JP2009144709A - 真空ポンプおよび真空ポンプの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より多量の蒸気成分を有するガス／蒸気混合物を大気に向けて圧縮可能な真空ポンプを提供する。
【解決手段】本発明は、大気に向けて圧縮する最終ポンプ段（２；２１４）および冷却装置（７；２０７）を備えた真空ポンプ（１；２０１）と、およびこのような真空ポンプの運転方法とに関するものである。ガス／蒸気混合物内においてより多量の蒸気成分を供給するために、本発明は、真空ポンプが、前記冷却装置の冷却量を設定するための運転電子装置（８；２０８）と、および前記運転電子装置と結合されている温度センサ（１３；２１３）と、を有することを提案する。本方法は、温度が測定されること、それに続いて必要な冷却が決定されること、および次に決定された冷却が設定されることを実行する。
【選択図】図１

Description

本発明は請求項１の上位概念に記載の真空ポンプに関するものである。さらに、本発明は請求項８の上位概念に記載の真空ポンプの運転方法に関するものである。

低真空および中真空範囲の真空ポンプは、基本的に、大気圧に向けてのガス／蒸気混合物の圧縮において問題を有している。適切な対策がなされない場合、真空ポンプのポンプ段の内部において蒸気成分を凝縮させることがある。蒸気成分はたいていの場合水蒸気である。真空ポンプは、その形態に応じて、好ましくない問題を発生することなく水蒸気を同時に圧縮することが可能である。これはしばしば「水蒸気許容性」と呼ばれる。この問題は、いわゆるガスバラストをポンプ段内に流入させることにより、ゲーデ（Ｇａｅｄｅ）によってはじめて解決された。この方法がドイツ特許第７０２４８０号に開示されている。この問題解決方法は従来技術において実行され、かなり以前から種々の事例において使用されてきている。

この解決方法における欠点は、多量のガスバラストの注入により真空ポンプの最終圧力が悪化されることである。多段真空ポンプにおいては、さらに、たいていの場合各段間に変化が付けられることによりガスバラスト量は制限されている。他方で、多くの使用例において、真空ポンプが高い蒸気成分を有するガス／蒸気混合物を圧縮しなければならないことが観察される。

より多量の蒸気成分を有するガス／蒸気混合物を大気に向けて圧縮可能な真空ポンプを提供することが本発明の課題である。

この課題は、請求項１の特徴を有する真空ポンプおよび請求項８の特徴を有する真空ポンプの運転方法により解決される。従属請求項２−７および９−１１は有利な変更態様を与える。

冷却装置の冷却量を設定するための運転電子装置を設けることは、冷却量を目的どおりに低減させることを可能にする。冷却量が低下されたときには、圧縮熱および駆動装置の動力損失から発生する熱に基づいて真空ポンプの温度は上昇する。これにより、蒸気が凝縮する危険性は低下し且つ真空ポンプはより高い蒸気含有量を有するガス／蒸気混合物を大気に向けて圧縮することが可能である。上記の欠点特に最終圧力の悪化は十分に回避される。運転電子装置と結合されている温度センサは、真空ポンプの温度を、高い値ではあるが不利にはならない値に保持することを可能にする。高すぎる温度は構成要素の劣化を早める。潤滑剤により潤滑される真空ポンプにおいては、特に潤滑剤が高い温度において分解過程にさらされている。温度センサにより、真空ポンプの温度を、冷却量の変化によってこのような劣化および分解が発生しない範囲内に制御可能である。これは最大冷却能力によってのみ制限される。この利点を達成するために、方法ステップとして、温度の測定、それに続く必要な冷却量の決定および決定された冷却の設定が必要である。

真空ポンプは、選択手段が運転電子装置と結合され、選択手段は運転電子装置の種々の運転方式の選択を可能にすることにより改良可能であることが有利である。これにより、高い蒸気成分に対する供給能力を要求に適合させることが可能である。少量の蒸気成分が供給される場合、低い運転温度を有する運転方式が選択される。蒸気成分の上昇と共に、さらに高い運転温度を有する運転方式が選択可能である。

他の変更態様は、さらに、弁により遮断可能なガスバラスト供給通路を設けることを提案する。これにより、供給可能な蒸気成分はさらに上昇可能である。
弁により遮断可能なバラスト供給通路および選択手段を備えた真空ポンプは、選択手段の切換状態および弁の切換状態が相互に結合されていることにより改良可能であることが有利である。これにより、ガスバラスト量も供給されるときには、より高い温度を有する運転方式が選択される。これは絞りにより設定可能である。このようにして、真空ポンプの運転が簡単になり且つ高い蒸気成分に対する最適許容性が形成される。

一変更態様は、弁がガスバラスト供給通路内に電磁弁を含み、電磁弁が運転電子装置と結合されていることを提案する。このようにして、運転電子装置は、必要に応じて追加のガスバラストを供給可能である。これは、温度を低下させることが必要なときに高い蒸気成分もまた供給することを可能にする。

有利で簡単な変更態様において、冷却装置は、その回転速度が可変であるファンを含む。特に、ファンの回転速度は標準値から低下可能であるので、供給される冷却量は、回転速度の低減によって低下可能である。これは簡単且つコスト的に有利な構造形態である。

他の変更態様において、真空ポンプは潤滑剤シール式回転翼形油回転真空ポンプを有している。この場合、潤滑剤は、多くの機能、例えば吸込室のシール、翼板の潤滑および軸受の潤滑を受け持つので、蒸気が凝縮しないことおよび蒸気が潤滑剤循環回路内に入り込まないことが重要である。さらに、潤滑剤を過大温度によって劣化させないことが重要である。

請求項８に記載の方法は、他のステップにおいて選択手段がその切換状態に関して検査され、その後に、達成されるべき温度が決定されることにより、改良可能である。これにより、きわめて簡単且つコスト的に有利な方法で、真空ポンプのユーザに、蒸気成分に対する許容性において異なる複数の運転方式を提供することが可能である。

他の変更態様は、冷却の設定をファンの回転速度の変化により行うことを提案する。これは構造的に特に簡単である。さらに、冷却のきわめて細かい変化をきわめて急速に行うことが可能である。

他の変更態様は、真空ポンプがガスバラスト供給通路内に弁を有し、および弁が開放されているとき、真空ポンプの温度がファンの回転速度の低減により上昇されることを提案する。温度上昇および同時に行われるガスバラストの供給により、蒸気成分に対して最大に高い供給能力が達成される。

２つの実施例により本発明が詳細に説明され且つその利点の説明が行われるものとする。

最初の図面として、図１は、第１の実施例の二段真空ポンプ１の構造を示す。真空ポンプの内部に最終ポンプ段２および中真空段４が配置されている。中真空段の入口は容器３と結合されている。ガスは中真空段により容器から吸い込まれ且つ最終ポンプ段により圧縮され、これにより、ガスは真空ポンプから大気に向けて排出可能である。両方のポンプ段は１つのモータ５により駆動される。その駆動力は伝動装置６により両方のポンプ段に分配される。代替態様として、両方のポンプ段は、モータにより駆動される１つの共通軸上に配置されていてもよい。ポンプ段は、例えばピストンの原理により、乾式で圧縮するように設計されていてもよい。有利な形態においては、少なくとも最終ポンプ段は潤滑剤シール式回転翼形油回転ポンプであってもよい。

真空ポンプはファン７を有し、ファンはモータ５とは独立の駆動装置を有している。運転電子装置８はファンの回転速度を設定する。ファンは空気流れを発生し、これにより、ポンプ段およびモータの冷却のために利用される冷却量を発生する。空気流れが図１において破線矢印で示されている。選択手段１２は、ユーザがアクセス可能なように真空ポンプに配置されている。この選択手段は種々の運転方式の選択を可能にする。選択手段は例えば多点スイッチとして設計されていてもよく、多点スイッチにおいて、各位置はそれぞれの運転方式を提供する。代替態様として、選択手段が遠隔操作のためのプラグとして設計されていてもよい。運転方式は、真空ポンプがそれに調節される温度範囲において異なっている。

真空ポンプの内部に配置されている温度センサ１３は運転電子装置と結合されている。この例においては、温度センサは最終ポンプ段に配置されている。温度センサは、例えばポンプ出口のような凝縮の危険性が特に高いより低温の位置、または例えばモータのような過大温度に関して危険性の高い位置に配置されていてもよい。代替態様として、複数の温度センサが設けられていてもよい。

運転電子装置は、ガスバラスト供給通路１１内に配置されている電磁弁９と結合されている。このガスバラスト供給通路は大気圧ガスを最終ポンプ段２内に供給することを可能にする。同様に運転電子装置と結合されていてもよい絞り１０は、ガスバラスト供給通路を介して供給されるガス量の制御を可能にする。

図２に示す実施例は潤滑剤シール式回転翼形油回転真空ポンプ１であり、これは以下において回転翼形油回転ポンプと呼ばれる。回転翼形油回転ポンプはガス入口２２５からガスを吸い込み且つ圧縮されたガスをガス出口２２６から大気に向けて排出する。ポンプ段の吸込室２１４内においてガスが圧縮される。ポンプ段は、軸２１５が円筒内孔を偏心して貫通し、この場合、軸が１つまたは複数の翼板２１６を支持することにより形成される。軸は滑り軸受２１７内に回転可能に支持されている。軸の回転により、翼板は内孔内を回転し、この場合、円筒壁と翼板との間に三日月形吸込室が形成される。この例においては、軸上の永久磁石２２４および電気コイル２２３によって回転が行われる。電気コイルと軸との間に分離要素２１８が配置され、分離要素は非磁性材料から形成されている。非磁性材料は例えばガラスを含んでもよい。電気コイルの操作は運転電子装置２０８により行われる。運転電子装置は、駆動装置のコイルのほかにファン２０７もまた操作するように形成されている。運転電子装置は、特に、ファンの種々の回転速度を発生させるように形成されている。ファンは空気流れを発生し、空気流れは図２において破線矢印により示されている。空気流れは、回転翼形油回転ポンプの熱伝導部品に、特に駆動装置およびポンプ段を含む範囲に向けられている。この範囲内において発生した熱は周辺を通って流れる空気により受け取られ、これにより、この範囲の冷却が行われる。特に、熱は、ポンプ段のハウジングを包囲し且つポンプ段により加熱される潤滑剤によって排出される。冷却度は空気流れの強さおよびファンの回転速度の関数である。

温度センサ２１３は回転翼形油回転ポンプ内の駆動装置の付近に配置され且つ温度の関数である信号を出力する。温度センサは運転電子装置２０８と結合されている。運転電子装置は、必要な冷却を決定するために温度の関数である信号を利用するように形成されている。決定された冷却は、次に、ファンの回転速度が変化されることにより、運転電子装置によって設定される。温度上昇が必要である場合、冷却は低減されなければならず、したがって回転速度は低減される。温度が低下されるべき場合、冷却量を同様に上昇させるために回転速度が上昇される。温度センサは、駆動装置の付近、したがって高温に弱い電子部品の付近に配置されているので、電子部品の過熱を回避するために、温度センサの信号が利用可能である。スイッチ２１２は種々の運転方式の設定を可能にする。運転方式は、真空ポンプがそれに調節される温度範囲において異なるので、運転方式は、水蒸気許容性においてもまた異なっている。したがって、スイッチに、水蒸気許容性に対する値または値の範囲のラベルが付けられていてもよい。運転電子装置は、スイッチの代わりに、運転電子装置の内部のソフトウェア・パラメータがそれを介して変化される電子インタフェースを有していてもよい。ソフトウェア・パラメータを変化させるための手段は、手動装置、コンピュータ等を含んでいてもよく、および運転電子装置と分離可能に結合されていてもよい。

ガスバラスト供給通路２１１は回転翼形油回転ポンプの吸込室２１４を大気と結合する。この場合、吸込室への入口は、いつの時点においても、翼板が回転翼形油回転ポンプをガス入口から分離するように配置されている。ガスバラスト供給通路の大気側入口は、この例においては、開口２２１として形成され、開口はスリーブ２２０により完全にまたはその一部が閉鎖可能である。スリーブおよび開口は共にガスバラスト弁２０９を形成する。

回転翼形油回転ポンプは受動的に冷却するように働く冷却体２２２を有している。冷却体はハウジングの表面上に配置され且つハウジング内において発生した熱を大気に放出する。

この例の回転翼形油回転ポンプは単段として示されているが、直列または並列に配置された複数のポンプ段が存在していてもよい。
実施例に示されている両方の真空ポンプは、以下に図３によって説明される方法で運転される。図３は、第１列に、選択手段１２ないしはスイッチ２１２の切換状態Ｓを時間ｔに対して示している。第２列に冷却量Ｃが時間ｔに対して目盛られ、冷却量は例えば可変回転速度を有するファンにより予め設定される。最後に、第３列に温度Ｔの時間ｔに対する線図が示されている。

時点ｔ_１以前においては切換状態Ｓ_０が設定されている。真空ポンプの温度は、例えば室温である低温値Ｔ_Ｃから正常値Ｔ_Ｎに上昇する。正常値は従来技術において典型的な値に従って決定され且つ運転条件例えば周囲温度および供給されるべきガス量の関数である。圧縮熱および駆動損失は真空ポンプを加熱するので、温度Ｔ_Ｎを保持するために冷却量Ｃ_Ｎが必要である。

時点ｔ_１において切換状態が状態Ｓ_１に変化され、これにより、より高い水蒸気許容性を有する運転状態が選択されたとする。この時点以降において、運転電子装置は、冷却手段の冷却量Ｃを設定するために温度センサの信号を利用する。このときに開始する期間、即ち切換状態Ｓ_１が与えられているｔ_１とｔ_５との間の期間内において、運転電子装置は制御運転内に存在する。切換状態Ｓ_０において運転電子装置が制御動作をしているときはそれで十分である。

水蒸気許容性を上昇させるために、真空ポンプの温度は、正常値Ｔ_Ｎから、下限温度Ｔ_Ｂと最高温度Ｔ_Ｔとの間の範囲に上昇されなければならない。これを達成するために、はじめに温度が測定される。真空ポンプの実際温度が温度Ｔ_Ｂの下側に存在する場合、冷却量は低い値Ｃ_１に低下される。減少された冷却により、真空ポンプは、圧縮熱および動力損失によって加熱される。時点ｔ_２において、真空ポンプが下限温度Ｔ_Ｂに到達したとする。このとき、加熱を緩やかにするために、冷却量は中間値Ｃ_２に高く設定される。最高温度Ｔ_Ｔに到達したとき、真空ポンプを冷却し且つ過熱を回避するために、冷却量はさらにより高い値Ｃ_３に上昇される。強い冷却により温度は低下し、これにより、最終的に時点ｔ_４において再び下限温度Ｔ_Ｂに到達したとする。この温度に到達したとき、冷却量は再びＣ_２に低下され、これにより、真空ポンプは再び加熱される。

時点ｔ_５において、切換状態がＳ_１からＳ_０に変化されたとする。このとき正常冷却量Ｃ_Ｎが設定されるので、真空ポンプの温度は正常値Ｔ_Ｎに低下する。
図４は冷却量の設定が実行可能な２つの簡単な可能性を示している。このために、上の線図内に冷却量Ｃが与えられ、２番目の線図に第１の運転方式におけるファンの回転速度ｆが与えられ、最後に下の線図に第２の運転方式におけるファンの回転速度ｆ′が与えられている。

時点ｔ′_１以前においては、真空ポンプは第１の運転状態にあり、この運転状態において、冷却量は、圧縮および駆動損失による入熱量に従って決定されている。最大冷却量Ｃ′_Ｎにより、例えば４０℃のきわめて高い周囲温度のような好ましくない運転条件下においても、好ましくない値への真空ポンプの過熱が阻止される。時点ｔ′_１において、選択手段によってより高い水蒸気許容性を有する運転状態が選択されたとし、この運転状態は時点ｔ′_３において再び終了されたとする。

冷却量設定の第１の例においては、ファンの回転速度は冷却量Ｃ′_Ｎに適合された回転速度ｆ_Ｎから、より低い回転速度ｆ_１に低下される。これにより、冷却量は低減される。時点ｔ′_２以降においてより高い冷却量が必要とされたとし、したがって、回転速度はｆ_Ｎとｆ_１との間の値ｆ_２に設定される。ｔ′_３以降において、ファンは再び最初の回転速度ｆ_Ｎで回転するものとする。回転速度制御は、離散回転速度値を用いる代わりに、連続的に行われてもよい。

冷却量設定の第２の例においては、冷却量はファンの脈動運転により設定される。時点ｔ′_１とｔ′_２との間において、ファンは、ファンの停止をも含むより低い回転速度で運転され、パルス４１に対してのみ他の回転速度に切り換えられる。他の回転速度は、簡単な例においては、回転速度ｆ′_Ｎであってもよい。この脈動運転により、期間ｔ′_１−ｔ′_２にわたり平均されて、より低い冷却量が得られる。期間ｔ′_２−ｔ′_３内において、より高い冷却量が必要とされたとする。これは、より多くのパルス４２が利用されることにより得られる。パルス高さ、パルス幅およびパルス数の変化により、冷却量は必要な値に設定可能である。

本発明による第１の真空ポンプの一般構造図である。 本発明によるオイル・シール式回転翼形油回転真空ポンプの断面図である。 温度、切換状態および冷却の時間線図である。 ファンの冷却および回転速度の時間線図である。

符号の説明

１；２０１ 真空ポンプ
２；２１４ 最終ポンプ段（吸込室を含む）
３ 容器
４ 中真空段
５ モータ
６ 伝動装置
７；２０７ 冷却装置（ファン）
８；２０８ 運転電子装置
９、２０９ 弁
１０ 絞り
１１；２１１ ガスバラスト供給通路
１２；２１２ 選択手段（スイッチを含む）
１３；２１３ 温度センサ
４１、４２ パルス
２１５ 軸
２１６ 翼板
２１７ 滑り軸受
２１８ 分離要素
２２０ スリーブ
２２１ 開口
２２２ 冷却体
２２３ 電気コイル
２２４ 永久磁石
２２５ ガス入口
２２６ ガス出口
Ｃ、Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３、Ｃ_Ｎ 冷却量
ｆ、ｆ′ ファンの回転速度
Ｓ、Ｓ_０、Ｓ_１ 切換状態
Ｔ、Ｔ_Ｂ、Ｔ_Ｃ、Ｔ_Ｎ、Ｔ_Ｔ 温度
ｔ 時間
ｔ_１−ｔ_５ 時点
ｔ_Ｗ 期間

Claims (11)

1. 大気に向けて圧縮する最終ポンプ段（２；２１４）および冷却装置（７；２０７）を備えた真空ポンプ（１；２０１）において、
   真空ポンプ（１；２０１）が、前記冷却装置（７；２０７）の冷却量を設定するための運転電子装置（８；２０８）と、および前記運転電子装置（８；２０８）と結合されている温度センサ（１３；２１３）と、を有することを特徴とする真空ポンプ。
2. 選択手段（１２；２１２）が前記運転電子装置（８；２０８）と結合され、前記選択手段は前記運転電子装置の種々の運転方式の選択を可能にすることを特徴とする請求項１の真空ポンプ。
3. 前記最終ポンプ段（２；２１４）が、弁（９；２０９）により遮断可能なガスバラスト供給通路（１１；２１１）を有することを特徴とする請求項１または２の真空ポンプ。
4. 前記選択手段（１２；２１２）の切換状態および前記弁（９；２０９）の切換状態が結合されていることを特徴とする請求項２または３の真空ポンプ。
5. 前記弁（９；２０９）が電磁弁を含み、前記電磁弁が前記運転電子装置と結合されていることを特徴とする請求項３または４の真空ポンプ。
6. 前記冷却装置（７；２０７）がファンを含み、前記ファンの回転速度が冷却量を制御するために標準値から低下可能であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかの真空ポンプ。
7. 真空ポンプがオイル・シール式回転翼形油回転ポンプ段（２１４）を有することを特徴とする請求項１ないし６のいずれかの真空ポンプ。
8. 大気に向けて圧縮する最終ポンプ段（２；２１４）およびファン（７；２０７）を有する真空ポンプ（１；２０１）の運転方法において、
   温度が測定されること、
   それに続いて必要な冷却が決定されること、および
   次に決定された冷却が設定されること、を特徴とする真空ポンプ（１；２０１）の運転方法。
9. １つのステップにおいて選択手段（１２；２１２）がその切換状態に関して検査され、その後に、達成されるべき温度が決定されることを特徴とする請求項８の真空ポンプ（１；２０１）の運転方法。
10. 前記冷却の設定が前記ファン（７；２０７）の回転速度の変化により行われることを特徴とする請求項８または９の真空ポンプ（１；２０１）の運転方法。
11. 真空ポンプ（１；２０１）がガスバラスト供給通路（１１；２１１）内に弁（９；２０９）を有し、および前記弁が開放されているとき、真空ポンプ（１；２０１）の温度がファン（７；２０７）の回転速度の低下により上昇されることを特徴とする請求項８ないし１０のいずれかの真空ポンプ（１；２０１）の運転方法。

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