(57)【要約】【課題】流体コントロールシステムを、接合したウェハーのスタック内に小型化して実現し、構成装置はマイクロに機械加工された幾何学的な構造によって形成する。ガス貯蔵タンクを備えたガス取り扱いの方法及びガス貯蔵タンクの製造方法も開示する。【解決手段】ガス貯蔵タンク１は耐高圧性のシェル１０及び流体コントロールシステム５を備える。流体コントロールシステム５は入口流体分岐路２０及び出口流体分岐路３０を備える。入口流体分岐路２０は、逆止弁２１、及び出口流体分岐路３０、減圧弁３２及び圧力補助逆止弁３１からなる。好ましくは、流体コントロールシステム５は、さらに、吸込フィルタ、出口フィルタ及び絞りを含む。好ましくは、流体コントロールシステム５は、耐高圧性のシェル１０の完全に内部に位置させる。好ましくは、構成装置はマイクロに機械加工された幾何学的な構造によって形成する。【選択図】図１
2009509100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタンク（１）であって、
耐高圧性のシェル（１０）、及び
入口流体分岐路（２０）及び出口流体分岐路（３０）を備える流体コントロールシステム（５）を備え、
上記逆止弁（２１）は、入口流体分岐路（２０）を備え、
また上記出口流体分岐路（３０）は、減圧弁（３２）及び圧力補助逆止弁（３１）を備えるガスタンク。
【請求項２】
請求項１に記載のガスタンクにおいて、前記入口流体分岐路（２０）及び前記出口流体分岐路（３０）が、ガス貯蔵タンク１の環境に対して共通の開口（４０）を備えていることを特徴とするガスタンク。
【請求項３】
請求項１または２に記載のガスタンクにおいて、前記入口流体分岐路（２０）がさらに吸込フィルタ（４１）を備えることを特徴とするガスタンク。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかのガスタンクにおいて、前記出口流体分岐路（３０）がさらに出口フィルタ（４２）を備えることを特徴とするガスタンク。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかのガスタンクにおいて、少なくとも１つの入口流体分岐路（２０）及び出口流体分岐路（３０）がさらに絞り（２２、３５）を備えることを特徴とするガスタンク。
【請求項６】
請求項５に記載のガスタンクにおいて、前記絞り（２２、３５）がフィルタ（４１、４２）と結合してなることを特徴とするガスタンク。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかのガスタンクにおいて、完全に前記耐高圧性のシェル（１０）の内部で前記流体コントロールシステム（５）が位置していることを特徴とするガスタンク。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかのガスタンクにおいて、流体コントロールシステム（５）が、接合されたウエハー（５２Ａから５２Ｅ）の積層体（５０）中に形成された小型化したシステムであることを特徴とするガスタンク。
【請求項９】
請求項８に記載のガスタンクにおいて、少なくとも一つの前記逆止弁（２１）、前記圧力補助逆止弁（３１）、前記減圧弁（３２）、前記出口フィルタ（４２）、前記吸込フィルタ（４１）及び前記絞り（２２、３５）がマイクロに機械加工された幾何学的な構造によって接合したウエハー（５２Ａから５２Ｅ）の積層体（５０）中に形成されてなることを特徴とするガスタンク。
【請求項１０】
請求項９に記載のガスタンクにおいて、少なくとも一つの前記逆止弁（２１）、前記圧力補助逆止弁（３１）、前記減圧弁（３２）が、バルブ本体（６２、６５、８０）を移動可能に保持する薄膜を含むことを特徴とするガスタンク。
【請求項１１】
請求項１０に記載のガスタンクにおいて、前記薄膜の一部が前記減圧弁（３２）バルブ本体を保持する薄膜（５９、６１）が、異なる直径のものであることを特徴とするガスタンク。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれかのガスタンクにおいて、前記耐高圧性シェル（１０）を金属または複合材料で形成してなることを特徴とするガスタンク。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれかのガスタンクにおいて、前記耐高圧性シェル（１０）が実質的に球形のものであることを特徴とするガスタンク。
【請求項１４】
以下のステップからなるガスタンク（１）の製造方法。
開口（４０）が開いている耐高圧性シェル（１０）を提供するステップ（２６０）、
入口流体分岐路（２０）及び出口流体分岐路（３０）を備え、前記入口流体分岐路（２０）が逆止弁（２１）を含み、そして前記出口流体分岐路（３０）が減圧弁（３２）及び圧力補助逆止弁（３１）を含む流体コントロールシステム（５）を提供するステップ（２６２）、そして、
前記開口（４０）を覆うように前記流体コントロールシステム（５）を取り付けるステップ（２６４）。
【請求項１５】
請求項１４に記載のガスタンク（１）の製造方法において、前記流体コントロールシステム（５）を提供するステップ（２６２）が、
前記逆止弁（２１）、前記減圧弁（３２）及び前記圧力補助逆止弁（３１）の幾何学的な構造中にウエハー（５２Ａから５２Ｅ）のセットをマイクロ機械加工して形成し、
前記逆止弁（２１）、前記減圧弁（３２）及び前記圧力補助逆止弁（３１）と一体化したウェハーの積層体（５０）に前記ウエハー（５２Ａから５２Ｅ）のセットを接着するものであることを特徴とするガスタンクの製造方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載のガスタンク（１）の製造方法において、前記マイクロ機械加工が、精密機械加工、ｃｈｅｍＭＥＭＳあるいはＭＥＭＳ製造方法を用いることを特徴とするガスタンクの製造方法。
【請求項１７】
以下のステップからなる高圧ガス貯蔵方法。
高圧ガスにガスタンク（１）を暴露するステップであって、
それによって、前記ガスタンク（１）の流体コントロールシステム（５）の入口流体分岐（２０）の逆止弁（２１）が前記高圧によって開くステップ（２１０）、
前記ガスタンク（１）へガスを充満させるステップ（２１２）、
前記高圧ガス中にある状態から前記ガスタンク（１）を取り外し、前記逆止弁（２１）を閉じるステップ（２１４）、
ガスタンク（１）を、大気圧より大きい第１の中間雰囲気圧力に暴露し、該第１の中間雰囲気圧力により、前記ガスタンク（１）の前記流体コントロールシステム（５）の出口流体分岐路（３０の圧力補助逆止弁（３１）を開かせるステップ（２２０）、そして、
前記ガスタンク（１）を空になするステップ（２２２）。
【請求項１８】
請求項１７に記載の高圧ガス貯蔵方法において、
前記ガスタンク（１）を、前記第１の中間雰囲気圧力より大きい第２の中間雰囲気圧力に暴露するステップ（２２４）を含み、
それによって、出口流体分岐路（３０の減圧弁（３２）が閉じ、前記ガスタンク（１）からガスがそれ以上出ないようにすることを特徴とする高圧ガス貯蔵方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス圧をコントロールしたガスの貯蔵に関し、特に、高圧条件下でのガスの貯蔵に関し、詳細にはガスタンク、ガスタンクの製造方法、高圧ガス貯蔵方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素は、電気的なエネルギーの製造と同様に効率的な燃料のためにも使用することができるガスである。
水素ガスの使用は、他の燃焼に関する解決策と比較して、排気公害問題の減少ように、ある種の明白な長所を持ち、さらに比較的効率的なエネルギー貯蔵媒体でもある。ところで、社会に水素経済を導入することにおける主な障害のうちの一つは、水素の物理的な貯蔵に関係する障害である。貯蔵システム上の必要条件は、寿命期間中の低コスト、高い信頼度、高い安全性及び取り扱いの単純さである。したがって、実際にガスを貯蔵できる可能性、特に水素については、非常に重要な分野である。
水素ガスを貯蔵する多くの潜在的な可能性がある。例えば、金属ハイブリッドとして、カーボンナノチューブ中で、化学的に異なる形態で、あるいは単に高圧タンク内で貯蔵することがあり得る。最適な解を見つけるために、世界中で多くの研究が進行中である。その挑戦は、すべてあるいは少なくともほとんどの基準に同時に会うシステムを見つけることである。
水素ガスを貯蔵するための典型的な先行技術における高圧タンクでは、高圧シェルには、ガスを導入しかつ／または放つことの開口が設けられている。一般的には、異なる種類のバルブ配置が、タンクへ気圧調節された高圧ガスの導入を保証するために、及びタンクからのガスの信頼できる放出を保証するために設けられる。貯蔵に装置に接続し、そしてガスを放出する手順は、一般的には、ガス導管の物理な接続及びバルブの操作に基づく。バルブは、物理的な手順、あるいは異なる電気的な手段によって一般的にはコントロールされる。
頻繁なガス導管の接続と同様に、バルブの頻繁な操作も、装着及び機械的な故障に一般的には故障を引き起こす。また、貯蔵されるガスの圧力を、占有体積を縮小するために高圧にするので、事故を回避するには極端に注意して操作しなわなければならない。
【０００３】
上記のガス取り扱いに関する問題は、水素ガスの取り扱いにある。しかしながら、この種のガスに関する種々の問題も存在する。
ガスの貯蔵に係る先行技術における解決策に関する１つの問題は、寿命期間中の低いコスト、高い信頼度、高い安全性及び単純な取り扱いの必要条件を同時に満たすことができないということである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、本発明の目的は、上記要求される必要な条件について改善したガスの貯蔵に係る装置と方法を提供することである。本発明のもう一つの目的は、ガスの充填、放出における物理的操作の必要性を減らしたガスの貯蔵装置と方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的は、クレームされた装置及び方法によって達成される。総括的には、第１の態様によれば、ガス貯蔵タンクは、耐高圧性のシェル及び流体コントロールシステムを備える。流体コントロールシステムは、入口流体分岐路及び出口流体分岐路を備える。入口流体分岐路は、逆止弁を備え、及び出口流体分岐路は減圧弁と圧力補助逆止弁を備える。好ましくは、流体コントロールシステムは、さらに、吸込フィルタ、出口フィルタ及び絞りを含む。好ましくは、流体コントロールシステムは、耐高圧性のシェルの完全に内部に位置させる。好ましくは流体コントロールシステムは、接合したウエハーのスタック内に小型化して実現し、逆止弁、圧力補助逆止弁、減圧弁、吸込フィルタ、出口フィルタ及び絞りを形成する。これらは、接合したウェハーの積層体中に、マイクロ機械加工された幾何学的な構造として形成される。
【０００６】
本発明の別の態様によれば、ガス貯蔵タンクの製造方法には、少なくとも１つの開口を備える耐高圧性のシェル及び流体コントロールシステムを備える。流体コントロールシステムは、入口流体分岐路及び出口流体分岐路を備える。入口流体分岐路は、逆止弁を備え、出口流体分岐路は減圧弁と圧力補助逆止弁を備える。本発明の方法には、開口を覆う流体コントロールシステムがさらに付随する。本発明の製造方法は、さらに、ＭＥＭＳ（（メムス、Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ））システム技術あるいはＭＳＴ（ｍｉｃｒｏ  ｓｙｓｔｅｍｓ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ−ＭＥＭＳの別名）の使用に基づく。
【０００７】
本発明の第３の態様によれば、高圧のガスを扱う方法として充満させる過程及び解放する過程を含む。ガスを充満させる過程は、高圧のガスにガスタンクを曝すことを含む。そして、それによってガスタンクの流体コントロールシステムの入口流体分岐路の逆止弁を高圧によって開かせる。その後、ガスをガスタンクに満たす。また、最後にガスタンクを高圧のガスとの接続から取り除し、それによって前述の逆止弁は閉じる。ガスの解放過程は、第１の中間雰囲気圧力へのガスタンクの暴露を含み、ガスタンクが備える流体コントロールシステムの出口流体分岐路に有する圧力補助逆止弁は、前記第１の中間雰囲気圧力により開かれる。第１の中間雰囲気圧力は気圧より高いものとする。その後、ガスをガスタンクから抜く。適切な場合、ガスを抜くことは、第２の中間雰囲気圧力にガスタンクを暴露することになる。第２の中間雰囲気圧力は、第１の中間雰囲気圧力より大きい。それによって出口流体分岐路の減圧弁を閉じさせ、ガスタンクからガスがさらに出て行くことを阻止する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、上述の点に鑑み、ガスを、必要な場合には単純な方法で抜き出し得るようにしつつ、質量効果的な方法で貯蔵する方法を提供することを目的とする。また本発明は、ガスを高圧あるいは超高圧下で受動的で機械的に貯蔵する方法である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の１つの利点は、ガスの充満と放出という物理的な作業の必要性が縮小され、ガスタンクでの作業時間を短くすると同様に、機械的な故障の危険性を減らすことである。そのような単純化された取り扱いは、さらに、より小さなタンク体の使用を可能としガスの取り扱いの間の安全性を改善することである。
以下、本発明をさまざまな目的と及び利点とともに、添付図面に沿って説明する。
球状のガス貯蔵タンクの圧力抵抗は主として３つの要因に依存する。これらの要因はサイズ、タンク材料及び肉厚である。これらの要因すべてを考慮した場合、金属あるいは複合材料の小さな球体が、貯蔵されるガス量と全システムの質量との関係に関してよい結果を示すことが明らかである。しかしながら、多くの小さな高圧タンクからなるシステムでは、種々の問題が生じる。すなわち、何百もの小さなタンクから非常に複雑なシステムを用いずに、かつ大きな支持質量を要せずに、どのようにしてガスを軽く出すかに帰着する。以下に説明する本願発明は、これを解決する新規な方法を示す。
その解決策とは、雰囲気圧力に基づいてコントロールされた各貯蔵タンクの充填と、手動または電気的な相互作用により駆動するバルブを備えてどのような必要に応じてもガスを解放することである。この解決法は、特に小さなタンクに良く適しているが、任意のサイズのガスタンクに適用できる。
【実施例１】
【００１０】
図１は、本発明によるタンク１の実施例の計画図を示す。本発明によれば、タンク１はそれ自身がガスを取り扱うためのシステムを含んでいる。したがって、タンク１は、耐圧シェル１０及び流体コントロールシステム５を含み、流体入口分岐２０及び流体出口分岐３０を有する。流体入口分岐２０は逆止弁２１を含む。流体出口分岐３０は減圧弁３２を含む。また圧力補助逆止弁３４をも含む。矢印３３、３４によって示されるように、減圧弁３２及び圧力補助逆止弁３４は両方とも、雰囲気圧力によってコントロールされる。流体コントロールシステム５は、そのため、圧力を媒介とした制御に基づいた方法でガスの充満、放出ことを許容する。
【００１１】
タンク１は、好ましくは、ガス取り扱いシステム（つまり内部に一体化された流体コントロールシステム５）を持っている。図２は、そのような実施例についての横断面図である。耐圧力性のシェル１０は２つの内部半分部分１１、１２からなり、それらをフランジ１３で互いに取り付けている。内部半分部分１１、１２はファイバー複合材料によって覆われ、シェルの外部部分１９を形成する。個々の内部の半球部分１１、１２中で、シェル１０の部分には平らな内部表面部１４が設けられている。入口開口１５は１つのタンクの内部半球部分１１の平らな内部の表面１４を通るように設けられており、また、出口開口１６は別のタンクの内部の半球部分１２の平らな内部の表面１４を通って通るように設けられている。流体コントロールシステム５は、シリコン・ウエハー１７、１８の小さなスタック中で共同作用を行う、好ましくは受動的マイクロメカニカルな装置を含む。スタック１７、１８は、入口開口１５及び出口開口１６をそれぞれ覆い、平らな内部表面１４へ接合される。
【００１２】
図３は、本発明によってガスを貯蔵する方法の実施例の主なステップのフローチャートを示す。高圧のガスを供給する工程は、ガスをガスタンクに満たす第１のステップ２００でスタートする。ステップ２１０で、ガスタンクは高圧のガスに暴露される。ガスタンクの流体コントロールシステムの流体入口分岐の逆止弁を高圧によって開かれる。ステップ２１２では、ガスがガスタンクに充填される。ステップ２１４において、ガスタンクを高圧のガスから取り外すと、それによって逆止弁が閉じる。ガスタンクの取り外しは、高圧容器から物理的にガスタンクを取り除くことにより、あるいはガス圧力を低下させることにより行える。
【００１３】
それは、つまり、雰囲気圧力と、タンクの内圧の差であり、タンク中へのガスの流入をコントロールする圧力差である。雰囲気圧力がタンクの内部圧力より高い場合、逆止弁は外部から内部に向けての流路を開く。圧力差が減少すると、それにより、タンクの内圧が雰囲気の高圧に接近し、あるいは雰囲気圧力が低下し、逆止弁は再び閉じる。
【００１４】
タンクからのガスの放出は、ステップ２２０でスタートするが、それは第１の中間雰囲気圧力にガスタンクを暴露することを停止することによる。この第１の中間雰囲気圧力はガスタンクの流体コントロールシステムの流体出口分岐の圧力補助逆止弁を開くことで生じる。第１の中間圧力はガスを漏らさずに、気圧でガスタンクの輸送を可能にするために気圧より大きい。ステップ２２２では、ガスタンク内からガスはなくなる。ステップ２２４では、ガスタンクは、第２の中間の雰囲気圧力に暴露される。この第２の中間雰囲気圧力は、上記第１の中間の雰囲気圧力より大きく、例えばガスが利用される動作圧に相当する。流体出口分岐の減圧弁は、それゆえ、ガスタンクを閉じ、ガスタンクからのガスのさらなる放出を止める。その動作はステップ２４９で終わる。
【００１５】
タンクからのガスの放出は、本システムにおける別の流路でも行われる。この流路では、ガスは２つの装置を通らなければならない。第１には減圧弁であり、第２の圧力（雰囲気圧力）が予め定めた限度、つまり第２中間雰囲気圧力を越えている場合、流体の流れをゼロにする。最大の第２圧力は例えば全て用途に依存し、数バールから数百バールまで種々あり得る。出口流路中の第２の機器は圧力で制御されるバルブであり、他の与圧限界で閉じている。この限界、すなわち第１中間雰囲気圧力は、自由に選ぶことができるが、例えば正常な気圧より少し高くしておくべきである。既述のように、これは、充填のためのステーションと消費者の間でガスを運ぶ場合、ガスの損失がないことを意味する。
【実施例２】
【００１６】
図４は、本発明によるタンク１の他の実施例の図である。この実施例では、流体入口分岐２０及び流体出口分岐３０は、ガス貯蔵タンク１の環境に対して共通の開口４０を備えている。先の実施例でのように、タンクに入り、あるいは出て行くガスはすべて流体コントロールシステム５を通り抜けなければならない。入って来るガスは流体入口分岐２０を流れ、また出ていくガスは、流体出口分岐３０を流れる。この実施例では、外部側の吸込フィルタ４１は流入するガス粒子から流タンク１の内部の同様の出口フィルタ４２は、流体コントロールシステム５の出口流体分岐３０が備える粒子に敏感なバルブ構造を防護する。フィルタ構造４１、４２の間で、流体入口分岐２０、流体出口分岐３０は、２つの別個の流路となり、一方はタンクに入るガス用の、他方はタンクを離れるガス用として用いられる。流体入口分岐２０は、逆止弁２１と、そして本実施例ではさらに絞り２２を備えている．絞り２２は吸込フィルタ構造４１の部品でもあり得るが、流体を充填させる間に、より敏感な逆止弁２１に掛かる危険な圧力勾配が生じるのを防ぐ。外部雰囲気圧力がタンク１の内圧より少なくともわずかに高い場合、逆止弁２１は既に簡潔に述べたように、ガスの流れのために開く。内圧が外圧より高い場合、逆止弁２１は完全にこの流体入口分岐２０を密閉する。逆止弁２１のための可能な設計的解決策をより詳細に以下に示す。
【００１７】
出口流体分岐３０は３つの機器を直列に含んでいる。それらは、絞り３５、機械的受動減圧弁３２及び圧力補助逆止弁３１である。この第２の絞り３５の目的（それは内部出口フィルタ構造４２の部品ともなる）は、下流での損失の場合に、ガスの有害な解放を防ぐことである。減圧弁３２は受動的な機械装置である。上述のように、第２の圧力がある予め定義した限界に到着する場合、出口ガスの流れをゼロにする。圧力補助逆止弁３１が開くとすぐに、第２の圧力が雰囲気圧力と同じになる。それは、雰囲気圧力が最大作業圧に達した場合、タンクからガスが漏れ出なくなることを意味する。減圧弁３２の適切な設計例をさらに以下に示す。
【００１８】
出口分岐中の３番目の装置は圧力補助逆止弁３１である。この装置は重要なシステム機能を有している。それなしでは、ガソリン・スタンドから消費者サイトへのタンクの輸送は、はるかにかつより複雑になるであろう。タンクが自動的に閉鎖される動作圧は、正常な気圧（１バール）よりはるかに低いが、予め定めた上述の絞り３５だけによって制限される割合で自身を空にする。圧力補助逆止弁３１は、逆止弁の機能とは逆の形態で作動する。つまり、それはバルブを開く圧力は下流の圧力となる。減圧弁からの最大の第２圧力は、それ自体ではバルブを開くことができない。本発明の思想について詳細にさらに以下に示す。
【実施例３】
【００１９】
図５は、図４に示すタンクの実施例の横断面図である。タンク１は二つの半球体１１’、１２’からなる。この実施例では、半球体１１’の１つだけが開口を持ち、これが共通の開口４０の一部として使用されている。流体コントロールシステム５は、この実施例では、シェルの半球体１１’の平坦な内面１４へ接合した、すなわち共通開口４０上に漏れがないように搭載されたシリコン・ウエハーの単一の小さなスタック４３を含む。後述する実施例における流体コントロールシステム５に含まれる装置の設計思想としては、５つの接合した薄いシリコン・ウエハーを使用することができる。ウェハーは例えばマイクロ機械加工されたもので、互いに接合された時、それらは、完全なマイクロ流体コントロールシステム５に相互連結された幾つかの受動装置を形成する。
【００２０】
本実施例では、タンクは、球状に描いてある。球形は多くの使用形態において有利である。しかし、ガス貯蔵用高圧システムにふさわしい他の形状、形態があり得るかもしれない。図５の実施例のタンクの意図するサイズ（直径）は、１０〜５０ｍｍの範囲である。これは、高いガス圧力が内側に掛かる場合でも肉厚を相対的にやや薄くすることを可能にする。さらに、上述したマイクロ機械加工されたシリコン・ウエハーのスタックは、タンクのこのサイズのために適切な流体コントロールシステム５を備える。しかしながら、さらに上述したように、本発明で原則として考えているよりも大きなタンクが有利であるとも言える。
【００２１】
タンクのシェルは、適切な高圧（例えば１０００バール）用に設計すべきである。選択すべき望ましい材料は、すべて金属製、あるいは高い強度の複合体であろう。しかしながら、さらに、他の材料を使用することも可能である。
【００２２】
なお上述した図２及び図５の実施例では、流体コントロールシステム５は、完全に耐高圧性のシェルの内部に位置している。その後、耐高圧性のシェルが外部の機械的な影響から流体コントロールシステム５を保護するので、これは多くの場合において有利である。破壊するかもしれない突出部品ないので、タンクの扱い及び輸送はいっそう容易になる。しかしながら、本発明による基礎的かつ機能的な原則は、これに及び一般的な装置の構成には限定されず、流体コントロールシステム５は、耐高圧性のシェルの完全にあるいは部分的に配置することができる。図５によるタンク中の、及びそのタンクからのガス流出については、図６Ａ及び６Ｂ中に示す。図６Ａは、逆止弁に関する圧力差の機能として充填する流量を示す。逆止弁のクラック圧力３００で、ガスは圧力差に依存した割合でタンクへ満ち始める。絞りにより沈滞が生じるところで、流れの割合はレベル３０１へ変わる。図６Ｂは排水流量を示す。内部圧力は今、外部雰囲気圧力よりはるかに高い。逆止弁のクラック圧力３０２を下回ると、圧力補助逆止弁は閉じ、かつドレンの流れも止まる。その限界に関して、ガスは、最高の率３０３で流れ出始め、減圧弁が高い第２の圧力３０４を感知して再び流れを止めるまで、縮小された圧力差によりゆっくり減少する。
【実施例４】
【００２３】
さらに以下に、流体コントロールシステム５中の装置の実例を詳述する。圧力補助逆止弁、圧力調整装置、吸込フィルタ、排出フィルタ及び絞りが、接合したウェハーのスタック中にマイクロ機械加工されて幾何学的な構造として形成されている。これらのすべてについて共通することは、これらが、精密力学、ｃｈｅｍＭＥＭＳあるいはＭＥＭＳ製造方法の使用によって製造された、小型化されたシステムであるということである。しかしながら、本発明による装置を製造する選択肢には、他の従来の製造方法、製造方法も採用し得るかもしれないことに留意されたい。図７は、本発明による製造方法の実施例のメイン・ステップを示すフローチャートである。ガス貯蔵タンクの製造のための手順はステップ２５０でスタートする。ステップ２６０では、開口を有する耐高圧性のシェルが提供される。ステップ２６２では、流体コントロールシステムが提供される。流体コントロールシステムは流体入口分岐及び流体出口分岐を持っている。流体入口分岐は逆止弁を含み、流体出口分岐は減圧弁と圧力補助逆止弁を含む。流体コントロールシステムを提供するステップは、好ましくは逆止弁、減圧弁及び圧力補助逆止弁を形成する幾何学的な構造として１セットのウェハーのマイクロ機械加工を含み、さらに逆止弁、減圧弁及び圧力補助逆止弁を組み込んだウェハーの積層体へのボンディングを含む。マイクロ機械加工は、好ましくは精密力学、ｃｈｅｍＭＥＭＳあるいはＭＥＭＳ製造方法の使用に行われる。ステップ２６４では、流体コントロールシステムは開口をカバーするために取り付けられる。この工程はステップ２９９で終わる。
【００２４】
流体コントロールシステム及び部品装置であっていくつかのウェハーをベースにした実施例を以下に示す。この実施例では、受動的な機械的装置を、例えばＭＥＭＳ製造方法を使用して製造できる大きな可能性を示す。本発明の保護範囲は、これら上述の実施例にのみ制限されず、特許クレームによって定義されるべきである。
【実施例５】
【００２５】
図８Ａは、小さなウェハー積層体５０にインプリメントされた流体コントロールシステム５の横断面図を示す。これらはともに接合されており、タンクの入口開口５０示す入口開口５１を持つ。スタックの直径は例えば５−８ｍｍの範囲であり、１．５−２ｍｍの厚さと２０〜５０ｍｍの直径を備えた球状のタンク用に構成されている。より大きなタンクを用い、より大きな流体コントロールシステム５を備え、より高い充填、排出キャパシティーを持つようにすることができる。この実施例においては、スタック５０は、５つのウェハー５２Ａ−Ｅからなる。ウェハー５２Ａ及びウェハー５２Ｂは機械的に強いシステムを与えるために厚さを増加させたものとすることができる。ウェハー５２Ａ、５２Ｂ間の界面は、別途形成された外部フィルタ４１である。内部フィルタ４２は、ウェハー５４Ｄとウェハー５４Ｅの間に同様の方法で一体化される。本実施例のウェハー５４Ｅは、一以上の排出孔４７により引かれる。いくつかの排出孔４７を備えることが好ましい。例えば、方向性を識別する目的のためにしようできるからである。これらの開口４７は異方性で、低コストで製造するため、バッチ操作による湿式エッチングで形成することができる。
【００２６】
３つの中央のウェハー５４Ｂ−Ｄは、流体コントロールシステム５のマイクロ装置を形成するために両側をマイクロ機械加工する。圧力補助逆止弁３１は、吸込フィルタ構造４１に接続し、かつ内部経路５３を介して減圧弁３２へ接続している。減圧弁３２は、最終的に、出口フィルタ構造４２に接続する。充満する逆止弁２１は、入口、出口フィルタ構造４１、４２の間に同様の方法で接続される。本実施例では、フィルタ構造４１、４２は絞り３５、２２としても作動する。
【実施例６】
【００２７】
図８Ｂは、流体コントロールシステム５の別の実施例の横断面図である。
この場合、流体コントロールシステム５は２部分からなる。ウェハー積層体１７、１８は、個別のウェハーであり、流体入口分岐２０と流体出口分岐３０をそれぞれ形成する。ウエハー・スタック１７、１８はそれぞれ自分の入口開口５１及びフィルタ構造４１、４２を含む。逆止弁２１、減圧弁３２及び圧力補助逆止弁３１のインプリメンテーションは、図８Ａでのものと同じもので良い。
【実施例７】
【００２８】
図９Ａは、本発明で使用できる逆止弁２１の実施例の横断面図である。ガスが吸込フィルタ構造４１通った場合、それは狭い内部輸送経路５８をウェハー５２Ｃとウェハー５２Ｄの間の接着界面まで運ばれる。輸送経路５８は、圧力で導入されるストレスから機械的な構造の負荷をオフとするために狭くしてある。バルブ本体６２上のウェハー５２Ｃ中の循環的小ボリュームすなわち開口５９中で輸送経路５８は終わる。それは矢９９によって示したように、アキシアル方向で移動可能である。バルブ本体６２は、波状の耐圧力薄膜６１によって移動可能に弾性的に保持される。圧力が開口５９中で増す場合、バルブ本体６２は押し下げられる。このとき、バルブ本体６２中央の開口６３のまわりの密閉構造６０中のスロットが開かれながらとなる。密閉構造６０は、この実施例においては、１または複数の隆起部５５が中央の開口６３のまわりに同心的に存在する。隆起部５５は、ウェハー５４Ｄ中でバルブ・シート被膜５６に対するシールとなる。バルブ・シート被膜５６はかなり厚く、１０ミクロン以上あり、小さな予圧を与える。それは等圧条件中で逆止弁２１を密閉する。バルブ・シート被膜５６の材質は、軟質金属またはポリマーが好ましい。材質の実際の選択は、貯蔵されるガス及び運転圧の範囲に依存する。バルブ本体６２がウェハー５２Ｂに達するまで押し下げられた場合、固着することを防ぐためにウェハー５２Ｂ上に配した固着防止被膜５７に当たる。別のガス輸送経路５７が、中央の開口６３から流体コントロールシステム５の出口へガスを流す。
【００２９】
図９Ｂは、本発明で使用できる逆止弁２１の別の実施例の横断面図である。大部分は図９Ａのものと同一であるので、重複する説明は省略する。しかしながら、本実施例では、先の実施例よりもいっそう保護を厚くしている。ガスタンクが満たされ、そして吸込フィルタからの入口圧力構造４１を取り去った場合、ガスタンクの内部の内力ははるかに高くなり、また、バルブ本体６２はバルブ・シート被膜５６に対して上方へ非常に強く押される。保護弾薄膜５９は、バルブ・シート被膜５６の圧力を十分に高めて接触圧を和らげ、圧力でシール機能が破損しないようにしている。バルブ本体６２は、異なる直径の２つの薄膜によって上述のように緩衝される。２つの薄膜５９、６１の間の内、外径の比は、接触圧力がどれほど縮小されるかで決める。
【００３０】
図１ＯＡは、本発明で使用できる減圧弁３２の実施例の横断面図である。高圧下のガスは、出口フィルタ構造からを介して輸送経路６８の中へ掛かり、ウェハー５４Ｄを通る非常に狭い開口バルブ供給口６９に通じる。バルブ供給口６９はバルブ・シート６４に囲まれている。バルブ・シート６４は適切なハードコーティング、例えばＴＩＮやＤＬＣのようものを持つことができ、それによって磨耗抵抗を改善できる。ウェハー５２Ｃ及びウェハー５２Ｂ内には、バルブ・シート６４の近くにバルブキャップ６６を備える移動可能なバルブ本体６５がある。バルブキャップ６６は、適切な密閉と特性を与えるために薄膜の被膜も有している。
【００３１】
ウェハー５２Ｃ中の、柔軟であるが耐圧性を有する上部部材７０は、バルブ本体６５の内部部分７２を吊り下げて保持する。上部の薄膜７０は比較的小さな直径を有する。バルブ本体６５の外部部分７３は直径の大きな薄膜７４によってウェハー５２Ｂ中に吊り下げ保持される。正常時に開放している弁を通るガスは、経路７５を介して圧力補助逆止弁に流れる。ガスは、ウェハー５２Ｃ及びウェハー５２Ｂによってさらに開口７６を流れ、バルブ本体６５の下のアクチュエーター容積部７７まで至る。バルブ本体６５が低い第２の圧力である場合、すなわち、圧力は減圧弁３２により下降し、ウェハー５２Ａ上の固着防止ウェハー７８に対して圧迫される。バルブ本体６５を下へ押す力は、上部の薄膜７０及び大きな直径の薄膜７４中のバネ力及び開口７９のガス圧力の組み合わせである。破線によって示された材料８１が、バルブ本体６５の外部部分７３から取り除かれる場合、開口７９はもっと大きな容積を持つことができる。アクチュエーター容積部７７中の圧力が増加するとき、バルブ本体６５は固着防止ウェハー７８の表面から離れはじめ、上方へ移動を始め、徐々に減圧弁３２を閉じ、最終的にはバルブキャップ６６がバルブ・シート６４に当たる。減圧弁３２が閉じる場合、その後、アクチュエーター容積部７７中の圧力上昇は止まる。気圧調節されたガスがシステムを離れるとき、圧力が低下し、減圧弁３２が再び開き、それによって、再び圧力規制サイクルがスタートする。
【００３２】
図１ＯＢは、本発明で使用できる減圧弁３２の別の実施例の横断面図である。大部分は図１ＯＡの実施例のものと同様の物で、それについては説明を省略する。しかしながら、以下のような追加的特徴を有する。限定的な柔軟性を備えたウェハー５２Ｂ中のより低部中にある非常に小さな薄膜７１は、バルブ本体の内部部分７２と外部部分７３間の柔軟なリンクを構成する。この構成とした理由は、調整装置が高いバック・プレッシャにさらされた場合に減圧弁３２における過度の接触圧力を防ぐことである。タンクを高圧ガスで満たす工程の間に、圧力補助逆止弁が開き、ガスがシステム中に逆流してアクチュエーター容積部７７中の圧力を高いレベルに増加させる。この圧力は強くバルブ本体６５を押し上げ、減圧弁３２を閉じる。さらに、圧力は、バルブ本体６５の外部部分７３も、固着防止被膜８２にウェハー５２Ｃを押しつける。小さな薄膜７１の弾性機能は、バルブ・シート６４中における広範囲な接触圧力を防ぐ。シール面を破損するかもしれないからである。
【００３３】
図１１は、本発明で使用できる圧力補助逆止弁３１の実施例の横断面図である。システムが感知した外部雰囲気圧力、例えばフィルタ構造４１及び輸送経路８３を通じて感じた圧力が低いとき、圧力補助逆止弁３１を閉じる。その理由は、基準容積部８４中の圧力が外部雰囲気圧力より高く、また、圧力差がバルブ・シート８５に対してバルブ本体８０を押し上げるからである。バルブ本体８０は薄膜９２中で吊るされ、バルブ本体８０をより短い距離だけ離しておくことを可能にしている。破線によって示すように、ウェハー５２Ｂから部材８６を取り除くことによって、基準容積部８４はさらに増加する場合がある。減圧弁から来る第２の圧力のガスは、経路８８を通って圧力補助逆止弁３１に入る。ガスはバルブ本体８０までウェハー５２Ｄの狭い開口８９を通って入る。力は、第２の圧力にさらされているバルブ本体８０の小さなエリア８７上で生成される。しかしながら、この力は小さすぎるので、圧力補助逆止弁３１を独力で開くことができない。圧力補助逆止弁３１を開くには、外部圧力があるレベル以上あり、第２の圧力とともにバルブ本体８０を押し下げることができることが必要とされる。圧力補助逆止弁３１開くやいなや、外部圧力がほぼ第２の圧力と等しくなるまで、ガスは流れる。充満工程において、外部圧力が非常に高い場合、バルブ本体８０はウェハー５２Ｂ上の固着防止被膜９０に対して押し付けられ、圧力補助逆止弁３１は完全に開く。
【００３４】
なお上述した実施例は、本発明の一例であることを理解されたい。当業者であれば、様々な修正、コンビネーション及び変更を本発明の実施例から容易に想到できるであろうし、それらは本発明の範囲内に含まれる。流体コントロールシステム５の装置の詳細設計は、例えばＭＥＭＳの技術に精通した当業者であれば、基礎的な機能を変更せずに修正できる。さらに、異なる実施例中の異なる部分についての解決策を他の実施例において組み合わせることが技術的に可能である。しかしながら、本発明の範囲は請求の範囲の記載によって定義される。
【００３５】
本発明によって、ガスは、高圧下で、できるだけ多数の小さな、互いに独立して球状のタンクに収容できる。タンクはそれぞれ一体化したマイクロ・システムを好ましくは含んでいる。マイクロ・システムは、自律的方法でガスの充満及び放出を可能にするが、ただ一つの必要な管理パラメータは外部圧力である。システムは受動的なものであり、電気的あるいは熱エネルギーにより作動することを要求されないものである。マイクロ・システムは、好ましくは、多くのマイクロ機械加工されたシリコン・ウエハーをともに接合することにより形成できる。そのような製造技術は、システムの大量製造を可能にし、それにより製品単価が低減する。これは、結局は、完全な記憶システムのための受容可能なトータルコストを産み出す。ガスを多くの小さなタンク中に貯蔵することは、なにか問題が生じた場合における危険なタンク破裂の危険を縮小することに寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明によるガスタンクの実施例のブロック図
【図２】本発明によるガスタンクの実施例の横断面図
【図３】本発明によるガス取り扱い方法の実施例のステップのフローチャート図
【図４】本発明によるガスタンクの別の実施例のブロック図
【図５】本発明によるガスタンクの別の実施例の横断面図
【図６Ａ】充填流量と圧力差の関係を示す図
【図６Ｂ】排水量と圧力差の関係を示す図
【図７】本発明による製造方法の実施例のステップを示すフローチャート図
【図８Ａ】本発明において使用可能な流体コントロールシステムの具体例の横断面図
【図８Ｂ】同上図
【図９Ａ】本発明において使用可能な逆止弁の具体例の横断面図
【図９Ｂ】同上図
【図１ＯＡ】本発明において使用可能な減圧弁の実施例の横断面図
【図１ＯＢ】同上図
【図１１】本発明において使用可能な圧力補助逆止弁の具体例の横断面図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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