JP2010539387A

JP2010539387A - 真空ポンプ

Info

Publication number: JP2010539387A
Application number: JP2010525328A
Authority: JP
Inventors: ジュン，ユーリッヒ; ハリグ，クリスチャン
Original assignee: オーリコンレイボルドバキュームゲーエムベーハー
Priority date: 2007-09-19
Filing date: 2008-09-16
Publication date: 2010-12-16
Also published as: CN101802414A; WO2009037255A1; TW200925430A; US20100196180A1; DE102007044690A1; EP2191140A1; KR20100083790A; CA2698485A1

Abstract

【解決手段】本発明は、ポンプロータ(16)、能動型磁気軸受(20,21) 、該磁気軸受(20,21) に連動付けられた安全軸受(22,23) 、ポンプロータ(16)を駆動するための複数のステータコイル(19₁,19₂,19₃) を有するモータステータを含む電気駆動モータ(18)、ベース接点(62,63,64)、ブレーキ接点(44,45,46)及び作動接点(47,48,49)を夫々有する複数の切換器を含むブレーキ継電器(42)、及びブレーキ継電器(42)の全てのブレーキ接点(44,45,46)が互いに直接接続されている短絡点(60)を備えた真空ポンプ(10)に関する。全てのステータコイル(19₁,19₂,19₃) は、切換器のベース接点(62,63,64)に接続されており、ブレーキ継電器(42)のブレーキ接点(44,45,46)と短絡点(60)とを介して互いに直接接続されることが可能であり、作動接点(47,48,49)を介して変換器モジュール(32)に接続され得る。

Description

本発明は、磁気軸受及び安全軸受を備えた高速回転式真空ポンプに関する。

欧州特許出願公開第１８９８０９８号明細書

例えばターボ分子真空ポンプのような高速回転式真空ポンプは、毎分数万回転乃至数十万回転の標準回動速度で作動される。このような真空ポンプでは、摩擦がない磁気軸受が、ポンプロータを支持するために特に有用である。磁気軸受に支障がある場合、衝撃で磁気軸受がその機能を実行できないか又は十分には実行できない度に、ポンプロータは、ローラ又は滑り軸受として構成されてもよい一又は複数の連動付けられた機械式安全軸受により支持される。真空ポンプが今まで標準回動速度で駆動されていた場合、真空ポンプが惰力で動作するには数時間かかる場合がある。これが磁気軸受に支障がある際に発生した場合、安全軸受に著しい応力が加えられ、安全軸受は、幾つかのいわゆる惰力動作にのみ持ちこたえる。

これを考慮して、本発明は、磁気軸受に支障がある場合に、安全軸受の損傷が確実に防止される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、この目的は請求項１の特徴により達成される。

本発明の真空ポンプは、複数の切換器を含むブレーキ継電器を備えており、各切換器は、ベース接点、ブレーキ接点及び作動接点を有する。一方のベース接点と、他方のブレーキ接点又は作動接点との間で接続が変更される。ブレーキ接点は直接的に相互接続されており、従って、共通の短絡点を形成している。駆動モータのステータコイルが切換器のベース接点に接続されている。切換器が制動位置にあるとき、ステータコイルは、電気的に短絡点を介して直接的に相互接続される。切換器が作動位置にあるとき、ステータコイルは、作動接点を介して変換器モジュールに各別に接続される。駆動モータの作動に必要な電気的な位相パターンが、変換器モジュールで生成される。故障がない作動中、ステータコイルは、切換器の作動接点を介して変換器モジュールに接続されており、変換器モジュールは、夫々のステータコイルのための対応する位相パターンを生成する。対応する切換器が、ステータコイル毎に夫々設けられている。

故障又は機能不良の場合には、ステータコイルが変換器モジュールに接続されずに、排他的に互いに直接接続されるように、ブレーキ継電器は制動位置に切り換えられる。切換器としてのブレーキ継電器の簡素な構成、及び故障又は機能不良の場合の作動位置から制動位置への簡単な切換により、故障の場合の確実な切換が非常に簡単な方法で実現される。

ブレーキ継電器が制動位置に切り換えられた後、駆動モータは発電機として作動する。駆動モータのステータコイル内の発電機によって生成された電気エネルギが、真空ポンプのハウジングによって熱として消散されるか又は緩和される。ブレーキ継電器及びステータコイルによって実質上形成されたブレーキ配置全体が、非常に簡素で頑強であり、従って信頼性が高い。機能不良の場合には、切換器の制動位置への即時の切換、及び制動作用の即時の開始により、回転速度の速く効率的な低下が達成され得る。

特に、変換器モジュール自体に欠陥があり、破損の危険性の理由がある場合には、このような機能不良が検出された後、変換器モジュールのステータコイルからの即時の分離が、変換器モジュールのあらゆる有害な影響を防止する。

ステータコイル及びステータ積層体によって実質上形成されたモータステータは、空隙なしで熱吸収体に接続されていることが好ましい。例えば、境界面が、大きな表面接触を形成して十分な熱伝導を与えるように、モータステータは、対応して形作られた熱吸収体に圧入されてもよい。場合によっては、熱吸収体は、熱伝導性ペースト、熱伝導性フィルム等のような補助手段を用いて、十分に熱を伝導するようにモータステータに接続されてもよい。熱吸収体を設けることにより、制動の場合にステータコイルに生成された熱が、モータステータから確実且つ効果的に消散されて、大きな熱容量で蓄えられるか又は周囲雰囲気に消散されることが可能である。

好ましい実施形態では、0.1K/W未満の平均熱抵抗が、モータステータと熱吸収体との間にある。このようにして、制動熱の確実な消散が保証されて、ステータコイルの過熱が、高い制動力、及びモータステータと熱吸収体との間の相当小さな境界面でさえ回避される。

好ましい実施形態では、温度センサがモータステータ及び／又は熱吸収体に関連付けられており、電源スイッチが、温度センサによって測定された温度の関数として電気制動力に影響を及ぼす。そのため、ステータコイルの過熱が完全に確実な方法で防止される。電源スイッチは、単段であってもよく、又は連続的な設計であってもよい。

好ましい実施形態では、熱吸収体はポンプハウジングによって形成されている。従って、モータステータは、ポンプハウジングに直接的又は間接的に接続されているが、いかなる場合であっても十分に熱を伝導するように接続されている。アルミニウムが十分な熱伝導及び熱容量の特性を有するので、ポンプハウジングはアルミニウムから形成されていることが好ましい。

代案として又は追加として、熱吸収体は、ポンプハウジング及びモータステータ又はステータ積層体とは異なる材料から形成された別個の熱吸収要素によって形成されてもよい。例えば、熱吸収要素は、30℃と80℃との間で相転移を呈する材料から形成され得る。相転移が熱エネルギの高い消費を常に伴うので、このような設計の熱吸収要素は、著しく熱くなることなく多くのエネルギを吸収することが可能である。適切な材料は、例えば、低温金属、蝋、水等である。上述された温度範囲で固体及び液体間の相転移を呈する材料は可逆的な作用を示すが、熱吸収要素の材料としての水の使用は不可逆的相転移に制限される。従って、制動の後、水を再度満たす必要がある。

ブレーキ接点はブレーキ継電器の常閉接点であり、作動接点はブレーキ継電器の常開接点であることが好ましい。一般に、ブレーキ接点も常開接点として構成されてもよく、常閉接点は作動接点として構成されてもよい。しかしながら、ブレーキ継電器の作動のためのエネルギ供給が停止した場合には、このような配置では、ブレーキ継電器が制動状態又は制動位置に切り換えられ得ない。従って、駆動モータのステータコイルの相互接続のためにブレーキ継電器の常閉接点を用いることが有利である。

安全軸受が滑り軸受として設計されていることが好ましい。ブレーキ継電器は機械式継電器であることが好ましい。電子式継電器とは対照的に、機械式継電器のみが、真空ポンプの残りの制御及び調整から駆動モータのステータコイルを真に痙攣的に分離する可能性を与える。エネルギの供給が完全に停止された場合に、機械式継電器は、好ましくは故障位置又は制動位置である静止位置を自動的にとり、そのため、切換器の接点の溶断及び望ましくない短絡に対する高度な安全性が達成される。

好ましい実施形態では、継電器制御部がブレーキ継電器を制御するために設けられており、継電器制御部は電気的モジュールに接続された故障報告入力を有しており、少なくとも１つの電気的モジュールからの異常報告信号が故障報告入力に与えられる場合に、継電器制御部はブレーキ継電器を故障状態に切り換える。現在の認識における電気的モジュールは、変換器モジュール、演算モジュール、演算モジュールの作動を監視する監視モジュール、電源モジュール及び／又は磁気軸受制御モジュールであってもよい。上述された各モジュールは、別個の信号線によって継電器制御部の別個の故障報告入力に接続されていることが好ましい。

ブレーキ継電器を制御する継電器制御部はそれ自体でモジュールである。継電器制御部は、真空ポンプの夫々の電気的モジュールに夫々接続されている複数の故障報告入力を有しており、故障報告入力は、ポンプロータの作動に直接的又は間接的に関連付けられており、特に磁気軸受及び駆動モータの作動に関連付けられている。継電器制御部の故障報告入力にこのようにして接続されたモジュールの内の単一のモジュールのみが、継電器制御部に故障報告を与える場合、ブレーキ継電器は故障状態に切り換えられる。

特に、変換器モジュール自体が欠陥を有し、潜在的な破損の原因である場合、駆動モータのステータコイルからの変換器モジュールの即時の分離が、このような故障の検出後の変換器モジュールの有害な影響を更に防止する。

故障状態又は制動状態は、変換器モジュールによって直ちに開始されない。変換器モジュールの選択が、ブレーキ継電器又は継電器制御部の機能に影響を及ぼさない。

ブレーキ継電器は、以下に示す場合、駆動モータのステータコイルが変換器モジュールに接続されている作動状態又は作動位置にある。
− 電圧の供給部が低過ぎる電圧又は高過ぎる電圧を与えていない場合
− 演算モジュールが、他のモジュールの内のいずれか１つに故障を検出していなかった場合
− 演算モジュールの正常な機能を順番に監視する監視モジュールが、機能不良を検出していなかった場合
− ポンプユニットと制御部との間の重要な電気線が中断されていない場合

言うまでもなく、真空ポンプの更なるモジュール及び部材が、継電器制御部の故障報告入力に接続されてもよい。

安全軸受は滑り軸受として設計されていることが好ましい。滑り軸受は、一般的に転がり軸受より経済的である。故障又は制動の場合のポンプロータの確実な制動が、滑り軸受の摩耗を著しく低減する。従って、相当低コストの滑り軸受は、高い標準回動速度であり大きなポンプロータ体を備えている場合でさえ安全軸受として用いられ得る。

本発明の好ましい実施形態では、真空ポンプはターボ分子真空ポンプである。ターボ分子真空ポンプは、毎分数万回転の非常に高い回転速度で一般的に作動されており、そのため、ターボ分子真空ポンプは、安全軸受が夫々連動付けられている磁気軸受の使用に特に適している。

故障又は制動の場合に駆動モータのステータコイルを短絡させるブレーキ継電器と、ポンプハウジングによって形成された熱吸収体とを備えた真空ポンプを示す概略図である。熱吸収体が別個の熱吸収要素によって形成されている点が図１の真空ポンプと異なる真空ポンプを示す概略図である。

本発明の２つの実施形態を、添付図面を参照して以下に詳細に説明する。

図１及び２は、ポンプユニット12及び制御部14によって形成されたターボ分子真空ポンプ10を夫々示しており、ポンプユニット12及び制御部14は、電気接続線40を介して相互接続されている。

ポンプユニット12では、真空ポンプ10は、最大で毎分十万回転の標準回動速度で電気駆動モータ18によって駆動されるポンプロータ16を備えている。ロータ軸は、２つの磁気軸受20,21 により磁気的に支持されており、磁気軸受20,21 は、夫々多軸型であり、５軸磁気軸受を共に形成している。磁気軸受20,21 は、機械式の滑り軸受又は転がり軸受として設計された安全軸受22,23 に連動付けられている。

駆動モータ18は、三相ブラシレスDCモータであり、３つのステータコイル19₁,19₂,19₃を有する。しかしながら、駆動モータは非同期機又はリラクタンスモータであってもよい。

ポンプユニット12は、３つの切換器を有するブレーキ継電器42を更に備えている。切換器は、３つのベース接点62,63,64と、常開接点として構成された３つの作動接点47,48,49と、常閉接点として構成された３つのブレーキ接点44,45,46とを含んでいる。３つのステータコイル19₁,19₂,19₃は、対応するベース接点62,63,64に夫々接続されている。ブレーキ接点44,45,46は、電源スイッチ54を介して夫々直接的に相互接続されている。電源スイッチ54の後方で３つのブレーキ接点44,45,46の接続部分が短絡点60を形成している。

電源スイッチ54は温度センサ58と結合されており、温度センサ58は、熱を伝導するようにモータステータ72に固定されている。制動した際、ステータコイル19₁,19₂,19₃の過熱が生じそうなとき、電源スイッチ54は開かれ、温度センサ58によって検出されるモータステータ72の温度が再度許容温度に下がったときにのみ電源スイッチ54は閉じられる。電源スイッチ54は、制動力を連続的に可変制御するために設計されてもよい。

図１に示された真空ポンプ10は、モータステータ72を通ってアルミニウム製のポンプハウジング70に熱を伝導するように直接接続されている。熱伝導性ペースト又は熱伝導性フィルムの形態をなす熱伝導層68が、モータステータ72とポンプハウジング70との間に設けられている。熱伝導層68は、モータステータ72及びポンプハウジング70間の十分な熱伝導接続を実現する。そのため、この領域では低い熱抵抗が得られる。ステータコイル19₁,19₂,19₃は、例えば、十分な熱伝導性を有する鋳造体で鋳込むことにより、及び／又は形状に適合したコイル支持体を用いることにより、モータステータのステータ積層体に十分に熱を伝導するように接続されている。制動エネルギの一部がステータコイル19₁,19₂,19₃に消散されるので、低い熱抵抗が、ステータコイル19₁,19₂,19₃から熱吸収体70への十分な熱伝導を保証する。図１に示された実施形態では、ポンプハウジング70は熱吸収体70を形成している。

図２に示された実施形態では、熱吸収体は、別個の熱吸収要素66によって形成されており、熱吸収要素66は、モータステータ72を囲み、十分に熱を伝導するようにモータステータ72と結合されている。熱吸収要素66は、30℃及び80℃の範囲内でその凝集状態が変化する材料、例えば蝋から形成されている。熱吸収要素の材料として適切な他の材料は、鉛又は同様の材料のような低温金属であってもよい。水も、熱吸収要素の材料として機能するかもしれないが、水の液体状態から気体状態への相転移が不可逆である。

制御部14は、他の全てのモジュール及び要素に電圧を供給するための電源モジュール30と、ステータコイル19₁,19₂,19₃に電力を印加するための変換器モジュール32と、磁気軸受20,21 を制御するための磁気軸受制御モジュール34と、特に磁気軸受制御モジュール34及び変換器モジュール32を制御して監視するための演算モジュール36と、演算モジュール36の機能を監視するための監視モジュール38と、ブレーキ継電器42を制御するための継電器制御部28とを備える。

継電器制御部28は、対応する電気信号線を介して変換器モジュール32、演算モジュール36及び監視モジュール38に接続された複数の故障報告入力を含んでいる。前述された３つのモジュール32,36,38の内の１つのモジュールのみが、継電器制御部28の対応する故障報告入力に故障信号を送る場合、継電器制御部28は、図面に示された故障状態又は制動状態にブレーキ継電器42を切り換える。ブレーキ継電器42は単なる機械式継電器である。

磁気軸受制御モジュール34及び電源モジュール30も、対応する電気信号線を介して継電器制御部28の故障報告入力に任意に接続されてもよい。

ポンプロータ16は代わりに１軸、２軸、３軸又は４軸により能動的且つ磁気的に単に支持される一方、他の軸が受動的又は機械的に支持されてもよい。

監視モジュール38は、一般的には数マイクロ秒乃至数ミリ秒の一定間隔で演算モジュール30によって通知される。一致した通知信号が届かない場合、監視モジュール38は継電器制御部28に故障信号を与える。

同様に、上述した変換器モジュール32及び／又は演算モジュール36が、真空ポンプ又はポンプロータ16の即時の制動を正当と認める異常を内部的又は外部的に検出した場合、変換器モジュール32及び／又は演算モジュール36は、継電器制御部28に故障信号を直接与えることが可能である。

演算モジュール36は、更に、磁気軸受制御モジュール34及び電源モジュール30の機能を監視する。

ポンプユニット12及び制御部14間の電気接続線40が遮断された場合、この場合も、ステータコイル19₁,19₂,19₃が短絡されるように、ブレーキ継電器42は自動的に制動状態又は制動位置をとる。

Claims

真空ポンプ(10)において、
ポンプロータ(16)、
能動型磁気軸受(20,21) 、
該磁気軸受(20,21) に連動付けられた安全軸受(22,23) 、
前記ポンプロータ(16)を駆動するための複数のステータコイル(19_1,19_2,19₃) を有するモータステータ(72)を含む電気駆動モータ(18)、
ベース接点(62,63,64)、ブレーキ接点(44,45,46)及び作動接点(47,48,49)を夫々有する複数の切換器を含むブレーキ継電器(42)、及び
該ブレーキ継電器(42)の全てのブレーキ接点(44,45,46)が直接的に相互接続されている短絡点(60)を備えており、
前記ステータコイル(19₁,19₂,19₃) の全てが、前記切換器のベース接点(62,63,64)に接続されており、前記ブレーキ継電器(42)のブレーキ接点(44,45,46)、及び前記短絡点(60)を介して直接的に相互接続可能であり、前記作動接点(47,48,49)を介して変換器モジュール(32)に接続可能であることを特徴とする真空ポンプ。
前記ステータコイル(19_1,19_2,19₃) 及びステータ積層体を含む前記モータステータ(72)は、空隙なしで熱吸収体(70,66) に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ(10)。
前記モータステータ(72)と熱吸収体(70,66) との間の熱接続部分が、0.1K/W未満の平均熱抵抗を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の真空ポンプ(10)。
温度センサ(58)が、前記モータステータ(72)及び／又は前記熱吸収体(70,66) に関連付けられており、電源スイッチ(54)が、前記温度センサ(58)によって測定された温度の関数として電気制動力に影響を及ぼすことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の真空ポンプ(10)。
前記熱吸収体は、ポンプハウジング(70)によって形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の真空ポンプ(10)。
前記ポンプハウジング(70)はアルミニウムから形成されていることを特徴とする請求項５に記載の真空ポンプ(10)。
前記熱吸収体は、前記ポンプハウジング(70)とは異なる材料から形成された別個の熱吸収体(66)によって形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の真空ポンプ(10)。
前記熱吸収体(66)は、30℃と80℃との間で相転移を呈する材料から形成されていることを特徴とする請求項７に記載の真空ポンプ(10)。
前記ブレーキ接点(44,45,46)は常閉接点であり、前記作動接点(47,48,49)は常開接点であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の真空ポンプ(10)。
前記ブレーキ継電器(42)は機械式継電器であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の真空ポンプ(10)。
前記安全軸受(22,23) は滑り軸受として構成されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の真空ポンプ(10)。
前記真空ポンプ(10)はターボ分子真空ポンプであることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の真空ポンプ(10)。
電気的モジュール(32,36,38)に接続された故障報告入力を有する継電器制御部(28)が設けられており、
前記電気的モジュール(32,36,38)の内の少なくとも１つのモジュールからの故障信号が、前記故障報告入力に与えられた場合、前記継電器制御部(28)は、前記ブレーキ接点(44,45,46)を閉じる制動状態に前記ブレーキ継電器(42)を切り換えることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の真空ポンプ(10)。
前記電気的モジュールは、変換器モジュール(32)、演算モジュール(36)、該演算モジュール(36)の作動を監視する監視モジュール(38)、電源モジュール(30)及び／又は磁気軸受制御モジュール(34)であり、
前記モジュール(32,36,38)は、別個の信号線を介して前記継電器制御部(28)の故障報告入力に夫々接続されていることを特徴とする請求項１３に記載の真空ポンプ(10)。