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サイフォン（古代ギリシャ語のσίφων（síphōn）「パイプ、管」に由来。syphonとも綴られる）とは、液体を管を通して流す様々な装置の総称である。狭義には、逆U字型の管を指し、ポンプを使わずに、重力によって管内を流れる液体の落下力を利用して、液体を貯水槽の表面より上に上方へと流し、元の貯水槽の表面より低い位置で排出する装置を指す。
サイフォンがポンプを使わずに重力のみで液体を重力に逆らって上り坂に流す仕組みについては、主に 2 つの理論があります。何世紀にもわたる伝統的な理論では、サイフォンの出口側で重力が液体を引き下げることで、サイフォンの上部で圧力が低下します。そして、気圧が上部の貯水槽から液体をサイフォンの上部の圧力低下した部分に押し上げ、気圧計やストローのように、サイフォンを越えさせます。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]しかし、サイフォンは真空中でも動作し[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]、液体の気圧高度を超える高さまで動作することが実証されています。[ 4 ] [ 5 ] [ 8 ]そのため、サイフォンの動作に関する凝集張力理論が提唱されており、液体はチェーン噴水と同様の方法でサイフォンを越えます。[ 9 ]正しい理論はどちらか一方だけではなく、周囲の圧力の異なる状況では両方の理論が正しい可能性がある。重力による大気圧理論では、大気圧がほとんどない真空中のサイフォンを説明できない。しかし、重力による凝集張力理論では、CO 2ガスのサイフォン、[ 10 ]気泡があっても機能するサイフォン、および飛散液滴サイフォンを説明できない。これらの場合、ガスは大きな牽引力を及ぼさず、接触していない液体は凝集張力を及ぼすことができない。
現代において発表されている既知の理論はすべて、ベルヌーイの式が理想的な摩擦のないサイフォン動作の適切な近似式であることを認めている。
紀元前1500年のエジプトのレリーフには、大きな貯蔵壺から液体を汲み出すために使用されたサイフォンが描かれている。[ 11 ] [ 12 ]
ギリシャ人がサイフォンを使用していたことを示す物的証拠としては、紀元前6世紀のサモス島にあるピタゴラスの正義の杯や、紀元前3世紀のペルガモンにおけるギリシャ人技術者による使用などが挙げられる。[ 12 ] [ 13 ]
アレクサンドリアのヘロンは、論文『プネウマティカ』の中でサイフォンについて詳しく述べている。[ 14 ]
9世紀のバグダッドのバヌ・ムーサ兄弟は、彼らの著書『独創的な装置の書』の中で、二重同心サイフォンを発明した。[ 15 ] [ 16 ]ヒルが編集した版には、二重同心サイフォンの分析が含まれている。
サイフォンは17世紀に吸引ポンプ（および最近開発された真空ポンプ）の文脈でさらに研究され、特にポンプ（およびサイフォン）の最大高さと初期の気圧計の上部の見かけ上の真空を理解するために注目されました。これは当初、ガリレオ・ガリレイがアリストテレスに遡る「自然は真空を嫌う」という理論で説明し、ガリレオはこれを「真空の回復」として再定式化しましたが、これは後にエヴァンジェリスタ・トリチェリやブレーズ・パスカル[ 17 ]などの研究者によって反証されました -気圧計の歴史を 参照。
通常の気圧と管の高さで動作する実用的なサイフォンは、高い液柱を重力で引き下げると、サイフォンの上部で圧力が低下する（正式には、液体が動いていないときの静水圧）ために機能します。上部でのこの圧力低下は、低い液柱を重力で引き下げるだけでは、サイフォンの上部の低圧ゾーンに押し上げる大気圧に抗して液体を静止させておくのに十分ではないことを意味します。そのため、液体は上部の貯水槽の高圧領域からサイフォンの上部の低圧ゾーンに流れ、上部を越えて、重力と高い液柱の助けを借りて、出口の高圧ゾーンに流れます。[ 2 ] [ 18 ]
鎖モデルは、サイフォンの概念モデルとして有用ではあるものの、完全に正確とは言えません。鎖モデルは、サイフォンが重力による下向きの力だけで液体を上り坂に流す仕組みを理解するのに役立ちます。サイフォンは、滑車に吊るされた鎖に例えることができます。鎖の一方の端は、もう一方の端よりも高い場所に積み重ねられています。短い側の鎖の長さは長い側の鎖の長さよりも軽いため、高い側の重い鎖が下に移動し、軽い側の鎖を引き上げます。サイフォンと同様に、鎖モデルは明らかに重い側に作用する重力によってのみ駆動されており、エネルギー保存の法則に違反するものではありません。なぜなら、鎖は最終的にはサイフォン内の液体のように、高い場所から低い場所へ移動しているだけだからです。
サイフォンのチェーンモデルにはいくつかの問題があり、これらの違いを理解することで、サイフォンの実際の動作を説明するのに役立ちます。まず、サイフォンのチェーンモデルとは異なり、実際には、短い側と比較して長い側の重量が重要ではありません。むしろ、貯水槽の表面からサイフォンの上部までの高さの差が圧力のバランスを決定します。たとえば、上部の貯水槽からサイフォンの上部までのチューブの直径が、下部の貯水槽からサイフォンの上部までの長いチューブの部分よりもはるかに大きい場合、サイフォンの短い上部セクションにははるかに重い液体が入っている可能性がありますが、下側のチューブ内の軽い液体の体積が、より太い上側のチューブを液体を吸い上げることができ、サイフォンは正常に機能します。[ 19 ]
もう一つの違いは、ほとんどの実際的な状況では、溶解ガス、蒸気圧、そして（場合によっては）管壁との接着の欠如が相まって、液体内の引張強度がサイフォン作用に効果を発揮しなくなることです。したがって、大きな引張強度を持つ鎖とは異なり、液体は通常、典型的なサイフォン条件下では引張強度がほとんどないため、上昇側の液体は、上昇側の鎖が引き上げられるのと同じように引き上げられることはありません。[ 7 ] [ 18 ]
サイフォンについて時折誤解されるのは、液体の引張強度を利用して液体を上昇部を越えて引き上げるという点である。 [ 2 ] [ 18 ]水はいくつかの実験（例えばzチューブ[ 20 ]）でかなりの引張強度を持つことがわかっており、真空中のサイフォンはそのような凝集力に依存しているが、一般的なサイフォンは機能するために液体の引張強度を全く必要としないことが容易に実証できる。[ 7 ] [ 2 ] [ 18 ]さらに、一般的なサイフォンはサイフォン全体で正圧で動作するため、分子は互いに引っ張るのではなく、圧力に抵抗するために実際には互いに反発し合うため、液体の引張強度は寄与しない。[ 7 ]
実例として、一般的なサイフォンの長い下側の脚の底を塞ぎ、図のようにほぼ頂上まで液体を満たし、上部と短い上側の脚は完全に乾いて空気だけが入っている状態にします。栓を外し、長い下側の脚の液体が落下すると、上側の貯水槽の液体が通常、気泡を押し下げてチューブから排出します。その後、装置は通常のサイフォンとして動作し続けます。この実験の開始時にはサイフォンの両側の液体が接触していないため、液体分子間に凝集力がなく、液体を上昇部を越えて引き上げることはできません。液体引張強度理論の支持者は、空気始動サイフォンはサイフォンの開始時にのみ効果を発揮し、気泡が排出されてサイフォンが安定した流れになると状況が変わると示唆しています。しかし、同様の効果は飛滴サイフォン（上記参照）でも見られます。飛滴サイフォンは、液体引張強度が液体を引き上げる力なしに連続的に動作します。
動画で紹介したサイフォンは、上部の貯水槽が空になるまで28分以上安定して作動しました。サイフォンに液体の引張強度が不要であることを示すもう一つの簡単な実証方法は、作動中にサイフォン内に気泡を導入することです。気泡は、気泡の前後の管内の液体を完全に分離するほど大きくても構いません。この場合、液体の引張強度は無効になりますが、気泡が大きすぎなければ、サイフォンは気泡を掃き出しながらほとんど変化なく作動し続けます。
サイフォンに関するもう一つのよくある誤解は、入口と出口の大気圧がほぼ同じであるため、大気圧が相殺され、したがって大気圧が液体をサイフォン内に押し上げることはないというものです。しかし、等しい大きさで反対方向の力であっても、一方の力の一部または全部に対抗する力が介在する場合、完全に相殺されるとは限りません。サイフォンでは、入口と出口の大気圧はどちらも、各管内の液体を重力で引き下げる力によって低下しますが、下側の圧力は、下側の液柱の高さによってより大きく低下します。実際には、下側から上昇してくる大気圧は、上側を押し上げる大気圧を完全に相殺するほどには上まで到達しません。この効果は、2台の荷車が丘の反対側の斜面を押し上げられる例でより分かりやすく説明できます。図に示すように、左側の人物の押す力が右側の人物からの等しく反対方向の押す力によって完全に相殺されているように見える場合でも、左側の人物の一見相殺されているように見える押す力は、依然として左側のカートを押し上げる力の源となっている。
サイフォンは、大気圧がない状況でも引張強度によって機能することがあります（真空サイフォン を参照）。このような状況では、チェーンモデルが参考になります。さらに、他の状況では、張力によって水の輸送が発生します。最も顕著な例は、維管束植物の木部における蒸散による引っ張りです。 [ 2 ] [ 21 ]水やその他の液体は、一握りすくって引っ張ると、液体が簡単に細くなって引き裂かれるため、引張強度がないように見えるかもしれません。しかし、液体が管壁に付着して細くなるのを抵抗する場合、サイフォン内の液体の引張強度が可能になります。グリースや気泡などの管壁の汚染、または乱流や振動などのその他の小さな影響により、液体が壁から剥がれてすべての引張強度を失う可能性があります。
より詳細には、静的サイフォンを通る静水圧の変化を、上部貯水槽からの垂直管、下部貯水槽からの垂直管、およびそれらを接続する水平管（U 字型を想定）を順に考慮して調べることができます。上部貯水槽の液面では、液体は大気圧下にあり、サイフォンを上昇するにつれて、静水圧は減少します（垂直方向の圧力変化による）。これは、水を上方に押し上げる大気圧の重さが、サイフォン内の下方に押し下げる水柱によって相殺されるためです（気圧計/サイフォンの最大高さに達するまで、その時点で液体はそれ以上押し上げることができません） 。管の上部の静水圧は、管の高さに比例した量だけ大気圧より低くなります。下部貯水槽から上昇する管について同じ分析を行うと、その（垂直）管の上部の圧力が得られます。管が長いため（押し下げる水の量が多いため）、この圧力は低くなります。そのため、下部貯水槽は上部貯水槽よりも低い位置にある必要があり、より一般的には、排出口は上部貯水槽の表面よりも低い位置にある必要があります。次に、それらを接続する水平管について考えてみると、上部貯水槽からの管の上部の圧力は高く（汲み上げられる水の量が少ないため）、下部貯水槽からの管の上部の圧力は低く（汲み上げられる水の量が多いため）、液体は高圧から低圧へと移動するため、水平管を通って上部貯水槽から下部貯水槽へと液体が流れます。管全体を通して、液体は正圧（圧縮）を受けており、張力はかかっていません。
ベルヌーイの式は、科学文献においてサイフォンの動作を適切に近似するものと考えられている。しかし、非理想流体の場合、作動流体（または複数の流体）の圧縮性、引張強度、その他の特性によって、ベルヌーイの式は複雑になる。
一度作動し始めると、サイフォンは液体を貯水槽から吸い上げるために追加のエネルギーを必要としません。サイフォンは、貯水槽の水位が吸込口より下になり、空気やその他の周囲のガスがサイフォンを破るようになるか、またはサイフォンの出口が貯水槽の水位と同じになるまで、貯水槽から液体を吸い上げ続けます。どちらか早い方で停止します。
大気圧、液体の密度、重力に加えて、実用的なサイフォンの頂部の最大高さは、液体の蒸気圧によって制限されます。液体内の圧力が液体の蒸気圧を下回ると、最高点で小さな蒸気泡が形成され始め、サイフォン効果は終了します。この効果は、液体がどれだけ効率的に泡を核生成できるかに依存します。泡の核生成サイトとして機能しやすい不純物や粗い表面がない場合、泡が核生成するのにかかる長い時間の間、サイフォンは一時的に標準の最大高さを超えることがあります。脱気した水のサイフォンの1つは、長期間にわたって24 m (79フィート)まで実証され[ 8 ] 、他の制御された実験では10 m (33フィート)まででした[ 22 ]。標準大気圧の水の場合、サイフォンの最大高さは約10 m (33 フィート)です。水銀の場合、それは76 cm (30インチ)であり、これは標準圧力の定義です。これは、同じ原理で動作する吸引ポンプの最大高さに等しくなります。 [ 17 ] [ 23 ]高さの比 (約 13.6) は、(特定の温度で) 水と水銀の密度の比に等しくなります。これは、水 (または水銀) の柱が空気の柱と釣り合って大気圧を生み出しているためであり、実際、最大高さは (蒸気圧と液体の速度を無視して) 液体の密度に反比例します。
1948年、マルコム・ノークスは、大気圧と部分真空の両方で動作するサイフォンを調査しました。真空中のサイフォンについては、次のように結論付けています。「下降管内の液柱にかかる重力から上昇管内の重力を差し引くと、液体が移動します。したがって、液体は張力状態にあり、縦方向の歪みを受けますが、外乱要因がない限り、液柱を破壊するには不十分です。」しかし、大気圧で動作する小さな上昇高さのサイフォンについては、次のように書いています。「…液柱の張力は、液柱の両端に対する大気圧の圧縮効果によって相殺され、反転します。」 [ 7 ]
エディンバラ大学のポッターとバーンズは1971年にサイフォンを再検討した。彼らはサイフォンの理論を再検証し、大気圧下でサイフォンの実験を行った。彼らは「多くの伝統があるにもかかわらず、サイフォンの基本的なメカニズムは大気圧に依存しないことは、今や明らかであるはずだ」と結論付けた。[ 24 ]
2010年にクイーンズランド工科大学のヒューズが行った研究では、重力、圧力、分子凝集力が焦点となった。彼は大気圧下でサイフォンを使用し、次のような結論に至った。「サイフォンの底から出る水の流れは、流入と流出の高さの差に依存するため、大気圧に依存することはない…」[ 21 ] ヒューズは2011年に大気圧下でのサイフォンに関するさらなる研究を行い、次のように結論づけた。「上記の実験は、通常のサイフォンが大気圧下では重力によって作動し、大気圧によって作動するのではないことを示している」[ 25 ]
父と息子の研究者であるラメットとラメットは、 2011年に大気圧下で二酸化炭素をサイフォンで吸い上げることに成功し、分子凝集はサイフォンの動作には必要ないが、次のように結論付けた。「サイフォン作用の基本的な説明は、チューブが満たされると、短い側よりも長い側の流体に対する重力の引力が大きいため、流れが開始されるということです。これにより、ストローを吸うと、吸入点まで全長にわたって圧力が低下するのと同じように、サイフォンチューブ全体に圧力低下が生じます。吸入点の周囲の大気圧は、この圧力低下に反応して流体を上方に押し上げ、ミルクシェイクをストローで一定の速度で吸い続ける場合と同様に、流れを維持します。」[ 1 ]
2011年、リチャートとビンダー（ハワイ大学）は再びサイフォンを調査し、分子凝集力はサイフォンの動作に必要ではなく、重力と圧力差に依存していると結論付け、次のように書いています。「サイフォンの長い方の脚に最初にプライミングされた流体が重力によって流れ落ちると、部分的な真空が残り、高い方の容器の入口の圧力によってその側の脚に流体が押し上げられる」。[ 2 ]
ノッティンガム大学のボートライト、パティック、ライセンスの研究チームは、2011年に高真空下でサイフォンを作動させることに成功した。彼らは次のように記している。「サイフォンは主に大気圧の力によって駆動されると広く信じられている。高真空条件下でもサイフォンが機能することを示す実験について述べる。分子凝集力と重力がサイフォンの動作に寄与する要因であることが示されており、正の大気圧の存在は必要ない。」[ 26 ]
2011年にPhysics Todayに寄稿したミラーズビル大学のJ. Dooleyは、サイフォンが作動するにはサイフォン管内の圧力差と液体の引張強度の両方が必要であると述べた。 [ 27 ]
フンボルト州立大学の研究者、A. McGuire は、2012 年にサイフォン内の流れを調査しました。高度な汎用マルチフィジックスシミュレーションソフトウェアパッケージLS-DYNAを使用して、サイフォン内の圧力初期化、流れ、および圧力伝播を調べました。彼は次のように結論付けました。「圧力、重力、および分子凝集力はすべて、サイフォンの動作の駆動力となり得る」。[ 3 ]
2014年、ヒューズとグルン（クイーンズランド工科大学）は、海面から11.9kmまでのさまざまな気圧下で水サイフォンを稼働させた （高度39,000フィートまで 上昇した。彼らは、「上昇中、流量はほぼ一定のままであったことから、サイフォンの流れは周囲の気圧に依存しないことが示された」と指摘した。彼らはベルヌーイの式とポアズイユの式を用いて、サイフォン内の圧力差と流体の流れを調べた。彼らの結論は、「上記の分析から、サイフォンに出入りする水分子の間に直接的な凝集結合が存在する必要があることがわかる。これは、サイフォンの頂点の圧力が水の蒸気圧を超えるすべての気圧で当てはまるが、イオン液体は例外である」であった。[ 28 ]
普通のチューブをサイフォンとして使用できます。液体を流し始め、サイフォンをプライミングするには、外部ポンプを使用する必要があります（家庭での使用では、チューブに十分な量の液体が満たされるまで人がチューブを通して息を吸い込むことがよくあります。これは、サイフォンする液体によっては、使用者に危険を及ぼす可能性があります）。これは、漏れのないホースを使用して、自動車のガソリンタンクから外部タンクにガソリンをサイフォンするために使用されることがあります。（口でガソリンをサイフォンすると、誤ってガソリンを飲み込んだり、肺に吸い込んだりすることが多く、死亡または肺損傷を引き起こす可能性があります。 [ 29 ]）チューブの一部を中間の最高点より上に持ち上げる前にチューブが液体で満たされ、持ち上げている間チューブが液体で満たされている状態を維持するように注意すれば、ポンプは必要ありません。サイフォンとして販売されているデバイスには、サイフォンプロセスを開始するためのサイフォンポンプが付属していることがよくあります。
用途によっては、必要以上に太くないサイフォン管を使用することが有効な場合があります。直径が大きすぎる配管を使用し、バルブや絞り管で流量を絞ると、先に述べた、頂部にガスや蒸気が溜まり真空が破られるという問題が悪化するようです。真空度が下がりすぎると、サイフォン効果が失われる可能性があります。必要なサイズに近い配管を使用することで、この影響を軽減し、頻繁な再プライミングや再起動を必要としない、より機能的なサイフォンを実現できます。この点において、容器への流入量と流出量を一致させる必要がある場合（例えば、小川から水が供給される池の水位を一定に保つ場合）、1本の太い配管を使用して流量を絞ろうとするよりも、必要に応じて起動できる2本または3本の細い並列配管を使用する方が望ましいでしょう。
サイフォンは、連続的な滴り落ちる水流や不規則な少量の噴出流を大量の噴出流に変換することが望ましい状況において、自動機械として使用されることがあります。その一般的な例として、頭上の小型水槽内の自動サイフォンによって小便器が定期的に洗浄される公衆トイレが挙げられます。容器が満杯になると、貯められた液体がすべて放出され、大量の噴出流となって再び満たされます。このような断続的な動作を実現する方法の一つとして、フロート、チェーン、レバー、バルブなどの複雑な機械装置を用いる方法がありますが、これらは時間の経過とともに腐食したり、摩耗したり、詰まったりする可能性があります。別の方法としては、サイフォン内の水自体を作動機構として用いる、剛性のあるパイプとチャンバーを用いる方法があります。
自動無人装置で使用されるサイフォンは、故障なく確実に機能する必要があります。これは、一般的なデモンストレーション用の自動始動サイフォンとは異なり、サイフォンが故障した場合、通常のサージ流量動作に戻すために手動による介入が必要となる場合があります。自動始動サイフォンのデモンストレーション動画は、 The Curiosity Showの提供によりこちらでご覧いただけます。
最もよくある不具合は、容器への液体の充填速度に合わせて液体がゆっくりと滴り落ち、サイフォンが望ましくない定常状態に入ってしまうことです。滴り落ちを防ぐには、通常、空気圧の原理を利用して、ウォータートラップで密閉された様々なパイプ内に1つまたは複数の大きな気泡を閉じ込めます。この方法は、機構の一部に既に水が存在していないと断続的に作動を開始できない場合、また、機構が乾燥状態から開始すると水が満たされない場合、失敗する可能性があります。
2つ目の問題は、流入がないためにサイフォンが作動しない場合、閉じ込められた空気溜まりが時間とともに縮小することです。空気溜まり内の空気は液体に吸収され、液体が配管内に引き上げられて空気溜まりが消滅します。この過程で、貯水タンクが満水でない場合に、通常の作動範囲を超えて水の流れが発生し、機構下部の液封が失われる可能性があります。
3つ目の問題は、液封部の下端が単に流出管内のU字型トラップになっている場合です。勢いよく排出される際、流出管から液体が勢いよく流れ出すことで、過剰な量の液体が流出し、流出トラップ内のシール容積が失われ、断続運転を維持するために必要な気泡が捕捉されなくなってしまうことがあります。
4つ目の問題は、サイフォンが空になった際に、これらの様々な密閉室にゆっくりと液体を補充するための機構内の浸透孔に関するものです。浸透孔は、ゴミや腐食によって詰まることがあり、手動での清掃や介入が必要になります。これを防ぐには、サイフォンを固体や沈殿物を含まない純粋な液体のみに限定することが考えられます。
少なくとも1850年代まで遡って、多くの自動サイフォンが発明されてきた。これらの自動サイフォン機構は、さまざまな空気圧および流体力学的原理を用いてこれらの問題を克服しようと試みている。
特定の液体を精製する必要がある場合、サイフォンを用いることで、底部の沈殿物（澱）や上層の泡や浮遊物が一方の容器からもう一方の容器に移されるのを防ぐことができます。そのため、サイフォンはワインやビールの発酵において、不要な不純物が新しい容器に入り込むのを防ぐことができるという点で有用です。
パイプやチューブで自作したサイフォンは、洪水後に地下室から水を排出するのに使用できます。浸水した地下室と、より深い屋外の場所との間に、チューブやパイプを使って接続部を構築します。構造物の最も高い端にある吸水弁から水を満たします。両端を開くと、水はパイプを通って下水道や川に流れ込みます。
サイフォン法は、灌漑された畑で、溝から溝の壁を越えて畝に一定量の水を移送するためによく用いられる手法である。
大型サイフォンは、自治体の水道事業や産業で使用されることがあります。その大きさから、サイフォンの取水口、出口、頂部にあるバルブで制御する必要があります。取水口と出口を閉じてサイフォンの頂部を満たすことで、サイフォンをプライミングできます。取水口と出口が水没している場合は、頂部に真空ポンプを適用してサイフォンをプライミングできます。あるいは、取水口または出口のいずれかにポンプを設置してサイフォンをプライミングすることもできます。大型サイフォンでは、液体中のガスが問題となります。[ 30 ]ガスは頂部に蓄積する傾向があり、液体の流れを阻害するほど蓄積すると、サイフォンは機能しなくなります。サイフォン自体がこの問題を悪化させます。液体がサイフォンを通って上昇するにつれて圧力が低下し、液体中の溶解ガスが溶液から放出されるためです。温度が高いほど液体からのガスの放出が加速されるため、一定の低温を維持することが役立ちます。液体がサイフォン内に長く留まるほど、放出されるガスの量が増えるため、サイフォン全体を短くすることが有効です。局所的な高所はガスを閉じ込めるため、吸込口と吐出口は中間的な高所のない連続した傾斜を持つ必要があります。液体の流れは気泡を移動させるため、吸込口は流れが気泡を頂部に押し上げるので、傾斜を緩やかにすることができます。逆に、吐出口は気泡が液体の流れに逆らって移動できるように急な傾斜が必要ですが、他の設計では気泡をサイフォンから運び出すために吐出口にも緩やかな傾斜を設けるものもあります。頂部では、ガスは頂部より上のチャンバーに閉じ込められることがあります。チャンバーは、ガスを除去するために、時々液体で再プライミングする必要があります。
サイフォン式雨量計は、長期間の降雨量を記録できる雨量計です。サイフォンを用いて自動的に雨水が排出されます。一般的には単に「サイフォン式雨量計」と呼ばれ、サイフォン式圧力計とは混同しないように注意が必要です。
2022年現在、いくつかの高速道路でサイフォン排水方式が導入されています。最近の研究では、高速道路の擁壁の背後の地下水位を下げることができ、目詰まりの兆候がないことがわかりました。この新しい排水システムは、擁壁の漏水リスクを制限する長期的な方法として先駆的に導入されています。[ 31 ]サイフォン排水は不安定な斜面の排水にも使用され、サイフォン屋根排水システムは1960年代から使用されています。[ 32 ] [ 33 ]
ダムのサイフォン式放水路は、一般的に水位上昇時の排水に使用されるため、厳密にはサイフォンではありません。 [ 34 ]しかし、灌漑で使用される場合のように、サイフォン式放水路が水源貯水池の表面よりも高い位置に水流を上昇させる場合は、実際のサイフォンとして機能します。[ 35 ] [ 21 ]サイフォン式放水路は、運用中は「管流」または「閉鎖ダクト流」とみなされます。[ 36 ]通常の放水路の流れは、放水路より上の貯水池の高さによって加圧されますが、サイフォンの流量は、入口と出口の高さの差によって決まります。一部の設計では、螺旋状の渦流で水の流れを利用して上部の空気を除去し、サイフォンをプライミングする自動システムを使用しています。このような設計には、渦巻きサイフォンが含まれます。[ 37 ]
水洗トイレでは、便器が空になる際にサイフォン効果が生じることが多い。
一部のトイレでは、サイフォンの原理を利用してタンクから実際に水を流しています。洗浄は、レバーまたはハンドルを操作することで、シンプルなダイヤフラムのようなピストンポンプが作動し、サイフォンの頂点まで十分な水を汲み上げて水の流れを開始させ、タンクの内容物を完全に便器に流し込みます。このシステムの利点は、洗浄時以外はタンクから水が漏れないことです。これらは2011年までイギリスで義務付けられていました。[ 38 ]
初期の小便器は、貯水槽にサイフォンを組み込んでおり、わずかに開いたバルブから常に少量のきれいな水が貯水槽に供給されるため、一定のサイクルで自動的に洗浄される仕組みになっていた。
サイフォンの両端が大気圧の場合、液体は高いところから低いところへ流れますが、サイフォンの下端に圧力をかけると、液体は低いところから高いところへ流れます。下端の圧力を取り除くと、液体の流れは逆になり、圧力がサイフォンの原動力となっていることがわかります。この原理を身近に表しているのがサイフォン式コーヒーメーカーです。その仕組みは以下のとおりです（デザインは様々ですが、これはコーヒー粉を除いた標準的なデザインです）。
実際には、上の容器にコーヒー粉を入れ、コーヒーの抽出が終わったら下の容器から熱を取り除きます。蒸気圧が具体的に意味するのは、沸騰したお湯が高密度の水（液体）を低密度の水蒸気（気体）に変え、その結果、水蒸気が膨張して体積が増加する（つまり、圧力が上昇する）ということです。この膨張した水蒸気の圧力によって液体がサイフォンを通って上昇し、その後、水蒸気が凝縮して水になると圧力が低下し、液体が下へ流れ落ちます。
単純なサイフォンでは、液体を供給源リザーバーより高い位置から排出することはできませんが、頂部に気密計量室と自動弁システムを備えたより複雑な装置では、外部からのポンプエネルギーを追加することなく、液体を供給源リザーバーより高い位置から継続的に排出することができます。これは、大量の液体が一定の距離を落下する際のエネルギーを利用して、少量の液体を供給源リザーバーより高い位置まで持ち上げて排出できるため、一見エネルギー保存則に違反しているように見えますが、これを実現できます。したがって、少量の液体を排出するために大量の液体が落下することを「必要とする」と言えるかもしれません。このようなシステムは通常、周期的または開始/停止を繰り返しながら、継続的かつ自己動力方式で動作します。[ 39 ] [ 40 ]ラムポンプはこのようには動作しません。これらの計量ポンプは、サイフォンを動力源として使用する真のサイフォンポンプ装置です。
逆サイフォンはサイフォンではなく、単に液体の表面より下の通路であり、平衡状態において両側の液面高さが同じになるようにするものである。
大きな逆サイフォンは、灌漑や金採掘のために、運河や水路で運ばれる水を谷を越えて運ぶのに使われます。ローマ人は、水道橋を建設するには大きすぎる谷を横断するために鉛管の逆サイフォンを使用しました。[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]
逆サイフォンは、下水ガスが下水管から逆流するのを防ぐ機能があることから、一般的にトラップと呼ばれています[ 44 ]。また、リングや電子部品などの密度の高い物体が排水溝に落ちた後、回収できる場合もあります[ 45 ] [ 46 ]。片方の端から液体が流れ込むと、液体が押し上げられてもう一方の端から出てきますが、砂などの固体は蓄積されます。これは、川やその他の深い障害物の下を通る必要がある下水道システムや暗渠では特に重要であり、より適切な用語は「凹型下水道」です[ 47 ] [ 48 ] 。
逆サイフォン現象は、給水側の圧力が急激に低下したり負圧になったりすることによって、配管システム内の通常の水の流れが逆転する現象を指す配管用語です。例えば、消火活動による給水需要の増加などが挙げられます。[ 49 ]これは吸引現象であるため、実際のサイフォン現象ではありません。[ 50 ]逆サイフォン現象は、出口（家庭）側の水中入口に依存しており、このような入口は一般的ではないため、まれにしか発生しません。[ 51 ]逆サイフォン現象は、逆流と混同してはいけません。逆流とは、出口側で発生する圧力によって、出口側から給水側へ水が逆流する現象です。[ 51 ]また、建築基準法では、飲料水システムへの逆流を防ぐために、給水が建物に入る場所に逆止弁を設置することが通常義務付けられています。
建築基準法には、逆サイフォン現象、特に屋外水栓に関する具体的な条項が含まれていることがよくあります。（下記の建築基準法の引用例を参照）。このような設計では、逆サイフォン防止弁[ 52 ]などの逆流防止装置が必要です。その理由は、屋外水栓は、庭の池、プール、水槽、洗濯機などの屋外の水域に浸かるホースに接続されている可能性があるためです。このような状況では、望ましくない流れは実際にはサイフォン現象によるものではなく、給水側の圧力低下による吸引です。給水システム内の圧力が低下すると、外部の水が逆圧によって水栓を通して飲料水システムに戻る可能性があります。もう1つの汚染源として考えられるのは、トイレタンクの給水口です。給水管の圧力低下によってトイレタンク（「トイレブルー」[ 53 ]などの添加剤が含まれている可能性がある）から水が吸い出されて給水システムが汚染されるのを防ぐために、ここでも逆サイフォン防止弁が必要です。逆流防止弁は、一方向の逆止弁として機能します。
逆流防止弁は医療でも使用されます。水頭症、つまり脳内の過剰な体液は、脳から脳脊髄液を排出するシャントで治療されることがあります。すべてのシャントには、脳内の過剰な圧力を軽減するための弁があります。シャントは腹腔に通じている場合があり、患者が立っているときはシャントの出口がシャントの入口よりもかなり低くなります。そのため、サイフォン効果が発生し、単に過剰な圧力を軽減する代わりに、シャントがサイフォンとして機能し、脳から脳脊髄液を完全に排出してしまう可能性があります。シャントの弁は、このサイフォン作用を防ぐように設計されている場合があり、シャントの排出口にかかる陰圧によって過剰な排出が発生しないようにします。脳内からの過剰な陽圧のみが排出を引き起こすはずです。[ 54 ] [ 55 ] [ 56 ]
医療用シャントにおける逆流防止弁は、液体の過剰な順方向の流れを防ぎます。配管システムにおける逆流防止弁は、液体の逆流を防ぎます。
カナダのオンタリオ州における「逆サイフォン現象」に関する建築基準法のサンプル：[ 57 ]
逆流防止弁の他に、逆流防止装置も存在する。両者の用途は異なる。逆流防止とは、燃料タンクから燃料を抜き取る行為である。燃料価格の高騰に伴い、いくつかの国では燃料盗難の増加と関連付けられている。大型燃料タンクを搭載したトラックは、特に盗難の被害に遭いやすい。逆流防止装置は、窃盗犯が燃料タンクにチューブを差し込むのを防ぐ。
サイフォン気圧計とは、最も単純な水銀気圧計を指す用語です。直径が均一な連続したU字管の一端が密閉され、水銀が満たされています。U字管を直立させると、密閉された端から水銀が流れ出し、部分的な真空状態が形成され、反対側の端の大気圧と平衡状態になります。「サイフォン」という用語は、サイフォンの動作に空気圧が関わっているという考えに由来します。U字管の2つの腕の間の流体の高さの差は、サイフォンの最大中間高さと同じです。大気圧以外の圧力を測定するためにサイフォン気圧計を使用する場合、サイフォンゲージと呼ばれることがあります。これらはサイフォンではありませんが、標準的なU字型設計[ 58 ]に従っているため、この用語が使われています。サイフォン気圧計は現在でも精密機器として製造されています[ 59 ]。サイフォン気圧計はサイフォン雨量計と混同してはいけません[ 60 ]。
サイフォンボトル（ソーダサイフォン、または古語ではサイフォイド[ 61 ]とも呼ばれる）は、通気孔とバルブを備えた加圧ボトルである。ボトル内の圧力によって液体がチューブから押し上げられるため、サイフォンではない。特殊な形態としてガスジェンがあった。
サイフォンカップは、スプレーガンに取り付けられた（吊り下げられた）塗料の貯蔵容器であり、真空ポンプが塗料を吸い出すためサイフォンではありません。[ 62 ]この名称は、重力供給式の貯蔵容器と区別するためのものです。この用語の古い用法としては、綿芯またはチューブを介して油がカップから潤滑対象の表面まで運ばれる油のカップがあり、これはサイフォンではなく毛細管現象の一例です。
ヘロンのサイフォンは、重力駆動の圧力ポンプとして機能するため、サイフォンではありません。[ 63 ] [ 64 ]一見すると永久機関のように見えますが、プライミングポンプ内の空気がなくなると停止します。少し異なる構成では、ヘロンの噴水としても知られています。[ 65 ]
ベンチュリサイフォン（エジェクターとも呼ばれる）は、重力サイフォンではなく、高速で流れる流体（例えば水）のベンチュリ効果を利用して低圧を作り出し、他の流体を吸引する真空ポンプの一種である。
一般的な例としては、キャブレターが挙げられます。キャブレターでは、最初の流体は空気で、2番目の流体はガソリンです。圧力ヘッドを参照してください。
ベンチュリ管の喉部における低圧は、第二の流体が導入される場合にはサイフォンと呼ばれます。第一の流体が液体で第二の流体が空気の場合、これはアスピレーターと呼ばれます。アスピレーターは、第一の流体の速度差によって、周囲の空気とベンチュリ管口における流体の圧力差が生じることで作動します。ベンチュリ管口内の圧力が周囲の空気圧を下回ると、周囲の空気が流れる流体に吸い込まれ、ベンチュリ管の下流で混合される可能性があります。
その名前とは裏腹に、サイフォン式屋根排水はサイフォンのように機能するわけではありません。この技術は、重力による真空ポンプ[ 66 ]を利用して、複数の屋根排水口から水を水平方向に1本の縦樋に運び、流速を上げます[ 67 ] 。屋根排水口の入口にある金属製のバッフルは空気の注入を減らし、システムの効率を高めます[ 68 ] 。この排水技術の利点の1つは、従来の屋根排水に比べて建設時の資本コストが削減されることです[ 66 ] 。もう1つの利点は、従来の屋根排水配管に必要なパイプの傾斜や勾配が不要になることです。ただし、この重力ポンプシステムは主に大型建築物に適しており、通常は住宅には適していません[ 68 ] 。
自己サイフォンという用語は、さまざまな意味で使われます。長いポリマーで構成された液体は「自己サイフォン」することができ[ 69 ] [ 70 ]、これらの液体は大気圧に依存しません。自己サイフォン性ポリマー液体は、チェーンの下部がチェーンの残りの部分を引き上げて頂上を越えるサイフォンチェーンモデルと同じように機能します。この現象はチューブレスサイフォンとも呼ばれます。[ 71 ]
「セルフサイフォン」という用語は、サイフォンメーカーの販売資料で、ポンプを内蔵した携帯型サイフォンを説明する際によく使用されます。ポンプがあれば、サイフォンを開始するために外部からの吸引（例えば、人の口や肺からの吸引）は必要ないため、この製品は「セルフサイフォン」と呼ばれます。
上部貯水槽の水位がサイフォンの頂部の高さを超えることができる場合、貯水槽内の上昇する水がサイフォンを「自己プライミング」することができ、装置全体を「自己サイフォン」と呼ぶことができる。[ 72 ]一度プライミングされると、このようなサイフォンは、上部貯水槽の水位がサイフォンの吸込口より下がるまで作動し続ける。このような自己プライミングサイフォンは、一部の雨量計やダムで有用である。
「サイフォン」という用語は、液体の流れが関係している場合や、構造がサイフォンのような形をしているが実際にはサイフォン効果が発生していない場合など、人間や動物の解剖学における多くの構造に対して使用されます。サイフォン（曖昧さ回避）を参照してください。
サイフォン機構が血液循環において役割を果たしているかどうかについては議論があった。しかし、循環の「閉鎖ループ」においては、これは否定された。「対照的に、循環のような『閉鎖』システムでは、重力は回路の上昇肢と下降肢に等しく作用するため、重力は上昇流を妨げず、下降流も引き起こさない」が、「歴史的な理由」からこの用語が使用されている。[ 73 ] [ 74 ] 1989年の仮説の一つは、キリンの循環にサイフォンが存在するというものだった。[ 75 ]しかし、2004年のさらなる研究では、「静水圧勾配はなく、流体の『落下』が上昇肢を助けないため、サイフォンは存在しない。キリンの高い動脈圧は、血液を心臓から頭部まで2m持ち上げるのに十分であり、脳を灌流するのに十分な圧力が残っているため、この概念を裏付けている」と結論付けられた。[ 74 ] [ 76 ]しかし、2005年に書かれた論文では、この仮説についてさらに研究する必要があると提言している。
サイフォンの原理は種に特有のものではなく、閉鎖循環系の基本原理であるべきである。したがって、サイフォンの原理の役割をめぐる論争は、比較アプローチによって最もよく解決されるだろう。系統発生上の関連性を考慮した、さまざまな首長体動物の血圧の分析が重要となるだろう。さらに、さまざまな重力ストレス（異なる頭位）下での動脈血圧と静脈血圧、および脳血流量の測定を組み合わせた実験的研究が、最終的にこの論争を解決するだろう。[ 77 ]
全体または一部がサイフォンに似ているため、サイフォンにちなんで名付けられた種もあります。ジオサイフォンは菌類です。緑藻植物門のシフォノクラド科 に属する藻類の種には、管状の構造を持つものがあります[ 78 ] 。ルエリア・ビロサは、キツネノマゴ科の熱帯植物で、植物学上の同義語であるシフォナカンサス・ビロスス・ニースとしても知られています[ 79 ]。
洞窟学において、サイフォンまたはサンプとは、洞窟通路のうち水面下にある部分を指し、洞窟探検家はそこを潜って洞窟システムの奥へと進む必要があるが、これは実際のサイフォンではない。
河川サイフォン現象とは、水流の一部が岩や木の幹などの水中の障害物の下を通過する際に発生する現象です。障害物の下を流れる水は非常に勢いが強く、カヤック、キャニオニング、その他の河川水上スポーツにとって非常に危険な場合があります。
ベルヌーイの式をサイフォンに適用することで、その理想的な流量と理論上の最大高さを導き出すことができる。
ベルヌーイの式：
上部貯水槽の水面にベルヌーイの式を適用します。上部貯水槽の水が排出されるにつれて、水面は厳密には下降しています。しかし、この例では貯水槽は無限であると仮定し、水面の速度をゼロとします。さらに、水面と出口点Cの両方における圧力は大気圧です。したがって、次のようになります。
ベルヌーイの式を、上部貯水槽内のサイフォン管の始点Aに適用する。ここで、P = P A、v = v A、y = − dである。
サイフォン管の中間最高点である点Bにベルヌーイの式を適用する。ここでP = P B、v = v B、y = h Bである。
サイフォンが空になる点Cにベルヌーイの式を適用する。ここで、v = v C、y = − h Cである。さらに、出口点の圧力は大気圧である。したがって、次のようになる。
サイフォンは単一のシステムであるため、4つの式すべてにおいて定数は同じです。式1と式4を等しいと置くと、次のようになります。
v Cを解く:
サイフォンの流速は、上部貯水槽の表面と排水点との間の高さの差のみによって決まります。中間高点の高さh Bは、サイフォンの流速に影響を与えません。ただし、サイフォンは単一のシステムであるため、v B = v Cとなり、中間高点が最大流速を制限します。流速を上げるために排水点を無限に下げることはできません。式 3 は、キャビテーションを防ぐために中間高点で正圧を維持するように流速を制限します。最大流速は、式 1 と式 3 を組み合わせることによって計算できます。
P B = 0 と設定してv maxを解く：
上部貯水槽におけるサイフォンの初期進入点の深さ −d は、サイフォンの流速に影響を与えません。式 2 では圧力P Aが深さdとともに増加するため、サイフォンの開始点の深さに制限はないことが示されています。これらの事実から、サイフォンの操作者は、サイフォンの性能に影響を与えることなく、上部貯水槽の底をすくったり、上面をすくったりすることができることがわかります。
この速度の式は、高さh Cから落下する物体の速度の式と同じです。この式は、P Cが大気圧であることを前提としています。サイフォンの端が水面より下にある場合は、サイフォンの端までの高さは使用できません。代わりに、貯水槽間の高さの差を使用する必要があります。
サイフォンは、液体が脱気されていて管が清潔で滑らかな場合など、特別な状況では液体の気圧高さを超えることがありますが、[ 80 ]一般的に実用的な最大高さは次のように求められます。
式1と式3を等しいと置くと、次のようになる。
中間最高点の最大高さは、中間最高点の圧力がゼロになるほど高くなったときに発生します。典型的なシナリオでは、これにより液体に気泡が発生し、気泡が拡大してパイプを満たすとサイフォンが「破裂」します。P B = 0 と設定します。
h Bを求める：
これは、中間最高点の高さが、流線に沿った圧力が常にゼロより大きいことによって制限されることを意味する。
これはサイフォンが機能する最大高さです。値を代入すると、水の場合は約10 m (33 フィート) 、標準圧力の定義により水銀の場合は0.76 m (760 mm; 30インチ)になります。高さの比 (約 13.6) は、(特定の温度で) 水と水銀の密度の比に等しくなります。この条件 (圧力がゼロより大きい) が満たされている限り、サイフォンの出力での流量は、依然として供給面と出口の間の高さの差によってのみ制御されます。圧力ヘッドがすべてのセクションでゼロより大きい限り、装置内の流体の体積は関係ありません。速度が増加すると圧力が低下するため、静止サイフォン (またはマノメーター) は、流動サイフォンよりもわずかに高い高さを持つことができます。
実験により、液体が純粋で脱気されており、表面が非常にきれいであれば、分子間の凝集力と引張強度によってサイフォンが真空中で機能することが示されています。 [ 4 ] [ 81 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 82 ] [ 83 ] [ 84 ] [ 26 ]
1911年に出版されたオックスフォード英語辞典（OED）のサイフォンの項目では、サイフォンは大気圧によって作動するとされています。クイーンズランド工科大学のスティーブン・ヒューズは、2010年の記事[ 21 ]でこれを批判し、この記事はメディアで広く報道されました。[ 85 ] [ 86 ] [ 87 ] [ 88 ] OEDの編集者は、「どちらの見解が正しいかについては、科学者の間で議論が続いています。…今年後半に出版予定の、完全に更新されたサイフォンの項目に、この議論を反映させたいと考えています。」と述べています。[ 89 ]ヒューズは、9月下旬にオックスフォードのブログに投稿した記事で、サイフォンに関する自身の見解を擁護し続けました。[ 90 ] OEDの2015年の定義は次のとおりです。
液体を貯水槽から上方に運び、その後、自力で低い位置まで下方に運ぶための管。液体が管内に押し込まれると（通常は吸引または浸漬によって）、その後は流れが自然に継続する。
ブリタニカ百科事典は現在、サイフォンを次のように説明しています。
サイフォン（syphonとも綴られる）は、通常、長さの異なる2本の脚を形成するように曲げられた管の形をした器具で、容器の縁から液体を運び、低い位置に排出するために使用されます。サイフォンのサイズは任意です。その動作は、重力の影響（時々考えられているように大気圧の差によるものではありません。サイフォンは真空でも機能します）と、サイフォンの脚にある液体の柱が自重で折れるのを防ぐ凝集力に依存します。海面では、サイフォンによって水を10メートル（33フィート）強持ち上げることができます。土木工学では、逆サイフォンと呼ばれるパイプラインが、小川、高速道路の切り通し、または地面のその他の窪みの下を汚水や雨水を運ぶために使用されます。逆サイフォンでは、液体がパイプを完全に満たし、圧力によって流れます。これは、ほとんどの衛生下水道や雨水下水道で発生する開水路の重力流とは対照的です。[ 91 ]
米国機械学会（ASME）は、以下の三元調和規格を発行しています。
デュアン・サイフォン 1902。
