СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАПРАВКИ ТОПЛИВНЫХ КОНТЕЙНЕРОВ
METHOD AND DEVICE FOR FUELLING FUEL CONTAINERS

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к топливным контейнерам для топливных элементов, в частности настоящее изобретение относится к перезаправляемым топливным баллончикам.
Предпосылки изобретения
Топливные элементы - это устройства, непосредственно преобразующие химическую энергию реагентов, т.е. топлива и окислителя, в электрическую энергию постоянного тока. Для все большего числа применений топливные элементы являются более эффективными, чем обычное генерирование энергии, например, при сгорании ископаемого топлива, и более эффективными, чем портативное аккумулирование энергии, например ионно-литиевые батареи.
2
3
4
3
Обычно технологии топливных элементов включают самые разные топливные элементы, например щелочные топливные элементы, топливные элементы с полимерным электролитом, фосфорнокислые топливные элементы, топливные элементы с плавленым карбонатом, топливные элементы на твердом оксиде и ферментные топливные элементы. Топливные элементы, которые на сегодняшний день представляют наибольшую важность, можно разбить на три общие категории, а именно: топливные элементы, в которых в качестве топлива используется сжатый водород (H), топливные элементы с протонообменной мембраной (ПОМ), в которых используется метанол (СНОН), борогидрид натрия (NaBH), углеводороды (например, бутан) или другие топлива, риформированные в водородное топливо, и топливные элементы с ПОМ, в которых в качестве топлива используется непосредственно метанол (СНОН) ("топливные элементы непосредственно на метаноле" или ТЭНМ). Сжатый водород обычно поддерживается под высоким давлением, и поэтому с ним трудно обращаться. Кроме того, обычно требуются большие баки для хранения, которые невозможно сделать достаточно малогабаритными для использования в потребительских электронных устройствах. Обычные топливные элементы на продуктах риформинга требуют риформинг-установок и иных испарительных и вспомогательных систем для преобразования топлив в водород для реакции с окислителем в топливном элементе. Последние достижения делают топливные элементы на продуктах риформинга перспективными для потребительских электронных устройств. ТЭНМ, в котором метанол реагирует с окислителем непосредственно в топливном элементе, представляет собой простейший и потенциально наименьший топливный элемент и является также перспективным в энергетическом отношении для использования в потребительских электронных устройствах.
ТЭНМ для относительно более крупногабаритных случаев применения обычно имеет вентилятор или компрессор для подачи окислителя, обычно воздуха или кислорода, на электрод-катод, насос для подачи смеси воды и метанола на электрод-анод и мембранно-электродное устройство (МЭУ). МЭУ обычно включает катод, ПОМ и анод. При работе жидкая топливная смесь воды и метанола подается непосредственно на анод, а окислитель - на катод. Электрохимическая реакция на каждом электроде и общая реакция для топливного элемента непосредственно на метаноле описываются следующим образом:
Реакция на аноде:
3
2
2
+
-
СНОН+НО→СО+6H+6е
Реакция на катоде:
2
2
+
-
O+4H+4е→2НО
Общая реакция топливного элемента:
3
2
2
2
СНОН+1,5О→СО+2НО
+
-
Из-за миграции ионов водорода (H) через ПОМ из анода через катод и из-за неспособности свободных электронов (е) проходить через ПОМ эти электроны должны проходить по внешней цепи, что создает во внешней цепи электрический ток. Внешней цепью могут быть любые полезные потребительские электронные устройства, например мобильные или сотовые телефоны, калькуляторы, персональные цифровые ассистенты и дорожные компьютеры и др. ТЭНМ описан в патентах США №5992008 и 5945231, которые полностью включаются ссылкой в эту заявку. Обычно ПОМ изготовлена из полимера, например Nafion, выпускаемого корпорацией «Дюпон», который представляет собой перфторированный материал толщиной примерно от 0,05 мм примерно до 0,50 мм, или других приемлемых мембран. Анод обычно выполнен в виде опоры из обработанной тефлоном (политетрафторэтиленом) копировальной бумаги с осажденным на ней тонким слоем катализатора, например платины-рутения. Катодом обычно служит газодиффузионный электрод, в котором с одной стороны мембраны связаны частицы платины.
Реакция в элементе для топливного элемента на продукте риформинга борогидрида натрия:
4
2
2
2
NaBH(водный)+2НО→(тепло или катализатор)→4(H)+(NaBO)(водный)
+
-
Н2→2Н+2е(на аноде)
+
-
2
2
2(2H+2е)+O→2НО (на катоде).
2
2
К числу приемлемых катализаторов относятся среди других металлов платина и рутений. Водородное топливо, полученное риформингом борогидрида натрия, реагирует в топливном элементе с окислителем, например О, с получением электрической энергии (или потока электронов) и побочного продукта - воды. В процессе риформинга получается еще один побочный продукт - борат натрия (NaBO). Топливный элемент на борогидриде натрия рассмотрен в опубликованной патентной заявке США №2003/0082427, которая ссылкой включается в настоящую заявку.
Одной из важных особенностей применения топливных элементов является хранение топлива. Другая важная особенность - регулирование подачи топлива из топливного баллончика в МЭУ. Для того чтобы выпускаться в промышленных масштабах, топливные элементы, например, системы ТЭНМ должны обладать способностью хранить достаточное количество топлива для удовлетворения обычных требований потребителей. Например, для мобильных или сотовых телефонов, ноутбуков и персональных цифровых ассистентов топливные элементы должны питать эти устройства, по меньшей мере, в течение того же времени, что и нынешние элементы питания, и предпочтительно намного дольше. Кроме того, топливные элементы должны иметь легко заменяемые или перезаправляемые источники топлива, чтобы свести к минимуму или избавить от необходимости длительных перезарядок, которые требуются для сегодняшних перезаряжаемых аккумуляторных батарей.
Приемлемыми источниками топлива могут быть одноразовые или перезаправляемые баллончики. В случае одноразовых баллончиков потребитель должен иметь достаточное количество запасных топливных баллончиков для каждого электронного устройства. При отсутствии правильного запасного баллончика подать топливо в топливный элемент невозможно. Кроме того, после опорожнения этих топливных баллончиков перезаправить их нельзя, и их просто выбрасывают.
Перезаправляемые топливные баллончики устраняют необходимость выбрасывать пустые баллончики. Однако желательно иметь возможность перезаправлять эти топливные баллончики простым и эффективным способом и возможность перезаправлять пустые баллончики на месте без необходимости их изъятия из электронного устройства. Кроме того, желательно иметь систему для передачи топлива из топливного баллончика в электронном устройстве в топливный баллончик или внутреннюю топливную камеру во втором электронном устройстве. При этом топливом в разных электронных устройствах можно обмениваться. Приемлемые системы заправки и передачи топлива будут выполнены такими, чтобы их можно было использовать для самых разнообразных топливных баллончиков.
Краткое описание изобретения
Настоящее изобретение относится к заправочной системе или заправочному устройству для передачи топлива из одного источника топлива в другой или из источника топлива непосредственно во внутреннюю камеру или баллончик, помещенные в электронном устройстве. Источником топлива может быть автономный топливный контейнер, другой топливный баллончик или внутренняя топливная камера, расположенная внутри другого электронного устройства, или неиспользуемый (запасной) топливный баллончик.
В одном варианте осуществления заправочная система содержит первую топливную камеру, предназначенную для подачи топлива в первый топливный элемент в первом электронном устройстве через первый топливный соединитель. Кроме того, заправочная система содержит второе электронное устройство, имеющее второй топливный элемент и вторую топливную камеру. Ко второй топливной камере подсоединен второй топливный соединитель, выполненный так, чтобы подсоединяться к первому топливному соединителю для передачи топлива из первой топливной камеры во вторую. Топливные соединители предпочтительно представляют собой клапанные соединители, и при этом топливные соединители обеспечивают герметизацию для источника топлива, топливных баллончиков или камер, когда они рассоединены.
В другом варианте осуществления заправочное устройство содержит переходник, предназначенный для подсоединения источника топлива к перезаправляемому топливному баллончику или топливной камере. Переходник содержит входной соединитель для подсоединения переходника к источнику топлива и выходной соединитель для подсоединения переходника к топливному баллончику или камере. Переходник можно выполнить как пассивное устройство для использования с источниками топлива под давлением и гравитационными системами подачи или как активное устройство, в котором используется система насосов и клапанов.
В активной системе переходник содержит по меньшей мере один насос, сообщающийся с входным и выходным соединителями. Насос предназначен для передачи топлива из источника топлива в перезаправляемый топливный баллончик или камеру. Насос может быть ручным/механическим или электрическим. Кроме того, переходник может содержать один или несколько клапанов между соединителями, предназначенных для избирательной остановки или регулирования потока топлива из источника топлива в топливный баллончик или камеру. В дополнение к внутренним клапанам, оба - входной и выходной - соединители могут быть половиной двухкомпонентной клапанной системы. Соответствующие вторые половины двухкомпонентной клапанной системы крепятся к источнику топлива и перезаправляемому топливному баллончику или камере.
Заправочное устройство может также содержать необходимые источники питания и регуляторы для управления работой переходника и управления насосами и клапанами. Эти источники питания и регуляторы могут находиться в первом электронном устройстве, во втором электронном устройстве или в переходнике. Все эти компоненты могут сообщаться между собой посредством электрических контактов. Заправочное устройство может также содержать систему контроля топлива, предназначенную для адекватной и правильной заправки топливной камеры. Вся система может выполняться рассчитанной на ручную или автоматическую работу, а состояние системы может индицироваться на дисплее, установленном на переходнике, электронном устройстве или баллончике.
Краткое описание графического материала
На прилагаемых чертежах, которые являются неотъемлемой частью настоящего описания и должны рассматриваться вместе с ним, для обозначения одинаковых деталей на разных видах используются одинаковые позиции:
Фиг.1 представляет вид в плане одного варианта осуществления предлагаемой заправочной системы.
Фиг.2 представляет собой общий вид другого варианта осуществления предлагаемой заправочной системы.
На фиг.3 приведено схематическое представление варианта осуществления убирающегося соединителя в убранном положении для использования в заправочной системе.
На фиг.4 приведено схематическое представление убирающегося соединителя в выпущенном положении.
На фиг.5 приведено схематическое представление варианта осуществления распределителя для использования в заправочной системе.
На фиг.6 приведено схематическое представление еще одного варианта осуществления заправочной системы, имеющей переходник.
Фиг.7 представляет вид в плане еще одного варианта осуществления переходника для использования в заправочной системе.
На фиг.8 приведено схематическое представление еще одного варианта осуществления переходника для использования в заправочной системе.
На фиг.9 приведено схематическое представление еще одного варианта осуществления заправочной системы.
На фиг.10 приведено схематическое представление еще одного варианта осуществления переходника для использования в заправочной системе.
На фиг.11 приведено схематическое представление еще одного варианта осуществления переходника для использования в заправочной системе.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Настоящее изобретение относится к системе, предназначенной для использования при заправке или перезаправке источников топлива, и может использоваться с самыми разнообразными топливными баллончиками, которые хранят топлива для топливных элементов, в том числе метанол и воду, смесь метанола и воды, смеси метанола и воды разных концентраций или чистый метанол. Эти топливные баллончики могут содержать и другие виды топлива для топливных элементов, например этанол или другие химические вещества, которые могут улучшить характеристики или кпд топливных элементов. Приемлемые топливные баллончики раскрыты и описаны в также находящейся в настоящее время на рассмотрении патентной заявке США, озаглавленной «Топливный баллончик для топливных элементов», поданной 31 января 2003 г., №10/356793, и в также находящейся в настоящее время на рассмотрении патентной заявке США этого же заявителя, озаглавленной «Топливный баллончик с гибкой камерой», поданной 29 июля 2003 г., №10/629004. Описания заявок №10/356793 и 10/629004 данной ссылкой полностью включаются в настоящее описание.
Термин «топливо», используемый в тексте настоящего описания, охватывает все виды топлива, которые могут реагировать в топливных элементах, и охватывает все перечисленные выше приемлемые топлива, жидкости, химические вещества и их смеси. Топливный баллончик может содержать другие виды топлива для топливных элементов, например этанол или другие спирты, химические вещества, которые путем риформинга можно преобразовать в водород, или другие химические вещества, которые могут улучшить характеристики или кпд топливных элементов. К числу приемлемых топлив относится и электролит гидроксида калия (КОН), который используется с топливными элементами на металлах или щелочными топливными элементами и может храниться в источниках топлива. В случае топливных элементов на металлах топливо находится в виде частиц цинка, переносимых текучей средой, погруженных в электролитический реакционный раствор КОН, а аноды в полостях элемента представляют собой аноды, образованные из частиц цинка. Электролитический раствор КОН описан в опубликованной патентной заявке США №2003/0077493, озаглавленной «Способ использования системы топливного элемента, выполненной для запитывания одной или нескольких нагрузок», опубликованной 24 апреля 2003 г., которая данной ссылкой полностью включается в настоящее описание.
4
Топлива включают также смесь метанола, пероксида водорода и серной кислоты, протекающую по катализатору, образованному на силиконовой крошке, для вызывания реакции в топливном элементе. Дополнительные топлива включают водный борогидрид натрия (NaBH) и воду, как упоминалось выше. Кроме того, топлива включают углеводородные топлива, описанные в опубликованной патентной заявке США №2003/0096150, озаглавленной «Устройство топливного элемента с жидким устройством сопряжения», опубликованной 22 мая 2003 г., которая данной ссылкой полностью включается в настоящее описание. Настоящее изобретение, таким образом, не ограничивается каким-либо конкретным исполнением топливного баллончика или каким-либо конкретным видом топлив или жидкостей, содержащихся в баллончике.
При отсутствии иных указаний термин «источник топлива», используемый в тексте настоящего описания, охватывает среди прочих баллончик, топливный баллончик, топливный контейнер, топливные емкости, топливный резервуар, топливный перезаправляемый резервуар, топливную камеру, в том числе перезаправляемую топливную камеру, находящуюся внутри электронного устройства, и другие контейнеры, которые хранят топливо. Термин «источник топлива» включает также источники топлива с одним или несколькими отделениями, а также источники топлива, которые содержат один или несколько видов топлива. «Источник топлива» может быть большим или небольшим и может иметь несколько подсоединений текучей среды. Термин «баллончик» или «топливный баллончик» включает среди прочего баллончик, топливный баллончик, одноразовые баллончики, перезаправляемые баллончики, баллончики повторного использования, баллончики, которые находятся внутри электронного устройства, баллончики, которые находятся снаружи электронных устройств. Термин «топливная камера» включает «баллончик» или «топливный баллончик» и любую внутреннюю камеру, в том числе перезаправляемую камеру, внутри устройства, предназначенного для хранения топлива.
Предлагаемый источник топлива можно использовать и для хранения топлив, которые не используются в топливных элементах. К числу этих применений относится среди прочих хранение углеводов и водородных топлив для микрогазотурбинного двигателя, работающего на силиконовой крошке, рассмотренного в статье "Here Come the Microengines" («А вот и микродвигатели»), опубликованной в журнале The Industrial Physicist (декабрь 2001 г./январь 2002 г.), стр.20-25. К числу других применений относится хранение традиционных топлив для двигателей внутреннего сгорания и углеводов, например бутана, для карманных и бытовых зажигалок, и жидкого пропана.
Если обратиться вначале к фиг.1 и 2, настоящее изобретение относится к заправочной системе 10, которая содержит первый источник топлива 12, предназначенный для подачи топлива в первый топливный элемент 13, находящийся в первом электронном устройстве 11. Хотя на фиг.2 источник топлива 12 показан как топливный баллончик 12 и далее по тексту упоминается как топливный баллончик 12, можно использовать любой источник топлива, предназначенный для удерживания или хранения топлива для топливного элемента. Первый топливный баллончик 12 может представлять собой контейнер под давлением и не под давлением. Для того чтобы подавать топливо в первый топливный элемент 13, первый топливный баллончик 12 имеет соединитель 9. Первое электронное устройство 11 может представлять собой любое потребительское электронное устройство, выполненное с таким расчетом, чтобы питаться от первого топливного элемента 13. К примерам приемлемых потребительских электронных устройств относятся среди прочих дорожные компьютеры или карманные микрокалькуляторы, сотовые телефоны, персональные цифровые ассистенты, системы передачи текстовых сообщений, механизированные инструменты, переносные магнитофоны /радиоприемники/, проигрыватели компакт-дисков, карманные электрические фонари, часы и электронные игрушки.
Предпочтительно первое электронное устройство 11 выбирается так, чтобы первый топливный баллончик 12 имел относительно большую емкость, например дорожный компьютер, в котором первый топливный баллончик 12 может иметь размеры, сравнимые с обычными аккумуляторными батареями для дорожного компьютера. Электронные устройства, имеющие относительно большие топливные баллончики, например дорожный компьютер, можно использовать для перезаправки меньших топливных баллончиков, и небольшие баллончики можно было бы опорожнять в более крупные баллончики для транспортировки, переработки, утилизации или в иных экологических целях. Такое исполнение устраняет также необходимость носить с собой отдельный контейнер специально для хранения запасного топлива, поскольку топливные баллончики можно использовать непосредственно с топливным элементом или в качестве запасного источника топлива. Первый топливный баллончик 12 можно извлекать из первого электронного устройства 11 или постоянно закрепить в нем.
Кроме того, заправочная система 10 содержит второе электронное устройство 18, выполненное таким образом, чтобы получать питание от находящегося в нем второго топливного элемента 16. Приемлемыми вторыми электронными устройствами 18 являются те же, что и для первого электронного устройства 11. Второе электронное устройство 18 содержит внутреннюю перезаправляемую топливную камеру 14, сообщающуюся по текучей среде со вторым топливным элементом 16 для подачи в него топлива. Таким образом, топливный элемент 16 подает необходимое питание в электронное устройство 18, используя топливо, подаваемое топливной камерой 14. Предпочтительно второе электронное устройство 18 выбирается так, чтобы внутренняя топливная камера 14 имела меньший объем, чем первый топливный баллончик 12.
В одном варианте осуществления внутренняя топливная камера 14 представляет собой второй топливный баллончик. Второй топливный баллончик является перезаправляемым и может извлекаться из второго электронного устройства 18 или постоянно крепиться в нем и перезаправляться с помощью перезаправочного клапана, открытого к наружной стороне электронного устройства. Обычно пустые топливные баллончики извлекаются из электронного устройства и заменяются новыми. Второй топливный баллончик предлагается перезаправлять и не выбрасывать. В одном варианте осуществления второй топливный баллончик извлекается из электронного устройства 18 и перезаправляется топливом. После перезаправки второй топливный баллончик снова вставляется в электронное устройство 18.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения топливная камера 14 перезаправляется на месте, т.е. перезаправка осуществляется без изъятия из электронного устройства. Для того чтобы облегчить перезаправку на месте, топливная камера 14 содержит соединитель или перезаправочный соединитель 20. Соединитель 20 выходит из топливной камеры 14, может быть выполнен как охватывающий или охватываемый соединитель и установлен доступным через электронное устройство 18. Этот доступ может обеспечиваться через отверстие или порт в электронном устройстве 18, которое или который открывает перезаправочный соединитель 20. Предпочтительно соединитель 20 выполнен заподлицо с наружной поверхностью 15 второго электронного устройства 18. В одном варианте осуществления, как показано на фиг.1, соединитель 20 предназначен для подсоединения к соединителю 9 первого топливного баллончика для передачи топлива из первого топливного баллончика 12 в топливную камеру 14 на месте. В этом варианте осуществления первый топливный баллончик 12 перед подсоединением ко второму электронному устройству 18 извлекается из первого электронного устройства 11. Таким образом, соединитель 9 первого топливного баллончика используется для подачи топлива для первого топливного элемента 13 и для перезаправки топливной камеры 14.
Как правило, топливным баллончиком 12 может источник топлива, предназначенный для питания электронных устройств и перезаправки других топливных баллончиков и камер. Дополнительно, для перезаправки более крупного топливного баллончика или камеры можно использовать один или несколько меньших источников топлива.
Как показано, соединитель 9 первого топливного баллончика представляет собой охватываемый соединитель, а соединитель 20 топливной камеры - охватывающий соединитель. Топливо самотеком или под давлением протекает из первого топливного баллончика 12 во внутреннюю топливную камеру 14. Давление можно подавать вручную, сдавливая первый баллончик, если наружный корпус баллончика выполнен относительно гибким. Во избежание нежелательной утечки топлива из первого топливного баллончика 12 или из внутренней топливной камеры 14 до того, как установится надежный контакт между соединителем 9 первого топливного баллончика и соединителем 20 топливной камеры, в соединителе 9 первого топливного баллончика и соединителе 20 топливной камеры можно предусмотреть обратные клапаны, ручные или подпружиненные крышки или иные уплотнения. При этом поток топлива из первого топливного баллончика 12 во внутреннюю топливную камеру 14 не установится, пока не установится надежный контакт между соединителем 9 первого топливного баллончика и соединителем 20 топливной камеры. Такие клапаны, компоненты клапанов, уплотнения и крышки раскрыты в также находящейся в настоящее время на рассмотрении патентной заявке США того же заявителя, озаглавленной "Топливный баллончик с соединительным клапаном", поданной 29 июля 2003 г., №10/629006. Описание из этой патентной заявки данной ссылкой полностью включено в настоящее описание. Факультативно, подсоединение клапанов может подтверждаться электронным образом для гарантии того, что перед началом потока топлива клапаны или компоненты клапанов надежно соединены.
Как показано на фиг.2, в другом варианте осуществления первый топливный баллончик 12 может использоваться для перезаправки внутренней камеры 14 без извлечения первого топливного баллончика 12 из электронного устройства 11. В этом варианте осуществления первый топливный баллончик 12 дополнительно содержит второй соединитель 17. Как и в случае соединителя 9 первого топливного баллончика второй соединитель 17 предназначен для подсоединения к соединителю 20 топливной камеры и может быть охватываемым или охватывающим соединителем.
С точки зрения как функционального назначения, так и эстетики, желательно, чтобы соединители не выступали из первого топливного баллончика 12 или второго электронного устройства 18. В одном варианте осуществления соединитель 9 первого топливного баллончика, второй соединитель 17 или соединитель 20 топливной камеры могут выполняться как убирающийся соединитель 30. Как показано на фиг.3 и 4 для второго соединителя, убирающийся соединитель 30 находится в убранном положении заподлицо с краем 32 топливного баллончика 12. Поворотом выдвижного соединителя в направлении стрелки А убирающийся соединитель перемещается в выпущенное положение. Убирающийся соединитель 30 может также конструктивно выполняться так, чтобы в выпущенном положении его внутренний проход был открыт, а в убранном положении закрыт, обеспечивая уплотнение или действуя подобно клапану для второго соединителя 17. Хотя показанный как поворотная конструкция убирающийся соединитель 30 может быть любой конструкции, позволяющей убирать в положении заподлицо с краем 32, в том числе скользящие, складывающиеся или телескопические конструкции.
Соединитель 9 первого топливного баллончика, второй соединитель 17 и соединитель 20 топливной камеры могут выполняться в виде сопрягающихся двухкомпонентных клапанных систем, как раскрыто в заявке №10/629006. Каждый компонент клапана способен обеспечить уплотнение. В одном варианте осуществления соединитель 9 первого топливного баллончика или второй соединитель 17 представляет собой одну половину двухкомпонентного клапана, а соединитель 20 топливной камеры - дополняющую половину двухкомпонентного клапана. В дополнение к обеспечению возможности соединения и сообщения по текучей среде между первым топливным баллончиком 12 и внутренней камерой 14 эти половины клапана уплотняют первый топливный баллончик 12 и внутреннюю топливную камеру 14, когда те не соединены. Приемлемые двухкомпонентные клапаны полностью раскрыты в рассмотренной выше патентной заявке №10/629006. Эти двухкомпонентные клапаны могут выполняться уникальными так, чтобы подходили друг другу только конкретные половины. Эту уникальность можно использовать для обеспечения способа гарантии, что к внутренним топливным контейнерам будут подходить только нужные топливные баллончики. Альтернативно, половины клапана могут быть универсальными, сборного типа.
Первый топливный баллончик 12 можно использовать для перезаправки более чем одного баллончика или внутренней топливной камеры 14. Предпочтительно первый топливный баллончик 12 можно использовать для одновременной заправки нескольких баллончиков или внутренних топливных камер 14, находящихся в нескольких вторых электронных устройствах 18. Как показано на фиг.5, для подсоединения первого топливного баллончика 12 к нескольким внутренним камерам 14 предусмотрен распределитель 19. Распределитель 19 имеет по меньшей мере один вход 21, предназначенный для подсоединения к соединителю 9 первого топливного баллончика или второму соединителю 17, и несколько выходов 23, предназначенных для подсоединения к одному из нескольких соединителей 20 топливных камер. Приемлемыми соединениями для входа 21 и выходов 23 распределителя являются те же, что и для соединителя 9 первого топливного баллончика, второго соединителя 17 и соединителя 20 топливной камеры, рассмотренные выше. Как правило, можно использовать любой вид соединения, способного обеспечить достаточное прикрепление и уплотнение между первым топливным баллончиком 12, распределителем 19 и топливными камерами 14, в том числе соединения прессовой посадкой, резьбовые соединения, фитинги для соединения без вращения и т.п.В одном примере первый топливный баллончик 12 представляет собой относительно большой источник топлива, подсоединенный к входу 21 распределителя, а несколько электронных устройств подсоединены к выходам 23 распределителя для перезаправки, или источник топлива имеет несколько клапанов, которые можно подсоединять к нескольким устройствам.
Входы и выходы распределителя 19 сообщаются между собой по любой приемлемой арматуре, включая микроканальную трубку. Эта арматура может представлять собой гибкие или жесткие фитинги. Для того чтобы регулировать поток через распределитель 19 и среди топливных камер 14, распределитель 19 содержит по меньшей мере один или предпочтительно несколько клапанов 25. Эти клапаны могут обеспечить простые выполняемые функции включения и отключения или могут регулировать или ограничивать поток топлива. К числу приемлемых клапанов относятся шаровые, игольчатые, трех- и четырехпутевые, запорные, дроссельные, поворотные и обратные клапаны.
Как показано на фиг.6, в одном варианте осуществления заправочная система 10 содержит переходник 22, который обеспечивает сопряжение между топливным баллончиком 12 и топливной камерой 14 и способствует передаче топлива из топливного баллончика 12 в топливную камеру 14. Переходник 22 имеет по меньшей мере один входной соединитель 24, предназначенный для подсоединения переходника 22 к топливному баллончику 12, и по меньшей мере один выходной соединитель 26, предназначенный для подсоединения переходника 22 к топливной камере 14. Входной соединитель 24 сообщается по текучей среде с выходным соединителем 26 через переходник 22. Возможны различные исполнения входного соединителя 24 и выходного соединителя 26, причем эти соединители могут быть одного или разных типов. Можно использовать любой вид соединения, способного обеспечить достаточное прикрепление и уплотнение между ним и топливным баллончиком 12 или топливной камерой 14, в том числе соединения прессовой посадкой, резьбовые соединения, фитинги для соединения без вращения и т.п. В этом варианте осуществления можно использовать и любые компоненты клапана, раскрытые в патентной заявке №10/629006.
В одном варианте осуществления входные и выходные соединители 24, 26 выполнены такими, что подходят к конкретным видам топливных контейнеров и перезаправляемых топливных баллончиков, обеспечивая правильный подбор топливных контейнеров и топливных баллончиков. В другом варианте осуществления либо входные соединители 24, либо выходные соединители 26, либо те и другие выполнены универсальными, способными подсоединяться ко многим видам топливных контейнеров и топливных баллончиков. Например, либо входные соединители 24, либо выходные соединители 26, либо те и другие могут каждые включать несколько различных видов соединителей на выбор пользователей. Например, несколько выходных соединителей 26 могут располагаться на планке 27, как показано на фиг.7. Скользящую планку 27 можно двигать назад-вперед в направлении стрелки В, пока нужный выходной соединитель 26 не будет сообщаться по текучей среде с входным соединителем 24. Аналогичную избирательность между несколькими входами и выходами можно обеспечить, используя несколько клапанов внутри переходника 22.
Входные и выходные соединители 24, 26 могут быть либо охватываемыми, либо охватывающими. В одном варианте осуществления входной соединитель 24 и выходной соединитель 26 оба являются охватываемыми и зацепляются с дополняющими охватывающими соединителями в первом топливном баллончике 12 и топливной камере 14 соответственно. Как и в случае соединителя 9 первого топливного баллончика, второго соединителя 17 и соединителя 20 топливной камеры, эти охватываемые соединители могут выполняться как убирающиеся соединения. Этот вариант осуществления исключает выпуски или выступы из переходника 22, которые могут цепляться за одежду или мебель, что нежелательно. Кроме того, в качестве промежуточного элемента для соединения входных соединителей с выходными может предусматриваться отдельный клапанный соединитель, содержащий охватываемый и (или) охватывающий соединители, имеющие разные размеры.
В другом варианте осуществления входной соединитель 24 представляет собой одну половину двухкомпонентного клапана, а топливный баллончик 12 содержит дополняющую половину этого двухкомпонентного клапана. В дополнение к обеспечению возможности соединения и сообщения по текучей среде между топливным баллончиком 12 и переходником 22 эти половины клапана уплотняют топливный баллончик 12 и переходник 22, когда те не соединены. Приемлемые двухкомпонентные клапаны полностью раскрыты в рассмотренной выше патентной заявке №10/629006. В дополнение к этому первому двухкомпонентному клапану между топливным баллончиком 12 и переходником 22, между переходником 22 и топливной камерой 14 можно поместить второй подобный двухкомпонентный клапан. В этом случае выходной соединитель 26 представляет собой одну половину двухкомпонентного клапана, а соединитель 20 топливной камеры 14 - дополняющую половину этого двухкомпонентного клапана. Эти половины клапана могут присоединяться к переходнику 22, топливной камере 14 и топливному баллончику 12 любым приемлемым способом, включая прессовую посадку, трубные резьбы, клеи и сварки. В одном варианте осуществления эти двухкомпонентные клапаны выполнены уникальными так, чтобы подходили друг другу только конкретные половины. Этот вариант осуществления можно использовать для обеспечения способа гарантии, что к соответствующим топливным контейнерам будут подходить только соответствующие топливные баллончики. Альтернативно, половины клапана могут быть универсальными, сборного типа.
Переходник 22 может быть пассивным или активным устройством. В одном варианте осуществления переходник 22 выполнен как пассивное устройство. Это исполнение приемлемо, при использовании с топливными контейнерами под давлением или если предпочтительным способом передачи топлива в топливную камеру 14 является подача самотеком. Если переходник 22 является пассивным, входной соединитель 24 и выходной соединитель 26 непосредственно сообщаются по текучей среде по микроканальной трубке 34 (фиг.6), которая проходит через переходник 22. Для того чтобы обеспечить возможность регулировать или останавливать поток топлива через переходник 22, переходник 22 может содержать один или несколько клапанов 36, расположенных между входным соединителем 26 и выходным соединителем 26. Клапаны 36 могут конструктивно выполняться таким образом, чтобы просто выполнять функцию включения/выключения или ограничивать и регулировать расход и давление текучей среды через переходник 22. К числу приемлемых клапанов относятся шаровые, игольчатые, трех- и четырехпутевые, запорные, дроссельные, поворотные и обратные клапаны. Кроме того, клапаны 36 могут использоваться отдельно или в сочетании с двухкомпонентными клапанами во входных и выходных соединителях. В одном варианте осуществления соединитель 20 внутренней топливной камеры содержит обратный клапан 37, предназначенный для предотвращения обратного потока топлива из внутренней камеры 14 при отсоединении соединителя 20 камеры от переходника 22. Соединитель 20 внутренней топливной камеры или другие клапаны, компоненты клапанов или иные соединители могут также содержать материал наполнителя для регулирования потока топлива. Эти материалы наполнителя раскрыты в также находящейся в настоящее время на рассмотрении заявке №10/356793.
Как показано на фиг.8, переходник 22 может быть выполненным как активное устройство и может содержать один или несколько насосов 38, установленных в трубке 34 и сообщающихся с входными и выходными соединителями 24, 26 для передачи топлива из топливного баллончика 12 в топливную камеру 14. Предпочтительно насос 38 адаптирован для использования с определенными расходами жидкости и имеет небольшие размеры. Насос 38 может быть ручным или электронным. К числу приемлемых ручных насосов относятся блистерные или камерные насосы, которые можно приводить в действие давлением рук, и другие ручные насосы.
В одном варианте осуществления насос 38 является электрическим или электронным. Предпочтительно насос 38 имеет минимальное количество подвижных частей, чтобы снизить вероятность поломки. Подходящими насосами являются насосы микроэлектромеханических систем (МЭМС), например насосы, которые используются для подачи краски в струйных принтерах, или для дозирования лекарственных средств в системах доставки лекарственных средств, или для охлаждения микропроцессорных интегральных схем. В частности, приемлемыми насосами МЭМС являются насосы с индуцированным полем потоком и объемные мембранные насосы. В насосах с индуцированным полем потоком для получения потока используется электрическое или магнитное поле.
Приемлемым насосом с индуцированным полем потоком является электроосмотический насос. Электроосмотические насосы не содержат подвижных частей и способны перемещать жидкость через тугие пространства. Электроосмотические насосы преимущественно могут перемещать текучую среду с низкой удельной проводимостью. Электроосмотический поток создается при прикладывании напряжения постоянного тока поперек пористой среды. При воздействии электрического поля постоянного тока жидкость в этой пористой среде приводится в движение в направлении от анода или положительного электрода к катоду или отрицательному электроду. Электроосмотические насосы особенно эффективны в микроканалах, например в каналах внутри переходника 22. Электроосмотический поток подробно описан в патенте США №3923426, озаглавленном "Электроосмотический насос и содержащее его устройство для распределения текучей среды", выданном 2 декабря 1975 г., в статье "Electroosmotic flow pumps with polymer frits" (Насосы электроосмотического потока с полимерными фриттами), авторы S. Zeng, С.Chen, J. Santiago, J. Chen, R. Zare, J. Tripp, F. Svec и J. Frechet, опубликованной в журнале Sensors и Actuators В Chemical Journal, том 82, стр.209-212 (2002 г.), и в работе "A Large Flowrate Electroosmotic Pump with Micron Pores" (Крупный расходный электроосмотический насос с микропорами), авторы S.Yao, D.Huber, J.Mikkelsen и J.Santiago, труды Международного механико-технического конгресса и выставки Американского института инженеров-механиков, 11-16 ноября 2001 г., Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, и других работах. Эти работы полностью включаются ссылкой в настоящее описание.
К числу других приемлемых насосов с индуцированным полем потоком относятся, в том числе, электрогидродинамические и магнитогидродинамические насосы. В объемных мембранных насосах используется сила, например электрический заряд, прикладываемая к мембране, которая вызывает перемещение или вибрацию мембраны с проталкиванием текучей среды. К числу приемлемых объемных мембранных насосов относятся среди прочих пьезоэлектрические, электростатические и термопневматические насосы.
2
К числу приемлемых для использования в переходнике 22 пьезоэлектрических насосов относятся насосы, выпускаемые компанией PAR Technologies, LLC, г.Ньюпорт-Ньюс, штат Виргиния. Пьезоэлектрические насосы не имеют подвижных частей и обладают малой массой, компактны, долговечны, бесшумны и эффективны. Напряжения возбуждения этих насосов - выше 50 В, а ток, потребляемый ими, мал, например примерно 15-130 миллиампер при входном напряжении примерно 2,2-12 В постоянного тока. Расход для пьезоэлектрических насосов составляет примерно 10-900 мл/ч при давлении примерно 0-5 фунт-сил/кв. дюйм (0-34,47 кПа). Размер насоса - примерно 0,5-1,5 кв. дюйма (323-968 мм) минус примерно 0,5 дюйма (12,7 мм) толщины. Этот пьезоэлектрический насос изготавливается из материалов, совместимых с топливами, используемыми в топливных элементах и топливных баллончиках. Кроме того, эти насосы работают в широком диапазоне и имеют большой ресурс в циклах до отказа.
Для того чтобы обеспечить необходимую мощность для привода насоса 38, переходник 22 содержит по меньшей мере один источник питания 40, электрически подключенный к насосу 38. Для этой цели можно использовать любой источник питания, способный обеспечить достаточную мощность для привода насоса 38 и любой иной электрической или электронной системы, содержащейся в переходнике 22. К числу приемлемых источников питания 40 относятся аккумуляторные батареи, топливные элементы, солнечные элементы или батареи. Источник питания 40 может находиться внутри переходника 20, снаружи переходника 20 или внутри и снаружи. Как показано на фиг.8, источником питания является аккумуляторная батарея, содержащаяся в переходнике 22.
В одном варианте осуществления, показанном на фиг.9, источник питания 40 находится по меньшей мере в одном из двух устройств: в первом электронном устройстве 11 или во втором электронном устройстве 18. Если переходник 22 подсоединен к топливному контейнеру, источник питания может содержаться в этом топливном контейнере. Предпочтительно при нахождении в первом электронном устройстве 11 во втором электронном устройстве 18 или топливном контейнере источником питания является топливный элемент или аккумуляторная батарея, например топливные элементы 13 и 16. Как показано на этой фигуре, источником питания является либо первый топливный элемент 13, либо второй топливный элемент 16.
Если источник питания 40 находится снаружи переходника 22, то для подсоединения силовых проводов от внешнего источника питания к необходимым компонентам в переходнике 22 требуются электрические соединители. В одном варианте осуществления по меньшей мере один из следующих компонентов: топливный баллончик 12, первое электронное устройство 11, первый топливный элемент 13, второе электронное устройство 18, топливная камера 14 и второй топливный элемент 16 - содержит первый комплект электрических соединителей 42, а переходник 22 содержит второй комплект электрических соединителей 44 в контакте с первым комплектом электрических соединителей 42. Эти электрические соединители обеспечивают достаточную возможность соединения различных компонентов заправочной системы 10 и подачу питания от источника питания 40 на переходник 22. Для этой цели можно использовать любой известный вид электрического соединителя. Например, первый и второй комплекты электрических соединителей можно выполнить в виде нескольких металлических пластинок или поверхностей, которые выставляются напротив друг друга и вступают в контакт, когда входные и выходные соединители 24, 26 приведены в контакт с топливным элементом 12 и топливной камерой 14. Помимо подачи электрической мощности первый и второй комплекты электрических соединителей 42, 44 можно использовать для передачи цифровых сигналов и телеметрии между различными компонентами заправочной системы 10.
В одном варианте осуществления, как показано на фиг.8, электрический насос 38 можно запускать и останавливать вручную с помощью электрического выключателя 29, который находится в переходнике 22 между источником питания 40 и насосом 38. Как показано на фиг.7, электрический выключатель 29 доступен пользователю переходника 22 для включения и выключения насоса 38. Хотя выключатель 29 показан как аппаратно реализованный электрический выключатель, выключатель 29 альтернативно мог бы сообщаться с логическим управляющим устройством 46, находящимся в переходнике 22. Логическое управляющее устройство 46 соединено с насосом 38 и любым иным электронным устройством, находящимся в переходнике 22, включая клапаны с электронным управлением, лампочки и дисплеи. Кроме того, логическое управляющее устройство 46 может сообщаться с логическими управляющими устройствами и другими электронными системами, находящимися в топливном баллончике 12 и электронном устройстве 18. Сообщение между этими устройствами могут обеспечить первый и второй комплекты электрических соединителей 42, 44. Кроме того, логическое управляющее устройство 46 может содержать необходимые драйвер и управляющую схему для насоса 38, или же эта схема может выполняться отдельно. Логическое управляющее устройство 46 запитывается источником питания 40. Кроме того, логическое управляющее устройство 46 может находиться на топливном элементе или на устройстве, которое запитывается топливным элементом, и находиться в электрическом контакте с переходником 22 через электрические соединители, например соединители 42 и 44.
К числу приемлемых логических управляющих устройств относятся программируемые логические контроллеры, контроллеры со схемно-реализованной логикой и электрически стираемые программируемые постоянные запоминающие устройства. Примеры последних можно найти в также находящейся в настоящее время на рассмотрении патентной заявке США №10/725,237, озаглавленной «Система топливного элемента, содержащая устройство хранения данных и систему управления» того же заявителя, поданной в один день с настоящей заявкой. Описание из этой заявки данной ссылкой полностью включается в настоящее описание.
В другом варианте осуществления предлагаемого заправочного устройства 10 заправочное устройство содержит систему контроля количества топлива в топливной камере 14 или количества топлива, переданного из топливного баллончика 12 в топливную камеру 14. При достижении уровнем топлива заданного значения система контроля топлива может автоматически прекращать передачу топлива, останавливая насос 38 или перекрывая клапан 36. Приемлемые значения для уровня топлива - примерно 85-95% емкости топливной камеры 14.
Хотя система контроля топлива предпочтительно выполнена с таким расчетом, чтобы автоматически останавливать поток топлива, эта система может также выдавать сообщение пользователю, что топливная камера 14 достаточно наполнена. В ответ на это сообщение пользователь затем остановит передачу топлива. Сообщение о состоянии или работе переходника 22 может выдаваться пользователю с помощью одного или нескольких дисплеев 50 или индикаторных лампочек 31, установленных на переходнике 22, на электронном устройстве или баллончике, хорошо видных пользователю, как показано на фиг.7 и 8. К числу приемлемых дисплеев 50 и индикаторных лампочек 31 относятся светоизлучающие диоды и жидкокристаллические дисплеи. Дисплей 50 и индикаторные лампочки 31 обеспечивают визуальную индикацию различных функций заправочной системы 10 и информации о ней, включая «Питание включено», «Батарея почти разрядилась», «Насос включен», «Уровень топлива», «Топливный баллончик полон» и др. Дисплей 50 и индикаторные лампочки 31 подключены к логическому управляющему устройству 46 и управляются им.
Эта система контроля топлива подключена к переходнику 22 и в одном варианте осуществления полностью помещена в переходник 22. Приемлемые системы контролируют информацию, например, о противодавлении из топливной камеры 14 или общем количестве переданного топлива, чтобы определить, когда в топливную камеру 14 передано достаточное количество топлива. В этом варианте осуществления система контроля топлива содержит логическое управляющее устройство 46. В другом варианте осуществления, как показано на фиг.9, система контроля топлива содержит топливомер 48, подключенный к топливной камере 14 и предназначенный для измерения количества топлива, оставшегося в топливной камере 14. Примеры приемлемых топливомеров с электронным считыванием показаний приведены в также находящейся в настоящее время на рассмотрении патентной заявке США №10/725,236, озаглавленной «Топливомер для топливных баллончиков» того же заявителя, поданной в один день с настоящей заявкой. Описание из этой заявки данной ссылкой полностью включается в настоящее описание. Топливомер 48 может подключаться к логическому управляющему устройству 46 с помощью первого и второго комплектов электрических контактов 42, 44.
Другие варианты осуществления предлагаемых насосов и клапанов представлены на фиг.10 и 11. Как показано на фиг.10, переходник 22 содержит два насоса - первый ручной насос 52 и второй электронный насос 54. Электронный насос 54 подключен к логическому управляющему устройству 46. Логическое управляющее устройство 46 получает питание от источника питания 40, внешнего по отношению к переходнику 22, и информацию об уровне топлива через контакты 44. Предпочтительно источником питания 40 является второй топливный элемент 16 внутри второго электронного устройства 18. Поскольку топливная камера 14 может быть пустой, для передачи топлива в топливную камеру 14, пока топлива станет достаточно для того, чтобы топливный элемент 16 мог подать питание логическому управляющему устройству 46 и электронному насосу 54 через контакты 44, используется ручной насос 52. В момент, когда топлива станет достаточно, ручное закачивание можно прекратить и передать эту функцию электронному насосу 54. Ручной насос 52 можно подключать последовательно или параллельно с электронным насосом 54. Альтернативно, ручной насос 52 можно заменить солнечными элементами и батареями солнечных элементов 53, которые могут преобразовывать естественный и искусственный свет в электрическую энергию для питания насоса 54. Кроме того, ручной насос 52 можно заменить другими внешними источниками питания, например аккумуляторными батареями. Во избежание повреждения любого из компонентов заправочной системы 10, которое могло возникнуть в результате препятствий в микроканалах 34 и при попытке избыточно заправить топливную камеру 14, можно предусмотреть один или несколько предохранительных клапанов 33, сообщающихся с микроканалами 34.
В варианте осуществления, представленном на фиг.11, насос 38 можно объединить с различными исполнениями клапанов и других регуляторов потока, чтобы добиться требуемого объема регулирования передачи потока топлива. Например, насос 38 может сообщаться по текучей среде с электромагнитным клапаном 39 и обратным клапаном 56. Насос 38 и электромагнитный клапан 39 подключены к источнику питания 40 и логическому управляющему устройству 46 для управления работой переходника 22 и потоком топлива из топливного баллончика 12 в топливную камеру 14.
При эксплуатации заправочная система 10 позволяет осуществить способ заправки на месте топливных камер и баллончиков, находящихся внутри электронных устройств, которые содержат топливные элементы для подачи необходимой мощности для питания электронного устройства. Для того чтобы перезаправить топливную камеру внутри электронного устройства, выбирают запасной топливный контейнер или баллончик, содержащий нужный вид топлива для топливного элемента. Предпочтительно выбирают топливный баллончик, имеющий значительно больший объем топлива, чем топливная камера. Например, топливная камера может находиться в сотовом телефоне, а топливный баллончик берут из дорожного компьютера. Затем топливный баллончик приводят в контакт и сообщение по текучей среде с топливной камерой. Предпочтительно сообщение по текучей среде между баллончиком и контейнером не устанавливают до тех пор, пока эти два компонента полностью и адекватно не соединят. В одном варианте осуществления топливный баллончик приводят в непосредственный контакт с топливной камерой. В другом варианте осуществления топливный баллончик и топливную камеру приводят в контакт, используя распределительную систему или переходник. При использовании переходника топливный баллончик подсоединяют к входу переходника, а топливную камеру - к выходу переходника.
После того как источник топлива привели в контакт с топливным баллончиком или топливной камерой, в принимающий топливный баллончик или топливную камеру из источника топлива передают нужное количество топлива. Для того чтобы регулировать количество топлива, передаваемого в топливную камеру, контролируют уровень топлива в принимающем топливном баллончике или камере. Когда уровень топлива в топливном баллончике или камере достигнет заданного значения, передачу топлива прекращают. Обычно передачу топлива прекращают, когда уровень топлива достигает примерно 85-95% емкости топливной камеры. Контроль уровня топлива и прекращение подачи топлива можно осуществлять вручную или автоматически. После того как камера перезаправлена до нужного уровня, источник питания и топливную камеру разъединяют. После этого места соединения уплотняют во избежание утечки. Это уплотнение может осуществляться вручную или происходить автоматически. Кроме того, во избежание повреждения соединителей места соединения могут убираться в баллончик или электронное устройство, содержащее топливную камеру.
Хотя и очевидно, что описанные выше иллюстративные варианты осуществления изобретения позволяют достичь целей настоящего изобретения, ясно и то, что специалисты могут изобрести многочисленные модификации и иные варианты осуществления. Кроме того, особенность (особенности) и (или) элемент (-ы) любого варианта осуществления можно использовать отдельно или в сочетании с другим (-и) вариантом (-ами) осуществления. Поэтому понятно, что прилагаемая формула изобретения предназначена для охвата всех таких модификаций и вариантов осуществления в пределах сущности и объема настоящего изобретения.