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機械設計歴20年以上のT.surfと言います。
今回は以下に関する記事です。
圧縮エアとエアの流量単位
「NL/min L/min(ANR)」と換算式
⇩本記事は初心者設計者の方で以下の方にオススメです⇩
未経験機械設計者
エアの流量単位で NL/minって？
L/min(ANR)って？
換算式も教えて
⇩本記事を読むと以下が わかります⇩
以下を なるべく
わかりやすく説明します
- エアの流量の考え方や単位
- NL/minやL/min(ANR)への変換
- ①概要
- ②圧縮エアについての基礎
- ③流量とは
- ④L/min ⇒ ＮL/minの換算式
- ⑤L/min ⇒ L/min(ANR)の換算式
- ⑥換算式を導く
- ⑦エア消費量での計算例
- ⑧補足：エア用流量計解説
- ⑨まとめ
①概要
圧縮エアは、圧力によって流れているエアの量に
違いがあります。
例えば５Ｌ/ｍｉｎと一言でいいますが、
圧力が０．１ＭＰａと０．５ＭＰａでは、
実際に流れているエアの量は違いますよね？
０．１ＭＰａより ０．５ＭＰａのほうが、エアが圧縮されている分
エアの量が多いことになります。
では 実際に流れているエアの量を、
直観的に理解する方法はないのでしょうか？
それが以下の単位なのです。
- NL/min （ノルマルリッター/毎分）
どんな圧力 温度でも大気圧 温度０℃ 湿度0％に換算
- L/min(ANR) (リッター毎分ANR)L/min(ANR)
どんな圧力 温度でも大気圧 温度20℃ 湿度65％に換算
これなら 圧縮エアが、どんな状態だろうと
直観的に実際に流れている（消費している）エアの量を
理解することができます。
次章から圧縮エアの基礎知識を理解いただいて後、
L/min⇒NL/min、L/min⇒L/min(ANR)の換算式を解説します。
②圧縮エアについての基礎
気体と液体の大きな違いは分子間の距離です。
気体は分子間の距離が大きいので 外力を加えれば、
大きく圧縮することが可能です。
有名な式ですが、以下圧力 体積 温度の関係式
ＰＶ＝ｎＲＴ
より Ｐ＝ｎＲＴ/Ｖ
| Ｐ | ： | 圧力 | （Ｐａ） |
| Ｖ | ： | 体積 | （ｍ³） |
| ｎ | ： | モル数<気体分子の量> | （mol） |
| Ｒ | ： | 気体定数 | （J/(mol・k） |
| Ｔ | ： | 絶対温度 | （Ｋ） |
上記の式より、体積一定 温度一定でも
モル数（＝気体の分子の量＝エアの量）を大きくすれば
圧力も大きくなります。
それにより
同じ体積でも、圧力によって実際のエアの量が違ってきます。
どういうことかと言うと、
以下の図１と図２の立体の枠は どちらも
ある気体体積Ｖ’（ｍ3）とします。
中にはいっている●は気体の分子とします。
すると、図１と図２は同じ体積Ｖ１のはずなのに
モル数（＝気体の分子の量＝エアの量）が大きく違います。
そして、この体積当たりの空気の分子の量の違いが
圧力の違いとなります。
立体の中に 空気分子が多ければ多いほど圧力が、
高いということになります。
同じ体積でも圧力や温度により、エアの量はまったく異なるということです
③流量とは
概要
例えば エアブローや、エアパージなどでは
どのくらいエアを使っているのか？
を、数値により管理したい場合があります。
そこで 毎分あたり どの程度の体積が
移動するかで、その流量を測ります。（単位はＬ/min)
ただし注意ですが
②で説明したように、同じ体積であっても圧力や温度によって
エアの量は違ってきます。
その時に、
圧力や温度まで考慮するかしないかで単位は以下に分かれます。
エアの流量の単位L/min
どのような温度 圧力の条件でも、毎分あたりの体積しか
見ていません。
つまり先述の以下の図１と図２の流量は同じになります
NL/minとL/min (ANR)
どのような温度 圧力でも
以下のぞれぞれの条件に換算します。
NL/min・・・・・大気圧 温度０℃ 湿度0％
L/min(ANR)・・・大気圧 温度20℃ 湿度65％
つまり どういうことかというと
先述の圧力の違う大気状態では 同じ体積であっても流量は
異なってくるということです
これにより、換算条件をちゃんと理解していれば
実際に流れているエアの量を、
直観的に理解できるようになります。
特にお客様から流量計の設置を要求され、
理由がエアの消費量を知りたい場合、
これらの単位のものを提示しなくてはいけません。
④L/min ⇒ ＮL/minの換算式
NL/minの条件の一つに『湿度0%』がありますが
湿度0％の計算までは、できませんので湿度による影響は誤差とします。
ＮＬ/ｍｉｎの単位で表される温度や圧力を、加味している流量を
実質流量としてＶ1とします。
Ｌ/ｍｉｎの単位で表される体積のみを見ている流量を
体積流量としてＶ0とします。
| Ｖ1 | ： | 実質流量 | （ＮＬ/ｍｉｎ） |
| Ｔ0 | ： | 温度 | （℃） |
| Ｖ0 | ： | 体積流量 | （Ｌ/ｍｉｎ） |
| Ｐ0 | ： | 設定圧力 | （ＭＰa） |
⑤L/min ⇒ L/min(ANR)の換算式
L/min(ANR)は、湿度も気温も通常の状態です。
Ｌ/ｍｉｎ（ＡＮＲ）の単位で表される温度や圧力を、
加味している流量を 実質流量としてＶ2とします。
Ｌ/ｍｉｎの単位で表される体積のみを見ている流量を
体積流量としてＶ0とします。
| Ｖ2 | ： | 実質流量 | （ＮＬ/ｍｉｎ） |
| Ｔ0 | ： | 温度 | （℃） |
| Ｖ0 | ： | 体積流量 | （Ｌ/ｍｉｎ） |
| Ｐ0 | ： | 設定圧力 | （ＭＰa） |
黄色の塗りつぶしの箇所が違いますので、ご注意願います。
理由は 換算式を導くの最後で解説します
⑥換算式を導く
（お急ぎの方を読み飛ばしても構いません）
NL/minの場合で解説します。
換算式の導入式は、L/min(ANR)でも基本的な考えは同じです。
まず 流量は１ｍｉｎ当りの体積なので、
単純に流量を体積に置き換えて考えます。
Ｌ/minで表される体積のみの流量を体積流量としてＶ0とします。
| Ｖ0 | ： | 体積流量 | (L/min) |
| ＴK'0 | ： | 体積流量の時の気体の絶対温度 | (k) |
| Ｐ'0 | ： | 体積流量の時の気体の絶対圧力 | (MPa) |
ＮＬ/minで表される温度と圧力を考慮した流量を実質流量としてＶ1とします。
| Ｖ1 | ： | 体積流量 | (NL/min) |
| ＴK'1 | ： | 実質流量の換算条件である絶対温度 | (k) |
| Ｐ'1 | ： | 実質流量の換算条件である絶対大気圧 | (MPa) |
<注> 絶対温度と絶対圧力に関しては 後述します
すると、以下の式が成り立ちます
Ｐ'０Ｖ'０＝ｎＲ'Ｔ'0 ・・・式1
Ｐ'１Ｖ'１＝ｎＲ'Ｔ'1 ・・・式2
(この時の気体定数Ｒ’は体積の単位をＬに換算 圧力をＭＰａの状態のもの）
この時 エアのモル数は同じで、気体定数も当然同じなので
次式の式３が成り立ちます
(Ｐ'０Ｖ'０)/Ｔ'０＝(Ｐ'1Ｖ'1)/Ｔ'1 ・・・式3
つまり 以下の式４となります。
・・・式４
ここで 圧力はゲージ圧ではなく、絶対圧となります。
絶対圧とは 絶対真空を０ＭＰａとします。
すると、大気圧は０．１ＭＰａとなります。
絶対大気圧 Ｐ'1＝０．１（ＭＰａ）
同様に
絶対測定圧 Ｐ'0＝０．１+ Ｐ0（ＭＰａ）<Ｐ０：Ｖ０測定時のゲージ圧>
温度Ｔ1及び Ｔ0は絶対温度で、表現します。
全体温度とは 全ての分子が、運動を止める絶対零度のことで、
摂氏にすると-273℃となります。
絶対温度はこの摂氏-273℃を０Ｋ（ケルビン）とします
つまり、摂氏０℃は、絶対温度273Ｋとなります。
絶対温度（摂氏０℃） ＴK'１＝２７３（Ｋ）
同様に
絶対温度（常温） ＴK'0＝２７３+ Ｔ0（Ｋ）（Ｔ０：常温摂氏２５℃）
補足として Ｌ/ｍｉｎの場合 換算条件温度が摂氏２０℃なので
この換算条件温度Ｔ’2の値が２７３+２０＝２９３なのです
このＰ’0 Ｐ’１及び Ｔ’0 Ｔ’１を式４に代入します。
すると 冒頭で紹介した式となります。
⑦エア消費量での計算例
装置のエア消費量を<NL/min>で求められた時の
エアシリンダーのエア消費量計算例です。
⇩以下の記事を御参照願います⇩
⑧補足：エア用流量計解説
⇩以下の記事を御参照ください⇩
⑨まとめ
●エアの流量
体積しか見ない測定法と
圧力や温度を考慮した実際に流れてるエアの量を
測定する測定法が存在します。
●エアの流量単位
ノルマルリッター毎分(NL/min)
リッター毎分ANR(L/min ANR)は
圧力や温度を考慮し実際に流れてるエアの量を測定する単位です。
本記事は以上です。
ここまでお読み頂きありがとうございます。