液体ポンプラインにおける適切な材質選択

ポンプラインにおける圧倒的な材質選択肢

流体システムを設計する際には必要な流量や圧力、流体の特性など多くの要素を考慮する必要があります。あまり注目されない側面の一つがシステムで使用される配管やチューブの材質選択です。硬質パイプはステンレス鋼や銅などの各種金属・金属合金ならびにポリ塩化ビニル（PVC-U）、ポリプロピレン（PP）、アクリルなどの各種ポリマーで製造可能です。軟質チューブはポリエチレン（PE）、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、シリコーンなどの各種ポリマーで製造されています。これらの材質は化学的特性と物理的特性において大きく異なります。

ポンプラインの化学的適合性の確保

ポンプライン材質選定における最重要基準の一つが化学的適合性です。これには移送流体と流体品質の潜在的な変動を把握する必要があります。高温が一部のポリマーに影響を与える可能性があるため流体温度の把握も重要です。これらの情報を基にエンジニアは化学的適合性チャートを参照し移送流体に耐える材質セットを選定できます。

容積式ポンプ使用時におけるポンプライン材質選定の重要性

化学的適合性に基づく材質の事前選定が完了したらさらなる決定が可能となります。この選定では材質の物理的特性とポンプの特性を考慮に入れる必要があります。これは従来のダイアフラムポンプ、ペリスタルティックポンプ、ピストンポンプといった容積式ポンプを使用する場合に特に重要です。これらのポンプは脈動を発生させ、これが流体システム全体の性能に重要な役割を果たすためです。KNF ジェントルフローポンプはこの例外です。容積式ポンプでありながら、発生する脈動が極めて小さく、これは無視できるレベルだからです。

ポンプラインの物理的特性

材質の選択によりポンプラインは様々な物理的特性を有します。関連する側面の一つが表面平滑性です。表面が滑らかであればあるほど流体をポンプで移送する際の摩擦は低くなります。これは特に要求される流速が高い場合に重要です。さらに重要な特性は主に壁厚と材質組成に依存するポンプラインの弾性です。この弾性はポンプの脈動と相まって容量効果を生み出しポンプ性能および送液システム全体の性能に重大な影響を与える可能性があります。

ポンプラインの物理的特性は液体用途に比べてガス用途では重要度が低くなります。液体とは異なりガスは圧縮性があるためガス用途ではポンプの脈動は大きな問題となり難いからです。ここではガス自体が一種のばねとして作用し脈動衝撃を急激に伝達しないため脈動が吸収されます。

ポンプ配管の容量効果の理解

ポンプラインはある程度弾性を持つため脈動に直面するとばねと同様の挙動を示します。ポンプが吐出する際、吐出ライン内の圧力が上昇しラインが膨張してより多くの液体を収容します。ポンプが吸込ストロークを行うと吐出ライン内の圧力が低下しそれに応じて材質が収縮して液体を排出します。この相互作用はポンプおよび送液システム全体の性能を向上させるか、あるいは損なう高調波効果を引き起こす可能性があります。

以下の2本の動画はこの共鳴現象のシミュレーションを示しています。装置は左側の脈動を模擬するピストンと内径4mm、肉厚1mm、長さ1.5mのPVC-P製チューブで構成されています。チューブは右側の貯水槽に接続されています。動画1ではピストンが1200rpmで、動画2では2700rpmで動作します。この周波数変化が両セットアップの唯一の相違点であり、管内の圧力状態に顕著な影響を与えます。いずれのセットアップでもピストンは1ストロークあたり同量の流量を発生させます。しかし管内の圧力は大きく異なります。1200 rpmで動作する低速ピストンは出口ラインにおいて約2倍の圧力を発生させます。この顕著な圧力差は管の容量効果に基づくものです。

ポンプの脈動が配管と組み合わさって高調波問題を引き起こす場合の解決方法

ポンプの脈動が配管と組み合わさって高調波問題を引き起こす場合いくつかのアプローチで問題を軽減できます。一つの方法は異なるチューブ長、直径、肉厚、材質を試すことです。柔らかい材質は脈動効果を緩和することが多いです。しかしこれらの相互作用の複雑さからこのアプローチは計画的に実施できません。多くの場合効果的な解決策を特定する唯一の方法は試行錯誤です。チューブ材質、長さ、媒体温度などの要因は予測不可能な形でシステム性能に大きく影響する可能性があります。

より信頼性の高い解決策としてはポンプの吸込側と吐出側に外部ダンパーを設置する方法があります。効果的ではあるものの外部ダンパーはシステムの規模と複雑さを増大させ追加的な故障や漏れの可能性のある箇所を生み出します。

優れた信頼性を誇る代替技術としてKNF ジェントルフローテクノロジーの採用が挙げられます。これらのポンプはダイアフラムポンプ技術の利点と大幅な脈動低減を両立させています。これは高度な内部ダンパーの採用あるいは最大5枚のダイアフラムの位相差を付けて並列運転させることで個々の脈動ピークを平滑化する方式により実現されています。この先進的かつ独自の設計によりKNFは配管の共振問題が発生する可能性のある用途に理想的なソリューションを提供します。