圧縮機の種類としくみ｜往復・スクリュー・遠心と体積効率【冷凍三種】
この記事でわかること
- 圧縮機がサイクルの中で何をしているかがわかります
- 容積式とターボ式の違いがわかります
- 体積効率と、圧力比が上がるとどうなるかがわかります
- 容量制御（アンロード）のしかたがわかります
圧縮機は冷凍サイクルの心臓です。保安管理技術のなかでも出題数が多いところなので、しっかり押さえましょう。
圧縮機の役割
用語圧縮機は何をしているのか？
圧縮機とは、蒸発器から出た低い圧力の冷媒ガス（冷やすために装置の中を巡る物質＝冷媒の気体）を吸い込み、圧縮して高い圧力・高い温度にして吐き出す装置です。
なぜ？なぜ圧縮する必要があるのか？
外の空気より高い温度にしないと、熱を捨てられないからです。熱は高いほうから低いほうへしか流れません。部屋から取った熱を外に捨てるには、冷媒を外気より熱くする必要があります。圧縮すると温度が上がる——この性質を使っているのです。
例簡単なたとえ
自転車の空気入れを勢いよくポンプすると、筒が熱くなります。あれは空気を圧縮したから温度が上がったのです。圧縮機がやっているのも、これと同じ原理です。
大きく2種類──容積式とターボ式
覚える覚え方
「容積式は押し縮める、ターボ式は高速で回す」。容積式は小〜中容量、ターボ式は大容量に向きます。法令で冷凍能力を計算する式が遠心式だけ別（原動機の定格出力を使う）なのも、しくみがまったく違うからです（第21回）。
往復圧縮機（レシプロ）
- ピストンがシリンダーの中を往復して圧縮する
- 吸込み弁・吐出し弁がある
- 小〜中容量に向く。もっとも広く使われてきた形
- すきま容積（クリアランスボリューム）があるため、押しのけ量（ピストンが動いて押し出す体積）のすべてを吸い込めない
スクリュー圧縮機
- らせん状のローターがかみ合って、すき間の体積を小さくしながら送る
- 弁がないので、脈動（流れが周期的に強くなったり弱くなったりすること）が少なく静か
- 中〜大容量に向く
- 油を大量に使うので、油分離器（冷媒ガスに混じった油を分けて取り出す容器）が必須
遠心圧縮機（ターボ）
- 高速で回る羽根車で冷媒を外側へ飛ばし、圧力を上げる
- 大容量に向く（大型ビルの熱源）
- サージングという不安定現象に注意
用語サージングとは？
流量が少なくなりすぎたときに、冷媒の流れが逆流したり脈動したりする現象です。激しい振動と騒音を起こし、機械を傷めます。容量を絞りすぎると起きるので、ホットガスバイパス（吐出しガスの一部を低圧側へ戻す方法）などで防ぎます。
スクリューは高い圧力比に強い・ピストンリングは上下で役目がちがう
スクリュー圧縮機は、遠心式（ターボ）にくらべて、圧力比が大きい条件でも使いやすいのが特長です。そのため、外の冷たい空気から熱をくみ上げるヒートポンプや、低い温度をつくる冷凍用によく使われます。なお、ロータリー圧縮機はローターの回転で空間を小さくして押し縮める容積式で、遠心式ではありません。
往復圧縮機のピストンには、ピストンリングという輪がはまっています。上側のコンプレッションリングはガスがすき間から漏れるのを防ぎ、下側のオイルリングはシリンダーの壁についた余分な油をかき落とします。
体積効率──押しのけた分を全部吸えるわけではない
用語体積効率とは？
実際に吸い込めた冷媒の体積 ÷ ピストンの押しのけ量です。1（100％）にはなりません。
覚える体積効率が下がる原因
- すきま容積（クリアランス） … ピストンが上がりきっても残る空間。ここに残ったガスが膨らんでから吸込みが始まるので、そのぶん吸えません。
- 圧力比が大きい … 圧力比＝吐出し圧力÷吸込み圧力。これが大きいほど体積効率は下がります。
- 弁の漏れ・吸込みガスの加熱
覚える覚え方
「圧力比が上がると、体積効率も成績係数も下がる」。第5回のCOPの話とまったく同じ結論です。凝縮温度を下げ、蒸発温度を上げれば、圧力比が小さくなって効率がよくなる——これが運転のしかたの基本の考え方になります（第19回）。
容量制御（アンロード）
用語容量制御とは？
容量制御とは、負荷（冷やす必要のある熱の量）が小さいときに、圧縮機の能力を落とすしくみです。止めたり動かしたりを繰り返す（発停）と機械を傷めるので、運転したまま能力を下げます。
- 往復圧縮機 … 吸込み弁を強制的に開いたままにして、そのシリンダーを休ませる（アンローダ）
- スクリュー圧縮機 … スライド弁を動かして、圧縮を始める位置を変える
- 遠心圧縮機 … 入口ベーン（案内羽根）の角度を変える
覚える容量制御のねらい
- 始動・停止の繰り返しを減らす … 始動電流が大きく、モーターや接点を傷めるため。
- 吸込み圧力を安定させる
- 省エネ … 必要な分だけ運転する。
段階的か、なめらか（無段階）か
容量制御は、方式によって「細かさ」がちがいます。
多気筒の往復圧縮機 … 吸込み板弁を開いたままにして、働くシリンダー（気筒）の数を減らします。気筒単位で休ませるので、段階的な制御になります。
スクリュー圧縮機 … スライド弁を少しずつ動かせるので、ある程度連続的（無段階）に能力を変えられます。
「スライド弁＝スクリュー」「気筒数を減らす＝往復」と、組み合わせで覚えてください。
インバータを使う方法もあります。インバータは、モーターに送る電気の周波数を変える装置です。周波数を変えると回転速度が変わり、回転速度に合わせて冷凍能力も変わります。
アンローダは、始動を軽くする役目もある
多気筒の往復圧縮機のアンローダ（吸込み弁を開いて気筒を休ませるしくみ）は、容量制御だけでなく、始動のときの負荷を軽くする装置としても働きます。始動の瞬間から全部の気筒で圧縮しないようにして、モーターにかかる無理を小さくするのです。
圧縮機まわりで問われる異常
用語液圧縮（リキッドハンマ）とは？
液圧縮とは、液体の冷媒が圧縮機に吸い込まれてしまうことです。気体は縮みますが、液体はほとんど縮みません。そのため逃げ場のない圧力がかかり、弁やピストンが壊れるおそれがあります。アキュムレータ（液分離器）で防ぎます（第14回）。
圧縮機の形と、潤滑油（冷凍機油）
全密閉はアンモニアには使わない
圧縮機とモーターを1つの入れ物に収めたものを密閉圧縮機といい、とくに入れ物を溶接で閉じたものを全密閉圧縮機といいます。家庭用エアコンなど、フルオロカーボン（フロン）の装置で広く使われます。
アンモニアの装置には使いません。アンモニアは銅を傷めるため、銅線を巻いたモーターを冷媒の中に入れられないからです（第15回の「アンモニアに銅を使えない」と同じ理由）。アンモニアでは、モーターを外に出した開放形が使われます。
強制給油式と、給油圧力
圧縮機の中で動く部分には、冷凍機油（潤滑油）を送って、すり減りを防ぎます。往復圧縮機には、クランク軸の端に付けたギアポンプで油をくみ上げ、圧力をかけて送り込むものがあります。これを強制給油式といいます。
このときの給油圧力は、油圧計の数字そのものではありません。油圧計の指示圧力から、クランクケース内の圧力を引いたものです。まわりの圧力より、どれだけ高く押し込めているか、が本当の給油圧力です。
オイルフォーミング──油が泡立って潤滑できなくなる
フルオロカーボン冷媒は、冷凍機油によく溶け込みます。そして油の温度が低いほど、たくさん溶け込みます。
停止中に冷えた油へ冷媒がたくさん溶け込んだまま圧縮機を始動すると、クランクケースの圧力が急に下がり、溶けていた冷媒が一気に蒸発して油が泡立ちます。これをオイルフォーミングといい、油がうまく回らず潤滑不良になります。炭酸飲料のふたを急に開けると泡立つのと同じです。停止中の油をヒーターで温めておくのは、これを防ぐためです。
液戻りが多いときも同じです。液の冷媒が油にたくさん溶け込んで、油の粘り（粘度）が下がり、やはり潤滑不良の原因になります。
油圧は高すぎても困る──油上がり
強制給油式の往復圧縮機で油圧が高すぎると、シリンダーへ送られる油が多くなりすぎます。余った油は冷媒ガスといっしょに吐き出され（油上がり）、凝縮器や蒸発器の伝熱面を汚して、熱の伝わりを悪くします。油圧は、低すぎても高すぎてもいけないわけです。
試験ではこう出る
- ①方式の分類 … 「スクロール圧縮機は容積式である」→正しい。
- ②体積効率 … 「圧力比が大きくなると体積効率は大きくなる」→誤り。小さくなります。
- ③すきま容積 … 「すきま容積が大きいほど体積効率は低下する」→正しい。
- ④容量制御 … 「往復圧縮機のアンローダは、吸込み弁を開放してシリンダーを無負荷にする」→正しい。
- ⑤液圧縮 … 「液圧縮は圧縮機を損傷させるおそれがある」→正しい。
よくある質問
Q．「圧力比」とは何を割った数字ですか？
A．吐出し圧力 ÷ 吸込み圧力です。どちらも絶対圧力（真空を起点にした圧力）で計算します。圧力比が大きいということは「低いところから高いところまで、大きく持ち上げている」ということ。その分、無理がかかるので、効率が落ち、温度が上がります。
Q．全密閉・半密閉・開放形とは何ですか？
A．圧縮機とモーターの入れ物の作りによる分類です。全密閉は圧縮機とモーターが1つの容器に溶接で封じられていて、分解できません（家庭用エアコンなど）。半密閉はボルトで開けられるので修理できます。開放形はモーターが外にあり、軸が容器を貫くのでシャフトシール（軸封装置）が必要です。
Q．冷媒が足りないとき、なぜ吐出しガス温度が上がるのですか？
A．冷媒が少ないと、蒸発器で早く蒸発しきってしまうからです。蒸発しきったあとの冷媒ガスは、そのまま熱を受け取り続けて温度が上がります（過熱度が大きくなる）。熱くなったガスを吸い込んで圧縮するので、吐出し温度がさらに高くなるのです。「冷媒不足＝吐出し温度上昇」は試験でも問われやすいポイントです。
過去問で確かめる 3問
この回の内容だけで解ける過去問を3つ選びました。問題文は、各年度の過去問ページで確認できます。冷凍三種は「正しい記述の組合せ」を選ぶ形なので、記述を1つずつ〇か×かで見ていきます。
令和7年度 保安管理技術 問5 圧縮機
イ × スクリュー圧縮機のスライド弁は、無段階（連続的）な容量制御ができる。
ロ × 圧縮機の大きな分け方は「容積式とターボ式」。「往復式と遠心式」ではない。
ハ × オイルフォーミングを起こしやすいのは、油温が低いとき。
ニ 〇 給油圧力＝油圧計の指示圧力－クランクケース内の圧力。
正しいのはニだけで、正解（2）です。 → 令和7年度 保安管理技術の解説
令和6年度 保安管理技術 問5 圧縮機
イ × 全密閉圧縮機はフルオロカーボン用。アンモニアには使わない。
ロ × スライド弁で連続的に制御するのはスクリュー圧縮機。多気筒の往復圧縮機は気筒数を減らす段階的な制御。
ハ 〇 ギアポンプで油を加圧して送るのが強制給油式。
ニ 〇 液戻りやオイルフォーミングは、潤滑不良の原因になる。
正しいのはハ・ニで、正解（5）です。 → 令和6年度 保安管理技術の解説
令和5年度 保安管理技術 問5 圧縮機
イ × 大きな分け方は「容積式とターボ式」。
ロ 〇 多気筒の往復圧縮機は、吸込み板弁を開いて働く気筒数を減らし、段階的に容量を調節する。
ハ × 冷媒が油に多く溶け込むのは、油温が低いとき。高いときではない。
ニ 〇 インバータで周波数を変えると回転速度が変わり、冷凍能力を変えられる。
正しいのはロ・ニで、正解（4）です。 → 令和5年度 保安管理技術の解説
まとめこのページのまとめ
- 圧縮機は外気より高い温度にして、熱を捨てられるようにするための装置
- 容積式（往復・スクリュー・ロータリー・スクロール）とターボ式（遠心）
- 圧力比が大きいほど、体積効率もCOPも下がる
- すきま容積があるので体積効率は1にならない
- 容量制御は往復＝アンローダ／スクリュー＝スライド弁／遠心＝入口ベーン
- 液圧縮は圧縮機を壊す。アキュムレータで防ぐ
- 容量制御は、往復（多気筒）＝段階的／スクリュー＝無段階。インバータなら回転速度で調節
- 全密閉はフルオロカーボン用。アンモニアは銅を傷めるので開放形
- 油温が低いほど冷媒が油に溶け込み、始動時にオイルフォーミング（潤滑不良）を起こしやすい
- スクリューは高い圧力比に強く、ヒートポンプ・冷凍用に。ロータリーは容積式
- アンローダは始動時の負荷軽減にも働く。ピストンリングは上＝コンプレッション、下＝オイル
- 油圧が高すぎると油上がりで熱交換器が汚れる
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