JP2004353672A - 真空ポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価且つ小型でありながら高い信頼性および長寿命という要求事項を満たすことができる高圧用機械ポンプ装置を提供する。
【解決手段】本発明は、電動機を備えたオイル機械真空ポンプと、前記電動機に電力を供給する電子制御装置とを含む真空ポンプ装置に関する。前記制御装置は、少なくとも一つのポンプ動作パラメータの関数として、及びポンプ動作条件に依存して変更可能な少なくともひとつの閾値の関数として、前記電動機に電力を供給する電圧信号S_Uの励起周波数F_eccを制御する手段を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は真空ポンプ装置に関する。更に詳しくは、本真空ポンプ装置は、電動機を備えたオイル機械真空ポンプと、ポンプ電動機に電力を供給する電子制御装置とを含む。

通常、オイル回転機械（メカニカル）ポンプは、大気圧から１０^-1Ｐａ位迄の圧力範囲の低真空条件を生成する場合に使用される。
従来の機械ポンプは、吸引口と排気口とを有するハウジングを含む。ハウジング内部に設けられた固定子（ステータ）が円筒状室を形成し、該室に於いて、偏芯して設けられた円形回転子（ロータ）に、ばね付勢された放射状羽根部材が設けられている。オイル浴に浸漬されて、冷却されると共に給油され、且つ、外部環境から遮断されている。

これらのポンプは、オイル温度が低いので、冷間加速の場合大きなトルクを必要とする。これにより、電動機に電力を供給する電子制御ユニット及び電動機自身に歪みを生じる。
真空ポンプ装置として、ポンプの電動機を駆動するために可変周波数出力信号を供給することができる電子制御装置を含むものも知られている。
これらのシステムは、特に高真空分野では一般的なものであるが、真空ポンプを回転させる電動機に電力を供給する電圧信号の励起周波数に作用を及ぼすので、電動機の回転速度ひいてはポンプのポンプ速度にばらつきを生じさせることになる。

一般的に、高真空ポンプ装置において、真空ポンプ起動段階、特に加速状態の間、励起周波数を変動させて加速トルクを制限すると有利である。
起動段階に於いて、真空ポンプは通常、安定状態での吸引圧よりもかなり高い圧力である大気圧で空気を吸引する。その結果、加速トルクはきわめて高くなり、ポンプの安定状態の場合に要求されるよりも高い性能で電動機を使用することが余儀なくされる。

可変周波数出力信号で制御装置を使用すると、ポンプを相対的に遅い速度で起動させることができるので、加速トルクを低減させることができ、これにより、真空ポンプの安定状態に適した性能の電動機を使用することが可能となる。このような電動機は価格がより安価でかつ扱いやすいものである。
この種の電子制御装置は、下記特許文献１及び下記特許文献２に開示されている。
米国特許第４，６６４，６０１号明細書 米国特許第５，１１０，２６４号明細書

そこで、本発明の目的は、安価且つ小型でありながら高い信頼性および長寿命という前記要求事項を満たすことができる高圧用機械ポンプ装置を提供することである。
本発明の別の目的は、小型且つ安価でありながら従来システムよりも高い真空度に到達できる機械ポンプ装置を提供することにある。
上記及びその他の目的は、添付の特許請求の範囲に記載の本発明に係る真空ポンプ装置により達成される。

本発明にかかる真空ポンプ装置において、電子制御装置は、マイクロプロセッサーで制御され且つ可変周波数信号でポンプ電動機を駆動することができる周波数変換器を含む。
上記電子制御装置は、電源からの単相固定周波数ＡＣ信号を、電源周波数とは独立した周波数の３相ＡＣ信号へ変換することができるという利点がある。したがって、電源周波数により定められる速度とは異なるポンプ速度を得ることができる。更に詳しくは、本発明のポンプ装置へ組み込んだオイル機械ポンプは、同一特徴を有するポンプよりも速い速度を達成することができる。換言すれば、本発明に係るポンプ装置を使用することにより、小型で安価なポンプにより高速ポンプ速度を達成することができる。

更に、本発明に於いて、ポンプが接続される電源の周波数の如何にかかわらず（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）、同一のオイル機械ポンプに対して同一性能が達成されるという利点がある。
前記オイル機械ポンプを始動させる場合、電動機は、極めて低い値から徐々に増大する周波数に基づき始動及び加速されて、加速トルク及び電力消費を所定の閾値を下回るように維持することができる。

本発明に係るポンプ装置の非限定的な実施形態を、添付図面を参照に以下詳細に説明する。
図１に於いて、本発明に係る真空ポンプ装置は本質的に、電動機Ｍを備えたオイル機械真空ポンプＰと、電子制御装置Ｃとを含む。
制御装置Ｃは、電源Ｒから電力供給されて、電圧信号Ｓ_Uにより電動機Ｍに対して電力を供給する。真空ポンプＰの吸引口は、真空状態が生成される真空室ＣＶと連通している。

図２に示すように、真空ポンプＰは、オイル機械ポンプであり、ハウジング１を含み、このハウジング１には、好ましくは円形断面の円筒状室７が形成されている。該室は円筒状回転子９を収容しており、この回転子９の軸芯は、円筒状室７の軸芯に関して、平行であるが偏芯して設けられている。半径方向移動可能なひとつ又は複数（本実施形態では２つ）の放射状羽板部材１１が、回転子９に装着されているとともに、ばね１３により円筒状室７の壁に対して保持されている。

吸引口３から吸引される気体は、円筒状室７に入り、該室７に於いて羽板部材１１により押圧及び圧縮され、排出口５を介して排出される。ハウジング１は、冷却流体及び潤滑材として作用するオイル浴１５に浸漬されている。かなりの量のオイルが円筒状室７内部に浸透して回転子９の羽板部材１１と円筒状室７の壁との間に気密状態を確保する薄膜を形成するように、ポンプは周知の方法で形成されている。

更に、温度検出器１７がオイル浴１５内部に浸漬されていて、制御装置Ｃに対して温度を示す電気信号を提供するとともに、ポンプ電動機の駆動周波数を制御し得るようにしている。これについては以下説明する。
図１を参照して、制御装置Ｃは周波数変換器を含み、この周波数変換器は、一般的に固定周波数（ヨーロッパに於いては５０Ｈｚ、アメリカに於いては６０Ｈｚ）の単相ＡＣ信号である電源からの入力信号Ｓ_Iを、可変周波数の３相ＡＣ出力信号Ｓ_Uに変換することができるものであり、この出力信号Ｓ_Uにより電動機Ｍに電力が供給される。

図３を参照して、真空ポンプ電動機に動力を供給する信号を制御するアルゴリズムを詳細に説明する。
本発明に於いて、ポンプＰの電動機Ｍに対して電力を供給する信号Ｓ_Uの励起周波数Ｆ_eccと等価電圧Ｖ_setとは、供給することができる最大電力Ｐ_MAXとポンプの測定電流消費Ｉ_measDCとに依存して励起周波数F_eccと等価電圧Ｖ_setとを変動させる制御アルゴリズムに基づいて、調節される。

等価電圧Ｖ_setと励起周波数Ｆ_eccとの調節は、所定時間間隔、例えば１０ms毎に行われる（ステップ１００）。
ステップ１０１に於いて、等価電圧は下記式にて求められる：
Ｖ_set = Ｆ_ecc・K_V
ここで、K_Vは、ボルト／ヘルツ（Ｖ／Ｈｚ）で表現され且つポンプ装置の特徴に依存する定数である。 例えば、１３５Ｖの電動機を備えたポンプ装置の場合、この定数は５Ｖ／Ｈｚであってもよい。

ステップ１０３に於いて、予め計算された等価電圧Ｖ_setは、やはりポンプ装置の特徴に依存する予め定められた最小及び最大定数値Ｖ_min, Ｖ_maxとそれぞれ比較される。 Ｖ_set値は、Ｖ_set＜Ｖ_minの場合、Ｖ_minに等しく、そして、Ｖ_set＞Ｖ_maxの場合、Ｖ_maxに等しくされて、前記所定値の間でＶ_setを飽和させる（制限する）。
ステップ１０５に於いて、等価電圧Ｖ_setと直流バス電圧Ｖ_busDC（上記例の場合１３５Ｖ）との比率により与えられるスライシングの関数である基準電流I_compを、下記式により定める。

I_comp= K₁・V_set/V_busDC
ここで、K₁は、ポンプ装置に依存する定数でありアンペアで表現される。１３５Ｖの電動機を備えたポンプ装置の場合、この定数は５．３Ａである。
ステップ１０７〜１１３に於いて、基準電流I_compの最大値は下記関係式により制限される：
I_comp= P_MAX/V_busDC
I_comp= I_MAX
ここで、P_MAXは、動作状態に於いて制御装置により供給可能な最大電力であり、I_MAXは供給可能な最大電流である。

I_compは、V_setがとることができる最小値により下方に制限されているので、I_compの最小値を制限することは不要である。
ステップ１１５において、基準変数が計算される：
e_I = I_comp - I_measDC
ここで、I_measDC は、ポンプ電動機に電力を供給する３相ブリッジの上手側の電流測定抵抗を横切って測定された電流である。

次に、ステップ１１７〜１２９において、励起周波数F_eccを変動させる動作サイクルが実行される。
すなわち、ステップ１１７において、e_Iの絶対値は、励起周波数F_eccを変動させないI_compについての電流範囲を定める閾値I_Threと比較される。
測定電流I_measが、I_compについての所定範囲I_Thre内にとどまる限り、励起周波数F_eccは変動せずかつサイクルはステップ１３０で終了する。

ステップ１１９、１２１において、励起周波数F_eccに対する変動ステップの大きさを下記式により計算する：
ΔF = K_F・e_I
ここでK_Fは、供給された電流に依存して周波数を変動させる比例係数である。
ΔFは正でも負でもいずれでもよいことが理解されよう。すなわち、ポンプ装置の動作条件に依存して、励起周波数の増加又は減少に対応するものとすることができる。

ステップ１２１において、Δ_Fは、値Δ_FMAX及びΔF_MINに関して上方および下方それぞれに制限されるが、ここで、前記閾値はポンプ装置の特性に依存する。
ステップ１２３において、励起周波数F_eccは下記式に基づきΔ_Fだけ変動させられる：
F_set = F_ecc + Δ_F
ステップ１２５、１２７において、このように計算された新しい周波数の最大値は下記式に基づき制限される：
F_set = F_MAX
ここで、F_MAXは安定状態における最大励起周波数である。

ステップ１２９において、新しい励起周波数は下記式に基づき設定される：
F_ecc = F_set
そしてサイクルはステップ１３０で終了する。
測定電流I_measが、I_compについて幅I_Threの範囲外にある限り、すなわち安定状態が達成されるまで、励起周波数F_eccは継続して変動される。

制御装置により供給され得る最大電力値P_MAXは、ポンプ装置の動作条件によって変動し得るので有利である。
すなわちP_MAXは下記パラメータの関数として変動し得る：
＊ポンプが正常に安定状態で動作している間は、P_MAXは、特定のポンプ装置（制御装置/ポンプ電動機）に対して供給することができる最大電力に対応する値P_regをとる。

＊安定状態の動作が、例えば一時的な気体負荷の故に変動する過渡期の間、又は高温起動の間、P_MAXは限られた時間の間は、ひとつ又は複数の所定の上昇（ブースト）値P_boost>P_regをとる。
＊最も仕事量の多い段階、例えば常温起動の間、限られた時間の間は、ポンプオイル温度T1に依存してかつ電子電力装置のディシペータDの温度の閾値T2を超えないように、P_MAXは上昇値P_start1、P_start2 ＞ P_regを取る。

＊例えば負荷要求により、ポンプの回転速度の低減が望まれる場合、P_MAXはあらかじめ定められたブレーキ値P_brake＜P_regを取ることができる。
限界値P_MAXを変更すると、基準電流I_compの変動範囲を変更することになり、したがって、励起周波数F_eccの変動範囲を変更することになる。
励起周波数F_eccは、上述のパラメータの関数として電子制御装置により自動的に定められ、かつ電源周波数から独立しているので有利である。かくして、ポンプＰのポンプ速度を、ポンプの変更された動作条件に適合させて変動させることが可能となり、このポンプ速度は電動機Ｍの回転速度に比例し、電動機Ｍの速度は電動機に対する電力供給信号の励起周波数に比例する。

その結果まず、同一オイル機械ポンプＰに対して、電源Ｒの周波数の如何を問わず、すなわち、ポンプがヨーロッパで使用される場合でもアメリカ合衆国で使用される場合でも、同一の性能を得ることができる。
さらに、突然の気体負荷に起因する過渡期状態の場合、電動機Ｍへの電力供給信号の励起周波数を変動させて、P_MAXの値へ作用させることによりポンプＰの速度を一定に保持することが可能である。

本発明のポンプ装置の好ましい実施形態において、ユーザは適切なソフトウエアプログラムにより外部から、ポンプ装置の動作要求事項により定められる励起周波数F_eccの設定値を入力することができる。
この実施形態に於いて、ユーザは例えば０Ｖ〜１０Ｖの電圧信号を制御装置Ｃへ供給することができ、この電圧信号は制御装置Ｃにより利用されて、所定の関係に基づき励起周波数の値が設定される。

かくして、安定状態の場合、ポンプＰは、動作要求内容に依存して、公称速度よりも遅い又は速い速度で作動させることができる。
いずれにせよ、本発明に於いては、ポンプＰの電力消費は常に所定の閾値を下回り、過負荷を回避することができて有利である。
前述したように、オイル機械ポンプの駆動に於いては、安定状態における過渡期に関してではなくむしろ常温起動での過渡期に関して主として問題がある。常温起動の場合、電動機Ｍの所要加速トルクおよびポンプＰの動力消費は、温度に大きく依存し且つ低温度ではきわめて高くなるオイル粘度の故に、きわめて大きくなることがある。

本発明のポンプ装置に於いて、常温起動では、つまり、温度検出器１７が、制御装置Ｃに対して所定の閾値よりも低い温度である旨の信号を送るとき、制御装置Ｃは電動機に対して加速立ち上げを強制する。これにより、P_MAXの値は上昇値となり、これにより励起周波数は、極めて低い周波数から、ポンプＰの速度が上昇するにつれて徐々に増大させられる。

図４及び図５に、常温起動（１４℃のポンプオイルのオイル温度Ｔ₁）の場合の、ポンプＰの電力及び電流消費の変動と、励起周波数の変動とをプロットした曲線を例示している。
図４に於いて、常温起動の場合、P_MAXの値は、第一の上昇値P_start1＞P_regに設定され、この値P_start1は２０〜３０％位P_regより大きく、かつこの例では７８０ワットである。

この例では、第一の上昇値は、約４００秒の間、保持される。
この時間の間、励起周波数、ひいては実際の回転周波数は、図５に示すように、極めて低い値から始まって徐々に増大する。
この時間が終了すると、制御装置は、安定状態に到達したかどうか、つまり、励起周波数がシステムの安定状態周波数に対応しているかどうかをチェックする。安定状態に到達している場合、P_MAXはP_regに設定される。安定状態に到達していない場合、この実施例の場合、約３００秒の間、P_MAXは値P_start2に設定される。尚、P_reg＜P_start2＜P_start1である（この実施例の場合、P_start2は６５０Ｗである）。この時間が終了すると、P_MAXの値は再び安定状態値P_regになって、過負荷を回避する。

図５に示すように、第２の時間間隔に於いて、励起周波数、ひいては実際の回転周波数は、ポンプ始動から約７００秒後に安定状態値に到達するまで、継続して増大する。
本発明に係るポンプ装置は更にフィードバック回路を含み、この回路は、励起周波数F_eccを制御するパラメータとしてポンプＰに接続された真空室ＣＶに存在する残留気体の圧力を利用している。これにより、電動機Ｍの駆動周波数及びポンプＰのポンプ速度は、動作圧力条件に依存して変動させることができる。

上記説明は、非限定的な例としてのみなされたものであり、本発明の範囲を逸脱しない範囲に於いて種々変更改変が可能である。

本発明に係る真空ポンプ装置のブロック図である。 オイル機械ポンプの概略断面図である。 電子制御装置の動作を概略説明するフローチャートである。 常温起動の場合のポンプ電動機の電力消費（上の曲線）と電流消費（下の曲線）とを示すグラフである。 常温起動の場合の電動機の励起周波数（上の曲線）と回転周波数（下の曲線）とを示すグラフである。

Claims (15)

1. 吸引口（３）と排出口（５）とを備えたハウジング（１）を含むオイル機械ポンプであって、前記ハウジングは円筒状室（７）とこの室（７）に関して偏芯して設けられた回転子（９）とを有し、前記回転子（９）はばね（１３）により付勢された放射状羽部材（１１）を有し、前記ハウジングは前記回転子（９）を回転させる電動機（Ｍ）を備える、オイル機械ポンプ（Ｐ）と、
   前記オイル機械ポンプが浸漬されるオイル浴（１５）と、
   電圧信号S_Uにより電力を前記電動機（Ｍ）に供給する電子制御装置（Ｃ）であって、少なくともひとつの前記ポンプの動作パラメータの関数として、及び前記ポンプの動作条件に依存して変更可能な少なくともひとつの閾値の関数として、前記電動機に対して電力を供給する電圧信号S_Uの励起周波数F_eccを制御する周波数変換器を含む電子制御装置（Ｃ）と
   を備えた真空ポンプ装置。
2. 前記少なくともひとつのポンプの動作パラメータは、前記電動機（Ｍ）の測定電流消費I_measに対応しており、且つ、前記閾値は、前記制御装置（Ｃ）により供給可能な最大電力P_MAXに対応している請求項１に記載のポンプ装置。
3. 前記閾値は、前記ポンプが安定動作状態にある間、値P_regを、そして前記ポンプが常温起動状態の間、値P_start1をとることができ、ここで、P_reg＜P_start1である請求項２に記載のポンプ装置。
4. 前記閾値は、前記ポンプが安定動作状態にある間、値P_regを、そして前記ポンプが常温起動状態の間、一連の値P_start1とP_start2とをとることができ、ここでP_reg＜P_start2＜P_start1である請求項２に記載のポンプ装置。
5. 前記閾値は、前記ポンプが安定動作状態にある間、値P_regを、そして前記ポンプ性能を増大させようとする上昇段階の間、値P_boostをとることができ、ここでP_boost＞P_regである請求項２に記載のポンプ装置。
6. 前記閾値は、前記ポンプが安定動作状態にある間、値P_regを、そして前記ポンプの停止状態の間、値P_brakeをとることができ、ここでP_brake＜P_regである請求項２に記載のポンプ装置。
7. 前記閾値は、所定時間間隔に於いて、前記ポンプの常温起動状態の間、前記値P_start1をとる請求項３に記載のポンプ装置。
8. 前記閾値は、一連の所定時間間隔に於いて、前記ポンプの常温起動状態の間、前記一連の値P_start1と値P_start2とをとる請求項３に記載のポンプ装置。
9. 前記所定時間間隔は、約４００秒である請求項７に記載のポンプ装置。
10. 前記一連の所定時間間隔は、前記閾値P_start1が適用される約４００秒と、前記閾値P_start2が適用される約３００秒である請求項８に記載のポンプ装置。
11. 前記真空ポンプ内のオイル温度を示す信号を前記電子制御装置（Ｃ）へ送信するよう構成されたオイル温度検出器（１７）を更に含み、前記閾値は、前記温度が所定の閾値より低い場合、前記値P_start1をとる請求項７に記載のポンプ装置。
12. 前記周波数制御手段は、前記電動機の測定電流消費I_measが所定閾値電流I_compを下回る限り、前記電動機に電力を供給する電圧信号S_Uの励起周波数F_eccを増大させるよう構成された周波数変換器を含む請求項１に記載のポンプ装置。
13. 前記閾値電流I_compは、I_comp＝Ｋ_１・Vset/V_busDCにより与えられ、ここで、Ｋ_１はシステムに依存する定数であり、V_setは等価電圧であり、V_busDCは前記電動機（Ｍ）に供給されるピーク電圧である請求項１に記載のポンプ装置。
14. I_comp＜I_compMaz ＝ P_MAX/V_busDCであり、ここで、P_MAXは所定の動作状態に於いて前記制御装置により供給されることができる前記最大電力に対する前記閾値である請求項１３に記載のポンプ装置。
15. V_busDCは１８７Ｖである請求項１４に記載のポンプ装置。