JP2012140916A - パッケージ型の真空ポンプユニット - Google Patents

Abstract

【課題】より低い設定真空圧についても、インバータ制御によって適切に省エネルギー運転ができるパッケージ型の真空ポンプユニットを提供すること。
【解決手段】電動モータ２０によってシリンダ内のロータが非接触状態で回転運動される構造の真空ポンプ１０と、その真空ポンプ１０による真空出力を制御するためのインバータ３０と、出力真空圧を計測する真空圧センサ４０と、インバータ３０を制御するコントローラ６０と、真空ポンプ１０やインバータ３０を収納する収納ボックス８０と、収納ボックス８０内に設置されて、真空ポンプ１０やインバータ３０を冷却するように冷却空気を流通させる冷却ファン装置９０とを具備する。
【選択図】図３

Description

本発明は、電動モータの駆動力によってシリンダ内のロータが非接触状態で回転運動される構造の真空ポンプにおいて発生される真空出力を、前記電動モータに供給する電力の周波数を調整できるインバータによって制御ができるパッケージ型の真空ポンプユニットに関する。

ロータリーベーンポンプでは、回転数が低下するとブレードの飛び出し不良による機能低下の可能性があるため、インバータで回転数を制御して真空出力を制御する運転方法は採用されていない。このため、このロータリーベーンポンプでは、真空ポンプから出力される真空圧（出力真空圧）の調整には、バネ式の弁構造で設定真空圧以上になった際に空気を漏らすように開口して外気を吸気することが可能なバキュームコントローラが用いられている。

このバキュームコントローラによれば、一定の真空圧に保持することができ、到達運転（締切運転）を防止するための安全弁としても機能する。しかし、このロータリーベーンポンプでは、常に一定の回転数を維持した状態で運転されるため、真空出力が小さくてよい場合に省エネルギーとなる運転をすることができない。

これに対して、シリンダ内のロータが非接触状態で回転運動される構造の非接触型の真空ポンプにおいては、前述のような機能低下の可能性がないため、インバータによる回転数制御運転が可能になる。なお、非接触型の真空ポンプとしては、クローポンプ、ルーツポンプ、スクリュウポンプなどが挙げられる。

インバータ制御がなされる真空ポンプとしては、例えば、ドライ真空ポンプの吸気口で実吸気圧力（出力真空圧）を検出した上、真空排気容量制御装置（コントローラ）で設定吸気圧力（設定真空圧）とを比較し、その比較の偏差を以てインバータの出力周波数、したがって、ポンプの回転数を制御するようにしたもの（特許文献１参照）が、提案されている。これによれば、ポンプによって真空チャンバを真空排気する際には、自動圧力調整バルブ（バキュームコントローラ）は不要とされ、また、実吸気圧力（出力真空圧）を到達圧力より高い圧力で使用する場合には、回転数の低下により省エネルギー効果を期待し得るものである。

しかしながら、真空チャンバを設置しない仕様の場合に、非接触型の真空ポンプにおけるロータの回転数がインバータ制御による下限になっていて、出力真空圧が設定真空圧よりも高い真空度の場合には、インバータによって出力真空圧を低下させるように制御することができない。なお、圧縮空気と異なり、最大１気圧分の真空圧を、蓄えることは難しい。従って、排気流量が一定以上である場合に、真空チャンバを設置することは実質的に無意味になり、真空チャンバを設置することは稀である。

インバータ制御において、真空ポンプのロータの回転数に下限を設定するのは、以下の理由による。ロータの回転数が下限を超えて低速になると、ギアがギアボックス内で貯留されたオイルをかき上げることで行われるオイル潤滑が十分になされない場合が生じ、電動モータの回転軸と真空ポンプのロータの回転軸とを連結するカップリングに固定された冷却用のファン（羽根車）の回転数も低速になって、冷却が十分になされない場合が生じるためである。

また、本出願人によれば、先に、空気圧装置ステーションとして、真空ポンプやブロア等の負圧や正圧の空気圧を生じさせる空気圧装置と、その空気圧装置を複数収納できると共に閉鎖空間に収納することで防音する収納ボックスと、空気圧装置によって加熱された収納ボックス内を冷却すべく、収納ボックス内で実質的に下方から上方への一方向へ流れる冷却用空気流を発生させる送風装置とを具備する（特許文献２参照）ものが提案されている。これによれば、複数の空気圧装置を、集中的に収納して防音すると共に、好適に冷却して集中的に管理できる。しかし、この空気圧装置ステーションでは、インバータ制御による省エネルギー化については、検討されていなかった。

特開平０５−２３１３８１号公報（第１頁） 特開２００７−１２７１１４号公報（第１頁）

パッケージ型の真空ポンプユニットに関して解決しようとする問題点は、より低い設定真空圧については、インバータ制御による適切な省エネルギー運転ができないことにある。
そこで本発明の目的は、より低い設定真空圧についても、インバータ制御によって適切に省エネルギー運転ができるパッケージ型の真空ポンプユニットを提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために次の構成を備える。
本発明に係るパッケージ型の真空ポンプユニットの一形態によれば、電動モータの駆動力によってシリンダ内のロータが非接触状態で回転運動される構造の真空ポンプと、該真空ポンプによる真空出力の制御ができるように前記電動モータに供給する電力の周波数を調整できるインバータと、前記真空ポンプの真空出力側の流路における出力真空圧を計測する真空圧センサと、前記真空圧センサによって計測された前記出力真空圧と設定真空圧とを比較して前記インバータによって前記ロータの回転数を調整することで前記出力真空圧が前記設定真空圧になるように制御するコントローラと、前記真空ポンプや前記インバータを収納する収納ボックスと、該収納ボックス内に設置されて、前記真空ポンプや前記インバータを冷却するように冷却空気を流通させる冷却ファン装置とを具備する。

また、本発明に係るパッケージ型の真空ポンプユニットの一形態によれば、前記冷却ファン装置が、収納ボックスの上部に配置され、冷却空気が下方から上方へ流れるように設けられていることを特徴とすることができる。

また、本発明に係るパッケージ型の真空ポンプユニットの一形態によれば、前記真空ポンプの真空出力側の流路において外気が吸気されるように開口を生じさせることで前記出力真空圧の真空度を低下させるように作動する圧力調整弁を備え、前記コントローラが、前記ロータの回転数が前記インバータの制御による下限になっていて前記出力真空圧が前記設定真空圧よりも高い真空度の場合には前記圧力調整弁を作動させて前記出力真空圧の真空度を低下させることで前記設定真空圧になるように制御することを特徴とすることができる。

また、本発明に係るパッケージ型の真空ポンプユニットの一形態によれば、前記真空ポンプの真空出力側の流路において前記出力真空圧が上限の前記設定真空圧よりも高くなった場合に外気が吸気されるように開口を生じさせることで前記出力真空圧の真空度を低下させるように作動する安全弁を備えることを特徴とすることができる。

また、本発明に係るパッケージ型の真空ポンプユニットの一形態によれば、複数台の前記真空ポンプが前記収納ボックスに収納され、該真空ポンプの少なくとも一台について前記インバータによって回転数が調整できるように設けられ、前記コントローラが少なくとも一台の前記インバータに接続されて制御できることを特徴とすることができる。

本発明に係るパッケージ型の真空ポンプユニットによれば、より低い設定真空圧についても、インバータ制御によって適切に省エネルギー運転ができるという特別有利な効果を奏する。

本発明に係る真空ポンプの運転方法及び真空ポンプユニットの形態例を示すブロック図である。 図１の形態例の制御方法を説明するフローチャート図である。 本発明に係るパッケージ型の真空ポンプユニットの形態例を示す（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 図３の形態例の平面図である。 図３の形態例の側面パネルを省略した組み立て斜視図である。

以下、本発明に係るパッケージ型の真空ポンプユニットの形態例を、添付図面（図１〜５）に基づいて詳細に説明する。
本発明に係るパッケージ型の真空ポンプユニットは、電動モータ２０の駆動力によってシリンダ内のロータが非接触状態で回転運動される構造の真空ポンプ１０において発生される真空出力を、電動モータ２０に供給する電力の周波数を調整できるインバータ３０によって制御ができるという機能をベースにしている。なお、シリンダとは、気体が吸入されて排気される空間を形成しているものであり、ロータとは、軸回転する回転体であって、例えば、クロー形、ルーツ形、スクリュウ形などの形態が挙げられる。

真空ポンプ１０は、図３、５に示すように、電動モータ２０の駆動力によってシリンダ１０ａ内のロータが非接触状態で回転運動される非接触型のポンプになっている。２１はサイレンサであり、シリンダ１０ａから排出される排気の流路の一部になっている。なお、非接触型の真空ポンプとしては、クローポンプ、ルーツポンプ、スクリュウポンプなどが挙げられる。

インバータ３０は、電源（図示せず）に接続されており、後述するコントローラ６０によって制御されるように接続されていると共に、電動モータ２０へ周波数が調整された電力を供給できるように接続されている（図１参照）。

このインバータ３０によれば、定格の真空出力よりも実際に要求される真空出力が小さい場合に、真空ポンプ１０（回転ポンプ）の回転数を下げて、真空圧力や排気流量の調整を適切に行うことができる。これによれば、電力の消費量を削減できるため省エネルギー化を実現でき、騒音の低下による静音化が可能になり、オイル温度や軸受温度の低下によって長寿命化が期待できると共にメンテナンス時間の延長化が期待できる。

４０は真空圧センサであり、真空ポンプ１０の真空出力側の流路１１における出力真空圧を計測するように設けられている。この真空圧センサ４０としては、計測データ（計測圧力）を電気的信号によって出力できるものを用いることで、制御の自動化を適切に行うことができる。

５０は圧力調整弁であり、真空ポンプ１０の真空出力側の流路１１において外気が吸気されるように開口を生じさせることで出力真空圧の真空度を低下させるように作動する。
この圧力調整弁５０としては、電磁開閉弁を用いることができる。これによれば、簡単な構成によって安価に、低い真空度の真空圧を出力するための制御の自動化が可能になる。さらに、この圧力調整弁５０としては、電磁比例制御弁を用いることもできる。これによれば、低い真空度の真空圧を出力するための制御の自動化が可能になると共に、より精密な制御が可能になる。

６０はコントローラであり、真空圧センサ４０によって計測された出力真空圧と設定真空圧とを比較してインバータ３０によって真空ポンプ１０のロータの回転数を調整することで出力真空圧が設定真空圧になるように制御し、ロータの回転数がインバータ３０の制御による下限になっていて出力真空圧が設定真空圧よりも高い真空度の場合には圧力調整弁５０を作動させて出力真空圧の真空度を低下させることで設定真空圧になるように制御するように設けられている。

すなわち、以上の構成に係る真空ポンプユニットの形態例によれば、回転数制御（インバータ周波数制御）で圧力（出力真空圧）の調整が可能であるため、通常は回転数制御で調圧を行なう。これによって、省エネルギー化などの前述した効果を実現できる。
そして、低圧力域（要求される真空度が低い場合の出力真空圧の範囲）では、圧力調整弁５０を動作させて調圧を行なうように構成されている。これによれば、真空ポンプユニットにおいて、より幅の広い出力真空圧の範囲での調圧が可能になり、使用者のニーズに幅広く対応できる。

ところで、インバータ３０で制御される周波数の下限は、例えば、20Hzに設定することができる。このように周波数の下限が設定される理由は、真空ポンプ１０のオイル潤滑について、回転数が小さいとギアボックス内でのオイルの掻き揚げが少なくなって潤滑油不足となる可能性が生じ、真空ポンプ１０の回転軸に固定された冷却用のファン（羽根車）による冷却用の風量が低下して真空ポンプが過熱運転となる可能性が生じることにある。このため、下限周波数以下で調圧されるはずの低圧力域では、回転数制御（インバータ制御）による調圧が適切にできない可能性がある。従って、低圧力域では圧力調整弁５０を作動させ、空気をリークさせる状態（外気を吸気する状態）として調圧を行なう。図１に示した形態例では、圧力調整弁５０としての電磁開閉弁が、間欠動作を行なうように設けられている。

７０は安全弁であり、真空ポンプ１０の真空出力側の流路１１において出力真空圧が上限の設定真空圧よりも高くなった場合に外気が吸気されるように開口を生じさせることで出力真空圧の真空度を低下させるように作動する。

この安全弁７０によれば、制御系故障の最悪事態を想定し、安全装置としてバキュームコントローラと同じ構造のバネ式安全弁を用い、締切運転の防止を行なうことができる。従って、締切運転による回転必要トルクの増加で過電流が発生することを防止でき、安全な運転を確保できる。

図３〜５に示すように、８０は収納ボックスであり、真空ポンプ１０を収納すると共に、本形態例ではインバータ３０やコントローラ６０等の電装部品を含む全ての構成要素を収納している。これにより、真空ポンプユニットがパッケージ化した形態になっている。また、この収納ボックス８０によれば、真空ポンプ１０を閉鎖空間に収納して遮音するため、防音ボックスになっている。
なお、本形態例では、二台の真空ポンプ１０が収納されているが、一台のみを収納するようにしてもよいし、三台以上の複数台を収納するように構成してもよい。

図３、４に示すように、９０は冷却ファン装置であり、収納ボックス８０内に設置され、冷却空気を流通させて真空ポンプ１０を冷却するように設けられている。この冷却ファン装置９０は、冷却空気として外気を利用し、図中の矢印のように外気を取り込んで排気することで流通させることができる。収納ボックス８０の内空間が、冷却空気（外気）の好適な通路（流路）になっている。９１は冷却空気の排気口であり、収納ボックス８０の天板面に設けられている。
なお、収納ボックス８０内に水冷式の冷却器などの冷却装置を設置すれば、冷却空気を循環させることも可能になる。

このように、冷却ファン装置９０によって真空ポンプ１０を冷却できることで、前述したようなインバータ３０で制御される周波数の下限をさらに低くして、真空ポンプ１０のロータの回転数（回転速度）をさらに低速にすることや、その下限の設定を不要にすることが可能になる。すなわち、周波数の低下に伴って真空ポンプ１０の回転軸に固定された冷却用のファン（羽根車）の回転数が低下することによる真空ポンプ１０の過熱が、別に設置された冷却ファン装置９０によって解消できるためである。これによれば、低圧力域で作動させる圧力調整弁５０を不要にすることが可能になり、装置構成を簡略化できる。なお、オイル潤滑については、例えば、グリス封入型のベアリングを採用するなど、他の周知技術によって対応することが可能である。

また、本形態例の収納ボックス８０内には、高さ方向の中途部に真空ポンプ１０が載置される載置台部８１が少なくとも一段設けられている。本形態例では、二段の載置台部８１が設けられている。そして、その載置台部８１は、図５に示すように冷却空気の流れを許容するように開口部８２を有している。

このように複数段の載置台部８１によって、複数の真空ポンプ１０を立体的に好適に収納することができる。従って、それらの設置スペースを小さくできる効果がある。また、載置台部８１には開口部８２があるため、冷却空気がスムースに流れ、収納ボックス８０内を好適に冷却できる。また、通気抵抗を低く抑えることができ、送風装置（冷却ファン装置９０）の負担を軽減できる。

さらに、本形態例の冷却ファン装置９０は、収納ボックス８０の上部に配置され、冷却空気が下方から上方へ流れるように設けられている（図３、４参照）。
このように冷却空気を下側から吸引して上側へ吐出するように設けられているため、各真空ポンプ１０によって加熱された空気の上昇気流といっしょに、下から上への一方向の冷却空気の流れを好適に発生させることができる。つまり、対流現象と冷却ファン装置９０による空気の流れを一致させて、効率良く送風することができる。

冷却ファン装置９０は、定速運転であることで上記の冷却効果を確実に得ることが可能であるが、真空ポンプ１０の運転状況（回転数）や環境に連動して、回転数制御又はＯＮ−ＯＦＦ制御をすることで、さらに省エネルギー化を図ることも可能である。

また、本発明では、真空ポンプ１０が複数台設けられ、その真空ポンプ１０の少なくとも一台についてインバータ３０によって回転数が調整できるように設けられ、コントローラ６０が少なくとも一台のインバータ３０に接続されて制御できるように設けることができる。本形態例では、図１に示すように、二台の真空ポンプ１０、１０が設けられ、それぞれがインバータ３０、３０に接続されて、コントローラ６０によって制御されるように構成されている。

このように複数台のインバータ３０によって回転数が調整される複数台の真空ポンプ１０を備えることで、台数制御を行なうことができる。
例えば、使用者による要求流量が一台の真空ポンプ１０の定格量より少ないときは、一台の真空ポンプ１０のみを稼働させればよく、要求される真空出力の増大に応じて二台目以降の真空ポンプ１０を稼働させればよい。
なお、台数制御で運転中の真空ポンプ１０の停止は、空気の流れがなく圧力を維持している場合に行なえばよい。また、空気が流れ、圧力が低下した場合には、まず運転中の真空ポンプ１０の回転数を上げて圧力を上げ、それで十分でない場合に次の一台の真空ポンプ１０を起動させるように制御すればよい。

また、複数台の真空ポンプ１０を台数制御できることで、一台の真空ポンプ１０に異常があって運転できない場合は他の真空ポンプ１０を運転させればよく、複数台のメンテナンス時期をずらすことが可能になるなど、相互に補完することが可能になる。
なお、定速の真空ポンプ１０が一台と、インバータ制御による真空ポンプ１０の組み合わせでは、定速の真空ポンプ１０のフル運転と＋α流量での運転の場合、＋αの部分はインバータ周波数下限の圧力調整弁による制御を加えた運転となる可能性があるため、動力の無駄が生じる恐れがある。これに対して、インバータ制御による真空ポンプ１０のみでの構成の場合は、上記のような無駄が生じないため、省エネルギー化を実現するためには有利である。

次に、図２のフローチャートに基づいて、本形態例の真空ポンプの運転方法について説明する。
先ず、使用者が圧力の設定によって設定真空圧値がコントローラ６０に入力され、運転スイッチ（ＳＷ）がＯＮされる。
次に、真空ポンプ１０の真空出力側の流路における出力真空圧（測定圧力）と設定真空圧（設定圧力）とを比較して、ＰＩＤ制御が開始され、インバータ３０によって真空ポンプ１０のロータの回転数を調整することで測定圧力が設定圧力になるように制御する。

この制御において、本形態例では、真空ポンプ１０のロータの回転数を決定するインバータ３０によるモータ周波数の下限が、２０Ｈｚに設定されている。
ＰＩＤ制御の結果、測定圧力が設定圧力と等しくなった場合には、モータ周波数の決定がなされてポンプ運転がされ、外乱がない状態で運転が継続される。

そして、ＰＩＤ制御によっても、測定圧力が設定圧力と等しくならない場合（測定圧力が設定圧力よりも高い真空度の場合）には、電磁弁（圧力調整弁５０）が作動し、真空ポンプ１０の真空出力側の流路１１において外気が吸気されるように開口を生じさせ、出力真空圧（測定圧力）の真空度を低下させることで設定圧力になるように制御する。
なお、測定圧力が設定圧力の上限を超えた場合には、「安全弁動作」によって安全弁７０が開くように設定されている。

以上、本発明につき好適な形態例を挙げて種々説明してきたが、本発明はこの形態例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得るのは勿論のことである。

１０ 真空ポンプ
１０ａ シリンダ
１１ 真空出力側の流路
２０ 電動モータ
２１ サイレンサ
３０ インバータ
４０ 真空圧センサ
５０ 圧力調整弁
６０ コントローラ
７０ 安全弁
８０ 収納ボックス
８１ 載置台部
８２ 開口部
９０ 冷却ファン装置

Claims (5)

1. 電動モータの駆動力によってシリンダ内のロータが非接触状態で回転運動される構造の真空ポンプと、
   該真空ポンプによる真空出力の制御ができるように前記電動モータに供給する電力の周波数を調整できるインバータと、
   前記真空ポンプの真空出力側の流路における出力真空圧を計測する真空圧センサと、
   前記真空圧センサによって計測された前記出力真空圧と設定真空圧とを比較して前記インバータによって前記ロータの回転数を調整することで前記出力真空圧が前記設定真空圧になるように制御するコントローラと、
   前記真空ポンプや前記インバータを収納する収納ボックスと、
   該収納ボックス内に設置されて、前記真空ポンプや前記インバータを冷却するように冷却空気を流通させる冷却ファン装置とを具備することを特徴とするパッケージ型の真空ポンプユニット。
2. 前記冷却ファン装置が、収納ボックスの上部に配置され、冷却空気が下方から上方へ流れるように設けられていることを特徴とする請求項１記載のパッケージ型の真空ポンプユニット。
3. 前記真空ポンプの真空出力側の流路において外気が吸気されるように開口を生じさせることで前記出力真空圧の真空度を低下させるように作動する圧力調整弁を備え、
   前記コントローラが、前記ロータの回転数が前記インバータの制御による下限になっていて前記出力真空圧が前記設定真空圧よりも高い真空度の場合には前記圧力調整弁を作動させて前記出力真空圧の真空度を低下させることで前記設定真空圧になるように制御することを特徴とする請求項１又は２記載のパッケージ型の真空ポンプユニット。
4. 前記真空ポンプの真空出力側の流路において前記出力真空圧が上限の前記設定真空圧よりも高くなった場合に外気が吸気されるように開口を生じさせることで前記出力真空圧の真空度を低下させるように作動する安全弁を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のパッケージ型の真空ポンプユニット。
5. 複数台の前記真空ポンプが前記収納ボックスに収納され、該真空ポンプの少なくとも一台について前記インバータによって回転数が調整できるように設けられ、前記コントローラが少なくとも一台の前記インバータに接続されて制御できることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のパッケージ型の真空ポンプユニット。

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