第8章 圧縮機② 性能
ピストン押しのけ量・体積効率・断熱効率・機械効率を使って、冷媒循環量・冷凍能力・軸動力を計算し、運転条件で性能がどう変わるかと容量制御の方法を押さえる。
1. ピストン押しのけ量
往復圧縮機が1回転でおしのける体積は、シリンダの断面積×ピストンの行程（動く長さ）×気筒数です。これに1時間の回転数をかけたものが「1時間のピストン押しのけ量」です。
ピストン押しのけ量（m3/h）＝ π/4 × D2 × L × 気筒数 × 回転数（毎分）× 60
（D：気筒の内径〔m〕、L：行程〔m〕、π/4≒0.785）
例：内径0.1m、行程0.08m、4気筒、毎分1,500回転なら、0.785×0.01×0.08×4×1,500×60≒226m3/h です。回転速度を2倍にすれば、押しのけ量も2倍になります。
高圧ガス保安法の冷凍保安規則（冷凍則）は、往復圧縮機などを使う設備の1日の冷凍能力を、標準回転速度における1時間のピストン押しのけ量Vを使ってR＝V／Cで求めると決めています（冷凍則 第5条第4号）。
2. 体積効率と冷媒循環量
ピストン押しのけ量は「理屈のうえで吸い込める体積」です。実際には、ピストンが上がりきってもシリンダ内に残るすき間（すき間容積）の高圧ガスが再び膨張したり、弁やピストンリングから漏れたりして、それより少ない量しか吸い込めません。
体積効率ηv ＝ 実際に吸い込む冷媒蒸気の体積 ÷ ピストン押しのけ量
体積効率は、圧力比（吐出し圧力÷吸込み圧力、どちらも絶対圧力）が大きいほど、すき間容積が大きいほど、小さくなります。
冷媒循環量（1秒あたりに流れる冷媒の質量）は次のとおりです。
冷媒循環量 qmr（kg/s）＝ V（m3/s）× ηv ÷ v1（吸込み蒸気の比体積 m3/kg）
冷凍能力 Φo（kW）＝ qmr ×（h1 − h4）
吸込み蒸気の比体積v1が大きくなる（蒸気が薄くなる）と、同じ押しのけ量でも冷媒循環量が減り、冷凍能力が下がります。吸込み圧力が下がったときや、吸込み蒸気の過熱度が大きすぎるときに起こります。
例：V＝0.05m3/s、ηv＝0.8、v1＝0.1m3/kg なら qmr＝0.05×0.8÷0.1＝0.4kg/s。h1−h4＝150kJ/kg なら Φo＝0.4×150＝60kW です。
3. 断熱効率・機械効率と軸動力
p-h線図で求める圧縮の仕事（h2−h1）は、損失のない「理論断熱圧縮」の値です。実際の圧縮機には損失があるので、2つの効率で補正します。
・断熱効率（圧縮効率）ηc ＝ 理論断熱圧縮動力 ÷ 実際に冷媒の圧縮に必要な動力（指示動力）
・機械効率ηm ＝ 指示動力 ÷ 軸動力（軸受やピストンの摩擦などの機械的な損失を表す）
理論断熱圧縮動力 Pth ＝ qmr ×（h2 − h1）
軸動力 P ＝ Pth ÷（ηc × ηm）
実際の成績係数 ＝ Φo ÷ P
例：qmr＝0.4kg/s、h2−h1＝36kJ/kg なら Pth＝14.4kW。ηc＝0.8、ηm＝0.9 なら P＝14.4÷0.72＝20kW。Φo＝60kW なら実際の成績係数は3.0です（理論の成績係数150÷36≒4.17より小さい）。
損失は熱になって冷媒に加わるので、実際の吐出しガスの比エンタルピーは、理論断熱圧縮で求めた値より大きくなります。
4. 運転条件で性能はどう変わるか
凝縮圧力が上がったり、蒸発圧力が下がったりすると、圧力比が大きくなります。そのとき次のことが起こります。
・体積効率と断熱効率が下がる
・吐出しガスの温度が上がる（吸込み蒸気の過熱度が大きいときも上がる）。高すぎると潤滑油が劣化・炭化するおそれ
・冷凍能力あたりの軸動力が増え、成績係数が小さくなる
蒸発圧力が下がると、さらに吸込み蒸気の比体積が大きくなるので、冷媒循環量が減り冷凍能力が下がります。
また、吸込み弁・吐出し弁の漏れやピストンリングの摩耗でも、体積効率が下がり、冷凍能力が落ちます。
5. 容量制御
冷やす負荷はいつも同じではないので、圧縮機の能力を負荷に合わせて調整します（容量制御）。代表的な方法は次のとおりです。
・アンローダ（多気筒の往復圧縮機）… 一部の気筒の吸込み弁を開いたままにして、その気筒を働かせない。段階的に調整
・スライド弁（スクリュー圧縮機）… 圧縮に使うロータの長さを変えて、無段階に調整
・回転速度制御（インバータ）… 電源の周波数を変えて電動機の回転速度を変え、押しのけ量そのものを変える
・バイパス … 吐出しガスの一部を吸込み側へ戻す
・発停（ON-OFF）… 圧縮機を止めたり動かしたりする
POINT
6. ここだけは覚える
・体積効率＝実際の吸込み蒸気量÷ピストン押しのけ量。圧力比↑・すき間容積↑で下がる
・冷媒循環量＝押しのけ量×体積効率÷吸込み蒸気の比体積。比体積↑で循環量↓・冷凍能力↓
・断熱効率＝理論断熱圧縮動力÷指示動力、機械効率＝指示動力÷軸動力
・軸動力＝理論断熱圧縮動力÷（断熱効率×機械効率）、実際の成績係数＝冷凍能力÷軸動力
・圧力比↑ → 体積効率↓・断熱効率↓・吐出しガス温度↑・成績係数↓
・容量制御：アンローダ（往復）・スライド弁（スクリュー）・インバータ（回転速度）・バイパス・発停