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、回転式の容積式機構を使用する、空気コンプレッサーなどのガスコンプレッサーの一種です。これらのコンプレッサーは産業用途で一般的であり、チラーなどの大型冷凍サイクルや、ジャックハンマーやインパクトレンチなどの空気駆動ツールを動作させる圧縮空気システムなど、大量の圧縮ガスが必要な場合に、従来のピストンコンプレッサーに代わるものです。ローターのサイズが小さいほど、ローターの固有の漏れがはるかに大きくなるため、このタイプのメカニズムは、ピストンコンプレッサーよりも小型のコンプレッサーには適していません。

スクリューコンプレッサーはスクリュー ポンプと同じですが、スクリューに沿って閉じ込められた材料のポケットが徐々に小さくなり、ポケット内に保持された材料が圧縮される点が異なります。したがって、スクリュー コンプレッサーのスクリューは長さに沿って非対称ですが、スクリュー ポンプは全長にわたって対称です。

ロータリー スクリューのガス圧縮プロセスは連続スイープ運動であるため、ピストン コンプレッサーで発生するような脈動や流れの急上昇はほとんどありません。これにより、スクリュー コンプレッサーは、大型でもピストン コンプレッサーよりも大幅に静かで振動が少なく、効率の面でも利点があります。

ロータリースクリュー コンプレッサーは、2 つの非常に密に噛み合った螺旋状のローターを使用してガスを圧縮します。乾式ロータリースクリュー コンプレッサーでは、タイミング ギアによって、オスとメスのローターが接触することなく正確な位置合わせが維持され、接触すると急速に摩耗します。オイル充填式ロータリースクリュー コンプレッサーでは、潤滑油がローター間のスペースを橋渡しし、油圧シールを提供し、ローター間で機械的エネルギーを伝達して、1 つのローターをもう 1 つのローターで完全に駆動できるようにします。

ガスは吸引側から入り、ネジが回転するにつれてネジ山を通り抜けます。かみ合ったローターがガスをコンプレッサーに押し込み、ガスはネジの端から排出されます。作業領域は、オスローターとメスローターの間のローブ間容積です。これは吸気端で大きく、排気ポートまでローターの長さに沿って小さくなります。この容積の変化が圧縮です。

吸入されたガスは、ローターの端にある雄ローブと雌ローブの間の大きな隙間から吸い込まれます。吸入端では雄ローブは雌ローブよりもはるかに小さいですが、両ローターの長さに沿って相対的な大きさが逆転し（雄ローブは大きくなり、雌ローブは小さくなります）、（排出ポートの接線方向）各ローブ間の隙間がはるかに小さくなります。この容積の減少により、出力マニホールドに送られる前にガスが圧縮されます。^[1]

この機構の有効性は、スパイラル ローター間およびローターと圧縮キャビティの密閉チャンバー間の隙間が正確に適合しているかどうかに依存します。ただし、ある程度の漏れは避けられないため、漏れ流量と有効流量の比率を最小限に抑えるには、高い回転速度を使用する必要があります。

ルーツブロワーとは対照的に、現代のスクリューコンプレッサーは2つのローターのプロファイルが異なっています。オスローターには凸状のローブがあり、メスローターの凹状のキャビティとかみ合っています。通常、オスローターのローブはメスローターよりも少ないため、回転速度が速くなります。元々、スクリューコンプレッサーは対称的なローターキャビティプロファイルで作られていましたが、現代のバージョンでは非対称のローターが使用されており、正確なローター設計は特許の対象となっています。^[2]

ロータリースクリューコンプレッサーの容量は、通常、馬力(HP)、標準立方フィート/分( SCFM )*、およびゲージ平方インチあたりの重量ポンド数(PSIG) で評価されます。5～30 HP の範囲のユニットの場合、これらのユニットの物理的サイズは、一般的な 2 段式コンプレッサーと同等です。馬力が増加するにつれて、ロータリースクリューコンプレッサーの方が規模の経済性が大幅に高まります。たとえば、250 HP の複合コンプレッサーは大型の装置であり、通常、装置を設置するには特別な基礎、建物の設備、および高度に訓練されたリガーが必要です。一方、250 HP のロータリースクリューコンプレッサーは、標準的なフォークリフトを使用して通常の作業場に設置できます。業界では、250 HP のロータリースクリューコンプレッサーは一般にコンパクトな装置と見なされています。

ロータリースクリュー コンプレッサーは、一般的に 5 ～ 500 HP の範囲で利用でき、2500 SCFM を超える空気の流れを生成できます。単段スクリュー コンプレッサーによって生成される圧力は 250 PSIG に制限されていますが、2 段スクリュー コンプレッサーは最大 600 PSIG の圧力を供給できます。

ロータリースクリュー コンプレッサーは、振動が少なくスムーズに動作する傾向があるため、特別な基礎や取り付けシステムは必要ありません。通常、ロータリースクリュー コンプレッサーは、高周波振動を吸収するように設計された標準のゴム製絶縁マウントを使用して取り付けられます。これは、高回転速度で動作するロータリースクリュー コンプレッサーに特に当てはまります。

* 程度は低いものの、一部のコンプレッサーは実際の立方フィート/分( ACFM ) で定格されています。また、立方フィート/分(CFM) で定格されているものもあります。CFM ^[3]を使用してコンプレッサーを評価するのは誤りです。これは、圧力基準とは無関係な流量を表すためです。つまり、60 PSI で20 CFMです。

スクリューコンプレッサーは1878年にドイツのハインリッヒ・クリガーによって初めて特許を取得しましたが、実際に動作する機械が製造されることなく特許が失効しました。^{[4] [5]}

現代のヘリカルローブスクリューコンプレッサーは、スウェーデンのLjungstroms Angturbin社の主任エンジニアであったAlf Lysholmによって開発されました。Lysholmは、ガスタービンのコンプレッサーサージを克服する方法を模索しているときにスクリューコンプレッサーを開発しました。Lysholmは最初にルーツ式ブロワーを検討しましたが、これでは十分な圧力比を生成できないことがわかりました。1935年、Ljungstromsはヘリカルローブスクリューコンプレッサーの特許を取得し、その後、他のメーカーに広くライセンス供与されました。Ljungstroms Angturbin ABは1951年にSvenska Rotor Maskiner (SRM)に改名されました。^{[4] [6]}

1952年、スコットランドのエンジニアリング会社ハウデン社が最初のホロイド切断機を使用してヘリカルローブコンプレッサーローターを製造し、コストと製造時間を大幅に削減しました。^{[4] [5]}

1954年、ハウデンとSRMは共同で初のオイル浸漬式スクリューコンプレッサーを開発しました。オイル浸漬により冷却が可能になり、圧力比を高めるとともにタイミングギアが不要になりました。初の市販オイル浸漬式スクリューエアコンプレッサーは1957年にアトラスコプコによって導入されました。^{[4] [5]}

スロットバルブは1950年代にSRMによって開発され、スクリューコンプレッサーの用途における制限要因となっていた容量制御の改善を可能にしました。^{[4] [5]}

非対称ローターはSRMによって最初に特許を取得し、その後1969年にSullairによって商業的に導入されました。非対称ローターの導入により密閉性が向上し、タイプの効率がさらに向上しました。^[4]

ロータリースクリュー コンプレッサーは、一般に、大規模な産業用途に圧縮空気を供給するために使用されます。食品包装工場や自動化製造システムなど、継続的に空気が必要とされる用途に最適ですが、断続的な需要が十分に多く、ある程度の貯蔵があれば、適切な連続負荷も得られます。固定ユニットに加えて、ロータリースクリュー コンプレッサーは、牽引トレーラーに搭載され、小型ディーゼル エンジンで駆動されるのが一般的です。これらのポータブル圧縮システムは、通常、建設用コンプレッサーと呼ばれます。建設用コンプレッサーは、ジャック ハンマー、リベット ツール、空気圧ポンプ、サンド ブラスト作業、および産業用塗装システムに圧縮空気を供給するために使用されます。世界中の建設現場や道路補修作業員の勤務中によく見かけられます。

スクリュー空気圧縮機は、鉱業生産や探査掘削用途、および空気圧テストやエアピギングなどの石油・ガスパイプラインサービスで使用されるロータリー、DTH、RC 掘削リグでもよく使用されます。

オイルフリー コンプレッサーでは、オイル シールの助けを借りずに、スクリューの作用のみで空気が圧縮されます。その結果、通常、最大吐出圧力能力は低くなります。ただし、複数のスクリュー セットで空気を圧縮する多段式オイルフリー コンプレッサーでは、150 psi (10 atm) を超える圧力と、毎分 2,000 立方フィート (57 m ³ /分) を超える吐出量を達成できます。

オイルフリー コンプレッサは、医療研究や半導体製造など、混入したオイルの持ち越しが許容されない用途で使用されます。ただし、使用前に周囲の空気から取り込まれた炭化水素やその他の汚染物質も除去する必要があるため、ろ過の必要性がなくなるわけではありません。したがって、高品質の圧縮空気を確保するには、オイル充填スクリュー コンプレッサで使用されるものと同じ空気処理が頻繁に必要になります。

小型ピストン コンプレッサーでは、大工や住宅所有者が「オイルフリー」コンプレッサーを使用することがあります。ここでのオイルフリーとは、オイルを使用せず、摩耗面に永久的に付着するテフロン タイプのコーティングを使用することを意味します。

オイル注入式ロータリースクリューコンプレッサーでは、圧縮キャビティにオイルが注入され、密閉を助け、ガスチャージを冷却します。オイルは排出ストリームから分離され、冷却、濾過されてリサイクルされます。オイルは流入する空気から非極性粒子を捕捉し、圧縮空気粒子濾過の粒子負荷を効果的に低減します。コンプレッサーオイルの一部がコンプレッサーの下流の圧縮ガスストリームに持ち込まれるのは普通です。多くの用途では、これはコアレッサー/フィルター容器によって修正されます。^[7]内部に冷たいコアレッサーフィルターを備えた冷凍圧縮空気乾燥機は、空気乾燥機の下流にあるコアレッサーフィルターよりも多くのオイルと水を除去できると評価されています。これは、空気が冷却され水分が除去された後、冷たい空気が流入する熱い空気を予冷するために使用され、それが流出する空気を温めるからです。他の用途では、レシーバータンクを使用して圧縮空気の局所的な速度を低下させ、油を凝縮させて空気流から除去し、凝縮水管理装置によって圧縮空気システムから除去することで、この問題を解決します。

オイル充填式スクリューコンプレッサーは、空気圧縮、ガス冷凍、炭化水素処理、低品位熱源からの電力利用など、さまざまな用途に使用されています。 ^[8]サイズは、小型の作業場用エアコンプレッサーから、出力圧力が最大60 bar（870 psi）の8,400 kW（11,300 hp）の重工業用コンプレッサーまであります。^[9]新しいオイル充填式スクリューエアコンプレッサーは、5 mg/m3未満のオイルキャリーオーバーを放出します。^[10]

PAGオイルはポリアルキレングリコールで、ポリグリコールとも呼ばれます。PAGオイルは残留物を残さずにきれいに燃え尽きるため、高温チェーン潤滑用の固体潤滑剤のキャリアオイルとして使用されてきました。 ^[11]いくつかのバージョンは食品グレードで生分解性です。PAG潤滑剤は、米国の2大エアコンプレッサーOEMによってロータリースクリューエアコンプレッサーに使用されています。^[12] PAGオイルを注入したコンプレッサーは、PAGオイルが塗料を溶かすため、スプレー塗装には使用されません。反応硬化型2成分エポキシ樹脂塗料はPAGオイルに耐性があります。

ポリグリコールは鉱油ベースのグリースと互換性がありません。ポリグリコールと鉱油を混ぜると、ゼラチン状のねばねばした混合物になります。^[13]シリコングリースはポリグリコールに耐えます。ある空気圧制御メーカーは、シールとガスケットにシリコングリースを使用しています。^{[14] [15]}

鉱物油（ポリアルキレングリコール油ではない）潤滑コンプレッサーは、鉱物油グリースでコーティングされたシール（鉱物油潤滑装置なしで作動する空気圧式高速4方弁や空気シリンダーなど）に推奨されます。あるメーカーは、ポリグリコール油にさらされない場合、空気圧式高速4方弁の寿命を5000万サイクルと評価しています。^{[16] [17]}

ポリアルファオレフィンPAOオイルは鉱物油グリースと互換性があります。^[18]

比較的最近開発された円錐形スクリューコンプレッサは、実質的にはジェロータの円錐形螺旋延長である。このコンプレッサには、適切に設計されたスクリューコンプレッサではアセンブリを通じた重大な漏れの原因となる固有の「ブローホール」漏れ経路がない。これにより、より小さなローターでも実用的な効率が得られる。これは、より小さなサイズでは漏れ領域がストレートスクリューコンプレッサほどポンプ領域に占める割合が大きくならないためである。円錐形ローターの直径が小さくなるため、出力脈動が低く、単一ステージでより高い圧縮比も可能になる。^[19]

ロータリースクリューコンプレッサーには複数の制御方式があり、それぞれに長所と短所が異なります。

スタート/ストップ制御方式では、コンプレッサ制御はリレーを作動させて、圧縮空気の必要に応じてモーターに電力を供給したり遮断したりします。負荷が断続的であったり、コンプレッサと適合していない場合は、ほとんどの使用例でかなりのストレージが必要となり、必要なストレージはコンプレッサ自体よりも大きくなることがよくあります。

ロード/アンロード制御方式では、コンプレッサは継続的に電力供給されています。ただし、圧縮空気の需要が満たされるか減少すると、コンプレッサへの電力供給を切断する代わりに、スライド バルブと呼ばれるデバイスが作動します。このデバイスはローターの一部を露出させ、機械の容量をコンプレッサの能力の通常 25% まで比例的に減らし、コンプレッサをアンロードします。これにより、電動コンプレッサのスタート/ストップ制御方式に比べて電動モーターのスタート/ストップ サイクル数が減り、運用コストの変化を最小限に抑えながら機器の耐用年数が向上します。ロード/アンロード制御方式をタイマーと組み合わせ、一定時間連続してアンロードされた状態で動作した後にコンプレッサを停止する場合、デュアル制御方式または自動デュアル方式と呼ばれます。この制御方式では、消費量に合わせて 2 つの生産速度しか利用できないため、ストレージが必要ですが、スタート/ストップ方式より大幅に少なくなります。

前述のスライド バルブは、コンプレッサーの起動と停止を行う代わりに、段階的に制御するのではなく、需要に応じて容量を継続的に調整します。これにより、幅広い需要にわたって一貫した吐出圧力が得られますが、全体的な電力消費はロード/アンロード方式よりも高くなる可能性があり、コンプレッサーがゼロ負荷状態のときに全負荷電力消費の約 70% になります。

圧縮空気出力容量に対するコンプレッサの消費電力の調整が限られているため、可変速ドライブと比較すると、変調は一般に効率の悪い制御方法です。ただし、コンプレッサの動作を頻繁に停止して再開することが困難な用途 (コンプレッサが内燃エンジンで駆動され、圧縮空気レシーバーなしで動作する場合など) では、変調が適しています。また、連続可変生産速度により、負荷がコンプレッサ容量を超えない場合、大きなストレージも不要になります。

クインシーコンプレッサー、コベルコ、ガードナーデンバー、カイシャンUSA、サルエアーなどのコンプレッサーメーカーが採用している可変容量方式は、スクリューの一部を空気がバイパスするようにすることで、空気を圧縮するスクリューコンプレッサーローターの稼働率を変更します。これにより、変調制御方式と比較して電力消費が削減されますが、ロード/アンロードシステムは、大容量のストレージ（10ガロン/ CFM）でより効果的です。大容量のストレージが現実的でない場合は、可変容量システムが非常に効果的であり、特に全負荷の70％を超える場合に効果的です。^[20]

可変容量を実現する方法の 1 つは、コンプレッサーの吸入側に複数のリフティング バルブを配置し、各リフティング バルブを排出側の対応する位置に配管することです。自動車のスーパーチャージャーでは、これはバイパス バルブの動作に似ています。

可変速ドライブで駆動する空気圧縮機は、適切に保守されたロード/アンロード圧縮機に比べて、耐用年数を大幅に短縮することなく、最低の運転エネルギーコストを実現できますが、可変速ドライブの可変周波数電力インバータは、通常、そのような圧縮機の設計にかなりのコストを追加し、空気需要が一定である場合、適切なサイズのロード/アンロード圧縮機に比べて経済的メリットを減らします。ただし、可変速ドライブは、圧縮機の電力消費と自由空気供給の間にほぼ線形の関係を提供し、非常に広い範囲の空気需要に対して最も効率的な動作を可能にします。ローター漏れにより、生産速度が低いと効率が急激に低下するため、需要が非常に低い場合は、圧縮機を始動/停止モードにする必要があります。過酷な環境（高温、多湿、ほこりっぽい）では、予想される耐用年数を維持するために、可変速ドライブの電子機器を保護する必要がある場合があります。^[21]

ツインスクリュー式スーパーチャージャーは、ウォームギアに似た一対の精密に噛み合うスクリューを通して空気を押し出す容積型の装置である。ツインスクリュー式スーパーチャージャーは、発明者のアルフ・リショルムにちなんでリショルム・スーパーチャージャー（またはコンプレッサー）とも呼ばれる。^[22] 各ローターは放射状に対称だが、左右非対称である。比較すると、従来の「ルーツ」型ブロワーは、同一のローター（直線ローター）または鏡像ローター（らせん状ローター）のいずれかである。ホイップル社製のオスローターには3つのローブがあり、メスローターには5つのローブがある。ケネ・ベル社製のオスローターには4つのローブがあり、メスローターには6つのローブがある。初期の設計では、メスローターには4つのローブがあった。比較すると、ルーツブロワーでは、両方のローターに常に同じ数のローブがあり、通常は2、3、または4である。

ロータリースクリューコンプレッサーは、ルーツ型に比べて漏れレベルと寄生損失が低い。スーパーチャージャーは通常、ベルトまたはギアドライブを介してエンジンのクランクシャフトから直接駆動される。ルーツ型スーパーチャージャーとは異なり、ツインスクリューは内部圧縮を示し、これは、圧力上昇を確立するために排出口の下流の流れの抵抗に頼るのではなく、デバイスを通過するときにハウジング内の空気を圧縮するデバイスの能力である。^[23]

高精度のコンピュータ制御製造技術が求められるため、スクリュー式スーパーチャージャーは、他の形式の強制誘導装置に比べて高価な代替品となります。その後の技術により、製造コストは下がり、性能は向上しました。

すべてのスーパーチャージャー タイプは、ポンピングと圧縮中に発生する熱を削減するためにインタークーラーを使用することでメリットを得られます。

ツインスクリューの有効性は、フォード、マツダ、メルセデス、マーキュリーマリンなどの企業でツインスクリューが採用している技術の明確な例からも明らかです。一部の遠心式スーパーチャージャーは一貫性と信頼性に優れていますが、通常はエンジン回転数がピークに近づくまでフルブーストを生成しません。一方、ルーツ型スーパーチャージャーやツインスクリュー型などの容積式スーパーチャージャーは、より迅速なブーストを提供します。さらに、ツインスクリュースーパーチャージャーは、他の容積式スーパーチャージャーよりも、より高い回転数まで適切なブーストを維持できます。

「ブロワー」という用語は、2 ストローク ディーゼル エンジンなど、機能上追加の空気流を必要とするエンジンに取り付けられた装置を指すのによく使用されます。2 ストローク ディーゼル エンジンでは、圧縮行程の前に、使用済みの排気ガスをシリンダーから除去して新鮮な吸入ガスをシリンダーに強制的に送り込むために、正の吸入圧が必要になります。「ブロワー」という用語は、自動車の強制吸気システムの一部として使用される回転スクリュー、ルーツ型、遠心型コンプレッサーに適用されます。「キャビン ブロワー」という用語は、特に 1950 年代にルーツ型コンプレッサーが使用されていた高高度飛行用の航空機の加圧にも使用されます (マーシャル スーパーチャージャーを参照)。

• ガスコンプレッサー
• ガイドローターコンプレッサー
• 往復動型コンプレッサー
• 蒸気圧縮冷凍
• 可変速エアコンプレッサー

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