ポンプ・送風機の基礎｜特性曲線・比例則・インバータ制御

ポンプと送風機は、水と空気という運ぶものこそ違え、性能の考え方は共通しています。どちらも「送り出す量（流量・風量）」と「押し出す力（揚程・圧力）」がトレードオフの関係にあり、その関係を1本の線で表したものが特性曲線です。実際の運転状態は、この特性曲線と、配管・ダクト側の抵抗を表す抵抗曲線が交わる点で決まります。

この記事では、遠心ポンプと遠心送風機を対象に、特性曲線と抵抗曲線・運転点の考え方、回転数を変えたときに性能がどう変わるかを表す比例則（相似則）、インバータによる変流量・変風量制御の省エネ効果、そしてポンプ特有のキャビテーション・送風機特有のサージングという不具合の原理までを、実施設計の段階で押さえておきたい範囲で整理します。空調配管の系統図の読み方は空調配管系統図の基礎、給水設備側の考え方は給水設備の計画も参考にしてください。

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ポンプ・送風機に共通する役割

建築設備の中でポンプは、給水・給湯・排水・冷温水搬送など水を動かす場面全般に、送風機は空調・換気・排煙など空気を動かす場面全般に登場します。どちらも「流体にエネルギーを与えて、必要な場所まで必要な量だけ送り届ける」という役割は同じで、性能を表す指標も似た構造をしています。

• ポンプ: 流量（m³/min や L/minなど）と揚程（水を持ち上げる高さに換算した圧力、単位はmが多い）
• 送風機: 風量（m³/minやm³/hなど）と圧力（静圧・全圧、単位はPaが多い）

どちらの機器も、流量（風量）を大きくしようとすると揚程（圧力）は下がり、揚程（圧力）を高くしようとすると流量（風量）は下がる、という反比例に近い関係を持っています。この関係をグラフに描いたものが、次に説明する特性曲線です。

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特性曲線と抵抗曲線、運転点の考え方

ポンプ・送風機のカタログには、横軸に流量（風量）、縦軸に揚程（圧力）をとった特性曲線が必ず示されています。一般的な遠心ポンプ・遠心送風機の特性曲線は、流量がゼロのとき（締切運転）に最も高い揚程・圧力を示し、流量が増えるにつれて右下がりに揚程・圧力が低下していく形になります。

一方、機器を接続する配管やダクトの側にも、流れにくさを表す特性があります。配管・ダクトを流体が流れるときには、管の摩擦や曲がり部・弁類での抵抗によって圧力損失が生じ、この圧力損失は流量のおよそ2乗に比例して増えていく性質があります。これを流量に対してグラフに描いたものが抵抗曲線（管路抵抗曲線）で、原点から右上がりの曲線になります。

実際にポンプ・送風機が配管・ダクト系に接続されて運転されると、機器側の特性曲線と、配管・ダクト側の抵抗曲線がちょうど釣り合う点、つまり2本の曲線の交点で運転状態が決まります。この交点を運転点と呼びます。

用語	意味
特性曲線	機器が「どれだけの流量でどれだけの揚程・圧力を出せるか」を示す曲線（機器固有）
抵抗曲線（管路抵抗曲線）	配管・ダクト系が「どれだけの流量に対してどれだけの抵抗（圧力損失）を生じるか」を示す曲線（系統固有）
運転点	特性曲線と抵抗曲線の交点。実際にその系統で得られる流量・揚程（圧力）

実務での判断としては、設計段階で必要な流量・揚程（圧力）を計算し、それを満たす特性曲線を持つ機種を選定するだけでは不十分で、実際に接続される配管・ダクト系の抵抗曲線と組み合わせたときに、運転点が想定した性能範囲に収まっているかを確認することが欠かせません。配管・ダクトの抵抗計算に見込み違いがあると、机上の性能どおりの流量が出ない、あるいは過大な流量が流れてしまうといった状態につながります。

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実揚程と全揚程（ポンプ特有の整理）

ポンプの性能を検討するときは、揚程を「実揚程」と「全揚程」に分けて考える必要があります。実揚程は、吸込み水面（または吸込み側の基準点）から吐出し水面（または吐出し側の基準点）までの、実際の高さの差のことです。これに対して全揚程は、実揚程に加えて、配管の摩擦損失や弁・継手など管路上の抵抗による損失分を足し合わせたもので、ポンプが実際に発揮しなければならない揚程の全体を表します。

つまり、単に「何メートル持ち上げるか」だけでポンプを選ぶと、配管の抵抗分が考慮されず、実際には必要な水量を送れないポンプを選んでしまうことになります。ポンプの選定では、実揚程に配管系統全体の損失水頭を積み上げた全揚程を基準にする、という順序を守ることが基本です。

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比例則（相似則）の考え方

同一のポンプ・送風機で回転数（回転速度）だけを変えたとき、流量・揚程（圧力）・動力がどのように変化するかを表す関係を、比例則（相似則）と呼びます。羽根車の形状が同じままモーターの回転数だけを変える、という前提のもとでは、次の関係が成り立つとされています。

項目	回転数との関係
流量（風量）	回転数に比例（1乗）
揚程（圧力）	回転数の2乗に比例
軸動力	回転数の3乗に比例

たとえば回転数を80％に落とすと、流量（風量）はおおむね80％に、揚程（圧力）はおおむね64％（0.8の2乗）に、軸動力はおおむね51％（0.8の3乗）まで下がる、という計算になります。この「動力は回転数の3乗に比例して小さくなる」という関係が、次に説明するインバータ制御による省エネの根拠になっています。

比例則はあくまで理想化した関係式であり、実際には羽根車の効率変化や機械損失などの影響で、回転数の変化幅が大きくなるほど計算値と実際の性能にずれが生じやすくなります。カタログの性能曲線や、メーカーの技術資料で実際の変化を確認しながら計画するのが実務上の進め方です。

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インバータによる変流量・変風量制御と省エネの考え方

従来、ポンプ・送風機で流量（風量）を絞る方法としては、弁やダンパーを絞って抵抗を増やし、運転点を強制的に流量の少ない側へずらす方法がよく使われてきました。この方法は機器の回転数自体は変えないため、動力の削減効果は限定的です。

これに対して、インバータ（可変周波数装置）でモーターの回転数そのものを変えて流量（風量）を調整する方法を、変流量制御（VWV）・変風量制御（VAV）と呼びます。前段の比例則で見たとおり、動力は回転数の3乗に比例して減るため、必要な流量（風量）が少ない時間帯には回転数を下げることで、弁・ダンパー制御に比べて大きな省エネ効果が期待できます。空調の熱源系統やポンプ・送風機の搬送動力は、建物のエネルギー消費の中でも比重が大きい部分であり、負荷に応じてこまめに回転数を追従させられるインバータ制御は、実務上も広く採用されています。

制御方式	仕組み	動力削減効果の考え方
弁・ダンパーによる絞り制御	抵抗曲線を変えて運転点をずらす	回転数は変わらないため削減効果は限定的
インバータによる回転数制御	特性曲線そのものを回転数に応じて変える	動力が回転数の3乗に比例して減るため削減効果が大きい

ただし、インバータで回転数を大きく落としすぎると、後述するキャビテーションやサージングが発生しやすい運転範囲に入ってしまう場合があるため、制御の下限回転数（下限流量）は、機器の特性曲線を踏まえて設定する必要があります。また、複数台のポンプ・送風機を並列運転する系統では、回転数制御と台数制御を組み合わせて、効率のよい運転範囲を維持する計画とすることが一般的です。

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キャビテーション（ポンプ）とNPSH

ポンプにおける代表的な不具合の一つがキャビテーションです。ポンプの吸込み側で圧力が下がりすぎると、常温でも水が局所的に沸騰して気泡が発生し、その気泡が吐出し側の圧力の高い場所へ流されて急激につぶれることで、振動・騒音や、羽根車表面のエロージョン（浸食）を引き起こします。

キャビテーションを防ぐための考え方の基準になるのが、NPSH（有効吸込ヘッド）と呼ばれる指標です。NPSHには、吸込み配管の条件から決まる「有効NPSH」と、ポンプ自体の構造から決まる「必要NPSH」の2種類があり、有効NPSHが必要NPSHを上回っていることが、キャビテーションを起こさずに運転できる条件とされています。吸込み側の配管が長い、吸込み高さが大きい、水温が高いといった条件は有効NPSHを小さくする方向に働くため、こうした条件が重なる系統では特に注意が必要です。

実務での判断としては、ポンプの選定時に吐出し性能だけでなく吸込み側の条件も含めて確認すること、吸込み配管はできるだけ短く・抵抗の少ない経路とすること、吸込み高さを抑える設計とすることなどが基本になります。既存の系統でキャビテーションと疑われる異音・振動が見られる場合は、原因を配管条件・水温・ポンプの運転範囲などから切り分けて確認することが必要です。

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サージング（送風機）

送風機側で注意すべき代表的な不具合がサージングです。遠心送風機の特性曲線は、流量がある程度大きい範囲では右下がりの安定した形をしていますが、流量をさらに絞っていくと、圧力がいったん下がってから再び持ち上がる山型の形状を持つ機種があります。この山型の部分、つまり流量を絞ると圧力も一緒に下がってしまう右上がりの領域で運転しようとすると、系統の抵抗曲線との交点が安定せず、風量と圧力が周期的に激しく変動する不安定な運転状態に陥ります。これがサージングです。

サージングが発生すると、振動・騒音が大きくなるだけでなく、繰り返される圧力変動によって羽根車や軸受に負担がかかり、機器の損傷につながるおそれもあります。特に、ダンパーで風量を大きく絞った運転や、インバータで回転数を下げすぎた運転では、運転点がこの不安定な領域に入り込みやすくなるため注意が必要です。

サージングを避けるための実務上の考え方としては、送風機の選定時にカタログの特性曲線を確認し、想定する運転範囲がサージングの生じる領域から十分離れているかをチェックすること、風量を絞る場合は特定の1台に極端な絞り運転をさせず複数台の台数制御と組み合わせること、といった対策が挙げられます。

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よくある誤解

• 「回転数を落とせば必ず省エネになる」という誤解: 比例則のとおり動力自体は減りますが、下限まで絞りすぎるとキャビテーションやサージングの領域に入り、かえって不具合や効率低下を招くことがあります。回転数の下限は特性曲線を踏まえて設定する必要があります。
• 「揚程さえ足りていれば配管の抵抗は気にしなくてよい」という誤解: ポンプの性能は実揚程だけでなく配管系全体の損失を含めた全揚程で決まるため、配管の口径・経路が変わると必要な全揚程も変わります。
• 「弁・ダンパーを絞ればインバータと同じように省エネになる」という誤解: 絞り運転は運転点を抵抗曲線側でずらしているだけで、回転数自体は変わらないため、動力の削減効果はインバータ制御に比べて限定的です。

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実務チェックリスト

• 必要な流量・揚程（圧力）だけでなく、配管・ダクト系統の抵抗曲線を見込んだ運転点で機器性能を確認したか
• ポンプの揚程は、実揚程に配管損失を加えた全揚程を基準に選定したか
• インバータ制御を採用する場合、回転数の下限（下限流量）をキャビテーション・サージングの発生領域と照らして設定したか
• 吸込み側の配管条件（長さ・高さ・水温）から、有効NPSHが必要NPSHを上回っているかを確認したか
• 送風機の想定運転範囲が、カタログ特性曲線上のサージング領域から十分離れているかを確認したか
• 複数台運転とする場合、台数制御と回転数制御をどう組み合わせるかを整理したか
• 弁・ダンパーによる絞り運転に偏った計画になっていないか（インバータ制御との使い分けを検討したか）

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まとめ

• ポンプ・送風機の運転状態は、機器側の特性曲線と配管・ダクト側の抵抗曲線が交わる運転点で決まる
• ポンプの揚程は、実際の高低差である実揚程に、配管の損失を加えた全揚程で計画する
• 比例則（相似則）では、流量（風量）は回転数の1乗、揚程（圧力）は2乗、動力は3乗に比例して変化する
• インバータによる回転数制御は、動力が回転数の3乗に比例して減るため、弁・ダンパーの絞り制御より大きな省エネ効果が見込める
• ポンプではキャビテーション（有効NPSHと必要NPSHの関係）、送風機ではサージング（特性曲線の不安定領域）という、それぞれ異なる不具合に注意が必要
• 回転数を下げすぎる運転や過度な絞り運転は、省エネと引き換えに不安定な運転領域に入るリスクがあるため、特性曲線を踏まえた運転範囲の設定が欠かせない

ポンプ・送風機は、特性曲線と抵抗曲線という2つの曲線の関係で性能が決まるという点で共通しており、この基本を押さえておくと、機種選定・省エネ制御・不具合の原因究明のいずれの場面でも考え方の軸がぶれにくくなります。具体的な機種選定や運転範囲の設定にあたっては、メーカーの性能曲線・技術資料を確認しながら、設計者・施工者の間で条件をすり合わせて進めることが実務上重要です。

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• 給水設備の計画
• 空調配管系統図の基礎
• 建築設備とは何か