ガスコンプレッサー

コンプレッサーの種類

ガスコンプレッサーには、さまざまな種類があります。主に2つに分類されます。

• 容積式コンプレッサーには、2つのサブカテゴリーがあります。
• レシプロ式
• ロータリー
• ダイナミックコンプレッサーにも2つのサブカテゴリーがある。
• 遠心分離機
• アキシャル

以下、4つのサブカテゴリーごとに、より重要なタイプについて説明する。

遠心式コンプレッサー

遠心圧縮機は、形状の整ったハウジングの中で羽根の付いた回転ディスクまたはインペラを使用して、ガスをインペラの縁に押し付け、ガスの速度を増加させる。ディフューザ（発散ダクト）部が速度エネルギーを圧力エネルギーに変換する。主に石油精製所、化学・石油化学プラント、天然ガス処理プラントなどの産業で、連続定置式に使用される。100馬力（75kW）から数千馬力の範囲で使用されます。複数のステージングにより、10,000 psi (69 MPa)を超える非常に高い出力圧力を達成することができます。

スキー場のような大規模な造雪事業では、このタイプのコンプレッサーが多く使われている。また、内燃機関では過給機やターボチャージャーとして使用されている。遠心圧縮機は、小型ガスタービンエンジンや中型ガスタービンの最終圧縮段として使用される。

ダイアゴナルコンプレッサー、ミックスフローコンプレッサー

斜流圧縮機または混合流圧縮機は、遠心圧縮機と似ていますが、ロータからの出口に半径方向と軸方向の速度成分が存在します。斜流を軸方向へ回すためにディフューザがよく使われます。斜流圧縮機は、同等の遠心圧縮機よりもディフューザの直径が小さくなっています。

アキシャルフローコンプレッサー

軸流圧縮機では、扇形に回転するローターブレードを何枚も使って、ガス流を徐々に圧縮していく。各ローターの下流にある静止したステーターベーンは、次のローターブレードに流れを誘導する。ガス通路の面積は、圧縮機を通して減少し、軸方向のマッハ数がほぼ一定に保たれます。軸流圧縮機は通常、中型から大型のガスタービンエンジンなど、大流量の用途に使われる。ほとんどの場合、多段式である。設計圧力比が約4:1を超えると、運転性を向上させるために可変ジオメトリが用いられることが多い。

レシプロコンプレッサー

レシプロコンプレッサーは、クランクシャフトで駆動されるピストンを使用します。固定式と可搬式があり、単段と多段があり、電動機と内燃機で駆動することができる。5～30馬力の小型レシプロコンプレッサーは、自動車用途でよく見られ、通常、間欠運転用である。1000馬力までの大型レシプロコンプレッサーは、大規模な産業用途でまだよく見られますが、他のさまざまなタイプのコンプレッサーに取って代わられ、その数は減少しています。吐出圧力は、低圧から超高圧（5000psiまたは35MPa以上）まであります。空気圧縮などの特定の用途では、多段複動式コンプレッサーが最も効率的なコンプレッサーと言われていますが、一般的に同等のロータリーユニットよりも大きく、騒音が大きく、コストも高くなります。

ロータリースクリューコンプレッサー

ロータリースクリューコンプレッサーは、2つの噛み合った回転する容積式らせんスクリューを使用して、ガスをより狭い空間に強制的に送り込みます。これらは通常、商業および産業用途で連続運転に使用され、固定式またはポータブルのいずれかになります。用途は、3馬力（2.24kW）から500馬力（375kW）以上、低圧から超高圧（1200psiまたは8.3MPa以上）までです。このタイプは、道路補修作業員のエアツールによく使用されています。また、ピストンエンジンの吸気量に合わせやすいため、自動車エンジンの過給機にも多く使用されています。

スクロールコンプレッサー

スクロール圧縮機は，スクロールポンプ，スクロール真空ポンプとも呼ばれ，2枚のらせん状のベインを用いて液体や気体などの流体を圧送，圧縮する．羽根の形状は、インボリュート、アルキメデス・スパイラル、ハイブリッドカーブなどがある。他のタイプのコンプレッサーに比べ、よりスムーズで静か、かつ信頼性の高い運転が可能です。

多くの場合、一方のスクロールは固定され、他方は回転せずに偏心して公転しているため、スクロールの間に流体のポケットが挟まれ、ポンピングまたはコンプレッションされる。

ダイヤフラムコンプレッサー

ダイヤフラムコンプレッサー（メンブレンコンプレッサーとも呼ばれる）は、従来のレシプロコンプレッサーの改良型である。吸気エレメントの代わりに、柔軟な膜の動きによって気体を圧縮する。メンブレンの往復運動は、ロッドとクランクシャフト機構によって駆動される。圧縮されるガスに触れるのは、メンブレンとコンプレッサーボックスのみである。

ダイヤフラムコンプレッサーは、水素や圧縮天然ガス（CNG）のほか、さまざまな用途に使用されています。

雑記帳

一般に販売され、使用されているエアーコンプレッサーは、加圧された空気を入れるタンクの上に取り付けられていることが多い。コンプレッサーには、オイル潤滑式とオイルフリー式があります。オイルフリーコンプレッサーは、セパレーターを適切に設計しないと、オイルが空気の流れに混入する可能性があるため、オイルフリーコンプレッサーが望ましいとされています。潜水用エアコンプレッサなどでは、わずかな油分の混入も許されない場合があります。

図1：単段遠心式圧縮機


軸流圧縮機のアニメーションです。


スクロールポンプの仕組み

温度

気体が圧縮されると温度が上がる」というのはシャルルの法則です。圧縮されている気体の体積の温度と圧力の関係には、次の3つが考えられる。

• 等温性 - ガスはプロセス中、一定の温度を保ちます。このサイクルでは、内部エネルギーは圧縮の機械的な仕事によって加えられたのと同じ割合で熱としてシステムから取り除かれる。等温圧縮・膨張は、熱交換面が大きい、気体の体積が小さい、または時間スケールが長い（すなわち出力レベルが小さい）場合に好適である。実用的な装置では、通常、等温圧縮は実現できない。例えば、自転車のタイヤポンプでさえ、使っているうちに熱くなる。
• 断熱 - このプロセスでは、系への熱移動も系からの熱移動もなく、供給された仕事はすべて気体の内部エネルギーに加えられ、結果として温度と圧力が上昇する。理論的な温度上昇は、T₂ = T₁ -R_c^((k-1)/k)) で、T₁ と T₂ はランキン度またはケルビン、k = 比熱の比率（空気の場合約 1.4）です。空気と温度の比率が上がるということは、圧縮が単純な圧力と体積の比率に従わないということである。この場合、効率は悪くなりますが、短時間で圧縮できます。断熱圧縮または膨張は、断熱性が高い、気体の体積が大きい、または時間スケールが短い（すなわち出力レベルが高い）場合に有利になります。完全な断熱システムを作るには、機械のすべての部品を完璧に断熱する必要があるため、実際には常に一定量の熱流が存在することになる。
• ポリトロピック - 熱の出入りがあり、入力軸の仕事が圧力上昇（通常は有用な仕事）と断熱以上の温度上昇（通常はサイクル効率による損失）の両方として現れると仮定したものです。サイクル効率は、理論上100％の温度上昇（断熱）と実際の温度上昇（ポリトロピック）の比となる。

段階的圧縮

圧縮すると熱が発生するため、圧縮されたガスを段間で冷却し、圧縮を断熱的でなく等温的なものにする必要があります。段間冷却器は凝縮を引き起こすので、ドレンバルブ付きの水分離器が存在する。コンプレッサのフライホイールで冷却ファンを駆動することもある。

例えば、一般的な潜水用コンプレッサーでは、空気は3段で圧縮されます。各段の圧縮比を7対1とすると、コンプレッサーは343倍の大気圧（7×7×7＝343気圧）を出力することができます。

アプリケーション

ガス圧縮機は、より高い圧力またはより少ない量のガスを必要とするさまざまな用途で使用されます。

• は、天然ガスを精製して生産地から消費地まで運ぶパイプライン輸送に携わっています。
• 石油精製所、天然ガス処理プラント、石油化学・化学プラントなどの大型産業プラントで、中間ガスや最終製品ガスを圧縮するために使用される。
• 冷凍機や空調機において、冷媒サイクルで熱をある場所から別の場所に移動させるために使用される。
• ガスタービンの吸入燃焼用空気を圧縮するシステムにおいて
• 精製ガスや製造ガスを少量ずつ貯蔵する場合や、医療用、溶接用などの高圧ボンベ。
• を使用し、あらゆる種類の空圧工具を駆動しています。
• を、空気圧機器などのエネルギー伝達の媒体として使用することができます。
• 加圧された航空機の中で、常圧よりも高い気圧で呼吸できる雰囲気を提供することです。
• ジェットエンジン（ターボジェット、ターボファンなど）の燃料を燃焼させるために必要な空気を供給するためのもの。燃焼用空気圧縮機を駆動するための動力は、ジェット機自身のタービンから供給される。
• SCUBAダイビングや高気圧酸素治療などの生命維持装置で、ダイビング用シリンダーなどの少量の呼吸ガスを貯蔵するために使用されます。
• 潜水艦で空気を貯めて浮力を得るために使用される。
• ターボチャージャーやスーパーチャージャーに搭載され、酸素を濃縮して内燃機関の性能を向上させるためのものです。
• 鉄道や重車両輸送において、ブレーキやその他のシステム（ドア、ワイパー、エンジン/ギアボックス制御など）を作動させるための圧縮空気を供給しています。
• を、空気入りタイヤへの圧縮空気の供給など、さまざまな用途で使用します。

関連ページ

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