ルーツ真空ポンプ：動作原理、用途、選定ガイド

ルーツ真空ポンプとは何ですか?またその仕組みは何ですか?

あ ルーツ真空ポンプ — ルーツ ブロワーまたはブースター ポンプとも呼ばれる — は、中程度の真空レベル、通常は 1 mbar と 100 mbar 。油封式ロータリーベーンポンプとは異なり、完全にドライで動作するため、汚染に敏感なプロセスに最適です。

動作原理は、公差の厳しいケーシング内で正確に同期して逆回転する 8 の字型の 2 つのローブ ローターに基づいています。ガスは各ローターのローブとハウジングの壁の間に閉じ込められ、ポンプ自体の内部で圧縮されることなく入口ポートから出口ポートに移動します。ローターが互いに接触したり、ケーシングに接触したりすることがないため、内部潤滑の必要がなく、通常、高い回転速度でも摩耗が最小限に抑えられます。 1,450～3,000rpm .

ルーツポンプはそれ自体では大気圧から深真空に到達することができません。ステージあたりの圧縮率は低いです。このため、ほぼ常に、ロータリー ベーン、ドライ スクリュー、液封ポンプなどの補助ポンプと組み合わせて、大まかな真空範囲に対応します。ルーツユニットは上流に位置し、システム圧力がすでにポンプの動作ウィンドウまで引き下げられると、スループットを大幅に向上させます。

評価すべき主要なパフォーマンスパラメータ

適切なルーツ真空ポンプを選択するには、相互に依存するいくつかの仕様を明確に理解する必要があります。

• 排気速度 (m3/h または CFM): 入口における体積流量。ルーツポンプは、その高い排気速度によって正確に評価されています。一般的な産業用モデルは次のとおりです。 150 m3/h ～ 10,000 m3/h 以上 .
• 到達圧力: 補助ポンプとの組み合わせで達成可能な最低圧力、多くの場合、次の圧力に達します。 5 × 10-3 ミリバール 2段ブースター構成です。
• 圧縮率: 通常はステージごとに 5:1 ～ 10:1 です。より深い真空を得るには、補助ポンプの前に 2 つのルーツ ステージを直列に使用できます。
• 入口圧力範囲: 約 50 mbar 以下でモーターの過負荷が発生する可能性があるため、バイパス バルブまたは周波数制御ドライブを使用せずにポンプを大気に対して始動してはなりません。
• 温度上昇: 出口で圧縮が発生するため、連続運転中にポンプ本体が大幅に発熱する可能性があります。デューティサイクルに応じて、水冷または空冷のハウジングが利用可能です。

以下の表は、1 段ルーツ ブースター構成と 2 段ルーツ ブースター構成の間の一般的なパフォーマンスの比較をまとめたものです。

さまざまな分野の産業用途

Roots 真空ポンプは、高スループット、クリーンな動作、耐久性の組み合わせにより、多くの業界で主力製品となっています。

半導体およびエレクトロニクス製造

化学蒸着 (CVD)、物理蒸着 (PVD)、およびエッチング チャンバーはすべて、高い排気速度と炭化水素を含まない真空の両方を必要とします。 Dry Roots ブースター システムは、ウェーハの歩留まりを損なう逆流油汚染のリスクを伴うことなく、これらの要件を満たします。

医薬品および食品加工

フリーズドライ (凍結乾燥) は製薬業界で最も要求の厳しい真空用途の 1 つであり、 持続的な排気速度 氷点下の温度で生成物から水を昇華させるために、低いmbarの範囲で。水蒸気耐性とオイルフリー動作の両方が重要であるため、液封ポンプと組み合わせたルーツブースターが標準的なソリューションです。

冶金と熱処理

焼結、アニーリング、ろう付け用の真空炉では、大気圧からプロセス圧力まで急速にポンプダウンする必要があります。ルーツポンプの排気量が大きいため、ロータリーバッキングポンプのみを使用する場合に比べてサイクルタイムが大幅に短縮され、バッチあたりのスループットとエネルギー効率が直接的に向上します。

化学および石油化学蒸留

エッセンシャルオイル、脂肪酸、ビタミン抽出物などの熱に弱い化合物の分子蒸留は、熱による劣化を防ぐために沸騰温度を十分に低く保つために、1 mbar 以下の圧力で行う必要があります。ルーツブースターは、多くの場合多段構成で、この精密化学分野を可能にする技術です。

ルーツ真空ポンプと他の真空技術の比較

より広範な真空技術の中でルーツ ポンプがどこに当てはまるかを理解することは、エンジニアが正しいシステムを選択するのに役立ちます。

• 対ロータリーベーンポンプ: ロータリーベーンポンプはオイルシールされており、中程度の真空 (約 10-3 mbar まで) のスタンドアロンユニットとして適切に機能します。ベーンポンプの前にルーツブースターを設置すると、実効排気速度を向上させることができます。 5～10× 中真空範囲では、追加の複雑さと資本投資を犠牲にします。
• 対ドライスクリューポンプ: ドライスクリューポンプは大気から微真空までスタンドアロンで動作できるため、半導体工場での使用がますます増えています。中真空段階でのスループットを最大化するために、ルーツブースターは今でもスクリューポンプの前に追加されることがよくあります。
• 対水封ポンプ: 液封ポンプは湿ったガスや凝縮性ガスに対しては堅牢ですが、低真空 (通常は 20 mbar 以上) に制限されます。ルーツブースターは、液封式補助ポンプと組み合わせると、達成可能な真空範囲を大幅に拡張します。
• 対ターボ分子ポンプ: ターボ分子ポンプは高真空および超高真空範囲 (10-3 mbar 以下) に対応しますが、それ自体にルーツポンプまたはドライスクリューバッキングポンプが必要です。直接大気中に排出することはできません。

したがって、ルーツポンプは、次の圧力を対象とするほぼすべての工業用真空システムにおいて重要な中間の位置を占めています。 1 mbar と 100 mbar 、粗真空ステージと精密真空ステージの間の高スループットのブリッジとして機能します。

メンテナンスのベスト プラクティスと一般的な障害モード

ローターは、半径方向および軸方向の隙間が狭い状態で動作するため、多くの場合、 0.1～0.3mm — これらのクリアランスを維持することが、ルーツポンプのメンテナンスにおける中心的な課題です。

• ギアオイル交換： サイドカバー内のタイミングギアはガス経路とは別に潤滑されます。オイルは毎回交換する必要があります 2,000 ～ 4,000 稼働時間 メーカーの仕様とプロセスの汚染レベルによって異なります。
• シャフトシールの検査: リップシールまたはラビリンスシールは、プロセスガスがギア室へ、またはその逆に移動するのを防ぎます。シールが摩耗すると、相互汚染が発生し、ポンプ性能が低下します。
• ローターの堆積物: 凝縮性蒸気や反応性ガスを伴うプロセスでは、ローター表面に堆積物が蓄積し、クリアランスが狭くなり、最終的にはローターとの接触、つまり致命的な故障を引き起こす可能性があります。定期的な溶媒のフラッシングまたは乾燥窒素パージ手順により、蓄積を防ぐことができます。
• ベアリングの振動モニタリング: ベアリング ハウジングの加速度計によって測定される振動の増加は、ベアリングの摩耗、ローターの不均衡、または破片の取り込みの早期警告指標となります。
• バイパスバルブ機能: サックバック防止バルブまたはバイパスバルブは、ルーツポンプが最大入口圧力定格を超えて閉鎖システムに対して始動しないように、定期点検のたびにチェックする必要があります。

適切なメンテナンスを行うことで、適切に仕様化されたルーツ真空ポンプは、 20,000時間以上の信頼できるサービス 大規模なオーバーホールが必要になる前に使用できるため、ライフサイクル全体で最もコスト効率の高い真空ソリューションの 1 つとなります。