KR101997332B1 - 연료전지용 온도제어밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지용 온도제어밸브에 관한 것으로서,포트 씰의 형상이 개선됨으로써 포트 씰의 제작이 용이해지고, 포트 씰의 제작 비용을 줄일 수 있으며, 포트 씰의 형상에 있어서 공차 발생이 최소화될 수 있고, 밸브체와 포트 씰 사이의 간극이 최소화될 수 있음은 물론, 포트 씰에서의 스프링력 비균등 전달 문제가 해소되면서, 씰링 기능 향상, 밸브 누수(포트 누수) 최소화, 온도 제어 정밀도 향상이 가능해지는 연료전지용 온도제어밸브에 관한 것이다.

Description

연료전지용 온도제어밸브{Temperature control system for fuel cell}

본 발명은 연료전지용 온도제어밸브에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 시스템에서 연료전지 스택에 유입되는 냉각수의 온도를 조절하기 위한 연료전지용 온도제어밸브에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지 스택은 연료전지 차량의 주 동력원으로서, 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급받아서 전기를 생산하는 장치이다.

이러한 연료전지 스택은 최적의 온도로 조절된 냉각수가 흘러들어갈 때 안정적으로 최적의 출력을 나타내기 때문에 연료전지 스택으로 유입되는 냉각수의 온도를 최적의 온도로 유지하는 것이 매우 중요하다.

도 1은 연료전지 차량에서 연료전지 스택의 온도 제어를 위한 열 관리 시스템을 나타내는 개략도이다.

보통 연료전지 차량에서 연료전지 시스템의 초기 시동 시에는 연료전지 스택(1)의 발열량이 작아서 냉각수의 온도가 낮기 때문에 온도조절밸브(5)에서 라디에이터(4) 측의 개도를 차단하여, 냉각수가 주로 '연료전지 스택(1) → 냉각수 펌프(2) → 바이패스 라인(3) → 온도조절밸브(5) → 히터(6) → 연료전지 스택(1)'의 루프를 따라 순환되도록 한다.

여기서, 연료전지 스택(1)을 신속히 웜업(warm-up) 해주기 위해 냉각수의 온도를 승온시키는 히터(6)가 이용될 수 있다.

또한, 시간이 경과한 후에는 연료전지 스택(1)의 발열량이 많아져서 냉각수의 온도가 높아지기 때문에 온도조절밸브(5)에서 바이패스 라인(3) 측의 개도량을 줄이고 라디에이터(4) 측의 개도량은 증가시켜, 냉각수가 '연료전지 스택(1) → 냉각수 펌프(2) → 라디에이터(4) → 온도조절밸브(5) → 히터(6) → 연료전지 스택(1)'의 루프를 따라 순환되도록 한다.

이와 같이 연료전지 스택(1)을 포함하는 연료전지 시스템에서 온도조절밸브(5)는 연료전지 스택을 통과하여 순환되는 냉각수의 온도를 조절하기 위한 것으로, 냉각수를 이용하여 연료전지 스택의 온도를 적정 온도로 유지 및 제어하기 위한 열 관리 시스템의 구성 부품이다.

온도조절밸브(5)는 도 1에 나타낸 바와 같이 3-웨이 밸브(3-way vavle) 형태를 가지며, 미도시된 제어기에 의해 양쪽 루프의 개도를 적절히 제어하도록 구동되어 외부 환경에 상관없이 항상 최적 온도의 냉각수가 연료전지 스택(1)으로 유입되도록 한다.

온도조절밸브(5)에서는 연료전지 스택(1)의 온도를 최적 운전 온도로 제어하기 위해 바이패스 라인(3) 측의 개도를 100% 차단하거나 라디에이터(4) 측의 개도를 100%를 차단하는 유동 절환 제어를 하기도 하지만, 양측 개도량을 적절히 조절하여 바이패스 라인(3)을 통과한 후 밸브 포트로 유입되는 냉각수와 라디에이터(4)를 통과한 후 밸브 포트로 유입되는 냉각수가 적절히 혼합될 수 있도록 혼합비를 제어한다.

즉, 연료전지 스택(1)의 최적 발전 효율을 위해 운전 조건(외기온도나 스택 출력, 운전자 운전 조건 등)에 최적화된 온도가 결정되면, 제어기에서 그 온도에 따른 제어명령을 출력하고, 이에 온도조절밸브(5)가 제어기로부터 출력되는 제어명령에 따라 구동된다.

이러한 연료전지 시스템의 온도조절밸브(전자식 3-웨이 밸브)(5)에서는 제어기가 출력하는 제어명령에 따라 모터의 구동이 제어되고, 모터에 의해 하우징 내부의 밸브체가 회전되면서 각 포트의 개도량을 조절하도록 되어 있다.

이때, 모터에 의해 구동 및 회전되는 밸브체에 의해 각 포트의 개도량이 조절됨에 따라 라디에이터에서 오는 냉각수와 바이패스 라인을 통과한 냉각수가 원하는 혼합비로 혼합될 수 있고, 이로써 스택으로 유입되는 냉각수의 온도가 목표로 하는 온도로 제어될 수 있게 된다.

연료전지 시스템에서 스택 운전 온도를 제어하기 위해 스택으로 유입되는 냉각수의 온도를 조절해주는 온도조절밸브(전자식 3-웨이 밸브)에 대해서는, 등록특허공보 제10-1417221호(2014.7.1.), 공개특허공보 제10-2015-0078140호(2015.7.8.), 등록특허공보 제10-1230990호(2013.2.1.)에 개시되어 있다.

도 2는 연료전지 시스템의 온도조절밸브를 도시한 사시도이고, 도 3은 종래기술에 따른 문제점을 설명하기 위한 도면이다.

도면부호 10은 미도시된 모터에 의해 밸브 하우징 내에서 회전되는 밸브체를 나타내고, 도면부호 11은 밸브 하우징을 나타내며, 도면부호 12, 13, 14는 냉각수가 유입 또는 배출되는 밸브 포트를 나타낸다.

도 2에서 모터와 밸브체 등의 구동 부품에 대해서는 도시를 생략하였다.

연료전지 시스템의 운전 온도를 제어한다는 것은 연료전지 스택의 출력 효율과 직결된 만큼(스택은 특정 온도에서 최적의 출력 효율을 나타내는 특성이 있음) 열 시스템의 역할은 매우 중요하다.

또한, 연료전지 시스템의 운전 온도를 정확히 제어하기 위해서는 3-웨이 밸브인 온도조절밸브(5)에서 이론적으로 포트 누수가 없어야 한다.

일반적으로 온도조절밸브(5)에서 모터에 의해 회전되는 밸브체(10)는 다이캐스팅하여 제작한 후 표면을 추가로 정밀 가공하여 제작하고, 밸브 하우징(11) 또한 다이캐스팅하여 제작한 후 밸브체 표면과 접촉하는 내면을 추가로 정밀 가공하여 제작한다.

이렇게 만들어진 두 부품을 조립하여 온도조절밸브(5)를 완성하는데, 밸브 구동 시 밸브체(10)가 밸브 하우징(11) 내에서 회전해야 하므로 포트에서의 누수를 구조적으로 100% 없앨 수는 없다.

즉, 도 3에 나타낸 바와 같이, 하우징 내경과 밸브체 외경에 미세한 차이가 존재하고, 따라서 하우징 내주면과 밸브체 표면, 그리고 밸브체 표면과 포트 사이에는 미세한 간극이 존재할 수 밖에 없다.

이러한 간극은 온도조절밸브를 양산하는 하는 과정에서 하우징 및 밸브체 등의 부품을 제작하기 위한 정밀 가공 기술의 부족 및 가공 공차 등으로 인해 나타날 수도 있다.

상기 간극으로 인해 포트에서 누수가 발생하면 냉각수 온도를 정확히 조절할 수 없으며, 예로서 동절기에 라디에이터 측 포트 누수가 발생하면 시동 후 냉각수 온도 승온 방해로 정상 운전 가능 시간을 지연시킬 수 있다.

또한, 저출력 운전 시(동절기 도심 운전 모드 등) 라디에이터 측 포트 누수로 인해 시스템 운전 온도가 지속적으로 하락하고, 이는 연비 악화를 초래할 수 있다.

이러한 포트 누수를 줄이기 위해 포트 씰이 사용될 수 있으며, 도 4는 종래의 포트 씰을 도시한 것이며, 예시된 포트 씰(20)는 밸브 하우징의 내주면에 장착될 수 있고, 밸브 하우징 또는 포트와의 사이에 개재되는 탄성체(30)에 의해 탄성 지지되도록 설치될 수 있다.

상기 탄성체(30)의 탄성복원력은 포트 씰(20)를 밸브체 표면에 밀착시키는 방향으로 작용하는 힘이 된다.

상기 포트 씰(20)는 일측 단부가 밸브체 표면에 접촉하도록 되어 있으며, 상기 포트 씰(20)의 일측 단부는 곡면인 밸브체 표면에 면 접촉될 수 있도록 일부가 안쪽으로 움푹하게 들어간 3차원 곡면 형상을 가진다.

그러나, 3차원 곡면 형상을 가지는 포트 씰(20)를 제작 및 정밀 가공하는게 쉽지 않고, 특히 상기 일측 단부의 3차원 곡면 형상을 정확하게 가공하는게 어려우며, 정밀 가공이 쉽지 않으므로 3차원 곡면 부분에서 공차가 발생할 수 있는 확률이 높다.

따라서, 포트 씰(20)에서 3차원 곡면 형상의 표면과 밸브체 표면이 전체적으로 정확히 면 접촉되지 않아 양쪽 표면 사이에 간극이 크게 발생할 수 있고, 포트 씰(20)가 도 4에 나타낸 바와 같이 3차원 곡면 형상으로 인해 밸브체 표면에 제대로 밀착되지 않는 씰링 취약부를 가지는바, 그로 인해 씰링 기능 불량, 밸브 누수량(포트 누수량) 과다, 온도 제어 정밀도 불량 등의 여러 문제점이 나타나고 있다.

또한, 포트 씰의 3차원 곡면 형상에 따르면, 포트 씰을 사출 등의 방법으로 성형하여 제작한 뒤 반드시 곡면에 대한 정밀 가공이 추가로 요구되므로, 원가 상승의 요인이 된다.

또한, 3차원 형상의 포트 씰에서는 탄성체의 스프링력(탄성복원력) 전달에 취약하고, 밸브체 표면에 접촉하는 곡면에 스프링력이 비균등하게 전달될 수 있어 기밀 유지가 어려운 것은 물론, 포트 씰별로 기밀 편차가 크게 발생할 수 있다.

또한, 밸프체의 특정 부위가 포트 씰에 의해 과도하게 눌리므로 밸브 동작에 필요한 모터 소모 전류가 높은 단점이 있고, 밸브의 반복된 동작으로 과도하게 눌리는 부분에서 마모가 심하게 발생할 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 포트 씰의 형상이 개선됨으로써 포트 씰의 제작이 용이해지고, 포트 씰의 제작 비용을 줄일 수 있는 연료전지용 온도제어밸브를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 포트 씰의 형상에 있어서 공차 발생이 최소화될 수 있고, 밸브체와 포트 씰 사이의 간극이 최소화될 수 있음은 물론, 포트 씰에서의 스프링력 비균등 전달 문제가 해소되면서, 씰링 기능 향상, 밸브 누수(포트 누수) 최소화, 온도 제어 정밀도 향상이 가능해지는 연료전지용 온도제어밸브를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

또한, 밸브체의 특정 부위가 포트 씰에 의해 과도하게 눌리지 않고 고른 하중 분포를 나타내어 밸브 동작에 필요한 모터 소모 전류를 낮출 수 있고, 종래와 같이 밸브체에 의해 포트 씰이 과도하게 눌리면서 나타나는 마모 발생의 문제점이 해소될 수 있는 연료전지용 온도제어밸브를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 냉각수가 유입되거나 배출되는 복수 개의 포트와, 밸브 하우징 내에서 회전하여 상기 각 포트를 개폐하거나 각 포트의 개도를 조절하는 밸브체와, 상기 각 포트와 밸브체 사이에 설치되어 냉각수의 누수를 방지하는 포트 씰을 포함하는 연료전지용 온도조절밸브에 있어서, 상기 포트 씰은 원통 형상을 가지면서 원주방향 또는 링 형상을 따르는 전 구간에서 동일한 폭(L)을 가지는 것을 특징으로 연료전지용 온도조절밸브를 제공한다.

이로써, 본 발명에 따른 연료전지용 온도조절밸브에서는 포트 씰의 형상이 개선됨으로써 포트 씰의 제작이 용이해지고(사출 성형 후 범용 선반 가공 가능), 포트 씰의 제작 비용을 줄일 수 있다.

또한, 포트 씰의 형상에 있어서 공차 발생이 최소화될 수 있고, 밸브체와 포트 씰 사이의 간극이 최소화될 수 있음은 물론, 포트 씰에서의 스프링력 비균등 전달 문제가 해소되면서, 씰링 기능 향상, 밸브 누수(포트 누수) 최소화, 온도 제어 정밀도 향상이 가능해지는 효과가 있게 된다.

또한, 밸브체의 특정 부위가 포트 씰에 의해 과도하게 눌리지 않고 고른 하중 분포를 나타내어 밸브 동작에 필요한 모터 소모 전류를 낮출 수 있고, 종래와 같이 밸브체에 의해 포트 씰이 과도하게 눌리면서 나타나는 마모 발생의 문제점이 해소될 수 있다.

도 1은 연료전지 차량에서 연료전지 스택의 온도 제어를 위한 열 관리 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 2는 일반적인 연료전지 시스템의 온도조절밸브를 도시한 사시도이다.
도 3은 종래기술에 따른 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 종래의 포트 씰을 도시한 측면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 온도조절밸브에서 포트 씰을 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 온도조절밸브에서 밸브체와 포트 씰을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 온도조절밸브에서 포트 씰의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 온도조절밸브에서 포트 씰의 구성을 나타내는 분해사시도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 온도조절밸브에서 포트 씰과 탄성체를 도시한 단면도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 온도조절밸브에서 밸브체와 포트 씰이 접촉된 상태를 나타내는 사시도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 온도조절밸브에서 포트 씰의 설치 상태, 및 포트 씰과 밸브체의 접촉 상태를 나타내는 단면도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 온도조절밸브에서 포트 씰을 도시한 사시도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 온도조절밸브에서 밸브체와 포트 씰을 도시한 도면이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 온도조절밸브에서 포트 씰의 단면도이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 온도조절밸브에서 포트 씰의 구성을 나타내는 분해사시도이다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 온도조절밸브에서 포트 씰과 탄성체를 도시한 단면도이다.

본 발명에 따른 온도조절밸브는 연료전지 스택에 유입되는 냉각수의 온도를 조절하기 위한 것으로서, 후술하는 바와 같이 포트 씰(20)의 형상 및 구성에 있어서 특징을 가지며, 포트 씰(20)을 제외한 나머지 구성에 있어서는 통상의 연료전지용 온도조절밸브와 비교하여 차이가 없다.

예를 들어, 제어기의 제어명령에 따라 구동이 제어되는 3-웨이 밸브 형태의 전자식 밸브인 점, 그리고 모터의 회전축에 밸브체가 연결되어 제어기의 제어명령에 따라 제어되는 모터의 회전 구동으로 밸브 하우징 내에서 밸브체가 회전되어 각 포트(도 11에서 도면부호 13임)의 개도량을 조절하는 구성 등에 있어서 통상의 연료전지용 온도조절밸브와 비교하여 차이가 없다.

또한, 본 발명의 온도조절밸브가 바이패스 라인이 연결되는 포트와, 라디에이터 측 냉각수 라인이 연결되는 포트와, 연료전지 스택 측 냉각수 라인이 연결되는 포트를 구비한 것, 그리고 밸브 하우징에서 각 포트가 연결되는 부위에 포트 씰이 설치되는 것, 포트 씰과 포트 사이에 포트 씰을 탄성 지지하는 탄성체가 설치되는 것 등에 있어서 통상의 연료전지용 온도조절밸브와 비교하여 차이가 없다.

다만, 본 발명의 실시예에 따른 온도조절밸브에서는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 밸브체(도 6, 도 10 및 도 11에서 도면부호 10임)의 표면에 접촉되는 포트 씰(20)의 단부가 안쪽으로 오목하게 들어간 3차원 곡면 형상을 가지지 않는다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 온도조절밸브에서, 도 5에 나타낸 바와 같이, 포트 씰(20)은 링 형상을 가지면서 원주방향을 따르는 전 구간(단면 형상이 정원인 경우) 또는 링 형상을 따르는 전 구간(단면 형상이 타원인 경우)에서 동일한 폭(L)을 가지며, 포트 씰(20)에서 밸브체(10)와 접촉하는 쪽의 단부 끝면이 3차원 형상이 아닌 2차원 형상을 가지는 것이다.

이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 온도조절밸브의 포트 씰(20)은, 도 5에 나타낸 바와 같이, 원통의 형상을 가지며, 이때 단면 형상은 정원(正圓) 또는 타원(楕圓)의 링 형상이 될 수 있다.

여기서, 단면 형상이 정원 또는 타원의 링 형상을 가지는 것은, 포트 씰(20)에서 폭방향(도 5에서 'L' 방향) 기준 일측의 단부가, 상기 원주방향 또는 링 형상을 따르는 전 구간에서 밸브체(10)의 표면에 모두 접촉될 수 있도록, 밸브체의 표면 형상에 대응되는 정원 또는 타원의 링 형상을 가지는 것을 의미한다.

상기 포트 씰(20)의 단면 형상인 정원 또는 타원의 링 형상은 밸브체(10)의 표면 형상에 대응되는 형상이 될 수 있고, 상기 정원 또는 타원의 링 형상이 밸브체(10)의 표면 형상에 따라 결정될 수 있다.

이에 대해 도 6을 참조하여 좀더 상세히 설명하기로 한다.

도 6에서 Rx, Ry는 밸브체(10)의 표면 형상을 규정하는 것으로, Rx 방향의 곡선(화살표로 도시됨)과 Ry 방향의 곡선(화살표로 도시됨)은 밸브체(10) 표면상의 곡선으로, 밸브체 표면의 중심에서 직각으로 교차되고 있다.

이때, Rx는 도 6에 나타낸 밸브체(10)의 표면에서 화살표로 표시된 좌우 횡방향을 따르는 곡면 구간(이하 '횡방향 구간'이라 칭함)의 곡률 반경을 나타내고, Ry는 밸브체(10)의 표면에서 화살표로 도시된 상하 종방향을 따르는 곡면 구간(이하 '종방향 구간'이라 칭함)의 곡률 반경을 나타낸다.

또한, 상기 Rx 방향의 곡선인 횡방향 곡선과 상기 Ry 방향의 곡선인 종방향 곡선은 밸브체(10) 표면의 중심에서 직각으로 교차되는 곡선으로, 밸브체(10) 표면에서 횡방향 곡선은 좌우 수평방향의 곡선을, 종방향 곡선은 상하 수직방향의 곡선이다.

도 6의 밸브체(10)가, 표면의 좌우 횡방향 구간의 곡률 반경 Rx와, 표면의 상하 종방향 구간의 곡률 반경 Ry가 동일한 밸브체(10)인 경우('Rx = Ry'), 즉 표면 형상이 'Rx:Ry = 1:1'인 정구형(正求刑)의 일부 형상을 가지는 밸브체(10)인 경우, 포트 씰(20)은 정원(正圓)의 링 형상을 가지는 것이 사용될 수 있다.

도 6에서 w와 z는 링 형상의 중심에서 교차되는 두 축인 횡방향 축과 종방향 축의 길이를 나타내는 것으로, 정원의 링 형상에서는 'w = z = 원의 직경'의 관계가 성립된다.

즉, 밸브체(10)의 표면 곡률 반경 비가 'Rx:Ry = 1:1' 및 'Rx = Ry'의 관계를 나타낼 경우, 링 형상의 횡방향 축과 종방향 축의 길이 비가 'w:z = 1:1'의 관계를 나타내고 'w = z'의 관계를 나타내는 정원의 포트 씰(20)이 사용될 수 있다.

이대, 'Rx:Ry = w:z = 1:1'의 관계가 된다.

이와 달리, Rx와 Ry가 동일하지 않고 차이가 있는 경우, 예를 들어 밸브체(10)의 표면에서 종방향 구간의 곡률 반경 Rx가 횡방향 구간의 곡률 반경 Ry보다 큰 경우, 횡방향 축이 단축이 되고 종방향 축이 장축이 되는 타원형의 링 형상을 가지는 포트 씰(20)이 사용될 수 있다.

구체적인 예를 들면, 'Rx:Ry = 60:30'의 형상을 가지는 밸브체(10)에 대해서는 횡방향 축의 길이인 w와 종방향 축의 길이인 z의 비가 1:2, 즉 'w:z = 1:2'의 관계를 가지는 타원형의 링 형상인 포트 씰(20)이 사용될 수 있다.

즉, 상하 종방향 축의 길이(z)가 좌우 횡방향 축의 길이(w)에 비해 긴 타원형의 포트 씰(20)이 사용될 수 있는 것이고, 이때 'Rx:Ry = z:w'의 관계가 성립된다.

이와 같이 밸브체(10) 표면 중 좌우 횡방향 구간의 곡률 반경(Rx)과 상하 종방향 구간의 곡률 반경(Ry)에 따라 포트 씰(20)의 형상이 결정될 수 있고, 특히 포트 씰(20)의 장축 길이와 단축 길이가 결정될 수 있다.

상기와 같은 포트 씰(20)의 형상에 따르면, 포트 씰(20)의 단부에서 밸브체(10) 표면에 접촉해야 하는 전 구간이 밸브체(10) 표면과 간극 없이 모두 고르게 접촉될 수 있다.

특히, 포트 씰(20)의 단부 끝면이 3차원 곡면 형상이 아닌 단순한 2차원 형상을 가지므로 포트 씰의 제작이 용이해지고, 무엇보다 사출 성형 후 추가로 실시해야 하는 표면 가공, 즉 단부 끝면에 대한 정밀 가공이 용이해지고, 이때 범용 기구(범용 선반)의 사용이 가능하다.

또한, 포트 씰(20)의 단부에서 링 형상의 원주방향 전 구간 또는 링 형상의 전 구간에서 고르게 밸브체(10)의 표면에 접촉 내지 밀착될 수 있으므로 밸브체(10)와 포트 씰(20) 간의 기밀성이 향상될 수 있고, 제작 비용을 줄일 수 있는 이점이 있게 된다.

또한, 도 4에 나타낸 바와 같이 단부 끝면이 3차원 곡면 형상을 가지는 종래의 포트 씰(20)에서는, 상기 3차원 곡면 형상을 가지는 단부 끝면이 원주방향을 따르는 전 구간에서 끝면의 폭방향(너비방향)으로 넓게 밸브체(10) 표면과 면 접촉을 해야 하기 때문에, 특정 부위에서 밸브체(10)의 표면과 접촉되지 않는 가공 오차 내지 공차, 편차가 발생한 경우, 탄성체(30)에 의한 탄성력이 비균등하게 전달될 수 있다.

또한, 종래의 포트 씰(20)에서는 3차원 곡면 형상을 가지는 단부 끝면을 정확하고 정밀하게 가공하지 않을 경우, 특정 부위에서 부분적으로 간극이 크게 발생할 수 있고, 그로 인해 기밀 유지가 어려울 수 있으며, 포트 씰(20)의 제품별 기밀 편차가 크게 나타날 수 있다.

또한, 종래의 포트 씰(20)에서는 3차원 곡면 형상을 가지는 단부 끝면에서 특정 부분이 밸브체(10)에 의해 과도하게 눌릴 수 있어 밸브 동작 시 모터 소모 전류가 커질 수 있다.

반면, 상기한 본 발명에 따른 연료전지용 온도조절밸브에서 포트 씰(20)은 기본적으로 밸브체(10)의 표면과 선 접촉이 이루어지고, 밸브체(10)의 표면과 접촉하는 단부 표면(단부 끝면)이 3차원 곡면 형상이 아닌 보다 단순한 2차원 형상을 가지므로, 제작 및 가공이 용이한 것은 물론, 제작 비용을 낮출 수 있고, 상기한 종래의 문제점을 모두 해결할 수 있게 된다.

그리고, 바람직한 실시예에서, 포트 씰(20)에서 밸브체(10)의 표면에 접촉하는 쪽의 단부 끝면 형상은, 도 5 및 도 11에 나타낸 바와 같이, 포트 씰(20)의 두께 방향으로 기울어져 경사를 이루고 있는 테이퍼 면(21a)으로 형성될 수 있다.

즉, 포트 씰(20)의 단부에서 내경(정원의 포트 씰인 경우), 내지 장축 길이와 단축 길이(타원형의 포트 씰인 경우)가 점차 작아지는 형태가 되도록 테이퍼 면(21a)이 형성될 수 있는 것이다.

이때, 포트 씰(20)의 단부 끝면이 포트 씰의 원주방향 또는 링 형상을 따르는 전 구간에서 모두 테이퍼 면으로 형성될 수 있다.

상기와 같이 포트 씰(20)의 단부 끝면 형상을 테이퍼 면(21a)으로 형성할 경우, 포트 씰(20)의 단부 끝면 중 적어도 일부가 밸브체(10) 표면과 면 접촉을 할 수 있다.

만약, 포트 씰(20)의 단부 끝면 형상을 테이퍼 면(21a)으로 형성하지 않을 경우, 포트 씰(20)의 단부 끝에서 원주방향을 따르는 내측 모서리 부분이 간극 없이 밀착되기 위해 밸브체(10)의 표면과 모두 선 접촉을 하여야 한다.

이 경우, 밸브 동작이 반복되면서 포트 씰(20)의 단부 끝의 내측 모서리 부분이 계속해서 밸브체(10)의 표면과 선 접촉을 하게 되면서 마모가 발생할 수 있고, 특히 밸브 동작 범위 내에서 포트 씰(20)의 단부 끝의 내측 모서리 부위 중 특정 부위만이 밸브체(10)의 표면과 계속해서 선 접촉을 하게 되어 특정 부위에서 부분적으로 마모가 심하게 발생할 수 있다.

이는 밸브체(10) 표면과 포트 씰(20)의 단부 끝면 사이에 간극 발생의 가능성을 높일 수 있고, 포트 씰(20)과 밸브체(10) 사이의 기밀성을 저하시킬 수 있으며, 포트 씰(20)에 가해지는 탄성체(30)의 스프링력(탄성복원력)을 변화시킬 수 있다.

따라서, 포트 씰(20)의 단부 끝면을 테이퍼 면(21a)으로 형성하는 것이 바람직하며, 이 경우 기본적으로 밸브체(10)의 표면이 포트 씰(20)의 테이퍼 면(21a)과 선 접촉을 하지만 적어도 일부에서는 포트 씰(20)의 테이퍼 면(21a) 내에서 면 접촉이 이루어질 수 있는바, 상기한 모서리 부위의 마모 발생을 줄일 수 있고, 간극 발생 문제, 기밀성 저하 문제, 스프링력 변화 문제 등이 발생하지 않게 된다.

위에서 포트 씰(20)의 단부 끝면, 보다 상세하게는 후술하는 바와 같은 포트 씰(20)의 씰 본체(21)의 단부 끝면에 테이퍼 면(21a)이 형성될 수 있음을 설명하였으나, 이러한 테이퍼 면(21a)을 형성하는 것은 예시적인 것으로서, 본 발명이 테이퍼 면을 형성한 것으로 한정되는 것은 아니며, 테이퍼 면이 형성되지 않을 수도 있다.

즉, 테이퍼 면을 형성하기 위한 추가적인 가공 없이 포트 씰(20), 즉 후술하는 바의 씰 본체(21)를 제작할 수 있는 것이며, 단부 끝면에서 씰 본체(21)의 두께 방향을 따라(도 11의 단면상에서) 경사를 이루고 있는 테이퍼 면의 가공 없이, 단부에서 내경의 변화가 없는 형상, 내지 장축 길이와 단축 길이의 변화가 없는 형상으로 씰 본체(21)를 제작하여 사용하는 것이 가능한 것이다.

또한, 바람직한 실시예에서, 포트 씰(20)은, 도 7 내지 도 9에 예시한 바와 같이, 복수 개의 부품으로 구성될 수 있고, 이들 부품이 조립된 상태로 하나의 포트 씰(20)이 구성될 수 있다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 온도조절밸브에서 밸브체(10)와 포트 씰(20)이 접촉된 상태를 나타내는 사시도이고, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 온도조절밸브에서 포트 씰(20)의 설치 상태, 및 포트 씰(20)과 밸브체(10)의 접촉 상태를 나타내는 단면도이다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 온도조절밸브에서 밸브체와 포트 씰이 접촉된 상태를 나타내는 사시도이고, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 온도조절밸브에서 포트 씰의 설치 상태 및 밸브체와의 접촉 상태를 나타내는 단면도이다.

도 11에서 밸브체(10)와 포트 씰(20)의 테이퍼 면(21a)은 테이퍼 면 전체에서 면 접촉이 이루어지는 것으로 보이지만, 실제로는 밸브체(10)의 표면이 곡면을 이루고 있는 반면, 테이퍼 면(21a)은 단면상 곡선이 아닌 직선의 경사면으로 되어 있으므로, 엄밀하게는 선 접촉이 이루어지는 것이라 할 수 있다.

도 7 내지 도 11에 나타낸 바와 같이, 포트 씰(20)의 후방에는 밸브 하우징(11) 또는 포트(13)와의 사이에 개재되는 탄성체(30)가 설치될 수 있고, 이 탄성체(30)는 밸브 하우징(11) 또는 포트(13)에서 포트 씰(20)을 탄성 지지함과 동시에 탄성복원력(스프링력)을 포트 씰(20)에 작용시켜, 포트 씰(20)의 원주방향 전구간의 표면이 밸브체(10)의 표면에 고르게 상시 밀착될 수 있도록 하는 동시에, 포트 씰(20)과 밸브체(10) 사이의 밀착성 및 기밀성을 증대시키게 된다.

실시예에서, 포트 씰(20)은, 도 7 내지 도 9, 도 11에 나타낸 바와 같이, 씰 본체(21), 중간부재(22), 리테이너(23)를 포함하여 구성될 수 있고, 이때 탄성체(30)가 리테이너(23)에 접촉한 상태로 포트 씰(20) 전체를 탄성 지지하게 된다.

상기 탄성체(30)는 판상의 스프링 부재로서, 탄성체(30)가 제공하는 탄성복원력(스프링력)은 씰 본체(21), 중간부재(22), 리테이너(23)의 조립체를 밸브체(10)의 표면에 밀착시키는 방향으로 작용하게 된다.

즉, 탄성체(30)가 상기 조립체를 밸브체(10)의 표면에 밀착시키는 탄성복원력(스프링력)을 제공하고 있는 것이다.

이러한 탄성체(30)는 포트 씰(20)과 구분되는 별도의 부품이라 할 수도 있으나, 탄성체(30) 역시 밸브체(10)와 포트(13) 사이에서 누수를 방지하는데 역할을 하는 부품이라는 점에서, 탄성체(30)가 포트 씰(20)을 구성하는 부품 중 하나인 것으로도 해석될 수 있다.

즉, 포트 씰(20)이 씰 본체(21), 중간부재(22), 리테이너(23) 및 탄성체(30)를 포함하는 것이라 할 수도 있는 것이다.

도 8을 참조하면, 포트 씰(20)에서 씰 본체(21), 중간부재(22), 리테이너(23), 탄성체(30)는 모두 링 형상을 가지며, 씰 본체(21)는 고분자 수지, 예를 들면 불소 수지 중 하나인 테프론 수지, 즉 PTFE 수지를 사용하여 사출 성형의 방법으로 제작할 수 있다.

앞서 설명한 도 5의 포트 씰(20)은 씰 본체(21)만을 의미하는 것일 수 있으며, 씰 본체(21)의 형상에 대해서는 전술한 바와 같이 단부 표면(단부 끝면)이 3차원 곡면 형상이 아닌 2차원 형상으로 되어 있는 원통 형상을 가지면서, 더욱 바람직하게는 단부 끝면이 테이퍼 면(21a)으로 형성된 점에 특징이 있다 할 수 있고, 이에 대해서 도 5 내지 도 6을 참조하여 앞에서 상세히 설명하였는바, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

포트 씰(20)에서, 씰 본체(21)는, 밸브체(10)의 표면에 상시 접촉 및 밀착된 상태로, 밸브체(10)와 포트(13)(또는 밸브 하우징(11)) 사이에서 실질적인 누수 방지 기능을 하는 구성부가 된다.

또한, 상기 씰 본체(21)는 원통의 형상을 가지면서 일측 단부의 표면이 원주방향 또는 링 형상을 따르는 전 구간에서 밸브체(10)의 표면에 모두 접촉 및 밀착되도록 되어 있다.

또한, 상기 중간부재(22)는 탄성의 재질, 예를 들어 고무 재질 등으로 제작될 수 있고, 씰 본체(21)의 타측 단부와 리테이너(23)의 플랜지부(23b) 사이에 개재된다.

상기 중간부재(22)는 씰 본체(21)와 리테이너(23) 사이에서 냉각수의 누수를 방지할 목적으로 삽입되는 것으로, 중간부재(22)가 없을 경우 씰 본체(21)와 리테이너(23) 사이에서 냉각수의 누수가 발생할 수 있다.

따라서, 씰 본체(21)와 리테이너(23) 사이에 중간부재(22)를 개재하여 양측 사이에서 발생할 수 있는 냉각수의 누수 문제가 확실히 방지되도록 한다.

상기 리테이너(23)는 포트 씰(20)이 설치되는 밸브 하우징(11) 또는 포트(13)의 장착부에서 씰 본체(21) 및 중간부재(22)를 지지 및 고정하는 역할을 한다.

실시예에서, 리테이너(23)는 탄성체(30)가 접촉하는 부분이면서 밸브 하우징(11)의 장착홈(11a)에 삽입되거나 포트(13) 단부 내측으로 삽입되어 결합되는 플랜지부(23b)와, 이 플랜지부(23b)에서 씰 본체(21) 및 중간부재(22) 내측으로 삽입 및 연장되도록 형성되어 씰 본체(21) 내측면 및 중간부재(22) 내측면에 밀착되는 관 형상부(23a)를 포함하여 구성된다.

상기 플랜지부(23b)는 관 형상부(23a)에서 반경방향으로 확장된 형상을 가지며, 관 형상부(23a)는 씰 본체(21)와 중간부재(22)의 링 형상에 대응되는 원 또는 타원형의 단면 형상을 가지는 원통 형상 내지 관 형상을 가진다.

도 11에 나타낸 바와 같이, 밸브 하우징(11)에서 포트(13)의 단부가 삽입되어 고정되는 부분의 내측면을 따라 링 형상의 장착홈(11a)이 길게 형성되는데, 이 장착홈(11a)에 포트(13)의 단부가 삽입되어 결합되고, 동시에 리테이너(23)의 플랜지부(23b)가 삽입된다.

상기 리테이너(23)의 플랜지부(23b)와, 포트(13)의 단부에 단차진 단면 형상으로 형성된 시트면(13a) 사이에, 탄성체(30)가 삽입되어 결합되고, 이때 리테이너(23)의 플랜지부(23b)는 탄성체(30)에 의해 접촉 지지되는 반대편의 시트면을 제공하게 된다.

또한, 상기 리테이너(23)의 관 형상부(23a) 외측면에 중간부재(22)와 씰 본체(21)가 압입되어 고정되며, 이러한 리테이너(23)는 스테인리스 스틸(SUS)과 같은 금속 재질로 제작될 수 있다.

결국, 상기와 같이 씰 본체(21), 중간부재(22), 리테이너(23) 및 탄성체(30)를 포함하여 구성되는 포트 씰(20)은 밸브 하우징(11)에서 포트(13)가 결합되는 부분에 장착되고, 특히 밸브체(10)와 밸브 하우징(11) 및 포트(13) 사이에 개재되어 냉각수의 누수를 방지하게 된다.

이로써, 본 발명에 따른 연료전지용 온도조절밸브에서는 포트 씰의 형상이 개선됨으로써 포트 씰의 제작이 용이해지고(사출 성형 후 범용 선반 가공 가능), 포트 씰의 제작 비용을 줄일 수 있다.

또한, 포트 씰의 형상에 있어서 공차 발생이 최소화될 수 있고, 밸브체와 포트 씰 사이의 간극이 최소화될 수 있음은 물론, 포트 씰에서의 스프링력 비균등 전달 문제가 해소되면서, 씰링 기능 향상, 밸브 누수(포트 누수) 최소화, 온도 제어 정밀도 향상이 가능해지는 효과가 있게 된다.

또한, 밸브체의 특정 부위가 포트 씰에 의해 과도하게 눌리지 않고 고른 하중 분포를 나타내어 밸브 동작에 필요한 모터 소모 전류를 낮출 수 있고, 종래와 같이 밸브체에 의해 포트 씰이 과도하게 눌리면서 나타나는 마모 발생의 문제점이 해소될 수 있다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

10 : 밸브체 11 : 밸브 하우징
11a : 장착홈 13 : 포트
13a : 시트면 20 : 포트 씰
21 : 씰 본체 21a : 테이퍼 면
22 : 중간부재 23 : 리테이너
23a : 관 형상부 23b : 플랜지부
30 : 탄성체

Claims (12)

1. 냉각수가 유입되거나 배출되는 복수 개의 포트와, 밸브 하우징 내에서 회전하여 상기 각 포트를 개폐하거나 각 포트의 개도를 조절하는 밸브체와, 상기 각 포트와 밸브체 사이에 설치되어 냉각수의 누수를 방지하는 포트 씰을 포함하는 연료전지용 온도조절밸브에 있어서,
   상기 포트 씰은 그 단면이 타원의 링 형상을 가지면서 링 형상을 따르는 전 구간에서 동일한 폭(L)을 가지며,
   상기 밸브체의 표면에서 좌우 횡방향을 따르는 곡면 구간의 곡률 반경(Rx)과, 상기 밸브체의 표면에서 상기 횡방향을 따르는 곡면 구간과는 직각으로 교차되는 상하 종방향을 따르는 곡면 구간의 곡률 반경(Ry)이 상이한 경우, 상기 포트 씰의 일측 단부의 형상이 타원의 링 형상이고,
   상기 포트 씰의 일측 단부의 형상은,
   상기 타원의 링 형상에서, 타원의 장축과 단축 중 하나가 좌우 횡방향 축이고, 타원의 장축과 단축 중 나머지 하나가 상하 종방향 축이며, 상기 좌우 횡방향 축의 길이를 w라 하고, 상기 상하 종방향 축의 길이를 z라 할 때,
   'Rx:Ry = z:w'(여기서 Rx는 좌우 횡방향을 따르는 곡면 구간의 곡률 반경, Ry는 상하 종방향을 따르는 곡면 구간의 곡률 반경임)의 관계를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 온도조절밸브.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 포트 씰은 상기 밸브체의 표면에 접촉되는 일측 단부의 표면이 상기 링 형상을 따르는 전 구간에서 테이퍼 면으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 온도조절밸브.
   
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 포트 씰은
   원통의 형상을 가지면서 일측 단부의 표면이 상기 링 형상을 따르는 전 구간에서 밸브체의 표면에 접촉되는 씰 본체;
   상기 씰 본체의 타측 단부에 결합되는 링 형상의 중간부재; 및
   상기 씰 본체와의 사이에 중간부재를 두도록 일측이 배치되고 타측이 상기 중간부재와 씰 본체의 내측으로 삽입되는 리테이너를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 온도조절밸브.
   
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 리테이너는,
   상기 밸브 하우징 또는 밸브 하우징에 결합된 포트 단부에 결합되고 반경방향으로 확장된 형상을 가지는 플랜지부; 및
   상기 씰 본체 및 중간부재 내측으로 삽입되도록 상기 플랜지부에서 일체로 연장 형성된 관 형상부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 온도조절밸브.
   
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 리테이너의 관 형상부는 씰 본체의 내측면 및 중간부재의 내측면에 밀착되도록 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 온도조절밸브.
    
11. 청구항 9에 있어서,
    상기 리테이너의 플랜지부는, 상기 밸브 하우징에 결합된 포트 단부와의 사이에 배치된 탄성체에 접촉된 상태로, 포트 단부에서 상기 탄성체에 의해 탄성 지지되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 온도조절밸브.
    
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 탄성체는, 상기 씰 본체를 밸브체의 표면에 밀착시키도록 작용하는 탄성복원력을, 상기 리테이너의 플랜지부를 통해 제공하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 온도조절밸브.
    
    

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