Pulser pump/ja

パルサーポンプは、バブルポンプとも呼ばれる、水力で駆動するシンプルな機械装置です。このポンプの部品は、石油の抽出や冷凍サイクルなど、さまざまな用途に使用されてきました。熱駆動式のバブルポンプが最も一般的ですが、流れの乱流を利用して空気を捕捉するこのパルサーポンプの設計は、まだ広く普及していません。このポンプの主な利点は、機械部品や可動部品がなく、化学薬品を一切使用せず、流れの水のみを使用することです。流れの近くに設置すれば、流れのエネルギーだけで水を汲み上げることができます。

このプロジェクトのために私が過去に制作したすべての画像およびアニメーションGIFを再利用および改変することを許可します。ブライアン・ホワイト、2010年5月3日

パルサーポンプは、トロンプポンプとエアリフトポンプを組み合わせたものです。小川の近くに設置することで、パルサーポンプは水を小川の水位よりも高い位置まで汲み上げることができます。これにより、アクセスが困難な場所にある小川にも容易にアクセスしたり、小川の水を灌漑や飲料水として別の場所に送水したりすることが可能になります。

パルサーポンプは、トロンプ部分を利用してエアリフト部分を駆動するだけのシンプルな仕組みです。ポンプの説明動画はこちらをご覧ください。

序論で述べたように、このポンプの主な利点は2つあります。まず、このパルサーポンプは、同様の原理で動作する熱駆動式バブルポンプ（後述の「熱駆動式バブルポンプ」を参照）によく見られるような化学薬品を使用していません。そのため、灌漑や飲料水の汲み上げなど、汚染されていない水を汲み上げる必要のある様々な用途に使用できます。さらに、化学薬品を一切必要とせず、利用可能な河川水をポンプ流体として使用できるため、ポンプのコストを大幅に削減できます。

第二に、パルサーポンプには可動部品がありません。設置後は、このポンプは水流の乱流を利用して空気を閉じ込め、重力によって圧縮し（下記の「動作原理」の項を参照）、水の一部を水流より高い位置まで汲み上げます。一般的に高価で設置も難しい機械部品は一切必要ありません。

これらの利点に加えて、パルサーポンプは酸素含有量を増加させることで水質に良い影響を与えるとも主張されている。^{[ 1 ]}基本的な考え方は、取水ポンプ内で空気と水を混合することで、両者の間の表面積が増加し、通常の河川よりも多くの酸素が水に伝達されるというものである。この考えを確認するために、さらなる研究が必要である。

トロンプは、水力タービンが登場する以前は、鉱山に空気を送り込んだり、アルプス山脈初期のトンネルを掘削した空気圧機械に空気を供給したり、19世紀後半にパリの富裕層地区を照らすモーターを駆動するための空気を供給したりするために使用されていました。エアリフトポンプは、現在でも水道事業者が非常に深い井戸から水を汲み上げるために広く使用されています。圧縮機を使って井戸に空気を送り込み、その空気が水とともに2本目の太いパイプから噴出します。

パルサーポンプ（バブルポンプとも呼ばれる）は、水圧を利用して空気を圧縮し、その空気が水を押し出すことで、水が脈動して以前よりも高い位置まで上昇する仕組みです。これは、トロンプポンプやエアリフトポンプと同じ原理に基づいています。

他の同様のパイロットプロジェクトの成功に基づき、^{[ 2 ]}概念実証モデルが構築されました。ここに記載されている材料は、モデルの構築用であり、以下の「既存ポンプ」のセクションで説明されているような小規模な用途、またはさらなるテストに使用できます。ここで説明するプラスチックチューブは柔軟性のあるプラスチックチューブで、適切な高さに曲げることができ、さまざまなテストに再利用できるため、テストに役立ちますが、ソリッドPVCパイプも使用でき、テスト以外の状況ではより実用的です。（「テスト」のセクションを参照してください。）

これらの材料は、このモデルのパルサーポンプの必須構成要素です。チューブを切断するためのハサミ以外に、特別な工具は使用していません。

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  図1：内径3/4インチの透明プラスチックチューブ2本
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  図1a：内径3/8インチの透明プラスチックチューブ1本
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  図1b：プラスチックチューブの一方の端に収まり、もう一方の端にネジ山が付いた、3/4インチのプラスチックチューブコネクタ2個。
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  図1c：チューブの一端に装着して圧縮し、もう一方の端にねじ山が付いた3/8インチの圧縮継手1個。
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  図1d：1 1/2インチの3方向コネクタ。互いに向かい合う2つの摩擦嵌合開口部と、その上にある1つの開口部を備えている。
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  図1e：1 1/2インチから3/4インチのコネクタ2個。片端はねじ込み式、もう片端は摩擦嵌合式で、3方向コネクタとプラスチックチューブコネクタに接続します。
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  図1f：1 1/2インチから3/8インチのコネクタ1個。片端はねじ込み式で、もう片端は摩擦嵌合式になっており、3方向コネクタとプラスチックチューブコネクタに接続します。

上記の項目に加えて、このモデルをセットアップしてテストするために、以下の追加材料が必要でした。

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  図1：制御された方法で水を供給するためのホース1本
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  図1a：チューブを支えるための支持部と接続機構
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  図1b：余分な水を排出するためのバケツとシンク

この試作機の費用はやや高額でしたが、他のほとんどの揚水方法の費用と比較すると非常に低額です。さらに、この設計をより大規模に構築すれば、はるかに低コストで建設できる可能性が高いでしょう。この試作機の費用は概算で以下のとおりです。

このモデルは部品点数が非常に少ないため、組み立て手順は非常に簡単です。難しいのは、チューブをできるだけ垂直に保つように設置することです。

私が作成したモデルの動作映像を以下に示します。チューブ内の気泡に注目してください。これは、入口チューブが気泡流状態にあり、ポンプチューブがスラグ流状態にあることを明確に示しています。

パルサーポンプのプロトタイプ

著者：ブライアン・ホワイト

このモデルを構築するために使用されたプロセスについては、以下に詳しく説明します。

1

チューブを切断する

• まず、チューブを必要な長さに切断する必要があります。
• このモデルでは、入口側の3/4インチチューブを約2.1mの長さに切断した。
• 出口チューブも長さ2.1mに切断されており、異なるテストを実施するために長さを変更できるようになっている。
• 下記の試験において揚水高さを変化させることができるように、ポンプチューブは長めに設計された。

2

分離容器を接続する

• このモデルでは、3方向コネクタがパルサーポンプの分離容器として使用されます。
• 1 1/2インチから3/4インチのコネクタは、3方向コネクタの対向する両側にぴったりと収まりました。エポキシ樹脂を塗布することで、よりしっかりと密閉できます。
• 1 1/2インチから3/8インチへのコネクタは、他の2つの穴のどちらからも90度の角度にある3方向コネクタの穴に取り付けられました。

3

チューブコネクタを接続する

• まず、3/8インチ接続用の圧縮継手を1 1/2インチから3/8インチコネクタにねじ込みます。
• 次に、3/4インチ接続用のプラスチックチューブ継手を1 1/2インチから3/4インチコネクタにねじ込みます。
• チューブを接続する前にこれらを接続しておけば、チューブが絡まるのを防ぐことができます。

4

チューブを接続する

• 3/4インチのチューブは、3/4インチのコネクタにしっかりとはまるようにしてください。さらに、金属製のクランプで締め付けることで、しっかりと固定できます。
• 3/8インチの圧縮継手には、チューブの外側を囲む部品と、チューブの内側に収まってチューブを開いた状態に保つための小さな部品があります。そして、チューブの外側を囲む部品を、1 1/2インチから3/8インチのコネクタに既に接続されている圧縮継手にねじ込むことで、チューブを所定の位置に固定できます。

5

組み立て

• これでポンプの主要部品はすべて接続されました。次の段階はポンプの設置です。
• まず、チューブを所定の位置に固定する方法を決めます。そのためには、木製の背板を使用し、そこにチューブを釘で固定することができます。今回の実験では、調整しやすい装置にするため、チューブをテープで支持システムと壁に固定しました。
• チューブが垂直になっていること、そしてチューブの高さが希望どおりであることを確認してください。
• 直径3/4インチのチューブとホースノズルを、直径1インチの短い廃材チューブに差し込むことで、ホースを入口チューブの上部に接続した。このホースは、水流をシミュレートするために使用した。
• 排水管はシンクに排水するように設定されていた。

モデルを構築した後、いくつかの予備試験を実施し、このポンプが実際に有用な仕事を生み出せることを確認した。このパルサーポンプの設計がより広く受け入れられ、使用されるようになるには、さらに詳細な試験が必要である。

この試験では、ポンプの揚程と揚水管の高さという2つの変数を変更した。

水頭が増加すると、流量も増加すると予想される。この効果はポンプによって実証され、その結果を以下に示す。

ポンプ管の高さが増すにつれて、パルスが管の頂部に到達するために必要なエネルギーが増加します。それに伴い、流量が減少することが予想され、その様子は以下の図に示されています。

これら2つの変数の影響を組み合わせると、流量が水頭と揚水管の高さにどのように依存するかを示すグラフが得られます。このグラフは、これら2つの量と流量の関係を示すために使用できます。揚水管の高さが大きい場合、水頭が大きくても流量は小さくなる可能性があります。さらに、揚水管の高さが小さい場合でも、水頭が小さいと揚水管を通して汲み上げられる水の量が減少します。これは以下に示されています。

最大性能時（高揚程かつ短揚管）には、このモデルは毎秒約100mL、つまり10秒ごとに1Lの揚水速度を達成しました。各値で複数回の試験を実施しましたが、これらの結果の再現性には疑問が残ります。正確な流量に関わらず、この実験はパルサーポンプが揚水用途に広く活用される大きな可能性を秘めていることを示しています。流量、揚程、揚管の高さの正確な関係をより詳細に評価するためには、さらなる試験が必要です。

パルサーポンプ、あるいは少なくともこの種のポンプの様々な類似設計はかなり長い間存在してきたにもかかわらず、それらを適切に説明するモデルや理論は存在しません。熱駆動バブルポンプなどの類似の問題は、多くの場合、出口パイプを必要としない閉鎖系です。このセクションでは、このポンプの動作原理に関するいくつかの科学的原理を紹介し、2つの異なるモデルを開発します。1つ目のモデルは単純なマノメーターモデル、2つ目はより複雑な圧力モデルです。

この設計において重要な概念は二相流であり、これは液体と気体がメニスカスによって分離されている状態を指します。二相流には少なくとも7つの異なる状態があり、^{[ 3 ]}そのうちのいくつかはパルサーポンプの動作中に現れます。

ポンプによる揚水動作は、主にスラグ流の状態で起こります。スラグ流では、液体と気体は分離して異なる層を形成し、管の断面のほぼ全体を占めます（下図参照）。

スラグ流の場合、許容される管の直径は流速と粘度に依存します。ポンプ管内の速度は、いくつかの単純化された仮定を用いても記述するのが非常に困難です。たとえば、管が垂直でない場合、気泡はもはや対称ではなくなり、気泡の速度が変化します。流れを完全に記述するには、フルード数、エトヴェシュ数、レイノルズ数などのいくつかの無次元項が必要です。^{[ 4 ]}最も適切なモデルについてはまだ明確な合意はありませんが、いくつかのモデルが提案されています。^{[ 5 ]}

スラグ流時の流体特性の完全な決定や、この流れ様式のあらゆる影響を考慮したモデルの導出は、本モデルの範囲外である。そのため、ここでは、より単純なモデルを採用し、管が完全に垂直で定常流であるといった仮定に基づいて、後述するように検討する。

同じ液体に複数のチューブを入れた場合、各チューブ内の液体の最大高さは質量保存の法則によって決まります。マノメーターと同じ原理で、外部圧力、密度、チューブの直径によって液体の高さが決まります。つまり、右図に示すように、各チューブが同じ圧力で排出される場合、密度ρにチューブの断面積Aと液体の高さhを掛けた値は、どのチューブでも同じになります。これは、密閉容器に水を満たし、上部に同じストローを2本差し込み、空気に開放した場合、ストロー内の液体は同じ高さまで上昇し、一方のストロー内の液体の量が他方のストロー内の液体の量より多くなることはないことを意味します。

つまり、

 （ρAh）1=（ρAh）2

すべての変数が一定であれば、これは理にかなっています。パルサーポンプでは、問題はより複雑になります。入口管と出口管は同じ断面積ですが高さが異なり、さらに断面積が小さく高さが高いポンプ管があります。入口管と出口管はほぼ完全に水で満たされているため、密度は水の密度で近似できますが、ある時点では、ポンプ管の大部分は水ではなく空気で満たされています。したがって、上記の式は次のようになります。

 ρw1ter（Ah）私nlet=ρw1ter（Ah）outlet+[ρw1ter％w1ter+ρ1私r％1私r]（Ah）pump

または、入口パイプと出口パイプの断面積が同じ場合：

 ρw1terA（h私nlet−houtlet）=[ρw1ter％w1ter+ρ1私r％1私r]（Ah）pump

どこh私nlet−houtletは水頭です。水を汲み上げることができる高さは、次の式を解くことで求められます。hpump

hpump=ρw1terA（h私nlet−houtlet）[ρw1ter％w1ter+ρ1私r％1私r]Apump

このモデルの主な問題点は、ポンプ内を流れる流体の速度を無視している点です。流体の速度は無視できない量であり、もし流体の動きが無視できるほど小さければ、出口管内の空気が水から分離し、ポンプは水を移送する能力を失ってしまうでしょう。しかし、このマノメーターモデルはポンプの基本原理を示しており、パルサーポンプに対する最も一般的な批判、すなわち、より小さなポンプ管では水流の初期高さより上に水を汲み上げることは物理的に不可能であるという批判を否定しています。上記の議論は、ポンプ管内の流体が静止している場合、または存在する空気の量が無視できるほど小さい場合にのみ、この批判が成り立つことを示しています。

流速を考慮するには、エネルギー保存則とベルヌーイの式を用いて流れをより詳細に評価する必要がある。この方法は、流れの圧力変化を様々な点でモデル化する。

位置4における位置1からの圧力は次式で与えられる。

 P4=P1+ρ4gh1−ρ4（v42−v12）2

同様に、2から5の時点で：

 P5=P2+ρ5gh2−ρ5（v52−v22）2

そして3から6の時点で：

 P6=P3+ρ6gh3−ρ6（v62−v32）2

3における流速はゼロと仮定し、水を汲み上げることができる最大高さを決定します。これにより、水が到達できる高さの上限が示されます。また、1、2、3における圧力は、3が大気中に放出され、1と2は水流の深さに関連した非常に小さな静水圧しか持たないため、約1気圧と仮定できます。4、5、6の間の底部容器で制御体積解析を実行すると、質量保存の法則により次のようになります。

 ρ4A4v4=ρ5A5v5+ρ6A6v6

実験の形状から、すべてのチューブの断面積は既知である。出口チューブは空気含有量が最小限であるため、密度は水の密度と等しいとみなせる。

^{ある文献[ 6 ]}の研究に基づき、閉鎖系における熱駆動式バブルポンプを解析した結果、圧力の変化は4と5から6へと以下のように説明できる。

 P6=P4−ρ6v4（v6−v4）−P5+ρ6v5（v6−v5）

これまでの導出過程における仮定は、かなり一般的なケースを想定したものでした。本モデルにおける以下の仮定は、より具体的で簡略化されたモデルを提供します。最初の仮定は、4と5の間の速度がほぼ一定であるということです。流体のごく一部だけがポンプ管から排出されるため、流体の大部分は出口管を通過する間も運動量を維持すると仮定します。

第二に、ポンプ管内のスラグ流領域におけるガス含有量は70%と仮定する。これはスラグ流の平均値である。また、入口管内のガスは気泡流領域にあると仮定し、そのガス含有量は平均30%である。^{[ 7 ]}これらは次のことを意味する。

 ρ6=0.7ρ1私r+0.3ρw1ter

 ρ4=0.3ρ1私r+0.7ρw1ter

これら7つの方程式とそれに付随する仮定を用いても、圧力モデルには方程式よりも未知数が1つ多く残るため、妥当な高さを反復計算によって決定する必要があります。入力はシステムの幾何学的パラメータであり、最高圧力が発生すると予想される位置「4」における圧力と速度が出力されます。これらの値が妥当であれば、システムを機能するように設定できます。そうでなければ、再度反復計算を行う必要があります。

このシステムのモデリングの最初の試みは、EESソフトウェアを使用して行われました。上記の式が定義され、いくつかの初期条件が設定されました。図に示すように、上記の仮定に加えて、チューブの高さと直径、および1と2における流れの速度を入力する必要があります。プログラムは、チューブ全体の速度と圧力を出力します。このモデルの妥当性をより適切に評価するために、このEESプログラムまたは同様のプログラムを使用できます。

パルサーポンプは査読を受けていないため信頼性に欠けるが、研究がさらに進められ始めている（下記の外部リンクを参照）。しかし、いくつかのモデルが製作されており、動作原理や動作状況を示す動画がオンラインで公開されている。このパルサーポンプの設計は特許を取得しておらず、設計はパブリックドメインである。^{[ 8 ]}

20年前に製造された、現在も稼働しているパルサーポンプの例がこちらにあります（下記に表示されない場合は）。このポンプは、300リットルの水が0.5メートル落下する小川の水力で駆動します。このポンプのデータによると、トロンプ部分における見かけ上の水流速度が毎秒0.32メートルから0.68メートルの間であれば、気泡をパイプ内に送り込むのに十分な速さであることが分かります。

エアリフトセクションにおける見かけの空気速度は、0.7 m/sから1.5 m/sの間で最も効果的に機能するようです。これは、12 mmと19 mmのパイプを使用し、真上にポンプで送液した場合の結果です。

傾斜地をポンプで汲み上げる際は、見かけの空気速度が低い方が効果的でした。（見かけの速度とは、パイプ内に水または空気が1種類の流体のみを流していると仮定した場合の、パイプ内を流れる水の速度または空気の速度のことです。）自分で計算する場合、これは良い目安になります。ブライアン

Gaiatechnicianによると、パルサーポンプはそれよりもはるかに大きな流量と揚程で動作できるとのことです。

極めてシンプルな構造のため、水辺のコミュニティにとって非常に価値のあるものとなり得る。動画に登場する小型のパルサーポンプは、1日に約5トンの水を貯水容器に汲み上げることができる。^{[ 9 ]}

2番目の例（ここに示す）では、パルサーポンプを使用して動物に水を供給します。40mmの排水管を通して約30リットル/分の供給流量があります。3mまで30mL/分、または1mまで1L/分の揚水が可能です。^{[ 10 ]}

Practical Farm IdeasのMike Donevan氏のご厚意により、ポンプが彼の雑誌に掲載された際の写真と文章を、リンクを貼ることを条件に使用許可をいただきました。http ://www.farmideas.co.uk/

プロジェクトに適したパイプサイズを概算したい人にとって、これらは非常に役立つものになると思います。

ブライアン・ホワイト

熱駆動バブルポンプは、最も一般的なタイプのパルサーポンプです。このパルサーポンプ設計と同様の動作原理を使用しますが、密閉システムで行われます。一般的に、水の沸点より低い沸点の冷媒が流体と混合されます。混合物を圧縮した後、加熱すると、作動流体中の冷媒から気泡が発生します。冷媒の気泡は、パルサーポンプと同様に、ポンプチューブ内の水を押し上げます。混合物は分離室に入り、そこで液体は吸収器に、冷媒は凝縮器に送られます。^{[ 11 ]}

このパルサーポンプの設計は非常にシンプルで、水の汲み上げ方法に大きな影響を与える可能性を秘めています。水を汲み上げる際に化学薬品を使用しないため、川に戻される水は汚染されません。それどころか、川に戻される水にはより多くの酸素が含まれており、水生生物にとってより良い環境を提供するという主張もあります。川に戻されない水は、土地の灌漑や飲料水として利用できます。ポンプによって水位が上昇するため、川の流れだけでは運べない距離まで水を運ぶことができます。

ポンプ本体は、シンプルなチューブと接続部のみで構成されており、非常に少ない材料でできています。最適な設計が見つかれば、安価に製造できます。ポンプの設置後はメンテナンスがほとんど不要なので、初期設置費用と設備費用を除けば、近隣住民に安価で簡単に水を供給できます。

この解析では、実験モデルと理論モデルの両方が開発されました。実験モデルは以前の設計に基づいており、概念実証として機能しました。このモデルは、大きな水頭と短いポンプ管で最大の流量が得られるという、予想された傾向を明確に示しました。2つの理論モデルが提案されました。1つ目は、マノメーターのように質量保存の法則に基づいています。このモデルは、2番目の管の高さの概算値を提供しますが、速度が無視できるほど小さいと仮定しているため、その妥当性は非常に限られています。しかし、このモデルは、このパルサーポンプの設計が物理的に不可能であるという考えを否定するのに役立ちます。2番目の理論モデルは、質量保存とエネルギー保存の両方を使用して、ポンプの各段階での速度と圧力を評価します。この2番目のモデルでは、特定の条件下で妥当な形状を決定するために、生成された値を反復する必要があります。エンジニアリング方程式ソルバーを使用して、ユーザーが仮定を反復して最適な形状を決定できるテンプレートが作成されました。

実験モデルと理論モデルの両方において、査読とさらなる研究が大いに役立つだろう。実験モデルは、より厳密な試験計画を用いて、各高さと水頭でより多くの試験を実施して検証する必要がある。容器のサイズ、チューブの直径、流速などの他の変数についても、パルサーポンプへの影響を判断するために試験を行い、より広い範囲の値を用いるべきである。今回の実験で遭遇した主な問題は、元の容器とホースからの漏れであった。上記の方法を用いることで、これらの問題は容易に克服でき、より詳細な試験に時間を費やすことができる。

提案された理論モデルは、上述のEESプログラムなどのソフトウェアを用いてさらに拡張および検証することができる。さらに、ポンプを通過する流量を正確に予測するためには、モデルに含めるべきいくつかの要因が考慮されていない。これらには以下が含まれる。

• ポンプ管内の二相スラグ流の解析
• 入口管および出口管内の空気含有量と流れ状態の測定
• 摩擦損失／粘性損失
• 乱流
• 分離容器全体の圧力勾配

• GaiatechnicianによるYouTubeでの説明はこちらです。より詳しい説明については、彼のウェブサイトをご覧ください。
• パルサーポンプの動作映像は、こちらとこちらでご覧いただけます。
• Bubble Action Pumps Ltd.社も同様の製品を製造しており、太陽熱パネルを通して水を汲み上げる仕組みになっています。同社のウェブサイトで詳細をご覧ください。
• Altenergymag ではパルサー ポンプについて説明しています。
• All About Pumpsにも説明があります。
• パルサーポンプの作り方については、Instructablesをご覧ください。