JP7420794B2 - ローリングダイアフラムポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ローリングダイアフラムポンプに関する。

例えば、半導体、液晶、有機ＥＬ、太陽電池等の製造プロセスにおいて、薬液を塗布又は調合するときに当該薬液を送給させるポンプとして、耐薬性に優れたローリングダイアフラムポンプが用いられている。このローリングダイアフラムポンプは、シリンダ内においてピストンを往復移動させると、合成樹脂製のローリングダイアフラムが屈曲運動してポンプ室（圧力室）内の容積が変化することで、薬液をポンプ室内に吸い込んで吐出するようになっている。

前記合成樹脂製のローリングダイアフラムは、ピストンの往復移動に対する追従性が悪いため、屈曲運動中に屈曲部分以外の箇所でシワが発生して破れるおそれがある。
そこで、特許文献１では、減圧装置を用いてローリングダイアフラムをピストン及びハウジングに確実に密着させることで、前記シワの発生を抑制している。また、特許文献２では、合成樹脂製のローリングダイアフラムの表面にゴム層を接着（コーティング）させることにより、前記シワの発生を抑制している。

特開２０１５－９８８５５号公報 特開２０１８－２５２５１号公報

特許文献１では、ローリングダイアフラムをピストン等に密着させるための減圧装置が必要となり、コスト高となる。また、特許文献２では、ローリングダイアフラムにゴム層を接着し易くするために、ローリングダイアフラムに対して表面改質処理を行う必要があり、この場合もコスト高となる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、安価な構成でローリングダイアフラムにシワが発生するのを抑制できるローリングダイアフラムポンプを提供することを目的とする。

（１）本発明者らは、ゴム層によりローリングダイアフラムにおけるシワの発生を抑制できるメカニズムについて鋭意研究を重ねた。その結果、ローリングダイアフラムの屈曲部分において、テンションが掛かったゴム層の強い復元力によって、その屈曲部分を屈曲させようとする外力が、非屈曲部分のシワを生じさせる外力よりも大きくなり、非屈曲部分でのシワの発生が抑制されることを見出した。そして、前記屈曲させようとする外力と前記シワを生じさせる外力との力関係は、ローリングダイアフラムにゴム層を接着させなくても変化しないという知見を得、かかる知見に基づいて本発明を完成させた。

すなわち、本発明のローリングダイアフラムポンプは、ハウジングと、前記ハウジング内にポンプ室を区画形成する合成樹脂製のローリングダイアフラムと、前記ハウジング内に前記ローリングダイアフラムと共に往復移動可能に配置されたピストンと、を備え、前記ピストンの往復移動に伴う前記ローリングダイアフラムの屈曲運動により前記ポンプ室内の容積を変化させることで移送流体を吸入および吐出するダイアフラムポンプであって、前記ローリングダイアフラムは、前記ピストンと一体に往復移動可能な可動部と、前記ハウジングに固定された固定部と、前記可動部と前記固定部とを繋ぎ前記ピストンの往復移動により屈曲する薄膜部と、を有し、前記薄膜部には、ゴム層が接着することなく重ねられており、前記ゴム層の前記可動部側の端部が前記ピストンに固定され、前記ゴム層の前記固定部側の端部が前記ハウジングに固定されている。

本発明によれば、ローリングダイアフラムにおいて屈曲する薄膜部にゴム層が重ねられているので、ローリングダイアフラムにシワが発生するのを抑制することができる。また、前記ゴム層は、薄膜部に接着することなく重ねられているので、従来のローリングダイアフラムにゴム層を接着させる場合に比べて、安価な構成で前記シワの発生を抑制することができる。

（２）前記薄膜部には、当該薄膜部と前記ゴム層との間の空気を外部に排出するための貫通孔が形成されているのが好ましい。
この場合、薄膜部に形成された貫通孔により、薄膜部とゴム層との間の空気を外部に排出することができるので、薄膜部とゴム層との間に空気が閉じ込められることに起因して薄膜部が塑性変形するのを抑制することができる。

（３）前記貫通孔は、前記薄膜部における前記固定部の近傍に形成されているのが好ましい。
薄膜部とゴム層との間の空気は、薄膜部の屈曲運動中に固定部の近傍に集約されるので、薄膜部における固定部の近傍に貫通孔を形成することで、固定部の近傍に集約された空気を効率的に外部に排出することができる。

（４）前記貫通孔は、前記薄膜部に複数形成されているのが好ましい。
この場合、薄膜部に形成された複数の貫通孔により、薄膜部とゴム層との間の空気をより効率的に外部に排出することができる。

本発明によれば、安価な構成でローリングダイアフラムにシワが発生するのを抑制することができる。

本発明の実施形態に係るローリングダイアフラムポンプにおいてピストンが最下位置にある状態を示す断面図である。 ローリングダイアフラムを示す図１の要部拡大断面図である。 ローリングダイアフラムポンプにおいてピストンが最上位置にある状態を示す断面図である。

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。
図１は、本発明の実施形態に係るローリングダイアフラムポンプの断面図である。ローリングダイアフラムポンプ１は、ハウジング２と、ピストン３と、シャフト４と、ローリングダイアフラム５とを備えている。本実施形態では、ローリングダイアフラムポンプ１（以下、単にポンプ１ともいう）の長手方向（軸方向）を、上下方向に配置しているが、水平方向に配置してもよい。

［ハウジングの構成］
ハウジング２は、シリンダ１１と、ポンプヘッド１２とを有している。シリンダ１１は、円筒形状に形成され、軸方向を上下方向として配置されている。ポンプヘッド１２は、有蓋円筒形状に形成され、シリンダ１１の軸方向上側にその開口を閉塞するように取り付けられている。ポンプヘッド１２は、シリンダ１１と略同一の内径を有し、シリンダ１１と共にピストン３を収容し得る収容空間を構成している。

ポンプヘッド１２の周壁部には、軸方向と直交する方向に貫通する吸入口１５が形成されている。この吸入口１５は、薬液等の液体（移送流体）を貯溜する液体タンク（図示省略）に接続されている。ポンプヘッド１２の蓋部には、軸方向に貫通する吐出口１６が当該蓋部の中心部に位置するように形成されている。この吐出口１６は、例えば液体を塗布する噴射ノズル等の液体供給部（図示省略）に接続されている。

［ピストンの構成］
ピストン３は、ハウジング２内で当該ハウジング２に対して同軸上に配置されるとともに、ハウジング２の軸方向（上下方向）に往復移動可能に配置されている。本実施形態において、ピストン３は、円柱形状に形成されており、ハウジング２（シリンダ１１およびポンプヘッド１２）の内径よりも小さい外径を有している。これにより、ピストン３の外周面は、ハウジング２の内周面に対して所定の隙間をあけて対向配置されている。

ピストン３は、軸方向上側に開口する第１凹部２１と、軸方向下側に開口する第２凹部２２とを有している。第１凹部２１及び第２凹部２２は、それぞれピストン３の中心部に形成され、互いに同軸上に配置されている。第２凹部２２には、シャフト４の上端部が嵌合して固定されている。シャフト４の下端部には、ピストン３を最下位置（図１参照）と最上位置（図３参照）との間で軸方向に往復移動させる駆動装置（図示省略）が接続されている。なお、駆動装置は、ステッピングモータと、当該ステッピングモータの回転運動を直線運動に変換して出力する直動機構部とを有している。

［ローリングダイアフラムの構成］
図２は、ローリングダイアフラムを示す図１の要部拡大断面図である。ローリングダイアフラム５は、合成樹脂材料（例えば、ポリテトラフロオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂）からなり、ハウジング２内に収容されている。

ローリングダイアフラム５は、ピストン３の軸方向上端部に取り付けられた円形の可動部３１と、ハウジング２に取り付けられた環状の固定部３２と、可動部３１と固定部３２とを繋いでいる薄膜部３３とを有している。そして、ローリングダイアフラム５は、ハウジング２により位置固定された固定部３２に対して、薄膜部３３を介して可動部３１がピストン３と一体に軸方向に往復移動するように構成されている。

固定部３２は、シリンダ１１の上面に形成された環状の凹部１１ａに嵌め込まれた状態で、ポンプヘッド１２の下端部に形成されたフランジ部１２ａにより下方に押し付けられた状態で保持されている。これにより、固定部３２は、シリンダ１１とポンプヘッド１２との間においてハウジング２に固定されている。

可動部３１は、ピストン３と略同一の外径を有する円板部３１ａと、円板部３１ａの下面から下方に向かって同軸上に突出する円柱部３１ｂとを有している。円柱部３１ｂは、ピストン３の第１凹部２１に嵌合して固定されている。これにより、可動部３１は、ピストン３と同軸上に配置され、ピストン３と共に往復移動する。

薄膜部３３は、固定部３２の内周端と、可動部３１の外周端とを繋いでいる。また、薄膜部３３は、薄膜状（薄肉）に形成されることで、可撓性を有している。一方、可動部３１及び固定部３２は、剛性を有するように、薄膜部３３よりも十分に厚い厚肉に形成されている。なお、以下では、薄膜部３３におけるポンプ室７（後述）に接する面を外周面といい、薄膜部３３におけるポンプ室７に接しない面を内周面という。

本実施形態のローリングダイアフラム５には、可動部３１の円板部３１ａの下面から、薄膜部３３の内周面を介して、固定部３２の下面に至るまで、ゴム層６が接着することなく重ねられている。以下、ゴム層６における薄膜部３３の内周面に接する面を外面といい、ゴム層６における薄膜部３３の内周面に接しない面を内面という。
ゴム層６は、伸縮性（ゴム弾性）を備えている。ゴム層６の材質は、天然ゴム、合成ゴム等の熱硬化性エラストマーのほか、ポリウレタン系樹脂等の熱可塑性エラストマーであってもよい。

ゴム層６の円板部３１ａ側の端部６ａは、円柱部３１ｂがピストン３の第１凹部２１に嵌合されることによって、円板部３１ａの下面とピストン３の上面との間に挟持された状態で保持されている。これにより、ゴム層６の端部６ａは、ピストン３に固定されている。

ゴム層６の固定部３２側の端部６ｂは、固定部３２と共にシリンダ１１の凹部１１ａに嵌め込まれた状態で、ポンプヘッド１２のフランジ部１２ａにより固定部３２が下方に押し付けられることで、固定部３２の下面と凹部１１ａの底面との間に挟持された状態で保持されている。これにより、ゴム層６の端部６ｂは、ハウジング２に固定されている。

ピストン３が図２に示す最下位置（図１も参照）にあるとき、薄膜部３３及びゴム層６は、ピストン３の外周面とシリンダ１１の内周面との間で断面Ｕ字状に屈曲している。具体的には、薄膜部３３及びゴム層６は、可動部３１の外周端からピストン３の外周面に沿って下側に少し延び、その下端部から径方向外側に屈曲して、シリンダ１１の内周面に沿って固定部３２の内周端まで上側に延びている。この状態において、ゴム層６の径方向外側に屈曲された内面の大部分は、シリンダ１１の内周面に密着している。

図３は、ピストン３が最上位置にある状態のポンプを示す断面図である。図３に示すように、ピストン３が最上位置まで移動すると、薄膜部３３及びゴム層６は、ピストン３の外周面に沿った円筒形状に変形する。この状態において、ゴム層６の内面の大部分は、ピストン３の外周面に密着している。

図１及び図３において、ポンプ１のハウジング２内は、ローリングダイアフラム５によってポンプ室７が区画形成されている。具体的には、ポンプ室７は、ローリングダイアフラム５により、ハウジング２内のローリングダイアフラム５よりも軸方向上側に区画形成されており、ポンプヘッド１２の吸入口１５及び吐出口１６のそれぞれと連通している。ポンプ室７は、ピストン３の往復移動に伴うローリングダイアフラム５の屈曲運動によって、室内の容積が変化するようになっている。

［ポンプの駆動方法］
以上の構成により、ポンプ１では、前記駆動装置により、ピストン３が軸方向上側に往移動する吐出工程と、ピストン３が軸方向下側に復移動する吸込工程とが交互に繰り返し行われる。これにより、液体タンク等に貯溜された液体を、ポンプ１から液体供給部に供給することができる。

具体的には、吸込工程において、ピストン３の復移動に追従してローリングダイアフラム５の可動部３１が下方へ移動する（図３に示す状態から図１に示す状態に変化する）。その過程で、ローリングダイアフラム５の薄膜部３３及びゴム層６は、ピストン３の外周面とシリンダ１１の内周面との隙間で屈曲し、その屈曲位置が下方へ変位するようにローリングした後、シリンダ１１の内周面にゴム層６の内面の大部分が密着した状態となる。これにより、ポンプ室７の容積が拡大するので、液体タンク内の液体が吸入口１５を通じてポンプ室７に吸い込まれる。

そして、吐出工程においては、ピストン３の往移動に追従してローリングダイアフラム５の可動部３１が上方へ移動する（図１に示す状態から図３に示す状態に変化する）。その過程で、ローリングダイアフラム５の薄膜部３３及びゴム層６は、ピストン３の外周面とシリンダ１１の内周面との隙間での屈曲位置が上方へ変位するようにローリングした後、ピストン３の外周面にゴム層６の内面の大部分が密着した状態となる。これにより、ポンプ室７の容積が縮小するので、ポンプ室７内の液体が吐出口１６から吐出される。

吸込工程および吐出工程における薄膜部３３の屈曲部分では、図１に示すように、ゴム層６が図中の矢印ａ方向及び矢印ｂ方向に引っ張られることで、ゴム層６の屈曲部分にテンションが掛かる。そうすると、薄膜部３３の屈曲部分には、ゴム層６の屈曲部分における強い復元力により、図中の白抜き矢印の方向に押される力、つまり薄膜部３３を屈曲させようとする外力が作用する。これにより、薄膜部３３の屈曲部分を屈曲させようとする外力は、薄膜部３３の非屈曲部分（図１ではシリンダ１１の内周面に沿う直線部分）に作用するシワを生じさせる外力よりも大きくなる。従って、吸込工程および吐出工程において、薄膜部３３に重ねられたゴム層６により、薄膜部３３の非屈曲部分でのシワの発生を抑制することができる。

ところで、ポンプ１の製造時において、ローリングダイアフラム５にゴム層６を重ねたときに、薄膜部３３とゴム層６との間に空気が入り込む場合がある。この場合、ポンプ１の吐出工程（図１参照）においてピストン３が最下位置から上方へ移動するときに、薄膜部３３とゴム層６との間の空気は、薄膜部３３の上方へ変位する屈曲位置と固定部３２との間に閉じ込められて徐々に上方へ移動する。そして、薄膜部３３の屈曲位置が固定部３２に近づいたときに、前記閉じ込められた空気は、固定部３２の近傍に集約され、逃げ場を失うことによって膨張する。そうすると、薄膜部３３は、膨張した空気に強く押されることによって塑性変形するおそれがある。

そこで、薄膜部３３には、薄膜部３３とゴム層６との間に入り込んだ空気を外部に排出するための貫通孔３４が形成されている。本実施形態の貫通孔３４は、薄膜部３３における固定部３２の近傍において、固定部３２の周方向に所定間隔をあけて複数形成されている。これにより、ポンプ１の吐出工程において、薄膜部３３の屈曲位置が上方へ変位することで、薄膜部３３とゴム層６との間の空気を複数の貫通孔３４から外部に排出することができる。

［作用効果］
以上、本実施形態のローリングダイアフラムポンプ１によれば、ローリングダイアフラム５において屈曲する薄膜部３３にゴム層６が重ねられているので、ローリングダイアフラム５にシワが発生するのを抑制することができる。また、ゴム層６は、薄膜部３３に接着することなく重ねられているので、従来のローリングダイアフラムにゴム層を接着させる場合に比べて、安価な構成で前記シワの発生を抑制することができる。

また、薄膜部３３に形成された貫通孔３４により、薄膜部３３とゴム層６との間の空気を外部に排出することができるので、薄膜部３３とゴム層６との間に空気が閉じ込められることに起因して薄膜部３３が塑性変形するのを抑制することができる。

また、貫通孔３４は、薄膜部３３における固定部３２の近傍に形成されているので、固定部３２の近傍に集約された空気を、貫通孔３４から効率的に外部に排出することができる。また、薄膜部３３に形成された複数の貫通孔３４により、薄膜部３３とゴム層６との間の空気をより効率的に外部に排出することができる。

［その他］
前記実施形態のゴム層６の端部６ａは、ローリングダイアフラム５の可動部３１（円板部３１ａ）と共にピストン３に固定されているが、可動部３１とは別にピストン３に固定されていてもよい。同様に、ゴム層６の端部６ｂは、ローリングダイアフラム５の固定部３２と共にハウジング２に固定されているが、固定部３２とは別にハウジング２に固定されていてもよい。

前記実施形態のローリングダイアフラム５の薄膜部３３には、薄膜部３３とゴム層６との間の空気を外部に排出するための貫通孔３４が形成されているが、薄膜部３３とゴム層６との間に空気が入り込まない場合には、貫通孔３４を形成しなくてもよい。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ ローリングダイアフラムポンプ
２ ハウジング
３ ピストン
５ ローリングダイアフラム
６ ゴム層
６ａ 端部
６ｂ 端部
７ ポンプ室
３１ 可動部
３２ 固定部
３３ 薄膜部
３４ 貫通孔

Claims (4)

1. ハウジングと、
   前記ハウジング内にポンプ室を区画形成する合成樹脂製のローリングダイアフラムと、
   前記ハウジング内に前記ローリングダイアフラムと共に往復移動可能に配置されたピストンと、を備え、
   前記ピストンの往復移動に伴う前記ローリングダイアフラムの屈曲運動により前記ポンプ室内の容積を変化させることで移送流体を吸入および吐出するダイアフラムポンプであって、
   前記ローリングダイアフラムは、前記ピストンと一体に往復移動可能な可動部と、前記ハウジングに固定された固定部と、前記可動部と前記固定部とを繋ぎ前記ピストンの往復移動により屈曲する薄膜部と、を有し、
   前記薄膜部には、ゴム層が接着することなく重ねられており、
   前記ゴム層の前記可動部側の端部が前記ピストンに固定され、前記ゴム層の前記固定部側の端部が前記ハウジングに固定されており、
   前記ゴム層における前記可動部側の端部と前記固定部側の端部との間の部分は、前記ピストンの往復移動により前記薄膜部に沿いながら屈曲する、ローリングダイアフラムポンプ。
2. 前記薄膜部には、当該薄膜部と前記ゴム層との間の空気を外部に排出するための貫通孔が形成されている、請求項１に記載のローリングダイアフラムポンプ。
3. 前記貫通孔は、前記薄膜部における前記固定部の近傍に形成されている、請求項２に記載のローリングダイアフラムポンプ。
4. 前記貫通孔は、前記薄膜部に複数形成されている、請求項２又は３に記載のローリングダイアフラムポンプ。

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