tsurfの機械設計研究室

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機械設計で使う流体を流すポンプの基本

本ブログの御訪問ありがとうございます

機械設計歴20年以上のtsurfと言います

 

今回は以下に関する記事です

機械設計で使う流体を流すポンプの基本

 

  

⇩本記事は機械設計初心者の方で以下の方にオススメです⇩

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とある
初心者機械設計者

ポンプって凄い種類があるね

 

⇩本記事を読むと以下が わかります⇩

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管理人TSURF

ポンプの種類と使い分けを
わかりやすく説明します

 

 

①結論

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ポンプの種類

詳しくは後述しますが 大きく分けて 主に以下があります

 

 

非容積式ポンプ

例:マグネットポンプ

  • 電気のみで稼働
  • 安価
  • 自吸能力無し
  • 脈動が少ない

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容積式ポンプ

例:ベローズポンプ

  • エアを消費する
  • エア回路が必要
  • 高額
  • 自吸能力有り
  • 脈動有り

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ポンプ性能

詳しくは後述しますが 主に以下を見ます

  • 吐出圧
  • 自吸能力
  • 流量
  • 脈動の有無

 

 

②ポンプの性能

概要

ポンプの種類を解説する上で ポンプの性能を理解しなくてはいけません

選定する上で だいたい以下を見て吟味します

吐出圧
(揚程能力)

流体を吐出する際の圧力です
この数値が大きいほど 高所に流体を運べます
単位は(KPa)です

しかし
ポンプによっては直接揚程能力を記載しているものもあり
その場合の単位はmです

自吸能力

流体をポンプ内へ呼び込む能力で 負圧で表現されます
単位は(KPa)です

⇩この負圧が大きい⇩
大きい負圧で ポンプ内に流体を導けます
つまり タンクより 高い位置にポンプを設置可能となります

⇩この負圧が小さい⇩
小さい負圧しか発生できず 自力で液を呼び込めません
タンクより下に設置することにより液の自由落下でしか
ポンプ内に流体を呼び込めません

流量

搬送できる液の流量です
単位は(L/min)です

脈動の有無

脈動とは 流体の移送が間欠的に移送されるかどうかで
ベローズポンプなどは 脈動があります

 

 

 

③非容積式ポンプ(例:マグネットポンプ)

特徴

非容積式ポンプの例として マグネットポンプで解説します

構造としては 羽車をモーターで回して その勢いで流体を押し上げます

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特に マグネットポンプは

上図の流体室を モーター駆動部がマグネットを介して回転させています

つまり 流体を完全にシールしています

 

 

メリット

  • 構造が単純で安価
  • インペラの高速回転のため連続性があり大流量
  • 電気のみで稼働できる
  • 脈動が少ない

 

 

デメリット

●自吸能力がない=設置に制限がある

羽根車はただ 回転しているだけです 

回転構造上スキマがあるので 強力な負圧は発生しません

従って自吸能力がありません

 

ポンプをタンクより高い位置に設置してしまうと

液体搬送ができませんのでNGです

 

タンクより 低い位置に設置し 流体の自由落下により

ポンプに流体を供給しなくてはいけません

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●空運転禁止

モーターを使うので 温度が上昇します

従って 液がない状態での運転はNGとなります

もともと 上述のとおり 自吸能力がないこともあり

常に 液でポンプ内を満たしてあげることが重要となります

 

●吐出圧はあまり高くない

これも 羽根車の回転しているだけの性質上 構造上スキマがあるため

吐出圧もあまり高くありません

従って あまり高所への押し上げ能力はありません

 

 

●摺動部が接液

機械摺動である軸受け部による 粉塵が流体に混ざる可能性があります

従って 流体の清浄度が問題の場合は フィルターが必要です

 

 

●循環回路だとヒーターと化してしまう

電気を使い モーターでインペラを回しているため熱が発生します 

循環回路に使用すると液温が上昇していきます

 

極端に言えば 0.4Kwのポンプを使用して循環するといいうことは

0.4Kwのヒーターを抱えているのと同じくらいとなります

 

液温管理が必要な場合は注意が必要で 

冷却回路を追加しなくてはならない場合があります

 

 

●高腐食流体には不向き

ある程度の耐食性があるとは言え 高濃度の薬液を流すと腐食します

使える薬品と濃度は確認の必要があります

 

 

 

④容積式ポンプ(例:ベローズポンプ)

特徴

ベローズとは樹脂製の蛇腹であり

ベローズをエアシリンダーによって駆動させることにより吸引と吐出を行います

動作は以下となります

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チャッキ弁をうまく使っていますが

チャッキ弁の仕組みがわからないと この構造はわかりづらいので

補足で解説する チャッキ弁についてを御参照ください

 

 

 

補足 チャッキ弁について

チャッキ弁の構造を解説します

チャッキ弁は 1方向にのみ流体を通す弁であり 逆流はさせません

 

この性質があるからこそ 先述のとおり
ベローズポンプが吸引と吐出を行うことが、できるのです

 

まず 以下の図のように
IN側の流体とOUT側の流体圧が同じ もしくは OUT側の流体圧が高い時は
スプリングにより球体部品が、配管に押し付けられます。

 

この時は IN側からOUT側へ流体は通りません。

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しかし 以下のように

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IN側の流体が高い時のみ スプリングがOUT側へ追いやられ
IN側→OUT側と流体が通ります

 

 

特徴

ベローズポンプは ベローズ膨張時に強力な負圧を発生させることができ

これが 自吸能力となっています

 

また ベローズの往復動作によって 

液の吐出と一瞬の停止を繰り返すことにより 脈動が生じます

 

連続吐出はできませんが パルスダンパーなどを使うことにより

脈動を軽減できます

 

 

メリット

●設置の自由度が高い

ベローズポンプには自吸能力があるからです

 

このベローズの膨張動作の時に この空間は強力な負圧が発生します

負圧が発生するということは 液体を引っ張ることができます

 

発生負圧に 制限はありますが タンクより上部への設置も可能です

自吸能力は カタログに記載があります

 

 

●腐食薬液にも強い

ベローズや 内部のチャッキ弁の材質次第では 高腐食薬液の搬送にも使えます

耐高腐食仕様のものは 以下のような対策をとっています

ベローズ フッ素樹脂
チャッキ弁の
球体
フッ素樹脂
チャッキ弁の
スプリング
PFA(フッ素樹脂)被覆

 

 

デメリット

●トータルコストが高い

当然 ベローズポンプ自体も高額なのですが 

駆動させるためのエアシステムであったり

後述する脈動を抑えようとすると パルスダンパーが必要になり

後述する流量を多くしようと思うと 急速排気弁が必要になったり・・・

 

トータルコスト自体は 高くなります

 

 

●ベローズポンプを動作させるエア回路が必要

ベローズポンプのエアシリンダを駆動させるための 電磁弁が必要となります

 

 

●脈動がある

当然ベローズ構造なので 脈動があります

脈動があっても 問題ない装置であればいいのですが

 

脈動が問題の場合は 

この軽減のために パルスダンパーを供給側に設置しなくていけません

 

 

●大流量が出しづらい

エアシリンダーの駆動による往復運動のため 当然大流量は出づらいです

このため 大流量を確保しようと思ったら 

エアシリンダーの動作を高速にする必要があります

 

その場合 

ポンプの動作エア回路に急速排気弁を追加するなどの工夫が必要となります

 

 

⑤まとめ

  • 非容積ポンプは インペラの回転で液を押し上げる
  • そのため 自吸能力には期待できない
  • しかし 連続性があり大流量を流すことができる
  • マグネットポンプなどが代表であり 比較的安価

 

  • 容積ポンプは ベローズやダイヤフラムなどを使う
  • ベローズやダイヤフラムの膨張動作に負圧発生
  • そのため 容積ポンプは自吸能力があるものが多い
  • しかし 一定量の吐出を繰り返す脈動が生じる
  • 構造的に高価となりやすい
  • 仕様によっては 高腐食液体にも対応可

 

本記事は以上です

最後まで お読みいただきありがとうございます

 

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