ベーン式真空ポンプの嵌合すき間は三か所あり、いずれも「すき間」と呼ばれますが、役割はまったく異なります。ベーンとロータ溝の側面すき間は、ベーンが自由に突出できるか、溝内で固着しないかを決めます。ベーン先端とポンプ室の頂部すき間、およびロータ端面とエンドカバーの端面すき間こそが、ガスが高圧室から低圧室へ漏れ戻る通路です。現場で「排気速度が落ちた」と一律にすき間のせいにするのは正確ではありません。500 mbar の粗引き段では、40 µm の端面すき間 1 本が排気速度の 1% 台を消費するだけです。1 mbar 未満では、同じすき間が到達圧力を一桁押し上げるのに十分です。この記事では三か所のすき間を分け、三つの計算例でそれぞれがどの圧力帯で効くのか、また寿命の問題が最終的に「すき間の拡大」として現れる理由を説明します。
一、3か所のすき間：位置、レベル、影響
| すき間 | 位置 | 一般的な参考レベル（冷間時） | 主な影響 |
|---|---|---|---|
| 側面すき間 | ベーン両側面とロータ溝壁 | 0.02–0.08 mm | ベーンの傾き、打音、溝底圧力の漏れ。大きすぎる場合はベーンの揺動と端部の偏摩耗 |
| 頂部すき間 | ベーン先端とポンプ室内壁 | 数十 µm | 頂部すき間の逆流。摩耗後は到達圧力の上昇として直接現れる |
| 端面すき間 | ロータとベーン端面からエンドカバーまで | 10–30 µm | 端面逆流の主通路。油封式ポンプは油膜でここを封止し、オイルレスポンプは幾何精度に頼るしかない |
表中のレベルは一般的な機種の参考範囲であり、某一台のポンプの図面値を示すものではありません。真値は機種ごとに実測する必要があり、しかも熱間時で測定しなければなりません。理由は第四節で説明します。
二、計算例1：余隙容積がオイルレス単段の 90–100 mbar の上限を決める
オイルレス単段ベーン式真空ポンプの定格真空度は 90–150 mbar が多く、DPL-V15L と DPL-V25L は 90 mbar、DPL-V8、DPL-V10、DPL-V16 は 100 mbar です。この数値は「すき間の加工が悪い」と誤解されがちですが、実際の支配要因は余隙容積です。排気終了の瞬間、余隙に残ったガスは 1 気圧下で閉じ込められ、ロータが回転を続けるとまず膨張し、吸気圧力以下まで膨張してから吸気を開始します。
等温膨張で概算すると、到達圧力と余隙比の関係は次のとおりです。
p_u = p_exh × V_c / (V_c + V_cyc)
p_exh は 1013 mbar、V_c は余隙容積、V_cyc は 1 回転当たりの吸気容積とします。余隙比を逆算します。
| 機種 | 定格真空度 | 逆算した余隙比 V_c / V_cyc |
|---|---|---|
| DPL-V8 / V10 / V16 | 100 mbar | 100 ÷ (1013 − 100) = 11.0% |
| DPL-V15L / V25L | 90 mbar | 90 ÷ (1013 − 90) = 9.8% |
| DPL-V25 / V40 | 150 mbar（850 mbar ゲージ圧） | 150 ÷ (1013 − 150) = 17.4% |
3組の逆算値は 10%–17% に収まり、ベーン式ポンプの幾何学的特徴と一致します。排気口や死点付近の小さな容積が、このレベルを占めるのです。これは、オイルレス単段でさらに低い圧力を目指すには、「すき間をもう 5 µm 削る」ことではなく、余隙を小さくするか二段式にすることが必要であることを示しています。
同じモデルを油封式単段に当てはめると不合理な結果になります。V0040A から V0100 の到達真空度は 0.1 mbar（V0025A–V0100 製品ページ）で、逆算した余隙比はわずか 0.01% となり、実際の幾何形状では実現できません。理由は、油封式ポンプのすき間には油膜があり、圧縮ガスの一部が油に溶け込み、排気弁リードの死容積も小さくできるためです。油封式ポンプの 0.1 mbar は、幾何精度だけで得られるものではありません。
三、計算例2：同じすき間でも、粗引き段と到達段では寄与がまったく異なる
端面すき間を細いスリットとみなし、粘性流におけるコンダクタンスを矩形スリットの式で概算します。
C = b · h³ / (12 η L) Q = C · (p₂² − p₁²) / 2 ΔS = Q / p₁
b はシール面幅（45 mm）、L は回転方向に沿ったシール長さ（45 mm）、h は端面すき間、η は 20 ℃ 空気の粘度 1.85×10⁻⁵ Pa·s、p₂ は 1013 mbar とします。1台のポンプにはベーンが2枚あり、各ベーンに2つの端面があるため、4本の並列経路として計算します。
まず 500 mbar の動作段（p₁ = 50 000 Pa）を見ます。h = 40 µm のとき、1本の経路の逆流は吸気口に換算して約 0.08 m³/h、4本合計で約 0.32 m³/h となり、V25L の 25 m³/h の排気速度に対して 1.3% を占めます。h = 10 µm ではこの割合は 0.02% であり、測定できません。
次に到達段（p₁ が 0 に近づき、p₂ は依然として 1気圧）を見ます。逆流の pV 流量はほとんど p₁ に依存しなくなり、これをポンプの排気速度で割った値が、すき間が許容する到達圧力の下限になります。
| 端面すき間 h | 1本の逆流 Q | 25 m³/h ポンプ換算（4本） | 100 m³/h ポンプ換算（4本） |
|---|---|---|---|
| 10 µm | 0.023 Pa·m³/s | 0.13 mbar | 0.03 mbar |
| 20 µm | 0.19 Pa·m³/s | 1.1 mbar | 0.27 mbar |
| 40 µm | 1.5 Pa·m³/s | 8.5 mbar | 2.1 mbar |
| 60 µm | 5.0 Pa·m³/s | 29 mbar | 7.2 mbar |
この表は、よくある故障の一種を説明します。仕様書に 0.1 mbar と書かれた油封式単段ポンプを数年使用した後、到達真空度が 1–2 mbar で止まり、吸気配管と油を交換しても改善しない、というケースです。端面すき間が 40 µm まで摩耗すると、計算上はこのレベルにしかなりません。h は三乗の関係にあることに注意してください。10 µm から 20 µm でコンダクタンスは 8倍になり、さらに 40 µm まで倍になると、また 8倍になります。
適用範囲についても補足します。500 mbar ではガスの平均自由行程は約 0.13 µm で、10 µm の端面すき間に対してクヌーセン数は約 0.013 となり、粘性流の下限に近いため、上式を使用できます。圧力が数 mbar 以下に下がると遷移流と分子流に入り、コンダクタンスは圧力に依存しなくなり、逆流の pV 流量は一定に近づきます。これは、すき間が摩耗すると到達圧力が先に悪化し、粗引き段の排気速度はほとんど変化しないという別の現象をよく説明しています。
四、計算例3：熱膨張が冷間時のすき間を再配分する
冷間時の組立すき間は、運転時のすき間とは異なります。ロータ長さ 100 mm（鋳鉄、α = 11.5×10⁻⁶/K、温度上昇 50 K）、エンドカバーとポンプ本体が同じ長さ（鋳アルミニウム、α = 23.5×10⁻⁶/K、温度上昇 35 K）を例にします。
- ロータの伸び：100 mm × 11.5×10⁻⁶ × 50 = 57.5 µm
- ポンプ本体の伸び：100 mm × 23.5×10⁻⁶ × 35 = 82.3 µm
- 端面すき間の変化：82.3 − 57.5 = +24.8 µm
アルミ部品は鉄部品より大きく膨張するため、熱間時の端面すき間は冷間時より 25 µm 程度大きくなります。漏れは h³ に従うため、熱間時の逆流は冷間時の 3倍に相当します。頂部すき間の方向も変化します。シリンダ内径 80 mm の鋳鉄が温度上昇 40 K のとき内径は 36.8 µm 伸びますが、黒鉛または樹脂ベーン（α 約 4×10⁻⁶/K）は温度上昇 60 K で 19.2 µm しか伸びません。そのため片側の頂部すき間はさらに 8.8 µm 大きくなり、冷間時 20 µm の頂部すき間は熱間時に 28.8 µm になります。
そこから二つの実務上の結論が得られます。冷間時のすき間は小さければよいわけではなく、小さすぎると起動トルクと乾燥摩擦のリスクが上がります。ポンプを修理すべきかどうかは、熱間で 2 時間運転した後のすき間とその時点の到達圧力で判断すべきであり、組立票上の冷間値ではありません。温間時のポンプは冷間時より到達圧力が少し悪くなりますが、その原因はここにあります。
五、寿命：すき間の拡大がどのように排気速度低下になるか
摩耗自体は漸進的であり、現場で測定できるのは三段階の変化です。第一段階は到達圧力の上昇（低圧段で頂部すき間と端面すき間の逆流の寄与が大きくなる）、第二段階は中真空段の排気速度低下、第三段階が騒音と振動の悪化です。第三節の表に従えば、端面すき間が 10 µm から 40 µm になると、到達圧力は 0.03 mbar レベルから 2.1 mbar レベルになります。同じ摩耗でも中真空段では排気速度が数%低下するだけなので、「排気速度はまだ大丈夫」を「すき間は問題ない」と見なしてはいけません。
ベーンを交換すべきかどうかの判断に使える五つの信号（排気速度低下率、到達圧力、油面窓、騒音スペクトル、端面摩耗帯の幅）はベーン摩耗の判断方法に書きました。有効排気速度を先に測定してからポンプを分解する調査順序は排気速度低下の調査順序を参照してください。ここでは一点だけ補足します。粉塵環境では頂部すき間の摩耗が加速します。吸気フィルタを適切に構成すれば、ベーン寿命の差は油交換周期の差よりも大きくなります。
六、油ありと油なし：油膜がすき間の代わりにどれだけ働くか
油封式ポンプは端面すき間を油膜に委ねます。油膜がマイクロメートル級の隙間を埋め、粘性流のコンダクタンスを数桁下げるため、単段の油封式ポンプは 0.1 mbar、二段式の DPL-2V18 は 1×10⁻³ mbar に到達できます。オイルレスポンプにはこの油膜がなく、端面すき間と頂部すき間は幾何精度とベーン材料の自己潤滑能力だけで支えるため、到達真空度は 90–150 mbar のレベルにとどまり、粉塵や乾燥摩擦の影響も受けやすくなります。二種類のポンプのすき間公差を相互に流用することはできません。油封式ポンプで許容される端面すき間をオイルレスポンプに適用すると、逆流が到達段全体を直接損ないます。オイルレスポンプの公差を油封式ポンプにそのまま当てはめると、油膜の負荷能力が不足し、端面に引っかき傷が生じます。
七、現場での3つのポイント
- オーバーホール後はまず3か所のすき間の冷間値を記録し、2 時間運転してから熱間値を再測定し、判断には熱間値を用います。
- 端面すき間を厚いシムで「補修」しないでください。シムは余隙容積とベーンの突出量を同時に変え、排気速度と到達圧力が一緒に変化します。正しい方法は、熱膨張量に合わせて端面を再研磨・摺り合わせすることです。
- 排気速度が低下した場合は、まず有効排気速度で切り分けてからポンプを分解します。分解前に吸気フィルタと配管コンダクタンスの影響を除外してください。
60 Hz 地域への輸出は個別に確認が必要です。回転数が上がると熱間温度が高くなり、端面すき間と頂部すき間の熱間値は 50 Hz と異なり、油封式ポンプでは油温も高くなります。仕様書に一部機種は 60 Hz 地域に適さないと明記されています。ご注文前に工場へ該当構成を確認してください。