コンプレッサー

コンプレッサーは、ガスの容積を減らして圧力を高める機械装置です。空気圧縮機は、ガス圧縮機の特定のタイプです。

多くのコンプレッサーは段階的に圧縮できます。つまり、ガスを段階的に複数回圧縮して、吐出圧力を高めます。多くの場合、第 2 段階は第 1 段階よりも物理的に小さく、すでに圧縮されたガスを収容しながら圧力を下げることはありません。各段階でガスがさらに圧縮され、圧力と温度が上昇します (段階間の中間冷却が使用されていない場合)。

コンプレッサーはポンプに似ています。どちらも流体（ガスなど）の圧力を高め、パイプを通じて流体を輸送できます。主な違いは、コンプレッサーの焦点は流体の密度または体積を変更することであり、これは主にガスでのみ実現可能です。ガスは圧縮可能ですが、液体は比較的圧縮不可能であるため、コンプレッサーが液体に使用されることはほとんどありません。ポンプの主な動作は、液体を加圧して輸送することです。

ガス圧縮機の主な重要なタイプを以下に図示し、説明します。

容積式コンプレッサーは、機械的連結部の変位によって容積を減少させることで空気を圧縮するシステムです（熱力学ではピストンによる容積の減少はピストンの容積減少とみなされるため）。^[曖昧]

言い換えると、容積式コンプレッサーは、入口から一定量のガスを吸い込み、そのガスをコンプレッサーの出口から強制的に排出することで作動します。ガスの圧力が上昇する原因の少なくとも一部は、入口の圧力と密度が低いため出口を通過できない質量流量でコンプレッサーがガスを送り出すためです。

往復動型コンプレッサーは、クランクシャフトで駆動されるピストンを使用します。固定式またはポータブル式、単段式または多段式で、電動モーターまたは内燃エンジンで駆動できます。 ^{[1] [2] [3]} 5～30 馬力の小型往復動型コンプレッサーは、自動車用途でよく見られ、通常は断続的に使用されます。1,000馬力（750kW）をはるかに超える大型の往復動型コンプレッサーは、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、低圧から非常に高圧（>18000psiまたは124MPa）までの範囲です。空気圧縮などの特定の用途では、多段複動型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おり、同等の回転式ユニットよりも通常は大きく、高価です。^[4]もう一つのタイプの往復動型圧縮機は、通常、自動車のキャビン空調システムに使用され、^{[要出典]、}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する斜板式またはウォブルプレート式圧縮機です（アキシャルピストンポンプを参照）。

家庭用、自宅の作業場用、小規模な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) 以下の往復式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となる往復動型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、さまざまなガスを圧縮できます。このため、さまざまな業界で幅広い用途に使用されており、サイズ、シリンダーの数、シリンダーのアンロードを変更することで、さまざまな容量に設計できます。ただし、クリアランス容量による損失が大きく、吐出バルブと吸入バルブによる抵抗があり、重量が重く、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 - 金属ダイアフラム コンプレッサーのような金属ピストンの代わりに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、かみ合った2つの回転する容積式らせんスクリューを使用して、ガスをより小さな空間に押し込みます。^{[1] [6] [7]}これらは通常、商業用および工業用のアプリケーションで連続運転に使用され、固定式またはポータブル式のいずれかになります。その用途は、3馬力（2.2kW）から1,200馬力（890kW）以上、低圧から中高圧（>1,200psiまたは8.3MPa）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、油浸式、水浸式、乾式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、^{[説明が必要]}、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本ではなく 1本のネジ^[10]や3本のネジ^{[11]を使用した設計も存在する。}

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、通常は効率が高い。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隙間によって生じる漏れのため、小型または低速のローターは実用的ではない。^[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くなる。

ロータリーベーンコンプレッサーは、ローターの放射状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大きなハウジングにオフセットで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ながら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作成されます。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ともに、最も古いコンプレッサー技術の1つです。

適切なポート接続があれば、これらの装置はコンプレッサーまたは真空ポンプになります。これらは固定式またはポータブル式、単段式または多段式で、電動モーターまたは内燃エンジンで駆動できます。ドライ ベーン マシンは、比較的低い圧力 (例: 2 bar または 200 kPa または 29 psi) でバルク材料の移動に使用されますが、オイル注入式マシンは、単段で最大約 13 bar (1,300 kPa、190 psi) の圧力を達成するために必要な容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はるかに静かです。

ロータリーベーンコンプレッサーの機械効率は約90％です。^[12]

ローリングピストン型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の役割を果たします。^[13]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を2台同じシャフトに取り付けることで、容量を増やし、振動と騒音を減らすことができます。^[14]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。^[15]

冷凍・空調の分野では、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ます。

ピストンとコンプレッサーケース間のクリアランス容積による損失が少ないため往復コンプレッサーよりも効率が高く、一定の容量に対して40%から50%小型で軽量(製品に使用する場合、材料費や輸送費に影響を与える可能性があります)、振動が少なく、部品数が少なく、往復コンプレッサーよりも信頼性が高いです。しかし、その構造上、5冷凍トンを超える容量は許容されず、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くなります。^[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、2枚のらせん状のベーンを使用して液体や気体などの流体を汲み上げたり圧縮したりします。ベーンの形状は、インボリュート、アルキメデスのらせん、またはハイブリッド曲線になります。^{[16] [17] [18]}スクロールコンプレッサーは、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、そして確実に動作します。

多くの場合、スクロールの 1 つは固定され、もう 1 つは回転せずに偏心して軌道を描き、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送り出したり圧縮したりします。

固定スクロールと旋回スクロール間のクリアランス容積が最小であるため、これらのコンプレッサーは容積効率が非常に高くなります。

これらのコンプレッサーは、往復動型コンプレッサーよりも軽量で小型で可動部品が少なく、信頼性も高いため、空調や冷蔵で広く使用されています。ただし、価格が高いため、コストが最も重要であるアプリケーションや、冷蔵または空調システムを設計する際に考慮すべき最も重要な要素の 1 つであるアプリケーションでは、ペルチェ クーラーまたは回転式および往復動型コンプレッサーが使用される場合があります。

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ました。

スクロールコンプレッサーは、往復動型やローリングピストン型のコンプレッサーに比べ、部品点数が少なく構造が簡単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、また、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、スクリューコンプレッサーや遠心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、従来の往復動型コンプレッサーの変形です。ガスの圧縮は、吸入要素の代わりに柔軟な膜の動きによって行われます。膜の前後運動は、ロッドとクランクシャフト機構によって駆動されます。圧縮されるガスと接触するのは、膜とコンプレッサーボックスのみです。^[1]

屈曲の度合いとダイヤフラムを構成する材料は、装置の保守寿命に影響します。一般に、硬い金属ダイヤフラムは、金属が大きな屈曲に耐えられないため、数立方センチメートルの容積しか押しのけられませんが、金属ダイヤフラムの剛性により、高圧でのポンピングが可能です。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ピング ストロークに耐えることができますが、強度が低いため、低圧用途での使用に限定され、プラスチックが脆くなると交換する必要があります。

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ます。

右の写真は、アリゾナ州フェニックスのダウンタウンにアリゾナ公共サービス社（電力会社）が建設した圧縮水素および圧縮天然ガス（CNG）燃料ステーションのプロトタイプで使用するために、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。往復コンプレッサーは天然ガスを圧縮するために使用されました。往復天然ガスコンプレッサーはSertcoによって開発されました。^[19]

代替燃料ステーションのプロトタイプは、フェニックスの現行の安全、環境、建築基準をすべて遵守して建設され、都市部にもこのような燃料ステーションを建設できることを実証しました。

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は、地下のチャンバーに落下し、そこで空気が水から分離される。落下する水の重さにより、チャンバーの上部の空気が圧縮される。チャンバーからの水中出口により、水は取水口よりも低い高さで地表に流れる。チャンバーの天井にある出口から、圧縮された空気が地表に供給される。この原理に基づく施設は、 1910年にオンタリオ州コバルト近くのラギッドシュートのモントリオール川に建設され、近くの鉱山に5,000馬力を供給した。^[20]

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、ガスの速度を上げます。ディフューザ（発散ダクト）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、化学および石油化学プラント、天然ガス処理プラントなどの業界で連続的かつ固定されたサービスに使用されます。^{[1] [21] [22]}それらの用途は、100馬力（75kW）から数千馬力まで可能です。多段式により、1,000psi（6.9MPa）を超える高出力圧力を実現できます。

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 (磁気浮上) と空気軸受の遠心コンプレッサーがあります。

多くの大規模な人工雪製造施設（スキー場など）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、内燃機関の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ます。

遠心圧縮機は、現在入手可能な圧縮機の中で最も大きく、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る可能性があり、蒸発器と凝縮器の熱伝達係数が高まり、往復圧縮機よりも最大 90% 軽量で、占有スペースが 50% 少なく、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安く、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、ガスが排出側から吸引側に移動し、特に圧縮機のベアリングと駆動軸に深刻な損傷を引き起こす可能性があります。これは、排出側の圧力が圧縮機の出力圧力よりも高いために発生します。これにより、圧縮機と排出ラインに接続されているものの間でガスが行き来し、振動が発生します。^[5]

斜流または混流圧縮機は遠心圧縮機に似ていますが、ローターの出口に半径方向と軸方向の速度成分があります。ディフューザーは、斜流を半径方向ではなく軸方向に変えるために使用されることがよくあります。^[23]従来の遠心圧縮機（同じ段圧力比）と比較すると、混流圧縮機の速度の値は1.5倍大きくなります。^[24]

軸流圧縮機は、ファンのような翼の配列を使用して流体を段階的に圧縮する動的回転圧縮機です。高流量またはコンパクトな設計が求められる場合に使用されます。

翼列は列状に並べられ、通常は1つが回転し、もう1つが固定のペアになっています。回転する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、次の段のローターブレードに流せるようにします。^[1]軸流圧縮機はほとんどの場合多段式で、ガス通路の断面積は圧縮機に沿って減少し、最適な軸方向マッハ数を維持します。約5段または設計圧力比4:1を超えると、可変角度の固定翼（可変入口ガイドベーンおよび可変ステーターと呼ばれる）、圧縮機の途中で空気を逃がす機能（段間ブリードと呼ばれる）、複数の回転アセンブリに分割される機能（ツインスプールと呼ばれる）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。

軸流コンプレッサーは、設計条件で約 90% のポリトロープ効率という高い効率性を実現できます。ただし、比較的高価で、多数の部品、厳しい許容誤差、高品質の材料を必要とします。軸流コンプレッサーは、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、一部の化学プラントで使用されます。

冷凍システムで使用されるコンプレッサーは、メンテナンスなしで何年も機能させるためには、冷媒の損失を避けるために漏れがほぼゼロでなければなりません。これには、非常に効果的なシールを使用するか、密閉システムを形成するためにすべてのシールと開口部をなくすことさえ必要です。これらのコンプレッサーは、コンプレッサーがどのように密閉されているか、およびモータードライブが圧縮されるガスまたは蒸気に対してどのように配置されているかを説明するために、密閉、開放、または半密閉のいずれかであると説明されることがよくあります。冷凍サービス以外のコンプレッサーの中には、毒性、汚染性、または高価なガスを取り扱う場合に通常ある程度密閉されているものもあり、冷凍以外の用途のほとんどは石油化学産業です。

密閉型およびほとんどの半密閉型コンプレッサでは、コンプレッサとコンプレッサを駆動するモーターが一体化されており、システムの加圧ガス エンベロープ内で動作します。モーターは、圧縮される冷媒ガス内で動作し、冷媒ガスによって冷却されるように設計されています。オープン コンプレッサには、コンプレッサ本体を貫通するシャフトを駆動する外部モーターがあり、内部圧力を維持するためにシャフトの周囲の回転シールに依存しています。

密閉型と半密閉型の違いは、密閉型では修理のために開けることができない一体型の溶接鋼製ケースを使用していることです。密閉型が故障した場合は、新しいユニット全体に交換するだけです。半密閉型では、ネジ付きのガスケット カバーが付いた大きな鋳造金属シェルを使用しており、モーターとコンプレッサーの部品を交換するために開けることができます。密閉型と半密閉型の主な利点は、ガスがシステムから漏れる経路がないことです。オープン コンプレッサーの主な利点は、あらゆる動力源で駆動できるため、アプリケーションに最も適したモーターを選択できるだけでなく、内燃エンジンや蒸気タービンなどの非電気電源でも駆動できることです。また、オープン コンプレッサーのモーターは、冷媒システムのどの部分も開けずに保守できます。

自動車のエアコンなどの開放型加圧システムは、作動ガスが漏れやすい傾向があります。開放型システムは、システム内の潤滑剤がポンプ部品やシールに飛び散ることに依存しています。作動頻度が低いと、シールの潤滑剤は徐々に蒸発し、シールが漏れ始め、システムが機能しなくなり、補充が必要になります。これに対し、密閉型または半密閉型システムは、何年も使用せずに放置することができ、通常はメンテナンスの必要がなく、システム圧力の低下も発生せずにいつでも再起動できます。十分に潤滑されたシールでも、時間の経過とともに少量のガスが漏れます。特に冷凍ガスが潤滑油に溶けやすい場合はそうですが、シールが適切に製造され、メンテナンスされていれば、この損失は非常に低くなります。

密閉型コンプレッサーの欠点は、モーター駆動装置の修理やメンテナンスが不可能なことと、モーターが故障した場合にコンプレッサー全体を交換する必要があることです。さらに欠点として、焼損した巻線がシステム全体を汚染する可能性があるため、システム全体をポンプで排出してガスを交換する必要があります (これは、モーターが冷媒内で動作する半密閉型コンプレッサーでも発生する可能性があります)。通常、密閉型コンプレッサーは、修理費や人件費がデバイスの価値に比べて高く、新しいデバイスまたはコンプレッサーを購入した方が経済的である、工場で組み立てられた低コストの消費財に使用されます。半密閉型コンプレッサーは、中規模から大規模の冷蔵および空調システムで使用され、コンプレッサーの修理や改修のほうが新品を購入するよりも安価です。密閉型コンプレッサーは、半密閉型またはオープン型コンプレッサーよりも製造が簡単で安価です。

圧縮機は内部的に可逆かつ断熱的な装置として理想化することができ、したがって等エントロピー定常状態装置であり、エントロピーの変化は0である。^[25]

流動過程のエンタルピー変化は計算できる。^[26]

dH = VdP + TdS

等エントロピーdSはゼロです。

dH = VdP

一部の容積式圧縮機のような非流動等エントロピープロセスでは異なる方程式が使用される場合がある。^[27]

dH = PdV

圧縮サイクルを等エントロピーと定義することで、プロセスの理想的な効率を達成することができ、理想的な圧縮機の性能を機械の実際の性能と比較することができます。ASME PTC 10コードで使用される等方性圧縮は、可逆的な断熱圧縮プロセスを指します^[28]

コンプレッサーの等エントロピー効率:

${\displaystyle \eta _{C}={\frac {\rm {等エントロピーコンプレッサー仕事}}{\rm {実際のコンプレッサー仕事}}}={\frac {W_{s}}{W_{a}}}\cong {\frac {h_{2s}-h_{1}}{h_{2a}-h_{1}}}}$

${\displaystyle h_{1}}$初期状態でのエンタルピーである

${\displaystyle h_{2a}}$実際のプロセスの最終状態でのエンタルピーである

${\displaystyle h_{2s}}$等エントロピー過程の最終状態におけるエンタルピーである。

各デバイスのエネルギーバランスの微分形式の比較。

を熱、を仕事、を運動エネルギー、を位置エネルギーと します。${\displaystyle q}$${\displaystyle w}$${\displaystyle け}$${\displaystyle pe}$

実際のコンプレッサー:

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

さらに、Tは[絶対温度]（）であり、次の式が得られます。${\displaystyle ds\geq {\frac {\delta q_{act}}{T}}}$${\displaystyle T\geq 0}$
${\displaystyle \delta w_{rev}\geq \delta w_{act}}$

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を消費する装置（仕事は負）は、可逆的に動作するときには仕事が少なくて済みます。^[25]

等エントロピー過程: 冷却を伴わない、
ポリトロープ過程: ある程度の冷却を伴う、
等温過程: 最大限の冷却を伴う

以下の仮定をすると、コンプレッサーがガスを から まで圧縮するために必要な作業は、各プロセスで次のようになります。 ${\displaystyle P_{1}}$${\displaystyle P_{2}}$

${\displaystyle P_{1}}$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

このガスは、比熱が一定である理想気体のように振る舞う。

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

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

ポリトロープ（）： ${\displaystyle Pv^{n}=定数}$

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

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

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

理想気体を から に圧縮する 3 つの内部可逆過程を比較すると、等エントロピー圧縮 ( ) では で最も多くの仕事が必要となり、等温圧縮 (または) では で最も少ない仕事が必要であることがわかります。ポリトロープ過程 ( ) では、指数 n が減少するにつれて仕事が減少し、圧縮過程中の熱放出が増加します。圧縮中にガスを冷却する一般的な方法の 1 つは、コンプレッサー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。^[25]${\displaystyle P_{1}}$${\displaystyle P_{2}}$${\displaystyle Pv^{k}=定数}$${\displaystyle T=定数}$${\displaystyle Pv=定数}$${\displaystyle Pv^{n}=定数}$

理想的なランキンサイクル1->2ポンプ内の等エントロピー圧縮 理想的なカルノーサイクル4->1 等エントロピー圧縮 理想的なオットーサイクル1->2 等エントロピー圧縮 理想的なディーゼルサイクル1->2 等エントロピー圧縮 理想的なブレイトンサイクル1->2コンプレッサー内の 等エントロピー圧縮 理想的な蒸気圧縮冷凍サイクル1->2コンプレッサー内の等エントロピー圧縮 注: 等エントロピーの仮定は、理想的なサイクルにのみ適用されます。実際のサイクルには、非効率的なコンプレッサーとタービンによる固有の損失があります。実際のシステムは、完全に等エントロピーではありませんが、計算目的で等エントロピーとして理想化されています。

ガスを圧縮すると温度が上昇します。

気体の ポリトロープ変換の場合:

${\displaystyle {\begin{cases}pV^{n}={\text{定数}}=p_{1}V_{1}^{n}=p_{2}V_{2}^{n}\Rightarrow {\frac {p_{2}}{p_{1}}}\ =\left({\frac {V_{1}}{V_{2}}}\right)^{n}&\\{\frac {p^{\frac {n-1}{n}}}{T}}={\text{定数}}={\frac {p_{1}^{\frac {n-1}{n}}}{T_{1}}}={\frac {p_{2}^{\frac {n-1}{n}}}{T_{2}}}\Rightarrow \left({\frac {p_{2}}{p_{1}}}\right)^{\frac {n-1}{n}}={\frac {T_{2}}{T_{1}}}&\end{ケース}}}$

密閉されたシリンダー内でガスを ポリトロープ圧縮（または膨張）するために行われる仕事。

${\displaystyle W=\int _{V_{1}}^{V_{2}}pdV=p_{1}V_{1}^{n}\int _{V_{1}}^{V_{2} }V^{-n}dV={\frac {p_{1}V_{1}^{n}}{1-n}}(V_{2}^{1-n}-V_{1}^{1-n})={\frac {p_{ 1}V_{1}^{n}}{1-n}}V_{1}^{1-n}\left({\frac {V_{2}^{1-n}}{V_{1}^{1-n}}}-1\right)={\frac {p_{1}V_{1}}{1-n}} \left({\frac {V_{2}^{1-n}}{V_{1}^{1-n}}}-1\right)=}$

${\displaystyle ={\frac {p_{1}V_{1}}{1-n}}\left(\left({\frac {V_{1}}{V_{2}}}\right)^{n-1}-1\right)={\frac {p_{1}V_{1}}{1-n}}\left(\left({\frac {p_{2}}{p_{1}}}\right)^{\frac {n-1}{n}}-1\right)={\frac {p_{1}V_{1}}{1-n}}\left({\frac {T_{2}}{T_{1}}}-1\right)}$

それで

${\displaystyle W=-{\frac {p_{1}V_{1}}{n-1}}\left(\left({\frac {p_{2}}{p_{1}}}\right)^{\frac {n-1}{n}}-1\right)}$

ここで、pは圧力、Vは体積、n は圧縮プロセスごとに異なる値を取ります (下記参照)、1 と 2 は初期状態と最終状態を表します。

• 断熱モデル– このモデルでは、圧縮中にガスとの間でエネルギー（熱）が伝達されず、供給された仕事がすべてガスの内部エネルギーに追加され、温度と圧力が上昇すると想定しています。理論的な温度上昇は次のとおりです。^[29]

${\displaystyle T_{2}=T_{1}\left({\frac {p_{2}}{p_{1}}}\right)^{(\kappa -1)/\kappa }}$

ここで、T ₁およびT _{2 は}ランキン度またはケルビン、p ₂およびp _{1 は}絶対圧力と比熱比（空気の場合は約 1.4）です。空気と温度比の上昇は、圧縮が単純な圧力と体積の比に従わないことを意味します。これは効率は悪くなりますが、迅速です。断熱圧縮または断熱膨張は、コンプレッサーの断熱性が良好で、ガス容積が大きく、時間スケールが短い（つまり、電力レベルが高い）場合の現実をより正確にモデル化します。実際には、圧縮されたガスから常に一定量の熱が流出します。したがって、完璧な断熱コンプレッサーを作成するには、機械のすべての部分を完全に断熱する必要があります。たとえば、自転車のタイヤポンプの金属チューブでさえ、タイヤに空気を圧縮すると熱くなります。上記の温度と圧縮比の関係は、断熱プロセスの の値が（比熱比）であることを意味します。 ${\displaystyle \kappa =}$ ${\displaystyle n}$${\displaystyle \kappa}$

• 等温– このモデルでは、圧縮ガスが圧縮または膨張プロセス全体を通じて一定温度に保たれると想定しています。このサイクルでは、内部エネルギーは、圧縮の機械的作業によって追加されるのと同じ速度で熱としてシステムから除去されます。等温圧縮または膨張は、コンプレッサーの熱交換面が大きい、ガス容積が小さい、または時間スケールが長い (つまり、電力レベルが小さい) 場合に、より現実に近いモデルとなります。圧縮段の間に段間冷却を使用するコンプレッサーは、完全な等温圧縮に最も近づきます。ただし、実際のデバイスでは、完全な等温圧縮は実現できません。たとえば、対応するインタークーラーを備えた無限の数の圧縮段がない限り、完全な等温圧縮は決して実現されません。

等温過程の場合、は 1 なので、等温過程の仕事積分の値は次のようになります。 ${\displaystyle n}$

${\displaystyle W=\int _{V_{1}}^{V_{2}}pdV=p_{1}V_{1}\int _{V_{1}}^{V_{2}}{\frac {1}{V}}dV=p_{1}V_{1}\ln {\frac {V_{2}}{V_{1}}}=-p_{1}V_{1}\ln \left({\frac {p_{2}}{p_{1}}}\right)}$

評価すると、等温仕事は断熱仕事よりも低いことがわかります。

• ポリトロープ- このモデルは、ガスの温度上昇と、コンプレッサーのコンポーネントへのエネルギー (熱) 損失の両方を考慮します。これは、熱がシステムに出入りすること、および入力シャフトの仕事が圧力上昇 (通常は有効仕事) と断熱温度を超える温度上昇 (通常はサイクル効率による損失) の両方として現れることを前提としています。圧縮効率は、理論上の 100 パーセント (断熱) での温度上昇と実際の温度上昇 (ポリトロープ) の比率です。ポリトロープ圧縮では、0 (定圧プロセス) から無限大 (定積プロセス) までの値が使用されます。ほぼ断熱プロセスによって圧縮されたガスを冷却しようとする一般的なケースでは、の値は1 から までになります。${\displaystyle n}$${\displaystyle n}$${\displaystyle \kappa}$

遠心圧縮機の場合、現在市販されている設計では、どのステージでも圧縮比が 3.5 対 1 を超えることはありません (一般的なガスの場合)。圧縮により温度が上昇するため、圧縮されたガスはステージ間で冷却され、圧縮が断熱圧縮よりも等温圧縮になるようにします。ステージ間の冷却器 (インタークーラー) によって、通常は部分的な凝縮が発生しますが、これは気液分離器で除去されます。

小型の往復動型コンプレッサーの場合、コンプレッサーのフライホイールが冷却ファンを駆動し、2 段以上のコンプレッサーの インタークーラーに周囲の空気を送ります。

ロータリー スクリュー コンプレッサーは冷却潤滑剤を使用して圧縮による温度上昇を抑えることができるため、圧縮比が 9 対 1 を超えることがよくあります。たとえば、一般的なダイビング コンプレッサーでは、空気は 3 段階で圧縮されます。各段階の圧縮比が 7 対 1 の場合、コンプレッサーは大気圧の 343 倍 (7 × 7 × 7 = 343気圧) を出力できます。(343 atm または 34.8  MPaまたは 5.04  ksi )

コンプレッサーに動力を供給するモーターには、さまざまなオプションがあります。

• ガスタービンは、ジェットエンジンの一部である軸流圧縮機と遠心流圧縮機に動力を供給します。
• 大型コンプレッサーには蒸気タービンや水力タービンが使用可能です。
• 電気モーターは、静的コンプレッサーには安価で静かです。家庭用電源に適した小型モーターは、単相 交流を使用します。大型モーターは、産業用三相交流電源が利用できる場所でのみ使用できます。
• ポータブルコンプレッサーやサポートコンプレッサーには、ディーゼルエンジンまたはガソリンエンジンが適しています。
• 自動車やその他の種類の車両（ピストン駆動の飛行機、ボート、トラックなどを含む）では、ディーゼルエンジンまたはガソリンエンジンの出力は、吸入空気を圧縮することによって増加し、サイクルごとに燃焼できる燃料の量を増やすことができます。これらのエンジンは、自身のクランクシャフトの力を使用してコンプレッサーに動力を与えるか（このセットアップはスーパーチャージャーと呼ばれます）、または排気ガスを使用してコンプレッサーに接続されたタービンを駆動します（このセットアップはターボチャージャーと呼ばれます）。

電気モーターで駆動するコンプレッサーは、 VFDまたは電力インバーターを使用して制御できますが、密閉型および半密閉型コンプレッサーの多くは、オイルポンプが内蔵されている場合があるため、一定の範囲内または固定速度でしか動作できません。内蔵オイルポンプは、コンプレッサーを駆動する同じシャフトに接続されており、コンプレッサーとモーターのベアリングにオイルを押し込みます。低速では、ベアリングに到達するオイルの量が不十分で、最終的にベアリングが故障するのに対し、高速では、ベアリングとコンプレッサーから過剰な量のオイルが失われ、はね返りにより排出ラインに流れ込む可能性があります。最終的にオイルがなくなり、ベアリングが潤滑されていない状態になり、故障につながり、オイルが冷媒、空気、またはその他の作動ガスを汚染する可能性があります。^[30]

ガス コンプレッサーは、より高い圧力またはより少ない量のガスが必要なさまざまな用途で使用されます。

• 精製天然ガスを生産地から消費者までパイプラインで輸送する場合、パイプラインから抽出したガスを燃料とするモーターでコンプレッサーを駆動するため、外部電源は必要ありません。
• 海上貨物輸送およびガス運搬船による貨物輸送業務。
• 石油精製所、天然ガス処理プラント、石油化学および化学プラント、および同様の大規模な工業プラントでは、中間製品ガスと最終製品ガスを圧縮する必要があります。
• 冷凍・空調設備では、コンプレッサーを使用して冷媒サイクルで熱を移動します（蒸気圧縮冷凍を参照）。
• ガスタービンシステムは吸入した燃焼空気を圧縮します。
• 少量の精製ガスまたは製造ガスを医療、溶接、その他の用途の高圧シリンダーに充填するには、圧縮が必要です。
• さまざまな産業、製造、建築プロセスでは、空気圧工具を動かすために圧縮空気が必要です。
• PETプラスチックボトルおよび容器の製造およびブロー成形。
• 一部の航空機では、高度で客室の与圧を維持するためにコンプレッサーが必要です。
• ターボジェットやターボファンなどの一部のタイプのジェットエンジンは、燃料の燃焼に必要な空気を圧縮します。ジェットエンジンのタービンは燃焼空気圧縮機に動力を供給します。
• 水中ダイビング、​​自給式呼吸装置、高圧酸素療法、その他の生命維持装置では、コンプレッサーが加圧呼吸ガスを直接、またはダイビングシリンダーなどの高圧ガス貯蔵容器を介して供給します。^{[31] [32]}水面供給ダイビングでは、通常、エアコンプレッサーを使用して呼吸用の低圧空気（10～20バール）を供給します。
• 潜水艦は、浮力を調整するために浮力室から水を排除するために、コンプレッサーを使用して空気を貯蔵します。
• ターボチャージャーとスーパーチャージャーは、シリンダー内の空気の質量流量を増加させることで内燃機関の性能を向上させ、エンジンがより多くの燃料を燃焼してより多くのパワーを生み出すことができるコンプレッサーです。
• 鉄道車両や大型道路輸送車両は、圧縮空気を使用して鉄道車両や道路車両のブレーキ、およびその他のさまざまなシステム (ドア、ワイパー、エンジン、ギアボックス制御など)を作動させます。
• サービスステーションや自動車修理工場では、圧縮空気を使用して空気入りタイヤに空気を充填したり、空気入り工具に動力を与えたりします。
• 火ピストンとヒートポンプは空気や他のガスを加熱するために存在し、ガスを圧縮することはその目的のための手段にすぎません。
• ロータリーローブコンプレッサーは、粉体や固体の空気輸送ラインに空気を供給するためによく使用されます。到達圧力は0.5～2bar gの範囲です。^[33]

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  防音キャビネット内のダイビング用エアコンプレッサー