遠心ポンプと容積式ポンプ：どのように選択するには？

ポンプは、モーターに次いでよく使われている産業機器である。現在、世界中で何百万台ものポンプが稼動しており、何千種類もの液体を搬送しています。

無数の利用可能なオプションから適切なポンプを選択することは複雑な作業です。ポンプの選択には、システム要件と移送流体の特性に特定のポンプの能力を適合させることが大きく関わってきます。

この記事では、ユーザーの要求の観点から、送液の特性から始め、ポンプ選択の具体的な内容に踏み込んでいく。

1. 基本要件

どのような用途においても、最初のステップはユーザーがポンプに求める基本的な要件を理解することです。例えば、入口条件、必要流量、圧力差、温度、粘度、摩耗性、せん断感受性、腐食性などの流体特性などです。ポンプを選択する前に、これらの条件をすべて決定する必要があります。

ポンプが良好に機能するためには、適切な吸引条件下で運転する必要があります。実際、ポンプが遭遇する最大の問題は、吸込条件の悪さにまでさかのぼることができます。ポンプが液体を押し込む能力は、液体を吸い込む能力をはるかに上回るため、吸込条件はポンプの能力内に保たれなければなりません。

圧力差もまた、特に省エネルギーとポンプの寿命を考慮する場合、重要な要素です。配管径を小さくし、配管長を長くすることで、システムの初期コストを削減できますが、ポンプの圧力差が大きくなる可能性があります。

この高い圧力差はエネルギー消費につながり、ポンプの寿命を縮める可能性があります。

要求される流体の特性は通常わかっており、重要なのは、あるポンプがこれらの特性にどのような影響を与えるかを理解することです。ほとんどのユーザーは、ポンプから吐出される液体がポンプに入ったときと同じ状態であることを好みます。適切なポンプ選択のためには、材料の適合性、粘度、せん断感度、特定の物質や固形物の存在が最も重要です。

2. 遠心ポンプと容積式ポンプの比較

基本的な要件が満たされ、液体の特性が分かれば、ポンプの選定を開始することができます。ポンプは一般的に、動圧ポンプ（遠心ポンプが最大タイプ）と容積式ポンプ（PDポンプ）の2つの基本カテゴリーに分けられます。

米国商務省のデータによると、全ポンプ売上高のうち約70%が動圧ポンプで、残りの30%が容積式ポンプです。ポンプを選ぶ最初のステップは、遠心ポンプと容積式ポンプのどちらがニーズに適しているかを判断することです。

産業用ポンプの大半は遠心ポンプであるため、多くの人はまず遠心ポンプを検討する。遠心ポンプのコストは通常、容積式ポンプよりも低く、多くの状況で使用するのに適したタイプのポンプでもあります。

各タイプのポンプは、それぞれ独自の方法で液体を攪拌し、それぞれ独自の運転特性と曲線を持っています。重要なのは、遠心ポンプが液体の流量に影響を与え、吐出口に一定の圧力をもたらすことです。

これに対して容積式ポンプは、まず一定量の液体を得て、それを吸込口から吐出口に送ることによって液体を攪拌する。

遠心ポンプの場合、まず圧力が発生し、次に流れが発生する。容積式ポンプでは、流れが最初に形成され、次に圧力が現れる。

パフォーマンス

様々なポンプの中から最適なタイプを選択するためには、これら2種類のポンプの作動特性の違いを理解することが極めて重要です。両者の性能表（図1a）を見ると、作動原理がいかに異なるかがわかる。

遠心ポンプは圧力（または揚程）に依存する可変流量現象を示すが、容積式ポンプは圧力に依存しない多かれ少なかれ一定した流量現象を示す。

粘度

粘度はポンプの機械効率に重要な役割を果たします。遠心ポンプはモーター速度で運転されるため、ポンプ内の摩擦損失が大きくなり、粘度が上昇すると効率が低下します。遠心ポンプの効率低下率は、粘度が高くなるにつれて急激に低下することに注意してください（図1b）。

もう一つの大きな違いは、粘度がポンプ容量に及ぼす影響です。流量チャート（図1c）を見ると、渦巻きポンプでは粘度が高くなるにつれて流量が減少するのに対し、容積式ポンプでは流量が増加することがわかります。

これは、粘度の高い液体が容積式ポンプ内の空隙を満たし、容積効率が高くなるためです。図1cは、粘度がポンプ流量に与える影響のみを表しています。

システム内の配管損失も増加することに留意してください。つまり、遠心ポンプ内の流量は、ポンプ差圧の増加とともにさらに減少します。

効率性

ポンプの機械効率に対する差圧の影響を考慮する場合、動圧ポンプと容積式ポンプは異なる特性を示します。図1dは、圧力の増加によってポンプ効率がどのように影響を受けるかを示しています。

容積式ポンプの場合、効率は圧力の上昇に伴って実際に向上しますが、渦巻きポンプには最良効率点（BEP）があります。このポイントの両側では ポンプ総合効率 は著しく低下する。

インレット状況

これら2種類のポンプは、吸入条件に対する要求が大きく異なります。渦巻きポンプは、圧力差を作るためにポンプ内に一定量の液体が必要です。液体のないドライポンプは自力で始動することができません。

いったん始動すると、遠心ポンプはメーカーが推奨する特定の吸入圧力要件を満たす必要があります。

容積式ポンプは体積を膨張・収縮させることで液体を攪拌するため、吸込口には負圧が発生し、ポンプが自己プライミングすることができます。

場合によっては、これが容積式ポンプか渦巻きポンプかを選ぶ唯一の決め手となる。

結論

まとめると、粘度が150cPを超え、広い範囲で流量を予測する必要がある場合、または自吸が望まれる場合は、容積式ポンプを検討することができます。また、渦巻きポンプと容積式ポンプでは、エネルギー消費量に大きな違いがある場合があるため、両者を選択する際には、エネルギー消費量も考慮する必要があります。

これは、遠心ポンプの効率低下が顕著になる毎分100ガロン以下の流量で特に重要である。

3. 容積式ポンプ

容積式ポンプの使用を決めた後でも、検討すべき選択肢はまだたくさんあります。各ポンプ操作の詳細を説明する前に、まず容積式ポンプの一般的な操作特性を確認しておきましょう。

上述したように、回転容積式ポンプは、シャフトが回転するごとに同じ体積の流体を吐出する。つまり、吐出される流体の流量は回転速度に比例します。

つまり、ポンプの回転数を変えるだけで、流量をコントロールできるのです。より粘性の高い流体の場合は、シャフトの回転数を測定するだけでポンプを計量することができます。

容積式ポンプの構造上、内部の部品がぴったりとはまり、一定の作動すきまが必要である。このクリアランスのために、吐出端から吸込端へ逆流する流体もある。

この現象は「スリップ」として知られています。スリップする流体の量は、流体の粘度、圧力差、およびポンプの内部クリアランスに依存します。通常、粘度が低いと滑りが大きくなり、粘度が高いと滑りが小さくなります。

容積式ポンプは常に同じ量の液体を吐出しようとするため、システムに必要な過圧保護装置を設けることが重要です。ポンプ吐出口に詰まりが発生すると、通常は圧力が上昇し、負荷がモーターの限界を超えるか、システム内の部品が破損して圧力が解放されるか、ポンプが故障した場合にのみ圧力上昇が止まります。これらの状況はすべて安全ではありません。容積式ポンプには圧力を逃がす方法が必要です。

圧力開放を実現するには、いくつかの方法がある。圧力逃し弁を使用するのが最も一般的ですが、吐出ラインにラプチャーディスクを使用することもできます。

駆動トルクは容積式ポンプ内部の差圧に直接関係するため、トルク制限カップリングを使用することもできます。重要なことは、容積式ポンプ内部で非常に高い圧力が発生する可能性があり、吐出詰まりや部分的な詰まりが発生した場合にこれを制限しなければならないことを覚えておくことです。

容積式ポンプは多くの種類に分けられる。ポンプメーカで組織された米国水力学会は、ポンプの種類と規格に関する様々な出版物を発行している。彼らは回転容積式ポンプをインペラ、ピストン、カム、ギア、リングピストン、スクリューに分類している。

さらに、ポンプの種類ごとにサブカテゴリーがあり、容積式ポンプには多くの種類があります。これらのポンプはすべて、流体を搬送するという同じ機能を持っています。

ほとんどの容積式ポンプは、幅広い用途に合うように改良することができるが、ある特定の環境には、他のタイプよりも優れているものもある。幸いなことに、基本的な流体輸送においては、いくつかのポンプが優れていることが証明されています。以下のセクションでは、内歯車ポンプ、外歯車ポンプ、およびインペラポンプの性能特性について説明します。

4. 内部ギアポンプ

内歯車ポンプは、ローターとして知られる外歯車部品で構成され、アイドラーとしても知られる内歯車を駆動する役割を果たす（図2）。アイドラーはローターよりわずかに小さく、ローター内で作動しながら固定ピンの周りを回転する。

これらの部品が外れると、一定の隙間空間が形成され、液体がポンプ内に流入する。これらの部品が噛み合うと、空間の容積は徐々に減少し、液体は吐出ポートから流出せざるを得なくなります。

液体は、ローターの歯車とポンプヘッド下の凹部を通って、膨張するキャビティに流入することができる。このタイプのポンプ設計の最後の重要な要素は、ポンプヘッドと一体化した三日月形のバリアである。

三日月形のバリアは、アイドラーとギアの間の液体を密封し、吸入口と吐出口の間のシールとして機能する。

ローターギアはギアシャフトに固定され、シャフトカラーまたは摩擦防止ベアリングによって支持される（図3）。アイドラーギアアセンブリには、ポンプ送液内に位置し、固定ピンの周りを回転するカラーベアリングも含まれます。

シャフトシールの配置によっては、ローターシャフトサポートベアリングは、ポンピングされた液体内で作動することができる。腐食性のある液体を移送する場合は、支持軸受を腐食させる可能性があるため、この点を強調する必要がある。

このようなポンプの実際の圧力限界は、ローターシャフトサポートベアリングの動作に依存します。大部分の内歯車ポンプの定格差圧は200psiですが、適切な使用条件下ではより高い圧力に使用できます。

内歯車ポンプの回転数は、渦巻きポンプに比べて比較的遅い。一般的に、最大は1150rpmですが、小さな設計方式では3450rpmに達するものもあります。内歯車ポンプは低速で運転できるため、高粘度流体の移送に適していますが、薄い液体にもうまく適用できます。インターナルギアポンプは、100万cStを超える粘度の液体や、液体プロパンやアンモニアのような非常に粘度の低い液体の移送に成功しています。

このタイプのポンプの流量範囲は、0.5ガロン/分から1500ガロン/分までです。材質は鋳鉄とハステロイを含む様々な耐食合金があります。

内歯車ポンプは、製造時に公差の厳しい設計を採用しているため、大きな固形物を送液する際に破損する可能性がある。このタイプのポンプは、腐食性の用途で小さな懸濁粒子を搬送することができますが、摩耗して徐々に性能が低下します。

腐食性の用途では、耐腐食性材料を選択することで、ポンプの寿命を大幅に延ばすことができます。この場合、タングステンカーバイド、硬化鋼、各種コーティングはいずれも優れた結果をもたらします。

内歯車ポンプは非常に幅広い用途があり、せん断に弱い液体にも効果的に使用できます。廃水、ポリマー、せん断に敏感な塗料、アスファルトエマルジョン、マヨネーズなどの特定の食品などがその応用分野です。

このタイプのポンプを使用する場合、常にせん断力を受けるのはごく少量の液体だけである。さらに、必要に応じてクリアランスと速度を調整し、せん断力の影響を最小限に抑えることができます。

4. 外部ギアポンプ

外歯車ポンプは、ポンプ作用において内歯車ポンプと類似しており、2つの歯車を噛み合わせたり外したりして流体の流れを駆動する（図4）。

しかし、外歯歯車ポンプは、完全に同一の2つの歯車を使用し、互いに噛み合って回転する。各ギアはギアシャフトで支持され、各ギアの両側にベアリングがあります。通常、4つのベアリングはすべてポンプで送られる液体の中で作動します。

ギアが両側で支持されているため、外歯車ポンプは油圧装置内などの高圧用途に使用できる。

油圧供給用に設計されたポンプは、1平方インチ当たり数千ポンドの圧力に耐えることができます。産業用コンベアポンプはさらに高い圧力に耐えることができますが、液体の特性によって圧力範囲が制限されることがあります。

より薄い液体は数百psiに達することができますが、より粘性の高い液体は油圧ポンプの圧力に近づくことができます。通常、小型の外歯車ポンプは1750～3450 rpmの範囲で運転する必要がありますが、大型の外歯車ポンプは最高速度640 rpmで運転します。

外歯車ポンプの流量範囲は、非常に低いもの（毎分数滴）から毎分1500ガロンとかなり高いものまであります。外歯車ポンプは、ハイエンド合金を含む様々な原材料から製造することができます。

外歯車ポンプの設計は、内歯車ポンプよりも厳しい公差を使用することができます。しかし、外歯車ポンプは、送液中の粒子状物質を許容しません。ギアの両端には隙間があるため、摩耗のためにエンドギャップを調整することはできません。外歯車ポンプが摩耗した後は、再組み立てまたは交換する必要があります。

速度が正しく設定されている限り、特に粘度の高い液体の場合、外歯車ポンプは粘性液体と水性液体の両方に対応できます。粘性の高い液体は、ギヤの歯と歯の間を満たすのに時間がかかるため、粘性の高い液体を送液する場合は、ポンプの回転数を大幅に下げなければなりません。その粘度限界は、実は内歯車ポンプと同じで、どちらも1,000,000cStである。

臨界吸引条件下での外歯車ポンプの性能は、特に揮発性液体に対しては理想的とは言えない。揮発性の液体は、歯と歯の間の空間が急速に拡大すると、部分的に蒸発することがよくあります。

5. インペラポンプ

ベーンポンプの作動原理は、理論的には容積が膨張・収縮する他の容積式ポンプと類似しているが、この理論を実現するために異なるメカニズムを採用している（図6）。興味深いことに、インペラーポンプは本質的に2つのポンプを1つにしたものである。

最初のポンプ作用は、インペラ、ローター、ポンプケーシング間の体積膨張によって発生し、一方、あまり目立たないポンプ作用は、インペラの下の領域で発生する。

この領域では、インペラがロータースロットに入るか出るかにかかわらず、ポンプ作用が形成され、実際にはポンプ総排気量の約15%を占める。

通常、この領域はインペラーまたはローター内部のスロットを通して換気される。特に粘性の高い液体を扱う場合、インペラとインペラの間の領域への粘性液体の出入りがより困難になるため、この点を理解することが極めて重要である。

したがって、このタイプのポンプに推奨される最大媒体粘度は約25,000cStである。

吸込口と吐出口の間の主要なシール部品であるインペラは、通常、非金属複合材料で作られている。金属同士の接触がないため、インペラポンプは、プロパンやアンモニアのような潤滑効果のない低粘度液体によく使用される。インペラがポンプケーシングに直接接触し、内部クリアランスが最小化されるため、薄い液体のスリップ特性を最適化することができます。

ほとんどのコンベア用インペラポンプの圧力限界は125 psiですが、中には200 psiのものもあります。インペラポンプの圧力限界はインペラの強度に大きく依存します。

インペラポンプは、非金属インペラと非常に小さな作動クリアランスのおかげで、プライミング運転を非常にうまく開始することができます。ポンプが呼び水運転を開始すると、空気を排出しなければなりませんが、排出されるのは非常に薄い液体です。インペラポンプはこのようなことがよくできるため、真空ポンプとして使用されることもあります。

インペラーポンプは通常、ローターの両側をシャフトスリーブまたは摩擦防止ベアリングで支えます。シャフトスリーブ軸受が使用されている場合、それらは液体中で動作します。アンチフリクションベアリングが使用される場合、ベアリングが潤滑油またはグリース中で作動するように、ポンプの内部シールを使用する必要があります。この設計では、ローターの両側に1つずつ、2つのメカニカルシールが必要です。

インペラポンプは通常、1000～1750rpmの回転数範囲で運転され、流量は最大2000ガロン／分に達します。しかし、高粘度の液体を扱う場合は、インペラの下に液体が入るようにするため、必要な回転数は大幅に低下します。

高粘度の液体を扱う用途では、破損を防ぐためにより強度の高い材質のインペラが必要になります。インペラポンプの構造で最も一般的な材料は、鋳鉄またはダクタイル鋳鉄である。メーカーによっては ステンレス素材 薄くて腐食性のある液体を扱わなければならないポンプの場合。

インペラポンプは一部の腐食性物質を扱うことができますが、固形物は扱えません。腐食性物質のポンピング用途では、インペラとシールの材質を正しく選択することに注意が必要です。外歯歯車ポンプと同様に、インペラーポンプはローターとインペラーの両端のエンドクリアランスが固定されています。

一度摩耗が発生すると、これらのクリアランスを調整することはできませんが、現在では、交換可能またはリバーシブルのエンドカバーを提供しているメーカーもあります。ケーシングライナーを使用することも、摩耗が発生した場合にポンプの性能を回復させる方法です。

概要

様々なポンプの動作原理を理解することは、与えられた使用環境に適したモデルを適切に選択するための良いスタートとなります。様々なオプションの区別はあまり明確ではないかもしれませんが、動作と能力における基本的な違いは、選択の指針として使用することができます。

内歯車ポンプ は幅広い用途に使用できますが、通常、他のポンプよりも運転速度が遅くなります。当初、内歯車ポンプを選択すると、若干コストが高くなるかもしれませんが、低速回転のポンプに比べ、耐用年数が長くなる傾向があります。

外部ギアポンプ は優れた圧力処理能力と精密な流量制御特性を持つが、固形物や腐食性媒体を扱うことはできない。外歯車ポンプは製造コストが低いため、需要の低い応用分野では経済的で合理的な選択肢となる。

インペラポンプ インペラーポンプは、薄い液体を搬送する場合には適しているが、粘性の高い液体を扱う場合には、速度を落として運転しなければならない。また、インペラポンプでは固形物を扱うことはできません。

ポンプの選定を誤ると、コスト増につながることがよくあります。具体的には、ダウンタイム、生産損失、メンテナンスコスト、エネルギー消費に悪影響を及ぼします。適切なシステムに適切なポンプを選択することに時間をかけることで、不必要なコスト支出を最小限に抑え、長期的に高い利益を得ることができます。