インジェクター

インジェクターとは、高圧流体の流れを、低圧流体をジェットに巻き込み、ダクトを通して高圧領域へと送り込むように導くための、ダクトとノズルからなるシステムです。これは、入口流量を制御するバルブ以外に可動部品を持たない流体ポンプです。

用途によっては、インジェクターはエジェクタージェットポンプ、ウォーターエジェクター、またはアスピレーターの形状をとることもあります。エジェクターは同様の原理で動作し、ブレーキシステムなどに真空供給接続部を作り出します。

駆動流体は、液体、蒸気、またはその他のガスであってもよい。同伴吸引流体は、ガス、液体、スラリー、または粉塵を含むガス流であってもよい。^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

蒸気インジェクターは、特に蒸気機関車において、蒸気ボイラーに水を供給するために一般的に使用される装置です。これは、ボイラー自身の圧力に逆らって冷水をボイラーに供給するために、ボイラー自身の蒸気または排気蒸気を使用し、機械式ポンプを置き換えるインジェクター原理の典型的な応用例です。最初に開発されたとき、その動作は逆説的で、まるで永久機関のようだったので興味深いものでしたが、後に熱力学を使用して説明されました。^{[ 4 ]} 他のタイプのインジェクターでは、空気などの他の加圧された駆動流体を使用する場合があります。

インジェクターは、二次流体が充填された本体で構成されており、そこに駆動流体が注入されます。駆動流体によって二次流体が移動します。インジェクターには様々な種類があり、複数の段階を持つものもあります。各段階は同じ基本的な動作原理を繰り返すことで、全体的な効果を高めています。

これは、蒸気ジェットの収束・拡散ノズルのベンチュリ効果を利用して、蒸気の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換し、圧力を大気圧以下に下げ、流体（例えば水）を巻き込むことを可能にする。収束する「合流コーン」を通過した後、混合流体は完全に凝縮される。凝縮液混合物は、拡散する「供給コーン」に入り、ジェットの速度を落とし、運動エネルギーをボイラーの圧力を超える静圧エネルギーに変換し、逆止弁を通して供給できるようにする。^{[ 7 ] [ 8 ]}

凝縮蒸気の熱エネルギーの大部分はボイラーに戻されるため、プロセスの熱効率が向上します。したがって、インジェクターは一般的に98%以上のエネルギー効率を実現しており、また、給水ポンプの多くの可動部品に比べて構造もシンプルです。

真空エジェクター

インジェクター技術のもう一つの用途は、連続列車ブレーキシステムの真空エジェクターです。これは、 1889年の鉄道規制法により英国で義務付けられました。真空エジェクターは、蒸気圧を利用して連続列車ブレーキの真空管とリザーバーから空気を吸い出します。蒸気源が容易に得られる蒸気機関車にとって、エジェクター技術は堅牢でシンプルな構造と可動部品の少なさから理想的なものでした。蒸気機関車には通常2つのエジェクターがあります。1つは停車時にブレーキを解除するための大型エジェクター、もう1つは漏れを防ぐために真空を維持するための小型エジェクターです。エジェクターからの排気は必ず煙室に送られ、それによって送風機が火室のドラフトを補助します。小型エジェクターは、蒸気の消費量が少なく、列車が動いているときだけ作動すればよいため、クロスヘッドから駆動される往復ポンプに置き換えられることがあります。

現代の列車では、真空ブレーキは空気ブレーキに取って代わられており、空気ブレーキは大気圧との差が大きいため、より小型のブレーキシリンダーを使用したり、より高い制動力を発揮したりすることが可能になっている。

原理の以前の適用

この原理の経験的応用は、インジェクターとして正式に開発される以前から、蒸気機関車の煙室におけるブラストパイプと煙突の配置という形で広く用いられていました。右側の図は、90度回転させた煙室の断面図を示しています。記事冒頭のインジェクターの一般的な図と同様に、名称は異なりますが、同じ構成要素が存在することがわかります。シリンダーからの排気蒸気は、ブラストパイプの端にあるノズルを通して、ボイラーからの煙ガスを巻き込むことで煙室内の圧力を下げ、煙ガスは煙突から排出されます。この効果は、蒸気消費率に比例して火室の通風を増加させ、蒸気の使用量が増えるほど火室から発生する熱量が増え、蒸気発生量も増加します。この効果は、リチャード・トレヴィシックによって最初に指摘され、その後、初期の機関車技術者によって経験的に開発されました。スティーブンソンのロケット号はこの技術を採用しており、これが同時代の機械と比較して著しく性能が向上した大きな理由となっている。

インジェクター（またはエジェクター）は、その比較的シンプルな構造と高い適応性から、様々な産業用途で広く利用されるようになっています。例えば、以下のような用途が挙げられます。

• 小型の据え置き型低圧ボイラーのボイラードラムに薬品を注入するために使用されます。大型の高圧最新型ボイラーでは、吐出圧力が限られているため、薬品注入用のインジェクターを使用することはできません。
• 火力発電所では、ボイラー底灰の除去、ボイラー排ガスから灰を除去するために使用される電気集塵機のホッパーからの飛灰の除去、および蒸気タービン排気凝縮器内の真空圧の引き抜きに使用されます。
• ジェットポンプは、沸騰水型原子炉で冷却液を循環させるために使用されている。 ^{[ 13 ]}
• 蒸気噴射冷却システムにおいて真空圧を発生させる際に使用します。
• 空調・冷凍システムの拡張工事復旧用。
• 石油・ガス産業における石油増進回収プロセス向け。
• 穀物やその他の粒状または粉末状の材料を大量に取り扱う場合に適しています。
• 建設業界では、濁った水やスラリーを汲み上げるためにこれらが使用されています。
• エジェクターは、船舶において、吸込ヘッドの低下により遠心ポンプでは除去できない残留バラスト水や貨物油を汲み出すために使用されます。また、船体のトリムや傾斜によって空運転すると遠心ポンプが損傷する可能性があるため、エジェクターは遠心ポンプを空運転するために使用されます。
• 遠心ポンプでは吸込ヘッドが頻繁に失われる可能性があるため、船上ではビルジを排出するためにエジェクターが使用される。
• 一部の航空機（主に初期の設計）は、姿勢指示器（人工水平儀）などのジャイロスコープ式計器に真空状態を供給するために、胴体に取り付けられた射出装置を使用している。
• エジェクタは航空機の燃料システムにおいて移送ポンプとして使用されます。エンジンに取り付けられた機械式ポンプからの流体を燃料タンクに取り付けられたエジェクタに送り込み、タンクから燃料を移送します。
• 吸引器は、同じ動作原理に基づく真空ポンプであり、実験室では部分的な真空状態を作り出すために、医療分野では粘液や体液を吸引するために使用される。
• ウォーターエジェクターは、泥の浚渫や砂金採りに使用される水ポンプで、非常に研磨性の高い混合物にも耐えることができます。
• 真空蒸留装置（石油精製所）内に真空システムを構築する。
• 真空オートクレーブは、エジェクターを使用して真空状態を作り出しますが、その動力源は通常、装置への冷水供給によって供給されます。
• 軽量ジェットポンプは、張り子で作ることができる。

ジェットポンプは、井戸から水を汲み上げる際によく用いられます。メインポンプ（多くの場合、遠心ポンプ）は地上に設置され、動力が供給されます。メインポンプからの吐出流は分割され、大部分はシステムから排出されますが、一部は井戸の地下に設置されたジェットポンプに戻されます。この再循環された流体は、ジェットポンプの動力源として利用されます。ジェットポンプでは、高エネルギー・低質量の戻り流が井戸からさらに流体を押し出し、低エネルギー・高質量の流体となって、メインポンプの入口へと送られます。

浅井戸ポンプとは、ジェットアセンブリがメインポンプに直接取り付けられており、キャビテーションを防ぐために深さが約5～8メートルに制限されているポンプのことです。

深井戸ポンプとは、噴流部が井戸の底にあるポンプのことです。深井戸ポンプの最大揚程は、噴流部の内径と噴流速度によって決まります。深井戸設置におけるジェットポンプの主な利点は、すべての機械部品（電気/ガソリンモーター、回転インペラなど）を地表に設置できるため、メンテナンスが容易なことです。電気式水中ポンプの登場により、打ち込み式井戸や地表取水設備を除き、ジェット式井戸ポンプの必要性は部分的に減少しました。

実際には、吸引圧力が絶対圧100ミリバール未満の場合、複数のエジェクタが使用され、通常はエジェクタ段の間に凝縮器が設けられます。駆動蒸気の凝縮はエジェクタセットの効率を大幅に向上させます。そのため、気圧式凝縮器とシェルアンドチューブ式表面凝縮器の両方が使用されます。

動作時には、2段階システムが一次高真空（HV）エジェクタと二次低真空（LV）エジェクタで構成されます。まず、LVエジェクタを作動させて、真空度を初期圧力から中間圧力まで下げます。この圧力に達すると、次にHVエジェクタをLVエジェクタと連動させて作動させ、最終的に真空度を所定の圧力まで下げます。

3段階システムは、一次ブースター、二次高真空（HV）エジェクター、三次低真空（LV）エジェクターの3つの構成で動作します。2段階システムと同様に、まずLVエジェクターを作動させて、初期圧力から中間圧力まで真空度を下げます。この圧力に達すると、次にHVエジェクターをLVエジェクターと連動させて作動させ、真空度を中間圧力よりも低い圧力まで下げます。最後に、ブースターを（HVおよびLVエジェクターと連動させて）作動させ、必要な圧力まで真空度を下げます。

インジェクターまたはエジェクターは、炭素鋼、ステンレス鋼、真鍮、チタン、PTFE、炭素、およびその他の材料で作られています。

• JB Snell (1973).機械工学：鉄道. Arrow Books. ISBN 978-0-09-908170-8。
• JT ホジソン、CS レイク (1954)。機関車管理（第10 版）。トシル・プレス。

• エジェクターを用いた揚水