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おもしろ科学実験室(工学のふしぎな世界)

真空を作ってみよう 〜注射器真空ポンプの製作〜

2019年4月12日
三重大学 工学部

はじめに

 みなさんは、真空と聞いて何を思い浮かべますか?真空と言うと、私たちには、あまり関係ないもののように思われるかもしれませんが、実は私たちの身の回りで、役に立っていることがたくさんあります。

 今回は、簡単に真空を作ることができる「注射器真空ポンプ」を作って、実際に真空を作ってみましょう。そしてその不思議な性質を見てみましょう。

用意するもの

材料

  • シリンジ(注射器:使い捨ての樹脂製のもの。ガラス製は使用できません)
  • ナイロンチューブ(外径6 mmまたは1/4インチ、内径4 mm程度)
  • シリコンゴムシート(厚さ0.5 mm:これより厚いものは使えません)
  • シリコンゴムチューブ(外径5 mm、内径3 mm)
  • アルミ網戸用 網押さえゴム(太さ5.5 mm×長さ7 m)
  • ビニルテープ(幅20 mm)
  • ペットボトルとキャップ(ここでは2リットル用のペットボトルを使用します)
  • ガラスびんとフタ(びん入り食品の空びんなど)
注意点

ガラス製のシリンジは割れて危ないので絶対に使用しないでください。
ここでは、テルモシリンジ(50 ml)を使用しました。

道具

  • 穴開け用ドリル(日曜大工用のもので可)
  • ドリルの刃(直径6 mmと2 mm)
  • はさみ
  • カッターナイフ
  • カッター板
  • ピンセット(長さ16 cm程度)または割り箸
  • 木工用接着剤

作り方

1.注射器真空ポンプを作る

  1. シリンジの外筒から、プランジャー(押し子)を外します。
  2. シリンジの外筒に、ドリルを使って直径2 mmの穴を開けます。穴をあける位置は図に示す、外筒の側面の筒先に近い位置です。穴を開ける際、割れることがあるので、時間をかけて少しずつ穴を開けてください。
  3. ビニルテープを、2.5 cmの長さに2枚、切ります。
  4. 2枚のビニルテープのうちの1枚を、端から5 mmのところで折り返します。
  5. ④のビニルテープを、外筒の側面に開けた穴の上に、「軽く」貼り付けます。しっかりと貼り付けないでください。
  6. 厚さシリコンゴムシートを15 mm角に切ります。
  7. 切り出したシリコンゴムシートの、同じ辺にある2つの角を、写真のように2〜3 mm程度切り落とします。
  8. シリコンゴムシートの角を切り落としていない方の辺に、③で切り出した、もう1枚のビニルテープを貼ります。
  9. ⑧のシリコンゴムシートを、ピンセットか割り箸を使って、シリンジの外筒の中に入れます。
  10. シリコンゴムが、シリンジの外筒の筒先の穴を覆うようにビニルテープを貼り付けます。

    注)外筒の内側にビニルテープを貼ろうとすると、潤滑剤が塗られているために、貼り付かずにすぐに剥がれてしまうことがあります。その場合は、乾いた布やティッシュペーパーで、外筒の内側をよく拭いて潤滑剤を取り除いてください。

  11. プランジャーの持ち手のところに、クッションを取り付けます。これがないと、ポンプを使っているうちに手が痛くなってしまいます。
    アルミ網戸用 網押さえゴム(または細めのホース)を、10 cm程度の長さに切ります。この長さは、使用するシリンジにより変わる可能性があります。
  12. この網押さえゴムの側面を、カッターナイフで切り開きます。
  13. 切ったものをプランジャーの持ち手のところに巻きつけてみます。長すぎるようなら余分を切ります。多少短くても問題ありません。
  14. サッシ用ゴムを、ビニルテープでプランジャーの持ち手のところに固定します。すぐに外れてしまわないように、しっかりと貼り付けてください。
  15. クッションを取り付けたプランジャーを、外筒に差し込みます。
  16. シリコンゴムチューブを1.5 cmの長さに切ります。
  17. シリコンゴムチューブを筒先にかぶせます。このときチューブを1 cmだけ筒先にかぶせ、残りの5 mmは筒先からはみ出すようにしておいて下さい。
    これで真空ポンプの完成です。
  18. 動作テストをします。筒先を顔に向けて、プランジャーを往復させてみます。うまく動作していると、プランジャーを動かすたびに、シューシューという音がしますが、筒先からは空気が出てきません。
    もし筒先から空気が出ていたり、プランジャーがきつくて動かせない場合は、一度プランジャーを外筒から外して、外筒の中に貼ったシリコンゴムとビニルテープをはり直してみます。また外筒の外側に貼ったビニルテープも一度はがし、軽く張り直してみます。シリコンゴムが筒先の穴を覆っていないと、ここから空気が漏れてしまいます。外筒の外側に貼ったビニルテープは、強くはり付いていると、空気の逃げ道をふさいでしまいます。いずれの場合も正常にポンプの動作をしません。

2.真空容器を作る

  1. ナイロンチューブを、長さ50 cm程度に2本切ります。
  2. ペットボトルのフタとガラスびんのフタに、ドリルで直径6 mmの穴を空けます。
  3. ペットボトルのフタの穴に、ナイロンチューブを差し込みます。
  4. チューブとフタのあいだのすきまをふさぐように、ビニルテープを貼り付けます。
  5. ガラスびんのフタにも、ナイロンチューブを差し込みます。
  6. ガラスびんのフタの厚みが薄い場合は、ビニルテープではすきまを完全にふさぐことができないことがあります。この場合は、ナイロンチューブとフタのすきまのところに木工用接着剤を塗ります。裏と表の両面にすきまなく塗って下さい。乾くまで半日から1日程度待ちます。
  7. ペットボトルのフタとガラスびんのフタを、それぞれペットボトル本体とガラスびん本体に取り付けます。

3.注射器真空ポンプを真空容器に取り付ける

  1. シリンジの筒先にかぶせたシリコンゴムチューブの、筒先先端から5 mmはみ出した部分を、ナイロンチューブに差し込みます。
  2. 筒先をナイロンチューブへ、シリコンゴムチューブごと差し込みます。隙間が殆ど無いので、強く差し込む必要があります。
  3. これで完成です。

実験

 まず、注射器真空ポンプをペットボトルにつなぎ、プランジャーを往復させてみましょう。ポンプがうまく動作していれば、ペットボトルの中に入っている空気が外に排気され、少しずつしぼんでいきます。そして最後は完全につぶれてしまいます。

 つぎに、注射器真空ポンプをガラスびんにつなぎます。ガラスびんには小さな風船に少しだけ空気を入れ、口をしばって入れておきます。ポンプのプランジャーを動かしてガラスびんの中の空気を排気すると、風船が少しずつ膨らんできます。

注意1

ガラスびん内部を真空にすると、誤ってガラスびんが割れたとき、ガラスの破片が飛び散る危険があります。ガラスびんを真空にするときは、念のためガラスびんを食品保存用透明バッグなどに入れるか、食品用ラップで包むことをおすすめします。

注意2

真空にする容器の中に、生き物を入れてはいけません。呼吸ができなくなって死んでしまいます。
注射器真空ポンプでどのくらいの圧力の真空が作れるのでしょうか。圧力計をつないで調べてみました。

地上の圧力である1気圧の状態であれば、この圧力計の針は「0 MPa」の位置を指します。注射器真空ポンプを動かしてみたところ、針は「-0.08 MPa」を示しました。これは、このポンプで作れる真空がおよそ0.2気圧、つまり地上の圧力の5分の1程度であることを示しています。

原理

今回作った注射器真空ポンプで真空が作れる理由は、以下の通りです。

  1. シリンジのプランジャーを外筒から引き出す方に動かすと、外筒内の容積が増加し、内部の圧力が外筒の外側よりも下がります。この圧力差のため、外筒の筒先の内側に貼られたシリコンゴムシートが内側に押し上げられ、空気が流れ込みます。このとき、外筒の側面に開けた穴をふさぐように貼り付けたビニルテープは、圧力差により外筒に押し付けられる方向に力が働くため、ここからは空気が流れ込みません。
  2. ある程度空気を吸い込んだところで、逆にプランジャーを外筒に押し込む方向に動かすと、内部の圧力が増加します。このとき、筒先のところに貼り付けたシリコンゴムシートは内部の圧力で外筒の壁面に押しつけられるため、空気の流路がふさがれてしまい、筒先から空気が出て行くことができません。一方、外筒の側面に開けた穴をふさぐように貼り付けたビニルテープは、圧力が高いシリンジ内部の空気により外側に押し上げられ、これにより空気の流路が作られて外に出て行くことができます。

 つまり、シリンジの外筒側面に貼られているビニルテープと、シリンジ内部の筒先の筒先をふさぐように貼られたシリコンゴムシートは、それぞれ一方向にしか開かない弁の役割を果たしており、シリンジ内部の圧力が低いときは筒先のシリコンゴムシートのみが開き、圧力が高いときは外筒の側面に貼られたビニルテープのみが開くことで、空気が常に一方向にしか流れない仕組みになっています。そのため、プランジャーを往復させることで、シリンジの筒先につながれた容器内の空気を吸い出し、外に排出することができるのです。

真空とは何か?

 真空とは何か、と聞かれたとき、多くの人は「空気のない状態」と答えると思います。では、真空は本当に空気のない状態でしょうか?
日本工業規格(JIS)では、真空とは「大気圧より低い圧力の気体で満たされた空間内の状態」であるとされています。つまり、ある容器の内部の圧力が、その外部の圧力より低くなっていれば、その容器の中は真空であると言えます。

 これによれば、みなさんの家にある電気掃除機は、真空を作り出す装置です。電気掃除機は、モータでファンを動かしてその内部の空気を外に排出し、圧力が低い状態を作り出すことで、ゴミを空気ごと吸い込むしくみになっています。電気掃除機は英語で"Vacuum Cleaner"(真空掃除機)と言います。

 真空ポンプで容器内の空気を外に排出していくと、容器の内部と外部で圧力差が発生します。これにより、容器の壁面には、外部から内部へと押す力が働きます。容器の強度が十分でないと、容器はこの力に耐えられなくなり、押しつぶされます。

 ところで、空気とは何でしょうか?空気はおもに窒素と酸素からなる混合気体で、窒素と酸素の比は約8:2です。気体は、大きさ1 nm(ナノメートル)にも満たない極めて小さな「分子」の集まりです(1 nmは10億分の1 m)。大気圧[1気圧=1013 hPa(ヘクトパスカル)=1.013×105 Pa:これを標準気圧と言います]で気温20℃の状態では、1立方cmの箱の中に、窒素と酸素の分子が合わせて、約2.5×1019個(=25億の100億倍)も詰まっています。真空をつくることは、このすさまじい数の気体分子を減らしていくと言うことです。

 今回製作した注射器真空ポンプで作ることができる真空の圧力は、0.2気圧程度、つまり大気圧の5分の1程度の圧力であることが分かりました。この場合、1立方センチメートルあたりに詰まっている気体分子の数は5.0×1018個程度であり、依然として多くの気体分子があることが分かります。では、この1立方センチメートルあたりに存在する気体分子の数が0(ゼロ)の状態(これを絶対真空と言います)をつくることは可能でしょうか?答は「いいえ」です。現在の技術で作ることができる真空は、1000兆分の1気圧程度(圧力で言うと10-10 Pa程度)が限度です。極めて低い圧力に思えますが、この状態でも、1立方cmあたりに10000個程度もの気体分子が存在しており、決して気体分子の数は0ではありません。

真空はどんなところで使われているか

 私たちの身の回りにある色々なものは、実は真空を作る技術と密接に関わっています。たとえば、魔法瓶は真空が熱を伝えにくい性質を利用しています。長期保存が可能なフリーズドライ食品は、水分を含んだ食品を凍結し、これを真空容器に入れることで水分が除去される(昇華する)ことを利用して作られます。スーパーの野菜売り場へ行くと、レタスなど野菜が入った段ボール箱に「真空予冷」と書かれているのを目にするかもしれません。これは、野菜を真空中に入れるとその水分が蒸発し、蒸発熱が奪われて温度が下がることを利用しています。

 コンピュータやスマートフォンなどの電子機器に使われる集積回路や液晶ディスプレイの製作にも、真空技術が使われています。

 このほかにも、真空はいろいろなところに使われています。真空がどんなことに利用されているか、ぜひ調べてみて下さい。

材料の入手先

 本工作で使用したシリンジ、ナイロンチューブ、シリコンゴムシートおよびシリコンゴムチューブは、インターネット通販などで購入できます。シリコンゴムシートはビニルテープで、シリコンゴムチューブはゴムホースなどで代用することも可能です。アルミ網戸用 網押さえゴムはホームセンターなどで購入できます。

参考文献

  • 岩間 滋、「注射器で簡単に作れる簡易真空(減圧)ポンプ」 平成7年 東レ理科教育賞 受賞作論文
  • 内田 祐貴、「実験教材としての簡易真空ポンプの研究開発と教育実践」 神戸松蔭女子学院大学研究紀要 人間科学部篇、5、67(2016)
  • 麻蒔 立男、「トコトンやさしい真空の本」、日刊工業新聞社(2002)
※このページに含まれる情報は、掲載時点のものになります。

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