第5章：ポンプ吸込側制御

ポンプの設置位置

産業用油圧システムでは、ポンプは通常、システム流体を保持するタンクの上部に取り付けられます。吸込み配管（インレット配管とも呼ばれます）は、ポンプの吸込み口とタンク内の油を接続します。

タンクからポンプへの流体の流れは、独立した油圧サブシステムとして考えることができます。このサブシステムにおいて、ポンプが生じさせる大気圧以下の圧力が流れに対する抵抗となり、流体を動かすエネルギーは大気圧から供給されます。大気はタンク内の油面に作用し、アキュムレータのように機能します。

図5-1 標準的なポンプ設置例 — ポンプはタンク上部に設置、吸込み配管は油面より下方に配置。油面に作用する大気圧が油をポンプ内へ押し上げます。

大気圧の測定

一般に、空気は重さがないものと考えられていますが、地球を取り巻く大気には実際に圧力が存在します。気圧計の発明者であるトリチェリは、大気圧を水銀柱を用いて測定できることを示しました。水銀で満たされたガラス管を水銀の入ったトレイに逆さに挿入したところ、海抜0メートル（海面）では大気圧によって支えられる水銀柱の高さが29.92インチ（760 mm）であることがわかりました。したがって、標準状態において、海面での大気圧は29.92インチ（760 mm）の水銀柱に相当します。当然ながら、海面より高い場所では大気圧が低くなります。

油圧は通常、psi（ポンド・パー・スクエア・インチ）またはbar（バール）で表されますが、大気圧は通常、in.Hg（水銀柱インチ）またはmmHg（水銀柱ミリメートル）で測定されます。68°F（20°C）、相対湿度36％の条件下における海面上の大気圧は、29.92 in.Hgまたは760 mmHgに相当し、これは14.7 psia（絶対圧psi）または1.01 barに等しいです。重要な点として、barは大気圧を定義する単位としては使用されません。代わりに、標準大気圧は101,000 N／m²です。

In.Hgとpsiの間の換算を行う際には、1 psia = 2.04 in.Hg、および1 bar ≈ 752 mmHgであることに注意してください。したがって、概算では：1 psia ≈ 2 in.Hg、または1 bar ≈ 750 mmHgとなります。

絶対圧とゲージ圧

油圧システムにおける圧力測定には、絶対圧およびゲージ圧のいずれも使用できます。

絶対圧力

絶対圧とは、ゼロ圧力点（完全な無圧状態）から測定された圧力を指します。単位としてはpsi（bar）またはin.Hg（mmHg）が用いられます。絶対圧は、単位の末尾に「a」（absoluteの略）を付加して表記されます：psia（絶対圧psi）、bara。

ゲージ圧

ゲージ圧力は、大気圧を基準点として測定されます。単位はpsi（bar）です。絶対圧力は、ゲージ圧力に標準大気圧を加えた値に等しくなります。例：あるシステムの表示が100 psig（6.9 bar gauge）であり、標準大気圧が14.7 psia（1 bar）である場合、絶対圧力は114.7 psia（7.9 bar absolute）となります。この2種類の圧力を区別するため、ゲージ圧力は「psig」、絶対圧力は「psia」と表記されます。

ポンプ吸込側の条件

ポンプが停止しているとき、システムの吸込側は平衡状態にあり、ポンプと大気との間の圧力差はゼロであるため、流体の流れは発生しません。ポンプが作動して回転部に油を供給するには、運転中のポンプが大気圧より低い圧力を発生させ、システムを非平衡状態にし、これにより流れが始まります。

大気圧の2つの役割

大気圧が流体に及ぼす圧力には、以下の2つの目的があります：

1. ポンプ吸込口へ流体を供給する。
2. 流体を高速回転するアセンブリ内に加速させます — 標準回転速度は1,200 rpmおよび1,800 rpmです。

大気圧の大部分は流体をポンプ内に加速させるために使用されますが、まず最初に行わなければならない作業は、ポンプの吸入口へ流体を供給することです。この段階で過剰な大気圧が消費されると、回転アセンブリ内への流体加速に必要な圧力が不足し、ポンプが空気を吸い込む（ストーブ）状態になります。その結果、キャビテーションと呼ばれる現象が発生します。

キャビティ数

キャビテーションとは、液体中に蒸気空洞が形成され、その後崩壊する現象です。この現象はポンプに以下の2つの形で悪影響を与えます：

3. 潤滑機能を妨げます。
4. 金属表面を損傷します。

ポンプの吸入口側では、流体全体にわたって蒸気空洞が形成されます。これにより潤滑効果が低下し、摩耗が加速します。これらの空洞がポンプ吐出口の高圧域に到達すると、空洞の壁面が急激に圧縮・崩壊し、膨大なエネルギーが放出されます。このエネルギーは金属表面を「削り取る」ような作用を及ぼします——まるで彫刻家が石にハンマーと鑿（のみ）を用いるかのようです。キャビテーションが継続したまま放置されると、ポンプの寿命が短縮されるだけでなく、キャビテーションによって生じた破片がシステム内の他の部位へと運ばれ、他の部品を損傷させる可能性があります。

図5-5 ポンプハウジング内径面におけるキャビテーション損傷。この顕微鏡的に観察されるピッティングパターンは、金属表面で蒸気空洞が繰り返し衝撃崩壊（インプロージョン）を起こすことによって生じます。

キャビテーションの兆候

キャビテーションの最も明確な兆候は、騒音です。空洞が崩壊すると、高振幅の振動が発生し、それがシステム全体に伝播します。その結果、油圧ポンプからは高音で鋭い音が発せられます。キャビテーションが発生すると、ポンプの作動室が流体で完全に満たされなくなるため、流量が減少し、システムの圧力が不安定になります。

キャビテーションの発生メカニズム

キャビテーションは液体中で発生しますが、その原因は液体の「沸騰」です。ただし、この沸騰は熱によるものではなく、液体が十分に低い絶対圧に達したために起こります。

液体の蒸気圧

液体中のすべての分子は常に運動していますが、その速度は一様ではありません。表面近くの高速で運動する分子は、周囲の分子からの引力に抗して、上方の空間へと逃げ出そうとします。高速で運動する分子が大気中に逃げ出すために克服しなければならない力が、その液体の蒸気圧です。

液体容器が密閉されている場合、高速で移動する分子が液体の上方の空間に進入します。その空間が蒸気飽和状態に達すると、分子同士が衝突して再び液体に戻ります。液体から出ていく分子の動きを蒸発といい、液体に戻る分子の動きを凝縮（液化）といいます。蒸発速度と凝縮速度が等しくなると平衡状態に達し、そのとき蒸気によって生じる圧力をその液体の蒸気圧といいます。蒸気圧は通常、絶対圧の単位（インチ水銀柱：in.Hg）で表されます。

温度が蒸気圧に及ぼす影響

蒸気圧は温度の影響を受けます。温度が上昇すると、液体分子はより多くのエネルギーを得て、より速く運動するようになります。その結果、蒸気圧は上昇します。蒸気圧が大気圧と等しくなると、液体分子は自由に大気中に移行できるようになり、これを沸騰といいます。海面上では水が華氏212°F（摂氏100°C）で沸騰します。これは、この温度において水の蒸気圧が大気圧と等しくなるためです。

圧力が沸点に及ぼす影響

液体は、その上に作用する圧力を低下させることによっても沸騰させることができます。圧力が低下して液体の蒸気圧と等しくなると、液体分子は液体の上方空間に自由に移行できます。100°F（37.2°C）の水の蒸気圧は2 in.Hg（0.068 bar）です。100°Fの水を含む容器を真空ポンプに接続し、内部の絶対圧力を2 in.Hg（0.068 bar）まで低下させると、水が沸騰します。液体を扱うポンプは、一般にこの種の沸騰を経験します。

液体に溶解した空気

海抜ゼロメートルにおける油圧油には、約10％の空気が溶解状態で含まれています。この空気は液体中に溶解しており、肉眼では見えず、液体の体積を著しく増加させることもありません。油圧油やその他の液体が空気を溶解できる能力は、液体に作用する圧力が低下するとともに減少します。例えば、大気圧下にある油圧油のコップを真空状態に置くと、溶解していた空気が気泡に変化し、溶液から放出されます。空穴現象（キャビテーション）が発生すると、溶解空気が油から放出され、油圧ポンプに損傷を与えます。

巻き込まれた空気

混入空気とは、未溶解状態（気泡として）で液体中に存在する空気のことです。ポンプが時折、混入空気を含む油を吸い込む場合、これらの気泡はポンプに対して空穴現象と同様の影響を及ぼします。ただし、これは液体の蒸気圧とは無関係であるため、「擬似空穴現象（プセウド・キャビテーション）」と呼ばれます。

吸込配管に漏れがある場合、またはポンプ軸シールが劣化した場合には、ほぼ常にシステム内に混入空気が発生します。ポンプ入口側の圧力は大気圧より低くなることが多いため、その部分に開口部があると、空気が油およびポンプ内に吸引されます。レザーバー内で排出されずに残った混入空気泡も、同様にポンプ内に流入します。

入口側の技術的要件

キャビテーションは、ポンプおよびシステム双方に対して非常に有害です。このため、ポンプメーカーは自社製品について入口側の制限値を明示しています。産業用油圧正排量ポンプのメーカーは一般に、流体がポンプの回転部に確実に供給されるよう、ポンプ入口圧力を大気圧以下に保つことを要求しています。ただし、この圧力仕様は通常、絶対圧ではなく真空度（真空）で示されます。

真空圧力スケール（真空）

真空とは、大気圧より低い任意の圧力を指します。真空という概念はやや混乱しやすいため、その基準点はゲージ圧（大気圧）と同じですが、数値はin.Hg（mmHg）単位で下方にカウントされます。

0 in（0 mm）の真空＝大気圧、またはゼロゲージ圧。29.92 in.Hg（760 mmHg）の真空＝完全真空、またはゼロ絶対圧。

真空の判定

図に示すように、ガラス管を介して大気圧下の容器に接続された水銀槽では、容器内の圧力が水銀槽表面に作用する大気圧と等しいため、ガラス管内の水銀は上昇しません。水銀柱の高さがゼロであることは、容器内が真空状態でないことを示しています。

容器を排気して内部圧力を10インチHg（254 mmHg）まで低下させると、トロフ表面に作用する大気圧によって水銀柱が10インチ（254 mm）まで支持される。このときの測定真空度は10インチHg（254 mmHg）となる。容器を完全真空（絶対圧ゼロ）まで排気した場合、大気圧によって支持される水銀柱の高さは29.92インチ（760 mm）となる——測定真空度は29.92インチHg（760 mm）である。

0インチ（0 mm）水銀真空＝大気圧＝ゲージ圧ゼロ。29.92インチHg（760 mm）真空＝完全真空＝絶対圧ゼロ。

図5-9 水銀マノメーターによる真空度測定。上から順に3つの状態：大気圧（真空度0）、部分真空（10インチHg）、完全真空（29.92インチHg＝0 psia）。

真空計

真空計は0～30 in.Hg（0～760 mmHg）で校正されており、目盛りの1目盛りは1 in.Hgである。海抜0メートル（標準大気圧）では、真空計の読み値を絶対圧に換算するには、単にその真空読み値（in.Hg単位）を30 in.Hg（760 mmHg）から減算すればよい。例えば、7 in.Hg（177 mmHg）の真空読み値は、絶対圧23 in.Hg（583 mmHg）に相当する。

真空を用いたポンプ入口の技術要件の評価

ポンプメーカーは、吸入口の技術要件を真空単位で示すことが多い。これは、真空が海抜と関係しているためである——ポンプを海抜より高い場所で使用する場合、その標高における大気圧の低下を考慮しなければならない。

例：製造元が最大吸入真空度が7 in.Hg（177 mmHg）を超えてはならないと規定している場合、これは製造元が流体を回転部品に加速して導入するために、ポンプ吸入口で少なくとも23 in.Hg（583 mmHg）の絶対圧（または大気圧）を確保することを意図していることを意味します。ポンプ吸入口における絶対圧が23 in.Hg（583 mmHg）を下回ると、ポンプが損傷を受ける可能性があります。ただし、このリスクは製造元が真空耐圧に対して許容する設計余裕係数によって異なります。公表されているすべてのポンプ吸入口仕様は、定格回転数および石油系油を前提としています。ポンプが異なる回転数で運転される場合、あるいは異なる流体を使用する場合は、これらの仕様を修正する必要があります。

最大許容真空度に対する異なる流体の影響

ポンプの許容最大真空度は、移送される流体の種類によって異なります。入口側の技術的要件は、石油系油の比重および蒸気圧に基づいて算出されます。難燃性油圧作動油を使用する場合、比重および蒸気圧の変化が許容最大入口真空度に影響を及ぼします。

比重が許容最大真空度に与える影響

比重とは、ある液体の重量と他の液体の重量との比を表すものです。より正確には、一定体積の液体の重量と、同じ体積の水の重量との比を指します。60°F（15.6°C）において、1 ft³の水の重量は62.4 lbs（28.3 kg）です。油の重量を水の重量で割ると、油の重量は水の90％である、すなわち重量比は水：油＝1：0.90となることがわかります。したがって、石油系油の比重（SG）は0.90です。

ポンプの吸込み側要件は、比重0.87～0.90の石油系油を対象として算出される。リン酸エステル系難燃性油では、比重が約30％増加し、約1.15となる。水系油圧作動油の比重は、HFBエマルションで0.93、ウォーターグリコールで1.08の範囲である。これらの比重の大きい作動油をポンプ内に迅速に導入するためには、ポンプ吸込み側に高い圧力が必要となる。したがって、許容最大真空度は若干低減する必要がある。

蒸気圧が許容最大真空度に与える影響

石油系油およびリン酸エステル系難燃性油は、通常の油圧作動温度において非常に低い蒸気圧を示すが、水系油圧作動油はこれとは異なる。水系作動油は水分を高割合で含む。HFBエマルションおよびウォーターグリコールの両方の蒸気圧は、数インチ水銀柱に達することがあるのに対し、石油系油および合成油の蒸気圧は、わずか数分の1インチ水銀柱程度である。したがって、水系作動油は蒸発およびキャビテーションを起こしやすい。

水系流体のキャビテーションを防ぐため、ポンプメーカーは、作動流体をポンプ内に加速させるためにポンプ入口に十分な圧力を確保することを要求します。この要件は、許容最大真空度を低下させることで満たすことができます。

図5-13 蒸気圧の比較。水系流体は、同一温度において鉱物油よりもはるかに高い蒸気圧を有しており、入口真空度が高すぎるとキャビテーションを起こしやすくなります。

ポンプのキャビテーションの診断

保守担当者は、機械に対する熟知度から、ポンプのキャビテーション発生や空気の吸入といった異常の初期兆候をいち早く発見する可能性が最も高いです。

油圧ポンプのキャビテーションまたは空気混入の最も明確な兆候は、高音の音響であるが、両者には微妙な違いがある。キャビテーションを起こしているポンプは、一定の高音を発する——この音は、ほぼ同じサイズの気泡が崩壊することによって生じる場合がある。一方、空気が吸入される場合には、ポンプの音が大きく変化する：少量の空気が混入した場合は、カチカチという音やベアリングの故障に似た音がする；大量の空気が混入した場合は、不気味な打撃音やパチパチという音が発生する。

キャビテーションと空気混入をより確実に区別する方法は、真空計を用いてポンプ入口における絶対圧を測定することである。真空計の読み取り値を大気圧から差し引くと絶対圧が得られるが、この絶対圧の値が十分でない場合、キャビテーションが発生している可能性がある。

新しい油圧システムの場合：ポンプにキャビテーションが発生する場合、吸込配管の設計が不適切であるか、オイルの粘度が高すぎるためである可能性があります。適切な粘度のオイルを使用するか、吸込配管の内径を拡大して配管内の圧力損失を低減させることで、キャビテーションの改善が期待できます。適切に設計された既存のシステムの場合：ポンプにキャビテーションが発生する場合、吸込配管が異物、紙、あるいは小動物などによって閉塞しているか、インレットフィルターがバイパス機能なしで過度に汚染されているか、あるいはバイパス弁が十分に開いていないことが原因である可能性があります。

ポンプのプライミング

油圧ポンプにおける「プライミング」とは、ポンプ内部の作動機構に作動油を満たすことを意味します。未プライミングのポンプには空気（エアロック）が存在します。ポンプの作動を開始する前に、この空気を吸込配管およびポンプ内部の空腔から完全に排出する必要があります。この工程を省略したままプライミングを行わずに油圧ポンプを起動すると、潤滑不足により数分以内にポンプに永久的な損傷を与える可能性があります。

吐出口が方向制御弁を介して直接タンクに接続されているポンプは、通常、起動時に残存ガスをタンク内に容易に排出できます。ただし、ポンプが Relief Valve（安全弁）を介して内部の空気を排出しなければならない場合、この操作は不可能になることがあります。というのも、一般的な産業用油圧ポンプは非常に効率の悪い空気圧縮機であるためです。

未灌水（プライミング未実施）のポンプから残存空気を排出するには、ポンプ吐出口のパイプ継手を緩め、ポンプをゆっくりと回転させ、継手から油が噴出するまで回転させます。油の噴出は、ポンプが灌水（プライミング）されたことを示します。その後、継手を再び締めます。また、安全弁をアンロード（負荷を解除）することでも残存空気を排出できます。

油圧ポンプの灌水（プライミング）は、新規システムの起動時、または既設システムの吸込側で保守作業を実施した場合にのみ、通常必要となります。

キーワードおよび定義 — ポンプ吸込側

ポンプ吸込条件を扱う際に使用される以下の用語および式があります：

満水吸込

ポンプの吸込み口が貯留槽内の流体液面より低い状態。この「浸漬吸込み（フローデッド・サクション）」では、流体の静水頭（重力）がポンプ内への流体供給を助ける追加のエネルギーを提供する。

ヘッドプレッシャー

流体柱の底部における圧力。ポンプの吸込み口が流体液面より低い場合、静水頭圧力がポンプに追加のエネルギー源を提供する。静水頭圧力の計算式：

揚程圧力

所定の基準点より下方に相当する流体柱の高さ（長さ単位で表される）。揚程圧力の計算式（in.Hg）：

送液

油圧ポンプが大気と自体との間に圧力差を生じさせる動作。

入り口圧

ポンプ吸込み口における流体の絶対圧力。