JP4737770B2 - 真空ポンプの運転制御装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、スクロールポンプ、ベーンポンプ等の真空ポンプの運転制御装置およびその運転制御方法に関するものであり、特に、複数台設けられた真空ポンプの運転制御装置およびその運転制御方法に関する。

従来、スクロールポンプ、ベーンポンプ等の真空ポンプの運転制御方法としては、一般に、真空状態にしようとする真空タンク内の圧力を圧力センサで検出してその信号を利用して、ポンプを駆動する交流モータの回転数をインバータで周波数制御することで行なっている。このインバータによるポンプ能力の制御について、例えば、特開平９−４５９１号公報（特許文献１）のようなものが知られている。
この特許文献１には、図５に示すように、真空タンク０１に接続された真空ブロワー（真空ポンプ）０３を駆動する交流モータ０４を周波数変換装置（インバータ）０５によって回転数制御して、ポンプの運転差圧が減少し所要動力が低減すると回転数を上昇し、逆に、運転差圧が増大し所要動力が増大すると回転数を低減して、ポンプの駆動モータへの入力が一定となるように制御する構成が示されている。また真空タンク０１の真空状態が圧力Ｐとして検出されている。

しかし、この特許文献１で示されるような従来の真空ポンプの運転制御においては、真空タンク０１の真空状態が圧力Ｐとして検出されることから、真空状態の判断に真空センサが用いられており、真空センサの検出部分に真空タンクや真空設備室内等のゴミや水滴等が付着した場合には正確な信号が得られず、さらに故障に至る虞がある。そしてゴミや水滴の検出部への浸入を防ぐために防塵、防水を施した専用のセンサを設置しなければならず設備コスト、装置コストが増加する問題がある。
さらに、回転制御用のインバータからは常に電子ノイズが発生しているため、周辺に電子機器等がある場合には、この電子ノイズによって悪影響を及ぼす問題も起こる。

一方、真空タンクや真空室の真空状態を常に維持する必要がある場合、例えば、半導体製造装置における真空チャンバ内を常に高真空状態にするには、複数の真空ポンプを設置して、いずれかのポンプが故障または定期点検等で非作動になっても、残りのポンプによって排気能力は低下するが所定の真空状態を常に維持可能にする設備、または真空装置が知られている。

特開平９−４５９１号公報

しかし、複数台のポンプを駆動するため、使用電力も多くなり設備の維持コストが高くなる。さらには、ポンプ台数も増えるため、故障の発生回数が増えるとともにポンプを含めて付属機器のメンテナンス回数も増加し、修理作業の工数も増大する問題を有している。
そこで、本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、真空センサの使用によるコスト増加やインバータによる回転数制御による問題点を解消するとともに、設備コスト、装置コストの増加を抑え、またメンテナンス回数を低減して修理作業工数を低減できるような複数の真空ポンプの運転制御装置および方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、複数の真空ポンプを用いてタンク、室内等を真空状態にする真空ポンプの運転制御装置において、前記ポンプを駆動するモータに流れる電流を検出する電流検出手段と、該電流検出手段からの電流値に基づいて所定の電流範囲内に収束したとき真空または真空に近い状態と判断して前記複数の真空ポンプの作動ポンプ数を低減する制御手段を備え、該制御手段は前記所定の電流範囲内に到達したときに目標負圧（真空）前の予め設定した負圧判断点に到達したと判断するとともに、該負圧判断点に到達した後前記電流範囲内を一定時間維持したときに前記目標負圧（真空）に達したと判断する真空到達判断手段を有し、該真空到達判断手段によって前記負圧判断点または前記目標負圧（真空）に達したと判断したとき、前記作動ポンプ数の低減を行うことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、真空ポンプを駆動するモータに流れる電流を検出して所定の電流範囲内に収束したときには真空または真空に近い状態であると判断するため、従来のようなタンク内の圧力を検出する真空センサを設置する必要がないため、設備コストの増加を抑えることができる。特に真空タンクや真空室の環境によっては防塵、防水を施した専用のセンサを設置しなければならない場合には、コスト効果は大きいものである。
また、真空または真空に近い状態に到達したときは、排気する空気量が減るため余分なポンプを作動しなくても真空を維持できまたは真空に到達できるので、複数台の真空ポンプのうち作動ポンプの台数を低減することで、電力消費を削減でき、さらに不要なポンプの運転を停止するためポンプのメンテナンス時間をのばすことができ、さらにインバータ等の回転数制御機器を使用せずポンプの作動、停止で制御するため、インバータによる周辺機器への電子ノイズによる悪影響も生じない。

また、請求項１記載の発明は、前記制御手段は前記所定の電流範囲内に到達したときに目標負圧（真空）前の予め設定した負圧判断点に到達したと判断するとともに、該負圧判断点に到達した後前記電流範囲内を一定時間維持したときに前記目標負圧（真空）に達したと判断する真空到達判断手段を有し、該真空到達判断手段によって前記負圧判断点または前記目標負圧（真空）に達したと判断したとき、作動ポンプ数を低減することを特徴とする。
本発明によれば、負圧判断点を判断したときにはその後大きい電流を必要とせずに真空に達することが出来るため作動ポンプ数を低減して電力消費を削減でき、さらに電流範囲内を一定時間維持したときに前記目標負圧（真空）に達したと判断するため、確実に真空に達したことを判断してから作動ポンプ数を低減して電力消費を削減できる。

請求項２記載の発明は、請求項１において、前記所定の電流範囲の基準値を前記ポンプの運転時間が長くなるにつれて低下するようにオフセットさせることを特徴とする。
請求項２記載の発明によれば、真空ポンプの使用時間が長くなるにつれて、回転、摺動部材の当たりが馴染むことによって真空ポンプの負荷が低下していくため、真空到達を判断する所定の電流範囲を運転時間の経過とともに低下させていくことによって、運転時間を考慮したより正確な真空到達を判断することができる。

請求項３記載の発明は、請求項１において、前記制御手段は作動ポンプ制御手段を有し、該作動ポンプ制御手段は複数のポンプの１つを監視ポンプとして設定し、該監視ポンプの駆動モータの電流値によって前記真空到達判断手段が前記負圧判断点または前記目標負圧（真空）に達したと判断したとき、前記監視ポンプ以外のポンプを停止せしめるとともに、前記監視ポンプを次のポンプへ移行して複数のポンプ内を順次循環せしめることを特徴とする。
請求項３記載の発明によれば、監視ポンプを設定してその監視ポンプ以外のポンプの作動を停止するとともに、該監視ポンプを複数ポンプにわたって順次移行せしめて循環させるようにすることで、特定の真空ポンプだけが常に作動し、その他の真空ポンプだけが停止することによって生じるポンプ間の運転のバラツキを防止する。その結果複数ポンプが均等に使用されるためメンテナンスの作業が均一化され、メンテナンス作業の効率化を図ることができる。

請求項４記載の発明は、請求項３において、前記複数ポンプのうちいずれかのポンプが運転不能または困難の場合には当該ポンプをスキップして他のポンプに前記監視ポンプを順次移行することを特徴とする。
請求項４記載の発明によれば、複数ポンプのうちいずれかのポンプが故障の場合においても他のポンプの運転時間の均一化がなされるため、真空ポンプ間の運転のバラツキを防止することができる。

請求項５記載の発明は、真空ポンプの運転制御方法に関する発明であり、請求項５記載の発明は、複数の真空ポンプを用いてタンク、室内等を真空状態にする真空ポンプの運転制御方法において、前記ポンプを駆動するモータに流れる電流を検出し、前記複数のポンプの１つを監視ポンプとして設定し、該監視ポンプの駆動モータの電流値によって所定の電流範囲内に到達したときに目標負圧（真空）前の予め設定した負圧判断点に到達したと判断するとともに、該負圧判断点に到達した後前記電流範囲内を一定時間維持したときに前記目標負圧（真空）に達したと判断し、前記負圧判断点または前記目標負圧に到達したとき、前記複数の真空ポンプの作動ポンプ数を低減することを特徴とする。

かかる発明によれば、真空ポンプを駆動するモータに流れる電流を検出して所定の電流範囲内に収束したときには真空または真空に近い状態であると判断するため、従来のようなタンク内の圧力を検出する真空センサを設置する必要がなく、設備コストの増加を抑えることができる。特に真空タンクや真空室の環境によっては防塵、防水を施した専用のセンサを設置しなければならない場合には、コスト効果は大きいものである。
また、真空または真空に近い状態に到達したときは、排気する空気量が減るため余分なポンプを作動しなくても真空を維持できまたは真空に到達できるので、複数台の真空ポンプのうち作動ポンプの台数を低減することで、電力消費を削減でき、さらに不要なポンプの運転を停止するためポンプのメンテナンス時間をのばすことができ、さらにインバータ等の回転数制御機器を使用せずポンプの作動、停止で制御するため、インバータによる周辺機器への電子ノイズによる悪影響も生じない。
また、電流範囲内を一定時間維持したときに前記目標負圧（真空）に達したと判断するため、確実に真空に達したことを判断してから作動ポンプ数を低減して電力消費を削減できる。

請求項６記載の発明は、請求項５において、前記負圧判断点または前記目標負圧に到達したとき前記監視ポンプ以外のポンプを停止するとともに、前記監視ポンプを次のポンプに移行せしめて前記監視ポンプを複数のポンプ内を順次循環させるようにしたことを特徴とする。

かかる発明によれば、特定の真空ポンプだけが常に作動し、その他の真空ポンプだけが停止することによって生じるポンプ間の運転のバラツキを防止する。その結果複数ポンプが均等に使用されるためメンテナンスの作業が均一化され、メンテナンス作業の効率化を図ることができる。

本発明によれば、真空センサの使用やインバータによる制御による問題点を解消するとともに、設備コストの増加を抑え、またメンテナンス回数を低減して修理作業工数を低減できるような複数の真空ポンプの運転制御装置および方法を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１は本発明の全体構成図であり、３台の真空ポンプＰ_Ａ、Ｐ_Ｂ、Ｐ_Ｃによって真空タンク１を真空状態にする構成を示す。真空ポンプＰ_Ａ、Ｐ_Ｂ、Ｐ_ＣはそれぞれモータＭ_Ａ、Ｍ_Ｂ、Ｍ_Ｃによって駆動される。真空タンク１と真空ポンプＰ_Ａ、Ｐ_Ｂ、Ｐ_Ｃとの間にはそれぞれ電磁開閉弁Ｖ_Ａ、Ｖ_Ｂ、Ｖ_Ｃが設けられている。真空ポンプＰ_Ａ、Ｐ_Ｂ、Ｐ_Ｃはそれぞれスクロール式、またはベーン式等の回転式の容積形ポンプで構成されている。

モータＭ_Ａ、Ｍ_Ｂ、Ｍ_Ｃは電源３から電力が供給されて運転されるが、モータの回転数制御は行わないためインバータ等は設けられていない、なお、モータＭ_Ａ、Ｍ_Ｂ、Ｍ_Ｃは直流モータでも、交流モータでもよい。そして各モータへの供給電流が電流検出手段５によって検出される。

真空ポンプＰ_Ａ、Ｐ_Ｂ、Ｐ_Ｃは、制御手段７によって作動、停止が制御されており、制御手段７には、電流検出手段５からの電流値に基づいて所定の電流範囲内に収束したときに目標負圧（真空）前の予め設定した負圧判断点Ｓに到達したと判断するとともに、負圧判断点Ｓに達してから所定時間経過して真空状態に到達したと判断する真空到達判断手段９と、該真空到達判断手段９によって負圧判断点Ｓまたは真空状態に達したと判断したときに作動ポンプ数を低減する作動ポンプ制御手段１１とが設けられている。

スクロール式、またはベーン式等の回転式の容積形ポンプにおいては、真空ポンプの動力（電流値）特性は、図２に示すような電流値カーブを有し、一定電流値に収束する平坦な直線状態の部分と電流値が大きく変化する山形部分とからなる。
真空タンク１内を真空にする作動開始直後は、高い圧力を圧縮して排気を行うために動力（電流値）を必要とするが、負圧が進むにつれて排気する空気がなくなり仕事をしなくなるため、動力を必要とせず、１０^２Ｐａ〜１０^３Ｐａ以下ではほぼ一定値に収束する。

そこで、真空到達判断手段９はこのような真空ポンプの動力（電流値）特性を用いて、負圧が進み真空（目標負圧）近くになると電流値が一定に収束することから、測定電流がこの一定値Ｐを基準に測定値の変動（ばらつき）を考慮して±αの範囲内に入った時点を検出して、この点を真空前の予め設定した負圧判断点Ｓとして、この点Ｓに到達しかつ一定時間、たとえば数分間維持されていた場合には、負圧判断点Ｓから真空（目標負圧）に到達したものと判断する。

また、一定値Ｐは、真空ポンプＰ_Ａ、Ｐ_Ｂ、Ｐ_Ｃの運転時間が長くなるにつれて低下するように下方にオフセットされる。すなわち、運転開始時にはＰであったものを、運転時間の係数ｋを掛けてｋＰとして０．９Ｐ、０．８Ｐ等と低下させていくように設定されている。
すなわち、真空ポンプの使用時間が長くなるにつれて、回転、摺動部材の当たりが馴染むことによって真空ポンプの負荷が低下していくため、負圧判断点Ｓへの到達を判断する所定の電流範囲を運転時間の経過とともに低下させていくことによって、運転時間を考慮したことにより正確な真空到達を判断することができる。

真空ポンプＰ_Ａ、Ｐ_Ｂ、Ｐ_Ｃを駆動するモータＭ_Ａ、Ｍ_Ｂ、Ｍ_Ｃに流れる電流値を検出して目標負圧（真空）前の予め設定した負圧判断点Ｓ、または真空状態に達したと判断するため、従来のような真空タンク内の圧力を検出する真空センサを設置する必要がないため、設備コストの増加を抑えることができる。特に真空タンクや真空室の環境によっては防塵、防水を施した専用のセンサを設置しなければならない場合には、コスト効果は大きいものである。
また、目標負圧（真空）前の予め設定した負圧判断点Ｓに到達したときには、排気する空気量が減るため余分なポンプを作動しなくても真空に到達できるし、また真空に達していれば余分なポンプを作動しなくても真空を維持できるので、複数台の真空ポンプのうち作動ポンプの台数を低減することで、電力消費を削減でき、さらに不要なポンプの運転を停止するためポンプのメンテナンス時間をのばすことができ、さらにインバータ等の回転数制御機器を使用せずポンプの作動、停止で制御するため、インバータによる周辺機器への電子ノイズによる悪影響も生じない。

つぎに、真空到達判断手段９によって負圧判断点Ｓに到達したと判断したときに、作動ポンプ数を低減する作動ポンプ制御手段１１について図３のタイムチャートおよび図４のフローチャートを参照して説明する。
図４に示すように、始めに真空ポンプＰ_Ａ、Ｐ_Ｂ、Ｐ_Ｃの全てが作動状態にあり（Ｓ１）、真空ポンプＰ_Ａが監視ポンプとして設定され、その電流値Ｉ_Ａを監視している（Ｓ２）いる。電流値Ｉ_ＡがＰ−α≦Ｉ_Ａ≦Ｐ＋αの範囲内にあるかを判断し（Ｓ３）、ＹＥＳの場合には、さらにその状態が所定時間ｔ_０以上経過したかを判断し（Ｓ４）、ＹＥＳの場合には、真空に達したと判断して真空ポンプＰ_Ｂ、Ｐ_Ｃを停止させでポンプＰ_Ａのみを作動させる（Ｓ５）。
所定時間ｔ_０以上経過したかを判断（Ｓ４）せずに、電流値Ｉ_ＡがＰ−α≦Ｉ_Ａ≦Ｐ＋αの範囲内にあるかを判断して（Ｓ３）負圧判断点Ｓで、真空ポンプＰ_Ｂ、Ｐ_Ｃを停止させることでもよい。

そして、電流値Ｉ_Ａの監視を続けて、真空状態が悪化してＩ_ＡがＰ＋αより大きくなったかを判断し（Ｓ６）、大きくなった場合には、再び全ての真空ポンプＰ_Ａ、Ｐ_Ｂ、Ｐ_Ｃを作動させる（Ｓ７）。そして、次に監視ポンプを真空ポンプＰ_Ｂへ移行して（Ｓ８）、電流値Ｉ_Bを監視して、前記真空ポンプＰ_Ａを監視ポンプとした場合と同様の手法で真空状態の監視をする。この真空ポンプＰ_Ｂを監視ポンプとした場合には、停止させるポンプは真空ポンプＰ_Ａ、Ｐ_Ｃを停止させ、ポンプＰ_Ｂのみを作動させる（Ｓ９）。

そして、次に監視ポンプを真空ポンプＰ_Ｃへ移行して（Ｓ１０）、真空ポンプＰ_Ａを監視ポンプとした場合と同様の手法で真空状態の監視をする。この真空ポンプＰ_Ｃを監視ポンプとした場合には、停止させるポンプは真空ポンプＰ_Ａ、Ｐ_Ｂを停止させ、ポンプＰ_Ｃのみを作動させる（Ｓ１１）。
従って、作動ポンプ制御手段１１は図４に示すように、監視ポンプが真空ポンプＰ_Ａのときの制御Ａ、真空ポンプＰ_Ｂのときの制御Ｂ、真空ポンプＰ_Ｃのときの制御Ｃと順次移行して循環させるように構成されている。

この循環の状態を図３のタイムチャートで示す。ポンプＰ_Ａを初期ポンプとしてＯＮすると所定の時間差をもって、ポンプＰ_Ｂ、Ｐ_ＣがＯＮして全てのポンプが作動する。この時間差起動は複数ポンプの立ち上げを同時に行なうと負荷が同時に掛り大電流が流れることを避けるためである。
図３上でＬ点は、負圧判断点Ｓまたは真空到達と判断して監視ポンプ以外の他のポンプを停止する時点を示す。Ｍ点は、電流値が基準範囲外になったため停止していたポンプを再び起動する時点を示す。このＬ点、Ｍ点の作動を、監視ポンプをＰ_Ｂへ移行した場合、Ｐ_Ｃへ移行した場合についても同様に繰り返す。

また、真空ポンプＰ_Ａ、Ｐ_Ｂ、Ｐ_Ｃの何れかが運転不能または困難な場合には、そのポンプをスキップして次のポンプを監視ポンプとするように設定されている。例えばポンプＰ_Ｂが故障またはメンテナンス時のときには、ポンプＰ_ＡからポンプＰ_Ｃに監視ポンプ移行する。
さらに、電磁開閉弁Ｖ_Ａ、Ｖ_Ｂ、Ｖ_Ｃは、真空ポンプＰ_Ａ、Ｐ_Ｂ、Ｐ_Ｃから真空タンク側へポンプ作動時に高圧空気が逆流することを防止する開閉弁であり、真空ポンプＰ_Ａ、Ｐ_Ｂ、Ｐ_Ｃが作動してから電磁開閉弁Ｖ_Ａ、Ｖ_Ｂ、Ｖ_Ｃが開作動するようになっている。

なお、監視ポンプ以外の他のポンプを停止するときには必ずしも残りのポンプすべてを同時に停止せずにポンプの急激な負荷変動を避けるいみで段階的に停止してもよく、また要求真空度によっては、残り全てのポンプでなく一部のみの停止とすることも可能である。
また、真空ポンプの台数は、本実施の形態では３台で説明したが、複数台であればよく２台でも、４台以上でもよいことは勿論である。

以上のように、監視ポンプを設定してその監視ポンプ以外のポンプ作動を停止するとともに、該監視ポンプを複数ポンプの内を順次移行させて循環させるようにすることで、特定の真空ポンプだけが常に作動し、その他の真空ポンプだけが停止することによって生じるポンプ間の運転のバラツキを防止する。その結果複数ポンプが均等に使用されるためメンテナンスの作業が均一化され、メンテナンス作業の効率化を図ることができる。

本発明によれば、真空センサの使用やインバータによる制御による問題点を解消するとともに、設備コストの増加を抑え、またメンテナンス回数を低減して修理作業工数を低減できるような複数の真空ポンプの運転を可能にするので、複数の真空ポンプの運転制御装置および方法に適用されて有益である。

本発明の全体構成図である。 真空ポンプの動力（電流値）特性図である。 実施の形態に係るタイムチャートである。 実施の形態に係る制御フローチャートである。 従来技術である。

１ 真空タンク
３ 電源
５ 電流検知手段
７ 制御手段
９ 真空到達判断手段
１１ 作動ポンプ制御手段
Ｐ_Ａ、Ｐ_Ｂ、Ｐ_Ｃ 真空ポンプ
Ｖ_Ａ、Ｖ_Ｂ、Ｖ_Ｃ 電磁開閉弁
Ｍ_Ａ、Ｍ_Ｂ、Ｍ_Ｃ モータ

Claims (6)

1. 複数の真空ポンプを用いてタンク、室内等を真空状態にする真空ポンプの運転制御装置において、
   前記ポンプを駆動するモータに流れる電流を検出する電流検出手段と、該電流検出手段からの電流値に基づいて所定の電流範囲内に収束したとき真空または真空に近い状態と判断して前記複数の真空ポンプの作動ポンプ数を低減する制御手段を備え、
   該制御手段は前記所定の電流範囲内に到達したときに目標負圧（真空）前の予め設定した負圧判断点に到達したと判断するとともに、該負圧判断点に到達した後前記電流範囲内を一定時間維持したときに前記目標負圧（真空）に達したと判断する真空到達判断手段を有し、該真空到達判断手段によって前記負圧判断点または前記目標負圧（真空）に達したと判断したとき、前記作動ポンプ数の低減を行うことを特徴とする真空ポンプの運転制御装置。
2. 前記所定の電流範囲の基準値を前記ポンプの運転時間が長くなるにつれて低下するようにオフセットさせることを特徴とする請求項１記載の真空ポンプの運転制御装置。
3. 前記制御手段は作動ポンプ制御手段を有し、該作動ポンプ制御手段は複数のポンプの１つを監視ポンプとして設定し、該監視ポンプの駆動モータの電流値によって前記真空到達判断手段が前記負圧判断点または前記目標負圧（真空）に達したと判断したとき、前記監視ポンプ以外のポンプを停止せしめるとともに、前記監視ポンプを次のポンプへ移行して複数のポンプ内を順次循環せしめることを特徴とする請求項１記載の真空ポンプの運転制御装置。
4. 前記複数ポンプのうちいずれかのポンプが運転不能または困難の場合には当該ポンプをスキップして他のポンプに前記監視ポンプを順次移行することを特徴とする請求項３記載の真空ポンプの運転制御装置。
5. 複数の真空ポンプを用いてタンク、室内等を真空状態にする真空ポンプの運転制御方法において、
   前記ポンプを駆動するモータに流れる電流を検出し、
   前記複数のポンプの１つを監視ポンプとして設定し、
   該監視ポンプの駆動モータの電流値によって所定の電流範囲内に到達したときに目標負圧（真空）前の予め設定した負圧判断点に到達したと判断するとともに、該負圧判断点に到達した後前記電流範囲内を一定時間維持したときに前記目標負圧（真空）に達したと判断し、
   前記負圧判断点または前記目標負圧に到達したとき、前記複数の真空ポンプの作動ポンプ数を低減することを特徴とする真空ポンプの運転制御方法。
6. 前記負圧判断点または前記目標負圧に到達したとき、前記監視ポンプ以外のポンプを停止するとともに、前記監視ポンプを次のポンプに移行せしめて前記監視ポンプを複数のポンプ内を順次循環させるようにしたことを特徴とする請求項５記載の真空ポンプの運転制御方法。

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