今回のテーマは、
「真空ポンプには、なぜ種類がいくつもあり、使い分けるのか」
答え：圧力が高いところと低いところでは、気体の動き方が違うので、得意なポンプも違います。そこで、まず空気を大量に外へ出すのが得意なポンプで圧力を下げ、そのあと、低い圧力が得意な別のポンプに受け渡す二段構えにします。
第1講では、真空が圧力の低さで段階に分かれること、チャンバー・真空ポンプ・真空計の3つでつくることを学びました。この講では、そのうち真空ポンプを取り上げます。
この講の流れ：① ポンプの役割分担 → ② 粗引きポンプ → ③ 高真空ポンプ → ④ 粗引きから高真空への受け渡し → ⑤ 使い分けと現場の見方。
※各節の『くわしく見る』は、計算で確かめたい人向けです。
① ポンプの役割分担：なぜ1台ではないのか
大事なポイント：圧力の高いところと低いところでは、気体の動き方が違うので、ポンプも得意な範囲が違います。そこで、役割の違うポンプを組み合わせます。
雪かきを思い浮かべてください。積もった雪はスコップで一気に運び、地面に残った薄い雪はほうきで掃くほうが、速くてきれいに終わります。量が多い段階と少ない段階では、道具を替えるのです。真空ポンプも同じです。
真空ポンプとは、容器の中の気体を、外へ運び出す機械です。第1講で学んだように、圧力が高いうちは気体が流体のように流れ、圧力が低くなると分子が1つずつ飛びます。この違いのため、ポンプには得意な圧力の範囲があります。
そこで、排気は二段構えです。粗引きとは、大気圧から最初に圧力を下げる段階で、粗引き用のポンプが大量の気体を運びます。次に、高真空用のポンプが、さらに低い圧力まで下げて、保ちます。粗引き用のポンプは、高真空用のポンプの出口側を支える役（バッキングポンプ。フォアラインポンプともいいます）も兼ねます。
たとえば、油を使う粗引き用のポンプ（油回転ポンプ）の到達圧力（それ以上は下げられない圧力）は、およそ0.1〜1Paです（CERNの講義資料の10-3〜10-2 mbarを換算した値）。一方、ターボ分子ポンプは、気体が分子流になる低い圧力で働き、0.1Pa以下で排気速度が一定になります。出口側は、別の粗引き用のポンプに支えてもらう必要があります。
ポンプの力を表す排気速度は、ポンプの入口で、1秒あたりに運べる気体の体積です（単位はL/s）。バケツで水をくむ速さのようなものです。
ここだけ覚える：圧力の高いところ用と低いところ用で、役割の違うポンプを二段構えで使います。
確認クイズ：ターボ分子ポンプだけで、大気圧から排気できないのは、なぜですか。
答え：ターボ分子ポンプは、分子流になる低い圧力で働くポンプで、出口側を粗引き用のポンプに支えてもらう必要があるからです。
くわしく見る：排気速度の単位を換算する
CERNの講義資料は、加速器のトンネルで使う油回転ポンプの排気速度を4〜40m³/h、ターボ分子ポンプを10〜3,000L/sの範囲としています。単位をそろえます。1m³＝1,000L、1時間＝3,600秒です。
4m³/h ＝ 4,000÷3,600 ＝ 約1.1L/s、40m³/h ＝ 40,000÷3,600 ＝ 約11L/s です。つまり、粗引き用は約1〜11L/s、高真空用は10〜3,000L/sにあたります。
※数値は、1つの資料にある一例です。排気速度は、圧力や気体の種類で変わります。
② 粗引きポンプ：油回転ポンプとドライポンプ
大事なポイント：粗引きポンプは、大気圧から排気を始められます。油を使うか、使わないかで、特徴が変わります。
粗引き用のポンプの代表は、油回転ポンプです。油に浸かった容器の中で、羽根の付いた回転子が回り、気体を閉じ込めて押し縮め、大気圧より少し高い圧力にして、出口の弁から押し出します。自転車の空気入れが、空気を押し縮めて送り出すのと似ています。
油には3つの役目があります。1つ目は冷やすことで、ないと熱がたまります。2つ目は潤滑で、自転車のチェーンに油をさすのと同じです。ないと、金属がこすれて傷みます。3つ目は、羽根と壁のすき間をふさぐことで、注射器の先のゴムが筒とのすき間をふさぐのに似ています。ないと、押し出した気体がすき間から戻り、圧力が下がりません。
ただし、低い圧力では、油の蒸気が容器のほうへ逆流することがあり（バックストリーミング）、清浄が大切な処理を乱すおそれがあります。油に水や不純物が混ざると、到達圧力も悪くなります。大量の気体を一気に吸うと、油が泡立って、すき間をふさげなくなることもあるため、粗引きバルブはゆっくり開けるものとされています。
油を使わない粗引き用のポンプを、ドライポンプといいます。スクロール式、ルーツ式、スクリュー式などがあります。内部に油がないので、逆流の心配がなく、反応しやすいガスの排気や、清浄さが大切な場合に使われます。その代わり、油回転ポンプより高価です。
もう1つ、ルーツポンプ（ブースター）は、8の字形の2つの回転子で大量の気体を運びます。大気圧では熱をもつため、約1,300Pa（10Torr）以下でしか使えず、背後に別のポンプが必要です。低い圧力での排気を速める目的で使います。
ここだけ覚える：油回転ポンプは、油が逆流することがあり、油を使わないドライポンプは、その心配がない代わりに高価です。
確認クイズ：油回転ポンプの油の役目を、2つ挙げてください。
答え：冷やす、潤滑する、羽根と壁のすき間をふさぐ、のうちの2つです。
くわしく見る：気体を押し縮める計算（ボイルの法則）
温度が一定のとき、気体の圧力と体積の積は変わりません（P₁×V₁＝P₂×V₂）。入口の圧力を100Pa、出口の圧力を大気圧101,325Paとします。
V₂÷V₁ ＝ P₁÷P₂ ＝ 100÷101,325 ＝ 約1/1,000 です。つまり、気体の体積を約1,000分の1まで押し縮めて、初めて大気中へ出せます。
※温度が一定の理想的な計算です。実際のポンプは、複数の段で少しずつ縮めるものもあります。
③ 高真空ポンプ：ターボ分子ポンプとその仲間
大事なポイント：ターボ分子ポンプは、高速で回る翼で分子を排気側へはじきます。ほかに、気体を閉じ込めるクライオポンプやイオンポンプもあります。
扇風機の羽根は空気を押し流しますが、高真空を受け持つターボ分子ポンプは、羽根にあたる翼を毎分2万〜5万回転程度（アメリカの大学の資料）という猛スピードで回し、分子を排気側へはじきます。内部には、回転する翼（ロータ）と、動かない翼（ステータ）が交互に並んでいます。前の節の図の右側が、この構造です。
なぜ、圧力が低いほど効くのでしょうか。第1講で学んだように、低い圧力では分子どうしがほとんどぶつからず、翼にぶつかる分子が主役になります。そのため翼が、1つ1つの分子を確実に排気側へはじけます。1枚の翼で運べる量はわずかなので、翼を何段も重ねます。CERNの講義資料では、排気速度60L/sのポンプで約10段です。
ただし、分子の重さで、効き方が違います。窒素や油の蒸気のような重い分子ははじかれやすく、軽い水素は排気側から戻ってきやすくなります。このため、到達できる圧力は水素で決まることが多いと、大学の講義資料は説明しています。油を使わないので、きれいな真空がつくれるのが長所です。回転体のバランスが崩れたり、使ってよい圧力の範囲を外れたりすると、ポンプが傷みます（節4）。
ポンプの働き方は、大きく2つに分かれます。ある大学の講義資料は、気体を外へ出し続ける型（粗引き用の多くと、ターボ分子ポンプ）と、気体を中に閉じ込める型に分けています。後者の例が、クライオポンプ（極低温の面に気体を凍らせたり吸着させたりする）とイオンポンプ（気体をイオンにして金属に取り込ませる）で、たまった気体を出す作業（再生）が要ります。拡散ポンプは、油の蒸気を噴き出して気体を運びますが、油が逆流しやすく、ターボ分子ポンプに置き換わってきたと、実習資料は書いています。
ここだけ覚える：ターボ分子ポンプは、高速で回る翼で分子をはじく高真空用のポンプで、低い圧力で効きます。
確認クイズ：ターボ分子ポンプは、どのようにして分子を排気側へ運びますか。
答え：高速で回る翼に分子がぶつかり、翼が分子を排気側へはじくことで運びます。翼は何段も重ねてあります。
くわしく見る：圧縮比から、到達圧力を見積もる
CERNの講義資料は、ある例で、ターボ分子ポンプの圧縮比（出口側の圧力が、入口側の何倍まで高くてよいか）を、水素で103、窒素で109としています。出口側（バッキング側）の圧力を10Paとします。
・窒素：入口側は 10÷109 ＝ 10-8 Pa まで。
・水素：入口側は 10÷103 ＝ 10-2 Pa まで。
同じ出口の圧力でも、水素は窒素より6桁も高い圧力にしか下げられません。このため、水素が最後まで残りやすくなります。
※ポンプの機種や条件で変わる、理想的な見積もりの一例です。
ターボ分子ポンプの仕組みを、さらに詳しく知りたい人は、ターボ分子ポンプ（TMP）とは？粗引きが必要な理由と高真空を作る二段構えを読んでください。
④ 受け渡し：粗引きから高真空へ
大事なポイント：粗引きポンプで圧力を下げてから、高真空ポンプに受け渡します。ポンプごとに使ってよい圧力が決まっているので、真空計の値を見て切り替えます。
リレーでは、次の走者は、受け渡しの区間に入ってからバトンを受け取ります。ポンプも同じで、決まった圧力まで下がってから、次のポンプに渡します。手順の一例を、図で示します。
① まず、ゲートバルブを閉じたまま、粗引きバルブを開けて、粗引きポンプで圧力を下げます。② 決められた圧力まで下がったら、粗引きバルブを閉じ、ゲートバルブを開けます。③ ここから、ターボ分子ポンプがさらに圧力を下げて、保ちます。切り替える圧力は、装置とポンプの仕様で決まるので、手順書に従います。
なぜ、真空計を見て切り替えるのでしょうか。ポンプごとに、運転してよい圧力の範囲があり、外れて使うとターボ分子ポンプは自分自身を壊すことがあると、大学の実習資料は注意しています。反対に、切り替えが遅れると、時間が長くかかります。
粗引きバルブをゆっくり開けるのは、大量の気体が一気に入ると、油が泡立つからです。また、粗引き用のポンプは、ターボ分子ポンプの出口を支えています。途中で止まると出口側の圧力が上がり、高真空が保てなくなります（一般的な説明です）。
ここだけ覚える：切り替えは、ポンプごとに決まった圧力の範囲を守り、真空計の値を見て行います。
確認クイズ：粗引きから高真空へ切り替えるとき、真空計の圧力を見るのは、なぜですか。
答え：ポンプごとに、運転してよい圧力の範囲があり、範囲を外れると、ポンプを壊すおそれがあるからです。
くわしく見る：粗引きにかかる時間の目安
排気速度を一定とみなすと、容器の体積V（L）を、圧力P₀からPまで下げる時間は t ＝ (V÷S) × ln(P₀÷P) で表せます（一般的な式です。ln は自然対数）。
V ＝ 100L の容器を、S ＝ 10L/s（約36m³/h）のポンプで、101,325Paから100Paまで下げます。P₀÷P ＝ 1,013 で、ln(1,013) ＝ 6.92 です。t ＝ (100÷10)×6.92 ＝ 約69秒（約1分10秒）です。
排気速度が2倍（S ＝ 20L/s）なら、時間は半分の約35秒です。
※壁から出る気体や、低い圧力での排気速度の低下を考えていない、理想的な計算です。実際は、これより長くかかります。
バルブの役目や、「バルブが開かない」ときの調べ方は、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、くわしく解説しています。第4講でも、配管と一緒にふれます。
⑤ 使い分けの考え方と、現場で見るところ
大事なポイント：ポンプは、届きたい圧力、排気する気体、清浄さ、維持の手間から選びます。保全では、音・温度・油・排気にかかる時間の変化に気づくことが大切です。
車を選ぶとき、荷物の量や走る道で車種を決めるように、ポンプも目的で選びます。観点は4つです。
- 到達したい圧力：ポンプには届く範囲があり、届かない種類を選ぶと、必要な圧力にならないためです。
- 排気する気体：油は、溶剤などに触れると劣化し、ポンプが傷むことがあります（アメリカの大学の安全資料）。反応しやすいガスには、油を使わない種類が向きます。
- 清浄さ：油の蒸気が逆流すると、処理を乱すおそれがあるためです。
- 維持の手間と費用：ドライポンプは高価ですが、油の手入れは要りません。
装置の現場サービスや保全では、ポンプの「いつもと違う」に気づくことが、仕事の入り口です。毎日の体温を記録して平熱を知っておくと、いつもと違う日に気づけるのと同じで、音や振動、運転時の温度、油の汚れ、圧力が下がるまでの時間を記録しておくと、変化の「傾き」から、ポンプの不調か、別の原因かを推測しやすくなります。「圧力が下がらない」という相談では、ポンプ自体の不調と、漏れや配管（第4講）のどちらかを切り分ける考え方が大切です。
ここだけ覚える：ポンプの「いつもと違う」に気づくために、音・温度・排気にかかる時間などの記録を残します。
確認クイズ：清浄さが特に大切な装置で、油回転ポンプよりドライポンプが選ばれやすいのは、なぜですか。
答え：油回転ポンプは油の蒸気が逆流し、処理を乱すおそれがありますが、ドライポンプは内部に油がなく、その心配が少ないからです。
安全のひとこと
運転中や運転直後のポンプは、高温になることがあります。ターボ分子ポンプには、毎分数万回転で回る部品が入っています。移動・分解・油の交換は、電源を切り、完全に止まって冷えてから、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、圧力が高いところと低いところで気体の動き方が違い、ポンプごとに得意な範囲が違うからです。大気圧から排気する粗引き用（油回転・ドライ）と、低い圧力で働く高真空用（ターボ分子など）を、二段構えで使います。
油回転ポンプは、油で冷却・潤滑・封止をしますが、油の蒸気が逆流することがあります。ドライポンプは油がなく、高価です。ターボ分子ポンプは、回転する翼で分子をはじきます。
粗引きから高真空への切り替えは、ポンプごとの使ってよい圧力を守り、真空計を見て行います。保全では、音・温度・油・排気時間の変化に気づくことが大切です。
次の講では、真空の状態を知るための真空計と、圧力の測り方を学びます。
ことばのおさらい
- 真空ポンプ：容器の中の気体を、外へ運び出す機械です。
- 排気速度：ポンプの入口で、1秒あたりに運べる気体の体積です。単位はL/sなどです。
- 到達圧力：それ以上は下げられない圧力です。
- 粗引き：大気圧から、最初に圧力を下げる段階です。
- バッキングポンプ：ターボ分子ポンプなどの出口側を支える、粗引き用のポンプです。フォアラインポンプともいいます。
- 油回転ポンプ：油で冷却・潤滑・封止をする粗引き用のポンプです。
- ドライポンプ：内部に油を使わない粗引き用のポンプです。
- ルーツポンプ：8の字形の回転子で大量の気体を運ぶポンプです。約1,300Pa以下で使います。
- ターボ分子ポンプ：高速で回る翼で分子を排気側へはじく、高真空用のポンプです。
- バックストリーミング：油の蒸気などが、容器のほうへ逆流することです。
よくある誤解
Q. ポンプの力が強ければ、1台で大気圧から高真空まで下げられますか。
いいえ。ポンプには、得意な圧力の範囲があります。ターボ分子ポンプは、大気圧から直接は使えず、粗引き用のポンプで圧力を下げてから受け渡します。
Q. ドライポンプは、油が要らないので、点検は不要ですか。
油の交換は要りませんが、回転する機械であることは同じです。音・温度・排気時間の変化に気づくために、点検と記録は必要です（一般的な説明です）。
参考にした公式情報
- University of Utah, Fundamentals of Micromachining, Lecture 3: Vacuum Systems（米国の大学の講義資料。ポンプの2つの型、油回転ポンプの油の役目と問題、ルーツポンプ、拡散ポンプ、ターボ分子ポンプの段数・水素・軸受）
- V. Baglin, Vacuum in Accelerators for Mechanical & Materials Engineering（CERN Accelerator School 2024）（CERN。油回転ポンプの到達圧力と排気速度、ターボ分子ポンプの動作範囲・段数・圧縮比、イオンポンプ）
- Penn State University, Nanofabrication Lab 2: Vacuum Assembly and Troubleshooting（米国の大学の実習資料。油回転ポンプの逆流、ドライポンプ、ターボ分子ポンプの回転数と圧力範囲の注意、拡散ポンプ）
- University of Washington EH&S, Vacuum Pump Safety（2020）（米国の大学の安全資料。油と溶剤・酸化性ガスの相性、油の交換、点検の注意）
- SFI研修会資料32「真空管と真空パック」（日本の研修資料（日本真空工業会の図を引用）。ポンプの分類、ドライポンプの用途。出典としては弱い（企業の配布資料））
排気速度の換算、ボイルの法則、排気時間の式 t＝(V/S)ln(P₀/P)、バッキングポンプが止まったときの影響、ポンプを選ぶ観点の整理は、一般的な説明や式です。数値（約1,300Pa、毎分2万〜5万回転、10段など）は各資料にある一例です。図は記事用に描いた簡易の模式図で、実機の構造とは細部が違います。
