ガス物性と温度の影響

コンダクタンス計算に必要なガス物性は、分子流では分子量、粘性流では粘性係数です。この記事では計算ツールにプリセットされている 13 種のガスの特徴と、温度の影響を整理します。

プリセットガスの分子量

ガス	化学式	分子量 [g/mol]	主な用途・場面
水素	H₂	2.02	還元プロセス、UHV での主要残留ガス
ヘリウム	He	4.00	リークテスト、クライオ
メタン	CH₄	16.04	プロセスガス
ネオン	Ne	20.18	放電管、校正
窒素	N₂	28.01	パージ、ベント、基準ガス
一酸化炭素	CO	28.01	残留ガス分析
酸素	O₂	32.00	酸化プロセス
アルゴン	Ar	39.95	スパッタリング
二酸化炭素	CO₂	44.01	残留ガス分析
四フッ化炭素	CF₄	88.00	ドライエッチング
クリプトン	Kr	83.80	ランプ、同位体分析
キセノン	Xe	131.29	イオンエンジン、ランプ
六フッ化硫黄	SF₆	146.06	絶縁ガス、エッチング

真空機器のカタログ値（排気速度、コンダクタンス）は特記なき限り N₂ 基準です。他のガスで使う場合は換算が必要です。

分子流：分子量がすべて

分子流のコンダクタンスは $C \propto \sqrt{T/M}$ です。ガスによる違いはこの平方根の比だけで決まります。

$\frac{C_{gas}}{C_{N_2}} = \sqrt{\frac{M_{N_2}}{M_{gas}}}$

H₂ は N₂ の約 3.7 倍流れやすく、SF₆ は半分以下です。

粘性流：粘性係数が効く

粘性流（層流）のコンダクタンスは粘性係数 $\eta$ に反比例します：

$C \propto \frac{d^4 \bar{P}}{\eta L}$

粘性係数は分子量とは単純に比例しません。たとえば He は分子量が小さいのに粘性係数は N₂ より大きく、H₂ は特に粘性が低いガスです。分子流での序列と粘性流での序列は一致しないため、圧力領域を確認してから物性を選ぶ必要があります。計算ツールのプリセットには各ガスの粘性係数が登録されており、選択するだけで正しい値が使われます。

平均自由行程と圧力

流れの種類の判定に使う平均自由行程 λ は圧力に反比例します：

$\lambda = \frac{k_B T}{\sqrt{2} \pi d_m^2 P}$

N₂・室温での目安は「λ [mm] ≈ 6.6 / P [Pa]」です。

大気圧（10⁵ Pa）: λ ≈ 66 nm
1 Pa: λ ≈ 6.6 mm
10⁻³ Pa: λ ≈ 6.6 m

配管径と λ が同じオーダーになる圧力帯が中間流領域です。

温度の影響

分子流では $C \propto \sqrt{T}$ です。ベーキング（例：150℃ = 423 K）中は室温（293 K）に比べて：

$\sqrt{\frac{423}{293}} \approx 1.20$

と約 20% コンダクタンスが増えます。影響は比較的小さいものの、正確な排気シミュレーションでは考慮すべき因子です。粘性流では温度は粘性係数の変化を通じても効いてくるため、より複雑になります。

計算ツールでは温度を入力パラメータとして指定できるので、運転条件に合わせた評価が可能です。