油圧ラム
水力発電による循環式水ポンプ

水圧ラムポンプ、ラムポンプ、またはハイドラムは、水力で駆動する循環式水ポンプです。一定の「水頭」（圧力）と流量で水を取り込み、より高い水頭とより低い流量で水を出力します。この装置は、ウォーターハンマー効果を利用して圧力を発生させ、ポンプの駆動源となる入力水の一部を、水が最初に流れ始めた場所よりも高い地点まで持ち上げます。水圧ラムは、低水頭の水源があり、かつ水源よりも標高の高い目的地まで水を汲み上げる必要がある遠隔地で使用されることがあります。このような状況では、流水の 運動エネルギー以外の外部動力源を必要としないため、ラムが役立つことがよくあります。

パパ油圧ラムポンプのバルブ配置

歴史

図1：代替技術センターの噴水を動かすジョン・ブレイクのハイドラム
デンマーク、ノールユラン州ヴォーグンのラムポンプ
ポーランド、ワルミアのカイニにある油圧ラム

1772年、イギリス、チェシャーのジョン・ホワイトハーストは、手動制御の水圧ラムの前身である「脈動エンジン」を発明し、チェシャー州オールトンに最初のものを設置して水を4.9メートル（16フィート）の高さまで汲み上げました。[1] [2] 1783年には、アイルランドにも別のものを設置しました。彼は特許を取得していないため詳細は不明ですが、空気容器を備えていたことが知られています。

最初の自動ラムポンプは、フランス人のジョゼフ・ミシェル・モンゴルフィエ（熱気球の共同発明者として最もよく知られている）が1796年にヴォワロンの製紙工場の水を汲み上げるために発明した。[3]彼の友人のマシュー・ボルトンは1797年に彼に代わって英国特許を取得した。[4]モンゴルフィエの息子たちは1816年に改良版の英国特許を取得し、[5]これはホワイトハーストの設計とともに、1820年にサマセット生まれでロンドンに引っ越したばかりの技術者ジョサイヤ・イーストンによって取得された。

イーストンの会社は、息子のジェームズ（1796-1871）が継承し、19世紀に成長を遂げ、ケント州エリスに大規模な工場を構える、イングランド有数のエンジニアリングメーカーの一つとなりました。同社は、世界中の上下水道システム、そして土地排水プロジェクトを専門としていました。イーストンは、大規模なカントリーハウス、農場、そして村落共同体への給水用ラム供給で大きなビジネスを展開していました。2004年現在でも、彼らの設備の一部は現存しており、その一例がドーセット州トラー・ウェルム村にあります。1958年頃に水道が開通するまで、ブリストルのすぐ南にあるイースト・ダンドリー村には3台のラムが稼働していました。毎分毎の騒々しい「ドン」という音は、昼夜を問わず谷間に響き渡りました。これらのラムは、乳牛の飼育に大量の水を必要とする農場にとって、欠かせない存在でした。

同社は1909年に閉鎖されたが、ラム事業はジェームズ・R・イーストンによって継続された。1929年には、ハンプシャー州ウィンチェスターのグリーン・アンド・カーター[6]に買収された。同社はバルカン・ラムとヴァッチャー・ラムの製造と設置を行っていた。

油圧ラム、システム ランバッハ、現在ロシャイダー ホフ野外博物館に展示中

米国における最初の特許は、1809年にジョセフ・セルノー（またはカーノー）とスティーブン（エティエンヌ）・S・ハレット（1755-1825）に付与されました。 [7] [8] 1840年頃、米国ではさらなる特許が発行され、国内企業も水圧ラムの販売を開始したため、水圧ラムへの関心が高まりました。19世紀末には、電気と電動ポンプが広く普及するにつれて、関心は薄れていきました。

1890年にアイダホ州で建造されたプリーストリーの水圧式ラムは、「驚異的な」発明であり、明らかに独立して作られたもので、灌漑用水として110フィート（34メートル）まで水を汲み上げました。このラムは現在も残っており、アメリカ合衆国国家歴史登録財に登録されています。[9] [10]

20世紀末には、発展途上国における持続可能な技術の必要性と、先進国における省エネルギーの必要性から、水圧ラムへの関心が再び高まりました。フィリピンのエイド・ファウンデーション・インターナショナルは、遠隔地の村落で容易にメンテナンス可能なラムポンプの開発により、アシュデン賞を受賞しました。 [11]水圧ラムの原理は、波力発電の利用に関するいくつかの提案に利用されており、その一つは1931年というかなり以前に、ハンス・ギュンターの著書『In hundert Jahren』で論じられています。[12]

英国で後期に開発された「複合ラム」と呼ばれるラムは、未処理の駆動水源から処理済みの水を汲み上げるように設計されており、飲料水を河川から得る際の問題点の一部を克服している。[13]

1996年、イギリスの技術者フレデリック・フィリップ・セルウィンは、ベンチュリー効果を利用した排水弁を入力パイプの周囲に同心円状に配置した、よりコンパクトな水圧ラムポンプの特許を取得しました。[14] 当初は設計の違いから流体圧力増幅器として特許を取得しましたが、現在は「パパポンプ」として販売されています。[15]さらに、「ベンチュロポンプ」 [16] と呼ばれる大型版も製造されています。

構造と動作原理

従来の油圧ラムには、バネまたは重りで負荷される「廃棄」バルブ（「クラック」バルブとも呼ばれる）と「送達」チェックバルブの2 つの可動部品しかないため、製造コストが安く、保守が容易で、信頼性が非常に高くなります。

1947年のブリタニカ百科事典に詳細に説明されているプリーストリーの油圧ラムには可動部品がありません。[9]

操作手順

図2：油圧ラムの基本構成：
1. 入口 – 駆動パイプ
2. 排水バルブの自由流
3. 出口 – 吐出パイプ
4. 排水バルブ
5. 吐出チェックバルブ
6. 圧力容器

簡略化した水圧ラムを図 2 に示します。最初は、排水バルブ [4] は自身の重さで開いており (つまり下がっており)、吐出口 [3] の水柱の静圧によって吐出バルブ [5] が閉じています。入口パイプ [1] 内の水は重力によって流れ始め、速度と運動エネルギーを獲得し、抵抗力が増大して排水バルブの重さが持ち上がり、排水バルブが閉じます。入口パイプ内の水流が閉じた排水バルブに作用すると、ウォーター ハンマーが発生し、ポンプ内の圧力が吐出口の水柱による静圧を超えて上昇します。この圧力差によって吐出バルブ [5] が開き、一部の水が吐出口パイプ [3] に流れ込みます。この水は、水源から下流に流れ込むよりも上流に流れ込む方が速いため、流れが遅くなります。流れが逆流すると、吐出チェック バルブ [5] が閉じます。一方、排水バルブの閉鎖によって発生するウォーターハンマーによって圧力脈動が発生し、これが入口パイプ[17]を逆流して発生源まで戻り、そこで吸引脈動に変換されて入口パイプを下降します[18] 。この吸引脈動は、バルブの重りやバネによって排水バルブを再び開き、処理を再開させます。

空気を封入した圧力容器[6]は、排水弁が閉じた際の油圧ショックを緩和するだけでなく、吐出管を通る流量をより一定に保つことでポンプ効率を向上させます。理論上は圧力容器がなくてもポンプは動作しますが、効率が大幅に低下し、ポンプに過大なストレスがかかり、寿命が著しく短くなる可能性があります。問題の一つは、加圧された空気が徐々に水中に溶け込み、最終的に全く残らなくなることです。この問題の解決策の一つは、弾性ダイヤフラム（膨張タンクに類似）によって空気と水を分離することですが、この解決策は、交換部品の入手が困難な発展途上国では問題となる可能性があります。もう一つの解決策は、吐出弁の駆動側近くにスニフティングバルブを設置することです。このバルブは、吐出弁が閉じて部分真空状態になるたびに、少量の空気を自動的に吸入します。[19]もう一つの解決策は、空気を入れた車や自転車のタイヤのチューブを圧力容器に挿入し、バルブを閉じた状態にすることです。このチューブは実質的にダイヤフラムと同じですが、より入手しやすい材料で実現できます。チューブ内の空気は、他の構成の空気と同じように水の衝撃を和らげます。

効率

一般的なエネルギー効率は60% ですが、最大 80% まで可能です。これは、供給される水量と水源から取水された水の総量とを関連付ける容積効率と混同しないでください。供給パイプで利用できる水の量は、供給水頭​​に対する供給水頭の比率によって削減されます。つまり、水源がラムの 2 メートル (6.6 フィート) 上にあり、水がラムの 10 メートル (33 フィート) 上に持ち上げられる場合、供給された水の 20% のみを使用でき、残りの 80% は排水バルブから排出されます。これらの比率は、100% のエネルギー効率を前提としています。実際に供給される水は、エネルギー効率係数によってさらに削減されます。上記の例では、エネルギー効率が 70% の場合、供給される水は 20% の 70%、つまり 14% になります。供給水頭と吐出水頭の比率が2対1で効率が70%であると仮定すると、吐出水量は50%の70%、つまり35%になります。吐出水頭と供給水頭の比率が非常に高いと、通常、エネルギー効率が低下します。ラムのサプライヤーは、実際の試験に基づいた予想流量比を示す表を提供していることがよくあります。

駆動およびデリバリーパイプの設計

効率と信頼性の高いサイクリングはどちらもウォーター ハンマー効果に依存するため、駆動パイプの設計が重要です。駆動パイプの長さは、水源とラム間の垂直距離の 3 ～ 7 倍にする必要があります。市販のラムには、この最適な勾配に対応するように設計された入力フィッティングが付いている場合があります。[20]供給パイプの直径は通常、ラムの入力フィッティングの直径と一致し、ラムのポンプ能力によって決まります。駆動パイプは、一定の直径と材質で、できる限り真っ直ぐにする必要があります。曲げが必要な場合は、滑らかで直径の大きい曲線にする必要があります。大きならせん形も使用できますが、エルボは避けてください。PVCは一部の設備では機能しますが、はるかに高価ですが、鋼管が推奨されます。バルブを使用する場合は、ボール バルブやゲート バルブなどのフリー フロー タイプを使用する必要があります。

圧力容器がウォーターハンマー効果の伝播を防ぐため、供給管はそれほど重要ではありません。全体的な設計は、想定される流量に基づく許容圧力降下によって決定されます。通常、配管サイズは供給管の約半分ですが、配管距離が非常に長い場合は、より大きなサイズが適している場合があります。PVCパイプと必要なバルブは問題ありません。

運転開始

ラムが新たに作動を開始した場合、または循環動作を停止した場合、排水バルブの重りまたはスプリング圧力が正しく調整されていれば自動的に始動しますが、以下の手順で再起動することもできます。[17]排水バルブが上昇（閉）位置にある場合は、手動で開位置まで押し下げ、放してください。流量が十分であれば、少なくとも1回は循環動作を開始します。循環動作が継続しない場合は、通常3～4回の手動サイクルで、自動的に連続して循環動作を開始するまで、繰り返し押し下げてください。排水バルブが下降（開）位置にある状態でラムが停止した場合は、手動でバルブを持ち上げ、供給管に水が満たされ、気泡がパイプを通って水源まで移動するまで、必要な時間だけ持ち上げたままにしてください。供給管の長さと直径によっては、この作業に時間がかかる場合があります。その後、上記のように手動で数回押し下げることで、ラムを始動させることができます。ラムの供給管にバルブを取り付けると、始動が容易になります。ラムが循環動作を開始するまでバルブを閉じ、その後徐々に開いて供給管を満たします。バルブを急激に開くと、循環動作が停止します。配送パイプがいっぱいになったら、バルブを開いたままにすることができます。

一般的な運用上の問題

十分な水を供給できない場合は、廃水バルブの調整が不適切であるか、圧力容器内の空気が少なすぎるか、または単にラムの能力を超えるレベルまで水を上げようとしたことが原因と考えられます。

ラムは、冬季の凍結や圧力容器内の空気の損失によって損傷を受ける可能性があり、ラム部品に過度の応力がかかります。これらの損傷には、溶接などの修理方法、場合によっては部品の交換が必要になります。

作動中のラムが時折再起動を必要とすることは珍しくありません。排水バルブの調整不良、または水源の水流不足により、循環が停止することがあります。給水水位が給水管の入口端より少なくとも数インチ上にない場合、空気が混入する可能性があります。その他の問題としては、ゴミによるバルブの詰まり、不適切な設置（不均一な直径または材質の給水管、急な曲がり、粗い内部、落差に対して長すぎるまたは短すぎる給水管、十分な剛性のない材質の給水管など）が挙げられます。PVC製の給水管は設置場所によっては使用できますが、鋼管の方が適しています。

参照

参考文献

  1. ^ ホワイトハースト、ジョン (1775). 「1772年にチェシャー州オールトンで行われた揚水機の記録」王立協会哲学論文集. 65 : 277–279 . doi : 10.1098/rstl.1775.0026 .
  2. ^ ホワイトハーストとモンゴルフィエのポンプの説明は、ジェームズ・ファーガソンとデイヴィッド・ブリュースター著『Lectures on Select Subjects』第3版（エディンバラ、スコットランド：スターリング＆スレイド社、1823年）第2巻、287-292ページ、図版421ページに掲載されています。
  3. ^ ド・モンゴルフィエ、JM (1803)。 「Note sur le bélier hdaulique, et sur la manière d'en calculer les effets」 [油圧ラムとその効果の計算方法に関するメモ] (PDF)。Journal des Mines、13 (73) (フランス語)。42～ 51ページ 。
  4. ^ (編集部) (1798). 「スタッフォード州ソーホー在住のマシュー・ボルトン氏に付与された特許明細書。水およびその他の液体を汲み上げるための改良された装置および方法の発明に対して。…1797年12月13日付け」。『芸術と製造のレパートリー』 9 ( 51): 145– 162.
  5. ^ 例えば、「新しい特許: ピエール・フランソワ・モンゴルフィエ」『哲学年報』7 (41) : 405 (1816年5月)を参照。
  6. ^ Green and Carter – 油圧ラムポンプの発明者および特許権者、www.greenandcarter.com、2022年12月2日アクセス
  7. ^ 参照:
    • 第21回議会第2会期における下院の行政文書、第2巻（ワシントンD.C.：ダフ・グリーン、1831年）、328ページと332ページ。
    • スティーブン・S・ハレットから米国大統領ジェームズ・マディソンに宛てた1808年9月9日の手紙。米国国立公文書館でオンラインで閲覧可能。
  8. ^ ロバート・フルトンの水圧ラムポンプについては、1810年3月28日付トーマス・ジェファーソン宛の手紙も参照。米国国立公文書館でオンラインで閲覧可能。
  9. ^ ab Thomas B. Renk (1974年2月22日). 「国家歴史登録財目録/推薦：プリーストリーの水圧式ラム」国立公園局. 2019年11月15日閲覧。1973年の写真2枚付き
  10. ^ 注: このポンプは可動バルブがなく、高圧空気を使用すると主張しているため、実際にはパルサーポンプである可能性があります。
  11. ^ “AID Foundation 2007 Ashden Award”. 2008年5月28日時点のオリジナルよりアーカイブ。2008年7月9日閲覧。
  12. ^ ハンス・ギュンター (ヴァルター・デ・ハース) (1931).フンデルト・ヤーレンで。コスモス。
  13. ^ コーンウォールのヘリガンにあるロスト・ガーデンズの説明板
  14. ^ Frederick Philip Selwyn、pdfpiw.uspto.gov、Wayback Machineで2017年2月3日にアーカイブ、「流体圧力増幅器」、米国特許第6,206,041号（出願日：1997年4月2日、発行日：2001年3月27日）。
  15. ^ 「パパポンプ」. Water Powered Technologies . 2021年6月7日. 2022年12月2日閲覧。
  16. ^ 「Venturo Pump」. Water Powered Technologies . 2021年7月. 2022年12月2日閲覧。
  17. ^ ab 家畜用水のための自家製油圧ラムポンプ 2019年9月2日lgpress.clemson.edu、2022年12月2日にアクセス
  18. ^ DTUラムポンププログラムwarwick.ac.uk、2022年12月2日アクセス
  19. ^ 「実用的な回答：油圧ラムポンプ」（PDF） 。 2009年8月6日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2007年6月3日閲覧。
  20. ^ “Hydraulic Ram Pumps, John Perkin”. 2017年6月11日時点のオリジナルよりアーカイブ。2013年4月22日閲覧。
  21. ^ Kypuros, Javier A.; Longoria, Raul G. (2004-01-29). 「可変構造システム定式化を用いたスイッチドシステム設計のためのモデル合成」. Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control . 125 (4): 618– 629. doi :10.1115/1.1636774. ISSN  0022-0434.油圧ラムポンプ…構造は昇圧コンバータと類似しており、油圧アナログとなっている。
  22. ^ Longoria, RG; Kypuros, JA; Raynter, HM (1997). 「スイッチング電力変換のボンドグラフと波動散乱モデル」. 1997 IEEE 国際システム・人間・サイバネティクス会議. 計算サイバネティクスとシミュレーション. 第2巻. pp.  1522– 1526. doi :10.1109/ICSMC.1997.638209. ISBN 978-0-7803-4053-4S2CID  58941781。実際、この自動作動ポンプは、電気式のポンプと並行して研究することで多くの成果をもたらします。

さらに読む

  • カリフォルニア州クローリー（1937年8月）「水圧ラムが田舎の家庭に給水」『ポピュラーメカニクス』 306～ 311ページ。
  • カリフォルニア州クローリー（1937年9月）「水圧ラムが田舎の家庭に給水」『ポピュラーメカニクス』437～ 477ページ。
  • Toothe v. Bryce、25 Atlantic Reporter、pp. 182–190。
  • Iversen, HW (1975年6月). 「油圧ラムの解析」. Journal of Fluids Engineering . 97 (2): 191– 196. doi :10.1115/1.3447251.
  • 油圧ラム：修理と作業. スポンズ作業所の記録 第2巻 . ロンドン：スポン社 1921年 . pp.  457– 465.
  • 油圧ラム – 比較研究（JHPM Tacke著）. 油圧・地盤工学通信. 第88-1巻. デルフト工科大学土木工学部. 1988年. ISSN  0169-6548.
  • ラムポンプの完全な設計図
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