空気圧縮機の排気圧が高くなるほど、排気量は小さくなりますか？

核心的な結論：圧力と排気量は反比例の関係にある

空気圧縮機の運転特性を検討する際、「吐出圧力が高いほど吐出量は小さくなる」という見解は、多くの通常運転条件下では妥当である。空気圧縮機の駆動モータの出力と回転数が一定である場合、システムが克服すべき背圧（すなわち吐出圧力）が大きくなるほど、ガスの圧縮に伴う内部漏れや抵抗損失が増加し、その結果、実際の有効吐出量が低下する。

容積式空気圧縮機の圧力と流量の特性

スクリューコンプレッサとピストンコンプレッサは、典型的な容積式圧縮機に分類されます。その吐出量は、主にシリンダまたはローターの幾何学的容積および回転数に依存します。

• 内部漏れの増加：排気圧力の上昇に伴い、圧縮室内の高圧ガスが低圧領域（例えば吸気側）へ漏れ出す圧力差が拡大し、その結果、内部漏れ量が増加して体積効率が低下する。
• 余隙容積の影響：ピストン式空気圧縮機においては、吐出圧力が高いほど、余隙容積内に残留する高圧ガスが膨張時に占める体積が大きくなり、その結果、実際に吸入される新鮮な気体の量は減少する。
• 出力制限：モーターの定格出力が限られている場合、排気圧を上げるにはより多くの圧縮仕事が必要となり、モーターの過負荷を防ぐため、システムは自動的に吸気量を制限します。

動力式空気圧縮機の性能曲線

遠心式空気圧縮機は動力式圧縮機に属し、その圧力と流量の関係は圧縮機の性能曲線によって決定される。

• 性能曲線の特徴：回転数が一定である場合、排気圧力の上昇に伴い、吐出量は徐々に減少する。
• サージ境界：排気圧が特定の臨界値に達し、流量が一定程度低下すると、気流に強い脈動が生じる現象、すなわちストール現象が発生する。そのため、遠心式空気圧縮機は高圧運転条件下において、流量調節範囲が厳しく制限される。

実際の排気量に影響を及ぼすその他の主要な要因

排気圧力に加えて、空圧機の実際の吐出量は、以下の諸要因の総合的な影響を受ける。

• 吸気状態：吸気温度が高くなるほど、また標高が上がるほど（大気圧が低くなるほど）、空気密度は低下し、実際の質量流量は著しく減少する。
• 回転数と周波数変換による速度制御：インバータ制御式空気圧縮機においては、モーター回転数を上げることで高圧による流量の低下を一定程度補うことができますが、これはモーターの最大出力および本体の機械的限界に制約されます。
• 設備の老朽化と保守：フィルターの目詰まり、冷却器のスケール付着、ローターの摩耗などの問題は、システムの抵抗や内部漏れを増大させ、同じ圧力条件下で吐出量が低下する原因となります。

設備の選定および運転に関する提案

圧力設定の不適切さによる吐出量不足やエネルギーの無駄を回避するため、設備管理において以下の原則を遵守することを推奨します。

• ニーズの的確なマッチング：端末用ガス機器の実際の最低圧力要求に基づいて空気圧縮機の吐出圧力を設定し、無闇に圧力を上げるのを避けてください。吐出圧力の設定値を適切に低くすることで、電力消費を大幅に削減できます。
• 配管ネットワークの圧力降下に注目：圧縮空気配管の設計を最適化し、エルボやバルブを削減することで配管ネットワークの圧力損失を低減し、末端圧力を確保しつつ、コンプレッサの吐出圧力設定値を引き下げます。
• 定期的な保守点検：エアフィルター、オイルフィルターおよび潤滑油を定時に交換し、装置の密閉性と冷却状態を良好に保つことで、容積効率を最適な水準に維持してください。