JP5121188B2 - 圧力制御弁、圧力制御弁の製造方法、及び圧力制御弁を搭載した燃料電池システム - Google Patents
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Description
減圧弁は、アクティブ駆動のもの、パッシブ駆動のものに大きく分類される。
アクティブ駆動の減圧弁は、圧力センサとバルブ駆動手段、制御機構とを備え、2次圧力が設定圧力に減圧されるようにバルブを駆動する。
一方、パッシブ駆動の減圧弁は、設定圧力になると、圧力差を利用して、バルブが自動的に開閉するように構成されている。
さらに、パッシブ型減圧弁は、パイロット型と直動型に大別される。パイロット型はパイロット弁を有し、安定した動作を特徴としている。
一方、直動型は、高速応答に対して利点がある。
また、気体を作動流体とする場合には、圧縮流体の微小な力でも弁の開閉を確実に行なうため、差圧感知機構として、ダイヤフラムがよく用いられる。
しかし、特許文献1に示すようなリリーフ機構を備える弁においては、リリーフ動作実現のためにダイヤフラム(可動部)と伝達機構が分離した構造となっている。
これは、減圧弁の2次圧力が所定の圧力よりも高くなった場合、ダイヤフラム(可動部)が大気側に撓むことで、ピストン(伝達機構)から離れ、該ダイヤフラム(可動部)に設けられたポートから、過剰な圧力を逃がすものである。
リリーフ機構を実現するためには、弁体および伝達機構は、ダイヤフラム(可動部)とは別の部材によって支持されている必要がある。
通常、支持は弁体、あるいは、弁体周囲のガイドと、伝達機構の可動軸上で、弁体に対して伝達機構とは逆側にコイル状のバネを具備することによって実現される。
例えば、上記特許文献1では、弁を閉じるためのバネが、ピストン(伝達機構)軸延長上で、弁体を介して該ピストン(伝達機構)の反対側に位置して設けられている。
このような構造の減圧弁の製造方法には、非特許文献1に開示されているような製造方法が知られている。この製造方法は、半導体加工技術を用いて、小型の機械要素を作製している点に特徴を有している。
半導体加工技術では、材料には半導体基板が用いられ、成膜、フォトリソグラフィやエッチングといった技術を組み合わせて構造を形成する。
これにより、サブミクロンオーダーの微細加工が可能な上、バッチプロセスにより大量生産化が容易であるという特徴を有する。
特に減圧弁は、複雑な3次元構造を有するため、半導体基板を垂直にエッチングするためのICP−RIE(リアクティブイオンエッチング)や、複数の半導体基板を接合するための接合技術などが用いられている。
また、弁体と弁座の間は、シリコン酸化物などの犠牲層を介して接合され、プロセスの後半で、犠牲層をエッチングすることにより、弁座からの弁体のリリースを行なっている。
燃料電池が小型電気機器の駆動源として有用な理由に体積当たり、重量当たりの供給可能なエネルギー量が従来のリチウムイオン2次電池に比べて、数倍から十倍近くであることが挙げられる。
特に、大きな出力を得るための燃料電池には、水素を燃料に使用するのが最適である。
しかし、水素は常温で気体であり、小型の燃料タンクの中に高密度に水素を貯蔵するための技術が必要である。
第一の方法は、水素を圧縮して高圧ガスとして保存する方法である。
タンク内のガスの圧力を200気圧にすると体積水素密度は18mg/cm3程度となる。
第二の方法は、水素を低温にして、液体として貯蔵する方法である。
水素を液化するためには、大きなエネルギーが必要であること、また、液体水素が自然気化して、漏れだしてしまうことが問題であるが、高密度な保存が可能である。
第三の方法は、水素吸蔵合金を使用して水素を貯蔵する方法である。
この方法では、水素吸蔵合金の比重が大きいため、重量ベースでは、2wt%程度の水素しか吸蔵できず、燃料タンクが重たくなってしまうという問題点があるが、体積ベースでの吸蔵量は大きいので、小型化には有効である。
高分子電解質膜には、パーフルオロスルホン酸系の陽イオン交換樹脂がよく用いられる。例えば、このような膜としては、デュポン社のナフィオンなどがよく知られている。
固体高分子電解質膜を、白金などの触媒を担持した一対の多孔質電極、すなわち、燃料極と酸化剤極とで狭持した膜電極複合体が発電セルとなる。
この発電セルに対して、酸化剤極には酸化剤を、燃料極には燃料を供給することにより、高分子電解質膜中をプロトンが移動し、発電が行われる。
これらの固体高分子電解質膜の強度は3〜5kg/cm2程度である。
従って、差圧による膜の破断を防ぐためには、燃料電池の酸化剤極室と燃料極室との差圧が、平常時には0.5kg/cm2、非常時でも1kg/cm2以下になるように制御することが好ましい。
燃料タンク圧と酸化剤極室との差圧が前記圧力よりも小さい場合、燃料タンクと燃料極室とを直結し、特に減圧の必要はない。
しかしながら、酸化剤極室が大気に解放されており、また、より高密度に燃料を充填する場合においては、燃料タンクから燃料極室に燃料を供給する過程において、減圧する事が必要となる。
また、発電の起動・停止操作や、発電電力を安定させるためにも、前記機構は必要となる。
特許文献2においては、小型バルブを燃料タンクと燃料電池セルの間に設けることにより、燃料電池セルを大きな圧力差による破断から防ぎ、発電の起動、停止を制御し、発電電力を安定に保っている。
特に、燃料供給路と酸化剤供給路との境界にダイヤフラムを使用し、バルブに直結することで、電気を使用しないで、燃料供給路と酸化剤供給路との差圧により駆動し、燃料電池セルに供給する燃料圧を最適に制御する減圧弁を実現している。
例えば、上記従来例における特許文献1の減圧弁では、ダイヤフラム(可動部)とピストン(伝達機構)が分離しているが、弁を閉じるためのバネが、ピストン(伝達機構)軸延長上で、弁体を介して該ピストン(伝達機構)の反対側に位置して設けられている。
そのため、減圧弁の層構造が多くなり、構造が複雑になっていた。
また、このような構造においては、弁体の位置ずれを防ぐため、前記バネとは別に弁体、あるいは、ピストン(伝達機構)などにガイドを設ける必要がある。
しかしながら、小型の減圧弁においては、小型の軸受けを製作することが非常に困難である。そのため、ガイド部分での摩擦が大きく、弁を駆動することが難しいという問題が生じる。
そのため、減圧弁の2次圧力が過剰に上昇すると、ピストン(伝達機構)や弁体に大きな応力がかかり、破損してしまう恐れがある。
特に、強力な接合強度が要求されるため、接合が不十分なことによる不良品が多くなる恐れがある。
また、複数の半導体基板を接合し、犠牲層をリリースする工程を有する場合には、弁体、あるいは、弁座表面のシール性を高めるために、弾性材料などをコーティングすることは可能であるが、つぎのような問題を有している。
すなわち、作製プロセスが複雑な上、十分な厚さのシール層を設けることが、困難である。
また、従来の小型減圧弁を備えた小型燃料電池においては、弁部分のシールが十分でなく、リークにより、燃料電池を破損する恐れが生じる。
また、小型減圧弁が高価であるため、燃料電池のコストが高くなるという恐れがあった。
本発明の圧力制御弁は、
差圧によって動作する可動部と、
弁部と、
前記可動部の動作を前記弁部に伝える伝達機構と、
を有し、前記可動部または前記弁部のいずれか一方が、伝達機構と分離され、
前記弁部が、弁座部と、弁体部と、前記弁体部を支持する支持部を備え、
前記支持部が、前記伝達機構によって伝達される前記可動部の動作に応じて、前記弁体部と前記弁座部間を開閉可能に、前記弁体部を支持するように構成され、
前記弁体部を支持する支持部が、前記弁体部を支持する弾性を有する梁によって構成され、前記梁が前記伝達機構の動作方向に垂直で、かつ前記弁体部を含む平面上に設けられており、
前記支持部と前記弁体部とが単一の部材によって一体的に形成されていることを特徴とする。
また、本発明の圧力制御弁は、前記可動部が、ダイヤフラムであることを特徴とする。
また、本発明の圧力制御弁は、前記弁体部を支持する支持部が、一部に、閾値以上の温度により該弁部を閉じる位置に変位する温度変位部を含み構成されていることを特徴とする。
また、本発明の圧力制御弁は、前記温度変位部が、形状記憶合金で形成されていることを特徴とする。
また、本発明の圧力制御弁は、前記温度変位部が、バイメタルで形成されていることを特徴とする。
また、本発明の圧力制御弁は、前記弁体部には、前記弁座部との当接部に突起部が形成されていることを特徴とする。
また、本発明の圧力制御弁は、前記弁体部と前記弁座部との当接部において、前記弁体部または前記弁座部のいずれか一方にシール材が形成れていることを特徴とする。
また、本発明の圧力制御弁は、
圧力制御弁であって、
差圧によって動作するダイヤフラムで構成された可動部と、
弁部と、
前記可動部の動作を前記弁部に伝える伝達機構と、
を有し、前記可動部または前記弁部のいずれか一方が、伝達機構と分離され、
前記弁部が、前記伝達機構の動作方向に垂直に設けられた単一の部材によって一体的に形成されている板状の弾性体で構成され、前記板状の弾性体は通常は閉じていて前記伝達機構の先端が当接した際に該伝達機構の先端によって押し広げられる貫通孔を有し、
前記伝達機構により伝達される前記可動部の動作に応じて、前記伝達機構の先端部によって前記貫通孔が開閉されることを特徴とする。
また、本発明の圧力制御弁は、前記伝達機構が、前記可動部上に設けられた複数の突起部によって形成されていることを特徴とする。
また、本発明の圧力制御弁は、前記伝達機構が、前記可動部と前記弁部の間に設けられた表面に凹凸を有するシートによって形成されていることを特徴とする。また、本発明の圧力制御弁は、前記支持部を含む弁部、前記可動部及び前記伝達機構のそれぞれが、シート状部材または板状部材で形成され、それらを積層して構成されていることを特徴とする。
また、本発明は、前記圧力制御弁が、減圧弁であることを特徴とする。
また、本発明の圧力制御弁の製造方法は、
差圧によって動作する可動部と、弁座部と弁体部と該弁体部を支持する支持部からなる弁部と、前記可動部の動作を前記弁部に伝える伝達機構とを備え、
前記可動部または前記弁部のいずれか一方が、伝達機構と分離された構成を有する圧力制御弁の製造方法であって、
前記可動部を、シート状部材または板状部材で形成する工程と、
前記伝達機構を、シート状部材または板状部材で形成する工程と、
前記弁座部を、シート状部材または板状部材で形成する工程と、
前記弁体部及び支持部を、単一のシート状部材または板状部材で一体的に形成する工程と、
前記各工程で形成された各部を積層して圧力制御弁を組み立てる工程と、
を有することを特徴とする。
また、本発明の圧力制御弁の製造方法は、前記シート状部材または板状部材の少なくとも一部に、半導体基板を用いることを特徴とする。
また、本発明の圧力制御弁の製造方法は、前記可動部、伝達機構、弁座部、弁体部及び支持部を形成する各工程において、エッチング加工、プレス加工、あるいは、射出成形加工の少なくともいずれかを用いることを特徴とする。
また、本発明の圧力制御弁の製造方法は、
前記弁体部及び支持部を形成する工程、または弁座部を形成する工程の後に、これらの工程によって形成された前記弁体部及び支持部、または前記弁座部の少なくとも一方にシール材料をコーティングする工程と、
前記コーティングする工程の後に、前記弁体部及び支持部、または前記弁座部を組み合わせる組み立て工程を有することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、上記した圧力制御弁を搭載していることを特徴とする。
[実施例1]
実施例1においては、本発明の圧力制御弁として減圧弁を構成した第1の構成例について説明する。
図1に、本実施例の減圧弁の構成を説明するための断面図を示す。
図1において、1はダイヤフラム(可動部)、2はピストン(伝達機構)、3は弁座部、4は弁体部、5は支持部である。
支持部5は、ピストン2の動作方向に垂直で、かつ弁体部4を含む平面上に設けられている、弁体部4を支持する弾性体によって構成されている。
このような支持部は、弾性を有する梁によって形成し、例えば、図2(a)や図2(b)に示すような形状を採ることができる。
弁座部3、あるいは、弁体部4の弁座部との当接部に、図3のような突起部を設けると、バルブ(弁部)が閉じた状態で支持部のバネがたわんだ状態となり、シール性が向上する。
また、弁体部4、あるいは、弁座部3の少なくとも一方の表面に、弁のシール材6をコーティングすることにより、シール性を向上することができる。
ダイヤフラム(可動部)1上部の圧力をP0、バルブ上流の1次圧力をP1、バルブ下流の圧力をP2とし、弁体部4の面積をS1、ダイヤフラム(可動部)1の面積をS2とする。
このとき、圧力の釣り合いから、図5のようにバルブが開く条件は、
(P1− P2) S1<( P0− P2)S2となる。
P2がこの条件の圧力より高いとバルブは閉じ、低いとバルブは開く。
これによって、P2を一定に保つことができる。
特に、ダイヤフラム(可動部)1のバネ定数が支持部5のバネ定数よりも大きい場合には、弁が開く際の圧力は、ダイヤフラム(可動部)1に依存する。逆に、支持部5のバネ定数が、ダイヤフラム(可動部)1のバネ定数よりも大きい場合には、弁の挙動は、支持部5に依存する。また、図3のように突起部9を設ける場合には、突起部9の高さにより、弁のシール性や弁が動作する圧力が変化する。
この際、弁体部4とピストン(伝達機構)2が接合されていないため、弁体部4は弁座部3と接したところで停止し、ピストン(伝達機構)2のみがダイヤフラム(可動部)1とともに動く。
これにより、圧力上昇で弁が破損するのを防ぐことができる。
また、本減圧弁は、図6に示すように、伝達機構2が弁体部4と一体になり、可動部1とは、分離した形とすることもできる。この場合も動作原理は、図1に示す構造と同様である。
図7は、本減圧弁を弁体部4側から見た場合の分解斜視図である。斜視図から分かるように、シート状部材(または板状部材)を重ねあわせることで、減圧弁を作製する。
各部材のサイズは8mm×8mmである。
まず、ダイヤフラム(可動部)1には、バイトンゴムやシリコーンゴムなどの弾性材料、ステンレスやアルミニウムなどの金属材料やプラスチックなどを使用することができる。
例えば、ステンレスを材料に用いた場合には、エッチングや切削加工などによりピストンを一体型で作製することができる。
本実施例では、ダイヤフラムには、厚さ50μmのPET基材に厚さ25μmのガスシール性のある接着層を有するホットメルトシート(日東シンコー社)を使用した。
また、ピストンには、ダイヤフラム支持部10、ピストン(伝達機構)2を一体加工したものをステンレスのエッチング加工により作製した。
ダイヤフラム支持部10の厚さは50μm、ピストン2の高さは250μmである。
これらのホットメルトシートとSUS部材は、両部材を重ね合わせた状態で、140℃程度に加熱し、数秒間保持することで接着した。
ピストン(伝達機構)2が通過する流路は、ステンレスの機械加工やエッチング加工で作製できる。厚さ250μmのステンレス板をエッチングし、弁座部3の突起高さは100μmとした。
本実施例では、弁座を有する部材にシリコーンゴムをスピンコート(3000RPM×30秒)により塗布することで、厚さ40μm程度の均一なシール層を得ることができた。
ダイヤフラム(可動部)1の下部空間となるホットメルトシート部材とピストン(伝達機構)2が通過する流路を有するSUS部材とは、両部材を重ね合わせた状態で、140℃程度に加熱し、数秒間保持することで接着した。
支持部5および弁体部4を有する部材は、ステンレスの機械加工やエッチング加工で作製できる。
厚さ200μmのSUS部材をエッチングすることにより、本部材を作製した。支持部5の厚さは50μmとした。
これらの部材を積層することで、本実施例の減圧弁を機械加工により実現することができる。
本減圧弁の作製工程では、ステンスの2段階エッチングを多用しているが、表面と裏面で、異なるマスクを作製し、両面からエッチングを行なうことで、精度よく簡便に2段階エッチングを行なうことができる。
さらに、リーク特性は0.1sccm以下、2次圧力が5気圧(絶対圧)でも破損しないものが得られる。
本実施例では、接着にホットメルトシートを使用している。この方法は、厚さや位置決めの制御に優れているが、その他の接着剤を塗布したり、金属同士の拡散接合を用いる方法も有効である。
また、各部材はシート状なので、金属部材の加工は、エッチングやプレス加工が適しており、樹脂部材の加工は、型ヌキ、射出成形加工が適している。
また、本実施例で述べた各部材のうち、一部、あるいは、全部に以下の実施例で述べる半導体基板の加工技術を利用して作製された部材を用いることも可能である。
実施例2においては、上記実施例1の構造を備えた小型減圧弁を、半導体加工技術を用いて作製する第1の製造方法について説明する。
本実施例によって作製される小型減圧弁は、図6に示すようなピストン(伝達機構)が弁体部と一体となっており、可動部(ダイヤフラム)とは、分離しているタイプのものである。
本実施例で作製される小型減圧弁の各部の寸法は、例えば、以下のようにすることができるが、これらの寸法は設計に応じて変更可能である。
ダイヤフラム(可動部)は、直径3.6mm、厚さ40μmとすることができる。
ピストン(伝達機構)は、直径260μm、長さ200〜400μmとすることができる。
ピストン通過部流路は、直径400μmとすることができる。
突起部は、幅20μm、高さ10μm、シーリング層厚さ5μm、弁体部は、直径1000μm厚さ200μmとすることができる。
支持部は、長さ1000μm、幅200μm、厚さ10μmとすることができる。
図8から図10に、上記製造方法における小型減圧弁の第1の製法の作製手順を説明するための各工程を示す。
まず、図8(a)に示す第1のステップは、第1のシリコンウェハ101にダイヤフラム(可動部)を作製する工程である。
ウェハには、片面研磨のシリコンウェハも使用可能であるが、両面研磨されたものを用いるのが好ましい。
さらに、後のエッチング工程において、エッチングの深さを制御するため、SOI(シリコン オン インシュレータ)ウェハを使用するのが好ましい。
シリコンウェハには、例えば、ハンドル層厚さ200μm、酸化物層(BOX層)厚さ1μm、のデバイス層厚さ40μmのものが使用できる。
第1のウェハ101にエッチングのためのマスクを作製する。
エッチングは、ICP−RIE(リアクティブイオンエッチング)を用いて、深さ200μm程度行なう。
その際、マスクには、厚さ1μm以上の厚膜フォトレジスト、あるいは、アルミニウムなどの金属膜、あるいは、ウェハ表面を熱酸化するシリコン酸化物層を使用することができる。
例えば、シリコン酸化物層をマスクに使用する場合には、まず、1000℃程度に熱した炉の中に、所定量の水素および酸素を流すことによって、ウェハ表面に酸化物層を形成する。
次に、ウェハ表面に、フォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行う。
さらに、現像、ポストベイクを行う。フォトレジストをマスクとして、フッ酸により、酸化物層をエッチングする。
このようにして得られたマスクを使用して、ダイヤフラム(可動部)111をICP−RIE(リアクティブイオンエッチング)によって形成する。
エッチングの深さは時間によって制御しても良いし、SOIウェハの酸化物層(BOX層)をエッチストップ層として使用してもよい。
エッチング後、マスクに使用したシリコン酸化物層をフッ酸により取り除く。
ここでは、まず新しい第2のシリコンウェハ102の表面を熱酸化する。
第2のシリコンウェハには、両面研磨したものを使用するのが好ましい。
さらに、後のエッチング工程において、弁座部112の突起の深さを制御するため、SOI(シリコン オン インシュレータ)ウェハを使用するのが好ましい。
シリコンウェハには、例えば、ハンドル層厚さ200μm、酸化物層(BOX層)厚さ1μm、デバイス層厚さ5μmのものが使用できる。
熱酸化工程は、第1の工程と同様である。
次に、第1のウェハ101、および、第2のウェハ102をSPM洗浄(80℃に熱した過酸化水素水と硫酸の混合液中で洗浄)後、薄いフッ酸で洗浄する。
第1のウェハ101と第2のウェハ102を重ね、1500N程度で加圧しながら、試料を3時間で1100℃に加熱し、4時間保持後、自然冷却によりアニールを行う。
本工程および次工程で2段階のエッチングを行うため、シリコン酸化物層、および、フォトレジストによる2層構造を有するマスクを作製する。
まず、背面にフォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行い、弁座部112作製のためのパターニングを行う。
さらに、現像、ポストベイクを行う。
フォトレジストをマスクとして、フッ酸により、酸化物層をエッチングする。
さらに、流路形成のためのマスクをパターニングする。すなわち、背面にフォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行い、現像、ポストベイクを行う。
その後、ICP−RIE(リアクティブイオンエッチング)によって流路を形成する。
SOIウェハを使用した場合には、中間の酸化物層までエッチングを行なった後、フッ酸によって、酸化物層を取り除く。マスクに用いたフォトレジストは、アセトンによって取り除く。
本工程において、SOIウェハを使用した場合には、中間の酸化物層をエッチストップレイヤーとして使用することができ、弁座部の突起高さを精度よく制御できるとともに、エッチング後の表面を平坦に保つことができる。
エッチング後、マスクに使用したシリコン酸化物層をフッ酸によって取り除く。本実施例では、2段階のマスクとして、フォトレジストとシリコン酸化物層を使用したが、その他にも、厚さの異なるシリコン酸化物層を用いたり、アルミニウム層を用いたりすることによっても実現可能である。
ウェハには、片面研磨のシリコンウェハも使用可能であるが、両面研磨されたものを用いるのが好ましい。
さらに、後のエッチング工程において、エッチングの深さを制御するため、SOI(シリコン オン インシュレータ)ウェハを使用するのが好ましい。
シリコンウェハには例えば、ハンドル層厚さ200μm、酸化物層(BOX層)厚さ1μm、デバイス層厚さ10μmのものが使用できる。
まず、第3のシリコンウェハ103の熱酸化を行なう。熱酸化は、1000℃程度に熱した炉の中に、所定量の水素および酸素を流すことによって行われる。
次に、表面の酸化物層をフォトレジストで保護した後、裏面の酸化物層のパターニングを行なう。
ウェハ裏面に、フォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行う。さらに、現像、ポストベイクを行う。フォトレジストをマスクとして、フッ酸により、酸化物層をエッチングすることにより弁座部形成のためのパターニングを行なう。
パターニング後はアセトンにより、表面および裏面のフォトレジストを除去する。
図9(f)に示す第6のステップは、支持部114を形成するためのマスクを作製する工程である。
まず、裏面の酸化物層をフォトレジストで保護した後、表面の酸化物層のパターニングを行なう。
ウェハ表面に、フォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行う。さらに、現像、ポストベイクを行う。フォトレジストをマスクとして、フッ酸により、酸化物層をエッチングすることにより支持部形成のためのパターニングを行なう。
パターニング後はアセトンにより、表面および裏面のフォトレジストを除去する。
図9(g)に示す第7のステップは、弁体を形成する工程である。
ICP−RIE(リアクティブイオンエッチング)によって、ウェハ背面のエッチングを行なう。
エッチングの深さは時間によって制御しても良いし、SOIウェハの酸化物層(BOX層)をエッチストップ層として使用してもよい。
図9(h)に示す第8のステップは、支持部を形成する工程である。
ICP−RIE(リアクティブイオンエッチング)によって、ウェハ表面のエッチングを行なう。
SOIウェハを使用している場合には、この際に支持部の厚さを精度よく制御できるため、バネ定数の誤差が少ない支持部が得られる。
エッチング後、マスクに使用した酸化物層はフッ酸によって取り除く。
図10(i)に示す第9のステップは、第3のウェハ103に第4のウェハ104を接合する工程である。
ウェハには、両面研磨のものを使用するのが好ましい。ウェハの厚さはピストン(伝達機構)の高さにあわせて選択するが、例えば、厚さ400μmのものを使用することができる。
第4のウェハ104は、表面を熱酸化によって酸化しておく。
次に、第3のウェハ103、および、第4のウェハ104をSPM洗浄(80℃に熱した過酸化水素水と硫酸の混合液中で洗浄)後、薄いフッ酸で洗浄する。
第3のウェハ103と第4のウェハ104を重ね、1500N程度で加圧しながら、試料を3時間で1100℃に加熱し、4時間保持後、自然冷却によりアニールを行う。
図10(j)に示す第10のステップは、伝達機構115を形成する工程である。
まず、エッチングのためのマスクのパターニングを行なう。マスクには、ウェハ表面のシリコン酸化物層を使用する。
次に、ICP−RIE(リアクティブイオンエッチング)によってエッチングを行ない、伝達機構を形成する。エッチングは、ボンディング面のシリコン酸化物層で停止する。
図10(k)に示す第11のステップは、シール面のコーティングを行なう工程である。
コーティングは図のように弁体側に行なっても良いし、弁座側に行なっても良い。
コーティング材料としては、パリレン、サイトップ、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、ポリイミドなどがある。
パリレン、PTFEは、蒸着によって、サイトップ、ポリイミドはスピンコーティングによってコーティング可能である。その他、スプレーによるコーティングも可能である。
図10(l)に示す第12のステップは、組み立て工程である。
第4のステップまでで作製したダイヤフラム(可動部)111および弁座部112を有する部材と、第11の工程までで作製した伝達機構115および弁体部113を有する部材を重ね合わせることにより、小型減圧弁が完成する。
そのため、接合面に金属膜を予め成膜しておき、金属同士で接合を行なう方法や、接着剤などを使用することも可能である。
実施例3においては、上記実施例1の構造を備えた小型減圧弁を、半導体加工技術を用いて作製する第2の製造方法について説明する。
本実施例によって作製される小型減圧弁は図1に示すような伝達機構(ピストン(伝達機構))がダイヤフラム(可動部)と一体となっており、弁体部とは、分離しているタイプのものである。
実施例2に比べ、接合工程が2回から1回になるため、歩留まり、および、スループットを向上できる。
さらに、ウェハを4枚から3枚に減らすことができるので、コストも低減できる。
また、後に述べるように、ダイヤフラム(可動部)部の形状を中央部に支持部を有するドーナツ形状にすることにより、ダイヤフラム(可動部)の剛性を最適化できる点でも有利である。
ダイヤフラム(可動部)は、直径3.6mm、厚さ40μmとすることができる。
ピストン(伝達機構)は、直径260μm、長さ200〜400μmとすることができる。ピストン通過部流路は、直径400μmとすることができる。
突起部は、幅20μm、高さ10μm、シーリング層厚さ5μm、弁体部は、直径1000μm厚さ200μmとすることができる。
支持部は、長さ1000μm、幅200μm、厚さ10μmとすることができる。
図11及び図12に、本実施例における小型減圧弁の第2の製法の作製手順を説明するための各工程図を示す。
まず、図11(a)に示す第1のステップは、エッチングのためのマスクパターニング工程である。
第1のシリコンウェハ101には、片面研磨のシリコンウェハも使用可能であるが、両面研磨されたものを用いるのが好ましい。
さらに、後のエッチング工程において、エッチングの深さを制御するため、SOI(シリコン オン インシュレータ)ウェハを使用するのが好ましい。
シリコンウェハには例えば、ハンドル層厚さ300μm、酸化物層(BOX層)厚さ1μm、デバイス層厚さ5μmのものを裏返して、図では、ハンドル層が上になるようにして使用する。
エッチングのマスクに使用するため、第1のウェハ101の表面の熱酸化を行なう。
1000℃程度に熱した炉の中に、所定量の水素および酸素を流すことによってウェハ表面に酸化物層を形成する。
次に、本工程および次工程で2段階のエッチングを行うため、シリコン酸化物層、およびフォトレジストによる2層構造を有するマスクを作製する。
フォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行い、ダイヤフラム(可動部)下面流路作製のためのパターニングを行う。
さらに、現像、ポストベイクを行う。フォトレジストをマスクとして、フッ酸により、酸化物層をエッチングする。さらに、伝達機構115形成のためのマスクをパターニングする。
すなわち、フォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行い、現像、ポストベイクを行う。
本実施例では、2段階のマスクとして、フォトレジストとシリコン酸化物層を使用したが、その他にも、厚さの異なるシリコン酸化物層を用いたり、アルミニウム層を用いたりすることによっても実現可能である。
エッチングの深さは、エッチング時間によって制御するが、150μm程度のエッチングを行なう。最後にフォトレジストマスクをアセトンによって取り除く。
CP−RIE(リアクティブイオンエッチング)により、ウェハをエッチングする。
エッチングの深さは時間によって制御しても良いし、図のようにSOIウェハの酸化物層(BOX層)をエッチストップ層として使用してもよい。さらにマスクとして使用したシリコン酸化物層をフッ酸によって取り除く。
第2のシリコンウェハには、両面研磨したものを使用するのが好ましい。
さらに、後のエッチング工程において、弁座部112の高さを制御するため、SOI(シリコン オン インシュレータ)ウェハを使用するのが好ましい。
シリコンウェハには例えば、ハンドル層厚さ200μm、酸化物層(BOX層)厚さ1μm、デバイス層厚さ40μmのものがあり、デバイス層をダイヤフラム(可動部)として使用する。
後のエッチングでシリコン酸化物をエッチングの際のマスクとして使用する場合には、第1の工程と同様に熱酸化を行なう。
次に、第1のウェハ101、および、第2のウェハ102をSPM洗浄(80℃に熱した過酸化水素水と硫酸の混合液中で洗浄)後、薄いフッ酸で洗浄する。
第1のウェハ101と第2のウェハ102を重ね、1500N程度で加圧しながら、試料を3時間で1100℃に加熱し、4時間保持後、自然冷却によりアニールを行う。
ICP−RIE(リアクティブイオンエッチング)により、ウェハをエッチングする。
エッチングの深さは時間によって制御しても良いし、図のようにSOIウェハの酸化物層(BOX層)をエッチストップ層として使用してもよい。
ダイヤフラム(可動部)の形状は、円形でも良いし、図のようにドーナツ状のものや、梁を有するものであっても良い。
図11(f)に示す第6のステップは、弁座部112を形成する工程である。
マスクには、厚膜フォトレジストの他、シリコン酸化物層、アルミニウムなどが使用できる。
ウェハ表面に、フォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行う。マスクをフォトレジスト以外のものを使用する場合には、エッチャントでマスク層をパターニングする。
ICP−RIE(リアクティブイオンエッチング)によってエッチングして弁座部112を形成する。
第1のウェハ101にSOIウェハを使用した場合には、中間の酸化物層をエッチストップレイヤーとして使用することができ、弁座部の突起高さを精度よく制御できるとともに、エッチング後の表面を平坦に保つことができる。
エッチング後、マスクを取り除く。
第3のシリコンウェハ103には、片面研磨のシリコンウェハも使用可能であるが、両面研磨されたものを用いるのが好ましい。
さらに、後のエッチング工程において、エッチングの深さを制御するため、SOI(シリコン オン インシュレータ)ウェハを使用するのが好ましい。
シリコンウェハには例えば、ハンドル層厚さ200μm、酸化物層(BOX層)厚さ1μm、デバイス層厚さ10μmのものを使用することができる。
エッチングのマスクに使用するため、第3のウェハ103の表面の熱酸化を行なう。
1000℃程度に熱した炉の中に、所定量の水素および酸素を流すことによってウェハ表面に酸化物層を形成する。
次に、ウェハ表面をフォトレジストによって保護し、裏面に弁体形成のためのパターニングを行なう。フォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行う。
さらに、現像、ポストベイクを行う。フォトレジストをマスクとして、フッ酸により、酸化物層をエッチングする。
表面、および、裏面のフォトレジストをアセトンにより除去する。本工程において、マスクにはシリコン酸化物の他に、フォトレジストやアルミニウムを使用することが可能である。
ウェハ裏面をフォトレジストによって保護し、表面に支持部形成のためのパターニングを行なう。フォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行う。
さらに、現像、ポストベイクを行う。フォトレジストをマスクとして、フッ酸により、酸化物層をエッチングする。表面、および、裏面のフォトレジストをアセトンにより除去する。
ICP−RIE(リアクティブイオンエッチング)によって、ウェハ背面のエッチングを行なう。エッチングの深さは時間によって制御しても良いし、SOIウェハの酸化物層(BOX層)をエッチストップ層として使用してもよい。
ICP−RIE(リアクティブイオンエッチング)によって、ウェハ表面のエッチングを行なう。
SOIウェハを使用している場合には、この際に支持部の厚さを精度よく制御できるため、バネ定数の誤差が少ない支持部が得られる。
エッチング後、マスクに使用した酸化物層はフッ酸によって取り除く。
コーティングは図のように弁体側に行なっても良いし、弁座側に行なっても良い。
コーティング材料としては、パリレン、サイトップ、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、ポリイミドなどがある。
パリレン、PTFEは、蒸着によって、サイトップ、ポリイミドはスピンコーティングによってコーティング可能である。その他、スプレーによるコーティングも可能である。
第6のステップまでで作製したダイヤフラム(可動部)111および弁座部112を有する部材と、第11の工程までで作製した弁体部113を有する部材を重ね合わせることにより、小型減圧弁が完成する。
そのため、接合面に金属膜を予め成膜しておき、金属同士で接合を行なう方法や、接着剤などを使用することも可能である。
実施例4においては、上記実施例1の構造を備えた小型減圧弁を、半導体加工技術を用いて作製する第3の製造方法について説明する。
本実施例によって作製される小型減圧弁は図1に示すような伝達機構(ピストン)がダイヤフラム(可動部)と一体となっており、弁体部とは分離しているタイプのものである。
実施例2、実施例3と比較した場合、接合工程を必要とせず、3つのパーツを別々に作製しておき、最後に組み合わせる方式である。
このため、作製プロセスを並行に進めることができると共に、不良品が発生した際に不良パーツのみの交換が可能であるため、歩留まりが向上できるという利点がある。
ダイヤフラム(可動部)は、直径3.6mm、厚さ40μmとすることができる。
ピストン(伝達機構)は、直径260μm、長さ200〜400μmとすることができる。
ピストン通過部流路は、直径400μmとすることができる。
突起部は、幅20μm、高さ10μm、シーリング層厚さ5μm、弁体部は、直径1000μm厚さ200μmとすることができる。
支持部は、長さ1000μm、幅200μm、厚さ10μmとすることができる。
図13から図15に本実施例における小型減圧弁の第3の製法の作製手順を説明するための各工程図を示す。
まず、図13(a)に示す第1のステップは、エッチングのためのマスクパターニング工程である。第1のシリコンウェハ101には、片面研磨のシリコンウェハも使用可能であるが、両面研磨されたものを用いるのが好ましい。
さらに、後のエッチング工程において、エッチングの深さを制御するため、SOI(シリコン オン インシュレータ)ウェハを使用するのが好ましい。
シリコンウェハには例えば、ハンドル層厚さ500μm、酸化物層(BOX層)厚さ1μm、デバイス層厚さ40μmのものを使用することができる。
エッチングのマスクに使用するため、第1のウェハ101の表面の熱酸化を行なう。1000℃程度に熱した炉の中に、所定量の水素および酸素を流すことによってウェハ表面に酸化物層を形成する。
次に、本工程および次工程で2段階のエッチングを行うため、シリコン酸化物層、およびフォトレジストによる2層構造を有するマスクを作製する。
まず、フォトレジストによりウェハ表面を保護する。次に、ウェハ裏面にフォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行い、ダイヤフラム(可動部)下面流路作製のためのパターニングを行う。
さらに、現像、ポストベイクを行う。フォトレジストをマスクとして、フッ酸により、酸化物層をエッチングする。
さらに、伝達機構115と可動部111の間の支持部形成のためのマスクをパターニングする。
すなわち、フォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行い、現像、ポストベイクを行う。本実施例では、2段階のマスクとして、フォトレジストとシリコン酸化物層を使用したが、その他にも、厚さの異なるシリコン酸化物層を用いたり、アルミニウム層を用いたりすることによっても実現可能である。
エッチングの深さは、エッチング時間によって制御するが、150μm程度のエッチングを行なう。最後にフォトレジストマスクをアセトンによって取り除く。
CP−RIE(リアクティブイオンエッチング)により、ウェハをエッチングする。
エッチングの深さは時間によって制御しても良いし、図のようにSOIウェハの酸化物層(BOX層)をエッチストップ層として使用してもよい。さらにマスクとして使用したシリコン酸化物層をフッ酸によって取り除く。
以上のように、本実施例では伝達機構とダイヤフラム(可動部)の間に支持部を形成するために、2段マスクを使用した2段階エッチングを行なった。
しかしながら、必要なバネ定数によっては、前記支持部は必要なく、その場合、マスクは1枚マスクで十分であり、第2の工程も不要となる。
第2のシリコンウェハ102には、両面研磨されたものを用いるのが好ましい。さらに、後のエッチング工程において、エッチングの深さを制御するため、SOI(シリコン オン インシュレータ)ウェハを使用するのが好ましい。
シリコンウェハには例えば、ハンドル層厚さ500μm、酸化物層(BOX層)厚さ1μm、のデバイス層厚さ5μmのものを裏返して、図では、ハンドル層が上になるようにして使用する。
エッチングのマスクに使用するため、第2のウェハ102の表面の熱酸化を行なう。1000℃程度に熱した炉の中に、所定量の水素および酸素を流すことによってウェハ表面に酸化物層を形成する。
次に、本工程および次工程で2段階のエッチングを行うため、シリコン酸化物層、およびフォトレジストによる2層構造を有するマスクを作製する。
まず、フォトレジストによって、ウェハ裏面を保護する。
次に、フォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行い、ダイヤフラム(可動部)下面流路作製のためのパターニングを行う。
さらに、現像、ポストベイクを行う。フォトレジストをマスクとして、フッ酸により、酸化物層をエッチングする。
さらに、伝達機構115周囲の流路のためのマスクをパターニングする。すなわち、フォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行い、現像、ポストベイクを行う。
本実施例では、2段階のマスクとして、フォトレジストとシリコン酸化物層を使用したが、その他にも、厚さの異なるシリコン酸化物層を用いたり、アルミニウム層を用いたりすることによっても実現可能である。
エッチングの深さは、エッチング時間によって制御するが、200μm程度のエッチングを行なう。最後にフォトレジストマスクをアセトンによって取り除く。
CP−RIE(リアクティブイオンエッチング)により、ウェハをエッチングする。エッチングの深さは時間によって制御しても良いし、図のようにSOIウェハの酸化物層(BOX層)をエッチストップ層として使用してもよい。
ウェハ裏面に、フォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行う。フッ酸により、シリコン酸化物層をエッチングしパターニングする。
ICP−RIE(リアクティブイオンエッチング)によってエッチングして弁座部112を形成する。
第1のウェハ101にSOIウェハを使用した場合には、中間の酸化物層をエッチストップレイヤーとして使用することができ、弁座部の突起高さを精度よく制御できるとともに、エッチング後の表面を平坦に保つことができる。エッチング後、フッ酸により、マスクを取り除く。
また、図15(h)に示す第8のステップから図15(m)に示す第13のステップまでの工程は、実施例3における第7のステップから、第12のステップと同様である。
実施例5においては、本発明の圧力制御弁として減圧弁を構成した第2の構成例について説明する。
図16に本実施例における小型減圧弁の第2の構成例を説明するための断面図を示す。
本実施例の圧力機構は、可動部となるダイヤフラム201、伝達機構であるピストン202、および、弁部200からなる。弁部200は弾性体からなり、貫通孔204が設けられている。
貫通孔204は通常は閉じており、伝達機構202の先端部が貫通孔を押し広げることにより、弁が開く。
この伝達機構の先端部の形状は、図16のような円錐形でも構わないが、図18のように、さらに、溝部を側面に有するものでも良い。
ダイヤフラム(可動部)201の上部の圧力をP0、バルブ上流の1次圧力をP1、バルブ下流の圧力をP2とする。
P2がP0より高いとダイヤフラム(可動部)201が上方にたわみ、貫通孔204は弁部200の弾性により閉じるので、バルブは閉じている。
一方、P2がP0より低いとダイヤフラム(可動部)201が下方にたわみ、伝達機構202が弁部200の貫通孔204を押し広げるので、図17に示すように、バルブは開く。
これによって、P2を一定に保つことができる。ダイヤフラム(可動部)201の面積、厚さ、伝達機構202の長さ、弁部200の厚さや弾性を調整することで、バルブが開閉する圧力や流量を最適に設計することができる。
図19は本減圧弁を貫通孔側から見た場合の分解斜視図である。
まず、ダイヤフラム(可動部)201には、バイトンゴムやシリコーンゴムなどの弾性材料の他に、ステンレスやアルミニウムなどの金属材料を使用することができる。
例えば、ステンレスを材料に用いた場合には、エッチングや切削加工などにより伝達機構を一体型で作製することができる。
弁部200の材料には、バイトンゴムやシリコーンゴムなどの弾性材料を使用することができる。
実施例6においては、本発明の圧力制御弁として減圧弁を構成した第3の構成例について説明する。
図20に本実施例における小型減圧弁の第3の構成例を説明するための断面図を示す
本実施例の圧力機構は可動部となるダイヤフラム301、伝達機構であるピストン302、および、弁部300からなる。弁部300は弾性体からなり、貫通孔304が設けられている。
貫通孔304は通常は閉じており、伝達機構302の先端が貫通孔を押し広げることにより、弁が開く。
伝達機構302は可動部上に設けられた複数の突起部からなる。伝達機構は、ダイヤフラム(可動部)表面を粗く加工することによって作製してもよい。
また、本実施例における別の形態を、図21に示す。
この構成例においては、伝達機構402は、表面に凹凸形状を有するシートからなる。
また、伝達機構は可動部401と分離していても良い。
ダイヤフラム(可動部)301、401の上部の圧力をP0、バルブ上流の1次圧力P1を、バルブ下流の圧力をP2とする。P2がP0より高いとダイヤフラム(可動部)301、401が上方にたわみ、貫通孔304、404は弁部300、400の弾性により閉じるので、バルブは閉じている。
一方、P2がP0より低いとダイヤフラム(可動部)301、401が下方にたわみ、伝達機構302、402が弁部300、400の弾性体部材303、403、あるいは、貫通孔304、404を押す。
これによりひずみが生じ、貫通孔304、404を押し広げるので、バルブは開く。これによって、P2を一定に保つことができる。
ダイヤフラム(可動部)301、401の面積、厚さ、伝達機構302、402の長さ、弁部300、400の厚さや弾性を調整することで、バルブが開閉する圧力や流量を最適に設計することができる。
実施例7においては、本発明の圧力制御弁として減圧弁を構成した第5の構成例について説明する。
本実施例に用いる減圧弁は、実施例1と同様に作製することができる。
本実施例の減圧弁の第5の構成について説明する。
図22に、本実施例の減圧弁の第5の構成例について説明する断面図を示す。
本実施例の減圧弁は、可動部となるダイヤフラム501、伝達機構であるピストン502、および、弁部を形成する弁座部503、弁体部504、および、支持部505、温度変位部510からなる。
特に、弁体部504は支持部505および温度変位部510によって周囲に支持されている。
図23に示すように、支持部505は、弾性を有する梁によって形成されている。
温度変位部510はチタン−ニッケル合金などの形状記憶合金により形成されている。
チタン−ニッケル合金の形状記憶合金はスパッタリングを用いて形成させることも可能であり、実施例1の半導体加工プロセスに組み込むことができる。
温度変位部510は通常温度では塑性変形を行い前述の支持部505のバネ性には影響しないため通常の減圧弁として機能する(図24(a))。
減圧弁の周りの温度が異常上昇して予め設定した温度以上になると、図24(b)に示すように、温度変位部510の形状記憶合金が弁座部503方向(図24(b)では上側)に反り返るように変位して弁体部504が弁座部503に押し付けられて弁が閉じた状態になる。
温度が閾値(点線)より小さい領域では温度変位部510は機能しないので通常の減圧弁のように二次圧を保ちながら流量が発生する。
さらに、温度が上昇して閾値を超えると(閾値以上になると)、温度変位部510の形状記憶合金が機能して弁体部504が持ち上げられるため弁が閉じる。また、温度が閾値を下回ると通常の減圧弁として機能するため可逆的に利用可能である。
本実施例では温度変位部510として形状記憶合金を利用した例を示したが温度により変位する材料(例えばバイメタル等)を使用すれば同様な効果が得られる。
本実施例では支持部505と温度変位部510が別に配置した例を示したが、支持部505にバネ性を有する金属材料等を利用した温度変位材料を利用してもよい。
実施例8においては、本発明の圧力制御弁として小型減圧弁を構成して搭載した発電量が数ミリワットから数百ワットまでの小型固体高分子型燃料電池について説明する。
図26に、本実施例の燃料電池の概観を説明するための斜視図を示す。
また図27に、本実施例のの燃料電池のシステムの概要図を示す。
燃料電池の外寸法は50mm×30mm×10mmであり、通常コンパクトデジタルカメラで使用されているリチウムイオン電池の大きさとほぼ同じである。
このように本実施例の燃料電池は小型で一体化されているため、携帯機器に組み込みやすい形状となっている。
本実施例の燃料電池は、酸化剤として反応に用いる酸素を外気から取り入れるため、上下面、及び側面に外気を取り入れるための通気孔1013を有する。
また、この孔は生成した水を水蒸気として逃がしたり、反応により発生した熱を外に逃がす働きもしている。
また、燃料電池内部は、酸化剤極1016、高分子電解質膜1017、燃料極1018からなる燃料電池セル1011と、燃料を貯蔵する燃料タンク1014、燃料タンクと各セルの燃料極とをつなぎ、燃料の流量を制御する小型減圧弁1015によって構成されている。
タンクの内部には水素を吸蔵することが可能な水素吸蔵合金が充填されている。燃料電池に用いる高分子電解質膜の耐圧が0.3〜0.5MPaであることから、外気との差圧が0.1MPa以内の範囲で用いる必要がある。
水素の解放圧が常温で0.2MPaの特性を持つ水素吸蔵合金として、例えばLaNi5などを用いる。
燃料タンクの容積を燃料電池全体の半分とし、タンク肉厚を1mm、タンク材質をチタンとすると、この時、燃料タンクの重量は50g程度となり、また、燃料タンク体積は5.2cm3になる。
例えば、LaNi5は、重量当たり1.1wt%の水素を吸脱着可能である。LaNi5の各温度における解離圧は図28に示すようになっている。
タンクに蓄えられた水素は小型減圧弁1015で減圧され、燃料極1018に供給される。
また、酸化剤極1016には通気孔1013から外気が供給される。燃料電池セルで発電された電気は電極1012から小型電気機器に供給される。
小型減圧弁の1次側は、燃料タンク1014とつながっている。
出口流路は、燃料極へとつながり、ダイヤフラム(可動部)の出口流路と反対面は酸化剤極(外気)と接している。
バルブ全体のサイズは10mm×10mm×1mm程度となっている。このように小さなバルブ機構を実現することにより、小型燃料電池に燃料流量の制御機構を組み込むことが可能になっている。
発電停止中は小型減圧弁1015は閉じている。発電が始まると燃料極室の燃料は消費され、燃料極室の燃料の圧力は下がって行く。
ダイヤフラム(可動部)は、外気圧と燃料極室の圧力との差圧から、燃料極室側にたわみ、ダイヤフラム(可動部)にバルブ軸で直結されたバルブシートは押し下げられ、バルブは開く。
これにより、燃料タンク1014から、燃料極室に燃料が供給される。燃料極室の圧力が回復すると、ダイヤフラム(可動部)は上に押し上げられ、小型減圧弁1015は閉じる。
また、このような小型減圧弁を小型燃料電池の制御に用いることにより、燃料電池システムを小型化することができる。
また、上記実施例7によれば、通常の減圧弁の機能に加えて、温度状態によって変位する部材の併用により、温度遮断弁としての機能ももたせることができる。
2:ピストン(伝達機構)
3:弁座部
4:弁体部
5:支持部
6:シール材
7:押さえ板
8:出口流路
9:突起部
10:ダイヤフラム支持部
101:第1のウェハ
102:第2のウェハ
103:第3のウェハ
104:第4のウェハ
111:ダイヤフラム(可動部)
112:弁座部
113:弁体部
114:支持部
115:ピストン(伝達機構)
116:シール材
117:入口流路
118:出口流路
200、300、400:弁部
201、301、401:ダイヤフラム(可動部)
202、302、402:伝達機構
203、303、403:弾性部材
204、304、404:貫通孔
205、305、405:切り込み
207:押さえ板
208:出口流路
501:ダイヤフラム(可動部)
502:ピストン(伝達機構)
503:弁座部
504:弁体部
505:支持部
506:シール材
507:押さえ板
508:出口流路
510:温度変位部
1011:燃料電池セル
1012:電極
1013:通気孔
1014:燃料タンク
1015:小型減圧弁
1016:酸化剤極
1017:高分子電解質膜
1018:燃料極
Claims (17)
- 圧力制御弁であって、
差圧によって動作する可動部と、
弁部と、
前記可動部の動作を前記弁部に伝える伝達機構と、
を有し、前記可動部または前記弁部のいずれか一方が、伝達機構と分離され、
前記弁部が、弁座部と、弁体部と、前記弁体部を支持する支持部を備え、
前記支持部が、前記伝達機構によって伝達される前記可動部の動作に応じて、前記弁体部と前記弁座部間を開閉可能に、前記弁体部を支持するように構成され、
前記弁体部を支持する支持部が、前記弁体部を支持する弾性を有する梁によって構成され、前記梁が前記伝達機構の動作方向に垂直で、かつ前記弁体部を含む平面上に設けられており、
前記支持部と前記弁体部とが単一の部材によって一体的に形成されていることを特徴とする圧力制御弁。 - 前記可動部が、ダイヤフラムであることを特徴とする請求項1に記載の圧力制御弁。
- 前記弁体部を支持する支持部が、一部に、閾値以上の温度により該弁部を閉じる位置に変位する温度変位部を含み構成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の圧力制御弁。
- 前記温度変位部が、形状記憶合金で形成されていることを特徴とする請求項3に記載の圧力制御弁。
- 前記温度変位部が、バイメタルで形成されていることを特徴とする請求項3に記載の圧力制御弁。
- 前記弁体部は、前記弁座部との当接部に突起部が形成されていることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の圧力制御弁。
- 前記弁体部と前記弁座部との当接部において、前記弁体部または前記弁座部のいずれか一方にシール材が形成れていることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の圧力制御弁。
- 圧力制御弁であって、
差圧によって動作するダイヤフラムで構成された可動部と、
弁部と、
前記可動部の動作を前記弁部に伝える伝達機構と、
を有し、前記可動部または前記弁部のいずれか一方が、伝達機構と分離され、
前記弁部が、前記伝達機構の動作方向に垂直に設けられた単一の部材によって一体的に形成されている板状の弾性体で構成され、前記板状の弾性体は通常は閉じていて前記伝達機構の先端が当接した際に該伝達機構の先端によって押し広げられる貫通孔を有し、
前記伝達機構により伝達される前記可動部の動作に応じて、前記伝達機構の先端部によって前記貫通孔が開閉されることを特徴とする圧力制御弁。 - 前記伝達機構が、前記可動部上に設けられた複数の突起部によって形成されていることを特徴とする請求項8に記載の圧力制御弁。
- 前記伝達機構が、前記可動部と前記弁部の間に設けられた表面に凹凸を有するシートによって形成されていることを特徴とする請求項8に記載の圧力制御弁。
- 前記支持部を含む弁部、前記可動部及び前記伝達機構のそれぞれが、シート状部材または板状部材で形成され、それらを積層して構成されていることを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の圧力制御弁。
- 前記圧力制御弁が、減圧弁であることを特徴とする請求項1から11のいずれか1項に記載の圧力制御弁。
- 差圧によって動作する可動部と、弁座部と弁体部と該弁体部を支持する支持部からなる弁部と、前記可動部の動作を前記弁部に伝える伝達機構とを備え、
前記可動部または前記弁部のいずれか一方が、伝達機構と分離された構成を有する圧力制御弁の製造方法であって、
前記可動部を、シート状部材または板状部材で形成する工程と、
前記伝達機構を、シート状部材または板状部材で形成する工程と、
前記弁座部を、シート状部材または板状部材で形成する工程と、
前記弁体部及び支持部を、単一のシート状部材または板状部材で一体的に形成する工程と、
前記各工程で形成された各部を積層して圧力制御弁を組み立てる工程と、
を有することを特徴とする圧力制御弁の製造方法。 - 前記シート状部材または板状部材の少なくとも一部に、半導体基板を用いることを特徴とする請求項13に記載の圧力制御弁の製造方法。
- 前記可動部、伝達機構、弁座部、弁体部及び支持部を形成する各工程において、エッチング加工、プレス加工、あるいは、射出成形加工の少なくともいずれかを用いることを特徴とする請求項13または請求項14に記載の圧力制御弁の製造方法。
- 前記弁体部及び支持部を形成する工程、または弁座部を形成する工程の後に、これらの工程によって形成された前記弁体部及び支持部、または前記弁座部の少なくとも一方にシール材料をコーティングする工程と、
前記コーティングする工程の後に、前記弁体部及び支持部、または前記弁座部を組み合わせる組み立て工程を有することを特徴とする請求項13から15のいずれか1項に記載の圧力制御弁の製造方法。 - 請求項1から12のいずれか1項に記載の圧力制御弁を搭載していることを特徴とする燃料電池システム。
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