ポンプ

小型の電動ポンプ
ドイツのヘンクシュタイ湖 近くにある水道用の大型電動ポンプ

ポンプは、流体（液体または気体）、または時にはスラリー[ 1 ]を機械的動作によって移動させる装置であり、通常は電気エネルギーから油圧または空気圧エネルギーに変換されます。

機械式ポンプは、井戸からの水の汲み上げ、水槽の濾過、池の濾過と曝気、自動車産業における水冷 と燃料噴射、エネルギー産業における石油や天然ガスの汲み上げ、冷却塔やその他の暖房・換気・空調システムのコンポーネントの稼働など、幅広い用途で使用されています。医療産業では、医薬品の開発・製造における生化学プロセス、そして人工心臓や人工陰茎といった身体部位の人工置換物としてポンプが使用されています。

ポンプが2つ以上のポンプ機構を備え、流体がそれらに直列に流れる場合、それは多段ポンプと呼ばれます。 「2段」や「ダブルステージ」といった用語は、具体的には段数を表すために使用されます。この説明に当てはまらないポンプは、単に「シングルステージポンプ」と呼ばれます。

生物学では、さまざまな種類の化学ポンプや生体力学的ポンプが開発されており、新しい種類の機械式ポンプの開発には生体模倣が使用されることがあります。

種類

機械式ポンプは、ポンプで汲み上げる流体の中に沈めたり、流体の 外部に設置したりできます。

ポンプは、その変位方式によって、電磁ポンプ、容積式ポンプ、衝動ポンプ、速度ポンプ、重力ポンプ、蒸気ポンプ、バルブレスポンプに分類できます。ポンプには、容積式ポンプ、遠心式ポンプ、軸流ポンプの3つの基本的な種類があります。遠心式ポンプでは、流体の流れ方向がインペラを通過する際に90度変化しますが、軸流ポンプでは流れ方向は変化しません。[ 2 ] [ 3 ]

遠心ポンプは世界中で幅広いメーカーによって製造されており、その設計は一般的にISO 2858、ISO 5199、API 610といった世界的なエンジニアリング規格に準拠しています。これらの規格は、工業、農業、公共用途に適した寸法互換性、機械構造、性能公差、材料要件を定義しています。メーカーは通常、ポンプ曲線、効率定格、ヘッドフロー特性、インペラ形状などの詳細な技術データを公開しており、エンジニアが特定の動作条件に適したポンプを選択できるようにしています。これらの仕様は、流体処理システムにおける適切なポンプサイズ、エネルギー効率、長期的な信頼性を確保するために不可欠です。[ 4 ]

電磁ポンプ

電磁ポンプは、液体金属、溶融塩、塩水、またはその他の導電性液体を電磁力を利用して移動させるポンプです。

液体の移動方向に対して直角に磁場を設定し、そこに電流を流します。これにより、液体を動かす電磁力が発生し ます。

用途には、多くのウェーブはんだ付け機での溶融はんだのポンピング、液体金属冷却剤のポンピング、および磁気流体力学駆動などがあります。

容積式ポンプ

ローブポンプ内部
ローブポンプ内部

容積式ポンプは、一定量の流体を捕捉し、その捕捉された容積を排出パイプに押し出す（変位させる）ことで流体を移動させます。

一部の容積式ポンプは、吸入側に拡大するキャビティ、吐出側に縮小するキャビティを備えています。吸入側のキャビティが拡大すると液体がポンプ内に流入し、キャビティが縮小すると液体が吐出口から流出します。各運転サイクルを通じて容積は一定です。

容積式ポンプの挙動と安全性

容積式ポンプは、遠心式ポンプとは異なり、理論上は吐出圧力に関わらず、一定の回転速度で一定の流量を生み出すことができます。したがって、容積式ポンプは定流量ポンプです。ただし、圧力の上昇に伴い内部漏れがわずかに増加するため、真の一定流量は得られません。

容積式ポンプは、遠心ポンプのような遮断揚程がないため、ポンプの吐出側バルブが閉じた状態で運転してはいけません。吐出バルブが閉じた状態で運転すると、容積式ポンプは流量を生成し続け、吐出ラインの圧力は上昇し、ラインが破裂するか、ポンプが深刻な損傷を受けるか、またはその両方が発生します。

したがって、容積式ポンプの吐出側には、安全弁またはリリーフ弁が必要です。安全弁は内蔵型または外付け型があります。ポンプメーカーは通常、内蔵型の安全弁またはリリーフ弁を提供するオプションを提供しています。内蔵型バルブは通常、安全対策としてのみ使用されます。吐出ラインに外付けの安全弁を設置し、吸入ラインまたは供給タンクに戻る戻りラインを設けることで、安全性が向上します。

容積式

容積式ポンプは、流体を移動させるために使用されるメカニズムに応じてさらに分類できます。

回転容積ポンプ
ロータリーベーンポンプ

これらのポンプは回転機構を使って液体を移動させ、真空状態を作り出して液体を捕捉して吸い込みます。[ 5 ]

利点：ロータリーポンプは、粘度が増加するにつれてより高い流量で高粘度流体を扱うことができるため、非常に効率的です[ 6 ] 。 [ 7 ]

欠点：ポンプの特性上、回転ポンプと外縁部の間に非常に狭い隙間が必要となるため、ポンプは低速かつ一定の速度で回転します。回転ポンプを高速で運転すると、流体による浸食が発生し、最終的に流体が通過できる隙間が拡大し、効率が低下します。

回転容積式ポンプは主に 5 つのタイプに分類されます。

  • ギアポンプ- 液体が一対のギアの周りで押し出されるシンプルなタイプの回転ポンプ。
  • スクリューポンプ- このポンプの内部構造は通常、2つのスクリューが互いに回転して液体を送り出す構造になっています。
  • ロータリーベーンポンプ
  • 中空ディスクポンプ（偏心ディスクポンプまたは中空ロータリーディスクポンプとも呼ばれる）は、スクロールコンプレッサーに似ており、円筒形のハウジングに収められた偏心円筒形のローターを備えています。ローターが回転すると、ローターとケーシングの間に流体が閉じ込められ、ポンプを通して流体が吸引されます。石油由来製品などの高粘度流体に使用され、最大290psiの高圧にも対応できます。[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]
  • 蠕動ポンプは、フレキシブルチューブの一部を挟むローラーを備えており、ローラーが前進するにつれて液体を押し出します。清掃が非常に簡単なため、食品、医薬品、コンクリートなどの吐出によく使用されます。
往復容積式ポンプ
シンプルなハンドポンプ
米国ジョージア州アラパハの黒人学校にあるアンティークの「ピッチャー」ポンプ（1924年頃）

往復ポンプは、1つまたは複数の振動ピストン、プランジャー、または膜（ダイヤフラム）を用いて流体を移動させ、バルブは流体の動きを所定の方向に制限します。吸引を行うには、まずポンプがプランジャーを外側に引いてチャンバー内の圧力を下げる必要があります。プランジャーが押し戻すと、チャンバー内の圧力が上昇し、プランジャーの内圧によって吐出バルブが開き、一定の流量と圧力で流体が吐出管に放出されます。

このカテゴリのポンプは、1 つのシリンダーの単式から、場合によっては 4 つのシリンダー以上のものまであります。往復動型ポンプの多くは、2 連式または 3連式シリンダーです。ピストンの一方の動きで吸入しもう一方の動きで吐出する単動式、または両方向に吸入と吐出を行う複動式のいずれかです。ポンプは、手動で動かすか、空気や蒸気で動かすか、エンジンで駆動するベルトで動かすことができます。このタイプのポンプは、19 世紀、つまり蒸気推進の黎明期にボイラー給水ポンプとして広く使用されていました。現在、往復動ポンプは一般にコンクリートや重油などの高粘性流体を汲み上げ、高い抵抗に対して低流量を必要とする特殊な用途で役立っています。往復ハンドポンプは、井戸から水を汲み上げるのに広く使用されていました。一般的な自転車ポンプや空気を入れるための足踏みポンプは、往復動作を使用しています。

これらの容積式ポンプは、吸入側に膨張するキャビティ、吐出側に収縮するキャビティを備えています。吸入側のキャビティが膨張すると液体がポンプ内に流入し、キャビティが収縮すると液体が吐出口から流出します。ポンプの容積は運転サイクルごとに一定であり、ポンプの容積効率は定期的な保守とバルブの点検によって達成できます。[ 15 ]

一般的な往復ポンプは次のとおりです。

  • プランジャー ポンプ– 往復運動するプランジャーが 1 つまたは 2 つの開いたバルブを通して流体を押し出し、戻る途中で吸引によって閉じます。
  • ダイヤフラムポンプ– プランジャーポンプに似たポンプで、プランジャーが作動油を加圧し、その作動油でポンプシリンダー内のダイヤフラムを曲げます。ダイヤフラムバルブは、危険物質や毒性のある液体をポンプで送るために使用されます。
  • ピストンポンプ式容積ポンプ- 通常は、少量の液体またはジェルを手動で送り出すためのシンプルな装置です。一般的なハンドソープディスペンサーは、このようなポンプです。
  • ラジアルピストンポンプ - ピストンが放射状に伸びる油圧ポンプの一種。
  • 振動ポンプまたはバイブレーションポンプは、特に低コストのプランジャーポンプの一種で、低価格のエスプレッソマシンでよく使用されます。[ 16 ] [ 17 ] 唯一の可動部品は、バネ仕掛けのピストン、つまりソレノイドのアーマチュアです。半波整流された交流電流によって駆動され、通電中はピストンが前進し、残りの半サイクルではバネによって後退します。振動ポンプは効率が低いため、通常1分以上運転すると過熱し、断続運転に制限されます。
各種容積式ポンプ

これらのポンプには容積式ポンプ原理が適用されます。

ギアポンプ
ギアポンプ

これは回転式容積ポンプの最もシンプルな形態です。ぴったりとフィットしたケーシング内で回転する2つの噛み合ったギアで構成されています。歯の溝に流体が閉じ込められ、外周に沿って押し出されます。歯が中央でしっかりと噛み合っているため、流体は噛み合った部分に戻りません。ギアポンプは、自動車のエンジンオイルポンプや様々な油圧パワーパックに広く使用されています。

スクリューポンプ
スクリューポンプ

スクリューポンプは、2本または3本の反対向きのねじ山を持つスクリューを使用する、より複雑なタイプのロータリーポンプです。例えば、1本のスクリューは時計回り、もう1本のスクリューは反時計回りに回転します。スクリューは平行シャフトに取り付けられており、多くの場合、ギアが噛み合うことでシャフトが一緒に回転し、すべてが所定の位置に保持されます。場合によっては、従動スクリューがギアを使わずに二次スクリューを駆動し、摩耗を抑えるために流体を使用します。スクリューはシャフト上で回転し、ポンプを通して流体を送ります。他のタイプのロータリーポンプと同様に、可動部品とポンプケーシングの間のクリアランスは最小限です。

プログレスキャビティポンプ
プログレスキャビティポンプ

大きな粒子で汚染された下水汚泥など、扱いにくい物質の移送に広く使用されているプログレッシブキャビティポンプは、幅の約 10 倍の長さのらせん状のローターと、主にゴムでできたステーターで構成されています。これは、直径xの中心コアの周りに厚さxの半分の湾曲したらせんが巻かれたものとして視覚化できますが、実際には単一のローブで製造されています。このシャフトは、壁の厚さも通常xの耐久性の高いゴム製スリーブまたはステーター内に収まっています。シャフトがステーター内で回転すると、ローターがゴム製のキャビティ内を徐々に流体を押し上げます。このようなポンプは、標準構成の場合、水に対して 1 段あたり 90 PSI の速度で、低容量で非常に高い圧力を発生させることができます。

ルーツ型ポンプ
ルーツローブポンプ

発明者であるルーツ兄弟にちなんで名付けられたこのローブポンプは、 2つの長い螺旋状のローターが互いに90°の角度で直交するように嵌合し、三角形のシーリングライン内で回転しながら、その間に閉じ込められた流体を押し退けます。このシーリングラインは、吸入口と吐出口の両方で機能します。この設計により、等容積で渦のない連続的な流れを生み出します。低脈動で動作し、一部の用途で求められる穏やかな性能を提供します。

アプリケーションには以下が含まれます:

蠕動ポンプ
360°蠕動ポンプ

蠕動ポンプは容積式ポンプの一種です。円形のポンプケーシング（直線型の蠕動ポンプも存在します）内には、フレキシブルチューブが取り付けられており、その中に流体が封入されています。ローターに取り付けられた複数のローラー、シュー、またはワイパーがフレキシブルチューブを圧縮します。ローターが回転すると、圧縮されているチューブの部分が閉じ（閉塞し）、流体がチューブ内を流れます。さらに、カム通過後にチューブが自然状態に開くと、ポンプ内に流体が引き込まれます（復元）。このプロセスは蠕動運動と呼ばれ、消化管などの多くの生物系で利用されています。

プランジャーポンプ

プランジャーポンプは往復容積式ポンプです。

これらは、往復運動するプランジャーを備えたシリンダーで構成されています。吸入バルブと吐出バルブはシリンダーヘッドに取り付けられています。吸入行程では、プランジャーが後退し、吸入バルブが開き、流体がシリンダー内に吸入されます。前進行程では、プランジャーが吐出バルブから流体を押し出します。

効率と一般的な問題：プランジャーポンプはシリンダーが1つしかないため、流体の流量は、プランジャーが中間位置を通過するときに最大流量となり、プランジャーが終端位置にあるときにゼロ流量となるまで変化します。配管システム内で流体が加速される際に、多くのエネルギーが無駄になります。振動とウォーターハンマーは深刻な問題となる可能性があります。一般的に、これらの問題は、互いに同位相で動作しない2つ以上のシリンダーを使用することで補われます。遠心ポンプもウォーターハンマーの影響を受けやすいです。[ 18 ]という専門的な研究は、このようなシステムにおけるこのリスクを評価するのに役立ちます。

トリプレックス型プランジャーポンプ

トリプレックスプランジャーポンプは3つのプランジャーを使用するため、シングル往復プランジャーポンプに比べて脈動を低減します。ポンプ出口に脈動ダンパーを追加すると、ポンプの脈動、またはポンプトランスデューサーの脈動グラフをさらに平滑化できます。高圧流体とプランジャーの動的な関係には、一般的に高品質のプランジャーシールが必要です。プランジャーの数が多いプランジャーポンプは、流量の増加、または脈動ダンパーなしでよりスムーズな流れという利点があります。可動部品の増加とクランクシャフト負荷の増加は欠点の一つです。

洗車場では、これらの3連式プランジャーポンプ（脈動ダンパーなしの場合もある）がよく使用されています。1968年、ウィリアム・ブルッゲマンは3連式ポンプの小型化と長寿命化を実現し、洗車場がより小さな設置面積の設備を使用できるようにしました。耐久性の高い高圧シール、低圧シール、オイルシール、硬化クランクシャフト、硬化コネクティングロッド、厚型セラミックプランジャー、そして高耐久性ボールベアリングとローラーベアリングにより、3連式ポンプの信頼性が向上しました。現在、3連式ポンプは世界中の様々な市場で使用されています。

トリプレックス型プランジャー泥ポンプの仕組み
トリプレックス型掘削泥ポンプの仕組み

寿命の短いトリプレックスポンプは、家庭ユーザーにとって一般的です。家庭用高圧洗浄機を年間10時間使用する人であれば、交換までの稼働時間が100時間あれば満足できるかもしれません。一方、品質の点で対極に位置する産業用または連続運転用のトリプレックスポンプは、年間2,080時間も稼働することがあります。[ 19 ]

石油・ガス掘削業界では、泥ポンプと呼ばれる大型のセミトレーラーで輸送される3連ポンプを使用して掘削泥を汲み上げ、ドリルビットを冷却して掘削片を地表に戻します。[ 20 ]掘削業者は、水圧破砕と呼ばれる抽出プロセスでシェールの深部に水と溶剤を注入するために3連ポンプ、さらには5連ポンプを使用します。

ダイヤフラムポンプ

ダイヤフラムポンプは、通常、電気と圧縮空気で駆動され、比較的安価で、水槽への空気の送出からフィルタープレスへの液体の送出まで、幅広い用途に使用できます。ダブルダイヤフラムポンプは、粘性流体や研磨性物質を穏やかなポンププロセスで処理できるため、せん断に敏感な媒体の輸送に最適です。[ 21 ]

ロープポンプ
ロープポンプの概略図

インパルスポンプ

インパルスポンプは、ガス（通常は空気）によって発生する圧力を利用します。一部のインパルスポンプでは、液体（通常は水）に閉じ込められたガスが放出され、ポンプ内のどこかに蓄積されます。これにより、液体の一部を上方に押し上げる圧力が発生します。

従来のインパルスポンプには次のようなものがあります。

  • 油圧ラムポンプ- 低頭給水の運動エネルギーが気泡油圧アキュムレータに一時的に蓄えられ、その後、より高い頭まで水を送るために使用されます。
  • パルサーポンプ– 自然資源と運動エネルギーのみで稼働します。
  • エアリフトポンプ- パイプ内に挿入された空気で作動し、泡が上昇すると水が押し上げられます。

ガスの蓄積と放出のサイクルの代わりに、炭化水素の燃焼によって圧力を発生させることもできる。このような燃焼駆動ポンプは、燃焼イベントからのインパルスを作動膜を介してポンプ流体に直接伝達する。この直接伝達を可能にするために、ポンプはほぼ​​完全にエラストマー（例えばシリコンゴム）で作られる必要がある。したがって、燃焼によって膜が膨張し、それによって流体が隣接するポンプ室から排出される。最初の燃焼駆動ソフトポンプは、ETHチューリッヒによって開発された[ 22 ] 。

油圧ラムポンプ

水圧ラムは水力で動く水ポンプです。[ 23 ]

比較的低い圧力と高い流量で水を取り込み、より高い水頭と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、ポンプの動力源となる入力水の一部を、水が流れ始めた地点よりも高い地点まで持ち上げます。

水圧ラムは、低落差水力発電源があり、かつ水源よりも標高の高い場所へ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、水圧ラムは流水の運動エネルギー以外に外部からの動力源を必要としないため、非常に有用です。

速度ポンプ

遠心ポンプは、後方に傾斜したアームを備えたインペラを使用する。

ロータダイナミックポンプ（またはダイナミックポンプ）は、流速を上昇させることで流体に運動エネルギーを付加する速度ポンプの一種です。このエネルギー増加は、流体がポンプから排出管へ流出する前、または流出中に流速が低下することで、位置エネルギー（圧力）の増加に変換されます。この運動エネルギーから圧力への変換は、熱力学第一法則、より具体的にはベルヌーイの原理によって説明されます。

動力ポンプは、速度増加を達成する手段に応じてさらに細分化することができます。[ 24 ]

これらのタイプのポンプにはいくつかの特性があります。

  1. 継続的なエネルギー
  2. 追加されたエネルギーを運動エネルギーの増加（速度の増加）に変換する
  3. 速度（運動エネルギー）の増加を圧力水頭の増加に変換する

ダイナミックポンプと容積式ポンプの実際的な違いは、バルブが閉じた状態での動作方法です。容積式ポンプは流体を物理的に押しのけるため、容積式ポンプの下流のバルブを閉じると圧力が継続的に上昇し、パイプラインやポンプの機械的故障を引き起こす可能性があります。ダイナミックポンプは、バルブが閉じた状態（短時間）でも安全に動作できるという点で異なります。

ラジアルフローポンプ

このようなポンプは遠心ポンプとも呼ばれます。流体は軸または中心に沿って入り、インペラによって加速され、シャフトに対して直角（放射状）に出て行きます。一例としては、掃除機の実現によく使用される遠心ファンがあります。別のタイプのラジアルフローポンプはボルテックスポンプです。このポンプ内の液体は、作動ホイールの周りを接線方向に移動します。モーターの機械的エネルギーから流れの位置エネルギーへの変換は、ポンプの作動チャネル内でインペラによって励起される複数の渦によって行われます。一般に、ラジアルフローポンプは、軸流ポンプや斜流ポンプよりも高圧および低流量で動作します。

軸流ポンプ

これらは全流体ポンプとも呼ばれます。流体は外側または内側に押し出され、軸方向に移動します。遠心ポンプよりもはるかに低い圧力と高い流量で動作します。軸流ポンプは特別な注意を払わなければ、最高速度まで運転することはできません。低流量の場合、このパイプに関連する全揚程上昇と高いトルクにより、始動トルクはパイプシステム内の液体全体の質量の加速度の関数になる必要があります。[ 25 ]

斜流ポンプは、ラジアル流ポンプと軸流ポンプの中間的な機能を持ちます。流体はラジアル方向の加速度と揚力の両方を受け、インペラから軸方向に対して0～90度の範囲で排出されます。その結果、斜流ポンプは軸流ポンプよりも高い圧力で運転され、ラジアル流ポンプよりも高い吐出量を実現します。流体の出口角度は、ラジアル流と斜流における圧力ヘッドと吐出量との関係を決定します。

再生タービンポンプ

再生タービンポンプのアニメーション
再生タービンポンプのアニメーション
再生タービンポンプの羽根車のクローズアップ

再生タービンポンプは、ドラッグポンプ、摩擦ポンプ、液体リングポンプ、ペリフェラルポンプ、トラクションポンプ、乱流ポンプ、渦流ポンプとも呼ばれ、通常4～20バール（400～2,000 kPa; 58～290 psi）の高ヘッド圧力で動作する回転動力学ポンプの一種です。 [ 26 ]

ポンプには、多数の羽根またはパドルを備えたインペラが空洞内で回転します。吸入ポートと圧力ポートは空洞の周囲に配置されており、ストリッパーと呼ばれる障壁によって隔離されています。ストリッパーは、先端チャネル（羽根間の流体）のみを再循環させ、側部チャネル（羽根の外側の空洞内の流体）の流体を圧力ポートから強制的に排出します。再生タービンポンプでは、流体が羽根から側部チャネルへ、そして次の羽根へと螺旋状に循環するたびに、運動エネルギーが周囲に伝達されます。 [ 26 ]再生ブロワーと同様に、螺旋状に循環するたびに圧力が上昇します。[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]

再生タービンポンプは蒸気閉塞を起こさないため、揮発性流体、高温流体、または極低温流体の輸送に広く使用されています。しかし、公差が厳しいため、固形物や粒子の混入による詰まりや急速な摩耗の影響を受けやすいという欠点があります。効率は一般的に低く、圧力と消費電力は流量の増加に伴って低下します。さらに、回転方向を反転させることでポンプの吐出方向を反転させることができます。[ 29 ] [ 27 ] [ 30 ]

サイドチャネルポンプ

サイドチャネルポンプは、吸入ディスク、インペラ、および排出ディスクを備えています。[ 31 ]

エダクタージェットポンプ

これは、主に蒸気のジェット噴射を利用して低圧を発生させます。この低圧が流体を吸い込み、高圧領域へと押し出します。

重力ポンプ

重力ポンプには、サイフォンポンプやヘロンの噴水ポンプなどがあります。水圧ラムは重力ポンプと呼ばれることもあります。重力ポンプでは、流体は重力によって持ち上げられます。

蒸気ポンプ

蒸気ポンプは長い間、主に歴史的な関心の対象となってきました。蒸気ポンプには、蒸気機関で駆動するあらゆる種類のポンプに加え、トーマス・セイヴァリのポンプやパルソメーター蒸気ポンプのようなピストンレスポンプも含まれます。

最近、発展途上国の小規模農家の灌漑用として、低電力ソーラー蒸気ポンプへの関心が再び高まっています。これまで、小型蒸気エンジンは、蒸気エンジンの小型化に伴う効率低下の深刻化により、実用化が困難でした。しかし、最新のエンジニアリング材料の使用と代替エンジン構成の組み合わせにより、この種のシステムは費用対効果の高い選択肢となりました。

バルブレスポンプ

バルブレスポンピングは、様々な生物医学および工学システムにおける流体輸送を支援しています。バルブレスポンピングシステムでは、流れの方向を制御するバルブ（または物理的な閉塞）は存在しません。しかしながら、バルブレスシステムの流体ポンピング効率は、必ずしもバルブのあるシステムよりも低いわけではありません。実際、自然界や工学における多くの流体力学システムは、その内部の作動流体を輸送するために、多かれ少なかれバルブレスポンピングに依存しています。例えば、心血管系における血液循環は、心臓弁が機能不全に陥ってもある程度維持されます。一方、脊椎動物の胎児の心臓は、識別可能な心室や弁が発達するずっと前から血液を送り出しています。一方向への血液循環と同様に、鳥類の呼吸器系は、生理学的弁を持たずに、硬い肺の中で一方向に空気を送り出します。マイクロ流体工学では、バルブレスインピーダンスポンプが開発されており、特に敏感な生体流体の取り扱いに適していると期待されています。圧電トランスデューサの原理で動作するインクジェットプリンターも、バルブレスポンピングを採用しています。ポンプ室は、その方向の流動抵抗が減少するため印刷ジェットを通して空になり、毛細管現象によって再充填されます。

ポンプの修理

前景に貯水タンクを備えた水ポンプに接続された放置された風車

ポンプの修理記録と平均故障間隔（MTBF）を調べることは、責任感と誠実さを重視するポンプユーザーにとって非常に重要です。この事実を踏まえ、2006年版ポンプユーザーズハンドブックの序文では「ポンプ故障」統計について言及しています。便宜上、これらの故障統計はMTBF（この場合は故障前の設置寿命）に換算されることがよくあります。[ 32 ]

2005年初頭、ルイジアナ州バトンルージュにあるジョン・クレーン社の現場担当チーフエンジニア、ゴードン・バック氏は、複数の製油所および化学プラントの修理記録を調査し、遠心ポンプの信頼性に関する有用なデータを入手しました。調査対象には、約15,000台のポンプを保有する稼働中のプラント15か所が含まれていました。これらのプラントのうち、最も小規模なプラントでは約100台のポンプを保有していましたが、2,000台を超えるプラントもいくつかありました。すべての施設は米国内に所在していました。また、これらのプラントは「新規」、その他は「更新」、さらに「既存」とみなされていました。これらのプラントの多くは（すべてではありませんが）、ジョン・クレーン社と提携契約を結んでいました。提携契約には、プログラムの様々な側面を調整するために、ジョン・クレーン社の技術者またはエンジニアを現場に派遣することが含まれていました。

しかし、すべてのプラントが製油所というわけではなく、場所によっては異なる結果が生じることもあります。化学プラントでは、ポンプは化学的腐食によって寿命が限られるため、歴史的に「使い捨て」の部品とされてきました。近年は状況が改善されていますが、「旧式の」DIN規格およびASME規格のスタッフィングボックスではスペースがやや限られているため、適合するシールの種類が限られています。ポンプのユーザーがシールチャンバーをアップグレードしない限り、ポンプはよりコンパクトでシンプルなタイプしか対応できません。このアップグレードを行わない場合、化学プラントの寿命は、一般的に製油所の寿命の50～60%程度になります。

予定外のメンテナンスは、多くの場合、所有コストの最も大きな要因の一つであり、メカニカルシールやベアリングの故障は主要な原因の一つです。初期費用は高くても、修理間隔がはるかに長いポンプを選択する潜在的な価値を念頭に置いてください。高性能ポンプのMTBFは、アップグレードされていないポンプよりも1～4年長くなる可能性があります。公表されているポンプの故障回避額の平均は2,600～12,000米ドルです。これには機会損失は含まれていません。ポンプの火災は、故障1,000件につき1件発生しています。ポンプの故障が減れば、破壊的なポンプ火災も減ります。

既に述べたように、2002年の実績に基づくと、典型的なポンプの故障は平均5,000米ドルの費用がかかります。これには材料費、部品費、人件費、諸経費が含まれます。ポンプのMTBFを12か月から18か月に延長すると、年間1,667米ドルの節約となり、これは遠心ポンプの信頼性向上にかかる費用を上回る可能性があります。[ 32 ] [ 1 ] [ 33 ]

アプリケーション

ガソリンおよび添加剤用計量ポンプ

ポンプは社会全体で様々な用途に利用されています。初期の用途としては、風車や水車による揚水が挙げられます。今日では、ポンプは灌漑、給水、ガソリン供給、空調システム、冷凍（通常はコンプレッサーと呼ばれます）、化学物質の移動、下水処理、洪水対策、船舶サービスなどに利用されています。

用途が多岐にわたるため、ポンプには、非常に大きいものから非常に小さいもの、ガス処理から液体処理、高圧から低圧、高容量から低容量まで、さまざまな形状とサイズがあります。

ポンプのプライミング

通常、液体ポンプは単純に空気を吸い込むことはできません。ポンプの供給ラインとポンプ機構を取り囲む内部本体は、まずポンプを必要とする液体で満たされなければなりません。つまり、ポンプを開始するには、オペレーターがシステムに液体を導入する必要があり、これをプライミングと呼びます。プライミングの喪失は通常、ポンプへの空気の吸入、またはポンプの使用頻度が低い場合は作動流体の蒸発によって発生します。液体ポンプのクリアランスと押しのけ容積比は、圧縮性ガスのポンプには不十分であるため、ポンプ内の空気やその他のガスは、ポンプの作用だけで排出することはできません。これは、ほとんどの速度（回転動力学）ポンプ、例えば遠心ポンプに当てはまります。このようなポンプでは、ポンプと吸入チューブの位置を吸入点よりも低くして、重力によってプライミングを行う必要があります。そうでない場合は、吸入ラインとポンプケーシングからすべての空気が除去されるまで、手動でポンプに液体を充填するか、二次ポンプを使用する必要があります。液封式ポンプは、ポンプされる流体が気体、または気体、液体、固体の混合物である場合があるため、ポンプされる流体の吸入口とは別に、プライミング液専用の吸入口を備えています。これらのポンプでは、プライミング液の吸入口は（重力または圧力によって）連続的に供給する必要がありますが、ポンプされる流体の吸入口は、プライミング液の沸点に相当する真空状態を作り出すことができます。[ 34 ]

しかし、容積式ポンプは、可動部品とポンプのケーシングまたはハウジングとの間の密閉性が十分に高いため、自己プライミングポンプと呼ばれることもあります。このようなポンプはプライミングポンプとしても機能し、人間の操作に代えて他のポンプのプライミングニーズを満たすために使用されます。

公共水道としてのポンプ

ピストンポンプのアラビア語の描写、アル・ジャザリー作、1206年頃[ 35 ] [ 36 ]
ヨーロッパで初めて描かれたピストンポンプの絵、タッコラ作、1450年頃[ 37 ]
バングラデシュのコミラでは、背景に見えるグムティ川からポンプを使って直接水を汲み上げる灌漑が行われている。

かつて世界中で普及していたポンプの一つに、手動式の水ポンプ、いわゆる「ピッチャーポンプ」がありました。水道管が整備される以前の時代、 公共の井戸の上によく設置されていました。

イギリス諸島の一部では、このポンプはしばしば「教区ポンプ」と呼ばれていました。このようなコミュニティポンプはもはや一般的ではありませんが、人々は今でも「教区ポンプ」という表現を、地元の関心事を議論する場所やフォーラムを指すために使っていました。[ 38 ]

ピッチャーポンプから汲み上げられる水は土壌から直接汲み上げられるため、汚染されやすい傾向があります。ろ過・浄化されていない水を飲むと、胃腸疾患やその他の水系感染症を引き起こす可能性があります。悪名高い事例として、1854年のブロード・ストリートにおけるコレラの流行が挙げられます。当時、コレラの感染経路は不明でしたが、医師のジョン・スノーは汚染された水を疑い、公衆ポンプのハンドルを撤去させました。その結果、流行は鎮静化しました。

近代的な手動式コミュニティポンプは、資源の乏しい地域、特に開発途上国の農村部において、安全な水を供給するための最も持続可能で低コストな選択肢と考えられています。手動ポンプは、汚染されていないことが多い深層地下水へのアクセスを可能にするだけでなく、汚染されたバケツから水源を守ることで井戸の安全性を向上させます。アフリデフポンプのようなポンプは、製造と設置が安価で、シンプルな部品でメンテナンスも容易になるように設計されています。しかし、アフリカの一部の地域では、この種のポンプのスペアパーツが不足しており、その有用性が低下しています。

多相ポンプ用途のシーリング

多相ポンプ（三相ポンプとも呼ばれる）の用途は、石油掘削活動の増加に伴い拡大しています。さらに、多相生産の経済性は、現場設備の簡素化と小型化、設備コストの削減、生産率の向上につながるため、上流工程にとって魅力的です。本質的に、多相ポンプは1台の装置であらゆる流体特性に対応でき、設置面積も小さくなります。多くの場合、大型ポンプ1台ではなく、小型の多相ポンプ2台を直列に設置します。

多相ポンプの種類と特徴

螺旋軸（遠心）

1本のシャフトに2つのメカニカルシールを備えた回転動力ポンプで、開放型軸流インペラを採用しています。ポセイドンポンプとも呼ばれ、軸流圧縮機と遠心ポンプを組み合わせたポンプと言えます。

ツインスクリュー（容積式）

ツインスクリューポンプは、互いに噛み合う2つのスクリューで構成され、ポンプ流体を移動させます。ツインスクリューポンプは、ガス容積率が高く、入口条件が変動するポンプ条件でよく使用されます。2つのシャフトをシールするために、4つのメカニカルシールが必要です。

プログレッシブキャビティ（ポジティブディスプレイスメント）

プログレッシブキャビティポンプは、スラッジ、スラリー、粘性流体、せん断に敏感な流体の移送に適しています。[ 39 ]プログレッシブキャビティポンプは、表面およびダウンホール石油生産で使用される単軸スクリューポンプです。[ 40 ]廃水処理、[ 41 ]パルプおよび製紙、石油およびガス、鉱業、石油およびガスに至るまで、幅広い産業および用途で使用されています。

電動潜水艇（遠心式）

これらのポンプは基本的に多段遠心ポンプであり、油井における人工揚水手段として広く使用されています。これらのポンプは通常、揚水される流体が主に液体である場合に使用されます。

バッファタンクスラグ流が 発生する場合に備えて、ポンプの吸入ノズルの上流にバッファタンクが設置されることがよくあります。バッファタンクは、液体スラグのエネルギーを分散させ、流入流量の変動を平滑化し、砂止めとして機能します。

その名の通り、多相ポンプとそのメカニカルシールは、プロセス流体の組成変化、温度変化、高低の運転圧力、研磨性／侵食性媒体への曝露など、使用条件において大きな変動にさらされる可能性があります。課題は、シール寿命と全体的な有効性を最大限に高めるために、適切なメカニカルシールの配置と支持システムを選択することです。[ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]

仕様

ポンプの定格は通常、馬力、体積流量、出口圧力（メートル（またはフィート））、入口吸込量（吸込フィート（またはメートル））で表されます。揚程は、ポンプが大気圧下で水柱を何フィート（またはメートル）上げ下げできるかを表す数値として簡略化できます。

初期設計の観点から、エンジニアは特定の流量と揚程の組み合わせに最適なポンプの種類を特定するために、比速度と呼ばれる量を用いることが多い。正味吸込揚程（NPSH） [ 45 ]はポンプの性能にとって極めて重要であり、以下の2つの重要な側面がある。

  1. NPSHr (必須): キャビテーションの問題なくポンプが動作するために必要なヘッド。
  2. NPSHa (利用可能): システムによって提供される実際の圧力 (例: オーバーヘッド タンクから)。

ポンプを最適に運転するには、NPSHrが常にNPSHaを上回る必要があります。これにより、ポンプに十分な圧力が確保され、キャビテーション（ポンプの損傷につながる状態）を防止できます。

ポンプ力

流体に与えられた動力は、流体の単位体積あたりのエネルギーを増加させます。したがって、動力関係は、ポンプ機構の機械的エネルギーとポンプ内の流体要素の変換との間に存在します。一般的に、これはナビエ・ストークス方程式と呼ばれる一連の同時微分方程式によって表されます。しかし、流体内の異なるエネルギーのみを関係付ける、より単純なベルヌーイの方程式を使用することもできます。したがって、ポンプに必要な動力Pは次のよ​​うに表されます。

P＝Δp質問η{\displaystyle P={\frac {\Delta pQ}{\eta }}}

ここで、Δp は入口と出口の間の全圧の変化（Pa 単位）であり、Q は流体の体積流量（m 3 /s 単位）です。全圧には、重力、静圧、運動エネルギーの要素が含まれます。つまり、エネルギーは、流体の重力位置エネルギーの変化（坂を上る、または下りる）、速度の変化、または静圧の変化の間で分配されます。η はポンプ効率で、メーカー情報（ポンプ曲線の形式など）で示される場合があり、通常は流体力学シミュレーション（特定のポンプ形状におけるナビエ・ストークスの解）またはテストによって算出されます。ポンプ効率は、ポンプの構成と動作条件（回転速度、流体の密度、粘度など）によって異なります。

Δp＝ρ（v22−v12）2+ρΔzグラム+Δpst1つのt私c{\displaystyle \Delta p=\rho {(v_{2}^{2}-v_{1}^{2}) \over 2}+\rho \Delta zg+{\Delta p_{\mathrm {static} }}}

典型的な「ポンプ」構成では、仕事は流体に与えられるため、正の力となります。ポンプ（すなわちタービン）に仕事を与える流体にとって、仕事は負の力となります。ポンプを駆動するために必要な電力は、出力をポンプ効率で割ることで算出されます。さらに、この定義には、サイフォンのような可動部品のないポンプも含まれます。

効率

ポンプ効率は、ポンプが流体に伝達する動力と、ポンプを駆動するために供給される動力との比として定義されます。この値は特定のポンプに対して一定ではなく、効率は吐出量、つまり運転揚程の関数です。遠心ポンプの場合、効率は運転範囲の中間点（ピーク効率または最高効率点（BEP））までは流量の増加とともに増加する傾向があり、その後、流量がさらに増加すると低下します。このようなポンプ性能データは通常、ポンプ選定前にメーカーから提供されます。ポンプ効率は、摩耗（例えば、インペラの小型化に伴うクリアランスの増大）により、時間の経過とともに低下する傾向があります。

システムに遠心ポンプが含まれている場合、重要な設計上の課題は、ポンプが最大効率点またはその近くで動作するように、ヘッド損失 - 流量特性をポンプと一致させることです。

ポンプの効率は重要な要素であり、定期的に検査する必要があります。熱力学的ポンプ試験はその一つの方法です。

最小限のフロー保護

ポンプ最小流量保護配置のプロセスフロー図の一部

ほとんどの大型ポンプには最小流量要件があり、この流量を下回ると、過熱、インペラの摩耗、振動、シールの故障、駆動軸の損傷、または性能低下によってポンプが損傷する可能性があります。[ 46 ]最小流量保護システムは、ポンプが最小流量未満で運転されないようにします。このシステムは、ポンプがシャットインまたはデッドヘッド状態、つまり吐出ラインが完全に閉じられている場合でも、ポンプを保護します。[ 47 ]最も単純な最小流量システムは、ポンプの吐出ラインから吸入ラインに戻るパイプです。このラインには、ポンプの最小流量が通過できるサイズのオリフィスプレートが取り付けられています。 [ 48 ]この配置により最小流量が維持されますが、ポンプを通過する流量が最小流量を超えても流体が循環されるため、無駄が生じます。より高度ですが、より高価なシステム（図を参照）は、ポンプ吐出口に流量測定装置（FE）を備え、この装置が流量コントローラ（FIC）に信号を送り、流量コントローラが循環ラインの流量制御弁（FCV）を作動させます。測定された流量が最小流量を超えると、FCV が閉じられます。測定された流量が最小流量を下回ると、FCV が開いて最小流量が維持されます。[ 49 ] [ 46 ]流体がリサイクルされると、ポンプの運動エネルギーによって流体の温度が上昇します。多くのポンプでは、この追加された熱エネルギーは配管を通じて放散されます。ただし、石油パイプラインポンプなどの大型産業用ポンプでは、流体を通常の吸入温度まで冷却するために、リサイクル ラインにリサイクル クーラーが設けられています。[ 50 ]あるいは、リサイクルされた流体は、石油精製所、石油ターミナル、または沖合施設の輸出クーラーの上流に戻すこともできます。

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さらに読む

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