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。法令の冷凍能力の算定式が遠心式だけ別（原動機の定格出力）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。
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——これが運転管理の基本方針になります（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。
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）。
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。
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
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