「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
「ゲージ圧」 vs 「絶対圧」
真空の種類
手動ポンプの原理
真空と照明技術
マスフローコントローラー(MFC)
sccm
レギュレーター

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」

●ゲージ圧は大気圧を原点とする値で通常の圧力計の大多数はゲージ圧計です。

●科学技術では圧力0を原点とする絶対圧を使用します。

　世の中のほとんどの圧力計は真空状態を0Paとした圧力を表示する計測器ではありません。そのような圧力計の表示値をそのままボイル・シャルルの公式に代入して計算することはできません。

　「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、「絶対圧」とは、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。

　ボイル・シャルルの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とできます。

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。

低真空:圧力100kPa～100Pa(760Torr～0.75Torr)の真空

中真空:圧力100Pa～0.1Pa(0.75Torr～0.75mTorr)の真空

高真空:0.1Pa～10uPa(0.75mTorr～0.075uTorr)の真空

超高真空:圧力10uPa(0.075uTorr)以下の真空

極高真空(参考):圧力1nPa(0.75pTorr)以下の真空　

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。

マスフローコントローラー(MFC)

自動的に流量制御を行う質量流量制御器

●発熱抵抗体を使用した二つのセンサ間の温度差から流量を計測するのが質量流量計です。

気体の流量を高精度で測定する流量計として質量流量計があります。さらに、流量計の信号を利用して自動的にバルブの開閉を調整することで自動流量制御を可能とした質量流量制御器(MFC:マスフローコントローラ)があります。

この制御器は真空チャンバーに必要なプロセスガスを目的の流量で精密に導入することが可能で必要不可欠なものです。

質量流量計および質量流量制御器の構造とメカニズムを左図に示しました。

質量流量計は気体による熱伝達を利用して流量を測定します。

その構造は主にバイパス管とセンサ部に分かれています。

バイパス管は精密に内径を管理した細管を束ねた構造をしていて、バイパス管とセンサ部は精密に流量を分配するように工夫されています。センサ部は二つの発熱抵抗体から構成されています。発熱抵抗体は電流を流すと発熱するとともに、温度によって抵抗体の抵抗値が変化します。

この抵抗値をブリッジ回路で計測して抵抗体の温度を精密に測定することができます。

気体が流れていないときにはセンサAとセンサB部の温度および頂は等しくなっています。

気体が流れると上流のセンサAの温度TAの方が下流のセンサBの温度TBより低い温度になります。

この温度差は流量に換算することが可能です。正確にはここで求まるのは質量流量(時間当たりの移動質量)で、流量に換算して表示されています。また、気体の種類によって熱容量が異なるため、この流量表示は使用する気体の種類でそれぞれ校正されています。

この質量流量計の信号をもとに、自動開閉バルブの制御を組み込み流量制御を可能としたものが質量流量制御器(MFC:マスフローコントローラ)です。

流量制御はニードルバルブの開閉位置を制御するためにソレノイドコイルを使用したものやピエゾアクチュエータを使用したものが作られています。

sccm

●気体の流量Gは、圧力と体積Vの積である。
●気体の流量Qは単位時間あたりに移動した気体の量Gである。

　真空中でプロセスを構築する上で重要なのが気体の流れの概念です。真空分野で使用する気体の「流量G」「気体の流量Q」および「気体の流速R」の定義をした図に示しました。

　気体の流量Gは、圧力Pと体積Vの積となります。理想気体の状態方程式からわかるように、気体の量Gは気体の物質量(モル数)に絶対温度を掛けた値に比例しています。気体の物質量に単純に比例した量ではありませんので注意してください。

　気体の流量Qの定義は「単位時間あたりに移動した機体の量R」です。ここで気体の圧力と体積の積はエネルギーの次元を持っています。

　このため、気体の流量Qは仕事率Wの次元を持っていることになります。ここで気体の流量は流速を表す物理量ですが、真空技術の分野では慣習として気体の流速Rは気体の流量Qを配管の断面席Sで規格化した物理量を別途に定義して使用しています。

　一般的に高圧ガスの分野で使用されている気体の流量の単位はslmおよびsccmです。この意味は時間当たりの標準状態換算の圧力と退席の席です。圧力の単位は期待あともう採用しています。

　ここで現在、一般的に使用されている標準状態の定義を下図に示しました。通常の機器は定義を(1)の基に構成されているものが多数ですが、(3)の定義をもとに構成されている機器があるので注意してください。(3)の定義は標準環境状態と呼ばれていてIUPACの国際標準です。今(3)の定義が広まりつつあります。

一般的に高圧ガスで使用されている気体の流量の単位

slm : Standard Liters per Minute atm・L/min
sccm : Standard Cubic Centimeters per Minute atm・cc/min