JP2009222125A - バルブ、カップラ構造、燃料電池用カートリッジおよび送液方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料カートリッジから燃料電池に液体燃料を注入する際に、液漏れを生じることなく安全にカートリッジの接続または取り外しのできる装置のためのバルブ、該バルブを用いた燃料電池用カップラ、および該カップラを用いた液体燃料の送液方法を提供する。
【解決手段】軸方向に貫通孔を有するピン部材の一端に蓋状部材が配置され、上記ピン部材と蓋状部材の側面より上記貫通孔に通じるスリットが設けられた中空ロットピンと、該中空ロットピンを軸方向可動に収納できる空洞部を有するホルダと、上記蓋状部材の側面周囲に接するように空洞部を有するホルダに装着されるＯ−リングとを備え、上記Ｏ−リングが上記蓋状部材の側面上を軸方向に移動して前記ホルダの空洞部と前記貫通孔との間を開状態または閉状態にし、上記中空ロットピンが該バルブの閉方向に付勢されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に用いられる液体燃料の流路を開閉するバルブ、特に小径のノズルによって、小流量の充填を行う燃料電池用カップラに用いられるバルブ、該カップラ構造、燃料電池用カートリッジおよび該カップラを用いた液体燃料の送液方法に関する。

固体高分子形燃料電池などの燃料電池の活用が進んでいる。燃料電池は、発電により生成される生成物が水だけであり、環境を汚染することがないクリーンなエネルギー源として近年注目されている。さらに直接メタノール形燃料電池等の液体型燃料電池は、水素等のガスを使用する燃料電池とは異なり圧力容器やガス流量制御装置などの付属装置が不要なため超小型の燃料電池を製造できる。このため、家電製品、パソコン、携帯電子機器等での利用の拡大が期待されている。

燃料電池では、特に、液体燃料として高濃度メタノールなどを使用する場合、カートリッジから燃料電池に液体燃料を補給する際に、接合部からの漏洩により液体燃料が使用者の手などに触れたり、使用者がその蒸気を吸い込むなどの事故が起こることのない、高い安全性が求められる。
従来、燃料電池のソケットに挿入されるノズルの挿入部先端に凹部を設けて、ノズルの先端側に残留した液体燃料をこの凹部に収容する燃料カートリッジ（特許文献１参照）が開示されている。

しかしながら、従来の燃料電池用カップラでは、（１）カップラの嵌合が不完全であったり、この嵌合がカートリッジ側のバルブが開封した後に完了する、（２）カートリッジ側のバルブの開封は燃料電池側のバルブの開封の後に行なわれなければならないが、その順序が完全でない、などの問題点があり、これらに起因してカートリッジの接続または取り外しの際に液漏れを生じるおそれがある。このため、安全性の観点からさらなる燃料電池用カップラの改良が求められている。
特開２００７−１９４０５４号公報

本発明は、このような問題に対処するためになされたもので、燃料カートリッジから燃料電池に液体燃料を注入する際に、液漏れを生じることなく安全にカートリッジの接続または取り外しのできる装置のためのバルブ、該バルブを用いた燃料電池用カップラ、および該カップラを用いた液体燃料の送液方法の提供を目的とする。

本発明のバルブは、軸方向に貫通孔を有するピン部材の一端に蓋状部材が配置され、上記ピン部材と蓋状部材の側面より上記貫通孔に通じるスリットが設けられた中空ロットピンと、該中空ロットピンを軸方向可動に収納できる空洞部を有するホルダと、上記蓋状部材の側面周囲に接するように空洞部を有するホルダに装着されるＯ−リングとを備え、上記蓋状部材が上記Ｏ−リングの側面上を軸方向に移動して上記ホルダの空洞部と上記貫通孔との間を開状態または閉状態にし、上記中空ロットピンが該バルブの閉方向に付勢されていることを特徴とする。

また、上記蓋状部材の側端部が軸方向断面テーパ形状であることを特徴とする。
上記中空ロットピンは、上記ピン部材および蓋状部材が超音波溶着により接合されてなることを特徴とする。

本発明のカップラ構造は、上記バルブ２個が相互に嵌合して形成されるカップラ構造であって、上記２個のバルブは、それぞれ中空ロットピンの周囲に相互に嵌合できるソケット部を有し、このソケット部が嵌合することで貫通孔先端部同士が衝合し、その衝合後に上記２つの中空ロットピンが一体となって軸方向に移動することで２つのバルブ間の開閉ができることを特徴とする。

本発明の燃料電池用カートリッジは、燃料電池用液体燃料を保存する燃料電池用カートリッジであって、上記燃料電池用液体燃料の供給口が上記バルブであることを特徴とする。

本発明の送液方法は、燃料電池用液体燃料の送液方法であって、燃料電池用カートリッジおよび燃料電池本体の液供給・流入口が上記カップラ構造を有することを特徴とする。
また、上記中空ロットピンが該バルブの閉方向に付勢されている付勢力は、上記燃料電池用カートリッジ側の付勢力が上記燃料電池本体側の付勢力より強いことを特徴とする。

本発明のバルブは、軸方向に貫通孔を有するピン部材の一端に蓋状部材が配置され、ピン部材と蓋状部材の側面より貫通孔に通じるスリットが設けられた中空ロットピンと、この中空ロットピンを軸方向可動に収納できる空洞部を有するホルダと、蓋状部材の側面周囲に装着されるＯ−リングとを備え、上記蓋状部材が上記Ｏ−リングの側面上を軸方向に移動してホルダの空洞部と貫通孔との間を開状態または閉状態にし、中空ロットピンが該バルブの閉方向に付勢されている。このため、バルブの開閉の切換えが確実であり、特にバルブが閉じている場合には、バルブを通る燃料などの液漏れを生じることがない。

本発明のカップラ構造は、上記２個のバルブが相互に嵌合して形成され、この２個のバルブは、それぞれ中空ロットピンの周囲に相互に嵌合できるソケット部を有し、このソケット部が嵌合することで貫通孔先端部同士が衝合し、その衝合後に２つの中空ロットピンが一体となって軸方向に移動することで２つのバルブ間の開閉ができる。このため、燃料カートリッジから燃料電池に液体燃料を注入する際に、２個のバルブが相互に嵌合した後に液体の送路が開く構造であるので、液漏れを生じることなく安全にカートリッジの接続または取り外しができる。

本発明の燃料電池用カートリッジは、燃料電池用液体燃料の供給口が上記バルブであるため、カートリッジ−燃料電池間の接続または取り外しを液漏れを生じさせることなく安全に行なうことができる。

本発明の送液方法は、燃料電池用カートリッジおよび燃料電池本体が上記のカップラ構造を有し、中空ロットピンが該バルブの閉方向に付勢されている付勢力は、燃料電池用カートリッジ側の付勢力が燃料電池本体側の付勢力より強いため、カートリッジの接続または取り外しの際、燃料電池側のバルブの開封より先にカートリッジ側のバルブが開封されることはなく、液漏れを生じることなく安全にカートリッジの接続または取り外しができる。

本発明の一実施形態を図に基づいて説明する。図１は本発明の燃料電池用カップラ構造の未接続状態を示す断面図である。
燃料電池用カップラ構造１は、一対のバルブ２およびバルブ３より構成される。特に図１では、バルブ２を燃料カートリッジ側のバルブとし、バルブ３を燃料電池側のバルブとして説明する。
燃料カートリッジ側のバルブ２は、中空ロットピン４、ホルダ５ｃ、およびＯ−リング６を有している。
中空ロットピン４は、軸方向に貫通孔４ｂを有するピン部材４ａの一端に蓋状部材４ｃが超音波溶着されており、ピン部材４ａと蓋状部材４ｃとの側面より貫通孔４ｂに通じるスリット７ａおよび４ｄが設けられている。
ホルダ５ｃは、内部に空洞部７を有し、中空ロットピン４を軸方向可動に収納する。また、同様に空洞部７内に収納された圧縮スプリング８により、中空ロットピン４は蓋状部材４ｃ側よりバルブ２の閉方向に付勢されている。
さらに、ホルダ５ｃは燃料流入口１１側で燃料カートリッジの燃料収容部と接続している（図示省略）。
Ｏ−リング６は、中空ロットピン４の蓋状部材４ｃの側面周囲に装着される。
さらにバルブ２は、バルブ３と嵌合できる雄型のソケット部５ａおよび５ｂを有している。
Ｏ−リング９はピン部材４ａの周囲を密閉するために、Ｏ−リング１０は雌型のソケット部１４ｂと嵌合するときに相互に密閉するために、それぞれ設けられている。

一方、燃料電池側のバルブ３は、中空ロットピン１３、ホルダ１４ｃ、およびＯ−リング１５を有している。
中空ロットピン１３は、軸方向に貫通孔１３ｂを有するピン部材１３ａの一端に蓋状部材１３ｃが超音波溶着されており、ピン部材１３ａと蓋状部材１３ｃの側面より貫通孔１３ｂに通じるスリット１６ａおよび１３ｄが設けられている。
ホルダ１４ｃは、内部に空洞部１６を有し、中空ロットピン１３を軸方向可動に収納できる。また、同様に空洞部１６内に収納された圧縮スプリング１７により、中空ロットピン１３は蓋状部材１３ｃ側よりバルブ３の閉方向に付勢されている。
さらに、ホルダ１４ｃは燃料流入口２０側で燃料電池本体と接続している（図示省略）。
Ｏ−リング１５は、中空ロットピン１３の蓋状部材１３ｃの側面周囲に装着される。
さらにバルブ３は、バルブ２と嵌合できる雌型のソケット部１４ａおよび１４ｂを有している。
Ｏ−リング１８はピン部材１３ａの周囲を密閉するために、Ｏ−リング１９は雄型のソケット部５ａと嵌合するときに相互に密閉するために、それぞれ設けられている。

図８（ａ）〜（ｄ）は、中空ロットピン４または１３の外観を例示する図であり、特に中空ロットピン４を例に説明する。
中空ロットピン４は、軸方向に貫通孔４ｂを有するピン部材４ａの一端に蓋状部材４ｃが超音波溶着されており、ピン部材４ａと蓋状部材４ｃの側面より貫通孔４ｂに通じるスリット７ａおよび４ｄが設けられている。
スリット７ａおよび４ｄは、図８（ａ）に示すように、蓋状部材４ｂおよびピン部材４ａの嵌合部を貫通して形成されるものでもよく、また、蓋状部材４ｃの側端部が軸方向断面テーパ形状の部分４ｅを有し、かつ、図８（ｂ）に示すように、蓋状部材４ｂおよびピン部材４ａの嵌合部を貫通して形成されるものでも、図８（ｃ）に示すように、スリット４ｄはピン部材４ａのみに形成され、テーパ形状部分４ｅにはこのスリット４ｄへの溝が形成されるものであってもよい。
また、ここでスリットおよび溝は、一つに限らず複数あってもよい。さらに図８（ｄ）に示すように、ピン部材４ａにスリット４ｄが形成されていれば、蓋状部材４ｃにスリットが形成されていなくともよい。

本発明のバルブは、Ｏ−リングが中空ロットピンの蓋状部材の側面上を軸方向に移動してホルダの空洞部と中空ロットピンの貫通孔との間を開状態または閉状態にすることによりバルブの開閉を行なうものである。図９（ａ）〜（ｃ）は、本発明のバルブの開封を説明する断面図であり、特に燃料カートリッジ側バルブ２を例に説明する。
図９（ａ）に示すように、閉じた状態のバルブ２では、中空ロットピン４の蓋状部材４ｃの側面周囲に装着されたＯ−リング６は、蓋状部材４ｃの末端部分にあり、ホルダ５ｃの圧縮スプリング８付近の空洞部７と、貫通孔４ｂとの間を遮っている。
次いで、図９（ｂ）に示すように、中空ロットピン４を軸方向に移動させることにより、Ｏ−リング６を蓋状部材４ｃの側面上を移動させる。Ｏ−リング６が蓋状部材４ｃの側面をテーパ形状部分４ｅとの境界まで移動したとき、ホルダ５ｃの圧縮スプリング８付近の空洞部７と、貫通孔４ｂとの間がスリット７ａおよび４ｄを介して開放され始める。
続いて、図９（ｃ）に示すように、さらにＯ−リング６を蓋状部材４ｃの側面上を移動させると、ホルダ５ｃの圧縮スプリング８付近の空洞部７と、貫通孔４ｂとの間が完全に開放され、空洞部７からスリット７ａおよび４ｄを通じて貫通孔４ｂ内への流路が形成され、バルブ２は開封状態となる。

本発明のカップラ構造の接続および液体燃料の送液方法を図に基づいて説明する。図１〜図６は、本発明の燃料電池用カップラを未接続の状態（図１）から、接続完了の状態（図６）までの接続過程の各段階を示す断面図である。また、図７は接続状態の燃料電池用カップラを液体燃料が移動する経路（図中矢印）を説明する図である。

まず、図１に示す燃料カートリッジ側（以下、雄側ともいう）バルブ２および燃料電池側（以下、雌側ともいう）バルブ３が、図２に示すように、雄側ソケット部５ａおよび５ｂが雌側ソケット部１４ａおよび１４ｂに保持されながら挿入して両ソケット部が嵌合を開始する。このとき、雄側ソケット部５ａおよび５ｂと、雌側ソケット部１４ａおよび１４ｂとは、それぞれのソケット部に設けられたＯ−リング１０および１９などにより、相互に強固に嵌合する。また、この嵌合とともに、雄側および雌側の両中空ロットピン４および１３の先端面が衝合して衝合面１２において貫通孔４ｂと貫通孔１３ｂとが連通する。

次いで、図３に示すように、上述の衝合面１２において雄側の中空ロットピン４が雌側の中空ロットピン１３を、図面上、下方向となる軸方向に押圧する。この押圧により、圧縮スプリング８の反発力が圧縮スプリング１７の反発力よ大きいので、中空ロットピン１３は図面下方向となる軸方向に移動し、この移動に伴って蓋状部材１３ｃの側面周囲に装着されたＯ−リング１５がスリット部まで中空ロットピン４と相対移動することにより雌側バルブ３の開封が開始される。

図４に示すように、さらにＯ−リング１５が中空ロットピン１３の蓋状部材１３ｃの側面上を移動することにより雌側のバルブ３の開封が完了する。

続いて、図５に示すように、引き続き雄側のソケット部５ａおよび５ｂの雌側のソケット部１４ａおよび１４ｂへの挿入が行なわれるが、雌側バルブ３の中空ロットピン１３は空洞部１６の最奥部の圧縮スプリング１７を圧縮するまで到達しているため、衝合面１２で衝合している雄側の中空ロットピン４の挿入は停止し、ソケット部の挿入および嵌合だけが行なわれる。このため、雄側ホルダの空洞部７内を中空ロットピン４が軸方向に移動し、この移動に伴って蓋状部材４ｃの側面周囲に装着されたＯ−リング６が図面上側に移動するすることにより雄側バルブ２の開封が開始される。

図６に示すように、さらにＯ−リング６が中空ロットピン４の蓋状部材４ｃの側面上を移動することにより雄側のバルブ２の開封が完了する。

雄側のバルブ２の開封が完了すると、図７の矢印で示すように、燃料カートリッジの燃料収容部（図示省略）より燃料流入口１１より液体燃料がバルブ２の空洞部７に流入し、燃料は空洞部７からスリット４ｄを通過して中空ロットピン４の貫通穴４ｂに流入する。次いで、衝合したシール面１２から雌側バルブ３の中空ロットピン１３の貫通穴１３ｂに流入し、スリット１３ｄを通過して空洞部１６に入り、燃料流入口２０より燃料電池本体（図示省略）へ流れ込む。

上記燃料電池用カップラを取り外す際は、上述した接続過程とは反対に、雄側のソケット部５ａおよび５ｂを雌側のソケット部１４ａおよび１４ｂより引き抜くことにより行なわれ、引き抜くと同時に雄側のバルブ２は、圧縮スプリング８の付勢力により中空ロットピン４が軸方向に移動することで蓋状部材４ｃの側面周囲に装着されたＯ−リング６が移動してバルブ２が閉じ、続いて、雌側のバルブ３においても、圧縮スプリング１７の付勢力により中空ロットピン１３が軸方向に移動することで蓋状部材１３ｃの側面周囲に装着されたＯ−リング１５が移動してバルブ３が閉じたのちに、雄側のソケット部５ａおよび５ｂが雌側のソケット部１４ａおよび１４ｂの嵌合が解除される。

本発明のバルブは、バルブの開閉の切換えが確実であり、特にバルブが閉じている場合には、バルブを通る燃料などの液漏れを生じることがないので、このバルブ用いたカップラ構造は、家電製品、パソコン、携帯電子機器等に用いられる燃料電池用カップラとして好適に用いることができる。

本発明の燃料電池用カップラの未接続状態を示す断面図である。 燃料電池用カップラの接続過程の第１段階を示す断面図である。 燃料電池用カップラの接続過程の第２段階を示す断面図である。 燃料電池用カップラの接続過程の第３段階を示す断面図である。 燃料電池用カップラの接続過程の第４段階を示す断面図である。 本発明の燃料電池用カップラの接続状態を示す断面図である。 接続状態の燃料電池用カップラを液体燃料が移動する経路を説明する図である。 中空ロットピンの外観を例示する図である。 本発明のバルブの開封を説明する断面図である。

符号の説明

１ カップラ
２ 燃料カートリッジ側バルブ
３ 燃料電池側バルブ
４、１３ 中空ロットピン
４ａ、１３ａ ピン部材
４ｂ、１３ｂ 貫通穴
４ｃ、１３ｃ 蓋状部材
４ｄ、１３ｄ スリット
５、１４ ホルダ
６、９、１０、１５、１８、１９ Ｏ−リング
７、１６ 空洞部
８、１７ 圧縮スプリング
１１ 燃料流入口
１２ 衝合面
２０ 燃料流入口

Claims (7)

1. 軸方向に貫通孔を有するピン部材の一端に蓋状部材が配置され、前記ピン部材と蓋状部材の側面より前記貫通孔に通じるスリットが設けられた中空ロットピンと、
   該中空ロットピンを軸方向可動に収納できる空洞部を有するホルダと、
   前記蓋状部材の側面周囲に接するように空洞部を有するホルダに装着されるＯ−リングとを備え、
   前記Ｏ−リングが前記蓋状部材の側面上を軸方向に移動して前記ホルダの空洞部と前記貫通孔との間を開状態または閉状態にし、
   前記中空ロットピンが該バルブの閉方向に付勢されていることを特徴とするバルブ。
2. 前記蓋状部材の側端部が軸方向断面テーパ形状であることを特徴とする請求項１記載のバルブ。
3. 前記中空ロットピンは、前記ピン部材および蓋状部材が超音波溶着により接合されてなることを特徴とする請求項１または請求項２記載のバルブ。
4. 請求項１記載のバルブ２個が相互に嵌合して形成されるカップラ構造であって、
   前記２個のバルブは、それぞれ中空ロットピンの周囲に相互に嵌合できるソケット部を有し、このソケット部が嵌合することで貫通孔先端部同士が衝合し、その衝合後に前記２つの中空ロットピンが一体となって軸方向に移動することで２つのバルブ間の開閉ができることを特徴とするカップラ構造。
5. 燃料電池用液体燃料を保存する燃料電池用カートリッジであって、前記燃料電池用液体燃料の供給口が請求項１、請求項２または請求項３記載のバルブであることを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
6. 燃料電池用液体燃料の送液方法であって、燃料電池用カートリッジおよび燃料電池本体の液供給・流入口が請求項４記載のカップラ構造を有することを特徴とする送液方法。
7. 前記中空ロットピンが該バルブの閉方向に付勢されている付勢力は、前記燃料電池用カートリッジ側の付勢力が前記燃料電池本体側の付勢力より強いことを特徴とする請求項６記載の送液方法。

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