キャビテーションの説明: 蒸気泡の理解、防止、活用

キャビテーションは、液体中の蒸気泡が急速に形成され崩壊する現象で、機械にとって大きな課題となります。この現象は機械の損傷を引き起こし、効率を低下させ、騒音を発生させる可能性があります。キャビテーションの背後にあるメカニズムを理解することは、機器の故障を防ぎ、パフォーマンスを最適化するために不可欠です。

この記事では、キャビテーションの科学、そのさまざまな形態、破壊的な影響、有益な用途について詳しく説明します。また、正味正圧吸引水頭 (NPSH) を理解することで、キャビテーションの問題に対処する方法についても説明します。

キャビテーションとは

キャビテーションは、液体内に蒸気で満たされた空洞が形成され、急速に崩壊する現象です。これらの空洞は泡とも呼ばれ、液体の局所的な圧力が蒸気圧を下回ったときに発生します。その後、これらの泡が崩壊すると、大きなエネルギーが生成され、破壊的および有益なさまざまな影響が生じます。

キャビテーションをさらに定義するには、両方のプロセスで蒸気泡の形成が関与しているものの、単に沸騰するだけではないことを理解することが重要です。キャビテーションでは圧力低下が主な原因ですが、沸騰は液体が沸点に達したときに発生します。

キャビテーションの科学

A. 圧力と蒸気圧

キャビテーションの発生は、主に液体内の局所的な圧力とその液体の蒸気圧の関係によって決まります。蒸気圧とは、特定の温度で液体が蒸気に変わる圧力です。液体内の局所的な圧力が蒸気圧より低くなると、液体は蒸発し始め、蒸気泡を形成します。これは通常、流体が加速する領域で発生します。

B. 泡形成の段階

キャビテーションは液体内の低圧領域で発生します。これらの低圧領域は、多くの場合、流速の変化によって生成されます。ベルヌーイの定理によれば、流体が加速すると、その圧力は低下します。

蒸気泡の形成には、核形成場所も必要です。これらの場所は、流体システム内の固体表面の微細な不純物、溶解ガス、または小さな隙間です。これらの欠陥は、液体の表面張力が低下するため、蒸気泡の発生場所となります。泡が形成され始めると、周囲の液体が低圧ゾーンに蒸発し続けるため、泡は急速に大きくなります。

C. 激しいバブル崩壊

これらの蒸気泡が低圧領域から高圧領域に移動すると、周囲の液体が隙間を埋めるために流れ込みます。これにより、泡は急速に崩壊し、周囲の液体分子が衝突して、温度と圧力が急上昇します。この内破が、キャビテーションの破壊力の根本的な原因です。

崩壊中、極めて高圧の衝撃波が発生します。これらの衝撃波は外側に放射され、近くの材料表面に衝突します。さらに、マイクロジェットと呼ばれる高速の液体の小さなジェットが形成され、表面に衝突することがあります。これらのマイクロジェットは衝撃波とともに、周囲の材料にかなりの損傷を与える可能性があります。さらに、爆縮には、主に熱と機械力の形でかなりのエネルギーが放出されます。

キャビテーションの種類

キャビテーションはさまざまな形で現れ、それぞれに異なる特徴と原因があります。

A. 慣性（過渡）キャビテーション

このタイプでは、前述のように、蒸気泡が急速に成長し、激しく崩壊します。これは通常、高エネルギー イベントに関連し、破壊的な性質を持つことで知られています。慣性キャビテーションは、重大な機械的損傷と騒音を引き起こす可能性があります。

B. 非慣性キャビテーション

慣性キャビテーションとは対照的に、非慣性キャビテーションでは既存の気泡の成長と振動が起こります。慣性キャビテーションほど破壊的ではありませんが、特定の用途では何らかの影響を及ぼす可能性があります。非慣性キャビテーションは、超音波場や音響流を伴う用途によく見られます。

C. 流体力学的キャビテーション

流体力学的キャビテーションは、流れる液体内の流体速度と圧力の変化によって発生します。これは、流体の急激な加速と減速が発生するポンプ、プロペラ、制御弁などでよく見られます。この形態のキャビテーションは、蒸気泡が高エネルギーで形成され崩壊するため、非常に破壊的です。

D. 蒸発キャビテーション

気化キャビテーションは、低圧領域で流体の温度が沸点まで上昇すると発生します。これは沸騰に似ていますが、温度上昇ではなく局所的な圧力低下によって発生します。これにより蒸気泡が形成され、圧力上昇にさらされると激しく崩壊する可能性があります。

E. 乱流キャビテーション

乱流キャビテーションは、乱流内の圧力の急激な変動によって発生します。乱流の不規則で混沌とした性質により、局所的な低圧領域が形成され、流体にキャビテーションが発生します。これは、乱流が存在する流体システムでよく見られます。

F. ベーン通過キャビテーション

ベーン通過キャビテーションは、ポンプやタービンなどの回転機械に特有の現象です。回転するベーンやブレードと流体の相互作用によって発生し、低圧領域が生じます。これらの局所的な圧力低下により、ベーン付近に気泡が発生し、深刻な損傷を引き起こす可能性があります。

キャビテーションの破壊的影響

キャビテーションは破壊的な可能性を秘めており、機器の性能と寿命に重大な影響を与える可能性があるため、必ずしも望ましい現象ではありません。

A. 機械的損傷

キャビテーションは材料にさまざまな種類の機械的損傷を引き起こす可能性があります。

• ピット： 蒸気泡が繰り返し崩壊すると、材料の表面に小さなクレーターや穴が発生します。これは局所的な侵食であり、時間の経過とともに部品の構造が弱くなる可能性があります。
• 侵食: 気泡が崩壊すると、高速のマイクロジェットが発生し、表面に衝突して徐々に材料を侵食します。これは特に柔らかい金属にダメージを与えます。
• 材料疲労: 繰り返し発生する衝撃波とマイクロジェットにより、材料に周期的な応力が生じ、疲労亀裂が生じる可能性があります。疲労により、時間の経過とともに部品の構造的完全性が弱まります。
• 微小骨折: 崩壊する気泡からの強い圧力により、特に脆い材料では微小な亀裂が生じる可能性があります。これらの微小な亀裂は拡大し、最終的には部品の故障につながる可能性があります。

B. 騒音と振動

蒸気泡の内破により、システム内で聞こえたり感じられたりする大きな騒音と振動が発生します。この騒音と振動は不快感を引き起こす可能性があり、長時間さらされると機器の摩耗につながる可能性があります。また、システム内でキャビテーションが発生していることを示す指標となることもあります。

C. 効率とパフォーマンスの低下

キャビテーションは、流体のスムーズな流れを妨げます。蒸気泡の形成と崩壊により乱流が発生し、流体の流れが妨げられます。この乱れにより、ポンプ、タービン、その他の油圧システムの効率が低下します。たとえば、キャビテーションが発生すると、ポンプが流体を送り出すのに苦労するため、ポンプの性能が低下します。

D. 化学的影響

キャビテーションは、特に液体中で化学効果を引き起こす可能性があります。気泡の崩壊時に発生する極端な温度と圧力により、化学反応が引き起こされる可能性があります。たとえば、水中では、キャビテーションによりソノルミネセンス、つまり光の放出やフリーラジカルの形成が起こります。これらのフリーラジカルは反応性が非常に高く、水の化学組成にさらなる変化を引き起こす可能性があります。

E. 最も影響を受けやすい材料

特定の材料はキャビテーションによる損傷を受けやすいです:

• 軟質金属: アルミニウム、銅、真鍮などの材料は、硬度が低いため、特に侵食や孔食の影響を受けやすくなります。
• プラスチック: 多くのプラスチックはキャビテーションによって損傷を受ける可能性があります。圧力がかかると脆くなり、割れることがあります。
• エラストマー: エラストマーもキャビテーションによる侵食損傷を受ける可能性があります。
• 低硬度材料: 硬度値が低い材料は、一般的にキャビテーションの影響を受けやすくなります。
• 欠陥のある材料: 材料内に欠陥や不完全性があると、応力集中の原因となり、材料がキャビテーションによる損傷を受けやすくなります。

キャビテーションの応用

キャビテーションの破壊的な影響はよく知られていますが、この現象はさまざまな有益な用途に利用できます。

A. ポンプのキャビテーション

キャビテーションは、ポンプでよく発生しますが、特に入口圧力が低い状況でポンプが動作しているときによく発生します。ポンプ内の圧力降下が液体の蒸気圧を下回ると、キャビテーションが発生する可能性があります。

B. タービンとプロペラのキャビテーション

ポンプと同様に、タービンやプロペラもキャビテーションの影響を受けます。これらのシステムでは、回転するブレードと変化する圧力場によって低圧領域が生じる可能性があります。このキャビテーションにより効率が低下し、大きな騒音が発生し、ブレードも損傷します。

C. キャビテーションの有益な利用

• 超音波洗浄: キャビテーションは超音波洗浄の中心的なメカニズムで、高周波音波を利用して洗浄液に微細な泡を発生させます。泡は急速に崩壊してエネルギーを放出し、汚れや油脂、その他の汚染物質を表面から除去します。
• ソノケミストリー: キャビテーションは、化学反応を開始または加速するためにソノケミストリーで応用されています。気泡の崩壊時に発生する極端な条件により化学変化が誘発され、新しい材料が生成されたり、既存の化学プロセスが強化されたりします。ソノケミストリーは、医薬品合成、材料科学、環境修復などの分野で応用されています。
• 医療用途: キャビテーションは、標的薬物送達や癌治療などの医療用途で研究されています。超音波を使用して癌細胞の近くや標的の場所にキャビテーション バブルを発生させ、組織を破壊したり、薬剤を放出したりできます。医療処置におけるキャビテーションの使用はまだ研究中ですが、低侵襲治療に期待が寄せられています。

正味吸引ヘッド（NPSH）

正味正圧吸込ヘッド (NPSH) は、ポンプの吸込口の絶対圧力からポンプで汲み上げられる流体の蒸気圧を引いた値として定義されます。これは、流体をポンプに押し込み、キャビテーションを防ぐために利用できる圧力エネルギーを表します。NPSH には 2 つのタイプがあります。

• NPSHa (正味吸引ヘッド有効): これは、ポンプに入る流体の全ヘッドまたは圧力から、ポンプ入口の流体の蒸気圧を引いた値を指します。NPSHa はポンプの特性ではなく、システムの特性です。流体の温度、大気圧、システムの形状などの要因によって決まります。
• NPSHr (必要な正味吸引ヘッド): これは、キャビテーションを回避するためにポンプに必要な最小 NPSH です。NPSHr はポンプの特性であり、通常は製造元によって提供されます。ポンプの設計と動作条件によって異なります。

システム内の適切な NPSHa を確保し、キャビテーション状態を防止するには、NPSHr よりも常に NPSHa が大きくなければなりません。動作条件の変動を考慮して安全マージンが必要です。

キャビテーション問題のトラブルシューティング

キャビテーションの問題に対処するには、多くの場合、体系的なアプローチが必要です。

• システム圧力の増加: 静水頭を上げるか、吸入ラインの損失を減らすことで、ポンプの入口圧力が液体の蒸気圧を上回るようにします。
• 流体温度を下げる: 液体の温度を下げると蒸気圧が下がり、キャビテーションが発生しにくくなります。
• ポンプの配置を最適化: ポンプを流体源の近くに再配置するか、ポンプを下げて吸引ヘッドを減らすと、NPSHAを高めるのに役立ちます。
• パイプ径を大きくする: より大きなパイプを使用し、長さを短くすると、圧力損失を減らすことができます。
• 流れをスムーズにする: 圧力変動を減らし、流路内の急な曲がりや障害物を最小限に抑えることで、キャビテーションの軽減に役立ちます。
• 適切なポンプを選択してください: キャビテーション状態を回避するには、アプリケーションに適したポンプを選択してください。
• 機器の検査: 機器が適切にメンテナンスされていることを確認してください。ポンプやパイプに障害物や損傷がないか確認してください。
• 制御システムを実装する: 自動制御システムを使用して動作条件を管理し、圧力変動を最小限に抑えます。
• 特殊な材料を使用する: キャビテーションが避けられない場合は、キャビテーションの影響に対してより耐性のある材料を使用してください。
• キャビテーション防止装置を設置する: システムにキャビテーション防止装置またはコンポーネントをインストールすることを検討してください。