今回のテーマは、
「真空装置のトラブルを、安全に調べて直すには、何に気をつけるのか」
答え：ヘリウムを少しずつ吹き付けて漏れの場所を探し、大気に戻すときは乾いた窒素をゆっくり入れます。ポンプの油は、受け皿と排気設備で守り、窒素による酸欠や高圧ガスのボンベには、決まりに沿って注意します。
第4講では、圧力が下がらない原因を、実リーク・仮想リーク・ガス放出などに分けて、順に調べる方法を学びました。最後の第5講では、実リークの場所を探す方法と、作業で気をつける安全の基本を学びます。
この講の流れ：① ヘリウムで漏れを探す → ② 大気に戻す → ③ ポンプの油 → ④ ガスの危険 → ⑤ 高圧ガスのボンベ。
※各節の『くわしく見る』は、計算で確かめたい人向けです。
① 漏れの場所を探す：ヘリウムリークチェック
大事なポイント：疑わしい場所にヘリウムを少しずつ吹き付け、検出器の信号の変化で、漏れの場所を絞ります。
自転車のパンクを探すとき、タイヤを水につけて、泡が出る場所を見つけますね。真空装置では、泡の代わりに、ヘリウムを使います。
ヘリウムリークチェックでは、装置をポンプで引いておき、疑わしい場所にヘリウムを少しずつ吹き付けます。漏れ穴があれば、ヘリウムが中に入り、つないだリークディテクタ（ヘリウムなど特定の気体を検出して、漏れを見つける装置）が反応します。
「なぜ空気ではなく、ヘリウムなのか」と思うかもしれません。ユタ大学の講義資料の表によると、ヘリウムは、空気中に体積で約0.0005%しかありません。もともと空気に少ししかないので、吹き付けたあとの信号の増え方が、はっきり分かります。さらに、ヘリウムは軽く、小さい穴も通ります。
検出器の中では、気体をイオンにして、磁石の力で、ヘリウムだけを分けて測ります。CERNの講義資料によると、検出器の中はターボ分子ポンプで引かれていて、重い気体は押し戻され、軽いヘリウムだけが検出部に届きます（カウンターフロー法）。正しく使えば、約10-12 mbar・L/s の漏れまで検出できる、とされています。
吹き付ける場所は、漏れやすい所から考えます。同じ資料は、ガスケット、電気を通す端子（フィードスルー）、溶接部、腐食した所を挙げています。また、ゴムなどの高分子材料は、ヘリウムを通しやすいので、吹き付けすぎると、材料を通り抜けたヘリウムで信号が長く残ります。少しずつ吹き付け、反応を待つのが、手順の要点です。
ここだけ覚える：ヘリウムは、疑わしい場所に少しずつ吹き付け、検出器の信号の変化で、漏れの場所を絞ります。
確認クイズ：ヘリウムリークチェックで、ヘリウムを一度に大量に吹き付けないのは、なぜですか。
答え：ゴムなどの高分子はヘリウムを通しやすく、信号が長く残って、漏れの場所が分からなくなるからです。少しずつ吹き付け、反応を待ちます。
くわしく見る：検出できる漏れの大きさを、桁で見る
第4講の計算例では、容器の漏れが 5×10-3 mbar・L/s でした。検出器の限界を 1×10-12 mbar・L/s とすると、5×10-3÷10-12 ＝ 5×109 です。つまり、その漏れは、検出限界の50億倍の大きさです。
実際の現場では、検出限界より、周りの空気中のヘリウムや、ゴムから出るヘリウムの影響のほうが、読みを左右します。※検出限界はCERNの講義資料の値で、機器によって違います。
検出器の使い方や信号の読み方は、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。
② 大気に戻すとき：窒素と、ふたの力
大事なポイント：容器を大気に戻すときは、乾いた窒素を使い、ゆっくり入れます。中が真空のままのふたには、大きな力がかかっています。
壁に付いた吸盤は、中の空気が抜けて、外の空気に押しつけられているので、そのままでは外れません。外すときは、すき間から空気を入れます。真空の容器のふたも同じで、中が真空のままだと、外の大気が、ふたを強く押しつけています。
部品の交換や点検のあとは、真空の容器を大気に戻します。これをベント（大気開放）といいます。CERNの講義資料は、大気に戻すときに、乾いた窒素を使うよう書いています。空気中の酸素や水が、容器の内側の表面と反応すると、あとで気体が出やすくなるためです。第4講で学んだように、表面の水分が、到達圧力を左右します。
力の大きさの例です。直径30cmのふたで、内側の圧力が50kPaなら、差は約51kPaなので、押す力は約3,600N（約370kgf）です。中がまだ低い圧力のままで、ふたを無理に開けようとしてはいけません。
窒素を入れる速さにも注意が要ります。勢いよく入れると、容器の中の粉やゴミが舞い上がり、膜やウエハーを汚します。粗引きのバルブも、ゆっくり開けるのが基本です（一般的な考え方です）。手順書で決められた順番と時間を守ります。
ここだけ覚える：大気に戻すときは、乾いた窒素をゆっくり入れ、中が真空のままのふたは、無理に開けません。
確認クイズ：真空の容器を大気に戻すとき、乾いた窒素を使うのは、なぜですか。
答え：空気中の酸素や水が、容器の内側の表面と反応して、あとで気体が出やすくなるのを防ぐためです。
くわしく見る：ふたを押す力を計算する
ふたの面積は、π×(0.15 m)² ＝ 0.0707 m² です。内側が50kPa、外側が約101.3kPaなら、差は51.3kPa ＝ 51,300 Pa です。力は F ＝ P×A ＝ 51,300×0.0707 ＝ 約3,630 N で、重さに直すと 3,630÷9.8 ＝ 約370 kgf です。内側が真空に近ければ、101,300×0.0707 ＝ 約7,160 N（約730 kgf）です。
※円板の面積を使った計算で、ふたの重さは含みません。
③ ポンプの油：受け皿・排気・点検
大事なポイント：油回転ポンプは、油の量、汚れ、もれ、排気に気をつけます。受け皿を置き、排気は排気設備へ出します。
自動車のエンジンオイルは、量と汚れを点検して、決まった時期に交換します。油回転ポンプの油も同じです。粗引きに使うこのポンプは、油で封じ、油で潤滑しているので、油の扱いが、安全と保全の中心になります。ワシントン大学とカリフォルニア工科大学の安全資料から、基本をまとめます。
- 受け皿を置く：油がもれても、床に広がらず、滑りや火災の原因になりません。
- 排気を室内に出さない：ポンプから出る気体には、油の霧や、吸い込んだ有害な気体が混ざります。排気は、排気設備につなぎます。
- 油を点検する：油が汚れたり、量が減ったりすると、排気する力が落ちます。油量の窓で量と色を見て、決められた周期で交換します。
- ベルトのカバーを付ける：回る部分に、手や服が巻き込まれるのを防ぎます。
ワシントン大学の資料によると、溶剤などの蒸気がポンプの油に入ると、油は劣化します。また、油と気体の相性もあり、炭化水素系の油を、酸化力の強いガスや蒸気に使ってはいけません。溶剤や腐食性の物質を吸い込んだときは、汚れた油をすぐに交換し、有害な廃棄物として処分するよう、カリフォルニア工科大学の資料は書いています。
ここだけ覚える：油回転ポンプは、受け皿、排気設備、油の点検、ベルトのカバーで守ります。
確認クイズ：ポンプの下に受け皿を置くのは、なぜですか。
答え：油がもれたとき、床に広がるのを防ぎ、滑りや火災を防ぐためです。
くわしく見る：油の劣化と排気性能の関係（一般的な考え方）
油が汚れると、油の中に混ざった物質が、再び蒸発して、容器に戻ります。その結果、到達圧力が上がります。点検では、油の色（濁りや変色）、量、ポンプの音と温度を、毎回、同じ条件で記録します。変化を数字で追うと、交換の時期を判断しやすくなります。
※メーカーの取扱説明書にある周期と油の種類を、優先します。
④ ガスの危険：窒素による酸欠と、火
大事なポイント：窒素は無害ですが、大量に漏れると酸欠を起こします。においがないので、酸素濃度計で確かめます。
牛乳に水を足すと、牛乳の割合は下がって薄まります。部屋の空気に窒素が大量に漏れ出すと、同じように、空気中の酸素の割合が下がります。窒素は空気の約78%を占める、無害な気体です。しかし、酸素を押しのけて割合を下げるため、酸欠の危険が生まれます。
米国の化学安全委員会（CSB）の安全情報によると、酸素が約16%まで下がると、呼吸が速く、深くなります。4〜6%では、40秒未満で意識を失うと書かれています。職場の空気の酸素の割合は、米国の労働安全衛生局（OSHA）の基準で、19.5%以上とされています。そして、窒素は、においでは分かりません。酸素濃度計（空気中の酸素の割合を測る機器）でしか測れません。
真空の作業では、窒素でベントする、ガスを流して装置の中を入れ替える（パージ）、液体窒素を使うといった場面があります。狭い部屋や、換気の悪い場所では、特に注意が必要です。酸素濃度計を置き、換気を確かめ、1人で作業しません（一般的な安全の考え方です）。
もう一つの危険は、火です。ユタ大学の資料によると、熱陰極式の真空計は、熱した線を使い、可燃性の気体の着火源になるおそれがあります。可燃性や毒性のある工程ガスの性質は、材料コース3級で学べます。▶ 2級でくわしく：有害な排気を処理する除害設備の考え方。
ここだけ覚える：窒素は無害でも、大量に漏れると酸素の割合が下がって酸欠になり、においで分からないので、酸素濃度計で確かめます。
確認クイズ：窒素が漏れると、なぜ酸欠になるのですか。
答え：窒素が空気中の酸素を押しのけて、酸素の割合を下げるからです。窒素自体は無害ですが、においで分からないため、気づけません。
くわしく見る：酸素の割合が19.5%に下がる量
空気の酸素は20.9%です。部屋の空気のうち、窒素に置き換わった割合を x とすると、酸素の割合は 20.9×(1−x) です。x ＝ 0.067（6.7%）なら 20.9×0.933 ＝ 19.5% で、OSHAの下限になります。x ＝ 0.10（10%）なら 20.9×0.9 ＝ 18.8% です。
つまり、空気の約7%が窒素に置き換わるだけで、基準の下限に達します。※一様に混ざった場合の計算です。実際は、窒素が床付近にたまるなど、場所で偏ります。
⑤ 高圧ガスのボンベ：法律と、固定の基本
大事なポイント：1MPa以上の圧縮ガスは、高圧ガスとして法律で規制されます。ボンベは立てて固定し、決められた手順で扱います。
背の高いびんを棚に立てるとき、倒れないように支えますね。ガスのボンベは、高い圧力でガスが詰まっているので、倒れて栓や容器が壊れると、中のガスが急に出て危険です。そのため、必ず固定します。
真空装置には、高圧のガスのボンベがつながることがあります。日本では、高圧ガス保安法が、高圧ガスの扱いを決めています。e-Govで条文を読むと、第2条は、圧縮ガスの場合、ゲージ圧力（大気圧を0として測る圧力。タイヤの空気圧計と同じ測り方）が1MPa以上のものを、高圧ガスとしています（35℃で1MPa以上になるものを含む）。第1条は、法の目的を、高圧ガスによる災害の防止と書いています。
この法律は、貯蔵（第15条）や移動（第23条）の基準を、経済産業省令に任せています。また、第24条の2は、モノシランやジボランなど、消費に特別の注意が要るガス（特定高圧ガス）を、一定量以上消費する者に、都道府県知事への届出を求めています。省令の細かい基準は、この講では読めていません。現場では、会社の決まりと手順書に従います。
ボンベの扱いの基本として、カーネギーメロン大学の指針は、次のように書いています（米国の大学の例です）。立てた状態で、鎖やベルトで固定し、固定する位置は、ボンベの上から約3分の1の高さにします。首、調整器、下側の3分の1には、固定具を巻きません。使わないときは保護キャップを付け、移動は台車で、転がしたり、引きずったりしません。中身の表示も、消してはいけません。
ここだけ覚える：高圧ガスのボンベは、法律と手順書に従い、立てて固定して扱います。
確認クイズ：高圧ガスのボンベを、鎖やベルトで固定するのは、なぜですか。
答え：倒れて、バルブや容器が壊れ、中のガスが急に出る事故を防ぐためです。
くわしく見る：圧力の差を、桁で比べる
高圧ガスの基準の1MPaは 1,000,000 Pa ＝ 1×106 Pa です。超高真空の 1×10-4 Pa と比べると、1×106÷10-4 ＝ 1×1010、つまり100億倍です。
1つの装置の近くに、この両極端の圧力があります。真空側では「壊れて入ってくる」、高圧側では「壊れて噴き出す」という、反対の事故が起こりえます。※桁の比較のための計算です。
安全のひとこと
この講の作業（ヘリウム、窒素、油、ボンベ）は、いずれも、職場の決まりと手順書に従い、許可を受け、必要な教育を受けた人が行ってください。酸欠のおそれがある場所に、1人で入らないでください。異常を感じたら、作業を止め、決められた連絡先に知らせます。この講は、考え方を説明するもので、作業の手順書の代わりにはなりません。
この講のまとめ
今回の問いの答えは、手順書に従うことを土台に、次の点に気をつけることです。漏れの場所は、ヘリウムを少しずつ吹き付けて、信号で絞ります。大気には、乾いた窒素でゆっくり戻します。
ポンプの油は、受け皿、排気設備、点検で守ります。窒素は、においがなく、酸欠の原因になるので、酸素濃度計で確かめます。
高圧ガスは法律で規制され、ボンベは立てて固定します。この講は考え方の説明で、作業は、職場の手順書に従います。
これで「真空の基礎」3級は終わりです。次の2級では、数式を使って、排気の時間や配管をくわしく計算します。
ことばのおさらい
- ヘリウムリークチェック：ヘリウムを吹き付け、漏れ穴から入った分を検出して、漏れの場所を探す方法です。
- リークディテクタ：ヘリウムなど特定の気体を検出して、漏れを見つける装置です。
- カウンターフロー法：重い気体は押し戻し、軽いヘリウムだけを検出部に届ける方式です。
- ベント：真空の容器を、大気に戻すことです。
- パージ：ガスを流して、装置の中の空気やガスを入れ替えることです。
- 酸素濃度計：空気中の酸素の割合を測る機器です。窒素による酸欠を見つけるために使います。
- 高圧ガス：圧縮ガスで、ゲージ圧力が1MPa以上のものなど、高圧ガス保安法で決まるガスです。
- ゲージ圧力：大気圧を0として測る圧力です。
よくある誤解
Q. 窒素は無害なのに、なぜ危険なのですか。
窒素そのものに毒性はありません。大量に漏れると、酸素を押しのけて酸素の割合が下がり、においでも気づけないため、酸欠が起こります。
Q. ヘリウムを多く吹き付けたほうが、漏れを見つけやすいですか。
いいえ。多く吹き付けると、ゴムなどを通ったヘリウムや、周りの空気中のヘリウムで、信号が長く残り、場所が分からなくなります。少しずつ吹き付けます。
参考にした公式情報
- V. Baglin, Vacuum in Accelerators for Mechanical & Materials Engineering（CERN Accelerator School 2024）（CERN。リークディテクタの原理、検出限界、吹き付ける場所、高分子とヘリウム、乾燥窒素でのベント）
- University of Utah, Fundamentals of Micromachining, Lecture 3: Vacuum Systems（米国の大学の講義資料。空気中のヘリウムの割合、熱陰極式真空計の着火源）
- University of Washington EHS, Vacuum Pump Focus Sheet（米国の大学の安全資料。ポンプの油、受け皿、ベルトのカバー、油と気体の相性）
- Caltech EHS, Vacuum System Safety（米国の大学の安全資料。排気を排気設備へ、油の点検と交換、受け皿）
- U.S. Chemical Safety and Hazard Investigation Board, Hazards of Nitrogen Asphyxiation (2003)（米国の政府機関。窒素の酸欠、酸素濃度と体への影響、OSHAの基準）
- Carnegie Mellon University EHS, Compressed Gas Cylinder Guideline（米国の大学の指針。ボンベの固定位置、キャップ、運搬）
- 高圧ガス保安法（昭和二十六年法律第二百四号）、e-Gov法令検索（日本の法令。第1条、第2条、第15条、第23条、第24条の2）
ヘリウム検出の桁の計算、ふたの力（F＝P×A）、酸素の割合の計算は、一般的な式による一例です。ベントをゆっくり行うこと、酸素濃度計の使用、1人で作業しないことは、一般的な安全の考え方で、一次資料の記述ではありません。高圧ガス保安法は条文のうち第1条・第2条・第15条・第23条・第24条の2を読んだ範囲で、経済産業省令は読んでいません。図は記事用に描いた簡易の模式図です。
