油圧ポンプの性能に影響を与える要因とは？

油圧ポンプにおける内部効率損失

油圧ポンプの効率は運用コストとシステムの信頼性に直接影響します。性能を低下させる主な損失は大きく分けて3つのカテゴリがあります。

体積損失：内部漏れおよび流体の圧縮性の影響

流体が動く部品とそのハウジングの間の微小な隙間から漏れ出ると、実際に供給される流量が自然と減少します。問題は、流体が圧力下で実際に圧縮され、システムの圧力に応じて体積が変化するため、さらに悪化します。これは特に高圧で運転されているシステムで顕著です。古いポンプは経年による摩耗により、時間とともに約15～30％多く流体を損失する傾向があります。新しいポンプは通常約95％の効率で動作しますが、何年も運転を続けると、Engineering Toolboxの2023年のデータによれば多くのポンプが80％以下の効率に低下します。その後どうなるでしょうか？同じ出力を得るためにポンプはより強く働かなければならず、結果としてエネルギー使用量が大幅に増加し、場合によっては本来必要とされる電気代よりも最大で4分の1以上も高くなることがあります。

機械的損失：摩擦、軸受の摩耗、シールのドラッグ

摩擦は、ベアリング、ピストン、ギア歯など、私たちがよく知っている滑動部で発生し、この摩擦によって、システムに投入されたエネルギーの7～12％が消費されます。ベアリングが摩耗し始めると、ドラッグトルク（抵抗トルク）が大幅に増加し、場合によっては最大40％もの追加抵抗を生じさせます。また、古くなったシールについても言及しておきましょう。これらは不要なドラッグ力をさまざまな形で侵入させ、高圧状況下では機械効率を約8％も低下させてしまいます。これらの現象が意味するものは何でしょうか？ 簡単に言えば、本来は有効に使われるはずだったエネルギーが、流体を必要な場所へ移送する代わりに単に熱に変換されてしまうということです。この熱の蓄積は、あらゆるコンポーネントの摩耗・劣化を加速させます。そのため、金属表面が直接互いにこすれ合わないようにし、機械全体の性能を良好に維持するために、定期的な潤滑状態の点検が極めて重要なのです。

油圧損失：乱流、流れの剥離、バルブ抵抗

非効率な油圧システムは、ポート内部の乱流や、鋭い角や急激なサイズ変更部での流れの剥離、制御バルブ通過時の圧力損失などに起因することが多いです。流体が乱流状態になると、単に無駄な熱としてエネルギーが散逸してしまいます。流れの剥離は厄介な渦を生じさせ、システム内の運動エネルギーを実質的に奪ってしまいます。また、方向制御バルブなどにおけるバルブ抵抗も見逃せません。特にこのような場所では、損失が全体のシステム圧力の約20％を消費してしまうこともあります。スムーズな運転を維持するためには、エンジニアはより優れたポート設計に注力し、可能であれば大径または低ΔPのバルブを採用し、自然な流れを妨げる配管内の急激な断面変化に注意を払うべきです。これらの改善策は、良好な油圧性能にとって不可欠な層流状態を維持するために非常に効果的です。

油圧作動油の特性とそのポンプ性能への影響

粘度がシール性、潤滑性および容積効率に果たす役割

適切な粘度は、適切なシール性の維持、優れた潤滑性の確保、および流体がシステム内をどのように流れるかを制御する上で極めて重要な役割を果たします。粘度が最適な状態になると、密接に接触する部品間に強固な保護膜が形成され、システム内部での漏れを防ぐことができます。これは非常に重要であり、2023年の『流体力学報告書（Fluid Dynamics Report）』によると、高圧下で動作するシステムでは、過度な漏れが容積効率を約15％低下させる可能性があります。また、適切な粘度はベアリングやシールを十分に潤滑し、摩擦による摩耗を低減するとともに、エネルギー消費も節約します。一方、流体が薄すぎると、漏れが増加し、十分な保護が得られません。逆に、流体が厚すぎると、システムは粘性抵抗に抗してより大きな力を必要とし、不要な電力消費が生じます。メーカーが推奨する粘度レベルに従うことは、これらのシステムの最大効率を引き出すために重要であるばかりでなく、部品の寿命を延ばし、交換時期を遅らせる効果もあります。

温度誘起粘度変化および最高効率点（BEP）での効率

温度変化は、実際には流体の粘度に大きな影響を与え、その結果、ポンプが最も効率よく動作する「最高効率点（BEP：Best Efficiency Point）」における性能に悪影響を及ぼします。BEPとは、単位流量あたりのエネルギー消費量が最小となる運転点です。温度が約30℃上昇すると、流体の粘度はおよそ半分に低下します。これにより内部漏れが増加し、運転点がBEPという最適な領域から逸脱してしまいます。2023年に実施された『熱性能研究（Thermal Performance Study）』によると、このような変化によって全体的なシステム効率が約10％低下する可能性があります。高温環境では流体が希薄化し、シールへの負荷が増大し、潤滑性能も低下します。一方、低温環境では逆の現象が生じ、流体が粘性を増して流れに対する抵抗が高まり、さらに駆動電力の消費も増加します。そのため、多くの施設では現在、高粘度指数（HVI：High-Viscosity-Index）流体を採用しています。これらの特殊配合の流体は、温度変動があってもBEP付近での安定した運転を維持するのに役立ちます。また、キャビテーションによる損傷や部品の早期摩耗といった問題も低減し、長期的には保守コストの削減につながります。

運転条件：キャビテーション、NPSH、および設計外運転

信頼性の高い遠心ポンプ運転のためのキャビテーション発生メカニズムと重要なNPSHマージン要件

流体の圧力が液体状態を維持するために必要な値を下回ると、キャビテーションが発生します。これにより小さな蒸気泡が形成され、それらが再び高圧領域に移動した際に急激に崩壊します。この現象では微小なジェット状の力と強力な衝撃波が発生し、インペラー、ポンプケーシング、制御バルブなどの重要な部品が摩耗します。最近の研究によると、このような損傷はシステム効率を約12％低下させ、設備の長期的な信頼性にも大きな影響を与える可能性があります。こうした問題を防ぐためには、正しく運転を維持するために「正味吸込ヘッド」（NPSH）を適切に管理することが極めて重要になります。

• 必要NPSH（NPSHR） 液体の気化を防ぐためにポンプが最低限必要とする吸込ヘッドのことです
• 可用NPSH（NPSHA） システムから実際に供給される吸込ヘッドのことです
• NPSHAがNPSHRを下回ると、キャビテーションが生じやすくなり、損傷を引き起こす可能性がある

設計外の運転条件（特に低流量、高温の流体、または高い系統抵抗）は、圧力低下および気泡の発生を悪化させる。製造元のNPSHRに対して25%の安全マージンを確保することは、産業用機器の信頼性向上において広く推奨されるベストプラクティスである。主な対策には以下が含まれる：

吸入ストレーナーの定期点検、適切なタンク浸漬深さの維持、および入口圧力の変動監視は、この安全マージンを維持するために不可欠である。

長期間にわたる油圧ポンプの性能を維持するための予防保全および部品の完全性

問題が発生する前にメンテナンス状況を常に確認することは、長期間にわたり油圧ポンプを効率的に稼働させるための最良の方法の一つであることがわかっています。技術者がシールやベアリング、ピストン表面の摩耗兆候を早期に発見すれば、将来的に大きな問題が発生するのを防ぐことができます。誰もが、時間と費用のかかる予期せぬ故障を望んではいません。清浄な作動油も非常に重要です。システム内の汚れや異物は、部品を通常よりも早く摩耗させ、可動部間の保護膜を弱めてしまいます。昨年『Fluid Power Journal』に掲載された研究によると、定期的なフィルター交換と作動油の定期的な検査を組み合わせることで、部品の寿命を約4分の1延ばすことが可能になります。多くの施設では現在、時間経過による圧力差の変化、振動パターン、作動油の温度変動などを監視しています。こうした観察により、小さな問題が重大なトラブルやシステム全体の故障に至る前に発見できます。このような注意深いメンテナンス戦略を取り入れた工場では、厳しい運転条件下でも設備の性能を維持しつつ、予期せぬ停止が通常約30％少なくなることが見られます。

よくある質問

油圧ポンプにおける主な損失の種類は何ですか？

油圧ポンプでは、体積的損失、機械的損失、および水力損失が発生します。体積的損失は内部漏れや流体の圧縮性に起因し、機械的損失は摩擦と摩耗により生じ、水力損失は乱流やバルブの抵抗によって発生します。

粘度は油圧ポンプの性能にどのように影響しますか？

粘度はシール性および潤滑効率において極めて重要な役割を果たします。適切な粘度レベルを保つことで漏れを防止し、摩耗を低減し、システムの効率を維持できます。温度変化による粘度の変動はポンプの効率に大きな影響を与える可能性があります。

キャビテーションとは何か、そしてなぜ油圧システムにとって有害なのですか？

キャビテーションは、圧力低下により蒸気泡が形成され、それが崩壊する現象です。この現象はインペラーやバルブなどの部品を損傷し、システムの効率と信頼性を低下させるため、NPSH（有効正吸い揚程）の管理が極めて重要です。

油圧ポンプにとって予防保全が重要な理由は何ですか？

予防保全により摩耗を早期に発見でき、大きな問題や予期せぬ故障を防ぐことができます。定期的なメンテナンスにより清浄な流体が保たれ、部品の摩耗が低減され、装置の寿命と信頼性が延びます。