サージング（サージング現象）とは、ポンプや送風機を少ない流量で運転したときに、圧力と流量が周期的に大きく振れる現象です。
配管やダクトが揺れて運転が続けられなくなることもあり、よく比べられるキャビテーションとは、起こる原因がまったく違います。
この記事では、サージングが起こる3つの条件、ポンプ・送風機の対策、キャビテーションとの違いを順に整理し、エンジンやビールで使われる別の意味にも触れます。
サージングとは？
サージングとは、小流量で運転したときに、圧力と流量が周期的に振れ続ける現象で、ポンプや送風機、圧縮機で問題になります。
JIS B 0131（ターボポンプ用語）では、流量を絞って正規より少ない吐出し量で運転したときに起こる、管内の圧力や吐出し量の周期的な振動と定めています。
ポイントは、機械が単体で壊れているわけではないことで、ポンプと、つながる配管・タンク・弁を合わせた「系」全体の流れが不安定になって起こる自励振動です。
わかりやすく言えば、ポンプが水を押し出そうとする力と、配管側が押し返す力のつり合いが崩れ、流れが行ったり来たりする状態です。同じ「サージング」という言葉は、エンジンやジェットエンジン、ビールの業界でも、別の意味で使われています。
- ポンプのサージング
- 送風機のサージング
- エンジンのサージング
- ジェットエンジン（圧縮機）のサージング
- 黒ビールのサージング
ポンプと送風機のサージングは、ほぼ同じ原理で起こりますが、それ以外は、起こる仕組みも表す意味も違います。
設備の現場で問題になるのは、上の2つ（ポンプと送風機）です。
※ジェットエンジン・圧縮機の対策は、大山（1984）が挙げる防止策の例です。
ポンプのサージング
ポンプのサージングとは、吐出し量の少ない領域で運転したときに、ポンプや配管が激しく振動して運転できなくなる状態です。次のポンプの性能曲線を例に説明します。
性能曲線は、揚程・吐出し量・軸動力・電流値などの性能をグラフにしたもので、上の図は、揚程と吐出し量だけを抜き出したものです。曲線の読み方は性能曲線（HQ曲線）の見方で詳しく説明しています。
ポンプでは、揚程（加圧する力）と吐出し量（流量）がつながっています。多くの範囲では、吐出し量が増えれば揚程が下がり、吐出し量が減れば揚程が上がります。
揚程（m）は、水を何m持ち上げられるかの指標で、水の場合、圧力に換算すると揚程1mがおよそ10kPaです（厳密には水の密度で少し変わります）。換算式は揚程と吐出圧力の関係の記事にまとめています。
上図の②の領域で運転していれば、下流の負荷が変わって吐出し量が一瞬下がっても、揚程が上がります（CからBの状態）。押す力が増えて流れやすくなるので、自然と元の運転点に落ち着きます。これがポンプの平常運転です。
一方、①の領域では吐出し量が下がると揚程も下がるため、この領域で運転すると、吐出し量と揚程が周期的に変動し、ポンプや配管が振動します。
①の領域では、少しの流量の変化が元に戻らず、行ったり来たりを繰り返します。
※大山（1984）の解析では、性能曲線の傾きが負（右下がり）なら揺れは収まり、正（右上がり）なら振れが大きくなってサージングになります。
このように、揚程と吐出し量の関係が右上がりの領域で運転したときに、ポンプや配管が振動する現象をポンプのサージングといいます。
揚程曲線に山（上図の①のような右上がりの部分）があるポンプを、山より小流量側で運転するとサージングのおそれがあります。ポンプの形式だけでは決まらず、性能曲線で右上がりの範囲を確かめ、メーカーが指定する最小流量を下回らないようにします。
サージングが起こる3つの条件
ポンプのサージングは、次の3つがそろったときに起こります。
- 揚程曲線が右上がりの範囲で運転している
- ポンプと流量を絞る弁の間に、水槽や空気だまりなど圧力で体積が変わる部分がある
- その下流側の弁で流量を絞っている
3つがそろうと、流量と圧力が周期的に振れ続けます。どれか1つをなくせば防げるので、対策もこの3点から考えます。
条件の1つを崩せば、サージングは起こりません。
※大山（1984）は、絞り弁などの抵抗はポンプに近いほど効果があり、水位が一定のタンクへ送る系では自励振動が起こらないとしています。
送風機のサージング
送風機がポンプと違うのは、扱う空気が圧力で縮むことで、そのためダクトやつながる容器の空気そのものが、ポンプでいう水槽の役をします。
つまり、3つの条件のうち「体積が変わる部分」が、送風機では系の中に最初からあります。タンクがなくてもサージングが起こり得るので、サージングは液体のポンプより送風機や圧縮機の話としてよく出てきます。
送風機メーカーの技術資料も、加圧される大きな空気の容積（大きな箱や容器）があることを、発生条件の1つに挙げています。送風機にもポンプと同じく性能曲線があり、「入口と出口の圧力の差」と「風量」がつながっています。圧力と風量の関係を表したものが次の図です。
送風機でも、風量と圧力の関係が右上がりになる低風量の領域で運転すると、圧力と風量が大きく変動してダクトが振動し、これを送風機のサージングといいます。
軸流ファンや多翼（シロッコ）ファンのように、低風量側の失速域に大きなくぼみ（右上がりの範囲）を持つ機種もあり、低風量域での運転に注意が要ります。サージングが起こると、送風機の故障やダクトの外れにつながります。
ファン・ブロワ・コンプレッサーは、出せる圧力の大きさで呼び分けます。違いはファンとブロアとコンプレッサーの違いで整理しています。
エンジンのサージング
エンジンのサージングは、ポンプや送風機とは仕組みが違い、バルブスプリング（ばね）の固有振動数が関係します。
エンジンの回転数が高くなり、バルブを動かす周期が、ばねの固有振動数と重なると、ばね自体が共振します。バルブが正しく開け閉めできなくなる現象で、「バルブサージング」と呼ばれます。
異常音が出て、ひどいときはエンジンの故障につながり、F1などのレース用エンジンでは、金属のばねの代わりに圧縮空気を使うエアスプリングが使われてきました。
ジェットエンジン（圧縮機）のサージング
ジェットエンジンのサージングは、圧縮機が空気を押し込めなくなり、流れが逆流と脈動を繰り返す状態です。排気温度の上昇や回転数の変動を伴い、続くとエンジンの停止や損傷につながります。
例えば多段の軸流圧縮機で一部の翼列が失速すると、後ろへ空気を送り込めなくなります。出口側から入口側へ流れが押し戻され、主に航空機のジェットエンジンやガスタービンの圧縮機で見られます。
航空用ガスタービンでは、圧縮機のサージングでエンジンが止まると、大きな事故の原因になり得ます。ジェットエンジンの内部構造は、JAXAの次の動画で解説されています。
ビールのサージング
まったく意味は変わりますが、ビールの業界にもサージングと呼ばれる現象があります。アイルランド生まれの「ギネスビール」をグラスに注いだあと、泡が下へ流れ落ちるように見える現象です。
ドラフトギネスの泡は窒素ガスでできていて、炭酸飲料の泡の10分の1ほど（直径50μm程度）にしか育たず、ゆっくり浮かびます。キリンと大阪大学の研究では、グラスの傾いた内壁を液体の固まりが流れ落ちることで、泡の模様ができると説明されています。興味がある方は、ギネスビールで一度試してみてください。
サージングの対策
サージングが続くと機器の故障や配管のずれにつながるので対策が要り、打ち手は、次の3つの方向に分けられます。
すぐできる運転の工夫から、機械そのものの改造まで、効く場所が違います。
※大山（1984）の防止策の整理をもとに、現場で手を付けやすい順に並べています。
ポンプのサージング対策
ポンプのサージング対策の基本は、吐出し量を強制的に増やすことで、右上がりの範囲から抜けて、安定した範囲で運転します。
いちばん確実なのは、ポンプにバイパスラインを設けることで、吐出し側から吸込み側へ流体の一部を戻すので、ポンプを通る流量が増えます。
下流で使う量が減って、ほぼループ内だけの運転になっても、バイパスの弁で流量を調整しておけばサージングを防げます。ただし、その分だけ下流へ送れる最大の吐出し量が減るので確認が要ります。
バイパスには、少ない流量で回し続けたときの過熱を防ぐ役目もあります。メーカーが指定する最小流量を確保する考え方は、ミニマムフローが必要な理由で説明しています。
ポンプの出口弁で流量を調整するだけで解消する場合もあるので、まずはこちらを試します。
流量を絞る弁は、ポンプに近いほどサージングを抑える効果があります。水槽や空気だまりより手前で絞れば条件3が崩れるため、離れた場所で絞っているなら、ポンプ直後の弁で絞る運転に変えます。
配管の高い所の空気だまりも条件2の「体積が変わる部分」になるため、空気抜きの弁で抜いておくと、条件の1つを崩せます。
回転数を下げて流量を減らすインバータ制御では性能曲線そのものが下がり、弁で絞るときと運転点の動き方が違うので、低流量で使う場合は運転範囲をメーカーに確認します。
回転数は周波数とモーターの極数で決まり、回転数の計算式は、極数とモーターの回転数の計算式で確認できます。
送風機のサージング対策
送風機のサージング対策も、基本はポンプと同じです。
送風機の出口と入口をつなぐバイパスラインを設け、吐出し風量の一部を入口に戻して最低風量を確保します。
出口側に逃がしのラインを設け、一部を外気に放出する方法もあります。風量が減ってサージングに近づいたときに開く弁を「放風弁」と呼びます。
放風はエネルギーとしてはムダになりますが、サージングは防げます。ムダを減らす考え方は、工場の省エネとエネルギー管理の基本で整理しています。
機械の側では、入口の案内羽根の角度を変えて、低風量でも安定して運転できる範囲を広げる方法があります。多段の軸流圧縮機では、途中の段から空気を抜く（抽気する）方法もとられます。
エンジンのサージング対策
エンジンのサージングはばねの共振が原因なので、ばねの固有振動数を高くしたり共振を起こりにくくしたりして、動きの周期と重ならないようにするのが基本です。
- バルブスプリングを強くする（ばね定数を上げる）
- 巻きの間隔を変えた不等ピッチばねにする
- 固有振動数の異なるばねを二重に組み合わせる
大学の機械設計の講義資料では、ばね一般の対策として、固有振動数を外から加わる振動の3倍以上にすることや、ダンパなどで振動を減らすことが挙げられています。
ばねの代わりに圧縮空気を使う方法もありますが、空気を補給するボンベやコンプレッサーが要るため、使われるのはF1などのレース用エンジンが中心です。
サージングとキャビテーションとの違い
サージングとよく比べられるキャビテーションですが、起こる原理はまったく違います。先に違いを並べます。
サージングは系全体の流れの振動、キャビテーションは液体が沸騰する現象です。
※サージングは吐出し側の運転条件、キャビテーションは吸込み側の圧力と液温が主な原因です。
キャビテーションは、ポンプ内部で液体の圧力がその温度の飽和蒸気圧を下回り、一部が蒸発することで起こります。ステップに分けると次のとおりです。
- ポンプ内部で液体の圧力が、その温度の飽和蒸気圧より下がる
- 液体の一部が蒸発して蒸気の泡ができる
- 泡が圧力の高い所へ流され、凝縮してつぶれる
- 泡がつぶれた衝撃でポンプや配管が振動する
- ポンプが故障する
特に起こりやすいのは羽根車（インペラ）の入口付近で、羽根車のまわりで液体の流速が上がると、ベルヌーイの定理のとおり圧力が下がり、蒸発しやすくなります。
系の側で特に効くのは、送る液体の温度と、ポンプへの押し込み圧力です。液温が高いほど飽和蒸気圧が上がり、押し込み圧力が低いほど蒸発しやすくなります。
ポンプを選ぶときは、系の条件で決まる有効NPSH（有効吸込みヘッド）が、ポンプごとに決まる必要NPSHを上回るように計算します。計算の手順は流入水頭の計算方法で解説しています。
厳密には、キャビテーションは羽根の表面形状など多くの要素で起こり方が変わります。液体に空気が混ざる「エア噛み」との違いは、キャビテーションとエア噛みの違いで比べています。
サージングのよくある質問
サージングをわかりやすく言うと？
「流量を絞りすぎたポンプや送風機で、流れが行ったり来たりして、配管ごと揺れる状態」です。仕組みは、この記事の図2で説明しています。
現場でサージングとキャビテーションを見分けるには？
まず運転条件を見て、吐出し側の弁を絞った小流量の運転中ならサージングを疑い、吸込み側の水位が低い、液温が高いなら、キャビテーションを疑います。症状だけで決めつけず、運転点と吸込み条件をそろえて確かめ、判断がつかないときはメーカーに相談します。
圧力計や電流値の振れで、サージングに気づけますか？
手掛かりにはなり、サージングでは圧力と流量が周期的に振れるので、吐出し圧力計の針やモーターの電流値が、一定の周期で大きく振れることがあります。
ただし、振れだけでサージングと確定はできず、電流値が変わる理由はポンプの電流値は何で決まるかの記事にまとめています。
振動の測り方や異常の見分け方は、設備の振動診断の基本で解説しています。常時見張るなら、予知保全センサーの選び方も参考になります。
ウォーターハンマー（水撃）とは違いますか？
違います。ウォーターハンマーは、流れている水を弁で急に止めたときなどに、衝撃的な高い圧力が生じる現象です。ポンプが止まったときに、逆止め弁が逆流で急に閉じて起こることもあります。
弁の急閉やポンプの停止という「急な操作」がきっかけで、小流量の運転中に、自分で振れ続けるサージングとは区別します。
まとめ
- サージングは、ポンプ・送風機・エンジン・ジェットエンジンなどで起こり、機器の故障の原因になる
- ポンプ・送風機は、性能曲線が右上がりの小流量（低負荷）の運転で起こる
- ポンプは3つの条件のどれか1つを崩せば防げる。送風機は空気が縮むのでタンクがなくても起こる
- エンジンは高回転でばねの固有振動数と共振すると起こり、ジェットエンジンの圧縮機は空気を押し込めなくなると起こる
- サージングとキャビテーションはまったく違う現象（系全体の振動と、液体の沸騰）
サージングは意味が多く混乱しやすい言葉なので、どの機器の現象を指しているのか、注意しましょう。
ポンプの不具合は、吐出圧力が低下する原因やメカニカルシールとグランドパッキンの違いもあわせて読むと整理しやすくなります。設備を守る仕事の全体像は、設備保全の仕事内容で紹介しています。
ポンプについての記事は、エネ管.comのポンプのカテゴリにまとめています。
出典
出典・参考資料（15件）を開く出典・参考資料を閉じる
- サージングの発生機構・安定条件・防止策：大山耕一「ターボ機械のサージング（展望・解説）」ターボ機械 第12巻第9号（1984年）
- 揚程曲線の右上がり部分とサージング：小林滋明「遠心ポンプの安定特性曲線に関する研究」日立評論（1968年10月）
- 吐出し管の空気だまりとサージング：国土交通省「揚排水ポンプ設備技術基準」（2014年3月）
- 送風機のサージングの発生条件（大きな空気の容積・ピークより低風量側）：Aerovent「Surge, Stall, and Instabilities in Fans（FE-600）」
- 圧縮機の失速・サージと、その影響：FAA「Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge」用語集（Compressor stall／Compressor surge）
- サージングの定義（JIS B 0131 による）：テラル 用語「サージング」
- 低流量運転の過熱とメーカー指定の最小流量：シュレダール 渦巻ポンプ過熱防止用自動バイパスバルブ SUL シリーズ（カタログ）
- キャビテーションと飽和蒸気圧・NPSH：能見基彦「ポンプキャビテーション現象の基礎知識 第1回」エバラ時報 第245号（2014年）
- 有効NPSHと必要NPSH：AxFlow「What is NPSH?」
- キャビテーションの症状（揚程低下・壊食・騒音振動）：Strojniški vestnik「Noise as an Indicator of Cavitation and Instability in Centrifugal Pumps」
- バルブスプリングのサージングと不等ピッチばね：東名パワード バルブスプリング製品情報
- ばねのサージング対策（固有振動数を外部振動の3倍以上）：東京理科大学 機械設計講義資料「第12章 ばね」
- F1用エアスプリング：ヤマハ技術会技報 No.19（1995年）「F1レース用ニューマチック・バルブシステムの紹介」
- ギネスビールの泡と模様のでき方：キリンホールディングス ニュースリリース（2021年6月22日）
- ウォーターハンマー（水撃）：水道技術研究センター Q&A「ウォーターハンマ（水撃）の発生要因と対策について」
NEWSLETTER
選んだ職種・業種に合わせた記事を、週1回メールで
週刊MONOSCOPEは、登録時に選んだ職種・業種に合わせた記事を週1回お届けする無料のメルマガです。
職種・業種を選んで登録へ ›
無料・週1回。登録後に届く確認メールのリンクを押すと登録が完了します。配信はメール内のリンクからいつでも停止できます。
WEEKLY NEWS
今週の製造業ニュース10選
メルマガは職種・業種に合わせた記事。LINEとnoteでは、全員共通の10本を毎週土曜の朝にお届けします。
LINEでニュース10選を受け取るnote今週のニュース10選をnoteで読む ›
コメント