ポンプサイズの選び方-真空システムの排気

基本的に、真空システムのサイズに関して2つの独立した質問があります。

所定の時間にわたって所定の値になるまで、所定の容器内の圧力を下げるために、ポンプ装置が維持しなければならない有効なポンプ速度はどれですか?
容器内の所定の圧力（動作圧力）を維持し、それを超えない状態で、容器に移送されるガスや蒸気をすばやく送り出すように、真空プロセス中にポンプ装置が到達する必要がある有効ポンプ速度はどれくらいですか?

特定のプロセス（乾燥や加熱など）の排気手順中に、真空チャンバーに本来存在していない蒸気が生成されるため、3番目の質問が生じます。
プロセスを特定の時間内に完了できるように、ポンプ装置が到達するのはどのような有効なポンプ速度ですか?

ポンプ装置の有効なポンプ速度は、容器で発生するポンプ配置全体の実際のポンプ速度とみなされます。その後、仕切、コールドトラップ、フィルタ、バルブ、およびポンプと容器の間に設置されたチューブのフロー抵抗（コンダクタンス）がわかっている場合、ポンプの公称ポンプ速度は実効ポンプ速度から決定できます（コンダクタンスのページを参照）。必要な公称ポンプ速度の決定では、さらに、真空システムが漏れなく動作することを前提としています。したがって、外部から流入するガスが接続されたポンプ装置によってただちに除去され、容器内の圧力が変化しないように、リーク率は非常に小さくなければなりません（詳細については、「リーク検知」を参照）。上記の1、2、および3の質問は、真空技術の3つの最も重要な課題の特徴的なものです。

指定された圧力に達するための容器の排気。
特定の圧力で連続的に変化する量のガスと蒸気の輸送。
プロセス中に発生した、温度と圧力の変動によるガスと蒸気の輸送。

真空チャンバーの最初の排気は、中真空、高真空、および超高真空の領域で継続的に発生するガスの量によって影響を受けます。この領域では、容器の壁からのガスや蒸気のリークが非常に大きく、それだけで真空システムの寸法やレイアウトが決定されるからです。

真空チャンバーの排気（ガスや蒸気の追加発生源なし）

上記の要因により、ポンプダウン時間の評価は、中真空領域および高真空領域での真空排気と、低真空領域での容器の排気では基本的に異なる必要があります。

低真空領域でのチャンバーの排気

この場合、真空ポンプ組立に必要な有効ポンプ速度S_effは、必要な圧力p、容器の容量V、ポンプダウン時間tのみに依存します。

一定のポンプ速度S_effで、ポンプ配置で達成可能な到達圧力p_endがp_end << pであると仮定すると、チャンバー内の圧力p（t）の時間による減少は次のようになります。

（2.32）

時間t=0で1013 mbarから開始すると、有効ポンプ速度は式（2.32）からポンプダウン時間tに応じて計算されます。

（2.33a）

（2.33b）

（2.34）

無次元係数

（2.34a）

を式（2.34）に導入すると、有効なポンプ速度Seffとポンプダウン時間tの関係は次の式で得られます。

（2.35）

比率V/Seffは一般に時定数τとして指定されています。したがって、大気圧から圧力pまでの真空チャンバーのポンプダウン時間は次の式で求められます。

（2.36）

目的の圧力からの係数の依存性は、図2.75に示されています。ガスバラストでは、1段圧縮ロータリーベーンポンプとロータリーピストンポンプのポンプ速度が10 mbar未満、ガスバラストなしでは1 mbar未満に低下することに注意してください。この基本的な動作は、さまざまなサイズや種類のポンプでは異なりますが、ポンプのサイズに対するポンプダウン時間の依存性を決定する際に無視してはなりません。方程式（2.32～2.36）も図2.75と同じように、使用するポンプで得られた到達圧力が、目的の圧力より数桁低い場合にのみ適用されることに注意してください。

図2.75式2.36によるポンプダウン時間tの計算のための無次元係数sの依存性。破線は、ポンプ速度が10 mbar未満に低下する1段圧縮ポンプに適用されます。

例：容量が500 lの真空チャンバーは、10分以内に1 mbarにポンプダウンする必要があります。有効ポンプ速度はどれくらい必要ですか?
500 l = 0.5 m³; 10 min = 1/6 h
方程式（2.34）によると、次のようになります。

上の例では、図2.75の直線から7の値を読み取ります。ただし、破線から8の値が読み取られます。式（2.35）によると、以下が得られます。

ポンプ速度が10 mbar未満に低下することを考慮してください。このように、必要な有効ポンプ速度は約24 m³/hになります。

高真空領域でのチャンバーの排出

高真空領域で使用するための一般的な式を作成するのは、かなり困難です。特定の高真空圧に達するまでのポンプ時間は、本質的にチャンバーの内面からのガス放出に依存するため、これらの表面の状態と前処理は真空技術において非常に重要です。いかなる状況においても、使用する材料は、多孔質領域や、特にベークアウトに関して空洞を含んではなりません。内側の表面はできるだけ滑らかにし（真の表面=幾何学的表面）、十分に洗浄（および脱脂）する必要があります。ガスの発生は、材料の選択と表面状態によって大きく異なります。有用なデータを表Xにまとめます。

表X材料のガス放出率mbar l s–1 cm–2

ガスの発生は、圧力上昇方式によってケースごとにのみ実験的に決定できます：システムは可能な限り完全に排気され、最後にポンプとチャンバーはバルブによって分離されます。ここで、チャンバー内の圧力（容積V）が一定量、たとえば10の累乗だけ上昇する時間を測定します。ガス量Qは単位時間あたりに発生し、次の式で計算されます。

（2.37）

（Δp =測定圧力上昇）

ガス量Qは、すべてのガス発生と、存在する可能性のあるすべてのリークの合計で構成されます。ガスの発生またはリークのどちらが原因かは、次の方法で判断できます。

ガスの変化から生じるガス量は時間とともに小さくなり、リークからシステムに入るガス量は時間とともに一定に保たれます。実験的には、この区別は必ずしも容易にはできません。これは、測定された圧力-時間曲線が一定の（またはほぼ一定の）最終値に近づく前に、純粋なガスの発生でかなりの時間がかかることが多いためです。このため、この曲線の開始は長い間直線をたどり、リークをシミュレートします（「リーク検知」を参照）。

ガス発生量Qと必要な圧力p_endがわかっている場合は、必要な有効ポンプ速度を簡単に決定できます。

（2.38）

例：500 lの真空チャンバーの総表面積（すべてのシステムを含む）は約5 m²です。表面積1 m²あたり2 10^-4 mbar l/sの安定したガス発生が想定されます。これは、バルブやロータリーフィードスルーが真空チャンバーに接続されている場合などに予想されるレベルです。システム内の圧力を1 10^-5 mbarに維持するには、ポンプのポンプ速度が以下である必要があります。

リークから流れるガスの量を連続的にポンプで排出したり、チャンバーの壁から排出したりするには、ポンプ速度100 l/sのみが必要です。ここでは、排気プロセスは、上記の低真空に関するセクションに記載されている例と同様です。ただし、拡散ポンプの場合、ポンププロセスは大気圧ではなく、代わりに前段真空pVで開始されます。次に方程式（2.34）が次のように変換されます。

背圧p_V = 2 10^-3　mbarの「圧縮」Kがこの例では、次のようになります。

拡散ポンプを使用してポンプを開始してから5分以内に、到達圧力1 · 10^-5 mbarを達成するために、有効なポンプ速度

が必要です。これは、到達圧力を維持するのに必要な有効なポンプ速度と比較してはるかに低くなっています。ポンプダウン時間と高真空および超高真空範囲の到達真空は、主にガスの発生速度とリーク率に依存します。

中真空領域でのチャンバーの排気

低真空領域では、ポンププロセスにかかる時間は容器の容積によって決まります。ただし、高真空および超高真空領域では、壁からのガスの発生が重要な役割を果たします。中真空領域では、ポンププロセスは両方の量の影響を受けます。さらに、中真空領域、特にロータリーポンプでは、到達圧力pendを付加することは、もはや無視できません。チャンバーに入るガスの量が壁やリークからのガス速度Q（ミリバール/秒）であることがわかっている場合、ポンププロセスの微分方程式（2.32）は次のようになります。

（2.39）

この方程式を積分すると、

（2.40）

ただし
p₀はポンププロセスの開始時の圧力です
pは所望の圧力です

方程式2.33bとは対照的に、この式はSeffのための明確な解が得られないため、、既知のガス発生に対する有効なポンプ速度は、詳細な情報なしに時間-圧力曲線からは決定できません。

そのため、実際には、次の方法でポンプ速度が十分に高いポンプを決定します。
a）ポンプ速度は、ガスが変化しないチャンバーの容量と目的のポンプダウン時間の結果として、式2.34から計算されます。
b）ガス発生速度とこのポンプ速度の商を求めます。この商は、必要な圧力よりも小さくなければなりません。安全のためには、約10倍低くする必要があります。この条件が満たされていない場合は、それに見合ったポンプ速度が高いポンプを選択する必要があります。

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