JP7189394B1 - 真空ポンプ、真空ポンプの制御方法、真空ポンプ用電力変換装置、圧縮機用電力変換装置および圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】モータを過熱から保護しつつ、真空排気性能の向上を図ることができる真空ポンプおよびその制御方法を提供する。【解決手段】本発明の一形態に係る真空ポンプは、容積移送型のポンプ本体と、モータと、制御部とを備える。前記ポンプ本体は、ポンプロータを有する。前記モータは、前記ポンプロータを回転させる。前記制御部は、負荷トルクが第１の所定トルク以下のときは、前記モータを所定回転数以下で駆動する第１の制御モードを実行し、前記負荷トルクが前記第１の所定トルクを超えるときは、第１の所定電力を上限として、前記モータを前記所定回転数以下、かつ、第１の所定トルクより高い第２の所定トルク以下で駆動する第２の制御モードを実行する。【選択図】図５

Description

本発明は、容積移送型の真空ポンプおよびその制御方法の技術に関する。

容積移送式の真空ポンプは、モータにてその容積を移送させることで、排気対象空間であるチャンバ内の気体を排出する。モータは、かご型誘導モータに代表されるように入力される電源周波数に応じてその回転数（すべり回転数とも言われる）が定まり、その回転速度を一定範囲とする制御方式が採用される。しかし、容積の移送とは、気体の移送および付随する圧縮負荷と、気体の吸入口と排出口との間の差圧の維持の負荷が合成された事象であって、当該ポンプの容積移送の設計思想を適用する対象によっては、モータの仕事となる単位時間あたりに処理すべき負荷に対して、その定格の回転速度を維持できないような過負荷運転を強いられる場合がある。

過負荷運転を維持すれば、モータまたはポンプ部に過熱を招来し、真空ポンプは故障にいたることから、負荷を一定以下に制限する機械的な構成（リリーフ弁（圧縮負荷の制限）、マグネットカップリング（トルク伝達の制限））を付与して対応していた。また、近年は制御装置の高度化により、マグネットカップリングに代えて、制御装置に付属する機能であるトルクリミット（電流リミット）が利用される場合もある（例えば特許文献１参照）。

特開平８－２５４１９３号公報

このような真空ポンプは、周期的に定格以上の過負荷運転を強いられることを前提として設計されている。この理由は、負荷が当初最大であって、その後指数的に低減していく低減負荷に接続されることが一般的であるためである。これに加え、真空を維持する際には差圧維持の仕事のみが負荷となり（真空ポンプのシステム構成によってはその差圧も小さい場合がある）、かつ最大負荷の時間より真空維持時間の比率が大きくなるのが一般的であるためである。つまり、負荷を考えると、モータおよびポンプ部は連続定格以上の負荷については分離できる構成を付与した上で真空ポンプを設計するのが合理的であり、そのように設計されたポンプシステムを構成したり、運用されたりしている。

このように利用されていた真空ポンプであったが、上述したような過負荷時における運転の対処が真空排気性能に悪影響を及ぼしている。具体的には、真空ポンプの負荷を増加させたり、運転時に容積の移送量、特に単位時間あたりの移送量を増加させたりする際に、そのモータ能力を最大限に発揮すること、つまり連続定格以上の能力を発揮することについては制限されており、元々内包している短時間定格の能力を発揮することができない。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、モータを過熱から保護しつつ、真空排気性能の向上を図ることができる真空ポンプおよびその制御方法を提供することにある。

本発明の一形態に係る真空ポンプは、容積移送型のポンプ本体と、モータと、制御部とを備える。
前記ポンプ本体は、ポンプロータを有する。
前記モータは、前記ポンプロータを回転させる。
前記制御部は、負荷トルクが第１の所定トルク以下のときは、前記モータを所定回転数以下で駆動する第１の制御モードを実行し、前記負荷トルクが前記第１の所定トルクを超えるときは、第１の所定電力を上限として、前記モータを前記所定回転数以下、かつ、第１の所定トルクより高い第２の所定トルク以下で駆動する第２の制御モードを実行する。

これにより、過負荷運転時においてもモータの回転数の低下が抑えられるため、ポンプロータによる単位時間あたりの容積移送量を維持して目標圧力までの排気時間の短縮を図ることができる。また、モータの回転数は所定回転数以下に制限されるため、真空ポンプを過熱から保護することができる。

前記第１の所定トルクは、典型的には、前記モータの定格トルクである。
前記第１の所定電力は、典型的には、前記モータの定格電力である。
前記所定回転数は、典型的には、前記モータの定格回転数である。前記所定回転数は、前記負荷トルクが前記第１の所定トルク以下であり、かつ、前記モータの電力が前記第１の所定電力以下であるときは、前記定格回転数よりも高い回転数であってもよい。

前記制御部は、前記第２の制御モードにおいて、前記モータの回転状態が所定の条件を満たすときは、所定時間に限って前記モータを前記第１の所定電力より高い第２の所定電力で駆動するように構成されてもよい。

前記制御部は、前記第２の制御モードにおいて、前記真空ポンプ全体の温度の推定値を算出し、前記推定値が所定温度以上のときは、前記モータを前記第１の制御モードで駆動するように構成されてもよい。

本発明の一形態に係る真空ポンプの制御方法は、ポンプロータと、前記ポンプロータを回転させるモータとを有する容積移送型の真空ポンプの制御方法であって、
前記モータを起動し、
負荷トルクが第１の所定トルク以下のときは、前記モータを所定回転数以下で駆動する第１の制御モードを実行し、
前記負荷トルクが前記第１の所定トルクを超えるときは、第１の所定電力を上限として、前記モータを前記所定回転数以下、かつ、第１の所定トルクより高い第２の所定トルク以下で駆動する第２の制御モードを実行する。

本発明の一形態に係る真空ポンプ用電力変換装置は、容積移送型ポンプのポンプロータを回転させるモータに電力を供給する真空ポンプ用電力変換装置であって、
負荷トルクが第１の所定トルク以下のときは、前記モータを所定回転数以下で駆動する第１の制御モードを実行し、前記負荷トルクが前記第１の所定トルクを超えるときは、第１の所定電力を上限として、前記モータを前記所定回転数以下、かつ、第１の所定トルクより高い第２の所定トルク以下で駆動する第２の制御モードを実行する制御部を具備する

本発明によれば、モータを過熱から保護しつつ、真空排気性能の向上を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る真空ポンプの内部構造を示す概略横断面図である。 図１におけるＡ－Ａ線断面図である。 上記真空ポンプの構成を概略的に示すブロック図である。 上記真空ポンプにおける制御部の機能ブロック図である。 上記制御部において実行される処理の手順の一例を示すフローチャートである。 上記真空ポンプの動作の一例を示す実験結果であって、負荷トルクと圧力との関係を示す図である 上記真空ポンプの動作の一例を示す実験結果であって、電力と圧力との関係を示す図である。 上記真空ポンプの動作の一例を示す実験結果であって、回転数と圧力との関係を示す図である。 上記真空ポンプの動作の一例を示す実験結果であって、排気速度と圧力との関係を示す図である。 上記真空ポンプの動作の一例を示す実験結果であって、圧力と時間との関係を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る真空ポンプの動作の一例を示す実験結果である。 典型的な冷凍回路を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る真空ポンプ１００の内部構造を示す概略横断面図である。図２は、図１におけるＡ－Ａ線断面図である。各図においてＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、相互に直交する３軸方向を示している。

本実施形態の真空ポンプ１００は、ポンプ本体１０と、モータ２０と、制御ユニット３０とを備える。本実施形態では、真空ポンプ１００として、単段のメカニカルブースタポンプを例に挙げて説明するが、これ以外にも、スクリューポンプ、ベーンポンプ、ルーツポンプ等の他の容積移送型の真空ポンプで構成されてもよい。

（ポンプ本体）
ポンプ本体１０は、第１のポンプロータ１１と、第２のポンプロータ１２と、第１および第２のポンプロータ１１，１２を収容するケーシング１３とを有する。

ケーシング１３は、第１のケーシング部１３１と、第１のケーシング部１３１のＹ軸方向の両端に配置された隔壁１３２，１３３と、隔壁１３３に固定された第２のケーシング部１３４とを有する。第１のケーシング部１３１および隔壁１３２，１３３は、第１および第２のポンプロータ１１，１２を収容するポンプ室Ｐを形成する。

第１のケーシング部１３１および隔壁１３２，１３３は、例えば、鋳鉄やステンレス鋼等の鉄系金属材料で構成され、図示しないシールリングを介して相互に結合されている。第２のケーシング部１３４は、例えば、アルミニウム合金等の非鉄系金属材料で構成される。

第１のケーシング部１３１の一方の主面（図２において上面）にはポンプ室Ｐに連通する吸気口Ｅ１が形成され、その他方の主面（図２において下面）にはポンプ室Ｐに連通する排気口Ｅ２が形成される。吸気口Ｅ１には、図示しない真空チャンバの内部と連絡する吸気管が接続され、排気口Ｅ２には、図示しない排気管あるいは補助ポンプの吸気口と接続される。

第１および第２のポンプロータ１１，１２は、鋳鉄等の鉄系金属材料からなるマユ型ロータで構成され、Ｘ軸方向に相互に対向して配置される。第１および第２のポンプロータ１１，１２は、Ｙ軸方向に平行な回転軸１１ｓ，１２ｓをそれぞれ有する。各回転軸１１ｓ，１２ｓの一端部１１ｓ１，１２ｓ１側は、隔壁１３２に固定されたベアリングＢ１に回転可能に支持され、各回転軸１１ｓ，１２ｓの他端部１１ｓ２，１２ｓ２側は、隔壁１３３に固定されたベアリングＢ２に回転可能に支持される。第１のポンプロータ１１と第２のポンプロータ１２との間、および、各ポンプロータ１１，１２とポンプ室Ｐの内壁面との間には所定の隙間が形成されており、各ポンプロータ１１，１２は相互に、および、ポンプ室Ｐの内壁面に非接触で回転するように構成される。

第１のポンプロータ１１の回転軸１１ｓの一端部１１ｓ１には、モータ２０を構成するロータコア２１が固定され、ロータコア２１とベアリングＢ１との間には第１の同期ギヤ１４１が固定される。第２のポンプロータ１２の回転軸１２ｓの一端部１２ｓ１には、第１の同期ギヤ１４１と噛み合う第２の同期ギヤ１４２が固定されている。モータ２０の駆動により、第１および第２のポンプロータ１１，１２は、同期ギヤ１４１，１４２を介して相互に逆方向に回転し、これによりポンプ室Ｐの容積が変化して吸気口Ｅ１から排気口Ｅ２へ向けて気体が移送される。

（モータ）
本実施形態において、モータ２０は、永久磁石同期型のキャンドモータで構成される。これ以外にも、モータ２０は、かご型モータ等の誘導モータで構成されてもよい。また図１に示されたようなポンプ本体１０とモータ２０が一体型となった真空ポンプ１００に限られず、ポンプ本体１０とモータ２０が分離した真空ポンプ１００であってもよい。具体的には熱回路としてポンプ本体１０とモータ２０は独立していてもよい。

モータ２０は、ロータコア２１と、ステータコア２２と、キャン２３と、モータケース２４とを有する。

ロータコア２１は、第１のポンプロータ１１の回転軸１１ｓの一端部１１ｓ１に固定される。ロータコア２１は、電磁鋼鈑の積層体とその周面に取り付けられた複数の永久磁石Ｍとを有する。永久磁石Ｍは、ロータコア２１の周囲に沿って極性（Ｎ極、Ｓ極）を交互に異ならせて配置される。

本実施形態では、永久磁石材料として、ネオジム磁石やフェライト磁石等の鉄系材料が用いられる。永久磁石の配置形態は特に限定されず、ロータコア２１の表面に永久磁石が配置される表面磁石型（ＳＰＭ）であってもよいし、ロータコア２１に永久磁石が埋め込まれる埋込磁石型（ＩＰＭ）であってもよい。

ステータコア２２は、ロータコア２１の周囲に配置され、モータケース２４の内壁面に固定される。ステータコア２２は、電磁鋼鈑の積層体とそれに巻回された複数のコイルＣとを有する。コイルＣは、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線およびＷ相巻線を含む三相巻線で構成され、それぞれ制御ユニット３０に電気的に接続される。

キャン２３は、ロータコア２１とステータコア２２との間に配置され、内部にロータコア２１を収容する。キャン２３は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等の合成樹脂材料で構成された、ギヤ室Ｇ側の一端が開口する有底の円筒部材である。キャン２３は、その開口端部側の周囲に配置されたシールリングＳを介してモータケース２４に固定され、ロータコア２１を大気（外気）から封止する。

モータケース２４は、例えば、アルミニウム合金で構成され、ロータコア２１、ステータコア２２，キャン２３および同期ギヤ１４１，１４２を収容する。モータケース２４は、図示しないシールリングを介して隔壁１３２に固定されることで、ギヤ室Ｇを形成する。ギヤ室Ｇは、同期ギヤ１４１，１４２およびベアリングＢ１を潤滑するための潤滑油を収容する。モータケース２４の外表面には、典型的には、複数の放熱フィンが設けられる。

モータケース２４の先端は、カバー２５で被覆されている。カバー２５には外気と連通可能な通孔が設けられており、モータ２０に隣接して配置された冷却ファン５０を介してロータコア２１やステータコア２２を冷却することが可能に構成される。冷却ファン５０に代えて又はこれに加えて、モータケース２４を水冷可能な構造にしてもよい。ポンプ本体１０についても同様に、ケーシング１３を水冷可能な構造であってもよい。冷却ファン５０や水冷可能な構造等の構成は、連続定格運転が維持できる抜熱量が確保できるのであれば、その構成に制限は無い。

（制御ユニット）
続いて、制御ユニット３０の詳細について説明する。図３は、制御ユニット３０の構成を概略的に示すブロック図である。

図３に示すように、制御ユニット３０は、駆動回路３１と、位置検出部３２と、制御部３３と、電流検出器３４とを有する。制御ユニット３０は、モータ２０の駆動を制御するためのものである。制御ユニット３０は、モータケース２４に設置された金属製等のケース内に収容された回路基板やその上に搭載された各種電子部品で構成され、その機能はモータ２０を制御する電力変換装置（インバータ）にて実現される。

駆動回路３１は、モータ２０を所定の回転数あるいは所定の電力等を目標として回転させるための駆動信号を生成する複数の半導体スイッチング素子（トランジスタ）を有するインバータ回路で構成される。これら半導体スイッチング素子は、制御部３３により開閉タイミングが個別に制御されることにより、ステータコア２２のコイルＣ（Ｕ相巻線、Ｖ相巻線およびＷ相巻線）に出力（電力）をそれぞれ供給する。

電流検出器３４は、駆動回路３１とステータコア２２のコイルＣの間に流れる電流（出力電流）を検出する。例えば電流検出器３４は、三相交流の全相（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相）の電流を検出するように構成されていてもよいし、三相交流のいずれか２相の電流を検出するように構成されていてもよい。零相電流が生じない限り、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の電流の合計はゼロなので、２相の電流を検出する場合にも全相の電流の情報が得られる。なお電流検出器３４は、電圧を検出する構成であっても良い。これはシャントあるいはモータや駆動回路等、回路中に存在する抵抗を利用することで電流を検出するなどして実現される。

位置検出部３２は、電流検出器３４で検出された各層の電流値を把握することで、コイルＣと交わる磁束の時間的変化に起因してコイルＣに発生する逆起電力の波形からロータコア２１の磁極位置を間接的に検出し、それをコイルＣへの通電タイミングを制御する位置検出信号として制御部３３へ出力する。なお、モータ２０が同期機でなく誘導機である場合は、例えば位置検出部３２を磁束推定部３２として読み替えを行い、以降で説明している制御部３３を公知のｄ，ｑ軸磁束を用いたベクトル制御を実施することで、駆動回路３１へ駆動信号を供給するようにしてもよい。

制御部３３は、位置検出部３２によって検出されたロータコア２１の磁極位置に基づいて、ステータコア２１のコイルＣを励磁するための制御信号を生成し、それを駆動回路３１へ出力する。制御部３３は、典型的には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリを有する情報処理装置（コンピュータ）で構成される。上記メモリには、制御部３３において後述する処理手順を実行するためのプログラムや演算用の各種パラメータが格納される。

図４は、制御部３３の構成を示す機能ブロック図である。制御部３３は、速度算出部３３１と、電力算出部３３２と、温度算出部３３３と、判定部３３４と、信号生成部３３５とを有する。

速度算出部３３１は、位置検出部３２によって検出されたロータコア２１の磁極位置の変化に基づいて、モータ２０の回転数を算出する。電力算出部３３２は、位置検出部３２により取得されるロータコア２１の磁極位置、あるいは、コイルＣを流れる電流値からモータ２０の負荷トルクを検出し、検出した負荷トルクとモータの回転数に基づいて、モータ２０に供給すべき出力（電力）を算出する。なお、モータ２０の回転軸やポンプロータ１１，１２の回転軸１１ｓ，１２ｓにひずみゲージ等の検出器を設けて負荷トルクを求めてもよい。

温度算出部３３３は、ポンプ本体１０およびモータ２０を含む真空ポンプ１００全体の発熱量（温度）の推定値を算出する。上記推定値の算出には、例えば、真空ポンプ１００全体の熱容量を模擬したパラメータと真空ポンプ１００の運転時間に基づく演算アルゴリズムが用いられる。これ以外にも、ポンプ本体１０およびモータ２０の温度を直接または間接的に検出する温度センサの出力に基づいて上記推定値が算出されてもよい。

判定部３３４は、モータ２０の駆動時において、速度算出部３３１で算出されたモータ２０の負荷トルクおよび回転数と後述する所定トルク（Ｔ１、Ｔ２）および所定回転数（Ｒth）との大小関係をそれぞれ判定する。また、判定部３３４は、モータ２０の駆動時において、温度算出部３３３で算出された発熱量の推定値が後述する所定温度（Ｔm）以上か否かを判定する。

信号生成部３３５は、駆動回路３１へ後述する制御モードに応じた駆動信号を生成する。本実施形態において制御部３３は、モータ２０の制御モードとして、第１の制御モードと第２の制御モードとを有し、判定部３３４におけるモータ２０の負荷トルク、出力（電力）、回転数に関する判定結果に基づき、モータ２０の制御モードを第１の制御モードと第２の制御モードとの間で切り替える。

第１の制御モードは、負荷トルクが第１の所定トルクＴ１以下のときに実行され、モータ２０を所定回転数（Ｒth）以下で駆動する。一方、第２の制御モードは、負荷トルクが第１の所定トルクＴ１を超えるときに実行され、第１の所定電力Ｐ１を上限として、モータ２０を所定回転数（Ｒth）以下、かつ、第１の所定トルクＴ１より高い第２の所定トルクＴ２以下で駆動する。典型的には、所定回転数Ｒthは定格回転数、第１の所定トルクＴ１は定格トルク、第１の所定電力Ｐ１は定格出力であるが、勿論これに限られない。

一般に、モータの出力（電力）Ｐ［ｋＷ］は、次の（１）式に示すように、モータの負荷トルクＴ［Ｎ・ｍ］と回転数ｎ［ｒｐｍ］との積と比例関係にある
Ｐ∝Ｔ・ｎ ・・・（１）
ポンプ本体の容積移送量がモータの回転数ｎで表されるとすると、容積移送量はモータの負荷トルクで決まる。典型的には、容積移送負荷と差圧負荷とを合算した負荷（以下、合算負荷ともいう）と、モータが発揮するトルク（負荷トルク）とを平衡する状態における回転数によって、容積移送量が導ける。よって、例えばモータを定格回転数で駆動させ続けることを、真空ポンプの目的とする排気性能の確保条件と考えて、真空ポンプを設計することができる。

一方、例えばチャンバ内を大気圧から排気するときは、起動直後の真空ポンプは容積移送負荷あるいはこれに付随する圧縮負荷が大きいため、モータの負荷トルクは高く、真空ポンプの運転は高負荷状態あるいは過負荷状態になる。過負荷状態ではモータは定格トルクを超えるときがあり、その状態が長期間継続すると、モータを過熱から保護できなくなる。このため、モータを駆動する場合、通常では、モータがその定格トルクを超えないように負荷トルクが制限される（トルクリミット）。モータの負荷トルクが定格トルクに制限されると、モータの回転数は合算負荷と平衡する状態まで低下し、その結果、容積移送量が減少するため、真空ポンプの排気性能も低下する。このとき、上記（１）式における負荷トルクＴ、回転数ｎおよび出力Ｐの値は、それぞれ以下のようになる。
Ｔ＝トルクリミット値（定格トルク）
ｎ＜定格回転数
Ｐ＜定格電力
つまり、出力で考えた場合、真空ポンプは、定格電力よりも小さい出力で運転していることになり、本来の排気能力を十分に発揮していない状態であるといえる。

そこで本実施形態では、モータ２０の負荷トルクが第１の所定トルクＴ１（定格トルク）を超えるときは、モータ２０の制御方法が上記第１の制御モードから第２の制御モードに切り替えられ、第１の所定トルクＴ１より高い第２の所定トルクＴ２以下でのモータ２０の駆動を許容する。第２の所定トルクＴ２は、モータ２０の出力が第１の所定電力Ｐ１（定格電力）を超えない限りは特に限定されず、回転数ｎに応じて変化する。

第１の制御モードにおけるモータ２０の駆動方法は、回転数および負荷トルクが所定以下であれば特に限定されず、典型的には、定格回転数を指示値とする回転数制御が採用される。これに限られず、例えば、第１の所定トルクＴ１（定格トルク）を指示値とするトルク制御、あるいは第１の所定電力Ｐ１（定格電力）を指示値とする電力制御が採用されてもよい。

一方、第２の制御モードにおけるモータ２０の典型的な駆動方法は、第１の所定電力Ｐ１（定格電力）を上限として駆動する電力制御である。このため、負荷トルクが第１の所定トルクＴ１（定格トルク）を超えたとしても、モータ２０の現在の回転数（ｎ）が定格回転数（Ｎ）より低ければ、モータ２０に対するトルク指定値を（Ｎ／ｎ）倍に引き上げることができる。これにより、容積移送量が増加して排気時間の短縮が図れることになる。また、モータの負荷トルクが（Ｎ／ｎ）倍に引き上げられたとしても、モータ２０の出力は定格電力以下であるため、真空ポンプ１００の過熱が抑えられる。

第２の制御モードにおけるモータ２０の駆動方法は、所定電力を上限として駆動する制御方法であれば、上述した電力制御に限られず、例えば出力される電力値を監視しながら目標値であるトルク値を漸増または漸減させるトルク制御を採用してもよいし、同様に電力値を監視しながら目標値である速度指令値を漸増または漸減させる速度制御を採用してもよい。

なお、モータ２０に定格トルク以上のトルクを発揮させるということは、モータ２０には定格以上の電流を流すことになり、その発熱量が抜熱量に見合わず、モータ２０の過熱状態を回避できずに、コイルＣなどの熱破壊が引き起こされる場合がある。また同様に、ポンプ本体１０の圧縮負荷が定格より過大となることで、ポンプ本体１０が過熱し、ポンプロータ１１，１２間のクリアランス不足、あるいはポンプロータ１１，１２とケーシング１３との間のクリアランス不足によるかじり現象が生じるおそれがある。つまり、定格とは、発熱量と抜熱量の平衡状態を保つことで運転時に各構成部品が安全な温度範囲を維持するという意味で理解するならば、定格以上のトルクを発揮させることは、安全な温度範囲を担保することができない場合がある。したがって、温度またはこれに相当する物理量について推定あるいは監視し、真空ポンプ１００を過熱状態から保護する機能が必要となる。

このため本実施形態においては、真空ポンプ１００全体の発熱量の推定値を算出する温度算出部３３３を有しており、例えば、発熱量の推定値が所定温度（Ｔm）以上の場合は、第１の所定トルクＴ１で駆動する第１の制御モードに切り替えてモータ２０を定格トルク以下で駆動させるように構成される。これにより、真空ポンプ１００を過熱状態から保護することができる。

また、負荷トルクが比較的低いとき、定格電力に達するまで回転数を上昇させることができる点で容積移送量を増加させることができる反面、負荷トルクが過度に低いときは、モータ２０の回転数が真空ポンプ１００を構成する機械部品の限界速度を超過してしまうおそれがある。このような問題を回避するため、第２の制御モードにおいては、回転数の上限が定格回転数（Ｒth）に設定される。これにより、真空ポンプ１００を安全な速度域で運転させるようにしている。なおこれに限られず、後述するように負荷トルクおよび電力がそれぞれ定格以下の場合は、回転数の上限値を機械部品の限界速度以下で定格回転数よりも高い回転数に設定されてもよい。

さらに、定格以上の電力でモータ２０を連続的に駆動することは過負荷を招来することになるので、通常は電力制御において定格以上の電力が指令値とされることはない。つまり、電力制御の指令値は、定格電力として一定値とすることが合理的である。しかし、上記一定値では真空ポンプをその本来の最大能力を必ずしも発揮させているとはいえない。つまり、短時間であれば過熱に至らない範囲で定格以上の動力を負荷に対して発揮可能であるにもかかわらず、指令値が一定電力であるため、ポンプの排気能力が制限されているといえる。

ここで、容積移送式の真空ポンプは、その能力として排気時間があり、ある時点での容積の累積移送数が多いほど排気時間は短縮される。つまり、モータの回転状態として、負荷が減少する（あるいは回転数が上昇する）方向にあると判断される事象においては、定格以上のトルクすなわち電力を投入可能とすることで、真空ポンプとしての機能を向上させることが可能となる。これとは反対に、例えばポンプ運転中にチャンバ内をベントする場合など、負荷が増加する（あるいは回転数が低下する）方向にあると判断される事象においては、特別な場合を除き、真空ポンプの排気性能を向上させる必要はない。

つまり、モータの回転状態が定格以上のトルクあるいは電力を投入可能な状態であると判断された場合、定格トルクあるいは定格電力を超えるトルクあるいは電力（例えば定格の１２０％～２００％）でモータ２０を駆動させてもよいことになる。このような制御を実行することで、単位時間あたりの容積移送量（あるいは移送数）を増加させることが可能となり、結果として排気時間も短くなる。また、上述した温度推定機能を備えていれば、過負荷による過熱の問題も回避でき、真空ポンプの安全な運転が確保される。

なお、上記温度推定機能の代わりに、定格を超える運転を所定時間に制限しつつ、定格を超える運転の間隔として一定以上の時間（禁止期間）を設定する等して、定格を超える運転後に真空ポンプを定格運転時の温度に速やかに戻すような方法も採用可能である。これにより、温度推定機能を用いずに簡素な構成で、過負荷による真空ポンプの過熱を抑えることができる。

なお熱回路としてポンプ本体１０とモータ２０が独立している真空ポンプ１００の場合、発熱量の推定値を算出する温度算出部３３３はポンプ本体１０とモータ２０について個別に発熱量を推定する。この場合、ポンプ本体１０とモータ２０の熱収支は異なるので、例えば何れかの推定値が所定温度（Ｔm）以上の場合に、第１の所定トルクＴ１で駆動する第１の制御モードに切り替えてモータ２０を定格トルク以下で駆動させるように構成される。この所定温度はポンプ本体１０とモータ２０とで個別に設けてもよい。これは耐熱性が相互で異なる場合、より真空ポンプの過熱を長期に抑えられる事になるため好ましい。

［真空ポンプの制御方法］
続いて、制御部３３の詳細について、真空ポンプの動作と併せて説明する。図５は、制御部３３において実行される処理の手順の一例を示すフローチャートである。

また、図６～図１０は、本実施形態の真空ポンプ１００の運転を開始した後一定時間経過してから目標圧力に到達するまでの動作の一例を示す実験結果であり、図６は負荷トルクと圧力との関係を示し、図７は電力と圧力との関係を示し、図８は回転数と圧力との関係を示し、図９は排気速度と圧力との関係を示し、図１０は圧力と時間との関係を示している。また、図６～図８では縦軸の負荷トルク、電力、回転数を任意のスケールで表しているとともに、各々の定格値を１としたときの相対比で示している。これら図６～図１０において、「電力制御」とは本実施形態において実行される制御方法に相当し、その対比として、「回転数制御」での制御方法も併せて示す。なお、「電力制御」や「回転数制御」とは制御ループの制御対象が電力あるいは回転数である事を示しており、例えば電力や回転数をある目標値に保つように制御することを意味する。

真空ポンプ１００の運転が開始されると、制御部３３は、第１の制御モードでモータ２０を駆動する（ステップ１０１）。この第１の制御モードでは、定格回転数Ｒthを指示値とする回転数制御でモータ２０が駆動される。制御ループは、後述する負荷トルクが求められるのであれば何れも採用可能とされる。

真空チャンバ内の圧力が大気圧の場合、運転開始直後から真空ポンプ１００は比較的高い負荷状態で駆動される。制御部３３は、モータ２０の運転結果として得られる負荷トルクを監視し、その負荷トルクが第１の所定トルクＴ１以下であるか否かを判定する（ステップ１０２）。

負荷トルクが第１の所定トルクＴ１以下のとき（ステップ１０２において「Ｙ」）、制御部３３は第１の制御モードでのモータ２０の駆動を継続する。一方、負荷トルクが第１の所定トルクＴ１を超えるとき（ステップ１０２において「Ｎ」）、制御部３３は、モータ２０の回転数が所定回転数Ｒth未満であるか否かを判定する（ステップ１０３）。回転数が所定回転数Ｒth未満の場合（ステップ１０３において「Ｙ」）、制御部３３は、第１の制御モードから第２の制御モードに切り替える（ステップ１０４）。すなわち、負荷トルクが第１の所定トルクＴ１を超え、かつ、モータ２０の回転数が所定回転数Ｒth未満であると、第２の制御モードが実行される。

第２の制御モードでは、第１の所定電力Ｐ１（定格電力）を電力上限値として、定格回転数Ｒth以下、かつ、第１の所定トルクＴ１より高い第２の所定トルクＴ２以下でモータ２０が駆動される。第２の所定トルクＴ２は、例えば、定格トルクの１２０％～２００％に相当するトルク値に設定される。

このように本実施形態においては、真空ポンプ１００の高負荷運転時に、定格電力を超えない範囲で負荷トルクを引き上げることができるため、モータ２０を高トルクで駆動させることが可能となる（図６参照）。これにより容積移送量（回転数）を増加させて、排気時間の短縮を図ることができる（図８～図１０参照）。また、回転数の上限は定格回転数Ｒthに制限されるため、モータ２０の過回転に起因する真空ポンプ１００の破損を防ぐことができる。

特に、第２の所定トルクＴ２を調整（漸増または漸減）する事で第１の所定電力Ｐ１となる様、第２の制御モードを構成する事が好ましい。この構成は制御ループの制御対象を電力とし、その目標電力を第１の所定電力Ｐ１とした、典型的な電力制御である。また第２の所定トルクＴ２が第１の所定電力Ｐ１以下を実現する設定値であれば、後述する発熱量が抑えられる面からも好ましい。

制御部３３は、第２の制御モードの実行中において真空ポンプ１００全体の温度（温度算出部３３３で算出される発熱量の推定値）が所定温度Ｔm以上であるか否かを判定する（ステップ１０５）。制御部３３は、真空ポンプ１００の温度が所定温度Ｔm以上であると判定したとき（ステップ１０５において「Ｙ」）、第２の制御モードから第１の制御モードに切り替える。これにより、真空ポンプ１００を過熱状態から保護することができる。一方、制御部３３は、真空ポンプ１００の温度が所定温度Ｔm未満と判定したとき（ステップ１０５において「Ｎ」）、第２の制御モードによるモータ２０の駆動を継続する。

さらに制御部３３は、第２の制御モードの実行中において、負荷トルクが低下傾向にあるか否かを判定する（ステップ１０６）。負荷トルクが低下傾向にあるかどうかの判定は、例えば、速度算出部３３１において所定周期で検出される負荷トルクの検出値が一定、あるいは、減少傾向にあるかどうかを基準に行われる。電力制御の下では、負荷トルクが低下傾向にあれば回転数は上昇傾向にあるとみなせるため、チャンバ内が真空に向かっていると判断できる。

そこで、負荷トルクが低下傾向にあるときは（ステップ１０６において「Ｙ」）、制御部３３は、電力上限値（電力目標値）を所定時間だけ、第１の所定電力Ｐ１（定格電力）から第２の所定電力Ｐ２へ上昇させるトルクブースト制御を実行する（ステップ１０７）。これにより、モータ２０の回転数が一時的に上昇するため、容積移送量がさらに増大し、その分、排気時間を短縮することができる（図１０参照）。第２の所定電力Ｐ２は、第１の所定電力Ｐ１より高い電力であれば特に限定されず、例えば、定格電力の１２０％～２００％に相当する電力値に設定される。このように短時間定格の能力は、図１０で示される真空度の領域（中真空領域）に於いて最大限にその効果が発揮され、その結果は排気時間の短縮となって確認出来る。

一方、トルクブースト制御の実行により真空ポンプ１００の発熱量は増加するが、トルクブースト制御は所定時間に限定されるため、真空ポンプ１００が過熱に至ることを防ぐことができる（図７参照）。上記所定時間は、トルクブースト制御による真空ポンプ１００の熱上昇率などに基づいてあらかじめ実験的に求めることができる。トルクブースト処理を所定時間行った後、および、負荷トルクが低下傾向にないときは（ステップ１０５において「Ｎ」）、制御部３３は、電力上限値を第１の所定電力Ｐ１（定格電力）とする電力制御を引き続き実行する。

以上の動作を繰り返し実行することにより、電力制御を主体としたモータ２０の駆動制御が実行される。これにより、回転数制御のみでモータ２０を駆動する場合と比較して、真空ポンプ１００が本来有する排気性能を最大限に発揮させることができるので、目標とする真空圧力への到達時間（排気時間）を短縮することができる。

また大気圧条件からの起動時に於いても、速やかに電力制御を主体とした第２の制御モードに移行する事で、トルクリミットが加えられた回転数制御に比べ、起動トルクを増大させられる事から排気時間を短くすることのみならず、固着からの離脱可能性を向上させる事が出来、また油温が低い条件下、つまり、ポンプ温度が低くメカロスが高い条件下等の悪環境に於いても排気時間を短縮する効果を奏すると共に、電力制御を主体としている事で単にトルク値を増加させた運転と比較して発熱を抑えた運転とすることが出来る。

真空チャンバ内の圧力が所定以下にまで低下し、ポンプ本体１０における気体の圧縮負荷が減少すると、真空ポンプ１００の負荷は吸気口Ｅ１と排気口Ｅ２との間の差圧維持の仕事のみとなる。そこで、制御部３３は、第２の制御モードの実行中、負荷トルクが第１のトルクＴ１（定格トルク）以下か否かを判定し（ステップ１０２）、負荷トルクが第１のトルクＴ１以下に低下すると、第２の制御モードから第１の制御モードへ切り替える（ステップ１０２において「Ｙ」）。第１の制御モードでは、定格回転数（所定回転数Ｒth）が回転数の上限値とされているため、モータ２０は、低真空から中真空（図８において約２ｋＰａ～０．１Ｐａ）にかけては、一定の回転数（定格回転数）で駆動される。ここで中真空・高真空の定義はJIS Z 8126-1真空技術?用語? 第1部：一般用語に基づく。

＜他の実施形態１＞
以上の実施形態では、第１の制御モードにおいてはモータ２０を所定回転数Ｒth以下で駆動させるようにし、その所定回転数Ｒthを定格回転数としたが、これに限られず、所定回転数Ｒthをそのときのモータ２０の運転状態に応じた可変値としてもよい。

例えば、第１の制御モードにおいて、負荷トルクが第１の所定トルクＴ１以下であり、かつ、電力が第１の所定電力Ｐ１以下であるときは、所定回転数Ｒthを定格回転数よりも高い回転数としてもよい。つまり、第１の制御モードに電力制御の制御ループをとりいれ、モータ２０の電力が第１の消費電力Ｐ１（典型的には定格電力）を超えない範囲で回転数の上昇を許容する（以下、高回転数制御ともいう）。なお、高回転数制御における回転数上限値は、例えば、ポンプ本体あるいはモータの回転数上限値に応じて任意に設定可能であり、例えば、定格回転数の１２０％とすることができる。高定格回転数から回転数上限値への回転数の上昇率は、図１１において破線Ｅｐで示すように電力制御による回転数の上昇率よりも低い値とされる。

このような高回転数制御は、例えば図１１に示すように、中真空付近において第２の制御モードから第１の制御モードへの切り替えられた後の所定時間に実行可能である。高回転数制御での運転時間はあらかじめ固定されてもよいし、電力が第１の所定電力Ｐ１に達するまでの時間とされてもよい。高回転数制御が所定時間実行されたのち、定格回転数を回転数上限値とした第１の制御モードが実行される。これにより、真空ポンプ１００の排気能力をさらに引き出せるため、到達真空度までの排気時間をより一層短縮することができるとともに、高回転数制御での圧力帯で連続運転する場合に容積移送量を増加させることができる。

＜他の実施形態２＞
以上の実施形態では、真空ポンプを例に挙げて説明したが、真空ポンプ以外の他のポンプ、例えば、圧縮システムにおける圧縮機あるいはその駆動用モータにも本発明は適用可能である。
図１２は典型的な冷凍回路を示している。圧縮機２０１から吐出された高圧の過熱ガス冷媒は、凝縮器２０２において凝縮される。凝縮器２０２から流出した高圧の過冷却液冷媒は、膨張弁２０３を通過することで減圧される。膨張弁２０３を通過した低圧の液冷媒は、蒸発器２０４において蒸発する。蒸発器２０４から流出した低圧の過熱ガス冷媒は、圧縮機２０１へ吸入される。

圧縮機２０１としては、例えば、ロータリ式ポンプ、スクロールポンプなどの容積移送型のポンプを用いることができる。圧縮機２０１は、冷媒の凝縮温度、蒸発温度および吸込蒸気の過熱度などによって熱負荷を受けやすい。一方、圧縮機には、同じ運転条件において、よりたくさんの蒸気量を吸い込み、大きな冷凍能力を発揮できる能力が要求される。このため、圧縮機２０１においても、上述した真空ポンプと同様に、圧縮機２０１の駆動源であるモータを過熱から保護しつつ、ポンプ性能を向上させる技術が要求される。このような課題に対しても、上述した真空ポンプの運転制御が有効である。

なお、蒸発器２０４を上述した真空排気システムにおける真空チャンバとみなすと、膨張弁２０３から蒸発器２０４へ流入する冷媒は、真空チャンバへのガス導入とみなすことができる。凝縮器２０２および蒸発器２０４の圧力が安定すると、圧縮機２０１の負荷トルクも安定する。例えば、凝縮圧力を真空排気システムにおける大気圧とみなせば、蒸発圧力が安定し蒸発器２０４の熱流速も一定条件であれば、圧縮機２０１の運転状態は、真空排気システムにおける中真空帯域と同様な状態になる。

１０…ポンプ本体
１１，１２…ポンプロータ
２０…モータ
３０…制御ユニット
３１…駆動回路
３２…位置検出部
３３…制御部
１００…真空ポンプ
２０１…圧縮機

Claims (10)

1. ポンプロータを有する容積移送型のポンプ本体と、
   前記ポンプロータを回転させるモータと、
   負荷トルクが第１の所定トルク以下のときは、前記モータを所定回転数以下で駆動する第１の制御モードを実行し、前記負荷トルクが前記第１の所定トルクを超えるときは、第１の所定電力を上限として、前記モータの回転速度を増加させ、かつ、前記モータを第１の所定トルクより高い第２の所定トルク以下で駆動する第２の制御モードを実行し、前記第２の制御モードの実行中において前記負荷トルクが低下傾向にあるときは、所定時間に限って前記モータを前記第１の所定電力より高い第２の所定電力以下で駆動する制御部と
   を具備する真空ポンプ。
2. 請求項１に記載の真空ポンプであって、
   前記所定回転数は、前記モータの定格回転数である
   真空ポンプ。
3. 請求項１に記載の真空ポンプであって、
   前記所定回転数は、前記負荷トルクが前記第１の所定トルク以下であり、かつ、前記モータの電力が前記第１の所定電力以下であるときは、前記モータの定格回転数よりも高い回転数である
   真空ポンプ。
4. 請求項１～３のいずれか１つに記載の真空ポンプであって、
   前記第１の所定電力は、前記モータの定格電力である
   真空ポンプ。
5. 請求項１～４のいずれか１つに記載の真空ポンプであって、
   前記第１の所定トルクは、前記モータの定格トルクである
   真空ポンプ。
6. 請求項１～５のいずれか１つに記載の真空ポンプであって、
   前記制御部は、前記第２の制御モードにおいて、前記真空ポンプ全体の温度の推定値を算出し、前記推定値が所定温度以上のときは、前記モータを前記第１の制御モードで駆動する
   真空ポンプ。
7. ポンプロータと、前記ポンプロータを回転させるモータとを有する容積移送型の真空ポンプの制御方法であって、
   前記モータを起動し、
   負荷トルクが第１の所定トルク以下のときは、前記モータを所定回転数以下で駆動する第１の制御モードを実行し、
   前記負荷トルクが前記第１の所定トルクを超えるときは、第１の所定電力を上限として、前記モータの回転速度を増加させ、かつ、前記モータを第１の所定トルクより高い第２の所定トルク以下で駆動する第２の制御モードを実行し、
   前記第２の制御モードの実行中において前記負荷トルクが低下傾向にあるときは、所定時間に限って前記モータを前記第１の所定電力より高い第２の所定電力以下で駆動する
   真空ポンプの制御方法。
8. 容積移送型ポンプのポンプロータを回転させるモータに電力を供給する真空ポンプ用電力変換装置であって、
   負荷トルクが第１の所定トルク以下のときは、前記モータを所定回転数以下で駆動する第１の制御モードを実行し、前記負荷トルクが前記第１の所定トルクを超えるときは、第１の所定電力を上限として、前記モータの回転速度を増加させ、かつ、前記モータを第１の所定トルクより高い第２の所定トルク以下で駆動する第２の制御モードを実行し、前記第２の制御モードの実行中において前記負荷トルクが低下傾向にあるときは、所定時間に限って前記モータを前記第１の所定電力より高い第２の所定電力以下で駆動する制御部
   を具備する真空ポンプ用電力変換装置。
9. 圧縮システムの圧縮機モータに電力を供給する圧縮機用電力変換装置であって、
   負荷トルクが第１の所定トルク以下のときは、前記モータを所定回転数以下で駆動する第１の制御モードを実行し、前記負荷トルクが前記第１の所定トルクを超えるときは、第１の所定電力を上限として、前記モータの回転速度を増加させ、かつ、前記モータを第１の所定トルクより高い第２の所定トルク以下で駆動する第２の制御モードを実行し、前記第２の制御モードの実行中において前記負荷トルクが低下傾向にあるときは、所定時間に限って前記モータを前記第１の所定電力より高い第２の所定電力以下で駆動する制御部
   を具備する圧縮機用電力変換装置。
10. ポンプロータを有する容積移送型のポンプ本体と、
    前記ポンプロータを回転させるモータと、
    負荷トルクが第１の所定トルク以下のときは、前記モータを所定回転数以下で駆動する第１の制御モードを実行し、前記負荷トルクが前記第１の所定トルクを超えるときは、第１の所定電力を上限として、前記モータの回転速度を増加させ、かつ、前記モータを第１の所定トルクより高い第２の所定トルク以下で駆動する第２の制御モードを実行し、前記第２の制御モードの実行中において前記負荷トルクが低下傾向にあるときは、所定時間に限って前記モータを前記第１の所定電力より高い第２の所定電力以下で駆動する制御部と
    を具備する圧縮機。

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