液体ポンプのキャビテーションを検出し防止する方法
ほぼすべての液体システムはキャビテーションの影響を受ける可能性があります。したがってキャビテーションの原因と発生メカニズムを理解し、その防止策を把握することが重要です。
ポンプキャビテーションはポンプやシステム内で液体に局所的な低圧領域が生じ気泡が形成されて内破する現象で発生します。これにより浸食、振動、騒音が発生し、ポンプ本体、流体システムの他の部品および移送流体に重大な損傷をもたらす可能性があります。この現象はダイアフラムポンプ、往復ポンプ、遠心ポンプ、ギアポンプを含む全ての容積式ポンプに影響を及ぼします。キャビテーションは内蔵型脈動ダンパーを組み込んだ最適化されたポンプソリューションを採用し、流体システム全体を最適化する適切な措置を講じることで効果的に防止できます。
キャビテーションとは何か、その原因は？
流体システムでは圧力勾配は流速や流れのパターン（流れが滑らかで連続的か、あるいは断続的で急激に変化するか）によって動的に変化します。流れの方向（急な曲がりや往復運動する部品によって引き起こされる）や流路の形状（断面の急激な変化や滑動部品によって引き起こされる）の急激な変化はより深刻な圧力損失をもたらします。さらにポンプ吸込口より下方に設置された供給タンクなどによって生じる静水圧勾配もシステム内の圧力に影響を及ぼします。これらの圧力損失が累積することで総体として大きな圧力損失が生じます。
システムのいずれかの領域の圧力が液体の蒸気圧を下回ると液体が気化し始めキャビテーション気泡が形成されます。これらの気泡は通常、ポンプ内で圧力が最も低い箇所、特に流体が急激に加速または方向転換される箇所で発生します。キャビテーション気泡はその後、流体の流れと共にさらに運ばれ低圧領域から高圧領域へと移動します。局所圧力が再び蒸気圧を上回るとキャビテーション気泡は急激に崩壊します。この内破により高濃度のエネルギーが解放され、いわゆるマイクロジェットが発生します。これにより強い圧力スパイクや極端な温度ピークが生じポンプケーシング、使用材料、さらには移送媒体自体に甚大な損傷をもたらす可能性があります。
キャビテーションに影響を与える要因は何か？
キャビテーションは通常ポンプに限定される現象です。しかしポンプの吸込（入口）側の流体システムはキャビテーションの発生の有無やポンプおよび流体への損傷の程度に大きな影響を与える可能性があります。一般的に吸込ラインの圧力損失がキャビテーション挙動に最も大きな影響を及ぼします。非常に狭く長い吸込ラインはしばしば過小評価される圧力損失を引き起こす可能性があります。同様のことが狭い曲がり部、バルブ、フィルターにも当てはまります。ポンプはこれらの圧力損失を吸込み圧力を上げることで補わなければならず、これがキャビテーションの発生を大きく促進します。流体供給タンクがポンプより著しく低い位置にある場合、ポンプ吸込口での圧力低下が生じキャビテーションのリスクが大幅に増加します。
ポンプで移送される流体の個々の蒸気圧もキャビテーション挙動に影響を及ぼします。例えばエタノールのように蒸気圧が高い流体は水のように蒸気圧が低い流体と比較してキャビテーションを増加させます。さらに蒸気圧は媒体の温度に大きく依存します。温度が高いほど媒体の蒸気圧は上昇しキャビテーションを促進します。粘度が高いほど吸込ラインの圧力損失も増加しキャビテーション発生リスクをさらに高めます。
ポンプキャビテーションの検出方法
キャビテーションは液体に気泡が発生することで視覚的に検出できる場合があります。キャビテーション気泡（液体蒸気気泡）は通常ポンプ内で形成され内破するため透明チューブを使用しても視認できません。ただし特に界面活性剤を含む液体ではキャビテーションによる攪拌作用により溶解ガスが放出され気泡を形成するため泡立ちが生じることがよくあります。音響的にはキャビテーションは蒸気泡の崩壊によって生じる非常に特徴的なガリガリという音で認識できます。特にキャビテーションが顕著で他の騒音に隠されない場合これはより明確な指標となり得ます。
ポンプキャビテーションはポンプ性能と精度に影響を与えます
キャビテーションはシステム全体、ポンプ、流体に悪影響を及ぼします。液中の気体割合が高くなるほどポンプが移送できる液量が減少するためポンプ性能が低下します。例えばKNF FPシリーズのポンプは直線的な性能曲線を示します。これは回転速度を2倍にすると流量も2倍になることを意味します。他のポンプではキャビテーションが発生すると直線特性曲線が急激に平坦化し回転速度を増加させても体積流量に変化が生じなくなります。ポンプキャビテーションの発生は精度が著しく低下するため特に計量・分注用途において問題となります。
キャビテーション損傷の兆候とは？
キャビテーションは固体構造物と流体そのものの両方に重大な損傷を引き起こす可能性があります。流体通路の壁やポンプ部品などの剛性表面付近で気泡が内破すると発生する強力な微細ジェットが材料を侵食しクレーター状の侵食パターンを残します。この「キャビティ（空洞）」と呼ばれる現象が名前の由来であり亀裂などの構造損傷につながる可能性があります。特にダイアフラムポンプのバルブ、バルブシート、ダイアフラム本体といった脆弱な部位で頻繁に発生します。後述するように他の多くのポンプ技術もキャビテーションによる損傷を受けます。
細胞培養懸濁液やインクジェットインクなどの敏感な液体もこれらの内破によって損傷を受ける可能性があります。UVインクの場合、化学組成の変化を引き起こすことさえあり品質と機能を損ないます。この現象はダークキュアリングとして知られています。
キャビテーションと脱気 – その違いは？
キャビテーションに加え脱気と呼ばれる現象も発生することがあります。液体が大気中の空気などの気体と接触するとこれらの気体は液体に溶解します。ヘンリーの法則によれば室温約20℃および常圧下では、1リットルの水には約15～20mlの空気が溶解しています。この液体が負圧にさらされると気泡が自発的かつ非常に速く形成されます。キャビテーション気泡とは異なり、これらの気泡は高圧領域に戻っても液中に再溶解しません。分離した気泡はドージングポンプや計量ポンプなどの精度を著しく低下させる可能性があります。またインクジェットプリンターや分析システムなどの用途では深刻な問題を引き起こすこともあります。
遠心ポンプにおけるキャビテーション
遠心ポンプにおいてポンプキャビテーションの最大のリスクは通常、インペラ羽根の先端部で発生します。これは流体がそこで急速に加速され先端部を回り込む必要があるためです。キャビテーション気泡は先端部付近のインペラ羽根に深刻な損傷を与え、ポンプの故障につながる可能性があります。深刻なキャビテーションはポンプの効率と性能も大幅に低下させます。
ギアポンプにおけるキャビテーション
ギアポンプはポンプ吸入口から吐出口へギヤ歯の間の空間を通じて流体を移送します。戻り行程では二つのギヤの歯が噛み合い流体の逆流を防ぎます。二つの歯車の間の空洞が開くと流体が急速に再充填さ れます。これにより深い真空状態が生じその圧力は通常流体の 気化圧を下回ります。これが深刻なキャビテーション問題、脱気 あるいは流体の損傷を引き起こす可能性があります。
ダイアフラムポンプと往復ポンプにおけるキャビテーション
ダイアフラムポンプや往復ピストンポンプなどの振動ポンプでは吸込行程と吐出行程が周期的に交互に発生します。
この周期的な動作により吸込ラインと吐出ラインの両方の流体は停止と流動を繰り返す運動を経験します。流体の慣性によりポンプと接続されたラインに圧力脈動が生じます。吸込行程では吸込ラインから流体がポンプ内に引き込まれます。これにより吸込ライン内の全抵抗を克服し流体を入口速度まで加速するのに十分な真空が生じます。高速吸込行程では結果として生じる圧力が流体の蒸気圧を下回りキャビテーションを引き起こす可能性があります。大型ポンプでは脈動減衰ダンパーまたは「エアチャンバー」を用いてこれらの動的効果を緩和することができます。
脈動とキャビテーションを効果的に防止する方法
ポンプのキャビテーションと脈動を防止する方法は複数あります。これはポンプ自体またはシステム全体を通じて実現可能です。ポンプ側の最適化としてKNFはSmooth Flow技術を開発しており例えばFPポンプシリーズに採用されています。大型のダイアフラム式液体ポンプには複数のダイアフラムが順次作動し滑らかで安定した流量を生み出します。小型FPポンプでは吸込側と吐出側の両方に最適化された減衰要素が組み込まれています。さらにこれらのポンプ内部の流路は圧力損失を低減するよう最適化されています。その結果これらのポンプは流体を均一かつ連続的に移送し脈動が低くキャビテーションがほぼ発生しないためメンテナンスフリーで長寿命な運転が保証されます。
Smooth Flow技術を搭載していないダイアフラムポンプにおける脈動やキャビテーションを防止するにはポンプの直上流側と直下流側に独立した脈動ダンパーを設置できます。さらにより大型のポンプを低速で運転しより小型の偏心を選択することでキャビテーションの防止に役立ちます。
ポンプキャビテーション防止のための体系的対策
キャビテーションを防止するには吸込ラインの圧力損失を低く保つことが特に重要です。以下の対策によりこれを達成できます：
- 吸込ラインの内径を大きくする。
- ポンプを吸込側で供給タンクに可能な限り近づけ可能であればタンクの下に配置し、吸込側の正圧はキャビテーションのリスクを低減する。プラント設計ではタンクをポンプより1階上に配置することが多い。供給タンクをポンプより下に設置せざるを得ないシステムでは吸込距離を最小限に抑える。
- 吸込側の継手とバルブは用途要件に適したより大口径のものを選択し追加の圧力損失を最小限に抑える。
- さらに吸込ラインは曲がり部、バルブ、継手を可能な限り少なくし十分な内径を確保する。
初期要件から最適なポンプ構成へ
ポンプシステムの設計においてKNFのエキスパートはソリューションがアプリケーションの特定の要件に正確に適合するよう保証します。流量、圧力条件、流体特性、システム形状などすべての関連パラメータを顧客と共同で慎重に分析します。ダイアフラムポンプのモジュール設計により脈動やキャビテーションを最小限に抑える柔軟な調整が可能です。強力かつユーザーフレンドリーなシミュレーション環境を活用し相談段階で流体ラインをモデル化できます。これによりポンプキャビテーションのリスクといった重要な運転条件を早期に特定し適切なポンプ構成を決定するとともにシステム全体の効率的な最適化を実現します。
