JP2010213510A

JP2010213510A - ドライ真空ポンプ用電源装置、及びその運転方法

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Publication number: JP2010213510A
Application number: JP2009058555A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Oyama; 敦大山
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2009-03-11
Filing date: 2009-03-11
Publication date: 2010-09-24
Anticipated expiration: 2029-03-11
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Abstract

【課題】電源装置の容量を大きくすることなく、ポンプ内に異物が混入し噛み込み等が発生し、一時的に高トルク運転が必要となった場合でも、簡単な構成で一時的に大きな電動機軸出力を出力させ、噛み込みを解消できるドライ真空ポンプ用電源装置を提供すること。
【解決手段】整流器、平滑コンデンサを備えた直流回路、インバータ回路を備え、交流電源からの交流電力を整流器で直流電力に変換し、直流回路を介しインバータ回路に供給し、インバータ回路で所定周波数の交流電力に変換し、ドライ真空ポンプの駆動電動機に供給するように構成したドライ真空ポンプ用電源装置であって、補助電力回路と、駆動電動機が定格軸出力より大きい軸出力を必要とする場合、補助電力回路から所定のタイミングで直流回路に補助電力を供給し直流回路の電圧又は電流を増大させ、大きい軸出力が不必要となった場合、所定のタイミングで補助電力の供給を停止する切替手段とを設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、ドライ（空冷式）真空ホンプの駆動用電動機に駆動電力を供給するドライ真空ポンプ用電源装置に関し、特に電源装置の容量を大きくすることなく、ポンプ内に異物が混入し噛み込み等が発生し、一時的に高トルク運転が必要となった場合でも、簡単な構成で一時的に電動機の高軸出力を実現できるドライ真空ポンプ用電源装置、及びその運転方法に関するものである。

近年、大気圧から動作が可能で、クリーンな真空環境が容易に得られるドライ真空ポンプが、半導体製造設備等の幅広い分野で使用されている。このようなドライ真空ポンプを駆動する駆動電動機に駆動電力を供給する電源装置にはインバータを使用する場合が多い。これには幾つか理由があり、その１つは電動機の回転周波数をインバータにて、商用周波数よりも大きくすることで、電動機回転数を増速して真空ポンプの排気性能を向上させ、より小型の電動機を使った真空ポンプで所定の真空を得るためである。また、真空ポンプの運転が所望の真空度に到達し、負荷が非常に小さい軽負荷運転であった場合、高効率で電動機を運転できるように、出力端子電圧の制御を行ったり、回転数の制御を行ったりすることが容易なためである。

また、近年ドライ真空ポンプの駆動用電動機として、直流ブラシレスモータを使用したドライ真空ポンプユニットがある。図９は該ドライ真空ポンプの電源装置のシステム構成を示すブロック図である。本ドライ真空ポンプ用電源装置１０は、整流器１１、直流回路１２、インバータ回路１３を備えたインバータ電源装置である。交流電源１４からの交流電力を整流器１１で全波整流し、整流用コンデンサ（平滑コンデンサ）１８を備えた直流回路で平滑して直流電力に変換し、インバータ回路１３に供給する。インバータ回路１３ではＦＥＴ等のゲートデバイスを備え、ＰＷＭ制御回路部２３のＰＷＭ制御により、直流回路１２からの直流電圧を擬似正弦波電圧の三相交流に変換し、直流ブラシレスモータ１５に供給するように構成されている。

特開２００３−３３３８９１号公報特開平９−１８０８９５号公報

上記インバータ回路１３を備えたドライ真空ポンプ用電源装置において、真空ポンプ内に異物が混入し、該異物がポンプロータ間或いはポンプロータとポンプケーシングの間に侵入し、噛み込みが発生した場合、一時的に高トルク運転が必要となる。しかしながら、このような電源装置では、整流器１１が出力可能な電力範囲内でのトルクしか発生することができず、噛み込み発生後に再起動できないなどの運転制限が発生していた。

この噛み込み固着の対策のため、通常のドライ真空ポンプで使用するには過大な電動機軸出力を出力できる大容量電源装置をドライ真空ポンプユニットに搭載することで、噛み込みが発生しても復旧するシステム構成としていた。例えば、通常のドライ真空ポンプ運転範囲では、電動機軸出力２．２ｋＷで必要な電源装置に対して、電動機軸出力５．５ｋＷの電源装置を搭載していた。しかし通常のドライ真空ポンプの運転範囲に対して過剰な出力能力を持つ電源装置を搭載することは、ドライ真空ポンプユニット全体が大型となり、コスト的にも不都合であった。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、電源装置の容量を大きくすることなく、ポンプ内に異物が混入し噛み込み等が発生し、一時的に高トルク運転が必要となった場合でも、簡単な構成で一時的に大きな電動機軸出力を出力させ、噛み込みを解消できるドライ真空ポンプ用電源装置、及びその運転方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、整流器、平滑コンデンサを備えた直流回路、インバータ回路を備え、交流電源からの交流電力を前記整流器で直流電力に変換し、直流回路を介してインバータ回路に供給し、該インバータ回路で所定周波数の交流電力に変換し、ドライ真空ポンプの駆動電動機に供給するように構成されたドライ真空ポンプ用電源装置であって、補助電力回路と、駆動電動機が定格軸出力より大きい軸出力を必要とする場合、補助電力回路から所定のタイミングで直流回路に補助電力を供給し、該直流回路の電圧又は電流を増大させ、大きい軸出力が不必要となった場合、所定のタイミングで補助電力の供給を停止する切替手段と、を設けたことを特徴とする。

また、本発明は上記ドライ真空ポンプ用電源装置において、補助電力回路は、補助電力用蓄電器であり、切替手段は、駆動電動機が定格軸出力より大きい軸出力を必要とする場合、充電した補助電力用蓄電器を所定のタイミングで直流回路に並列に接続し、大きい軸出力が不必要となった場合、補助電力用蓄電器を所定のタイミングで直流回路から切り離すことを特徴とする。

また、本発明は、上記ドライ真空ポンプ用電源装置において、補助電力回路は、補助電力用蓄電器であり、切替手段は、駆動電動機が定格軸出力より大きい軸出力を必要とする場合、充電した補助電力用蓄電器を平滑コンデンサに直列に接続し、該補助電力用蓄電器と平滑コンデンサの直列回路を直流回路に並列に接続し、大きい軸出力が不必要となった場合、所定のタイミングで直列回路を直流回路から切り離し、且つ平滑コンデンサを直流回路に並列に接続することを特徴とする。

また、本発明は、整流器、平滑コンデンサを備えた直流回路、インバータ回路を備え、交流電源からの交流電力を整流器で直流電力に変換し、直流回路を介してインバータ回路に供給し、該インバータ回路で所定周波数の交流電力に変換し、ドライ真空ポンプの駆動電動機に供給するように構成されたドライ真空ポンプ用電源装置であって、補助電力用蓄電器と、駆動電動機が定格軸出力より大きい軸出力を必要とする場合、所定のタイミングで直流回路に充電した補助電力用蓄電器と平滑コンデンサをそれぞれ並列接続するか又は、充電した補助電力用蓄電器と平滑コンデンサを直列に接続した直列回路を所定のタイミングで直流回路に並列接続し、大きい軸出力が不必要となった場合、所定のタイミングで補助電力用蓄電器を直流回路から切り離すか又は直列回路を直流回路から切り離し、且つ平滑コンデンサを直流回路に並列に接続する切替手段と、を設けたことを特徴とする。

また、本発明は、整流器、平滑コンデンサを備えた直流回路、インバータ回路を備え、交流電源からの交流電力を整流器で直流電力に変換し、直流回路を介してインバータ回路に供給し、該インバータ回路で所定周波数の交流電力に変換し、ドライ真空ポンプの駆動電動機に供給するように構成されたドライ真空ポンプ用電源装置の運転方法であって、駆動電動機が定格軸出力より大きい軸出力を必要とする場合、直流回路に補助電力を供給し直流回路の電流又は電圧を増大させ、大きい軸出力が不必要となった場合、直流回路への補助電力の供給を停止することを特徴とする。

本発明によれば、補助電力回路と、駆動電動機が定格軸出力より大きい軸出力を必要とする場合、補助電力回路から所定のタイミングで直流回路に補助電力を供給し、該直流回路の電圧又は電流を増大させ、大きい軸出力が不必要となった場合、所定のタイミングで補助電力の供給を停止する切替手段とを設けることにより、ドライ真空ポンプに噛み込み等が発生し、該噛み込み等を解消するためにドライ真空ポンプを駆動する駆動電動機に定格出力以上の軸出力を必要とする場合に、一時的に直流回路の電圧又は電流を増大させ、軸出力を増大させることができるから、電源装置の全体容量を大きくすることなく、噛み込み等の一時的負荷の増大時に駆動電動機の軸出力を増大させて該一時的負荷の増大を解消できる。

また、本発明によれば、補助電力用蓄電器と、切替手段を備え、駆動電動機が定格軸出力より大きい軸出力を必要とする場合、充電した補助電力用蓄電器を直流回路に所定のタイミングで並列に接続し、大きい軸出力が不必要となった場合、補助電力用蓄電器を所定のタイミングで直流回路から切り離すだけで、上記と同様、電源装置の全体容量を大きくすることなく、噛み込み等の一時的負荷の増大時に駆動電動機の軸出力を増大させて該一時的負荷の増大を解消できる。

また、本発明によれば、補助電力用蓄電器と、切替手段を備え、駆動電動機が定格軸出力より大きい軸出力を必要とする場合、充電した補助電力用蓄電器を平滑コンデンサに直列に接続し、該補助電力用蓄電器と平滑コンデンサの直列回路を直流回路に並列に接続し、大きい軸出力が不必要となった場合、所定のタイミングで直列回路を直流回路から切り離し、且つ平滑コンデンサを直流回路に並列に接続するだけで、上記と同様、電源装置の全体容量を大きくすることなく、噛み込み等の一時的負荷の増大時に駆動電動機の軸出力を増大させて該一時的負荷の増大を解消できる。

また、本発明によれば、補助電力用蓄電器と切替手段とを備え、駆動電動機が定格軸出力より大きい軸出力を必要とする場合、所定のタイミングで直流回路に充電した補助電力用蓄電器と平滑コンデンサをそれぞれ並列接続するか又は、充電した補助電力用蓄電器と平滑コンデンサを直列に接続した直列回路を所定のタイミングで直流回路に並列接続し、大きい軸出力が不必要となった場合、所定のタイミングで補助電力用蓄電器を直流回路から切り離すか又は直列回路を直流回路から切り離し、且つ平滑コンデンサを直流回路に並列に接続するだけで、電源装置の全体容量を大きくすることなく、噛み込み等の一時的負荷の増大時に駆動電動機の軸出力を増大させて該一時的負荷の増大を解消できる。

また、本発明によれば、駆動電動機が定格軸出力より大きい軸出力を必要とする場合、直流回路に補助電力を供給し直流回路の電流又は電圧を増大させ、大きい軸出力が不必要となった場合、直流回路への補助電力の供給を停止するだけで、電源装置の全体容量を大きくすることなく、噛み込み等の一時的負荷の増大時に駆動電動機の軸出力を増大させて該一時的負荷の増大を解消できる。

本発明に係るドライ真空ポンプ用電源装置のシステム構成を示すブロック図である。本発明に係るドライ真空ポンプ用電源装置の他のシステム構成を示すブロック図である。本発明に係るドライ真空ポンプ用電源装置の他のシステム構成を示すブロック図である。図３のドライ真空ポンプ用電源装置の動作例を示す図である。図３のドライ真空ポンプ用電源装置の動作例を示す図である。図５の直流回路の各部の電圧波形を示す図である。図３のドライ真空ポンプ用電源装置の動作例を示す図である。図７の直流回路の各部の電圧波形を示す図である。駆動電動機に直流ブラシレスモータを用いたドライ真空ポンプの電源装置のシステム構成を示すブロック図である。図９における電源装置の直流回路の各部の電圧波形を示す図である。ドライ真空ポンプユニットの一構成例を示す図である。直流ブラシレスモータの構成例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。ドライ真空ポンプの駆動電動機に電力を供給するインバータ電源装置は、商用電源から入力される正弦波電圧を整流用ダイオード等の整流素子を用いて整流器で全波整流している。更に正弦波脈動を整流するため、電解コンデンサ等からなる平滑コンデンサにより整流して直流電圧を得ている。この平滑コンデンサの静電容量は、インバータ電源装置の定格出力電力に見合ったものを選択している。具体的には最大出力電圧を発生させる場合であっても、電圧リップルが−１０％となるように設定している。これは、電圧リップルが大きくなると、電圧変動、即ち平滑コンデンサへの充放電量が大きくなり、平滑コンデンサ本体の温度上昇を招き、コンデンサの寿命が短命になること、及びコンデンサ容量及び寸法大きさのバランスから決定されている。

ドライ真空ポンプ用のインバータ電源装置に商用周波数を任意の周波数に交流変換して出力するが、一般的には商用周波数電力を整流器で直流に変換し、この直流電圧をＦＥＴ等のゲートデバイスを備えたインバータ回路を使ってＰＷＭ変換方式によって擬似正弦波電圧出力を生成している。このためＰＷＭ変換方式で得られる出力電圧の最大値は、直流回路の最大電圧値と同等にしかならない。

また、インバータ電源装置に接続する負荷が、通常使用を想定した運転範囲では、上記電圧リップルの変動などは問題にならないが、ドライ真空ポンプを駆動するインバータ電源装置では、ドライ真空ポンプ内に堆積した生成物等の噛み込みが発生する。この噛み込みを解消するためには、通常の運転範囲と比べて非常に大きい電動機軸出力を必要とする。一般的なインバータ電源装置では、このような過剰な負荷条件で運転すると、直流回路の電圧リップルが非常に大きくなり、平滑コンデンサによる平滑が全く効果を無くしてしまう場合がある。即ち、インバータ電源装置の出力負荷が非常に大きくなってしまうため平滑コンデンサによる平滑が効かなくなり、入力電源からみたインピーダンスが低下してしまう。

このため最悪の場合、入力電源から供給される電流が急激に増加し、インバータ電源装置の電源入力側に設置されたブレーカが遮断する可能性がある。本実施形態では、インバータ電源装置を用いたドライ真空ポンプ用電源装置において、ドライ真空ポンプに噛み込みが発生した場合でも、下記に示す方法で一時的にインバータ回路から高出力電力を出力できるようにしている。

図１は本発明に係るドライ真空ポンプ用電源装置のシステム構成を示すブロック図である。ここでは、ドライ真空ポンプを駆動する電動機に直流ブラシレスモータが使用されている。図示するように、本ドライ真空ポンプ用電源装置１０は、整流器１１、直流回路１２、インバータ回路１３を備えている。交流電源１４からの交流電力を整流器１１で全波整流して直流に変換し、整流用コンデンサ（平滑コンデンサ）１８を備えた直流回路１２で平滑し、インバータ回路１３に供給している。インバータ回路１３では所定周波数の交流電力に変換し、ドライ真空ポンプ（図示せず）を駆動する直流ブラシレスモータ１５に供給する。

直流回路１２には整流用コンデンサ（平滑コンデンサ）１８の他に、陽極ラインには突入電流保護素子２０が直列に接続されている。また、直流回路１２には開閉素子２１、２１を介して補助電力回路２２（後に詳述）が接続されている。インバータ回路１３はＵ相の開閉素子１３ａ、１３ｂ、Ｖ相の開閉素子１３ｃ、１３ｄ、Ｗ相の開閉素子１３ｅ、１３ｆを備えている。開閉素子１３ａ〜１３ｆはＦＥＴ等のゲートデバイスで構成され、それぞれＰＷＭ制御回路部２３によるＰＷＭ制御で所定のタイミングでＯＮ・ＯＦＦ制御されるようになっている。

上記のようにインバータ回路１３の開閉素子１３ａ〜１３ｆをＰＷＭ制御回路部２３によるＰＷＭ制御の所定タイミングでＯＮ・ＯＦＦ制御することにより、直流回路１２からの直流電圧は所定周波数の擬似正弦波の三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の交流電力に変換される。そして直流ブラシレスモータ１５の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のステータコイル１５ａ〜１５ｆに供給される。これにより、直流ブラシレスモータ１５は所定の回転速度で回転する。

また、突入電流保護素子２０は、抵抗器２０ｂと開閉素子２０ａが並列に接続された構成である。上記構成のドライ真空ポンプ用電源装置において、電源１４を投入する際に、過大な突入電流が流れるので、突入電流保護素子２０の開閉素子２０ａを開くことにより、整流器１１からの電流は抵抗器２０ｂを通して流れることになり、過大な突入電流を抑制する。

直流ブラシレスモータ１５は、定格回転数に対して定格電圧を決定する直流電動機の一種である。そのためこの直流ブラシレスモータ１５に電力を供給するドライ真空ポンプ用電源装置１０を構成する整流器１１等の機器には、直流ブラシレスモータ１５が定格出力を出力できる範囲の容量を有するものを選定する。半導体製造設備等でプロセスチャンバー内を排気するのに使用するドライ真空ポンプでは、プロセスガスを排気すると、ポンプ内に生成物が堆積する。この堆積した生成物は、ドライ真空ポンプの回転ロータと回転ロータの間、或いは回転ロータとポンプケーシングの間に侵入し、回転ロータの円滑な回転を阻害する、所謂噛み込みを誘発する。

ポンプ内に上記噛み込み状態が発生すると、直流ブラシレスモータ１５は、この噛み込みを解消するため、定格以上の軸出力を出力しようとする。上記のようにドライ真空ポンプ用電源装置１０を構成する整流器１１等は直流ブラシレスモータ１５の定格出力に見合った出力容量のものを使用しているため、直流ブラシレスモータ１５には定格出力以上の軸出力を出力する電力を供給できない。しかし、上記噛み込みを解消するためには、インバータ回路１３から直流ブラシレスモータ１５に大きな交流電力を供給する必要がある。

そこでここでは、直流回路１２に開閉素子２１、２１を介して補助電力回路２２を接続できるようにしている。真空ポンプに噛み込みが発生した場合、開閉素子２１、２１を閉じ、真空ポンプの噛み込みの解消に必要な分の直流電力を補助電力回路２２から直流回路１２に供給する。これによりドライ真空ポンプ用電源装置１０の整流器１１等のインバータ回路１３より交流電源１４側を構成する機器や部品の容量を大きくすることなく、直流ブラシレスモータ１５に上記噛み込みを解消する高軸出力を出力するための一時的電力を供給できる。この補助電力回路２２としては、ドライ真空ポンプに噛み込みが発生する等一時的負荷増大時に、この増大した負荷分の電力を直流回路１２に供給できる容量を有していればよく、例えば各種蓄電器（コンデンサ）或いは蓄電池等が利用できる。

図２は図１の補助電力回路２２を具体化したドライ真空ポンプ用電源装置の構成例を示す図である。図２において、図１と同一符号を付している部分は同一又は相当部分を示す。また、なお、他の図面においても同様とする。図示するように、本ドライ真空ポンプ用電源装置１０は、整流器１１とインバータ回路１３の間に位置する直流回路１２に開閉素子２４を介して整流用コンデンサ（平滑コンデンサ）１８を並列に接続すると共に、開閉素子２５を介して補助電力用コンデンサ２６を並列に接続している。開閉素子２４及び開閉素子２５は電流ブースト回路２７で開閉（ＯＮ・ＯＦＦ）されるようになっている。

電流ブースト回路２７はドライ真空ポンプの通常運転時は、開閉素子２４を閉（ＯＮ）、開閉素子２５を開（ＯＦＦ）としている。これにより直流回路１２には、図９に示す電源装置と同様に、整流用コンデンサ（平滑コンデンサ）１８のみが並列に接続されている。整流用コンデンサ（平滑コンデンサ）１８には通常電解コンデンサが使用されている。この整流用コンデンサ（平滑コンデンサ）１８の静電容量は、整流器１１の容量に見合った値を選定する。具体的には最大出力電力を出力する場合であっても、直流回路１２の電圧リップルＶｒが図１０（ａ）に示すように、−１０％となるように設定している。これは同図１０（ｂ）に示すように電圧リップルが大きくなると、直流回路１２の電圧変動、即ち整流用コンデンサ１８への充放電量が大きくなり、整流用コンデンサ１８の温度上昇を招き、コンデンサの寿命が短命になることと、整流用コンデンサ１８の容量及び寸法大きさのバランスから決定されている。

上記のように直流回路１２のみが並列に接続された状態で、直流ブラシレスモータ１５で駆動される真空ポンプに異物の噛み込みが発生した場合、この噛み込みを解消するためには、直流ブラシレスモータ１５の軸出力を定格以上にしようとする。しかし上記のように整流用コンデンサ１８の容量が電圧リップルが−１０％程度になるように設定されているため、整流用コンデンサ１８で充電されている電力では噛み込みの解消に必要な電力を賄いきれない。従って、図９に示す電源装置で噛み込みを解消するには、電源装置全体の容量を大きくする必要がある。しかしそれでは、ドライ真空ポンプユニットが大型となり、コスト的にも不都合であった。そこでここでは、真空ポンプに噛み込みが発生した場合、電流ブースト回路２７により、開閉素子２５を閉じて予め直流電力を充電（蓄電）している補助電力用コンデンサ２６を直流回路１２に並列に接続している。

これにより直流回路１２の電力容量を補助電力用コンデンサ２６に充電させて直流電力で一時的に増強して、直流ブラシレスモータ１５の軸出力を増大させポンプの噛み込みを解消するようにしている。補助電力用コンデンサ２６には直流回路１２の定格容量電力に該補助電力用コンデンサ２６に蓄電された直流電力を加えることにより、ドライ真空ポンプの駆動電動機である直流ブラシレスモータ１５に噛み込みを解消できる軸出力を与えることができる容量のものを選定する。インバータ回路１３ではこの一時的に増強された直流電力を所定周波数の交流に変換し、直流ブラシレスモータ１５に供給する。これにより軸出力が増強され、噛み込みが解消できる。なお、噛み込みの発生及び解消等の一時的負荷の増大及び解消は、直流ブラシレスモータ１５に供給される電流又は軸トルク等を監視することにより検出できる。

電流ブースト回路２７は、噛み込み状態が解消し、出力負荷が低下した後、更に補助電力用コンデンサ２６への充電が完了した時点で、開閉素子２５を開いて補助電力用コンデンサ２６を整流器から切り離す。これにより、補助電力用コンデンサ２６自身の経年変化を防止することができる。また、補助電力用コンデンサ２６に整流用コンデンサ（平滑コンデンサ）１８と容量が等しいものを用い、電流ブースト回路２７により、開閉素子２４、２５を定期的に開閉制御し、補助電力用コンデンサ２６と整流用コンデンサ１８を交互に直流回路１２に接続することにより、インバータ電源装置であるドライ真空ポンプ用電源装置１０の寿命を向上させることが可能となる。この補助電力用コンデンサ２６としては、電解コンデンサや電気二重層キャパシタ等の各種蓄電器が利用できる。

上記のように真空ポンプに噛み込みが発生した場合、インバータ回路１３が出力するＰＷＭ出力電圧波形が制御可能な範囲で最大デューティ（１００％ＯＮ）出力時にも、直流回路１２の電圧降下による直流ブラシレスモータ１５の端子電圧の低下が発生しないように、補助電力用コンデンサ２６によって直流回路１２の電力容量を増強することで、直流ブラシレスモータ１５が一時的に過大回転トルクを必要とする場合にも、それに対応できる充分な電力の出力が可能となる。

また、図２に示すドライ真空ポンプ用電源装置１０では、交流電源１４の投入時に発生する突入電流を抑制する抵抗器２０ｂと開閉素子２０ａからなる突入電流保護素子２０等が設けてあれば、補助電力用コンデンサ２６を連続的に直流回路１２に接続しておいてもよい。

図３は図１の補助電力回路２２を具体化したドライ真空ポンプ用電源装置の他の構成例を示す図である。図示するように図３においては、ドライ真空ポンプ用電源装置１０の直流回路１２に逆流防止用ダイオード１９と切替器２９、切替器３０、切替器３１、切替器３２を設けている。切替器２９のａ接点、ｃ接点及び切替器３１のａ接点が直流回路１２の陽極Ｐラインに接続されている。切替器２９のｂ接点と切替器３０のａ接点が接続される。切替器２９のｄ接点と切替器３１のｂ接点が接続され、その接続線と切替器３０のｃ接点と切替器３２のａ接点が接続された接続線の間に補助電力用コンデンサ２６が接続されている。切替器３０のｂ接点とｄ接点が接続され、その接続線と陰極Ｎラインの間に整流用コンデンサ（平滑コンデンサ）１８が接続されている。また、切替器３２のｂ接点が陰極Ｎラインに接続されている。また、切替器２９、切替器３０、切替器３１及び切替器３２はそれぞれ電圧／電流ブースト回路２８で切替制御されるようになっている。

図４は図３の直流回路１２の切替器２９、切替器３０、切替器３１及び切替器３２の動作例を示す図である。噛み込み等の一時的負荷の増大等がない通常のドライ真空ポンプの運転では、電圧／電流ブースト回路２８は、図４（ａ）に示すように切替器２９及び切替器３０のａ接点とｂ接点を閉じ、ｃ接点とｄ接点を開き、切替器３１のａ接点とｂ接点を開き、切替器３２のａ接点とｂ接点を開いている。これにより、図４（ｂ）に示すように直流回路１２に整流用コンデンサ（平滑コンデンサ）１８のみが並列に接続される。この場合の電源装置の動作は、図９に示すドライ真空ポンプ用電源装置１０の動作と同じになるのでその説明は省略する。

図５は図３の直流回路１２の切替器２９、切替器３０、切替器３１及び切替器３２の動作例を示す図である。ドライ真空ポンプに噛み込みが発生し、直流ブラシレスモータ１５の軸出力が増大した場合、電圧／電流ブースト回路２８は図５（ａ）に示すように切替器２９及び切替器３０のａ接点とｂ接点を開き、ｃ接点とｄ接点を閉じ、切替器３１のａ接点とｂ接点を開き、切替器３２のａ接点とｂ接点を開いている。これにより、図５（ｂ）に示すように直流回路１２に整流用コンデンサ（平滑コンデンサ）１８と補助電力用コンデンサ２６の直流回路が並列に接続される。つまり、整流用コンデンサ（平滑コンデンサ）１８に充電されている直流回路１２の電圧Ｖ₁₂に補助電力用コンデンサ２６に充電された電圧Ｅが加算された電圧（Ｖ₁₂＋Ｅ）が一時的に直流回路１２に印加される。

これにより、図６に示すように一時的に直流回路１２の陽極Ｐ端子１６と陰極Ｎ端子１７との間の電圧は本来の直流回路電圧Ｖ₁₂に補助電力用コンデンサ２６の充電電圧Ｅが加算された電圧（Ｖ₁₂＋Ｅ）が印加されることになる。インバータ回路１３はこの直流電圧を所定周波数の交流に変換し、直流ブラシレスモータ１５に供給するから、Ｖ₁₂＝Ｅとすれば、直流ブラシレスモータ１５には一時的に直流回路１２の通常の電圧Ｖ₁₂の２倍の直流電圧を交流に変換した交流電圧が供給されることになる。これにより直流ブラシレスモータ１５の軸出力が一時的に増大し、ドライ真空ポンプの噛み込みを解消できる。

上記のように真空ポンプに噛み込みが発生した場合、電圧／電流ブースト回路２８により、切替器２９、切替器３０、切替器３１及び切替器３２を切り替え、直流回路に本来の直流回路電圧Ｖ₁₂に補助電力用コンデンサ２６の充電電圧Ｅが加算された電圧（Ｖ₁₂＋Ｅ）を印加することにより、インバータ回路１３の出力電圧を一時的に上昇させる。これにより直流ブラシレスモータ１５のインピーダンスと該直流ブラシレスモータ１５の端子電圧で決定されるモータ電流を一時的に上昇させることができる。その結果、直流ブラシレスモータ１５の出力可能な軸出力を一時的に上昇させることができる。なお、直流回路１２の電圧がＶ₁₂＋Ｅと増大しても、逆流防止用ダイオード１９により、直流回路１２から整流器１１側への逆流は阻止される。

図７は図３の直流回路１２の切替器２９、切替器３０、切替器３１及び切替器３２の動作例を示す図である。ドライ真空ポンプに噛み込みが発生し、直流ブラシレスモータ１５の軸出力が増大した場合、電圧／電流ブースト回路２８は図７（ａ）に示すように切替器２９及び切替器３０のａ接点とｂ接点を閉じ、ｃ接点とｄ接点を開き、切替器３１のａ接点とｂ接点を閉じ、切替器３２のａ接点とｂ接点を閉じる。これにより、図７（ｂ）に示すように直流回路１２に整流用コンデンサ（平滑コンデンサ）１８と補助電力用コンデンサ２６とがそれぞれ並列に接続される。

このようにドライ真空ポンプに噛み込みが発生した場合、整流用コンデンサ１８と補助電力用コンデンサ２６を並列に接続することにより、図８に示す、インバータ回路１３が出力するＰＷＭ出力電圧波形が制御可能な範囲で最大デューティ（１００％ＯＮ）出力時にも、直流回路１２の電圧Ｖ₁₂が降下することがない。これにより直流ブラシレスモータ１５の端子電圧の低下が発生しないように、補助電力用コンデンサ２６によって直流回路１２の電力容量を増強することができる。よって、直流ブラシレスモータ１５が一時的に過大回転トルクを必要とする場合にも、充分な電力の出力が可能となる。

上記ようにドライ真空ポンプ用電源装置１０では、通常装置の入力側に配置される過電流遮断機の定格遮断容量は、電源装置の定格容量に見合った値を決定している。上記のように直流回路１２に補助電力用コンデンサ２６及び整流用コンデンサ（平滑コンデンサ）１８をそれぞれ並列に接続するか、或いは補助電力用コンデンサ２６と整流用コンデンサ（平滑コンデンサ）１８を直列に接続した直流回路を並列に接続することにより、入力側過電流遮断機の定格遮断容量を変更することなく、インバータ回路１３の出力を増大させることができる。

図３に示す、電圧／電流ブースト回路２８を備えた、ドライ真空ポンプ用電源装置１０において、直流ブラシレスモータ１５の連続運転中に発生する連続的な高負荷運転では、直流回路１２の整流用コンデンサ（平滑コンデンサ）１８に並列に補助電力用コンデンサ２６を接続することにより、高容量のインバータ電源装置として機能させることができる。また、直流ブラシレスモータ１５が停止から起動する時に大きな起動トルクが必要とする場合は、直流回路１２に整流用コンデンサ（平滑コンデンサ）１８と補助電力用コンデンサ２６を直列に接続した直流回路を並列に接続し、インバータ回路１３が出力する電圧のピーク値を高くすると、低速時の高トルク運転が可能になる。

図１１はドライ真空ポンプユニットの一構成例を示す図である。本ドライ真空ポンプユニット１は、モータ部４０とポンプ部４１で構成され、モータ部４０はマグネットカップリング型の直流ブラシレス樹脂モールドモータであり、ポンプ部４１は一対のスクリューロータを同期反転させ、気体を移送する真空ポンプであり、容積移送式の２軸スクリューポンプである。

ポンプケーシング５０の内部に、２本の回転軸５１ａ、５１ｂが平行に配置され、それぞれの回転軸５１ａ、５１ｂは軸受５３により支持されている。回転軸５１ａには右ねじのスクリューロータ（ポンプロータ）５２ａが、また回転軸５１ｂには左ねじのスクリューロータ（ポンプロータ）５２ｂが夫々固定されている。スクリューロータ５２ａ、５２ｂとケーシング５０の内面との間には流体流路５６が形成され、この流体流路５６の上流側端部に吸気口４１ａが設けられ、流体流路５６の下流側端部に排気口４１ｂが設けられている。スクリューロータ５２ａ、５２ｂは僅かなクリアランスを保って非接触で相互に反転し、吸気口４１ａから吸込まれた気体を排気口４１ｂに移送するようになっている。なお、スクリューロータ５２ａ、５２ｂとして、ピッチ線上でのみ接触する軸断面形状を有する一対のスクリューロータを用いてもよい。

上記回転軸５１ａ、５１ｂはＳＵＳ材で構成し、スクリューロータ５２ａ、５２ｂはアルミ合金で構成し、回転軸５１ａ、５１ｂのそれぞれにスクリューロータ５２ａ、５２ｂを焼嵌めして一対のスクリューロータを構成している。スクリューロータ５２ａ、５２ｂの表面にはニッケルメッキ処理を施している。また、スクリューロータ５２ａ、５２ｂは樹脂材で回転軸５１ａ、５１ｂの外周に形成するようにしてもよい。これによりスクリューロータ５２ａ、５２ｂを安価に製作できる。

回転軸５１ａ、５１ｂの吸気側の軸端には、図１２に示すように、それぞれ同一の構成を有する一対のマグネットロータ５４、５４が配置され、直流ブラシレスモータとして回転軸５１ａ、５１ｂを反転駆動すると共に、マグネットカップリングにより回転軸５１ａ、５１ｂの同期反転を確保している。図１２に示すように、各マグネットロータ５４は、磁性材のヨーク５４ｂの外周にリング形状のマグネット５４ａを周設している。本実施形態例では、マグネットロータ５４の外周上には着磁したマグネット５４ａが周設され、互いのマグネットロータ５４、５４の異磁極が引き合うように対向して、且つクリアランスＣを保って配置されている。なお、マグネットロータ５４の極数は４、６、８、・・・などの偶数であり、ここでは６としている。

スクリューロータ５２ａ、５２ｂは、マグネットロータ５４、５４のマグネットカップリング作用により、同期して反対方向に回転する。これにより、タイミングギヤが無くても安定した２軸同期反転が可能なスクリューポンプが構成される。また、タイミングギヤが無いことは、潤滑油が不要であると共に、２軸の安全な同期機構を含めた非接触回転が可能であり、スクリューポンプの高速運転が可能なことを意味している。

各マグネットロータ５４の外周面の一部に近接して、鉄心５７ａと巻線５７ｂ（図１乃至３ではステータコイル１５ａ〜１５ｆ）から成る三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）のモータステータ５７が配置されている。三相のモータステータ５７はマグネットロータ５４どうしがマグネットカップリングする側とは回転軸に関して反対側に配置されている。これにより、マグネットロータ５４どうしが互いに吸引するマグネットカップリング力をマグネットロータ５４とモータステータ鉄心５７ａに作用する吸引力でキャンセルすることができる。また、三相のモータステータ磁極は、マグネットロータ５４の磁極数６極に対応し、図１２の矢印Ｄ、Ｅに示すようにマグネットロータ５４の４極に磁界をかけるようにしている。三相の巻線５７ｂに所要の矩形パルス状波形の直流電流を供給することで、任意の回転数で２本の回転軸５１ａ、５１ｂを同期反転駆動することができる。

上記のようにドライ真空ポンプユニット１において、ポンプ部４１で半導体製造設備の反応チャンバ内の排気をおこなった場合、ポンプケーシング５０の内に生成物が堆積し、この生成物がスクリューロータ５２ａとスクリューロータ５２ｂとの間、或いはスクリューロータ５２ａ又はスクリューロータ５２ｂとケーシング５０の間に侵入する所謂噛み込みが発生した場合、この噛み込みを解消するためには、モータ部４０の回転軸に定格軸出力を超える過大の軸出力を必要とする。このような場合、ドライ真空ポンプユニット１の電源装置として図１乃至図３に示す構成のドライ真空ポンプ用電源装置１０を採用することにより、噛み込みを解消できる。

なお、上記実施形態では、ドライ真空ポンプユニット１をスクリュー型真空ポンプに採用する例を説明したが、ルーツ型等の他形式の容積移送型２軸真空ポンプでもよい。また、ドライ真空ポンプを駆動する駆動電動機としては直流ブラシレスモータを例に説明したが、ドライ真空ポンプを駆動する駆動電動機として直流ブラシレスモータに限定されるものではなく、ドライ真空ポンプの噛み込みを解消するために要求される大きい軸出力に対応できる電動機であれば、本発明は適用できる。

以上、本発明の実施形態例を説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお、直接明細書及び図面に記載がない何れの形状や構造であっても、本願発明の作用効果を奏する以上、本願発明の技術範囲である。

本発明は、補助電力回路と、駆動電動機が定格軸出力より大きい軸出力を必要とする場合、補助電力回路から所定のタイミングで直流回路に補助電力を供給し、該直流回路の電圧又は電流を増大させ、大きい軸出力が不必要となった場合、所定のタイミングで補助電力の供給を停止する切替手段とを設けることにより、ドライ真空ポンプに噛み込み等が発生し、該噛み込み等を解消するためにドライ真空ポンプを駆動する駆動電動機に定格出力以上の軸出力を必要とする場合に、一時的に直流回路の電圧又は電流を増大させ、軸出力を増大させることができるから、電源装置の全体容量を大きくすることなく、噛み込み等を解消できるドライ真空ポンプ用電源装置として利用することができる。

１ドライ真空ポンプユニット
１０ドライ真空ポンプ用電源装置
１１整流器
１２直流回路
１３インバータ回路
１４交流電源
１５直流ブラシレスモータ
１６陽極Ｐ端子
１７陰極Ｎ端子
１８整流用コンデンサ（平滑コンデンサ）
１９逆流防止用ダイオード
２０突入電流保護素子
２１開閉素子
２２補助電力回路
２３ＰＷＭ制御回路部
２４開閉素子
２５開閉素子
２６補助電力用コンデンサ
２７電流ブースト回路
２８電圧／電流ブースト回路
２９切替器
３０切替器
３１切替器
３２切替器

Claims

整流器、平滑コンデンサを備えた直流回路、インバータ回路を備え、交流電源からの交流電力を前記整流器で直流電力に変換し、前記直流回路を介して前記インバータ回路に供給し、該インバータ回路で所定周波数の交流電力に変換し、ドライ真空ポンプの駆動電動機に供給するように構成されたドライ真空ポンプ用電源装置であって、
補助電力回路と、
前記駆動電動機が定格軸出力より大きい軸出力を必要とする場合、前記補助電力回路から所定のタイミングで前記直流回路に補助電力を供給し、該直流回路の電圧又は電流を増大させ、前記大きい軸出力が不必要となった場合、所定のタイミングで前記補助電力の供給を停止する切替手段と、を設けたことを特徴とするドライ真空ポンプ用電源装置。
請求項１記載のドライ真空ポンプ用電源装置において、
前記補助電力回路は、補助電力用蓄電器であり、
前記切替手段は、前記駆動電動機が定格軸出力より大きい軸出力を必要とする場合、充電した前記補助電力用蓄電器を所定のタイミングで前記直流回路に並列に接続し、前記大きい軸出力が不必要となった場合、前記補助電力用蓄電器を所定のタイミングで前記直流回路から切り離すことを特徴とするドライ真空ポンプ用電源装置。
請求項１記載のドライ真空ポンプ用電源装置において、
前記補助電力回路は、補助電力用蓄電器であり、
前記切替手段は、前記駆動電動機が定格軸出力より大きい軸出力を必要とする場合、充電した前記補助電力用蓄電器を前記平滑コンデンサに直列に接続し、該補助電力用蓄電器と平滑コンデンサの直列回路を前記直流回路に並列に接続し、前記大きい軸出力が不必要となった場合、所定のタイミングで前記直列回路を前記直流回路から切り離し、且つ前記平滑コンデンサを前記直流回路に並列に接続することを特徴とするドライ真空ポンプ用電源装置。
整流器、平滑コンデンサを備えた直流回路、インバータ回路を備え、交流電源からの交流電力を前記整流器で直流電力に変換し、前記直流回路を介して前記インバータ回路に供給し、該インバータ回路で所定周波数の交流電力に変換し、ドライ真空ポンプの駆動電動機に供給するように構成されたドライ真空ポンプ用電源装置であって、
補助電力用蓄電器と、
前記駆動電動機が定格軸出力より大きい軸出力を必要とする場合、所定のタイミングで前記直流回路に充電した前記補助電力用蓄電器と前記平滑コンデンサをそれぞれ並列接続するか又は、充電した前記補助電力用蓄電器と前記平滑コンデンサを直列に接続した直列回路を所定のタイミングで前記直流回路に並列接続し、前記大きい軸出力が不必要となった場合、所定のタイミングで前記補助電力用蓄電器を前記直流回路から切り離すか又は前記直列回路を前記直流回路から切り離し、且つ前記平滑コンデンサを前記直流回路に並列に接続する切替手段と、を設けたことを特徴とするドライ真空ポンプ用電源装置。
整流器、平滑コンデンサを備えた直流回路、インバータ回路を備え、交流電源からの交流電力を前記整流器で直流電力に変換し、前記直流回路を介して前記インバータ回路に供給し、該インバータ回路で所定周波数の交流電力に変換し、ドライ真空ポンプの駆動電動機に供給するように構成されたドライ真空ポンプ用電源装置の運転方法であって、
前記駆動電動機が定格軸出力より大きい軸出力を必要とする場合、前記直流回路に補助電力を供給し前記直流回路の電流又は電圧を増大させ、前記大きい軸出力が不必要となった場合、前記直流回路への補助電力の供給を停止することを特徴とするドライ真空ポンプ用電源装置の運転方法。