JP5947713B2 - 真空ポンプ油 - Google Patents

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Description

本発明は真空ポンプ油に関し、詳しくは、熱酸化安定性、到達真空度に優れるとともに、低温始動性、高温でのシール性に優れる改良された真空ポンプ油に関する。
真空技術は、半導体製造、太陽電池、航空機、自動車、オプトエレクトロニクス、食品工業等の分野で広く利用されている。
これらの真空技術を実施するため、従来より往復式真空ポンプ、回転式真空ポンプ等の機械式真空ポンプや、油回転真空ポンプ、油拡散真空ポンプ等の高真空ポンプなどが広く使用されている。そして、これら真空ポンプの可動部分の潤滑や高真空化、長寿命化等を目的として合成油系や鉱油系の真空ポンプ油が用いられている。
近年、真空ポンプの応用分野が拡大されるに伴い、熱安定性や高度の真空度が要求されるようになり、それに対応するために真空ポンプ油の改良が加えられてきた。特に、真空ポンプ油自体の蒸発性が高いと、排気とともにオイルが気化して圧力が上昇し、到達真空度が悪化することが知られている。(非特許文献1)
また、真空ポンプのしゅう動部分は摩擦により高温となるが、熱酸化安定性に劣る真空ポンプ油を用いた場合には、運転中に発生したスラッジがしゅう動部分に噛み込まれて到達真空度を悪化させる原因となることがある。更に、バルブ等に固着した際には装置トラブルを発生させるおそれがある。このため、目的とする生産物の生産性が低下したり、生産物の品質が安定して得られないという問題があった。そこで、真空ポンプ油の熱酸化安定性を向上させ、スラッジ発生量を少なくすることが課題となっている。
スラッジの発生を抑えるために、p−分岐アルキルフェニル−α−ナフチルアミンなどの酸化防止剤を使用することも提案されているが、アミン系の酸化防止剤であるために分解成分が塩基となり、真空系に混入して影響を与える懸念などがある。(特許文献1)
また、真空ポンプにおいては一酸化炭素などの酸性ガスを吸引する用途も考えられ、塩基性成分と酸性ガスの反応によりスラッジが形成されてしまう懸念もあって、アミン系酸化防止剤は配合しないことが好ましい。
更に、真空技術の応用分野では、真空ポンプを起動した後、定常運転に至るまでの時間を短縮することが生産性を上げるために求められている。しかし、従来知られている真空ポンプ油では、特に、冬場や寒冷地で用いられた場合に、始動から定常運転に至るまでに長時間を要しており、低温始動性の向上が求められている。
また、石油類や動植物油等の油類の多くは、消防法によって危険物第4類に規定されている引火性流体や、指定可燃物に規定されている可燃性液体類に含まれている。これらのものは引火性があるために消防法によって危険物に指定されているが、引火点が低いほど火災のリスクが高いことから、引火点に応じて、その取り扱いや貯蔵量などについて法的な規制が行われている。引火点が上昇することは、火気取扱い上も安全性を増し、その貯蔵や管理などの取り扱いも容易になるから、貯蔵に要する設備や管理コストを低減することができることとなる。
このように引火点が高いほど安全性が高くなり、貯蔵や管理も容易かつ経済的に取り扱うことができるところから、真空ポンプ油においても引火点が高いことが好ましい。JIS K2265−4によるクリーブランド開放式自動引火点測定装置によって測定される引火点は、200℃以上、好ましくは250℃以上、更に好ましくは260℃であるとよい。
特開平7−252489号公報
「潤滑」第33巻、第6号(1988)454〜457頁
本発明は、上記の観点からなされたものであって、熱安定性が良く、到達真空度に優れていると共に、引火点が高く、低温始動性も良好で、高温でのシール性に優れる改良された真空ポンプ油を提供しようとするものである。
本発明は、100℃における動粘度が5〜20mm/sであり、炭素数30以下の炭化水素の含有量が3.0%以下であるガスツーリキッド法により製造された基油を使用し、これにフェノール系酸化防止剤を0.01〜5質量%と、数平均分子量が2,000〜30,000のオレフィン共重合体又はポリαオレフィンの増粘剤を3〜15質量%含有させることにより、100℃における動粘度を10.5mm/s以上とし、粘度指数を150以上にするようにしてVG68規格の真空ポンプ油とするものである。
本発明における真空ポンプ油によれば、熱に対する安定性が高いし、到達し得る真空度においても優れた成績を上げることができる。また、本発明における真空ポンプ油は、引火点が高いことから、火気取扱い上も安全性を増し、その貯蔵や管理などの取り扱いも容易になるから、貯蔵に要する設備や管理コストを低減することができる。さらに、低温始動性が良好で始動から早期に定常運転に移行することができるし、更に高温でのシール性に優れていることから、真空ポンプを効率よく、経済的に運転することができるようになる。
真空到達圧力を測定するシステムを示す説明図である。
本真空ポンプ油の基油としては、ガスツーリキッド法(GTL法)によって製造された基油が使用される。
本発明において、ガスツーリキッド法(GTL法)によって製造された基油とは、フィッシャー・トロプシュ法による縮合法を用いて製造されるもので、一酸化炭素及び水素を適切な触媒の存在下、高温(例えば125〜300℃、好ましくは175〜250℃)及び/又は高圧(例えば5×10〜10N/m、好ましくは1.2×10〜5×10N/m)で長鎖、通常、パラフィン性の炭化水素に転化せるものである。
また、フィッシャー・トロプシュ法によって、ワックスからイソパラフィン性基油を製造するものもある。
こうしたフィッシャー・トロプシュ誘導基油は、優れた低温特性、例えば低流動点を有する傾向があり、蒸発損失も非常に小さく、これら基油の製造に使用される方法が鉱物原油源から製造される同様な基油の製造法に比べて、比較的簡単である利点がある。
このフィッシャー・トロプシュ誘導基油は、API(American Petroleum Institute;米国石油協会)基油カテゴリーにおいてグループIIIに属する基油として分類されるが、硫黄及び窒素を全く含まないか、含有しても検出不能な水準である。また、芳香族成分を生成しないか又は殆ど生成せず、通常、1質量%未満、好ましくは0.5%質量%未満、更に好ましい場合には0.1%質量%未満(ASTM D−4629)である。これによって油の酸化安定性が改良される。
このガスツーリキッド法により製造された基油は、100℃における動粘度が5〜20mm/s、好ましくは6〜15mm/s、より好ましくは7〜10mm/sであり、炭素数30以下の炭化水素の含有量が3.0%以下、好ましくは2.9%以下、より好ましくは2.7%以下であるものを用いることができる。
上記炭素数30以下の炭化水素の含有量については、ASTM D2887−08に規定されているガスクロ蒸留法により、クロマトグラムの蒸留温度449℃以下の留分のピーク面積値の全体における含有率(%)を計測する方法により測定する。
真空ポンプにおいて高い到達真空度を得るためには、蒸発損失量が少ない基油を使用することが好ましく、また同一動粘度の基油であれば、上記非特許文献にあるように基油の分子量分布が狭いほうが好ましい。基油の蒸発損失量の評価方法として、ASTM D5800で規定されたNOACK蒸発性試験がある。
ガスツーリキッド法により製造された基油であるシェルXHVI−8(ロイヤル・ダッチ・シェル社製)は、NOACK蒸発性試験における蒸発損失は2.0mass%しかなく、真空ポンプ油に好適に用いることができる。本真空ポンプ油の基油の蒸発損失の値は特に制限されるものではないが、2.8mass%以下であってもよく、好ましくは2.4mass%以下であってもよく、より好ましくは2.0mass%以下であってもよい。
一方、既存の高度精製基油として、APIグループ3基油であるYuベース8(SKイノベーション社製)が知られている。このYuベース8性状は、40℃動粘度が48.8mm/s、100℃動粘度が7.8mm/s、粘度指数が129、15℃密度が0.845g/cmである。そして、NOACK蒸発性試験による蒸発損失は3.1mass%と大きく、真空ポンプ油には適していないと考えられる。
また、合成油の基油であるポリアルファーオレフィンとして、PAO8が市販されている。このPAO8の性状は、40℃動粘度が46.6mm/s、100℃動粘度が7.8mm/s、粘度指数が136、15℃密度が0.831g/cmである。そして、NOACK蒸発性試験による蒸発損失は2.9mass%と大きく、同様に真空ポンプ油には適していないと考えられる。
更に、上記市販のPAO8は、1−デセンの重合により製造されており、主成分として三量体である炭素数30成分(分子量422)が5%、四量体である炭素数40成分(分子量562)が65%、五量体である炭素数50成分(分子量702)が2%、六量体である炭素数60成分(分子量842)が10%で構成されており、実質的に低分子量成分の混合物である。
これらの成分は、混合物として非連続な炭素数分布となるために、低分子量領域も存在し、蒸発損失が大きくなることから、この点でも真空ポンプ油には適していないと考えられる。
上記基油には、フェノール系酸化防止剤が添加される。
フェノール系酸化防止剤としては、例えば、2−t−ブチルフェノール、2−t−ブチル−4−メチルフェノール、2−t−ブチル−5−メチルフェノール、2,4−ジ−t−ブチルフェノール、2,4−ジメチル−6−t−ブチルフェノール、2−t−ブチル−4−メトキシフェノール、3−t−ブチル−4−メトキシフェノール、2,5−ジ−t−ブチルヒドロキノン(川口化学社製:アンテージDBH)、2,6−ジ−t−ブチルフェノール、2,6−ジ−t−ブチル−4−メチルフェノール、2,6−ジ−t−ブチル−4−エチルフェノールなどの2,6−ジ−t−ブチル−4−アルキルフェノール類、2,6−ジ−t−ブチル−4−メトキシフェノール、2,6−ジ−t−ブチル−4−エトキシフェノールなどの2,6−ジ−t−ブチル−4−アルコキシフェノール類がある。
また、3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジルメルカプト−オクチルアセテート、n−オクタデシル−3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート(吉富製薬社製:ヨシノックスSS)、n−ドデシル−3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート、2’−エチルヘキシル−3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート、ベンゼンプロパン酸3,5−ビス(1,1−ジメチル−エチル)−4−ヒドロキシ−C7〜C9側鎖アルキルエステル(BASF社製:IrganoxL135)などのアルキル−3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート類、2,6−ジ−t−ブチル−α−ジメチルアミノ−p−クレゾール、2,2’−メチレンビス(4−メチル−6−t−ブチルフェノール)(川口化学社製:アンテージW−400)、2,2’−メチレンビス(4−エチル−6−t−ブチルフェノール)(川口化学社製:アンテージW−500)などの2,2’−メチレンビス(4−アルキル−6−t−ブチルフェノール)類がある。
さらに、4,4’−ブチリデンビス(3−メチル−6−t−ブチルフェノール)(川口化学社製:アンテージW−300)、4,4’−メチレンビス(2,6−ジ−t−ブチルフェノール)(シェル・ジャパン社製:Ionox220AH)、4,4’−ビス(2,6−ジ−t−ブチルフェノール)、2,2−(ジ−p−ヒドロキシフェニル)プロパン(シェル・ジャパン社製:ビスフェノールA)、2,2−ビス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、4,4’−シクロヘキシリデンビス(2,6−t−ブチルフェノール)、ヘキサメチレングリコールビス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート](BASF社製:IrganoxL109)、トリエチレングリコールビス[3−(3−t−ブチル−4−ヒドロキシ−5−メチルフェニル)プロピオネート](吉富製薬社製:トミノックス917)、2,2’−チオ−[ジエチル−3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート](BASF社製:IrganoxL115)、3,9−ビス{1,1−ジメチル−2−[3−(3−t−ブチル−4−ヒドロキシ−5−メチルフェニル)プロピオニルオキシ]エチル}2,4,8,10−テトラオキサスピロ[5,5]ウンデカン(住友化学:スミライザーGA80)、4,4’−チオビス(3−メチル−6−t−ブチルフェノール)(川口化学社製:アンテージRC)、2,2’−チオビス(4,6−ジ−t−ブチル−レゾルシン)などのビスフェノール類がある。
そして、テトラキス[メチレン−3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]メタン(BASF社製:IrganoxL101)、1,1,3−トリス(2−メチル−4−ヒドロキシ−5−t−ブチルフェニル)ブタン(吉富製薬社製:ヨシノックス930)、1,3,5−トリメチル−2,4,6−トリス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)ベンゼン(シェル・ジャパン社製:Ionox330)、ビス−[3,3’−ビス−(4’−ヒドロキシ−3’−t−ブチルフェニル)ブチリックアシッド]グリコールエステル、2−(3’,5’−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)メチル−4−(2”,4”−ジ−t−ブチル−3”−ヒドロキシフェニル)メチル−6−t−ブチルフェノール、2,6−ビス(2’−ヒドロキシ−3’−t−ブチル−5’−メチル−ベンジル)−4−メチルフェノールなどのポリフェノール類、p−t−ブチルフェノールとホルムアルデヒドの縮合体、p−t−ブチルフェノールとアセトアルデヒドの縮合体などのフェノールアルデヒド縮合体などが挙げられる。
上記フェノール系酸化防止剤は、単独で用いることができるし、複数のものを適宜に組み合わせて用いることができる。
このフェノール系酸化防止剤は、真空ポンプ油全量中に、0.01〜5質量%、好ましくは0.05〜3質量%、より好ましくは0.1〜1質量%の範囲で添加される。
上記基油中には、更に増粘剤が添加される。この増粘剤としてはオレフィン共重合体があり、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−イソブチレン共重合体などが挙げられるが、通常、エチレン−プロピレン共重合体を用いることが好ましい。
また、増粘剤としては、ポリαオレフィンを用いることができる。このポリαオレフィンは、炭素数5以上のαオレフィンの1種を単独でまたは2種以上を組み合わせて重合させたものである。
上記エチレン−プロピレン共重合体やポリαオレフィンは、その数平均分子量を2,000〜30,000程度のものとするのが好ましく、より好ましくは3,000〜20,000程度、さらに好ましくは5,000〜8,000程度のものがよい。
上記分子量が大きすぎるとポンプのしゅう動部でせん断を受けて真空ポンプ油の粘度が低下したり、高温条件下でスラッジが生成するおそれがある。一方、分子量が小さすぎる場合には増粘効果が弱まるため増粘剤を多量に添加する必要があり、潤滑油製品のコストアップの要因となる。
こうした増粘剤は、真空ポンプ油全量中に、3〜15質量%、好ましくは4〜14質量%の範囲で使用される。
真空ポンプを用いて高い到達真空度を得るためには、真空ポンプ油が形成する油膜によって可動部が密閉されることが望まれる。真空ポンプ油の動粘度が高く、油膜が充分に保たれている場合には、潤滑油によるシール効果が高いと考えられる。
一方、動粘度が低すぎて充分に油膜が保持されていない場合には、しゅう動部に隙間が発生し、到達真空度が悪化する。
真空ポンプの可動部は摩擦により100℃を超える高温になると考えられるが、そのような高温条件下においても真空ポンプ油の動粘度が高い値に保たれていることが必要となる。
VG68規格の真空ポンプ油においては、100℃における動粘度が10.5mm/s以上であることが好ましく、より好ましくは10.7mm/s以上、さらに好ましくは10.9mm/s以上である。
さらに、120℃における動粘度については、7.0mm/s以上が好ましく、より好ましくは7.2mm/s以上、さらに好ましくは7.4mm/s以上である。
さらに、本発明の真空ポンプ油の引火点は、260℃以上であることが好ましく、よりこのましくは265℃以上、さらに好ましくは268℃以上である。
本真空ポンプ油には、必要に応じて各種の添加剤を適宜添加することができる。
以下に、本発明の実施例および比較例によって具体的に説明するが、本発明はこれらによって何ら限定されるものではない。
実施例及び比較例を作製するために、下記のものを用意した。
(基油)
基油1:ガスツーリキッド法によるフィッシャー・トロプシュ基油・シェルXHVI−8(ロイヤル・ダッチ・シェル社製)〔性状等:40℃における動粘度;44.4mm/s、100℃における動粘度;7.7mm/s、ASTM D2887−08に規定されているガスクロ蒸留法により求められた、炭素数30以下の炭化水素の含有量;2.6%、粘度指数;142、15℃密度;0.828g/cm、エンジン油蒸発性(NOACK法)における蒸発損失;2.0mass%〕
(添加剤)
添加剤A1:エチレン−プロピレン共重合体(三井化学社製 LUCANT HC−1100)
(a)数平均分子量;6,000
(b)40℃における動粘度;18,900mm/s
(c)100℃における動粘度;1,100mm/s
(d)粘度指数;270
(e)15℃密度;0.850g/cm
添加剤A2:ポリαオレフィン(エクソンモービルケミカル社製 SPECTRASYN ELITE 150)
(a)数平均分子量;7,000
(b)40℃における動粘度;1,731mm/s
(c)100℃における動粘度;157mm/s
(d)粘度指数;205
(e)15℃密度;0.850g/cm
添加剤A3:ポリイソブチレン(JX日鉱日石エネルギー社製 日石ポリブテンHV300)
(a)数平均分子量;1,400
(b)40℃における動粘度;26,000mm/s
(c)100℃における動粘度;590mm/s
(d)粘度指数;155
(e)15℃密度;0.898g/cm
添加剤A4:高粘度鉱油
(a)数平均分子量;740(ASTM D3238環分析の計算式により算出)
(b)40℃における動粘度;430mm/s
(c)100℃における動粘度;31.4mm/s
(d)粘度指数;105
(e)15℃密度;0.885g/cm
添加剤B:フェノール系酸化防止剤(BASF社製 IRGANOX L135)
(実施例1〜2、比較例1〜2)
上記した材料を用いて、表1に示す組成により実施例1〜2、比較例1〜2の真空ポンプ油を調製した。組成分の配合量は質量%で表記した。
〔試験〕
実施例1〜2及び比較例1〜2の真空ポンプ油について、その性状、性能を見るために以下に示す試験を行った。
〔40℃動粘度〕
JIS K2283による。
〔100℃動粘度〕
JIS K2283による。
評価基準: 10.5mm/s以上・・・○
10.5mm/s未満・・・×
〔120℃動粘度〕
JIS K2283による。
評価基準: 7.0mm/s以上・・・○
7.0mm/s未満・・・×
〔粘度指数〕
JIS K2283による。
評価基準: 150以上・・・・○
150未満・・・・×
〔流動点〕
JIS K2269による。
評価基準: −25℃未満・・・・○
−25℃以上・・・・×
〔熱安定度試験〕
真空ポンプのスラッジによる装置トラブルを防ぐために、真空ポンプ油は低スラッジであることが望ましい。潤滑油の熱酸化条件下におけるスラッジ生成挙動の評価方法として、シンシナティーミラクロン社熱安定性試験が知られている。
そこで、ASTM D2070に準拠して熱安定度試験を実施した。
試験は、先ず、試験油200mlを容器に入れ、銅触媒および鉄触媒との共存下、120℃の恒温槽で45日間静置した。試験終了後の試料油を0.8μm孔径のメンブレンフィルターでろ過し、発生したスラッジの重量を測定した。
評価基準: 3.0mg/200ml未満・・・・○
3.0mg/200ml以上・・・・×
〔真空到達圧力〕
JIS B8316に準拠し、図1に示すシステムで油回転真空ポンプの真空到達圧力を測定した。使用した油回転真空ポンプ、試験条件、試験手順を下記に示す。
(a)油回転真空ポンプ: アルカテル製 M2010SD(モーター定格出力450W)
(b)排気速度(50Hz): 162L/min(設計排気速度)、142L/m(実効排気速度)
(c)1圧縮での除去体積(計算値): 0.054L
(d)試験手順: 真空ポンプを大気開放した後、ガスバラストなしで、油温が35℃程度の状態からポンプを起動し、冷却ファンによりポンプを冷却しながら油温が50℃になるよう調節する。油温は、ポンプ起動後約50分で50℃となり安定する。ポンプ起動後55分〜60分の5分間の吸入口圧力の平均値を真空到達圧力とした。なお試験中はテストドームの温度は25℃に維持した。
評価基準: 0.1Pa未満・・・・○
0.1Pa以上・・・・×
〔蒸気圧〕
直接法(MST 0402−1)により測定した。
評価基準: 0.1×10−3Pa未満・・・・○
0.1×10−3Pa以上・・・・×
〔試験の結果〕
試験の結果を表1に示す。
〔考察〕
表1に示す通り、オレフィン共重合体(添加剤A1)を用いた実施例1及びポリαオレフィン(添加剤A2)を用いた実施例2は、粘度指数が152及び154と150以上の高い値を示しており、100℃における動粘度が何れも11.0mm/s、120℃における動粘度が何れも7.4mm/sと高い値で良好であった。流動点は、−32.5℃及び−27.5℃と何れも−25.0℃未満を満足していた。また、シンシナティーミラクロン社熱安定度試験におけるスラッジ量も0.8mg/200ml及び1.3mg/200mlと何れも3.0mg/200ml未満と低い値であった。真空到達圧力は0.091Pa及び0.087Paと何れも0.1Pa未満であり、高い真空度を達成している。蒸気圧についても0.96×10−3Pa及び0.50×10−3Paと何れも1.0×10−3Pa未満と低い値を示している。また、引火点も268℃、276℃と高く、安全性の高いものとなっている。
一方、ポリイソブチレン(添加剤A3)を用いた比較例1は、100℃動粘度、120℃動粘度、粘度指数が実施例1及び実施例2と比較して低く、評価基準値を満たしていない。流動点、シンシナティーミラクロン社熱安定度試験におけるスラッジ量は評価基準値を満たしているが、真空到達圧力は0.17Paと大きい値を示しており到達真空度において充分ではなかった。
高粘度基油(添加剤A4)を用いた比較例2は、100℃動粘度、120℃動粘度、粘度指数が実施例1及び実施例2と比較して低く、評価基準値を満たしていない。真空到達圧力及び蒸気圧は評価基準値を満たしているが、流動点も高く、シンシナティーミラクロン社熱安定度試験におけるスラッジ量も多く評価基準値を満たしておらず、充分なものではなかった。
上記の如く、真空ポンプを用いて高い到達真空度を得るためには、真空ポンプ油が形成する油膜によって可動部が密閉されることが望まれる。例えば、100℃における動粘度は10.5mm/s以上が好ましいが、実施例1及び実施例2は上記したように100℃における動粘度が11.0mm/sと高い値であり、充分に油膜が保たれ、潤滑油によるシール効果が高いものと考えられる。一方、比較例1の100℃における動粘度は10.1mm/s、比較例2は10.2mm/sと低い値である。
さらに、120℃における動粘度については、7.0mm/s以上が好ましく、実施例1及び実施例2の120℃における動粘度はいずれも7.4mm/sであるが、比較例1は6.7mm/s、比較例2は6.8mm/sと低い値を示しているところから、高温時において充分に油膜を保持することができないおそれがある。
Figure 0005947713

Claims (3)

  1. 100℃における動粘度が5〜20mm/sであり、炭素数30以下の炭化水素の含有量が3.0%以下であるガスツーリキッド法により製造された基油に、フェノール系酸化防止剤を0.01〜5質量%と、数平均分子量2,000〜30,000のエチレン−プロピレン共重合体又はポリαオレフィンの増粘剤を3〜15質量%含有する、100℃における動粘度が10.5mm/s以上で粘度指数が150以上であることを特徴とするVG68規格の真空ポンプ油。
  2. 上記真空ポンプ油は、120℃における動粘度が7.0mm/s以上であることを特徴とする請求項1に記載のVG68規格の真空ポンプ油。
  3. 上記真空ポンプ油は、その引火点が260℃以上であることを特徴とする請求項1または2に記載のVG68規格の真空ポンプ油。
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