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真空ポンプの基礎知識

真空ポンプは、密閉された空間内に相対的な真空状態を作り出すために使用されます。これらのポンプは、密閉された空間から気体分子を吸引・排出することで、部分的な真空状態を維持します。医療や研究など、様々な用途に使用できます。この記事では、真空ポンプの基本、動作原理、使用される材料などについて説明します。また、一般的な用途や費用についても説明します。

仕組み

真空ポンプは、特定の空間から空気を除去するポンプです。これらのポンプは、その機能によって3種類に分けられます。容積型ポンプは低真空領域で使用され、高真空ポンプは超高真空領域で使用されます。真空ポンプの性能は、生成する真空の質によって決まります。
真空ポンプは周囲の大気圧よりも高い部分的な真空状態を作り出します。ポンプの速度は、周囲の大気圧とポンプのベース圧力との差に比例します。システム内で可能な限り低い圧力ではなく、特定のプロセスに適したベース圧力を選択してください。
スクロールポンプも真空ポンプの一種です。このタイプのポンプは2つのスクロールで構成されており、内側のスクロールはガス容積の周囲を回転します。そして、ガスを螺旋状に圧縮し、中心で最大圧力に達します。内側と外側のスクロールは、軸方向のシールとして機能するポリマーチップシールによって分離されています。排気速度は5.0～46 m³/hです。
もう一つの真空ポンプはスクリューポンプで、1つのチャンバー内で2つの回転スクリューを使用します。スクリューポンプのスクリューは左ねじ、もう1つは右ねじです。2つのスクリューは噛み合った状態で互いに接触しないため、媒体の汚染を防ぎます。また、排気速度が高く、運転コストとメンテナンス要件が低いという特徴もあります。
真空ポンプは、ローターやベースなどの複数の部品で構成されています。これらの部品によって低圧領域が形成され、ガスや水分子がこの低圧領域に流れ込み、ポンプに吸い込まれます。ポンプは回転することで、低圧側への流体の漏れを防ぎます。
真空ポンプの主な機能は、密閉空間から気体粒子を除去することです。これは、気体分子を高圧状態と低圧状態の間で変化させることによって行われます。真空ポンプは部分的な真空状態を生成することもできます。真空ポンプにはいくつかの種類があり、それぞれ特定の機能を実行するように設計されているため、用途に適したタイプを選択することが重要です。

真空ポンプ材料

真空ポンプに使用される主な材料は、金属とポリエチレンの2つです。金属は耐久性に優れ、ポリエチレンは安価で柔軟性に優れています。しかし、これらの材料は高圧には適しておらず、損傷を引き起こす可能性があります。したがって、高圧ポンプを設計する場合は、金属材料を使用するのが最適です。
真空ポンプは、様々な産業環境や製造プロセスで必要とされています。最も一般的な真空ポンプは容積式真空ポンプで、これはガス負荷を入口から出口まで輸送します。このポンプの主な欠点は、部分的な真空しか生成できないことです。より高い真空を得るには、他の技術を使用する必要があります。
真空ポンプに使用される材料は、高真空ポンプから低真空ポンプまで多岐にわたります。低圧範囲は通常1 x 10-3 mbar未満ですが、高真空ポンプは極限の真空に使用されます。また、製造公差、シール、材料、動作条件も異なります。
真空ポンプの材質はプロセスによって異なります。システムの真空範囲と到達圧力を慎重に分析し、適切な材質を見つける必要があります。ポンプの用途に応じて、セラミックからプラスチック基板まで、さまざまな材料を使用できます。真空ポンプの材質を選択する際には、耐久性と耐腐食性を考慮してください。
ドライ真空ポンプとウェット真空ポンプは、内部部品の潤滑にオイルを使用します。これにより、腐食によるポンプの摩耗を防止します。これらのタイプのポンプは連続使用にも適しており、酸性または腐食性のガスを使用する用途に最適です。そのため、化学産業や食品産業で広く使用されています。また、ロータリーエバポレーターや揮発性化合物の処理にも使用されています。
容積式ポンプは最も一般的なタイプです。このポンプは、ガスをキャビティに流入させ、大気中に排出することで機能します。また、運動量移動ポンプ（分子ポンプとも呼ばれます）は、高密度流体の高速ジェットを用いて空気やガスを輸送します。これらのポンプは医療用途にも使用されています。

典型的なアプリケーション

真空ポンプは、プロセスから大量の空気と水を除去するために使用されます。様々な業界で性能向上のために使用されています。例えば、液封式真空ポンプは、包装製造において、所定の形状とサイズのプラスチックシートを製造するために使用されます。大容量吸引ポンプは、化学業界で材料の表面特性を改善し、ろ過を高速化するために使用されます。
真空ポンプには、ガス捕捉とガス移送という2つの基本原理があります。容積型ポンプは低真空から中真空に適しており、運動量移動型ポンプとガス保持型ポンプは高真空に適しています。通常、高真空システムでは2台以上のポンプを直列に接続して使用します。
真空ポンプには、一次真空ポンプ、ブースター真空ポンプ、二次真空ポンプの3つの主要なカテゴリがあります。これらのポンプの作動圧力は、大気圧より数ミリメートル高い圧力です。また、容積式、ガス移送式、ガス回収式など、様々な技術が採用されています。これらのポンプは、運動量交換によってガス分子を輸送します。通常、ガス分子は流入時とほぼ同じ速度で放出されます。このプロセスが完了すると、ガス分子は大気圧よりわずかに高い圧力になります。吐出圧力は、達成される最低圧力、つまり圧縮比に等しくなります。
真空ポンプはあらゆる分野で広く利用されています。食品加工を含むほぼすべての産業分野で利用されています。例えば、ソーセージや食品の製造に使用されています。さらに、埋立地や消化槽のコンプレッサーにも使用されています。また、太陽光パネルの製造にも使用されます。
オイル潤滑式真空ポンプは現在、最もエネルギー効率の高い真空ポンプです。凍結乾燥やプロセスエンジニアリングなど、様々な産業用途に適しています。オイルをシール剤および冷却剤として使用するため、様々な用途に最適です。また、振動に対して非常に敏感です。
もう一つの真空ポンプはターボ分子ポンプです。これらのポンプは多段式で、角度のついたベーンを備えています。機械式ポンプとは異なり、ターボ分子ポンプはより広い範囲を高い排気速度で掃引できます。さらに、オイルフリーで超高真空を生成できます。さらに、可動部品がないため、高真空圧に最適です。

真空ポンプのコスト

真空ポンプの年間メンテナンス費用は、$242から$337の範囲です。真空ポンプは動作サイクル全体を通して電力を消費するため、エネルギー消費量も考慮すべき要素です。例えば、1馬力のポンプの電動モーターは0.55kW/時の電力を消費し、これは年間2,200kWhのエネルギーに相当します。
真空ポンプの総コストのうち、エネルギーコストは最も大きな割合を占めます。通常、初期購入価格の4～5倍になります。そのため、よりエネルギー効率の高いシステムを選択することで、総所有コストを削減し、投資回収期間を延長することができます。多くのお客様にとって、これは数百万ドルにも上る可能性があります。
真空ポンプは、チャンバーに入るガスを圧縮することで機能します。これにより、ガス分子が排気口に向かって押し出されます。そして、排気ガスは大気中に放出されます。特殊なバネ仕掛けのベーンがポンプのチャンバーを密閉し、気密性を高めます。ローターの潤滑、冷却、シールには、特別に配合されたオイルも使用されています。
真空ポンプは安価ではありませんが、水吸引式に比べて多くの利点があります。真空ポンプの主な利点の一つは、その柔軟性と信頼性です。これは業界で長年実績のあるソリューションです。ただし、真空ポンプの初期費用は水吸引装置よりも高くなります。
真空ポンプが予期せず故障した場合、交換費用が高額になる可能性があります。適切なメンテナンスを行うことで、システムの寿命を延ばし、計画外のダウンタイムを防ぐことができます。しかし、ポンプがいつ故障するかは誰にも予測できません。また、故障した場合の費用は、新しいポンプを購入する費用をはるかに上回ることもあります。そのため、予防メンテナンスへの投資は賢明な投資と言えるでしょう。
真空ポンプには多くの種類があり、すべてが同じ用途に適しているわけではありません。作業に必要なパワーを持つポンプを選ぶようにしてください。また、様々なサンプルに対応できるものを選ぶことも重要です。

編集者：CX 2023-05-18