流体損失を見える化して低減する流体力学基礎知識と設計改善アプローチ

はじめに：製造現場で切実な「流体損失」とは？

製造現場や工場の運用コストを抑えるためには、エネルギー損失の抑制が不可欠です。

とりわけ配管内の流体損失（圧力損失や摩擦損失）は、エアーや冷却水、油圧といった流体を多用する現場では、見過ごせない「経営課題」です。

しかし、流体損失は目に見えづらく、そのまま放置されている現場も多く存在しています。

この記事では、流体力学の基礎知識を解説しながら、流体損失を「見える化」するための実践的なアプローチや、設計から運用、改善まで現場目線でできる対策を具体的に紹介します。

製造業のバイヤー、サプライヤーの両方の立場から有用な知識となるはずです。

なぜ、流体損失に注目すべきなのか？

1. 流体損失が組織にもたらす“見えないコスト”

多くの工場では、エアーコンプレッサーや冷却ポンプが年中無休で稼働しており、膨大な電気代・メンテナンス費用がかかっています。

配管や機器の設計や運用が最適でない場合、流体が「必要以上にエネルギーを使って」流れ、〈圧力損失＝電力の損失＝経費の無駄〉として現れます。

たとえば、工場全体のエアー損失を年間10％改善するだけで、数百万円のコスト削減ができる場合もあります。

流体損失の低減は省エネ・SDGs観点からも、今や企業の社会的責任としても重要性が高まっています。

2. 昭和型・アナログ現場の“常識”に潜むリスク

「これで昔から困っていなかった」「設計図通りやっているから大丈夫」――こうした言葉が長年現場を支えてきた一方、技術革新の機運が高まる今、固定観念が合理化やコスト改善の“最大の壁”になっています。

流体損失は「目に見えない」からこそ「長年放置されやすい」問題です。

しかし、流体力学的視点から見直せば、まだまだ現場に“隠れた改善余地”＝「伸びしろ」が多く残されています。

流体力学基礎知識：現場で使える簡単ガイド

1. 流体損失の主要メカニズム

現場で主に論点となる流体損失は、以下の2つに大別できます。

• 摩擦損失（主運動損失）：配管壁面・バルブなどで流体が擦れて生じる
• 局部損失（副損失）：曲がり・合流・拡大・絞り部などで生じる乱流・渦によるエネルギー損失

どちらも、流体の種類・粘性・配管の形状や長さ・流速・内部の凸凹によって変化します。

2. 代表的な計算方法（敷居を下げて解説）

エンジニアでなくても使える「実用的な計算式」をご紹介します。

摩擦損失（ヘッド損失）h_fはおおよそ次の式で表されます。

hf = λ × (L/D) × (v²/2g)

• λ：摩擦係数（レイノルズ数や材質に依存・ハンドブック記載値を利用）
• L：配管長さ（m）
• D：配管内径（m）
• v：流体速度（m/s）
• g：重力加速度（9.8m/s²）

この「配管長さと内径」「設計流速」が増えるほど損失が大きくなることを直感的に理解していれば、機器や配管レイアウトの時点で大きな改善が生まれます。

3. 結果を数値で”見える化”し、現場改革推進力に

計算値はエクセル化・可視化して、プロジェクトで定量的に共有しましょう。

数値化すると「説得力」が生まれ、
・投資対効果算定
・省エネ報告書への根拠
・社内稟議の材料
となり、“職人勘”から“データ根拠”による現場運営にシフトできます。

流体損失低減の「設計」アプローチ

1. 配管設計段階でのポイント

設計段階での取り組みは「後工程コスト」を激減させます。

具体的なアクション例です。

• 配管は極力直線・最短距離で引く
• 曲がり（エルボ）はなるべく少なく、小さな角度で緩やかにする
• バルブ・継手などの局部抵抗部品を最小限に抑える
• 必要以上に小さい内径を選ばず、流速を抑えて圧力損失を低減する

こうした原理原則を念頭に置いた設計を心がけると、長期的なコストパフォーマンスが大きく変わってきます。

2. 機器・コンポーネント選定時の注意点

配管だけでなく、ポンプやバルブ自体の選定も重要です。

• 実際の流量・圧力条件にマッチした「適正容量」の機器を選ぶ（オーバースペックは損失増大の原因）
• 流体の性質（水・油・空気他）や、推奨配管径を必ず仕様書で確認し、メーカーとも擦り合わせる

とくに「昔から使っていたから」という理由だけで標準品を更新すると、現場の実態に合わないことがしばしば発生します。

運用目線でできる「流体損失低減」現場改善ノウハウ

1. 現場で流体損失を”見える化”する測定・点検術

「見えない損失」を見える化するには次のステップがあります。

• 圧力計・流量計（流体別に選定）を“入口・出口で必ず設置して”データを比較する
• 定期的な配管目視点検（サビ・詰まり・エア漏れ発見）を行う
• 古くなった配管・バルブは、小さな漏れでも積極的に交換する

こうした測定、点検データの蓄積が「現状の損失量＝コストロスの見える化」につながり、現場全体の改善モチベーションを引き上げます。

2. 計画保全と突発トラブル回避でコストを抑える

「計画保全（PM）」の導入が現場の7割稼働を守ります。

たとえば

• 劣化ポイントに予め点検サイクルを設け、汚れ・漏れが進行する前に補修
• バルブ・ポンプのクリアランス・シールなど消耗部品を“定期”で部品取替する

突発対応は人件費やダウンタイム、材料ロスを劇的に増やします。

事前対策が「ムリ・ムダ・ムラの排除」を現場レベルで推進できます。

IoT・DXで流体損失をリアルタイム管理する革新例

1. スマートファクトリー事例

最近はIoT技術とセンサー連携が容易になり、各種配管ラインの流量・圧力データを“遠隔・24時間”自動収集するスマートファクトリーが増えています。

センサーのデータを
・グラフ表示
・アラート通知
・異常時の履歴ロギング
することで、「いち早く」「確実に」損失増大や設備異常を把握できます。

ひと昔前より導入コストも下がっており、投資対効果は高いと言えます。

2. 小規模現場でも使える単純IoT化のアイディア

クラウド型圧力計やバッテリー式エアリーク検知器など、簡易IoTデバイスを既設配管に後付けする事例もあります。

たとえば、異常値をスマホやPCに自動通知し、「重大事故になる前の発見・即対応」といった未然防止にもつなげられます。

中小工場や現場単位でも一部分からIoTを試すことで、現状把握→改善施策立案→効果測定という『品質管理サイクル』を回しやすくなります。

バイヤー・サプライヤーのための”知っておきたい”産業構造変革

1. グリーン調達の拡大とサステナビリティ経営

大手バイヤー企業を中心に、「納入品のライフサイクルCO2」や「エネルギー効率」への要求水準は年々高まっています。

流体損失低減の取組みは、こうしたグリーン調達基準への適応（カーボンフットプリント削減・環境アピール）にも直結します。

サプライヤーとしても「当社はこのような流体損失低減策を講じています」と説明できれば、今後の受注競争で有利に働くでしょう。

2. より高度な協業・提案型取引の必要性

バイヤーは従来の「価格・納期・品質」だけでなく、「省エネ改善能力」も重視します。

サプライヤー側も、流体損失を含めたエネルギー・生産性改善のコンサル提案や付加価値サービスを打ち出す力が欠かせません。

こうした”共創”で現場の体質を底上げできれば、業界全体の競争力向上にもつながります。

まとめ：目に見えない「流体損失」を制する者が、工場経営・現場改善を制す

流体損失は、Excel上の「損益計算書」や「目視」で表れにくいものの、製造現場の利益・生産効率・安定稼働に大きな影響を及ぼします。

基本の流体力学的知見を踏まえ、
・設計段階での流体損失削減策
・現場でのデータ取得・可視化
・IoT活用による管理レベル向上
を積み重ねることで、競争力のある持続的な現場運用が実現します。

アナログな現場文化から抜け出し、本質的な“現場力・改善力”で昭和型製造業から次代のリーダーへ――。

あなたの現場や仕事に、この記事が何らかのヒントや小さな変化をもたらすことを願っています。