真空ポンプの選択と計算の究極ガイド

真空の概念の紹介

真空とは、大気中に比べて気体含有量が著しく減少した空間を指す。実用的な工学用途では、真空とはガス圧が大気圧（海抜101,325Paまたは760Torr）より低いあらゆる環境と定義される。真空の度合いは、この圧力低下の程度によって特徴付けられ、低真空から超高真空まである。

真の真空（絶対零度圧力）とは、体積の中に物質が一切存在しない理論上の状態を表す。しかし、この理想的な状態を実現することは、量子効果や宇宙放射線の遍在など、基本的な物理的制約のために現実的には不可能である。

工業プロセスにおいて、真空技術は薄膜蒸着、電子顕微鏡、宇宙シミュレーションチャンバーなど様々なアプリケーションで重要な役割を果たしている。必要とされる真空のレベルは特定のアプリケーションによって異なり、分子干渉や汚染を最小限に抑えるために超高真空条件（10^-7 Pa以下）が要求されるプロセスもある。

真空の概念を理解することは、特に半導体製造、航空宇宙試験、先端材料研究などの産業において、製造プロセスを最適化するために不可欠です。適切な真空システムの設計とメンテナンスは、これらのハイテク製造環境におけるプロセス効率、製品品質、機器の寿命を確保するために不可欠です。

真空度

定義と重要性

真空度は、真空レベルまたは真空の質としても知られ、限定された空間からのガス除去の程度を定量化するもので、通常は圧力単位で表される。与えられた体積内の気体分子のレアファクションを表し、圧力値が低いほど真空度が高いことを示します。このパラメータは、特に汚染物質や不要な化学反応のない、正確に制御された環境を必要とする数多くの産業用途において極めて重要です。

金属加工と製造において、真空技術はいくつかの重要なプロセスで極めて重要な役割を果たしている：

1. 真空熱処理：加熱サイクル中の酸化や望ましくない化学反応を防止することで、材料特性の精密な制御を可能にします。
2. 真空ろう付け：複雑な金属アセンブリーにおいて、フラックスなしで高強度、漏れのない接合を容易にし、よりクリーンで信頼性の高い接続を実現します。
3. 真空鋳造：鋳造プロセス中に閉じ込められたガスや酸化物を除去することにより、高品質で気孔のない金属部品の製造を保証します。
4. 物理蒸着（PVD）：金属表面に薄く高性能なコーティングを成膜し、耐摩耗性、耐食性、その他の機能特性を向上させる。
5. 電子ビーム溶接：航空宇宙および自動車産業における高度な合金の接合に不可欠な、熱影響部を最小限に抑えた厚い材料の深い溶け込み溶接を可能にします。

真空度の正確な制御は、製品品質、プロセス効率、材料特性に直接影響するため、これらのプロセスを最適化するために不可欠です。さらに、金属の積層造形のような新しい技術では、真空条件は酸化を防ぎ、高密度で欠陥のない部品の生産を保証する上で重要です。

真空度の種類

工業用金属加工および製造アプリケーションでは、主に2種類の真空度が重要である：

絶対真空：気体分子や粒子が理論上まったく存在しない状態を表す。完全な絶対真空を実現することは現実的に不可能だが、重要な基準点として機能する。金属加工では、絶対圧はこの完全な真空状態を基準として測定されます。この測定は、真空熱処理など、チャンバー環境の正確な制御が特定の材料特性を達成するために重要なプロセスで不可欠です。

相対真空（ゲージ圧）：システムの内部圧力と周囲の大気圧との圧力差を指します。ゲージ圧と呼ばれることが多く、工業用真空システムで最も一般的に使用される測定法です。相対真空は、シートメタルの真空成形、真空鋳造、複合材料の真空アシスト樹脂トランスファー成形（VARTM）などのプロセスで特に重要です。ゲージ圧の測定値は、プロセス制御と品質保証にとって重要な有効真空レベルを直接示します。

これらの真空タイプを理解することは、以下のような様々な金属製造プロセスを最適化するために不可欠である：

1. 真空冶金：高純度合金の製造
2. 電子ビーム溶接：超高真空条件が必要
3. プラズマスプレーコーティング制御された雰囲気が塗装品質に影響する場合
4. 真空ろう付け：複雑なアセンブリの強固でクリーンな接合

これらの真空タイプの正確な測定と制御は、高度な金属製造プロセスの効率、品質、再現性に直接影響します。

測定と解釈

真空計に表示される値は真空度と呼ばれる。この測定値は、実際のシステム圧力が大気圧よりどの程度低下しているかを数値化したものです。ここでのゲージ圧は、大気圧と真空システム内の絶対圧の差を表します。

真空測定を理解するには、いくつかの重要な要素を考慮する必要がある：

1.絶対圧とゲージ圧：絶対圧が完全な真空（ゼロ圧）に対して相対的に測定されるのに対し、ゲージ圧は大気圧に対して相対的に測定されます。真空システムでは、ゲージ圧は通常負圧です。

2.測定単位：真空は、torr、パスカル（Pa）、bar、インチ水銀（inHg）など、さまざまな単位で表すことができる。単位の選択は、多くの場合、用途や地域の好みによる。

3.真空範囲：さまざまな真空計は、特定の圧力範囲用に設計されています：

• 粗真空：103～10-3 torr
• 中真空：10-3～10-7 torr
• 高真空：10-7～10-12 torr
• 超高真空：10-12torr以下

4.ゲージの種類：真空の範囲によって、次のようなさまざまなタイプのゲージが使用されます：

• 粗真空用ブルドン管
• 広範囲のキャパシタンスマノメーター
• 中真空用ピラニゲージ
• 高真空・超高真空用イオナイゼーションゲージ

5.環境要因：気象条件や高度による気圧の変化は、ゲージの読みに影響を与えることがあり、正確な測定のためには考慮する必要があります。

6.校正：真空ゲージの定期的な校正は、特に半導体製造や科学研究のような重要な用途では、精度を確保するために非常に重要です。

真空測定を正確に解釈することは、さまざまな産業および科学的用途において、プロセス制御を維持し、製品品質を保証し、システム性能を最適化するために不可欠です。

業界用語と計算

業界では、真空度は究極の相対圧力としても知られています。真空度＝大気圧-絶対圧真空度＝大気圧-絶対圧標準状態では、大気圧を101325Pa（パスカル）とするのが一般的です。最終絶対圧は使用する真空ポンプの種類によって異なります：

• 水リング真空ポンプ:究極の絶対圧は約3300Pa。
• ロータリーベーン真空ポンプ:究極の絶対圧は約10Pa。

究極の相対圧

ゲージ圧とも呼ばれる相対圧は、大気圧に対する容器内の圧力を測定します。大気圧よりも低い実際のシステム圧力を示す。容器内の空気が送り出されると、内部の圧力は外部の大気圧よりも下がります。そのため、この圧力を相対圧力またはゲージ圧で表す場合、内圧が外圧より低いことを示す負の符号が使用されます。

究極の絶対圧

極限絶対圧とは、圧力値が0Paである完全真空と比較した容器内の圧力を指す。技術的な制約により、完全な真空（0 Pa）を達成することは不可能である。従って、真空ポンプによって達成される真空レベルは、常に理論真空値よりも高くなります。この値を絶対圧で表す場合、負の符号は必要ありません。例えば、装置の真空度が0.098MPaと表示されている場合、容器内の絶対圧が完全真空より0.098MPa高いことを意味します。

揚水能力

ポンピング容量は、真空ポンプのポンピング速度を測定する重要な要素で、通常、リットル/秒（L/s）または立方メートル/時（m³/h）などの単位で表されます。システムのリーク率を考慮します。

排気能力の高い真空ポンプは、所望の真空レベルを容易に達成できるが、排気能力の低いポンプでは、同じ容量の容器を排気しても、所望の真空レベルに到達するのに時間がかかったり、到達できなかったりすることがある。これは、パイプラインや容器からのガス漏れを完全に防ぐことは不可能であり、ポンプ能力が高いと、漏れによる真空度の低下を補うことができるからである。

従って、理論排気容量を計算する際には、排気容量の大きい真空ポンプを選択することをお勧めします。以下に排気能力の計算式を紹介する。

計算例

例えば、装置の真空度が0.098MPaと表示されている場合、ゲージ圧で表すと実際には-0.098MPaとなります。しかし、絶対値では完全真空より0.098MPa高いままです。

Pa、KPa、MPa、mbar、bar、mmH2O、Psi間の換算方法を以下の表に示す：

試験室で一般的に使用される圧力単位の換算表

真空ポンプの選択

適切な真空ポンプを選択することは、それがサポートするプロセスの効率性と有効性を確保するために非常に重要です。以下は、留意すべき主な検討事項です：

1.プロセスに必要な真空度

真空ポンプの作動圧力は、プロセス要件を満たさなければならない。選択する真空度は、真空装置の真空度の半分から1桁高いものでなければならない。例えば、絶対圧で要求される真空度が100Paの場合、選択される真空ポンプは少なくとも50-10Paの真空度を有するべきである。

• 絶対圧要件 > 3300 Pa:水リング真空ポンプを優先すべき。
• 絶対圧要件 < 3300 Pa:ロータリーベーン真空ポンプまたは真空度の高い真空ポンプを選択する必要があります。

2.プロセスに必要なポンプ容量

真空ポンプの揚水速度（使用圧力下で気体、液体、固体物質を排出する能力）は、一般的にm³/h、L/s、m³/minなどの単位で表されます。真空ポンプを選定する際の具体的な計算式は、以下の式で求めることができます：

どこでだ：

• S:真空ポンプの排気速度（L/s）。
• V:真空チャンバーの容積（L）。
• t:必要な真空度に達するまでの時間（秒）。
• P1:初期圧力（単位：Pa）。
• P2:必要な圧力（単位：Pa）。

3.送液対象物の組成の決定

適切な真空ポンプを選択するには、ポンピングされる対象物の性質を理解することが不可欠です：

• 対象物の種類:物体が気体か液体か粒子かを判断する。
  • ガスに水蒸気や粒子状物質などの不純物が含まれている場合は、ロータリーベーン真空ポンプを注意して使用してください。
  • 高真空を必要とする場合は、ロータリーベーン真空ポンプを使用する前に、不純物を取り除くフィルター装置を追加してください。
• 腐食性:対象物が腐食性物質（酸性またはアルカリ性）であるかどうか、およびそのpH値を評価する。ガス中に腐食性物質が含まれている場合は、ロータリーベーン真空ポンプを使用する前に、ろ過または中和する必要がある。
• 汚染の可能性:対象物がゴムや油製品を汚染するかどうかを考慮する。ポンピングされる媒体に応じて、異なる真空装置を選択する必要がある。ガスに多量の蒸気、粒子、腐食性ガスが含まれている場合は、コンデンサーやフィルターなど、ポンプの入口配管に適切な補助装置を設置してください。
• 騒音、振動、外観:これらの要因が工場環境に影響を及ぼすかどうかを評価する。
• 品質とコスト:機材の質、輸送費、維持費を優先する。諺にもあるように、"支払ったものは手に入る"。

これらの要素を考慮することで、プロセスの特定のニーズを満たす真空ポンプを選択し、最適な性能と寿命を確保することができます。

真空システムの排気速度と構成

真空システムは、さまざまな産業および科学的用途に不可欠であり、効果的に機能するためにさまざまな真空レベルを必要とします。このような様々な真空レベルを達成するためには、多くの場合、異なる圧力範囲で作動する真空ポンプの組み合わせが必要となります。この記事では、高真空、中真空、低真空ポンプの使用に焦点を当て、真空システムの構成とポンピング速度の考察について説明します。

真空システムの基本構成

ダイレクトベント真空ポンプ

最も単純な真空システム構成は、大気に直接排気するダイレクトベント真空ポンプである。このセットアップは低真空用途には適しているが、高真空レベルを達成するには不十分である。

多段真空ユニット

高・中真空システムには、通常、多段式ユニットが必要である：

• 高真空システム:一般的に3段ユニットが必要。
• 中真空システム:通常、2段式ユニットを使用する。

高真空システムにおける課題

1台の高真空ポンプと1台の低真空ポンプだけで効果的な高真空システムを構築するのは、いくつかの要因から難しい：

流れの継続性

高真空ポンプには、前段で扱える圧力に制限があります。前段圧力がある閾値を超えると、高真空ポンプは正常に機能しなくなります。この圧力制限は、ポンピング速度の低下を招き、流れの連続性を乱し、真空ユニットの故障の原因となります。

中真空ポンプでギャップを埋める

流れの連続性の問題に対処するために、高真空ポンプと低真空ポンプの間に中真空ポンプを導入することができる。この中間ポンプにより、すべてのポンプが最適な圧力範囲で作動するようになります。ルーツポンプ（ルーツブースターポンプとも呼ばれる）は、中真空領域（数Pa～数百Pa）で効果的に作動する能力があるため、この目的に最適です。

効率に関する考察

予備ポンプ時間

特に定期的なポンピングが必要な真空装置では、プレポンピングの時間は非常に重要です。従来の高真空ポンプの初期作動圧力は数Paの範囲にあり、メインポンプが始動する前に、前段ポンプでこの圧力まで予備排気する必要があります。このプロセスは、圧力が高くなるにつれてポンピング速度が低下するため、時間がかかることがあります。

分子ブースターポンプ

分子ブースターポンプは、中真空と高真空の性能を組み合わせたソリューションを提供します。高い圧縮比と中真空領域での強力な排気能力を持ち、従来の多段ユニットからの置き換えに適しています。これらのポンプは100～50Paの範囲で効率的に運転でき、プレポンプの負担を大幅に軽減し、システム全体の効率を高めます。

高真空ユニットの簡素化

分子ブースターポンプは、ルーツポンプを不要にすることで、高真空ユニットを簡素化することができます。大規模な高真空アプリケーションの場合、前段ポンプのプリポンプ機能を強化することで、ポンピング時間をさらに短縮することができます。また、プリステージポンプは複数の装置に対応することができ、真空ユニットの構成を合理化することができます。

中真空アプリケーション

10-1Paの範囲の圧力を必要とする中真空アプリケーションでは、多くの場合、3段ルーツポンプユニットが必要です。しかし、分子ブースターポンプは10-1 Paで全ポンプ速度を達成できるため、3段式中真空ユニットにおいて2段式ルーツポンプに取って代わることができます。

結論

真空システムの構成と排気速度は、所望の真空レベルを効率的に達成するために非常に重要である。高真空ポンプ、中真空ポンプ、低真空ポンプなど、さまざまな真空ポンプの限界と能力を理解し、分子ブースターポンプのような高度なソリューションを取り入れることで、真空システムの性能を最適化し、構成を簡素化することができます。このアプローチにより、真空システムは、工業プロセスから科学研究まで、さまざまなアプリケーションで効果的に動作するようになります。