拡散ポンプ

拡散ポンプは、高速の蒸気ジェットを使用して、ポンプスロート内のガス分子をポンプの底部から排気口に導きます。これらは、自由分子流の領域で動作する最初のタイプの高真空ポンプであり、ガス分子の動きは、従来の流体力学よりも拡散として理解できます。 1915年にヴォルフガング・ゲーデによって発明され、彼はそれを拡散ポンプと名付けました。これは、彼の設計が、ガスは蒸気の流れに逆らって拡散することはできず、一緒に排気口に運ばれるという発見に基づいていたためです。^[1]ただし、拡散は他のタイプの高真空ポンプでも役割を果たしているため、動作原理はより正確にはガスジェットポンプとして説明される可能性があります。現代の教科書では、拡散ポンプは運動量転送ポンプに分類されています。

拡散ポンプは、産業用途と研究用途の両方で広く使用されています。最新の拡散ポンプのほとんどは、作動流体として シリコン オイルまたはポリフェニル エーテルを使用しています。

19 世紀後半、真空のほとんどはシュプレンゲル ポンプを使用して作られました。このポンプは操作が非常に簡単で、十分な時間があればかなり良好な真空を実現できるという利点がありました。しかし、後のポンプと比較すると、排気速度が非常に遅く、液体水銀の蒸気圧によって最終的な真空度が制限されました。

分子ポンプの発明に続いて、ヴォルフガング・ゲーデは1915年に拡散ポンプを発明し^[2]、当初は作動流体として元素水銀を使用していました。発明後、その設計はすぐにライボルドによって商品化されました^[3]。その後、アーヴィング・ラングミュア^[4]とW・クロフォードによって改良されました。セシル・レジナルド・バーチは1928年にシリコーンオイルを使用する可能性を発見しました^[5]。

オイル拡散ポンプは、容積式ポンプのみを使用する場合よりも高い真空 (低い圧力) を実現するために使用されます。これまでは主に 1 × 10 ⁻⁹  mbar (1 × 10 ⁻⁷  Pa ) までの高真空範囲で使用されていましたが、今日の拡散ポンプは、最新の流体やアクセサリを適切に使用すると、1 × 10 ⁻¹⁰ mbar  (1 × 10 ⁻⁸ Pa) に近い圧力を生成できます 。高真空および超高真空での使用において拡散ポンプが魅力的なのは、すべてのガスに対する排気速度が高く、同じ真空範囲で使用される他のタイプのポンプと比較して排気速度あたりのコストが低いという特徴があります。拡散ポンプは大気中に直接排出できないため、通常は機械式フォアポンプを使用して、約 0.1 mbar (10 Pa) の出口圧力を維持します。

オイル拡散ポンプは、蒸気圧の低いオイルで作動します。流体を沸騰させ、その蒸気をジェット アセンブリに通すことで、高速ジェットが生成されます。ノズルに入るときはオイルが気体であることに注意してください。ノズル内では、流れが層流から超音速および分子流に変わります。多くの場合、ポンプ作用を強化するために、複数のジェットが直列で使用されます。拡散ポンプの外側は、空気流、水ライン、または水を満たしたジャケットを使用して冷却されます。蒸気ジェットが拡散ポンプの外側の冷却されたシェルに当たると、作動流体が凝縮して回収され、ボイラーに戻されます。ポンプで汲み上げられたガスは、圧力が上昇した状態でポンプのベースに流れ続け、拡散ポンプの出口から流出します。そこで、二次機械式フォアポンプによって周囲圧力まで圧縮されて排出されます。

ターボ分子ポンプやクライオポンプとは異なり、拡散ポンプには可動部品がないため、非常に耐久性と信頼性に優れています。拡散ポンプは、1 × 10 ⁻¹⁰～ 1 × 10 ⁻²  mbar (1 × 10 ^{−8 ～ 1 Pa) の圧力範囲で作動します。拡散ポンプは}対流のみで駆動されるため、エネルギー効率が非常に低くなります。

拡散ポンプの大きな欠点の 1 つは、真空チャンバーにオイルが逆流する傾向があることです。このオイルはチャンバー内の表面を汚染したり、高温のフィラメントや放電と接触して炭素質または珪質の堆積物が生じる可能性があります。逆流があるため、オイル拡散ポンプは、非常に敏感な分析機器や、極めてクリーンな真空環境を必要とするその他の用途には適していませんが、水銀拡散ポンプは、金属堆積用の超高真空チャンバーの場合に適している場合があります。逆流を最小限に抑えるためにコールド トラップとバッフルが使用されることがよくありますが、これによりポンプ速度がいくらか低下します。

拡散ポンプのオイルは、高温の状態で大気にさらすことはできません。さらすとオイルが酸化し、交換が必要になります。火災が発生すると、煙や残留物がシステムの他の部分を汚染する可能性があります。

最も安価な拡散ポンプ油は、二重蒸留によって精製された炭化水素をベースにしています。他の流体と比較して蒸気圧が高いため、通常は 1 × 10 ⁻⁶  Torr (1.3 × 10 ⁻⁴  Pa) の圧力に制限されます。また、酸化剤にさらされると、最も燃えたり爆発したりする可能性が高くなります。

拡散ポンプに使用される最も一般的なシリコーンオイルはトリシロキサンであり、これは化学基 Si-O-Si-O-Si を含み、これにさまざまなフェニル基またはメチル基が結合している。これらは、以前はDow Corningによって製造されていた、いわゆる 702 および 703 ブレンドとして入手可能である。これらはさらに 704 オイルと 705 オイルに分けられ、それぞれテトラフェニルテトラメチルトリシロキサンとペンタフェニルトリメチルトリシロキサンの異性体から構成されている。^[6]

反応性物質をポンプで送る場合、通常はポリフェニルエーテルベースのオイルが使用されます。これらのオイルは、拡散ポンプ オイルの中で最も耐薬品性と耐熱性に優れたタイプです。

蒸気エジェクタは、真空蒸留や凍結乾燥用の一般的なポンプ形式です。蒸気のジェットが、真空チャンバーから除去する必要のある蒸気を巻き込みます。蒸気エジェクタは、1 段または複数段にすることができ、段の間にコンデンサーがある場合とない場合があります。蒸気エジェクタと拡散ポンプはどちらも蒸気のジェットを使用してガスを巻き込みますが、根本的に異なる原理で動作します。蒸気エジェクタは粘性流と混合を利用してガスを送り込みますが、拡散ポンプは分子拡散を使用します。これにはいくつかの影響があります。拡散ポンプでは、入口圧力がジェットの静圧よりもはるかに低くなることがありますが、蒸気エジェクタでは 2 つの圧力はほぼ同じです。また、拡散ポンプははるかに高い圧縮比が可能で、大気に直接排出することはできません。

• ターボ分子ポンプ
• 真空ポンプ
• 吸引器（ポンプ）

• アリゾナ州立大学メイン校がガラスで作ったオイル拡散ポンプ

• Hablanian, MH (1994) [1983].拡散ポンプ：性能と操作. AVSモノグラフシリーズ（第2版）. ニューヨーク、NY：アメリカ真空協会. ISBN 1-56396-384-1。