空気圧縮機の発生ガス量と出力・圧力の計算式

空気圧縮機の主要な性能パラメータの解説

工業生産において、空気圧縮機は空気動力の供給を担う核心設備です。システムの高効率な稼働を確保するためには、正確な理解が不可欠です。ガス発生量、パワーとストレスこれら三大核心パラメータとその相互関係を把握し、関連する計算式を習得することで、企業は設備の選定や省エネルギー改修において科学的な意思決定を行うことが可能となります。

基本的な物理概念

• 発生ガス量（排気量）：通常、空気圧縮機が単位時間当たりに排出する気体の体積を指し、標準吸気状態（一般に絶対圧1気圧）に換算した値である。 20℃）の体積で、単位は多くが m³/min。
• 仕事のストレス：空気圧縮機から排出されるガスの圧力で、通常はゲージ圧を指し、単位は MPa または bar。
• 軸動力：空気圧縮機の運転に必要な実際の機械出力で、単位は kW。

空気圧縮機の出力とガス生産量の理論計算

空気圧縮機の理論的な軸出力は、熱力学の式を用いて導出することができる。等温圧縮と断熱圧縮では、計算式が異なる。産業界で一般的に用いられるのは、多変数圧縮過程である。

理論出力の計算式：

P = (n / (n – 1)) × P1 × Q1 × [(P2 / P1)^((n – 1) / n) − 1] / 60

• P：理論出力（kW）
• n：変動指数（通常は1.2から1.3の間で設定される）
• P1：吸気絶対圧（MPa）
• P2：排気絶対圧（MPa）
• Q1：吸気体積流量（m³/min）

工学応用における経験的推定式

実際の工事における機種選定では、機械損失やモータ効率などの要因により、理論計算はかなり複雑になります。そのため、一般的には経験式を用いて、モータ出力とガス発生量との関係を迅速に推定します。

モーターの出力推定：

モーター出力 (kW）≈ 発生ガス量（m³/min）× 圧力（bar）×係数K

そのうち、係数Kは通常5.5から6.5の範囲にあり、空気圧縮機の種類、エネルギー効率等級、および冷却方式によって異なります。例えば、吐出量が…の一台では 3 m³/min、圧力は 8 bar 通常の空気圧縮機では、そのモーター出力はおおよそ… 18 kW 到る 22 kW の間。

圧力変化がガス生成量に与える影響

空気圧縮機の回転数および容積効率が一定である場合、排気圧力の変化は実際の吐出量に直接影響を及ぼす。気体状態方程式および容積効率の変化に基づくと、次のような近似的な換算関係が成り立つ。

圧力と発生ガス量の換算：

Q2＝Q1×（P1_abs／P2_abs）

• Q1：元の圧力下での発生ガス量
• Q2：新たな圧力下でのガス生産量
• P1_絶対値：元の排気絶対圧力
• P2_abs：新排気絶対圧

注意すべき点は、排気圧を上げると換算発生ガス量が低下するだけでなく、軸動力も増加するということである。したがって、無闇にシステム圧力を高めると、エネルギー消費が著しく増加することになる。

実際のガス生産量に影響を及ぼすその他の要因

圧力と出力に加えて、実際の運転におけるガス発生量は、以下の要因によっても制約を受ける。

• 環境温度と湿度：吸気温度が高くなるほど、湿度が大きくなるほど、空気密度は低下し、実際の質量流量は減少する。
• 機械的摩耗と漏れ：機器の老朽化により、内部隙間が拡大し、内部漏れが増加するため、容積効率が低下します。
• 伝達効率ベルト伝動または歯車伝動による機械的損失により、主機に伝達される有効出力が減少する。

科学的な機種選定と省エネルギーに関する提案

空気圧縮機の諸元を算定・評価する際には、余裕を設けることを推奨します。 10% 到る 15% ガス生産量には、配管網の漏洩や将来的な生産能力の拡張に備えた余裕を確保する必要があります。同時に、高効率グレードの設備を優先的に選定し、冷却システムの定期的な保守およびフィルターの交換を実施することで、出力とガス生産量の最適なマッチング状態を維持し、システム全体の省エネルギー化を図ります。