NPSHとは？キャビテーションの原因と有効吸込ヘッドの計算を例題で解説

ポンプの吐出側に十分な揚程があっても、吸込側の圧力が低すぎると液体はポンプ内部で蒸発し、キャビテーションを起こします。その安全性を判断するための指標がNPSHです。

NPSHの計算で特に重要なのは、ゲージ圧ではなく絶対圧力を使うこと、運転温度における蒸気圧を差し引くこと、吸込配管の損失だけを考えることです。

この記事では、NPSHの物理的な意味から有効NPSHの導出、必要NPSHとの比較、温度・標高・液面・流量の影響まで、2つの例題で順に解説します。

キャビテーションとは

キャビテーションとは、液体の局所圧力がその温度における蒸気圧を下回ることで蒸気泡が生じ、その泡が高圧部へ移動して急激に崩壊する現象です。

遠心ポンプでは、液体が羽根車入口へ加速するときに圧力が低下します。特に羽根車の目玉部付近で圧力が最小になりやすく、条件によっては液体が局所的に沸騰します。

発生した蒸気泡は、羽根車内の高圧部へ運ばれると潰れます。この崩壊が壁面近くで繰り返されると、強い局所衝撃によって金属表面が損傷します。

キャビテーションで起こる問題

• 砂利や小石が流れるような異音
• 振動の増加
• 揚程・流量・効率の低下
• 羽根車やケーシング表面の壊食
• シールや軸受への負担増加
• 長期的な信頼性の低下

キャビテーションは単なる騒音問題ではありません。進行すると、ポンプが必要な流量を供給できなくなったり、機械的損傷につながったりします。

液体は大気圧以下でも沸騰する

液体が沸騰する条件は「100℃になったとき」ではなく、液体の圧力がその温度における蒸気圧まで低下したときです。

\[
p_{\mathrm{local}}\le p_v(T)
\]

• \(p_{\mathrm{local}}\)：液体の局所絶対圧力
• \(p_v(T)\)：運転温度 \(T\) における蒸気圧

水の蒸気圧は温度が高くなるほど急激に上昇します。代表的な概略値は次のとおりです。

水温	蒸気圧（絶対圧）
20℃	約2.34 kPa
40℃	約7.38 kPa
60℃	約19.9 kPa
80℃	約47.4 kPa
100℃	約101.3 kPa

したがって、高温液体ほどキャビテーションしやすくなります。蒸気圧は必ず、対象液体の実際の運転温度に対応する物性値を使用します。

NPSHとは

NPSHはNet Positive Suction Headの略で、日本語では正味吸込ヘッド、有効吸込ヘッドなどと呼ばれます。

物理的には、ポンプ吸込側にある液体の全水頭が、蒸気圧水頭をどれだけ上回っているかを表します。単位はmで、対象となる液体自身の液柱高さです。

NPSHには2種類あります。

記号	名称	誰が決めるか
\(\mathrm{NPSH_A}\)	有効NPSH、Available NPSH	タンク・配管・液体条件などのシステム
\(\mathrm{NPSH_R}\)	必要NPSH、Required NPSH	ポンプ特性。メーカーが性能曲線で提示

基本的な比較は、

\[
\boxed{
\mathrm{NPSH_A}
>
\mathrm{NPSH_R}
+
\text{必要な余裕}
}
\]

です。\(\mathrm{NPSH_A}\) は配管設計者が計算し、\(\mathrm{NPSH_R}\) は運転流量・回転速度に対応するメーカー曲線から読み取ります。

ポンプ吸込口における有効NPSH

ポンプの吸込フランジを基準位置とし、そこでの絶対静圧を \(p_{s,\mathrm{abs}}\)、平均流速を \(v_s\) とすると、有効NPSHは、

\[
\boxed{
\mathrm{NPSH_A}
=
\frac{p_{s,\mathrm{abs}}}{\rho g}
+
\alpha_s\frac{v_s^2}{2g}
–
\frac{p_v}{\rho g}
}
\]

です。

• \(p_{s,\mathrm{abs}}\)：ポンプ吸込フランジの絶対圧力
• \(p_v\)：液体の運転温度における蒸気圧（絶対圧）
• \(\rho\)：吸込条件における液体密度
• \(\alpha_s\)：運動エネルギー補正係数

十分な乱流で \(\alpha_s\approx1\) と近似することが多いです。

吸込圧力を測定する場合

圧力計がゲージ圧 \(p_{s,\mathrm{g}}\) を示す場合、まず絶対圧力へ直します。

\[
p_{s,\mathrm{abs}}
=
p_{s,\mathrm{g}}
+
p_{\mathrm{atm}}
\]

吸込側が真空に近いとゲージ圧は負になりますが、NPSH計算で負のゲージ圧をそのまま使ってはいけません。

タンクから吸い込む場合のNPSHA

実務では、タンク液面からポンプ吸込フランジまでのベルヌーイ式を使うと計算しやすくなります。

タンク液面の流速を無視し、ポンプ中心を基準位置とすると、

\[
\boxed{
\mathrm{NPSH_A}
=
\frac{p_{\mathrm{surface,abs}}-p_v}{\rho g}
+
(z_{\mathrm{surface}}-z_{\mathrm{pump}})
–
h_{L,\mathrm{suction}}
}
\]

となります。

• \(p_{\mathrm{surface,abs}}\)：タンク液面に作用する絶対圧力
• \(z_{\mathrm{surface}}-z_{\mathrm{pump}}\)：液面とポンプ中心の高さ差
• \(h_{L,\mathrm{suction}}\)：タンクからポンプまでの吸込配管損失

この式は「大気圧またはタンク圧力によって液体を押す力」に、「液面の高さ」を加え、「蒸発しやすさ」と「吸込配管の損失」を差し引く形になっています。

ベルヌーイ式の考え方は「ベルヌーイの定理とは？」で確認できます。

押込高さと吸込揚程の符号

液面がポンプより高い場合

液面がポンプ中心より高ければ、

\[
z_{\mathrm{surface}}-z_{\mathrm{pump}}>0
\]

です。これを押込と呼び、液面高さは \(\mathrm{NPSH_A}\) を増やします。

液面がポンプより低い場合

液面がポンプ中心より低ければ、

\[
z_{\mathrm{surface}}-z_{\mathrm{pump}}<0 \]

です。ポンプが液体を吸い上げる配置では高さ項が負になり、\(\mathrm{NPSH_A}\) が小さくなります。

吸込配管損失の求め方

吸込配管の直管損失と局所損失は、同じ直径の管なら、

\[
h_{L,\mathrm{suction}}
=
\left(
f_D\frac{L}{D}
+
\sum_iK_i
\right)
\frac{v^2}{2g}
\]

です。

吸込配管が細い、長い、曲がりが多い、バルブやストレーナーの抵抗が大きいと、吸込損失が増えて \(\mathrm{NPSH_A}\) が下がります。

流量と流速の換算は「流量・流速・連続の式」、局所損失は「局所圧力損失と損失係数K」を参照してください。

必要NPSHとNPSH3

\(\mathrm{NPSH_R}\) は、指定された流量、回転速度、液体条件でポンプが所定の性能を発揮するために必要なNPSHとして、メーカーが提示するポンプ特性です。

ポンプ試験では、吸込圧力を徐々に下げ、キャビテーションによって揚程が低下する点を調べます。歴史的に広く使われてきた指標がNPSH3で、単段ポンプの全揚程、または多段ポンプの初段揚程が3%低下するNPSHです。

\[
H_{\mathrm{cavitation}}
=
0.97H_{\mathrm{noncavitating}}
\]

重要なのは、NPSH3は「キャビテーションが全くない点」ではなく、すでに揚程が3%低下した試験点だということです。

現在のメーカー表示では \(\mathrm{NPSH_R}\) を確認し、最新の適用規格、サービス条件、メーカー推奨に従って十分なNPSHマージンを確保します。

NPSHマージン

NPSHマージンは、差または比で表せます。

\[
\Delta\mathrm{NPSH}
=
\mathrm{NPSH_A}
–
\mathrm{NPSH_R}
\]

\[
M_R
=
\frac{\mathrm{NPSH_A}}{\mathrm{NPSH_R}}
\]

必要な余裕は、ポンプ形式、吸込エネルギー、液体性状、運転点、信頼性要求などで変わります。単一の固定値をすべての用途へ当てはめるのではなく、メーカー資料や最新の適用規格を確認します。

また、BEPから大きく外れた運転では羽根車入口の流れが不均一になり、より大きなNPSHマージンが必要になる場合があります。

例題1：開放タンクから押込みで吸い込む

20℃の水を大気開放タンクからポンプへ送ります。

• 大気圧：\(p_{\mathrm{atm}}=101.3\ \mathrm{kPa(abs)}\)
• 20℃の水の蒸気圧：\(p_v=2.34\ \mathrm{kPa(abs)}\)
• 水の密度：\(\rho=998\ \mathrm{kg/m^3}\)
• 液面はポンプ中心より3.0 m高い
• 吸込配管損失：\(h_{L,\mathrm{suction}}=1.2\ \mathrm{m}\)
• メーカー曲線の必要NPSH：\(\mathrm{NPSH_R}=4.0\ \mathrm{m}\)

手順1：大気圧から蒸気圧を引く

\[
p_{\mathrm{atm}}-p_v
=
101.3-2.34
=
98.96\ \mathrm{kPa}
\]

手順2：圧力差を水頭へ換算する

\[
\frac{p_{\mathrm{atm}}-p_v}{\rho g}
=
\frac{98.96\times10^3}{998\times9.80665}
=
10.11\ \mathrm{m}
\]

手順3：高さと吸込損失を入れる

\[
\mathrm{NPSH_A}
=
10.11+3.0-1.2
=
11.91\ \mathrm{m}
\]

\[
\boxed{
\mathrm{NPSH_A}
\approx
11.9\ \mathrm{m}
}
\]

手順4：必要NPSHと比較する

\[
\Delta\mathrm{NPSH}
=
11.9-4.0
=
7.9\ \mathrm{m}
\]

\[
M_R
=
\frac{11.9}{4.0}
=
2.98
\]

この例では \(\mathrm{NPSH_A}>\mathrm{NPSH_R}\) です。ただし、最終的な許容判断は、運転範囲、メーカー推奨、適用規格を含めて行います。

例題2：高温水を吸い上げる場合

60℃の水を、ポンプより4.0 m低い開放タンクから吸い上げます。

• 大気圧：\(101.3\ \mathrm{kPa(abs)}\)
• 60℃の水の蒸気圧：\(19.9\ \mathrm{kPa(abs)}\)
• 水の密度：\(983\ \mathrm{kg/m^3}\)
• 液面はポンプ中心より4.0 m低い
• 吸込配管損失：\(2.0\ \mathrm{m}\)
• 必要NPSH：\(\mathrm{NPSH_R}=3.0\ \mathrm{m}\)

液面がポンプより低いので、高さ項は \(-4.0\ \mathrm{m}\) です。

\[
\mathrm{NPSH_A}
=
\frac{(101.3-19.9)\times10^3}{983\times9.80665}
-4.0-2.0
\]

\[
\mathrm{NPSH_A}
=
8.44-4.0-2.0
=
2.44\ \mathrm{m}
\]

\[
\boxed{
\mathrm{NPSH_A}
\approx
2.44\ \mathrm{m}
}
\]

必要NPSHは3.0 mなので、

\[
2.44<3.0 \]

となり、このままでは不足しています。さらに設計上の余裕も必要なので、配置や吸込配管を改善しなければなりません。

温度が上がるとNPSHAが下がる理由

温度上昇によって蒸気圧 \(p_v\) が大きくなると、

\[
\mathrm{NPSH_A}
=
\frac{p_{\mathrm{surface,abs}}-p_v}{\rho g}
+
\Delta z
–
h_L
\]

の分子 \(p_{\mathrm{surface,abs}}-p_v\) が小さくなります。

つまり、高温液体では「蒸発を始める圧力」が高くなり、吸込圧力との余裕が減ります。ボイラー給水、温水、蒸留塔塔底液などでは特に重要です。

標高が高いとNPSHAが下がる

開放タンクでは液面に作用する圧力が大気圧です。標高が高くなると大気圧が下がるため、\(\mathrm{NPSH_A}\) も小さくなります。

例題1と同じ条件で大気圧だけを80.0 kPa(abs)とすると、

\[
\mathrm{NPSH_A}
=
\frac{(80.0-2.34)\times10^3}{998\times9.80665}
+3.0-1.2
\]

\[
\boxed{
\mathrm{NPSH_A}
\approx
9.73\ \mathrm{m}
}
\]

海面付近の11.9 mから約2.2 m低下します。設置場所の標高や気象条件を無視できない場合があります。

流量が増えるとNPSH条件が厳しくなる

乱流域では吸込配管損失がおおむね流速の2乗、したがって流量の2乗に比例します。

\[
h_{L,\mathrm{suction}}\propto Q^2
\]

流量が増えると \(\mathrm{NPSH_A}\) は低下しやすくなります。一方、多くの遠心ポンプでは流量が増えると \(\mathrm{NPSH_R}\) が増える傾向があります。

つまり高流量側では、

• システム側の \(\mathrm{NPSH_A}\) が下がる
• ポンプ側の \(\mathrm{NPSH_R}\) が上がる

という両方の影響でマージンが急に小さくなることがあります。NPSHは定格点だけでなく、最大流量を含む運転範囲全体で確認します。

NPSHAを改善する方法

• ポンプを低い位置へ設置し、押込高さを増やす
• タンクの最低液面を高くする
• 吸込管を太くする
• 吸込管を短くし、曲がりや継手を減らす
• ストレーナーやフィルターの詰まりを防ぐ
• 吸込側バルブを十分に開く
• 液温を下げて蒸気圧を下げる
• 密閉タンクを適切に加圧する
• 流量または回転速度を下げる
• 低NPSH形のポンプやインデューサーを検討する
• 必要に応じてブースターポンプを設ける

吸込側で弁を絞って流量調整すると、ポンプ入口圧力を下げてキャビテーションを起こしやすくなります。遠心ポンプの流量調整は、通常、吐出側の調整や回転速度制御を検討します。

吸込配管で注意する点

• ポンプ吸込口直前に急なエルボや断面変化を置かない
• 偏流や旋回流を抑え、羽根車へ均一に流入させる
• 空気だまりができる配管勾配を避ける
• 吸込管から空気を吸い込まないよう、フランジやシールを確認する
• タンク内に渦ができ、空気を巻き込まないよう液面高さを確保する
• ストレーナー差圧を監視し、汚れによる損失増加を把握する

ポンプの揚程・動力・性能曲線については「ポンプの揚程とは？」で詳しく解説しています。

キャビテーションと空気混入の違い

キャビテーションで生じる泡は、液体自身が蒸発した蒸気泡です。高圧部へ入ると凝縮し、急激に崩壊します。

一方、配管の漏れやタンク渦によって吸い込まれた空気は非凝縮性ガスです。症状として騒音、振動、性能低下が似ることがありますが、発生原因と対策は異なります。

異音がするからといって、すべてをNPSH不足と決めつけないことが重要です。吸込圧力、温度、流量、振動、配管の気密性などを合わせて確認します。

よくある間違い

ゲージ圧をそのまま使う

NPSHは蒸気圧との比較なので、圧力はすべて絶対圧力でそろえます。

常温の蒸気圧を使う

蒸気圧は温度依存性が強いため、最高運転温度や異常時温度も含めて確認します。

吐出側の圧力損失をNPSHAから引く

\(\mathrm{NPSH_A}\) に直接関係するのは、液面からポンプ入口までの吸込側条件です。吐出側の損失は必要ポンプ揚程へ含めます。

NPSHRをどの流量でも一定と考える

\(\mathrm{NPSH_R}\) は流量、回転速度、羽根車などで変わります。実際の運転点に対応する性能曲線を使います。

NPSHAとNPSHRが等しければ十分と考える

表示された \(\mathrm{NPSH_R}\) は、無キャビテーションを保証する値とは限りません。用途に応じたNPSHマージンを確保します。

通常液面だけで計算する

最低液面、最高温度、最低タンク圧力、最大流量、ストレーナー汚れなど、\(\mathrm{NPSH_A}\) が最小になる条件で確認します。

NPSH計算のチェックリスト

1. ポンプ中心または規定されたNPSH基準位置を確認する
2. タンク液面圧力を絶対圧力で求める
3. 最低液面とポンプ中心の高さ差を符号付きで求める
4. 最高運転温度における液体の蒸気圧と密度を調べる
5. 最大流量時の吸込配管損失を求める
6. \(\mathrm{NPSH_A}\) を計算する
7. 同じ流量・回転速度の \(\mathrm{NPSH_R}\) をメーカー曲線から読む
8. 適用規格とメーカー推奨に従ってマージンを評価する
9. 起動、過渡状態、並列運転なども確認する

まとめ

• キャビテーションは、局所圧力が蒸気圧を下回って蒸気泡が発生・崩壊する現象
• \(\mathrm{NPSH_A}\) はシステムが利用できる吸込側の余裕
• \(\mathrm{NPSH_R}\) はポンプメーカーが示す必要値
• タンクから吸い込む場合は \(\mathrm{NPSH_A}=(p_{\mathrm{surface,abs}}-p_v)/(\rho g)+\Delta z-h_L\)
• NPSH計算では絶対圧力と運転温度の蒸気圧を使う
• 高温、高標高、低液面、高流量、細い吸込管はNPSH条件を悪化させる
• NPSH3は揚程が3%低下した試験点であり、無キャビテーション点ではない
• 運転範囲全体で \(\mathrm{NPSH_A}\) と \(\mathrm{NPSH_R}\) を比較し、必要なマージンを確保する

次は、ポンプの回転速度変更や羽根車径変更に使うポンプ相似則を、性能曲線の変化と動力削減の例題で詳しく解説します。

参考資料

• U.S. Department of Energy, DOE Fundamentals Handbook: Fluid Flow
• U.S. Department of Energy, Improving Pumping System Performance
• Hydraulic Institute, Understanding the 2024 Updates to ANSI/HI 9.6.1
• U.S. Nuclear Regulatory Commission, BWR ECCS Suction Concerns
• NIST Chemistry WebBook, Water Vapor Pressure