出典：建築物衛生管理技術者試験令和3年度(2021年)｜空気環境の調整第76問
問題
空気調和設備のポンプ・配管に関する次の記述のうち、最も不適当なものはどれか。
(1) ポンプの損失水頭は、管内流速の2乗に比例する。
(2) 片吸込み渦巻きポンプは、ターボ型ポンプに分類される。
(3) 歯車ポンプは、油輸送などの粘度の高い液体の輸送用途に用いられることが多い。
(4) ポンプの急停止による水撃作用を防止するには、緩閉式逆止め弁を用いる方法がある。
(5) キャビテーションとは、流量と圧力の周期的な変動が続き運転が安定しない現象をいう。
ビル管過去問｜空調設備のポンプと配管を解説
この問題は、空気調和設備で用いられるポンプの種類、配管内の圧力損失、水撃作用、キャビテーションといった基礎事項を問う問題です。ポンプ・配管分野では、それぞれの現象の定義を正しく区別できるかが重要です。最も不適当なのは(5)です。(5)はキャビテーションの説明ではなく、サージングのような不安定現象の説明に近く、用語の定義を取り違えている点が誤りです。
(1) ポンプの損失水頭は、管内流速の2乗に比例する。
適切です。配管内を水が流れると、管の内面との摩擦や継手、バルブなどによってエネルギーが失われます。このときの損失水頭は、一般に流速が大きいほど急激に増加し、流速の2乗に比例する関係で扱われます。したがって、流速が2倍になると損失水頭はおおむね4倍になります。空調設備では、必要以上に流速を大きくすると配管抵抗が増え、ポンプ動力も大きくなるため、設計上とても重要な考え方です。
(2) 片吸込み渦巻きポンプは、ターボ型ポンプに分類される。
適切です。渦巻きポンプは、羽根車の回転によって液体に遠心力を与え、圧力エネルギーを生じさせるポンプです。このように羽根車の運動で連続的に流体へエネルギーを与える形式は、ターボ型ポンプに分類されます。片吸込み渦巻きポンプは、羽根車の片側から液体を吸い込む代表的な遠心ポンプであり、空調設備でも広く用いられます。容積の変化で液体を送り出す容積型ポンプとは仕組みが異なる点を押さえることが大切です。
(3) 歯車ポンプは、油輸送などの粘度の高い液体の輸送用途に用いられることが多い。
適切です。歯車ポンプは、歯車のかみ合いによって液体を一定量ずつ送り出す容積型ポンプです。比較的粘度の高い液体でも安定して輸送しやすく、油圧装置や潤滑油の移送などでよく使われます。一方で、空調設備の冷温水搬送のように大量の水を連続的に送る用途では、一般に渦巻きポンプが用いられます。どの液体をどのように送るかによって、適したポンプ形式が異なることを理解しておくと判断しやすくなります。
(4) ポンプの急停止による水撃作用を防止するには、緩閉式逆止め弁を用いる方法がある。
適切です。水撃作用は、配管内を流れている水の流れが急に止められたときに圧力が急上昇し、配管や機器に大きな衝撃を与える現象です。ポンプが急停止すると流速が急変するため、水撃作用が発生しやすくなります。これを防ぐ方法の一つが、急に閉じるのではなく、ゆるやかに閉じる緩閉式逆止め弁の採用です。弁の閉止を緩やかにすることで流れの変化を穏やかにし、圧力変動を小さくできます。設備保護の観点から非常に重要な対策です。
(5) キャビテーションとは、流量と圧力の周期的な変動が続き運転が安定しない現象をいう。
不適切です。キャビテーションとは、ポンプ内部で液体の圧力がその温度における飽和蒸気圧より低くなり、液体が局所的に気化して気泡が発生し、その気泡が高圧部で急激につぶれる現象をいいます。このとき、羽根車などの金属表面に衝撃が加わり、騒音、振動、性能低下、材料の損傷を引き起こします。選択肢の説明である「流量と圧力の周期的な変動が続き運転が安定しない現象」は、キャビテーションそのものの定義としては不正確です。現象の結果として振動や不安定運転が見られることはありますが、本質は気泡の発生と消滅にあります。定義を問われたときは、まず圧力低下による気泡発生という点を思い出すことが大切です。
この問題で覚えるポイント
ポンプや配管の問題では、まずターボ型ポンプと容積型ポンプの違いを整理して覚えることが重要です。渦巻きポンプはターボ型ポンプに属し、水や冷温水のような比較的低粘度の液体を大量に送る用途に適しています。一方、歯車ポンプは容積型ポンプであり、油などの粘度が高い液体の輸送に向いています。用途と構造を結び付けて理解すると、ポンプの分類問題に対応しやすくなります。 配管内の損失水頭は、流速の2乗に比例することも頻出です。流速が大きいほど摩擦損失や局部損失が増え、必要なポンプ揚程も大きくなります。そのため、配管設計では流速を上げすぎないことが省エネルギーや騒音低減の面でも重要になります。流速と損失が比例ではなく2乗に比例で増える点を確実に押さえておく必要があります。 また、水撃作用とキャビテーションは、どちらもポンプ設備の障害としてよく問われますが、原因が異なります。水撃作用は、流れの急停止や急変による圧力上昇が本質です。対策としては、緩閉式逆止め弁の採用や急閉止の防止などがあります。これに対し、キャビテーションは局所的な圧力低下による気泡の発生と崩壊が本質であり、騒音、振動、羽根車損傷、性能低下を招きます。似たように設備トラブルとして出題されても、発生原因と現象の中心を分けて覚えることが正誤判断につながります。
ひっかけポイント
この問題のひっかけは、現象の名前と定義をあいまいに覚えている受験者を狙っている点にあります。特にキャビテーションは、騒音や振動、性能低下といった結果だけを覚えてしまうと、流量や圧力の変動という説明を見たときに正しそうに感じてしまいます。しかし、試験では結果ではなく、本質的な定義を問われることが多いです。圧力低下によって気泡が発生し、それが消滅するときに損傷を起こすという中心部分を外さないことが大切です。 また、ポンプの分類も混同しやすい部分です。渦巻きポンプと歯車ポンプはどちらも液体を送る装置ですが、前者は羽根車でエネルギーを与える形式、後者は一定容積を押し出す形式です。名称だけで判断すると迷いやすいため、構造と用途をセットで覚える必要があります。 さらに、損失水頭についても、流速に比例すると感覚的に考えてしまう人がいますが、実際には2乗に比例します。こうした日常感覚とのズレも頻出の落とし穴です。試験では、何となく正しそうではなく、定義、分類、比例関係を正確に思い出せるかが得点の分かれ目になります。