.5の分析値の不確かさが10%以内であることを確認した。

１で到達し，喘息や気管支炎を発症するリスクが高くなると報まえがき

告されている⑵。欧米ではPM2.5に対する環境目標値を設定

近年，自然環境への負荷に対する意識が社会的に高まり，する動きがあり，日本においても2009年に環境省がPM2.5に

環境汚染に対する研究，調査が活発に行われている。環境汚係る環境基準⑶を告示し，重量濃度を規制している。PM2.5

染の一つとして大気汚染が盛んに取り上げられ，その原因物を削減するに当たり，その発生源を調査することが非常に重質は浮遊粒子状物質（SPM），二酸化窒素，亜硫酸ガスや揮要になる⑷。

発性有機化合物と多岐にわたる 。これらの物質は，健康に⑴対する重要なリスクになると考えられている。

PM2.5の発生源は自然由来と人為由来に分類される。自然由来では海塩飛来，砂塵および噴火による煤塵があげられる⑸。

最近になり，原因物質の中でSPMが注目され ，その対策⑵

31

One of the environmental indicators of the atmosphere environment is suspended particulate matter(SPM). Recently, the concentration of particulatematter under 2.5 micro-meters (PM2.5) among SPM isregarded as important, and an environmental standard
has been established for PM2.5 concentration. S.H.I.
Examination & Inspection (SEI), Ltd. analyzes thecomponents of PM2.5 by particle-induced X-ray
emission (PIXE) using a Van de Graaff accelerator.
SEI’s PIXE analysis system quantifies the components
by an external standard method. As a method
for validating the reliability, the certified valuesof standard matter SRM2783 were compared withSEI’s analysis values, and it was confirmed that theuncertainty of the analysis values of PM2.5 with thisanalysis system was within 10%.

これに対し，人為由来としては，工場から排出される煤塵 ，が取り組まれている。環境基準においてSPMは粒径10 μm以

粉塵および自動車の排気ガスがあげられる。また，PM2.5に下の粒子状物質と定義されているが，粒径2.5 μm以下の微小は粒子として大気中に排出される一次粒子と，ガス状物質が粒子状物質（PM2.5）は粒径が小さいことから，肺の奥深くま

光化学反応や中和反応により大気中で粒子化する二次粒子が＊住重試験検査株式会社

住友重機械技報 No.177 2011

論文・報告 荷電粒子線励起 X 線分析法
（PIXE）
による環境大気浮遊粒子状物質の分析サービス

表１

分析方法の比較
Comparison of analysis methods
分析方法

定量下限

長

所

短

所

粒子線励起 X 線分析（PIXE）

数ppm

非破壊多元素分析
前処理の必要がない
mg オーダーの試料で ppm オーダーの分析
測定時間が短い

高価な静電加速器が必要
定量下限が ICP-MS や NAAに比べて劣る

中性子放射化分析（NAA）

数ppb

非破壊多元素分析

測定に時間がかかる

マトリックスの影響が少ない

原子炉が必要

蛍光 X 線分析（XRF）

数10 ppm

非破壊多元素分析

定量下限が高め

誘導結合プラズマ質量分析（ICP-MS）

数10 ppt

高感度での分析が可能

試料の前処理（溶解）が必要

軽元素用
Si(Li) 検出器

ではPIXEの技術について報告する。
中重元素用
Si(Li) 検出器

プロトン
トラップ
2 次電子
サプレッサ

るので，PIXEによるPM2.5分析の受注を目指してきた。本報

コリメータ（φ=7.0mm）

３

PIXE による分析の概要

3.1

分析原理

加速器などで加速した粒子を試料に照射した場合，試料中

サンプルの原子の電子軌道から軌道電子が弾き出される⑹。軌道電子が弾き出された原子のエネルギー状態は不安定となり，より外側の軌道の電子が空きのある軌道へ遷移する。この際に，
ファラデー
カップ

図２

遷移する前後の軌道エネルギーの差分が特性X線として原子から放出される。特性X線のエネルギーは元素固有の値であることから，特性X線を検出することにより元素同定が可能

分析チャンバ
Analysis chamberになる。また，放出されるX線量は試料中元素の含有量に比例するので，元素定量も可能になる。
PIXE分析の特長として，①ppmオーダの測定が可能である②微量試料(mg試料)の分析が可能であるある。PM2.5はさまざまな発生源が複雑に入り組んでいるこ

状態に左右されないとから，実態調査が急務である。発生源を調査するには規制るという点があげられる。

値が策定されている重量濃度だけではなく，PM2.5の成分分

3.2

分析装置

析が非常に重要になる。

3.2.1

加速部

２

③元素の化学④多元素(Na～U)同時測定が可能であ住重試験検査株式会社におけるPIXEによる分析では，最PM2.5 成分分析

大加速電圧が2.5 MVであるHVEC製バンデグラフ加速器を用

PM2.5の分析対象成分として，イオン成分，炭素成分およいている。

び金属成分に分類される。環境省が定めた大気中微小粒子状

PIXEによる分析では，主に水素イオンを2.0 MeVに加速し物質（PM2.5）成分測定暫定マニュアル には，イオン成分のて分析している。加速された粒子は分析電磁石により15 °方

分析方法はイオンクロマトグラフ法，通常の炭素成分（EC）の向に曲げられ，分析チャンバに導入される。図１は加速器お

分析はサーマルオプテカル・リフレクタンス法，炭素成分のよび分析チャンバの全体写真である。

なかで多環芳香族炭化水素（OC）の分析についてはHPLCおよ

3.2.2

⑸

びGC - MS法が示されている。
これに対して金属成分の分析方法は，誘導結合プラズマ質
量分析法（ICP - MS），蛍光X線分析法（XRF），中性子放射化分析チャンバ

分析チャンバは真空排気部，ビーム導入部，サンプル駆動
部，ビーム電流測定部およびX線検出器で構成される。図２に分析チャンバ内の写真を示す。

分析法（NAA）および荷電粒子線励起X線分析法（PIXE）と多真空排気系は粗引きにはロータリーポンプを，本引きにはくの分析方法が示されている。表１に，各分析方法の比較を

磁気浮上型分子ターボポンプを使用し，約30分でチャンバ内示す。PM2.5分析はサンプルが少量なので，ある程度感度がの真空度が10-3 Paに到達する。

得られる分析方法が望まれる。加えて，サンプリング数が多くビーム導入部は上流側のスリットと下流側のコリメータをなることから，前処理が不要であるなどの簡便性も望まれる。

組み合わせて，ビーム径が直径７ mmになるように調整して住重試験検査株式会社では, 2008年からNAAによるPM2.5

いる。ビーム均一性は95 %以上で保持している。

分析を行っている。しかし，NAAは他機関施設を利用するこサンプル駆動部は５軸ゴニオメータを設置し，２軸並行移とから，即時に分析をすることが困難という課題があった。

動と３軸回転移動が可能である。サンプルホルダには16サン

一方，PIXEは自社で装置を保有し，即時対応が可能であ

プルがセットでき，真空を保持したままで遠隔操作が行える
住友重機械技報 No.177 201132

論文・報告 荷電粒子線励起 X 線分析法
（PIXE）
による環境大気浮遊粒子状物質の分析サービス

200
AI (K)

カウント/チャンネル

10 4

Mg (K)Na (K),Zn (L)

160

Sc (Kβ),Ti (Kα)K (Kα)Ti (Kβ),V (Kα)S (Kα)10 3

180

K (Kβ),Ca (Kα)Ca (Kβ),Sc (Kα)Si (K)CI(Kα)

Mn (Kβ),Fe (Kα)V (Kβ),Cr (Kα)Fe (Kβ),Co (Kα)

Cr
(Kβ),
Mn
(Kα)

10 2

分析値/認証値（％）

10 5

Zn (Kα)

140
120
100
80
60
40

Cu (Kα)

20

10 1

０
10 0

０

100

200
300
チャンネル

400

感度係数
（Counts/ng /μC）

Al

Si

S

K

Ca

Ti

Mn

Fe

Cu

Zn

Pb

500

分析値と認証値の比較
Comparison between analysis values and certified values

PIXE測定スペクトル
A measured spectrum of PIXE

X線とバッキング材からの制動放射線等の３ keV未満のバッ

10 2

軽元素側検出器
中重元素側検出器（K - X線）
中重元素側検出器（L - X 線）

10 1

クグラウンドを低減している。
3.3
3.3.1

試料セット

に切り，ホルダに貼りつける。ホルダを3.2で説明した分析チ
ャンバ内にセットして，分析チャンバ内の真空引きを行う。

10 -1

3.3.2
10 -2

分析

大気浮遊粒子状物質を捕集したフィルタを２ cm角の大きさ

10 0

Na

KCa
20

40

60

80

原子番号

図４

Mg

元素

図５
図３

Na

検出器感度の原子番号依存
Atomic number dependence on sensitivity curve

測定⑺

住重試験検査株式会社で行う通常のPIXEによる分析には ，
2.0 MeVに加速した水素イオンを用いる⑺。計数率が１ kcps以上であると分析値の信頼性が損なわれることから，照射電流は計数率が１ kcps以下になるように設定している。図３に，実際に得られる測定スペクトル例を示す。横軸がX線エネル
ギー，縦軸が検出されたX線数である。各元素の特性X線が分離して測定されていることが分かる。

ことから，サンプルごとに真空引きをする必要がなく，分析時間の短縮が可能である。

X線ピーク解析

得られた測定スペクトルのX線ピークから含有元素の同定

加速粒子はサンプル（フィルタ）
を通過することから，サンを行うことができる。元素含有量の定量を行うにはX線ピー

プル後方にファラデーカップを設置して電流測定を行ってい

クの計数を求める必要がある。原子番号の近接した元素ではる。照射時には，サンプル表面から２次電子が発生し、電流

X線ピークが近接するので，お互いの重なりを考慮してピーが本来の値よりも過剰に測定されることがあるので，サンプ

ク計数を算出しなければならない。住重試験検査株式会社で

ル前面に２次電子を除去する２次電子サプレッサを設置してはピーク解析ソフトGUPIXを用いて，X線ピークの分離とバいる。

ックグラウンドの減算を行っている。これによって，X線のX線検出器はSi（Li）
検出器を用い，軽元素（Na～Ca）
用検出器と中重元素（K～U）用検出器の２台が分析チャンバに設置されている。検出器を２台にすることにより，測定可能な全ピーク計数の不確かさを20 %以内としている。
3.3.4

定量方法

外部標準法を用いて定量を行っている⑺。外部標準法とは ，元素を一度に測定することができる。各検出器はビーム入射

標準試料により各元素の感度係数を求めて，対象試料との比方向に対し135°方向にセットされている。軽元素用検出器は ，

較定量により分析値を解析する方法である。標準試料は，構軽元素から放出される低エネルギーX線の吸収を減らすよう

成元素と含有濃度（1 000 ppm）
が既知である市販の原子吸光分に，検出器真空保持用Be窓を８μmと薄いものを選択した。

析用標準溶液を10倍に希釈したものを用いた。希釈した標準

また，Be窓が薄いことで後方散乱された粒子が検出器に入液10 μlを厚さ４μmのポリプロピレンに滴下して乾燥したも射する可能性が高くなるので，ネオジム磁石を軽元素側検出のを標準試料とした。ポリプロピレンのはっ水性により乾燥器の前方に設置して，後方散乱粒子の入射を防いでいる。

した標準液が剥離することがあるので，標準液滴下前に酢酸

中重元素側検出器は検出部面積80 mm2と大きなものを選択

33

3.3.3

エマルジョン0.05 %の水溶液10μlを滴下して剥離を防止した 。

し，サンプル と検出器間の距離を可能な限り最短にして立体感度係数はNaからBiまでの47元素について求めた。いく

角を増大した。また，３ keV以上のX線を効率的に測定する

つかの元素については市販の標準液の入手ができず，感度係

べく，検出器前に250μmマイラー膜を設置し，軽元素の特性数を求めることができなかった。このような元素の感度係数
住友重機械技報 No.177 2011

論文・報告 荷電粒子線励起 X 線分析法
（PIXE）
による環境大気浮遊粒子状物質の分析サービス

表２

分析値と認証値の比較
Comparison between analysis values and certified values

感度曲線による定量

＊1
＊2

元素

分析値±不確かさ＊1
/ng

相対標準
偏差

分析値/認証値±不確かさ ＊2

認証値または参照値
±不確かさ
/ng

Na
Mg
AI
Si
S
K
Ca
Ti
Mn
Fe
Cu
Zn
Pb

839 ± 20
8 736 ± 74
22 179 ± 124
89 482 ± 2 431
859 ± 224 663 ± 114
14 460 ± 167
1 445 ± 29
279 ± 1423 920 ± 105
379 ± 13
2 005 ± 31
309 ± 58

19 %
5%
2%
3%
5%
5%
7%
6%
13 %
5%
8%
3%
37 %

0.45 ± 0.09
1.01 ± 0.08
0.96 ± 0.03
1.53 ± 0.08
0.90 ± 0.25
0.88 ± 0.10
1.10 ± 0.16
0.97 ± 0.17
0.87 ± 0.13
0.90 ± 0.07
0.94 ± 0.13
1.15 ± 0.10
0.98 ± 0.44

1 845 ± 100
8 620 ± 520
23 180 ± 530
58 600 ± 1 600
950 ± 260
5 280 ± 520
13 200 ± 1 700
1 490 ± 240
320 ± 1226 500 ± 1 600
404 ± 421 740 ± 130
317 ± 54

不確かさは試料の統計不確かさと感度曲線の不確かさから求めた。
不確かさは定量結果の不確かさと認証値または参照値の不確かさから求めた。

を補完するべく，原子番号と感度係数について最小二乗法により感度曲線を作成することで，感度係数未測定の元素
（Ge ，

６

Ru，Rhなど）の感度係数を補間し定量することができる。

むすび

住重試験検査株式会社では，バンデグラフ加速器を用いて図４に，作成した軽元素側検出器と中重元素側検出器の感PIXEによるPM2.5の金属成分の分析サービスを提供してい度曲線を示す。感度曲線を比較すると，NaからKまでの元素る。この分析は外部標準法により定量し，標準物質測定ででは軽元素側検出器の感度がよく，Ca以降の元素では中重元

10 %以内の分析システムの不確かさを得ることができた。

素側検出器の感度がよいことが分かる。

４
4.1

PIXE による分析の信頼性評価
大気粉塵標準物質（SRM2783）
測定⑺

アメリカ国立標準技術研究所（NIST）から配布されている
大気粉塵標準物質SRM2783の認証値と分析値を比較することにより，PIXEによる分析システムの信頼性を評価した。
SRM2783には27元素について認証値あるいは参照値があり，そのうち，PIXEで分析された13元素について比較を行った。

（参考文献）(1)(2)

表２は解析した元素の分析値と認証値を記したものである。
ットしたものが図５である。Naを除く12元素については，

新田裕史,SPM,PM2.5,PM10, …,さまざまな粒子状物質,国立環境研究所ニュース20巻５号,2001.
(3)

環境省 微小粒子状物質による大気の汚染に係る環境基準について,

平成21年９月環境庁告示33号,2009.
(4)

環境省 微小粒子状物質曝露影響調査報告書,2007.

(5)

菊地良栄 他, 大気粒子状物質(PM)の発生源について, NMCC共同利

用研究成果報文集13,2005.
(6)

この結果から，各元素の認証値に対する分析値のずれをプロ

環境庁 大気の汚染に係る環境基準について,昭和48年５月環境庁告示25号,1973.

合志陽一 他,イオン励起のスペクトロスコピーとその応用,日本分光学会測定法シリーズ14,1987.
(7)

井上剛 他, 住重試験検査株式会社PIXEシステムによる標準物質

SRM2783の測定,第27回PIXEシンポジウム,2010.

10 %以内の誤差で一致している。Naは認証値に対して54 %低い値を示した。これは，Naの特性X線（K - X線）
エネルギーが1.04 keVであるのに対して，SRM2783に含まれるZnのX線（L - X線）
エネルギーが1.01 keVと非常に近接していることで ，Naのピーク解析時にZnのピーク分離が過剰に行われ，認証値より低い値をとったものと考えられる。X線のK - X線とL - X線の発生比率は理論値が高精度で決定されているので，ZnのK - X線のピーク計数からNaのX線のピーク計数を補正することは十分に可能である。

５

今後の展開

今後の展開として，大気環境モニタリングを行う分析会社に，PIXEによるPM2.5の金属成分の受託分析の提案を行っている。現在，数社から引き合いを頂いている。
また，バンデグラフ加速器ではPIXE以外の分析も可能である。多種の分析サービスを提供することにより，顧客満足を得られるように努めている。

住友重機械技報 No.177 201134

省エネルギー・環境保全特集

論文・報告

射出成形システムの省エネルギー化技術

射出成形システムの省エネルギー化技術
Energy Saving Injection Molding System Technology
●天

野

光

Mitsuaki AMANO

昭＊

阿

部

昌

Masahiro ABE

博＊＊

羽

野

勝

Katsunobu HANO

之＊射出成形機と成形品
Injection molding machine and products

射出成形加工プロセスの省エネルギー化は，1990年
代後半からの射出成形機の駆動源の変更（油圧式から電動式への移行）により飛躍的に進んだ。しかし，現在の世界状況のなか，さらなる省エネルギー化の要望が高い。
この要望に応えるべく，現状の射出成形加工プロセス（射出成形工場）におけるエネルギー消費量の測定，分析および解析を行い，生産体系や稼働環境・状況を今一度見直した。その結果，現在の電動射出成形機でも，さらなる省エネルギー化が実現できた。本報では，それらの省エネルギー化技術について報告する。特に，射出成形加工プロセスでは多くの熱を消費しており，稼働状況に則した加熱方法や放熱量の低減が重要となってくる。
また，金型内への溶融樹脂充填プロセスにも注目することで現状プロセスの無駄も見えてくる。

１

構を採用したSE-DUシリーズをそれぞれ市場投入してきた。

まえがき

これら新シリーズの開発では，全電動射出成形機の性能を

資源エネルギー庁のまとめによると，2007年度の産業部門

フルに引き出すべく，各種機構の見直しやアプリケーション

における最終エネルギー消費は，民生・運輸をあわせた全エの充実を図ってきた。また，消費電力削減に，モータの効率

ネルギー消費の約45%を占めており，産業界における省エネル

アップやヒータの放熱量低減に必要な技術開発もあわせて実ギー化推進活動の重要性が伺える 。 このような状況のなか，施してきた。その結果，旧シリーズよりも消費電力を低減し射出成形機も1990年代後半より油圧式から全電動式への移行

つつ高速・高精密で動作する全電動射出成形機を市場投入すが急激に進み，現在では日本で生産される成形機の約80 %をることができた⑴。

全電動式が占めている。当社はプラスチック機械の草創期より積極的に電動式射出成形機の開発に取り組み，1998年には画35Energy saving of the injection molding process has
made dramatic progress thanks to the change of thedrive source (transition from the hydraulic system tothe electric one) of the injection molding machine
starting in the late 1990s. However, in the current
global situation, there is high demand for further
energy saving. To meet this demand, we reviewed
the production system and the operation environmentand state again by measuring and analyzing theenergy consumptions in the current injection molding
processes (injection molding plant). As a result,further energy saving was achieved even in thecurrent electric injection molding machine. This
paper describes these energy-saving technologies. In
particular, the injection molding process consumes
much heat, and therefore, it is important to develop
a heating method based on the operation status andreduce the heat discharge. In addition, focusing also
on the process of filling molten resin into the moldwould clarify the waste in the current process.

２

油圧から電動へ期的なダイレクトドライブ（DD）機構を採用したSE - Sシリーズ

前章でも述べたが，射出成形機は1990年代後半より油圧式を発表し，全電動射出成形機においてリーディングカンパニー

から全電動式への移行が急激に進んだ。油圧式は，機械的エの地位を築いた。その後，2001年に第２世代ダイレクトドラ

ネルギーを油圧ポンプによって作動油のエネルギー（流体エイブ機構を搭載したSE- Dシリーズを，2005年に新サーボ機ネルギー）に変換し，この流体エネルギーを油圧制御弁によ＊プラスチック機械事業部＊＊技術本部

住友重機械技報 No.177 2011

論文・報告型

射出成形システムの省エネルギー化技術

閉

型締
（完了）

計

量

型

開

充

填

保

圧

冷却時間

突き出し

休止時間
型

クロスヘッド閉

図１

エジェクタモータ

射出成形の動作Injection Molding Operation

可動プラテン 固定プラテン
計量回転モータ
金型

型締モータ

ロードセル

射出モータ

スクリュ
ボールねじ

パワーアンプ

ボールねじ

パワーアンプパワーアンプパワーアンプ

設定・モニタ値
各種設定
プログラム
設定器

図2

ディジタルサーボコントロ−ラ
実績・モニタ値

シーケンス制御
数値制御装置

フィードバック
出力

射出装置、型締装置の駆動方法
Method of driving clamping unit / injection unitって調整・制御し，油圧アクチュエータ（油圧シリンダなど）

ー効率の高さを証明している。また，冷却水消費量についてによって再び機械的エネルギーに変換して，このエネルギーも当社油圧機に対し，約95%削減されている ⑴。

を利用し仕事を行っている。高負荷成形には向いているが，作動油の温度上昇に伴う油の粘性変化などの影響により，電３射出成形機の１サイクルの動作動式と比べて制御精度が悪い。また，機械動作中は油圧を一射出成形機とは，熱エネルギーなどによって溶融状態にな定に保つべく常に油圧ポンプ用の電動機を作動させておくのった樹脂を金型の中に射出し樹脂製品を成形する機械である。

が普通であり，さらに油温上昇の防止に，普通はオイルクー

射出成形機は，大きく分けて射出装置と型締装置で構成されラに冷却水を通しているので，電気や水などのランニングコる。射出装置は，樹脂を溶融し射出する装置である。型締装ストが比較的かさむ⑵。

置は，金型の開閉と閉じた金型を締め付ける装置である。

一方電動式は，成形機の駆動部ごとにサーボモータを使用原材料である樹脂（ペレット）
を射出装置で溶融し，型締装しており，ベルト，歯車およびボールネジなどを介して機械置で閉められた金型内の空間（キャビティ）に射出装置で充填エネルギーを伝達しているが，機械エネルギーの伝達が直接して固化させた後，型締装置で金型を開き，製品を取り出す的なことから油圧式と比べエネルギー効率がよく，制御精度という一連の動作（１サイクル）を繰り返し行うことにより同も高い。また，モータは各駆動部が動作しているときのみ回

一製品を短時間で大量に生産できる機械である。

転することから，電力消費を押さえることができる。その他 ，

図１に，射出成形の１サイクルの動作を示す。

一般的なモータはファンによる空冷方式が主流となっており，

型閉・型締………………充填される樹脂圧力で型が開かな

油圧式に比べ冷却水の使用量を大幅に削減できるといった特長も有する。
消費電力量は約70%削減され，電動射出成形機のエネルギ

いよう型締を行う。
射出・充填………………金型内へ溶融樹脂を送り込む。
保圧………………………キャビティ形状を転写する。
住友重機械技報 No.177 201136

論文・報告

射出モータ
６％
計量モータ
28％

ヒータ
49％

型締モータ
17％

射出成形機全体
モータ
ヒータ

図３

2.925 kWh/h
2.886 kWh/h

生産中（連続成形中）の時間当たりの消費電力量分析
In production (in continuous molding) analysis of energy
consumption

8.0

図４

0.36

7.0
6.0
5.0
3.0
2.0

0.36

制御電源
モータ
加熱シリンダヒータ
金型温調

0.36

2.93
4.45

3.35
2.89

4.0

1.0
0.0

5.811 kWh/h

0.36
0.60

3.53
立上中

2.59

2.87

成形中

待機中

3.87

再立上中

稼働状況における時間当たりの消費電力量分析
Power analysis at various operational states

冷却・計量………………キャビティ内の樹脂が固化するの

温調器の電源を停止させる。しかし，生産停止時間が比較的を待つ。その間に次サイクルで充短時間のときは，次の生産開始時の段取り時間を短縮するこ

填する樹脂を溶融，計量を行う。

とを目的に，成形機の加熱シリンダを成形中の温度より低温

型開・突き出し・離型…成形品を取り出す。

にしておく
（保温）
ことが多い。また，金型は成形中ある一定

次に，当社機のSE- DUZの射出装置，型締装置の駆動方法の温度に調節されているが，待機中は成形機の加熱シリンダについて図２をもとに説明する。射出装置は，射出モータのと同様に成形中の温度よりは低温にしておくことが多い。こ

回転によりボールねじが回転させられ，スクリュが前後移動の状況を待機中という。

し金型内に樹脂を充填する。ボールねじが前後移動するとき

これら稼働状況と時間当たりの消費電力量をグラフにしたの反力をロードセルにより検出し，保圧時にスクリュ保持圧

ものが，図４である。成形中が最も多くの電力を必要とする。

力を制御する。計量回転モータの回転をスクリュにダイレク立ち上げ中という状況は，長期停止後，成形機のヒータと金トに伝達しスクリュが回転される。型締装置は，型締モータ

型を常温の状態から昇温させる工程である。成形機の加熱シの回転をボールねじのナットにダイレクトに伝達し，ねじがリンダや金型温調器のヒータ出力が最大となるためには成形

ダブルトグルのクロスヘッドを前進・後退させることにより，中よりも多くの電力量が必要となる。また，再立ち上げは，

可動プラテンを前後移動させ，型閉，型締および型開を行う。

待機中に成形機の加熱シリンダ，金型温調器のヒータを保温

エジェクタも同様に動作し，成形品を取り出す。

状態から昇温させる工程であるが，立ち上げ中と比較するとまた，スクリュは加熱シリンダ内に設置されており，加熱シリンダは，ヒータにより加熱・温度制御されている。

４

生産中の消費電力量分析

電力量は低くなっている。なお，立ち上げ中，待機中および再立ち上げ中では，成形機のモータは停止している。

６

成形システムの放熱量

生産中（連続成形中）の消費電力量は，成形機のサイズ，金

放熱量を測定する方法は世の中に存在しない。そこで密閉・型を締める力，樹脂を溶融するための温度，金型内に充填さ空調された空間で成形システムを起動し，空調機の電力量をせるための圧力，１サイクルの時間などさまざまな使用条件

測定し，検証した。

によって大きく変わる。サイズ，型締力および圧力は大きく，

25 ℃で空調されているクリーンルームにて，成形機（サイ

高いほど消費電力量が大きくなる。一方，サイクル時間は短ズ500 kN），金型温調器，ドライヤ（樹脂乾燥機），チラーといほど単位時間あたりの生産数が多くなるので（高スループ

成形システムを持ち込んで，各機器の電力を測定した。

ット），消費電力量は大きくなる。

図５に，１日の各機器の測定された電力をグラフ化して示

図３は，薄肉製品をハイサイクル（サイクル時間が短い）です。グラフ中のA点から成形段取りを開始し，B，Cの時点で生産している状況での各要素の時間当たりの消費電力量を分連続成形を行っている。空調機の電力に着目すると成形段取析したグラフである。成形機のサイズは，500 kNである。成り開始から各機器が起動し，それに伴い上昇している。Cの形機全体では5.81ｋWh/hである。そのうち，樹脂を溶融する

時点では，各機器の電力が最大となっているときに空調機のための加熱シリンダ用ヒータの割合がもっとも多く49 %であ電力も最大となっている。このことより，成形システムの放り，計量モータの28 %，型締モータの17 %と続く。計量モー熱量の代用特性となることを実証した。成形システムの放熱

タは加熱シリンダのヒータで溶融した樹脂を一定量計量する量を低減させることにより，空調の電力量の低減も可能にな

モータである。つまり，成形機全体のうち，樹脂を溶かす工る。

程に77 %のエネルギーを費やしていることになる。

５37

消費電力量 KWh/h

10.0
9.0

射出成形システムの省エネルギー化技術

稼働状況における消費電力分析

７

省エネルギー化技術

現在生産している成形プロセスの省エネルギー化において，１年365日，24時間，生産している成形工場はまずない。

最初に考慮すべき点は，製品（成形品）の品質および生産効率生産計画にもとづき，必要なときに必要な数の製品を成形しの維持である。省エネルギー化により，不良率が高くなったている。長期生産計画がないときには，成形機の電源，金型

り，稼働率が悪くなったのでは本末転倒である。次に省エネ
住友重機械技報 No.177 2011

論文・報告C

12

A

射出成形システムの省エネルギー化技術

チラ−
空調機

B

ドライヤ

10
平均電力（kW）

成形機のみ
金型温調機

８
６
４
２

23:50

22:55

22:00

21:05

20:10

19:15

18:20

17:25

16:30

15:35

14:40

13:45

12:50

11:55

11:00

9:10

10:05

8:15

7:20

6:25

5:30

4:35

3:40

2:45

1:50

0:55

0:00

０

時刻

ルギー化のアイテムを列記する。
7.1

図５

7.3

成形条件

クリーンルーム内での成形システム電力消費（１日）
Power consumption of injection molding system
in clean booth (per day)

稼働状況に合わせた制御①① 低型締力成形

加熱シリンダ用ヒータの自動保温，自動停止および自動起動② 低温成形② 周辺機器の自動停止，自動起動③ 保圧条件

前述のように成形工場では，立ち上げ中，待機中および再成形条件は，直接，製品の品質に影響を与える因子であ立ち上げ中といった状況がある。それらの状況に合わせ，加る。①低型締力成形，②低温成形は，当社が2008年９月に熱シリンダ用ヒータや周辺機器を制御することでも消費電力リリースしたZero-moldingシステムで可能になっている。低を低減させることが可能である。

型締力成形は，バリ（過充填）の発生が心配である。本来型締当社射出成形機では生産終了後，待機中に自動的に加熱シ

力は金型内で発生する型開力に対抗する力があればよい。型

リンダ温度や金型温度を下げて保温状態にしたり，さらに保開力は金型内への樹脂充填中に発生する圧力
（射出圧）
と正の

温状態が長期継続したときに加熱シリンダ用ヒータ，金型温相関があるので，低い射出圧での充填が可能になればよい。

調器を停止させる機能や，立ち上げ中および再立ち上げ中に ，Zero-moldingシステムのFFC（Flow Front Control）
成形は，

加熱シリンダ用ヒータ出力に制限を加える機能も装備可能で金型内への樹脂充填中に溶融樹脂に過大な圧力を付与せずにある。

充填ができるので射出圧を低くすることができる。結果，型締力を下げることができる⑵⑶。

８むすび

射出圧を下げられることは，加熱シリンダの温度を下げる

本報では，成形システムの省エネルギー化技術として，電ことにも応用でき，従来と同じ射出圧ならば，Zero-molding

動射出成形機を中心に説明してきた。省エネルギー化は次のシステムでは，加熱シリンダの温度が低くても充填可能にな

３点で実現可能である。

る。このことで成形中の消費電力量を20 %低減させた事例も① 成形条件の最適化ある。

② 加熱シリンダカバーの多層化③③保圧条件は，保圧後半から時間経過とともに低下してい稼働状況に合わせた加熱シリンダ用ヒータ，周辺機器の制御

く型内圧の挙動に合わせ，保圧圧力を除々に低下させることで可能になる。これで消費電力量を10 %低減させた事例もあ

また，本報では説明していないが，射出成形機のサーボモる。最新のZero-moldingシステムでは，自動的に保圧圧力設

ータの効率化や駆動・機構部の低摩擦化なども省エネルギー定を下げていく機能も搭載されている。

化には重要なファクターであることは間違いなく，今後とも

7.2

改良，改善および開発を行っていく所存である。

加熱シリンダカバー

大気中への放熱量を減らすには保温性を高める必要がある。
しかし，単に保温性を高めるだけでは，樹脂計量中のスクリ（参考文献）

ュ回転でのせん断力の発生により，溶融樹脂が発熱してしま(1) 羽野勝之,射出成形機の省エネルギーへの取り組み,産業機械,715号,

い，加熱シリンダの温度制御不能になることがある。保温性と同時に温度制御性が必要となる。現在では加熱シリンダカ
バーを多層化することがその答えとなっている。多層化した加熱シリンダにより，保温中の温度設定160 ℃では６ %，230

2010,p.12～17.
(2)

徳能竜一,Zero-moldingを搭載した住友射出成形機の紹介,産業機械,
702号,2009,p.11～15.

(3)

仲谷隆男,低型締力成形における型開力の解析技術,住友重機械技報 ,171号,2009,p.５～８.

℃では10 %の消費電力量を低減させた事例もある。多層化加熱シリンダカバーは大気への放熱量を押さえることができる
ことから，空調機の消費電力も低減させることができる。

住友重機械技報 No.177 201138

省エネルギー・環境保全特集

論文・報告

住友重機械グループの CO2 削減活動と環境配慮製品

住友重機械グループのCO2削減活動と環境配慮製品
CO2 reduction activity and the ecologically friendly product of Sumitomo Heavy Industries, Ltd. Group
●本

藤

和

Kazuomi HONDO

臣＊

越

智

敏

近

朗＊

Toshiro OCHI

10

藤

裕

Hiroyuki KONDO

幸＊

90年度比

−21％

−36％

−32％

−26％

−1.2％

−2.6％

−12％

−29％

−24％

−17％

9.43

9.30

CO 2 排出量
（万 t）

８

６
9.54

9.64

8.44

４

6.79

7.21

7.92

２
基準年
０

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011
（目標）

年度

図１

当社グループのCO2削減結果
CO2 reduction result of our group companies

当社グループは，住友の事業精神を堅持し，持続発展可能な社会の実現に貢献することを環境理念とし，環境経営を推進している。2005年度より地球温暖化防止活動を実施し，2010年度は2004年度比CO2排出量24％削減を達成した。これは，1990年度比32％削減となり，政府の中長期目標である25％を上回る数値を前倒しで達成している。また，当社グループでは，製品を通して環境に貢献していくことを環境中期計画に掲げている。当社グループの製品は，環境に配慮されているかどうかを統一した方法で評価している。この方法は，省エネだけでなく，小型化や軽量化による省資源，資源
循環，長寿命化および有害な化学物質の削減についての評価も実施している。2010年度の評価結果は，環境配慮製品として３件が該当した。今後は、製品のスコアを上げる開発，改良や売上高比率を上げる活動を推進していく必要がある。

１

はじめに

この環境理念を念頭に，持続発展可能な社会を実現するには，地球環境問題に対応し，企業活動のあらゆる局面で環当社グループの環境理念として次の２点をあげる。

境への負荷を減らさなければならない。このことから、当・「住友の事業精神」を堅持し，持続発展可能な社会の実社グループは自主的で積極的な環境保全の取組みを進めて現に貢献する。
・住友重機械グループは，全社をあげて地球環境保全に取り組む。
39

SHI Group is pursuing environmental management
under the environmental philosophy of contributing to
the realization of a sustainable society while adheringto the“Sumitomo Business Spirit.”The Group has
conducted anti-global warming activities since fiscal
2005, and in fiscal 2010 achieved a CO2 emission
reduction of 24 % as compared with fiscal 2004. The
reduction was 32 % as compared with fiscal 1990,
and this indicates that the Group has achieved afigure exceeding 25 %, which is the medium-to-longterm target of the government, ahead of schedule.
In addition, the Group indicates that it intends tocontribute to environmental protection through its
products in the environmental medium term plan. The
Group’
s products are evaluated in terms of whether
they are environmentally friendly using a unified
evaluation system. This system is used to evaluate not
only energy saving, but also resource saving throughdownsizing and weight reduction, resource recycling,
service life extension, and harmful chemical reduction.
The result of evaluation in fiscal 2010 indicates thatthree products were regarded as environmentallyfriendly products. In the future, the Group must pursue
development and improvement that will raise theproduct score, and activities that will increase thepercentage of sales.

＊総務本部

環境管理

いる。
当社グループは，1992年に環境委員会を設置し，地域への環境保全とコンプライアンスを推進してきた。1997年
住友重機械技報 No.177 2011

論文・報告住友重機械グループの CO2 削減活動と環境配慮製品

当社グループ達成率 110.0％

180
160

CO 2 削減達成率（％）

140

2010年度目標値

120
100
80
60
40
20
住重試験検査︵西条︶

住友重機械精機販売

住友重機械マリンエンジニアリング

日本電子照射サービス

住友建機

ＰＴＣ事業部︵中型ＧＭ︶

住重環境エンジニアリング

量子機器事業部

住友重機械エンジニアリングサービス

新日本ファスナー工業

住友重機械ハイマテックス

住友重機械モダン

セイサ

ＰＴＣ事業部
︵ＧＢ︶

プラスチック機械事業部

イズミフードマシナリ

住重フォージング

ライトウェル

ＬＰＳ事業部︵新橋︶

ＰＴＣ事業部︵小型ＧＭ︶

新日本造機

日本スピンドル住友ナコマテリアルハンドリング

住友重機械テクノフォート

ＳＥＮ

住友重機械プロセス機器

メカトロニクス事業部

精密機器事業部

装備システム事業部

住友重機械ファインテック

エネルギー環境事業部

住友重機械エンバイロメント

図２

ＬＰＳ事業部︵新居浜︶

０

2010年度BU別当社グループのCO2削減結果
CO2 reduction result of each BU in our group companies

これらの活動に当たり，当社グループでは全員参加による
CO 2 排出量（千 t ）エネルギー生産性

目標値

CO 2 排出量と売上高（SHIG）

120

80
70

売上高（百億円）
CO 2 排出量（千 t ）

100

50

60

40
30

40

20

20
0

図３

60

80

10
2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010年度

エネルギー生産性（億円／千 t ）

売上高
（百億円）

0
2011
（目標）

当社グループのエネルギー生産性結果
Result of Eco-efficiency of our group companies

取組みと活動の見える化の仕組みを取り入れた。エネルギーの効率的使用を一層高めるべくさまざまなプロセスの改善を図っている。

２

環境経営の推進

当社グループでは，地球温暖化防止活動を環境経営の一環と位置づけており，社長が製造現場に赴いて行う社長診断においても議論される。そして各事業部内の結果は，環境管理部で管理し毎月フィードバックされ，四半期ごとの執行責任者会議でも報告している。

３

二酸化炭素
（CO2）
排出量削減

当社グループは，2007年度にCO2の排出量を2004年度比10 %削減する第１次住友重機械グループ地球温暖化防止活動に2005年度から取り組んでいる。2008年度からは，さらに2010年度にCO２の排出量を2004年度比16 %削減することを９月には環境マネジメントの徹底を目的とした住友重機械

目標として，第２次住友重機械グループ地球温暖化防止活

環境方針を制定した。

動をスタートさせた。これは，京都議定書の基準年度である

さらに，当社グループ全体の活動における基本方針を明確にするべく，1999年11月に住友重機械グループ環境方針を制定し，海外を含めたグループ全体で環境マネジメント
2008年度から2010年度までの第２次環境中期計画では次2004年度比16 %削減
2005年度比40 %削減

・グリーン物流（輸送に伴うCO２排出量の削減） 2006年
度比11 %削減

図１に,当社グループの2010年度のCO２削減結果を示す。
度と比較すると32 %削減となり，目標を大きく上回ってCO２
排出量を抑制することができた。図２に，2010年度におけるの活動を推進してきた。
・用紙使用量の削減活動ている。
2010年度は当社基準年度の2004年度から24 %削減し，1990年を展開している。

・CO２排出量削減活動

1990年度と比較すると，25 %削減を達成することを目標とし

BU（ビジネスユニット）別のCO２削減結果を示す。ほとんどのBUで目標を達成することができた。
また，2009年度より，環境先進企業をベンチマークし，当社グループの事業特性を考慮しながら，統一した方法である
住友重機械技報 No.177 201140

論文・報告住友重機械グループの CO2 削減活動と環境配慮製品

当社グループ達成率 86.2％

160
140

2010年度目標値

目標達成率（％）

120
100
80
60
40
20
住友重機械プロセス機器

ＰＴＣ事業部︵ＧB︶

セイサ

ＰＴＣ事業部︵中型ＧＭ︶

住重フォージング

住友ナコマテリアルハンドリング

住友重機械ファインテック

新日本造機

日本スピンドル

住友重機械ハイマテックス

横須賀製造所精密機械棟 太陽光発電設置状況
Photovoltaic power generation at precision machinery buildingin Yokosuka factory

エネルギー生産性(売上高/CO２排出量)の新指標を用いて，各びプロセススコア改善の評価基準が確立し，その活動の成

BUの月次管理および運用を展開している。

果を社長診断や執行責任者会議等で報告し，PDCA（Plan Do

エネルギー生産性の2010年度の目標値は，2008年度比毎
年２ %以上向上とし，他社比トップの数値目標とした。
図３に，当社グループのエネルギー生産性の推移を示す。

Check Action）
を回す仕組みが定着した。
また，2009年度からはプロセスを変革し，生産革新活動
とも連動した活動に展開され，工場の競争優位，自立化に

2009年度は，目標2008年度基準２ %向上に対して３ %向上と寄与している。

なり，目標を達成したが，2010年度は10%ダウンし未達に終

3.1

照明と空調の改善った。図４に，2010年度のBU別のエネルギー生産性の結果

3.1.1

照明の改善

を示す。BU別では目標達成部門が９部門と半分以上が未達（1）事務所照明（プルスイッチ化，間引き，スイッチの区成だったが，これは，2008年度の売上高がここ数年で一番高分化，高効率蛍光灯およびLED化）。

く，それに対し，2010年度の売上高がリーマンショックの影（2）工場照明（水銀灯のメタルハライド等の高効率化，蛍響で減少しているにもかかわらず，それに見合ったCO２削減

光灯化および天井の明り取り化による昼間の照明の消灯）。

ができていない部門が多いということが理由としてあげられる。
CO ２削減活動では，新指標であるエネルギー生産性およ41

図６

住友重機械テクノフォート

年間太陽光発電状況
Situation of photovoltaic power generation during a year

ＰＴＣ事業部︵小型ＧＭ︶

図５

メカトロニクス事業部

BU別当社グループのエネルギー生産性結果
Result of Eco-efficiency of each BU in our group companies

住重試験検査︵西条︶

図４

量子機器事業部

住友建機

ＬＰＳ事業部
︵新居浜︶

装備システム事業部

日本電子照射サービス

住友重機械マリンエンジニアリング

住友重機械エンジニアリングサービス

住友重機械モダン

SEN

プラスチック機械事業部

精密機器事業部

0

ＬＥＤ照明については，現在は街灯や非常灯を中心に進めており，試験的に事務所および工場の照明に導入を進めているが，今後は更新に合わせて採用していく。
住友重機械技報 No.177 2011

論文・報告住友重機械グループの CO2 削減活動と環境配慮製品

3 500

実質削減
電気代

電気代（百万円）

3 000
2 500
2 000

電気代単価UP分（削減分以外）削減した電気代単価UP分

1 500

自助努力電気代削減金額

1 000

04年度単価電気代

500

売上高に比例した電力使用
量 UP の電気代UP分

０

2004

2007

2008

2009

2010

年度

図７

当社グループの電気代削減効果
Effect of electricity cost reduction of our group companies

電気・燃料削減金額
（百万円）

3 000

2 000
電気削減金額
燃料削減金額

1 000

累積
０
2007

2008

2009

2010

年度
経済効果
（2004年度比）

図８

3.1.2

当社グループのエネルギー削減効果の推移
Effect of energy cost reduction of our group companies

空調の改善いるので，工場の端から端まで空気を送らなければならず，（1）空調適正温度管理の実施（夏 28℃，冬 20℃）。

ロスの大きな方式が多い。今後は，決まった場所で必要な時（2）空調区域の最小化としてビニールカーテンによる仕切に必要なだけ使用する分散型配置への転換が必要である。

りなど空調気積（空間）のミニマム化を図っている。

3.3

太陽光発電の導入（3）当社グループ全体の工場空調について25項目のスコア

2008年10月より横須賀製造所精密機械棟の屋根に1 800枚調査を行い，当社版評価基準により評価し，運転改善をの太陽電池パネルを設置し，発電を行なっている。太陽電池

実施している。2009年度に調査を実施した当初は358箇を自然エネルギー電力として活用することにより，温室効果

所の空調の中で要改善箇所が197件あり，そのうち2010

ガスを排出することなく，27万 kWh/年の発電を行なってい年度で129件の改善を行い，要改善は残り68件となった 。

る。

工場空調では，更新時に随時効率の良いものを採用してこれは一般家庭が一年間に使用する電力量のおよそ500世いる。

帯分に相当する。横須賀製造所では，このシステムを有効活3.2

省エネ機器の導入用して，電力削減運動を継続している。

3.2.1

コンプレッサ本システムは，独立法人

新エネルギー・産業技術総合開（1）インバータ化および台数制御による省エネ化を実施。

発機構（NEDO）と共同で行なう，｢フィールドテスト事業（注1）｣（2）圧力設定を標準0.6 MPa以下とし，高圧が必要な機器の研究項目である。

には昇圧機や別途小さいベビコンで対応することにより，全体の電気使用量を削減している。
現状では，コンプレッサは管理面から集中して配置されて図５に2008年の発電量の１年間の変化を，図６に太陽光パネルを示す。2008～2010年度の実質発電量は102万 kWhで電気代は約940万円となる。しかし，横須賀製造所全体の電気
住友重機械技報 No.177 201142

論文・報告住友重機械グループの CO2 削減活動と環境配慮製品

12

10

製品数（台）

8

6

4

2

0
20 未満

20〜29

30〜39

40〜49

50〜59

60〜69

70〜79

80 以上

スコア

図９

環境配慮製品2010年度スコア評価
Score evaluation of FY2010 of eco-friendly products

使用量の１ %に過ぎず，電気使用量の削減も継続して実施し4.1.1ていく必要がある。

（1）省資源3.4
3.4.1

燃料系の省エネ
塗装乾燥炉の運用改善

燃焼条件として空気比，設定温度および稼働時間を見直し，
25 %のCO2削減を実施している。
3.4.2

プッシャー炉の重油削減

圧力計を新たに設置し，圧力管理と燃料の見える化を行

・製品の減量化
・減容化再生材，再生資源および再生部品の使用（2）廃却時の再資源化の向上(分別処理の容易化)
・リサイクル率の向上
・解体容易性（3）長寿命化い燃料の10 %削減を実施している。

・製品の耐久性向上

3.5・消耗品の交換性向上

経済効果

図７に，CO2削減活動による電気代の推移を示す。また，
図８に，電気代と燃料代の削減金額の推移を示す。本活動の経営に寄与した2010年度の金額は2.8億円であり，過去４
年間では22.3億円となる。

４

環境配慮製品

当社グループでは，製品が環境に与える負荷を評価し，環境に配慮した製品を客先に提供することが重要と考え，LCA（注２）
による評価を技術本部（ライフサイクルアセスメント）にて実施した。

・保守・修理の可能性向上，容易性向上（4）梱包・包装
・包装材の減量化・減容化・簡素化（5）情報の提供
・リサイクル・廃棄物処理に係る情報（6）使用時における省資源対策
・製品使用時の原材料消費量，廃棄物の削減
4.1.2

地球温暖化対策（1） 使用時における省エネ対策
・省エネ・省資源等の機能の導入

一方，環境に配慮した製品は，各事業部や関係会社ごとに回生エネルギーの使用など

品質機能展開図（QFD）や独自基準を作成し，商品開発を行な

・使用段階における省エネ性っているのが実情で，当社グループとして統一した基準で環・待機時の消費電力削減

境を配慮した製品の評価を行っていなかった。環境規制を強（2）製品のライフサイクルにおける環境負荷低減

化し，低炭素社会への対応を図り，商品の競争優位を持続す

4.1.3

るべく，環境配慮設計の基準を作成し，現行商品や開発商品（1）環境保全性について適用し始めている。

環境リスク低減

・環境負荷物質に対する法的制限の適合を保証

独自基準ではあるが，当社グループの環境配慮製品の拡大

REACH規制への対応などを図り，ISO14001の環境マネジメントプログラム（EMP）に・使用時の騒音・振動の削減

おいても活動の評価を実施していく所存である。

・製品に含まれる環境負荷物質の削減および禁止

4.1

評価方法

評価の項目としては次のとおり実施のうえ，スコア化し，評価している。
43

資源循環

以上のように省エネだけでなく，省資源の他にREACH規制，RoHS指令などのEUの環境規制強化に対応した有害な化学物質を含まない製品の開発も必要となっている。
住友重機械技報 No.177 2011

論文・報告図 10

環境配慮製品 バイオマスボイラ
Eco-friendly product : Biomass boiler

4.2

2010年度評価結果

図 11

注１

境に配慮した製品がほとんである。図９に2010年度スコア評
価結果を示す。評価した39すべての製品でも，省エネや環境

環境配慮製品 油圧ショベル
Eco-friendly product : Hydraulic excavator

実負荷のもとで運転するインバータ出力300 kW新制御方式適用型
太陽光発電システムを構築し，優れた発電効率を得る方策を共同研

当社では, 独自の基準により製品に対して環境配慮に関する評価を実施している。当社グループの製品は，省エネや環住友重機械グループの CO2 削減活動と環境配慮製品

究する事業
注２

製品・サービスのライフサイクル(資源の採取から製造，使用，廃棄および輸送などすべての段階)を通して環境影響を定量的，客観的に評価する手法に貢献できる配慮がスコアとして現れている。50％以上のス
コアの改善が見られたのは31製品と80％を占める。環境配慮製品の最終目標スコアである80点以上に達している製品は３機種である。
・当社エネルギー環境事業部 バイオマスボイラ（図10）・住友建機株式会社 油圧ショベル（図11）・日本スピンドル製造株式会社 バグフィルタ
今後は，製品のスコアを上げる開発や製品の評価のカバー率を上げる活動を継続していく。

５むすび（1）当社グループでは，2005年度よりCO2排出量削減活動を実施し，2010年度は2004年度比24 %削減を達成した 。
これは，1990年度比32 %削減となり，政府の中長期目標（2020年度）である25 %を上回る数値を前倒しで達成しており，今後は上記数値を維持し，エコファクトリー
を目指していく。本活動の経営に寄与した2010年度の金額は2.8億円（過去４年間で22.3億円）である。
（2）当社グループでは，製品を通して環境に貢献していく
ことを環境中期計画に掲げており，統一した評価方法
で各製品を評価している。その結果，2010年度は３機
種が環境配慮製品となり，今後はさらに機種が増える
ように，開発および改良を進めていく。
また，当社グループには，環境に関する機種のほか，省エネ製品があるが，今後は再生エネルギー分野の製品化を期待している。

住友重機械技報 No.177 201144

省エネルギー・環境保全特集

技術解説

LTV 運行管理システム

LTV運行管理システム
Implementation of Energy Saving and Safety Driving by Utilizing LTV System●後藤Akira GOTO

晃＊

改革期

現状

成熟期

実態にあった
安全講習

醸成

省エネ・安全レベル測定にもとづく
教育・指導

風土の監視することによりオペレータの意識が改善

継一般安全講習

監視
効果

ハード対策

育

教

な

的

続

導

指

・

現場全体での意識向上

継続しなければ元の状態に… ・一時的な効果省エネ・安全レベル向上イメージ
Image of energy saving and the safe
level improvement

慣れＬＴＶ運行管理システテム導入
時間
（経過）

１

はじめに

近年，フォークリフトの主要顧客層である運輸・倉庫業で（2）警報タイプの安全装置の場合，警報が鳴っても慣れにより注意を怠ってしまうことが考えられる。
（3）また，最悪の場合，作業効率の悪さなどから安全装置

は，荷主との取引の安定化と取引量の増加，新規顧客の発掘

これらの問題点を解消するべく，運行状況を採点および物流コストの低減および安全運行による荷役作業品質の向上

スコア化し，見える化できるLTV運行管理システムを開発 。

を重要な経営課題としている。また，環境負荷低減といった2011年より，一般発売した。

社会的な責任の観点からも省エネは重要な経営課題と言える。

このLTV運行管理システムを活用することで，日々継続

こうした背景のもと，省エネと安全な運行の実現を目的として，運行状況の問題点の明確化とオペレータの運転に対すした取組みが行われてきたが，十分な効果を上げられていなる問題点を数値で把握できる。また個々のオペレータの運行

いのが実情である。そこで当社のLTV（Life Time Value）
運

実態に即して，より具体的な内容での運行指導および教育を

行管理システムを使用し，省エネかつ安全な運行を実現する

実施することを可能にし，職場の省エネと安全運行を実現す手段を提案する。

る手段を紹介する。

なお，当社では，LTVを，フォークリフトの顧客生涯価値の意味で使用している。

２

従来の取組み内容と問題点

従来の取組みは次のものが一般的であった。
（1）フォークリフトオペレータを対象に，一般的な内容での安全運行指導と安全教育を実施する。

３
3.1
3.1.1

システムの概要（図１）
システムの主な特長
データ収集の自動化，採点～スコア化

車両に搭載されたLTV測定器により，車両の運行状況を計測し，区間時間ごとの運行状況を集計する。集計された運行データはFOMA通信網を利用し，住友ナコサーバへ自動（2）車両に安全装置(速度オーバーアラームなど)を装備。

で送信される。次に住友ナコサーバで，あらかじめ設定されこれらの取組みを繰り返し行ってきたが，実際には効果的た基準に従いデータを採点しスコア化を実施する。このスコに運行指導する手段もなく，客観的に運行指導の効果確認を

アにより運転の良し悪しが把握できる。また， どの運転パタ行う手段もなかった。それゆえ指導の効果は一時的なものにーンに課題があるのかを明確に把握することが可能となる。

とどまってしまう場合が多く，継続的に省エネおよび安全の3.1.2

レベルを向上し，根本的に職場環境を改善するのは非常に困難であった。

45

を壊して運行してしまうこともある。

と獲得および競争力強化を目的とし，省エネによるさらなる

安全運行レポートの自動生成

本システムは，安全運行レポートの自動生成機能を備えており，顧客の管理者が個々のオペレータまたは，車両ごとにこれまでの取組みの問題を次に示す。

実際の運行状況に合わせた運行教育を行える。なお，安全運（1）一般的な内容での運行指導や安全教育ではオペレータ

行レポートでは，管理項目として顧客ごとに選択された項目

が自分の何を改善すればよいのか実感が得られない。

にあらかじめ目標値を設定しておくことにより，目標未達項＊住友ナコ マテリアル ハンドリング株式会社

住友重機械技報 No.177 2011

技術解説

FOMA通信網

採点
スコア化

2.6

2.7

スコア
グラフ

2.5
2.3
2.2
2.1

当社
販社

２

管理者は、スコア・
グラフで運行管理
およびオペ指導

顧客作業現場および管理事務所

図１

省エネ・安全運行
分析し、顧客にフィードバック

２

３

４

図２

省エネルギーの効果
Energy saving effect

6.0
5.5
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0

システム概要Outline of LTV System

データのダウンロード機能

運行スコアおよび稼働データはダウンロードすることがで
き，標準で用意された分析のみならず，管理者独自の視点での分析も可能である。
管理項目

５

６

７

８

９

10

11

12 月

運行スコアと損失金額
（％）

いる。

3.2

１

なし

住友ナコ設備目に対して問題点のコメントを自動的につける機能を有して
3.1.3

あり

運行スコア

管理者
オペレータには、警報機能で注意勧告＜燃費・CO2排出量 改善効果＞
燃費 約17％（月間 約15 000円/台）
CO排出量 約７％
（年間 約４ t/台）

2.4

社内LAN

車両

L PG 式 2.5 tA T 車）

図３

安全指標平均
（スコア）
急加速
（スコア）
急減速
（スコア）
高速スイッチバック
（スコア）
損失金額
（％）
１Q

２Q

３Q

四半期ごと集計

４Q

５Q

120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
０

％

インターネット
経由で公開

当社
サーバ

2.8

LT Vナビ導入
指導開始

自動送信

2.9

Kg/h

LTV測定器

燃料使用量比較（車両

３

LTV 運行管理システム

安全レベル効果
Safe level effect

本システムは，運行管理項目以外にも，稼働時間などのデータも計測しているが，ここでは運行管理項目について説明する。主な運行管理項目は，次の６項目である。

少している点である。
継続的に教育および指導を行わない場合，その効果は一時①構内制限速度違反 ②最大許容荷重オーバー ③急加速

的なものとなってしまうことが表れている事例と言える。

④急減速 ⑤高速スイッチバック ⑥急旋回

4.2

これらの項目に対する日々の運行スコアを管理できるので ，

安全運行（荷役品質向上）
事例
（図３）

Ｂ社
（乳製品製造業の物流請負会社）
では，急加速，急減速 ，オペレータごとにデータを見せながら，「急な加速が多すぎ

急旋回および運搬時後進のスコア向上に取り組んだ。安全運る」「走行速度が速すぎる」など個別に的確な改善ポイント

行レポートおよびダウンロードしたデータから作成したスコを指示することが可能となる。また，車両側の設定により違ア推移表で日々の教育を実施した。その結果，大幅に商品事

反操作時に警報を鳴らす機能を有することで，オペレータは故を低減し，約56%もの商品事故による損失金額の削減効果

低スコアとなる運転レベルを体感することが可能になり，効を出すことに成功した。

果的な運行指導および教育ができる。

４4.1

省エネおよび安全運行への改善（導入事例）
省エネ（燃費改善）
事例（図２）

Ａ社（化学工業系の物流子会社）
では，構内制限速度と急加速のスコア向上を目指し，安全運行レポートを使用し，オペ
レータごとに日々個別の運行指導および教育を実施した。そこれは，顧客（管理者）
が一般的な内容の運行指導や安全教
育だけではなく，スコア推移表によるオペレータ教育および運行指導が効果的だと考え，当社にて推移表作成の支援をした結果，適切かつ効率的な運行指導を実現できた事例である。

５

おわりに

（1）これまでも，省エネおよび安全運行への要求は高かの結果，燃料使用量で約17%，CO2排出量で約７%もの改善

ったが，効果的な教育方法がなく，一般的な教育での効効果を出すことに成功した。

果は一時的なものであった。

Ａ社では，導入効果を明確にするべく，全車両の半数に（2）LTV運行管理システムにより運転状況を採点およびLTV運行管理システムを取りつけて指導を実施。残り半数はスコア化し，運転をどう改善すべきかを具体的なデータシステムを取りつけずに指導も実施しないという運用を行っを見せながら運行教育および指導することを可能とした 。

た。ここで，注目すべきは，導入時期には監視による効果で（3）スコアを改善することで，結果的に省エネかつ安全なシステム装着車両，非装着車両とも燃料使用量が減少してい運行が実現可能となる。

るが，その後，システムを装着していない車両は燃料使用量

今後，監視項目の拡充など，さらに，お客様の省エネかつが増加し，ほぼ元の状態に戻ってしまう。一方，システムを

安全な運行の実現が支援できるよう，機能向上に取り組む所

装着し適切に指導を継続した車両の燃料使用量は，さらに減存である。
住友重機械技報 No.177 201146

省エネルギー・環境保全特集

技術解説

誘導電動機の高効率化の動向

誘導電動機の高効率化の動向
Trend of High Efficiency Regulation for Induction Motors
●水

谷

清

信＊

１

はじめに

Kiyonobu MIZUTANI

注意が必要である。
表１に，IECで設定された新しい区分と従来値との比較を

近年，地球温暖化問題などを背景として省エネを求める声示す。また図１に，代表例として50 Hz，４P機の効率値の比が高まっている。このような情勢のなか，産業分野で用いら較グラフを示す。

れる電動機は，発電した電力の３割程度を消費していると考えられ，電動機の高効率化による省エネが重要な課題となっ

なお，IEC規格と整合を取ったJIS規格も準備され，2011
年１月20日にIEC 60034-30に対応する規格がJIS C 4034-30ている。それゆえ，主たる電動機である誘導電動機（誘導機）

として制定された。日本の国内規格も国際規格に整合した内の高効率化と規制が検討され，一部の国および地域では開始

容で整備されている。

されている。本報では誘導機の高効率規制の動向について紹介する。
なお，規制動向は2011年７月時点で公になっている情報を３

高効率規制の動向

3.1

海外の高効率規制の動向もとにしているが，当社が独自に収集した部分もある。加えまず，高効率規制の基本モデルになっているEUの規制をて規制や規格の動向は日々変化しているので注意されたい。

紹介する。規格や法令の整備が進んでいない国々では，EU２の規制内容がそのまま流用される場合もあると思われ，重要モータの効率値とその規格

な規制内容と考えている。

誘導機の効率は，1990年代までは国および地域でばらばら

ＥＵでは2009年７月に規制内容を発表し，2011年６月16であった。それゆえ，グローバルに高効率化を進めるうえで日からIE２クラスでの規制を開始した。また2015年より効効率値を国際的に統一する必要が生じ，2008年に国際電気標率クラスをIE３クラスに上げることが決まっている。規制が

準会議
（IEC

適用される誘導機の主要仕様を次に示す。

International Electrotechnical Commission）によって新しい規格が制定された。新しい規格はIEC 6034-30と呼ばれ，効率測定法を規定したIEC 60034-２-１規格とあ・周波数わせて運用されている。
IEC 60034-30では，新しくIE１，IE２，IE３の３つの効・モータ出力率区分が規定され、50 Hzと60 Hzの両方の効率値が規定され・電源に直結した誘導機

・定格電圧
・極数

た。規定された効率値は主要国の意見が反映され，従来規格

1 000 Vまで
0.75 kW～375 kW

２，４および６極

ただし次に該当する誘導機は適用範囲から除かれる。
・IEC 60034-25に準拠するインバータ駆動用に設計されから大きな乖離が生じて混乱することがないように配慮され
ている。

た誘導機

またIEC 60034-31資料でIE３を上回るIE４（スーパープレ・ポンプやファンなどに完全に組み込まれ，機械から分離

ミアム）も提案されている。IE４は規格値ではなく技術向上

できない誘導機の目標値の扱いであるが，IE４のような超高効率の動向にも・ブレーキつきや爆発雰囲気用などの特殊な誘導機

IEC規格による効率区分と従来規格との比較
Efficiency class by IEC standard and comparison
with current standard

10095

従来規格との対照

90

効率区分

IE１

標準効率

JIS C 4210相当

NEMA 標準相当 EFF2とEFF3の間

IE２

高効率

JIS C 4212相当

NEMA 高効率相当 EFF1とEFF2の間

75

IE３

プレミアム効率－

NEMA プレミアム
EFF1を上回る値
相当

70

IE４

スーパー
プレミアム効率

85
80
IE １
IE ３

IE ２
IE ４

JIS -C- 4210

JIS -C- 4212

90
11
0
13
2

55
75

45

－

22
30
37

65

15
18
.5

州

5
7.
5
11

－

欧

４

－

アメリカ

1.
1
1.
5
2.
2
３

本

0.
75

日

効率（％）

IEコード

5.

表１

50 Hzおよび60 Hz

モータ用量（kW）

図１

47＊ PTC 事業部

IE１～IE４の効率値（50Hz，４P誘導機）
Efficiency value from IE１ to IE４(50Hz, ４-ple motor)
住友重機械技報 No.177 2011

技術解説

誘導電動機の高効率化の動向

高効率規制のタイムテーブル
Timetable of high efficiency regulation for induction motor

表２

地域・国

2009

2010

2011

EU
韓

2012

△2011/６/16

国△2010/７

2013

2015

2016

での規制開始7.5 kW以上△2009/12よりIE２（高効率）
レベルでの規制開始（ただし実態は不明）△2006よりEFF１レベルでの規制開始

国（未定であるが欧州に追従することが予想される。）△2011/7IE２（高効率）
レベルでの規制を開始△2015 IE３レベルに引き上げる予定

アメリカ△1997 IE２相当の規制を実施△2010/12/19よりIE３（プレミアム）での規制を開始。ただし汎用モータが対象。

カナダ△1995 IE２相当の規制を実施△2011/１/１よりIE３（プレミアム）での規制を開始。現時点では汎用モータが対象。
△2012/４頃の発表で高効率規制の関心が高ま本ると思われる。

規制未実施

規格名

参考 代表的な誘導機
認証（第三者の確認） の安全規格・ラベル名IEC 60034-30

EU
国

不要

KS C 4202

必要

KS

必要

ANS
（CEが流通）

GB規格

必要

CCC

アメリカ

NEMA&EISA

必要

UL

カナダ

CSA&EEAct

必要

CSA

中

日

国

本

JIS C 4034-30を用い，認証は不要の見通し

べく，IE３クラスの規制が計画されている。現時点では次の予定となっており，2015年ころにIE３クラスでの規制を行うことが検討されている。
・2010年度

CE

AS/NZS 1359.5

豪州・NZ△2015年頃よりIE３（プレミアム）での規制を検討中

IE３（高効率）相当の規制実施効率規格と認証

地域

韓

IE２
（高効率）
相当の規制実施

各国の効率規格と認証要否および安全規格名
Standard of high efficiency regulation and its confirmation

表３

規制0.75 kW以上～

IE２
（高効率）
レベルでの規制開始

ブラジル

日

2017

△2015/１/１IE３（プレミアム） △2017/１/１IE３

IE２
（高効率）
での規制開始

豪州・NZ
中

2014

省エネ法での特定機器指定(誘導機を省エネ

活動の対象にすることが決定)
・2011～2012年度 産業界および関係省庁での審議
・2012年度

省エネ法による判断基準告示（規制開始の告示）
・2015年度 省エネ法改正および施行（規制の実施）PSE，JIS

なお，日本では汎用誘導機とギアモータなどの特殊用途向けの比率が１：９程度と推定されている。このことから汎用

なお，定義が必ずしも明確になっていない部分があること

誘導機だけを対象にしたのでは省エネ効果が望めず，規制対と，規制内容は国および地域の条例や法令で定められること

象を明確にし，かつその範囲を広くしていく方策がとられるから，実施状況が国によって異なる可能性があり，注意が必と予想される。そのため告示の際には，その内容に十分に注要である。

意する必要がある。

アメリカは1990年代後半からNEMA（National Electrical

3.3 予想されるタイムテーブルと第三者認証について

Manufactures Association）
高効率クラス（＝IE２相当）の規制を表２に，現時点での規制のタイムテーブルを示す。

実施している。そしてアメリカは効率クラスを上げ，2010年

また高効率規制では第三者の認証が必要な国がある。表３

12月19日よりNEMAプレミアムクラス（＝IE３相当）の規制をに，代表的な国および地域での認証要否の概略を示す。表３実施した。またカナダも2011年１月１日より同様の規制を開では，混同されがちな安全規格も併記するので参考にされた始した。両国ともプレミアム規制の対象となるモータは，主い（なお，効率規格，安全規格ともに詳細は容量や種類によとしてNEMA規格で規定されている汎用誘導機であり，一体って異なるので，あくまでも概要としての取扱いをお願いす型ギアモータなどの特殊と見なされる誘導機は対象外になっ

る）
。

ている。
アジア地域では，韓国が他国に先駆けて2010年７月よりIE２

４

おわりに

クラスの高効率規制を開始した。韓国の規制は電源や容量範（1）温暖化対策や省エネ要求から，誘導機に対する高効率

囲が若干異なるが，EUでの規制と類似している。また，中国化の要求がグローバルに高まっており，その規制動向について説明した。

も2011年７月より高効率規制を開始した。韓国と中国は公的な認証機関での試験と認証が必要で，認証ラベル制度を有し（2）効率向上の要求や規制に高度なレベルで対応できる製ている点に注意されたい。

品を提供することはメーカーの責務と考えており，当社

3.2

でも技術開発を行い，社会に貢献できる製品を提供した

日本の動向

い。

日本は、オイルショックを契機として誘導機の高効率化とその普及に取り組んできた。しかし，モータの価格アップやインバータによる省エネや装置小型化の効果が高いといった理由から高効率誘導機は普及しなかった。
しかし地球温暖化対策などから日本でも誘導機の効率向上とその具体的な推進が喫緊の課題となっており，強制力を持った高効率規制の導入が計画されている。日本では煩雑なモ
デルチェンジを避け，かつ最高効率を有する誘導機を普及す（参考文献）(1)

財団法人エネルギー総合工学研究所, 平成21年度省エネルギー設備

導入促進指導事業報告書,平成22年３月,p.９.
(2)

社団法人日本電機工業会,電機,Oct.,2007,p.14～15.

(3) EC, Commission Regulation (EC) no.640/2009 of 22 July 2009,2009,p.28.
(4)

社団法人日本電機工業会発行, 低圧三相インダクションモータの海外高効率化動向,2010.

住友重機械技報 No.177 201148

住友重機械技報第177 号発行に当たり

住友重機械技報第177号をお届け致します。

本誌は，当社が常々ご指導頂いている方々へ，最近の新製品，新技術をご紹介申し上げ，
より一層のご理解とご協力を頂くよう編集したものです。
本誌の内容につきましては，さらに充実するよう努めたいと考えますが，なにとぞご批判キ

賜りたく，今後ともよろしくご支援下さるよう，お願い申し上げます。

リ

なお，貴組織名，ご担当部署などについては正確を期していますが，それらの変更がござトいましたら裏面の用紙にご記入の上，F A X でお知らせ頂きたくお願い申し上げます。また，

リ

読後感や不備な点を簡単に裏面用紙にご記入願えれば幸いに存じます。

線

2011年12 月〒 141-6025 東京都品川区大崎 2丁目1番1号（ThinkPark Tower）
住友重機械工業株式会社
技術本部

技報編集事務局

（宛先）

（発信元）
貴組織名
担当部署
氏
名
TEL No.
FAX No.

住友重機械工業㈱技術本部 技報編集事務局 行
FAX 横須賀 046 − 869 − 2355

住友重機械技報第177号の送付先の確認と読後感などの件
送付先
変（旧送付先）（新送付先）

送付番号

送付番号

組織名称

組織名称

担当部署

担当部署

所 在 地

所 在 地

更

キ

〒

〒

リ

新

ト

規

新しい部署ができた場合ご記入下さい。

リ

組織名称
送

線

担当部署

付

所 在 地

先

〒

必要部数

本
号 の 読

1 ．本号で，一番関心を持たれた記事は。

後 感 に

2 ．本号を読まれたご感想をお知らせ下さい。
（○印でご記入下さい。
）
1

興味深かったつ い て

その理由をお聞かせ下さい。

2

特に興味なし部

主要営業品目
変減速機，インバータ● 機械式減速機：［同心軸］サイクロ減速機，サイクロギヤモータ
アルタックス，精密制御用サイクロ減速機，コンパワー遊星歯車
減速機，［平行軸］パラマックス減速機，ヘリカルバディボックス，
プレストギヤモータ，［直交軸］パラマックス減速機，ハイポニッ
ク減速機，アステロ直交ギヤヘッド，ベベルバディボックス，ライタックス減速機，HEDCON ウォーム減速機，小形ウォーム減速機 ● 変速機：［機械式変速機］バイエル無段変速機，バイエル ･
サイクロ可変減速機，［電気式変速機］インバータ，インバータ搭
載ギヤモータ，サーボドライブ，DC ドライブ
サイクロ，アルタックス，コンパワー，パラマックス，バディボックス，ハイポニッ
ク減速機，
アステロ，
ライタックス，HEDCON，
バイエルおよびバイエル・サイクロは，
住友重機械工業株式会社の登録商標です。

プラスチック加工機械● プラスチック加工機械：射出成形機，射出吹込成形機，ディスク
フィルム製
成形機，
セラミックス成形機 ● フィルム加工機：押出機，造装置，ラミネート装置 ● IC 封止プレス ● ガラスプレス ● 成形システム ･ 金型：射出成形用金型，PET システム，
インジェクションブロー成形システム，
インモールドラベリング成形システム
レーザ加工システム● レーザドリル装置● レーザアニーリング装置● YAG レーザと加工システム ● エキシマレーザと加工システム
半導体・液晶関連機器● イオン注入装置● 放射光リング・AURORA，
放射光ビームラ（液晶フラットパネル用）プラズマ薄膜形成シス
イン ● 成膜装置：
テム ● 精密位置決め装置 XY ステージ ● モーションコーポネ
ント ● ライン駆動用制御システム ● マイクロマシン ● レーザアニーリング装置 ● 半導体封止装置 ● ウエハ研削装置
AURORA は，住友重機械工業株式会社の登録商標です。

環境施設● 環境 ･ エネルギー関連プラント：循環流動層（CFB）
ボイラ，ロー
タリーキルン式産業廃棄物処理施設 ● 大気関連プラント：電気集塵装置，灰処理装置，
乾式脱硫 ･ 脱硝装置 ● 水関連プラント：上水処理施設，下水処理施設，浸出水処理施設 ● 産業廃水処理装置
加速器，医療機器，精密機器，極低温機器，超電導磁石● イオン加速器：サイクロトロン，
ライナック，シンクロトロン ● 電
子線照射装置 ● 医療機器：PET診断用サイクロトロン ･CYPRIS，
標識化合物合成装置，がん治療用陽子サイクロトロン，治療照射装置● 冷凍機：パルスチューブ冷凍機，
4KGM 冷凍機，スターリング冷凍機，
クライオポンプ用冷凍機，
MRI 用冷凍機 ● 人工衛星搭載観測装置冷却システム ● 超電導磁石：ヘリウムフリー超電導マグネット

物流・パーキングシステム● 自動倉庫システム● 高速自動仕分システム
テム ● 無人搬送システム ● 機械式駐車場●

FMS/FA シス

金属加工機械
● 鍛圧機械：フォージングプレス，
油圧プレス，
フォージングロール，
クーラント処理装置 ● SPS（放電プ
超高圧発生装置 ● 工作機械，
ラズマ焼結機）
運搬荷役機械
連続式アンローダ，港湾荷役クレーン（コンテナクレーン，タイヤマ
ウント式ジブクレーン，
タイヤマウント式 LLC），
トランスファクレ
ーン，
ジブクレーン，
ゴライアスクレーン，
天井クレーン，製鋼クレーン，
自動クレーン，
ヤード機器（スタッカ，
リクレーマ，
スタッカ／リクレーマ），
シップローダ，ベルトコンベアおよびコンベアシステム，
リフ
ティングマグネット装置，コークス炉移動機械
船舶海洋● 船舶：油槽船，撒積運搬船，
鉱石運搬船，
鉱油兼用船，
コンテナ船，
自動車運搬船，
その他海洋構造物
インフラ整備関連● 海洋 ･ 港湾構造物：沈埋函，
ケーソン
化学機械，プラント● 一般プラント：紙・パルプ製造装置，
化学装置，原子力装置 ● 発
塔，
槽，
熱交換
電設備：循環流動層ボイラ ● 圧力容器：リアクタ，
スーパーブレ器 ● 撹拌混合システム：マックスブレンド撹拌槽，ンド（同心 2 軸型撹拌槽），
バイボラック（横型２軸反応装置）

マックスブレンドおよびバイボラックは，
住友重機械工業株式会社の登録商標です。

建設機械，フォークリフト
油圧式ショベル，
移動式環境保全およびリサイクル機械，
杭打機，
道路
舗装機械，
フォークリフト
タービン，ポンプ
蒸気タービン，
プロセスポンプ
その他
航空用機器，
精密鋳鍛造品，
防衛装備品（各種機関銃，機関砲およびシ
ステム）※文章中のソフトウェア等の商標表示は，省略しております。

CYPRIS は，住友重機械工業株式会社の登録商標です。

事業所
本
社
関西支社
中部支社
九州支社
田無製造所
千葉製造所
横須賀製造所
名古屋製造所
岡山製造所
愛媛製造所
新居浜工場
西条工場

〒 141-6025〒 530-0005〒 461-0005〒 810-0801〒 188-8585〒 263-0001〒 237-8555〒 474-8501〒 713-8501

技術研究所 〒 237-8555 神奈川県横須賀市夏島町19番地
技術研究所 〒 188-8585 東京都西東京市谷戸町2丁目1番1号

東京都品川区大崎2丁目1番1号（ThinkPark Tower）
大阪市北区中之島 2丁目3番33号（大阪三井物産ビル）
名古屋市東区東桜1丁目10番24号（栄大野ビル）
福岡市博多区中洲5丁目6番20号（明治安田生命福岡ビル）
東京都西東京市谷戸町2丁目1番1号
千葉市稲毛区長沼原町731番地1
神奈川県横須賀市夏島町19番地
愛知県大府市朝日町6丁目1番地
岡山県倉敷市玉島乙島新湊 8230番地（田 無）

本号に関するお問い合わせは，技術本部技報編集事務局
（電話番号
は下記）
宛お願い致します。

〒 792-8588 愛媛県新居浜市惣開町5番2号〒 799-1393 愛媛県西条市今在家1501番地

住友重機械工業株式会社のホームページ http://www.shi.co.jp/

技報編集委員
委

員

下
石
平
大
西
青
浅
川
諏
乃

園
田
田
谷
原
野
井
井
訪
美

住 友 重 機 械 技 報
一
浩
博
秀
正
一
浩
義
和

治
修
徹
之
司
幸
浩
生
和
博

小 松 幹 生天 野 光 昭岡 林 明 伸須 田 祐 一柴 田 憲 司田 村悟
西 澤 信 也
石 倉 武 久日 南 敦 史井 手 紀 彦事 務 局 技術本部
編集協力 （株）千代田プランニング
委

第177号

員

非売品

2011年 12 月10日印刷
発

発

行

12 月20日発行

行

住友重機械工業株式会社〒 141-6025 東京都品川区大崎2丁目1番1号（ThinkPark Tower）
お問い合わせ電話 横須賀 046-869-2326

人

谷

口

勝

彦
無断転載・複製を禁ず©