コンプレッサー

往復動コンプレッサーは、クランクシャフトによって駆動されるピストンを使用します。これらは、固定式または可搬式で、単段式または多段式で、電気モーターまたは内燃機関によって駆動されます。 ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} 5～30馬力（hp）の小型往復動コンプレッサーは、自動車用途でよく見られ、通常は断続運転用です。1,000 hp（750 kW ）をはるかに超える大型往復動コンプレッサーは、大規模な産業用途や石油用途でよく見られます。吐出圧力は、低圧から非常に高い圧力（>18000 psiまたは124 MPa）まであります。空気圧縮などの特定の用途では、多段複動コンプレッサーが利用可能な最も効率的なコンプレッサーであると言われており、通常は同等のロータリーユニットよりも大きく、高価です。^{[ 4 ]}往復動コンプレッサーのもう 1 つのタイプは、通常自動車のキャビン空調システムで使用される斜板式またはウォブルプレート式コンプレッサーで、シャフトに取り付けられた斜板によって動かされるピストンを使用します (軸ピストンポンプを参照)。   

家庭用、家庭用作業場用、小規模な作業現場用コンプレッサーは、通常、レシーバータンクが付属した1.5 hp (1.1 kW)以下の往復動コンプレッサーです。リニアコンプレッサーは、ピストンがリニアモーターのローターである往復動コンプレッサーです。このタイプのコンプレッサーは、冷媒、水素、天然ガスなど、幅広いガスを圧縮できます。そのため、さまざまな産業の幅広い用途で使用されており、サイズ、シリンダー数、シリンダーのアンロードを変更することで、幅広い容量に設計できます。ただし、クリアランス容積による損失が大きく、吐出弁と吸入弁による抵抗があり、重量が大きく、可動部品が多いためメンテナンスが難しく、固有の振動があります。^{[ 5 ]}  

イオン液体ピストンコンプレッサー、イオンコンプレッサー、またはイオン液体ピストンポンプは、ピストン・金属ダイヤフラムコンプレッサーのように金属ピストンではなく、イオン液体ピストンをベースにした水素コンプレッサーです。

ロータリースクリューコンプレッサーは、噛み合った回転式容積型ヘリカルスクリュー2本を使用してガスをより小さな空間に押し込みます。^{[ 1 ] [ 6 ] [ 7 ]}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、据え置き型または可搬型のいずれかです。その用途は、3馬力（2.2 kW）から1,200馬力（890 kW）以上、低圧から中高圧（> 1,200 psiまたは8.3 MPa）までです。ロータリースクリューコンプレッサーの分類は、段数、冷却方法、駆動方式などによって異なります。^{[ 8 ]}ロータリースクリューコンプレッサーは、オイル潤滑式、水潤滑式、およびドライタイプで市販されています。ロータリーコンプレッサーの効率はエアドライヤーに依存し、エアドライヤーの選択は常にコンプレッサーの容積吐出量の1.5倍です。^{[ 9 ]} 2 本のスクリューの代わりに 1 本のスクリュー^{[ 10 ]}または 3 本のスクリュー^{[ 11 ] [ 12 ]}を使用した設計も存在します。スクリュー コンプレッサーは、可動部品が少なく、容量が大きく、振動やサージングが少なく、可変速度で動作でき、一般的に効率が高くなります。圧縮キャビティまたはスクリューとコンプレッサー ハウジングの間のクリアランスによって固有の漏れが発生するため、小型または低速のローターは実用的ではありません。^{[ 5 ]}高い漏れ損失を避けるために精密な機械加工公差に依存しており、誤った操作や不適切なメンテナンスを行うと損傷しやすいです。    

ロータリーベーンコンプレッサーは、ローターに放射状のスロットに挿入された多数のブレードを備えたローターで構成されています。ローターは、円形またはより複雑な形状のより大きなハウジングにオフセットして取り付けられています。ローターが回転すると、ブレードはハウジングの外壁と接触したままスロットに出入りします。^{[ 1 ]}このように、回転するブレードによって一連の増加および減少する容積が生成されます。ロータリーベーンコンプレッサーは、ピストンコンプレッサーと並んで、最も古いコンプレッサー技術の1つです。

適切なポート接続により、これらの装置はコンプレッサーまたは真空ポンプとして使用できます。据え置き型または可搬型、単段式または多段式、電動モーターまたは内燃機関による駆動が可能です。乾式ベーン式コンプレッサーは、バルク材料の移動に比較的低い圧力（例えば、2 bar、200 kPa、または29 psi ）で使用されますが、オイルインジェクション式コンプレッサーは、単段で約13 bar（1,300 kPa、190 psi）までの圧力を達成するために必要な体積効率を備えています。ロータリーベーンコンプレッサーは電動モーター駆動に適しており、同等のピストンコンプレッサーよりも動作音が著しく静かです。      

ロータリーベーンコンプレッサーの機械効率は約90%に達する。^{[ 13 ]}

ローリングピストン式コンプレッサーのローリングピストンは、ベーンとローターの間の仕切りとしての役割を果たします。^{[ 14 ]}ローリングピストンはガスを固定ベーンに押し付けます。

これらのコンプレッサーのうち2台を同じシャフトに取り付けることで、容量を増やし、振動や騒音を低減できます。^{[ 15 ]}スプリングのない設計は、スイングコンプレッサーとして知られています。^{[ 16 ]}

冷凍・空調分野では、このタイプのコンプレッサーはロータリーコンプレッサーとも呼ばれ、ロータリースクリューコンプレッサーは単にスクリューコンプレッサーとも呼ばれる。

ピストンとコンプレッサーケーシング間のクリアランス容積による損失が少ないため、往復動コンプレッサーよりも効率が高く、同じ容量であれば40～50%小型軽量（製品に使用する場合、材料費や輸送費に影響する可能性がある）、振動が少なく、部品点数も少なく、往復動コンプレッサーよりも信頼性が高い。しかし、その構造上、5冷凍トンを超える容量には対応できず、他のコンプレッサータイプよりも信頼性が低く、クリアランス容積による損失のため、他のコンプレッサータイプよりも効率が低い。^{[ 5 ]}

スクロールコンプレッサーは、スクロールポンプやスクロール真空ポンプとも呼ばれ、互いに重なり合った2枚のらせん状の羽根を使用して、液体や気体などの流体をポンプで送ったり圧縮したりします。羽根の形状は、インボリュート、アルキメデス螺旋、またはハイブリッド曲線である場合があります。^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}これらは、低容量範囲の他のタイプのコンプレッサーよりもスムーズに、静かに、そして信頼性高く動作します。多くの場合、一方のスクロールは固定され、もう一方のスクロールは回転せずに偏心軌道を描き、それによってスクロール間の流体のポケットを捕捉してポンプで送ったり圧縮したりします。固定スクロールと軌道スクロールの間のクリアランス容量が最小限であるため、これらのコンプレッサーは非常に高い体積効率を持っています。

これらのコンプレッサーは、往復動コンプレッサーよりも軽量、小型で可動部品が少なく、信頼性も高いため、空調および冷凍分野で広く使用されています。ただし、価格が高いため、冷凍または空調システムの設計においてコストが最も重要な要素、あるいは最も重要な要素の一つとなる用途では、ペルチェ冷却器やロータリー式・往復動式コンプレッサーが使用されることがあります。

このタイプのコンプレッサーは、1990年代初頭にフォルクスワーゲンG60およびG40エンジンのスーパーチャージャーとして使用されていた。

往復ピストン式コンプレッサーやローリングピストン式コンプレッサーと比較すると、スクロールコンプレッサーは部品点数が少なく構造がシンプルなため信頼性が高く、クリアランス容積やバルブがないため効率が高く、サージングが少なく振動も少ないという利点があります。しかし、スクリュー式コンプレッサーや遠心式コンプレッサーと比較すると、スクロールコンプレッサーは効率が低く容量も小さくなります。^{[ 5 ]}

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、従来の往復動コンプレッサーの変形である。ガスの圧縮は、吸気要素の代わりに柔軟なメンブレンの動きによって行われる。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。圧縮されるガスと接触するのは、メンブレンとコンプレッサーボックスのみである。^{[ 1 ]}

ダイヤフラムの屈曲度と材質は、機器の寿命に影響を与えます。一般的に、剛性の高い金属製ダイヤフラムは、金属が大きな屈曲に耐えられず亀裂が生じるため、数立方センチメートル程度の体積しか移動させることができませんが、その剛性によって高圧でのポンプ運転が可能になります。ゴム製またはシリコン製のダイヤフラムは、非常に大きな屈曲を伴う深いポンプストロークに耐えることができますが、強度が低いため、低圧用途に限定され、プラスチック脆化が発生すると交換が必要になります。

ダイヤフラム式圧縮機は、水素や圧縮天然ガス（CNG）の圧縮に使用されるほか、その他多くの用途にも用いられています。

右側の写真は、アリゾナ州フェニックスのダウンタウンにアリゾナ・パブリック・サービス社（電力会社）が建設した試作型圧縮水素および圧縮天然ガス（CNG）燃料供給ステーションで使用するために、水素ガスを6,000 psi（41 MPa）まで圧縮するために使用される3段ダイヤフラムコンプレッサーを示しています。天然ガスの圧縮には往復動コンプレッサーが使用されました。往復動天然ガスコンプレッサーはSertco社によって開発されました。^{[ 20 ]}  

この試作型代替燃料補給ステーションは、フェニックス市における既存の安全基準、環境基準、建築基準をすべて遵守して建設され、都市部でもこのような燃料補給ステーションを建設できることを実証した。

トロンプとも呼ばれる。乱流によって生成された空気と水の混合物が地下室に落下し、そこで空気と水が分離する。落下する水の重みで、室の上部の空気が圧縮される。室から水中に沈んだ出口から、取水口よりも低い位置で水が地表に流れ出る。室の天井にある出口から圧縮空気が地表に供給される。この原理に基づく施設が、 1910年にオンタリオ州コバルト近郊のラギッド・シュートにあるモントリオール川に建設され、近隣の鉱山に5,000馬力を供給した。^{[ 21 ]}

遠心圧縮機は、成形されたハウジング内の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ます。拡散ダクトセクションは、速度エネルギーを圧力エネルギーに変換します。これらは主に、石油精製所、化学プラント、石油化学プラント、天然ガス処理プラントなどの産業で、連続定置サービスに使用されます。^{[ 1 ] [ 22 ] [ 23 ]}その用途は、100馬力（75kW ）から数千馬力までです。多段式では、 1,000psi （6.9MPa ）を超える高い出力圧力を達成できます。   

このタイプのコンプレッサーは、スクリューコンプレッサーとともに、大型の冷凍・空調システムで広く使用されています。磁気軸受式（磁気浮上式）および空気軸受式の遠心コンプレッサーが存在します。

多くの大規模な人工降雪施設（スキーリゾートなど）では、このタイプのコンプレッサーが使用されています。また、内燃機関ではスーパーチャージャーやターボチャージャーとしても使用されています。遠心式コンプレッサーは、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ています。

遠心圧縮機は、利用可能な圧縮機の中で最大であり、部分負荷時の効率が高く、空気または磁気ベアリングを使用するとオイルフリーになり、蒸発器と凝縮器の熱伝達係数が増加し、往復動圧縮機よりも最大 90% 軽量で、50% スペースを占有し、摩耗にさらされる部品が少ないため信頼性が高く、メンテナンス費用も少なく、振動も最小限に抑えられます。しかし、初期費用が高く、高精度のCNC加工が必要で、インペラを高速で回転させる必要があるため小型の圧縮機は実用的ではなく、サージングが発生しやすくなります。^{[ 5 ]}サージングとは、ガスの流れが逆転することであり、ガスが吐出側から吸入側に流れることを意味し、特に圧縮機のベアリングと駆動軸に深刻な損傷を与える可能性があります。これは、吐出側の圧力が圧縮機の出力圧力よりも高いことが原因で発生します。これにより、圧縮機と吐出ラインに接続されているものとの間でガスが往復し、振動が発生します。^{[ 5 ]}

斜め流または混合流コンプレッサは遠心コンプレッサに似ていますが、ローター出口で半径方向と軸方向の速度成分を持ちます。ディフューザーは、斜め流を半径方向ではなく軸方向に方向転換するためによく使用されます。^{[ 24 ]}従来の遠心コンプレッサ（同じ段圧力比）と比較すると、混合流コンプレッサの速度の値は 1.5 倍大きくなります。^{[ 25 ]}

軸流圧縮機は、扇状の翼を配列して流体を段階的に圧縮する、回転式の動的圧縮機です。高流量が必要な場合や、コンパクトな設計が求められる場合に使用されます。

翼型アレイは通常、回転翼と固定翼のペアとして列に配置されます。回転翼はブレードまたはローターとも呼ばれ、流体を加速します。固定翼はステーターまたはベーンとも呼ばれ、流体を減速して流れの方向を変え、次のステージのローターブレードに備えます。^{[ 1 ]}軸流圧縮機はほぼ常に多段式で、最適な軸方向マッハ数を維持するために、圧縮機に沿ってガス通路の断面積が減少します。約5段または4:1の設計圧力比を超えると、可変角度の固定ベーン（可変入口ガイドベーンおよび可変ステーターとして知られる）、圧縮機の途中で空気を一部逃がす機能（段間ブリードとして知られる）、複数の回転アセンブリに分割されている（例えば、ツインスプールとして知られる）などの機能が装備されていないと、圧縮機は機能しません。

軸流圧縮機は、設計条件下で約90%のポリトロピック効率という高い効率を実現できます。しかし、部品点数が多く、厳しい公差と高品質の材料が必要となるため、比較的高価です。軸流圧縮機は、中型から大型のガスタービンエンジン、天然ガスポンプ場、および一部の化学プラントで使用されています。

各装置におけるエネルギーバランスの微分形式の比較。

させて${\displaystyle q}$熱である、${\displaystyle w}$仕事である、${\displaystyle ke}$運動エネルギーであり、${\displaystyle pe}$位置エネルギーである。

実際のコンプレッサー：

$\displaystyle \delta q_{act}-\delta w_{acteltaq_{act}}{T}\geq 0}$

さらに、$\displaystyle ds\geq \frac \delta q_{act}}{T}}}$そしてTは[絶対温度]（${\displaystyle T\geq 0}$）これにより以下が生成されます。${\displaystyle \delta w_{rev}\geq \delta w_{act}}$

または${\displaystyle w_{rev}\geq w_{act}}$

したがって、ポンプやコンプレッサーなどの仕事消費装置（仕事は負の値）は、可逆的に動作する場合、より少ない仕事で済む。^{[ 26 ]}

等エントロピー過程：冷却を伴わない、 ポリトロピック過程：いくらかの冷却を伴う、 等温過程：最大の冷却を伴う

以下の仮定を置くと、圧縮機がガスを圧縮するために必要な仕事は${\displaystyle P_{1}}$に${\displaystyle P_{2}}$各プロセスについて、以下のとおりです。

${\displaystyle P_{1}}$そして${\displaystyle P_{2}}$

フロープロセス VdP

すべてのプロセスは内部的に可逆的である

この気体は、比熱が一定の理想気体のように振る舞う。

等エントロピー（${\displaystyle Pv^{k}=定数}$、 どこ${\displaystyle k=C_{p}/C_{v}}$):

${\displaystyle W_{comp,in}={\frac {kR(T_{2}-T_{1})}{k-1}}={\frac {kRT_{1}}{k-1}}\left[\left({\frac {P_{2}}{P_{1}}}\right)^{(k-1)/k}-1\right]}$

ポリトロピック（${\displaystyle Pv^{n}=定数}$):

${\displaystyle W_{comp,in}={\frac {nR(T_{2}-T_{1})}{n-1}}={\frac {nRT_{1}}{n-1}}\left[\left({\frac {P_{2}}{P_{1}}}\right)^{(n-1)/n}-1\right]}$

等温（${\displaystyle T=定数}$または${\displaystyle Pv=定数}$):

${\displaystyle W_{comp,in}=RTln\left({\frac {P_{2}}{P_{1}}}\right)}$

理想気体を圧縮する 3 つの内部可逆プロセスを比較することで${\displaystyle P_{1}}$に${\displaystyle P_{2}}$結果は等エントロピー圧縮（${\displaystyle Pv^{k}=定数}$）は、等温圧縮において最も多くの仕事を必要とします（${\displaystyle T=定数}$または${\displaystyle Pv=定数}$）は、最も少ない仕事量を必要とします。ポリトロピック過程（${\displaystyle Pv^{n}=定数}$圧縮プロセス中の放熱量を増やすことで、指数 n が減少するにつれて仕事量が減少します。圧縮中にガスを冷却する一般的な方法の 1 つは、圧縮機のケーシングの周りに冷却ジャケットを使用することです。^{[ 26 ]}