JP2007120737A - Water supply valve - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水供給弁に関する。 The present invention relates to a water supply valve.
近時、小型燃料電池の開発が盛んに進められている。小型燃料電池は、例えば、ICチップに内蔵可能であることが期待されている。 Recently, development of small fuel cells has been actively promoted. For example, it is expected that a small fuel cell can be built in an IC chip.
このようなICチップ用小型燃料電池の開発に当たっては、システム全体をできるだけ単純に、かつ、サイズもできるだけ小さくすることが求められる。そのため、小型燃料電池用の水(燃料)の供給弁についても、システムを単純に、かつ、サイズも小さくできる構造であることが要求される。 In developing such a small fuel cell for IC chip, it is required to make the entire system as simple as possible and as small as possible in size. Therefore, a water (fuel) supply valve for a small fuel cell is also required to have a structure that can simplify the system and reduce the size.
小型燃料電池用の燃料供給弁について、センサなどを排除することで小型化を試みた例として、特許文献1の燃料供給弁がある。特許文献1に係る燃料供給弁は、バルブと連動しているプロトン導電体膜が燃料極室と酸化剤極室の差圧によってたわむことを利用して、弁の開閉を行っている。また、別の実施形態に係る燃料供給弁は、燃料電池の発電量に応じて電流が流れるヒーターコイルがバイメタル製の開閉部材を発電量に応じて変形させることで、弁の開閉を行っている。 As an example of attempts to reduce the size of a fuel supply valve for a small fuel cell by eliminating a sensor or the like, there is a fuel supply valve of Patent Document 1. The fuel supply valve according to Patent Document 1 opens and closes the valve by utilizing the fact that the proton conductor film interlocked with the valve bends due to the differential pressure between the fuel electrode chamber and the oxidant electrode chamber. In addition, the fuel supply valve according to another embodiment opens and closes the valve by causing the heater coil through which current flows according to the amount of power generated by the fuel cell to deform the bimetallic open / close member according to the amount of power generated. .
ところで、高分子ゲルは外部環境の変化に対して膨潤収縮性を示すことが知られている。例えば特許文献2では、温度に依存して膨潤収縮性を示す温度応答型高分子素材や、電場に応答して膨潤収縮性を示す電場応答型高分子素材などについて記載されている。 By the way, it is known that the polymer gel exhibits swelling and shrinkage with respect to changes in the external environment. For example, Patent Document 2 describes a temperature-responsive polymer material that exhibits swelling and shrinkage depending on temperature, an electric field-responsive polymer material that exhibits swelling and shrinkage in response to an electric field, and the like.
このような外部環境の変化に応じて膨潤収縮するゲルを用いた発明として、特許文献3のインクジェットプリントヘッド用の液滴吐出器がある。特許文献3に係る液滴吐出器では、電場反応ゲルと接触していない電極が、電場反応ゲルに電場を印加することで、電場反応ゲルを膨張させている。電場反応ゲルは、膨張するときに流体通路内の流体を押し出すので、その結果、液滴がノズルから吐出される。また、特許文献3の別の実施形態に係る液滴吐出器では、発熱抵抗体が温度反応ハイドロゲルに熱を加えることで温度反応ゲルを収縮させている。このようにして温度反応ゲルを膨張収縮させることで、特許文献3の別の実施形態に係る液滴吐出器は、流体が流れるチャンネルを開閉し、流体の吐出を制御している。
しかしながら、従来の水(燃料)供給弁は、弁体または弁棒(に相当するもの)の材料として各種金属材料やプラスチック材料などが使用されており、弁の操作方式をも考慮した場合、弁の小型化には一定の限界があるという問題がある。例えば、小型燃料電池用の水供給弁には、応答性や制御精度の面で一定の性能が要求されるが、従来の弁構造では、そのために弁を駆動する複雑な駆動系と制御系を別途設ける必要があり、小型化には大きな限界がある。 However, conventional water (fuel) supply valves use various metal materials, plastic materials, etc. as the material of the valve body or valve stem (or equivalent). There is a problem that there is a certain limit to downsizing. For example, a water supply valve for a small fuel cell is required to have a certain level of performance in terms of responsiveness and control accuracy, but the conventional valve structure requires a complicated drive system and control system for driving the valve. It is necessary to provide it separately, and there is a big limit to downsizing.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、例えば、小型燃料電池に好適な、応答性や制御精度の面で一定の性能を満たしつつ、単純なシステムでかつ大幅な小型化を実現することができる水供給弁を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points. For example, it is suitable for a small fuel cell and achieves a certain size and a large size while satisfying a certain performance in terms of responsiveness and control accuracy. An object of the present invention is to provide a water supply valve that can be used.
本発明の水供給弁は、水を通す流路と、前記流路を開閉する弁体と、前記弁体を収納する弁箱とを有する水供給弁であって、電場の変化に応じて膨潤収縮することで、前記弁体に前記流路を開閉させるゲルと、電圧を印加することで前記ゲルに電場の変化をもたらす、正極と負極を含む1対の電極と、を有する構成を採る。 The water supply valve of the present invention is a water supply valve having a flow path for passing water, a valve body that opens and closes the flow path, and a valve box that houses the valve body, and swells in response to a change in electric field. The structure which has the gel which opens and closes the said flow path to the said valve body by contracting, and a pair of electrode containing a positive electrode and a negative electrode which brings about the change of an electric field to the said gel by applying a voltage is taken.
本発明によれば、例えば、小型燃料電池に好適な、応答性や制御精度の面で一定の性能を満たしつつ、単純なシステムでかつ大幅な小型化を実現することができる水供給弁を得ることができる。 According to the present invention, for example, a water supply valve that is suitable for a small fuel cell and that can satisfy a certain performance in terms of responsiveness and control accuracy and can realize a large size with a simple system is obtained. be able to.
本発明者は、単純なシステムでかつ大幅な小型化を実現するためには、流路を開閉する弁体の動力部として、外部環境の変化に応じて体積が顕著に変化する性質を有する材料を用いることが必要であることを見出した。また、そのような材料としては、外部環境の変化に応じて体積変化を生じるゲル(刺激応答性ゲル)を用いることが有効であることを見出したのである。 The present inventor is a simple system and a material that has a property that the volume is remarkably changed in accordance with a change in the external environment as a power unit of a valve body that opens and closes a flow path in order to realize a significant downsizing. It was found necessary to use. Moreover, as such a material, it discovered that it was effective to use the gel (stimulus responsive gel) which produces a volume change according to the change of an external environment.
前記刺激応答性ゲルは、1)自重の何十〜何百倍もの水を吸収して膨潤するが、スポンジなどと異なり、圧力をかけても水を吐き出さない、2)刺激(外部環境の変化)を与えると、水を吐き出しながら収縮する、3)収縮したゲルは、刺激をカットして水中に置いておくと、再度水を吸収して膨潤する、つまり、外部環境の変化に応じて可逆的に変形する、という特徴を有するため、この特徴を利用することで、外部環境の変化に応じて開閉する弁が作製可能である。 The stimulus-responsive gel 1) swells by absorbing water tens to hundreds of times its own weight, but unlike a sponge or the like, does not spout water even when pressure is applied. 2) Stimulation (change in external environment) 3) When the gel is contracted, the gel that has contracted cuts the stimulus and is left in the water to absorb and swell again, that is, reversible according to changes in the external environment. Therefore, a valve that opens and closes according to a change in the external environment can be manufactured by using this feature.
モータのような複雑な駆動系や制御系を必要とする動力部と異なり、前記刺激応答性ゲルは、生体細胞と同様、上記のようにそれ単独で刺激応答性を示すため、システムを単純に、かつ、サイズも小さくすることができるという利点を有する。 Unlike a power unit that requires a complicated drive system or control system such as a motor, the stimulus-responsive gel, like a living cell, exhibits a stimulus response by itself as described above, thus simplifying the system. And it has the advantage that the size can be reduced.
上記の通り、本発明の水供給弁は、その弁体がゲルによってその流路を開閉することを特徴とする。 As described above, the water supply valve of the present invention is characterized in that the valve element opens and closes the flow path with gel.
次に、本発明に係る水供給弁について説明する。 Next, the water supply valve according to the present invention will be described.
本発明に係る水供給弁は、水を通す流路と、前記流路を開閉する弁体と、前記弁体を収納する弁箱とを有する水供給弁であって、電場の変化に応じて膨潤収縮することで、前記弁体に前記流路を開閉させるゲルと、電圧を印加することで前記ゲルに電場の変化をもたらす、正極と負極からなる1対の電極と、を有する構成を採る。 A water supply valve according to the present invention is a water supply valve having a flow path for passing water, a valve body that opens and closes the flow path, and a valve box that houses the valve body, and according to a change in electric field. A structure having a gel that opens and closes the flow path in the valve body by swelling and shrinking, and a pair of electrodes including a positive electrode and a negative electrode that cause an electric field change to the gel by applying a voltage is adopted. .
流路は、一つ以上の入水口と一つ以上の出水口との間を繋ぐ、水供給弁の内部を貫く水の通り道である。流路内に水の流れを妨げるものがない場合は、入水口から入ってきた水は、流路を流れ、出水口から出る。なお、本発明に係る水供給弁では、入水口と出水口を特に区別しない。便宜的に、流路が水供給弁外に開口している箇所のうち、水が水供給弁内に入ってくる箇所を入水口、水が水供給弁外に出ていく箇所を出水口と呼ぶ。したがって、水の流れる向きが逆になれば、入水口と出水口は逆になる。 The flow path is a path of water that penetrates the interior of the water supply valve and connects between one or more water inlets and one or more water outlets. If there is nothing in the flow path that obstructs the flow of water, the water that has entered from the water inlet flows through the flow path and exits from the water outlet. In the water supply valve according to the present invention, the water inlet and the water outlet are not particularly distinguished. For convenience, out of the locations where the flow path opens outside the water supply valve, the location where water enters the water supply valve is the inlet, and the location where water exits the water supply valve is the outlet. Call. Therefore, if the direction of water flow is reversed, the water inlet and the water outlet are reversed.
弁体は、流路の一部を開閉することによって、流路の水の流れを制御する。弁体が流路を開いているときは、入水口から入ってきた水は、出水口へと流れることができる(導水状態)。一方、弁体が流路を閉じた場合は、入水口から入ってきた水は、弁体によって出水口へと流れることが妨げられてしまう(止水状態)。弁体が流路を開閉する方法は特に限定されないが、例えば、弁体が流路を閉じるように移動したり、弁体が流路を閉じるように膨張したりすれば、弁体は流路を閉じることができる。 The valve body controls the flow of water in the flow path by opening and closing a part of the flow path. When the valve body opens the flow path, the water that has entered from the water inlet can flow to the water outlet (water conduction state). On the other hand, when the valve body closes the flow path, the water that has entered from the water inlet is prevented from flowing to the water outlet by the valve body (water stoppage state). The method for opening and closing the flow path of the valve body is not particularly limited. For example, if the valve body moves so as to close the flow path or the valve body expands so as to close the flow path, the valve body may Can be closed.
弁箱は、本発明に係る水供給弁の各構成要素を格納するケースである。 A valve box is a case which stores each component of the water supply valve which concerns on this invention.
ゲルは、流路を開閉する弁体の動力部である。本発明に係る水供給弁では、外部環境変化に応じて可逆的に体積が変化するものを用いる。ゲルが弁体に流路を開閉するようにさせる方法は特に限定されないが、例えば、ゲルの体積変化に伴って弁体が移動するようにゲルと弁体を繋いで構成すればよい。この場合、ゲルと弁体は離れていてもよいので、ゲルは流路内にあってもよいし、流路外にあってもよい。なお、ゲルを弁体の動力部として用いる場合、ゲルの体積変化に伴うエネルギーを弁体に伝えるために、少なくともゲルの一端部は弁箱などに固定されることが好ましい。 The gel is a power part of the valve body that opens and closes the flow path. The water supply valve according to the present invention uses a valve whose volume reversibly changes in accordance with a change in the external environment. The method for causing the valve body to open and close the flow path is not particularly limited. For example, the gel and the valve body may be connected so that the valve body moves in accordance with the volume change of the gel. In this case, since the gel and the valve body may be separated from each other, the gel may be in the flow path or outside the flow path. In addition, when using a gel as a motive power part of a valve body, in order to transmit the energy accompanying the volume change of a gel to a valve body, it is preferable that the one end part of a gel is fixed to a valve box etc. at least.
前記の通り、本発明に係る水供給弁に用いるゲルは、電場や熱、pHなどの外部環境の変化(刺激)に応じて可逆的に体積変化を生じる刺激応答性ゲルを用いる。なお、その応答速度の速さから、本発明に係る水供給弁に用いるゲルは、電場応答性ゲルを用いることが好ましい。さらに、水が流路を流れるため、ゲルを水に浸すことが容易であることから、本発明に係る水供給弁に用いるゲルは、電場応答性ハイドロゲルがより好ましい。具体的には、高分子電解質を用いて調製されたハイドロゲル(以下「電解質ハイドロゲル」という)が特に好ましい。 As described above, the gel used for the water supply valve according to the present invention is a stimulus-responsive gel that reversibly changes its volume in response to changes (stimulation) in the external environment such as electric field, heat, and pH. In addition, from the speed of the response speed, it is preferable to use an electric field responsive gel as the gel used for the water supply valve according to the present invention. Furthermore, since water flows through the flow path, it is easy to immerse the gel in water. Therefore, the gel used for the water supply valve according to the present invention is more preferably an electric field responsive hydrogel. Specifically, a hydrogel prepared using a polymer electrolyte (hereinafter referred to as “electrolyte hydrogel”) is particularly preferable.
本発明で用いる電解質ハイドロゲルは、主鎖または側鎖にイオン性の官能基を持つイオン性高分子からなるものであれば特に限定されず、その電気的性質はアニオン性(マイナス電荷を有する)であってもカチオン性(プラス電荷を有する)であってもよい。このような電解質ハイドロゲルは、電圧が印加されていない場合は平衡膨潤状態であり、電圧が印加されると収縮するという特徴を有している。 The electrolyte hydrogel used in the present invention is not particularly limited as long as it is made of an ionic polymer having an ionic functional group in the main chain or side chain, and its electrical property is anionic (having a negative charge). Or may be cationic (having a positive charge). Such an electrolyte hydrogel is characterized by being in an equilibrium swelling state when no voltage is applied and contracting when a voltage is applied.
アニオン性の官能基を持つイオン性高分子の重合に用いられるモノマー試薬としては、例えば、カルボン酸基やスルホン酸基、リン酸基などを分子内に有するものが挙げられる。具体的には、例えば、アクリル酸や2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホンなどが挙げられる。 Examples of the monomer reagent used for polymerization of an ionic polymer having an anionic functional group include those having a carboxylic acid group, a sulfonic acid group, a phosphoric acid group or the like in the molecule. Specific examples include acrylic acid and 2-acrylamido-2-methylpropanesulfone.
また、カチオン性のモノマー試薬としては、例えば、1〜3級のアミノ基や、4級アンモニウム基、4級ホスホニウム基などを分子内に有するものが挙げられる。具体的には、例えば、N,N−ジメチルアミノエチルアクリレートや4−ビニルベンジルトリメチルホスホニウムクロライドなどが挙げられる。 Examples of the cationic monomer reagent include those having in the molecule a primary to tertiary amino group, a quaternary ammonium group, a quaternary phosphonium group, or the like. Specific examples include N, N-dimethylaminoethyl acrylate and 4-vinylbenzyltrimethylphosphonium chloride.
なお、上記の通り、本発明に係る水供給弁では、その応答速度の速さから電場応答性の電解質ハイドロゲルを用いることが特に好ましいが、ゲルに体積変化を生じさせるのに用いる外部環境変化(刺激)は電場の変化に限定されない。 In addition, as described above, in the water supply valve according to the present invention, it is particularly preferable to use an electric field responsive electrolyte hydrogel because of its fast response speed, but the external environment change used to cause volume change in the gel. (Stimulation) is not limited to changes in the electric field.
ゲルの体積変化は、ゲル内部の高分子網目を広げようとする力(斥力)と収縮させようとする力(引力)の平衡が外部刺激によって崩れることで、新たな平衡状態に移行するために生じる。ここで、一時的に変化させた外部刺激を元に戻すことで、引力と斥力のバランスが初期の状態に戻り、これに応じてゲルの体積も元に戻る。この場合、斥力は、ゲルを構成する高分子網目内のイオンによる静電的な力、または網目と溶媒との混合によるエントロピー的な力であり、引力は、高分子網目のゴム弾性の力または分子間相互作用の力による。これらのバランスは、電場に限らず、イオン強度や温度、溶媒組成などの外部環境のわずかな変化によって崩すことができるため、この変化を利用することでゲルの体積を可逆的に変化させることができる。 The volume change of the gel is due to the fact that the balance of the force (repulsive force) that attempts to expand the polymer network inside the gel and the force (attractive force) that attempts to contract is disrupted by an external stimulus, so that a transition to a new equilibrium state occurs. Arise. Here, by restoring the temporarily changed external stimulus, the balance between attractive force and repulsive force is restored to the initial state, and the gel volume is also restored accordingly. In this case, the repulsive force is an electrostatic force due to ions in the polymer network constituting the gel, or an entropic force due to mixing of the network and the solvent, and the attractive force is a rubber elastic force or It depends on the force of intermolecular interaction. These balances are not limited to electric fields, but can be disrupted by slight changes in the external environment, such as ionic strength, temperature, and solvent composition. This change can be used to reversibly change the gel volume. it can.
例えば、イオン強度応答性のハイドロゲルや感熱性ハイドロゲル、溶媒組成応答性ハイドロゲルなどを用いることで、イオン強度や温度、溶媒組成などの外部環境変化に応じて、水供給弁を動作させることができる。この場合、後述する電極を設けることは、もちろん不要である。 For example, by using an ionic strength responsive hydrogel, a thermosensitive hydrogel, or a solvent composition responsive hydrogel, the water supply valve can be operated according to changes in the external environment such as ionic strength, temperature, and solvent composition. Can do. In this case, it is of course unnecessary to provide an electrode described later.
具体的には、イオン強度応答性のハイドロゲルとしては、電場応答性ゲルと同様、電解質ゲル全般を用いることができる。 Specifically, the electrolyte gel in general can be used as the ionic strength responsive hydrogel, similarly to the electric field responsive gel.
また、温度応答性のハイドロゲルとしては、N−イソプロピルアクリルアミドを重合してなるハイドロゲル、溶媒組成変化は、電解質モノマーと非電解質モノマーの共重合体、例えば、アクリル酸とアクリルアミドの重合体などが適している。 The temperature-responsive hydrogel is a hydrogel obtained by polymerizing N-isopropylacrylamide, and the solvent composition change is a copolymer of an electrolyte monomer and a non-electrolyte monomer, such as a polymer of acrylic acid and acrylamide. Is suitable.
ところで、ゲルの体積変化の速度は、刺激の種類に関わらず、ゲルの比表面積(単位体積に対する表面積の大きさ)と相関関係がある。例えば、ゲルの表面積が増大させると、ゲルの体積変化にかかる時間を短くすることができる。したがって、ゲルを多孔性のものにすることなどによって表面積を増大させることで、本発明に用いるゲル(電場応答性ゲルに限らず)の応答速度を速くすることができる。 By the way, the speed of the volume change of the gel has a correlation with the specific surface area of the gel (the size of the surface area with respect to the unit volume) regardless of the type of stimulation. For example, when the surface area of the gel is increased, the time required for the gel volume change can be shortened. Therefore, the response speed of the gel (not limited to the electric field responsive gel) used in the present invention can be increased by increasing the surface area by making the gel porous.
なお、ゲルは動力部としてだけではなく、動力部兼弁体としても機能することができる。この場合、ゲル自体が流路を開閉する弁体となるので、水供給弁をより単純なシステムにすることができ、水供給弁をさらに小型化することができる。この場合、ゲルは弁体としても機能するので、ゲルは流路内に配置される必要がある。 Note that the gel can function not only as a power unit but also as a power unit and valve body. In this case, since the gel itself becomes a valve body that opens and closes the flow path, the water supply valve can be made a simpler system, and the water supply valve can be further downsized. In this case, since the gel also functions as a valve body, the gel needs to be arranged in the flow path.
1対の電極(正極および負極)は、電圧を印加することで前記ゲルに電場の変化をもたらす。なお、両電極は共に前記ゲルに接触するように配置することが好ましい。これは、以下の理由による。 A pair of electrodes (positive electrode and negative electrode) causes an electric field change in the gel by applying a voltage. In addition, it is preferable to arrange | position both electrodes so that both may contact the said gel. This is due to the following reason.
ゲルと両電極が接触していない場合、電解質物質や水銀などの電気伝導性を有する物質がその間の空間に存在していなければ、両電極はゲルに電圧を印加することは難しい。しかし、前記電気伝導性を有する物質は、その化学的特性によりゲルに悪影響(変質、変形または破壊など)を及ぼすという問題がある。したがって、耐久性に優れた水供給弁を提供することを考えると、ゲルに電場を印加することを目的としてゲル周囲の液体(例えば、ゲルが流路内に配置される場合は、流路を流れる水)に電気伝導性を有する物質を混ぜるより、ゲルと両電極を接触させることで、両電極がゲルに電圧を直接印加するようにした方が好ましい。 When the gel and the two electrodes are not in contact, it is difficult for the two electrodes to apply a voltage to the gel unless there is an electroconductive substance such as an electrolyte substance or mercury in the space between them. However, there is a problem that the substance having electrical conductivity has an adverse effect (deterioration, deformation or destruction) on the gel due to its chemical characteristics. Therefore, considering the provision of a water supply valve with excellent durability, the liquid around the gel (for example, when the gel is placed in the flow path, the flow path is set for the purpose of applying an electric field to the gel). It is preferable to apply a voltage directly to the gel by bringing the gel and both electrodes into contact with each other, rather than mixing a substance having electrical conductivity with the flowing water).
本発明に係る水供給弁によれば、電場に対して膨潤収縮性を示す電解質ハイドロゲルを用いて水供給弁を構成するため、応答性や制御精度の面で一定の性能を満たしつつ、単純なシステムでかつ大幅なダウンサイジングを実現することができる。 According to the water supply valve of the present invention, since the water supply valve is configured using an electrolyte hydrogel that exhibits swelling and shrinkage with respect to an electric field, the water supply valve is simple while satisfying certain performance in terms of responsiveness and control accuracy. System and significant downsizing can be realized.
また、本発明に係る水供給弁によれば、環境に影響を及ぼす燃料やオイルを必要としないため、環境の保護をも図ることができる。 In addition, according to the water supply valve of the present invention, it is possible to protect the environment because no fuel or oil affecting the environment is required.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係る水供給弁の構成を示す概略図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a water supply valve according to Embodiment 1 of the present invention.
この水供給弁100は、弁箱102と、流路104と、電解質ハイドロゲル106と、弁座108と、第一の電極110と、第二の電極112と、を有する。
The
弁箱102は、各構成要素を格納するケースである。
The
流路104は、入水口と出水口との間を繋ぐ、水供給弁100の内部を貫く1本の水114の通り道である。図1の水供給弁では水114が上から下へと流れるので、上側の開口部が入水口、下側の開口部が出水口となる。
The
電解質ハイドロゲル106は、弁体の動力部であり、かつ弁体でもある。すなわち、電圧の変化に応じて自らが膨潤収縮することで、流路を開閉する。
The
弁座108は、弁体である電解質ハイドロゲル106が膨張したときの止水能力を高めるための窪みであるが、止水能力がなくならないのであれば弁座108はなくてもよい。
The
第一の電極110および第二の電極112は、電解質ハイドロゲル106の向かい合う端部に接触するように配置され、電解質ハイドロゲル106に電圧を印加する。第一の電極110および第二の電極112は、図示しない電源部と図示しない導線で連結している。
The
なお、電解質ハイドロゲル106は、第一の電極110および第二の電極112が設けられている両端部のうちの一方が弁箱102に固定されている。第一の電極110および第二の電極112のそれぞれの極性は、正極−負極、負極−正極のどちらでもよい。また、弁箱102に固定される端部は、第一の電極110および第二の電極112のどちら側の端部でもよいが、電解質ハイドロゲル106は、電圧を印加すると負極側から収縮する特性を有しているため、正極側を固定し負極側を固定しない方が好ましい。図1では、一例として、第一の電極110および第二の電極112のうち、第一の電極110側の端部が弁箱102に固定されている場合を示す。
The
また、このとき、電解質ハイドロゲル106の固定されていない端部(図1では第二の電極112側の端部)と、前記端部と向かい合う弁箱102の内部表面(図1では弁座108内で第二の電極112と向かい合う面)との間にばねなどの弾性支持体を設けるようにしてもよい。このようにすることで、第一の電極110および第二の電極112を常に電解質ハイドロゲル106に押し付けることができるので、電解質ハイドロゲル106と二つの電極110、112との間の接触をより安定なものとすることができる。
At this time, the end portion of the
上記構成を採ることで、電解質ハイドロゲル106の両端部に設けられた第一の電極110と第二の電極112との間に電圧を印加することにより、電解質ハイドロゲル106が収縮して流路104が開いて水114が流れるようになる。また、電圧をカットすることにより、電解質ハイドロゲル106が膨潤して流路104が閉じ、水114が流れなくなる。
By adopting the above configuration, by applying a voltage between the
次いで、上記構成を有する水供給弁100の動作について、図2を用いて説明する。図2は本実施の形態に係る水供給弁100の動作を説明するための図であり、(A)は電解質ハイドロゲルが平衡膨潤状態のときの様子を示し(止水状態)、(B)は電解質ハイドロゲルが電気収縮状態のときの様子を示し(導水状態)、(C)は電解質ハイドロゲルが再膨潤状態のときの様子を示している(止水状態)。
Next, the operation of the
まず、図2(A)に示す止水状態では、電解質ハイドロゲル106の両端部に設けられた第一の電極110と第二の電極112との間に電圧を印加しない。このとき、電解質ハイドロゲル106は、平衡膨潤状態であり、水114の流れを止めている。
First, in the water stop state shown in FIG. 2A, no voltage is applied between the
そして、図2(B)に示す導水状態では、電解質ハイドロゲル106の両端部に設けられた第一の電極110と第二の電極112との間に電圧を印加することで、電解質ハイドロゲル106は、負極側から水を放出して同図中の白抜き矢印の方向に収縮する。これにより、流路104が開いて水114が流れる。
2B, by applying a voltage between the
そして、図2(C)に示す止水(再膨潤)状態では、図2(B)に示す導水状態で電解質ハイドロゲル106の両端部に設けられた第一の電極110と第二の電極112との間に印加していた電圧をカットする。これにより、電解質ハイドロゲル106は、流路104内の水114により同図中の白抜き矢印の方向に再膨潤して、元の大きさまで回復する。この結果、流路104が閉じて止水される。
2C, the
このように、本実施の形態によれば、電場に対して膨潤収縮性を示す電解質ハイドロゲルを動力部兼弁体として用いて水供給弁を構成するため、応答性や制御精度の面で一定の性能を満たしつつ、単純なシステムでかつ大幅な小型化を実現することができる。 As described above, according to the present embodiment, since the water supply valve is configured using the electrolyte hydrogel exhibiting swelling and shrinkage with respect to the electric field as the power unit and valve body, it is constant in terms of responsiveness and control accuracy. It is possible to realize a significant downsizing with a simple system while satisfying the above performance.
(実施の形態2)
図3は、本発明の実施の形態2に係る水供給弁の構成を示す概略図であり、(A)は電解質ハイドロゲルが平衡膨潤状態のときの様子を示し、(B)は電解質ハイドロゲルが電気収縮状態のときの様子を示している。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a schematic view showing a configuration of a water supply valve according to Embodiment 2 of the present invention, in which (A) shows a state when the electrolyte hydrogel is in an equilibrium swollen state, and (B) is an electrolyte hydrogel. Shows the state when is in an electrically contracted state.
図3(A)に示すように、実施の形態2に係る水供給弁200は、弁箱102と、第一の流路116と、第二の流路118と、電解質ハイドロゲル106と、第一の電極110と、第二の電極112と、を有する。この図において、実施の形態1の各構成要素に対応する部分には同一の符号を付ける。また、第一の流路116、第二の流路118、および電解質ハイドロゲル106以外の各構成要素は、実施の形態1と基本的に同じであるので、ここでは特に説明しない。
As shown in FIG. 3A, the
第一の流路116は、水供給弁200内の上部に位置する流路であり、第二の流路118は、水供給弁200内の下部に位置する流路である。これら二つの流路116、118は、図2左側の一つの流路が弁箱102内で分岐したものである。なお、図3では、左側が入水口側で、右側が出水口側である。すなわち、水114は、図の左側から右側へ流れる。
The
電解質ハイドロゲル106は、実施の形態1と同様のものであり、第一の流路116と第二の流路118の分岐部に動力部兼弁体として配置されている。また、電解質ハイドロゲル106は、平衡膨潤状態になったときに第二の流路118を塞ぐような形状・サイズに形成されており、第一の電極110および第二の電極112が配置されている両端部のうちの一方が弁箱102に固定されている。なお、弁箱102に固定される端部は、第一の電極110および第二の電極112のどちら側の端部でもよいが、実施の形態1と同じ理由により、正極側を固定し、負極側を固定しない方が好ましい。図3では、一例として、第一の電極110側の端部が弁箱102に固定されている場合を示す。
The
次いで、上記構成を有する水供給弁200の動作について説明する。
Next, the operation of the
まず、図3(A)に示す平衡膨潤状態では、電解質ハイドロゲル106の両端部に設けられた第一の電極110と第二の電極112との間に電圧を印加しない。このとき、電解質ハイドロゲル106は、平衡膨潤状態であり、第二の流路118への水114の流れを止めている。これにより、第一の流路116へ水114が流れる。
First, in the equilibrium swelling state shown in FIG. 3A, no voltage is applied between the
そして、図3(B)に示す電気収縮状態では、電解質ハイドロゲル106の両端部に設けられた第一の電極110と第二の電極112との間に電圧を印加することで、電解質ハイドロゲル106は、負極側から水を放出して同図中の白抜き矢印の方向に収縮する。これにより、水供給弁200内で下部に位置する第二の流路118が開いて水114が流れる。このとき、平衡膨潤状態のときに第一の流路116へ流れていた水114が第二の流路118へ流れてしまうため、上部に位置する第一の流路116へ水114が流れなくなる。
3B, by applying a voltage between the
そして、図示しないが、図3(B)に示す電気収縮状態で第一の電極110と第二の電極112との間に印加していた電圧をカットすると、電解質ハイドロゲル106は再膨潤して、元の大きさまで回復する。この結果、第二の流路118が閉じて止水され、図3(A)の状態になる。
Although not shown, when the voltage applied between the
このように、本実施の形態に係る水供給弁によれば、実施の形態1の効果に加えて、さらに一つの電解質ハイドロゲルを用いて二つの流路への水の流れを制御することができる。 Thus, according to the water supply valve according to the present embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, it is possible to control the flow of water to the two flow paths using one electrolyte hydrogel. it can.
(実施の形態3)
図4は、本発明の実施の形態3に係る水供給弁の構成を示す概略図であり、(A)は電解質ハイドロゲルが平衡膨潤状態のときの水供給弁の縦断面(流路に対して平行)を示し(導水状態)、(B)は電解質ハイドロゲルが平衡膨潤状態のときの水供給弁の二つの弁体を含む横断面(流路に対して垂直)を示し(導水状態)、(C)は電解質ハイドロゲルが電気収縮状態のときの水供給弁の縦断面を示し(止水状態)、(D)は電解質ハイドロゲルが電気収縮状態のときの水供給弁の二つの弁体を含む横断面を示している(止水状態)。
(Embodiment 3)
FIG. 4 is a schematic view showing the configuration of the water supply valve according to Embodiment 3 of the present invention, and (A) is a longitudinal section of the water supply valve when the electrolyte hydrogel is in an equilibrium swollen state (relative to the flow path). (B) shows a cross section (vertical to the flow path) including two valve bodies of the water supply valve when the electrolyte hydrogel is in an equilibrium swollen state (conducted state). (C) shows a longitudinal section of the water supply valve when the electrolyte hydrogel is in an electrically contracted state (water stop state), and (D) shows two valves of the water supply valve when the electrolyte hydrogel is in an electrically contracted state. The cross section including a body is shown (water stop state).
図4(B)で示すように、本実施の形態に係る水供給弁300は、弁箱102と、流路104と、二つの電解質ハイドロゲル106a、106bと、第一の電極110と、第二の電極112と、二つの弁体120a、120bとを有する。この図において、実施の形態1の各構成要素に対応する部分には同一の符号を付ける。また、電解質ハイドロゲル106a、106b、および二つの弁体120a、120b以外の各構成要素は、実施の形態1と基本的に同じであるので、ここでは特に説明しない。
As shown in FIG. 4B, the
電解質ハイドロゲル106a、106bは、は、実施の形態1と同様のものであり、二つの弁体120a、120bの間に弁体の動力部として配置されている。
The
弁体120a、120bは、二つを合わせることで一つの弁体として機能するように形成されており、二つが合わさることで流路104を閉じることができる。
The
ここで、電解質ハイドロゲル106の両端部は、それぞれ異なる弁体120a、120bに固定される。このとき、電解質ハイドロゲル106a、106bが膨潤状態のときは、二つの弁体120a、120bの間に水114が流れることができる流路104が開くように、電気収縮状態のときは、二つの弁体120a、120bが密着して流路104を閉じるように、二つの電解質ハイドロゲル106a、106bおよび二つの弁体120a、120bが配置される。
Here, both ends of the
次いで、上記構成を有する水供給弁300の動作について説明する。
Next, the operation of the
まず、図4(A)および(B)に示す導水状態では、電解質ハイドロゲル106a、106bの両端部に設けられた第一の電極110と第二の電極112との間に電圧を印加しない。このとき、電解質ハイドロゲル106a、106bは、平衡膨潤状態であり、二つの弁体120a、120bの間に流路104が開き、水114が流れる(図4(A)で上から下へ向かって流れる)。
4A and 4B, no voltage is applied between the
そして、図4(C)および(D)に示す止水状態では、電解質ハイドロゲル106a、106bの両端部に設けられた第一の電極110と第二の電極112との間に電圧を印加することで、電解質ハイドロゲル106a、106bは、負極側から水を放出して図4(D)の矢印の方向に収縮する。これにより、二つの弁体120a、120bが合わさり、流路104が閉じて水114が流れなくなる。
4C and 4D, a voltage is applied between the
そして、図示しないが、図4(C)および(D)に示す止水状態で第一の電極110と第二の電極112との間に印加していた電圧をカットすると、電解質ハイドロゲル106は再膨潤して、元の大きさまで回復する。この結果、流路104が開いて導水状態になり、図4(A)および(B)の状態になる。
And although not shown in figure, when the voltage applied between the
このように、本実施の形態に係る水供給弁によれば、実施の形態1の効果に加えて、さらに流路の幅が大きくなっても小さなゲルで流量を制御することができる。 Thus, according to the water supply valve according to the present embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, the flow rate can be controlled with a small gel even when the width of the flow path is further increased.
なお、実施の形態3では、二つの電解質ハイドロゲルを有する水供給弁の例について説明したが、電解質ハイドロゲルの数はこれに限定されない。例えば、電解質ハイドロゲルを三つにしてもほぼ同様の構成を採る水供給弁を提供することができる。 In the third embodiment, an example of a water supply valve having two electrolyte hydrogels has been described. However, the number of electrolyte hydrogels is not limited to this. For example, even if there are three electrolyte hydrogels, it is possible to provide a water supply valve that has substantially the same configuration.
(実施の形態4)
図5は、本発明の実施の形態4に係る水供給弁の構成を示す概略図であり、(A)は電解質ハイドロゲルが平衡膨潤状態のときの様子を示し(導水状態)、(B)は電解質ハイドロゲルが電気収縮状態のときの様子を示している(止水状態)。
(Embodiment 4)
FIG. 5 is a schematic view showing a configuration of a water supply valve according to Embodiment 4 of the present invention, wherein (A) shows a state when the electrolyte hydrogel is in an equilibrium swollen state (water conduction state), and (B). Shows a state when the electrolyte hydrogel is in an electrically contracted state (water-stopped state).
図5(A)に示すように、実施の形態4に係る水供給弁400は、弁箱102と、流路104と、電解質ハイドロゲル106と、第一の電極110と、第二の電極112と、弁体122と、を有する。この図において、実施の形態1の各構成要素に対応する部分には同一の符号を付ける。なお、弁箱102、電解質ハイドロゲル106、および弁体122以外の各構成要素は、実施の形態1と基本的に同じであるので、ここでは特に説明しない。
As shown in FIG. 5A, the
弁箱102は、各構成要素を格納するケースであり、流路104となる孔が開けられている。
The
電解質ハイドロゲル106は、実施の形態1と同様のものであり、弁体122の動力部として機能する。
The
弁体122は、流路104を遮るように配置されており、水114が流れることができる孔が開けられている。また、弁体122は、弁箱102内で流路104となる孔が開けられている面の上を移動することができるように形成・配置されている。弁体122の孔は、弁体122が移動することで弁箱102の孔と繋がることができる位置に開けられている。すなわち、弁体122の孔と弁箱102の孔が重なると水114が流れ、弁体122の孔と弁箱102の孔がずれると水114が流れなくなるように、弁体122の孔は開けられている。
The
また、電解質ハイドロゲル106の両端部は、一方が弁箱102に固定され、もう一方が弁体122に固定される。したがって、電解質ハイドロゲル106は、自らが膨潤収縮することで、弁体122を移動させることができる。このとき、電解質ハイドロゲル106が平衡膨潤状態の時に、弁体122の孔が弁箱102の孔と一致するように、弁箱102、電解質ハイドロゲル106および弁体122は形成される(図5(A))。また、電解質ハイドロゲル106が電気収縮状態の時は、弁体122の孔が弁箱102の孔と一致しないように、弁箱102、電解質ハイドロゲル106および弁体122は形成される(図5(B))。したがって、電解質ハイドロゲル106が平衡膨潤状態になったときのみ、弁体122の孔と弁箱102の孔とが一致するため、水114が流れることができるようになる。
Further, one end of each end of the
次いで、上記構成を有する水供給弁400の動作について説明する。
Next, the operation of the
まず、図5(A)に示す導水状態では、電解質ハイドロゲル106の両端部に設けられた第一の電極110と第二の電極112との間に電圧を印加しない。このとき、電解質ハイドロゲル106は、平衡膨潤状態であり、弁体122の孔と弁箱102の孔とが一致するため、流路104が開き、水114が流れる(図5(A)で上から下へ向かって流れる)。
First, in the water guiding state shown in FIG. 5A, no voltage is applied between the
そして、図5(B)に示す止水状態では、電解質ハイドロゲル106の両端部に設けられた第一の電極110と第二の電極112との間に電圧を印加することで、電解質ハイドロゲル106は、負極側から水を放出して同図中の矢印の方向に収縮する。これにより、弁体122の孔と弁箱102の孔とが一致しなくなるため、流路104が閉じ、水114が流れなくなる。
And in the water stop state shown to FIG. 5 (B), by applying a voltage between the
そして、図示しないが、図5(B)に示す止水状態で第一の電極110と第二の電極112との間に印加していた電圧をカットすると、電解質ハイドロゲル106は再膨潤して、元の大きさまで回復する。この結果、流路104が開いて導水状態になり、図5(A)の状態になる。
Although not shown, when the voltage applied between the
なお、本実施の形態では、電解質ハイドロゲルが電気収縮状態のときに水の流れを止める構成としたが、弁箱102の孔または弁体122の孔の位置を変えることにより、平衡膨潤状態のときに水の流れを止めるようにすることもできる。また、弁箱102の孔を複数設けることで、実施の形態2と同様に、一つの電解質ハイドロゲルを用いて複数の流路への水の流れを制御することができる。
In the present embodiment, the flow of water is stopped when the electrolyte hydrogel is in an electrically contracted state. However, by changing the position of the hole of the
(実施の形態5)
図6は、本発明の実施の形態5に係る水供給弁の構成を示す概略図であり、(A)は電解質ハイドロゲルが平衡膨潤状態のときの水供給弁500の断面図(流路104に対して垂直)を示し(導水状態)、(B)は電解質ハイドロゲルが電気収縮状態のときの水供給弁500の断面図を示している(止水状態)。
(Embodiment 5)
FIG. 6 is a schematic diagram showing the configuration of the water supply valve according to Embodiment 5 of the present invention, and FIG. 6A is a cross-sectional view of the
図6(A)で示すように、本実施の形態に係る水供給弁500は、弁箱と、流路104と、電解質ハイドロゲル106と、第一の電極110と、第二の電極112と、を有する。この図において、実施の形態1の各構成要素に対応する部分には同一の符号を付ける。便宜上、図6では弁箱を図示しない。なお、流路104および電解質ハイドロゲル106以外の各構成要素は、実施の形態1と基本的に同じであるので、ここでは特に説明しない。
As shown in FIG. 6A, the
流路104は、電解質ハイドロゲル106に直接開けられた孔であり、電解質ハイドロゲル106が平衡膨潤状態のときは、その中を水114が流れることができるように、電解質ハイドロゲル106が電気収縮状態のときは、その中を水114が流れることができなくなるように、孔の大きさを調整して形成される。
The
電解質ハイドロゲル106は、実施の形態1の電解質ハイドロゲルと同様のものであり、実施の形態1と同様に第一の電極110および第二の電極112が設けられている。なお、第一の電極110および第二の電極112の位置は、流路104を妨げない限り特に限定されない。
The
次いで、上記構成を有する水供給弁500の動作について説明する。
Next, the operation of the
まず、図6(A)に示す導水状態では、電解質ハイドロゲル106の両端部に設けられた第一の電極110と第二の電極112との間に電圧を印加しない。このとき、電解質ハイドロゲル106は、平衡膨潤状態であり、電解質ハイドロゲル106内に開けられた流路104が開き、水114が流れる。
First, in the water guiding state shown in FIG. 6A, no voltage is applied between the
そして、図6(B)に示す電気収縮状態では、電解質ハイドロゲル106の両端部に設けられた第一の電極110と第二の電極112との間に電圧を印加することで、電解質ハイドロゲル106は、負極側から水を放出して収縮する。これにより、電解質ハイドロゲル106内に開けられた流路104が細くなり、水114が流れなくなる。なお、このとき、水は表面張力が大きいため、流路104を完全に閉じなくても水の流れを止めることができる。
6B, by applying a voltage between the
そして、図示しないが、図6(B)に示す止水状態で、第一の電極110と第二の電極112との間に印加していた電圧をカットすると、電解質ハイドロゲル106は再膨潤して、元の大きさまで回復する。この結果、流路104が開いて導水状態になり、図6(A)の状態になる。
Although not shown, when the voltage applied between the
(実施の形態6)
図7は、本発明の実施の形態6に係る水供給弁の構成を示す概略図であり、(A)は電解質ハイドロゲルが平衡膨潤状態のときの様子を示し(導水状態)、(B)は電解質ハイドロゲルが電気収縮状態のときの様子を示している(止水状態)。
(Embodiment 6)
FIG. 7 is a schematic view showing a configuration of a water supply valve according to Embodiment 6 of the present invention, in which (A) shows a state when the electrolyte hydrogel is in an equilibrium swollen state (water conduction state), and (B). Shows a state when the electrolyte hydrogel is in an electrically contracted state (water-stopped state).
図7(A)に示すように、この水供給弁600は、弁箱102と、流路104と、電解質ハイドロゲル106と、弁座108と、第一の電極110と、第二の電極112と、弁体122と、弁棒124と、を有する。この図において、実施の形態1の各構成要素に対応する部分には同一の符号を付ける。また、電解質ハイドロゲル106、弁座108、弁体122および弁棒124以外の各構成要素は、実施の形態1と基本的に同じであるので、ここでは特に説明しない。
As shown in FIG. 7A, the
電解質ハイドロゲル106は、実施の形態1の電解質ハイドロゲルと同様のものであり、弁体122の動力部として配置されている。電解質ハイドロゲル106の両端部は、一方が弁箱102に固定され、もう一方が弁棒124に固定されている。
The
弁座108は、流路104の途中に配置されており、弁体122が流路104を閉じることができるように、弁体122と密着できる形に形成される。
The
弁体122は、流路104を閉じることができるように、弁座108と密着できる形に形成される。また、弁体122は、弁棒124を介して電解質ハイドロゲル106に固定されている。
The
弁棒124は、電解質ハイドロゲル106と弁体122とを繋いでいる。これにより、電解質ハイドロゲル106が膨潤収縮すると、弁体122が移動するようになる。弁棒124の長さは、電解質ハイドロゲル106が平衡膨潤状態のときは弁体122と弁座108との間に水が流れる隙間ができるように、電解質ハイドロゲル106が電気収縮状態のときは弁体122と弁座108が密着するように、調整される。
The
次いで、上記構成を有する水供給弁600の動作について説明する。
Next, the operation of the
まず、図7(A)に示す導水状態では、電解質ハイドロゲル106の両端部に設けられた第一の電極110と第二の電極112との間に電圧を印加しない。このとき、電解質ハイドロゲル106は、平衡膨潤状態であり、弁体122と弁座108が離れているため、流路104が開き、水114が流れる(図7(A)で上から下へ向かって流れる)。
First, in the water guiding state shown in FIG. 7A, no voltage is applied between the
そして、図7(B)に示す電気収縮状態では、電解質ハイドロゲル106の両端部に設けられた第一の電極110と第二の電極112との間に電圧を印加することで、電解質ハイドロゲル106は、負極側から水を放出して同図中の白抜き矢印の方向に収縮する。これにより、弁体122と弁座108が密着するため、流路104が閉じ、水114が流れなくなる。
7B, by applying a voltage between the
そして、図示しないが、図7(B)に示す止水状態で、第一の電極110と第二の電極112との間に印加していた電圧をカットすると、電解質ハイドロゲル106は再膨潤して、元の大きさまで回復する。この結果、流路104が開いて導水状態になり、図7(A)の状態になる。
Although not shown, when the voltage applied between the
なお、本実施の形態では、電解質ハイドロゲルが電気収縮状態のときに弁体を引っ張ることで水の流れを止める構成としたが、弁座の向きを変え、弁体を押し付ける構成にすることにより、平衡膨潤状態のときに水の流れを止めるようにすることもできる。 In this embodiment, the flow of water is stopped by pulling the valve body when the electrolyte hydrogel is in an electrically contracted state, but by changing the orientation of the valve seat and pressing the valve body, It is also possible to stop the flow of water during the equilibrium swelling state.
本発明に係る水供給弁は、応答性や制御精度の面で一定の性能を満たしつつ、単純なシステムでかつ大幅なダウンサイジングを実現することができるという格別の効果を有するため、例えば、小型燃料電池用の水供給弁として有用である。 The water supply valve according to the present invention has a special effect that it is possible to realize a significant downsizing with a simple system while satisfying a certain performance in terms of responsiveness and control accuracy. It is useful as a water supply valve for fuel cells.
100、200、300、400、500、600 水供給弁
102 弁箱
104 流路
106、106a、106b 電解質ハイドロゲル
108 弁座
110 第一の電極
112 第二の電極
114 水
116 第一の流路
118 第二の流路
120、120a、120b、122 弁体
124 弁棒
100, 200, 300, 400, 500, 600
Claims (7)
電場の変化に応じて膨潤収縮することで、前記弁体に前記流路を開閉させるゲルと、
電圧を印加することで前記ゲルに電場の変化をもたらす、正極と負極からなる1対の電極と、
を有する、水供給弁。 A water supply valve having a flow path for passing water, a valve body that opens and closes the flow path, and a valve box that houses the valve body,
Gel that causes the valve body to open and close the flow path by swelling and shrinking according to the change in the electric field,
A pair of electrodes consisting of a positive electrode and a negative electrode that cause a change in electric field to the gel by applying a voltage;
Having a water supply valve.
電圧が印加されていない場合は、膨潤し、
電圧が印加された場合は、収縮する、
請求項4記載の水供給弁。 The electrolyte hydrogel is:
If no voltage is applied, it swells and
Contracts when voltage is applied,
The water supply valve according to claim 4.
The water supply valve according to any one of claims 1 to 6, wherein the pair of electrodes are in contact with the gel.
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