JP4982515B2 - ベローズポンプ - Google Patents

Description

本発明は、半導体や液晶の製造設備や装置において使用される純水、薬液の送液手段として好適なベローズポンプに関するものである。

ベローズポンプは、被移送流体の吸込路及び吐出路を備えたポンプボディと、ポンプボディに一端が気密に固定されてポンプボディとの間に密閉空間を形成する状態に配備されるベローズと、ベローズをポンプボディに対して伸縮動すべくベローズの他端に取付けられる作動板とを有して構成されている。このようなベローズポンプの例としては、特許文献１において示される単胴型のものや、特許文献２において示される複胴型（往復動ポンプ）のものが知られている。

容積型ポンプであるベローズポンプにおいては、ベローズの伸張動による吸込とベローズの縮小動による吐出との切り換わりの際に瞬間的に大きな圧力変動（圧力上昇）が生じることが知られている。流体が水等の液体である場合は「ウォータハンマ（水撃）」とも言われる衝撃振動である。この大きな圧力変動により生じる振動が機器や配管に伝播し、パーティクルの発生や各部の破損（例：ポンプに配管を介して接続された石英製タンクの亀裂や割れ）といった不都合を招くおそれがある。

そこで、従来では配管内の流速を遅くして発生する振動を抑える対策や、アキュムレータ等を付設して生じた振動を吸収させることで振動を緩和する対策が採られたりしている。しかしながら、前者の振動抑制手段とは、要はポンプ吐出量を減らすことであるから性能低下を招く不都合があり、後者の振動緩和手段では設置場所の増加やコストアップ等の問題が発生する。

このように、ベローズポンプの構造上から生じる吸込・吐出の切り換わり時に発生する衝撃振動を、性能劣化、設置場所やコストの増大を招くこと無く抑制又は解消させるための対策案としては、さらなる改善の余地が残されているものであった。
特開２００１−１２３９５９号公報 特開２００２−１７４１８０号公報

本発明の目的は、性能低下とか設置場所やコスト増加を招くこと無く或いは少なくしながら、吸込・吐出の切り換わり時に発生する衝撃振動を抑制又は解消可能となるように、より改善されたベローズポンプを開発して提供する点にある。

請求項１に係る発明は、被移送流体の吸込路１２及び吐出路１３を備えたポンプボディ１と、前記ポンプボディ１に一端２ａが気密に固定されて前記ポンプボディ１との間に密閉空間１１を形成する状態に配備されるベローズ２と、前記ベローズ２を前記ポンプボディ１に対して伸縮動すべく前記ベローズ２の他端２ｃに取付けられる作動板１５と、を有して成るベローズポンプにおいて、
フッ素樹脂製の前記ベローズ２の他端２ｃと前記作動板１５との間に気密状の空間部１９が形成されるとともに、前記空間部１９の伸縮が可能となるように前記他端２ｃにおける前記空間部１９に面する臨空部分２０が弾性変形可能に構成されていることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のベローズポンプにおいて、前記他端２ｃが、その中心部が前記作動板側に開放されるように凹入されて略有底筒状を呈する板状部に形成され、前記他端２ｃにおける前記作動板１５又は環状先端面１７に配するシール手段１８により、前記他端２ｃにおける凹入部分が前記空間部１９に構成されていることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載のベローズポンプにおいて、前記ベローズ２が前記ポンプボディ１の両端部のそれぞれに気密に固定されるとともに、それら対向配備される一対の前記ベローズ２，２が背反的に伸縮動するように、前記各ベローズ２のそれぞれに取付けられる前記作動板１５が、前記各ベローズ２の外側に配される連結棒２２で連結されて成る往復動ポンプに構成されていることを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載のベローズポンプにおいて、前記ベローズ２がＰＴＦＥ製であることを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、詳しくは実施形態の項にて述べるが、ベローズの他端と作動板との間に形成される気密状空間部の伸縮が可能となるように、ベローズ他端における空間部に面する臨空部分が弾性変形可能である。故に、流体の急停止により発生する圧力上昇に伴う振動の伝播（水撃現象）が、圧力上昇発生に同期する臨空部分の弾性変形により、ベローズの内部容積が増加して圧力上昇を吸収し、振動を低減することができる。これにより、他の機器への振動伝播が低減又は回避され、機器の破損やパーティクルの発生等の不都合を抑制又は解消することが可能になる。しかも、流体速度を遅くする必要がなく、本来のポンプ性能を十分に発揮でき、かつ、他の緩衝機器も不要である。その結果、性能低下とか設置場所やコスト増加を招くこと無く或いは少なくしながら、吸込・吐出の切り換わり時に発生する衝撃振動を抑制又は解消可能となるように、より改善されたベローズポンプを提供することができる。さらに、ベローズがフッ素樹脂製であり、清潔性が要求される半導体洗浄工程や、高い耐浸食性が要求される薬液供給ライン等に好適となるベローズポンプとすることができる。

請求項２の発明によれば、厚肉板状のベローズ他端に凹入部分を設けて作動板との間に空間部が形成されているから、ベローズの変更のみで済み、他の一切の変更が不要である合理的で経済的な手段で請求項１の発明による前記効果が得られる利点がある。また、ベローズの交換によって現行機種への適用も可能となる良さもある。

請求項３の発明によれば、大容量ポンプに好適な構造であり、振動も大きくなり易い往復動ポンプにおける衝撃振動を有効に抑制又は解消でき、実用上の利点が大なるベローズポンプを提供することができる。

請求項４の発明によれば、フッ素樹脂としてＰＴＦＥを採用するものであり、次のような効果がある。即ち、ＰＴＦＥ（四フッ化エチレン樹脂）は、汎用のフッ素樹脂であって比較的入手し易い材料でありながら、広い使用温度範囲、耐薬品性、電気絶縁性、低摩擦性、非粘着性、耐候性、難燃性等の優れた特性を有しており、ベローズポンプにより好適な材料である。

以下に、本発明によるベローズポンプの実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は実施例１による複胴型ベローズポンプの断面図、図２は衝撃緩衝手段の部分図、図３は実施例２による単胴型ベローズポンプの断面図、図４は衝撃緩衝手段の別構造を示す要部の断面図、図５は本発明ポンプの水撃による「時間−衝撃圧グラフ」、図６は従来ポンプの水撃による「時間−衝撃圧グラフ」である。

〔実施例１〕
実施例１によるベローズポンプＡは、図１，図２に示すように、一対のベローズを背中合わせ状態で合体させたような構造、即ち複胴型のものであり、単位時間当たりの吐出量を大きく取れる大容量ポンプである。ベローズポンプＡは、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ等）製で左右中央のポンプボディ１、ポンプボディ１の左右（両端）に配されるフッ素樹脂（ＰＴＦＥ等）製で互いに共通の軸心（ポンプ軸心）Ｐを持つ一対のベローズ２，２、一対のエアシリンダ３，３、ポンプボディ１の左右に連設されるステンレス材（ＳＵＳ３０４）等で成る一対の中間ケース４，４、各中間ケース４の左右外側に連設されるステンレス材（ＳＵＳ３０４）等で成る一対の端部ケース５，５、各一対の吸入用逆止弁６，６と吐出用逆止弁７，７、一対の近接センサ８，８等を有して構成されている。

ここで簡単にポンピング作用について説明すると、各端部ケース５，５の軸心Ｐ上に設けられるエア給排口ａ，ａに対して図示しないエア給排装置から背反的にエアを出し入れさせて、一対のエアシリンダ３，３を背反的に伸縮作動させ、ポンプボディ１側方に配備されている流体吸入部ｒｉから吸入される薬液等の流体を、その上側に配備されている流体吐出部ｒｏから略連続的に吐出することができる、というものである。つまり、一対のベローズ２，２が背反的に伸縮動（伸縮駆動）される構造であって、一方のベローズ２が流体吐出動作する間、他方のベローズ２は流体吸入動作することになり、往復動する構造でありながら連続的に流体吐出できるようになっている。

次に、各部の構造について説明する。図１に示すように、ポンプボディ１は、その左右両側の中心部分が外方突出する扁平な略円柱状に形成されている。ポンプボディ１の左右それぞれの外周側部分に形成されている段付凹入環溝１Ａにはベローズ２の厚肉フランジ（一端の一例）２ａが嵌入されており、ポンプボディ１と中間ケース４との間で挟持される基端側円環板９を介して抜止め状に保持されている。ポンプボディ１の左右それぞれの中心側に形成されている一対の円形穴（符記省略）には、吸入用弁ケース６Ａ及び吐出用弁ケース７Ａが嵌入保持されており、各々の弁ケース６Ａ，７Ａには弁体６Ｂ，７Ｂ及びこれらを弁座６ａ，７ａに押圧付勢するためのコイルばね１０が内装されている。

ベローズ２の内部空間であるポンプ室（密閉空間の一例）１１に突出する状態で設けられる各弁ケース６Ａ，７Ａの先端部には流体通過用の円孔６ｂ，７ｂが形成されている。ポンプボディ１には、一対の吸入用逆止弁６，６と流体吸入部ｒｉとを連通させる吸入路１２、及び一対の吐出用逆止弁７，７と流体吸入部ｒｉとを連通させる吐出路１３が形成されている。図１においては、その右側に位置するベローズ２は最も伸張した上死点にあり、かつ、今正に縮小移動しようとする状態に描かれ、左側に位置するベローズ２は最も縮小した下死点にあり、かつ、今正に伸張移動しようとする状態に描かれている。従って、図１右側の吐出用逆止弁７及び左側の吸入用逆止弁６は開き、図１左側の吐出用逆止弁７及び右側の吸入用逆止弁６は閉じている状態として描いてある。

ベローズ２は、図１，図２に示すように、前述した厚肉フランジ２ａ、蛇腹部２ｂ、及び略厚肉円板状のヘッド部（「他端」並びに「板状部」の一例）２ｃとを有して成り、ヘッド部２ｃには作動板１５が一体的に取付けられている。即ち、ヘッド部２ｃは、作動板１５に形成されている中心円穴１５ａに内嵌されるとともに、そのポンプボディ側に配置されてヘッド部２ｃの外周部に面する先端側円環板１４で抜止めされることにより、作動板１５にこれと一体的に移動するように連結されている。尚、先端側円環板１４は複数のボルト１６により作動板１５に連結されている。

ヘッド部２ｃは、その中心部が作動板１５側に開放されるように凹入されて略有底筒状を呈する板状部に形成されており、作動板１５に接する環状先端面１７にＯリング（シール手段の一例）１８を配することにより、ヘッド部２ｃにおける凹入部分が空間部１９として構成されている。尚、ヘッド部２ｃがゴム等の弾性を有する材料から成る構造では、単に環状先端面１７を作動板１５に圧接させるだけでシールされるのであり、この場合には環状先端面１７自体がシール手段となる。大径穴である空間部１９の存在によりヘッド部２ｃはその外周部を除いて厚さの薄い薄肉部（臨空部分の一例）２０に形成されており、ベローズ２がフッ素樹脂製、好ましくはＰＴＦＥであることからその薄肉部２０は弾性的に膜移動可能となっている。尚、ベローズ２は、塑性変形可能で弾性変形可能な材料から形成されても良い。

つまり、ベローズ２のヘッド部２ｃと作動板１５との間に気密状の空間部１９が形成されるとともに、空間部１９の伸縮（伸張及び縮小）が可能となるようにヘッド部２ｃにおける空間部１９に面する薄肉部２０が弾性変形可能に構成されている。そして、ヘッド部２ｃが、その中心部が作動板１５側に開放されるように凹入されて略有底筒状を呈する板状部に形成され、ヘッド部２ｃにおける作動板１５に接する環状先端面１７にシール手段であるＯリング１８を配することにより、ヘッド部２ｃにおける空間部１９に構成されているのである。そして、この空間部１９の存在により、流体の吸入・吐出（又は吐出・吸入）の切り換わり時に生じる衝撃振動（ウォータハンマー：水撃）を抑制緩和する衝撃緩衝手段（振動緩和手段）Ｂが構成されている。

ベローズ２は、フッ素樹脂、好ましくはＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）製のものであって、ブロー成形ではなく、ＰＴＦＥ製の円筒部材をステッキバイトやナイフ等を用いて旋盤で切削加工することにより形成されたものである。このベローズ２の形状は、図１，図２に示すように、厚肉フランジ２ａとヘッド部２ｃとの間に位置する蛇腹部２ｂにおいて、山部３２と谷部３３とが交互に設けられた蛇腹状のものであり、山部３２と谷部３３との間には、円板状の側面部３４が連設されている。

山部３２の頂部と谷部３３の最深部における肉厚、つまり山部３２と谷部３３のベローズ径方向における最小肉厚は、側面部３４のベローズ軸方向における肉厚と同等に設定されているが、それ以上となるように設定されれば好ましい。山部３２の内周面（ベローズ２の内面）と谷部３３の外周面（ベローズ２の外面）とは、鋭角部分が生じないように所定の角Ｒ又は半径Ｒを有する湾曲面で構成されればさらに好ましい。これにより、ベローズ２が軸方向に伸長するときに、側面部３４が積極的に撓み、その撓みのために山部３２と谷部３３のそれぞれの最小肉厚部分或いはその付近において、主として湾曲内面側に発生する応力が分散されて応力集中が緩和される。

特に、山部３２と谷部３３のそれぞれの最小肉厚と側面部３４の肉厚との比率は、１．２〜２．５の範囲に設定するのが好ましい。これにより、山部３２や谷部３３の肉厚を徒らに大きくしなくても、その部分における応力集中を有効に緩和することができる。たとえば、山部３や谷部３３の最小肉厚を１.４mm、側面部３４の肉厚を３.０mmとすれば、前記比率は約２．１となり適切な肉厚の範囲に設定される。また、前記比率が１．２未満であると応力緩和が不十分となることあり、２．５を上回るとベローズが径大化してコンパクト化に反することある。

左右の作動板１５，１５は、各中間ケース４，４の挿通孔４ａ，４ａに遊内嵌され、かつ、基端側円環板９に移動可能に挿通され、かつ、ポンプボディ１に内嵌されるシール軸受け２１に液密な状態で挿通される連結棒２２の両端に螺着固定されており、その連結棒２２は、軸心Ｐ周りの均等角度毎に複数（例：４本）設けられている。シール軸受け２１は、段付凹入環溝１Ａに形成される貫通孔１ａに圧入又は内嵌されて内外のＯリング２３，２４が装備されている。このように左右の作動板１５，１５は連結棒２２で一体的に軸心Ｐ方向に動く構成とされており、一対のベローズ２，２の背反的な伸縮動が確実に行えるものとなっている。

次に、衝撃緩衝手段Ｂの作用や効果について説明する。一般に、ベローズポンプに内装されている流体吸入用逆止弁や流体吐出用逆止弁が切換る際、或いは配管系に存在する開閉弁、ストップ弁、チェック弁等の各種弁が切換えられる際には、弁体が弁座に当接（又は離れ移動）することによって流体の急激な加減速による急激な圧力上昇が生じ、それによって配管系に衝撃的な振動が発生する不都合がある。本発明によるベローズポンプＡでは、作動板１５を利用してヘッド部２ｃに設けられる衝撃緩衝手段Ｂにより、その衝撃振動の発生が緩和又は解消されるようなる利点がある。

水撃（ウォータハンマー）についてより詳細に説明すると次のようである。一方のベローズが伸張してベローズポンプ内に設けられている流体吸入用逆止弁から流体がベローズ内に流入する場合、ベローズの伸張動が止まっても慣性により流体吸入用逆止弁からは尚も流体がベローズ内に流入しようとするため、ベローズ内の圧力が一時的に急激に上昇する。すると、流体吸入用逆止弁が急閉弁（急遮断）され、その際、流体吸入路からベローズ内に流入しようとする流体が急激に遮断され、それによって水撃が生じる。水撃による衝撃や振動が配管などを伝播し、石英管製のタンクなどにひび割れなどの損傷を生じさせる原因になる。基本的に、逆止弁が急閉弁されることによって水撃が生じる為、急閉弁の原因となるベローズ内の急激な圧力上昇を吸収し、急閉弁が起こらないようにすれば水撃の発生を防止することができる。そのための手段例として、例えば、ベローズの伸縮移動速度（ストロークスピード）を遅くして急閉弁を防止させることが考えられるが、そうすると流量が確保できなくなり、結果として実現は困難である。本発明のように、ヘッド部２ｃに薄肉部２０を設ける手段では、薄肉部２０の弾性変形によりベローズ内の急激な圧力上昇が吸収されて水撃が回避又は軽減されるとともに、ベローズの伸縮移動速度を落とす必要がなく所定の流量も確保できる、という優れものが実現できている。

即ち、大きな圧力上昇があると、図２に仮想線で示すように、空間部１９がエアバッグとなってその容積が縮小する方向に薄肉部２０が弾性変形し、ベローズ内の圧力上昇を一瞬にして打ち消す或いは大幅に低減させるように衝撃緩衝手段Ｂが作用するのである。尚、薄肉部２０は、ポンプの吐出圧力に対しては実質的に撓み変形しないように十分な強度がある設計（正確には、撓みは極僅かに発生するが、永久ひずみは生じないような厚み）とされている。従来のヘッド部は、空間部１９の無い単なる厚肉板状であり、その肉厚を削ぐことによって作動板１５との間に空間部１９を設けて衝撃緩衝手段Ｂとしてあるから、新たな部品の追加や改造、並びに専用の設置スペースが全く不要となる経済的で合理的な対策案に成功している。また、ベローズ２の交換することにより、現行機種への適用も可能であり、汎用性にも富む優れものである。

つまり、流体（運動エネルギ）の急停止により発生する圧力上昇に伴う振動の伝播、いわゆる水撃現象が、圧力上昇発生に同期する薄肉部２０の弾性変形によりベローズ内部容積が増加することで、圧力上昇を吸収して振動を低減することができる。これにより、他の機器への振動伝播が低減（又は回避）され、機器の破損やパーティクルの発生等の不都合を抑制（又は解消）することが可能である。また、流体速度を遅くする必要がないので、本来のポンプ性能を十分に発揮でき、かつ、他の緩衝機器も不要であり、フットプリントやコストの低減効果も期待できる。

参考として、本発明によるベローズポンプと従来のベローズポンプとのそれぞれにおける水撃の試験データを図５と図６に示す。図６に示される従来ポンプにおける「時間−衝撃圧グラフ」（時間の経過と、それに伴う水撃の強さ、即ち衝撃圧との関係グラフ）から、衝撃圧の絶対値（平均）はおよそ０．２５Mｐa程度であることが分かる。これに対して、図５に示される本発明ポンプにおける「時間−衝撃圧グラフ」から、衝撃圧の絶対値（平均）はおよそ０．０７５Mｐa程度であり、従来の３０％でしかないことが理解できる。つまり、本発明の採用により、水撃圧が従来に比べて７０％減少するという大変大きな効果が得られている。

〔実施例２〕
実施例２によるベローズポンプＡは、図３に示すように、ベローズ２がポンプボディ１の片側にのみ装備される単胴型のポンプに適用された例である。この単胴型ベローズポンプＡは、一端にベローズ２が配備されるポンプボディ１の他端に脈動低減機構２５が設けられ、また作動板１５には、ベローズ２を伸縮動させるために作動板１５に固定されるポンプ軸２６や、そのポンプ軸２６と一対の近接センサ８，８とを用いての位置検出機構２７等が装備されている。この実施例２のベローズポンプＡにおける衝撃緩衝手段Ｂ自体は実施例１のベローズポンプＡのものと同じである。

図３において、２８はポンプボディ１に取付けられるポンプケーシング、２９はポンプ軸２６に移動フランジ３０を介して一体移動状態に取付けられるセンシング片である。ヘッド部２ｃは、これを貫通するボルト１６によって先端側円環板１４と作動板１５とで挟持されており、その構成によって作動板１５と一体的に移動する構造とされている。尚、実施例１のポンプと同じ機能を有する箇所には同じ符号を付し、その説明が為されたものとする。

〔第１別実施例〕
衝撃緩衝手段Ｂとしては、図４に示すように、薄肉部２０から作動板１５に届く帯状のリブ３１を設ける等により、作動板に面する空間部１９が複数箇所形成されるヘッド部２ｃを有する構造のものでも良い。例えば、図１，２に示す円柱状空間部を軸心Ｐを通って径方向に横切る１筋のものとすれば、軸心方向視で半円形の空間部１９が２箇所でき、互いに交差する２筋のリブとすれは軸心方向視で四分の一円形の空間部１９が４箇所できる。これにより、空間部１９のエアバッグとしてのバネ定数を変更設定することが可能である。また、図示は省略するが、厚肉の作動板１５に形成される凹入部で成る空間部１９を有する衝撃緩衝手段Ｂも可能である。

〔第２別実施例〕
これも図示は省略するが、衝撃緩衝手段Ｂとしては、ベローズ２の内部に弾性縮小変形のみ可能な球状体を配備しておく構成でも良い。例えば、外側が金網で覆われた空気入りゴムボール等であり、水撃等の大きな圧力上昇時にはゴムボールが縮小して圧力を吸収緩和するのである。負圧が作用しても金網で規定されている大きさ以上には膨張しないので好都合である。

複胴型ベローズポンプの構造を示す断面図（実施例１） 衝撃干渉手段の構造を示す要部の断面図 単胴型ベローズポンプの構造を示す断面図（実施例２） 衝撃緩衝手段の別構造を示す要部の原理図 本発明ポンプの水撃による時間と衝撃圧との関係グラフを示す図 従来ポンプの水撃による時間と衝撃圧との関係グラフを示す図

１ ポンプボディ
２ ベローズ
２ａ 一端
２ｃ 他端
１２ 吸込路
１３ 吐出路
１５ 作動板
１７ 環状先端面
１８ シール手段
１９ 空間部
２０ 臨空部分
２２ 連結棒

Claims (4)

1. 被移送流体の吸込路及び吐出路を備えたポンプボディと、前記ポンプボディに一端が気密に固定されて前記ポンプボディとの間に密閉空間を形成する状態に配備されるベローズと、前記ベローズを前記ポンプボディに対して伸縮動すべく前記ベローズの他端に取付けられる作動板と、を有して成るベローズポンプであって、
   フッ素樹脂製の前記ベローズの他端と前記作動板との間に気密状の空間部が形成されるとともに、前記空間部の伸縮が可能となるように前記他端における前記空間部に面する臨空部分が弾性変形可能に構成されているベローズポンプ。
2. 前記他端が、その中心部が前記作動板側に開放されるように凹入されて略有底筒状を呈する板状部に形成され、前記他端における前記作動板又は環状先端面に配するシール手段により、前記他端における凹入部分が前記空間部に構成されている請求項１に記載のベローズポンプ。
3. 前記ベローズが前記ポンプボディの両端部のそれぞれに気密に固定されるとともに、それら対向配備される一対の前記ベローズが背反的に伸縮動するように、前記各ベローズのそれぞれに取付けられる前記作動板が、前記各ベローズの外側に配される連結棒で連結されて成る往復動ポンプに構成されている請求項１又は２に記載のベローズポンプ。
4. 前記ベローズがＰＴＦＥ製である請求項１〜３の何れか一項に記載のベローズポンプ。

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