JP2005504928A - 真空ポンプに用いられる振動ピストン駆動装置ならびに振動ピストン駆動装置のための運転法 - Google Patents

Abstract

本発明は、真空ポンプ（１）に用いられる振動ピストン駆動装置であって、ピストン（２）が設けられており、該ピストン（２）が、２つのピストン区分（３，４）と、駆動磁石（１１）を装備した中央の領域とを有しており、ピストン区分（３，４）に対応したシリンダ区分（８，９）が設けられており、該シリンダ区分（８，９）の間に配置された、中央ヨーク（１９）の高さに位置する環状の切欠き（１２）が設けられており、該切欠き（１２）が、駆動磁石（１１）の運動室を形成しており、ピストン（２）を取り囲む電磁式の駆動装置が設けられており、該駆動装置が、ヨーク構成部分（１７，１８，１９）と、中央ヨーク（１９）の側方に位置するコイル（１５，１６）とを備えている形式のものに関する。ポンプ性能損害を低減するためには、ギャップ管（３４）が、切欠き（１２）を周囲で仕切っているかまたはコイルの通電を、その都度ただ一方のコイルにしか電流が流れないように制御することが提案される。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空ポンプに用いられる振動ピストン駆動装置であって、ピストンが設けられており、該ピストンが、２つのピストン区分と、駆動磁石を装備した中央の領域とを有しており、ピストン区分に対応したシリンダ区分が設けられており、該シリンダ区分の間に配置された、中央ヨークの高さに位置する環状の切欠きが設けられており、該切欠きが、駆動磁石の運動室を形成しており、ピストンを取り囲む電磁式の駆動装置が設けられており、該駆動装置が、ヨーク構成部分と、中央ヨークの側方に位置するコイルとを備えている形式のものに関する。さらに、本発明は、振動ピストン駆動装置のための運転法に関する。
【０００２】
一般的に、ここに該当する開発者および設計者の目標は、真空ポンプのポンプ性能またはポンプ作用（吸込み能、圧縮）を可能な限り不変の構成容積で、有利には、より小さな構成容積および／または低減されたエネルギ需要でさえ改善することである。この目標は、該当する形式のポンプのさらなる開発もしくは設計の途中で必要となる手段が、ポンプ性能の損害に結びつけられていてはならないことと同じ意味である。
【０００３】
本発明の課題は、真空ポンプに用いられる振動ピストン駆動装置を改良して、ポンプ性能損害が低減されているようにすることである。
【０００４】
本発明によれば、この課題は、特許請求の範囲の特徴部に記載の特徴によって解決される。
【０００５】
冒頭で述べた形式の振動ピストン駆動装置は、国際公開第００／６３５５６号パンフレットの図８に基づき公知である。この公知の振動ピストン駆動装置は一連の構成部分（コイル、磁極構成部分、シリンダ等）を有している。これらの構成部分は駆動磁石の運動室に隣接していて、ポンプ性能に影響を与える。また、運動室が前記構成部分と通電部との間のギャップを介して外側の環境に接続される危険がある。このようなギャップを介して、空気が運動室内に侵入し、ポンプの運転の間に運動室内に形成される負圧を高める。このギャップをシールするための手段（たとえば接着層またはシール手段層）は、電磁式の駆動装置の効率に損害を与え得る。なぜならば、この手段が、個々の構成部分相互の間隔を増加させるからである。
【０００６】
前述した課題の第１の解決手段では、ギャップ管が外側の切欠きを周囲で、つまり半径方向で仕切っていることが提案される。駆動磁石の運動室を周囲で仕切る管区分は、運動室に開口するギャップの数を減少させるので、運動室内の望ましくない圧力上昇の危険が十分に排除されている。管の肉厚は極めて小さく、たとえば１ｍｍ未満に寸法設定することができるので、電磁式の駆動装置の効率の損害は無視することができる。
【０００７】
ギャップ管のための有利な材料は、良好な滑り特性を有しているような材料、たとえばプラスチック、アルミニウム、特殊鋼またはこれに類するものか、強磁性でない材料かまたは単に弱く強磁性の材料である。択一的には、ギャップ管が、より強く強磁性の材料から成っていてよく、その肉厚は、少なくとも中央ヨーク以外の区分の領域において、駆動磁石が、中央ヨーク以外の領域に位置している場合に各区分を飽和にまで磁化するように選択することができる。ギャップ管のこの構成は、ギャップ管が駆動装置の一部になるという作用を有している。その都度飽和された区分は、所属のコイルの磁界に対して実際にもはや存在していない。このことは、このコイルに対するエアギャップ拡張のように作用し、まさにこのコイルのインダクタンスの減少を招く。コイルにおける電流は、駆動磁石がこのコイルの領域に位置している、すなわち、所属のギャップ管区分が飽和されている場合に増加させられる。これによって、より僅かなインダクタンスが電圧の印加時により迅速な電流増加を示す。いま、この電流の磁界によって、駆動磁石がこのコイルから、軸方向で見て反対の側に位置するコイルに向かって反発させられる。ギャップ管に対する駆動磁石の飽和作用は消滅する。しかし、いま、電流は所要の値を有しているので、インダクタンスの増加は妨害とならない。
【０００８】
この作用原理に対する前提条件は、駆動磁石の磁界がコイルの磁界よりも強いことである。そうでないと、コイル界がギャップ管内の駆動磁石の界を実際に「上書き」し（界が逆方向に向けられている）、飽和を即座に消滅させる恐れがある。しかし、この駆動装置における所要の力は、十分に強い、たとえば希土類磁石でのみ実現可能となる。この磁石の場合には、この前提条件が常に与えられている。
【０００９】
前述した構成は、コイルの通電を、その都度ただ一方のコイルにしか電流が流れないように制御すると有利であることを認識させる。これによって、駆動磁石がこのコイルの領域に位置する場合に電流が一方のコイルで正確に増加させられることを達成することができる。
【００１０】
半導体スイッチによる駆動装置の制御はさらなる損失の回避を可能にする。この改善を詳しく説明するためには、再び国際公開第００／６３５５６号パンフレットの図８に示したリニア駆動装置から出発させられる。このリニア駆動装置の場合、両コイルの一方の磁界は、所属のピストン区分が各コイルの領域に位置している場合にしかピストンに対する力を形成しない。通電された他方のコイルはこの時に有効ではない。これによって、両コイルの慣用の同時の通電時には、力形成のために必要となるよりも多くの損失がコイルに生ぜしめられる。さらに、両コイルの一緒の通電は、制御電子装置が、電流の両極性をオンもしくはオフに切り換えることができなければならないことを意味している。このことは、出力損失だけでなく、制御電子装置に対する手間も高める。
【００１１】
本発明による課題の第２の解決手段では、各コイルに一方の電流極性しか対応させない、すなわち、一方のコイルに正の電流極性を対応させ、他方のコイルに負の電流極性を対応させることが提案される。たとえば、５０Ｈｚ電源交流の両極性を両コイルに「分配」することができる。このことは、単純なサイリスタアクチュエータによって行うことができる。各半波の電流振幅は、たとえば穿孔機で知られているような単純な廉価な位相角制御によって調整することができる。
【００１２】
この位相角制御のための入力信号は、たとえば
−ポンプアプリケーション（圧力、電源電圧、段の数）に対して不変に設定することができるか、
−電源電圧に関連して発生させることができるか、
−ピストン位置を規定するためのセンサによって設定することができるかまたは
−弁運動を観察するためのセンサによって設定することができる。ピストンのストローク周波数は、あらゆる事例において、供給された交流の周波数から得られる。
【００１３】
この手段の利点は、一方では、コイルにおける損失が減じられていることにある。なぜならば、その都度ただ一方のコイルしか通電されないからである。制御電子装置の構成もより簡単である。なぜならば、両コイルの一緒の通電がもはや行われないからである。
【００１４】
本発明のさらなる利点および詳細を、図１〜図３に示した実施例につき詳しく説明する。
【００１５】
図面には、それぞれピストン２を備えたピストン型真空ポンプ１が示してある。ピストン２はピストン区分３，４を有している。このピストン区分３，４の自由端面には、それぞれ１つの円筒状の吸入室５；６が対応している。ピストン２と吸入室５，６とは、ピストン区分３，４に対するシリンダ区分８，９を備えたハウジング７内に位置している。シリンダ滑り面の材料と、所属のピストン表面の材料とは、ポンプを乾燥状態で、すなわち、潤滑媒体なしに運転することができるように自体公知の形式で選択されている。
【００１６】
ピストン２にはリニア駆動装置が対応している。このリニア駆動装置はピストン側に永久磁石リング１１を有している。この永久磁石リング１１はピストン２をその中央の領域で取り囲んでいる。永久磁石リング１１は、ピストン２を取り囲む環状室（切欠き１２）内で運動させられる。ステータ側では、ピストン側の永久磁石１１に別の永久磁石リング１３，１４が対応している。この永久磁石リング１３，１４はそれぞれ環状の切欠き１２の軸方向の仕切りを形成している。これらの永久磁石リングの高さでシリンダ区分８，９も終わっている。
【００１７】
さらに、リニア駆動装置のステータ側の構成部分はコイル１５，１６である。このコイル１５，１６はヨーク構成部分１７，１８によって部分的に取り囲まれ、このヨーク構成部分１７，１８と一緒にシリンダ区分８；９を取り囲んでいる。コイル１５およびヨーク構成部分１７とコイル１６およびヨーク構成部分１８との間には環状の中央ヨーク１９が位置している。この中央ヨーク１９の内面は環状室１２に向けられている。コイル１５，１６は、このコイル１５，１６によって形成された、ヨーク構成部分１７，１８，１９によって案内される磁界が、永久磁石リング１１，１３，１４の磁界と所望の形式で相互作用するように通電される。ピストン２はその中央位置を中心として振動するようになっており、これによって、ピストン端面がこの運動の間にそのポンプ機能を果たすことができる。
【００１８】
所望のポンプ作用を果たすためには、圧縮室５，６がそれぞれ入口弁と出口弁とを装備している（図１にしか示していない）。各入口弁には入口開口２１；２２が所属している。この入口開口２１；２２はそれぞれ外側の入口チャンバ２３；２４と各吸入室５；６との間に位置している。入口開口２１，２２は、半径方向に延びるスリット状の貫通部として各シリンダ壁８；９に形成されている。ピストン区分３，４は、その両死点位置の一方（それぞれシリンダ区分に引き込まれた位置）をとる場合に各入口開口を開放する。出口弁２６，２７はそれぞれ端面側に配置されている。この出口弁２６，２７の閉鎖エレメント２８，２９は、各ピストン区分３；４によって（圧力差が高い場合には、形成された圧力によっても）開放されるまで各圧縮室５；６を出口室３１，３２から分離している。閉鎖エレメント２８，２９は、シリンダ区分８，９の全横断面を越えて延びるフレキシブルなディスクとして形成されている。このディスクは中心でハウジング７に固定されていて、周辺では、つまり、固定されたディスク中心以外の部分では、形成された圧力またはピストン２の端面によって操作される。このためには、ピストン端面が凹面状に形成されている。シリンダ区分８，９を形成する構成部分の端面は弁座の機能を有している。
【００１９】
全部で２つの圧縮段が設けられている。両圧縮段は連続的にまたは平行して同時に運転することができる。これに関する詳細は図示していない。
【００２０】
全ての図面には、ギャップ管が符号３４で示してある。このギャップ管３４は環状室もしくは切欠き１２を取り囲んでいて、ステータ永久磁石リング１３，１４の領域にまで延びている。
【００２１】
図２に示したように、ギャップ管３４は、比較的小さな肉厚を備えた側方の２つの区分３５，３６と、より大きな肉厚を備えた中央の１つの区分３７とを有している。側方の区分３５，３６の肉厚は１ｍｍ未満、有利には０．７ｍｍに寸法設定されている。この肉厚において、駆動磁石１１が区分３５，３６の近くに位置している場合に駆動磁石１１による所望の飽和が生ぜしめられる。中央の領域における大きい方の肉厚は、ギャップ管が十分な機械的な強度を有していなければならない場合にしか必要とならない。
【００２２】
図３には、真空ポンプ１がそのリニア駆動装置で極めて概略的にしか示されていない。コイル１５，１６への本発明による給電に対する実施態様が付加的に図示してある。接続部４１を介して、交流、有利には５０Ｈｚの電源電流が２つのサイリスタアクチュエータ４２，４３に供給される。両サイリスタアクチュエータ４２，４３のうち、各サイリスタアクチュエータ４２；４３はコイル１５；１６に接続されている。アクチュエータ４２は交流の正の半波しか透過せず、アクチュエータ４３は交流の負の半波しか透過しない。これによって、コイルの通電がもはや同時に行われず、交互にそれぞれ両電流極性の一方でしか行われない。それぞれ給電部の領域にかつアクチュエータ４２，４３とコイル１５，１６との間に図示した電流・時間グラフ４４，４５，４６は、コイルへの本発明による給電を認識させる。
【００２３】
コイル１５，１６は、有利には、反発力を駆動磁石１１に加えるように各供給回路に接続されている。これによって、ピストンが、供給された交流の周波数でその中央位置を中心として振動する。
【００２４】
永久磁石１３，１４は、有利には、駆動磁石に反発作用を加えるように磁化されている。この解決手段は、ピストンをその中央位置に戻す機械的なばねを省略することができるという利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明による駆動装置を備えたピストン型真空ポンプの断面図である。
【図２】ギャップ管の高さにおける部分断面図である。
【図３】駆動コイルに給電するための手段を備えた本発明によるポンプの概略図である。
【符号の説明】
【００２６】
１ ピストン型真空ポンプ、 ２ ピストン、 ３，４ ピストン区分、 ５，６ 吸入室、 ７ ハウジング、 ８，９ シリンダ区分、 １１ 永久磁石リング、 １２ 切欠き、 １３，１４ 永久磁石リング、 １５，１６ コイル、 １７，１８ ヨーク構成部分、 １９ 中央ヨーク、 ２１，２２ 入口開口、 ２３，２４ 入口チャンバ、 ２６，２７ 出口弁、 ２８，２９ 閉鎖エレメント、 ３１，３２ 出口室、 ３４ ギャップ管、 ３５，３６ 区分、 ３７ 区分、 ４１ 接続部、 ４２，４３ サイリスタアクチュエータ、 ４４，４５，４６ 電流・時間グラフ

Claims (15)

1. 真空ポンプ（１）に用いられる振動ピストン駆動装置であって、
   −ピストン（２）が設けられており、該ピストン（２）が、２つのピストン区分（３，４）と、駆動磁石（１１）を装備した中央の領域とを有しており、
   −ピストン区分（３，４）に対応したシリンダ区分（８，９）が設けられており、
   −該シリンダ区分（８，９）の間に配置された、中央ヨーク（１９）の高さに位置する環状の切欠き（１２）が設けられており、該切欠き（１２）が、駆動磁石（１１）の運動室を形成しており、
   −ピストン（２）を取り囲む電磁式の駆動装置が設けられており、該駆動装置が、ヨーク構成部分（１７，１８，１９）と、中央ヨーク（１９）の側方に位置するコイル（１５，１６）とを備えている
   形式のものにおいて、
   ギャップ管（３４）が、切欠き（１２）を周囲で仕切っていることを特徴とする、真空ポンプに用いられる振動ピストン駆動装置。
2. ギャップ管（３４）が、良好な滑り特性を備えた材料、たとえばプラスチック、アルミニウム、特殊鋼またはこれに類するものから成っている、請求項１記載の振動ピストン駆動装置。
3. ギャップ管（３４）が、強磁性の材料から成っている、請求項１記載の振動ピストン駆動装置。
4. ステータ永久磁石（１３，１４）が、切欠き（１２）を軸方向でかつ中央ヨーク領域以外で仕切っており、ギャップ管（３４）が、ステータ永久磁石（１３，１４）の領域にまで延びている、請求項３記載の振動ピストン駆動装置。
5. ステータ永久磁石（１３，１４）が、駆動磁石（１１）に反発力を加えるように磁化されている、請求項４記載の振動ピストン駆動装置。
6. ギャップ管（３４）の肉厚が、少なくとも中央ヨーク領域以外において、駆動磁石（１１）が、中央ヨーク（１９）以外の領域に位置している場合に各ギャップ管区分（３５，３６）を飽和にまで磁化するように選択されている、請求項３から５までのいずれか１項記載の振動ピストン駆動装置。
7. ギャップ管（３４）が、中央ヨーク（１９）の領域において、より大きな肉厚を有している、請求項６記載の振動ピストン駆動装置。
8. 駆動磁石が希土類磁石である、請求項１から７までのいずれか１項記載の振動ピストン駆動装置。
9. 請求項１記載の特徴を備えた振動ピストン駆動装置を運転するための方法において、コイル（１５，１６）の通電を、その都度ただ一方のコイル（１５，１６）にしか電流が流れないように制御することを特徴とする、振動ピストン駆動装置を運転するための方法。
10. −２つのピストン区分（３，４）と、駆動磁石（１１）を装備した中央の領域とを有するピストン（２）と、
    −ピストン区分（３，４）に対応したシリンダ区分（８，９）と、
    −該シリンダ区分（８，９）の間に配置された、中央ヨーク（１９）の高さに位置する、駆動磁石（１１）の運動室を形成する環状の切欠き（１２）と、
    −ピストン（２）を取り囲む、ヨーク構成部分（１７，１８，１９）と、中央ヨーク（１９）の側方に位置するコイル（１５，１６）とを備えた電磁式の駆動装置と
    を備えた真空ポンプに用いられる振動ピストン駆動装置を運転するための方法において、
    両コイル（１５，１６）への交流の供給を行い、各コイルに一方の電流極性しか供給しないことを特徴とする、真空ポンプに用いられる振動ピストン駆動装置を運転するための方法。
11. コイル（１５，１６）を、該コイル（１５，１６）が反発力を駆動磁石に加えるように通電する、請求項１０記載の方法。
12. 所望の電流振幅の調整のために、サイリスタアクチュエータ（４２，４３）を使用する、請求項１０または１１記載の方法。
13. 電流振幅を位相角制御によって調整する、請求項１２記載の方法。
14. 位相角制御のための入力信号を、
    −ポンプアプリケーション（圧力、電源電圧、段の数）に対して不変に設定するか、
    −電源電圧に関連して発生させるか、
    −ピストン位置を規定するためのセンサによって設定するかまたは
    −弁運動を観察するためのセンサによって設定する、
    請求項１３記載の方法。
15. 請求項１３または１４記載の方法により運転される振動ピストン駆動装置において、所望の電流振幅の調整のために、サイリスタアクチュエータ（４２，４３）が設けられていることを特徴とする、振動ピストン駆動装置。