自吸式ポンプとは何ですか? システムに適したポンプを選択するにはどうすればよいですか?

自吸式ポンプは、流体処理工学における最も実際的に価値のある革新の 1 つです。起動前にポンプ ケーシングと吸引ラインを液体で完全に満たす必要がある標準の遠心ポンプとは異なり、自吸式ポンプは、ポンプが流体源の上に設置されている場合でも、自身の吸引ラインから空気を排出し、自動的に呼び水を行うことができます。この機能により、手動プライミング手順、フートバルブ、または外部真空アシストシステムの必要性がなくなり、設置の複雑さ、メンテナンスの必要性、および流体供給が断続的である場合やポンプが長期間のアイドル期間後に動作する用途における空運転による損傷のリスクが大幅に軽減されます。都市の下水処理や産業プロセス システムから海洋ビルジ ポンプや農業用灌漑に至るまで、自吸式ポンプは、従来のポンプが故障したり、オペレータの継続的な介入を必要としたりするような状況でも、信頼性の高い動作を実現します。

自吸式ポンプの仕組み

自吸式ポンプの基本的な動作原理は、ポンプ ケーシング内に保持された残留液体と空気を混合し、インペラの入口に減圧環境を作り出し、流体を吸引ラインに引き上げる能力に重点を置いています。吸込ラインに空気が入った状態で自吸ポンプが始動すると、前の運転サイクルで保持された液体の中でインペ​​ラが回転します。この回転により遠心作用が発生し、液体が外側に飛び散り、同時に吸入口から羽根車の目に空気が引き込まれます。空気と液体はインペラの通路内で混合し、分離チャンバーに排出されます。そこで、重い液体はインペラに向かって戻り、軽い空気は排出口から排出されます。この再循環サイクルは継続し、徐々に吸引ラインから空気を排出し、供給源の流体表面に作用する大気圧によって液体が吸引パイプを押し上げポンプに入るまでポンプ入口の圧力を下げます。液体で完全にプライミングされると、ポンプは通常の遠心ポンプ動作にシームレスに移行します。

呼び水時間（吸引ラインを排気して完全な液体の流れを確立するのに必要な時間）は、吸引リフトの高さ、吸引パイプの長さと直径、排気される空気の量、空気処理時のポンプの設計効率などのいくつかの要因によって異なります。適切に設計された自吸式ポンプは、通常の吸込揚程 4 ～ 6 メートルで動作し、通常の条件下では 30 ～ 90 秒以内に完全呼び水に達します。自吸式遠心ポンプの実際の最大吸込揚程は、大気圧の物理的制約により一般に 7 ～ 8 メートルに制限されますが、一部の容積式自吸式設計では、より大きな吸込揚程で動作できるものもあります。

自吸式ポンプの主な種類

自吸機能はいくつかの異なるポンプ技術タイプに組み込まれており、それぞれが空気排出に異なる機械的アプローチを採用しており、流量、圧力、流体の種類、固体の取り扱いに関するさまざまなアプリケーション要件に適しています。

自吸式渦巻ポンプ

自吸式遠心ポンプは、産業、自治体、農業用途で最も広く使用されているタイプです。これらには、ポンプの停止時に大量のプライミング液を保持する一体型液体リザーバーを備えた大きな渦巻きケーシングが組み込まれています。上述の再循環原理は、この保持された液体を使用して、吸引ラインを徐々に排出します。ほとんどの自吸式遠心ポンプはセミオープンまたはクローズドインペラを使用しており、セミオープンインペラの方が固体や繊維状物質に対する耐性が優れています。これらのポンプは、食品加工用の小型ステンレス鋼ユニットから下水や産業排水用の大型鋳鉄ポンプまで、幅広いサイズと材質で利用でき、サイズと構成に応じて、毎分数リットルから毎時数千立方メートルまでの流量を処理できます。

自吸式ゴミポンプ

ゴミポンプは、標準的なポンプ インペラを詰まらせる大きな固体粒子、破片、ぼろ布、繊維状物質を含む流体を処理するために特別に設計された自吸式遠心ポンプの特殊なサブセットです。広いインペラベーンクリアランス、大きなポート開口部、および直径 50 ～ 75 mm までの固体粒子が詰まりを引き起こすことなく通過できる堅牢なケーシング設計が特徴です。自吸式ゴミポンプは、建設現場の脱水、下水バイパスポンプ、洪水対応、ポンプで汲み上げられる流体に常に多量の固形物が含まれる鉱山作業などで広く使用されています。インペラは通常、セミオープンまたはボルテックス設計であり、これらのポンプを現場条件で真に実用的なものにする固形物通過能力と引き換えに、油圧効率をある程度犠牲にしています。

自吸式回生タービンポンプ

ペリフェラル ポンプまたはサイド チャネル ポンプとも呼ばれる回生タービン ポンプは、遠心ポンプとは異なる油圧機構を使用しており、歯付きインペラが公差の狭い環状チャネル内で回転し、1 回転ごとに複数のエネルギー インパルスを流体に伝えます。この設計は、同等のサイズと速度の遠心ポンプよりも大幅に高いヘッド圧力を生成するため、回生タービン ポンプは、ボイラーへの供給、蒸気凝縮水の戻り、化学薬品の注入などの高圧、低流量の用途に適しています。再生タービンポンプの隙間は狭いため、固形物や研磨剤の侵入を防ぎますが、インペラとケーシングの隙間が狭いため、長期間のアイドル期間の後でも呼び水に必要な液膜を維持できるため、自然に良好な自吸特性が得られます。

自吸式容積式ポンプ

容積式ポンプのいくつかのタイプは、その動作機構により本質的に自吸式です。フレキシブル インペラ ポンプ、ペリスタルティック (ホース) ポンプ、ダイアフラム ポンプ、およびロータリー ローブ ポンプはすべて、入口で膨張し出口で収縮する個別の容積を生成し、最初に液体が存在していなくても液体と空気の両方を引き込むことができる吸引力を生成します。これらのポンプは、遠心自吸式ポンプよりも大幅に大きな吸込揚程を達成でき、一部のダイアフラムポンプは最大 9 メートル以上の吸込揚程に定格されています。また、柔軟なインペラやダイアフラム設計の場合、損傷することなく空運転することができます。これらは、自吸性能とともに正確な流量制御と化学的適合性が優先される計量、投与、移送用途で特に評価されています。

自吸式ポンプの性能比較

最適な自吸ポンプのタイプを選択するには、各技術の性能範囲と制限を理解する必要があります。以下の表は、主なタイプを区別する主要なパラメータの比較概要を示しています。

自吸式ポンプが不可欠な主な用途

自吸式ポンプ は、単に標準ポンプの便利な代替品ではありません。多くの用途において、その呼び水機能は好みではなく、真の運用上の必要性です。いくつかの業界は、基本的な要件として自吸性能に依存しています。

建設現場の脱水

建設工事の掘削、溝、基礎ピットには地下水と雨水が蓄積しますが、安全で作業可能な状態を維持するには、これらを継続的に除去する必要があります。建設現場の脱水ポンプは、日常的に現場間を移動し、迅速に設置され、ポンプの専門家ではない担当者によって操作されます。この状況では、自吸式ゴミポンプが標準ツールです。なぜなら、ポンプは水面より上に設置でき、充填手順なしで起動でき、敷地内水に含まれる避けられない破片やシルトを処理でき、最小限の労力で再配置できるからです。エンジン駆動の自吸式遠心ポンプは電源のない遠隔地に適していますが、電動自吸式ポンプは送電網や発電機の電力がある現場に適しています。

農業灌漑と水の移送

川、池、または開放貯水池から水を引く灌漑システムは、水面上に設置された自吸式遠心ポンプに依存することがよくあります。季節による水位の変動により、吸込揚程が年間を通して変化するため、ポンプは停止期間後に手動介入なしで自動的に再呼び水をする必要があります。自吸式ポンプにより、フートバルブ（逆流を防止し呼び水を維持するために吸込パイプの底に取り付けられたバネ仕掛けの逆止弁）の必要がなくなります。フートバルブは破​​片で詰まりやすく、現場の状況では定期的な検査と交換が必要です。

船舶およびビルジポンプ

船舶のビルジ ポンプは、船体の最下点に蓄積した水を除去できなければならず、多くの場合、ポンプはビルジ水位よりかなり高い位置に取り付けられます。この状況では、自吸機能が絶対的な要件です。自吸できないビルジポンプは、船舶が無人である間に水が蓄積した場合に、自動的に呼び水を行うことができません。フレキシブルインペラポンプとダイヤフラムポンプは、自吸性能が動作機構に固有であり、コンパクトなサイズが海洋設備のスペース制約に適合し、ビルジ水中に時折発生する固形破片を処理できるため、海洋ビルジ用途で広く使用されています。

都市排水および産業排水

下水ポンプ場や産業排水移送システムでは、湿潤井戸に水中ポンプを設置する代わりに、地上構成の自吸式ポンプがよく使用されます。地上の自吸式設置にはメンテナンス上の大きな利点があり、ウェットウェルへのアクセスに必要な狭いスペースへの立ち入り手順を必要とせずに、ポンプとモーターに完全にアクセスして検査、整備、交換を行うことができます。自吸式下水ポンプは、大口径の固形物通過能力と詰まりのないインペラ形状を備えて特別に設計されており、クリアランスが狭いポンプで慢性的な詰まり問題を引き起こすぼろ布、ワイプ、繊維状固形物など、原水中に存在するあらゆる物質を処理できます。

自吸式ポンプを選択する際に考慮すべき重要な要素

適切な自吸ポンプを選択するには、相互に依存する一連のアプリケーション パラメーターを評価する必要があります。これらの要因のいずれかを見落とすと、ポンプが確実に呼び水に失敗したり、不適切な流量や圧力が供給されたり、早期に機械的故障が発生したり、過度のメンテナンス介入が必要になったりする可能性があります。

• 利用可能な吸引リフトおよび正味吸引ヘッド (NPSHa): 最悪の動作条件 (通常は予想される最低液面) での実際の吸引リフトを計算し、それがポンプの定格能力内に収まることを確認します。通常動作中のキャビテーションを防ぐために、NPSHa がポンプの NPSHr (必須) を適切なマージン (通常は少なくとも 0.5 ～ 1.0 メートル) 上回っていることを確認します。
• 必要流量と揚程： 動作条件における設計流量と総動水頭 (静水頭、配管システム内の摩擦損失、および供給点での圧力要件の合計) を定義します。推奨動作範囲内、理想的にはポンプの最高効率点 (BEP) 付近で、性能曲線がこのデューティ ポイントと交差するポンプを選択します。
• 流体の特性: ポンプで送られる流体の粘度、密度、温度、pH、化学組成、固形分、磨耗性はすべて、材料の選択、インペラのタイプ、シールの仕様、呼び水維持のためのポンプの能力に影響します。ポンプ入口での沸点に近い流体は、呼び水機構を妨げる蒸気の形成により、自吸にとって特に困難な条件を示します。
• 固体の取り扱い要件: ポンプで送られる流体の予想される最大粒子サイズと濃度を指定し、ポンプの定格固体通過直径がこれを超えていることを確認します。繊維状または糸状の固体の場合、関係する効率の低下に関係なく、クローズドインペラよりも広いクリアランスを持つボルテックスまたはセミオープンインペラ設計の方が適しています。
• ドライランのリスクと保護: 供給の中断、制御システムの故障、またはオペレーターのミスにより、ポンプが空運転する可能性が現実的にある場合は、ダイアフラムポンプやペリスタルティックポンプなど、固有の空運転耐性を持つポンプタイプを選択するか、流量センサー、レベルスイッチ、サーミスターベースのモーター保護などの空運転保護装置を指定してください。
• 電源と設置環境： 電気モーター駆動、ディーゼルエンジン駆動、空気圧駆動、または油圧駆動のどれが、設置場所の電力利用可能性、爆発危険分類、および可搬性要件に最も適しているかを検討してください。屋外設置の場合は、モーターの侵入保護定格が環境条件に適合していることを確認し、停止期間中に保持された呼び水が凍結する可能性がある寒冷地での凍結防止の必要性を考慮してください。

信頼性の高い自吸ポンプ性能のための設置ガイドライン

信頼性の高い自吸性能を得るには、正しいポンプの選択と同じくらい、正しい設置が重要です。適切に指定されたポンプを設計上の誤りを含めて設置すると、常に悪いプライミング動作と早期の機械的摩耗が発生しますが、正しく設置されたポンプは、設計上の耐用年数全体にわたって最小限のメンテナンスで確実に動作します。

• 吸入パイプをできるだけ短く、直接に保ちます。 吸込管の長さが 1 メートル増えるごとに、またエルボやフィッティングが増えるごとに摩擦抵抗が増し、呼び水中に排気しなければならない空気の量が増加します。曲がりを最小限に抑えた短く大径のサクションパイプにより呼び水時間が最小限に抑えられ、最大サクションリフト時の呼び水失敗のリスクが軽減されます。
• 吸引パイプがポンプに向かって連続的に上向きに傾斜していることを確認します。 空気が蓄積する可能性のある吸込みパイプの低い点があると、ポンプが繰り返し排気する必要があるエアポケットが形成され、呼び水時間が大幅に延長されたり、呼び水の失敗が発生したりすることがあります。吸込みパイプは、空気が閉じ込められる可能性のある高い箇所や低い箇所がなく、流体源からポンプ入口まで連続的に上昇する必要があります。
• 吸引システム内の空気漏れを排除します。 ポンプ入口と流体源の間の空気漏れ（ジョイントの緩み、ガスケットの損傷、フィッティングの亀裂などによる）があると、呼び水サイクル中に継続的に空気が引き込まれ、ポンプが流体を持ち上げるのに十分な真空を発生できなくなります。すべての吸込管継手は、試運転前に気密性について圧力テストを行う必要があります。
• 吸入口の適切な浸水を維持してください。 流体表面での渦形成による空気の混入を防ぐために、吸込みパイプの入口は十分に水没しなければなりません。最小水没深さは入口での流速によって異なります（速度が高いほど、より大きな水没が必要になります）。計算するか、該当するパイプのサイズと流量に関する公開されているガイドラインから取得する必要があります。
• 最初の始動時にポンプ ケーシングをプライミング液で満たします。 自吸ポンプは最初の動作後の停止までの間液体を保持しますが、最初の起動前にポンプ ケーシングを手動できれいな液体で満たす必要があります。完全に空の状態で自吸ポンプを始動すると、摩擦熱の発生によってメカニカル シールとインペラが損傷するため、常に避けてください。

一般的な問題と自吸ポンプの問題のトラブルシューティング

正しく選択され設置された自吸式ポンプであっても、場合によっては動作上の問題が発生することがあります。症状とその考えられる原因を認識すると、軽微な問題が損害の大きい障害に発展する前に、迅速な診断と修正が可能になります。

呼び水の失敗（ポンプは作動するが流体を吸引しない場合）は最も頻繁に起こる苦情であり、通常は数少ない根本原因のいずれかによって引き起こされます。真空の発生を妨げる吸引システム内の空気漏れ、ポンプの定格能力を超える過剰な吸引揚力、吸引パイプまたはストレーナの詰まりによる流路面積の減少、起動時のポンプケーシング内の保持液体の不足、ポンプの空気処理効率を低下させるインペラのクリアランスの摩耗などです。これらの各要因を、最もアクセスしやすく最も原因が考えられるものから順に系統的にチェックすることで、ほとんどの場合、特殊な診断機器を必要とせずに原因を特定できます。動作中の呼び水の損失 (最初はポンプに呼び水が来るがその後流れが失われる) は、ほとんどの場合、吸込漏れによる空気の巻き込み、不十分な水没による吸込口での空気の引き込み渦、または流体温度がポンプ入口での蒸気圧に近づき、吸込管内の液柱を破壊する蒸気ポケットが形成されることが原因で発生します。