СОЕДИНИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ ДЛЯ ТРУБОПРОВОДОВ С ТЕКУЧЕЙ СРЕДОЙ, СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И СИСТЕМА ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА, ВКЛЮЧАЮЩАЯ СОЕДИНИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ ДЛЯ ТРУБОПРОВОДОВ С ТЕКУЧЕЙ СРЕДОЙ
COUPLING MECHANISM FOR FLUID MEDIUM PIPELINES, ITS MANUFACTURING METHOD, AND FUEL CELL SYSTEM INCLUDING COUPLING MECHANISM FOR FLUID MEDIUM PIPELINES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к соединительному механизму для трубопроводов с текучей средой, для соединения трубопроводов для протекания текучей среды, способу изготовления такового и системе топливного элемента, в которой соединительный механизм для трубопроводов с текучей средой размещен между топливным контейнером и электрогенераторным устройством.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
На современном уровне техники для соединения трубопроводов для протекания текучей среды были предложены разнообразные типы соединительных приспособлений.
Обычно соединительная муфта имеет конструкцию, каковая раскрыта в японской выложенной патентной заявке № 2004-211818. То есть, в то время, когда трубопроводы не соединены, по меньшей мере один из каналов находится в закрытом состоянии, чтобы предотвратить вытекание текучей среды наружу. Когда трубопроводы соединены, текучая среда может протекать.
Это исполняется путем размещения запорного клапана с одной стороны соединительной муфты и нажимного штифта для выдавливания и открывания запорного клапана на другой стороне соединительной муфты.
Далее, предусматривается уплотнительная прокладка для предупреждения протечки текучей среды наружу во время соединения и фиксаторное устройство для предотвращения легкого разъединения соединительной муфты.
С другой стороны, с использованием технологии машинной обработки изготовили разнообразные типы редукционных клапанов для понижения давления.
Редукционные клапаны могут быть в широком смысле подразделены на тип с активным приводом и тип с пассивным приводом.
Редукционный клапан с активным приводом включает датчик, приводное устройство клапана и контрольный механизм, в котором клапан приводится в действие так, что вторичное давление снижается до уровня заданного давления.
Далее, редукционный клапан с пассивным приводом имеет конструкцию, в которой, когда достигается заданное давление, клапан автоматически открывается и закрывается с использованием разности давлений.
Далее, редукционные клапаны с пассивным приводом приблизительно подразделяются на тип пилотного управления и тип прямого действия.
Редукционный клапан пилотного управления имеет пилотный клапан и характеризуется работой в устойчивом режиме.
Редукционный клапан прямого действия имеет преимущество в отношении высокоскоростного срабатывания. Для редукционного клапана типа пилотного управления, когда в качестве рабочей текучей среды используется газ, чтобы надежно выполнять открывание и закрывание клапана даже при слабом нажимном воздействии сжатой текучей среды, в качестве сенсорного устройства для фиксирования разности давлений часто применяется диафрагма.
Что касается малого редукционного клапана, например, как раскрытого в японской выложенной патентной заявке №2004-031199, предложена конструкция, включающая диафрагму, корпус клапана и шток клапана для непосредственного соединения корпуса клапана и диафрагмы между собой.
В качестве способа изготовления редукционного клапана, имеющего вышеупомянутую конструкцию, известен способ изготовления, как представленный в статье авторов A. Debray et al., J. Micromech. Microeng., том 15, стр.S202-S209, 2005. Способ изготовления отличается тем, что для изготовления миниатюрных механических компонентов применяется технология производства полупроводниковых устройств.
В технологии производства полупроводниковых устройств в качестве материала используется полупроводниковая подложка, и конструкция формируется с использованием такой технологии, как формирование пленки, фотолитография и травление в сочетании друг с другом.
Поэтому обеспечиваются характеристики, при которых возможна тонкая обработка на субмикронном уровне, и массовое производство упрощается благодаря применению периодического процесса.
В частности, редукционный клапан имеет усложненную трехмерную конструкцию, так что для вертикального травления полупроводниковой подложки употребляется реактивное ионное травление индуктивно-связанной плазмой (ICP-RIE), и технология посадки для соединения многочисленных полупроводниковых пластин.
Далее, корпус клапана и седло клапана соединены между собой посредством разрушаемого слоя из оксида кремния или тому подобного. В последней половине процесса разрушаемый слой вытравливается, тем самым обеспечивая возможность освобождения корпуса клапана от седла клапана.
С другой стороны, в качестве источника энергии, устанавливаемого на миниатюрном электрическом оборудовании, привлекает внимание малый топливный элемент. Обоснование того, почему топливный элемент применим в качестве источника энергии для миниатюрного электрического оборудования, состоит в том, что количество энергии, которое может быть подведено в расчете на единицу объема или единицу веса, от нескольких раз до десяти раз превышает таковое от общеупотребительной литий-ионной аккумуляторной батареи.
В частности, в топливном элементе для получения высокой выходной мощности наиболее желательно применение водорода в качестве топлива.
Однако водород является газообразным при нормальной температуре, и требуется технология хранения водорода в малом топливном контейнере при высокой плотности.
Известные примеры технологии хранения водорода включают следующие способы.
Первый способ представляет собой способ, включающий сжатие водорода для сохранения в форме газа под высоким давлением.
3
Когда давление газа в контейнере составляет 200 атм (20,26 МПа), объемная плотность водорода составляет около 18 мг/см.
Второй способ представляет собой способ, включающий содержание водорода при низкой температуре для хранения в форме жидкости.
Для сжижения водорода требуется большое количество энергии, и естественным образом происходят испарение и утечка сжиженного водорода, что создает проблему. Однако этим способом возможно сохранение при высокой плотности.
Третий способ представляет собой способ, включающий применение поглощающего водород сплава для хранения водорода.
В этом способе велик удельный вес поглощающего водород сплава, так что, в единицах веса, существует проблема того, что сохраняемый водород может составлять только около 2 весовых процентов, тем самым делая топливный контейнер более тяжелым. Однако в единицах объема количество сохраняемого водорода велико, так что третий способ является эффективным в плане сокращения габаритов.
В частности, в малом топливном элементе благодаря простоте обслуживания и большому количеству запасаемого водорода на единицу объема часто употребляется третий способ, в котором водород сохраняется в поглощающем водород сплаве.
Когда весь водород в топливном контейнере израсходуется на производство электроэнергии, чтобы продолжать выработку электроэнергии, нужно вновь зарядить контейнер водородом.
Пополнение водорода может быть выполнено в состоянии, когда электрогенераторная часть топливного элемента поддерживается соединенной с топливным контейнером. Однако есть также ситуация, когда пополнение производится в состоянии, где топливный контейнер отсоединяется от электрогенераторной части.
Это обусловливается тем, что, в то время как давление в топливном контейнере является высоким во время зарядки и желательно охлаждать контейнер во время зарядки, нужно предотвратить негативное воздействие колебаний давления и температуры на электрогенераторную часть.
Далее, также из соображений удобства и экономии, чем иметь и содержать множество топливных элементов, скорее желательно иметь дело с большим числом топливных контейнеров и, когда находящийся в работе топливный контейнер пустеет, заменять топливный контейнер новым топливным контейнером.
Таким образом, зачастую применяется способ, в котором между топливным контейнером и электрогенераторной частью топливного элемента устанавливается соединительная муфта, чтобы сделать топливный контейнер съемным.
В качестве вышеописанной соединительной муфты, как представлено, например, в японской выложенной патентной заявке №2004-293777, предложена соединительная муфта, имеющая конструкцию, в которой заглушка и гнездо могут быть отделены друг от друга приложением внешнего усилия.
С другой стороны, производство электроэнергии в топливном элементе с полимерным электролитом происходит следующим образом.
Для полимерной электролитной мембраны часто используется катионообменная смола на основе перфторсульфоновой кислоты.
Например, для вышеописанной пленки хорошо известна смола Nafion, производимая фирмой DuPont.
Мембранный электродный композит, который получается прослаиванием полимерной электролитной мембраны между парой пористых электродов, несущих на себе катализаторы, такие как платина, то есть топливным электродом и окислительным электродом, составляет электрогенераторный элемент.
Что касается электрогенераторного элемента, то в результате подачи окислителя к окислительному электроду и топлива к топливному электроду протон перемещается в полимерной электролитной мембране, тем самым производя генерирование электрической энергии.
Применяется полимерная электролитная мембрана, сохраняющая механическую прочность и обычно имеющая толщину от около 50 до 200 мкм, чтобы предотвратить проникновение сквозь нее топливного газа.
2
2
2
Предел прочности полимерной электролитной мембраны составляет от около 3 до 5 кг/см. Соответственно этому, чтобы предотвратить разрыв пленки вследствие разности давлений, желательно, чтобы разность давлений между камерой окислительного электрода и камерой топливного электрода в топливном элементе регулировалась так, чтобы составлять 0,5 кг/см в нормальном состоянии или быть равной или меньшей, чем 1 кг/см, даже в аварийной ситуации.
В случае, когда разность давлений между топливным контейнером и камерой окислительного электрода является меньшей, чем вышеупомянутая разность давлений, топливный контейнер и камера топливного электрода непосредственно соединяются между собой, и отпадает конкретная необходимость в снижении давления.
Однако в случае, когда камера окислительного электрода открыта для доступа воздуха и топливо подается при высокой плотности, в процессе подачи топлива из топливного контейнера в камеру топливного электрода возникает потребность в снижении давления.
Далее, вышеупомянутый механизм требуется также для стабилизации операций пуска и остановки в производстве электроэнергии и генерируемой энергии.
В японской выложенной патентной заявке №2004-031199 между топливным контейнером и блоком топливного элемента расположен малый клапан, тем самым предохраняя блок топливного элемента от опасности повреждения вследствие большого перепада давления, контролируя запуск и остановку производства электроэнергии и стабилизируя производимую энергию.
В частности, на границе между маршрутом подачи топлива и маршрутом подачи окислителя применяется диафрагма, и она непосредственно соединена с клапаном, тем самым создавая редукционный клапан, который приводится в действие разностью давлений между маршрутом подачи топлива и маршрутом подачи окислителя без употребления электрической энергии и который оптимально контролирует давление топлива, подаваемого в блок топливного элемента.
Японская выложенная патентная заявка №2005-339321 предлагает двойной регулятор давления клапанного типа, имеющий конструкцию, в которой часть, включающая клапан первичного регулирования, и часть, включающая клапан вторичного регулирования, разделены между собой, и одна из частей расположена на стороне топливного контейнера, и другая из таковых размещена на стороне топливного элемента, причем части являются отделяемыми друг от друга.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Однако, согласно общеизвестному примеру, конструкция, расположенная между топливным контейнером и блоком топливного элемента, не всегда является удовлетворительной в качестве соединительной муфты.
Например, общепринятая соединительная муфта, представленная в японской выложенной патентной заявке №2004-211818 или в японской выложенной патентной заявке №2004-293777, не обеспечивает функцию регулирования давления. Поэтому давления в трубопроводах на обеих сторонах являются по существу одинаковыми между собой во время соединения. Таким образом, в случае, когда желательно, чтобы давление было снижено во время соединения для подведения текучей среды при постоянном давлении, требуется, чтобы в маршруте потока был расположен отдельный редукционный клапан.
Далее, в конструкции согласно общеизвестному примеру из японской выложенной патентной заявки №2004-031199 диафрагма (подвижный участок), плунжер (передаточный механизм) и корпус клапана изготовлены все вместе в виде единой цельной детали. Поэтому есть проблема с применением таковой в качестве соединительной муфты путем их разъединения друг от друга. Далее, в конструкции согласно общеизвестному примеру из японской выложенной патентной заявки №2005-339321, часть, включающая клапан первичного регулирования, и часть, включающая клапан вторичного регулирования, разъединены между собой. Конструкция может быть использована в качестве соединительной муфты, имеющей функцию регулирования давления, между топливным контейнером и блоком топливного элемента.
Однако, поскольку часть, включающая клапан первичного регулирования, и часть, включающая клапан вторичного регулирования, разъединены между собой, конструкция является усложненной, и, далее, затруднительно удовлетворение недавней потребности в малогабаритной системе топливного элемента для дальнейшего сокращения размеров.
В частности, в клапане первичного регулирования пружина для закрывания клапана расположена на продолжении оси плунжера и на стороне, противоположной плунжеру относительно корпуса клапана. Таким образом, число слоев редукционного клапана увеличивается, тем самым усложняя конструкцию. Далее, в этом случае, чтобы предотвратить позиционное отклонение корпуса клапана, требуется, чтобы корпус клапана был снабжен направляющей или плунжер был размещен отдельно от пружины. Далее, в малом редукционном клапане затруднительно приводить клапан в действие, поскольку исключительно трудно изготовить подшипник малого размера, поэтому трение в направляющей части является высоким. Далее, конструкция, полученная составлением толстых компонентов, как описано выше, трудна в изготовлении с использованием технологии производства полупроводниковых материалов, преимущественной для сокращения габаритов и массового производства, при операциях травлении или прессования.
В свете вышеупомянутых проблем цель настоящего изобретения состоит в представлении Соединительного механизма для трубопроводов с текучей средой, имеющего более простую конструкцию, тем самым обеспечивая дальнейшее сокращение размеров и действующего как редукционный клапан для снижения давления, способа изготовления такового и системы топливного элемента, включающей соединительный механизм для трубопроводов с текучей средой.
Далее, еще одна цель настоящего изобретения состоит в представлении соединительного механизма для трубопроводов с текучей средой, имеющего более простую конструкцию, тем самым обеспечивая дальнейшее сокращение размеров, действующего как редукционный клапан для снижения давления и также действующего как температурный отсечный клапан, способа изготовления такового и системы топливного элемента, включающей соединительный механизм для трубопроводов с текучей средой.
Чтобы решить вышеупомянутую проблему, настоящее изобретение представляет Соединительный механизм для трубопроводов с текучей средой, скомпонованный, как описано ниже, способ изготовления такового и систему топливного элемента, включающую Соединительный механизм для трубопроводов с текучей средой.
Согласно настоящему изобретению представляется Соединительный механизм для трубопроводов с текучей средой для соединения множества трубопроводов с текучей средой для течения текучей среды, отличающийся тем, что соединительный механизм для трубопроводов с текучей средой включает:
первый компонент, расположенный на одной стороне множества трубопроводов с текучей средой и включающий подвижный участок, составляющий часть регулирующего давление клапана и приводимый в действие разностью давлений;
второй компонент, расположенный на другой стороне множества трубопроводов с текучей средой и включающий механизм открывания и закрывания, который открывается и закрывается под воздействием подвижного участка, составляющего часть регулирующего давление клапана;
передаточный механизм, размещенный по меньшей мере на одном из первого компонента и второго компонента, в котором:
механизм открывания и закрывания включает седло клапана, корпус клапана и опору для поддерживания корпуса клапана;
опора поддерживает корпус клапана так, что корпус клапана и седло клапана могут быть открыты и закрыты относительно друг друга согласно действию подвижного участка, которое передается с помощью передаточного механизма;
опора для поддерживания корпуса клапана изготовлена из эластичного корпуса, который размещен в плоскости, перпендикулярной направлению работы передаточного механизма, и включающего корпус клапана, для поддерживания корпуса клапана;
множество трубопроводов с текучей средой, обеспеченных первым компонентом, и множество трубопроводов с текучей средой, обеспеченных вторым компонентом, которые соединены между собой, тем самым составляя, в той части, где множество трубопроводов с текучей средой соединяются между собой, клапан для регулирования давления, для передачи воздействия подвижного участка на механизм открывания и закрывания через передаточный механизм.
Далее, соединительный механизм для трубопроводов с текучей средой отличается тем, что подвижный участок представляет собой диафрагму.
Далее, соединительный механизм для трубопроводов с текучей средой отличается тем, что клапан для регулирования давления работает как редукционный клапан для снижения давления.
Далее, соединительный механизм для трубопроводов с текучей средой отличается тем, что опора для поддерживания корпуса клапана частично включает участок температурного смещения, которая смещает корпус клапана в закрытое положение при температуре, равной пороговому значению или превышающей таковое.
Далее, соединительный механизм для трубопроводов с текучей средой отличается тем, что участок температурного смещения изготовлен из сплава с эффектом памяти формы.
Далее, соединительный механизм для трубопроводов с текучей средой отличается тем, что участок температурного смещения изготовлен из биметалла.
Далее, соединительный механизм для трубопроводов с текучей средой отличается тем, что клапан для регулирования давления действует как редукционный клапан для снижения давления и также действует как температурный отсечный клапан.
Далее, соединительный механизм для трубопроводов с текучей средой отличается тем, что:
механизм открывания и закрывания изготовлен из упругого материала, имеющего сквозное отверстие, проходящее в направлении, перпендикулярном направлению действия передаточного механизма;
сквозное отверстие открывается и закрывается концевой частью передаточного механизма согласно действию подвижного участка, передаваемому передаточным механизмом.
Далее, соединительный механизм для трубопроводов с текучей средой отличается тем, что по меньшей мере один из первого компонента и второго компонента включает уплотнительную прокладку для предотвращения утечки текучей среды из частей, где множество трубопроводов с текучей средой входит в контакт между собой, когда множество трубопроводов с текучей средой, обеспеченных первым компонентом, и множество трубопроводов с текучей средой, обеспеченных вторым компонентом, соединяются между собой.
Далее, соединительный механизм для трубопроводов с текучей средой отличается тем, что по меньшей мере один из первого компонента и второго компонента включает фиксаторное устройство для поддерживания соединения между множеством трубопроводов с текучей средой, обеспеченных первым компонентом, и множеством трубопроводов с текучей средой, обеспеченных вторым компонентом, когда множество трубопроводов с текучей средой, обеспеченных первым компонентом, и множество трубопроводов с текучей средой, обеспеченных вторым компонентом, соединяются между собой.
Далее, соединительный механизм для трубопроводов с текучей средой отличается тем, что подвижный участок, составляющая часть клапана для регулирования давления и приводимая в действие разностью давлений, механизм открывания и закрывания, который открывается и закрывается под действием подвижного участка, и передаточный механизм изготовлены все из листообразного элемента или пластинчатого элемента, причем подвижный участок, механизм открывания и закрывания и передаточный механизм объединены друг с другом в многоярусную конструкцию, тем самым составляя соединительный механизм.
Далее, согласно настоящему изобретению представляется способ изготовления соединительного механизма для трубопроводов с текучей средой,
соединительного механизма, включающего:
первый компонент, расположенный на одной стороне множества трубопроводов с текучей средой и включающий подвижный участок, составляющий часть регулирующего давление клапана и приводимого в действие разностью давлений;
второй компонент, расположенный на другой стороне множества трубопроводов с текучей средой и включающий механизм открывания и закрывания, который открывается и закрывается под воздействием подвижного участка, составляющий часть регулирующего давление клапана;
передаточный механизм, размещенный по меньшей мере на одном из первого компонента и второго компонента,
причем способ изготовления характеризуется включением стадий:
формирования подвижного участка, размещенного на одной стороне множества трубопроводов с текучей средой, из листообразного элемента или пластинчатого элемента;
формирования передаточного механизма из листообразного элемента или пластинчатого элемента;
формирования седла клапана, корпуса клапана и опоры для поддерживания корпуса клапана из листообразного элемента или пластинчатого элемента, чтобы в совокупности служить в качестве механизма открывания и закрывания, размещенного на другой стороне множества трубопроводов с текучей средой;
формирование уплотнительной прокладки из листообразного элемента или пластинчатого элемента на одной из стороны подвижного участка и стороны механизма открывания и закрывания.
Далее, способ изготовления соединительного механизма для трубопроводов с текучей средой отличается тем, что по меньшей мере часть листообразного элемента или пластинчатого элемента включает полупроводниковую подложку.
Далее, согласно настоящему изобретению представлена система топливного элемента, включающая:
топливный контейнер;
электрогенераторную часть топливного элемента;
соединительный механизм для трубопроводов с текучей средой, который размещен между топливным контейнером и электрогенераторной частью топливного элемента, причем соединительный механизм для трубопроводов с текучей средой характеризуется включением соединительного механизма для трубопроводов с текучей средой согласно любому из вышеупомянутых аспектов или соединительный механизм для трубопроводов с текучей средой, изготовленный по способу изготовления соединительного механизма для трубопроводов с текучей средой согласно одному из вышеупомянутых аспектов.
Согласно настоящему изобретению может быть реализован соединительный механизм для трубопроводов с текучей средой, имеющий более простую конструкцию, тем самым обеспечивающий дальнейшее сокращение габаритов и функционирующий как клапан для регулирования давления, способ изготовления такового и система топливного элемента, включающая соединительный механизм для трубопроводов с текучей средой.
Далее, согласно настоящему изобретению может быть реализован соединительный механизм для трубопроводов с текучей средой, имеющий более простую конструкцию, тем самым обеспечивающий дальнейшее сокращение габаритов и функционирующий как клапан для регулирования давления и также действующий как температурный отсечный клапан, способ изготовления такового и система топливного элемента, включающая соединительный механизм для трубопроводов с текучей средой.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1А и 1В представляют виды в разрезе для иллюстрирования первого конструкционного примера соединительного механизма согласно Примеру 1 настоящего изобретения.
Фиг.2А, 2В и 2С представляют виды для иллюстрирования опоры в первом конструкционном примере соединительного механизма согласно Примеру 1 настоящего изобретения, в которых Фиг.2А представляет вид сверху для иллюстрирования первого варианта осуществления опоры, Фиг.2В представляет вид сверху для иллюстрирования второго варианта осуществления опоры, и Фиг.2С представляет вид сверху для иллюстрирования третьего варианта осуществления опоры.
Фиг.3А и 3В представляют виды в разрезе для иллюстрирования примеров применения в первом конструкционном примере соединительного механизма согласно Примеру 1 настоящего изобретения.
Фиг.4 представляет вид (в закрытом состоянии) для иллюстрирования поверхности давления и поперечного сечения компонентов в первом конструкционном примере соединительного механизма согласно Примеру 1 настоящего изобретения.
Фиг.5 представляет вид в разрезе для иллюстрирования состояния, где клапан открыт, в первом конструкционном примере соединительного механизма согласно Примеру 1 настоящего изобретения.
Фиг.6А и 6В представляют перспективные виды для иллюстрирования первого конструкционного примера соединительного механизма в разобранном состоянии согласно Примеру 1 настоящего изобретения.
Фиг.7А и 7В представляют виды для иллюстрирования еще одного конструкционного примера подвижного участка соединительного механизма согласно Примеру 1 настоящего изобретения, в которых Фиг.7А представляет вид сбоку в разрезе еще одного конструкционного примера подвижного участка, и Фиг.7В представляет вид снизу такового.
Фиг.8А и 8В представляют виды для иллюстрирования еще одного конструкционного примера фиксаторного устройства соединительного механизма согласно Примеру 1 настоящего изобретения, в котором Фиг.8А представляет вид, иллюстрирующий конструкцию со стороны, имеющей подвижный участок, и Фиг.8В представляет вид, иллюстрирующий конструкцию со стороны, имеющей клапанную часть.
Фиг.9А, 9В, 9С, 9D, 9E и 9F представляют блок-схему процесса для иллюстрирования стадий изготовления соединительного механизма, имеющего подвижный участок, согласно Примеру 2 настоящего изобретения.
Фиг.10G, 10H, 10I, 10J и 10К представляют блок-схему процесса для иллюстрирования стадий изготовления, последующих за таковыми из Фиг.9А, 9В, 9С, 9D, 9E и 9F, соединительного механизма, имеющего подвижный участок, согласно Примеру 2 настоящего изобретения.
Фиг.11L, 11M, 11N, 11O, 11P и 11Q представляют блок-схему процесса для иллюстрирования стадий изготовления, последующих за таковыми из Фиг.10G, 10H, 10I, 10J и 10К, соединительного механизма, имеющего подвижный участок, согласно Примеру 2 настоящего изобретения.
Фиг.12А и 12В представляют виды в разрезе для иллюстрирования второго конструкционного примера соединительного механизма согласно Примеру 3 настоящего изобретения.
Фиг.13 представляет вид в разрезе для иллюстрирования соединенного состояния второго конструкционного примера соединительного механизма согласно Примеру 3 настоящего изобретения.
Фиг.14 представляет вид в разрезе для иллюстрирования состояния, где клапан открыт, во втором конструкционном примере соединительного механизма согласно Примеру 3 настоящего изобретения.
Фиг.15 представляет вид в разрезе еще одного варианта осуществления передаточного механизма второго конструкционного примера соединительного механизма согласно Примеру 3 настоящего изобретения.
Фиг.16А и 16В представляют перспективные виды, иллюстрирующие в разобранном состоянии клапан для регулирования давления соединительного механизма согласно Примеру 3 настоящего изобретения при рассмотрении со стороны сквозного отверстия.
Фиг.17А и 17В представляют перспективные виды, иллюстрирующие конструкции топливного контейнера и электрогенераторной части топливного элемента согласно Примеру 4 настоящего изобретения.
Фиг.18 представляет схематический перспективный вид топливного элемента в состоянии, где топливный контейнер и электрогенераторная часть топливного элемента соединены между собой согласно Примеру 4 настоящего изобретения.
Фиг.19 представляет схематическую диаграмму системы топливного элемента согласно Примеру 4 настоящего изобретения.
5
Фиг.20 представляет таблицу для иллюстрирования давления диссоциации поглощающего водород сплава (LaNi) в системе топливного элемента согласно Примеру 4 настоящего изобретения.
Фиг.21 представляет вид для иллюстрирования взаимного расположения соединительного механизма согласно Примеру 4 настоящего изобретения.
НАИЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Наилучшие варианты исполнения настоящего изобретения будут описаны с помощью нижеследующих примеров.
Пример 1
В Примере 1 будет приведено описание первого конструкционного примера соединительного механизма, к которому применимо настоящее изобретение.
Фиг.1А и 1В показывают виды в разрезе для иллюстрирования конструкции соединительного механизма согласно этому примеру.
На Фиг.1А и 1В представлена диафрагма 1, служащая в качестве подвижного участка, плунжер 2, служащий в качестве передаточного механизма, седло 3 клапана, формирующее клапанную часть корпуса 4 клапана, опора 5, уплотнение 6, уплотнительная прокладка 10 и фиксаторное устройство 11.
В этом примере одна сторона соединительного механизма включает диафрагму 1, служащую в качестве подвижного участка, плунжер 2, служащий в качестве передаточного механизма, уплотнительную прокладку 10, фиксаторное устройство 11, которые соединены с одной стороной множества трубопроводов.
С другой стороны, другая сторона соединительного механизма этого примера включает седло 3 клапана, формирующую клапанную часть, корпус 4 клапана, опору 5 и уплотнение 6, которые должны быть соединены с еще одной стороной множества трубопроводов.
В этом случае опора 5 сформирована траверсой, имеющей эластичность (упругий элемент), и расположена в плоскости, перпендикулярной направлению действия передаточного механизма 2, и включает корпус 4 клапана. Например, опора 5 может быть скомпонована согласно первому варианту осуществления, как иллюстрировано на Фиг.2А, или второму варианту осуществления, как иллюстрировано на Фиг.2В. Далее, в третьем варианте осуществления, как иллюстрировано на Фиг.2С, корпус 4 клапана может поддерживаться опорой 5 и участком 50 температурного смещения.
В этом случае участок 50 температурного смещения может быть сформирована из сплава с эффектом памяти формы, такого как титано-никелевый сплав.
Сплав с эффектом памяти формы из титано-никелевого сплава может быть сформирован путем металлизации напылением.
Участок 50 температурного смещения подвергается упругой деформации при нормальной температуре и не проявляет пружинных характеристик вышеупомянутой опоры 5. Таким образом, может быть обеспечено функционирование в виде нормального редукционного клапана.
Когда температура вокруг редукционного клапана недопустимо повышается и становится равной заранее заданной температуре или превышает таковую, сплав с эффектом памяти формы в участке 50 температурного смещения деформируется так, что выгибается в сторону седла 3 клапана, тем самым прижимая корпус 4 клапана к седлу 3 клапана, достигая таким образом закрытого состояния.
В диапазоне, где температура является более низкой, чем пороговое значение, участок 50 температурного смещения не исполняет свою функцию. Поэтому, как в случае с нормальным редукционным клапаном, обеспечивается скорость потока, в то же время оставаясь на уровне вторичного давления.
Далее, когда температура повышается и превышает пороговое значение, сплав с эффектом памяти формы в участке 50 температурного смещения срабатывает, приподнимая вверх корпус 40 клапана, тем самым позволяя клапану закрыться и исполняя функцию температурного отсечного клапана.
Напротив, когда температура становится ниже, чем пороговое значение, клапан функционирует как нормальный редукционный клапан для снижения давления. В результате клапан может использоваться в обратимом режиме.
Как описано выше, при размещении участка 50 температурного смещения, сформированного из сплава с эффектом памяти формы, в редукционном клапане, когда температура является более низкой, чем пороговая температура, клапан может действовать как редукционный клапан, и когда температура равна пороговой температуре или превышает таковую, клапан может работать как температурный отсечной клапан. В результате может быть обеспечено функционирование клапана с более высокой надежностью.
В этом случае показан пример, в котором для участка 50 температурного смещения используется сплав с эффектом памяти формы, однако для достижения такого же эффекта может быть применен материал (например, биметалл), смещающийся в зависимости от температуры.
Далее, в этом случае иллюстрирован пример, в котором опора 5 и участок 50 температурного смещения расположены так, что они отделены друг от друга. Однако для опоры 5 может быть применен деформируемый в зависимости от температуры материал, с использованием металлического материала, имеющего пружинные характеристики.
Согласно этому примеру передаточный механизм 2, уплотнительная прокладка 10 и фиксаторное устройство 11 могут быть размещены на любой из сторон, как имеющей подвижный участок, так и имеющей клапанную часть.
Например, как иллюстрировано на Фиг.1А и 1В, таковые могут быть расположены на стороне, имеющей подвижный участок. Альтернативно, как показано на Фиг.3А и 3В, таковые могут быть размещены на стороне, имеющей клапанную часть. В чертежах такими же кодовыми номерами, как таковые на Фиг.1А и 1А, обозначены те же конструкционные элементы.
Далее, трубопроводы на стороне диафрагмы 1 (подвижного участка) соединены с маршрутом течения, позиционированным на нижней правой стороне диафрагмы 1 (подвижного участка), иллюстрированной на Фиг.1А. Обычно верхняя часть диафрагмы 1 (подвижного участка) контактирует с атмосферой.
С другой стороны, трубопроводы соединительного механизма, имеющего клапанную часть, соединены с таковой из нижней части корпуса 4 клапана, показанной на Фиг.1В.
С привлечением Фиг.4 и 5 будет описано действие редукционного клапана согласно этому примеру.
Фиг.4 представляет вид в разрезе соединительного механизма этого примера в состоянии соединения. Соединительный механизм, имеющий диафрагму (подвижный участок), и соединительный механизм, имеющий клапанную часть, соединены друг с другом и застопорены фиксаторным устройством 11.
Далее, на поверхности контакта уплотнительная прокладка 10 предотвращает утечку текучей среды изнутри наружу.
Подвижный участок 1 и корпус 4 клапана расположены напротив друг друга и разделены плунжером 2 (передаточным механизмом). Однако плунжер 2 (передаточный механизм) не обязательно находится в контакте как с подвижным участком 1, так и с корпусом 4 клапана.
Далее, как иллюстрировано на Фиг.8, для фиксаторного устройства 11 может быть использована пружина, но, например, в контактные части соединительного механизма во время соединения встроены магниты так, что соединенное состояние может поддерживаться силой притяжения между магнитами.
В частности, с использованием электромагнитов, применяя катушки в качестве магнитов, соединением и разъединением можно управлять с помощью электрического сигнала.
Далее, при использовании магнитов для фиксаторного устройства и исполнительного механизма, включающего пьезоэлектрический элемент или тому подобный, для рассоединения и соединения, может быть реализован механизм, в котором электрическая энергия используется только для операций соединения или рассоединения, и в обычных условиях электрическая энергия не требуется.
0
1
2
1
2
0
2
Давление в верхней части диафрагмы 1 (подвижного участка) обозначено как Р, первичное давление выше по потоку относительно клапана обозначено как Р, вторичное давление ниже по потоку относительно клапана обозначено как Р, площадь корпуса 4 клапана обозначена как S, и площадь диафрагмы 1 (подвижного участка) обозначена как S. Диафрагма 1 (подвижный участок) приводится в действие разностью давлений (Р-Р).
1
2
1
0
2
2
2
2
2
В этом случае условие, при котором благодаря выравниванию давлений клапан открыт, как иллюстрировано на Фиг.5, представлено как (Р-Р)S<(Р-Р)S. Когда давление Р является более высоким, чем давление согласно этому условию, клапан закрывается, и когда давление Р является более низким, чем давление согласно этому условию, клапан открывается. В результате давление Р может поддерживаться постоянным.
Путем регулирования площади корпуса клапана 4 и площади диафрагмы 1 (подвижного участка), длины плунжера 2 (передаточного механизма), толщины диафрагмы 1 (подвижного участка) и формы траверс опоры 5, могут быть оптимально настроены давление и расход потока, при которых клапан открывается и закрывается.
В частности, в случае, где динамическая жесткость диафрагмы 1 (подвижного участка) является большей, чем динамическая жесткость опоры 5, давление, при котором клапан открывается, зависит от диафрагмы 1 (подвижного участка).
Напротив, в случае, где динамическая жесткость опоры 5 является более высокой, чем динамическая жесткость диафрагмы 1 (подвижного участка), поведение клапана зависит от опоры 5.
2
Далее, вторичное давление Р варьирует соответственно разности между длиной плунжера 2 (передаточного механизма) и расстоянием от диафрагмы 1 (подвижного участка) до корпуса 4 клапана во время соединения.
2
2
То есть чем больше длина плунжера 2 (передаточного механизма) по сравнению с расстоянием от диафрагмы 1 (подвижного участка) до корпуса 4 клапана, тем выше становится вторичное давление Р. Чем меньше длина плунжера 2 (передаточного механизма) по сравнению с расстоянием от диафрагмы 1 (подвижного участка) до корпуса 4 клапана, тем ниже становится вторичное давление Р.
2
С другой стороны, в случае, где давление Р ниже по потоку относительно клапана является более высоким, чем заданное давление, диафрагма 1 (подвижный участок) выгибается вверх и клапан закрывается.
В это время корпус 4 клапана и плунжер 2 (передаточный механизм) не соединены между собой, так что корпус 4 клапана останавливается, когда корпус 4 клапана приходит в контакт с седлом 3 клапана, и диафрагмой 1 (подвижным участком) перемещается только плунжер 2 (передаточный механизм).
Также в случае, где, как иллюстрировано на Фиг.3А и 3В, передаточный механизм 2 является соединенным в одну деталь с корпусом 4 клапана и отделенным от подвижного участка 1, принцип действия является таким же, как таковой в конструкции, иллюстрированной на Фиг.1А и 1В.
Соединительный механизм этого примера может быть изготовлен с использованием технологии станочной обработки, например, следующим образом.
Фиг.6А и 6В представляют в разобранном состоянии перспективные виды в случае, когда Соединительный механизм этого примера рассматривается со стороны корпуса 4 клапана. Соединительный механизм сконструирован путем составления в стопу элементов, сформированных обработкой листообразного элемента или пластинчатого элемента. На Фиг.6А и 6В представлены подвижный участок 1, передаточный механизм 2, седло 3 клапана, корпус 4 клапана, опора 5, зажимная пластина 7, выходной проточный канал 8, уплотнительная прокладка 10 и фиксаторное устройство 11.
Во-первых, для диафрагмы 1 (подвижного участка) может быть использован эластичный материал, такой как каучук Viton и силиконовый каучук, металлический материал, такой как нержавеющая сталь и алюминий, пластмассы и тому подобные.
Например, в случае, где в качестве материала для диафрагмы 1 (подвижного участка) применяется нержавеющая сталь, передаточный механизм может быть объединен в одной детали с таковой путем травления, обрезания и тому подобного.
Альтернативно, как иллюстрировано в разрезе на виде сбоку и на виде снизу на Фиг.7А и 7В, соответственно, диафрагма 1 (подвижный участок) может быть подразделена на механизм в виде пластинчатой пружины, имеющей фигурный профиль, и эластичную пленку для обеспечения воздухонепроницаемости.
При такой компоновке может быть повышена степень свободы для конструирования диафрагмы 1 (подвижного участка) в плане эластичности таковой.
Пластинчатый пружинный механизм может быть изготовлен путем травления металлического материала, такого как нержавеющая сталь. С другой стороны, в качестве материала может быть использована пленка, лист, сделанный из силиконового каучука, фторированного каучука Viton, полиимида или тому подобного.
Далее, пространство под диафрагмой 1 (подвижным участком) и проточным каналом, через который проходит плунжер 2 (передаточный механизм), может быть сформировано путем станочной обработки или вытравливанием нержавеющей стали.
Для соединения этих деталей может быть применено жидкое клеевое средство. Однако для соединения деталей может быть употреблен лист (листовой термоклей), который расплавляется при нагревании и застывает при охлаждении, чтобы упростить обработку и сборку. Листовой термоклей включает такой, в котором применяется материал на основе полиолефина, и такой, в котором клеевое средство нанесено на субстрат из полиэтилентерефталата (РЕТ), тем самым обеспечивая возможность применения полиэтилентерефталатного (РЕТ) субстрата в качестве конструкционного материала.
Например, последний листовой термоклей может быть применен следующим образом. Пластинчатую пружинную конструкцию, показанную на Фиг.7А и 7В, изготавливают выштамповкой из металла. Затем готовят полиэтилентерефталатный (РЕТ) субстрат с толщиной 0,1 мм, снабженный листовым термоклеем, имеющий адгезивный слой на одной поверхности субстрата. Затем полиэтилентерефталатный (РЕТ) субстрат и пластинчатую пружинную конструкцию подвергают горячему прессованию, благодаря чему диафрагма 1 (подвижный участок) и плунжер 2 (передаточный механизм) формируются в виде единой цельной детали.
Альтернативно, в качестве элемента, имеющего выходной проточный канал 8, изготавливают полиэтилентерефталатный (РЕТ) субстрат с толщиной 0,1 мм, снабженный листовым термоклеем, имеющий адгезивный слой на обеих сторонах субстрата. Полиэтилентерефталатный (РЕТ) субстрат размещают между верхним элементом и нижним элементом конструкции. Затем весь пакет элементов подвергают горячему прессованию, тем самым соединяя верхний и нижний элементы.
Седло 3 клапана и опора 5 могут быть обработаны так, чтобы соединить их между собой в цельную деталь. Альтернативно, опора 5 может быть сформирована из иного материала заблаговременно с последующим приклеиванием к седлу 3 клапана.
Для изготовления может быть использована механическая станочная обработка, такая как резка, травление или тому подобное.
Покрытие из герметизирующего материала для седла 3 клапана или для корпуса клапана может быть выполнено путем испарения полипараксилиленового состава на основе фторсодержащего материала с образованием «парилена», или тому подобного, или нанесением силиконового каучука, полиимида или фторсодержащего материала путем покрытия методом центрифугирования или напыления. Далее, может быть приклеен или напрессован такой каучуковый материал, как силиконовый каучук и листовой каучук Viton.
Для уплотнительной прокладки 10 может быть использовано кольцевое уплотнение из резинового материала, тефлона (зарегистрированный товарный знак Teflon) или тому подобного.
Фиксаторное устройство 11 может быть сделано в виде цельной детали с элементом входной части маршрута течения или может быть изготовлено отдельно с последующим приклеиванием к таковому или свинчиванием с таковым.
Из способов изготовления способ, в котором конструкционный элемент изготавливается выштамповыванием из металла, и затем конструкционный элемент соединяется с помощью листового термоклея, является наилучшим с точки зрения сокращения размеров, спрессовывания и сборки.
В плане стоимости желательно, чтобы уплотнительная секция герметизировалась путем отверждения каучукового материала.
Конкретный пример изготовления описан ниже. Наружный размер Соединительного механизма принят равным 8×8 мм.
Во-первых, изготавливается соединительный механизм на стороне, имеющей подвижный участок.
Прижимную пластину 7 изготавливают путем формирования отверстия, имеющего диаметр 3,6 мм, в пластине из нержавеющей стали, имеющей толщину 0,3 мм, с использованием травления.
Затем диафрагму 1 (подвижный участок) формируют из двух элементов, в которых в качестве эластичного листа используют лист из фторированного каучука Viton, имеющий толщину 0,3 мм.
Далее, элементы, показанные в Фиг.7А и 7В, могут быть совместно изготовлены путем травления нержавеющей стали так, что пластинчатая пружинная секция имеет толщину 0,05 мм, и секция плунжера 2 (передаточного механизма) представляет собой столбчатый выступ, имеющий диаметр 0,26 мм и длину 0,35 мм.
Фактически травление нержавеющей стали является изотропным. Поэтому плунжер 2 (передаточный механизм) формируется с конической формой.
Проточный канал под диафрагмой 1 (подвижным участком) формируют с использованием пластинки из нержавеющей стали, имеющей толщину 0,05 мм и снабженной отверстием, имеющим диаметр 3,6 мм. Элемент, имеющий входной проточный канал, может быть изготовлен путем травления пластинки из нержавеющей стали, имеющей толщину 0,15 мм и снабженной канавкой для уплотнительной прокладки и проточным каналом.
Уплотнительную прокладку 10 формируют путем отверждения каучукового материала (с толщиной 0,05 мм).
Фиксаторное устройство 11 формируют из пластинчатой пружины из нержавеющей стали.
Затем изготавливают соединительный механизм на стороне, имеющей клапанную часть.
Седло 3 клапана получают так, что на пластинке из нержавеющей стали, имеющей толщину 0,15 мм, в центре таковой формируется отверстие, имеющее диаметр 0,4 мм, и протравливанием пластинки из нержавеющей стали на глубину 0,05 мм формируется выступ с оставлением буртика вокруг отверстия, имеющего ширину 0,1 мм.
С другой стороны, корпус клапана и опору 5 получают следующим образом. Корпус 4 клапана, имеющий диаметр 1 мм, формируют в центре пластинки из нержавеющей стали, имеющей толщину 0,3 мм, и опору формируют травлением для достижения формы, иллюстрированной на Фиг.2В так, что получается ширина 0,1 мм и толщина 0,05 мм.
Седло 3 клапана и корпус 4 клапана снабжают покрытием из «парилена» методом вакуумного осаждения, служащим в качестве уплотнительного материала 6, так, что получается толщина 0,01 мм.
Редукционный клапан соединительного механизма, изготовленного, как описано выше, позволяет поддерживать вторичное давление на уровне около 0,8 атм (0,081 МПа) (абсолютное давление), когда атмосферное давление составляет около 1 атм (0,1013 МПа) (абсолютное давление).
В частности, наружный размер соединительного механизма составляет 8 мм на 8 мм, и толщина около 1 мм во время соединения. То есть, может быть получен предельно миниатюрный соединительный механизм.
Далее, часть элементов или все таковые, описанные в этом примере, могут быть изготовлены с использованием технологии производства полупроводниковых материалов, описанной для применения в нижеследующих примерах.
Пример 2
В Примере 2 будет приведено описание способа обработки для изготовления соединительного механизма, имеющего конструкцию согласно Примеру 1, с использованием полупроводниковой подложки по технологии производства полупроводниковых материалов.
Размеры элементов соединительного механизма, изготовленного в этом примере, могут быть подобраны, например, следующим образом. Однако размеры могут быть изменены в соответствии с конструкцией.
Диафрагма (подвижный участок) может иметь диаметр 3,6 мм и толщину 40 мкм. Плунжер (передаточный механизм) может иметь диаметр 260 мкм и длину от 200 до 400 мкм. Проточный канал, через который проходит плунжер, может иметь диаметр 400 мкм.
Выступающая часть может иметь ширину 20 мкм, высоту 10 мкм и толщину уплотнительного слоя 5 мкм. Корпус клапана может иметь диаметр 1000 мкм и толщину 200 мкм. Опора может иметь длину 1000 мкм, ширину 200 мкм и толщину 10 мкм.
Далее будет приведено описание способа изготовления соединительного механизма, имеющего подвижный участок.
Фиг.9А-9F, 10G-10К и 11L-11Q иллюстрируют стадии изготовления соединительного механизма по вышеупомянутому способу изготовления.
Первая стадия, показанная в Фиг.9А, представляет процесс травления с шаблоном маски.
В качестве первой кремниевой пластины 101 может быть использована кремниевая пластина, отполированная с одной стороны таковой, но желательно использовать кремниевую пластину, отполированную с обеих сторон таковой.
Далее, в последующих процессах травления, чтобы контролировать глубину протравливания, желательно применять пластину из кремния на изоляторе (SOI, КНИ).
Например, употребляют кремниевую пластину, имеющую толщину обрабатываемого слоя 200 мкм, толщину оксидного слоя (ВОХ-слой) 1 мкм и толщину рабочего слоя 40 мкм.
Чтобы создать маску, используемую для травления, поверхность первой пластины 101 подвергают термическому окислению.
В печи, нагретой примерно до температуры 1000°С, создают поток водорода и кислорода в заранее заданном количестве, тем самым формируя оксидный слой на поверхности пластины.
Затем, чтобы выполнить травление из двух стадий в этом процессе и последующем процессе, формируют маску, имеющую двухслойную структуру, образованную из слоя оксида кремния и фоторезиста. Фоторезист наносят методом покрытия центрифугированием, подвергают предварительному отверждению и затем экспонируют светом для получения рисунка для изготовления передаточного механизма 115. Далее производят проявление и последующую термическую обработку.
В то время как фоторезист употребляется в качестве маски, оксидный слой протравливается фтористоводородной (плавиковой) кислотой.
Далее, формируют рисунок маски, используемой для образования проточного канала на нижней поверхности диафрагмы 111 (подвижного участка).
То есть наносят фоторезист путем покрытия центрифугированием, подвергают предварительной термической обработке и затем экспонируют светом. Далее выполняют проявление и последующую термическую обработку. В этом примере для маски двух стадий используют фоторезист и слой оксида кремния. Однако вместо таковых могут быть использованы слои оксида кремния, имеющие различные толщины, альтернативно может быть применен слой алюминия.
Вторая стадия, иллюстрированная на Фиг.9В, представляет собой процесс формирования проточного канала на нижней поверхности диафрагмы 111 (подвижного участка) с помощью реактивного ионного травления индуктивно связанной плазмой (ICP-RIE).
Глубина протравливания контролируется согласно периоду времени травления. В этом случае производится травление примерно на 100 мкм. Наконец, маску из фоторезиста удаляют ацетоном. Третья стадия, иллюстрированная на Фиг.9С, представляет собой процесс изготовления передаточного механизма 115.
Пластину протравливают с использованием метода реактивного ионного травления индуктивно связанной плазмой (ICP-RIE). Глубину протравливания можно контролировать согласно периоду времени травления или, как показано на Фиг.9С, в качестве слоя, ограничивающего травление, употребляют оксидный слой (ВОХ-слой) пластины из кремния на изоляторе (SOI).
Далее, слой оксида кремния, использованный в качестве маски, удаляют плавиковой кислотой.
Четвертая стадия, иллюстрированная на Фиг.9D, представляет собой процесс прямого связывания пластин.
В качестве второй кремниевой пластины предпочтительно используют пластину, отполированную с обеих сторон таковой. В качестве кремниевой пластины, например, может быть применена кремниевая пластина, имеющая толщину 300 мкм.
Затем первую пластину 101 и вторую пластину 102 подвергают SPM-очистке (очистке в смеси раствора пероксида водорода в воде и серной кислоты, нагретой до температуры 80°С) и затем очистке разбавленной плавиковой кислотой.
Первую пластину 101 и вторую пластину 102 складывают в стопку друг на друга и подвергают сдавливанию с усилием около 1500 Н. В то же время образец нагревают в течение трех часов до температуры 1100°С. Нагретый образец выдерживают в течение четырех часов. После этого проводят отпуск путем самопроизвольного охлаждения.
Пятая стадия, иллюстрированная на Фиг.9Е, представляет собой процесс формирования передаточного механизма 115.
На заднюю сторону пластины методом покрытия центрифугированием наносят фоторезист, и проводят предварительную термическую обработку, и затем экспонируют светом. С использованием метода реактивного ионного травления индуктивно связанной плазмой (ICP-RIE) выполняют травление с образованием передаточного механизма 115.
Шестая стадия, иллюстрированная на Фиг.9F, представляет собой процесс формирования уплотнительной прокладки 120. Создается выходной проточный канал 118. Покрытие может быть произведено для Соединительного механизма, имеющего подвижный участок, или Соединительного механизма, имеющего клапанную часть.
Примеры покровного материала включают парилен, фторуглеродный полимер Cytop, политетрафторэтилен (PTFE) и полиимид.
Покрытие может быть выполнено из парилена, или политетрафторэтилена (PTFE) путем вакуумного осаждения, или из материала Cytop, или полиимида с помощью нанесения покрытия центрифугированием.
Иным образом, нежели таковые, также возможно нанесение покрытия набрызгиванием.
Затем будет приведено описание способа изготовления Соединительного механизма, имеющего клапанную часть.
Седьмая стадия, иллюстрированная на Фиг.10G, представляет собой процесс проведения термического окисления третьей пластины 103.
В качестве пластины желательно использовать пластину, отполированную с обеих сторон таковой. Далее, в последующих процессах травления, чтобы контролировать глубину вытравливания, желательно применять пластину с кремнием на изоляторе (SOI).
В качестве кремниевой пластины, например, может быть использована кремниевая пластина, имеющая обрабатываемый слой толщиной 1 мкм, оксидный слой (ВОХ-слой) толщиной 1 мкм, рабочий слой толщиной 10 мкм.
Термическое окисление производят путем пропускания заранее заданного количества потока водорода и кислорода в печь, нагретую до температуры около 1000°С.
Восьмая стадия, иллюстрированная на Фиг.10Н, представляет собой процесс изготовления маски для формирования проточного канала.
Оксидный слой на задней поверхности защищают фоторезистом, формируя рисунок оксидного слоя на передней поверхности.
На переднюю поверхность пластины методом покрытия центрифугированием наносят фоторезист, проводят предварительную термическую обработку и затем экспонируют светом. Далее проводят проявление и последующую термическую обработку.
Фоторезист применяют как маску для травления оксидного слоя плавиковой кислотой, тем самым формируя рисунок для создания проточного канала.
После нанесения рисунка фоторезист на передней поверхности и задней поверхности удаляют ацетоном.
Девятая стадия, иллюстрированная на Фиг.10I, представляет собой процесс формирования проточного канала.
Травление проводят с использованием метода реактивного ионного травления индуктивно связанной плазмой (ICP-RIE).
Десятая стадия, иллюстрированная на Фиг.10J, представляет собой процесс изготовления маски для формирования седла клапана 112.
Формируют рисунок оксидного слоя на задней поверхности пластины. Методом покрытия центрифугированием наносят фоторезист на заднюю сторону пластины, проводят предварительное отверждение и затем экспонируют светом.
Далее проводят проявление и последующую термическую обработку. Фоторезист используют в качестве маски для травления оксидного слоя плавиковой кислотой, тем самым формируя рисунок для создания седла клапана 112.
После создания рисунка фоторезист удаляют ацетоном.
Одиннадцатая стадия, иллюстрированная на Фиг.10К, представляет собой процесс формирования седла клапана 112.
Травление проводят с использованием метода реактивного ионного травления индуктивно-связанной плазмой (ICP-RIE). Наконец, оксид кремния (Si), использованный в качестве маски, удаляют плавиковой кислотой.
Двенадцатая стадия, иллюстрированная на Фиг.11L, представляет собой процесс проведения термического окисления четвертой пластины 104.
Может быть использована пластина, полированная с одной стороны таковой, но желательно применять пластину, отполированную с обеих сторон.
Далее, в последующих процессах травления, чтобы контролировать глубину вытравливания, желательно применять пластину с кремнием на изоляторе (SOI).
Может быть использована, например, кремниевая пластина, имеющая обрабатываемый слой толщиной 150 мкм, оксидный слой (ВОХ-слой) толщиной 1 мкм, рабочий слой толщиной 10 мкм. Термическое окисление производят путем пропускания заранее заданного количества потока водорода и кислорода в печь, нагретую до температуры около 1000°С.
Тринадцатая стадия, иллюстрированная на Фиг.11М, представляет собой процесс изготовления маски для формирования корпуса клапана 113.
Оксидный слой на передней поверхности пластины защищают фоторезистом. После этого создают рисунок оксидного слоя на задней стороне таковой.
На переднюю поверхность пластины методом покрытия центрифугированием наносят фоторезист, проводят предварительную термическую обработку и затем экспонируют светом. Далее выполняют проявление и последующую термическую обработку.
Фоторезист используют в качестве маски для травления оксидного слоя плавиковой кислотой, тем самым создавая рисунок для формирования корпуса клапана 113.
После создания рисунка фоторезист с передней поверхности и задней поверхности удаляют ацетоном.
Четырнадцатая стадия, иллюстрированная на Фиг.11N, представляет собой процесс формирования корпуса клапана 113.
На заднюю сторону пластины методом покрытия центрифугированием наносят фоторезист, проводят предварительную термическую обработку и затем экспонируют светом. Травление выполняют с использованием метода реактивного ионного травления индуктивно связанной плазмой (ICP-RIE).
Пятнадцатая стадия, иллюстрированная на Фиг.11О, представляет собой процесс изготовления маски для формирования опоры 114.
Формируют рисунок оксидного слоя на передней поверхности пластины. Методом покрытия центрифугированием наносят фоторезист на переднюю сторону пластины, проводят предварительное отверждение и затем экспонируют светом.
Далее проводят проявление и последующую термическую обработку. Фоторезист используют в качестве маски для травления оксидного слоя плавиковой кислотой, тем самым формируя рисунок для опоры 114.
После создания рисунка фоторезист удаляют ацетоном. Затем проводят травление методом реактивного ионного травления индуктивно связанной плазмой (ICP-RIE).
Наконец, оксид кремния (Si), использованный в качестве маски, удаляют плавиковой кислотой.
Шестнадцатая стадия, иллюстрированная на Фиг.11Р, представляет собой процесс формирования покрытия уплотнительной поверхности. Наносят уплотнительный материал 116.
Покрытие может быть выполнено на стороне корпуса клапана, как иллюстрировано в Фиг.11Р, или может быть нанесено на стороне седла клапана.
Примеры материала покрытия включают парилен, фторуглеродный полимер Cytop, политетрафторэтилен (PTFE) и полиимид.
Покрытие может быть выполнено из парилена или политетрафторэтилена (PTFE) путем вакуумного осаждения, или из материала Cytop, или полиимида с помощью нанесения покрытия центрифугированием. Иным образом, нежели таковые, также возможно нанесение покрытия набрызгиванием.
Семнадцатая стадия, иллюстрированная на Фиг.11Q, представляет собой процесс сборки. Создается входной проточный канал 117.
Элемент, имеющий диафрагму 111 (подвижный участок) и седло 112 клапана, изготовленные в стадиях от первой стадии до шестой стадии, и элемент, имеющий корпус 113 клапана, изготовленный в стадиях от седьмой стадии до одиннадцатой стадии, накладывают один на другой, тем самым завершая формирование малого редукционного клапана.
В этом примере связывание выполняют с использованием способа диффузионного связывания для кремния. Может быть применен способ, включающий заблаговременное формирование металлических пленок на соединяемых поверхностях и выполнение связывания с помощью металлических пленок, или клеевого средства, или тому подобных.
Пример 3
В Примере 3 будет приведено описание второго примера конструкции Соединительный механизм.
Фиг.12А и 12В показывают виды в разрезе для иллюстрирования примера конструкции согласно этому примеру.
На Фиг.12А и 12В представлена диафрагма 201, служащая в качестве подвижного участка, плунжер 202, служащий в качестве передаточного механизма, упругий элемент 203, сквозное отверстие 204, уплотнительная прокладка 210 и фиксаторное устройство 211.
Одна сторона соединительного механизма согласно этому примеру включает диафрагму 201, служащую в качестве подвижного участка, плунжер 202, служащий в качестве передаточного механизма, уплотнительную прокладку 210 и фиксаторное устройство 211, которые присоединены к трубопроводам на другой стороне трубопроводов.
Далее, другая сторона соединительного механизма согласно этому примеру включает клапанную часть 200, соединенную с еще одним трубопроводом и сформированную из упругого элемента 203, снабженного сквозным отверстием 204.
С привлечением Фиг.13 и 14 будет приведено описание действия редукционного клапана этого примера.
Фиг.13 представляет вид в разрезе соединительного механизма этого примера во время соединения.
Соединительный механизм, имеющий диафрагму (подвижный участок), и соединительный механизм, имеющий клапанную часть, соединены между собой со стопорением с помощью фиксаторного устройства 211.
Далее, на контактной поверхности уплотнительная прокладка 210 предотвращает утечку текучей среды изнутри наружу.
Сквозное отверстие 204 в нормальном состоянии закрыто. Концевая часть передаточного механизма 202 нажимает, расширяя сквозное отверстие, тем самым обеспечивая открывание клапана.
Форма концевой части передаточного механизма может представлять собой коническую форму, как показано на Фиг.12. Альтернативно, как иллюстрировано на Фиг.15, концевая часть передаточного механизма может дополнительно иметь прорезь 205 в боковой поверхности такового.
Будет описано действие редукционного клапана этого примера.
0
1
2
Давление в верхней части диафрагмы 201 (подвижного участка) обозначено как Р, первичное давление выше по потоку относительно клапана обозначено как Р, и давление ниже по потоку относительно клапана обозначено как Р.
2
0
Когда давление Р является более высоким, чем давление Р, диафрагма 201 (подвижный участок) выгибается вверх, и сквозное отверстие 204 закрывается благодаря эластичности клапанной части 200 так, что клапан находится в закрытом состоянии.
2
0
С другой стороны, когда давление Р является более низким, чем давление Р, диафрагма 201 (подвижный участок) выгибается вниз, и передаточный механизм 202 надавливает и расширяет отверстие 204 клапанной части 200. Поэтому, как показано на Фиг.14, клапан открывается.
2
В результате давление Р может поддерживаться постоянным. Путем регулирования площади и толщины диафрагмы 201 (подвижного участка), длины передаточного механизма 202 и толщины и упругости клапанной части 200 давление и расход потока, при которых клапан открывается и закрывается, могут быть оптимально настроены.
Редукционный клапан этого примера может быть изготовлен с использованием технологии станочной обработки следующим образом.
Фиг.16А и 16В представляют в разобранном состоянии перспективные виды, иллюстрирующие редукционный клапан соединительного механизма этого примера при рассмотрении со стороны сквозного отверстия.
Во-первых, в качестве материала диафрагмы 201 (подвижного участка), иного, нежели такой эластичный материал, как каучук Viton и силиконовый каучук, может быть использован металлический материал, такой как нержавеющая сталь и алюминий. Представлены передаточный механизм 202, упругий элемент 203, сквозное отверстие 204, зажимная пластина 207, выходной проточный канал 208, уплотнительная прокладка 210 и фиксаторное устройство 211.
Например, в случае, где в качестве материала диафрагмы 201 (подвижного участка) применяется нержавеющая сталь, передаточный механизм может быть объединен с таковой в цельной детали с помощью травления, резки или тому подобного.
В качестве материала клапанной части 200 может быть использован эластичный материал, такой как каучук Viton или силиконовый каучук.
Пример 4
В Примере 4 будет приведено описание малого топливного элемента с полимерным электролитом, на котором смонтирован соединительный механизм согласно настоящему изобретению и который производит электрическую энергию на уровне от нескольких милливатт до нескольких сотен милливатт.
Фиг.17А и 17В представляют собой перспективные виды топливного контейнера и электрогенераторной части топливного элемента согласно этому примеру.
Далее, Фиг.18 представляет схематический перспективный вид топливного элемента в состоянии, где топливный контейнер и электрогенераторная часть топливного элемента соединены друг с другом.
Далее, Фиг.19 представляет схематическую диаграмму системы топливного элемента согласно Примеру 4 настоящего изобретения. На Фиг.17А, 17В, 18 и 19 одинаковыми кодовыми номерами обозначены одинаковые элементы и представлены блоки топливных элементов 1011, электроды 1012, вентиляционные отверстия 1013, топливный контейнер 1014, соединительный механизм 1015, окислительные электроды 1016, полимерные электролитные мембраны 1017 и топливные электроды 1018.
Наружный размер топливного элемента составляет 50×30×10 мм, каковой по существу является таким же, как для литий-ионного аккумулятора, обычно используемого для компактной цифровой камеры. Как описано выше, топливный элемент согласно этому примеру является малым и имеет интегральную конструкцию, тем самым обеспечивая легкий монтаж внутри мобильного устройства.
Далее, топливный элемент согласно этому примеру потребляет кислород, используемый в качестве окислителя для реакции, из окружающего воздуха, так что топливный элемент снабжен вентиляционными отверстиями 1013 на верхней поверхности, нижней поверхности и боковых поверхностях для поступления окружающего воздуха.
Далее, вентиляционные отверстия 1013 также дают возможность удаления образующейся воды в виде водяного пара и отведения наружу теплоты, генерированной в ходе реакции.
Далее, внутренняя часть топливного элемента включает блоки топливного элемента 1011, каждый из которых включает окислительный электрод 1016, полимерную электролитную мембрану 1017 и топливный электрод 1018, топливный контейнер 1014 и соединительный механизм 1015 для соединения топливного контейнера 1014 с топливным электродом 1016 каждого из блоков топливного элемента 1011.
Соединительный механизм 1015 не только обеспечивает рассоединение между топливным контейнером 1014 и электрогенераторной частью топливного элемента, но также исполняет, во время удаления, функцию запорного клапана для предотвращения утечки топлива наружу и перекрывания доступа окружающего воздуха внутрь топливного контейнера 1014.
Далее, во время соединения соединительный механизм 1015 исполняет функцию редукционного клапана для регулирования давления топлива, подводимого из топливного контейнера 1014.
Затем будет приведено описание топливного контейнера 1014 согласно этому примеру.
Внутренняя часть контейнера заполнена поглощающим водород сплавом, способным сохранять водород. Полимерная электролитная мембрана, используемая для топливного элемента, выдерживает давление до уровня от 0,3 до 0,5 МПа. Поэтому необходимо, чтобы топливный элемент использовался в пределах диапазона разностей давлений относительно окружающего воздуха 0,1 МПа или меньше.
5
В качестве поглощающего водород сплава, имеющего характеристики выделения водорода под давлением 0,2 МПа при нормальной температуре, применяется, например, LaNi.
3
Когда емкость топливного контейнера составляет половину общей емкости топливного элемента, толщина топливного контейнера равна 1 мм, и материал такового представляет собой титан, вес топливного контейнера составляет около 50 г, и объем такового равен 5,2 см.
В случае, где в вышеупомянутом топливном контейнере размещен сорбирующий водород материал, имеющий характеристики выделения водорода под давлением, превышающим 0,2 МПа при нормальной температуре, необходимо предусматривать средство снижения давления между топливным контейнером 1014 и топливным электродом 1018.
5
5
Например, сплав LaNi может поглощать и выделять 1,1 весового процента водорода на единицу веса. Давления диссоциации сплава LaNi при каждой температуре являются такими, как иллюстрировано на Фиг.20.
Соединительный механизм 1018 снижает давление водорода, сохраняемого в топливном контейнере, и подает его к топливным электродам 1018.
Далее, окружающий воздух подводится через вентиляционные отверстия 1013 к окислительным электродам 1016. Электрическая энергия, генерируемая блоками топливного элемента, подается на малое электрическое оборудование с электродов 1012.
Фиг.21 представляет соотношение, иллюстрирующее случай, где соединительный механизм согласно настоящему изобретению смонтирован на топливном элементе.
Сторона соединительного механизма 1015, имеющая клапанную часть, соединена с топливным контейнером 1014.
С другой стороны, выходной проточный канал 1019 стороны соединительного механизма, имеющей подвижный участок 1, соединен с топливным электродом 1018. Поверхность диафрагмы 1 (подвижного участка), которая противоположна поверхности выходного проточного канала 1019, находится в контакте с окислительным электродом (окружающий воздух).
Далее будет описано действие, которое сопровождается генерированием электроэнергии в топливном элементе.
Во время удаления топливного контейнера и во время прекращения выработки электроэнергии клапанная часть соединительный механизм 1015 находится в закрытом состоянии.
Когда начинается генерирование электроэнергии, топливо в камере топливного электрода расходуется и давление топлива в камере топливного электрода падает.
Диафрагма 1 (подвижный участок) выгибается в сторону камеры топливного электрода благодаря разности давлений между давлением окружающего воздуха и давлением в камере топливного электрода. Корпус клапана 4 затем выдавливается вниз плунжером 2 (передаточным механизмом) так, что клапанная часть открывается. В результате топливо подается из топливного контейнера 1014 к топливным электродам 1018.
Когда давление в камере топливного электрода восстанавливается, диафрагма 1 (подвижный участок) выдавливается вверх и соединительный механизм 1015 закрывается.
Эта заявка испрашивает приоритет японской патентной заявки №2006-232807, поданной 29 августа 2006 года.