油圧ラム

水圧ラムポンプ、ラムポンプ、またはハイドラムは、水力で駆動する循環式水ポンプです。一定の「水頭」（圧力）と流量で水を取り込み、より高い水頭とより低い流量で水を出力します。この装置は、ウォーターハンマー効果を利用して圧力を発生させ、ポンプの動力となる入力水の一部を、水が最初に流れ始めた場所よりも高い地点まで持ち上げます。水圧ラムは、低水頭水力発電源があり、水源よりも標高の高い目的地に水を汲み上げる必要がある遠隔地で使用されることがあります。このような状況では、ラムは流水の 運動エネルギー以外の外部動力源を必要としないため、多くの場合役立ちます。

1238年にグラナダのナスリ朝スルタン・イブン・アル・アフマルによって建設が開始されたアルハンブラ宮殿では、水を汲み上げるためにハイドラが使用されていました。ダロ川の水路で満たされた最初の貯水池から、水は大きな垂直の水路を通ってその下の2番目の貯水池に流れ込み、渦巻きを作り出して、さらにずっと小さなパイプを通って6メートル上まで水を押し上げ、ほとんどの水は2番目のやや大きなパイプに流れ込みました。^[1]

1772年、イギリスのチェシャー州のジョン・ホワイトハーストは、手動で制御される水圧ラムの前身である「脈動エンジン」を発明し、チェシャー州オールトンに最初のものを設置して、水を4.9メートル（16フィート）の高さまで上げました。^{[2] [3] 1783年には、}アイルランドにもう1つ設置しました。彼は特許を取得しておらず、詳細は不明ですが、空気容器があったことが知られています。

最初の自動ラムポンプは、フランス人のジョゼフ・ミシェル・モンゴルフィエ（熱気球の共同発明者として最もよく知られている）が1796年にヴォワロンの製紙工場の水を汲み上げるために発明した。^[4]友人のマシュー・ボルトンは1797年に彼に代わって英国特許を取得した。^[5]モンゴルフィエの息子たちは1816年に改良版の英国特許を取得し、^{[6]これはホワイトハーストの設計とともに、1820年に}サマセット生まれでロンドンに移住したばかりの技術者ジョサイヤ・イーストンによって取得された。

イーストンの会社は、息子のジェームズ (1796–1871) に継承され、19 世紀に成長して、ケント州エリスに大規模な工場を持つ、イングランドでも有数のエンジニアリング製造会社となった。同社は、世界中の給水および下水道システム、ならびに土地排水プロジェクトを専門としていた。イーストンは、大きな田舎の家、農場、および村落共同体に給水用のラムを供給することで、良いビジネスを行っていた。2004年の時点でも、同社の設備のいくつかは現存しており、その一例がドーセット州のトラー ウェルム村落にある。1958 年頃に水道本管が通るまで、ブリストルのすぐ南にあるイースト ダンドリー村落には、 3 頭のラムが働いており、毎分かそこらで騒々しい「ドスン」という音が谷間に昼夜響き渡っていた。これらのラムは、乳牛の群れのために大量の水を必要とする農場で役立っていた。

同社は1909年に閉鎖されたが、ラム事業はジェームス・R・イーストンによって継続された。1929年にハンプシャー州ウィンチェスターのグリーン・アンド・カーター^[7]が同社を買収し、バルカン・ラムとヴァッチャー・ラムの製造と設置に従事した。

米国で最初の特許は、1809年にジョセフ・セルノー（またはカーノー）とスティーブン（エティエンヌ）S.ハレット（1755-1825）に交付されました。 ^{[8] [9]}米国では、さらなる特許が交付され、国内企業が油圧ラムの販売を開始したため、1840年頃に油圧ラムへの関心が高まりました。19世紀末にかけて、電気と電動ポンプが広く普及したため、関心は薄れていきました。

1890年にアイダホ州で建造されたプリーストリーの水圧式ラムは、明らかに独立した「素晴らしい」発明であり、灌漑のために水を110フィート（34メートル）持ち上げた。ラムは現在も残っており、米国国家歴史登録財に登録されている。^{[10] [11]}

20世紀末までに、発展途上国における持続可能な技術の必要性と先進国におけるエネルギー節約の必要性から、水圧ラムへの関心が再燃した。一例として、フィリピンのエイド・ファウンデーション・インターナショナルは、遠隔地の村での使用のために簡単にメンテナンスできるラムポンプの開発でアシュデン賞を受賞した。 ^{[12]水圧ラムの原理は、}波力を利用するためのいくつかの提案に使用されており、そのうちの1つは、1931年にハンス・ギュンターが著書「In hundert Jahren 」で論じた。^[13]

英国で後期に開発された複合ラムと呼ばれるラムの設計は、未処理の駆動水源を使用して処理済みの水を汲み上げるように設計されており、飲料水を開放された小川から供給する場合の問題の一部を克服しています。^[14]

1996年、イギリスのエンジニア、フレデリック・フィリップ・セルウィンは、ベンチュリ効果を利用した排水弁を入力パイプの周囲に同心円状に配置する、よりコンパクトな油圧ラムポンプの特許を取得しました。^[15] 当初は設計の違いから流体圧力増幅器として特許を取得しましたが、現在は「パパポンプ」として販売されています。^{[16]これに加えて、「ベンチュロポンプ」 [17]} と呼ばれる大規模バージョンも製造されています。

従来の油圧ラムには、バネまたは重量で負荷された「廃棄」バルブ（「クラック」バルブとも呼ばれる）と「デリバリー」チェックバルブの 2 つの可動部品しかないため、製造コストが安く、保守が容易で、信頼性が非常に高くなります。

1947年のブリタニカ百科事典に詳細に説明されているプリーストリーの油圧ラムには可動部品がありません。^[10]

簡略化した油圧ラムを図 2 に示します。最初は、排水弁 [4] は自身の重さで開いており (つまり下がっています)、吐出口 [3] からの水柱によって生じた圧力によって吐出弁 [5] が閉じています。入口パイプ [1] 内の水は重力によって流れ始め、速度と運動エネルギーを得て、抵抗力が増大して排水弁の重さが持ち上がり、排水弁が閉じます。入口パイプ内の水流が閉じた排水弁に作用すると、ウォーター ハンマーが発生し、ポンプ内の圧力が、吐出口から押し下げられている水柱によって生じた圧力を超えて上昇します。この圧力差によって吐出弁 [5] が開き、一部の水が吐出管 [3] に流れ込みます。この水は、水源から下向きに流れ落ちるよりも長い距離を吐出管を通って上向きに押し出されるため、流れが遅くなります。流れが逆になると、吐出チェック バルブ [5] が閉じます。一方、排水バルブの閉鎖によるウォーターハンマーも圧力パルスを生成し、それが入口パイプ^[18]を逆流して発生源に戻り、そこで吸引パルスに変換されて入口パイプを下って戻ります。^[19]この吸引パルスは、バルブの重りまたはバネによって排水バルブを再び開き、プロセスを再開できるようにします。

空気を含んだ圧力容器 [6] は、排水バルブが閉じたときの水圧ショックを和らげ、また、送出パイプを通る流れをより一定にすることでポンプ効率を改善します。ポンプは理論上は圧力容器なしでも動作しますが、効率が大幅に低下し、ポンプは異常なストレスにさらされ、寿命が大幅に短くなる可能性があります。 1 つの問題は、加圧された空気が徐々に水に溶けてなくなることです。この問題の 1 つの解決策は、弾性ダイヤフラム (膨張タンクに類似) で空気を水から分離することですが、この解決策は、交換品の入手が難しい発展途上国では問題となる可能性があります。別の解決策は、送出バルブの駆動側近くにスニフティング バルブを設置することです。これにより、送出バルブが閉じて部分的な真空が発生するたびに、少量の空気が自動的に吸入されます。^[20]別の解決策は、車や自転車のタイヤのインナー チューブを圧力容器に挿入し、空気を入れてバルブを閉じることです。このチューブは実際にはダイヤフラムと同じですが、より広く入手可能な材料で実装されます。チューブ内の空気は、他の構成の空気と同じように水の衝撃を和らげます。

一般的なエネルギー効率は 60% ですが、最大 80% も可能です。これは、供給される水量と水源から取水された総水量との関連を示す容積効率と混同しないでください。供給パイプで利用可能な水の量は、供給水頭​​に対する供給水頭の比率によって減少します。したがって、水源がラムの 2 メートル (6.6 フィート) 上にあり、水がラムの 10 メートル (33 フィート) 上に持ち上げられる場合、供給される水の 20% のみが利用可能となり、残りの 80% は排水バルブから排出されます。これらの比率は、100% のエネルギー効率を前提としています。実際に供給される水は、エネルギー効率係数によってさらに減少します。上記の例では、エネルギー効率が 70% の場合、供給される水は 20% の 70%、つまり 14% になります。供給水頭と吐出水頭の比率が 2 対 1 で効率が 70% であると仮定すると、吐出される水は 50% の 70%、つまり 35% になります。吐出水頭と供給水頭の比率が非常に高いと、通常、エネルギー効率が低下します。ラムの供給元は、実際のテストに基づいて予想される容積比を示す表を提供することがよくあります。

効率と信頼性の高いサイクルはどちらもウォーターハンマー効果に依存するため、駆動パイプの設計が重要です。駆動パイプは、水源とラム間の垂直距離の 3 ～ 7 倍の長さにする必要があります。市販のラムには、この最適な勾配に対応するように設計された入力フィッティングが付いている場合があります。^[21]供給パイプの直径は通常、ラムの入力フィッティングの直径と一致し、ラムのポンプ能力に基づいています。駆動パイプは、一定の直径と材質で、できる限り真っ直ぐである必要があります。曲げが必要な場合は、滑らかで直径の大きい曲線にする必要があります。大きならせんでもかまいませんが、エルボは避けてください。PVCは一部の設備で機能しますが、はるかに高価ですが、スチールパイプが推奨されます。バルブを使用する場合は、ボールバルブやゲートバルブなどのフリーフロータイプにする必要があります。

供給パイプは、圧力容器によってウォーターハンマー効果がパイプに伝わるのを防ぐため、それほど重要ではありません。全体的な設計は、予想される流量に基づく許容圧力降下によって決まります。通常、パイプのサイズは供給パイプの約半分ですが、非常に長い配管の場合は、より大きなサイズが推奨されることがあります。PVC パイプと必要なバルブは問題ありません。

新しく作動させたラムやサイクルを停止したラムは、排水バルブの重量またはスプリング圧力が正しく調整されていれば自動的に始動するはずですが、次のように再起動できます。^[18]排水バルブが上がった（閉じた）位置にある場合は、手動で押し下げて開いた位置にしてから放します。流量が十分であれば、少なくとも 1 回は循環します。循環が続かない場合は、通常は 3 回または 4 回の手動サイクルの後、自動的に連続的に循環するまで繰り返し押し下げる必要があります。排水バルブが下がった（開いた）位置でラムが停止した場合は、手動で持ち上げて、供給パイプが水で満たされ、気泡がパイプを通って水源まで移動するのに必要なだけ持ち上げておく必要があります。供給パイプの長さと直径によっては、時間がかかる場合があります。その後、上記のように手動で数回押し下げることで始動できます。ラムの供給パイプにバルブがあると、始動が容易になります。ラムが循環を開始するまでバルブを閉じ、次に徐々に開いて供給パイプを満たします。あまりに速く開くと、サイクルが停止します。配送パイプがいっぱいになったら、バルブを開いたままにしておくことができます。

十分な水を供給できない場合は、排水バルブの調整が不適切であるか、圧力容器内の空気が少なすぎるか、または単にラムの能力を超えるレベルまで水を上げようとしていることが原因である可能性があります。

ラムは、冬季の凍結や圧力容器内の空気の損失により、ラム部品に過度のストレスがかかり、損傷を受ける場合があります。これらの故障には、溶接などの修理方法、場合によっては部品の交換が必要になります。

作動中のラムがときどき再起動を必要とすることは珍しくありません。排水バルブの調整不良や水源の水流不足により、循環が停止する場合があります。給水レベルが給水管の入口端より少なくとも数インチ上にない場合、空気が入り込む可能性があります。その他の問題としては、破片によるバルブの詰まり、不均一な直径や材質の給水管の使用、急な曲がりや粗い内部、落差に対して長すぎるか短すぎる給水管、剛性が不十分な材質で作られた給水管など、不適切な設置などがあります。PVC 給水管は、一部の設置では機能しますが、鋼管の方が適しています。

• ブーストコンバーター –油圧ラムの電子油圧アナログ。 ^{[22] [23]}
• ヘロンの噴水
• パルサーポンプ、エアリフトポンプに接続されたトロンペから作られた同様の装置
• テスラバルブ
• 水ロケット

• ラムポンプの完全な設計図

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