KR20150090255A - 마이크로밸브 - Google Patents

Abstract

마이크로밸브
마이크로밸브 조립체가 인쇄 회로 기판(PCB) 기질속으로 일체 구성된다. 상기 PCB 기질내부의 구멍은 상기 구멍속으로 연장되는 밀폐부재를 포함한다. 상기 구멍의 밀폐 변부와 밀폐 부재사이에 가요성 유체 파이프가 배열된다. 변위 부재가 상기 PCB에 연결되고 상기 밀폐 부재를 이동시켜 가요성 유체 파이프의 단면 프로파일을 변화시키기 위한 열적 작동을 위하여 구성된다. 상기 밀폐 부재는 상기 PCB 기질의 캔틸레버 섹션일 수 있다. 상기 가요성 유체 파이프의 단면 프로파일을 변화시키기 위한 상기 밀폐 부재의 변위는 전체적으로 상기 기질의 평면내에서 발생될 수 있고, 상기 밀폐 부재를 이동시키기 위한 변위 부재의 운동은 전체적으로 상기 기질의 평면내에서 발생될 수도 있고 연료 셀 스택속에 일체 구성되기에 특히 적합한 마이크로밸브의 매우 낮은 프로파일을 제공한다.

Description

마이크로밸브{MICROVALVE}

본 발명은, 도관내에서 유체의 유동을 제어하기 위한 밸브들, 및 특히 기질상에 매우 작은 포맷으로 제조될 수 있는 마이크로밸브에 관한 것이다.

유체의 유동을 장치로 유동하거나, 장치로부터 유동하거나 장치내부로 제어하기 위해 소형화된 유동 제어 밸브들이 유용한 다수의 장치들이 존재한다. 상기 장치의 예는 전기화학적 연료 셀 스택(fuel cell stack)이며, 특히 상기 스택 내부로 및 개별 셀 속으로 가스상태의 연료 유동은 제어를 필요로 할 수 있다. 여기서 이용되는 표현 "유동제어"는 유동율의 가변 제어 및 온-오프 유동제어를 모두 포함하는 것으로 한다. 연료 셀 스택내부에서 상기 제어를 요구하는 전형적인 가스상태의 연료는 연료 셀 스택내부의 셀에 대한 수소 유동을 포함할 수 있다.

다양한 마이크로밸브 장치들이 종래기술에 설명되어 있다. 예를 들어, 센서들 및 액추에이터들 에이 168(2011), 155-161쪽에서 엘 구이(L Gui) 및 동료들의: "높은 종횡비의 마이크로채널들을 위한 임베디드 형상 메모리 합금(SMA) 마이크로밸브의 탐구 및 평가"는 마이크로채널을 포함한 폴리다이메틸실록산(polydimethylsiloxane) 기질내에 내장된 형상 기억 합금 와이어를 이용한 온-칩 마이크로밸브들의 개발에 대해 설명한다. 상기 형상기억 합금 와이어는 열적으로 작동하여 상기 마이크로채널을 가압하여 유동을 폐쇄한다. 상기 마이크로밸브는 실리콘 웨이퍼상에 형성된다. 또 다른 예에서, 센서들 및 액추에이터들 77(1999), 145-148쪽에서 씨 엠 펨블(C M Pemble) 및 동료들의: "소형화 형상 기억 합금 핀치 밸브"는 평평한 표면에 장착되고 전기저항을 이용하여 니티놀(Nitinol) 수축 와이어를 가열하여 초탄성(superelastic) 보를 상향으로 구부러지게 하고 실리콘 튜빙(silicon tubing)에 대한 핀치 압력(pinch pressure)을 완화시키는 핀치 밸브 구조체를 설명한다.

본 발명의 목적은 매우 콤팩트한 구조를 가질 수 있으며 간단한 저-비용의 마이크로밸브를 제공하는 것이다. 또 다른 목적은 매우 작은 프로파일 형상을 가져서, 특히 연료 셀 스택속에 일체화하기에 적합한 마이크로밸브를 제공하는 것이다.

한 가지 특징에 의하면, 본 발명은:

기질;

구멍내부로 연장되는 밀폐 부재를 포함하는 상기 기질내부의 구멍을 포함하고;

상기 구멍의 밀폐 변부와 밀폐 부재사이에 배열된 가요성 유체 파이프;

상기 기질과 연결되며 상기 밀폐 부재를 이동시켜 가요성 유체 파이프의 단면 프로파일을 변화시키기 위한 열적 작동을 위하여 구성된 변위 부재를 포함하는 밸브 조립체를 제공한다.

상기 기질은 인쇄 회로 기판 기질이거나 비- 인쇄 회로 기판 기질일 수 있다. 상기 밀폐 부재는 상기 구멍속으로 연장되는 캔틸레버일 수 있다. 상기 밀폐 부재는 상기 구멍속으로 연장되고 축 방향으로 압축될 수 있는 부재일 수 있다. 상기 변위 부재는 상기 밀폐 부재를 이동시켜서 상기 가요성 유체 파이프의 루멘을 개폐하기 위하여 열적 작동을 하도록 구성될 수 있다. 상기 변위 부재는 상기 기질의 주몸체와 밀폐 부재사이에서 연장되며 연결되는 인장 와이어를 포함하고, 상기 인장 와이어는 온도의 함수로서 길이를 변화시키도록 구성될 수 있다. 상기 밸브 조립체는 인장 와이어와 전기적 연결부를 형성하기 위해, 상기 기질을 따라 상기 인장 와이어까지 연장되는 전기전도성 트랙을 추가로 포함할 수 있다. 상기 인장 와이어는 형상 기억 합금을 포함할 수 있다. 상기 변위 부재는 변위 부재를 통과하는 전류에 의해 가열될 때 길이를 감소시키도록 구성될 수 있다. 상기 밸브 조립체는 상기 구멍의 밀폐 변부와 밀폐 부재사이에서 횡 방향으로 돌출하는 너브를 추가로 포함하고, 상기 밀폐 부재가 편향되지 않은 구조를 가질 때 상기 너브는 상기 가요성 유체 파이프를 폐쇄되거나 부분적으로 폐쇄된 구조로 압축할 수 있다. 상기 밸브 조립체는 상기 변위 부재의 열적 작동이 상기 밀폐 부재를 상기 구멍의 밀폐 변부로부터 멀어지게 편향시키도록 구성되어 상기 가요성 유체 파이프에 대한 압력이 완화되고 상기 파이프는 개방 구조를 채택할 수 있다. 상기 밸브 조립체는 상기 가요성 유체 파이프의 단면 프로파일을 변화시키기 위한 상기 밀폐 부재의 변위는 전체적으로 상기 기질의 평면내에서 발생되도록 구성될 수 있다. 상기 밸브 조립체는 상기 밀폐 부재를 이동시키기 위한 변위 부재의 운동은 전체적으로 상기 기질의 평면내에서 발생되도록 구성될 수 있다. 상기 밀폐 부재 및/또는 변위 부재는 상기 기질의 주요 평면아래로 들어가 위치할 수 있다.

또 다른 특징에 의하면, 본 발명은 연료 셀 스택으로서 상기 스택내부에서 연료 또는 산화제가 셀로 유동하는 것을 제어하기 위해, 상기 스택내부에서 연료 또는 산화제를 셀로 전달하기 위한 양극 또는 음극 공급 도관을 포함하고, 상기 공급 도관은 상기 스택내에 배열되는, 상기 설명과 같은, 밸브 조립체를 통과한다.

상기 밸브 조립체는 상기 연료 셀 스택의 전류 컬렉터 판을 형성하는 인쇄 회로 기판내부에 일체 구성될 수 있다.

본 발명의 실시예들이 첨부된 도면들을 참고하여 예로서 설명된다:
도 1은 본 발명의 마이크로밸브가 편리하게 포함될 수 있는 콤팩트한 연료 셀 스택을 도시한 사시도이고;
도 2는 마이크로밸브를 개략적으로 도시하며 도 2a는 비- 작동 구조를 가진 마이크로밸브의 평면도이고, 도 2b는 작동 구조를 가진 마이크로밸브의 평면도이며, 도 2c는 비- 작동 구조를 가진 마이크로밸브의 단면도이고, 도 2d는 작동 구조를 가진 마이크로밸브의 단면도이며;
도 3은 도 2의 마이크로밸브와 유사하지만 상대적으로 작은 구멍 크기를 위해 수정된 마이크로밸브를 개략적으로 도시한 평면도이고;
도 4는 래칭 마이크로밸브를 개략적으로 도시한 평면도이며;
도 5는 선택적인 변위 액추에이터를 이용하기 위한 도 2의 마이크로밸브에 대한 수정예를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 5a는 평면도이며 도 5b는 마이크로밸브의 단면도이고;
도 6은 래칭 마이크로밸브의 선택적인 설계를 개략적으로 도시한 평면도이고 도 6a는 비- 작동 구조를 가진 밸브를 도시하며 도 6b는 작동 구조를 가진 밸브를 도시하며; 및
도 7은 마이크로밸브를 개략적으로 도시한 평면도이고 도 7a는 비- 작동 구조를 가진 밸브를 도시한 평면도이며 도 7b는 작동 구조를 가진 밸브를 도시한 평면도이다.

도 1을 참고할 때, 연료 셀 스택 조립체(1)는 양극 유동 판(4) 및 음극 유동 판(5)사이에 배열된 막- 전극 조립체(MEA)(3)를 각각 포함하는 복수 개의 평행한 셀(2)들을 가진다. 도 1에 도시된 스택 조립체내에서, 상기 양극 유동 판(4)은 각각의 개별 MEA(3)위에서 수평으로 배열되고 상기 음극 유동 판(5)은 각각의 개별 MEA(3)아래에서 수평으로 배열된다.

도시된 연료 셀 스택은 공냉식, 개방 음극을 가진 다양성을 가지며 양극 유동 판(4)들은 얇은 금속 층들을 가지고 각각의 층은 상기 MEA를 향하는 양극 유동판의 (도 1에 도시되지 않은) 표면내에 에칭되거나 그렇지 않으면 성형되는 유동채널들의 세트를 가져서 수소와 같은 양극 연료가스를 상기 MEA(3)의 양극 측부로 전달한다. (도 1에 도시되지 않은) 다공성 가스 확산 재료의 층이 상기 MEA와 상기 양극 유동 층사이에 배열되어 연료를 상기 MEA 표면으로 용이하게 확산시킬 수 있다. 밀봉을 제공하여 양극 연료의 이탈을 방지하기 위해 가스켓이 상기 MEA 및 양극 유동 판의 주변부에서 연장된다.

도시된 예에서, 상기 음극 유동 판(5)은 개방형 음극 형태를 가지며 주름구조의 판(6)으로서 형성된다. 이러한 주름구조는 상기 MEA의 표면 또는 이들위에 배열된 가스 확산 층을 지나는 공기의 통과를 위한 개방- 단부의 유동 채널(8)들을 제공한다. 도 1에 도시된 상기 스택(1)의 전방 면(7)은 공기가 스택 체적내에서 상기 MEA의 음극 표면들로 통과할 수 있는 공기 유입 면을 제공한다. 상기 스택의 마주보는 면(즉 도 1에 도시된 스택의 반대쪽)은 추가의 공기 유입 면을 제공할 수 있다. 선택적으로, 상기 스택이 강제 통풍되면, 상기 마주보는 면은 상기 전방 면(7)속으로 가압된 공기의 유출을 위한 공기 유출 면일 수 있다.

상기 스택 조립체(1)의 상부에서, 양극 전류 컬렉터 판(collector plate)(9)은 전기 커넥터가 부착될 수 있는 전기 단자를 제공하기 위해 상기 스택으로부터 외부를 향해 횡 방향으로 연장되는 양극 전류 컬렉터 탭(tab)(10)을 포함한다. 상기 스택 조립체(1)의 하부에서, 음극 전류 컬렉터 판(11)은 전기 커넥터가 예를 들어, 납땜에 의해 부착될 수 있는 전기 단자를 제공하기 위해 상기 스택으로부터 외부를 향해 횡 방향으로 연장되는 음극 전류 컬렉터 탭(12)을 포함한다.

상기 스택 조립체(1)는 한 쌍의 단부 판들, 구체적으로, 좌측 및 우측 단부 클립(15,16)들에 의해 서로 고정되는 상부 단부 판(13)과 하부 단부 판(14)에 의해 압력을 받으며 배열된다. 상기 스택의 층들이 단단히 압축되어 모든 가스켓들이 스택내부에서 셀들의 다양한 층들에 대해 정확하게 밀봉되도록 상기 단부 클립(15,16)들은 인장상태로 적용된다.

상기 스택 조립체(1)는 또한 일련의 전압 감시 탭(17)들을 포함할 수 있고 각각의 전압 감시 탭은 각각의 양극 유동 판들 또는 음극 유동 판들로부터 외부를 향해 횡 방향으로 연장된다. 도시된 예에서, 상기 전압 감시 탭(17)들은 상기 양극 유동 판들의 횡 방향 연장부들이다. 전압 감시 탭들은 스택 내부의 모든 셀을 위해 제공되거나 스택내부의 모든 몇몇 셀을 위해 제공될 수 있고, 작동하는 동안 스택을 통해 셀 전압을 감시하기 위해 유용하다.

가스켓 배열(18)은 스택내부에서 상기 셀들의 단부들을 밀봉할 수 있고 또한 스택내부에서 연료를 각각의 셀로 전달하고 분배하기 위해 스택을 통과하고 수직으로 연장되는 통로(galleries)들을 제공할 수 있다. 유체가 아래로 셀들과 접근하도록 상기 상부 판(13)의 각 단부내에 포트(19,20)가 제공될 수 있다. 상기 포트들은 수소 동력 연료 셀 스택의 수소 연료를 위한 접근을 제공할 수 있다.

양극 전류 컬렉터 판(9)은 적층 구조내에서 직조 또는 비- 직조 지지부를 가진 에폭시 수지와 같이 전기적으로 절연성을 가진 적합한 유전체(dielectric material)의 인쇄 회로 기판(PCB) 기질(25)로부터 조립될 수 있다. 연료 셀 스택을 위한 전류 수집 전극을 제공하도록 패턴(patterned)을 가지고 동과 같이 전기전도성이 매우 높은 재료가 PCB 기질(25)의 하측부에 배열될 수 있고 또한 상기 컬렉터 판(9)에서 전기부품들에 대한 전기적 연결을 위한 전도성 트랙을 제공할 수 있다.

상기 양극 전류 컬렉터 판(9)은 상기 연료 셀 스택의 전기적 활성 영역을 지나 연장되는 단부 섹션(23,24)들을 포함할 수 있고, 단부 섹션들을 통해 구멍들이 형성되어 상기 상측 단부 판(13)내부의 포트(19,20)들로부터 상기 셀(2)의 층들을 통해 아래로 연장되어 각 판으로 수소 연료를 제공하는 통로들까지 연장되는 유체 유동 통로를 제공한다.

상기 셀들로 수소 유동이 제어될 수 있도록 상기 연료 셀 스택(1)의 몸체내에 (상기 설명에서 셧-오프 밸브를 포함하는 것으로 정의된) 유동 제어 밸브를 제공하는 것이 매우 바람직할 수 있다.

지금 상세하게 설명되는 것처럼, 인쇄 회로 기판(25) 및 특히 인쇄회로 기판의 단부 섹션(23,24)들내부로 일체 구성되는 마이크로밸브에 의해 상기 수소 유동은 상기 스택(1)내에서 제어될 수 있다.

도 2는 인쇄 회로 기판(PCB) 기질(31)에 조립된 마이크로밸브 조립체(30)를 도시한다. 도 2a는 비- 작동 구조내에서 밸브를 가진 기질(31)을 도시한 평면도이다. 도 2b는 작동 구조내에서 밸브를 가진 기질(31)을 도시한 평면도이다. 도 2c 및 도 2d는 상기 PCB 기질(31)을 통과하는 단면을 각각 도시하고 또한 비- 작동 및 작동 구조내에서 밸브를 도시한다.

상기 밸브 조립체(30)는 상기 PCB 기질내에 구멍(32)을 포함한다. 상기 구멍(32)이 형성되는 동안 형성되는 상기 PCB 기질(31)의 일체 부분인 것이 선호되는 캔틸레버 부재(33)가 상기 구멍(32)속으로 연장된다. 그러나 상기 캔틸레버 부재(33)는 별도로 조립되고 상기 구멍속으로 연장되기 위해 상기 PCB 기질(31)에 고정될 수 있다. 형상기억 합금(SMA) 와이어(34)가 상기 구멍(32)을 가로 질러 연장되고 연결점(35,36)들에서 상기 PCB 기질(31)에 고정된다. 상기 연결점들은 상기 기질내에 내장되거나 부착되는 구조체 주위에서 루프를 형성하는 상기 와이어(34) 또는 납땜된 접촉부들에 의해서와 같이 상기 와이어(34)를 상기 기질(31)에 고정하기 위한 적합한 형태의 기구일 수 있다. 상기 와이어 루프는 클램프 또는 다른 기구에 의해 폐쇄될 수 있다. 전기전도성 트랙(40)들이 상기 PCB 기질(31)을 가로질러 상기 형상 기억 합금 와이어(34)의 단부들까지 연장되어 전기적 연결부를 형성한다.

상기 구멍(32)의 밀폐 변부(37)와 캔틸레버 부재(33)사이에 유체 도관(38)이 배열된다. 상기 유체 도관(38)은 가요성 파이프인 것이 선호되고 상기 파이프를 통과하는 유체의 유동을 제한하기 위해 압축될 수 있다. 상기 캔틸레버 부재(33)는 상기 구멍(32)의 밀폐 변부(37)를 향해 외측으로 횡 방향을 따라 연장되는 너브(39)(예를 들어, 돌출부 또는 보스(boss))를 포함한다. 상기 너브(39)는 국소적으로 상기 파이프(38)을 압축하여 파이프를 통과하는 유체 유동을 차단하는 핀치 점을 제공한다. 상기 너브(39)가 상기 캔틸레버 부재(33)위에 있는 것으로 도시될지라도 상기 너브(39)는 선택적으로 상기 핀치 점이 필요한 기질의 밀폐 변부(37)위에 위치하거나, 상기 너브(39)는 서로에 대해 반대로 작용하도록 상기 구멍의 밀폐 변부(37) 및 상기 캔틸레버 부재(33)상에 형성될 수 있다.

상기 형상 기억 합금 와이어의 온도가 특정 임계점위로 상승함에 따라 형상 기억 합금 와이어는 상당히 수축한다는 점에서 상기 형상 기억 합금 와이어(34)는 음의 열팽창계수를 가진다. 상기 형상 기억 합금 와이어(34)가 수축함에 따라, 상기 캔틸레버 부재(33)는 상기 구멍 밀폐 변부(37)로부터 떨어져 구부러져서 상기 파이프(38)에 대한 압력을 완화시키고 파이프벽내에서 루멘을 개방시킨다. 상기 형상 기억 합금 와이어(34)의 열적 작용(즉 상기 와이어의 가열과 냉각)은 상기 와이어를 통과하는 전류를 스위치 온 및 오프하여 형성될 수 있고, 상기 전류는 상기 전기전도성 트랙(40)에 의해 전달된다. 전류 공급이 차단되고 상기 형상 기억 합금 와이어(34)가 냉각될 때, 캔틸레버 부재는 편향되지 않은 구조로 돌아가서 파이프 벽내부의 루멘을 밀폐시킨다.

상기 유체 도관(38)은 타이곤(Tygon) 또는 실리콘 튜빙과 같이 적합한 가요성 및 압축성을 가진 튜빙으로부터 제조될 수 있다. 도시된 예에서, 가요성 튜빙은 2mm의 외경을 가지고 1내지 2mm의 두께를 가진 인쇄 회로 기판 밀폐 변부(37)와 캔틸레버 부재(33)사이에서 죄어진다. 상기 형상 기억 합금 와이어(34)는 15 내지 30mm의 길이에 걸쳐서 연장된다. 다른 치수가 가능하다.

도 2에 도시된 마이크로밸브에 대해 다양한 수정이 이루어질 수 있다.

상기 캔틸레버 부재(33)는 상기 구멍을 바로 가로질러 연장되는 연결 부재에 의해 교체될 수 있다. 그러나 인접한 파이프(38)를 가압하거나 압축할 정도로 충분한 연결 부재의 횡 방향 변위를 보장하기 위해 상기 연결 부재를 형성하는 재료(예를 들어, PCB 재료)의 증가된 가요성이 요구될 수 있다. 상기 캔틸레버 부재(33) 및 선택적인 연결 부재는 형상 기억 합금 와이어(34)와 같은 변위 부재에 의해 가해지는 하중을 받으며 구부러질 수 있도록 형성된 밀폐 부재의 일반적인 예이다. 일반적인 측면에서, 상기 형상 기억 합금 와이어(34)는 상기 캔틸레버 부재(33)와 같은 밀폐 부재 및 상기 PCB 기질(31)의 주 몸체사이에서 연장되고 연결되는 인장 와이어를 예시하고, 즉 상기 구멍외측에 배열된 기질의 일부분이 상기 구멍(32)속으로 연장되는 캔틸레버 부재 또는 연결 부재로부터 분리된다.

상기 유체 파이프(38)는 상기 PCB 기질의 평면에 대해 수직 또는 비스듬한 방향으로, 너브(39)에 의해 형성되는 핀치 점에서 상기 PCB 기질(31)의 평면에 배열되도록 구성되거나 상기 너브(39)에 의해 형성되는 핀치 점에서 상기 PCB 기질(31)의 평면을 통과할 수 있다.

도 2의 마이크로밸브는 상시- 폐쇄구조를 가질 필요는 없다. 상시- 개방 구조를 제공하고 변위 부재가 열적으로 작동할 때 파이프를 밀폐하거나 제한하기 위해 상기 캔틸레버 부재(33) 또는 다른 밀폐 부재 및 형상 기억 합금 와이어(34) 또는 다른 변위 부재가 배열될 수 있다. 상기 장치내에서 상기 와이어(34)는 상기 캔틸레버 부재(33)와 밀폐 변부(37)사이의 간격을 가로질러 연장되어 상기 파이프(38)를 가압할 수 있다.

상기 배열에서, 상기 와이어(34)는 상기 파이프(38)를 압축하기 위해 상기 구멍의 밀폐 변부(37)와 상기 캔틸레버(33)사이에서 상기 간격을 가로질러 연장될 수 있다.

충분한 열 수축을 제공하기 위해 상기 형상 기억 합금 와이어(34)의 더 큰 길이가 요구되면, 상기 형상 기억 합금 와이어(34)의 단부는 상기 기질(31)에 고정되기 전에 상기 밀폐 변부(37)를 상당히 지나 연장될 수 있다.

도 3은 상기 캔틸레버 부재(33)의 완전한 수축을 형성할 정도의 열적 수축을 제공하기 위해 형상 기억 합금 와이어(34)의 충분한 길이를 보장하기 위한 일반적인 방법을 도시한다. 상기 구멍(32)이 너무 작아서 충분한 길이의 형상 기억 합금 와이어(34)( 또는 다른 변위 부재)를 제공하지 못하면, 상기 형상 기억 합금 와이어(34)는 상기 구멍(32)뿐만 아니라 기질(31)의 길이를 거쳐 상기 구멍의 한 변부로부터 약간 떨어진 연결 점(35)까지 연장될 수 있다. 도 3에 도시된 예에서, 아마도 70- 90℃의 전형적인 작동온도에 작동하는 형상 기억 합금 와이어(34)의 25mm 길이에 의해 상기 캔틸레버 부재(33)의 1mm 변위가 형성될 수 있다.

도 3은 또한, 앞서 설명한 것처럼 상기 유체 파이프(38)가 상기 기질(31)의 평면을 통해 연장되는 실시예를 일반적으로 도시한다.

도 4는 도 3의 배열에 대한 수정예를 도시하며, 래칭 밸브(latching valve)(50)로서 마이크로밸브를 형성하는 방법의 예를 도시한다. 도 4의 예에서, 상기 마이크로밸브(50)는 횡 방향 캔틸레버로서 형성된 래치 부재(51)를 포함한 캔틸레버 부재(33)를 포함한다. 상기 래치 부재(51)는 상기 구멍(32)의 변부(53)로부터 외측을 향해 연장되는 치형부(tooth)(52)와 연결되도록 구성된다. 상기 래치 부재(51)는 상기 형상 기억 합금 와이어(34)와 관련하여 설명된 것과 상당히 동일하게 이차 형상 기억 합금 와이어(54)에 의해 구부러질 수 있다. 좀 더 구체적으로, 상기 와이어(54)는 와이어에 전류를 통과시켜서 열적으로 작동될 수 있고, 따라서 와이어를 줄이며 상기 래치 부재(51)를 이동시켜 상기 치형부(52)로부터 분리시킨다. 이렇게 하여, 도 4의 예는 상시 폐쇄된 밸브(50) 즉 상기 캔틸레버 부재(33)가 편향되지 않을 때, 상기 밸브는 와이어(34)의 열적 작동을 이용하여 개방될 수 있고 치형부(52)에 대해 래치 부재(51)를 연결하여 래치 개방(latch open)될 것이다. 다음에 와이어(34)의 열적 작동은 중단될 수 있다. 상기 마이크로밸브(50)가 폐쇄되어야 할 때, 상기 이차 형상 기억 합금 와이어(54)는 열적으로 작동하여 상기 래치 부재(51)가 상기 구멍 변부(53)로부터 멀어져 구부러지게 만들고 상기 치형부(52)로부터 분리되어 상기 캔틸레버 부재(33)는 편향되지 않은 구조로 돌아간다.

상기 캔틸레버 부재(33)(또는 다른 밀폐 부재)의 열적 작동의 다른 형태들이 가능하다. 도 5를 참고할 때, 형상 기억 합금 와이어(34)를 이용하는 대신에, 캔틸레버(60)는 상기 캔틸레버 재료(예를 들어, PCB 기질 재료)의 열팽창 계수와 다른 열팽창 계수를 가진 적합한 금속(62)으로 플레이팅(plated)된 변부(61)를 포함할 수 있다. 상기 캔틸레버에 배열된 금속재질의 스트립 또는 와이어(63)는 가열요소로서 작동할 수 있어서 상기 캔틸레버를 가열하고 그 결과 재료들의 차등 팽창을 발생시키며 결과적으로 캔틸레버의 구부러짐을 발생시킨다. 이렇게 하여, 상기 캔틸레버는 공지된 이론을 따르는 바이메탈식 스트립 액추에이터와 동일하게 작동될 수 있다. 예를 들어, 상기 변부(61)는 금, 동 또는 니켈로 플레이팅될 수 있다.

다른 형태의 래칭 기구가 고려될 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 것처럼, 마이크로밸브(70)는 캡슐에 넣어진(encapsulated) 가열기 요소(71)를 포함하고 상기 가열기 요소는 상기 구멍(32)의 베어링 변부(74)와 캔틸레버 부재(33)사이에 위치한 가요성 캡슐(73)내에서 필드의 금속(Field's metal) 또는 우드의 금속(Wood's metal)과 같은 저융점(low melting temperature) 금속(72)에 의해 둘러싸인다. 상기 캡슐은 PDMS(폴리다이메틸실록산)와 같은 적합한 탄성 중합체 폴리머로 제조될 수 있다. 상기 가열기 요소(71)는 동 코일일 수 있다. 상기 가열기 요소(71)는 전기전도성 트랙(40)들에 의해 전달되는 전류에 의해 작동될 수 있다. 상기 가열기 요소(71)는 선택적으로 상기 캡슐(73) 외부에 위치할 수 있다. 상기 가열기 요소(71)가 상기 캡슐내에 위치하면 저융점 금속에 의해 회로 단락(short circuit)을 방지하기 위해 가열기 요소는 절연될 수 있다.

도 6a는 편향되지 않고, 래치구속되지 않은 구조로 있는 래칭 마이크로밸브(70)를 도시한다. 도 6b는 래치구속된 상태에 있는 마이크로밸브(70)를 도시한다. 이용시, 상기 저 융점 금속(72)은 상기 형상 기억 합금 와이어(34)를 가열하기 전(및/또는 동시)에 상기 가열기 요소(71)를 이용하여 가열될 수 있다. 상기 저 융점 금속(72)은 (필드의 금속과 우드의 금속들에 대해 각각 대략 62℃ 또는 70℃에서) 용융되고 따라서 가요성 캡슐(73)은 상기 와이어(34)에 의해 상기 캔틸레버 부재(33)로 가해지는 인장을 받으며 재성형될 수 있다. 다음에 상기 가열기 요소(71)는 작동정지되어 상기 저 융점 금속(72)을 다시 기다란 형상(도 6b)으로 고형화하게 만든다. 그러므로, 상기 형상 기억 합금 와이어(34)가 작동정지될 때에도 상기 캔틸레버 부재(33)는 상기 유체 파이프(38)로부터 떨어져 편향된 상태를 유지한다. 선호되는 작동 시퀀스에서, 상기 저 융점 금속은 가열기 요소(71)에 의해 가열되고; 상기 형상 기억 합금 와이어는 가열되며; 상기 형상 기억 합금 와이어가 가열된 상태로 유지될 때 상기 가열기 요소(71)는 작동정지되고; 상기 저 융점 금속(72)은 고형화되며; 다음에 상기 형상 기억 합금 와이어의 가열은 정지된다.

상기 래치 부재(51) 및 치형부(52), 및 상기 가요성 캡슐(73)은 일반적으로 래칭 기구의 예를 제시하고 상기 래칭 기구는 변위 부재(예를 들어, 형상 기억 합금 와이어(34))의 열적 상태와 무관하게 상기 밀폐 요소(예를 들어, 상기 캔틸레버 부재(33))를 이동한 상태로 유지하도록 구성될 수 있다. 상기 변위 부재의 열적 작동이 중지되거나 스위치 오프될 때에도 상기 래칭 기구는 상기 캔틸레버 부재(33)를 이동하거나 구부러진 위치로 유지할 것이다.

상기 도면들에 도시된 것처럼, 축으로부터 횡 방향으로 구부러질 수 있는 캔틸레버 부재(33)의 이용을 요구하지 않는 다른 배열이 고려될 수 있다.

도 7에 도시된 실시예에서, 마이크로밸브 조립체(90)는 기질(31)내부의 구멍(32)을 포함한다. 상기 구멍(32)의 변부에 위치한 근위 단부(92)로부터 구멍의 변부로부터 떨어진 원위 단부(93)까지 연장되고 축 방향으로 압축될 수 있는 밀폐 부재(91)가 상기 구멍(32)내부로 연장된다. 상기 밀폐 부재(91)는 상기 구멍(32)위에 성형되는 동안 형성되는 기질(31)의 일체 부분이거나 제조과정동안 상기 기질에 부착될 수 있다. 상기 축 방향으로 압축가능한 밀폐 부재(91)는 탄성 중합체 재료와 같이 적합한 압축성 재료로 제조될 수 있다. 상기 축 방향으로 압축가능한 밀폐 부재(91)는 나선 스프링을 포함할 수 있다.

상기 형상 기억 합금(SMA) 와이어(34)는 연결점(35a,35b)들에서 상기 기질(31)로부터 연결점(36) 주위에서 상기 밀폐 부재(91)의 원위 단부에 또는 원위 단부와 근접한 위치로 연장된다. 상기 연결점들은 납땜된 접촉부들 또는 상기 기질(31)내에 내장되거나 기질에 부착된 구조체 주위로 루프를 형성하는 와이어를 이용하는 것과 같이 상기 기질(31)에 상기 와이어(34)를 고정하기 위한 적합한 형태의 기구일 수 있다. 상기 와이어 루프는 클램프 또는 다른 기구에 의해 밀폐될 수 있다. 전기 전도성 트랙(40)은 상기 기질(31)을 가로질러 상기 형상 기억 합금 와이어(34)이 단부들까지 연장되어 전기 연결부를 형성한다. 상기 구멍(32)의 밀폐 변부(37)와 상기 밀폐 부재(91)의 원위 단부(93)사이 밀폐 변부(37)와 상기 밀폐 부재(91)의 원위 단부(93)사이에 유체 도관(38)이 배열된다. 유체 도관(38)은 선호적으로 가요성 파이프이고 압축될 수 있어서 상기 파이프를 통과하는 유체의 유동을 제한할 수 있다.

앞서 설명한 배열과 같이, 상기 형상 기억 합금 와이어의 온도가 예를 들어, 전류 가열에 의해 상승함에 따라 형상 기억 합금 와이어가 상당히 수축한다는 점에서 상기 형상 기억 합금 와이어(34)는 음의 열팽창계수를 가질 수 있다. 따라서, 상기 형상 기억 합금 와이어가 수축함에 따라, 상기 밀폐 부재(91)가 축 방향으로 압축되어 상기 유체 도관(38)이 압축되고 폐쇄되는 밀폐 부재의 비- 작동 구조(도 7a)로부터, 상기 유체 도관(38)이 압축되지 않고 따라서 폐쇄되지 않는 밀폐 부재의 작동 구조(도 7b)까지 상기 밀폐 부재는 이동한다.

앞서 설명한 실시예들과 같이, 상기 구멍의 밀폐 변부(37) 및 밀폐 부재의 원위 단부(93)에 의해 형성되는 핀치 점을 통과하는 기질(31)의 평면내에 배열되도록 상기 유체 도관(38)이 구성될 수 있다. 선택적으로, 상기 구멍의 밀폐 변부(37) 및 밀폐 부재의 원위 단부(93)에 의해 형성되는 핀치 점에서 상기 기질(31)의 평면을 통과하도록 상기 유체 도관(38)이 구성될 수 있다. 앞서 설명한 실시예가 가지는 다른 특징들이 도 7의 배열에도 적용될 수 있다.

앞서 설명한 모든 마이크로밸브들이 사실상 상기 인쇄 회로 기판 기질(31)의 평면내에 구성되고, 따라서 도 1에 도시된 것과 같이 연료 셀 스택의 적재된 판들속으로 삽입되기 적합한 매우 낮은 프로파일의 마이크로밸브를 제공한다. 필요한 경우, 형상 기억 합금 와이어(34, 54) 및/또는 와이어의 연결 점(35,36)들은 상기 기질(31)의 주요 표면(41)( 도 2c, 2d를 참고) 약간 아래에 들어가 형성될 수 있다. 상기 캔틸레버 부재(33)는 상기 기질(31)보다 약간 얇거나 더 낮은 프로파일을 가지게 제조될 수 있어서 상기 인쇄 회로 기판위에 적재된 층들에 대한 구속이 존재하지않는 것이 보장된다. 도 2c, 도 2d 및 도 5에 도시된 것처럼 상기 인쇄 회로 기판 기질(31)은 덮개 또는 캡핑(capping) 층(80,81)들위에 배열되거나 이들사이에 삽입된다.

밀폐 부재(예를 들어, 캔틸레버 부재(33) 또는 연결 부재)의 운동 및 변위 부재(예를 들어, 형상 기억 합금 와이어(34, 54))의 운동은 전체적으로 상기 PCB 기질(31)의 평면내에서 발생하여 상기 기질(31)의 평면으로부터 연장되는 어떠한 운동 부품도 요구하지 않도록 상기 마이크로밸브가 구성될 수 있다. 그 결과 상기 연료 셀 스택(1)의 적재된 판들과 이상적으로 적합한 매우 낮은 프로파일의 마이크로밸브가 제공된다.

상기 마이크로밸브의 변위 부재들이 가지는 작동온도는 연료 셀 스택의 정상 작동 온도에 적합할 수 있다. 상기 연료 셀 스택(1)의 단부 판(13,14)들과 근접한 위치에서 전형적인 온도는 50℃일 수 있고 와이어 작동온도는 70- 90℃일 수 있다.

다양한 안전- 단절 기구는 상기 마이크로밸브와 일체 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 와이어(34)를 계속해서 작동시켜 수소 마이크로밸브를 불안전한 개방 상태로 유지시킬 수 있는 연료 셀 스택의 과열상태에서 고장대비 안전기능을 제공하기 위해, 용융되어 상기 와이어내부의 인장상태를 파괴하고 밸브 밀폐부를 가압할 수 있는 한 개이상의 열적(용융) 퓨즈들이 상기 와이어(34)속에 포함될 수 있다.

도 1을 다시 참고할 때, 앞서 설명된 마이크로밸브들은 상기 인쇄 회로 기판 전류 컬렉터 판(9 및/또는 11)속에 일체 구성될 수 있고 그 결과 상기 연료 셀 스택의 치수증가를 요구하지 않거나 거의 요구하지 않는다. 상기 마이크로밸브 구멍(32)은 상기 포트(19,20)와 정렬된 컬렉터 판 단부 섹션(23,24)들내에 배열될 수 있어서 도관을 통해 연장되는 수소 연료 파이프는 상기 마이크로밸브 조립체를 통과도록 배열될 수 있다.

여기서 설명되는 것처럼 마이크로밸브를 포함한 인쇄 회로 기판을 이용하는 원리는, 산소 파이프도 유동 제어될 수 있는 밀폐- 음극 연료 셀 스택과 같은 다른 형태의 연료 셀 스택에 적용될 수 있다. 상기 마이크로밸브는 또한 퍼지(purge)라인, 및 특히 양극 퍼지 라인을 제어하기 위해 이용될 수 있다. 연료 셀이 연료 공급원으로부터 분리될 때 상기 연료 셀 스택의 셀내부의 수소 유동 경로를 외부 대기로부터 자동으로 격리시키기 위해 마이크로밸브의 상시- 폐쇄 구조는 특히 유용할 수 있다.

전류 컬렉터 판(9,11)을 밸브와 연결하는 인쇄 회로 기판을 이용하는 것은 모듈화(modularity) 및 설계 변경시 상당히 유리하다. 모든 형태의 스택 조립체를 위한 전류 컬렉터 판을 요구하는 밸브 배치 및 전기전도성의 패턴들은 매우 효율적이고 안정된 PCB 제조 기술을 이용하여 용이하게 변경될 수 있고, 양극 또는 음극 유동 판(4,5)의 서로 다른 구조 및 서로 다른 외부 연결부들에 적합할 수 있다. 상기 패턴들은 대량 생산과 조립에 매우 적합하고 매우 비용 효과적이다. 표준 PCB컬렉터 배열이 전기적 연결을 위해 이용될 수 있다.

천, 직물, 섬유 또는 수지로 함침된 종이 층 또는 전기전도성 재료를 프린팅 또는 그렇지 않으면 도포하기 적합한, 다른 열가소성 유전 재료들, 또는 동을 가진 적층들 또는 불필요한 위치에서 적합한 에칭과 제거를 위해 이미 도포된 다른 전도층들과 같은 종래기술의 모든 PCB 재료를 포함한 모든 적합한 재료가 기질(31)로서 이용된 인쇄 회로 기판을 제조하기 위해 이용될 수 있다. 그러나, 상기 밸브 조립체의 다양한 요소들을 지지하기 위해, 다른 기질 재료(예를 들어, 비- PCB 재료들)가 고려될 수 있다. 상기 재료들은 플라스틱, 유전 재료 등을 포함할 수 있다. 여기서 설명되는 마이크로밸브 조립체는 특히, 소비자 전자 장치들내에 이용될 수 있는 스택과 같이 몇 개의 셀을 가지며 작은- 치수를 가진 연료 셀 스택들에 대해 적합하다. 그러나, 상기 이론은 상대적으로 큰 연료 셀 스택들에 적용될 수 있다. 또한, 여기서 설명되는 마이크로밸브들은 일반적으로 연료 셀들을 제외한 많은 형태의 장치에서 이용될 수 있다.

밀폐 부재(예를 들어, 캔틸레버 부재(33))에 적용되는 가능한 인장을 증가시키기 위해 상기 변위 부재는 다수의 인장 와이어(34)들을 포함할 수 있다. 상기 와이어는 상기 캔틸레버 부재와 상기 PCB 기질의 주몸체사이에서 앞뒤로 신장될 수 있다.

상기 마이크로밸브는 완전히 개방되고 완전히 폐쇄된 유체 파이프 구조들사이에서 작동할 뿐만 아니라 부분적으로 개방된 구조들에 의해 작동할 수 있다. 이것은 부분적인 수축을 위해, 형상 기억 합금 와이어의 가열을 감소시켜서 달성될 수 있다. 이렇게 하여, 상기 마이크로밸브는 가변 압력 제어기로서 작동하도록 구성될 수 있다. 상기 기능은 변위 부재의 열적 작동을 아날로그식으로 제어하여 수행될 뿐만 아니라 선택적으로 열적 작동을 디지털식으로 제어하여, 개방- 폐쇄된 구조의 펄스- 폭 변조를 수행할 수 있다.

다른 실시예들이 의도적으로 첨부된 청구항들의 범위내에 있다.

Claims (17)

1. 밸브 조립체로서:
   기질;
   구멍내부로 연장되는 밀폐 부재를 포함하는 상기 기질내부의 구멍을 포함하고;
   상기 구멍의 밀폐 변부와 밀폐 부재사이에 배열된 가요성 유체 파이프;
   상기 기질과 연결되며 상기 밀폐 부재를 이동시켜 가요성 유체 파이프의 단면 프로파일을 변화시키기 위한 열적 작동을 위하여 구성된 변위 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 조립체.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 기질은 인쇄 회로 기판 기질인 것을 특징으로 하는 밸브 조립체.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 밀폐 부재는 상기 구멍속으로 연장되는 캔틸레버인 것을 특징으로 하는 밸브 조립체.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 밀폐 부재는 상기 구멍속으로 연장되고 축 방향으로 압축될 수 있는 부재인 것을 특징으로 하는 밸브 조립체.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 변위 부재는 상기 밀폐 부재를 이동시켜서 상기 가요성 유체 파이프의 루멘을 개폐하기 위하여 열적 작동을 하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 밸브 조립체.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 변위 부재는 상기 기질의 주몸체와 밀폐 부재사이에서 연장되며 연결되는 인장 와이어를 포함하고, 상기 인장 와이어는 온도의 함수로서 길이를 변화시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 밸브 조립체.
7. 제 6 항에 있어서, 인장 와이어와 전기적 연결부를 형성하기 위해, 상기 기질을 따라 상기 인장 와이어까지 연장되는 전기전도성 트랙을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 조립체.
8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 인장 와이어는 형상 기억 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 조립체.
9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 변위 부재는 변위 부재를 통과하는 전류에 의해 가열될 때 길이를 감소시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 밸브 조립체.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 구멍의 밀폐 변부와 밀폐 부재사이에서 횡 방향으로 돌출하는 너브를 추가로 포함하고, 상기 밀폐 부재가 편향되지 않은 구조를 가질 때 상기 너브는 상기 가요성 유체 파이프를 폐쇄되거나 부분적으로 폐쇄된 구조로 압축하는 것을 특징으로 하는 밸브 조립체.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 변위 부재의 열적 작동이 상기 밀폐 부재를 상기 구멍의 밀폐 변부로부터 멀어지게 편향시키도록 구성되어 상기 가요성 유체 파이프에 대한 압력이 완화되고 상기 파이프는 개방 구조를 채택하는 것을 특징으로 하는 밸브 조립체.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 가요성 유체 파이프의 단면 프로파일을 변화시키기 위한 상기 밀폐 부재의 변위는 전체적으로 상기 기질의 평면내에서 발생되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 밸브 조립체.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 밀폐 부재를 이동시키기 위한 변위 부재의 운동은 전체적으로 상기 기질의 평면내에서 발생되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 밸브 조립체.
14. 제 1 항에 있어서, 상기 밀폐 부재 및/또는 변위 부재는 상기 기질의 주요 평면아래로 들어가 위치하는 것을 특징으로 하는 밸브 조립체.
15. 연료 셀 스택으로서 상기 스택내부에서 연료 또는 산화제가 셀로 유동하는 것을 제어하기 위해, 상기 스택내부에서 연료 또는 산화제를 셀로 전달하기 위한 양극 또는 음극 공급 도관을 포함하고, 상기 공급 도관은 상기 스택내에 배열되고 전항들 중 어느 한 항을 따르는 밸브 조립체를 통과하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 밸브 조립체는 상기 연료 셀 스택의 전류 컬렉터 판을 형성하는 인쇄 회로 기판내부에 일체 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택.
17. 제 1 항에 있어서, 상기 변위 부재의 열적 작동 상태와 독립적으로 상기 밀폐 부재를 이동한 상태로 유지하도록 구성될 수 있는 래칭 기구를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 조립체.

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