JP2006017269A - 液体送受用ジョイント装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ジョイント構造を簡略化することにより、部品点数が少なく、小型で、安価に製造可能で、かつ、内圧の高低によらず、幅広い条件下においても液漏れを起こさず、内部の液体を汚染せず、簡便な信頼性の高いジョイントを提供する。
【解決手段】液体送受用ジョイント装置は、液体を収容する液体リザーバと前記液体リザーバから液体を受容する液体アクセプタを接続する液体送受用ジョイント装置において、液体リザーバ若しくは液体アクセプタのいずれか一方若しくは両者のジョイント部に、少なくとも流路を有する弁１１および孔を有する弾性体部材３ａからなり、当該弁１１を当該孔に嵌合若しくは係合した構造を有する。
【選択図】図１１
【解決手段】液体送受用ジョイント装置は、液体を収容する液体リザーバと前記液体リザーバから液体を受容する液体アクセプタを接続する液体送受用ジョイント装置において、液体リザーバ若しくは液体アクセプタのいずれか一方若しくは両者のジョイント部に、少なくとも流路を有する弁１１および孔を有する弾性体部材３ａからなり、当該弁１１を当該孔に嵌合若しくは係合した構造を有する。
【選択図】図１１
Description
本発明は、燃料電池やインクジェットプリンタ等における液体供給手段において、液体リザーバから液体を受容する液体アクセプタに液体を導く液体送受用ジョイント装置に関する。
現在、インクジェットプリンタ、液体燃料を用いたライター、医療用薬液投与などにおいて、液体を収容しかつ流出する液体リザーバと、該液体リザーバから液体を受容する液体アクセプタとが着脱可能な液体供給手段を用いたものが広く普及されている。当該液体供給手段は、供給液体が不足したとき液体リザーバ自体を直接取り替えることができる。そのため、液体を本体内に搭載されているリザーブタンク等に直接供給することに比べ、液体によって手を汚すことがほとんどなく、安全性が高く、簡便に供給液体を補給できる。特に、供給液体が人体に影響のあるものや外気に触れると劣化が激しいものを用いる場合には、大変有効な液体供給手段である。
また、最近、液体を燃料として発電する燃料電池の開発が進められており、特にメタノールを燃料としたメタノール直接型燃料電池（ＤＭＦＣ）に関しては、多くの電機メーカ等により開発が盛んに行われており、ノートパソコン、携帯可能な各種電子機器、携帯電話等に使用する次世代の新型電池として期待されている。しかし、一般にメタノールは、人体に対する影響が大きく、吸入すると中枢神経を冒し、めまい、下痢を起こす。また、大量に吸入したり、眼に入ったりした場合は、視神経に障害を起こし、失明する可能性が非常に高く、危険性の高い有毒な液体である。そのため、ＤＭＦＣにおいても、一般需要者等に安全にかつ簡便に燃料供給を行う際には、メタノールを直接取り扱うことがなく、液体リザーバをカートリッジとしてメタノールを供給する手段が最適であると考えられており、広く開発が行われている（特開２００３−３０８８７１、特開平８−１２３０１、特開２００３−３１７７５６など）。
上記の液体供給手段には、液体リザーバから液体アクセプタに液体を導く着脱可能な液体送受用ジョイントを有する必要がある。従来考えられているジョイントとして、特開平１０−７８９、特開平８−５００４２、特表２００３−５２８６９９、特開２００３−２６６７３９、特表２００１−５２４８９６、特開２０００−２８９２２５、特開平７−６８７８０、特開平５−２５４１３８、特開２００３−３３１８７９等が挙げられる。
特開平１０−７８９
特開平８−５００４２
特表２００３−５２８６９９
特開２００３−２６６７３９
特表２００１−５２４８９６
特開２０００−２８９２２５
特開平７−６８７８０
特開平５−２５４１３８
特開２００３−３３１８７９
しかし、いずれのジョイント装置においても、部品点数が非常に多く複雑な構造となるため、小型化、コスト低減には限界がある。また、液体リザーバ、アクセプタ内の圧力が高くなると、弁等が開く構造を有するため、液漏れが生じやすい構造になっている。そのため、ジョイント構造の簡略化、高内圧下でも液漏れを起こさない、かつスムーズな着脱が可能なジョイント装置が強く求められている。特に、携帯電子機器に適用を考えているＤＭＦＣにおいては、昨今の携帯電子機器のサイズから最低でも１０３ｍｍ３以下の小型化が可能なジョイント部材が必要とされると考えられる。その他、上記引用した例のうちの一例では、液体リザーバ、液体アクセプタ双方を嵌着させた際に液体の通過する流路内にバネ等が配設されており、ジョイントの使用中、液体にバネ等の金属イオン等の成分が溶出してしまい、液体が汚染される問題を有していた。ＤＭＦＣにおいても、金属イオンの溶出はＤＭＦＣ本体を構成とする材料である触媒、導電材料、電解質膜等の劣化、電気化学反応効率の低下等ＤＭＦＣの特性に影響を与えると考えられる。
本発明の液体送受用ジョイントは、上記各従来品のかかる問題に鑑み、ジョイント構造を簡略化することにより、部品点数が少なく、小型で、安価に製造可能で、かつ、内圧の高低によらず、幅広い条件下においても液漏れを起こさず、内部の液体を汚染せず、簡便な信頼性の高いジョイントを目指し鋭意検討した結果、上記問題点を以下のようにして解決できることを見出した。
液体を収容する液体リザーバと前記液体リザーバから液体を受容する液体アクセプタを接続する液体送受用ジョイント装置において、液体リザーバ若しくは液体アクセプタのいずれか一方若しくは両者のジョイント部に、少なくとも流路を有する弁および孔を有する弾性体部材からなり、当該弁を当該孔に嵌合若しくは係合した構造を有することを特徴とし、また、前記弾性体の変形により弁が開閉して流路を形成したことを特徴とし、また、当該弾性体のジョイント面が湾曲状に凸した構造を有することを特徴とし、また当該弁と当該弾性体との当接面が湾曲状に凹した構造を有することを特徴とし、また付勢手段を用いて、当該弁を当該弾性体に圧接することを特徴とし、また当該弾性体と当該弁との当接面に、液体の流路として当該弁に放射状の凹溝が有することを特徴とし、また当該弾性体のジョイント面にラビリンスシールが有することを特徴とし、また当該弾性体と当該弁との接触面において、当該弾性体若しくは当該弁のいずれか一方に若しくは両方にラビリンスシールが有することを特徴とする。
なお、前記液体アクセプタは液体を燃料として発電する燃料電池、前記液体リザーバは液体燃料カートリッジとすることを特徴とし、前記燃料電池に用いる燃料として、少なくともメタノールを含有する液体を用いることを特徴とし、前記ジョイントの送液流量が１００ｍｌ／ｈｒ以下であることを特徴とする液体送受用ジョイント装置である。
本発明の液体送受用ジョイント装置は、上記のような構成を採用しているので、以下に示す効果を奏する。
本発明の液体送受用ジョイント装置は、従来品よりもジョイント構造を簡略化し、部品点数を削減したため、製品の小型化、ローコスト化を図ることが可能である。また、本発明のジョイントの大きさとしては、本発明を用いる装置のデザインによって如何ようにも設計することができ、１０３ｍｍ３以下の大きさの実現も十分可能である。なお、液体リザーバ側のジョイント面を液体アクセプタに接続するだけで弾性体が変形して弁が開口し流路を形成して、液体リザーバ内部の液体を液体アクセプタ内へと簡単に送受させることができると同時に、液体リザーバまたは液体アクセプタ容器内の圧力が高くなるほど、弁が弾性体と密着性が増し、液漏れが生じ難い。さらに、付勢手段を用い、弁が弾性体を圧接することにより、低圧下の容器内においても、液漏れに対して信頼性の高いジョイント装置を実現できる。
また、弾性体のジョイント面が湾曲状に凸する構造、また当該弁と当該弾性体との当接面が湾曲状に凹する構造にすることにより、弁の開口の信頼性が高めることができる。
また、当該ジョイントは、液体を燃料として発電する燃料電池の液体燃料カートリッジにも用いることができる。本発明の液体送受用ジョイント装置は、弁の流路デザインにより、送受される液体の流量を制御することが可能である。これにより、送液流量を１００ｍｌ／ｈｒ以下に押さえることが可能なため、適切な量の液体を少量ずつ供給することができる。これは、燃料電池に当該ジョイントを使用した場合、液体燃料の過剰供給を抑止することができ、特にメタノールを燃料としたＤＭＦＣに使用する場合は、クロスオーバー現象（燃料の液体が燃料電池内の燃料極で反応を起こさないまま電解質に流入してしまう現象）を防止するという効果が得られる。そのため、本発明によるジョイント装置は、燃料電池、特に液体を燃料に用いる燃料電池の燃料カートリッジのジョイント装置部材に最適である。
本発明に係る液体送受用ジョイント装置は、前記の燃料電池だけではなく、インクカートリッジ、薬液投与用の容器に取り付けて使用することができ、液体を容器から容器へと送受する目的のジョイント装置として様々な用途に使用できる。特に、小型かつ送液流量が少ないもののジョイント装置として有効な手段であると考えられる。
図１〜１３を用いて、本発明に係る液体送受用ジョイント装置の実施例を詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。また、本実施例は、液体リザーバおよび液体アクセプタに本発明を同時に適用して説明するが、実際使用する際には両者同時使用でなく、単独でも使用可能である。
図１に本発明実施例に係る液体送受用ジョイント装置の液体リザーバ１、図２に本発明実施例に係る液体アクセプタ４、図３に液体リザーバ１を液体アクセプタ４に接続した状態を示す。ただし、液体リザーバ１は、ＤＭＦＣに用いるメタノール燃料カートリッジであり、３重量％メタノール水溶液を封入している。また、液体アクセプタ４にはＤＭＦＣ本体(製品番号６０６１、アイフリー社製)を内蔵している。
液体リザーバ１内の液体を、液体アクセプタ４に供給する際には、図３に示す状態にして使用する。液体リザーバ１内部に液体が予め入った状態になっており、液体リザーバ１から液体アクセプタ４に送液するため、液体リザーバ１側には送液用ジョイント部分２、液体アクセプタ４側には受液用ジョイント部分５が設けられている。
液体リザーバ１や液体アクセプタ４の形状は、これらの図の例に限らず、様々な形状のものに用いることができる。また、本実施例では、液体アクセプタ４の受液側ジョイント部分５を四箇所で表したが、用途に応じて必要とされる供給量に合わせて、受液側ジョイント部分５の数が増減でき、装着できる液体リザーバ１の数も増減できる。
図４〜６に液体リザーバ１若しくは液体アクセプタ４に用いているジョイント装置の弾性体３ａ、また図７〜１０に弁１１、図１１に弾性体３ａ、３ｂと弁１１を組んだジョイント装置、図１２および１３に本実施例におけるジョイントプロセスを示す。
弾性体３ａ，３ｂ（弾性体３ａと３ｂは後述するようにラビリンスシール７ａと７ｂの位置だけが異なる）は、ジョイント面の反対面、すなわち液体リザーバ１若しくは液体アクセプタ４に取り付けた際内側に弁１１を嵌合、係合することができる孔６を有していればよく、また弾性変形が可能な材質であればよい。
弾性体３ａ，３ｂの材質としては、各種ゴムやエラストマー等、公知の様々な弾性材料を用いることができる。具体的には、スチレン−ブタジエンゴム、ブタジエンゴム、シンジオタクチック1、２−ポリブタジエン、イソプレンゴム、アクリニトリル−ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、エチレン−プロピレンゴム、エチレン−プロピレンターポリマー、ブチルゴム、アクリルゴム、クロルスルフォン化ポリエチレン、シリコーンゴム、フッ化ビニリデン系ゴム、テトラフロロエチレン・プロピレン系ゴム、テトラフロロエチレン・パーフロロメチルビニルエーテル系ゴム、フロロシリコーン系ゴム、エピクロルヒドリンゴム、多硫化ゴム、ウレタンゴム、天然ゴム等が挙げられ、これら１種または２種以上を混合して用いることができる。弾性体３ａ，３ｂは、送液する液体の特性や、弾性体の摺動特性、永久圧縮ひずみ特性、反発弾性、耐溶性等の特性によって選択されることが望ましい。今回は、ＤＭＦＣに用いることから、耐メタノール性、永久圧縮歪特性に優れたエチレン−プロピレンゴムを用いた。
本実施例における弾性体３ａ，３ｂは、図４〜６に示すように、孔部６を有した構造となっており、本実施例ではジョイント面は外側に向かって湾状に膨らんだ、またジョイント面の反対面（内側の面）は湾状に窪んだ構造となっている。これは、ジョイント方向に対して、弾性体３ａ，３ｂの変形を容易にするためである。なお、弾性体３ａ，３ｂは、少なくとも孔６を有していればよく、ジョイント面が湾状に膨らんだ構造若しくはジョイント面の内側面が湾状に窪んだ構造に限定されることはなく、両者平面、ジョイント面が窪んだ形状、ジョイント面が凸した形状であってもよい。
ジョイント面には、凸形状のラビリンスシール７ａを設けている。このラビリンスシールは、ジョイント面に対して凸した形状が周回している構造であればよく、本実施例では凸部分の断面が半円形状であるが、逆Ｖ字、四角形でも良く、特に形状は限定されるものではない。以下記載のラビリンスシールも同様とする。翼弾性体３ａと３ｂとはこのラビリンスシール７ａと７ｂの位置だけが異なる。これにより、ジョイント時において、ジョイント面間の液漏れを防ぐことができ、高い信頼性を得ることができる。しかし、ジョイントの際においてジョイント面同士の当接圧力が高い、弾性体と相手側の材料との密着性が高い等のことから、ラビリンスシール７ａ若しくは７ｂを必ずしも設ける必要はないこともある。ラビリンスシール７ａ若しくは７ｂは、ジョイント条件、弾性体３ａ，３ｂの材質等から、液漏れの状況に応じて、設計することができる。
本実施例の弾性体には、液体リザーバ１若しくは液体アクセプタ４に取り付けるために、リブ８を設けている。リブ８は、液体リザーバ１若しくは液体アクセプタ４との取り付け部から液漏れを起こさないように取り付ければよい。また、取り付け部からの液漏れを防止するため、弾性体３ａ若しくは３ｂと液体リザーバ１若しくは液体アクセプタ４の筐体をインサート成形、二色成形等によって一体化して成形作製してもよい。
また、弁１１を弾性体３ａ若しくは３ｂに当接する部分からの液漏れに対する信頼性を高めるため、付勢手段を用いて弁１１を弾性体３ａ若しくは３ｂに圧接させている。そのため、本実施例の弾性体３ａ若しくは３ｂにおいては、弾性体３ａ若しくは３ｂに付勢手段を用いるばね１０の座９を形成している。ただし、付勢手段を設ける際、ばね座９を液体リザーバ１若しくは液体アクセプタ４の筐体側に設ければ、必ずしも弾性体３ａ若しくは３ｂにばね座９を設ける必要はなくてもよい。
次に、弁１１は、弾性体３ａ若しくは３ｂの孔部６と嵌合若しくは係合することができ、液体の流路が形成されてあり、弾性体３ａ若しくは３ｂと当接可能な材質、形状を有していればよい。弁１１の材料としては、金属、プラスチック、木材、セラミック等を用いることができ、好ましくは金属、プラスチックが望ましい。
具体的には、金属は、ステンレス、アルミ、鉄、銅、銀、白金、金等が挙げられる。プラスチックでは、ポリエチレン、ポリプロピレン、塩化ビニル樹脂、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、メタクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンサルファイド、液晶ポリマー、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリアリレート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフタルアミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリメチルペンテン、フッ素樹脂、ポリフッ化ビニリデン、ＴＥＦＥ、ＰＦＡ、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル、ジアリルフタレート樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂等が挙げられる。本実施例では、ＤＭＦＣに用いられることを考慮し、耐メタノール性の高いポリプロピレンを両者に用いた。
本実施例の弁１１は、図７〜１０に示すように、一部凸した構造をしている。この凸部は、弾性体３ａ若しくは３ｂの孔部６に嵌合若しくは係合される。嵌合若しくは係合する際には、固着、接着、装着、挿着させても良い。また、本実施例においては、凸部には切り欠き１３、弾性体３ａ若しくは３ｂと当接する面には凹した溝１２を有している。これは、弁１１が開口したとき、切り欠き１３、溝１２が液体の流路となる。また、弾性体３ａ若しくは３ｂと当接する面は、弾性体３ａ若しくは３ｂの内側の湾状に窪んだ面と密着性が高まるよう当接するために、当接面は湾状に膨らんだ形状をしている。また、本実施例では、前述のジョイント面の液漏れを防止するため、ラビリンスシール７ａ，７ｂを付与したのと同様に、弁１１が開口している時の液漏れを防止するために弁１１にも弾性体３ａ若しくは３ｂとの当接面にラビリンスシール１７を付与した。
弾性体３ａ若しくは３ｂと弁１１を組んだジョイント装置は、図１１に示すように、液体リザーバ１若しくは液体アクセプタ４に、ジョイント装置のリブ部８で取り付けられている。弁は、弁１１の凸部を弾性体３ａ若しくは３ｂのジョイント面の反対面（内側の面）の孔６部に嵌合する。本実施例では、付勢手段として押しばね１０を用いて、弁１１を弾性体３ａ若しくは３ｂに圧接させている。弾性体３ａ若しくは３ｂと弁１１が当接している部分によって、内包している液が外部に流出するのを防いでいる。なお、付勢手段は、本実施例では押しばね１０を用いているが、弁１１を弾性体３ａ若しくは３ｂに付勢する手段のものであれば公知の付勢手段を用いることができる。
図１３に示すように、ジョイント面同士を接触させることにより、弾性体３ａ及び３ｂが変形し、当接していた弁１１と弾性体３ａ若しくは３ｂが離れ、当接部分がなくなり、この隙間および弁の切り込み１３・溝１２を通じて、液体が流れる。
また、互いのジョイント装置を離すと、弾性体３ａ及びは３ｂはジョイント前の状態に復元し、弁１１は弾性体３ａ若しくは３ｂと当接し、弁１１が閉口、内包する液体を封止することができる。
図１３の状態で、液体リザーバ１の内圧が５ｋＰａ、液体アクセプタ４の内部を大気開放した状態のとき、液体リザーバ１から液体アクセプタ４に流れる送液量を調査したところ、送液量は５０ｍｌ／ｈｒであった。また、この状態でＤＭＦＣを駆動させたところ、３０ｍＷの出力が得られた。
また、図１３の状態から液体リザーバ１を液体アクセプタ４から取り外したところ、液体リザーバ１、液体アクセプタ４ともに液漏れは一切起こらなかった。なお、液体リザーバ１、液体アクセプタ４内の圧力を１ｋＰａから１ＭＰａまで加えて、液漏れを調査したが、この範囲では液漏れは一切起こらなかった。
以上より、本実施例の液体送受用ジョイント装置は、いずれにおいても液漏れを起こさず、送液できる性能を有している。また、いずれの実施例においても弾性体パッキンの体積が２２５ｍｍ３であり、従来の液体送受用ジョイント装置に比べ、小型化することができる。よって、本発明は今後ＤＭＦＣをエネルギー源とする携帯電気機器等への液体送受用ジョイント装置として適用することが可能である。
１ 液体リザーバ
２ 送液側ジョイント部
３ａ 弾性体
３ｂ 弾性体
４ 液体アクセプタ
５ 受液側ジョイント部
６ 孔
７ａ ラビリンスシール
７ｂ ラビリンスシール
８ リブ部
９ ばね座
１０ ばね
１１ 弁
１２ 溝
１３ 切り欠き
１４ 凸部
１５ 液体リザーバの筐体
１６ 液体アクセプタの筐体
１７ ラビリンスシール
２ 送液側ジョイント部
３ａ 弾性体
３ｂ 弾性体
４ 液体アクセプタ
５ 受液側ジョイント部
６ 孔
７ａ ラビリンスシール
７ｂ ラビリンスシール
８ リブ部
９ ばね座
１０ ばね
１１ 弁
１２ 溝
１３ 切り欠き
１４ 凸部
１５ 液体リザーバの筐体
１６ 液体アクセプタの筐体
１７ ラビリンスシール
Claims (10)
- 液体を収容する液体リザーバと前記液体リザーバから液体を受容する液体アクセプタを接続する液体送受用ジョイント装置において、液体リザーバ若しくは液体アクセプタのいずれか一方若しくは両者のジョイント部に、少なくとも、流路を有する弁および孔を有する弾性体からなり、当該弁を当該孔に嵌合若しくは係合した構造を有することを特徴とする液体送受用ジョイント装置。
- 前記弾性体の変形により弁が開閉して流路を形成することを特徴とする請求項１に記載の液体送受用ジョイント装置。
- 前記弾性体のジョイント面が湾曲状に凸した構造を有することを特徴とする請求項１若しくは請求項２に記載の液体送受用ジョイント装置。
- 前記弾性体と前記弁との当接面が湾曲状に凹した構造を有することを特徴とする請求項１から３いずれかに記載の液体送受用ジョイント装置。
- 付勢手段を用いて、前記弁を前記弾性体に圧接することを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の液体送受用ジョイント装置。
- 前記弾性体のジョイント面にラビリンスシールが有することを特徴とする請求項1〜５いずれかに記載の液体送受用ジョイント装置。
- 前記弾性体と前記弁との当接面において、前記弾性体若しくは前記弁のいずれか一方に若しくは両方にラビリンスシールが有することを特徴とする請求項1〜６いずれかに記載の液体送受用ジョイント装置。
- 前記液体アクセプタは液体を燃料として発電する燃料電池、前記液体リザーバは液体燃料カートリッジとすることを特徴とする請求項１〜７いずれかに記載の液体送受用ジョイント装置。
- 前記燃料電池に用いる燃料として、少なくともメタノールを含有する液体を用いることを特徴とする請求項１〜８いずれかに記載の液体送受用ジョイント装置。
- 前記ジョイントの送液流量が１００ml/ｈｒ以下であることを特徴とする請求項１〜９いずれかに記載の液体送受用ジョイント装置。
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