JP6371207B2

JP6371207B2 - ベローズポンプ装置

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Publication number: JP6371207B2
Application number: JP2014246756A
Authority: JP
Inventors: 篤中野; 山崎　健司; 健司山崎; 宮本　正樹; 正樹宮本
Original assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Current assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Priority date: 2014-12-05
Filing date: 2014-12-05
Publication date: 2018-08-08
Anticipated expiration: 2034-12-05
Also published as: JP2016109022A

Description

本発明は、ベローズポンプ装置に関する。

半導体製造や化学工業等において、薬液や溶剤等の移送流体を送給させるためのポンプとして、ベローズポンプが使用される場合がある。
このベローズポンプは、例えば、特許文献１に記載されているように、ポンプヘッドの左右方向（水平方向）の両側にポンプケースを連結して２つの空気室を形成し、各空気室の内部にそれぞれ左右方向に伸縮可能な一対のベローズを設け、各空気室に交互に加圧空気を供給することによって各ベローズを収縮又は伸長させるように構成されている。

一対のベローズのうち一方のベローズが収縮することでその内部の移送流体が吐出され、これと同時に他方のベローズが伸長することでその内部に移送流体が吸い込まれる。また、前記他方のベローズが収縮することでその内部の移送流体が吐出され、これと同時に前記一方のベローズが伸長することでその内部に移送流体が吸い込まれる。
ベローズポンプには、各ポンプケース内の空気室に供給する加圧空気を適正な空気圧に調整するための機械式レギュレータが接続されている。

特開２０１２−２１１５１２号公報

上記構成のベローズポンプでは、ベローズの外側に形成された空気室に加圧空気を供給してベローズを収縮させるとき、その収縮が進むに従ってベローズを収縮させるのに必要な応力が増加するため、空気室に供給する加圧空気の空気圧を上昇させる必要がある。しかし、加圧空気の空気圧を調整する機械式レギュレータは、空気室の空気圧を上昇させるために一時的にバルブを開ける制御を行うことができない。このため、図１５に示すように、各ベローズが収縮している間に、移送流体の吐出圧力が徐々に落ち込む現象（図中の破線で囲んだ部分）が発生し、これが脈動の原因となっていた。

そこで、本出願人は、機械式レギュレータの替わりに電空レギュレータを用いたベローズポンプ装置を提案している（特願２０１４−１６２１２５。以下、「先願発明」という）。
この先願発明は、ベローズの収縮動作時において、空気室に供給される加圧空気の空気圧を、電空レギュレータによりベローズの収縮特性に対応して上昇させるように調整することで、ベローズが収縮するに従って空気室における加圧空気の空気圧を上昇させることができ、ベローズが収縮している間に移送流体の吐出圧力が落ち込むのを低減することができる。

しかし、先願発明のベローズポンプ装置にあっては、電空レギュレータは加圧空気の空気圧を常に一定の圧力増加係数とした出力サイクルで加圧空気を出力するため、以下のような問題が生じる恐れがある。
すなわち、先願発明のベローズポンプ装置により、例えば高温の移送流体と低温の移送流体とをこの順に送給する場合、高温の移送流体の送給から低温の移送流体の送給に切り替わると、ベローズ内に吸い込まれる移送流体の温度が低くなることで、ベローズが硬くなる場合がある。このような変化が生じた場合、ベローズは収縮し難くなるが、電空レギュレータはベローズの硬さに関係なく空気圧を一定の圧力増加係数とした出力サイクルで加圧空気を出力するため、移送流体の吐出圧力が低下し、その吐出圧力を一定にすることができなくなる。

移送流体の吐出圧力を一定にすることができなくなると、ベローズポンプ装置の脈動が大きくなり、移送流体の送給配管の途中に設置されたフィルタから異物が流出したり、ノズル先端から噴出される移送流体の脈動によりウエハ上のパターンが倒壊したりするなど、半導体製造プロセスに悪影響を及ぼす恐れがある。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ベローズの収縮動作時において移送流体に温度変化が生じても、移送流体の吐出圧力の変化を抑制することができるベローズポンプ装置を提供することを目的とする。

本発明のベローズポンプ装置は、密閉された空気室に加圧空気を供給することで前記空気室内に配置されたベローズを収縮動作させて移送流体を吐出するとともに、前記空気室から加圧空気を排出することで前記ベローズを伸長動作させて移送流体を吸入するベローズポンプ装置であって、前記ベローズの収縮動作時において、前記空気室に供給する加圧空気の空気圧を、前記ベローズの収縮特性に対応して上昇させるように調整する電空レギュレータと、移送流体の温度を検出する温度検出部と、前記温度検出部の検出値が低くなるほど、前記空気圧を上昇させるときの圧力増加係数が大きくなるように前記電空レギュレータを制御する制御部と、を備えていることを特徴とする。

上記のように構成されたベローズポンプ装置によれば、制御部は、温度検出部で検出された移送流体の温度が低くなるほど、ベローズの収縮動作時に空気室に供給される加圧空気の空気圧の圧力増加係数が大きくなるように電空レギュレータを制御する。これにより、例えば、移送流体の温度が低下してベローズが硬くなっても、空気室に供給される加圧空気の空気圧の圧力増加係数が大きくなることで、移送流体の温度低下前の空気圧よりも高い空気圧でベローズを収縮させることができる。したがって、移送流体の温度変化によりベローズの硬さが変化しても、ベローズが収縮している間に移送流体の吐出圧力が変化するのを抑制することができる。

前記制御部は、前記温度検出部の検出値に基づいて、前記空気圧の最大値が前記ベローズの許容耐圧を超えないように、前記空気圧の圧力増加係数を設定するのが好ましい。
この場合、空気室に供給される加圧空気の空気圧の圧力増加係数が大きくなっても、その空気圧の最大値がベローズの許容耐圧を超えることはないので、空気圧の上昇によってベローズが変形したり破損したりするのを防止することができる。

前記制御部は、複数の温度領域それぞれに対応して前記圧力増加係数が設定されたルックアップテーブルを有し、前記ルックアップテーブルに基づいて前記電空レギュレータを制御するのが好ましい。
この場合、ルックアップテーブルに基づいて電空レギュレータを容易に制御することができる。

本発明のベローズポンプ装置によれば、ベローズの収縮動作時において移送流体に温度変化が生じても、移送流体の吐出圧力の変化を抑制することができる。

本発明の実施形態に係るベローズポンプ装置を備えた流体送給システムの構成を示す模式図である。ベローズポンプ装置の概略構成図である。ベローズポンプの断面図である。ベローズポンプの動作を示す説明図である。ベローズポンプの動作を示す説明図である。電空レギュレータの空気圧の調整の一例を示すグラフである。制御部が有するルックアップテーブルの一例である。複数の温度領域それぞれに対応して制御部により制御される電空レギュレータの空気圧の変化を示すグラフである。移送流体の温度とベローズの許容耐圧との関係を示すグラフである。比較例１に係る電空レギュレータの制御によりベローズポンプから吐出される移送流体の吐出圧力の変化を示すグラフである。実施例１に係る電空レギュレータの制御によりベローズポンプから吐出される移送流体の吐出圧力の変化を示すグラフである。比較例２に係る電空レギュレータの制御によりベローズポンプから吐出される移送流体の吐出圧力の変化を示すグラフである。実施例２に係る電空レギュレータの制御によりベローズポンプから吐出される移送流体の吐出圧力の変化を示すグラフである。実施例３に係る電空レギュレータの制御によりベローズポンプから吐出される移送流体の吐出圧力の変化を示すグラフである。従来のベローズポンプから吐出される移送流体の吐出圧力を示すグラフである。

次に、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
［システムの全体構成］
図１は、本発明の実施形態に係るベローズポンプ装置を備えた流体送給システムの構成を示す模式図である。流体送給システムは、例えば半導体製造装置において薬液や溶剤等の移送流体を一定量送給するものである。この流体送給システムは、移送流体を溜めるタンク７０と、タンク７０に溜めた移送流体を外部に送給してタンク７０に戻す循環路７１と、この循環路７１の途中部から分岐して移送流体を図示しないウエハに供給する複数の供給路７２と、タンク７０から移送流体を送給するベローズポンプ装置１とを備えている。

循環路７１には、ベローズポンプ装置１の下流側にフィルタ７３が設けられている。また、循環路７１には、供給路７２との分岐点よりも下流側に、循環路７１を開閉するための開閉バルブ７４が設けられている。
供給路７２には、移送流体を噴出する複数のノズル７５が設けられている。

流体送給システムは、タンク７０内の移送流体の温度を検出する温度センサ７６と、循環路７１の途中部に配置された複数（図例では２個）のヒータ７７とをさらに備えている。
ヒータ７７は、温度センサ７６により検出された移送流体の温度に基づいて、循環路７１内の移送流体を加熱するものである。これにより、循環路７１から供給路７２を経てノズル７５から噴出される移送流体の温度を適温に維持することができる。
なお、温度センサ７６は、タンク７０に設けられているが、循環路７１の途中部や供給路７２の途中部に設けられていても良い。

［ベローズポンプ装置の構成］
図２は、ベローズポンプ装置１の概略構成図である。本実施形態のベローズポンプ装置１は、ベローズポンプ１０と、当該ベローズポンプ１０に加圧空気（作動流体）を供給するエアコンプレッサ等の空気供給装置２と、前記加圧空気の空気圧を調整する機械式レギュレータ３及び２個の第１及び第２電空レギュレータ５１，５２と、２個の第１及び第２電磁弁４，５と、ベローズポンプ１０の駆動を制御する制御部６と、移送流体の温度を検出する温度検出部７とを備えている。

図３は、本発明の実施形態に係るベローズポンプの断面図である。
本実施形態のベローズポンプ１０は、ポンプヘッド１１と、このポンプヘッド１１の左右方向（水平方向）の両側に取り付けられる一対のポンプケース１２と、各ポンプケース１２の内部において、ポンプヘッド１１の左右方向の側面に取り付けられる２個の第１及び第２ベローズ１３，１４と、各ベローズ１３，１４の内部において、ポンプヘッド１１の左右方向の側面に取り付けられる４個のチェックバルブ１５，１６と、を備えている。

［ベローズの構成］
第１及び第２ベローズ１３，１４は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）やＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）等のフッ素樹脂により有底筒形状に形成され、その開放端部に一体形成されたフランジ部１３ａ，１４ａはポンプヘッド１１の側面に気密状に押圧固定されている。第１及び第２ベローズ１３，１４の各周壁は蛇腹形状に形成され、互いに独立して水平方向に伸縮可能に構成されている。具体的には、第１及び第２ベローズ１３，１４は、後述する作動板１９の外面がポンプケース１２の底壁部１２ａの内方側面に当接する最伸長状態と、後述するピストン体２３の内方側面がポンプケース１２の底壁部１２ａの外方側面に当接する最収縮状態との間で伸縮するようになっている。
第１及び第２ベローズ１３，１４の底部の外面には、ボルト１７及びナット１８により作動板１９が連結部材２０の一端部とともに固定されている。

［ポンプケースの構成］
ポンプケース１２は、有底円筒状に形成されており、その開口周縁部は、対応するベローズ１３（１４）のフランジ部１３ａ（１４ａ）に気密状に押圧固定されている。これにより、ポンプケース１２の内部には、気密状態が保持された吐出側空気室２１が形成されている。
ポンプケース１２には吸排気ポート２２がそれぞれ設けられており、吸排気ポート２２は、電磁弁４（５）、電空レギュレータ５１（５２）及び機械式レギュレータ３を介して空気供給装置２に接続されている（図２参照）。これにより、空気供給装置２から機械式レギュレータ３、電空レギュレータ５１（５２）及び電磁弁４（５）及び吸排気ポート２２を介して吐出側空気室２１の内部に加圧空気を供給することで、ベローズ１３（１４）が収縮するようになっている。

また、各ポンプケース１２の底壁部１２ａには、前記連結部材２０が水平方向に摺動可能に支持されており、この連結部材２０の他端部にはピストン体２３がナット２４により固定されている。ピストン体２３は、前記底壁部１２ａの外方側面に一体に設けられた円筒状のシリンダ体２５の内周面に対して、気密状態を保持しながら水平方向へ摺動可能に支持されている。これにより、前記底壁部１２ａ、シリンダ体２５、及びピストン体２３とによって囲まれた空間は、気密状態が保持された吸込側空気室２６とされている。

前記シリンダ体２５には吸込側空気室２６に連通する吸排気口２５ａが形成されており、この吸排気口２５ａは、前記電磁弁４（５）、電空レギュレータ５１（５２）及び機械式レギュレータ３を介して空気供給装置２に接続されている（図２参照）。これにより、空気供給装置２から機械式レギュレータ３、電空レギュレータ５１（５２）及び電磁弁４（５）及び吸排気口２５ａを介して吸込側空気室２６の内部に加圧空気を供給することで、ベローズ１３（１４）が伸長するようになっている。
各ポンプケース１２の底壁部１２ａの下方には、移送流体の吐出側空気室２１への漏洩を検知するための漏洩センサ４０が取り付けられている。

以上の構成により、図３左側の吐出側空気室２１が形成されたポンプケース１２と、図３左側の吸込側空気室２６を形成するピストン体２３及びシリンダ体２５とにより、第１ベローズ１３を最伸長状態と最収縮状態との間で連続して伸縮動作させる第１エアシリンダ部（第１駆動装置）２７が構成されている。
また、図３右側の吐出側空気室２１が形成されたポンプケース１２と、図３右側の吸込側空気室２６が形成されたピストン体２３及びシリンダ体２５とにより、第２ベローズ１４を最伸長状態と最収縮状態との間で連続して伸縮動作させる第２エアシリンダ部（第２駆動装置）２８が構成されている。

第１エアシリンダ部２７のシリンダ体２５には、一対の近接センサ２９Ａ，２９Ｂが取り付けられ、ピストン体２３には各近接センサ２９Ａ，２９Ｂにより検知される被検知板３０が取り付けられている。被検知板３０は、ピストン体２３とともに往復動することで、近接センサ２９Ａ，２９Ｂに交互に近接することにより検知される。

近接センサ２９Ａは、第１ベローズ１３の最収縮状態を検知する第１最収縮検知部であり、第１ベローズ１３が最収縮状態のときに被検知板３０を検知する位置に配置されている。近接センサ２９Ｂは、第１ベローズ１３の最伸長状態を検知する第１最伸長検知部であり、第１ベローズ１３が最伸長状態のときに被検知板３０を検知する位置に配置されている。各近接センサ２９Ａ，２９Ｂの検知信号は制御部６に送信される。本実施形態では、上記一対の近接センサ２９Ａ，２９Ｂにより、第１ベローズ１３の伸縮状態を検知する第１検知手段２９が構成されている。

同様に、第２エアシリンダ部２８のシリンダ体２５には、一対の近接センサ３１Ａ，３１Ｂが取り付けられ、ピストン体２３には各近接センサ３１Ａ，３１Ｂより検知される被検知板３２が取り付けられている。被検知板３２は、ピストン体２３とともに往復動することで、近接センサ３１Ａ，３１Ｂに交互に近接することにより検知される。

近接センサ３１Ａは、第２ベローズ１４の最収縮状態を検知する第２最収縮検知部であり、第２ベローズ１４が最収縮状態のときに被検知板３２を検知する位置に配置されている。近接センサ３１Ｂは、第２ベローズ１４の最伸長状態を検知する第２最伸長検知部であり、第２ベローズ１４が最伸長状態のときに被検知板３２を検知する位置に配置されている。各近接センサ３１Ａ，３１Ｂの検知信号は制御部６に送信される。本実施形態では、一対の近接センサ３１Ａ，３１Ｂにより、第２ベローズ１４の伸縮状態を検知する第２検知手段３１が構成されている。

空気供給装置２によって生成された加圧空気は、第１検知手段２９の一対の近接センサ２９Ａ，２９Ｂが被検知板３０を交互に検知することで、第１エアシリンダ部２７の吸込側空気室２６と吐出側空気室２１とに交互に供給される。これにより、第１ベローズ１３は連続して伸縮動作する。

また、前記加圧空気は、第２検知手段３１の一対の近接センサ３１Ａ，３１Ｂが被検知板３２を交互に検知することで、第２エアシリンダ部２８の吸込側空気室２６と吐出側空気室２１とに交互に供給される。これにより、第２ベローズ１４は連続して伸縮動作する。その際、第２ベローズ１４の伸長動作は主に第１ベローズ１３の収縮動作時に行われ、第２ベローズ１４の収縮動作は主に第１ベローズ１３の伸長動作時に行われる。このように、第１ベローズ１３及び第２ベローズ１４は、交互に伸縮動作を繰り返すことで、各ベローズ１３，１４の内部への移送流体の吸込と吐出とが交互に行われ、当該移送流体が移送されるようになっている。

［ポンプヘッドの構成］
ポンプヘッド１１は、ＰＴＦＥやＰＦＡ等のフッ素樹脂から形成されている。ポンプヘッド１１の内部には、移送流体の吸込通路３４と吐出通路３５とが形成されており、この吸込通路３４及び吐出通路３５は、ポンプヘッド１１の外周面において開口し、当該外周面に設けられた吸込ポート及び吐出ポート（いずれも図示省略）に接続されている。吸込ポートは移送流体のタンク７０に接続され、吐出ポートは移送流体の移送先に接続される。また、吸込通路３４及び吐出通路３５は、それぞれポンプヘッド１１の左右両側面に向けて分岐するとともに、ポンプヘッド１１の左右両側面において開口する吸込口３６及び吐出口３７を有している。各吸込口３６及び各吐出口３７は、それぞれチェックバルブ１５，１６を介してベローズ１３，１４の内部と連通している。

［チェックバルブの構成］
各吸込口３６及び各吐出口３７には、チェックバルブ１５，１６が設けられている。
吸込口３６に取り付けられたチェックバルブ１５（以下、「吸込用チェックバルブ」ともいう）は、バルブケース１５ａと、このバルブケース１５ａに収容された弁体１５ｂと、この弁体１５ｂを閉弁方向に付勢する圧縮コイルバネ１５ｃとを有している。バルブケース１５ａは有底円筒形状に形成されており、その底壁にはベローズ１３，１４の内部に連通する貫通孔１５ｄが形成されている。弁体１５ｂは、圧縮コイルバネ１５ｃの付勢力により吸込口３６を閉鎖（閉弁）し、ベローズ１３，１４の伸縮に伴う移送流体の流れによる背圧が作用すると吸込口３６を開放（開弁）するようになっている。
これにより、吸込用チェックバルブ１５は、自身が配置されているベローズ１３，１４が伸長したときに開弁して、吸込通路３４からベローズ１３，１４内部に向かう方向（一方向）への移送流体の吸引を許容し、当該ベローズ１３，１４が収縮したときに閉弁して、ベローズ１３，１４内部から吸込通路３４に向かう方向（他方向）への移送流体の逆流を阻止する。

吐出口３７に取り付けられたチェックバルブ１６（以下、「吐出用チェックバルブ」ともいう）は、バルブケース１６ａと、このバルブケース１６ａに収容された弁体１６ｂと、この弁体１６ｂを閉弁方向に付勢する圧縮コイルバネ１６ｃとを有している。バルブケース１６ａは有底円筒形状に形成されており、その底壁にはベローズ１３，１４の内部に連通する貫通孔１６ｄが形成されている。弁体１６ｂは、圧縮コイルバネ１６ｃの付勢力によりバルブケース１６ａの貫通孔１６ｄを閉鎖（閉弁）し、ベローズ１３，１４の伸縮に伴う移送流体の流れによる背圧が作用するとバルブケース１６ａの貫通孔１６ｄを開放（開弁）するようになっている。

これにより、吐出用チェックバルブ１６は、自身が配置されているベローズ１３，１４が収縮したときに開弁して、ベローズ１３，１４内部から吐出通路３５に向かう方向への移送流体の流出を許容し、当該ベローズ１３，１４が伸長したときに閉弁して、吐出通路３５からベローズ１３，１４内部に向かう方向への移送流体の逆流を阻止する。

［ベローズポンプの動作］
次に、本実施形態のベローズポンプ１０の動作を図４及び図５を参照して説明する。なお、図４及び図５においては第１及び第２ベローズ１３，１４の構成を簡略化して示している。
図４に示すように、第１ベローズ１３が収縮し、第２ベローズ１４が伸長した場合、ポンプヘッド１１の図中左側に装着された吸込用チェックバルブ１５及び吐出用チェックバルブ１６の各弁体１５ｂ，１６ｂは、第１ベローズ１３内の移送流体から圧力を受けて各バルブケース１５ａ，１６ａの図中右側にそれぞれ移動する。これにより吸込用チェックバルブ１５が閉じるともに、吐出用チェックバルブ１６が開き、第１ベローズ１３内の移送流体が吐出通路３５からポンプ外へ排出される。

一方、ポンプヘッド１１の図中右側に装着された吸込用チェックバルブ１５及び吐出用チェックバルブ１６の各弁体１５ｂ，１６ｂは、第２ベローズ１４による吸引作用によって各バルブケース１５ａ，１６ａの図中右側にそれぞれ移動する。これにより吸込用チェックバルブ１５が開くとともに、吐出用チェックバルブ１６が閉じ、吸込通路３４から第２ベローズ１４内に移送流体が吸い込まれる。

次に、図５に示すように、第１ベローズ１３が伸長し、第２ベローズ１４が収縮した場合、ポンプヘッド１１の図中右側に装着された吸込用チェックバルブ１５及び吐出用チェックバルブ１６の各弁体１５ｂ，１６ｂは、第２ベローズ１４内の移送流体から圧力を受けて各バルブケース１５ａ，１６ａの図中左側に移動する。これにより吸込用チェックバルブ１５が閉じるともに、吐出用チェックバルブ１６が開き、第２ベローズ１４内の移送流体が吐出通路３５からポンプ外へ排出される。

一方、ポンプヘッド１１の図中左側に装着された吸込用チェックバルブ１５及び吐出用チェックバルブ１６の各弁体１５ｂ，１６ｂは、第１ベローズ１３による吸引作用によって各バルブケース１５ａ，１６ａの図中左側に移動する。これにより吸込用チェックバルブ１５が開くとともに、吐出用チェックバルブ１６が閉じ、吸込通路３４から第１ベローズ１３内に移送流体が吸い込まれる。
以上の動作を繰り返し行うことで、左右のベローズ１３，１４は、交互に移送流体の吸引と排出とを行うことができる。

［電磁弁の構成］
図２において、第１電磁弁４は、第１エアシリンダ部２７の吐出側空気室２１及び吸込側空気室２６のうち、一方の空気室への加圧空気の給排、及び他方の空気室内への加圧空気の給排を切り換えるものである。第１電磁弁４は、例えば一対のソレノイド４ａ，４ｂを有する三位置の電磁切換弁からなる。各ソレノイド４ａ，４ｂは制御部６から指令信号を受けて励磁されるようになっている。なお、本実施形態の第１電磁弁４は、三位置の電磁切換弁からなるが、中立位置を有しない二位置の電磁切換弁であっても良い。

第１電磁弁４は、両ソレノイド４ａ，４ｂが消磁状態のときには中立位置に保持されており、空気供給装置２から第１エアシリンダ部２７の吐出側空気室２１（吸排気ポート２２）及び吸込側空気室２６（吸排気口２５ａ）への加圧空気の供給は遮断され、第１エアシリンダ部２７の吐出側空気室２１及び吸込側空気室２６は、いずれも大気と連通して開放されている。

また、第１電磁弁４は、ソレノイド４ａが励磁されると、図中の下位置に切り換わり、空気供給装置２から第１エアシリンダ部２７の吐出側空気室２１に加圧空気が供給される。その際、第１エアシリンダ部２７の吸込側空気室２６は大気と連通して開放されている。これにより、第１ベローズ１３を収縮させることができる。

さらに、第１電磁弁４は、ソレノイド４ｂが励磁されると、図中の上位置に切り換わり、空気供給装置２から第１エアシリンダ部２７の吸込側空気室２６に加圧空気が供給される。その際、第１エアシリンダ部２７の吐出側空気室２１は大気と連通して開放されている。これにより、第１ベローズ１３を伸長させることができる。

第２電磁弁５は、第２エアシリンダ部２８の吐出側空気室２１及び吸込側空気室２６のうち、一方の空気室への加圧空気の給排、及び他方の空気室内への加圧空気の給排を切り換えるものである。第２電磁弁５は、例えば一対のソレノイド５ａ，５ｂを有する三位置の電磁切換弁からなる。各ソレノイド５ａ，５ｂは制御部６から指令信号を受けて励磁されるようになっている。なお、本実施形態の第２電磁弁５は、三位置の電磁切換弁からなるが、中立位置を有しない二位置の電磁切換弁であっても良い。

第２電磁弁５は、両ソレノイド５ａ，５ｂが消磁状態のときには中立位置に保持されており、空気供給装置２から第２エアシリンダ部２８の吐出側空気室２１（吸排気ポート２２）及び吸込側空気室２６（吸排気口２５ａ）への加圧空気の供給は遮断され、第２エアシリンダ部２８の吐出側空気室２１及び吸込側空気室２６は、いずれも大気と連通して開放されている。

また、第２電磁弁５は、ソレノイド５ａが励磁されると、図中の下位置に切り換わり、空気供給装置２から第２エアシリンダ部２８の吐出側空気室２１に加圧空気が供給される。その際、第２エアシリンダ部２８の吸込側空気室２６は大気と連通して開放されている。これにより、第２ベローズ１４を収縮させることができる。

さらに、第２電磁弁５は、ソレノイド５ｂが励磁されると、図中の上位置に切り換わり、空気供給装置２から第２エアシリンダ部２８の吸込側空気室２６に加圧空気が供給される。その際、第２エアシリンダ部２８の吐出側空気室２１は大気と連通して開放されている。これにより、第２ベローズ１４を伸長させることができる。

図２において、第１エアシリンダ部２７の吐出側空気室２１（吸排気ポート２２）と第１電磁弁４との間には、第１急速排気弁６１が吐出側空気室２１に隣接して配置されている。第１急速排気弁６１は、加圧空気を排出する排気口６１ａを有しており、第１電磁弁４から吐出側空気室２１への加圧空気の流れを許容するとともに、吐出側空気室２１から流れ出た加圧空気を排気口６１ａから排出するようになっている。これにより、吐出側空気室２１内の加圧空気を、第１電磁弁４を介することなく、第１急速排気弁６１から迅速に排出することができる。

同様に、第２エアシリンダ部２８の吐出側空気室２１（吸排気ポート２２）と第２電磁弁５との間には、第２急速排気弁６２が吐出側空気室２１に隣接して配置されている。第２急速排気弁６２は、加圧空気を排出する排気口６２ａを有しており、第２電磁弁５から吐出側空気室２１への加圧空気の流れを許容するとともに、吐出側空気室２１から流れ出た加圧空気を排気口６２ａから排出するようになっている。これにより、吐出側空気室２１内の加圧空気を、第２電磁弁５を介することなく、第２急速排気弁６２から迅速に排出することができる。

なお、各エアシリンダ部２７，２８の吸込側空気室２６（吸排気口２５ａ）と、対応する電磁弁４，５との間には急速排気弁は配置されていない。吸込側に急速排気弁を取り付けた場合、吐出側に急速排気弁を取り付けた場合と同様の効果が得られるが、その効果は吐出側ほど大きくない。そのため、吸込側の急速排気弁は、コスト面より実施例としては設置していない。

［制御部の構成］
制御部６は、第１検知手段２９及び第２検知手段３１（図３参照）の検知信号に基づいて、各電磁弁４，５を切り換えることで、ベローズポンプ１０の第１エアシリンダ部２７及び第２エアシリンダ部２８の各駆動を制御するものである。

具体的には、制御部６は、第１検知手段２９及び第２検知手段３１の検知信号に基づいて、第１ベローズ１３が最収縮状態となる手前で第２ベローズ１４を最伸長状態から収縮させるとともに、第２ベローズ１４が最収縮状態となる手前で第１ベローズ１３を最伸長状態から収縮させるように、第１及び第２エアシリンダ部２７，２８を駆動制御する。

これにより、一方のベローズの収縮（吐出）から伸長（吸い込み）への切り換えタイミングにおいて、他方のベローズは既に収縮して移送流体を吐出しているので、前記切り換えタイミングにおいて移送流体の吐出圧力が大きく落ち込むのを低減することができる。その結果、ベローズポンプ１の吐出側の脈動を低減することができる。

なお、本実施形態の制御部６は、一方のベローズ１３（１４）が最収縮状態となる手前で他方のベローズ１４（１３）を最伸長状態から収縮させているが、一方のベローズ１３（１４）が最収縮状態となったときに、他方のベローズ１４（１３）を最伸長状態から収縮させるように制御しても良い。但し、ベローズポンプ１の吐出側の脈動を低減するという観点では、本実施形態のように制御するのが好ましい。

［電空レギュレータの構成］
図２において、第１電空レギュレータ５１は、機械式レギュレータ３と第１電磁弁４との間に配置されている。第１電空レギュレータ５１は、第１ベローズ１３の収縮動作時において、第１エアシリンダ部２７の吐出側空気室２１に供給する加圧空気の空気圧を、第１ベローズ１３の収縮特性に対応して上昇させるように調整する。

第２電空レギュレータ５２は、機械式レギュレータ３と第２電磁弁５との間に配置されている。第２電空レギュレータ５２は、第２ベローズ１４の収縮動作時において、第２エアシリンダ部２８の吐出側空気室２１に供給する加圧空気の空気圧を、第２ベローズ１４の収縮特性に対応して上昇させるように調整する。

図６は、第１及び第２電空レギュレータ５１，５２の空気圧の調整の一例を示すグラフである。図６において、第１ベローズ１３が伸長している伸長時間Ｔ１の間（伸長動作時）、第１電空レギュレータ５１は、加圧空気の空気圧が常に一定の空気圧ｃとなるように調整する。この空気圧ｃは制御部６から指示される。そして、第１ベローズ１３が収縮している収縮時間Ｔ２の間（収縮動作時）、第１電空レギュレータ５１は、制御部６が単位時間（例えば１０ｍｓ）ごとに下記の式を用いて算出した加圧空気の空気圧となるように、制御部６からの指示に従って当該空気圧を調整する。
Ｐ＝ａＸ＋ｂ
ただし、Ｐは出力ポートから出力される加圧空気の空気圧、ａは圧力増加係数、Ｘは第１ベローズ１３の伸縮位置、ｂは初期空気圧である。本実施形態では、圧力増加係数ａは第１ベローズ１３の収縮特性を示しており、上記初期空気圧ｂは、上記空気圧ｃよりも大きい値に設定されている。また、上記伸縮位置Ｘは、例えば、図４に示すように第１ベローズ１３の最伸長状態をＸ_０（＝０ｍｍ）、図５に示すように第１ベローズ１３の最収縮状態をＸ_ｍａｘとし、Ｘ_０からの変位として設定されている。

同様に、第２ベローズ１４が伸長している伸長時間Ｔ３の間（伸長動作時）、第２電空レギュレータ５２は、加圧空気の空気圧が常に一定の空気圧ｃとなるように調整する。この空気圧ｃは制御部６から指示される。そして、第２ベローズ１４が収縮している収縮時間Ｔ４の間（収縮動作時）、第２電空レギュレータ５２は、制御部６が単位時間（例えば１０ｍｓ）ごとに上記式を用いて算出した加圧空気の空気圧となるように、制御部６からの指示に従って当該空気圧を調整する。ただし、この場合、Ｘは第２ベローズ１４の伸縮位置であり、圧力増加係数ａは第２ベローズ１４の収縮特性を示している。

以上のように、上記式のＸをベローズ１３（１４）の伸縮位置とすることで、例えば吐出流体抵抗が増加して吐出時間が増えた場合であっても、後述するルックアップテーブルの圧力増加係数ａの数値を固定値として使用することができる。
また、ベローズ１３（１４）の現在の伸縮位置は、例えば、予め位置計測によって取得されたベローズ１３（１４）の最伸長状態から最収縮状態までに要する時間差に基づいて算出することができる。当然ながら、ベローズ１３（１４）の現在の伸縮位置は変位センサ等で検出することも可能である。

なお、本実施形態では、制御部６において両電空レギュレータ５１，５２が調整する空気圧を算出する際に用いる圧力増加係数ａ及び初期空気圧ｂ，ｃは、いずれも同じ値に設定されているが、各電空レギュレータによって異なる値に設定されていても良い。

［電空レギュレータの制御］
図２において、制御部６は、温度検出部７が検出した移送流体の温度に基づいて各電空レギュレータ５１，５２を制御する。本実施形態では、上述の循環路７１内の移送流体を温度調整するための温度センサ７６（図１参照）が、温度検出部７として利用されている。したがって、本実施形態の制御部６は、温度センサ７６の検出値に基づいて各電空レギュレータ５１，５２を制御する。

なお、本実施形態では、電空レギュレータ５１，５２を制御するための温度検出部７として、循環路７１内の移送流体を温度調整するための温度センサ７６を利用しているが、ベローズポンプ１０に移送流体の温度を検出する専用の温度センサを設けるようにしても良い。

本実施形態の制御部６は、温度センサ７６の検出値が低くなるほど、加圧空気の空気圧を上昇させるときの圧力増加係数ａが大きくなるように各電空レギュレータ５１，５２を制御する。具体的には、制御部６は、複数の温度領域それぞれに対応して圧力増加係数ａが設定されたルックアップテーブルを有し、このルックアップテーブルに基づいて各電空レギュレータ５１，５２に対して、当該各電空レギュレータ５１，５２が調整する空気圧を指示する。

図７は、制御部６が有するルックアップテーブル６ａの一例である。本実施形態のルックアップテーブル６ａは、低温領域（１０〜２０℃）、中温領域（２０〜６０℃）、および高温領域（６０〜８０℃）の３種類の温度領域それぞれに対応する圧力増加係数ａ１、ａ２およびａ３を示している。圧力増加係数ａ１〜ａ３は、いずれも実験的に決定される係数であり、ａ１＞ａ２＞ａ３の関係を満たすように設定される。

なお、本実施形態の制御部６は、ルックアップテーブル方式を用いて各電空レギュレータ５１，５２を制御しているが、温度センサ７６の検出値等から演算式を用いて圧力増加係数を算出するようにしても良い。また、温度領域は４種類以上に設定されていても良い。

図８は、複数の温度領域それぞれに対応して制御部６により制御される電空レギュレータ５１（５２）の空気圧の変化を示すグラフである。図８に示すように、低温領域、中温領域および高温領域それぞれに対応するベローズ１３（１４）の収縮開始時点の開始空気圧Ｐｓ１，Ｐｓ２，Ｐｓ３は、同一の値である初期空気圧ｂに設定されている。
そして、各温度領域に対応する空気圧は、ベローズ１３（１４）が収縮するに従って、圧力増加係数ａ１〜ａ３（増加直線の傾き）の違いによって互いの圧力差が大きくなり、温度領域が低いほど高い値となる。
なお、各温度領域に対応する開始空気圧Ｐｓ１〜Ｐｓ３は、例えば、温度領域が低くなるほど高い値に設定されるなど、互いに異なる値に設定されていても良い。

図９は、移送流体の温度とベローズ１３（１４）の許容耐圧との関係を示すグラフである。ベローズ１３（１４）の「許容耐圧」とは、ベローズ１３（１４）の外側（吐出側空気室２１）の圧力と、ベローズ１３（１４）の内側の圧力との差圧であって、ベローズ１３（１４）が変形・破損しない最大差圧である。

図９に示すように、ベローズ１３（１４）の許容耐圧は、移送流体の温度が高くなるに従って低下しているのが分かる。そこで、ベローズ１３（１４）を保護するために、開始空気圧Ｐｓ１〜Ｐｓ３（本実施形態では初期空気圧ｂ）、又はルックアップテーブル６ａ（図７参照）における空気圧の圧力増加係数ａ１〜ａ３は、各温度領域に対応する空気圧（大気圧を含まないゲージ圧）の最大値がベローズ１３（１４）の許容耐圧を超えないように設定されている。

すなわち、図８に示すように、低温領域、中温領域および高温領域それぞれに対応する空気圧の最大値である、ベローズ１３（１４）の収縮終了時点の終了空気圧Ｐｅ１，Ｐｅ２，Ｐｅ３が、各温度領域の最高温度に対応するベローズ１３（１４）の許容耐圧を超えないように、開始空気圧Ｐｓ１〜Ｐｓ３又は圧力増加係数ａ１〜ａ３が設定されている。
例えば、高温領域（６０〜８０℃）の場合、終了空気圧Ｐｅ３が、高温領域の最高温度である８０℃に対応するベローズ１３（１４）の許容耐圧（図９では約０．６ＭＰａ）を超えないように、開始空気圧Ｐｓ３又は圧力増加係数ａ３が設定されている。

制御部６による電空レギュレータ５１（５２）の制御は、以下のように行われる。
制御部６は、温度センサ７６の検出値を取得すると、その検出値が含まれる温度領域を、ルックアップテーブル６ａ（図７参照）を参照して選択する。
例えば、温度センサ７６の検出値が１５℃の場合、制御部６は、ルックアップテーブル６ａを参照し、当該検出値が含まれる温度領域として低温領域（１０〜２０℃）を選択する。

次に、制御部６は、選択した温度領域に対応する圧力増加係数ａをルックアップテーブル６ａを参照して決定する。例えば、選択した温度領域が低温領域の場合、制御部６は、ルックアップテーブル６ａを参照し、低温領域に対応する圧力増加係数ａ１を圧力増加係数ａとして決定する。

次に、制御部６は、決定した圧力増加係数ａを用いて上記式から空気圧を算出し、その算出した空気圧に調整するように電空レギュレータ５１（５２）に指示する。例えば、決定した圧力増加係数ａが低温領域の圧力増加係数ａ１の場合、制御部６は、図８の実線で示す低温領域に対応する圧力変化となるように、電空レギュレータ５１（５２）に対して調整空気圧を指示する。

［実施例と比較例とによる効果検証］
本実施形態のベローズポンプ装置１により得られる効果を検証するために、本発明者らが行った検証試験について説明する。この検証試験は、本実施形態の電空レギュレータの制御による実施例と、従来の電空レギュレータの制御による比較例とについて、それぞれベローズポンプから吐出される移送流体の吐出圧力の変化を比較評価することで効果を検証した。

図１０は、比較例１に係る電空レギュレータの制御によりベローズポンプから吐出される移送流体の吐出圧力の変化を示すグラフである。
この比較例１では、移送流体の温度が低温領域に含まれる場合に、中温領域に対応する圧力増加係数を用いて電空レギュレータを制御したときのベローズポンプから吐出される移送流体の吐出圧力を示すグラフである。

図１０に示す比較例１では、図中の矢印で示すように、ベローズが収縮している間に移送流体の吐出圧力が低下している。この吐出圧力の低下は、移送流体の温度低下により、ベローズが硬くなり収縮し難くなっているにも関わらず、ベローズの収縮動作時に、低温領域に対応する空気圧よりも低い、中温領域に対応する空気圧の加圧空気が空気室に供給され、ベローズに作用する空気圧が不足していることが原因と考えられる。

図１１は、実施例１に係る電空レギュレータの制御によりベローズポンプから吐出される移送流体の吐出圧力の変化を示すグラフである。
この実施例１では、移送流体の温度が低温領域に含まれる場合に、低温領域に対応する圧力増加係数を用いて電空レギュレータを制御したときのベローズポンプから吐出される移送流体の吐出圧力を示すグラフである。

図１１に示す実施例１では、ベローズが収縮している間、移送流体の吐出圧力はほとんど変化していない。したがって、図１０の比較例１と図１１の実施例１とを比較すると、移送流体の温度が低温領域に含まれる場合、中温領域に対応する圧力増加係数よりも低温領域に対応する圧力増加係数を用いて電空レギュレータを制御したほうが、ベローズポンプから吐出される移送流体の吐出圧力の変化を抑制できるのが分かる。

図１２は、比較例２に係る電空レギュレータの制御によりベローズポンプから吐出される移送流体の吐出圧力の変化を示すグラフである。
この比較例２では、移送流体の温度が高温領域に含まれる場合に、中温領域に対応する圧力増加係数を用いて電空レギュレータを制御したときのベローズポンプから吐出される移送流体の吐出圧力を示すグラフである。

図１２に示す比較例２では、図中の矢印で示すように、ベローズが収縮している間に移送流体の吐出圧力が上昇している。この吐出圧力の上昇は、移送流体の温度上昇により、ベローズが柔らかくなり収縮し易くなっているのにも関わらず、ベローズの収縮動作時に、高温領域に対応する空気圧よりも高い、中温領域に対応する空気圧の加圧空気が空気室に供給され、ベローズに過剰な空気圧が作用していることが原因と考えられる。

図１３は、実施例２に係る電空レギュレータの制御によりベローズポンプから吐出される移送流体の吐出圧力の変化を示すグラフである。
この実施例２では、移送流体の温度が高温領域に含まれる場合に、高温領域に対応する圧力増加係数を用いて電空レギュレータを制御したときのベローズポンプから吐出される移送流体の吐出圧力を示すグラフである。

図１３に示す実施例２では、ベローズが収縮している間、移送流体の吐出圧力はほとんど変化していない。したがって、図１２の比較例２と図１３の実施例２とを比較すると、移送流体の温度が高温領域に含まれる場合、中温領域に対応する圧力増加係数よりも高温領域に対応する圧力増加係数を用いて電空レギュレータを制御したほうが、ベローズポンプから吐出される移送流体の吐出圧力の変化を抑制できるのが分かる。

図１４は、実施例３に係る電空レギュレータの制御によりベローズポンプから吐出される移送流体の吐出圧力の変化を示すグラフである。
この実施例３では、移送流体の温度が中温領域に含まれる場合に、中温領域に対応する圧力増加係数を用いて電空レギュレータを制御したときのベローズポンプから吐出される移送流体の吐出圧力を示すグラフである。

図１４に示す実施例３では、ベローズが収縮している間、移送流体の吐出圧力はほとんど変化していない。したがって、中温領域に対応する圧力増加係数は、図１０の比較例１や図１２の比較例２のように、移送流体の温度が低温領域または高温領域に含まれる場合よりも、移送流体の温度が中温領域に含まれる場合に用いたほうが、ベローズポンプから吐出される移送流体の吐出圧力の変化を抑制できるのが分かる。

以上、本実施形態のベローズポンプ装置１によれば、制御部６は、温度センサ７６で検出された移送流体の温度が低くなるほど、ベローズ１３（１４）の収縮動作時に吐出側空気室２１に供給される加圧空気の空気圧の圧力増加係数ａが大きくなるように電空レギュレータ５１（５２）を制御する。これにより、例えば、移送流体の温度が低下してベローズ１３（１４）が硬くなっても、吐出側空気室２１に供給される加圧空気の空気圧の圧力増加係数が大きくなることで、移送流体の温度低下前の空気圧よりも高い空気圧でベローズ１３（１４）を収縮させることができる。したがって、移送流体の温度変化によりベローズ１３（１４）の硬さが変化しても、ベローズ１３（１４）が収縮している間に移送流体の吐出圧力が変化するのを抑制することができる。

また、加圧空気の空気圧における開始空気圧Ｐｓ１〜Ｐｓ３又は圧力増加係数ａは、温度センサ７６の検出値に基づいて、空気圧の最大値がベローズ１３（１４）の許容耐圧を超えないように設定されているため、空気圧の圧力増加係数ａが大きくなっても、その空気圧の最大値がベローズ１３（１４）の許容耐圧を超えることはない。したがって、空気圧の上昇によってベローズ１３（１４）が変形したり破損したりするのを防止することができる。

また、制御部６は、複数の温度領域それぞれに対応して圧力増加係数ａが設定されたルックアップテーブル６ａを有するため、このルックアップテーブル６ａに基づいて電空レギュレータ５１（５２）を容易に制御することができる。

［変形例］
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において適宜変更できるものである。例えば、ベローズポンプ１０は、上記実施形態以外に、左右一対のベローズがタイロッドにより一体に連結されたベローズポンプや、一対のベローズのうちの一方をアキュムレータに入れ替えて構成されたベローズポンプ、または一対のベローズのうちの一方のベローズのみから構成されたシングルタイプのベローズポンプなど、他のベローズポンプにも適用することができる。

また、電空レギュレータ５１，５２は、電磁弁４，５の上流側に配置されているが、電磁弁４，５の下流側に配置されていても良い。但し、この場合には、電空レギュレータ５１，５２の一次側に、電磁弁４，５を切り換えたときに生じる衝撃圧力が作用するので、電空レギュレータ５１，５２の故障を防止するという観点では、電磁弁４，５の上流側に電空レギュレータ５１，５２を配置するのが好ましい。

６制御部
７温度検出部
６ａルックアップテーブル
１３第１ベローズ（ベローズ）
１４第２ベローズ（ベローズ）
２１吐出側空気室（空気室）
５１第１電空レギュレータ（電空レギュレータ）
５２第２電空レギュレータ（電空レギュレータ）

Claims

密閉された空気室に加圧空気を供給することで前記空気室内に配置されたベローズを収縮動作させて移送流体を吐出するとともに、前記空気室から加圧空気を排出することで前記ベローズを伸長動作させて移送流体を吸入するベローズポンプ装置であって、
前記ベローズの収縮動作時において、前記空気室に供給する加圧空気の空気圧を、前記ベローズの収縮特性に対応して上昇させるように調整する電空レギュレータと、
移送流体の温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部の検出値が低くなるほど、前記空気圧を上昇させるときの圧力増加係数が大きくなるように前記電空レギュレータを制御する制御部と、
を備えていることを特徴とするベローズポンプ装置。
前記制御部は、前記温度検出部の検出値に基づいて、前記空気圧の最大値が前記ベローズの許容耐圧を超えないように、前記空気圧の圧力増加係数を設定する請求項１に記載のベローズポンプ装置。
前記制御部は、複数の温度領域それぞれに対応して前記圧力増加係数が設定されたルックアップテーブルを有し、前記ルックアップテーブルに基づいて前記電空レギュレータを制御する請求項１又は２に記載のベローズポンプ装置。