JP5472910B2 - センサーポート挿入型シリコンホース及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明はセンサーポート挿入型シリコンホース及びその製造方法に係り、より詳しくは、燃料電池の冷却水ループに使用されるセンサーポート挿入型シリコンホース及びその製造方法に関する。

環境負荷が少ない未来型自動車の一つである水素燃料電池自動車に適用される燃料電池システムは、反応ガスの電気化学反応から電気エネルギーを発生させる燃料電池スタック、燃料電池スタックに燃料である水素を供給する水素供給装置、燃料電池スタックに電気化学反応に必要な酸化剤である酸素を含む空気を供給する空気供給装置、燃料電池スタックの電気化学反応の副産物である熱を外部に放出させて燃料電池スタックの運転温度を最適に制御し、水の管理を司る熱及び水管理システム、燃料電池システムの作動全般を制御する燃料電池システム制御装置を含めて構成される。

このような構成において燃料電池スタックは反応ガスである水素と酸素の電気化学反応から電気エネルギーを発生させ、その反応副産物として熱と水を排出する。そこで、燃料電池システムにはスタックの温度上昇を防止するためにスタックを冷却させる装置が必須である。
通常、車両用燃料電池システムにおいて燃料電池スタックを最適温度に維持するための冷却システムには、燃料電池スタック内の冷却水チャンネルを通して水を循環させて冷却させる水冷式が利用されている。

このような燃料電池車両の冷却システムを図１に示した。図示の通り、基本構成としては、冷却水が循環できるように燃料電池スタック１とラジエータ２との間に構成される冷却水ライン３、冷却水をラジエータ２を通過しないようにバイパスさせるためのバイパスライン４及びバルブ５、冷却水ライン３で冷却水を圧送するための水ポンプ６を含めて構成される。
一方、燃料電池車両（システム）冷却水ループを形成する配管は、イオン溶出性の問題により適用可能な材質が反イオン溶出性を有するＳＵＳ３１６Ｌ、テフロン（登録商標）、Ａｌ３００３、フードグレード（Ｆｏｏｄ−Ｇｒａｄｅ）のシリコンなど非常に制限される。ＳＵＳ ３０４の場合、イオン溶出の問題により使用が不可である。

一般の低価格材料を使用する場合、冷却水が接する部分で不純物及びイオンが冷却水に溶出する問題が発生するが、このイオンによりスタックで発生する電気が冷却水を通して流れる深刻な問題が発生し得る。
更に、運転者と乗客が搭乗した状態で電気を発生させながら、運行をする燃料電池車両で部品材質の問題により冷却水のイオン伝導度が上昇する場合、冷却水ループに通電されて運転者と乗客に対する危険が大きくなる。

このような問題により燃料電池車両では冷却水の電気伝導度を常にセンサーしており、特定数値以上まで高くなる場合、システムをセットダウンさせる制御ロジックを内蔵している。
更に、冷却水のイオン伝導度を一定水準以下に維持するために、冷却水ループ内にイオンフィルター（Ｄｅ−Ｉｏｎｉｚｅｒ）７を装着して冷却水のイオン伝導度を一定水準以下に維持している。
このように燃料電池スタックで発生する熱を排出するための冷却水ループに適用される全ての材質は、イオンが溶出しないか、もしくは溶出してもその量が微量でイオンフィルター７により除去される水準の材質のみ適用するようになっている。

図２は燃料電池車両に適用される冷却水配管の構成を例示した図面であり、イオン溶出の問題を解決したシリコンホース１１が使用された例を示している。
燃料電池スタック冷却のための冷却水配管をシリコンホースで構成すると、ＳＵＳ３１６Ｌなど高価の金属材質を使用する場合に比べて費用を大幅に削減することができ、特に軽量化という大きい利点がある。
しかし、冷却水配管全体をシリコンホースで構成すると、冷却水の温度、圧力、イオン伝導度などを測定するためのセンサーの装着が不可能である。従って、図２に示したとおり、センサーが装着される部分についてはＳＵＳ３１６Ｌなどの金属材質部品１２を適用する必要がある。

図２に示す通り、通常の燃料電池用冷却システムでは冷却水を流す配管の大部分にシリコンホース１１を使用しているが、センサーが装着されるマニホールド１２及び一部配管についてはやむをえずＳＵＳ３１６Ｌのような高価の金属材質を使用している。
センサーを装着するには、センサーポート２０をＳＵＳ３１６Ｌ材質のマニホールド１２や配管の定位置に溶接して固定した後、固定したセンサーポート２０にセンサーを装着し、センサーポート２０に装着されたセンサーを通して必要なデータを測定する。
しかし、ＳＵＳ３１６Ｌなどの金属で製作されるセンサー装着用マニホールド１２は、製作自体が難しいほか、重量が非常に大きく価格も高価である。
これは燃料電池車両の商用化及び大量生産のための原価節減及び燃費改善に大きな障害となるものである。

大韓民国公開特許第２００８−４１５０８号 特開２００６−０３２１０６公報

本発明は前記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、冷却水ループの配管素材費用を含む製造原価節減及び軽量化により燃費改善に寄与できるセンサーポート挿入型シリコンホース及びその製造方法を提供することにある。
具体的には、反イオン溶出で優れた耐久性を有しながら低価であり、軽量でありながらセンサーポートを具備してセンサー装着が可能なシリコンホースを提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、 センサーが装着されるセンサー装着部と、前記センサー装着部と一体形成された固定部とで構成されるセンサーポートにおいて、前記固定部がホースを形成するシリコン層内部に固着されることで、センサーポートがホース外周上に一体に固定され、
前記ホースでセンサーが装着される開口部の内周面にはシリコン防水層が形成されることを特徴とする。

前記固定部はシリコン層と面接合されるプレート形状に形成されることを特徴とする。

前記センサーポートは反イオン溶出性を有する金属または高分子樹脂で製造されることを特徴とする。

前記金属で製造されたセンサーポートを使用する場合、シリコンが接着されるセンサーポートの表面部位に表面積を広げるための粗加工をした後、粗加工された表面部位に接着性を向上させるための塗布剤を塗布して使用することを特徴とする。

前記塗布剤層はセンサーポートの表面にリン酸塩を塗布して形成されることを特徴とする。

前記ホースはシリコン層と補強層の積層構造からなり、前記補強層上に積層形成されたシリコン層と外皮層を形成するシリコンシート材との間に前記固定部が挿入され固定されることを特徴とする。

シリコンを使用して内面層となる１次シリコンホースを成形する段階と、
前記１次シリコンホースの外面にセンサーポートの固定部を固定した後、シリコンシート材を１次シリコンホース及びセンサーポートの固定部上に巻き包んで外皮層を形成する段階と、
シリコン硬化工程を通して前記固定部がシリコンシート材に巻き込まれた状態で接着、固定されるようにすることで、センサーポートが外周上に一体に固定されたシリコンホースを完成する段階と、
を含み、
前記１次シリコンホースでセンサーが挿入される開口部の内周面にはシリコン防水剤を塗布してシリコン硬化工程後にシリコン防水層が形成されるようにすることを特徴とする。

前記粗加工にてセンサーポートの表面部位に対してショット処理をすることを特徴とする。

本発明のシリコンホースは、反イオン溶出性で優れた耐久性を有するとともに低価、軽量であり、センサーを装着用として金属マニホールドなどの高価の配管部品を使用しないで冷却水ループの全体配管をシリコンホースに代替することができるために冷却水ループを構成する配管の所要費用を削減することができ、燃料電池車両の製造原価削減及び軽量化、燃費改善に寄与できる効果を有する。

燃料電池車両の冷却水システムを図示した構成図である。 燃料電池車両に適用される冷却水配管の構成を例示した図面である。 本発明の好ましい実施例に伴うセンサーポート挿入型シリコンホースを図示した斜視図である。 本発明のシリコンホースの製造方法を説明するための図面である。 図４の線‘Ａ−Ａ’に沿って切り取った断面図である。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施例について詳しく説明する。
本発明は燃料電池車両の冷却水ループを構成する配管にセンサー装着のために使用されていたＳＵＳ３１６Ｌなど高価な金属配管部品を代替できるセンサーポート挿入型シリコンホース及びその製造方法に関するものである。
燃料電池車両の冷却水配管としては、イオン溶出の問題点がなく軽量で低価のシリコンホースが使用される。従来はシリコンホースにセンサーポートの装着（溶接）が不可能であるため、ＳＵＳ３１６Ｌマニホールドなど高価な金属配管部品を使用していた。本発明では金属配管部品を使用せずセンサーポートが一体に構成されたシリコンホースで配管部品を代替することができる。

図３は本発明の好ましい実施例のセンサーポート挿入型シリコンホースの斜視図であり、図４は本発明のシリコンホースの製造方法を説明するための図である。
図４は、第１段階で成形されたシリコンホース１１０の外面にセンサーポート１２０を装着した後、外皮層を形成するシリコンシート材１１３を追加して巻き包んで硬化させ、センサーポート１２０が一体構成されたシリコンホース１００が製造される過程を示す図である。

図５は図４の線‘Ａ−Ａ’に沿って切り取った断面図であり、センサーポート１２０が装着された断面構造を示している。
図示の通り、シリコンホース１００は、あらかじめ定められたセンサー装着位置にセンサーポート１２０の一部（ポートプレート）が埋め込まれる形態でセンサーポートが一体化される。センサーポート１２０は燃料電池車両の冷却水配管に装着されている多様な種類のセンサーをシリコンホース１００に固定するためのもので、温度センサー、圧力センサー、イオン伝導度測定センサーなどを装着するのに使用される。

センサーポート１２０は基本的にセンサーが結合されるセンサー結合部１２１と、シリコンホースを形成する管壁、即ち、シリコン層内部に埋め込まれる固定部１２２で構成される。
センサー結合部１２１と固定部１２２は一体形成されてセンサーポート１２０を形成する。図に示すように、センサー結合部１２１としてセンサーが挿入結合されるセンサー孔１２１ａが形成されたポート本体と、固定部１２２としてポート本体に一体に形成されてシリコンホース１００の管壁内部に埋め込まれるポートプレートとで構成される。

ポート本体１２１のセンサー孔１２１ａから挿入されるセンサーはシリコンホース１００の内部を流れる冷却水の温度、圧力、イオン伝導度などを検出できるように固定される。
本発明の実施例では、センサー孔１２１ａの内周面にはセンサー締結手段としてねじ山が形成されるが、このねじ山によりセンサーボディがセンサー孔にねじで結合されて固定される。即ち、センサー孔１２１ａの内周面には雌ねじが、センサーボディの外周面には雄ねじが形成されて、センサーボディがセンサー孔にねじで締結される。

ポートプレート１２２はポート本体１２１の下端部に形成される板状の部材で、シリコンホース１１０の管壁内部に埋め込まれる。そして、ポート本体１２１を含むセンサーポート１２０全体がシリコンホース１００の外周上に固定される。ポートプレート１２２はシリコンホース１００に埋め込まれるため、シリコンホースと同一曲率の局面板形状に形成される。
上記の通り、ポート本体１２１とポートプレート１２２が一体形成されるセンサーポート１２０は、反イオン溶出性が検証された金属又は高分子樹脂で製作される。具体的には、センサーポート製造用金属素材としては反イオン溶出性検証材質であるステンレス鋼またはアルミニウム合金が使用される。

ステンレス鋼としてはＳＵＳ３１６Ｌを使用することができ、アルミニウム合金としてはマンガン（Ｍｎ）を合金元素として含有するアルミニウム−マンガン合金であるＡｌ３００３を使用することができる。ＳＵＳ ３０４はイオン溶出の問題により使用しない。Ａｌ３００３は成形性と耐蝕性が純粋アルミニウムと同等であるが、強度が純粋アルミニウムより高く、溶接性が良好な金属として知られている。また、高分子樹脂としてはポリプロピレン（ＰＰ）の使用が可能である。

センサー装着のためのセンサーポート１２０を製造した後、これを組み込んでシリコンホース１００を製造する。
本発明によるシリコンホースは、従来のシリコンホース製造過程を適用することができる。但し、シリコンホースの管壁内部にセンサーポートのポートプレートを埋め立てるための工程が必要である。
図４に示すように、センサーポート１２０のポートプレート１２２をシリコンホース１００の管壁内部に埋め込むために、シリコンホース１１０の外面にポートプレート１２２が面接合されるように装着した後、ポートプレート１２２とシリコンホース１１０の外面を同一材質のシリコンシート材１１３で巻き包んで硬化させる。１次シリコンホース１１０が形成する内面層と、ポートプレート１２２が埋め込まれ固定されるセンサーポート１２０と、ポートプレートの外面をシリコンシート材１１３で巻き包んで形成した外皮層が全て一体化して一つの冷却水配管用シリコンホース１００が形成される。

即ち、ポートプレートが１次シリコンホースが形成する内面層と外皮層との間に埋め込まれると同時に、ポートプレートの両面が内面層と外皮層に面接合されることで、ポートプレート及びセンサーポート全体がホースを構成するシリコン材質と一体化されて固定される。
外皮層を巻き包む過程において、ポート本体１２１を除外するポートプレート１２２と１次シリコンホース１１０の全面積をシリコンシート材１１３で巻き包み、シリコンホース１００の表面にシリコンシート材１１３の外皮層が形成される。

センサーポート１２０が結合されるシリコンホース１１０は従来工程により成形されるが、本発明のシリコンホースの製造方法では、シリコンホースのシリコン硬化以前にセンサーポート１２０をシリコンホース１１０の外面に装着し、シリコンシート材１１３を巻き包んだ後、内面層と外皮層のシリコン材質を同時に硬化させて、センサーポート、特に、ポートプレート１２２をホースの内面層と外皮層のシリコン材質に接合及び一体化させる。

シリコンホースは、従来工程、例えば、押出しや巻き包み、またはこれらを混合した工程で製造することができる。シリコンは内外に数層を積層した構造でホースに成形するが、各シリコン層１１２の間に毛糸またはワイヤーなど補強部材（補強層１１１を形成する）を挿入した構造にすることができる。
例えば、シリコン原料を使用して押出工程で内面層を成形し、その外面に毛糸を巻いた後、その上に再びシリコンシート材を巻き包んで外面包巻層形成する。シリコンホースはポンプ吐出圧による歪みを防止するために、厚さを最小基準値以上にする必要がある。
また、上記押出工程ではなく金型を利用して内面層から外面層までシリコン、毛糸、シリコン順ので反復積層してシリコンホースを製造することもできる。

また、大韓民国公開特許第２００８−４１５０８号に記載された方法を適用することもできる。これは金型を利用し押出し工程により成形した内面層の表面に金属ワイヤーをぎっしりと巻いた後、その上にシリコンシート材で外面包巻作業を実施して外面包巻層を形成する方法である。ここで、ワイヤーの素材には反イオン溶出性が検証され、シリコンホースの圧縮強度を提供できるＳＵＳ材質からなるものを使用する。
前記のようにシリコンホース１１０を成形した後、その外面のセンサー装着位置にセンサーポート１２０を装着させ、次に、シリコンホース１１０の外面及びポートプレート１２２の上面を囲むようにシリコンシート材１１３を追加で巻き取る包巻作業を実施することで、本発明のシリコンホース１００を製造することができる。

シリコン硬化工程では、センサーポートのポートプレートとシリコン材質はシリコン硬化過程で完全に接着されて相互固定される。最終的にセンサーポートが固定された状態でポート本体１２１のセンサー孔１２１ａを介してシリコンホースに穴を開けて開口部１１４を形成し、センサーポートが一体となったシリコンホースが完成する。
実施例で、ＳＵＳ３１６ＬやＡｌ３００３のような金属材質からなるセンサーポートを使用する場合、金属と高分子物質であるシリコンとの間の接着を強固なものにするため、ポートプレートを含むシリコンと接着されるセンサーポートの表面部位に対して接着性を向上させるための所定の表面処理工程を実施することが可能である。

図４に示す通り、表面処理工程では、センサーポートの表面に表面積を広げるための粗加工を実施した後、粗加工された表面に接着性を向上させるための塗布剤を塗布する。粗加工として、ショット（金属表面に小さい鉄玉を撃ち表面積を広げる作業）処理を実施し、ショット加工された表面に接着性向上塗布剤としてリン酸塩を塗布することが好ましい。
リン酸塩は、シリコンホースと化学的に結合する特性を有するため、シリコンホースとセンサーポートの接着性能を向上させてシリコンホースとセンサーポートが完璧に接着されるようにすることで、特に金属と樹脂の完璧な接着を通してセンサーポート挿入部周辺で発生するシリコンホースの破裂及び漏水などが防止できる。

前記のようなショット加工及びリン酸塩塗布処理はＰＰのような高分子樹脂のセンサーポートを使用する場合は省略することができる。高分子樹脂のセンサーポートは表面処理工程の省略と合せて、金属センサーポートを使用する場合に比べて軽量化が可能であるという長所を有する。
また、ポート本体１２１のセンサー孔１２１ａと連通するシリコンホース１００の開口部１１４の内周面にはシリコン防水剤を塗布して防水層１１５を形成する。開口部内周面の防水層１１５はシリコンホースを構成するシリコン層との間の漏水発生を防止するするもので、シリコン防水剤は塗布後、シリコンホースのシリコンシートが硬化する過程で、同時に硬化するようにする。

前記過程により製造される本発明のシリコンホースについて図５を参照して説明する。図５はセンサーポート１２０が設置された位置の断面図で、ポートプレート１２２がホースのシリコン層内部に埋め込まれてセンサーポート１２０とシリコンホース１００が一体化される構造を示している。
図示の通り、シリコン層１１２と補強層（毛糸層又はワイヤー層）１１１を交互に積層させて形成したシリコンホース１１０の外面とシリコンシート材１１３を巻き包んで形成した外皮層との間にポートプレート１２２が埋め込まれて固定される。このときポートプレート１２２の表面を含めてシリコンが接着されるセンサーポート１２０の表面部位には表面処理（ショッと加工）後に塗布されたリン酸塩層１２３が形成されている。また、シリコンホース１００に形成した開口部１１４の内周面にはシリコン防水剤からなる防水層１１５が具備されていることが分かる。

このようにして、本発明では燃料電池車両（システム）の冷却水ループ用配管であるシリコンホースの製作において、既存の金属マニホールドに装着されていたセンサーをシリコンホースに直接装着できるように、シリコンホース自体にセンサー装着のためのセンサーポートを挿入して製作することに主な特徴がある。
従って、燃料電池の冷却水配管として、イオン溶出の問題点がないことはもちろん、軽量でありながら低価である本発明のセンサーポート挿入型シリコンホースを使用する場合、マニホールドのような高価の金属配管部品を使用しなくとも冷却水ループを構成することができ、特に溶接作業なくセンサーを容易に配管に装着できる長所（即ち、シリコンホースのセンサーポートを通したねじ締結方式）がある。
また、冷却水ループを構成する配管の全体的な所要費用を削減することができ、全体配管の軽量化が可能となることで、燃料電池車両の商用化及び大量生産のための原価節減と軽量化、燃費改善に大きく寄与することができる。

以上、本発明に関する好ましい実施例を説明したが、本発明は前記実施例に限定されず、本発明の属する技術範囲を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。

１００、１１０ シリコンホース
１１１ 補強層
１１２ シリコン層
１１３ シリコンシート材（シリコン層）
１１４ 開口部
１１５ シリコン防水層
１２０ センサーポート
１２１ ポート本体（センサー結合部）
１２２ ポートプレート（固定部）

Claims (12)

1. センサーが装着されるセンサー装着部と、前記センサー装着部と一体形成された固定部とで構成されるセンサーポートにおいて、前記固定部がホースを形成するシリコン層内部に固着されることで、センサーポートがホース外周上に一体に固定され、
   前記ホースでセンサーが装着される開口部の内周面にはシリコン防水層が形成されることを特徴とするセンサーポート挿入型シリコンホース。
2. 前記固定部はシリコン層と面接合されるプレート形状に形成されることを特徴とする請求項１記載のセンサーポート挿入型シリコンホース。
3. 前記センサーポートは反イオン溶出性を有する金属または高分子樹脂で製造されることを特徴とする請求項１記載のセンサーポート挿入型シリコンホース。
4. 前記金属からなるセンサーポートの表面とホースを形成するシリコンとの間に接着性を向上させるための塗布剤層が設けられることを特徴とする請求項３記載のセンサーポート挿入型シリコンホース。
5. 前記塗布剤層はセンサーポートの表面にリン酸塩を塗布して形成されることを特徴とする請求項４記載のセンサーポート挿入型シリコンホース。
6. 前記ホースはシリコン層と補強層の積層構造からなり、前記補強層上に積層形成されたシリコン層と外皮層を形成するシリコンシート材との間に前記固定部が挿入され固定されることを特徴とする請求項１記載のセンサーポート挿入型シリコンホース。
7. シリコンを使用して内面層となる１次シリコンホースを成形する段階と、
   前記１次シリコンホースの外面にセンサーポートの固定部を固定した後、シリコンシート材を１次シリコンホース及びセンサーポートの固定部上に巻き包んで外皮層を形成する段階と、
   シリコン硬化工程を通して前記固定部がシリコンシート材に巻き込まれた状態で接着、固定されるようにすることで、センサーポートが外周上に一体に固定されたシリコンホースを完成する段階と、
   を含み、
   前記１次シリコンホースでセンサーが挿入される開口部の内周面にはシリコン防水剤を塗布してシリコン硬化工程後にシリコン防水層が形成されるようにすることを特徴とするシリコンホースの製造方法。
8. 前記センサーポートの固定部は前記１次シリコンホースの外面及び前記外皮層の前記シリコンシート材に面接合されるプレート形状を有することを特徴とする請求項７記載のシリコンホースの製造方法。
9. 前記センサーポートは反イオン溶出性を有する金属または高分子樹脂で製造されたものを使用することを特徴とする請求項７記載のシリコンホースの製造方法。
10. 前記金属で製造されたセンサーポートを使用する場合、シリコンが接着されるセンサーポートの表面部位に表面積を広げるための粗加工をした後、粗加工された表面部位に接着性を向上させるための塗布剤を塗布して使用することを特徴とする請求項９記載のシリコンホースの製造方法。
11. 前記粗加工にてセンサーポートの表面部位に対してショット処理をすることを特徴とする請求項１０記載のシリコンホースの製造方法。
12. 前記塗布剤としてリン酸塩を使用することを特徴とする請求項１０記載のシリコンホースの製造方法。

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