真空ポンプとは
真空ポンプは、装置や容器から空気を排出し、真空にするための装置です。真空ポンプは、ポンプ、排気口、吸気口で構成されています。ポンプには、真空にするための仕組みが多く開発されています。
真空度には低真空、中真空、高真空などがあり、必要な真空度や、真空に到達するまでの時間、使用する温度環境を考慮して、使用する真空ポンプを適切に選定する必要があります。油を使用するかどうかで、ドライポンプとウェットポンプに分けられます。
真空ポンプの使用用途
真空ポンプは、医療機器や医療機器の製造過程、食品工場、電気機器、半導体の製造過程などで使用されます。また、真空を必要とする医療機器や理化学機器の補器としても使われます。真空ポンプは10種類以上の原理が開発されており、それぞれの特性を理解して適切に選定する必要があります。
真空ポンプの主な使用用途は以下の通りです。
- 歯科医療時の唾液の吸引機
- 魔法瓶における真空部の作成
- 半導体プロセスにおけるプラズマ使用時の真空環境作成
- 食品梱包材の接着時
- 理化学研究機器用の真空源( エバポレータ、ろ過、真空乾燥器、デシケータ、等 )
- 工場における生産設備用大容量真空ポンプ
真空ポンプの原理
真空ポンプを動作原理により分類し、そのうち代表的なものの動作原理を説明します。
1. 油回転真空ポンプ
油回転真空ポンプは、回転するローターなどの働きで吸入した空気を押し出すようにして排気する真空ポンプで、気密性を高めるために油を使うウェットポンプの総称です。ロータリー真空ポンプとも呼ばれます。
詳細な形式として、回転翼型油真空ポンプ、カム形油回転真空ポンプ、揺動ピストン型油回転真空ポンプなどがあります。回転翼、カム、ピストンに結合した揺動部と、空気と接する部位の形は異なりますが、いずれの形式でも、ローターの回転に伴って空気を排出することで真空を作ります。
油を使う以上、油の蒸気圧が真空の限界となりますが、油の働きで安定した性能を発揮でき、小型の装置で容易に中真空を得ることができます。
2. 油拡散真空ポンプ
油拡散真空ポンプは、ボイラーとジェットノズル、凝縮機で構成されています。ボイラーで加熱して蒸気になった油をジェットノズルにより超音速で噴射し、ポンプ内の空気分子を排気口に押し出します。蒸気になった油は凝縮器で液体の油となり再利用されます。
3. 回転翼型ドライ真空ポンプ
回転翼型ドライ真空ポンプは、回転するローターとベーンが吸気口から吸入した空気をかき出すようにして排気する真空ポンプで、油を使わないものです。空気の逆流を防ぐことが出来ないため、低真空状態が限界になりますが、大きな排気速度を得ることができます。
4. 揺動ピストン型ドライ真空ポンプ
揺動ピストン型ドライ真空ポンプは、偏心回転軸に連動するピストンによって、空気を押し出すようにして排気する真空ポンプです。構造上、空気の逆流を防ぐことができないため、低真空状態が限界になりますが、メンテナンスが容易です。
5. ダイアフラム型ドライ真空ポンプ
ダイヤフラムポンプ( 膜ポンプ )とは、ゴム、樹脂、金属といった素材から成るダイアフラムの往復運動と逆止弁を組み合わせて流体を輸送するポンプです。真空ポンプとする場合、逆止弁があるため気密に油を用いる必要が無く、ドライポンプとすることができます。往復運動に伴い、真空にしたい側から空気を吸い込み、大気側に吐き出すことを繰り返して真空を作ります。
6. スクロール型ドライ真空ポンプ
スクロール型ドライ真空ポンプは、渦巻型のステータとローターの運動の組み合わせによって排気するドライ真空ポンプです。渦巻の運動により、空気を中央に寄せて、中央部から排気します。
7. ターボ分子ポンプ
ターボ分子ポンプは、タービンの形をしたドライ真空ポンプです。タービン翼を分子の熱運動に近い速度で高速回転させ、タービン翼の傾きに応じた分子運動の偏りを作ることで排気を行います。タービン翼の高速回転を可能とするため、ある程度の真空中で使用する必要があり、他の真空ポンプと組み合わせて使われます。
真空ポンプの選び方
真空ポンプの選定では、到達真空度、排気時間、排気容量などを考慮してポンプの種類を決定します。真空度には低真空、中真空、高真空などがあり、それぞれに合った真空ポンプがあります。
1. 低真空用の真空ポンプ
低真空用では、ダイアフラム型ドライポンプ、揺動ピストン型ドライポンプ、回転翼型ドライポンプなどがあります。ダイアフラム型は回転翼型ドライポンプのような摺動部がないので煽動による微粒子が発生せず、クリーンな真空を得ることができます。揺動ピストン型は構造がシンプルでメンテナンスが容易です。回転翼型は大きな排気速度を得ることができます。
2. 中真空用の真空ポンプ
中真空用では、スクロール型、油回転型などがあります。スクロール型は多くの製品で2段圧縮により効率を確保しており、低振動、低騒音なものとなっています。油回転型は名前の通り、油により潤滑、密封を行っているため効率が良く、真空度の安定性が良いポンプです。
3. 高真空用の真空ポンプ
高真空用では、2つのローターを回転させて吸引、圧縮するルーツ型( メカニカルブースター )真空ポンプ、多段のルーツ型ポンプを一体化した多段ルーツ型真空ポンプ、構造がシンプルで排気速度が大きい油拡散型真空ポンプなどがあります。更に超高真空用と呼ばれるものにターボ分子ポンプやクライオポンプなどがあります。
このように様々な種類の真空ポンプがあるため、その特徴や特性を良く理解し、用途に合ったものを選択することが大切です。
真空ポンプの使い方
真空を使用した設備では、到達真空度、排気時間を考慮して真空ポンプを選定します。しかし、一般的に真空度が上がると排気速度が遅くなること、高真空用ポンプの中には大気圧状態では使用できないものがあることから、真空ポンプ単独ではなく、組み合わせて使用する場合があります。
例えば、「低真空で排気速度の速いポンプ」と「高真空のポンプ」を切り替えて併用したり、同時使用したりすることで、高真空でもある程度の排気速度が得られます。
具体例としては、油回転型で低真空領域まで真空引き( 粗引き )し、その後、メカニカルブースターポンプに切り替えて高真空まで真空引き( 本引き )する方法が挙げられます。
また、2種類の真空ポンプを連結し、中低真空用ポンプを介することで大気圧でも高真空用ポンプを使用できるようにすることもあります。
真空ポンプのその他情報
真空ポンプのオイル
油回転真空ポンプは、正しく使えば安定した性能を発揮しますが、オイルの管理が重要です。気体を吸引して真空をつくる性質上、どうしても吸引したものの中にある不純物( 水など )がオイルに混入してしまいます。このような不純物がオイルの性能を劣化させます。
ほとんどの油回転真空ポンプには、ガスバラストといって揮発性の成分を蒸発させる機能があるので、定期的にガスバラストを行うとよいでしょう。オイル量の日常点検、定期的なオイル交換も重要です。また、「オイルを汚染しやすい用途であるが安価なのでとりあえず油回転真空ポンプを設置していた」など、状況によっては近い性能のドライポンプに置き換えるなどの見直しも意義があるかもしれません。
参考文献
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jvsj2/56/6/56_13-LC-014/_pdf
https://www.jstage.jst.go.jp/article/tsj1973/23/11/23_11_657/_pdf
https://www.jstage.jst.go.jp/article/tsj1973/23/11/23_11_670/_pdf
https://ulvac-kiko.com/support/pump_types.html