ターボ分子ポンプ

ターボ分子ポンプ：高真空技術を支える精密機器

ターボ分子ポンプ(TMP)は、機械式真空ポンプの一種であり、高真空環境の生成に欠かせない重要な機器です。その動作原理は、高速回転するタービン翼によって気体分子を物理的に排除することにあります。金属製のローターと呼ばれる回転体が、数万回転/分の速度で回転し、斜めに配置されたタービン翼が気体分子を吸気側から排気側へと移動させます。この際に、吸気側と排気側における分子の通過確率の差を利用して圧力差を発生させ、真空を作り出します。

動作原理と性能

TMPの排気速度は、タービン翼の角度、回転数、そして気体分子の種類によって変化します。翼の角度が大きいほど排気速度は向上しますが、圧縮比は低下します。逆に、翼の角度が小さいと排気速度は低下しますが、圧縮比は向上します。そのため、用途に最適な設計が求められます。また、軽ガスである水素やヘリウムは、他のガスに比べて排気速度が低下する傾向があります。

TMPは、10⁻⁷Pa(10⁻¹⁰Torr)程度という高真空を達成可能です。しかし、その動作には限界があり、高真空から低真空への急激な圧力変化はポンプの破損につながる可能性があるため、注意が必要です。通常、ロータリーポンプを補助ポンプとして併用することで、安定した動作を確保します。

ローター支持方式と利点・欠点

TMPのローター支持方式には、主に油潤滑式、グリス潤滑式、磁気浮上式の3種類があります。

油潤滑式: 比較的安価であることが利点ですが、取り付け方向が制限される場合が多いです。
グリス潤滑式: 取り付け方向の自由度が高い一方、グリスの補給や軸受寿命が課題となります。
磁気浮上式: オイルフリーで、取り付け方向に制限がなく、メンテナンスも容易です。しかし、停電時の対策としてバッテリーが必要となる場合が多い点が欠点でした。近年では、ローターの回転運動エネルギーを電力に回生し、磁気浮上に利用するバッテリーレス化技術も開発されています。

安全性の確保と保守

TMPは、内部のタービン翼が高速回転するため、構造上の脆弱性を抱えています。翼の歪みは、固定翼との接触による破損を招く可能性があります。そのため、設置時には、ポンプの固定を厳重に行うことが不可欠です。また、定期的な保守点検によって、ポンプの状態を良好に保ち、安全に運用することが重要です。

用途と展望

TMPは、その高真空性能と汎用性から、科学研究、半導体製造、真空蒸着などの幅広い分野で利用されています。近年では、磁気浮上型TMPの性能向上やバッテリーレス化技術の進展により、より高性能で信頼性の高い真空ポンプの開発が進んでいます。今後も、TMPは高真空技術の中核を担い続ける重要な機器として、その進化が期待されています。

関連項目

軸流式圧縮機

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