KR100792541B1 - 고압 가스용 레귤레이터 - Google Patents

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reducing chamber
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이준혁
조충희
김경남
임재규
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(주)모토닉
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Abstract

본 발명은 고압 가스용 레귤레이터에 관한 것으로서,
본체; 상기 본체 내에서 서로 이격되게 형성되며 중간연결통로를 통해 서로 연통되어 있는 제1감압실과 제2감압실; 상기 제1감압실과 제2감압실에 각각 연통되게 형성된 유입구와 유출구; 상기 제1감압실 및 제2감압실에 각각 면하는 제1피스톤 및 제2피스톤; 상기 제1피스톤의 제1감압실 반대쪽에 설치된 제11스프링; 상기 제1피스톤의 제1감압실 쪽에 고정 설치되며, 본체의 상기 유입구와 연통되게 형성된 오리피스와의 사이에 유동간격을 형성하는 밸브축; 및 상기 제1피스톤의 제2감압실 반대쪽에 설치된 제21스프링을 포함하여 구성되어 있어, 상기 밸브축과 제1피스톤과 제2피스톤이 본체 내에서 왕복하면서 감압이 이루어지는 것을 특징으로 하므로, 내구성이 우수하고 구조가 간단하며 2단으로 용이하게 감압할 수 있다는 이점이 있다.
레귤레이터, 가스, 피스톤, 본체, 스프링, 밸브

Description

고압 가스용 레귤레이터{REGULATOR FOR HIGH-PRESSURE GAS}
도 1은 본 발명에 따른 고압 가스용 레귤레이터의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 고압 가스용 레귤레이터의 구조를 나타내는 종단면도이다.
도 3은 도 2에서 1차 감압부의 구성을 나타내는 종단면도이다.
도 4는 도 2에서 2차 감압부의 구성을 나타내는 종단면도이다.
※ 주요 구성부호의 설명
100... 본체
110... 중간연결통로
120... 제1감압실
130... 제2감압실
140... 유입구
150... 유출구
160... 오리피스
170... 유동간격
180... 임시저장공간
190... 스토퍼
210... 제1피스톤
220... 제2피스톤
310... 제11스프링
320... 제21스프링
330... 제12스프링
340... 제22스프링
400... 밸브축
600... 필터
900... 실링용 오링
1000... 고압 가스용 레귤레이터
본 발명은 고압 가스용 레귤레이터에 관한 것으로서, 특히 고압으로 압축된 수소나 기체 등의 가스를 소정의 압력으로 감압 조정하는 기능을 가지는 내구성이 우수하고 구조가 간단한 레규레이터에 관한 것이다.
천연가스 및 기타 가스 자동차 등에는 고압으로 압축된 가스를 시스템이 필요로 하는 압력으로 감압 조정하기 위한 감압용 레귤레이터가 구비되어야 한다.
종래의 대표적인 고압 가스용 레귤레이터의 몇 가지 대표적인 예를 개략적으로 소개하면 다음과 같다.
먼저, 미국특허 제6,629,544호(종래기술 1)에는 정상 폐쇄식(normal close type) 레귤레이터가 개시되어 있다. 종래기술 1의 레귤레이터에 따르면, 고압의 입구압이 일반적인 다이아프램과 탄성체(코일 스프링)의 반력에 의해 일정한 압력으로 감압이 되는 구조로 되어 있다. 그리고, 상기 탄성체의 반력은 스프링의 힘을 조정하는 별도의 기구에 의해 조정되게 된다. 이 경우, 요구되는 출구압보다 높을 경우에는 오리피스부가 폐쇄되고, 낮을 경우에는 개방되어 압력이 보상되는 작용을 나타낸다.
다음, 미국특허 제5,890,512호(종래기술 2)에도 상기 종래기술 1과 유사한 정상 폐쇄식 레귤레이터가 개시되어 있다. 여기서, 상기 종래기술 1과 다른 점은 입구측에도 밸브 스템(stem)에 작용하는 스프링(탄성체)이 있고 온수 통로실이 별도로 구비되어 있다는 점이다.
다음, 미국특허 제678,712호(종래기술 3)에는 역시 정상 폐쇄식의 레귤레이터가 개시되어 있는데, 여기서는 입구압에 대한 반력으로 작용하는 스프링으로 디스크 스프링이 채택되어 있고 감압부와 스프링실은 다이아프램 대신 축방향 운동이 가능한 미끄럼 부재(sliding part)로 이루어져 있다.
다음, 미국특허 제6,321,779호(종래기술 4)에는 정상 개방식(normal open type)의 레귤레이터의 구조가 개시되어 있으며, 여기서는 감압된 입구압이 출구측 상단면에 압력으로 작용하여 오리피스 밸브부를 폐쇄시킴으로써 일정압으로 감압하는 원리를 가지고 있다. 여기서, 입구압력이 높거나 낮더라도 이를 보상할 수 있는 탄성체 및 출구압을 일정압으로 유지케 하는 출구압 유지부가 구비되어 있으며 적용되는 탄성체로는 디스크 스프링을 채택하고 있다.
그러나, 이러한 종래의 레귤레이터는 다아아프램 등이 포함되어 있으므로 내구성이 약하고 디스크 스프링이나 미끄럼 부재 등이 채택되는 과정에서 조립구조가 복잡해지는 단점이 있다.
따라서, 종래에는 2단으로 감압하는 레귤레이터를 구성할 경우 내구성이 더욱 떨어지고 구조가 더욱 복잡하게 되었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 내구성이 우수하고 구조가 간단하며 2단으로 감압할 수 있는 고압 가스용 레귤레이터를 제공하는데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 고압 가스용 레귤레이터는,
본체;
상기 본체 내에서 서로 이격되게 형성되며 중간연결통로를 통해 서로 연통되어 있는 제1감압실과 제2감압실;
상기 제1감압실과 제2감압실에 각각 연통되게 형성된 유입구와 유출구;
상기 제1감압실 및 제2감압실에 각각 면하는 제1피스톤 및 제2피스톤;
상기 제1피스톤의 제1감압실 반대쪽에 설치된 제11스프링;
상기 제1피스톤의 제1감압실 쪽에 고정 설치되며, 본체의 상기 유입구와 연통되게 형성된 오리피스와의 사이에 유동간격을 형성하는 밸브축; 및
상기 제2피스톤의 제2감압실 반대쪽에 설치된 제21스프링을 포함하여 구성되어 있어,
상기 밸브축과 제1피스톤과 제2피스톤이 본체 내에서 왕복하면서 2단계로 감압이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 밸브축의 제1감압실 반대쪽과 본체 사이에는 제12스프링이 설치되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2피스톤의 제21스프링 반대쪽에는 본체와의 사이에 제22스프링이 설치되어 있는 것이 바람직하다.
대신, 상기 밸브축의 제1감압실 반대쪽과 본체 사이에는 제12스프링이 설치되어 있고, 상기 제2피스톤의 제21스프링 반대쪽에는 본체와의 사이에 모두 제22스프링이 설치되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2피스톤의 내부는 상기 제2감압실 및 유출구와 연통되는 내부유동통로가 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제11스프링과 제21스프링은 각각 제1조정나사와 제2조정나사에 의해 초기 반력이 조정되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 본체의 내부에는 상기 제12스프링과 밸브축의 일부를 수용하며 유입구가 연통되는 임시저장공간이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 임시저장공간과 유입구 사이에는 필터가 배치되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1피스톤에는, 제1감압실의 바닥을 향해 연장되는 스토퍼가 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제11스프링은 디스크 스프링으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 제22스프링은 디스크 스프링으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 제11스프링과 제21스프링은 서로 수직방향으로 설치된 것이 바람직하다.
또한, 상기 임시저장공간은 상기 본체에 설치된 제1본체캡 내부에 형성되며, 상기 제12스프링은 상기 제1본체캡과 밸브축의 단부 사이에 설치된 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1조정나사는 상부의 제3본체캡을 개재하여 본체에 결합된 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 고압 가스용 레귤레이터(1000)는, 본체(100)와, 상기 본체(100) 내에서 서로 이격되게 형성되며 중간연결통로(110)를 통해 서로 연통되어 있는 제1감압실(120) 및 제2감압실(130)과, 상기 제1감압실(120) 및 제2감압실(130)에 각각 연통되게 형성된 유입구(140) 및 유출구(150)와, 상기 제1감압실(120) 및 제2감압실(130)에 각각 면하는 제1피스톤(210) 및 제2피스톤(220)과, 상기 제1피스톤(210)의 제1감압실(120) 반대쪽에 설치된 제11스프링(310)과, 상기 제1피스톤(210)의 제1감압실(120) 쪽에 고정 설치되며, 본체(100)의 상기 유입구(140)와 연통되게 형성된 오리피스(160)와의 사이에 유동간격(170)을 형성하는 밸브축(400)과, 상기 제2피스톤(220)의 제2감압실(130) 반대쪽에 설치된 제21스프링(320)을 포함하여 구성되어 있다.
이러한 구성에 따라, 상기 밸브축(400)과 제1피스톤(210)과 제2피스톤(220)은 상기 본체(100) 내에서 왕복하면서 감압이 이루어지게 된다.
이때, 도시된 바와 같이, 상기 제1피스톤(210)의 이동방향과 제2피스톤(220)의 이동방향은 수직으로 되어 있어 레귤레이터의 전체적인 부피가 줄어들 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1피스톤(210)과 제2피스톤(220)을 탄성지지하는 제11스프링(310)과 제21스프링(320)은 서로 수직방향으로 설치되어 있다.
또한, 상기 제1피스톤(210)의 제1감압실(120) 쪽에는 밸브축(400)이 고정되어 있다.
이에 따라서, 상기 유입구(140) 및 밸브축(400)과 오리피스(160) 사이의 유동간격(170)을 통해 고압의 가스가 통과할 때 그 가압력에 의해 제1피스톤(210)가 밀리면서 제1감압실(120)에서는 그에 상당하는 만큼 압력이 강하한다.
다음 순간에는, 상기 밸브축(400)이 원위치로 하강하므로 상기 밸브축(400)은 오리피스(160) 내에서 왕복운동하게 된다.
이 경우, 상기 오리피스(160)의 하단에 접촉하는 밸브축(400) 부분에는 테이퍼가 형성되어 있고, 본체(100)와 밸브축(400)의 테이퍼부 사이에는 밸브시트(410)가 배치되어 있어 밸브축(400)의 미끄럼 왕복운동으로 인한 소음(가청 노이즈)이 최소화될 수 있다.
또한, 상기 밸브축(400)의 제1감압실(120) 반대쪽과 본체(100) 사이에는 제12스프링(330)이 설치되어 있어, 밸브축(400)이 왕복운동할 때 완충작용을 수행한다. 이 경우, 도면에서는 상기 제11스프링(310)이 디스크 스프링으로 구성되어 있으나 코일 스프링이 사용되어도 무방하다.
또한, 상기 본체(100)의 내부에는 상기 제12스프링(330)과 밸브축(400)의 일부를 수용하며 유입구(140)가 연통되는 임시저장공간(180)이 형성되어 있다. 이를 위해, 상기 임시저장공간(180)과 유입구(140) 사이에는 유입공(181)이 형성되어 있다.
도면에서는, 상기 임시저장공간(180)과 유입공(711)이 하부의 밀봉용 제1본체캡(810)에 형성된 구성으로 되어 있으나 본체(100)에 직접 형성될 수도 있다. 또한, 도면에서는 상기 유입공(181)이 제1본체캡(810)의 둘레를 따라 6개 형성되어 있으나, 그 갯수가 특별히 제한될 필요는 없다.
이에 따라, 유입구(140)를 통해 유입된 고압의 가스는 상기 임시저장공간(180)에 일시 저장된 후 오리피스(160)와 밸브축(400)의 외면 사이에 형성된 유동간격(170)을 통해 제1감압실(120)로 들어간다.
더욱이, 상기 임시저장공간(180)과 유입구(140) 사이에는 필터(600)가 배치되어, 수소 및 기체 등의 가스를 정화하는 역할을 수행함으로써 오리피스 및 미세한 구멍의 막힘을 사전에 방지하는 것이 좋다.
또한, 도면에서 제12스프링(330)은 상기 제1본체캡(810)과 밸브축(400)의 단부 사이에 설치되어 있다. 그러나, 밸브축(400)의 단부와 본체에 직접 연결될 수도 있다.
또한, 상기 제1피스톤(210)에는, 제1감압실(120)의 바닥을 향해 연장되는 스토퍼(190)가 형성되어 있어 오리피스(160)의 하단 개구가 지나치게 개방되지 않도록 하는 것이 좋다.
한편, 상기 제2피스톤(220)의 제21스프링(320) 반대쪽에는 본체(100)와의 사이에 제22스프링(340)이 설치되어 있다. 상기 제22스프링(340)은 제2피스톤(220)을 지지하는 역할을 수행한다. 또한, 도면에서 상기 제22스프링(340)은 디스크 스프링으로 구성되어 있으나 코일 스프링이 사용되어도 무방하다.
여기서, 상기 제2피스톤(220)의 내부에는 상기 제2감압실(120) 및 유출구(150)와 연통되는 내부유동통로(221)가 형성되어 있다. 이에 따라, 2차 감압된 가스가 상기 내부유동통로(221)를 통해서 유출구(150)로 배출된다.
또한, 상기 제11스프링(310)에는 제1조정나사(812)가 연결되어 있어 제2감압실(130)에서 원하는 압력으로 조절하게 되어 있고, 제21스프링(320)에도 제2조정나사(822)가 연결되어 있어 1차 감압된 압력을 원하는 압력으로 조절하는 기능을 수행한다.
도면에서, 상기 제1조정나사(812)는 상부에 배치된 제3본체캡(830)에 설치되어 있으나 본체(100)에 직접 설치되는 것도 가능하다.
또한, 제2조정나사(822)는 실링용 제2본체캡(820)에 설치되어 있으나 본체(100)에 직접 설치되는 것도 가능하다. 또한, 상기 제2본체캡(820)에는 제2조정나사(822)의 후단에 제2플러그(821)가 설치되어 있어 실링 역할을 수행한다.
또한, 상기 제21스프링(320)과 제2조정나사(822) 사이에는 조정판(823)이 설치되어 있어 제2조정나사(822)에 의한 압력조절을 원활하게 한다.
기술되지 않은 구성부호 900은 실링용 오링이다. 특히, 상기 제1피스톤(210)의 둘레에는 2중으로 오링(900)(900)이 설치되어 있어 한층 확실한 슬라이딩 및 기밀상태를 유지할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 고압 가스용 레귤레이터의 작용을 설명한다.
먼저, 압축된 수소나 기체 등 고압의 가스가 유입구(140)로부터 유입되면 필터(600)를 통해 일단 정화가 이루어진다.
다음, 정화된 가스는 임시저장공간(180)과 유입구(140) 사이에 형성된 유입공(181)을 통해 유입된다. 이에 따라, 고압의 가스는 상기 임시저장공간(180)에서 일시 머무르고 곧이어 오리피스(160)를 통해 제1감압실(120)로 유입된다.
이때, 오리피스(160)를 통해 유입되는 가스의 압력에 의해 제11스프링(310)의 탄성력을 이기고 제1피스톤(210)과 밸브축(400)을 밀어올림으로써 1차 감압이 이루어진다. 다음, 감압된 가스는 본체(100) 내부에 형성된 중간연결통로(110)로 향한다.
다음, 밀어올려졌던 제1피스톤(210)은 제11스프링(310)의 탄성력에 의해 다시 원위치로 하강하게 된다. 이 순간, 상기 밸브축(400)의 하단에 설치된 제12스프링(330)에 의해 완충되면서 소음이 감소된다. 여기서, 상기 제11스프링(310)이 수용되는 스프링실은 대기압이 작용하도록 연결구멍(미도시)이 연결되어 있어 스프링실에서는 자체 스프링력에 의한 반발력만이 작용하게 된다.
즉, 오리피스(160)를 통해 밸브축(400)이 미끄럼 왕복운동을 하면서 가스의 1차 감압이 이루어진다.
여기서, 1차 감압의 조정은 제11스프링(310)의 일단부에 설치된 제1조정나사(812)에 의해 이루어진다.
이와 같이, 1차 감압된 가스는 중간연결통로(110)를 통해 제2피스톤(220)에 압력을 가한다. 이에 따라, 1차 감압된 가스의 압력이 제21스프링(320)의 탄성력을 이기고 제2피스톤(220)을 밀어붙임에 따라 가스의 2차 감압이 이루어진다.
2차 감압된 가스는 제2피스톤(220)과 본체(100) 사이에 형성된 틈을 지나 상기 제2피스톤(220)의 내부에 형성된 내부유동통로(221)를 통해 유출구(150)를 통해 시스템이에 사용 가능한 소정의 압력으로 감압되어 유출된다.
이때, 2차 감압된 가스의 일부는 유출되지 않고 제21스프링(320)이 수용된 공간으로 이동한다.
가스가 유출되면 다시 제21스프링(320)의 탄성력에 의해 제2피스톤(220)이 원위치로 이동하여 제2피스톤(220)의 단부가 상기 내부유동통로(221)를 폐쇄하게 된다. 이와 동시에 제22스프링(340)으로 인한 제2피스톤(220)의 지지 및 완충작용이 이루어진다. 상기 제22스프링(340)이 수용되는 스프링실은 대기압이 작용하도록 연결구멍(미도시)이 연결되어 있어 스프링실에서는 자체 스프링력에 의한 반발력만이 작용하게 된다.
여기서, 2차 감압의 조정은 제21스프링(320)의 일단부에 설치된 제2조정나사(822)에 의해 이루어진다.
전술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 다이아프램과 같은 연약 부재가 없으므로 내구성이 우수하고 구조가 간단하며 2단으로 용이하게 감압할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 2단계에 걸친 감압 구조를 통해 1단계만에 의한 감압구조에 비해 스프링 상수값을 상당히 낮출 수 있고 부품의 부하를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 1단계에서의 피스톤의 이동방향과 2단계에서의 피스톤의 이동방향을 수직으로 하여 전체적인 감압구조의 부피를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 제12스프링과 제22스프링이 배치되어 있어 피스톤이 원위치로 회복될 때 발생할 수 있는 순간적인 충격을 완화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 제2피스톤의 내부에 내부유동통로가 형성되어 있어 가스의 유동경로가 짧아져서 레귤레이터의 전체 부피가 크게 작아진다.
또한, 본 발명에 따르면, 제1피스톤에 형성된 스토퍼에 의해 오리피스가 과도하게 개방되는 것을 방지하고 피스톤의 왕복운동을 한층 용이하게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 제11스프링과 제21스프링에 조정나사가 설치되어 있어 초기 반력을 용이하게 조정할 수 있다.
또한, 본체의 내부에 실링용 본체캡이 설치되어 있어 조립이 용이하다.

Claims (15)

  1. 본체;
    상기 본체 내에서 서로 이격되게 형성되며 중간연결통로를 통해 서로 연통되어 있는 제1감압실과 제2감압실;
    상기 제1감압실과 제2감압실에 각각 연통되게 형성된 유입구와 유출구;
    상기 제1감압실 및 제2감압실에 각각 면하는 제1피스톤 및 제2피스톤;
    상기 제1피스톤의 제1감압실 반대쪽에 설치된 제11스프링;
    상기 제1피스톤의 제1감압실 쪽에 고정 설치되며, 본체의 상기 유입구와 연통되게 형성된 오리피스와의 사이에 유동간격을 형성하는 밸브축; 및
    상기 제2피스톤의 제2감압실 반대쪽에 설치된 제21스프링을 포함하여 구성되어 있어,
    상기 밸브축과 제1피스톤과 제2피스톤이 본체 내에서 왕복하면서 2단계로 감압이 이루어지는 것을 특징으로 하는 고압 가스용 레귤레이터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 밸브축의 제1감압실 반대쪽과 본체 사이에는 제12스프링이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 고압 가스용 레귤레이터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2피스톤의 제21스프링 반대쪽에는 본체와의 사이에 제22스프링이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 고압 가스용 레귤레이터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 밸브축의 제1감압실 반대쪽과 본체 사이에는 제12스프링이 설치되어 있고, 상기 제2피스톤의 제21스프링 반대쪽에는 본체와의 사이에 제22스프링이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 고압 가스용 레귤레이터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2피스톤의 내부는 상기 제2감압실 및 유출구와 연통되는 내부유동통로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고압 가스용 레귤레이터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제11스프링과 제21스프링은 각각 제1조정나사와 제2조정나사에 의해 초기 반력이 조정되는 것을 특징으로 하는 고압 가스용 레귤레이터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 본체의 내부에는 상기 제12스프링과 밸브축의 일부를 수용하며 유입구가 연통되는 임시저장공간이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고압 가스용 레귤레이터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 임시저장공간과 유입구 사이에는 필터가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 고압 가스용 레귤레이터.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 제1피스톤에는, 제1감압실의 바닥을 향해 연장되는 스토퍼가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고압 가스용 레귤레이터.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 제11스프링은 디스크 스프링인 것을 특징으로 하는 고압 가스용 레귤레이터.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 제22스프링은 디스크 스프링인 것을 특징으로 하는 고압 가스용 레귤레이터.
  12. 제5항에 있어서,
    상기 제11스프링과 제21스프링은 서로 수직방향으로 설치된 것을 특징으로 하는 고압 가스용 레귤레이터.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 임시저장공간은 상기 본체에 설치된 제1본체캡 내부에 형성되며, 상기 제12스프링은 상기 제1본체캡과 밸브축의 단부 사이에 설치된 것을 특징으로 하는 고압 가스용 레귤레이터.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1조정나사는 상부의 제3본체캡을 개재하여 본체에 결합된 것을 특징으로 하는 고압 가스용 레귤레이터.
  15. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1피스톤의 둘레에는 2중으로 오링이 설치된 것을 특징으로 하는 고압 가스용 레귤레이터.
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