environmental initiatives

環境への取り組み

地球温暖化・異常気象・海洋汚染問題・そしてコロナ禍による人類への危機など
様々な問題が発生していますがすべてが共通した人類が招きだした問題です。
社会の価値観が「消費型」から「循環型へ」と変化している昨今、
自然と社会が共生する循環型社会(ESG&SDGs)の構築が急がれています。
環境を無視した乱開発型成長時代⇒環境保全を考えた経済成長時代へ

循環型社会とは

循環型社会とは、製品等が廃棄物となることが抑制され、並びに製品等が循環資源となった場合においても適正に循環的な利用が行われることを言います。

又、循環的な利用が行われない資源においても適正な処分が確保され、天然資源の消費を抑制し、環境への負荷ができる限り低減される社会をいう(循環型社会形成推進基本法第2条)と規定されています。

つまり、循環型社会とは、資源の枯渇による社会的・経済的成長の破綻を回避し、持続的発展性を有する社会を実現するための概念の一つであり、省資源・省エネルギー、3R活動(リデュース・リユース・リサイクル)、など個々の人間の意識的な活動を背景とした経済活動における方向性を示す考え方(ビジョン)だと言う事ができます。まさしくこれからの社会はサステイナブルでなければならないということです。ここ数年前から言われているSDGsを真剣に行動で起こす時期に来ているのです。

ESG等最近の世界の動きで地球温暖化防止として各国の参加でCO2低減の目標地が
問われています。日本はリーダー役として進むべきと考えますが、今一技術力を生かしきれてなく原発の問題や省エネルギー対策に関して遅れをとっていると思えます。
今こそ、地球が異常気象問題等で毎年騒がれ悲鳴を上げている現実へ真正面から目を向けていくべきです。

TPSの考え方を省エネに生かす(徹底的な無駄を排除)具体的アプローチ
技術的には再生可能エネルギーなど目白押しですが、化石燃料から再生可能エネルギーを利用することは大切な事ですが、だからと言って無制限にエネルギーを消費することは許されません。
今一度無駄なエネルギーを
削減できる技術をなおざりにしてきていないだろうか?また新技術(例えば照明のLED化や太陽光発電等)で安易に解決出来ていると勘違いしていないかという疑問を持っています。冷熱対策(遮熱・蓄熱等)もまだまだ改善の余地が有ります。

以下にトヨタ自動車で実現した(実績と経験を基に)その代表的なポンプエネルギーなどの無駄を徹底的に見直した事例を示します。
こうした流体の圧力損失は以前として残されたままであり、そこにメスを入れるだけで
大幅なCO2低減に繋がっていくわけであります。もっと現場を観ろ!と言いたいのです。
無駄はまだまだたくさん、ありすぎるほど見受けられます。 本質を理解しないでやみくもに多大なエネルギーを使い続けていくことは(米国的なエネルギー消費型)やめるべきです。

機械加工クーラント装置における省エネ改善
(大手自動車製造会社における実現した事例)

1. はじめに

地球環境保全の一環で温暖化対策(CO2低減)が近年益々クローズアップされてきています。
エコカー開発やLED照明、更には太陽光発電や風力発電など原発廃止に伴う持続可能型エネルギーの確保への変革等々目まぐるしくマスコミなどで語られるようになってきました。

一方、我々ものづくりの分野である機械加工は、様々な省エネ活動を続けてきました。
非稼働時の省エネをはじめニヤネットシェイプ(削りシロの削減)、工程短縮化、設備のスリム化、エアーの電動化等がそうです。
しかし電力問題で新エネルギーの開発や省エネのために照明一つを消すように努力している中、本当にものづくりで無駄なエネルギーを使ってきていなかっただろうか・・・と疑問を持ち始めました。

図1 クーラントエネルギーの割合

図1は機械加工分野のエネルギー消費と加工設備のエネルギー割合です。
その大半がクーラントポンプエネルギーです。ドライ・セミドライ加工もかなり進んできましたが、切屑処理の問題や逆に切屑バキュームエネルギーの増大等で相変わらずクーラントに頼らざる得ないのが現状です。
そこでクーラント装置には、まだまだ無駄があり見直せば大幅なエネルギー低減(省エネ)に繋がることが想定されます。

今回十数年にかけ大手自動車・部品製造工場においてクーラント装置のエネルギー改善にこだわりを持ち続け、徹底的に見直しを図り大幅な省エネ化(圧損低減)を実現出来たので以下にその事例を基に報告します。

2. 1軸NC機におけるポンプエネルギーの改善

1軸NC機とは、複数の工具をATC(工具変換装置)に持ち、被加工物に対して1本ずつのツールをプログラミングされた順番に使い機械加工していくものをいいます。
一般的にマシニングセンタなどもその一例です。20年程前から、そのフレキシブル性の特長を生かし、自動車産業の機械加工設備に多く導入されてきました。導入当初から加工時に生ずる切屑を処理したり、加工工具そのものの寿命を延ばしたり深穴加工などのために中圧・高圧のクーラント液をかけながら加工しているのが現状です。

しかし特に前述の切屑処理(切粉流し)のためにポンプエネルギーを必要以上に大きくしたり、また大量にクーラントをかけるためにノズルをむやみに増やしたりして、エネルギーを多く消費していました。

1)改善前の1軸NC用クーラント装置

図2 従来の圧力損失大のクーラント配管システム

図2は98年代に導入されていたNC機のクーラント配管システムです。

ポンプから出たクーラント配管はマシン内外を行ったり来たりの90度エルボ継手やタケノコ継手を使ったホース、更には末端ノズルはOSTの鋼管を延ばしたままで先端からクーラントをブローしています。
このように圧力損失が大幅にある配管システムが構築されていました。

当時では小型の1軸NC専用機であったが、ポンプは2.2KWと大きいが最終末端の配管ノズルからは途中の圧力損失(約▲80%)のために低圧の噴射で切粉はけも悪かった。
これは汎用機として数多く採用されてきたマシニングセンタの流れからきており、もともと大量生産ラインには不向きだった構造のものに、可動率向上の目的でむやみにクーラント量を増やしたせいもあり得ると思っています。

2)改善後の1軸NC用クーラント装置

図3 NC機のクーラント省エネ対策改善後システム

図3に示すように、ポンプからスムーズな配管(ロングエルボ・ホース継手の改善・3方弁採用・ノズル追加…)システムに改善し従来比1/4のポンプエネルギーにすることが出来ました。

いわゆる配管系統の無駄を無くし、有効断面積を大きく改善したことが大幅な圧損低減(省エネ)に繋がりました。そして本改善は新設NC機へと横展を計り省エネ効果も大きく進みました。

3. 圧損の少ない継手の検証(継手一つの選択で1/2のエネルギー)

図4 タケノコ継手と新型ホース継手(スマートロック)の比較

しかし、約十年経過し設備そのもの・人が変わり、せっかくの省エネ技術が失われつつありました。

そこで今一度技術を検証する為に、昨今も配管系統に大量に採用され続けているタケノコ継手と新型継手(スマートロック)の圧損比較ができるパネル式のデモ機(図4)を製作しました。

ポンプから継手間隔2mのホースを3箇所経由して先端ノズルより吐出しました。
拡大写真でも分かるように、タケノコ継手は圧損が大きくポンプエネルギーを倍増していることが判明しました。
新型のホース継手(スマートロック)はタケノコ比1.62倍の有効断面積であり、いわゆる省エネ対策の決め手とも言えます。
更には、最近開発しましたVゼロ分岐継手を利用してT字分岐配管継手をやめるだけでも▲20%の
省エネに繋がるものも有ります。

4. 新小型汎用NC機への省エネ対策検証再挑戦

図5 小型NC汎用機(ロボドリル)への省エネ検証

図5に、小型NC汎用機として大幅に導入されてきたロボドリルマシンへ今一度省エネ対策を実施し、検証しました。

やはりマシン構成が変わると従来実施していた省エネ対策も疎かになっていました。ポンプ廻りは90度エルボだらけ。ゴムホースの継手はタケノコ継手、しかもバルブは有効断面積の小さい物が採用されていました。
改善後は新型継手や有効断面積の大きい3方弁に変更しました。

結果ポンプエネルギーが1/5となり、これは圧力損失低減と3方弁(有効断面大)を使いエネJIT(必要な時に必要な場所へ必要な量をかける)をしたからである。
冒頭にも上げたが、まさにロボドリルマシンのエネルギー比率は50%どころか70%以上がクーラントエネルギーであったように思えます。あえて苦言だが、いかにエネルギーの使用(クーラントエネルギー)に関して無頓着であったかが分かり反省必須です。

5. クーラント配管系統・ノズル選定例(不必要な圧力でミストまで出してないか?)

図6 クーラント配管系統例(省エネ設計用)

次に、今までの検証結果から必要なポンプ吐出量や3方弁の使い方、またノズルの有効活用などを図6に表します。

これは加工中と非加工中を3方弁で2分割し、同様に中圧のクリーンクーラントも有効に活用、更には末端で狙い撃ちの出来る小型可調整ノズルBOXなど使えば切粉残りの心配が無いです。

むろん、設備の治具構造やベッド形状も切粉流しには重要なファクターであることは言うまでもないです。要するに切粉が流れやすい傾斜を付けたり、挟まり易い隙間は極力作らないのが基本と言えます。
その結果がクーラントポンプをより小さくでき、切屑によるマシントラブルもなく可動率も向上し、トータル的に省エネに大きく繋がると言えます。

このように基本がしっかりしたマシン設計をしていくために既存の設備を現地現物でよく観察し、何が欠けて何が必要か今一度反省していくべきと思えます。

6. 配管経路の要素機器

更にクーラント装置における省エネに効く各要素機器の選定について経路毎に順を追って説明します。
配管系統に様々な要素機器が設置されていますがその一つひとつが圧力損失の源となっているのが現実です。

1)90度エルボ⇒ロングエルボ(ポンプの出口からマシン本体まで)

あらゆる分野で多量に使用されてきており、一見なんら問題が無いように見える90度エルボ継手であるが、局所局所ごとに乱流を発生させ圧力損失が発生しています。
一般的に圧力損失は配管長さに例えて表しています。90度エルボ1個所当たり32A相当で2m前後の配管長ロスに相当すると言われます。10個所もあれば20mの圧損に相当し有効断面積が約1/3弱になり圧損が大きくなります。
これをロングエルボに変えるだけで配管長さは7m相当になり圧損の大幅低減(省エネ)に繋がります。

2)クーラントバルブの有効断面積の違い(意外な盲点)

図7 クーラントバルブの有効断面積の違い

図7に示すようにクーラントバルブの型式違いにより有効断面積が大きく異なります。

これは長年使用され続けたからそのまま使い続けることは省エネの観点から許されないことです。
あえて在庫の問題があれば1ランク大きな物を選定すべきです。

バルブ一つとってもこのように配管途中に極端に言えば固定絞り(五円玉)があるようなものであり、選定時に有効断面積に十分注意を図るべきです。

3)タケノコ継手⇒スマートロック(有効断面積大の継手)

図8 継手の違い断面図比較

図8に示すようタケノコ継手は、有効断面積が小さく作業性も非常に悪い(挿抜困難でカッターで切らないと抜けない等)またバンド締付け不良や劣化により漏れや抜けの心配もありました。

下図のスマートロック継手は、有効断面積も大きく作業性も非常に良いです。(差込みが目で見て確認・締め付けも突き当てまでと判り易い)
前述のデモ機でも分かるように5個~10個程シリーズに繋げば通過流量差は2倍と大きくなり、省エネにはたかが継手だが圧損低減効果は非常に大きいです。

スマートロックを従来のタケノコ継手と比較すればコストアップ商品になることで省エネ対策を諦めるのではなく、以下のランニングコスト事例評価を含め結論を出すことを進めます。

①タケノコ継手と比較して600円/個のコスト差(コスト差はあくまで事例)
 1つの設備に10ヶ使用して工事を実施したとする・・・継手分のコスト+6,000円

②省エネ効果を前例もあるがあえて▲1kwhあったとする。年間2,000h稼働を前提
 12円/kwhの電力費で年間計算すると・・・省エネコスト ▲24,000円。

上記のイニシャルコストとランニングコストはちょうど3ヶ月でペイすることになります。

今まで散見されてきた設備調達のやり方でいわゆる配管やポンプ周りの施工業者任せになっていないだろうか?
イニシャルコスト低減ばかりに目が向いていないだろうか?こういった仕事の進め方をいつまでも続けていく
ようでは相も変わらずエネルギーの無駄(真のCO2の低減がなおざり状態)に繋がっており、ランニングコストとして大きな損失となっています。

 そして省エネのメリットの他、工事のやり易さ(安全性含む)、工事ミス防止、漏れの心配が無い等の嬉しさがありイニシャルコストだけを考えることよりトータルコストダウンを考えるべきです。(安かろう悪かろうのやり方にメスを入れる時です。)
また、本品はクーラント以外のエアーや工業用水などのホースジョイントとしても利用できます。
また最近開発しましたVゼロジョイントは流路を二股に分岐する時に圧力損失(乱流による)をほとんど”0”にした分岐継手も利用すれば10~20%のエネルギー低減にも繋がります。
(Vゼロジョイントは商品群リストに詳細記載)

4)末端切粉対策狙い撃ちタイプ用ノズル

クーラントポンプ容量の大小はノズルで決まるのは当然であるがエネJITのために前述の3方弁を使い必要なタイミングで必要な場所へ必要な量を噴射することが大きな省エネに繋がります。
その時にマシン内の切粉ハケの問題が必ず出てくる為、以下の対策ノズルを推奨します。

図9 狙い撃ちタイプのクーラントノズル

図9は局所狙い撃ちタイプのクーラントノズル表します。

特長は小型ノズル4本と6本の2種類のボッスタイプにしている点です。
従来のノズルは角度調整をする内部の半月板構造物を旋回するように造られています。これは内部に隙間が発生し切粉が詰まり易く長期間使っていくと、ほとんどがノズル詰まりを発生させていました。

今回その機構を逆に外側を旋回させておりノズル詰まりの信頼性向上対策をしています。

このノズルで大切なことは、入口径と出口ノズルの合計有効断面積比を2以上:1にして勢いが増すようにしていることです。また、切粉流し用の中でもベッド流し等にはフラットノズルを推奨しています。300先を200の幅で効率よく面洗浄するためストレートノズルの5個分を1個のフラットノズルで解決します。また基準面などのブローに前述図6のように2次クリーン液を有効利用することが加工品質向上にも繋がります。

<ノズルの入口付近のクーラント最適圧>

このノズルは吹き出し口からターゲットまで直進性がよく、0.04Mpa~0.06Mpaにて約400ミリまで水平直進させる機能を持っているのでむやみに末端圧を上げても霧化状の吐出になるだけで省エネに相反します。
ノズル末端圧:0.05Mpaを推奨します。

7. 省エネ設計の為の概念

前述のようにポンプからノズルまでの配管経路を十分に吟味して設計していけば、おのずと省エネに繋がり、またクーラント装置そのものがシンプルスリムにすることができます。いわゆるクーラントの省エネ設計はマシン(加工機そのもの)を合理的にし、イニシャル・ランニングコスト低減、少スペース、保全性向上等々大きな効果に繋がっていくと言えます。省エネの決め手である圧力損失は次式で表します。

圧力損失ΔP=f×L/D×σV/2
L:管の長さ、f:管の摩擦係数、D:管の内径、σ:気体密度、V:流速  

いわゆる圧損を小さくする為の最も大切なキーワードは、継手やバルブ、配管類の内径Dが大きいこと、次に配管距離Lが短いこと、そして段差(径違い)や90度エルボ等乱流を極力発生させないことである。  

図10 省エネ対策の圧力損失と概念

図10はクーラント装置の省エネ対策の概念を表します。

このグラフを見ても解るように従来(現状もあり得る)の装置は、圧力損失が非常に大きかったことが言えます。
今回の対策で改善した圧損は従来の1/3程度です。更に前述のような要素機器を含め、切屑の流れ易い構造の省エネ機械設計を新設機から採用していけば、より圧力損失低減(省エネ効果は高く)になっていくと言えます。

8. その他省エネ改善事例

1)インバータによるクーラントポンプのマシン台数制御

図11 稼働マシン台数に応じた台数制御

図11はミニ集中クーラント装置で計7台の加工マシン分のクーラントを制御しています。合計12セル有り、クーラントエネルギーも大きい。

今回1セル内1~7台のシリーズに並んだマシンの稼働台数に応じたインバータ制御に改善し最大7台でも38HZ制御を実現でき、大幅な省エネ効果に繋がりました。
なぜ38HZで済んだのか?ポンプ出口を固定絞りで8割程締め切って流量調整していたからです。(笑いごとでは済まされない)

この事例を考えるとやはりクーラント装置のポンプ容量の設計が慢性的に倍以上(実感は3倍)の物となっており、大は小を兼ねる安全率いわゆる余裕度は20~30%程度に見直していく必要があると言えます。

2)ブローチ盤クーラントポンプ2台⇒1台のエネJIT

図12 ヘリカルブローチ盤クーラントポンプ1台化

図12は、ヘリカルブローチ盤のクーラントポンプ3KWが2台も設置してあったものを、3方弁を追加してエネJITを図り(切削中と非切削中に分け)ポンプ1台削減した事例です。

このようにエネJIT(必要な場所へ必要なタイミングで必要な量をかける)というシンプルな省エネ改善で大きな効果を生みました。
2次効果で総流量が減り、濾過精度(マグネット処理)も向上し様々なランニングコスト低減にも繋がっています。

3)サイクロンフィルターとポンプ見直し

図13 濾過用ポンプの差での省エネ

図13は濾過用によく使われているサイクロン式フィルターの事例です。

この方式はポンプ圧が0.2MPa以上必要でエネルギーも大きく、しかも泡立ち等問題も多く濾過精度も思ったより悪い。

そこでポンプ容量を従来2.2KW⇒0.25KWの小型にした上下両吸込み型にし浮上切粉と沈殿切粉の両方を吸込みソックス3連式フィルターへと流し、タンク内も流れ化の改善をした事例です。

この方式では従来方式と比較し、エネルギー低減も大きいが、タンク内のクーラント液をクリーン化し、半永久的に無更液化も実現している。(導入から現在まで無更液5年以上経過:クリーン液10μ以下をキープ)

サイクロンの濾過精度と比べてもかなり濾過精度がよくなっており設備トラブル・加工不良低減などにも効果があり、いわゆる可動率向上による省エネまたTPMにも繋がっていると言える。

9. 全体まとめ

様々なクーラント装置に関する省エネ改善事例を紹介してきましたが、細かい改善を含めばまだまだ数多くあります。

言いたいことは現場は宝の山であるということ、そして省エネ評価は設備単体もそうであるが、やはり工場の全体電力(CO2発生量・原単位含む)がいかに低減出来たかが勝負です。

図14 ○○自動車△△機械工場のCO2発生量の推移

図14は過去10年間の工場内のCO2発生量を表す。推移を見れば結果▲54%絶対量として低減出来ています。これは設備の寄せ止め・更新や日常省エネ啓蒙活動もあるが、やはり最もエネルギーを使用していたクーラント装置が改善されてきたことも大きいです。今後も設備そのものが変化(小型化等)しており、液のロングライフ化やクリーン化を含み更なる省エネ改善が必要になってくると思えます。

最後に昨今の大きな地球環境問題である温暖化・CO2低減を考えるとやはりものづくり分野に携わっている我々はもっともっと足元(現場)をよく観察し、ムダなエネルギーを省きより効率的なクーラント装置を目指していかなければならないと思われるのです。更には最後の事例でも上げたようにクリーンなクーラント液を使い続けるゼロエミ化(廃液“0”)へも手を打っていく必要があり、それが結果的に大きな意味でのように生産性を上げれば、大きなCO2低減に繋がっていくものと確信します。

今回紹介したクーラントの省エネ技術は様々な分野へも応用が効き、また原価低減のネタとしては非常に大きいことも有り経営の強み・良品廉価なものづくりへと繋がっていくことを期待します。
そして更なるこだわりを持ち省エネ技術開発やゼロエミへ今後も挑戦し続けていきたいと思っています。

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