JP2018503764A - 低流量のポンプ制御 - Google Patents

Abstract

本発明は、ポンプの空洞内のガス圧を変化させることにより、低い平均流量で高流量ポンプのガスフローを制御する方法に関し、その方法は、第１の既定時間内にその空洞内のガス圧を減少させるステップと、第２の既定時間内にその空洞内のガス圧を増加させるステップと、少なくとも第３の既定時間内にガス圧の活発な変化を止めるステップとを具えており、ガス圧の低下とガス圧の上昇が、インレットバルブおよびアウトレットバルブそれぞれの開口部における抵抗を克服するよう予め既定されている。本発明は、低い平均流量で駆動された高流量用ポンプアッセンブリに関し、複数のポンプと、その複数のポンプを駆動するように構成された複数の巻線を有するポンプモータと、そのポンプモータを制御するよう構成された制御ユニットとをさらに具え、その複数のポンプの数が、その固定子巻線の数と等しいか、または、そのモータが瞬間的に、複数のポンプ上の力を増加させ得る。【選択図】 図３ａ

Description

本発明は、一般的に、低い平均流量で高流量ポンプのガスフローを制御するための方法に関する。より詳細には、本発明は、請求項１の導入部に規定された方法に関し、かつ、請求項１４の導入部に規定された方法を実施するポンプアッセンブリに関する。

様々な汚染物質や様々な分析方法のエアサンプリングにおいて、様々なサンプラーを通る望ましいエア流量は大きく変化する。あるサンプラーの最適なエア流量は、他のサンプラーの最適なエア流量の１％にすぎない。各エアサンプリングにつき１個のエアサンプリングポンプを提供することは、高価かつ不便であり、したがって、最大流量の１％まで下る大きな流量幅で駆動可能なエアサンプリングポンプが必要である。

広範囲で動作可能な既存のシステムは、フローシステムの中に機械弁を有し、その機械弁は、追加インレットと平行にエアサンプラーを通ってエアフロー流に接続しており、追加インレットと、エアサンプラーの両方を通ってポンプにエアを引かせている。したがって、サンプラーを通るエアの流れは抑えられる。この方法にはいくつかの欠点がある。第１に、機械弁は、計器のユーザによって手動で係合するか、または弁を操作する計器内で自動解法の必要がある。第２に、エアサンプラーを通る流量比は、追加インレットとエアサンプラーを通る流れ抵抗（制限）で決まる。追加インレットの制限が高すぎる場合は、ほとんどの流れはエアサンプラーを通るが、追加インレット制限が低すぎる場合は、エアサンプラーの制限が高すぎると、流れはエアサンプラーを通らなくなる。第３に、ポンプは追加インレットからもエアを引くため、この解決策では電力効率が悪い。

したがって、より簡単に操作でき、バイパス流路を避けて高い精度と正確性で制御でき、サーボモータ類で操作する高価なバルブのない自動化システムによって自動的に作動する、改善されたエアサンプリングポンプが必要である。

本発明の目的は、上記問題を解決するための最先端技術を改善し、能力の１％から１００％で操作できるようポンプのガスフローを制御する改善された方法を提供することである。これらの目的およびその他の目的は、そのポンプの空洞内のガス圧を変えることによって、低い平均流量で高流量ポンプのガスフローを制御する方法により達成される。この方法は、第１の既定時間内に空洞内のガス圧を減少させるステップと、第２の既定時間内に空洞内のガス圧を増加させるステップと、少なくとも第３の既定時間内にガス圧の活発な変化を止めるステップとを具えており、ガス圧の低下とガス圧の上昇が、インレットバルブおよびアウトレットバルブそれぞれの開口部における抵抗を克服するよう予め既定されている。これらのステップを実施する際、高流量対応可能なポンプは、非常に低い流量でポンプ駆動できる。ポンプは、短時間の間に、かなり高い瞬間流量で駆動する。その後、しばらく一時停止する。したがって、平均流量は低いが、瞬間流量は、単数または複数のポンプチャンバのインレットバルブおよびアウトレットバルブの開口部における抵抗を越え、これらのバルブを開くことができる。平均流量は、第１、第２および第３の既定時間内にて制御し得る。

ほとんどの実用的なアプリケーションにおいて、第１の既定時間は、実質的に第２の既定時間と等しいことが好ましい。吸気および排気の間、ほとんどのポンプは等しい流量で駆動されるが、理論上は、相互に違ってもよい。

第１の既定時間および第２の既定時間は、ポンプのポンプサイクルの一部に対応することがさらに好ましい。ポンプの空洞内またはポンプチャンバ内の圧力が減少する、すなわち、吸気バルブが強制的に開けられ、ポンプ空洞内にガスが入れられる第１の既定時間は、例えば、ポンプサイクルの半分であってもよい。その場合、その第２の既定時間は、ポンプサイクルの残りの半分であることが好ましい。膜ポンプでは、それは１つの完全なポンプサイクルであり、ほとんどの場合ポンプモータによって駆動されるポンプの駆動軸の一回転と一致する。ロータリーベーンポンプのようなロータリーポンプでは、第１および第２の時間は同時に起こる。

本発明の更なる実施形態によれば、ポンプは制御ユニットに連結され、制御ユニットが、ガス圧の増減、および、第１および第２の既定時間を制御する。制御ユニットは、制御プログラムまたはオペレータによる制御装置と、デジタル的または電気的に通信して、第１、第２、および第３の時間を変更し、それにより、ポンプからの平均流量を制御する。

本発明のさらに別の実施形態によれば、制御ユニットが、２つ以上の膜ポンプを制御し、それらのポンプは、相互間で最大に位相シフトされた個々のポンプサイクルを有している。膜ポンプは、パルス状の流れを生み出すよう設計されているため、全て同じ流路出口に連結されているいくつかの膜ポンプの使用により、相互間に最大に位相シフトするときの脈動が低減する。追加されたガス膨張チャンバも脈動をさらに低減する。例えば、３つの膜ポンプの使用をする場合、ポンプサイクルは、相互間に１２０度位相シフトして（１ポンプサイクルは３６０度）可能な限り脈動を減らす。位相シフトしたポンプアッセンブリにおいて、複数の膜ポンプを使用することによる更なるメリットは、振動が減少し、ポンプアッセンブリの寿命が延びることである。

この方法は、ガス圧の活発な変化を繰り返し止めることによって、ポンプの主要なガスフローを制御するステップをさらに具えることが好ましい。これは、好ましくは、所望の平均流量の後に設定される第３の既定時間の間、ポンプの駆動シャフトを駆動するポンプモータを単に停止することによって行われる。

ポンプにより吸排気されるガスは、好ましくは空気であり、さらに、ポンプは、大気質を測定するサンプリング装置とともに使用されるよう構成できる。サンプリング装置に使用されるポンプを正確に制御し、そのポンプが、使用されるサンプラーに特有の流量で駆動されることは、ポンプにとって非常に重要である。

本発明のさらに別の実施形態によれば、ガス圧の増減は、単数または複数のポンプにおけるポンプモータに提供される電圧に基づいて制御ユニットによって制御される。ポンプモータは、好ましくは電気モータであり、モータを駆動する電力の電圧を制御することにより、制御ユニットが、モータおよび駆動シャフトの回転速度を制御する。

本発明のさらに別の実施形態によれば、単数または複数のポンプにおけるポンプモータに提供される電圧が、瞬間的に、実質的に、そのポンプモータの規定入力電圧よりも高くなる。提案されているようにモータ電圧をパルス状にするとき、モータの入力電圧は、その仕様よりも実質的に高くすることができる。高い電圧の時間が短いということは、熱の問題が構築される時間が無いことを意味する。ポンプのスタート段階における、瞬間的なモータの仕様よりも高い入力電圧は、モータが、ある電圧の駆動スピードにゆっくりと達する通常のスタートと比較して、モータのより速いスタートにつながる。

本発明のさらに別の実施形態によれば、本発明の方法は、回転センサ、例えば、ホールセンサ、を使用して、そのポンプモータの回転速度を検出するステップと、フローセンサ、例えば、示差熱質量流量計、を使用して、単数または複数のポンプからの出力ガスフローを測定するステップとを具える。ホールセンサは、整数のポンプサイクル間の平均フローを測定しやすくし、特に駆動するポンプサイクルの間のインターバルが長い場合、より信頼できる平均流量を算出する。

本発明のさらに別の実施形態によれば、本発明の方法は、ポンプモータのロータの角度を検出するステップと、単数または複数のポンプの位置とその角度とを比較するステップと、電気モータに高い電圧を加えて、角速度を上げて、ポンプチャンバ内のガス圧を増減し、そのインレットバルブおよびアウトレットバルブを十分速く駆動するステップをさらに具えている。制御ユニットが、電気モータの回転速度を検出し、したがって、単数または複数のポンプチャンバを通る流量が、インレットバルブとアウトレットバルブが適切に駆動する、すなわち、するべきときにオープンおよびクローズする、のに必要な流量よりも低い場合、電気ポンプモータに対する電圧が、バルブ操作において最も必要な位置と一致する電気モータの角度で、瞬間的に増加する。

本発明のさらに別の実施形態によれば、本発明の方法は、ポンプモータが一回転する、または、一回転のうちの一部の回転の間に、ガスフローが出ていくのを監視して、単数または複数のポンプのいずれかのポンプの潜在的な故障を検出するステップをさらに具えている。例えば、複数の膜ポンプを使用した場合、ダメージのあるポンプを検出して同定できる。

本発明は、さらに、低い平均流量で駆動される高流量用ポンプアッセンブリに関し、このアッセンブリは、複数のポンプと、これらのポンプを駆動するように構成した複数の固定子巻線を有するポンプモータと、そのポンプモータを制御するために適合された制御ユニットと、を具え、ポンプの数が、固定子巻線の数と等しい。電気モータは、固定子に対してロータが一定の角度にあるとき非常にスタートし易いため、その位置でポンプを停止するのが望ましい。ポンプアッセンブリにおいてポンプの数と同じ数のポンプモータの巻線を使用すると、ポンプがポンプサイクルを終え、再びスタートするのに容易な位置でモータが停止するような形態で、ポンプがパルス駆動できる。ポンプの位置は、ホールセンサによって測定することで、正しい位置、すなわち、ポンプが再びスタートする際に最大トルクを有する位置で停止する。膜ポンプのヘッドは、正しい停止位置に整列して、少なくとも一のポンプサイクルが、そのスタート位置（０度）、すなわち、少なくとも一のポンプヘッドが、その後はじまる吸排気の完全なサイクルを有することが好ましい。固定子巻線は、したがって、ポンプに対して、ポンプを駆動するのにほとんどの力が必要であるロータ角度に固定子と巻線による最大トルクがかかるような角度に配置されている。現在ある多くの駆動装置の解決策では、モータの位置を見つけるためにモータをスタートするスタート段階があり、このスタート段階は、本発明の方法を使用することで回避できる。この方法は、電力を節約し、ポンプアッセンブリの制御をより正確なものにし、どんなに短くとも、使用の際にできる限り速く確実にポンプがスタートする。

上述したように、先行技術の問題は、インターバルをはさんでポンプを駆動することにより、低い平均流量で高流量ポンプのガスフローを制御する本発明の方法によって対処できる。

一般的に、特許請求の範囲で使用されるすべての用語は、本書において明確に規定していなければ、その技術分野における通常の意味で解釈される。すべての参照“ａ／ａｎ／ｔｈｅ［要素、装置、構成部品、手段、ステップ等］”は、明記されていなければ、要素、装置、構成部品、手段、ステップ等の少なくとも一例を参照するものと解釈するべきである。

本発明の上記目的、並びに追加の目的、特徴および利点は、添付の図面とともに、本発明の好ましい実施形態の非限定的な詳細な説明を参照することにより完全に理解される。
図１は、１つの膜を有する膜ポンプの概略図である。 図２は、４つのポンプヘッド、すなわち、４つの膜を有する膜ポンプの概略図である。 図３ａは、ガスが入るにあたってポンプチャンバ内が減圧されるときの、膜ポンプ膜のバルブの機能を示す図である。 図３ｂは、ガスが出るにあたってポンプチャンバ内が加圧されるときの、膜ポンプ膜のバルブの機能を示す図である。 図４は、本発明による４つの膜ポンプの機能不全を確認できることを示す図である。 図５ａは、膜ポンプのポンプモータの巻線の概略図である。 図５ｂは、膜ポンプの３つのポンプヘッドに関連する膜ポンプのポンプモータの巻線の概略図である。

図１は、１つの膜を有する膜ポンプの概略図であり、駆動シャフト１、クランクシャフト２および膜１１のみを示す。ポンプチャンバ、および、インレットおよびアウトレットバルブは示されていない。図２は、図１と同様のタイプの膜ポンプの概略図であるが、４つのポンプヘッド、すなわち、４つの膜１１、１２、１３、１４を有している。４つのポンプヘッドの使用により、ポンプモータによって必要とされる最大トルクが減り、４つのポンプサイクルが相互に９０度位相シフトされるため、より滑らかな流れが達成される。

図３ａは、ガスが入るにあたってポンプチャンバ５が減圧されるときの、膜ポンプ膜のバルブ３、４の機能を示している。図示されているように、アウトレットバルブ４が、ポンプチャンバ５の減圧により強制的に閉じると、インレットバルブ３が強制的に開き、矢印１７で示すガスの流れが、インレットバルブ３を通ってポンプチャンバ５に入る。図３ｂは、ガスが出るにあたってポンプチャンバ５が加圧されるときの、膜ポンプ膜のバルブ３、４の機能を示している。図示されているように、アウトレットバルブ４が、ポンプチャンバ５の加圧により強制的に開くと、インレットバルブ３が強制的に閉じて、矢印１８で示されるガスの流れが、アウトレットバルブ４を通ってポンプチャンバ５から出る。パッシブバルブを有する膜ポンプのポンプヘッドが駆動すると、バルブを開口するために十分な背圧ｄΔＰ／ｄｔを誘発するある速度が必要となる。各ポンプヘッドで膜を圧縮するためにトルクが必要なため、小さな電気モータが、固定された角速度でゆっくりとポンプヘッドを駆動するのは難しい。一回転を同時にパルス状にすることにより、これらの問題は克服される。十分に高い背圧が誘発されて、電気モータを正確に制御できる。このようなポンプで誘発された流れを正確に測定するためには、高い正確性、高速および平均化されていない瞬時の（単純な）データプロセスが必要とされる。このことは、ポンプの回転速度の動向を監視し、回転センサ、好ましくは、ホールセンサ（図示されず）によって達成される。流れは、質量流量計によって測定される。

図４に示されているように、流れ曲線のデータプロセス、および膜のストロークによって誘発されたパルス状の流れの特徴は、ポンプ状況を診断する上で指標となる。図４は、本発明による４つの膜ポンプの機能不全の同定を示している。

１回転同時にパルス状にして、本発明によるポンプをスタートするためには、パワーブースト（例えば、ブリッジドライバ上の高電圧）で弱すぎるポンプモータを支援してもよい。（負荷に応じて）ポンプモータがいかにして速度を高く保つかを測定することにより、同じ速度を維持したままブリッジドライバへの信号を減らすことができる。これにより、ポンプモータの正確な制御が達成される。

図５ａは、本発明によるポンプアッセンブリのモータ２０の概略図である。モータには、３つの巻線２１、２２、２３とＮ極２４およびＳ極２５を有するダイポールマグネット２４、２５とがあり、ポンプアッセンブリの駆動シャフト１を有するダイポールマグネットが、マグネットの中央に配置されている。マグネットと駆動シャフトの回転は、矢印２６で示す。図５ａにおいて、モータは、巻線２１を有することによって、簡易にスタートするように配置されており、Ｎ極２４を巻線側に引き寄せ、巻線２２は、逆相で駆動してＮ極２４を押し出す。このようにして、回転が始まる。次いで、当業者に良く知られているように、普通に回転が続き、電気モータが駆動される。

図５ｂは、図５ａに示すようなモータ２０であるが、ポンプアッセンブリの駆動シャフト１に取付けられたエンジン２０上に重ねられた３つのポンプヘッド３１、３２、３３を有するモータ２０の概略図である。ポンプヘッドの出口は、共通の流路（図示されず）の出口に連結され、そのポンプヘッドの入口は、共通の流路（図示されず）の入口に連結されている。

本発明のその他の変形が意図されていることは理解できる。いくつかの例において、本発明のいくつかの特徴は、対応する他の特徴を用いることなく使用できる。それゆえ、本発明の範囲と矛盾がなければ、特許請求の範囲は広く解釈されるべきである。

Claims (15)

1. ポンプの空洞内のガス圧を変化させることによって低い平均流量で高流量ポンプのガスフローを制御する方法であって、前記方法が、
   第１の既定時間内に、前記空洞内のガス圧を減少させるステップと、
   第２の規定時間内に、前記空洞内のガス圧を増加させるステップと、
   少なくとも第３の規定時間内に、前記ガス圧の活発な変化を止めるステップとを具え、
   前記減圧されたガス圧と前記加圧されたガス圧が、インレットバルブとアウトレットバルブそれぞれの開口部における抵抗を越えるよう予め規定されていることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載のポンプのガスフローを制御する方法において、前記第１の既定時間が、前記第２の規定時間と実質的に等しいことを特徴とする方法。
3. 請求項１又は２に記載のポンプのガスフローを制御する方法において、前記第１の規定時間および前記第２の既定時間が、前記ポンプのポンプサイクルの一部と一致することを特徴とする方法。
4. 請求項１乃至３の何れか一項に記載のポンプのガスフローを制御する方法において、前記ポンプが制御ユニットに接続されており、当該制御ユニットが、前記ガス圧の増減と、前記第１の規定時間および前記第２の規定時間とを制御することを特徴とする方法。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載のポンプのガスフローを制御する方法において、前記ポンプが、膜ポンプであることを特徴とする方法。
6. 請求項４に記載のポンプのガスフローを制御する方法において、前記制御ユニットが、２つ以上の膜ポンプを制御し、前記ポンプが、互いに対して最大に位相シフトされた個々のポンプサイクルを有することを特徴とする方法。
7. 請求項５に記載のポンプのガスフローを制御する方法において、前記膜ポンプの一または複数のポンプサイクル間で、短時間の中断を繰り返すことにより、前記ポンプの主要なガスフローを制御して、時間の経過とともに平均ガス流を減らすステップをさらに具えていることを特徴とする方法。
8. 請求項１乃至７の何れか一項に記載のポンプのガスフローを制御する方法において、前記ガスが空気であることを特徴とする方法。
9. 請求項１乃至８の何れか一項に記載のポンプのガスフローを制御する方法において、前記ポンプが、大気質を測定するためのサンプリング装置とともに使用するように構成されていることを特徴とする方法。
10. 請求項１乃至９の何れか一項に記載のポンプのガスフローを制御する方法において、
    前記ポンプモータが電気モータであり、
    前記ガス圧の増減が、前記単数または複数のポンプのポンプモータに提供される電圧に基づいて、前記制御ユニットによって制御される、ことを特徴とする方法。
11. 請求項１乃至１０の何れか一項に記載のポンプのガスフローを制御する方法において、前記単数または複数のポンプの前記ポンプモータに提供される前記電圧が、瞬間的に、前記ポンプモータの規定入力電圧よりも実質的に高くなることを特徴とする方法。
12. 請求項１乃至１１の何れか一項に記載のポンプのガスフローを制御する方法が更に、
    前記ポンプモータ内のロータの角度を検出するステップと、
    当該角度と、前記単数または複数のポンプの位置とを比較するステップと、
    前記電気モータに高い電圧を印加して、角速度を増加し、ポンプチャンバ内の前記ガス圧を増減し、前記インレットバルブおよびアウトレットバルブを駆動するのに十分な速さとするステップと、
    を具えることを特徴とする方法。
13. 請求項１２に記載のポンプのガスフローを制御する方法が更に、前記ポンプモータが一回転する間または一回転する一部の間のガスフローの出力を監視して、前記単数または複数のポンプのうちの何れか１つのポンプの潜在的な故障を検出するステップをさらに具えていることを特徴とする方法。
14. 低い平均流量で駆動される高流量用ポンプアッセンブリにおいて、
    複数のポンプと、
    前記複数のポンプのクランクシャフトを駆動するロータを駆動するよう構成された複数の固定子巻線を有するポンプモータと、
    前記ポンプモータを制御するよう構成された制御ユニットと、
    を具え、前記複数のポンプの数が、前記巻線の数と等しいことを特徴とするポンプアッセンブリ。
15. 請求項１４に記載のポンプアッセンブリにおいて、
    前記固定子巻線が、前記複数のポンプに対して、前記ロータと巻線による最大トルクが、ほとんどの力が前記複数のポンプを駆動させるのに必要な前記ロータの角度で、かかるような角度に配置されることを特徴とするポンプアッセンブリ。

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