真空ポンプ：種類、応用、およびその仕組み

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真空ポンプの種類

真空ポンプは、密閉された容器またはチャンバからガス分子を取り除き、部分的または完全な真空を作り出す装置です。真空ポンプは、航空宇宙、電子工学、冶金、化学、医療、バイオテクノロジーなどのさまざまな産業や研究分野で広く使用されています。真空包装、真空成形、真空コーティング、真空乾燥、真空ろ過などの用途にも使用されます。

この記事では、真空ポンプとは何か、その仕組み、主な特徴と種類、そして一般的な用途について説明します。

真空ポンプとは？

真空ポンプは、容器またはチャンバ内の圧力を低下させるためにガス分子を取り除く装置として定義されます。真空ポンプによって達成される真空度は、ポンプの設計、抽出するガスの種類、チャンバの容積、ガスの温度、システムの漏れ率など、いくつかの要素に依存します。

最初の真空ポンプは1650年にオットー・フォン・ゲリッケが発明しました。彼は、2つの半球を用いて、ポンプで空気を抜いた後にそれらを接合し、馬のチームでもそれらを分離できないことを示しました。これは大気圧の作用によるものでした。その後、ロバート・ボイルとロバート・フックがゲリッケの設計を改良し、真空の性質に関する実験を行いました。

真空ポンプの主な特徴は何ですか？

真空ポンプを特徴付ける3つの主要な特性があります：

排気圧
真空度
吸引速度

排気圧

排気圧は、ポンプの出口で測定される圧力です。これは大気圧と同じかそれ以下になります。異なる真空ポンプには異なる排気圧が設定されています。通常、高真空を作り出すためのポンプは低排気圧を持っています。例えば、10-4または10-7トル（圧力の単位）という非常に高い真空を作り出すには、非常に低い排気圧が必要です。

一部の高真空ポンプは、動作する前に低排気圧を維持するためにバックアップポンプを必要とします。バックアップポンプは、別のタイプの真空ポンプまたはコンプレッサーである場合があります。バックアップポンプによって作られる圧力をバック圧または前圧と呼びます。

真空度

真空度は、真空ポンプが容器またはチャンバ内で作り出せる最小圧力です。これは最終圧または基準圧とも呼ばれます。理論的には、チャンバ内で絶対真空（ゼロ圧力）を作ることは不可能ですが、実際には約10-13トル以下の非常に低い圧力を作ることは可能です。

真空ポンプによって達成される真空度は、ポンプの設計、抽出するガスの種類、チャンバの容積、ガスの温度、システムの漏れ率など、いくつかの要素に依存します。

吸引速度

吸引速度は、特定の圧力でポンプが容器またはチャンバからガス分子を取り除く速度を定義します。単位時間あたりの体積で測定され、リットル毎秒（L/s）、立方フィート毎分（CFM）、または立方メートル毎時（m3/h）などの単位で表されます。吸引速度はまた、吸込能力または通過量とも呼ばれます。

吸引速度は、ポンプの設計、抽出するガスの種類、ポンプの入口と出口の間の圧力差、およびシステムの導電性に依存します。

真空ポンプの種類は何ですか？

市場には多くの種類の真空ポンプが存在します。これらは主に2つのカテゴリーに分類できます：ポジティブディスプレースメントポンプと運動エネルギー式ポンプ。

ポジティブディスプレースメントポンプ

ポジティブディスプレースメントポンプは、入口で一定の体積のガスを捕らえ、それを出口でより高い圧力に圧縮することによって動作します。これらのポンプは、低から中程度の真空（最大10-3トル）を作り出すことができます。ポジティブディスプレースメントポンプの例としては：

ロータリーベーンポンプ
ピストンポンプ
ダイアフラムポンプ
スクリューポンプ
スクロールポンプ
ルーツブロワー

ロータリーベーンポンプ

ロータリーベーンポンプは、最も一般的なタイプのポジティブディスプレースメントポンプの一つです。

ロータリーベーン油封式真空ポンプ

これらは、径方向のベーンを持つ円筒状のローターで構成されており、ローターがスターター内を回転するときにベーンが出入りします。ベーンは、ローターとスターターの間の空間を分割し、入口から出口へ移動する際にその体積が変化します。チャンバが入口から出口へ移動する際に、低圧のガスを捕らえ、それを高圧に圧縮してから出口に放出します。

ロータリーベーンポンプは、オイルシール式またはドライ式があります。

固定ベーン油封式真空ポンプ

オイルシール式ロータリーベーンポンプは、ベーンとスターター間の潤滑剤兼シール材としてオイルを使用します。オイルはまた、システムから一部のガス分子を取り除く役割も果たします。ドライ式ロータリーベーンポンプはオイルを使用せず、他の材料やコーティングを用いてベーンとスターター間の摩擦と摩耗を減らします。

ロータリーベーンポンプは、0.5〜1000 L/sの吸引速度で10-3トルまでの真空を作り出すことができます。

ピストンポンプ

ピストンポンプは、シリンダ内でガスを圧縮するための1つ以上のピストンを使用する別のタイプのポジティブディスプレースメントポンプです。ピストンは、ガスの流れを制御する両端にバルブを持つシリンダ内で前後に動きます。ピストンが前方に動くと、一方のシリンダ端からガスを押し出し、もう一方の端から入口バルブを通じてガスを取り込みます。後方に動くと、入口バルブを閉じ、出口バルブを開いて圧縮されたガスを放出します。

ピストンポンプは、シングルステージまたはマルチステージがあります。シングルステージピストンポンプは、ピストンあたり1つのシリンダしか持たないのに対し、マルチステージピストンポンプは、ピストンあたり2つ以上のシリンダを直列に接続しています。マルチステージピストンポンプは、ガスを複数回圧縮することで、シングルステージピストンポンプよりも高い真空を作り出すことができます。

ピストンポンプは、1〜1000 L/sの吸引速度で10-3トルまでの真空を作り出すことができます。

ダイアフラムポンプ

ダイアフラムポンプは、柔軟なダイアフラムを使用してチャンバ内でガスを圧縮する別のタイプのポジティブディスプレースメントポンプです。ダイアフラムは、電動モーターや偏心カムによって前後に動くロッドに取り付けられています。ダイアフラムが前方に動くと、そのチャンバからガスを出口バルブを通じて押し出し、別のチャンバから入口バルブを通じてガスを取り込みます。後方に動くと、出口バルブを閉じ、入口バルブを開いてガスの流れを許可します。

ダイアフラムポンプは、潤滑剤またはシール材としてオイルまたは他の流体を使用しないドライポンプです。腐食性、引火性、または汚染できない敏感なガスの移送に適しています。また、どの向きでも性能に影響を与えることなく動作することができます。

ダイアフラムポンプは、0.1〜100 L/sの吸引速度で10-3トルまでの真空を作り出すことができます。

スクリューポンプ

スクリューポンプは、2つの交差するスクリューを使用してチャンバ内でガスを圧縮する別のタイプのポジティブディスプレースメントポンプです。スクリューは、両端に入口と出口ポートを持つ円筒形のハウジング内で反対方向に回転します。スクリューが回転すると、スクリューの溝に沿ってガスを入口から出口まで移動させ、その体積を減少させ、圧力を増加させます。

スクリューポンプは、オイルシール式またはドライ式があります。オイルシール式スクリューポンプは、スクリューとハウジング間の潤滑剤兼シール材としてオイルを使用します。オイルはまた、システムから一部のガス分子を取り除く役割も果たします。ドライ式スクリューポンプはオイルを使用せず、他の材料やコーティングを用いてスクリューとハウジング間の摩擦と摩耗を減らします。

スクリューポンプは、10〜1000 L/sの吸引速度で10-3トルまでの真空を作り出すことができます。