KR101120340B1

KR101120340B1 - 유체배관의 접속기구, 그 제조방법, 및 유체배관의 접속기구를 가진 연료전지시스템

Info

Publication number: KR101120340B1
Application number: KR1020097006171A
Authority: KR
Inventors: 도루 나카쿠보
Original assignee: 캐논 가부시끼가이샤
Priority date: 2006-08-29
Filing date: 2007-08-28
Publication date: 2012-02-24
Also published as: US8256740B2; RU2009111275A; EP2059709A1; CN101375093A; RU2404391C1; WO2008026753A1; BRPI0716096A2; CN101375093B; KR20090057277A; US20090269650A1

Abstract

유체가 유통하는 복수의 유체배관을 접속하는 유체배관의 접속기구로서,

복수의 유체배관의 한 쪽에 설치되고, 압력제어밸브의 일부를 구성하고 차압에 의해 동작하는 가동부를 가진 제1부품; 상기 복수의 유체배관의 다른 한 쪽에 설치되고 압력제어밸브의 일부를 구성하는 상기 가동부의 동작에 의해 개폐되는 개폐기구를 가진 제2부품; 및 상기 제1부품과 상기 제2부품 중의 적어도 한쪽에 설치된 전달기구를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

유체배관의 접속기구, 그 제조방법, 및 유체배관의 접속기구를 가진 연료전지시스템{CONNECTION MECHANISM FOR FLUID PIPINGS, MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME, AND FUEL CELL SYSTEM INCLUDING CONNECTION MECHANISM FOR FLUID PIPINGS}

본 발명은 유체를 유통하는 배관을 접속하기 위한 유체배관의 접속기구와 그 제조방법, 및 이러한 유체배관의 접속기구를 연료 용기와 발전기구 사이에 설치한 연료전지시스템에 관한 것이다.

종래, 유체를 유통하는 배관을 접속하는 커플러로서는, 여러가지 타입이 제안되어 왔다.

통상, 커플러는 일본국 특개 2004-211818호 공보에 개시된 구성을 가지고 있다. 즉, 배관의 비접속시에는, 적어도 한편의 포토는 유체가 외부로 누설되지 않도록 배관이 폐쇄된 상태로 되어 있다. 상기 배관이 접속되었을 때에, 유체의 유통이 가능하게 된다.

이것은, 커플러의 한쪽에 체크밸브를 설치하고 상기 커플러의 다른 쪽에 체크밸브를 가압해서 개방하기 위한 가압핀을 설치함으로써 실현된다.

또, 접속시에 유체가 외부에 누설되지 않게 하기 위한 개스킷 및 커플러가 용이하게 이탈되지 않게 하기 위한 락 기구를 구비하고 있다.

한편, 감압밸브는 기계가공기술을 이용하여, 여러가지 타입으로 제작되어 왔다.

감압밸브는, 액티브 구동타입과, 패시브 구동타입으로 크게 분류된다.

액티브 구동의 감압밸브는, 압력센서, 밸브구동수단, 및 제어기구를 가지고, 2차 압력이 설정압력으로 감압되도록 밸브를 구동한다.

또, 패시브 구동의 감압밸브는, 설정압력에 도달하면, 압력차이를 이용해서 밸브를 자동적으로 개폐하는 구조를 가지고 있다.

또한, 패시브 구동형 감압밸브는, 파일럿작동형과 직동형으로 대별된다.

파일럿작동형의 감압밸브는 파일럿밸브를 가지고, 안정된 동작을 행하는 것을 특징으로 하고 있다.

직동형감압밸브는 고속응답에 대해 이점이 있다. 상기 파일럿작동형감압밸브에 있어서, 기체를 작동유체로 사용하는 경우에는, 압축유체의 미소한 힘으로도 밸브의 개폐를 확실히 행하기 위해, 차압감지기구로서 다이어프램이 자주 사용된다.

소형의 감압밸브에 관해서는, 예를 들면, 일본국 특개 2004-31199호 공보

에 개시되어 있는 바와 같이, 다이어프램, 밸브본체, 밸브본체와 다이어프램을 직접 서로 연결하는 밸브축을 갖춘 구조가 제안되어 있다.

상기 구조의 감압밸브의 제조방법으로서는, 문헌 "A.Debray　et　al, J.Micromech.Microeng., 15, S202-S209, 2005"에 개시되어 있는 제조방법이 알려져 있다. 이 제조방법은, 반도체 가공기술을 이용하여, 소형의 기계요소를 제작하는 점에서 특징이 있다.

반도체 가공기술에서는, 재료로서는 반도체 기판이 사용되고, 막형성, 포토리소그래피, 및 에칭 등의 기술을 서로 조합해서 이용함으로 구조를 형성한다.

따라서, 서브 미크론 오더의 미세가공이 가능하고, 배치 프로세스에 의해 대량생산화가 용이하다고 하는 특징을 가진다.

특히, 감압밸브는 복잡한 3차원 구조를 가지므로, 반도체 기판을 수직으로 에칭하기 위한 반응성 이온 에칭(ICP-RIE;reactive ion etching)이나, 복수의 반도체 기판을 접합하기 위한 접합기술 등이 이용되고 있다.

또, 밸브본체와 밸브시트는 실리콘 산화물 등의 희생층의 매개에 의해 서로 접합되어있다. 프로세스의 후반에서, 희생층을 에칭함으로써, 밸브시트로부터 밸브본체를 이탈시킨다.

한편, 소형의 전기기기에 탑재하는 에너지원으로서, 소형의 연료전지가 주목받고 있다. 연료전지가 소형 전기기기의 구동원으로서 유용한 이유는 단위 체적 당, 또는 단위 중량당의 공급 가능한 에너지량이 종래의 리튬 이온 2차 전지의 에너지량의 수배 내지 10배인 점에 있다.

특히, 큰 출력을 얻기 위한 연료전지에는, 수소를 연료로서 사용하는 것이 가장 바람직하다.

그러나, 수소는 상온에서 기체이며, 소형의 연료탱크 내에 고밀도로 수소를 저장하기 위한 기술이 필요하다.

수소를 저장하기 위한 기술의 예로서 다음과 같은 방법이 알려져 있다.

제1방법은 수소를 압축해서 고압가스의 형태로서 보존하는 방법이다.

탱크 내의 가스의 압력이 200기압이면, 체적 수소밀도는 18mg/cm³ 정도가 된다.

제2방법은 수소를 저온으로 유지해서 액체의 형태로 저장하는 방법이다.

수소를 액화하기 위해서는 큰 에너지가 필요한 것과, 액화수소가 자연 기화해서 누출되는 것이 문제가 된다. 그러나, 이 방법에 의해 고밀도로 보존이 가능하다.

제3방법은 수소저장합금을 사용해서 수소를 저장하는 방법이다.

이 방법에서는, 수소저장합금의 비중이 크기 때문에, 중량 베이스에서는, 2wt% 정도의 수소 만을 저장할 수 있어서, 연료탱크가 무거워진다고 하는 문제점이 있다. 그러나, 체적 베이스에서는, 수소저장량이 크기 때문에, 제3방법이 소형화에는 유효하다.

특히, 소형연료전지에서는, 취급의 용이함과 체적당의 수소충전량이 큰것으로 인해, 수소저장합금에 수소를 저장하는 제3방법이 자주 이용된다.

발전에 의해 연료용기 내의 수소를 모두 소비하면, 발전을 계속하기 위해서는, 새롭게 수소를 충전할 필요가 있다.

수소의 보충은, 연료전지의 발전부를 연료용기에 접속한 채로 실시할 수도 있다. 그러나, 연료용기를 발전부로부터 제거하고 실시하는 경우도 있다.

이것은, 충전시에 연료 용기 내의 압력이 고압이고, 충전 시에 용기를 냉각하는 것이 바람직하지만, 압력이나 온도 이력이 발전부에 악영향을 주지 않도록 해 야 하기 때문이다.

또, 편리성이나 경제성이라고 하는 관점에서도, 복수의 연료 전지를 소지해서 가지고 다니는 것보다도, 복수의 연료 용기만을 가지고 다니며, 사용 중의 연료용기가 비었을 경우에, 연료용기를 새로운 연료용기로 교환하는 것이 바람직하다.

그 때문에, 연료 용기와 연료 전지 발전부와의 사이에는, 커플러를 설치하여, 연료용기를 착탈 가능하게 하는 방법이 자주 이용된다.

이러한 커플러로서, 예를 들면, 일본국 특개 2004-293777호 공보에 개시된 바와 같이, 외력에 의해 플러그와 소켓을 서로로부터 분리 가능하게 구성한 커플러가 제안되어 있다.

한편, 고분자전해질 연료전지의 발전은 다음과 같이 행해진다.

고분자 전해질막에는, 퍼플루오로 설폰산계의 양이온 교환 수지가 자주 이용된다.

예를 들면, 상기 설명된 막으로서는, 듀퐁사의 나피온(Nafion) 등이 잘 알려져 있다.

고분자 전해질막을 백금 등의 촉매를 담지한 한 쌍의 다공질 전극, 즉, 연료전극과 산화제전극사이에 끼워서 얻어지는 막전극 복합체가 발전 셀을 구성한다.

상기 발전셀에 대해서, 산화제전극에는 산화제를, 연료극에는 연료를 공급해서, 고분자 전해질막 내에서 플로톤이 이동함으로써, 발전을 한다.

고분자 전해질막은 기계적 강도를 유지하고, 또한 연료 가스가 투과 하지 않게 하기 위해서 통상 50 내지 200㎛ 정도의 두께의 것이 사용된다.

이들 고분자 전해질막의 강도는 3 내지 5kg/cm² 정도이다. 따라서, 차압에 의한 막의 파단을 막기 위해서는, 연료 전지의 산화제극실과 연료극실 간의 차압이, 평상시에는 0.5kg/cm², 비상시라도 1kg/cm² 이하가 되도록 제어하는 것이 바람직하다.

연료탱크와 산화제극실 간의 차압이 상기 차압보다 작은 경우, 연료탱크와 연료극실을 서로 직접 연결하고, 특히 감압의 필요는 없다.

그러나, 산화제극실이 대기에 개방되어 있고, 또한 보다 고밀도로 연료를 충전하는 경우에는, 연료탱크로부터 연료극실에 연료를 공급하는 과정에 있어서, 감압하는 것이 필요하다.

또, 발전의 기동 및 정지 조작이나, 발전 전력을 안정시키기 위해서도, 상기 기구는 필요하다.

상기한 일본국 특개 2004-31199호 공보에 있어서는, 소형 밸브를 연료탱크와 연료전지유닛의 사이에 설치함으로써, 연료전지유닛을 큰 압력차이에 의한 파단으로부터 방지하고, 발전의 기동 및 정지를 제어해서, 발전전력을 안정화 한다.

특히, 연료 공급로와 산화제 공급로 간의 경계에 다이어프램을 사용해서, 밸브에 직결함으로써, 전기를 사용하지 않고, 연료 공급로와 산화제 공급로 간의 차압에 의해 구동해서, 연료전지유닛에 공급하는 연료압을 최적으로 제어하는 감압밸브를 실현하고 있다.

또, 일본국 특개 2005-339321호 공보에 있어서는, 1차 조정밸브를 구비한 부 위와 2차 조정 밸브를 구비한 부위를 서로 분할하고, 한쪽의 부위를 연료탱크측에 형성하고 다른 쪽의 부위를 연료전지 측에 형성해서, 이들 부위를 서로로부터 착탈 가능하게 구성한 복변식의 압력 조정기가 제안되어 있다.　　

그러나, 상기 종래 예에 의하면, 연료탱크와 연료전지유닛 사이에 구비된 구성은 커플러로서, 항상 만족스러운 것은 아니다.

예를 들면, 상기 일본국 특개 2004-211818호 공보 또는 일본국 특개 2004-293777호 공보에 개시된 종래 예의 커플러는, 압력조정기능을 가지지 않는다. 따라서, 접속시의 양쪽 배관의 압력은 대략 같아진다. 그 때문에, 접속시에 압력을 감압하고, 일정한 압력의 유체를 공급하는 것이 바람직한 경우에는, 별도로 감압밸브를 유로 내에 설치할 필요가 있었다.

또, 상기 일본국 특개 2004-31199호 공보의 종래 예에 의한 구조에 있어서는, 다이어프램(가동부), 피스톤(전달기구), 및 밸브본체가 서로 일체화되어 있다. 그 때문에, 이들을 분할하고 커플러로서 사용하려면 문제가 있다. 또, 상기 일본국 특개 2005-339321호 공보의 종래 예에 의한 구조에 있어서는, 1차 조정밸브를 구비한 부위와 2차 조정밸브를 구비한 부위가 서로 분할된다. 상기 구성에 의해 연료탱크와 연료전지유닛간에 압력조정 기능을 가지는 커플러로서 이용할 수 있다.

그러나, 1차 조정밸브를 포함한 부분과 2차 조정밸브를 포함한 부위가 서로 분리되어 있기 때문에, 구조가 복잡하고, 또한 요즈음에 있어서의 보다 한층 더 소형화가 요구되고 있는 소형 연료전지시스템으로의 요청에 대처하는 것은 곤란하다.

특히, 1차 조정밸브에서는, 밸브를 폐쇄하기 위한 스프링이 피스톤축 연장상에, 밸브본체에 대해서 해당 피스톤의 반대 측에 위치하고 있다. 그 때문에, 감압밸브의 층의 수가 많아져서, 구조가 복잡하게 되어 있다. 또, 이 경우, 밸브본체의 위치어긋남을 방지하기 위해, 상기 스프링과는 별도로 밸브본체 또는 피스톤에 가이드를 설치할 필요가 있다. 또한, 소형의 감압밸브에 있어서는, 소형의 베어링을 제작하는 것이 매우 곤란하기 때문에, 가이드 부분에서의 마찰이 커서 밸브를 구동하는 것이 어렵다. 또, 상기와 같이 두꺼운 부재를 적층해서 얻어진 구성은, 소형화나 양산화에 유리한 반도체 가공 기술이나, 에칭, 프레스 가공에 의해 제작하는 것은 어렵다.

본 발명의 목적은, 상기 과제의 관점에서, 보다 간단한 구성을 가짐으로써, 한층 더 소형화를 도모하는 것이 가능하고, 감압밸브로서의 기능을 가지는 유체배관의 접속기구와 그 제조방법, 및 상기 유체배관의 접속기구를 구비한 연료전지시스템을 제공하는 것이다.

또, 본 발명의 다른 목적은, 보다 간단한 구성을 가짐으로써, 한층 더 소형화를 도모하는 것이 가능하고, 감압밸브로서의 기능 외에 온도차단밸브로서의 기능도 가지는 유체배관의 접속기구와 그 제조방법, 및 유체배관의 접속기구를 갖춘 연료전지시스템을 제공하는 것이다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해, 다음과 같이 구성한 유체배관의 접속기구와 그 제조방법, 및 유체배관의 접속기구를 갖춘 연료전지시스템을 제공한다.

본 발명에 의하면, 유체가 유통하는 복수의 유체배관을 접속하는 유체배관의 접속기구로서,

복수의 유체배관의 한 쪽에 설치되고, 차압에 의해 동작하고 압력제어밸브의 일부를 구성하는 가동부를 가진 제1부품;

상기 복수의 유체배관의 다른 한 쪽에 설치되고 압력제어밸브의 일부를 구성하는 상기 가동부의 동작에 의해 개폐되는 개폐기구를 가진 제2부품; 및

상기 제1부품과 상기 제2부품 중의 적어도 한쪽에 설치된 전달기구를 구비하고,

상기 개폐기구는 밸브시트부, 밸브본체부 및 상기 밸브본체부를 지지하는 지지부를 구비하고;

상기 지지부는 상기 전달기구에 의해 전달되는 상기 가동부의 동작에 응해서 상기 밸브본체부와 상기 밸브시트부 간을 서로에 대해서 개폐 가능하게 상기 밸브본체부를 지지하고;

상기 밸브본체부를 지지하는 지지부가 상기 전달기구의 동작 방향과 수직이고, 또한 상기 밸브본체부를 포함한 평면상에 설치되어 있고, 상기 밸브본체부를 지지하는 탄성체로 구성되어 있고;

상기 제1부품이 설치된 유체배관과 상기 제2부품이 설치된 유체배관 이 서로 접속됨으로써, 상기 복수의 유체배관이 서로 접속된 부분에 있어서, 상기 전달기구를 개재하여 상기 가동부의 동작을 상기 개폐기구에 전달하는 압력제어밸브가 구성되는 것을 특징으로 하는 유체배관의 접속기구를 제공한다.

또, 본 발명의 유체배관의 접속기구는 상기 가동부가 다이어프램을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 유체배관의 접속기구는 상기 압력제어밸브가 감압밸브로서의 기능을 가지는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 유체배관의 접속기구는 상기 밸브본체부를 지지하는 지지부가 일부에, 입계값 이상의 온도에서 상기 밸브본체부를 폐쇄 위치로 변위하는 온도변위부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 유체배관의 접속기구는 상기 온도변위부가 형상기억합금으로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 유체배관의 접속기구는 상기 온도변위부가 바이메탈로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 유체배관의 접속기구는 상기 압력제어밸브가 감압밸브로서의 기능을 가지며, 또한 온도차단밸브로서의 기능도 가지는 것을 특징으로 한다.

유체배관의 접속기구는 상기 개폐기구가 상기 전달기구의 동작방향과 수직방향으로 연장하여 형성된 관통공을 가지는 탄성체로 구성되고;

상기 관통공이 상기 전달기구에 의해 전달되는 상기 가동부의 동작에 응해서, 상기 전달기구의 선단부에 의해 개폐되는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 유체배관의 접속기구는, 상기 제1부품과 상기 제2부품 중의 적어도 한쪽에, 상기 제1부품이 설치된 복수의 유체배관과 상기 제2부품이 설치된 복수의 배관이 서로 접속될 때 상기 복수의 배관이 서로 접촉한 개소로부터 유체가 누설되는 것을 방지하기 위한 개스킷을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 유체배관의 접속기구는, 상기 제1부품과 상기 제2부품의 적어도 한쪽에, 상기 제1부품이 설치된 복수의 유체배관과 상기 제2부품이 설치된 복수의 유체배관이 서로 접속되었을 때 상기 제1부품이 설치된 복수의 유체배관과 상기 제2부품이 설치된 복수의 유체배관 간의 접속을 유지하기 위한 락 기구를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 유체배관의 접속기구는, 상기 압력제어밸브의 일부를 구성하고 차압에 의해 동작하는 가동부, 상기 가동부의 동작에 의해 개폐되는 개폐기구, 및 전달기구의 각각이, 시트형상 부재 또는 판형상 부재로 형성되고, 상기 가동부, 개폐기구, 및 전달기구를 서로 적층함으로써 상기 접속기구를 구성하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 유체배관 접속기구의 제조방법은, 복수의 유체배관의 한쪽에 설치된, 압력제어밸브의 일부를 구성하고 차압에 의해 동작하는 가동부를 구비한 제1부품;

상기 복수의 유체배관의 다른쪽에 설치된 압력제어밸브의 일부를 구성하는 상기 가동부의 동작에 의해 개폐되는 개폐기구를 구비한 제2부품 및;

상기 제1부품과 상기 제2부품중의 적어도 한 쪽에 설치된 전달기구

를 구비한 유체배관 접속기구의 제조방법으로서,

상기 복수의 유체배관의 한쪽에 설치하기 위한 상기 가동부를 시트형상 부재 또는 판형상 부재로 형성하는 공정;

상기 전달기구를 시트형상 부재 또는 판형상 부재로 형성하는 공정;

밸브시트부, 밸브본체부, 및 상기 밸브본체부를 지지하는 지지부를, 복수의 유체배관의 다른쪽에 설치하기 위해 개폐기구로서 일체로 기능하도록, 시트형상 부재 또는 판형상 부재로 형성하는 공정; 및

상기 가동부의 한쪽 또는 상기 개폐기구의 한쪽에 시트형상 부재 또는 판형상 부재로 개스킷을 형성하는 공정을 가지는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 유체배관 접속기구의 제조방법은, 상기 시트형상 부재 또는 판형상 부재중의 적어도 일부가 반도체 기판을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 의하면,

연료용기;

연료전지 발전부; 및

상기 연료용기와 상기 연료전지 발전부 사이에 설치된 유체배관의 접속기구

를 구비한 연료전지시스템으로서,

상기 유체배관의 접속기구가, 상기 측면중의 어느 한 측면에 기재된 유체배관의 접속기구 또는 상기 측면중의 어느 한 측면에 기재된 유체배관 접속기구의 제조방법에 의해 제조된 유체배관의 접속기구를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 보다 간단한 구성을 가짐으로써 한층 더 소형화를 도모하는 것이 가능해지고, 감압밸브로서의 기능을 가지는 유체배관의 접속기구, 그 제조방법, 및 유체배관의 접속기구를 탑재한 연료전지시스템을 실현할 수 있다.

또, 본 발명에 의하면, 보다 간단한 구성을 가짐으로써 한층 더 소형화를 도모하는 것이 가능해지고 온도차단밸브와 감압밸브로서의 기능도 가지는 유체배관의 접속기구, 그 제조방법, 및 유체배관의 접속기구를 탑재한 연료전지시스템을 실현할 수 있다.

도 1A 및 도 1B는 본 발명의 실시예1에 의한 접속기구의 제1구성예를 설명하기 위한 단면도;

도 2A. 도 2B, 및 도 2C는 본 발명의 실시예1에 의한 접속기구의 제1구성예에 있어서의 지지부의 형태를 설명하기 위한 도면이며, 도 2A는 지지부의 제1실시형태를 설명하기 위한 평면도, 도 2B는 지지부의 제2실시형태를 설명하기 위한 평면도, 도 2C는 지지부의 제3실시형태를 설명하기 위한 평면도;

도 3A 및 도 3B는 본 발명의 실시예1에 의한 접속기구의 제1구성예에 있어서의 응용예를 설명하기 위한 단면도;

도 4는 본 발명의 실시예1에 의한 접속기구의 제1구성예에 있어서의 각부의 압력 및 단면적을 설명하기 위한 (클로우즈 상태의) 도면;

도 5는 본 발명의 실시예1에 의한 접속기구의 제1구성예에 있어서의 밸브가 개방된 상태를 설명하기 위한 단면도;

도 6A 및 도 6B는 본 발명의 실시예1에 의한 접속기구의 제1구성예를 설명하기 위한 분해 사시도;

도 7A 및 도 7B는 본 발명의 실시예1에 의한 접속기구에 있어서의 가동부의 다른 구성예를 설명하기 위한 도면이며, 도 7A는 상기 구동부의 다른 구성예의 측 단면도, 도 7B는 그 저면도;

도 8A 및 도 8B는 본 발명의 실시예1에 의한 접속기구에 있어서의 락 기구의 다른 구성예를 설명하기 위한 도면이며, 도 8A는 가동부를 가지는 측의 구성을 나타내는 도면, 도 8B는 밸브부를 가지는 측의 구성을 나타내는 도면;

도 9A, 도 9B, 도 9C, 도 9D, 도 9E, 및 도 9F는 본 발명의 실시예2에 의한가동부를 가지는 접속기구의 제작순서를 설명하기 위한 공정도;

도 10G, 도 10H, 도 10I, 도 10J, 및 도 10K는 본 발명의 실시예2에 의한 도 9A, 도 9B, 도 9C, 도 9D, 도 9E, 및 도 9F에 계속되는, 가동부를 가지는 접속기구의 제작순서를 설명하기 위한 공정도;

도 11L, 도 11M, 도 11N, 도 11O, 도 11P, 및 도 11Q는 도 10G, 도 10H, 도 10I, 도 10J, 및 도 10K에 계속되는, 본 발명의 실시예2에 의한 가동부를 가지는 접속기구의 제작순서를 설명하기 위한 공정도;

도 12A 및 도 12B는 본 발명의 실시예3에 의한 접속기구의 제2구성예를 설명하기 위한 단면도;

도 13은 본 발명의 실시예3에 의한 접속기구의 제2구성예의 접속상태를 나타내는 단면도;

도 14는 본 발명의 실시예3에 에 의한 접속기구의 제2구성예의 밸브가 개방된 상태를 나타내는 단면도;

도 15는 본 발명의 실시예3에 의한 접속기구의 제2구성예의 전달기구의 다른 형태를 나타내는 단면도;

도 16A 및 도 16B는 본 발명의 실시예3에 의한 접속기구의 감압밸브를 관통공측에서 보았을 경우의 분해 사시도;

도 17A 및 도 17B는 본 발명의 실시예4에 의한 연료탱크 및 연료전지발전부의 구성을 나타내는 사시도;

도 18은 본 발명의 실시예4에 의한 연료탱크와 연료전지발전부를 접속했을 때의 연료전지의 개관사시도;

도 19는 본 발명의 실시예4에 의한 연료전지의 시스템의 개요도;

도 20은 본 발명의 실시예4의 연료전지시스템에 의한 수소저장합금(LaNi₅)의 해리 압력을 설명하기 위한 테이블;

도 21은 본 발명의 실시예4에 의한 접속기구의 위치관계를 설명하기 위한 도면.

[본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태]

본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태를, 이하의 실시예에 의해 설명한다.

［실시예1］

실시예1에 있어서는, 본 발명을 적용한 접속기구에 있어서의 제1구성예에 대해서 설명한다.

도 1A 및 도 1B는 본 실시예에 의한 접속기구의 구성을 설명하기 위한 단면도를 나타낸다.

도 1A 및 도 1B에 있어서, 가동부로서 기능하는 다이어프램(1), 전달기구로서 기능하는 피스톤(2), 밸브부를 형성하는 밸브시트부(3), 밸브본체부(4), 지지부 (5), 씨일(6), 개스킷(10), 및 락 기구(11)가 구비되어 있다.

본 실시예에 있어서, 접속기구의 한 쪽은, 복수의 배관에 있어서의 한 쪽의 배관에 접속되는, 가동부로서 기능하는 다이어프램(1), 전달기구로서 기능하는 피스톤(2), 개스킷(10), 및, 락기구(11)를 포함한다.

한편, 본 실시예의 접속기구의 다른 쪽은 상기 복수의 배관에 있어서의 또 다른 쪽의 배관에 접속되는 밸브부를 형성하는 밸브시트부(3), 밸브본체부(4), 지지부(5), 및, 씨일(6)을 포함한다.

이 경우에, 지지부(5)는 탄성을 가지는 보(탄성체)에 의해 형성되고, 전달기구(2)의 동작 방향과 수직으로 밸브본체부(4)를 포함한 평면 상에 설치되어 있다.예를 들면, 지지부(5)는 도 2A에 나타내는 제1형태, 또는 도 2B에 나타내는 제2형태를 채용할 수 있다. 또, 도 2C에 나타내는 제3형태로서 밸브본체부(4)를 지지부(5) 및 온도변위부(50)에 의해 주위에 지지하도록 구성해도 된다.

이 경우에, 상기 온도변위부(50)는 티탄-니켈 합금 등의 형상기억합금에 의해 형성할 수 있다.

티탄-니켈 합금의 형상기억합금은 스퍼터링에 의해 형성하여도 된다.

온도변위부(50)는 통상 온도에서는 탄성변형을 행해서 상술한 지지부(5)의 스프링 특성에는 영향을 주지 않는다. 따라서, 통상의 감압밸브로서 기능을 얻을 수 있다.

감압밸브의 주위의 온도가 비정상적으로 상승해서 미리 설정한 온도 이상이 되면, 온도변위부(50)의 형상기억합금이 밸브시트부(3) 방향으로 휘도록 변위함으로써 밸브본체부(4)가 밸브시트부(3)를 가압하여 폐쇄상태가 된다.

온도가 임계값 보다 작은 영역에서는, 온도변위부(50)는 그 기능을 하지 않는다. 그 때문에, 통상의 감압밸브의 경우에서와 같이 2차압을 유지하면서 유량을 얻는다.

또한, 온도가 상승해서, 임계값을 초과하면, 온도변위부(50)의 형상기억합금이 기능해서 밸브본체부(4)를 상승시켜서, 밸부를 폐쇄하여 온도차단밸브로서 기능을 한다.

이에 대해서, 온도가 임계값 보다 낮아지면, 통상의 감압밸브로서 기능한다. 그 결과, 상기 밸브는 가역적으로 사용하는 것이 가능해진다.

상기한 바와 같이, 감압밸브에 형상기억합금에 의해 온도변위부(50)를 형성함으로써, 온도가 임계온도 온도보다 낮으면, 상기 밸브는 감압밸브로서 기능할 수 있고, 온도가 임계온도 이상이면 차단 밸브로서 기능할 수 있다. 그 결과, 안전성이 높은 밸브기능이 발휘된다.

이 경우에서는, 온도변위부(50)로서 형상기억합금을 이용한 예를 나타냈지만, 온도에 의해 변위하는 재료(예를 들면, 바이메탈)를 사용하면 동일한 효과를 얻을 수 있다.

또, 이 경우에서는, 지지부(5)와 온도변위부(50)가 서로 분리되도록 배치된 예를 나타냈다. 그러나, 지지부(5)에 스프링특성을 가지는 금속재료 등을 이용한 온도 변위 재료를 사용하여도 된다.

또, 본 실시예에 의하면, 전달기구(2), 개스킷(10), 및 락기구(11)는 가동부를 가지는 측과 밸브부를 가지는 측 중의 어느 한 측에 설치되어도 된다.

예를 들면, 도 1A 및 도 1B에 나타낸 바와 같이, 이들이 가동부를 가지는 측에 설치되어도 된다. 또는, 이들이 도 3A 및 도 1B에 나타낸 바와 같이, 밸브부를 가지는 측에 설치되어도 된다. 도면 중에서, 도 1A 및 도 1B와 동일한 참조번호는 도 1A 및 도 1B의 부재와 동일한 부재를 나타낸다.

또, 다이어프램(가동부)(1)측의 배관은 도 1A에 나타내는 다이어프램(가동부)(1)의 우측 하부의 유로에 연결되어 있다. 통상, 다이어프램(가동부)(1)의 상부는 대기와 접촉하고 있다.

한편, 밸브부를 가지는 접속기구의 배관은 도 1B에 나타내는 밸브본체부(4)의 하부로부터 연결되어 있다.

도 4 및 도 5를 참조하면서, 본 실시예의 감압밸브의 동작을 설명한다.

도 4는 본 실시예의 접속기구의 접속시의 단면도이다. 다이어프램(가동부)을 가지는 접속기구와 밸브부를 가지는 접속기구가 서로 연결되어, 락기구(11)에 의해 락(lock)되어 있다.

또, 접촉면에서는, 개스킷(10)에 의해 내부를 흐르는 유체가 외부로 누설되는 것을 방지한다.

피스톤(전달기구)(2)를 개재하여 가동부(1)와 밸브본체부(4)는 서로 대향한다. 그러나, 피스톤(전달기구)(2)는 가동부(1)와 밸브본체부(4)의 반드시 양쪽 모 두와 접촉할 필요는 없다.

또, 락기구(11)는, 도 8에 도시된 바와 같이, 스프링을 이용해도 되지만, 예를 들면, 접속시의 접속기구의 접촉부에 자석을 매립하여 자석간의 인력에 의해 접속상태가 유지될 수 있다.

특히, 자석으로서 코일을 이용한 전자석을 사용함으로써, 접속 및 분리를 전기신호에 의해 제어하는 것이 가능하다.

또, 락 기구용 자석과, 접속 및 분리용 압전소자 등을 포함한 액츄에이터를 사용함으로써, 접속 또는 분리 동작에만 전력을 사용하고 통상적으로는 전력을 필요로 하지 않는 기구도 실현 가능하다.

다이어프램(가동부)(1) 상부의 압력을 P₀로 나타내고, 밸브 상류의 1차 압력을 P₁로 나타내며, 밸브 하류의 압력을 P₂로 나타내고, 밸브본체부(4)의 면적을 S₁로 나타내고, 다이어프램(가동부)(1)의 면적을 S2로 나타낸다. 다이어프램(가동부)는 차압(P₀ - P₂)에 의해 동작한다.

이 경우에, 압력의 균형에 의해, 도 5에도시된 바와 같이, 밸브가 열리는 조건은, (P₁ -　P₂) S₁ ＜ (P₀ -　P₂) S₂가 된다. 압력(P₂)이 이 조건 하의 압력보다 높으면, 밸브는 폐쇄되고, 압력(P₂)이 이 조건 하의 압력보다 낮으면 밸브는 개방된다. 그 결과, 상기 압력(P₂)을 일정하게 유지할 수 있다.

밸브본체부(4)의 면적이나 다이어프램(가동부)(1)의 면적, 피스톤(전달기구) (2)의 길이, 다이어프램(가동부)(1)의 두께 및 지지부(5)의 보의 형상을 조정하는 것에 의해, 밸브가 개폐하는 압력이나 유량을 최적으로 설계할 수 있다.

특히, 다이어프램(가동부)(1)의 스프링 정수가 지지부(5)의 스프링 정수보다 큰 경우에는, 밸브가 개방될 때의 압력은 다이어프램(가동부)(1)에 의존한다.

반대로, 지지부(5)의 스프링 정수가 다이어프램(가동부)(1)의 스프링 정수보다 큰 경우에는, 밸브의 거동은 지지부(5)에 의존한다.

또, 접속시의 피스톤(전달기구)(2)의 길이와 다이어프램(가동부)(1)으로부터 밸브본체부(4)까지의 거리와의 차이에 의해, 2차압력(P₂)은 변화한다.

즉, 다이어프램(가동부)(1)으로부터 밸브본체부(4)까지의 거리와 비교했을 때, 피스톤(전달기구)(2)의 길이가 커질수록, 상기 2차압력(P₂)은 높아진다. 또, 다이어프램(가동부)(1)으로부터 밸브본체부(4)까지의 거리와 비교했을 때, 피스톤(전달기구)(2)의 길이가 작아질수록, 상기 2차압력(P₂)은 낮아진다.

한편, 밸브 하류의 압력(P₂)가 설정압력보다 높아졌을 경우에는, 다이어프램(가동부)(1)은, 윗쪽으로 휘어지고, 밸브가 폐쇄된다.

이 때, 밸브본체부(4)와 피스톤(전달기구)(2)가 서로 접속되어 있지 않기 때문에, 밸브본체부(4)는 밸브시트부(3)와 접촉하면 정지하고, 피스톤(전달기구)(2)만이 다이어프램(가동부)(1)과 함께 움직인다.

도 3A 및 도 3B에 도시된 바와 같이, 전달기구(2)가 밸브본체부(4)와 일체가 되어, 가동부(1)와 분리된 경우에 있어서도, 동작 원리는, 도 1A 및 도 1B에 도시 된 구조의 동작원리와 동일하다.

본 실시예의 접속기구는, 기계가공기술을 사용하여, 예를 들면, 이하와 같이 제작할 수 있다.

도 6A 및 도 6B는 본 실시예의 상기 접속기구를 밸브본체부(4)측에서 보았을 경우의 분해 사시도이다. 상기 접속기구는 시트형상부재와 판형상부재를 가공해서 형성한 각 부재를 적층함으로써 구성된다. 도 6A 및 도 6B에는, 가동부(1), 전달기구(2), 밸브시트부(4), 밸브본체부(4), 지지부(5), 누름판(7), 출구유로(8), 개스킷(8), 및 락기구(11)가 설치되어 있다.

우선, 다이어프램(가동부)(1)에는, 바이톤 고무(Viton rubber)나 실리콘 고무 등의 탄성 재료, 스테인레스 스틸이나 알루미늄 등의 금속재료, 플라스틱 등을 사용할 수 있다.

예를 들면, 스테인레스 스틸을 다이어프램(가동부)(1)의 재료로서 사용했을 경우에, 에칭이나 절삭 가공 등에 의해 전달기구를 일체형으로 제작할 수 있다.

또는, 도 7A 및 도 7B의 측면 단면도 및 하면도에 각각 도시된 바와 같이, 다이어프램(가동부)(1)을 패턴을 가지는 판스프링 기구와 기밀성을 유지하기 위한 탄성막으로 나눌 수도 있다.

이 구조에 의해, 다이어프램(가동부)(1)의 탄성에 관한 설계의 자유도를 높일 수 있다.

판스프링 기구는 스테인레스 스틸 등의 금속재료의 에칭 가공에 의해 제작할 수 있다. 한편, 막의 재료로서는, 실리콘고무, 바이톤고무, 폴리이미드 등으로 이 루어진 시트를 사용할 수 있다.

또, 다이어프램(가동부)(1)의 하부 공간이나 피스톤(전달기구)(2)이 통과하는 유로는, 스테인레스스틸의 기계가공이나 에칭가공에 의해 제작할 수 있다.

액체접착제를 이들 부분을 접합하는 데 사용해도 된다. 그러나, 열에 의해 용융되고 냉각에 의해 경화되어 상기 부분을 접합하는 시트(핫멜트 시트)를 가공 및 조립을 용이하게 하기 위해 사용하여도 된다. 상기 핫멜트시트는 폴리올레핀계 재료를 사용한 것과 폴리에틸렌 테트라프탈레이트(PET) 기판에 접착체를 도포한 것으로 구성함으로써, 구성재료로서 PET기판을 사용할 수 있다.

예를 들면, 후자의 핫멜트시트는 다음과 같이 사용되어도 된다. 도 7A 및 도 7B에 도시된 판스프링 구조체는 금속프레스가공에 의해 제조된다. 다음에, 기판의 한쪽 면에 접착층을 가진 핫멜트 시트가 형성된 0.1mm 두께의 PET 기판을 준비한다. 다음에, PET 기판과 판스프링 구조체를 가열압착함으로써, 다이어프램(가동부)(1)과 피스톤(전달기구)(2)를 일체로 형성한다.

또는, 출구유로(8)를 가진 부재로서, 상기 기판의 양쪽 면에 접착층을 가진 핫멜트 시트가 형성된 0.1mm 두께의 PET 기판을 준비한다. 상기 PET 기판은 상부부재와 하부부재 사이에 개재되어 있다. 다음에, 모든 부재는 가열압착하여 상부부재와 하부부재를 접합시킨다.

밸브시트부(3) 및 지지부(5)는 서로 일체형으로 가공할 수 있다. 또는, 지지부(5)를 미리 다른 재료로 형성하여, 밸브시트부(3)에 접착하는 것도 가능하다.

가공에는 절삭과 같은 기계가공이나 에칭 등을 이용할 수 있다.

밸브시트부(3), 또는 밸브본체부에의 씨일 재료의 코팅은 파릴렌이나 불소계 재료 등을 증착에 의해 행해도 되고, 또는 실리콘 고무나 폴리이미드, 불소계 재료 등을 스핀 코팅이나 스프레이에 의해 도포해서 행할 수도 있다. 또, 실리콘 고무나, 바이톤시트등의 고무재료를 접착, 또는 성형할 수도 있다.

개스킷(10)에는 고무재료의 O-링이나 테플론(등록상표) 등을 사용할 수 있다.

락기구(11)는 유로의 입구부분의 부재와 일체로 제작하여도 되고, 또는 별도로 제작하여 접착이나 나사고정 하는 것도 가능하다.

상기 제조방법 중에서, 구성부재를 금속 프레스가공에 의해 제조한 후, 상기 구성부재를 핫멜트 시트로 접착하는 방법이 소형화, 및 조립의 면에서 우수하다.

비용의 면에서는, 씨일 부가 고무재료의 베이킹에 의해 밀봉되는 것이 바람직하다.

구체적인 제작예를 이하에 설명한다. 접속기구의 외부치수는, 8mm × 8mm로 한다.

우선, 가동부를 가지는 측의 접속기구를 제작한다.

누름판(7)은, 두께 0.3mm의 스테인레스 스틸판에, 직경 3.6mm의 구멍을 에칭에 의해 형성함으로써 제작한다.

다음에, 다이어프램(가동부)(1)은 2개의 부재에 의해 형성하고, 탄성 시트로서 두께 0.3mm의 바이톤시트를 이용한다.

또한, 도 7A 및 도 7B에 도시된 부재는, 판스프링부가 두께 0.05mm이고, 피 스톤(전달기구)(2) 부분이 직경 0.26mm, 길이 0.35mm의 원주형상의 돌기가 되도록 스테인레스 스틸의 에칭가공에 의해 일체형으로 제작할 수 있다.

실제로는, 스테인레스 스틸의 에칭은, 등방성이다. 그 때문에 피스톤(전달기구) (2)는 테이퍼 형상으로 형성된다.

다이어프램(가동부)(1)의 하부유로는 직경 3.6mm의 구멍을 가지는 두께 0.05mm의 스테인레스 스틸 판을 사용하여 형성한다. 입구유로를 가지는 부재는, 두께 0.15mm의 스테인레스스틸 판에 개스킷홈 및 유로를 에칭가공하여 형성함으로써 제작할 수 있다.

개스킷(10)은 고무재료(두께 0.05mm)를 베이킹함으로써 형성한다.

락기구(11)는 스테인레스스틸의 판스프링에 의해 형성한다.

다음에, 밸브부를 가지는 측의 접속기구를 제작한다.

두께 0.15mm의 스테인레스스틸 판의 중앙에 직경 0.4mm의 구멍을 뚫고 상기 구멍의 주위를 폭 0.1mm 남기고, 깊이 0.05mm 만큼 스테인레스 스틸판을 에칭하여 돌기부를 형성함으로써 밸브시트부(3) 얻는다.

한편, 밸브본체 및 지지부(5)는 다음의 방법으로 얻는다. 두께 0.3mm의 스테인레스스틸 판의 중앙에 직경 1mm의 밸브본체부(4)를 형성하고, 지지부는 도 2B에 도시된 형상으로 폭 0.1mm, 두께 0.05mm를 가지도록 에칭함으로써 형성한다.

밸브시트부(3) 및 밸브본체부(4)는 씨일재(6)로서 파릴렌을 증착에 의해, 두께 0.01mm를 가지도록 코팅한다.

이상과 같이 제작된 접속기구의 감압밸브는, 대기압이 1기압(절대압) 정도일 때, 2차 압력이 0.8기압(절대압) 정도가 된다.

특히, 접속시의 접속기구의 외부치수는 8mm × 8mm 이고, 두께는 1mm정도이다. 즉, 극히 소형의 접속기구를 얻을 수 있다.

또, 본 실시예에서 설명된 각 부재 중 일부 또는, 전부에 이하의 실시예에서 설명하는 반도체 가공기술을 이용해서 제작된 부재를 이용하는 것도 가능하다.

［실시예2］

실시예2에 있어서는, 실시예1의 구성을 가지는 접속기구를, 반도체 기판을 이용해서 반도체 가공기술에 의해 제작할 때의 가공방법에 대해 설명한다.

본 실시예에서 제작되는 접속기구의 각부의 치수는, 예를 들면, 이하와 같이 설정할 수 있다. 그러나, 상기 치수는 설계에 따라 변경 가능하다.

다이어프램(가동부)은, 직경 3.6mm, 두께 40㎛로 할 수 있다. 피스톤(전달기구)은, 직경 260㎛, 길이 200 내지 400㎛로 할 수 있다. 피스톤 통과부 유로는, 직경 400㎛로 할 수 있다.

돌기부는, 폭 20㎛, 높이 10㎛, 실링층 두께 5㎛로 할 수 있다. 밸브본체부는, 직경 1000㎛, 두께 200㎛로 할 수 있다. 지지부는, 길이 1000㎛, 폭 200㎛, 두께 10㎛로 할 수 있다.

다음에, 가동부를 가지는 접속기구의 제작방법을 설명한다.

도 9A 내지 도 9F, 도 10G 내지 도 10K, 및 도 11L 내지 도 11Q는 상기한 제조방법에 의해 접속기구의 제작하기 위한 각 공정을 나타낸다.

도 9A 에 나타내는 제1스텝은, 에칭을 위한 마스크 패터닝 공정이다.

제1실리콘 웨이퍼(101)로서는, 단면 연마의 실리콘 웨이퍼도 사용가능하지만, 양면 연마된 실리콘 웨이퍼를 이용하는 것이 바람직하다.

또한, 계속되는 에칭공정에 있어서, 에칭의 깊이를 제어하기 위해, SOI (silcon-on-insulator) 웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다.

예를 들면, 핸들층 두께 200㎛, 산화물층(BOX층) 두께 1㎛, 디바이스층 두께 40㎛를 가진 실리콘 웨이퍼를 사용한다.

에칭의 마스크로 사용하기 위해, 제1웨이퍼(101)의 표면의 열산화를 행한다.

1000℃ 정도로 가열한 노내에, 소정량의 수소 및 산소를 흐르게 하여 웨이퍼 표면에 산화물층을 형성한다.

다음에, 본 공정 및 다음 공정에서 2단계의 에칭을 실시하기 위해, 실리콘 산화물층 및 포토레지스트에 의한 2층 구조를 가지는 마스크를 제작한다. 포토레지스트를 스핀코팅에 의해 도포해서, 프리베이킹한 후, 노광을 실시해서 전달기구(115) 제작을 위한 패터닝을 실시한다. 또한 현상, 포스트베이킹을 실시한다.

포토레지스트를 마스크로 해서, 불화수소산에 의해 산화물층을 에칭한다.

또한, 다이어프램(가동부)(111)의 하부면의 유로를 형성하기 위해 사용되는 마스크를 패터닝한다.

즉, 포토레지스트를 스핀코팅에 의해 도포해서, 프리베이킹한 후, 노광을 실시해서 현상하고, 포스트베이킹을 실시한다. 본 실시예에서는, 2단계의 마스크로서, 포토레지스트와 실리콘 산화물층을 사용한다. 그러나, 이들 대신에, 두께가 다른 실리콘 산화물층을 이용하거나, 또는 알루미늄층을 이용하여도 된다.

도 9B에 나타내는 제2스텝은, 리액티브 이온에칭(ICP-RIE)에 의해서 다이어프램(가동부)(111)의 하부면에 유로를 형성하는 공정이다.

에칭의 깊이는 에칭시간에 의해 제어한다. 이 경우에, 100㎛정도의 에칭을 행한다. 최후에, 포토레지스트 마스크를 아세톤에 의해 제거한다. 도 9C에 나타내는 제3스텝은, 전달기구(115)를 제작하는 공정이다.

리액티브 이온에칭(ICP-RIE)에 의해, 웨이퍼를 에칭한다. 에칭의 깊이는 시간에 따라서 제어해도 되고, 또는 도 9C에 도시된 바와 같이, SOI 웨이퍼의 산화물층(BOX층)을 에칭스톱층으로서 사용해도 된다.

또한, 마스크로서 사용한 실리콘 산화물층을 불화수소산에 의해 제거한다.

도 9D에 나타내는 제4스텝은, 웨이퍼의 다이렉트본딩 공정이다.

제2실리콘 웨이퍼로서는, 양면 연마한 웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다. 실리콘 웨이퍼로서는, 예를 들면, 두께 300㎛의 실리콘 웨이퍼를 사용할 수 있다.

다음에, 제1웨이퍼(101) 및 제2웨이퍼(102)를 SPM 세정(80℃로 가열한 과산화 수소수와 황산의 혼합액 중에서 세정한후, 희석된 불화수소산으로 세정한다.

제1웨이퍼(101) 및 제2웨이퍼(102)를 서로 적층해서 1500N 정도로 가압한다. 이때, 시료를 3시간 이내에 1100℃에 이르도록 가열한다. 상기 가열된 시료를 이 온도로 4시간 유지 한다. 그 후, 자체 냉각에 의해 어닐링을 실시한다.

도 9E에 나타내는 제5스텝은, 전달기구(115)를 형성하는 공정이다.

웨이퍼의 이면에, 포토레지스트를 스핀코팅에 의해 도포해서, 프리베이킹한 후, 노광을 실시한다. 리액티브 이온에칭(ICP-RIE)에 의해 에칭해서 전달기구(115) 를 형성한다.

도 9F에 나타내는 제6스텝은, 개스킷(120)을 형성하는 공정이다. 출구유로(118)이 형성되어 있다. 코팅은 가동부를 가지는 접속기구에 행해도 되고, 또는 밸브부를 가지는 접속기구에 행해도 된다.

코팅 재료의 예로서는, 파릴렌, 사이톱, 폴리 테트라 플루오르 에틸렌 (PTFE), 및 폴리이미드 등이 있다.

코팅은 파릴렌 또는 PTFE는, 증착에 의해서, 사이톱 또는 폴리이미드는 스핀 코팅에 의해 행하는 것이 가능하다.

그 외, 스프레이에 의한 코팅도 가능하다.

다음에, 밸브부를 가지는 접속기구의 제작 방법을 설명한다.

도 10G에 나타내는 제7스텝은, 제3웨이퍼(103)을 열산화하는 공정이다.

웨이퍼로서는, 양면 연마된 웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 이후의 에칭 공정에 있어서, 에칭의 깊이를 제어하기 위해, SOI(silcon-on-insulator) 웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다.

실리콘 웨이퍼로서는, 예를 들면, 핸들층 두께 150㎛, 산화물층(BOX층) 두께 1㎛, 디바이스층 두께 10㎛의 것을 사용할 수 있다.

열산화는 1000℃ 정도로 가열한 노내에 소정량의 수소 및 산소를 흐르게 함으로써 행해진다.

도 10H에 도시된 제8스텝은 유로를 형성하기 위한 마스크를 제작하는 공정이다.

이면의 산화물층을 포토레지스트에 의해 보호한 후, 표면의 산화물층의 패터닝을 행한다.

웨이퍼 표면에, 포토레지스트를 스핀코팅에 의해 도포해서, 프리베이킹한 후, 노광을 실시한다. 또한, 현상 및 포스트베이킹을 실시한다.

포토레지스트를 마스크로서 사용하여 불화수소산에 의해, 산화물층을 에칭함으로써 유로형성을 위한 패터닝을 행한다.

패터닝 후에는 아세톤에 의해, 표면 및 이면의 포토레지스트를 제거한다.

도 10I에 도시된 제9스텝은 유로를 형성하는 공정이다.

리액티브 이온에칭(ICP-RIE)에 의해 에칭을 한다.

도 10J에 도시된 제10스텝은 밸브시트(112)를 형성하기 위한 마스크를 제작하는 공정이다.

웨이퍼 이면의 산화물층의 패터닝을 행한다. 웨이퍼 이면에, 포토레지스트 를 스핀코팅에 의해 도포해서, 프리베이킹 후, 노광을 실시한다.

또한, 현상 및 포스트베이킹을 실시한다. 포토레지스트를 마스크로 해서 불화수소산에 의해 산화물층을 에칭함으로써 밸브시트(112)를 형성하기 위한 패터닝을 행한다.

패터닝 후에는, 아세톤에 의해 포토레지스트를 제거한다.

도 10K에 도시된 제11스텝은 밸브시트(112)를 형성하는 공정이다.

리액티브 이온에칭(ICP-RIE)에 의해 에칭한다. 마지막에 불화수소산에 의해, 마스크에 사용한 Si 산화물을 제거한다.

도 11L에 도시된 제12스텝은 제4웨이퍼(104)를 열산화하는 공정이다.

단면 연마를 한 웨이퍼를 사용해도 되지만, 양면 연마된 웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 이후의 에칭공정에 있어서, 에칭의 깊이를 제어하기 위해, SOI (silicon-on-insulator) 웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다.

실리콘 웨이퍼로서는, 예를 들면, 핸들층 두께 150㎛, 산화물층(BOX층) 두께 1㎛, 디바이스층 두께 10㎛의 것을 사용할 수 있다. 열산화는 1000℃ 정도로 가열한 노내에 소정량의 수소 및 산소를 흐르게함으로써 행해진다.

도 11M에 도시된 제13스텝은 밸브본체부(113)을 형성하기 위한 마스크를 제작하는 공정이다.

웨이퍼의 표면의 산화물층을 포토레지스트에 의해 보호한 후, 이면의 산화물층의 패터닝을 행한다.

포토레지스트를 마스크로서 사용하여 불화수소산에 의해, 산화물층을 에칭 함으로써 밸브본체부(113)를 형성하기 위한 패터닝을 행한다.

도 11N에 도시된 제14스텝은 밸브본체부(113)를 형성하는 공정이다.

웨이퍼 이면에 포토레지스트를 스핀코팅에 의해 도포해서, 프리베이킹한 후, 노광을 실시한다. ICP-RIE(reactive ion etching)에 의해 에칭한다.

도 11O에 도시된 제15스텝은 지지부(114)를 형성하기 위한 마스크를 제작하는 공정이다.

웨이퍼 표면의 산화물층의 패터닝을 행한다. 웨이퍼 표면에, 포토레지스트를 스핀코팅에 의해 도포해서, 프리베이킹한 후, 노광을 실시한다.

또한, 현상 및 포스트베이킹을 실시한다. 포토레지스트를 마스크로서 사용하여 불화수소산에 의해 산화물층을 에칭함으로써 지지부(114)를 형성하기 위한 패터닝을 행한다.

패터닝 후에는 아세톤에 의해, 포토레지스트를 제거한다. 다음에, ICP-RIE (reactive ion etching)에 의해서 에칭한다.

마지막에 불화수소산에 의해 마스크에 사용한 Si 산화물을 제거한다.

도 11P에 도시된 제16스텝은 씨일면의 코팅을 행하는 공정이다.

씨일재료(116)가 제공된다.

코팅은, 도 11P에 도시된 바와 같이, 밸브본체 측에 행하여도 되고, 또는 밸브시트 측에 행하여도 된다.

코팅재료의 예로서는, 파릴렌, 사이톱, PTFE(poly tetra fluoro ethylene), 폴리이미드 등이 있다.

상기 코팅은 파릴렌 또는 PTFE로 증착에 의해, 또는 사이톱 또는 폴리이미드로 스핀코팅에 의해 가능하다. 이들 이외에, 스프레이에 의한 코팅도 가능하다.

도 11Q에 도시된 제17스텝은 조립 공정이다. 유입로(117)가 형성되어 있다.

제1스텝으로부터 제6스텝까지의 공정에서 제작된 다이어프램(가동부)(111) 및 밸브시트부(112)를 가지는 부재와, 제7스텝으로부터 제11스텝까지의 공정에서 제작된 밸브본체부(113)을 가지는 부재를 서로 중첩함으로써, 소형 감압밸브가 완성된다.

본 실시예에서, 접합은 실리콘의 확산접합기술을 이용하고 있지만, 접합면에 금속막을 미리 형성해서, 금속막에 의해 접합을 행하는 방법이나, 접착제 등을 사용하는 것도 가능하다.

［실시예3］

실시예3에서는, 접속기구의 제2구성예에 대해 설명한다.

도 12A 및 도 12B는 본 실시예의 구성예를 설명하기 위한 단면도를 나타낸다.

도 12A 및 도 12B에는, 가동부로서 기능하는 다이어프램(201), 전달기구로서 기능하는 피스톤(202), 탄성 부재(203), 관통공(204), 개스킷(210), 및 락 기구 (211)가 구비되어 있다.

본 실시예에 의한 접속기구의 한 쪽은 배관의 다른쪽의 배관에 접속되는, 가동부로서 기능하는 다이어프램(201), 전달기구로서 기능하는 피스톤(202), 개스킷 (210), 및, 락기구(211)로 구성된다.

또, 본 실시예에 의한 접속기구의 다른 한쪽은, 배관에 접속되는 밸브부 (200)를 가지고, 관통공(204)이 형성된 탄성부재(203)로 구성된다.

도 13 및 도 14를 참조하면서, 본 실시예의 감압밸브의 동작을 설명한다.

도 13은 본 실시예의 접속기구의 접속시의 단면도이다.

다이어프램(가동부)을 가지는 기구와 밸브부를 가지는 기구가 서로 결합되고 락기구(211)에 의해 체결되어 있다.

또, 접촉면에서는, 개스킷(210)에 의해 내부를 흐르는 유체가 외부로 누설되는 것을 방지한다.

관통공(204)은 통상적으로는 폐쇄되어 있다. 전달기구(202)의 선단부가 관통공을 눌러서 확대함으로써, 밸브가 개방된다.

전달기구의 선단부의 형상은, 도 12에 도시된 바와 같이 원추형이어도 된다. 또는, 도 15에 도시된 바와 같이, 전달기구 선단부는 노치(205)를 그 측면에 부가하여 가져도 된다.

본실시예의 감압밸브의 동작을 설명한다.

다이어프램(가동부)(201)의 상부의 압력을 P₀, 밸브 상류의 1차 압력을 P₁, 밸브 하류의 압력을 P₂로 한다.

압력 P₂가 압력 P₀보다 높으면, 다이어프램(가동부)(201)이 윗쪽으로 휘어지고, 관통공(204)은 밸브부(200)의 탄성에 의해 폐쇄되므로, 밸브는 폐쇄된 상태가 된다.

한편, 압력 P₂가 압력 P₀보다 낮으면 다이어프램(가동부)(201)이 하부로 휘어지고, 전달기구(202)가 밸브부(200)의 관통공(204)을 밀어서 확대한다. 따라서, 도 14에 도시된 바와 같이 밸브는 개방된다.

그 결과, 압력 P₂를 일정하게 유지할 수 있다. 다이어프램(가동부)(201)의 면적 및 두께, 전달기구(202)의 길이, 밸브부(200)의 두께나 탄성을 조정함으로써, 밸브가 개폐되는 압력이나 유량을 최적으로 설정할 수 있다.

본 실시예의 감압밸브는, 다음과 같은 방법으로 기계가공기술을 사용하여 제작할 수 있다.

도 16A 및 도 16B는 본 실시예의 접속기구의 감압밸브를 관통공측에서 보았을 경우의 분해 사시도이다.

우선, 다이어프램(가동부)(201)의 재료로서는, 바이톤고무나 실리콘 고무 등의 탄성 재료 외에, 스테인레스 스틸이나 알루미늄 등의 금속재료를 사용할 수 있다. 전달기구(202), 탄성부재(203), 관통공(204), 가압판(207), 출구유로(208), 개스킷(210), 및 락기구(211)가 구비되어 있다.

예를 들면, 스테인레스 스틸을 다이어프램(가동부)(201)의 재료로서 사용했을 경우에는, 에칭이나 절삭 가공 등에 의해 전달기구를 일체형으로 제작할 수 있다.

밸브부(200)의 재료로서는, 바이톤 고무나 실리콘 고무 등의 탄성재료를 사용할 수 있다.

[실시예4]

실시예4에서는, 본 발명의 접속기구를 탑재한 발전에너지가 수밀리 와트로부터 수백 와트까지인 소형의 고분자형 전해질 연료전지에 대해 설명한다.

도 17A 및 도 17B는, 본 실시예에 의한 연료탱크, 및, 연료전지발전부의 사시도를 나타낸다.

또, 도 18은 연료탱크와 연료전지발전부를 서로 접속했을 때의 연료전지의 개략 사시도를 나타낸다.

또, 도 19에 본 발명의 실시예4에 의한 연료전지시스템의 개요도를 나타낸다. 도 17A, 도 17B, 도 18, 및 도 19에서, 동일한 참조부호는 동일한 부재를 니티내고, 연료전지유닛(1101), 전극(1012), 환기공(1013), 연료탱크(1014), 접속기구 (1015),산화제전극(1016), 고분자전해질막(1017), 및 연료극(1018)이 구비되어 있다.

연료 전지의 외부치수는 50mm × 50mm × 10mm이며, 통상 컴팩트 디지탈카메라에 사용되고 있는 리튬이온배터리의 크기와 대략 같다. 상기와 같이, 본 실시예에 의한 연료전지는 소형이고 일체화된 구조이므로, 휴대기기에 내장하기 용이하게 되어 있다.

또, 본 실시예에 의한 연료전지는, 산화제로서 반응에 사용하는 산소를 외기로부터 도입하기 때문에, 상하면, 및 측면에 외기를 도입하기 위한 환기공(1013)을 가진다.

또, 이 환기공은 생성된 물을 수증기로서 방출하거나, 반응에 의해 발생된 열을 외부에 방출하는 기능도 한다.

또, 연료전지의 내부는, 산화제극(1016), 고분자전해질막(1017), 및 연료극 (1018)으로 각각 구성되어 있는 연료전지유닛(1011)과, 연료탱크(1014)와, 이 연료 탱크(1014)를 각 연료전지유닛의 연료극(1016)에 접속하는 접속기구(1015)로 구성되어 있다.

접속기구(1015)는 연료탱크(1014)와 연료전지발전부간의 착탈을 가능하게 할 뿐만 아니라, 분리시에는, 연료탱크(1014) 내의 연료가 외부에 누출되거나 외기가 연료탱크 내에 혼입되는 것을 방지하는 체크밸브의 기능을 가진다.

또, 접속시에는, 연료탱크(1014)의 압력을 조절해서 연료를 공급하는 감압기능을 가진다.

다음에, 본 실시예에 의한 연료탱크(1014)에 대해서 설명한다.

탱크의 내부에는 수소를 흡장하는 것이 가능한 수소흡장합금이 충전되어 있다. 연료전지에 사용되는 고분자 전해질막의 내압이 0.3 내지 0.5MPa이다. 따라서, 연료전지를 외기에 대해서 차압이 0.1MPa 이하의 범위내에서 사용할 필요가 있다.

수소의 방출압이 상온에서 0.2 MPa의 특성을 가지는 수소흡장합금으로서, 예를 들면, LaNi₆을 사용한다.

연료탱크의 용적을 연료전지 전체용적의 반이고, 연료탱크 두께를 1mm, 탱크 재질을 티탄으로 하면, 연료탱크의 중량은 50g정도이고, 그 연료탱크의 체적은 5.2cm³가 된다.

상기 연료탱크 중에, 수소의 방출압이 상온에서 0.2MPa를 초과하는 특성을 가지는 수소흡장재료가 구비되어 있는 경우에는, 연료탱크(1014)와 연료극(1018)의 사이에 감압을 위한 수단을 설치할 필요가 있다.

예를 들면, LaNi₅는, 중량당 1.1wt％의 수소를 흡탈착할 수 있다. LaNi₅의 각 온도에 있어서의 해리압은 도 20에 도시된 바와 같다.

연료탱크에 저장할 수 있는 수소는 접속기구(1015)에 의해 감압되어 연료극(1018)에 공급된다.

또, 산화제극(1016)에는 환기공(1013)를 통해서 외기가 공급된다. 연료전지 유닛에 의해 발전된 전기는 전극(1012)으로부터 소형의 전기기기에 공급된다.

도 21은 본 발명의 접속기구를 연료 전지에 탑재했을 경우의 관계도이다.

밸브부를 가지는 접속기구(1015)의 측은, 연료탱크(1014)에 연결되어 있다.

한편, 가동부(1)를 가지는 접속기구측의 출구유로(1019)는, 연료극(1018)에 연결되어 있다. 다이어프램(가동부)(1)의, 출구유로의 면과와 반대면은 산화제극(외기)와 접촉하고 있다.

이하에, 연료 전지의 발전에 수반하는 밸브의 개폐 동작을 설명한다.

연료탱크의 분리시, 및, 발전의 정지중에는, 접속기구(1015)의 밸브부가 폐쇄된 상태에 있다.

발전이 시작되면, 연료극실의 연료는 소비되어 연료극실의 연료의 압력은 내려간다.

다이어프램(가동부)(1)은, 외기의 압력과 연료극실의 압력과의 차압으로 인해 연료극실 측으로 휨이 발생한다. 다음에, 피스톤(전달기구)(2)를 개재하여 밸브본체부(4)를 내리눌러서 밸브부는 개방상태가 된다. 그 결과, 연료탱크(1014)로부 터, 연료극(1018)에 연료가 공급된다.

연료극실의 압력이 회복되면, 다이어프램(가동부)(1)은 위로 밀어 올려져서 접속기구(1015)는 폐쇄된다.

본 출원은 전체로서 참조하여 본 명세서에 포함된, 2006년 8월 29일에 출원된 일본국 특허출원 제 2006-232807호의 권리를 주장한다.

Claims

유체가 유통하는 복수의 유체배관을 접속하는 유체배관의 접속기구로서,

복수의 유체배관의 한 쪽에 설치되고, 차압에 의해 동작하고 압력제어밸브의 일부를 구성하는 가동부;

상기 복수의 유체배관의 다른 한 쪽에 설치되고 압력제어밸브의 일부를 구성하는 상기 가동부의 동작에 의해 개폐되는 개폐기구; 및

상기 가동부와 상기 개폐기구 중의 적어도 한쪽에 설치된 전달기구를 구비하고,

상기 개폐기구는 밸브시트부, 밸브본체부 및 상기 밸브본체부를 지지하는 지지부를 구비하고;

상기 지지부는 상기 전달기구에 의해 전달되는 상기 가동부의 동작에 응해서 상기 밸브본체부와 상기 밸브시트부 간을 서로에 대해서 개폐 가능하게 상기 밸브본체부를 지지하고;

상기 밸브본체부를 지지하는 지지부가 상기 전달기구의 동작 방향과 수직이고, 또한 상기 밸브본체부를 포함한 평면상에 설치되어 있고, 상기 밸브본체부를 지지하는 탄성체로 구성되어 있고;

상기 가동부가 설치된 유체배관과 상기 개폐기구가 설치된 유체배관 이 서로 접속됨으로써 상기 복수의 유체배관이 서로 접속된 부분에 있어서, 상기 전달기구를 개재하여 상기 가동부의 동작을 상기 개폐기구에 전달하는 압력제어밸브가 구성되는 것을 특징으로 하는 유체배관의 접속기구.
제1항에 있어서,

상기 가동부가 다이어프램을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 유체배관의 접속기구.
제1항에 있어서,

상기 압력제어밸브가 감압밸브로서의 기능을 가지는 것을 특징으로 하는 유체배관의 접속기구.
제1항에 있어서,

상기 밸브본체부를 지지하는 지지부가 일부에, 임계값 이상의 온도에서 상기 밸브본체부를 폐쇄 위치로 변위하는 온도변위부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 유체배관의 접속기구.
제4항에 있어서,

상기 온도변위부가, 형상기억합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유체배관의 접속기구.
제4항에 있어서,

상기 온도변위부가, 바이메탈로 이루어진 것을 특징으로 하는 유체배관의 접속기구.
제4항에 있어서,

상기 압력제어밸브가 감압밸브로서 기능하고, 또한 온도차단밸브로서도 기능하는 것을 특징으로 하는 유체배관의 접속기구.
제1항에 있어서,

상기 개폐기구가 상기 전달기구의 동작방향과 수직방향으로 연장하여 형성 된 관통공을 가지는 탄성체로 구성되고;

상기 관통공이 상기 전달기구에 의해 전달되는 상기 가동부의 동작에 응해서 상기 전달기구의 선단부에 의해 개폐되는 것을 특징으로하는 유체배관의 접속기구.
제1항에 있어서,

상기 가동부와 상기 개폐기구 중의 적어도 한쪽에, 상기 가동부가 설치된 복수의 유체배관과 상기 개폐기구가 설치된 복수의 배관이 서로 접속될 때 상기 복수의 유체배관이 서로 접촉한 개소로부터 유체가 누설되는 것을 방지하기 위한 개스킷을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체배관의 접속기구.
제1항에 있어서,

상기 가동부와 상기 개폐기구의 적어도 한쪽에, 상기 가동부가 설치된 복수의 유체배관과 상기 개폐기구가 설치된 복수의 유체배관이 서로 접속되었을 때 상기 가동부가 설치된 복수의 유체배관과 상기 개폐기구가 설치된 복수의 유체배관 간의 접속을 유지하기 위한 락 기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체배관의 접속기구.
제1항에 있어서,

상기 압력제어밸브의 일부를 구성하고 차압에 의해 동작하는 가동부, 상기 가동부의 동작에 의해 개폐되는 개폐기구, 및 전달기구의 각각이, 시트형상 부재 또는 판형상 부재로 형성되고, 상기 가동부, 개폐기구, 및 전달기구를 서로 적층함으로써 상기 접속기구를 구성하는 것을 특징으로 하는 유체배관의 접속기구.
복수의 유체배관의 한쪽에 설치된 압력제어밸브의 일부를 구성하고 차압에 의해 동작하는 가동부;

상기 복수의 유체배관의 다른쪽에 설치된, 압력제어밸브의 일부를 구성하는 상기 가동부의 동작에 의해 개폐되는 개폐기구 및;

상기 가동부와 상기 개폐기구 중의 적어도 한 쪽에 설치된 전달기구

를 구비한 유체배관 접속기구의 제조방법으로서,

상기 복수의 유체배관의 한쪽에 설치하기 위한 상기 가동부를 시트형상 부재 또는 판형상 부재로 형성하는 공정;

상기 전달기구를 시트형상 부재 또는 판형상 부재로 형성하는 공정;

밸브시트부, 밸브본체부, 및 상기 밸브본체부를 지지하는 지지부를, 복수의 유체배관의 다른쪽에 설치하기 위한 개폐기구로서 일체로 기능하도록, 시트형상 부재 또는 판형상 부재로 형성하는 공정; 및

상기 가동부의 한쪽 또는 상기 개폐기구의 한쪽에 시트형상 부재 또는 판형상 부재로 개스킷을 형성하는 공정

을 가지는 것을 특징으로 하는 유체배관 접속기구의 제조방법.
제12항에 있어서,

상기 시트형상 부재 또는 판형상 부재중의 적어도 일부가 반도체 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체배관 접속기구의 제조방법.
연료용기;

연료전지 발전부; 및

상기 연료용기와 상기 연료전지 발전부 사이에 설치된 유체배관의 접속기구

를 구비한 연료전지시스템으로서,

상기 유체배관의 접속기구가, 제1항에 기재된 유체배관의 접속기구를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.