真空ポンプの概要と原理 _ 選定方法 _ 機能 – ドイツBETTEベッテ

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この投稿は最後に、泡沫_ZPTKによって2019年7月11日05時28分に編集されました。真空ポンプとは、機械的、物理的、化学的、または物理化学的な方法を用いて、排気対象の容器から空気を抜き、真空状態を得るための装置や器具のことです。簡単に言えば、真空ポンプとは、さまざまな方法を用いて閉じられた空間内で真空を改善し、生成し、維持する装置です。真空ポンプの動作原理によれば、真空ポンプは基本的に2つのタイプ、すなわちガス捕集ポンプとガス輸送ポンプに分けられます。冶金、化学工業、食品、電子めっきなどの業界で広く利用されています。真空技術の発展に伴い、真空ポンプの種類も多様化し、その排気速度は1秒あたり数ミリリットルから1秒あたり数十万、数百万リットルにまで及んでいます。生産や科学研究の分野において、真空技術が用いられる圧力範囲がますます広くなるにつれて、生産や科学研究の要件を満たすためには、複数の真空ポンプで構成される真空排気システムを用いて共同で排気する必要がある。真空を利用する分野では扱われる作業圧力の範囲が非常に広いため、どの種類の真空ポンプもすべての作業圧力範囲に完全に適合することはできず、異なる作業圧力範囲や要求に応じて、それぞれ適切なタイプの真空ポンプを使用するしかない。使いやすさやさまざまな真空処理工程のニーズに応じて、性能要件に基づき様々な真空ポンプを組み合わせてユニット形式で使用することがあります。一般的な真空ポンプには、ドライスクリューポンプ、ウォーターリングポンプ、往復ポンプ、スライドバルブポンプ、ロータリーピースポンプ、ロータスポンプ、拡散ポンプなどがあり、これらのポンプは我が国の国民経済のさまざまな産業分野において、真空処理を行う際に欠かせない主要なポンプです。近年、我が国の経済が持続的に高速で発展する中、真空ポンプを用いる下流産業も急速な成長を続けています。また、真空ポンプの応用分野が絶えず拡大していることなども相まって、我が国の真空ポンプ産業は持続的かつ安定した速い発展を遂げています。ポンプ本体の構造形態 真空ポンプのポンプ本体の配置構造が、ポンプ全体の構造を決定する。垂直構造の吸排気口は水平に設置されており、配管の組み立てや接続が比較的容易です。しかし、ポンプの重心が高く、高速回転時の安定性に欠けるため、このタイプは主に小型ポンプで使用されます。水平ポンプの吸気口は上に、排気口は下にあります。時には、真空システムの配管設置を容易にするために、排気口を水平方向に取り出すことがあり、つまり吸気と排気の方向は互いに垂直になる。このとき、排気口は左右の2方向から開くことができ、排気管の一方の端に接続され、もう一方の端は塞がれるかバイパスバルブに接続される。このポンプの構造は重心が低く、高速回転時の安定性に優れています。一般的に、大型・中型のポンプはこの構造が多く採用されている。ポンプの2つのローターシャフトは水平面に対して垂直に取り付けられている。この構造では組み立ての隙間を容易に制御でき、ローターの取り付けも簡単で、ポンプの占有面積も小さい。しかし、ポンプの重心が高く、ギアの取り付け・取り外しが不便で、潤滑機構も比較的複雑である。ポンプの駆動方式⑴真空ポンプが動作する際に発生する振動が、工程や環境に影響を与えるかどうか。もし工程上許容されない場合は、振動のないポンプを選択するか、振動防止対策を講じるべきである。⑵抽出されるガスの成分を把握し、ガスに凝縮性のある蒸気が含まれていないか、粒子状のほこりがないか、腐食性がないかなどを確認する。真空ポンプを選択する際には、ガスの成分を把握し、排気対象のガスに合ったポンプを選ぶ必要があります。ガス中に蒸気や粒子、腐食性ガスが含まれている場合は、ポンプの吸気管路に凝縮器や集塵器などの補助装置を設置することを検討すべきです。⑶真空ポンプは、その動作圧力において、真空装置の工程中に発生する全てのガス量を排出できなければならない。⑷真空ポンプを正しく組み合わせる。真空ポンプには選択的な排気機能があるため、場合によっては1種類のポンプだけでは排気要件を満たすことができず、複数のポンプを組み合わせて互いに補完し合うことで初めて排気要件を満たすことができる。チタン昇華ポンプは水素に対して高い排気速度を持つがヘリウムは排気できず、一方、三極型スパッターイオンポンプ（または二極型非対称陰極スパッターイオンポンプ）はアルゴンに対してある程度の排気速度を持つため、これらを組み合わせることで真空装置の真空度をより高めることができる。また、一部の真空ポンプは大気圧下では動作せず、予備真空が必要です；一部の真空ポンプは出口圧力が大気圧よりも低く、前置きポンプが必要なため、すべてを組み合わせて使用する必要がある。⑸真空装置における油汚染に対する要求。装置で無油が厳しく要求される場合は、ウォーターリングポンプ、分子ふるい吸着ポンプ、スパッターイオンポンプ、低温ポンプなど、各種の無油ポンプを選択すべきです。要件が厳しくなければ、オイルポンプを備え、冷却トラップや遮板、オイル防止トラップなどの油汚染防止策を加えることで、清浄な真空状態を実現することも可能です。⑹真空ポンプの動作点を正しく選択する。各ポンプには一定の作動圧力範囲があります。例えば、2BVシリーズのウォーターリング真空ポンプの作動圧力範囲は760mmHg～25mmHg（絶対圧）です。この広い圧力範囲において、ポンプの排気速度は圧力に応じて変化します（詳細な変化状況はポンプの性能曲線を参照）。その安定した作動圧力範囲は760～60mmHgです。したがって、ポンプの動作点はこの範囲内に設定するのが適切であり、25～30mmHgの状態で長期間稼働させてはならない。⑺真空ポンプから排出される油の蒸気が環境に与える影響はどうなのか。環境上汚染が許されない場合は、無油真空ポンプを選ぶか、油の蒸気を屋外に排出することができます。⑻真空ポンプの作動圧力は、真空装置の極限真空および作動圧力の要求を満たす必要があります。例えば、ある真空乾燥工程では10mmHgの作業真空度が求められる場合、使用する真空ポンプの限界真空度は少なくとも2mmHgでなければならず、できれば1mmHgに達することが望ましい。通常、ポンプの限界真空度は真空装置の作動真空度よりも半分から1桁高く選ばれる。⑼真空ポンプの価格、運転および保守費用。真空ポンプの機械的設置⑴真空ポンプは、床がしっかりとした場所に設置し、周囲には点検やメンテナンスを行いやすいよう十分なスペースを確保する必要があります。⑵真空ポンプのベースの下は地盤を水平に保つ必要があり、ベースの四隅には減震ゴムを敷いたり、ボルトで固定して取り付けたりすることを推奨します。これにより、真空ポンプが安定して動作し、振動が少なくなります。⑶真空ポンプとシステムを接続する配管は、確実に密閉されていなければならない。小型真空ポンプの場合は金属製の配管を使用し、シールパッドには耐油性のあるゴムを用いる。また、小型真空ポンプでは真空ホースを使用することもできる。配管の内径は真空ポンプの吸気口の直径より小さくてはならず、配管は短く、曲がりが少ないものでなければならない。（配管を溶接する際は、配管内のスラグを除去しなければならず、スラグが真空ポンプの内部に入ることは厳禁です。）⑷接続配管において、ユーザーは真空ポンプの吸気口の上方にバルブと真空計を取り付けることができ、いつでも真空ポンプの限界圧力を確認できる。⑸電動機の表示板に記載された通りに電源を接続し、アース線を取り付け、適切な規格のヒューズと熱遮断器を設置する。⑹真空ポンプを通電して試運転する際は、モーターのベルトを外し、真空ポンプの回転方向が規定の方向であることを確認してから使用しなければならない。これは、真空ポンプが逆回転してオイルが噴出するのを防ぐためである。（プロテクターカバーの指示方向に向ける）⑺冷却水を使用する真空ポンプの場合は、規定に従って冷却水を接続する。⑻真空ポンプの出口に電磁弁を取り付ける場合、弁と真空ポンプは同時に動作しなければならない。⑼真空ポンプによる排気ガスが作業環境に影響を与える場合は、排気口に配管を取り付けて外に排出するか、油霧フィルターを取り付けることができます。ポンプの構造について、真空ポンプの2つのローターは、一対の高精度な歯車によって相対的に同期して回転する。駆動軸はカップリングを介してモーターに接続される。駆動構造の配置には主に以下の2種類がある。1つ目は、モーターと歯車を図のようにローターの同じ側に配置するものである。従動ローターは電動機側の歯車から直接駆動されるため、主動ローター軸のねじれ変形が小さくなり、主動軸の大きなねじれ変形によって2つのローター間の隙間が変化することがない。その結果、運転中もローター間の隙間が均一に保たれる。この駆動方式の最大の欠点は、a.駆動軸に3つのベアリングがあるため、ポンプの加工や組み立てが困難になり、歯車の取り外しや調整も不便であることです；b. 全体の構造が不均一で、ポンプの重心がモーターとギアボックス側に偏っている。特徴(1)広い圧力範囲で大きな抽出速度を持つ；(2)ローターは良好な幾何学的対称性を持つため、振動が少なく、安定して回転する。ローター同士、およびローターとケーシングの間には隙間があり、潤滑が不要なため摩擦損失が少なく、**駆動動力を低減できる。これによりより高い回転速度を実現できる**；(3)ポンプチャンバー内でのオイルによるシールや潤滑が不要なため、オイル蒸気による真空システムの汚染を低減できる；(4)ポンプチャンバー内に圧縮はなく、排気弁もない。構造がシンプルでコンパクトで、抽出されるガス中のほこりや水蒸気に対して敏感ではない；(5)圧縮が比較的低く、水素の排気効果が悪い；(6)ローターの表面は形状がかなり複雑な曲面柱面であり、加工や検査が困難である。ガス送気ポンプとは、ガスを絶えず吸い込み、排出することで排気を行う真空ポンプの一種であり、基本的に2つのタイプがある。可変容量真空ポンプとは、ポンプ室内の容積を周期的に変化させることで吸気および排気のプロセスを行う真空ポンプで、ガスは排出される前に圧縮される。この種のポンプは往復式とロータリーピース式の2種類に分かれる：（1）往復式真空ポンプ：ポンプ室内のピストンが往復運動を行い、ガスを吸い込んで圧縮し、排出するものである。したがって、ピストン式真空ポンプとも呼ばれます。（2）ロータリーポンプ：ポンプ室内のピストンが回転運動を行い、ガスを吸い込んで圧縮し、排出するものです。回転真空ポンプには、以下のような種類がある：①オイルシール式真空ポンプ：これは、油を用いて各動く部品間の隙間を密封し、有害な空間を減少させるタイプの回転変容真空ポンプである。この種のポンプは通常、ガス鎮圧装置を備えているため、ガス鎮圧式真空ポンプとも呼ばれます。その構造的特徴により、以下の5つの形態に分けられる。a旋片式真空ポンプ：ローターは一定の偏心距離でポンプケーシング内に取り付けられ、ポンプケーシングの内面にある固定面に近接している。ローターの溝には2枚（またはそれ以上）の旋片が装着されており、ローターが回転すると旋片はその径方向の溝を往復しながら滑動し、常にポンプケーシングの内壁と接触している。この旋片はローターと共に回転し、ポンプ室内を複数の可変容積部に分けることができる。b. スライドバルブ式真空ポンプ：偏心ローターの外側にスライドバルブが取り付けられており、ローターの回転によってスライドバルブがポンプケースの内壁を滑りながら回転する。スライドバルブの上部にあるスライドバルブ棒は、揺動可能なガイドレール内を滑動し、その結果ポンプ室は2つの可変容積部分に分かれる。c. 定片式真空ポンプ：ポンプケーシング内には、ポンプの内面に近い位置に偏心ローターが設置されており、ポンプケーシング上には常にローターの表面と接触するような半径方向のスライドプレートが取り付けられている。ローターが回転すると、このスライドプレートが上下に動き、ポンプチャンバーを2つの可変容積部分に分ける。d. 残余旋輪線式真空ポンプ：ポンプケーシング内に、残余旋輪線の形状を持つローターが偏心して取り付けられており、このローターがポンプケーシングの内壁に沿って回転することで、ポンプケーシングを2つの可変容積部に分ける。e. 多室スクロール式真空ポンプ：1つのポンプケーシング内に、同一の電動機で駆動される複数の独立した作業室を備えたスクロール真空ポンプが並列に搭載されているもの。②ドライスクリューバキュームポンプ：これは、油類（または液体）を用いないシール方式の可変容量型バキュームポンプです。③液環式真空ポンプ：複数の羽根を持つローターがポンプケーシング内で偏心して取り付けられており、回転する際に液体（通常は水または油）をポンプケーシング内に投げ出して、ケーシングと同心の環状の液体層を形成する。この環状液体層とローターの羽根によって、容積が周期的に変化するいくつかの小さな容積領域が生じるため、回転変容真空ポンプとも呼ばれる。④ロータリー真空ポンプ：ポンプ内部には、逆方向に同期して回転する2つの二葉または多葉形のローターが搭載されており、ローター同士やローターとポンプケースの内壁との間には一定の隙間が保たれている。それは回転変容真空ポンプに属します。ターボポンプとは、この形式の真空ポンプです。運動量伝達ポンプとは、高速で回転する羽根または高速ジェットによって運動量をガスやガス分子に伝え、ガスを継続的にポンプの入口から出口へと送り出すポンプです。具体的には、以下の数種類に分けられる。（1）分子真空ポンプ：これは、高速で回転するローターを利用してエネルギーをガス分子に伝達し、それによって圧縮・排気する種類の真空ポンプです。それには以下のような種類がある：①牽引分子ポンプ：ガス分子が高速で回転するローターと衝突して力を得て出口へ送られるため、運動量伝達ポンプの一種である。②ターボ分子ポンプ：ポンプ内部にはスロット付きの円盤または羽根付きのローターがあり、それがステーター円盤（またはステーターブレード）の間で回転する。ローターの円周上の線速度は非常に高い。このポンプは通常、分子流状態で動作します。③複合分子ポンプ：これは、タービン式と牽引式の2種類の分子ポンプを直列に接続した複合型の分子真空ポンプです。（2）ジェット真空ポンプ：これはベンチュリー効果による圧力降下を利用した高速ジェットでガスを出口まで送り出す、運動量伝達型のポンプであり、粘性流や遷移流の状態での使用に適している。この種のポンプは、さらに以下のように詳細に分類される：①液体噴射真空ポンプ：液体（通常は水）を作動媒体とする噴射真空ポンプ。②ガス噴射真空ポンプ：非凝縮性ガスを作動媒体とする噴射真空ポンプ。③蒸気噴射真空ポンプ：蒸気（水、油、または水銀蒸気）を作動媒体とする噴射真空ポンプ（3）。拡散ポンプ：低圧高速度の蒸気流（油や水銀などの蒸気）を作動媒体とする噴射真空ポンプ。気体分子は蒸気ジェットに拡散し、出口へ送られる。ジェット内の気体分子密度は常に非常に低く、このポンプは分子流状態で動作するのに適している。次のように分けられる：①自己浄化型拡散ポンプ：ポンプ内の揮発しやすい不純物が専用の機構によって出口へ送られ、ボイラーに戻らないタイプの油拡散ポンプ。②分留式拡散ポンプ：このポンプには分留装置があり、蒸気圧が低い作動液の蒸気は高真空で動作するノズルに、蒸気圧が高い作動液の蒸気は低真空で動作するノズルに入る。これは多段式の油拡散ポンプである。（4）拡散噴射ポンプ：これは、拡散ポンプの特性を持つ単段または多段のノズルと、噴射真空ポンプの特性を持つ単段または多段のノズルを直列に組み合わせた、運動量伝達ポンプである。オイルプレッシャーポンプは、このタイプに属します。（5）イオン輸送ポンプ：これは、電離されたガスを電磁場または電場の作用によって出口まで輸送する、運動量輸送ポンプである。ガス捕集ポンプとは、ガス分子がポンプの内面に吸着または凝縮されることで容器内のガス分子数を減少させ、排気を実現する真空ポンプであり、以下のような種類がある。吸着ポンプ：主に、表面積の大きな吸着剤（例えば多孔質物質）の物理的吸着作用によって排気を行う、捕集型の真空ポンプである。
吸着剤ポンプ：吸着剤を用いて化学的結合によってガスを捕捉するタイプの真空ポンプである。吸着剤は、通常、塊状または新たに成膜された形態で存在する金属や合金です。昇華ポンプはこのタイプに属します。吸着剤イオンポンプ：これは、電離されたガスを電磁場または電場の作用によって吸着材の表面に吸着させ、排気を実現するものです。それには以下のような型式がある。（1）蒸発型イオンポンプ：ポンプ内の電離したガスが、断続的または連続的に昇華（または蒸発）してポンプの内壁に形成される吸着材に吸着されることで排気を行う真空ポンプ。（2）スパッターイオンポンプ：ポンプ内で電離したガスが、カソードから連続的にスパッターされる吸着材に吸着されることで排気を行う真空ポンプ。低温ポンプ：低温表面を利用してガスを捕捉する真空ポンプで、その真空度によって粗真空、高真空、超高真空の3つのカテゴリーに分けられる。粗真空系は、主に空気や、ある程度の腐食性があり、水に溶けない、少量の固体粒子の混入が許容されるガスを抽出するために使用されます。食品、繊維、医薬、化学などの業界で、真空蒸発、濃縮、浸漬、乾燥といった工程に広く利用されています。このタイプのポンプは、高い真空度、シンプルな構造、使いやすさ、信頼性の高い動作、そしてメンテナンスが容易であるという特徴を持っています。主に粗真空で使用されます。排気量が多い工程の中で。主に、空気やその他の腐食性がなく、水に溶けず、少量の固体粒子を含むガスを抜き取り、密閉容器内に真空を形成するために使用されます。吸い込む空気中には、少量の液体が混入してもよい。それは機械、製薬、食品、石油化学などの業界で広く利用されています。粗真空を得るための主要な真空装置の一つです。化学、食品、建築材料などの分野で広く利用されており、特に真空結晶、乾燥、ろ過、蒸発といった工程に適しています。無油（耐腐食）垂直型往復真空ポンプは、水平型真空ポンプの後継製品であり、粗真空を得るための主要な装置です。完全密閉装置を採用したため、クランクケースとシリンダーが完全に隔離されている；ピストンリングに自己潤滑材を使用したことで、先進的な無油潤滑が実現されました。汚水が排出されないため、このタイプの真空ポンプは、化学、医薬品、食品などの業界における真空蒸留、真空蒸発、真空乾燥、真空濃縮、真空含浸といった工程に特に適しています。高真空用スライドバルブ式真空ポンプ（ロータリーピストン真空ポンプ）は、真空結晶成長、真空蒸着、真空冶金、真空熱処理、真空含浸、真空乾燥、真空蒸留、真空練泥、航空宇宙の模擬試験など、新素材、新技術、新工程の製造や研究開発に広く利用されている。スライドバルブ式真空ポンプは単独で使用できるほか、ロータリー真空ポンプ、オイルインジェクションポンプ、オイル拡散ポンプの前置ポンプとしても使用できます。黒色金属に腐食を与えたり、真空油と化学反応を起こしたり、大量の水蒸気や粉塵を含むガスを吸引する場合は、追加の装置が必要です。長所：ロータリーピース式真空ポンプと比べて耐久性が数倍高く、排気速度も大きい。ただし、価格はやや高めである。密閉容器内のガスを抜き出すための基本的な装置の一つ。単独で使用できるほか、増圧ポンプ、拡散ポンプ、分子ポンプの前置ポンプとしても使用できます。このタイプのポンプは、冶金、機械、電子、化学、石油、医薬などの業界において、真空溶解、真空蒸着、真空熱処理、真空乾燥といった工程で広く使用されています。スライディングベーン式ロータリーバキュームポンプは、構造がコンパクトで体積が小さく、重量が軽く、騒音が少なく、振動も小さいといった利点があります。したがって、それは拡散ポンプの前置ポンプとして適しており、さらに精密機器の付属品や実験室での使用にも適しています。例えば：質量分析計、冷蔵庫のライン、真空凍結乾燥機など。ロータス真空ポンプ（Roots Vacuum Pump）は回転式の可変容量真空ポンプで、広い圧力範囲で使用するためには前置きポンプが必要であり、大きな排気速度を持ち、排気されるガス中に含まれるほこりや水蒸気に対しても鈍感です。冶金、化学工業、食品、電子めっきなどの業界で広く使用されています。主に真空装置の主ポンプとして使用され、前段ポンプによる補助が必要です。例：ウォーターリング型真空ポンプ、スライドバルブ式真空ポンプ、垂直型無油真空ポンプ、分子真空ポンプなど。国内最大のロータス真空ポンプの記録は20000L/Sです。