容積式ポンプにおける粘度の影響

粘度は容積式ポンプに影響するか？

容積式ポンプは、一定量の流体をシステムを通して機械的に移動させます。したがって、流体の粘性はポンプの出力にほとんど影響しないと結論づけることができるかもしれません。しかし、これは誤解であり、粘度の影響をよく理解し、システム設計者がその情報をポンプエンジニアに適切に伝えない限り、油圧システムで深刻な問題を引き起こす可能性があります。

粘度とは何か？

粘度とは、流体の内部摩擦、または変形に対する時間依存性の抵抗の尺度である。水は低粘度の例であり、蜂蜜は高粘度の例である。流体システムでは、粘度が高いほど周囲の表面に対する抵抗が大きくなります。周囲の表面（チューブの壁など）との粘性相互作用に打ち勝つためには、力（圧力など）を加える必要があります。

粘度は通常、動粘度（ν）と動粘度（μ）の2つの方法で表されます。この2つはν=μ/ρで表され、ρは流体密度です。層流系では、動的粘度の使用が最も一般的です。動的粘度は多くの場合、センチポイズ（cPs）で表され、1cPs＝10-3Pa・sです。水（1cPs）未満の粘度を持つ流体はほとんどないため、ポンプやシステムの問題の大半は高粘度流体によって発生します。

システム設計者は、温度が流体の粘度にどのような影響を与えるかについても認識しておく必要がある。例えば、50％水／グリコール溶液の粘度は、0～50℃の間で5倍近く変化する。水の粘度は同じ温度範囲で3倍変化する。

外圧の低下

油圧システムの特徴として見落とされがちなのが、チューブを通る圧力損失である。流れが層流であれば、チューブ内の圧力損失は粘度に直線的に依存する。したがって、100cPsの流体は、水と比較してチューブ内の圧力損失が100倍になります。圧力損失はポンプ出口（加圧）と入口（負圧）の両方に影響します。乱流は粘度よりもはるかに密度に依存するため、この記事で考慮する価値はありません。

脈動流を持つ往復ポンプは、圧力降下、ひいては流体粘度の影響をさらに受けやすい。これは、パルス流のピーク流量が平均流量よりもかなり高いためです。このため、圧力（または真空）スパイクが発生し、吐出量の不規則性、キャビテーション、ポンプの摩耗の加速につながります。

チューブを通る流れの圧力損失を計算する公式は、オンラインで簡単に入手できます。層流であることを確認するために、レイノルズ数が2320未満であることを確認することが重要です。円管の場合、レイノルズ数はRe=4Q/((μ/ρ)・π・D)で計算され、Qは体積流量、Dは管内径です。乱流は定量化が著しく難しく、圧力損失が急激に増加する傾向がある。

内圧低下

高粘度流体用に設計されていないポンプは、ポンプ内の流路が狭くなっている可能性があります。このような流路は、前のセクションで説明した外部圧力低下と同じ影響を引き起こす可能性があります。アプリケーションの詳細をポンプエンジニアリングチームと協議し、意図しない影響がないことを確認することが常に重要です。

内部リーク

容積式ポンプはすべて内部漏れの影響を受けます。流体は、薄い隙間、摺動部品間、内部シールの微小隙間を通って流れます。粘度の高い流体は、内部の隙間を流れにくくなります。したがって、粘度が高ければ高いほど、圧力差の影響を受けにくくなります。

ポンプ容量

粘度の高い流体を素早く変形させるには、より大きな力が必要になるため、流体の粘度はポンプを作動させるのに必要な力に直接影響します。例えば、水の入ったボウルをかき混ぜようとするのと、蜂蜜の入ったボウルをかき混ぜようとするのとでは、蜂蜜の入ったボウルの方が、スプーンを動かすのに必要な力が大きくなります。蜂蜜の中でスプーンを動かすのに必要な仕事は、かなり高くなります。ポンプでも同じことが言える。外歯車ポンプの歯車が、より粘度の高い液体の中で回転しなければならない場合、単に回転するための動力損失はより大きくなる。ポンプのモーターサイズが固定されている場合、回転数が低下し、ポンプの能力が低下する可能性があります。

キャビテーション

すでに説明したように、高粘度流体は、適切に対処しなければ、ポンプの入口でより高い真空を発生させる可能性があります。ポンプ入口の平均圧力が低くなると、ポンプ内でキャビテーションが発生する可能性が高くなります。興味深いことに、高粘度流体は低粘度流体ほど有害なキャビテーションジェットを形成しないことが研究で示されています。とはいえ、キャビテーションを回避することは、信頼性の高い流体供給に不可欠です。

潤滑

磁気結合ギヤポンプのように、ポンプに内部流体動圧軸受がある場合は、一般に粘度が高いほど寿命が長くなります。支持される油圧負荷（固体-固体接触なし）は、流体粘度に直線的に関係します。したがって，粘度の高い流体は軸受に支持を与え，寿命を延ばす。しかし、寿命の増加は、先に述べた他の影響によって相殺される可能性がある。

結論

システム設計者が流体の粘度をコントロールできることは稀です。したがって、流体の粘度がシステム（チューブの適切なサイジングなど）とポンプの両方にどのような影響を与えるかを認識しておくことが不可欠です。設計サイクルの早い段階でポンプエンジニアリングチームとオープンな対話をすることで、再設計のコストと遅延を防ぐことができます。