同業の皆さん、真空ポンプの組み合わせ方をご存知の方はいますか？

一般的に、比較的荒めの設定としては、前段ポンプ：増圧ポンプ＝1:3となります。一方で、自社の工程設計に自信がある海外のメーカーでは、1:5や1:6といった設定を選ぶこともあります。基本的に一つの原則があり、増圧ポンプの圧縮ガスは前段ポンプによって迅速に排出され、増圧ポンプに適切な入口・出口間の圧力差を提供しなければならない。

一、ポンプの抽気速度とは、一定の吸込圧力のもとで、単位時間にポンプの出口から抽出されるガスの体積として定義される。どのような用途であっても、完全な真空システムには、真空にする必要がある容器またはチャンバー、一組の真空ユニット、場合によっては真空ポンプ、そして接続用配管、バルブ、クライオトラップなどが必要です。また、パイプ、バルブ、クーリングトラップなどは真空システムを構成する部品として、ガスの流れに一定の障害となる。逆に言えば、それらはいずれも気体の流れに対してある程度の伝導能力を持っており、この能力を流導と呼びます。これは気体の流れにおいて非常に重要な概念であり、その定義は単位圧力差あたりの流量です。気体の自然な流れは常に高圧から低圧へと向かいます。上記のいずれかの部品において、両端の圧力がそれぞれP1、P2であり、流れる気体量がQである場合、その部品のコンダクタンスはU＝Q/(P1－P2)となります。さまざまな真空システム用部品のコンダクタンスは、計算やシミュレーション、測定などの方法で求めることができます。これは、部品の幾何学的形状だけでなく、気体の流れの状態にも依存します。異なる部品の流量係数は、直列および並列に接続することができる。 　　真空ポンプは、真空容器内の気体を抽出するためのものですが、多くの場合、ポンプの排気口を直接被抽気容器に接続することはできません。工程上の必要性や、油蒸気による汚染を低減するために、冷却トラップやバルブ、配管を介して被抽気容器に接続する必要があります。各種の真空部品にはそれぞれ決まったコンダクタンスがあるため、ポンプも一定のコンダクタンスを通じてのみ被抽気容器に接続できると言えます。図に示すように、図中のポンプと真空室を結ぶ配管には、冷却トラップやバルブなどが含まれることになります。ポンプと真空室間の流れの伝達係数をUとすると、ポンプは真空室から空気を抜くためにこのUという伝達係数を通過しなければならず、その排気能力は制限される。この場合、容器からの排気効果として真に意味のあるのは、真空室の排気口における実効的な排気速度S0である。ポンプの公称排気速度をSとすると、気体が定常流れをする際の流量保存の法則に基づき、S0、S、Uの間に成り立つ関係式を導くことができる。この式を真空基本方程式といい、真空システム設計において基礎となる法則である。 　　真空の基本方程式に基づくと、数学的に2つの極端な結果が得られる。すなわち、流量Uが非常に大きい場合、真空チャンバーの有効排気速度S0はポンプの排気速度Sに近似できる；ポンプの排気速度Sが非常に大きい場合、またはコンダクタンスUが非常に小さい場合、真空チャンバーの有効排気速度S0はコンダクタンスUとほぼ等しくなる。上記の結果は物理的により理解しやすく、真空室の排気口から抽出されるガスは、真空ポンプによって吸い出されるためには流路U（つまり配管やバルブなど）を通過しなければならない。ただし、抽出されるガスが真空室の排気口からポンプの入口へと移動する過程は高圧から低圧への流れであり、一方、ポンプの入口から排出される過程は、ある種の排気原理に基づく低圧から高圧への強制的な流れである。もし流量Uが非常に大きく、つまりそれを通過するガスの量に制限がない場合、ポンプの排気能力はその自身の排気速度によって決まり、これはポンプの入口が真空室に直接接続されている場合と同じです。しかし、ポンプの排気速度が非常に大きい場合、つまりポンプの排気速度に対してコンダクタンスUが非常に小さい場合、ポンプの実際の排気能力はその排気速度の大きさによって決まるのではなく、気体がコンダクタンスUを通過する能力によって決まります。このコンダクタンスの値こそが、ポンプの有効排気速度S0となります。 　　ポンプの排気能力を最大限に引き出すためには、コンダクタンスUをできるだけ大きくすることが最も効果的な方法だが、実現が難しい場合が多い。そして、ただポンプの排気速度を大きくするだけでは現実的ではない。したがって、日間の流量が大きい流路を採用し、日間の流量が大きい排気速度のポンプを選ぶことは、十分に検討する価値がある。真空の基本方程式から、有効排気速度S0はSまたはUのどちらに対しても単調増加関数であることがわかる。真空の基本方程式が記述する内容はそれほど難解ではないが、誰もが常識として知っているほど単純でもない。そのため、多くの応用分野において、ユーザーはポンプの排気速度に対する流量の影響を見過ごしがちであり、それが真空技術の応用効果に大きな影響を与えている。 二、漏れも排気もない真空系、例えば真空室の体積がVで、真空室の有効な排気速度がS0である場合、排気が進むにつれて真空室内の圧力は時間とともに以下のような変化則に従う。ここで、P0はt=0時の圧力、すなわち初期圧力であり、t=V/S0は時間定数と呼ばれる。 　　以上の規則性から、約 tの時間が経過するごとに、真空室内の圧力は1桁低下することがわかる。明らかにtが小さいほど圧力の低下は速くなり、Vが一定の場合、有効排気速度S0が大きいほど、 は小さくなる。 　　しかし、漏れのない真空システムというものは存在せず、ガスが漏れ出ることもある。たとえ本当に漏れがなくても、ガスの放出は常に起こっている。実際、式（3）は、ポンプが真空室内の空気を抽出する過程における圧力の変化の法則を表している。圧力が高く、システムの漏れ量と放出量が空間内のガス量に比べて小さい場合、その影響は無視でき、漏れも放出もないという条件がほぼ満たされていると見なすことができ、つまり（3）の法則が近似的に成り立つ。圧力が低い場合、システムからの漏気量や脱ガス量が無視できなくなり、主要なガス負荷となると、（3）の法則から逸脱し始める。その表れとして圧力の低下が遅くなるのである。このような変化が起こる圧力は通常0.5Pa付近であり、したがって真空システムにおける典型的な排気過程では、まず圧力が急速に下がり、ある圧力に達すると低下が遅くなるのである。適切な真空システムでは漏れ率に厳しい要求があるため、排気はシステムの圧力低下に影響を与える主要な要因となります。また排気はゆっくりと進むプロセスであり、焼成などの強化策を用いても、所定の圧力に達するまでには長い時間がかかることが多いです。 　　どの真空システムも、排気時間をできるだけ短縮したいと考えています。これは効率の向上やエネルギー消費の削減に関わってきますが、すべての真空用途が排気時間を短縮するための条件を備えているわけではありません。異なる真空の応用は大きく2つに分けられる。1つは、システム内のガス放出量を考慮せず、真空度のみを要求するものである；もう一つのタイプは、真空チャンバー内のガスを十分に排出することであり、つまり排気速度をある閾値まで下げる必要がある。これら2つの異なるアプリケーションは、ポンプの構成に対して異なる要求を持っています。前者のような用途、例えば真空度が0.5Pa以上である必要がある場合でも、時定数が十分に小さければ、排気時間を大幅に短縮することができる。しかし、真空度が0.5Pa以下である必要がある場合は、ガス放出が圧力変化に与える影響を考慮しなければならない。放気量の時間による変化は緩やかだ。特に焼成を行わない場合です。短い時間で高い真空度に達するためには、大きな排気速度で多くのガスを排出する必要がある。つまり、排気量がQでポンプの有効抽出速度がS0である場合、平衡圧力PはP=Q/S0となる。平衡圧力が決定されれば、到達するまでの時間が短くなるほど、ポンプの有効な抽出速度はより大きくなる必要がある。蒸着コーティングは、このような応用の典型的な例であり、蒸着速度が速く時間も短いため、排気量の影響（つまり活性ガスの影響）は考慮されない。しかし、蒸発粒子のエネルギーは低いため、結合力を確保し散乱を減らすために、ほとんどの粒子が衝突することなくワーク上に堆積する必要がある。これには、真空室内の平均自由行程が蒸発源からワークまでの距離以上であることが求められ、それに対応する圧力は約1×10⁻² Paとなる。これが蒸着コーティングにおける真空度の要求条件である。 　　できるだけ短い時間でこの圧力に到達するためには、ポンプの有効な排気速度が求められる。原則として、時間が短いほど排気量が多くなるため、有効な排気速度もより大きくなる必要がある。そのため、蒸発蒸着では一般的に排気速度の大きい油拡散ポンプユニットが用いられ、その出力は数十キロワットにも達し、数分から十数分で作業に必要な真空度に到達する。しかし、このシステムでは被加工物への油蒸気汚染を避けることは難しく、特にプラスチックのメタライズドフィルムは黄変しやすい。現在、ターボ分子ポンプの排気速度では、大規模な蒸着のニーズを満たすことができない。そして、大きな排気速度を持つ低温ポンプは、工業規模のコーティング工程では耐えられない。封入空間内のガス負荷の特性に応じて、分子増圧ポンプを用いて不活性ガスを排気し、低温凝縮式水捕集ポンプと組み合わせて水蒸気を排気することで、大きな排気速度でクリーンな真空を得ることができる全く新しい排気プロセスが実現できる見込みである。真空チャンバ内の圧力が0.5Pa以上の場合、主なガス成分は不活性ガスであるが、0.5Pa未満の場合は水蒸気（90％）が主なガス成分となる。分子ブースターポンプは中真空領域での排気能力が極めて高く、100Paから0.5Paまでの排気時間はごく短いです。そして0.1Paを下回った時点で低温凝縮型トラップポンプを作動させることで、短時間のうちに容器内の圧力を1桁下げ、1×10^-2 Paまで低減させることが可能です。3～5m3の大型蒸着装置においては、1000リットル/秒の分子加圧ポンプを3～4台、そして出力5kwの低温凝縮水回収ポンプを1台設置することで、上記の排気工程を実現できる。これは間違いなく画期的なことである。後者のタイプの応用においては、排気量の変化は温度や時間に依存し、気相空間の圧力とはあまり関係しない。圧力が既存の吸着量に対応する平衡圧力より低ければよく、一般的に排気過程ではこの条件が満たされる。したがって、強力な排気速度を用いてごく短時間で容器内の圧力を非常に低くしても、真空室内のガス放出量を著しく減少させることはできません。適切な排気速度を設定し、妥当なベーキング温度の下で、適切な時間をかけてガス放出量を工程要求水準まで低減させる必要があり、これには通常数十分の時間を要します。このような応用の典型的な例としては、チタン業界におけるスパッタリングコーティングやイオンプレーティング、希土類永久磁石材料の溶製などがある。その中で、過剰な活性ガスは膜層の品質や材料の品質に影響を与えるため、工程にはいずれも長時間にわたる精密な排気工程が設けられている。 　　成膜室の容積が約1m³のスパッタリングまたはイオンプレーティング装置には、一般的に排気速度4000リットル/秒の真空ポンプユニットが設置される。真空室およびワークピースからのガス放出を促進するため、通常300℃まで加熱される。強調しておくべきは、チタンメッキにおいて、ポンプの排気速度の大きさ、ポンプの特性、排気工程、そして必要な堆積圧力の間に見られる相関関係である。1つのコーティングサイクルにおいて、真空装置による排気は、精密排気段階、グロー放電衝撃およびスパッタ堆積段階の3つの段階に分けられる。精排気の目的は、真空室内のガス放出量を減らすことであり、その結果は主に焼成温度と排気時間によって決まり、空間圧力とはあまり関係がなく、特に圧力が同じオーダーの場合はそうである。したがって、主ポンプの抽出速度が適切な範囲内であれば、精密抽出の効果は同じであり、対応する限界真空が異なっても真空室内の排気速度は同じレベルまで低下させることができる。具体的には、1000リットル/秒の分子ポンプと1500リットル/秒のターボ分子ポンプは、この段階での排気効果が同じです。輝光衝撃段階では、この時の放電圧力が約2Paであるため、一般的には主ポンプの排気能力が影響を受ける。従来は、排気速度を犠牲にしてポンプの安定した動作を確保するために絞り込み方式が用いられており、拡散ポンプもターボ分子ポンプも同様である。特に拡散ポンプでは排気速度の損失が大きく、それに伴って放電されるアルゴンガスの流量も著しく減少する。しかし、この段階では大きな有効抽出速度と大きなアルゴンガス流量があってこそ、より良い衝撃洗浄効果を得ることができる。この点において、分子加圧ポンプは明らかな利点がある。最終的なスパッタ堆積段階における典型的な作業圧力は0.5Paであり、拡散ポンプとターボ分子ポンプは依然として絞りが必要である。このような状況下では堆積圧力を安定させることが難しい上、排気速度を低下させると、高真空化過程で達成されていた活性ガス（放出ガス）の分圧が著しく上昇してしまう。排気量が一定の場合、活性ガスの分圧の高低が堆積膜層の品質に与える影響を決定する。最大の排気速度で安定して排気できる分子ポンプは、ここでも再びその優位性を発揮した。 三、異なる真空システムでは要求される真空度が異なる。したがって、多くの場合、一式の真空機械セットによって行わなければならない。つまり、異なる圧力範囲で動作する真空ポンプを直列に接続し、高真空側の真空ポンプがシステムが要求する真空度を実現し、一方、低真空側の真空ポンプは大気に直接排気される。明らかに、最もシンプルな真空装置というのは、大気に直接排気する真空ポンプです。しかし、高真空システムには一般的に3段式のユニットが必要で、中真空には一般的に2段式のユニットが必要です。高真空ポンプ1台と低真空ポンプ1台では、効果的な高真空装置を構成するのは難しい。 　　これにはいくつかの理由があります。流量の連続性がその一つです。高真空ポンプにはすべて、前置き段の耐圧制限があり、つまり前置き段の圧力がある一定値を超えると、ポンプは正常に動作しなくなります。前段ポンプがこの臨界圧力に達すると、しばしば排気速度が低下し、その結果前段ポンプの排気流量は主ポンプの排気流量よりも小くなることがある。この流量の不均衡は流量の連続性という要件を破壊し、必然的に真空装置が正常に動作しなくなる。しかし、高真空ポンプと低真空ポンプの間に中真空ポンプをもう1台接続すれば、両者をつなぐ役割を果たし、流量が途切れることなく、各ポンプが最適な状態で動作することができる。ロータスポンプは中真空領域で動作でき、最も適しているため、ロータス加圧ポンプとも呼ばれます。圧縮比が高くないため、数Paから数百Paの範囲に接続するのにちょうど良いのです。三段式高真空装置がより高い真空度に到達すると、主ポンプの排気流量が著しく減少するため、この時は小型の前置きポンプ1台だけで排気を継続させることができる。実際の運用においてこれはよく用いられる方法であり、これによって装置のエネルギー消費を削減できる。高真空ユニットにしばしば三段式ユニットが必要となるもう一つの理由は、高真空ポンプの吸込圧力の制限に起因します。ポンプには作動開始圧力があり、従来の高真空ポンプは数Paの範囲です。したがって、前段ポンプはこの圧力まで予備排気して初めて、主ポンプが作動できるのです。しかし、大気に直接排気する前級ポンプがこの圧力まで到達するには、通常かなりの時間を要します。なぜなら、圧力が下がるにつれてポンプの排気速度が減少するからです。特に周期的に排気を行う真空装置では、所定の作業真空度に達するまでの時間が重要となります。予備排気にかかる時間が長ければ長いほど、作業真空度に到達するまでの時間も長くなってしまいます。したがって、中真空ポンプを追加して前級の低真空ポンプと組み合わせることで、より短時間で主ポンプが作動可能な圧力に達させることができ、システムを迅速に作業圧力状態へ移行させ、装置の使用効率を確保することができるのです。 　　ロータリーポンプとオイルブースターポンプはどちらも中真空ポンプとして使用でき、ターボ分子ポンプは極めて高い圧縮比を持つため、クリーンな真空を得られるだけでなく、優れた高真空性能を有し、同時に中真空領域においても非常に強力な排気能力を発揮します。これにより、分子増圧ポンプは現在、中高真空性能を兼ね備えた唯一の真空ポンプとなっており、低真空ポンプと組み合わせるだけで、三段式装置に匹敵する性能を持つ高真空装置を構成することができるのである。具体的には、分子加圧ポンプは耐圧が高いため、前段ポンプを高流量状態にしやすくすることができる；一方、分子加圧ポンプの吸込み圧力が高いため、前段ポンプの予備排気負荷が軽減される。分子加圧ポンプは100～50Paで動作可能であり、前置きポンプは大気圧からこの圧力まで、時間が経つごとに圧力が1オーダー低下するという法則にほぼ従うため、装置は非常に高い排気効率を持つことができる。高真空ユニットを簡略化し、ローツポンプを省略できることは、ターボ分子ポンプのもう一つの利点です。より大型の高真空用途機器においては、前段ポンプの予備排気能力を適切に強化することで、さらに排気時間を短縮することができる。予備排気時間は全体の排気プロセスに比べて非常に短いため、前段ポンプの稼働時間も短くなり、その結果、複数の機器の予備排気役割も兼ねることができ、これはしばしば非常に現実的な方法である。これにより、大量導入用の真空装置が**大幅に簡素化される。一部の中真空用途では10⁻¹ Paの領域に到達する必要がありますが、これはロータスポンプの2段式ユニットでは達成が難しいことが多いです。一方、2段のロータスポンプを直列に接続した3段式ユニットを使用すれば、真空度を1桁向上させて10⁻¹ Paの領域に到達できるため、中真空用途でも3段式ユニットがよく用いられます。分子ポンプは10⁻¹ Paで全排気速度に達するため、3段式真空装置において2段式ロータスポンプの代わりとしても使用できる。一般的に、中真空の低圧領域で長時間稼働するロータリーポンプは、分子ポンプによって完全に置き換えることができる。一方、中真空から高圧域で長時間作動するロータリーポンプは、この圧力域では前段ポンプがしばしば強力な排気速度を持つため、比較的少ないはずである。これは、マクロ的に分子加圧ポンプがロータスポンプに取って代わる見通しを予測している。

もう一つお聞きしたいのですが、おっしゃっている比率というのは抽出速度比のことでしょうか？

排気媒体を抜きにして組み合わせを語っても意味がないだろ、吸い出すのは空気じゃないんだぞ？ まるで極限真空のように、理論上の数値であり、選定には意味がない；

抽出速度は質量流量を一定に保つ必要があるが、圧縮比や圧力差などによって容積効率が変化し、それが質量流量の変動に影響を与える点に注意しなければならない；一次ポンプおよび二次ポンプにおいては、圧縮比は動的であり、実際の作動圧力の要求や吸気媒体などに依存します

圧縮比は何対何で、もう少し詳しく教えてもらえますか？ありがとう

圧縮比は固定されておらず、圧縮比は回転速度や圧力差、ガスの状態と関連しており、それによって容積効率に影響を与えます！関わる要素が非常に多く、単純に何対何という数字だけで機組を設計できるものでは決してありません……