CN105518357B - 用于燃料盒的接口密封 - Google Patents

Abstract

一种弹性密封部件(27)具有第一面(40)和第二面(41)以及延伸在所述第一面与所述第二面之间的孔径(42)。至少两个、优选地三个或更多个圆周脊部(43、44、45)包围所述第一面上的所述孔径。通道(46、47)可以被安置在每一相邻对圆周脊部之间且平坦密封件可以被提供在所述第一面上、在所述圆周脊部外围。所述平坦密封件可占据与由所述圆周脊部的顶端占据的平面不同的平面。所述弹性密封部件可被并入到包括刚性框架(26)的接口密封组合件，其成型到所述刚性框架上。所述刚性框架可包括印刷电路板(25)。所述接口密封组合件允许在用于燃料电池设备的可再填充燃料盒(1)上进行容易的可互换密封。

Description

用于燃料盒的接口密封

本发明涉及密封接口。特定地说，虽然并不具有排它性，但是所述密封接口适用于燃料盒，诸如用于生产和/或存放用于电化学燃料电池设备的气态燃料的燃料盒。

电化学燃料电池已被发展为用于许多用途，包括作为用于诸如膝上型计算机、平板计算机、移动电话等的便携式电子设备的电功率的紧凑型便携式来源。电化学燃料电池由燃料与氧化剂的反应(通常使用氢气作为燃料源并使用空气作为氧化剂源)提供电功率。便于将诸如氢气的燃料源提供到呈可易于耦接到燃料电池系统和从燃料电池系统解耦的可再用燃料盒的形式的燃料电池设备。

燃料盒通常必须具有包围燃料出口的密封接口使得所述密封接口在连接有燃料电池设备时抵着燃料电池设备的接收部分密封，借此给燃料电池设备提供气密密封。可存在潜在的问题：在许多连接/断开循环期间，密封接口的密封表面在盒的正常或粗心使用期间可以被暴露于损坏。可存在另一潜在的问题：当燃料盒没有连接到燃料电池设备时，密封表面可以被暴露于灰尘、碎片和损坏，例如当用户携带未受保护状态的密封表面时。密封表面上存在灰尘或碎片或对密封表面的损坏可显著地牺牲密封表面的密封能力。

本发明的目的是提供用于流体气密接口的改进型密封表面。

根据一方面，本发明提供了一种弹性密封部件，其包括：

第一面和第二面以及延伸在所述第一面与所述第二面之间的孔径；

包围所述第一面上的所述孔径的至少两个圆周脊部。

所述弹性密封部件可以包括包围所述孔径的所述圆周脊部中的至少三个，包括内部圆周脊部和至少两个依次增大的外部圆周脊部，每一个均环绕所述内部圆周脊部。所述弹性密封部件还可以包括包围所述第二面上的所述孔径的至少两个圆周脊部。通道可以安置在每一相邻对圆周脊部之间。平坦密封件可以安置在所述第一面上、在所述外围脊部外围。所述平坦密封件可占据与由所述圆周脊部的顶端占据的平面不同的平面。所述至少两个圆周脊部可以占据不同平面。所述孔径可以是锥形。

根据另一方面，本发明提供一种弹性密封部件，其包括：

第一面和第二面以及延伸在所述第一面与所述第二面之间的孔径；

包围所述第一面上的所述孔径的至少一个圆周脊部，和包围所述至少一个圆周脊部的平坦密封表面，所述平坦密封表面界定与由所述至少一个圆周脊部的所述顶端界定的平面不同的平面。

所述弹性密封部件可以包括包围所述孔径的所述圆周脊部中的至少两个，包括内部圆周脊部和至少一个较大的外部圆周脊部，每一个外部圆周脊部均环绕所述内部圆周脊部。所述弹性密封部件还可以包括包围所述第二面上的所述孔径的至少两个圆周脊部。所述弹性密封部件可以包括安置在每一相邻对圆周脊部之间的通道。所述孔径可以是锥形。

根据另一方面，本发明提供了一种包括如上所述的弹性密封部件和刚性框架的接口密封组合件，所述弹性密封部件成型到所述刚性框架中。所述刚性框架可以包括一个或多个浇口，所述密封部件通过将所述弹性材料保持在所述一个或多个浇口内而与所述刚性框架接合。所述刚性框架可以包括印刷电路板。所述刚性框架可以包括一个或多个电接触端子。所述弹性密封部件的所述第一面可以突出在所述刚性框架的上面上。

根据另一方面，本发明提供了一种包括如上文界定的接口密封组合件的燃料盒。所述燃料盒可以具有包括在所述盒内的流体燃料源和从所述流体燃料源延伸到所述盒的接合表面的燃料流动路径，所述燃料流动路径延伸到并穿过所述弹性密封部件中的所述孔径，所述弹性密封部件的所述第一面形成所述盒的所述接合表面的一部分。所述接合表面还可以包括包围所述弹性密封部件的刚性接合板。由所述弹性密封部件界定的所述接合表面的部分可以凹陷在由所述刚性接合板界定的所述接合表面的一部分下方。所述燃料盒还可以包括安置在所述燃料流动路径内的一对阀门，所述阀门经配置使得所述燃料流动路径被阻断，除非两个阀门均被致动。所述阀门可以从所述盒的所述接合表面机械地致动。所述阀门可以是提升阀，其均被配置来可在腔室内轴向移位以便使得流体流能够通过延伸在提升阀腔室之间的桥腔从所述盒中的所述流体燃料源到所述弹性密封部件中的所述孔径。

根据另一方面，本发明提供了一种包括如上文界定的接口密封组合件的燃料电池设备。

根据另一方面，本发明提供了一种再调节燃料盒的方法。

所述燃料盒具有主体和包括成型到刚性框架上的弹性密封部件的接口密封组合件，所述弹性密封组合件具有第一面和第二面以及延伸在所述第一面与所述第二面之间的孔径，所述孔径形成从所述盒到由所述第一面界定的外部接口的燃料流动路径的部分，且所述第二面界定到所述燃料盒的内部部分的密封件，

所述方法包括以下步骤：

通过从所述盒主体拆除所述刚性框架移除所述接口密封组合件；

将新的接口密封组合件附接到所述盒主体，借此更换由所述弹性密封部件的所述第一面和所述第二面界定的所述密封件。

补充所述燃料盒内的燃料源。

所述刚性框架可以包括上面具有电接触件的电路板组件，其中移除所述接口密封组合件的所述步骤包括同时移除耦接到其的电接触件，且附接新的接口密封组合件的所述步骤包括同时附接新的电接触件。

现在将借助于实例并参考附图来描述本发明的实施方案，其中：

图1示出了并有接口密封组合件的燃料盒的示意透视图，其中盒主体被示为与盒头部分离；

图2示出了图1的盒头部的示意透视分解图；

图3示出了图1的盒头部的示意横截面图；

图4示出了图1到3的盒头部的接口密封组合件的示意透视图；

图5示出了图4的接口密封组合件的示意横截面图；且

图6示出了根据权利要求3所述的耦接到燃料电池组合件的元件的盒头部的示意横截面图。

遍及本说明书，关于诸如“顶部”、“底部”、“上部”、“下部”、“水平”、“垂直”、“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”以及其任何形容词和副词派生词的相对定向和位置的描述符是在如图中展示的组件的定向的意义中使用。然而，这些描述符决无限制于所描述或本发明的预期使用的意图。

图1示出了适用于与燃料电池设备一起使用的流体燃料的生产和/或存放的燃料盒1。燃料盒1具有盒体2和盒头部3。盒体2可以包括任何适当类型的氢气产生器或氢气存放器。实例包括诸如使用金属氰化物或其它氢气吸收介质作为氢气贮存器的可再填充氢气存放器或诸如使用碱金属硅化物和水以产生反应所需的氢气的氢气产生器。然而，可以考虑任何适当的流体燃料源、尤其是可用于供应燃料电池的气态燃料源。

盒头部3具有适用于接合燃料电池设备(未示出)的上表面4。上表面4包括提供与燃料电池设备的机械和流体密封接合两者的接合表面5。接合表面5包括弹性密封部件7的外(暴露)面6和刚性接合板9的外面8。刚性接合板9优选地由适当金属形成，且更优选地由高度导通磁通量的金属(例如，铁制材料)形成。刚性接合板9可以借助于螺钉或使用螺钉孔15的其它固定组件固定到盒头部3。

上表面4还可以包括成形部分10，其包括侧壁11和轴肩12以在将盒与燃料电池设备接合时提供引导和定位。上表面4必要时还可以包括与盒内的电子组件电通信的一组电接触端子13。这些电子组件可以包括用于存储盒识别数据、填充数据和使用数据的存储器。在其它盒类型中，电子组件可以包括用于操作盒的内部功能的控制组件(诸如阀门和致动器)。

然而，在本实例中，燃料盒1具有可从盒的上表面4机械地操作、位于孔径14中的提升阀，且不需要电操作致动器和阀门。

图2更详细地示出了盒头部3，其具有呈分解形式的选定组件。盒头部3包括界定提升阀孔径14的上歧管20、充当从盒体2向上延伸到支撑平台22的燃料流动路径的端口21。支撑平台22接收并支撑接口密封组合件23。上歧管20可以由诸如铝的耐磨材料制成。接口盖24提供成形部分10，其包括头部3的侧壁11和轴肩12。接口盖可以由刚性塑料材料制成。

印刷电路板25耦接到并保持电接触端子13，且可以包括诸如集成到其中的存储器芯片的其它电组件。印刷电路板25具有接收接口密封组合件23的中心切口。接口密封组合件23包括具有提升阀孔径14的刚性框架26和随后更详细地描述的弹性密封部件27。接口密封组合件23必要时可整体地形成到印刷电路板25中作为统一结构。

一对磁铁28可被安置在刚性接合板9下方以当盒1耦接到燃料电池设备或其它燃料消耗设备时充当保持机构。在这种情况中，刚性接合板9将由适当材料制成以允许磁通量传递到燃料消耗设备上的相邻组件。替代地，可以使用任何其它保持机构，例如，机械栓锁布置或摩擦配合。

如图4和5中更详细地示出，接口密封组合件23的弹性密封部件27(图1中的7示出了一部分)具有上面40(其可以称为第一面或外面/外部面)和下面41(其可以称为第二面或内面/内部面)。孔径42延伸在上面40与下面41之间。孔径42优选地呈锥形，例如具有截头圆锥形状，且提供穿过弹性密封部件27的燃料流动路径。上面40是上面给盒1外部的实体(诸如燃料电池设备或其它燃料消耗设备)提供密封面的意义中的外部面。下面41是其给燃料电池1内的其它组件提供密封面的意义中的内部面。弹性密封部件27的上面40优选地突起在刚性框架26上。

弹性密封部件27的上面40界定平坦外形区域50和绕孔径42圆周地延伸以将其包围在密封部件27的平面中的三个圆周脊部43、44、45。通道46、47介于每一对相邻脊部43、44、45之间。最外面的圆周脊部43与平坦外形区域50之间还可以界定通道48。如示出，通道46、47、48可以具有大于由平坦外形区域50的表面界定的平面的深度。

弹性密封部件27的下面41还可以界定绕孔径42圆周地延伸的一组圆周脊部51。圆周脊部51可以位于圆周脊部43、44、45下面或其可以偏离。界定在上面40和下面41中的圆周脊部43、44、45、51的数量可以不同于图中示出的数量。

最佳如图5中所见，弹性密封部件27优选地被包覆成型到刚性框架26上，且优选地刚性框架26中的浇口52保持弹性密封部件27的射出成型材料被以辅助将弹性密封部件27保持在适当位置。

图3中示出了经组装盒头部3的横截面。上歧管20界定通向由腔室30、31、32、33、34和提升阀(未示出)界定的流体流动路径的提升阀孔径14a、14b。来自盒体2的流体燃料向上行进到腔室30中，其中只有当孔径14b中的提升阀被致动(例如，凹入盒头部3中)时流体燃料才被允许进入桥腔31中，否则其被阻断。流体燃料沿着桥腔31行进到腔室32，其中除非孔径14a中的提升阀被致动(例如，凹入盒头部3中)，否则流体燃料被阻断。如果孔径14a中的提升阀被致动，那么流体燃料可经由腔室32从腔室31流到桥腔33且经由腔室34从桥腔33流出密封孔径42。因此，在一般方面，这种布置例证了提升阀，其均被配置成可在腔室14a、14b、30、32内轴向地移位以便使得流体流从盒中的流体燃料源能够通过延伸在提升阀腔室14a、14b、30、32之间的桥腔31到弹性密封部件27中的孔径42。以这种方式，防止燃料只被单个提升阀的操作意外释放：必须致动两个提升阀以释放燃料。

又如图3中示出，接口盖24被安装到上歧管20上。接口密封组合件23被安装到支撑平台22上且印刷电路板25绕接口密封组合件23被安装到上歧管20上。PCB 25和接口密封组合件23是由使用螺钉固定到螺钉孔15中的刚性接合板9保持在适当位置。刚性接合板9优选地具有一定厚度使得其立在高于弹性密封部件27的暴露面6之处。因此，在一般方面，由弹性密封部件27界定的接合表面5的部分凹陷在由刚性接合板界定的接合表面5的部分下方。

弹性密封部件27的下面41借此在流体流动腔室34周围创建流体气密密封，且弹性密封部件27的上面40提供用于耦接到诸如燃料电池组合件的燃料消耗设备的暴露密封面。平坦或光滑暴露密封面的潜在一般问题是原本平坦或光滑表面上的任何灰尘或碎片可破坏到已耦接的燃料消耗装置的密封。类似地，对平坦或光滑的暴露密封面的任何损坏(例如，划痕或凹痕)可破坏到已有何的燃料消耗装置的密封。氢气流体密封可能尤其有问题。

发明者已确立在已暴露密封面(即，上面40)上提供同心圆周脊部43、44、45会提供一组密封区，使得即使一个密封脊部由于损坏或碎片而出现故障，其它圆周脊部仍然维持流体气密密封。词语“圆周”脊部涵盖绕孔径42界定封闭几何线或曲线(不一定是圆形形状)的长度。脊部可以是弯曲、矩形、直线或其它形状或绕孔径42的长度的形状组合。词语“同心”圆周脊部旨在不但涵盖具有共同中心的圆周脊部，而且涵盖其中一个脊部完全包括在另一脊部内(其均包围孔径42)的任何圆周脊部。如示出，上面40上的同心圆周脊部43、44、45的优选数量是3；然而，至少两个圆周脊部是优选的，且可以使用三个以上脊部。因此，在如图中示出的优选布置中，提供内部圆周脊部45和至少两个依次增大的外部圆周脊部，其中每一外部圆周脊部环绕内部圆周脊部。

脊部43、44、45的横截面外形可以是用于在脊部的顶端处创建到与上面40压缩接合的燃料消耗装置的局部密封的任何适当外形。例如，脊部顶端横截面可以是弯曲或矩形外形，且脊部大体上界定弹性密封部件27的长狭窄升高表面部分。

同心圆周脊部43、44、45优选地全部占据如图中示出的共同平面。然而，将可能修改所述布置使得并非所有脊部占据相同平面，前提是燃料消耗装置上的互补阶状配合表面适应于以适当高度接触每一脊部，借此与每一同心脊部形成适当密封。

弹性密封部件27的下面41上存在同心脊部51是优选的，但是在这个密封表面在盒1内部且因此不容易受损坏和碎片影响的意义中可能不太重要。因此，必要时可在下面41上使用平坦密封表面。

弹性密封部件27的平坦外形区域50提供另一外围密封区域，其优选地是平坦密封件。替代地，所述另一外围密封区域可呈阶状或以斜角安置使得其展现截头圆锥表面区域。

如图6中示出，燃料消耗装置具有压力板60，其与弹性密封部件27成压缩关系。压力板60包括金属板部分61，其与同心圆周脊部43、44、45的顶端接触，借此压缩脊部并近似在脊部顶端的平面中绕孔径42形成多个同心密封件(允许少量压缩)。压力板60还包括塑料边缘62，其与平坦外形区域50接合并稍微压缩平坦外形区域50，形成在圆周脊部43、44、45外围的另一圆周密封件。这是承受由于边缘62产生的少量局部压缩的大体上平坦密封件(图中放大示出)。这个另一圆周/外围密封件可以给整体压缩密封件增加稳定性。平坦外形区域50优选地占据不同于脊部43、44、45的顶端的平面的平面。如图6中示出，平坦外形区域50的平面优选地低于脊部的顶端的平面，借此产生具有在两个不同平面中的圆周密封件的压缩密封件。

如图6中示出，压缩板60优选地还包括两个小块63或可延伸到提升阀孔径14a、14b中以致动提升阀的其它突起。

弹性密封部件27可以由任何适当材料制成，所述材料诸如弹性材料(例如，EPDM)且优选地容易包覆成型和或射出成型的任何材料。

上文描述的接口的一些显著优点或特征是值得注意的。

弹性密封部件27可被形成为在上面40和下面41上提供上密封面和下密封面的统一组件。其为了制造简单性而优选地位于刚性框架26内且当再填充、再生或再制造盒时可容易且快速更换。这对于盒的低成本补充或维修来说是重要的。将弹性密封部件27包覆成型到框架26中提供接口密封组合件23的容易更换的统一结构，其可以更方便且具成本效益地用于外部密封表面的常规更换。接口密封组合件23可容易地集成到印刷电路板组合件25中，借此允许每当通过更换整个PCB 25/框架26/弹性密封部件27再填充、再生、再制造或回收盒时容易地更换存储器组件和电连接。词语“再调节”在本文中为了方便起见用于涵盖盒的再填充、再生、再制造或回收的所有形式。

因此，在一般方面，再调节燃料盒的方法可以包括以下步骤：(i)通过将刚性框架26从盒体拆除(例如，通过释放刚性接合板9)移除接口密封组合件23；(ii)将新的接口密封组合件23附接到盒体2/头部3，借此更换由弹性密封部件27的上面40和下面41界定的密封件；和(iii)补充燃料盒内的燃料源。步骤(iii)不一定发生在更换接口密封组合件23之后，因为即使刚性接合板9和接口密封组合件从盒头部移除，提升阀仍然可保持牢固地封闭。

如果刚性框架26包括上面具有电接触件的电路板组件或与电路板组件成一体，那么移除接口密封组合件的步骤包括同时移除耦接到其的电接触件，且附接新的接口密封组合件的步骤包括同时附接新的电接触件。如果电路板组件包括存储器芯片或其它电子组件，那么这些组件还可同时被更换和/或再编程。

弹性密封部件27虽然可容易更换，但是其仍然牢固地配合，并同时展现暴露的压缩表面，且不容易被拆除，这不同于许多o环布置。被包覆成型到框架26(和可能PCB 25)上的弹性密封部件27的使用提供极低成本的可更换部分使得即使在设计寿命可以超过500次再填充/再充电循环的燃料盒中也可容易维持密封表面的质量。

使用若干同心圆周脊部作为密封表面可减小对单个密封边界的依赖性。这继而又意指弹性密封材料可以被制造得更坚硬，且因此与依赖于单个刀刃密封件的密封表面相比不太会倾向于损坏。替代地，如果多个同心圆周密封件使用软的弹性材料，那么可以减小将盒1附接到燃料消耗设备所需要的压缩力。

同心圆周脊部43、44、45可以增加盒与燃料消耗设备之间的静摩擦力。更进一步来说，可稍微压缩的脊部之间存在通道46、47、48当在密封表面到燃料消耗设备压力板60上的压缩期间从通道46、47、48排出空气时可以提供吸力，这类似于施加于(例如)玻璃的吸杯，借此进一步改进振动、屈曲等期间的密封的保持力和抗干扰性。

在便携式燃料电池类型的应用中，同心圆周脊部可以具有3mm到5mm的范围中的直径，但是所描述的布置可被制造得更小和更大。

图1到6中示出的盒设计特别适用于氢气存放盒。

虽然弹性密封部件27被示为位于接口密封件的盒侧上，但是应认识到弹性密封部件27可被安置在燃料消耗设备上和/或位于盒1与燃料消耗装置之间的中间配接器上。在这方面，对盒或燃料消耗设备/燃料电池设备的引用可以包括耦接到其的中间配接器。更一般地，弹性密封部件27可在流体流动路径中需要分离界定流体流动路径的两个组件的任何点处使用。此外，当需要跨分离接口的多个流体流动路径时，单个弹性密封部件27可以具有多个孔径42。当孔径必须维持分离流动路径时，每一孔径可具有其自身的一组独立同心圆周脊部，或当孔径界定并联连接的流动路径时每一孔径可具有共同的独立同心圆周脊部。

其它实施方案有针对性地在随附权利要求书的范围内。

Claims (16)

1.一种具有主体和接口密封组合件(23)的燃料盒(1)，其包括：

弹性密封部件(27)，其具有第一面(40)和第二面(41)以及在所述第一面与所述第二面之间延伸的孔径(42)，和包围所述第一面上的所述孔径的至少两个圆周脊部(43-45)，所述弹性密封部件具有界定在所述第一面(40)上的平面、在所述圆周脊部(43-45)外围的平坦密封件(50)，所述弹性密封部件具有在每个相邻对圆周脊部之间的通道(46-47)以及在最外面的圆周脊部(43)与所述平坦密封件(50)之间的通道(48)，所述平坦密封件(50)占据的平面与由所述圆周脊部(43-45)的顶端占据的平面不同，所述通道(46-48)具有大于由所述平坦密封件(50)界定的所述平面的深度，所述孔径形成从所述盒到由所述第一面界定的外部接口的燃料流动路径的部分，且所述第二面界定到所述燃料盒的内部部分的密封件，所述弹性密封部件(27)还具有包围所述第二面(41)上的所述孔径(42)的至少两个圆周脊部(51)；

刚性框架(26)，所述弹性密封部件(27)成型到所述刚性框架中，

其中所述接口密封组合件(23)通过从所述盒主体(2)拆除所述刚性框架(26)可移除，用于将新的接口密封组合件附接到所述盒主体，借此在更换所述燃料盒内的燃料源期间更换由所述弹性密封部件的所述第一面和所述第二面界定的所述密封件。

2.根据权利要求1所述的燃料盒，其中所述刚性框架包括印刷电路板。

3.根据权利要求2所述的燃料盒，其中所述刚性框架包括一个或多个电接触端子。

4.根据权利要求1所述的燃料盒，其中所述弹性密封部件包括包围所述孔径的所述圆周脊部中的至少三个，包括内部圆周脊部和至少两个依次增大的外部圆周脊部，每一个外部圆周脊部均环绕所述内部圆周脊部。

5.根据权利要求1所述的燃料盒，其中所述至少两个圆周脊部占据不同平面。

6.根据权利要求5所述的燃料盒，其中最靠近所述孔径的所述圆周脊部的顶端占据所述平坦密封件的平面与由其他圆周脊部的顶端占据的平面之间的平面。

7.根据权利要求1所述的燃料盒，其中所述孔径是锥形。

8.根据权利要求1所述的燃料盒，其中所述刚性框架包括一个或多个浇口，所述密封部件通过将所述弹性材料保持在所述一个或多个浇口内而与所述刚性框架接合。

9.根据权利要求1所述的燃料盒，其中所述弹性密封部件的所述第一面突出在所述刚性框架的上面的上方。

10.根据权利要求1所述的燃料盒，其具有包含在所述盒内的流体燃料源和从其延伸到所述盒的接合表面的燃料流动路径，所述燃料流动路径延伸到并穿过所述弹性密封部件中的所述孔径，所述弹性密封部件的所述第一面形成所述盒的所述接合表面的一部分。

11.根据权利要求10所述的燃料盒，其中所述接合表面还包括包围所述弹性密封部件的刚性接合板。

12.根据权利要求11所述的燃料盒，其中由所述弹性密封部件界定的所述接合表面的一部分凹陷在由所述刚性接合板界定的所述接合表面的一部分的下方。

13.根据权利要求10所述的燃料盒，其还包括安置在所述燃料流动路径内的一对阀门，所述阀门经配置使得所述燃料流动路径被阻断，除非两个阀门均被致动。

14.根据权利要求13所述的燃料盒，其中所述阀门可从所述盒的所述接合表面机械地致动。

15.根据权利要求14所述的燃料盒，其中所述阀门是提升阀，所述提升阀均被配置成可在腔室内轴向移位，以便使得流体能够通过延伸在提升阀腔室之间的桥腔从所述盒中的所述流体燃料源流到所述弹性密封部件中的所述孔径。

16.一种燃料电池设备，其包括根据权利要求1所述的燃料盒。