凍結乾燥機内で水を運ぶ主役はコールドトラップであり、ポンプではない。粗引きポンプの役割は二つだけ：チャンバー内の非凝縮性ガスを排気すること、チャンバー圧力を材料温度に対応する氷面の飽和蒸気圧以下に保つこと。この二つが選定境界を画す——運転圧力点は単段か二段かを決め、水蒸気の透過量はポンプとコールドトラップの組み合わせ方を決め、終段排気時間は配管径を決める。三つの数値を計算すれば、型式はほぼ収束する。
一、運転圧力点：0.1 mbar という線が単段ポンプを締め出す
凍結乾燥の物理的前提は昇華であり、チャンバー圧力が氷面の飽和蒸気圧より低いとき、水は固体から直接気相へ移る。氷の飽和蒸気圧は温度低下とともに急速に下がる：−35 ℃ 約 0.22 mbar、−40 ℃ 約 0.13 mbar、−50 ℃ 約 0.039 mbar。材料温度が低いほど、要求されるチャンバー圧力は低くなる。一次乾燥の常用運転帯は 0.1～0.3 mbar である。
製品パラメータをこの線に照らす。DPL-V0025A は排気速度 20 m³/h、到達圧力 0.5 mbar であり、運転点 0.1 mbar はすでにその到達圧力より低い。ポンプはこの点では排気能力を発揮できず、圧力は漏れと脱着によってのみ維持される。単段油封式で 0.1 mbar に到達できるのは DPL-V0040A（ガスバラスト停止時 0.1 mbar）であり、ちょうど到達圧力上にあり、余裕はない。
二段式がこの線に対する適切な選択である。DPL-2V18 は排気速度 17 m³/h、到達圧力 1×10⁻³ mbar；DPL-2V28 は排気速度 27.5 m³/h、到達圧力 1×10⁻³ mbar。運転点は到達圧力より二桁高く、排気速度は銘板値付近にある。一つの経験則：運転圧力はポンプの到達圧力より一桁以上高くする。0.1 mbar に対して 1×10⁻³ mbar は十倍の余裕、0.1 mbar に対して 0.1 mbar は余裕ゼロである。パラメータは /ja/products/dp-2v18/ と /ja/products/dp-2v28/ を参照。
二、水蒸気負荷：コールドトラップの透過が千分の三なら、ポンプは満負荷になる
まず、0.1 mbar 下で水が占める体積を計算する。一回分 20 kg の氷を 24 時間で昇華させると、平均速度は 0.833 kg/h、すなわち 2.31×10⁻⁴ kg/s。0.1 mbar（10 Pa）、20 ℃ の水蒸気を理想気体として比体積を計算する：v = RT/P = 461.5 × 293 / 10 ≈ 13,500 m³/kg。
体積流量 = 2.31×10⁻⁴ × 13,500 ≈ 3.13 m³/s、つまり 11,300 m³/h。
DPL-2V28 は 27.5 m³/h で、400 倍の差がある。ポンプが材料中の水を直接排気することを期待する方向は、凍結乾燥では成立しない。コールドトラップは必須構成要素であり、オプションではない。
コールドトラップが水を捕捉した後、ポンプが向き合うのはコールドトラップを通過した残留分である。−50 ℃ のコールドトラップ表面の氷では飽和蒸気圧が 0.039 mbar であり、チャンバー 0.1 mbar 下では水蒸気分圧がこの値以下に抑えられ、理論上、残留分は毎時ミリグラムのオーダーになる。しかしこれは理想値である：コールドトラップには直通経路があり、霜層が厚くなると表面温度が戻るため、透過率は千分の数で見るほうが現場に近い。0.3% の透過は 2.5 g/h に相当し、0.1 mbar 下では 34 m³/h に換算される——2V28 の 27.5 m³/h はこの項目だけで満負荷になる。
したがって、ポンプとコールドトラップは同時に決めるべき一対のパラメータである。ガスバラストは水蒸気耐性を高められるが、代償として到達圧力が悪化する：2V18 と 2V28 はガスバラスト停止時 1×10⁻³ mbar、ガスバラスト作動時 1.5×10⁻² mbar。1.5×10⁻² mbar はなお 0.1 mbar の運転点より低いため、終段でガスバラストを作動させることは可能である；単段 DPL-V0040A はガスバラスト作動時 0.5 mbar で、運転点より高く、長時間作動させ続けることはできない。
三、終段排気：詰まっているのは配管であり、ポンプではない
排気時間は t = V/S × ln(P₁/P₂) で概算する。1.2 m³ のチャンバーを常圧から 1 mbar まで排気する場合：2V18（17 m³/h）29 min、2V28（27.5 m³/h）18 min、DPL-2V80（74 m³/h）6.7 min。粗引きのこの区間では 2V28 で十分である。
実際に時間を要するのは 1 mbar から 0.1 mbar までである。1 mbar 以下では気流が遷移流と分子流に入り、配管コンダクタンスは C = 12.1 d³/L（L/s、d、L は cm）で下限を見積もる：DN25、長さ 1.5 m のとき C ≈ 1.26 L/s；実効排気速度 S実効 = 1/(1/Sポンプ + 1/C) = 1/(1/7.64 + 1/1.26) ≈ 1.08 L/s。1.2 m³ のチャンバーでこの区間を通過するには 1,200/1.08 × ln10 ≈ 2,560 s、43 min かかる。
配管径を変えて再計算する：
| 吸気管 | コンダクタンス C | 実効排気速度 | 1→0.1 mbar 所要時間 |
|---|---|---|---|
| DN25 × 1.5 m | 1.26 L/s | 1.08 L/s | 43 min |
| DN40 × 1.5 m | 5.16 L/s | 3.08 L/s | 15 min |
| DN50 × 1.5 m | 10.1 L/s | 4.35 L/s | 11 min |
| DN63 × 1.5 m | 20.2 L/s | 5.54 L/s | 8 min |
2V28 の吸気口は NW25 であり、ポンプ自体に問題はなく、詰まっているのはポンプ手前の配管である。終段排気時間は配管径から計算し、ポンプからは計算しない——この点は現場でしばしば見落とされる。表では分子流の下限を用いており、0.1 mbar 付近は実際には遷移流であるため、実際のコンダクタンスはより高く、この計算法は保守的である。
四、漏れ率：維持できるかどうかを決め、ポンプサイズは決めない
チャンバーを 30 min 保圧し、圧力上昇が 0.02 mbar の場合、1.2 m³ 容積の等価漏れ率 Q = V·ΔP/t = 1,200 × 0.02 / 1,800 ≈ 0.013 mbar·L/s。0.1 mbar 下でこれらのガスを排気するには、S = Q/P = 0.13 L/s だけでよく、2V28 の排気能力の 1.7% である。
このことは二つの面から見る：非凝縮性ガスは選定の主要項目ではなく、ポンプの大きさは排気時間で決まる；漏れ率が基準を超えると真空度を維持できず、ポンプを一ランク大きくしても補えない。検収ではまず圧力上昇試験を行うほうが、先にポンプを交換するより有効である。（圧力上昇の数値はプロジェクト検収の基準に従っており、実際は設備技術協議による。）
まとめ
| 場面 | 粗引きポンプ | 要点 |
|---|---|---|
| 1.2 m³ / 20 kg バッチ | DPL-2V28，27.5 m³/h，0.75 kW | 吸気管を DN40 以上とし、終段 15 min |
| 5 m³ / 100 kg バッチ | DPL-2V80，74 m³/h，3 kW | 常圧から 1 mbar まで 28 min、終段は別途計算 |
| 多チャンバー / 大能力 | 2V80 + LC250 ルーツブースタ、または真空ユニット一式 | ルーツブースタは粗引きポンプが所定の状態になってから作用する |
食品・製薬の凍結乾燥ラインにおけるその他の制約（排気の清浄性、洗浄環境、連続運転）は /ja/industries/food-pharma/ を参照；排気時間はまず /ja/calculator/ で逆算できる。60 Hz 地域では注意が必要である：一部の機種は 60 Hz に適さないため、発注前にメーカーへ構成を確認する必要がある。その他のよくある質問は /ja/faq/ を参照。
よくある質問
Q：凍結乾燥機の粗引きポンプはどの真空度まで排気する必要があるか？ A：一次乾燥では 0.1～0.3 mbar 圧が常用され、チャンバー圧力は氷面の飽和蒸気圧（−40 ℃ 約 0.13 mbar）より低くなければならない。この点には二段式ポンプを用いる：DPL-2V18 は到達圧力 1×10⁻³ mbar、17 m³/h、DPL-2V28 は 27.5 m³/h。
Q：凍結乾燥機に単段油封式ロータリーベーンポンプを使用できるか？ A：0.1 mbar の運転点では推奨しない。DPL-V0025A の到達圧力は 0.5 mbar で、運転点はすでに到達圧力より低い；DPL-V0040A はガスバラスト停止時 0.1 mbar でちょうど到達圧力上にあり、余裕はない。二段式 DPL-2V18 と 2V28 は到達圧力 1×10⁻³ mbar で、一桁以上の余裕がある。
Q：20 kg バッチの凍結乾燥機にはどのくらいの粗引きポンプを組み合わせるか？ A：1.2 m³ チャンバーには DPL-2V28（27.5 m³/h、0.75 kW）を組み合わせ、常圧から 1 mbar まで約 18 min である。水蒸気はコールドトラップが担う——20 kg/24 h の水をコールドトラップを通さず直接排気する場合、0.1 mbar 下では 11,300 m³/h が必要になる。
Q：凍結乾燥機の排気が遅い場合、先にポンプを交換するか、先に配管を変更するか？ A：まず終段のコンダクタンスを計算する。DN25、1.5 m の配管は 0.1 mbar 付近でコンダクタンス約 1.26 L/s であり、2V28 の 7.64 L/s を 1.08 L/s まで低下させ、1.2 m³ チャンバーで 1→0.1 mbar を通過するには 43 min かかる；DN40 に変更すると 15 min まで短縮する。
Q：コールドトラップと真空ポンプはどのように整合させるか？ A：透過率で計算する。コールドトラップの透過が 0.3% のとき、20 kg/24 h のバッチは 0.1 mbar 下で約 34 m³/h の負荷に相当し、2V28 一台のフル排気速度に近い。コールドトラップ効率とポンプの水蒸気処理能力は一緒に確認する必要があり、チャンバー容積だけでポンプを選定してはならない。