油圧ユニットの効率はどれくらいですか?

油圧ユニット 効率: 直接的な答え

一般的な水力発電ユニット (HPU) は、全体的な効率で動作します。 60%～85% 、システム設計、コンポーネントの品質、動作条件、メンテナンス状況によって異なります。可変容量ポンプと最適化された制御を備えた高性能または専用の油圧パワーユニットは、 最大 90% またはそれをわずかに上回る 理想的な状態で。ただし、部分負荷下で固定容量型ポンプを実行する実際の産業用 HPU の多くは、定期的に次の条件に該当します。 60%～75% スロットル損失、発熱、漏れにより、範囲が狭くなります。

油圧パワーユニットの全体的な効率は単一の固定された数値ではなく、ポンプ、モーター、バルブ、アクチュエーター、配管、流体の状態にわたる複数の副効率の積です。各コンポーネントの寄与を理解することは、エンジニアやメンテナンス チームがエネルギーが失われている場所と、改善が最も大きな影響を与える場所を特定するのに役立ちます。

油圧パワーユニットにおける効率の定義方法

水力発電ユニットの効率は、システムによって消費される総入力電力に対する有効な水力出力電力の比率として表されます。式は簡単です。

総合効率 (η) = 油圧出力 / 電気入力 × 100%

油圧出力は、流量と圧力の積 (Q × P) として計算されます。電気入力電力は、モーターが電源から消費する測定されたワット数です。 2 つの差は、システム内のすべてのコンポーネントに分散される熱、騒音、機械的摩擦の形での損失を表します。

効率は、個々のコンポーネント、特に油圧ポンプに適用される 3 つの主要なサブカテゴリにも分類されます。

• 体積効率: 実際に供給される流量と理論上の流量の比率。ポンプ内の内部漏れにより、この数値は減少します。ギアポンプの一般的な値は 90 ～ 95%、ピストンポンプの場合は 95 ～ 99% です。
• 機械効率: ベアリング、シール、回転部品の摩擦損失を考慮します。適切にメンテナンスされたポンプの場合、通常は 90% ～ 97% の範囲になります。
• 全体的なポンプ効率: 体積効率と機械効率の積です。高品質のアキシャル ピストン ポンプの場合、これは通常 87% ～ 95% の間にあります。

ポンプを超えて、油圧パワーユニットを駆動する電気モーターには独自の効率があり、通常は 88%と96% 最新の誘導モーター向け。ポンプ効率とモーター効率を乗算すると、バルブや回路の損失がカウントされる前の電力変換効率が得られます。

油圧ポンプの種類別効率範囲

油圧パワーユニットで使用されるポンプのタイプは、システム効率に最も大きな影響を与えます。各ポンプ設計には、速度、圧力、容量の設定によって変化する特有の効率曲線があります。

ギア ポンプは最も手頃な価格で、低～中圧の HPU で広く使用されていますが、高圧では体積効率が低いため、エネルギーに敏感な用途には適していません。アキシャル ピストン ポンプは高価ではありますが、常に最高の効率を実現しており、エネルギー コストが大幅にかかる産業用油圧パワー ユニットでは推奨される選択肢です。

油圧ユニットにおけるエネルギー損失の主な原因

損失がどこで発生するかを理解することは、水力発電ユニットの効率を向上させるために不可欠です。損失は​​複数のポイントに分散しており、一部のポイントは他のポイントよりもはるかに大きな寄与となっています。

制御バルブ全体のスロットリングと圧力降下

方向制御バルブ、圧力リリーフバルブ、流量制御バルブはすべて、オイルが流れるときに圧力降下を引き起こします。メータリングインまたはメータリングアウト回路では、制御バルブ間の圧力差が直接熱に変換されます。多くの産業システムでは、このバルブ関連の損失だけが原因となります。 総投入エネルギーの 15% ～ 30% 。 30 bar の降下を引き起こす制御バルブを備えた 200 bar で動作するシステムは、流体がアクチュエータに到達する前に、その時点での圧力エネルギーの 15% を無駄にします。

部分負荷下でフル稼働する固定容量型ポンプ

従来の油圧パワーユニット設計における最大の非効率の 1 つは、システムがその流量の一部しか必要としない場合でも、常に最大流量を供給する固定容量型ポンプを使用していることです。過剰な流れは、システム圧力の圧力リリーフバルブを通ってリザーバーにバイパスされて戻されます。この状況は「ブローオーバーリリーフ」と呼ばれます。これによりエネルギーが継続的に浪費され、大量の熱が発生します。研究によると、固定ポンプ HPU を定格負荷の 30% で動作させると無駄が生じる可能性があることがわかっています。 入力電力の40%以上 バイパス損失だけでも。

内部漏れ

内部漏れは、高圧流体がシールやクリアランスをバイパスして低圧側に流れるときに、ポンプ、モーター、シリンダー、バルブ内で発生します。ある程度の内部漏れは正常であり潤滑に必要ですが、摩耗や過度の隙間による過剰な漏れは体積効率を低下させます。内部漏れが 5% あるポンプは、システムが必要とする量よりも 5% 多い流量を生成する必要があり、それを補うために余分なエネルギーを消費します。摩耗したコンポーネントでは、この漏れが 10 ～ 15% に増加し、システムのパフォーマンスが著しく低下する可能性があります。

パイプとホースの摩擦損失

作動油がパイプ、ホース、継手の中を流れるとき、摩擦により流速の二乗に比例して圧力降下が発生します。配管のサイズが小さいと、より高い速度が必要となり、損失が大幅に増加します。圧力ラインの推奨最大流速は通常、 2～4m/秒 、および戻り行 1～2m/秒 。過度に長い配管、急な曲がり、または複数の継手を備えたシステムでは、流体がアクチュエータに到達する前に利用可能な圧力の 5 ～ 10% が失われる可能性があります。

発熱と冷却負荷

上記の損失はすべて、最終的には作動油内の熱として現れます。流体温度は適切な範囲内に維持する必要があります。通常は 40℃～60℃ ほとんどの鉱物油では、粘度を維持し、劣化を防ぎます。流体が高温になりすぎると、粘度が低下し、漏れが増加し、ポンプ効率がさらに低下して、負のサイクルがさらに悪化します。オイル クーラー (およびそのファンまたは水回路) によって消費されるエネルギーは、システム全体のエネルギー消費量に加わり、オペレーターの観点から見た正味効率はさらに低下します。

可変速ドライブが油圧パワーユニットの効率を劇的に改善する方法

既存の油圧パワーユニットで利用可能な最も影響力のあるアップグレードは、電気モーターに可変速ドライブ (VSD) (可変周波数ドライブ (VFD) とも呼ばれます) を追加することです。モーターを常にフルスピードで動作させて過剰な流れをバイパスする代わりに、VSD はシステムが要求する流れと圧力に正確に一致するようにモーターの速度をリアルタイムで調整します。

このアプローチによるエネルギー節約は、ポンプの親和性の法則に基づいています。 消費電力はポンプ速度の3乗に応じて変化します 。ポンプ速度を定格速度の 80% に下げると、消費電力が約 50% に削減されます。 51% フルスピード消費量。速度を 60% に下げると、消費電力が約 50% に下がります。 22% フルロードの。これらは理論上の数値ですが、実際の設置では一貫してエネルギーの節約が実証されています。 30%～60% 同じデューティ サイクルを実行する固定速度の HPU と比較します。

プラスチック射出成形施設での 15 台の機械の固定ポンプ HPU を VSD 駆動ユニットに置き換えたケーススタディでは、平均年間電力削減効果が報告されています。 42% マシンごとに、現地の電気料金で 18 か月未満の回収期間で済みます。発熱の減少により、オイルクーラーの稼働時間も短縮され、オイルの整備間隔も延長されました。

VSD ベースの油圧パワー ユニットは現在、次のような多くの高耐久産業用途で標準となっています。

• 射出成形機・ブロー成形機
• 金属プレスおよび成形プレス
• ダイカストマシン
• CNC工作機械油圧クランプシステム
• 海洋甲板機器および海洋油圧システム

システム効率における作動油の役割

作動油の選択と状態は、油圧パワーユニットの効率に直接的かつ測定可能な影響を与えます。流体の粘度は重要なパラメータです。粘度が高すぎるとポンプ抵抗や流体摩擦が増大し、機械的損失が増加します。粘度が低すぎると、内部漏れが増加し、体積効率が低下し、ポンプやモーターで金属間の接触が発生する可能性があります。

ほとんどの油圧システムは ISO VG 46 または ISO VG 68 鉱物油を中心に設計されており、最適な動作粘度ウィンドウは通常、 25 および 54 cSt 動作温度で。システムが冷たすぎたり、熱すぎたり、または間違ったグレードが使用されたために、この範囲外で稼働すると、次のような理由によりポンプ効率が低下する可能性があります。 3%～8% .

合成油圧作動油、特にポリアルファオレフィン (PAO) ベースのオイルは、わずかながら効率を向上させることができます。 1%～3% より優れた粘度温度特性とより低い内部摩擦により、従来の鉱物油よりも優れた性能を発揮します。これらの利益は、複数の独立した研究およびポンプメーカーのテストデータにわたって一貫しています。 1 ～ 3% というと控えめに聞こえますが、100 kW を継続的に消費する大型の産業用 HPU では、これは 1,000 ～ 3,000 ワットの電力節約に相当し、年間の動作サイクル全体で意味のある量となります。

液体の汚染も同様に重要です。作動油中の粒子はコンポーネントの摩耗を促進し、内部漏れを増加させ、バルブオリフィスを詰まらせます。 ISO 4406 清浄度規定に従って流体の清浄度を維持 17/15/12 以上 ほとんどの産業用 HPU では、これがベスト プラクティスと考えられます。劣化した流体を使用したシステムでは、ポンプやバルブの磨耗が進むにつれて体積効率が目に見えるほど低下することがよくあります。

固定容量型と可変容量型の HPU 効率の比較

多くの中小型水力発電装置では、安価でコンパクトでメンテナンスが簡単な固定容量型のギア ポンプまたはベーン ポンプが使用されています。可変容量ピストンポンプはコストが大幅に高くなりますが、出力を需要に合わせてバイパス損失を低減します。これら 2 つのアプローチの効率の差は、部分負荷動作時に最も顕著になります。

上の表は、固定ポンプ HPU が需要サイクルが変動するアプリケーションに特に適さない理由を示しています。 25% の負荷では、固定容量ユニットは入力エネルギーの 3 分の 2 以上を無駄にしている可能性がありますが、同等の VSD を備えた可変容量ユニットは、実質的により高い有効出力部分を保持します。

油圧パワーユニットの効率を改善するための実践的な手順

既存の油圧パワーユニットの効率を改善するには、必ずしも完全に交換する必要はありません。多くのアップグレードは段階的に適用でき、投資収益率は目に見えています。

現在のエネルギー消費量を監査する

変更を加える前に、モーター電源にパワー メーターを取り付け、マシン サイクル全体にわたる消費量を記録します。測定された電力曲線を、負荷プロファイルで必要とされる理論上の最小値と比較します。実際の消費量と理論上の最小値との差は、回収可能な損失を表します。多くの古い固定ポンプ HPU では、このギャップは 25%～45% 総消費量の。

ポンプとモーターの適切なサイズ

エンジニアが十分な安全係数を適用したり、既存のコンポーネントを再利用したりするため、工業用油圧機器では特大のポンプとモーターが一般的です。定格容量の 40% で動作しているポンプは、ピーク効率点からかなり離れたところで動作しています。ポンプ容量を実際のシステム需要に厳密に一致させることで、理想的にはピーク負荷時に定格容量の 70 ～ 90% で動作し、ポンプを最も効率的な範囲に維持します。

可変速ドライブの取り付け

上で説明したように、既存のモーターに VSD を取り付けることは、通常、可変負荷用途で使用される油圧パワー ユニットの単一アップグレードの中で最も高い ROI を実現します。最新の VSD はソフトスタート機能も備えており、モーターの突入電流と起動時の機械的衝撃を低減し、ポンプとモーターの耐用年数を延ばします。

負荷感知制御へのアップグレード

ロードセンシング (LS) 油圧回路は、アクチュエータからのパイロット信号を使用して、ポンプの出力圧力と流量を負荷が必要とする値をわずかに上回る値に継続的に調整します。 負荷圧力より 15 ～ 25 bar 高い 。これにより、オープンセンター回路に見られる大きな圧力マージンとスロットリング損失が排除されます。負荷感知システムはより複雑で実装コストが高くなりますが、次のような方法でシステムのエネルギー消費を削減できます。 20%～40% 変動負荷のあるモバイルおよび産業用アプリケーションで。

システム圧力を必要最小限まで下げる

多くの油圧システムは、元のオーバーエンジニアリングまたは摩耗したコンポーネントを補うために動作圧力が高められたために、アプリケーションが実際に必要とする圧力よりも高い圧力に設定されています。不必要な 10 bar のシステム圧力はすべて、固定ポンプ回路の無駄なエネルギーを表します。圧力設定を体系的に見直し、必要なアクチュエータ力を確実に達成できる最小値まで圧力設定を下げることは、コストをかけずに、または低コストで効率を向上させることができ、多くの場合、次のような効果が得られます。 5%～15% エネルギーの節約。

作動油と濾過システムのメンテナンス

定期的なオイルのサンプリングと分析と適時のフィルター交換を組み合わせることで、油圧作動油を最適な粘度範囲に保ち、ポンプやバルブのコンポーネントの磨耗を防ぎます。流体の状態を監視する予知保全プログラムを実施している多くの施設が綿密な報告を行っています。 コンポーネントの寿命が 10 ～ 20% 長くなります また、カレンダーベースのオイル交換スケジュールと比較して、長期にわたってシステム効率が目に見えて安定します。

液体の温度を断熱して管理する

寒い環境では、油圧システムが動作温度に達するまでに時間がかかり、その間、粘度の高い流体により摩擦損失が増加します。リザーバー壁を断熱するか、サーモスタット制御の予熱器を使用すると、ウォームアップ時間とそれに伴う効率の損失が減少します。高温の環境では、熱交換器のサイズを適切に設定して維持することで、システムが最適な温度帯を超えて動作することを防ぎます。そうしないと、漏れが促進され、流体の劣化が早くなります。

油圧パワーユニットの効率が運転コストに与える影響

効率は、水力発電ユニットの耐用年数にわたって直接的かつ複合的な経済的影響を及ぼします。 65% の全体効率で動作する 50 kW HPU には、約 76.9 kWの電気入力 50 kW の有用な油圧作業を実現します。同じ HPU を 82% の効率にアップグレードするには、必要なのは次のとおりです。 入力61kW — ほぼ 16 kW の差があります。

電気料金が 0.12 ドル/kWh で年間 5,000 時間の運転時間の場合、この 16 kW の差にはコストがかかります 年間9,600ドル 。 10 年間の機器の耐用年数を超えると、単一の HPU から回避できる電気代は 96,000 ドルになります。自動車組立工場、鋳物工場、重製造ラインなど、複数の油圧ユニットを備えた施設では、この数値がそれに応じて増加します。

電力以外にも、効率の低下は発熱の増加を意味し、冷却コストが増加し、オイルの劣化が促進され、シールとポンプの寿命が短くなり、メンテナンス頻度が高くなります。低効率の HPU の総所有コストは、購入価格が示すよりも大幅に高くなります。

あらゆる油圧パワーユニットの効率を決定する重要な要素

特定の水力発電ユニットが効率スペクトルのどの位置に位置するかを決定する変数を要約すると、次のようになります。

• ポンプの種類と状態: 良好な状態のアキシャルピストンポンプは、特に高圧において、ギアポンプやベーンポンプよりも常に優れた性能を発揮します。
• 駆動方式： VSD を搭載したモーターは最高の部分負荷効率を提供し、現在ではエネルギーを重視する設備では標準とみなされています。
• 制御アーキテクチャ: 負荷感知および圧力補償システムにより、固定圧力のオープンセンター回路と比較してスロットル損失が最小限に抑えられます。
• システム圧力設定: 圧力が低いと、固定ポンプ システムでのバイパス損失と発熱が減少します。
• 液体の種類と状態: 適切なグレード、良好な状態の清浄な流体により、漏れと摩擦損失が最小限に抑えられます。
• 配管設計： 適切なサイズの短く、低抵抗のパイプ経路により、摩擦圧力の低下が最小限に抑えられます。
• 動作温度: 流体を最適な粘度範囲 (通常 40 ～ 60°C) に維持すると、体積効率と機械効率の両方が維持されます。
• コンポーネントの摩耗状態: ポンプ、シリンダー、バルブが摩耗すると内部漏れが増加し、時間の経過とともに体積効率が低下します。

賢明な初期設計と一貫したメンテナンスを通じて、これらすべての要因に体系的に対処することが、85% の効率で稼働する水力発電ユニットと、65% に達するのに苦労している水力発電ユニットとを分けるものです。