JP2016217288A - 真空ポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータを小型化できるとともにモータの迅速な始動が可能である真空ポンプ装置を提供する。【解決手段】真空ポンプ装置は、外部電源からの交流電力が直接に誘導モータに供給される第１状態と、外部電源からの交流電力がインバータを介して誘導モータに供給される第２状態と、で外部電源と誘導モータとの接続状態を切り替える切替機構を備える。そして、真空ポンプ装置は、外部電源と誘導モータとの接続状態が第１状態であるときに、第１状態である時間と、誘導モータの回転数と、誘導モータに流れる電流と、の少なくとも１つに基づいて誘導モータの回転数が予め定めた第１回転数以上であると判定したときには、外部電源と誘導モータとの接続状態が第２状態となるように切替機構を制御する制御部を備える。【選択図】図５

Description

本発明は、真空ポンプ装置に関する。

真空ポンプ装置は、半導体、液晶、太陽光パネル、又は、ＬＥＤ等の製造設備の一つとして広く使用されている。真空ポンプ装置のうちドライ真空ポンプ装置は、排気流路に油を使用しないため、排気系を油で汚染することがないという特徴を有する。一般的に、ドライ真空ポンプ装置は、真空チャンバなど密封容器から気体を吸引するポンプがモータによって駆動される。

ポンプを駆動するモータとして誘導モータを用いた場合、外部の交流電源をモータに直接接続してモータを駆動することができる。この場合には、インバータ等を介さずに外部の交流電源とモータとを接続するので、真空ポンプ装置を簡易な構成とすることができる。また、インバータ等の定格に影響されずモータに大きな電流を流すことができる。

一方、外部の交流電源からの電力を可変周波数でモータに供給するインバータを搭載した真空ポンプ装置も広く普及している。この場合には、モータに供給する電力の周波数をインバータによって外部の交流電源の周波数よりも大きくすることにより、モータの回転数を大きくしてポンプの排気性能を向上させることができる。また、インバータを用いることによってポンプの運転ポイントを調節することができ、例えばポンプの排気性能が必要とされないときにはモータの回転数を小さくして省エネを図ることもできる。

インバータを搭載した真空ポンプ装置は、モータに流すことができる最大電流がインバータの定格に左右される。ここで、真空ポンプ装置は、真空引きする気体が凝縮性または昇華性であったり、真空引きする気体に固形状の異物が含まれていたりする場合がある。これらの気体または異物は、ポンプを停止させたときにポンプロータ、ケーシング、又は、排気管など、ポンプ内部に固着し、ポンプを始動するときに、排気経路の閉塞、又は、駆動部の摺動によって大きな抵抗を生じさせる場合がある。このため、インバータを搭載した真空ポンプ装置では、ポンプを始動するためにモータに流す電流が不足するおそれがある。

これに対して、モータと外部の交流電源とを直接接続してモータを始動した後に、モータを一旦停止し、インバータを制御して再度モータを始動するドライ真空ポンプが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のドライ真空ポンプでは、こうした制御により、ポンプに固着している異物を除去してから、インバータを制御してモータを高回転数で駆動することができる。

特許第２７１４１１３号公報

インバータを備えた真空ポンプ装置では、モータに流れる電流がインバータの定格に制限されるので、モータを始動して所望の回転数に至るまでに時間が長くかかる場合がある。また、モータに大きい電流を流すためにインバータの定格を大きくすると、一般的にインバータのコスト及びサイズが大きくなってしまうため、真空ポンプ装置のコスト及びサ
イズが大きくなってしまう。さらに、モータと外部電源とを直接接続した真空ポンプ装置では、モータの回転数が商用周波数で制限されるとともに、モータの運転ポイントを変更することができない。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、例えば、インバータを小型化できるとともにモータの迅速な始動が可能である真空ポンプ装置を提供することを目的の一つとする。また、本発明は、ポンプの起動の確実性を向上させるとともに、ポンプの回転数の上昇時間を短縮することを目的の一つとする。さらに、本発明は、真空ポンプ装置におけるインバータの耐久年数を長くすることを目的の一つとする。

本発明の真空ポンプ装置は、気体を移送するポンプと、ポンプを駆動する誘導モータと、外部電源からの交流電力を可変周波数で誘導モータに供給可能なインバータと、を備える。また、真空ポンプ装置は、外部電源からの交流電力が直接に誘導モータに供給される第１状態と、外部電源からの交流電力がインバータを介して誘導モータに供給される第２状態と、で外部電源と誘導モータとの接続状態を切り替える切替機構を備える。さらに、真空ポンプ装置は、外部電源と誘導モータとの接続状態が第１状態であるときに、第１状態である時間と、誘導モータの回転数と、誘導モータに流れる電流と、の少なくとも１つに基づいて誘導モータの回転数が予め定めた第１回転数以上であると判定したときには、外部電源と誘導モータとの接続状態が第２状態となるように切替機構を制御する制御部を備える。
かかる構成により、本発明の真空ポンプ装置は、外部電源からの交流電力を誘導モータに直接に供給して誘導モータの回転数を大きくすることができる。そして、誘導モータの回転数が第１回転数以上であると判定されたときには、外部電源からの交流電力を誘導モータにインバータを介して供給して誘導モータを駆動することができる。これにより、小さいインバータを搭載した場合にも誘導モータを迅速に始動することができる。

また、制御部は、外部電源と誘導モータとの接続状態が第１状態である時間が予め定めた時間となったときに、誘導モータの回転数が第１回転数以上であると判定してもよい。
こうすれば、制御部による制御を簡易なものとすることができる。

また、誘導モータの回転数を検出する回転数検出部を備えてもよい。そして、制御部は、検出された誘導モータの回転数に基づいて誘導モータの回転数が第１回転数以上であるか否かを判定してもよい。
こうすれば、検出された回転数に基づいて適正なタイミングで切替機構を制御することができる。

また、誘導モータに流れる電流を検出する電流検出部を備えてもよい。そして、制御部は、検出された電流が予め定めた第１電流閾値未満であるときに、誘導モータの回転数が第１回転数以上であると判定してもよい。
こうすれば、検出された電流に基づいて適正なタイミングで切替機構を制御することができる。

また、誘導モータに流れる電流を検出する電流検出部を備えてもよい。そして、制御部は、外部電源と誘導モータとの接続状態が第２状態であるときに、検出された電流が予め定めた第２電流閾値以上であるときには、外部電源と誘導モータとの接続状態が第１状態となるように切替機構を制御してもよい。
こうすれば、検出された電流に基づいて適正なタイミングで切替機構を制御することができる。

また、誘導モータの回転数を検出する回転数検出部を備えてもよい。そして、制御部は、外部電源と誘導モータとの接続状態が第２状態であるときに、検出された回転数が予め定めた第２回転数未満であるときには、外部電源と誘導モータとの接続状態が第１状態となるように切替機構を制御してもよい。
こうすれば、検出された回転数に基づいて適正なタイミングで切替機構を制御することができる。

また、制御部は、ポンプが所定の省エネルギ駆動状態で運転されているのを解除するときには、外部電源と誘導モータとの接続状態が第１状態となるように切替機構を制御してもよい。
こうすれば、ポンプが省エネルギ駆動状態で運転されているのを解除するときに、誘導モータの回転数を迅速に大きくすることができる。

また、制御部は、誘導モータの回転数と、誘導モータに流れる電流と、の少なくとも１つに基づいて誘導モータの回転数が第１回転数以上であるか否かを判定してもよい。そして、外部電源と誘導モータとの接続状態が第１状態である時間が予め定めた異常時間に至ったときには、異常を報知してもよい。
こうすれば、誘導モータの回転数を大きくすることができない異常を報知することができる。

本実施形態の真空ポンプ装置の構成概略を示す図である。 直入れ状態による誘導モータの始動を説明する図である。実線は誘導モータの回転数を示し、破線は誘導モータに流れる電流を示す。 インバータ制御状態による誘導モータの始動を説明する図である。実線は誘導モータの回転数を示し、破線は誘導モータに流れる電流を示す。 本実施形態の真空ポンプ装置の誘導モータが出力可能なトルクを示す図である。 第１実施形態の始動時制御処理の一例を示すフローチャートである。 第１実施形態の運転時制御処理の一例を示すフローチャートである。 ポンプに異常な負荷が生じた場合の誘導モータの回転数と電流値の一例を示す図である。 第２実施形態の始動時制御処理の一例を示すフローチャートである。 第３実施形態の始動時制御処理の一例を示すフローチャートである。 第４実施形態の運転時制御処理の一例を示すフローチャートである。 第５実施形態のアイドル時運転制御処理の一例を示すフローチャートである。

以下、本願発明の一実施形態に係る真空ポンプ装置を図面に基づいて説明する。本実施形態の真空ポンプ装置は、例えば半導体、液晶、太陽光パネル、又は、ＬＥＤ等の製造設備の一つとして利用することができる。

［第１実施形態］
図１は、本実施形態の真空ポンプ装置の構成概略を示す図である。本実施形態の真空ポンプ装置１０は、図示しないチャンバに接続されてチャンバを真空引きするポンプ１２と、ポンプを駆動する誘導モータ１４と、を備える。本実施形態では、ポンプ１２は、一例として、ドライ真空ポンプが用いられている。

誘導モータ１４は、商用電源などの外部電源４０からの交流電力を用いて動力を出力する。本実施形態では、外部電源４０として、互いに１２０°位相がずれた３相交流電源を
用いている。ただし、外部電源４０はこの例に限定されず、例えば１相交流電源を用いるとともに、外部電源４０を３相交流とする変換器を備えてもよい。

外部電源４０には、外部電源４０からの電力を通電および遮断する遮断器２０が接続されている。そして、遮断器２０と誘導モータ１４とは、直入れスイッチ２２とインバータ２４とを介して電気的に接続されている。直入れスイッチ２２とインバータ２４とは、本実施形態では、遮断器２０と誘導モータ１４との間で電気的に並列に接続されている。本実施形態では、遮断器２０は、制御部３０により制御される。しかし、遮断器２０は、制御部３０による制御に代えて又は加えて、手動によりオンオフの切り替えが可能なように構成されてもよい。

直入れスイッチ２２は、本実施形態では、制御部３０により制御される。直入れスイッチ２２は、種々の構成を採用することができ、例えばマグネットスイッチを用いることができる。直入れスイッチ２２は、オンの状態では遮断器２０（外部電源４０）と誘導モータ１４とを電気的に直接接続する。また、直入れスイッチ２２は、オフの状態では遮断器２０と誘導モータ１４との直接接続を解除する。

インバータ２４は、制御部３０により制御されて外部電源４０から供給される電力を任意の電圧および任意の周波数の電力に変換可能に構成されている。インバータ２４は、本実施形態では、直入れスイッチ２２のオンオフにかかわらず、遮断器２０（外部電源４０）と誘導モータ１４とに電気的に接続される。ただし、インバータ２４は、直入れスイッチ２２がオンされるときには、外部電源４０との電気的な接続が解除されるように構成されてもよい。

こうした構成により、直入れスイッチ２２がオンされているときには、外部電源４０からの電力が誘導モータ１４に直接に供給される（第１状態、以下「直入れ状態」という）。また、直入れスイッチ２２がオフされているときには、外部電源４０からの電力がインバータ２４を介して誘導モータ１４に供給される（第２状態、以下「インバータ制御状態」という）。

ここで、直入れ状態による誘導モータ１４の駆動と、インバータ制御状態による誘導モータ１４の駆動について説明する。本実施形態の誘導モータ１４は、外部電源４０からの一定の周波数（例えば商用周波数）の交流電力を直接用いて動力を出力できるように構成されている。直入れ状態では、インバータ２４を介さずに外部電源４０と誘導モータ１４とが接続されるので、インバータ２４の定格を考慮することなく、誘導モータ１４に大きい電流を流すことができる。一方、直入れ状態では、誘導モータ１４に供給される交流電力の電圧および周波数を、制御部３０によって調整することはできない。このため、直入れ状態では、誘導モータ１４は、外部電源４０の交流周波数に依存した回転数で回転する。

インバータ制御状態では、制御部３０によってインバータ２４を制御することにより、任意の電圧および任意の周波数の電力に変換して、外部電源４０の電力を誘導モータ１４に供給することができる。これにより、誘導モータ１４を所望の運転ポイントで駆動して、ポンプ１２の運転状態を調整することができる。また、インバータ制御状態では、外部電源４０の交流周波数よりも高い周波数の交流電力を誘導モータ１４に供給することによって、直入れ状態よりも高い回転数Ｎｍで誘導モータ１４を駆動することができる。一般に、ポンプ１２は、高い回転数で駆動するほど高い排気性能を発揮することができる。このため、インバータ制御状態を用いることにより、高いポンプ性能を実現することが可能となる。一方、インバータ制御状態では、誘導モータ１４に流すことができる電流は、インバータ２４の定格の範囲内に制限される。なお、一般に、インバータ２４は定格が大き
いほど、コスト及びサイズが大きくなる。

図２は、直入れ状態による誘導モータの始動を説明する図であり、図３は、インバータ制御状態による誘導モータの始動を説明する図である。なお、図２及び図３中、実線は誘導モータ１４の回転数Ｎｍを示し、破線は誘導モータ１４に流れる電流値（本実施形態では、実効値）Ｉｍを示す。

図２に示すように、誘導モータ１４を直入れ状態で始動したときには、誘導モータ１４に大きい電流を流すことができる。このため、誘導モータ１４から大きいトルクを出力して、誘導モータ１４の回転数Ｎｍを迅速に上昇させることができる。そして、直入れ状態では、外部電源４０の交流周波数に依存した回転数で誘導モータ１４が回転する。なお、直入れ状態では、誘導モータ１４に流れる電流値Ｉｍは、誘導モータ１４の回転数Ｎｍが大きいほど小さくなる。

図３に示すように、誘導モータ１４をインバータ制御状態で始動したときには、インバータ２４の定格の範囲内で誘導モータ１４に電流が流される。このため、インバータ制御状態では、直入れ状態よりも誘導モータ１４の回転数Ｎｍの上昇は緩やかになる。一方で、本実施形態では、インバータ制御状態では、直入れ状態よりも誘導モータ１４の回転数Ｎｍを大きい回転数まで上昇させることができる。

本実施形態の真空ポンプ装置１０では、直入れスイッチ２２をオンオフすることによって、外部電源４０（遮断器２０）と誘導モータ１４との接続を直入れ状態とインバータ制御状態とで切り替えることができる。図４は、本実施形態の真空ポンプ装置の誘導モータが出力可能なトルクを示す図である。なお、図４中、破線は直入れ状態で出力可能なトルクを示し、実線はインバータ制御状態で出力可能なトルクを示す。

本実施形態の真空ポンプ装置１０では、図４中実線に示すように、誘導モータ１４の回転数Ｎｍが小さいときには、直入れ状態とすることでインバータ制御状態よりも誘導モータ１４から大きいトルクを出力することができる。なお、直入れ状態では、誘導モータ１４に供給する交流電力の電圧および周波数は調整することはできない。

本実施形態の真空ポンプ装置１０では、図４中実線に示すように、インバータ制御状態とすることで誘導モータ１４の回転数Ｎｍを大きくすることができる。なお、インバータ制御状態では、誘導モータ１４に供給する交流電力の電圧および周波数を調整することができる。このため、インバータ制御状態では、ポンプ１２の負荷等に対応して誘導モータ１４から出力するトルクを調整することができる。また、インバータ制御状態では、誘導モータ１４を低回転数、低負荷で駆動するアイドル運転状態とすることもできる。

説明を図１に戻す。真空ポンプ装置１０には、誘導モータ１４の回転数Ｎｍを検出する回転数センサ２８と、誘導モータ１４に流れる電流、または、インバータ２４に流れる電流の少なくとも一方（電流値Ｉｍ）を検出する電流センサ２６を備える。回転数センサ２８と電流センサ２６とは、制御部３０に検出値を送信する。なお、回転数センサ２８および電流センサ２６は、公知のセンサを用いることができ、如何なるものを用いてもよい。例えば、回転数センサ２８は、誘導モータ１４又はポンプ１２に組み込まれて備えられてもよいし、誘導モータ１４又はポンプ１２に後付で備えられてもよい。また、電流センサ２６は、誘導モータ１４又はインバータ２４の３相の電流を検出してもよいし、１相または２相だけ検出してもよい。さらに、電流センサ２６は、インバータ２４に組み込まれて備えられてもよいし、後付で備えられてもよい。

制御部３０は、真空ポンプ装置１０の動作全般を制御する。制御部３０は、本実施形態
では、ＣＰＵ３２と記憶部３４と入出力部３６とを有する情報処理装置として構成されている。制御部３０は、記憶部３４に記憶されたプログラムをＣＰＵ３２が実行することによって、所要の機能を実現する。ただし、制御部３０の機能の少なくとも一部は、専用のハードウェア回路によって実現されてもよい。また、制御部３０の各機能は、２以上の装置に分散して配置されていてもよい。例えば、インバータ２４を制御する機能と、直入れスイッチ２２を制御する機能とは、同一の基板上に設けられてもよいし、別々の装置に配置されていてもよい。制御部３０は、電流センサ２６および回転数センサ２８からの検出信号を受信する。また、制御部３０は、遮断器２０、直入れスイッチ２２、及びインバータ２４への指令信号を送信する。

図５は、第１実施形態の始動時制御処理の一例を示すフローチャートである。始動時制御処理は、真空ポンプ装置１０の起動時にまたは外部からの指令などに基づいて、制御部３０により実行される。

始動時制御処理が実行されると、制御部３０は、まず外部電源４０が誘導モータ１４の動力ラインに接続されるように遮断器２０に指令を送信する（ステップＳ１００）。指令を受信した遮断器２０は、外部電源４０の接続をオンにする。

続いて、制御部３０は、外部電源４０と誘導モータ１４との接続状態が直入れ状態となるように、直入れスイッチ２２に指令を送信する（ステップＳ１１０）。指令を受信した直入れスイッチ２２は、外部電源４０と誘導モータ１４とを電気的に直接接続する。これにより、外部電源４０からの交流電力が誘導モータ１４に直接に供給されて、誘導モータ１４の始動が開始される。一般に、真空ポンプ装置１０では、真空引きする気体が凝縮性または昇華性であったり、真空引きする気体に固形状の異物が含まれていたりする場合がある。これらの気体または異物は、ポンプ１２を停止させたときにポンプロータ、ケーシング、又は、排気管など、ポンプ内部に固着し、ポンプ１２を始動するときに、排気経路の閉塞、又は、駆動部の摺動によって大きな抵抗を生じさせる場合がある。これに対して、本実施形態の真空ポンプ装置１０では、直入れ状態として誘導モータ１４から大きいトルクを出力することができる。このため、インバータ制御状態で誘導モータ１４を始動する場合に比べて、より確実に誘導モータ１４を始動することができる。また、誘導モータ１４の回転数を迅速に上昇させることができる。

誘導モータ１４の始動が開始されると、制御部３０は、計時を開始し（ステップＳ１２０）、直入れ状態としてからの時間ｔｓを予め定めた第１時間ｔｒ１と比較する（ステップＳ１３０）。ステップＳ１３０の処理は、直入れ状態としてから第１時間ｔｒ１が経過するまで待つ処理である。ここで、第１時間ｔｒ１は、誘導モータ１４の始動を開始してから回転数が十分に大きくなるまでの時間として、実験等により予め定めた時間を用いることができる。本実施形態では、第１時間ｔｒ１として、誘導モータ１４の回転数が所定の回転数（第１回転数Ｎ１）以上に至る時間を実験等により定めて用いている。なお、第１回転数Ｎ１は、例えば、外部電源４０の交流周波数に基づく誘導モータ１４の回転数よりも若干小さい回転数などとすることができる。

制御部３０は、直入れ状態としてからの時間ｔｓが第１時間ｔｒ１未満のときには、未だ誘導モータ１４の回転数が十分に大きくなっていないと判断して、そのまま待機する（ステップＳ１３０：Ｎｏ）。一方、制御部３０は、直入れ状態としてからの時間ｔｓが第１時間ｔｒ１以上のときには、直入れ状態によって誘導モータ１４の回転数が十分に大きくなったと判断する（ステップＳ１３０：Ｙｅｓ）。そして、制御部３０は、直入れスイッチ２２の接続が解除されるように直入れスイッチ２２に指令を送信する（ステップＳ１４０）。指令を受信した直入れスイッチ２２は、外部電源４０と誘導モータ１４との直接接続を解除する。

続いて、制御部３０は、回転数センサ２８によって検出される誘導モータ１４の回転数Ｎｍを取得する（ステップＳ１５０）。そして、制御部３０は、取得した誘導モータ１４の回転数Ｎｍに基づいてインバータ２４の駆動制御を開始して（ステップＳ１６０）、始動時制御処理を終了する。これにより、本実施形態の真空ポンプ装置１０では、直入れ状態によって誘導モータ１４の回転数を上昇させた後に、誘導モータ１４を停止させることなくインバータ制御状態に切り替えて誘導モータ１４を駆動することができる。なお、本実施形態では、一例として、制御部３０は、回転数センサ２８による誘導モータ１４の回転数Ｎｍと制御部３０が設定した目標回転数とに基づいて、フィードバック制御によりインバータ２４を制御する。フィードバック制御としては、ＰＩＤ制御、ＰＩ制御を用いることができる。なお、誘導モータ１４の駆動にあたっては、例えば、パルス幅変調（ＰＷＭ）やパルス振幅変調（ＰＡＭ）により交流電圧を無段階に制御することにより、効率良く高速で誘導モータ１４を運転することができる。

図６は、第１実施形態の運転時制御処理の一例を示すフローチャートである。この運転時制御処理は、インバータ制御状態で誘導モータ１４が駆動されているときに制御部３０により実行される。

運転時制御処理では、制御部３０は、誘導モータ１４が所望の運転ポイントで運転されるようにインバータ２４に制御指令を送信する（ステップＳ２００）。そして、制御部３０は、回転数センサ２８によって検出される誘導モータ１４の回転数Ｎｍを取得し（ステップ２１０）、取得した回転数Ｎｍを所定の第２回転数Ｎｒ２と比較する（ステップＳ２２０）。ステップＳ２２０の処理は、誘導モータ１４が所望の運転ポイントで運転されるようにインバータ２４が制御されているにもかかわらず、誘導モータ１４の回転数が小さくなっている状態を判定するものである。ここで、第２回転数Ｎｒ２は、実験等により予め定めた値を用いればよく、例えば外部電源４０の交流周波数に基づく誘導モータ１４の回転数よりも若干小さい回転数などとすることができる。

制御部３０は、回転数センサ２８からの回転数Ｎｍが第２回転数Ｎｒ２以上であるときには（ステップＳ２２０：Ｎｏ）、そのままインバータ２４を駆動する（ステップＳ２００）。一方、制御部３０は、回転数センサ２８からの回転数Ｎｍが第２回転数Ｎｒ２未満であるときには（ステップＳ２２０：Ｙｅｓ）、誘導モータ１４の回転数が異常に小さくなっていると判断する。そして、制御部３０は、インバータ２４の駆動を停止して（ステップＳ２３０）、直入れスイッチ２２を接続する（ステップＳ２４０）。これにより、外部電源４０からの交流電力が直接に誘導モータ１４に供給される。

直入れスイッチ２２を接続すると、制御部３０は、計時を開始し（ステップＳ２５０）、直入れ状態としてからの時間ｔｄを予め定めた第２時間ｔｒ２と比較する（ステップＳ２５０）。ステップＳ２５０の処理は、直入れ状態としてから第２時間ｔｒ２が経過するまで待つ処理である。ここで、第２時間ｔｒ２は、外部電源４０と誘導モータ１４との接続状態を直入れ状態としてから誘導モータ１４の回転数が十分に大きくなるまでの時間として、実験等により予め定めた時間を用いることができる。本実施形態では、一例として、誘導モータ１４の回転数が上記の第１回転数Ｎ１以上に至る時間を実験等により定めて用いている。

制御部３０は、直入れ状態としてからの時間ｔｄが第２時間ｔｒ２に至るのを待って（ステップＳ２６０）、直入れスイッチ２２の接続を解除する（ステップＳ２７０）。そして、制御部３０は、回転数センサ２８によって検出される誘導モータ１４の回転数Ｎｍに基づいてインバータ２４の駆動制御を開始して（ステップＳ２８０，Ｓ２９０）、ステップＳ２００に戻る。これにより、再びインバータ２４を介して誘導モータ１４が駆動され
る。

図７は、運転時制御処理において、ポンプに異常な負荷が生じた場合の誘導モータの回転数と電流値の一例を示す図である。なお、図７中、実線は、誘導モータ１４の回転数Ｎｍを示し、破線は、誘導モータ１４に流れる電流値Ｉｍを示す。図７に示す例では、インバータ制御状態で、ポンプ１２に異物が噛み込まれるなど大きな負荷が作用し、誘導モータ１４の回転数Ｎｍが低下している（時刻ｔ１）。誘導モータ１４の回転数Ｎｍが低下すると、制御部３０は、誘導モータ１４の回転数を上昇させるために誘導モータ１４に流す電流を大きくする。このときには、誘導モータ１４に流れる電流は、インバータ２４の定格に制限される範囲内となる。

インバータ２４の定格の範囲内で誘導モータ１４に大きい電流を流しているにもかかわらず、誘導モータ１４の回転数Ｎｍが第２回転数Ｎ２より小さくなると（時刻ｔ２）、制御部３０は、交流電源４０と誘導モータ１４との接続状態を直入れ状態に切り替える。これにより、インバータ２４の定格を超えて誘導モータ１４に大きい電流が供給されて、誘導モータ１４から大きいトルクが出力される。

そして、図７に示す例では、誘導モータ１４から大きいトルクが出力されることによって誘導モータ１４に作用している負荷が解除され、誘導モータ１４の回転数Ｎｍが再び上昇している。制御部３０は、直入れ状態としてから第２時間ｔｒ２が経過すると（時刻ｔ３）、交流電源４０と誘導モータ１４との接続状態をインバータ接続状態に切り替える。こうした制御により、運転時制御処理では、ポンプ１２に大きい負荷が作用した場合にも、直入れ状態によって誘導モータ１４の回転数を迅速に上昇させている。

以上説明したように、本実施形態の真空ポンプ装置１０では、ポンプ１２に大きい負荷が作用するときには、直入れ状態として大きい電流が誘導モータ１４に供給され、誘導モータ１４から大きいトルクを出力できる。このため、インバータ２４は、定格が小さいものを用いることができ、インバータ２４の小型化を図ることができる。また、一般に、インバータ２４は、出力電流の増減幅が大きいと、回路素子の寿命が短くなる傾向がある。本実施形態の真空ポンプ装置１０では、誘導モータ１４に大きいトルク（大きい電流）が求められるときには直入れ状態に切り替えられるので、インバータ２４の出力電流の増減幅を小さくしてインバータ２４の耐久年数を向上させることができる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態の真空ポンプ装置１０について説明する。第２実施形態以下の真空ポンプ装置１０は、第１実施形態の真空ポンプ装置１０と一部の制御処理が異なるものである。第２実施形態以下では、同一の構成および同一の処理には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図８は、第２実施形態の始動時制御処理の一例を示すフローチャートである。第２実施形態の始動時制御処理では、図５に示す第１実施形態の始動時制御処理のステップＳ１３０の処理に代えて、ステップＳ３３０，３３５の処理を実行し、更にステップＳ３７０，Ｓ３８０の処理を実行する。

第２実施形態の始動時制御処理では、制御部３０は、直入れ状態で誘導モータ１４の始動を開始すると（ステップＳ１００，Ｓ１１０）、計時を開始し（ステップＳ１２０）、回転数センサ２８から誘導モータ１４の回転数Ｎｍを取得する（ステップＳ３３０）。続いて、取得した回転数Ｎｍを第１回転数Ｎｒ１と比較する（ステップＳ３３５）。このステップＳ３３５の処理は、第１実施形態の始動時制御処理のステップＳ１３０と同様に、誘導モータ１４の回転数Ｎｍが十分に大きくなったか否かを判定する処理である。

制御部３０は、誘導モータ１４の回転数Ｎｍが第１回転数Ｎｒ１未満のときには（ステップＳ３３５：Ｎｏ）、直入れ状態としてからの時間ｔｓを所定の異常判定時間ｔｒａと比較する（ステップＳ３７０）。ステップＳ３７０の処理は、誘導モータ１４の始動に異常が生じているか否かを判定する処理である。異常判定時間ｔｒａは、予め実験等により定めた値を用いることができる。たとえば、異常判定時間ｔｒａは、直入れ状態で誘導モータ１４を始動するのにかかる時間よりも若干長い時間などとすることができる。

制御部３０は、直入れ状態としてから時間ｔｓが異常判定時間ｔｒａに至るまでは（ステップＳ３７０：Ｎｏ）、繰り返し誘導モータ１４の回転数Ｎｍを第１回転数Ｎｒ１と比較する（ステップＳ３３５）。そして、制御部３０は、誘導モータ１４の回転数Ｎｍが第１回転数Ｎｒ１以上であるときには（ステップＳ３３５：Ｙｅｓ）、誘導モータ１４の回転数が十分に大きくなったと判断して、インバータ制御状態としてインバータ２４の駆動を開始する（ステップＳ１４０〜Ｓ１６０）。

一方、制御部３０は、誘導モータ１４の回転数Ｎｍが第１回転数Ｎｒ１未満の状態で異常判定時間ｔｒａが経過したときには（ステップＳ３３５：Ｎｏ、ステップＳ３７０：Ｙｅｓ）、誘導モータ１４の始動に異常が生じていると判断する。そして、制御部３０は、異常報知処理を実行して（ステップＳ３８０）、始動時制御処理を終了する。制御部３０による異常報知処理としては、例えば図示しないアラームを作動させる。また、制御部３０は、異常報知処理において、直入れスイッチ２２の接続を解除してもよい。さらに、制御部３０は、直入れスイッチ２２の接続を解除して、もう一度直入れ状態として誘導モータ１４の始動を試みてもよい。そして、複数回にわたって誘導モータ１４の回転数Ｎｍが上昇しないときに、図示しないアラームなどを作動させてもよい。

第２実施形態の始動時制御処理においても、第１実施形態の始動時制御処理と同様の効果を奏することができる。また、第２実施形態の始動時制御処理では、直入れ状態で誘導モータ１４を始動しても誘導モータ１４の回転数Ｎｍが上昇しない場合に、異常を報知することができる。

［第３実施形態］
図９は、第３実施形態の始動時制御処理の一例を示すフローチャートである。第３実施形態の始動時制御処理では、図８に示す第２実施形態の始動時制御処理のステップＳ３３０，Ｓ３３５の処理に代えて、ステップＳ４３０，４３５の処理を実行する。

制御部３０は、直入れ状態で誘導モータ１４の始動を開始すると（ステップＳ１００〜Ｓ１２０）、電流センサ２６から誘導モータ１４に流れる電流値（例えば、実効値）Ｉｍを取得し（ステップＳ４３０）、取得した電流値Ｉｍを第１電流値Ｉｒ１と比較する（ステップＳ４３５）。このステップＳ４３５の処理は、第１実施形態の始動時制御処理のステップＳ１３０と同様に、誘導モータ１４の回転数Ｎｍが十分に大きくなったか否かを判定する処理である。上記したように、直入れ状態では、誘導モータ１４に流れる電流値Ｉｍは、誘導モータ１４の回転数Ｎｍが大きくなるほど小さくなる（図２参照）。このため、誘導モータ１４に流れる電流値Ｉｍが第１電流値Ｉｒ１よりも小さいときに、制御部３０は、誘導モータ１４の回転数Ｎｍが十分に大きくなったと判断する。ここで、第１電流値Ｉｒ１は、予め実験等により定めた値を用いることができ、例えば直入れ状態において誘導モータ１４の回転数Ｎｍが第１回転数Ｎｒ１のときの電流値Ｉｍを用いることができる。

そして、制御部３０は、誘導モータ１４に流れる電流値Ｉｍが第１電流値Ｉｒ１未満のときには（ステップＳ４３５：Ｙｅｓ）、誘導モータ１４の回転数が十分に大きくなった
と判断して、インバータ制御状態としてインバータ２４の駆動を開始する（ステップＳ１４０〜Ｓ１６０）。この第３実施形態の始動時制御処理においても、第１、第２実施形態の始動時制御処理と同様の効果を奏することができる。

［第４実施形態］
図１０は、第４実施形態の運転時制御処理の一例を示すフローチャートである。第４実施形態の運転時制御処理は、図６に示す第１実施形態の運転時制御処理のステップＳ２１０、Ｓ２２０の処理に代えて、ステップＳ５１０，５２０の処理を実行する。

制御部３０は、インバータ２４を駆動しているときに、電流センサ２６によって検出される誘導モータ１４に流れる電流値Ｉｍを取得し（ステップＳ５１０）、取得した電流値Ｉｍを第２電流値Ｉｒ２と比較する（ステップＳ５２０）。このステップＳ５２０の処理は、インバータ制御において誘導モータ１４に大きい電流が流れているか否かを判定する処理である。ここで、第２電流値Ｉｒ２は、実験等により定めた値を用いることができ、例えば、インバータ２４の定格に基づく電流値などとすることができる。

本実施形態の真空ポンプ装置１０では、例えば図７の時刻ｔ１以前に示すように、誘導モータ１４の回転数Ｎｍが大きく変化しないときには、誘導モータ１４に流れる電流値Ｉｍはインバータ２４の定格電流よりも小さくなる（ステップＳ５２０：Ｎｏ）。このため、誘導モータ１４に流れる電流値Ｉｍが大きいときには、誘導モータ１４に大きい負荷が生じたと考えられる。したがって、第４実施形態の運転時制御処理では、インバータ制御状態において、誘導モータ１４に流れる電流値Ｉｍが第２電流値Ｉｒ２以上であるときには、制御部３０は、ポンプ１２に大きな負荷が生じていると判断する。そして、制御部３０は、誘導モータ１４に流れる電流値Ｉｍが第２電流値Ｉｒ２以上であるときには（ステップＳ５２０：Ｙｅｓ）、交流電源４０と誘導モータ１４との接続状態を直入れ状態とする（ステップＳ２３０〜Ｓ２９０）。第４実施形態の始動時制御処理においても、第１実施形態の運転時制御処理と同様の効果を奏することができる。

［第５実施形態］
図１１は、第５実施形態のアイドル運転時制御処理の一例を示すフローチャートである。第５実施形態のアイドル運転時制御処理は、図６に示す第１実施形態の運転時制御処理のステップＳ２００，Ｓ２１０，Ｓ２２０に代えて、ステップＳ６００，Ｓ６１０を実行する。第５実施形態のアイドル運転時制御処理は、外部からの入力、又は、制御部３０の所定の判断により、誘導モータ１４を低回転数、低負荷のアイドル運転状態で駆動するときに、制御部３０によって実行される。

アイドル運転時制御処理では、制御部３０は、誘導モータ１４が低回転数、低負荷のアイドル運転状態で駆動されるようにインバータ２４を駆動する（ステップＳ６００）。制御部３０は、一例として、低回転数のアイドル回転数を目標回転数として、現在の回転数Ｎｍに基づいてＰＩＤ制御を実行する。

続いて、制御部３０は、アイドル運転を続けるべきか否かを判定する（ステップＳ６１０）。このアイドル運転を続けるべきか否かの判定は、外部からの入力に基づいて行われてもよいし、誘導モータ１４の回転数Ｎｍまたは電流値Ｉｍなどの検出値に基づいて行われてもよい。例えば、制御部３０は、誘導モータ１４の回転数Ｎｍがアイドル回転数よりも低い第３回転数未満になったとき、または、電流値Ｉｍが第２電流値Ｉｒ２よりも大きくなったとき等に、アイドル運転を停止すべきと判断してもよい。

制御部３０は、アイドル運転を続けるべきと判定したときには（ステップＳ６１０：Ｙｅｓ）、そのまま誘導モータ１４がアイドル運転状態で駆動されるようにインバータ２４
を制御する（ステップＳ６００）。一方、制御部３０は、アイドル運転を停止すべきと判定したときには（ステップＳ６１０：Ｎｏ）、図２の運転時制御処理のステップＳ２３０以下と同様に、直入れ状態によって誘導モータ１４の回転数Ｎｍを上昇させる。そして、モータＮｍの回転数に基づいてインバータ２４の駆動を開始すると（ステップＳ２９０）、アイドル運転時制御処理を終了して、例えば図２の運転時制御処理を実行する。

第５実施形態のアイドル運転時制御処理では、誘導モータ１４から出力が求められていないときに、誘導モータ１４をアイドル運転状態で駆動して省エネを図ることができる。また、アイドル運転を終了するときに、直入れ状態として誘導モータ１４の回転数Ｎｍを迅速に上昇させることができる。

［変形例］
上記の実施形態では、真空ポンプ装置１０は、誘導モータ１４の回転数Ｎｍを検出する回転数センサ２８を備えるものとした。しかし、回転数センサ２８を備えなくてもよい。この場合、電流センサ２６によって検出された誘導モータ１４に流れる電流値Ｉｍに基づいて、誘導モータ１４の回転数Ｎｍを推定または検出してもよい。例えば、誘導モータ１４に流れる電流値Ｉｍを取得できる場合には、直入れ状態では、図２に示す関係に基づいて誘導モータ１４の回転数Ｎｍを検出してもよい。また、インバータ２４に流れる電流値Ｉｍを取得できる場合には、直入れ状態からインバータ制御状態に切り替えて誘導モータ１４が惰性で回転している間に、インバータ２４を駆動制御して誘導モータ１４の回転数Ｎｍを検出してもよい。一例として、インバータ２４を駆動制御して誘導モータ１４に高周波数の信号を送信し、そのときのインバータ２４に流れる電流値Ｉｍに基づいて、誘導モータ１４の回転数Ｎｍを検出してもよい。

上記の運転時制御処理およびアイドル運転時制御処理では、直入れ状態にしてから第２時間ｔｒ２が経過したときに、インバータ制御状態へ切り替えるものとした。しかし、第２実施形態および第３実施形態の始動時制御処理と同様に、直入れ状態での誘導モータ１４の回転数Ｎｍと電流値Ｉｍとの少なくとも一方に基づいて、インバータ制御状態への切り替えを行ってもよい。

上記の実施形態では、時間、誘導モータ１４の回転数Ｎｍ、又は、誘導モータ１４に流れる電流Ｉｍに基づいて、直入れ制御とインバータ制御とを切り替えるものとした。しかし、時間と、誘導モータ１４の回転数Ｎｍと、誘導モータ１４に流れる電流Ｉｍとの２つ以上に基づいて、直入れ制御とインバータ制御とを切り替えてもよい。例えば、図１０の運転制御処理のステップＳ５２０の処理において、制御部３０は、誘導モータ１４に流れる電流値Ｉｍが第２電流値Ｉｒ２以上であるとともに、誘導モータ１４の回転数Ｎｍが低下しているときに、インバータ制御から直入れ制御へと切り替えてもよい。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその均等物が含まれることはもちろんである。また、上述した課題の少なくとも一部を解決できる範囲、または、効果の少なくとも一部を奏する範囲において、実施形態および変形例の任意の組み合わせが可能であり、特許請求の範囲および明細書に記載された各構成要素の任意の組み合わせ、または、省略が可能である。

１０ 真空ポンプ装置
１２ ポンプ
１４ 誘導モータ
２０ 遮断器
２２ 直入れスイッチ
２４ インバータ
２６ 電流センサ
２８ 回転数センサ
３０ 制御部
３２ ＣＰＵ
３４ 記憶部
３６ 入出力部
４０ 外部電源

Claims (8)

1. 真空ポンプ装置であって、
   気体を移送するポンプと、
   前記ポンプを駆動する誘導モータと、
   外部電源からの交流電力を可変周波数で前記誘導モータに供給可能なインバータと、
   前記外部電源からの交流電力が直接に前記誘導モータに供給される第１状態と、前記外部電源からの交流電力が前記インバータを介して前記誘導モータに供給される第２状態と、で前記外部電源と前記誘導モータとの接続状態を切り替える切替機構と、
   前記外部電源と前記誘導モータとの接続状態が前記第１状態であるときに、当該第１状態である時間と、前記誘導モータの回転数と、前記誘導モータに流れる電流と、の少なくとも１つに基づいて前記誘導モータの回転数が予め定めた第１回転数以上であると判定したときには、前記外部電源と前記誘導モータとの接続状態が前記第２状態となるように前記切替機構を制御する制御部と、
   を備える真空ポンプ装置。
2. 請求項１に記載の真空ポンプ装置であって、
   前記制御部は、前記外部電源と前記誘導モータとの接続状態が前記第１状態である時間が予め定めた時間となったときに、前記誘導モータの回転数が前記第１回転数以上であると判定する、真空ポンプ装置。
3. 請求項１又は２に記載の真空ポンプ装置であって、
   前記誘導モータの回転数を検出する回転数検出部を備え、
   前記制御部は、前記検出された前記誘導モータの回転数に基づいて前記誘導モータの回転数が前記第１回転数以上であるか否かを判定する、真空ポンプ装置。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載の真空ポンプ装置であって、
   前記誘導モータに流れる電流を検出する電流検出部を備え、
   前記制御部は、前記検出された電流が予め定めた第１電流閾値未満であるときに、前記誘導モータの回転数が前記第１回転数以上であると判定する、真空ポンプ装置。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載の真空ポンプ装置であって、
   前記誘導モータの回転数を検出する回転数検出部を備え、
   前記制御部は、前記外部電源と前記誘導モータとの接続状態が前記第２状態であるときに、前記検出された回転数が予め定めた第２回転数未満であるときには、前記外部電源と前記誘導モータとの接続状態が前記第１状態となるように前記切替機構を制御する、真空ポンプ装置。
6. 請求項１乃至５の何れかに記載の真空ポンプ装置であって、
   前記誘導モータに流れる電流を検出する電流検出部を備え、
   前記制御部は、前記外部電源と前記誘導モータとの接続状態が前記第２状態であるときに、前記検出された電流が予め定めた第２電流閾値以上であるときには、前記外部電源と前記誘導モータとの接続状態が前記第１状態となるように前記切替機構を制御する、真空ポンプ装置。
7. 請求項１乃至６の何れかに記載の真空ポンプ装置であって、
   前記制御部は、前記ポンプが所定の省エネルギ駆動状態で運転されているのを解除するときには、前記外部電源と前記誘導モータとの接続状態が前記第１状態となるように前記切替機構を制御する、真空ポンプ装置。
8. 請求項１に記載の真空ポンプ装置であって、
   前記制御部は、前記誘導モータの回転数と、前記誘導モータに流れる電流と、の少なくとも１つに基づいて前記誘導モータの回転数が前記第１回転数以上であるか否かを判定し、前記外部電源と前記誘導モータとの接続状態が前記第１状態である時間が予め定めた異常時間に至ったときには、異常を報知する、真空ポンプ装置。

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