ポンプ内部リーク 2020年11月23日 内部リークとは 容積式ポンプの概要で述べたように、出口圧力に関係なく固定された容積は理論的なものに過ぎません。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、圧力依存性はさまざまに変化します。ここでは、内部リークについて詳しく見ていきます。 歯車ポンプの先端における内部漏れ 内部リークは、ポンプアセンブリ内の部品間の不完全な適合から生じる。2つの構成部品がいかにうまく適合していても、微視的な隙間は存在し、流体はその隙間を通って移動します。内部リークは通常、流体の動粘度に直線的に関係するため、低粘度の流体ほど顕著になります。 内部リークは常に望ましくないとは限りません。ギヤポンプのベアリングの潤滑には、正しい流体力学的ベアリングを確立するために、高圧領域から低圧領域への流れが必要です。一部のポンプでは、システムの過圧を防ぐために最大圧力を制限するために内部リークが使用されます。 ポンプ設計の中には、干渉嵌合（すなわちシール）を備えた適合材料を使用することにより、内部リークを排除するものもあります。これらの戦略は、ほぼすべての内部漏れをなくすことができる。しかし、摺動摩耗が発生し、別の問題が生じる。この記事では、摺動シールに焦点を当てない。 ロータリー容積式ポンプ ロータリポンプの内部リークの一般的な原因は、ティップクリアランスとフェースクリアランスの2つです。例えば、ベーンポンプの場合、ベーンが壁面に対して積極的に摺動するため、ティップクリアランスはありません。回転容積式ポンプの内部リークは、流量を減少させるだけでなく、最大圧力とプライム能力も低下させます。 先端クリアランス ギア、ローター、またはローブの先端におけるクリアランスは、内部リークの重要な原因です。圧力がない場合、流体は先端表面で先端速度に達し、キャビティ壁面では速度がゼロになり、その間は直線的な分布になります。しかし、出口に十分な圧力がかかると、曲線の中央が反転し、その結果、一部の流体が逆流することがあります。閉塞流圧（流量がゼロに等しい）では、前方に流れる流体の体積は、後方に流れる流体の体積と等しくなります（他の漏れの原因は無視します）。 ギアチップ流体流量 ギアチップ流体流量 他の内部リークとは異なり、ティップクリアランスはモデリングが極めて複雑である。実験データと物理モデルの両方を考慮すると、漏れのメカニズムは層流（粘性に依存）と流体慣性（密度に依存）のハイブリッドであることが示唆される。データは、内部リークがh²とh³の間に依存することを示唆しており、hは半径方向のクリアランスであり、先端長さの逆数に対して線形である。 内・外歯車ポンプ、ジェロータポンプ、ローブポンプの設計者は、先端部での漏れの影響を減らすために、3つの方法を利用できる： 先端のクリアランスを小さくする。そのためには、再現性のある高い精度、優れた品質管理、流体の吸収、温度差、残留応力、クリープによる歪みを最小限に抑えた材料の使用が必要です。チップクリアランスの長さを長くする。そうすることで、1回転あたりの体積が減少するというトレードオフがあるため、設計上の選択となります。しかし、内部リークは多くの場合75%に比例します。 変位に最適化されたチップ 低内部漏れ用に最適化されたチップ 変位に最適化されたチップ 低内部リークに最適化されたチップ ギアの歯数を増やす。先端の長さを長くするのと同様に、歯数を多くすると、1回転あたりの体積が少なくなります。キャビティに近接する歯数を増やすと、流体力学シミュレーションによる以下の圧力結果に示されるように、より多くの「圧力シール」が形成されます。歯の数を増やすと、流れがスムーズになり、騒音が減少するという利点もあります。 数値流体力学によるギアチップ漏れのシミュレーション 顔面クリアランス 回転エレメントの面を横切る内部リークは、多くの回転容積式ポンプの内部リークの最大の要因です。この方向の隙間は、先端の隙間よりも制御しやすい（公差スタックアップの構成部品が少ない）が、表面積が大きく、流量は隙間の3乗（h3）に比例する。また、面を横切る流れには、漏れ経路に沿った多数の歯と、歯車の歯の先端での高い前進速度の利点がありません。フェースを横切るリークを減少させる唯一の選択肢は、クリアランスを減少させることができるように、コンポーネントの精度と品質を高めることである。 ギアフェース間の内部リーク 一部のポンプでは、ハウジングの各部分の間にPTFEガスケットを配置している。これらのガスケットは、外部漏れに対するシールを形成する。しかし、これらのガスケットの厚さは、フェースクリアランスに直接影響します。時間や温度の経過とともにガスケットの厚みが変化し、ポンプの性能が変化することがあります。 往復動容積式ポンプ 往復動容積式ポンプは、正確な量の液体の計量や吐出に最適です。驚くことではありませんが、これらのポンプは、容積式ポンプの2つのクラスの中で内部漏れが最も少なくなっています。しかし、多くの用途で要求される精度のため、内部リークはポンプ設計と製造の重要な側面となっています。 チェックバルブ ほぼすべての往復動ポンプに共通する内部漏れの原因は、入口と出口に組み込まれた逆止弁である。ポンプの逆止弁のほとんどはダイヤフラム逆止弁(1)かボール逆止弁（ボール弁と混同しないように）(2)です。吸入口での漏れは、吸入口での不注意な正圧につながります。吐出口での漏れは、吐出ポートから液体をわずかに後方に引っ張る可能性があります。いずれの場合も、有効なディスペンス量は減少します。 ダイアフラムポンプにおけるチェックバルブの例 ダイヤフラム逆止弁は、穴の上に配置され、定常状態で閉じている柔軟なゴムを使用しています。密閉はダイアフラムの非ストレス形状と背圧に依存しており、逆漏れを防ぎます。ダイアフラムチェックバルブの形状には、フリーフローティングディスク、フレックスエラストマー、ダックビル、アンブレラなどがある。逆漏れは、ダイアフラムが時間の経過とともにたわんだり、破片がシール面に干渉したり、流体中の研磨粒子がシールやシート面を摩耗したりすることで発生します。 スプリング式ボールバルブは、ボールと弁座が密着することでシールします。多くの場合、弁座は円錐形になっており、ボールを弁座に誘導して密閉します。一般的に、寿命を最大化するために硬い材料で作られています。しかし、硬い材料は、互いに適合するために必要なコンプライアンスを欠いており、その結果、流体が漏れるための微細な経路が生じる。 多くの企業が高品質の逆止弁の設計と製造に特化している。材料、設計、製造方法はよく開発されている。しかし、上記のような固有の特性を避けることはできません。バルブレスピストン定量ポンプは、逆止弁のない設計を提供しますが、内部漏れの原因が増えます。 ピストンクリアランス ピストンポンプとバルブレスピストンポンプは、シリンダー内を摺動するピストンを備えている。真直度、サイズ、円形度、円筒度の偏差により、液体が流れる隙間が生じます。漏れの量は吐出圧力に直線的に依存し、吐出量から差し引かれます。 ピストンポンプの内部漏れ ピストンとシリンダー間の漏れは、圧力の関数として次式で表される： P = 出口圧力µ = 動粘度D = ピストン直径h = ラジアルクリアランスL = 長さ 通常、ポンプ設計者が利用できる唯一の変数はクリアランスである。流量はh3に比例するため、高性能のピストンポンプには非常に厳しいクリアランスが要求されます。これを説明するために、クリアランスを0～20µmまで変化させた、水を使用した一般的なポンプの用途を以下に示します。精密な用途の場合、漏れは所望の変位の1％未満でなければなりません。 ピストンポンプ内部リークのクリアランス依存性 クリアランスの関数としてのピストンポンプ内部漏れ 一桁マイクロメートル（ミクロン）のクリアランスを得るのは簡単ではありません。形状、サイズ、表面仕上げ、熱膨張、機械加工技術などの変数を綿密に評価する必要があります。セラミック材料には、この用途に最適な特性があります： 低熱膨張 精密研削能力 小粒径 幅広い流体で寸法変化なし 正しい材料の選択は、ソリューションの始まりに過ぎない。次に、高度に制御された精密機械加工と品質管理を実施する必要があります。これは、典型的なISO9001の実践を超えるものであり、ミクロのスケールで高品質を実現するための深い知識と経験が必要です。 概要 スライディングシールとして使用される寿命の限られた摩耗部品をユーザーが許容しない限り、内部リークは容積式ポンプにとって無視できない現実です。油圧的に効率的で再現性のある設計の鍵は、適切な材料、高精度の機械加工、100％のポンプテスト、そして規律正しい品質保証プロセスを使用することです。アプリケーションに精度、再現性、信頼性が要求される場合、開発または生産サイクルの中で不測の事態が発生しないよう、エンジニア間のコミュニケーションが非常に重要です。
