KR101379823B1 - 연료전지 자동차용 이온필터 장치 - Google Patents

연료전지 자동차용 이온필터 장치 Download PDF

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Abstract

연료전지 자동차용 이온필터 장치가 개시된다. 이 이온필터 장치는 입구 포트와 출구 포트를 갖는 필터 하우징과, 이온수지를 포함하고 상기 필터 하우징에 내장된 필터 카트리지를 포함한다. 필터 카트리지는, 상기 입구 포트에 접속되는 내부 중공 필터 요소와, 상기 내부 중공 필터 요소의 주변을 둘러싸는 외부 중공 필터 요소와, 상기 내부 중공 필터 요소와 상기 외부 중공 필터 요소의 상단을 덮는 필터 캡과, 상기 내부 중공 필터 요소의 상단을 상기 필터 캡의 바닥에 결합시키는 나사 체결구조와, 상기 나사 체결 구조의 체결이 풀리는 방향의 회전을 억제하도록 마련된 록킹 구조를 포함한다.

Description

연료전지 자동차용 이온필터 장치{ION FILTER APPARATUS FOR FUEL CELL VEHICLE}
본 발명은 연료전지 자동차용 이온필터 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 수소 연료전지 자동차용 연료전지 스택의 냉각수에서 용출된 이온을 제거하는데 적합한 이온필터 장치에 관한 것이다.
환경친화적인 미래형 자동차용 하나인 수소 연료전지 자동차에 적용되는 연료전지 시스템은, 반응가스의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 전기화학 반응에 필요한 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 전기화학 반응 부산물인 열을 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 운전온도를 최적으로 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템을 포함하여 구성된다.
이러한 구성에서 연료전지 스택은 반응가스인 수소와 산소의 전기화학반응으로부터 전기에너지를 발생시키고, 그 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다. 이에 연료전지 시스템에는 스택의 온도 상승을 방지하기 위하여 스택을 냉각시키는 장치가 필수적이다.
통상 차량용 연료전지 시스템에서 연료전지 스택을 최적 온도로 유지하기 위한 냉각시스템에는 스택 내 냉각수 채널을 통해 물을 순환시켜 냉각시키는 수냉식이 이용되고 있다. 한편, 연료전지 시스템의 냉각수 루프를 형성하는 배관은 이온 용출성의 문제로 인하여 적용 가능한 재질이 반이온 용출성을 가지는 SUS 316L, 테플론(Teflon), Al 3003, 푸드 그레이드(Food-Grade)의 실리콘 등으로 매우 제한적이다. SUS 304의 경우 이온 용출의 문제로 사용이 불가하다. 일반 저가의 재료를 사용하는 경우 냉각수가 닿는 부분에서 불순물 및 이온이 냉각수로 용출되는 문제가 발생하는데, 용출된 이온으로 인하여 연료전지 스택에서 생성된 전기가 냉각수를 통해 흐르는 심각한 문제가 발생할 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위한 하나의 방안으로 이온필터 장치가 채용된다. 이온 필터장치는 냉각수 루프에 장착되어 냉각수의 이온전도도를 일정 수준 이하로 유지하고 있다. 상기 이온필터 장치는 연료전지 스택으로 들어가는 냉각수에 포함된 이온을 필터링하여 냉각수의 전기 전도도(Ion Conductivity)를 일정 수준 이하로 낮추는 역할을 한다.
종래의 이온필터 장치는 입구 포트와 출구 포트를 갖는 하우징과, 그 하우징 내에 배치된 필터 카트리지를 포함한다. 필터 카트리지는 하우징의 입구 포트와 접속되는 내부 중공 필터 요소(inner hollow filter element)와, 내부 중공 필터 요소를 둘러싸는 외부 중공 필터 요소(outer hollow filter element)와, 내부 중공 필터 요소 및 외부 중공 필터 요소의 상단에 결합된 필터 캡을 포함한다. 내부 중공 필터 요소 및 외부 중공 필터 요소는 모두 측방향으로 복수의 개구부들이 형성된 내부 및 외부 중공 프레임들을 포함하고, 그 내부 및 외부 중공 프레임들 각각의 개구부들은 메쉬(mesh)에 의해 덮여 있다. 메쉬는 냉각수의 흐름을 허용함과 동시에 내부 중공 필터 요소 및 외부 중공 필터 요소 사이에 채워진 이온수지의 이탈을 막는 역할을 한다.
종래의 이온필터 장치에서, 내부 중공 필터 요소는 진공 융착에 의해 필터 캡의 바닥 중앙 부근에 결합되고 외부 중공 필터 요소도 마찬가지로 진공 융착에 의해 필터 캡의 바닥 가장자리에 결합된다. 하지만 융착에 의한 중공 필터 요소들과 필터 캡의 결합 부위는 냉각수의 유동 압력에 대하여 신뢰성을 갖지 못한다. 이온필터 장치 내 냉각수 흐름은 상당한 압력을 가지고 여러 방향으로 이루어지며 이는 필터 캡과 중공 필터 요소들의 결합 부위를 손상시킬 수 있다. 또한, 종래의 이온필터 장치는 필터 카트리지의 손상으로 인해 이온수지의 이탈이 생길 수 있다. 이탈된 이온수지는 출구를 통해 외부로 유출되어 심각한 문제를 일으킬 수 있다.
본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 필터 카트리지의 불량, 손상, 작동 부조 및/또는 그로 인해 야기되는 문제점을 최소화할 수 있는 개선된 구조의 이온 필터장치를 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 하나의 과제는 내부 및 외부 중공 필터 요소들과 필터 캡과의 신뢰성 있고 안전한 결합을 통해 필터 카트리지의 불량, 사용 중 파손, 작동 부조를 최소화 할 수 있는 이온 필터장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 필터 카트리지 파손시 필터 카트리지 내에 있던 이온수지가 외부로 유출되는 것을 억제할 있는 이온 필터장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 연료전지 자동차용 이온필터 장치는, 입구 포트와 출구 포트를 갖는 필터 하우징과; 이온수지를 포함하고 상기 필터 하우징에 내장된 필터 카트리지를 포함한다. 여기에서, 상기 필터 카트리지는, 상기 입구 포트에 접속되는 내부 중공 필터 요소와, 상기 내부 중공 필터 요소의 주변을 둘러싸는 외부 중공 필터 요소와, 상기 내부 중공 필터 요소와 상기 외부 중공 필터 요소의 상단을 덮는 필터 캡과, 상기 내부 중공 필터 요소의 상단을 상기 필터 캡의 바닥에 결합시키는 나사 체결구조와, 상기 나사 체결 구조의 체결이 풀리는 방향의 회전을 억제하도록 마련된 록킹(locking) 구조를 포함한다.
일 실시예에 따라, 상기 나사 체결 구조는, 상기 내부 중공 필터 요소의 상단에 형성된 수나사부와, 상기 필터 캡의 바닥에 형성되어 상기 수나사부에 체결되는 암나사부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 록킹 구조는, 상기 필터 캡의 바닥에 형성된 톱니부와, 상기 톱니부의 톱니들에 걸리도록 상기 외부 중공 필터 요소의 내주면에 형성된 걸림 돌기를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 톱니부는, 상기 암나사부와 중심이 일치하는 원의 궤적으로 형성될 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 톱니부는, 상기 나사 체결 방향으로의 회전을 허용하되 상기 나사 체결 풀림 방향의 회전을 억제하도록, 래칫 톱니 구조를 가질 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 이온 필터장치는 상기 출구 포트의 내부에 설치되어 상기 이온수지가 상기 필터 하우징 외부로 유출되는 것을 최종적으로 막는 이온수지 차단필터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 내부 및 외부 중공 필터 요소들과 필터 캡과의 신뢰성 있고 안전한 결합을 통해 필터 카트리지의 불량, 사용 중 파손 및 작동 부조를 최소화 할 수 있는 이온 필터장치가 구현될 수 있다. 또한, 필터 카트리지 파손시 필터 카트리지 내에 있던 이온수지가 이온 필터장치 외부로 유출되는 것을 출구 포트에 설치한 이온수지 차단필터를 이용하여 막을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 자동차용 이온필터 장치의 외관을 도시한 도면.
도 2는 도 1에 도시된 이온필터 장치의 필터 하우징 일부를 절개하여 하우징 내부를 보인 도면.
도 3은 도 2의 A-A를 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 자동차용 이온 필터장치를 절단하여 도시한 단면도.
도 4는 도 1 내지 도 3에 도시된 이온 필터장치의 필터 카트리지를 도시한 분해도.
도 5는 4에 도시된 필터 카트리지의 주요 부분을 확대하여 도시한 도면.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 자동차용 이온필터 장치의 외관을 보여주는 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 이온필터 장치의 필터 하우징 일부를 절개하여 하우징 내부를 보인 도면이고, 도 3은 도 2의 A-A를 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 자동차용 이온 필터장치를 절단하여 도시한 단면도이고, 도 4는 도 1 내지 도 3에 도시된 이온 필터장치의 필터 카트리지를 도시한 분해도이며, 도 5는 4에 도시된 필터 카트리지의 주요 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온필터 장치는 필터 하우징(11, 12, 13)을 포함한다. 이 필터 하우징은 중공형의 하우징 본체(11)와, 상기 하우징 본체(11)의 상단에 결합되는 출구 포트 케이스(12)와, 상기 하우징 본체(11)의 하단에 결합되는 입구 포트 케이스(13)를 포함한다. 또한, 상기 필터 하우징은 필터링 대상 유체인 냉각수의 유입을 허용하는 입구 포트(132)를 입구 포트 케이스(13)의 일측에 구비하는 한편 상기 냉각수의 유출을 허용하는 출구 포트(122)를 출구 포트 케이스(12)의 일측에 구비한다. 상기 하우징 본체(11)의 일측에는 자동차 내 임의의 장소에 상기 이온필터 장치를 설치하기 위한 브라켓(14)이 설치된다. 상기 이온필터 장치는 필터 하우징 내부에 이온수지가 채워져 있는 필터 카트리지(2)를 포함하며, 이 필터 카트리지(2)는 연료전지 스택으로 들어가는 냉각수에 포함된 이온을 필터링하여 냉각수의 전기 전도도(Ion Conductivity)를 일정 수준 이하로 낮추는 역할을 한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 필터 카트리지(2)는 하단에서 출구 포트 케이스(12)와 결합되어 입구 포트(132)에 접속되는 내부 중공 필터 요소(24)와, 내부 중공 필터 요소(24)를 둘러싸는 외부 중공 필터 요소(22)와, 상기 내부 및 외부 중공 필터 요소(24, 22)들의 상단에 결합된 필터 캡(26)의 조립 구조로 이루어져 있다.
상기 내부 중공 필터 요소(24)는 측면 방향 또는 방사상 방향으로 복수의 개구부가 형성된 수지 재질의 내부 중공 프레임(242)과, 상기 개구부들을 덮도록 설치된 메쉬(244)를 포함한다. 또한, 상기 외부 중공 필터 요소(22)도 측면 방향 또는 방사상 방향으로 복수의 개구부가 형성된 수지 재질의 외부 중공 프레임(222)과, 상기 개구부들을 덮도록 설치된 메쉬(224)를 포함한다. 또한, 상기 필터 캡(26)에 의해, 상기 중공 필터 요소(22, 24)들의 상단 개방부 및 그들 사이의 갭 상단은 폐쇄된다.
상기 필터 카트리지(2)는 적어도 상기 외부 중공 필터 요소(22)와 상기 내부 중공 필터 요소(24) 사이에 입자형 이온수지(미도시함)가 채워지도록 구획 형성된 이온수지 충전실을 포함한다. 상기 입구 포트(132)를 통해 유입된 냉각수는 상기 내부 중공 필터 요소(24)의 중공 내부를 유동한 후 상기 내부 중공 필터 요소(24)의 메쉬(244)를 방사상으로 통과하여 이온수지 충전실로 흐른다. 이온수지 충전실에서 이온 필터링이 수행된 냉각수는 외부 중공 필터 요소(22)의 메쉬(224)를 통해 필터 카트리지(2)와 필터 하우징 사이의 유동실로 흐른 후 출구 포트 케이스(12)에 제공된 출구 포트(122)를 통해 외부로 유출된다.
한편, 필터 카트리지(2)의 원치 않는 손상시, 필터 카트리지(2) 내에 있던 이온수지는 냉각수와 함께 출구 포트(122)를 통해 외부로 유출될 수 있고, 이는 심각한 문제를 초래한다. 본 실시예에 따른 이온 필터장치는 이온수지의 유출을 최종적으로 막는 이온수지 차단필터(4)를 포함한다. 상기 이온수지 차단필터(4)는 상기 출구 포트(122) 내부에 설치되어, 이온수지가 포함된 냉각수에 대하여 냉각수의 유출은 허용하고 이온수지의 유출은 차단한다.
도 4에는 내부 중공 필터 요소(24)가 조립되는 방향이 화살표로 표시되어 있다. 상기 내부 중공 필터 요소(24)는 내부 중공 프레임(242)의 상단에 수나사부(2424)를 구비하여 그 수나사부(2424)에 의해 상기 필터 캡(26)에 나사 체결된다. 나사 체결 구조에 의한 필터 캡(26)과 내부 중공 필터 요소(24)의 결합은 종래 진공 융착을 이용한 결합에서 문제시되는 결합 부위의 파손을 억제할 수 있다. 이때 나사 체결 구조의 풀림 문제가 있을 수 있지만, 본 발명은 나사 체결의 풀림을 방지하는 록킹 구조를 더 포함한다. 이 록킹 구조에 대해서는 이후에 더 구체적으로 설명하기로 한다.
한편, 실시예에 따른 필터 카트리지(2)는 필터 캡(26)과 외부 중공 필터 요소(22)와의 사이에 종래에 요구되는 진공 융착과 같은 결합 구조가 요구되지 않는다. 즉, 내부 중공 필터 요소(24)의 하단과 외부 중공 필터 요소(22)의 하단이 필터 하우징에 결합되고 전술한 것과 같은 록킹 구조 작동 하에 내부 중공 필터 요소(24)의 수나사부(2424)가 상기 필터 캡(26)에 나사 체결되는 것만으로도, 필터 캡(26)과 외부 중공 필터 요소(22)는 신뢰성 있는 결합 상태를 유지할 수 있다. 오링(227, 226, 2426) 등은 부품과 부품 사이의 신뢰성 있게 밀착 또는 밀봉을 위해 제공된다.
또한, 상기 내부 중공 필터 요소(24)는 내부 중공 프레임(242)의 하단에 대략 혼(horn) 형의 접속부(2422)를 구비하며, 이 접속부(2422)가 필터 하우징의 입구 포트 케이스(13)에 결합되어, 그 입구 포트 케이스(13)에 형성된 입구 포트(132)와 연통한다.
도 5를 참조하면, 내부 중공 필터 요소(24)의 상단, 더 구체적으로는 내부 중공 프레임(242)의 상단에 수나사부(2424)가 형성되어 있고, 필터 캡(26)의 바닥 중앙의 원형 돌출부에는 상기 수나사부(2424)에 대응하는 암나사부(266)가 형성되어 있다. 또한, 본 실시예에 따르면, 상기 수나사부(2424)와 암나사부(266)가 나사 체결된 상태에서 상기 수나사부(2424)와 상기 암나사부(266)의 체결 풀림을 방지하는 록킹 구조(265, 225)가 제공된다.
상기 록킹 구조는 상기 필터 캡(26)의 바닥에 형성된 원형 톱니부(265)와, 상기 원형 톱니부(265)에 형성된 각 톱니에 간헐적으로 걸리도록 상기 외부 중공 필터 요소(22)의 내주면, 특히, 외부 중공 프레임(222)의 내주면에 형성된 걸림 돌기(225)를 포함한다. 상기 수나사부(2424)와 상기 암나사부(266)가 체결된 상태에서, 상기 걸림 돌기(225)가 상기 톱니부(265)의 해당 톱니에 걸려 있게 되므로, 나사 체결의 풀림은 억제될 수 있다. 이때, 상기 원형 톱니부(265)의 원 궤적 중심과 상기 암나사부(266)의 중심은 일치하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 원형 톱니부(265)는 상기 외부 중공 필터 요소(22)에 삽입되는 삽입 원통부(263)의 하단에 원형의 궤적으로 형성되는 것이 바람직하다.
이때, 상기 원형 톱니부(265)는 일 방향, 즉 전술한 나사 체결을 위한 회전 방향으로는 상기 걸림 돌기(225)를 상대적으로 쉽게 넘을 수 있고, 반대로 나사 체결의 풀림 회전 방향으로는 상기 걸림 돌기(225)를 쉽게 넘을 수 없는 래칫 톱니 구조를 갖는 것이 바람직하다.
2: 필터 카트리지 4: 이온수지 차단필터
11: 필터 하우징 본체 12: 출구 포트 케이스
13: 입구 포트 케이스 14: 브라켓
22: 외부 중공 필터 요소 24: 내부 중공 필터 요소
26: 필터 캡 222: 외부 중공 프레임
242: 내부 중공 프레임 224, 244: 메쉬(mesh)
265: 톱니부 266: 암나사부
225: 걸림 돌기 2424: 수나사부

Claims (6)

  1. 입구 포트와 출구 포트를 갖는 필터 하우징; 및
    이온수지를 포함하고 상기 필터 하우징에 내장된 필터 카트리지를 포함하며,
    상기 필터 카트리지는,
    상기 입구 포트에 접속되는 내부 중공 필터 요소와,
    상기 내부 중공 필터 요소의 주변을 둘러싸는 외부 중공 필터 요소와,
    상기 내부 중공 필터 요소와 상기 외부 중공 필터 요소의 상단을 덮는 필터 캡과,
    상기 내부 중공 필터 요소의 상단을 상기 필터 캡의 바닥에 결합시키는 나사 체결구조와,
    상기 나사 체결 구조의 체결이 풀리는 방향의 회전을 억제하는 록킹 구조를 포함하되,
    상기 출구 포트의 내부에는 상기 이온수지가 상기 필터 하우징 외부로 유출되는 것을 최종적으로 막는 이온수지 차단필터가 구비됨을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 이온필터 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 나사 체결 구조는,
    상기 내부 중공 필터 요소의 상단에 형성된 수나사부와,
    상기 필터 캡의 바닥에 형성되어 상기 수나사부에 체결되는 암나사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 이온필터 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 록킹 구조는,
    상기 필터 캡의 바닥에 형성된 톱니부와,
    상기 톱니부의 톱니들에 걸리도록 상기 외부 중공 필터 요소의 내주면에 형성된 걸림 돌기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 이온필터 장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 톱니부는, 상기 암나사부와 중심이 일치하는 원의 궤적으로 형성된 것을 특징으로 하는 자동차용 이온필터 장치.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 톱니부는, 상기 나사 체결 방향으로의 회전을 허용하되 상기 나사 체결 풀림 방향의 회전을 억제하도록, 래칫 톱니 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 이온필터 장치.
  6. 삭제
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