空気圧の基礎：容積式圧縮とダイナミック圧縮

下の2つのグラフでは、理論上のコンプレッサの圧力-容量の関係と、ピストンコンプレッサの実際の図を（それぞれ）示しています。

ストローク容量は、吸引段階でピストンが移動するシリンダの容量です。クリアランス容積は、入口および出口バルブの下、およびピストンの上にある容量です。機械的な理由から、ピストン上部ターニングポイントに留まる必要があります。

ストローク容量と吸引容量の違いは、吸引開始前のクリアランス容量内に残っている空気の膨張によるものです。コンプレッサ（ピストンコンプレッサなど）の実用的な設計により、理論上のP/V図と実際の図との間に差が生じます。

バルブは、完全に密閉されることはなく、ピストンスカートとシリンダウォールの間に常にある程度の漏れがあります。さらに、バルブは、最小限の遅延なしに完全に開閉することはできません。これにより、ガスがチャネルを通過するときに圧損が発生します。この設計の結果、ガスはシリンダに流入すると加熱されます。

ダイナミックコンプレッサでは、ガスが流れている間に圧力が上昇します。インペラ上の回転ブレードにより、フローガスが高速に加速します。ガスの速度は、ディフューザ内で膨張したときに強制的に減速されることで、ガスの速度は静圧に変換されます。

使用するガスフローの主な方向に応じて、これらのコンプレッサは遠心式コンプレッサまたは軸流コンプレッサと呼ばれます。容積式コンプレッサと比較すると、ダイナミックコンプレッサは、運転圧力のわずかな変化で流量が大きく変化するのが特徴です。

各インペラ回転数には、流量の上限と下限があります。上限は、ガスフロー速度が音速に達することを意味します。下限値は、逆圧がコンプレッサの圧力上昇よりも大きくなることを意味し、これはコンプレッサ内の逆流を意味します。これにより、脈動、騒音、機械的損傷のリスクが生じます。

理論的には、空気またはガスは、等エントロピ（一定のエントロピで）または等温（一定の温度で）で圧縮されることがあります。どちらのプロセスも理論的に可逆的なサイクルの一部である可能性があります。圧縮後に最終温度で圧縮ガスをすぐに使用できる場合、等エントロピ圧縮プロセスにはいくつかの利点があります。

実際には、圧縮直後に空気やガスが使用されることはほとんどなく、通常は使用前に周囲温度まで冷却されます。そのため、作業量が少なくて済むため、等温圧縮プロセスが推奨されます。この等温圧縮プロセスを実行するための一般的で実践的なアプローチは、圧縮時にガスを冷却することです。7 barの有効運転圧力では、等エントロピ圧縮は理論的に等温圧縮比で37%高いエネルギーを必要とします。

気体の発熱を抑える実用的な方法は、圧縮を複数の段に分割することです。各段で気体を冷却した後に、最終圧力まで圧縮します。エネルギー効率も向上し、各圧縮段の圧力比が同じであれば最善の結果が得られます。圧縮段の数を増やすことにより、過程全体が等温圧縮に近づきます。ただし、実際の設備の設計で用いる段数には、経済的な制限があります。

回転速度が一定であれば、ターボコンプレッサの圧力/フロー曲線は、容積形コンプレッサの相当する曲線とは大きく異なります。ターボコンプレッサは、流量と圧力が変動する特性を持つ機械です。それに対して、容積形コンプレッサは、流量が一定で、圧力が変動します。また、低速であっても高い圧力比を発生します。ターボコンプレッサは、大きな空気流量に対応するように設計されています。

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