今回のテーマは、
「ポンプは動いているのに、なぜ圧力が下がらないのか」
答え：容器の中の圧力は、入ってくる気体の量と、ポンプが運び出す量のつりあいで決まります。入ってくる気体には、外から入る「漏れ」のほか、壁の表面から出る気体などもあります。さらに、配管が細いと、ポンプの力が届きません。そこで、気体の出どころと、配管の通りやすさを順に調べます。
第3講では、真空計で圧力を読み、数字が食い違うときに疑う順番を学びました。この講では、真空計が示す圧力が思うように下がらないとき、容器の中で何が起きているのかを考えます。
この講の流れ：① 到達圧力のつりあい → ② 配管の通りやすさ → ③ バルブとシール → ④ 漏れの種類と気体の出どころ → ⑤ 原因の切り分け。
※各節の『くわしく見る』は、計算で確かめたい人向けです。
① 到達圧力は、入る量と出す量で決まる
大事なポイント：容器の圧力は、入ってくる気体の量Qを、排気速度Sで割った値で決まります（P＝Q÷S）。Qを減らすと、圧力は下がります。
お風呂の水位を考えてみましょう。蛇口から水が入り続け、排水口から水が出ていくとき、水位は、入る量と出る量がつりあう高さで止まります。真空の容器でも同じです。
容器の中に入ってくる気体の量を Q、ポンプが運び出す力（排気速度。第2講）を S とすると、つりあったときの圧力は P ＝ Q ÷ S で表せます。CERNの講義資料にある式です。つりあって下げ止まる圧力が、第2講で学んだ到達圧力です。
入ってくる気体（Q）には、いくつもの出どころがあります。外の空気が入る漏れ（リーク）、壁や部品の表面から出る気体、ゴムなどを通り抜けてくる気体などです。圧力が思ったように下がらないときは、Q が大きいか、S が小さい（ポンプが弱い、または配管で小さくなっている）か、どちらかです。
「圧力を下げたいなら、大きなポンプに替えればよいのでは」と思うかもしれません。CERNの講義資料は、そうならない理由を書いています。選べる排気速度の幅より、表面から出る気体の量の幅のほうが、はるかに大きいからです。そのため、より低い圧力をめざす場合は、ポンプを強くするより、入ってくる気体の量を減らすことが大切になります。
ここだけ覚える：圧力は P＝Q÷S で決まるので、入ってくる気体Qを減らすと、圧力が下がります。
確認クイズ：P＝Q÷Sで、入ってくる気体の量Qが10倍になると、到達圧力は、およそどうなりますか。
答え：約10倍になります（Sが同じなら、圧力はQに比例します）。
くわしく見る：数字で確かめる
Q ＝ 0.01 Pa・L/s、S ＝ 100 L/s のとき、P ＝ 0.01÷100 ＝ 1×10-4 Pa です。漏れが増えて Q が10倍の0.1 Pa・L/s になると、P ＝ 1×10-3 Pa です。ポンプを2倍の200 L/s にしても、P ＝ 0.01÷200 ＝ 5×10-5 Pa と、半分にしかなりません。
壁からの気体の例も挙げます。CERNの講義資料は、焼き出し（ベーキング）をしていない金属の表面では、水が主な気体で、出る量が時間に反比例して減る、と述べています。式は q ＝ 3×10-9 mbar・L/s/cm² ÷ t（t は時間）です。壁の面積が1m²（104cm²）、1時間後なら、Q ＝ 3×10-9×104 ＝ 3×10-5 mbar・L/s ＝ 3×10-3 Pa・L/s です。S ＝ 100 L/s なら、P ＝ 3×10-3÷100 ＝ 3×10-5 Pa です。10時間後には、Q が10分の1になるので、3×10-6 Pa です。
※1つの資料にある式を使った一例です。実際の値は、表面の状態や温度で変わります。
② 配管の通りやすさ：コンダクタンス
大事なポイント：配管には、気体の通りにくさがあります。細く長い配管ほど、ポンプの力が容器に届きません。
タピオカドリンクの太いストローと、細くて長いストローを思い浮かべてください。同じ力で吸っても、細く長いストローでは、飲み物がなかなか上がってきません。配管も同じです。
ポンプの排気速度は、ポンプの入口での値です。ポンプと容器の間にある配管は、気体の通りにくさ（抵抗）をもちます。気体の通りやすさをコンダクタンス（記号 C、単位 L/s）といい、配管の両端の圧力の差が同じなら、流れる気体の量が多いほど、大きくなります。CERNの講義資料によると、コンダクタンスは、配管の形・気体の種類・温度で決まります。
配管をつないだとき、容器から見た排気速度を実効排気速度といい、ポンプの排気速度 S と配管のコンダクタンス C が直列になった値です。式は Seff ＝ S×C÷(S＋C) です。C が S よりずっと小さいと、Seff は C とほぼ同じになり、ポンプが強くても意味がなくなります。
分子流の領域（第1講）で、空気・室温の場合、直径 D（cm）・長さ L（cm）の配管のコンダクタンスは、C ＝ 12.1×D³÷L（L/s）で表せます。直径が3乗で効くので、少し太くするだけで、大きく変わります。直径を2倍にすると、8倍です。
保全の視点では、「ポンプを替えても、圧力の下がり方が変わらない」とき、配管が足を引っ張っている可能性を考えます。配管を延ばした、細い管やフレキシブル管を足した、バルブが途中で絞られている、といった変更の履歴が、手がかりになります。
ここだけ覚える：細く長い配管はコンダクタンスが小さく、ポンプを強くしても、容器から見た排気速度は上がりません。
確認クイズ：配管の直径を2倍にすると、（長さが同じなら）コンダクタンスは、およそ何倍になりますか。
答え：8倍です。C＝12.1×D³÷L なので、Dの3乗（2³＝8）に比例します。
くわしく見る：図の数字を計算する
細く長い配管：D ＝ 4cm、L ＝ 100cm。C ＝ 12.1×4³÷100 ＝ 12.1×64÷100 ＝ 7.744 L/s。S ＝ 100 L/s を直列につなぐと、Seff ＝ 100×7.744÷(100＋7.744) ＝ 774.4÷107.744 ＝ 約7.2 L/s です。
太く短い配管：D ＝ 10cm、L ＝ 50cm。C ＝ 12.1×10³÷50 ＝ 242 L/s。Seff ＝ 100×242÷(100＋242) ＝ 24,200÷342 ＝ 約71 L/s です。
配管どうしが直列につながる場合は、1÷C ＝ 1÷C₁ ＋ 1÷C₂ で合成します。たとえば、C₁ ＝ C₂ ＝ 10 L/s なら、1÷C ＝ 0.1＋0.1 ＝ 0.2 で、C ＝ 5 L/s です。
※分子流・空気・室温の式による一例です。圧力が高いときは、別の式になります。
③ バルブとシール：つなぎ目で気体を止める
大事なポイント：配管のつなぎ目やバルブは、シールで気体を止めています。ゴムのOリングは扱いやすいものの、気体を少し通します。
ジャムのびんや保存容器のふたには、ゴムのパッキンが付いています。すき間をふさいで、中身を守るためです。真空の容器でも、配管のつなぎ目やバルブの中は、気体の出入りを止めるシール（密封部品）で守られています。シールの選び方は、真空の深さで変わります（第1講の図）。高真空までなら、ゴム製のOリングで封じ、超高真空では、金属のガスケットを使います。
配管をつなぐ部品をフランジといいます。粗引きや高真空でよく使われるのは、KFフランジです。Oリングを、中心を合わせる輪とともに、平らなフランジの間に挟み、クランプと蝶ナットで締めます。工具が要らない手軽さが長所です。蝶ナットは、締めすぎず手で止まる程度にするよう、大学の実習資料が注意しています。超高真空には、コンフラット（ConFlat）フランジを使います。フランジの刃（ナイフエッジ）が銅のガスケットに食い込んで封じるので、約350℃まで加熱（ベーキング）できます。
なぜ、超高真空でゴムを使わないのでしょうか。ゴムのような高分子材料は、ヘリウムなどの気体を通しやすく、水分もたくさん含むためです（CERNの講義資料）。時間をかけて、少しずつ気体が出てくる原因になります。
バルブも、シールで守られています。日本の研修資料は、バルブを、「弁を開け閉めする駆動部」「弁板」「両者をつなぐ部品」の3つに分けています。弁板が当たる面のシールが傷むと、閉じていても漏れます。
ここだけ覚える：配管のつなぎ目やバルブはシールで気体を止めていますが、ゴムは気体を少し通すので、超高真空には金属のガスケットを使います。
確認クイズ：超高真空で、ゴムのOリングでなく、金属のガスケットを使うのは、なぜですか。
答え：ゴムは気体を通しやすく、水分も多く含むので、少しずつ気体が出てくる原因になるからです。
くわしく見る：ゴムの種類と使える温度（ある大学の資料の例）
- Buna-N：安価で、80℃まで。ヘリウムを比較的通しにくい
- Viton：気体の放出が少なく、150℃まで
- ポリイミド：200℃まで。水蒸気を通す
- シリコーン：高温に耐えるが、水蒸気やヘリウムを通しやすい
- テフロン：化学的に安定だが、形がつぶれて残りやすく、シールには向かない
※材料の特徴は、ある講義資料の記述です。具体的な機器では、取扱説明書の仕様を優先します。
バルブの異常の調べ方は、真空バルブ・ゲートバルブは何を守る？半導体装置の仕組みと異常の切り分けで、順番にくわしく解説しています。
④ 漏れの種類と、ほかの気体の出どころ
大事なポイント：圧力を押し上げる気体には、外から入る実リークのほか、閉じ込められた気体（仮想リーク）と、表面から出る気体（ガス放出）があります。下がり方が違うので、見分けられます。
水泳のあと、耳に入った水が、しばらくしてからゆっくり出てくることがあります。外から新しく入ったのではなく、中にたまっていた水が出てきたのです。真空の容器でも、気体が容器の「中から」出てくる場合があります。
圧力が下がらない原因は、「漏れ」だけではありません。大学の講義資料は、容器の中に気体が入るルートを、いくつかに分けています。主な3つは、次のとおりです。
- 実リーク：外の空気が、傷、Oリングの不良、溶接の不良などから、実際に入ってくるものです。船の底の穴から水が入り続けるように、入り続けるので、圧力は、ある値で下げ止まります。
- 仮想リーク：容器の中に閉じ込められた気体が、細い通り道からゆっくり出てくるものです。耳の水と同じです。ねじを入れた袋穴の中の空気や、たまった水分が例です。排気を続ければ、いつか終わりますが、時間がかかります。
- ガス放出（アウトガス）：壁や部品の表面に付いていた気体（特に水）が、真空の中で出てくるものです。洗濯物が、乾くにつれて水を出さなくなるように、出る量は時間とともに減り、金属では時間に反比例します。
3つは、圧力の下がり方で見分けられます。実リークは入り続けるので、あるところで下げ止まります。仮想リークやガス放出は、時間がかかっても、下がり続けます。グラフの形の違いで見分けられると、アメリカの大学の実習資料は説明しています。
ガス放出は、容器全体を150℃を超える温度に加熱して、金属の表面から水を飛ばす「ベーキング」で減らせます。ある大学の講義資料は、指紋1つの成分が気体になるだけで、容器の中の圧力を大きく押し上げうるとして、真空の部品を、必ず手袋で扱うよう勧めています。
ここだけ覚える：実リークは圧力が下げ止まり、仮想リークとガス放出は、時間がかかっても下がり続けます。
確認クイズ：実リークと仮想リークで、圧力の下がり方は、どう違いますか。
答え：実リークは、外から入り続けるので、ある圧力で下げ止まります。仮想リークは、時間がかかっても、下がり続けます。
くわしく見る：出る量の減り方（時間の2つの法則）
CERNの講義資料によると、金属の表面から出る気体の量は時間 t に反比例（1÷t）して減り、高分子材料では、1÷√t で減ります（量も、金属の約1,000倍です）。
排気を始めて1時間から10時間にすると、金属は 1÷10 ＝ 0.1、つまり10分の1になります。高分子は、1÷√10 ＝ 1÷3.16 ＝ 約0.32、つまり約3分の1にしかなりません。
このため、容器の内側には、高分子材料をなるべく使わない設計が好まれます。
※1つの資料にある式です。実際の値は、材料や温度で変わります。
実リークを、気体の種類（ヘリウム）で探す方法は、ヘリウムリーク検査とは？真空漏れの場所を信号で切り分ける方法に、くわしくあります。第5講でも、基本の流れを学びます。
⑤ 原因の切り分け：順番に、1度に1つ
大事なポイント：圧力が下がらないときは、真空計、ポンプ単体、漏れかガス放出か、配管とバルブの順に、1度に1つずつ調べます。
家電が動かないとき、コンセント、電源ボタン、本体の順に、1つずつ確かめますね。真空装置も同じで、道具がそろった今、次の順番で調べます。
- 真空計を疑う：数字は信頼できるか、単位や換算は合っているかを、第3講の方法で見ます。
- ポンプ単体を見る：配管を切り離して、ポンプだけで、決められた到達圧力が出るかを調べます。
- 区間を閉じて、圧力の上がり方を見る：ポンプから切り離して、圧力の上がり方を見ます。上がり続けるなら実リーク、上がり方が鈍る（やがて止まる）ならガス放出や仮想リークを疑います（一般的な考え方です）。大学の実習資料も、「ポンプから区間を切り離して圧力の上昇を見る」方法を紹介しています。
- 場所を絞る：実リークが疑わしいときは、ヘリウムなどを吹き付けて探します（第5講）。
- 配管とバルブを見る：実効排気速度の低下や、バルブの開き具合・シールの傷みを調べます。
「1度に1つずつ」なのは、複数を同時に変えると、どの変更が効いたのか分からなくなるからです。変更の前後で、圧力と時間を記録に残すと、あとで原因を振り返れます。この記録は、報告や引き継ぎの土台にもなります。
ここだけ覚える：圧力が下がらないときは、真空計、ポンプ単体、区間の圧力上昇、場所、配管とバルブの順に、1度に1つずつ調べます。
確認クイズ：圧力が下がらないとき、1度に1つずつ調べるのは、なぜですか。
答え：複数を同時に変えると、どの変更が効いたのか、原因が分からなくなるからです。
くわしく見る：圧力の上がり方から、漏れの量を見積もる
容器の体積を V、圧力の上がる速さを ΔP÷Δt とすると、入ってくる気体の量は Q ＝ V×ΔP÷Δt で見積もれます（一般的な式です）。
V ＝ 50 L の容器を、ポンプから切り離したら、100秒で1Pa上がったとします。ΔP÷Δt ＝ 1÷100 ＝ 0.01 Pa/s なので、Q ＝ 50×0.01 ＝ 0.5 Pa・L/s です。単位を換算すると、0.5 Pa・L/s ＝ 5×10-4 Pa・m³/s ＝ 5×10-3 mbar・L/s です（CERNの講義資料は、1 Pa・m³/s ＝ 10 mbar・L/s としています）。
この漏れが続いたまま、S ＝ 100 L/s のポンプで引くと、P ＝ Q÷S ＝ 0.5÷100 ＝ 5×10-3 Pa で、下げ止まります。10-6 Pa台をめざす装置には、大きすぎる漏れです。
※壁からの気体を含まない、理想的な見積もりです。
安全のひとこと
配管やフランジを外す前に、装置の中が大気圧に戻り、有害なガスが残っていないことを、手順書で確かめてください。クランプやバルブの空気圧で動く部品、重い配管には、指や手を挟むおそれがあります。締める前に、手や指が離れていることを確かめます。作業は、職場の決まりと手順書に従い、許可を受けた人が行ってください。
この講のまとめ
今回の問いの答えは、圧力が、入ってくる気体の量Qとポンプの排気速度Sのつりあい（P＝Q÷S）で決まるからです。Qには漏れのほか、壁や部品から出る気体があり、細く長い配管は、ポンプの力（コンダクタンス）を弱めます。低い圧力では、Qを減らすことが大切です。
シールは、Oリングは扱いやすく、超高真空には金属ガスケットを使います。気体の出どころは、実リーク・仮想リーク・ガス放出で、圧力の下がり方で見分けます。
原因は、1度に1つずつ、順番に調べ、記録を残します。
次の講では、漏れの探し方（リークチェック）と、ポンプ油・ガス・高圧ガスの安全を学びます。
ことばのおさらい
- 到達圧力：それ以上は下げられない圧力です。入る気体の量とポンプの排気速度で決まります。
- 漏れ（リーク）：外の空気などが、容器の中に入ってくることです。
- コンダクタンス：気体の通りやすさです。単位はL/sで、配管が太く短いほど大きくなります。
- 実効排気速度：配管をつないだとき、容器から見た排気速度です。
- シール：気体の出入りを止める、密封部品です。Oリングや金属ガスケットなどがあります。
- フランジ：配管や部品をつなぐ部品です。KFフランジやコンフラットフランジなどがあります。
- 実リーク：外の空気が、すき間から入ってくる漏れです。
- 仮想リーク：容器の中に閉じ込められた気体が、ゆっくり出てくる現象です。
- ガス放出（アウトガス）：壁や部品の表面にある気体が、真空の中で出てくることです。
- ベーキング：容器を加熱して、表面の水などを出してしまう作業です。
よくある誤解
Q. 圧力が下がらないのは、必ず漏れが原因ですか。
いいえ。漏れのほか、壁や部品から出る気体（ガス放出）、閉じ込められた気体（仮想リーク）、配管の通りにくさ、真空計の不具合なども原因になります。
Q. ポンプを大きくすれば、圧力は必ず下がりますか。
配管が細くて、気体の通りやすさが小さいと、ポンプを大きくしても、容器から見た排気速度は、ほとんど変わりません。入ってくる気体を減らすことも大切です。
参考にした公式情報
- V. Baglin, Vacuum in Accelerators for Mechanical & Materials Engineering（CERN Accelerator School 2024）（CERN。P＝Q/S、コンダクタンスと実効排気速度、配管の式、ガス放出の式と時間変化、ベーキング、高分子の性質、シール、仮想リーク、単位の換算）
- E. Al-Dmour, Fundamentals of Vacuum Physics and Technology（CERN Accelerator School 2017）（MAX IV研究所（CERNの講習）。気体の出どころの分類（実リーク、仮想リーク、ガス放出、透過、逆流））
- Penn State University, Nanofabrication Lab 2: Vacuum Assembly and Troubleshooting（米国の大学の実習資料。実リークと仮想リークの違い、圧力のグラフでの見分け方、区間を切り離す方法、KFフランジの扱い）
- University of Utah, Fundamentals of Micromachining, Lecture 3: Vacuum Systems（米国の大学の講義資料。KFとコンフラットフランジ、ゴムの種類と温度、指紋の影響）
- 吉田 肇「JIS Z 8126-1:2021 真空技術―用語―第1部：一般用語の改正」表面と真空 65(8), 2022（産業技術総合研究所。真空の段階ごとの容器と封止の目安）
- SFI研修会資料32「真空管と真空パック」（日本の研修資料。真空バルブの3つの構成。出典としては弱い（企業の配布資料））
P＝Q/Sと配管の式（12.1×D³/L）、直列の合成、ガス放出の式は、CERNの講義資料にある式で、数値は一例です。圧力上昇からの漏れ量の見積もり（Q＝V×ΔP/Δt）、容器の水位のたとえ、調べる順番、記録の勧めは、一般的な説明です。図は記事用に描いた簡易の模式図で、グラフの曲線は、形の違いを示す模式図です。
