JP2004308657A

JP2004308657A - 形状記憶アクチュエータを有するポンプ及びそれを備えた燃料電池システム

Info

Publication number: JP2004308657A
Application number: JP2004111875A
Authority: JP
Inventors: Alan R Arthur; アラン・アール・アーサー; Gary J Watts; ゲイリー・ジェイ・ワッツ
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2003-04-07
Filing date: 2004-04-06
Publication date: 2004-11-04
Also published as: EP1467096A3; TW200421660A; EP1467096A2; US20040197214A1; US7198474B2

Abstract

【課題】本発明は、比較的小型で、高い静圧効率をもたらすポンプを提供することにある。
【解決手段】本発明のポンプは、流体に運動を与えるように構成された可動構造体１２６，１２８と、可動構造体１２６，１２８に動作連結された直線的可動シャフト１３０と、直線的可動シャフト１３０に動作連結された回転可能なハブ１３２であって、その回転が直線的可動シャフト１３０を直線的に移動させる回転可能なハブ１３２と、作動時にハブ１３２を回転させる形状記憶アクチュエータ１５６と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、形状記憶アクチュエータを有するポンプ及びそれを備えた燃料電池システムに関する。

様々な装置に対して、またその装置の内部で流体を駆動するためにポンプが使用されている。一定の燃料電池の用途などで関連装置が比較的小さい場合、比較的高い損失水頭にもかかわらず比較的高い流量を生じるために、小型ポンプが求められることが多い。

空気及び他の気体のポンピングに関しては、従来型軸流ファンが比較的小型であるが、静圧効率(static pressure efficiency)が比較的低いという問題がある。したがって、高損失水頭用途には適していない。一方、モータ、圧電または静電駆動される従来型の膜ポンプは、高い静圧効率をもたらすが、通常は比較的大きくなってしまう。
本発明はこのような実状に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型でかつ高い静圧効率を有するポンプ及びそれを備えた燃料電池システムを提供することにある。

上記従来技術の有する課題を解決するために、本発明では、流体に運動を与えるように構成された可動構造体と、該可動構造体に動作連結された直線的可動シャフトと、該直線的可動シャフトに動作連結された回転可能なハブであって、その回転が前記直線的可動シャフトを直線的に移動させる回転可能なハブと、作動時に前記ハブを回転させる形状記憶アクチュエータと、を備えている
また、本発明では、燃料電池と、該燃料電池に動作連結されたポンプとを有する燃料電池システムであって、流体に運動を与えるように構成された可動構造体と、該可動構造体に動作連結された直線的可動シャフトと、該直線的可動シャフトに動作連結された回転可能なハブであって、その回転が前記直線的可動シャフトを直線的に移動させる回転可能なハブと、作動時に前記ハブを回転させる形状記憶アクチュエータと、を備えている。
さらに、本発明では、燃料電池と、該燃料電池に動作連結されたポンプとを有する燃料電池システムであって、流体に運動を与えるように構成された可動構造体と、該可動構造体に動作連結された直線的可動シャフトと、該直線的可動シャフトに動作連結された回転可能なハブであって、その回転が前記直線的可動シャフトを直線的に移動させる回転可能なハブと、作動時に前記ハブを回転させる形状記憶アクチュエータと、を備えている。

添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。

以下は、本発明を実施すべく、現時点で知られる最良の態様の詳細な説明である。本説明は、制限的な意味で解釈されるべきではなく、単に本発明の包括的原理を示すためのものである。

図１〜図３で一例として示されているように、本発明の１つの実施形態に係るポンプ１００は、フレーム１０２と、流体駆動アセンブリ１０４とを備えている。流体駆動アセンブリ１０４は、フレーム１０２内の入口マニホルド１０６を介して流体（すなわち、液体または気体）を受け取り、フレーム１０２内に設けられた出口マニホルド１０８を通して流体を放出するものである。例示的な流体駆動アセンブリ１０４は、その長手端部の両方で流体を受け取り、長手端部の両方で流体を放出し、さらに厳密に言うと、長手方向の一端部で流体を受け取り、他端部から流体を放出するようになっている。そのため、入口マニホルド１０６は、上下部分１１０ａ，１１０ｂと接続部分１１２とを備えている。入口ポート１１４は入口マニホルド１０６に接続されている。上下部分１１６ａ，１１６ｂ（図４）と接続部分（図示せず）とを有する出口マニホルド１０８は、出口ポート１１８に接続されている。

図４及び図５を参照すると、例示的なポンプ１００内の流体駆動アセンブリ１０４は、流体に運動を与える直線的（または「軸方向」）可動構造体１２０と、直線的可動構造体を駆動して軸方向に移動させる回転構造体１２２と、アクチュエータ１２４（図１）とを備えている。例示的な直線的可動構造体１２０は、駆動シャフト１３０の両端部に取り付けられた１対のローリングダイアフラム１２６，１２８を有している。駆動シャフト１３０は、アクスル１３１に摺動可能に取り付けられている。ダイアフラム１２６，１２８は、それぞれ１対のプレート１３３ａ，１３３ｂ（図５）間に挟持されており、ネオプレーンまたは他の同様な材料などの可撓性材料で形成されており、駆動シャフト１３０が直線移動する時、図４及び図６に示された配置方向の間で撓むようになっている。例示的な回転構造体１２２は、駆動ハブ１３２を備え、この駆動ハブは、フレーム１０２の上下部分１３５ａ及び１３５ｂ間の上側及び下側の一連の軸受け１３４によって保持されている。この構造により、駆動ハブ１３２はフレーム１０２に対して回転できるが、軸方向には移動できないようになっている。例示的な軸受け１３４は、好ましくは玉軸受けであって、フレーム上下部分１３５ａ，１３５ｂと駆動ハブ１３２とに形成された半円形チャネル内に嵌め込まれている。非分離形アンギュラコンタクト軸受けなどの他の軸受け構造も使用することができる。

直線的可動構造体１２０及び回転構造体１２２は、任意の適当な方法で互いに連結することが可能であり、それにより、駆動ハブ１３２の回転に対応して駆動シャフト１３０が直線移動するようになっている。例示的なポンプ１００では、連結が機械式であり、遊星歯車機構から構成されている。図４を参照しながら詳しく説明すると、等間隔に配置された３つの遊星歯車１３６（２つだけが見える）は、固定配置された歯車フレーム１３８にアクスル１４０で回転可能に取り付けられている。したがって、これら遊星歯車はアクスル１４０を中心にして回転自在であるが、フレーム１０２に対するそれらの位置は固定されている。駆動ハブ１３２の内表面で、遊星歯車１３６に整合した部分には、駆動ハブがリング歯車として機能できるようにする歯付き表面１４２が設けられている。他方、駆動シャフト１３０は、外歯表面１４４を有し、回転方向に固定された太陽歯車として機能している。そのような構造のため、駆動ハブ１３２が固定歯車フレーム１３８の周囲を回転することになり、遊星歯車１３６が回転し、その結果、駆動シャフト１３０が直線移動することになる。

例示的な遊星歯車機構は、回転構造体１２２の反時計回り方向の２／１０（７２度）回転によって、直線的可動構造体１２０が図４に示された位置から図６に示された位置へ移動し、すなわち、図示の配置方向に１回の上り行程で移動するように構成されている。回転構造体１２２の時計回り方向の２／１０回転によって、直線的可動構造体１２０が図４に示された位置に戻り、すなわち、１回の下り行程を移動することになる。

ローリングダイアフラム１２６，１２８は、入口マニホルド１０６及び出口マニホルド１０８との接続部分を除いて、密封された流体室１４６，１４８をそれぞれ画定している。例示的なポンプ１００では、ローリングダイアフラム１２６，１２８の各々にリップ１２７（図５）が設けられており、これらは、歯車フレーム１３８によってガスケット状配置でフレーム上下部分１３５ａ，１３５ｂに密封されている。必要ならば、アクスル１３１に封止グリースを塗布してもよい。流体室１４６，１４８への流体の引き込み及びそれからの放出は、入口マニホルド１０６及び出口マニホルド１０８を介して交互に行われている。そのため、上り行程／下り行程サイクルを連続的に繰り返すことによって、入口ポート１１４及び出口ポート１１８を介してポンプに流出入する連続流体流が生じることになる。本発明は、流体室１４６，１４８用のいずれの特定の弁機構にも制限されないが、例示的なポンプ１００は、複数の逆止弁を有している。例示的な逆止弁機構により、上り行程では流体が流体室１４６から放出される一方、流体室１４８に引き込まれ、下り行程では流体が流体室１４６に引き込まれる一方、流体室１４８から放出されることになる。

詳しく説明すると、図４及び図６で示されているように、１対の逆向きの傘形弁１５０ａ，１５２ａは、流体室１４６と入口及び出口マニホルドの上部分１１０ａ，１１６ａとの間にそれぞれ配置されており、また、１対の逆向きの傘形弁１５０ｂ，１５２ｂは、流体室１４８と入口及び出口マニホルドの下部分１１０ｂ，１１６ｂとの間にそれぞれ配置されている。直線的可動構造体１２０が図６に示す上り行程位置から図４に示す下り行程位置へ移動する時、弁１５０ａ，１５２ｂが開いて、弁１５０ｂ，１５２ａが閉じることになる。これにより、流体が入口マニホルドの上部分１１０ａを介して流体室１４６に流入することが可能となる一方、出口マニホルドの上部分１１６ａ内の流体が流体室１４６に流入することが防止されることになる。また、これにより、流体を流体室１４８から出口マニホルドの下部分１１６ｂへ追い出すことが可能となる一方、流体室１４８内の流体が入口マニホルドの下部分１１０ｂに追い込まれることが防止されることになる。反対に、図６を参照すると、直線的可動構造体１２０が図４に示す下り行程位置から図６に示す上り行程位置へ移動する時、弁１５０ｂ，１５２ａが開いて、弁１５０ａ，１５２ｂが閉じることになる。これにより、流体が入口マニホルドの下部分１１０ｂを介して流体室１４８に流入することが可能となる一方、出口マニホルドの下部分１１６ｂ内の流体が流体室１４８に流入することが防止され、また、流体を流体室１４６から出口マニホルドの上部分１１６ａへ追い出すことが可能となる一方、流体室１４６内の流体が入口マニホルドの上部分１１０ａに追い込まれることが防止されることになる。

各流体駆動サイクル中、直線的可動構造体１２０を図４に示す下り行程配置方向から図６に示す上り行程配置方向に、またその逆方向に駆動する例示的なアクチュエータ１２４は、受動装置及び能動装置から構成されている。図１〜図６に示された例示的なポンプ１００では、受動及び能動装置の両方が回転構造体１２２に作用し、回転構造体１２２が直線的可動構造体１２０に作用することになる。例示的な実施態様の受動装置は、フレーム１０２及び駆動ハブ１３２に取り付けられる定荷重ばね１５４である。詳しく説明すると、図１〜図３に示されているように、ポスト１５５に取り付けられたばね１５４は、フレーム１０２の開口１５７内に嵌合している。ばねの一端部は、ポスト１５５に取り付けられている。変更例として、ばね１５４は、ポスト１５５に取り付けないで、それに巻装するだけにして、ポスト１５５に対して回転できるようにしてもよい。その場合、ばね１５４はポスト１５５に多数回巻き付けられて、駆動ハブ１３２まで延在してその一部を覆い、アンカー１５９によって駆動ハブに連結されている。ばね１５４は、回転構造体１２２に時計回り方向の力を加えて、直線的可動構造体１２０を図４に示す下り行程位置へ付勢するようになっている。

例示的な実施態様の能動装置は、形状記憶アクチュエータシステム１５６（図１）である。励起時に、形状記憶アクチュエータシステム１５６は、ばね１５４の付勢力に打ち勝つだけの十分な力で回転構造体１２２を反時計回り方向に回転させて、直線的可動構造体１２０を図６に示す上り行程位置へ駆動するようになっている。消勢時に、形状記憶アクチュエータシステム１５６は、ばね１５４により回転構造体１２２を回転させて、直線的可動構造体１２０を図４に示す下り行程位置へ戻せるようになっている。

図１に示された例示的な形状記憶アクチュエータシステム１５６は、駆動ハブ１３２にしっかりと巻き付けられた１対のワイヤ１５８，１６０を備えている。各ワイヤ１５８，１６０の一端部は、アンカー１６２で駆動ハブ１３２の外側に連結されている。また、ワイヤ１５８，１６０は、アンカー１６２で互いに連結されている。変更例として、ワイヤ１５８，１６０は、単一長のワイヤをアンカー１６２の位置で半分に折り曲げて形成するようにしてもよい。ワイヤ１５８，１６０の他端部は電圧源１６４に接続され、この電圧源は、形状記憶アクチュエータ１５６の励起時にワイヤ間に電圧を印加するものである。電圧印加の結果、電流がワイヤ１５８，１６０を流れて、ワイヤが抵抗加熱されることになる。さらに、各ワイヤ１５８，１６０の一部は、フレーム１０２内でアンカー１６６に固定されている。

ワイヤ１５８，１６０は、好ましくはニッケルチタン（商品名ニチノール（Ｎｉｔｉｎｏｌ）（登録商標）で市販されている）または他の適当な形状記憶合金（ＳＭＡ）で形成されている。ＳＭＡには２つの安定相があり、すなわち低温マルテンサイト（すなわち「超塑性」）相及び高温オーステナイト（すなわち「歪み回復」）相がある。ＳＭＡは、荷重が掛かった状態でも、加熱されて低温マルテンサイト相から高温オーステナイト相へ転換する時、歪みを回復することができるものである。これは、時には形状記憶効果（「ＳＭＥ」）と呼ばれている。さらに、ワイヤ１５８，１６０は駆動ハブ１３２にしっかりと巻き付けられ、２点で、すなわち、駆動ハブと共に回転する駆動ハブアンカー１６２と、固定されているフレームアンカー１６６で取り付けられているので、ワイヤは、マルテンサイト相にある時、ばね１５４によって生じる荷重を受けて伸張するように構成されている。また、ワイヤ１５８，１６０は、ＳＭＥのためにオーステナイト相に戻る時、元の長さに戻るように構成されている。この特性により、本形状記憶アクチュエータシステム１５６は、ＳＭＥを利用して、以下のように機能することができる。

ここで、ワイヤ１５８，１６０は、その長さの伸縮時に駆動ハブ１３２に対して摺動するので、駆動ハブ１３２及びワイヤ１５８，１６０にジェネラル・マグナプレート（ＧｅｎｅｒａｌＭａｇｎａｐｌａｔｅ）ＨＩ−Ｔ−ルブ（ＬＵＢＥ）＿Ｂ（登録商標）などの低摩擦材を塗布することが好ましいことに留意されたい。また、駆動ハブ１３２は非導電性であって、高い伝熱性及び熱容量を有していることが好ましい。

例示的なアクチュエータ１２４の全体構造が与えられると、形状記憶アクチュエータシステム１５６は、ワイヤ１５８，１６０の相を選択的に（すなわち、マルテンサイトからオーステナイトに、またはオーステナイトからマルテンサイトに）転換し、ＳＭＥを選択的に発生または除去することによって、ばね１５４の付勢力に選択的に打ち勝つことが可能となる。図１、図４及び図６を参照すると、ポンプ１００の作動前には、ワイヤ１５８，１６０が比較的低温であって、マルテンサイト相にある。直線的可動構造体１２０は、図４に示す下り行程配置方向の状態になる。電圧源１６４が励起され、マルテンサイト相からオーステナイト相への転換が起きる程度までワイヤ１５８，１６０が抵抗加熱されると、ポンピングが開始する。ＳＭＥによってワイヤ長さが短くなると、ばね１５４の付勢力に打ち勝つだけの十分なトルクで駆動ハブ１３２が回転し、それによって駆動シャフト１３０が上方へ駆動されることになる。駆動シャフト１３０の上り行程が進行する時、流体がダイアフラム１２８によって流体室１４６から押し出され、ダイアフラム１２６によって流体室１４８に引き込まれることになる。直線的可動構造体１２０が上り行程の終点に達すると、電圧源１６４が消勢され、それによってワイヤ１５８，１６０の抵抗加熱が終了することになる（図６）。次いで、ワイヤ１５８，１６０は、熱を駆動ハブ１３２及び周囲空気に引き渡して、比較的低温のマルテンサイト相に戻ることになる。これが迅速に起きることを確実にするためには、ワイヤ１５８，１６０をそれらの転移温度をわずかに超えるまで加熱するだけにすることが好ましい。そして、ばね１５４が駆動ハブ１３２を回転させる時、ワイヤ１５８，１６０が伸張して作動前の長さに戻り、これによって駆動シャフト１３０が下方へ駆動されることになる。駆動シャフト１３０の下り行程が進行する時、流体がダイアフラム１２６によって流体室１４８から押し出され、ダイアフラム１２８によって流体室１４６に引き込まれることになる。ポンピングサイクルの終点でもある下り行程の終点で、追加のポンピングが必要であれば、電圧源１６４の再励起が可能である。

本発明に係るポンプは、いずれの特定寸法または用途にも制限されない。しかし、説明のためだけであるが、一定の燃料電池の用途に非常に適するポンプ１００の１つの例示的実施態様は、以下の物理的属性を有している。駆動ハブ１３２の外径は１．０インチ（２．５４センチ）であり、ローリングダイアフラム１２６，１２８の外径は０．７５インチ（１．９１センチ）であり、駆動シャフト１３０の行程は０．５５インチ（１．４０センチ）である。全サイクルの押し退け量は０．４８６立方インチである。歯車に関連して説明すると、駆動シャフト１３０（すなわち、「太陽歯車」）の外径は０．３５インチ（０．８９センチ）であり、遊星歯車１３６の外径は０．２６２インチ（０．６６６センチ）であり、駆動ハブ歯付き面１４２（すなわち、「リング歯車」）の直径は０．８７５インチ（２．２２３センチ）である。遊星歯車システムの駆動比、すなわち、太陽歯車対リング歯車の比が２．５である。歯車はすべて、４５°のらせんカットを有し、これにより、遊星歯車１３６の回転に対応して、回転方向に固定された駆動シャフト１３０が軸方向へ移動するようになっている。

アクチュエータ１２４について説明すると、ばね１５４が駆動ハブ１３２に加える定荷重は２７ｌｂｆであり、これは、駆動ハブに対して１３．５インチ／ｌｂｆのトルクを発生している。それぞれ駆動ハブ１３２に４回巻き付けられて、転移温度を超えるまで加熱された時に７２度反時計回りに回転するワイヤ１５８，１６０は、直径が０．０２インチ（０．０５センチ）である。直径は、必要なポンピング力に応じて変化させることができる。また、ワイヤ１５８，１６０は、ＳＭＡの転移温度が６０°Ｃ、歪み回復率が５％、低温引張り強さが１５ｋｓｉ、回復応力が５０ｋｓｉ、密度が６．４５ｇｍ／ｃｃ、熱容量が０．０７７ｃａｌ／ｇｍ°Ｃ、低温抵抗率が７６μΩ／ｃｍの特性を有するニチノール（Ｎｉｔｉｎｏｌ）（登録商標）ＳＭＡで形成されている。低摩擦塗膜を使用することによって、駆動ハブ１３２とワイヤ１５８，１６０との間の摩擦係数が０．０３になり、その結果、摩擦損失のために、駆動ハブ１３２に４回巻き付けた後にワイヤ１５８，１６０内に残る回復力が最小で３７％になる。

例示的なポンプ１００の上記実施態様では、ポンプ圧力が少なくとも０．２９ｐｓｉ、サイクル時間が３２０ミリ秒であり、これは、約１．５２立方インチ／秒のポンピング量(pump rate)および約０．１７％の静圧効率に対応している。

本発明に係る別の例示的なポンプが、図７〜図１０に参照番号２００で全体的に示されている。ポンプ２００は、多くの点でポンプ１００に似ており、同様な部材は同様な参照番号で示している。例示的なポンプ２００は、フレーム２０２と、流体駆動アセンブリ２０４とを備えている。流体駆動アセンブリ２０４は、フレーム２０２内の入口マニホルド２０６を介して流体（すなわち、液体または気体）を受け取り、フレーム２０２内に設けられた出口マニホルド２０８を通して流体を放出するものである。例示的な流体駆動アセンブリ２０４は、その長手端部の両方で流体を受け取り、長手端部の両方で流体を放出し、さらに具体的に説明すると、長手方向の一端部で流体を受け取り、他端部から流体を放出するようになっている。そのため、入口マニホルド２０６は、上下部分２１０ａ，２１０ｂと接続部分２１２とを備えている。入口ポート２１４は入口マニホルド２０６に接続されている。上下部分２１６ａ，２１６ｂ（図９）と接続部分（図示せず）とを有する出口マニホルド２０８は、出口ポート２１８に接続されている。

図９を参照すると、例示的な実施形態内の流体駆動アセンブリ２０４は、流体に運動を与える直線的（または「軸方向」）可動構造体２２０と、回転構造体２２２と、直線的可動構造体及び回転構造体と組み合わされたアクチュエータ２２４（図７）とを備えている。例示的な直線的可動構造体２２０は、駆動シャフト２３０の両端部に取り付けられた１対のダイアフラム２２６，２２８を有している。ダイアフラム２２６，２２８は、ネオプレーンなどの可撓性材料で形成されており、駆動シャフト２３０が直線移動する時、図９及び図１０に示された配置方向の間で撓むようになっている。例示的な回転構造体２２２は、駆動ハブ２３２を備え、この駆動ハブは、フレーム２０２の上下部分２３５ａ及び２３５ｂ間の上側及び下側の一連の軸受け２３４によって保持されている。この構造により、駆動ハブ２３２はフレーム２０２に対して回転できるが、軸方向には移動できないようになっている。例示的な軸受け２３４は、好ましくは玉軸受けであって、フレーム上下部分２３５ａ，２３５ｂと駆動ハブ２３２とに形成された半円形チャネル内に嵌め込まれている。

直線的可動構造体２２０及び回転構造体２２２は、任意の適当な方法で互いに連結することが可能であり、それにより、駆動ハブ２３２の回転に対応して駆動シャフト２３０が直線移動すると共に、駆動シャフトの直線移動に対応して駆動ハブが回転するようになっている。例示的な実施形態では、連結が機械的であり、駆動シャフト２３０のらせんねじ２４２と駆動ハブ２３２内の対応のらせんスロット２４４とで構成されている。ねじ２４２及びスロット２４４の配置を逆にして、ねじを駆動ハブ２３２側に、スロットを駆動シャフト２３０側に設けてもよい。例示的なねじ及びスロット構造は、回転構造体２２２が時計回りに１回転すると、直線的可動構造体２２０が図９に示す位置から図１０に示す位置へ移動し、すなわち、図示の配置方向に１回の下り行程で移動するように構成されている。直線的可動構造体２２０が図９に示された位置へ戻り、すなわち、１回の上り行程を移動する時、回転構造体２２２が反時計回りに１回転することになる。

ダイアフラム２２６，２２８は、入口マニホルド２０６及び出口マニホルド２０８との接続部分を除いて、密封された流体室２４６，２４８をそれぞれ画定している。必要ならば、密封状態を維持するために、フレーム２０２と駆動ハブ２３２との間にガスケット（図示せず）を設けてもよい。流体室２４６，２４８への流体の引き込み及びそれからの放出は、入口マニホルド２０６及び出口マニホルド２０８を介して交互に行われる。そのため、上り行程／下り行程サイクルを連続的に繰り返すことによって、入口ポート２１４及び出口ポート２１８を介してポンプに流出入する連続流体流が生じることになる。本発明は、流体室２４６，２４８用のいずれの特定の弁機構にも制限されないが、例示的なポンプ２００は、例示的なポンプ１００を参照しながら上述したものと同様な弁機構を有している。さらに詳しく説明すると、図９及び図１０に示されているように、１対の逆向きの傘形弁２５０ａ，２５２ａは、流体室２４６と入口及び出口マニホルドの上部分２１０ａ，２１６ａとの間にそれぞれ配置されており、１対の逆向きの傘形弁２５０ｂ，２５２ｂは、流体室２４８と入口及び出口マニホルドの下部分２１０ｂ，２１６ｂとの間にそれぞれ配置されている。弁２５０ａ／ｂ及び２５２ａ／ｂは、例示的なポンプ１００を参照しながら上述したようにして上り及び下り行程中に開閉することになる。

各流体駆動サイクル中、直線的可動構造体２２０及び回転構造体２２２を図９に示す上り行程配置方向から図１０に示す下り行程配置方向に、またその逆方向に駆動する例示的なアクチュエータ２２４は、受動装置及び能動装置から構成されている。受動装置は好ましくは、直線的可動構造体２２０に作用する一方、能動装置は好ましくは、回転構造体２２２に作用することになる。例示的な実施態様の受動装置は、ダイアフラム２２６の下側に位置するばね２５４である。ばね２５４は、可動構造体２２０に軸方向の力を加えて、直線的可動構造体を図９に示す上り行程位置へ付勢するようになっている。変更例として、ばね２５４の代わりに、あるいはそれに追加して、駆動ハブ２３２を反時計回り方向に回転させるトルク誘発ばねを設けてもよい。

例示的な実施態様の能動装置は、形状記憶アクチュエータシステム２５６（図７）である。励起時に、形状記憶アクチュエータシステム２５６は、ばね２５４の付勢力に打ち勝つだけの十分な力で駆動ハブ２３２を時計回り方向に回転させて、可動構造体２２０を図１０に示す下り行程位置へ駆動するようになっている。消勢時に、形状記憶アクチュエータシステム２５６は、ばね２５４が直線的可動構造体２２０を図９に示す上り行程位置へ戻せるようになっている。例示的な形状記憶アクチュエータシステム２５６は、上述したシステム１５６とほぼ同様に動作している。簡単に言うと、形状記憶アクチュエータシステム２５６には、駆動ハブ２３２にしっかりと巻き付けられ、駆動ハブ２３２にアンカー２６２で連結されている１対のＳＭＡワイヤ２５８，２６０が設けられている。また、ワイヤ２５８，２６０は、アンカー２６２で互いに連結されているか、あるいは単一長のワイヤをアンカー２６２の位置で半分に折り曲げて形成するようにしてもよい。ワイヤ２５８，２６０の他端部は電圧源２６４に接続され、この電圧源は、形状記憶アクチュエータ２５６の励起時にワイヤにまたがって電圧を印加するものである。さらに、各ワイヤ２５８，２６０の一部は、フレーム２０２内でアンカー２６６に固定されている。

例示的なアクチュエータ２２４の全体構造が与えられると、形状記憶アクチュエータシステム２５６は、ワイヤ２５８及び２６０の相を選択的に（すなわち、マルテンサイトからオーステナイトに、またはオーステナイトからマルテンサイトに）転換し、ＳＭＥを選択的に発生または除去することによって、ばね２５４の付勢力に選択的に打ち勝つことが可能となる。ポンプ２００の作動前には、ワイヤ２５８，２６０が比較的低温であって、マルテンサイト相にあり、直線的可動構造体２２０は、図９に示された上り行程配置方向の状態になる。電圧源２６４が励起され、ワイヤ２５８，２６０が転移温度まで抵抗加熱されると、ＳＭＥによってワイヤ長さが短くなり、ばね２５４の付勢力に打ち勝つだけの十分なトルクで駆動ハブ２３２が回転し、それによって駆動シャフト２３０が下方へ駆動されることになる。直線的可動構造体２２０が下り行程の終点に達すると（図１０）、電圧源２６４が消勢され、それによってワイヤ２５８，２６０が比較的低温のマルテンサイト相に戻ることが可能となる。その時、ばね２５４が駆動シャフト２３０を上方へ駆動するので、ワイヤ２５８，２６０が伸張して作動前の長さに戻り、駆動シャフトが上り行程配置方向に達するまで、駆動ハブ２３２が回転することになる。

図１〜図１０に示された例示的なポンプ１００，２００には、さまざまな用途がある。たとえば、制限的ではないが、ポンプは、図１１に示された燃料電池システム３００の一部を形成することができる。例示的なポンプ１００に加えて、燃料電池システム３００は、燃料及び酸素マニホルド（図示せず）を備えたハウジング３０４内に燃料電池積層体３０２を有している。積層体内の個々の燃料電池３０６は、制限的ではないが、ＰＥＭ燃料電池を含めた任意の適当な形式の電池とすることができる。燃料供給源３０８からの燃料は、ポンプ３１０及び燃料マニホルドを介して燃料電池３０６のアノードに送られるようになっている。本燃料電池システムは、燃料供給源３０８が補給可能（または交換可能）であると共に、消費される燃料のすべてが最初に燃料供給源内に存在するものも含むことに留意されたい。周囲空気ベント３１２などの酸素供給源からの酸素は、ポンプ１００及び酸素マニホルドを介して燃料電池３０６のカソードに送られるようになっている。各アノード及びカソード上またはその内部に集電器（図示せず）を形成してもよい。隣接した燃料電池３０６のアノード接点パッドは、カソード接点パッドと同様に、互いに直列に接続することが可能である。しかし、実際の接続方法は、負荷の電力必要量によって決まる。副産物及び不使用反応物があれば、それらはベント３１４を介してハウジングから排出されることになる。

例示的な燃料電池システム３００の動作を監視して制御するために、コントローラ３１６を設けることが可能である。変更例として、燃料電池システム３００の動作をホスト（すなわち、電力消費）装置によって制御することが可能であり、図示の実施形態では、ホスト装置は、ＣＰＵ、ディスクドライブ及びディスプレイを含むが、これらに限定されない電力消費ハードウェアセット４０２を備えたモバイルコンピュータ４００である。

以上に本発明を好適な実施形態に関連して説明してきたが、当該技術分野の技術者には、上記好適な実施形態に対する多くの変更及び／または追加が容易に明らかになるであろう。たとえば、制限的ではないが、本発明は、２つのダイアフラムを有するポンプに限定されない。ダイアフラムをピストンに置き換えることができるであろう。行程の一方で流体を放出し、他方で流体を引き込む単一ダイアフラム（またはピストン）ポンプを設けて、流体パルスを与えることが可能である。本発明はまた、例示的なフレーム及びマニホルド構造に制限されない。フレームは、たとえば、環境的配慮から流体駆動アセンブリをマニホルドのように密閉することが必要であるものなど、個々の用例に適するように構成し直すことができる。また、各ダイアフラム用に個別の入口及び出口マニホルドを使用することによって、同一ポンプによって２種類の流体を、それぞれについてダイアフラムの選択サイズによって決められる押し退け量で圧送することが可能である。本発明の範囲は、そのような変更及び／または追加のすべてに及ぶものとする。

本発明の好適な実施形態に係るポンプを示す側面図である。図１に示されたポンプの平面図である。図１に示されたポンプの部分背面図である。ポンプが下り行程配置方向にある時で、図１の４−４線に沿った断面図である。図４に示された断面図の一部の拡大図である。ポンプが上り行程配置方向にある時で、図１の４−４線に沿った断面図である。本発明の好適な実施形態に係るポンプを示す側面図である。図７に示されたポンプの平面図である。ポンプが上り行程配置方向にある時で、図７の９−９線に沿った断面図である。ポンプが下り行程配置方向にある時で、図７の９−９線に沿った断面図である。本発明の好適な実施形態に係るシステムの概略図である。

符号の説明

１００，２００ポンプ
１２０，２２０直線的可動構造体
１２２，２２２回転構造体
１２６，１２８，２２６，２２８ダイアフラム
１３０，２３０駆動シャフト
１３２，２３２駆動ハブ
１５４，２５４ばね
１５６，２５６形状記憶アクチュエータシステム
１５８，１６０，２５８，２６０ワイヤ
３００燃料電池システム

Claims

流体に運動を与えるように構成された可動構造体と、
該可動構造体に動作連結された直線的可動シャフトと、
該直線的可動シャフトに動作連結された回転可能なハブであって、その回転が前記直線的可動シャフトを直線的に移動させる回転可能なハブと、
作動時に前記ハブを回転させる形状記憶アクチュエータと、
を備えているポンプ。
前記可動構造体はダイアフラムを備えている請求項１に記載のポンプ。
前記直線的可動シャフトは、第１及び第２長手端部を定めており、前記可動構造体は、前記直線的可動シャフトの前記第１及び第２長手端部によってそれぞれ保持された第１及び第２ダイアフラムを備えている請求項１に記載のポンプ。
前記直線的可動シャフト及び前記回転可能なハブは、遊星歯車機構によって連結されている請求項１に記載のポンプ。
前記形状記憶アクチュエータは、前記回転可能なハブに巻き付けられた形状記憶材料からなるワイヤを備えている請求項１に記載のポンプ。
前記形状記憶アクチュエータは、前記ワイヤをオーステナイト相に達する温度まで加熱するための手段を備えている請求項５に記載のポンプ。
前記形状記憶アクチュエータは、前記回転可能なハブに巻き付けられた形状記憶材料からなる第１及び第２ワイヤを備えている請求項１に記載のポンプ。
前記形状記憶アクチュエータは、前記第１及び第２ワイヤにまたがって電圧を印加する電圧源を備えている請求項７に記載のポンプ。
前記形状記憶アクチュエータは、作動時に前記回転可能なハブを第１方向に回転させ、さらに、
前記ハブを第２方向に付勢する付勢部材を備えている請求項１に記載のポンプ。
前記付勢部材は、前記回転可能なハブと組み合わされたばねを備えている請求項１に記載のポンプ。
流体に運動を与えるように構成された可動構造体と、
該可動構造体に動作連結され、第１方向及び第２方向に回転可能であるハブであって、それが回転すると、前記可動構造体が移動することになるハブと、
前記回転可能なハブに動作連結されて、第１方向の付勢力を前記ハブに加える付勢装置と、
前記回転可能なハブに動作連結された形状記憶材料であって、マルテンサイト相にある時、前記付勢力を受けて前記第１方向に伸張し、オーステナイト相にある時、歪みを回復して前記ハブを第２方向に回転させるように構成されている形状記憶材料と、
を備えているポンプ。
前記可動構造体はダイアフラムを備えている請求項１１に記載のポンプ。
前記第１方向は時計回り方向である請求項１１に記載のポンプ。
前記付勢装置（１５４、２５４）はばねを有する請求項１１に記載のポンプ。
前記付勢装置を前記回転可能なハブに動作連結する直線的可動構造体をさらに備えている請求項１１に記載のポンプ。
燃料電池と、該燃料電池に動作連結されたポンプとを有する燃料電池システムであって、
流体に運動を与えるように構成された可動構造体と、
該可動構造体に動作連結された直線的可動シャフトと、
該直線的可動シャフトに動作連結された回転可能なハブであって、その回転が前記直線的可動シャフトを直線的に移動させる回転可能なハブと、
作動時に前記ハブを回転させる形状記憶アクチュエータと、
を備えている燃料電池システム。
前記燃料電池はＰＥＭ燃料電池で構成されている請求項１６に記載の燃料電池システム。
前記可動構造体はダイアフラムを備えている請求項１６に記載の燃料電池システム。
前記直線的可動シャフト及び前記回転可能なハブは、遊星歯車機構によって連結されている請求項１６に記載の燃料電池システム。
前記形状記憶アクチュエータは、前記回転可能なハブに巻き付けられた形状記憶材料からなるワイヤを備えている請求項１６に記載の燃料電池システム。
前記形状記憶アクチュエータは、前記ワイヤをオーステナイト相に達する温度まで加熱するための手段を備えている請求項２０に記載の燃料電池システム。
前記形状記憶アクチュエータは、作動時に前記回転可能なハブを第１方向に回転させ、前記ポンプはさらに、
前記ハブを第２方向に付勢する付勢部材を備えている請求項１６に記載の燃料電池システム。
前記付勢部材は、前記回転可能なハブと組み合わされたばねを備えている請求項１６に記載の燃料電池システム。