(57)【要約】【課題】ウオーターハンマー及びキャビテーションの発生を抑制するポンプを提供する。【解決手段】ポンプボディ３内の流入路３ｅ及び流出路３ｄ上にそれぞれ、一対の逆止弁１，２を設け、１個の逆止弁あたりの流速を低下させる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流入路及び流出路を備えたポンプボディと、
前記ポンプボディの一端部に設けられたポンプシリンダと、
前記ポンプシリンダ内を中心軸方向に沿って伸縮可能であり、前記ポンプボディ及びポンプシリンダと共にポンプ作用室を形成するベローズと、
前記ベローズを伸縮させるエアシリンダ部と、
前記ポンプシリンダ、ベローズ及びエアシリンダ部を包み込むとともに、これらを前記中心軸方向において前記ポンプボディとの間に挟み込んだ状態で、当該ポンプボディと螺合して前記中心軸方向に相互に締め付け合う外カバーと、
前記ポンプボディの流入路に並列に設けられた複数個の逆止弁と
を備えたことを特徴とするポンプ。
【請求項２】
前記ポンプボディの流出路に並列に設けられた複数個の逆止弁を備えたことを特徴とする請求項１記載のポンプ。
【請求項３】
設置状態において、前記中心軸が横向きであり、排出用の逆止弁が上方に、吸入用の逆止弁が下方にそれぞれ配置される請求項２記載のポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体移送用のポンプに関し、特に半導体製造装置における薬液の循環や移送に用いられるポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体製造装置における薬液の循環や移送用のポンプとして、ポンプ作用室の隔膜を構成するベローズをエアシリンダによって往復動させることによりポンプ作用を生じさせ、吸入口からポンプ作用室に吸い込まれた薬液を排出口から排出させる構成のものが知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。上記吸入口からポンプ作用室までの流路及び、ポンプ作用室から排出口までの流路にはそれぞれ逆止弁が配置され、一方向に薬液が流れるように構成されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１７４１８０号公報（第４〜５頁、図２）
【特許文献２】
特開平１１−３２４９２４号公報（第４〜６頁、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来のポンプにおいては、吸入行程の終了時点で流路上の逆止弁が開から閉に転じると、吸入用の外部配管からポンプに至る吸入系内の薬液の流速が瞬間的に０になる。これにより、吸入系内では急激な圧力上昇及び圧力降下すなわちウオーターハンマーが発生する。これにより、ポンプや、これに接続された配管に大きな振動が生じる。また、ポンプ内のベローズが大きく振動する。このような振動が繰り返されると、管継手のシール性能が低下したり、ベローズが破れる等の事態が起こり、薬液が漏れる。また、ウオーターハンマーは減衰振動であるが、振動初期の振幅が大きく、そのため、十分に振幅が低下するまで逆止弁がチャタリングする。上記特許文献２に開示されたポンプは、かかるウオーターハンマー対策としてポンプ外に逃がし管や逃がし弁を設けているが、これでは、ポンプ自体でのウオーターハンマー解消策にはならず、ポンプ外部の系統が複雑となる。
さらに、従来のポンプは、吸入行程及び排出行程において、逆止弁内を通過する薬液中に泡が生じ易く、キャビテーションにより逆止弁内部に損傷を受ける。従って、逆止弁の寿命が短い。
【０００５】
上記のような従来の問題点に鑑み、本発明は、ウオーターハンマーを低減し、キャビテーションの発生を抑制するポンプを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のポンプは、流体の流入路及び流出路を備えたポンプボディと、前記ポンプボディの一端部に設けられたポンプシリンダと、前記ポンプシリンダ内を中心軸方向に沿って伸縮可能であり、前記ポンプボディ及びポンプシリンダと共にポンプ作用室を形成するベローズと、前記ベローズを伸縮させるエアシリンダ部と、前記ポンプシリンダ、ベローズ及びエアシリンダ部を包み込むとともに、これらを前記中心軸方向において前記ポンプボディとの間に挟み込んだ状態で、当該ポンプボディと螺合して前記中心軸方向に相互に締め付け合う外カバーと、前記ポンプボディの流入路に並列に設けられた複数個の逆止弁とを備えたものである。
上記のように構成されたポンプにおいては、ポンプボディの流入路において流体が複数の逆止弁に分流し、１個の逆止弁を通過する流体の流速が低下する。従って、流速が瞬間的に０になったときの流速落差を低減してウオーターハンマーを低減することができる。また、流速の低下により逆止弁を通過する流体が飽和蒸気圧以下になることが無くなり、泡の発生を防止することができる。従って、キャビテーションの発生を抑制することができる。
【０００７】
また、上記ポンプは、ポンプボディの流出路に並列に設けられた複数個の逆止弁を備えてもよい。
この場合、ポンプボディの流入路及び流出路において流体が複数の逆止弁に分流し、１個の逆止弁を通過する流体の流速が低下する。従って、流速が瞬間的に０になったときの流速落差を低減してウオーターハンマーを低減することができる。また、流速の低下により逆止弁を通過する流体が飽和蒸気圧以下になることが無くなり、泡の発生を防止することができる。従って、キャビテーションの発生を抑制することができる。
【０００８】
また、上記ポンプは、設置状態において、中心軸が横向きであり、排出用の逆止弁が上方に、吸入用の逆止弁が下方にそれぞれ配置されるようにしてもよい。
この場合、ポンプ作用室に滞留するガスが排出用の逆止弁を介して自然に抜けやすい。従って、ポンプ能力の低下を防止することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、例えばクリーンルーム内の半導体製造装置における薬液（例えばフッ素等を含む。）の循環や移送に用いられる、本発明の第１の実施形態によるポンプの断面図である。当該ポンプは横型であり、通常、図示の状態（図の上方が天、下方が地）で設置される。当該ポンプは、共通の中心軸Ａ上に同軸配置された複数の部材によって構成され、各部材の外周又は内周形状は基本的に円形である。具体的には、当該ポンプは、横向きに配置された一対二組（詳細後述）の逆止弁１，２を有するポンプボディ３と、円筒状のポンプシリンダ４と、二重筒状の形態であり外筒部分５ａが中心軸Ａ方向へ蛇腹状に伸縮可能なベローズ５と、ベローズ５の内筒部分５ｂの内側に螺着（左端部は嵌合）されるスペーサ６と、スペーサ６に対して螺着（左端部は嵌合）される丸棒状の軸７と、軸７を挿通させるリング状のピストンケース８と、軸７を螺着（右端部は嵌合）させるとともにピストンケース８に内挿され中心軸Ａ方向にスライド可能なピストン９と、ピストンケース８及びピストン９の端面を覆うピストンカバー１０と、上記各部の全て又は一部を包み込む円筒状の外カバー１１とを主な要素として構成されている。なお、ポンプシリンダ４は、ポンプボディ３と一体形成（切削等により）されていてもよい。
【００１０】
上記ベローズ５を隔壁としてその右方に存在するスペーサ６、軸７、ピストンケース８、ピストン９及びピストンカバー１０は、エアシリンダ部を構成している。このようにエアシリンダ部を構成することにより、エアシリンダの外付けが不要となり、ポンプ全体がコンパクトになる。ポンプがコンパクトであることは、クリーンルーム内に占める設置面積が小さくなるので好ましい。また、たとえ長期使用によりエアシリンダ部から僅かな摩耗粉が生じた場合でも、これがポンプ外に飛散することがほとんど無いため、クリーンルーム内を汚染することもない。
【００１１】
上記構成において、ベローズ５は、その外筒部分５ａの基部側外周面５ａ１がポンプシリンダ４に内嵌される。また、スペーサ６及びピストンケース８は軸７を介して相互に嵌合（螺合も含む意）した関係にあり、スペーサ６はベローズ５の内筒部分５ｂに嵌合している。また、ピストンケース８の左端は円柱状の凸部８ｃを形成しているが、この凸部８ｃの外径を、ベローズ５の外筒部分５ａの内径とほぼ同径とすることにより、ベローズ５に対してピストンケース８を嵌合させることができる。さらに、ピストン９は、ピストンケース８及び軸７に対して嵌合している。そして、ピストンカバー１０とピストンケース８とは、複数の位置決めピン１２（一箇所のみ図示）を介して、相互に嵌合と同等の関係にある。従って、ポンプシリンダ４、ベローズ５、スペーサ６、軸７、ピストンケース８、ピストン９及びピストンカバー１０は、その他のシール用部材（Ｏリング等）も含めて、ロッドやボルト等の締結部材を用いることなく、相互に嵌合して位置決めされる構造となっている。
【００１２】
一方、上記外カバー１１の右端から内周側へ、環状のストッパ部１１ａが形成されている。また、ポンプボディ３の外周面には雄ねじ加工が施され、かつ、外カバー１１の内周面には雌ねじ加工が施されており、両者は互いに螺合している。このような螺合により、外カバー１１の内部の部材同士を均一に締め付けることができる。特に、単一の、しかも口径が比較的大きいねじであることにより、螺合による締め付けの度合いは、全体に均一なものとなる。また、ポンプボディ３とポンプシリンダ４との接触面、ポンプシリンダ４とベローズ５の外筒部分５ａとの接触面、当該外筒部分５ａとピストンケース８との接触面に作用する中心軸Ａ方向への圧力を、略均一とすることができる。このように、接触面に略均一な圧力を受けるベローズ５とポンプシリンダ４とポンプボディ３とによって液空間１３を区画して形成される「ポンプ作用室」は、部材のねじれ等による変形や、締め付け荷重の不均一がないので、これらの要因による薬液の漏れを防止することができる。
【００１３】
また、上記ベローズ５の内側にはピストン９を左方に前進させるための第１空気室Ｃ１が形成され、この第１空気室Ｃ１は、ピストンケース８を貫通する孔８ａを経てポートＰ１に連通している。また、ピストン９の左端面とピストンケース８との間には、ピストン９を後退させるための第２空気室Ｃ２が形成されている。第２空気室Ｃ２はピストンケース８内に形成された孔８ｂを介してポートＰ２に連通している。
【００１４】
なお、ピストン９の右端面とピストンカバー１０との間に形成されている第３空気室Ｃ３は、ピストンカバー１０に設けられた孔１０ｂを通じて開放されている。ピストン９右端面には、ピストンカバー１０を貫通する孔１０ａと同軸位置に、これより若干小径の孔９ａが形成されており、ここにピン（図示せず。）を植設して孔１０ａを遊挿させることにより、ピストン９の回り止め、すなわちベローズ５の捻れ防止ができるようになっている。
【００１５】
図２の（ａ）は、図１における液空間１３側から左方向にポンプボディ３を見た図である。（ｂ）は、図１と同じ方向からポンプボディ３を見た側面図である。（ｃ）は、（ａ）とは反対側からポンプボディ３を見た図である。また、図３の（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、図２の（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図及びＢ−Ｂ線断面図である。図２の（ａ）に示すように、逆止弁１，２は合計４個設けられており、ポンプボディ３に嵌装されている。上方の一対の逆止弁１は排出用であり、図１におけるスプリング１ｂ（樹脂製）によって右方に付勢された弁体１ａを有し、矢印の方向にのみ薬液を流通させる。当該一対の逆止弁１は流路上互いに並列に設けられており、液空間１３内の薬液は、ポンプボディ３内に形成された流出路３ｄを介して、側面の排出口３ａ及び上部の排出口３ｃからポンプ外に排出される（図２の（ｃ）参照。）。下方の一対の逆止弁２は吸入用であり、図１におけるスプリング２ｂ（樹脂製）によって左方に付勢された弁体２ａを有し、矢印の方向にのみ薬液を流通させる。当該一対の逆止弁２は流路上互いに並列に設けられており、薬液は、側面に設けられた吸入口３ｂからポンプボディ３内に形成された流入路３ｅを介して（図２の（ｃ）参照。）、液空間１３内に取り込まれる。
【００１６】
上記ポンプは、ポンプボディ３内部に逆止弁１，２を嵌装し、ポンプシリンダ４の内側を液空間１３とする外液タイプのポンプ構造である。これにより、液空間１３を必要最小限のスペースとすることができ、中心軸Ａ方向へのポンプの短スパン化に寄与することができる。また、図１に示すように、逆止弁１，２は、液空間１３に臨むポンプボディ３の内端面から突出しない。このことは、短スパン化にさらに好ましい。
【００１７】
上記各部の材質に関して、ポンプボディ３、ポンプシリンダ４、ベローズ５等の接触部はＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）やＰＦＡ（ポリ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）等のフッ素樹脂とすることが好ましい。スペーサ６、軸７、ピストンケース８、ピストン９、ピストンカバー１０、外カバー１１等の非接触部は、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＯＭ（ポリオキシメチレン）等が好ましい。また、逆止弁１，２は、内部のスプリング１ｂ，２ｂも含めてＰＦＡ、ＰＴＦＥが好ましい。その他、シール用の部材やＯリングも樹脂製とする。すなわち、ポンプを構成する部材はすべて樹脂製である。従って、半導体ウェハ等のワークに金属イオンが入り込む恐れがなく、半導体の品質安定に寄与する。
なお、図１において、ベローズ５と軸７とは、スペーサ６を介して接続されているが、このようにスペーサ６を介して接続することにより、樹脂材料に不足しがちな締結強度を向上させることができる。
【００１８】
図３は、上記ポンプの組立状態を示す断面図である。図において、ポンプシリンダ４、ベローズ５、スペーサ６、軸７、ピストンケース８、ピストン９、ピストンカバー１０の各部材は、前述のように相互に嵌合される関係にあり、嵌合により位置決めされ、共通の中心軸Ａ上に「センター出し」される。従って、センター出しが容易でないエアシリンダ部（６〜１０）とベローズ５との間も、容易にセンター出しをすることができる。そして、このように構成した嵌合体は、外カバー１１に緊密に内挿（嵌合とほぼ同等、例えば隙間０．２ｍｍ程度）される。内挿により、ピストンカバー１０の周縁部１０ｃが外カバー１１のストッパ部１１ａに当接し、これによって、内挿された嵌合体は、その右端側で抜脱規制される。さらに、外カバー１１の雌ねじにポンプボディ３の雄ねじを螺合させ、締め込むと、嵌合体の左端がポンプボディ３により抜脱規制され、ストッパ部１１ａとの間に挟み込まれて図１に示す状態に固定される。
【００１９】
また、外カバー１１は、その内周面に実質的に内接させているポンプシリンダ４、ベローズ５、ピストンケース８及びピストンカバー１０に対して、これらの径方向へのずれを規制するように保持する。その結果、これらの部材と相互に嵌合している他の部材においても、径方向へのずれが規制される。すなわち、外カバー１１は、内部に収容する各部材を径方向において位置決めし、その位置決め状態を安定して維持する。このため、組立後においても各部材が外カバー１１により保持されて、径方向へ互いにずれを生じることが実質的にない。
【００２０】
上記のようにして、ポンプの構造体を構成する各部は外カバー１１により外側から規制されつつ、その内部で中心軸Ａ上に並び、相互に正確に位置決めされた状態で固定される。このようにして組み立てられるポンプは、従来のようにロッドやボルト等を用いて締結しないので、長期にわたって部材の捻れや変形を生じない。また、エアシリンダ部（６〜１０）の軸心ずれが問題となることはなく、軸心ずれに起因するエアシリンダ部各部材の異常摩耗により作動不良を招来してポンプ機能低下を招くことがない。
また、ポンプシリンダ４、ベローズ５及びエアシリンダ部を少なくとも部分的に交互に嵌合させて成る嵌合体としたことにより、互いに重複する部分だけ中心軸方向への短スパン化が可能となり（例えばエアシリンダ部の軸７もベローズ５内に配置できる。）、ポンプをコンパクト化できる。このことは、前述のように、クリーンルーム内に占める設置面積が小さくなるので好ましい。
【００２１】
なお、図３に関する上記説明においては、ポンプシリンダ４、ベローズ５、スペーサ６、軸７、ピストンケース８、ピストン９、ピストンカバー１０の各部材が相互に嵌合され、「嵌合体」として外カバー１１に緊密に内挿される、としたが、各部材を個々に若しくは、ある程度嵌合させた状態で外カバー１１に順次挿入して外カバー１１内で「嵌合体」を組み上げるようにしてもよい。
【００２２】
上記のように構成されたポンプにおいて、ポートＰ１に圧縮空気を供給し、ポートＰ２を排気又は減圧状態とすることにより、ピストン９が軸７及びスペーサ６と共に前進し、ベローズ５が左方へ伸長する。これにより排出側の逆止弁１が開いて排出口３ａ，３ｃから薬液が排出される。逆に、ポートＰ２に圧縮空気を供給し、ポートＰ１を排気又は減圧状態とすることにより、ピストン９が軸７及びスペーサ６と共に後退し、ベローズ５が図示の状態にまで収縮する。これにより、吸入側の逆止弁２が開いて吸入口３ｂから薬液が吸入される。このような往復動の繰り返しによりポンプ作用が生じて、薬液が移送される。
【００２３】
上記のように吸入側に一対の逆止弁２を並列に設けたことにより、吸入行程において薬液は２つの逆止弁２に分流する。従って、逆止弁２が単一の場合と比べて、各逆止弁２を通過する薬液の流速が低下する。この流速の低下により、吸入行程の終了時点で流速が瞬間的に０になったときの流速落差が低減され、ウオーターハンマーが低減される。具体的には、開から閉に転じた逆止弁２の弁体２ａを開方向に押す流体圧をＰ１、液空間１３側の流体圧をＰ２とすると、Ｐ１は閉弁時のウオーターハンマーにより減衰振動するが、このときの振動の振幅が、逆止弁２が単一の場合に比べて概ね半減する。従って、閉弁後に過渡的にＰ１＞Ｐ２となる可能性がある時間がごく僅かとなり、逆止弁２のチャタリングが大幅に減少する。さらに、流速の低下により、薬液通過中の逆止弁２付近で流体圧が飽和蒸気圧以下に下がることが無くなり、薬液中にほとんど泡が発生しなくなる。そのため、キャビテーションの発生を抑制することができる。
【００２４】
一方、排出側にも一対の逆止弁１を並列に設けたことにより、排出行程において薬液は２つの逆止弁１に分流する。従って、上記吸入行程の終了時点の場合と同様に、排出行程の終了時点において生じるウオーターハンマーも低減され、逆止弁１のチャタリングが大幅に減少する。さらに、流速の低下により、キャビテーションの発生を抑制することができる。
このようにして、吸入・排出のいずれの行程においてもウオーターハンマーを低減し、シール性能を脅かす振動の発生を抑制することができる。また、チャタリングの大幅減少とキャビテーションの発生抑制とにより、逆止弁１，２の寿命を延ばすことができる。
なお、並列配置された逆止弁間隔は、逆止弁の流路径ｒの３倍以内とするのが好ましい。３倍を超えると、逆止弁の開閉動作に大きなずれが生じたり、流路の長い方の逆止弁に到達するまでに圧損が大きくなったりすることがある。
【００２５】
なお、中心軸が横向きになるようにポンプが横置きされ、排出用の逆止弁１が上方にあることにより、液空間１３（ポンプ作用室）に滞留するガス（混入する空気又は、薬液から発生するガス）が逆止弁１を介して排出口３ａ，３ｃから自然に抜けやすいという利点がある。従って、薬液で満たされるべき液空間１３内に多量のガスが滞留してポンプ能力が低下する、という事態は発生しにくい。すなわち、ポンプ能力の低下を防止することができる。また、ポンプの始動初期においては、ポンプ内に空気が入り込んでいることは避けられず、従ってエア抜き運転を行い、ポンプ能力が安定するのを待つ必要がある。しかしながら、上記のようにガスが抜けやすい構成によれば、始動初期のエア抜きが迅速に行われ、短時間でポンプ能力が安定する。
また、逆止弁１，２が横向きに配置されていることによりスプリング１ｂ，２ｂの疲労が少なく、長持ちする。
【００２６】
なお、上記実施形態のポンプは、フッ素等を含む薬液を移送するものであるが、他の各種流体を移送するポンプであってもよいことは言うまでもない。
また、逆止弁１，２は各々２個設けたが、必要により３個以上設けてもよい。
また、ベローズではなくダイヤフラムを用いたポンプであっても、上記のような逆止弁１，２の構成により、同様の作用効果を奏する。
また、並列の逆止弁は、流入路３ｅにのみ設けても一定の効果がある。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように構成された本発明は、複数個の逆止弁を並列に設けることにより流体が複数の逆止弁に分流し、１個の逆止弁を通過する流体の流速が低下するので、流速が瞬間的に０になったときの流速落差を低減してウオーターハンマーを低減することができる。また、流速の低下により逆止弁を通過する流体が飽和蒸気圧以下になることが無くなり、泡の発生を防止することができるので、キャビテーションの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態によるポンプの断面図である。
【図２】上記ポンプにおけるポンプボディの外観を示す図である。
【図３】上記ポンプボディの断面図である。
【図４】上記ポンプの組立状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１，２    逆止弁
３    ポンプボディ
３ｄ  流出路
３ｅ  流入路
４    ポンプシリンダ
５    ベローズ
６    スペーサ
７    軸
８    ピストンケース
９    ピストン
１０    ピストンカバー
６〜１０    エアシリンダ部
１１    外カバー
【図１】
2004263638.tif 000003
【図２】
2004263638.tif 000004
【図３】
2004263638.tif 000005
【図４】
2004263638.tif 000006