「真空」とは

この記事は、「 トコトンやさしい真空技術の本 関口 敦 編著 日刊工業新聞社」を参考にさせて頂いています。

真空の定義

真空は日本工業規格(JIS)によって次のように定義されています。

「通常の大気圧より低い圧力の気体で満たされた空間の状態」

「ゲージ圧」 vs 「絶対圧」

　世の中のほとんどの圧力計は項の圧力を表示する 計測器ではありません。圧力計の表示値をそのまま ■項で解説した公式に代入して計算していませんか?これは誤りです。

「ゲージ圧」と「絶対圧」の概念に注意する必要があります。世の中のほとんどの圧力計は「ゲージ圧計」と呼ばれる計測器で、大気圧を原点ゼロとし、ここからの差圧を表示する機器です。水道水の圧力など、日常的に使用する圧力計は大気圧を原点とする計測が大変便利で、感覚的にもわかりやすいのです。大気圧は常に変動しているので、ゲージ圧の原点も常に変動しています。ゲージ圧計の単位表記は、atm(G)やPa(G)のように (G)を付け絶対圧と誤認しないように工夫していますが、まれに(G)を付けていない場合もあるので注意が必要です。

一方、以前解説した圧力は「絶対圧」と呼ばれます。気体が無くなった理想的な真空状態を原点ゼロ とし、標準大気圧は1気圧(=1・013×10⁵Pa)と なります。科学技術の分野で使用する圧力は、この 絶対圧です。「絶対圧計」の代表例は気圧計と真空計 です。その他の圧力計はほとんどがゲージ圧計です。

絶対圧の単位表記は、atmやPaのように科学で使 用している表記をそのまま使用します。 ガスボンベやガス配管の圧力表記は通常「ゲージ圧」です。一部の高純度が要求されるガス配管には「連成計」と呼ばれる大気圧原点ゼロで、加圧状態の圧 力表示に加えて真空状態をマイナスとして表示する ゲージ圧計も存在します。これらのゲージ圧計表示値を、そのまま項で解説した気体状態を換算する 公式に代入してはいけません。公式に代入できるの は絶対圧値です。絶対圧に変換するにはゲージ圧を 測定した時点の大気圧を別に気圧計を使用して測定 し、このゲージ圧値に大気圧を加えるのです。

真空の種類

　真空の種類は日本工業規格(JIS)によって4種類に分類定義されています。それを下記に示します。実務では、未だにTorrを使用されている現場もあるようですので、赤字でTorr表示を付け加えておきます。

手動ポンプの原理

　よく昔の時代を舞台にしたドラマで、手動(手押し式)式のポンプの映像が出てくることがあると思います。あのハンドルを上下することで、水がポンプから吹き出してくる理由を説明したいと思います。下に示したのが、手動ポンプの構造の概要です。

　次に動作の説明をしていきたいと思います。

(a) 初期状態です。
(b) ハンドルを引き上げた状態です。「逆止弁1」が開いて、空気を吸い込むので、その下の「真空容器」内の圧力が下がり、水が汲み上げられます。
(c) ハンドルが最上部まで、引きあがり「逆止弁1」「逆止弁2」ともに停止します。
(d) ハンドルを押し込みます。「逆止弁2」が開き、手動ポンプ内にたまっていた大気が排気されます。
(e) 最下部まで押し込んで、(a)の状態と同じになります。

(a)～(e)を繰り返すことにより、真空容器の圧力が下がり、水が汲み上がることになります。

真空と照明技術

　19世紀末にイギリスのスワンによって発明された電球は、エジソンによって実用化されました。

　実用化にあたってエジソンはフィラメントの劣化に悩まされ、京都の竹の採用と真空ポンプの工夫をおこないました。真空の「酸素が少なくなる」性質を利用した製品でした。

　電球の原型を改良したハロゲンランプは自動車のヘッドライトなどで活躍しています。

ハロゲンランプはフィラメントの材質(主にタングステン)の蒸発を抑制するため封入ガス(主に窒素、アルゴン、クリプトン)に微量のヨウ素、臭素や塩素のハロゲンを添加したものです。

　この改良でフィラメント温度を上げることが可能となって明るい照明が実現しました。

　蛍光灯は点灯時にフィラメントを使用するため白熱電球と同じ目的で真空に依存しています。蛍光灯の寿命を決めているのはこの性能です。

　さらに蛍光灯は放電管であり、真空の性質の「放電しやすい」ことも重要な機能として併用しています。

　アルゴンの放電の中で水銀原子が発光すると、この光の中に紫外線が多く含まれます。放電管の内面に塗布されている蛍光色素が紫外線を吸収して可視光線を放出します。この可視光線を照明として利用しています。この蛍光色素の組み合わせで電球色、昼白色、昼光色などに分類されます。

　この辺りについては、「蛍光灯の原理」にも解説しているので、良かったら参照して下さい。