KR101113641B1 - 고압 수소 충전용 리셉터클 필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고압 수소 충전용 리셉터클 필터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고압 수소 충전용 리셉터클의 내부에 금속분말로 소결시킨 필터부재를 내장하여, 수소 충전시 이물질을 용이하게 걸러줄 수 있도록 한 고압 수소 충전용 리셉터클 필터에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 수소의 이물질 여과용 필터부와, 수소의 일방향 흐름 제어용 밸브를 포함하는 고압 수소 충전용 리셉터클 필터에 있어서, 상기 필터부를 밸브와의 결합 지지를 위한 링 타입 지지체와, 상기 링 타입 지지체의 전면에 일체로 형성되되 금속분말을 소정의 온도에서 가열 및 소결시킨 금속분말 필터부재로 구성된 것을 특징으로 하는 고압 수소 충전용 리셉터클 필터를 제공한다.

수소, 충전, 리셉터클 필터, 소결, 구리, 필터부재, 금속분말, 밸브

Description

고압 수소 충전용 리셉터클 필터{Receptacle filter for filling hydrogen}

본 발명은 고압 수소 충전용 리셉터클 필터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고압 수소 충전용 리셉터클의 내부에 금속분말로 소결시킨 필터부재를 내장하여, 수소 충전시 이물질을 용이하게 걸러줄 수 있도록 한 고압 수소 충전용 리셉터클 필터에 관한 것이다.

통상적으로, 수소를 연료로 사용하는 연료전지 자동차는 350 기압 또는 700 기압의 수소 탱크를 하나 이상 장착하고 있다.

상기 수소 탱크에 대한 수소 충진 시스템은 수소 충전소의 디스펜서 또는 수소 탱크에 포함된 압력 센서에서 압력을 측정하여, 그 측정압력이 목표압력에 도달하면 충진을 마치는 시스템으로 되어 있다.

상기 수소 탱크에 대한 수소 충전시 일종의 커넥터인 고압 수소 충전용 리셉터클(Receptacle)을 사용하게 되는데, 이 리셉터클의 내부에는 충전되는 수소내에 포함된 이물질을 걸러주는 필터가 내설되어 있다.

보다 상세하게는, 고압 수소의 충전 및 저장을 위한 수소저장 시스템에는 수소가 충전되는 방향을 따라 두 개의 필터가 배열되는데, 하나는 수소가 충전되는 방향을 따라 첫번째로 배열되는 필터로서 리셉터클내에 내설되어 수소 저장소로부터 유입되는 수소내 이물질을 걸러주는 역할을 하고, 다른 하나는 리셉터클내에 내설된 필터의 후단쪽에 배열되는 레귤레이터 필터로서 연료전지 스택쪽으로 이물질이 유입되지 않게 걸러주는 역할을 한다.

즉, 상기 리셉터클내에 내설되는 필터는 40~50㎛의 미세기공 구조를 갖는 필터로서 고압 수소가 충전시 수소내 이물질을 최초로 걸러주고, 상기 레귤레이터 필터는 레귤레이터 전단에 장착되는 10㎛의 메시 구조를 갖는 필터로서 레귤레이터에 의하여 수소가 350bar 또는 700bar에서 10bar로 감압될 때 스택내에 이물질이 유입되지 않게 걸러주는 역할을 한다.

여기서, 종래의 리셉터클 필터 구조를 설명하면 다음과 같다.

종래기술의 일례로서 한국등록특허 10-790199에는 첨부한 도 4에 도시된 바와 같이, 유체통과개구부(102)를 갖는 필터 몸체부(104)와, 유체통과개구부(102)를 가려주면서 몸체부의 표면을 따라 감겨지는 필터부재인 스프링와이어(106)로 구성된 유체파이프용 필터(100)가 개시되어 있지만, 필터 몸체부에 유체통과개구부를 형성해야 하고, 또 스프링와이어를 수회 내지 수십회 감어야 하는 등 부품수가 많고 그 구조가 복잡한 단점이 있고, 또한 스프링와이어의 각 권선간 미세틈새에서 수소내 이물질에 대한 필터링이 이루지게 되지만 수소가 스프링와이어의 각 권선간 미세틈새를 원할하게 통과할 정도이기 때문에 미세한 이물질에 대한 여과 성능이 떨어지는 단점이 있다.

종래기술의 다른 예로서, 서스(SUS) 재질의 필터몸체부 자체에 다수의 미세홀이 가공되어 관통 형성된 구조의 필터가 출시되어 있지만, 다수의 미세홀만으로는 수소내 포함된 미세한 이물질을 제대로 걸러주지 못하는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 고압 수소 충전용 리셉터클의 내부에 내식성이 우수하면서도 수소취성이 발생되지 않는 금속분말로 소결시킨 소정 형상의 필터를 내장하여, 수소 충전시 이물질을 용이하게 걸러줄 수 있을 뿐만 아니라, 부품수가 적고 구조적으로 단순하여 제조원가를 절감할 수 있도록 한 고압 수소 충전용 리셉터클 필터를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 수소의 이물질 여과용 필터부와, 수소의 일방향 흐름 제어용 밸브를 포함하는 고압 수소 충전용 리셉터클 필터에 있어서, 상기 필터부를 상기 밸브와의 결합 지지를 위한 링 타입 지지체와, 상기 링 타입 지지체의 전면에 일체로 형성되는 금속분말 필터부재로 구성시킨 것을 특징으로 하는 고압 수소 충전용 리셉터클 필터를 제공한다.

바람직한 구현예로서, 상기 금속분말 필터부재는 링 타입 지지체로부터 점차 직경이 좁아지는 원뿔형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 금속분말 필터부재는 금속분말을 소정의 온도에서 가열 및 소결시켜, 금속분말들이 미세기공을 형성하면서 서로 바인딩된 것임을 특징으로 한다.

상기 금속분말은 수소취성에 강한 90%Cu-10%Sn를 사용하는 것이 가장 바람직하다.

또한, 상기 금속분말은 SUS304, SUS304L, SUS308, SUS316, SUS321, SUS347, 황동(BRASS), 구리-니켈 합금, 알루미늄 합금 중 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

상기한 과제 해결 수단을 통하여 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 내식성이 우수하면서도 수소 취성이 발생되지 않는 금속 재질인 구리 또는 구리합금 등의 분말을 가열 및 소결시켜 각 분말입자가 서로 바인딩된 필터를 제조한 후, 이를 수소 충전용 리셉터클에 내장시킴으로써, 수소 충전시 이물질을 용이하게 걸러줄 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 필터에 비하여 부품수가 적고 구조적으로 단순하여 제조원가를 절감할 수 있고, 향후 실차 적용을 위한 국산화에 기여할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 고압 수소 충전용 리셉터클 필터에 대한 구성을 설명하는 분리 사시도이고, 도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 고압 수소 충전용 리셉터클 필터의 주 구성인 금속분말 필터부재만을 도시한 사시도이다.

전술한 바와 같이, 상기 수소 탱크에 대한 수소 충전시 일종의 커넥터인 고압 수소 충전용 리셉터클(Receptacle)을 사용하게 되며, 이 리셉터클 바디의 내부에는 수소내 이물질을 여과하는 필터부와, 이물질이 걸러진 수소의 흐름을 일방향으로 제어하는 체크밸브가 나란히 내설된다.

본 발명은 리셉터클 바디에 내장되는 필터부를 금속분말을 가열 및 소결시킨 것으로 적용시킨 점에 주된 특징이 있다.

상기 필터부(10)는 체크밸브(20)와의 결합 지지를 위한 링 타입 지지체(12)와, 상기 링 타입 지지체(12)의 전면에 일체로 소결 성형되는 금속분말 필터부재(14)로 구성된다.

상기 금속분말 필터부재(14)는 금속분말을 요구 치수 및 형상으로 제작된 몰드내에 충전하는 단계와, 충전된 금속분말을 소정의 온도에서 가열 및 소결시켜 금속분말 입자끼리 바인딩되는 단계로 제조되며, 서로 바인딩된 금속분말 입자간에는 이물질이 필터링된 수소가 통과되도록 40~50㎛ 크기의 미세기공이 형성되도록 한다.

보다 상세하게는, 상기 필터부의 원형 링 타입의 지지체(12)와 원뿔 모양의 금속분말 필터부재(14)를 서로 일체화시키는 방법은 우선 베이스가 되는 지지체(12)를 원형 링 타입으로 가공하고, 지지체(12)가 안착되는 캐비티 및 원뿔 형상의 캐비티를 갖는 금형(틀)을 제작한 후, 금형틀내에 지지체(12)를 안착시키는 동시에 금속분말을 넣은 후, 적당한 열로 가열하여 금속분말 필터부재(14)가 지지체(12)와 일체가 되며 제작되며, 최종 제작된 필터부(10)를 금형으로부터 분리하면 된다.

이때, 상기 지지체(12)의 내주면에는 요홈 형태의 체결홈(38)이 가공 형성되어, 상기 금속분말 필터부재(14)와의 견고한 결합력을 제공할 수 있다.

상기 금속분말 필터부재(14)에 사용되는 금속분말은 90%Cu-10%Sn의 브론 즈(Bronze), 구리, SUS304, SUS304L, SUS308, SUS316, SUS321, SUS347, 황동(BRASS), 구리-니켈 합금, 알루미늄 합금 중 선택된 어느 하나를 사용할 수 있으며, 수소 충전시 수소와 직접 접촉하는 필터부재 자체가 수소 분위기에 노출됨에 따라 수소취성에 강한 90%Cu-10%Sn의 브론즈(Bronze)를 사용하는 것이 가장 바람직하다.

보다 상세하게는, 구리 합금의 수소 손상(Hydrogen Damage)은 구리 내에 산소(Oxygen)가 함유된 경우에 주로 발생하는 것으로 알려져 있는 바, 예를 들어 소량의 Cu₂O를 함유한 터프 피치 구리(Tough Pitch Copper(UNS C11000))는 수소취성에 민감한 것으로 알려져 있으므로, 수소 분위기 하에서는 무산소동(Oxygen-free Copper) 또는 탈산동(Deoxidized Copper)을 사용하는 것이 좋으며, 이러한 점을 감안하여 본 발명에서는 내식성이 우수하고 수소 손상에 상대적으로 덜 민감한 90%Cu-10%Sn 브론즈 합금을 사용하여 필터부재(14)를 제조하게 된다.

이에, 상기 90%Cu-10%Sn 브론즈 분말을 소정의 온도로 가열 및 소결시켜 원뿔형상의 필터부재(14)를 제조하게 되고, 이때 분말 입자들은 따로따로 존재하지 않고, 소결 과정에 의하여 취성 파면(Brittle Fracture Surface)보다는 연성 파면(Ductile Fracture Surface)을 나타내면서 서로 바인딩(Binding)된다.

이때, 상기 90%Cu-10%Sn 브론즈 분말을 이용한 필터부재(14)는 첨부한 도 2에 도시된 바와 같이 상기 링 타입 지지체(12)의 전면으로부터 점차 그 직경이 좁아지는 원뿔형상으로 형성되는 바, 그 이유는 리셉터클 바디(30)의 입구로부터 유 입되는 수소와의 접촉면적을 최대화시킬 수 있기 때문이다.

본 발명에 따른 금속분말 필터부재(14)가 내설된 리셉터클 필터의 전체 구조를 살펴보면, 첨부한 도 3에 도시된 바와 같이 리셉터클 바디(30)내에서 그 전단부에 링 타입 지지체(12)에 일체로 형성된 원뿔형상의 금속분말 필터부재(14)가 배열되고, 링 타입 지지체(12)의 뒤쪽으로는 오링(22)을 사이에 두고 볼(24)과, 볼지지대(26)와, 스프링(28)으로 구성된 체크밸브(20)가 배열된다.

보다 상세하게는, 상기 원뿔형상의 금속분말 필터부재(14)가 원통형의 리셉터클 바디(30)내에 조립 배열된 상태를 보면, 원뿔형상의 금속분말 필터부재(14)의 외경면과 수소가 최초 유입되는 리셉터클 바디(30)의 입구측 내경면 사이에 일정 한 갭 공간(32)이 형성된다.

미설명부호 34 및 36은 각각 수소 미충전시 일종의 마개 역할을 하는 캡(cap)과 커넥터를 나타낸다.

따라서, 수소 충전시 상기 리셉터클 바디(30)의 입구로부터 상기 갭 공간(32)으로 수소의 유입이 원할하게 이루어지는 동시에 유입된 수소는 원뿔형상의 금속분말 필터부재(14) 표면에 걸쳐 그 접촉면적이 극대화되며 접촉하게 되고, 접촉과 동시에 수소내 이물질은 필터부재(14)에서 걸리지게 되며, 이물질이 걸러진 수소는 필터부재(14)내의 미세기공 및 체크밸브(20)를 연속적으로 통과하여 수소탱크(미도시됨)쪽으로 흐르게 된다.

이와 같이, 본 발명에 따르면 금속 재질인 구리 또는 구리합금 등의 분말을 가열 및 소결시켜 각 분말입자가 서로 바인딩된 필터부재를 제조한 후, 이를 수소 충전용 리셉터클에 내설함으로써, 수소내 이물질 여과 기능을 양호하게 수행함은 물론 종래의 필터에 비하여 부품수가 적고 구조적으로 단순하여 제조원가를 크게 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 고압 수소 충전용 리셉터클 필터에 대한 구성을 설명하는 분리 사시도,

도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 고압 수소 충전용 리셉터클 필터의 주 구성인 금속분말 필터부재를 나타내는 사시도,

도 3은 본 발명에 따른 고압 수소 충전용 리셉터클 필터의 조립 상태를 설명하는 단면도,

도 4 및 도 5는 종래의 리셉터클 필터를 나타내는 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 필터부 12 : 링 타입 지지체

14 : 필터부재 20 : 체크밸브

22 : 오링 24 : 볼

26 : 볼 지지대 28 : 스프링

30 : 리셉터클 바디 32 : 갭 공간

Claims (5)

1. 수소의 이물질 여과용 필터부와, 수소의 일방향 흐름 제어용 밸브를 포함하는 고압 수소 충전용 리셉터클 필터에 있어서,

   상기 필터부를 상기 밸브와의 결합 지지를 위한 지지체와, 상기 지지체의 전면에 일체로 형성되는 금속분말 필터부재로 구성시키되,

   상기 금속분말 필터부재는 지지체의 전면으로부터 점차 직경이 좁아지는 원뿔형상으로 형성되고,

   상기 금속분말 필터부재는 소정의 금형내에 지지체를 안착시키는 동시에 지지체 앞쪽에 금속분말을 충진한 후, 소정의 온도에서 가열 및 소결시켜, 금속분말들이 미세기공을 형성하면서 서로 바인딩된 것임을 특징으로 하는 고압 수소 충전용 리셉터클 필터.
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 금속분말은 수소취성에 강한 90%Cu-10%Sn인 것을 특징으로 하는 고압 수소 충전용 리셉터클 필터.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 금속분말은 SUS304, SUS304L, SUS308, SUS316, SUS321, SUS347, 황동(BRASS), 구리-니켈 합금, 알루미늄 합금 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고압 수소 충전용 리셉터클 필터.

Images