サイフォン

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サイフォン(siphon、ギリシア語で「チューブ、管」の意味)とは、隙間のないを利用して、液体をある地点から目的地まで、途中出発地点より高い地点を通って導く装置であり、このメカニズムをサイフォンの原理と呼ぶ。発明者は水時計などを作った紀元前3世紀半ばのアレクサンドリアの技術者、クテシビオスではないかと言われている。[要出典]

仕組み[編集]

サイフォンの原理

何らかの液体を、高い位置にある出発地点と低い位置にある目的地点を管でつないで流す際、管内が液体で満たされていれば、管の途中に出発地点より高い地点があってもポンプでくみ上げることなく流れ続ける。この仕組みは液体をに模して、鎖が出発地点より高い位置にある滑車を経由してもう一方へと移動するモデル[1]によっても説明される。

出発地点(タンクの水面)と目的地点の気圧が等しく、かつ出発地点において液体が静止している場合、出発地点が目的地点より高い位置にあるので、出発地点における位置エネルギーは目的地点よりも高い。管内が液体で満たされているときにはこの系においてエネルギー保存則(ベルヌーイの定理)が成り立つため、位置エネルギーと運動エネルギー、圧力の和が等しくなり、位置エネルギーの差分は運動エネルギーとなって液体は目的地点へと流れる。

途中、どれくらい高い地点を通ることができるかは大気圧蒸気圧および液体の比重による。最高地点において液体の圧力が蒸気圧より低くなった場合は液体は気化し(キャビテーション)、ベルヌーイの定理は流れが定常かつ流体が非圧縮性であるときに成り立つ[要出典]ことから、液体が気化した時点でサイフォンは停止する。したがって、サイフォンが成立できる最大の高さは、液体の密度と出発地点の圧力によって決定される。1気圧下において、ならば出発地点から最高約10 mの高さを通るサイフォンを作ることができ、水銀の場合は約76 cmのサイフォンが作成可能である。

利用例[編集]

洪水時にダム湖の水を急速放水するためのサイフォン(福地ダム

サイフォンを構成する管に特別な細工は必要ないが、管を液体で満たすまでにポンプが必要になる。管の大半に最初から液体が充填されていれば、管の出口を塞ぎ、気密を保ったまま元の液面より低くすれば、始動にポンプは必要ない。

身近な利用例として灯油ポンプが挙げられる。例えばポリタンクから暖房器具のタンクへ灯油を移すとき、ポリタンクの液面が暖房器具のタンクの液面より高い位置に置いて、始めにポンプを数回操作して管を灯油で満たせばサイフォンの原理によって灯油は流れ続ける。

大規模なサイフォンは、局地的な水道設備や工業においても用いられる。このような規模のものでは、取水口と排水口、最高地点とにおいてバルブによる制御が必要になる。この場合、取水口と排水口のバルブを閉め、最高地点から液体を流し込むことでサイフォンを始動させる。取水口と排水口とが水面下にある場合には、最高地点でポンプを動かして始動させることもある。また、取水口と排水口との両方でポンプを動かして始動させる場合もある。大規模なサイフォンにおいては液体中に気体が混入していると、液体は最高地点に進むに連れて圧力が低下し、混入した気体が気化して流れを分断する場合がある。あるいは、温度が高い場合も液体が蒸発しやすくなり、蒸気が最高地点に溜まると流れが止まる。大規模なサイフォンでは、最高地点では気体を集めて排出する空気室が設けられる。

誤った説明[編集]

2010年、オーストラリア・クイーンズランド大学の物理学者、スティーブン・ヒューズが辞書など社会で一般に説明されているサイフォンの原理は誤りであると指摘した[2]。サイフォンの原理の説明の多くは大気圧の力によるとされているが、ヒューズは、正しくは重力によると指摘している。ヒューズがこの事に気付くきっかけとなったオックスフォード英語辞典は1911年から大気圧によるものであるとしており、次の版でヒューズの指摘を反映するという[2]

注釈[編集]

関連項目[編集]

理論[編集]

現象[編集]

装置[編集]