ルーツ真空ポンプは、シンプルでありながら非常に効率的な原理で動作します。内部機構は、ポンプ室内でガスを圧縮することなく、入口から出口へとガスを移動させます。このプロセスは、複数の主要部品が完璧に調和して同期して動作することで実現されます。
4段階の動作サイクル
ポンプ動作は4段階の連続サイクルで行われ、毎分数千回繰り返されます。現代のローターは毎分3,000～6,000回転の速度で回転します。この高速回転により、ポンプは大量のガスを非常に速く移動させることができます。
吸入：2つのローブローターが反対方向に回転すると、ポンプの吸入口に空間が開きます。真空チャンバーからのガスはこの膨張した空間に流れ込みます。
遮断：ローターローブの先端が吸気ポートを通過します。この動作により、ローターとポンプハウジングの間に一定量のガスが閉じ込められます。
移送：閉じ込められたガスポケットは、ハウジング内部を横切って出口に向かって掃引されます。ルーツ真空ポンプの重要な特徴は、移送中にガスを圧縮しないことです。この非接触・オイルフリーの動作により、微量の粉塵や水蒸気の影響を受けにくくなっています。
排気：ローターは回転を続け、ガスポケットを出口ポートに露出させます。その後、ガスは排気管に流れ込み、補助ポンプによってシステムから排出されます。このサイクルが繰り返され、ガスは入口から出口へと継続的に移動し、システム圧力が低下します。
注意: ルーツポンプは多くのガスに対して非常に効率的ですが、他のポンプタイプと比較すると、水素などの非常に軽いガスに対する吸引能力は低くなります。
主要コンポーネントとその機能
ルーツポンプの信頼性の高いパフォーマンスは、高精度に設計されたいくつかの重要なコンポーネントに依存します。
ローター：ポンプには、2つの連結されたローブ型ローター（多くの場合、8の字型）が搭載されています。これらのローブの形状、つまりプロファイルは、性能に直接影響します。様々な設計により、ポンプ速度と効率のバランスが取れています。例えば、らせん状のローターは、圧力脈動と動作音を低減するのに役立ちます。

ハウジング（ケーシング）：ローターを囲む外側の筐体です。真空システムと大気間の圧力差に耐えられるよう設​​計されています。ハウジングとローターに使用される材料は、耐腐食性、強度、コストといったアプリケーションの要求に応じて異なります。

タイミングギア：ポンプ室の外側にあるタイミングギアは、2つのローターを同期させ、互いに接触することなく、またハウジングに接触することなく、逆方向に回転することを保証します。この同期は、ポンプの非接触動作の基盤となります。

シャフトシール：シールは真空チャンバーへの空気の漏れを防ぎ、潤滑剤によるプロセス汚染を防ぎます。シールの選択は、必要な真空レベルと用途によって異なります。

正確なクリアランスの重要性

「クリアランス」とは、ローター間、およびローターとハウジング間の計算された微小な隙間を指します。この隙間こそがポンプの成功の秘訣です。ローターは摩擦なく高速回転することができ、多くの利点をもたらします。
高速起動
低消費電力
高いポンピング速度
低い運用・保守コスト
しかし、これらのクリアランスは完璧に管理されなければなりません。ポンプは運転中に熱を発生します。この熱によって金属部品が膨張し、これを熱膨張といいます。ローターとハウジングが膨張すると、それらの間のクリアランスは縮小します。
警告：熱膨張や不適切な組み立てによりクリアランスが小さくなりすぎると、ローター同士またはハウジングに接触する可能性があります。これは摩擦、部品の損傷、モーター負荷の増加、そしてポンプの焼付きにつながる可能性があります。逆に、クリアランスが大きすぎると、ガスが出口から入口へ逆流し、ポンプの効率が著しく低下します。
適切なエンジニアリングと材料の選択により、ルーツ真空ポンプは動作温度範囲全体にわたって最適なクリアランスを維持し、信頼性が高く効率的なパフォーマンスを実現します。