コンプレッサー｜空気を圧縮し動力源を生む機械

コンプレッサー

コンプレッサーは、気体を吸い込んで体積を縮め、圧力を高めて送り出す機械である。日本語では「圧縮機」と呼び、空気を扱うものは空気圧縮機ともいう。JIS B 0132では、吐出圧力がおおむね0.1MPa以上のものを圧縮機と定義しており、これより低い圧力域を受け持つファンやブロワ（送風機）とは区別される。工場の動力源、冷凍・空調、天然ガスのパイプライン輸送まで用途は幅広い。製造現場では電気・水・燃料ガスと並ぶ「第4のユーティリティ」と呼ばれることもある。

トンネル工事から始まった近代化の歩み

ふいごのように空気を押し出す道具は古代から存在した。ただ、機械として本格的に使われるようになったのは19世紀である。1857年に着工したアルプスのモン・スニ・トンネル（フレジュス鉄道トンネル）では、圧縮空気で動く削岩機が採用され、人力による掘削より工期が大幅に短くなった。その後、往復動式のコンプレッサーが鉱山や造船所に広まる。1930年代にはスウェーデンのアルフ・リショルムがスクリュー式の原理を確立し、1980年代には日本のメーカーがスクロール式を家庭用エアコンや冷凍機向けに量産化した。圧縮方式の多様化は、そのまま用途拡大の歴史でもある。

圧縮方式による分類

圧縮の原理は大きく2系統に分かれる。密閉した空間の容積を機械的に小さくする「容積形」と、羽根車の回転で気体に速度を与え、それを圧力に変換する「ターボ形」である。代表的な形式を整理すると次のようになる。

容積形の特徴

容積形は流量が少なくても高い圧力を得やすい。往復式はピストンとシリンダーという単純な構造で修理しやすい反面、脈動と騒音が大きく、連続運転には不向きな面がある。スクリュー式は雌雄2本のロータがかみ合いながら空気を送るため吐出が滑らかで、22〜75kWクラスは国内工場で最も普及した帯域といえる。

ターボ形の特徴

遠心式は摺動部が少なく、オイルを使わずに大風量を連続供給できる。そのかわり、運転範囲が狭い。流量を絞りすぎると「サージング」と呼ばれる逆流振動が起き、機械を傷めるおそれがある。導入規模が数百kW未満なら、スクリュー式を複数台並べたほうが割安になる場面が多い。

給油式とオイルフリー式の使い分け

圧縮室に潤滑油を噴射する給油式は、油膜がシール・冷却・潤滑を兼ねるので効率がよく、本体価格も安い。とはいえ、吐出空気にはわずかな油分が混じる。食品、医薬品、半導体の工場ではこれが製品汚染につながるため、圧縮室に油を入れないオイルフリー式が選ばれる。実務の感覚でいうと、同じ出力ならオイルフリー式は本体価格が給油式の1.5〜2倍程度になる。そこで、塗装ブースや包装ラインだけをオイルフリー系統に分け、一般の空気圧機器には給油式＋フィルターで対応するといった系統分けが現場ではよく行われている。

圧縮空気の品質とISO 8573-1

圧縮された空気には、大気中の水分、塵埃、そして給油式なら油分が含まれる。その清浄度を等級で示す国際規格がISO 8573-1であり、固体粒子・水分・油分の3項目それぞれにクラスが設けられている。たとえば油分のクラス1は、空気1m³あたり0.01mg以下である。水分は「圧力下露点」で管理するのが一般的で、冷凍式のエアドライヤーなら約10℃、吸着式なら−40℃以下まで下げられる。必要以上に高いクラスを求めると除湿・ろ過の設備費と圧力損失がかさむ。用途ごとに必要な等級を決め、それに合わせて機器を選ぶのが合理的な考え方である。

法規制と保守点検

圧縮空気をためる空気タンクは圧力容器にあたる。ゲージ圧力0.2MPa以上で内容積0.04m³以上のものは労働安全衛生法上の第二種圧力容器となり、1年以内ごとに1回の定期自主検査と記録の保存が義務づけられている。1MPa以上の圧縮ガスを扱う設備では高圧ガス保安法の適用も確認しなければならない。日常の保守では、吸込フィルターの清掃、ドレンの排出、オイルやオイルセパレーターの定期交換が基本となる。とくにドレン排出を怠ると、タンク内部の腐食や配管末端での水滴混入を招きやすい。

電力コストを左右する運用の要点

産業用コンプレッサーは、工場全体の消費電力の20〜25%前後を占めるといわれる。10年程度使ったときの生涯コストでは、本体価格よりも電気代が70〜80%に達することも珍しくない。そのため、導入時の値引きより運用の工夫のほうが効果は大きい。代表的な対策を挙げる。

• エア漏れの補修：配管継手やホースからの漏れは供給量の10〜30%に及ぶことがあり、超音波リークディテクタでの定期点検が有効である
• 吐出圧力の見直し：設定を0.1MPa下げると消費電力はおよそ7〜8%減るとされる
• インバーター機と台数制御：負荷変動に合わせて電動機の回転数や運転台数を調整し、無負荷運転の時間を減らす
• 排熱回収：投入電力の80〜90%は熱になるため、ボイラー給水の予熱や暖房に回せる

これらは大がかりな設備更新を伴わずに始められる。ある程度の規模の工場では、エア漏れ対策と圧力の見直しだけで年間数百万円の電気代が浮く例もある。省エネルギー法の定期報告でも、圧縮空気設備はエネルギー管理の重点項目として扱われることが多い。