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ポンプは、流体（液体または気体）、あるいは時にはスラリーを機械的な動作によって移動させる装置であり、通常は電気エネルギーを油圧エネルギーまたは空気圧エネルギーに変換します。[ 1 ]
機械式ポンプは、井戸からの揚水、水槽のろ過、池のろ過と曝気、自動車産業における冷却水や 燃料噴射、エネルギー産業における石油や天然ガスの揚水、冷却塔やその他の暖房・換気・空調システムの構成要素の運転など、幅広い用途で使用されています。医療業界では、ポンプは医薬品の開発・製造における生化学プロセス、および人工心臓や陰茎プロテーゼなどの身体部位の人工代替物として使用されています。
ポンプが2つ以上のポンプ機構を備え、流体がそれらを直列に通過するように設計されている場合、それは多段ポンプと呼ばれます。段数を具体的に示すために、2段式や2段式といった用語が用いられることがあります。これと異なるポンプは、単段ポンプと呼ばれます。生物学においては、様々な種類の化学ポンプや生体機械ポンプが進化してきました。バイオミミクリーは、新しいタイプの機械式ポンプの開発に用いられることがあります。
機械式ポンプは、送液する流体の中に浸漬することも、流体の外部に設置することもできる。
ポンプは、その変位方式によって、電磁ポンプ、容積式ポンプ、インパルスポンプ、速度ポンプ、重力ポンプ、蒸気ポンプ、バルブレスポンプに分類できます。ポンプには、容積式、遠心式、軸流式の3つの基本的なタイプがあります。遠心ポンプでは、流体がインペラを通過する際に流れの方向が90度変化しますが、軸流ポンプでは流れの方向は変わりません。[ 2 ] [ 3 ]
容積式ポンプは、一定量の流体を吸い込み、その吸い込んだ体積を吐出管に押し出す（変位させる）ことで流体を移動させます。容積式ポンプの中には、吸込側に膨張する空洞、吐出側に収縮する空洞を持つものがあります。吸込側の空洞が膨張すると液体がポンプ内に流入し、空洞が収縮すると液体が吐出管から流出します。各運転サイクルを通して、流体の体積は一定です。
容積式ポンプは、遠心ポンプとは異なり、理論的には吐出圧力に関係なく、一定の回転速度で同じ流量を生成できます。したがって、容積式ポンプは定流量ポンプです。しかし、圧力の上昇に伴って内部漏れがわずかに増加するため、真の意味での一定流量は実現できません。
容積式ポンプは、遠心ポンプのように遮断ヘッドを持たないため、吐出側のバルブが閉じた状態で運転してはなりません。吐出バルブが閉じた状態で運転された容積式ポンプは、吐出ラインが破裂するか、ポンプが深刻な損傷を受けるか、あるいはその両方が発生するまで、流量を生成し続け、吐出ライン内の圧力が上昇します。
容積式ポンプの吐出側には、安全弁またはリリーフ弁が必要です。リリーフ弁は内部式または外部式があります。ポンプメーカーは通常、内部式リリーフ弁または安全弁の供給オプションを提供しています。内部式弁は通常、安全対策としてのみ使用されます。吐出ラインに外部式リリーフ弁を設置し、吸込ラインまたは供給タンクへの戻りラインを設けることで、安全性が向上します。
容積式ポンプは、流体を移動させるために使用される機構によってさらに分類することができる。
これらのポンプは、回転機構によって真空を作り出し、液体を捕捉して吸い込むことで流体を移動させます。[ 4 ]
利点:ロータリーポンプは非常に効率的です[ 5 ]。粘度が高くなるにつれて、高粘度流体をより高い流量で処理できるためです[ 6 ]。
欠点：このポンプの構造上、回転するポンプと外周との間に非常に狭い隙間が必要となるため、ポンプはゆっくりと一定の速度で回転します。回転ポンプを高速で運転すると、流体にキャビテーションが発生し、浸食を引き起こす可能性があります。浸食によって最終的に液体が通過できる隙間が大きくなり、効率が低下します。
回転式容積型ポンプは、主に以下の5種類に分類されます。
往復ポンプは、1つまたは複数の往復ピストン、プランジャー、またはダイヤフラムを使用して流体を移動させ、バルブは流体の動きを所望の方向に制限します。吸引を行うには、まずポンプがプランジャーを外側に引き、チャンバー内の圧力を低下させる必要があります。プランジャーが押し戻されると、チャンバー内の圧力が上昇し、プランジャーの内圧によって吐出バルブが開き、流体が一定の流量と高い圧力で送液管に放出されます。
このカテゴリーのポンプは、単気筒の単式から、場合によっては四気筒以上のものまであります。往復動式ポンプの多くは、二気筒または三気筒です。ピストンの動きの一方向で吸込、反対方向で吐出する単動式、または両方向で吸込と吐出を行う複動式があります。ポンプは、手動、空気または蒸気、またはエンジンで駆動されるベルトによって動かすことができます。このタイプのポンプは、蒸気推進の初期の19世紀に、ボイラー給水ポンプとして広く使用されました。現在、往復動ポンプは通常、コンクリートや重油などの高粘度流体を汲み上げ、高い抵抗に対して低流量が要求される特殊な用途で使用されます。往復動式手動ポンプは、井戸から水を汲み上げるために広く使用されていました。一般的な自転車用ポンプや空気入れ用の足踏みポンプは、往復運動を利用しています。
これらの容積式ポンプは、吸込側に膨張する空洞があり、吐出側に収縮する空洞があります。吸込側の空洞が膨張すると液体がポンプ内に流入し、空洞が収縮すると液体が吐出側から流出します。各運転サイクルにおいて容積は一定であり、ポンプの容積効率はバルブの定期的なメンテナンスと点検によって達成できます。[ 13 ]
代表的な往復動ポンプは以下のとおりです。
これらのポンプには容積式ポンプの原理が適用されます。
これは回転式容積型ポンプの最もシンプルな形態です。2つの噛み合ったギアが、ぴったりと収まったケーシング内で回転します。歯の隙間に流体が閉じ込められ、外周に沿って押し出されます。中央部では歯が密接に噛み合っているため、流体は噛み合った部分を逆流することはありません。ギアポンプは、自動車のエンジンオイルポンプや各種油圧パワーパックなどで広く使用されています。
スクリューポンプは、ねじ山が互いに逆向きの2本または3本のスクリューを使用する、より複雑なタイプの回転ポンプです。例えば、一方のスクリューは時計回りに回転し、もう一方は反時計回りに回転します。スクリューは平行なシャフトに取り付けられており、多くの場合、シャフトが一緒に回転してすべての部品が所定の位置に保持されるように、ギアが噛み合っています。場合によっては、駆動スクリューがギアなしで補助スクリューを駆動し、多くの場合、流体を利用して摩耗を抑えます。スクリューはシャフト上で回転し、ポンプを通して流体を送り出します。他のタイプの回転ポンプと同様に、可動部品とポンプケーシングの間の隙間は最小限です。
大きな粒子で汚染された下水汚泥などの扱いにくい物質の移送に広く用いられているプログレッシブキャビティポンプは、幅の約10倍の長さのらせん状のローターと、主にゴム製のステーターで構成されています。ステーターは、直径xの中心コアに、厚さの半分xの湾曲したらせんが巻き付いた構造としてイメージできますが、実際には単一のローブとして製造されます。このシャフトは、壁厚が通常xである頑丈なゴム製スリーブ（ステーター）の内側に収まります。シャフトがステーター内で回転すると、ローターがゴム製のキャビティ内を徐々に流体を押し上げます。このようなポンプは、標準的な構成の場合、水で1段あたり90PSIという非常に高い圧力を低流量で発生させることができます。
発明者であるルーツ兄弟にちなんで名付けられたこのロータリーローブポンプは、2つの長いらせん状のローターの間に挟まれた流体を押し出します。2つのローターは互いに90°の角度で垂直に嵌合し、三角形のシールライン内で回転します。このシールラインは、吸込口と吐出口の両方で機能します。この設計により、一定量の連続的な流れが実現し、渦流が発生しません。低脈動でも動作し、用途によっては求められる穏やかな性能を発揮します。
用途例：
蠕動ポンプは容積式ポンプの一種です。円筒形のポンプケーシング内に取り付けられた柔軟なチューブ内に流体が収容されています（ただし、直線型の蠕動ポンプも製造されています）。ローターに取り付けられた複数のローラー、シュー、またはワイパーが柔軟なチューブを圧縮します。ローターが回転すると、圧縮されているチューブの部分が閉じ（または閉塞し）、流体がチューブを通って押し出されます。さらに、カムが通過した後、チューブが元の状態に戻ると、流体がポンプ内に引き込まれます（復元）。このプロセスは蠕動運動と呼ばれ、消化管など多くの生物系で利用されています。
プランジャーポンプは、往復運動式の容積式ポンプである。
これらは、往復運動するプランジャーを備えたシリンダーで構成されています。吸込弁と吐出弁はシリンダーのヘッドに取り付けられています。吸込行程では、プランジャーが後退し、吸込弁が開いて流体がシリンダー内に吸い込まれます。前進行程では、プランジャーが液体を吐出弁から押し出します。
効率と一般的な問題: プランジャーポンプではシリンダーが1つしかないため、流体流量はプランジャーが中間位置を通過するときに最大流量となり、プランジャーが終端位置にあるときにゼロ流量となります。配管システム内で流体が加速されるときに多くのエネルギーが無駄になります。振動やウォーターハンマーが深刻な問題となる可能性があります。一般的に、これらの問題は互いに位相がずれた2つ以上のシリンダーを使用することで補償されます。遠心ポンプもウォーターハンマーの影響を受けやすいです。[ 16 ] は、専門的な研究であり、このようなシステムにおけるこのリスクを評価するのに役立ちます。
トリプレックスプランジャーポンプは3つのプランジャーを使用するため、シングル往復プランジャーポンプに比べて脈動が低減されます。ポンプ出口に脈動ダンパーを追加することで、ポンプのリップル、またはポンプトランスデューサーのリップルグラフをさらに平滑化できます。高圧流体とプランジャーの動的な関係により、一般的に高品質のプランジャーシールが必要となります。プランジャーの数が多いプランジャーポンプは、流量の増加、または脈動ダンパーなしでのより滑らかな流れという利点があります。可動部品とクランクシャフト負荷の増加は欠点の1つです。
洗車場では、このような三連式プランジャーポンプ（脈動ダンパーなしの場合あり）がよく使われています。1968年、ウィリアム・ブルッゲマンは三連式ポンプのサイズを縮小し、寿命を延ばすことで、洗車場がより小さな設置面積の機器を使用できるようにしました。耐久性の高い高圧シール、低圧シール、オイルシール、硬化処理されたクランクシャフト、硬化処理されたコネクティングロッド、厚みのあるセラミックプランジャー、そしてより頑丈なボールベアリングとローラーベアリングにより、三連式ポンプの信頼性が向上しています。三連式ポンプは現在、世界中のさまざまな市場で使用されています。
寿命の短い三連ポンプは、家庭用ユーザーにとって一般的です。家庭用高圧洗浄機を年間10時間使用する人は、修理の間隔が100時間のポンプで満足するかもしれません。品質スペクトルの反対側にある工業用または連続運転用の三連ポンプは、年間最大2,080時間稼働する場合があります。[ 17 ]
石油・ガス掘削業界では、掘削泥水を汲み上げるために、泥水ポンプと呼ばれる大型のセミトレーラーで輸送される三連ポンプを使用します。この泥水はドリルビットを冷却し、掘削屑を地表に運び戻します。[ 18 ]掘削業者は、フラッキングと呼ばれる抽出プロセスで、水と溶剤を頁岩の奥深くに注入するために、三連ポンプまたは五連ポンプを使用します。
ダイヤフラムポンプは通常、電気と圧縮空気で駆動し、比較的安価で、水槽への空気の注入からフィルタープレスを通した液体の移送まで、幅広い用途に使用できます。ダブルダイヤフラムポンプは、粘性のある流体や研磨材を、せん断に敏感な媒体の輸送に最適な穏やかなポンピングプロセスで処理できます。[ 19 ]
インパルスポンプは、ガス（通常は空気）によって発生する圧力を利用します。一部のインパルスポンプでは、液体（通常は水）中に閉じ込められたガスが放出され、ポンプ内のどこかに蓄積されることで、液体の一部を押し上げる圧力が発生します。
従来のインパルスポンプには以下のようなものがある。
ガスの蓄積と放出のサイクルの代わりに、炭化水素の燃焼によって圧力を発生させることができます。このような燃焼駆動ポンプは、燃焼イベントからのインパルスを作動膜を通してポンプ流体に直接伝達します。この直接伝達を可能にするために、ポンプはほぼ完全にエラストマー（例えばシリコーンゴム）で構成されている必要があります。したがって、燃焼によって膜が膨張し、それによって流体が隣接するポンプ室から押し出されます。最初の燃焼駆動ソフトポンプは、チューリッヒ工科大学によって開発されました。[ 20 ]
水力ラムは、水力で動く水ポンプです。[ 21 ]比較的低い圧力と高い流量で水を取り込み、より高い水頭と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、入力水の一部をポンプの動力源となる水よりも高い位置まで持ち上げる圧力を発生させます。水力ラムは、低落差の水力源があり、かつ水源よりも標高の高い場所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、水力ラムは流れる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、しばしば有用です。
回転式ポンプ（または動的ポンプ）は、流体の流速を上げることで運動エネルギーを流体に加えるタイプの速度ポンプです。このエネルギーの増加は、流体がポンプから吐出管へ出る前、または出る際に流速が低下すると、位置エネルギー（圧力）の増加に変換されます。この運動エネルギーから圧力への変換は、熱力学第一法則、より具体的にはベルヌーイの原理によって説明されます。
動的ポンプは、速度増加を達成する手段に応じてさらに細分化することができる。[ 22 ]
これらのタイプのポンプには、以下のような特徴があります。
動的ポンプと容積式ポンプの実際的な違いは、バルブが閉じた状態での動作方法にあります。容積式ポンプは流体を物理的に押し出すため、容積式ポンプの下流にあるバルブを閉じると、圧力が継続的に上昇し、配管やポンプの機械的故障を引き起こす可能性があります。一方、動的ポンプは、バルブが閉じた状態でも（短時間であれば）安全に運転できるという点で異なります。
このようなポンプは遠心ポンプとも呼ばれます。流体は軸または中心に沿って流入し、インペラによって加速され、シャフトに対して直角（半径方向）に流出します。例としては、掃除機の作動によく用いられる遠心 ファンが挙げられます。ラジアルフローポンプのもう1つのタイプは渦流ポンプです。渦流ポンプでは、液体は作動ホイールの周りを接線方向に流れます。モーターの機械エネルギーから流れのポテンシャルエネルギーへの変換は、ポンプの作動チャネル内でインペラによって励起される複数の渦流によって行われます。一般的に、ラジアルフローポンプは、軸流ポンプや混合流ポンプよりも高い圧力と低い流量で動作します。
これらは全流体ポンプとも呼ばれます。流体は軸方向に移動するために外側または内側に押し出されます。ラジアルフロー（遠心）ポンプよりもはるかに低い圧力と高い流量で動作します。軸流ポンプは特別な注意なしには高速で運転できません。流量が低い場合、このパイプに関連する全ヘッド上昇と高いトルクにより、始動トルクはパイプシステム内の液体全体の質量の加速度の関数になる必要があります。[ 23 ]
混合流ポンプは、ラジアル流ポンプとアキシャル流ポンプの中間的な特性を持つポンプです。流体はラジアル方向の加速と揚力の両方を受け、軸方向から0～90度の間の角度でインペラから排出されます。そのため、混合流ポンプはアキシャル流ポンプよりも高い圧力で運転でき、ラジアル流ポンプよりも高い吐出量を実現します。流体の排出角度によって、ラジアル流と混合流における圧力-吐出量特性が決まります。
再生タービンポンプは、ドラッグポンプ、摩擦ポンプ、液封ポンプ、周辺ポンプ、牽引ポンプ、乱流ポンプ、または渦ポンプとも呼ばれ、通常4～20バール（400～2,000 kPa、58～290 psi）の高ヘッド圧力で動作する回転式ポンプの一種です。[ 24 ]
ポンプには、キャビティ内で回転する多数の羽根またはパドルを備えたインペラがあります。吸込口と圧力口はキャビティの周囲にあり、ストリッパーと呼ばれるバリアによって隔離されています。ストリッパーは、先端チャネル（ブレード間の流体）のみが再循環することを可能にし、側方チャネル（ブレードの外側のキャビティ内の流体）内の流体を圧力口を通して押し出します。再生タービンポンプでは、流体が羽根から側方チャネルに繰り返し螺旋状に流れ、次の羽根に戻るにつれて、運動エネルギーが周辺部に伝達され、[ 24 ]再生ブロワーと同様の方法で、螺旋ごとに圧力が上昇します。[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]
再生タービンポンプは蒸気ロックを起こさないため、揮発性、高温、または極低温流体の輸送によく使用されます。ただし、公差が一般的に厳しいため、固体や粒子による詰まりや急速な摩耗が発生しやすいです。効率は一般的に低く、圧力と消費電力は流量とともに減少します。さらに、回転方向を反転することでポンプの方向を反転できます。[ 27 ] [ 25 ] [ 28 ]
サイドチャネルポンプは、吸込ディスク、インペラ、吐出ディスクを備えている。[ 29 ]
これは、多くの場合蒸気の噴射を利用して低圧を作り出す。この低圧によって流体が吸い込まれ、より高圧の領域へと押し出される。
重力ポンプには、サイフォンやヘロンの噴水などがあります。油圧ラムも重力ポンプと呼ばれることがあります。重力ポンプでは、流体は重力によって持ち上げられます。
蒸気ポンプは長い間、主に歴史的な関心の対象となってきた。これには、蒸気機関を動力源とするあらゆる種類のポンプに加え、トーマス・セイヴァリーのポンプや脈動計式蒸気ポンプのようなピストンレスポンプも含まれる。
近年、開発途上国の小規模農家の灌漑用として、低出力の太陽光蒸気ポンプへの関心が再び高まっている。従来、小型蒸気機関は、小型化に伴い効率が低下するため、実用的ではなかった。しかし、最新の工学材料と代替的なエンジン構成を用いることで、こうしたシステムは費用対効果の高い選択肢となりつつある。
バルブレスポンプは、様々な生体医療システムや工学システムにおける流体輸送を補助します。バルブレスポンプシステムでは、流れの方向を制御するバルブ（または物理的な閉塞部）は存在しません。しかし、バルブレスシステムの流体輸送効率は、バルブを備えたシステムよりも必ずしも低いわけではありません。実際、自然界や工学分野における多くの流体力学システムは、作動流体の輸送に多かれ少なかれバルブレスポンプに依存しています。例えば、心臓の弁が機能不全に陥っても、循環器系における血液循環はある程度維持されます。一方、脊椎動物の胚の心臓は、目に見える心室や弁が発達するずっと前から血液を送り出しています。一方向の血液循環と同様に、鳥類の呼吸器系は、生理的な弁を持たずに、硬い肺で一方向に空気を送り出します。マイクロ流体工学では、バルブレスインピーダンスポンプが製造されており、特に繊細な生体流体の取り扱いに適していると期待されています。圧電トランスデューサの原理で動作するインクジェットプリンターも、バルブレスポンプを使用しています。ポンプチャンバーは、その方向への流れ抵抗が低減されるため、印刷ジェットを通して空になり、毛細管現象によって再び満たされる。
ポンプの修理記録と平均故障間隔(MTBF) を調べることは、責任感と良心のあるポンプ使用者にとって非常に重要です。この事実を踏まえ、2006 年版ポンプ使用者ハンドブックの序文では「ポンプ故障」統計について言及しています。便宜上、これらの故障統計は MTBF (この場合は、故障するまでの設置寿命) に変換されることがよくあります。[ 30 ]
2005 年初頭、ルイジアナ州バトンルージュにあるJohn Crane Inc.の現場業務担当チーフエンジニアである Gordon Buck 氏は、遠心ポンプの信頼性に関する有意義なデータを取得するため、多数の製油所および化学プラントの修理記録を調査しました。調査対象となったのは、約 15,000 台のポンプを保有する稼働中のプラント 15 ヶ所でした。これらのプラントのうち最小のものはポンプが約 100 台、2,000 台を超えるプラントも複数ありました。すべての施設は米国に所在していました。また、「新規」とみなされるもの、「更新」されたもの、「既存」とみなされるものもありました。これらのプラントの多くは、すべてではありませんが、John Crane と提携契約を結んでいました。提携契約には、John Crane Inc. の技術者またはエンジニアが現場に常駐し、プログラムのさまざまな側面を調整することが含まれていました。
しかし、すべてのプラントが製油所というわけではなく、他の場所では異なる結果が生じます。化学プラントでは、ポンプは従来、化学腐食によって寿命が短くなるため、「使い捨て」の部品でした。近年は状況が改善されていますが、旧式のDIN規格およびASME規格のグランドパッキンのスペースが限られているため、適合するシールの種類に制限があります。ポンプのユーザーがシールチャンバーをアップグレードしない限り、ポンプはより小型でシンプルなタイプのシールしか使用できません。このようなアップグレードを行わない場合、化学プラントにおけるポンプの寿命は、一般的に製油所における寿命の50～60%程度にとどまります。
予定外のメンテナンスは、所有コストの中で最も大きなものの1つであることが多く、メカニカルシールやベアリングの故障はその主な原因です。初期費用は高くても、修理間隔がはるかに長いポンプを選択することの潜在的な価値を念頭に置いてください。高性能ポンプの平均故障間隔（MTBF）は、アップグレードされていない同等品よりも1～4年長くなる可能性があります。ポンプの故障を回避することで得られる平均的な価値は、2,600米ドルから12,000米ドルに及ぶことが公表されています。これには機会損失コストは含まれていません。ポンプの故障1,000件につき1件の火災が発生します。ポンプの故障が少なくなれば、破壊的なポンプ火災も少なくなります。
既に述べたように、2002年の実際の報告に基づくと、典型的なポンプの故障には平均5,000米ドルの費用がかかります。これには、材料費、部品費、人件費、間接費が含まれます。ポンプのMTBFを12ヶ月から18ヶ月に延長すると、年間1,667米ドル節約できます。これは、遠心ポンプの信頼性を向上させる費用よりも大きい可能性があります。[ 30 ] [ 1 ] [ 31 ]
ポンプは社会のあらゆる場面で様々な用途に利用されています。初期の用途としては、風車や水車を使って水を汲み上げることが挙げられます。今日では、灌漑、給水、ガソリン供給、空調システム、冷凍（一般的にはコンプレッサーと呼ばれる）、化学物質の移送、下水の移送、洪水対策、船舶関連サービスなど、幅広い分野でポンプが使用されています。
用途が非常に多岐にわたるため、ポンプには様々な形状とサイズが存在する。非常に大型のものから非常に小型のものまで、気体を扱うものから液体を扱うものまで、高圧から低圧まで、そして大容量から小容量まで、あらゆる用途に対応できる。
一般的に、液体ポンプは単純に空気を吸い込むことはできません。ポンプの供給ラインとポンプ機構を囲む内部構造は、まず汲み上げる必要のある液体で満たされなければなりません。ポンプのプライミングと呼ばれる作業では、オペレーターがシステムに液体を注入してポンプの作動を開始する必要があります。プライミングの喪失は、通常、ポンプへの空気の吸入、またはポンプの使用頻度が低い場合の作動流体の蒸発が原因です。液体用ポンプのクリアランスと容積比は圧縮性ガスを汲み上げるには不十分であるため、ポンプ内の空気やその他のガスはポンプの動作だけでは排出できません。これは、ほとんどの速度（回転式）ポンプ、例えば遠心ポンプに当てはまります。このようなポンプの場合、ポンプと吸込管の位置は、重力によってプライミングされるように吸込点よりも低くする必要があります。そうでない場合は、ポンプに手動で液体を充填するか、吸込ラインとポンプケーシングからすべての空気が除去されるまで補助ポンプを使用する必要があります。液封式ポンプは、送液される流体が気体または気体、液体、固体の混合物である可能性があるため、送液される流体の吸入口とは別に、プライミング液専用の吸入口を備えています。これらのポンプでは、プライミング液の吸入口は（重力または圧力によって）連続的に供給する必要がありますが、送液される流体の吸入口は、プライミング液の沸点に相当する真空を引き出すことができます。[ 32 ]
しかし、容積式ポンプは、可動部とポンプのケーシングまたはハウジングとの間に十分な密閉性を備えているため、自吸式と表現できる。このようなポンプは、人間の操作者が行う操作の代わりに他のポンプの呼び水ニーズを満たすために使用される場合、呼び水ポンプとしても機能する。
かつて世界中で一般的だったポンプの一種に、手動式の水ポンプ、または「ピッチャーポンプ」がありました。水道が敷設される以前は、共同の井戸の上に設置されることが一般的でした。イギリス諸島の一部では、しばしば「教区ポンプ」と呼ばれていました。このような共同ポンプはもはや一般的ではありませんが、人々は今でも「教区ポンプ」という表現を、地域の関心事について議論する場所やフォーラムを表すのに使用しています。[ 36 ] [ 37 ]ピッチャーポンプの水は土壌から直接汲み上げられるため、汚染されやすいです。このような水をろ過して浄化しないと、摂取すると胃腸疾患やその他の水系感染症を引き起こす可能性があります。悪名高い事例としては、1854年のブロードストリートのコレラ流行があります。当時、コレラがどのように伝染するかはわかっていませんでしたが、医師のジョン・スノーは汚染された水を疑い、疑わしい公共ポンプのハンドルを取り外しました。その後、流行は収まりました。現代の手動式コミュニティポンプは、資源の乏しい地域、特に開発途上国の農村部において、安全な水供給のための最も持続可能で低コストな選択肢と考えられています。手動ポンプは、汚染されていないことが多い深層地下水へのアクセスを可能にし、汚染されたバケツから水源を守ることで井戸の安全性を向上させます。Afridevポンプのようなポンプは、製造と設置が安価で、シンプルな部品でメンテナンスも容易になるように設計されています。しかし、アフリカの一部の地域では、これらのポンプのスペアパーツが不足しているため、その有用性が低下しています。
多相ポンプ（三相ポンプとも呼ばれる）の用途は、石油掘削活動の増加に伴い拡大しています。さらに、多相生産の経済性は、よりシンプルで小型の現場設備、設備コストの削減、生産量の向上につながるため、上流部門の事業にとって魅力的です。本質的に、多相ポンプは、設置面積の小さい1台の装置で、あらゆる流体特性に対応できます。多くの場合、巨大なポンプ1台ではなく、小型の多相ポンプ2台を直列に設置します。
単一のシャフトを持ち、2つのメカニカルシールを必要とする回転式ポンプで、開放型の軸流インペラを使用しています。ポセイドンポンプとも呼ばれ、軸流圧縮機と遠心ポンプの中間的な性質を持つポンプと言えます。
二軸スクリューポンプは、互いに噛み合う2本のスクリューによって流体を移送する構造になっています。二軸スクリューポンプは、ガス分率が高く、入口条件が変動する場合によく使用されます。2本のシャフトを密閉するために、4つのメカニカルシールが必要です。
プログレッシブキャビティポンプは、スラッジ、スラリー、粘性流体、せん断感受性流体のポンプ輸送に最適です。[ 38 ]プログレッシブキャビティポンプは、地表および坑内石油生産で使用されるシングルスクリュータイプです。[ 39 ]廃水処理、 [ 40 ]パルプおよび製紙、石油およびガス、鉱業、石油およびガスなど、幅広い産業および用途に利用されています。
これらのポンプは基本的に多段遠心ポンプであり、石油井戸における人工揚水方法として広く用いられています。これらのポンプは通常、送液される流体が主に液体である場合に指定されます。
バッファータンクバッファータンクは、スラグ流 が発生した場合に備えて、ポンプの吸込ノズルの上流に設置されることが多い。バッファータンクは、液体のスラグのエネルギーを分散させ、流入流量の変動を緩和し、砂の捕捉器としても機能する。
その名の通り、多相ポンプとそのメカニカルシールは、プロセス流体の組成変化、温度変化、高圧および低圧運転、研磨性/侵食性媒体への曝露など、使用条件の大きな変動に遭遇する可能性があります。課題は、シール寿命と全体的な有効性を最大限に確保するために、適切なメカニカルシール構成とサポートシステムを選択することです。[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]
ポンプの性能は一般的に、馬力、体積流量、吐出圧力（メートルまたはフィート）、吸込圧力（吸込フィートまたはメートル）で表されます。揚程は、大気圧下でポンプが水柱をどれだけ上下させることができるかを示すフィートまたはメートル数として簡単に表すことができます。
初期設計の観点から、エンジニアは流量と揚程の特定の組み合わせに対して最適なポンプの種類を特定するために、比速度と呼ばれる量を用いることが多い。
有効吸込ヘッド（NPSH）[ 44 ]はポンプの性能にとって非常に重要です。NPSHには2つの重要な側面があります。
ポンプを最適に運転するためには、NPSHaは常にNPSHrを上回らなければなりません。これにより、ポンプはキャビテーション（損傷を引き起こす状態）を防ぐのに十分な圧力を確保できます。
流体に与えられる動力は、単位体積あたりの流体のエネルギーを増加させます。したがって、動力の関係は、ポンプ機構の機械エネルギーとポンプ内の流体要素のエネルギーの変換の間にあります。一般に、これはナビエ・ストークス方程式として知られる一連の連立微分方程式によって支配されます。しかし、流体内のさまざまなエネルギーのみを関連付ける、ベルヌーイの式として知られるより単純な方程式を使用することもできます。したがって、ポンプに必要な動力Pは次のようになります。
ここで、Δp は入口と出口間の全圧の変化(Pa 単位)、Q は流体の体積流量 (m 3 /s 単位) です。全圧には、重力、静圧、運動エネルギーの成分が含まれる場合があります。つまり、エネルギーは流体の重力ポテンシャルエネルギーの変化(上り坂または下り坂)、速度の変化、または静圧の変化に分配されます。η はポンプ効率であり、ポンプ曲線などのメーカー情報で提供される場合があり、通常は流体力学シミュレーション (特定のポンプ形状に対するナビエ・ストークス方程式の解) または試験によって求められます。ポンプの効率は、ポンプの構成と運転条件 (回転速度、流体の密度と粘度など) に依存します。
一般的な「ポンプ」構成では、仕事は流体に与えられるため、正の値となります。ポンプに仕事を与える流体（すなわちタービン）にとっては、仕事は負の値となります。ポンプを駆動するために必要な動力は、出力動力をポンプ効率で割ることによって求められます。さらに、この定義には、サイフォンなど可動部品のないポンプも含まれます。
ポンプ効率は、ポンプが流体に与える動力とポンプを駆動するために供給される動力の比として定義されます。効率の値は特定のポンプに対して固定されておらず、吐出量、ひいては運転ヘッドの関数です。遠心ポンプの場合、効率は運転範囲の中間点（最大効率または最適効率点（BEP））までは流量とともに増加する傾向があり、その後、流量がさらに増加すると低下します。このようなポンプ性能データは通常、ポンプ選定前にメーカーから提供されます。ポンプ効率は、摩耗（例えば、インペラのサイズが小さくなるにつれてクリアランスが増加する）により、時間の経過とともに低下する傾向があります。
遠心ポンプを含むシステムの場合、重要な設計課題は、ポンプが最大効率点、またはそれに近い点で動作するように、揚程損失－流量特性をポンプに適合させることです。ポンプ効率は重要な要素であり、ポンプは定期的に試験する必要があります。熱力学的ポンプ試験は、その方法の一つです。
ほとんどの大型ポンプには、最低流量要件があり、それ以下になると過熱、インペラの摩耗、振動、シールの故障、駆動軸の損傷、または性能低下によりポンプが損傷する可能性があります。[ 45 ]最低流量保護システムは、ポンプが最低流量を下回って運転されないようにします。このシステムは、ポンプが停止またはデッドヘッド状態、つまり吐出ラインが完全に閉じている場合でもポンプを保護します。[ 46 ]最も単純な最低流量システムは、ポンプ吐出ラインから吸込ラインに戻るパイプです。このラインには、ポンプの最低流量が通過できるサイズのオリフィスプレートが取り付けられています。 [ 47 ]この構成により、最低流量が維持されますが、ポンプを通過する流量が最低流量を超えている場合でも流体をリサイクルするため、無駄があります。より高度で高価なシステム（図を参照）は、ポンプ吐出部に流量測定装置（FE）を備えており、この装置が信号を流量コントローラ（FIC）に送り、FICがリサイクルラインの流量制御弁（FCV）を作動させます。測定された流量が最小流量を超えると、FCV は閉じられます。測定された流量が最小流量を下回ると、FCV が開き、最小流量が維持されます。[ 48 ] [ 45 ]流体がリサイクルされると、ポンプの運動エネルギーによって流体の温度が上昇します。多くのポンプでは、この追加された熱エネルギーは配管を通して放散されます。しかし、石油パイプラインポンプなどの大型産業用ポンプでは、リサイクルラインにリサイクルクーラーが設けられ、流体を通常の吸込温度まで冷却します。[ 49 ]あるいは、リサイクルされた流体は、石油精製所、石油ターミナル、またはオフショア設備の輸出クーラーの上流に戻される場合もあります。
