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2つの圧縮の基本原理:容積式圧縮と動的圧縮

Compressor Types Compressors Basic Theory Compressed Air Wiki Compressed Air

異なる種類のコンプレッサと圧縮方法について学ぶ前に、まず気体圧縮の2つの基本原理について説明します。その後、これらの基本原理を比較し、各カテゴリの様々なコンプレッサを説明します。

圧縮の2つの基本原理とは

容積式圧縮と動的圧縮
空気(または気体)の圧縮には2つの一般原理があります。容積式圧縮と動的圧縮です。容積式圧縮の事例としては、レシプロ式(ピストン)コンプレッサオービタル(スクロール)コンプレッサ、様々な種類のロータリコンプレッサ(スクリューツースベーン)などがあります。容積式圧縮では、空気が1つまたは複数の圧縮チャンバに引き込まれた後、入口から密閉されます。各チャンバの体積が徐々に小さくなり、空気が内部で圧縮されます。圧力が設計された内部圧縮比に達すると、ポートまたはバルブが開き、圧縮チャンバの体積が継続して減るため空気が出口システムに排出されます。

動的圧縮では、空気が高速で回転する圧縮インペラのブレード間に引き込まれ、高速に加速されます。次に空気がディフューザを通じて排出され、運動エネルギーが静圧に変換されます。ほとんどの動的圧縮の事例は、軸流パターンまたは半径流パターンを用いたターボコンプレッサです

容積形コンプレッサとは

ピストンコンプレッサ
自転車の空気入れが容積式圧縮の最もシンプルな例であり、シリンダに引き込んだ空気を可動ピストンで圧縮するものです。ピストンコンプレッサは動作原理が同じで、コネクティングロッドと回転クランクシャフトによりピストンを前後に移動させます。ピストンの片側のみを圧縮に使用する場合は、単動コンプレッサと呼ばれます。ピストンの上側と下側の両方を使用する場合は、複動コンプレッサです。圧縮比は、入口側と出口側の絶対圧力間の関係を言います。したがって、大気圧1 bar(a)の空気を引き込み、7 barの圧力超過まで圧縮するコンプレッサが動作する圧力比は(7 + 1)/1 = 8です。

容積形コンプレッサのコンプレッサグラフ

以下の2つのグラフは(それぞれ)理論的コンプレッサの圧力と体積の関係と、より現実的なピストンコンプレッサのグラフを示したものです。ストローク体積は、吸入段でピストンが移動するシリンダの体積です。空間体積は、入口バルブと出口バルブのすぐ下からピストンの上までの体積で、機械的な理由からピストンの転回点より常に上でなければなりません。

ストローク体積と吸入体積の差は、吸入を開始できるようになるまで空間体積内に残っている空気の膨張により生じます。理論的なp/Vの図と実際の図の差は、コンプレッサの実際の設計(ピストンコンプレッサなど)によるものです。バルブが完全に密封されることはなく、ピストンスカートとシリンダ壁間には必ずある程度の漏れがあります。さらに、バルブを完全に開くか閉じる場合には、ごく短時間ですが遅れが発生するため、気体がチャネルを通じて流れる際に圧損が生じます。この設計では、気体がシリンダに流れ込むときに気体の加熱も起こります。

式で表した等温圧縮

等温圧縮を用いた圧縮の仕事:

式で表した等エントロピ圧縮

等エントロピ圧縮を用いた圧縮の仕事:


これらの関係から、等温圧縮よりも等エントロピ圧縮の方が必要となる仕事が多いことが分かります。

動的圧縮とは

動的コンプレッサでは、気体が流れている間に増圧が起こります。流れている気体は、インペラ上の回転するブレードによって高速まで加速されます。次に気体がディフューザの中で膨張しながら強制的に減速されると、気体の速度が静圧に変換されます。気体フローの主要な方向によって、これらのコンプレッサは半径流式コンプレッサまたは軸流式コンプレッサと呼ばれます。容積形コンプレッサと比較した場合、動的コンプレッサには、運転圧力の小さな差が流量の大きな変化につながるという特性があります。

各インペラの速度には、流量の上限と下限があります。上限とは、気体の流速が音速に達したことを意味します。下限は、逆圧がコンプレッサで発生している圧力を超えたため、リターンフローが発生することを意味します。これにより、振動、騒音、機械的損傷のリスクが生じます。

複数段での圧縮

理論上、空気または気体は等エントロピ(エントロピが一定)または等熱(温度一定)で圧縮することができます。どちらの過程も、理論上は可逆サイクルの一部となりえます。圧縮された気体を圧縮後の最終的な温度で即座に使用できれば、等エントロピ圧縮過程にはある程度のメリットがあるでしょう。実際には、空気または気体を圧縮直後に使用することはほとんどなく、周囲温度まで冷却した後に使用されています。そのため、必要な仕事が少ない等温圧縮過程が望ましくなります。この等温圧縮過程の実行に一般的に用いられている実用的なアプローチは、圧縮中に気体を冷却することです。理論上、効果的な運転圧力7 barでは、等エントロピ圧縮に要するエネルギーは等温圧縮より37%多くなります。


気体の発熱を抑える実用的な方法は、圧縮を複数の段に分割することです。各段で気体を冷却した後に、最終圧力まで圧縮します。エネルギー効率も向上し、各圧縮段の圧力比が同じであれば最善の結果が得られます。圧縮段の数を増やすことにより、過程全体が等温圧縮に近づきます。ただし、実際の設備の設計で用いる段数には、経済的な制限があります。


ターボコンプレッサと容積式コンプレッサとの違い

回転速度が一定であれば、ターボコンプレッサの圧力/フロー曲線は、容積形コンプレッサの相当する曲線とは大きく異なります。ターボコンプレッサは、流量と圧力が変動する特性を持つ機械です。それに対して、容積形コンプレッサは流量が一定で、圧力が変動します。また、低速であっても高い圧力比を発生します。ターボコンプレッサは、大きな空気流量に対応するように設計されています。


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