JP3570307B2 - 超清純流体の加圧供給装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、純度が非常に高い液体や気体からなる超清純流体、例えば超純水を加圧して連続的に供給することが可能な超清純流体の加圧供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液体や気体を高圧力に加圧することが可能なポンプは各種提供されている。通常、液体の加圧には回転ポンプやレシプロポンプあるいはジェットポンプ等を用いるが、何れも加圧対象である流体をポンプ内に取り込んで直接圧縮したり、大きな運動エネルギーを付与するものである。また、気体の加圧にはコンプレッサーを用いるが、その加圧原理は液体の場合と大差はない。
【０００３】
前述のポンプには、シリンダーとピストンに代表されるように、機械的な摺動部が存在し、また加圧対象流体とは異なる潤滑剤や作動液体を使用している。そのため、前記摺動部からはパーチィクルが発生して加圧対象流体に混入したり、潤滑剤や作動液体が加圧対象流体に混入することは避けられない。このような加圧時の不純物の混入は、超純水で代表される超清純流体を扱う場合には致命的である。
【０００４】
尚、純度の高い気体の場合は、１０ｋｇ／ｃｍ^２や５０ｋｇ／ｃｍ^２の圧力ボンベで供給されているが、その加圧気体はレギュレータによって所定圧力まで減圧して使用することはできるが、一次圧力以上の高圧力で利用することは当然ではあるが不可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、不純物を一切混入させることなく、超清純流体を大気圧から所定の圧力まで加圧して連続供給することが可能な超清純流体の加圧供給装置を提供する点にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述の課題解決のために、内部を変形可能な隔膜で分離して、超清純流体室と作動流体室とを設けた加圧部を複数並設し、ポンプにより所定圧力に加圧した作動流体を複数流路に分岐し、それぞれ作動バルブを介して前記加圧部の作動流体室に供給する一方、超清純流体供給装置から超清純流体を各加圧部の超清純流体室にそれぞれ補充バルブを介して供給し、前記隔膜を通じて作動流体の圧力で超清純流体を大気圧から所定の圧力まで加圧し、各加圧部で交互に加圧された超清純流体を供給バルブを介して合流させて連続供給してなる超清純流体の加圧供給装置であって、前記加圧部として上下方向に配した円筒状の本体の上下両端を上蓋体と下蓋体で密閉した圧力容器の内部に、前記隔膜を構成するステンレス製のベローズを配し、該ベローズの上端は前記上蓋体に固定し、下端は自由端となし、該ベローズの下端に固定したフランジに下方へ延びた金属製のゲージ杆を固定し、前記下蓋体の中心部には、前記ゲージ杆が貫通する挿通孔を開口し、該下蓋体の下面には下端を閉止した非金属製の制御筒を前記挿通孔に連通するように密封状態で取付け、前記ゲージ杆の下半部は前記制御筒内に位置し、制御筒の外部でその長手方向に間隔を隔てて複数個設けた金属通過センサーによって、ゲージ杆の先端の通過をモニターし、常にベローズの伸縮状態を確認できるようにした超清純流体の加圧供給装置を構成した。具体的には、前記超清純流体が超純水であり、前記作動流体が市水である。また、前記超清純流体が超純水に１種又は２種以上の他の純粋物質を混合したものであっても良い。
【０００７】
ここで、前記複数の金属通過センサーとして、それぞれ定常運転時において前記ベローズの最大伸張状態を検知するための最大検知センサーと、最小収縮状態を検知するための最小検知センサーと、更に該最小検知センサーが故障した場合にベローズの圧壊を防止するための非常停止センサーとを設けてなることが好ましい。
【０００８】
また、前記フランジは、前記圧力容器を構成する本体内の円筒状空間の断面形状に近似した形状であり、フランジが本体内の円筒状空間を軸方向に平行に移動するようにしてなると、ベローズの変形を軸方向のみに制限することができるので好ましい。
【０００９】
そして、加圧した超清純流体を供給するための２次水管は、前記上蓋体を貫通させ、その先端部のＪ字形に屈曲した供給口を前記ベローズの固定端側の上部空間に開放させて設けるとともに、前記ベローズの最上部に空気抜き口を設け、該空気抜き口から容器外に導管を引き出し、リークバルブを介して大気開放し、前記２次水管の供給口は、前記空気抜き口よりも若干低い位置に設定し、前記リークバルブは、常時少量リークさせてなると、ベローズ内の下方で発生した気泡が２次水管内に入らないようにすることができるとともに、常にベローズ内が空気のない状態にすることができるので好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の詳細を添付した図面に基づき更に説明する。図１は、超清純流体を加圧して連続的に供給することが可能な超清純流体の加圧供給装置を示している。本実施形態では、前記超清純流体が超純水であり、前記作動流体が市水である場合について説明しているが、本発明の主旨は超清純流体や作動流体の種類又は液体であるか気体であるかには影響されないのである。また、前記超清純流体が超純水に１種又は２種以上の他の純粋物質を混合したものであっても良く、純粋物質としては固体、液体を問わず任意であり、例えば微粒子や化学薬品類等が挙げられる。
【００１１】
以下に本発明の超清純流体の加圧供給装置を具体的に説明する。先ず、圧力発生用のポンプ１には、プランジャーポンプを使用する。また、超清純流体である超純水を直接ポンプで加圧すると、ポンプ内の摺動部で発生するパーティクル等の汚染が問題となるため、ＰＴＦＥ又はＳＵＳ製のダイヤフラム又はベローズを介して加工用超純水を加圧するシステムを採用している。超純水の加圧部２，３は２連となっており、一台のプランジャーポンプ１により作動流体である市水を所定圧力に加圧し、それをレギュレータ４で２流路に分岐し、それぞれ作動バルブ５，６を介して前記加圧部２，３に接続している。一方、超純水は、超純水（超清純流体）供給装置７から各加圧部２，３にそれぞれ補充バルブ８，９を介して接続している。
【００１２】
そして、前記各加圧部２，３は、それぞれ内部を変形可能なＰＴＦＥ又はＳＵＳ製の隔膜１０，１１で分離して、超純水（超清純流体）室２Ａ、３Ａと市水（作動流体）室２Ｂ、３Ｂとを設けたものであり、内部で市水と超純水が分離されており、該隔膜１０，１１を通じて市水の圧力で超純水を加圧し、各加圧部２，３で加圧された超純水は供給バルブ１２，１３を介して合流して連続的に供給される。
【００１３】
また、前記作動バルブ５と加圧部２の市水（作動流体）室２Ｂの間には排水用バルブ１４が、前記作動バルブ６と加圧部３の市水（作動流体）室３Ｂとの間には排水用バルブ１５が設けられている。これら全バルブは、電磁バルブを採用しコンピュータで開閉制御できるようになっている。
【００１４】
そして、この高圧力の超純水供給システムの運転は以下のようになっている。先ず、前記超純水供給装置７では、大気圧とほぼ同じ圧力の超純水が製造される。この超純水を一つの加圧部で連続的に加圧することは困難であるので、前述の装置では二つの加圧部２，３で交互に超純水を大気圧から所定の圧力まで加圧し、連続的に高圧力の超純水を供給するようになっている。
【００１５】
つまり、一方の加圧部２の系統では、作動バルブ５と供給バルブ１２を開き、補充バルブ８と排水用バルブ１４を閉じて加圧した市水を加圧部２内の市水室２Ｂに供給し、該加圧部２内で隔膜１０を介して加圧された超純水が供給バルブ１２から供給され、他方の加圧部３の系統では、作動バルブ６と供給バルブ１３を閉じ、補充バルブ９と排水用バルブ１５を開き、加圧部３の市水室３Ｂから市水を排水しながら超純水供給装置７から加圧部３内の超純水室３Ａへ超純水を供給する。ここで、排水用バルブ１５を開いて加圧部３内の市水室３Ｂを大気圧に戻した後に、補充バルブ９を開き、超純水供給装置７が圧力破壊しないようにしている。次に、補充バルブ９と排水用バルブ１５を閉じ、作動バルブ６を開いて加圧部３内の市水室３Ｂに加圧した市水を供給し、超純水を加圧して供給圧力に達すると、供給バルブ１３を開き、供給バルブ１２と作動バルブ５を閉じ、排水用バルブ１４を開いて加圧部２内の市水室２Ｂの市水を排水して市水室２Ｂが大気圧になった後、補充バルブ８を開いて市水を排水しながら超純水供給装置７から超純水を加圧部２内の超純水室２Ａに供給するのである。以後は、この繰り返しであり、各バルブの開閉タイミングはコンピュータ制御され、連続的に高圧力の超純水が両供給バルブ１２，１３から供給されるのである。
【００１６】
本実施形態では、前記加圧部として二つの加圧部２，３を採用したが、加圧部は三つ以上並設しても良く、その場合にも各加圧部は前記同様なバルブを介してプランジャーポンプ１と超純水供給装置７に接続する。このように加圧部を複数並設することによって、各々は不連続であるが全体として連続的に超純水を供給できるのである。更に、前記供給バルブ１２，１３を介して大容量のリザーブタンクに加圧超純水を供給した後、このリザーブタンクからレギュレータを通して供給するようにすれば、更に圧力変動を抑制して加圧超純水を供給することが可能である。
【００１７】
次に、前述した加圧部２，３の具体的構造の一例を図２に基づき説明する。前記加圧部２，３は同じ構造であり、図２に加圧機２０として示している。この加圧機２０は、圧力容器２１の内部に前記隔膜１０を構成するステンレス製のベローズ２２を設け、該圧力容器２１の内部を、ベローズ２２内の超純水室２Ａ（３Ａ）とベローズ２２外の市水室２Ｂ（３Ｂ）とに区画し、該ベローズ２２が伸縮することにより両室の体積が相補的に変化するようになっている。ここで、前記圧力容器２１は、上下方向に配した円筒状の本体２３の上下両端を上蓋体２４と下蓋体２５で密閉したものであり、前記ベローズ２２の上端は上蓋体２４に固定し、下端は自由端となっている。
【００１８】
そして、前記下蓋体２５には、前記市水室２Ｂ（３Ｂ）に連通するように１次水管２６を分岐してその一方に前記作動バルブ５（６）を連結するとともに、他方に前記排水用バルブ１４（１５）を連結している。また、前記上蓋体２４には、前記ベローズ２２内の前記超純水室２Ａ（３Ａ）に連通するように２次水管２７を接続し、該２次水管２７を分岐してその一方に前記補充バルブ８（９）を連結するとともに、他方に前記供給バルブ１２（１３）を連結している。ここで、前記２次水管２７は、上蓋体２４を貫通させ、その先端部のＪ字形に屈曲した供給口２７Ａをベローズ２２の固定端側の上部空間に開放させて接続している。ここで、前記供給口２７Ａを上向きにした理由は、ベローズ２２内の下方で発生した気泡が２次水管２７内に入らないようにするためである。
【００１９】
また、前記ベローズ２２は、上端に固定した取付板２８の周囲を、本体２３と上蓋体２４の間に挟んだ状態でＯリング２９，２９を介在させて固定し、該ベローズ２２の下端に固定したフランジ３０に下方へ延びた金属製のゲージ杆３１を固定している。そして、前記下蓋体２５の中心部には、前記ゲージ杆３１が貫通する挿通孔３２を開口し、該下蓋体２５の下面には下端を閉止した非金属製の制御筒３３を前記挿通孔３２に連通するように密封状態で取付けている。更に、前記ゲージ杆３１の下半部は前記制御筒３３内に位置し、制御筒３３の外部でその長手方向に間隔を隔てて複数個設けた金属通過センサー３４，…等のセンシング手段によって、ゲージ杆３１の先端の通過をモニターし、常にベローズ２２のフランジ３０の位置、即ちベローズ２２の伸縮状態を確認できるようにしている。
【００２０】
前記金属通過センサー３４は、例えばコイルで構成し、内部に金属が存在する場合と存在しない場合とで、インピーダンスが変化する現象を捉え、つまりベローズ２２の伸縮に伴って制御筒３３内を移動するゲージ杆３１の先端が通過する瞬間を捉えるものである。ここで、本実施形態では、前記複数の金属通過センサー３４，…として、それぞれ定常運転時においてベローズ２２の最大伸張状態を検知するための最大検知センサー３４Ａと、最小収縮状態を検知するための最小検知センサー３４Ｂと、更に該最小検知センサー３４Ｂが故障した場合にベローズ２２の圧壊を防止するための非常停止センサー３４Ｃとを設けている。
【００２１】
また、前記フランジ３０は、前記圧力容器２１を構成する本体２３内の円筒状空間の断面形状に近似した形状であり、フランジ３０が本体２３内の円筒状空間を軸方向に平行に移動することによって、ベローズ２２の変形を軸方向のみに制限している。尚、定常運転中は、ベローズ２２の内外の圧力差は小さいので、ベローズ２２には大きな耐圧性は要求されない。
【００２２】
また、前記下蓋体２５には、減圧バルブ３５に連結した排水管３６を連結している。この減圧バルブ３５は、ベローズ２２内の超純水を市水の圧力によって加圧して２次水管２７から供給バルブ１２（１３）を通して放出した後、排水用バルブ１４（１５）から圧力容器２１内の市水を排水する前に、一時的に開放して圧力容器２１内の市水側の圧力を徐々に下げ、圧力を開放するために使用する。この減圧バルブ３５と排水管３６による排水作業は、圧力容器２１の容積にもよるが短時間、例えば１秒弱で完了し、それにより１次水管２６から排水用バルブ１４（１５）を通して排水する際に、急激な圧力変化を抑制してベローズ２２の破壊を防止できる。ここで、前記減圧バルブ３５のコンダクタンスは、排水用バルブ１４（１５）よりも十分に小さく設定している。
【００２３】
また、前記圧力容器２１の市水室２Ｂ（３Ｂ）に溜まった空気を抜くために、圧力容器２１の本体２３の最上部に空気抜き口３７を設け、該空気抜き口３７から容器外に導管３８を引き出し、リークバルブ３９を介して大気開放している。また、前記ベローズ２２の超純水室２Ａ（３Ａ）に溜まった空気を抜くために、ベローズ２２の最上部に空気抜き口４０を設け、該空気抜き口４０から容器外に導管４１を引き出し、リークバルブ４２を介して大気開放している。ここで、前記２次水管２７の供給口２７Ａは、前記空気抜き口４０よりも若干低い位置に設定している。前記リークバルブ３９，４２は、常時少量リークさせ、常に圧力容器２１内及びベローズ２２内が空気のない状態とする。
【００２４】
このように加圧した超純水は、その圧力を利用して微少な孔を有するノズルからシリコンウエハ等の材料表面に噴射し、その際に生じる表面に沿った剪断流によって材料を加工する用途に使用できる。また、この加工には材料との化学反応性が高い微粒子を超純水中に分散させた懸濁液として使用することも可能である。更に、加圧した超純水を材料表面に噴射し、表面に付着した微少異物を除去する洗浄にも使用することが可能である。また、本発明は、配管を利用して超純水を所望位置まで送る一般的な機器にも利用できるものである。
【００２５】
【発明の効果】
以上にしてなる本発明の超清純流体の加圧供給装置によれば、不純物を一切混入させることなく、超清純流体を大気圧から所定の圧力まで加圧して連続供給することができる。
請求項１によれば、常にベローズの伸縮状態を確認することができる。
請求項２によれば、それぞれ定常運転時においてベローズの最大伸張状態を検知することができるとともに、非常停止センサーにより検知することで最小検知センサーが故障した場合でもベローズの圧壊を防止することができる。
請求項３によれば、ベローズの変形を軸方向のみに制限することができる。
請求項４によれば、ベローズ内の下方で発生した気泡が加圧した超清純流体を供給するための２次水管内に入らないようにすることができるとともに、常にベローズ内が空気のない状態にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超清純流体の加圧供給装置を示す簡略配管図である。
【図２】加圧部を構成する加圧機の具体例を示す簡略断面図である。
【符号の説明】
１ ポンプ
２，３ 加圧部
２Ａ、３Ａ 超純水（超清純流体）室
２Ｂ、３Ｂ 市水（作動流体）室
４ レギュレータ
５，６ 作動バルブ
７ 超純水（超清純流体）供給装置
８，９ 補充バルブ
１０，１１ 隔膜
１２，１３ 供給バルブ
１４，１５ 排水用バルブ
２０ 加圧機
２１ 圧力容器
２２ ベローズ
２３ 本体
２４ 上蓋体
２５ 下蓋体
２６ １次水管
２７ ２次水管
２７Ａ 供給口
２８ 取付板
２９ Ｏリング
３０ フランジ
３１ ゲージ杆
３２ 挿通孔
３３ 制御筒
３４ 金属通過センサー
３４Ａ 最大検知センサー
３４Ｂ 最小検知センサー
３４Ｃ 非常停止センサー
３５ 減圧バルブ
３６ 排水管
３７，４０ 空気抜き口
３８，４１ 導管
３９，４２ リークバルブ

Claims (6)

1. 内部を変形可能な隔膜で分離して、超清純流体室と作動流体室とを設けた加圧部を複数並設し、ポンプにより所定圧力に加圧した作動流体を複数流路に分岐し、それぞれ作動バルブを介して前記加圧部の作動流体室に供給する一方、超清純流体供給装置から超清純流体を各加圧部の超清純流体室にそれぞれ補充バルブを介して供給し、前記隔膜を通じて作動流体の圧力で超清純流体を大気圧から所定の圧力まで加圧し、各加圧部で交互に加圧された超清純流体を供給バルブを介して合流させて連続供給してなる超清純流体の加圧供給装置であって、前記加圧部として上下方向に配した円筒状の本体の上下両端を上蓋体と下蓋体で密閉した圧力容器の内部に、前記隔膜を構成するステンレス製のベローズを配し、該ベローズの上端は前記上蓋体に固定し、下端は自由端となし、該ベローズの下端に固定したフランジに下方へ延びた金属製のゲージ杆を固定し、前記下蓋体の中心部には、前記ゲージ杆が貫通する挿通孔を開口し、該下蓋体の下面には下端を閉止した非金属製の制御筒を前記挿通孔に連通するように密封状態で取付け、前記ゲージ杆の下半部は前記制御筒内に位置し、制御筒の外部でその長手方向に間隔を隔てて複数個設けた金属通過センサーによって、ゲージ杆の先端の通過をモニターし、常にベローズの伸縮状態を確認できるようにしたことを特徴とする超清純流体の加圧供給装置。
2. 前記複数の金属通過センサーとして、それぞれ定常運転時において前記ベローズの最大伸張状態を検知するための最大検知センサーと、最小収縮状態を検知するための最小検知センサーと、更に該最小検知センサーが故障した場合にベローズの圧壊を防止するための非常停止センサーとを設けてなる請求項１記載の超清純流体の加圧供給装置。
3. 前記フランジは、前記圧力容器を構成する本体内の円筒状空間の断面形状に近似した形状であり、フランジが本体内の円筒状空間を軸方向に平行に移動するようにしてなる請求項１又は２記載の超清純流体の加圧供給装置。
4. 加圧した超清純流体を供給するための２次水管は、前記上蓋体を貫通させ、その先端部のＪ字形に屈曲した供給口を前記ベローズの固定端側の上部空間に開放させて設けるとともに、前記ベローズの最上部に空気抜き口を設け、該空気抜き口から容器外に導管を引き出し、リークバルブを介して大気開放し、前記２次水管の供給口は、前記空気抜き口よりも若干低い位置に設定し、前記リークバルブは、常時少量リークさせてなる請求項１又は２又は３記載の超清純流体の加圧供給装置。
5. 前記超清純流体が超純水であり、前記作動流体が市水である請求項１〜４何れかに記載の超清純流体の加圧供給装置。
6. 前記超清純流体が超純水に１種又は２種以上の他の純粋物質を混合したものである請求項１〜５何れかに記載の超清純流体の加圧供給装置。

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