ポンプの分類と特徴、用途を解説
ポンプは液体や気体を吸入、搬送する装置です。原理や構造などにより様々な種類があります。
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容積式ポンプとは
一定の容積を持つ空間にある流体に対し、往復運動や回転運動などによって、その容積を変化させて流体を搬送するポンプを容積式ポンプと言います。
例えば、往復運動を⽤いるポンプは、往復するピストンやロッド状のプランジャーと2つの弁を組み合わせた構造となっており、ピストンやプランジャーを往復運動させることで、ポンプ室内の容積を変化させて流体を搬送します。
また、⼀⽅の⾯が伸縮性のある隔膜（ダイヤフラム）で隔てられたポンプ室内（チャンバー）の容積を、隔壁を上下（左右）に変形させることにより流体を搬送するダイヤフラムポンプなどがあります。
回転運動により搬送を行うポンプには、かみ合わせたギヤやスクリュー（ねじ）の歯の間に流体を導き、回転させることで搬送を行うギヤポンプ、スクリューポンプがあります。
チューブをローラーで押しつぶしながら回転させる事で流体を搬送するチューブポンプも容積式ポンプに分類されます。
これらとは別に、羽根車（インペラー）を回転させ、遠心力で圧力を与えたり、軸方向の流れを作ったりして流体を搬送する非容積式ポンプもあります。
容積式ポンプの脈動
容積式ポンプでは、流体の吸込みと吐出が交互に行われるので、脈を打つように流量が変化しながら流れていきます。これを脈動といいます。脈動は振動を起こすので、激しい脈動が続くとポンプや配管が破損したり、寿命を縮めてしまったりすることがあります。脈動を防止するには、ピストンやプランジャーを複数設けて吸込みと吐出のタイミングを変えて振動を打ち消す、多連型ポンプにする方法があります。他にも、エアーチャンバーやアキュムレータなどの脈動緩衝装置を用いる方法があります。
各種ポンプの特徴と用途
それぞれのポンプの構造や特徴を解説します。
ピストンポンプ
ピストンポンプは、シリンダー内のピストンが往復運動することによって流体の吸入、搬送を行うポンプです。ピストンと、吸込側、吐出側の2つの弁を持ち、ピストンには流体がピストンとシリンダーの間から流れ出ないようにするためのシールが設けられています。
動作原理は、まずピストンが一方に動くことで吸入側の弁が開くとともに吐出側の弁が閉じ、シリンダー内に流体を吸入します。次に、ピストンが逆方向に動くことで吸入側の弁が閉じて吐出側の弁が開き、流体が吐出されます。これを繰り返すことで流体の搬送を行います。井戸水のくみ上げなどに使われる手動ポンプにはピストンポンプが使われています。
ダイヤフラムポンプ
ダイヤフラムポンプは、ダイヤフラムを押し引きして変形させることにより、チャンバー内の容積を変化させて流体の吸入、搬送を行うポンプです。ダイヤフラムと吸入側、吐出側の2つの弁を持ち、エアーや油圧、モーター、ソレノイドなどによりダイヤフラムを変形させます。
まず、ダイヤフラムが引かれることでチャンバー内の容積が大きくなって減圧します。この時、吐出側の逆止弁が吸い込まれて止まり、吸込側の逆止弁がチャンバー側に引かれて開かれ、吸込側からチャンバー内に流体が吸い込まれていきます。
次に、ダイヤフラムが押されることでチャンバー内の圧力が増加。吐出側の逆止弁が押されて開き、吸込側の逆止弁が閉じて、吐出側から流体が押し出されます。この吸い込みと押し出しの動作を繰り返すことで流体が搬送されます。ダイヤフラムの素材には、丈夫で伸縮性の高いゴム素材などが多く用いられ、流体と接するチャンバー側の面には、耐腐食性や耐薬品性などに優れたシリコン樹脂やテフロン素材などが用いられます。構造がシンプルで扱いやすく、定量性も高いので、通常の気体、液体のほか、幅広い流体の搬送で利用されています。
ダイヤフラムポンプについては以下の記事でもご紹介しています。
ダイヤフラムポンプとは？ 特徴と構造を解説
プランジャーポンプ
プランジャーポンプは、ピストンポンプと同様に、プランジャーの往復運動により流体の吸入、搬送を行うポンプです。プランジャーと、吸入側、吐出側の2つの弁を持っています。ピストンポンプとの違いは、シールがプランジャー側ではなく、ポンプ本体に設けられている点です。高い圧力の流体の搬送に適しており、高圧洗浄機のポンプにも使用されています。
ギヤポンプ、スクリューポンプ
ギヤポンプ、スクリューポンプは、ギヤやスクリューをかみ合わせて回転させることで流体の吸入、搬送を行うポンプです。一例として外歯のギヤ2ヶを使用したギヤポンプでは、ギヤの噛み合いが開く時に生じる負圧で流体を吸入します。ギヤの歯間に入った流体はケース内壁に沿って吐出側に搬送され、ギヤが再びかみ合うことで、流体は押し出されて吐出します。流体を送り出す力が強く、油圧機器や比較的粘度の高い液体の搬送に用いられます。
チューブポンプ
チューブポンプは、弾力性のあるチューブを回転するローラーで押しつぶして流体の吸入、搬送を行うポンプです。
ローラーがチューブを連続的に押しつぶして回ることで負圧が生じ、流体が吸入されます。吸入された流体はローラーで押し運ばれて吐出されます。一定加圧で定量吐出できるので、医療機器や化学製品の搬送などに用いられています。
ACポンプ、DCポンプ、大型ポンプ、小型ポンプ
ポンプの分類は原理や構造の他に、動力源となるモーターやソレノイドの電源の種類によってACポンプ、DCポンプと呼ばれることがあります。例えば、モーターによりカムやクランクを動かしてダイヤフラムを押し引きするダイヤフラムポンプにおいて、ACモーター、またはDCモーターのどちらかの電源のモーターを使用するので、ACポンプ、DCポンプと分けられます。
日本の交流電源は地域により周波数が異なるため、ACポンプは地域により性能に差が生じやすいですが、堅牢で耐久性があります。一方、DCポンプは、音や発熱、振動が少なく、更に速度調節が容易な為、医療機器や理化学実験用装置などに多く用いられます。
他にも、ポンプは流体を⼀定時間に吸い上げて吐出できる量（流量）や、ポンプが流体に対してどのくらいの圧力や速度などを与えられるかを、水を揚げられる高さに換算した値（揚程）で能力が判断されます。
この能力や、ポンプ自体のサイズにより、大型ポンプ、小型ポンプのように分類されることもあります。大型ポンプは、遠心ポンプや軸流ポンプなどの非容積式ポンプに多く、水道や下水道用のポンプ、河川の排水ポンプ、プラントでの送液ポンプなど、大容量の搬送を求める場所で多く使用されています。
小型ポンプは、ダイヤフラムポンプやプランジャーポンプ、チューブポンプなどの容積式ポンプに多く、一定加圧、定量吐出が必要な用途で主に使われています。小型ポンプでは、高精度に加工された逆止弁やシリンダーと共に、ポンプの駆動源となる小型、軽量、高効率なモーターにより一定量の流体を安定的に吐出することが可能です。各種精密機器へのエアー、液体搬送の工業用途の他、環境分析、医療、バイオ、食品製造など、決められた分量と速度で流体を送る必要がある用途で広く用いられています。
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