真空圧の制御方法
真空システムの圧力モニタリング、制御、および調整の基礎
すべての真空プロセスにおいて、システム内の圧力を常に点検し、必要に応じて調整しなければなりません。また、現代のプラント制御では、プラントのモニタリングに重要なすべての測定値を中央ステーション、モニタリングセンターおよび制御センターに送信し、明確な方法で集計することが求められます。圧力変化は、記録装置によって経時的に頻繁に記録されます。これは、真空計にさらなる要求があることを意味します。
a）アナログおよびデジタルの測定値を可能な限り連続的に表示すること
b）明確で便利な測定値の読み取り
c）記録装置や制御・調整機器を接続するためのレコーダー出力
d）内蔵デジタルインターフェース（RS 232など）
e）内蔵トリガーポイントを通じて切り替え操作をトリガーする機能
これらの要求は一般的に、機械式ダイヤフラムと液封式真空計を除き、電気的な測定値表示を持つすべての真空計によって満たされます。それぞれの制御ユニットには、メータースケールの圧力測定値に応じて0～10 Vの連続電圧を供給するレコーダー出力が装備されているため、記録装置を使用して経時的に圧力値を記録できます。圧力切り替えユニットがゲージのレコーダー出力に接続されている場合、値が指定された設定値を超えたとき、または下回ったときに切り替え操作をトリガーすることができます。ゲージで直接切り替え操作をトリガーするための設定値またはスイッチしきい値は、トリガー値と呼ばれます。真空計以外には、特定の圧力に達したときにコンタクトアンプを介して切り替え動作（測定値の表示なし）をトリガーするダイヤフラム圧力スイッチがあります。バルブなどもこのような切り替え操作によって制御することもできます。
真空システムの自動保護、モニタリング、制御
真空システムを誤動作による故障から保護することは非常に重要です。故障が発生した場合、システム全体や主要コンポーネントの損失、処理する材料のバッチの損失、生産停止時間の増大により、非常に高い材料価値が危険にさらされる可能性があります。したがって、特に大規模な生産プラントの場合は、十分な運転管理と保護を行なう必要があります。この関連で考慮すべき個々の要因については、例に基づいて説明するのが最も適切です。図3.20は、高真空ポンプシステムの概略図を示しています。容器（11）は、ルーツポンプ（14）または拡散ポンプ（15）を使用して排気できます。どちらもバックポンプ（1）と連動して作動します。ルーツポンプは中真空範囲で使用し、拡散ポンプは高真空範囲で使用します（ターボ分子ポンプも使用できます）。バルブ（3）、（8）および（16）は電空式で作動します。個々のコンポーネントは、押しボタン式のコントロールパネルから操作します。
図3.20 高真空ポンプシステムの概略図（オプションでルーツ運転も可能）
ポンプまたは拡散ポンプ。
- バックポンプ
- 背圧モニタリング装置
- 電空式バルブ
- 圧縮空気の接続
- 圧力モニタリング装置
- 温度モニタリング装置
- 冷却水モニタリング装置
- 電空式バルブ
- レコーダー
- 高真空モニタリング装置
- 容器
- 高真空計
- リミットスイッチ
- ルーツポンプ
- 拡散ポンプ
- 電空式バルブ
- ベントバルブ
ポンプシステムを誤動作から保護するための対策
ポンプシステムは、以下のような誤動作から保護されなければなりません。このような誤動作を未然に防ぐための対策についても紹介します。
a）停電時の対策：すべてのバルブを閉じて、真空容器への空気の流入を防ぎ、拡散ポンプを損傷から保護します。
b）圧縮空気ネットワーク内の圧力が低下した場合の保護：圧縮空気は圧力モニタリング装置（5）によってモニタリングされます。圧力が規定値を下回ると、最初に信号を発信するか、バルブを自動的に閉じることができます。この場合、圧縮空気の十分な予備供給が必要です（図3.20には示されていません）。これにより、すべてのバルブを少なくとも1度は作動させることができます。
c）拡散ポンプへの冷却水が故障した場合の対策：冷却水は、流量または温度モニタリング装置（6）および（7）によってモニタリングされます。冷却水の流量が不足すると、拡散ポンプのヒーターがオフになって信号が発せられ、バルブ（8）が閉じます。
d）拡散ポンプヒーターの故障に対する保護：拡散ポンプ加熱システムの中断はリレーによってモニタリングできます。温度が最大許容値を超えると、温度モニタリング装置（6）が反応します。どちらの場合も、バルブ（8）が閉じて信号が発せられます。
e）バックポンプが故障した場合の保護：ベルト駆動のバックポンプには、ベルト破損や他の誤作動が発生した場合にシステム全体をシャットダウンする遠心スイッチが必要です。駆動部がシャフトに直接取り付けられている一体型ポンプは、電流リレーなどでモニタリングできます。
f）一定の限界値を超えた容器内の圧力上昇に対する保護：高真空モニタリング装置（10）は、所定の圧力を超えると信号を発します。
g）拡散ポンプの臨界前圧を確保する：特定の背圧を超えると、すべてのバルブが背圧モニタリング装置（2）によって閉じられ、ポンプがオフになり、再び信号が発せられます。バルブ（3）、（8）、（16）の位置はリミットスイッチ（13）によりコントロールパネルに示されます。容器内の圧力は高真空計（12）で測定され、レコーダー（9）で記録されます。操作エラーに対する保護は、個々のスイッチをインターロックして、所定の順序でのみ作動できるようにすることで可能です。たとえば、拡散ポンプの電源がオンにならないのは、バックポンプが作動していないとき、必要な背圧が維持されていないとき、あるいは冷却水循環が機能していないときです。
低および中真空システムにおける圧力調整および制御
制御と調整には、物理変数（この場合は真空システムの圧力）に一定の値を与える機能があります。共通の特徴は、エネルギー供給を物理変数、つまり変数そのものを変化させるアクチュエーターです。制御とは、コマンドによってシステムやユニットに影響を与えることです。この場合、アクチュエーターと物理変数の実際の値は、操作変数によって直接変更されます。例：圧力依存型スイッチによるバルブの作動。実際の値は、さらなる外部からの影響により、望ましくない形で変化する可能性があります。被制御ユニットは、制御ユニットに対して反応できません。このため、制御システムはオープンな動作シーケンスを持つと言われています。調整の場合、物理変数の実際の値は、指定された設定値と常に比較され、偏差があれば調整され、可能な限り設定値に完全に近づくようにされます。実用上、には常に制御が必要です。主な違いは、設定値と実測値を比較するコントローラーです。コントロールプロセスに関わるすべての要素の総和が制御回路を形成します。制御プロセスを記述するための用語と特性変数は、DIN 19226に規定されています。
一般に、圧力が変動する可能性がある圧力ウィンドウを指定する不連続制御（2段階制御や3段階制御）と、できるだけ正確に維持すべき圧力設定値を指定する連続制御（PID制御など）に分けられます。真空システムの圧力を調整するには、排気速度を変える方法（ポンプの回転数を変える、またはバルブを閉じて絞る）と、気体を入れる方法（バルブを開ける）の2つが考えられます。このため、全部で4つの手順があります。
非連続圧力調整
連続的な調整がより洗練された手順であることは間違ありませんが、多くの場合、すべての真空範囲において2段階または3段階の調整で十分です。圧力ウィンドウを指定するには、2つまたは3つの可変圧力依存スイッチ接点が必要です。スイッチ接点がディスプレイ付きゲージに取り付けられているのか、下流ユニットに取り付けられているのか、ディスプレイなしの圧力スイッチであるかは、ここでは重要ではありません。図3.21は、排気速度スロットルによる2段階調整、気体注入による2点調整、ポンプ速度スロットルと気体注入の組み合わせによる3点調整の違いを示しています。図3.22および3.23は、2つの2段階調整システムの回路と構造を示しています。排気速度スロットルによる2段階の調整の場合（図3.22）、ポンプバルブ4には電圧が供給され、リレー接点が解放状態のときに開きます。上限切り替え点より低いレベルでは、補助リレーによる自己保持機能により、バルブは開いたままになります。下限切り替え点よりも低いレベルでのみ、リレーラッチが解除されます。その後、圧力が上昇すると、バルブは上部切り替え点で再び開きます。
図3.21 2段調整と3段調整の模式図
図3.22 排気速度スロットルによる2段階調整。
➀ 2つの切り替え点を備えたゲージ
➁ スロットルバルブ
➂ 真空ポンプ
➃ ポンプバルブ
➄ 真空容器
Fu - ヒューズ
R、Mp - 主電源接続220 V/50 Hz
Smax - 最大値の切り替え点
Smin - 最小値の切り替え点
PV - ポンプバルブ
R1 - ポンプバルブ用補助リレー
K1 - R1のリレー接点
M - 測定および切り替え装置
図3.23 気体注入による2段階の調整
➀ 2つの切り替え点を備えたゲージ
➁ 可変リークバルブ
➂ 吸気口バルブ
➃ 気体供給
➄ スロットルバルブ
➅ 真空ポンプ
➆ 真空容器
Fu -ヒューズ
R、Mp - 主電源接続220 V/50 Hz
Smax - 最大値の切り替え点
Smin - 最小値の切り替え点
EV - 入口バルブ
R2 - 入口バルブ補助リレー
K2 - R2のリレー接点
M - 測定および切り替え装置
気体注入による2段階調節の場合、最初は吸気口バルブが閉じています。上限圧力切り替え点に達しない場合は、何も変わりません。圧力が下限切り替え点を下回ったときにのみ、「接点を作る」ことで気体吸気口バルブを開き、同時に自己保持機能付き補助リレーを作動させます。気体吸気口バルブを閉じてアイドル状態に戻るのは、リレーの自己保持機能が解除されて上限切り替え点を超えた後です。
図3.24は、上記で説明した2つのコンポーネントで作成した3段階調整システムに対応するものです。その名の通り、2つの切り替え点、排気速度スロットルによる調整システムの下部切り替え点と、気体入口調整システムの上部切り替え点を組み合わせています。
図3.24 3段階調整システム
➀ 3つの切り替え点を備えたゲージ
➁ 可変リークバルブ
➂ 可変リークバルブ
➃ 吸気口バルブ
➄ 気体供給
➅ スロットルバルブ
➆ 真空ポンプ
➇ ポンプバルブ
➈ 真空容器
Fu - ヒューズ
R、Mp - 主電源接続220 V/50 Hz
Smax - 最大値の切り替え点
Smitte - 平均値の切り替え点
Smin - 最小値の切り替え点
T – GRPAHIX THREE
PV - ポンプバルブ
EV - 吸気口バルブ
R1 - ポンプ間隔の補助リレー
R2 - 入口間隔の補助リレー
K1 - R1のリレー接点
K2 - R2のリレー接点
M - 測定および切り替え装置
補助リレーを使用した複雑な設置を避けるため、多くのユニットでは、組み込みトリガー値の機能タイプをソフトウェアで変更できるようになっています。最初は、個々の切り替え点（または「レベルトリガー」）と相互にリンクされた切り替え点（「インターバルトリガー」）のいずれかを選択できます。これらの機能について、図3.25で説明しています。インターバルトリガーを使用すると、ヒステリシスのサイズとセットポイント仕様のタイプを選択することもできます。つまり、本体での固定設定か、外部電圧による指定（たとえば0～10 V）かを選択できます。例えば、3段階の調整システム（補助リレーなし）は、ライボルトのCERAVACおよびGRAPHIX THREEを使用してセットアップできます。
図3.25 レベルトリガーとインターバルトリガーの図
GRAPHIX – アクティブセンサー用操作ユニット GRAPHIXアクティブセンサー用表示・操作機器
連続圧力調整
ここで、比例バルブをアクチュエーターとする電気式コントローラー（例えばPIDコントローラー）と機械式ダイヤフラムコントローラーを区別する必要があります。電気コントローラーを備えた調整システムでは、コントローラーとアクチュエーター（圧電気体吸気口バルブ、モータドライブ付き吸気口バルブ、バタフライ制御バルブ、スロットルバルブ）の間の調整は、境界条件（容器の容量、容器での有効排気速度、圧力制御範囲）が大きく異なるため困難です。このような制御回路は、プロセスの誤動作が発生したときに振動しやすい傾向があります。一般的に有効な標準値を指定することは事実上不可能です。
ダイヤフラムコントローラーを使用すると、多くの制御問題をよりよく解決できます。ダイヤフラムコントローラーの機能（図3.27参照）はダイヤフラム真空計から容易に得ることができます。チューブまたはパイプの鈍い端は、ゴム製の弾性ダイヤフラムによって閉じるか（基準圧力>プロセス圧力）、解放されます（基準圧力<プロセス圧力）。後者の場合は、プロセス側と真空ポンプの間に接続が確立されます。この洗練された多かれ少なかれ「自動的」な調整システムは、優れた制御特性を備えています（図3.28参照）。
図3.27ダイヤフラムコントローラーの原理
- リファレンスチャンバー
- ダイヤフラム
- リファレンスチャンバーの測定接続
- リファレンス圧力調整バルブ
- ポンプ接続
- コントローラーシート
- 制御チャンバー
- プロセス圧力の測定接続
- プロセスチャンバーの接続
図3.28ダイヤフラムコントローラーの制御特性
P1 =プロセス圧力、P2 =ポンプ内の圧力、Pref =基準圧力
より高い流量を得るために、複数のダイヤフラムコントローラーを並列に接続することができます。これは、プロセスチャンバーとリファレンスチャンバーも並列に接続することを意味します。図3.29に、3台のMR 50ダイヤフラムコントローラーを接続した例を示します。
真空プロセスを制御するために、個々のプロセス段階で圧力を変更する必要が生じることがよくあります。ダイヤフラムコントローラーがあれば、これを手動で、あるいは基準圧力の電気制御によって行うことができます。
ダイヤフラムコントローラーの基準圧力の電気的制御は、基準容積が小さく常に一定であるため、比較的簡単です。図3.31にそのような配置を左は写真で、右は模式的に示しています。ダイヤフラムコントローラーのアプリケーション例については、3.5.5を参照してください。
基準圧力を変更し、それによってプロセス圧力をより高い圧力にするために、気体吸気口バルブをプロセスチャンバーに追加で設置する必要があります。このバルブが差圧スイッチ（図3.31には表示されていません）によって開くのは、希望するより高いプロセス圧力が現在のプロセス圧力を、差圧スイッチで設定された圧力差より大きく超えたときです。
図3.29 ダイヤフラムコントローラーのトリプル接続
図3.30 水蒸気耐性に応じて真空ポンプの吸気口圧力を調整することによる真空乾燥プロセスの制御。
DC - ダイヤフラムコントローラー
P - 真空ポンプ
M - 測定および切り替え装置
PS - 圧力センサー
V1 - ポンプバルブ
V2 - 気体吸気口バルブ
TH - スロットル
RC - リファレンスチャンバー
PC - プロセスチャンバー
CV - 内部基準圧力制御バルブ
図3.31外付け自動基準圧力調整を備えたダイヤフラムコントローラー。
DC - ダイヤフラムコントローラー
PS - プロセス圧力センサー
RS - 基準圧力センサー
V1 - 気体吸気口バルブ
V2 - ポンプバルブ
V3 - 気体入口可変リークバルブ
TH - スロットル
M - 測定および切り替え装置
PP - プロセスポンプ
RC - リファレンスチャンバー
PC - プロセスチャンバー
AP - 補助ポンプ
CV - 内部基準圧力制御バルブ
高真空および超高真空システムにおける圧力調整
圧力をある限度内で一定に保つためには、真空容器に流入する気体と、ポンプで同時に除去される気体とを、バルブやスロットルで平衡させる必要があります。一般に壁面からの吸着ガスの脱着は、システムを流れるガス量に比べればごくわずかであるため、低および中真空システムではこれはそれほどむずかしいことではありません。圧力調整は、気体吸気口や排気速度の調整によって行うことができます。ただし、ダイヤフラムコントローラーの使用は、大気圧と約10 mbarの間でのみ可能です。
一方、高真空や超高真空領域では、容器壁面からの気体の発生が圧力に決定的な影響を及ぼします。したがって、高真空や超高真空領域での圧力値の設定は、壁面からの気体発生が、圧力調整ユニットによる制御されたガスの導入量に対してごくわずかである場合にのみ可能です。このため、この領域での圧力調節は、通常、電動PIDコントローラーによる気体注入調整として行なわれます。圧電またはサーボモータ制御の可変リークバルブがアクチュエーターとして使用されます。10-6 mbar未満の圧力調整には、ベーク可能な金属製気体吸気口バルブのみを使用してください。
