(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料サプライまたは装置のいずれかの一方に結合可能な第１のバルブ要素と、
燃料サプライまたは装置のいずれかの他方に結合可能な第２のバルブ要素であって、上記第１のバルブ要素および上記第２のバルブ要素は相互に係合するように構成されるものと、
上記第１のバルブ要素のフェースと上記第２のバルブ要素のフェースとの間に配された要素間シール部材とを有し、
上記第１のバルブ要素および上記第２のバルブ要素の各々が、ハウジング、可動内部本体、および流路を有し、上記バルブ要素が非結合のときに上記可動内部本体がシール面と協働して上記バルブ要素の各々の上記流路の内部でシールを形成し、
結合の間、および、上記バルブ要素の少なくとも一方が開となる前に、上記要素間シール部材が上記第１のバルブ要素および上記第２のバルブ要素の間で要素間シールを形成し、
上記第１のバルブ要素の後端が上記流路に流体的に連結される一方向バルブを有し、
上記一方向バルブは上記第１のバルブ要素中の上記流路の一部における上記シール面と上記可動内部本体との間のシール接触から空間的に離れて配置されて、上記第２のバルブ要素がシールを再形成したのちに、上記第１のバルブ要素がシールを再形成するときに、上記第１のバルブ要素内の上記可動内部本体の移動により上記流路の上記一部の体積が増大してサックバック効果を実現するバルブ。
【請求項２】
上記装置は燃料電池を有する請求項１記載のバルブ。
【請求項３】
上記装置は燃料サプライ充填装置を有する請求項１記載のバルブ。
【請求項４】
上記第１のバルブ要素および上記第２のバルブ要素のうちの１のバルブ要素が上記第１のバルブ要素および上記第２のバルブ要素のうち他のバルブ要素内に収容される請求項１記載のバルブ。
【請求項５】
上記シール面の近傍に位置付けられたシール部材をさらに有し、上記可動内部本体は上記ハウジング内でバイアスされ、かつスライド可能であり、上記可動内部本体は上記シール部材および上記シール面と協働して上記流路を閉とする請求項１記載のバルブ。
【請求項６】
上記可動内部本体は変形可能である請求項１記載のバルブ。
【請求項７】
上記可動内部本体は弾性的である請求項６記載のバルブ。
【請求項８】
上記可動内部本体は上記流路をシールする請求項６記載のバルブ。
【請求項９】
上記第１のバルブ要素および上記第２のバルブ要素のうちの１つのバルブ要素が、
上記１つのバルブ要素のハウジングに固定して結合されたバルブポストと、
上記バルブポストの周りに往復動可能に配されたバルブスリーブであって、上記バルブスリーブと上記バルブポストの間に上記流路が形成されるものとを有し、
少なくとも１つのポストシール面が上記流路の近傍に配され、上記バルブポストおよび上記バルブスリーブが上記ポストシール面と協働して上記流路をシールする請求項１記載のバルブ。
【請求項１０】
上記バルブスリーブは上記１つのバルブ要素のハウジングにシールされる請求項９記載のバルブ。
【請求項１１】
少なくとも１つのスリーブシール部材が上記バルブスリーブおよび上記バルブ要素のハウジングの間に配される請求項９記載のバルブ。
【請求項１２】
上記他のバルブ要素は逆止バルブを有する請求項９記載のバルブ。
【請求項１３】
上記ハウジングの一端に取り付けられたキャップをさらに有し、上記キャップの内部に少なくとも１つの開口が形成される請求項９記載のバルブ。
【請求項１４】
上記１つのバルブ要素のハウジングの長さは約４ｍｍから約８ｍｍの範囲である請求項９記載のバルブ。
【請求項１５】
上記一方向バルブは、逆止バルブ、カモノハシバルブ、またはフラップバルブである請求項１記載のバルブ。記載のバルブ。
【請求項１６】
上記第１および第２のバルブ要素は順次に閉となる請求項１５記載のバルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願は、係属中の２００４年１１月１日出願の「燃料カートリッジ用のバルブ」という題名の米国特許出願第１０／９７８，９４９号の部分継続出願であり、これは、係属中の２００３年７月２９日出願の「連結バルブ付きの燃料カートリッジ」という題名の米国特許出願第１０／６２９，００６号の部分継続出願であり、その内容は参照してここに組み入れる。
【０００２】
この発明は、一般には、燃料を種々の燃料電池に供給する燃料カートリッジ用のバルブ、燃料電池用のバルブ、および燃料再充填用のバルブに関する。
【背景技術】
【０００３】
燃料電池は、反応物質、すなわち燃料および酸素の化学エネルギを直流（ＤＣ）電気に直接変換する装置である。多くの漸増している用途において、燃料電池は、化石燃料の燃焼などの従来の発電よりも効率的であり、リチウムイオンバッテリーなどの携帯型蓄電池より効率的である。
【０００４】
一般に、燃料電池技術はアルカリ燃料電池、高分子電解質燃料電池、りん酸燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、固体酸化物燃料電池、および酵素燃料電池のような様々な異なった燃料電池を含む。今日のより重要な燃料電池は、３つのカテゴリ、すなわち、（ｉ）圧縮水素（Ｈ２）を燃料として利用する燃料電池、（ｉｉ）水素燃料に改質されるメタノール（ＣＨ３ＯＨ）、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）、炭化水素（例えばブタン）又は他の燃料を利用する陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池、および、（ｉｉｉ）直接に非水素燃料を消費できるＰＥＭ燃料電池すなわち直接酸化燃料電池に分けることができる。最も一般的な直接酸化燃料電池は、ダイレクトメタノール燃料電池すなわちＤＭＦＣである。他の直接酸化燃料電池は、ダイレクトエタノール燃料電池およびダイレクトテトラメチルオルトカーボネート燃料電池を含む。
【０００５】
圧縮された水素は一般に、高い圧力の下で保たれ、そのため、扱いが難しい。その上、大きい貯蔵タンクが通常必要で、消費者向け電子製品用に十分小さくすることができない。従来の改質燃料電池は、燃料を水素に変換させて燃料電池内で酸素と反応させるために改質材や気化および補助システムを必要とする。最近の進歩により、改質材または改質燃料電池が消費者向け電子製品に有望になっている。ＤＭＦＣでは、メタノールが直接に燃料電池中で酸素と反応し、このＤＭＦＣは、最も簡単で可能性としては最も小さくなる燃料電池であり、消費者向け電子製品用の電力供給に最も有望である。
【０００６】
比較的大きな供給に用いるＤＭＦＣは、酸化剤、典型的には空気または酸素を陰極に供給するファンまたはコンプレッサ、水／メタノール混合物を陽極に供給するポンプ、および膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を有する。電気を発生させる化学反応は燃料電池のそれぞれのタイプごとに異なる。ＤＭＦＣでは、各電極での化学電気反応と燃料電池に関する総合的な反応は以下の通り記述される：
【０００７】
陽極での半反応：
ＣＨ３ＯＨ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２  ＋  ６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−
陰極での半反応：
Ｏ２  ＋  ４Ｈ＋  ＋  ４ｅ−  →  ２Ｈ２Ｏ
全体の燃料電池反応：
ＣＨ３ＯＨ  ＋  １．５Ｏ２  →  ＣＯ２  ＋  ２Ｈ２Ｏ
【０００８】
ＰＥＭを通る水素イオン（Ｈ＋）が陽極から陰極を通り抜けてマイグレーションするために、また、自由電子（ｅ−）がＰＥＭを通り抜けられないため、電子は外部回路を通って流れなければならず、外部回路を通して電流を生じさせる。この外部回路は、モバイルすなわちセル電話、計算機、パーソナルデジタツアシスタンツ、ラップトップコンピュータ、電力ツールなどの有益な消費者向けの電子製品であってよい。ＤＭＦＣは、特許文献１および特許文献２に開示されており、詳細はこれらに記載のとおりである。一般に、ＰＥＭはＮａｆｉｏｎ（商標）などの高分子から作られており、ＤｕＰｏｎｔから入手可能であり、厚さが約０．０５ｍｍ〜約０．５０ｍｍの範囲のペルフルオ化合物材料、その他である。陽極は、典型的には、白金ルテニウムなどの触媒の薄層によってサポートされたテフロン（Ｔｅｆｌｏｎｉｚｅｄ）のカーボン紙から製造される。陰極は、典型的には、白金粒子が膜の一面に接着されるガス拡散電極である。
【０００９】
上述のように、他の燃料電池において、燃料が水素に改質され、水素が燃料電池内で酸素と反応して電気を生成する。このような改質燃料は、多くの種類の燃料を含み、これにはメタノールおよび水素化ホウ素ナトリウムが含まれる。水素化ホウ素ナトリウム改質燃料電池の他の燃料反応は以下のようなものである：
ＮａＢＨ４（液体）＋２Ｈ２Ｏ→（加熱または触媒）→４（Ｈ２）＋（ＮａＢＯ２）（液体）
陽極での半反応：
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
陰極での半反応：
２（２Ｈ＋＋２ｅ−）＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ
適切な触媒は白金およびルテニウム、その他である。水素化ホウ素ナトリウムを改質して生成された水素燃料は燃料電池中で、酸化剤例えばＯ２と反応させられ、電気（すなわち電子の流れ）および水の副産物を生成する。ホウ酸ナトリウム（ＮａＢＯ２）の副産物も改質プロセスで生成される。水素化ホウ素ナトリウム燃料電池は特許文献３に検討されており、参照してここに組み入れる。
【００１０】
装置の間、例えば、燃料カートリッジ、燃料電池、および／または燃料再充填デバイスの間で流体またはガスを搬送するためにバルブが必要である。既知の技術は種々のバルブおよびフロー制御デバイス、例えば特許文献４および特許文献５ならびに特許文献６および特許文献７に説明されるものを開示している。しかしながら、シールを維持しつつ、バルブを介する燃料の流れを改善し、さらに遮断時のバルブ中の残留流体またはガスを制限するための改善されたバルブが、とりわけ、要請される。
【特許文献１】米国特許第５，９９２，００８号
【特許文献２】米国特許第５，９４５，２３１号
【特許文献３】米国特許第４，２６１，９５６号
【特許文献４】米国特許第６，５０６，５１３号
【特許文献５】米国特許第５，７２３，２２９号
【特許文献６】米国特許出願公開ＵＳ２００３／００８２４２７Ａ１
【特許文献７】米国特許出願公開ＵＳ２００２／０１９７５２２Ａ１
【発明の開示】
【００１１】
この発明によれば、バルブは、燃料サプライまたは装置のいずれかの一方に結合可能な第１のバルブ要素と、燃料サプライまたは装置のいずれかの他方に結合可能な第２のバルブ要素を有し、一方のバルブ要素が他方のバルブ要素と係合するように構成される。要素間シール部材が、上記第１のバルブ要素のフェースと上記第２のバルブ要素のフェースとの間に配される。さらに、バルブ要素の各々が、ハウジング、可動内部本体、および流路を有する。可動内部本体がシール面と協働してバルブ要素の各々の流路の内部でシールを形成し、結合の間、可動内側本体が流路をシールする前に、上記要素間シール部材が上記第１のバルブ要素および上記第２のバルブ要素の間で要素間シールを形成する。
【００１２】
この発明の他の側面によれば、バルブは、燃料サプライまたは装置のいずれかの一方に結合可能な第１のバルブ要素と、燃料サプライまたは装置のいずれかの他方に結合可能な第２のバルブ要素とを有する。第１のバルブ要素のフェースが第２のバルブ要素のフェースと係合するように構成される。要素間シール部材が、第１のバルブ要素のフェースと第２のバルブ要素のフェースとの間に配される。バルブ要素の各々が、ハウジング、静止本体、バイアスされ往復動自在の本体、および、流路を有する。バイアスされ往復動自在の本体がシール面と協働してバルブ要素の各々の内部で内部シールを形成する。結合の間、一方のバルブ要素の静止本体が他方のバルブ要素のバイアスされ往復動自在の本体を移動させ、かつ、第１のバルブ要素および第２のバルブ要素が、それらの間の接合部で要素間シールを形成する。第１および第２のバルブ要素が順次に閉となり、遅く閉となるバルブにおいて吸い戻し効果が生じる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
添付図面に例示され、以下で詳細に説明されるように、この発明は、燃料電池用の燃料、例えば、メタノールおよび水、メタノール／水混合物、種々の濃度または純粋なメタノールのメタノール／水混合物を貯蔵する燃料サプライに向けられている。メタノールは多くの種類の燃料電池、例えば、ＤＭＦＣ、酵素燃料電池、および改質燃料電離、その他に利用できる。燃料サプライは、他の種類の燃料電池燃料、例えば、エタノールまたはアルコール、水素化ホウ素ナトリウムのような金属水素化物、水素に改質できる他の化学物質、または、燃料電池の性能を改善する他の化学物質を含んでよい。燃料は、水酸化カリウム（ＫＯＨ）電解質含み、これが金属燃料電池またはアルカリ燃料電池とともに使用でき、燃料サプライ中に貯蔵できる。金属燃料電池に対しては、燃料はＫＯＨ電解質反応溶液に浸漬された液体担持亜鉛粒子の形態をしており、電池空洞中の陽極は亜鉛粒子からなる粒状陽極である。ＫＯＨ電解質溶液は、「１または複数の負荷に電力供給するように構成された燃料電池システムの使用方法」という題名で２００３年４月２４日に公開された米国公開特許出願２００３／００７７４９３に開示されており、参照してここに組みこむ。燃料は、また、メタノール、過酸化水素、および硫酸の混合物を含み、これはシリコンチップ状に形成された触媒を通過して流れ燃料電池反応を生成する。燃料は、また、上述のように、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）のような金属水素化物および水を含み、反応により低圧力、低温度しか生成されない。燃料は、さらに、炭化水素燃料を含み、炭化水素燃料は、これに限定されないが、ブタン、灯油、アルコール、および天然ガスを含み、これは、「液体ヘテロインタフェース燃料電池デバイス」という題名で、２００３年５月２２日に公開された米国公開特許出願２００３／００９６１５０に開示されており、参照してここに組みこむ。燃料は、また、燃料と反応する液体酸化物を含む。したがって、この発明は、サプライ中に含有され、また、その他、燃料電池システムにより使用される、任意のタイプの燃料、電解質溶液、酸化物溶液または液体または固体に制約されない。燃料は水素ガスを含む。ここで使用される用語「燃料」は、燃料電池または燃料サプライ中で反応することができるすべての燃料を含み、また、上述の適切な燃料、電解質溶液、酸化物溶液、液体、固体および／または化学物質ならびにこれらの混合物のすべてを含むが、これに限定されない。
【００１４】
ここで使用される用語「燃料サプライ」は、これに限定されないが、使い捨てカートリッジ、再充填可能／再使用可能カートリッジ、電子製品内に配置されるカートリッジ、電子製品の外部に配置されるカートリッジ、燃料タンク、燃料リザーバ、燃料再充填タンク、燃料を貯蔵する他のコンテナ、および、燃料タンク、コンテナ、燃料電池または燃料電池が給電する電子製品に結合された管材を含む。１のカートリッジがこの発明の例示的な実施例との関連で以下に説明されるが、これら実施例は他の燃料サプライにも適用可能であり、この発明は燃料サプライのいかなる特定のタイプにも限定されないことに留意されたい。
【００１５】
この発明の燃料サプライは、燃料電池で使用されない燃料を貯蔵するのに使用しても良い。これらの用途は、これに限定されないが、シリコンチップ上に構築されたマイクロガスタービン用の炭化水素および水素燃料を貯蔵することであり、”Ｈｅｒｅ  Ｃｏｍｅ  ｔｈｅ  Ｍｉｃｒｏｅｎｇｉｎｅｓ”、Ｔｈｅ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｐｈｙｓｉｃｉｓｔ（２００１年１２月／２００２年１月）、ｐｐ．２０−２５に検討されている。この出願の目的に関し、「燃料電池」はこれらマイクロエンジンも含む。他の用途は、内燃機関エンジン用の伝統的な燃料や、ポケットおよび実用ライター用の炭化水素例えばブタンや液体プロパンや個人向けの携帯加熱装置に使用される化学燃料を貯蔵することである。ここで強い要される用語「燃料電池」は燃料電池に加えてこの発明のカートリッジとともに使用できる他の機器を含む。
【００１６】
適切な燃料サプライは、本出願人の２００３年１月３１日出願に係る米国特許出願１０／３５６７９３、「燃料電池用の燃料カートリッジ」に開示されているものを含む。この出願の開示内容は参照してここに組み入れる。適切な燃料電池カートリッジの実施例を図１に示す。カートリッジ４０は、上述のとおり、任意の種類の燃料を内包してよい。カートリッジ４０はハウジングトップ４２およびハウジング本体４４を具備する。本体４４は、好ましくは、オプションの燃料ブラダーすなわち燃料ライナー４６を収容するような形状・大きさを有し、これは図１に示すとおりである。燃料ライナーは本出願人の２００３年７月２９日出願に係る米国特許出願１０／６２９００４、「柔らかいライナーを有する燃料カートリッジ」に十分に開示されている。この出願の開示内容は参照してここに組み入れる。図示のとおり、カートリッジ４０は矩形のプルズム形状を有するように示されている。代替的には、カートリッジ４０は任意の形状または形態をとってよく、例えば円筒、または球形であってよく、さらに外側ケーシングがプラスチックまたは金属から構築されて良い。
【００１７】
１実施例において、連結バルブ３６の一部が本体４４の直立している端壁４５に設けられ、連結バルブ３６の対応する部分が燃料電池または充填装置に結合される。端壁４５はスロット４８を構成し、これがバルブ３６を収容するようになっている。バルブ３６はカートリッジ４０に燃料を充填するのに用いてよく、さらにバルブ３６はカートリッジ４０から燃料電池へ選択的に燃料を搬送するのにも用いて良い。図１Ａに示すように、バルブ３６は好ましくは２つの外部鍔５１ａ，ｂを有し、これらが端壁４５を跨ぎ、バルブ３６を固定して取り付ける。好ましくは、外側の鍔５１ａが、図示のとおり、端壁４５の表面と面一にされる。スロット４８は、好ましくは、当該スロット４８に挿入されるプラグ、Ｏ−リング、ガスケット等のシール部材（図示しない）によりシールされる。シール部材は、エラストマー、ゴム、またはフィラー材料、その他の適切なシーリング材料から製造できる。バルブ３６またはその一部は、スロット４８中で、当業界で知られている任意の手法、例えば超音波溶接、接着剤等でシールしてもよい。
【００１８】
バルブ３６は好ましくは自動遮断バルブ、例えば、逆止バルブであり、カートリッジ４０が充填貯蔵容器または燃料電池のような装置に適切に連結されていないときには燃料がバルブ３６を通じて流れないようになっている。
【００１９】
バルブ３６は、燃料サプライの適切な用途、例えば住宅向けまたは産業向けの相違や、カートリッジ４０に含まれる燃料のタイプを含む多くのファクタに左右されて、バルブ３６は多くの異なる内部構造を含んで良い。適切な遮断バルブは親出願である’９４９出願および’００６出願に開示されているものを含み、それらの内容は参照してここに組み入れる。他の適切なバルブは本出願人の出願に係る、２００５年２月１６日出願の「操作抵抗を有する燃料サプライシステム」という題名のＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０４８２６号に検討されており、その内容は参照してここに組み入れる。
【００２０】
適切なバルブ３６の他の実施例は面シールバルブ、例えば図３Ａ〜３Ｃに示されるものであり、この図において、バルブ３６は第１バルブ要素５０およびこれに対応する第２バルブ要素５２を有する。第２バルブ要素５２は第１バルブ要素に流体的に連通されるように構成されている。例えば、第１バルブ要素５０は、第２バルブ要素５２の一部が第１バルブ要素５０の中に挿入されるように構成されて良い。他の実施例では、当業界で知られている任意の手法、例えば、バルブ要素５０、５２を、付加的なホルダ、例えば燃料サプライ４０および／または燃料電池または装置の表面のスリーブまたは部品に結合または挿入して、第１および第２バルブ要素５０、５２が相互に整合される。１実施例において、第１バルブ要素５０はカートリッジ４０側に位置決めされ、第２バルブ要素は装置側に位置決めされ、他の実施例では、構成が逆にされ、第１のバルブ要素５０が装置側に位置決めされ、第２バルブ要素はカートリッジ４０側に位置決めされる。
【００２１】
図３Ａを参照すると、第１バルブ要素５０は第１ハウジング５４を含み、これが後端５１および前端５３を具備する。第１ハウジング５４は全体として円筒であり、燃料すなわちガスに実質的に不活性、すなわち、燃料すなわちガスに長期間さらされても燃料の実質的な劣化、滲み出し、および／または汚染を伴うことなく耐えることができる材料から製造される。例えば、第１ハウジング５４はステンレス鋼から製造して良い。他の適切な材料は、本出願人の出願に係る、２００５年６月２日に公開された、「燃料と相性がよい材料を具備する燃料電池サプライ」という題名の米国特許出願公開第２００５／０１１６１９０号において検討されており、その内容は参照してここに組み入れる。
【００２２】
第１ハウジング５４は好ましくは少なくとも２つの内側径を伴い第１ハウジングの内側壁５５が肩部５７を形成するようになっている。さらに、第１バルブ要素５０の前端５３が第２バルブ要素５２の第２ハウジング６８の前端７１を収容するような寸法になっている。第１ハウジング５４の後端５１は比較的小さな開口４９を含み流体すなわちガスがバルブ３６の中におよび／または外へと通り抜けることができるようになっている。
【００２３】
バルブポスト５８は第１ハウジング５４の後端５１に固定して取り付けられている。バルブポスト５８は好ましくは細い円筒体であり、その前端にエンドキャップ５９を具備している。好ましくは、バルブポスト５８は第１ハウジング５４と類似または同一の材料から製造され、当業界で知られている任意の手法、例えば、溶接、嵌め締め、または固着剤を用いて第１ハウジング５４に容易に固着できるようにする。
【００２４】
バルブスリーブ５６は第１ハウジング５４内で、かつ、バルブポスト５８の周りで、往復動可能に配される。バルブスリーブ５６も好ましくは燃料に対して確実に不活性な材料から製造される。バルブスリーブ５６は第１ハウジング内にフィットしてバルブスリーブ５６が内側壁５５に沿ってスライドできるような寸法および形状を具備する。好ましくは、バルブスリーブ５６は第１ハウジング５４内を滑るようにフィットする。この実施例において、スリーブシール部材６２がバルブスリーブ５６および第１ハウジング５４の内側壁５５の間に配置されてバルブスリーブ５６および第１ハウジング５４の間に流れが生じないようにする。好ましくは、スリーブシール部材６２はＯ−リングであるけれども、これは、当業界で知られている任意のシール要素、例えばガスケットまたは高粘度流体であってよい。バルブスリーブ５６はキャップ６１を含み、このキャップ６１はそれが後端５１の方向へ移動するときに外側肩部５７から外れないような寸法をとるようになっており、すなわち、外側肩部５７が第１ハウジング５４内でバルブスリーブ５６のストッパとなるようになっている。バルブスリーブ５６の内側壁６３のサイズは内側壁６３およびバルブポスト５８の間に流路Ｆ１を形成するようになっている。さらに、バルブスリーブ５６も内側肩部６５を具備し、これが内側に伸びてバルブスリーブ５６が後端５１から遠ざかるように移動するときにバルブポスト５８のエンドキャップ５９を超えて移動できないようにする。バルブスリーブ５６は肩部５７およびエンドキャップ５９の間を往復動可能である。
【００２５】
第１バルブ要素５０は、バルブ要素５０が開のときに、いくつかのシール要素を含んで流路Ｆ１への流れを制限する。任意の数のシール要素、例えばＯ−リング、ガスケット、オーバーモールド弾性部分、または粘性材料を採用して良いけれども、好ましくは、第１バルブ要素５０は３つのシール要素、好ましくはＯ−リングを含む。ポストシール部材６６はバルブポスト５８およびバルブスリーブ５６の間に、好ましくは肩部６５の位置、またはその近くに配される。換言すれば、ポストシール部材６６は、第１バルブ要素５０が閉止されたときに流路Ｆ１を閉じるように流路Ｆ１内に配置される。面シール部材６４は第１バルブ要素５０の前端５３の第１フェース９０の表面に配される。面シール６４は第２バルブ要素５２中にも配される。面シール部材６４は、第２バルブ要素５２が第１バルブ要素５０に係合するときに、要素間シールを実現するような寸法および形状を有する。すなわち、第１フェース９０が第２バルブ要素５２の前端７１の第２フェース９１と接触するときに面シール部材６４が第１フェース９０および第２フェース９１の双方に接触して第１および第２バルブ要素５０、５２の接合部をシールする。
【００２６】
バネ６０がバルブポスト５８の周りに配されてバルブスリーブ５６の一部に接触してバルブスリーブ５６を閉位置にバイアスする。図３Ａに示される実施例では、バネ６０はバルブスリーブ５６の一部の内部に配される。他の実施例では、バネ６０はバルブスリーブ５６の端部までしか伸びず、バネ６０がバルブスリーブ５６と接触するけれどもバルブスリーブ５６の内部には配されないようになっている。バネ６０は、バルブスリーブ５６を前端５３へバイアス可能な、当業界で知られている任意のタイプであって、例えば、ステンレス鋼の螺旋バネであってよい。バネ６０は好ましくはバルブスリーブ５６の内側肩部６９と係合する。バネ６０のバネ定数は、予め定められた閾値より大きな力が第２バルブ要素の挿入により加えられたときのみバルブスリーブ５６を後端５１方向にスライド可能にするように選択される。
【００２７】
第２バルブ要素５２は一般的に逆止バルブであり、前端７１および後端７３を具備する第２ハウジング６８を含む。逆止バルブは親出願の’９４６出願および’００６出願に十分に開示されており、この発明で採用されるように、逆止バルブはバルブ本体内においてシール位置にバイアスされるスライド可能本体を有する。上述した第１ハウジング５４と同様に、第２ハウジング６８は全体として円筒であり、燃料すなわちガスに実質的に不活性な材料、例えばステンレス鋼から製造される。第２ハウジング６８は好ましくは少なくとも２つの内側径を伴い第２ハウジングの内側壁７７がハウジング肩部７５を形成するようになっている。第２ハウジング６８の前端７１は、第１ハウジング５４の前端５３内に収容されるような寸法および形状を伴い、第１バルブ要素５０が第２バルブ要素５２と係合できるようになっている。
【００２８】
バルブプランジャ７０は第２ハウジング６８内にスライド可能に配されている。バルブプランジャ７０は、好ましくは、不活性材料から製造され、プランジャヘッド７９および円筒形の後方部８０を含み、後方部８０はプランジャバネ室部７８を形成する。後方部８０は第２ハウジング６８ほど長く伸びず、プランジャギャップ８２が後方部８０と後端７３との間に形成されてバルブプランジャが第２ハウジング６８内で移動できるようになっている。ギャップ８２はバルブプランジャ７０の最大変位も制御する。プランジャバネ室部７８内に含まれるプランジャバネ７２は第２ハウジング６８の後端７３へと伸びる。スリーブバネ６０と類似して、プランジャバネ７２はバルブプランジャ７０を前端７１方向へバイアスして第２バルブ要素５２を閉止する。
【００２９】
プランジャヘッド７９は、第１バルブ要素５０と係合していないときには、好ましくは、図３Ａに示すように第２フェース９１と面一である。代替的には、プランジャヘッド７９は第２フェース９１に若干届かなくて良く、また、バルブ３６を開にする最小限の力が加えられるのを可能にし、またバルブプランジャ７０がバルブ３６を開にするために最小限の距離だけ移動できるようにする任意の他の構造を採用できる。
【００３０】
第２流路Ｆ２が第２ハウジング６８の外側壁８１および内側壁７７の間に形成される。流路Ｆ２の内部において肩部７６の位置またはその近くでプランジャシール部材７４が配され第２バルブ要素５２を閉位置においてシールする。シール要素６２、６４、６６と同様に、シール部材７４は好ましくはＯ−リングであるけれども、ガスケット、オーバーモールドエラストマー等であってもよい。バルブプランジャ７０もプランジャ肩部７６を含み、これがハウジング肩部７５と協働してシール部材と係合して流路Ｆ２をシールする寸法および形状をしている。バルブ要素５０および５２において、バルブスリーブ５６およびプランジャ７０は、バルブ要素中のシールを開にするようにバイアスされて移動可能な２つの部材である。
【００３１】
図３Ａ−３Ｃを参照すると、バルブ３６の開手順が示される。図３Ａはバルブ３６を分離状態で示す。すなわち、第１および第２バルブ要素５０、５２が相互に係合解除されており、これは例えばカートリッジ４０が装置から外されているときである。この構造では、シール部材６２、６６、７４が流路Ｆ１およびＦ２を閉止する。バルブスリーブ５６およびバルブプランジャ７０は閉位置へとバイアスされている。
【００３２】
図３Ｂにおいて、第２バルブ要素５２の前端７１は第１バルブ要素５０の前端５３へと挿入され、これは、例えば、カートリッジが初期状態で装置に挿入され、依然として十分には押し込まれていないときである。この時点で、面シール６４は、第２バルブ要素５２の前端７１と係合し、より具体的には、バイアスされている第２ハウジングの前端と係合し、第１および第２バルブ要素５０、５２の接合部をシールする。他のすべてのシール部材６２、６６、７２は閉止状態を継続して流体すなわちガスの流路を閉ざす。バルブスリーブ５６は閉位置にバイアスされたままである。同様に、バルブプランジャ７０も閉位置にバイアスされたままである。
【００３３】
図３Ｃにおいて、第１および第２バルブ要素５０、５２が十分に係合しており、これは、例えば、カートリッジ４０が完全に装置に組み込まれているときである。静止している第２ハウジング６８は、バイアス状態のバルブスリーブ５６を押し、バルブスリーブ５６はギャップ６７を通じて後方に移動し、バネ６０を圧縮し、流路Ｆ１を開にする。同様に、静止しているバルブポスト５８がバイアス状態のプランジャ７０を押してバルブプランジャ７０がギャップ８２を通って遠方へ平行移動し、プランジャバネ７２を圧縮し、第２の流路Ｆ２を開にする。ポストシール部材６６およびプランジャシール部材７４は開放されて流体すなわちガスが第１および第２の流路Ｆ１、Ｆ２を通じてそれぞれ流れることが可能になる。スリーブシール部材６２および面シール部材６４は係合したままであり、流れをＦ１およびＦ２と隔離する。
【００３４】
バルブ３６の閉止手順は基本的には上述した開手順と逆のプロセスである。カートリッジ４０を最初に装置から係合解除したとき、バネ６０およびプランジャバネ７２がその蓄積エネルギを開放し、これにより、バイアス状態のバルブスリーブ５６およびバイアス状態のバルブプランジャ７０をその元のシール位置に復帰させる。ポストシール部材６６およびプランジャシール部材７４は再び係合して第１および第１の流路Ｆ１、Ｆ２をそれぞれ遮断する。この実施例ではスリーブシール部材６２は常にシール位置にあり、面シール部材６４は要素間シールを実現するために係合状態のままである。つぎに、第１および第２バルブ要素５０、５２が完全に係合解除する。第１および第２の流路Ｆ１およびＦ２は第１および第２バルブ要素５０、５２の接合部の極めて近くでシールされているので、シール６６および７２の間の流体容積は最小化される。
【００３５】
上述したとおり、第１バルブ要素５０は第２バルブ要素５２と同時に開になる。当業者に明らかなように、いくつかの状況下では、カートリッジ４０への流路を開にするのに先立って装置への流路を開にすることが有利であり、例えば、カートリッジ４０の貯蔵部にアクセスするのに先立って装置が流体またはガスを受容する準備ができていることを確実にするような場合である。このような順次的な開動作は、バルブポスト５８および／または第２ハウジングおよびプランジャヘッド７９長さを単に調整するだけ実現できる。例えば、第１バルブ要素５０が装置側にあれば、バルブポスト５８が短くて良く、あるいは第２ハウジング６８が長くて良く、これによりプランジャヘッド７９がその間に後退する。そのような場合、バルブポスト５８がバルブプランジャ７０と係合するのに先立って、第２ハウジング６８がバルブスリーブ５６を移動させる。代替的には、第２バルブ要素５２が装置側にあるならば、第２ハウジング６８が第２バルブ要素５２内に後退し、またはバルブポスト５８またはバルブプランジャ７９の一方が長くされて、第２ハウジングがバルブスリーブ５６に係合する前にバルブポスト５８がバルブプランジャ７９を平行移動させる。代替的には、バネ６０または７２の一方が他方よりも弱いバネ力しか供給せずにバルブポスト５６またはバルブプランジャ７９のいずれかをそれぞれ開にするのにより小さな力で済むようにする。これらの構造またはその組み合わせのいずれでも、一方のバルブ要素がその流路を閉じるのに必要なストロークが他方のバルブのそれよりも短く、そのため、一方のバルブ要素が他方のバルブ要素より長い閉止シーケンスを伴う。
【００３６】
第１バルブ要素５０および第２バルブ要素５２の閉止が順次的である状況では、すなわち、一方のバルブ要素が他方よりも遅くまたはゆっくりと閉止する状況では、ゆっくりと閉止するバルブ要素は、２つのバルブ要素５０、５２の接合部から出てゆく流路において残留流体またはガスを引き抜く傾向を有することがある。この傾向は、一般に、「サックバック」（ｓｕｃｋ−ｂａｃｋ）と呼ばれ、この傾向は、閉鎖状態の系の流体担持室部の内部で一部がピストン状に運動するときにその室部内に空のスペースの体積が形成され、または増加させられ、これにより室部内の流体の圧力が低下させられるときに、起こる。流体連結されたチャネル内の流体が低圧力室部へと引かれる、すなわち、吸い込まれる。例えば、第１バルブ要素５０のストロークが第２バルブ要素５２のストロークより長いと、バルブスリーブ５６が前端５３へ移動し、その前に、バルブプランジャ７０がすでに第２の流路Ｆ２をシールするように位置づけられている。バルブスリーブ５６が動くと、バルブスリーブ５６および第１バルブ要素５０の後端５１の間の第１の流路Ｆ１の体積が増大する。開口４９が一方向バルブ、例えば逆止バルブ、カモノハシバルブ、またはフラップを含み、プランジャシール７４および開口４９の間の流路が、プランジャシール７４が一旦係合すると有効に閉止系であるならば、バルブスリーブ５６が移動して後端９５中の体積が増大すると、後端９５中に低圧力領域が形成される。プランジャシール７４の前方のいずれの流体も、スリーブシール６６が係合して第１の流路Ｆ１を閉止するまで、後端９５へと引かれる。流路Ｆ１、Ｆ２の閉止の間の遅延は、第１の流路Ｆ１が完全に閉止されたときに、実質的に、プランジャシール７４の前方の流体すべてが第１の流路Ｆ１に引かれてスリーブシール６２の後方にあるように、選択されてよい。当業者に明らかなように、ストロークを長くすることは、第１および第２の流路Ｆ１、Ｆ２の閉止タイミングを実現できる唯一の方法ではなく、閉止タイミングを制御する任意の方法をこの発明に採用して適切である。例えば、第１および第２バルブ要素５０、５２の直径を異ならせても良く、この場合、直径が大きなバルブ要素が他のバルブ要素より遅く閉止する。また、一方のバルブ要素の開口がより大きな容量の流体を他のバルブ要素より排出するのであれば、大きな容量を排出するバルブ要素が遅く閉止されてサックバックを形成する。長いストロークは、直径が等しいか、ストロークが長い方の直径が大きい場合にのみ適用される。
【００３７】
図４Ａ〜４Ｃを参照すると、代替的なバルブ１３６が示される。図３Ａ〜３Ｃを参照して先に示し検討したバルブ３６と多くの点で類似するように、バルブ１３６は、燃料カートリッジまたは装置のいずれかに結合される第１バルブ室部１５０を含み、これが燃料カートリッジまたは装置の他方に結合された対応する第２バルブ室部１５２と連結するように構成されている。バルブスリーブ１５６は弾性材料、例えば、ゴム、ウレタン、シリコーン等から製造されてよい。バルブスリーブ１５６は、弾性材料から製造される場合、それ自体、バネおよび流路Ｆ１のシールとして機能する。外部の力により、第２バルブ要素１５２との形状に伴う圧縮により、変形されると、第１の流路Ｆ１が開となり、バルブスリーブ１５６の材料の内部にエネルギが蓄積される。外部の力を取り除くと、バルブスリーブ５６が蓄積エネルギを開放して元の形状に復帰して流路Ｆ１を再びシールし、付加的なバネ、例えば図３Ａ〜図３Ｃに示すようなバネ６０またはプランジャバネ７２がなくてもシールを再構築できるようになっている。
【００３８】
図４Ａは、第１バルブ要素１５０が完全に第２バルブ要素１５２と分離して第１バルブ要素および第２バルブ要素１５２の双方がシールされるようになっている状態を示す。第１バルブ要素１５０は第１ハウジング１５４を含み、これが変形可能なバルブスリーブ１５６をその内部に配する。第１の流路Ｆ１は第１ハウジング１５４およびバルブスリーブ１５６の間に形成される。第１ハウジング１５４は肩部１５７を含み、これが第１バルブ要素１５０および第２バルブ要素１５２の接合部の近くに形成されている。第１バルブ要素１５０が第２バルブ要素１５２と分離しているときには、バルブスリーブ１５６は肩部１５７に関しこれと係合するように構成され第１の流路Ｆ１をシールする。
【００３９】
同様に、第２バルブ要素１５２は第２ハウジング１６８を含み、これが第１ハウジング１５４の端部を収容するように構成されている。変形可能はバルブプランジャ１７０が第２ハウジング内に配されその一端に肩部１６９を具備するように構成されている。バルブポスト１５８がバルブプランジャ１７０の内部に位置決めされている。第２の流路Ｆ２はバルブプランジャ１７０およびバルブポスト１５８の間に形成される。バルブポスト１５８の一旦はバルブポストキャップ１５９として終端している。バルブポストキャップ１５９は堅固であり、肩部１７６を含み、これが肩部１６９と係合して肩部１７６および肩部１６９がシール面として機能して流路Ｆ２をシールするように構成されている。
【００４０】
図４Ｂは第１バルブ要素１５０および第２バルブ要素１５２の連結の第１段階を示し、この図において、第１ハウジング１５４は第２ハウジング１６８に挿入されている。この段階では、バルブスリーブ１５６もバルブプランジャ１７０も変形しておらず、このため、第１の流路および第２の流路もシールされたままである。ただし、第１ハウジング１５４が、第１バルブ要素１５０および第２バルブ要素１５２の接合部でバルブプランジャ１７０と隣接して要素間シールを形成する。
【００４１】
図４Ｃは第１バルブ要素１５０および第２バルブ要素１５２の連結の第２段階を示し、この図において、第１ハウジング１５４は第２ハウジング１６８に十分に挿入されている。バルブポストキャップ１５９はバルブスリーブ１５６を押圧して変形させ、これによって、肩部１５７を肩部１６５から離して第１の流路Ｆ１を開にする。同様に、第１ハウジング１５４がバルブプランジャ１７０に抗するように押圧されてこれを変形させ、肩部１７６を肩部１６９から離して第２の流路Ｆ２を開にする。
【００４２】
第１の流路Ｆ１および第２の流路Ｆ２をシールしてバルブ１３６を閉じるには、バルブ１３６を開にする手順と類似の２段階プロセスで、第１ハウジング１５４を第２ハウジング１６８から取り外す。まず、当業界で知られている任意の取り出し機構を用いて手作業でまたは自動的に第１ハウジングを第２ハウジング１６８から取り除くときに、バルブポストキャップ１５９がバルブスリーブ１５６への力の印加を停止し、バルブスリーブ１５６が元の構造に復帰するのを可能にする。そのため、肩部１５７および肩部１６５が再び係合して第１の流路Ｆ１をシールする。同様に、第１ハウジング１５４がバルブプランジャ１７０を押圧するのを停止してバルブプランジャ１７０が元の構造に復帰するのを可能にする。そのため、肩部１７６および肩部１６９が再び係合して第２の流路Ｆ２をシールする。ただし、接合部のシールはこの時点では依然として機能している。
【００４３】
バルブ１３６を閉にするための次の段階では、第１ハウジング１５４が完全に第２ハウジング１６８から取り外されて第１ハウジング１５４がもはや変形可能なバルブプランジャ１７０に隣接しない。そのため、要素間シールが壊れ、第１バルブ要素１５０および第２バルブ要素１５２が完全に分離する。要素間シールを最後にシール解除するので、バルブ１３６が単一段階で閉となる場合に較べて、流体が第１の流路Ｆ１および第２の流路Ｆ２から漏れる恐れが少ない。
【００４４】
図５Ａおよび５Ｂはバルブ要素２５１の他の代替的な実施例を示す。バルブ要素２５１は、分離可能なバルブ、例えばバルブ３６およびバルブ１３６の雌部を形成する。好ましくは、バルブ要素２５１はカートリッジ４０側に位置づけられ装置側の第２バルブ要素と係合する。ただし、バルブ要素２５１は装置側に採用されてもよい。
【００４５】
バルブ要素２５１はハウジング２５４を含み、これが、当業界で知られている任意の材料、例えば、ステンレス鋼、プラスチック、または樹脂から製造されてよい。ハウジング２５４はバルブプランジャ２７０をスライド可能に含むように構成されている。流路Ｆはハウジング２５４およびバルブプランジャ２７０の間に形成される。
【００４６】
ハウジング２５４はシール面２６８を具備するように構成され、このシール面２６８が、バルブプランジャ２７０の形状により構成される第２のシール面２７６と対応する。バルブ要素２５１がバルブの雄部（図示しない）から分離されるときに、バネ２７２がバルブプランジャ２７０をバイアスして第１のシール面２６９および第２のシール面２７６の間のＯ−リング２６６を押圧してシールを形成するようになっている。バネ２７２は部分的にハウジング２５４内に位置し、部分的に、ハウジング２５４に結合されているキャップ２８３内に位置する。
【００４７】
バルブの雄部はハウジング２５４内に挿入されるように構成され、接合部のＯ−リング２６４が雄部とバルブ要素２５１との接合部をシールする。Ｏ−リング保持部２８５も設けられて接合部のＯ−リング２６４を固定する。バルブ要素２５１がバルブの雄部に結合されるときに、バルブの雄部のハウジングがバルブプランジャ２７０を押してバルブプランジャ２７０をキャップ２８３側に移動させる。そのため、第１のシール面２６９が第２のシール面２７６から離れてハウジング２５４と通る流路Ｆを開にする。バルブの雄部をハウジング２５４から取り外すと、バネ２７２がバルブプランジャ２７０をキャップ２８３から遠ざかるように押して第１のシール面２６９および第２のシール面２７６を再度係合させる。
【００４８】
雄部がハウジングから取り外されるとき、残留流体は流路Ｆ内に残る。流路Ｆ内に残る残留流体の量を最小化するために、ハウジング２５４は実用上可能なだけ短くされ、典型的な燃料電池カートリッジ、例えばカートリッジ４０とともに用いる場合には、好ましくは、４ｍｍから８ｍｍの間にする。ハウジング２５４を短くすれば、流路Ｆの全体の長さを小さくでき、この結果、流路Ｆの体積を小さくできる。流路の長さを小さくすれば、燃料サプライ中の残留燃料の量も小さくできる。図５Ａに最も良く示されるように、キャップ２８３は複数の開口２８４も含む。開口２８４により、プランジャのＯ−リング２６６およびキャップ２８３の間の残留流体を、燃料カートリッジ４０内の燃料貯蔵部に引き戻すことができ、また、燃料サプライから引くことができ、これにより、未使用の燃料の量を最小化できる。したがって、バルブ要素２５１をバルブの雄部に再結合したときに、結合に際してもれだす残留流体が流路Ｆ中に残っておらず、また、雄部のバルブ要素２５１との堅固な結合を採用せずに済む。
【００４９】
開口２８４により燃料サプライ中の流体をバルブ要素２５１へと引くことが可能になるので、好ましくは、開口２８４のサイズおよび個数は最大化する。例えば、燃料サプライがほとんど空でわずかな燃料しかそこに残っていないときに、開口２８４は燃料サプライから燃料を完全に取り出すのを支援する。開口２８４を大きくすると、開口２８４およびプランジャのＯ−リング２６６の距離を最小化できる。そのため、燃料をバルブ要素２５１へ引くために必要な圧力が小さくなる。
【００５０】
燃料サプライ中の残留燃料を最小化するように適合化された他の適切なバルブはＢＩＣ−０７１に開示される。この出願は参照してここに組み入れる。カートリッジ４０のさらなる細部、例えば、複数のライナーや吸収材料は本出願人の２００３年１０月６日出願の「燃料電池用の燃料カートリッジおよびその製造方法」という題名の米国特許出願第１０／６７９，７５６号に開示されており、その内容は参照してここに組み入れる。例えば、吸収材料を、後端、または第１および第２バルブ要素５０、５２の間の接合部に含ませてよい。
【００５１】
ここに開示された発明の例示的な実施例がこの発明の目的を達成することは明らかであるが、当業者が種々の変形や他の実施例を構成できることは容易に理解できる。例えば、カートリッジ４０はライナーを具備しなくて良く、この場合、バルブ３６が直接にカートリッジ４０の内側室部と連通し得る。また、ここに開示されたバルブに関連して他のタイプのバネを採用してもよい。さらに、バルブはユーザによりまたはユーザ駆動のマグネットにより手作業で起動または開成してよい。さらに、上述したバルブの上流にバルブへの粒子または繊維の浸入を阻止するために配置されるフィルタを含んでよい。適切なフィルタはこれに限定されないが親水性の微細膜を含み、これは粒子または他の固体物質がバルブ内に入らないようにするのに十分な孔サイズであり、燃料サプライ中の燃料によって湿潤可能なものである。そのようなフィルタは、ここで、または親の出願で説明した任意の実施例とともに使用できる。親の出願はすでに参照した。さらに、上述の実施例においてバルブ要素の１つは、内部シールを有しなくてもよく、例えば、１つのバルブ要素は流れの導管または排管（カニューレ）であってよい。
【００５２】
添付の特許請求の範囲は、これらすべての変形例や実施例をカバーすることを意図し、これらはこの発明のその趣旨および範囲内のものであることは、容易に理解できる。
【００５３】
添付図面は明細書の一部を形成し、明細書との関連において理解されるべきであり、種々の図において類似の参照番号は類似の部分を示すために用いられる。添付図面は以下のとおりである。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】この発明の実施例の事例的な燃料カートリッジの分解斜視図である。
【図１Ａ】図１のカートリッジのライナーと結合可能なバルブの断面図である。
【図２】図１のカートリッジの斜視図である。
【図３Ａ】この発明に従う事例的なバルブを、開手順の閉状態で示す、拡大した断面図である。
【図３Ｂ】この発明に従う事例的なバルブを、開手順の係合かつ閉状態で示す、拡大した断面図である。
【図３Ｃ】この発明に従う事例的なバルブを、開手順の開状態で示す、拡大した断面図である。
【図４Ａ】この発明に従う他の事例的なバルブを、開手順の閉状態で示す、拡大した断面図である。
【図４Ｂ】この発明に従う他の事例的なバルブを、開手順の係合かつ閉状態で示す、拡大した断面図である。
【図４Ｃ】この発明に従う他の事例的なバルブを、開手順の開状態で示す、拡大した断面図である。
【図５Ａ】この発明に従う他の事例的なバルブ要素の分解斜視図である。
【図５Ｂ】図５Ａの組み立てたバルブ要素の断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
３６    連結バルブ
４０    燃料カートリッジ
４９    開口
５０    第１バルブ要素
５２    第２バルブ要素
５４    第１ハウジング
５６    バルブスリーブ
５８    バルブポスト
６０    スリーブバネ
６２    シール部材
６４    面シール部材
６６     シール部材
６８    第２ハウジング
７０    バルブプランジャ
７２    プランジャバネ
７４    プランジャシール部材
７９    プランジャヘッド
【図１】
0005503964.tif 000002
【図１Ａ】
0005503964.tif 000003
【図２】
0005503964.tif 000004
【図３Ａ】
0005503964.tif 000005
【図３Ｂ】
0005503964.tif 000006
【図３Ｃ】
0005503964.tif 000007
【図４Ａ】
0005503964.tif 000008
【図４Ｂ】
0005503964.tif 000009
【図４Ｃ】
0005503964.tif 000010
【図５Ａ】
0005503964.tif 000011
【図５Ｂ】
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