KR101064305B1 - 노즐조립체 및 이를 포함하는 수소재순환 이젝터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 노즐조립체 및 이를 포함하는 수소재순환 이젝터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소의 공급 및 재순환효율을 향상시킬 수 있는 노즐조립체 및 수소재순환 이젝터에 관한 것이다.
본 발명에 의한 노즐조립체는, 장착브라켓, 상기 장착브라켓의 일면에 돌출되는 하나 이상의 노즐수용부, 상기 노즐수용부에 설치되는 하나 이상의 노즐을 포함하고, 상기 노즐은 내측 노즐몸체 및 외측 노즐몸체로 구성되고, 상기 내측 노즐부재가 상기 외측 노즐몸체 내에 조립되며, 상기 내측 노즐몸체의 일단부에는 노즐 목이 형성되며, 상기 내측 노즐몸체는 세라믹 재질로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

노즐조립체 및 이를 포함하는 수소재순환 이젝터{NOZZLE ASSEMBLY AND HYDROGEN RECIRCULATON EJECTOR HAVING THE SAME}

본 발명은 노즐조립체 및 이를 포함하는 수소재순환 이젝터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소의 공급 및 재순환효율을 향상시킬 수 있는 노즐조립체 및 수소재순환 이젝터에 관한 것이다.

널리 주지된 바와 같이, 수소를 사용하는 연료 전지시스템은 도 7 및 도 8에 예시된 바와 같이 수소탱크(1)로부터 방출된 수소가스가 스택(2)으로 공급되고, 스택(2)으로 공급되는 수소가스의 양은 제어부에 의해 조절된다. 연료전지에 필요한 공기는 압축기에서 방출되어 스택(2)으로 공급된다.

스택(2)에 공기와 수소를 공급할 때에는 스택(2)의 성능 확보 및 수명증대를 위하여 전지반응에 필요한 양보다 더 많은 공기와 수소를 공급한다. 그리고, 스택에서 사용되고 남은 미반응 수소는 연료의 낭비를 막아 시스템의 효율을 높이기 위해 이젝터(2)로 다시 재순환된다. 특히, 연료전지의 스택(2)을 통과한 미반응 수소를 재순환하는 기술은 연료전지시스템의 연비향상을 위해 매우 중요한 것으로, 이와 같이 미반응 수소를 스택입구로 재순환하기 위한 수소재순환구조는 도 7과 같이 이젝터(3)를 이용하거나 도 8과 같이 블로워(4)를 이용하여 왔다.

한편, 블로워 방식은 전력 낭비가 심하고, 진동 및 소음 등이 심하게 발생하는 단점이 있고, 이에 최근에는 이젝터를 이용한 수소재순환에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

이러한 수소재순환 이젝터는 이젝터 하우징, 복수의 노즐, 각 노즐에 대응하는 복수의 디퓨저를 포함하고, 수소탱크(1)에서 공급된 수소가 복수의 노즐 및 복수의 디퓨저를 통과함에 따라 수소가 스택으로 직접 공급됨과 더불어 스택(2) 내의 미반응 수소를 재순환시키도록 구성되어 있다.

하지만, 종래의 수소재순환 이젝터는 노즐 및 기타 구성요소의 조립성이 저하되어 그 생산성이 저하되는 단점이 있었고, 특히 노즐의 조립구조가 견고하지 못하여 고압 수소가 노즐을 통과할 때 노즐의 유동이 발생하여 수소의 공급효율이 저하되는 단점이 있었다.

그리고, 종래의 수소재순환 이젝터의 노즐은 수소 내식성이 강한 스테인레스 재질이 주로 이용되고 있으며, 스테인레스 재질의 노즐은 주로 초경공구에 의해 가공되어 왔다.

하지만, 스테인레스 재질의 노즐은 강도가 우수한 반면에 노즐 가공 시에 초경공구의 마모를 유발하고, 이에 노즐 제품들 사이의 치수 상에서 편차 내지 공차 등이 심하게 발생하며, 이로 인해 공급유량의 편차가 최대 8% 이상으로 심하게 발생하는 단점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 노즐 및 기타 구성요소의 조립성이 우수하여 생산성을 향상시킬 수 있는 노즐조립체 및 이를 포함하는 수소재순환 이젝터를 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 노즐의 가공공차 내지 가공편차를 최소화함으로써 수소의 공급효율 및 재순환효율을 향상시킬 수 있는 노즐조립체 및 이를 포함하는 수소재순환 이젝터를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 노즐조립체는,

장착브라켓, 상기 장착브라켓의 일면에 돌출되는 하나 이상의 노즐수용부, 상기 노즐수용부에 설치되는 하나 이상의 노즐을 포함하고,

상기 노즐은 내측 노즐몸체 및 외측 노즐몸체로 구성되고, 상기 내측 노즐부재가 상기 외측 노즐몸체 내에 조립되며, 상기 내측 노즐몸체의 일단부에는 노즐 목이 형성되며, 상기 내측 노즐몸체는 세라믹 재질로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 장착브라켓의 내부에는 공급유로가 수직방향으로 형성되고, 상기 공급유로에는 수소공급튜브가 소통하도록 연결되며, 상기 각 노즐수용부의 내부에는 상기 노즐이 수용되는 수용공간이 형성되고, 상기 장착브라켓의 공급유로에는 복수의 분배유로가 각 노즐수용부측으로 연장되고, 상기 분배유로는 각 노즐수용부의 수용공간과 소통하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 외측 노즐몸체는 그 일단 내경에 상기 내측 노즐몸체가 끼워지는 끼움턱이 형성되고, 그 내부에 중공부가 형성되며, 그 측면에는 하나 이상의 소통공이 형성되고, 상기 소통공의 양측에는 한 쌍의 환형 단턱이 형성되고, 한 쌍의 환형 단턱은 상기 노즐수용부의 수용공간과 기밀하게 밀착되며, 이에 의해 상기 외측 노즐몸체의 소통공 주변에는 환형의 소통공간이 형성되고, 상기 소통공간을 통해 외측 노즐몸체의 소통공과 분배유로는 서로 소통하는 것을 특징으로 한다.

상기 노즐의 외측 노즐몸체에는 조립돌기가 형성되고, 상기 조립돌기에 대응하여 상기 노즐수용부에는 조립홈이 형성되며, 상기 조립돌기 및 조립홈은 상호 대응하는 각형 구조로 형성되어 상기 노즐의 조립돌기가 상기 노즐수용부의 조립홈에 끼움결합되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 수소재순환 이젝터는,

내부에 흡입챔버, 혼합챔버, 평탄부, 디퓨저를 가진 이젝터 하우징;

상기 이젝터 하우징측에 장착되는 장착브라켓, 상기 장착브라켓의 일면에 돌출되는 하나 이상의 노즐수용부, 상기 노즐수용부에 설치되는 하나 이상의 노즐을 가진 노즐조립체;를 포함하고,

상기 이젝터 하우징의 일면에는 하나 이상의 조립공이 형성되고, 상기 노즐수용부가 상기 이젝터 하우징의 조립공에 끼워지며,

상기 노즐은 내측 노즐몸체 및 외측 노즐몸체로 구성되고, 상기 내측 노즐부재가 상기 외측 노즐몸체 내에 조립되며,

상기 내측 노즐몸체의 일단부에는 노즐 목이 형성되며, 상기 내측 노즐몸체는 세라믹 재질로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 본 발명은 노즐을 세라믹 재질의 내측 노즐몸체 및 스테인레스 재질의 외측 노즐몸체로 구성함으로써 노즐 목의 가공편차 내지 가공공차를 최소화할 수 있고, 또한 상대적으로 고가인 세라믹 재질의 사용을 최소화함으로써 그 제조단가를 절감할 수 있다.

또한, 본 발명은 노즐 및 기타 구성요소의 조립성이 우수하여 생산성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소재순환 이젝터를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소재순환 이젝터를 도시한 분해사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐 조립체를 도시한 분해사시도로서, 일측의 노즐수용부를 부분 절개한 도면이다.
도 4는 도 1의 A-A선을 따라 도시한 평단면도이다.
도 5는 도 4의 B-B선을 따라 도시한 단면도이다.
도 6은 도 4의 C-C선을 따라 도시한 단면도이다.
도 7은 이젝터를 이용한 일반적인 연료전지의 수소재순환구조를 도시한 도면이다.
도 8은 블로워를 이용한 일반적인 연료전지의 수소재순환구조를 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소재순환 이젝터 및 노즐조립체를 도시한다.

본 발명의 수소재순환 이젝터는 이젝터 하우징(10), 이젝터 하우징(10) 내에 조립되는 노즐조립체(20)를 포함한다.

이젝터 하우징(10)은 도 2에 도시된 바와 같이 그 일측에 노즐조립체(20)의 각 노즐수용부(22)가 끼워지는 복수의 조립공(11)을 가진다.

그리고, 도 4에 도시된 바와 같이 이젝터 하우징(10)의 양단부에는 개구(10a, 10b)가 형성되고, 이젝터 하우징(10)의 내부에는 흡입챔버(12; suction chamber), 수축부(13a, convergence portion)를 가진 혼합챔버(13; mixing chamber), 평탄벽(14a)을 가진 평탄부(14; constant portion), 확산벽(15a)을 가진 디퓨저(15; diffuser) 등이 형성되어 있다.

흡입챔버(12)는 조립공(11)에 인접하여 형성되고, 흡입챔버(12) 내에는 후술하는 노즐조립체(20)의 노즐(23) 및 노즐수용부(22)가 위치하도록 구성된다.

노즐조립체(20)는 이젝터 하우징(10)측에 장착되는 장착브라켓(21), 장착브라켓(21)의 일측면에 형성된 복수의 노즐수용부(22), 각 노즐수용부(22)에 결합되는 복수의 노즐(23)을 포함한다.

장착브라켓(21)의 내부에는 공급유로(21a)가 수직방향으로 형성되고, 제1유로(21a)에는 수소공급튜브(29)가 소통하며, 특히 수소공급튜브(29)는 용접 등을 통해 장착브라켓(21)의 공급유로(21a)측에 소통하도록 결합된다.

복수의 노즐수용부(22)는 장착브라켓(21)의 일면에서 외측으로 돌출되고, 각 노즐수용부(22)의 내부에는 노즐(23)이 수용되는 수용공간(22a)이 형성되어 있다.

그리고, 도 6에 도시된 바와 같이 장착브라켓(21)의 공급유로(21a)에는 복수의 분배유로(21b, 21c)가 각 노즐수용부(22)측으로 연장되고, 분배유로(21b)는 각 노즐수용부(22)의 수용공간(22a)과 소통하도록 형성되어 있다.

각 노즐(23)은 내측 노즐몸체(24) 및 외측 노즐몸체(25)로 구성되고, 내측 노즐부재(24)가 외측 노즐몸체(25) 내에 조립된다. 내측 노즐몸체(24)는 원통 형상으로 구성되고, 그 일단부에 노즐 목(24a, nozzle throat)이 형성되며, 이 노즐 목(24a)의 후방에는 수축부(24b)가 형성된다. 그리고, 내측 노즐몸체(24)는 강도가 우수하고, 가공성이 양호한 지르코니아(zirconia) 등과 같은 세라믹 재질로 구성됨이 바람직하다.

이와 같이 본 발명은 노즐(23)의 내측 노즐몸체(24)가 세라믹 재질로 구성됨에 따라 노즐 목(24a)의 공차를 5/1000mm 이하로 가공할 수 있으므로 노즐의 가공공차 내지 가공편차를 최소화할 수 있고, 이에 성능의 신뢰성을 높일 수 있는 장점이 있다.

외측 노즐몸체(25)는 그 일단 내경에 내측 노즐몸체(24)가 끼워지는 끼움턱(25a)이 형성되고, 그 내부에 중공부(25b)가 형성되며, 그 측면에는 하나 이상의 소통공(25c)이 형성된다. 소통공(25c)의 양측에는 한 쌍의 환형 단턱(25f)이 형성되고, 한 쌍의 환형 단턱(25f)은 노즐수용부(22)의 수용공간(22a)과 기밀하게 밀착되며, 이에 의해 외측 노즐몸체(25)의 소통공(25c) 주변에는 환형의 소통공간(25g)이 형성되고, 이 소통공간(25g)을 통해 외측 노즐몸체(25)의 소통공(25c)과 분배유로(21b)는 서로 소통할 수 있다.

외측 노즐부재(25)의 소통공(25c)은 각 분배유로(21b)와 소통한다. 그리고, 외측 노즐몸체(25)는 세라믹에 비해 가격이 저렴하고 강도가 우수한 스테인레스 재질로 구성됨이 바람직하다.

이와 같이 본 발명의 노즐조립체(20)는 노즐(23)을 세라믹 재질의 내측 노즐몸체(24) 및 스테인레스 재질의 외측 노즐몸체(25)로 구성함으로써 노즐 목(24a)의 가공편차 내지 가공공차를 최소화할 수 있고, 또한 상대적으로 고가인 세라믹 재질의 사용을 최소화함으로써 그 제조단가를 절감할 수 있다.

각 노즐(23)이 각 노즐수용부(22)의 수용공간(22a)에 수용된 후에, 각 노즐(23)의 후면은 마감판(26)에 의해 폐쇄되며, 이 마감판(26)의 후방에는 체결구(27)가 체결되고, 이 체결구(27)는 노즐수용부(22)의 후방측에 체결됨으로써 노즐(23)은 노즐수용부(22)에 기밀하게 결합될 수 있다.

그리고, 노즐(23)의 외측 노즐몸체(25) 일측 예컨대, 외측 노즐몸체(25)의 환형 단턱(25f)측에는 조립돌기(25d)가 형성되고, 이 조립돌기(25d)에 대응하여 노즐수용부(22)의 수용공간(22a) 일측에는 조립홈(22d)이 형성되며, 특히 조립돌기(25d) 및 조립홈(22d)은 각형 구조로 형성된다. 이에, 외측 노즐몸체(25)의 조립돌기(25d)가 노즐수용부(22)의 조립홈(22d)에 용이하게 끼움결합됨으로써 노즐(23)은 노즐수용부(22)에 보다 정밀하게 조립될 뿐만 아니라 고압의 수소가 노즐(23)을 통과할 경우에 발생할 수 있는 노즐(23)의 이동 내지 공회전 등을 보다 효과적으로 방지할 수 있는 장점이 있다.

이젝터 하우징(10)측에 노즐조립체(20)가 조립된 부분에는 장착플레이트(19)가 결합되고, 이 장착플레이트(19)를 통해 본 발명의 수소재순환 이젝터는 연료전지의 스택 측에 설치될 수 있다.

10: 이젝터 하우징 11: 조립공
20: 노즐조립체 21: 장착브라켓
22: 노즐수용부 23: 노즐
24: 내측 노즐몸체 25: 외측 노즐몸체

Claims (5)

1. 장착브라켓, 상기 장착브라켓의 일면에 돌출되는 하나 이상의 노즐수용부, 상기 노즐수용부에 설치되는 하나 이상의 노즐을 포함하고,
   상기 노즐수용부는 그 내부에 상기 노즐이 수용되는 수용공간을 가지고,
   상기 노즐은 내측 노즐몸체 및 외측 노즐몸체로 구성되고, 상기 내측 노즐부재가 상기 외측 노즐몸체 내에 조립되며, 상기 내측 노즐몸체의 일단부에는 노즐 목이 형성되며, 상기 내측 노즐몸체는 세라믹 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 노즐조립체.
2. 제1항에 있어서,
   상기 장착브라켓의 내부에는 공급유로가 수직방향으로 형성되고, 상기 공급유로에는 수소공급튜브가 소통하도록 연결되며, 상기 장착브라켓의 공급유로에는 복수의 분배유로가 각 노즐수용부측으로 연장되고, 상기 분배유로는 각 노즐수용부의 수용공간과 소통하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 노즐조립체.
3. 제1항에 있어서,
   상기 외측 노즐몸체는 그 일단 내경에 상기 내측 노즐몸체가 끼워지는 끼움턱이 형성되고, 그 내부에 중공부가 형성되며, 그 측면에는 하나 이상의 소통공이 형성되고, 상기 소통공의 양측에는 한 쌍의 환형 단턱이 형성되고, 한 쌍의 환형 단턱은 상기 노즐수용부의 수용공간과 기밀하게 밀착되며, 이에 의해 상기 외측 노즐몸체의 소통공 주변에는 환형의 소통공간이 형성되고, 상기 소통공간을 통해 외측 노즐몸체의 소통공과 분배유로는 서로 소통하는 것을 특징으로 하는 노즐조립체.
4. 제1항에 있어서,
   상기 노즐의 외측 노즐몸체에는 조립돌기가 형성되고, 상기 조립돌기에 대응하여 상기 노즐수용부에는 조립홈이 형성되며, 상기 조립돌기 및 조립홈은 상호 대응하는 각형 구조로 형성되어 상기 노즐의 조립돌기가 상기 노즐수용부의 조립홈에 끼움결합되는 것을 특징으로 하는 노즐조립체.
5. 내부에 흡입챔버, 혼합챔버, 평탄부, 디퓨저를 가진 이젝터 하우징;
   상기 이젝터 하우징측에 장착되는 장착브라켓, 상기 장착브라켓의 일면에 돌출되는 하나 이상의 노즐수용부, 상기 노즐수용부에 설치되는 하나 이상의 노즐을 가진 노즐조립체;를 포함하고,
   상기 이젝터 하우징의 일면에는 하나 이상의 조립공이 형성되고, 상기 노즐수용부가 상기 이젝터 하우징의 조립공에 끼워지며,
   상기 노즐은 내측 노즐몸체 및 외측 노즐몸체로 구성되고, 상기 내측 노즐부재가 상기 외측 노즐몸체 내에 조립되며,
   상기 내측 노즐몸체의 일단부에는 노즐 목이 형성되며, 상기 내측 노즐몸체는 세라믹 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 수소재순환 이젝터.

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