JP2009013825A - 真空ポンプ - Google Patents
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Abstract
【課題】キュリー温度付近における磁性体の透磁率変化を利用して、ロータ温度を広い範囲で連続的に検出することができる真空ポンプの提供。
【解決手段】ナット42の底面側に設けられたターゲット81,82は、ロータの監視温度範囲内においてキュリー温度が異なる複数の磁性材料の粉末または小片を樹脂等で固化したものである。ギャップセンサ44がターゲット81,82に対向すると、複数の磁性材料の透磁率をインダクタンスとして検出することができる。そのため、ロータ温度が上昇してそれぞれのキュリー温度を順に越えると、インダクタンスは徐々に低下する。その結果、インダクタンスの値から、容易にロータ温度を算出することができる。
【選択図】図2
【解決手段】ナット42の底面側に設けられたターゲット81,82は、ロータの監視温度範囲内においてキュリー温度が異なる複数の磁性材料の粉末または小片を樹脂等で固化したものである。ギャップセンサ44がターゲット81,82に対向すると、複数の磁性材料の透磁率をインダクタンスとして検出することができる。そのため、ロータ温度が上昇してそれぞれのキュリー温度を順に越えると、インダクタンスは徐々に低下する。その結果、インダクタンスの値から、容易にロータ温度を算出することができる。
【選択図】図2
Description
本発明は、磁性体の透磁率変化を利用してロータ温度を検出したり、その検出結果を用いてポンプの制御を行う真空ポンプに関する。
磁性体の透磁率がキュリー温度において大きく変化することを利用して、ロータ温度を非接触で検出する方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。そこでは、キュリー温度の異なる2種類の磁性体をロータ側に設け、それらの透磁率の変化をインダクタンス式センサで検出する構成が用いられている。
しかしながら、従来の構成では、キュリー温度付近で磁性体の透磁率が急激に変化するため、温度スイッチとして使用することはできても、ロータ温度を広い範囲で連続的に検出するのは難しかった。
請求項1の発明は、ステータに対してロータを回転駆動して真空排気する真空ポンプに適用され、ロータに設けられ、前記ロータの監視温度範囲内においてキュリー温度が異なる複数の磁性材料をロータの所定領域に配置してなるターゲットと、所定領域が対向するステータ側の面に配設され、磁性材料のキュリー温度近傍における透磁率変化をインダクタンス変化として検出するセンサと、センサの検出結果に基づいてロータの温度を算出する温度演算手段とを備えたことを特徴とする。
請求項2の発明は、請求項1に記載の真空ポンプにおいて、ターゲットを、複数の磁性材料を混合して一体としたものである。
請求項3の発明は、請求項1に記載の真空ポンプにおいて、ターゲットを、磁性材料毎に塊とした複数の部材を所定領域内に配設したものである。
請求項4の発明は、請求項1〜3のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、真空ポンプの運転時間を積算する積算手段と、積算手段で積算された運転時間と温度演算手段により算出されたロータ温度とに基づいて、ロータのクリープ寿命を判定する判定手段とを備えたものである。
請求項5の発明は、請求項1〜3のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、ロータを磁気浮上させる磁気軸受と、磁気軸受のフィードバック制御ゲインを温度演算手段により算出されたロータ温度に基づいて変更するゲイン変更手段とを備えたものである。
請求項6の発明は、請求項1〜3のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、真空ポンプの運転時間を積算する積算手段と、ロータを磁気浮上させる磁気軸受と、磁気軸受のフィードバック制御ゲインを、積算手段で積算された運転時間と温度演算手段により算出されたロータ温度とに基づいて変更するゲイン変更手段とを備えたものである。
請求項2の発明は、請求項1に記載の真空ポンプにおいて、ターゲットを、複数の磁性材料を混合して一体としたものである。
請求項3の発明は、請求項1に記載の真空ポンプにおいて、ターゲットを、磁性材料毎に塊とした複数の部材を所定領域内に配設したものである。
請求項4の発明は、請求項1〜3のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、真空ポンプの運転時間を積算する積算手段と、積算手段で積算された運転時間と温度演算手段により算出されたロータ温度とに基づいて、ロータのクリープ寿命を判定する判定手段とを備えたものである。
請求項5の発明は、請求項1〜3のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、ロータを磁気浮上させる磁気軸受と、磁気軸受のフィードバック制御ゲインを温度演算手段により算出されたロータ温度に基づいて変更するゲイン変更手段とを備えたものである。
請求項6の発明は、請求項1〜3のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、真空ポンプの運転時間を積算する積算手段と、ロータを磁気浮上させる磁気軸受と、磁気軸受のフィードバック制御ゲインを、積算手段で積算された運転時間と温度演算手段により算出されたロータ温度とに基づいて変更するゲイン変更手段とを備えたものである。
本発明によれば、キュリー温度付近における磁性体の透磁率変化を利用して、ロータ温度を広い範囲で連続的に検出することができる。
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図1は本発明による真空ポンプの一実施の形態を示す図であり、磁気軸受式ターボ分子ポンプのポンプ本体1とコントローラ30の概略構成を示したものである。
ロータ2が取り付けられたシャフト3は、ステータ4に設けられた電磁石51,52,53によって非接触支持されている。シャフト3の浮上位置は、ステータ4に設けられたラジアル変位センサ71,72およびアキシャル変位センサ73によって検出される。ラジアル磁気軸受を構成する電磁石51,52と、アキシャル磁気軸受を構成する電磁石53と、変位センサ71〜73とで5軸制御型磁気軸受が構成される。
シャフト3の下端には円形のディスク41が設けられており、このディスク41を上下に挟むように電磁石53が設けられている。そして、電磁石53によりディスク41を吸引することによりシャフト3がアキシャル方向に浮上する。ディスク41はナット42によりシャフト3の下端部に固定されている。ナット42にはターゲット81,82が設けられている。ナット42と対向するステータ側には、ターゲット81,82と対向する位置にギャップセンサ44が設けられている。ギャップセンサ44は、インダクタンス式のギャップセンサであって、後述するように、ロータ温度が許容温度以上に上昇したときのターゲット81,82の透磁率変化をインダクタンス変化として検出するものである。
ロータ2には、回転軸方向に複数段の回転翼8が形成されている。上下に並んだ回転翼8の間には固定翼9がそれぞれ配設されている。これらの回転翼8と固定翼9とによりタービン翼段が構成される。各固定翼9は、スペーサ10によって上下に挟持されるように保持されている。スペーサ10は、固定翼9の保持機能とともに、固定翼9間のギャップを所定間隔に維持する機能を有している。
さらに、固定翼9の後段(図示下方)にはドラッグポンプ段を構成するネジステータ11が設けられており、ネジステータ11の内周面とロータ2の円筒部12との間にはギャップが形成されている。ロータ2およびスペーサ10によって保持された固定翼9は、吸気口13aが形成されたケーシング13内に納められている。ロータ2が取り付けられたシャフト3を電磁石51〜53により非接触支持しつつモータ6により回転駆動すると、吸気口13a側のガスは矢印G1のように背圧側(空間S1)に排気され、背圧側に排気されたガスは排気口26に接続された補助ポンプにより排出される。
ターボ分子ポンプ本体1はコントローラ30によって駆動制御される。コントローラ30には、磁気軸受を駆動制御する磁気軸受駆動制御部32およびモータ6を駆動制御するモータ駆動制御部33が設けられている。検出部31は、ギャップセンサ44の出力信号に基づいてターゲット81,82の透磁率変化を検出する。
検出部31は検出した透磁率変化に基づいてロータ2の温度を算出し、ロータ温度モニタ信号として磁気軸受駆動制御部32、モータ駆動制御部33および警報部34に出力する。もちろん、ロータ温度モニタ信号をコントローラ30の外部に出力できる出力端子を設けても良い。警報部34はロータ温度異常などの警報情報をオペレータに提示する警報手段であり、警告音を発生するスピーカや警告を表示する表示装置などにより構成される。
図2(a)はシャフト下端部分のナット42とギャップセンサ44とを示す斜視図であり、図2(b)はポンプ底面側(ギャップセンサ44側)から見たナット42の平面図である。ナット42の底面側にはターゲット81,82が設けられている。ターゲット81,82に用いられる磁性材料には、検出したい温度域すなわち温度監視範囲にキュリー温度を有する材料が選ばれる。一般的には、ロータ2(図1参照)に用いられるアルミ材のクリープ変形の許容上限温度付近(約120〜140℃)にキュリー温度を有するフェライト等が選ばれる。
本実施の形態では、各ターゲット81、82は、キュリー温度が110℃の磁性材料、キュリー温度が120℃の磁性材料およびキュリー温度が130℃の磁性材料の粉末または小片を固めたものである。例えば、ナット42の底面に凹部を形成し、上記3種類の磁性体の粉末または小片を樹脂等と混合し、その混合物を凹部内に充填して樹脂を固化させたものである。また、固化した後のターゲット81,82を、ナット42の凹部に接着しても良い。そのため、各ターゲット81、82内には、3種類の磁性体が一様に分布していることになる。ターゲット81,82は位相が180度異なるように配置されており、それらはロータ3の回転に伴ってギャップセンサ44に交互に対向する。
ターゲット81,82の露出面はナット42の底面と同一平面となっており、ナット底面とギャップセンサ44との隙間は1mm程度に設定されている。ここでは、ナット42の材料には磁性体である純鉄が用いられているが、そのキュリー温度は、ここで問題としている許容上限温度よりも十分高く、温度監視範囲の高温側にある。以下では、純鉄製ナット42の底面80をターゲット80と称することにする。ロータ2が固定されたシャフト3の回転によりナット42がギャップセンサ44に対して図2(b)の矢印方向に回転すると、ギャップセンサ44はターゲット80、ターゲット81、ターゲット82、ターゲット80の順に各ターゲット80〜82と対向し、それぞれの透磁率に応じた信号がギャップセンサ44から出力される。
[インダクタンス変化検出動作の説明]
図3はギャップセンサ44のインダクタンス変化を説明する図であり、ギャップセンサ44とターゲット81の作る磁気回路の模式図である。なお、ここでは、説明を簡単にするために、ターゲット81が従来のように一種類の磁性体材料からなる場合を例に説明する。ギャップセンサ44の構造は、珪素鋼板などの透磁率の大きなコアの周囲にコイルを巻いたものである。ギャップセンサ44のコイルには搬送波として一定周波数・一定電圧の高周波電圧が印加され、ギャップセンサ44からターゲット81に向けて高周波磁界が形成される。
図3はギャップセンサ44のインダクタンス変化を説明する図であり、ギャップセンサ44とターゲット81の作る磁気回路の模式図である。なお、ここでは、説明を簡単にするために、ターゲット81が従来のように一種類の磁性体材料からなる場合を例に説明する。ギャップセンサ44の構造は、珪素鋼板などの透磁率の大きなコアの周囲にコイルを巻いたものである。ギャップセンサ44のコイルには搬送波として一定周波数・一定電圧の高周波電圧が印加され、ギャップセンサ44からターゲット81に向けて高周波磁界が形成される。
ロータ温度上昇によりターゲット81の温度がキュリー温度Tcを越えると、図4(a)に示すように、ターゲット81の透磁率が真空の透磁率μ0程度まで急激に低下する。図4(a)は典型的な磁性体であるフェライトの場合の透磁率変化を示したものであり、常温における透磁率はキュリー温度付近の透磁率よりも低く、温度上昇とともに上昇してキュリー温度を越えると急激に低下する。ギャップセンサ44が形成する磁界中でターゲット81の透磁率が変化すると、ギャップセンサ44のインダクタンスが変化することになる。その結果、搬送波は振幅変調される。そして、その振幅変調された搬送波を検波・整流することにより、透磁率の変化に相当する信号変化を検出することができる。
ギャップセンサ44のコア材料はフェライト等の磁性体が用いられるが、この透磁率がエアギャップの透磁率に比べてそれを無視できる程度に大きく、また、漏れ磁束が無視できる場合には、インダクタンスLと寸法d,d1との関係は近似的に次式(1)のように表される。なお、Nはコイルの巻き数、Sはターゲット81と対向するコアの断面積、dはエアギャップ、d1はターゲット81の厚さ、μ1はターゲット81の透磁率であり、エアギャップの透磁率は真空の透磁率μ0に等しいとする。
L=N2/{d1/(μ1・S)+d/(μ0・S)} …(1)
L=N2/{d1/(μ1・S)+d/(μ0・S)} …(1)
ロータ温度がキュリー温度Tcよりも低い温度のときには、ターゲット81の透磁率は真空の透磁率に比べて十分に大きい。そのため、d1/(μ1・S)はd/(μ0・S)に比べて無視できるほどに小さくなり、式(1)は次式(2)のように近似できる。
L=N2・μ0・S/d …(2)
L=N2・μ0・S/d …(2)
一方、ロータ温度がキュリー温度Tcよりも上昇すると、近似的にμ1=μ0となる。そのため、この場合には式(1)は次式(3)のように表される。
L=N2・μ0・S/(d+d1) …(3)
L=N2・μ0・S/(d+d1) …(3)
すなわち、エアギャップがdから(d+d1)に変化したことに相当し、それに応じてギャップセンサ44のインダクタンスが変化することになる。このインダクタンス変化をコントローラ30の検出部31で検出することにより、ロータ温度がキュリー温度Tc以上となったか否かをモニタすることができる。
[ロータ温度モニタ信号の説明]
図5は検出部31のブロック図であり、数十kHzの交流発振器60の出力(搬送波)を抵抗を介してギャップセンサ44に印加する。検出部31には、検波回路61,整流回路62および差信号生成部67が設けられている。ギャップセンサ44に印加された搬送波は、ギャップセンサ44のインダクタンス変化に応じて振幅変調される。ギャップセンサ44から出力された変調波信号は、検波回路61、整流回路62の順に処理されて整流される。
図5は検出部31のブロック図であり、数十kHzの交流発振器60の出力(搬送波)を抵抗を介してギャップセンサ44に印加する。検出部31には、検波回路61,整流回路62および差信号生成部67が設けられている。ギャップセンサ44に印加された搬送波は、ギャップセンサ44のインダクタンス変化に応じて振幅変調される。ギャップセンサ44から出力された変調波信号は、検波回路61、整流回路62の順に処理されて整流される。
図4(a)に示した透磁率の変化は、ギャップセンサ44のコイルによってインダクタンスの変化に変換されるが、そのときのインダクタンス変化は図4(b)のようなものとなる。インダクタンスも透磁率の変化と同様の変化をするが、変化の割合が透磁率に比べて若干小さくなり、上下に圧縮されたような変化となる。図6は、キュリー温度Tc2の一種類の磁性体からなるターゲットに関して、ロータ温度モニタ信号を示す図である。ターゲットがキュリー温度Tc2を越えると、ロータ温度モニタ信号は急激に低下する。
[本実施の形態のターゲット81,82]
上述したインダクタンス変化検出動作の説明では、従来のようにターゲット81が一種類の磁性体材料からなる場合を例に説明したが、本実施の形態のターゲット81,82は、キュリー温度の異なる3種類の磁性体材料の混合物からなる。そのため、ロータ温度モニタ信号の特性は図8に示すようなものとなる。
上述したインダクタンス変化検出動作の説明では、従来のようにターゲット81が一種類の磁性体材料からなる場合を例に説明したが、本実施の形態のターゲット81,82は、キュリー温度の異なる3種類の磁性体材料の混合物からなる。そのため、ロータ温度モニタ信号の特性は図8に示すようなものとなる。
図7において、実線は一種類の磁性体材料(キュリー温度110℃)からなるターゲットの場合のロータ温度モニタ信号(図6のロータ温度モニタ信号と同じ)を示しており、破線は本実施の形態のターゲット81の場合のロータ温度モニタ信号を示す。なお、ターゲット82についても、ターゲット81と同様である。本実施の形態のターゲット81では、キュリー温度が110℃、120℃、130℃のように異なる複数の磁性体材料を混合しているため、ロータ温度モニタ信号の変化が温度110〜130℃の範囲において緩やかに変化している。そのため、ロータ温度モニタ信号の大きさから、容易にロータ温度を知ることができる。検出部31には、破線で示す信号特性の式またはテーブル値が予め記憶されており、ギャップセンサ44の出力信号に応じてロータ温度を算出する。
一方、実線で示すロータ温度モニタ信号の場合には、キュリー温度付近の変化が急激であるため、ロータ温度モニタ信号の変化する温度範囲が非常に狭い。そのため、閾値とロータ温度モニタ信号の値とを比較することによる温度スイッチとして機能させることはできるが、ロータ温度モニタ信号の値から温度推定するのは困難であった。
[変形例]
図8はターゲット81,82の変形例を示す図であり、(a)はターゲット81,82の構成を示し、(b)はロータ温度モニタ信号の信号特性を示す。変形例においては、ターゲット81は複数のターゲット部材81A,81B,81Cから成り、ターゲット82は複数のターゲット部材82A,82B,83Cから成る。ターゲット部材81A,82Aはキュリー温度が110℃である同一種類の磁性体で形成され、ターゲット部材81B,82Bはキュリー温度が120℃である同一種類の磁性体で形成され、ターゲット部材81C,82Cはキュリー温度が130℃である同一種類の磁性体で形成されている。
図8はターゲット81,82の変形例を示す図であり、(a)はターゲット81,82の構成を示し、(b)はロータ温度モニタ信号の信号特性を示す。変形例においては、ターゲット81は複数のターゲット部材81A,81B,81Cから成り、ターゲット82は複数のターゲット部材82A,82B,83Cから成る。ターゲット部材81A,82Aはキュリー温度が110℃である同一種類の磁性体で形成され、ターゲット部材81B,82Bはキュリー温度が120℃である同一種類の磁性体で形成され、ターゲット部材81C,82Cはキュリー温度が130℃である同一種類の磁性体で形成されている。
ギャップセンサ44に対向する位置をターゲット81が通過する際のロータ温度モニタ信号の信号特性は、図8(b)の破線のようになる。3種類の磁性体の粉末や小片を混合したターゲット81,82の場合の特性信号(図7参照)と比較すると、3種類の磁性体が3つのターゲット部材に分離されているため、差信号は緩やかに減少しているが階段状に変化している。そのため、粉末や小片を混合したターゲットを用いる場合よりも、ロータ温度算出精度がやや低下する。
[ポンプ制御]
次に、ロータ温度モニタ信号を用いたポンプ制御について説明する。図9(a)は第1の例を示すブロック図である。検出部31には、ロータ温度演算部311,運転積算時間カウンタ312,補正部313,ロータ温度カウンタ314を備えている。上述したように、ロータ2にはクリープ変形が生じ、その変形量が所定量を越えた場合には静止部との接触が生じるおそれがある。そのため、クリープ変形量が所定量を越えたか否かでロータ2の寿命を判定している。クリープ変形量は、ロータ2に作用する応力、使用時間、ロータ温度に依存している。
次に、ロータ温度モニタ信号を用いたポンプ制御について説明する。図9(a)は第1の例を示すブロック図である。検出部31には、ロータ温度演算部311,運転積算時間カウンタ312,補正部313,ロータ温度カウンタ314を備えている。上述したように、ロータ2にはクリープ変形が生じ、その変形量が所定量を越えた場合には静止部との接触が生じるおそれがある。そのため、クリープ変形量が所定量を越えたか否かでロータ2の寿命を判定している。クリープ変形量は、ロータ2に作用する応力、使用時間、ロータ温度に依存している。
第1の制御例では、まず、運転積算時間カウンタ312で運転時間をカウントする。そのカウント値n1は補正部313へ入力される。一方、ロータ温度演算部311では、ギャップセンサ44の出力と図7に示すような信号特性とに基づいてロータ温度を算出する。ロータ温度Tはロータ温度モニタ信号として補正部313に入力される。
補正部313では、入力されたカウント値n1をロータ温度に基づいて補正する。上述したようにクリープ変形量はロータ温度が高いほど著しくなるので、カウント値n1をロータ温度Tに応じた補正係数K(T)で補正し、ロータ温度が高くなるほどカウント数が大きくなるようにした。補正後の値n2は、次式(4)により与えられる。
n2=K(T)・n1 …(4)
n2=K(T)・n1 …(4)
補正係数K(T)は、ロータ2の温度クリープ特性を考慮して決定する。例えば、図9(b)のようにロータ温度とともに直線的に増加する関数であっても良いし、図9(c)のように階段状に増加するものであっても良い。ロータ温度カウンタ314はn2を積算し、積算値が基準値を越えたときに、それを知らせる報知信号を警報部に出力する。警報部34は報知信号を受信したならば、警報を発したり、ポンプを停止したりする。このように、単に時間を積算するだけでなく、ギャップセンサ44の信号に基づいて算出されるロータ温度に応じて積算値を補正することで、より正確にロータ2の寿命管理を行うことができ、安全運転の向上を図ることができる。
[第2の制御例]
図10は第2の制御例を説明する図である。第2の制御例では、ロータ温度モニタ信号を電磁石制御に利用し、ロータ温度に応じて制御ゲインを切り換えるようにした。図10(a)は磁気軸受駆動制御部32のブロック図であり、磁気軸受駆動制御部32には、PID制御部321,ループゲイン切替器322,補正部323,励磁アンプ324が設けられている。ロータ温度が高くなると、熱膨張により変位センサ71〜73とシャフト3との間のギャップが小さくなり、変位センサ71〜73の出力が増加する。その結果、磁気軸受制御系のループゲインが増加して、磁気軸受制御系が不安定になるという問題がある。
図10は第2の制御例を説明する図である。第2の制御例では、ロータ温度モニタ信号を電磁石制御に利用し、ロータ温度に応じて制御ゲインを切り換えるようにした。図10(a)は磁気軸受駆動制御部32のブロック図であり、磁気軸受駆動制御部32には、PID制御部321,ループゲイン切替器322,補正部323,励磁アンプ324が設けられている。ロータ温度が高くなると、熱膨張により変位センサ71〜73とシャフト3との間のギャップが小さくなり、変位センサ71〜73の出力が増加する。その結果、磁気軸受制御系のループゲインが増加して、磁気軸受制御系が不安定になるという問題がある。
上述したように本実施の形態では、ロータの温度を常時算出することができるので、ロータ温度に応じて制御ゲインを連続的に変えることが可能になる。この場合、算出されたロータ温度が高い場合には制御ゲインを低くし、温度が低い場合には制御ゲインを高く設定することで、安定した磁気軸受制御を行うことができる。
磁気軸受駆動制御部32に変位信号が入力されると、ロータ2の浮上目標位置を指示する基準信号と変位信号との偏差が算出され、その偏差がPID制御部321に入力される。PID制御部321は入力された信号に基づいて電流制御量をPID演算により算出し、それを電磁石制御信号θとして出力する。一方、ロータ温度モニタ信号はループゲイン切替器322に入力される。ループゲイン切替器322では、図10(b)に示すようなロータ温度と制御ゲインとの相関に基づいて、入力されたロータ温度に対応する制御ゲインGを補正部323へと出力する。
補正部323では、PID制御部321から入力された電磁石制御信号θと、ループゲイン切替器322からの制御ゲインGとに基づいて、補正された電磁石制御信号(θ・G)を励磁アンプ324にに出力する。励磁アンプ324では、入力された電磁石制御信号(θ・G)に基づいた励磁電流をポンプ本体の各電磁石に供給する。
なお、従来の場合も温度スイッチ的に離散的なロータ温度が取得できるので、温度が変化したときに制御ゲインを切り替えることができる。しかし、離散的に制御ゲインを大きく変更するのは、制御の安定性の面で好ましくない。一方、本実施の形態では、ロータ温度の変化に応じて制御ゲインを連続的に切り替えるので、そのような問題が発生することはない。
[第3の制御例]
図11および12は、第3の制御例を説明する図である。上述した第2の制御例では、ロータ温度に応じて制御ゲインを切り替えたが、第3の制御例ではロータ温度とポンプの運転積算時間に応じて制御ゲインを切り替えるようにした。一般に、ロータ2が高温となっている状態で運転を続けると、ロータ各部の永久ひずみや緩みの発生など様々な要因によって、軸振動が起こりやすくなるという問題がある。この現象は、ロータが高温となっている状態での運転積算時間が増加するほど顕著に現れる。
図11および12は、第3の制御例を説明する図である。上述した第2の制御例では、ロータ温度に応じて制御ゲインを切り替えたが、第3の制御例ではロータ温度とポンプの運転積算時間に応じて制御ゲインを切り替えるようにした。一般に、ロータ2が高温となっている状態で運転を続けると、ロータ各部の永久ひずみや緩みの発生など様々な要因によって、軸振動が起こりやすくなるという問題がある。この現象は、ロータが高温となっている状態での運転積算時間が増加するほど顕著に現れる。
そこで、第3の実施例では、ロータが高温であるほど積算値を多くし、逆に、低温であるほど積算値を少なくして、積算された値に応じて制御ゲインを切り替えることにより、平均故障時間の間隔をより長くするようにした。以下では、このようにして積算された値をロータ温度カウンタ値と呼ぶことにする。
図11(a)は図10(a)と同様のブロック図であり、図11(a)の場合、磁気軸受駆動制御部32には、PID制御部321,ループゲイン切替器322,補正部323,励磁アンプ324およびロータ温度カウンタ325が設けられている。以下では、図10(a)と異なる部分を中心に説明する。
磁気軸受駆動制御部32に入力されたロータ温度モニタ信号は、ループゲイン切替器322およびロータ温度カウンタ325に入力される。図11(a)におけるロータ温度カウンタ325は、図9(a)におけるロータ温度演算部311,運転積算時間カウンタ312,補正部313およびロータ温度カウンタ314からなる構成に相当しており、機能も同一である。すなわち、ロータ温度カウンタ325では、運転積算時間カウンタ312のカウンタ値をロータ温度で重み付けしたものを積算している。
ループゲイン切替器322は、ロータ温度カウンタ325でカウントされたロータ温度カウンタ値とロータ温度モニタ信号とに基づいて制御ゲインを決定する。図12は、ロータ温度カウンタ値およびロータ温度モニタ信号の組み合わせに対する制御ゲインを示したものである。なお、図12では、ロータ温度が120℃以下の場合で、ロータ温度カウンタ値が0〜1000のときの制御ゲインを1として他の制御ゲインを表している。
例えば、ロータ温度が120℃以下においては、ロータ温度カウンタ値が0〜1000の場合には制御ゲイン=1、ロータ温度カウンタ値が1000〜2000の場合には制御ゲイン=0.95、ロータ温度カウンタ値が2000〜3000の場合には制御ゲイン=0.9と設定する。このように、ロータ温度が高くなると、各ロータ温度カウンタ値における制御ゲインを120℃以下の場合よりも小さくする。図12のように制御ゲインを設定することで、ポンプを安定して継続運転することができる。
図11(b)は、ロータ温度が一定である場合の、ロータ温度カウンタ値と制御ゲインとの関係を示したものである。この場合、ロータ温度カウンタ値が0〜N1の範囲では一定(G1)に保たれ、N1〜N2の範囲では一定の割合で低下する。そして、カウンタ値がN2以上の範囲では、再び一定の値G2となる。そして、ロータ温度カウンタ値が所定の基準値N3に達したならば、警報を発生したりポンプ運転を停止したりする。なお、ここではロータ温度カウンタ値とロータ温度とに基づいて制御ゲインを決定したが、図11(b)に示すようにロータ温度カウンタ値だけで制御ゲインを決定するようにしても良い。
以上説明したように、本実施の形態では、異なるキュリー温度を有する複数のターゲット部材にギャップセンサ44が同時に対向する構造としているため、図7や図8(b)に示すようにロータ温度変改に対して差信号がゆるやかに変化し、ロータ温度の連続的な変化を検出することができる。その結果、ロータ温度に応じた制御ゲインを滑らかに調整することが可能となり、ロータ温度の変化に対して常に安定した磁気軸受制御を行うことができる。また、ロータ寿命を、より精度を良く推定することが可能となる。
さらに、従来、回転体温度異常を検出する際の温度を変更する場合、温度検出用の磁性体ターゲットを変更しなければならず、ハードウェアの変更が必要であった。しかし、本実施の形態のポンプでは、ソフトウェアにより任意に設定温度を変更することができる。
上述した実施の形態では、バランスの関係で、ナット42にターゲット81,82を180度位相で設けたが(図2参照)、どちらか一方だけを設けても構わない。また、本実施の形態では、磁性体ターゲットをシャフト3の下端に配置されたナット42に設けたが、図13に示すように磁性体ターゲット81を温度計測対象であるロータ2に設けても良い。この場合、磁性体ターゲット8がロータ2に直接取り付けられているため、より正確なロータ温度を検出することができる。
また、本発明は磁性体リングをロータ外周に設けるタイプのポンプにも同様に適用することができる。さらに、真空ポンプに限らず、回転体の温度検出機構にも適用することができる。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、ロータ温度演算部311は温度演算手段を、運転積算時間カウンタ312は積算手段を、ロータ温度カウンタ314は判定手段を、ループゲイン切替器322はゲイン変更手段をそれぞれ構成する。なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。
1:ポンプ本体、2:ロータ、3:シャフト、4:ステータ、30:コントローラ、31:検出部、32:磁気軸受け制御部、33:モータ駆動制御部、34:警報部、42:ナット、80,81,82:ターゲット、44:ギャップセンサ、81A〜81C,82A〜82C:ターゲット部材、312:運転積算時間カウンタ、311:ロータ温度演算部、313,323:補正部、314,325:ロータ温度カウンタ、321:PID制御部、322:ループゲイン切替器、324:励磁アンプ
Claims (6)
- ステータに対してロータを回転駆動して真空排気する真空ポンプにおいて、
前記ロータに設けられ、前記ロータの監視温度範囲内においてキュリー温度が異なる複数の磁性材料を前記ロータの所定領域に配置してなるターゲットと、
前記所定領域が対向するステータ側の面に配設され、前記磁性材料のキュリー温度近傍における透磁率変化をインダクタンス変化として検出するセンサと、
前記センサの検出結果に基づいて前記ロータの温度を算出する温度演算手段とを備えたことを特徴とする真空ポンプ。 - 請求項1に記載の真空ポンプにおいて、
前記ターゲットは、前記複数の磁性材料を混合して一体としたものであることを特徴とする真空ポンプ。 - 請求項1に記載の真空ポンプにおいて、
前記ターゲットは、前記磁性材料毎に塊とした複数の部材を前記所定領域内に配設したものであることを特徴とする真空ポンプ。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
真空ポンプの運転時間を積算する積算手段と、
前記積算手段で積算された運転時間と前記温度演算手段により算出されたロータ温度とに基づいて、前記ロータのクリープ寿命を判定する判定手段とを備えたことを特徴とする真空ポンプ。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
前記ロータを磁気浮上させる磁気軸受と、
前記磁気軸受のフィードバック制御ゲインを前記温度演算手段により算出されたロータ温度に基づいて変更するゲイン変更手段とを備えたことを特徴とする真空ポンプ。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
真空ポンプの運転時間を積算する積算手段と、
前記ロータを磁気浮上させる磁気軸受と、
前記磁気軸受のフィードバック制御ゲインを、前記積算手段で積算された運転時間と前記温度演算手段により算出されたロータ温度とに基づいて変更するゲイン変更手段とを備えたことを特徴とする真空ポンプ。
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