ルーツポンプはどのように機能しますか?
ルーツポンプの設計原理は、1848年にアイザイア・デイビスによってすでに発明されていますが、それが米国人フランシスとフィルダー・ルーツによって実用化されるのは、それから20年後のことでした。当初は、このようなポンプが燃焼モーターのブロワとして使用されていました。その後、駆動方式を反転させることにより、ガスメーターに採用されました。1954年以降、この原則は真空工学に採用されています。ルーツポンプは、ポンプの組み合わせでバッキングポンプ（ロータリーベーンまたはドライポンプ）と併用し、中真空領域まで使用範囲を広げています。2段ルーツポンプにより、これは高真空範囲にまで広がっています。ルーツポンプの動作原理により、ポンプ速度が非常に高いユニット（100,000 m3/h以上）を組立できます。このユニットは、同じ動作範囲で動作する蒸気エゼクターポンプよりも経済的に動作します。
ルーツポンプの作動原理
ルーツ真空ポンプ（図2.17を参照）は、ロータリー容積式ポンプで、2つの対称形状のインペラがポンプケーシング内で互いに近接して回転します。2つのローターは、ほぼ8の字の形に似た断面を持ち、歯付きギアによって同期されています。ローターとケーシング壁の間、およびローター自体の間のクリアランスは、わずか10分の1ミリメートルになります。このため、ルーツポンプは、機械的な摩耗を伴わずに高速で作動することができます。ロータリーベーンとドライポンプとは異なり、ルーツポンプはオイルシールされていないため、設計上ドライ圧縮ポンプの内部リークにより圧縮比が10～100程度にしかなりません。ルーツポンプの内部リーク、およびその他のドライ圧縮ポンプの内部リークは、主に動作原理のため、ポンプチャンバーの特定の表面領域がポンプの吸気側と圧縮側に交互に割り当てられているという事実に基づいています。圧縮段階では、これらの表面積（ローターおよびケーシング）にガス（境界層）が充填され、吸引段階ではこのガスが放出されます。移動ガス層の厚さは、2つのローターとローターとケーシング壁の間のクリアランスによって異なります。ルーツポンプ内の熱条件は比較的複雑であるため、コールド状態を考慮することはできません。最小のクリアランス、つまり最低のバックフローは、1 mbarの領域で運転圧力に達します。その後、この領域で最高の圧縮比を達成することができますが、この圧力範囲はローターとケーシング間の接触の観点からも最も重要です。
図2.17 ルーツポンプの断面概略図
- 吸気フランジ
- ローター
- チャンバー
- 排気フランジ
- ケーシング
ルーツポンプの動作のポンプアニメーションを見るには、以下のビデオをご覧ください
RUVAC - The dry compressor roots principle
ルーツポンプの特性量
ルーツポンプによって効果的に送り込まれるガスの量Qeffは、理論的にポンプで送り込まれるガスの量Qthと内部リークの量QiR（失われるガスの量として）から次のように計算されます。
（2.5）
理論的にポンプで送り込まれるガス量には、以下のことが当てはまります。
（2.6）
ここで、aは吸気圧、Sthは理論上のポンプ速度です。これは、ポンプ容量VSと速度nの積です。
（2.7）
同様に、内部リークQiRは次のように計算されます。
（2.8）
ここで、pvは前段真空（前段真空側の圧力）で、SiRは（想定）「リフロー」ポンプ速度です
（2.9）
すなわち、速度nと内部リーク量ViRの積です。
ルーツポンプの容積効率は、（2.10）によって実現されます。
（2.10）
方程式2.5、2.6、2.7、および2.8を使用すると、次の式が得られます（2.11）
（2.11）
圧縮pv/paをkとして指定した場合
（2.11a）
最大圧縮はゼロ処理量で達成されます（PNEUROPおよびDIN 28 426、パート2を参照）。k0：（2.12）として指定されています。
（2.12）
K0はルーツポンプの特性量で、通常は前段真空pVの関数として示されます（図2.18を参照）。
k0はガスの種類にも（わずかに）依存します。
2.18前段真空圧力pvの関数としてのルーツポンプRUVAC WA 2001の最大圧縮k0
ルーツポンプの効率を上げるために、一般的に有効な式（2.13）が適用されます。
（2.13）
通常、ルーツポンプは、公称ポンプ速度SVの下流低真空ポンプと接続して運転されます。連続性方程式の結果：（2.14）
（2.14）
これから（2.15）
（2.15）
比率Sth/SV（ルーツポンプの理論上のポンプ速度 / バッキング ポンプのポンプ速度）は、等級kthと呼ばれます。(2.15)より、(2.16)が得られます
（2.16）
式（2.16）は、容積効率が常に< 1であるため、ルーツポンプで達成可能な圧縮kは、ルーツポンプとバッキングポンプの間の等級kthよりも常に低くなければならないことを意味します。方程式（2.13）と（2.16）を組み合わせると、効率についてはよく知られた式（2.17）が得られます。
（2.17）
式2.17で検出される特性量は、ルーツポンプとバッキングポンプの組み合わせの場合のみ、ルーツポンプの最大圧縮k0とルーツポンプとバッキングポンプの間の等級kthです。
上記の方程式を使用して、ルーツポンプとバッキングポンプの特定の組み合わせのポンプ速度曲線を計算することができます。このためには、次のことがわかっている必要があります。
a）ルーツポンプの理論上のポンプ速度：Sth
b）前段真空圧力の関数としての最大圧縮：k0（pV）
c）バッキングポンプSV（pV）のポンプ速度特性
計算の方法は、表2.3で、ルーツポンプRUVAC WA 2001/E 250（ガスバラストなしで作動する1段圧縮ロータリープランジャポンプ）の組み合わせに関するデータを示しています。
表2.3右側の2つの列から得られた値は、WA 2001/E250の組み合わせのポンプ速度曲線をポイントごとに示しています（図2.19、一番上の曲線を参照）
この場合、Sthは、次のようになります。
上記の方法は、例えば、ロータリーポンプをバッキングポンプとして、また複数のルーツポンプを直列に接続した場合にも適用できます。最初は、反復法に沿って、バッキングポンプと最初のルーツポンプのポンプ特性を決定し、この組み合わせを2番目のルーツポンプのバッキングポンプと見なします。もちろん、この配置のすべてのポンプの理論的なポンプ速度を把握し、背圧の関数としてのゼロ処理量k0で圧縮することも知っていることが必要です。すでに述べたように、それはどの等級が最も適しているかは真空プロセスによって異なります。バッキングポンプとルーツポンプの両方のポンプ速度が低真空範囲で同じである場合には、これは利点になる可能性があります。
ルーツポンプの電力要件
ルーツポンプ内の圧縮は、外部圧縮によって実行され、等積圧縮と呼ばれます。経験から、次の式がおおよそ成り立つことがわかっています。
（2.18）
ポンプの総出力（いわゆるシャフト出力）を決定するには、次のような機械的動力損失NV（軸受シールなど）を考慮する必要があります。（2.19）
（2.19）
NVにまとめられた動力損失は、経験に基づいて、Sthにほぼ比例します。例：
（2.20）
ポンプの種類とその設計に応じて、定数値の範囲は0.5～2Wh / m3です。
したがって、合計電力は次のようになります。
計算に役立つ対応する数値式は次のとおりです。
（2.21）
pVでは、pa mbar、Sthは3 / h、定数「const.」（定数）は18～72 mbarです。
ルーツポンプの定格荷重
ポンプによって消費される電力量によって温度が決まります。最大許容圧力差pV – paで決定されるあるレベル以上に温度が上昇すると、ローターが熱膨張によりケーシング内で固着する危険性があります。最大許容圧力差Δpmaxは、以下の要因の影響を受けます。前段真空または圧縮圧力pV、バッキングポンプSVのポンプ速度、ルーツポンプの速度n、等級kthおよび送気されるガスの断熱指数κ。Δpmaxは、pVとSVが増加すると増加し、nとkthが増加すると減少します。したがって、前段真空圧と吸気圧の最大差pV-paは、連続運転中にポンプの種類に応じて特定の値を超えないようにする必要があります。この値の範囲は130～50 mbarです。ただし、連続運転時の最大許容圧力差は、短時間で超過する可能性があります。例えば、ガス冷却を使用する特別な設計の場合、連続運転中に高圧差も許容されます。
ルーツポンプで使用するモーターのタイプ
標準フランジ取り付けモーターがドライブとして使用されます。シャフトフィードスルーは、ドライブシャフトを保護するために、耐摩耗性ブッシング上で作動する2つのオイルシールラジアルシャフトシールによってシールされています。あらゆる保護等級、電圧、または周波数のフランジモーターを使用できます。
このバージョンの完全な気密性は< 10-4mbar l s-1です。
10-5 bar l s-1未満の優れた気密性要件の場合、ルーツポンプにはキャンドモーターが装備されています。ローターはポンプのドライブシャフト上の真空に固定され、真空気密の非磁性チューブによってステータから分離されています。ステータコイルは、独自の駆動モーターを持つファンによって冷却されます。したがって、摩耗する可能性のあるシャフトシールは不要になります。高純度、有毒または放射性ガスおよび蒸気を送り込む場合は、キャンドモーターを装備したルーツポンプの使用が特に推奨されます。
許容差圧の維持
標準ルーツポンプの場合、設計上の制約により吸気ポートと排気ポートの間の最大許容圧力差を超えないようにするための対策を導入する必要があります。これは、吸気圧に応じてルーツポンプの出入りを切り替える圧力スイッチか、ルーツポンプのバイパスに圧力差またはオーバーフローバルブを使用することによって行われます（図2.20および2.21）。ルーツポンプのバイパスにオーバーフローバルブを使用することは、より優れた信頼性の高いソリューションです。重りとバネ付きバルブは、特定のポンプの最大許容圧力差に設定されます。これにより、ルーツポンプに過負荷がかからず、どのような圧力範囲でも運転することができます。実際には、これはルーツポンプを、バッキングポンプとともに大気圧でオンにできることを意味します。このプロセスでは、圧力の上昇は複合動作に悪影響を与えません。つまり、このような状況ではルーツポンプはオフになりません。
図2.20バイパスラインを備えたルーツポンプの断面
図2.21真空図–バイパスラインとバッキングポンプが内蔵されたルーツポンプ
プレアドミッション冷却
吸入前冷却機能付きルーツポンプの場合（図2.22）、圧縮プロセスは基本的に通常のルーツポンプと同じです。圧力差が大きくなると、より多くの設置電力が必要になります。これは、指定された速度での吸気ポートと排気ポートの圧力差が正比例し、圧縮で行われる理論的な作業とさまざまな動力損失から構成されます。排気ポートの方向にポンプチャンバーを開いた後、圧縮プロセスは正常に終了します。この時点で、高圧で温められたガスがポンプチャンバーに流れ、移送されたガス量を圧縮します。この圧縮プロセスは、プレアドミッション冷却の場合、事前に実行されます。ローターが排気ポートの方向にポンプチャンバーを開く前に、圧縮および冷却されたガスは、プレアドミッションチャネルを介してポンプチャンバーに流れます。最後に、ローター排気ポートからポンプで送り込まれた媒体を排出します。冷却されたガスは、1段圧縮の場合は大気から取り込まれ、プレアドミッションクーラから取り込まれ、多段ポンプシステムの場合は下流のガスクーラから取得し、予備圧縮を実行して、発生時の圧縮熱を「内部冷却」して除去します。
図2.22プレアドミッション冷却機能を備えたルーツポンプの図
- 吸気ポート
- 排出ポート
- ガスクーラ
- 冷ガスのフロー
