KR100723824B1 - 2단 하이브리드 가스 압력 레귤레이터 - Google Patents

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Abstract

가스 압력 레귤레이터(100)는 바람직하게 스프링 밸브를 포함하는 기계적 제 1 단(102)과, 바람직하게 마이크로머신 압력 레귤레이터를 포함하는 전자적 제 2 단(104)을 포함하며, 기계적 제 1 단과 전자적 제 2 단의 조합은, 저전력의 연료 셀 시스템에 연료를 공급할 때 일어나는 것과 같은, 합리적인 에너지 소비율로 상대적으로 정확한 0에 가까운 저압의 흐름 비율에 적당하다.
가스 압력 레귤레이터, 기계적 제 1 단, 전자적 제 2 단, 연료 셀 시스템, 밸브.

Description

2단 하이브리드 가스 압력 레귤레이터{Two-stage hybrid gas pressure regulator}
본 발명은 일반적으로 가스 압력 컨트롤러들 및 장치에 관한 것이며, 보다 상세하게는, 상기 장치에 사용하기 적합한 2단 하이브리드 가스 압력 레귤레이터(two-stage hybrid gas pressure regulator)에 관한 것이다.
고압 연료 소스로부터 최종 사용자 가스 소비 제품으로 가스가 흐름에 따라, 가스의 압력을 감소시키기 위해 기계적 가스 압력 레귤레이터들이 수년동안 사용되어왔다. 휴대용 연료 셀(fuel cell)은, 현재 휴대용 전자 디바이스들의 내부로 들어간 일종의 가스 소비 장치이다. 연료 셀들은, 종래의 충전 가능한 배터리들보다 10배 이상 높은 에너지 밀도 때문에, 휴대용 전자 디바이스들의 충전들 사이의 동작 시간을 연장시킬 수 있다.
불행하게도, 휴대용 애플리케이션들을 위한 연료 셀들은 종래의 기계적 가스 레귤레이터들에 대해 일부 문제들을 생성할 수 있다. 한가지 문제는, 이러한 연료 셀들이 광범위한 공급 압력들에 걸쳐 정밀한, 낮은 가스 압력이 유지되어야 한다는 것이다. 두 번째 문제는, 로드되지 않은 연료 셀은 0에 가까운 가스 흐름을 필요로 할 수 있으나, 레귤레이터는 여전히 정확한 낮은 압력을 유지하여야 한다는 것이다. 기계적 레귤레이터들은 특히 0에 가까운 가스 흐름에서 자체적으로 대단한 정밀성에 적합하지 않다. 보다 최근에, 연료 셀들에 대해 바람직한, 정밀성을 제공하고 흐름에 영향을 받지 않는 전자 레귤레이터들이 개발되었다. 그러나, 전자 레귤레이터들은, 전형적인 고압 연료 소스를 연료 셀에 필요한 정밀한 저압으로 감소시키는데 사용될 때에는 대부분의 휴대용 전자 애플리케이션들에 비해 너무 많은 전력을 필요로 한다.
이하의 상세한 설명과 함께 개별적인 도면들에서 유사 참조 기호들은 동일한 또는 기능적으로 유사한 요소들을 나타내는 첨부한 도면들이 구체화되며 명세서의 일부를 형성하고, 본 발명에 따른 다양한 실시예들을 또한 설명하고 모든 장점들 및 다양한 원리들을 설명할 것이다.
본 명세서는 본 발명에 따른 다양한 실시예들을 형성하고 사용하는 최적의 모드들의 가능한 양식에서 또한 설명하기 위해 제공된다. 명세서는 또한 본 발명을 임의의 방법으로 제한하기보다는, 그의 새로운 원리들 및 장점들에 대한 이해와 인식을 강화하도록 제공된다. 본 발명은 단지 본 출원의 계류 동안 생성된 임의의 보정들을 포함하는 첨부된 청구항들과, 등록된 이러한 청구항들의 모든 유사물들에 의해서만 정의된다.
여기에 사용된 '하나(a 및 an)'라는 용어는 하나 또는 그 이상으로 정의된다. 여기에 사용된 '복수(plurality)'라는 단어는 둘 또는 그 이상으로 정의된다. 여기에 사용된 '다른(another)'이라는 용어는 적어도 제 2 또는 그 이상으로 정의된다. 여기에 사용된 '포함하는(including)' 및/또는 '갖는(having)'이라는 단어들은 포함하는 것으로 정의된다(즉, 개방 언어). 여기에 사용된 '결합된(coupled)'이라는 용어는 반드시 직접적일 필요도 없지만, 반드시 기계적일 필요도 없는 연결된 것으로 정의된다. 여기에 사용된 프로그램(program)이라는 단어는 컴퓨터 시스템 상에서 실행하기 위해 설계된 명령들의 시퀀스로 정의된다. 프로그램 또는 컴퓨터 프로그램은 서브루틴, 함수, 절차, 오브젝트 방법, 오브젝트 수행, 수행가능한 애플리케이션, 에이플렛, 서브렛, 소스 코드, 오브젝트 코드, 공유된 라이브러리/동적 로드 라이브러리 및/또는 컴퓨터 시스템 상에서 수행하기 위해 설계된 다른 명령들의 시퀀스로 정의된다.
본 명세서는, 휴대용 전자 애플리케이션들에 대하여 충분히 낮은 전력 레벨 또는 에너지 소비율로 동작하면서, 0에 가까운 흐름을 포함하는 모든 예상된 가스 흐름 비율에서 필요한 압력 정밀성을 유익하게 제공하는 연료 셀용 가스 공급 조정 장치 및 다른 유사한 설비들에 대해 논의한다.
도 1은 본 발명에 따른 전형적인 2단 하이브리드 가스 압력 레귤레이터의 블록도.
도 2는 본 발명에 따른, 가스 공급 및 전기 로드(electrical load)에 결합된 전형적인 연료 셀 시스템의 블록도.
도 3은 본 발명에 따른, 복수의 전자적 제 2 단들을 갖는 2단 하이브리드 가스 압력 레귤레이터의 전형적인 대안의 실시예의 블록도.
도 1을 참조하면, 블록도는 본 발명에 따른, 제 1 단 출력(108)을 갖는 기계적 제 1 단(102)에 결합된 가스 공급 입력(106)을 포함하는 전형적인 2단 하이브리드 가스 압력 레귤레이터(100)를 도시한다. 제 1 단 출력(108)은, 제 2 단 출력(110)을 갖는 전자적 제 2 단(104)에 결합된다. 기계적 제 1 단(102)은, 종래의 스프링 밸브, 예를 들면 17400 웨스트 리버티 레인, 뉴 베를린, WI 53146(17400 West Liberty Lane, New Berlin, WI 53146)에 위치한 에어트롤 콤포넌트사(Airtrol Components, Inc.)에 의해 제조된 R800 시리즈 레귤레이터 밸브(R800-Series regulator valve)와 같은 체크 밸브를 포함하는 것이 바람직하다. 전자적 제 2 단(104)은 마이크로머신 밸브 및 마이크로컨트롤러를 포함하는 마이크로머신 압력 레귤레이터를 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 마이크로머신 압력 레귤레이터의 예는 1619 넵툰 드라이브, 산 랜드로, CA 94577(1619 Neptune Drive, San Leandro, CA 94577)에 위치한 티니 알로이 컴퍼니(TiNi Alloy Company)에 의해 제조된 티니 마이크로밸브(TiNi Microvalve)이다. 대안으로, 다른 유사한 타입들의 기계적 및 전자적 레귤레이터 밸브들이 기계적 제 1 단(102) 및 전자적 제 2 단(104)에 대해 사용될 수 있다는 것이 명백할 것이다.
기계적 제 1 단(102) 및 전자적 제 2 단(104)의 조합은, 이하에서 또한 설명될 바와 같이 연료 셀 시스템에 적용될 때 유익한 결과들을 생성한다. 먼저, 휴대용 애플리케이션을 위한 연료 셀은 예를 들면, 적절한 동작을 위해 0.5 내지 1.0 파운드/인치2(0.34 내지 0.69 Newtons/cm2)사이의 정확하게 제어된 가스 압력을 필요로 한다. 둘째로, 연료 셀은, 연료 셀이 전기 로드 없이 동작할 때 발생할 수 있는 것과 같이, 레귤레이터를 통해 0에 가까운 가스 흐름이 있을 때에도 정확하게 유지되는 압력을 필요로 한다. 2단 기계적 레귤레이터는 공칭 동작 가스 흐름 조건들 하에서 연료 셀에 대해 충분한 정확성을 제공할 수 있다. 그러나, 0에 가까운 가스 흐름 하에서, 2단 기계적 레귤레이터는 휴대용 애플리케이션들을 위한 연료 셀에 대해 받아들여질 수 없는 정도로 정확성을 잃는다.
한편, 전자적 레귤레이터는 0에 가까운 가스 흐름에서 충분한 정밀성을 유지할 수 있다. 불행하게도, 전자적 레귤레이터는, 수소화물 연료 시스템들과 같은 알려진 연료 셀 가스 공급 시스템들에 의해 전형적으로 제공되는 높은 인렛 압력들(inlet pressures)에서 동작할 때 너무 많은 전력, 예를 들면 1와트를 소비한다.
본 발명에 따른 기계적 제 1 단(102) 및 전자적 제 2 단(104)의 조합의 장점은, 기계적 제 1 단(102)이 최대 공급 압력, 예를 들면 200 파운드/인치2(138 Newtons/cm2)로부터 감소된 중간 압력 레벨, 예를 들면 20 파운드/인치2(13.8 Newtons/cm2)로 거친(coarse) 조정을 제공한다는 것이다. 감소된 중간 압력 레벨은 전자적 제 2 단(104)이 매우 낮은 파워 레벨, 예를 들면 100 밀리와트에서, 필요한 정밀성을 유지하며 휴대용 전자 디바이스들에 대해 보다 적절하게 동작하는 것을 허용한다. 조합의 제 2 장점은 기계적 제 1 단(102)은 매우 정밀하지 않아도 되며, 기계적 제 1 단(102)을 위해 단순 스프링 밸브 또는 체크 밸브와 같은 값싼 구조의 사용을 허용한다는 것이다. 제 3 장점은 전자적 제 2 단(104)이 기계적 제 1 단(102)으로부터 물리적으로 분리될 수 있으며, 따라서 소형화(microminiaturization)로 제작된다는 것이다. 예를 들어, 기계적 제 1 단(102)은 전자적 제 2 단(104)이 연료 셀에 직접 부착될 수 있는데 반하여, 수소화물 저장 커니스터(canister)에 직접 부착될 수 있다. 2단들은 이후 예를 들면, 구리 튜빙과 같은 종래의 튜빙에 의해 연결될 수 있다. 한 실시예에서, 전자적 제 2 단(104)은 바람직하게 연료 셀의 플레넘(plenum)에 부착된 마이크로머신 밸브를 포함한다.
도 2를 참조하면, 블록도(200)는 가스 공급(206)과 전기 로드(208)에 결합된, 본 발명에 따른 전형적인 연료 셀 시스템을 도시한다. 동일한 양수인에게 양도된, 켈리(Kelley)등에게 2001년 7월 31일 등록된 미국 특허 6,268,077 및 프라트(Pratt) 등에게 2000년 10월 3일 등록된 미국 특허 6,127,058에 설명된 연료 셀들 또는 연료 셀 시스템들 중 하나와 같은 연료 셀 시스템은 2단 하이브리드 가스 압력 레귤레이터(100)를 포함하고, 이는 제 2 단 출력(110)을 통해 종래의 가스 파워 연료 셀(gas-powered fuel cell; 202)에 결합된다. 대안적으로, 다른 유사한 연료 셀들이 연료 셀(202)에 대하여 사용될 수 있다는 것이 명백할 것이다.
도 3을 참조하면, 블록도는 복수의 전자적 제 2 단들(302,304,306)을 포함하는, 본 발명에 따른 2단 하이브리드 가스 압력 레귤레이터의 전형적인 대안의 실시예(300)를 도시한다. 복수의 전자적 제 2 단들(302,304,306)은, 유익하게 단일의 기계적 제 1 단(102)만을 사용하면서 스택 또는 셀들의 어레이의 대응하는 복수의 연료 셀들(도시되지 않음) 각각에 대해 가스 압력의 개별적인 조정을 허용한다. 이러한 구성은 또한 유익하게 최적의 소형화를 위해 필요한 바와 같이, 복수의 전자적 제 2 단들(302-306)로부터 기계적 제 1 단(102)의 분리에도 적합하다. 도 3이 3개의 전자적 제 2 단들(302-306)을 도시하지만, 임의의 수의 전자적 단들이 본 발명에 따라 사용될 수 있다는 것이 명백할 것이다.
따라서, 본 발명은 연료 셀을 위한 가스 공급을 조정하는 장치 및 다른 유사한 장치들을 제공한다는 것이 앞의 설명으로부터 명백하여야 한다. 유익하게, 장치는 휴대용 전자 애플리케이션들에 대해 충분하게 낮은 전력 레벨에서 동작하면서, 모든 예정된 가스 흐름에서 필요한 정밀도를 제공한다.
본 명세서는 본 발명의 진실, 의도 및 공정한 범위와 정신을 제한하기보다 본 발명에 따른 다양한 실시예들을 어떻게 만들고 사용하는지 설명하기 위한 것으로 의도된다. 앞선 명세서는 설명된 정확한 형태로 본 발명을 배제하거나 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 변경들 또는 변화들이 상기 사상들에서 가능하다. 실시예(들)은 본 발명의 원리들과 그의 특정 애플리케이션의 가장 적절한 도시를 제공하고, 당업자가 특정의 고려된 사용에 적합하도록 다양한 실시예들 및 다양한 변경들로서 본 발명을 사용할 수 있도록 하기 위해 선택되고 설명되었다. 모든 이러한 변경들 및 변화들은 이들이 공정하게, 합법적으로, 자격을 얻은 범위에 따라 해석될 때, 특허 및 그의 모든 동등물들에 대한 본 출원의 계류 동안 보정될 수 있는, 첨부된 청구항들에 의해 한정된 본 발명의 범주 내에 있다.

Claims (10)

  1. 2단 가스 압력 레귤레이터(two-stage gas pressure regulator)에 있어서:
    가스 압력을 조절하도록 구성된 기계적 제 1 단; 및
    상기 기계적 제 1 단에 결합 가능하고, 마이크로머신 압력 레귤레이터(micromachined pressure regulator)를 더 포함하는 전자적 제 2 단을 포함하는, 2단 가스 압력 레귤레이터.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 단은, 마이크로머신 밸브 및 마이크로컨트롤러를 포함하는 상기 마이크로머신 압력 레귤레이터를 포함하는, 2단 가스 압력 레귤레이터.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 단은 상기 제 1 단으로부터 물리적으로 분리되는, 2단 가스 압력 레귤레이터.
  5. 제 1 항에 있어서, 복수의 전자적 제 2 단들을 더 포함하는, 2단 가스 압력 레귤레이터.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 단으로부터 물리적으로 분리되는 복수의 전자적 제 2 단들을 더 포함하는, 2단 가스 압력 레귤레이터.
  7. 가스 압력 레귤레이터에 있어서:
    가스 압력을 조절하도록 구성된 스프링 밸브(spring valve)를 포함하는 기계적 제 1 단; 및
    상기 기계적 제 1 단에 결합되고, 마이크로머신 압력 레귤레이터를 포함하는 전자적 제 2 단을 포함하는, 가스 압력 레귤레이터.
  8. 제 7 항에 있어서, 마이크로머신 밸브 및 마이크로컨트롤러를 포함하는 복수의 전자적 제 2 단들을 더 포함하며, 상기 복수의 제 2 단들은 상기 제 1 단으로부터 물리적으로 분리되는, 가스 압력 레귤레이터.
  9. 휴대용 연료 셀 시스템(portable fuel cell system)에 있어서:
    연료 셀; 및
    2단 가스 압력 레귤레이터로서:
    가스 압력을 조절하도록 구성된 기계적 제 1 단; 및
    상기 기계적 제 1 단에 결합되고, 마이크로머신 압력 레귤레이터(micromachined pressure regulator)를 더 포함하는 전자적 제 2 단을 포함하는, 상기 2단 가스 압력 레귤레이터를 포함하는, 휴대용 연료 셀 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 단은 스프링 밸브를 포함하고,
    상기 제 2 단은, 마이크로머신 밸브 및 마이크로컨트롤러를 포함하는 상기 마이크로머신 압력 레귤레이터를 포함하고, 상기 제 2 단은 상기 제 1 단으로부터 물리적으로 분리되는, 휴대용 연료 셀 시스템.
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