JP2013231370A

JP2013231370A - 小型ダイアフラムポンプ

Info

Publication number: JP2013231370A
Application number: JP2012102739A
Authority: JP
Inventors: Yuya Watanabe; 裕也渡邊; Takashi Minamibokumoku; 孝至南朴木; Hiroaki Yamamoto; 弘明山本; Koichi Tamura; 孔一田村
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2013-11-14
Also published as: WO2013162036A1

Abstract

【課題】
小型のモータによってダイアフラムを動作させることができ、かつ、オゾンガスなどの腐食性ガスの透過率が小さい小型ダイアフラムポンプを提供する。
【解決手段】
小型ダイアフラムポンプ１０において、ダイアフラムとして、ＰＴＦＥから形成される薄膜３１とＰＴＦＥから形成される薄膜３２とが分離可能に積層されて構成される積層型ダイアフラム３０を設ける。
【選択図】図４

Description

本発明は、小型ダイアフラムポンプに関する。

従来、オゾンガスなどの腐食性ガスを昇圧するためのポンプのうち、特に駆動モータの消費電力が１５０Ｗ以下の小型ダイアフラムポンプは、オーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６から形成されるポンプヘッドと、柔軟性の高いエチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）やフッ素ゴムから形成されるダイアフラムとを備えている。そして、従来の小型ダイアフラムポンプでは、ダイアフラムの耐食性を向上させるために、ダイアフラム表面にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのフッ素樹脂が薄くライニングされている。

しかしながら、オゾンガスのように樹脂に対する透過性が高く、かつゴム類を侵しやすい腐食性ガスは、従来の小型ダイアフラムポンプにおけるＰＴＦＥの薄膜を容易に透過し、ダイアフラム本体であるゴム類を侵してしまう。このため、一定濃度以上のオゾンガス下では、従来の小型ダイアフラムポンプは数十時間程度しか正常に動作することができないという問題がある。

このような問題を解決するために、ゴム製のダイアフラムの耐食性を向上する技術として、特許文献１には、ゴム層の表面にプラズマによって高分子薄層が形成されたダイアフラムが記載されている。

特開昭６１−７０２７３号公報

特許文献１に記載のダイアフラムは、耐食性がある程度向上するけれども、オゾンガスなどの腐食性ガスの透過を防ぐことはできない。また、特許文献１に記載のダイアフラムを製作するためには高価なプラズマ装置が必要となり、ダイアフラムも高価となってしまう。

オゾンガスなどの腐食性ガスの透過を防ぐために、厚みの大きいＰＴＦＥでダイアフラムを形成することが考えられる。しかしながら、ＰＴＦＥは硬いので、そのダイアフラムを動作させるためには非常に強い力が必要となり、従来の小型のモータでは動作させることができない。

本発明は、このような課題を解決するためのものであり、小型のモータによってダイアフラムを動作させることができ、かつ、オゾンガスなどの腐食性ガスの透過率が小さい小型ダイアフラムポンプを提供することを目的とする。

本発明は、モータの駆動によりダイアフラムを動作させ、そのダイアフラムとポンプヘッドとの間の空間の体積を変化させることにより、そのポンプヘッドに隣接するチャンバに設けられる吸引側逆止弁および吐出側逆止弁を開閉させて吸引および吐出を行う小型ダイアフラムポンプにおいて、
前記ダイアフラムは、分離可能な複数層からなる積層型ダイアフラムであり、各層は、ポリテトラフルオロエチレンから形成される薄膜であることを特徴とする小型ダイアフラムポンプである。

本発明によれば、小型ダイアフラムポンプに用いられるダイアフラムが、分離可能な複数層からなる積層型ダイアフラムであり、各層はポリテトラフルオロエチレンから形成される薄膜である。このような積層型ダイアフラムでは、アームロッドと固定されない部分、すなわち、ダイアフラムの稼動部分において、積層型ではないダイアフラムよりも自由度が高くなり、ダイアフラムの駆動に必要なトルクが軽減されると考えられる。これにより、全体の厚みが同じ場合、積層型ダイアフラムは、積層型ではない通常のダイアフラムよりも小さな力で駆動することができるようになる。換言すれば、積層型ダイアフラムは、積層型ではないダイアフラムでは駆動できないような大きな厚みであっても駆動可能な場合がある。そして、オゾンガスなどの腐食性ガスの透過率は、ＰＴＦＥからなるダイアフラムの全体の厚みが大きくなればなるほど、指数関数的に減少するので、ダイアフラムを積層型ダイアフラムとし、ダイアフラムの全体の厚みを、積層型ではないダイアフラムでは駆動できないが積層型ダイアフラムであれば駆動できるような範囲内の厚みにすることで、小型のモータによってダイアフラムを動作させることができ、かつ、オゾンガスなどの腐食性ガスの透過率を小さくすることができる。

従来の小型ダイアフラムポンプ１０の構成を示す図である。ダイアフラム２を示す図である。ダイアフラム２０を示す図である。本発明に係る積層型ダイアフラム３０を示す図である。

以下に、本発明の実施例と、比較例と、参考例とについて説明する。
＜参考例＞
図１に、参考例として、従来の小型ダイアフラムポンプ１０の構成を示す。また、図２に、従来の小型ダイアフラムポンプ１０に設けられるダイアフラム２を示す。小型ダイアフラムポンプ１０は、オーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３１６から形成されるポンプヘッド１と、ダイアフラム２と、モータ本体３ａおよび回転軸部３ｂを含む小型モータ３（消費電力１００Ｗ）と、ダイアフラム２に当接するアームロッド４と、ベアリング５と、クランク部材６と、ポンプケース７とから構成される。小型ダイアフラムポンプ１０は、ポンプヘッド１とポンプケース７とによって内部空間が形成され、その内部空間を仕切るように、ポンプヘッド１とポンプケース７との間にダイアフラム２が設けられる。より詳細には、ダイアフラム２は、その周縁部が、ポンプヘッド１とポンプケース７とによって挟持される。そして、ダイアフラム２は、その中央部がアームロッド４に固定される。ポンプヘッド１とポンプケース７とによって形成される内部空間のうち、ポンプケース７側の内部空間には、小型モータ３、アームロッド４、ベアリング５、およびクランク部材６が収容される。ポンプヘッド１の外には、ポンプヘッド１側の空間と連通し、吸引側逆止弁８ａおよび吐出側逆止弁８ｂを備えるチャンバ８が設けられる。

小型ダイアフラムポンプ１０によれば、モータ本体３ａによって回転軸部３ｂが回転し、それによって、クランク部材６およびベアリング５を介して、アームロッド４が図１の紙面上下方向に振動し、アームロッド４に当接するダイアフラム２も上下方向に振動する。ダイアフラム２の振動によってポンプヘッド１側の内部空間の体積が大きくなるときに、吸引側逆止弁８ａが開いて、チャンバ８内に目標のガス、たとえばオゾンガスが吸引され、ダイアフラム２の振動によってポンプヘッド１側の内部空間の体積が小さくなるときに、吐出側逆止弁８ｂが開いて、チャンバ８内のオゾンガスが吐出される。吐出されたオゾンガスは、たとえば図示しない貯留容器内へ送られ、貯留容器内で昇圧される。

この小型ダイアフラムポンプ１０において、ダイアフラム２は、図２に示すように、ダイアフラム本体２ａと、ライニング層２ｂとからなる。ダイアフラム本体２ａは、外径がφ１０６ｍｍであり、厚みＬ_１が２．５ｍｍであり、ＥＰＤＭまたはフッ素ゴムによって形成される。ライニング層２ｂは、ダイアフラム本体２ａのポンプヘッド１側の表面上に、ＰＴＦＥから形成され、厚みＬ_２が０．３ｍｍである。以上のような小型ダイアフラムポンプ１０としては、株式会社榎本マイクロポンプ製作所のＦＸ−７０７０ＳＴ（製品名）などが挙げられる。

この従来の小型ダイアフラムポンプ１０を用いて、標準状態で濃度５００ｇ/ｍ^３の高濃度オゾンガスを、ゲージ圧で０．０５ＭＰａから０．２ＭＰａまで昇圧させたところ、この小型ダイアフラムポンプ１０の寿命は、ダイアフラム本体２ａの材質がＥＰＤＭの場合で約７０時間、フッ素ゴムの場合では約１２０時間と非常に短かった。このように寿命が短い原因は、高濃度オゾンガスがライニング層２ｂを透過し、ダイアフラム本体２ａのＥＰＤＭまたはフッ素ゴムを侵してしまうからである。

＜比較例＞
次に、比較例１〜５について説明する。比較例１〜５は、上記の小型ダイアフラムポンプ１０において、ダイアフラム２の代わりに、ダイアフラム２０を設けたものである。図３に、ダイアフラム２０を示す。ダイアフラム２０は、外径がφ１０６ｍｍであり、ライニング層を備えておらず、ＰＴＦＥのみから形成される。

（比較例１）
比較例１として、ダイアフラム２０の厚みＬ_３を０．５ｍｍとし、標準状態で濃度５００ｇ/ｍ^３の高濃度オゾンガスを、ゲージ圧で０．０５ＭＰａから０．２ＭＰａまで昇圧させる試験を行った。

（比較例２）
比較例２として、ダイアフラム２０の厚みＬ_３を０．７ｍｍとし、標準状態で濃度５００ｇ/ｍ^３の高濃度オゾンガスを、ゲージ圧で０．０５ＭＰａから０．２ＭＰａまで昇圧させる試験を行った。

（比較例３）
比較例３として、ダイアフラム２０の厚みＬ_３を０．９ｍｍとし、標準状態で濃度５００ｇ/ｍ^３の高濃度オゾンガスを、ゲージ圧で０．０５ＭＰａから０．２ＭＰａまで昇圧させる試験を行った。

（比較例４）
比較例４として、ダイアフラム２０の厚みＬ_３を１．４ｍｍとし、標準状態で濃度５００ｇ/ｍ^３の高濃度オゾンガスを、ゲージ圧で０．０５ＭＰａから０．２ＭＰａまで昇圧させる試験を行った。

（比較例５）
比較例５として、ダイアフラム２０の厚みＬ_３を１．６ｍｍとし、標準状態で濃度５００ｇ/ｍ^３の高濃度オゾンガスを、ゲージ圧で０．０５ＭＰａから０．２ＭＰａまで昇圧させる試験を行った。

（比較例１〜５の結果）
小型ダイアフラムポンプ１０のポンプケース７側の内部空間にオゾンガス濃度計測器を設けてオゾンガス濃度を計測した。比較例１〜５におけるオゾンガス濃度の計測結果を表１に示す。

表１に示すように、比較例１〜４では、ポンプケース７側の内部空間におけるオゾンガス濃度は、作業環境基準濃度値として定められる０．１ｐｐｍを大きく超えており、小型モータ３で動作させることが可能な０．５ｍｍ〜１．４ｍｍの範囲内でＰＴＦＥからなるダイアフラム２０の厚みを大きくしても、オゾンガスの透過を防ぐことはできなかった。また、比較例５では、ＰＴＦＥからなるダイアフラムの厚みが大き過ぎて、小型モータ３（消費電力１００Ｗ）ではダイアフラム２０を動作させることができなかった。このように、ダイアフラムを動作させることが不可能な膜厚の下限値を、本願において「動作限界厚み」と称する。すなわち、消費電力１００Ｗの小型モータ３に対する動作限界厚みは１．６ｍｍである。

＜実施例＞
次に、本発明の実施例について説明する。実施例は、上記の小型ダイアフラムポンプ１０において、ダイアフラム２の代わりに、積層型ダイアフラム３０を設けたものである。図４に、本発明に係る積層型ダイアフラム３０を示す。積層型ダイアフラム３０は、薄膜３１と薄膜３２とを重ね合わせたものである。重ね合わされた状態における積層型ダイアフラム３０の形状は、ダイアフラム２，２０と同様である。薄膜３１はポンプヘッド１側に設けられ、薄膜３２はポンプケース７側に設けられる。

薄膜３１，３２はともに、ＰＴＦＥのみから形成される。薄膜３１と薄膜３２とは、接着されてはおらず、分離可能に接触している状態である。薄膜３１と薄膜３２とは、接着はされていないけれども、両方ともアームロッド４に固定されている。固定方法としては、薄膜３１と薄膜３２とを重ねた状態で、アームロッド４にビス止めをする方法などがある。

薄膜３１は、厚みＬ_４が０．９ｍｍであり、この厚みＬ_４は動作限界厚みの５６．２５％である。薄膜３２は、厚みＬ_５が０．７ｍｍであり、この厚みＬ_５は動作限界厚みの４３．７５％である。薄膜３１の厚みＬ_４と薄膜３２の厚みＬ_５との合計の厚みは、１．６ｍｍであり、動作限界厚みの１００％である。なお、合計の厚みが１．６ｍｍであることから、積層型ダイアフラム３０の形状は、比較例５におけるダイアフラム２０と同一になる。

このような積層型ダイアフラム３０を備える小型ダイアフラムポンプ１０を用いて、標準状態で濃度５００ｇ/ｍ^３の高濃度オゾンガスを、ゲージ圧で０．０５ＭＰａから０．２ＭＰａまで昇圧させる試験を行った。その結果、積層型ダイアフラム３０は正常に動作し、小型ダイアフラムポンプ１０のポンプケース７側の内部空間におけるオゾンガス濃度は、オゾンガス濃度計測器の測定限界値である０．０１ｐｐｍ以下となった。

また、上記の試験を繰り返して行ったところ、積層型ダイアフラム３０を備える小型ダイアフラムポンプ１０は、２０００時間以上正常に動作し、寿命が大幅に増加していた。なお、積層型ダイアフラム３０の代わりに、薄膜３１の厚みを０．７ｍｍとし、薄膜３２の厚みを０．９ｍｍとしたものを用いても、上記実施例と同様の結果が得られた。

このような結果から、積層型ダイアフラム３０では、アームロッド４と固定されていない部分、具体的には、アームロッド４とポンプケース７との間の部分である、ダイアフラムの稼動部分において、積層型ではないダイアフラム２０よりも自由度が高くなり、ダイアフラムの駆動に必要なトルクが軽減されると考えられる。これにより、全体の厚みが同じ場合、積層型ダイアフラム３０は、積層型ではないダイアフラム２０よりも小さな力で駆動することができるようになる。換言すれば、積層型ダイアフラム３０は、積層型ではないダイアフラム２０では駆動できないような大きな厚みであっても駆動可能な場合がある。そして、オゾンガスなどの腐食性ガスの透過率は、ＰＴＦＥからなるダイアフラムの全体の厚みが大きくなればなるほど、指数関数的に減少するので、ダイアフラムを積層型ダイアフラム３０とし、ダイアフラムの全体の厚みを、積層型ではないダイアフラムでは駆動できないが積層型ダイアフラム３０であれば駆動できるような範囲内の厚みにすることで、小型のモータによってダイアフラムを動作させることができ、かつ、オゾンガスなどの腐食性ガスの透過率を小さくすることができる。

１ポンプヘッド
２，２０ダイアフラム
３小型モータ
３ａモータ本体
３ｂ回転軸部
４アームロッド
５ベアリング
６クランク部材
７ポンプケース
８チャンバ
８ａ吸引側逆止弁
８ｂ吐出側逆止弁
１０小型ダイアフラムポンプ
３０積層型ダイアフラム
３１，３２薄膜

Claims

モータの駆動によりダイアフラムを動作させ、そのダイアフラムとポンプヘッドとの間の空間の体積を変化させることにより、そのポンプヘッドに隣接するチャンバに設けられる吸引側逆止弁および吐出側逆止弁を開閉させて吸引および吐出を行う小型ダイアフラムポンプにおいて、
前記ダイアフラムは、分離可能な複数層からなる積層型ダイアフラムであり、各層は、ポリテトラフルオロエチレンから形成される薄膜であることを特徴とする小型ダイアフラムポンプ。