真空ポンプ

真空ポンプは、密閉された空間から気体粒子を吸い出して部分的な真空状態にするポンプ装置の一種です。最初の真空ポンプは1650年にオットー・フォン・ゲーリケによって発明され、その前身は古代に遡る吸引ポンプでした。^{[ 1 ]}

ポンプは、容積式、運動量伝達式、捕捉式の 3 つの技術に大別できます。^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}容積式ポンプは、機構を使用して空洞を繰り返し拡張し、チャンバーからガスを流入させ、空洞を密閉し、大気中に排出します。運動量伝達ポンプ（分子ポンプとも呼ばれる）は、高密度流体の高速ジェットまたは高速回転ブレードを使用して、ガス分子をチャンバーから叩き出します。捕捉ポンプは、固体または吸着状態のガスを捕捉します。これには、クライオポンプ、ゲッター、イオンポンプが含まれます。^{[ 14 ] [ 15 ]}

容積式ポンプは低真空に最も効果的です。運動量伝達ポンプは、1台または2台の容積式ポンプと組み合わせて、高真空を実現するための最も一般的な構成です。この構成では、容積式ポンプは2つの役割を果たします。まず、運動量伝達ポンプは大気圧では排気を開始できないため、高真空を得るために運動量伝達ポンプを使用する前に、排気対象容器内で大まかな真空状態を実現します。次に、容積式ポンプは、高真空ポンプ内で変位した分子の蓄積を低真空に排気することで、運動量伝達ポンプをバックアップします。超高真空を実現するためには、捕捉ポンプを追加することもできますが、捕捉ポンプは空気分子やイオンを捕捉する表面を定期的に再生する必要があります。この再生が必要なため、低真空および高真空での稼働時間が許容できないほど短くなる可能性があり、超高真空での使用に限定されます。ポンプは、製造公差、シール材、圧力、流量、油蒸気の導入の有無、サービス間隔、信頼性、粉塵に対する耐性、化学物質に対する耐性、液体および振動に対する耐性などの詳細においても異なります。^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

容積式ポンプ

容器の容積を増やすことで部分真空を作り出すことができます。無限に拡大する必要なくチャンバーを無期限に真空にし続けるには、真空の区画を繰り返し閉じて、真空を排出し、再び拡張することができます。これが容積式ポンプ、例えば手動式ウォーターポンプの原理です。ポンプ内部では、機構が小さな密閉された空洞を拡張して、その圧力を大気圧以下に下げます。圧力差により、チャンバー（またはこの例では井戸）からの流体がポンプの小さな空洞に押し込まれます。その後、ポンプの空洞はチャンバーから密閉され、大気圧に開放され、再び小さなサイズに圧縮されます。^{[ 14 ] [ 16 ]}

ほとんどの産業用途ではより高度なシステムが使用されていますが、循環体積除去の基本原理は同じです。^{[ 17 ] [ 18 ]}

• ロータリーベーンポンプは、最も一般的なポンプです。
• ダイヤフラムポンプ、オイル汚染ゼロ
• 液体リングは防塵性に優れています
• ピストンポンプ、変動真空
• スクロールポンプ、最高速度ドライポンプ
• スクリューポンプ（10 Pa）
• ヴァンケルポンプ
• 外部ベーンポンプ
• ルーツブロワー（ブースターポンプとも呼ばれる）は、最も高い送風速度を持つが、圧縮比は低い。
• 複数のステージを組み合わせた多段式ルーツポンプは、高い揚水速度と優れた圧縮比を実現します。
• トープラーポンプ
• ローブポンプ

ゴムやプラスチックでシールされたピストンポンプシステムの基本圧力は通常1～50kPaですが、スクロールポンプは（新品時）10Paに達する可能性があり、清潔で空の金属製チャンバーを備えたロータリーベーンオイルポンプは簡単に0.1Paを達成できます。

容積式真空ポンプは、1サイクルごとに同じ体積のガスを移動させるため、逆流が発生しない限り、排気速度は一定である。

運動量伝達ポンプ

運動量伝達ポンプ（または運動量ポンプ^{[ 16 ]} ）では、ガス分子は真空側から排気側（通常は容積式ポンプによって減圧されている）へ加速されます。運動量伝達ポンピングは、約0.1 kPa以下の圧力でのみ可能です。流体力学の法則に基づき、物質は圧力によって異なる流れ方をします。大気圧および軽度の真空では、分子は互いに相互作用し、粘性流と呼ばれる流れで隣接する分子を押します。分子間の距離が大きくなると、分子は他の分子よりもチャンバーの壁とより頻繁に相互作用し、分子ポンピングは容積式ポンピングよりも効果的になります。この状態は一般に高真空と呼ばれます。^{[ 14 ] [ 16 ]}

分子ポンプは機械式ポンプよりも広い範囲を掃引し、その頻度も高いため、はるかに高速な排気が可能です。しかし、その代償として、真空側と排気口の間のシールが不十分になります。シールがないため、排気口にわずかな圧力がかかるだけでもポンプ内部で逆流が発生しやすく、これをストールと呼びます。ただし、高真空下では圧力勾配が流体の流れにほとんど影響を与えないため、分子ポンプはその性能を最大限に発揮できます。

分子ポンプの主な種類は、拡散ポンプとターボ分子ポンプの2つです。どちらのタイプのポンプも、ガス分子に運動量を与えることで、ポンプ内に拡散してきたガス分子を吹き出します。拡散ポンプは、油または水銀蒸気のジェットでガス分子を吹き出すのに対し、ターボ分子ポンプは高速ファンを使用してガスを押し出します。これらのポンプはどちらも、大気圧に直接排気すると停止してポンプとして機能しなくなるため、機械式ポンプ（この場合はバッキングポンプと呼ばれる）によって作られた低圧の真空に排気する必要があります。^{[ 16 ]}

容積式ポンプと同様に、漏れ、ガス放出、逆流がポンプ速度と等しくなったときに基本圧力に達しますが、漏れとガス放出を逆流と同程度のレベルまで最小限に抑えることは、はるかに困難になります。

ポンプ速度とは、ポンプの入口における体積流量を指し、多くの場合、単位時間あたりの体積で測定されます。運動量伝達ポンプと捕捉ポンプは、ガスの種類によって効果が異なるため、ポンプ速度はポンプで送液されるガスごとに異なり、ポンプの平均体積流量は、チャンバー内に残るガスの化学組成によって変化します。^{[ 23 ]}

スループットとは、ポンプの速度に入口でのガス圧力を乗じた値を指し、圧力・体積/単位時間で測定されます。一定温度では、スループットは単位時間あたりにポンプで送られる分子の数に比例し、したがってポンプの質量流量に比例します。システム内の漏れやポンプを通る逆流について議論する場合、スループットとは、漏れの体積率に漏れの真空側の圧力を乗じた値を指すため、漏れのスループットをポンプのスループットと比較できます。^{[ 23 ]}

容積式ポンプと運動量伝達ポンプは一定の体積流量（ポンプ速度）を持ちますが、チャンバーの圧力が低下すると、この体積に含まれる質量はどんどん少なくなります。そのため、ポンプ速度は一定のままですが、スループットと質量流量は指数関数的に低下します。一方、漏れ、蒸発、昇華、逆流の速度は、システムへの一定のスループットを生み出し続けます。^{[ 23 ]}

真空ポンプは、チャンバーや操作手順と組み合わせて、さまざまな真空システムを構成します。場合によっては、1つのアプリケーションで複数のポンプが（直列または並列に）使用されることもあります。部分真空、または粗真空は、入口ポートから出口（排気）ポートにガスを輸送する容積式ポンプを使用して生成できます。このようなポンプは機械的な制約により、低真空しか達成できません。より高い真空を達成するには、通常は直列に（通常は容積式ポンプによる最初の高速排気の後に）他の技術を使用する必要があります。例としては、拡散ポンプの補助として油封式ロータリーベーンポンプ（最も一般的な容積式ポンプ）を使用したり、ターボ分子ポンプの補助としてドライスクロールポンプを使用したりすることが挙げられます。必要な真空レベルに応じて、他の組み合わせも可能です。

高真空を実現するのは困難です。なぜなら、真空にさらされるすべての材料について、ガス放出特性と蒸気圧特性を慎重に評価する必要があるからです。たとえば、真空チャンバーのシールとして使用されるオイル、グリース、ゴムまたはプラスチックのガスケットは、真空にさらされたときに沸騰してはなりません。沸騰すると、発生するガスによって所望の真空度が得られなくなります。多くの場合、吸着ガスを除去するために、真空にさらされるすべての表面を高温で焼き付ける必要があります。^{[ 24 ]}

真空ポンプの前に乾燥させるだけで、ガス放出を減らすこともできます。 ^{[ 24 ]} 高真空システムでは、一般的に低真空チャンバーシールでよく使われるゴムガスケットではなく、クラインフランジやISOフランジなどの金属ガスケットシールを備えた金属チャンバーが必要です。^{[ 25 ]}ガス放出を最小限に抑えるには、システムを清潔で有機物がない状態にする必要があります。固体または液体のすべての物質は蒸気圧が低く、真空圧力がこの蒸気圧を下回るとガス放出が重要になります。その結果、エポキシなどの低真空でうまく機能する多くの材料は、高真空ではガス放出源になります。これらの標準的な予防措置により、さまざまな分子ポンプを使用して1 mPaの真空を容易に達成できます。慎重な設計と操作により、1 μPaも可能です。

複数の種類のポンプを直列または並列に使用することができます。典型的な排気シーケンスでは、まず容積式ポンプを使用して、大気圧（760 Torr、101 kPa）から25 Torr（3 kPa）までチャンバー内のガスの大部分を除去します。次に、吸着ポンプを使用して圧力を10⁻⁴ Torr（10 mPa）まで下げます^。さらに、クライオポンプまたはターボ分子ポンプを使用して圧力を10⁻⁸ Torr（1 μPa）まで下げます^{。クライオポンプまたはターボポンプでは十分に処理できないガス（}ヘリウムや水素など）を除去するために、10⁻⁶ Torr^以下で追加のイオンポンプを起動することができます。

超高真空は一般的に、特注の装置、厳格な操作手順、そしてかなりの試行錯誤を必要とします。超高真空システムは通常、ステンレス鋼製で、金属ガスケット付き真空フランジを備えています。システムは通常、システム内のすべての脱ガス物質の蒸気圧を一時的に上昇させて蒸発させるために、できれば真空下で加熱されます。必要に応じて、このシステムの脱ガスは室温でも実行できますが、これにははるかに時間がかかります。脱ガス物質の大部分が蒸発して排気されたら、実際の操作中に残留脱ガスを最小限に抑えるために、システムを冷却して蒸気圧を下げることができます。一部のシステムは、残留脱ガスを停止し、同時にシステムをクライオポンプするために、液体窒素で室温よりかなり低い温度まで冷却されます。 ^{[ 26 ]}

超高真空システムでは、非常に奇妙な漏洩経路やガス放出源を考慮する必要があります。アルミニウムやパラジウムの吸水は許容できないガス放出源となり、ステンレス鋼やチタンなどの硬質金属の吸水率も考慮する必要があります。一部のオイルやグリースは極度の真空下では沸騰します。金属製真空チャンバー壁の多孔性を考慮する必要がある場合があり、金属製フランジの結晶粒方向はフランジ面と平行である必要があります。^{[ 26 ]}

分子サイズの影響を考慮する必要があります。分子が小さいほど漏れやすく、特定の材料に吸収されやすいため、分子ポンプは分子量の小さいガスを排気するのに効果的ではありません。システムでは窒素（空気の主成分）を目的の真空まで排気できるかもしれませんが、チャンバー内には残留する大気中の水素とヘリウムが残っている可能性があります。パラジウム（高容量の水素スポンジ）などのガス透過性の高い材料で内張りされた容器は、特別なアウトガス問題を引き起こします。^{[ 26 ]}

真空ポンプは、以下のような多くの産業および科学プロセスで使用されています。

• 真空脱気装置
• 複合プラスチック成形プロセス; ^{[ 27 ]}
• ほとんどのタイプの電球、真空管、CRTの製造では、デバイスは真空状態にするか、特定のガスまたはガス混合物で再充填されます。^{[ 10 ]}
• 半導体プロセス、特にフォトリソグラフィーにおけるイオン注入、ドライエッチング、PVD、ALD、PECVD、CVD堆積など。^{[ 28 ]}
• 電子顕微鏡; ^{[ 29 ]}
• 吸引を必要とする医療処置；^{[ 30 ]}
• ウラン濃縮；^{[ 31 ]}
• 放射線療法、放射線外科、放射性医薬品などの医療応用；^{[ 32 ]}
• 気体、液体、固体、表面、生体材料を分析するための分析機器。^{[ 33 ]}
• 質量分析計はイオン源と検出器の間に高真空を作り出す。^{[ 34 ]}
• ガラス、金属、プラスチックへの真空コーティングは、装飾、耐久性、省エネルギーを目的としており、低放射率ガラス、エンジン部品の硬質コーティング（フォーミュラワンなど）、眼科用コーティング、搾乳機、酪農場のその他の機器などに使用される。^{[ 35 ]}
• 木材や電気モーターの巻線などの多孔質製品の真空含浸; ^{[ 36 ] [ 37 ]}
• エアコンのサービス（冷媒を充填する前にシステムからすべての汚染物質を除去する）；^{[ 38 ]}
• ゴミ圧縮機；^{[ 39 ]}
• 真空工学；^{[ 40 ]}
• 下水システム（EN1091:1997規格を参照）；^{[ 41 ]}
• 凍結乾燥；^{[ 42 ]}および
• 核融合研究。^{[ 43 ]}

石油再生および再精製の分野では、真空ポンプは石油の脱水のために低真空を、石油の精製のために高真空を作り出す。^{[ 44 ]}

真空は、機械装置に動力を供給したり、補助したりするために使用できます。ハイブリッド車やディーゼルエンジン車では、エンジン（通常はカムシャフト）に取り付けられたポンプを使用して真空を生成します。一方、ガソリンエンジンでは、真空は通常、エンジンの動作とスロットルプレートによって生成される流量制限の副産物として得られますが、ブレーキ補助を強化したり、燃費を改善したりするために、電動真空ポンプで補完することもできます。この真空は、次の自動車部品に動力を供給するために使用できます。^{[ 45 ]}油圧ブレーキ用の真空サーボブースター、換気システムのダンパーを動かすモーター、クルーズコントロールサーボ機構のスロットルドライバー、ドアロックまたはトランクリリース。

航空機では、真空源はさまざまな飛行計器のジャイロスコープに電力を供給するためによく使用されます。電気系統の故障が発生した場合に計器類が完全に機能しなくなるのを防ぐため、計器盤は意図的に、電気で駆動する計器と真空源で駆動する計器が別々に設計されています。^{[ 46 ]}

用途によっては、真空ポンプは電気駆動（電流を使用）または空気圧駆動（空気圧を使用）される場合もあれば、他の手段で動力を得て作動する場合もある。^{[ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]}

1980年頃以前に製造された古い真空ポンプオイルには、毒性が高く、発がん性があり、残留性有機汚染物質である、いくつかの異なる危険なポリ塩化ビフェニル（PCB）の混合物が含まれていることが多い。^{[ 51 ] [ 52 ]}

• 空気ポンプを使った鳥の実験
• 真空下水道