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真空排気の全体像と基礎解説
🎯 このガイドの使い方
真空技術が初めての方は、まず「0. 全体像」で大まかな流れを掴んでから、各セクションを順番に読み進めてください。
数式は覚える必要はありませんが、「なぜその式になるのか」の理由を理解することが大切です。
真空技術が初めての方は、まず「0. 全体像」で大まかな流れを掴んでから、各セクションを順番に読み進めてください。
数式は覚える必要はありませんが、「なぜその式になるのか」の理由を理解することが大切です。
0. 真空排気の全体像
真空排気は段階的に圧力を下げていくプロセスです。
これは登山に例えると、一気に頂上を目指すのではなく、ベースキャンプを設営しながら段階的に高度を上げていくのと似ています。
💡 圧力の基準について
まず基本的な圧力の関係を覚えましょう。大気圧 = 0.1 MPa = 1.0 × 10⁵ Paです。これは絶対圧での表現です。
真空技術では絶対圧（完全真空を0とした圧力）で表現することが多いです。
軽い減圧程度や加圧だと「ゲージ圧」（大気圧を0とした圧力）を使用することが多いです。
詳しい圧力の基礎知識は はじめての真空技術入門をご参考ください。
まず基本的な圧力の関係を覚えましょう。大気圧 = 0.1 MPa = 1.0 × 10⁵ Paです。これは絶対圧での表現です。
真空技術では絶対圧（完全真空を0とした圧力）で表現することが多いです。
軽い減圧程度や加圧だと「ゲージ圧」（大気圧を0とした圧力）を使用することが多いです。
詳しい圧力の基礎知識は はじめての真空技術入門をご参考ください。
💡 なぜ段階的なのか？
各圧力域で気体の流れ方が変わるため、それぞれに適したポンプが必要になります。
例えば、大気圧付近では気体分子が密集していて「団体行動」をしますが、高真空では分子がバラバラに動く「個人行動」になります。
各圧力域で気体の流れ方が変わるため、それぞれに適したポンプが必要になります。
例えば、大気圧付近では気体分子が密集していて「団体行動」をしますが、高真空では分子がバラバラに動く「個人行動」になります。
| 段階 | 典型圧力域 (Pa) | 主な流れ状態 | 代表的なポンプ | おもな目的 |
|---|---|---|---|---|
| 大気 → 粗引き | 105 → 102 | 粘性流 （分子が密集、団体行動） | ロータリーポンプ、ドライスクロール | 大気を一気に抜いて 102 Pa 付近へ （掃除機のように大量の空気を吸う） |
| 粗引き → 高真空 | 102 → 10-3 | 中間流（遷移流） （団体と個人の中間） | ルーツブロワ＋ロータリ、ターボ分子ポンプ | 高真空ポンプが動ける圧力まで下げる （次の段階の準備） |
| 高真空 → 超高真空 | 10-3 → 10-7 | 分子流 （分子が個人行動） | ターボ分子、クライオ、イオンポンプ | 半導体・表面分析など （製造や研究用途） |
| 超高真空 → 極高真空 | 10-7 → 10-10 | 分子流 （ほぼ宇宙空間レベル） | イオン、NEG、チタン昇華 | 研究用途 (加速器, STM など) （最先端の科学実験） |
⚠️ 初心者の陥りがちな誤解
「高性能なポンプ1台で一気に極高真空まで引けるのでは？」と思いがちですが、これは不可能です。
各段階で気体の性質が変わるため、段階に応じたポンプの組み合わせが必要です。
「高性能なポンプ1台で一気に極高真空まで引けるのでは？」と思いがちですが、これは不可能です。
各段階で気体の性質が変わるため、段階に応じたポンプの組み合わせが必要です。
1. 気体のふるまい
真空排気を理解するには、まず気体がどのように振る舞うかを知る必要があります。
ここでは最も基本的な3つの関係式を覚えましょう。
| なにが分かる？ | 覚えたい式 | かみ砕きポイント | 実生活での例 |
|---|---|---|---|
| 圧力・体積・温度の関係 | PV = nRT | 風船を暖めると膨らむのと同じ。 「P×V は温度に比例」 | 夏の暑い日に車のタイヤの空気圧が上がる |
| 分子1個あたりで考える | P = nkT | n は分子密度 (1 m3あたりの個数)。 分子1個の平均エネルギーは kT | 電車の混雑度（人数密度）が高いほど圧迫感（圧力）が強い |
| 平均自由行程 λ （分子が次の分子と衝突するまでの距離） | λ = 1/(√2 π σ² n) | 真空に近づくほど分子がスカスカ → λ が長くなる。 例：室温（20℃）:λ ≈ 7 mm × (1 Pa / P) |
満員電車では歩けない（λ小） 空いた電車では自由に歩ける（λ大） |
記号の説明
| 記号 | 意味 | 単位 | 覚え方・メモ |
|---|---|---|---|
| P | 圧力 (Pressure) | Pa (パスカル) | 1 Pa = 1 N/m² 大気圧 = 10⁵ Pa |
| V | 体積 (Volume) | m³ | 1 L = 10⁻³ m³ ペットボトル 1本 = 0.5 L |
| n | 物質量または分子密度 | mol または個/m³ | 文脈で変わる。PV=nRTでは物質量、P=nkTでは分子密度 |
| R | 気体定数 | 8.314 J/(mol·K) | 「アボガドロ数 × ボルツマン定数」と覚える |
| T | 絶対温度 (Temperature) | K (ケルビン) | T(K) = T(℃) + 273.15 室温 = 300 K |
| k | ボルツマン定数 | 1.38 × 10⁻²³ J/K | 「分子1個あたりの気体定数」 |
| λ | 平均自由行程 | m | 分子が他の分子と衝突するまでの平均距離 |
| σ | 分子直径（衝突直径） | m | 空気の代表値 ≈ 3.7 × 10⁻¹⁰ m（3.7 Å） |
📐 計算例を見る
気体のふるまいの計算例はこちら
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💡 平均自由行程って何？
分子が他の分子と衝突するまでに進む平均距離です。
大気圧では約70 nmですが、真空になるほど長くなります。
極高真空では数kmにもなります！
分子が他の分子と衝突するまでに進む平均距離です。
大気圧では約70 nmですが、真空になるほど長くなります。
極高真空では数kmにもなります！
🧮 暗算のコツ
平均自由行程の暗算式「λ = 7 mm × (1 Pa / P)」を使えば、任意の圧力での λ がすぐ計算できます。
例：P = 0.1 Pa なら λ = 7 × (1/0.1) = 70 mm
例：P = 10 Pa なら λ = 7 × (1/10) = 0.7 mm
平均自由行程の暗算式「λ = 7 mm × (1 Pa / P)」を使えば、任意の圧力での λ がすぐ計算できます。
例：P = 0.1 Pa なら λ = 7 × (1/0.1) = 70 mm
例：P = 10 Pa なら λ = 7 × (1/10) = 0.7 mm
2. 流れの区分 (クヌーセン数)
気体の流れ方は圧力によって大きく変わります。これを判断するのがクヌーセン数です。
クヌーセン数の定義： K = λ / D
💡 クヌーセン数の直感的理解
「分子の歩幅（λ）」と「道幅（D）」の比です。道幅に比べて歩幅が小さければ、分子同士がぶつかり合いながら進みます（粘性流）。
歩幅が道幅より大きければ、壁にしか当たらずに進みます（分子流）。
「分子の歩幅（λ）」と「道幅（D）」の比です。道幅に比べて歩幅が小さければ、分子同士がぶつかり合いながら進みます（粘性流）。
歩幅が道幅より大きければ、壁にしか当たらずに進みます（分子流）。
| 流れの名前 | 目印 （クヌーセン数） | 何が起きている？ | 身近な例 | 計算で使う式 |
|---|---|---|---|---|
| 粘性流 （Viscous flow） | K < 0.01 | 分子は団体行動。液体のように流れる 分子同士の衝突が支配的 | 掃除機のホース、水道管 | Poiseuille式 （圧力に比例） |
| 中間流 （Transition flow） | 0.01 < K < 0.3 | 団体行動と個人行動の間 複雑で予測困難 | 102 Pa 前後の配管 | 補正係数を使用 （実験値に頼る） |
| 分子流 （Molecular flow） | K > 0.3 | 分子は壁としか衝突しない 個人行動、ランダムウォーク | 極高真空、宇宙空間 | クヌーセン式 （圧力に無関係） |
📐 計算例を見る
クヌーセン数の計算例はこちら
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🔍 重要な気づき：太い配管でも高真空で分子流になる例
例：D = 200 mm（大口径配管）、P = 10⁻⁴ Pa（高真空）の場合
• λ = 7 mm × (1 Pa / 10⁻⁴ Pa) = 70 m
• K = λ / D = 70 m / 0.2 m = 350 > 0.3
→ 分子流領域
一方、D = 200 mm、P = 100 Pa（粗引き段階）だと
• λ = 7 mm × (1 Pa / 100 Pa) = 0.07 mm
• K = 0.07 mm / 200 mm = 0.00035 < 0.01
→ 粘性流領域
例：D = 200 mm（大口径配管）、P = 10⁻⁴ Pa（高真空）の場合
• λ = 7 mm × (1 Pa / 10⁻⁴ Pa) = 70 m
• K = λ / D = 70 m / 0.2 m = 350 > 0.3
→ 分子流領域
一方、D = 200 mm、P = 100 Pa（粗引き段階）だと
• λ = 7 mm × (1 Pa / 100 Pa) = 0.07 mm
• K = 0.07 mm / 200 mm = 0.00035 < 0.01
→ 粘性流領域
⚠️ 中間流（遷移流）での注意
中間流領域（クヌーセン数 0.01〜0.3）では計算が複雑になります。
実用的には、安全側を取って分子流の式で計算することが多いです。
これは、分子流式で計算すると実際より悪い性能を想定することになり、設計上の安全余裕が生まれるためです。
中間流領域（クヌーセン数 0.01〜0.3）では計算が複雑になります。
実用的には、安全側を取って分子流の式で計算することが多いです。
これは、分子流式で計算すると実際より悪い性能を想定することになり、設計上の安全余裕が生まれるためです。
3. コンダクタンス C
コンダクタンス（conductance）は、配管の「通しやすさ」を数値化したものです。
水道管に例えると、太くて短いホースほど水がよく流れるのと同じです。
💡 コンダクタンスの直感的理解
電気の「コンダクタンス」（電気の通しやすさ）と同じ概念です。
数値が大きいほど気体が通りやすく、真空引きが早くなります。単位は通常 L/s です。
電気の「コンダクタンス」（電気の通しやすさ）と同じ概念です。
数値が大きいほど気体が通りやすく、真空引きが早くなります。単位は通常 L/s です。
| 流れ領域 | 円筒管のコンダクタンス C（空気, 20℃） | ざっくり特徴 | 覚え方 |
|---|---|---|---|
| 粘性流 （高圧領域） |
C [L/s] = 135 × (D[cm]^4 / L[cm]) × Pave [mbar] |
D⁴ と平均圧力 P に比例 粗引き段階で効く |
「太さが命」 直径2倍で16倍改善 |
| 分子流 （高真空領域） |
C [L/s] = 12.1 × (D[cm]^3 / L[cm]) |
圧力に無関係 到達圧力はリークやアウトガスで決まる |
「太さと長さだけ」 圧力は関係なし |
記号の説明
| 記号 | 意味 | 単位 | 覚え方・メモ |
|---|---|---|---|
| C | コンダクタンス | L/s | Conductance（通しやすさ）。大きいほど良い |
| D | 配管内径 | cm | Diameter（直径）。外径ではなく内径 |
| L | 配管長さ | cm | Length。曲がりがあると実効的に長くなる |
| Pave | 平均圧力 | mbar | 粘性流でのみ使用。P = (P₁ + P₂) / 2 |
📐 計算例を見る
コンダクタンスの計算例はこちら
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🔧 設計のコツ
基本は「太く・短く・シンプルに」
コンダクタンスを大きくする = 配管を太くする or 短くすること
– 粘性流ではD⁴に比例するので、直径を2倍にすると16倍改善
– 分子流ではD³に比例するので、直径を2倍にすると8倍改善
– 長さは逆比例なので、半分にすると2倍改善
– 曲がりやバルブは抵抗になるので最小限に
基本は「太く・短く・シンプルに」
コンダクタンスを大きくする = 配管を太くする or 短くすること
– 粘性流ではD⁴に比例するので、直径を2倍にすると16倍改善
– 分子流ではD³に比例するので、直径を2倍にすると8倍改善
– 長さは逆比例なので、半分にすると2倍改善
– 曲がりやバルブは抵抗になるので最小限に
⚠️ よくある設計ミスと注意点
1. 配管が細すぎるケース:
高性能なポンプを選んでも、細い配管を使うとボトルネックになります。
ポンプの性能を活かすには、配管のコンダクタンスも十分に大きくする必要があります。
2. 配管を太くしすぎるケース:
コンダクタンスを大きくしようと配管を太くしすぎると、チャンバー内の容積が増加し、排気時間が長くなる場合があります。
また、材料費やスペースの制約もあるため、適切なバランスが重要です。
1. 配管が細すぎるケース:
高性能なポンプを選んでも、細い配管を使うとボトルネックになります。
ポンプの性能を活かすには、配管のコンダクタンスも十分に大きくする必要があります。
2. 配管を太くしすぎるケース:
コンダクタンスを大きくしようと配管を太くしすぎると、チャンバー内の容積が増加し、排気時間が長くなる場合があります。
また、材料費やスペースの制約もあるため、適切なバランスが重要です。
🧮 補足（由来と単位系）
粘性流：Poiseuille式
分子流：Knudsenの式から、同じ単位系にすると係数は約12.1になります。
粘性流：Poiseuille式
C = πD⁴P/(128μL) に空気（300 K）の粘性率 μ ≈ 1.84×10⁻⁵ Pa·s を代入し、D・Lをcm、Pをmbar、CをL/sに換算すると係数が約135になります。分子流：Knudsenの式から、同じ単位系にすると係数は約12.1になります。
4. ポンプダウン時間
粘性流領域のポンプの計算式は以下の通りです。
S = V/t × 2.303 log(P1/P2)記号の説明
| 記号 | 意味 | 単位 |
|---|---|---|
| S | 真空ポンプの排気速度 | L/min |
| V | 真空槽（チャンバー）の容積 | L |
| t | 排気時間 | min |
| P1 | 初期圧力 | Pa（絶対圧） |
| P2 | 必要とする圧力（目標圧力） | Pa（絶対圧） |
実用上の考慮事項
実際の現場では、この計算どおりに排気できるとは限りません。以下の要素を考慮してください。
- 熱の影響： 加熱・冷却による放出ガス量の変化、温度勾配に伴う吸着/脱離の非線形性
- アウトガス： 壁面・内容物・Oリング等からの放出（H2O、H2、CO/CO2 など）。初回やベーク不足では支配的
- ポンプの逆流： 油回転や拡散ポンプ等の逆拡散/バックストリーム、逆流防止の設計・運用条件
- ガス種類： He、H2、N2、H2O などでコンダクタンス・ポンプ速度・脱離挙動が異なる
- 隙間（デッドスペース）： 空気が逃げにくい狭隙・袋小路があると排気が遅れる
経験則
- 粘性流領域であれば 安全率 2〜3 倍 を見ておけば問題ないことも多い。
- 10⁻² Pa までは 1 時間くらいで到達したが、そこから一桁落とすのに半日かかった、というケースは珍しくない。
- 10⁻⁵ Pa まで引くのに 1 週間かかった、ということも多い。
- 一度しっかり排気したチャンバーは、2回目・3回目は排気時間が短くなる。
最後に：チャンバーをどのくらいで引けるかは装置構成や条件で大きく変わります。最終判断は各メーカーにご相談ください。