JP2014214811A - カプラー - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単な構成で、液体燃料の移動を容易に行うことが可能なカプラーを提供すること。
【解決手段】カプラー1は、燃料電池2に設けられる接続体6と、燃料カートリッジ3に設けられ、接続体6と接続される被接続体7を備え、接続体6及び被接続体7は、円筒状に形成され、その一方の端部に形成された第1,第2接続口26,66を有し、その内部に第1,第2燃料流路F1,F2及び第1,第2空気流路G1,G2を形成する第1,第2外郭部材11,51、第1,第2外郭部材11,51内に設けられ、第1,第2燃料流路F1,F2及び第1,第2空気流路G1,G2を閉塞するとともに、移動することで第1,第2燃料流路F1,F2及び第1,第2空気流路G1,G2を開放する第1,第2弁体12,52、並びに、第1,第2弁体12,52の端面に支持されて第1,第2外郭部材11,51内に配置され、第1,第2接続口26,66を閉塞する位置に第1,第2弁体12,52を付勢する第1,第2付勢部材14,54を具備する。
【選択図】 図2
【解決手段】カプラー1は、燃料電池2に設けられる接続体6と、燃料カートリッジ3に設けられ、接続体6と接続される被接続体7を備え、接続体6及び被接続体7は、円筒状に形成され、その一方の端部に形成された第1,第2接続口26,66を有し、その内部に第1,第2燃料流路F1,F2及び第1,第2空気流路G1,G2を形成する第1,第2外郭部材11,51、第1,第2外郭部材11,51内に設けられ、第1,第2燃料流路F1,F2及び第1,第2空気流路G1,G2を閉塞するとともに、移動することで第1,第2燃料流路F1,F2及び第1,第2空気流路G1,G2を開放する第1,第2弁体12,52、並びに、第1,第2弁体12,52の端面に支持されて第1,第2外郭部材11,51内に配置され、第1,第2接続口26,66を閉塞する位置に第1,第2弁体12,52を付勢する第1,第2付勢部材14,54を具備する。
【選択図】 図2
Description
本発明は、気体又は液体の燃料により発電を行う燃料電池及びこの燃料電池に燃料を供給する燃料カートリッジを接続するカプラーに関する。
現在、電子機器に、液体燃料により発電が可能な燃料電池を用いる技術が知られている。このような電子機器に用いられる燃料電池は、電子機器の運転や使用によって消費した液体燃料を燃料カートリッジによって供給することで、繰り返し発電が可能に形成されている。
また、燃料電池への燃料の供給を行うために、燃料電池及び燃料カートリッジにそれぞれカプラーが設けられ、当該カプラー同士を係合させることで、燃料の供給が行われる技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。
具体的には、このようなカプラーとして、内部に開閉弁を有する円筒状の受給口が燃料電池に設けられ、受給口に挿入可能な、内部に開閉弁を有する円柱状の供給口が燃料カートリッジに設けられる。
燃料電池及び燃料カートリッジは、受給口及び供給口を接続することで、受給口及び供給口に設けられた開閉弁が開状態となり、燃料カートリッジから燃料電池に燃料が供給される。
上述したカプラーを用いた燃料電池及び燃料カートリッジでは、以下の問題があった。即ち、上述したカプラーは、液体燃料を供給する場合に、供給側の燃料カートリッジから液体燃料が流れて燃料電池に注入される。このとき、燃料カートリッジは、その内部に貯留された液体燃料が燃料電池に移動するため、燃料カートリッジ内の圧力が低下し、結果、燃料カートリッジから燃料電池への液体燃料の移動が滞る虞がある。
このため、燃料カートリッジは、その低下した内圧を大気圧とするための開放弁を設ける構成や、又は、燃料カートリッジ内に燃料電池を貯留させる柔軟性又は可撓性を有する内容器を設け、内容器を加圧する加圧手段を設ける構成が必要となる。このため、燃料カートリッジの構成が複雑となり、燃料カートリッジの製造コストが増加する、という問題があった。また、燃料カートリッジの内圧を増加させるために、開放弁を操作する構成や、内容器を加圧する構成では、操作や加圧を行う工程が必要となり、液体燃料を短時間で容易に移動させることが困難である、という問題があった。
そこで本発明は、簡単な構成で、液体燃料の移動を容易に行うことが可能なカプラーを提供することを目的とする。
前記課題を解決し目的を達成するために、本発明のカプラーは、次のように構成されている。
本発明の一態様として、円筒状に形成され、その一方の端部に形成された第1接続口を有し、その内部に第1燃料流路及び第1空気流路を形成する第1外郭部材、前記第1外郭部材内に設けられ、前記第1燃料流路及び前記第1空気流路を閉塞するとともに、移動することで前記第1燃料流路及び前記第1空気流路を開放する第1弁体、並びに、前記第1弁体の端面に支持されて前記第1外郭部材内に配置され、前記第1接続口を閉塞する位置に前記第1弁体を付勢する第1付勢部材を具備する、燃料電池に設けられる接続体と、円筒状に形成され、その一方の端部に前記第1接続口と接続可能な第2接続口を有し、その内部に第2燃料流路及び第2空気流路を形成する第2外郭部材、前記第2外郭部材内に設けられ、前記第2燃料流路及び前記第2空気流路を閉塞するとともに、前記第1接続口及び第2接続口の接続時に前記第1弁体と当接して前記第1弁体と互いに押圧して移動することで前記第2燃料流路及び前記第2空気流路を開放する第2弁体、並びに、前記第2弁体の端面に支持されて前記第2外郭部材内に配置され、前記第2接続口を閉塞する位置に前記第2弁体を付勢する第2付勢部材を具備する、燃料カートリッジに設けられる被接続体と、を備える。
本発明によれば、簡単な構成で、液体燃料の移動を容易に行うことが可能なカプラーを提供することが可能となる。
以下、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池2及び燃料カートリッジ3、並びに、これら燃料電池2及び燃料カートリッジ3に用いられるカプラー1の構成を、図1乃至図4を用いて説明する。
図1は本発明の第1の実施形態に係る電子機器4に設けられた燃料電池2及び燃料カートリッジ3に設けられたカプラー1の構成を模式的に示す説明図、図2は燃料電池2及び燃料カートリッジ3に用いられるカプラー1の構成を示す断面図、図3は燃料電池2に用いられるカプラー1の受給体6の構成を示す断面図、図4は燃料カートリッジ3に用いられるカプラー1の供給体7の構成を示す断面図である。なお、図2中、矢印F1,F2は燃料の流路(第1燃料流路及び第2燃料流路)及びその流れ方向を、矢印G1,G2は空気の流路(第1空気流路及び第2空気流路)及びその流れ方向を、それぞれ示す。
図1及び図2に示すように、カプラー1は、電子機器4に用いられる燃料電池2、及び、燃料を貯留し、且つ、燃料電池2に供給する燃料カートリッジ3に設けられる。カプラー1は、燃料電池2及び燃料カートリッジ3を接続可能に形成されている。
具体的には、図1乃至図3に示すように、カプラー1は、燃料電池2に設けられた受給体6と、燃料カートリッジ3に設けられた供給体7と、から成る。カプラー1は、受給体6及び供給体7が接続することで、燃料カートリッジ3に貯留された燃料を燃料電池2に供給可能に形成されている。
受給体6及び供給体7は、一方が接続体を構成し、他方が被接続体を構成する。本実施形態においては、受給体6を接続体とし、供給体7を被接続体として説明する。
燃料電池2は、ノートパソコン等の電子機器4に設けられる。燃料電池2は、起電部である燃料電池セル2Aと、燃料タンク2Bと、燃料タンク2Bに接続され、燃料タンク2Bに貯留する液体燃料を、供給体7を介して受給する受給体6と、を備えている。
燃料電池2は、燃料電池セル2Aでの起電に用いる液体燃料として、メタノールが用いられる。このメタノールは、電子機器4及び燃料電池2の性能等に応じて、その濃度及び種類等が異なるものが用いられる。
燃料カートリッジ3は、単体で持ち運び可能に形成されている。図4に示すように、燃料カートリッジ3は、液体燃料Rを貯留する貯留部であるカートリッジ本体3Aと、カートリッジ本体3Aに設けられ、受給体6に液体燃料を供給する供給体7と、を備えている。
燃料カートリッジ3は、燃料を加圧しないで貯留する非加圧式のカートリッジ本体3Aが用いられる。カートリッジ本体3Aは、小容量の、樹脂材料により形成された容器である。カートリッジ本体3Aは、例えば、500ml程度のボトル状の樹脂材料により形成された、所謂PETボトル等である。カートリッジ本体3Aは、その開口する先端に供給体7が設けられる。
図2及び図3に示すように、受給体6は、第1外郭部材11と、第1可動体12と、第1支持体13と、第1付勢部材14と、第1密封部材15と、第1被覆部材16と、を備えている。
受給体6は、弁体である第1可動体(第1弁体)12が往復動することで第1燃料流路F1及び第1空気流路G1が開閉する開閉弁である。受給体6は、第1外郭部材11内に第1燃料流路F1及び第1空気流路G1が形成される。第1燃料流路F1及び第1空気流路G1は、燃料タンク2Bと連通する。受給体6は、供給体7から第1外郭部材11内に供給された燃料を第1外郭部材11内の第1燃料流路F1を介して燃料タンク2Bに導入するとともに、燃料タンク2Bから供給された燃料タンク2B内の空気を、第1空気流路G1を介して供給体7へ供給する。
受給体6は、第1外郭部材11、第1可動体12、第1支持体13、第1密封部材15及び第1被覆部材16が、樹脂材料により形成されている。また、受給体6は、第1付勢部材14が、金属材料、例えばばね鋼材により形成されている。
第1外郭部材11、第1可動体12、及び、第1支持体13は、熱硬化性樹脂材料、例えば、ポリプロピレン(PP)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、高密度ポリエチレン(HDPE)、ポリスチレン(PS)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリアセタール(POM)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート(PC)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)等が用いられる。
第1密封部材15及び第1被覆部材16は、弾性変形可能な樹脂材料、例えば、エチレンプロピレンゴム(EPTE、PDM)、ニトリルゴム(NBR)、フッ素ゴム(FKM)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、シリコーンゴム(VMQ)、クロロプレンゴム(CR)のゴム系の樹脂材料、又は、低密度ポリエチレン(LDPE)、軟質塩化ビニル(PVC)、ナイロン(PA)、ポリウレタン(PU)若しくはテフロン(登録商標)等の合成樹脂系の樹脂材料が用いられる。なお、第1被覆部材16は、高い伸縮性を有する材料が好ましい。
第1外郭部材11は、異なる複数の外径及び内径を有する二重円筒状に形成されるとともに、燃料タンク2Bに一体又は別体に取り付けられる。第1外郭部材11は、第1シリンダ部21、第1案内部材22及び第1被固定部23を備えている。第1外郭部材11は、第1被固定部23により、第1支持体13を固定可能に形成されている。
第1シリンダ部21は、円筒状であって、その内部に、往復動する第1可動体12の一部を収納可能に形成される。具体的には、第1シリンダ部21は、供給体7の一部と係合可能な接続口である受給口(第1接続口)26と、その内部に第1可動体12を収納する第1収納部27と、を備えている。第1シリンダ部21は、受給口26及び第1収納部27が一体に形成されている。
受給口26は、第1収納部27と連通し、第1収納部27に収納された第1可動体12の一部を往復動可能、且つ、供給体7の後述する供給口66を挿入可能とする開口である第1口部28と、第1口部28の内周面に設けられ、第1可動体12の一部を往復動可能、且つ、供給口66と当接する仕切部28aと、を備えている。受給口26は、供給体7の後述する供給口66を挿入可能に、第1口部28の内径が供給口66の外径と略同一に形成されている。受給口26は、第1口部28及び仕切部28aにより第1可動体12の第1先端部31を挿通可能な円筒形状に形成されている。
第1収納部27は、その内部に、第1可動体12及び第1密封部材15を配置可能に形成されている。また、第1収納部27は、その内周面の一部に、第1密封部材15と当接する第1当接部27aを備えている。
第1収納部27は、その内径が、第1可動体12の外径よりも大径に形成されている。第1収納部27は、その内周面と第1可動体12の外周面との隙間によって、第1空気流路G1を形成する。また、第1収納部27は、受給口26が形成された端部とは他方の端部に、第1案内部材22及び第1被固定部23が一体に形成される。
第1当接部27aは、例えば、第1収納部27の受給口26に隣接する内周面が他部よりも小径に形成されることで構成された、第1収納部27の小径部である。第1当接部27aは、第1密封部材15が当接することで、第1収納部27及び第1可動体12間を密封するとともに、第1密封部材15が離間することで、第1収納部27及び第1可動体12間を非密封とする。より具体的には、第1当接部27aは、第1密封部材15の後述する第1シール部材47と離接することで、第1可動体12の外周面及び第1収納部27の内周面間の第1空気流路G1を開閉する。
第1案内部材22は、第1シリンダ部21を覆うように円筒状に形成され、第1シリンダ部21と所定の隙間を有して第1シリンダ部21と一体に形成される。第1案内部材22は、第1シリンダ部21との隙間に、第1燃料流路F1を形成する。第1案内部材22は、第1シリンダ部21の第1収納部27と、それら端部で一体に形成される。
第1案内部材22は、その端面に第1密封部材15の後述する第3シール部材49を配置するシール溝22aと、第1シリンダ部21との間の端面の一部であって、且つ、シール溝22aの内側に、第1案内部材22の内周面及び第1シリンダ部21の外周面との隙間及び燃料タンク2Bを連続し、第1燃料流路F1を形成する開口部22bが形成されている。
第1案内部材22は、供給体7の後述する第2案内部材62に挿入可能に形成される。第1案内部材22は、その外周面に形成され、第2案内部材62の内周面と当接するシール部22cを備えている。シール部22cは、断面視で半円状の環状の突起であり、第1案内部材22の外周面に円環状に一体に設けられる。シール部22cは、第1案内部材22が第2案内部材62に挿入された場合に、一部弾性変形することで、第1案内部材22及び第2案内部材62の隙間を密閉する。
また、第1案内部材22は、その外周面の一部に設けられ、その内部に第2案内部材62を挿入可能に形成されたリング体22dと、リング体22dの開口端の内周面に形成されたキー22eと、を備えている。このリング体22d及びキー22eは、所謂キーロックリングである。
第1被固定部23は、第1シリンダ部21に一体に形成されるとともに、円弧状の断面を有する複数の柱部23aにより形成される。例えば、第1被固定部23は、柱部23aが対称位置に一対設けられることで構成される。なお、図2及び図3においては、柱部23aは、一つのみ示す。
第1被固定部23は、第1可動体12に挿入されるとともに、柱部23aの端部にそれぞれ形成された雌ねじ部23bを備えている。第1被固定部23は、柱部23aのそれぞれに形成された雌ねじ部23bの組み合わせにより、一部が切欠して形成された連続する雌ねじを形成し、当該雌ねじにより第1支持体13を固定可能に形成されている。
第1可動体12は、同軸上に異なる径で形成された棒状の部材であって、その軸心方向に往復動可能に、受給口26、第1収納部27及び燃料タンク2B内に配置される。具体的には、第1可動体12は、その一端側から他端側に向かって第1先端部31、第1中央部32及び第1後端部33を備えている。
第1先端部31は、その外径が第1口部28の内径よりも小さく形成されており、第1口部28に挿通可能に形成されている。第1先端部31は、受給口26に供給体7が接続されたときに、供給体7の後述する第2可動体52と当接可能、且つ、互いに押圧可能な長さに形成されている。第1先端部31は、その先端が第1口部28内に位置する。
第1中央部32は、その一方の端部が第1先端部31に一体に形成される。第1中央部32は、その外径が、第1先端部31よりも大径であって、且つ、第1収納部27及び第1当接部27aの内径よりも小径に形成される。第1中央部32は、その端面が第1収納部27の端面、さらに言えば仕切部28aの端面と当接可能に形成される。第1中央部32は、その外周面に、その端面が第1収納部27の端面と当接したときに、第1当接部27aの端面と当接する第2密封部材15を配置するシール溝32aを備えている。
第1後端部33は、第1中央部32の他方の端部に一体に形成され、その端面が第1付勢部材14の座面を成す。第1後端部33は、その外径が第1中央部32よりも大径であって、且つ、その外径が第1収納部27の内径よりも小径に形成されている。第1後端部33は、その中心に形成された第1支持体13の一部を挿通可能な円柱状の第1案内孔33aと、その外周面に形成され、第1案内孔33aと連通する第1連通孔33bと、を備えている。
第1後端部33は、その外周面に形成され第1密封部材15を配置するシール溝33cを備えている。また、第1後端部33は、その端部の外周面に設けられ、第1案内部材22のシール溝22a及び開口部22bを覆うとともに、シール溝22aに設けられた第3シール部材49と面で当接する円板状の第1面当接部34と、第1面当接部34の端面に設けられ、第1被覆部材16を嵌合可能な第1嵌合部35と、を備えている。
第1案内孔33aは、第1支持体13の一部を挿入可能に形成されている。第1案内孔33aは、その長さが、第1可動体12の移動距離及び挿入される第1支持体13の一部の長さの和以上の長さに形成されている。第1連通孔33bは、シール溝33cよりも第1中央部32側に配置される。即ち、第1連通孔33bは、第1中央部32のシール溝32a及び第1後端部33のシール溝33c間に配置される。
なお、第1空気流路G1内の空気の流れを円滑にするために、第1連通孔33bは、内部に形成される流路(第1空気流路G1)の一次側から二次側に向って第1可動体12の軸心に対して略45°傾斜する構成としてもよい。即ち、第1連通孔33bは、その出口側を傾斜させてシール溝32a側に寄せて開口させる構成であってもよい。
第1面当接部34は、円板状に形成され、その第1案内部材22と対向する端面の外径が第3シール部材49の内径よりも大径に形成され、第3シール部材49と、液密及び気密に密着可能に形成されている。
第1嵌合部35は、円筒状に設けられ、その外径が第1被覆部材16の内径よりも小径に形成されることで、第1被覆部材16と嵌合可能に形成されている。また、第1嵌合部35は、その内径が、第1付勢部材14の外径よりも大径に形成されている。
第1支持体13は、同軸上に異なる径で形成された円柱状の部材であって、第1被固定部23に固定可能に形成されている。具体的には、第1支持体13は、その一端側から他端側に向かって第1案内部41、第1固定部42及び第1規制部43を備えている。第1支持体13は、その内部に、第1案内孔33a及び第1連通孔33bと連通する連通孔45が形成されている。また、第1支持体13は、例えば、その後端に、所定の長さのチューブ46が設けられる。
第1案内部41は、その外径が第1案内孔33aの内径と略同一径に形成されている。第1案内部41は、第1案内孔33aに挿通可能、且つ、第1案内孔33aと摺動可能に形成されている。第1案内部41は、第1案内孔33aに挿通されることで、第1可動体12を第1案内部41の軸心に沿って移動可能に案内する。
第1固定部42は、円柱状に形成されるとともに、その端面が第1付勢部材14の座面を成す。第1固定部42は、その外周面に雄ねじ42aが形成されており、第1被固定部23の雌ねじ部23bと螺合することで、第1被固定部23に固定可能に形成されている。
第1規制部43は、その端面が、第1被固定部23の端面と当接することで、第1被固定部23と螺合する第1固定部42の移動量を規制可能に形成されている。また、第1規制部43は、その外径が第1被覆部材16の内径よりも小径に形成されることで、その外周面に、第1被覆部材16と嵌合可能に形成されている。
チューブ46は、その開口する端部が、燃料タンク2B内の空気を第1空気流路G1から供給体7に流入させる流入部を構成する。チューブ46は、その長さによって燃料タンク2B内に供給体7から供給される液体燃料Rの供給可能な水位を決定する。即ち、チューブ46は、第1空気流路G1の入口を構成することから、液体燃料Rの水位が上昇し、液体燃料Rによりチューブ46の開口が閉塞されることで、燃料タンク2B内の空気の移動が阻害され、液体燃料Rの供給が停止される。このように、チューブ46は、燃料タンク2Bに貯留される液体燃料2Bの水位が所定の水位となる長さに形成されている。
第1付勢部材14は、第1案内部41が挿通されるとともに、第1後端部33の座面及び第1固定部42の座面に支持される、所謂コイルバネである。第1付勢部材14は、第1可動体12を、第1中央部32の端面が第1収納部27の端面と当接する方向に常時付勢する。第1付勢部材14は、第1可動体12、第1支持体13及び第1被覆部材16により形成されるとともに、液密に密封される空間に配置される。
第1密封部材15は、第1中央部32のシール溝32aに設けられる第1シール部材47と、第1後端部33のシール溝33cに設けられる第2シール部材48と、第1案内部材22の端面に配置される第3シール部材49と、を備えている。
第1シール部材47は、第1当接部27a及び第1中央部32のシール溝32aと当接することで、第1収納部27の内周面及び第1可動体12の外周面の隙間の第1空気流路G1を閉塞可能に形成されている。第2シール部材48は、第1収納部27及び第1後端部33のシール溝33cと当接することで、第1収納部27の内周面及び第1可動体12の外周面の隙間に形成される第1空気流路G1であって、且つ、第1連通孔33bの二次側(第1支持体13側)の流路G1を常時閉塞可能に形成されている。
第3シール部材49は、第1案内部材22のシール溝22a及び第1面当接部34の主面と当接することで、燃料タンク2Bから第1シリンダ部21及び第1案内部材22間の隙間へ、第1案内部材22の開口部22bを通過する第1燃料流路F1を閉塞可能に形成されている。
第1被覆部材16は、第2可動体12の第1後端部33及び第1支持体13の第2規制部43に嵌合可能に形成されている。第1被覆部材16は、円筒状に形成され、その内部に第1被固定部23、第1付勢部材14及び第1支持体13の一部を挿通可能に形成される。第1被覆部材16は、第1後端部33及び第1規制部43とその内周面とを液密及び気密に密閉可能に形成されている。
このように構成された受給体6は、第1当接部27aから第1シール部材47が離間することで、第1支持体13に設けられたチューブ46、第1支持体13の連通孔45、第1案内孔33a、第1収納部27の内周面及び第1後端部33の外周面間の隙間、第1連通孔33b、第1当接部27aの内周面及び第1中央部32の外周面の隙間、並びに、受給口26の第1口部28の内周面及び第1先端部31間の隙間により順路が形成された、燃料タンク2B内から供給体7への第1空気流路G1が形成される。
また、受給体6は、第1案内部材22の端部に設けられた第3シール部材49から第1面当接部34の端面が離間することで、第1シリンダ部21の内周面及び第1案内部材22の内周面間の隙間、第1案内部材22の開口部22b、並びに、第3シール部材49及び第1面当接部34間の隙間により順路が形成された、供給体7から燃料タンク2B内への第1燃料流路F1が形成される。
図2及び図4に示すように、供給体7は、第2外郭部材51と、第2可動体52と、第2支持体53と、第2付勢部材54と、第2密封部材55と、第2被覆部材56と、を備えている。
供給体7は、弁体である第2可動体(第2弁体)52が往復動することで第2燃料流路F2及び第2空気流路G2が開閉する開閉弁である。供給体7は、第2外郭部材51内に第2燃料流路F2及び第2空気流路G2が形成される。第2燃料流路F2及び第2空気流路G2は、カートリッジ本体3Aと連通する。供給体7は、カートリッジ本体3Aの燃料を第2外郭部材51内の第2燃料流路F2を介して受給体6に供給するとともに、受給体6から供給された燃料タンク2B内の空気を、第2空気流路G2を介してカートリッジ本体3Aに導入する。
供給体7は、第2外郭部材51、第2可動体52、第2支持体53、第2密封部材55及び第2被覆部材56が、樹脂材料により形成されている。また、供給体7は、第2付勢部材54が、金属材料、例えばばね鋼材により形成されている。
第2外郭部材51、第2可動体52、及び、第2支持体53は、熱硬化性樹脂材料、例えば、ポリプロピレン(PP)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、高密度ポリエチレン(HDPE)、ポリスチレン(PS)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリアセタール(POM)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート(PC)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)等が用いられる。
第2密封部材55及び第2被覆部材56は、弾性変形可能な樹脂材料、例えば、エチレンプロピレンゴム(EPTE、PDM)、ニトリルゴム(NBR)、フッ素ゴム(FKM)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、シリコーンゴム(VMQ)、クロロプレンゴム(CR)のゴム系の樹脂材料、又は、低密度ポリエチレン(LDPE)、軟質塩化ビニル(PVC)、ナイロン(PA)、ポリウレタン(PU)若しくはテフロン(登録商標)等の合成樹脂系の樹脂材料が用いられる。なお、第2被覆部材56は、高い伸縮性を有する材料が好ましい。
第2外郭部材51は、異なる複数の外径及び内径を有する二重円筒状に形成されるとともに、カートリッジ本体3Aに一体又は別体に取り付けられる。第2外郭部材51は、第2シリンダ部61、第2案内部材62及び第2被固定部63を備えている。第2外郭部材51は、第2被固定部63により、第2支持体53を固定可能に形成されている。
第2シリンダ部61は、円筒状であって、その内部に、往復動する第2可動体52の一部を収納可能に形成される。具体的には、第2シリンダ部61は、受給体6の受給口26と係合可能な接続口である供給口(第2接続口)66と、その内部に第2可動体52を収納する第2収納部67と、を備えている。第2シリンダ部61は、供給口66及び第2収納部67が一体に形成されている。
供給口66は、第2収納部67と連通し、第2収納部67に収納された第2可動体52の一部を往復動可能にする開口である第2口部68を有している。供給口66は、受給口26に挿入可能に、その外径が受給口26の内径と略同一に形成されている。供給口66は、第2口部68により第1可動体12の第1先端部31及び第2可動体52の一部を挿通可能な円筒形状に形成されている。具体的には、供給口66は、受給口26の外径よりも若干小径の円筒形状に形成されている。
第2収納部67は、その内部に、第2可動体52及び第2密封部材55を配置可能に形成されている。また、第2収納部67は、その内周面の一部に、第2密封部材55と当接する第2当接部67aを備えている。
第2収納部67は、その内径が、第2可動体52の外径よりも大径に形成されている。第2収納部67は、その内周面と第2可動体52の外周面との隙間によって、第2空気流路G2を形成する。また、第2収納部67は、供給口66が形成された端部とは他方の端部に、第2案内部材62及び第2被固定部63が一体に形成される。
第2当接部67aは、例えば、第2収納部67の供給口66に隣接する内周面が他部よりも小径に形成されることで構成された、第2収納部67の小径部である。第2当接部67aは、第2密封部材55が当接することで、第2収納部67及び第2可動体52間を密封するとともに、第2密封部材55が離間することで、第2収納部67及び第2可動体52間を非密封とする。より具体的には、第2当接部67aは、第2密封部材55の後述する第4シール部材87と離接することで、第2可動体52の外周面及び第2収納部67の内周面間の第2空気流路G2を開閉する。
第2案内部材62は、第2シリンダ部61を覆うように、円筒状に形成され、第2シリンダ部61と所定の隙間を有して第2シリンダ部61と一体に形成される。第2案内部材62は、第2シリンダ部61との隙間に、第2燃料流路F2を形成する。第2案内部材62は、第2シリンダ部61の第2収納部67と、それら端部で一体に形成される。
第2案内部材62は、その端面に第2密封部材55の後述する第6シール部材89を配置するシール溝62aと、第2シリンダ部61との間の端面の一部であって、且つ、シール溝62aの内側に、第2案内部材62の内周面及び第2シリンダ部61の外周面との隙間及びカートリッジ本体3A内を連続し、第2燃料流路F2を形成する開口部62bが形成されている。
また、第2案内部材62は、その外周面の一部に、その軸心方向に延設され、キー22eを通過可能な第1溝部(キー溝)62cと、第2案内部材62の端面に隣接する外周面に形成され、キー22eを径方向に移動可能な、円弧状の第2溝部(キー溝)62dと、を備えている。第2溝部62dは、第1溝部62cから挿入されたキー22eが受給体6又は供給体7が回動することで回動して挿入されるとともに、キー22eと係合可能に形成されている。
第2被固定部63は、第2シリンダ部61に一体に形成されるとともに、円弧状の断面を有する複数の柱部63aにより形成される。例えば、第2被固定部63は、柱部63aが対称位置に一対設けられることで構成される。なお、図2及び図4においては、柱部63aは、一つのみ示す。
第2被固定部63は、第2可動体52に挿入されるとともに、柱部63aの端部にそれぞれ形成された雌ねじ部63bを備えている。第2被固定部63は、柱部63aのそれぞれに形成された雌ねじ部63bの組み合わせにより、一部が切欠して形成された連続する雌ねじを形成し、当該雌ねじにより第2支持体53を固定可能に形成されている。
第2可動体52は、同軸上に異なる径で形成された棒状の部材であって、その軸心方向に往復動可能に、供給口66、第2収納部67及びカートリッジ本体3A内に配置される。具体的には、第2可動体52は、その一端側から他端側に向かって第2先端部71、第2中央部72及び第2後端部73を備えている。
第2先端部71は、その外径が第2口部68の内径よりも小さく形成されており、第2口部68に挿通可能に形成されている。第2先端部71は、供給口66に受給体6が接続されたときに、受給体6の第1先端部31と当接可能、且つ、互いに押圧可能な長さに形成されている。第2先端部71は、その先端が第2口部68内に位置する。
第2中央部72は、その一方の端部が第2先端部71に一体に形成される。第2中央部72は、その外径が、第2先端部71よりも大径であって、且つ、第2収納部67及び第2当接部67aの内径よりも小径に形成される。第2中央部72は、その端面が第2収納部67の端面と当接可能に形成される。第2中央部72は、その外周面に、その端面が第2収納部67の端面と当接したときに、第2当接部67aの端面と当接する第2密封部材55を配置するシール溝72aを備えている。
第2後端部73は、第2中央部72の他方の端部に一体に形成され、その端面が第2付勢部材54の座面を成す。第2後端部73は、その外径が第2中央部72よりも大径であって、且つ、その外径が第2収納部67の内径よりも小径に形成されている。第2後端部73は、その中心に形成された第2支持体53の一部を挿通可能な円柱状の第2案内孔73aと、その外周面に形成され、第2案内孔73aと連通する第2連通孔73bと、を備えている。
第2後端部73は、その外周面に形成され第2密封部材55を配置するシール溝73cを備えている。また、第2後端部73は、その端部の外周面に設けられ、第2案内部材62のシール溝62a及び開口部62bを覆うとともに、シール溝62aに設けられた第6シール部材89と面で当接する円板状の第2面当接部74と、第2面当接部74の端面に設けられ、第2被覆部材56を嵌合可能な第2嵌合部75と、を備えている。
第2案内孔73aは、第2支持体53の一部を挿入可能に形成されている。第2案内孔73aは、その長さが、第2可動体52の移動距離及び挿入される第2支持体53の一部の長さの和以上の長さに形成されている。第2連通孔73bは、シール溝73cよりも第2中央部72側に配置される。即ち、第2連通孔73bは、第2中央部72のシール溝72a及び第2後端部73のシール溝73c間に配置される。
なお、第2空気流路G2内の空気の流れを円滑にするために、第2連通孔73bは、内部に形成される流路(第2空気流路G2)の一次側から二次側に向って第2可動体52の軸心に対して略45°傾斜する構成としてもよい。即ち、第2連通孔73bは、その入口側を傾斜させてシール溝72a側に寄せて開口させる構成であってもよい。
第2面当接部74は、円板状に形成され、その第2案内部材62と対向する端面の外径が第6シール部材89の内径よりも大径に形成され、第6シール部材89と、液密及び気密に密着可能に形成されている。
第2嵌合部75は、円筒状に設けられ、その外径が第2被覆部材56の内径よりも小径に形成されることで、第2被覆部材56と嵌合可能に形成されている。また、第2嵌合部75は、その内径が、第2付勢部材54の外径よりも大径に形成されている。
第2支持体53は、同軸上に異なる径で形成された円柱状の部材であって、第2被固定部63に固定可能に形成されている。具体的には、第2支持体53は、その一端側から他端側に向かって第2案内部81、第2固定部82及び第2規制部83を備えている。第2支持体53は、その内部に、第2案内孔73a及び第2連通孔73bと連通する連通孔85が形成されている。また、第2支持体53は、例えば、その後端に、所定の長さのチューブ86が設けられる。
第2案内部81は、その外径が第2案内孔73aの内径と略同一径に形成されている。第2案内部81は、第2案内孔73aに挿通可能、且つ、第2案内孔73aと摺動可能に形成されている。第2案内部81は、第2案内孔73aに挿通されることで、第2可動体52を第2案内部81の軸心に沿って移動可能に案内する。
第2固定部82は、円柱状に形成されるとともに、その端面が第2付勢部材54の座面を成す。第2固定部82は、その外周面に雄ねじ82aが形成されており、第2被固定部63の雌ねじ部63bと螺合することで、第2被固定部63に固定可能に形成されている。
第2規制部83は、その端面が、第2被固定部63の端面と当接することで、第2被固定部63と螺合する第2固定部82の移動量を規制可能に形成されている。また、第2規制部83は、その外径が第2被覆部材56の内径よりも小径に形成されることで、その外周面に、第2被覆部材56と嵌合可能に形成されている。
チューブ86は、その開口する端部が、受給体6から供給された空気のカートリッジ本体3Aへの第2空気流路G2の一部を構成する。チューブ86は、空気を円滑にカートリッジ3内に導入させるために、そのカートリッジ本体3A内に配置される端部がカートリッジ本体3Aの底部付近まで延設されることが望ましい。
第2付勢部材54は、第2案内部81が挿通されるとともに、第2後端部73の座面及び第2固定部82の座面に支持される、所謂コイルバネである。第2付勢部材54は、第2可動体52を、第2中央部72の端面が第2収納部67の端面と当接する方向に常時付勢する。第2付勢部材54は、第2可動体52、第2支持体53及び第2被覆部材56により形成されるとともに、液密に密封される空間に配置される。第2付勢部材54は第1付勢部材14よりも弾性係数(ばね常数)が大きく形成されている。
第2密封部材55は、第2中央部72のシール溝72aに設けられる第4シール部材87と、第2後端部73のシール溝73cに設けられる第5シール部材88と、第2案内部材62の端面に配置される第6シール部材89と、を備えている。
第4シール部材87は、第2当接部67a及び第2中央部72のシール溝72aと当接することで、第2収納部67の内周面及び第2可動体52の外周面の隙間の第2空気流路G2を閉塞可能に形成されている。第5シール部材88は、第2収納部67及び第2後端部73のシール溝73cと当接することで、第2収納部67の内周面及び第2可動体52の外周面の隙間に形成される第2空気流路G2であって、且つ、第2連通孔73bの一次側(第2支持体53側)の流路G2を常時閉塞可能に形成されている。
第6シール部材89は、第2案内部材62のシール溝62a及び第2面当接部74の主面と当接することで、第2シリンダ部61及び第2案内部材62間の隙間を通って第2案内部材62の開口部62bを通過する第2燃料流路F2を閉塞可能に形成されている。
第2被覆部材56は、第2可動体52の第2後端部73及び第2支持体53の第2規制部83に嵌合可能に形成されている。第2被覆部材56は、円筒状に形成され、その内部に第2被固定部63、第2付勢部材54及び第2支持体53の一部を挿通可能に形成される。第2被覆部材56は、第2後端部73及び第2規制部83とその内周面とを液密及び気密に密閉可能に形成されている。
このように構成された供給体7は、第2当接部67aから第4シール部材87が離間することで、供給口66の第2口部68の内周面及び第2先端部71間の隙間、第2当接部67aの内周面及び第2中央部72の外周面の隙間、第2収納部67の内周面及び第2後端部73の外周面間の隙間、第2連通孔73b、第2案内孔73a、第2支持体53の連通孔85、並びに、第2支持体53に設けられたチューブ86により順路が形成された、受給体6からカートリッジ本体3A内への第2空気流路G2が形成される。
また、供給体7は、第2案内部材62の端部に設けられた第6シール部材89から第2面当接部74の端面が離間することで、第6シール部材89及び第2面当接部74間の隙間、第2案内部材62の開口部62b、並びに、第2シリンダ部61の内周面及び第2案内部材62の内周面間の隙間により順路が形成された、カートリッジ本体3A内から受給体6への第2燃料流路F2が形成される。
次に、このように構成されたカプラー1を用いた受給体6及び供給体7の燃料の供給について説明する。
先ず、図2に示すように、受給体6の第1案内部材22のキー22e及び供給体7の第2収納部67の第1溝部62cを目視により位置あわせを行うとともに、受給体6の受給口26に供給体7の供給口66を挿入する。このとき、第1案内部材22のシール部22cが、第2案内部材62の内周面と当接しながら移動して漸次変形することで、第1案内部材22及び第2案内部材62間が密閉される。さらに、受給口26に供給口66を挿入し、供給口66の端面に仕切部28aの端面を当接させ、その後、受給体6又は供給体7を回動させて、キー22eを第2溝部62dに挿入し、受給体6及び供給体7を固定させる。
先ず、図2に示すように、受給体6の第1案内部材22のキー22e及び供給体7の第2収納部67の第1溝部62cを目視により位置あわせを行うとともに、受給体6の受給口26に供給体7の供給口66を挿入する。このとき、第1案内部材22のシール部22cが、第2案内部材62の内周面と当接しながら移動して漸次変形することで、第1案内部材22及び第2案内部材62間が密閉される。さらに、受給口26に供給口66を挿入し、供給口66の端面に仕切部28aの端面を当接させ、その後、受給体6又は供給体7を回動させて、キー22eを第2溝部62dに挿入し、受給体6及び供給体7を固定させる。
このとき、図2に示すように、第1可動体12及び第2可動体52が当接し、第1可動体12及び第2可動体52が互いに押圧する。
具体的に説明すると、第1付勢部材14は第2付勢部材54よりも弾性係数が低く形成されている。このため、受給口26に供給口66が挿入され、第1先端部31及び第2先端部71が当接すると、先ず、第1可動体12が押し込まれる。第1可動体12が移動することで、第1シール部材48が第1当接部27aから離間する。同時に、同時に、第1可動体12の移動により、第3シール部材47から第1面当接部34が離間する。これにより、第1燃料流路F1及び第1空気流路G1が開放され、受給体6が開状態となる。
受給体6が開状態となり、第1可動体12の案内孔33aの端部に第1支持体13の第1案内部41の先端部が当接し、第1可動体12の移動が停止すると、第2可動体52が移動し、第4シール部材87が第2当接部67aから離間する。同時に、第2可動体52の移動により、第6シール部材87から第2面当接部74が離間する。これにより、第2燃料流路F2が開放されるとともに、第2空気流路G2が開放され、供給体7が開状態となる。
受給体6及び供給体7が開状態となることで、燃料カートリッジ3のカートリッジ本体3Aから燃料の流路F2及び流路F1を順次介して燃料電池2の燃料タンク2Bへ燃料が供給される。なお、このとき、例えば、燃料カートリッジ3は、供給体7が下方に、カートリッジ本体3Aが上方に位置するように配置する。
これにより、燃料の流路F2及び流路F1を介して燃料が供給されると同時に、燃料タンク2B内の空気が、第1空気流路G1及び第2空気流路G2を介してカートリッジ本体3A内に供給され、カートリッジ本体3A内の内圧が、燃料タンク2Bの内圧と同圧に維持される。これにより、燃料は、カートリッジ本体3Aの内圧が燃料タンク2Bの内圧よりも陰圧となることによる滞りが発生することなく、燃料カートリッジ3から燃料電池2に供給される。
このように構成された燃料電池2及び燃料カートリッジ3に用いられるカプラー1によれば、受給体6及び供給体7を係合させることで、弁体である第1可動体12及び第2可動体52が開状態となり、受給体6及び供給体7の第1燃料流路F1及び第2燃料流路F2を介してカートリッジ本体3Aから燃料タンク2Bへ液体燃料Rを供給することが可能となる。また、液体燃料Rを燃料タンク2Bに供給するときに、燃料タンク2Bからカートリッジ本体3A内へ第1空気流路G1及び第2空気流路G2によって燃料タンク2B内の空気が導入されることから、燃料タンク2B及びカートリッジ本体3Aの内圧を一定とすることが可能となる。また、カプラー1は、第1可動体12及び第2可動体52を開状態とすることで、燃料流路F1,F2及び空気流路G1,G2を開放する簡単な構成でよい。このため、燃料カートリッジ3に、別途加圧可能な構成とする必要がなく、カプラー1の製造コストを増加させることなく、燃料カートリッジ3の製造コストを低減させることが可能となる。
また、第1付勢部材14及び第2付勢部材54は、第1,第2可動体12,52、第1,第2支持体13,53及び第1,第2被覆部材16,56により形成される密封された空間に配置される。
このように、金属材料で形成された第1付勢部材14及び第2付勢部材54は、各構成によって液密に覆われることで、燃料流路F1,F2及び空気流路G1,G2上に配置されても、液体燃料Rに接触することがない。このため、カプラー1は、第1付勢部材14及び第2付勢部材54を第1,第2燃料流路F1,F2上に配置しても、燃料内に金属イオンが溶出することを防止可能となる。カプラー1は、非加圧式であり、重力方向に液体燃料Rを移動させるために、内部に液体燃料Rが貯留された状態で供給体7の天地方向が移動される燃料カートリッジ3に用いられても、金属イオンの溶出を防止可能となり、燃料電池2の性能低下を防止可能となる。
また、カプラー1は、開口端側にキー22eを備えたキーロックリングであるリング体22dを具備する第1案内部材22を受給体6に設け、その軸心方向に延設され、キー22eを通過可能な第1溝部62c及びキー22eを径方向に移動可能な第2溝部62dを具備する第2案内部材62を供給体7に設ける構成とする。このような構成のカプラー1によれば、互いに接続可能な受給体6及び供給体7同士をキーロックリングによって確実に接続することが可能となり、燃料電池2に誤った燃料カートリッジを接続することを防止可能となる。これにより、カプラー1は、燃料電池2に適切な液体燃料Rを供給可能となり、信頼性を向上することが可能となる。
上述したように本発明の第1の実施形態に係る燃料電池2及び燃料カートリッジ3に用いられるカプラー1によれば、受給体6及び供給体7に開閉可能な燃料流路F1,F2及び空気流路G1,G2を設けることで、非加圧式のカートリッジ本体3Aを用いることが可能となり、簡単な構成で、液体燃料の移動を容易に行うことが可能となる。
なお、本発明は前記第1の実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した例では、第1,第2付勢部材14,54を第1,第2被覆部材16,56により覆う構成を説明したがこれに限定されず、第1,第2付勢部材14,54は、その外表面を、直接樹脂材料に被覆されることで、液体燃料Rと直接接触しない構成としてもよい。
また、上述した例では、第1,第2支持体13,53は、第1,第2案内部31,81を第1,第2可動体12,52の第1,第2案内孔33a,73aに挿入することで、第1,第2可動体12,52の移動方向を案内する構成を説明したがこれに限定されない。例えば、第1,第2可動体12,52に第1,第2案内部を設け、第2支持体53に第2案内孔を設ける構成であってもよい。この他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である。
1…カプラー、2…燃料電池、2A…燃料電池セル、2B…燃料タンク、3…燃料カートリッジ、3A…カートリッジ本体、4…電子機器、6…受給体(接続体)、7…供給体(被接続体)、11…第1外郭部材、12…第1可動体(第1弁体)、13…第1支持体、14…第1付勢部材、15…第1密封部材、16…第1被覆部材、21…第1シリンダ部、22…第1案内部材、22d…リング体(キーロックリング)、22e…キー(キー、キーロックリング)、23…被固定部、26…受給口(第1接続口)、34…第1面当接部、47…第1シール部材、48…第2シール部材、49…第3シール部材、51…第2外郭部材、52…第2可動体(第2弁体)、53…第2支持体、54…第2付勢部材、55…第2密封部材、56…第2被覆部材、61…シリンダ部、62…第2案内部材、62c…溝部(キー溝)、62d…溝部(キー溝)、66…供給口(第2接続口)、74…第2面当接部、87…第4シール部材、88…第5シール部材、89…第6シール部材、F1…第1燃料流路、F2…第1燃料流路、G1…第1空気流路、G2…第2空気流路、R…液体燃料。
Claims (5)
- 円筒状に形成され、その一方の端部に形成された第1接続口を有し、その内部に第1燃料流路及び第1空気流路を形成する第1外郭部材、前記第1外郭部材内に設けられ、前記第1燃料流路及び前記第1空気流路を閉塞するとともに、移動することで前記第1燃料流路及び前記第1空気流路を開放する第1弁体、並びに、前記第1弁体の端面に支持されて前記第1外郭部材内に配置され、前記第1接続口を閉塞する位置に前記第1弁体を付勢する第1付勢部材を具備する、燃料電池に設けられる接続体と、
円筒状に形成され、その一方の端部に前記第1接続口と接続可能な第2接続口を有し、その内部に第2燃料流路及び第2空気流路を形成する第2外郭部材、前記第2外郭部材内に設けられ、前記第2燃料流路及び前記第2空気流路を閉塞するとともに、前記第1接続口及び第2接続口の接続時に前記第1弁体と当接して前記第1弁体と互いに押圧して移動することで前記第2燃料流路及び前記第2空気流路を開放する第2弁体、並びに、前記第2弁体の端面に支持されて前記第2外郭部材内に配置され、前記第2接続口を閉塞する位置に前記第2弁体を付勢する第2付勢部材を具備する、燃料カートリッジに設けられる被接続体と、
を備えることを特徴とするカプラー。 - 前記接続体は、前記第1外郭部材内に設けられ、前記第1付勢部材を支持するとともに、前記第1弁体の移動の案内及び前記第1弁体の移動量を規制する第1支持体を具備し、
前記被接続体は、前記第2外郭部材内に設けられ、前記第2付勢部材を支持するとともに、前記第2弁体の移動の案内及び前記第2弁体の移動量を規制する第2支持体を具備し、
前記第1弁体は、前記第1外郭部材の内面の一部と当接することで、前記第1燃料流路及び前記第1空気流路を閉塞する第1密封部材を備え、
前記第2弁体は、前記第2外各部材の内面の一部と当接することで、前記第2燃料流路及び前記第2空気流路を閉塞する第2密封部材を備える、
ことを特徴とする請求項1に記載のカプラー。 - 前記第1付勢部材はコイルばねであり、
前記第2付勢部材は、前記第1付勢部材よりも弾性係数が大きく形成されたコイルばねであり、
前記第1弁体が前記第2弁体と当接して移動し、前記1支持体により前記第1弁体の移動が規制された後、前記第2弁体が開放することを特徴とする請求項2に記載のカプラー。 - 前記第1弁体及び前記第1支持体間に液密に固定され、その内部に前記第1付勢部材を配置するとともに、前記第1弁体の移動に伴って変形可能に形成された第1被覆部材と、
前記第2弁体及び前記第2支持体間に液密に固定され、その内部に前記第2付勢部材を配置するとともに、前記第2弁体の移動に伴って変形可能に形成された第2被覆部材と、
をさらに備えることを特徴とする請求項3に記載のカプラー。 - 前記接続体及び前記被接続体は、一方にキーを有するキーロックリングを有し、他方に、前記第1接続口及び前記第2接続口の接続時に、前記キーと係合可能なキー溝が形成されていることを特徴とする請求項1に記載のカプラー。
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