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電磁弁の選定ガイド

電磁弁の選定ガイド｜エアシリンダ制御

電磁弁の選定はエアシリンダ動作の信頼性を左右します。本ガイドでは弁の種類・圧力・電気仕様・口径・応答速度・寿命を体系的に整理し、設計初心者〜中堅技術者が最適な電磁弁を選べるように解説します。

電磁弁とは

電磁弁（solenoid valve）はコイルに電流を流すことでプランジャを吸引し、弁の開閉を行うアクチュエータです。ISO 5599-1 や JIS B 8374 ではポート数と位置数で分類されますが、実際の選定では単動／複動（アクチュエータ側）やセンター形状も重要な評価軸となります。

弁の種類（単動／複動、ポート数・位置数、センター形状）

1. 単動（Single-acting）用電磁弁

単動エアシリンダは片側のみ加圧し、復帰をスプリングや重量で行います。代表的な構成は 3 ポート 2 位置 で、動作は次の 2 ステップです。

  1. P → A：加圧してシリンダを伸長
  2. A → R：排気し、ばねで復帰
  • 省ポート・軽量・低コスト
  • 応答が速いが、戻り側推力は制御不可

2. 複動（Double-acting）用電磁弁

複動エアシリンダは両側を加圧制御します。一般的には 5 ポート 2 位置 を使用します。

  1. P → A、B → R：伸長
  2. P → B、A → R：収縮
  • 伸長・収縮とも高推力で精密制御
  • ストッパシリンダや押え機構など多用途

3. 3 位置（センター付）電磁弁

3 位置弁は中立位置でエア回路を切り替え、機械を保護する機能を持ちます。複動シリンダ制御が主用途です。

センター形状配列例（中央位置）機能用途
エキゾーストセンターA,B ⇆ R（大気）
P 閉止		両室排気で急停止高速搬送ラインの緊急停止
クローズドセンターP,A,B,R すべて閉圧力・位置保持ワーククランプ保持、安全保持
プレッシャセンターP ⇆ A,B
R 閉止		両室加圧で衝撃緩和リフター・位置決め時の押付け保持

4. 3 ポート vs 5 ポート の早見表

項目3 ポート 2 位置5 ポート 2 位置
主な用途単動シリンダ／真空吸着破壊／小流量ブロー複動シリンダ／ロッドレスシリンダ／グリッパ
メリット
  • 配管が少なく軽量
  • 弁サイズ小・低コスト
  • 省エアでエネルギ損失低
  • 伸長・収縮を高推力で完全制御
  • 汎用性が高く多軸シリンダに適合
  • 3 位置化で安全機能を追加可
デメリット
  • 戻り側推力を制御できない
  • 流量が小さく大型シリンダに不向き
  • 制御自由度が低い
  • 配管数が多く設置スペース増
  • 弁本体が大きくコスト高
  • 消費エア量が増加

使用圧力と流体

空圧機器用電磁弁は通常 0.15 MPa〜0.7 MPa の乾燥空気を想定します。JIS B 8391-1 に従い、露点 −20 °C 以下が推奨です。

電気仕様（DC/AC、電圧、消費電力）

  • 代表値：DC 24 V 2.0 W ／ AC 100 V 3.5 VA
  • AC はインラッシュ電流が大きく、抑制回路が必要
  • DC は発熱が少なく静音

接続口径・チューブ径

エアシリンダ φ12 mm クラスでは Rc 1/8 〜 Rc 1/4、チューブ外径 φ6 が一般的です。

応答速度・頻度

  • 標準応答：15 ms（DC）、10 ms（AC）
  • 高頻度タイプ：30 Hz 以上

寿命・メンテナンス性

主要部品は 2,000 万サイクル以上（JIS B 8375 寿命試験）を目安にします。コイル絶縁クラスとシール材質（ニトリル、フッ素）も確認します。

選定フローと計算例

ステップ1：必要推力の算定

シリンダ内径 φ12 mm、供給圧力 P_{\text{in}} = 0.5\,\text{MPa} の場合、作用面積 A は

    \[ A = \frac{\pi D^{2}}{4} = \frac{\pi (12\ \text{mm})^{2}}{4} = 113 \,\text{mm}^{2} \]

推力 F は

    \[ F = P_{\text{in}} \times A = 0.5 \,\text{N/mm}^{2} \times 113 \,\text{mm}^{2} \approx 56 \,\text{N} \]

ステップ2：必要流量と Cv 値

ストローク 50 mm、充填時間 0.6 s とすると、シリンダ容積は

    \[ V = A \times L = 113 \,\text{mm}^{2} \times 50 \,\text{mm} = 5.65 \times 10^{-6} \,\text{m}^{3} \]

常用圧力を大気圧へ換算した自由空気量 Q は

    \[ Q = \frac{P_{\text{in}}}{P_{\text{atm}}} \times V = \frac{0.5}{0.1013} \times 5.65 \times 10^{-6} \approx 2.8 \times 10^{-5} \,\text{m}^{3} \]

これを L/min へ換算：

    \[ Q_{\text{L/min}} = \frac{2.8 \times 10^{-5} \,\text{m}^{3}}{0.6 \,\text{s}} \times 60 \approx 2.8 \,\text{L/min} \]

必要 Cv 値（ISO 6358 相当）は

    \[ Cv = \frac{Q_{\text{L/min}}}{690 \sqrt{\Delta P}}\quad(\Delta P = 0.3\,\text{MPa}) \]

    \[ Cv \approx 0.02 \]

カタログ Cv ≥ 0.03 の 5 ポート 2 位置電磁弁を選定すると余裕を持てます。

ステップ3：電磁弁仕様の決定

  • 弁種別：5 ポート 2 位置 スプール式
  • 作動方式：内部パイロット（最低作動圧 0.25 MPa）
  • Cv 値：0.3
  • コイル：DC 24 V・2.0 W（サージ吸収ダイオード付）
  • ポート：Rc 1/8／ワンタッチ継手 φ6 対応
  • 応答：15 ms
  • 電気保護：IP65（IEC 60529）

まとめ

電磁弁選定では 単動／複動、ポート数・位置数、さらにはセンター形状まで含めて比較検討し、使用圧力・電気仕様・Cv・応答速度・寿命を総合評価することが重要です。メリット・デメリットを押さえた上でカタログ値を照合し、エアシリンダ制御に最適な電磁弁を選定しましょう。

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