JP2004522040A - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Abstract

ステータと、ポンプロータと、ポンプロータを駆動するためのモータ（２８）と、制御装置（２４）とを有するターボ分子ポンプ（１０）。制御装置（４２）は、モータ出力が最大許容モータ出力を超えないようにモータ出力を調整する。ターボ分子ポンプ（１０）のステータ側にはステータ温度を測定するための温度センサ（３２−３８）が配置されている。制御装置（４２）は、測定されたステータ温度に依存して最大許容モータ出力を決定する最大出力算出装置を有している。このようにして、最大許容モータ出力は、一定の値に設定されるのではなく、つねにステータ温度に依存して決定される。これにより、測定されたステータ温度が最大値未満であるかぎり、モータの出力を完全に利用し尽くすことができる。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプステータと高速回転ポンプロータとポンプロータ駆動用モータとを備えたターボ分子ポンプに関する。
【０００２】
ターボ分子ポンプでは、高真空を形成するために、気体ないし気体粒子がポンプロータの回転羽根とポンプステータの固定羽根とにより入力圧力の何倍もの圧力で圧縮される。気体の圧縮と気体の摩擦とに起因する気体の温度上昇は、主にポンプロータとポンプステータを介して再び排出される。ポンプステータの冷却は冷却液を通す冷却水路により行うことができるが、アクティブなポンプロータ冷却には問題がある。というのも、回転するポンプロータは冷却液を供給することができないからである。それゆえ、ポンプロータは不利な動作条件の下では過熱する可能性がある。ポンプロータが最高許容ロータ温度を超えて過熱した場合、ポンプロータの破損、及びその結果として、ポンプステータの破損の危険がある。したがって、ターボ分子ポンプはつねに最高許容ロータ温度未満で動作しなければならない。
【０００３】
ロータ温度の直接的な測定は、高速回転するポンプロータからステータへの信号伝達が困難なため、高いコストをかけずには不可能である。それゆえ、ターボ分子ポンプは、モータ出力を予め決められた一定の最大モータ出力に制限する制御装置を有しており、これにより、ポンプの吐出量も、ひいては相関する気体温度上昇及びロータ温度上昇も、一定の最大値に制限される。
【０００４】
最大許容モータ出力は、ポンプ動作に関して最も不利な作業条件、例えば、熱的に不利な特性を有する気体、劣悪なポンプステータ冷却、高い周囲温度を仮定することにより、計算的に及び／又は実験的に求められる。最大許容モータ出力は、ポンプロータが最も不利な作業条件の下でも最高許容ロータ温度を超えることがないように選択される。一定の最大モータ出力を定めることにより、作業条件が最大モータ出力の計算に対する作業条件よりも有利であると仮定した場合でも、モータ出力は予め決められた最大出力に制限されてしまう。つまり、モータ出力は、実際のロータ温度が最高許容ロータ温度にまだ達していなくても、予め決められた最大モータ出力に制限されてしまうのである。最大許容モータ出力の算出の基礎となる極端な作業条件は実際には稀な例外的ケースに過ぎないので、ターボ分子ポンプの吐出量は通常は実際に熱的に許容しうる値よりも低い値に制限されてしまう。
【０００５】
したがって、本発明の課題は、ターボ分子ポンプの吐出量を上げる装置及び方法を提供することである。
【０００６】
この課題は本発明により請求項１又は１１に記載の特徴により解決される。
【０００７】
本発明によれば、ポンプステータには、ステータ温度を測定するための温度センサが配置されている。さらに、制御装置が、測定されたステータ温度に依存して最大許容モータ出力を決定する最大出力算出装置を有している。つまり、最大許容モータ出力は一定不変の値ではなく、そのつどのステータ温度に依存して決定される。ロータ温度は、ポンプのステータ側部品、例えば、ベースフランジ、ポンプハウジング、モータハウジング、軸受けハウジング、ポンプステータ及びモータの温度、ならびに、実際モータ出力及びポンプ吐出量と強く相関している。したがって、ステータ温度はロータ温度に関する情報を提供する。そのため、ステータ温度の測定とそのつどのステータ温度に対する最大許容モータ出力の制限とにより、ロータ温度も確実に最大値に制限することが可能となる。ステータ温度の測定とこれにより実施可能なロータ温度の推定とにより、最大許容モータ出力はそのつどの熱的状態に適合しており、したがって通常は最も不利な熱的状況に対して定められる一定の最大許容モータ出力を超えている。実際のモータ出力、ひいてはポンプの吐出量は、このようにして通常の作業条件の下では明らかに高められる。同時に、ポンプロータは過熱、すなわち、最高許容ロータ温度の超過から確実に保護される。というのも、ロータ温度の間接的な監視が行われるからである。
【０００８】
有利な実施形態によれば、最大出力算出装置は、温度センサにより測定されたステータ温度からロータ温度を求めるロータ温度算出装置を有している。続いて、最大出力算出装置は、求められたロータ温度に依存して、最大許容モータ出力を決定する。
【０００９】
ロータ温度算出装置は、１つ又は複数の異なるステータ温度を多項式に代入してモータロータ温度を求める。なお、上記多項式の定数係数は予め実験により求められている。このようにして最終的に最大許容モータ出力が迅速かつ僅かな記憶場所しか使用せずに求められる。最大モータ出力の制限は、場合によっては、ロータが閾温度に達してはじめて介入し、最大許容モータ出力を制限するようにしてもよい。一方、計算されたロータ温度が閾温度に満たない間は、最大モータ出力は制限されない。最大許容モータ出力は直接、多項式から求めてもよい。この多項式は最大許容モータ出力の形に解かれており、ロータ閾温度及び／又はロータ最高温度は係数の形ですでにこの多項式に含まれている。
【００１０】
係数に基づいて計算されたモータ最大出力は、場合によっては、さらに他のパラメータによって制限してもよい。
【００１１】
有利には、複数の温度センサがステータの様々な位置に設けられており、最大出力算出装置はすべての温度センサの測定温度に依存して最大許容モータ出力を決定する。温度センサは、ターボ分子ポンプのハウジングに、ポンプステータ部材に、モータのステータ側部品に、例えばモータハウジングもしくはモータ巻線に、又はポンプステータの冷却水路内に配置することができる。温度センサはまたターボ分子ポンプの他のステータ側位置にも配置してよい。ただし、これらステータ側位置の温度及び温度特性は、ロータの温度に関する信頼性の高い推定を可能にするものである。このようにして、多数の測定温度からロータ温度に関する正確な推定、ひいては最大許容モータ出力に関する正確な推定が可能となる。それゆえ、モータ出力はほぼ目標である最大許容モータ出力に制限される。複数のステータ側温度センサによるロータ温度及び最大許容モータ出力の算出は信頼性が高く正確なため、ロータの過熱を防ぐには、低い安全電圧を供給するだけでよい。このようにして、モータは熱的に許容可能な最大の出力で駆動させることができる。すなわち、モータ及びポンプの可能出力をつねにほぼ完全に出し尽くすことができる。
【００１２】
有利な実施形態によれば、最大出力算出装置は、それぞれのステータ温度に対する最大許容モータ出力が格納された特性マップメモリを有している。この特性マップ内には、複雑な非線形の特性曲線も格納することができるので、計算によるコストのかかる最大許容モータ出力の算出を省くことができる。
【００１３】
つぎの、ポンプステータ内に配置されたポンプロータを駆動する、ターボ分子ポンプ内のモータの最大許容モータ出力を制限するための方法によれば、以下の方法ステップが設けられている：ポンプステータ温度の測定、測定されたポンプステータ温度からの最大許容モータ出力の算出、及び、算出された最大許容モータ出力へのモータ出力の制限。
【００１４】
以下では、図を参照しつつ本発明の実施例をより詳細に説明する。
【００１５】
図１は、複数の温度センサを備えたターボ分子ポンプを断面図で示す。
【００１６】
図２は、図１のターボ分子ポンプの制御のブロック回路図を示す。
【００１７】
図１には、ターボ分子ポンプ１０が示されている。ターボ分子ポンプ１０はポンプハウジング１２を有しており、ポンプハウジング１２の長手端部は吸込側１４を形成し、他方の端部は圧縮側を形成し、排気口１６を有している。ポンプハウジング１２内には、ポンプロータ２０を包囲したポンプステータ１８が配置されている。ポンプロータ２０は、２つの半径方向マグネットベアリング２４，２６と図示されていない１つの軸方向ベアリングとにより回転可能にポンプハウジング１２内に配置されたロータシャフト２２を有している。ロータシャフト２２及びこれと結合したポンプロータ２０は電動機２８により駆動される。電動機２８と２つの半径方向マグネットベアリング２４，２６は共通のベアリング−モータ−ハウジング３０内に収納されている。ポンプハウジング１２は、ポンプハウジング１２内の冷却水路１３を流れる冷却材により冷却される。ターボ分子ポンプ１０は高真空の形成に使用され、１０００００Ｕ／ｍｉｎまでの回転数で回転する。
【００１８】
ターボ分子ポンプ１０は、ステータ側に、すなわち、固定部分の側面に、複数の温度センサ３２−３８を有している。第１の温度センサ３２はポンプハウジング１２のベースフランジの領域に配置されている。第２の温度センサ３４はポンプステータ１８上ないしポンプステータ１８内に配置されている。第３の温度センサ３６はモータ２８上に配置されており、モータコイルないしモータマグネット偏向板の領域の温度を測定する。第４の温度センサ３８はベアリング−モータハウジング３０上に配置されている。さらに別の温度センサを冷却水路１３のコース内に配置してもよい。
【００１９】
圧縮された気体の気体温度上昇によりポンプロータ２０に伝わり、活動状態のマグネットベアリング２６と電動機２８を介してポンプロータ２０内に誘起された熱は、主にポンプロータ２０のステータ側部品への熱放射により排出される。ステータ側部品、つまり、ポンプハウジング１２，ポンプステータ１８，ベアリング−モータ−ハウジング３０、マグネットベアリング２４，２６、及び電動機２８は、それら自体の温度上昇の他に、ポンプロータ２０によりそれらに放射される熱によっても加熱される。それゆえ、上記ステータ側部品の温度及び温度特性の測定がロータ温度の推定を可能にする。
【００２０】
ポンプロータ２０の実際の温度と温度センサ３２−３８により測定されたステータ側部品の温度との間の関係は、簡単なブレッドボーディングにより求められる。このために、吸い込み側では、ロータ温度センサ４０が適切な仕方でできるだけポンプロータ２０の近くに配置される。このようにして、ロータ温度は実験において直接測定することができるので、様々な作業条件における、ロータ温度とステータ側の温度センサ３２−３８により測定された温度との間の依存関係を記録することができる。すべての温度センサ３２−４０により記録された温度及び温度特性から、モータ出力Ｐに関する多項式が、ロータ温度とステータ側温度とに依存して求められる：
Ｐ＝α_０＋α_１Ｔ_１ ^β _１＋α_２Ｔ_２ ^β _２＋α_３Ｔ_３ ^β _３…α_ｎＴ_ｎ ^β _ｎ
Ｐは瞬時のモータ出力であり、Ｔ_１からＴ_ｎはそのつど測定されるステータ側温度センサ３２−３８及びロータ温度センサ４０の温度である。係数α_０からα_ｎ及びβ_１からβ_ｎは、実験により測定されたポンプロータとポンプステータの温度の評価により求められた定数である。測定されたロータ温度の変わりに最高許容ロータ温度をこの多項式に代入すると、この多項式により最大許容モータ出力Ｐ_ｍａｘが求まる。
【００２１】
これで、同時に測定されたステータ温度Ｔ_１からＴ_ｎの一揃いに対してそのつど最大許容モータ出力Ｐ_ｍａｘを計算することのできる多項式が提供された。
【００２２】
図２には、ポンプロータモータ２８の制御が図式的に示されている。制御装置４２はモータ励磁機４４を制御し、こんどはモータ励磁機が電動機２８のコイルを励磁する。制御要素４６を介して、モータ出力目標値が制御装置４２に伝達される。制御装置４２は最大出力算出装置５０と出力リミッタ５２を有している。最大値算出装置５０では、４つの温度センサ３２−３８により供給された温度値から上記数式に従って最大許容モータ出力Ｐ_ｍａｘが求められる。出力リミッタ５２では、制御要素４６により指定された出力値が求められた最大許容モータ出力よりも大きいときには、制御要素４６により供給されるモータ出力目標値は求められた最大許容モータ出力に制限される。このようにして、ロータ温度は最高温度に制限されるので、ロータは過熱による破壊から保護されている。
【００２３】
最大許容モータ出力を求めるための別のパラメータとして、冷却液温度の他に、実際のモータ出力、周囲温度及び他の測定量を使用してもよい。
【００２４】
上記の装置を用いることで、複数のステータ側温度センサを介して現在のロータ温度が推定される。ポンプロータが最高ロータ温度を超えて過熱するのを避けるために、求められたロータ温度から最大許容モータ出力が求められる。モータ出力はこの最大許容モータ出力に制限されている。つまり、最大許容モータ出力は可変であるので、モータ及びポンプの出力は完全に出し尽くされ、過熱の危険性のあるときにだけ制限される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】複数の温度センサを備えたターボ分子ポンプを断面図で示す。
【００２６】
【図２】図１のターボ分子ポンプの制御のブロック回路図を示す。

Claims (12)

1. ステータ（１２，１８）と、ポンプロータ（２０）と、該ポンプロータ（２０）を駆動するためのモータ（２８）と、該モータ（２８）を制御するための制御装置（４２）とを備えたターボ分子ポンプであって、
   モータ出力が最大許容モータ出力を超えないように、前記制御装置（４２）がモータ出力を調整する形式のターボ分子ポンプにおいて、
   ステータ側にステータ温度を測定するための温度センサ（３２−３８）が配置されており、
   前記制御装置（４２）は、測定されたステータ温度に依存して最大許容モータ出力を決定する最大出力算出装置（５０）を有している、ことを特徴とするターボ分子ポンプ。
2. 複数の温度センサ（３２−３８）が前記ステータ（１２，１８）の様々な位置に設けられており、
   前記最大出力算出装置（５０）は、すべての温度センサ（３２−３８）の測定温度に依存して最大許容モータ出力を決定する、請求項１記載のターボ分子ポンプ。
3. 前記温度センサ（３２−３８）により測定されたステータ温度からロータ温度を求めるロータ温度算出装置が、前記最大出力算出装置（５０）に割当てられており、
   前記最大出力算出装置（５０）は、求められたロータ温度に依存して最大許容モータ出力を決定する、請求項１又は２記載のターボ分子ポンプ。
4. 前記最大出力算出装置（５０）は多項式を用いて最大許容モータ出力を求める、請求項１から３のいずれか１項記載のターボ分子ポンプ。
5. 前記最大出力算出装置（５０）は特性マップメモリを有しており、
   前記特性マップメモリ内では、特性マップに各ステータ温度に対する最大許容モータ出力が格納されている、請求項１から４のいずれか１項記載のターボ分子ポンプ。
6. 温度センサ（３２）がポンプハウジング（１２）に設けられている、請求項１から５のいずれか１項記載のターボ分子ポンプ。
7. 温度センサ（３４）がポンプステータ（１８）に設けられている、請求項１から５のいずれか１項記載のターボ分子ポンプ。
8. 温度センサ（３６）が前記モータ（２８）のステータ側部品に設けられている、請求項１から５のいずれか１項記載のターボ分子ポンプ。
9. 前記モータ（２８）はハウジング（３０）を有しており、
   温度センサ（３８）が前記モータハウジングに設けられている、請求項１から５のいずれか１項記載のターボ分子ポンプ。
10. 前記ポンプハウジング（１２）又は前記ポンプステータ部材（１８）は冷却水路（１３）を有しており、
    温度センサが前記冷却水路のコース内に配置されている、請求項１から９のいずれか１項記載のターボ分子ポンプ。
11. ポンプステータ（１２，１８）内に配置されたポンプロータ（２０）を駆動する、ターボ分子ポンプ（１０）内のモータの最大許容モータ出力を制限するための方法において、
    ポンプステータ温度を測定するステップと、
    測定されたポンプステータ温度から最大許容モータ出力を求めるステップと、
    モータ出力を求められた最大許容モータ出力に制限するステップとを有する、ことを特徴とする方法。
12. 最大許容モータ出力を求めるステップは、
    求められたポンプステータ温度からポンプロータ温度を計算するステップと、
    計算されたポンプロータ温度から最大許容モータ出力を求めるステップとから成っている、請求項１１記載の方法。