真空下での水の沸点：グラフ、計算式、真空乾燥にとっての意味

水が100 °Cで沸騰するのは、通常の大気圧（101.325 kPa）のときだけです。絶対圧を下げると沸点も下がり、50 kPaで約81 °C、20 kPaで60 °C、10 kPaで46 °C、5 kPaで33 °Cになります。これが、真空乾燥機が熱に弱い製品を低温で乾燥できる物理的な理由です。落とし穴は圧力の単位だけです。真空計は大気に対する値を示しますが、沸点は絶対圧で決まります。

概要：なぜ技術者が気にするのか

液体は、その蒸気圧が上にかかる圧力と等しくなると沸騰します。水の上の圧力を下げれば、沸点もそれに伴って下がります。真空乾燥はこれを利用し、製品が耐えられる温度で水や溶剤を蒸発させます。100 °Cでは劣化してしまう材料も、中程度の真空下なら45〜60 °Cで乾燥でき、加熱面もわずかに高い程度で済みます。

このページでは、真空度を選ぶために必要な数値と、仕様ミスの原因になりがちなゲージ圧と絶対圧の換算を説明します。設備を選定中の方は、次に真空乾燥設備：材料別の選び方を、一般的な原理については産業用真空乾燥機ガイドをご覧ください。

水の沸点と絶対圧の関係

以下の値は、1〜100 °Cの水に対するアントワン式で計算したものです。工学用途としては1度の何分の一かの精度があります。

注目点は二つあります。一つ目は、低圧では曲線が急になることです。20 kPaから10 kPaに下げると沸点は約14 °C下がりますが、100 kPaから90 kPaでは3 °Cしか下がりません。二つ目は、深く下げるほど真空ポンプ、コンデンサ、蒸気配管を大きくしなければならないことです。低圧の水蒸気は非常に大きな体積を占めるためです。5 kPaでは水蒸気1 kgが約28 m³、20 kPaでは約7.7 m³になります。

ゲージ圧と絶対圧

乾燥機の真空計の多くはゲージ圧を示します。これは容器内圧力と周囲の大気との差です。-0.095 MPaという読みは、容器が大気圧より0.095 MPa（95 kPa）低いことを意味します。沸点を決めるのは絶対圧です。

絶対圧 = 大気圧 + ゲージ圧（真空ではゲージ圧は負）

海面では大気圧は101.3 kPaです。表は一般的な読みを換算したものです。

「-0.09 MPa」の真空はほぼ完璧に聞こえますが、それでも絶対圧は11 kPa、沸点は48 °Cです。最後の数kPaが大きな意味を持つため、乾燥温度をどこまで下げられるかは真空ポンプの品質で決まります。

標高補正。工場が高地にある場合、大気圧が低いため、同じ読みでもより深い絶対真空を意味します。標高1,500 mでは大気圧は約84 kPaなので、-0.08 MPaの読みは約4 kPa（絶対圧）に相当し、海面での21 kPaではありません。換算には必ず現地の大気圧を使ってください。

グラフの背後にある式

1〜100 °Cにおける水の蒸気圧はアントワン式に従います。

log10(P) = A - B / (C + T)

ここでPはmmHg、Tは°Cで、水ではA = 8.07131、B = 1730.63、C = 233.426です。与えられた圧力での沸点について整理すると次のようになります。

T = B / (A - log10(P)) - C

使うには、絶対圧をmmHgに換算し（kPaに7.50062を掛ける）、計算します。たとえば絶対圧20 kPaでは、P = 150.0 mmHg、log10(P) = 2.176なので、T = 1730.63 / (8.07131 - 2.176) - 233.426 = 60.1 °Cです。結果はグラフと一致します。

他の溶剤では定数が異なります。沸点の低い溶剤は同じ真空下でより低い温度で沸騰し、混合物は別の規則に従うため、必ず実際の溶剤のデータを使ってください。

真空乾燥にとっての意味

製品温度は熱源の温度ではない

沸点は、製品表面で液体がどの温度で蒸発するかを示します。加熱媒体の温度を決めるものではありません。真空伝導乾燥機では、蒸気、温水、熱媒油がジャケットや撹拌翼を加熱し、自由水分が残っている間、製品表面は沸点付近にとどまります。加熱面と蒸発する液体との温度差が熱流を生むため、熱源が高温ほど速く乾燥しますが、製品が耐えられる範囲に限られます。

SINOTHERMOの真空伝導乾燥機は、機種により50 °Cから200 °Cの熱源温度で運転します。真空パドル乾燥機、真空レーキ乾燥機、真空横型ディスク乾燥機は50〜200 °C、静置式真空キャビネット乾燥機は100 °C未満の熱源です。

真空度の選び方

実用的な方法は、製品の最高温度から真空度を決めることです。

1. 1.湿った状態の製品が安全に到達できる最高温度を求めます。
2. 2.その温度より数度低い沸点になる絶対圧を選びます。
3. 3.蒸気負荷の下で、真空ポンプとコンデンサがその圧力に到達し維持できることを確認します。

たとえば、60 °C未満に保つ必要がある製品には、約20 kPa未満の絶対圧が必要で、海面では約-0.08 MPaの読みになります。45 °Cが上限の製品には約10 kPa（絶対圧）、つまり約-0.09 MPa（ゲージ圧）が必要です。

減率乾燥期の乾燥

表面の水分がなくなると、製品温度は熱源温度に向かって上昇し、自由水の沸点はもはや制限になりません。最終段階では、真空が残留溶剤の分圧を下げることで助けとなり、結合水分は大気圧のときより低い温度で抜けます。このため、初期の乾燥は中程度の真空で行えても、サイクル終盤にはより深い真空がよく使われます。

溶剤

溶剤で湿った製品では、真空下の沸点によって、利用できる冷媒温度で溶剤を凝縮できるかが決まります。選んだ真空で40 °Cで沸騰する溶剤には、コンデンサ内に40 °Cより低い、通常はずっと低い冷媒が必要です。コンデンサが蒸気を凝縮できなければ、蒸気はポンプに届きます。真空系を仕様化する前に、溶剤の蒸気圧曲線を確認してください。ポンプ側の詳細は真空乾燥機用の真空ポンプとコンデンサの容量選定をご覧ください。

計算例

数値は説明用であり、顧客データではありません。

ある製造者が、55 °Cを超えると劣化し始める熱に弱い抽出物ペーストを乾燥します。真空乾燥機は海面にあります。

1. 1.沸点が約50 °Cなら安全余裕が残ります。グラフでは50 °Cは約12 kPa（絶対圧）に相当します。
2. 2.海面では、12 kPa（絶対圧）は約-89 kPa（ゲージ圧）、つまり-0.089 MPaです。
3. 3.ポンプは蒸発する蒸気に対してこのレベルを維持しなければなりません。蒸発負荷が1バッチ300 kgの水を5時間で（60 kg/h）とすると、12 kPaでの蒸気体積は約60 x 12.5 = 約750 m³/hで、真空系はこれをコンデンサ経由で処理します。コンデンサがこの蒸気の大半を凝縮して除くため、ポンプが扱うのは主に非凝縮性ガスと残りの蒸気です。

これは、目標の製品温度が真空度を決め、真空度がコンデンサとポンプの大きさを決める理由を示しています。

避けたいよくある間違い

1. 1.ゲージ圧を絶対圧のように使う。-0.09 MPaの読みは絶対圧90 kPaではなく、約11 kPa（絶対圧）です。
2. 2.標高を無視する。設置場所の大気圧が換算を変えます。
3. 3.製品が常に沸点にあると仮定する。自由水分がなくなると製品は温まります。
4. 4.コンデンサなしで深い真空を仕様化する。低圧では蒸気体積が大きく、仕事の大半をコンデンサが担います。
5. 5.溶剤に水のデータを使う。溶剤ごとに固有の蒸気圧曲線があります。
6. 6.空気漏れを忘れる。漏れは到達可能な真空を制限し、ポンプの負荷を増やします。

仕様を決める前に試験を

実際の製品に適した真空度は、その感度、構造、乾燥挙動によって決まります。SINOTHERMOは有償のパイロット試験を行い、お客様ご自身の材料で乾燥温度、真空度、サイクル時間を確認できます。パイロット試験を依頼する。結果はお客様のものであり、どのサプライヤーとの検討にも使えます。当社は設備の製造・販売を行い、受託乾燥は行っていません。

よくある質問

真空下で水は何度で沸騰しますか？

絶対圧によります。50 kPaでは約81 °C、20 kPaでは約60 °C、10 kPaでは約46 °C、5 kPaでは約33 °Cで沸騰します。

-0.09 MPa（ゲージ圧）での水の沸点は？

海面では-0.09 MPa（ゲージ圧）は約11 kPa（絶対圧）で、水は約48 °Cで沸騰します。

ゲージ真空と絶対真空の違いは何ですか？

ゲージ真空は周囲の大気を基準に測り、絶対圧は完全真空を基準に測ります。絶対圧は大気圧にゲージ圧を足したもので、真空ではゲージ圧は負です。

ある圧力での水の沸点はどう計算しますか？

アントワン式 T = 1730.63 / (8.07131 - log10(P)) - 233.426 を使います。PはmmHg、Tは°Cで、1〜100 °Cで有効です。

真空乾燥は常に沸点で行われますか？

表面に自由な液体が残っている間だけです。なくなると製品は加熱媒体の温度に向かって温まるため、最終段階では製品の温度限界を確認する必要があります。

なぜより深い真空は達成しにくいのですか？

低圧の水蒸気は非常に大きな体積を占めるため、ポンプとコンデンサを大きくする必要があり、空気漏れの影響も大きくなるからです。

SINOTHERMOは受託乾燥を行っていますか？

いいえ。SINOTHERMOは乾燥設備を製造・販売し、有償のパイロット試験を提供しています。