少ないオイルでより多くの空気: マイクロ オイル スクリュー エアコンプレッサーのエンジニアリング ケース

評決: マイクロオイルは、60% のコストでオイルフリーの 95% のパフォーマンスを実現

5 mg/m3 未満のオイルキャリーオーバーが必要だが、クラス 0 オイルフリーシステムの絶対ゼロは必要ない圧縮空気アプリケーションの場合、マイクロオイルスクリューエアコンプレッサは最適なエンジニアリングの選択肢となります。 300 の産業施設からのフィールドデータによると、マイクロオイルユニットは 3 ～ 5 mg/m3 のオイルキャリーオーバーで 98.5% の平均稼働時間を達成しています。 、オイルフリーの場合は 0.01 mg/m3、標準的なオイル潤滑ロータリー スクリューの場合は 15 ～ 25 mg/m3 と比較します。直接的な結論: 医薬品包装、食品加工、エレクトロニクス製造、および微量油は許容できないが超高純度クラス 0 が過剰に指定されている計器用空気では、 マイクロオイルスクリューエアコンプレッサー オイルフリーシステムよりも 40 ～ 60% 低い資本コストで、必要な空気品質を実現します。

スクリューコンプレッサーの「マイクロオイル」とは

標準的なオイル潤滑式ロータリー スクリュー コンプレッサーは、75 kW ユニットの圧縮チャンバーに毎分 8 ～ 12 リットルのオイルを注入します。マイクロオイル スクリュー エアコンプレッサーを使用すると、同じ出力定格でこれを 1 分あたり 1.5 ～ 3 リットルに削減できます。 「マイクロオイル」という名称は、システムの総オイル量ではなく、オイル注入率を指します。 。マイクロオイルシステムは、ロータークリアランスのシールと冷却に必要な量のみにオイル流量を正確に計量することにより、複雑なドライランニング（オイルフリー）スクリュー技術を使用することなく、オイルキャリーオーバーの大幅な低減を実現します。オイルは、雄ローターと雌ローターの間の隙間 (通常 15 ～ 50 ミクロン) をシールし、圧縮空気を冷却し、ベアリングとタイミング ギアを潤滑する 3 つの機能を果たします。

マイクロオイル設計は、3 つのエンジニアリング変更によりオイル注入量の削減を実現します。 より厳しいクリアランス（最小8～12ミクロン）を備えた精密機械加工されたロータープロファイル 、最適化されたオイル注入ポートの配置とノズルのサイズ、およびより効率的なオイル分離システム。オイル量の減少により、寄生抵抗損失も減少します。標準的なオイル注入スクリューは、オイルの撹拌により入力電力の 5 ～ 7% を失います。マイクロオイルスクリューはこれを 2 ～ 3% に削減し、全体の効率を 4 ～ 5 パーセントポイント向上させます。

オイルキャリーオーバー性能と空気品質基準

マイクロオイルスクリューエアコンプレッサーの重要な仕様は、吐出ポートでのミリグラム/立方メートル (mg/m3) で測定される残留オイルキャリーオーバーです。 ISO 8573-1 は空気純度クラスを定義しています。クラス 1 は 0.01 mg/m3、クラス 2 は 0.1 mg/m3、クラス 3 は 1 mg/m3、クラス 4 は 5 mg/m3 を許可します。 3 段階分離を備えた適切に指定されたマイクロオイル スクリュー エアコンプレッサーは、二次濾過なしでクラス 3 またはクラス 4 (1 ～ 5 mg/m3) を達成します。 。定格 0.01 mg/m3 の外部凝集フィルターを使用すると、同じユニットでクラス 1 の空気品質を実現でき、オイルフリー スクリューの性能に匹敵するものをより低い資本コストで実現できます。

機密性の高いアプリケーションでは、3 段階構成が最も一般的です。 外部合体フィルターは 6 ～ 12 か月ごとにエレメントを交換する必要があります 、流量に応じてフィルターあたり 150 ～ 400 ドルの費用がかかります。この追加の消耗品コストを考慮しても、総運転費は、20,000 ～ 30,000 時間ごとに高価なベアリング交換が必要となるオイルフリー スクリュー コンプレッサーを下回ります。

ロータープロファイルとクリアランスエンジニアリング

マイクロオイル スクリュー エアコンプレッサーは、主にローターの隙間を狭くすることでオイル噴射量の削減を実現します。標準のオイルインジェクションローターには、オスローブとメスローブの間に 30 ～ 50 ミクロンの半径方向の隙間があります。マイクロオイル設計では、これを 8 ～ 15 ミクロンに低減します。 クリアランスが狭いため、シールに必要な油膜の厚さが減少し、オイル注入率が低くなります。 。ただし、より厳しいクリアランスには、より高い製造精度が必要です。ローターのプロファイル公差は、標準ローターの±5 ミクロンに対して、±2 ミクロンに保つ必要があります。これにより、ローターの製造コストは 30 ～ 40% 増加しますが、比エネルギー消費量は 6 ～ 8% 削減されます。

トレードオフは、汚染に対する敏感さです。標準的なクリアランス 50 ミクロンのローターに進入した 15 ミクロンの粒子は、非接触で通過します。 クリアランス 8 ミクロンのマイクロオイルローター内の同じ粒子により、傷がつき、即座に効率が低下します。 。したがって、マイクロオイルスクリューエアコンプレッサーには、5 ミクロン以上の吸入空気ろ過が必要です (ISO 5011 効率クラス F9 以上)。標準の工業用エアフィルター (G4 または F7) では不十分です。入口フィルタは1次エレメント（F7）、2次エレメント（F9）の2段式とし、フィルタ寿命80％警報付差圧計を設置してください。

オイルの種類と粘度の選択

マイクロオイルスクリューエアコンプレッサーには合成潤滑剤が必要であり、鉱物油は決して必要ありません。 合成ポリアルファオレフィン (PAO) またはポリアルキレングリコール (PAG) オイルは、鉱物油よりも 3 ～ 4 倍長い耐用年数を提供します。 ワニスの堆積が大幅に減少します。マイクロオイル システムの場合、オイルは一次冷却媒体としても機能します。オイル流量が減少すると (8 ～ 12 L/min に対して 1.5 ～ 3 L/min)、オイルの比熱容量と熱安定性が高くなければなりません。 PAG オイルは最高の熱特性を提供しますが、吸湿性 (水分を吸収する) があるため、より積極的な凝縮水管理が必要です。 PAO オイルは吸湿性が低いですが、熱伝導率は 10 ～ 15% 低くなります。

粘度グレードはコンプレッサーの使用環境に応じて選択します。 ISO VG 46 は周囲温度 5 ～ 35°C の標準です。寒冷環境 (5°C 以下) 用 ISO VG 32。高温環境 (35°C 以上) 向け ISO VG 68 。オイルセパレーターの効率は適切な液滴サイズ分布に依存するため、間違った粘度グレードを使用するとオイルキャリーオーバーが 50 ～ 100% 増加します。オイルが濃すぎる（粘度が高い）と、分離器で捕捉できない大きな液滴が生成されます。オイルが薄すぎる（粘度が低い）と蒸発しやすくなり、蒸気としてセパレーターを通過し、下流で凝縮します。マイクロオイル システムの場合、オイル交換間隔を 4,000 ～ 6,000 時間に指定します。これは、オイル量の減少による熱応力の低下により、標準のオイル注入スクリューよりも 30 ～ 50% 長くなります。

油分離システムの設計

オイル分離システムは、マイクロオイル スクリュー エアコンプレッサーがクラス 3 またはクラス 5 の空気品質を提供するかどうかを決定します。 3 段階のシステムが標準です: サンプタンクでの一次遠心分離 (バルクオイルの 95 ～ 98% を除去)、二次凝集フィルターエレメント (残りのエアロゾルの 99.5% を除去)、そして三次 (オプションの外部凝集フィルター)。 凝集フィルターエレメントは最も重要なコンポーネントです。定格流量で 0.3 bar 未満の圧力降下で残留油 0.01 mg/m3 を達成する必要があります。 。フィルターエレメントには有限の耐用年数があります。圧力損失が 0.6 bar を超える場合、またはエレメントの使用年数が 12 か月を超える場合は、稼働時間に関係なく交換が必要です。

マイクロオイル分離における一般的な故障モードは次のとおりです。

• オイルミスト過多の積載 サンプの過充填または逆止弁の故障により、セパレータの圧力降下が数日以内に 0.2 ～ 0.4 bar 増加します
• 乳化油 サンプ内の凝縮水の蓄積によるもの (湿気の多い環境では一般的) - 通常の寿命では 4,000 ～ 6,000 時間であるのに対し、200 ～ 500 時間で凝集媒体が詰まります。
• 不適切なサンプ温度 - 70°C 未満では湿気が結露する可能性があります。 110℃を超えるとオイルの酸化とセパレーターメディアの劣化が促進されます

セパレータの故障を早期に警告するために、セパレータの下流にオイルミスト検出器を設置します。これらの光学センサーは、0.1 mg/m3 を超えるオイルエアロゾルを検出し、下流のプロセスが汚染される前にアラームをトリガーできます。 500 ～ 800 ドルのコストは、食品または医薬品用途でのバッチ拒否を 1 回防ぐだけで正当化されます。

無料の空気供給と比エネルギー消費量

マイクロオイルスクリューエアコンプレッサーの自由空気供給 (FAD) は、クリアランスが狭くなり、油膜シール効率が低下するため、同じモーター出力の標準的なオイルインジェクションスクリューよりも通常 10 ～ 15% 低くなります。 75 kW の標準オイル注入スクリューは、7 bar で 12 ～ 14 m3/min を供給します。同じ出力のマイクロオイルユニットは 10.5 ～ 12.5 m3/min を供給します。 。ただし、オイルの撹拌損失が減少するため、比エネルギー消費量 (kW/m3/min) はマイクロオイルと同等かわずかに優れていることがよくあります。実際の性能は設計によって大きく異なります。購入前に ISO 1217 (変位法) 認定の性能曲線が必要です。一部のサプライヤーは、現実世界の条件では達成できないマイクロオイルの性能を主張しています。

部分負荷効率は重要な差別化要因です。 マイクロオイルスクリューエアコンプレッサーは通常、標準のオイルインジェクションスクリュー（25～100％）よりも狭いターンダウン比（定格流量の40～100％）を持っています。 オイル量が減少すると、非常に低い流量では十分な冷却を維持できなくなるためです。需要の変動が大きいアプリケーション (バッチ プロセス、シフトベースの操作など) の場合は、可変周波数ドライブ (VFD) を備えたマイクロ オイル コンプレッサーを検討してください。 50 ～ 80% の負荷での VFD 動作では、定格速度での全負荷と比較して比エネルギー消費量が 8 ～ 12% 増加しますが、これでも固定速度ユニットでの変調またはロード/アンロード制御よりも 20 ～ 30% 優れています。

動作温度と冷却システムの要件

マイクロオイルスクリューエアコンプレッサーは、冷却に使用できるオイルが少ないため、標準のオイルインジェクションユニットよりも高い吐出温度を生成します。 標準的な吐出温度は 75 ～ 85°C です。マイクロオイルユニットは通常 85 ～ 95°C で動作します 。この温度の上昇により、オイルの酸化の促進とオイル パン内の水分保持の増加という 2 つのリスクが生じます。 80℃を超えると10℃上昇するごとに、オイルの酸化速度は2倍になります。したがって、マイクロオイルコンプレッサーは熱的に安定した合成オイル (PAO または PAG) を使用し、適切なサイズのオイルクーラーを備えている必要があります。高い周囲条件に対応できるよう、15 ～ 20% の安全マージンを持ってオイル クーラーの容量を指定します。

マイクロオイルコンプレッサーでは、凝縮水管理システムがより重要です。吐出温度が高いほど、圧縮空気中により多くの水蒸気が残り、空気が冷えると下流で凝縮します。 マイクロオイルユニットのアフタークーラーは、周囲温度の 10 ～ 15 °C 以内の吐出空気温度を達成する必要があります。 配水配管内の結露を防止します。吐出温度が 90°C、周囲温度が 30°C の場合、アフタークーラーは 60°C の温度上昇を除去する必要があります。過小なアフタークーラー (40°C ΔT 能力) では排出空気が 50°C のままとなり、その後配管内で 30°C まで冷却され、水が凝縮して腐食や微生物増殖のリスクが生じます。

メンテナンス間隔とコストの比較

マイクロオイルスクリューエアコンプレッサーは、標準のオイル注入ユニットよりも頻繁なメンテナンスを必要としますが、オイルフリースクリューよりはメンテナンスの頻度が低くなります。 一般的なメンテナンス スケジュール: オイル交換は 4,000 時間ごと (標準ユニットでは 6,000 ～ 8,000 時間)、エアオイル セパレーターは 4,000 時間ごと (6,000 ～ 8,000 時間)、オイル フィルターは 2,000 時間ごと (3,000 ～ 4,000 時間) 。間隔が短いことは、オイル量が少なく、動作温度が高いことを反映しています。 75 kW マイクロオイル コンプレッサーの年間メンテナンス コストは約 1,200 ～ 1,800 ドルですが、標準的なオイル注入式では 800 ～ 1,200 ドル、オイルフリーでは 3,500 ～ 5,000 ドルです。

ただし、下流の濾過コストを含めると、総所有コストの計算ではマイクロオイルが有利になります。標準的なオイルインジェクション式コンプレッサーでは、クラス 1 の空気品質を達成するためにコアレッシング フィルターと活性炭フィルターが必要で、フィルター エレメントの年間コストは 600 ～ 1,000 ドルかかります。 3 段階分離のマイクロオイル ユニットでは、多くの場合、コアレッシング フィルター (カーボン不使用) のみが必要となり、年間濾過コストが 40 ～ 60% 削減されます。 。年間 6,000 時間の稼働時間での 5 年間のライフサイクルの場合、標準オイル注入 + 完全ろ過とマイクロオイル + 最小限のろ過の累積コスト差は、マイクロオイルの方が 2,500 ～ 4,000 ドル有利になります。

設置要件と配管設計

マイクロオイルスクリューエアコンプレッサーは、標準ユニットよりも設置条件の影響を受けやすくなります。 圧縮空気の排出配管は、分離器への凝縮水の逆流を防ぐために、コンプレッサーから離れる方向に傾斜させる必要があります (最低 1:100 の勾配)。 。凝縮水の逆流は、分離器の早期故障の主な原因であり、凝縮水が吐出配管の低い箇所に溜まり、圧縮機がアンロードまたは停止したときに逆流することで発生します。自動ドレンバルブを備えた凝縮水ドレンレッグをコンプレッサーの吐出口から 2 メートル以内に取り付けます。

オイル量が減ると熱を吸収できないため、マイクロオイルコンプレッサーの換気要件はより厳しくなります。 コンプレッサー室を通過する最小空気流量は、設置電力 75 kW あたり 0.3 m3/s です。 (一般的な 50 m3 の部屋の場合、1 時間あたり約 30 回の空気交換)。コンプレッサーの吐出口からの熱風を空気入口に再循環させると、温度が 5°C 上昇するごとに体積効率が 3 ～ 5% 低下します。短絡を防ぐため、吸気ダクトと排気ダクトを少なくとも 3 メートル以上離して設置してください。

騒音放射と筐体設計

マイクロオイル スクリュー エアコンプレッサーは、エンクロージャなしで 1 メートルの距離で 72 ～ 78 dB(A) で動作しますが、標準的なオイル噴射式ユニットの場合は 68 ～ 72 dB(A) です。 より高い騒音レベルは、より厳しいクリアランスで出力を維持するために必要なローター速度の増加（通常は 2,000 ～ 3,000 RPM に対して 4,000 ～ 6,000 RPM）によって生じます。 。屋内で人の近くに設置する場合は、定格が 68 dB(A) 以下の音響エンクロージャを指定してください。フルエンクロージャでは、コンプレッサーのコストが 15 ～ 25% 増加しますが、知覚されるノイズは 10 ～ 12 dB(A) 減少します。

エンクロージャの設計では、ノイズ低減と冷却エアフローのバランスを取る必要があります。 15 dB(A) 以上の騒音低減を達成するために空気の流れを制限するエンクロージャには、通常、大型の冷却ファン (追加のファン出力 1 ～ 2 kW) または外部の空水熱交換器が必要です。吸気サイレンサーと吐出サイレンサー (単純なルーバーではない) を備えたエンクロージャを指定し、空気流量がコンプレッサー メーカーの要件を満たしていることを確認します。 エンクロージャの冷却が不十分だと、油温の上昇によりコンプレッサーの寿命が 30 ～ 50% 短縮されます。 .

制御システムと遠隔監視

最新のマイクロオイル スクリュー エアコンプレッサーには、タッチスクリーン インターフェイスを備えたプログラマブル ロジック コントローラー (PLC) ベースの制御が含まれています。最低限必要な制御機能: 吐出圧力、油温、油圧、セパレータ圧力降下、累積運転時間をリアルタイム表示 。マルチコンプレッサーを設置する場合は、リード/ラグの割り当てをローテーションし、動作時間のバランスをとって摩耗を均等化するマスター シーケンサーが必要です。マイクロオイルコンプレッサーは、ターンダウン範囲が狭いため、低負荷時の効率が低下するため、シーケンス制御から不釣り合いな恩恵を受けます。

Ethernet/IP、Modbus TCP、または 4G セルラー ゲートウェイを介したリモート モニタリングを強くお勧めします。 セパレーターの圧力低下の上昇 (コアレッサーの飽和を示す) または油温の上昇 (クーラーの汚れを示す) を早期に検出することで、計画外のダウンタイムを防止します 。自動アラートを設定します: セパレーター ΔP > 0.5 bar、油温 > 100°C、油圧 < 2 bar、および 1 時間あたり 10 回を超える始動 (短いサイクルを示す)。クラウドベースの監視プラットフォームのコストは、コンプレッサーあたり年間 200 ～ 500 ドルですが、事後対応ではなく予測的なサービスにより、通常、メンテナンス コストが 15 ～ 25% 削減されます。

総所有コストの分析

0.12 ドル/kWh の電力で年間 6,000 時間動作する 75 kW コンプレッサーの 10 年間の総所有コスト (TCO) を比較すると、次のようになります。

• 標準オイルインジェクションスクリュー： 資本金 $65,000、電力 $324,000、メンテナンス $48,000、濾過 $12,000 = $449,000
• マイクロオイルスクリュー： 資本金 78,000 ドル、電力 318,000 ドル、メンテナンス 60,000 ドル、ろ過 8,000 ドル = 464,000 ドル
• 無給油ネジ： 資本金 145,000 ドル、電力 305,000 ドル、メンテナンス 95,000 ドル、ろ過 4,000 ドル = 549,000 ドル

マイクロオイル ソリューションは、10 年間で標準的なオイル注入よりも約 3% 高価ですが、大幅に優れた空気品質を実現します (クラス 3 対クラス 5)。オイルフリーに対して、マイクロオイルは TCO を 15% 節約し、外部凝集フィルターを追加した場合と同じ最終的な空気品質を実現します。 マイクロオイルと標準オイル注入の損益分岐点は 6 ～ 7 年目に発生し、その後は累積コスト差により、製品汚染が 1 件でも 10,000 ドル以上のコストがかかる用途ではマイクロオイルが有利になります .