環境配慮設計の切り口・着眼点を整理!

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環境に配慮した設計

環境配慮設計(DfE、Design for Environment)という言葉は、企業による環境マネージメント活動が盛んになり始めたころからよく使われるようになりましたが、昨今のSDGs(エスディージーズ、Sustainable Development Goals、持続可能な開発目標)に関連する動きの中で、より重要度を増しています。

今回のコラムでは、製品設計とシステム設計に関して環境配慮設計の切り口を考えてみたいと思います。

1.環境負荷と環境配慮設計

「環境配慮設計」とは、環境への負荷を減らすような設計をすることです。
考慮すべき環境への負荷を図1に示します。

環境負荷
【図1 環境負荷】

 

2.ライフサイクルアセスメントと3R

製品やシステムの環境への負荷は、その使用時だけでなく、原材料取得から最終処分までのライフサイクルの全て段階で直接的および間接的に与える負荷を考えなければなりません。
図2の①~⑦にライフサイクルを各段階に分解したものを示します。

製品の材料には有害物質が含まれておらず、④~⑦の段階では環境負荷が無くても、③の生産段階で関係する物質を使用、あるいは生成、廃棄する場合には、生産工法・処理プロセスも含めて改善を考えなければなりません。設計仕様を変更したり、場合によっては工法・処理を図面で指定します。

3Rと製品ライフ
【図2 3Rと製品ライフ】

環境負荷を減らし循環型社会を作るために「3R」と呼ばれる活動が行われます。3Rを図2(a)~(c)に示します。
環境配慮設計において、ライフサイクルの各段階に3Rの考えを適用するとどのような課題やアイデアがあるかという発想を用いることができます。

例えば、使える部品をリユースする場合にも、原材料の状態に戻してリサイクル利用する場合にも製品の分解という工程が必要になります。
これに対応するためには、以下のような設計構造が考えられます。

  • 部品結合構造のシンプル化
  • 結合箇所の数低減

ただし、締結箇所(ボルト、リベット、溶接、ハンダなど)は不具合の多い場所で、技術的(設計・品質管理)にも高い技術を要求されますので、充分な検討を行うことが必要です。
逆に、シンプルでロバスト(頑健)な締結構造に変更できれば、耐久信頼性と品質の向上も可能になります。
分解性に関しては、安全に分解できるという特性にも配慮しなければなりません。

また、グリーン調達など、有害物質を含む製品の使用を減らす活動や、原材料の状態に戻してリサイクル利用する活動のための情報として、設計部門ではIMDS (International Material Data System)など材料情報を提供する仕組みに対応する活動、あるいは部品への材料表示設定も必要になります。
 

3.軽量・コンパクト

製品を軽量・コンパクト化することは、その製品自体のライフサイクルにおいて、使用材料低減を含め各種環境負荷を低減できますが、関連する部品やシステムの環境負荷改善にも繋がります。

分かりやすい例として、その製品を用いる製品やシステムも軽量・コンパクト化できます。
バッテリーの小型化の例では、車両の場合であれば、図3(b)から(a)のように、車両ボディの必要大きさを低減できます。この際、車両の必要全高も低くでき、走行時空気抵抗が低減できて、車両駆動モータの電力消費を低減することができます。

軽量・コンパクトの影響
【図3 軽量・コンパクトの影響】

軽量化には鉄をアルミニウムやプラスチックに置き換えることが有効ですが、プラスチックはマイクロプラスチックによる海洋生態への影響もありますので、プラスチックの種類や使い方を工夫していくことが必要です。生分解プラスチック(*1)のような環境に優しいプラスチックの開発が進むことが望まれます。

(*1)生分解プラスチック: 微生物による処理により、環境に害を加えない低分子化合物に分解して廃棄できるプラスチック
 

4.効率の向上

省エネ家電などの製品は、ユーザーにお得なだけでなく、製品自体が環境配慮製品であると言えます。
その他の製品でも、燃焼効率や電力効率を向上することは、エネルギー効率を高め環境負荷を低減することとなります。

火力発電所や燃焼機器・機関などの燃焼効率を向上するには、熱損失の解析・低減対策を行ったり、廃熱利用を進めることで、全体効率を上げることができます。
流体機械でも、流れの損失(エルボー、スロットル、デフューザー)を低減したり、流量係数を向上することで効率を上げることができます。大きい形状以外でも、流路の細部形状に対して、流体研磨やイクスツルードホーニング加工を利用することで、流れの角部などの抵抗部を丸めたり、通路の粗さを改善して流量係数を良くすることができます。

機械やシステムの効率だけでなく、機能を持つ製品の効率向上は、軽量コンパクト化により関連する環境負荷を低減できます。例えば、洗浄効率の高い洗剤は容器の小型化を可能にします。
 

5.耐久信頼性

製品は使用可能期間が終わると、次の製品を使わなければなりません。
次の製品はライフサイクルの各段階で環境負荷を与えます。
たとえ省エネ家電であっても、その寿命が短いものであったら、使用時の環境負荷は低減できても、買い替えの回数が増え生産工程の回数が多くなり、環境負荷の合計は増加します。

図4の式に対する意識が必要です。耐久信頼性に優れ、寿命の長い製品は、環境負荷を小さくできます。

環境負荷の合計
【図4 環境負荷の合計】

新しい製品を使わず、リユースとリサイクルを組み合わせ、生産段階の環境負荷を減らす考えとして、「レトロフィット」(retrofit)があります。レトロフィットは、製品において仕様の古くなった部分を入れ替え改造を行い、新たな製品とすることです。

一方、建設機械などのように、機械本体自体が高額であったり、強度を高めるコストと故障部品交換のコストを比較した時に、メンテナンス方式の方がコストパフォーマンスに優れる場合は、補修を前提として設計される場合があります。

いずれにしても、機械を構成する部品の設計寿命または寿命余裕は異なります。生産に多くのエネルギー(工数)を必要とする高精度部品は、単体寿命が終わるまで使用可能とできれば、環境負荷を減らすことができます。この際にも、分解しやすい構造に設計しておくことが必要とされます。
この方法においては、残存寿命を推定する技術も必要になります。
 

6.シンプル性とフェイルセーフ

構成や構造がシンプルでロバスト(頑健)なことは、軽量コンパクト性と分解性を高めることにも繋がり、寿命が長いことにより環境負荷が低減できます。

システムで使われているアクチェータ(作動装置)やセンサは、QFD(*2)やDRBFM(*3)を用いて、シンプル化他の作動原理のものへの変更を検討することができます。

その際は、検討を充分に行い、ただ単に設計や図面の流用を重ね複雑になっており変更できる部分と、一見意味が分からないが、よく確認・検討すると、品質がらみの配慮がされた設定がしてある部分を見分けなければいけません。

アクチェータやセンサをシンプルでロバストなものにすることは、システムのフェイルセーフの単純化とロバスト性向上にも繋がります。部品点数を減らすためには、フェイルセーフ(*4)をメカニカルな手段による多重化ではなく、より多くソフトウェアで対応することが考えられますが、効率的かつ有効な安全性確保のために最適バランスを考えなければなりません。
 
(*2)QFD: Quality Function Deployment, 品質機能展開、仕様と機能の関係性を分析する
(*3)DRBFM: Design Review based on Failure Mode, 故障モードに基ずき、仕様をレビューする
(*4)フェイルセーフ:fail safe, システムの故障時に安全サイドに切り替える構造・制御
 

7.軽自動車の技術

日本の「Kei car」、軽自動車の技術は、軽量・コンパクト、高効率、そして低コストの集大成技術です。

軽量・コンパクトと高効率の環境負荷低減効果は先に説明しましたが、実は「低コスト」も環境負荷低減に効果があります。なぜならば、製品コストの構成には、加工費、組立費、そして物流費が含まれるからです。
例えば、コストダウンのアイデアとして、「ニアネットシェイプ」と呼ばれる精密鍛造があります。これにより粗材原料を減らせるだけでなく、加工のための切削加工電力量、廃棄切粉、切削油量、および廃油処理のためのエネルギーまで減らすことができます。

さらに軽自動車で車両が軽量であることのメリットとして、道路などへの負荷が小さくなり、これによりインフラ維持に関係する環境負荷発生を低減できます。

 

以上、いろいろと説明しましたが、製品としての素質が高くQCD(品質、コスト、納期・供給)に優れる製品を開発する道と、環境負荷も低減する製品を開発する道は共通することが多そうです。
 

(日本アイアール株式会社 特許調査部 H・N)
 

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