JP2005351109A - ポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 移送液の純度を高く維持しつつ、軸封部の耐久性を向上させて、製品の歩留まりを向上させることができるポンプ装置を提供する。
【解決手段】 ポンプ装置は、半導体や液晶などの製造工程等における極めて高純度の超純水等の活性液体を移送する。ポンプ装置は、吸込口１０ａと吐出口１０ｂを有するポンプケーシング１０と、ポンプケーシング１０の内部に収容され、電動機１８の回転軸２２に連結された羽根車１４と、回転軸２２との間で軸封を行うメカニカルシール５０とを備えている。移送液が接する部分には耐食性処理を施し、羽根車１４とメカニカルシール５０との間には減圧室４４を設ける。また、少なくとも移送液の一部を減圧室４４から外部に排出する排出口４６を設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ポンプ装置に係り、特に半導体や液晶などの製造工程等における極めて高純度の活性液体を移送するためのポンプ装置に関するものである。

高集積度の半導体を製造するためには、製造時に用いる各種液体の純度を高く維持し、不純物の含有量を極めて低く維持する必要がある。例えば、半導体製造の洗浄工程で用いられる超純水にあっては、０.１ミクロン単位の微粒子の量が問題となり、これらの微粒子が製品の歩留まりに大きく影響を与える。特に、このような超純水を移送するポンプにおいては、摺動部から発生する摩耗微粒子を防止することが重要である。

また、半導体の高集積化や液晶の高性能化に伴い、超純水中の残存金属イオン濃度が大きな問題となっており、１ＰＰＴ（１兆分の１）以下の金属イオン含有量が要求されるようになっている。このような金属イオンは、ポンプ、パイプ、バルブ等の接液部において金属が超純水の作用により溶解することにより発生するものである。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、移送液の純度を高く維持しつつ、軸封部の耐久性を向上させて、製品の歩留まりを向上させることができるポンプ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様によれば、半導体や液晶などの製造工程等における極めて高純度の超純水等の活性液体を移送するポンプ装置が提供される。ポンプ装置は、吸込口と吐出口を有するポンプケーシングと、上記ポンプケーシングの内部に収容され、回転駆動源の回転軸に連結された羽根車と、上記回転軸との間で軸封を行う軸封部とを備えている。移送液が接する部分には耐食性処理を施す。上記羽根車と上記軸封部との間には減圧室を設ける。また、少なくとも上記移送液の一部を上記減圧室から外部に排出する排出口を設ける。

このような構成により、移送液の接する部分やメカニカルシールなどの軸封部の回転摺動部において生じた摩耗粉や活性液体による腐食により溶出した金属イオンが、移送液の少なくとも一部とともに上記排出口から外部に排出されるので、これらの摩耗粉や溶出金属イオンを混入させることなく移送液を移送することができる。

この場合において、上記移送液以外の潤滑液を上記減圧室に導入する潤滑液導入口を設けてもよい。このような構成により、潤滑液導入口から導入された潤滑液が、ポンプケーシングから減圧室に流出した移送液とともに、排出口からポンプケーシングの外部空間に排出されるので、超純水などの移送液が軸封部に流れ込むことがなく、軸封部の回転摺動部において生じた摩耗粉や活性液体による腐食により溶出した金属イオンが移送液に混入することがない。したがって、軸封部に使用される金属やセラミックスなどが、潤滑液により超純水等の活性液体から保護されるので、軸封部が溶出や腐食などを起こして機能を損なうことがなくなる。

また、上記排出口から排出される量を上記潤滑液導入口から導入される上記潤滑液の量よりも多くしてもよい。

また、上記羽根車の裏面に減圧羽根を設けてもよい。さらに、上記ポンプケーシングから上記排出口までの間の移送液が接する部分に耐食性処理を施した絞り機構、あるいは、耐食性材料からなる絞り機構を設けてもよい。この絞り機構は、上記回転軸と対面する面にラビリンス構造をすることが好ましい。このような減圧羽根や絞り機構により、移送液が上記排出口から排出される量を制限することができる。

上記絞り機構と上記排出口との間に耐食性材料からなるリップシールを設けてもよい。このように、移送液によって腐食またはイオン溶出を生じない耐食性材料からなるリップシールを絞り機構と排出口との間に設けることにより、減圧室の内部の液体がポンプケーシング側に逆流または拡散することを防止することができる。

表面に耐食性処理を施したスリーブを上記回転軸の外周面に設けてもよい。この場合において、上記羽根車と上記スリーブとを一体に形成し、上記羽根車の外面と上記スリーブの外周面とに連続的に耐食性処理を施してもよい。

本発明によれば、超純水などの移送液がポンプの構成要素に接触することによる金属等の腐食やイオン溶出、ポンプの軸封部で発生した摩耗粉などの移送液中への混入を効果的に防止して、移送液の純度を高く維持することができる。また、ポンプの軸封部を活性液体などの移送液から保護し、軸封部の耐久性を大幅に向上させることができる。例えば、本発明に係るポンプ装置を、半導体や液晶などの製造工程等における洗浄工程に用いることとすれば、製品の歩留まりの向上に大きな効果をもたらすことができる。

以下、本発明に係るポンプ装置の実施形態について図１から図３を参照して詳細に説明する。なお、図１から図３において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態におけるポンプ装置を示す断面図である。図１に示すように、ポンプ装置は、吸込口１０ａおよび吐出口１０ｂを有するポンプケーシング１０と、吸込口１０ａと反対側に配置されたケーシングカバー１２と、ポンプケーシング１０内に収容された羽根車１４と、電動機台１６に取り付けられた電動機１８（回転駆動源）とを備えている。

ポンプケーシング１０は電動機台１６に固着されており、ケーシングカバー１２はポンプケーシング１０と電動機台１６との間に固定されている。ポンプケーシング１０とケーシングカバー１２との間にはガスケット２０が配置されており、このガスケット２０によりポンプケーシング１０とケーシングカバー１２がシールされている。

羽根車１４には、電動機１８の回転軸２２が結合されており、電動機１８の駆動により羽根車１４が回転するようになっている。電動機１８の回転軸２２の外周には、羽根車１４と軸方向で接するスリーブ２４が取り付けられている。羽根車１４とスリーブ２４との間にはシールリング２６が配置され、このシールリング２６により羽根車１４とスリーブ２４との間がシールされている。また、羽根車１４の裏面（ケーシングカバー１２に対向する面）には減圧羽根２８が設けられている。

ケーシングカバー１２の電動機１８側には、シールカバー３０が取り付けられている。ケーシングカバー１２とシールカバー３０との間にはシールリング３２が配置され、このシールリング３２によりケーシングカバー１２とシールカバー３０との間がシールされている。

また、ケーシングカバー１２およびシールカバー３０の半径方向内側には、絞り機構としての減圧ブッシュ３４が配置されている。この減圧ブッシュ３４は、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）やポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの材質から形成され、ケーシングカバー１２およびシールカバー３０によって固定されている。

シールカバー３０の半径方向内側には、例えば４フッ化樹脂などの耐食性材料からなるリップシール３６が配置されており、このリップシール３６は減圧ブッシュ３４の軸方向端面とリップシール押さえ板３８とにより固定されている。また、シールカバー３０の電動機１８側には、減圧室カバー４０が取り付けられており、シールカバー３０と減圧室カバー４０とはシールリング４２によりシールされている。

減圧室カバー４０の内部には、スリーブ２４の外周面、リップシール押さえ板３８、リップシール３６、減圧室カバー４０の内面によって減圧室４４が形成されている。減圧室カバー４０には、減圧室４４からポンプケーシング１０の外部空間に連通する少なくとも１つの排出口４６が形成されている。

また、減圧室カバー４０の電動機１８側には、メカニカルシールカバー４８が取り付けられており、このメカニカルシールカバー４８には、移送液以外の液体（以下、潤滑液という）を外部から減圧室４４に導入する潤滑液導入口５２が形成されている。メカニカルシールカバー４８の半径方向内側には軸封部としてのメカニカルシール５０が配置されている。この軸封部としてのメカニカルシール５０により、ポンプケーシング１０からの流体や減圧室４４に供給される潤滑液がポンプケーシング１０の外部空間に流出しないようになっている。

電動機１８の回転軸２２は、メカニカルシールカバー４８、減圧室カバー４０、シールカバー３０、ケーシングカバー１２を貫通しており、この回転軸２２は羽根車１４に連結されている。

ポンプケーシング１０の内面接液部（吸込フランジの合わせ面、吐出フランジの合わせ面、ガスケット２０でシールされる部分を含む）は、例えば４フッ化樹脂などの耐食性材料からなるポンプケーシングライニング６０で覆われている。また、ケーシングカバー１２の内面接液部（ガスケット２０およびシールリング３２でシールされる部分を含む）は、例えば４フッ化樹脂などの耐食性材料からなるケーシングカバーライニング６２で覆われている。

羽根車１４の外面接液部（減圧羽根２８およびシールリング３２でシールされる部分を含む）は、例えば４フッ化樹脂などの耐食性材料からなる羽根車ライニング６４で覆われている。また、スリーブ２４の羽根車１４との接触部から減圧室カバー４０の内部の減圧室４４に至るまでの外面接液部（シールリング３２でシールされる部分を含む）は、例えば４フッ化樹脂などの耐食性材料からなるスリーブライニング６６で覆われている。

このように、本実施形態においては、ポンプケーシング１０の内面接液部、ケーシングカバー１２の内面接液部、羽根車１４の外面接液部、スリーブ２４の外面接液部が、４フッ化樹脂などの耐食性材料からなるライニングで覆われている。したがって、半導体や液晶などの製造工程等において極めて高純度の超純水などの活性液体を移送する場合においても、活性液体とポンプ装置の構成要素の金属部とが絶縁されるので、金属イオンの溶出をはじめ、その他の微粒子の発生を防止することができ、これらを混入させることなく移送液を移送することができる。

ポンプケーシング１０、ケーシングカバー１２、羽根車１４、スリーブ２４の材質は、表面にライニング処理ができるものであれば、どのような材質であってもよい。また、本実施形態においては、スリーブ２４と羽根車１４とを別個の部品により構成しているが、スリーブ２４と羽根車１４とを一体構造として、羽根車１４と軸方向で接する接触面の端面をなくしてシールリング３２を省略してもよい。

また、本実施形態では、減圧ブッシュ３４をＰＶＤＦまたはＰＥＥＫにより構成する例を説明したが、減圧ブッシュ３４を４フッ化樹脂などポンプケーシングライニング６０と同じ材質またはこれと同等の材質により構成してもよい。あるいは、ケーシングカバー１２のケーシングカバーライニング６２の部分に減圧ブッシュ構造を形成し、減圧ブッシュ３４とケーシングカバーライニング６２とを一体に構成してもよい。

このような構成のポンプ装置における移送液の流れについて図２を参照して説明する。図２に示す例では、メカニカルシールカバー４８の潤滑液導入口５２はプラグ７０などにより閉止されている。

図２に示すように、移送液Ｐは、ポンプケーシング１０の吸込口１０ａから吸い込まれる。ほとんどの移送液Ｐは、回転する羽根車１４によって流れＰ１となり、ポンプケーシング１０の内部を流れ、吐出口１０ｂから吐出される流れＰ２となる。

ポンプケーシング１０内の一部の流れＰ３は、羽根車１４の減圧羽根部２８および減圧羽根部２８とケーシングカバー１２との間の軸方向隙間ｔ１を通過し、このときに減圧羽根２８のポンプ作用によりその圧力が低下する。そして、この流れＰ３は、羽根車ボス部５４の外周面とケーシングカバー１２との間に形成される空間ｔ２に至る流れＰ４となる。

この流れＰ４は、その後、減圧ブッシュ３４の内周面とスリーブ２４の外周面との間の空間ｔ３および減圧ブッシュ３４の内周面に形成されたラビリンス機構を通過する流れＰ５となり、圧力損失によりその圧力が低下する。そして、この流れＰ５は、リップシール３６の内周面とスリーブ２４の外周面との間の隙間ｔ４を通過して、このとき圧力損失によりその圧力が低下し、減圧室４４に流入する流れＰ６となる。

減圧室４４に流入した流れＰ６の一部は、減圧室カバー４０の内周面とスリーブ２４の外周面との間の隙間ｔ５を通過する流れＰ７となり、さらにメカニカルシール５０に向かう流れＰ８となる。この流れＰ８はメカニカルシール５０によりシールされる。そして、この流れＰ８は、減圧室４４内の液体と置換されながら、減圧室カバー４０の内周面とスリーブ２４の外周面との間の隙間を通過して、ポンプケーシング１０から減圧室４４に流出した流れＰ６とともに、減圧室カバー４０に設けられた排出口４６からポンプケーシング１０の外部空間に排出される（流れＰ９）。

本実施形態では、減圧羽根部２８とケーシングカバー１２との間の隙間ｔ１を通過する際の減圧効果、減圧ブッシュ３４の内周面に形成されたラビリンス機構を通過する際の減圧効果、およびリップシール３６の内周面とスリーブ２４の外周面との間の隙間ｔ４を通過する際の減圧効果により、減圧室４４の排出口４６からの移送液の流出量を少なくしている。

また、リップシール３６の断面形状は、半径方向外側から内側に向かってテーパ状になっており、ポンプケーシング１０からの流れに対して、リップシール３６の内周側先端とスリーブ２４の外周面との間に隙間が大きくなるようにリップシール３６の内周側が変形するような形状となっている。一方、減圧室４４からの流れに対しては、リップシール３６の内周側先端とスリーブ２４の外周面との間の隙間がなくなるようにリップシール３６の内周側が変形するような形状となっているので、ポンプの運転中に減圧室４４側からの液体、すなわちメカニカルシール５０の回転摺動部において生じた摩耗粉や活性液体による腐食により溶出した金属イオンが混入した移送液が、ポンプケーシング１０側に逆流することが防止される。また、ポンプの停止中においても、摩耗粉や金属イオンが混入した移送液がポンプケーシング１０側に拡散するのが防止される。

さらに、ポンプケーシング１０内の一部の移送液がリップシール３６の内周面とスリーブ２４の外周面との間の隙間に到達するまでの接液部は、４フッ化樹脂などの耐食性材料によるライニングで覆われ、あるいは、表面にライニング処理が施されているので、活性液体である移送液とポンプ装置の構成要素の金属とを絶縁することができる。したがって、ポンプ装置の構成要素からの金属イオンの溶出をはじめとして、その他の微粒子の発生が生じないので、移送液がポンプケーシング１０側に逆流や拡散したり、ポンプケーシング１０側の液と置換が生じたりしても、移送液の純度を高く維持することができる。

ここで、高純度の超純水を用いる場合においては、メカニカルシール５０の摺動部に極めて化学的に安定なＳｉＣ(炭化珪素)を用いても、超純水による金属の溶解挙動を抑止することができない。また、オゾン（Ｏ_３）やフッ化水素（ＨＦ）などを添加した超純水を用いる場合には、ポンプ装置の接液部の金属やセラミックスの溶出や腐食などの問題がさらに顕著になる。これらの問題を解決するために、メカニカルシールカバー４８の潤滑液導入口５２から減圧室４４に潤滑液（潤滑水）を注入してもよい。図３は、減圧室４４に潤滑液を注入する場合の移送液と潤滑液の流れを示す図である。

図３に示すように、メカニカルシールカバー４８の潤滑液導入口５２から導入された潤滑液Ｗは、スリーブ２４の外周面、メカニカルシール５０、メカニカルシールカバー４８、減圧室カバー４０によって形成される空間ｔ６に流れ込み、メカニカルシール５０の摺動部に向かう流れＷ１と、減圧室カバー４０の内周面とスリーブ２４の外周面との間の隙間ｔ５を通過する流れＷ２となる。隙間ｔ５を通過する流れＷ２は、減圧室４４に流出する流れＷ３となり、減圧室４４に流入した移送液の流れＰ６と混合して、減圧室カバー４０に設けられた排出口４６からポンプケーシング１０の外部空間に排出される。

このように、メカニカルシールカバー４８の潤滑液導入口５２から導入された潤滑液が、ポンプケーシング１０から減圧室４４に流出した移送液とともに、排出口４６からポンプケーシング１０の外部空間に排出されるので、超純水などの移送液がメカニカルシール５０に流れ込むことがなく、メカニカルシール５０の回転摺動部において生じた摩耗粉や活性液体による腐食により溶出した金属イオンが移送液に混入することがない。したがって、メカニカルシール５０に使用される金属やセラミックスなどが、潤滑液により超純水等の活性液体から保護されるので、メカニカルシール５０が溶出や腐食などを起こして機能を損なうことがなくなる。

ここで、減圧室４４に注入する潤滑液は通常の水道水でもよい。また、導入する潤滑水の圧力は、定流量弁や定量ポンプ（図示せず）により減圧室４４から排出される混合液の圧力よりも高く設定される。減圧室４４に導入される潤滑液を少量にして、ポンプケーシング１０から減圧室４４に流出した流れと減圧室４４内で同圧になるようにし、排出口４６に設けた流量調整弁等（図示せず）を介してポンプケーシング１０の外部空間に放出される。

ポンプを停止している時間が長いと、移送液である超純水に接している部分の金属やセラミックスから摩耗微粒子が発生し、金属イオンが発生する。このため、金属イオンなどのイオン含有量が１ＰＰＴまたはそれ以下である超高純度の超純水をポンプ起動直後に得るためには、ポンプの立ち上がり時に、汚染されているボンプ系内を大量のフラッシュ液により洗浄することが必要となる。しかし、このフラッシングは運転コストの上昇を招く。

そこで、ポンプによる液の移送が不要になった場合には、ポンプの運転を停止せずに、ポンプケーシング１０内の移送液の温度が上昇しない程度の運転流量で、吐出側と吸込側で循環運転をするか、吐出側で放出してもよい。あるいは、ポンプを停止して、吸込側に押し込み圧力が有れば、吐出側の制水弁を閉じて、排出口４６から移送液を排出してもよい。この場合には、メカニカルシール５０を保護するために潤滑液を注入するが、その流量は１／２程度にして連続的にあるいは間欠的に注入してもよい。このようにすることで、金属やセラミックスの溶出イオンがポンプケーシング１０側に進入することを確実に防ぐことができる。

なお、図２に示す例では、メカニカルシールカバー４８の潤滑液導入口５２をプラグ７０などにより閉止したが、潤滑液を減圧室４４に導入しない場合には、メカニカルシールカバー４８の潤滑液導入口５２を設けなくてもよい。

また、メカニカルシール５０は、固定環がポンプ室内にあり、回転環やスプリングがポンプ室外にある外装型（アウトサイド型）メカニカルシール、回転環およびスプリングがポンプ室内にある内装型（インサイド型）メカニカルシールのいずれであってもよい。また、軸封部としては、上述したメカニカルシールに限られるものではなく、グランド型、パッキン型、またはリップシール型の軸封部を用いることもできる。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

本発明の一実施形態におけるポンプ装置を示す断面図である。 図１のポンプ装置における移送液の流れを示す断面図である。 図１のポンプ装置における移送液と潤滑液の流れを示す断面図である。

符号の説明

１０ ポンプケーシング
１０ａ 吸込口
１０ｂ 吐出口
１２ ケーシングカバー
１４ 羽根車
１６ 電動機台
１８ 電動機
２０ ガスケット
２２ 回転軸
２４ スリーブ
２６，３２，４２ シールリング
２８ 減圧羽根
３０ シールカバー
３４ 減圧ブッシュ
３６ リップシール
３８ リップシール押さえ板
４０ 減圧室カバー
４４ 減圧室
４６ 排出口
４８ メカニカルシールカバー
５０ メカニカルシール
５２ 潤滑液導入口
５４ 羽根車ボス部
６０ ポンプケーシングライニング
６２ ケーシングカバーライニング
６４ 羽根車ライニング
６６ スリーブライニング
７０ プラグ

Claims (10)

1. 吸込口と吐出口を有するポンプケーシングと、
   前記ポンプケーシングの内部に収容され、回転駆動源の回転軸に連結された羽根車と、
   前記回転軸との間で軸封を行う軸封部とを備え、
   移送液が接する部分に耐食性処理を施し、
   前記羽根車と前記軸封部との間に減圧室を設け、
   少なくとも前記移送液の一部を前記減圧室から外部に排出する排出口を設けたことを特徴とするポンプ装置。
2. 前記移送液以外の潤滑液を前記減圧室に導入する潤滑液導入口を設けたことを特徴とする請求項１に記載のポンプ装置。
3. 前記排出口から排出される量を前記潤滑液導入口から導入される前記潤滑液の量よりも多くしたことを特徴とする請求項２に記載のポンプ装置。
4. 前記羽根車の裏面に減圧羽根を設けたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のポンプ装置。
5. 前記ポンプケーシングから前記排出口までの間の移送液が接する部分に耐食性処理を施した絞り機構を設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のポンプ装置。
6. 前記ポンプケーシングから前記排出口までの間の移送液が接する部分に耐食性材料からなる絞り機構を設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のポンプ装置。
7. 前記絞り機構は、前記回転軸と対面する面にラビリンス構造を有することを特徴とする請求項５または６に記載のポンプ装置。
8. 前記絞り機構と前記排出口との間に耐食性材料からなるリップシールを設けたことを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載のポンプ装置。
9. 表面に耐食性処理を施したスリーブを前記回転軸の外周面に設けたことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のポンプ装置。
10. 前記羽根車と前記スリーブとを一体に形成し、
    前記羽根車の外面と前記スリーブの外周面とに連続的に耐食性処理を施したことを特徴とする請求項９に記載のポンプ装置。

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