容積式ポンプ

容積式ポンプとは？

容積式ポンプは、封じ込められた体積の流体をシステムを通して機械的に移動させます。吸入（吸引）側では体積が膨張し、吐出（排出）側では体積が収縮します。したがって、1回転あたりの容積は固定され、出口圧力、吸入真空、流体特性に関係なく理論的に一定です。容積式ポンプは自吸式でもあり、吸入側に強力な真空を発生させます。これにより、システム全体の設計が簡素化され、手動で再吸込みを行うことなくメンテナンスが可能になります。

容積式ポンプの挙動は、加速された流体の運動量に依存して圧力で流量を供給し、圧力変化に非常に敏感な遠心ポンプとはかなり異なります。右のグラフは、同じサイズのモーターを使用した外歯車ポンプ（一般的な容積式ポンプ）と遠心ポンプを比較したものです。遠心ポンプはかなり高い流量に達することができますが、圧力に対して非常に敏感です。

DPP渦巻きポンプと歯車ポンプの流量比較グラフ

流量が圧力に依存しないのは、理論上のことに過ぎません。材料のたわみ、内部リーク（「ブローバイ」）、摩耗、その他の変数により、わずかな圧力依存性が生じます。圧力依存性の大きさは、ポンプの種類とポンプ部品の精度の関数です。ポンプの種類を選択する際には、精度、寿命、システム応答性の間でトレードオフを行う必要があります。ポンプ設計者と密接に協力し、高精度で高品質の部品を使用することで、トレードオフのマイナス面を最小限に抑えることができます。

容積式ポンプは、ポンプの特性と用途が大きく異なる2つのサブカテゴリーに分けることができます。

• レシプロ
• ロータリー

往復動容積式ポンプ

往復動容積式ポンプは、機構が直線運動を繰り返すことで作動する。この動きはしばしばストロークと呼ばれ、ポンプのサイズはしばしばストロークあたりの容積として指定されます。往復ポンプの吐出は1回転に1回であるため、流量プロファイルはパルス状です。不適切に実施された場合、脈流は過度の振動および／または油圧システムの損傷を引き起こす可能性があり、 「ウォーターハンマー」と呼ばれることもある。脈動流はまた、平均流量よりも高いピーク流量を引き起こすため、油圧回路の慎重な設計が必要となる。往復動ポンプは、精密で再現性のある流体の計量と吐出に理想的です。最も一般的なレシプロポンプの種類は以下の通りです：

• ダイヤフラムポンプ
• ピストンポンプ
• プランジャーポンプ

ダイヤフラムポンプ

ダイアフラムポンプは、内側と外側に曲がる柔軟な膜（しばしばダイアフラムと呼ばれる）を使用します。この膜の動きによってポンプ内部の容積が変化し、バルブと組み合わせることでポンプへの流体の出入りが可能になります。ダイアフラムポンプは真空、空気、低圧の腐食性流体に最適です。

ダイアフラムポンプにおけるチェックバルブの例

ピストンポンプ

ピストンポンプでは、ピストンはぴったりとはまったシリンダー内を摺動します。ピストンが収縮すると、容積が拡大します。通常、吸入口のバルブが開き、容積が拡大するにつれて流体がポンプに流入します。ピストンが逆転すると、容積は収縮し、出口のバルブが開いてポンプから流体が出ます。

DPPダイアグラムピストンポンプ

バルブレスピストンポンプ

この特殊バージョンのピストンポンプはバルブレスで、バルブレス定量ポンプと呼ばれることもあります。このポンプは、ピストンの360°回転と連動した正弦波直線運動を持っています。ピストンの先端には平らな部分があり、ピストンの動きに同期して吸入口と吐出口を開閉します。このタイプのポンプは、摩耗や固着の原因となるバルブを排除し、全体的な設計を大幅に簡素化します。

DPPバルブレスピストンポンプ

プランジャーポンプ

プランジャーポンプは、ピストンポンプとほぼ同じ方法で作動する。違いは、プランジャーがシールを通ってポンプ容積内に移動することです。プランジャーの変位量によってポンプ内の流体容積が変化し、ポンプ作用が生じます。

プランジャーポンプのDPP図

回転容積式ポンプ

回転容積式ポンプは、往復ポンプの直線運動ではなく、一連の回転容積を使用して流体を移送します。回転エレメントはポンプケーシングまたは他の回転エレメントに対してシールします。通常、1回転に複数の容積があるため、往復ポンプよりもはるかにスムーズな流れが得られます。しかし、一般的に往復ポンプほど正確な流量が得られないため、定量吐出用途には不向きです。回転容積式ポンプの最も一般的なタイプは以下の通りです：

• 外部ギアポンプ
• 内歯車ポンプ
• ベーンポンプ
• ペリスタポンプ
• ローブポンプ

エクスターナル・ギア・ガンプ

外歯車ポンプは、最もシンプルで一般的な回転歯車ポンプです。通常、2つのギアが別々のシャフトにあり、1つのシャフトがモーターに接続されています。歯車の噛み合わせが外れることにより、ポンプの吸入口は真空状態になります。ギアが回転すると、流体はギアの歯とケーシングの空洞壁の間に閉じ込められます。その後、流体は出口まで回転し、排出されます。流体はギヤの噛み合いにより吸入口へ逆流することができないため、吐出口から吐出さなければなりません。圧送された流体は、ギアメッシュと関連するジャーナルベアリングを潤滑します。

DPP外歯車ポンプサイクル

インターナル・ギア・ガンプ

インターナルギアポンプは、異なる歯数の異なるサイズのギアを使用し、そのうちの1つは内歯になっている。歯車はポンプケーシングに対して偏心しており、回転に伴って歯車の噛み合い部分に隙間が開くようになっています。この隙間は、シールとして機能する三日月型のエレメントによって仕切られている。三日月を通過した後、メッシュは閉じ始め、容積は排出口に排出される。より高い出力要件、クレセントの複雑さ、より困難なギア製造により、内歯車ポンプはやや特殊なクラスとなっています。

DPPインターナルギアポンプ

ジェローター

ジェロータは、クレセントエレメントを使用しない特殊な内歯車ポンプである。インナーローターは通常モーターで駆動されます。クレセントをなくすことで設計はシンプルになりますが、高精度と低クリアランスが要求されます。滑らかなプロファイルと動作は、他の従来のギアポンプでは不可能な特殊な材料の使用を可能にします。

ジェロータポンプのDPP図

ベーンポンプ

ベーンポンプには、ポンプキャビティに対して偏心した回転エレメントが1つだけあります。回転エレメントには複数のベーンがあり、キャビティ壁の形状に合わせてスライドまたは変形します。ベーンはキャビティ壁に対して密なスライディングシールを形成し、入口で液量を閉じ込め、出口に排出します。ベーンポンプは、ベーンがキャビティ壁に接触しているため、圧力変化に非常に敏感です。しかし、ベーンと壁の間の摺動は、動力、騒音、寿命の問題を引き起こします。

ベーンポンプのDPP図

ペリスタポンプ

ローラーポンプとして知られることもある蠕動ポンプは、ローラーを使って液体をフレキシブルチューブ内に閉じ込め、入口から出口まで移動させることで液体を送ります。この設計により、液体の接触はチューブの内側のみとなります。この特徴と交換が容易なチューブが相まって、ペリスタポンプは透析装置における血液接触など、1回限りの使用に理想的なポンプとなっている。しかし、チューブを頻繁に絞るためには、チューブの交換も頻繁に行わなければならず、多くの用途では面倒なものとなっている。蠕動ポンプは、往復動ポンプによく似たパルス状の流れを持つ。

蠕動ポンプのDPP図

ローブポンプ

ローブポンプは外歯車ポンプに似ているが、歯車の代わりにローブ状のエレメントを備えている。ローブ状のエレメントはそれぞれ、時限ギアを備えたモーターによって駆動されます。これにより、2つのローブ間の接触がなくなり、摩耗が減少し、流体のせん断が最小限に抑えられます。ローブポンプは、歯の数が少ないため、他の容積式ポンプよりも大きな固形物を扱うことができます。

ローブポンプのDPP図

ポンプの選択

油圧システムに適したタイプのポンプを選択することは、信頼性が高く効率的な装置を作るための第一歩です。長寿命とシステムの安定性を確保するために最適なポンプを選択するためには、ポンプ設計エンジニアとの緊密な連携が推奨されます。設計プロセスの最初に正しいポンプタイプと品質を選択することで、システム全体が大幅に簡素化され、時間、スペース、コスト、そして頭痛の種が軽減されます。

ポンプメーカーであるDiener Precision Pumps社にご相談ください。