Roots pumps consist of two rotors shaped like figure eights that rotate in parallel axes in opposite directions, pumping gas by trapping it between the rotors as they pass each other without touching. They can rotate at high speeds of 500-3000 rpm depending on size, producing vacuum levels from 15 mbar to 10-5 mbar with flow rates of 50-25,000 L/s. However, they heat up significantly due to friction, requiring cooling systems or pressure cutoff switches to prevent overheating.

1. Engenharia do Vácuo
Tecnologia e projecto de equipamento de vácuo
4. Geração do vácuo
4.2.6 Bombas de lóbulos (“roots”)
Uma bomba de lóbulos (tipo “roots”) é formada por dois rotores em forma de oito que rodam
em eixos paralelos e em sentidos contrários. Durante o ciclo da bomba os rotores entram um
no outro ajustando-se sem se tocarem como indica a figura.
Nestas bombas não existeóleo de vedação o que permite aos rotores velocidades muito
elevadas, da ordem de 500 a 3000 rotações por minuto, conforme o tamaho da bomba. A
velocidade de bombeamento e o vácuo final vão depender da condutância da zona de alta
pressão para a de baixa pressão, correspondente ao espaço entre os rotores e entre os rotores e
estator, sendo desprezável a condutância entre as bases dos rotores e a parede. Em geral a
folga entre os rotores varia entre 5 x 10-2 e 3 x 10-1 mm. A velocidade de bombeamento
também é influenciada pela pressão estabelecida pela bomba rotatória que está à bomba
<<roots>>. Fazendo um vácuo primário inferior a 1 mbar o fluxo entre os rotores passa a ser
molecular. Nesse caso a condutância será constante e só dependerá das dimensões das folgas.
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2. O produto do volume deslocado V pela frequência de rotação f é conhecido por velocidade de
deslocamento Sd e relaciona-se com a velocidade da bomba pela seguinte expressão:
Sb = Sd - Si [3.1]
em que Sb é a velocidade da bomba e Si a perda de velocidade devido à fuga interna para olado
de baixa pressão.
As bombas <<roots>> podem apresentar velocidades de bombeamento entre 50 e 25 000 1 s-1
(3 x 103 a 1,5 x 106 1min-1),e embora sejam usadas normalmente na zona de pressões entre 15
mbar e 10-3 mbar podem atingir 10-5 mbar. A figura 3.12 mostra características típicas das
bombas <<roots>>.
Como estas bombas não usam óleo, a maior parte da potência desenvolvida para comprimir o
gás vai aquecer os rotores. A potência de aquecimento P é dada por
P = C r S1 (p2 - p1) [3.2]
em que C r é um factor de porporcionalidade, S1 a velocidade de bombeamento da <<roots>> e
p1 e p2 as pressões à entrada e à saída da <<roots>>. Se S2 for a velocidade da bomba rotatória
associada temos
S2 p2 = S1 p1 = Q [3.3]
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3. Características de uma bomba de lóbulos em associação com uma bomba de pré-vácuo sem
balastro e com balastro
Substituindo na expressão [3.2] obtém-se
P = C r S1 p1 ( S1 - 1) [3.4]
S2
A potência desenvolvida, e portanto o aquecimento, só diminui se a pressão à entrada da
<<roots>> diminuir, ou se a velocidade da bomba rotatória S2 aumentar.
Conclui-se também que o maior aquecimento se dá a altas pressões, portanto no começo do
bombeamento. Se a bomba funcionar durante bastante tempo acima de uma pressão crítica que
está que está compreendida entre 3 2 40 mbar, os rotores dilatar-se-ão devido ao aquecimento
e a bomba pode gripar. Têm sido utolizados vários sistemas de protecção que, ou por circulação
de óleo no eixo, neste caso oco, ou por arrefecimento do gás à saída, diminuem a temperatura
dos rotores. O mais simples é, porém, utilizar um interruptor sensível à pressão, que acima da
pressão crítica desliga a <<roots>> e abre uma válvula que liga a bomba rotatória directamente
ao sistema a evacuar.
Para o cálculo da associação da bomba rotatória, basta considerar que a quantidade de gás que
sai da bomba de lóbulos, Q = S1 p1, é igual à que é bombeada pela bomba rotativa, Q = S2 p2,
isto é,
S1 p1 = S2 p2.
A razão de compressão da bomba de lóbulos corresponde a
e, portanto, se a razão de compressão for grande será necessária uma bomba rotativa com uma
velocidade relativamente pequena.
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4. © 2007 Orlando Teodoro, Ana Rita Canário e A.M.C. Moutinho
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