水封式真空ポンプ

水封式真空ポンプは、ポンプヘッド内に封水と呼ばれる水を入れ、インペラーの遠心力で水のリングを作ることにより、ポンプヘッド内に真空状態を生み出すポンプです。

液体を含んだガスの吸引に使用することができ、プラスチックの再生工場や窓枠成形の押出機、プラスチック成型の押出機、または医療現場での滅菌装置や食品業界では撹拌充填など広い分野で使用されています。

スペック社ではこの水封式真空ポンプを長年の間、開発・製造を行い続け、ヨーロッパでは医療業界・飲料業界・樹脂窓枠メーカーなどを中心に幅広い分野で使用されています。

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水封式真空ポンプの稼働原理

 

水封式真空ポンプで重要になってくるのはポンプ内に入れる封水と呼ばれる液体です。上図のようにポンプヘッド内の封水がインペラーの回転と共に水のリングを三日月状に形成します。この水のリングが容積式ポンプのように、ポンプ内に入ってくるガスを吸い込み、圧縮し、吐き出すという一連の動作を担います。ガスはinlet opening(吸入口)から入り、圧縮され、outlet opening(吐き出し口)から吐き出されます。

 

 

また水封式真空ポンプには既にこの封水が使われていますので、水分を含むガスも吸引・排出することができます。例えば、プラスチック成型に使われる押出機などに水封式真空ポンプは使われていますが、プラスチック原料に含まれる水分も一緒に吸引するため、水封式真空ポンプが使われます。

 

 

稼動に原理に戻りますと、インペラーが回転するとケーシング内に水のリングを形成します。この水のリングとインペラーの間の面積は常に変化します。これは容積式ポンプの原理と同じです。ここでの水はガスを押し出すピストンのような役割を果たし、インペラー間の空間はそれを包む型のような役割をします。吸入口から入ったガスは圧縮されて、排出口より押し出されます。これが水封式真空ポンプの稼働原理です。

 

バルブフラップ構造-水封式真空ポンプの性能を高真空時にも低真空時にも最適に保つ

フラップバルブ構造は水封式真空ポンプにおいて「真空ポンプの性能を高真空時・低真空時のどちらでも最適に出せるようにするための排気口」です。

 

■フラップバルブの役割
外部(インターケーシング-接続間)との気圧差を利用して、吐き出し口を状況によって大きくしたり、小さくすることで真空ポンプのパフォーマンスを最適に保つ役割をします。

・固定の排出口(outlet opening)しかなければ、高真空時(内部のガスが圧縮されている状態)ではそこまで排気される空気はないので、真空ポンプのパフォーマンス性能に影響はないが、低真空時(内部のガスが圧縮されていない状態)では排気されるべき空気も多いのに、対する吐き出し口が小さいため、パフォーマンス性能に悪影響が出てしまう。

・反対に吐き出し口が大きくなれば、排気口が大きくなるため低真空時の排気パフォーマンスは良くなるが、これでは高真空に到達しなくなる。なぜならガスを圧縮するまでの時間が掛かりすぎて、吐き出しが早く始まってしまうから。

・そこで、このフラップバルブ部の可変吐き出し口をつける事で、もし外部(ケーシング-接続間)のガス圧縮が終了していなければ、ポンプ内部の気圧は外部(ケーシング-接続間)よりも低くなりフラップバルブは閉まる。→高真空度に達するしパフォーマンス性能も問題ない。

もし外部のガス圧縮が終わっていれば、フラップバルブは開いている。なぜなら、内部の気圧は外部よりも高くなっているため。→内部は低真空度になっており、排気もしっかりする。性能パフォーマンスもいい。

 

封水の給水

水封式真空ポンプはポンプヘッド内の水がシールの役割を果たし、吸引したガスを圧縮・排気しているため、この封水の温度というものが重要になってきます。スペック社水封式真空ポンプではこの封水の温度を15℃以下に保つように推奨しています。何もしなければガスの圧縮を繰り返すこの封水の温度は上がり続け、水封式真空ポンプの性能に悪影響が出るからです。具体的には、最高到達真空度が落ち、ガスの排気量も下がってしまいます。常に封水の温度が上昇していないか、15℃以上に上がっていないかをチェックすることが水封式真空ポンプでは重要です。

 

封水温度を15℃以下に保つには主に下記の3つの方法があります。

①常時、温度の上がった封水は外に排出して捨て、新しい水を供給し続ける

→常に新しい水を供給し続けるので確実に冷えた封水を使う事はできますが、大量の水を使うことになります。

②外に排出した封水の一部は、新しい水と一緒に再利用する

→封水を再利用しているので節水にはなりますが、冷える温度は小さくなります。

③外に排出した封水は、熱交換器を通して再度冷却をして、再びポンプヘッド内に入れる

→供給水を節水しつつ、水温も確実に15℃以下に抑えるにはこの方法になりますが、封水を冷やすための熱交換器が必要になります。

 

 

 

水封式真空ポンプの性能曲線(真空度と排気量の関係)

水封式真空ポンプは内部の空気スペースの大きさが吸い込める排気量の大きさになっています。

つまり封水に対する空気スペースが大きければ排気量は多くなりますし(900mbarの低真空時)

反対に空気スペースが小さければ排気量は少なくなります(33mbar―高真空時)。

 

例えば、真空ポンプが吸い始めの最初の時間は吸い込む対象物にたくさん空気があるために自然と排気量も大きくなります。この状態は900mbar200mbarの途中です。上図の性能曲線のようにガス排気量(ガスを吸い込む量)は多いです。真空ポンプがたくさん吸い込んでいるので、ポンプ中の空気スペースも大きいですが、それも徐々に対象物から吸い込める量も減っていき、やがてヘッド内のスペースのほとんどが封水が占める割合になる頃には、ガスを吸い込む量が減って来ます。これと同時に空気のスペースも減ってくるためポンプ中の真空度も下がってきます。

 

そして吸い終わりの終盤(=高真空度時 33mbar)では、ほぼ対象物から吸い込める空気量もなくなるので

必然的にポンプ中の空気スペースも小さくなります。つまり封水の面積が増えている状態です。

封水の蒸気圧分の圧力が残りますが、ぎりぎりまで高真空に近づいていきます。

BluVac真空ポンプシステムではこのガスの吸引量が減ったこのタイミングで回転数を下げることで省エネを行います。ほとんど吸い込むガスがなくなった状態であるため、頑張ってインペラーを回して空気のスペースを作る必要がありません。インペラーの回転数を下げて求められる真空度を保つだけで十分です。

 

水封式真空ポンプの調整方法

 

①吸い込み側から追加の空気を入れて真空度と排気量を調整する

これは最も頻度の高い水封式真空ポンプの調整方法です。水封式真空ポンプでは、対象物からどんどんガスを吸引して行けば、最後にはガスが対象物に残らない状態になり、水封式真空ポンプ自体も、最高真空度に達してしまいます。これよりもやや真空度を落としたいという時には、外部より追加の空気を水封式真空ポンプ内に入れてあげることでポンプの稼動点を動かすことができます。

 

 

②水封式真空ポンプの回転数を変えて、真空度と排気量を調整する

モーターの回転数を変えれば、水封式真空ポンプの性能も変わります。50Hz回転数から40Hz、35Hzと落としていけば、下図のように真空度とガス排気量は落ちていきます。水封式真空ポンプではこのようなインバーターによる回転数制御はほとんど行われず、省エネが行われていませんでしたが、回転数を落としても問題ない使用点を把握できれば、大きな省エネにつながります。これを実現したのがインバーター使用水封式真空ポンプであるBluLineです。

 

水封式真空ポンプのキャビテーション防止

水封式真空ポンプにはキャビテーション防止用の口がヘッドカバー面に付いています。例えば、医療機器用の滅菌装置などに水封式真空ポンプは使われているのですが、その際に真空ポンプ100℃オーバーのスチームを吸いこんだりします。それに対しポンプ内の封水温度はは15℃周辺の冷水です。かつ、ポンプ内は真空に近い状態までガスを排気していますので、封水が蒸発しようとする力を抑え込むための圧力がありません。封水温度が少し上がっただけでキャビテーション(沸騰)が起こりやすい環境にあります。キャビテーションが起これば、メカニカルシール(漏れ)・インターケーシング(クリアランスが少し狂うだけでも真空が立たなくなる)にダメージが怒ります。キャビテーション防止口から空気をヘッド内に戻す事で、ヘッド内のキャビテーションを防ぎます。

つまり、滅菌機の真空ポンプは最初からせき込みながら、ガスを吸引しているものである。

ゆえに、1年に1度はケーシングやメカシの交換が必要である。

UC キャビテーション防止口

UB 封水供給口

UE 排水口

メンテナンス

スペック社 水封式真空ポンプVIシリーズはカバーを開けるとインペラーを取り外せる構造になっています。

通常のVシリーズなどは、まずインターケーシングがあり、ケーシングを取ってその先に固定されているインペラーを外さなくてはなりませんが、VIシリーズはフリーインペラーのため工具を使わずにインペラー・インターケーシングを取り外せます。

目的・問題から水封式真空ポンプを探す

 

スペックの水封式真空ポンプでは下記の3つの能力を軸に、それぞれの用途に合ったポンプを選定いたします。

1  吸引可能な水処理量 

2  ガスの吸引能力を示す排気量  

3  メンテナンスのしやすさ

グラフ

Vシリーズ VIシリーズ VNシリーズ VZシリーズ VGシリーズ VHCシリーズ BluVac BluLine 真空ポンプ

水封式真空ポンプ オールラウンダー Vシリーズ、排気量・水処理能力・メンテナンス性のバランスが取れた水封式真空ポンプです。

【Vシリーズ】

  1. 吸引可能な水処理量  
  2. ガスの吸引能力を示す排気量  
  3. メンテナンスのしやすさ 

この3点を高水準で兼ね備えたオールラウンダー水封式真空ポンプです。このVシリーズがスペック社の水封式真空ポンプの全てのスタンダードになります。

水封式真空ポンプ 簡単メンテナンス VIシリーズは、構造によりメンテナンスが簡単な水封式真空ポンプです。

【VIシリーズ】

VIシリーズは 特に 3 メンテナンスのしやすさ に力を入れている水封式真空ポンプです。インペラーが固定式ではないフリータイプのため、厄介なクリアランス調整が必要ありません。全ての水封式真空ポンプの中で最もメンテナンス性に特化した製品です。また水封を作り出すための封水の量もVシリーズの半分で足りる節水型の水封式真空ポンプです。 但し、水処理用と排気量はVシリーズに劣ります。

 

【VNシリーズ】

VNシリーズは特に 1、吸引可能な水処理量 に特化した水封式真空ポンプ です。Vシリーズの約2倍の水を吸引・処理する事ができます。その秘密はスペック社が特許を取得したポートシリンダーにあります。これにより、最大10m3/h の水を処理する事ができるのです。水をたくさん含んだガスを処理するにはこちらのVNシリーズをお勧めします。また、排気量もVシリーズと同等です。但し、最高到達真空度はVシリーズよりも劣ります。

左の図にもありますように、VN型ポンプは他の水封式真空ポンプに比べて許容できる水量が大きいのが特徴です。

水封式真空ポンプ 2段インペラー VZシリーズは、インペラーを2段構造にしたことにより、高真空時にも高い排気量を得られる真空ポンプです。

【VZシリーズ】

VZシリーズはインペラーが複数枚付いている、多段式の水封式真空ポンプです。高真空時のガス排気量が最も高いタイプです。医療品業界の滅菌機装置などで使われています

【VGシリーズ】

VGシリーズは食品工場で問題となるポンプヘッド内のスケールの溜まりを解消した水封式真空ポンプです。ポンプヘッド前面のデッドスペースをなくしフラットな面にする事で食品の吸引で用いる際の汚れの溜まりを起こりにくくします。 3.メンテナンスのしやすさ に特化した水封式真空ポンプです。水処理能力もVシリーズよりも高く、ガス排気量もVシリーズと同等です。但し、最高到達真空度はVシリーズよりも劣ります。

【VHCシリーズ】

スペック水封式真空ポンプの最新モデルがこのVHCシリーズです。二段式インペラーの構造により、より大きなガスの吸引が可能です。大排気量に付き物であったクロスパイプを取り除くことに成功しよりコンパクトなサイズになっています。またヘッド内のインターケーシングもステンレス標準で、真空度の低下を招く錆にも強い構造になっています。

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