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ロータリーベーンポンプはどのように機能しますか?

油封ロータリーポンプの作動原理

容積型真空ポンプは一般に真空ポンプであり、ピストン、ローター、ベーン、バルブなどを使用してポンプでガスを吸い込み、圧縮されてから排出されます。ポンププロセスは、ポンプ内のピストンの回転運動によって行われます。オイルおよびドライ圧縮容積型ポンプを区別する必要があります。シーリングオイルを使用することで、1段圧縮の最大約105の高圧縮比を達成できます。オイルを使用しないと、「内部の漏れ」が大幅に増加し、対応可能な圧縮比は約10以下になります。

分類表2.1に示すように、油封容積型ポンプには、1段圧縮および2段設計のロータリーベーンポンプとロータリープランジャポンプ、および現在は歴史的に重要な1段圧縮トロコイドポンプが含まれています。このようなポンプにはすべて、1935年にゲーデが初めて詳細に説明したガスバラスト設備が装備されています。指定された工学制限内で、ガスバラスト設備は、ポンプ内の蒸気を凝縮することなく蒸気（特に水蒸気）をポンプ移送できます。

Leybold - Vacuum Fundamentals graphics

表2.1真空ポンプの分類

ロータリーベーンポンプ（TRIVAC B、TRIVAC E、SOGEVAC）

ロータリーベーンポンプ（図2.6を参照）は、円筒形ハウジング（ポンピングリング）（1）で構成され、その中で偏心して吊り下げられた溝付きローター（2）が矢印の方向に回転します。ローターにはベーン（16）があり、通常は遠心力で外側に押し出されますが、また、ベーンがハウジング内でスライドするようにスプリングによって押し出される場合もあります。吸気口（4）から入るガスはベーンによって押し出され、最終的にオイルシール排気バルブ（12）によってポンプから排出されます。

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図2.6 1段圧縮ロータリーベーンポンプ（TRIVAC B）の断面

  1. 吸気ポート
  2. ダートトラップ
  3. アンチサックバックバルブ
  4. 吸気ダクト
  5. ベーン
  6. ポンプチャンバー
  7. ローター
  8. オリフィス、不活性ガスバラスト用接続
  9. 排気ダクト
  10. 排気バルブ
  11. スプリング
  12. デミスタ
  13. オリフィス。オイルフィルタ用の接続

TRIVAC B範囲（図2.6）には180°オフセットされたベーンが2つしかありません。ベーンは、スプリングを使用せずに遠心力によって外側に押し出されます。周囲温度が低い場合、これにはより薄いオイルを使用する必要がある場合があります。ポンプには、圧力潤滑用のギヤオイルポンプがあります。TRIVAC Bシリーズには、特に信頼性の高いサックバック防止バルブが装備されています。吸気ポートと排気ポートの水平または垂直配置です。オイルレベル点検窓とガスバラストアクチュエータはすべてオイルボックスの同じ側にあります（使いやすい設計）。TRIVAC BCSシステムと組み合わせることで、半導体用途向けに設計された非常に包括的なアクセサリーを搭載することができます。ロータリーベーンポンプのオイルリザーバ、および他の油封式容積型ポンプのオイルリザーバは、潤滑およびシールの目的、およびデッドスペースと溝を埋める役割も果たします。これにより、冷却目的などのガス圧縮の熱が除去されます。オイルはローターとポンプリングの間にシールを提供します。これらの部品は、直線（シリンダジャケットライン）に沿って「ほぼ」接触しています。オイルシール面の面積を増やすために、いわゆるシーリング経路がポンピングリングに組み込まれています（図2.4を参照）。これによりシール性が向上し、高い圧縮比または低い到達圧力が得られます。

TRIVAC Bロータリーベーンポンプの作動を紹介しているポンプの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

Leybold TRIVAC B - Function principles

ロータリーベーンポンプの圧力範囲

ライボルトは、さまざまな範囲のロータリーベーンポンプを製造しており、これは、高い吸入圧力、低い到達圧力、半導体業界の用途など、さまざまな用途に特化しています。これらの範囲のより重要な特性の概要を表2.2に示します。TRIVACロータリーベーンポンプは、2段（TRIVAC D）ポンプとして製造されます（図2.7を参照）。2段油封ポンプにより、対応する1段圧縮ポンプよりも低い運転圧力と到達圧力を実現することができます。これは、1段圧縮ポンプの場合、オイルが外気と接触することは避けられないためで、ガスを取り込み、一部が真空側に逃げてしまい、到達が制限されます。ライボルト製の油封2段容積型ポンプでは、すでに脱気されているオイルが真空側の段階（図2.7の第1段階）に供給されます。到達圧力は高真空範囲のほとんどにあり、最低運転圧力は中真空/高真空の範囲内にあります。注記：「高真空」段階（第1段階）は、到達圧力が非常に低いにもかかわらず、オイルがほとんどないか、まったくオイルがない状態で運転すると、実際にはかなりの困難が生じ、ポンプの操作が著しく損なわれます。

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図2.4「デュオシール」とも呼ばれるロータリーベーンポンプのシーリング経路の配置。 一定、シーリング経路全体bの最小クリアランスa

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図2.7 2段ロータリーベーンポンプの断面図、概略図

I 高真空段
II 第2の前真空段
a –バルブストップ
b –バルブのリーフスプリング

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表2.2ロータリー真空ポンプシリーズ

ロータリープランジャポンプ（Eポンプ）

図に示すように、2.9は、シングルブロックタイプのロータリープランジャポンプの断面図です。ここでは、矢印の方向に偏心（3）回転して移動するピストン（2）がチャンバーの壁に沿って移動します。ポンプで送り込まれるガスは、吸気ポート（11）を通ってポンプに流れ、スライドバルブ（12）の吸気チャネルを通ってポンプチャンバー（14）に入ります。スライドバルブはピストン付きのユニットを形成し、ケーシング内の回転可能なバルブガイド（ヒンジバー13）の間を往復してスライドします。ポンプに引き込まれたガスは、最終的に圧縮チャンバー（4）に入ります。回転中、ピストンはオイルシールバルブ（5）から排出されるまで、この量のガスを圧縮します。ロータリーベーンポンプの場合と同様に、オイルリザーバは潤滑、シーリング、デッドスペースの充填、冷却に使用されます。ポンプチャンバーはピストンによって2つのスペースに分割されるため、1回の回転で1つの動作サイクルが完成します（図2.10参照）。ロータリープランジャポンプは、1段圧縮および2段ポンプとして製造されています。多くの真空プロセスでは、ルーツポンプと1段圧縮ロータリープランジャポンプを組み合わせることで、2段ロータリープランジャポンプだけよりも多くの利点が得られる場合があります。このような組み合わせまたは2段ポンプが不適切な場合は、2段ポンプに接続してルーツポンプを使用することをお勧めします。これは、ロータリーベーンポンプおよびルーツポンプを含む組み合わせには適用されません。 

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図2.9 1段圧縮ロータリープランジャポンプの断面積

  1. ケーシング
  2. シリンダ状ピストン
  3. 偏心器
  4. 圧縮チャンバー 
  5. オイルシール圧力バルブ
  6. オイルレベルサイトグラス
  7. ガスバラストチャネル
  8. 排気ポット 
  9. ガスバラストバルブ
  10. ダートトラップ
  11. 吸気ポート
  12. スライドバルブ 
  13. ヒンジバー
  14. ポンプチャンバー（空気が流入している）
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図2.10ロータリープランジャポンプの作動サイクル

  1. 上死点
  2. スライドバルブの吸引チャネルのスロットが解放され、吸引時間が始まります
  3. 下死点–吸引チャネルのスロットはかなり空いており、ポンプで送り込まれたガス（矢印）がポンプチャンバーに自由に入ります（影付きで表示）
  4. 吸引チャネルのスロットは、ヒンジバーを回転させて再度閉じます–吸引時間の終わり 
  5. 上死点-回転するピストンとステータの間の最大スペース
  6. 圧縮期間の開始直前に、回転プランジャの前面がガスバラスト開口部を解放します–ガスバラスト入口の開始
  7. ガスバラストの開口部は非常に自由
  8. ガスバラスト入口の端 
  9. ポンピング時間の終了

ロータリーベーンポンプおよびロータリープランジャポンプのモーター出力

ロータリーベーンポンプおよびロータリープランジャポンプに付属するモーターは、周囲温度が12℃（53.6℉）のとき、および特殊オイルを使用して最大出力要件（約400 mbar）を満たすときに十分な電力を供給します。ポンプの実際の運転レンジ内では、ウォームアップポンプのドライブシステムは、取り付けられているモーター出力の約3分の1のみを供給する必要があります（図2.11を参照）。

Fig . 2.11 Motor power of a rotary plunger pump (pumping speed 60 m3/h) as a function of intake pressure and operating temperature. The curves for gas ballast pumps of other sizes are similar.

図2.11ロータリープランジャポンプ（ポンプ速度60 m3/h）の吸気圧および作動温度に応じたモーター出力。他のサイズのガスバラストポンプの曲線も同様です。

  1. 動作温度曲線1 - 32℃（89℉）
  2. 動作温度曲線2 - 40℃（104℉）
  3. 動作温度曲線3 - 60℃（140℉）
  4. 動作温度曲線4 - 90℃（194℉）
  5. 断熱圧縮の理論曲線
  6. 等温圧縮の理論曲線

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