JP2022090957A - ポンプの目詰まり検知システム - Google Patents

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Abstract

【課題】ポンプ停止時の点検や定期的な点検に煩わされずに目詰まりを検知可能なポンプの目詰まり検知システムを提供する。【解決手段】電動機により駆動されて空気等の流体を圧送または吸引するポンプの流体流路における目詰まり検知システムにおいて、電力変換装置20の制御手段内の目詰まり検知部70は、目詰まりにより電動機30が過負荷になって電流が増加した時に、電動機30の電流制限動作、出力トルク制限動作、または出力電力制限動作の有無に応じて第1のスコアをセットする第1の機能と、過電流制限動作の有無に応じて第2のスコアをセットする第2の機能と、電動機30の過電流を除去する過電流保護動作の有無に応じて第3のスコアをセットする第3の機能と、を備え、第1~第3のスコアのうち一つ以上のスコアに基いて真空ポンプ40の吸気側配管42または排気側配管43等の目詰まりを検知する。【選択図】図4

Description

本発明は、ポンプの配管等に付着した堆積物による目詰まりを検知する技術に関し、詳しくは、気体や液体等の流体を吸引または圧送するポンプにおける目詰まり検知システムに関するものである。
例えば、半導体製造装置におけるスパッタリング等の成膜工程では、チャンバー(炉)内を真空状態に保つために、真空ポンプを構成するインペラー(羽根車)を電動機により駆動している。この場合、チャンバー内に導入されるガスと成膜材料との化学反応による生成物が、真空ポンプの吸気側配管や排気側配管の内壁、更にはインペラーに付着して堆積し、この堆積物が真空ポンプの目詰まりを引き起こす。そして、堆積物が増えていくに従って電動機の負荷トルクが増大し、電動機が過熱状態になって、最悪の場合には電動機及び真空ポンプが停止してしまう。
従来では、運転中の真空ポンプが突然停止した時点で点検を行い、または、定期的に点検を行う等の方法で目詰まりを発見し、堆積物を除去するメンテナンス体制がとられていた。
しかし、真空ポンプが突然停止してしまうようなトラブルを回避したいのは言うまでもなく、また、定期的に点検を行うにしても、半導体製造工程で使用されるガスの種類やプロセスの違いにより、点検に最適なタイミングを決定することが困難かつ煩雑である等の問題があった。
このため、真空ポンプの運転に支障をきたす前の段階で目詰まりを検知することが望まれている。
ここで、特許文献1には、フィルタに付着した塵埃を気流により除去するシステムにおいて、上記気流を発生させる電動機の駆動電流を測定する手段と、駆動電流の上限値を複数の値から選択する手段と、駆動電流測定値が設定値を超えて継続する時間(継続時間)を測定する手段と、を備え、この継続時間に応じて電動機の駆動電流を変える技術が開示されている。
この従来技術においては、上記継続時間に基づいて塵埃によるフィルタの目詰まりを検知し、その場合に電動機の駆動電流の上限値を高くして電動機を高トルクで回転させることにより、塵埃を効率的に除去している。
特許第4973477号公報 (請求項1~3、[0035]~[0045]、図5等)
特許文献1に記載された従来技術では、フィルタの目詰まりを検知するために駆動電流の測定値が設定値を超えた継続時間を測定する必要があり、演算処理が複雑化するという問題があった。
そこで、本発明の解決課題は、ポンプ停止等の突発的なトラブルに応じた点検作業や定期的な点検作業に煩わされることなく、流体流路の目詰まりを確実に検知して効率的なメンテナンス作業を可能にしたポンプの目詰まり検知システムを提供することにある。
上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、電力変換装置により制御される電動機と、前記電動機により駆動されて流体を圧送または吸引するポンプと、を備え、前記ポンプを構成する流体流路の目詰まりを検知するシステムにおいて、
前記電力変換装置の制御手段に設けられた目詰まり検知部は、
前記目詰まりにより前記電動機が過負荷になって前記電動機の電流が増加した時に、前記電動機に対する電流制限動作、出力トルク制限動作、または出力電力制限動作の有無に応じて第1のスコアをセットする第1の機能と、
前記電動機に対する過電流制限動作の有無に応じて第2のスコアをセットする第2の機能と、
前記電動機の過電流を除去するための過電流保護動作の有無に応じて第3のスコアをセットする第3の機能と、
を備え、
前記第1のスコア~前記第3のスコアのうち一つ以上のスコアに基づいて前記目詰まりを検知することを特徴とする。
請求項2に係る発明は、請求項1に記載したポンプの目詰まり検知システムにおいて、前記目詰まり検知部は、前記電動機の始動時における過電流保護動作の有無に応じて第4のスコアをセットする第4の機能を更に備え、前記第1のスコア~前記第3のスコアのうち一つ以上のスコアと前記第4のスコアとに基づいて前記目詰まりを検知することを特徴とする。
請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載したポンプの目詰まり検知システムにおいて、前記目詰まり検知部は、複数の前記スコアを加算して得たスコア積算値に基づいて前記目詰まりを検知することを特徴とする。
請求項4に係る発明は、請求項1~3の何れか1項に記載したポンプの目詰まり検知システムにおいて、前記第1のスコアを、前記電力変換装置の出力周波数の低下量に応じて算出することを特徴とする。
請求項5に係る発明は、請求項3または請求項4に記載したポンプの目詰まり検知システムにおいて、前記目詰まり検知部は、前記スコア積算値と、前記流体流路に配置された圧力センサーによる圧力測定値と、に基づいて前記目詰まりを検知することを特徴とする。
請求項6に係る発明は、請求項5に記載したポンプの目詰まり検知システムにおいて、前記目詰まり検知部は、前記スコア積算値と前記圧力測定値との組み合わせを所定の閾値と比較して前記目詰まりの発生箇所を推定し、その結果を出力する第5の機能を備えたことを特徴とする。
請求項7に係る発明は、請求項6に記載したポンプの目詰まり検知システムにおいて、今回の演算周期により演算した前記スコア積算値を今回スコア積算値とし、前記今回スコア積算値と前記圧力測定値との組み合わせを所定の閾値と比較して前記目詰まりの発生箇所を推定することを特徴とする。
請求項8に係る発明は、請求項6に記載したポンプの目詰まり検知システムにおいて、前回の演算周期により演算した前記スコア積算値を前回スコア積算値とし、前記前回スコア積算値と今回の演算周期における複数の前記スコアの積算値とを加算して今回スコア積算値を求め、前記今回スコア積算値と前記圧力測定値との組み合わせを所定の閾値と比較して前記目詰まりの発生箇所を推定することを特徴とする。
請求項9に係る発明は、請求項6~8の何れか1項に記載したポンプの目詰まり検知システムにおいて、前記第5の機能により推定した前記目詰まりの発生箇所を、モニタ画面に表示し、またはネットワークを介して外部に送信し、もしくは記録媒体に記録することを特徴とする。
請求項10に係る発明は、請求項7~9の何れか1項に記載したポンプの目詰まり検知システムにおいて、前記今回スコア積算値を、モニタ画面に表示し、またはネットワークを介して外部に送信し、もしくは記録媒体に記録することを特徴とする。
請求項11に係る発明は、請求項1~10の何れか1項に記載したポンプの目詰まり検知システムにおいて、前記ポンプが真空ポンプであり、前記流体流路が前記真空ポンプの排気側配管または吸気側配管であることを特徴とする。
本発明によれば、ポンプ停止等の突発的なトラブルに応じた点検作業や定期的な点検作業に煩わされることなく、流体流路における目詰まりを確実に検知することができる。また、ポンプ内の目詰まり個所を推定可能として、点検・清掃作業を容易化することができる。
本発明の第1実施形態に係る目詰まり検知システムの構成図である。 本発明の第2実施形態に係る目詰まり検知システムの構成図である 本発明の第3実施形態に係る目詰まり検知システムの構成図である。 各実施形態における代表的な目詰まり検知動作を示すフローチャートである。 目詰まり検知部の機能を電力変換装置及び制御器に分散して設けた場合の動作説明図である。
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
なお、各実施形態では、本発明を半導体製造工程で使用される真空ポンプの目詰まり検知システムについて説明するが、本発明は、気体や液体等の流体を吸引または圧送する各種の流体機械を対象としており、「ポンプ」はコンプレッサを含む概念である。
図1は、本発明の第1実施形態に係る目詰まり検知システムの構成図である。
図1において、10は三相商用電源等の電源、20は例えばVVVF(可変電圧可変周波数)インバータ及びその制御回路を備えた電力変換装置、30は誘導電動機や同期電動機等の電動機であり、この電動機30によって真空ポンプ40内のインペラー(羽根車)41が駆動される。
インペラー41には吸気側配管42を介してチャンバー(炉)50が連結され、吸気側配管42の反対側には排気側配管43が設けられている。電動機30によって駆動されるインペラー41がチャンバー50内の空気を吸引して排気側配管43から排出することにより、チャンバー50の内部は真空状態に保たれる。このチャンバー50は、例えば半導体基板への成膜工程を行うためのものである。上記の吸気側配管42、インペラー41、及び排気側配管43は、請求項における流体流路を構成している。
なお、本発明の要旨はポンプの目詰まり検知機能にあるため、電源10や電動機30の種別(交流、直流、相数)、電力変換装置20の変換方式及び構成等は特に限定されるものではない。
排気側配管43には排気圧センサー60が接続され、この排気圧センサー60による真空ポンプ40の排気圧測定値が電力変換装置20の制御回路が有する目詰まり検知部70に入力されている。
目詰まり検知部70は、後に詳述するように、電力変換装置20による各種の制限動作や保護動作に応じた複数のスコアの積算値と上記排気圧測定値及び所定の閾値に基づいて、真空ポンプ40(吸気側配管42、排気側配管43、及びインペラー41を含む)の内部の目詰まりを検知し、出力する機能を備えている。
チャンバー50の内部では、例えば半導体基板への成膜工程で各種のガスを使用することにより固形化した生成物101が発生し、この生成物101や塵埃がインペラー41を介して排気される過程で、吸気側配管42や排気側配管43の内壁、インペラー41等に付着して堆積物102となる。目詰まり検知部70は、これらの生成物101や堆積物102による目詰まりを検知する。
本実施形態では、排気圧センサー60による排気圧測定値を目詰まり検知に用いているが、吸気側配管42に吸気圧センサー(図示せず)を接続し、その吸気圧測定値を目詰まり検知に用いても良い。あるいは、排気圧センサー及び吸気圧センサーを設けて排気圧測定値と吸気圧測定値との何れか一方(例えば、大きい方)の測定値、または両測定値の平均値を目詰まり検知に用いても良い。
次に、図2は、本発明の第2実施形態に係る目詰まり検知システムの構成図である。
この実施形態は、パソコンやPLC(Programmable Logic Controller)等からなる制御器80を用いて電力変換装置20を制御するものである。この場合、排気圧センサー60による排気圧測定値は、制御器80を介して電力変換装置20内の目詰まり検知部70に入力される。
また、図3は、本発明の第3実施形態に係る目詰まり検知システムの構成図である。
この実施形態は、目詰まり検知部70を制御器80に備えたものであり、排気圧センサー60による排気圧測定値は、制御器80内の目詰まり検知部70に入力される。
なお、目詰まり検知部70については、図1や図2のように電力変換装置20の内部や図3のように制御器80の内部だけでなく、いわゆるクラウド側に電力変換装置20の制御手段(プログラム)を設け、その制御手段が本発明の目詰まり検知機能を備えていても良い。
次に、各実施形態において、目詰まり検知部70により実行される代表的な目詰まり検知動作を図4のフローチャートに基づいて説明する。この検知動作は、定期的に実行されるものである。
まず、真空ポンプ40を長期にわたって使用すると、生成物101が吸気側配管42の内壁や排気側配管43の内壁等に付着して堆積物102となり、または、生成物101や堆積物102がインペラー41の内部に侵入することもある。このため、インペラー41を駆動する電動機30にとって過負荷状態となり、電力変換装置20から電動機30に流入する電流、入力電力、電動機30の出力トルクが増加する。
電力変換装置20は通常、制御回路の動作によって出力電流や出力周波数、出力電力、及び、電動機30の出力トルク等を所定値に制限することが可能である。例えば、電力変換装置20の出力電流が所定値を超えて電流制限動作が働くと(図4のステップS1 Yes)、電力変換装置20の出力周波数が低下するため、その低下量をメモリに記録しておく(ステップS2)。そして、出力周波数低下量に応じて第1のスコアを算出し、これをセットする(ステップS3)。なお、電流制限動作が働かない場合(ステップS1 No)には、第1のスコアとして“0”をセットする。
次に、電動機30が高速回転している時に堆積物102がインペラー41の内部に付着する等の事態が発生して急激に過負荷状態になり、電力変換装置20から電動機30に、閾値(ステップS1の電流制限動作判定時における前記所定値より大きい値)以上の過電流が流入するのを防止するべく過電流制限動作が働いた場合には(ステップS4 Yes)、予め設定された第2のスコアをセットする(ステップS5)。なお、過電流制限動作が働かない場合(ステップS4 No)には、第2のスコアとして“0”をセットする。
そして、上記の過電流状態が解消されない場合には、電力変換装置20から供給される電力を遮断して電動機30を停止させる等の過電流保護動作を行い(ステップS6 Yes)、予め設定された第3のスコアをセットする(ステップS7)。なお、過電流保護動作が働かない場合(ステップS6 No)には、第3のスコアとして“0”をセットする。
更に、停止中の電動機30を再び始動させる際に過電流保護動作が働いているか否かを判定し、これが働いていれば(ステップS8 Yes)、予め設定された第4のスコアをセットする(ステップS9)。なお、始動時過電流保護動作が働かない場合(ステップS8 No)には、第4のスコアとして“0”をセットする。
ここで、上述した始動時過電流保護動作の判定(ステップS8)は、運転中の過電流保護動作(ステップS6)が継続している場合のほか、ステップS1~S5を経てから長時間にわたってポンプの運転を停止し、その後にポンプを始動する場合に、吸気側配管42に付着した堆積物102や新たな生成物101がインペラー41に流入して目詰まりを起こし、始動時過電流保護動作が働くことも考えられるので、このような場合もステップS8による判定の対象となる。
なお、上記の始動時過電流保護動作の有無を判定する処理(ステップS8)は、本発明において必須のものではない。すなわち、請求項1に記載するように、目詰まり検知部70は、少なくとも電流制限動作(ステップS1)等の有無に応じて第1のスコアをセットする第1の機能、過電流制限動作(ステップS4)の有無に応じて第2のスコアをセットする第2の機能、過電流保護動作(ステップS6)の有無に応じて第3のスコアをセットする第3の機能を備えていれば良く、これら第1~第3のスコアを用いて目詰まり検知を行うものである。
その後、第1~第4のスコアを、前回の演算周期で算出した前回スコア積算値に加算して今回スコア積算値を算出する(ステップS10)。
そして、ステップS10による加算結果(今回スコア積算値)と、図1~図3の排気圧センサー60による排気圧測定値とを組み合わせ、その組み合わせを後述する各種の閾値と比較することにより目詰まりの箇所を推定し(ステップS11)、その結果を分類してモニタ表示やインターネット等の外部ネットワークへの送信、記録媒体への記録等の方法により出力する(ステップS12)。また、必要に応じて、今回スコア積算値についてもモニタ表示や外部ネットワークへの送信、記録媒体への記録等を行う。
半導体製造装置の運転を監視している操作員や現場の作業者は、上記の出力から目詰まりの発生を認識し、必要に応じて電動機30を停止して点検・清掃作業等を実行すれば良い。
その後、今回スコア積算値を記録し(ステップS13)、更に第1~第4のスコアをクリアする(ステップS14)。このように今回スコア積算値をその都度記録しておくことで、目詰まりが進行していく状況をトレンドとして残すことができ、半導体製造工程における成膜条件の検討などに役立てることができる。
ここで、上述した第1~第4のスコアのクリア(ステップS14)と共に各スコアの加算値(単なる「スコア積算値」)をクリアしても良く、クリアするタイミングは、例えば、目詰まり箇所の点検・清掃作業を完了した時点にすれば良い。
図5は、目詰まり検知部70の機能を電力変換装置20及び制御器80に分散して設けた場合の動作説明図である。
電力変換装置20では、図4におけるステップS1~S10の処理を実行し、第1~第4のスコアと前回スコア積算値との加算結果を今回スコア積算値として、通信用送信バッファに格納し、この通信データを制御器80に伝送する。
なお、図5の電力変換装置20においてカッコ書きで示した「前回スコア積算値」は、必要に応じて各スコアに加算することを意味しており、言い換えれば、図4のステップS10における前回スコア積算値をゼロにしても良い。つまり、前回スコア積算値をゼロに設定し、第1~第4のスコアの積算値のみを今回スコア積算値として用いれば、図4のフローチャートを実行する都度、今回スコア積算値を瞬時値的に用いて目詰まりを検知することができる。
図5において、制御器80では、受信した今回スコア積算値を通信用受信バッファに格納し、その今回スコア積算値を比較・推定手段71の一方の入力とする。
比較・推定手段71の他方の入力としては、図1~図3における排気圧センサー60の排気圧測定値が与えられる。
比較・推定手段71は、図4のステップS11,S12の処理を実行するものであり、今回スコア積算値と排気圧測定値とを組み合わせ、その組み合わせを閾値a,a,a,bと比較して目詰まりの箇所を推定し、例えば制御器80のモニタ画面81に出力する。なお、今回スコア積算値を別途、独立してモニタ画面81に出力しても良い。前述したごとく、比較・推定手段71の出力や今回スコア積算値をディジタルデータとして外部に送信し、あるいはUSBメモリやメモリカード等、各種の記録媒体に記録しても良い。
図5に示すモニタ画面81は、今回スコア積算値と排気圧測定値との組み合わせが、閾値a,a,b等により区画される4つの象限の何れに属するかを推定して表示した例である。例えば、aは排気圧の下限値に相当する閾値、aは排気圧の上昇を警告するための閾値、aは排気圧の上限値に相当する閾値であり、排気圧がこの閾値aを超えるような場合は警報を発生してポンプの運転停止を促すことが望ましい。また、bは今回スコア積算値の上昇を警告するための閾値である。これらの閾値の数や意義(種類)、モニタ画面81の表示形式等は、上述した例に何ら限定されないのは言うまでもない。
モニタ画面81内の4つの象限(1)~(4)について説明すると、経験的に、排気圧測定値が高いほど排気側配管43における堆積物102が多く、今回スコア積算値が大きいほど吸気側配管42における堆積物102が多い傾向にある。
このことを考慮して、象限(1)は吸気側配管42及び排気側配管43に堆積物102が多く、象限(2)は吸気側配管42に堆積物102が多く、象限(3)は排気側配管43に堆積物102が多い領域と設定し、今回スコア積算値と排気圧測定値との組み合わせをこれらの象限(1),(2),(3)の何れかに分類してプロット等により表示する。象限(4)は吸気側配管42及び排気側配管43に堆積物102が少ないケースであり、通常はプロット等による表示を行わないが、インペラー41への不純物の噛み込み等が発生した場合には、この象限(4)を用いて異常発生警報を表示しても良い。
以上説明したように、本発明の実施形態においては、電流制限動作、過電流制限動作、過電流保護動作の有無をスコアに換算し、これらのスコアの積算値と例えば排気圧測定値とを組み合わせて、吸気側配管42、インペラー41、排気側配管43等の目詰まりの発生箇所を推定して出力することができる。これにより、目詰まり発生時の点検・清掃作業を迅速かつ的確に行うことができ、真空ポンプ等を始めとした各種ポンプのメンテナンス作業の効率化が可能になる。
本発明は、気体や液体等の流体を吸引または圧送する流体機械としての各種ポンプにおいて、反応生成物や不純物等によって生じた流体流路における目詰まりの検知に利用することができる。
10:電源
20:電力変換装置
30:電動機
40:真空ポンプ
41:インペラー(羽根車)
42:吸気側配管
43:排気側配管
50:チャンバー(炉)
60:排気圧センサー
70:目詰まり検知部
71:比較・推定手段
80:制御器
81:モニタ画面
101:生成物
102:堆積物

Claims (11)

  1. 電力変換装置により制御される電動機と、前記電動機により駆動されて流体を圧送または吸引するポンプと、を備え、前記ポンプを構成する流体流路の目詰まりを検知するシステムにおいて、
    前記電力変換装置の制御手段に設けられた目詰まり検知部は、
    前記目詰まりにより前記電動機が過負荷になって前記電動機の電流が増加した時に、前記電動機に対する電流制限動作、出力トルク制限動作、または出力電力制限動作の有無に応じて第1のスコアをセットする第1の機能と、
    前記電動機に対する過電流制限動作の有無に応じて第2のスコアをセットする第2の機能と、
    前記電動機の過電流を除去するための過電流保護動作の有無に応じて第3のスコアをセットする第3の機能と、
    を備え、
    前記第1のスコア~前記第3のスコアのうち一つ以上のスコアに基づいて前記目詰まりを検知することを特徴とするポンプの目詰まり検知システム。
  2. 請求項1に記載したポンプの目詰まり検知システムにおいて、
    前記目詰まり検知部は、
    前記電動機の始動時における過電流保護動作の有無に応じて第4のスコアをセットする第4の機能を更に備え、
    前記第1のスコア~前記第3のスコアのうち一つ以上のスコアと前記第4のスコアとに基づいて前記目詰まりを検知することを特徴とするポンプの目詰まり検知システム。
  3. 請求項1または2に記載したポンプの目詰まり検知システムにおいて、
    前記目詰まり検知部は、
    複数の前記スコアを加算して得たスコア積算値に基づいて前記目詰まりを検知することを特徴とするポンプの目詰まり検知システム。
  4. 請求項1~3の何れか1項に記載したポンプの目詰まり検知システムにおいて、
    前記第1のスコアを、前記電力変換装置の出力周波数の低下量に応じて算出することを特徴とするポンプの目詰まり検知システム。
  5. 請求項3または請求項4に記載したポンプの目詰まり検知システムにおいて、
    前記目詰まり検知部は、
    前記スコア積算値と、前記流体流路に配置された圧力センサによる圧力測定値と、に基づいて前記目詰まりを検知することを特徴とするポンプの目詰まり検知システム。
  6. 請求項5に記載したポンプの目詰まり検知システムにおいて、
    前記目詰まり検知部は、
    前記スコア積算値と前記圧力測定値との組み合わせを所定の閾値と比較して前記目詰まりの発生箇所を推定し、その結果を出力する第5の機能を備えたことを特徴とするポンプの目詰まり検知システム。
  7. 請求項6に記載したポンプの目詰まり検知システムにおいて、
    今回の演算周期により演算した前記スコア積算値を今回スコア積算値とし、前記今回スコア積算値と前記圧力測定値との組み合わせを所定の閾値と比較して前記目詰まりの発生箇所を推定することを特徴とするポンプの目詰まり検知システム。
  8. 請求項6に記載したポンプの目詰まり検知システムにおいて、
    前回の演算周期により演算した前記スコア積算値を前回スコア積算値とし、前記前回スコア積算値と今回の演算周期における複数の前記スコアの積算値とを加算して今回スコア積算値を求め、前記今回スコア積算値と前記圧力測定値との組み合わせを所定の閾値と比較して前記目詰まりの発生箇所を推定することを特徴とするポンプの目詰まり検知システム。
  9. 請求項6~8の何れか1項に記載したポンプの目詰まり検知システムにおいて、
    前記第5の機能により推定した前記目詰まりの発生箇所を、モニタ画面に表示し、またはネットワークを介して外部に送信し、もしくは記録媒体に記録することを特徴とするポンプの目詰まり検知システム。
  10. 請求項7~9の何れか1項に記載したポンプの目詰まり検知システムにおいて、
    前記今回スコア積算値を、モニタ画面に表示し、またはネットワークを介して外部に送信し、もしくは記録媒体に記録することを特徴とするポンプの目詰まり検知システム。
  11. 請求項1~10の何れか1項に記載したポンプの目詰まり検知システムにおいて、
    前記ポンプが真空ポンプであり、前記流体流路が前記真空ポンプの排気側配管または吸気側配管であることを特徴とするポンプの目詰まり検知システム。
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