ポンプのキャビテーションとその回避方法

ポンプは、多くの工業プロセスに不可欠な部品です。ポンプは、流体の移送、圧力の制御、流量の維持など、さまざまな目的で使用されます。しかし、ポンプで発生する最も一般的な問題の1つがキャビテーションです。キャビテーションは、ポンプに損傷を与え、メンテナンスコストを増加させ、全体的な効率を低下させる大きな問題となります。このブログでは、ポンプのキャビテーションの定義、経済への影響、キャビテーションを回避するための解決策について説明します。また、キャビテーションを特定する方法と、キャビテーションの発生を防止する方法についても取り上げます。

ポンプのキャビテーションとは？

すべてのポンプは、吸入口に低圧を発生させ、大気圧（またはシステム圧）で流体をポンプ内に押し込むことで作動します。このプロセスにより、すべてのポンプはキャビテーションと呼ばれる現象の影響を受けやすくなります。キャビテーションとは、局所圧力が液体の蒸気圧より急速に低下したときに、液体内部に蒸気キャビティ（気泡）が形成されることです。これにより、液体内に蒸気泡が形成され、通常、短時間持続した後、崩壊して液体に戻ります。崩壊は激しく、大きな破裂音が発生し、しばしば近くの表面を傷つける。気泡の崩壊から生じる強力で局所的な噴流を受けると、強靭な金属でさえ孔が開く。この損傷を放置すると、最終的にはポンプが破壊されることもあります。

ポンプ内部では、キャビテーションは、局所的な低圧領域が存在する可動部の背後で発生することがよくあります。これはユーザーには気づかれないかもしれませんが、ポンプ内のコンポーネントを損傷し始めるため、避けなければなりません。システム入口圧力が低下すると、キャビテーションはより顕著になり、ポンプ変動（ポンプ速度の変化）を生じ、大きな騒音を発し、ポンプ出口で液体が濁る（溶存空気）こともあります。

ポンプのキャビテーションが始まるポイントは非常に複雑である。それは、流体の粘度、蒸気圧、密度、温度、液圧リフト、大気圧、ポンプのタイプ、およびポンプ速度の組み合わせである。キャビテーションの前兆は、液体中に閉じ込められた既存の気体の成長であることが多い。これらの気泡はポンプを損傷させる危険性はありませんが、送液の精度を低下させる可能性があります。

入江の制限

容積式ポンプを使用する際にポンプキャビテーションが発生する最も一般的な原因は、ポンプのインレットに長くて直径の小さいチューブを使用することです。チューブを通る圧力損失の一般式は、∆P=Q・μ・(128・L)/(π・D^4)です：

Q = 流量
µ = 動粘度
L = チューブの長さ
D = チューブの内径

圧力損失は^D4に依存するため、チューブの内径を2倍にすると圧力損失は16分の1になることに注意！上記の式は層流のみの場合です（レイノルズ数< 2320）。乱流の場合、式はより複雑になり、粘度の代わりに密度に依存します。

チューブ内の層流と乱流の比較

油圧システムの設計者が見落としがちな圧力損失の原因は、チューブだけではありません。インレットフィルタ、チェックバルブ、オリフィスは、インレットでの真空度を高めるコンポーネントの一例である。特に逆止弁は、真空度が高くなりすぎないように注意深く選ぶ必要がある。

精密ポンプメーカーとして、ダイナーは流体速度が高く、低圧のキャビテーションゾーンにつながる制限を最小限に抑えるよう、内部流路の設計に特別な注意を払っています。流体が容易に移動できるようにすることで、キャビテーションとその破壊的影響の可能性を減少させます。

往復動容積式ポンプにおけるキャビテーション

往復動容積式ポンプは、通常、高速回転ポンプのような内部で高度に局所化したキャビテーションに悩まされることはありません。しかし、流量が非常にパルス化されるため、ピーク流量は平均流量の3倍にもなります。さらに重要なことは、流体の頻繁な停止/始動により、吸込口に慣性に基づく真空が発生することです。ポンプがインレットから流体を引き込み始めると、背後の流体は加速しなければなりません。粘性抵抗と同様に、細長いチューブは流体の加速に関連する真空にとって最悪です（^D2に比例）。レシプロポンプのこれらの側面は、平均流量のために設計しているシステムエンジニアを驚かせることがあります。

往復ポンプの脈動流

容積式往復ポンプのキャビテーションを防止するには、いくつかの対策を講じることができる。これには、適切な吸込圧の確保、適切なNPSH（正味吸込揚程）値の維持、キャビテーション抑制技術の組み込みや浸食に強い材料の使用など、適切な設計上の考慮事項の実施が含まれます。ポンプのキャビテーションに効果的に対処することで、往復動容積式ポンプの性能、効率、および寿命を大幅に向上させることができます。

回転容積型ポンプのキャビテーション

先に述べた真空を発生させる抗力に加え、高速で動くエレメントは、動くエレメントのすぐ後ろに低圧領域を作ります。これは、プロペラや遠心ポンプのインペラのような直径の大きい部品ではリスクとなり、小型の歯車ポンプではそれほど強い影響はありません。しかし、ギヤポンプでは、2つのギヤの間に空隙が開き、新しくできた容積がすぐに液体で満たされるため、ギヤメッシュで内部キャビテーションが発生する可能性があります。この影響は、精密に加工されたヘリカルギアによって最小限に抑えることができ、ギアメッシュの滑らかな開口部を生成することができます。とはいえ、ポンプ内の内部メカニズムにより、3000rpmを超える回転数では、水中で0.1バールもの局所的な圧力低下が発生する可能性がある。

外歯車ポンプによく見られるキャビテーションの発生箇所

蠕動ポンプとローブポンプは、その流量プロファイルに比較的強い脈動がある。この脈動により、往復ポンプと同様の過渡的な真空が発生する。したがって、これらのポンプを使用する場合は注意が必要です。

正味吸込揚程 (NPSH)

NPSHは、土木技師が使用する一般的な指標です。この業界の遠心ポンプおよびタービンメーカーは、ポンプがキャビテーションを起こさないようにするために必要な吸込ポートの最低圧力を示すNPSH定格をポンプに与えることがよくあります。医療、食品、飲料、および軽工業用途の容積式ポンプでは、流体、温度、速度、およびその他の運転条件のばらつきが大きいため、ポンプにNPSH値を付けないのが一般的です。

ポンプのキャビテーションを回避する最善の方法は、油圧システムの設計の初期段階でポンプサプライヤと協力することです。ポンプエンジニアは、ポンプの感度を理解し、どの程度の真空レベルが許容可能かを知っており、キャビテーションを回避するために油圧システムを調整した経験が豊富です。システム設計者とポンプエンジニアが緊密に協力することで、設計プロセスが合理化され、設計サイクルの後半での繰り返しを避けることができます。