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バルブ動作に対するアクチュエータタイプの対応：多回転式、クォーターターン式、リニア式
バルブの形状が電動アクチュエータ構造を決定する方法
バルブの形状と設計は、どのタイプのアクチュエーターが最適に機能するかを決定する上で極めて重要です。ゲートやグローブなど直動式のバルブには、ステムを垂直に動かすために必要な推力を生み出す電動アクチュエーターが必要とされます。一方、ボールやバタフライなど回転式のバルブは、約90度の回転力を必要とするため、トルク駆動式のアクチュエーターとの相性がより優れています。Fluid Controls Instituteが2023年に発表した業界調査によると、バルブの故障の約4件中3件は、不適切なアクチュエーターが選ばれた場合に発生しています。これは、システムの信頼性を確保する上で、適切な組み合わせを選定することがいかに重要であるかを明確に示しています。
トルク－回転 vs. 推力－変位：アクチュエーター選定の基本原理
適切な電動アクチュエータを選ぶには、システム内で異なる力がどのように作用するかを理解することが不可欠です。回転弁の場合、ニュートンメートル毎度（Nm/°）で測定されるトルクが角度運動に変換される点に注目します。直動弁はこれとは異なり、推力（スラスト）が実際に移動する距離に変換され、通常はキロニュートン毎ミリメートル（kN/mm）で表されます。性能を評価する際には、いくつかの重要な要因が関係してきます。シールの摩擦は使用される材料によって大きく異なり、PTFE製シールの摩擦係数は一般的に約0.1であるのに対し、金属製シールでは最大0.6に達することもあります。また、差圧負荷の影響も重要であり、フランジ接続部がISO 5211規格に適合しているかどうかも検討が必要です。これらの要素を適切に整合させることで、不要な機械的負荷を回避し、予期せぬ故障なくスムーズにシステムを運転し続けることができます。
ケーススタディ：化学工場における空気転動式クォーターターンアクチュエータを24VDC電動ユニットにリトロフィット
硫酸製造サイトでは、昨年の大規模な改修工事中に作業員が古い空気圧式モデルを使用していた58台のバタフライバルブアクチュエータを、より新しい24VDC電動式にすべて交換しました。これらの新システムを稼働させてから約18か月後の結果を確認したところ、メンテナンス費用はほぼ半分（約42％）に削減され、圧縮空気の使用量も劇的に67％低下しました。特に注目すべきは、何かが故障した場合に爆発の危険性がある危険区域であるゾーン1において、装置の故障が全く発生しなかった点です。こうした実際の数値は、過酷な工業環境下で日々使用される場合、電動アクチュエーションが従来の方法と比べてどれほど優れているかを示しています。
新興トレンド：HARTプロトコルと位置フィードバック機能を備えたハイブリッドクォーターターン電動アクチュエータ
電動ドライブと油圧ダンピングを組み合わせたハイブリッド式クォーターターン電動アクチュエータに、現在HART（Highway Addressable Remote Transducer）プロトコルが統合されています。これらの高度なユニットは±0.5°の位置精度と予知診断機能を提供し、SIL-3の安全規格への準拠をサポートしています。スマートでより安全な制御システムに対する需要の高まりを受け、製油分野での採用は2021年以降200％増加しました。
選定戦略：バルブタイプと電動アクチュエータおよびISO 5211規格の適合
| バルブタイプ | 動き | 動作装置の種類 | ISO 5211 トルククラス |
|---|---|---|---|
| ゲート／グローブ | リニア | マルチターン | F05–F30 |
| ボール／バタフライ | 90°回転 | クォーターターン | F10–F60 |
| コントロール | モジュレーティング | 部分回転 | F20–F80 |
計算されたトルクまたは推力値には常に1.5倍の安全係数を適用してください。ISO 5211規格に従って取付寸法を確認し、機械的互換性を確保して応力による破損を防止してください。
トルク、推力、および作動率：実使用負荷に対する電動アクチュエータの選定
始動トルクが運転トルクの3倍になる理由：静摩擦と差圧の影響
物を動かし始める場合、静摩擦は必要な力を非常に高めます。電動アクチュエーターは、すでに動作しているときと比較して、動き始めるためにトルクを3倍ほど必要とすることがあります。また、差圧があると状況はさらに複雑になります。完全に閉じられたバルブはシステムの圧力のすべてを受け止めるため、最初に開けるのが難しくなります。ある大手メーカーが最近テストを行ったところ、興味深い結果がわかりました。アクチュエーターの過負荷の約3分の2が、まさに起動直後に発生しているのです。そのため、適切なサイズ選定が非常に重要になります。エンジニアがこのような急激な負荷のスパイクを考慮しない場合、モーターがストールしたり、装置が正常に稼働する前にギアが損傷したりする可能性があります。
ISO 5211を用いた必要なトルクの計算：安全係数、ステム直径、およびバルブクラス
ISO 5211は、バルブとアクチュエーターの組み合わせにおけるトルク計算の標準化された方法を提供しています。重要なパラメータには以下が含まれます。
| パラメータ | トルク要求への影響 |
|---|---|
| ステム直径 | 直径2倍 = トルク4倍 |
| バルブクラス（ASME） | Class 900はClass 150の3倍のトルクを必要とする |
| 安全係数 | 動的負荷では最低25%の余裕が必要 |
技術者は流体の性質や作動頻度も考慮しなければならない。サイズが小さすぎると早期故障のリスクがあり、大きすぎると不要なコストとエネルギーの浪費につながる。
ケーススタディ：洋上LNG施設における腐食によるステムガーリングが原因の電動アクチュエータ故障
ある洋上LNG施設では、316Lステンレス鋼製ステムに塩化物による腐食が発生し、ガーリングを引き起こした結果、極低温ボールバルブアクチュエータの繰り返し故障が発生した。故障の流れは以下の通りである：
- 腐食ピットにより表面の凹凸が生じた
- 摩擦増加により起動トルクが450 N·mを超えるまで急上昇
- -162°Cでの冷間起動時にギア歯がせん断破損
解決策として、インコネル製のステムに交換し、二硫化モリブデンコーティングを施した結果、始動トルクが41%低減され、ガリングが解消され、信頼性のある作動が復元された。
革新：組み込みひずみゲージによるリアルタイムトルク監視と予知保全
最近の電動アクチュエータには、出力シャフトに内蔵されたひずみゲージが標準装備されており、これにより約2%の精度でトルクを継続的に測定することが可能になっている。実際には、これによりオペレーターは問題が深刻になる前にそれを検知でき、摩擦が過度に上昇した際に潤滑のタイミングを自動で警告されるようになり、定期的な保守から脱却し、必要なときだけ修理を行う方式に移行できる。複数の産業現場での実地テストによると、このような監視システムにより、予期せぬ設備停止が約90数％削減された。このような信頼性の向上は、生産ラインや製造作業の稼働率の大幅な改善につながっている。
制御性能：電動アクチュエータのオン／オフ、モジュレーティング、およびスマート統合
アナログモジュレーティング電動アクチュエータにおける4～20mA信号ドリフトの解決
4-20 mAアナログシステムで信号ドリフトが発生すると、モジュレーティング電動アクチュエータの位置フィードバックが乱れ、制御システム全体の精度が低下します。この現象が起こる原因はいくつかありますが、主なものは電磁干渉（EMI）、厄介な接地ループ、および1日を通じた温度変化です。産業用環境では、シールドのないケーブルが大きな問題を引き起こし、電圧スパイクが信号品質をISA-18.2規格によると最大±5%まで変化させる可能性があります。このような問題を解決するため、エンジニアは通常、まずより線シールド配線を導入します。また、回路の異なる部分を分離するためにガルバニックアイソレータを使用します。中には、ループ給電式の信号コンディショナを好んで使用する人もいます。興味深いことに、時間の経過とともに信号ドリフトを監視する新しい診断ツールのおかげで、キャリブレーションの必要性が大幅に減少しています。現場でのテストでは、こうした高度な監視システムを導入することで、必要なキャリブレーションが約40%削減されたことが示されています。
PID制御ループとの互換性のための重要な制御指標：分解能、ヒステリシス、応答時間
電動アクチュエータがPID制御ループと互換性を持つために決定的な3つの指標があります：
- 解像度 （≤0.1％）は絞り用途におけるオーバーシュートを最小限に抑えます
- 歇歇症 （ストローク長の＜1％）により、デッドバンド誤差のない再現性の高い位置決めを保証します
- 応答時間 （≤2秒）は圧力制御などの高速プロセスにおける発振を防止します
ヒステリシスが3％を超える、または応答遅れが500msを超えるシステムは不安定になるリスクがあります。特に蒸気調整のような重要用途では、応答遅れが圧力サージを引き起こす可能性があります。エンコーダフィードバックを備えた最新のアクチュエータは、ヒステリシスを0.5％未満に抑えており、遮断密閉性と精密制御のIEC 60534-8-3 クラスV規格を満たしています。
電動アクチュエータの信頼性ある動作のための環境条件および電源要件
PLC I/Oモジュールを保護するための24VDC電動アクチュエータにおける電圧低下（サグ）対策
24VDCシステムで電圧が20ボルトを下回ると、アクチュエータに問題が生じることが多く、誘導性のキックバック（inductive kickback）と呼ばれる現象によって、貴重なPLC入出力モジュールが実際に損傷する可能性があります。この問題を防ぐため、技術者は通常、アクチュエータから5メートル以内の場所にラインリアクタまたは電圧安定化装置を設置します。適切に接地されたシールドケーブルと、アンダーボルテージロックアウト回路（UVLO）を備えたアクチュエータもまた必須です。これらの特殊回路は、電圧が21ボルトを下回ると作動を停止するものです。全国の施設では、このような保護対策を導入した後に著しい改善が報告されています。最近の調査では、水処理プラントにおけるPLCの故障が劇的に減少し、昨年ISAが収集したデータによると、故障件数が約3分の2減少したとのことです。
熱、高度、危険区域における減率運転：ATEX、IECEx、および高温運転
電動アクチュエータが高温環境や高地で動作する場合、放熱が十分に行われないため、トルク容量が低下する傾向があります。摂氏40°Cを超えるごとに、トルク定格は約3%低下します。同様に、標高1000メートルを超える場所では、高度がさらに100メートル上がるごとに性能が約1%低下します。Class IまたはIIの危険区域に該当するような危険な場所では、安全性も大きな懸念事項です。このようなアクチュエータにはATEXやIECExといった特別な認証が必要です。可燃性ガスが存在する区域（グループIIA/B）では防爆構造の外装が求められ、粉塵の点火防止にはIP6X相当の保護等級が必要です。また、周囲の物質の自然発火点に応じてT1からT6までの温度分類にも適合している必要があります。極端な高温環境向けに設計された一部のモデルは、セラミックベアリングとH級絶縁を採用しており、温度が150°Cに達するような状況でも信頼性高く動作できます。これにより、標準的な機器では過酷な条件で機能しなくなるような用途にも適しています。
よくある質問
アクチュエータのタイプをバルブ動作と一致させることがなぜ重要なのでしょうか？
アクチュエータとバルブ動作を正しく一致させないと、システムの効率低下やバルブの故障につながる可能性があります。報告によると、4件のバルブ故障のうち3件は、アクチュエータの不適切な組み合わせが原因です。
電動アクチュエータを選定する際に重要な考慮点は何ですか？
アクチュエータを選定する際には、バルブの種類（回転式または直動式）、必要なトルクまたは推力、材質、差圧、およびISO 5211規格への準拠を考慮することが重要です。
空気圧アクチュエータを電動アクチュエータに改造する利点は何ですか？
空気圧アクチュエータを電動アクチュエータに改造することで、メンテナンスコストを大幅に削減し、空気使用量を減らし、化学・産業用途でのシステムの安全性と信頼性を向上させることができます。
電動アクチュエータにおける信号ドリフトに対処するための解決策は何がありますか？
信号ドリフトは、適切なシールドおよび接地を確保し、ツイストペア配線を使用し、ドリフトを監視および補正するための高度な診断ツールを導入することで軽減できます。
環境要因は電動アクチュエータの性能にどのように影響しますか？
熱、高度、危険な環境などの要因により、トルク容量が低下し、機器の故障リスクが高まるため、適切な計画と認証規格への準拠が必要になります。
