ブースターポンプ

ブースターポンプ

ロシアの酸素ブースターポンプの正面図
用途	流体の圧力を上げる
関連商品	コンプレッサー

ブースターポンプは、流体の圧力を高める機械です。液体または気体で使用でき、構造の詳細は流体によって異なります。ガスブースターはガスコンプレッサーに似ていますが、一般的にはより単純な機構で、圧縮段階が1段階のみであることが多く、すでに周囲圧力を超えているガスの圧力を高めるために使用されます。2段階ブースターも作られています。^[1] ブースターは、ガス圧力の増加、高圧ガスの移送、ガスシリンダーの充填、および掃気のために使用できます。

新築や改修工事では、高層ビルの上層階に十分な水圧を供給するために水圧ブースターポンプが使用されます。水圧ブースターポンプは、逆流防止装置 (BFP) の設置後にも必要になることがあります。BFP は現在、多くの自治体^{[どこ? ]}で義務付けられており、公共水道を建物内の汚染物質が公共水道に侵入するのを防ぎます。BFP の使用は、水質浄化法が可決された後に始まりました。これらの装置により、12 PSI の圧力損失が発生し、上層階のフラッシュメーターが正しく機能しなくなる可能性があります。パイプを長期間使用すると、内面にスケールが蓄積し、水が流れるときに圧力低下を引き起こす可能性があります。

家庭用水圧ブースター ポンプは、通常、逆止弁を備えた単純な電動遠心ポンプです。圧力が低圧設定点を下回るとオンになり、圧力が高圧設定点に達するとオフになる定速ポンプの場合もあれば、出力圧力を一定に保つように制御される可変速ポンプの場合もあります。

定速ポンプは、通常閉じている低圧スイッチによってオンになり、圧力が上昇して高圧スイッチが開くまで作動します。低設定点を下回る圧力降下を引き起こすのに十分な水が使用されるたびに、定速ポンプは循環します。上流パイプラインのアキュムレータは循環を減らします。

可変速ポンプは、圧力フィードバックを使用してモーター速度を電子的に制御し、適度に一定の排出圧力を維持します。ほとんどのアプリケーションは AC 主電源で動作し、インバータを使用してモーター速度を制御します。

高層ビルに給水する設備では、すべての階に許容できる一定の圧力を供給するために、複数のレベルでブースターが必要になる場合があります。このような場合、独立したブースターをさまざまなレベルに設置し、それぞれが次の下のレベルで提供される圧力を増幅します。また、必要な最大圧力まで一度増幅してから、各レベルで減圧器を使用することもできます。この方法は、供給システムに重力で供給される貯水タンクが屋上に設置されている場合に使用されます。^[2]

多階建ての建物にスプリンクラー システムを設置すると、火災発生時に上層階に十分な水圧と水量を供給するために大型のブースター ポンプが必要になる場合があります。このようなポンプは、多くの場合、この目的専用のディーゼル エンジンで駆動されます。エンジンには燃料タンクと、必要なときにブースター ポンプを起動する自動コントローラが必要です。大型ディーゼル エンジンを起動しなくてもスプリンクラー パイプを十分な圧力に保つために、小型の補助電動ブースター ポンプ (「ジョッキー ポンプ」と呼ばれる) がシステムに組み込まれることがよくあります。

緊急システムは、信頼性を確保するために定期的にテストとメンテナンスを行う必要があります。ディーゼル エンジンはテストのために始動して作動させる必要があり、始動モーターのバッテリー バンクは定期的にメンテナンスまたは交換する必要があります。近年では、ディーゼル エンジンの代わりに、十分なバッテリー バックアップを備えた大型の電動ポンプが使用されるようになり、メンテナンスの必要性は減りますが、完全になくなるわけではありません。

ガス圧力ブーストは、貯蔵シリンダーを利用可能なガス供給よりも高い圧力で充填したり、ライン圧力よりも高い圧力で生産ガスを供給したりするために使用できます。例:

• スキューバダイビング、​​スキューバリプレースメント、水面供給混合ガスダイビングなど、高圧ボンベからガスを供給する水中ダイビング用の呼吸ガス混合。成分ガスは貯蔵ボンベへの部分圧添加によって混合され、混合物の貯蔵圧力は成分の利用可能圧力よりも高くなる可能性がある。^[3]
• ヘリウム回収システムでは、飽和潜水士が吐き出したヘリオックス呼吸ガスを水面に戻し、酸素を加えて必要な組成を作り、ガスを適切な供給圧力まで昇圧し、濾過し、二酸化炭素を除去し、ガス分配パネルに戻して再びダイバーに供給するか、^[4]高圧貯蔵庫に戻します。
• 作業場の圧縮空気は通常、ほとんどの用途に適した圧力で供給されますが、より高い圧力が必要な場合もあります。この空気を供給するには、小型のブースターが効果的です。

ガスブースターポンプは、通常、ピストンまたはプランジャータイプのコンプレッサーです。単動式、単段ブースターは最もシンプルな構成で、動作圧力に耐えるように設計されたシリンダーと、シリンダー内で前後に駆動されるピストンで構成されています。シリンダーヘッドには供給ポートと排出ポートが取り付けられており、供給ホースまたはパイプと排出ホースが接続されています。それぞれに逆止弁が付いており、供給から排出への一方向の流れを制限します。ブースターが非アクティブでピストンが静止している場合、ガスは入口ホースから入口バルブを通ってシリンダーヘッドとピストンの間のスペースに流れ込みます。出口ホースの圧力が低い場合は、出口ホースが接続されている場所に流れ出します。バルブの開圧を考慮して圧力が均等になると、この流れは停止します。^[1]

流れが止まると、ブースターが始動し、ピストンがシリンダーに沿って後退し、シリンダー ヘッドとピストン クラウン間の容積が増加すると、シリンダー内の圧力が低下し、入口ポートからガスが流入します。戻りサイクルでは、ピストンがシリンダー ヘッドに向かって移動し、空間の容積が減少してガスが圧縮され、圧力が出口ラインの圧力と出口バルブの開放圧力を克服するのに十分な値になります。その時点で、ガスは出口バルブとポートを介してシリンダーから流出します。

ストロークの頂点では、シリンダーとシリンダー ヘッド スペースに圧縮されたガスが常にいくらか残ります。この「デッド スペース」内のガスは、次の吸入ストローク中に膨張し、供給ガス圧力を下回った後にのみ、より多くの供給ガスがシリンダーに流れ込みます。ピストンが完全に引き出されたシリンダー スペースの容積とデッド スペースの比率が、ブースターの「圧縮比」であり、この文脈では「ブースト比」とも呼ばれます。ブースターの効率は圧縮比に関係しており、供給ガスと排出ガスの圧力比がブースト比よりも低い場合にのみガスが転送され、入口圧力と吐出圧力の比が増加すると、吐出率は低下します。

圧力差がない場合、吐出量はストローク容積に非常に近いところから始まり、圧力比が最大ブースト比に達すると有効な伝達がなくなるまで着実に低下します。^[1]

ガスを圧縮すると温度が上昇します。熱のほとんどは圧縮ガスによって運ばれますが、ブースターの部品も高温のガスと接触して加熱されます。一部のブースターはウォータージャケットまたは外部フィンで冷却され、周囲の空気による対流冷却が促進されますが、小型モデルには特別な冷却設備がまったくない場合もあります。冷却装置を設置すると効率は向上しますが、製造コストは高くなります。

酸素と一緒に使用するブースターは酸素に適合する材料で作られ、火災を防ぐために酸素に適合する潤滑剤を使用する必要があります。^[1]

• 単段、単動: ブースター シリンダーが 1 つあり、ピストンの動きの一方向にガスを加圧し、戻りストロークでシリンダーを再充填します。
• 単段、複動: 2 つのブースター シリンダーがあり、交互に作動します。一方がガスを加圧している間、もう一方はガスを補充します。各シリンダーは供給源から直接供給されるガスを加圧し、各シリンダーから供給されるガスは出口で結合されます。シリンダーは並列に作動し、同じボアを持っています。
• 2 段階、複動式: 2 つのシリンダーが交互に作動し、一方がガスを加圧している間にもう一方がガスを補充しますが、2 段目の内径は小さく、1 段目で加圧されたガスが充填され、さらにガスを加圧します。各段階は直列に作動し、ガスは両方の段階を順番に通過します。

ガスブースターは、電気モーター、油圧、低圧または高圧空気、または手動でレバーシステムによって 駆動されます。

圧縮空気で駆動するものは通常、リニア作動システムであり、空気圧シリンダーが圧縮ピストンを直接駆動します。多くの場合、共通のハウジング内にあり、1つまたは複数のシールで区切られています。高圧空気圧駆動装置では、出力圧力と同じ圧力を使用してピストンを駆動し、低圧駆動装置ではより大きな直径のピストンを使用して加えられた力を増幅します。^[1]

低圧空気駆動ブースターの一般的な配置は、ブースターピストンを駆動ピストンと直接結合し、同じ中心線上に配置することです。低圧シリンダーの断面積は、駆動ガスとブーストガスの圧力比に比例して、高圧シリンダーよりもかなり大きくなります。このタイプのシングルアクションブースターには、パワーシリンダーの一方の端にブーストシリンダーがあり、ダブルアクションブースターには、パワーシリンダーの両端にブーストシリンダーがあり、ピストンロッドには中央に駆動ピストン、両端にブースターピストンがあります。^[1]

酸素ブースターには、反応性の低いガス用のブースターでは必要のない設計上の特徴がいくつか必要である。高圧酸素と安全に接触するには十分にクリーンでない可能性のある駆動空気がシールからブースターシリンダーに漏れないように、また高圧酸素が駆動シリンダーに漏れないようにする必要がある。これは、低圧シリンダーと高圧シリンダーの間に大気に通気される空間を設け、ピストンロッドがこの空間を通過する両側を密閉することで実現できる。いずれかのシリンダーからロッドシールから漏れたガスは、無害に周囲の空気中に放出される。^[1]

ガス駆動ブースターの特殊なケースとして、ブースターがブースターの動力源として、またブーストするガスとして同じガス供給源を使用するものがあります。この配置はガスの無駄がなく、大量の低圧空気がすでに利用可能である場所に少量の高圧空気を供給するのに最適です。このシステムは「ブートストラップ」ブースターと呼ばれることもあります。^[1]

電動ブースターは、単相または三相交流モーター駆動を使用する場合があります。モーターの高速回転出力は、ピストンの低速往復運動に変換する必要があります。これを実現した方法の 1 つ (ドレーゲルおよびロシアの KN-3 および KN-4 軍用ブースター) は、モーターをウォーム ドライブ ギアボックスに接続し、偏心出力シャフトでコネクティング ロッドを駆動し、中央のトラニオンを介して両端ピストンを駆動するというものです。このシステムは、同じボアを持つ並列接続されたシリンダーによる単段ブースト、または直列に接続された異なるボアの 2 段シリンダーのいずれかを備えた複動ブースターに適しています。これらのブースターの中には、緊急時や電力が利用できない場所で手動操作を行うために、コネクティング ロッドを外して 1 組の長いレバーを取り付けることができるものもあります。^[1]

手動ブースターは、上記の構成で作られており、単一の垂直レバー、またはシーソースタイルの両端水平レバー、および2つの平行垂直に取り付けられたシリンダーのいずれかを使用して作られており、初期の標準的なダイビングドレスに使用されていたレバー操作のダイバーの空気ポンプに似ていますが、2人の操作者が高圧を生成できるように口径がはるかに小さくなっています。^[1]

高圧ガスブースターは、ハスケル、MPSテクノロジー、ドレーガー、ガスコンプレッションシステムズなどが製造している。頑丈で単純なモデル（KN-3とKN-4）はソビエト軍向けに製造され、余剰分は比較的安価で包括的なスペアパーツとツールキットが付属しているため、現在はテクニカルダイバーに使用されている。 ^[5]