專利名稱：流體管道的連接機(jī)構(gòu)及其制造方法和包括其的燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于連接使流體流動(dòng)的管道的流體管道的連接機(jī) 構(gòu)、該連接機(jī)構(gòu)的制造方法、以及在其中流體管道的連接機(jī)構(gòu)位于燃 料容器和發(fā)電機(jī)構(gòu)之間的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
常規(guī)地，作為用于連接使流體流動(dòng)的管道的聯(lián)接器，已經(jīng)提出了 多種類型。
通常地，聯(lián)接器具有在日本專利申請(qǐng)公開號(hào)2004-211818中公開 的結(jié)構(gòu)。也就是說，在管道未被連接時(shí)，端口中的至少一個(gè)處于關(guān)閉 狀態(tài)，以便防止流體向外部泄露。當(dāng)管道被連接時(shí)，流體可以流動(dòng)。
這是通過向聯(lián)接器的一側(cè)提供止回閥和向聯(lián)接器的另一側(cè)提供用 于推動(dòng)和打開止回閥的壓力銷而實(shí)現(xiàn)的。
此外，還提供了在連接的時(shí)候用于防止流體向外部泄露的墊圏和 用于防止聯(lián)接器容易地分離的鎖定機(jī)構(gòu)。
另一方面，通過采用機(jī)械加工技術(shù)，已經(jīng)制造了多種類型的減壓閥。
減壓閥被大致地分為主動(dòng)驅(qū)動(dòng)類型和被動(dòng)驅(qū)動(dòng)類型。
主動(dòng)驅(qū)動(dòng)減壓閥包括壓力傳感器、閥驅(qū)動(dòng)裝置和控制機(jī)構(gòu)，其中， 閥被驅(qū)動(dòng)以使次級(jí)壓力被減小到設(shè)定的壓力。
此外，被動(dòng)驅(qū)動(dòng)減壓閥具有以下結(jié)構(gòu)，其中當(dāng)達(dá)到設(shè)定的壓力時(shí)， 通過使用差壓，閥被自動(dòng)地打開和關(guān)閉。
此外，被動(dòng)驅(qū)動(dòng)減壓閥被大致地分為先導(dǎo)操作(pilot operated ) 類型和直接作用類型。
先導(dǎo)操作類型的減壓閥具有導(dǎo)閥并且其特征在于執(zhí)行穩(wěn)定的操
作。
直接作用類型的減壓閥具有對(duì)于高速響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于先導(dǎo)操作 類型的減壓閥，當(dāng)氣體被用作工作流體時(shí)，為了即使利用壓縮流體的 微小的力也能可靠地執(zhí)行閥的打開和關(guān)閉，通常膜片被用作差壓檢測(cè) 機(jī)構(gòu)。
對(duì)于例如在日本專利申請(qǐng)>^開號(hào)2004-031199中7>開的小的減壓 閥，提出了一種包括膜片、閥體以及用于使閥體和膜片直接相互連接 的閥軸的結(jié)構(gòu)。
具有上面提到的結(jié)構(gòu)的減壓閥的已知的制造方法是在A.Debray et al" J.Micromech.Microeng.， 15， S202-S209， 2005中公開的制造方 法。該制造方法的特征在于使用半導(dǎo)體加工技術(shù)制造小的機(jī)械部件。
在該半導(dǎo)體加工技術(shù)中，半導(dǎo)體襯底被用作材料，并且結(jié)構(gòu)通過 使用例如成膜、光刻和蝕刻相互結(jié)合的技術(shù)形成。
因此，提供了可以進(jìn)行亞微米量級(jí)的精細(xì)加工并由于批處理而便 于大規(guī)模生產(chǎn)的特征。
特別地，減壓閥具有復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，所以使用用于豎直地蝕刻 半導(dǎo)體襯底的反應(yīng)離子蝕刻(ICP-RIE)和用于接合多個(gè)半導(dǎo)體板的 接合技術(shù)。
此外，閥體和閥座之間通過二氧化硅等的犧牲層接合。在加工的 后半段中，犧牲層被蝕刻，從而允許閥體從閥座上釋放。
另一方面，作為將被安裝到小型電氣設(shè)備上的能量源，小型燃料
電池受到了關(guān)注。燃料電池可用作小型電氣設(shè)備的驅(qū)動(dòng)源的一個(gè)原因 在于單位體積或單位重量可以提供的能量的量是常規(guī)的鋰離子二次電
池的幾倍到10倍。
特別地，在用于獲得大輸出的燃料電池中，氫被用作燃料是最令 人期望的。
但是氫在正常溫度下是氣態(tài)的，需要用于以高密度在小燃料箱中 貯存氫的纟支術(shù)。
用于貯存氫的技術(shù)的已知實(shí)例包括下面的方法。 第一種方法是包括將氫壓縮以便以高壓氣體的形式保存的方法。
當(dāng)箱中的氣體的壓力為200大氣壓時(shí)，體積氫密度為大約 18mg/cm3 。
第二種方法是包括將氫保持在低溫以便以液體的形式貯存的方法。
為了使氫液化需要大量的能量，并且被液化的氫自然地蒸發(fā)而泄 露，這是一個(gè)問題。但是，通過該方法，可以以高密度保存。 第三種方法是包括采用氫貯存合金以貯存氫的方法。
在該方法中，氫貯存合金的比重很大，所以在重量基礎(chǔ)上，問題 在于僅僅大約2wt。/。的氫可以被貯存，從而使得燃料箱更重。但是， 在體積基礎(chǔ)上，氫貯存量很大，所以第三種方法對(duì)于小型化是有效的。
特別地，在小型燃料電池中，由于可操縱性和大的單位體積氫充 填量，通常采用第三種方法，其中氫被貯存在氫貯存合金中。
當(dāng)燃料容器中的所有氫通過發(fā)電被消耗時(shí)，為了繼續(xù)發(fā)電，氫需 要被重新充填。
氫的補(bǔ)給可以在燃料電池的發(fā)電部分保持與燃料容器連接的狀態(tài) 下執(zhí)行。但是，也有在燃料容器從發(fā)電部分移除的狀態(tài)下執(zhí)行補(bǔ)給的 情況。
這是因?yàn)槠谕诔涮畹臅r(shí)候燃料容器中的壓力很高和燃料容器在 充填的時(shí)候被冷卻時(shí)，應(yīng)當(dāng)防止壓力和溫度歷史不利地影響發(fā)電部分。 此外，考慮到方便性和經(jīng)濟(jì)性，期望僅僅攜帶多個(gè)燃料容器，而
不是持有和攜帶多個(gè)燃料電池，并且期望當(dāng)所使用的燃料容器變空時(shí)， 燃料容器被新的燃料容器替換。
因此，通常使用其中聯(lián)接器設(shè)置在燃料容器和燃料電池發(fā)電部分 之間以使燃料容器成為可拆卸的方法。
作為上述聯(lián)接器，例如在日本專利申請(qǐng)公開號(hào)2004-293777中所 公開的，提出了一種具有如下結(jié)構(gòu)的聯(lián)接器，其中插頭和插座可以通 過外力相互分離。
另一方面，聚合物電解質(zhì)燃料電池的發(fā)電如下執(zhí)行。
對(duì)于聚合物電解質(zhì)膜，通常使用全氟磺酸陽離子交換樹脂。
例如，對(duì)于上述膜，DuPont等公司制造的Nafion是公知的。
通過將聚合物電解質(zhì)膜夾在一對(duì)承載催化劑(例如鉑)的多孔電 極之間獲得的膜電極復(fù)合體構(gòu)成了發(fā)電電池，這對(duì)多孔電極即燃料電 極和氧化劑電極。
對(duì)于發(fā)電電池，通過向氧化劑電極供給氧化劑和向燃料電極供給 燃料，質(zhì)子在聚合物電解質(zhì)膜中移動(dòng)，從而執(zhí)行發(fā)電。
保持機(jī)械強(qiáng)度并通常具有大約50-200pm的厚度的聚合物電解質(zhì) 膜被采用，以便防止燃料氣體通過其傳輸。
聚合物電解質(zhì)膜的強(qiáng)度為大約3-5kg/cm2。因此，為了防止膜由 于差壓而破損，期望將燃料電池的氧化劑電極室和燃料電極室之間的 差壓控制成在正常狀態(tài)下為0.5 kg/cm2或在緊急情況下等于或小于1 kg/cm2 。
在燃料箱和氧化劑電極室之間的差壓小于上面提到的差壓的情況 下，燃料箱和燃料電極室被直接相互連接，而無需特別的減小壓力。
但是，在氧化劑電極室對(duì)空氣開放和在更高的密度下充填燃料的 情況下，在從燃料箱向燃料電極室供給燃料的過程中，有必要減小壓 力。
此外，上面提到的機(jī)構(gòu)對(duì)于穩(wěn)定發(fā)電的起動(dòng)和停止操作以及所產(chǎn) 生的能量也是必要的。
在曰本專利申請(qǐng)公開號(hào)2004-031199中，在燃料箱和燃料電池單 元之間具有小型閥，從而防止燃料電池單元由于大的差壓而受到破壞、 控制發(fā)電的起動(dòng)和停止以及穩(wěn)定所產(chǎn)生的能量。
特別地，膜片被用在燃料供給路徑和氧化劑供給路徑之間的邊界 處，并被直接連接到閥，從而實(shí)現(xiàn)無需使用電力而由燃料供給路徑和 氧化劑供給路徑之間的差壓驅(qū)動(dòng)的減壓閥，該減壓閥優(yōu)化控制待供給 到燃料電池單元的燃料的壓力。
日本專利申請(qǐng)公開號(hào)2005-339321提出了 一種具有以下結(jié)構(gòu)的雙 閥式壓力調(diào)節(jié)器，其中包括初級(jí)調(diào)節(jié)閥的部分和包括次級(jí)調(diào)節(jié)閥的部
分相互分離，并且其中的一個(gè)部分位于燃料箱側(cè)，另一個(gè)部分位于燃 料電池側(cè)，這兩個(gè)部分可相互分離。

發(fā)明內(nèi)容
但是，按照傳統(tǒng)實(shí)例，位于燃料箱和燃料電池單元之間的結(jié)構(gòu)作 為聯(lián)接器不總是令人滿意的。
例如，在日本專利申請(qǐng)公開號(hào)2004-211818或日本專利申請(qǐng)公開 號(hào)2004-293777中公開的傳統(tǒng)聯(lián)接器不具有壓力調(diào)節(jié)功能。因此，在 連接的時(shí)候，管道兩側(cè)的壓力相互之間基本上是相同的。這樣，在連 接的時(shí)候期望減小壓力以供給不變的壓力的流體的情況下，需要將減 壓閥單獨(dú)地設(shè)置在流動(dòng)路徑中。
此外，在按照日本專利申請(qǐng) ^開號(hào)2004-031199的傳統(tǒng)實(shí)例中所 述的結(jié)構(gòu)中，膜片(可移動(dòng)部分)、活塞(傳動(dòng)機(jī)構(gòu))和閥體相互成為 一體。因此，通過將這些部件相互分離而采用這些部件作為聯(lián)接器是 有問題的。此外，在按照日本專利申請(qǐng)公開號(hào)2005-339321的傳統(tǒng)實(shí) 例中所迷的結(jié)構(gòu)中，包括初級(jí)調(diào)節(jié)閥的部分和包括次級(jí)調(diào)節(jié)閥的部分 相互分離。該結(jié)構(gòu)可以被用作在燃料箱和燃料電池單元之間具有壓力 調(diào)節(jié)功能的聯(lián)接器。
但是，由于包括初級(jí)調(diào)節(jié)閥的部分和包括次級(jí)調(diào)節(jié)閥的部分相互 分離，該結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，另外還難以滿足最近對(duì)于用于進(jìn)一步小型化的 小型燃料電池系統(tǒng)的需求。
特別地，在初級(jí)調(diào)節(jié)閥中，用于關(guān)閉閥的彈簧位于延伸的活塞軸 線上并相對(duì)于閥體位于與活塞相反的一側(cè)上。這樣，減壓閥的層數(shù)增 加，從而使結(jié)構(gòu)復(fù)雜。此外，在這樣的情況下，為了防止閥體的位置 偏移，需要與彈簧分開對(duì)閥體或活塞設(shè)置導(dǎo)向部分。此外，在小型減 壓閥中，驅(qū)動(dòng)閥是困難的，因?yàn)橹圃煨⌒洼S承是非常困難的，所以在 導(dǎo)向部分中的摩擦很大。此外，通過堆疊上述厚構(gòu)件獲得的結(jié)構(gòu)很難
通過有利于小型化和大規(guī)模生產(chǎn)的半導(dǎo)體加工技術(shù)、蝕刻或壓力加工 制造。
考慮到上述問題，本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種具有更簡單結(jié)構(gòu)(從 而能夠進(jìn)一步小型化)并用作減壓閥的流體管道的連接機(jī)構(gòu)、其制造 方法以及包括該流體管道的連接機(jī)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)。
此外，本發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)是提供一種具有更簡單結(jié)構(gòu)(從而能 夠進(jìn)一 步小型化)并用作減壓閥和溫度切斷閥的流體管道的連接機(jī)構(gòu)、 其制造方法以及包括該流體管道的連接機(jī)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)。
為了解決上面提到的問題，本發(fā)明提供了一種如下面描述構(gòu)造的 流體管道的連接機(jī)構(gòu)、其制造方法以及包括該流體管道的連接機(jī)構(gòu)的 燃料電池系統(tǒng)。
按照本發(fā)明，提供了一種流體管道的連接機(jī)構(gòu)，用于連接使流體
流動(dòng)的多個(gè)流體管道，其特征在于 所述流體管道的連接機(jī)構(gòu)包括
第 一部件，其設(shè)置到所述多個(gè)流體管道的一側(cè)并包括可移動(dòng)部分，
所述可移動(dòng)部分構(gòu)成壓力控制閥的一部分并通過差壓操作；
第二部件，其設(shè)置到所述多個(gè)流體管道的另一側(cè)并包括打開和關(guān)
閉機(jī)構(gòu)，所述打開和關(guān)閉機(jī)構(gòu)通過構(gòu)成所述壓力控制閥的一部分的所
述可移動(dòng)部分的操作而打開和關(guān)閉；
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其設(shè)置到所述第一部件和所述第二部件中的至少一個(gè)
上，其中
所述打開和關(guān)閉機(jī)構(gòu)包括閥座部分、閥體部分和用于支撐所述閥 體部分的支撐部分；
所述支撐部分支撐所述閥體部分，使得所述閥體部分和所述閥座 部分能根據(jù)由所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞的所述可移動(dòng)部分的操作而相對(duì)于彼 此打開和關(guān)閉；
用于支撐所述閥體部分的所述支撐部分由彈性體制成，所述彈性 體位于與所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的操作方向垂直并包括所述閥體部分的平面 上，用于支撐所述閥體部分；和
設(shè)有所述第 一 部件的所述多個(gè)流體管道和設(shè)有所述第二部件的所 述多個(gè)流體管道相互連接，從而在所述多個(gè)流體管道相互連接的部分
,—、.，，，，分的稞作傳遞到 開和關(guān)閉機(jī)構(gòu)的所述壓力控制閥。
此外，流體管道的連接機(jī)構(gòu)的特征在于，可移動(dòng)部分包括膜片。 此外，流體管道的連接機(jī)構(gòu)的特征在于，壓力控制閥起到減壓閥 的作用。
此外，流體管道的連接機(jī)構(gòu)的特征在于，用于支撐所述閥體部分 的所述支撐部分部分地包括溫度位移部分，所述溫度位移部分在溫度 等于或高于闊值時(shí)將所述閥體部分移動(dòng)到關(guān)閉位置。
此外，流體管道的連接機(jī)構(gòu)的特征在于，溫度位移部分由形狀記 憶合金制成。
此外，流體管道的連接機(jī)構(gòu)的特征在于，溫度位移部分由雙金屬 制成。
此外，流體管道的連接機(jī)構(gòu)的特征在于，壓力控制閥起到減壓閥 的作用，并且還起到溫度切斷閥的作用。
此外，流體管道的連接機(jī)構(gòu)的特征在于
所述打開和關(guān)閉機(jī)構(gòu)由彈性體制成，所述彈性體具有在與所述傳 動(dòng)機(jī)構(gòu)的操作方向垂直的方向上延伸的通孔；并且
所述傳動(dòng)4幾構(gòu)的頂端部分打開和關(guān)閉。
此外，流體管道的連接機(jī)構(gòu)的特征在于，所述第一部件和所述第 二部件中的至少一個(gè)包括墊圏，用于當(dāng)設(shè)有所述第一部件的所述多個(gè) 流體管道和設(shè)有所述第二部件的所述多個(gè)流體管道相互連接時(shí)，防止 流體從所述多個(gè)流體管道相互接觸的部分泄露。
此外，流體管道的連接機(jī)構(gòu)的特征在于，所述第一部件和所述第 二部件中的至少一個(gè)包括鎖定機(jī)構(gòu)，用于當(dāng)設(shè)有所述第 一部件的所述 多個(gè)流體管道和設(shè)有所述第二部件的所述多個(gè)流體管道相互連接時(shí)， 保持設(shè)有所述第一部件的所述多個(gè)流體管道和設(shè)有所述第二部件的所 述多個(gè)流體管道之間的連接。
此外，流體管道的連接機(jī)構(gòu)的特征在于，構(gòu)成所述壓力控制岡的
一部分并通過差壓操作的所述可移動(dòng)部分、通過所述可移動(dòng)部分的操 作而打開和關(guān)閉的所述打開和關(guān)閉機(jī)構(gòu)、以及所述傳動(dòng)才幾構(gòu)每個(gè)都由 片狀構(gòu)件或板狀構(gòu)件形成，所述可移動(dòng)部分、所述打開和關(guān)閉機(jī)構(gòu)以 及所述傳動(dòng)纟幾構(gòu)相互堆疊，從而構(gòu)成所述連接才幾構(gòu)。
此外，按照本發(fā)明，提供了一種流體管道的連接機(jī)構(gòu)的制造方法，
該連接才幾構(gòu)包括
第一部件，其設(shè)置到多個(gè)流體管道的一側(cè)并包括可移動(dòng)部分，所
述可移動(dòng)部分構(gòu)成壓力控制閥的一部分并通過差壓操作；
第二部件，其設(shè)置到所述多個(gè)流體管道的另一側(cè)并包括打開和關(guān)
閉機(jī)構(gòu)，所述打開和關(guān)閉機(jī)構(gòu)通過構(gòu)成所述壓力控制閥的一部分的所 述可移動(dòng)部分的操作而打開和關(guān)閉；
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其設(shè)置到所述第一部件和所述第二部件中的至少一個(gè)
上，
所述流體管道的連接機(jī)構(gòu)的制造方法包括以下步驟
由片狀構(gòu)件或板狀構(gòu)件形成設(shè)置到所述多個(gè)流體管道的一側(cè)的所 述可移動(dòng)部分；
由片狀構(gòu)件或板狀構(gòu)件形成所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；
由片狀構(gòu)件或板狀構(gòu)件形成閥座部分、閥體部分和用于支撐所述 閥體部分的支撐部分，以成一體地用作設(shè)置到所述多個(gè)流體管道的另 一側(cè)的所述打開和關(guān)閉才/L構(gòu)；和
在所述可移動(dòng)部分側(cè)或所述打開和關(guān)閉機(jī)構(gòu)側(cè)由片狀構(gòu)件或板狀 構(gòu)件形成墊圏。
此外，流體管道的連接機(jī)構(gòu)的制造方法的特征在于，片狀構(gòu)件或 板狀構(gòu)件的至少一部分包括半導(dǎo)體襯底。
此外，按照本發(fā)明，提供了一種燃料電池系統(tǒng)，包括 燃料容器；
燃料電池發(fā)電部分；和
流體管道的連接機(jī)構(gòu)，其位于燃料容器和燃料電池發(fā)電部分之間， 其中，所述流體管道的連接機(jī)構(gòu)包括按照上述方面中任一所述的流體
管道的連接機(jī)構(gòu)或者通過按照上述方面之一所述的流體管道的連接機(jī) 構(gòu)的制造方法制造的流體管道的連接機(jī)構(gòu)。
按照本發(fā)明，可以實(shí)現(xiàn)一種具有更簡單結(jié)構(gòu)(從而能夠進(jìn)一步小 型化)并用作減壓閥的流體管道的連接機(jī)構(gòu)、其制造方法以及包括該 流體管道的連接機(jī)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)。
此外，按照本發(fā)明，可以實(shí)現(xiàn)一種具有更簡單結(jié)構(gòu)(從而能夠進(jìn) 一步小型化)并用作減壓閥和溫度切斷閥的流體管道的連接機(jī)構(gòu)、其 制造方法以及安裝有該流體管道的連接機(jī)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)。


圖1A和1B是用于說明按照本發(fā)明的實(shí)例l的連接機(jī)構(gòu)的第一結(jié) 構(gòu)實(shí)例的剖視圖。
圖2A、 2B和2C是用于說明按照本發(fā)明的實(shí)例1的連接機(jī)構(gòu)的 第一結(jié)構(gòu)實(shí)例中的支撐部分的視圖，其中圖2A是用于說明支撐部分 的第一實(shí)施例的平面圖，圖2B是用于說明支撐部分的第二實(shí)施例的 平面圖，和圖2C是用于說明支撐部分的第三實(shí)施例的平面圖。
圖3A和3B是用于說明在按照本發(fā)明的實(shí)例1的連接機(jī)構(gòu)的第一 結(jié)構(gòu)實(shí)例中的應(yīng)用實(shí)例的剖視圖。
圖4是用于說明按照本發(fā)明的實(shí)例1的連接機(jī)構(gòu)的第一結(jié)構(gòu)實(shí)例 中的部件的壓力和剖面面積的(關(guān)閉狀態(tài)的)視圖。
圖5是用于說明按照本發(fā)明的實(shí)例1的連接機(jī)構(gòu)的第一結(jié)構(gòu)實(shí)例 中閥被打開的狀態(tài)的剖視圖。
圖6A和6B是用于說明按照本發(fā)明的實(shí)例l的連接機(jī)構(gòu)的第一結(jié) 構(gòu)實(shí)例的分解透視圖。
圖7A和7B是用于說明按照本發(fā)明的實(shí)例1的連接機(jī)構(gòu)的可移動(dòng) 部分的另一個(gè)結(jié)構(gòu)實(shí)例的視圖，其中，圖7A是可移動(dòng)部分的另一個(gè) 結(jié)構(gòu)實(shí)例的側(cè)剖視圖，圖7B是其仰視圖。
圖8A和8B是用于說明按照本發(fā)明的實(shí)例1的連接機(jī)構(gòu)的鎖定機(jī) 構(gòu)的另一個(gè)結(jié)構(gòu)實(shí)例的視圖，其中，圖8A是說明位于具有可移動(dòng)部
分一側(cè)的結(jié)構(gòu)的視圖，圖8B是說明位于具有閥部分一側(cè)的結(jié)構(gòu)的視 圖。
圖9A、 9B、 9C、 9D、 9E和9F是用于說明按照本發(fā)明的實(shí)例2 具有可移動(dòng)部分的連接機(jī)構(gòu)的制造過程的工藝流程圖。
圖IOG、 IOH、 101、 IOJ和IOK是用于說明按照本發(fā)明的實(shí)例2 具有可移動(dòng)部分的連接機(jī)構(gòu)在圖9A、 9B、 9C、 9D、 9E和9F之后的 制造過程的工藝流程圖。
圖IIL、 IIM、 IIN、 IIO、 IIP和IIQ是用于說明按照本發(fā)明的 實(shí)例2具有可移動(dòng)部分的連接機(jī)構(gòu)在圖IOG、 IOH、 101、 IOJ和IOK 之后的制造過程的工藝流程圖。
圖12A和12B是用于說明按照本發(fā)明的實(shí)例3的連接機(jī)構(gòu)的第二 結(jié)構(gòu)實(shí)例的剖視圖。
圖13是說明按照本發(fā)明的實(shí)例3的連接機(jī)構(gòu)的第二結(jié)構(gòu)實(shí)例的連 接狀態(tài)的剖視圖。
圖14是說明按照本發(fā)明的實(shí)例3的連接機(jī)構(gòu)的第二結(jié)構(gòu)實(shí)例中閥 被打開的狀態(tài)的剖視圖。
圖15是說明按照本發(fā)明的實(shí)例3的連接機(jī)構(gòu)的第二結(jié)構(gòu)實(shí)例的傳 動(dòng)機(jī)構(gòu)的另 一 個(gè)實(shí)施例的剖視圖。
圖16A和16B是說明從通孔側(cè)觀察按照本發(fā)明的實(shí)例3的連接機(jī) 構(gòu)的減壓閥的分解透視圖。
圖17A和17B是說明按照本發(fā)明的實(shí)例4的燃料箱和燃料電池發(fā) 電部分的結(jié)構(gòu)的透視圖。
圖18是按照本發(fā)明的實(shí)例4的、處于燃料箱和燃料發(fā)電部分相互 連接狀態(tài)的燃料電池的示意性透視圖。
圖19是按照本發(fā)明的實(shí)例4的燃料電池系統(tǒng)的示意框圖。
圖20是用于說明按照本發(fā)明的實(shí)例4的燃料電池系統(tǒng)中的氫貯存 合金(LaNis)的解離壓力(dissociation pressure )的表格。
圖21是用于說明按照本發(fā)明的實(shí)例4的連接機(jī)構(gòu)的位置關(guān)系的視圖。
具體實(shí)施例方式
用于實(shí)施本發(fā)明的最佳方式將通過下面的實(shí)例進(jìn)行描述。 (實(shí)例1)
在實(shí)例1中，將對(duì)本發(fā)明所應(yīng)用的連接機(jī)構(gòu)的笫一結(jié)構(gòu)實(shí)例進(jìn)行 描述。
圖1A和IB示出用于說明按照該實(shí)例的連接機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的剖視圖。
在圖1A和1B中，設(shè)有用作可移動(dòng)部分的膜片1、用作傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 的活塞2、形成閥部分的閥座部分3、閥體部分4、支撐部分5、密封 件6、墊圏10和鎖定機(jī)構(gòu)11。
在該實(shí)例中，連接機(jī)構(gòu)的一側(cè)包括將被連接到多個(gè)管道的一側(cè)的 以下部件用作可移動(dòng)部分的膜片1、用作傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的活塞2、墊圏 IO和鎖定纟幾構(gòu)11。
另 一方面，該實(shí)例的連接機(jī)構(gòu)的另 一側(cè)包括將被連接到多個(gè)管道 的另一側(cè)的以下部件形成閥部分的閥座部分3、閥體部分4、支撐部 分5和密封件6。
在這樣的情況下，支撐部分5由具有彈性的梁(彈性體)形成并 位于與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2的操作方向垂直的平面上，該平面包括閥體部分4。 例如，支撐部分5可以使用圖2A中所示的第一實(shí)施例或圖2B中所示 的第二實(shí)施例。此外，在圖2C中所示的第三實(shí)施例中，閥體部分4 可以被支撐部分5和溫度位移部分50支撐。
在這樣的情況下，溫度位移部分50可以由例如鈦-鎳合金的形狀 記憶合金形成。
鈦-鎳合金的形狀記憶合金可以通過濺射形成。
溫度位移部分50在常溫下經(jīng)受彈性變形，并不影響上面提到的支 撐部分5的彈性特性。這樣，可以獲得正常的減壓閥的功能。
當(dāng)減壓閥周圍的溫度異常地上升并等于或高于預(yù)定的溫度時(shí)，溫 度位移部分50的形狀記憶合金變形以便向閥座部分3翹曲，從而將閥
體部分4壓向閥座部分3，因此獲得關(guān)閉的狀態(tài)。
在溫度比閾值小的區(qū)域中，溫度位移部分50不會(huì)發(fā)揮其功能。因 此，如同在正常的減壓閥的情況下，在保持次級(jí)壓力的同時(shí)實(shí)現(xiàn)流速。
此外，當(dāng)溫度上升并超過閾值時(shí)，溫度位移部分50的形狀記憶合 金起作用以提升閥體部分40 ，從而允許閥關(guān)閉以用作溫度切斷閥。
相反，當(dāng)溫度低于閾值時(shí)，閥起到正常的減壓閥的作用。結(jié)果， 閥可以可逆地4吏用。
如上面描述的，通過對(duì)減壓閥設(shè)置由形狀記憶合金形成的溫度位 移部分50，當(dāng)溫度低于閾值溫度時(shí)，閥可以起到減壓閥的作用，當(dāng)溫 度等于或高于閾值溫度時(shí)，閥可以起到溫度切斷閥的作用。結(jié)果，可 以表現(xiàn)出具有更高安全性的閥功能。
在這樣的情況下，示出使用形狀記憶合金用于溫度位移部分50 的實(shí)例，但是可以采用根據(jù)溫度進(jìn)行移位的材料(例如，雙金屬)以 獲得相同的效果。
此外，在這樣的情況下，示出支撐部分5和溫度位移部分50布置 成相互分離的實(shí)例。但是，支撐部分5可以采用使用具有彈性特性的
金屬材料的溫度位移材料。
按照該實(shí)例，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2、墊圏10和鎖定機(jī)構(gòu)11可以位于具有 可移動(dòng)部分的一側(cè)和具有閥部分的一側(cè)中的任一側(cè)上。
例如，如圖1A和1B中所示，它們可以位于具有可移動(dòng)部分的一 側(cè)上。或者，如圖3A和3B中所示，它們可以位于具有閥部分的一側(cè) 上。在附圖中，與圖1A和1B中的附圖標(biāo)記相同的附圖標(biāo)記表示相同 的構(gòu)件。
此外，膜片(可移動(dòng)部分)l側(cè)的管道被連接到位于圖1A中所示 的膜片(可移動(dòng)部分)1的右下側(cè)上的流動(dòng)路徑。正常地，膜片(可 移動(dòng)部分)l的上部與大氣接觸。
另一方面，具有閥部分的連接機(jī)構(gòu)的管道從圖1B中所示的閥體 部分4的下部與其相連。
參照?qǐng)D4和5，將對(duì)按照該實(shí)例的減壓閥的操作進(jìn)行描述。 圖4是該實(shí)例的連接機(jī)構(gòu)在連接時(shí)的剖視圖。具有膜片(可移動(dòng) 部分)的連接機(jī)構(gòu)和具有閥部分的連接機(jī)構(gòu)被相互聯(lián)接并通過鎖定機(jī) 構(gòu)11鎖定。
此外，在接觸表面上，墊圏10防止在內(nèi)部流動(dòng)的流體向外部泄露。 可移動(dòng)部分1和閥體部分4通過活塞(傳動(dòng)機(jī)構(gòu))2在中間而相
互對(duì)置。但是，不必使活塞(傳動(dòng)機(jī)構(gòu))2與可移動(dòng)部分1和閥體部
分4都接觸。
此外，如圖8中所示，鎖定機(jī)構(gòu)11可以使用彈簧，但是例如在連 接的時(shí)候磁體被嵌入連接機(jī)構(gòu)的接觸部分中，這樣可以通過磁體之間 的吸引力保持連接狀態(tài)。
特別地，通過采用使用線圏的電磁體作為磁體，連接和斷開可以 通過電信號(hào)進(jìn)行控制。
此外，通過采用磁體用作鎖定機(jī)構(gòu)和采用包括壓電元件等的致動(dòng) 器用于斷開或連接，可以實(shí)現(xiàn)一種機(jī)構(gòu)，其中電力僅被用于連接或斷 開操作而通常不需要電力。
膜片(可移動(dòng)部分)1的上部中的壓力用Po表示，閥的上游中的 初級(jí)壓力用P,表示，閥的下游中的次級(jí)壓力用P2表示，閥體部分4 的面積用Si表示，膜片(可移動(dòng)部分)1的面積用S2表示。膜片(可 移動(dòng)部分)通過差壓(P。-P2)操作。
在這樣的情況下，由于壓力的平衡而使閥如圖5所示被打開的條 件被表示為(P廣PJ S,< (P0-P2) S2。當(dāng)壓力P2高于在該條件下的壓
力時(shí)，閥被關(guān)閉，并且當(dāng)壓力P2低于在該條件下的壓力時(shí)，閥被打開。 結(jié)果，壓力P2可以保持不變。
通過調(diào)整閥體4的面積和膜片(可移動(dòng)部分)l的面積、活塞(傳 動(dòng)機(jī)構(gòu))2的長度、膜片(可移動(dòng)部分)1的厚度和支撐部分5的梁的 形狀，可以最佳地i殳定閥凈皮打開和關(guān)閉時(shí)的壓力和流速。
特別地，在膜片(可移動(dòng)部分)1的彈簧常數(shù)大于支撐部分5的 彈簧常數(shù)的情況下，閥被打開時(shí)的壓力取決于膜片(可移動(dòng)部分)l。
相反地，在支撐部分5的彈簧常數(shù)大于膜片(可移動(dòng)部分)1的
彈簧常數(shù)的情況下，閥的行為取決于支撐部分5。
此外，根據(jù)在連接的時(shí)候活塞(傳動(dòng)機(jī)構(gòu))2的長度和從膜片(可 移動(dòng)部分)1到閥體部分4的距離之間的差，次級(jí)壓力P2變化。
也就是說，當(dāng)與從膜片(可移動(dòng)部分)1到閥體部分4的距離相 比，活塞(傳動(dòng)機(jī)構(gòu))2的長度越大，次級(jí)壓力P2就越高。當(dāng)與從膜 片(可移動(dòng)部分)1到閥體部分4的距離相比，活塞(傳動(dòng)機(jī)構(gòu))2
的長度越小，次級(jí)壓力P2就越低。
另一方面，在閥下游的壓力P2高于設(shè)定壓力的情況下，膜片(可 移動(dòng)部分)l被向上翹曲，閥被關(guān)閉。
在這個(gè)時(shí)候，閥體部分4和活塞(傳動(dòng)機(jī)構(gòu))2并未相互連接， 所以當(dāng)閥體部分4與閥座部分3接觸時(shí)閥體部分4停止，只有活塞(傳 動(dòng)機(jī)構(gòu))2隨膜片(可移動(dòng)部分)l移動(dòng)。
同樣如圖3A和3B所示，在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2與閥體部分4成為一體并 與可移動(dòng)部分1分離的情況下，操作原理與圖1A和1B中所示的結(jié)構(gòu) 的操作原理相同。
該實(shí)施例的連接機(jī)構(gòu)可以通過例如以以下方式利用機(jī)械加工技術(shù) 制造。
圖6A和6B是該實(shí)例的連接機(jī)構(gòu)從閥體部分4側(cè)觀察的情況下的 分解透視圖。連接機(jī)構(gòu)由通過堆疊加工片狀構(gòu)件和板狀構(gòu)件而形成的 構(gòu)件來構(gòu)成。在圖6A和6B中，設(shè)有可移動(dòng)部分l、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2、岡 座部分3、閥體部分4、支撐部分5、壓板7、出口流動(dòng)路徑8、墊圏 10和鎖定4幾構(gòu)11。
首先，對(duì)于膜片(可移動(dòng)部分)l,可以采用例如氟橡膠(VHon rubber)和硅橡膠的彈性材料、例如不銹鋼和鋁的金屬材料、塑料或 類似的材料。
例如，在不銹鋼被用作膜片(可移動(dòng)部分)1的材料的情況下， 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以通過蝕刻、切割等與其成為一體。
或者，分別如圖7A和7B的側(cè)剖視圖和仰視圖中所示，膜片(可 移動(dòng)部分)l可以被分成具有圖案的板簧機(jī)構(gòu)和用于保持空氣密封性
的彈性膜。
采用該結(jié)構(gòu)，可以增加膜片(可移動(dòng)部分)1與彈性有關(guān)的設(shè)計(jì) 自由度。
板簧機(jī)構(gòu)可以通過蝕刻例如不銹鋼的金屬材料制造。另 一方面， 作為膜的材料，可以釆用由硅橡膠、氟橡膠、聚酰亞胺等制成的片。
此外，膜片(可移動(dòng)部分)1下方的空間和活塞(傳動(dòng)機(jī)構(gòu))2 所通過的流動(dòng)路徑可以通過機(jī)械加工或蝕刻不銹鋼來制造。
液體粘合劑可以用于接合這些部件。但是，可以使用通過加熱熔 化和通過冷卻硬化以接合這些部件的片(熱熔性片)以便于加工和裝 配。熱熔性片包括采用聚烯烴基材料的片和其中在聚對(duì)苯二甲酸乙二 醇酯(PET)襯底上涂覆粘合劑從而能夠采用PET襯底作為構(gòu)成材料 的片。
例如，后一熱熔性片可以如下使用。圖7A和7B中所示的板簧結(jié) 構(gòu)通過金屬壓力加工制造。然后制備厚度為O.lmm的PET襯底，在 該襯底的一個(gè)表面上設(shè)有具有粘合層的熱熔性片。然后PET襯底和板 簧結(jié)構(gòu)被熱壓，從而膜片(可移動(dòng)部分)1和活塞(傳動(dòng)機(jī)構(gòu))2被整 體地形成。
或者，作為具有出口流動(dòng)路徑8的構(gòu)件，制備厚度為O.lmm的 PET襯底，在該襯底的兩個(gè)表面上設(shè)有具有粘合層的熱熔性片。PET 村底被插入上部構(gòu)件和下部構(gòu)件之間。然后，所有的構(gòu)件被熱壓，從 而使上部和下部構(gòu)件接合。
閥座部分3和支撐部分5可以被加工以便相互成為一體。或者， 支撐部分5可以預(yù)先由另 一種材料形成，以被粘合到閥座部分3上。
對(duì)于加工，可以^吏用例如切割、蝕刻等的才幾械加工。
用于閥座部分3或用于閥體部分的密封材料的涂覆可以通過使聚 對(duì)二甲苯、氟基材料等蒸發(fā)，或通過采用旋涂或噴射來涂覆硅橡膠、 聚酰亞胺或氟基材料而執(zhí)行。此外，例如硅橡膠和氟橡膠片的橡膠材 料可以被粘合或成型。
對(duì)于墊圏10，可以使用橡膠材料、特氟綸(注冊(cè)商標(biāo))等制成的
o型環(huán)。
鎖定機(jī)構(gòu)11可以與流動(dòng)路徑的入口部分的構(gòu)件成為一體，或者可 以被單獨(dú)地制造以與其粘合或與其螺紋連接。
在制造方法中，從尺寸減小、加壓和裝配考慮，在其中構(gòu)成構(gòu)件 通過金屬壓力加工、然后構(gòu)成構(gòu)件與熱熔性片接合的方法是極好的。
考慮到成本，密封部分通過烘焙橡膠材料來密封是所期望的。
下面將對(duì)一種具體的制備實(shí)例進(jìn)行描述。連接機(jī)構(gòu)的外部尺寸被
取為8mm x 8mm。
首先，制造具有可移動(dòng)部分的這一側(cè)的連接機(jī)構(gòu)。 通過蝕刻而在厚度為0.3mm的不銹鋼板中形成直徑為3.6mm的 孔來制造壓板7。
下一步，膜片(可移動(dòng)部分)1由兩個(gè)構(gòu)件形成，其中采用厚度 為0.3mm的氟橡膠片作為彈性片。
此外，圖7A和7B中所示的構(gòu)件可以通過蝕刻不銹鋼而整體地制 造，這樣板簧部分的厚度為0.05mm,活塞(傳動(dòng)機(jī)構(gòu))2的部分是直 徑為0.26mm、長度為0.35mm的柱形突出物。
事實(shí)上，不銹鋼的蝕刻是各向同性的。因此，活塞(傳動(dòng)機(jī)構(gòu))2 形成為錐形。
膜片(可移動(dòng)部分)1下方的流動(dòng)路徑通過采用厚度為0.05mm 的不銹鋼板形成并設(shè)有直徑為3.6mm的孑L。具有入口流動(dòng)路徑的構(gòu)件 可以通過蝕刻厚度為0.15mm的不銹鋼板以形成墊圏槽和流動(dòng)路徑來 進(jìn)行制造。
墊圏IO通過烘焙橡膠材料(厚度為0.05mm)形成。
鎖定機(jī)構(gòu)11由不銹鋼板簧形成。
下一步，制造具有閥部分的這一側(cè)的連接機(jī)構(gòu)。
獲得閥座部分3，這樣，直徑為0.4mm的孔在厚度為0.15mm的 不銹鋼板的中心形成，并且通過蝕刻不銹鋼板0.05mm的深度并留下 孔的周邊具有O.lmm的寬度而形成突出物。
另一方面，閥體和支撐部分5采用下面的方法獲得。直徑為lmm
的閥體部分4在厚度為0.3mm的不銹鋼板的中心處形成，支撐部分通 過蝕刻形成以具有圖2B中所示的形狀，以便具有O.lmm的寬度和 0.05mm的厚度。
閥座部分3和閥體部分4通過作為密封材料6的聚對(duì)二甲苯的真 空沉積進(jìn)行涂覆，以便具有O.Olmm的厚度。
當(dāng)大氣壓力為大約l大氣壓(絕對(duì)壓力)時(shí)，如上面描述制造的 連接機(jī)構(gòu)的減壓閥允許次級(jí)壓力為大約0.8大氣壓(絕對(duì)壓力)。
特別地，在連接的時(shí)候，連接機(jī)構(gòu)的外部尺寸為8mmx8mm,厚 度為大約lmm。也就是說，可以獲得非常小的連接機(jī)構(gòu)。
此外，在該實(shí)例中描述的部分或所有構(gòu)件可以通過使用在下面的 實(shí)例中描述的半導(dǎo)體加工技術(shù)制造。
(實(shí)例2)
在實(shí)例2中，將對(duì)通過半導(dǎo)體加工技術(shù)使用半導(dǎo)體襯底來制造具 有按照實(shí)例1所述結(jié)構(gòu)的連接機(jī)構(gòu)的加工方法進(jìn)行描述。
在該實(shí)例中制造的連接機(jī)構(gòu)的構(gòu)件的尺寸例如可以如下設(shè)置。但 是，該尺寸可以根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)行改變。
膜片(可移動(dòng)部分)的直徑可以是3.6mm，厚度可以是40nm。 活塞(傳動(dòng)4幾構(gòu))的直徑可以是260jim，長度可以是200-400pm?；?塞通道部分流動(dòng)路徑的直徑可以是400nm。
突出部分的寬度可以是20jam，高度可以是10nm，密封層的厚度 可以是5nm。閥體部分的直徑可以是1000jum，厚度可以是200jam。 支撐部分的長度可以是1000pm,寬度可以是200pm,厚度可以是 lOjumi。
下一步，將對(duì)具有可移動(dòng)部分的連接機(jī)構(gòu)的制造方法進(jìn)行描述。 圖9A-9F、 10G-10K和11L-11Q示出采用上面提到的制造方法制
造連接機(jī)構(gòu)的步驟。
圖9A中示出的第一步驟是用于蝕刻的掩模圖案加工。 作為第一硅晶片101，可以使用一側(cè)被拋光的硅晶片，但是兩側(cè)
被拋光的硅晶片的使用也是所期望的。
此外，在隨后的蝕刻過程中，為了控制蝕刻的深度，可以期望使
用絕緣體上硅(SOI)晶片。
例如，使用具有200jim的操縱層(handle-layer)厚度、lpm的 氧化層(BOX層)厚度和40pm的器件層厚度的硅晶片。
為了提供用于蝕刻的掩模，第一晶片101的表面要經(jīng)受熱氧化。
允許預(yù)定量的氫和氧流入被加熱到大約1000。C的爐中，從而在晶 片的表面上形成氧化層。
下一步，為了執(zhí)行在該加工和下一步加工中的兩個(gè)階段的蝕刻， 由二氧化硅層和光刻膠形成的具有兩層結(jié)構(gòu)的掩模被形成。光刻膠通 過旋涂來涂覆，被預(yù)烘焙，然后被曝光以執(zhí)行用于制造傳動(dòng)機(jī)構(gòu)115 的圖案加工。此外，執(zhí)行顯影和后烘焙。
當(dāng)光刻膠被用作掩模時(shí)，氧化層通過氫氟酸蝕刻。
此外，圖案加工用于在膜片(可移動(dòng)部分)lll的下表面上形成 流動(dòng)路徑的掩模。
也就是說，光刻膠通過旋涂被涂覆，被預(yù)烘焙，然后被曝光。此 外，執(zhí)行顯影和后烘焙。在該實(shí)例中，對(duì)于兩個(gè)階段的掩模，光刻膠 和二氧化硅層被采用。但是，代替這些，可以采用具有不同厚度的二 氧化硅層，或者可以采用鋁層。
在圖9B中所示的第二步是通過反應(yīng)離子蝕刻(ICP-RIE)在膜片 (可移動(dòng)部分)111的下表面上形成流動(dòng)路徑的工藝。
蝕刻的深度根據(jù)蝕刻時(shí)間進(jìn)行控制。在這樣的情況下，執(zhí)行大約 100jim的蝕刻。最后，光刻膠掩模通過丙酮被去除。圖9C中所示的 第三步是制造傳動(dòng)機(jī)構(gòu)115的工藝。
通過反應(yīng)離子蝕刻(ICP-RIE),晶片被蝕刻。蝕刻的深度可以根 據(jù)時(shí)間進(jìn)行控制，或者如圖9C中所示，SOI晶片的氧化層(BOX層) 被用作蝕刻停止層。
此外，用作掩模的二氧化硅層通過氫氟酸被去除。
圖9D中所示的第四步是用于晶片的直接接合工藝。
作為第二硅晶片，兩側(cè)被拋光的晶片優(yōu)選地被采用。作為硅晶片，
例如可以采用厚度為300nm的硅晶片。
下一步，第一晶片101和第二晶片102經(jīng)受SPM清潔(在被加 熱到80X:的過氧化氫水和硫酸混合溶液中清潔)，然后用稀釋的氫氟 酸清潔。
第一晶片101和第二晶片102被相互堆疊并被施加大約1500N的 壓力。同時(shí)，樣品被加熱3個(gè)小時(shí)到IIOO'C。被加熱的樣品被保持4 個(gè)小時(shí)。在那之后，通過自冷卻執(zhí)行退火。
圖9E中所示的第五步是形成傳動(dòng)機(jī)構(gòu)115的工藝。
光刻膠通過旋涂被涂覆到晶片的背面，被預(yù)烘焙，然后被曝光。 通過反應(yīng)離子蝕刻(ICP-RIE)，執(zhí)4亍蝕刻以形成傳動(dòng)才幾構(gòu)115。
圖9F中所示的第六步是形成墊圏120的工藝。提供了出口流動(dòng) 路徑118?？梢詫?duì)具有可移動(dòng)部分的連接機(jī)構(gòu)或具有閥部分的連接機(jī) 構(gòu)執(zhí)行涂覆。
涂覆材料的實(shí)例包括聚對(duì)二甲苯、Cytop、聚四氟乙烯(PTFE) 和聚酰亞胺。
涂覆可以采用聚對(duì)二曱苯或PTFE通過真空沉積執(zhí)行，或者采用 Cytop或聚酰亞胺通過旋涂執(zhí)行。
除了這些，通過噴射進(jìn)行涂覆也是可能的。
下一步，將對(duì)用于具有閥部分的連接機(jī)構(gòu)的制造方法進(jìn)行描述。
圖10G中所示的第七步是執(zhí)行第三晶片103的熱氧化的工藝。
作為晶片，兩側(cè)被拋光的晶片被期望地使用。此外，在隨后的蝕 刻工藝中，為了控制蝕刻的深度，絕緣體上硅(SOI)片被期望地使用。
作為硅晶片，例如可以使用具有150inni操縱層厚度、l|am氧化層 (BOX層)厚度和10|iim器件層厚度的硅晶片。
熱氧化通過使預(yù)定量的氫和氧流入被加熱到大約1000'C的爐中 而執(zhí)行。
圖10H中所示的第八步是制造用于形成流動(dòng)路徑的掩模的工藝。 背面上的氧化層被光刻膠保護(hù)，正面上的氧化層的圖案加工被執(zhí)行。
在晶片的正面上，光刻膠通過旋涂被涂覆，被預(yù)烘焙，然后被爆 光。此外，執(zhí)行顯影和后烘焙。
光刻膠被用作通過氫氟酸蝕刻氧化層的掩模，從而執(zhí)行用于形成 流動(dòng)路徑的圖案加工。
在該圖案加工之后，正面和背面上的光刻膠通過丙酮被去除。
圖101中所示的第九步是形成流動(dòng)路徑的工藝。 蝕刻通過反應(yīng)離子蝕刻(ICP-RIE)執(zhí)行。 圖10J中所示的第十步是制造用于形成閥座112的掩模的工藝。 氧化層在晶片的背面上的圖案加工被執(zhí)行。光刻膠通過旋涂被涂
覆到硅晶片的背面上，被預(yù)烘焙，然后被曝光。
此外，執(zhí)行顯影和后烘焙。光刻膠被用作通過氫氟酸蝕刻氧化層
的掩模，從而執(zhí)行用于形成閥座112的圖案加工。 在該圖案加工之后，光刻膠通過丙酮被去除。 圖10K中所示的第十一步是形成閥座112的工藝。 蝕刻通過反應(yīng)離子蝕刻(ICP-RIE)執(zhí)行。最后，用于掩模的二
氧化硅通過氫氟酸被去除。
圖11L中所示的第十二步是執(zhí)行第四晶片104的熱氧化的工藝。 可以使用一側(cè)被拋光的晶片，但是兩側(cè)被拋光的晶片也被期望地使用。
此外，在隨后的蝕刻加工中，為了控制蝕刻的深度，絕緣體上硅 (SOI)片被期望地使用。
例如可以使用具有150jiim操縱層厚度、lpm氧化層(BOX層) 厚度和10pm器件層厚度的硅晶片。熱氧化通過使預(yù)定量的氫和氧流 入被加熱到大約1000。C的爐中而執(zhí)行。
圖11M中所示的第十三步是制造用于形成閥體部分113的掩模的 工藝。
晶片的正面上的氧化層被光刻膠保護(hù)。在那之后，其背面上的氧 化層的圖案加工被執(zhí)行。
光刻膠通過旋涂被涂覆到晶片的正面，被預(yù)烘焙，然后被曝光。
此外，執(zhí)行顯影和后烘焙。
光刻膠被用作掩模以通過氫氟酸蝕刻氧化層，從而執(zhí)行用于形成
閥體部分113的圖案加工。
在該圖案加工之后，正面和背面上的光刻膠通過丙酮被去除。 圖11N中所示的第十四步是形成閥體部分113的工藝。 光刻膠通過旋涂被涂覆到晶片的背面，被預(yù)烘焙，然后被曝光。
蝕刻通過反應(yīng)離子蝕刻(ICP-RIE)被執(zhí)行。
圖IIO中所示的第十五步是制造用于形成支撐部分114的掩模的工藝。
晶片的正面上的氧化層的圖案加工被執(zhí)行。光刻膠通過旋涂被涂 覆到晶片的正面，被預(yù)烘焙，然后被膝光。
此外，執(zhí)行顯影和后烘焙。光刻膠被用作掩模以通過氫氟酸蝕刻 氧化層，從而執(zhí)行用于形成支撐部分114的圖案加工。
在圖案加工之后，光刻膠通過丙酮被去除。下一步，蝕刻通過反 應(yīng)離子蝕刻(ICP-RIE )被執(zhí)行。
最后，用于掩模的二氧化硅通過氫氟酸被去除。
圖IIP中所示的第十六步是執(zhí)行密封表面的涂覆的工藝。提供有 密封材料116。
涂覆可以在圖IIP中所示的閥體側(cè)上執(zhí)行，或可以在閥座側(cè)上執(zhí)行。
涂覆材料的實(shí)例包括聚對(duì)二曱苯、Cytop、聚四氟乙烯(PTFE) 和聚酰亞胺。
涂覆可以采用聚對(duì)二甲苯或PTFE通過真空沉積執(zhí)行，或者采用 Cytop或聚酰亞胺通過旋涂執(zhí)行。除了這些，通過噴射的涂覆也是可 能的。
圖11Q中所示的第十七步是裝配工藝。提供有入口流動(dòng)路徑117。 在從第一步到第六步的步驟中制造的具有膜片(可移動(dòng)部分)111 和閥座部分112的構(gòu)件和在從第七步到第十一步的步驟中制造的具有 閥體部分U3的構(gòu)件相互疊置，從而完成小型減壓閥。200780003928.3
說明書第22/25頁
在該實(shí)例中，接合通過采用用于硅的擴(kuò)散接合技術(shù)被執(zhí)行?？梢?使用包括預(yù)先在接合表面上形成金屬膜和通過金屬膜、粘合劑等執(zhí)行 接合的方法。
(實(shí)例3)
在實(shí)例3中，將對(duì)連接機(jī)構(gòu)的第二結(jié)構(gòu)實(shí)例進(jìn)行描述。
圖12A和12B示出了用于說明按照該實(shí)例的結(jié)構(gòu)實(shí)例的剖視圖。
在圖12A和12B中，設(shè)有用作可移動(dòng)部分的膜片201、用作傳動(dòng)
才幾構(gòu)的活塞202、彈性構(gòu)件203、通孔204、墊圏210和鎖定才幾構(gòu)211。 按照該實(shí)例的連接機(jī)構(gòu)的一側(cè)包括在管道的另外一側(cè)被連接到管
道的以下部件用作可移動(dòng)部分的膜片201、用作傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的活塞202、
墊圏210和鎖定才幾構(gòu)211。
此外，按照該實(shí)例的連接機(jī)構(gòu)的另 一側(cè)包括將被連接到另 一管道
的閥部分200并由具有通孔204的彈性構(gòu)件203形成。
參照?qǐng)D13和14，將對(duì)該實(shí)例的減壓閥的操作進(jìn)行描述。
圖13是在連接的時(shí)候該實(shí)例的連接機(jī)構(gòu)的剖視圖。
具有膜片(可移動(dòng)部分)的連接機(jī)構(gòu)和具有閥部分的連接機(jī)構(gòu)相
互結(jié)合以通過鎖定機(jī)構(gòu)211鎖定。此外，在接觸表面上，墊圏210防止在內(nèi)部流動(dòng)的流體向外部泄露。
通孔204通常被關(guān)閉。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)202的頂端部分?jǐn)D壓以擴(kuò)大通孔， 從而允許閥打開。
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的頂端部分的形狀可以是圖12中所示的圓錐形狀。或 者，如圖15所示，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的頂端部分還可以在其側(cè)表面具有凹口 205。
將對(duì)該實(shí)例的減壓閥的操作進(jìn)行描述。
膜片(可移動(dòng)部分)201的上部中的壓力用P。表示，閥的上游中 的初級(jí)壓力用P,表示，閥的下游中的次級(jí)壓力用P2表示。
當(dāng)壓力P2高于壓力Po時(shí)，膜片(可移動(dòng)部分)201向上偏轉(zhuǎn)并且 通孔204通過閥部分200的彈性被關(guān)閉，所以閥處于關(guān)閉狀態(tài)。
另一方面，當(dāng)壓力P2低于壓力Po時(shí)，膜片(可移動(dòng)部分)201向 下偏轉(zhuǎn)并且傳動(dòng)機(jī)構(gòu)202推動(dòng)并且擴(kuò)大閥部分200的通孔204。因此， 如圖14中所示，閥被打開。
結(jié)果，壓力P2可以保持不變。通過調(diào)整膜片(可移動(dòng)部分)201 的面積和厚度、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)202的長度以及閥部分200的厚度和彈性， 可以最佳地設(shè)定閥被打開和關(guān)閉時(shí)的壓力和流速。
該實(shí)例的減壓閥可以通過釆用機(jī)械加工4支術(shù)以下面的方式制造。
閥的分解透視圖。
首先，作為膜片(可移動(dòng)部分)201的材料，除了例如氟橡膠和 硅橡膠的彈性材料，可以使用例如不銹鋼和鋁的金屬材料。設(shè)有傳動(dòng) 機(jī)構(gòu)202、彈性構(gòu)件203、通孔204、壓板207、出口流動(dòng)路徑208、 墊圏210和鎖定才幾構(gòu)211。
例如，在不銹鋼被用作膜片(可移動(dòng)部分)201的材料的情況下， 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以通過蝕刻、切割等與其成為一體。
作為閥部分200的材料，可以使用例如氟橡膠或硅橡膠的彈性材料。
(實(shí)例4)
在實(shí)例4中，將對(duì)在其上安裝有本發(fā)明的連接機(jī)構(gòu)并產(chǎn)生幾毫瓦 到幾百毫瓦電能的小型聚合物電解質(zhì)燃料電池進(jìn)行描述。
圖17A和17B是按照該實(shí)例的燃料箱和燃料電池發(fā)電部分的透視圖。
此外，圖18是處于燃料箱和燃料電池發(fā)電部分相互連接狀態(tài)的燃 料電池的示意性透視圖。
此外，圖19是按照本發(fā)明的實(shí)例4的燃料電池系統(tǒng)的示意框圖。 在圖17A、 17B、 18和19中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的構(gòu)件，并且 設(shè)有燃料電池單元1011、電極1012、通氣孔1013、燃料箱1014、連 接機(jī)構(gòu)1015、氧化劑電極1016、聚合物電解質(zhì)膜1017和燃料電極 1018。
燃料電池的外部尺寸為50mm x 30mm xl0mm，其與通常用于緊 湊型數(shù)字照相機(jī)的鋰離子電池的尺寸基本上相同。如上面描述的，按 照該實(shí)例的燃料電池很小并具有集成結(jié)構(gòu)，從而容易安裝在移動(dòng)裝置 內(nèi)。
此外，按照該實(shí)例的燃料電池將用于反應(yīng)的氧化劑的氧從外部空 氣吸入，所以燃料電池在上表面、下表面和側(cè)表面上設(shè)有通氣孔1013， 用于吸入外部空氣。
此外，通氣孔1013還用于允許產(chǎn)生的水以水蒸氣的形式逸出，并 允許反應(yīng)產(chǎn)生的熱量向外部逸出。
此外，燃料電池的內(nèi)部包括燃料電池單元1011、燃料箱1014和 用于將燃料箱1014連接到各個(gè)燃料電池單元1011的燃料電極1016 上的連接機(jī)構(gòu)1015，每個(gè)燃料電池單元1011都包括氧化劑電極1016、 聚合物電解質(zhì)膜1017和燃料電極1018。
連接機(jī)構(gòu)1015不僅能夠使燃料箱1014和燃料電池發(fā)電部分之間 分離，而且還具有在移除的時(shí)候防止燃料向外部泄露和防止外部空氣 進(jìn)入燃料箱1014內(nèi)部的止回閥的功能。
此外，在連接的時(shí)候，連接機(jī)構(gòu)1015具有調(diào)節(jié)燃料箱1014中的 壓力以供給燃料的減壓功能。
下一步，將對(duì)按照該實(shí)例的燃料箱1014進(jìn)行描述。
箱的內(nèi)部充填能夠貯存氫的氫貯存合金。用于燃料電池的聚合物 電解質(zhì)膜承受高達(dá)0.3-0.5MPa的壓力。因此，使燃料電池在相對(duì)于外 部空氣具有O.lMPa或更小的差壓范圍內(nèi)使用是必需的。
例如使用LaNis作為具有以下特性的氫貯存合金，其中氫被釋放 的壓力在常溫下為0.2MPa。
當(dāng)燃料箱的容量為燃料電池的整個(gè)容量的一半，燃料箱的厚度為 lmm并且其材料為鈦時(shí)，燃料箱的重量為大約50g，其體積為5.2cm3。
在上面提到的燃料箱內(nèi)包括具有氫被釋放的壓力在常溫下超過 0.2MPa的特性的氫吸留材料的情況下，提供用于在燃料箱1014和燃 料電極1018之間減壓的裝置是必需的。
例如，單位重量的LaNis可以吸收和解吸1.1wt。/。的氫。各個(gè)溫度 下LaNis的閉塞壓力如圖20中所示。
貯存在燃料箱中的氫通過連接機(jī)構(gòu)1015被解壓并被供給到燃料 電極1018。
此外，外部空氣通過通氣孔1013供給到氧化劑電極1016。由燃 料電池單元產(chǎn)生的電從電極1012被供給到小型電氣設(shè)備。
圖21是示出本發(fā)明的連接機(jī)構(gòu)被安裝在燃料電池上的情況的相 關(guān)視圖。
連接機(jī)構(gòu)1015的具有閥部分的一側(cè)被連接到燃料箱1014。 另一方面，連接機(jī)構(gòu)的具有可移動(dòng)部分1的一側(cè)的出口流動(dòng)路徑 1019被連接到燃料電極1018。膜片(可移動(dòng)部分)1的與出口流動(dòng)路 徑1019的表面相對(duì)的表面與氧化劑電極(外部空氣)接觸。
在下文中，將對(duì)伴隨燃料電池發(fā)電的打開/關(guān)閉操作進(jìn)行描述。 在移除燃料箱時(shí)和發(fā)電停止時(shí)，連接機(jī)構(gòu)1015的閥部分處于關(guān)閉 狀態(tài)。
當(dāng)發(fā)電開始時(shí)，燃料電極室內(nèi)的燃料被消耗，燃料電極室內(nèi)的燃 料壓力減小。
膜片(可移動(dòng)部分)l由于外部空氣壓力和燃料電極室內(nèi)的壓力 之間的差壓而偏轉(zhuǎn)到燃料電極室側(cè)。然后閥體部分4通過活塞(傳動(dòng) 機(jī)構(gòu))2被向下推，這樣閥部分被打開。結(jié)果，燃料從燃料箱1014被 供給到燃料電極1018。
當(dāng)燃料電極室內(nèi)的壓力恢復(fù)時(shí)，膜片(可移動(dòng)部分)l被向上推， 連接機(jī)構(gòu)1015關(guān)閉。
本申請(qǐng)要求2006年8月29日遞交的日本專利申請(qǐng)?zhí)?006-232807
的優(yōu)先權(quán)，其通過引用而結(jié)合在此。
權(quán)利要求
1.一種流體管道的連接機(jī)構(gòu)，用于連接使流體流動(dòng)的多個(gè)流體管道，所述流體管道的連接機(jī)構(gòu)包括:第一部件，其設(shè)置到所述多個(gè)流體管道的一側(cè)并包括可移動(dòng)部分，所述可移動(dòng)部分構(gòu)成壓力控制閥的一部分并通過差壓操作；第二部件，其設(shè)置到所述多個(gè)流體管道的另一側(cè)并包括打開和關(guān)閉機(jī)構(gòu)，所述打開和關(guān)閉機(jī)構(gòu)通過構(gòu)成所述壓力控制閥的一部分的所述可移動(dòng)部分的操作而打開和關(guān)閉；以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其設(shè)置到所述第一部件和所述第二部件中的至少一個(gè)上，其中:所述打開和關(guān)閉機(jī)構(gòu)包括閥座部分、閥體部分和用于支撐所述閥體部分的支撐部分；所述支撐部分支撐所述閥體部分，使得所述閥體部分和所述閥座部分能根據(jù)由所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞的所述可移動(dòng)部分的操作而相對(duì)于彼此打開和關(guān)閉；用于支撐所述閥體部分的所述支撐部分由彈性體制成，所述彈性體位于與所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的操作方向垂直并包括所述閥體部分的平面上，用于支撐所述閥體部分；和設(shè)有所述第一部件的所述多個(gè)流體管道和設(shè)有所述第二部件的所述多個(gè)流體管道相互連接，從而在所述多個(gè)流體管道相互連接的部分中構(gòu)成用于通過所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將所述可移動(dòng)部分的操作傳遞到所述打開和關(guān)閉機(jī)構(gòu)的所述壓力控制閥。
2. 如權(quán)利要求1所述的流體管道的連接機(jī)構(gòu)，其中，所述可移動(dòng) 部分包括膜片。
3. 如權(quán)利要求l或2所述的流體管道的連接機(jī)構(gòu)，其中，所述壓 力控制閥起到減壓閥的作用。
4. 如權(quán)利要求l所述的流體管道的連接機(jī)構(gòu)，其中，用于支撐所 述閥體部分的所述支撐部分部分地包括溫度位移部分，所述溫度位移部分在溫度等于或高于閾值時(shí)將所述閥體部分移動(dòng)到關(guān)閉位置。
5. 如權(quán)利要求4所述的流體管道的連接機(jī)構(gòu)，其中，所述溫度位 移部分由形狀記憶合金制成。
6. 如權(quán)利要求4所述的流體管道的連接機(jī)構(gòu)，其中，所述溫度位 移部分由雙金屬制成。
7. 如權(quán)利要求4-6中的任一項(xiàng)所述的流體管道的連接機(jī)構(gòu)，其中， 所述壓力控制閥起到減壓閥的作用，并且還起到溫度切斷閥的作用。
8. 如權(quán)利要求l所述的流體管道的連接機(jī)構(gòu)，其中 所述打開和關(guān)閉機(jī)構(gòu)由彈性體制成，所述彈性體具有在與所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的操作方向垂直的方向上延伸的通孔；并且所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的頂端部分打開和關(guān)閉。
9. 如權(quán)利要求l-8中的任一項(xiàng)所述的流體管道的連接機(jī)構(gòu)，其中，所述第一部件和所述第二部件中的至少一個(gè)包括墊圏，用于當(dāng)設(shè)有所 述第一部件的所述多個(gè)流體管道和設(shè)有所述第二部件的所述多個(gè)流體管道相互連接時(shí)，防止流體從所述多個(gè)流體管道相互接觸的部分泄露。
10. 如權(quán)利要求1-9中的任一項(xiàng)所述的流體管道的連接機(jī)構(gòu)，其 中，所述第一部件和所述第二部件中的至少一個(gè)包括鎖定機(jī)構(gòu)，用于 當(dāng)設(shè)有所述第一部件的所述多個(gè)流體管道和設(shè)有所述第二部件的所述 多個(gè)流體管道相互連接時(shí)，保持設(shè)有所述第 一部件的所述多個(gè)流體管 道和設(shè)有所述第二部件的所述多個(gè)流體管道之間的連接。
11. 如權(quán)利要求1-10中的任一項(xiàng)所述的流體管道的連接機(jī)構(gòu)，其 中，構(gòu)成所述壓力控制閥的一部分并通過差壓操作的所述可移動(dòng)部分、 通過所述可移動(dòng)部分的操作而打開和關(guān)閉的所述打開和關(guān)閉機(jī)構(gòu)、以 及所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)每個(gè)都由片狀構(gòu)件或板狀構(gòu)件形成，所述可移動(dòng)部分、 所述打開和關(guān)閉才幾構(gòu)以及所述傳動(dòng)4幾構(gòu)相互堆疊，從而構(gòu)成所述連接 機(jī)構(gòu)。
12. —種流體管道的連接機(jī)構(gòu)的制造方法， 所述連接機(jī)構(gòu)包括 第一部件，其設(shè)置到多個(gè)流體管道的一側(cè)并包括可移動(dòng)部分，所述可移動(dòng)部分構(gòu)成壓力控制閥的一部分并通過差壓操作；第二部件，其設(shè)置到所述多個(gè)流體管道的另一側(cè)并包括打開和關(guān)閉機(jī)構(gòu)，所述打開和關(guān)閉機(jī)構(gòu)通過構(gòu)成所述壓力控制閥的一部分的所 述可移動(dòng)部分的操作而打開和關(guān)閉；以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其設(shè)置到所述第一部件和所述第二部件中的至少一個(gè)上，所述流體管道的連接機(jī)構(gòu)的制造方法包括以下步驟由片狀構(gòu)件或板狀構(gòu)件形成設(shè)置到所述多個(gè)流體管道的一側(cè)的所 述可移動(dòng)部分；由片狀構(gòu)件或板狀構(gòu)件形成所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；由片狀構(gòu)件或板狀構(gòu)件形成閥座部分、閥體部分和用于支撐所述 閥體部分的支撐部分，以成一體地用作設(shè)置到所述多個(gè)流體管道的另 一側(cè)的所述打開和關(guān)閉才幾構(gòu)；和在所述可移動(dòng)部分側(cè)或所述打開和關(guān)閉機(jī)構(gòu)側(cè)由片狀構(gòu)件或板狀 構(gòu)件形成墊圏。
13. 如權(quán)利要求12所述的流體管道的連接機(jī)構(gòu)的制造方法，其中， 片狀構(gòu)件或板狀構(gòu)件的至少一部分包括半導(dǎo)體襯底。
14. 一種燃料電池系統(tǒng)，包括 燃料容器；燃料電池發(fā)電部分；和流體管道的連接機(jī)構(gòu)，所述流體管道的連接機(jī)構(gòu)位于所述燃料容 器和所述燃料電池發(fā)電部分之間，其中，所述流體管道的連接機(jī)構(gòu)包 括按照權(quán)利要求l-ll中的任一項(xiàng)所述的流體管道的連接機(jī)構(gòu)或者通過 按照權(quán)利要求12或13所述的流體管道的連接機(jī)構(gòu)的制造方法制造的 流體管道的連接機(jī)構(gòu)。
全文摘要
一種流體管道的連接機(jī)構(gòu)，用于連接使流體流動(dòng)的多個(gè)流體管道，包括第一部件，其設(shè)置到多個(gè)流體管道的一側(cè)并包括可移動(dòng)部分，該可移動(dòng)部分構(gòu)成壓力控制閥的一部分并通過差壓操作；第二部件，其設(shè)置到多個(gè)流體管道的另一側(cè)并包括打開和關(guān)閉機(jī)構(gòu)，該打開和關(guān)閉機(jī)構(gòu)通過構(gòu)成壓力控制閥的一部分的可移動(dòng)部分的操作而打開和關(guān)閉；以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其設(shè)置到第一部件和第二部件中的至少一個(gè)上。
文檔編號(hào)H01M8/04GK101375093SQ200780003928
公開日2009年2月25日 申請(qǐng)日期2007年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月29日
發(fā)明者中窪亨 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社