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油圧部品データベーススキル

配管システムの設計、ポンプの選定、圧力損失の計算に不可欠な、配管、バルブ、継手の損失係数（K 値）、摩擦係数、相当長を検索します。このスキルでは、業界標準の資料に基づく検証済みデータを提供します。

概要

油圧部品データベースは、配管システムの圧力損失を計算するための重要なデータを提供します。

• 摩擦損失：配管の粗さ、摩擦係数、ムーディー線図
• 局部損失：バルブ、継手、エルボ、縮小管、拡大管
• 損失係数（K）：無次元の抵抗値
• 相当長（L/D）：同等の抵抗を持つ直管の長さ
• システム曲線：総抵抗特性
• ポンプの適合：ポンプが設計点で動作することの確認

このスキルでは、HVAC、化学処理、水道システムで一般的に使用される、Crane TP-410、ASHRAE ハンドブック、その他の技術資料に基づく実用的なデータを扱います。

部品の種類

配管（管摩擦損失）

長い配管では、直管の摩擦損失が支配的になります。

絶対粗さ（ε）

材料の粗さは、乱流時の摩擦係数に影響します。

材料	ε（mm）	ε（ft）	代表的な用途
引抜管（真ちゅう、銅）	0.0015	0.000005	清浄な流体、計器類
商用鋼管／錬鉄管	0.045	0.00015	一般産業用配管
アスファルト塗装鋳鉄管	0.12	0.0004	配水
亜鉛めっき鉄管	0.15	0.0005	腐食性流体の用途
鋳鉄管（無塗装）	0.26	0.00085	上水道、古いシステム
コンクリート（平滑）	0.3-3.0	0.001-0.01	大口径水路、下水道
リベット鋼管	0.9-9.0	0.003-0.03	古い設備
PVC、プラスチック	0.0015	0.000005	化学流体、水、清浄な用途

注：腐食、スケール、堆積物により、経年とともに粗さが増加します。

摩擦係数（f）

Darcy-Weisbach 式における無次元の抵抗値：

層流（Re < 2300）：

f = 64 / Re

乱流（Re > 4000）： Colebrook-White 式（陰形式）を使用します。

1/√f = -2.0 log₁₀(ε/(3.7D) + 2.51/(Re√f))

または Swamee-Jain 近似式（陽形式、精度 ±1%）を使用します。

f = 0.25 / [log₁₀(ε/(3.7D) + 5.74/Re^0.9)]²

平滑管の近似式：

• Blasius（Re < 100,000）：f = 0.316 / Re^0.25
• Prandtl-von Karman：1/√f = 2.0 log₁₀(Re√f) - 0.8

完全粗面（高 Re）：

1/√f = -2.0 log₁₀(ε/(3.7D))

管摩擦損失の計算

直管の損失水頭（Darcy-Weisbach 式）：

h_f = f · (L/D) · (v²/2g)

ここで：

• h_f = 損失水頭（m）
• f = Darcy 摩擦係数（無次元）
• L = 配管長（m）
• D = 配管内径（m）
• v = 平均流速（m/s）
• g = 9.81 m/s²

圧力損失：

ΔP = f · (L/D) · (ρv²/2)

• ΔP = 圧力損失（Pa）
• ρ = 流体密度（kg/m³）

バルブ（局部損失）

ゲートバルブ、グローブバルブ、ボールバルブ、逆止弁、調節弁は、局所的な圧力損失を発生させます。

ゲートバルブ

開閉用に使用され、全開時の圧力損失が小さいバルブです。

開度	K	L/D	備考
全開	0.15	8	流れの妨げが最小
3/4 開	0.9	40	流量調整には推奨されません
1/2 開	4.5	200	強い乱流
1/4 開	24	1100	非常に大きな損失

用途：主遮断、ブロック・アンド・ブリード。流量調整に使用されることはまれです。 サイズ：DN15～DN600+（1/2"～24"+） 特性：流量調整に使用する場合、開度に対して流量が直線的に変化します（理想的ではありません）。

グローブバルブ

圧力損失は大きいものの、優れた絞り特性を備えています。

タイプ	K	L/D	備考
標準、全開	10	450	損失を抑えるにはY形が適しています
アングルバルブ、全開	5	200	90°曲がりで、グローブバルブより損失が小さい
Y形、全開	5	200	流路が滑らか

用途：絞り制御、流量調整、減圧
特性：イコールパーセント特性またはリニア特性のトリム
キャビテーション：高圧力損失の用途ではリスクがあります

ボールバルブ

優れたシール性を備えた四分の一回転バルブです。

タイプ	K	L/D	備考
フルボア、全開	0.05	3	流れの妨げが最小
レデュースドボア、全開	0.2	10	ポート径が配管径より小さい
標準ポート	0.2	10	最も一般的

用途：迅速な遮断、清浄な流体、低メンテナンス
Vボール：絞り制御用途向けに改良されています

逆止弁

逆流を防止します。作動開始圧力を上回る必要があります。

タイプ	K	L/D	備考
スイング式逆止弁、全開	2.0	100	ヘッド損失が小さく、大口径
リフト式逆止弁、全開	12	600	損失が大きく、グローブバルブ本体
ボール式逆止弁	70	3500	小口径、損失が大きい
ウェハー式逆止弁、デュアルプレート	2.0	100	コンパクトで、損失が小さい
スプリング式逆止弁	4.5	225	スラムを防止し、抵抗が増加
チルティングディスク式逆止弁	1.5	50	損失が小さく、大口径

重要：逆止弁のK値は全流量を前提としています。流量が不十分だと弁が部分的にしか開かず、水撃が発生します。

バタフライバルブ

大口径配管に使用する四分の一回転式バルブです。

開度	K	L/D	備考
全開	0.24	12	ディスクの厚さによって異なります
60°開	1.5	70
40°開	10	500	損失が急増します

用途：HVACダンパー、水処理、大口径（DN100-DN3000）

調節弁

精密な流量調整ができるよう特性が定められています。

タイプ	K（開）	C_vの概念	備考
リニアトリム	可変	流量 ∝ 位置	ΔP一定の用途
イコールパーセントトリム	可変	流量 = k^x	ΔPが変動する用途で、より優れた制御

流量係数（C_v）：

Q = C_v · √(ΔP / SG)

• Q = 流量（GPM）
• ΔP = 圧力損失（psi）
• SG = 比重

Kへの換算：

K = (d/C_v)² · 890.6

ここで、d = バルブ径（インチ）

継手（局部損失）

エルボ、ティー、レデューサーなど、流れの方向やサイズを変える部品です。

標準エルボ

さまざまな半径の90°曲がりです。

種類	K	L/D	備考
90°ねじ込み式、標準	1.5	75	r/D ≈ 1
90°ねじ込み式、長半径	0.75	38	r/D ≈ 1.5、より滑らかな流れ
90°フランジ式、標準	0.3	15	ねじ込み式より半径が大きい
90°フランジ式、長半径	0.2	10	r/D ≈ 1.5
90°留め切り式、案内羽根なし	1.1	55	鋭い角、現場製作
45°ねじ込み式	0.4	20	90°の損失の半分
45°フランジ式、長半径	0.2	10

半径比（r/D）：半径が大きいほど損失は小さくなります 複数のエルボ：間隔が10D未満の場合、損失が干渉します（単一のエルボの約1.5倍）

チーズ

流れが直進する場合、または分岐を取り出す場合：

構成	K	L/D	備考
ねじ込み式チーズ、直進流	0.9	45	直進流路
ねじ込み式チーズ、分岐	2.0	100	分岐へ90°曲がる
フランジ式チーズ、直進流	0.2	10	ねじ込み式より損失が小さい
フランジ式チーズ、分岐	1.0	50	90°曲がる
ワイ、45°分岐	0.6	30	より滑らかな遷移

流れの合流：Kの単純な加算ではなく、エネルギー収支を使用します

レデューサーとエキスパンダー

緩やかな遷移によって損失を最小限に抑えます。

急縮小（大口径から小口径へ）：

K = 0.5 · (1 - (D₂/D₁)²)

小口径管内の流速に基づきます。

面積比（A₂/A₁）	K（急縮小）	K（緩やか）
0.8	0.09	0.05
0.6	0.20	0.07
0.4	0.30	0.10
0.2	0.40	0.12

急拡大（小口径から大口径へ）：

K = (1 - (D₁/D₂)²)²

小口径管内の流速に基づきます。縮小より損失が大きくなります！

面積比（A₁/A₂）	K（急拡大）	K（緩やか）
0.8	0.04	0.02
0.6	0.16	0.08
0.4	0.36	0.18
0.2	0.64	0.30

緩やかな遷移：最適な円錐角は7～15°です 注：急拡大ではボルダ・カルノー損失が発生します。これは回収不能な運動エネルギーです。

入口と出口

管入口（貯槽から）：

種類	K	備考
鋭角縁（面一）	0.5	縮流が発生します
やや丸みのある形状	0.2	r/D ≈ 0.02
十分に丸みのある形状（ベルマウス）	0.04	r/D ≈ 0.15、損失は最小
内向き突き出し	1.0	最悪の場合、「ボルダ管口」

管内流速に基づきます。

管出口（貯槽へ）：

K = 1.0

速度水頭はすべて失われます（運動エネルギーは回収されません）。

拡大と縮小

上記の「レデューサー」セクションで説明しましたが、重要な原則は次のとおりです。

1. 緩やかな遷移（円錐角7～15°）により、損失を約50％低減できます
2. 拡大は縮小より損失が大きくなります（不可逆的な乱流が発生するため）
3. K値は小口径管内の流速に基づきます
4. 急拡大：β = D₁/D₂ のとき、K = (1 - β²)²
5. 急縮小：K ≈ 0.5(1 - β²)

例： 4インチ管 → 6インチ管（急拡大）：

• β = 4/6 = 0.667
• K = (1 - 0.667²)² = 0.31（4インチ管内の流速に基づく）

損失係数（K）法

定義

圧力降下と速度水頭の関係を表す無次元係数です。

h_L = K · (v²/2g)

ここで：

• h_L = 損失水頭（m）
• K = 損失係数（無次元）
• v = 流速（m/s）
• g = 9.81 m/s²

圧力降下の形式：

ΔP = K · (ρv²/2)

速度の基準

重要：K 値は特定の速度を基準にしています！

• 縮小管／拡大管：小さい方の配管内の速度を使用します
• 継手：継手のサイズ（配管と同じ）の速度を使用します
• サイズを変換すると速度も変わります：v₂ = v₁ · (D₁/D₂)²

K 値の加算

同じ直径のコンポーネントを直列に配置する場合：

K_total = K₁ + K₂ + K₃ + ...

直径が異なる場合：共通の基準に換算するか、ΔP を直接使用します。

制限事項

• 乱流（Re > 4000）を想定しています
• K 値はレイノルズ数によってわずかに変化します（通常は無視されます）
• 圧縮性は考慮しません（液体のみ）
• コンポーネント同士が近接している場合（<10D）の相互作用の影響

等価長さ法

定義

継手と同じ損失を生じる直管の長さ：

L_e = K · D / f

ここで：

• L_e = 等価長さ（m）
• K = 損失係数
• D = 配管直径（m）
• f = 摩擦係数

一般的な近似：迅速な概算では f ≈ 0.02 と仮定します

L_e/D ≈ K / 0.02 = 50·K

使用方法

実際の配管長に等価長さを加算します：

L_total = L_pipe + ΣL_e

次に、全揚程損失を計算します：

h_total = f · (L_total/D) · (v²/2g)

長所と短所

長所：

• 継手が多いシステムで計算が簡単です
• 摩擦係数の計算が1回で済みます
• 配管設計における従来の方法です

短所：

• L/D 値は摩擦係数が一定であることを前提としています（通常 f ≈ 0.02）
• 層流や非常に粗い配管では精度が低くなります
• 個々のコンポーネントの寄与が分かりにくくなります
• K 法の方がより基礎的な方法です

代表的な L/D 値の早見表

コンポーネント	L/D（概算）
90°エルボ、標準	30-75
90°エルボ、ロングラジアス	15-20
45°エルボ	15-20
T 字管、直進流	20-60
T 字管、分岐流	50-100
ゲートバルブ、全開	8-10
グローブバルブ、全開	300-500
スイング式逆止弁	50-100
ボールバルブ、全開	3-5

注：値は出典や配管サイズによって異なります。入手可能な場合はメーカーのデータを使用してください。

Darcy-Weisbach の式

基本形

配管の摩擦損失を求める基礎となる式：

h_f = f · (L/D) · (v²/2g)

または圧力損失の形式：

ΔP = f · (L/D) · (ρv²/2)

パラメーター

• h_f = 摩擦による損失水頭（流体柱の m）
• ΔP = 圧力損失（Pa または psi）
• f = Darcy 摩擦係数（無次元、Fanning 係数の 4 倍）
• L = 配管の長さ（m または ft）
• D = 配管の内径（m または ft）
• v = 平均流速（m/s または ft/s）
• g = 重力加速度 = 9.81 m/s²（32.2 ft/s²）
• ρ = 流体密度（kg/m³ または lbm/ft³）

レイノルズ数

流動状態と摩擦係数を決定します：

Re = ρ·v·D / μ = v·D / ν

ここで：

• μ = 粘度（Pa·s）
• ν = 動粘度（m²/s）

流動状態：

• 層流：Re < 2300（f = 64/Re）
• 遷移域：2300 < Re < 4000（不安定なため、設計では避けてください）
• 乱流：Re > 4000（Moody 線図または相関式を使用します）

摩擦係数の決定

Moody 線図：グラフによる解法

• 横軸：レイノルズ数（Re）
• 縦軸：摩擦係数（f）
• パラメーター：相対粗さ（ε/D）

Colebrook の式（乱流、正確ですが陰関数です）：

1/√f = -2.0 log₁₀(ε/(3.7D) + 2.51/(Re√f))

反復計算による解法（Newton-Raphson 法）が必要です。

Swamee-Jain（陽的近似式、精度 ±1%）：

f = 0.25 / [log₁₀(ε/(3.7D) + 5.74/Re^0.9)]²

適用範囲：5000 < Re < 10⁸、10⁻⁶ < ε/D < 10⁻²

Haaland（陽的近似式）：

1/√f = -1.8 log₁₀[(ε/(3.7D))^1.11 + 6.9/Re]

Darcy-Weisbach を使う理由

Hazen-Williams に対する長所：

• すべての流体に適用できます（水に限定されません）
• 次元的に整合しています
• すべての流動状態に適用できます
• 温度を考慮します（粘度を介して）
• 非ニュートン流体に対して、より正確です

Hazen-Williams の制限事項：

• 経験式であり、水に特化しています
• 粗さが一定であることを前提としています
• 層流には適用できません
• 粘度の高い流体では精度が低下します

実用的な計算手順

1. 流速を計算します：v = Q / A = 4Q / (πD²)
2. レイノルズ数を計算します：Re = vD/ν
3. 摩擦係数を求めます：
   • Re < 2300 の場合：f = 64/Re
   • Re > 4000 の場合：Swamee-Jain 式または Moody 線図を使用します
4. 損失水頭を計算します：h_f = f(L/D)(v²/2g)
5. 局部損失を加算します：h_total = h_f + ΣK(v²/2g)

局部損失と主要損失

定義

主要損失：直管内の摩擦損失

h_major = f · (L/D) · (v²/2g)

• 配管の長さにわたって連続的に発生します
• 長い配管区間では支配的になります
• 配管の長さに比例します

局部損失：バルブ、継手、各種機器による損失

h_minor = ΣK · (v²/2g)

• 局所的な流れの乱れによって発生します
• 継手が多い短い配管では支配的になります
• 配管の長さには依存しません

それぞれが支配的になる場合

主要損失が支配的な場合：

• 長い直管区間（L/D > 1000）
• 継手が最小限
• 大口径の送配管
• パイプライン網
• 例：国内を横断する石油パイプライン

局部損失が支配的な場合：

• 機器が多い短い配管
• コンパクトなスキッドパッケージ
• マニホールドとヘッダー
• 実験室の配管
• 例：化学反応器の供給システム

設計上の経験則

両方を確認します：

h_total = h_major + h_minor

簡易見積もり：

• L/D > 1000 で継手が少ない場合：局部損失は無視できます（誤差 <5%）
• L/D < 100 で継手が多い場合：局部損失が主要損失を上回る可能性があります
• 産業界の慣行：両方を計算します。合計の 10% 未満になることはほとんどありません

圧力損失の配分：

• 配管の摩擦損失：50～70%
• 継手およびバルブ：20～30%
• 機器（熱交換器、フィルター）：20～40%
• 調節弁：25～50%（適切な制御を行うため）

合算計算の例

長さ 50m、口径 100mm の鋼管に、90°エルボ 4 個とゲートバルブ 1 個がある場合：

主要損失：

• f ≈ 0.018（乱流、商用鋼管と仮定）
• h_major = 0.018 × (50/0.1) × (v²/2g) = 9 × (v²/2g)

局部損失：

• エルボ 4 個：K = 4 × 0.3 = 1.2
• ゲートバルブ 1 個：K = 0.15
• K_total = 1.35
• h_minor = 1.35 × (v²/2g)

合計：h_total = 10.35 × (v²/2g)

• 主要損失：87%
• 局部損失：13%

最適化に関する考慮事項

圧力損失を最小限に抑える方法：

1. 配管口径を大きくします（最も効果的）
2. 標準エルボの代わりにロングラジアスエルボを使用します
3. グローブバルブの代わりにボールバルブを使用します
4. 継手の数を最小限に抑えます
5. 急激な縮小や拡大を避けます
6. 損失の小さい逆止弁を選定します
7. 配管内面を清浄で滑らかに保ちます

コストのトレードオフ：

• 大口径配管：材料費は高くなりますが、ポンプ費用は低くなります
• 小口径配管：材料費は低くなりますが、ポンプ費用は高くなります
• 機器の耐用期間にわたる正味現在価値を基準に最適化します

データソース

Crane TP-410（主要参考資料）

タイトル："Flow of Fluids Through Valves, Fittings, and Pipe" 発行元：Crane Co. Technical Paper No. 410 位置付け：1942 年以来の業界標準。最新版は 2013 年

内容：

• あらゆる種類の機器に関する包括的な K 値
• サイズおよび種類別のバルブ抵抗係数
• 配管摩擦のデータと線図
• 各種流体を用いた計算例
• 調節弁の Cv から K への換算
• 等価長さの表

信頼性：化学、石油、電力業界で広く認められています 入手方法：Crane Co. または技術書専門店で購入できます 注記：一部のデータは保守的で、損失をやや過大に予測すると見なされています

ASHRAE ハンドブック

ASHRAE Fundamentals Handbook（流体流動に関する章）：

• HVAC システムの配管口径選定
• 水、空気、冷媒の摩擦損失線図
• HVAC 機器の継手損失係数
• 空気システムにおけるダクト口径選定の同等項目

対象分野：建築設備、水配給、冷水、暖房 更新頻度：4 年ごとに改訂 規格：ASHRAE 90.1（エネルギー）、ASHRAE 62.1（換気）

その他の権威ある情報源

Hydraulic Institute（HI）

• ANSI/HI 9.6.7：配管摩擦損失の計算
• ポンプシステムの最適化
• ポンプ用配管の設計

ASME（American Society of Mechanical Engineers）

• B31.1：動力配管規格
• B31.3：プロセス配管規格
• 安全性に関する圧力損失の考慮事項を含みます

Idelchik のハンドブック

タイトル：「油圧抵抗ハンドブック」 内容：

• 6000 を超える係数
• 複雑な形状
• 研究レベルのデータ
• 非常に包括的で、学術的な内容が中心です

Cameron Hydraulic Data

発行元：Flowserve Corporation 内容：

• 摩擦損失表
• ポンプの油圧
• 配管の計算式
• 現場エンジニア向けのクイックリファレンス

Hooper の 2-K 法

革新点：K はサイズによって変化します

K = K₁/Re + K∞(1 + K_d/D^0.3)

• さまざまな配管サイズに対して、より高い精度が得られます
• レイノルズ数の影響を考慮します
• 最新のシミュレーションソフトウェアで使用されています

ソフトウェアツール

PIPE-FLO / AFT Fathom：商用の配管ネットワーク解析 EPANET：オープンソースの水道配水モデリング（EPA） Aspen HYSYS / PRO/II：油圧解析を含むプロセスシミュレーション HTRI / HTFS：熱交換器と配管の熱流体解析 Excel アドイン：多くの企業が社内用のスプレッドシートを使用しています

規格と試験

ISO 5167：差圧式流量計による流体流量の測定 AWWA M11：鋼管設計マニュアル BS 806：英国の配管システム仕様

学術文献

• White, F.M.：「流体力学」— 標準的な教科書
• Munson, Young, Okiishi：「流体力学の基礎」
• Streeter & Wylie：「流体力学」— 古典的な参考書
• Karassik's Pump Handbook：システムの油圧に関する章

ベストプラクティス

計算方法

1. 主損失と副損失の両方を必ず計算します — どちらか一方が無視できるとは限りません
2. 単位を統一します — SI 単位系またはヤード・ポンド法を使用し、混在させないでください
3. 基準温度 — 粘度は Re と摩擦係数に影響します
4. 管のスケジュール — 呼び径ではなく、実際の内径を使用します
5. 将来の汚れ — 経年劣化や堆積物を考慮し、10～20％の余裕を加えます
6. 標高の変化 — 静水頭を忘れないでください
7. 圧力回復 — 拡大部では圧力が部分的に回復します（K 法では考慮されません）

設計余裕

圧力損失の余裕：

• 計算の不確実性に対して10～15％を加えます
• 時間の経過による配管の汚れに対して10～20％を加えます
• 流量の変動に対して10～25％を加えます
• 合計の余裕：保守的な設計では30～50％が一般的です

流速の制限：

• 水／低粘度液体：1～3 m/s（3～10 ft/s）
• 高粘度液体：0.5～1.5 m/s
• 吸込配管：1～2 m/s（キャビテーションを防止）
• 蒸気：20～50 m/s（より高い流速も許容されます）
• エロージョン流速：v < C/√ρ、C ≈ 100～150（経験式）

避けるべき一般的な誤り

1. 誤った流速を使う — 拡大／縮小の K には、細い方の配管の v を使用します
2. レイノルズ数を無視する — 層流と乱流では大きな違いがあります
3. 誤った摩擦係数で L/D を加える — L/D の表は f ≈ 0.02 を前提としています
4. 入口／出口損失を考慮しない — 入口は K = 0.5、出口は K = 1.0 です
5. 標高を忘れる — 垂直配管では静水頭が支配的になる場合があります
6. 呼び径を使う — 必ず実際の内径を使用します
7. Darcy と Fanning の係数を混同する — f_Darcy = 4 × f_Fanning

ドキュメント化

計算では以下を記録します：

• 流体の特性（ρ、μ、温度）
• 配管の材質とスケジュール（実際の内径）
• 流量と流速
• レイノルズ数と流動状態
• 使用した摩擦係数の算出方法
• 各継手の種類と K 値
• K 値の出典（Crane TP-410 など）
• 適用した安全余裕

検証

妥当性チェック：

• ΔP は用途に対して妥当ですか？
• 流速は許容範囲内ですか？
• Re は明確に乱流または層流ですか（遷移域を避けてください）？
• 継手による損失は、全損失の5％を超え、50％未満ですか？
• NPSH は十分ですか（ポンプの吸込側の場合）？

妥当性確認：

• 類似する既存システムと比較します
• 複数の方法（K と L_e/D）を使用します
• 異なる相関式で確認します
• ソフトウェアツールの結果と照合します
• 設置後に現場試験を行います

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このスキルは、配管システムにおける油圧損失の計算に必要な包括的なデータと手法を提供します。ポンプ選定、エネルギー解析、システム設計に不可欠です。データは Crane TP-410、ASHRAE、およびその他の権威ある工学資料を出典としています。