레귤레이터는 입구측에 형성된 고압의 가스압력을 소정의 압력으로 감압하여 출구측으로 공급하는 장치이다. 통상적인 가스 감압용 레귤레이터는 1단계 감압만을 수행하는데, 그 대표적인 구조가 한국등록실용신안공보 제0289663호에 개시되어 있다. 이하, 도 1을 참조하여 그 구성을 개략적으로 기술하도록 한다.
도시된 바와 같이, 종래의 레귤레이터(10)는 제어용 밸브로부터 가스가 공급되는 가스공급구(6)와, 가스의 유입과 배출에 따라 팽창 및 수축하는 다이어프램(7)과, 상기 가스의 유입량을 조절하는 압력조절스크류(8a)와, 다이어프램(7)을 누르는 밸런스 스프링(8)과, 상기 다이어프램(7)의 하강시 작동되어 가스공급구(6)에 부설된 밸브(6a)를 개폐하는 레버(9)로 구성된다.
먼저, 고압의 연료가 가스공급구(6)의 단부에 설치된 밸브(6a)를 통해 내부 로 유입되면 감압실 내의 압력이 상승하고, 이에 따라 다이어프램(7)이 위로 상승하게 된다.
이 경우, 다이어프램(7)의 상면에 설치된 밸런스 스프링(8)은 수축되고, 레버(9)의 하부에 장착된 메인스프링(9a)은 팽창되면서 가스공급구(6)의 상부에 형성된 밸브(6a)를 닫아 가스의 공급을 차단하게 된다.
이렇게 감압된 가스는 일측에 형성된 가스배출구(10a)를 통해 배출되고, 밸런스 스프링(8)의 탄성에 의해 다이어프램(7)이 하강하여 레버(9)를 하부로 작동시킴으로써 가스공급구(6)의 밸브(6a)를 개방시킴으로써 가스가 다시 공급되기 시작한다.
이와 같이, 밸브(6a)의 반복적인 개폐를 통해 고압의 연료가 감압된 상태로 다음 단계로 넘어가 공기와 혼합된다.
그러나, 종래의 1단계 감압장치에서는, 상당한 크기의 압력을 감압시키기 위해 감압실의 단면적이 커야만 했고 스프링의 스프링 상수도 큰 것을 채용해야만 했다. 이 경우, 전체 부피가 커지고 설치비용이 증가하는 문제점이 있었다.
또한, 단지 스프링과 다이어프램의 신축에 의해서만 감압되기 때문에, 입구압의 큰 변동에 따라 출구압의 변동폭을 작게 조절하는 데는 한계가 있을 수밖에 없었다.
아울러, 가스의 경우 감압시 급격하게 온도 저하가 발생하므로 고무로 형성된 다이어 프램은 재질특성상 온도저하로 인한 아이싱이 발생하여 동작성 저하 및 파손의 위험이 따르는 문제점이 있게 된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도면을 참고하여 씨엔지 차량을 설명하면 다음과 같다.
여기서, 도 2는 일반적인 씨엔지 차량을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 씨엔지 차량은, 압축천연가스가 저장되는 실린더(21)와, 상기 실린더(21)와 엔진(22)을 연결하는 연료공급라인(23)과, 상기 연료공급라인(23)에 설치되어 압축천연가스를 감압시키는 레귤레이터(A)와, 상기 레귤레이터(A)를 통해 감압된 압축천연가스와 흡입공기를 혼합하여 엔진에 공급하는 믹서(24)로 구성된다.
또한, 상기 실린더(21)는 대략 350Bar의 압력으로 압축천연가스가 저장되며, 압축천연가스는 엔진(22)으로 공급되기 전에 상기 레귤레이터(A)를 거치면서 압력은 350Bar에서 대략 2~5Bar를 유지하도록 감압된다.
더불어, 상기 믹서(24)에는 흡입공기의 이물질을 제거하는 에어클리너(25)가 구비되며, 상기 에어클리너(25)에 의해 엔진(22)의 연소에 방해되는 이물질이 제거하여 엔진 부조 등을 방지한다.
여기서, 상기 엔진(22), 레귤레이터(A), 믹서(24) 및 에어클리너(25)는 ECU와 같은 주 제어장치에 의해 제어된다.
따라서, 상기 믹서(24)에 의해 압축천연가스와 흡입공기가 합쳐진 혼합기는 엔진(22)의 각 연소실에 분사되어 연소가 이루어지며, 연소에 의해 발생된 유해배기가스는 외부로 배출된다.
이하, 도면을 참고하여 레귤레이터를 상세하게 설명한다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 레귤레이터를 도시한 사시도이며, 도 4는 본 발명에 따른 레귤레이터를 도시한 평면도이고, 도 5는 도 4의 'A-A'부 단면도이며, 도 6은 도 5의 'B-B'부 단면도이고, 도 7은 도 4의 'C-C'부 단면도이다.
도 3a 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 레귤레이터(A)는, 가스를 1차감압하는 제1감압부(100)와, 상기 제1감압부(100)를 통과한 가스를 2차감압하는 제2감압부(200)로 구성되되, 상기 제1감압부(100)와 제2감압부(200)의 작동방향이 서로 직각을 이루도록 구성된다.
여기서, 상기 제1감압부(100)는 제1오리피스(111)가 형성되는 제1하우징(110)과, 상기 제1오리피스(111)와 결합되는 제1밸브샤프트(120)와, 상기 제1밸브샤프트(120)의 일단과 접촉하여 선단운동을 하는 피스톤(130)과, 상기 피스톤(130)이 설치된 단부를 덮도록 상기 제1하우징(110)과 결합되는 제1캡(140) 및 상기 피스톤(130)과 제1캡(130) 사이에 결합되는 제1스프링(150)으로 구성된다.
또한, 상기 제2감압부(200)는 상기 제1하우징(110)의 수직방향으로 결합되며 제2오리피스(211)가 형성되는 제2하우징(210)과, 상기 제2오리피스(211)에 결합되는 제2밸브샤프트(220)와, 상기 제2밸브샤프트(220)의 일단과 접촉하여 선단운동을 하는 다이어프램(230)과, 상기 다이어프램(230)이 설치된 단부를 덮도록 상기 제2하우징(210)과 결합되는 제2캡(240) 및 상기 다이어프램(230)과 제2캡(240) 사이에 설치되는 제2스프링(250)으로 구성된다.
그리고, 상기 제1하우징(110)에는 가스가 유입되는 입력포트(112)가 구비되며, 상기 제2하우징(210)에는 감압된 가스가 배출되는 출력포트(212)가 구비되고, 상기 입력포트(112)에는 필터(112a)가 부설되어 가스의 이물질을 걸러주어 엔진 부조 등을 방지한다.
또한, 상기 제1하우징(110)에는 상기 제1밸브샤프트(120)를 외주면을 감싸는 샤프트 지지구(160)가 구비되며, 상기 샤프트 지지구(160)에는 하나 이상의 유입공(161)이 상기 입력포트(112)와 연결되는 유로와 연통되게 형성된다.
한편, 상기 유입공(161)은 상술한 제1오리피스(111)로 연료를 안내하며, 상기 제1오리피스(111)는 상기 제1밸브샤프트(120) 중단의 경사진 밸브(121)에 의해 개폐량을 조정하며 감압을 수행한다.
아울러, 상기 제1밸브샤프트(120)와 상기 샤프트 지지구(160) 사이에는 샤프트 스프링(162)이 설치되어 상기 밸브(121)를 제1오리피스(111) 방향으로 탄성력을 인가한다.
여기서, 상기 밸브(121)는 피스톤(130)의 하단과 맞닿은 제1밸브샤프트(120)의 상단에 의해 상기 제1오리피스(111)를 일정이상 개폐한 상태를 유지한다. 이후, 고압의 가스가 유입되면 상기 피스톤(130)이 상단으로 밀리면서 상기 샤프트 스프링(162)의 탄성력에 의해 상단으로 이동하는 상기 밸브(121)에 의해 상기 제1오리피스(111)의 개도량이 조절되어 감압이 이뤄진다.
더불어, 상기 피스톤(130)에는 가스의 누출을 방지하는 고무재의 오링(131)이 추가로 설치된다.
그리고, 상기 제1하우징(110)에는 상기 제1오리피스(111)와 연통되게 제1유로(113)가 형성되며, 상기 제1유로(113)와 상기 피스톤(130)의 사이에는 스토퍼(114)가 형성되어 상기 피스톤(130)에 의해 제1유로(113)가 막히는 것을 방지한다. 즉, 상기 제1유로(113)와 제1오리피스(11)는 개방되어 있는 개방유로로 구성된다.
또한, 상기 제1하우징(110)에는 상기 제1유로(113)와 연통되는 한 쌍의 제2유로(115)가 형성되어 1차감압된 가스를 제2감압부(200)로 압송한다. 즉, 상기 제2오리피스(211)를 통해 다이어프램(230) 방향으로 가스를 압송한다.
아울러, 상기 한 쌍의 제2유로(115) 사이에는 유동방지홈(116)이 형성되며, 상기 제2밸브샤프트(220)에는 상기 유동방지홈(116)에 대응되는 삽입돌기(221)가 형성되어 상기 제2밸브샤프트(220)의 선단운동에 의한 떨림 및 진동을 방지한다.
게다가, 상기 제2밸브샤프트(220)의 제2오리피스(211)와 마주보는 면으로 시트(222)가 형성되며, 상기 시트(222)는 고무로 형성된다. 따라서, 상기 시트(222)는 제2오리피스(211)의 개도량을 조정하여 상기 1차감압부(100)를 통과한 가스의 압력을 다시 감압한다. 이러한 감압작용은 후술한다.
더불어, 상기 제2캡(240)의 내부에는 상기 제2스프링(250)을 감싸면서 상기 다이어 프램(230)과 밀착되는 안내구(260)가 더 구비되어 선단운동을 통해 감압작용을 하는 상기 다이어 프램(230)과 상기 제2스프링(250)의 유동을 방지하여 진동을 감쇄한다.
또한, 상기 제1감압부(100)에는 온수포트(170)와 온수유로(171)가 더 구비된다. 더욱 상세하게는, 상기 제1하우징(110)의 외측으로 입,출구 온수포트(170)가 구비되며, 상기 온수포트(170)로 유입된 온수를 상기 제2유로(115)를 감싸도록 형성된 온수유로(171)를 통해 순환시켜 아이싱을 방지한다.
예컨대, 상기 제1감압부(100)를 통해 감압시 가스 특성상 급격한 온도저하가 발생하는데 이를 상기 온수포트(170) 및 온수유로(171)에 의해 방지하는 것이다.
그리고, 상기 온수포트(170) 및 온수유로(171)를 순환시키는 온수는 보통 엔진의 히팅을 방지하는 냉각수를 사용한다.
한편, 상기 제1하우징(110)에는 상기 피스톤(130)의 상단과 연통되게 공기포트(180)가 형성된다. 이와 같은 공기포트(180)는, 본 발명의 레귤레이터(A)가 적용 된 씨엔지 차량이 급가속이나 풀스로틀시 공기의 유량이 증가된다. 이때 증가된 유량을 상기 공기포트(180)로 주입하여 상기 피스톤(130)과 제1밸브샤프트(120)는 하단으로 이동하여 상기 밸브(121)는 제1오리피스(111)를 개방시켜 가스의 유량도 증가시킨다. 따라서, 공기의 유량에 비례하여 가스의 유량도 조정된다.
그리고, 상기 제1캡(140)과 제2캡(240)에는 각각 조절나사(141,241)가 구비되어 상기 제1,2스프링(150,250)의 탄성력을 조정하여 가스의 유량을 미세조정한다.
더불어, 상기 제1하우징(110)의 하단으로 하나 이상의 마운팅 홀(117)이 형성되어 본 발명의 레귤레이터(A)를 차량에 부착시킨다.
또한, 상기 제1감압부(100)에는 셧 오프 밸브(300)가 더 구비되어 가스의 유입을 단속하며, 상기 셧 오프 밸브(300)는 보통 솔레노이드밸브로 구성되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 제1감압부(100)에는 상기 입력포트(112)로 유입되는 가스의 압력을 측정하는 압력센서(400)가 더 구비된다.
아울러, 상기 제1감압부(100)에는 가스의 압력이 설정압력 이상으로 상승할 경우 본 발명의 레귤레이터(A)의 손상을 막기 위해 가스를 배출하는 릴리프밸브(500)가 더 구비된다.
이러한, 가스의 유입을 단속하는 셧 오프 밸브(300)와, 가스의 압력을 측정하는 압력센서(400) 및 가스의 설정압력 이상일 때 배출하는 릴리프밸브(500)는 이미 종래에 많이 사용되고 있는 것이므로, 이에 대한 내부 구조 및 동작에 관한 상 세한 설명은 생략한다.
이하, 상술한 레귤레이터의 동작을 설명한다.
먼저, 입력포트(112)로 고압의 가스가 유입되어 제1오리피스(111)로 안내된다. 이후, 제1오리피스(111)를 통과한 가스는 피스톤(130)을 가압하여 상기 피스톤(130)과 제1밸브샤프트(120)는 상단으로 이동하여 상기 제1오리피스(111)의 개도량을 밸브(121)가 줄여줘 1차감압이 이뤄진다. 이때, 천연가스연료일 경우에는 350bar 에서 7~8bar로 감압시킨다.
또한, 1차감압이 완료된 후 제1유로(113) 및 제2유로(115)를 통해 2차감압부(200)로 가스를 안내한다. 이후, 가스는 제2오리피스(211)를 거쳐 다이어프램(230)을 가압하여 상기 다이어프램(230) 및 제2샤프트(220)는 상기 제2스프링(250)을 압축하며 이동하여 상기 제2오리피스(211)의 개도량을 시트(222)가 줄여줘 2차감압이 이뤄진다. 이때, 7~8bar의 연료는 2~3bar로 감압하여 출력포트(212)로 배출되어 엔진으로 전달된다.
따라서, 고압의 가스를 감압하는 제1감압부(100)는 피스톤(130)이 설치되고, 가스를 압력을 미세하게 조정하는 제2감압부에는 다이어 프램(230)을 적용하여 2회에 걸쳐 가스를 감압하게 된다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 기술적 범위는 전술한 실시 예에 한정되지 않고 특허청구범위에 의하여 해석되 어야 할 것이다. 이때, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 고려해야 할 것이다.