JP2009103124A - 真空ポンプを含む装置およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】真空ポンプの通気を、真空ポンプがその中で使用されるプロセスを考慮して改善する。
【解決手段】本発明は真空ポンプを有する装置および通気方法に関するものである。通気をプロセスに適合させるために、複数の通気パラメータの中から１つの通気パラメータを選択することが提案される。本提案により、前記装置は通気パラメータ・メモリおよび通気パラメータ選択手段を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は請求項１の上位概念に記載の方法および請求項８の上位概念に記載の装置に関するものである。

高速回転ロータを備えた真空ポンプは多くの使用例において高真空を発生するために有効であった。特に、ターボ分子真空ポンプはきわめて成功している。通常ターボ・ポンプと呼ばれるこの機械のロータは数１０，０００ｒｐｍの回転速度で運転される。これらのターボ・ポンプの多くは真空比が周期的に変化するプロセス内において運転される。このサイクルに、たいていの場合、システムの通気もまた付属している。以下に考察されるタイプの通気においてはガスが真空ポンプを通過して容器内に流入し、この場合、同時にロータの回転速度が低下されるか、またはロータが停止させられる。これは通気過程と呼ばれる。通気過程の間におけるガス流量は慎重に選択され且つ決して高く設定されてはならず、その理由は、これによりロータに作用する大きな力が発生するからである。しかしながら、ガス流量が小さいことは通気のための期間が長くなることを意味する。他方で、サイクル時間が短縮可能なように、通気はしばしばできるだけ急速に行われるべきである。

この相互に矛盾する要求は従来技術においては種々の手段により対応されてきた。
ドイツ特許公開第４０２２５２３号は、通気の間にロータに作用する力を測定し、この力の関数としてガス供給内の通気弁を制御する制御装置を設けることを提案している。この測定は、センサを用いて、または磁気軸受内において必要とされる力の観察により行われる。

欧州特許公開第１７３９３０８号はこの考え方を取り上げ、および制御が真空ポンプの一般的な運転パラメータをモニタリングし且つその関数として通気弁を制御するように、この考え方を一般化している。

これらの方法の変換において、いくつかの問題点に突き当たる。即ち、測定およびそれに続く制御は迅速な測定／制御技術を必要とする。これは、測定／制御過程は時間がかかるので、コストがかかることおよび達成可能なサイクル時間に限界があることを意味する。さらに、制御回路内に、安全限界を超えることを確実に阻止する手段が設けられなければならない。

サイクル時間は、真空ポンプおよびそれに接続されている容器の通気のために重要な条件の１つであるにすぎない。他の条件は、通気が容器内部の構造物およびプロセスに悪影響を与えてはならないことである。ここでは、その中を流れるガス流量の制約が考えられる。他方で、真空ポンプそれ自身はロータの回転において制約を受けている。ある回転速度は共鳴効果を発生し、これが、例えば軸受を損傷させることにより寿命の短縮を導くことがある。

したがって、上記の欠点から、真空ポンプの通気を、真空ポンプがその中で使用されるプロセスを考慮して改善することが本発明の課題である。

この課題は、請求項１に記載の方法および請求項８に記載の装置により解決される。その他の請求項は本発明の有利な変更態様を提供する。
この方法および装置により、通気過程をプロセスの所与条件に適合させることが可能である。これは、現場で、即ちプロセスが行われ且つ真空ポンプが使用されるその場所で行えることが有利である。真空ポンプのユーザは、自分自身で通気パラメータを選択することにより、通気過程それ自身をその要求に適合させる。請求項２−４に記載の変更態様により、真空ポンプのユーザは、１つの方法ステップにおいて複数の通気パラメータの中から最も好ましい通気パラメータが選択されるこの過程を自動的に実行させることができる。これは、請求項５により、例えば装置の組立後に１回だけ、例えばｎ回ごとの通気過程ののちにチェック測定として複数回、または各通気過程の前に行われてもよい。真空ポンプを含む装置のオペレータは、本発明により、高いサイクル時間を達成すること、または例えばダストの巻上げを回避するために、少なくともはじめには僅かなガス量のみが導入される静かな通気過程を選択することが可能である。一変更態様は、可変コンダクタンスを有する弁を通気弁として利用することを提案し、その理由は、これにより、弁の開放期間の間に導入されるガス量の変化が可能となるからである。通気パラメータは１組の通気パラメータの中から選択されるので、通気パラメータの組の決定において、例えば軸受に荷重を加える回転速度範囲を急速に通り抜けることにより、真空ポンプの寿命に関する条件の順守が保証可能である。通気パラメータは、弁の操作のために必要とされる変数を表わす。最も簡単な場合、これは開放期間であってもよい。しかしながら、通気パラメータには１組の個別変数もまた含められ、例えばサイクリックな通気過程においてはサイクル長さおよび閉鎖状態の開放状態に対するデューティ・レシオが含められる。他の変数もまた考えられる。有利な変更態様においては、通気パラメータは弁の開放線図を提供する。このとき、開放線図は、開放特性の時間線図、例えば通気のはじめには短い開放期間を有し且つ通気の終わりには長い開放期間を有するサイクルを表わす。他の変更態様においては、運転変数としてモータの電力消費が利用され、その理由は、これがそのまま駆動電子装置により測定されるからである。例えば同様にそのまま測定されるロータの回転速度のような他の運転変数の利用もまた考えられる。

一実施例により本発明が詳細に説明され且つその他の利点が説明される。

真空ポンプ１を備えた装置が図１に示されている。真空ポンプは容器２に接続され且つ容器２内に真空を発生する。このために、駆動電子装置３の動力部分１４から真空ポンプに電力が供給される。したがって、駆動電子装置と真空ポンプとの間に電気結合１０が設けられている。真空ポンプおよび容器が作業真空からより高い圧力例えば大気圧に上昇される通気過程のために、装置は制御可能な弁４を有している。弁の開放状態は、ライン１１を介して弁と結合されている弁制御５により制御される。開放状態においては、ガスがガス入口１２から弁を通過して真空ポンプ内に且つ真空ポンプを通過して容器内に流入する。変更態様として、ガス量が可変コンダクタンスにより変化されるように弁を形成することが考えられる。一変更態様においては、通気弁を容器２に接続することもまた考えられる。

弁制御は通気パラメータ選択手段６および通気パラメータ・メモリ７を有している。この通気パラメータ・メモリ内に通気パラメータ８が記憶されている。通気パラメータ選択手段は通気パラメータ８の１つを選択する。この通気パラメータの設定後に、次に弁の制御が行われる。

通気パラメータ選択手段は、ユーザがアクセス可能な選択スイッチとして形成されていてもよい。タッチ・スクリーン等のような他の形態もまた考えられる。これらの形態により、真空ポンプを有する装置のユーザは、手でまたは遠隔操作で、接続コンピュータを介して通気パラメータを選択し、且つこれにより通気過程をプロセスに適合させることができる。

図示の例においては、通気パラメータ選択手段はライン１３により測定構成要素９と結合されている。測定構成要素は、それが真空ポンプの運転変数例えば電力消費または回転速度を測定可能なように形成されている。通気パラメータ選択手段は、測定結果に基づいて、通気パラメータ・メモリ内に記憶されている複数の通気パラメータの中から１つの通気パラメータを選択するように適合されている。このようにして、最善の通気パラメータの自動設定が装置によって可能となるので、ユーザはいかなる設定も行う必要はない。

図２−８により、以下に、上記装置を用いて実行可能な本発明による方法に対する通気過程の一例が紹介される。
図２に、通気過程における、圧力２０、回転速度２１および弁の切換状態２２の時間線図が示されている。通気過程は、時点ｔ_０において、モータの遮断により開始される。同時に、弁が開放位置に移動され、且つ時点ｔ_１において再び閉鎖される。したがって、時点ｔ_０とｔ_１との間に圧力は上昇する。回転速度は、時点ｔ_０以前の一定値から低下する。弁が再び閉鎖された時点ｔ_１ののちにおいては、導入されたガスがポンプにより排出されるので圧力は低下する。回転速度線図は導入されたガス量およびロータ質量の関数である。図示の例においては、ガス量およびロータ質量は、時点ｔ_１において弁が閉鎖されたのちにおいてもガスがさらにロータに制動を与えるような大きさにされている。

時点ｔ_１にやや遅れて時点ｔ_２が続き、時点ｔ_２において弁が再び開放される。このとき新たにガスが導入されるので、圧力は上昇する。時点ｔ_３における弁の閉鎖と共に圧力が再び低下しはじめる。しかしながら、この場合、圧力は、時点ｔ_１における圧力の値を超えている。回転速度はガス摩擦によりさらに低下する。

時点ｔ_３に時点ｔ_４が続き、時点ｔ_４において弁が新たに開放される。圧力はさらに上昇し、一方で、回転速度はさらに低下する。時点ｔ_５において弁が再び閉鎖される。回転速度は低下し、圧力もまた低下する。時点ｔ_５とｔ_６との間において回転速度は危険回転速度を下回った場合、ｔ_６以降においては、弁を全開のままとすることができる。ここで、回転速度は停止に至るまで低下し、および圧力は、通気弁を介して流入するガスが有している圧力まで、一般には大気圧まで上昇する。

図３および４は第１のステップに対する例を示し、第１のステップにおいて弁が開放され且つ弁が開放されたときに駆動電子装置の１つの運転変数が測定される。このステップは本来の通気過程の前に行われる。これらの２つの図において、ｔ_Ｓは、ガスを導入するために弁が開放された時点を示す。時点ｔ_Ｅにおいて、弁は再び閉鎖され、これにより、ガスの導入は終了される。

図３は、ｔ_Ｓとｔ_Ｅとの間に導入されたガス量が、回転速度３１の測定可能な低下を形成させるように選択された例を示す。運転変数として回転速度がモニタリングされる。その間モータには電力が供給され且つこの電力は一定に保持される。回転速度の低下はガスの導入と共に開始する。弁が開放位置３２にある間に回転速度は値Δｆだけ低下する。ｔ_Ｅにおける弁の閉鎖と共に回転速度は再び上昇し、期間Δｔののちに、回転速度は、時点ｔ_Ｓ以前に有していた元の値に上昇する。回転速度の低下並びにその期間および線図は容器容積等のような変数により決定される。したがって、通気パラメータが有意義であるかどうかの判定を行うために、期間、最大値、曲線形状および回転速度曲線下の面積が利用されてもよい。例えば、長時間持続する強い回転速度の低下は、通気が緩慢にのみ可能であり且つ大量のガスが危険な荷重を与える状況を表わしている。

図４に、運転変数としてモータの電力消費がモニタリングされる例が示されている。時点ｔ_Ｓとｔ_Ｅとの間における弁の開放４２により、電力曲線４３に示す電力消費が得られる。導入されたガス量により電力消費が値ΔＰだけ上昇し、その間、回転速度は一定値に保持される。電力消費は時点ｔ_Ｅにおける弁の閉鎖によりはじめて低下しはじめる。電力消費並びにその期間および線図は容器容積等のような変数により決定される。したがって、通気パラメータが有意義であるかどうかの判定を行うために、期間、最大値、曲線形状および電力曲線下の面積が利用可能である。例えば、長時間持続する強い電力消費は、通気が緩慢にのみ可能であり且つ大量のガスが危険な負荷を与える状況を表わしている。

第１のステップにおいて、例えば図３および４に示されている線図により運転変数が測定されたのちに、次のステップにおいて比較が行われる。この比較において、運転変数の測定値またはそれから導かれた値が、通気パラメータと対をなして通気パラメータ・メモリ内に記憶されている基準値と比較される。導かれた値は例えば電力消費曲線下の面積であってもよい。決定された値と基準値との比較結果の関数として、次に通気パラメータが選択される。

一変更態様においては、第１のステップが複数の通気過程の中の１つより多い通気過程の前に実行される。プロセスの中で、例えば５回目の通気過程ごとに、その前に第１のステップが実行される。これにより、真空装置の運転条件が複数の通気過程の間に変化したときにおいても、通気パラメータが最適であることが保証されている。

図５−８は、種々の通気パラメータにより表わされ、したがって通気パラメータ選択手段により選択可能な通気弁開放線図を示す。通気弁の開度Ｇが時間ｔに対して目盛られている。

図５において、通気パラメータは通気弁開放線図を表わし、通気弁開放線図において、通気弁は、パルス５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄおよび５５ｅの間に開放される。開放期間Ｂは全てのパルスにおいて同じであり、同様に開度はそれぞれ１００％の値を有し、即ち通気弁は最大に開放されている。パルスは異なる時点ｔ_５ａ、ｔ_５ｂ、ｔ_５ｃ、ｔ_５ｄおよびｔ_５ｅにおいて発生し、この場合、時点間の間隔は上記の順序で低減している。時点ｔ_５ｆにおいて通気弁は全開とされる。通気弁は真空ポンプが停止するまでこの状態のままであっても、または例えば回転速度しきい値を下回ったときに予め再び閉鎖されてもよい。

図６に示す通気弁の開放線図は同様に複数のパルス６５ａ、６５ｂ、６５ｃおよび６５ｄを含み、これらのパルスにおいて、通気弁の開度は１００％の値を有し、即ち通気弁は全開とされる。パルスは時点ｔ_６ａ、ｔ_６ｂ、ｔ_６ｃおよびｔ_６ｄにおいて発生し、この場合、時点間の間隔は一定である。一方で、開放期間は最初の時点から最後の時点へ増加し、即ち次のパルスごとに通気弁はより長く開放されている。時点ｔ_６ｅにおいて通気弁は全開とされる。通気弁は、真空ポンプの停止までこの状態のままであっても、または例えば回転速度しきい値を下回ったときに予め再び閉鎖されてもよい。

図７に示す通気弁の開放線図はパルス７５ａ、７５ｂ、７５ｃおよび７５ｄを有し、これらのパルスにおいて通気弁の開度は上記の順序に上昇している。最初のパルス７５ａにおいて通気弁は例えば２５％と小さい値で開放されている。最終パルス７５ｄにおいて１００％の全開開度が達成される。パルス７５ａからパルス７５ｄへさらに開放期間もまた増加し、一方、通気弁の開放時点ｔ_７ａ、ｔ_７ｂ、ｔ_７ｃおよびｔ_７ｄは同じ間隔をなしている。時点ｔ_７ｅにおいて通気弁は全開とされる。通気弁は真空ポンプが停止するまでこの状態のままであっても、または例えば回転速度しきい値を下回ったときに予め再び閉鎖されてもよい。

最後に、図８に示す通気弁の開放線図は通気弁の開度の開放増加を有している。時点ｔ_８ａから通気過程が開始し、その後、通気弁の開度は時点ｔ_８ｂまで連続的に上昇される。これにより、開度の傾斜状線図８５ａが得られる。時点ｔ_８ｂとｔ_８ｃとの間において開度は不変のままであり、線図は一定値８５ｂを有している。時点ｔ_８ｃとｔ_８ｄとの間において通気弁の開度は再び連続的に上昇され、これにより再び傾斜状線図８５ｃが得られる。最後に、時点ｔ_８ｄ以降において通気弁は開放されたままである。線図は同様に一定値８５ｄを有している。この時点以降真空ポンプが停止するまで、または所定の時点ないしは回転速度に至るまで、通気弁は開放されたままである。この開放線図から、パルスが存在せず、通気弁は常に少なくとも部分的に開放されていることがわかる。例えば正弦曲線を有する傾斜を重ね合わせた、この例の修正態様もまた考えられる。

これらの開放線図は４つの例を示している。例えば、パルスの数の変化、休止の挿入、流量Ｇの変化により、および同時に種々の手段を使用することにより、上記の例とは異なる開放線図もまた当業者には明らかである。これらの全ての開放線図は、通気パラメータ・メモリ内に通気パラメータとして記憶されている。

真空ポンプを含む装置の略系統図である。 通気過程における、例として示したいくつかの変数の線図である。 第１のステップの実行における回転速度の時間線図である。 第１のステップの実行における駆動装置の電力消費の時間線図である。 第１の通気パラメータにより表わされた弁の開放線図に対する第１の例である。 第２の通気パラメータにより表わされた弁の開放線図に対する第２の例である。 第３の通気パラメータにより表わされた弁の開放線図に対する第３の例である。 第４の通気パラメータにより表わされた弁の開放線図に対する第４の例である。

符号の説明

１ 真空ポンプ
２ 容器
３ 駆動電子装置
４ 弁
５ 弁制御
６ 通気パラメータ選択手段
７ 通気パラメータ・メモリ
８ 通気パラメータ
９ 測定構成要素
１０ 電気結合
１１、１３ ライン
１２ ガス入口
１４ 動力部分
２０ 圧力
２１、３１ 回転速度
２２ 弁の切換状態
３２、４２ 開放位置
４３ 電力曲線
５５ａ−５５ｅ、６５ａ−６５ｄ、７５ａ−７５ｄ パルス
８５ａ、８５ｃ傾斜状線図
８５ｂ、８５ｄ 一定値
Ｂ 開放期間
ｆ 回転速度
Ｇ 開度
Ｐ 電力消費
ｔ 時間
ｔ_５ａ−ｔ_５ｆ、ｔ_６ａ−ｔ_６ｅ、ｔ_７ａ−ｔ_７ｅ、ｔ_８ａ−ｔ_８ｅ、ｔ_Ｓ、ｔ_Ｅ 時点
Δｆ 回転速度の低下
ΔＰ 電力の増加
Δｔ 期間

Claims (10)

1. 真空ポンプ、駆動電子装置、弁および弁制御を含む装置の運転方法において、
   通気過程の前に、選択ステップにおいて、複数の通気パラメータの中から１つの通気パラメータが選択されることを特徴とする真空ポンプを含む装置の運転方法。
2. 前記選択ステップの前に、第１のステップにおいて弁が開放され、弁が開放されたときに駆動電子装置の１つの運転変数が測定されることを特徴とする請求項１の方法。
3. 第１のステップののちに、他のステップにおいて、前記運転変数の測定値が、通気パラメータと対をなして通気パラメータ・メモリ内に記憶されている基準値と比較され、且つ前記選択ステップにおいて、比較結果の関数として１つの通気パラメータが選択されることを特徴とする請求項２の方法。
4. 駆動電子装置が真空ポンプのモータに電力を供給している間に、前記第１のステップが実行されることを特徴とする請求項３の方法。
5. 複数の通気過程の中の１つより多い通気過程の前に、前記第１のステップが実行されることを特徴とする請求項２ないし４のいずれかの方法。
6. 通気パラメータが弁の開放線図を含むことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかの方法。
7. 前記運転変数がモータの電力消費およびロータの回転速度のいずれかであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかの方法。
8. モータを備えた真空ポンプを含み、モータを操作するための駆動電子装置を有し、弁を備え、および弁制御を備えた装置において、
   前記装置が通気パラメータ・メモリおよび通気パラメータ選択手段を有することを特徴とする真空ポンプを含む装置。
9. 通気パラメータが弁の開放線図を含むことを特徴とする請求項８の装置。
10. 前記弁が可変コンダクタンスを有することを特徴とする請求項８または９の装置。

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