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真空の基礎
真空システムの詳細については、「真空を機能させる」、「空気圧システムによるエネルギー節約の絞り込み」、「真空設計の取り扱い」および「真空カップと吸盤を使用した設計」
閉じたボリュームから空気を排出すると、ボリュームと周囲の大気との間に圧力差が生じます。この閉じたボリュームが真空カップとワークピースの表面によって結合されている場合、大気圧が2つのオブジェクトを一緒に押します。保持力の大きさは、2つの物体が共有する表面積と真空レベルによって異なります。産業用真空システムでは、真空ポンプまたは発電機がシステムから空気を除去して圧力差を生み出します。
事実上不可能であるため容器からすべての空気分子を取り除くために、完全な真空を達成することはできません。もちろん、より多くの空気が除去されると、圧力差が大きくなり、潜在的な真空力が大きくなります。
真空レベルは、排気されたボリュームと周囲の大気との間の圧力差によって決定されます。複数の測定単位を使用できます。ほとんどは水銀柱の高さを指します—通常は水銀柱インチ（in.-Hg）または水銀柱ミリメートル（mm-Hg）です。真空測定の一般的なメートル単位は、ミリバール、つまりmbarです。真空を表すために時々使用される他の圧力単位には、大気、トル、およびミクロンの相互に関連する単位が含まれます。 1つの標準気圧は14.7psi（29.92 in.-Hg）に相当します。大気のどの部分も部分的な真空であり、負のゲージ圧に相当します。トルは大気の1/760として定義され、1 mm-Hgと考えることもできます。ここで、760mm-Hgは29.92in.-Hgに相当します。さらに小さいのはミクロンで、0.001トルと定義されています。ただし、これらのユニットは、通常は実験室の条件下でほぼ完全な真空を処理する場合に最も頻繁に使用され、流体動力アプリケーションではめったに使用されません。
大気圧は気圧計で測定されます。気圧計は、上端が閉じ、下端が大気に開放された水銀の容器に置かれた真空垂直管で構成されています（図1）。大気によって加えられる圧力は、液体の露出面に作用して水銀を強制します。チューブに入れます。海面大気圧は、一般的に29.92インチ以下の水銀柱をサポートします。高い。したがって、海面での大気圧の標準は29.92 in.-Hgであり、これは絶対圧力14.69psiaに相当します。
これらすべての測定における2つの基本的な基準点は、標準大気圧と完全な大気圧です。真空。大気圧では、値0in.-Hgは14.7psiaに相当します。反対の基準点である0psia —完全な真空（達成できた場合）—は、その範囲のもう一方の極値である29.92in.-Hgに等しい値になります。ただし、真空システムの労働力または体積の変化を計算するには、負のゲージ圧（psig）または絶対圧（psia）に変換する必要があります。
大気圧には、ほとんどの圧力計のダイヤルでゼロの値が割り当てられます。 。したがって、真空測定値はゼロ未満である必要があります。負のゲージ圧は通常、特定のシステムの真空と大気圧の差として定義されます。
真空測定
いくつかのタイプのゲージが真空レベルを測定します。ブルドン管型ゲージはコンパクトで、真空システムの動作と性能を監視するために最も広く使用されているデバイスです。測定は、ゲージのポートに真空が適用されたときの湾曲した弾性ブルドン管の変形に基づいています。適切なリンケージにより、複合ブルドン管ゲージは真空と正圧の両方を示します。
真空計はトランスデューサーです。真空または圧力は弾性金属ダイアフラムを偏向させます。この偏向は相互接続された回路の電気的特性を変化させ、真空レベルを表す電子信号を生成します。
図3.絶対圧力計は、2本の脚の水銀レベルの差として真空を測定します。
U字管マノメーター（図2）は、2つの圧力の差を示しています。最も単純な形式では、マノメーターは、水銀が半分充填された透明なU字管です。チューブの両端が大気圧にさらされると、各脚の水銀レベルは同じです。片方の脚に真空をかけると、そのファイルの水銀が上昇します。 gと他に落ちる。 2つのレベルの高さの違いは、真空レベルを示します。圧力計は、29.25in.-Hgまでの真空を直接測定できます。
絶対圧力計は、理論上の完全な真空を超える圧力を示します。真空計と同じU字型ですが、絶対圧力計の片方の脚が密閉されています（図3）。ゲージが静止しているとき、水銀がこの密閉された脚を満たします。密閉されていない脚に真空を適用すると、密閉された脚の水銀レベルが低下します。真空準位は、密閉されていない脚の水銀準位にゼロ点を置いて配置されたスライディングスケールで測定されます。したがって、このゲージは大気圧の変化を補正します。
産業用真空システム
真空は次の3つの範囲に分類されます。
- 粗い（または粗い）、最大28インチ-Hg
- 中間（または細かい）、最大1ミクロン、
- 高さ、 1ミクロンを超える。
ほとんどすべての産業用真空システムは粗い。実際、ほとんどの吊り上げおよびワークホールディングアプリケーションは、わずか12〜18インチ水銀柱の真空レベルで動作します。これは、一般に、より高い真空を引いて同じ接触面積を使用するよりも、ワークピースと真空カップの間の接触面積を増やすことによって持ち上げ力または保持力を増やす方が経済的であるためです。
中真空分子蒸留、凍結乾燥、脱気、コーティング操作などのプロセスアプリケーションに使用されます。高真空は、電子顕微鏡、質量分析計、粒子加速器などの実験機器で使用されます。
一般的な真空システムは、真空源、供給ライン、継手、およびさまざまな制御バルブ、スイッチ、フィルターで構成されます。 、および保護装置。非常に小さな漏れでも性能と効率を大幅に低下させる可能性があるため、漏れ防止は真空システムでは特に重要です。プラスチックチューブを使用する場合は（よくあることですが）、真空サービス用に設計されていることを確認してください。そうしないと、チューブの壁が真空下で崩壊し、流れが妨げられる可能性があります。また、真空ラインは、排気する必要のある空気の量を制限するために、実用的な範囲で短く狭くする必要があります。
ワークホールディングアプリケーションの重要な設計上の考慮事項は、真空レベルを達成するためにのみ真空ポンプを使用することです。必須。ワークピースが真空カップに接触し、必要な真空が達成されると、通常は閉じているバルブの電源を切ると、漏れが発生しない限り、真空が無期限に保持されます。この方法で真空を保持すると、エネルギーを消費せず、真空ポンプを継続的に操作する必要がなくなります。
企業は、一体型バルブを備えた真空カップや、過剰な量を示すカップからの流れを停止するバルブなど、独自のデバイスも提供しています。漏れ。このバルブは、多孔質のワークピース（段ボールなど）を保持する際の誤警報の遮断を回避するように設計されていますが、1つの真空カップでの漏れが隣接するカップでの真空を低下させるのを防ぎます。
真空ポンプの選択
適切な真空ポンプを選択するための最初の主要なステップは、アプリケーションの真空要件を市販のポンプの最大真空定格と比較することです。低レベルでは、ポンプの幅広い選択肢があります。ただし、真空レベルが上がると、選択肢が狭くなり、1種類のポンプしか使用できない場合があります。
システムの真空ニーズを計算するには、すべての作業装置を駆動することを検討してください。デバイスの真空度は、ハンドブックの公式、理論データ、カタログ情報、パフォーマンスカーブ、またはプロトタイプシステムで作成されたテストに基づく計算によって決定できます。必要な真空度がわかったら、アプリケーションの要件に対応できるポンプを探し始めることができます。
ポンプの最大真空定格は、通常、連続または断続的なデューティサイクルで表され、ポンプメーカーから入手できます。海面での最大理論真空は29.92 in.-Hgであるため、実際のポンプ能力はこの理論値に基づいて比較されます。ポンプの設計に応じて、真空限界は28〜29.5 in.-Hgまたは最大理論値の約93％または98％の範囲になります。一部のポンプタイプでは、最大真空定格はこの実用的な上限に基づいている必要があります。熱放散が問題となるその他の場合、最大真空定格では許容温度上昇も考慮される場合があります。
機械式真空ポンプ
従来の真空ポンプは、大気圧以下の吸気と大気圧での吐出で作動するコンプレッサーと考えることができます。コンプレッサーと真空ポンプは同じポンプ機構を持っています。真空ポンプは、密閉された容器から空気を抜き取り、大気に排出するために単に配管されています。これは、コンプレッサーとは正反対です。機械には多くの類似点がありますが、システム設計では、圧縮動作と真空ポンプ動作の2つの重要な違いを考慮する必要があります。真空ポンプによって生成される圧力の最大変化は制限されています。大気圧より高くなることはありません。さらに、真空が増加すると、ポンプを通過する空気の量は継続的に減少します。したがって、ポンプ自体が最終的に発生する実質的にすべての熱を吸収する必要があります。
機械式真空ポンプは通常、容積式または非容積式（動的）のいずれかに分類されます。容積式ポンプは、真空レベルの変動にもかかわらず、比較的一定量の空気を吸引し、比較的高い真空を引き出すことができます。容積式ポンプの主なタイプには、往復およびロッキングピストン、ロータリーベーン、ダイヤフラム、ローブローター、およびロータリースクリューの設計が含まれます。
容積式でないポンプは、運動エネルギーの変化を使用して空気を排出します。クローズドシステム。それらは非常に高い流量を提供しますが、高真空を達成することはできません。主要な非容積式ポンプは、多段遠心、軸流ユニット、および再生（または周辺）ブロワーです。これらのうち、ブロワーのみがスタンドアロンまたは専用の真空システムに経済的な選択肢です。
機械式真空ポンプを選択する場合、外部または内部の高い熱がポンプの性能とサービスに大きく影響する可能性があるため、温度を考慮することが非常に重要です。生活。真空レベルが上がると、発生した熱を運び去る空気が少なくなるため、ポンプがより多くの熱を吸収する必要があるため、ポンプの内部温度は重要です。高真空アプリケーションでは、冷却システムを備えた頑丈なポンプが必要になることがよくあります。ただし、サイクル間に適切な冷却期間がある場合、軽量ポンプは短時間で最大真空で動作できます。ポンプに作用するすべての熱源（内部で生成された熱に加えて、内部の漏れ、圧縮、摩擦、および外部の周囲温度からの熱）の結果として、ポンプ全体の温度が上昇します。
ベンチュリタイプの真空ポンプ
真空を必要とする多くの機械も、圧縮空気を使用します。また、真空が断続的にのみ必要な場合は、すでに利用可能な圧縮空気を使用して、真空エジェクタまたは真空ポンプとも呼ばれる真空発生器と呼ばれるデバイスを介して真空を生成できます。さらに、圧縮空気は、ワークピースの放出を早めるために一吹きの空気を生成することにより、真空カップと組み合わせて使用することもできます。
図4.ベンチュリタイプの真空発生器は、圧縮空気の流れから真空を生成します。最新の設計では、50psig未満の圧縮空気源から27in.-Hgまで真空を引き込みます。
真空発生器は、ベンチュリの原理に基づいて動作します（図4）。フィルター処理済み、無潤滑圧縮空気は入口 A から入ります。ディフューザーオリフィス（ノズル） B は、気流の速度を上げ、それによって圧力を下げ、チャネル C 。気流はマフラー D を介して大気に排出されます。
真空発生器にはいくつかの利点があります。それらはコンパクトで軽量であるため、多くの場合、使用場所またはその近くに取り付けることができます。それらは安価であり、可動部品がないため、機械式真空ポンプに関連するメンテナンスを必要としません。既存の圧縮空気システムを利用して真空を発生させるため、電源は必要ありません。ただし、機械に後付けする場合は、既存の空気圧システムの容量を増やす必要がある場合があります。機械式真空ポンプの制限要因であることが多い発熱は、真空発生器ではほとんど問題になりません。
機械式ポンプは、ほとんどの場合、機械に継続的に真空を提供するように指定されています。しかし、これらのマシンの多くは、実際には多くの異なる場所で断続的にのみ真空を使用します。このような場合、真空発生器は、マシン全体に連続的にではなく、各ソースで断続的に真空を供給することにより、実用的な代替手段を提供できます。
真空発生器は、ノズルへの圧縮空気の流れを開始または終了するだけで制御されます。真空発生器は何十年も使用されてきましたが、比較的最近の改良により、より高い運転効率を提供するノズル設計が実現しました。
ベンチュリを使用した別の開発は、多段真空発生器です。この構成では、2つ以上の真空発生器が直列に配管され、より多くの圧縮空気を使用せずに、より多くの真空流を生成します。基本的に、最初のノズルからの排気（達成可能な最大真空レベルを決定する）は、2番目のステージの入力として機能します。次に、第2ステージからの排気が、第3ステージの入力として機能します。つまり、多段式発電機は、単段式発電機よりも速く所定の容量を排気しますが、どちらも最終的に同じ真空レベルを引き出します。
真空発生器の選択は、必要な持ち上げ力と排気する必要のある空気の量。持ち上げる力は、発電機が引くことができる真空レベル（次に、供給される空気圧に依存します）と真空カップの有効面積に依存します。ほとんどのアプリケーションでは、空気消費を最小限に抑えるために、発電機が必要な真空をできるだけ短時間で引き出すことができることが重要です。
回答
それは「何」に依存します。絶対真空があり、「どこに」ありたいか。
物質（原子または分子）のないボリュームが必要な場合は、ここ地球上に作成することができます。
しかし。
非常に少量で、非常に短時間のみ。
一般的に、粒子圧力を下げると密度が低下します。通常の状態では、1立方センチメートルあたり10 ^ 20個の粒子（分子または原子）のようなものが得られます。下の写真のようなチャンバー内で超高真空（10 ^ -10 mbarの圧力）に下がると、1立方センチメートルあたり100万個の粒子が得られます。まだかなりたくさんありますが、「標準的な」科学機器では低くすることはできません。
（マルチプローブ表面科学システム NBMC ）
低くするには、CERNにアクセスする必要があります。CERNでは、10 ^-の「反物質コンテナ」を見つけることができます。内部に17mbarの圧力があります。
（CERNのイオントラップ）
これは、立方cm。原子のサイズを約10 ^ -12 mとすると、原子間に絶対真空がある（平均して）短命の数立方ミリメートルの体積のようなものが得られます。今話している！これは、通常の人間（非物理学者）が簡単に考えることができるボリュームです。
これで十分でない場合は、自然真空を使用する必要があります。そして、私たちの周りにはたくさんのものが飛んでいるので、これは明らかに地球上では観察できません。
したがって、あなたは私たちの惑星の外に移動しなければなりません。 10 ^ -17 mbar（CERNのような）の圧力の場合、惑星間空間を訪問する必要がありますが、もっと欲しいです！つまり、少ない…
次のステップは、太陽系を離れて星間空間に移動することです。私たちの銀河では、推定される星間粒子密度は1立方メートルあたり約5万です。うわあ！あなたは絶対的な真空に指を置くことができます！宇宙服から蒸発する分子がすぐにそれを汚染するので、ほんの少しの間だけ。指が足りない場合は、立方メートルあたり1つの粒子を使って銀河間空間に移動しましょう。これで、頭全体が完全な真空状態になります！
（ここは、人生のバランスを見つけることができる場所だと思います。頭の外側と内側にはまったく何もありません！）
上記のすべてを読み、ここまで進んだら、おめでとうございます。
しかし。
この時点で私はあなたを失望させなければなりません！銀河系の空間をさまよって、頭を入れる真の空の場所を探していたとしても、それがエネルギーに満ちていることに気付くでしょう。宇宙マイクロ波背景放射があります。ビッグバンの時代からの遺物の放射線が宇宙の隅々であなたを待っています…
はい-もしあなたがすべての問題を取り除くことができたとしても、まだたくさんのエネルギーが残っているでしょう。
そして、どういうわけかすべての放射線を遮蔽できたとしても、量子論はあなたを一人にすることはできません…完全に究極的に絶対的な量子真空でさえ、エネルギー変動と仮想粒子でいっぱいです。したがって、結論は次のとおりです。
宇宙のどこでも絶対的な真空になることはできません。
おっと！ごめんなさい。私たちはそれをかなり長い間知っているとあなたに言うのを忘れましたか？アリストテレスが自然は真空を嫌うと言ったので、2千年以上前ですか？