空気圧式または電磁式のアクチュエータを備えたバルブでは、バルブディスクがぶつかったり、ブレーキがかかったりすると、必然的に衝撃や振動が発生します。このような外乱は、あらゆる技術的な工夫によって確実に低減できるものではありますが、多くのアプリケーションでは、振動を減衰させるためにかかる労力が大きく、極端な場合、性能パラメータの制限につながることもあります。
このため、VATでは、徐々に電気駆動への移行が進んでいます。このタイプの駆動は、非常に短い閉鎖時間であっても、バルブディスクの閉鎖または開放動作を正確に制御できることが特徴です。半導体チップの製造など、現代のハイテク用途では、低振動に対する要求が高まっており、この技術的解決策は、遮断バルブにおいてもますます注目すべきものとなっています。
そこでVATは、真空制御バルブ用の電動アクチュエータの開発に加え、数年前から真空遮断バルブ用のモーター駆動型バルブシリーズの開発にも取り組んでいます。特に力を入れているのが、アングルバルブのシリーズで、非常に多くのアプリケーションで使用される、多用途でモジュール性が高い設計のバルブです。アングルバルブでは、電動アクチュエータが衝撃や振動の防止に大きなメリットをもたらします。電気駆動のアングルバルブは、機械的な振動防止を追加する必要がないため、振動が避けられないプロセス領域の近くで使用することができ、多くのエリアで真空システムの複雑さが軽減されます。
各アプリケーションに合わせたモーターレイアウト
電動アクチュエータの利点を最大限に生かせるよう、各バルブ用途に応じて、個別のパワートランスミッションとモーターレイアウトを決定します。例えば、超高速サイクルタイム向けバルブの場合、通常の閉鎖サイクルのバルブとは異なるモーターで動かす必要があり、重いゲートが搭載された大型バルブでは、小型バルブとは異なるサイズのモーターが必要です。
VATのお客様は、新開発のバルブを独自にテストし、適用可能な応用分野を検討するのが一般的です。新しい電動アングルバルブ26.4では、現在この「評価段階」が活発に行われています。研究機関や産業界のさまざまな企業がこのシリーズのバルブのテストを行い、新しい性能パラメータが既存のシステムの最適化や、将来のシステム構築にどのような可能性をもたらすかを探っています。
インドにある有名なBARCの大規模研究施設で行われた実地テストでは、VATが新たに開発した26.4（DN25）シリーズのモーター制御式高真空アングルバルブの騒音レベルが、耐衝撃・防振を表す明確な数値である48dB未満に軽減されていることが確認されました。またVATが発表していた300ms以下という閉鎖時間についても、さまざまな負荷試験により、その信頼性が証明されました。新しいアングルバルブはよりスムーズに制御できるだけでなく、非常に素早く閉鎖できると発表していたVATですが、その言葉は大げさではありませんでした。
BARCの主要施設には、ペレトロン超伝導リニア加速器（TIFR）、中性子ビーム研究施設、INDUSシンクロトロンの最先端ビームライン、ラダックのTeV大気チェレンコフ望遠鏡、折りたたまれたタンデムイオン加速器、BARC敷地内にあるPURNIMA高速中性子施設、ムンバイの電子ビームセンターと連携している10 MeV電子加速器があります。こういった複雑な研究設備向けに、BARCはVATなどのサプライヤーと協力し、革新的な検出器、センサー、質量分析計、イメージング技術、真空システムコンポーネントの開発を継続的に行っています。
真空可動部品の低振動化
BARCを始めとするさまざまな場所で使われる真空遮断バルブは、何十年にもわたり、空圧式の開閉機構を持つバルブが好んで使用されてきました。しかし、大規模な研究施設や製造施設の小型化が進み、バルブ開発者はその方向性の見直しを迫られています。なぜなら、空圧式のバルブはバルブディスクを押したり、ブレーキをかけたりする際に衝撃や振動を受けるため、要求事項が高まるにつれ、これらの外乱を抑制したり、システムレイアウトを考慮したりする必要があり、その費用がますます大きくなっているからです。電流が流れる電磁シリンダーのコイルを介してロード/アンロードされるスプリングによってバルブ開度を制御する、同等の電磁式ソリューションにも、同じことが当てはまります。
例えば、現代の半導体メーカーの高精度な生産設備では、粗い動きはもはや選択肢にはなりません。精密な加工が要求される小型の構造物では、生産システムにおける小さな振動も、製造品質に著しい影響を与えてしまうからです。VATカスタマーコンサルタントScientific Vacuum ApplicationsのAndreas Dostmannは、「その結果、性能パラメータを制限することなくよりスムーズな動作が可能で、さらに、できれば制御バルブのように制御可能な動作プロファイルを備えた、真空遮断バルブに対する需要が高まってきていると感じています」と、現状について説明します。
ソフトアクションによる動作制御
そこで、VATは数年前から、電気駆動の真空遮断バルブの開発に取り組んでいます。電気駆動により、可変速のバルブプレートの動作プロファイルを非常に柔軟に生成できるため、振動や衝撃を極めて小さい範囲にとどめることができます。もちろん、VATの 開発者たちは、電動ドライブの「ソフトな」動作特性と引き換えに開閉時間を延ばすのではなく、両方の特性を 1 つのソリューションで両立しようと、常に課題に取り組んでいます。
Andreas Dostmannが満足げに語るように、これは大きな成功を収めました。「新しい電動式遮断バルブシリーズは、閉鎖時間を犠牲にすることなく、バルブを極めて正確に制御できることが特徴です。これにより、空圧式ソリューションで発生する振動の影響をほとんど回避できるのです！」例えば、閉鎖プロセスの終わりに、乗客用エレベーターとほぼ同じ方法で優しくクッションをかけて、ガタガタとした動きを防ぐことができます。このように、バルブの動きによってシステム全体を振動から確実に保護できるのです。
無電流で電気的にバルブを閉じる
その鍵の一つが、ミリ秒単位の加減速が可能な最新の精密電気駆動によって実現する、極めて精細な制御です。しかし、電気駆動だけでは不十分であることを、Andreas Dostmannは指摘します。「慣性力と遠心力を可能な限りコントロールするために、駆動側とバルブ内で動く部品側の両方で、あらゆる技術的な工夫を行っています」。
動作サイクルや動かす質量はシリーズごとに大きく異なるため、VATの開発者たちは、個々のバルブごとに、電気駆動の利点を最も生かせる動力伝達装置とモーターレイアウトを新たに検討しなければなりません。サイクルタイムが速いバルブと遅いバルブ、ストロークが長いバルブと短いバルブ、ディスクが重いバルブと軽いバルブなど、どのようなモーター仕様が必要なのか、慎重に検討を行います。バルブの大きさに関する顧客からの要求があれば、これもアクチュエータの設計に影響します。
電気駆動のアングルバルブも登場
最近この課題を克服し、VATの開発者たちを満足させたシリーズの1つが、26.4シリーズの高真空アングルバルブです。これで、VATのポートフォリオに、電気式のバルブシリーズが加わりました。コイルに電流が流れないと、スプリングがバルブを閉鎖する電磁式と同様、今回開発されたモーター駆動の高真空アングルバルブは、いわゆるノーマルクローズバルブで、モーターに電流が流れなくなると自動的にバルブが閉じるため、停電時もバルブを確実に保護することができます。
アングルバルブは、研究用途や多くの産業用途で補助的な真空バルブとしてよく使用され、それに応じて幅広い用途があります。Andreas Dostmannは、よくある用途例を次のように説明します。「粒子加速器のような大規模な研究施設は大きすぎて、大気圧の全負荷の下では、加速器内の各セクションを隔離するセクターバルブを開放するのは容易ではありません。そこで、あらかじめ真空部分を換気しておく必要があるのですが、まさにこのような場面にVAT高真空アングルバルブが最適なのです。
また、真空チャンバー内の圧力を徐々に下げる、いわゆるソフトポンプ制御でも、このタイプのアングルバルブが使われ、時にはつなげて使用されることもあります」。VATは、このように接続したものを単一のバルブソリューションに組み込んだ製品も提供しています。例えば、29.2シリーズ高真空アングルバルブは、大きなアングルバルブと小さなアングルバルブをバイパスとして組み合わせ、圧力サージパルスのない非常に穏やかな開放を実現しています。
幅広い応用分野
BARCの核燃料サイクルに登場するような最新のレーザーシステムも、この新しい電気駆動式アングルバルブの有望な応用分野です。Andreas Dostmannは次のようにコメントしています。「レーザーは、振動に対して非常に敏感です。通常の空気圧式バルブが引き起こす衝撃は、レーザーには受け入れがたいものです。そこで、電動アクチュエータがそのスムーズな動作の長所を最大限に発揮し、電磁アクチュエータと同様の短い閉鎖時間を実現します」。
テストして製品の良さを確認
もちろん、VATが新しいバルブのバリエーションとしてお客様に提示するすべてのパラメータは、規定の標準条件下で何度も慎重にテストされています。しかし、多くのお客様にとって重要なのは、お客様独自のアプリケーションでパラメータを確認することです。Andreas Dostmannは、次のように説明します。「私たちの主要顧客のほとんどは、新しい部品候補について、アプリケーション品質のテストを行う独自の部門を持っています。部品がテストに合格すれば、通常、お客様は部品を仕入れ、さまざまな部署で使用していただくことができます」。現在、インドにあるBARCの電磁アプリケーション・計装部門に所属する物理学者によって、電動アングルバルブの適切な検証が行われています。
BARCのような大規模な研究施設では、真空度の高いアングルバルブがあちこちで必要となるため、テスト担当者たちが関心を寄せていたのは、電動式バルブが将来的にどの程度システムを効率化できるかという点でした。2 か月のテスト段階で得られた結果により、 VAT が予測したデータが実に正確に実証されました。また、低振動・高速閉鎖を実現するこの26.4HVアングルバルブを将来的に活用できそうなBARC施設も数多く確認できたということです。