キャビテーションとは？ポンプで気泡が発生する仕組みと原因

キャビテーションは液体の流れの中で圧力が局所的に下がり、液体が気化して気泡が生じる現象です。英語のcavity（空洞）が語源とされ、ポンプのほかにも弁や船のスクリューなど液体が速く流れる場所で起こります。

理解の鍵になるのが飽和蒸気圧です。水は大気圧のもとでは100℃で沸騰しますが、圧力が十分に低ければ常温でも気化します。沸騰は温度を上げて気化の境目を越える現象で、キャビテーションは圧力を下げて同じ境目を越える現象だと考えるとわかりやすくなります。

遠心ポンプ（羽根車の回転で液体を外側へ送り出すポンプ）では、液体は吸込口から羽根車の中心付近に入り、羽根で加速されて外周へ送り出されます。羽根車の入口付近は流速が速く、ポンプの中で圧力が最も低くなりやすい場所です。ここで圧力が飽和蒸気圧を下回ると気泡が発生します。

発生した気泡は流れに乗って外周側へ運ばれます。外周に向かうほど圧力が高くなるため気泡は形を保てず、ごく短い時間で潰れます。このとき周囲の液体が気泡のあった空間へ一気に流れ込み、局所的に強い衝撃が生じます。キャビテーションによる害の多くは、この気泡が潰れる瞬間に生まれます。

1. 1圧力が下がる羽根車入口で流速が上がり、圧力が低下する
2. 2気泡が発生する飽和蒸気圧を下回った部分の液体が気化する
3. 3気泡が運ばれる流れに乗って圧力の高い外周側へ移動する
4. 4気泡が潰れる圧力の回復で気泡が崩壊し、衝撃が生じる

飽和蒸気圧は液温が上がるほど大きくなります。水の場合は20℃で約2.3kPaですが、80℃では約47.4kPaとおよそ20倍になります。飽和蒸気圧が高いということは、わずかな圧力の低下でも気化の境目に届いてしまうということです。

そのため同じポンプと同じ配管でも、温水や高温の液体を扱う場合はキャビテーションが起きやすくなります。また水以外の液体は種類によって飽和蒸気圧が異なるため、扱う液体の性質と温度をあわせて確認することが大切です。

現場で最初に気づきやすいのは音と振動です。キャビテーションの音は、砂利や小石がポンプの中を流れているような音と表現されることがよくあります。気泡が潰れるたびに衝撃が生じるため振動も大きくなりやすく、軸受やメカニカルシール（回転軸から液体が漏れるのを防ぐ部品）にも負担がかかるとされています。

気泡が流路をふさぐと吐出量や揚程（ポンプが液体を押し上げられる高さ）が下がります。さらに同じ場所で衝撃が繰り返されると、羽根車の表面が虫食い状に削られていきます。これを壊食（エロージョン）と呼び、進行すると羽根車の交換が必要になることもあります。

キャビテーションが起きるかどうかは、NPSH（Net Positive Suction Head）という指標で判断します。NPSHはポンプの吸込側で液体の圧力が飽和蒸気圧に対してどれだけ余裕を持っているかを、液柱の高さ（m）に換算して表したものです。比べるのはNPSHaとNPSHrの2つです。

NPSHa（有効吸込ヘッド）は設置条件で決まる余裕で、NPSHr（必要NPSH）はポンプがキャビテーションによる性能低下を避けるために必要とする値です。NPSHaがNPSHrを上回るように計画するのが基本です。なおNPSHrは一般的に全揚程が3%低下するときの値（NPSH3）で示されるため、その時点ですでに気泡は発生しています。実際の計画ではメーカーが推奨する余裕を持たせることが大切です。

NPSHaが下がるかNPSHrが上がると、両者の差が縮まってキャビテーションが起きやすくなります。現場でよく見られる条件を整理すると次のとおりです。

実際の原因や対策は設備の条件によって異なります。まずは上の項目を順に確認して現状を把握することが、原因を絞り込む出発点になります。