キャビテーションとは｜原理や発生条件を可視化事例と合わせて解説

キャビテーションの発生条件は、液体の圧力がその蒸気圧以下に低下することで気泡が形成され、その後圧力が急激に上昇することで気泡が崩壊するというプロセスに基づいています。

キャビテーションが発生する主な条件は以下の通りです。

液体中の局所的な圧力がその液体の蒸気圧よりも低くなると、液体が沸騰し気泡が形成されます。この状態は、特に高速で回転するプロペラやタービン内で発生しやすく、液体の流れに急激な圧力低下が生じた場合に起こります。

液体の圧力と蒸気圧の関係
液体中の圧力がその液体の蒸気圧を下回ると、液体の分子は周囲から十分な力を受けずに、液体から飛び出しやすくなります。この現象が液体の沸騰であり、気泡が形成される原因となります。蒸気圧は液体の種類と温度によって決まる値です。温度が高いほど蒸気圧は高くなります。

超音波など高周波の音波が液体に伝播すると、圧縮と希釈のサイクルが生じます。これによって液体の局所的な圧力が変動し、キャビテーションが発生する条件が整います。

温度が高いほど液体の蒸気圧は上昇し、キャビテーションが発生しやすくなります。逆に、温度が低いと蒸気圧は低くなり、キャビテーションの発生が抑制されます。

液体の粘度、表面張力、ガス含有量などもキャビテーションの発生に影響します。例えば、低粘度の液体やガスを多く含む液体は、キャビテーションが発生しやすいとされています。

キャビテーションの発生は物理的に影響をもたらすため、さまざまな分野で重要な意味を持ちます。局所的に発生する高い圧力と温度は、物質や周囲の固体表面に影響を及ぼします。

キャビテーションによって引き起こされるエロージョンは、固体表面が高エネルギーの衝撃波や気泡の崩壊による微小なジェット流によって削られたり、損傷を受けたりする現象です。これは、船舶のプロペラやポンプのインペラなどで特に顕著に現れ、部品の寿命を短縮させる要因となります。

高圧と高温
気泡が崩壊する瞬間、極めて高い圧力と温度が発生します。

衝撃波
圧力によって衝撃波が生じ、周囲の材料を直接攻撃します。

微小ジェット
気泡崩壊時に発生する液体ジェットは、非常に高い速度で材料に衝突し表面を削り取ります。

疲労破壊
反復的なキャビテーションによって材料に微小なひび割れが生じ、それが成長して最終的に材料が破断する、疲労破壊を引き起こすこともあります。

流体機械の効率が低下する場合があります。キャビテーションによって生じる振動やノイズが、機械の性能に悪影響を及ぼすことがあります。

振動
キャビテーションによって生じる振動は、機械の構造に悪影響を与え、性能低下や寿命短縮の原因となります。

騒音
キャビテーションは、強い騒音源となります。この騒音は、作業環境の悪化だけでなく、機械の性能にも悪影響を及ぼすことがあります。

キャビテーション損失
キャビテーションによって、流体のエネルギーが失われるため機械の効率が低下します。

ポンプ内で発生するキャビテーションは、ポンプの性能低下や損傷を引き起こす重大な問題です。ポンプが液体を移動させる際、局所的に圧力が低下し液体が気化してキャビテーションが発生します。

この際に生じる衝撃波は、ポンプの羽根やケーシングに浸食（エロージョン）を引き起こし、騒音や振動を発生させます。結果としてポンプの効率が低下し、寿命が短くなることがあります。

吸入圧力の低下：
ポンプの吸入口での圧力が、ポンプ内の液体の蒸気圧よりも低くなるとキャビテーションが発生します。これは液体の吸入が不十分な場合や、吸入配管の設計が不適切な場合に起こりやすいです。

過剰な流量：
ポンプが設計された流量を超える量の液体を移動させると、内部の圧力が低下しキャビテーションの原因になります。過剰な流量はポンプの効率を悪化させ、キャビテーションを引き起こしやすくします。

液体の温度が高い：
液体の温度が高いと蒸気圧が上昇しキャビテーションが発生しやすくなります。例えば、冷却システムやボイラー給水ポンプでは、高温の液体が流れるため特に注意が必要です。

ポンプの効率低下：
キャビテーションによって気泡が生成されると、液体の流れが不安定になりポンプの圧力供給能力が低下します。

浸食（エロージョン）：
ポンプのインペラやケーシングの表面が徐々に浸食され、修理や交換が必要になることがあります。

振動と騒音：
キャビテーションはポンプ内部で激しい振動と騒音を発生させます。これによって、ポンプの運転が不安定になり、機械的な損傷の原因となります。

キャビテーションの対策は、ポンプだけでなくタービンやプロペラ、さらには超音波洗浄機や医療機器など広範囲の装置や技術において必要とされます。

流体の流れを安定させる設計：
流れの急激な変化や渦を防ぐために、滑らかな形状で適切な寸法を持つ流路や部品の設計が必要です。タービンやプロペラの形状を最適化することで、圧力の急激な変化を防ぎ、キャビテーションの発生を抑制します。

耐摩耗材料の使用：
キャビテーションが発生しても部品が損傷しにくい素材を選定することが重要です。耐キャビテーション性のある材料（ステンレス鋼、チタン合金、硬質コーティングなど）は、エロージョンによる損傷を最小限に抑えることができます。

流量の制御：
ポンプやタービンでの流量を適切に制御することで、圧力変動を抑えます。過剰な流量や圧力が原因でキャビテーションが発生する場合、制御システムやバルブで調整し、適切な範囲に維持します。

吸入圧力の確保：
吸入口やタービン入口での圧力が十分に高く保たれるように、吸入経路を最適化したり、摩擦損失を減らす設計を行います。

冷却装置：
冷却システムやヒートエクスチェンジャーを導入することで、液体の温度を適切に下げ、キャビテーションの発生を抑えます。例えば、ボイラー給水ポンプや冷却水ポンプなどでは、液体の温度を適切に調整することがキャビテーションの防止に効果的です。

運転温度の最適化：
機器の運転温度を最適化することで、液体の蒸気圧が過剰に上昇するのを防ぎ、キャビテーションを抑制します。

キャビテーションは、その発生場所や原因、形態などによって様々な種類に分類されます。主な種類とその特徴を以下で表にまとめました。

キャビテーションと沸騰は、どちらも気泡が発生する現象ですがキャビテーションは液体中の圧力変動によって、沸騰は温度上昇によって発生するという大きな違いがあります。

キャビテーションは主に工業機械での問題として取り上げられることが多い一方、沸騰は調理や加熱で一般的に観察される現象です。キャビテーションが発生する状況では、その気泡崩壊による損傷が重要な問題となるため、対策が必要です。

キャビテーションは一般的には機械の損傷を引き起こす負の現象として知られていますが、その高いエネルギーを持つ特性を活かして、様々な分野で応用されています。

キャビテーション崩壊時に発生する衝撃波をシュリーレン法で可視化した事例をご紹介いたします。

撮影協力：東京大学 医用精密工学研究室 中川 桂一 先生
がん細胞破壊を目的とするPCND（phase change nano droplet）を気泡化させるための、衝撃波の伝播を可視化しています。