JP5117038B2 - ロータにおける非接触式温度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載のロータにおける非接触式温度測定装置に関するものである。

運動物体における温度測定は、広く取り上げられてきた技術上の課題設定である。その物体がきわめて高速で回転するロータである場合、非接触式の測定方法のみが対象となる。既知の測定方法の使用可能性は、追加の周辺条件によってさらに制約される。このような周辺条件の１つは、例えば真空下においての運転の場合である。多くの使用例の代表として、高速で回転する機械式真空ポンプ（例えばターボ分子真空ポンプ）や遠心分離機が挙げられる。温度測定およびモニタリングの重要性は、ターボ分子真空ポンプの例において特に明らかであり、ターボ分子真空ポンプにおいては、安全な運転のためにある特定のロータ温度を超えることがあってはならない。したがって、正確でかつ再現可能な温度モニタリングが不可欠である。

多くの技術分野において、非接触式温度測定のために高温計（pyrometer）が使用されている。高温計は、ロータから放出される放射線をその温度に対する尺度として測定する。このような装置の例は、欧州特許出願第１３４８９４０Ａ２号に示されている。そのセンサが受ける放射線は、温度の関数であるだけでなく、きわめて顕著にロータの表面特性の関数でもある。特にプロセス技術において蒸気状の媒体をポンピングするときのポンプ・モータの表面は、凝縮により、固体粒子の堆積により、または化学反応によっても変化を受けるので、温度測定に誤差が発生することがある。さらに、指示と周囲温度およびハウジング温度との関係は、高価な補償電子装置を必要とする。エネルギーの大きいイオン化放射線に対して部分的に感度が高いことがその使用範囲を制約している。

ドイツ特許公開第４３０９０１８号には、強磁性材料が使用された、ロータにおける非接触式温度測定装置が開示されている。その強磁性材料は、装置のロータ上に固定され、ステータにおける他の構成部品と共に磁気回路を形成している。この磁気回路特性は、強磁性体のキュリー温度を超えたときには、急激に変化する。本装置は、キュリー温度超過を特定することのみを可能にするものである。異なるキュリー温度を有する複数のそのような強磁性体が使用されることによってのみ、複数の温度を判定することが可能となる。このような装置を大量生産で使用するときの問題点は、再現可能なキュリー温度を有する強磁性材料の供給にあり、温度範囲にわたる測定は、多額の費用したがってそれに伴うコスト負担によってのみ可能となる。

本発明の課題は、簡単な手段により正確でかつ再現可能な結果を提供し、しかも上記の欠点を回避した、ロータ温度の非接触式測定装置を提供することである。

この課題は、請求項１の特徴を有する装置により解決する。請求項２−７は、本発明の有利な変更形態を示す。
本発明による装置は、従来技術とは対照的に、ロータの温度を広範囲にわたり測定することを可能にし、しかもこのためにただ１つの装置しか必要としない。温度測定は強磁性体のキュリー温度とは無関係であり、このことは、きわめて多数の強磁性体による一定でかつ正確なキュリー温度を必要しないので、装置の製造における問題点が低減する。温度測定は、さらに、ロータおよびステータの表面特性とは無関係なので、表面堆積は実際上問題とはならない。

本発明の一変更形態においては、温度に比例する信号が電圧であるので、電子装置内におけるその信号の後続の処理は簡単である。
他の実施形態は、磁石の動作温度が、磁化と温度との関係が線形でかつ可逆である温度範囲内にあるように構成されている。これにより、測定が、実際上任意の頻度で反復可能であることが達成できる。温度限界値に達した後においても、さらに温度決定が可能である。また、精度が向上し、しかも信号電圧を温度に比例する信号へ変換することが簡単となる。

一変更形態においては、装置は２つのコイル間に固定の間隙を有し、この２つのコイル間において、強磁性体は、ロータ軸の周りを回転するときにその円軌道上を運動する。この手段は、このようにして磁石と測定コイルとの間の間隙の変化を回避するので、測定の精度を向上させる。そのような変化は、一般に、温度の上昇と共にロータの材料が膨張することにより生ずる。

他の実施形態においては、円軌道に沿って複数のコイル対が配置され、これにより、測定精度をさらに向上させることができる。これらのコイル対は、直列回路または並列回路で結合する。

他の実施形態においては、温度測定のための磁石を駆動磁石とすることにより、装置内に既に存在している構成部品を温度測定のために十分に利用可能である点で有利となる。モータ磁石およびモータ・コイルを使用することにより、部品費用が著しく低減する点で有利である。

本発明による装置の利点は、高速で回転するロータを有するターボ分子真空ポンプ内において使用するときに特に顕著となるが、その理由は、装置はロータ上に少しの構成部品しか有するにすぎないからである。これは、構成部品をロータの種々の位置に配置することを可能にし、したがって、測定位置の選択においてより大きな自由度を可能にする。同様に、一定の間隙を有する実施形態が有利であり、その理由は、この一定の間隙が熱的条件による長さ変化の影響を排除できるからである。熱的条件による長さ変化は、特にターボ分子真空ポンプにおいて発生し、その理由は、ロータが特に大気のない空間内で作動し、したがって、その熱が放出されにくいからである。さらに、ターボ分子真空ポンプにおいて、装置の表面上における粒子の堆積の影響を受けないことが特に有利であり、その理由は、このポンプがしばしばプロセス技術内において使用されるからである。

以下、本発明について１例を示す図面を参照して説明する。

図１は、永久磁石の磁気分極Ｍ（磁化）と、温度Ｔ、この場合ロータ温度との関係をグラフで示している。磁気分極と温度との関係は、曲線１が示している。温度の上昇と共に磁気分極は低下する。範囲Ｉ内においては、この低下はきわめて近似的に線形であり、さらに可逆でもある。範囲ＩＩ内においては、磁気分極はより急激に低下し、そして最終的にもはや分極は存在しなくなる。この点２は、材料固有のキュリー温度Ｔ_Ｃにおいて発生する。本発明による装置の磁石は、範囲Ｉ内において使用することが有利である。

図２には、本発明による第１の適切な温度測定装置を示している。ロータは、軸２０１とディスク状部分２０２を有している。このディスク状部分上にリング２０３が位置し、リング２０３内の周囲位置に強磁性体２０４を配置している。代替形態として、リングの代わりに突起が設け、これに強磁性体を装着するようにしてもよい。ロータの回転により、強磁性体はロータ軸の周りの軌道上を回転する。この回転軌道上において、強磁性体はコイル２０５のそばを通過し、コイル２０５のそばを通過する瞬間に、このときコイル２０５に電圧が誘導される。この電圧は、電圧測定電子装置２０７により測定し、そして電子装置の一部２０８により温度に比例した信号に変換する。この信号は、次に、後続の処理のために例えばマイクロコントローラ２０９に供給する。この第１の測定装置は、磁石２０４が円軌道上でコイル間の間隙を通過するように第２のコイル２０６を第１のコイル２０５に対して固定の距離で配置することにより、改善可能である。そうすることにより、以下のように、明らかに向上した精度が得られる。即ち、加熱されたときには、ロータ特にディスク２０２が膨張する。これにより、強磁性体２０４のロータ軸に対する距離が増加し、これにより、強磁性体２０４はコイル２０５により近くを通過し、したがってエア・ギャップは減少する。ここで、第２のコイル２０６を図示のように配置した場合、コイル２０５との距離は確かに減少するが、コイル２０６との距離は逆に増加し、これにより、エア・ギャップは合計して一定となる。したがって、誘導信号は、ロータ・シフトという外乱変数とは無関係となる。

図３および４には、第２の適切な測定装置を示している。図３においては、ロータの軸３０１を示す。この軸３０１上に永久磁石３０２を固定している。コイル３０３は磁界を発生し、そしてこの磁界は、コイル内を流れる適切な電流により軸を回転させる。これを実施する装置は、図４に示している。４０３は、駆動装置の３つのコイルを示している。これらのコイルには、駆動電子装置４０２がそれ自身既知のようにして電流を流し、そしてこの場合、任意の時点において、それらコイルの１つには電流が流れない。したがって、電流が流れないコイルは、電圧測定装置４０５のための検出コイルとして使用可能である。そしてその電圧は、最終的には、整流器回路４０６により整流され、そして後続の処理のために、マイクロコントローラ４０９に対し温度信号としてその整流電圧が供給される。電源電子装置４０１は、駆動電子装置４０２に電気エネルギーを供給するために使用する。

温度と磁石の磁化との関係を示すグラフである。 第１の測定装置の断面図である。 例えばターボ分子真空ポンプ内の軸に対する駆動装置を利用した、有利な実施形態の部分断面斜視図である。 図３の装置に対する電気回路の原理図である。

符号の説明

１ 曲線
２ キュリー温度発生点
２０１、３０１ 軸（ロータ）
２０２ ディスク状部分（ロータ）
２０３ リング
２０４、３０２ 磁石
２０５、２０６ コイル
２０７ 電圧測定電子装置（電子手段）
２０８ 電子装置の一部
２０９、４０９ マイクロコントローラ
３０３、４０３ コイル（駆動磁石）
４０１ 電源電子装置
４０２ 駆動電子装置
４０５ 電圧測定装置（電子手段）
４０６ 整流器回路
Ｍ 磁気分極（磁化）
Ｔ 温度
Ｔ_Ｃ キュリー温度

Claims (4)

1. ロータの温度を測定する装置であって、該ロータはロータ軸を有し、前記装置は、
   ２つのコイルであって、該コイルのうちの一方と前記ロータ軸との間の距離が、該コイルのうちの他方と前記ロータ軸との間の距離と異なるようにステータに配置された、２つのコイルと、
   前記２つのコイルに電圧を誘導するため、前記ロータと共に回転するための前記ロータに装着された磁石であって、前記ロータの回転により生ずる円軌道上において該磁石が前記２つのコイル間の間隙を通過するように該ロータに配置された、磁石と、
   前記２つのコイルに前記磁石によって誘導された電圧を測定するための電子手段であって、前記電圧を温度に比例した信号に変換する手段を含む、電子手段と、
   を含む装置。
2. 前記温度に比例した信号が電圧である、請求項１記載の装置。
3. 磁石の動作温度が、磁化と温度との関係が線形でかつ可逆である温度範囲内にある、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記円軌道に沿って複数のコイル対が配置された、請求項１記載の装置。

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