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真空の有効利用に必要な10のチェック項目

真空は、食品をはじめとするさまざまな製品の包装に必須のテクノロジーです。真空包装、ピロー包装、ブリスター、深絞り包装機などには、必ず真空が使われています。また、自動化された物流倉庫内のピッキングシステムなども真空なしでは成り立ちません。他にも、製品を容器に詰めたり並べたりする工程(ピック&プレース)でも真空を使います。
圧縮空気テクノロジーとは異なり、多くのユーザーが真空テクノロジーは分かりにくいと感じているようです。このため、真空ポンプが誤った使い方をされたり、出力が必要以上に過剰なものとなっていたりするケースが少なくありません。そのような場合、満足な結果が得られない、プロセスが中断する、電気代など運用コストが高い、などの問題につながります。ここでご説明する10のチェック項目で、真空を効率的に利用し、生産活動の最適化と運用コストの削減につなげることが可能です。

1. 真空の物理的側面を理解する

真空ポンプおよび真空システムの主な目的は、閉じられた空間から空気を吸い出し、真空と呼ばれる状態を作ることです。これは、大気圧または周囲圧力よりも低い圧力レベルを生成するということと同義です。
包装テクノロジーにおいては、吸引、脱気、成形、プレス、保持、移動、充填、搬送に真空を利用することができます。使用される真空レベルは用途によって異なりますが、通常 900~1 hPa(mbar)(絶対値)の間です。大気圧(気圧)を1,000 hPa(mbar)とすると、この真空レベルは10~99.9%ということになります(図1)。
真空ポンプによって達成される真空レベル(到達真空度と呼びます)に加えて、真空ポンプの排気速度も重要なパラメーターです。排気速度は、真空ポンプが一定の時間内にどれだけの量の空気を吸い出せるかを示すものです。排気速度は通常、m3/h(立方メートル毎時)で表されます。この2つのパラメーター(真空レベルと排気速度)には相関性があります。それを表した図を排気曲線と呼びます(図2)。

2. 理想的な真空生成器の選択

真空テクノロジーにはさまざまな種類があります。包装分野で主に使われるのは次のような機械式真空ポンプおよびブロワーです(図3)。
1. ドライロータリーベーン真空ポンプ
ドライロータリーベーン真空ポンプは、さまざまな包装プロセスに最適です。到達真空度は100 hPa(mbar)。排気速度は40 m3/hが上限となります。理由は、この種類の真空ポンプはそれ以上大型になるとベーンの摩耗が著しく、メンテナンス作業とコストの増加が過剰となるためです。
2. オイル潤滑ロータリーベーン真空ポンプ
オイル潤滑ロータリーベーン真空ポンプの到達真空度は0.1 hPa(mbar)です。真空包装で標準的に採用される真空ポンプですが、それ以外の用途でも広く使われています。排気速度は3~1,600 m3/hです。潤滑オイルは内部で循環します。
3. ドライクロー真空ポンプ
ドライクロー真空ポンプには、圧縮チャンバー内の作動流体が不要です。非接触式の原理のため、ほぼメンテナンスフリーです。到達真空度は40 hPa(mbar)です。回転速度を20~80 Hzで制御できるため、生産量の増減に合わせて運転を調整する必要のあるプロセスに向いています。一般的な排気速度は、40~1,000 m3/hの範囲となっています。
4. ドライスクリュー真空ポンプ
ドライスクリュー真空ポンプの場合も、吸引した空気を圧縮する際に作動流体を必要としません。到達真空度は0.1 hPa(mbar)以下となります。一般的な包装用途でここまでの真空度を必要とするケースは多くありません。主に利用されるのは大型の真空包装機で、ロータリーベーン真空ポンプとメカニカルブースターポンプを組み合わせたユニットの代わりとして採用されます。
5. サイドチャネルブロワー
サイドチャネルブロワーの他にはない特徴の1つは、その排気速度の高さです。ただし実現可能な差圧が小さいため、達成できる真空レベルは最大で500 hPa(mbar)程度に留まります。したがってこのポンプは、到達真空レベルは低くとも排気速度の高さが求められる用途に適します。サイドチャネルブロワーはメンテナンスフリーですが、性能限界付近で使用した場合にはエネルギー効率が低下します。

3. 真空ポンプのサイズ選定

ユーザーは自身のプロセスを具体的かつ正確に理解し、それに必要な真空レベルと排気速度を知っておくことが重要です。その点が不明瞭であれば、大きすぎる寸法の真空ポンプを選びがちになり、不必要なエネルギーコストと運用コストが発生することになります。パラメーターが変化するプロセスにお勧めするのは、デマンドコントロールと、設定した真空レベルあるいは排気速度を維持することが可能な真空ポンプです。 まずは真空技術の専門家にご相談いただくことが有効活用の第一歩です。Busch Vacuum Solutionsは、専門家による真空診断を実施しています。プロセス全体を診断し、改善点を洗い出します。

4. 集中真空システムと分散型配置の選択

プラント全体あるいは複数の装置をカバーする集中真空システムを採用するか、装置ごとに真空ポンプを配置する分散型を選ぶかによって、調達コストおよび運用コストで歴然とした差が出る可能性があります。したがって、選択肢を入念に吟味することが重要となります。 分散型を選択し、装置内や周辺に個別に真空ポンプを設置する場合、集中真空システムよりも導入費は安価となる場合が多いです。一方で、使用する真空ポンプの基数は、集中真空システムにすることで大幅に減らすことができます。それに付随するメンテナンスおよびエネルギーコストが抑えられるため、運用コストを削減できます。さらに、集中真空システムは、包装エリアや製造エリアの外部に設置することができます。このため、作業場の騒音や放熱の問題を排除できます。また、制御ユニットを搭載すれば出力調整も可能で、デマンドに応じ幅広く柔軟に対応します。 集中真空システムの導入を検討する際は、まずは専門家にご相談ください。Busch Vacuum Solutionsはシステムの設計、構築において豊富な経験を持ち、お客様にテーラーメイドのソリューションをご提案することができます。

5. バッファタンクまたはバッファによる効率性の向上

スタンドアローンの真空ポンプであっても、集中真空システムであっても、バッファタンクを追加することで大幅な省エネが可能です。 これらのタンクは、真空ポンプまたは真空システムとそれを利用する装置との間に設置します。シンプルな制御メカニズムを利用することで、タンク内を所定の真空度に維持します。所定の真空度に達すると真空ポンプは自動的に停止するか、アイドリングモードに切り替わります。タンク内の圧力が設定値より高くなると、再び真空ポンプは稼働開始します。この上流のバッファタンクがなければ、真空ポンプは常時フルパワーで運転されることになり、無駄なエネルギーを消費してしまいます。この他にも、可変速ドライブ搭載の真空ポンプを採用するとさらに省エネ効果が得られます。 Busch Vacuum Solutionsでは標準ユニットとして制御機能付き真空ポンプとバッファタンクのセットをご用意していますが、個別の要件に合わせたバッファタンク付き真空システムの構築も行っています。

6. 専門知識の活用

どのような真空技術にも、どのような構成の真空システムにも、メリットとデメリットがあります。最適な真空ソリューションを選択するには、真空テクノロジーとプロセス両方の深い造詣が必要です。 そのため当社では、専門家の意見を取り入れることをお勧めしています。Busch Vacuum Solutionsは、各種アプリケーションや市場の専門知識を持つスペシャリストを擁しています。豊富な製品群と、多様なアプリケーションの取り扱い実績で培った専門知識を駆使し、お客様の要件に最適なソリューションをご提案します。

7. エネルギーコストの検討

カタログ上の定格モーター出力に基づいて真空発生器の実際のエネルギーコストを計算することはできません。運用上のさまざまなファクターにより、実際の数値は変わってきます。定格モーター出力は米国NEMA規格に準じた正当なものではありますが、実際の消費電力より低く算出されるケースもあります。 さらに、真空テクノロジーの種類が異なれば、それぞれの圧力範囲で消費される電力量も異なります。たとえば、オイル潤滑ロータリーベーン真空ポンプの場合、0.1~10 hPa(mbar)の真空レベルでは定格の40~60%程度しか必要としません。実際の消費電力を見積もるためには、各圧力における軸動力やプロセス中の圧力条件の変化などを把握する必要があります。真空ポンプおよび真空システムの信頼できるメーカーは、顧客エネルギー消費量を予想して計算することができます。

8. トータルコストの計算

真空テクノロジーを導入する際には、決定を下す際に役立つよう、各種真空ポンプや各メーカーの投資およびエネルギーコストを比較するだけではなく、 長期間にわたって予測されるトータルコストにも必ず目を向ける必要があります。エネルギーコストと同様に、運用コストにも大きなばらつきがあります。メンテナンス作業とそれに伴うダウンタイム、スペアパーツ、潤滑剤の調達と廃棄にかかるコストを考慮に入れることが重要です。

9. サービスとスペアパーツの確認

真空ポンプや真空システムの稼働の安定性は、プロセスの信頼性に直結します。したがって、顧客の施設内で迅速かつ信頼性の高いサービスを提供し、 スペアパーツを遅延なく納入できる確実なプロバイダーを選ぶことが重要となります。Busch Vacuum Solutionsは、最大規模のグローバルサービスネットワークを擁し、24時間体制の緊急サービスを提供しています。

10. 未来に目を向ける:インダストリー4.0

最近の真空ポンプは、サービスに必要なコンポーネントへのアクセスがしやすく、 Buschでは定額の サービス契約もご用意し、真空機器の運用上の安全性を確保するご提案もしています。このようなサービスを利用すれば、ユーザー様で専門の保守人員を確保する必要はなくなります。現在Buschの製品群には、運転状況をリアルタイムで通知するセンサーを搭載した真空ポンプも揃っています。さらに、既存の真空ポンプをインダストリー4.0に対応させるための増設キットも提供しています。