(57)【要約】【課題】外部流路との接続位置に設ける弾性シーリングのシール性を高め、流体が滲む危険性を抑えたバルブ装置の提供を図る。【解決手段】バルブ装置１は、圧電バルブ２とＯリング４Ａ，４Ｂと流路板３とを備える。圧電バルブ２は、流体の流路となる流出口２１Ａおよび流入口２１Ｂが天板２１に形成され、弁体３１がバルブ室３３内部に形成される。弁体３１は、バルブ室３３内面における流出口２１Ａの開口周縁に接触して流路を閉鎖し開口周縁から離間して前記流路を開放する。Ｏリング４Ａはバルブ室３３外面における流出口２１Ａの開口を囲む。Ｏリング４Ｂはバルブ室３３外面における流入口２１Ｂの開口を囲む。流路板３は、Ｏリング４Ａ，４Ｂをバルブ室３３の天板２１に圧接させる。天板２１を垂直視してＯリング４Ｂの中心が、バルブ室３３の側壁対３３Ａの一方の側壁に近接するとともに側壁対３３Ｂの一方の側壁に近接して配置される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルブ室の内部に流入および流出する流体の流路となる第１入出孔および第２入出孔を前記バルブ室の天板に形成し、前記バルブ室の内面における前記第１入出孔の開口周縁に接触して前記流路を閉鎖し前記開口周縁から離間して前記流路を開放する弁体を前記バルブ室の内部に形成したバルブと、
前記バルブ室の外面における前記第１入出孔の開口を囲む第１弾性シーリングと、
前記バルブ室の外面における前記第２入出孔の開口を囲む第２弾性シーリングと、
前記バルブの外部流路を形成し、前記第１弾性シーリングと前記第２弾性シーリングとを前記天板に圧接させる流路板と、
を備え、
前記天板を垂直視して前記第２弾性シーリングの中心が、前記バルブ室の矩形環状の側壁の対面する第１の側壁対の間の中心線上から外れるとともに、第２の側壁対の間の中心線上から外れる位置に、前記第２弾性シーリングを配置した、バルブ装置。
【請求項２】
前記天板を垂直視して前記第２弾性シーリングの一部は前記バルブ室の側壁に重なる、請求項１に記載のバルブ装置。
【請求項３】
前記バルブ室は、対向する一対の長尺な側壁と、対向する一対の短尺な側壁とで矩形環状に構成した長方形状であり、
前記第１入出孔は前記バルブ室の中央に配置され、
前記第２入出孔は前記短尺な側壁の周辺に配置される請求項１または２に記載のバルブ装置。
【請求項４】
前記第１入出孔は前記バルブ室の内部から流出する流体の流路となり、前記第２入出孔は前記バルブ室の内部に流入する流体の流路となる、請求項１〜３のいずれかに記載のバルブ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、屈曲変形する圧電素子などを弁体に用いて流路の開閉を操作するバルブを燃料電池の燃料流路などに設けたバルブ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
携帯型パソコンなどの電源として燃料電池システムが開発されつつある。その燃料として用いられるメタノールなどの液体燃料は、燃料電池の反応炉にマイクロポンプなどによって送液される。このマイクロポンプの停止時に燃料の順方向の流れが生じると反応炉で不要な発電が行われてしまうので、送液を確実に停止するため燃料流路にはマイクロポンプとは別にアクティブバルブが利用される（例えば特許文献１参照。）。
【０００３】
アクティブバルブは、流体の流路に接続されるバルブ室の流入口または流出口を塞ぐ弁体をバルブ室内部に配置したものである。弁体としては、直流電圧の印加により変形する圧電素子が用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＷＯ２００８−０８１７６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
外部流路が設けられたシステム筐体にアクティブバルブをねじ止めなどで実装する場合、外部流路とバルブ室との接続部のシール性を確保する必要が有る。それには、流入口・流出口の開口周縁をＯリングなどの弾性シーリングで囲み、弾性シーリングに適切な加重を加えて無負荷時の７０％〜９２％程度の高さまで潰すとよい。
【０００６】
このようにアクティブバルブを実装する場合、加重が適切であっても弾性シーリングの材質や筐体の材質によっては弾性シーリングの周囲、特に流体圧力が大きい流体流入側から流体が滲む虞がある。例えば、弾性シーリングがその全周にわたって適切な潰し率でなければ、部分的に弾性シーリングのシール性が低下して流体の滲みが生じる。この滲みは、アクティブバルブの駆動や経年使用などにより生じ易くなる。
【０００７】
そこで本発明は、外部流路との接続位置に設ける弾性シーリングのシール性を高め、流体が滲む危険性を抑えたバルブ装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明のバルブ装置は、バルブと第１弾性シーリングと第２弾性シーリングと流路板とを備える。バルブは、第１入出孔および第２入出孔をバルブ室の天板に形成し、弁体をバルブ室の内部に形成している。第１入出孔および第２入出孔はバルブ室の内部に流入および流出する流体の流路となる。弁体は、バルブ室の内面における第１入出孔の開口周縁に接触して流路を閉鎖し開口周縁から離間して流路を開放する。第１弾性シーリングはバルブ室の外面における第１入出孔の開口を囲む。第２弾性シーリングはバルブ室の外面における第２入出孔の開口を囲む。流路板は、バルブの外部流路が形成され、第１弾性シーリングと第２弾性シーリングとをバルブ室の天板に圧接させる。
【０００９】
このバルブ装置では、天板を垂直視して第２弾性シーリングの中心が、バルブ室の矩形環状の側壁の対面する第１の側壁対の間の中心線上から外れるとともに、第２の側壁対の間の中心線上から外れる位置に、第２弾性シーリングを配置している。ここで、第１入出孔に設けられる第１弾性シーリングがバルブ室天板を垂直に圧迫することで撓み、バルブ室天板の天面の位置が本来の位置から変位した領域を第１の撓み領域と定義する。また、第２入出孔に設けられる第２弾性シーリングがバルブ室天板を垂直に圧迫することで撓み、バルブ室天板の天面の位置が本来の位置から変位した領域を第２の撓み領域と定義する。
【００１０】
仮に、互いの撓みが影響し合うほど第１入出孔と第２入出孔とが近接していれば、各撓み領域が干渉する位置が部分的に大きく撓む。大きく撓んだ箇所ではシール性が低下し、流体が滲む危険性が高まる。また、各撓み領域の撓みが重畳して局所的な撓みが大きくなると、バルブ室の容積が局所的に低減して流体の圧力損失が増加することがある。しかしながら本発明の構成により、第２の撓み領域は、第１の側壁対の一方の側壁と第２の側壁対の一方の側壁とに近接して配置されて変位が拘束されるので、第２撓み領域の撓み量は小さくなる。これにより第１撓み領域の撓みと第２撓み領域の撓みの重畳による影響が小さくなる。したがって第１及び第２弾性シーリングのシール性を維持しつつバルブ室天板の撓みを抑制することで流体の滲みを防ぐことができる。また、バルブ室の容積縮小を緩和できるので流体の圧力損失の増大を防げる。
【００１１】
天板を垂直視して第２弾性シーリングの一部がバルブ室の側壁に重なる位置に、第２弾性シーリングを配置していると好適である。この構成により、第２弾性シーリングから押圧されてバルブ室天板に形成される第２の撓み領域はバルブ室側壁によって変位が拘束される。したがって、第１撓み領域に対して第２撓み領域の撓みが重畳することを抑制でき、第１及び第２弾性シーリングのシール性を維持しつつ流体の滲みを防ぐことができる。また、バルブ室の容積が縮小されると圧力損失が増大して流体が流れにくくなるが、バルブ室の容積縮小を緩和できるので、圧力損失の増大を防げる。
【００１２】
バルブ室は、対向する一対の長尺な側壁と、対向する一対の短尺な側壁とで矩形環状に構成した長方形状であり、第１入出孔はバルブ室の中央に配置され、第２入出孔は短尺な側壁の周辺に配置されると好適である。これにより、第１の入出孔と第２の入出孔との間隔を稼ぐことができ、互いの撓み領域が影響し合うことを抑えて、第１及び第２弾性シーリングのシール性を維持しつつ流体の滲みを防ぐことができる。
【００１３】
本発明の第１入出孔はバルブ室内部から流出する流体の流路となり、第２入出孔はバルブ室内部に流入する流体の流路となると好適である。第２入出孔には常に高い流体圧力が作用するため、流体漏れを抑制するには第２弾性シーリングを強く押圧する必要が有る。その場合、第２入出力孔の周囲の第２撓み領域の変形量が大きくなり易いが、本発明の構成を採用することで、第１及び第２弾性シーリングのシール性を維持しつつ流体の滲みを防ぐことができる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、第１撓み領域に対して第２撓み領域の撓みが重畳することを抑制して、第１及び第２弾性シーリングのシール性を維持しつつ、外部流路との接続部に設ける弾性シーリングから流体が滲む危険性を抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係るバルブ装置の構成を説明する図である。
【図２】図１のバルブ装置の備える圧電バルブの分解斜視図である。
【図３】弾性シーリングの配置によるシール性の影響を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、燃料電池システムに設けるアクティブバルブとして本発明のバルブ装置を採用する実施形態を図１〜３に基づいて説明する。なお、各図には共通する直交座標系を付し、Ｚ軸をバルブ装置の厚み方向（上下方向）とし、Ｘ軸をバルブ装置の長手方向とし、Ｙ軸をバルブ装置の短手方向とする。
【００１７】
図１（Ａ）は本実施形態に係るバルブ装置１を短手方向から視たＡ−Ａ′断面の矢視図である。図１（Ｂ）はバルブ装置１の備える圧電バルブ２とＯリング４Ａ，４Ｂとを上面視した上面図である。図１（Ｃ）は圧電バルブ２を下面視した下面図である。図２は圧電バルブ２の分解斜視図である。
【００１８】
バルブ装置１は、圧電バルブ２と流路板３とＯリング４Ａ，４Ｂとを備える。流路板３は燃料電池システムにおける圧電バルブ２の取り付け部材であり、液体燃料であるメタノールの流路として本発明の外部流路に相当するシステム側流路３Ａ，３Ｂを備えている。システム側流路３Ａは燃料電池システムの反応炉に接続されていて、圧電バルブ２から流出する液体燃料が供給される。システム側流路３Ｂはマイクロポンプに接続されていて、圧電バルブ２に流入する液体燃料を供給する。
【００１９】
Ｏリング４Ａは本発明の第１弾性シーリングに相当し、流路板３の下面におけるシステム側流路３Ａの開口周縁を囲むように設けられた環状の溝に納められている。Ｏリング４Ｂは本発明の第２弾性シーリングに相当し、流路板３の下面におけるシステム側流路３Ｂの開口周縁を囲むように設けられた環状の溝に納められている。Ｏリング４Ａ，４Ｂはそれぞれシリコン樹脂で形成されていて、溝の下方に流路板３の下面よりも突出する。そのため、圧電バルブ２を流路板３の下面に押圧してねじ止めすることで、Ｏリング４Ａ，４Ｂよりも高剛性の圧電バルブ２と流路板３とによりＯリング４Ａ，４Ｂは垂直に押し潰される。これにより、システム側流路３Ａ，３Ｂと圧電バルブ２とのシール性を確保し接続箇所から液体燃料が漏れることを防ぐ。
【００２０】
圧電バルブ２は弁体３１とバルブ室３３と素子保持板２９と端子部３０とを備える。
【００２１】
圧電バルブ２のバルブ室３３は耐メタノール性を有するPET製であり、上面視長方形状の直方体箱型に構成している。バルブ室３３の短手方向に対向する側壁対３３Ａは本発明の第１の側壁対に相当し、バルブ室３３の長手方向に対向する側壁対３３Ｂは本発明の第２の側壁対に相当する。バルブ室３３の内部空間には弁体３１を納めている。このバルブ室３３は天板２１と底板２８とを備え、ここではそれぞれ0.35mm厚としている。天板２１は流出口２１Ａと流入口２１Ｂとが形成されていて、流入口２１Ｂは本発明の第２入出孔に相当し、システム側流路３Ｂからバルブ室３３内に流入する液体燃料が通過する流路となる。また、流出口２１Ａは本発明の第１入出孔に相当し、バルブ室３３内からシステム側流路３Ａに流出する液体燃料が通過する流路となる。流出口２１Ａおよび流入口２１Ｂは上面視して上述のＯリング４Ａ，４Ｂと同軸に配置している。
【００２２】
圧電バルブ２の弁体３１は梁状に構成していて、バルブ室３３の長手方向に対向する内壁に両端が固定されている。この弁体３１は、圧電素子２４を耐メタノール性のあるPETで取り囲んだ構成として圧電素子２４の液体燃料への暴露を防いでいる。圧電素子２４は低電圧で駆動するために積層型の圧電バイモルフとしている。圧電素子２４に直流電圧を印加することで弁体３１は上面側に凸に屈曲変形して流出口２１Ａを塞ぎ、電圧印加を解除することで屈曲変形が戻り流出口２１Ａを開放する。弁体３１を梁状とすることで、弁体３１の上方空間と下方空間とを連通して弁体３１の上下面に作用する流体圧を等しくするとともに、バルブ室３３の側壁からの弁体３１の拘束を弱めて、弁体３１の屈曲変形を大きくしている。
【００２３】
圧電バルブ２の端子部３０は、圧電素子２４に駆動信号を与える配線端子を備える。圧電バルブ２の素子保持板２９は0.3mm厚程度のSUS板であり、バルブ室３３と端子部３０とを保持する。
【００２４】
圧電バルブ２の弁体３１とバルブ室３３とは、図２に示すように複数の薄板を積層して構成している。具体的には、流路板３側から順に、天板２１、上枠板２２、上保護板２３、保護枠板２５、下保護板２６、下枠板２７、底板２８、および素子保持板２９を積層して構成している。保護枠板２５はコの字状であり切り込み部に圧電素子２４を挟み込む。上枠板２２、上保護板２３、保護枠板２５、下保護板２６、および下枠板２７はバルブ室３３の側壁を構成する。また、上保護板２３、保護枠板２５、下保護板２６、および圧電素子２４は弁体３１を構成する。上保護板２３と下保護板２６と保護枠板２５は、弁体３１の側方空間となる２つの長円形の開口を備える。上枠板２２と下枠板２７とは枠状であり、それぞれの枠内部が弁体３１の上方空間・下方空間を形成する。
【００２５】
図１（Ｂ）に示すように、圧電バルブ２の天板２１に設けた流出口２１Ａは、上面視してバルブ室３３の中央に配置している。Ｏリング４Ａとシステム側流路３Ａとは流出口２１Ａに対して同軸に配置している。バルブ室３３の中央は弁体３１の形状中心でもあり、この位置で弁体３１の屈曲変位は最大である。したがって、弁体３１が屈曲変形することで天板２１の流出口２１Ａに弁体３１の中央が接触して、バルブ室３３からの液体燃料の流出が遮断される。なお、流出口２１Ａの内側開口にシリコンで成形されたシールゴム（不図示）を設けて、屈曲変形した弁体３１との接触による流出口２１Ａの閉塞を確実にするとよい。
【００２６】
また、圧電バルブ２の天板２１に設けた流入口２１Ｂは、上面視してバルブ室３３の側壁対３３Ａ，３３Ｂのコーナーに近接する位置に配置している。そして、Ｏリング４Ｂとシステム側流路３Ｂとは流入口２１Ｂに対して同軸に配置し、Ｏリング４Ｂの中心がバルブ室３３の対面する第１の側壁対３３Ａ間の中心線上から外れるとともに、対面する第２の側壁対３３Ｂ間の中心線上から外れる位置に、Ｏリング４Ｂが設けられる。特に図１（Ｂ）に示しているようにＯリング４Ｂは上面視してバルブ室３３の側壁対３３Ａの一方の側壁と，側壁対３３Ｂの一方の側壁とに重なるように配置している。
【００２７】
天板２１の流入口２１Ｂ近傍はＯリング４Ｂにより押圧されて撓み、天板２１の流出口２１Ａ近傍はＯリング４Ａにより押圧されて撓む。本実施形態では、Ｏリング４Ａ，４Ｂの間隔を一定以上に保つようにして、Ｏリング４Ｂによる撓みが流出口２１Ａ近傍まで生じること、および、Ｏリング４Ａによる撓みが流入口２１Ｂ近傍まで生じることを防いでいる。これによりバルブ室天板の撓みを抑制し、第１及び第２弾性シーリングのシール性を維持しつつ流体の滲みを防ぐことができる。
【００２８】
特に、Ｏリング４Ｂがバルブ室３３の側壁対３３Ａ，３３Ｂにかかる位置に流入口２１Ｂを設けているので、Ｏリング４Ｂを側壁対３３Ａ，３３Ｂにより支えられる。これにより、Ｏリング４Ｂを強く押圧して高いシール性を得たとしても、天板２１の変形自体を小さくできる。このため、この変形が流出口２１Ａの近傍まで生じることが防げ、また、この変形による天板２１と弁体３１との間隔の狭隘化を防げる。このため、バルブ装置１全体として高いシール性が得られるとともに、流体の圧力損失が増大することを防ぐ効果も得られる。
【００２９】
図３は、Oリング４Ａ，４Ｂの配置によるシール性の影響を説明する概略構成図である。図３（Ａ）は比較対象となる構成例を、図３（Ｂ）は本構成例を示す。
【００３０】
比較構成のバルブ装置１１では、圧電バルブ１２の流入口１２１Ｂが短手方向の中心ライン上に流出口１２１Ａとともに形成されていて、長手方向にもバルブ室中央よりに形成されている。この圧電バルブ１２を流路板１３に押しつけてねじ止めすると、天板１２１の流入口１２１Ｂ近傍と流出口１２１Ａ近傍とが撓む。ここで流入口１２１Ｂ近傍と流出口１２１Ａ近傍とに生じる撓み領域は順に本発明の第２撓み領域および第１撓み領域として定義された領域である。比較構成ではそれぞれの天板１２１の撓み領域が重なって互いの撓みが影響し合い、撓み領域同士の向き合う位置の撓み量が大きくなってＯリングの潰しが小さくなり、シール性が低下してバルブを閉じたときの液体燃料の滲みだしが生じ易くなる。
【００３１】
一方、本構成のバルブ装置１では、圧電バルブ２の流入口２１Ｂが短手方向の中心ライン上から外れて形成されていて、長手方向にバルブ室の側壁よりに形成されている。このようにして、天板２１の流入口２１Ｂ近傍の撓み領域（本発明の第２撓み領域に相当）と流出口２１Ａ近傍の撓み領域（本発明の第１撓み領域に相当）を離間している。そのため、それぞれの撓み領域の間に流路板との間隔が押圧の無い位置と等しい中間領域が存在して、それぞれの撓み領域の撓みが影響し合わず、高いシール性を維持して液体燃料の滲みだしを防ぐことができる。
【００３２】
また、撓み領域のサイズは天板２１の剛性とＯリング１４Ａ，１４Ｂの剛性ととともにバルブ室１３３の側壁の影響も受け、側壁からの拘束が強ければ撓み領域の撓み量が小さくなる。本構成では、Ｏリング１４Ｂがバルブ室３３の側壁にかかる位置に形成されているので、Ｏリング１４Ｂを強く押圧しても天板２１はあまり撓まず、シール性をさらに改善できる。
【００３３】
上述の実施形態では流路板３に溝を設けてＯリング４Ａ，４Ｂを納める構成を示したが、天板２１に溝を設けてＯリング４Ａ，４Ｂを納める構成としても本発明は好適に実施できる。また、接着など溝以外の方法で弾性シーリング部材を保持するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３４】
１…バルブ装置
２…圧電バルブ
３…流路板
３Ａ，３Ｂ…システム側流路
４Ａ，４Ｂ…Ｏリング
２１…天板
２１Ａ…流出口
２１Ｂ…流入口
２２…上枠板
２３…上保護板
２４…圧電素子
２５…保護枠板
２６…下保護板
２７…下枠板
２８…底板
２９…素子保持板
３０…端子部
３１…弁体
３３…バルブ室
３３Ａ，３３Ｂ…側壁対
【図１】
2010164119.tif 000003
【図３】
2010164119.tif 000004
【図２】
2010164119.tif 000005