JP2010519453A - 高速回転式真空ポンプ - Google Patents

Abstract

【解決手段】本発明は、電気駆動モータによって駆動され、一定した固定の公称回転数(f_nom)を有し、磁石が取り付けられたロータを備えた高速回転式真空ポンプに関する。臨界反回転共振周波数(f_crit) が公称回転数(f_nom)を３%乃至最大30%の間で超えているように、ロータ及びロータの軸受が備えられており、それによって超過速度を防止する。

Description

高速回転式真空ポンプ、言い換えれば非容積型の特に磁気的に支持されたターボ分子ポンプでは、超過速度の範囲内にある回転速度が、遠心力により、真空ポンプの故障の原因になるだけでなく、人に対して相当な危険をもたらすこともあるので、超過速度を確実に防止することが必要となる。

実際には、高速回転式真空ポンプの超過速度は、ロータ及び該ロータのための電気駆動モータの回転速度を監視し、電子手段によって回転速度の限界を決定すべく作動する複雑な電子組立体を用いることにより防止される。この方法で、高速回転式真空ポンプのための安全な能動型超過速度防止の実現は、高い技術的経費及び多くのハードウェア及びソフトウェアにより可能であるが、結果として生じる高い技術的経費は相当なコストの原因となる。

欧州特許出願公開第０３３３２００号明細書

本発明は、簡易且つ確実な超過速度防止手段を備えた高速回転式真空ポンプを提供することを目的とする。

本発明によれば、上記の目的は請求項１の特徴によって達成される。

本発明の高速回転式真空ポンプでは、ロータは、撓み臨界反回転共振周波数が公称回転数を３%乃至最大30%の間で超えているように設計されている。能動型超過速度防止手段が設けられていない、つまり、電気駆動モータのための制御手段以外に、回転速度を直接制御して制限する手段が設けられていない。

撓み臨界反回転共振周波数が、公称回転数を３%乃至最大30%の間で超えているように設定する処理は、様々な方法で行われ得る。特に、真空ポンプのロータの質量、形状及び支持は、撓み臨界反回転共振周波数が公称回転数を最大30％超えているように変更され適合されることが可能であり、それによって内在的に超過速度を防ぐ。上記のレベルの回転数への上昇が電力の大量蓄積でのみ可能であるように、撓み臨界反回転共振周波数での共振振動は相当な電力を消費する。電気駆動モータの駆動電力が、撓み臨界反回転共振周波数の範囲内における回転数での共振振動によって完全に消費され得るように、電気駆動モータの駆動電力が設定される必要がある。従って、ハードウェアによって内在的な超過速度防止手段が生成されるので、故障が事実上除外される。能動型超過速度防止のための経費が削除され得るので、超過速度防止のためのコストがかなり削減され得る。

比較的低く、通常速く比較的僅かな電力蓄積で通される剛体臨界共振周波数とは対照的に、撓み臨界周波数は比較的高い周波数レベルにある。このために、撓み臨界反回転共振周波数は、内在的な超過速度防止のために利用されるのに特に適している。

真空ポンプのロータは磁気軸受に支持されている。磁気軸受は、ここでは少なくとも１つのラジアル方向の自由度を備えた磁気軸受として理解されるべきである。しかしながら実際には、磁気軸受が設けられている場合、高速回転式真空ポンプのロータは、５つの自由度全てに対して磁気的に支持される。作動中に、磁気軸受自体が、平衡制御によりロータのラジアル方向の振動を生成する。それによって、特に撓み臨界共振周波数での振動も励振される。撓み臨界共振周波数を通すために適切な磁気支持の制御アルゴリズムが提供されない限り、ポンプがこれらの振動を通すことは不可能である。このような適切な制御アルゴリズムはここでは提供されていない。代わりに、磁気支持の制御アルゴリズムは、利用可能な駆動エネルギーに基づいて、ポンプが撓み臨界共振周波数を通すことができないように構成されている。

撓み臨界反回転共振周波数は、公称回転数を５%乃至25%の間で超えていることが好ましく、公称回転数を20%超えた範囲内にあることが更に好ましい。公称回転数を約20%超えていることにより、ロータを停止から公称回転数まで上昇させる処理中にロータが回転数を超えてオーバーシュートすることが防止され、十分な安全性が提供される。従って、上昇中に前記オーバーシュートにより、撓み臨界反回転共振周波数の発生を不適切に引き起こすことが回避され得る。他方では、撓み臨界反回転共振周波数は、公称回転数を可能な限り僅差で超えているべきであり、このようにして、安定性を不必要な程度まで要求するロータの設計要件が除去される。

高速回転式真空ポンプは、非容積型の真空ポンプ、例えばターボ分子真空ポンプであることが好ましい。ターボ分子真空ポンプでは、回転速度が、通常10,000乃至100,000r/min の範囲内にある。このような高範囲における回転速度及び回転数では、ロータを支持するために特に磁気軸受を用いることが望ましい。

本発明を、図面を参照して以下に更に詳細に説明する。

高速回転式真空ポンプのいわゆるキャンベル図を示す。

図１に示されたキャンベル図では、ロータの共振周波数f_resがロータの回転数f_rotに対して図示されている。

本実施形態での高速回転式真空ポンプは、ターボ分子真空ポンプであり、この真空ポンプのロータが、磁気軸受により５軸形配置で完全に支持されている。ロータは電気駆動モータによって駆動されて、予め設定された一定の公称回転数f_nomで作動される。

図１には、まず、回転速度のより低い範囲に、剛体臨界共振周波数の曲線12,14 が夫々２本ずつ示されている。これらの共振周波数は、ロータの回転数f_rotに伴い比較的僅かな程度しか変化しない。更に、回転速度のより高い範囲に、撓み臨界反回転共振周波数を表わす曲線16、及び撓み臨界共回転共振周波数を表わす曲線18が示されている。更に、いわゆる位置ベクトル20が破線で示されている。位置ベクトル20が撓み臨界反回転共振周波数の曲線20と交差する点では、本発明の真空ポンプのための撓み臨界反回転共振周波数f_crit が読み出され得る。

本例では、真空ポンプのロータのための撓み臨界反回転共振周波数f_crit は、略970Hz である。真空ポンプ、該真空ポンプのための電気駆動モータ、電気駆動モータの制御部及びロータの公称回転数f_nomは、略800Hz である。従って、撓み臨界反回転共振周波数f_crit は、真空ポンプの公称回転数f_nomを略21%超えている。

電気駆動モータの駆動電力は、ロータの回転数が撓み臨界反回転共振周波数f_crit に偶然達した場合、駆動電力が反回転共振周波数によって完全に消費されるように制限されている。

真空ポンプは、更なる能動型超過速度防止手段を備えておらず、つまり、真空ポンプは、モータ制御の回転速度制御ループ以外に、第２の回転速度制御ループを備えていない。

撓み臨界反回転共振周波数を表わす曲線16は、真空ポンプの磁気軸受の制御パラメータの対応する設定によって影響され得ない。しかしながら、利用可能な駆動エネルギーでの操作によりポンプが撓み臨界共振周波数を通す可能性を除外するために、撓み臨界共振周波数が十分強く励起されるように、磁気軸受の制御パラメータは設定される。このために、磁気軸受のための制御パラメータは比較的流動的である必要がある。

Claims (4)

1. 電気駆動モータによって駆動され、予め設定された一定の公称回転数(f_nom)を有するロータを備えた高速回転式真空ポンプにおいて、
   前記ロータは磁気軸受に支持されており、
   前記ロータの撓み臨界反回転共振周波数(f_crit) が、前記公称回転数(f_nom)を３%乃至最大30%の間で超えており、
   能動型超過速度防止手段が設けられていないことを特徴とする高速回転式真空ポンプ。
2. 非容積型真空ポンプとして設計されていることを特徴とする請求項１に記載の高速回転式真空ポンプ。
3. ターボ分子ポンプであることを特徴とする請求項２に記載の高速回転式真空ポンプ。
4. 前記撓み臨界反回転共振周波数(f_crit) は、前記公称回転数(f_nom)を５%乃至25%の間で超えていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の高速回転式真空ポンプ。

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