真空状態の作り方と簡単な手法

真空状態の作り方と簡単な実現方法

真空状態を作り出す基本原理

真空状態とは、大気圧よりも低い圧力状態のことで、金属加工分野では熱処理や表面処理に必須の技術です 。真空を作り出すための基本的な方法は２つあり、容器の中にある空気を外へ送り出す方法と、容器の中の空気を容器内の一部分にため込む方法が存在します 。
参考）https://www.musashino-eng.co.jp/introduction/

 

最も一般的な方法として、低真空を作るためにはロータリー形式やピストン形式が使用され、空気を外へ送り出します 。さらに高い真空空間をつくるためには、ターボ形式（分子運動より速く回転する羽根）を使用して、空気の分子を外へ送り出す必要があります 。
もう一つの方法は、容器の中の一部分を絶対零度に近づけることで、容器の中の分子運動エネルギーを「ゼロ」に近づけて、その一部分に空気を吸着させる手法です 。また、容器内の分子をイオン化することによって、容器内の一部分に空気を吸着させる方法もあります 。

真空ポンプの種類と選択方法

金属加工現場で使用される真空ポンプは、作動原理によって気体輸送式真空ポンプと気体溜込式真空ポンプに大別されます 。代表的な真空ポンプには以下のような種類があります：
参考）真空ポンプの種類［仕組み（動作原理、構造）と特長］

 

水封式真空ポンプ：ポンプ内を液体で満たし、羽根車の回転によって水のリングを作り、真空状態を作り出す仕組みです 。水分を含む気体の処理に適しており、プラスチック成形や化学工業、火力発電所の復水器など、さまざまな産業分野で幅広く使用されています 。
参考）真空ポンプの選び方とおすすめメーカーは？ 仕組みなど基本的な…

 

油回転式真空ポンプ：ベーンを回転させて、ガスをかきだすようにして排気するポンプで、気密のために油を使用します 。低真空から中真空領域で使用され、メンテナンスが比較的容易という特徴があります 。
参考）真空ポンプとは｜何に使う？種類や仕組み、選定ポイントを解説 …

 

ドライ真空ポンプ：潤滑油なしで高真空を達成できるポンプで、クリーンな環境が必要な半導体製造などに適しています 。オイルフリーのため、製品への汚染リスクが低いことが最大の利点です 。
ターボ分子ポンプ：高速回転する羽根によって気体分子を外部に排出するポンプで、高真空から超高真空まで対応可能です 。分子運動より速く回転する羽根により、効率的に気体分子を排出します 。

真空度の測定方法と単位の理解

真空度の測定は、真空計という特別な測定器で行います 。大きく分けて、真空度の測定方法は以下の3つの方法があります：
参考）真空度とは？定義・単位・測定方法について

 

機械的な方法（直接法）：圧力によって素材が変形する様子を直接測る方法です 。ダイヤフラムゲージは、薄い金属膜（ダイヤフラム）が圧力でたわむ量を測定し、ガスが何であっても正確な圧力を測れるため、主に大気圧に近い低真空領域で使われます 。
熱の伝わり方を利用する方法（間接法）：気体分子が少なくなると、熱の伝わり方が変化するという性質を利用します 。ピラニゲージやサーモカップルゲージが代表的で、温められたフィラメントから気体に奪われる熱の量を測定し、そこから圧力を算出します 。
参考）真空測定・測ります [真空機器] 川口液化ケミカル株式会社

 

圧力単位の表示方法：真空度の表示には絶対圧力とゲージ圧力があります 。絶対圧力は大気圧の全くない状態を基準とした圧力の表し方でPa（abs）やkPa（abs）で表示し、ゲージ圧力は大気圧を基準にした圧力の表し方で－kPa（G）や－mmHg（G）で表示します 。
参考）真空度を理解するための単位解説

 

金属加工における真空技術の実用的応用

金属加工分野では、真空技術が多くの工程で活用されています 。特に重要な応用例として、真空熱処理があります。真空中または不活性ガス中で製品の加熱・冷却を行うことで、酸化膜の発生がなく、変形・変寸も大気炉と比較して少なくなります 。
参考）株式会社中津山熱処理｜新潟県長岡市南部工業団地｜真空熱処理の…

 

真空熱処理の主な特徴として、以下の3点が挙げられます：①酸化しない - 真空熱処理を施すことで、酸化被膜の付着を防ぐ、②歪みが極少 - 独自の熱処理工程により、歪みを抑制し、均一な熱処理を行える、③後加工が省略できる - 熱処理後は光輝性が保たれ、変形も極小に抑えられるため、後処理の省略が可能となります 。
また、真空ベーキング装置も重要な応用分野です 。電子機器、半導体製造装置等に使用される精密機器部品では組付後に表面に付着している物質がガス化して種々の影響をおよぼすケースが見られるため、乾燥時よりも処理温度を上げることで付着物質を活性化し、かつ表面から離脱しやすいように周囲圧力を低くします 。
参考）真空ベーキング装置

 

さらに、真空クランプシステムは板金・金属加工業界の様々な工程で使用され、加工を行う際のワークの正確な固定に使用されています 。これにより、精密な金属加工が可能になり、製品品質の向上に貢献しています。
参考）板金・金属加工業界向け真空ソリューション｜シュマルツ

 

家庭でもできる真空状態の簡単な作り方

金属加工現場だけでなく、理解を深めるために家庭でも簡単に真空状態を作ることができます 。最も簡単な方法の一つは、注射器を使った真空ポンプの製作です。注射器に赤いビニールテープの弁を内側と外側にそれぞれ取り付け、ピストンを引いたときはビニール管からの空気を吸い込み、押したときは外部に排出する簡単な構造です 。
参考）真空を作ってみよう　〜注射器真空ポンプの製作〜｜おもしろ科学…

 

水蒸気凝縮法による真空作成も効果的な方法です 。ビンに水を入れて沸騰させ、水蒸気がしっかり発生したらビンの口を密閉し、そのまま冷まします 。沸騰させることで水蒸気が発生し、この水蒸気がビンの中を満たした状態で密閉し、冷ますと水蒸気が液体に戻るため、気体だったものがなくなって真空になります 。
参考）真空の作り方とウォーターハンマー現象 - オンライン授業専門…

 

水圧を利用した真空パック作成も実践的な方法です 。ジップロック袋に食品を入れ、ボウルの水の中にパンの入ったジップロック袋をジッパーギリギリまで沈めていくことで、水圧によってジップロック内の空気が外に押し出され、空気が抜けたところでジッパーを閉じれば真空パックの完成です 。
参考）水圧の力で簡単に真空パックのやり方 レシピ・作り方 by ひ…

 

これらの簡単な方法は、真空の原理を理解するための実験的な取り組みとしても有効で、金属加工現場で使用される本格的な真空技術への理解を深める基礎として活用できます 。
参考）真空 ｜ 自由研究におすすめ！家庭でできる科学実験シリーズ「…