はじめに
配管やダクトの中に絞り機構を設けると、流体が通過する断面積が急激に小さくなり、流れが加速します。このとき前後で圧力差が生じます。この圧力差を「圧力損失(圧損)」と呼び、オリフィスはこれを利用した代表的な絞り機構のひとつです。
このページでは、オリフィスの基本的な仕組みと計算式を解説した上で、断面積・流量・流体物性値を入力するだけで圧力損失ΔPを自動計算できるツールを提供しています。空調・換気設計、プラント設計、実験装置の流量管理などにご活用ください。
オリフィスとは？
オリフィスの仕組み
オリフィスとは、配管内に設置された開口部のある板（絞り板）のことです。
流体がオリフィスを通過するとき、絞られた断面を流れるために流速が上昇し、ベルヌーイの定理によって圧力が低下します。この前後の圧力差がオリフィスによる圧力損失です。
流体が絞り部を通過した直後は流れが収縮し、「縮流部(vena contracta)」と呼ばれる最も流れが絞られた断面が形成されます。その後、流れは徐々に拡大しますが、この拡大過程でエネルギーが失われるため、圧力は完全には回復しません。この回復しきれなかった分が「永久圧力損失」として残ります。
オリフィスの用途
オリフィスは主に以下の用途で使われています。
- 流量計測: オリフィス前後の差圧を測定することで、流れている流体の流量を求めることができます。差圧式流量計の最も基本的な形がオリフィス流量計であり、構造がシンプルで保守が容易なため、プラントや実験設備で広く使われています。
- 流量制限: 意図的に流れを絞り、下流の流量や圧力を制御するために使われます。
- 圧力調整: 上流と下流の圧力差を作り出すことで、システム内の圧力バランスを調整します。
計算式
オリフィスでは、流れが開口部を通過することで乱れが生じ、エネルギーが失われます。
このエネルギー損失（圧損）は、以下の式で表されます。
✅ 流量から圧損を求める式
・流量からΔPを求める式は下記のようになっています。
\(\Delta P = \frac{1}{2} \cdot \rho (1-\beta ^{4})\cdot ( \frac{Q}{C \varepsilon A_0}) ^{2} \)
- \( \Delta P \)：圧力損失 [Pa]
- \( \rho \)：流体の密度 [kg/m³]
- \( Q \)：流量 [m3/s]
- \( C \)：流出係数（オリフィスの形状・開口比により決まる)
- \( \varepsilon\)：膨張係数
- \(A_0 \)：オリフィスの開口部面積[m2]
- \( \beta = \frac{d_o}{D} \)：開口比（オリフィス径 ÷ 配管内径）
圧損から流量を求める式
・ΔPから流量を求める式は下記のようになっています。
\( Q= C \varepsilon A_0 \sqrt{\frac{2 \Delta P }{\rho (1- \beta ^ {4} )}} \)
- \( \Delta P \)：圧力損失 [Pa]
- \( \rho \)：流体の密度 [kg/m³]
- \( Q \)：流量 [m3/s]
- \( C \)：流出係数（オリフィスの形状・開口比により決まる)
- \( \varepsilon\)：膨張係数
- \(A_0 \)：オリフィスの開口部面積[m2]
- \( \beta = \frac{d_o}{D} \)：開口比（オリフィス径 ÷ 配管内径）
オリフィスを流量計として使う場合、前後の差圧ΔPを圧力計で測定し、この式から流量を逆算するのが基本的な使い方です。
流出係数Cについて
流出係数C(Coefficient of discharge)は、実際の流量と理論上の流量の比を表す無次元数です。オリフィスを通過する流れは、縮流・摩擦・乱れなどの影響を受けるため、理想的なベルヌーイの計算よりも実際の流量は少なくなります。この補正をするのがCです。
Cの値はレイノルズ数やオリフィスの形状・取り付け条件によって変わりますが、一般的なオリフィスでは0.6〜0.65程度が目安です。
概算計算では0.61前後が用いられます。
参考：JIS Z 8762-2
膨張係数εについて
膨張係数ε(Expansion factor)は、気体のような圧縮性流体を扱う際に必要な補正係数です。
液体のような非圧縮性流体では、オリフィス前後で密度はほぼ変化しないためε ≒ 1.0として計算できます。一方、空気や蒸気などの気体は、圧力が下がると体積が膨張するため、密度が変化します。この影響を補正するのがεです。
εは前後の圧力比や比熱比(気体の種類)によって決まり、圧力差が大きくなるほど1.0より小さくなります。本ツールでは入力値をもとにεを自動計算するため、液体・気体どちらの場合も正確に計算できます。
ツールの使い方
入力項目の説明
| 入力項目 | 説明 |
|---|---|
| 計算モード | 「流量→圧損」か「圧損→流量」のどちらを求めるか選択 |
| 配管内径 | オリフィス上流側の配管の内径 [mm] |
| オリフィス径 | オリフィス開口部の直径 [mm] |
| 流体の種類 | 空気・水など、流体を選択(密度・粘度が自動入力)※手動で手入力もできます。 |
| 密度 | 流体の密度 |
| 流出係数C | デフォルトは0.61。必要に応じて変更可 |
| 流量または圧力損失 | 計算モードに応じて入力 |
圧損計算を行う際には、流体の密度や粘度が重要なパラメータとなります。
本ツールでは代表的な流体を選択できるようにしていますが、より多くの流体や数値を確認したい場合は、下記の記事をご参照ください。
計算
圧損計算に必要な膨張係数\( \varepsilon\)を自動計算し、
その後、圧損を計算します。
計算結果の見方
計算ボタンを押すと以下の結果が表示されます。
- ΔP [Pa]: オリフィスによる圧力損失
- Q [m³/s]: 体積流量
- 流速 [m/s]: オリフィス開口部での流速
- レイノルズ数Re: 流れの状態(層流/乱流)の目安。2300未満が層流、それ以上が乱流
🔧オリフィスの圧損計算ツール
ここからは、オリフィス圧損計算ツールを使って、任意の条件で自動計算できます。
- 流体を選ぶだけで密度、粘度が自動反映
密度の参考には、密度・粘度を正しく入力することが重要です。
流体の密度・粘度に関しては、下記をご覧ください。
- 流量など条件を入力すれば ΔP を即計算
- ε の補正込みで正確な圧損が得られる
まとめ：オリフィスの圧損は設計時に要注意
オリフィスは簡単に流量測定ができる反面、圧力損失が大きいことに注意が必要です。
配管設計では、必要な測定精度と損失のバランスを取ってオリフィスの形状・サイズを選ぶことが大切です。
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様々な圧損の計算の仕方やツールについては、下記のリンクにてまとめています。
