JP2008014599A

JP2008014599A - 圧縮機用電源

Info

Publication number: JP2008014599A
Application number: JP2006188448A
Authority: JP
Inventors: Masamichi Ando; 正道安東
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2006-07-07
Filing date: 2006-07-07
Publication date: 2008-01-24

Abstract

【課題】圧縮機用電源への電源が瞬断しても、安定して、動作する圧縮機制御用電源を提供することを目的とする。
【解決手段】交流電源の少なくとも周波数を変換するインバータ回路３４と、直流電源回路３６とを有し、インバータ回路３４は、冷媒を圧縮する圧縮機のモータ４０に交流電源を供給し、直流電源回路３６、３７は、インバータ回路を制御する制御回路３８に直流電源を供給するクライオポンプに用いられる圧縮機の電源装置において、インバータ回路３４は、ＡＣ−ＤＣ変換回路及びＤＣ−ＡＣ変換回路を有し、インバータ回路３４のＡＣ−ＤＣ変換回路は、該ＡＣ−ＤＣ変換回路の出力側に、ＡＣ−ＤＣ変換回路により変換されたＤＣ電源を蓄積するコンデンサを有し、該コンデンサに蓄積されているＤＣ電源を、直流電源回路３６に供給する電源装置。
【選択図】図３

Description

本発明は、電源装置に係り、特に、インバータ回路と直流電源回路とを有するクライオポンプに用いられる圧縮機の電源装置に関する。

従来、ＬＳＩや超ＬＳＩを製造する際等に、オイルレスの清浄な真空を形成するために用いられる真空ポンプとして多段式クライオポンプが用いられている。クライオポンプは、真空容器内に極低温面を設置し、物理吸着を利用して容器内の気体分子を凝縮又は吸着させて捕捉し、排気する溜め込み式のポンプである。オイルフリーでクリーンな真空が得られ、ほとんどの気体に対し大きな排気速度を持っている。水（水蒸気）の排気速度が大きいのも特長である（特許文献１参照）。

図１に、特許文献１に示されているクライオポンプを示す。図１のクライオポンプは、極低温冷凍機、例えば、２段式GM（ギフォード・マクマホン）サイクル冷凍機１（以下、「冷凍機１」という）と、冷凍機１にガス管３_１，３_２を介して接続されたヘリウム圧縮機２とを備えており、クライオポンプ
には、真空容器１２が連結される。

冷凍機１は、第１段冷却ステージ４と第２段冷却ステージ５を有している。第１段冷却ステージ４には、第１のクライオパネルとして機能する上端が開放したほぼ筒状の放射シールド６が取り付けられている。第２段冷却ステージ５には、第２のクライオパネル８が取り付けられる。放射シールド６は、第2段冷却ステージ５及び第2のクライオパネル８を取り囲むように形成されており、その開放端側には、第2のクライオパネル８と間隔をおいてその上方に位置するシェブロンバッフル１０が取り付けられている。

第１段及び第２段冷却ステージ４，５、放射シールド６、第２のクライオパネル８は、断熱真空外筒１１により囲まれる。この断熱真空外筒１１と真空容器１２との間にはゲートバルブ１３が設けられている。

第２段冷却ステージ５のシリンダの先端には、断面ほぼコ字状の下端が開放した筒状の伝熱板７が締結手段によって締結されている。伝熱板７は、その筒状部７ａが、第2段冷却ステージ５を囲むように配置されている。伝熱板７の筒状部７ａの外周には、その外周を一周するように配置された傘状のクライオパネル板８ａ，８ｂ，８ｃが上下に間隔をおいて放射状に複数枚取り付けられている。これらクライオパネル板８ａ，８ｂ，８ｃが冷却パネルである第２のクライオパネル８を形成する。

クライオパネル板８ａ，８ｂ，８ｃの下面には、水素、ヘリウム等の吸着剤として、熱伝導率が０．０１ｗ／cmＫ程度以上の活性炭９が貼付される。活性炭は、通常、数mm径、３〜１０mm長さの円柱状のものが使用され、クライオパネル板８ａ，８ｂ，８ｃの表面に薄く接着剤を塗布し、その接着剤層に多数の活性炭が横倒し姿勢の状態で並べて接着される。このように、クライオパネル板８ａ，８ｂ，８ｃの表面に活性炭を並べて貼付すれば、吸着剤の再生作業を短時間でかつ効率よく行うことができる。

図１のクライオポンプは、次のように動作する。冷凍機１の第1段冷却ステージ４及び第２段冷却ステージ５は、ヘリウムガスの膨張作用により低温となったヘリウムガスにより冷却される。

冷凍機１の運転を開始する際は、ゲートバルブ１３を適当な時期に開いた状態とする。第１のクライオパネルとして機能する放射シールド６は、シェブロンバッフル１０とともに、８０〜１００ｋ程度に冷却され、それらが真空容器１２中の水蒸気、炭酸ガス等の沸点の比較的高いガスを吸着、凝縮する。また、第２のクライオパネル８は、１０〜２０ｋに冷却され、第２のクライオパネル８の表面に真空容器１２中の窒素、アルゴン等の低沸点のガスを吸着、凝縮する。さらに、最も沸点の低い水素、ネオン、ヘリウム等のガスは、第２のクライオパネル８に接着した活性炭９によって、確実にかつ効率よく吸着される。その後、活性炭９の吸着能力（第２のクライオパネル８の排気能力）がなくなると、その再生作業を行う。なお、第２のクライオパネル８の吸着面は、第２のクライオパネル８自身の表面と、活性炭の吸着面を含む。

このようにして、図１のクライオポンプでは、ヘリウムガスの圧縮器２は、ガス管３_１を介して冷凍機１から膨張したヘリウムガスを受け入れて（リターン）、膨張したヘリウムガスを圧縮し、圧縮したヘリウムガスをガス管３_２を介して冷凍機１に供給（サプライ）する。これにより、冷却された放射シールド６並びにクライオパネル８によって、真空容器１２中の各種のガスを排気して高真空を作ることができる。

図１のクライオポンプでは、ヘリウムガスの圧縮器２に、圧縮機用モータ（コンプレッサモータ）が用いられる。

ところで、１台の圧縮機で、複数のクライオポンプに対して、圧縮されたヘリウムガスの圧縮を供給する場合、圧縮機の電源にインバータ回路が用いられることがある。図２に、インバータ回路を用いた従来の圧縮機用電源回路の例を示す。

図２の圧縮機用電源回路は、インバータ回路１１、スイッチングレギュレータ１２、制御基板１３及びコントローラ１４から構成されている。

２００ボルトの３相の交流電源が、インバータ回路１１及びスイッチングレギュレータ１２に供給される。インバータ回路１１は、２００ボルトの３相の交流電源を任意の周波数の３相の交流（Ｕ、Ｖ、Ｗ）に変換して、圧縮機用モータ１５に供給する。

スイッチングレギュレータ１２は、２００ボルトの３Ｆ相の交流電源から、ＤＣ電圧を生成して、制御基板１３に供給する。

制御基板１３は、制御信号をインバータ回路１１に供給し、圧力センサ等の信号を検出する。

図２の圧縮機用電源回路により、制御基板１３からの制御信号に基づいて、インバータ回路１１が制御され、その結果、圧縮機用モータ１５の回転数が制御される。
特開２００５−５４６８９号公報

ところで、圧縮機へ供給する電源が瞬断される場合が生じる。例えば、電源が１秒程度、遮断されれば、停電として、圧縮機は休止してしまう。

本発明は、上記問題点に鑑みて、これらの問題を解消するために発明されたものであり、圧縮機用電源への電源が瞬断しても、安定して、動作する圧縮機制御用電源を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の電源装置は、交流電源の少なくとも周波数を変換するインバータ回路と、直流電源回路とを有し、前記インバータ回路は冷媒を圧縮する圧縮機のモータに交流電源を供給し、前記直流電源回路は、前記インバータ回路を制御する制御回路に直流電源を供給するクライオポンプに用いられる圧縮機の電源装置において、前記インバータ回路は、ＡＣ−ＤＣ変換回路及びＤＣ−ＡＣ変換回路を有し、前記インバータ回路のＡＣ−ＤＣ変換回路は、該ＡＣ−ＤＣ変換回路の出力側に、ＡＣ−ＤＣ変換回路により変換されたＤＣ電源を蓄積するコンデンサを有し、該コンデンサに蓄積されているＤＣ電源を、前記直流電源回路に供給するように構成することができる。

これにより、圧縮機用電源への電源が瞬断しても、安定して、動作する圧縮機制御用電源を提供することができる。

また、上記目的を達成するために、本発明の電源装置は、前記圧縮機の入力側の圧縮される前記冷媒の圧力を計測するリターン圧力センサと、前記圧縮機の出力側の圧縮された前記冷媒の圧力を計測するサプライ圧力センサとを有し、前記制御回路は、前記サプライ圧力センサの測定値と、前記リターン圧力センサの測定値との差が一定となるように、前記インバータ回路を制御するように構成することができる。

このように、サプライ圧力センサの測定値と、リターン圧力センサの測定値との差が一定となるように、インバータ回路を制御することにより、省電力で、かつ、安定的に、クライオポンプへ冷媒を供給することができる。

本発明によれば、本発明の圧縮機用電源は、インバータ回路のＡＣ−ＤＣ変換回路の出力側に設けられたコンデンサに蓄積されているＤＣ電源を、制御回路の直流電源に供給するようにしたので、圧縮機用電源への電源が瞬断しても、安定して、動作する圧縮機制御用電源を提供することができる。

以下に、図３〜図５を用いて、本発明に係る圧縮機用電源の例を説明する。

図３の圧縮機用電源は、端子台２９、漏洩遮断器３１、零相リアクトル３２、ノイズフィルタ３３、インバータ回路３４、ヒューズ３５、スイッチング電源（直流電源回路）３６、制御基板３８及びＤＣリアクトル３９から構成されている。

端子台２９は、２００ボルトで、５０ヘルツ又は６０ヘルツの商用３相電源が供給される端子である。端子台２９には、３相電源のケーブルが接続され、アース線は、ＰＥに接続されている。

端子台２９に印加された３相電源は、漏洩遮断器３１、零相リアクトル３２及びノイズフィルタ３３を介して、インバータ回路３４に供給される。

ノイズフィルタ３３は、入力側から侵入する外来ノイズからインバータ回路３４を保護するため、又はインバータ回路３４で発生するノイズを抑制するための回路である。

インバータ回路３４は、端子Ｒ／Ｌ１、Ｓ／Ｌ２、Ｔ／Ｌ３、Ｅ、Ｃ、Ａ及びＢを有する。端子Ｒ／Ｌ１、Ｓ／Ｌ２、Ｔ／Ｌ３に供給された２００ボルトの３相の電源を、コンプレッサモータの端子Ｕ、端子Ｖ及び端子Ｗに供給する３相の交流に変換して、コンプレッサモータ４０に供給する。

なお、端子Ｅはアース端子であり、端子Ｃと端子Ａ間には、高調波成分を減少させるためのＤＣリアクトル３９が接続され、端子Ａと端子Ｂ間には、ヒューズ３５を介して、スイッチング電源３６が接続されている。

なお、インバータ回路３４は、図４を用いて後述するように、ＡＣ−ＤＣ変換回路及びＤＣ−ＡＣ変換回路を有し、このＡＣ−ＤＣ変換回路の出力側であって、ＤＣ−ＡＣ変換回路の入力側に、ＡＣ−ＤＣ変換回路により変換されたＤＣ電源を蓄積するコンデンサを有している。端子Ａと端子Ｂとの間には、このコンデンサが設けられている。

したがって、ＡＣ−ＤＣ変換回路により変換されたＤＣ電源を蓄積するコンデンサに蓄積されているＤＣ電源が、インバータ回路のＤＣ−ＡＣ変換回路に供給されると共に、ヒューズ３５を介して、スイッチング電源３６に供給されていることになる。

スイッチング電源３６は、所定のＤＣ電源を生成して、制御基板３８に供給する。

また、制御基板３８は、コンプレッサモータ４０の入力側における冷凍機から帰還した冷媒の圧力を計測するリターン圧力センサと、コンプレッサモータ４０の出力側の圧縮した前記冷媒の圧力を計測するサプライ圧力センサとで計測された計測値を受信して、サプライ圧力センサの測定値と、前記リターン圧力センサの測定値との差が一定となるように、インバータ回路３４を制御し、その結果、コンプレッサモータ４０の回転数を制御する。本発明では、コンプレッサモータ４０の回転数を測定して、ンプレッサモータ４０の回転数を制御するのでなく、サプライ圧力センサの測定値と、リターン圧力センサの測定値との差が一定となるように、コンプレッサモータ４０の回転数を制御している。

ところで、ＡＣ−ＤＣ変換回路の出力側であって、ＤＣ−ＡＣ変換回路の入力側に設けられているコンデンサの値が大きいので、端子台２９に印加された３相電源が、瞬断しても、数秒間（例えば、５秒間）は、その値を維持するので、端子台２９に印加された３相電源が、瞬断したとしても問題はない。

なお、通常は、端子台２９に印加された３相電源がほぼ１秒を超えて、供給されない場合は、停電処理が取られる。

したがって、数秒間（例えば、５秒間）の瞬断に対する対策が施されれば、瞬断対策としては、十分である。

次に、図４に、図３のインバータ回路３４の回路例を示す。

図４のインバータ回路３４は、整流回路（ＡＣ−ＤＣ変換回路）４１、ＤＣリアクトル３９、電解コンデンサを含むコンデンサ４２、スイッチング回路（ＤＣ−ＡＣ変換回路）４３、端子Ｇ／Ｅ、Ｒ／Ｌ１、Ｓ／Ｌ２、Ｔ／Ｌ３、Ａ、Ｂ、Ｕ、Ｖ及びＷを有する。

この構成により、端子Ｒ／Ｌ１、Ｓ／Ｌ２、Ｔ／Ｌ３、Ｇ／Ｅに供給された２００ボルトの３相の電源を、所定の周波数の３相交流に変換して、変換された３相交流を、それぞれ、端子Ｕ、端子Ｖ及び端子Ｗに供給する。なお、端子Ｕ、端子Ｖ及び端子Ｗには、コンプレッサモータ４０の駆動コイルが接続されている。

ダイオードブリッジで構成されている整流回路４１は、端子Ｒ／Ｌ１、Ｓ／Ｌ２、Ｔ／Ｌ３に供給された２００ボルトの３相の電源を、整流し、コンデンサ４２に蓄積する。

コンデンサ４２は、インバータ回路３４が、２００ボルトの３相の入力電源で、７．５ＫＷの場合であれば、例えば、４０００〜５０００μＦの値のものが用いられる。

整流回路４１とコンデンサ４２との間には、コンデンサ４２に供給される電流の高調波成分を減少させるためのＤＣリアクトル３９が挿入されている。

スイッチング回路４３は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）で構成され、コンプレッサモータの駆動回路として機能する。スイッチング回路４３において、それぞれの各トランジスタＴＲ１〜ＴＲ６のベース電極には、電源ドライブ部４５の出力が供給され、電源ドライブ部４５によって、それぞれのオン・オフが制御される。トランジスタＴＲ１〜ＴＲ６のオン・オフに基づいて、３相のコンプレッサモータのそれぞれの励磁コイルへの電流の流れ始めるタイミングと、電流の流れる向き及び期間が制御される。これにより、コンプレッサモータの回転が制御される。

なお、インバータ回路３４には、インバータ回路３４を制御する制御部４４、スイッチング回路４３を制御する電源・ドライブ部４５等を有する。

コンデンサ４２には、整流回路４１で整流された電流が蓄積される。コンデンサ４２に蓄積された電荷による電圧が、コンデンサ４２の両端に発生する。このＤＣ電圧が、スイッチング回路４３に供給される。

電源・ドライブ部４５は、トランジスタＴＲ１〜ＴＲ６のオン・オフする信号を生成して、トランジスタＴＲ１〜ＴＲ６のベース電極に供給し、スイッチング回路４３が３相の交流回路として機能するように制御する。

図５を用いて、１台の圧縮機が複数のクライオポンプに対して、膨張したヘリウムガスを圧縮し、この圧縮したヘリウムガスを供給する場合に関して説明する。

図５では、１つのコンプレッサユニット１００が、複数のクライオポンプ１１０_１・・・１１０_２、１１０_３に対して、管路１０５を介し圧縮したヘリウムガスを供給する。各クライオポンプ１１０_１・・・１１０_２、１１０_３は、インバータ回路１１５とクライオポンプモータ１１６とクライオポンプ本体１１７とを有する。なお、各クライオポンプ１１０_１・・・１１０_２、１１０_３で膨張したヘリウムガスは、管路１０６を介して、コンプレッサユニット１００に帰還する。

図５のコンプレッサユニット１００は、制御基板１０１、インバータ回路１０２、コンプレッサモータ１０３、スイッチング電源１０４、サプライ圧力センサＰＨ及びリターン圧力センサＰＬから構成されている。

制御基板１０１は、図３の制御基板３８に対応して１０１の入力側には、スイッチング電源１０４が設けられている。

インバータ回路１０２は、図３のインバータ回路３４に対応している。インバータ回路１０２から、制御基板に約３００ＶのＤＣ電源を供給し、更に、コンプレッサモータ１０３の３相モータコイルに、所定の周波数の３相交流を供給する。

スイッチング電源１０４は、図３のスイッチング電源（直流電源回路）３６に対応している。

なお、インバータ回路１０２は、制御基板１０１からの制御信号に基づいて、出力する駆動パルスを制御して、コンプレッサモータ１０３の回転数を制御する。この発明では、制御基板１０１は、コンプレッサモータに供給される冷媒の圧力と、コンプレッサモータから供給される冷媒の圧力との差に基づいて、コンプレッサモータ１０３の回転数を制御する。

具体的に言えば、サプライ圧力センサＰＨでコンプレッサモータから供給される冷媒の圧力を検出する。通常は、２．０〜２．２ＭＰａである。また、リターン圧力センサＰＬでコンプレッサモータに帰還される冷媒の圧力を検出する。通常は、０．５〜０．７ＭＰａである。

制御基板１０１では、サプライ圧力センサＰＨで検出した圧力値ＰＨと、リターン圧力センサＰＬで検出した圧力値ＰＬの差圧が、例えば、１．４〜１．５ＭＰａになるように、コンプレッサモータ１０３の回転数を制御する。

このように、圧力値ＰＨと圧力値ＰＬとの差圧で、コンプレッサモータの回転数を制御している。その結果、例えば、クライオポンプの一つが、故障して、圧力の絶対値が上がったとしても、圧力値ＰＨと圧力値ＰＬとの差圧（相対値）で制御するので、制御には直接影響しない。

また、圧力値ＰＨと圧力値ＰＬとの差圧で、コンプレッサモータの回転数を制御するので、１台の圧縮機で、複数クライオポンプを制御するとき、上述したような効果を有するが、１台の圧縮機で、１台のクライオポンプを制御したとしても、省エネルギーの効果がある。

つまり、クライオポンプの運転台数が多ければ、コンプレッサモータの回転数を上げ、クライオポンプの運転台数が少なければ、コンプレッサモータの回転数を下げることができる。

なお、コンプレッサモータの回転数を上げれば、それだけ、エネルギーを消費することになる。

本発明では、コンプレッサモータの回転数を、負荷（クライオポンプ）に応じて、制御するので、コンプレッサモータの回転数を固定にした場合と比較して、省エネルギーの効果がある。

なお、各クライオポンプに設けられているインバータ回路１１５は、ＡＣ２００Ｖの電源を、クライオポンプ用電源に変換して、クライオポンプモータ１１６に供給する。なお、各クライオポンプは、電動クランク機構などの往復駆動部と、膨張
冷却作用を行うための往復動作部とを有する膨張・冷却部を備えている。クライオポンプモータ１１６は、クライオポンプの膨張・冷却部を駆動するためのモータである。

以上、発明を実施するための最良の形態について説明を行ったが、本発明は、この最良の形態で述べた実施の形態に限定されるものではない。本発明の主旨をそこなわない範囲で変更することが可能である。

従来のクライオポンプを説明するための図である。従来の圧縮機用電源を説明するための図である。圧縮機用電源を説明するための図である。インバータ回路を説明するための図である。１台の圧縮機が複数のクライオポンプに対して設けられた場合を説明するための図である。

符号の説明

３４、１０２インバータ回路
３６スイッチング電源
３８、１０１制御基板
３９ＤＣリアクトル
４０、１０３コンプレッサモータ
４１整流回路（ＡＣ−ＤＣ変換回路）
４２コンデンサ
４３スイッチング回路（ＤＣ−ＡＣ変換回路）
４４制御部
４５電源・ドライブ部
１００コンプレッサユニット
１１０クライオポンプ
ＰＨサプライ圧力センサ
ＰＬリターン圧力センサ

Claims

交流電源の少なくとも周波数を変換するインバータ回路と、直流電源回路とを有し、前記インバータ回路は冷媒を圧縮する圧縮機のモータに交流電源を供給し、前記直流電源回路は、前記インバータ回路を制御する制御回路に直流電源を供給するクライオポンプに用いられる圧縮機の電源装置において、
前記インバータ回路は、ＡＣ−ＤＣ変換回路及びＤＣ−ＡＣ変換回路を有し、
前記インバータ回路のＡＣ−ＤＣ変換回路は、該ＡＣ−ＤＣ変換回路の出力側に、ＡＣ−ＤＣ変換回路により変換されたＤＣ電源を蓄積するコンデンサを有し、
該コンデンサに蓄積されているＤＣ電源を、前記直流電源回路に供給することを特徴とする電源装置。
前記圧縮機の入力側の圧縮される前記冷媒の圧力を計測するリターン圧力センサと、前記圧縮機の出力側の圧縮された前記冷媒の圧力を計測するサプライ圧力センサとを有し、
前記制御回路は、前記サプライ圧力センサの測定値と、前記リターン圧力センサの測定値との差が一定となるように、前記インバータ回路を制御することを特徴とする請求項１記載の電源装置。