KR101655124B1 - 고압 레귤레이터의 구동장치 및 구동방법 - Google Patents

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Abstract

고압 레귤레이터의 구동장치 및 구동방법에 관한 것으로, 고압의 가스연료를 미리 설정된 제1 압력으로 감압하는 제1 감압부와 상기 제1 압력으로 감압된 가스연료를 상기 제1 압력보다 낮게 설정된 제2 압력으로 감압하는 제2 감압부를 포함하는 고압 레귤레이터의 제2 감압부에 설치되고 최종 출구압력을 감지하는 압력감지센서, 가스 연료의 출구압력 이상 발생시 유로를 개방해서 이상 압력을 제거하는 전자식 압력조정밸브 및 상기 압력감지센서에 의해 감지된 출구압력과 미리 설정된 설정압력을 비교하고 비교 결과에 기초해서 상기 압력조정밸브의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 구성을 마련하여, 설정압력을 초과하는 이상 압력 발생시 전자식 압력조정밸브를 개방 및 폐쇄 동작시켜 이상 압력을 신속하게 제거할 수 있다는 효과가 얻어진다.

Description

고압 레귤레이터의 구동장치 및 구동방법{DRIVING APPARATUS AND METHOD OF HIGH PRESSURE REGULATOR}
본 발명은 고압 레귤레이터의 구동장치 및 구동방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수소 연료전지 차량에 적용되어 고압의 수소를 미리 설정된 출구압력으로 감압하는 고압 레귤레이터의 구동장치 및 구동방법에 관한 것이다.
일반적으로, 수소 연료전지 차량(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)은 스택에서 산소와 수소를 이용하여 전기화학적으로 전기를 발생해서 연료의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변화시켜 동력원으로 사용한다.
이러한 수소 연료전지 차량은 연료와 공기를 외부에서 공급하여 전지의 용량에 관계없이 계속 발전할 수 있어, 효율이 높고 오염물질이 거의 배출되지 않는 이상적인 기술로서, 현재 많은 개발 시도가 진행되고 있다.
수소 연료전지 차량은 연료탱크에서 고압 레귤레이터와 저압 레귤레이터를 경유해서 스택으로 수소연료를 공급하고, 수소 블로워는 저압 레귤레이터에 연결된 펌프 및 각종 밸브를 포함한다.
이와 함께, 수소 연료전지 차량은 급속해빙 물탱크, 전동물펌프, 써모스탯, 스택 냉각용 라디에이터, 에어컨 컨덴서, 전동식 냉매압축기, 물탱크, 가습기, 구동모터, 각종 제어기, 공기블로워 및 공기필터 등을 더 포함한다.
수소 연료전지 차량의 연료공급계통은 일반 가솔린 및 디젤 차량의 엔진에 해당하는 것으로, 차량의 전측 상부에 위치한다.
예를 들어, 본 출원인은 하기의 특허문헌 1 및 특허문헌 2 등 다수에 수소 연료전지 차량의 연료 공급계통과 레귤레이터 및 그의 제어 기술을 개시하여 특허출원해서 등록 받은 바 있다.
한편, 수소연료전지 차량에 적용되는 고압 레귤레이터는 약 700bar의 고압 수소를 취급함에 따라, 안정적인 출구압력과 충분한 내압성, 내부기밀이 매우 중요하다.
대한민국 특허 등록번호 제10-1134645호(2012년 4월 9일 공고) 대한민국 특허 등록번호 제10-1134647호(2012년 4월 19일 공고) 대한민국 특허 등록번호 제10-0946204호(2010년 3월 8일 공고) 대한민국 특허 등록번호 제10-1072361호(2011년 10월 12일 공고)
그러나 종래기술에 따른 고압 레귤레이터는 하나의 시트와 기계식 압력조정밸브를 포함해서 1단 감압 구조로 이루어진다.
이와 같이, 종래기술에 따른 고압 레귤레이터는 1단 감압 구조로 이루어짐에 따라, 입구압력의 변화 및 높은 감압비(예컨대 연료탱크의 압력인 약 700bar를 약10bar로 감압)를 가짐에 따라 출구압력이 불안정해지는 문제점이 있었다.
그리고 종래기술에 따른 고압 레귤레이터는 유량 사용이 없는 동안 단 하나의 시트로 탱크압력 전 영역을 100% 차단해야 하므로, 기밀 성능이 저하될 우려가 있고, 누설 발생시 차량 부조의 원인을 제공하였다.
또한, 종래기술에 따른 고압 레귤레이터는 일정 압력 도달시 대기로 압력을 배출해서 시트 누설에 대비한 안전장치로서 기계식 압력조정밸브가 적용된다.
상기 기계식 압력조정밸브는 출구압력이 미리 설정된 한계압력, 예컨대 약 15bar 이상인 경우, 스프링 하중에 의해 개방되고, 압력 방출 후 한계압력 이하가 되면 폐쇄된다.
그러나, 종래기술에 따른 고압 레귤레이터는 유체 고유 흐름을 이용해서 동작을 제어함에 따라 개방 압력을 정밀하게 제어하기 어렵고, 토출 후 압력조정밸브가 완전히 폐쇄되지 않고 일부 개방된 상태를 유지하여 미세누출이 발생하는 문제점이 있었다.
이에 따라, 고압 레귤레이터에 적용되는 시트기밀의 부담을 경감하고, 압력조정밸브를 전자식으로 제어하여 요구압력에서 정확한 배출과 개방시간을 제어할 수 있는 기술의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 연료탱크에서 스택으로 공급되는 수소의 압력을 감압하는 고압 레귤레이터의 구동장치 및 구동방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 2단 감압 구조를 이용해서 탱크압력 차단시 안전율을 향상시킬 수 있는 고압 레귤레이터의 구동장치 및 구동방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전자식 압력조정밸브의 정밀한 제어를 통해 요구압력에서 정확한 배출과 개방시간을 제어할 수 있는 고압 레귤레이터의 구동장치 및 구동방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 고압 레귤레이터의 구동장치는 고압의 가스연료를 미리 설정된 제1 압력으로 감압하는 제1 감압부와 상기 제1 압력으로 감압된 가스연료를 상기 제1 압력보다 낮게 설정된 제2 압력으로 감압하는 제2 감압부를 포함하는 고압 레귤레이터의 제2 감압부에 설치되고 최종 출구압력을 감지하는 압력감지센서, 가스 연료의 출구압력 이상 발생시 유로를 개방해서 이상 압력을 제거하는 전자식 압력조정밸브 및 상기 압력감지센서에 의해 감지된 출구압력과 미리 설정된 설정압력을 비교하고 비교 결과에 기초해서 상기 압력조정밸브의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 상기 출구압력의 이상 발생시 미리 설정된 설정시간 동안 상기 압력조정밸브를 개방 동작시켜 유로를 개방하고, 상기 설정시간이 경과하면 상기 압력조정밸브를 폐쇄 동작시켜 유로를 차단하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 상기 출구압력의 이상 발생시 상기 압력조정밸브를 개방 동작시켜 유로를 개방하고, 상기 압력감지센서에서 감지된 출구압력이 상기 설정압력에 도달하면 상기 압력조정밸브를 폐쇄 동작시켜 유로를 차단하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 고압 레귤레이터의 구동방법은 (a) 고압 레귤레이터에 마련된 제1 및 제2 감압부를 이용해서 고압의 가스연료를 2단 감압하는 단계, (b) 상기 제2 감압부에서 배출되는 최종 출구압력을 감지하는 단계, (c) 상기 (b)단계에서 감지된 출구압력과 미리 설정된 설정압력을 비교해서 이상 압력 발생 여부를 검사하는 단계 및 (d) 상기 (c)단계의 검사 결과에 기초해서 상기 제2 감압부에 설치된 전자식 압력조정밸브의 구동을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (d)단계는 상기 (c)단계의 검사 결과 이상 압력이 발생한 경우, 상기 압력조정밸브를 미리 설정된 설정시간 동안 개방 동작시켜 유로를 개방한 후, 상기 설정시간이 경과하면 상기 압력조정밸브를 폐쇄 동작시켜 유로를 차단하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 (d)단계는 상기 (c)단계의 검사 결과 이상 압력이 발생한 경우, 상기 압력조정밸브를 개방 동작시켜 유로를 개방하고, 상기 압력감지센서에서 감지된 출구압력이 상기 설정압력에 도달하면 상기 압력조정밸브를 폐쇄 동작시켜 유로를 차단하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 (d)단계를 수행한 후 이상 압력의 제거 여부를 검사하고, 이상 압력이 완전하게 제거될 때까지 상기 (b)단계 내지 (d)단계를 반복 수행하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고압 레귤레이터의 구동장치 및 구동방법에 의하면, 고압의 가스연료를 2단 감압함에 따라, 감압비를 낮출 수 있고, 입구압력이 변화하더라도 출구압력을 일정하게 안정화시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.
그리고 본 발명에 의하면, 설정압력을 초과하는 이상 압력 발생시 전자식 압력조정밸브를 개방 및 폐쇄 동작시켜 이상 압력을 신속하게 제거할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또, 본 발명에 의하면, 단순 감압하는 기능을 갖도록 제1 감압부를 기계적인 방식으로 구성하고, 제2 감압부에서 최종 출구압력을 정밀하게 제어함에 따라, 제1 감압부의 구조를 단순화하고, 부품 수를 최소화해서 제작 비용을 절감할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 의하면, 제2 감압부에 바이패스 구조를 적용함에 따라, 입구압력 변동에 따른 출구압력 변동을 최소화함으로써, 출구압력을 정밀하게 제어할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 의하면, 제2 감압부에 입구압력의 미세한 변화에도 유동적으로 반응하는 다이어프램을 적용하여 입구압력이 변화하더라도 출구압력을 일정하게 유지해서 안정화할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 의하면, 2단 감압 구조를 채용함에 따라, 각 감압부 내부의 기밀 성능을 향상시키고, 가스연료의 미세한 누출을 완전하게 차단함으로써, 차량 부조를 미연에 예방할 수 있다는 효과가 얻어진다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고압 레귤레이터의 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 제1 감압부의 측단면도,
도 3은 도 1에 도시된 제2 감압부의 측단면도,
도 4는 제2 바디의 평단면도,
도 5는 바이패스 구조를 갖는 제2 감압부의 동작 원리를 설명하는 예시도,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고압 레귤레이터의 구동장치의 블록 구성도,
도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고압 레귤레이터의 구동방법 및 동작방법을 단계별로 설명하는 흐름도.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고압 레귤레이터, 그의 구동장치 및 구동방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명은 종래의 고압 레귤레이터에 1단 감압 구조로 이루어짐에 따라 발생하는 문제점을 해소할 수 있도록 가스 연료를 2단 감압 구조로 이루어진다.
본 실시 예에서는 수소 연료전지 차량에 적용되는 고압 레귤레이터를 이용해서 설명하나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 다양한 가스 연료를 감압하는 레귤레이터에 적용될 수 있음에 유의하여야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고압 레귤레이터의 사시도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고압 레귤레이터(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 연료탱크에서 공급되는 가스 연료를 미리 설정된 제1 압력으로 감압하는 제1 감압부(20) 및 제1 압력으로 감압된 가스 연료를 상기 제1 압력보다 낮게 설정된 제2 압력으로 감압하는 제2 감압부(30)를 포함한다.
이와 함께, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고압 레귤레이터(10)는 제2 감압부(30)에 설치되고 가스 연료의 출구압력 이상 발생시 각각 기계식 또는 전자식으로 개폐 동작하는 제1 및 제2 압력조정밸브(40,50)를 포함한다.
본 실시 예에서 연료탱크 내부의 압력은 약 700bar이고, 상기 제1 압력은 약 18 내지 25bar로 설정될 수 있으며, 상기 제2 압력은 약 10 내지 17bar로 설정될 수 있다.
물론, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 고압 레귤레이터(10)가 적용되는 수소 연료전지 차량의 특성에 따라 제1 및 제2 압력을 다양하게 변경해서 설정할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 제1 감압부의 측단면도이다.
제1 감압부(20)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 외형 및 골격을 형성하는 제1 바디(21), 제1 바디(21)의 상부에 결합되는 제1 커버(22) 및 제1 바디(21)의 중앙부에 마련되고 가스연료의 압력을 제1 압력으로 감압하는 제1 감압유닛(23)을 포함할 수 있다.
제1 바디(21)는 원기둥이나 육면체 형상으로 형성되고, 제1 바디(21)의 일측, 도 2에서 보았을 때 좌측부에는 연료탱크에서 공급되는 가스 연료가 유입되는 제1 유입유로(211)가 형성되고, 제1 바디(21)의 우측부에는 제1 압력으로 감압된 가스 연료를 배출하는 제1 배출유로(212)가 형성될 수 있다.
제1 바디(21)의 중앙부에는 아래에서 설명할 제1 감압유닛(23)의 제1 샤프트(25)가 승강 동작하는 제1 승강 공간(213)이 형성될 수 있다.
제1 흡입유로(211)의 입구측에는 고압 레귤레이터(10)의 조립, 운반, 저장시 이물질의 유입을 방지하도록 제1 필터(214)가 설치될 수 있다.
제1 필터(214)는 약 10㎛의 기공을 갖는 금속필터로 마련될 수 있다.
제1 승강 공간(213)의 하부에는 제1 샤프트(25)의 유동을 방지하기 위해, 제1 댐퍼(215)가 마련될 수 있다.
제1 댐퍼(215)의 중앙부에는 제1 샤프트(25)가 승강 동작 가능하게 결합되는 결합공이 형성될 수 있다.
이러한 제1 댐퍼(215)는 제1 샤프트의 승강 동작시 마모도를 최소화하기 위해, 폴리 테트라 플루오로 에틸렌(Poly Tetra Fluoro Ethylene)과 같이 낮은 마찰계수를 갖는 합성수지 재질의 재료로 제조될 수 있다.
제1 바디(21)와 제1 댐퍼(215), 제1 샤프트(25) 사이에 간극이 없이 완전 폐쇄되는 경우, 제1 샤프트(25)의 하단부에 진공이 형성되어 제1 샤프트(25)의 운동성이 저하될 수 있다.
따라서, 제1 댐퍼(215)에 형성되는 결합공은 제1 샤프트(25)의 직경보다 약간 큰 직경으로 형성되고, 제1 바디(21)의 저면에는 제1 샤프트(25)의 직경보다 약간 큰 직경으로 형성되는 삽입홈(216)이 형성될 수 있다.
제1 커버(22)는 하면이 개구된 캡 형상으로 형성되고, 제1 커버(22)의 내부에는 제1 감압유닛(23)의 제1 탄성부재(27)와 제1 피스톤(26)이 설치되도록 설치 공간이 형성될 수 있다.
제1 커버(22)의 중앙부에는 제1 감압부(20)에서 감압되는 연료 압력을 조절하는 제1 조절수단(221)이 마련될 수 있다.
제1 조절수단(221)은 제1 커버(22)의 중앙부 상단에 결합되고, 회전 방향에 따라 상방 또는 하방으로 이동하는 조절볼트로 마련될 수 있다.
제1 조절수단(221)의 상면에는 제1 조절수단(221)을 회전시킬 수 있도록 렌치가 결합되는 렌치홈이 형성될 수 있다.
제1 조절수단(221)의 일측에는 제1 커버(22) 외부의 공기를 유입시키거나 제1 커버(22) 내부의 공기를 배출해서 제1 커버(22) 내부의 압력을 조절하고, 제1 커버(22) 내부를 환기할 수 있도록 제1 통기유로(222)가 형성될 수 있다.
제1 통기유로(222)에는 제1 감압부(20) 내부로 유입되는 공기에 포함된 이물질을 제거하는 제2 필터(223)가 설치될 수 있다.
제2 필터(223)는 제1 커버(22)의 상면에 형성된 제1 통기유로(222)의 입구측에 삽입되고, C 링에 의해 고정될 수 있다.
제1 감압유닛(23)은 제1 바디(21)의 제1 승강 공간(213) 상부에 결합되고 중앙부에 제1 오리피스(241)가 형성되는 제1 감압부재(24), 제1 승강 공간(213) 내부에 충진되는 가스 연료의 압력에 따라 제1 오리피스(241)를 개폐하도록 승강 동작하는 제1 샤프트(25) 및 제1 샤프트(25)의 상단에 결합되고 제1 압력으로 감압된 가스 연료를 제1 배출유로(212)를 통해 배출하도록 펌핑 동작하는 제1 피스톤(26)을 포함할 수 있다.
이와 함께, 제1 감압유닛(23)은 제1 피스톤(26)의 상부에 설치되고 출구압력에 상응하는 하중을 제공하는 제1 탄성부재(27)와 제1 샤프트(25)의 하부에 결합되고 제1 샤프트(25)에 탄성력을 제공하는 제2 탄성부재(28)를 더 포함할 수 있다.
제1 감압부재(24)는 대략 원통 형상으로 형성되고, 제1 오리피스(241)의 상부에는 제1 오리피스(241)를 통과하면서 감압된 가스연료를 제1 피스톤의 전체 영역으로 확산시키는 제1 확산 공간(242)이 형성될 수 있다.
제1 확산 공간(242)은 제1 감압부재(24)의 상단으로 갈수도록 직경이 커지도록 원뿔 형상으로 형성될 수 있다.
제1 감압부재(24)의 하면에는 제1 바디(21)의 승강 공간(213)과 제1 확산 공간(242) 사이를 실링하는 제1 시트(243)가 설치될 수 있다.
제1 샤프트(25)의 중앙부에는 제1 오리피스(241)를 폐쇄해서 가스 연료의 이동을 차단할 수 있도록 상부 및 하부에 비해 큰 직경으로 형성되는 제1 차단부(251)가 형성될 수 있다.
제1 차단부(251)는 하단으로 갈수도록 직경이 커지도록 테이퍼 형상으로 형성될 수 있다.
제1 피스톤(26)은 대략 원판 형상으로 형성되고, 제1 피스톤(26)의 외주면에는 제1 바디(21)의 상단벽 내측에 밀착되어 기밀을 유지하도록 오링이 결합될 수 있다.
그리고 제1 피스톤(26)의 중앙 하부에는 고압 및 고유량의 가스연료에 의한 제1 샤프트(25)의 미세한 유동을 방지하기 위해, 제1 샤프트(25)의 동심, 동축을 가이드하는 제1 가이드 부재(261)가 설치될 수 있다.
이에 따라, 연료탱크에서 제1 감압부(20)로 공급된 가스 연료는 제1 바디(21)에 형성된 제1 유입유로(211)를 통해 제1 승강 공간(213)으로 유입되고, 제1 오리피스(241)를 통해 제1 확산 공간(242)으로 이동하면서 제1 피스톤(26)의 전 영역에 작용하며, 미리 설정된 스프링 하중에 의해 제1 압력으로 감압된다.
감압된 가스 연료는 제1 배출유로(212)를 통해 배출된다.
이와 같이, 본 발명은 단순 감압하는 기능을 갖도록 제1 감압부를 기계적인 방식으로 구성하고, 제2 감압부에서 최종 출구압력을 정밀하게 제어한다.
이에 따라, 본 발명은 제1 감압부의 구조를 단순화하고, 부품 수를 최소화해서 제작 비용을 절감할 수 있다.
다음, 도 1, 도 3 및 도 4를 참조하여 제2 감압부의 구성을 상세하게 설명한다.
도 3은 도 1에 도시된 제2 감압부의 측단면도이고, 도 4는 제2 바디의 평단면도이다.
제2 감압부(30)는 도 3에 도시된 바와 같이, 외형 및 골격을 형성하는 제2 바디(31), 제2 바디(31)의 상부에 결합되는 제2 커버(32) 및 제2 바디(31)의 내부에 마련되고 제1 감압부(20)에서 제1 압력으로 감압된 가스 연료를 제2 압력으로 감압하는 제2 감압유닛(33)을 포함할 수 있다.
이와 함께, 제2 감압부(30)에는 배출되는 가스 연료의 압력을 감지하는 압력감지센서(60), 유지보수 작업시 개방되어 내부 압력을 배출하는 점검밸브(61) 및 출구측 과압을 순간적으로 방출시 순간 소음을 저감하는 소음기(62)가 마련될 수 있다.
제2 바디(31)와 제2 커버(32) 및 제2 감압유닛(33)은 제1 감압부(20)에 마련되는 제1 커버(21)와 제1 커버(22) 및 제2 감압유닛(23)과 유사하게 구성됨에 따라, 중복되는 설명은 생략한다.
다만, 제2 바디(31)는 제1 및 제2 압력조정밸브(40,50), 압력감지센서(60), 점검밸브(61) 및 소음기(62)를 외면에 설치하고, 각 장치에 연결되는 유로들이 서로 연결되는 매니폴드(manifold) 타입으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 제2 바디(31)는 제1 바디(21)보다 길이가 긴 대략 육면체 형상으로 형성되고, 제2 바디(31)의 일측, 도 3에서 보았을 때 좌측 상부에는 제2 커버(32)가 결합되며, 제2 바디(31)의 우측 상부에는 제2 압력조정밸브(50)가 설치될 수 있다.
제2 바디(31)의 내부에는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 압력으로 감압된 가스연료가 제2 감압유닛(33)으로 유입되는 제2 유입유로(311)와 제2 감압유닛(33)에 의해 제2 압력으로 감압된 가스연료가 배출되는 제2 배출유로(312)가 형성될 수 있다.
이와 함께, 제2 바디(31)의 내부에는 가스연료를 각각 제1 및 제2 압력조정밸브(40,50)와 압력감지센서(60), 점검밸브(61)로 전달하는 제1 내지 제4 전달유로(63 내지 66)가 형성될 수 있다.
제1 압력조정밸브(40)와 압력감지센서(60) 및 점검밸브(61)는 제1 내지 제3 전달유로(63 내지 65) 중에서 어느 하나에 선택적으로 설치될 수 있다.
여기서, 제1 내지 제3 전달유로(63 내지 65) 중에서 제1 압력조정밸브(40)나 점검밸브(61)가 설치되는 유로와 제2 압력조정밸브(50)가 설치되는 제4 전달유로(66)는 제1 및 제2 압력조정밸브(40,50)나 점검밸브(61)의 개방 동작시 가스연료를 방출하는 방출유로의 기능을 한다.
제2 바디(31)와 제2 감압유닛(33)에는 입구압력에 따른 출구압력 변동을 최소화하기 위해, 제2 바디(31)에 형성된 제2 오리피스(341) 차단시 제2 확산 공간(342)의 가스연료를 제2 승강 공간(313)으로 전달할 수 있도록 바이패스 구조가 적용된다.
도 5는 바이패스 구조를 갖는 제2 감압부의 동작 원리를 설명하는 예시도이다.
도 5의 (a)에는 샤프트에 작용하는 압력이 예시되어 있다.
일반적으로, 감압조건은 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 1]
스프링 하중(F)=오리피스 면적(A1)*{입구압력(P1)-출구압력(P2)}+피스톤 면적(A2)*출구압력(P2)
여기서, 출구압력과 각 면적은 고정된 고정된 값인데 반해, 입구압력은 변화 가능한 값으로, 상기 수학식 1에서 입구압력이 변화하면 출구압력이 높아지거나 낮아지게 된다.
이러한 문제점을 해소하기 위해, 본 실시 예에서는 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 제2 샤프트(35)의 하단면에 압력이 공급되지 않도록 실링부재(39)를 설치해서 제2 샤프트(35)의 하단면 면적을 제거한다.
이에 따라, 입구압력은 제2 샤프트(35)의 하단면을 제외한 제2 차단부(351) 전체 외면에 작용하여 제2 오리피스(341) 면적 이외의 부분에 작용하는 압력이 상쇄된다.
이로 인해, 입구압력이 다양하게 변화하더라도 설계된 각 고유값이 변동되지 않기 때문에, 출구압력은 일정하게 유지될 수 있다.
한편, 제2 샤프트(35)의 하단부에 실링부재(39)가 설치됨에 따라, 제2 샤프트(35)의 하부에 형성된 공간에 진공이 형성되어 제2 샤프트(35)의 운동성이 저하될 수 있다.
그래서 본 실시 예에서 제2 샤프트(35)의 내부에는 제2 확산 공간(342)에서 감압된 가스연료를 제2 샤프트(35) 하부에 형성된 공간으로 전달하도록 관통홀(352)이 형성될 수 있다.
여기서, 관통홀(352)은 입구압력, 즉 제1 압력의 가스연료가 아니라, 출구압력, 즉 제2 압력으로 감압된 가스연료가 순환하는 통로 역할을 한다.
따라서, 제2 샤프트(35) 내부에 형성된 관통홀(352)을 통해 제2 압력으로 감압된 가스연료가 제2 샤프트(35)의 하부에 형성된 공간으로 공급됨으로써, 진공 형성을 방지할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 제2 감압부에 바이패스 구조를 적용함에 따라, 입구압력 변동에 따른 출구압력 변동을 최소화함으로써, 출구압력을 정밀하게 제어할 수 있다.
그리고 제2 피스톤(36)은 약 10 내지 20bar 정도의 저압영역에서 동작함에 따라 미세한 압력의 변화에 민감하게 대응할 수 있도록 다이어프램으로 변경될 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 저압영역에서 피스톤에 비해 압력 변화에 민감하게 대응하는 다이어프램을 제2 감압부에 적용하여 보다 정밀하고 안정적인 출구압력을 유지할 수 있다.
다시 도 3에서, 제2 압력조정밸브(50)는 아래에서 설명할 고압 레귤레이터(10)의 구동을 제어하는 제어부(70)의 제어신호에 따라 제4 전달유로(66)를 개폐하는 컷 오프 솔레노이드(cut off solenoid)로 마련될 수 있다.
예를 들어, 제2 압력조정밸브(50)는 제2 바디(31)의 일측 상부에 결합되는 케이스(51), 케이스(51)의 내부공간에 설치되고 외주면에 코일(53)이 권취되는 보빈(52), 코일(53)에서 발생한 전자기력에 의해 상하 방향으로 직선 왕복운동하는 플런저(54), 보빈(52) 내측에 삽입되어 플런저(54)의 수직운동 공간을 마련하는 가이드(55), 플런저(54)에 복원력을 제공하는 스프링(56), 플런저(54)의 하단에 설치되어 제4 전달유로(66)를 개폐하는 개폐시트(57), 플런저(54)의 상부에 플런저(54)가 직선 왕복운동하는 거리만큼 이격되어 설치되는 코어(58) 및 코어(58)의 하면에 설치되는 충격을 흡수하는 완충부재(58)를 포함할 수 있다.
한편, 제1 및 제2 감압부(20,30)는 도 1에 도시된 바와 같이 서로 분리되는 분리형으로 마련되거나, 서로 연결된 일체형으로 마련될 수도 있다.
다만, 본 발명은 제1 및 제2 감압부를 일체형으로 마련하는 경우, 고압 레귤레이터의 전체 크기 및 부피 증가로 인한 장착 공간 및 작업 공간을 확보하기 어려운 문제점을 해소할 수 있도록, 분리형으로 마련해서 차량에 장착시 제한된 차량 내부 공간에서 다양한 위치에 선택적으로 장착할 수 있다.
다음, 도 6을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고압 레귤레이터의 구동장치의 구성을 상세하게 설명한다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고압 레귤레이터의 구동장치의 블록 구성도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고압 레귤레이터의 구동장치는 도 6에 도시된 바와 같이, 제2 감압부(30)에 설치되고 최종 출구압력을 감지하는 압력감지센서(60) 및 압력감지센서(60)의 감지신호를 수신해서 감지된 출구압력과 미리 설정된 설정압력을 비교하고, 비교 결과에 따라 제2 압력조정밸브(50)의 동작을 제어하는 제어부(70)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 제어부(70)는 압력감지센서(60)에서 감지된 출구압력이 상기 설정압력, 예컨대 약 15bar를 초과하는 경우, 제2 압력조정밸브(50)를 미리 설정된 설정시간 동안 개방한 후 폐쇄하도록 제어신호를 발생할 수 있다.
상기 설정시간은 기계식으로 동작하는 제1 압력조정밸브(40)가 개방 동작한 상태에서 이상 압력이 제거되지 않는 경우, 제2 압력조정밸브(50)를 순간적으로 개방 및 폐쇄해서 이상 압력을 신속하게 제거하도록 실험치에 의해 설정되는 시간이다.
본 실시 예에서 상기 설정시간은 약 0.5초로 설정될 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 제어부의 제어신호에 따라 개폐 동작하는 제2 압력조정밸브를 적용하고, 출구압력의 이상 발생시 제2 압력조정밸브를 설정시간 동안 개방한 후 폐쇄함으로써, 순간적으로 이상 압력을 제거할 수 있다.
그리고 본 발명은 제2 압력조정밸브를 이용해서 가스연료가 방출되는 유로를 완전하게 폐쇄함에 따라, 종래에 기계식 압력조정밸브의 불완전한 폐쇄 동작에 의해 발생하는 가스연료의 누출을 방지하고, 가스연료의 누출로 인한 차량 부조를 미연에 예방할 수 있다.
이러한 제어부(70)는 수소 연료전지 차량의 구동을 제어하는 메인제어유닛으로 마련되거나, 상기 메인제어유닛과 통신 가능하게 연결되는 별도의 컨트롤러로 마련될 수 있다.
다음, 도 7을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고압 레규레이터의 구동방법 및 동작방법을 상세하게 설명한다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고압 레귤레이터의 구동방법 및 동작방법을 단계별로 설명하는 흐름도이다.
도 7의 S10단계에서 고압 레귤레이터(10)는 수소 연료전지 차량의 주행을 위해 연료탱크에서 고압의 가스연료를 공급받고, 제1 및 제2 감압부(20,30)를 이용해서 2단으로 감압한다.
즉, 제1 감압부(20)는 약 700bar의 고압 상태인 가스연료를 미리 설정된 제1 압력, 예컨대 약 18 내지 25bar로 감압하고, 제2 감압부(30)는 제1 압력으로 감압된 가스연료를 미리 설정된 제2 압력, 예컨대 약 10 내지 17bar로 감압한다.
상세하게 설명하면, 제1 감압부(20)는 연료탱크에서 공급된 가스연료를 제1 바디(21)에 형성된 제1 유입유로(211)를 통해 제1 승강 공간(213)으로 유입시킨다.
그러면, 제1 샤프트(25)는 제1 승강 공간(213) 내부의 압력이 상승함에 따라 하강 동작해서 제1 오리피스(241)를 개방한다.
이에 따라, 가스 연료는 제1 확산 공간(242)으로 이동하면서 팽창되어 제1 압력으로 감압된다.
이어서, 제1 승강 공간(213) 내부의 압력이 감소되면, 제1 샤프트(25)는 하강 동작하고, 제1 샤프트(25) 상단에 결합된 제1 피스톤(25)이 하강 동작함에 따라, 제1 확산 공간(242)에서 제1 압력으로 감압된 가스연료는 제1 배출유로(212)를 통해 배출된다.
제2 감압부(30)는 제1 압력으로 감압된 가스연료를 공급받고, 제1 감압부(20)와 동일한 과정을 통해 가스연료를 제2 압력으로 감압한다.
다만, 제2 감압부(30)에는 바이패스 구조가 마련됨에 따라, 제2 확산 공간(342)에서 제2 압력으로 감압된 가스연료의 일부가 제2 샤프트(35)의 관통홀(352)을 통해 제2 샤프트(35) 하부의 공간으로 전달해서 진공 형성을 방지한다.
이에 따라, 본 발명은 입구압력 변동에 따른 출구압력 변동을 최소화함으로써, 출구압력을 정밀하게 제어할 수 있다.
한편, S12단계에서 압력감지센서(60)는 제2 감압부(30)에서 배출되는 가스연료의 출구압력을 감지하고, 압력감지센서(60)에서 출력된 감지신호는 제어부(70)로 송신된다.
S14단계에서 제어부(70)는 압력감지센서(60)의 감지신호를 수신하고, 수신된 감지신호에 따른 출구압력과 미리 설정된 설정압력을 비교해서 이상 압력 발생 여부를 검사한다.
S14단계의 검사결과 이상 압력이 미발생한 경우, 제어부(70)는 S22단계로 진행하도록 제어한다.
반면, S14단계의 검사결과 이상 압력이 발생한 경우, 기계적으로 동작하는 제1 압력조정밸브(40)는 해당 전달유로를 개방해서 이상 압력을 제거하도록 개방 동작한다.
이때, 제어부(70)는 제2 압력조정밸브(50)를 개방 및 폐쇄 동작시켜 신속하게 이상 압력을 제거하도록 제어할 수 있다.
즉, 제어부(70)의 제어신호에 따라 제2 압력조정밸브(50)의 코일(53)에서 전자기력이 발생하면, 플런저(54)는 발생한 전자기력에 의해 상승 동작한다.
플런저(54)에 연결된 개폐시트(57)가 제4 전달유로(66)를 개방한다.
이때, 제어부(70)는 미리 설정된 설정시간, 예컨대 약 0.5초가 경과하면 다시 제4 전달유로(66)를 폐쇄하도록 제어신호를 발생하고, 코일(53)에서 발생한 전자기력이 제거되면, 플런저(54)의 하강 동작에 의해 개폐시트(57)는 제4 전달유로(66)를 완전하게 폐쇄한다.
이와 함께, 기계적으로 동작하는 제1 압력조정밸브(40)도 폐쇄 동작해서 해당 전달유로를 차단한다.
이와 같이, 본 발명은 제2 압력조정밸브를 순간적으로 개폐 동작시켜 이상 압력을 신속하게 제거할 수 있다.
S20단계에서 제어부(70)는 압력감지센서(60)의 감지신호를 수신해서 이상 압력이 완전히 제거되었는지 여부를 검사하고, 이상 압력이 잔류된 상태이면 S16단계 내지 S20단계를 반복 수행하도록 제어할 수 있다.
만약, S20단계의 검사결과 이상 압력이 완전히 제거된 상태이면, 제어부(70)는 수소 연료전치 차량의 주행을 중지하기 위해 구동 중지 명령이 입력되는지 여부를 검사하고(S22), 구동 중지 명령이 입력될 때까지 S10단계 내지 S22단계를 반복 수행하도록 제어한다.
한편, S22단계의 검사결과 엔진 구동 명령이 입력되면, 제어부(70)는 고압 레귤레이터(10)의 구동장치의 구동을 중지하고 종료한다.
상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 고압의 가스연료를 2단 감압함에 따라, 감압비를 낮출 수 있고, 입구압력이 변화하더라도 출구압력을 일정하게 안정화시킬 수 있다.
그리고 본 발명은 설정압력을 초과하는 이상 압력 발생시 전자식 압력조정밸브를 개방 및 폐쇄 동작하록 제어함으로써, 이상 압력을 신속하게 제거할 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
상기의 실시 예에서는 제2 압력조정밸브를 미리 설정된 시간 동안 개방한 후 폐쇄하는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
즉, 본 발명은 제2 압력조정밸브를 개방한 상태에서 이상 압력의 제거 여부를 검사하고, 이상 압력이 완전히 제거되면 폐쇄하도록 변경될 수도 있다.
그리고 상기의 실시 예에서는 제1 및 제2 압력조정밸브가 함께 적용되는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 기계식으로 동작하는 제1 압력조정밸브를 제거하고, 전자식으로 동작하는 제2 압력조정밸브만 적용하도록 변경될 수도 있다.
본 발명은 고압의 가스연료를 2단 감압함에 따라, 감압비를 낮출 수 있고, 입구압력이 변화하더라도 출구압력을 일정하게 안정화시키는 고압 레귤레이터 기술에 적용된다.
10: 고압 레귤레이터 20,30: 제1,제2 감압부
21,31: 제1,제2 바디 211,311: 제1,제2 유입유로
212,312: 제1,제2 배출유로 213,313: 제1,제2 승강 공간
214,314: 제1,제3 필터 215,315: 제1,제2 댐퍼
216,316: 삽입홈 22,32: 제1,제2 커버
221,321: 제1,제2 조절수단 222,322: 통기유로
223,323: 제2,제4 필터 23,33: 제1,제2 감압유닛
24,34: 제1,제2 감압부재 241,341: 제1,제2 오리피스
242,342: 제1,제2 확산 공간 243,343: 제1,제2 시트
25,35: 제1,제2 샤프트 251,351: 차단부
352: 관통홀 26,36: 제1,제2 피스톤
261,361: 제1,제2 가이드 부재 27,37: 제1,제2 탄성부재
28,38: 제2,제4 탄성부재 39: 실링부재
40: 제1 압력조정밸브 50: 제2 압력조정밸브
51: 케이스 52: 보빈
53: 코일 54: 플런저
55: 가이드 56: 스프링
57: 개폐시트 58: 코어
59: 완충부재 60: 압력감지센서
61: 점검밸브 62: 소음기
63 내지 66: 제1 내지 제4 전달유로 70: 제어부

Claims (7)

  1. 고압의 가스연료를 미리 설정된 제1 압력으로 감압하는 제1 감압부와 상기 제1 압력으로 감압된 가스연료를 상기 제1 압력보다 낮게 설정된 제2 압력으로 감압하는 제2 감압부를 포함하는 고압 레귤레이터의 구동장치에 있어서,
    상기 제2 감압부에 설치되고 최종 출구압력을 감지하는 압력감지센서,
    가스 연료의 출구압력 이상 발생시 유로를 개방해서 이상 압력을 제거하는 제1 및 제2 압력조정밸브 및
    상기 압력감지센서에 의해 감지된 출구압력과 미리 설정된 설정압력을 비교하고 비교 결과에 기초해서 상기 제2 압력조정밸브의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제1 압력조정밸브는 상기 출구압력의 변동에 기초해서 기계식으로 개폐 동작하며,
    상기 제2 압력조정밸브는 상기 제어부의 제어신호에 따라 전자식으로 개폐 동작하고,
    상기 제어부는 상기 출구압력의 이상 발생시 미리 설정된 설정시간 동안 상기 제2 압력조정밸브를 개방 동작시켜 유로를 개방하며,
    상기 설정시간이 경과하면 상기 제2 압력조정밸브를 폐쇄 동작시켜 유로를 차단하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 고압 레귤레이터의 구동장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 기재된 고압 레귤레이터의 구동장치를 이용한 고압 레귤레이터의 구동방법에 있어서,
    (a) 고압 레귤레이터에 마련된 제1 및 제2 감압부를 이용해서 고압의 가스연료를 2단 감압하는 단계,
    (b) 상기 제2 감압부에 설치된 압력감지센서를 이용해서 상기 제2 감압부에서 배출되는 최종 출구압력을 감지하는 단계,
    (c) 제어부를 이용해서 상기 (b)단계에서 감지된 출구압력과 미리 설정된 설정압력을 비교해서 이상 압력 발생 여부를 검사하는 단계 및
    (d) 상기 (c)단계의 검사 결과에 기초해서 상기 제2 감압부에 설치된 전자식 압력조정밸브의 구동을 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 제2 감압부에는 가스 연료의 출구압력 이상 발생시 유로를 개방해서 이상 압력을 제거하는 제1 및 제2 압력조정밸브가 설치되며,
    상기 제1 압력조정밸브는 상기 출구압력의 변동에 기초해서 기계식으로 개폐 동작하고,
    상기 (d)단계에서 제어부는 상기 (c)단계의 검사 결과 이상 압력이 발생한 경우, 상기 제2 압력조정밸브를 미리 설정된 설정시간 동안 개방 동작시켜 유로를 개방한 후, 상기 설정시간이 경과하면 상기 제2 압력조정밸브를 폐쇄 동작시켜 유로를 차단하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 고압 레귤레이터의 구동방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제4항에 있어서,
    상기 (d)단계를 수행한 후 이상 압력의 제거 여부를 검사하고, 이상 압력이 완전하게 제거될 때까지 상기 (b)단계 내지 (d)단계를 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 고압 레귤레이터의 구동방법.
KR1020140186556A 2014-12-22 2014-12-22 고압 레귤레이터의 구동장치 및 구동방법 KR101655124B1 (ko)

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