空気源装置とは何ですか？どのような装置がありますか？

空気源装置とは何ですか？どのような装置がありますか？

空気源装置とは、圧縮空気を生成する装置、すなわち空気圧縮機（エアコンプレッサー）のことです。空気圧縮機には多くの種類があり、一般的なものとしては、ピストン式、遠心式、スクリュー式、スライドベーン式、スクロール式などがあります。
空気圧縮機から排出される圧縮空気には、水分、油分、粉塵などの汚染物質が多量に含まれています。これらの汚染物質が空気圧システムの正常な動作に悪影響を及ぼすことを防ぐため、浄化装置を用いて適切に除去する必要があります。

空気源浄化装置とは、複数の機器や装置を総称する用語です。業界では、空気源浄化装置は後処理装置とも呼ばれ、通常はガス貯蔵タンク、乾燥機、フィルターなどを指します。
●エアタンク
ガス貯蔵タンクの機能は、圧力脈動を解消し、断熱膨張と自然冷却によって温度を下げ、圧縮空気中の水分と油分をさらに分離し、一定量のガスを貯蔵することです。これにより、短時間で空気圧縮機の出力空気量よりも空気消費量が多くなるという矛盾を緩和できます。また、空気圧縮機の故障や停電時にも短期間の空気供給を維持し、空気圧機器の安全性を確保できます。

●エアドライヤー

圧縮空気乾燥機は、その名の通り、圧縮空気から水分を除去する装置の一種です。一般的に使用されているのは、凍結乾燥機と吸着乾燥機の2種類、潮解乾燥機、ポリマー膜乾燥機などがあります。冷凍乾燥機は、最も一般的に使用されている圧縮空気脱水装置であり、通常は一般的な空気源品質要件がある場合に使用されます。冷凍乾燥機は、圧縮空気中の水蒸気分圧が圧縮空気の温度によって決まるという特性を利用して、冷却、脱水、乾燥を行います。圧縮空気冷凍乾燥機は、業界では一般的に「冷凍乾燥機」と呼ばれています。その主な機能は、圧縮空気中の水分含有量を減らすこと、つまり圧縮空気の「露点温度」を下げることです。一般的な産業用圧縮空気システムでは、圧縮空気の乾燥と浄化（後処理とも呼ばれる）に必要な装置の1つです。

1つの基本原則

圧縮空気は、加圧、冷却、吸着などの方法によって水蒸気を除去する目的を達成できます。凍結乾燥機は冷却方法の一つです。空気圧縮機で圧縮された空気には様々なガスと水蒸気が含まれているため、湿った空気であることは周知の通りです。湿った空気の水分含有量は一般的に圧力に反比例し、つまり圧力が高いほど水分含有量は少なくなります。空気圧が上昇すると、空気中の水蒸気が許容量を超えて凝縮して水になります（つまり、圧縮空気の体積が小さくなり、元の水蒸気を保持できなくなります）。

これは、最初に吸い込んだ空気と比較して、水分含有量が少なくなることを意味します（ここでいう水分含有量とは、圧縮された空気の一部が非圧縮状態に戻ることを指します）。

しかし、空気圧縮機の排気は依然として圧縮空気であり、その水蒸気含有量は最大値に達しており、つまり気体と液体の臨界状態にあります。このときの圧縮空気は飽和状態と呼ばれ、わずかに加圧するだけで水蒸気はすぐに気体状態から液体状態に変化し、つまり水が凝縮します。

空気を水を吸収した濡れたスポンジに例えると、その含水率は吸収された水の量に等しい。スポンジから水を無理やり絞り出すと、スポンジの含水率は相対的に減少する。スポンジを元の状態に戻せば、当然ながら元の状態よりも乾燥する。このように加圧することで、水分を除去して乾燥させるという目的も達成できる。
スポンジを絞る過程で一定の力に達した後、それ以上力が加わらないと、水は絞り出されなくなり、飽和状態になります。絞る力をさらに強くすると、水は流れ出続けます。

したがって、エアコンプレッサー本体自体に水分を除去する機能があり、その方法は加圧することですが、これはエアコンプレッサーの本来の目的ではなく、「厄介な」負担です。

圧縮空気から水分を除去する手段として「加圧」が用いられないのはなぜでしょうか？主な理由は経済性です。圧力を1kg上げるのに約7%ものエネルギーを消費するのは、非常に非経済的です。

「冷却」脱水は比較的経済的であり、冷凍式乾燥機はエアコンの除湿と同じ原理を用いて目的を達成します。飽和水蒸気の密度には限界があるため、空気力学的圧力（2MPaの範囲）では、飽和空気中の水蒸気密度は温度のみに依存し、気圧とは無関係であると考えることができます。

気温が高いほど、飽和空気中の水蒸気密度が高くなり、水分量も多くなります。逆に、気温が低いほど水分量は少なくなります（これは日常生活の常識からも理解できます。冬は乾燥して寒く、夏は暑くて湿気が多いです）。

圧縮空気をできるだけ低い温度まで冷却して、圧縮空気中に含まれる水蒸気の密度を下げ、「凝縮」を起こさせ、凝縮によって形成された小さな水滴を集めて排出することで、圧縮空気中の水分を除去するという目的を達成する。

凝縮と水への凝縮の過程を伴うため、温度は「凝固点」より低くすることはできません。そうでなければ、凍結現象によって効果的に水分が排出されません。通常、凍結乾燥機の公称「圧力露点温度」は2～10℃です。

例えば、10℃における「圧力露点」である0.7MPaは、「大気圧露点」に換算すると-16℃となる。つまり、-16℃以上の環境で使用する場合、圧縮空気を大気中に排出する際に液体の水は発生しないことがわかる。

圧縮空気の水分除去方法はすべて、ある程度の乾燥度を満たす程度の相対的な乾燥にとどまります。水分を完全に除去することは不可能であり、使用要件を超える乾燥度を追求することは非常に非経済的です。
2. 動作原理

圧縮空気冷凍式乾燥機は、圧縮空気を冷却して圧縮空気中の水蒸気を液滴に凝縮させることで、圧縮空気の水分含有量を低減する目的を達成する。
凝縮した水滴は、自動排水システムを通して機械の外に排出されます。乾燥機の出口における下流側配管の周囲温度が、蒸発器の出口における露点温度を下回らない限り、二次凝縮は発生しません。

3つのワークフロー

圧縮空気プロセス：
圧縮空気は空気熱交換器（予熱器）[1]に入り、高温の圧縮空気の温度を最初に下げ、次にフロン/空気熱交換器（蒸発器）[2]に入り、そこで圧縮空気は非常に急速に冷却され、温度が露点温度まで大幅に低下し、分離された液体の水と圧縮空気は水分離器[3]で分離され、分離された水は自動排水装置によって機械の外に排出されます。

圧縮空気と低温冷媒は蒸発器[2]で熱交換を行う。このとき、圧縮空気の温度は非常に低く、露点温度である2～10℃とほぼ等しい。特別な要求がない場合（つまり、圧縮空気の低温要求がない場合）、通常、圧縮空気は空気熱交換器（予熱器）[1]に戻り、冷乾燥機に入ったばかりの高温圧縮空気と熱交換を行う。これを行う目的は次のとおりである。

① 乾燥した圧縮空気の「廃冷」を効果的に利用して、冷乾燥機に入ったばかりの高温の圧縮空気を予冷し、冷乾燥機の冷凍負荷を低減する。

②乾燥した低温圧縮空気によって引き起こされる、後端配管の外側の結露、滴下、錆などの二次的な問題を防止する。

冷凍プロセス：

冷媒フロンが圧縮機[4]に入り、圧縮後、圧力が上昇し（温度も上昇し）、凝縮器内の圧力よりわずかに高くなった時点で、高圧の冷媒蒸気が凝縮器[6]に排出されます。凝縮器では、高温高圧の冷媒蒸気が低温の空気（空冷）または冷却水（水冷）と熱交換を行い、冷媒フロンを液体に凝縮します。

このとき、液状冷媒は毛細管／膨張弁[8]を通ってフロン／空気熱交換器（蒸発器）[2]に入り、減圧（冷却）されて蒸発器内の圧縮空気の熱を吸収し、気化します。冷却対象である圧縮空気は冷却され、気化した冷媒蒸気は圧縮機によって吸い出され、次のサイクルが開始されます。

冷媒は、システム内で圧縮、凝縮、膨張（絞り）、蒸発という4つの過程を経てサイクルを完了します。連続的な冷凍サイクルによって、圧縮空気を凍結するという目的が達成されます。
各コンポーネントの4つの機能
空気熱交換器
外部配管の外壁に結露水が発生するのを防ぐため、凍結乾燥された空気は蒸発器を出て、空気熱交換器内で高温多湿の圧縮空気と再び熱交換を行う。同時に、蒸発器に入る空気の温度も大幅に低下する。

熱交換
冷媒は蒸発器内で熱を吸収して膨張し、液体状態から気体状態に変化する。同時に、圧縮空気は熱交換によって冷却され、圧縮空気中の水蒸気は気体状態から液体状態に変化する。

水分離器
析出した液体の水は、水分分離器で圧縮空気から分離されます。水分分離器の分離効率が高いほど、圧縮空気中に再揮発する液体の水の割合が少なくなり、圧縮空気の圧力露点が低くなります。

コンプレッサー
気体状の冷媒は冷凍機の圧縮機に入り、圧縮されて高温高圧の気体状冷媒となる。

バイパスバルブ
析出した液体の水の温度が氷点下になると、凝縮した氷が氷詰まりの原因となります。バイパスバルブは、冷凍温度を制御し、圧力露点を安定した温度（1～6℃）に維持することができます。

コンデンサー

凝縮器は冷媒の温度を下げ、冷媒は高温の気体状態から低温の液体状態へと変化する。

フィルター
このフィルターは冷媒中の不純物を効果的にろ過します。

毛細管/膨張弁
冷媒が毛細管／膨張弁を通過すると、体積が膨張し、温度が低下し、低温・低圧の液体となる。

気液分離器
液体冷媒が圧縮機に入ると液圧ショックが発生し、冷凍圧縮機に損傷を与える可能性があるため、冷媒の気液分離器は、気体冷媒のみが冷凍圧縮機に入るようにします。

自動排水
自動排水装置は、分離器の底部に溜まった液体の水を一定間隔で機械の外に排出します。

ドライヤー

冷凍式乾燥機は、コンパクトな構造、使いやすさとメンテナンスの容易さ、そして低いメンテナンスコストという利点があります。圧縮空気の露点温度が低すぎない場合（0℃以上）に適しています。
吸着式乾燥機は、圧縮空気を強制的に通過させる際に、乾燥剤を用いて除湿・乾燥させる。再生式吸着式乾燥機は、日常的に使用されることが多い。
●フィルター
フィルターは、主配管フィルター、ガス水分離器、活性炭脱臭フィルター、蒸気殺菌フィルターなどに分類され、その機能は空気中の油、塵、水分などの不純物を除去して、清浄な圧縮空気を得ることです。