KR20060097741A - 정변위 펌프의 구동 모터를 제어하는 방법 - Google Patents

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미하엘 횔체머
프랑크 쇤보른
칼-하인츠 론탈러
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라이볼트 바쿰 게엠베하
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Abstract

본 발명은 정변위 펌프(16)의 구동 모터(20)를 제어하는 방법에 관한 것으로 인가 압력값(p)을 위해 구동 모터(20)의 각각의 속도(n)를 지시하는 커브를 기억하는 단계로서, 상기 커브(32)는 상한 압력(p1)과 같거나 보다 큰 인가 압력값(p)을 위한 상부 범위(34)로서 하나의 일정한 상부 속도값(n1)이 상기 상부 범위(34)에 관련된, 상부 범위(34) 및 상기 상한 압력(p1)보다 작은 인가 압력값(p)을 위한 변화 범위(36)로서, 상기 변화 범위(36)에서 상이한 속도값(nv)이 인가 압력값(p)에 관련된, 변화 범위(36)를 포함하는, 커브 기억 단계: 인가 압력값(p)을 결정하는 단계: 상기 커브(32) 내에 인가 압력값(p)에 관련된 속도(n)를 결정하는 단계: 및 상기 결정된 속도(n)에서 구동 모터(20)를 작동하는 단계를 포함하는, 정변위 펌프의 구동 모터를 제어하는 방법에 관한 것이다. 변화 범위가 제공된 본 발명의 방법은 정변위 펌프의 변위 용량 효율이 최대인 속도에서 정변위 펌프의 작동을 허용한다.

Description

정변위 펌프의 구동 모터를 제어하는 방법{METHOD FOR CONTROLLING THE DRIVE MOTOR OF A POSITIVE-DISPLACEMENT VACUUM PUMP}
본 발명은 정변위 진공 펌프(positive displacement vacuum pump)의 구동 모터를 제어하는 방법 및 구동 모터 제어부를 포함하는 정변위 진공 펌프에 관한 것이다.
예를 들어, 막 펌프(membrane pump), 로터리 베인 펌프(rotary vane pump), 피스톤 펌프(piston pump) 또는 루츠 펌프(Roots pump)인 정변위 진공 펌프는, 고진공 펌프(high vacuum pump)와 조합한 앞 진공 펌프(fore vacuum pump)로서 종종 사용된다. 이러한 정변위 진공 펌프의 특징은, 상기 펌프들에 의해 획득 가능한 최종 압력, 즉 앞 진공 압력이 높은 범위까지 속도-의존적이며, 최적 흡입 용량을 위해 상기 속도는 높은 인가 압력에서 높아야 하고 낮은 인가 압력에서 낮아야 한다. 이는, 작동 챔버 내의 인가 압력과 흡입 압력 사이의 작은 차이로 인해, 낮은 인가 압력에서 흡입 공간을 채우는 것이 비교적 낮은 비율로 이루어진다는 점에 의해 설명 가능하다. 이는 낮은 인가 압력에서 정변위 진공 펌프의 필링 레벨(filling level)이 양호하지 못하도록 하며, 이러한 필링 레벨은 오직 인가 밸브의 개방 시간을 확장시킴으로써 즉 속도 감소에 의해서만 개선될 수 있다.
DE 198 16 241 C1에서, 정변위 진공 펌프는 인가 압력값에 의해 2개의 상이 한 속도, 즉 배출을 위한 높은 속도에서와 가장 낮은 압력이 가능하도록 하는 낮은 속도에서 작동하는 것으로 공지되어 있다. 펌핑 프로세스의 시작부터 최종 압력까지 이르는 동안 비교적 많은 시간이 필요하다.
본 발명의 목적은 최종 압력이 비교적 빠르게 이루어질 수 있는 정변위 진공 펌프 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이러한 목적은 청구항 제 1 항, 제 3 항 및 제 10 항에 의해 이루어진다.
청구항 제 1 항의 본 발명에 따른 정변위 진공 펌프의 구동 모터를 제어하는 방법은, 압력-속도 커브를 기억하는 단계, 인가 압력값을 결정하는 단계, 커브로부터 속도값을 결정하는 단계, 및 결정된 속도값에서 구동 모터를 작동하는 단계를 포함한다.
먼저, 커브가 기억되는데, 상기 커브에는, 상한 압력(p1)과 같거나 보다 큰 인가 압력값(p)에 관련된 하나의 일정한 상부 속도값(n1)이 있으며, 또한 변화 범위가 있어서 상이한 속도값(nv)이 인가 압력값(p)에 관련된다.
구동 모터의 작동 동안 인가 압력값(p)은 영구히 결정되어 관련된 속도(n)는 커브의 인가 압력값(p)으로부터 결정되고, 구동 모터는 결정된 속도(n)로 작동한다. 높은 인가 압력값(p)에서 상한값(p1) 이상으로 구동 모터가 최대 일정 속도(n1)로 작동하는 동안, 상응하는 속도값(nv)이 거의 연속적으로 상한값(p1) 이상의 속도에 연속적으로 관련되며 인가 압력값(p)에 의한다. 이러한 방법으로, 정변위 펌프의 효과적인 흡입 용량이 각각의 인가 압력값에서 가장 높은 레벨로 유지될 수 있다. 따라서 방출 시작과 최종 압력에 이르는 사이의 시간은 감소한다. 속도를 인가 압력값에 적응함으로써, 원하는 구동 에너지 및 낮은 평균 속도 레벨에 따른 소모 정도는 감소한다. 따라서, 유지 및 작동 비용이 감소하고 이에 따라 정변위 진공 펌프의 효율이 개선된다.
바람직하게는, 상기 커브는 하부 범위를 포함하며, 상기 하부 범위에서 인가 압력값(p)은 하한 압력(p2)과 같거나 작으며, 하나의 일정한 하부 속도값(n2)이 상기 하부 범위에 관련되며, 그리고 상기 변화 범위는 상기 하한 압력(p2)보다 큰 인가 압력값(p)에 제한된다. 따라서 커브는 일정 속도의 상부 압력 범위 및 일정 속도의 하부 압력 범위를 모두 포함하며, 또한 두 범위 사이의 일정하지 않은 속도의 변화 범위를 포함한다. 최소 속도 이하에서 특히 백플로우(backflow) 손실로 인해 어떠한 펌핑 용량도 획득되지 않기 때문에, 이러한 커브는 예를 들어 펌핑 작용을 위한 최소 속도가 주어진 앞 진공 펌프에 필요하며 유용하다. 이는 예를 들어 오일-밀봉형 로터리 베인 펌프(oil-sealed rotary vane pump)에 적용된다. 따라서 정변위 진공 펌프는 매우 낮은 인가 압력에서도 언제나 펌핑 기능이 여전히 보장되는 속도 이상으로 작동된다.
청구항 제 3 항에 따르면, 커브는 제 1 항의 방법과 반대로, 커브는 상부 범위 대신, 하한 압력(p2)과 같거나 보다 작은 인가 압력값(p)을 위한 하부 범위를 가 지며, 하나의 일정한 하부 속도(n2)가 하부 범위와 관련된다.
바람직하게는, 속도(nv)가 감소되는 변화 범위는 인가 압력값(p)의 감소와 관련되며, 즉 낮은 속도값(nv)이 낮은 압력값(p)과 관련된다.
바람직하게는, 상기 상한값(p1)은 20mbar 내지 1mbar 사이의 범위이며, 상기 하한값(p2)은 1.0mbar 내지 0.005mbar 사이의 범위이며, 상한 압력(p1)은 하한 압력(p2)보다 크다.
바람직한 양상에 따르면, 상기 일정한 상부 속도값(n1)은 2,200 내지 1,000rpm 사이의 범위이며, 상기 일정한 하부 속도값(n2)은 300 내지 1,300rpm 사이의 범위이며, 상기 일정한 상부 속도값(n1)은 상기 일정한 하부 속도값(n2)보다 크다.
바람직하게는, 정변위 펌프는 고진공 펌프의 상류에 배열된 앞 진공 펌프이며, 인가 압력값(p)은 고진공 펌프의 흡입-측 압력이다. 따라서 인가 압력값(p)은 고진공 펌프에 의해 방출된 수용부(recipient) 내의 압력이다. 대안적으로, 인가 압력값(p)은 앞 진공 펌프의 입구 전의 즉각적인 앞 진공 압력일 수 있다.
바람직한 양상에 따르면, 상기 커브는 고유의 다이어그램 저장부(characteristic diagram storage)에 기억된다. 상기 고유의 다이어그램 저장부에서, 상응하는 속도(n)는 각각의 인가 압력값(p)에 상응한다.
바람직하게는, 구동 모터는 상응하는 구동 주파수 컨버터에 의해 구동되는 에이싱크로노즈 모터(asynchronous motor)이다. 그러나 구동 모터는 싱크로노스 모터(synchronous motor)로 구성될 수도 있다.
본 발명에 따른 정변위 진공 펌프는 구동 모터, 인가 압력 센서, 및 구동 모터 제어부를 포함하며, 상기 구동 모터 제어부는 상기 인가 압력 센서에 의해 결정된 인가 압력값(p)에 따라 상기 구동 모터의 속도(n)를 제어한다. 게다가 상기 구동 모터 제어부는 상기 인가 압력 센서의 인가 압력값(p)을 위해 상기 구동 모터의 각각의 속도(n)를 지시하는 커브를 기억하는 저장부를 포함하며, 상기 커브(32)는 두 개의 범위를 포함한다: 제 1 범위는 상한 압력(p1)과 같거나 보다 큰 인가 압력값(p)을 위한 상부 범위로서 하나의 일정한 상부 속도값(n1)이 상기 상부 범위에 관련된, 상부 범위이다. 제 2 범위는 상기 상한 압력(p1)보다 작은 인가 압력값(p)을 위한 변화 범위로서, 상기 변화 범위에서 상이한 속도값(nv)이 인가 압력값(p)에 관련된, 변화 범위이다.
바람직하게는, 상기 구동 모터 제어부는 프로세서를 포함하며, 상기 프로세서는 상기 인가 압력 센서(24)에 연결되었으며 상기 인가 압력 센서(24)의 신호를 평가한다. 평가된 인가 압력 센서 신호는 정변위 진공 펌프와 관련된 압력 지시부에 공급될 수 있다. 따라서 인가 압력 센서 신호는 구동 모터의 제어와 관련된 구동 모터 제어부에 의해서만 평가되는 것이 아니라, 지시 형식으로 변환되어 진공 펌프와 관련된 지시부에 최종적으로 공급될 수 있다. 따라서 별도의 인가 압력을 지시하기 위한 평가 및 지시 장치가 필요하지 않다.
본 발명의 실시예는 이하의 도면을 참조로 상세히 설명된다.
도 1은 앞 진공 펌프 및 고진공 펌프로 구성되는 본 발명에 따른 정변위 진공 펌프를 포함하는 펌프 조립체의 개략적 도면이며, 그리고
도 2는, 정변위 진공 펌프의 구동 모터 속도에 따라 제어되는 인가 압력-속도 커브를 도시한다.
도 1은 수용부(12) 내에 높은 진공을 발생하기 위한 펌프 조립체(10)를 도시한다. 수용부(12) 내에 높은 진공을 발생할 목적으로 2개의 펌프, 즉 예를 들어 터보 분자 펌프(turbomolecular pump)인 진공 펌프(14)와 예를 들어 막, 피스톤, 로터리 베인 펌프인 앞 진공 펌프로서 정변위 진공 펌프(16)가 나란히 배열된다.
정변위 진공 펌프(16)는 본질적으로 펌프 장치(18), 펌프 챔버, 구동 모터(20) 및 구동 모터 제어부(22)를 포함하며, 상기 펌프 장치는 펌프 챔버 내에 배열된 변위 바디를 구비하고, 상기 구동 모터는 상기 펌프 장치(18)를 구동하기 위한 것이며, 상기 구동 모터 제어부는 상기 구동 모터(20)에 에너지를 전달하고 제어하기 위한 것이다. 구동 모터(20)는 싱크로노스 모터로서 구성된다.
게다가 펌프 조립체(10)는 2개의 인가 압력 센서(24, 26)를 구비하며, 상기 인가 압력 센서 중 하나(24)는 정변위 진공 펌프의 입구에서 앞 진공 압력을 즉시 결정하며, 다른 인가 압력 센서(26)는 수용부(12) 내에서 고진공 압력을 결정한다. 2개의 인가 압력 센서(24, 26) 모두 구동 모터 제어부(22)의 프로세서(28)에 연결되며, 상기 프로세서(28)는 인가 압력 센서(24, 26)에 의해 인가 압력값(p)을 연속 적으로 제공한다. 게다가 구동 모터 제어부(22)는 프로세서(28)에 의해 구동되는 주파수 컨버터(30)를 제공하며, 구동 모터(20)에 연결된다. 또한, 정변위 진공 펌프(16)와 관련된 인가 압력 센서(24)는 정변위 진공 펌프(16)에 일체화될 수 있다.
프로세서(28)는 커브(32)를 기억하기 위한 고유의 다이어그램 저장부를 포함하며, 상기 커브에서 구동 모터(20)의 각각의 속도(n)는 인가 압력값(p)과 관련된다.
커브(32)는 1,013mbar의 대기압으로부터 10mbar의 상한 압력(p1)에까지 연장된 상부 범위(34)를 포함한다. 일정한 상부 속도값(n1)은 커브(32)의 상부 범위(34)와 관련된다. 상한 압력(p1)과 거의 0.01mbar인 하한 압력(p2) 사이에서, 커브(32)는 변화 범위(36)를 포함하며, 그 안에서 다양한 속도값(nv)이 인가 압력값(p)와 관련된다. 커브(32)의 변화 범위(36)에서 속도(nv)가 감소는 인가 압력값(p)의 감소와 연관된다. 변화 범위(36)에서 서로 다른 속도값(nv)은 각각의 인가 압력값(p)과 관련된다. 게다가 커브(32)는 하한 압력(p2)보다 작거나 동일한 인가 압력값(p)을 위한 하부 범위(38)를 포함한다. 커브(32)의 하부 범위(38)에서 일정한 속도값(n2)은 인가 압력값(p)과 관련된다.
피스톤 펌프로 구성된 펌프 장치(18)에서, 상부 속도값(n1)은 거의 1,800rpm이며, 하부 속도값(n2)은 500rpm이다. 오일-밀봉형 로터리 베인 펌프로 구성된 펌 프 장치(18)에서, 예를 들어 상부 속도값(n1)은 2,100rpm이며, 하부 속도값(n2)은 1,000rpm이다.
고진공 압력은 수용부(12)에 그리고 고진공 펌프(14)의 흡입측에 배열된 인가 압력 센서(26)로서 기능한다. 대안적으로, 인가 압력 센서(24)의 앞 진공 압력은 인가 압력값(p)을 결정하는데 사용될 수 있다.
커브(32)의 형태, 제한값(p1, p2) 및 상부 및 하부 속도값(n1, n2)은, 각각의 인가 압력값(p)을 위해 정변위 펌프(16)의 최대 효율 흡입 용량이 유지되는 구동 모터(20) 속도를 성립하는 테스트에 의해 결정된다. 후속적으로, 결정된 커브는 프로세서(28)의 고유의 다이어그램 저장부에 기억된다. 펌프 조립체(10)의 작동 동안, 구동 모터 제어부(22)는 고유의 다이어그램 저장부에 기록된 커브(32)로부터 고진공 인가 압력값(p)에 따라서 구동 모터(20)의 속도(n)를 결정한다. 결정된 속도값(n)은, 에이싱크로노스 또는 싱크로노스 모터로 구성된 구동 모터(20)의 시동 코일 내에 상응하는 회전 필드를 생성하는 주파수 컨버터(30)에 공급되며 결정된 속도로 모터를 작동시킨다. 이러한 방법으로 정변위 펌프(16)는 항상 최대 효율 흡입 용량으로 작동될 수 있다.
게다가, 구동 모터 제어부(22)의 프로세서는 인가 압력 센서(24)로부터 지시 형태로 신호를 평가하고 전환한다. 지시 형태로 전환된 인가 압력은 정변위 진공 펌프(16), 예를 들어 구동 모터 제어부(22)의 하우징에 배열된 지시 장치에 공급된다. 게다가, 지시 장치는 속도 지시를 위해 사용될 수 있다.

Claims (11)

  1. 정변위 펌프(16)의 구동 모터(20)를 제어하는 방법에 있어서,
    인가 압력값(p)을 위해 상기 구동 모터(20)의 각각의 속도(n)를 지시하는 커브(32)를 기억하는 단계로서, 상기 커브(32)는
    - 상한 압력(p1)과 같거나 보다 큰 인가 압력값(p)을 위한 상부 범위(34)로서 하나의 일정한 상부 속도값(n1)이 상기 상부 범위(34)에 관련된, 상부 범위(34) 및
    - 상기 상한 압력(p1)보다 작은 인가 압력값(p)을 위한 변화 범위(36)로서, 상기 변화 범위(36)에서 상이한 속도값(nv)이 인가 압력값(p)에 관련된, 변화 범위(36)를 포함하는, 커브 기억 단계;
    인가 압력값(p)을 결정하는 단계;
    상기 커브(32) 내에 인가 압력값(p)에 관련된 속도(n)를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 속도(n)에서 상기 구동 모터(20)를 작동하는 단계를 포함하는,
    정변위 펌프의 구동 모터를 제어하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 커브(32)는 하부 범위(38)를 포함하며, 상기 하부 범위에서 인가 압력 값(p)은 하한 압력(p2)과 같거나 보다 작으며, 하나의 일정한 하부 속도값(n2)이 상기 하부 범위(38)에 관련되며, 그리고 상기 변화 범위(36)는 상기 하한 압력(p2)보다 큰 인가 압력값(p)에 제한되는,
    정변위 펌프의 구동 모터를 제어하는 방법.
  3. 정변위 펌프(16)의 구동 모터(20)를 제어하는 방법에 있어서,
    인가 압력값(p)을 위해 상기 구동 모터(20)의 각각의 속도(n)를 지시하는 커브(32)를 기억하는 단계로서, 상기 커브(32)는
    - 하한 압력(p2)과 같거나 보다 작은 인가 압력값(p)을 위한 하부 범위(38)로서 하나의 일정한 하부 속도값(n2)이 상기 하부 범위(38)에 관련된, 하부 범위(38) 및
    - 상기 하한 압력(p2)보다 큰 인가 압력값(p)을 위한 변화 범위(36)로서, 상기 변화 범위(36)에서 상이한 속도값(nv)이 인가 압력값(p)에 관련된, 변화 범위(36)를 포함하는, 커브 기억 단계;
    인가 압력값(p)을 결정하는 단계;
    상기 커브(32) 내에 인가 압력값(p)에 관련된 속도(n)를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 속도(n)에서 상기 구동 모터(20)를 작동하는 단계를 포함하는,
    정변위 펌프의 구동 모터를 제어하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변화 범위(36)에서 속도(nv)감소는 인가 압력값(p) 감소와 관련된,
    정변위 펌프의 구동 모터를 제어하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상한값(p1)은 20mbar 내지 1mbar 사이의 범위이며,
    상기 하한값(p2)은 1.0mbar 내지 0.005mbar 사이의 범위인,
    정변위 펌프의 구동 모터를 제어하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 일정한 상부 속도값(n1)은 2,200 내지 1,000rpm 사이의 범위이며,
    상기 일정한 하부 속도값(n2)은 300 내지 1,300rpm 사이의 범위인,
    정변위 펌프의 구동 모터를 제어하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정변위 진공 펌프(16)는 고진공 펌프(high vacuum pump)(14)의 상류에 배열된 앞 진공 펌프(fore vacuum pump)이며, 인가 압력값(p)은 상기 고진공 펌프 (14)의 흡입-측 압력인,
    정변위 펌프의 구동 모터를 제어하는 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커브(32)는 고유의 다이어그램 저장부(characteristic diagram storage)에 기억되는,
    정변위 펌프의 구동 모터를 제어하는 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동 모터(20)는 에이싱크로노즈 모터(asynchronous motor)인,
    정변위 펌프의 구동 모터를 제어하는 방법.
  10. 구동 모터(20), 인가 압력 센서(24), 및 구동 모터 제어부(22)를 포함하는 정변위 진공 펌프(16)로서, 상기 구동 모터 제어부는 상기 인가 압력 센서(24)에 의해 결정된 인가 압력값(p)에 따라 상기 구동 모터(20)의 속도(n)를 제어하기 위한, 정변위 진공 펌프에 있어서,
    상기 구동 모터 제어부(22)는 상기 인가 압력 센서(24)의 인가 압력값(p)을 위한 상기 구동 모터(20)의 각각의 속도(n)를 지시하는 커브(32)를 기억하는 저장부를 포함하며,
    상기 커브(32)는,
    상한 압력(p1)과 같거나 보다 큰 인가 압력값(p)을 위한 상부 범위(34)로서 하나의 일정한 상부 속도값(n1)이 상기 상부 범위(34)에 관련된, 상부 범위(34) 및
    상기 상한 압력(p1)보다 작은 인가 압력값(p)을 위한 변화 범위(36)로서, 상기 변화 범위(36)에서 상이한 속도값(nv)이 인가 압력값(p)에 관련된, 변화 범위(36)를 포함하는,
    정변위 진공 펌프.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 구동 모터 제어부(22)는 프로세서(28)를 포함하며, 상기 프로세서는 상기 인가 압력 센서(24)에 연결되었으며, 상기 인가 압력 센서(24)의 신호를 평가하는,
    정변위 진공 펌프.
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