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真空ポンプの基礎知識

真空ポンプは、密閉された空間から気体分子を吸引し、部分的な真空状態を維持する装置です。主な役割は、所定の空間（複数可）内に相対的な真空を作り出すことです。真空ポンプには多くの種類があります。この記事では、それらの仕組み、種類、そして用途について説明します。

仕組み

真空ポンプは、周囲の大気圧よりも高い圧力をかけることで、システムからガスを除去する機械装置です。真空ポンプの動作原理は、ガスの移動と捕捉の原理に基づいています。真空ポンプは、真空度と1立方センチメートルあたりに除去できる分子数によって分類されます。中真空から高真空では、ガス分子が互いに衝突することで粘性流が発生します。真空度が上昇すると、分子流または遷移流が発生します。
真空ポンプは、多用途のツールとして複数の部品で構成されています。主要部品の一つはモーターで、ローターとステーターで構成されています。ローターとステーターにはコイルが内蔵されており、励磁されると磁場が発生します。どちらの部品も、ポンプの重量を支えるベースに取り付ける必要があります。また、潤滑と冷却のためにシステム全体にオイルを循環させるオイルドレンも備えています。
もう一つの真空ポンプは液封式真空ポンプです。このポンプは、インペラをブレードの上または下に配置することで動作します。液封式ポンプはインペラの速度を調整することもできます。ただし、このタイプのポンプを使用する場合は、専門家に相談することをお勧めします。
真空ポンプは、気体分子を圧力の高い領域または低い領域に移動させることで機能します。圧力が低下すると、分子の除去は困難になります。産業用真空システムでは、1～10-6 Torrの範囲で動作可能なポンプが必要です。

タイプ

真空ポンプには様々な種類があり、実験室など、様々な用途で使用されています。これらのポンプの主な目的は、真空チャンバーから空気または気体分子を除去することです。ポンプの種類によって、この目的を達成する技術は異なります。容積式ポンプ、液封式ポンプ、分子移動式ポンプ、エントラップメント式ポンプなどがあります。
これらのポンプの一部は、真空管、ブラウン管、電灯、半導体製造などの産業プロセスで使用されています。また、自動車の油圧部品や航空機の動力源としても使用されています。ジャイロスコープは通常、これらのポンプによって制御されています。場合によっては、医療現場でも使用されています。
真空ポンプの仕組みは、ポンプで汲み出すガスの種類によって異なります。主に容積型、負圧型、そして運動量移動型の3つのタイプがあります。潤滑の種類に応じて、これらの原理はさらに異なるタイプのポンプに分類されます。例えば、ドライ真空ポンプはガスや蒸気の影響を受けにくいです。
真空ポンプのもう1つのタイプは、ロータリーベーンポンプと呼ばれます。このタイプのポンプは、ローターと真空チャンバーという2つの主要部品で構成されています。これらのポンプは、可動部品をポンプケーシングに対して回転させることによって作動します。ロータリーポンプの接合面は、低圧側への流体の漏れを防ぐため、非常に小さなクリアランスで設計されています。低脈動と高い連続流量が求められる真空用途に適しています。ただし、研削媒体には適していません。
真空ポンプには様々な種類があり、用途に適したものを選ぶことが重要です。ポンプの種類は、システムのニーズと目的によって異なります。大型のものは連続運転が可能で、小型のものは断続運転に適しています。

適用する

真空ポンプは、様々な産業プロセスや科学プロセスで使用されています。例えば、真空管、ブラウン管、電球の製造に使用されています。また、半導体プロセスにも使用されています。真空ポンプは、他の機器の機械的支持としても使用されます。例えば、自動車のエンジンには、航空機の油圧部品に動力を供給するために複数の真空ポンプが搭載されている場合があります。さらに、核融合研究でもよく使用されます。
実験室で最も一般的に使用される真空ポンプは、ロータリーベーンポンプです。このポンプは、円形のハウジング内の一連の回転ブレードに空気流を導くことで動作します。ブレードがハウジングを通過する際に、キャビティ内のガスを除去し、真空状態を作り出します。ロータリーポンプは通常、単段式または二段式で、10～6barの圧力に対応できます。また、排気速度も高速です。
真空ポンプは、ウェハ上に太陽電池を製造する際にも使用されます。これには、ドーピング、拡散、ドライエッチング、プラズマ化学蒸着法（PCVD）、バルク粉末生成など、幅広いプロセスが含まれます。これらの用途は、プロセスで使用される真空ポンプの種類に依存しており、選定する真空ポンプは環境に合わせて設計されている必要があります。
真空ポンプにはいくつかの種類がありますが、基本的な動作原理は同じです。真空の種類に応じて、それぞれ機能と容量が異なります。一般的には、容積式ポンプ、ロータリーベーンポンプ、液封式ポンプ、分子送出ポンプに分類されます。

メンテナンス

一般的なメンテナンスおよび修理の責任者は、研究責任者（PI）です。Agknxsは、PIおよびその他の関連する研究室スタッフによって遵守され、承認される必要があります。Agknxsは、真空ポンプ機器の日常メンテナンスに関するガイドラインを提供します。Agknxsは、真空ポンプ機器の詳細な定期点検に代わるものではありません。定期的な点検は、認定/資格を有するサービス担当者によって実施される必要があります。機器が故障した場合は、PIまたはRPに連絡して支援を受ける必要があります。
まず、真空ポンプに緩んだ部品がないか確認してください。入口圧力計と出口圧力計が開いていることを確認してください。適切な圧力が表示されたら、ゲートバルブを開いてください。また、真空ポンプのヘッドと流量も確認してください。流量とヘッドはラベルに記載されている範囲内である必要があります。ベアリング温度は35°F（約17℃）以内、最高温度は80°F（約27℃）を超えてはなりません。真空ポンプのブッシングがひどく摩耗している場合は交換してください。
真空ポンプが複数回の異常な動作状態を経験した場合は、性能試験を実施する必要があります。結果を基準値と比較し、異常を特定する必要があります。ポンプの早期故障を回避するには、予知保全への体系的なアプローチが不可欠です。これは半導体業界において比較的新しい分野ですが、大手半導体企業や主要な真空ポンプサプライヤーは、まだ一貫したアプローチを開発していません。
真空ポンプの性能評価のため、簡略化されたポンプダウン試験法を提案する。この方法には、模擬曝気現場試験と4つのポンプ性能指標が含まれる。性能指標は、ガス負荷時、アイドル時、およびガス負荷依存試験条件下で評価される。

料金

真空ポンプの総コストは、初期投資と継続的なメンテナンス費用という2つの主要な要素で構成されます。後者は初期投資の約4～5倍の費用がかかるため、最も高額な要素です。したがって、よりエネルギー効率の高いモデルを選択することは、システム全体のコストと投資回収期間を削減する良い方法です。
真空ポンプの初期費用は約$786です。オイル潤滑式ロータリーベーンポンプが最も安価で、オイルフリー式ロータリーベーンポンプは若干高価です。非接触式ポンプも若干高価です。真空ポンプのコストはそれほど高くありませんが、慎重に検討する必要がある要素です。
真空ポンプを選ぶ際には、排気するガスの種類を考慮することが重要です。空気のみの排気に適したポンプもあれば、ヘリウムの排気用に設計されたポンプもあります。オイルフリーエアは、空気とは異なる排気速度特性を持っています。そのため、ポンプがお客様の要件を満たすことを確認するには、媒体の特性を考慮する必要があります。真空ポンプのコストは、日々の運転コストとメンテナンスコストがはるかに高額になる可能性があるため、購入価格よりもはるかに高くなる可能性があります。
潤滑式真空ポンプは耐久性が高く、価格も手頃ですが、メンテナンスの頻度が高くなる場合があります。メンテナンス費用は、ポンプで送り出すガスの種類によって異なります。軽いガスはゆっくりとポンプで送り出す必要があり、重いガスはより速くポンプで送り出す必要があります。真空ポンプのメンテナンスレベルは、潤滑の頻度によっても異なります。
ダイヤフラム真空ポンプは定期的なメンテナンスとオイル交換が必要です。ダイヤフラムポンプのオイルは、使用時間3000時間ごとに交換する必要があります。また、このポンプは耐薬品性と耐腐食性を備えているため、酸性や粘性物質にも使用できます。

編集者：CX 2023-05-09