JP6097067B2 - ドライポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ドライポンプ装置に関するものである。

従来、液体や気体を排液、排気するためにポンプ装置が用いられている。中でも、容器内から気体を排気し、真空を得るために真空ポンプ装置が用いられている。一般的に、真空ポンプ装置は、ポンプケーシング内に収容されたロータ等をモータによって駆動することによって気体を排気する。また、真空ポンプ装置は、トルク制御や省エネの観点から、インバータ装置によってモータを駆動するものが一般的になっている。

真空ポンプ装置には様々な種類があり、中でもドライ真空ポンプ装置は、真空チャンバ内の汚染の原因となるポンプ油を使わないクリーンなポンプであり、機械式のものが一般的である。

このため、ドライ真空ポンプ装置を運転すると、排気対象ガスの圧縮熱、インバータ装置の損失、及びモータコイルに電流が流れることによるジュール熱などが発生する。ポンプケーシングの温度上昇は、ポンプケーシングとロータ間のクリアランスに影響を与え、最悪の場合ケーシングとロータが接触し、ポンプ故障へ至る可能性もある。また、インバータ装置は、高温になるとコンデンサ等の部品寿命が低下する。その他の電子部品も高温温度環境下での使用は性能劣化の要因となる。モータは、過熱によって磁石の減磁、コイルレイヤショートのおそれがある。

したがって、ドライ真空ポンプ装置は、所望の性能を出す上で、ケーシング、インバータ装置、モータ等、ポンプ内の各部が適切な温度に保たれることが望ましい。そこで、発熱によるポンプの故障等を回避するために、冷却液を用いた冷却が一般的に行われている。

特開平１１−３１５７９４号公報 特開２００３−８３２７３号公報 特開昭６４−２４１８１号公報

従来の冷却液による冷却手法は、冷却液の流量に関して、運転条件にかかわらず必要充分な一定流量を流す構成となっている。

一方で，ポンプケーシングを過度に冷却すると、排気対象ガスの反応性生物がポンプ内部に固着し、回転を妨げるおそれがある。そこで、生成物の固着防止を目的として、冷却液の通流と同時にヒータによってポンプ加熱を行うことが考えられる。

ポンプの加熱を行う際に冷却液を通流することが無駄に繋がることは明らかであるから、冷却液の通流に何らかの制御が求められることになる。この点、冷却液の流量によってポンプ内温度を適切に保つことを考えた場合、ポンプ内各所の温度を計測し、計測された温度情報に基づいて冷却液の流量を制御することが考えられる。

しかしながら、近年はポンプ自体の小型化が強く求められるようになっており、ポンプの小型化の観点から、センサ類の増加は好ましくない。

本発明は上述の課題を鑑みてなされたもので、簡素な構成でドライポンプ装置の温度を適切に制御することを課題とする。

本願発明のドライポンプ装置は、上記課題に鑑みなされたもので、ドライポンプと、前記ドライポンプを駆動する駆動装置と、前記駆動装置に電力を供給する電力装置と、前記ドライポンプ、前記駆動装置、及び前記電力装置の少なくとも１つを冷却する冷却液を通流させる冷却液流路と、前記冷却液流路に設けられる弁と、前記電力装置から出力される電力値に基づいて前記弁の動作を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。

すなわち、電力装置から出力される電力値は、電力装置自体の損失による発熱に相関するとともに、駆動装置に電流が流れることによるジュール熱に相関する。また、ポンピングの対象が気体の場合は、電力装置から出力される電力値は、ドライポンプにおける排気対象ガスの圧縮熱にも相関するものである。本願発明はこの点に着目してなされたものであり、電力装置から出力される電力値に基づいて弁の開度を制御することによって冷却液の通流量を制御する。その結果、ドライポンプ装置内各所に温度センサ等を設ける必要がないので、簡素な構成でドライポンプ装置の温度を適切に制御することができる。

また、前記弁は、前記冷却液流路を開閉する電磁弁とすることができる。この場合、前記制御部は、前記電力装置から出力される電力値が、あらかじめ設定されたしきい値以上になったら、前記冷却液流路を「開」に制御し、前記電力装置から出力される電力値が、あらかじめ設定されたしきい値未満になったら、前記冷却液流路を「閉」に制御することができる。

また、前記弁を、前記冷却液流路を開閉する電磁弁とした場合、前記制御部は、前記電力装置から出力される電力値が、あらかじめ設定された第１のしきい値以上になったら、前記冷却液流路を「開」に制御し、前記電力装置から出力される電力値が、前記第１のしきい値より小さく設定された第２のしきい値未満になったら、前記冷却液流路を「閉」に制御することができる。

また、前記弁は、前記冷却液流路の開度を比例調整できる流量制御弁とすることができる。この場合、前記制御部は、前記電力装置から出力される電力値が大きくなるにしたがって、前記流量制御弁の弁開度を大きくする比例制御を行うことができる。

また、前記弁を、前記冷却液流路の開度を比例調整できる流量制御弁とした場合、前記制御部は、前記電力装置から出力される電力値の過去の所定期間の積分値が大きくなるにしたがって、前記流量制御弁の弁開度を大きくする比例制御を行うことができる。

また、前記駆動装置を、モータとし、前記電力装置を、インバータ装置とし、前記ドライポンプを、容器内から気体を排気して前記容器内の真空を得るドライ真空ポンプとすることができる。

かかる本願発明によれば、簡素な構成でドライポンプ装置の温度を適切に制御することができる。

図１は、第１実施形態のドライ真空ポンプ装置の構成を示す図である。 図２は、第１実施形態における電磁弁の制御の一例を示す図である。 図３は、第１実施形態における電磁弁の制御の一例を示す図である。 図４は、第１実施形態における電磁弁の制御の他の例を示す図である。 図５は、第２実施形態のドライ真空ポンプ装置の構成を示す図である。 図６は、第２実施形態におけるバタフライ弁の制御の一例を示す図である。 図７は、第２実施形態におけるバタフライ弁の制御の他の例を示す図である。

以下、本願発明の一実施形態に係るドライポンプ装置を図面に基づいて説明する。以下の実施形態は、一例として、ドライ真空ポンプ装置を説明するが、これには限られない。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態のドライ真空ポンプ装置の構成を示す図である。図１に示すように、ドライ真空ポンプ装置１００は、ドライポンプ１１０と、モータ（駆動装置）１２０と、インバータ装置（電力装置）１３０と、冷却液流路１４０と、電磁弁１５０と、制御盤（制御部）１６０と、を備え、ドライ真空ポンプ装置１００を設置する設備から電源１７０の供給を受ける。ドライ真空ポンプ装置１００は、例えば、半導体プロセスに用いられるチャンバの内部を真空にするために用いられる。ドライポンプ１１０は、真空チャンバ内の汚染の原因となるポンプ油を使わないポンプである。

ドライポンプ１１０は、気体を排気するロータ、及びロータを収容するケーシングを含むポンプモジュールである。モータ１２０は、ドライポンプ１１０を駆動する駆動装置である。インバータ装置１３０は、電源１７０から供給された電力を所定周波数の交流電力へ変換し、変換した電力をモータ１２０に供給する電力装置である。

冷却液流路１４０は、ドライポンプ１１０、モータ１２０、及びインバータ装置１３０の内部を通る流路である。冷却液流路１４０の内部には、ドライポンプ１１０、モータ１２０、及びインバータ装置１３０を冷却するための冷却液が通流する。なお、冷却液は ドライ真空ポンプ装置１００を設置する設備から供給される。また、本実施形態では、冷却液流路１４０は、ドライポンプ１１０、モータ１２０、及びインバータ装置１３０の内部を通るように配設されているが、これには限られない。例えば、冷却液流路１４０は、ドライポンプ１１０、モータ１２０、及びインバータ装置１３０の少なくとも１つの内部を通るように配設することができる。

電磁弁１５０は、冷却液流路１４０に設けられており、冷却液流路１４０を開閉する弁である。なお、本実施形態では、電磁弁１５０を設ける例を示したが、これに限らず、冷却液流路１４０を開閉することができる弁を設けることができる。

制御盤１６０は、電源１７０から供給された電力に基づいて動作する。制御盤１６０には、ドライ真空ポンプ装置１００の外部から、ユーザの操作指令の信号（ユーザ操作信号）と、他の運転指令の信号（運転指令信号）が入力される。制御盤１６０は、これらの入力された信号に基づいて、インバータ装置１３０の運転を制御するための運転／停止信号を生成し、生成した運転／停止信号をインバータ装置１３０へ出力する。

また、制御盤１６０には、インバータ装置１３０から、インバータ運転情報（インバータ装置１３０の出力電力値）が入力される。制御盤１６０は、インバータ装置１３０から出力される電力値に基づいて、電磁弁１５０の弁開度を制御するための電磁弁制御信号を生成し、生成した電磁弁制御信号をインバータ装置１３０へ出力する。すなわち、インバ
ータ装置１３０から出力される電力値は、インバータ装置１３０自体の損失による発熱に相関するとともに、モータ１２０のコイルに電流が流れることによるジュール熱、及びドライポンプ１１０における排気対象ガスの圧縮熱にも相関するものである。本実施形態は、これを利用して、制御盤１６０は、冷却液の通流量を制御する。この点について、以下、詳細に説明する。

図２は、第１実施形態における電磁弁の制御の一例を示す図である。図２は、上から順に、モータ１２０の回転数、インバータ装置１３０の出力電力、モータ１２０の温度、及び電磁弁１５０の開度（冷却液流量に相関）、のそれぞれのタイムチャートを示したものである。

まず、ドライポンプ１１０に負荷（ガス）が導入されていない状態で、回転数グラフ２０２に示すように、モータ１２０が定格回転数で回転しているものとする。この場合、負荷が導入されていないので、出力電力グラフ２０４に示すように、インバータ装置１３０の出力電力は低めに保たれ、温度グラフ２０６に示すように、モータ１２０の温度も低めに保たれる。したがって、開度グラフ２０８に示すように、電磁弁１５０の弁開度は「閉」に保たれ、冷却液は冷却液流路１４０の内部を通流しない。

この状態で、ドライポンプ１１０に負荷（ガス）が導入されたとする。すると、回転数グラフ２０２に示すように、モータ１２０の回転数は低下する。これに伴って、出力電力グラフ２０４に示すように、インバータ装置１３０の出力電力値は上昇する。インバータ装置１３０の出力電力値の増大によってモータ１２０の回転数は再び定格回転数まで上昇する。すなわち、モータ１２０の回転数低下によって、インバータ装置１３０の回転数フィードバック制御の出力量が増加し、インバータ装置１３０の出力電力が増大することで、結果としてモータ１２０の回転数が復帰する。また、温度グラフ２０６に示すように、モータ１２０の温度もまた、上昇する。

ここで、制御盤１６０は、インバータ装置１３０の出力電力値が、あらかじめ設定されたしきい値２１０以上になったら、開度グラフ２０８に示すように、電磁弁１５０を「開」に制御する。これによって、冷却液流路１４０は「開」に制御され、冷却液流路１４０の内部を冷却液が通流する。冷却液が冷却液流路１４０の内部を通流することによって、温度グラフ２０６に示すように、モータ１２０の温度は徐々に下降し、適切な温度に保たれる。なお、制御盤１６０には、ドライ真空ポンプ装置１００の各所の冷却が必要になる際の電力値をしきい値としてあらかじめ記憶されている。

この制御について、図３を用いてもう少し具体的に説明する。図３は、第１実施形態における電磁弁の制御の一例を示す図である。図３は、インバータ装置１３０の出力電力と、電磁弁１５０の開度（冷却液流量に相関）のそれぞれのタイムチャートを示したものである。

制御盤１６０は、インバータ装置１３０の出力電力値（出力電力グラフ２０４）とあらかじめ設定されたしきい値２１０とを比較して、出力電力値がしきい値２１０以上になったら、開度グラフ２０８に示すように、電磁弁１５０を「開」に制御する。これによって、冷却液流路１４０は「開」に制御され、冷却液流路１４０の内部を冷却液が通流する。

一方、制御盤１６０は、インバータ装置１３０の出力電力値（出力電力グラフ２０４）としきい値２１０とを比較して、出力電力値がしきい値２１０未満になったら、開度グラフ２０８に示すように、電磁弁１５０を「閉」に制御する。これによって、冷却液流路１４０は「閉」に制御され、冷却液流路１４０の内部に冷却液が通流しなくなる（冷却液が遮断される）。

図３に示す例では、制御盤１６０は、インバータ装置１３０の出力電力値とあらかじめ定められたしきい値との比較により冷却液の流通／遮断を判定する。このため、ドライ真空ポンプ装置１００の各所に温度センサ，圧力センサ，流量センサなどのセンサ類を設ける必要がなく、簡単な構成で、ドライ真空ポンプ装置１００を適切な温度に制御することができる。

すなわち、インバータ装置１３０は、モータ１２０のコイルに流れる電流の制御を行うに当たり、何らかの電流の検出手段を元々有している。また、インバータ装置１３０の出力電圧については、これもセンサあるいは、インバータ装置１３０の設定及び計算によってインバータ装置１３０内で元々把握しているものである。したがって、インバータ装置１３０は、自己の出力電流値と出力電力値から電力値を出力することができる。本実施形態では、この出力電力値を冷却液の流量制御に利用する。したがって、本実施形態は、冷却液の流量制御を目的とした温度センサなどを新規に設ける必要がなく、簡単な構成で、ドライ真空ポンプ装置１００を適切な温度に制御することができる。

次に、第１実施形態における電磁弁の制御の他の例を説明する。図４は、第１実施形態における電磁弁の制御の他の例を示す図である。図４は、インバータ装置１３０の出力電力と、電磁弁１５０の開度（冷却液流量に相関）のそれぞれのタイムチャートを示したものである。図４の例は、電磁弁１５０を制御するためのしきい値にヒステリシスをもたせた例である。

まず、制御盤１６０は、インバータ装置１３０の出力電力値（出力電力グラフ２０４）が、あらかじめ設定された第１のしきい値２１２以上になったら、開度グラフ２０８に示すように、電磁弁１５０を「開」に制御する。これによって、冷却液流路１４０は「開」に制御され、冷却液流路１４０の内部を冷却液が通流する。

一方、制御盤１６０は、インバータ装置１３０の出力電力値（出力電力グラフ２０４）が、第１のしきい値２１２未満になっても、電磁弁１５０を「遮断（閉）」せず、「開」のままとする。制御盤１６０は、インバータ装置１３０の出力電力値（出力電力グラフ２０４）が、第１のしきい値２１２より小さく設定された第２のしきい値２１４未満になったら、開度グラフ２０８に示すように、電磁弁１５０を「遮断（閉）」に制御する。これによって、冷却液流路１４０は「閉」に制御され、冷却液流路１４０の内部に冷却液が通流しなくなる。

図４の例によれば、図３の例と同様に簡単な構成でドライ真空ポンプ装置１００を適切な温度に制御することができるのに加えて、インバータ装置１３０の出力電力値がしきい値の付近にあり、しきい値を頻繁にまたぐような場合であっても、電磁弁１５０の開閉が繰り返されることを抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態のドライ真空ポンプ装置について説明する。図５は、第２実施形態のドライ真空ポンプ装置の構成を示す図である。第２実施形態は、第１実施形態と比べて、電磁弁１５０をバタフライ弁１８０に変えた点、及びバタフライ弁１８０の弁開度の制御態様が異なる。その他の部分は第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。

バタフライ弁１８０は、冷却液流路１４０に設けられ、冷却液流路１４０の開度を比例調整できる流量制御弁である。なお、本実施形態では、バタフライ弁１８０を用いたが、これに限らず、冷却液流路１４０の開度を比例調整できる弁であればよい。

制御盤１６０には、インバータ装置１３０から、インバータ運転情報（インバータ装置１３０の出力電力値）が入力される。制御盤１６０は、インバータ装置１３０から出力される電力値に基づいて、バタフライ弁１８０の弁開度を制御するためのバタフライ弁制御信号を生成し、生成したバタフライ弁制御信号をインバータ装置１３０へ出力する。すなわち、インバータ装置１３０から出力される電力値は、インバータ装置１３０自体の損失による発熱に相関するとともに、モータ１２０のコイルに電流が流れることによるジュール熱、及びドライポンプ１１０における排気対象ガスの圧縮熱にも相関するものである。本実施形態は、これを利用して、制御盤１６０は、冷却液の通流量を制御する。この点について、以下、詳細に説明する。

図６は、第２実施形態におけるバタフライ弁の制御の一例を示す図である。図６は、上から順に、インバータ装置１３０の出力電力、バタフライ弁１８０の開度（冷却液流量に相関）、及びモータ１２０の温度、のそれぞれのタイムチャートを示したものである。

図６の出力電力グラフ２２２に示すように、インバータ装置１３０の出力電力が推移したとする。制御盤１６０は、インバータ装置１３０の出力電力値とバタフライ弁１８０の開度が比例するように、バタフライ弁１８０の開度を制御する。より具体的には、制御盤１６０は、開度グラフ２２４に示すように、インバータ装置１３０から出力される電力値が大きくなるにしたがってバタフライ弁１８０の弁開度を大きくし、インバータ装置１３０から出力される電力値が小さくなるにしたがってバタフライ弁１８０の弁開度を小さくする、いわゆる比例制御を行う。これにより、温度グラフ２２６に示すように、冷却液の通流量に応じてモータ１２０の温度を適切な温度に保つことができる。

特に、図６の例では、インバータ装置１３０の出力電力値に応じて連続的に冷却液の通流量を制御できるので、例えば、図２〜図４の例と比較して、ドライ真空ポンプ装置１００の各部の温度を安定させることができる。

なお、制御盤１６０による比例制御においては、インバータ装置１３０の出力電力値の変化量と、バタフライ弁１８０の弁開度の変化量とを、１対１に対応させなくてもよい。制御盤１６０は、バタフライ弁１８０の弁開度を、インバータ装置１３０の出力電力値の変化量に所定の定数を持たせて比例するように制御することができる。定数の値は、例えば、ドライ真空ポンプ１００の使用環境（排気対象のガス種、弁全開時の冷却液流量、冷却液温度、周囲温度）に応じて調整することが望ましい。また、定数を調整する手段としては、（１）ポンプ付属の操作器（制御盤１６０に接続される。図示していない。）、（２）通信による制御盤１６０への指令、（３）接点信号による制御盤１６０への指令（予め何パターンかの定数を制御盤内に記憶して置き、接点信号でどのパターンで冷却液通流弁の開度を調節するか選択する。）などが考えられる。

次に、第２実施形態におけるバタフライ弁の制御の他の例を説明する。図７は、第２実施形態におけるバタフライ弁の制御の他の例を示す図である。図７の例は、制御盤１６０が、常に過去の所定期間（例えば、数分間）のインバータ装置１３０の出力電力値の積分を行い、この積分値とバタフライ弁１８０の開度が比例するように、バタフライ弁１８０の弁開度を制御する例である。

図７は、上から順に、インバータ装置１３０の出力電力、バタフライ弁１８０の開度（冷却液流量に相関）、及びモータ１２０の温度、のそれぞれのタイムチャートを示したものである。

図７の出力電力グラフ２２２に示すように、インバータ装置１３０の出力電力が推移したとする。制御盤１６０は、常に過去の所定期間（例えば、数分間）のインバータ装置１
３０の出力電力値の積分を行って積分値を算出する。また、制御盤１６０は、算出した積分値とバタフライ弁１８０の開度が比例するように、バタフライ弁１８０の開度を制御する。より具体的には、制御盤１６０は、開度グラフ２３４に示すように、算出した積分値が大きくなるにしたがってバタフライ弁１８０の弁開度を大きくし、算出した積分値が小さくなるにしたがってバタフライ弁１８０の弁開度を小さくする、いわゆる比例制御を行う。これにより、温度グラフ２３６に示すように、冷却液の通流量に応じてモータ１２０の温度を適切な温度に保つことができる。

特に、図７の例では、過去の所定期間の電力値に応じて冷却液の通流量を決定するので、ドライ真空ポンプ装置１００の運転開始時は流量が絞られ、暖気運転中にドライ真空ポンプ装置１００が冷却されるのを抑制することができる。また、ドライ真空ポンプ装置１００停止後も各部温度が低下するまで冷却液が十分流れるので、ドライ真空ポンプ装置１００の各部の温度を速やかに安全な温度まで低下させることができる。

以上、第１，第２のドライ真空ポンプ装置１００によれば、温度センサ類を増強することなく、インバータ装置１３０から出力される電力値を利用して、冷却液の流量制御を行うので、ドライ真空ポンプの小型化、製造コスト削減、及び信頼性向上を実現することができる。

１００ ドライ真空ポンプ装置
１１０ ドライポンプ
１２０ モータ
１３０ インバータ装置
１４０ 冷却液流路
１５０ 電磁弁
１６０ 制御盤
１７０ 電源
１８０ バタフライ弁

Claims (4)

1. ドライポンプと、
   前記ドライポンプを駆動する駆動装置と、
   前記駆動装置に電力を供給する電力装置と、
   前記ドライポンプ、前記駆動装置、及び前記電力装置の少なくとも１つを冷却する冷却液を通流させる冷却液流路と、
   前記冷却液流路に設けられる弁と、
   前記電力装置から出力される電力値に基づいて前記弁の動作を制御する制御部と、
   を備え、
   前記弁は、前記冷却液流路を開閉する電磁弁であり、
   前記制御部は、前記電力装置から出力される電力値が、あらかじめ設定されたしきい値以上になったら、前記冷却液流路を「開」に制御し、前記電力装置から出力される電力値が、あらかじめ設定されたしきい値未満になったら、前記冷却液流路を「閉」に制御する、
   ことを特徴とするドライポンプ装置。
2. ドライポンプと、
   前記ドライポンプを駆動する駆動装置と、
   前記駆動装置に電力を供給する電力装置と、
   前記ドライポンプ、前記駆動装置、及び前記電力装置の少なくとも１つを冷却する冷却液を通流させる冷却液流路と、
   前記冷却液流路に設けられる弁と、
   前記電力装置から出力される電力値に基づいて前記弁の動作を制御する制御部と、
   を備え、
   前記弁は、前記冷却液流路を開閉する電磁弁であり、
   前記制御部は、前記電力装置から出力される電力値が、あらかじめ設定された第１のしきい値以上になったら、前記冷却液流路を「開」に制御し、前記電力装置から出力される電力値が、前記第１のしきい値より小さく設定された第２のしきい値未満になったら、前
   記冷却液流路を「閉」に制御する、
   ことを特徴とするドライポンプ装置。
3. ドライポンプと、
   前記ドライポンプを駆動する駆動装置と、
   前記駆動装置に電力を供給する電力装置と、
   前記ドライポンプ、前記駆動装置、及び前記電力装置の少なくとも１つを冷却する冷却液を通流させる冷却液流路と、
   前記冷却液流路に設けられる弁と、
   前記電力装置から出力される電力値に基づいて前記弁の動作を制御する制御部と、
   を備え、
   前記弁は、前記冷却液流路の開度を比例調整できる流量制御弁であり、
   前記制御部は、前記電力装置から出力される電力値の過去の所定期間の積分値が大きくなるにしたがって、前記流量制御弁の弁開度を大きくする比例制御を行う、
   ことを特徴とするドライポンプ装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のドライポンプ装置において、
   前記駆動装置は、モータであり、
   前記電力装置は、インバータ装置であり、
   前記ドライポンプは、容器内から気体を排気して前記容器内の真空を得るドライ真空ポンプである、
   ことを特徴とするドライポンプ装置。

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