(57)【要約】【課題】ポンプの性能を余り低下させずに蒸気ジェット真空ポンピングシステムの電力を制御する方法および装置を提供する。    【解決手段】蒸気ジェット真空ポンプに供給される電力を制御する方法および装置を提供する。蒸気ジェット真空ポンピングシステムは、吸気ポート、排気ポート、ジェットアセンブリおよびボイラー１２を有し前記ボイラーがヒーター５０を含む蒸気ジェットポンプと、少なくとも１つの制御パラメータに応答してヒーターへの供給電力を自動的に制御する電力コントローラとを含む。電力は、プログラムされたシーケンスに応じて、プロセスチャンバー内で検出された圧力に応じて、プロセス制御システムからの制御信号に応じて、またはこれらの制御パラメータの組み合わせに応じて制御することができる。
2005524024.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気ポート、排気ポート、ジェットアセンブリおよびボイラーを有し、前記ボイラーがヒーターを含む蒸気ジェットポンプと、
少なくとも１つの制御パラメータに応答して前記ヒーターへの供給電力を自動的に制御する電力コントローラとを含む、蒸気ジェット真空ポンピングシステム。
【請求項２】
前記制御パラメータが電力レベルのプログラムされたシーケンスを含む、請求項１記載の蒸気ジェット真空ポンピングシステム。
【請求項３】
前記電力レベルのプログラムされたシーケンスが調整可能である、請求項２記載の蒸気ジェット真空ポンピングシステム。
【請求項４】
前記電力コントローラが前記蒸気ジェットポンプによってポンピングされているプロセスチャンバー内の検出された圧力に応じて、前記ヒーターへの供給電力を制御するように構成されている、請求項１記載の蒸気ジェット真空ポンピングシステム。
【請求項５】
前記電力コントローラがプロセス制御システムからの制御信号に応じて、前記ヒーターへの供給電力を制御するように構成されている、請求項１記載の蒸気ジェット真空ポンピングシステム。
【請求項６】
前記電力コントローラが2つまたはそれ以上の制御パラメータの組み合わせに応じて、前記ヒーターへの供給電力を制御するように構成されている、請求項１記載の蒸気ジェット真空ポンピングシステム。
【請求項７】
前記電力コントローラが前記ヒーターへの供給電力を2つ以上の不連続な電力レベルの１つに制御するように構成されている、請求項１記載の蒸気ジェット真空ポンピングシステム。
【請求項８】
前記電力コントローラが前記ヒーターへの供給電力を電力レベルの連続的な範囲にわたって制御するように構成されている、請求項１記載の蒸気ジェット真空ポンピングシステム。
【請求項９】
前記ヒーターが2つ以上のヒーター部分を含み、かつ前記電力コントローラは前記ヒーター部分のうちの1つ以上に選択的に電力を供給するように構成されている、請求項１記載の蒸気ジェット真空ポンピングシステム。
【請求項１０】
前記蒸気ジェットポンプの負荷の上昇と前記ヒーターへの入力電力の上昇とを同期させるように、前記電力コントローラが構成されている、請求項１記載の蒸気ジェット真空ポンピングシステム。
【請求項１１】
前記制御パラメータが前記蒸気ジェットポンプの負荷を表す、請求項１記載の蒸気ジェット真空ポンピングシステム。
【請求項１２】
ヒーターを含むボイラーを有する蒸気ジェットポンプによりプロセスチャンバーを真空に引く工程と、
前記蒸気ジェットポンプの負荷を表す少なくとも１つの制御パラメータに応じて、前記ヒーターへの供給電力を自動的に制御する工程とを含む、プロセスチャンバーを真空に引く方法。
【請求項１３】
前記電力を制御する工程が、電力レベルのプログラムされたシーケンスに従って前記ヒーターへの供給電力を制御することを含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記電力を制御する工程が、前記プロセスチャンバー内の検出された圧力に応じて前記ヒーターへの供給電力を制御することを含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１５】
前記電力を制御する工程が、プロセス制御システムからの制御信号に応じて前記ヒーターへの供給電力を制御することを含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１６】
前記電力を制御する工程が、2つ以上の制御パラメータの組み合わせに応じて前記ヒーターへの供給電力を制御することを含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１７】
前記電力を制御する工程が、前記ヒーターへの供給電力を2つ以上の不連続な電力レベルのうちの１つに制御することを含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１８】
前記電力を制御する工程が、前記ヒーターへの供給電力を電力レベルの連続的な範囲にわたって制御することを含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１９】
前記ヒーターが2つ以上のヒーター部分を含み、かつ前記電力を制御する工程が前記ヒーター部分のうちの1つ以上に電力を供給することを含む、請求項１２記載の方法。
【請求項２０】
吸気ポート、排気ポート、ジェットアセンブリおよびボイラーを有し、前記ボイラーがヒーターを含む蒸気ジェットポンプを制御する方法であって、
制御アルゴリズムに従って前記ヒーターへの供給電力を自動的に制御することを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は蒸気ジェット真空ポンプに関し、より具体的にはポンプの性能を余り低下させずに蒸気ジェット真空ポンプの消費電力を低減する方法および装置に関
【背景技術】
【０００２】
蒸気ジェットポンプは拡散ポンプとしても知られるが、密閉されたチャンバー内を高真空に引くために広く使用されている。蒸気ジェットポンプの基本的な要素には、一端にある入り口と前置ラインとを有する大略的に円筒形のハウジングが含まれる。前置ラインは、典型的には粗引きポンプに結合されて排気ポートとして機能する。前記ハウジングの他端内にはボイラーアセンブリが封止されている。ボイラーは油のような液体を貯めるタンクと、前記液体を蒸発させるヒーターとを含む。前記ハウジング内に搭載されたジェットアセンブリは、１つまたは複数の蒸気ジェットをハウジングの壁面に向かって吹きつけ、壁面で蒸気は凝結する。凝結した蒸気は液体タンクに還流し、このサイクルが繰り返される。蒸気ジェットは、ポンプが取り付けられた密閉されたチャンバーから気体分子を引きずり出してチャンバーを真空に引く。真空チャンバーと蒸気ジェットポンプとは、プロセス制御システムの一部であってもよい。
【０００３】
プロセス制御システムその他、蒸気ジェットポンプが使用される装置の運転においては、多くの場合、電力消費を抑制することが重要な問題である。最新の蒸気ジェットポンプは、ヒーターへの名目定格電力の約３分の１という小さな入力電力で作動する。性能パラメータは、通常下記のように変化する。最大スループット能力と最大許容排気圧力とは、電力に対して直線的な関係で減少する。最大圧縮比はそれよりも大幅に低下する。
【０００４】
排気される気体を圧縮するためになされた仕事という面では、蒸気ジェットポンプは非常に非効率的である。最大スループットの運転では、効率はわずかに１〜２％に過ぎない。ほとんどのエネルギーは凝結した油蒸気の再加熱と再蒸発とに使われる。蒸発プロセスが継続し、液体温度が沸騰点に維持されている場合、ポンプは典型的には約２５％という小さな電力で真空チャンバー内を高真空に維持する。軽い気体に対する圧縮比が重要でなく、必要とされるポンピングのスループットが低いという多くの用途では、低い電力で運転することにより電力を節約できる。
【０００５】
電力を節約する単純な方法は、夜間または週末にポンプの電源を切っておくことである。これは通常の運転を再開するときに約１時間を無駄に使うことを必要とし、また真空チャンバー内の真空レベルが少なくとも部分的には失われることになる。
電力を節約する別の方法は、ヒーターの一部または全体を低電力運転に切り替えることである。デルタワットと呼ばれる製品は、複数のヒーターを備えたポンプのための電気的切り替えボックスを含んでいた。この切り替えボックスは手動で制御された。
【０００６】
ユーザーの中には、ボイラー内の液体の温度を見ながら電源をｏｎやｏｆｆに切り替えて、蒸気ジェットポンプの運転を制御する人がある。この方法で効果があるのは、測定システムが良好であり、しかもプロセス中の蒸気生成がピークになる期間にスループット要求のピークを注意深く同期させる場合である。温度変化は非常に小さく、通常は１℃である。各用途ごとにタイミングを変えなければならず、また1℃の温度変化を識別することは難しいので、この方法は困難である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、ポンプの性能を余り低下させずに蒸気ジェット真空ポンピングシステムの電力を制御する方法および装置が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第一の局面によれば、蒸気ジェット真空ポンピングシステムが提供される。この蒸気ジェット真空ポンピングシステムは、吸気ポート、排気ポート、ジェットアセンブリおよびボイラーを有する蒸気ジェットポンプであって、前記ボイラーがヒーターを含む蒸気ジェットポンプと、少なくとも１つの制御パラメータに応答して前記ヒーターへの供給電力を自動的に制御する電力コントローラとを含む。
【０００９】
いくつかの実施形態では、制御パラメータは電力レベルのプログラムされたシーケンスを含む。他の実施形態では、電力コントローラは蒸気ジェットポンプによってポンピングされているプロセスチャンバー内で検出された圧力に応じて、ヒーターへの供給電力を制御するように構成されている。更に別の実施形態では、電力コントローラはプロセス制御システムからの制御信号に応じて、ヒーターへの供給電力を制御するように構成されている。また別の実施形態では、電力コントローラは複数の制御パラメータの組み合わせに応じてヒーターへの供給電力を制御するように構成されている。
【００１０】
いくつかの実施形態では、電力コントローラはヒーターへの供給電力を2つ以上の不連続な電力レベルのうちの１つに制御するように構成することができる。他の実施形態では、電力コントローラはヒーターへの供給電力を電力レベルのある連続的な範囲にわたって制御するように構成することができる。ヒーターは２つ以上のヒーター部分を含んでもよく、電力コントローラは１つまたはそれ以上のヒーター部分に選択的に電力を供給するように構成されていてもよい。
【００１１】
電力コントローラは、蒸気ジェットポンプの負荷の上昇に同期してヒーターへの入力電力を増加させるように構成することができる。好適には、制御パラメータは蒸気ジェットポンプの負荷を表すものである。
本発明の別の局面によれば、プロセスチャンバーを真空に引くための方法が提供される。この方法は、ヒーターを含むボイラーを有する蒸気ジェットポンプでプロセスチャンバーを真空に引く工程と、蒸気ジェットポンプの負荷を表す少なくとも１つの制御パラメータに応答してヒーターへの供給電力を自動的に制御する工程とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明をより良く理解するために引用によりここに組み込まれた添付の図面を参照する。
図１に、従来の蒸気ジェット真空ポンプの一例の断面図を示す。この蒸気ジェットポンプの主要な要素には、ハウジング１０、ボイラー１２およびジェットアセンブリ１４が含まれる。ハウジング１０は、内部領域２２を規定する大略的に円筒形の外殻（シェル）２０と、前置ライン２８を規定する前置ライン管路２４とを含む。外殻２０の一方の端には、内部領域２２への入り口２６が形成されている。入り口２６に取り付けられたコールドキャップ２７は、本技術分野で過拡大流として知られる現象を抑制する。ボイラー１２は外殻２０の反対側の端で封止されている。ハウジング１０は更に、互いに間隔を開けて配置されて大略的に環状の形をした冷却フィン３０と、ポンプを真空チャンバーに取り付けるための入り口フランジ３２とを含む。前置ライン管路２４は、適切な管路を取り付ける前置ラインフランジ３４とを含む。前置ライン管路２４は、典型的には粗引きポンプに取り付けられる。前置ライン管路２４内に配置された邪魔板３６が、前置ライン２８を通過する油蒸気の凝結を向上し、その損失を防ぐ。
【００１３】
ボイラー１２は、外殻２０の端部に封止されたエンドプレート４２を有するボイラーハウジング４０と、エンドプレート４２から上向きに延設されて内部領域２２内に入るフィン構造４４とを含む。フィン構造はヒーター５０を取り付ける円筒形の空間を規定する。ボイラーハウジング４０は、ジェットアセンブリ１４の円筒形の壁面５２の内部に配置されている。液体タンク５４は、ジェットアセンブリ１４のボイラーハウジング４０と円筒形壁面５２との間に配設されている。円筒形の外殻５６はフィン構造４４を取り囲み、運転中のフィン構造４４の温度制御を補助する。ボイラー１２を外殻２０の外側にある断熱材５８で取り囲んでもよい。
【００１４】
ジェットアセンブリ１４は、蒸気をボイラー１２から第一の環状ポンピングステージ６２へ、そして第二の環状ポンピングステージ６４へ送る中央の通路６０を規定する、大略的に円筒形の形状を有する。ジェットアセンブリ１４の壁面を貫通し、前置ライン２８と位置合わせされたノズル６６によって、放出ステージが形成されている。
運転中は、タンク５４内の油などの液体がヒーター５０によって蒸発させられる。蒸気は通路６０を上向きに通ってポンピングステージ６２および６４に行く。ポンピングステージ６２および６４の各々は、大略的に円錐形の蒸気ジェット内で蒸気を外側にかつ下の方を指向する環状の開口を有する。各蒸気ジェット内の蒸気は比較的冷たい円筒形の外殻２０によって凝結させられ、凝結した蒸気は液体タンク５４に還流する。蒸気ジェットは、ポンプが取り付けられた真空チャンバーから気体分子を引きずって、チャンバー内を真空に引く。ポンピング作用を受けた気体分子は前置ライン２８を通って排出される。円筒形の外殻２０の上部は典型的には、蒸気ジェットポンプの一部であっても、また蒸気ジェットポンプがその中で利用される装置の一部であってもよい冷却ファン（図示せず）によって冷却される。大型のポンピングでは通常、水冷が採用される。
【００１５】
外殻２０と一体に形成されたブロック７２上に取り付けられた温度スイッチ７０を使用して、液体が蒸発してポンプが使用可能になった事を示すことができる。ブロック７２上で温度スイッチ７０の隣に取り付けられた第二の温度スイッチ（図示せず）を使用して、温度異常を示すことができる。
本発明の一実施形態による蒸気ジェットポンピングシステムを組み込んだプロセス制御システムのブロック図を図２に示す。プロセスチャンバー１１０は蒸気ジェットポンプ１１２によって真空に引かれる。蒸気ジェットポンプ１１２の前置ラインは粗引きポンプ１１４に接続されている。プロセスコントローラ１１６がプロセスチャンバー１１０内でのプロセスを制御する。電力コントローラ１１８が以下に詳しく述べるように、蒸気ジェットポンピング１１２に供給される電力を自動的に制御する。
【００１６】
図２に示すように、電力コントローラ１１８は制御されたポンプ用電力を蒸気ジェットポンプ１１２に供給する。より具体的には、電力コントローラ１１８は蒸気ジェットポンプ１１２のヒーター５０（図１）に制御されたポンプ用電力を供給する。電力コントローラ１１８は制御入力を、使用者もしくはホストコンピュータのような外部信号源から、プロセスコントローラ１１６から、プロセスチャンバー１１０内の圧力センサー１２０から、またはこれらの信号源の組み合わせから受け取って、蒸気ジェットポンプ１１２に供給される電力を制御することができる。電力コントローラ１１８は、少なくとも１つの制御パラメータに応じて蒸気ジェットポンプ１１２へのヒーター電力を制御する。好適には、制御パラメータは蒸気ジェットポンプ１１２への気体負荷を代表するものである。制御パラメータは、負荷が比較的高いときに電力が増加し、負荷が比較的低いときに電力が減少するようにできる。この制御は、制御パラメータ（1つまたは複数）に応答して、自動的に行われる。異なる制御パラメータを使用する電力コントローラ１１８の実施形態を、図３Ａ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂ、４Ｃおよび５を参照して説明する。
【００１７】
図３Ａを参照して、電力コントローラ１１８は時間の関数としての電力レベルのプログラムされたシーケンスを受け取る。このプログラムされたシーケンスはプロセスコントローラ１１６（図２）または外部信号源によって供給され、電力コントローラ１１８内に記憶することができる。プログラムされたシーケンスは特定のプロセスの間に蒸気ジェットポンプ１１２にかかる可能性のある、時間の関数としての負荷に関する知識に基づく。電力レベルおよび回数のようなプログラムされたシーケンスの値を調整するか、または新しいプログラムシーケンスを電力コントローラ１１８に入力することが可能であることが理解されるであろう。更にまた、電力コントローラ１１８は、異なるプロセス条件に対応する電力レベルの2つまたはそれ以上のプログラムされたシーケンスを記憶していてもよい。電力コントローラ１１８はまた、プログラムされたシーケンスを開始するための始動信号を受け取る。
【００１８】
単純なプログラムされたシーケンスの一例を図３Ｂに示すが、ここではポンプの電力は時間の関数としてプロットされている。このシーケンスは時刻Ｔ0に起動され、時刻Ｔ1、Ｔ2およびＴ3にポンプの電力が変化するようにプログラムされている。図３Ｂの例は、多くの不連続なポンプ電力レベルを使用する。蒸気ジェットポンプ１１２内のヒーターがいくつかの部分を有し、そのうちの1つまたはそれ以上に電力を供給する場合に、この実施形態が有用である。電力レベルの数と、電力レベルが変化する回数は、用途に応じて適宜変更できることが理解されるであろう。
【００１９】
図４Ａおよび４Ｂを参照して、電力コントローラ１１８は検出された圧力に応じて蒸気ジェットポンプ１１２に供給される電力を制御する。図２に示したように、プロセスチャンバー１１０内に配置された圧力センサー１２０が、プロセスチャンバー１１０内の圧力を表す圧力信号を電力コントローラ１１８に供給する。
図４Ｂに示すように、プロセスチャンバー１１０で検出された圧力が増加したときに、蒸気ジェットポンプ１１２内のヒーターに供給される電力レベルを増加することができる。増加した圧力は、蒸気ジェットポンプ１１２への気体の負荷が増加したことを示す。図４Ｂは、蒸気ジェットポンプ１１２内のヒーターに供給される電力のレベルが、ある範囲の値の制御パラメータ（検出された圧力）の連続関数であるような実施形態を示す。圧力の増加が検出されてから、入力電力が増加した結果としてポンピング能力が増加するまでには、典型的には遅延時間が存在する。そのためこの方法の単独での使用は、一時的な圧力の増加に対して敏感でない用途に最も有用である。
【００２０】
ポンプの電力レベルが、検出された圧力の不連続な関数とされている電力コントローラ１１８の実施形態を図４Ｃに示す。検出された圧力が圧力Ｐ0を超えて増加すると、ポンプの電力は第一のレベルに増加し、検出された圧力が圧力Ｐ1を超えて増加すると、ポンプの電力は第一のレベルよりも高い第二のレベルに増加する。図４Ｃの実施形態において、電力レベルは複数の所定の圧力レベルにおいて段階的に増加する。
【００２１】
図５を参照して、プロセスコントローラ１１６からの1つ以上の制御信号に応じて、電力コントローラ１１８は蒸気ジェットポンプ１１２に供給される電力を制御する（図２）。プロセスコントローラ１１６からの制御信号は、電力コントローラ１１８に特定のポンプ電力のレベルを供給するか、またはポンプ電力のレベルの増減を指令することができる。制御信号は、特定のプロセスまたはプロセスの１工程の間に蒸気ジェットポンプ１１２にかかる可能性の高い負荷に関するプロセスコントローラ１１６の知識に基づく。
【００２２】
他の実施形態では、複数の制御パラメータに応じて蒸気ジェットポンプ１１２に供給される電力を制御するように、電力コントローラ１１８を構成できる。１つの実施形態では、電力レベルのプログラムされたシーケンスと検出された圧力レベルとに応じて、電力コントローラ１１８がポンプの電力を制御することができる。従って例えば、検出された圧力が所定の値を超えない限り、電力コントローラ１１８はプログラムされたシーケンスに従って制御を行える。この場合、プログラムされたシーケンスよりも検出された圧力の方が優先し、ポンプの電力を増加させてプロセスチャンバー１１０内の圧力を所望のレベルに低下させる。別の実施形態では、電力コントローラ１１８はプログラムされたシーケンスとプロセスコントローラ１１６からの制御信号に応じてポンプの電力を制御できる。この場合、電力コントローラは、プロセスコントローラ１１６から制御信号を受け取るまではプログラムされたシーケンスに従って作動する。制御信号は例えば、プロセス内での遅延のために蒸気ジェットポンプ１１２に供給される電力を低下させても良いことを示す場合もあるであろう。本発明の範囲内で、多くの異なる制御パラメータおよび制御パラメータの多くの異なる組み合わせが使用可能であることが理解されるであろう。一般に、目標は性能を余り低下させずに蒸気ジェットポンプ１１２による消費電力を低減することである。
【００２３】
電力コントローラ１１８は、制御パラメータに応じて望みの制御関数を実行するための制御回路を含んでもよく、また更に制御関数に従って蒸気ジェットポンプのヒーターに供給される交流電力を制御する電力素子を含んでもよい。例えば、電力コントローラ１１８はプログラムされたマイクロプロセッサと、マイクロプロセッサによって制御されるトライアック電力制御装置とを含んでもよい。マイクロプロセッサは、図３Ｂ、４Ａおよび４Ｂに例示したように、制御パラメータの関数として所望の制御関数を実行するようにプログラムすることができる。プログラムされたシーケンスの場合は、マイクロプロセッサはプログラムされたシーケンスを記憶して、このシーケンスに従ってポンプの電力を制御する。入力制御信号または検出された圧力の場合、マイクロプロセッサはプログラムされた制御関数に従ってポンプの電力を制御する。
【００２４】
本発明を詳細に説明してきたが、本発明の趣旨から逸脱せずに非常に多くの変形が可能なことが、当業者には理解されるであろう。従って、本発明の範囲は図示および説明した特定の実施形態によって限定されるものではなく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲およびそれと同等のものによって決定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来の蒸気ジェット真空ポンプの断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による蒸気ジェット真空ポンピングシステムを組み込んだプロセス制御システムのブロック図である。
【図３Ａ】電力レベルのプログラムされたシーケンスに応答する電力コントローラの一実施形態のブロック図である。
【図３Ｂ】電力レベルのプログラムされたシーケンスの例を示すタイミング図である。
【図４Ａ】検出された圧力に応答する電力コントローラの一実施形態のブロック図である。
【図４Ｂ】ポンプの電力を検出された圧力の関数として定義する制御関数の第一の例のグラフである。
【図４Ｃ】ポンプの出力を検出された圧力の関数として定義する制御関数の第二の例のグラフである。
【図５】プロセス制御システムからの1つ以上の制御信号に応答する電力コントローラの一実施形態のブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
2005524024.tif 000009
【図５】
2005524024.tif 000010
【国際調査報告】
2005524024.tif 000011
2005524024.tif 000012
2005524024.tif 000013