JP2008082543A - Fluid piping connection mechanism and manufacturing method thereof, and fuel cell system provided with fluid piping connection mechanism - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単な構成によって、より一層の小型化を図ることが可能となる減圧弁としての機能、あるいは温度遮断弁としての機能を併せ有する流体配管の接続機構とその製造方法、及び流体配管の接続機構を備えた燃料電池システムを提供する。
【解決手段】流体が流通する複数の配管を接続する流体配管の接続機構であって、
複数の配管の一方の側に配設された、差圧によって動作する圧力制御弁の一部を構成する可動部１を備えた第１の部品と、
前記複数の配管の他方の側に配設された圧力制御弁の一部を構成する前記可動部の動作によって開閉される開閉機構３、４、５を備えた第２の部品と、
前記第１の部品と前記第２の部品の少なくとも一方に設けられた伝達機構と、
を備えた構成とする。
【選択図】 図１A fluid piping connection mechanism having a function as a pressure reducing valve or a temperature shut-off valve that can be further reduced in size with a simple configuration, a manufacturing method thereof, and a fluid piping A fuel cell system including a connection mechanism is provided.
A fluid pipe connection mechanism for connecting a plurality of pipes through which fluid flows, comprising:
A first component including a movable portion 1 that constitutes a part of a pressure control valve that operates by differential pressure, disposed on one side of a plurality of pipes;
A second part including an opening / closing mechanism 3, 4 and 5 that is opened and closed by an operation of the movable part constituting a part of a pressure control valve disposed on the other side of the plurality of pipes;
A transmission mechanism provided on at least one of the first component and the second component;
It is set as the structure provided with.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、流体を流通する配管を接続するための流体配管の接続機構とその製造方法、及びこれらの流体配管の接続機構を燃料容器と発電機構との間に備えた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fluid piping connection mechanism for connecting piping for circulating fluid, a manufacturing method thereof, and a fuel cell system including the fluid piping connection mechanism between a fuel container and a power generation mechanism.
従来、流体を流通する配管を接続するカプラには、様々なものが提案されてきた。
通常、カプラは、特許文献１に示されるような構成を有している。すなわち、配管の非接続時には、少なくとも一方のポートは、流体が外に漏れないように閉じており、配管が接続された際に、流体の流通が可能になる。
これは、カプラの一方にチェックバルブが設けられ、もう一方にチェックバルブを押して開くための加圧ピンが設けられることによって実現される。
また、接続時に流体が外部に漏れないようにするためのガスケット、および、カプラが容易に外れないようにするためのロック機構を備えている。
Conventionally, various couplers for connecting pipes that circulate fluid have been proposed.
Usually, a coupler has a structure as shown in
This is realized by providing a check valve on one side of the coupler and a pressure pin for pushing and opening the check valve on the other side.
In addition, a gasket for preventing fluid from leaking to the outside at the time of connection and a lock mechanism for preventing the coupler from being easily detached are provided.
一方、減圧弁は機械加工技術を用いて、様々なタイプのものが作製されてきた。減圧弁は、アクティブ駆動のもの、パッシブ駆動のものに大きく分類される。アクティブ駆動の減圧弁は、圧力センサとバルブ駆動手段、制御機構とを備え、２次圧力が設定圧力に減圧されるようにバルブを駆動する。
また、パッシブ駆動の減圧弁は、設定圧力になると、圧力差を利用して、バルブが自動的に開閉する。
さらに、パッシブ型減圧弁は、パイロット型と直動型に大別される。
パイロット型は、パイロット弁を有し、安定した動作を特徴としている。
また、直動型は、高速応答に対して利点がある。このようなパイロット型において、気体を作動流体とする場合には、圧縮流体の微小な力でも弁の開閉を確実に行なうため、差圧感知機構として、ダイヤフラムがよく用いられる。
On the other hand, various types of pressure reducing valves have been produced using machining techniques. The pressure reducing valve is roughly classified into an active drive type and a passive drive type. The active drive pressure reducing valve includes a pressure sensor, valve driving means, and a control mechanism, and drives the valve so that the secondary pressure is reduced to the set pressure.
In addition, when the passively driven pressure reducing valve reaches a set pressure, the valve automatically opens and closes using the pressure difference.
Furthermore, passive pressure reducing valves are roughly classified into pilot types and direct acting types.
The pilot type has a pilot valve and is characterized by stable operation.
Further, the direct acting type has an advantage for high-speed response. In such a pilot type, when a gas is used as a working fluid, a diaphragm is often used as a differential pressure sensing mechanism in order to reliably open and close the valve with a minute force of the compressed fluid.
小型の減圧弁に関しては、例えば、特許文献２に示すように、ダイヤフラム、弁体、弁体とダイヤフラムを直結するバルブ軸を備えた構造のものが提案されている。
このような構造の減圧弁の製造方法には、非特許文献１に開示されているような製造方法が知られている。この製造方法は、半導体加工技術を用いて、小型の機械要素を作製している点に特徴を有している。
半導体加工技術では、材料には半導体基板が用いられ、成膜、フォトリソグラフィやエッチングといった技術を組み合わせて構造を形成する。
これにより、サブミクロンオーダーの微細加工が可能な上、バッチプロセスにより大量生産化が容易であるという特徴を有する。
特に減圧弁は、複雑な３次元構造を有するため、半導体基板を垂直にエッチングするためのＩＣＰ−ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）や、複数の半導体基板を接合するための接合技術などが用いられている。
また、弁体と弁座の間は、シリコン酸化物などの犠牲層を介して接合され、プロセスの後半で、犠牲層をエッチングすることにより、弁座からの弁体のリリースを行なっている。
As for a small pressure reducing valve, for example, as shown in
As a method for manufacturing a pressure reducing valve having such a structure, a manufacturing method as disclosed in Non-Patent
In semiconductor processing technology, a semiconductor substrate is used as a material, and a structure is formed by combining techniques such as film formation, photolithography, and etching.
As a result, microfabrication on the order of submicrons is possible, and mass production is easy by a batch process.
In particular, since the pressure reducing valve has a complicated three-dimensional structure, ICP-RIE (reactive ion etching) for vertically etching a semiconductor substrate, a bonding technique for bonding a plurality of semiconductor substrates, and the like are used. Yes.
Further, the valve body and the valve seat are joined via a sacrificial layer such as silicon oxide, and the valve body is released from the valve seat by etching the sacrificial layer in the latter half of the process.
一方、小型の電気機器に搭載するエネルギー源として、小型の燃料電池が注目されている。
燃料電池が小型電気機器の駆動源として有用な理由に体積当たり、重量当たりの供給可能なエネルギー量が従来のリチウムイオン２次電池に比べて、数倍から十倍近くであることが挙げられる。
特に、大きな出力を得るための燃料電池には、水素を燃料に使用するのが最適である。
しかし、水素は常温で気体であり、小型の燃料タンクの中に高密度に水素を貯蔵するための技術が必要である。
On the other hand, small fuel cells are attracting attention as energy sources to be mounted on small electric devices.
The reason why the fuel cell is useful as a drive source for a small electric device is that the amount of energy that can be supplied per volume and per weight is several times to nearly ten times that of a conventional lithium ion secondary battery.
In particular, it is optimal to use hydrogen as a fuel for a fuel cell for obtaining a large output.
However, hydrogen is a gas at room temperature, and a technique for storing hydrogen at high density in a small fuel tank is required.
このような水素を貯蔵するための技術として、つぎのような方法が知られている。
第一の方法は、水素を圧縮して高圧ガスとして保存する方法である。
タンク内のガスの圧力を２００気圧にすると体積水素密度は１８ｍｇ／ｃｍ3程度となる。
第二の方法は、水素を低温にして、液体として貯蔵する方法である。
水素を液化するためには、大きなエネルギーが必要であること、また、液体水素が自然気化して、漏れだしてしまうことが問題であるが、高密度な保存が可能である。
第三の方法は、水素吸蔵合金を使用して水素を貯蔵する方法である。
この方法では、水素吸蔵合金の比重が大きいため、重量ベースでは、２ｗｔ％程度の水素しか吸蔵できず、燃料タンクが重たくなってしまうという問題点があるが、体積ベースでの吸蔵量は大きいので、小型化には有効である。
とりわけ、小型燃料電池では、取り扱いの容易さと体積あたりの水素充填量の多さから、第三の水素吸蔵合金に水素を吸蔵させる方法がよく用いられる。
The following methods are known as techniques for storing such hydrogen.
The first method is a method in which hydrogen is compressed and stored as a high-pressure gas.
When the pressure of the gas in the tank is 200 atm, the volume hydrogen density is about 18 mg / cm 3 .
The second method is a method of storing hydrogen as a liquid at a low temperature.
In order to liquefy hydrogen, it is a problem that a large amount of energy is required, and that liquid hydrogen spontaneously vaporizes and leaks, but high-density storage is possible.
The third method is a method of storing hydrogen using a hydrogen storage alloy.
In this method, since the specific gravity of the hydrogen storage alloy is large, only about 2 wt% of hydrogen can be stored on a weight basis, and the fuel tank becomes heavy, but the storage amount on a volume basis is large. It is effective for miniaturization.
In particular, in a small fuel cell, a method of storing hydrogen in a third hydrogen storage alloy is often used because of easy handling and a large amount of hydrogen filling per volume.
発電によって燃料容器内の水素を消費しつくしてしまうと、さらに発電を続けるためには、新たに水素を充填する必要がある。
水素の補充は、燃料電池の発電部を燃料容器につないだまま行うこともできるが、燃料容器を発電部から切り離して行う場合もある。
これは、１つには、充填時に燃料容器内の圧力が高圧になることと、充填の際に容器を冷却することが好ましいが、これらの圧力や温度履歴が発電部に悪影響を与えないようにするためである。
また、利便性や経済性という観点からも、複数の燃料電池を所持して持ち歩くよりも、燃料容器のみを複数持ち歩き、使用中の容器が空になった場合には、新しい容器と交換するのが好ましい。
そのため、燃料容器と燃料電池発電部との間には、カプラを設置して、燃料容器を着脱可能にする方法がよく用いられる。
このようなカプラとして、例えば、特許文献３に示すように、外力によりプラグとソケットトとを分離可能に構成したカプラが提案されている。
If the hydrogen in the fuel container is completely consumed by power generation, it is necessary to refill with hydrogen in order to continue power generation.
The replenishment of hydrogen can be performed while the power generation unit of the fuel cell is connected to the fuel container. However, the fuel container may be separated from the power generation unit.
For one thing, it is preferable that the pressure in the fuel container becomes high at the time of filling and the container is cooled at the time of filling, but these pressures and temperature history do not adversely affect the power generation unit. It is to make it.
Also, from the viewpoint of convenience and economic efficiency, rather than carrying around multiple fuel cells, carry around multiple fuel containers and replace them with new ones when the containers in use are empty. Is preferred.
Therefore, a method of installing a coupler between the fuel container and the fuel cell power generation unit so that the fuel container can be attached and detached is often used.
As such a coupler, for example, as shown in Patent Document 3, a coupler has been proposed in which a plug and a socket can be separated by an external force.
一方、固体高分子型燃料電池の発電は以下の様にして行われる。
高分子電解質膜には、パーフルオロスルホン酸系の陽イオン交換樹脂がよく用いられる。例えば、このような膜としては、デュポン社のナフィオンなどがよく知られている。
固体高分子電解質膜を、白金などの触媒を担持した一対の多孔質電極、すなわち、燃料極と酸化剤極とで狭持した膜電極複合体が発電セルとなる。
この発電セルに対して、酸化剤極には酸化剤を、燃料極には燃料極を供給することにより、高分子電解質膜中をプロトンが移動し、発電が行われる。
高分子電解質膜は機械的強度を保ち、また、燃料ガスが透過しないようにするために通常５０〜２００μｍ程度の厚さのものが使用される。
これらの固体高分子電解質膜の強度は３〜５ｋｇ／ｃｍ2程度である。従って、差圧による膜の破断を防ぐためには、燃料電池の酸化剤極室と燃料極室との差圧が、平常時には０．５ｋｇ／ｃｍ2、非常時でも１ｋｇ／ｃｍ2以下になるように制御することが好ましい。
燃料タンク圧と酸化剤極室との差圧が上記圧力よりも小さい場合、燃料タンクと燃料極室とを直結し、特に減圧の必要はない。
しかしながら、酸化剤極室が大気に解放されており、また、より高密度に燃料を充填する場合においては、燃料タンクから燃料極室に燃料を供給する過程において、減圧することが必要となる。
また、発電の起動・停止操作や、発電電力を安定させるためにも、上記機構は必要となる。
On the other hand, power generation of the polymer electrolyte fuel cell is performed as follows.
A perfluorosulfonic acid cation exchange resin is often used for the polymer electrolyte membrane. For example, Nafion from DuPont is well known as such a membrane.
A pair of porous electrodes carrying a catalyst such as platinum, that is, a membrane electrode assembly sandwiched between a fuel electrode and an oxidizer electrode, serves as a power generation cell.
By supplying an oxidant to the oxidant electrode and a fuel electrode to the fuel electrode, protons move through the polymer electrolyte membrane to generate power.
The polymer electrolyte membrane usually has a thickness of about 50 to 200 μm in order to maintain mechanical strength and prevent the fuel gas from permeating.
The strength of these solid polymer electrolyte membranes is about 3 to 5 kg / cm 2 . Accordingly, in order to prevent the membrane from being broken due to the differential pressure, the differential pressure between the oxidant electrode chamber and the fuel electrode chamber of the fuel cell is 0.5 kg / cm 2 in normal times and 1 kg / cm 2 or less even in an emergency. It is preferable to control.
When the differential pressure between the fuel tank pressure and the oxidant electrode chamber is smaller than the above pressure, the fuel tank and the fuel electrode chamber are directly connected, and there is no need to reduce the pressure.
However, when the oxidant electrode chamber is open to the atmosphere and the fuel is filled at a higher density, it is necessary to reduce the pressure in the process of supplying the fuel from the fuel tank to the fuel electrode chamber.
In addition, the above mechanism is necessary for starting / stopping power generation and stabilizing the generated power.
上記した特許文献２においては、小型バルブを燃料タンクと燃料電池セルの間に設けることにより、燃料電池セルを大きな圧力差による破断から防ぎ、発電の起動、停止を制御し、発電電力を安定に保っている。
特に、燃料供給路と酸化剤供給路との境界にダイヤフラムを使用し、バルブに直結することで、電気を使用しないで、燃料供給路と酸化剤供給路との差圧により駆動し、燃料電池セルに供給する燃料圧を最適に制御する減圧弁を実現している。
また、特許文献４においては、一次調整弁を備えた部位と、二次調整弁を備えた部位とを分割し、いずれか一方の部位を燃料タンク側または燃料電池側に設け、これらを着脱可能に構成した複弁式の圧力調整器が提案されている。
In particular, a diaphragm is used at the boundary between the fuel supply path and the oxidant supply path, and it is directly connected to the valve so that it is driven by the differential pressure between the fuel supply path and the oxidant supply path without using electricity. A pressure reducing valve that optimally controls the fuel pressure supplied to the cell is realized.
Moreover, in
しかしながら、上記従来例のものにおいては、燃料タンクと燃料電池セルの間に設けるカプラとしては、必ずしも満足の得られるものではなかった。
例えば、上記特許文献１または特許文献３の従来例のカプラは、圧力調整機能を持たないため、接続時の両配管の圧力はほぼ等しくなっていた。そのため、接続時に圧力を減圧して、一定の圧力の流体を供給したい場合には、別に減圧弁を流路内に設置する必要があった。
また、上記特許文献２の従来例のものは、ダイヤフラム（可動部）、ピストン（伝達機構）、弁体が一体化されているため、これらを分割してカプラとして用いるには不都合が生じる。
また、上記特許文献４の従来例のものは、一次調整弁を備えた部位と、二次調整弁を備えた部位とが、それぞれ分割された構成が採られており、燃料タンクと燃料電池セル間で圧力調整機能を有するカプラとして用いることができるものである。
しかしながら、一次調整弁と二次調整弁を備えた部位が、それぞれ分割された構成が採られているため、構造が複雑となるだけでなく、昨今におけるより一層の小型化が求められている小型燃料電池システムでの要請に応えることは困難である。
特に、一時調整弁は、弁を閉じるためのバネが、ピストン軸延長上で、弁体に対して該ピストンの反対側に位置していた。そのため、減圧弁の層構造が多くなり、構造が複雑になっていた。また、この場合、弁体の位置ずれを防ぐため、前記バネとは別に弁体、あるいは、ピストンにガイドを設ける必要があった。しかしながら、小型の減圧弁においては、小型の軸受けを製作することが非常に困難であるため、ガイド部分での摩擦が大きく、弁を駆動することが難しかった。また、このように厚い部材を重ね合わせた構成は、小型化や量産化に有利な半導体加工技術や、エッチング、プレス加工によって作製することは難しかった。
However, in the above-mentioned conventional example, the coupler provided between the fuel tank and the fuel cell is not always satisfactory.
For example, since the conventional couplers of
Moreover, since the diaphragm (movable part), the piston (transmission mechanism), and the valve body are integrated in the conventional example of the above-mentioned
Further, the conventional example of the above-mentioned
However, since the parts provided with the primary adjustment valve and the secondary adjustment valve are respectively divided, the structure is not only complicated, but also a small size that requires further downsizing in recent years. It is difficult to meet the demand for fuel cell systems.
In particular, in the temporary adjustment valve, the spring for closing the valve is located on the opposite side of the piston with respect to the valve body on the extension of the piston shaft. Therefore, the layer structure of the pressure reducing valve is increased, and the structure is complicated. In this case, in order to prevent the displacement of the valve body, it is necessary to provide a guide on the valve body or the piston separately from the spring. However, since it is very difficult to manufacture a small bearing in a small pressure reducing valve, friction at the guide portion is large and it is difficult to drive the valve. In addition, it is difficult to produce such a structure in which thick members are overlapped with each other by a semiconductor processing technique, etching, or press working which is advantageous for downsizing and mass production.
本発明は、上記課題に鑑み、簡単な構成によって、より一層の小型化を図ることが可能となる減圧弁としての機能を有する流体配管の接続機構とその製造方法、及び流体配管の接続機構を備えた燃料電池システムの提供を目的とする。
また、本発明は、簡単な構成によって、より一層の小型化を図ることが可能となる減圧弁としての機能の他に温度遮断弁としての機能を併せ有する流体配管の接続機構とその製造方法、及び流体配管の接続機構を備えた燃料電池システムの提供を目的とする。
In view of the above problems, the present invention provides a fluid piping connection mechanism having a function as a pressure reducing valve that can be further miniaturized with a simple configuration, a manufacturing method thereof, and a fluid piping connection mechanism. An object of the present invention is to provide a provided fuel cell system.
In addition, the present invention provides a fluid piping connection mechanism having a function as a temperature shut-off valve in addition to a function as a pressure reducing valve that can be further reduced in size with a simple configuration, and a method for manufacturing the same. And a fuel cell system including a fluid piping connection mechanism.
本発明は、上記課題を解決するため、つぎのように構成した流体配管の接続機構とその製造方法、及び流体配管の接続機構を備えた燃料電池システムを提供するものである。
本発明の流体配管の接続機構は、
流体が流通する複数の配管を接続する流体配管の接続機構であって、
前記複数の配管の一方の側に配設された、差圧によって動作する圧力制御弁の一部を構成する可動部を備えた第１の部品と、
前記複数の配管の他方の側に配設された、圧力制御弁の一部を構成する前記可動部の動作によって開閉される開閉機構を備えた第２の部品と、
前記第１の部品と前記第２の部品の少なくとも一方に設けられた伝達機構とを備え、
前記開閉機構が、弁座部と、弁体部と、前記弁体部を支持する支持部とを備え、前記支持部が、前記伝達機構によって伝達される前記可動部の動作に応じて、前記弁体部と前記弁座部間を開閉可能に、前記弁体部を支持し、
前記弁体部を支持する支持部が、前記伝達機構の動作方向に垂直で、かつ前記弁体部を含む平面上に設けられている、前記弁体部を支持する弾性体によって構成され、
前記第１の部品の配設された配管と、前記第２の部品の配設された配管との接続によって、これらの接続部位に前記伝達機構を介して前記可動部の動作を前記開閉機構に伝える圧力制御弁が構成されることを特徴とする
また、本発明の流体配管の接続機構は、前記可動部が、ダイヤフラムであることを特徴とする。
また、本発明の流体配管の接続機構は、前記圧力制御弁が、減圧弁としての機能を有することを特徴とする。
また、本発明の流体配管の接続機構は、前記弁体部を支持する支持部が、一部に、閾値以上の温度により該弁体部を閉じる位置に変位する温度変位部を含み構成されていることを特徴とする。
また、本発明の流体配管の接続機構は、前記温度変位部が、形状記憶合金で形成されていることを特徴とする。
また、本発明の流体配管の接続機構は、前記温度変位部が、バイメタルで形成されていることを特徴とする。
また、本発明の流体配管の接続機構は、前記圧力制御弁が、減圧弁としての機能の他に、温度遮断弁としての機能を併せ有することを特徴とする。
また、本発明の流体配管の接続機構は、前記開閉機構が、前記開閉機構が、前記伝達機構の動作方向に垂直方向に延設された貫通孔を有する弾性体で構成され、前記貫通孔が、前記伝達機構により伝達される前記可動部の動作に応じて、前記伝達機構の先端部によって開閉されることを特徴とする。
また、本発明の流体配管の接続機構は、前記第１の部品と前記第２の部品の少なくとも一方に、
前記第１の部品の配設された配管と、前記第２の部品の配設された配管との接続時においてこれらの接触箇所から流体が漏れるのを防止するためのガスケットを有することを特徴とする。
また、本発明の流体配管の接続機構は、前記第１の部品と前記第２の部品の少なくとも一方に、
前記第１の部品の配設された配管と、前記第２の部品の配設された配管との接続時において該接続を維持するためのロック機構を有することを特徴とする。
また、本発明の流体配管の接続機構は、前記圧力制御弁の一部を構成する差圧によって動作する可動部、前記可動部の動作によって開閉される開閉機構及び伝達機構のそれぞれが、
シート状部材または板状部材で形成され、それらを積層して構成されていることを特徴とする。
また、本発明の流体配管接続機構の製造方法は、
複数の配管の一方の側に配設された、差圧によって動作する圧力制御弁の一部を構成する可動部を備えた第１の部品と、
前記複数の配管の他方の側に配設された圧力制御弁の一部を構成する前記可動部の動作によって開閉される開閉機構を備えた第２の部品と、
これらの部品の少なくとも一方に設けられた伝達機構と、を備えた流体配管接続機構の製造方法であって、
前記複数の配管の一方の側に配設するための前記可動部を、シート状部材または板状部材で形成する工程と、
前記伝達機構を、シート状部材または板状部材で形成する工程と、
前記複数の配管の他方の側に配設するための前記開閉機構を、弁座部、弁体部および該弁体部を支持する支持部とによって形成するに際し、これらをシート状部材または板状部材で形成する工程と、
前記可動部側、または前記開閉機構側のいずれか一方に、シート状部材または板状部材でガスケットを形成する工程と、
を有することを特徴とする。
また、本発明の流体配管接続機構の製造方法は、前記シート状部材または板状部材の少なくとも一部に、半導体基板を用いることを特徴とする。
また、本発明は、燃料容器と燃料電池発電部との間に流体配管の接続機構を備えた燃料電池システムにおいて、
前記流体配管の接続機構が、上記したいずれかに記載の流体配管の接続機構、
または上記したいずれかに記載の流体配管接続機構の製造方法によって製造された流体配管の接続機構によって構成されていることを特徴とする。
In order to solve the above-described problems, the present invention provides a fluid piping connection mechanism configured as follows, a manufacturing method thereof, and a fuel cell system including the fluid piping connection mechanism.
The fluid piping connection mechanism of the present invention comprises:
A fluid pipe connection mechanism for connecting a plurality of pipes through which fluid flows,
A first part including a movable part that constitutes a part of a pressure control valve that is operated by differential pressure, disposed on one side of the plurality of pipes;
A second component provided with an opening / closing mechanism disposed on the other side of the plurality of pipes and opened / closed by an operation of the movable part constituting a part of the pressure control valve;
A transmission mechanism provided on at least one of the first component and the second component;
The opening / closing mechanism includes a valve seat portion, a valve body portion, and a support portion that supports the valve body portion, and the support portion is operated according to the operation of the movable portion transmitted by the transmission mechanism, The valve body part is supported so that it can be opened and closed between the valve body part and the valve seat part,
The support portion that supports the valve body portion is provided by an elastic body that supports the valve body portion, which is provided on a plane that is perpendicular to the operation direction of the transmission mechanism and includes the valve body portion,
By connecting the piping in which the first component is arranged and the piping in which the second component is arranged, the operation of the movable part is transferred to the opening / closing mechanism via the transmission mechanism to these connection parts. A pressure control valve for transmitting is configured, and the fluid pipe connection mechanism according to the present invention is characterized in that the movable portion is a diaphragm.
In the fluid piping connection mechanism of the present invention, the pressure control valve functions as a pressure reducing valve.
In the fluid piping connection mechanism of the present invention, the support part that supports the valve body part includes a temperature displacement part in which the valve body part is displaced to a position where the valve body part is closed by a temperature equal to or higher than a threshold value. It is characterized by being.
In the fluid piping connection mechanism of the present invention, the temperature displacement portion is formed of a shape memory alloy.
Moreover, the fluid piping connection mechanism of the present invention is characterized in that the temperature displacement portion is formed of a bimetal.
The fluid piping connection mechanism of the present invention is characterized in that the pressure control valve has a function as a temperature cutoff valve in addition to a function as a pressure reducing valve.
Further, the fluid piping connection mechanism of the present invention is configured such that the opening / closing mechanism is formed of an elastic body having a through-hole extending in a direction perpendicular to the operation direction of the transmission mechanism, and the through-hole is The front and rear ends of the transmission mechanism are opened and closed in accordance with the operation of the movable part transmitted by the transmission mechanism.
In addition, the fluid piping connection mechanism of the present invention has at least one of the first component and the second component,
And a gasket for preventing fluid from leaking from these contact points when connecting the pipe with the first component and the pipe with the second component. To do.
In addition, the fluid piping connection mechanism of the present invention has at least one of the first component and the second component,
It has a lock mechanism for maintaining the connection at the time of connection between the pipe on which the first part is arranged and the pipe on which the second part is arranged.
The fluid piping connection mechanism of the present invention includes a movable part that operates by a differential pressure that constitutes a part of the pressure control valve, an opening / closing mechanism that is opened and closed by the operation of the movable part, and a transmission mechanism,
It is formed of a sheet-like member or a plate-like member, and is formed by stacking them.
In addition, the manufacturing method of the fluid piping connection mechanism of the present invention,
A first part including a movable part that constitutes a part of a pressure control valve that is operated by differential pressure, disposed on one side of a plurality of pipes;
A second part including an opening / closing mechanism that is opened and closed by an operation of the movable part constituting a part of a pressure control valve disposed on the other side of the plurality of pipes;
A transmission mechanism provided in at least one of these components, and a manufacturing method of a fluid piping connection mechanism comprising:
Forming the movable portion to be disposed on one side of the plurality of pipes with a sheet-like member or a plate-like member;
Forming the transmission mechanism with a sheet-like member or a plate-like member;
When the opening / closing mechanism for disposing on the other side of the plurality of pipes is formed by a valve seat portion, a valve body portion, and a support portion that supports the valve body portion, these are formed into a sheet-like member or a plate-like shape Forming with a member;
Forming a gasket with a sheet-like member or a plate-like member on either the movable part side or the opening / closing mechanism side;
It is characterized by having.
Moreover, the manufacturing method of the fluid piping connection mechanism of this invention uses a semiconductor substrate for at least one part of the said sheet-like member or plate-shaped member.
Further, the present invention provides a fuel cell system including a fluid piping connection mechanism between a fuel container and a fuel cell power generation unit.
The fluid piping connection mechanism according to any one of the above-described fluid piping connection mechanisms,
Or it is comprised by the connection mechanism of the fluid piping manufactured by the manufacturing method of the fluid piping connection mechanism in any one of above-mentioned.
本発明によれば、簡単な構成によって、より一層の小型化を図ることが可能となる減圧弁としての機能を有する流体配管の接続機構とその製造方法、及び流体配管の接続機構を搭載した燃料電池システムを実現することができる。
また、本発明によれば、簡単な構成によって、より一層の小型化を図ることが可能となる温度遮断弁と減圧弁としての機能を併せ有する流体配管の接続機構とその製造方法、及び流体配管の接続機構を搭載した燃料電池システムを実現することができる。
According to the present invention, a fluid piping connection mechanism having a function as a pressure reducing valve that can be further reduced in size with a simple configuration, a manufacturing method thereof, and a fuel equipped with the fluid piping connection mechanism A battery system can be realized.
In addition, according to the present invention, a fluid piping connection mechanism having both functions as a temperature shut-off valve and a pressure reducing valve that can be further reduced in size with a simple configuration, a manufacturing method thereof, and a fluid piping A fuel cell system equipped with the connection mechanism can be realized.
本発明を実施するための最良の形態を、以下の実施例により説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described by the following examples.
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１においては、本発明を適用した接続機構における第１の構成例について説明する。
図１に、本実施例の接続機構の構成を説明するための断面図を示す。
図１において、１は可動部となるダイヤフラム、２は伝達機構であるピストン、３は弁部を形成する弁座部、４は弁体部、５は支持部、６はシール、１０はガスケット、１１はロック機構である。
Examples of the present invention will be described below.
[Example 1]
In the first embodiment, a first configuration example of the connection mechanism to which the present invention is applied will be described.
FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining the configuration of the connection mechanism of this embodiment.
In FIG. 1, 1 is a diaphragm which becomes a movable part, 2 is a piston which is a transmission mechanism, 3 is a valve seat part forming a valve part, 4 is a valve body part, 5 is a support part, 6 is a seal, 10 is a gasket,
本実施例において接続機構の一方における差圧によって動作する圧力制御弁の一部を構成する可動部を備えた第１の部品は、
複数の配管における一方の側に配設された配管に接続される、可動部となるダイヤフラム１、伝達機構であるピストン２、ガスケット１０、および、ロック機構１１からなる。
また、本接続機構のもう一方における第２の部品は、圧力制御弁の一部を構成する前記可動部の動作によって開閉される開閉機構を備えた部品からなる。
この開閉機構は、上記複数の配管における他方の側に配設された配管に接続される、弁部を形成する弁座部３、弁体部４、支持部５、および、シール６によって構成される。
本実施例において、上記第１の部品の配設された配管と、前記第２の部品の配設された配管との接続によって、これらの接続部位に前記伝達機構を介して前記可動部の動作を前記開閉機構に伝える圧力制御弁が構成されている。
また、上記支持部５は、上記ピストン２（伝達機構）によって伝達されるダイヤフラム１（可動部）の動作に応じて、弁体部と弁座部間を開閉可能に、弁体部４を支持するように構成されている。
ここで、支持部５は、上記弁体部４を支持する弾性体によって構成され、具体的には、弾性を有する梁（弾性体）によって形成されており、伝達機構２の動作方向に垂直で、弁体部４を含む平面上に設置されている。例えば、図２（ａ）に示すような第１の形態、あるいは図２（ｂ）に示すような第２の形態を採ることができる。
また、支持部５を、一部に、閾値以上の温度により前記弁体部を閉じる位置に変位する温度変位部を含み構成するようにしてもよい。例えば図２（ｃ）に示すような第３の形態として、弁体部４を支持部５および温度変位部５０によって周囲に支持するように構成してもよい。
その際、この温度変位部５０は、チタン−ニッケル合金などの形状記憶合金により形成することができる。
チタン−ニッケル合金の形状記憶合金はスパッタリングを用いて形成することも可能である。
温度変位部５０は通常温度では塑性変形を行い前述の支持部５のバネ性には影響しないため通常の減圧弁として機能する。
減圧弁の周りの温度が異常上昇して予め設定した温度以上になると、温度変位部５０の形状記憶合金が弁座部３方向に反り返るように変位して、弁体部４が弁座部３に押し付けられて弁が閉じた状態になる。
温度が閾値より小さい領域では温度変位部５０は機能しないので、通常の減圧弁のように二次圧を保ちながら流量が発生する。
さらに、温度が上昇して、閾値を超えると温度変位部５０の形状記憶合金が機能して弁体部４が持ち上げられるため弁が閉じ、温度遮断弁として機能する。
これに対して、温度が閾値を下回ると通常の減圧弁として機能する。これにより可逆的に利用することが可能となる。
このように、減圧弁に形状記憶合金の温度変位部５０を設けることにより閾値温度より下では減圧弁、それ以上では遮断弁として機能させることができ、より安全性の高い弁機能を発揮させることができる。
ここでは温度変位部５０として形状記憶合金を利用した例を示したが温度により変位する材料（例えばバイメタル等）を使用すれば同様な効果が得られる。
また、ここでは支持部５と温度変位部５０が別に配置した例を示したが、支持部５にバネ性を有する金属材料等を利用した温度変位材料を利用するようにしてもよい。
In the present embodiment, the first component including the movable portion that constitutes a part of the pressure control valve that operates by the differential pressure in one of the connection mechanisms is
A
The second component in the other side of the connection mechanism is a component including an opening / closing mechanism that is opened / closed by the operation of the movable portion constituting a part of the pressure control valve.
This opening / closing mechanism is configured by a valve seat portion 3 that forms a valve portion, a
In the present embodiment, the operation of the movable portion is connected to the connection portion via the transmission mechanism by connecting the piping provided with the first component and the piping provided with the second component. A pressure control valve for transmitting the pressure to the opening / closing mechanism.
The support portion 5 supports the
Here, the support portion 5 is configured by an elastic body that supports the
Moreover, you may make it comprise the support part 5 including the temperature displacement part which displaces to the position which closes the said valve body part by the temperature more than a threshold value in part. For example, as a third form as shown in FIG. 2C, the
At this time, the temperature displacement portion 50 can be formed of a shape memory alloy such as a titanium-nickel alloy.
The shape memory alloy of titanium-nickel alloy can also be formed by sputtering.
The temperature displacement part 50 functions as a normal pressure reducing valve because it undergoes plastic deformation at normal temperature and does not affect the spring property of the support part 5 described above.
When the temperature around the pressure reducing valve rises abnormally and becomes equal to or higher than a preset temperature, the shape memory alloy of the temperature displacement portion 50 is displaced so as to warp in the direction of the valve seat portion 3, and the
Since the temperature displacement part 50 does not function in a region where the temperature is lower than the threshold value, a flow rate is generated while maintaining the secondary pressure like a normal pressure reducing valve.
Further, when the temperature rises and exceeds the threshold value, the shape memory alloy of the temperature displacement part 50 functions and the
On the other hand, when the temperature falls below the threshold value, it functions as a normal pressure reducing valve. This makes it possible to use it reversibly.
In this way, by providing the temperature displacement portion 50 of the shape memory alloy in the pressure reducing valve, it can function as a pressure reducing valve below the threshold temperature, and can function as a shut-off valve above it, thereby exhibiting a safer valve function. Can do.
Here, an example in which a shape memory alloy is used as the temperature displacement portion 50 is shown, but the same effect can be obtained by using a material (for example, bimetal) that is displaced by temperature.
In addition, although the example in which the support portion 5 and the temperature displacement portion 50 are separately arranged is shown here, a temperature displacement material using a metal material having a spring property or the like may be used for the support portion 5.
また、本実施例において、伝達機構２、ガスケット１０、ロック機構１１は、上記した可動部側、または上記した弁部を有する開閉機構側のいずれの側に設けられていてもよい。
例えば、図１に示すようにこれらを可動部を有する側に設けてもよく、また、これらを、図３に示すように弁部を有する側に設けてもよい。
また、ダイヤフラム（可動部）１側の配管は、図１（ａ）に示すダイヤフラム（可動部）１の右下の流路へとつながっている。
また、通常、ダイヤフラム（可動部）１の上部は大気に接している。
一方、弁部を有する接続機構の配管は、図１（ｂ）に示す弁体部４の下方よりつながっている。
In the present embodiment, the
For example, these may be provided on the side having the movable part as shown in FIG. 1, or these may be provided on the side having the valve part as shown in FIG.
Further, the piping on the diaphragm (movable part) 1 side is connected to the lower right flow path of the diaphragm (movable part) 1 shown in FIG.
In general, the upper part of the diaphragm (movable part) 1 is in contact with the atmosphere.
On the other hand, the piping of the connection mechanism having the valve portion is connected from below the
ここで、図４、図５に基づいて、本実施例における減圧弁の動作を説明する。図４は、本接続機構の接続時の断面図である。
ダイヤフラム（可動部）を有する機構と弁部を有する機構が合わさり、これらの接続を維持するロック機構１１によってロックされている。
また、接触面はガスケット１０によって、内部を流れる流体が外に漏れないようになっている。
ピストン（伝達機構）２を介して、可動部１と弁体部４は対向する位置に来るが、ピストン（伝達機構）２は、可動部１と弁体部４の必ずしも両方に接している必要はない。
また、ロック機構１１は、図８のようなバネを利用したものも可能であるが、例えば、接続時の接続機構の接触部に磁石を埋め込んでおき、磁石の引き合う力によって、接続状態を保持することも可能である。
特に、磁石にコイルによる電磁石を用いることで、接続、および、切り離しを、電気信号により制御することが可能である。
また、ロック機構に磁石を用い、切り離し、および、接続を圧電素子などを用いたアクチュエータを用いれば、接続、あるいは、切り離し動作のみに電力を使用し、通常は電力を必要としないような機構も実現可能である。
Here, based on FIG. 4, FIG. 5, operation | movement of the pressure-reduction valve in a present Example is demonstrated. FIG. 4 is a cross-sectional view of the connection mechanism when connected.
A mechanism having a diaphragm (movable part) and a mechanism having a valve part are combined and locked by a
Further, the contact surface is made of a
The
Further, the
In particular, by using an electromagnet made of a coil as a magnet, connection and disconnection can be controlled by an electric signal.
In addition, if a magnet is used for the locking mechanism, disconnection, and an actuator using a piezoelectric element or the like is used, there is also a mechanism that uses electric power only for connection or disconnection operation and does not normally require electric power. It is feasible.
ダイヤフラム（可動部）１上部の圧力をＰ0、バルブ上流の１次圧力をＰ1、バルブ下流の圧力をＰ2とし、弁体部４の面積をＳ1、ダイヤフラム（可動部）１の面積をＳ2とする。ダイヤフラム（可動部）は、差圧（ Ｐ0− Ｐ2）によって動作する。
このとき、圧力の釣り合いから、図５のようにバルブが開く条件は、
（Ｐ1− Ｐ2）Ｓ1＜（ Ｐ0− Ｐ2）Ｓ2となる。Ｐ2がこの条件の圧力より高いとバルブは閉じ、低いとバルブは開く。
これによって、Ｐ2を一定に保つことができる。
弁体部４の面積やダイヤフラム（可動部）１の面積、ピストン（伝達機構）２の長さ、ダイヤフラム（可動部）１の厚さ、支持部５の梁の形状を調整することで、バルブが開閉する圧力や流量を最適に設計することができる。
特に、ダイヤフラム（可動部）１のバネ定数が支持部５のバネ定数よりも大きい場合には、弁が開く際の圧力は、ダイヤフラム（可動部）１に依存する。
逆に、支持部５のバネ定数が、ダイヤフラム（可動部）１のバネ定数よりも大きい場合には、弁の挙動は、支持部５に依存する。
また、接続時のピストン（伝達機構）２の長さとダイヤフラム（可動部）１から弁体部４までの距離との差によって、２次圧力Ｐ2は変化する。
すなわち、ピストン（伝達機構）２の長さがダイヤフラム（可動部）１から弁体部４までの距離よりも長いほどＰ2は高く、短いほどＰ2は低くなる。
一方、バルブ下流の圧力Ｐ2が設定圧力より高くなった場合には、ダイヤフラム（可動部）１は、上方にたわみ、バルブが閉じる。
この際、弁体部４とピストン（伝達機構）２が接合されていないため、弁体部４は弁座部３と接したところで停止し、ピストン（伝達機構）２のみがダイヤフラム（可動部）１とともに動く。
図３のように、伝達機構２が弁体部４と一体になり、可動部１とは、分離した形においても、動作原理は、図１に示す構造と同様である。
The pressure at the upper part of the diaphragm (movable part) 1 is P 0 , the primary pressure upstream of the valve is P 1 , the pressure downstream of the valve is P 2 , the area of the
At this time, the condition for opening the valve as shown in FIG.
(P 1 −P 2 ) S 1 <(P 0 −P 2 ) S 2 . When P 2 is higher than the pressure in this condition, the valve is closed, and when it is lower, the valve is opened.
As a result, P 2 can be kept constant.
By adjusting the area of the
In particular, when the spring constant of the diaphragm (movable part) 1 is larger than the spring constant of the support part 5, the pressure when the valve opens depends on the diaphragm (movable part) 1.
On the contrary, when the spring constant of the support part 5 is larger than the spring constant of the diaphragm (movable part) 1, the behavior of the valve depends on the support part 5.
Further, the secondary pressure P 2 varies depending on the difference between the length of the piston (transmission mechanism) 2 at the time of connection and the distance from the diaphragm (movable part) 1 to the
That is, P 2 is higher as the length of the piston (transmission mechanism) 2 is longer than the distance from the diaphragm (movable part) 1 to the
On the other hand, when the pressure P 2 downstream of the valve becomes higher than the set pressure, the diaphragm (movable part) 1 bends upward and the valve closes.
At this time, since the
As shown in FIG. 3, the
本実施例の接続機構は、機械加工技術を用いて、例えば、以下のように作製することができる。
図６は、本接続機構を弁体部４側から見た場合の分解斜視図である。シート状部材、板状部材を加工して形成した各部材を積層して作成される。
まず、ダイヤフラム（可動部）１には、バイトンゴムやシリコーンゴムなどの弾性材料、ステンレスやアルミニウムなどの金属材料やプラスチックなどを使用することができる。例えば、ステンレスを材料に用いた場合には、エッチングや切削加工などにより伝達機構を一体型で作製することができる。
または、図７の側面断面図、および、下面図に示すような、パターンを有する板バネ機構と気密性を保つための弾性膜に分けることもできる。
このようにすることで、ダイヤフラム（可動部）１の弾性の設計自由度を高めることができる。
板バネ機構はステンレスなどの金属のエッチング加工で作製することができる一方、膜材料には、シリコーンゴム、バイトンゴム、ポリイミドなどのシートを使用することができる。
また、ダイヤフラム（可動部）１の下部空間やピストン（伝達機構）２が通過する流路は、ステンレスの機械加工やエッチング加工で作製できる。
これらの部品の接着には、液状の接着剤を使用することもできるが、熱によって融解し、冷却時に接着するシート（ホットメルトシート）を使用すると、加工、組み立てが行いやすい。ホットメルトシートには、ポリオレフィン系材料を用いたものなどがある。また、ＰＥＴ基板上に接着剤が塗布されているものもあり、ＰＥＴ基板もあわせて構造材料として使用することができる。
例えば、図７に示す板バネ構造を金属のプレス加工で作製しておき、ダイヤフラム（可動部）１を厚さ０．１ｍｍのＰＥＴ基板の片面に接着層を有するホットメルトシートをカッティングしたものとし、両者をホットプレスする。これにより、ダイヤフラム（可動部）１とピストン（伝達機構）２を一体化したものが作製できる。また、出口流路８を有する部材を、厚さ０．１ｍｍのＰＥＴ基板の両面に接着層を有するホットメルトシートをカッティングしたものを用い、上下の部材とホットプレスで接着することもできる。
弁座部３、および、支持部５は一体型で加工することもできるし、支持部５を他の材料で作製しておき、接着することも可能である。
加工には切削のような機械加工やエッチングなどを用いることができる。
弁座部３、あるいは、弁体部へのシール材料のコーティングは、パリレンやフッ素系材料などを蒸着してもよいし、シリコーンゴムやポリイミド、フッ素系材料などをスピンコーティングやスプレーによって塗布することもできる。
さらには、シリコーンゴムや、バイトンシートなどのゴム材料を接着、あるいは、成型することもできる。
ガスケット１０には、ゴム材料のＯ−リングやテフロン（登録商標）などを使用することができる。
ロック機構１１は流路の入り口部分の部材と一体で作製することも、別に作製しておいて、接着やネジ止めすることも可能である。
これらの製法の中でも、特に、構造部材を金属のプレス加工によって作製し、ホットメルトシートによって接着する方法が、小型化、加工・組み立て性に優れている。
The connection mechanism of the present embodiment can be manufactured, for example, as follows using a machining technique.
FIG. 6 is an exploded perspective view of the connection mechanism when viewed from the
First, the diaphragm (movable part) 1 can be made of an elastic material such as Viton rubber or silicone rubber, a metal material such as stainless steel or aluminum, or plastic. For example, when stainless steel is used as the material, the transmission mechanism can be manufactured as an integrated type by etching or cutting.
Or it can also divide into the leaf | plate spring mechanism which has a pattern, and the elastic film for maintaining airtightness as shown to the side sectional drawing of FIG. 7, and a bottom view.
By doing in this way, the design freedom degree of the elasticity of the diaphragm (movable part) 1 can be raised.
The leaf spring mechanism can be fabricated by etching a metal such as stainless steel, while the film material can be a sheet of silicone rubber, viton rubber, polyimide, or the like.
Further, the lower space of the diaphragm (movable part) 1 and the flow path through which the piston (transmission mechanism) 2 passes can be produced by machining or etching of stainless steel.
A liquid adhesive can be used for bonding these parts, but if a sheet (hot melt sheet) that melts by heat and adheres at the time of cooling is used, it is easy to process and assemble. Some hot melt sheets use polyolefin-based materials. In addition, some have an adhesive coated on a PET substrate, and the PET substrate can also be used as a structural material.
For example, it is assumed that the leaf spring structure shown in FIG. 7 is manufactured by metal pressing, and the diaphragm (movable part) 1 is cut with a hot melt sheet having an adhesive layer on one side of a PET substrate having a thickness of 0.1 mm. Hot press both. Thereby, what integrated the diaphragm (movable part) 1 and the piston (transmission mechanism) 2 can be produced. Alternatively, the member having the outlet channel 8 may be bonded to the upper and lower members by hot pressing using a hot melt sheet having an adhesive layer on both sides of a PET substrate having a thickness of 0.1 mm.
The valve seat portion 3 and the support portion 5 can be processed as an integral type, or the support portion 5 can be made of another material and bonded.
Machining such as cutting or etching can be used for the processing.
For the coating of the sealing material on the valve seat 3 or the valve body, parylene or fluorine-based material may be deposited, or silicone rubber, polyimide, fluorine-based material or the like is applied by spin coating or spraying. You can also.
Furthermore, rubber materials such as silicone rubber and viton sheet can be bonded or molded.
For the
The
Among these production methods, in particular, a method in which a structural member is produced by metal pressing and bonded by a hot melt sheet is excellent in miniaturization and processing / assembly.
具体的な作製例を以下に挙げる。外寸法は、８ｍｍ×８ｍｍとする。
まず、可動部を有する側の接続機構を作製する。
押さえ板７は、厚さ０．３ｍｍのステンレス板に、直径３．６ｍｍの穴をエッチングによって形成することによって作製する。
次に、ダイヤフラム（可動部）１は、２部材によって作製し、弾性シートとして、厚さ０．３ｍｍのバイトンシートを用いる。
さらに、図７に示す部材は、板バネ部は厚さ０．０５ｍｍ、ピストン（伝達機構）２部分は直径０．２６ｍｍ、長さ０．３５ｍｍの円柱状の突起として、ステンレスのエッチング加工で一体型で作製できる。
実際には、ステンレスのエッチングは、等方性であるため、ピストン（伝達機構）２はテーパーを有する形状となる。
ダイヤフラム（可動部）１の下部流路は直径３．６ｍｍの穴を有する厚さ０．０５ｍｍのステンレス板を使用する。入り口流路を有する部材は、厚さ０．１５ｍｍのステンレス板にガスケット溝、および、流路をエッチング加工することによって作製できる。
ガスケット１０は、ゴム材料（厚さ０．０５ｍｍ）を焼き付けることによって形成する。ロック機構１１はステンレスの板バネにより作製する。
Specific production examples are given below. The outer dimension is 8 mm × 8 mm.
First, a connection mechanism on the side having a movable part is produced.
The pressing plate 7 is produced by forming a hole having a diameter of 3.6 mm on a stainless plate having a thickness of 0.3 mm by etching.
Next, the diaphragm (movable part) 1 is manufactured by two members, and a Viton sheet having a thickness of 0.3 mm is used as an elastic sheet.
Further, in the member shown in FIG. 7, the plate spring portion is 0.05 mm thick, the piston (transmission mechanism) 2 portion is a cylindrical protrusion having a diameter of 0.26 mm and a length of 0.35 mm. Can be made in body shape.
Actually, since the etching of stainless steel is isotropic, the piston (transmission mechanism) 2 has a tapered shape.
The lower flow path of the diaphragm (movable part) 1 uses a 0.05 mm thick stainless plate having a hole with a diameter of 3.6 mm. The member having the inlet channel can be produced by etching the gasket groove and the channel on a stainless steel plate having a thickness of 0.15 mm.
The
次に、弁部を有する側の接続機構を作製する。
弁座部３には、厚さ０．１５ｍｍのステンレス板の中央に直径０．４ｍｍの穴をあけ、さらに突起部として、周囲を幅０．１ｍｍ残して、深さ０．０５ｍｍエッチングする。
一方、弁体、および、支持部５は厚さ０．３ｍｍのステンレス板の中央に直径１ｍｍの弁体部４を形成し、支持部は、図２（ｂ）に示す形状で幅０．１ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍとしてエッチングする。
弁座部３および弁体部４には、シール材６としてパリレンを蒸着により、厚さ０．０１ｍｍコーティングする。
Next, the connection mechanism on the side having the valve portion is produced.
The valve seat 3 is etched with a depth of 0.05 mm, leaving a hole with a diameter of 0.4 mm at the center of a stainless steel plate with a thickness of 0.15 mm, and leaving a 0.1 mm width as a protrusion.
On the other hand, the valve body and the support part 5 are formed with a
The valve seat part 3 and the
以上のようにして、作製された接続機構における減圧弁は、大気圧が１気圧（絶対圧）程度の時、２次圧力が０．８気圧（絶対圧）程度になる。
特に、接続時の外寸法は８ｍｍ×８ｍｍで厚さ１ｍｍ程度となり、非常に小型のものが得られる。
また、本実施例で述べた各部材のうち、一部、あるいは、全部に以下の実施例で述べる半導体加工技術を利用して作製された部材を用いることも可能である。
As described above, when the atmospheric pressure is about 1 atmosphere (absolute pressure), the secondary pressure of the pressure reducing valve in the produced connection mechanism is about 0.8 atmosphere (absolute pressure).
In particular, the outer dimensions at the time of connection are 8 mm × 8 mm and the thickness is about 1 mm, so that a very small size can be obtained.
In addition, among the members described in this embodiment, a part or all of the members manufactured using the semiconductor processing technology described in the following embodiments can be used.
［実施例２］
実施例２においては、実施例１の構成を有する接続機構を、半導体基板を用いて半導体加工技術により作製する際の、流体配管接続機構の製造方法について説明する。
本実施例で作製される接続機構の各部の寸法は、例えば、以下のようにすることができるが、これらは設計に応じて変更可能である。
ダイヤフラム（可動部）は、直径３．６ｍｍ、厚さ４０μｍとすることができる。
ピストン（伝達機構）は、直径２６０μｍ、長さ２００〜４００μｍとすることができる。
ピストン通過部流路は、直径４００μｍとすることができる。
突起部は、幅２０μｍ、高さ１０μｍ、シーリング層厚さ５μｍ、弁体部は、直径１０００μｍ厚さ２００μｍとすることができる。支持部は、長さ１０００μｍ、幅２００μｍ、厚さ１０μｍとすることができる。
[Example 2]
In Example 2, a manufacturing method of a fluid piping connection mechanism when a connection mechanism having the configuration of Example 1 is manufactured by a semiconductor processing technique using a semiconductor substrate will be described.
Although the dimension of each part of the connection mechanism produced in a present Example can be made as follows, for example, these can be changed according to a design.
The diaphragm (movable part) can have a diameter of 3.6 mm and a thickness of 40 μm.
The piston (transmission mechanism) can have a diameter of 260 μm and a length of 200 to 400 μm.
The piston passage part flow path can have a diameter of 400 μm.
The protrusion may have a width of 20 μm, a height of 10 μm, a sealing layer thickness of 5 μm, and the valve body may have a diameter of 1000 μm and a thickness of 200 μm. The support portion can have a length of 1000 μm, a width of 200 μm, and a thickness of 10 μm.
つぎに、可動部を有する接続機構の作製方法を説明する。
図９から図１１に、上記製造方法における接続機構の作製手順を説明するための各工程を示す。
図９（ａ）に示す第１のステップは、エッチングのためのマスクパターニング工程である。
第１のシリコンウェハ１０１には、片面研磨のシリコンウェハも使用可能であるが、両面研磨されたものを用いるのが好ましい。
さらに、後のエッチング工程において、エッチングの深さを制御するため、ＳＯＩ（シリコン オン インシュレータ）ウェハを使用するのが好ましい。
シリコンウェハには例えば、ハンドル層厚さ２００μｍ、酸化物層（ＢＯＸ層）厚さ１μｍ、デバイス層厚さ４０μｍのものを使用する。
エッチングのマスクに使用するため、第１のウェハ１０１の表面の熱酸化を行なう。
１０００℃程度に熱した炉の中に、所定量の水素および酸素を流すことによってウェハ表面に酸化物層を形成する。
次に、本工程および次工程で２段階のエッチングを行うため、シリコン酸化物層、およびフォトレジストによる２層構造を有するマスクを作製する。フォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行い、伝達機構１１５作製のためのパターニングを行う。さらに、現像、ポストベイクを行う。
フォトレジストをマスクとして、フッ酸により、酸化物層をエッチングする。
さらに、ダイヤフラム（可動部）１１１下面流路の形成のためのマスクをパターニングする。
すなわち、フォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行い、現像、ポストベイクを行う。本実施例では、２段階のマスクとして、フォトレジストとシリコン酸化物層を使用したが、その他にも、厚さの異なるシリコン酸化物層を用いたり、アルミニウム層を用いたりすることによっても実現可能である。
Next, a method for manufacturing a connection mechanism having a movable part will be described.
FIG. 9 to FIG. 11 show the respective steps for explaining the procedure for producing the connection mechanism in the above manufacturing method.
The first step shown in FIG. 9A is a mask patterning process for etching.
As the first silicon wafer 101, a single-side polished silicon wafer can be used, but a double-side polished one is preferably used.
Furthermore, it is preferable to use an SOI (silicon on insulator) wafer in order to control the etching depth in the subsequent etching process.
For example, a silicon wafer having a handle layer thickness of 200 μm, an oxide layer (BOX layer) thickness of 1 μm, and a device layer thickness of 40 μm is used.
In order to use it as an etching mask, the surface of the first wafer 101 is thermally oxidized.
An oxide layer is formed on the wafer surface by flowing a predetermined amount of hydrogen and oxygen in a furnace heated to about 1000 ° C.
Next, in order to perform two-stage etching in this step and the next step, a silicon oxide layer and a mask having a two-layer structure made of a photoresist are manufactured. Photoresist is spin-coated, pre-baked, exposed, and patterned for manufacturing the transmission mechanism 115. Furthermore, development and post-baking are performed.
The oxide layer is etched with hydrofluoric acid using the photoresist as a mask.
Further, a mask for forming the lower surface flow path of the diaphragm (movable part) 111 is patterned.
That is, a photoresist is spin coated, pre-baked, exposed, developed, and post-baked. In this embodiment, a photoresist and a silicon oxide layer are used as a two-stage mask, but it can also be realized by using a silicon oxide layer having a different thickness or an aluminum layer. It is.
図９（ｂ）に示す第２のステップは、ＩＣＰ−ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）によってダイヤフラム（可動部）１１１下面流路を形成する工程である。
エッチングの深さは、エッチング時間によって制御するが、１００μｍ程度のエッチングを行なう。最後にフォトレジストマスクをアセトンによって取り除く。図９（ｃ）に示す第３のステップでは、伝達機構１１５を作製する工程である。ＣＰ−ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）により、ウェハをエッチングする。エッチングの深さは時間によって制御しても良いし、図のようにＳＯＩウェハの酸化物層（ＢＯＸ層）をエッチストップ層として使用してもよい。
さらにマスクとして使用したシリコン酸化物層をフッ酸によって取り除く。
図９（ｄ）に示す第４のステップは、ウェハのダイレクトボンディング工程である。
第２のシリコンウェハには、両面研磨したものを使用するのが好ましい。シリコンウェハには例えば、厚さ３００μｍのものが使用できる。
次に、第１のウェハ１０１、および、第２のウェハ１０２をＳＰＭ洗浄（８０℃に熱した過酸化水素水と硫酸の混合液中で洗浄）後、薄いフッ酸で洗浄する。
第１のウェハ１０１と第２のウェハ１０２を重ね、１５００Ｎ程度で加圧しながら、試料を３時間で１１００℃に加熱し、４時間保持後、自然冷却によりアニールを行う。
図９（ｅ）に示す第５のステップは、伝達機構１１５を形成する工程である。
ウェハ裏面に、フォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行う。ＩＣＰ−ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）によってエッチングして伝達機構１１５を形成する。
図９（ｆ）に示す第６のステップは、ガスケット１２０を形成する工程である。コーティングは図のように可動部を有する接続機構に行なっても良いし、弁部を有する接続機構に行なっても良い。
コーティング材料としては、パリレン、サイトップ、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ポリイミドなどがある。
パリレン、ＰＴＦＥは、蒸着によって、サイトップ、ポリイミドはスピンコーティングによってコーティング可能である。
その他、スプレーによるコーティングも可能である。
The second step shown in FIG. 9B is a process of forming a diaphragm (movable part) 111 lower surface flow path by ICP-RIE (reactive ion etching).
Although the etching depth is controlled by the etching time, the etching is performed to about 100 μm. Finally, the photoresist mask is removed with acetone. The third step shown in FIG. 9C is a process for producing the transmission mechanism 115. The wafer is etched by CP-RIE (reactive ion etching). The depth of etching may be controlled by time, or an oxide layer (BOX layer) of an SOI wafer may be used as an etch stop layer as shown in the figure.
Further, the silicon oxide layer used as a mask is removed with hydrofluoric acid.
The fourth step shown in FIG. 9D is a wafer direct bonding process.
It is preferable to use a second silicon wafer that has been polished on both sides. For example, a silicon wafer having a thickness of 300 μm can be used.
Next, the first wafer 101 and the second wafer 102 are cleaned with SPM (cleaned in a mixed solution of hydrogen peroxide and sulfuric acid heated to 80 ° C.) and then with thin hydrofluoric acid.
The first wafer 101 and the second wafer 102 are overlapped, and the sample is heated to 1100 ° C. for 3 hours while being pressurized at about 1500 N. After holding for 4 hours, annealing is performed by natural cooling.
The fifth step shown in FIG. 9E is a process for forming the transmission mechanism 115.
Photoresist is spin-coated on the back surface of the wafer, and after pre-baking, exposure is performed. Etching is performed by ICP-RIE (reactive ion etching) to form the transmission mechanism 115.
The sixth step shown in FIG. 9F is a process for forming the gasket 120. The coating may be performed on a connection mechanism having a movable portion as shown in the figure, or may be performed on a connection mechanism having a valve portion.
Examples of the coating material include parylene, cytop, PTFE (polytetrafluoroethylene), and polyimide.
Parylene and PTFE can be coated by vapor deposition, and Cytop and polyimide can be coated by spin coating.
In addition, spray coating is also possible.
次に、弁部を有する接続機構の作製方法を説明する。
図１０（ｇ）に示す第７のステップは、第３のウェハ１０３を熱酸化する工程である。
ウェハには、両面研磨されたものを用いるのが好ましい。さらに、後のエッチング工程において、エッチングの深さを制御するため、ＳＯＩ（シリコン オン インシュレータ）ウェハを使用するのが好ましい。
シリコンウェハには例えば、ハンドル層厚さ１５０μｍ、酸化物層（ＢＯＸ層）厚さ１μｍ、デバイス層厚さ１０μｍのものが使用できる。
熱酸化は、１０００℃程度に熱した炉の中に、所定量の水素および酸素を流すことによって行われる。
図１０（ｈ）に示す第８のステップでは、流路を形成するためのマスクを作製する工程である。
裏面の酸化物層をフォトレジストで保護した後、表面の酸化物層のパターニングを行なう。ウェハ表面に、フォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行う。さらに、現像、ポストベイクを行う。
フォトレジストをマスクとして、フッ酸により、酸化物層をエッチングすることにより流路形成のためのパターニングを行なう。
パターニング後はアセトンにより、表面および裏面のフォトレジストを除去する。
図１０（ｉ）に示す第９のステップは、流路を形成する工程である。
ＩＣＰ−ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）によってエッチングする。
図１０（ｊ）に示す第１０のステップでは、弁座１１２を形成するためのマスクを作製する工程である。
ウェハ裏面の酸化物層のパターニングを行なう。ウェハ裏面に、フォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行う。
さらに、現像、ポストベイクを行う。フォトレジストをマスクとして、フッ酸により、酸化物層をエッチングすることにより弁座１１２形成のためのパターニングを行なう。
パターニング後はアセトンにより、フォトレジストを除去する。
図１０（ｋ）に示す第１１のステップは、弁座１１２を形成する工程である。
ＩＣＰ−ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）によってエッチングする。最後にフッ酸によって、マスクに使用したＳｉ酸化物を除去する。
Next, a method for manufacturing a connection mechanism having a valve portion will be described.
The seventh step shown in FIG. 10G is a process of thermally oxidizing the
It is preferable to use a wafer that has been polished on both sides. Furthermore, it is preferable to use an SOI (silicon on insulator) wafer in order to control the etching depth in the subsequent etching process.
For example, a silicon wafer having a handle layer thickness of 150 μm, an oxide layer (BOX layer) thickness of 1 μm, and a device layer thickness of 10 μm can be used.
Thermal oxidation is performed by flowing a predetermined amount of hydrogen and oxygen into a furnace heated to about 1000 ° C.
The eighth step shown in FIG. 10 (h) is a step of manufacturing a mask for forming a flow path.
After the oxide layer on the back surface is protected with a photoresist, the oxide layer on the surface is patterned. A photoresist is spin-coated on the wafer surface, and after pre-baking, exposure is performed. Furthermore, development and post-baking are performed.
Patterning for channel formation is performed by etching the oxide layer with hydrofluoric acid using the photoresist as a mask.
After patterning, the front and back photoresists are removed with acetone.
The ninth step shown in FIG. 10 (i) is a step of forming a flow path.
Etching is performed by ICP-RIE (reactive ion etching).
The tenth step shown in FIG. 10 (j) is a process for producing a mask for forming the valve seat 112.
The oxide layer on the back surface of the wafer is patterned. Photoresist is spin-coated on the back surface of the wafer, and after pre-baking, exposure is performed.
Furthermore, development and post-baking are performed. Patterning for forming the valve seat 112 is performed by etching the oxide layer with hydrofluoric acid using the photoresist as a mask.
After patterning, the photoresist is removed with acetone.
The eleventh step shown in FIG. 10 (k) is a step of forming the valve seat 112.
Etching is performed by ICP-RIE (reactive ion etching). Finally, the Si oxide used for the mask is removed with hydrofluoric acid.
図１１（ｌ）に示す第１２のステップでは、第４のウェハ１０４を熱酸化する工程である。
ウェハには、片面研磨のものを使用しても良いが、両面研磨されたものを用いるのが好ましい。
さらに、後のエッチング工程において、エッチングの深さを制御するため、ＳＯＩ（シリコン オン インシュレータ）ウェハを使用するのが好ましい。
シリコンウェハには例えば、ハンドル層厚さ１５０μｍ、酸化物層（ＢＯＸ層）厚さ１μｍ、デバイス層厚さ１０μｍのものが使用できる。熱酸化は、１０００℃程度に熱した炉の中に、所定量の水素および酸素を流すことによって行われる。
図１１（ｍ）に示す第１３のステップでは、弁体部１１３を形成するためのマスクを作製する工程である。
表面の酸化物層をフォトレジストで保護した後、裏面の酸化物層のパターニングを行なう。
ウェハ表面に、フォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行う。さらに、現像、ポストベイクを行う。
フォトレジストをマスクとして、フッ酸により、酸化物層をエッチングすることにより弁体部１１３形成のためのパターニングを行なう。
パターニング後はアセトンにより、表面および裏面のフォトレジストを除去する。
図１１（ｎ）に示す第１４のステップは、弁体１１３を形成する工程である。
ウェハ裏面に、フォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行う。ＩＣＰ−ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）によってエッチングする。
図１１（ｏ）に示す第１５のステップでは、支持部１１４を形成するためのマスクを作製する工程である。
ウェハ表面の酸化物層のパターニングを行なう。ウェハ表面に、フォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行う。
さらに、現像、ポストベイクを行う。フォトレジストをマスクとして、フッ酸により、酸化物層をエッチングすることにより支持部１１４形成のためのパターニングを行なう。
パターニング後はアセトンにより、フォトレジストを除去する。次に、ＩＣＰ−ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）によってエッチングする。
最後にフッ酸によって、マスクに使用したＳｉ酸化物を除去する。
図１１（ｐ）に示す第１６のステップは、シール面のコーティングを行なう工程である。コーティングは図のように弁体側に行なっても良いし、弁座側に行なっても良い。
コーティング材料としては、パリレン、サイトップ、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ポリイミドなどがある。
パリレン、ＰＴＦＥは、蒸着によって、サイトップ、ポリイミドはスピンコーティングによってコーティング可能である。その他、スプレーによるコーティングも可能である。
図１１（ｑ）に示す第１７のステップは、組み立て工程である。
第６のステップまでで作製したダイヤフラム（可動部）１１１および弁座部１１２を有する部材と、第１１の工程までで作製した弁体部１１３を有する部材を重ね合わせることにより、小型減圧弁が完成する。
本実施例において、ボンディングはシリコンの拡散接合技術を用いているが、接合面に金属膜を予め成膜しておき、金属同士で接合を行なう方法や、接着剤などを使用することも可能である。
In the twelfth step shown in FIG. 11L, the fourth wafer 104 is thermally oxidized.
The wafer may be one-side polished, but preferably double-side polished.
Furthermore, it is preferable to use an SOI (silicon on insulator) wafer in order to control the etching depth in the subsequent etching process.
For example, a silicon wafer having a handle layer thickness of 150 μm, an oxide layer (BOX layer) thickness of 1 μm, and a device layer thickness of 10 μm can be used. Thermal oxidation is performed by flowing a predetermined amount of hydrogen and oxygen into a furnace heated to about 1000 ° C.
The thirteenth step shown in FIG. 11 (m) is a step of producing a mask for forming the valve body 113.
After protecting the oxide layer on the front surface with a photoresist, the oxide layer on the back surface is patterned.
A photoresist is spin-coated on the wafer surface, and after pre-baking, exposure is performed. Furthermore, development and post-baking are performed.
Patterning for forming the valve body 113 is performed by etching the oxide layer with hydrofluoric acid using the photoresist as a mask.
After patterning, the front and back photoresists are removed with acetone.
The fourteenth step shown in FIG. 11 (n) is a step of forming the valve body 113.
Photoresist is spin-coated on the back surface of the wafer, and after pre-baking, exposure is performed. Etching is performed by ICP-RIE (reactive ion etching).
In the fifteenth step shown in FIG. 11 (o), a mask for forming the support portion 114 is produced.
Patterning of the oxide layer on the wafer surface is performed. A photoresist is spin-coated on the wafer surface, and after pre-baking, exposure is performed.
Furthermore, development and post-baking are performed. Patterning for forming the support portion 114 is performed by etching the oxide layer with hydrofluoric acid using the photoresist as a mask.
After patterning, the photoresist is removed with acetone. Next, etching is performed by ICP-RIE (reactive ion etching).
Finally, the Si oxide used for the mask is removed with hydrofluoric acid.
The sixteenth step shown in FIG. 11 (p) is a step of coating the seal surface. The coating may be performed on the valve body side as shown in the figure or on the valve seat side.
Examples of the coating material include parylene, cytop, PTFE (polytetrafluoroethylene), and polyimide.
Parylene and PTFE can be coated by vapor deposition, and Cytop and polyimide can be coated by spin coating. In addition, spray coating is also possible.
The seventeenth step shown in FIG. 11 (q) is an assembly process.
A small pressure reducing valve is completed by superimposing the member having the diaphragm (movable part) 111 and the valve seat part 112 manufactured up to the sixth step and the member having the valve body part 113 manufactured up to the eleventh process. To do.
In this embodiment, silicon diffusion bonding technology is used for bonding, but it is also possible to form a metal film on the bonding surface in advance and use a method of bonding between metals, an adhesive, or the like. is there.
［実施例３］
実施例３においては、接続機構の第２の構成例について説明する。
図１２に、本実施例の構成例を説明するための断面図を示す。
図１２において、２０１は可動部となるダイヤフラム、２０２は伝達機構であるピストン、２０３は弾性部材、２０４は貫通孔、２１０はガスケット、２１１は、ロック機構である。
本実施例の接続機構の一方は、一方の配管に接続される、可動部となるダイヤフラム２０１、伝達機構であるピストン２０２、ガスケット２１０、および、ロック機構２１１からなる。
また、本接続機構のもう一方は、他方の配管に接続される、弁部２００を有し、上記した伝達機構の動作方向に垂直方向に延設された貫通孔２０４が設けられた弾性部材２０３からなる。
[Example 3]
In the third embodiment, a second configuration example of the connection mechanism will be described.
FIG. 12 is a cross-sectional view for explaining a configuration example of this embodiment.
In FIG. 12, 201 is a diaphragm which becomes a movable part, 202 is a piston which is a transmission mechanism, 203 is an elastic member, 204 is a through hole, 210 is a gasket, and 211 is a lock mechanism.
One of the connection mechanisms of the present embodiment includes a diaphragm 201 serving as a movable portion, a piston 202 serving as a transmission mechanism, a gasket 210, and a
Further, the other of the connection mechanism has a
図１３、図１４に基づいて、本減圧弁の動作を説明する。
図１３は、本実施例の接続機構の接続時の断面図である。
ダイヤフラム（可動部）を有する機構と弁部を有する機構が合わさり、ロック機構２１１によってロックされている。
また、上記した一方の配管と他方の配管の接続時において、これらの接触箇所から流体が漏れるのを防止するため、接触面はガスケット２１０によって、内部を流れる流体が外に漏れないようになっている。
貫通孔２０４は通常は閉じており、伝達機構２０２の先端部が貫通孔を押し広げることにより、弁が開く。
伝達機構先端の形状は、図１２のような円錐形でも構わないが、図１５のように、さらに、溝部を側面に有するものでも良い。
Based on FIGS. 13 and 14, the operation of the pressure reducing valve will be described.
FIG. 13 is a cross-sectional view of the connection mechanism of this embodiment when connected.
A mechanism having a diaphragm (movable part) and a mechanism having a valve part are combined and locked by a
Further, when connecting the one pipe and the other pipe as described above, in order to prevent fluid from leaking from these contact points, the contact surface is prevented from leaking outside by the gasket 210. Yes.
The through-hole 204 is normally closed, and the valve opens when the tip of the transmission mechanism 202 pushes the through-hole open.
The tip of the transmission mechanism may have a conical shape as shown in FIG. 12, but may further have a groove on the side surface as shown in FIG.
ここで、本減圧弁の動作を説明する。
ダイヤフラム（可動部）２０１の上部の圧力をＰ0、バルブ上流の１次圧力をＰ1、バルブ下流の圧力をＰ2とする。
Ｐ2がＰ0より高いとダイヤフラム（可動部）２０１が上方にたわみ、貫通孔２０４は弁部２００の弾性により閉じるので、バルブは閉じている。
一方、Ｐ2がＰ0より低いとダイヤフラム（可動部）２０１が下方にたわみ、伝達機構２０２が弁部２００の貫通孔２０４を押し広げるので、図１３に示すように、バルブは開く。
これによって、Ｐ2を一定に保つことができる。ダイヤフラム（可動部）２０１の面積、厚さ、伝達機構２０２の長さ、弁部２００の厚さや弾性を調整することで、バルブが開閉する圧力や流量を最適に設計することができる。
Here, the operation of the pressure reducing valve will be described.
The pressure at the upper part of the diaphragm (movable part) 201 is P 0 , the primary pressure upstream of the valve is P 1 , and the pressure downstream of the valve is P 2 .
When P 2 is higher than P 0 , the diaphragm (movable part) 201 bends upward, and the through hole 204 is closed by the elasticity of the
On the other hand, if P 2 is lower than P 0 , the diaphragm (movable part) 201 bends downward, and the transmission mechanism 202 pushes the through hole 204 of the
As a result, P 2 can be kept constant. By adjusting the area and thickness of the diaphragm (movable part) 201, the length of the transmission mechanism 202, the thickness and elasticity of the
本実施例の減圧弁は、機械加工技術を用いて、以下のように作製することができる。
図１６は本実施例における接続機構の減圧弁を貫通孔側から見た場合の分解斜視図である。
まず、ダイヤフラム（可動部）２０１には、バイトンゴムやシリコーンゴムなどの弾性材料の他に、ステンレスやアルミニウムなどの金属材料を使用することができる。
例えば、ステンレスを材料に用いた場合には、エッチングや切削加工などにより伝達機構を一体型で作製することができる。
弁部２００の材料には、バイトンゴムやシリコーンゴムなどの弾性材料を使用することができる。
The pressure reducing valve of the present embodiment can be manufactured as follows using a machining technique.
FIG. 16 is an exploded perspective view when the pressure reducing valve of the connection mechanism in this embodiment is viewed from the through hole side.
First, for the diaphragm (movable part) 201, a metal material such as stainless steel or aluminum can be used in addition to an elastic material such as Viton rubber or silicone rubber.
For example, when stainless steel is used as the material, the transmission mechanism can be manufactured as an integrated type by etching or cutting.
An elastic material such as Viton rubber or silicone rubber can be used as the material of the
［実施例４］
実施例４においては、本発明の接続機構を搭載した発電量が数ミリワットから数百ワットまでの小型固体高分子型燃料電池について説明する。
図１７に、本実施例の燃料タンク、および、燃料電池発電部の斜視図を示す。
また、図１８に燃料タンクと燃料電池発電部を接続した際の燃料電池の概観斜視図を示す。
また、図１９に本実施例の燃料電池のシステムの概要図を示す。
[Example 4]
In Example 4, a small polymer electrolyte fuel cell equipped with the connection mechanism of the present invention and having a power generation amount of several milliwatts to several hundred watts will be described.
FIG. 17 is a perspective view of the fuel tank and the fuel cell power generation unit of this embodiment.
FIG. 18 is a schematic perspective view of the fuel cell when the fuel tank and the fuel cell power generation unit are connected.
FIG. 19 shows a schematic diagram of the fuel cell system of this embodiment.
燃料電池の外寸法は５０ｍｍ×３０ｍｍ×１０ｍｍであり、通常コンパクトデジタルカメラで使用されているリチウムイオン電池の大きさとほぼ同じである。このように本実施例の燃料電池は小型で一体化されているため、携帯機器に組み込みやすい形状となっている。
また、本実施例の燃料電池は、酸化剤として反応に用いる酸素を外気から取り入れるため、上下面、及び側面に外気を取り入れるための通気孔１０１３を有する。
また、この孔は生成した水を水蒸気として逃がしたり、反応により発生した熱を外に逃がす働きもしている。
また、燃料電池内部は、酸化剤極１０１６、高分子電解質膜１０１７、燃料極１０１８からなる燃料電池セル１０１１と、燃料を貯蔵する燃料タンク１０１４、燃料タンクと各セルの燃料極とをつなぐ接続機構１０１５によって構成されている。
接続機構１０１５は燃料タンク１０１４と燃料電池発電部との着脱を可能にするだけでなく、切り離し時には、燃料タンク１０１４内の燃料が外に漏れ出したり、外気がタンク内に混入するのを防ぐチェックバルブ機能を有する。
さらには、接続時には、燃料タンク１０１４の圧力を調節して供給する減圧機能を有する。
The outer dimension of the fuel cell is 50 mm × 30 mm × 10 mm, which is almost the same as the size of a lithium ion battery usually used in a compact digital camera. Thus, since the fuel cell of the present embodiment is small and integrated, it has a shape that can be easily incorporated into a portable device.
In addition, the fuel cell of this embodiment has vent holes 1013 for taking in the outside air on the upper and lower surfaces and the side surfaces in order to take in oxygen used for the reaction as an oxidant from the outside air.
The holes also serve to release the generated water as water vapor and to release heat generated by the reaction to the outside.
The fuel cell has a
The connection mechanism 1015 not only enables the
Furthermore, it has a pressure reducing function for adjusting and supplying the pressure of the
次に、本実施例の燃料タンク１０１４について説明する。
タンクの内部には水素を吸蔵することが可能な水素吸蔵合金が充填されている。燃料電池に用いる高分子電解質膜の耐圧が０．３〜０．５ＭＰａであることから、外気との差圧が０．１ＭＰａ以内の範囲で用いる必要がある。
水素の解放圧が常温で０．２ＭＰａの特性を持つ水素吸蔵合金として、例えばＬａＮｉ5などを用いる。
燃料タンクの容積を燃料電池全体の半分とし、タンク肉厚を１ｍｍ、タンク材質をチタンとすると、この時、燃料タンクの重量は５０ｇ程度となり、また、燃料タンク体積は５．２ｃｍ3になる。
Next, the
The inside of the tank is filled with a hydrogen storage alloy capable of storing hydrogen. Since the pressure resistance of the polymer electrolyte membrane used in the fuel cell is 0.3 to 0.5 MPa, it is necessary to use the pressure difference with the outside air within a range of 0.1 MPa.
For example, LaNi 5 or the like is used as a hydrogen storage alloy having a hydrogen release pressure of 0.2 MPa at room temperature.
If the volume of the fuel tank is half that of the entire fuel cell, the tank thickness is 1 mm, and the tank material is titanium, then the weight of the fuel tank will be about 50 g and the fuel tank volume will be 5.2 cm 3 .
本タンク中に、水素の解放圧が常温で０．２ＭＰａを超えるような水素吸蔵材料を超える場合には、燃料タンク１０１４と燃料極１０１８との間に減圧のための手段を設ける必要がある。
例えば、ＬａＮｉ5は、重量当たり１．１ｗｔ％の水素を吸脱着可能である。ＬａＮｉ5の各温度における解離圧は図２０に示すようになっている。
タンクに蓄えられた水素は接続機構１０１５で減圧され、燃料極１０１８に供給される。また、酸化剤極１０１６には通気孔１０１３から外気が供給される。燃料電池セルで発電された電気は電極１０１２から小型電気機器に供給される。
When the hydrogen release pressure exceeds 0.2 MPa at room temperature in the tank, it is necessary to provide a means for reducing the pressure between the
For example, LaNi 5 can adsorb and desorb 1.1 wt% of hydrogen per weight. The dissociation pressure at each temperature of LaNi 5 is as shown in FIG.
The hydrogen stored in the tank is decompressed by the connection mechanism 1015 and supplied to the fuel electrode 1018. In addition, outside air is supplied to the oxidizer electrode 1016 from the vent hole 1013. Electricity generated by the fuel cell is supplied from the electrode 1012 to a small electric device.
図２１は本発明の接続機構を燃料電池に搭載した場合の関係図である。
弁部を有する接続機構１０１５は、燃料タンク１０１４とつながっている。
一方、可動部１を有する接続機構の出口流路１０１９は、燃料極１０１８へとつながり、ダイヤフラム（可動部）１の出口流路と反対面は酸化剤極（外気）と接している。
以下に燃料電池の発電に伴うバルブの開閉動作を説明する。
タンク切り離し時、および、発電停止中は接続機構１０１５の弁部は閉じている。
発電が始まると燃料極室の燃料は消費され、燃料極室の燃料の圧力は下がっていく。
ダイヤフラム（可動部）１は、外気圧と燃料極室の圧力との差圧から、燃料極室側にたわみ、ピストン（伝達機構）２を介して、弁体部４は押し下げられ、弁部は開状態となる。これにより、燃料タンク１０１４から、燃料極１０１８に燃料が供給される。
燃料極室の圧力が回復すると、ダイヤフラム（可動部）１は上に押し上げられ、接続機構１０１５は閉じる。
FIG. 21 is a relationship diagram when the connection mechanism of the present invention is mounted on a fuel cell.
A connection mechanism 1015 having a valve portion is connected to the
On the other hand, the outlet channel 1019 of the connection mechanism having the
The valve opening / closing operation associated with the power generation of the fuel cell will be described below.
The valve portion of the connection mechanism 1015 is closed when the tank is disconnected and when power generation is stopped.
When power generation starts, the fuel in the anode chamber is consumed, and the fuel pressure in the anode chamber decreases.
The diaphragm (movable part) 1 bends to the fuel electrode chamber side from the differential pressure between the external pressure and the fuel electrode chamber pressure, the
When the pressure in the fuel electrode chamber recovers, the diaphragm (movable part) 1 is pushed up, and the connection mechanism 1015 is closed.
１：ダイヤフラム（可動部）
２：ピストン（伝達機構）
３：弁座部
４：弁体部
５：支持部
６：シール
７：押さえ板
８：出口流路
１０：ガスケット
１１：燃料電池セル（ロック機構）
５０：温度変位部
１０１：第１のウェハ
１０２：第２のウェハ
１０３：第３のウェハ
１０４：第４のウェハ
１１１：ダイヤフラム（可動部）
１１２：弁座部
１１３：弁体部
１１４：支持部
１１５：ピストン（伝達機構）
１１６：シール材
１１７：入口流路
１１８：出口流路
１２０：ガスケット
２００：弁部
２０１：ダイヤフラム（可動部）
２０２：伝達機構
２０３：弾性部材
２０４：貫通孔
２０５：切り込み
２０７：押さえ板
２０８：出口流路
２１０：ガスケット
２１１：ロック機構
１０１１：燃料電池セル
１０１２：電極
１０１３：通気孔
１０１４：燃料タンク
１０１５：接続機構
１０１６：酸化剤極
１０１７：高分子電解質膜
１０１８：燃料極
１０１９：出口流路
1: Diaphragm (movable part)
2: Piston (transmission mechanism)
3: Valve seat part 4: Valve body part 5: Support part 6: Seal 7: Holding plate 8: Outlet flow path 10: Gasket 11: Fuel cell (lock mechanism)
50: Temperature displacement part 101: 1st wafer 102: 2nd wafer 103: 3rd wafer 104: 4th wafer 111: Diaphragm (movable part)
112: Valve seat part 113: Valve body part 114: Support part 115: Piston (transmission mechanism)
116: Sealing material 117: Inlet channel 118: Outlet channel 120: Gasket 200: Valve part 201: Diaphragm (movable part)
202: Transmission mechanism 203: Elastic member 204: Through hole 205: Notch 207: Holding plate 208: Outlet channel 210: Gasket 211: Lock mechanism 1011: Fuel cell 1012: Electrode 1013: Vent 1014: Fuel tank 1015: Connection Mechanism 1016: Oxidant electrode 1017: Polymer electrolyte membrane 1018: Fuel electrode 1019: Outlet channel
Claims (14)
前記複数の配管の一方の側に配設された、差圧によって動作する圧力制御弁の一部を構成する可動部を備えた第１の部品と、
前記複数の配管の他方の側に配設された、圧力制御弁の一部を構成する前記可動部の動作によって開閉される開閉機構を備えた第２の部品と、
前記第１の部品と前記第２の部品の少なくとも一方に設けられた伝達機構とを備え、
前記開閉機構が、弁座部と、弁体部と、前記弁体部を支持する支持部とを備え、前記支持部が、前記伝達機構によって伝達される前記可動部の動作に応じて、前記弁体部と前記弁座部間を開閉可能に、前記弁体部を支持し、
前記弁体部を支持する支持部が、前記伝達機構の動作方向に垂直で、かつ前記弁体部を含む平面上に設けられている、前記弁体部を支持する弾性体によって構成され、
前記第１の部品の配設された配管と、前記第２の部品の配設された配管との接続によって、これらの接続部位に前記伝達機構を介して前記可動部の動作を前記開閉機構に伝える圧力制御弁が構成されることを特徴とする流体配管の接続機構。 A fluid pipe connection mechanism for connecting a plurality of pipes through which fluid flows,
A first part including a movable part that constitutes a part of a pressure control valve that is operated by differential pressure, disposed on one side of the plurality of pipes;
A second component provided with an opening / closing mechanism disposed on the other side of the plurality of pipes and opened / closed by an operation of the movable part constituting a part of the pressure control valve;
A transmission mechanism provided on at least one of the first component and the second component;
The opening / closing mechanism includes a valve seat portion, a valve body portion, and a support portion that supports the valve body portion, and the support portion is operated according to the operation of the movable portion transmitted by the transmission mechanism, The valve body part is supported so that it can be opened and closed between the valve body part and the valve seat part,
The support portion that supports the valve body portion is provided by an elastic body that supports the valve body portion, which is provided on a plane that is perpendicular to the operation direction of the transmission mechanism and includes the valve body portion,
By connecting the piping in which the first component is arranged and the piping in which the second component is arranged, the operation of the movable part is transferred to the opening / closing mechanism via the transmission mechanism to these connection parts. A fluid piping connection mechanism characterized by comprising a pressure control valve for transmitting.
前記貫通孔が、前記伝達機構により伝達される前記可動部の動作に応じて、前記伝達機構の先端部によって開閉されることを特徴とする請求項１に記載の流体配管の接続機構。 The opening / closing mechanism is composed of an elastic body having a through hole extending in a direction perpendicular to the operation direction of the transmission mechanism,
The fluid piping connection mechanism according to claim 1, wherein the through hole is opened and closed by a distal end portion of the transmission mechanism in accordance with the operation of the movable portion transmitted by the transmission mechanism.
前記第１の部品の配設された配管と、前記第２の部品の配設された配管との接続時においてこれらの接触箇所から流体が漏れるのを防止するためのガスケットを有することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の流体配管の接続機構。 At least one of the first part and the second part,
And a gasket for preventing fluid from leaking from these contact points when connecting the pipe with the first component and the pipe with the second component. The fluid piping connection mechanism according to any one of claims 1 to 8.
前記第１の部品の配設された配管と、前記第２の部品の配設された配管との接続時において該接続を維持するためのロック機構を有することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の流体配管の接続機構。 At least one of the first part and the second part,
10. A lock mechanism for maintaining the connection when the pipe in which the first part is arranged and the pipe in which the second part is arranged is provided. The fluid piping connection mechanism according to any one of the above.
シート状部材または板状部材で形成され、それらを積層して構成されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の流体配管の接続機構。 Each of a movable part that operates by a differential pressure that constitutes a part of the pressure control valve, an opening and closing mechanism that is opened and closed by the operation of the movable part, and a transmission mechanism,
The fluid piping connection mechanism according to any one of claims 1 to 10, wherein the fluid piping connection mechanism is formed of a sheet-like member or a plate-like member and is laminated.
前記複数の配管の他方の側に配設された圧力制御弁の一部を構成する前記可動部の動作によって開閉される開閉機構を備えた第２の部品と、
これらの部品の少なくとも一方に設けられた伝達機構と、を備えた流体配管接続機構の製造方法であって、
前記複数の配管の一方の側に配設するための前記可動部を、シート状部材または板状部材で形成する工程と、
前記伝達機構を、シート状部材または板状部材で形成する工程と、
前記複数の配管の他方の側に配設するための前記開閉機構を、弁座部、弁体部および該弁体部を支持する支持部とによって形成するに際し、これらをシート状部材または板状部材で形成する工程と、
前記可動部側、または前記開閉機構側のいずれか一方に、シート状部材または板状部材でガスケットを形成する工程と、
を有することを特徴とする流体配管接続機構の製造方法。 A first part including a movable part that constitutes a part of a pressure control valve that is operated by differential pressure, disposed on one side of a plurality of pipes;
A second part including an opening / closing mechanism that is opened and closed by an operation of the movable part constituting a part of a pressure control valve disposed on the other side of the plurality of pipes;
A transmission mechanism provided in at least one of these components, and a manufacturing method of a fluid piping connection mechanism comprising:
Forming the movable portion to be disposed on one side of the plurality of pipes with a sheet-like member or a plate-like member;
Forming the transmission mechanism with a sheet-like member or a plate-like member;
When the opening / closing mechanism for disposing on the other side of the plurality of pipes is formed by a valve seat portion, a valve body portion, and a support portion that supports the valve body portion, these are formed into a sheet-like member or a plate-like shape Forming with a member;
Forming a gasket with a sheet-like member or a plate-like member on either the movable part side or the opening / closing mechanism side;
A method for manufacturing a fluid piping connection mechanism, comprising:
前記流体配管の接続機構が、請求項１から１１のいずれか１項に記載の流体配管の接続機構、
または請求項１２から１３のいずれか１項に記載の流体配管接続機構の製造方法によって製造された流体配管の接続機構いずれかによって構成されていることを特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system including a fluid piping connection mechanism between a fuel container and a fuel cell power generation unit,
The connection mechanism of the fluid piping according to any one of claims 1 to 11, wherein the connection mechanism of the fluid piping is,
A fuel cell system comprising a fluid piping connection mechanism manufactured by the fluid piping connection mechanism manufacturing method according to any one of claims 12 to 13.
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