真空乾燥機の真空ポンプとコンデンサの容量選定：実務向けエンジニアリングガイド

真空乾燥機の真空系は、三つの数値から容量を決めます。除去すべき蒸気負荷（1時間あたりの水または溶剤のkg）、維持すべき絶対圧、そして容器のリーク率です。コンデンサは蒸気の大半を凝縮して除去し、ポンプは非凝縮性ガス（空気のリーク）とコンデンサが捕えきれなかった蒸気を除去します。ポンプの種類は溶剤から選び、コンデンサは利用できる冷却媒体温度での溶剤の蒸気圧に合わせて必ず容量を決めてください。

概要：乾燥機は真空系の性能以上にはならない

真空乾燥機の加熱面は、熱が製品にどれだけ速く入るかを決めます。真空系は、蒸気が出て行けるかどうかを決めます。蒸気が十分に速く出て行けなければ、容器内の圧力が上がり、沸点も上がり、乾燥が遅くなります。性能の低い乾燥機の多くは、加熱面は問題なく、真空系が小さすぎるか、コンデンサの冷却媒体が温かすぎます。

このガイドは系の容量の決め方を説明します。圧力と温度の関係を示した真空下での水の沸点と、乾燥機の選び方を扱った真空乾燥設備：材料別の選び方の続編にあたります。

真空系の構成

標準的な真空乾燥機の系は、次の順に並びます。

1. 1.乾燥機容器：蒸発が起こる場所。
2. 2.防塵フィルターまたはセパレーター：同伴する粉体から配管とポンプを守ります。
3. 3.コンデンサ：蒸気を冷やして液体に凝縮させます。
4. 4.凝縮液レシーバー：水または溶剤を集め、排出または回収します。
5. 5.真空ポンプ：非凝縮性ガスと残留蒸気を除去します。
6. 6.真空破壊弁と計器：圧力計または圧力発信器と、真空を安全に開放する弁。

コンデンサは意図的に容器とポンプの間に置かれます。低圧の蒸気は非常に大きな体積を占め、ポンプで吸うより凝縮させる方がはるかに安く済みます。

ステップ1：蒸気負荷を求める

蒸気負荷は、毎時製品から出て行かなければならない液体の質量です。バッチ式乾燥機では、1バッチあたりの蒸発量を、負荷がピークになる恒率乾燥期間の乾燥時間で割ったものです。

1バッチあたりの蒸発量 = 湿潤質量 − 最終質量。ここで最終質量 = 乾燥固形分 ÷ (1 − 目標含水率)。

たとえば、含水率55パーセントのペースト600 kgを5パーセントまで乾燥すると、乾燥固形分は270 kg、最終質量は約284 kg、蒸発させる水は316 kgです。恒率乾燥期間が3時間なら、ピーク蒸気負荷は約105 kg/hです。

コンデンサの大きさを決めるのは平均ではなくピーク負荷です。ポンプは非凝縮性の負荷に残留蒸気を加えたもので決まります。

ステップ2：運転圧力を決める

沸点表を使い、製品の最高温度から絶対圧を設定します。製品が60 °Cに達してよいなら、約20 kPaの絶対圧が妥当な目標です。仕様は絶対圧であることを忘れないでください。圧力計の読みは現地の大気圧に依存します。

圧力が低いほど蒸気の体積は大きくなり、コンデンサとポンプへの要求も厳しくなります。使える最も深い真空ではなく、製品を守れる最小限の真空を選んでください。

ステップ3：コンデンサの容量を決める

コンデンサは熱を除去します。能力は蒸気負荷に蒸発潜熱を掛けたもので、60 °Cの水では約2,350 kJ/kgです（kg/hあたり約0.65 kW）。

先の例では、105 kg/hの水蒸気には約105 x 2,350 / 3,600 = 約69 kWのコンデンサ能力が必要です。

次に三点を確認します。

• 冷却媒体温度。蒸気は、容器圧力に対応する飽和温度で凝縮します。20 kPaでは水でおよそ60 °Cなので、25〜30 °Cの冷却水なら温度差は十分に取れます。5 kPaでは水蒸気は約33 °Cで飽和するため、30 °Cの冷却水ではほとんど凝縮できず、冷水（チラー水）が必要です。
• 伝熱面積。面積 = 能力 / (U x 対数平均温度差)。コンデンサのサプライヤーは独自のU値を使い、これは非凝縮性ガスの存在に依存するため、能力、圧力、冷却媒体温度から容量を決めてもらってください。
• 圧力損失。容器からコンデンサへの配管は短く、太くする必要があります。低圧では、小さな圧力損失でも製品側の真空度が大きく失われます。

溶剤の場合は、水の代わりにその溶剤の潜熱と飽和曲線を使います。沸点の低い溶剤では、ポンプに届かないよう、冷凍式コンデンサや第二のコールドトラップが必要になることがあります。

ステップ4：真空ポンプの容量を決める

ポンプには二つの役割があります。

1. 1.非凝縮性ガスを除去する。容器に漏れ込む空気と、製品が放出するガスです。
2. 2.コンデンサが捕えきれない蒸気を除去する。コンデンサが蒸気の飽和温度に対してどれだけ冷たいかに依存します。

容量の決め方としては、通常、リーク率を計算して余裕を加えます。リーク率は、容器、軸シール、フランジと弁の数に依存します。リークを定量化する一般的な方法は圧力上昇試験です。容器を作業圧力で隔離し、圧力がどれだけ速く上がるかを測ります。よく作られた清浄な系はリークが少なくなります。

サプライヤーと圧力上昇の限度値を合意し、試運転で試験してください。測定した上昇が合意値よりはるかに高ければ、ポンプのせいにする前にリーク箇所を探してください。

ポンプの能力は、ある吸込圧力での体積流量で示されます。ポンプは吸込圧力が低いと能力が落ちるため、カタログ値ではなく、運転圧力での能力曲線を使ってください。

ポンプの種類の比較

ポンプは、まず溶剤、次に真空度、三番目にコストで選んでください。

計算例

数値は説明用であり、顧客データではありません。

顔料ペーストを、有効容積1,200 Lの真空乾燥機で乾燥します。湿潤質量600 kg（含水率55パーセント）、目標5パーセント、絶対圧15 kPa（水の沸点は約54 °C）、ピーク蒸気負荷105 kg/hです。

1. 1.コンデンサ能力：約69 kW。15 kPaでは水蒸気は約54 °Cで凝縮します。30 °Cで入り約38 °Cで出る冷却水だと、対数平均温度差は約20 °Cになります。非凝縮性ガスをいくらか含むコンデンサを想定した総括伝熱係数500 W/m²Kで、面積 = 69,000 / (500 x 20) = 約6.9 m²。サプライヤーは切り上げて余裕を加えます。
2. 2.すべてがポンプに行った場合の蒸気体積：15 kPaでは水蒸気1 kgが約10 m³なので、105 kg/hは約1,050 m³/hになります。ポンプには大きすぎる量であり、だからコンデンサが重要なのです。
3. 3.ポンプ：容量が適切なコンデンサがあれば、ポンプが扱うのはリークと少量の残留蒸気です。この規模では、吸込圧力15 kPaで数十m³/h程度のポンプが典型的で、サプライヤーが能力曲線で確認する必要があります。溶剤を含まない清浄な条件では、液封ポンプがよく選ばれます。

数値は説明用です。ポンプとコンデンサは、実際の蒸気負荷、圧力、冷却媒体、溶剤に基づいてサプライヤーが容量を決める必要があります。

避けたいよくある間違い

1. 1.ポンプを蒸気負荷に合わせて選ぶ。蒸気はコンデンサが処理すべきで、ポンプは残りを処理します。
2. 2.ポンプ能力を大気圧で示す。能力は吸込圧力が低いと落ちます。
3. 3.冷却媒体温度を無視する。冷却媒体が温かいと、深い真空ではコンデンサが役に立たなくなることがあります。
4. 4.長くて細い蒸気配管。容器での圧力損失は、ポンプ側の圧力計が示す値より大きくなります。
5. 5.リークを無視する。リークは到達可能な真空を制限します。試運転で圧力上昇を試験してください。
6. 6.溶剤に不適切なポンプを使う。油封式ポンプは汚染される場合があり、可燃性溶剤には防爆仕様の機器が必要です。

見積依頼に添える情報

• 製品、溶剤、1バッチまたは1時間あたりの蒸発量
• わかっていればピーク蒸発速度
• 目標の絶対圧または製品の最高温度
• 利用できる冷却水または冷水の温度
• 溶剤回収が必要かどうか
• 危険区域の区分（ある場合）

完成ラインとしての供給

SINOTHERMOは乾燥機を完成ラインとして供給できます。乾燥機本体に加え、真空ポンプ、コンデンサ、凝縮液レシーバー、防塵フィルター、加熱・冷却ユニット、配管、制御までを、お客様の蒸気負荷と真空度に合わせて組み合わせます。系全体を一括で容量選定することで、良い乾燥機に小さすぎるポンプや温かすぎるコンデンサが組み合わされるという、よくある問題を避けられます。製品と用途をお送りください。ラインの容量を選定します。

仕様を決める前に試験を

パイロット試験では、お客様の製品での実際の蒸発速度、発泡、蒸気負荷を測定します。これらが真空系の容量選定の入力値になります。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。SINOTHERMOは設備の製造・販売を行い、受託乾燥は行っていません。乾燥機側については、伝導乾燥技術と真空乾燥技術のページをご覧ください。

よくある質問

真空乾燥機の真空ポンプの容量はどう決めますか？

容器のリークと製品からのガス放出から非凝縮性の負荷を計算し、凝縮しきれない残留蒸気を加え、運転吸込圧力でその能力を発揮するポンプを、余裕を持たせて選びます。

真空乾燥機にコンデンサは必要ですか？

ほぼすべての場合で必要です。コンデンサは蒸気の大半を液体として除去し、ポンプを保護し、溶剤回収を可能にします。

真空乾燥機にはどの真空ポンプが最適ですか？

溶剤と真空度によります。液封ポンプは水系の湿潤条件に向きます。ドライスクリューポンプは溶剤や清浄な条件に向きます。油封式ベーンポンプは、良好なコンデンサの後段での乾燥・清浄な条件に向きます。

どの真空度が必要ですか？

製品を最高温度未満に保てる最も低い真空を使ってください。沸点表から、目標温度に対応する圧力がわかります。

コンデンサにはどの程度の冷却温度が必要ですか？

容器圧力での蒸気の飽和温度より、余裕を持って低い温度です。5 kPaの水蒸気は約33 °Cで飽和するため、深い真空には冷水が必要です。

リークはどう確認しますか？

容器を作業真空で隔離し、圧力がどれだけ速く上がるかを測ります。上昇率が高ければリークを示します。

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。