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ロータリースクリューエアコンプレッサーの動作原理

ロータリースクリューエアコンプレッサーとは?

ロータリースクリューエアコンプレッサーは、様々な産業用途に理想的な一貫した流量を生成するように設計されています。主な用途は、小規模機械工場、食品・飲料製造、自動車製造、製薬など。

ロータリースクリューエアコンプレッサーは、耐久性、効率性、省エネの点で、産業用および商業用に最適です。直接駆動またはベルト駆動、固定または可変速度、低馬力または高馬力、CFMのエアコンプレッサを必要とする場合でも、Gardner Denverは包括的なセレクションからモデルを選択できます。

製品ページでは、ロータリースクリューエアコンプレッサーの全製品をご覧いただけます。

ロータリースクリューエアコンプレッサーの仕組み

給油式ロータリースクリューエアコンプレッサーは、連続的な回転運動によって動力を効率的に圧縮空気に変換する多用途の産業機械である。一般的にツインスクリューコンプレッサー(図1)として知られるこのタイプのコンプレッサーは、シャフトに取り付けられたヘリカルローブのセットを特徴とする2つのローターで構成されている。

一方のローターをオスローター、もう一方のローターをメスローターと呼ぶ。オスローターのローブ数とメスローターのフルート数は、コンプレッサーメーカーによって異なる。

しかし、メス型ローターは、効率向上のため、オス型ローターのローブよりも常に数値的に多くの谷(フルート)を持つ。オス型ローブは、メス型フルートを転がり落ちる連続したピストンのように機能し、シリンダーのように空気を閉じ込めて空間を連続的に減少させる。

Screw compressor working principle Gardner Denver
図1:ツインスクリューコンプレッサー

回転に伴い、雄葉の先行片が雌溝の輪郭に到達し、先に形成されたポケットに空気を閉じ込める。空気はメスローターの溝を移動し、体積が減少するにつれて圧縮される。雄ローターのローブが溝の端に達すると、閉じ込められた空気がエアエンドから排出される。図2

Screw compressor rotor Gardner Denver
図2

このタイプのツインスクリューコンプレッサーには、オイルフリーとオイルインジェクションがある。オイル潤滑式コンプレッサーの場合、オイルが注入される。

オイルは4つの重要な働きをする:

  • 冷却
  • 潤滑
  • シーリング
  • ノイズ散逸

油の冷却と分離

コンプレッサーの目的は、シャフトワークを有用な出力、つまり空気の流れに変換することである。空気を圧縮すると熱が発生するため、熱はすべて圧縮室内に保持される。圧縮の過程で熱が加わったり奪われたりする場合、これは等温圧縮と呼ばれる。

オイルインジェクションスクリューコンプレッサーは、圧縮プロセスで発生する熱がオイルによってほぼ放散されるため、ほぼ等温の圧縮プロセスを持つ。

圧縮室に注入されるオイルの温度は、一般的に60~700℃の間で制御される。排出温度は、オイルに混入する水分の凝縮を避けるため、圧力下露点より上に保たれなければならない。

サーモスタット弁は、広い周囲温度範囲にわたって所望の温度を維持するために、オイルクーラーまたはバイパスに循環されるオイルの量を制御します。

圧縮空気とオイルの混合物はエアエンドを出てセパレーターに渡され、そこで方向と速度の変化を利用して圧縮空気からオイルの大部分が除去される。その後、合体フィルターを使用して残りの油を除去するため、油のキャリーオーバーは非常に少なくなる(通常2~5ppm)。

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図3:油の冷却と分離

クーラー後の空気

オイルの冷却に加えて、排出される空気を冷却し、余分な水分を除去するためにエア・アフタークーラーが使用される。

ほとんどの用途では、ラジエーター式クーラー(図4)が圧縮工程からの熱回収を行い、設備暖房に利用するために使用される。ほとんどのロータリースクリューコンプレッサーでは、水冷式熱交換器も利用できる。

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図4:エアクーラー

コンプレッサー効率

すべてのエアコンプレッサーの効率は100%以下である。圧縮の効率を測る最良の方法は、等エントロピー効率を見ることである。圧縮の等エントロピー効率は、実際の仕事に対する理想的な等エントロピー仕事の比率である:

nc = 等方圧縮機の仕事(ws)

実際のコンプレッサー作業(ワ)

空気の圧力を上げると温度が上昇し、流体のエントロピーも上昇する。エントロピーはエネルギー損失の尺度である。実際のコンプレッサーは、理論上のコンプレッサーよりも、同じ出口圧力まで空気圧を上げるのに多くの仕事を必要とする。

しかし、圧縮効率がすべてではない。コンプレッサーは、エアエンドの効率と圧縮室に依存するが、その総エネルギー消費量は、パッケージに含まれるコンポーネントのいくつかの損失と効率にも依存する。(図5参照)

現実には、あるコンプレッサーの効率と別のコンプレッサーの効率を比較する一つの尺度が必要である。

Compressor total power consumption Gardner Denver
図5.コンプレッサーの総消費電力

したがって、所定の空気量(立方メートル)を所定の時間(分)で所定の圧力(barg)まで圧縮するのに必要な仕事に等しい比エネルギーが用いられる。単位はkW。

比エネルギー=エネルギー/単位体積

= kW/m³/分

比エネルギーとコンプレッサー・パッケージの効率は、システム全体の圧力損失と同様に、すべてのコンポーネントの効率に依存します。圧力損失は、吸気バルブとサクションボックス、エアフィルター、配管、オイルセパレーターで測定できる。

ロータリースクリューエアコンプレッサーの利点は何ですか?

  • 効率: 圧縮空気を連続的に安定供給するため、安定した空気流を必要とする用途には不可欠です。その設計は圧力の変動を最小限に抑え、効率の向上とエネルギー消費の削減につながる。
  • 連続運転:ロータリースクリューコンプレッサーは、頻繁な始動と停止を必要とせずに連続運転が可能で、コンプレッサーの寿命を延ばし、システム全体の信頼性を向上させます。
  • 適応性: ロータリースクリューコンプレッサは、安全性により他のエネルギー源が制限されるような場所でも、高い条件でも低い条件でも運転できます。
  • メンテナンスが簡単:可動部品と接触部品が最小限に抑えられているため、コンプレッサのメンテナンスが簡単で、摩耗を減らし、サービス間隔を延ばし、定期点検と修理を簡素化できます。
  • 低騒音レベル:これらのコンプレッサは、一般にレシプロコンプレッサよりも静かであるため、屋内作業場など騒音が懸念される環境に適しています。

ガードナーデンバーロータリースクリューエアコンプレッサーの種類

二段式コンプレッサー

二段潤滑式ロータリーは、二段階で空気を圧縮する。第1段階は、大気圧の空気を導入し、吐出圧力の目標値まで圧縮する。ステップまたはステージ2は、ステージ間圧力で空気を取り込み、吐出圧力目標まで圧縮する。2段圧縮は効率を向上させるが、ローター、鉄、その他の部品が追加されるため、コストと複雑さが増す。2段式は一般的に、より高いHPレンジ(100~500HP)で提供されている。

単段コンプレッサー

1段式と2段式では、より効率的だがコストの高い2段式ユニットの投資回収額を決定するのは、比較的簡単な計算だ。

コンプレッサーの運転にかかるエネルギーコストは、長期的に見れば最大の出費であることを忘れてはならない。

潤滑

潤滑式ロータリースクリューコンプレッサーは、20~500 HP、80~175 PSIGの産業用プラントエアアプリケーションの大半で、最も普及している技術です。これらのコンプレッサーは、比類のない多用途性と、さまざまな運用上の要求への適応性を提供します。その効率的な設計は、シームレスな生産工程を維持するために重要な圧縮空気の連続的で信頼性の高い供給を保証します。

ガードナーデンバーロータリースクリューエアコンプレッサーは、様々な理由で性能の優れた選択肢として際立っています。当社のコンプレッサーは、正確な性能と品質を保証するために厳しくテストされ、性能の数値が正確でわかりやすいことを保証します。お客様のニーズに合わせた理想的なコンプレッサーシリーズの選定については、当社の専門家にご相談ください!お問い合わせ