KR101209741B1 - 연료 전지 차량용 냉각수 온도조절밸브 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 차량용 냉각수 온도조절밸브는, 연료 전지 차량에서 연료전지 스택의 냉각 루프에 장착되며, 상기 연료전지 스택으로 공급되는 냉각수의 온도를 조절하기 위한 것으로서, ⅰ)라디에이터로부터 공급되는 냉각수가 유입되는 제1 유입포트와, 동일 반경을 따라 상기 제1 유입포트에 수직하며 연료전지 스택으로부터 공급되는 냉각수가 유입되는 제2 유입포트와, 상기 제1 및 제2 유입포트와 연결되며 상기 연료전지 스택으로 냉각수가 배출되는 배출포트를 포함하는 밸브 하우징과, ⅱ)상기 배출포트와 연결되며 상기 밸브 하우징의 내부에 회전 가능하게 장착되어 상기 제1 및 제2 유입포트의 열림량을 제어하는 작동 플런저와, ⅲ)상기 밸브 하우징의 상측에 구성되어 상기 작동 플런저를 회전시키는 엑츄에이터로서의 구동 모터를 포함하여 이루어진다.

Description

연료 전지 차량용 냉각수 온도조절밸브 {TEMPERATURE CONTROL VALVE OF COOLANT FOR FUEL CELL VEHICLE}
본 발명의 예시적인 실시예는 연료 전지 차량에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 스택의 냉각 루프에 장착되어 연료전지 스택으로 공급되는 냉각수의 온도를 조절하기 위한 연료 전지 차량용 냉각수 온도조절장치에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템이다.
상기 연료전지시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급시스템, 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템으로 구성된다.
이와 같은 구성으로 연료전지시스템에서는 연료인 수소와 공기중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다.
상기 연료전지 스택은 연료전지 차량의 주동력공급원으로서, 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급받아서 전기를 생산하는 장치이다.
상기 연료전지 스택은 최적의 온도로 조절된 냉각수가 스택 내로 흘러 들어갈 때 안정적으로 최적의 출력 효과를 보이므로, 스택으로 유입되는 냉각수의 온도를 특정온도로 유지하는 것은 중요하다.
따라서, 연료전지차량에서는 연료전지 스택 루프에 냉각수 온도조절장치가 장착되어, 스택으로 들어가는 냉각수의 온도를 최적으로 조절하게 된다.
초기 시스템 시동 시, 연료전지 스택의 발열량이 작아서 냉각수 온도가 낮을 경우에 냉각수는 스택→펌프→온도조절밸브→스택의 루프로 흐르게 된다. 즉, 냉각수의 온도가 낮아서 라디에이터로 보낼 필요가 없기 때문이다.
그러나, 시간이 지나면 연료전지 스택의 발열량이 많아지고, 바이패스 루프로 흐르던 냉각수의 온도가 급격하게 상승하기 시작하면 온도조절밸브에서 바이패스 루프를 적절히 차단하고 라디에이터 루프를 열게 되면서 라디에이터에서 냉각된 냉각수가 연료전지 스택으로 유입된다.
연료전지차량에 적용되는 스택 입구의 요구 냉각수 온도 사양이 대략 65℃ 임을 고려할 때, 온도조절밸브는 연료전지 스택의 입구온도 신호를 입력받아 양쪽 루프의 개도를 적절히 제어하여 외부 환경에 상관없이 항상 일정한 온도의 냉각수를 연료전지 스택으로 유입되도록 한다.
종래 기술에 따른 온도조절밸브는 도 1 및 도 2에서와 같이, 라디에이터에서 냉각수가 유입되는 제1 유입포트(333), 연료전지 스택의 출구에서 배출되는 냉각수가 유입되는 제2 유입포트(334), 연료전지 스택의 입구로 냉각수가 배출되는 배출포트(335)를 갖는 하우징을 포함한다.
제1 유입포트(333)는 하우징의 일측에, 배출포트(335)는 하우징의 다른 일측에 일직선 상으로 수평하게 형성되고, 제2 유입포트(334)는 제1 유입포트(333)와 함께 합쳐지도록 경사지게 형성된다.
하우징의 가운데에는 제1 및 제2 유입포트(333,334)와 배출포트(335) 사이로 플런저 작동부(336)가 수직하게 형성되며, 플런저 작동부(336)에는 작동 플런저(332)가 상하방향으로 이동 가능하도록 설치되고, 작동 플런저(332)는 모터축(337)과 나사 결합을 이루면서 자신은 회전하지 않고 하우징의 상단에 설치된 모터(331)의 작동에 의해 상하 방향으로 이동하게 된다.
즉, 모터(331)가 일방향으로 회전함에 따라 모터축(337)과 나사 결합된 작동 플런저(332)가 플런저 작동부(336) 및 작동 플런저(332)의 형상에 의해 회전이 불가능하나, 암나사산이 형성된 작동 플런저(332)와 수나사산이 형성된 모터축(337)이 서로 결합하여 모터축(337)이 회전하면 작동 플런저(332)가 상방향으로 이동하고, 모터(331)가 타방향으로 회전하면 작동 플런저(332)가 하방향으로 이동한다.
이때, 플런저 작동부(336)는 원(곡면)과 직선(평면)의 조합으로 이루어진 타원 형태일 수 있고, 플런저 작동부(336)와 동일한 형상으로 내부에 작동 플런저(332)가 설치됨으로써, 작동 플런저(332)의 회전을 제한할 수 있게 되는 것이다.
또한 작동 플런저(332)는 제1 및 제2유입포트(333,334) 중 어느 하나를 완전히 막을 수 있도록 내경보다 약간 긴 높이를 갖고, 냉각수가 제2 유입포트(334)에서 배출포트(335)로 흐름이 원활하도록 하기 위해 내부에 냉각수가 유입될 수 있는 공간이 형성되며, 그 일측면은 제1 유입포트(333) 및 제2 유입포트(334)를 개폐할 수 있도록 수직곡면으로 이루어지고, 타측면에는 제2 유입포트(334)를 통해 유입된 냉각수를 배출포트(335)로 흘려보낼 수 있도록 개구부가 형성되어 있다.
즉, 상기 제1 유입포트(333)를 통해 유입된 냉각수는 작동 플런저(332)의 상부를 바로 통과하여 배출포트(335)로 흘러나가고, 제2 유입포트(334)를 통해 유입된 냉각수는 작동 플런저(332)의 내부공간을 경유하여 개구부를 통해 배출포트(335)로 흘러나가게 된다.
이와 같은 구성에 의하면, 먼저 연료전지 스택 입구의 냉각수 온도를 측정한 다음, 측정된 냉각수 온도를 입력받아 모터(331)의 제어에 의해 작동 플런저(332)의 위치를 제어하여 제1 유입포트(333) 및 제2 유입포트(334)를 통해 유입되는 냉각수의 유량을 비례제어함으로써, 냉각수 온도를 설정온도로 유지한다.
보다 상세하게는, 모터(331)가 가동함에 따라 모터축(337)이 회전하게 되고, 작동 플런저(332)가 회전 제한을 받아 상하방향으로 이동하게 된다. 이때, 제1 및 제2 유입포트(333,334) 측과 인접한 작동 플런저(332)의 일측면이 제1 유입포트(333)를 열고 제2 유입포트(334)를 닫게 되면, 라디에이터에서 오는 차가운 냉각수가 배출포트(335)를 통해 연료전지 스택의 입구로 공급된다.
이와 유사하게, 작동 플런저(332)의 작동면이 제1 유입포트(333)의 일부와 제2 유입포트(334)의 일부에 걸쳐 있는 경우에는 라디에이터에서 오는 차가운 냉각수와 연료전지 스택의 출구에서 오는 뜨거운 냉각수가 동시에 연료전지 스택의 입구로 공급되게 된다. 다만 이때에는 제1 유입포트(333) 쪽이 더 많이 열린 상태이면 차가운 냉각수가 더 많이 유입될 것이고, 제2 유입포트(334) 쪽이 더 많이 열린 상태이면 뜨거운 냉각수가 더 많이 유입될 것이다.
즉, 이는 연료전지 스택의 입구에 유입되는 냉각수 온도가 설정온도 보다 높으면 제1 유입포트(333)의 열림량을 증가시키도록 작동 플런저(332)의 위치를 조절하고, 설정온도보다 낮으면 제2 유입포트(334)의 열림량을 증가시키도록 작동 플런저(332)의 위치를 조절한다. 이와 같은 작동 플런저(332)의 위치제어는 모터(331)의 작동을 제어함으로 가능하게 된다.
또한, 제1 유입포트(333)를 닫고 제2 유입포트(334)를 열게 되면, 연료전지 스택의 출구에서 오는 뜨거운 냉각수가 배출포트(335)를 통해 연료전지 스택의 입구로 공급된다.
그런데, 종래 기술의 온도조절밸브에서는 작동 플런저(332)가 상하로 움직임에 따라 작동 플런저(332)의 작동 시간이 느리고, 모터(331)의 고 회전수를 필요로 하다.
따라서, 종래 기술에서는 작동 플런저(332)의 작동 시간이 느리므로 급격한 고 출력 구간에서는 신속한 운전 온도 제어가 불가능하고, 모터(331)의 고 회전수를 필요로 하므로 더 많은 소비 전력을 소모하게 된다는 문제점을 내포하고 있다.
또한, 종래 기술에서는 작동 플런저(332)가 상하 방향으로 이동하기 때문에, 그 작동 플런저(332)의 상하 운동을 위한 하우징의 공간을 확보해야 하므로 전체 밸브의 부피가 커지게 된다는 문제점도 내포하고 있다.
본 발명의 예시적인 실시예는 상기에서와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 모터와 작동 플런저를 직결하고, 작동 플런저를 로터리 방식으로 회전하며 연료전지 스택으로 공급되는 냉각수의 온도를 조절할 수 있도록 한 연료 전지 차량용 냉각수 온도조절밸브를 제공한다.
이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 차량용 냉각수 온도조절밸브는, 연료 전지 차량에서 연료전지 스택의 냉각 루프에 장착되며, 상기 연료전지 스택으로 공급되는 냉각수의 온도를 조절하기 위한 것으로서, ⅰ)라디에이터로부터 공급되는 냉각수가 유입되는 제1 유입포트와, 동일 반경을 따라 상기 제1 유입포트에 수직하며 연료전지 스택으로부터 공급되는 냉각수가 유입되는 제2 유입포트와, 상기 제1 및 제2 유입포트와 연결되며 상기 연료전지 스택으로 냉각수가 배출되는 배출포트를 포함하는 밸브 하우징과, ⅱ)상기 배출포트와 연결되며 상기 밸브 하우징의 내부에 회전 가능하게 장착되어 상기 제1 및 제2 유입포트의 열림량을 제어하는 작동 플런저와, ⅲ)상기 밸브 하우징의 상측에 구성되어 상기 작동 플런저를 회전시키는 엑츄에이터로서의 구동 모터를 포함하여 이루어진다.
상기 연료 전지 차량용 냉각수 온도조절밸브에 있어서, 상기 밸브 하우징은 상기 작동 플런저가 회전 가능하게 배치될 수 있는 플런저 작동부를 포함할 수 있다.
상기 연료 전지 차량용 냉각수 온도조절밸브에 있어서, 상기 밸브 하우징은 상기 플런저 작동부에 대하여 상기 배출포트를 하측 방향으로 연결하여 이루어질 수 있다.
상기 연료 전지 차량용 냉각수 온도조절밸브에 있어서, 상기 작동 플런저는 상기 구동 모터와 결합하는 모터축이 상부에 설치되고, 하부가 상기 배출포트와 연결될 수 있다.
상기 연료 전지 차량용 냉각수 온도조절밸브에 있어서, 상기 작동 플런저는 상기 제1 및 제2 유입포트와 개별적으로 연결되거나 일부 연결될 수 있는 개구부가 형성될 수 있다.
상기 연료 전지 차량용 냉각수 온도조절밸브에 있어서, 상기 구동 모터와 밸브 하우징 사이에는 상기 밸브 하우징의 상부를 덮는 커버가 설치될 수 있다.
상기 연료 전지 차량용 냉각수 온도조절밸브에 있어서, 상기 커버에는 상기 모터축을 회전 가능하게 지지하는 베어링이 장착될 수 있다.
상기 연료 전지 차량용 냉각수 온도조절밸브에 있어서, 상기 커버와 작동 플런저 사이에는 오일실이 설치될 수 있다.
상기 연료 전지 차량용 냉각수 온도조절밸브는, 상기 구동 모터에 의한 상기 작동 플런저의 회전으로서 상기 제1 및 제2 유입포트와 상기 배출포트를 선택적으로 연결하는 로터리 타입의 3-웨이 밸브로서 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 차량용 냉각수 온도조절밸브에 의하면, 구동 모터와 작동 플런저를 직결하여 작동 플런저를 로터리 방식으로 회전시킴으로써 연료전지 스택으로 공급되는 냉각수의 온도를 조절할 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 구동 모터의 회전비와 작동 플런저의 작동이 1:1로 반응하므로 구동 모터의 최소 회전수로 작동 플런저의 위치 제어가 가능하고, 이로 인해 급격한 시스템 출력 변화 구간에서도 신속하게 운전 온도를 제어할 수 있는 등 밸브 응답성을 개선할 수 있다.
본 실시예에서는 구동 모터의 회전수를 최소화하며 작동 플런저의 위치 제어가 가능하므로, 구동 모터의 구동에 따른 소비 전력을 줄일 수 있고, 작동 플런저가 상하 이동하지 않고 구동 모터에 의해 로터리 방식으로 회전하기 때문에 작동 플런저의 작동 공간을 확보하지 않아도 되므로 전체 밸브의 부피를 줄일 수 있다.
본 실시예에서는 작동 플런저에 의해 혼합된 냉각수가 배출포트를 통해 하측으로 배출되므로 냉각수의 압력 강하를 방지할 수 있으며, 작동 플런저의 모터축을 회전 가능하게 지지하는 베어링이 커버에 장착되고 커버와 작동 플런저 사이에 작동 플런저를 실링하는 오일실이 설치되므로, 작동 플런저의 마모에 따른 누수를 방지할 수 있다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료 전지 차량용 냉각수 온도조절밸브를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 연료 전지 차량용 냉각수 온도조절밸브를 더욱 구체적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 차량용 냉각수 온도조절밸브를 도시한 결합 사시도이다.
도 4는 도 3의 분해 사시도이다.
도 5a 내지 도 5c는 도 3의 단면 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 차량용 냉각수 온도조절밸브를 도시한 결합 사시도이고, 도 4는 도 3의 분해 사시도이고, 도 5a 내지 도 5c는 도 3의 단면 구성도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 온도조절밸브(100)는 연료로 사용되는 수소와 산화제로 사용되는 공기를 연료전지 스택에 공급하여 전기를 생산하며, 연료전지 스택에 의해 생산된 전기로 전기모터를 작동시켜 차량을 구동시키는 연료 전지 차량에 적용될 수 있다.
여기서, 연료전지 스택은 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키며 이 과정에서 열을 발생시키는데, 그 열은 냉각수와 열교환 될 수 있다.
이 경우, 상기 연료전지 스택은 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 물을 배출하는 냉각수 배출부와, 라디에이터를 통해 공급되는 저온의 냉각수 및 그 연료전지 스택으로부터 공급되는 고온의 냉각수를 주입할 수 있는 냉각수 주입부를 구성하고 있다.
상기 연료 전지 차량용 냉각수 온도조절밸브(100)는 연료전지 스택의 냉각 루프에서 연료전지 스택으로 공급되는 냉각수의 온도를 조절하기 위한 것이다.
본 실시예에 의한 상기 냉각수 온도조절밸브(100)는 엑츄이이터와 밸브 작동체를 직결하여 그 밸브 작동체를 로터리 방식으로 회전시킴으로써 밸브 응답성을 개선하고, 냉각수의 압력 강하를 개선할 수 있으며, 밸브 작동체의 마모에 따른 누수를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 전체 밸브의 부피를 축소시킬 수 있는 구조로서 이루어진다.
이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 상기 연료 전지 차량용 냉각수 온도조절밸브(100)는 기본적으로, 밸브 하우징(10)과, 작동 플런저(30)와, 커버(50)와, 구동 모터(70)를 포함하여 구성되며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.
본 실시예에서, 상기 밸브 하우징(10)은 상하부가 개방된 밸브 케이싱으로서 이루어지며, 라디에이터로부터 공급되는 냉각수가 유입되는 제1 유입포트(11)와, 연료전지 스택으로부터 공급되는 냉각수가 유입되는 제2 유입포트(12)와, 연료전지 스택으로 냉각수가 배출되는 배출포트(13)를 형성하고 있다.
상기 제1 유입포트(11)는 라디에이터로부터 공급되는 저온의 냉각수가 유입되는 것으로, 관로를 통해 라디에이터와 연결되며, 밸브 하우징(10)의 수직 방향을 기준할 때 수평 방향으로 형성된다.
상기 제2 유입포트(12)는 연료전지 스택의 냉각수 배출부로부터 배출되는 고온의 냉각수가 유입되는 것으로, 그 냉각수 배출부와 바이패스 라인을 통해 연결되며, 뒤에서 더욱 설명될 작동 플런저(30)의 회전 반경을 따라 제1 유입포트(11)에 수직하게 배치된다.
상기 배출포트(13)는 라디에이터로부터 공급되는 저온의 냉각수 또는 연료전지 스택의 냉각수 배출부로부터 배출되는 고온의 냉각수를 연료전지 스택의 냉각수 주입부로 각각 공급하거나 고온의 냉각수와 저온의 냉각수를 혼합하여 연료전지 스택의 냉각수 주입부로 공급하기 위한 것이다.
이러한 배출포트(13)는 제1 및 제2 유입포트(11, 12)와 연결되며, 소정의 관로를 통해 연료전지 스택의 냉각수 주입부와 연결될 수 있다.
여기서, 상기 밸브 하우징(10)의 내부에는 제1 및 제2 유입포트(11, 12), 배출포트(13)와 각각 연결되며, 위에서 언급한 바 있는 작동 플런저(30)가 장착될 수 있는 플런저 작동부(15)를 형성하고 있다.
이 경우, 상기한 바 있는 배출포트(13)는 플런저 작동부(15)에 대하여 하측 방향으로 연결될 수 있다.
본 실시예에서, 상기 작동 플런저(30)는 제1 및 제2 유입포트(11, 12)를 선택적으로 개폐시킬 수 있는 밸브 작동체로서 구비되며, 플런저 작동부(15)에 장착된다.
상기 작동 플런저(30)는 제1 및 제2 유입포트(11, 12)의 열림량을 제어하기 위해 플런저 작동부(15)에 회전 가능하게 장착되는데, 배출포트(13)와는 항상 연통되어 있다.
이러한 작동 플런저(30)는 상단부가 폐쇄되고 하단부가 개방된 원통 형상으로 이루어지며, 그 상단부에는 뒤에서 더욱 설명될 구동 모터(70)와 연결되는 모터축(31)이 설치되고, 하단부는 배출포트(13)와 상호 연결된다.
그리고, 상기 작동 플런저(30)에는 밸브 하우징(10)의 제1 및 제2 유입포트(11, 12)와 개별적으로 연결되거나 이들 유입포트(11, 12)와 일부 연결될 수 있는 개구부(33)가 형성되어 있다.
본 실시예에서, 상기 커버(50)는 밸브 하우징(10)의 상부 개방단을 덮는 밸브 덮개로서 구비되며, 볼트(B) 등과 같은 체결수단을 통해 밸브 하우징(10)의 상부와 체결된다.
상기 커버(50)에는 작동 플런저(30)의 모터축(31)이 관통할 수 있는 관통홀(51)을 형성하고 있다. 이 경우 상기 관통홀(51)에는 모터축(31)을 회전 가능하게 지지하는 베어링(60)이 장착될 수 있다.
그리고, 상기 커버(50)와 작동 플런저(30) 사이에는 하기의 구동 모터(70)와 작동 플런저(30) 사이를 실링하는 오일실(oil seal)(65)이 설치될 수 있다.
본 실시예에서, 상기 구동 모터(70)는 작동 플런저(30)를 회전시키는 엑츄에이터로서, 밸브 하우징(10)과의 사이에 커버(50)를 두고 그 커버(50)의 상부면에 배치되는 바, 볼트(B) 등과 같은 체결수단을 통하여 커버(50)의 상부면에 체결된다.
상기와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 차량용 냉각수 온도조절밸브(100)는 구동 모터(70)에 의한 작동 플런저(30)의 회전으로서 밸브 하우징(10)의 제1 및 제2 유입포트(11, 12)와 배출포트(13)를 선택적으로 연결하는 로터리 타입의 3-웨이 밸브로서 이루어진다.
도면에서 미설명된 참조 부호 90은 커버(50)와 밸브 하우징(10)을 실링하는 오-링을 나타낸다.
이하, 상술한 바와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 차량용 냉각수 온도조절밸브(100)의 작동을 상세하게 설명하기로 한다.
우선, 차량의 초기 시동 시, 본 실시예에서는 도 5a에서와 같이 구동 모터(70)를 통해 작동 플런저(30)를 회전시켜 그 작동 플런저(30)의 개구부(33)를 밸브 하우징(10)의 제2 유입포트(12)와 연결한다.
이 경우, 상기 밸브 하우징(10)의 제1 유입포트(11)는 작동 플런저(30)에 의해 폐쇄된 상태에 있다.
그러면, 연료전지 스택으로부터 배출되는 고온의 냉각수는 바이패스 라인을 통해 제2 유입포트(12)로 유입되고, 작동 플런저(30)의 개구부(33)와 연결된 배출포트(13)를 통해 하측으로 배출되며, 소정의 관로를 통해 연료전지 스택으로 공급된다.
한편, 연료전지 스택으로 공급되는 냉각수의 온도를 측정하여 냉각수온이 설정 온도 보다 높은 경우(시스템 냉각수 온도 제어 구간), 본 실시예에서는 도 5b에서와 같이 구동 모터(70)를 통해 작동 플런저(30)를 회전시켜 그 작동 플런저(30)의 개구부(33)를 제1 및 제2 유입포트(11, 12) 각각의 일부와 연결한다.
이에, 라디에이터로부터 공급되는 저온의 냉각수는 제1 유입포트(11)로 유입되고, 이와 동시에 연료전지 스택으로부터 배출되는 고온의 냉각수는 제2 유입포트(12)로 유입된다.
따라서, 상기 저온의 냉각수와 고온의 냉각수는 작동 플런저(30)의 개구부(33)를 통해 그 작동 플런저(30)의 내부로 유입되며 혼합되는데, 작동 플런저(30)의 개구부(33)가 제1 유입포트(11) 쪽이 더 열린 상태이면 저온의 냉각수가 더 많이 유입될 것이고, 제2 유입포트(12) 쪽이 더 열린 상태이면 고온의 냉각수가 더 많이 유입될 것이다.
즉, 연료전지 스택으로 공급되는 냉각수의 온도가 설정 온도 보다 높으면 제1 유입포트(11)의 열림량을 증가시키도록 작동 플런저(30)의 위치를 조절하고, 설정 온도 보다 낮으면 제2 유입포트(12)의 열림량을 증가시키도록 작동 플런저(30)의 위치를 조절한다. 이러한 작동 플런저(30)의 위치 제어는 구동 모터(70)의 작동을 제어함으로써 가능하다.
이로써, 상기 작동 플런저(30)의 내부에서 혼합된 냉각수는 설정 온도로 유지하면서 배출포트(13)를 통해 하측으로 배출되며, 소정의 관로를 통하여 연료전지 스택으로 공급된다.
다른 한편으로, 시스템의 과열 구간에서 본 실시예는 도 5c에서와 같이 구동 모터(70)를 통해 작동 플런저(30)를 회전시켜 그 작동 플런저(30)의 개구부(33)를 밸브 하우징(10)의 제1 유입포트(11)와 연결한다.
이 경우, 상기 밸브 하우징(10)의 제2 유입포트(12)는 작동 플런저(30)에 의해 폐쇄된 상태에 있다.
그러면, 라디에이터로부터 공급되는 저온의 냉각수는 소정의 관로를 통해 제1 유입포트(11)로 유입되고, 작동 플런저(30)의 개구부(33)와 연결된 배출포트(13)를 통해 하측으로 배출되며, 연료전지 스택으로 공급된다.
따라서, 본 실시예에 따른 연료 전지 차량용 냉각수 온도조절밸브(100)에 의하면, 연료전지 스택으로 주입되는 냉각수의 온도를 측정한 다음, 측정된 냉각의 온도를 입력받아 구동 모터(70)의 제어에 의해 작동 플런저(30)의 위치를 제어하여 제1 유입포트(11) 및 제2 유입포트(12)를 통해 유입되는 냉각수의 유량을 조절함으로써 연료전지 스택으로 공급되는 냉각수의 온도를 설정 온도로 유지할 수 있다.
지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 차량용 냉각수 온도조절밸브(100)에 의하면, 구동 모터(70)와 작동 플런저(30)를 직결하여 그 작동 플런저(30)를 로터리 방식으로 회전시킴으로써 연료전지 스택으로 공급되는 냉각수의 온도를 조절할 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 구동 모터(70)의 회전비와 작동 플런저(30)의 작동이 1:1로 반응하므로 구동 모터(70)의 최소 회전수로 작동 플런저(30)의 위치 제어가 가능하고, 이로 인해 급격한 시스템 출력 변화 구간에서도 신속하게 운전 온도를 제어할 수 있는 등 밸브 응답성을 개선할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 구동 모터(70)의 회전수를 최소화하며 작동 플런저(30)의 위치 제어가 가능하므로, 구동 모터(70)의 구동에 따른 소비 전력을 줄일 수 있다.
그리고, 본 실시예에서는 작동 플런저(30)가 상하 이동하지 않고 구동 모터(70)에 의해 로터리 방식으로 회전하기 때문에, 작동 플런저(30)의 작동 공간을 확보하지 않아도 되므로 전체 밸브의 부피를 줄일 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 작동 플런저(30)에 의해 혼합된 냉각수가 배출포트(13)를 통해 하측으로 배출되므로 냉각수의 압력 강하를 방지할 수 있다.
아울러, 본 실시예에서는 작동 플런저(30)의 모터축(31)을 회전 가능하게 지지하는 베어링(60)이 커버(50)에 장착되고, 커버(50)와 작동 플런저(30) 사이에 작동 플런저(30)를 실링하는 오일실이 설치되므로, 작동 플런저(30)의 마모에 따른 누수를 방지할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10... 밸브 하우징 11... 제1 유입포트
12... 제2 유입포트 13... 배출포트
15... 플런저 작동부 30... 작동 플런저
31... 모터축 33... 개구부
50... 커버 51... 관통홀
60... 베어링 65... 오일실
70... 구동 모터

Claims (5)

  1. 연료 전지 차량에서 연료전지 스택의 냉각 루프에 장착되며, 상기 연료전지 스택으로 공급되는 냉각수의 온도를 조절하기 위한 연료 전지 차량용 냉각수 온도조절밸브에 있어서,
    라디에이터로부터 공급되는 냉각수가 유입되는 제1 유입포트와, 동일 반경을 따라 상기 제1 유입포트에 수직하며 연료전지 스택으로부터 공급되는 냉각수가 유입되는 제2 유입포트와, 상기 제1 및 제2 유입포트와 연결되며 상기 연료전지 스택으로 냉각수가 배출되는 배출포트를 포함하는 밸브 하우징;
    상기 배출포트와 연결되며 상기 밸브 하우징의 내부에 회전 가능하게 장착되어 상기 제1 및 제2 유입포트의 열림량을 제어하는 작동 플런저; 및
    상기 밸브 하우징의 상측에 구성되어 상기 작동 플런저를 회전시키는 엑츄에이터로서의 구동 모터를 포함하며,
    상기 밸브 하우징은 상기 작동 플런저가 회전 가능하게 배치될 수 있는 플런저 작동부를 포함하며, 상기 플런저 작동부에 대하여 상기 배출포트를 하측 방향으로 연결하고, 상기 플런저 작동부의 수직 방향을 기준할 때 상기 제1 유입포트를 수평 방향으로 배치하며, 상기 제2 유입포트를 상기 제1 유입포트에 수직하게 배치하고,
    상기 작동 플런저는 상기 구동 모터와 결합하는 모터축이 상부에 설치되고 하부가 상기 배출포트와 연결되며, 상기 제1 및 제2 유입포트와 개별적으로 연결되거나 일부 연결될 수 있는 개구부가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량용 냉각수 온도조절밸브.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 구동 모터와 밸브 하우징 사이에는 상기 밸브 하우징의 상부를 덮는 커버가 설치되고,
    상기 커버에는 상기 모터축을 회전 가능하게 지지하는 베어링이 장착되며,
    상기 커버와 작동 플런저 사이에는 오일실이 설치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량용 냉각수 온도조절밸브.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 구동 모터에 의한 상기 작동 플런저의 회전으로서 상기 제1 및 제2 유입포트와 상기 배출포트를 선택적으로 연결하는 로터리 타입의 3-웨이 밸브로서 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량용 냉각수 온도조절밸브.
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