ポンプ用真空油の表面張力は、その性能にどのような影響を与えるのでしょうか？

真空ポンプの故障のトラブルシューティングに時間を費やしたことがある方 (ポンプ オイルのサプライヤーとして、私たちは常にこの問題を目にしています) は、真空オイルの表面張力がどうなっているのか疑問に思ったことがあるでしょう。多くの人は粘度や引火点にこだわっていますが、それらは製品データシートに記載されている明らかなスペックですが、表面張力はどうなのでしょうか？これは、特に実験室の掃除機、半導体製造、さらには HVAC の排気などの精密アプリケーションを扱う場合、ポンプの性能を左右する可能性がある静かな弱者です。簡単な電話で顧客に話すときと同じように、これを詳しく説明しましょう。難しい専門用語は使わず、実際に収益に影響を与える現実世界のことだけを話しましょう。

まず、これを簡単に考えてみましょう。表面張力は液体の「表皮」ですよね。タガメが池の上を歩くのも、ワックスが塗られた表面で水滴が玉状になるのも、この力によるものです。真空ポンプオイルの場合、ポンプは隙間をシールし、可動部品を潤滑し、深い真空を引く（そして保持する）ためにそのオイルに依存しているため、同じ力を交渉することはできません。表面張力がオフの場合、これらの仕事はどれも正しく行われません。

シーリングから始めましょう。これはポンプの性能に大きく影響します。最も一般的なタイプのロータリーベーン真空ポンプには、ベーン、ハウジング、エンドキャップの間に小さな隙間があります。空気がポンプに逆流するのを防ぐために、オイルはこれらの隙間を完全に埋める必要があります (これは「逆流」と呼ばれ、真空レベルを低下させる原因となります)。オイルの表面張力が低い場合、オイルは「流動的」すぎて金属表面にくっつきません。必要なほどしっかりとした連続した膜は形成されません。代わりに、空気が隙間から侵入し、基本圧力 (ポンプが到達できる最低真空度) が必要以上に高くなります。前四半期に当社の顧客となった小規模な半導体工場は、ウェーハのコーティングに必要な 1e-6 Torr を達成するのに苦労していましたが、数ドルを節約するために安価で表面張力の低いオイルに切り替えたことが判明し、シールからふるいのように空気が漏れていました。標準グレードの真空ポンプ オイルに切り替えたところ、24 時間以内に仕様に戻りました。

逆に、表面張力が高すぎるとどうなるでしょうか？待てよ、それも問題だ。表面張力が高いということは、オイル分子がポンプ内の金属表面に付着するよりも、オイル分子同士がより強く付着することを意味します。そのため、オイルは羽根や壁に均一に広がるのではなく、固まってしまいます。そのため、ベーンにドライスポットが発生し、摩擦スパイクが発生し、ポンプの動作温度が上昇し、時間の経過とともに摩耗が増加します。誰かが適切に潤滑されていない高表面張力オイルを使用したために、わずか 6 か月でポンプのベーンが吹き飛んだのを私たちは目撃しました。それはバランスであり、そのバランスこそが私たちのチームがポンプオイルサプライヤーとして本当によく知っているところです。

次は、真空の完全性、つまりポンプが長期間にわたって真空をどの程度維持できるかです。ポンプが作動しているときに何が起こるかを考えてみましょう。ガス分子を圧縮して排気ガスから押し出すため、オイルはそれらのガス分子を分離して、真空チャンバー内に混合しないようにする必要があります。ここでは表面張力が大きな役割を果たします。オイルが（圧縮ガスから）小さな泡を形成すると、表面張力が泡の壁をしっかりと引っ張り、ガスを押し出してガスを排出します。表面張力が低すぎると、気泡が簡単にはじけたり、ガスが排出されずにオイルに溶解したりします。その溶解ガスは後で放出され、「真空減衰」を引き起こします。ポンプが作動しているときでも、チャンバーの圧力は徐々に上昇します。表面張力が高すぎると、泡は安定しすぎます。それらはオイルの中に残り、隙間を塞いで熱を運ぶオイルの能力を低下させます。いずれにせよ、真空パフォーマンスが低下し、必要以上に頻繁にシステムを再真空にすることになる可能性があります。

 

また、もう 1 つの重要な部分、つまり真空ポンプのハードウェアとの互換性も無視できません。鋳鉄部品を備えた古いポンプ、またはステンレス鋼または特殊なコーティングを備えた新しいポンプを使用している場合、オイルの表面張力は、それらの表面との相互作用に一致する必要があります。たとえば、最新のポンプの中には、入口ラインに真空ポンプ チューブを使用しているものもあります。これらはチャンバーとポンプを接続するパイプであり、オイルの挙動はこれらのチューブの動作に影響を与えることもあります。オイルの表面張力が低い場合、時間の経過とともにオイルがチューブの小さな隙間に浸透し、ライン内にオイルが蓄積する可能性があります。それは単に面倒なだけではありません。入口が詰まり、流れが制限され、ポンプの効率が低下する可能性があります。このことを知らずに、低表面張力オイルに切り替えたお客様がいました。その結果、1 か月以内に入口の真空ポンプ チューブに厚いオイル残留物層が形成され、流量が 20% 減少しました。ミッドレンジの表面張力オイルに交換すると、この問題はすぐに修正され、フルスピードに戻るために簡単なチューブの洗浄を手伝いました。そういった小さなことが大きな違いを生むのです。

さて、よくある誤解について話しましょう。多くの人は「オイルが濃い = パフォーマンスが向上する」と考えていますが、それは話の半分にすぎません。潤滑には粘度（厚み）が重要ですが、表面張力を間違えると粘度の高いオイルでも潤滑できなくなります。私たちは粘度が同じで表面張力が異なるオイルをテストしました。1 つはベース圧力 1e-7 Torr に達しましたが、もう 1 つは表面張力のせいで 1e-5 Torr にしか達しませんでした。もう 1 つの迷信:「真空オイルはすべて同じである」。いいえ、鉱物油と合成油では、たとえ供給元が異なっていても、表面張力は大きく異なります。たとえば、合成油は鉱物油よりも表面張力が低いことが多いため、一部の高速ポンプには最適ですが、深真空が重要な用途には適していません。だからこそ、ポンプ オイルのサプライヤーとして、当社は万能の製品を販売するだけではなく、お客様が適切なオイルの表面張力をポンプやプロセスに適合させるお手伝いをします。

メンテナンスについてはどうですか？表面張力はオイルを交換する頻度にも影響します。オイルの表面張力が適切であれば、湿気や汚染物質に対する優れたバリアを形成するため、オイルの寿命が長くなります。表面張力が低下すると、湿気や汚れによってオイルの膜が早く破壊され、オイル交換の頻度が高くなります。表面張力が間違っていると劣化が早くなるという理由だけで、オイル交換が 6 か月または 9 か月ごとになる可能性があるのに 3 か月ごとに交換している顧客がたくさんいます。これは面倒なだけでなく、不必要なコストがかかることも、適切なオイルを選択することが重要である理由の 1 つです。

待って、極端なアプリケーションについても触れましょう。炉の排気など、高温の真空を扱う場合、表面張力はさらに重要になります。高温では、ほとんどのオイルは表面張力を自然に失います。そのため、初期表面張力を補うためにより高い開始表面張力を持つオイルが必要です。それをスキップすると、高温でオイルが薄くなりすぎ、シールが機能せず、真空が機能しなくなります。逆に、温度が超低温となる極低温真空では、オイルが凝固したり粘度が高くなりすぎたりしないように、表面張力の低いオイルが必要です。当社では、表面張力のニーズに合わせて両方の専用オイルを用意していますが、これは多くの一般的なサプライヤーが提供していないものです。

サプライヤーとして、私たちは何百もの顧客からの問い合わせからこれを学びました。ほとんどの人は、ポンプが壊れるか真空がオフになるまで、表面張力について考えません。それでは、いくつかの実用的な内容でこれを締めくくりましょう。まず、ポンプのマニュアルで推奨表面張力仕様を確認してください。現在、ほとんどのメーカーがこれを粘度や引火点とともに記載しています。第二に、真空の問題が発生した場合は、オイルや部品の交換に飛びつくのではなく、まずオイルの表面張力をテストして (ちなみに、当社ではお客様向けに無料のクイックテストを提供しています)、その可能性を排除します。第三に、入口ラインに真空ポンプ チューブを使用している場合は、ウィッキングや残留物の蓄積を防ぐために、オイルの表面張力がそれらのチューブに適合していることを確認してください。

私たちはあなたに何かを売りつけるためにここにいるのではありません。私たちはあなたのポンプを正しく動作させるためにここにいます。一貫性のない真空レベル、頻繁なポンプ修理、またはオイル関連の問題に対処するのにうんざりしている場合は、セットアップについてチャットするために私たちに連絡してください。どのような表面張力がポンプ、プロセス、使用している入口用の真空ポンプチューブなどのハードウェアに最適であるかを説明します。押し売りは一切せず、何年もバキュームゲームに携わってきた人々からの正直なアドバイスだけです。

（参考文献）

1. 「真空ポンプオイルの性能: 表面張力の役割」、Journal of Vacuum Science & Technology A、vol. 38、いいえ。 4、2020、p. 043401。
2. 「ロータリーベーン真空ポンプのシール効率に対する表面張力の影響」、International Journal of Fluid Machinery and Systems、vol. 13、いいえ。 2、2020、112-119ページ。
3. 「真空ポンプオイルと金属チューブの適合性: ウィッキングと残留物の形成」、Vacuum Technology & Coating Magazine、vol. 22、いいえ。 7、2021、32-37ページ。