KR100773058B1

KR100773058B1 - 자가 제빙 기능을 갖는 밸브

Info

Publication number: KR100773058B1
Application number: KR1020060093641A
Authority: KR
Inventors: 신승호
Original assignee: 파카코리아 주식회사
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2007-11-02

Abstract

본 발명은 밸브 작동 시에 발생되는 자화열을 이용하여 자가 제빙이 이루어질 수 있도록 하는 밸브에 관한 것으로, 일측 개구부에 오리피스(112)가 형성된 중공(111)의 선형 코어(110)와; 상기 오리피스(112)와 대면하여 상기 선형 코어(110)와 동축을 이루며 고정되는 밸브바디(120)와; 상기 밸브바디(120) 내에 수납되어 상기 오리피스(112)와의 계합 상태에 따라 유체의 흐름을 단속하게 되는 강자성 재질의 플런저(130)와; 상기 오리피스(112)가 중앙에 위치하도록 상기 선형 코어(110)와 밸브바디(120)를 감싸면서 권취되는 솔레노이드 코일(140)과; 상기 밸브바디(120) 내에서 상기 플런저(130)를 탄성 지지하기 위한 리턴 스프링(150)과; 상기 솔레노이드 코일(140)에 전원 공급을 제어하게 되는 제어유니트(160)로 구성되어, 별도의 발열장치가 없이도 밸브 작동 시에 발생되는 자화열을 이용하여 해빙이 가능하도록 함으로써, 단순한 밸브 구조만으로도 저온 조건에서 원활한 밸브 동작이 가능한 발명인 것이다.

솔레노이드 밸브, 결빙, 플런저, 자화열, 테플론(Teflon), 제어유니트, 소비전력.

Description

자가 제빙 기능을 갖는 밸브{Valve having self deicing function}

도 1은 본 발명의 자가 제빙 기능을 갖는 밸브의 단면을 보여주는 도면,

도 2는 본 발명의 밸브에 있어 플런저의 바람직한 일례를 보여주는 도면,

도 3은 본 발명의 밸브에 있어 정상 조건에서의 소비전력 변화를

보여주는 도면,

도 4는 본 발명의 밸브에 있어 결빙 조건에서의 소비전력 변화를

보여주는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110 : 선형 코어 112 : 오리피스

120 : 밸브바디 130 : 플런저

140 : 솔레노이드 코일 150 : 리턴 스프링

160 : 제어유니트

본 발명은 자가 제빙 기능을 갖는 밸브에 관한 것으로, 특히 별도의 발열수단이 없이도 밸브 작동 시에 발생하는 자화열을 이용하여 해빙이 이루어질 수 있도록 하는 밸브에 관한 것이다.

일반적인 솔레노이드 밸브는 하우징에 솔레노이드 코일이 권취되며, 이 솔레노이드 코일에 전류가 인가되는 경우에 플런저가 작동하여 오리피스를 차단하게 된다.

이러한 솔레노이드 밸브는 코일 내에 전류의 인가 상태에 따라서 유체의 흐름을 단속하게 되나, 저온 조건에 밸브가 장시간 노출된 경우에는 오리피스와 플런저 사이에 남아 있던 유체가 결빙되어 초기 작동에 문제가 될 수 있다.

구체적인 일례로는, 고분자 전해질형 연료전지 시스템에서는 전기를 생산하는 단위전지가 적층된 연료전지 스택에 있어 애노드에서 연료기체인 수소를 공급받고 캐소드에서 산화제인 산소를 공급받아 전기를 생산하게 된다.

즉, 고분자 전해질형 연료전지에서 수소와 산소는 전기 화학적으로 반응하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시키는데, 공급된 수소가 애노드 전극의 촉매에서 수소이온과 전자로 분리되고, 이때 생성된 수소이온이 양이온 교환막을 통해 캐 소드로 이동하여 공급된 산소와 전자를 받아 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시키게 된다.

한편, 연료전지의 반응 시에는 열이 발생하게 되므로, 이를 적절히 냉각하기 위하여 일반적으로 분리판 내부에 냉각수 유로를 형성하여 냉각을 수행한다.

이와 같이 연료전지 시스템에서는 연료전지가 최적의 조건에서 동작하기 위해서는 적절한 냉각이 필요하나, 저온 상태에서 장시간 노출된 경우에는 냉각수가 얼어서 초기 운전에 문제가 발생할 수 있다. 특히, 냉각수의 흐름을 단속하기 위한 솔레노이드 밸브에 결빙이 발생된 경우에는, 얼음이 오리피스를 막아 밸브가 정상적인 동작이 이루어지지 않게 된다.

이러한 문제는 연료전지 자동차가 동절기에 장시간 실외에 주차된 경우에는 냉각수가 얼게 되어 시동이 불가능한 문제점이 발생하게 되며, 따라서 연료전지 자동차가 실용화되기 위해서는 저온 상태에서 유체 배관 계통에서 결빙이 발생하는 문제는 반드시 해결되어야 할 문제이기도 하다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 밸브의 바깥으로 열선 등의 히터를 구비하고, 저온 조건에서 히터를 일정 시간 동안 작동하여 밸브에 결빙된 유체를 해빙하고자 하는 기술이 제안되어 있다. 그러나, 이러한 경우에 밸브 바깥으로 별도의 히터를 구비해야만 하므로, 장치의 크기가 커지고 무게가 증가하여 적용에 어려움이 발생한다.

또한, 히터가 작동하는 경우에 밸브 내부에 결빙된 유체가 완전히 해빙되었 는지 여부를 확인하기가 곤란하므로, 종래에는 일률적으로 결정된 시간 동안 히터를 작동하여 밸브의 해빙이 이루어졌을 것으로 간주하고 밸브를 작동하게 된다. 이러한 경우에 결빙된 유체의 량에 따라서는 불필요하게 해빙 시간이 길어질 수 있으며, 또는 완전한 해빙이 이루어지지 않은 상태에서 밸브가 작동될 수가 있다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 별도의 발열수단이 없이도 밸브 작동 시에 발생하는 자화열을 이용하여 자가 제빙이 이루어질 수 있는 밸브를 제공하고자 한다.

또한 본 발명은 밸브의 오리피스에 결빙이 발생하는 것을 최소화하여 초기 작동 시에 신속한 해빙이 이루어질 수 있는 자가 제빙 기능을 갖는 밸브를 제공하고자 한다.

또한 본 발명에서는 밸브 내에 결빙된 유체가 완전히 제거가 되었는지 여부를 결정할 수 있는 자가 제빙 기능을 갖는 밸브를 제공하고자 한다.

이러한 본 발명의 자가 제빙 기능을 갖는 밸브는, 일측 개구부에 오리피스가 형성된 중공의 선형 코어와; 상기 오리피스와 대면하여 상기 선형 코어와 동축을 이루며 고정되는 밸브바디와; 상기 밸브바디 내에 수납되어 상기 오리피스와의 계합 상태에 따라 유체의 흐름을 단속하게 되는 강자성 재질의 플런저와; 상기 오리 피스가 중앙에 위치하도록 상기 선형 코어와 밸브바디를 감싸면서 권취되는 솔레노이드 코일과; 상기 밸브바디 내에서 상기 플런저를 탄성 지지하기 위한 리턴 스프링과; 상기 솔레노이드 코일에 전원 공급을 제어하게 되는 제어유니트로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1을 참고하면, 이러한 본 발명의 자가 제빙 기능을 갖는 밸브는, 일측 개구부에 오리피스(112)가 형성된 중공(111)의 선형 코어(110)와; 상기 오리피스(112)와 대면하여 상기 선형 코어(110)와 동축을 이루며 고정되는 밸브바디(120)와; 상기 밸브바디(120) 내에 수납되어 상기 오리피스(112)와의 계합 상태에 따라 유체의 흐름을 단속하게 되는 강자성 재질의 플런저(130)와; 상기 오리피스(112)가 중앙에 위치하도록 상기 선형 코어(110)와 밸브바디(120)를 감싸면서 권취되는 솔레노이드 코일(140)과; 상기 밸브바디(120) 내에서 상기 플런저(130)를 탄성 지지하기 위한 리턴 스프링(150)과; 상기 솔레노이드 코일(140)에 전원 공급을 제어하게 되는 제어유니트(160)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

선형 코어(110)는 중공(111)의 원통 형상을 가지며, 하단 개구부에는 오리피스(112)가 형성된다. 선형 코어(110)의 재질은 강자성 재질이 이용된다.

밸브바디(120)는 중공의 원통 형상을 가지며, 상단 개구부가 선형 코어(110)의 오리피스(112) 측으로 고정된다. 밸브바디(120)의 재질은 비자성체의 금속이 이 용된다.

밸브바디(120)는 선형 코어(110)와 동축을 이루면서 선형 구조로 조립되며, 밸브를 지나는 유체의 저항을 최소화하는 것이 바람직하다.

선형 코어(110)와 상단과 밸브바디(120)의 하단에는 각각 커플링(101)(102)이 연결되어 다른 유체 배관과 연결된다.

플런저(130)는 강자성 재질로 제작되며 밸브바디(120) 내에 수납된다. 플런저(130) 위치에 따라 플런저(130) 상단이 오리피스(112)를 폐쇄 또는 개방하여 유체의 흐름을 단속한다.

특히, 본 발명에 있어 플런저(130)는, 오리피스(112)와 접하게 되는 발수성 재질의 플런저헤드(131)와, 이 플런저헤드(131)에 고정된 강자성 재질의 플런저바디(132)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

도 2는 본 발명에 있어 플런저의 바람직한 일례를 보여주는 도면으로, 플런저헤드(131)의 하부에는 플런저바디(132)가 고정된다.

플런저바디(132)의 외주면에는 길이 방향으로 다수의 요홈(133)이 형성되며, 오리피스가 개방되는 경우에 플런저바디(132)의 요홈(133)을 따라 유체가 흐르게 된다.

플런저헤드(131)는 발수성 재질로 제작되는 것이 바람직하며, 또한 강자성 재질의 플런저바디(132)의 외주면에도 발수성 피막층(132a)이 추가될 수가 있다. 이러한 발수성 재질로는 공지의 불소수지인 테플론이 이용될 수 있다.

이와 같이, 플런저의 외주면 일부 또는 전부를 발수 처리함으로써, 유체가 흐르는 과정에서 일부 유체가 플런저에 점착되어 저온 상태에서 결빙되는 것을 최소화할 수 있다.

또한, 플런저헤드를 테플론으로 제작하는 경우에는 수분 점착성을 최소화하면서도 저온 내구성 향상 및 마찰계수를 최소화할 수 있는 장점이 있다.

솔레노이드 코일(140)은 선형 코일(110)과 밸브바디(120)를 감싸도록 권취되되, 바람직하게는 오리피스(112)가 솔레노이드 코일(140)의 중앙에 위치하도록 한다.

즉, 솔레노이드 코일(140)의 길이가 L인 경우에, 오리피스(112)의 위치는 솔레노이드 코일(140) 높이의 L/2 위치가 되도록 하는 것이 바람직하다.

이는 자속밀도가 가장 높은 솔레노이드 코일(140)의 중앙에 오리피스(112)가 위치하도록 함으로써, 플런저가 작동 시에 플런저에 발생되는 큰 자화열(heat of magnetization)을 이용하여 오리피스에 결빙된 유체를 신속히 해빙할 수가 있다.

한편, 솔레노이드 코일(140)은 보빈(141) 내에 수납될 수 있다. 이때, 보빈(141)의 재질로써 열 전도성 전기절연체가 사용될 수 있다. 이러한 열 전도성 전기절연체는 열전도성을 갖는 합성수지가 이용될 수 있으며, 일례로 (주)LG화학의 열전도성 플라스틱(상품명 "LUCON")이 있다. 이와 같이 보빈의 재질을 열 전도성 전기절연체를 사용함으로써, 솔레노이드 코일과 밸브 사이의 전기적인 절연이 이루어지면서도, 솔레노이드 코일 자체에서 발생되는 줄열(joule heat)이 밸브바디에 효과적으로 전달되도록 하여 해빙 기능을 촉진시킬 수 있다.

리턴 스프링(150)은 밸브바디(120) 내에 위치하여 플런저(130) 하단을 탄성 지지한다. 이러한 리턴 스프링(150)은 솔레노이드 코일(140)에 전원이 인가되지 않는 경우에 플런저(130)가 하단으로 이동하여 오리피스(112)를 개방 상태로 유지하도록 한다.

제어유니트(160)는 솔레노이드 코일(140)에 인가되는 전원 공급을 제어한다. 특히, 본 발명에 있어 제어유니트(160)는 초기 밸브 작동 시에 솔레노이드 코일에서 발생된 소비전력을 감지하고, 측정된 소비전력을 설정값과 비교하여 오리피스(112)에 결빙된 유체가 완전히 해빙되었는지를 판단하게 된다.

도 3 및 도 4는 밸브의 초기 작동 시에 오리피스의 결빙 유무에 따라 소비전력의 변화를 보여주는 도면으로, 도 3은 오리피스에 결빙된 유체가 존재하지 않는 정상 조건에서의 소비전력 변화를 보여준다.

즉, 오리피스에 결빙된 유체가 존재하지 않는 경우에는 솔레노이드 코일에 전원이 인가 시에 발생되는 소비 전력은 시간 변화에 따라 일정한 값(W)을 갖는다.

반면에, 도 4는 오리피스에 결빙된 유체가 있는 경우의 소비전력 변화를 보여주는 것으로, 오리피스와 플런저 사이에 결빙된 유체가 있는 경우에는 오리피스와 플런저 사이에 일정한 갭이 있게 된다.

따라서, 밸브를 차단하기 위하여 솔레노이드 코일에 전원이 인가되어라도 플런저는 오리피스와 완전히 밀착된 상태를 유지하지 못하면서 정상 조건보다 큰 소비전력이 발생한다.

한편, 오리피스와 플런저 사이에 결빙된 유체는 플런저에서 발생된 자화열에 의해 해빙이 이루어지며, 결빙된 유체가 완전히 해빙이 이루어지면 오리피스에 플런저가 완전히 밀착되어 정상 조건에서의 소비전력만이 발생한다.

따라서, 제어유니트(160)는 측정된 소비전력이 설정값보다 큰 경우에는 결빙된 유체가 있는 것으로 판단하게 되며, 이후 완전히 해빙이 이루어지면서 소비전력이 설정값 수준이 되면 완전히 해빙이 이루어진 것으로 판단하여 필요한 밸브 동작을 수행한다.

이와 같이, 본 발명의 밸브에서는 제어유니트(160)가 솔레노이드 코일에 인가된 전력을 감지하여 측정된 소비전력과 설정값(정상 조건에서의 소비전력)을 비교하여 오리피스에 결빙된 유체가 해빙되었는지 여부를 판단할 수가 있다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 밸브는 유체가 자연 배수가 이루어질 수 있도록 수직으로 설치되는 것이 바람직하며, 따라서 유체가 밸브를 통과 시에 유체 저항을 최소화하면서도 오리피스에 유체 일부가 남아서 결빙되는 것을 최소화할 수가 있다.

또한, 오리피스와 플런저 사이에 남은 일부 유체가 결빙된 경우에는 밸브 작동 초기에 솔레노이드 코일에 인가된 전원에 의해 플런저에 발생되는 자화열에 의 해 결빙된 유체가 신속히 해빙이 이루어지게 된다.

한편, 제어유니트에서는 솔레노이드 코일에서의 소비전력을 감지함으로써, 오리피스에 결빙된 유체가 해빙되었는지를 판단할 수 있으며, 감지된 소비전력이 설정값(정상 조건에서의 소비전력) 범위 내에 있음이 확인된 후에 필요한 밸브 동작을 수행하게 된다.

이상과 같은 본 발명의 자가 제빙 기능을 갖는 밸브는, 자속밀도가 가장 높은 솔레노이드 코일의 중앙에 오리피스가 위치하도록 함으로써, 플런저 작동 시에 발생되는 자화열을 이용하여 자체적으로 결빙된 유체를 해빙하도록 할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 플런저 외주면 일부 또는 전부에 발수제를 도포함으로써, 저온 조건에서도 결빙 정도를 최소화할 수가 있다.

다른 한편으로 본 발명에서는 솔레노이드 코일에 전원을 공급하게 되는 제어유니트에서 소비전력을 측정하여 설정값과 비교 판단한 후에 소비전력 변화를 통해 결빙된 유체가 해빙되었는지 여부를 판단할 수 있으므로, 신속하면서도 밸브의 작동 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims

일측 개구부에 오리피스가 형성된 중공의 선형 코어와;

상기 오리피스와 대면하여 상기 선형 코어와 동축을 이루며 고정되는 밸브바디와;

상기 밸브바디 내에 수납되어 상기 오리피스와의 계합 상태에 따라 유체의 흐름을 단속하게 되는 강자성 재질의 플런저와;

상기 오리피스가 중앙에 위치하도록 상기 선형 코어와 밸브바디를 감싸면서 권취되는 솔레노이드 코일과;

상기 밸브바디 내에서 상기 플런저를 탄성 지지하기 위한 리턴 스프링과;

상기 솔레노이드 코일에 전원 공급을 제어하게 되는 제어유니트로 구성되는 것을 특징으로 하는 자가 제빙 기능을 갖는 밸브.
제1항에 있어서, 상기 플런저는,

상기 오리피스와 접하게 되는 발수성 재질의 플런저헤드와, 이 플런저헤드에 고정된 강자성 재질의 플런저바디로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자가 재빙 기능을 갖는 밸브.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 플런저는 외주면에 발수성 피막층이 추가로 구비되는 것을 특징으로 하는 자가 제빙 기능을 갖는 밸브.
제1항에 있어서, 상기 제어유니트는 상기 솔레노이드 코일에 인가된 전력을 감지하여 측정된 소비전력과 설정값을 비교하여 오리피스에 제빙이 이루어졌음을 판단하는 것을 특징으로 하는 자가 제빙 기능을 갖는 밸브.