ポンプってどういう原理？元ポンプ設計者が初心者目線でわかりやすく解説

ライター／R175

関西のとある理系国立大出身。技術者の経験があり、身近な現象と理科の教科書の内容をむずびつけるのが趣味。教科書の内容をかみ砕いて説明していく。

1.ポンプの役割

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何もしなければ流体(液体や気体)はどんな動きをするか？川の源流は基本的に山の中、標高が高い所。そこから標高が低い方に流れ最終的に海に行き着きますね。水をはじめ流体は放っておけば勝手に低い方に流れていくもの。

流体を運びたい時、高いところから低いところなら流路を工夫して流せますが、低所→高所だと重力に逆らうことになり、そうは行きません。ポンプの役割は流体に速度や圧力といったエネルギーを加え、本来流れていかない方向にも流れるようにすること。

2.エネルギーと流体の流れ

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なぜ上流から下流に流れるか？それは上流の方が位置エネルギーが大きいから。位置エネルギーは高さに比例、したがって標高が高い上流側の水は高いエネルギーを持つことになります。上流の水は高い位置エネルギーを運動エネルギーに変換して流速が生じ低い方向に向かって行くもの。

位置エネルギーじゃなくても、何かしらエネルギーを与えてやれば流れていきます。例えば、壁が斜面になっている池に石を投げ込み衝撃(エネルギー)を与えると。ばしゃーん。その衝撃で斜面の下→上に水が流れていきますね。

水にエネルギーを与えると流れ（流速）を生み出すことが可能。しかし、闇雲にエネルギーを与えてもスムーズに流せません。水を上流に流すために延々とに石をバシャバシャ投げ込むわけにもいきませんね。

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3.どうやって流体を動かすか？

闇雲に力を与えても動かず。かといってよいしょよいしょとバケツリレーでもするか？あまり効率的ではなさそうですね。

ポンプの原理のポイントは圧力

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流体を移動させる原動力は「圧力差」。圧力が高い方(エネルギー大)から低い方（エネルギー小）に流体が移動する性質があり、風が吹くのもこのため。風を構成する空気も水と同じ「流体」であり、気圧が高い方から低い方に空気が移動することで「風」が発生しているのです。

水も圧力が高い所と低いところを作ってやれば移動していくもので、ポンプはこの性質を利用しています。

4.ポンプの仕組み

上述のように、流体が圧力の高い方から低い方に向かう性質を利用。ポンプでは流体の圧力を上げたり下げたりして流体を移動させます。

例えば、ポンプを使えば低所から高所への流体の移送も可能です。低所側の圧力を高くすれば流体は圧力が低いままの高所側に流れます。重力によって元々高所→低所に流れよとしますが、それに抗うだけの圧力を付加してやれば高所側に水を送ることが可能です。

また、自然にしてるとちょろちょろとしか流れない場合でも流路の途中にポンプを設置してエネルギーを与えることで流量を増やすことも可能。

ポンプの吸い込み機能

ポンプはまず周りから流体を集めてくる機能「吸い込み」が必要。吸い込み口にて、何らかの方法で圧力が低い状態を作り流体を集めてきます。

ポンプの吐出機能

吸い込み口で集めて流体を吐き出すのもポンプの機能。吸い込み口とは逆に圧力を高くして、流体を吐き出します。圧力を高めることでエネルギーを与えていることになり、このエネルギー運動エネルギーになって流れていくというもの。本来流れないような(下流→上流)のような方向にも流体を流すことが可能です。

ポンプの例

吸込機能と吐出機能があり、流体を外に漏らさないようになっていればポンプとしての機能を果たします。ですがその機構はまちまちです。ストローでジュースを吸い上げるのも一種のポンプのようなもの。ストローで吸うことで真空状態を作ると（圧力が低い）、そこにジュース（流体）が移動してくるのです。以下、ポンプの構造例を示し基礎的な解説をします。