1. エアコンプレッサーの概念
エアコンプレッサーは、空気供給システムの主要コンポーネントです。これは、原動機 (通常は電気モーター) からの機械エネルギーをガス圧力エネルギーに変換し、圧縮空気の空気圧発生器として機能する装置です。
動力機械の一種であるコンプレッサーは、ガスの体積を減らして圧力を高め、機械動力としてまたは他の目的に使用できる一定量の運動エネルギーを生成します。
圧縮空気システムの概略図を以下に示します。
二、エアコンプレッサーの分類
1. 定義による分類:
1) 容積式エアコンプレッサー: ガスの体積を減らし、ガスの圧力を高めます。
機械エネルギーを位置エネルギーに変換します。
レシプロコンプレッサー: 作動容積は周期的に変化しますが、空間的位置は変化しません。
ロータリーコンプレッサー：作動容積が周期的に変化し、空間位置が変化します。
2)ダイナミックコンプレッサー
気体分子の運動速度を上げ、気体分子の運動エネルギーを気体の圧力エネルギーに変換し、圧縮気体の圧力を高めます。
運動エネルギー → 位置エネルギー
遠心圧縮機 : 高速圧縮機の一種です。この装置には、ガスを加速する 1 つまたは複数の回転インペラ (ブレードは通常側面にあります) があります。主な流れは放射状です。
2. 吐出圧力による分類
1)ブロワー：0.01～0.1MPa
2)低圧：0.2～1.0MPa
3)中圧：1～10MPa
4)高圧：10～100MPa
5)超高圧：＞100MPa
3. 変位による分類
ミニチュア: < 1 m3/分
小：1～10m3/min
中：10～100m3/min
大: > 100 m3/分
4. 冷却方式による分類
1)空冷式：冷却媒体として空気を使用し、独自の冷却ファンで空気の循環を完結させます。
2)水冷式：水を冷却媒体として使用し、専用の冷却塔または特殊な冷却水循環システムを備えています。
5. 潤滑方法による分類
1) オイル潤滑
ａ．オイルインジェクションコンプレッサー
b.マイクロオイルコンプレッサー
2)オイルフリー潤滑
ａ．水潤滑
b.ドライスクリュー
c.オイルフリーピストン
d.遠心分離
3. エアコンプレッサーの動作原理
1. ピストンエアコンプレッサー
ピストンがシリンダーの上死点から下死点に移動すると、シリンダー内の体積が増加し、圧力が低下します。
シリンダー内の圧力が外部の大気圧を下回ると、外気が圧力差によりバネ張力に抗して吸気バルブを押し開きシリンダー内に入ります（排気バルブは閉じたままです）。
ピストンが下死点に達するとシリンダー内は空気で満たされ、その圧力は外気圧と等しくなります。圧力バランスによりバルブスプリングが吸気バルブを閉じ、吸気行程が完了します。
ピストンが下死点から上死点まで上昇すると、吸気バルブと排気バルブが両方とも閉じられ、シリンダー内の空気が圧縮されます。
ピストンの上昇に伴ってシリンダー容積は減少し続け、圧縮空気の圧力は徐々に上昇します。これが圧縮行程です。
圧縮ガスの圧力がバルブスプリングの張力と吐出管内の圧力の合成力を超えると排気弁が開き、ピストンが上死点に達するまで吐出管から圧縮空気が吐出されます。
このとき、シリンダ内の圧縮空気の大部分が排出され、圧力が急激に低下し、バネ張力により排気弁が閉じる。これが吐出行程である。
その後、ピストンが再び下方に移動し、新鮮な空気を吸い込み、次のサイクルが開始されます。
ピストンエアコンプレッサーは、吸入、圧縮、吐出を繰り返すサイクルで動作します。
注: 現在、低圧市場のピストン エアコンプレッサはスクリュー エアコンプレッサに徐々に置き換えられているため、基本的な理解だけが必要です。
スクリューエアコンプレッサーは 2 つのタイプに分類されます。
二軸スクリューエアコンプレッサーと一軸スクリューエアコンプレッサー。
1) 二軸スクリューエアコンプレッサーの動作原理と紹介
二軸スクリューエアコンプレッサーは、シリンダー内で回転する一対の平行で噛み合うオスとメスのローター (またはネジ) で構成されています。
これにより、ロータ溝間の空間に周期的な体積変化が生じ、吸入側から吐出側まで軸方向に空気が連続的に搬送されます。
これにより、スクリュー空気圧縮機の吸入、圧縮、吐出の工程が完了する。
空気の入口と出口は、コンプレッサーの反対側の端にあります。
メスローターの溝とオスローターの歯はメインモーターによって回転駆動されます。
2) シングルスクリューエアコンプレッサーの動作原理と紹介
シングルスクリューエアコンプレッサーは、スクリューローターが 1 つだけあるのが特徴です。
ただし、実際には、1 つのスクリュー ローターと、スクリュー ローターに垂直な 2 つのスター ホイール (遊星歯車) の 3 つの回転軸があります。スクリュー エアコンプレッサー ファミリの一員として、シングル スクリュー エアコンプレッサーは、二軸スクリュー エアコンプレッサーと同様の利点を提供します。しかし、解決が困難ないくつかの困難な技術的問題のため、業界では広く採用されていません。
ａ．多くの可動部分:
シングルスクリューエアコンプレッサーには 3 つの回転軸があります。
また、スクリューローターとスターホイール（遊星歯車）の剛性が大きく異なるため、運転中に不均一な変形が発生します。このため正確な噛み合いが難しく、体積効率が低くなります。市販のシングルスクリュー圧縮機では、スターホイールに耐摩耗性の悪い非金属材料が使用されています。高速運転時には摩耗が激しく内部漏れが増加し、使用期間が経過すると流量が大幅に低下します。 3,000 ～ 4,000 時間の運転時間で、流量は平均 5 ～ 10% 減少します。そのため、シングルスクリュー空気圧縮機は産業用途では経済効率が非常に悪いです。さらに、不均一な変形と低い噛み合い精度により、ユニット全体の機械的安定性が低下し、高い故障率と高いメンテナンス率につながり、その適用範囲がさらに制限されます。
b.スターホイール（遊星歯車）の材質にはさらなる改良が必要です。
シングルスクリュー圧縮機の核心部品の一つであるスターホイールは、主にシールとして機能します。鋼製スターホイールを使用する場合、鋼の熱膨張係数と膨張量が大きいため、スターホイールとスクリューの間に比較的大きなクリアランスが必要になります。その結果、漏れが多く効率が低下するだけでなく、焼き付きや重大な故障を引き起こしやすくなります。複合材料を採用すれば、上記の問題は回避できます。しかし、現在の複合材料は強度が低く、耐摩耗性が劣ります。運転中のせん断力や機械的摩擦により摩耗します。修理が頻繁に行われると、メンテナンス要員の負担とメンテナンスコストも増加します。高強度、低膨張、高耐摩耗性の材料を見つけることは、メーカーにとってもう一つの大きな問題となっています。しかし、材料科学の現在の進歩を考慮すると、短期的に根本的な解決策が見つかる可能性は低いです。
c.スクリュープロファイルにはさらなる最適化が必要です。上記の 2 つの問題と、当面の有効な解決策の欠如により、シングルスクリュー空気圧縮機の普及促進は限られています。そのため、研究機関や大手空気圧縮機メーカーはシングルスクリュープロファイルの研究にあまり投資しておらず、大きな進歩はありません。最適なスクリュープロファイルを見つけることは、大規模な普及促進の前のもう 1 つの重要な課題です。しかし、市場の見通しが悪いため、主要なメーカーの投資が十分ではないため、短期的に根本的な改善を図るのは難しい。
要約すると、現在の技術開発の観点から見ると、二軸スクリュー空気圧縮機は技術的に進歩しているだけでなく、実用化においても完全に成熟しています。
3. 遠心圧縮機
遠心圧縮機では、ブレードを備えたインペラが圧縮機シャフト上で回転します。
インペラに入ったガスはブレードによって回転駆動され、運動エネルギー (速度) と静圧水頭 (圧力) が増加します。その後、ガスはインペラを出てディフューザーに入り、そこでガスの速度が圧力に変換され、圧力がさらに上昇します。圧縮ガスはベンドおよび戻りチャネルを通過して次段のインペラに入り、必要な圧力に達するまでさらに圧縮されます。
4. ボルテックス式エアコンプレッサー
ボルテックス式空気圧縮機は、旋回スクロールと固定スクロールという二機能式の２つのスクロールが噛み合って構成されています。吸入・圧縮・吐出の過程において、固定スクロールはフレームに取り付けられ、旋回スクロールは偏心軸で駆動され、自転防止機構によって拘束されます。固定スクロールの基礎円を中心として小半径の公転運動を行います。ガスは固定スクロール外周のエアフィルタを通して吸引されます。偏心軸の回転に伴い、旋回スクロールと固定スクロールの噛み合いによって形成される複数の三日月状の圧縮室でガスは徐々に圧縮され、固定スクロールの中心部の軸穴から連続的に吐出されます。
5. ベーンエアコンプレッサー
圧縮室内にはロータが偏心して設置されており、ロータには4～6枚のベーンがあり、ロータ中心に向かって軸方向にスライドすることができます。ベーンの底部にはスプリングが取り付けられており、ベーンは常に圧縮室に接触しています。