(57)【要約】本発明は流体流れおよび圧力を制御するための装置を対象とし、調節可能な圧力調整器、流入制限器および半自動弁を備える圧力調整器、ならびにバイパス弁を備える圧力調整器を含む。調節可能な圧力調整器は、可動シャトル、シャトル筐体、高圧ダイヤフラム、低圧ダイヤフラム、および入口を出口に連結する流体導管を有する。これらの構成要素の１つまたは複数は、調整器の出口圧力を修正するために調節される。流入制限器により、流入流体は流入流体の圧力が閾値レベルより高いときに圧力調整器に入ることができる。流入制限器の位置付けを使用して、不完全真空が圧力調整器の内部に形成されるのを防止できる。半自動弁は手動で開くが、弁を通って流れる流体が弁を開けたままにするには不十分であるときに自動的に閉じる。また半自動弁は半自動電気スイッチであることが可能である。バイパス弁は、流れが遅いとき、または低圧を有するときに圧力調整器を迂回するように流れを方向付ける。【選択図】図２Ａ【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧ダイヤフラムと低圧ダイヤフラムとの間に配置された可動シャトルと、
前記シャトルを収納するシャトル筐体と、
圧力調整器の前記構成要素の少なくとも１つは前記圧力調整器の出口圧力を変更するために調節可能である導管と
を備え、
前記導管は入口を出口に連結し、前記高圧ダイヤフラムは前記入口の近位に配置され、
前記低圧ダイヤフラムは前記出口の近位に配置される、
圧力調整器。
【請求項２】
前記シャトルは高圧端部および低圧端部を備え、前記低圧端部は中心部および複数の同心円リングを備え、多数のリングは前記中心部に連結されるように選択されて前記低圧端部の可動面積を決定する、請求項１に記載の圧力調整器。
【請求項３】
前記シャトル筐体に連結された少なくとも１つの可動アームをさらに備え、前記少なくとも１つの可動アームは前記中心部に連結される前記リングを選択するために移動される、請求項２に記載の圧力調整器。
【請求項４】
前記シャトル筐体に連結された可動部材をさらに備え、前記可動部材を前記低圧ダイヤフラムまたは前記高圧ダイヤフラムのいずれかに接触するように移動させて、屈曲できる前記接触されたダイヤフラムの面積を決定する、請求項１に記載の圧力調整器。
【請求項５】
前記シャトルはステムおよび低圧基部を備え、前記ステムは前記シャトルの長さを変更するために前記低圧基部に対して可動である、請求項１に記載の圧力調整器。
【請求項６】
前記入口を前記出口に連結する前記導管に連結された流量制限器をさらに備える、請求項１に記載の圧力調整器。
【請求項７】
前記圧力調整器の前記出口と、前記圧力調整器を通って運ばれる流体の受領部の流体ポートとの間に位置付けられた流量制限器をさらに備える、請求項１に記載の圧力調整器。
【請求項８】
前記シャトル筐体は、前記シャトル筐体の長さを変更するために互いに対して可動の第１の半体および第２の半体を備える、請求項１に記載の圧力調整器。
【請求項９】
前記高圧ダイヤフラムと前記シャトル筐体に連結された少なくとも１つの可動アームとの間に配置された複数の同心円リングをさらに備え、前記少なくとも１つの可動アームを移動させて、屈曲する前記高圧ダイヤフラムの面積を決定するのを妨げるためにリングの数を選択する、請求項１に記載の圧力調整器。
【請求項１０】
入口および出口を有する圧力調整器であって、
流量制限器は前記圧力調整器に流体連結され、
流体は前記入口から入口圧力で入り、前記出口から出口圧力で出て、
前記入口圧力は前記出口圧力より高く、
前記流量制限器により、前記流体または第２の流体は前記流体の圧力が前記流量制限器の閾値圧力より高いときに通過できる、
圧力調整器。
【請求項１１】
前記流量制限器は安全弁を備える、請求項１０に記載の圧力調整器。
【請求項１２】
前記流量制限器は前記圧力調整器の前記出口を大気に流体連結し、前記第２の流体が空気を含むことにより、空気は前記流量制限器を通過し前記圧力調整器に入って、前記圧力調整器内の不完全真空を防止することができる、請求項１１に記載の圧力調整器。
【請求項１３】
前記流量制限器が前記圧力調整器の前記入口に流体連結されることにより、前記流体は前記流体の圧力が前記流量制限器の閾値圧力を超えるときに前記圧力調整器に入ることができる、請求項１１に記載の圧力調整器。
【請求項１４】
前記流量制限器はバイパス弁を備える、請求項１０に記載の圧力調整器。
【請求項１５】
前記バイパス弁が前記圧力調整器の前記入口に流体連結されることにより、前記流体は前記流体の圧力が前記バイパス弁の閾値圧力を超えるときに前記圧力調整器に入ることができ、前記流体は前記流体の圧力が前記バイパス弁の閾値圧力より低いときに前記バイパス弁に入ることができる、請求項１４に記載の圧力調整器。
【請求項１６】
前記バイパス弁は、前記流体の圧力が前記バイパス弁の閾値圧力を超えるときに閉じる、請求項１５に記載の圧力調整器。
【請求項１７】
前記バイパス弁は弁座に連結されたダイヤフラムを備え、前記流体の圧力は前記バイパス弁の閾値圧力を超え、前記ダイヤフラムは前記弁座を封止位置に移動させる、請求項１５に記載の圧力調整器。
【請求項１８】
入口および出口と、
前記入口に流体連結され、前記入口と前記出口との間に配置されたチャンバと、
ダイヤフラムに連結された可動シャトルであって、前記シャトルは弁座およびステムを備える、可動シャトルと
を備え、
閉構成において前記チャンバは前記出口から流体上隔離され、前記弁座は前記弁内の封止表面を有する封止を確立し、開構成において前記入口、前記チャンバおよび前記出口は互いに流体連結され、前記弁座は前記封止表面から離間され、
前記シャトルは前記弁を前記開構成に移動させるために手動で作動され、前記弁を通る流れの圧力が少なくとも前記ダイヤフラムによって加えられた圧力より小さいときに、前記弁は前記閉構成に移動される、
弁。
【請求項１９】
前記開位置において前記ダイヤフラムを付勢するように配置されたバネをさらに備える、請求項１８に記載の弁。
【請求項２０】
前記開構成において前記弁は電気スイッチを閉じる、請求項１８に記載の弁。
【請求項２１】
圧力調整器であって、
高圧ダイヤフラムと低圧ダイヤフラムとの間に配置された可動シャトルと、
前記シャトルを収納するシャトル筐体と、
入口を出口に連結する導管であって、前記高圧ダイヤフラムは前記入口の近位に配置され、前記低圧ダイヤフラムは前記出口の近位に配置される、導管と
を備え、
前記圧力調整器は前記圧力調整器内に配置された温度感知構成要素をさらに備えることにより、前記圧力調整器の温度が所定のレベルに達したとき、前記温度感知構成要素は前記圧力調整器を動作不能にさせるためにその形状を変える、
圧力調整器。
【請求項２２】
前記温度感知構成要素は形状記憶合金部材、ワックスまたは前記所定の温度に近い沸点を有する液体を含む、請求項２１に記載の圧力調整器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に燃料カートリッジを様々な燃料電池システムおよび燃料詰替装置に連結する流体構成要素に関する。特に本発明は、燃料カートリッジから比較的高圧で燃料を取り込み、出力圧力を燃料電池および燃料詰替装置に受容可能なレベルに調整する圧力調整器に関する。より詳細には、本発明は、とりわけ調節可能な圧力調整器、ならびに流入制限器を備えた、またはバイパス弁および半自動弁を備えた圧力調整器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、反応物質の化学エネルギー、すなわち燃料および酸化剤を直流（ＤＣ）電流に直接変換する装置である。概して燃料電池技術には、アルカリ燃料電池、固体高分子形燃料電池、リン酸形燃料電池、溶融塩炭酸形燃料電池、固体酸化物形燃料電池および酵素燃料電池などの様々な異なる燃料電池が含まれる。燃料電池は概して水素（ Ｈ２）燃料を燃料とし、かつ非純水素燃料も使用できる。非純水素燃料電池には、メタノールを使用する直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）、または炭化水素を高温で使用する固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）などの直接酸化形燃料電池が含まれる。水素燃料を圧縮した形で保管でき、あるいはアルコールもしくは炭化水素または水素燃料および副産物に改質もしくは変換できる他の水素含有物質などの化合物内に保管できる。また水素は、水またはアルコールと反応して水素および副産物を生成する、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）などのケミカルハイドライドに保管できる。また水素を第１の圧力および温度でランタン・ペンタニッケル（ＬａＮｉ５）などの金属水素化物内で吸着または吸収することができ、第２の圧力および温度で燃料電池に燃料を入れるために放出することができる。
【０００３】
ほとんどの水素燃料電池はプロトン交換膜または高分子電解質膜（ＰＥＭ）を有し、プロトン交換膜または高分子電解質膜（ＰＥＭ）は水素のプロトンを通過させることができるが、電子を外部回路に通過させる。外部回路は有利なことに携帯電話、個人デジタル端末（ＰＤＡ）、コンピュータ、電動工具、または電子流もしくは電流を使用するあらゆる装置であることが可能である。燃料電池の反応は以下のように表すことができる。
燃料電池のアノードにおける半反応：
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
燃料電池のキャソードにおける半反応：
２（２Ｈ＋＋２ｅ−）＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ
【０００４】
概してＰＥＭはＤｕＰｏｎｔから市販されているナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標）などの高分子から作成され、ナフィオンは約０．０５ｍｍ〜約０．５０ｍｍの範囲の厚さまたは他の適切な膜を有するパーフルオロ化スルホン酸ポリマーである。アノードは、通常その上に堆積された白金ルテニウムなどの触媒の薄層で担持されたテフロンカーボン紙から作成される。キャソードは、通常白金粒子が膜の片面に接着されたガス拡散電極である。
【０００５】
ＤＭＦＣについては、各電極における化学電気反応および直接メタノール形燃料電池に対する全反応は以下のように説明される。
アノードにおける半反応：
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−
キャソードにおける半反応：
１．５Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ
燃料電池の全反応：
ＣＨ３ＯＨ＋１．５Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ
ＤＭＦＣは米国特許第４，３９０，６０３号および第４，８２８，９４１号に論じられており、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００６】
化学金属水素燃料電池内で、水素化ホウ素カリウムまたは水素化ホウ素ナトリウムは以下のように改質され反応する。
ＮａＢＨ４＋２Ｈ２Ｏ→（加熱および／または触媒）→４（Ｈ２）＋（ＮａＢＯ２）
この反応に適切な触媒には白金およびルテニウムならびに他の金属が含まれる。水素化ホウ素ナトリウムの改質から生成される水素燃料を燃料電池内でＯ２などの酸化剤と反応させて、上に示された電気（または電子流）および副生成水を生成する。また副生成ホウ砂（ＮａＢＯ２）も変質プロセスによって生成される。水素化ホウ素ナトリウム燃料電池は米国特許第４，２６１，９５６号に論じられており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
燃料カートリッジまたは燃料貯蔵容器から燃料電池システム、燃料詰替装置および燃料電池が電力供給した装置への燃料の流れを制御または調整する、圧力調整器および他の流体流れ制御装置が必要とされている。公知の技術は様々な圧力調整器および流れ制御装置を開示している。しかし改良型の圧力調整器および流れ制御装置が必要とされている。ある程度までこの必要性は、共同所有の米国特許第８，００２，８５３号およびその子孫の米国特許出願公開第２０１０／０１０４４８１号、第２０１１／０１８９５７４号および第２０１１／０２１２３７４号によって対処されてきた。これらの特許文献はそれらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、可動シャトル、シャトル筐体、高圧ダイヤフラム、低圧ダイヤフラムおよび入口を出口に連結する流体導管を備える、調節可能な圧力調整器を対象とする。これらの構成要素の１つまたは複数は、調整器の出口圧力を修正するために調節される。
【０００９】
また本発明は、流入流体の圧力が閾値レベルより高いときに流入流体が圧力調整器に入ることができる、流入制限器を備える圧力調整器も対象とする。また本発明は、不完全真空が圧力調整器の内部に形成されることを防ぐために、流入制限器を別の場所に位置付けることも対象とする。
【００１０】
本発明は手動で開くが、弁を通って流れる流体が弁を開けたままに保つには不十分であるときに自動的に閉じる、半自動弁をさらに対象とする。また本発明の半自動弁は半自動電気スイッチであることも可能である。
【００１１】
本発明は、流れが遅いとき、または低圧を有するときに圧力調整器を迂回するように流れを方向付ける、バイパス弁を備えた圧力調整器をさらに対象とする。
【００１２】
添付図面において、添付図面は本明細書の一部を形成し、それと関連して読まれるべきであり、同じ参照番号は様々な図において同じ部分を示すために使用される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】米国特許出願公開第２０１０／０１０４４８１号に示され説明された、従来の圧力調整器の作動原理を示す断面図である。
【図１Ｂ】米国特許出願公開第２０１０／０１０４４８１号に示され説明された、従来の圧力調整器の作動原理を示す分解図である。
【図２Ａ】本発明の調節可能な圧力調整器の断面図である。
【図２Ｂ】本発明の調節可能な圧力調整器の上面図である。
【図２Ｃ】本発明の調節可能な圧力調整器の上面図である。
【図３Ａ】本発明の別の調節可能な圧力調整器の断面図である。
【図３Ｂ】本発明の別の調節可能な圧力調整器の断面図である。
【図４】本発明の別の調節可能な圧力調整器内の調節可能なピストンすなわちシャトルの断面図である。
【図５Ａ】本発明の別の調節可能な圧力調整器の断面図である。
【図５Ｂ】本発明の別の調節可能な圧力調整器の断面図である。
【図６Ａ】本発明の別の調節可能な圧力調整器の断面図である。
【図６Ｂ】本発明の別の調節可能な圧力調整器の断面図である。
【図７Ａ】本発明の別の調節可能な圧力調整器の断面図である。
【図７Ｂ】本発明の別の調節可能な圧力調整器の断面図である。
【図８Ａ】本発明の別の調節可能な圧力調整器の断面図である。
【図８Ｂ】本発明の別の調節可能な圧力調整器の断面図である。
【図９Ａ】本発明の流入制限器を備える圧力調整器の断面図である。
【図９Ｂ】本発明の流入制限器を備える圧力調整器の断面図である。
【図１０Ａ】本発明の流入制限器を備える圧力調整器の断面図である。
【図１０Ｂ】別の流入制限器の断面図である。
【図１１Ａ】本発明の不完全真空を防ぐ通気孔を備える圧力調整器の断面図である。
【図１１Ｂ】別の通気孔の断面図である。
【図１２Ａ】本発明の半自動弁の断面図である。
【図１２Ｂ】本発明の半自動弁の断面図である。
【図１３Ａ】本発明の別の半自動弁の断面図である。
【図１３Ｂ】本発明の別の半自動弁の断面図である。
【図１３Ｃ】電気スイッチに作動可能に接続された図１３Ａの半自動弁の断面図である。
【図１３Ｄ】電気スイッチに作動可能に接続された図１３Ｂの半自動弁の断面図である。
【図１４Ａ】本発明のバイパス弁を備える圧力調整器の断面図である。
【図１４Ｂ】本発明のバイパス弁を備える圧力調整器の断面図である。
【図１５Ａ】温度遮断構成要素を備える圧力調整器を示す図である。
【図１５Ｂ】温度遮断構成要素を備える圧力調整器を示す図である。
【図１５Ｃ】温度遮断構成要素を備える圧力調整器を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
添付図面に示され以下に詳細に論じられるように、本発明は、燃料電池を備える燃料電池システム、インターフェースシステムおよび燃料カートリッジまたは燃料タンク／貯蔵容器に使用される、流体構成要素および流体流れ制御構成要素を対象とする。またこれらの構成要素は、他の技術および産業において、または他の技術および産業とともに使用でき、燃料電池システムに限定されない。
【００１５】
燃料電池燃料には、あらゆる燃料電池と共に使用できるあらゆる燃料が含まれ、固体、液体および気体の燃料またはそれらの組合せであることが可能である。液体燃料には、メタノール、水、メタノール／水の混合物、様々な濃度のメタノール／水の混合物、純メタノール、および／もしくはメチルクラスレート、エタノールまたは他のアルコールが含まれる。固体反応燃料電池燃料には、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム、および水素を生成するために液体またはゲルと反応する他の金属水素化物などの、化学金属水素化物が含まれる。また固体燃料は、水素化物のマトリックス内で水素を一定の温度および圧力で吸着および吸収し、別の温度および圧力で水素を放出して燃料電池に燃料を入れる、金属水素化物を含むことができる。適切な金属水素化物は、これに限定されないがランタン・ペンタニッケル（ＬａＮｉ５）を含み、金属水素化物は米国特許出願公開第２００９／００６０８３３号に開示されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００１６】
燃料は炭化水素燃料をさらに含むことができ、炭化水素燃料はこれに限定されないが、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、２００３年５月２２日に「液体ヘテロ界面燃料電池装置」という名称で開示された米国特許出願公開第２００３／００９６１５０号に説明されているように、ブタン、灯油、アルコール、および天然ガスを含む。また燃料は、燃料と反応する液体酸化物および液体電解質も含むことができる。したがって本発明は、あらゆるタイプの燃料、酸化剤、電解質溶液、酸化物溶液、またはサプライ内に含有される、あるいは別法で燃料電池システムによって使用される液体もしくは固体に限定されない。本明細書で使用される場合、用語「燃料」は、燃料電池内で反応できる、または燃料サプライ内に保管できるすべての燃料を含み、これに限定されないが、上記の適切な燃料、電解質溶液、酸化物溶液、気体、液体、固体、ならびに／または添加剤および触媒を含む化学物質ならびにそれらの混合物を含む。
【００１７】
従来の圧力調整器などの従来の流体制御構成要素は、複数の情報源に説明されている。圧力調整器の一例は、先にその全体が参照により上記に組み込まれている、共同所有の米国特許出願公開第２０１０／０１０４４８１号において図１８Ａ〜Ｂで検討されており、圧力調整器の作動の原理を検討するために図１Ａ〜１Ｂに示されている。
【００１８】
このような圧力調整器の１つの適用は、水素貯蔵容器または水素発生器から出る水素の圧力を低減することである。このような調整器を水素貯蔵容器または発生器の遮断弁の下流または上流に位置付けることができ、またその間に隣接して位置付けることができる。例示的圧力調整器１６４が図１Ａ〜１Ｂに示されている。調整器１６４は、入口筐体１６６、出口筐体１６８およびその間に配置された保持具１７０を備える。シャトル１７２は保持具すなわちシャトル筐体１７０の内部に可動に配置される。入口筐体１６６とシャトル筐体１７０との間に第１のダイヤフラム１７４がクランプで締められ、出口筐体１６８とシャトル筐体１７０との間に第２のダイヤフラム１７６がクランプで締められる。入口筐体１６６は入口チャネル１７８を画定し、出口筐体１６８は出口チャネル１８０を画定する。保持具すなわちシャトル筐体１７０の内部にはシャトル１７２が収納され、基準圧力に曝されることが可能であり、好ましくは基準圧力に曝される。基準圧力は大気圧であってもよい。入口チャネル１７８を封止する役に立つために入口チャネル１７８の真下の第１のダイヤフラムの下に任意的にボール１８２を提供することができる。ボール１８２を本明細書に説明された任意の圧力調整器と共に使用できる。示されたように、第１のダイヤフラム１７４は入口圧力に曝され、第２のダイヤフラム１７６は出口圧力に曝される。シャトル筐体１７０は、好ましくは大気圧などの基準圧力Ｐｒｅｆと流体連通する。
【００１９】
シャトル１７２に加えられる力は、加えられる圧力にその圧力に曝される面積を掛けた積であるので、シャトル１７２に作用する力は以下のようにまとめることができる。
入口ダイヤフラムの力：
入口圧力*入口面積＝基準圧力*入口面積＋シャトルの力（上面）（方程式１）
出口ダイヤフラムの力：
出口圧力*出口面積＝基準圧力*出口面積＋シャトルの力（下面）（方程式２）
上面上の力は下面上の力と等しいので、シャトルの力は両方の方程式において同じである。
シャトルの力に対する両方の方程式を解き等号で結ぶ：
（入口Ｐ−基準Ｐ）*入口面積＝（出口Ｐ−基準Ｐ）*出口面積（方程式３）
この方程式を以下のように書き換えることができる：
（出口Ｐ−基準Ｐ）＝（入口Ｐ−基準Ｐ）*入口面積／出口面積（方程式４）
基準圧力が０ポンド／平方インチ相対圧力または１気圧である場合：
出口Ｐ＝入口Ｐ*入口面積／出口面積（方程式５）
【００２０】
基準圧力が０ポンド／平方インチ相対圧力でない場合は、シャトルの両側はそれぞれの面積に対する基準圧力によって影響される。出口圧力が入口を遮断するほど充分に上昇する前は、入口面積はシャトルの上面と等しい。出口圧力が入口を遮断するほど充分に上昇した後、入口面積は小さい入口開口に縮小する。入口面積が低減した後は、入口を閉じたままにするために低圧部にあまり圧力を取り込まない。この特徴はシャトルの振動を低減させて出口圧力はわずかに落ちる。
【００２１】
出口の力が入口の力より小さいときは、入口の水素圧力が第１の膜を下方に押して入口チャネル１７８から内輪チャネル１８４までの流路を開く。内輪チャネル１８４は上部横方向チャネル１８６に連結され、上部横方向チャネル１８６は外輪チャネル１８８に連結され、連結チャネル１９０に連結され、連結チャネル１９０は下部横方向チャネル１９２に連結され、出口チャネル１８０に連結される。有利なことに出口チャネル１８０が１９４で拡大されることにより、水素ガスが膨張し、流出前に若干のさらなる圧力を減らすことができる。また出口チャネル１８０は拡張されるので、調整器１６４を燃料電池システムのその他の構成要素（複数可）に適合させることができる。横方向チャネル１８６および１９２は図１Ａに示されたようなボールによって封止される。
【００２２】
圧力調整器１６４のすべての構造または機能の特徴が以下に説明される実施形態で利用されなくてもよいが、圧力調整器の原理は実証される。
【００２３】
本発明の一態様は、オンデマンドでまたは圧力調整器を分解する必要なしに、出口圧力を調節する機能に関する。図２Ａ〜２Ｃを参照すると、圧力調整器２００は調節可能なピストンすなわちシャトル２０２を有し、シャトル２０２はより大きい可変低圧頭部２０８にステム２０６によって連結された、固定された小さい高圧頭部２０４を有する。低圧頭部２０８は中心部２１０および複数の同心円リング２１２ｎを備える。図２Ａに示されたように、同心円リングは断面が逆Ｚ字形であり、第２の、すなわち低圧ダイヤフラム１７６上に位置付けられている。好ましくは大気圧などの基準圧力に曝されるシャトル筐体１７０内に、少なくとも１つの格納式調節アーム２１４が位置付けられる。アーム２１４は、リングが低圧ダイヤフラム１７６に沿って動くのを防ぐために、同心円リング２１２の真上に位置付けられる。図２Ａに具体的に示されたように、アーム２１４はすべてのリングが低圧ダイヤフラム１７６と共に動くのを防ぐはずである。上記の方程式５に示されたように、出口圧力は、高圧頭部２０４の面積および低圧頭部２０８の中心部２０８の面積の割合に比例する。アーム２１４は、図２Ｂに示されたように線形に格納されることが可能であり、図２Ｃに示されたように枢動して格納されることが可能である。アーム２１４はカメラに使用されるシャッターと同様のシャッターであることが可能である。
【００２４】
アーム２１４が格納されると、より多くの同心円リング２１４がシャトル２０２と共に移動可能になって、出口の有効面積が拡張して出口圧力が低くなることが当業者には容易に認識されるはずである。アーム２１４が反対方向、すなわちシャトル筐体１７０の中に移動すると、逆の効果を有するはずである。使用者が圧力調整器を調節するためにアーム２１４にアクセスするように、アーム２１４は、好ましくはシャトル筐体１７０の外側に部分的に延びる。同心円リング２１４の逆Ｚ字形は、中心部２０８および妨げられていないリング（複数可）２１４が確実に自由に動けるために選択されるが、一方アーム２１４によって妨げられるリング（複数可）２１４は、妨げられるアーム２１４と低圧ダイヤフラム１７６との間に比較的固定して保持される。逆Ｓ字形、上下が逆の円錐台形などの他の形状を使用することもできる。
【００２５】
図３Ａおよび３Ｂは、本発明の可変圧力調整器の別の実施形態を示す。この実施形態では、圧力調整器２００は可変低圧ダイヤフラム１７６を有する。示されたように、この実施形態は、高圧ダイヤフラム１７４と低圧ダイヤフラム１７６との間に位置付けられた、固定された可動シャトル、又はピストン１７２を有する。また大気圧などのＰｒ ｅ ｆに曝されているように図３Ａに示されているシャトル筐体１７０は可動アーム２１６を有し、アーム２１６は低圧ダイヤフラム１７６と選択的に接触することができる。アーム２１６が低圧ダイヤフラム１７６と接触すると、アーム２１６は、図３Ｂに示されたように出口圧力に起因して屈曲することができるダイヤフラム１７６の表面積を制限し、それによって出口圧力が上昇する傾向がある。アーム２１６は任意の形状を有することができ、好ましくはシャトル筐体１７０の内側に装着された円形リングの形状を有し、図３Ｂに示された矢印２１８の方向に移動可能であり、選択的に低圧ダイヤフラム１７６と接触する。
【００２６】
別の実施形態では、可動シャトルすなわちピストン１７６は図４に最も良く示されているように調節可能である。シャトル１７６はステム２２０を有し、ステム２２０はシャトル基部２２２に取外し可能に取り付けられる、例えばステム２００を基部２２２に螺合または押圧嵌合でき、基部２２２はシャトルの大きい出口端部を有する。またシャトル１７６の全長を決定した後、ステム２２０をシャトル基部２２２に接着剤で固定して取り付けることができる。ピストンすなわちシャトルの全長を調節すると、ダイヤフラムおよび圧力調整器にプレストレスまたはプレロードを与える効果がある。一例では、プレロード量が出口１８０における出口圧力より高く入口１７８より低いときは、圧力調整器の出口圧力は増加するはずである。別の例では、プレロード量が入口圧力より高いときは、圧力調整器は遮断位置にあるはずである。
【００２７】
別の実施形態では、圧力調整器２００は連結部は連結導管１９０を調節することによって調節され、導管１９０は高圧ダイヤフラム１７４または高圧側部を低圧ダイヤフラム１７６または圧力調整器の低圧側部に流体連結する。図５Ａを参照すると、可変流量制限器２２４を連結チャネル１９０上に置いて、それを通る流体流れを制限する。連結チャネル１９０を通る流れを制限または低減することにより、出口圧力は低くなるはずであり、連結チャネル１９０を通る流れを増加することにより、出口圧力が高くなるはずである。当然のことながら、圧力調整器２００を通る流れがない、または実質的にないときは、流量制限器２２４は圧力調整器に効果を有さない、または最小の効果しか有さないはずである。
【００２８】
図５Ａにおける実施形態の変形では、流量制限器２２４は高圧側部と低圧側部との間に配置されず、出口１８０または低圧ダイヤフラム１７６に近位の低圧側部と、圧力調整器を図５Ｂに示されたような燃料電池などの受領部または燃料消費部に連結する流体ポート１８１との間に配置される。流れが低減すると、圧力調整器２００の遮断が遅くなり、その結果出口１８０での流れ圧力が動的に高くなるはずである。
【００２９】
流れを制限すると、締切圧力が大きい低圧ダイヤフラム１７６の下の低圧チャンバ１７７に達するはずである速度が低下する。流体または気体の容積はチャンバ１７７内に存在し、締切圧力はチャンバ１７７全体ならびに低圧ダイヤフラム１７６が必要な締切圧力に達する前に、チャンバ１７７を通って伝わる必要があるはずである。チャンバ１７７に入る流れが低減すると、チャンバ内の流体または気体の容積を締切圧力に運ぶ必要がある時間が増加する。チャネル１９０内にいかなる流れ制限もない調整器と比べると、図５Ａに示された圧力調整器が圧力を上昇するのがより遅いのは、低圧チャンバ１７７および低圧出口への流れが制限されるからである。
【００３０】
チャネル１９０内にいかなる流れ制限もない調整器と比べると、図５Ｂに示された圧力調整器が圧力を上昇するのがより速いのは、低圧チャンバ１７７への流れは制限されるが、低圧出口１８１への流れは無制限に供給されるからである。流れは出口１８１の制限されない経路を好むはずである。条件によって、出口圧力は、制限されたチャンバ１７７が締切圧力に達するまで超過してもよい。図５Ｂの出口１８１は制限されていない調整器より速く締切圧力に達するはずであり、制限されていない調整器は出口線１８０に達する前に低圧チャンバ１７７を充填するために流体流れを使用しなければならない。圧力をより速く達成し設定圧力（設定した場合）を超過すると、より速く開始される。
【００３１】
図６Ａおよび６Ｂに示された実施形態は、本発明の別の調節特徴を示す。示されたようにシャトル筐体１７０の長さは調節可能である。シャトル筐体１７０は入口半体１６６および出口半体１６８を備え、互いに伸縮自在に連結されるので、シャトル筐体１７０の長さの全長は調節可能である。２つの半体はネジ山を一致させることによって連結することができ、またはネジもしくはネジのセットによって一緒に保持することができる。シャトル筐体１７０が長いと、出口圧力をより高くすることができる。この実施形態は図４に示された実施形態に類似している。
【００３２】
図７Ａおよび７Ｂに示された実施形態は、同心円リング２１２ｎが高圧ダイヤフラム１７４と格納式アーム２１４との間に配置されて、入口１７８から高圧によって屈曲されるダイヤフラム１７４の面積を制限することを除いて、図２Ａおよび２Ｂに示された実施形態に類似している。例えば図７Ａに示されたダイヤフラム１７４より図７Ｂに示されたダイヤフラム１７４が多く屈曲できるのは、ダイヤフラム１７４を妨げるために利用できる同心円リング２１２がより少ないからである。曝される高圧ダイヤフラム１７４がより少ない図７Ａの構成は、曝される高圧ダイヤフラム１７４がより多い図７Ｂの構成より出口圧力が低くなる。
【００３３】
図８Ａおよび８Ｂの実施形態は、可動アーム２１６が高圧ダイヤフラム１７４に選択的に接触して、屈曲できるダイヤフラム１７４の量を制限することを除いて、図３Ａおよび３Ｂの実施形態に類似している。同様に可動アーム２１６は、好ましくはシャトル筐体１７０内に配置されたリングであり、方向２１８に可動である。高圧ダイヤフラム１７４上の可動アーム２１６の効果は、図７Ａおよび７Ｂの実施形態に関連して説明された効果に類似している。
【００３４】
本発明の別の態様は、本明細書に論じられた圧力調整器１６４および２００またはあらゆる公知の圧力調整器を含む、あらゆる圧力調整器２３８のための低圧制限器または遮断装置２３６に関する。制限装置２３６は、圧力調整器２３８が機能するはずである最小閾値圧力を設定する。入口１７８における流入流体の入口圧力がこの最小閾値圧力より低いときは、制限装置２３６は閉じたままであり、流入流体は圧力調整器２３８に入らないはずである。入口圧力が最小閾値圧力より高いときは、制限装置２３６が開くことにより流入流体が圧力調整器２３８に入ることができる。
【００３５】
図９Ａを参照すると、制限装置２３６は高圧膜１７４に対してバネ２４２によって付勢されたキャップ２４０を備えるので、流入流体が制限装置２３６に優ることができるまで、高圧膜１７４が屈曲しないことにより流入流体は圧力調整器に入ることができるであろう。より具体的には、制限装置２３６のキャップ２４０およびバネ２４２は、バネ２４０によって加えられたバネ力をキャップ２４０の面積で割った商に等しい限界圧力（Ｐｌｉｍ）を発揮する。この限界圧力は高圧ダイヤフラム１７４および入口１７８に加えられる。この限界圧力より高い圧力を有する流入流体は、キャップ２４０およびバネ２４２を内方に押して圧力調整器２３８に入るはずである。図９Ａにおける実施形態の１つの利点は、バネ２４２およびキャップ２４０が、これらの構成要素を腐食する、あるいは別の悪影響を与える可能性がある水素などの燃料電池燃料から隔離されることである。シャトル筐体１７０を図９Ａに示されたように基準圧力に曝す可能性があるが、シャトル筐体１７０は封止されてもよい。シャトル筐体１７０内に捕捉されるあらゆる気体は、バネ２４２に類似したガススプリングの抵抗圧縮のように振る舞う。
【００３６】
別の実施形態は、制限装置２３６は、図９Ｂに示されたようなプレロードまたはプレストレスされた高圧ダイヤフラム１７４'を備えるので、圧力調整器２３８を開くためにＰｌｉｍより高い入口圧力が必要である。この場合、Ｐｌｉｍは高圧ダイヤフラム１７４上のプレロードの量である。プレロードはダイヤフラム１７４'を伸ばす任意の突起２４４であることが可能である。
【００３７】
図１０Ａよび１０Ｂは制限装置２３６の別の実施形態を示す。この実施形態では、制限装置２３６は、安全弁２４６または圧力が閾値レベルすなわちＰｌｉｍに達した後に開く弁２４６を備える。図１０Ａに示された弁２４６は弾性ディスク２４８を備え、ディスク２４８はポスト２５０に対して付勢される封止部材である。ポスト２５０は入口（複数可）１７８を画定する基部２５２に取り付けられる。弁２４６は、入口圧力が閾値レベルより低い、すなわちＰｌｉｍより低いときは通常閉じている。Ｐｌｉｍを超えると、封止部材２４８がポスト２５０から離れることにより、流入流体が圧力調整器２３８に入ることができる。
【００３８】
図１０Ｂは弁２４６の別の実施形態を示す。この構成では、弁２４６は基部２５２に取り付けられた弾性部材２５４を備え、基部２５２は入口（複数可）１７８を画定する。弾性部材２５４は封止端部２５６、ステム２５８およびアンカー端部２６０を有する。アンカー端部２６０は好ましくは基部２５２から突出し、部材２５４を基部２５２に固定する肩部２６２を有する。ステム２５８は基部２５２を通って延在し、封止部材２５６に連結される。封止部材２５６は入口（複数可）１７８を覆い、基部２５２に対して封止してＰｌ ｉ ｍより低い圧力の流入流体の移送を防ぐ。示されたように、封止部材２５６は凹形状を有する。封止部材２５６の形状および厚さにより、開く閾値圧力すなわちＰｌｉｍが決定される。別法として、封止部材２５６は実質的に平坦な形状を有することができる。弁２４６は、閾値圧力すなわちＰｌｉｍ以上で開くように設計された任意の弁であることが可能である。弁２４６の別の例は、図１１Ａに示されたボール弁またはポペット弁である。
【００３９】
図１１Ａは本発明の別の態様を示す。図１０Ａおよび１０Ｂと同様に、この実施形態は圧力調整器２３８および弁２４６を備え、弁２４６は好ましくは安全弁である。しかし弁２４６は高圧ダイヤフラム１７４の下流に配置され、低圧ダイヤフラム１７６および出口１８０における低い出口圧力と流体連通する。また弁２４６は大気または別の圧力源に放出する。出口１８０における出口圧力または圧力調整器内の圧力が不完全真空になる、すなわち大気圧より低い圧力を有する場合、弁２４６が開くことにより空気が圧力調整器に入って不完全真空を打破することができる。不完全真空は、真空を入口１７８で使用して圧力調整器を閉じ、出口１８０が不完全真空にあるときに起きることがある。図１１Ｂに示されたように、図１０Ａに示された弁２４６、ならびに図１０Ｂに示された弁２４６などの異なる弁２４６も使用することができる。
【００４０】
加えて、圧力調整器２３８は、シャトル１７２が低圧ダイヤフラム１７６および高圧ダイヤフラム１７４に固定して取り付けられたときに不完全真空の形成に抵抗できるので、両方のダイヤフラムの可撓性または弾性特性およびシャトル１７２の質量を使用して、圧力調整器２３８の低圧側面上の不完全真空に抵抗する。シャトル１７２ならびにダイヤフラム１７４および１７６は、異なる流体装置に対しても図１３Ａ〜Ｂに示されたシャトルおよびダイヤフラムと同様に一斉に動く。好ましくはシャトル１７２ならびにダイヤフラム１７４および１７６は、互いに永久に取り付けられるか、または互いに一体化して作成される。
【００４１】
また圧力調整器は、手動で開くが、弁を通る流れが一定の閾値より落ちると自動的に遮断される弁に修正することができる。図１２Ａおよび１２Ｂに示されたように、半自動弁２６４はシャトル２６６を有し、シャトル２６６はチャンバ２６８を横切り、バネ２７２によって支持されたまたは付勢されたダイヤフラム２７０に連結する。弁２６４は入口２７８および出口２８０を有し、好ましくはバネ２７２を収納するチャンバはＰｒ ｅ ｆに曝される。Ｐｒｅｆは大気圧であることが可能である。シャトル２６６は縮小した中心部２７４を有し、閉位置では図１２Ａに示されたように、封止部材２７６、２７７によりチャンバ２６８を封止する。閉位置では、流入流体はその圧力に関わらず入口２７８に入ることができないのは、チャンバ２６８がシャトル２６６に封止されるからであり、流入流体はダイヤフラム２７０と流体連通されない。
【００４２】
弁２６４を開くために、使用者はシャトル２６６をその開放端部でダイヤフラム２７０に向かって、縮小した中心部２７４が対向する内部封止部材２７６に配置されるまで押すが、シャトル２６６は外部封止部材２７７に封止されたままである。これがチャンバ２６８および入口２７８を出口２８０と流体連通させることにより、流入流体は図１２Ｂに示されたように弁２６４を通って流れることが可能になる。弁２６４を通る流れが高いままであるか、またはプリセットもしくは所定の閾値レベルを超えたままであってバネ２７２およびダイヤフラム２７０の付勢力に優る限り、弁は開いたままである。それ故弁２６４を開いたままに保つために必要な力または圧力は、バネ２７２およびダイヤフラム２７０の付勢力およびダイヤフラム２７０の面積によって決定される。弁２６４を通る流れの圧力がこの閾値レベルより落ちると、弁２６４は、バネ２７２およびダイヤフラム２７０の作用に起因して自動的に遮断する。
【００４３】
半自動弁２６４の別の型が図１３Ａ〜１３Ｂに示されている。この実施形態では、バネ２７２は除かれており、弁２６４を開いたままに保つための付勢力はダイヤフラム２７０によって提供され、また任意的に第２のダイヤフラム２８２によって提供される。またステム２６６は単純化されている。ステム２６６は第２のダイヤフラム２８２により弁の本体に封止され、図１３Ａに示されたように、内部封止座２８４によりチャンバ２６８を封止する。
【００４４】
弁２６４のこの実施形態は、図１２Ａ〜Ｂに示された方法と実質的に同じ方法で作動する。使用者はステム２６６をダイヤフラム２７０に向かって押すことにより、チャンバ２６８および入口２７８が出口２８０と流体連通することができる。弁２６４を通る流れが高いままであるか、またはプリセットもしくは所定の閾値レベルを超えるままであってダイヤフラム２７０の付勢力に優る限り、弁は開いたままである。この実施形態では、この閾値レベルは、ダイヤフラム２７０および２８２の可撓性またはバネ定数および面積によって決定される。
【００４５】
図１３Ａ〜Ｂに示された弁２６４を、手動でオンされるが弁２６４を通る流れが閾値レベルより落ちると自動的にオフされる、電気スイッチとして使用できる。図１３Ｃ〜Ｄを参照すると、端子２８６および２８８を有する電気スイッチは、その一方が陽極であり、他方が陰極であり、弁２６４の近位、より具体的にはステム２６６の遠位端に位置付けられる。図１３Ｃに示されたように、弁２６４が閉じているとき、端子２８６および２８８は連結されず、これらの端子に連結された電気回路は開いて作動しない。図１３Ｄに示されたように、弁２６４が開くと端子２８６および２８８は連結され、これらの端子に連結された電気回路は閉じて作動する。端子２８６および２８８を、燃料電池回路のためのスイッチ、または燃料電池が電気を供給する電子装置内の回路のためのスイッチとして使用することができるので、燃料電池または電子装置は弁２６４を通る燃料の流れが停止すると遮断される。端子２８６および２８８は絶縁バネ（図示せず）によって個別に付勢されることが可能であるか、または端子２８６および２８８は片持梁であってもよい。
【００４６】
圧力調整器は、これに限定されないが、本明細書に論じられた圧力調整器１６４および２００を含む圧力調整器２３８を含み、図１４Ａおよび１４Ｂに示されたように、バイパス弁２９０と共に使用されることが可能である。流入流体は調整器２３８／バイパス弁２９０に入口１７８から入る。流入流体の圧力が圧力調整器２３８の「クラッキング」圧力より低い、すなわち流入流体の圧力が低いので圧力調整器のダイヤフラムおよびピストン／シャトルを動かして圧力調整器を開けられないとき、流入流体は、図１４Ａに示されたようにバイパス導管２９２に流れ、バイパス弁２９０を通り、バイパス出口２９４を通り出口１８０から出る。
【００４７】
一方、流入流体の圧力が充分に高いので、流入流体、例えば燃料電池燃料を燃料電池に受容できるように調整するべきときは、流入流体は調整器導管２９６および圧力調整器２３８を通って流れ、出口１８０から出る。高圧の流入流体はダイヤフラム２９８を押し、ダイヤフラム２９８は弁ステム３００および弁座３０２をバイパス弁２９０の封止表面３０４を備える封止位置に引き入れる。バイパス弁２９０は通常開いており、弁およびバイパス導管２９２を閉じる閾値力はダイヤフラム２９８のバネ力および面積に依存する。この閾値力に対抗するのは、流入流体の圧力に弁座３０２の有効底面積を掛けた積に等しい力である。流入流体の力がこの閾値力より小さいときは、弁２９０が開くことにより流入流体が圧力調整器２３８を迂回することができる。
【００４８】
別の実施形態では、圧力調整器２３８は上に論じられたようにあらゆる圧力調整器であることが可能であり、燃料電池または燃料電池に電気を供給する電子装置の温度が、装置または燃料電池を遮断することが望ましい一定基準に達したときに、作動不能にさせる、例えば遮断させることができる。図１５Ａ〜Ｃに最も良く示されているように、その形状を一定温度で変化する材料を圧力調整器内に置くことができるので、膨張または変化したときに、材料はシャトル１７２の動きを停止する、またはシャトル１７２を入口１７８もしくは出口１８０に向かって押して入口／出口を封止する。この材料を出口１８０と低圧ダイヤフラム１７６との間の領域３０６、または入口１７８と高圧ダイヤフラム１７４との間の領域３０８、またはシャトル１７２とシャトル筐体１７０との間の領域３１０に置くことができる。適切な温度感知材料は、これに限定されないが、図１５Ｂに示されたように、ニチノールなどの形状記憶合金（ＳＭＡ）を含む。弛緩しているときまたは低温では、ＳＭＡは比較的平坦な、例えば線３１２または線３１４であることが可能であり、かつより太い線、例えば線３１４または線３１６のそれぞれに変化することができる。１つまたは複数のこのようなＳＭＡの線を領域３０６、３０８または３１０に置いて、圧力調整器２３８を温度が再度下がるまで少なくとも一時的にフリーズまたは作動不能にさせることができる。
【００４９】
温度感知材料は、一定温度で液体から気体に代わる液体を保管する弾性または可撓性の袋または容器であることが可能である。図１５Ｃに示されたように、容器３１８は液体を含有しているときは比較的小さい容積を有し、温度が液体の沸点より上昇すると膨張してより大きい容器３２０になる。適切な液体の例は、約６５℃で沸騰するメタノール、および標準気圧において約１００℃で沸騰する水である。ワックスを含む適切な温度で膨張可能な他の例は、米国特許出願公開第２００６／００７１０８８号に完全に開示されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００５０】
本明細書に開示された本発明の例示的実施形態は上記の目的を果たすことが明白であるが、多くの修正形態および他の実施形態が当業者によって考案され得ることが理解される。したがって添付の特許請求の範囲は、すべてのこのような修正形態および実施形態を網羅することが意図され、それらは本発明の精神および範囲内に収まるはずであることが理解されよう。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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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１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【国際調査報告】
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