JP6434741B2

JP6434741B2 - ポンプ脈動を低減するためのシステム

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Publication number: JP6434741B2
Application number: JP2014164591A
Authority: JP
Inventors: 篤中野; 大輔浦田; 慶士永江
Original assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Current assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Priority date: 2014-08-12
Filing date: 2014-08-12
Publication date: 2018-12-05
Anticipated expiration: 2034-08-12
Also published as: JP2016040457A

Description

本発明は、ポンプ脈動を低減するためのシステムに関し、ベローズポンプの伸縮によって生じる吐出流体の脈動を低減するためのシステムに関する。

従来、半導体や液晶表示デバイスの製造における高純度薬液の供給、医薬品の定量注入など、所望の流体の移送にあたり、不純物の混入が特に厳密に制限された分野において、ベローズポンプが汎用されている。

ベローズポンプは、一般に、ベローズと、当該ベローズを伸縮させる駆動装置と、当該ベローズに接続された吸入用逆止弁および吐出用逆止弁によって構成されている。当該駆動装置を通じてベローズが伸長する際に流体が吸入口から吸入用逆止弁を通じてベローズ内に流入し、そしてベローズが収縮する際に流体が吐出用逆止弁を通じて吐出口から吐出されるように構成されている。

図４は、ベローズポンプを用いた、従来のポンプシステムの概要を説明するための模式図である。

従来のポンプシステム３は、ベローズポンプ１５０を中心に構成された液プロセスライン３００と、当該ベローズポンプ１５０に対してエアを供給する機器配置エリア２００とで構成されている。

機器配置エリア２００は吸気口１００とエアレギュレータ１１０と電磁弁１３０とを備え、吸気口１００とエアレギュレータ１１０との間、ならびにエアレギュレータ１１０と電磁弁１３０との間は、それぞれ配管１１，１４で連通している。吸気口１００から吸入された空気は配管１１を介してエアレギュレータ１１０に入る。次いで、エアレギュレータ１１０内で所定の圧力調整が施され、配管１４を介して電磁弁１３０に供給される。電磁弁１３０の切換えにより空気は配管１７または１９を介して液プロセスライン３００に供給される

液プロセスライン３００は、ベローズポンプ１５０と、２つの急速排気弁１６２，１６４とで構成されている。上記配管１７は急速排気弁１６４と連通し、上記配管１９は急速排気弁１６２と連通している。

配管１７から供給された空気は、急速排気弁１６４および配管２１を介して、ベローズポンプ１５０（図４の左側）に供給される。この空気の供給に伴って、ベローズポンプ１５０内の左側に設けられたベローズが空気で押圧され、これにより当該左側のベローズが収縮する。ベローズポンプ１５０は、左右のベローズが例えば、連結棒によって連結されているため、このような左側のベローズの収縮に伴って右側に位置するベローズが伸長する。これにより、当該薬液タンク中の薬液は、吸込口１５２を介してベローズポンプ１５０内（右側ベローズ内）に流入する。次いで、機器配置エリア２００の電磁弁１３０が切替り、吸気口１００から取り込まれた空気は、配管１９から急速排気弁１６２および配管２３を介して、ベローズポンプ１５０（図４の右側）に供給される。この空気の供給に伴って、ベローズポンプ１５０内の右側に設けられたベローズが空気で押圧され、これにより当該右側のベローズが収縮する。さらに、この右側のベローズの収縮に伴って左側に位置するベローズが伸長する。これにより、当該薬液タンク中の薬液は、吸込口１５２を介してベローズポンプ１５０内（左側ベローズ内）に流入するとともに、右側ベローズに流入した薬液が吐出口１５４を介して所定の液供給ライン（図示せず）に供給される。上記ポンプシステム３は、このような電磁弁１３０の切替えによるベローズポンプ１５０内のベローズの伸縮により薬液の連続供給を可能とする。

図４に示すポンプシステム３では、ベローズポンプ１５０の吐出口１５４から吐出される薬液の圧力は、ベローズポンプ１５０内のベローズの伸縮に対応して一定の周期をもって変化する。

図５は、図４に示すポンプシステムにおけるベローズポンプの吐出圧力（ＭＰａ）の変化の一例を表すグラフである。図５に示すように、ベローズポンプの吐出圧力は、ベローズポンプの右側ベローズまたは左側ベローズの１回の伸縮に伴って一周期をなす波形の形状に変化する。ここで、図５に示す波形では、一周期あたりに比較的大きな圧力変化を示す。この圧力変化の１つは、一周期あたりに１つの大きな谷（圧力降下）Ｄ_０を有する点である。さらにこの圧力変化には、図５に示すような波形上部で現れる圧力の緩やかな降下であり、ΔＹ_０／ΔＸ_０の傾きとして表現される点である。一周期あたりの谷（Ｄ_０）と、傾き（ΔＹ_０／ΔＸ_０）の絶対値とが大きいほど、薬液は、ベローズポンプの吐出口１５４から大きな「脈動」を伴って吐出される。

近年、例えば半導体製造分野では、ますます微細化が進み、このような薬液供給の際に生じる「脈動」が半導体製造に影響を及ぼすことが指摘されている。例えば、脈動による配管振動で液配管中の機器が破損する、フィルタで採取したゴミがポンプ脈動のため流れ出てしまうなどの問題である。

脈動を低減するためには、圧力の落ち込みと圧力の谷を改善する必要がある。落ち込みについて、ベローズが吐出移動している間、ベローズ周りのエア室は常に増加し続けており、その結果エア圧力は設定時より低い値を示している。ベローズ動き出し時（吐出）はベローズ移動よりエア充填の方がスピードが速いが、その後ますますエアが遅れ、結果として圧力が下がるように落ち込んでくる。一方、圧力の谷は左右のベローズ吐出切替時に発生しているため片側吐出側、もう片側の吐出開始をできる限り早くスタートさせなければ谷が深くなってしまう。

なお、このような脈動の発生を低減するために、従来では、ベローズポンプの下流側（すなわち、吐出口側）にアキュームレータ（蓄圧器）１８０を連結したポンプシステム４も当該分野において汎用されている（図６）。図６に示すポンプシステム４では、薬液の吐出は、ベローズポンプ１５０の吐出口１５４からアキュームレータ１８０の流入口１８２を通じ、そして吐出口１８４を通じて所定の液供給ライン（図示せず）に薬液が供給される。

ここで、図６に示すようなポンプシステム４では、アキュームレータ１８０の介在により、一周期あたりの谷（Ｄ_Ａ）を、例えば５０％から１２．５％程度の脈動幅にまで抑制させることはできる（Ｄ_Ａ＜Ｄ_０）（図７）。しかし、このようなシステム４であっても、一周期あたりの傾き（ΔＹ_Ａ／ΔＸ_Ａ）の絶対値が、上記傾き（ΔＹ_０／ΔＸ_０）の絶対値よりも小さくなっておらず、依然としてアキュームレータ１８０の吐出口１８４から吐出される薬液には僅かながら脈動が観察される。

本発明は、上記問題の解決を課題とするものであり、その目的とするところは、ベローズポンプを用いるポンプシステムにおいて、吐出される薬液の吐出圧力の変化にあたり、一周期あたりの谷および傾きの両方を改善し、脈動のより一層の低減を可能としたポンプシステムを提供することにある。

本発明は、機器配置エリアと液プロセスラインとを備えるポンプ脈動を低減するためのシステムであって、
該機器配置エリアが、吸気口、エアレギュレータおよび電磁弁を備え、かつ
該吸気口、該エアレギュレータおよび該電磁弁が該吸気口から吸込んだ空気を供給するように連通し、そして
該液プロセスラインが、ベローズポンプを備え、かつ
該電磁弁から供給される空気を該ベローズポンプのベローズ内に供給するように連通し、
ここで、該エアレギュレータの下流に該吸気口から吸込んだ該空気が通過するバッファタンクを備える、システムである。

１つの実施形態では、上記バッファタンクは、上記機器配置エリア内に設けられている。

１つの実施形態では、上記バッファタンクは、上記エアレギュレータの下流かつ上記電磁弁の上流に設けられている。

１つの実施形態では、上記電磁弁の下流かつ上記ベローズポンプの上記ベローズの上流に、該電磁弁から供給される上記空気を該ベローズポンプの該ベローズ内に供給するように連通する急速排気弁が設けられている。

さらなる実施形態では、上記急速排気弁は、上記液プロセスシステム内に設けられている。

１つの実施形態では、上記ベローズポンプの薬液吐出口はアキュームレータと連通する。

本発明によれば、吐出される薬液の脈動を一層低減して、所定の液供給ラインに薬液を供給することができる。本発明のポンプシステムでは、複雑かつ高価な装置を何ら必要とすることなく、エア供給ライン上の簡易な改良により、このような脈動の発生を低減することができる。

本発明のポンプシステムの一例を説明するための模式図である。本発明のポンプシステムの他の例を説明するための模式図である。図２に示す本発明のポンプシステムを用いてベローズポンプから薬液を吐出させた際の吐出圧力の変化を示すグラフであって、（ａ）は０．７８Ｌのバッファタンクを用いた場合の本発明のポンプシステムにおける当該吐出圧力の変化を示すグラフであり；（ｂ）は１．４５Ｌのバッファタンクを用いた場合の本発明のポンプシステムにおける当該吐出圧力の変化を示すグラフであり；（ｃ）は３．５Ｌのバッファタンクを用いた場合の本発明のポンプシステムにおける当該吐出圧力の変化を示すグラフであり；（ｄ）は５．８Ｌのバッファタンクを用いた場合の本発明のポンプシステムにおける当該吐出圧力の変化を示すグラフであり；そして（ｅ）は１１．３Ｌのバッファタンクを用いた場合の本発明のポンプシステムにおける当該吐出圧力の変化を示すグラフである。ベローズポンプを用いた、従来のポンプシステムの概要を説明するための模式図である。図４に示す従来のポンプシステムを用いてベローズポンプから薬液を吐出させた際の吐出圧力の変化の一例を示すグラフである。ベローズポンプを用いた、従来の他のポンプシステムの概要を説明するための模式図である。図６に示す従来の他のポンプシステムを用いてベローズポンプから薬液を吐出させた際の吐出圧力の変化の一例を示すグラフである。

以下、本発明を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明のポンプシステムの一例を説明するための模式図である。

本発明のポンプシステム１は、機器配置エリア２００と液プロセスライン３００とを備える。

本発明のポンプシステム１を構成する機器配置エリア２００は、吸気口１００とエアレギュレータ１１０と電磁弁１３０とを備える。吸気口１００とエアレギュレータ１１０との間は、配管１１で連通されており、吸気口１００から吸込まれた空気を、当該配管１１を介してエアレギュレータ１１０に供給することができる。エアレギュレータ１１０では、流入した空気に対し所定の圧力調整が行われ、後述する配管を通じて空気をさらに下流に供給することができる。

図１に示すポンプシステム１において、エアレギュレータ１１０の下流には、バッファタンク１２０が設けられている。本発明のポンプシステム１では、また、バッファタンク１２０が機器配置エリア２００内に設けられている。さらに、図１に示すポンプシステム１において、バッファタンク１２０は、エアレギュレータ１１０の下流かつ電磁弁１３０との間に設けられており、エアレギュレータ１１０とバッファタンク１２０との間、バッファタンク１２０と電磁弁１３０との間は、それぞれ配管１３，１５で連通されている。このような構成を有することにより、吸気口１００から吸込まれた空気を、エアレギュレータ１１０からバッファタンク１２０を介して電磁弁１３０まで供給することができる。

ここで、バッファタンク１２０は、配管１３，１５と接続する部分を除き、外部に対し気密性が保たれた空間を備える。バッファタンク１２０は、例えば、金属製、プラスチック製などの材料で構成される箱体であり、配管１３からの空気の流入および配管１５への空気の流出によって、箱体の容積が変化することのない、すなわち伸縮性を有さない形態のものである。あるいは、バッファタンク１２０は、配管１３からの空気の流入および配管１５への空気の流出に関わらず、内容積が常に一定に保持されるような材料で構成されている。

バッファタンク１２０を構成し得る金属としては、例えば、ステンレス、アルミニウムが挙げられる。バッファタンク１２０を構成し得るプラスチックとしては、例えば、（例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリ（メタ）アクリレート、アクリトニトリル、ブタジエン・スチレン共重合体（ＡＢＳ）などの熱可塑性樹脂；ならびにＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（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）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＥＣＴＦＥ（クロロトリフルオロエチレン・エチレン共重合体）などのフッ素樹脂；が挙げられる。バッファタンク１２０は、これらの材料を積層体から構成されるものであってもよい。

バッファタンク１２０の内容積は、使用するベローズポンプのポンプ容量等に応じて当業者に適切なサイズのものが選定され得る。例えば、ベローズポンプの吐出量が４０リットル／分である場合、バッファタンク１２０の内容積は、例えば、０．７リットル〜１２リットルであり、好ましくは５リットル以上である。すなわち、バッファタンク１２０の内容積は、概ねベローズポンプの吐出量に対して、好ましくは１／１０以上である。

次いで、配管１５を介して電磁弁１３０にまで供給された空気は、電磁弁１３０の切換えにより配管１７または１９を介して下流に設けられている液プロセスライン３００に供給される。

本発明のポンプシステム１において、液プロセスライン３００は、ベローズポンプ１５０と、２つの急速排気弁１６２，１６４とで構成されている。図１において、上記配管１７は急速排気弁１６４と連通し、上記配管１９は急速排気弁１６２と連通している。

本発明のポンプシステム１を構成するベローズポンプ１５０は、例えば、吸込口１５２および吐出口１５４が中央に配置され、その両端に１対のベローズを備えるベローズポンプである。本発明のポンプシステムにおいて使用可能なベローズポンプの大きさは特に限定されない。本発明のポンプシステムにおいては、例えば、３リットル／分〜１５０リットル／分、好ましくは５リットル／分〜１２０リットル／分の吐出量を有するベローズポンプを使用することができる。

図１において、配管１７から供給された空気は、急速排気弁１６４および配管２１を介して、ベローズポンプ１５０（図１の左側）に供給される。この空気の供給に伴って、ベローズポンプ１５０内の左側に設けられたベローズが供給された空気で押圧され、これにより当該左側のベローズが収縮する。本発明において、ベローズポンプ１５０は、左右のベローズが例えば、連結棒によって連結されている。このため、左側のベローズの収縮に伴って右側に位置するベローズが伸長を開始する。これにより、右側に設けられたベローズ周りの空気が、配管２３および急速排気弁１６２を介して排出されるとともに、当該薬液タンク中の薬液は、吸込口１５２を介してベローズポンプ１５０内（右側ベローズ内）に流入する。

次いで、機器配置エリア２００の電磁弁１３０が切替り、吸気口１００から取り込まれた空気は、配管１９から急速排気弁１６２および配管２３を介して、ベローズポンプ１５０（図１の右側）に供給される。この空気の供給に伴って、ベローズポンプ１５０内の右側に設けられたベローズが空気で押圧され、これにより当該右側のベローズが収縮する。さらに、この右側のベローズの収縮に伴って左側に位置するベローズが伸長を開始する。これにより、左側に設けられたベローズ周りの空気が、配管２１および急速排気弁１６４を介して排出され、当該薬液タンク中の薬液は、吸込口１５２を介してベローズポンプ１５０内（左側ベローズ内）に流入するとともに、予め上記にて右側ベローズに流入していた薬液が吐出口１５４を介して所定の液供給ライン（図示せず）に供給される。

またさらに、機器配置エリア２００の電磁弁１３０が切替り、吸気口１００から取り込まれた空気は、配管１７から急速排気弁１６４および配管２１を介して、ベローズポンプ１５０（図１の左側）に供給される。この空気の供給に伴って、ベローズポンプ１５０内の左側に設けられたベローズが空気で押圧され、これにより当該左側のベローズが収縮する。さらに、この左側のベローズの収縮に伴って右側に位置するベローズが伸長を開始する。これにより、右側に設けられたベローズ周りの空気が、配管２３および急速排気弁１６２を介して排出され、当該薬液タンク中の薬液は、吸込口１５２を介してベローズポンプ１５０内（右側ベローズ内）に流入するとともに、予め上記にて左側ベローズに流入していた薬液が吐出口１５４を介して所定の液供給ラインに供給される。

本発明のポンプシステム１は、このような電磁弁１３０の切替えによるベローズポンプ１５０内のベローズに伸縮により薬液の連続供給を可能とする。なお、上記ベローズポンプ１５０内のベローズの収縮に伴って左右のベローズを押圧していた空気は、配管２５，２７および急速排気弁１６２，１６４を介してそれぞれ外部に排出される。

本発明のポンプシステム１は、上記のようにエアレギュレータ１１０の下流に設けられたバッファタンク１２０によって、各配管中を通過する空気の圧力変化を緩和することができる。その結果、液プロセスライン３００内に設けられたベローズポンプ１５０への空気がより圧力変化の低減された状態で供給され得、ベローズの伸縮に伴う、一周期あたりの薬液の圧力変化の谷および傾きの両方を改善し、脈動の低減が可能となる。

図２は、本発明のポンプシステムの他の例を説明するための模式図である。

図２に示すポンプシステム２では、ベローズポンプ１５０から吐出される薬液の脈動の発生を低減するために、ベローズポンプ１５０の下流側（すなわち、吐出口１５４側）に配管３１を介してアキュームレータ（蓄圧器）１８０が設けられている点を除き、他の構成は、図１に示す本発明のポンプシステム１と同様である。

本発明のポンプシステム２において、アキュームレータ１８０はベローズポンプ１５０の吐出口１５４から吐出される薬液の圧力を利用して薬液を一旦内部に溜め込み、吐出圧力が低下するポンプ切替え時に薬液を流出することにより、吐出される薬液の圧力低下を一層抑制することができる装置である。図２においてポンプシステム２では、薬液の吐出は、ベローズポンプ１５０の吐出口１５４からアキュームレータ１８０の流入口１８２を通じ、そして吐出口１８４を通じて所定の液供給ライン（図示せず）に薬液が供給される。

本発明のポンプシステム２は、上記のようにエアレギュレータ１１０の下流に設けられたバッファタンク１２０と、ベローズポンプ１５０の下流側に設けられたアキュームレータ１８０によって、各配管中を通過する空気の圧力変化を緩和するとともに、ベローズポンプ１５０から吐出される薬液の圧力変化自体をも直接緩和することができる。その結果、液プロセスライン３００内に設けられたベローズポンプ１５０のベローズの伸縮に伴う、一周期あたりの薬液の圧力変化の谷および傾きの両方を一層改善して、脈動をさらに低減させることができる。

本発明のポンプシステムは、従来のベローズポンプが有し得る薬液供給の際の脈動を低減することができる。これにより、例えば、半導体や液晶表示デバイスの製造のような高度な流体移送が求められる状況においても適切に用いられ得る。さらに、例えば、化学工学分野において、流体の脈動が敬遠されるＣＳＴＲ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｓｔｉｒｒｅｄｔａｎｋｒｅａｃｔｏｒ：連続撹拌タンクリアクター）を用いた連続化学反応への流体供給にも適用可能である。

以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。

（実施例１）ベローズポンプシステム（１）の脈動の測定
以下に記載の装置を用いて、図２に示すベローズポンプシステムを構成した。なお、バッファタンクの内部容量は０．７８リットルに設定した。
・ベローズポンプ（日本ピラー工業株式会社製ＰＥ−４０ＭＡ）
・アキュームレータ（日本ピラー工業株式会社製（品番）ＰＡ−４０ＨＢ）

上記にて構成されたポンプシステム（１）に、薬液に代わる流体として水を配管を繋いでタンクから吸い上げて取り込み、アキュームレータの吐出口における流体の圧力変化を圧力トランスミッタ方式の圧力計にて測定した。得られた結果を図３の（ａ）に示す。

（実施例２〜５）ベローズポンプシステム（２）〜（５）の脈動の測定
バッファタンクの内部容量を、１．４５リットル、３．５リットル、５．８リットルまたは１１．３リットルに変更したこと以外は、実施例１と同様にしてベローズポンプシステム（２）〜（５）を構成し、アキュームレータの吐出口における流体の圧力変化を測定した。得られた結果を図３の（ｂ）〜（ｅ）にそれぞれ示す。

図３の（ａ）〜（ｅ）に示すように、図５に示すような従来のポンプシステム（アキュームレータを備えていないシステム）で得られたグラフや図７に示すような従来のポンプシステム（アキュームレータを備えるシステム）で得られたグラフに示される谷（Ｄ_０およびＤ_Ａ）と比較して、一周期あたりの波形における谷が著しく短くなっていることがわかる。また、一周期あたりの波形上部で現れる圧力の降下も緩やかであり、図５や図７に示される傾き（ΔＹ_０／ΔＸ_０およびΔＹ_Ａ／ΔＸ_Ａ）の絶対値と比較して、傾きの絶対値が一層小さくなっていることがわかる。これにより、本発明のポンプシステム（１）〜（５）においてベローズポンプ１５０の吐出口１５４から吐出される薬液は、脈動が著しく低減されていることがわかる。

本発明のポンプシステムは、例えば、半導体や液晶表示デバイスの製造における高純度薬液の供給、医薬品の定量注入など、所望の流体の移送において有用である。

１，２ポンプシステム
１００吸気口
１１０エアレギュレータ
１２０バッファタンク
１３０電磁弁
１５０ベローズポンプ
１５２吸込口
１５４吐出口
１６２，１６４急速排気弁
１８０アキュームレータ
２００機器配置エリア
３００液プロセスライン

Claims

機器配置エリアと、液供給ラインに薬液を供給するための液プロセスラインとを備えるポンプ脈動を低減するためのシステムであって、
該機器配置エリアが、吸気口、エアレギュレータおよび電磁弁を備え、かつ
該吸気口、該エアレギュレータおよび該電磁弁が該吸気口から吸込んだ空気を供給するように連通し、そして
該液プロセスラインが、両端に１対のベローズを備えるベローズポンプを備え、かつ
該電磁弁の切替えを通じて、該吸気口から吸い込んだ空気を該ベローズポンプの該１対のベローズ周りに交互に供給することにより該１対のベローズを交互に押圧可能とするように連通し、
ここで、該エアレギュレータの下流に該吸気口から吸込んだ該空気が通過するバッファタンクを備え、かつ該バッファタンクが該ベローズポンプの上流に設けられている、システム。
前記バッファタンクが、前記機器配置エリア内に設けられている、請求項１に記載のシステム。
前記バッファタンクが、前記エアレギュレータの下流かつ前記電磁弁の上流に設けられている、請求項１または２に記載のシステム。
前記電磁弁の下流かつ前記ベローズポンプの前記ベローズの上流に、該電磁弁から供給される前記空気を該ベローズポンプの該ベローズ内に供給するように連通する急速排気弁が設けられている、請求項１から３のいずれかに記載のシステム。
前記急速排気弁が、前記液プロセスライン内に設けられている、請求項４に記載のシステム。
前記ベローズポンプの薬液吐出口がアキュームレータと連通する、請求項１から５のいずれかに記載のシステム。