真空工学

真空工学は、工業および科学の用途における真空の実用化を扱う工学分野です。真空は、通常の空気圧で行われるプロセスの生産性とパフォーマンスを向上させたり、空気が存在すると実行できないプロセスを可能にしたりします。真空工学技術は、乾燥や濾過などの材料処理、化学処理、物体への金属コーティングの適用、電子デバイスや白熱灯の製造、科学研究に広く適用されています。現代科学の主要な発展は、真空工学の活用に端を発しています。粒子加速器を使用した基礎物理学の発見 (素粒子を衝突させる空間を真空にする必要があります)、材料の物理的特性を研究するために使用される高度な分析装置、または量子計算用の固体量子ビットで操作を実行するために極低温システムを配置する真空チャンバーなどです。真空工学は、製造技術にも深く関わっています。

真空技術は、達成したい真空圧によって異なります。100 パスカルを超える「大まかな」真空の場合、従来の分析方法、材料、ポンプ、測定機器を使用できますが、超高真空システムでは、1 パスカルの 100 万分の 1 未満の圧力を達成するために特殊な装置を使用します。このような低圧では、金属でも深刻な汚染を引き起こすほどのガスを放出する可能性があります。

真空システムは通常、ゲージ、蒸気ジェットとポンプ、蒸気トラップとバルブ、その他の延長配管で構成されています。真空システムで動作する容器は、処理タンク、蒸気シミュレーター、粒子加速器、またはシステムを大気圧未満のガス圧に維持するための密閉チャンバーを備えたその他のタイプのスペースなど、これらのタイプのいずれかです。密閉チャンバー内で真空が生成されるため、外部の大気圧に耐えられるかどうかを考慮することが、このタイプの設計の通常の予防措置です。座屈や崩壊の影響に加えて、真空チャンバーの外殻は慎重に評価され、劣化の兆候があれば、殻自体の厚さを増やすことで修正されます。真空設計に使用される主な材料は通常、軟鋼、ステンレス鋼、アルミニウムです。ガラスなどの他の部分は、ゲージガラス、ビューポート、および場合によっては電気絶縁に使用されます。真空チャンバーの内部は常に滑らかで、錆や欠陥がないようにする必要があります。真空に悪影響を与える余分な油や汚染物質を除去するために、通常、高圧溶剤が使用されます。真空チャンバーは密閉された空間にあるため、洗浄中の危険を防ぐために、非常に特殊な洗剤しか使用できません。真空チャンバーには、常に一定数のアクセスポートとビューイングポートが必要です。これらは通常、ポンプ、配管、またはシステムの動作に必要なその他の部品の取り付け部へのフランジ接続の形をしています。真空チャンバーの密閉機能の設計は非常に重要です。チャンバー自体は、完全な真空を維持するために気密でなければなりません。これは、通常、質量分析計のリーク検出器を使用して、リークチェックのプロセスによって保証されます。^[1] すべての開口部と接続部は、システムへの空気のさらなる漏れを防ぐために、Oリングとガスケットを使用して組み立てられています。

真空工学では、使用する真空のレベルに応じて異なる技術と装置を使用します。大気圧よりわずかに低い圧力は、換気システムまたは材料処理システム内の空気の流れを制御するために使用できます。低圧の真空は、過度の加熱なしで食品を処理する真空蒸発に使用できます。より高度な真空は、脱ガス、真空冶金、および電球やブラウン管の製造に使用されます。いわゆる「超高」真空は、特定の半導体処理に必要です。最も低い圧力で「最も硬い」真空は、物理学の実験用に生成されます。物理学の実験では、空気中のわずかな原子が漂うだけでも進行中の実験に干渉します。

使用される装置は、圧力が下がるにつれて変化します。ブロワーは、さまざまな種類の往復ポンプや回転ポンプに取って代わられます。いくつかの重要な用途では、蒸気エジェクタは、一部のプロセスに十分な粗真空まで大型プロセス容器をすばやく排気したり、より完全なポンピング プロセスの準備として使用できます。シュプレンゲル ポンプの発明は、白熱電球の開発において重要なステップでした。このポンプにより、これまでよりも高い真空を生成できるようになり、電球の寿命が延びたからです。真空レベルが高い (圧力が低い) 場合は、拡散ポンプ、吸収ポンプ、極低温ポンプが使用されます。ポンプは、真空容器内の希薄ガスを集めて、はるかに高圧で体積の小さい排気口に押し出すため、「コンプレッサー」に似ています。真空システムでは、2 種類以上の真空ポンプを連結して使用できます。1 つの「粗引き」ポンプでシステムから空気の大部分を取り除き、追加のステージで比較的少量の空気を低圧で処理します。いくつかの用途では、排気後に筐体内に残っている空気と化学元素を結合させるために使用されます。たとえば、電子真空管では、最初の排気と管の閉鎖後に残っている空気を除去するために、金属製の「ゲッター」が誘導加熱されていました。また、「ゲッター」は、その残りの寿命の間に管内で発生したガスをゆっくりと除去し、十分な真空を維持します。

真空技術は、密閉された空間から何らかの通気口（最終的な通気口は大気）までの圧力差を作り出すことによって、密閉された空間から空気を排出する方法である。^[2]産業用真空システムを使用する場合、真空ポンプまたは真空発生器がこの圧力差を作り出す。 17世紀に発見された真空のアイデアに基づいて、さまざまな技術的発明が生み出された。これらは、真空発生ポンプから、後に医療分野に導入され、X線放射線源として使用されたX線管にまで及ぶ。圧力の基本に立ち返ることで新たな発見がなされているため、真空環境は科学研究において重要な役割を果たすようになった。「完全な真空」という考えは実現できないが、20世紀初頭の技術的発見によってほぼ近似されている。今日の真空工学では、アルミニウムからジルコニウムまで、その間のほぼすべての異なる材料が使用されている。真空技術はバルブ、フランジ、その他の真空部品のみを扱うという一般的な考えがあるかもしれませんが、特にハイテクの分野では、これらの従来の真空技術の助けを借りて新しい科学的発見が行われることがよくあります。真空工学は、化合物半導体、パワーデバイス、メモリロジック、および太陽光発電に使用されます。

もう 1 つの技術的発明は真空ポンプです。このような発明は、密閉された容積からガス分子を除去し、部分的な真空を残すために使用されます。 1 つのアプリケーションで複数の真空ポンプを使用して、流動的な流れを作成します。 流動的な流れは、真空を使用してクリアな経路を作成し、プロセスの邪魔になる空気分子を除去するために使用されます。 このプロセスでは、真空を使用して完全な真空を作成しようとします。 部分的な真空などの真空の種類は、容積型ポンプの使用によって発生する可能性があります。 容積型ポンプは、入口から出口ポートにガス負荷を転送できますが、設計上の制限により、比較的低い真空しか実現できません。 より高い真空に到達するには、他の技術を使用する必要があります。 高速ポンプダウンの後に容積型ポンプを使用するなど、一連のポンプを使用すると、単一のポンプを使用するよりもはるかに優れた真空が作成されます。 使用するポンプの組み合わせは通常、システム内の真空の必要性によって決まります。 化学、製薬、石油、ガス、その他の業界の一部のアプリケーションでは、複雑なプロセス真空システムが必要です。

真空システムで使用する材料は、慎重に評価する必要があります。^[3]多くの材料には多孔性がありますが、通常の圧力では重要ではありませんが、誤って使用すると、真空システムに微量の空気が継続的に侵入します。ゴムやプラスチックなどの一部のアイテムは、真空中にガスを放出し、システムを汚染する可能性があります。高真空レベルおよび超高真空レベルでは、金属であっても慎重に選択する必要があります。空気分子と水分が金属の表面に付着し、金属内に閉じ込められたガスが真空下で表面に浸透する可能性があります。一部の真空システムでは、低揮発性グリースを塗布するだけでジョイントの隙間を密閉できますが、超高真空では、閉じ込められたガスを最小限に抑えるために、継手を慎重に機械加工して研磨する必要があります。高真空システムのコンポーネントを焼くのは通常の方法であり、高温では、表面に付着したガスや水分が追い出されます。ただし、この要件は使用できる材料に影響します。低圧アプリケーションでは、3D プリントされたプラスチックでも後処理して真空システムを作成できます。^[4]

粒子加速器は世界最大の超高真空システムであり、長さは数キロメートルにも達する。^[5]

真空システムは長い間研究されてきたため、真空管に使用される基本材料（炭素、セラミック、銅、ガラス、グラファイト、鉄、雲母、ニッケル、貴金属、耐火金属、鋼、および関連するすべての合金）の特性は、それらの接合技術や二次放出や電圧破壊などの一般的な問題への対処方法を含めて十分に理解されています。^[6]

「真空」という言葉はラテン語の「vacua」に由来し、「空」と訳されます。物理学者は真空を、空気または他のガスが容器から除去されている部分的に空の空間を表すために使用します。真空が空の空間に関連していることは、5世紀というギリシャの哲学者によって早くも推測されており、アリストテレス（紀元前384-322年）は、真空が自然界で空の空間であることは絶対に作り出すことができないという関係を思いついた人物です。^[7]この考えは、真空技術と物理学が発見された17世紀まで、何世紀にもわたって存在していました。17世紀半ば、エヴァンジェリスタ・トリチェリは、ガラス管内の水銀柱によって生成される真空の特性を研究しました。これは、大気圧の変化を観測する機器である気圧計になりました。 オットー・フォン・ゲーリケは1654 年に大気圧の影響を華々しく実証しました。直径 20 インチの半球 2 つをくっつけて真空にしたところ、馬のチームが分離できなかったのです。1698 年には、トーマス・セイヴァリが蒸気ポンプの特許を取得しました。これは蒸気の凝縮によって低レベルの真空を発生させ、鉱山から水を汲み出すためのものでした。この装置は1712 年にニューコメン大気圧エンジンで改​​良されました。効率は悪かったものの、地下水で浸水してしまう炭鉱を活用できるようになりました。1564 年から 1642 年にかけて、有名な科学者ガリレオは、シリンダー内のピストンを使用して真空を発生させる測定可能な力を開発する実験を行った最初の物理学者の 1 人でした。これは科学者にとって大きな発見であり、他の人々にも共有されました。フランスの科学者で哲学者のブレーズ・パスカルは、この発見を利用して真空のさらなる研究を進めました。パスカルの発見はトリチェリの研究と似ており、パスカルは水銀を使って真空にするのに同様の方法を使っていました。1661 年、マクデブルク市長がこの発見を利用して新しいアイデアを発明したり改良したりしました。市長のオットー フォン ゲーリケは最初のエアポンプを発明し、水ポンプのアイデアを改良し、圧力計も改良しました。今日、真空工学は機械産業におけるすべての薄膜のニーズにソリューションを提供しています。この工学方法は、通常、研究開発のニーズや大規模な材料生産に使用されます。

実験的に真空を利用して列車を推進した。

ポンプ技術は、19 世紀半ばにガイスラー とシュプレングルがようやく高真空領域に到達するまで停滞していました。これにより、真空中の放電の研究、陰極線の発見、X 線の発見、電子の発見につながりました。高真空で光電効果が観察され、これは量子力学と現代物理学の多くを形作る重要な発見となりました。