「エネルギー理工学設計演習・実験２」別冊

１−４　真空装置の構成

1998.09.12

keywords: vacuum system, rotary pump, diffusion pump, turbo molecular pump

　一般的な真空装置（真空系）の例をいくつか紹介します。真空を利用した装置は多種多様ですが、基本的な構成を知っておけば、初めて使う装置であっても、操作に戸惑うことは少なくなるでしょうし、自分で装置を組み立てる場合の参考にもなると思います。ここではおおよその事しか説明しませんので、材料や形状などにつきましては目次から辿ってご覧下さい。

最も単純な場合

　図Ａは最も単純な構成です。真空とは周囲の圧力よりも低い状態ですから、気密な容器の中に作らなければなりません。この容器は真空容器や真空槽などと呼ばれます。真空槽をそのまま放っておいても中の圧力は下がりませんから、真空槽内の気体（最初は空気）を排出するものも必要です。これを真空ポンプと言います。従って、真空槽と真空ポンプの組み合わせである図Ａが最も単純な例ということになり、吸引濾過器が相当します。なお、JISでは真空ポンプは図のように表現します。通常、ポンプと真空槽の間は管で接続しますが、簡単のため、線で表しました。

ＲＰを用いた例

　図Ｂでは、真空ポンプにＲＰ（油回転ポンプ）を用いた例を示しました。到達した圧力を知るために真空計VGを真空槽に取り付け、ポンプを停止しても真空槽内を気密に保つために、配管中にバルブを設けています。真空槽の蓋は大気圧との差圧で吸い付きますので、蓋を開ける際にはリークバルブを通して中に空気を入れなければなりません（図Ａでは配管を外すしかありません）。また、油の逆流を防止するために、ＲＰは停止したら吸気側を大気に開放する必要がありますので、吸気側付近にもリークバルブがあると便利です。この構成に該当するのは、例えば真空乾燥器です（注１）。

ＴＭＰを用いた例

　10μPa 程度までの高真空を達成する場合の構成例を図Ｃに示します。ＴＭＰ（ターボ分子ポンプ）は大気圧から作動させることはできませんので、ＲＰとの２段構えになっている点が図Ｂと異なります。この図の例ではＴＭＰを停止した状態で、先ずＲＰで 10 Pa 程度まで排気し（ピラニ真空計 PiG で確認します）、ＲＰを運転したままＴＭＰを起動します。真空槽内の圧力は、高真空領域で作動する ＩＧ（電離真空計）で測定します。

　注意点が２つあります。真空槽を頻繁に開閉するような場合には、次の図Ｄに示すような構成（ＤＰの位置にＴＭＰを置いた構成）にした方がよいことが１つです。もう１つは、例えば主バルブは高真空用のものでなければならないのに対し、ＲＰ側のバルブは中真空用でも構わないなど、同じ記号であっても、材料や部品が圧力領域に応じて異なることです。なお、ＲＰ側のリークバルブは省略しています（注２）。例えば、加速器のビーム輸送管にこのような構成が見られます。

ＤＰを用いた例

　ＤＰ（油拡散ポンプ）を用いた構成例を図Ｄに示します。圧力範囲は、10 mPa 〜 10 μPa 程度の高真空領域です。図Ｃと異なるのは、粗引きのための配管が追加されていることで、ＤＰは大気圧から作動させることができないことと、一旦起動すると停止するまでに時間がかかることがその理由です。詳しくは別のページで説明する予定です。

　ＤＰは構造が単純であるにも拘わらず高真空まで排気できることから、図Ｄに示した構成はよく見かけます。ＴＥＭやＳＥＭなどの電子顕微鏡、加速器の加速管やビーム輸送管、真空蒸着装置、イオンプレーティング装置、真空炉などです。ただ、必ずしもこれらの装置が図Ｄのようになっているとは限りませんし、最近ではＤＰの替わりにＴＭＰが用いられることが多くなっています。

（注１）　実際には真空槽とポンプとの間に吸着剤があるし、バルブや真空計の位置も異なっている。基本的な構成が同じという意味である。　　（注２）　逆流防止弁が備わっており、停止しても大気に開放しなくてよいＲＰの場合には、このような構成になる。

このページは、高木郁二が担当している京都大学工学部物理工学科の講義・実験を補う資料として作成したものです。ご意見・お問い合わせはこちらまでお願いします。