JP7420801B2 - 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、ステッピングモータを駆動してシリンダ内の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（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５－９８８５５号公報

上記ローリングダイアフラムポンプの吐出工程において、ステッピングモータを図４の実線で示すように定速運転させると、ポンプ室内の圧力が急激に上昇するため、図５の実線で示すように設定圧力値を超えるオーバーシュートが発生し、薬液を一定流量で吐出することができない。そこで、従来は、オーバーシュート対策として、ステッピングモータを図４の破線で示すように加速運転させることにより、ポンプ室内の圧力を図５の破線で示すように緩やかに上昇させるようにしている。しかし、ステッピングモータを加速運転させると、ポンプ室内の圧力が緩やかに上昇することで、定速運転に比べて薬液の吐出時間が長くなるという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、オーバーシュートの発生を抑制しつつ、移送流体の吐出時間を短縮することが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、前記ピストンにおける前記ポンプ室側の端面に配置され当該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、前記ピストンの前記端面と、当該端面に対向する前記可動部の対向面との間に、ゴム層が介在している。

本発明によれば、ピストンにおけるポンプ室側の端面と、ローリングダイアフラムの可動部における前記端面との対向面との間にゴム層が介在しているので、移送流体の吐出工程においてポンプ室内の圧力が急激に上昇しても、可動部を介してゴム層が弾性変形することにより、上昇した圧力をゴム層で吸収することができる。これにより、オーバーシュートの発生を抑制することができる。その結果、ピストンを往復移動させるステッピングモータを定速運転させても移送流体を一定流量で吐出することができるので、従来のステッピングモータを加速運転させる場合に比べて移送流体の吐出時間を短縮することができる。

（２）前記ゴム層は、前記端面又は前記対向面に接着されているのが好ましい。
この場合、ポンプ室内で急激に圧力が上昇したときに、その上昇した圧力を可動部からゴム層に確実に伝達することができるので、ポンプ室内の圧力上昇に対して、ゴム層の弾性変形を確実に追随させることができる。

本発明によれば、オーバーシュートの発生を抑制しつつ、移送流体の吐出時間を短縮することができる。

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。 ステッピングモータを定速運転させる場合と加速運転させる場合とにおけるステッピングモータの回転速度の変化を示すグラフである。 ステッピングモータを定速運転させる場合と加速運転させる場合とにおけるポンプ室内の圧力の変化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。
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、上端面３ａにおいて軸方向上側に開口する第１凹部２１と、下端面３ｂにおいて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３１ａ１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。ここで、円柱部３１ｂと第１凹部２１とは、締まり嵌めにより固定されていてもよいし、円柱部３１ｂの外周面に雄ネジが切られ、第１凹部２１の内周面に雌ネジが切られ、ネジ止めされることにより固定されていてもよい。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３１ａ１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が重ねられている。ゴム層６は、円板部３１ａの下面３１ａ１全体に接着された環状の可動側ゴム端部６ａと、固定部３２側の下面全体に接着された環状の固定側ゴム端部６ｂと、薄膜部３３の内周面全体に接着されたゴム中間部６ｃとを有している。
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。

可動側ゴム端部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、ピストン３の上端面（後述するポンプ室７側の端面）３ａと、円板部３１ａの下面（対向面）３１ａ１との間に挟持された状態で保持されている。これにより、可動側ゴム端部６ａは、ピストン３に固定されている。

固定側ゴム端部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、固定側ゴム端部６ｂは、ハウジング２に固定されている。

ゴム中間部６ｃは、薄膜部３３の内周面全体に重ねて接着されることで、ピストン３の往復移動に対する薄膜部３３の追従性を向上させている。これにより、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）にシワが発生して破れるのを抑制することができる。以下、ゴム中間部６ｃにおける薄膜部３３の内周面に接する面を外面といい、ゴム中間部６ｃにおける薄膜部３３の内周面に接しない面を内面という。

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及びゴム中間部６ｃ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及びゴム中間部６ｃ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、ゴム中間部６ｃ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及びゴム中間部６ｃ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、ゴム中間部６ｃ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の薄膜部３３の外周面と、円板部３１ａの上面及び外周面とにより、ハウジング２内の軸方向上側に区画形成されている。ポンプ室７は、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。また、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、駆動装置のステッピングモータを一方向に回転させると、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及びゴム中間部６ｃ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の内周面にゴム中間部６ｃ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。

吐出工程においては、駆動装置のステッピングモータを他方向に回転させると、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及びゴム中間部６ｃ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の外周面にゴム中間部６ｃ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。

ところで、吐出工程では、図１に示す状態からステッピングモータを一定の回転速度で他方向に回転させる定速運転を行う。その際、ローリングダイアフラム５の可動部３１が上方へ移動することで、ポンプ室７内の圧力が急激に上昇する。しかし、その上昇した圧力により可動部３１の円板部３１ａが下方に押し付けられることで、可動側ゴム端部６ａが弾性変形する。これにより、前記上昇した圧力を可動側ゴム端部６ａで吸収することができるので、設定圧力値を超えるオーバーシュートが発生するのを抑制することができる。

［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、ピストン３の上端面３ａと、ローリングダイアフラム５の可動部３１における円板部３１ａの下面３１ａ１との間にゴム層６の可動側ゴム端部６ａが介在しているので、液体の吐出工程においてポンプ室７内の圧力が急激に上昇しても、円板部３１ａを介して可動側ゴム端部６ａが弾性変形することにより、上昇した圧力を可動側ゴム端部６ａで吸収することができる。これにより、オーバーシュートの発生を抑制することができる。その結果、ピストン３を往復移動させるステッピングモータを定速運転させても液体を一定流量で吐出することができるので、従来のステッピングモータを加速運転させる場合に比べて液体の吐出時間を短縮することができる。

可動側ゴム端部６ａは、円板部３１ａの下面３１ａ１に接着されているので、ポンプ室７内で急激に圧力が上昇したときに、その上昇した圧力を円板部３１ａから可動側ゴム端部６ａに確実に伝達することができる。これにより、ポンプ室７内の圧力上昇に対して、ゴム中間部６ｃの弾性変形を確実に追従させることができる。

［その他］
前記実施形態では、ゴム層６の可動側ゴム端部６ａを、ローリングダイアフラム５の可動部３１（円板部３１ａの下面３１ａ１）に接着させているが、ピストン３の上端面３ａに接着させてもよいし、ローリングダイアフラム５の可動部３１及びピストン３の上端面３ａのいずれにも接着させなくてもよい。同様に、ゴム層６の固定側ゴム端部６ｂ及びゴム中間部６ｃを、ローリングダイアフラム５の固定部３２及び薄膜部３３に接着させているが、固定部３２及び薄膜部３３に接着させなくてもよい。
前記実施形態のゴム層６は、可動側ゴム端部６ａ、固定側ゴム端部６ｂ及びゴム中間部６ｃを有しているが、少なくとも可動側ゴム端部６ａを有していればよい。

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
３ａ 上端面（端面）
５ ローリングダイアフラム
６ ゴム層
７ ポンプ室
３１ 可動部
３１ａ１ 下面（対向面）
３２ 固定部
３３ 薄膜部

Claims (2)

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フッ素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、前記ピストンにおける前記ポンプ室側の端面に配置され当該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、
   前記ピストンの前記端面と当該端面に対向する前記可動部の対向面との間に介在する可動側ゴム端部、及び前記薄膜部における前記ポンプ室に接しない面に重ねられたゴム中間部を有するゴム層を備え、
   前記ピストンの往移動による吐出工程の開始時において、前記ゴム中間部における前記薄膜部の前記面と接しない内面は、前記ハウジングの内周面に密着している、ローリングダイアフラムポンプ。
2. 前記ゴム層は、前記端面又は前記対向面に接着されている、請求項１に記載のローリングダイアフラムポンプ。

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