自動車: 自動車産業における革新的な濾過アプリケーション

濾過および分離プロセスは自動車産業で広く採用されています。アンソニー・ベネットは、エンジン製造、車両製造、自動車組立に使用されるプロセスの一部をレビューします。

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この記事では、自動車業界で使用されている数多くの革新的な濾過および分離技術に焦点を当てます。エンジンの製造に焦点を当て、オイルミストの除去、冷却液の磁気濾過、およびエンジン部品の洗浄に焦点を当てて、エンジン製造で使用される濾過および分離技術の進歩について説明する前に、エンジン動作における技術トレンドとそれが濾過要件に及ぼす影響を簡単にレビューします。。自動車の製造では、ボディ部品の製造のための鋳型製造における濾過、およびボディ処理溶液、コーティングおよびペイントからの固体の分離の問題があります。最後に、車両の組み立てとメンテナンスの両方のプロセスで使用される革新的なテクノロジーを 1 つ紹介します。

内燃機関の濾過では、現在、液体フィルターとエアフィルターの両方でより効率の高い材料が使用されており、たとえば、Porvair Filtration のフィルターへのナノ材料の導入など、さまざまな革新が行われています。これらには、P2i Limited の特許取得済みのナノコーティング技術が組み込まれており、真空チャンバー内で生成されるパルスイオン化ガス (プラズマ) を使用して、ろ過製品の表面全体にナノメートルの薄さのポリマー層を分子結合させます。

RTC Consulting のビジネス開発コンサルタントである Richard Canepa 氏は、フィルターハウジングの設計に関して、Z プリーツフィルターなどのコンパクトな濾過システムを開発する傾向があると報告しています。リチャード・カネパ氏は、「ハウジングがエンジンの一部となるオイルフィルターカートリッジなど、リサイクル時に廃棄される材料を最小限に抑えるために、より環境に優しいフィルターハウジングを目指す動きもある」と述べた。

リチャード・カネパ氏はさらに、「内燃エンジンからエレクトロニクスへの段階的移行を通じて自動車が進化するにつれ、特に燃料電池の使用においては、空気とガスの併用ろ過が必要になるだろう。また、より新しい技術についても多くの研究が行われている」と付け加えた。」

当社は現在、エンジンの動作ではなく自動車エンジンの製造で使用される濾過プロセスに焦点を当てており、オイルミストの除去、冷却液の磁気濾過、エンジン部品の洗浄に使用される 3 つの革新的な技術に焦点を当てています。

エンジン技術と製造技術の明らかな向上により、機械加工部品の公差が厳しくなりました。これにより、冷却液、潤滑油、切削液から粒子や破片を除去するための濾過および分離技術の必要性が高まっています。効果的なろ過を採用し、機械加工部品の欠陥や再加工を減らすことで、短い工具寿命を回避できます。

オイルミストの濾過は、多くの自動車メーカーにとってますます重要な焦点となっています。工作機械が高速で動作し、クーラント供給圧力が高くなると、従来の静電式および遠心式オイルミスト収集システムでは、クーラントミストが微細な切り粉やバクテリアなどの他の汚染物質とともに作業場の雰囲気に漏れる可能性があります。これにより、オイルミストと産業上の喘息や外因性アレルギー性肺胞炎などの重篤な呼吸器疾患との潜在的な関連性について、健康と安全に関する調査が行われるようになりました。

オイルミストを除去するための新しいアプローチが、Vokes Air Group によって開発されました。同社の ScandMist テクノロジーは、3 段階の濾過プロセスを使用して動作します。最初の 2 つの段階で空気から油が除去され、最後のフィルターで空気が浄化され、空気が地元の環境に戻されるようになります。

高性能ファンが一連のフィルターを通して汚染された空気を吸引します。油除去フィルタは、油または冷却剤を収集し、それを ScandMist ユニットのベースに排出することによって動作します (図 2 を参照)。汚染された空気はフィルター媒体を通過し、油粒子が疎油性繊維に引き寄せられます。油滴は繊維と衝突し続け、油滴の質量が増加します。油滴が大きくなると、空気流に逆らって ScandMist ユニットの底部に落下するほど重くなり、そこで収集または排出して工作機械のサンプに直接戻すことができます。

次に、洗浄された空気は高効率のコアレッサーを通過し、そこで合体プロセスが繰り返されます。この 2 番目の濾過段階を経ると、空気には平均して 95 ～ 98% オイルミストが含まれないとボークスエアグループはアドバイスしています。

3 番目の濾過段階は、周囲の空気よりもはるかに高い基準まで残りの空気を完全に浄化するように設計されています。この最終段階では、HEPA フィルターを使用して、サブミクロンの粒子 (微量の油、煙、細菌、花粉、胞子など) を確実に捕捉し、作業場に戻さないようにします。使用されている HEPA フィルターは 99.95% の効率で動作し、定格は 0.3 μm です。これは、作業場環境では、すべての有害な粒子が事実上捕捉され、臨床的にきれいな空気のみが作業場に戻されることを意味します。

多くの自動車メーカーは、生産施設にオイルミスト濾過システムを設置しています。 Vokes-Air Group は、景気低迷にもかかわらず、ScandMist システムに対する好調な注文を報告しています。

現在、粒子や破片を除去するためのリーミングおよびボーリングプロセスで広く使用されている Eclipse Magnetics の Micromag 磁気フィルターは、加工コストを削減し、加工される製品の品質、精度、および表面仕上げを向上させることができます。

ホンダは、英国のスウィンドン工場にあるカスタムメイドのリーミングおよびボーリングマシンで Micromag テクノロジーを使用するために Eclipse Magnetics に注目しました。この機械はホンダのエンジニアリング部門によって設計および製造され、表面仕上げの精度と品質が重要となるエンジン部品であるエンジンバルブシートの製造に使用されます。

ホンダのエンジニアは、機械の冷却液に含まれる金属の微粒子が機械加工されたバルブシートの表面仕上げに悪影響を及ぼし、ひいてはエンジン効率を損なう可能性があることを発見しました。

現場でこのプロセスを担当するエンジニア、ピータージョーンズは、磁気濾過が答えを提供できると信じていました。 Peter Jones 氏は、「当社のプロセスに Micromag を組み込んで以来、潜在的に有害な金属粒子を効率的に除去することに加えて、このユニットのメンテナンスに優しい特性により、マシンのダウンタイムが最小限に抑えられることがわかりました。」と述べています。

Micromag の磁気コアは、高強度の磁場を生成するネオジム鉄ボロン磁石で構成されています。流体はハウジングに入り、放射状のテーパー状の流路を介してアルミニウムの蓋の下側の周りに均一に分配されます。流体は磁気コアの外側を通過し、そこで磁性粒子が強力な磁場によって引き付けられます。

中央に配置された磁気コアは幾何学的な磁気回路を利用しています。磁石は中央の磁束リターンシールドの周囲に配置されており、コアが汚染物で完全に飽和している場合でも流体の流れに影響を与えずに磁石の性能をすべて活用できるようにします。

水洗または化学洗浄プロセスでは、エンジン部品に微粒子が付着していないことを確認するための精密ろ過が必要です。水溶液を製造するには高純度の水が必要であり、要求仕様を満たすために逆浸透（RO）膜技術が活用されています。

電気陽性 RO 前処理は、高純度水システムの膜寿命を延ばすために広く使用されています。事実上すべての RO 膜メーカーは、システムの完全性と経済的な投資収益率を維持するために、システムへの供給水の最低品質を指定しています。一般的な仕様には、< 1.0 NTU (比濁濁度単位) および < 3.0 のシルト密度指数 (SDI) の給水が含まれます。

アルゴニドは、NanoCeram® 電気陽性プリーツフィルターカートリッジをいくつかの市販の RO プレフィルターに対してテストしました。 Argonide は、同社の NanoCeram フィルターカートリッジは、市販されている他のフィルターカートリッジと比較して、サブミクロンの微粒子の除去において大きな利点を示すと主張しています。極度の負荷の下で、NanoCeram は検出限界以下の NTU 値と UF 膜に匹敵する SDI 値をもたらし、早期の汚れの影響を受けやすい RO 膜を長期にわたって保護します。

NanoCeram フィルターは、市の水源を利用するトヨタ自動車製造施設の RO システムに設置されました。陽性フィルターの設置前、システムの給水の SDI は平均 4.42 でした。 NanoCeram フィルターカートリッジの取り付け後の SDI レベルは平均 1.19 でした。

NanoCeram フィルターを設置する前、トヨタは RO 膜を 1 ～ 2 週間ごとに洗浄し、膜の早期かつ不可逆的な汚れのため、これらの膜を 2 ～ 3 か月ごとに交換していました。 NanoCeram フィルターカートリッジの設置と 2 か月の初期始動期間の後、メンブレンは洗浄の必要なく 12 か月間稼働しました。

このセクションでは、自動車の車体部品の製造、洗浄、表面処理、その後のマルチコート塗装に採用されている革新的な技術に焦点を当てます。私たちは、金型製造における二酸化硫黄の洗浄、プレリン酸塩溶液からの固形物の分離、および既存のカートリッジおよびバグフィルター設備の寿命を延ばすためのペイントキッチンでの磁気のもう一つの革新的な応用を検討します。

車体パネルの製造には専用の砂型の製造が必要です。砂型の硬化プロセス中に、二酸化硫黄ガスによる洗浄が必要です。 Götaverken Miljö は、スウェーデンのシェブデにある Volvo Powertrain Corporation の鋳造工場に二酸化硫黄洗浄システムを納入しました (図 3 を参照)。洗浄に必要なガス流には、約 70 g/Nm3 という大量の二酸化硫黄が含まれています。鋳造プロセスで使用される砂型は二酸化硫黄で硬化されるため、ガスを処理する必要性が生じます。

汚染された二酸化硫黄は、ブロワー抽出システムを使用して金型から取り出されます。ブロワーは反応器内のガスを加圧し、そこで石灰と反応して石膏を形成します。少量の二酸化硫黄が金型から周囲のキャビネットに拡散します。このガスは収集され、スクラバーに送られ、そこで二酸化硫黄が硫酸に変換されます。第 2 段階では、生成した硫酸が石膏に変換されます。

このプロセスでは硫酸塩が水中に放出されず、空気中に放出される二酸化硫黄の濃度は非常に低いです。石膏は形成される唯一の残留物であり、セメント産業などで再利用できます。

自動車の車体の組み立てにはいくつかの手順が必要ですが、それぞれの手順で廃棄粒子が生成され、後続の塗装プロセス中に汚染を引き起こす可能性があります。車のパネルやサイドポストを車両フレームに溶接すると溶接の飛び散りが発生し、仕上げ研削ではさらに研削粉やスラグが発生します。また、作業場の雰囲気による汚れがパネルに付着する場合があります。この汚染は、塗装プロセスで滑らかな表面を提供するために、最初の表面処理の前に車両から除去する必要があります。

カートリッジおよびバッグ濾過システムは、粗粒子および微細粒子を除去するために、自動車製造プロセスや多くのプロセス産業で広く使用されています。自動車産業では、主に塗装キッチンで使用されるさまざまな塗料やコーティングの表面処理や濾過に使用されます。

最初の表面処理には通常、リン酸塩ベースの液体が使用されます。その後の塗装プロセスでは、最終的な外観を得るために複数のコーティング (通常は 5 層) が適用されます。リン酸塩の最初のコーティング前の金属表面の汚染は、5 層のコーティングで覆われた完成車両に目立つ傷を引き起こす可能性があります。業界では、ボディパネルあたりの一定数の傷を許容するベンチマークが確立されていますが、許容限度を超える数の場合は手作業による検査と手作業での再仕上げが必要となり、自動車メーカーにとってはコスト高と非効率につながります。

米国デトロイトに本拠を置く大手自動車メーカーは、既存のバッグ濾過システムの性能が不十分なために、完成車に許容できないレベルの塗装欠陥や目立つ傷に直面しました。

使用されたバッグ濾過は、繊維微粒子 (150 ～ 400 μm の範囲) の除去には効果的でしたが、溶接ボールや研削微粉など、傷に起因する他の大きな汚染物質の除去には効果的ではありませんでした。より細かい定格のフィルターバッグを使用すると、メンテナンスとコストの問題が発生し、より大きな定格のフィルターバッグを使用すると、潜在的な塗装欠陥が多すぎます。明らかに、バグフィルターは溶接ボールや粉砕微粉を除去するのに効果がありませんでした。

プレリン酸塩ボディ洗浄作業中に存在する固形物をすべて除去する必要があることを認識したこの自動車メーカーは、バグフィルターの前の洗浄水再循環ラインに前処理システムとして Lakos Separators を設置し、大きな粒子を効率的に事前濾過して除去しました。溶接ボール、研削粉、スラグなど。

これらの重い固形物を除去するためにセパレーターを使用することで、バグフィルターがより小さな粒子をより多く取り込み、繊維とシーラントを除去できるようになり、フィルターバッグの寿命が最大化され、より大きなミクロン定格のバッグの効率が向上します。その結果、一部の自動車工場では塗装の欠陥が 85% も減少したと Lakos 氏はアドバイスしています。このプロセスは現在、この自動車メーカーに世界中で採用されています。

Amazon FerroStik 磁気プレフィルターは、磁性のもう 1 つの革新的な応用例であり、ペイントやコーティングの濾過用途におけるバッグフィルターやカートリッジフィルターの寿命を延ばすように設計されています。これらのフィルターの性能は、磁気プレ濾過技術で上流を保護することで大幅に向上し、洗浄可能な FerroStik システムによりフィルターの寿命を延ばし、濾液の品質を向上させることができます。

Amazon のシステムは、標準的なバッグのハウジング内に吊り下げられた 4 本の高強度磁気ロッドで構成されています (図 4 を参照)。磁気フィルターは、最終フィルターをブロックしたり通過して液体中に残る可能性がある大小の鉄粒子を除去します。磁石が汚れた場合は、その場で洗浄して使用に戻すことができます。

Amazon FerroStik システムは、恒久的に設置することも、フレキシブルホースを備えたポータブルユニットとして使用することもできます。磁気濾過システムは、シングルパスモードで使用することも、粒子を最大限に除去するために再循環システムで使用することもできます。 Amazon が特定した主な利点には、ろ液品質の向上、下流機器の保護の向上、フィルター寿命の延長、ランニングコストの削減などが含まれます。

基本的な構造が完了すると、多数のコンポーネントが車両に取り付けられ、その製造、設置、運転の際には膨大な数の濾過および分離プロセスが使用されます。ここでは、単純なガス分離技術を利用し、作業場や地元のガレージで使用できる革新的な技術に焦点を当てます。

パーカー・ハニフィンが開発したタイヤセーバーシステムは、タイヤに窒素を充填するために特別に設計されています。この技術は、生産ライン内に設置することも、タイヤの取り付けやメンテナンスのプロセスで自動車サービス担当者が使用するために小規模に設置することもできます (図 5 を参照)。パーカー氏は、乾燥窒素は、タイヤに空気を入れるのに一般的に使用される通常の圧縮空気よりもタイヤからの漏れが少なく（3 ～ 4 倍）、タイヤ空気圧の長期安定性、抵抗の軽減、磨耗の軽減（最大25%)、燃料消費量の削減 (最大 8%)、二酸化炭素排出量の削減、パフォーマンスの向上、安全性の向上。

パーカーのシステムは、中空糸をベースにしたガス分離用の膜技術で構成されています。動作原理には、酸素が選択的に流れることを可能にする数千の中空繊維の束が含まれます。膜モジュールは、チューブ内の両端に固定されたファイバー束で構成されます。この膜モジュールに入る圧縮空気には、主に酸素と窒素からなる通常の大気比率のガスが含まれており、水蒸気、ヘリウム、微量ガスなどの他のガスが少量添加されています。酸素に加えて、水蒸気、ヘリウム、酸素が選択的に膜壁を通過し、主にタイヤに空気を入れるために窒素が残ります。

私たちは、使用されている多くの濾過技術が、既存のパフォーマンスの低い装置の動作を強化するために改良されているのを見てきました。これにより、自動車メーカーは、セパレーター、磁気フィルター、および電気陽性 RO 前処理を含む高度な前処理装置の設置を含む、費用対効果の高いソリューションを提供できるようになりました。これにより、消耗品の濾過コンポーネントの使用が減り、コストが削減され、環境面でのメリットも得られました。

内燃エンジンからの脱却が進むにつれ、エンジンの製造および運転における微粒子除去に関する仕様が厳しくなり、既存の生産ラインで前処理技術を広く使用する必要性が高まります。予測される車両の電子システムの発展、電気モーターと燃料電池の使用、HCCI エンジンと排気ガス再循環技術の導入はすべて、中期的には高い除去仕様を備えた優れた濾過製品を要求する要因となります。これにより、ナノコーティング技術の開発が促進され、よりコンパクトで統合された濾過ソリューションへの進行中の傾向が加速すると考えられます。