真空ポンプについて

質問

すごく馬鹿らしい質問で申し訳ないのですが真空ポンプにて圧力を下げたのちもとに戻す過程について質問です。

ある断熱壁で覆われて、真空ポンプにつながれた密閉容器に気体が入っていたら、ポンプを用いて内部の圧力を下げることができると思います。
真空ポンプは容器内から気体を排出することで圧力を下げるということは
この場合容器内部の粒子の数が減ることで圧力が下がると認識してます。

ではそこから次に圧力をもとに戻そうとするときに、吸引口のバルブを閉めていくことで
圧力計の目盛りが圧力上昇することを示すと思います。
このときって容器の中の粒子数が増えないと、温度が上がらない限り圧力は上昇しないんじゃないかと思います。
ということは今度は吸引し続けながらもポンプは容器内部に粒子を戻しているということでしょうか？
これって逆流防止の弁みたいなのがついていておこりえるんでしょうか？
あと戻している気体は抜いた気体ではなくてポンプ周囲の空気ということなんでしょうか？

すごく初歩的なことが抜けてる気がしてなりませんが、コメントいただけると幸いです。

回答No.9

pc_knight

＜容器の中の粒子数が増えないと、温度が上がらない限り圧力は上昇しないんじゃないかと思います。＞
その通りです。粒子というか真空容器内の気体分子数が増えるということです。
増える要因は
（１）真空容器内面に吸着している分子（一般的には、水の分子Ｈ２Ｏが多い）の気化
（２）真空容器には意図しない漏れ（リーク）部分が存在する
の二点が考えられます。従って、吸引口のバルブを閉めている限りポンプは容器内部に粒子を戻しているということはありません。
当然、吸引口のバルブを閉めていくことで圧力は上昇しますが、大気圧になるには相当の時間がかりますが
吸引口のバルブを閉めたら急速に圧力が上昇するということから判断すると

●圧力計の振れがほぼ［ゼロ］（例えば大気圧の１％程度とか）の真空が得られるに十分に大きな排気速度のポンプ
●リーク量が大きく、且つ、真空容器の容積が小さく、リークにより素早く圧力が上昇する
ような真空系と言えそうです。

因みに、ガス放出量、リーク量、到達圧力、吸引口のバルブ閉による圧力上昇速度の関係は以下の通りである。
　◆　到達圧力　Ｐｆ（Ｐａ）＝（Ｑｇ＋Ｑｌ）／Ｓ
　◆　圧力上昇速度　ΔＰ／Δｔ=（Ｑｇ＋Ｑｌ）／Ｖ

　Ｑｇ：ガス放出量（単位はＰａ・Ｌｉｔｅｒ／ｓｅｃ）・・・このケースでは無視可
　Ｑｌ：リーク量（単位はＰａ・Ｌｉｔｅｒ／ｓｅｃ）
　Ｓ　：ポンプの実効排気速度（単位はＬｉｔｅｒ／ｓｅｃ）←吸入口における排気速度
　Ｐｆ：実現できる真空度（＝到達真空度、到達圧力、単位Ｐａ）
　Ｖ　：真空容器の容積（Ｌｉｔｅｒ）

回答No.8

fxq11011

そういう現象を見た経験に基づいているのですね。
しかし、早急に、これ、と決めつけないほうが・・・と思います。
それらの機器には完ぺきなものは無いことは理解できると思います。
どうでしょう、圧力が上昇する、ととらえるのでなく、圧力が元に戻ると考えるのは。
真空に近い状態は言えば特殊な状態です。
エントロピー増大の法則、高いエネルギーは拡散して利用できないエネルギーになってゆく。
秩序あるものは無秩序の方向に進んでゆく。
つまり、高いエネルギーを持った状態、高い秩序を持った状態は、何もしなければ崩れてゆく。
真空ポンプでは、そのポンプの精度いっぱいの真空を玉津ためには、峰うぷを作動し続ける必要があるのではと思います。
実際に見た現象の原因を突き止めるには、同じことを再現して突き止める必要があるのでは・・と思います。
安易にこれが普通と済まさず、何故と思うのはたいせつですが、結論を急ぎすぎると、おとし穴があるように思います。

回答No.7

foomufoomu

>1つ目の疑問はその際にある圧力で固定できるとしたら、平衡状態にすることって不可能なのでしょうか？

容器内が外部と独立している場合、容器内の温度と圧力によって、蒸発速度(なんて言うのだったか忘れた)が決まりますから、それが釣り合う(蒸発速度が０になる)温度と圧力で安定するはずです。

＞・・・ポンプを開いている間は常に気体を抜かれて・・・そうなると気体部分と水の部分は常に非平衡状態になるのではないかと考えました。

圧力と温度がどんどん変化するのですが、やはり、それを含めた蒸発速度で安定すると思います。

なお、前の回答のように、真空容器内に実験に影響するぐらいのガス発生源があるとしたら、ずいぶん間抜けな容器ですね。

回答No.6

kagakusuki

真空容器内には色々な種類のガスの発生源が存在します。
　回答No.2様が仰っておられる容器の内側表面に吸着している空気中の分子の他にも、容器の内壁や容器内に存在している物体の内部に浸透している空気や水分等が、容器内にガスとして放出されます。
　又、セラミックスやフッ素樹脂などは多孔質で、目には見えない微細な孔や隙間が無数に存在していますから、その隙間に溜まっているガスや水分、揮発性物質等が、ガスとして容器内に出て来ますし、真空容器自体や、その他の「容器内の空間と外界との間を隔てている部品」にそれらの材質が使われていた場合には、セラミックスやフッ素樹脂の内部を透過して外部の空気等が容器内に侵入する事になります。
　フッ素樹脂以外の樹脂でも、（フッ素樹脂程ではないにせよ）結構大きなガスの発生源となります。
　又、例え金属材料であっても、微細な隙間が生じている場合もありますし、高温にならなければ顕著ではありませんが、水素やヘリウムなどは固体の金属の内部に（水に塩が溶ける様に）"溶け込む"事が出来ますから、金属であっても気体が透過しないとは限りません。
　又、真空容器の（蓋と容器との間の様な）結合部分の隙間を完全に塞ぐ事は難しいため、その隙間から外部の空気が侵入します。（これが真空度を下げる最大の要因だと思います）
　又、パッキンやoリング等のシール部材に使われているゴムも、真空用として開発されたものであればましではあるものの、ガスを全く透過しない訳ではありませんし、それらのシール部材に含浸されている油も、揮発性が低いとは言え、全く揮発しない訳ではありませんから、多少はガスを発生させます。
　又、溶接で繋いだ継ぎ目には、溶接が完全ではない事による微細なひび割れが生じている恐れがあり、そこから外気が侵入する事もあります。
　又、非常に大きなガスの発生源となり得るのが、容器内に存在する"汚れ"です。
　例えば、真空容器を密閉する前に、真空容器内や、容器内に置かれている物体に人の手などが触れた事があったりしますと、皮膚の表面の汗や油が容器内の表面に付着し、真空引きを行った際に揮発してガスとなります。
　又、ドリルによる穴あけ等の機械加工を行う際には、潤滑のため油が用いられますが、その際に付着した潤滑油を完全に除去する事は簡単には出来ませんから、その様な機械加工部品に付着している油分もガスの発生源となります。（特にネジ穴などには汚れが残っている事が多い様です）
　シンナーやガソリン、イソプロピルアルコール等で表面の油分を拭き取る事は良く行われていますが、その様な脱脂処理を行う事で確かにガスの発生は低減しますが、その際に使用した洗浄剤や脱脂剤も又揮発性物質なのですから、処理を行った対象の表面に僅かに付着していた洗浄剤や脱脂剤がガスとして放出されます。（ガスの発生量を低減できるのですから、脱脂処理は行った方が良い事です）

　これらのガス発生源から放出されるガスの量自体は、一般的な感覚で言えば微量ですので、例え付着している汚れ等の様な量に限りがあるガス発生源であっても、簡単にはガスを放出し尽くして無くなる事はありません。
　そのため、真空容器内では多数のガス発生源からガスが放出され続ける事になりますから、それらのガスを真空ポンプで排出し続けなければ、高い真空状態を保つ事は出来ません。

>バルブを閉じることがその脱着のスピードを早めるということでしょうか？
>でないとすれば、バルブをゆっくり閉じていこうが、バルブを一気に閉じようが圧力の上昇スピードは変わらないということでしょうか？

　単位時間内に発生するガスの量自体は殆ど変わらなくとも、常にガスが発生し続けているのですから、吸引口のバルブを閉めてガスの排出を止めてしまいますと、容器内部で発生したガスによって気圧が上昇する事になります。
　又、ガスの発生量はバルブの開閉には関係なく、殆ど同じペースでガスが発生し続けるのに対し、バルブを半分だけ閉じた状態にした場合は、バルブを全開にしている時よりもガスの排出速度は遅くなりますから、バルブの開き加減によって内部の気圧も変わって来ます。

>これって逆流防止の弁みたいなのがついていておこりえるんでしょうか？

　逆流防止弁はバネによって弁が閉じられており、下流側の圧力が低く、上流側の圧力が高い場合において、その圧力差がバネを押し返す事によって開きます。
　真空ポンプの吸込み口の気圧と真空容器内部の気圧は、どちらも非常に低くなっていますから、例え真空容器内部の気圧が真空ポンプの吸込み口の気圧と比べて10倍や100倍程度に高かったとしても、その圧力差によって生じる力は微々たるもので、バネを押し返すほどの力とはならないため、逆流防止弁があったのでは容器内の圧力を「逆流防止弁を開けるのに必要な最低圧力」よりも低くする事が出来ません。
　逆流防止弁の中にはバネを使わない種類のものもありますが、その様なタイプの逆流防止弁は、下流側の圧力が上流側の圧力よりも高くなった際に、その圧力差によって弁が閉じられる様になっています。
　真空ポンプの吸込み口の気圧と真空容器内部の気圧は、どちらも非常に低くなっていますから、例え真空ポンプの吸込み口の気圧が真空容器内部の気圧と比べて10倍や100倍程度に高くなった処で、その圧力差によって生じる力は微々たるもので、弁を閉じる事など到底出来ませんから、その様なタイプの逆流防止弁は、圧力が低くなりますと逆流を防止する事が出来なくなります。
　それに、真空ポンプと真空容器との間を繋ぐ流路の形状が複雑になれば、その分だけ排出されるガスの流れを阻害して、ガスの排出速度を遅くしますので真空度を下げる原因となります。
　又、真空ポンプと真空容器との間を繋ぐ配管経路の途中に存在する弁や継手等の配管部品の数が増えるという事は、つなぎ目も増えるという事ですから、外気が侵入する隙間となる恐れがある箇所が増えるという事でもあります。
　そのため、真空容器と真空ポンプとの間には、逆流防止弁の様な役に立たない余計なものは設けない事が普通です。
　それと、大気圧の所から圧力を下げるために使われる様な、圧力をあまり低くまで下げる必要のないタイプの真空ポンプであれば、（弁の下流側の圧力が弁を閉じるのに十分なほど高くなる事もあり得るため）その内部に逆流防止弁が備わっていますが、非常に低い圧力までガスを排出するために使われる様なタイプの真空ポンプの場合は、前述の理由により逆流防止弁は邪魔にしかなりませんから、最初から備わっていません。

回答No.5

foomufoomu

あと、可能性としては、密閉された容器に何か入っていませんか。たとえば水とか。
それがあれば、水が低温で蒸発して、水蒸気圧が上がってきますが。

お礼

回答誠にありがとうございます。

>>密閉された容器に何か入っていませんか。たとえば水とか。
目に見えるほどの液体、固体は入っていませんでした。
2点ほど気になったのですが、追加質問させていただいてよろしいでしょうか。
もし水が入っていたとして、減圧すると内部の温度にもよると思いますが蒸発が起こりますよね。
1つ目の疑問はその際にある圧力で固定できるとしたら、平衡状態にすることって不可能なのでしょうか？
完全に固定できるのかどうかは疑問ですが・・
というのは、仰られるように水が蒸発して水蒸気圧が上がると私も思います。
圧力が固定されるということは、排出されている気体(水蒸気だけでなく容器内部に吸着している気体等も含めて)と生成されている気体の釣り合いがとれてるからではないかと私は思います。もし完全なる孤立系が実現できたとしたらですが。
だとすると、ポンプを開いている間は常に気体を抜かれてしまっているということは、常に供給しなければ圧力は固定されません。
そうなると気体部分と水の部分は常に非平衡状態になるのではないかと考えました。

仰られる通りだとすると、バルブを閉じることで気体の排出量が減るから水蒸気圧が入り込む余地というと不正確かもしれませんが、減った分水蒸気が気体部分に滞在できて圧力上昇が見込めるということではないかと思います。
だとすると2つ目の質問ですが、仮に内部に温度計などを入れていたら、蒸発することで熱が奪われるので
温度が下がりながら圧力が上がっていくということになるでしょうか？
それこそ温度計をいれていると、吸着する気体の数が多くなって一層ややこしくなるような気はしますが。

回答No.4

fxq11011

＞圧力をもとに戻そうとするときに、吸引口のバルブを閉めていくことで
？？？理解不能、吸引口のバルブを閉めると、他から空気が侵入しない完全な密閉容器なら、真空状態のままのはず。
＞圧力計の目盛りが圧力上昇することを示すと思います
思います？、何を根拠に？、思いますでは、どうど勝手に・・・でおしまいですよ。
理想的な仮定と現実を混同しているのではとも思えます。
現実のポンプでは真空にできません、例としてシリンダー・ピストン式ポンプだと、ピストンとシリンダーの間、真空に耐えるほど密着だと動きません、真空に近くなるほどこの隙間から逆流する空気の量が等しくなったところで圧力はそれ以上下がりません、このときの圧力はポンプの能力により異なります。
真空云々でなく、単に低圧にした容器の圧力を大気圧に戻すなら、吸入口を閉じるではなく大気に通じるバルブを開く、です。
＞吸引口のバルブを閉めていくことで 圧力計の目盛りが圧力上昇することを示
これが事実なら、その容器の気密が不完全で大気が侵入しています、ポンプ作動で吸入量が侵入量を上回ったため一時的に圧力がさがただけです。

お礼

素早い回答誠にありがとうございます。

>>吸引口のバルブを閉めると、他から空気が侵入しない完全な密閉容器なら、真空状態のままのはず
私も全く同じことを思います。

>>思います？、何を根拠に？
No.1の方のお礼に書かせていただきましたが、以前そうなっているのを見せていただいたという
ことを根拠にしています。ただもしかすると状況設定が勘違いしてるところがあるかもしれません。

>>理想的な仮定と現実を混同しているのではとも思えます。
真空にしないまでも、大気圧以下にしてということで理解していただけると助かります。

>>真空云々でなく、単に低圧にした容器の圧力を大気圧に戻すなら、吸入口を閉じるではなく大気に通じるバルブを開く、です。
No.3の方のお礼に書かせていただいた通りです。おっしゃる通り大気に通じるバルブを開くんだとしたら納得がいきます。

>>これが事実なら、その容器の気密が不完全で大気が侵入しています、ポンプ作動で吸入量が侵入量を上回ったため一時的に圧力がさがただけです。
なんだかこれが一番納得がいきます。
でも装置としては、密閉された容器に繋がれた真空ポンプのみです。容器には大気圧に戻すための換気口はついていますが当然圧力操作をする際は閉じています。
あと吸入量が侵入量を上回るだけで10kPa程度まで落とすことって可能でしょうか？

皆さんのご回答を拝見していると、理解にそこまで違いは内容に思えます。
大気圧に通ずる穴を開くのではなくて、バルブを閉じていくことで圧力が徐々に上がっていく理由はないので
となると仰られていた吸入量が侵入量を上回って一時的に圧力が下がっているだけとしか考えようがないのですが、装置は上に記したとおりです。
となると、私が設定した状況にどこか間違いがあるはずなのですが
拝見した実験はNo.3の方のお礼に書かせていただいた通りです。ちなみに容器は断熱されています。

あと気になったのですが、通常の真空ポンプでは減圧したあとに圧力を上げる際は
換気口を開くというのが通常のやり方なのでしょうか？
つまり圧力を上げていく過程における実験などには用いないのが通常ということでしょうか。

回答No.3

foomufoomu

＞バルブを閉めると圧力目盛が上昇し元の大気圧に戻っていたのですが
バルブを閉めたのでなく、接続を真空ポンプから大気側に切り替えただけではありませんか。

お礼

素早い回答誠にありがとうございます。

>>接続を真空ポンプから大気側に切り替えただけ
そうだとすると私も納得がいくのですが、
以前見せていただいたときは、まず大気に通ずる穴をふさいで密封状態をつくり
その後真空ポンプを作動させてバルブを開いていくことで徐々に減圧させていきます。
ここまではいいと思いますが
その後の操作は先ほど開いたバルブを逆に閉じていくだけでした。
当然内部を大気圧にするための換気口みたいなのはついていますがそれは減圧し始める前からし終わるまで閉じたまんまでした。
何か勘違いしてるところがありそうですが、操作としては、
換気口を閉じる→ポンプ作動→バルブ開いていく→圧力下がる→バルブ閉じていく→圧力上がる
といったのみです。

回答No.2

leo-ultra

密閉容器内側も真空に引く前は、大気にさらしてあったのですよね。

ガス分子がたくさん内側表面に吸着しています。

吸着分子は中を真空に引いても、非常にゆっくりとしか表面から離れません。

だから吸引口のバルブを閉じても、吸着分子の脱着がゆっくり進行し、圧力を悪くします。

お礼

素早い回答誠にありがとうございます。

最初の1行はおっしゃる通りです。

またまた質問で申し訳ないです。
おっしゃる通りだとすると、バルブを閉じることがその脱着のスピードを早めるということでしょうか？
でないとすれば、バルブをゆっくり閉じていこうが、バルブを一気に閉じようが圧力の上昇スピードは変わらないということでしょうか？

前者だとするとなぜ早めるのでしょう、直感的に強くひいてるほうが早いような気がしますが。

回答No.1

nitto3

吸引口のバルブを閉めたって圧力は上昇しませんよ。
バルブを閉めたら吸引も逆流もしないです。
開口部とつながっているガスが入ります。
解放弁なら、空気しか入りません。

お礼

素早い回答誠にありがとうございます。

以前真空ポンプを用いたデモンストレーション実験を見せていただいたのですが、
大気圧からスタートして、バルブを開いて、一気に目盛が0Paに向かって振れて
バルブを閉めると圧力目盛が上昇し元の大気圧に戻っていたのですが
何か設定を勘違いしているのでしょうか。

あと、バカで大変申し訳ないのですが
>>開口部とつながっているガス
というのは排気するに至らず吸引口付近にたまっていた気体ということでしょうか？