渦巻ポンプの仕組みと選定・運用ガイド：建築・土木で押さえるべき実務ポイント

2025年12月24日 最終更新日時 : 2025年12月24日 エバープレイ編集部

渦巻ポンプ（遠心ポンプ）とは

渦巻ポンプ（遠心ポンプ）は、回転するインペラによって流体に角運動量を与え、ケーシング内の渦巻形状（ボリュート）によって速度エネルギーを圧力エネルギーに変換する機械です。給水、排水、汚水処理、地下水くみ上げ、空調循環など建築・土木分野で幅広く用いられます。構造が比較的単純で、流量調整や複数台並列・直列運転が容易なため汎用性が高いのが特徴です。

基本的な動作原理

インペラが回転すると、流体は遠心力によりインペラ羽根の外縁へ運ばれます。外縁で得られた速度（動圧）は、ボリュート（渦巻形状）やディフューザで流路断面積を徐々に大きくすることで圧力に変換され吐出されます。重要な性能指標として、流量（Q）、揚程（H）、効率（η）、軸動力（P）があります。一般式として理論軸動力は P = ρ g Q H / η（ρ：流体密度、g：重力加速度）で表されます。

主要構成部品

  • インペラ：羽根形状（開放、半開放、被覆）によって適応する流体や固形分の許容性が異なる。
  • ケーシング（ボリュート）：速度を圧力に変換する形状。吐出口の取り出し方向で配管設計が変わる。
  • 軸および軸受：回転支持。軸封により漏れを防止（メカニカルシール、パッキン）。
  • 巻線・モータ：直接駆動が一般的。可変速制御（VFD）で運転点調整が可能。

種類と用途の使い分け

  • 単段渦巻ポンプ：短距離・中揚程の定常流に最適。上下水道・一般給排水。
  • 多段渦巻ポンプ：高揚程が必要な系統（ボイラー給水、加圧給水）。
  • 横軸（横入・横出）・縦軸（深井戸ポンプ）：設置スペースや吸込み条件で選択。
  • 汚水・汚泥対応タイプ：固形物通過性の高い半開放インペラやグランドフリー設計。

性能曲線の読み方と運転点

ポンプカタログにはQ-H曲線（流量－揚程）、効率曲線、軸動力曲線、NPSHr曲線が記載されています。運転点は系統特性曲線（配管抵抗や高低差を含む）とポンプ性能曲線の交点で決まります。最も効率の良い点はBEP（Best Efficiency Point）で、これを中心に運転することでエネルギー効率、振動、寿命が最適化されます。

NPSHとキャビテーション対策

NPSH（Net Positive Suction Head）は吸込み側の蒸気圧を考慮した余裕水頭で、ポンプに要求されるNPSH（NPSHr）より供給側のNPSHaが大きいことが必要です。NPSHa < NPSHr の場合にキャビテーションが発生し、騒音、振動、インペラ損傷を招きます。対策は吸込み配管短縮・太径化、吸水槽の液面高さ確保、インペラ設計の見直し、回転数低減（VFD）など。

選定の実務ポイント

  • 必要流量Qと全揚程Hの正確な算定：配管損失（摩擦損失、局部損失）を含めること。
  • 運転条件の把握：連続運転か断続、流体温度、固形物有無、腐食性の有無。
  • 材料選定：耐食性（SUS、特殊合金、樹脂ライニング等）を用途に応じて選ぶ。
  • 安全裕度：現場変動や将来増強を見越した余裕を設ける。
  • エネルギー対策：ポンプの効率と制御方式（VFD、バイパス制御）を検討。

設計計算の基本例

例：給水流量Q = 50 m3/h（= 0.0139 m3/s）、全揚程H = 20 m、効率η = 65%（0.65）、水ρ = 1000 kg/m3 のとき軸動力Pはおおよそ：

P = ρ g Q H / η = 1000 × 9.81 × 0.0139 × 20 / 0.65 ≒ 4200 W（約4.2 kW）。

ここにモータや変速器の余裕（安全率1.1〜1.25）を加味してモータ容量を選定します。

ポンプ則（アフィニティ則）

回転数Nやインペラ径Dを変えたときの目安：

  • 流量 Q ∝ N × D3（簡便な比率で扱うが一般には Q ∝ N × D3 が使われる場合あり）
  • 揚程 H ∝ (N × D)2
  • 軸動力 P ∝ (N × D)3

実務ではインペラトリミングやVFD運転で運転点を変更する際の見積に使用しますが、精密にはメーカーの性能曲線を参照してください。

据付・配管・予防保全

  • 据付：水平度、基礎の剛性、アンカーボルトの締め付け順を守る。モータとポンプの軸芯合わせ（アライメント）を精密に行う。
  • 配管：吸込み側はできるだけ短く太径にして、落差を確保。ベローズやフレキシブル配管で応力を逃がす。吐出側に逆止弁、仕切弁を配置。
  • 始動・停止手順：空運転を避けるためのプリミング、キャビテーション監視。
  • 点検：軸受、軸封、振動・温度の定期監視。シールの交換記録と漏えいチェック。

トラブルシューティング（よくある故障と対策）

  • 振動・異音：アライメント不良、ベアリング摩耗、キャビテーション。即時運転停止と原因調査。
  • 流量不足・圧力低下：摩耗、インペラ損傷、吸込み閉塞、運転回転数低下。
  • 漏洩：軸封の損傷やシール材の劣化。適切なシール選定と交換。
  • 過熱：軸受油切れ、過負荷、冷却不足。潤滑管理と負荷確認。

運用上のエネルギー最適化

最も重要なのはポンプをBEP付近で運転することです。可変速駆動（VFD）の導入は流量可変が多い系では有効で、バイパスやスロットル弁による抵抗制御に比べて大幅な省エネになります。運転データ（流量、圧力、回転数、消費電力）を取得し、定期的に効率監査を行うことを推奨します。

建築・土木分野での具体的適用例

  • 地下駐車場やビルの排水ポンプ：浮上型スイッチ、槽内保守性を考慮。
  • 浄水・給水ポンプ：安定供給と消費電力削減を重視し冗長化（N+1構成）を採用。
  • 土木現場の汚水・泥水排水：固形物通過性の高い設計か泥水用ポンプの検討。
  • 災害対策（排水ポンプ場、河川ポンプ）：遠隔監視、非常用動力、耐塩害・耐震設計。

規格・試験・仕様書作成の留意点

性能試験はISO 9906（回転機械の試験の公差）や各国の規格に従い実施します。産業用途ではAPI 610（石油化学向け遠心ポンプ）やHydraulic Instituteのガイドラインが参照されます。仕様書には必ず運転点、NPSH条件、流体性状、材料、メンテナンス要求、試験基準を明記してください。

まとめ（実務で押さえるべきポイント）

  • 要求流量・揚程とBEPを正しく把握すること。
  • NPSHとキャビテーション対策は設計段階で必須。
  • 据付・配管・アライメントなど施工品質が寿命を左右する。
  • 定期保全と運転データ取得で効率低下や故障を未然に防ぐ。
  • 用途に応じた材料・シール・インペラ選定で信頼性を確保する。

参考文献

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建築・土木
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