KR102114354B1 - 공기차단밸브 모듈 - Google Patents

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KR102114354B1
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손종완
최동욱
김찬욱
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캄텍주식회사
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Abstract

본 발명은 수소연료전지 차량의 스택에 설치되는 차량용 공기차단밸브 모듈에 있어서, 상기 스택의 공기 입구 및 공기 출구에 각각 연결되는 입구유로와 출구유로를 가지고, 상기 입구유로와 출구유로를 가로지르는 방향으로 샤프트 홀이 형성된 하우징과, 상기 하우징에 장착되며, 상기 입구유로에 연결되는 입구관로과 상기 출구유로에 연결되는 출구관로 및 상기 입구관로 및 출구관로를 연결시키는 바이패스 유로가 형성되어 있는 하우징 커버와, 상기 샤프트 홀을 통과하여 설치되며 상기 샤프트 홀의 양측 단부에 삽입된 베어링에 의해 지지되는 샤프트와, 상기 하우징 내측에 설치되며 상기 샤프트에 결합되어 상기 샤프트의 회동에 의해 상기 입구유로, 출구유로 및 상기 바이패스 유로를 개폐하는 한 쌍의 밸브플레이트 및 상기 하우징의 샤프트를 회동시켜 상기 밸브플레이트의 개폐도를 조절하는 구동 유닛을 포함하고, 상기 샤프트 홀 양측 단부와 상기 베어링 사이에는 제1 부싱이 각각 구비되고, 상기 제1 부싱의 둘레에는 상기 샤프트 홀로부터의 이탈을 방지하기 위하여 상기 샤프트 홀의 내주면에 형성된 요철과 치합되는 제1 요철부가 형성되어 있으며, 상기 제1 요철부의 표면은 조면으로 형성된 것을 특징으로 하는 공기차단밸브 모듈에 관한 것이다.

Description

공기차단밸브 모듈{Air cut-off valve module}
본 발명은 공기차단밸브 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 차량에서 스택의 공기 공급관로와 공기 배출관로를 개폐하는 공기차단밸브 모듈에 관한 것이다.
연료전지 차량은 연료전지 스택에서 발생되는 전력으로 모터를 구동하여 주행하는 차량이다. 상기 스택은 수소와 공기중의 산소를 반응시켜 전기를 생산하고, 그 과정에서 물(수증기)과 열이 발생된다.
도 1과 같이 스택(1)에는 공기공급관로(2)와 공기배출관로(3)가 연결된다. 공기공급관로(1)에는 압축기(4; 블로어)가 설치되어 외기를 스택(1)으로 원활히 공급할 수 있다. 공급 공기는 가습기(5)를 거치면서 가습되어 스택(1) 내부의 전해질막이 충분히 젖은 상태를 유지할 수 있도록 함으로써 연료극에서 공기극으로의 수소 이온 이동이 활발하게 이루어져 스택의 전기화학반응이 촉진된다. 스택(1)에서 반응에 사용되지 않은 공기는 공기배출관로(3)를 통해 대기중으로 배출된다. 공기배출관로(3)도 가습기(5)를 경유한다. 한편, 상기 공기공급관로(2)와 공기배출관로(3)에는 각각 공기차단밸브(6,7)가 설치된다. 공기차단밸브(6,7)는 스택(1) 운전 정지시 공기공급관로(2)와 공기배출관로(3)를 통해 외부 공기가 스택(1)의 내부(공기극)로 확산되어 불필요한 반응이 발생함으로써 스택의 내구성이 저하되는 것을 방지한다.
종래에는 공기차단밸브(6,7)가 공기공급관로(2)와 공기배출관로(3)에 각각 설치되고, 각 공기차단밸브(6,7)는 구동장치도 각각 구비하였으므로 공기차단밸브(6,7) 관련 부분의 크기가 커지고 구성이 복잡한 문제가 있었으나, 최근에는 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0069454호에 개시된 바와 같이 컴팩트 하게 구성되고, 스택 운전 정지시 공기차단밸브와 스택 사이의 공기에 의한 스택 내구성 저하가 발생하지 않으며, 스택 시동시 공기배출관로를 통해 배출되는 수소 가스의 농도를 감소시킬 수 있는 공기차단밸브 모듈이 등장하고 있다.
그러나 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0069454호, 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0069454호, 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0069455호, 대한민국 공개특허공보 제10-2019-0079115호, 대한민국 공개특허공보 제10-2019-0079102호, 대한민국 등록특허공보 제10-1983913호와 같은 최근의 공기차단밸브 모듈의 경우에도 메인하우징에 서브하우징이 별도로 설치되기 때문에 구성이 복잡하고 조립 과정이 번거로운 문제가 있으며, 서브하우징과 메인하우징의 결합 부위에서 공기 또는 가스의 누설이 발생될 염려가 있었다. 또한, 메인하우징에 샤프트를 지지하는 금속재 베어링을 설치하는 과정에서 수지재로 이루어진 메인하우징이 파손될 염려가 있으며, 수지재로 이루어진 메인하우징이 상기 금속재의 베어링을 충분히 지지하지 못하여 그 사이에 틈이 생김으로써 공기 또는 가스의 누설이 발생될 염려도 있었다.
대한민국 공개특허공보 제10-2018-0069454호 (2018. 6. 25) 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0069455호 (2018. 6. 25) 대한민국 공개특허공보 제10-2019-0079115호 (2018. 7. 05) 대한민국 공개특허공보 제10-2019-0079102호 (2018. 7. 05) 대한민국 등록특허공보 제10-1983913호 (2019.05.29)
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 더욱 더 컴팩트한 구성을 가짐으로써 공기차단밸브 모듈의 조립 공정을 간소화시킬 수 있고, 메인하우징의 파손 및 공기 또는 가스의 누설을 방지할 수 있으며, 메인하우징에 설치되는 샤프트를 더욱 견고하게 지지할 수 있고, 메인하우징과 샤프트의 결합 부위에서의 공기 또는 가스의 누설도 방지할 수 있는 공기차단밸브 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 공기차단밸브 모듈을 제공한다. 수소연료전지 차량의 스택에 설치되는 차량용 공기차단밸브 모듈에 있어서, 상기 스택의 공기 입구 및 공기 출구에 각각 연결되는 입구유로와 출구유로를 가지고, 상기 입구유로와 출구유로를 가로지르는 방향으로 샤프트 홀이 형성된 하우징; 상기 하우징에 장착되며, 상기 입구유로에 연결되는 입구관로과 상기 출구유로에 연결되는 출구관로 및 상기 입구관로 및 출구관로를 연결시키는 바이패스 유로가 형성되어 있는 하우징 커버; 상기 샤프트 홀을 통과하여 설치되며 상기 샤프트 홀의 양측 단부에 삽입된 베어링에 의해 지지되는 샤프트; 상기 하우징 내측에 설치되며 상기 샤프트에 결합되어 상기 샤프트의 회동에 의해 상기 입구유로, 출구유로 및 상기 바이패스 유로를 개폐하는 한 쌍의 밸브플레이트; 및 상기 하우징의 샤프트를 회동시켜 상기 밸브플레이트의 개폐도를 조절하는 구동 유닛;을 포함하고, 상기 샤프트 홀 양측 단부와 상기 베어링 사이에는 제1 부싱이 각각 구비되고, 상기 제1 부싱의 둘레에는 상기 샤프트 홀로부터의 이탈을 방지하기 위하여 상기 샤프트 홀의 내주면에 형성된 요철과 치합되는 제1 요철부가 형성되어 있으며, 상기 제1 요철부의 표면은 조면으로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 하우징의 일측에 설치된 상기 제1 부싱에 압입되어 설치되는 제1 실링 캡을 더 포함할 수 있다.
상기 하우징 커버의 상기 바이패스 유로에는 외부로 열려있는 개구부가 형성되어 있고, 상기 개구부에는 원통형의 제2 부싱 및 상기 제2 부싱에 압입되는 제2 실링 캡이 설치되며, 상기 제2 부싱의 둘레에는 상기 개구부로부터의 이탈을 방지하기 위하여 상기 개구부의 내주면에 형성된 요철과 치합되는 제2 요철부가 형성되어 있으며, 상기 제2 요철부의 표면은 조면으로 형성될 수 있다.
상기 제1 부싱 및 제2 부싱은 금속 소재로 이루어져 있으며 상기 제1 요철부 및 제2 요철부의 조면은 금속 표면의 부식처리에 의해 형성된 부식면인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제1 부싱의 내주면에는 상기 제1 부싱에 삽입된 상기 베어링을 지지하는 제1 단차부가 형성되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제1 부싱의 상기 제1 단차부의 내측에는 상기 샤프트를 감싸는 립 씰(lip seal)이 삽입되고, 상기 립 씰(lip seal)은 상기 제1 단차부의 내경보다 작은 내경을 가지는 제2 단차부에 의해 지지되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공기차단밸브 모듈에 의하면 베어링이나 와셔 및 실링 캡 등과 같은 구성들이 수지재의 하우징에 직접 설치되거나 압입되지 않고 하우징과 일체로 형성된 금속소재의 제1 부싱 내에 압입되기 때문에 하우징이 파손되거나 손상되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기차단밸브 모듈에 의하면 하우징 커버의 바이패스 유로의 개구부에도 금속소재의 제2 부싱이 일체로 형성되어 있어서 개구부를 커버하는 실링 캡 설치시 수지재의 하우징 커버가 파손되거나 손상되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기차단밸브 모듈에 의하면 제1 부싱과 제2 부싱은 외주에 요철부가 형성된 상태에서 인서트 사출에 의해 하우징과 하우징 커버에 설치되므로 하우징과 하우징 커버에 견고하게 고정될 수 있고, 특히, 제1 부싱과 제2 부싱은 그 요철부의 표면이 부식 등에 의해 조면으로 형성된 상태에서 인서트 사출되므로 하우징 및 하우징 커버와 밀착되는 표면적이 극대화되어 제1 부싱과 제2 부싱이 하우징 및 하우징 커버와 결합되는 부위에서 공기 또는 가스의 누설이 방지되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 별도의 구성없이 본체인 하우징이 스택에 직접 결합되므로 조립 공정이 간소해질 수 있고 제조 비용도 절감될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 스택의 공기 공급과 배출 경로의 구성을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기차단밸브 모듈의 전면부측 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기차단밸브의 배면부측 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기차단밸브의 종단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기차단밸브의 주요 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기차단밸브의 하우징의 횡단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기차단밸브의 하우징 커버의 횡단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기차단밸브의 제1 부싱 및 제2 부싱의 종단면도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다. 이하에 소개되는 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위한 예로서 제공되는 것이다. 본 발명의 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 본 발명을 특징을 보다 명확하게 나타내고 설명하기 위하여 일부 구성은 도면에서 생략되어질 수 있으며, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기차단밸브 모듈의 전면부측 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기차단밸브의 배면부측 사시도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기차단밸브의 종단면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기차단밸브의 주요 구성을 도시한 분해 사시도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기차단밸브의 하우징의 횡단면도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기차단밸브의 하우징 커버의 횡단면도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기차단밸브의 제1 부싱 및 제2 부싱의 종단면도이다.
도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기차단밸브 모듈은 하우징(10), 하우징 커버(20), 샤프트(30), 밸브플레이트(41, 42) 및 구동 유닛(50)을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 하우징(10)에는 수소연료전지 차량의 스택(1)의 공기 입구 및 공기 출구에 각각 연결되는 입구유로(110)와 출구유로(120)가 형성되어 있으며, 입구유로(110)와 출구유로(120)는 하우징(10)의 격벽에 의해 서로 분리되어 있다. 하우징(10)의 전면부는 하우징 커버(20)와 결합되고 하우징(10)의 배면부는 스택(1)과 결합될 수 있다. 따라서 , 하우징(10)의 입구유로(110)는 하우징 커버(20)의 입구관로(210) 및 스택(1)의 공기 입구와 연결되고, 하우징(10)의 출구유로(120)는 하우징 커버(20)의 출구관로(220) 및 스택(1)의 공기 출구와 연결된다.
도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 하우징(10)과 하우징 커버(20)의 장착 부위에서 공기 또는 가스의 누설을 방지하기 위하여 하우징과 하우징 커버 사이에는 하우징 커버 시일(201)이 배치될 수 있으며, 하우징의 전면부에서 입구유로와 출구유로의 둘레에는 하우징 커버 시일(201)을 장착하기 위한 홈(101, 102)이 각각 형성될 수 있고 하우징 커버에서도 대응되는 면에 하우징 커버 시일(201)을 장착하기 위한 홈(202)이 형성될 수 있다. 마찬가지로, 하우징(10)과 스택(1)의 장착 부위에서 공기 또는 가스의 누설을 방지하기 위하여 하우징과 스택 사이에는 하우징 시일(106)이 배치될 수 있으며, 하우징의 배면부에서 입구유로와 출구유로의 둘레에는 하우징 시일을(106) 장착하기 위한 홈(103, 104)이 각각 형성될 수 있고, 스택에서도 대응되는 면에 하우징 시일(106)을 장착하기 위한 홈(미도시)이 형성될 수 있다.
도 3 내지 도 6에 일 실시예로 도시된 바와 같이 하우징(10)의 입구유로(110)와 출구유로(120)의 상부에는 샤프트(30) 삽입을 위해 입구유로(110)와 출구유로(120)를 가로지르는 방향으로 샤프트(30) 장착을 위한 샤프트 홀(130)이 관통되어 있다. 샤프트 홀(130)은 입구유로(110)와 출구유로(120)의 중간부분에서 상부에 형성될 수 있다. 샤프트 홀(130)의 양측 단부(131, 132)에는 제1 부싱(160, 170)이 각각 설치된다.
제1 부싱(160, 170)은 인서트 사출에 의해 하우징(10)과 일체로 형성될 수 있다. 도 6 내지 8에 도시된 바와 같이 상기 제1 부싱(160, 170)의 둘레에는 샤프트 홀(130)로부터의 이탈을 방지하기 위하여 상기 샤프트 홀의 양측 단부(131, 132)의 내주면에 형성된 요철(1311, 1321)과 치합되는 제1 요철부(161, 171)가 형성되어 있으며, 제1 요철부(161, 171)의 표면은 조면(거칠기가 형성된 면)(162)으로 형성될 수 있다. 하나 또는 다수의 실시예에서 제1 부싱(160, 170)은 황동으로 이루어지고 제1 요철부(161, 171)의 조면(162)은 황동의 표면의 부식처리에 의해 형성된 부식면이 될 수 있다. 이와 같이 제1 부싱(160, 170)의 제1 요철부(161, 171)의 표면이 부식면으로 형성된 상태에서 인서트 사출에 의해 하우징(10)이 형성되는 경우 하우징(10)의 샤프트 홀(130)의 요철(1311, 1321)이 제1 부싱(160, 170)의 제1 요철부(161, 171)와 치합되면서 형성되기 때문에 하우징(10) 제조 후 하우징(10)으로부터 제1 부싱(160, 170)의 이탈이 방지된다. 아울러, 제1 요철부(161, 171)의 표면이 부식면(거친면)(162)으로 형성되어 있어서 수지재 사출시 수지재가 거친 표면 사이로 스며들게 되어 접촉되는 면적이 현저히 증가되기 때문에 제1 부싱(160, 170)과 하우징(10)의 샤프트 홀(130) 사이의 간극이 최소화 됨으로써 공기 또는 가스의 누설이 방지될 수 있고 제1 부싱(160, 170)과 샤프트 홀(130)의 결합력이 더욱 증가될 수 있는 이점이 있다.
샤프트 홀(130)의 양측 단부(131, 132)에 형성된 제1 부싱(160, 170) 내부에는 니들 베어링(Needle Bearing)(140, 150)이 압입되어 있어서 샤프트(30)가 하우징(10)에 설치되는 경우 샤프트(30)의 양단이 니들 베어링(140, 150)에 의해 각각 지지된다. 제1 부싱(160, 170)의 내주면에는 상기 제1 부싱(160, 170)에 삽입되는 니들 베어링(140, 150)을 지지하여 이동을 제한하는 제1 단차부(163, 173)가 형성되어 있고, 제1 단차부(163, 173)의 내측에는 샤프트(30)를 감싸는 고리모양의 립 씰(Lip Seal)(180, 190)을 설치하기 위한 공간(166) 및 립 씰(180, 190)을 지지하여 립 씰(180, 190)의 이동을 제한하는 제2 단차부(164, 174)가 형성될 수 있다.
한편, 하우징(10)의 샤프트 홀의 일측에 설치된 제1 부싱(160)과 타측에 설치된 제1 부싱(170)은 크기나 모양이 다소 상이하게 형성될 수 있다. 예컨데, 도 5 내지 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면 하우징(10)의 샤프트 홀(130)의 일측에 설치된 제1 부싱(170)에는 제1 부싱(170)을 밀봉하는 제1 실링 캡(Sealing Cap)(175)이 장착되지만 하우징(10)의 샤프트 홀(130)의 타측에 설치된 제1 부싱(160)에는 이러한 실링 캡이 장착되지 않고, 반대로 샤프트 홀의 타측에 설치된 제1 부싱(160)의 니들 베어링(140)과 제1 단차부(163) 사이에는 리테이닝 와셔(165)가 삽입되지만 샤프트 홀의 일측에 설치된 제1 부싱(170)에는 이러한 리테이닝 와셔가 삽입되지 않으므로 샤프트 홀의 양측에 설치된 각각의 제1 부싱(160, 170)은 그 용도에 맞게 그 크기나 모양이 달라질 수 있다.
이러한 본 발명의 실시예에 따르면 니들 베어링(140, 150)과 리테이닝 와셔(165) 및 제1 실링 캡(175) 등이 수지재의 하우징(10)에 직접 설치되거나 압입되지 않고 황동 소재의 제1 부싱(160, 170) 내에 설치되기 때문에 니들 베어링(140, 150)이나 리테이닝 와셔(165) 또는 제1 실링 캡(175)의 압입으로 인하여 하우징(10)이 파손되는 것을 방지할 수 있다.
상기 하우징 커버(20)는 상기 하우징(10)에 볼트 결합 등에 의해 장착되며, 하우징 커버에는 입구유로(110) 연결되는 입구관로(210)과 상기 출구유로(120)에 연결되는 출구관로(220) 및 상기 입구관로(210) 및 출구관로(220)를 연결시키는 바이패스 유로(230)가 형성되어 있다. 본 발명의 실시예에 따르면 바이패스 유로(230)가 하우징(10)이 아닌 하우징 커버(20)에 일체로 형성되어 있어서 바이패스 유로(230)의 청소 및 관리가 용이하고 하우징 커버(20)를 하우징(10)에서 분리하는 경우 도 5에 도시된 바와 같이 하우징(10)의 전면부가 개방되기 때문에 하우징(10) 내부의 청소 및 관리도 더욱 용이하게 할 수 있다. 상기 하우징 커버(20)의 입구관로(210)의 단부는 유입라인(2)에 연결되는 원통형의 입구관(211)으로 형성되어 있고, 출구관로(220)의 단부는 배출라인(3)에 연결되는 원통형의 출구관(221)으로 형성될 수 있다.
상기 하우징 커버(20)의 상기 바이패스 유로(230)에는 외부로 열려있는 개구부(233)가 형성되어 있고, 상기 개구부(233)에는 원통형의 제2 부싱(240) 및 상기 제2 부싱(240)에 압입되는 제2 실링 캡(250)이 설치된다. 제2 부싱(240)은 인서트 사출에 의해 하우징 커버(20)와 일체로 형성될 수 있다. 상기 제2 부싱(240)의 둘레에는 개구부(233)로부터의 이탈을 방지하기 위하여 개구부(233)의 내주면에 형성된 요철(2331)과 치합되는 제2 요철부(241)가 형성되어 있으며, 제2 요철부(241)의 표면은 조면(거칠기가 형성된 면)(242)으로 형성될 수 있다. 하나 또는 다수의 실시예에서 제2 부싱(240)은 황동으로 이루어지고 제2 요철부(241)의 조면(242)은 황동의 표면의 부식처리에 의해 형성된 부식면이 될 수 있다. 이와 같이 제2 부싱(240)의 제2 요철부(241)의 표면이 부식면(242)으로 형성된 상태에서 인서트 사출에 의해 하우징 커버(20)가 형성되는 경우 하우징 커버(20)의 개구부(233)의 요철이 제2 부싱(240)의 제2 요철부(241)과 치합되면서 형성되기 때문에 하우징 커버(20)로부터 제2 부싱(240)의 이탈이 방지되는 효과가 있다. 아울러, 제2 요철부(241)의 표면이 부식면(거친면)으로 형성되어 있어서 수지재의 하우징 커버(20) 사출시 수지재가 거친 표면 사이로 스며들게 되어 접촉되는 면적이 현저히 증가되기 때문에 제2 부싱(240)과 하우징 커버(20)의 개구부(233) 사이의 간극이 최소화 됨으로써 공기 또는 가스의 누설이 방지될 수 있고 제2 부싱(240)과 개구부(233)의 결합력이 더욱 증가될 수 있다.
하나 또는 다수의 실시예에서 도 5에 도시된 바와 같이 상기 하우징(10)과 상기 하우징 커버(20)는 서로 대응되는 위치에 복수의 가이드 홀(107, 207)이 각각 형성될 수 있고, 상기 하우징(10)의 가이드 홀(107)과 하우징 커버(20)의 가이드 홀(207)을 함께 관통하여 압입되는 복수의 가이드 부싱(109)을 더 포함할 수 있다. 가이드 부싱(109)은 대략 원통형으로 형성되되 'c'자형의 단면을 가지도록 형성될 수 있으며 억지끼워맞춤 방식으로 하우징(10)의 가이드홀(107)과 하우징 커버(20)의 가이드 홀(207)에 압입될 수 있다. 이러한 복수의 가이드 부싱(109)에 의해 하우징(10)과 하우징 커버(20)는 더욱 견고하고 안정적으로 결합될 수 있다.
상기 샤프트(30)의 소정 위치(310, 320)에는 하우징(10)의 입구유로(110)를 개폐하는 밸브플레이트(41)와 하우징(10)의 출구유로(120)를 개폐하는 밸브플레이트(42)가 스크류를 매개로 장착된다. 밸브플레이트(41, 42)들은 샤프트(30)가 회동됨으로써 함께 동일한 각도로 회동된다. 또한, 샤프트(30)의 회동에 의해 밸브플레이트(41, 42)들이 함께 회전하여 바이패스 유로(230)의 입구(231) 및 출구(232)를 개폐하게 된다. 샤프트(30)의 외주에는 샤프트(30)의 축방향 이동을 제한하기 위한 'c'자 형의 리테이닝 와셔(165)가 삽입되도록 홈(330)이 형성될 수 있다. 도 5 내지 6에 도시된 바와 같이 샤프트(30)가 제1 부싱(160)에 설치될 때 'c'자 형의 리테이닝 와셔(165)가 함께 설치된다. 'c'자 형의 리테이닝 와셔(165)는 압입시 제1 부싱(160)의 내주면에 의해 압축되면서 직경이 감소되면서 샤프트(30)의 홈(330)에 적어도 일부분 삽입된다. 'c'자 형의 리테이닝 와셔(165)의 일측은 제1 부싱(160)의 제1 단차부(163)에 의해 지지되고 타측은 니들 베어링(140)에 의해 지지되므로 'c'자 형의 리테이닝 와셔(165)에 의해 샤프트 홀(130) 내에서 샤프트(30)의 축방향 이동이 제한된다.
상기 밸브플레이트(41, 42)의 밀폐성 향상을 위해 밸브플레이트(41, 42)의 표면에는 플라스틱 재질로 이루어진 시일링부재(411, 412)가 부착될 수 있다. 하나 또는 다수의 실시예에서, 하우징(10)의 입구유로(110)와 출구유로(120) 및 하우징 커버(20)의 바이패스 유로(230)의 개구를 더욱 확실하게 차단하기 위하여 도 4에 도시된 바와 같이, 시일링 부재(411, 412)는 포켓 타입으로 형성되어 포켓 내부에 밸브플레이트(41, 42)가 삽입됨으로써 밸브플레이트(41, 42)의 전면과 후면 및 양측면이 전체적으로 커버되도록 형성될 수 있다.
하우징(10)의 일측에는 샤프트(30)의 회동을 제어하기 위한 구동 유닛(50)이 배치될 수 있다. 구동 유닛(50)은 모터(510)와 제어기(530) 및 샤프트(30)에 모터(510)의 구동력을 전달하기 위한 기어세트(520) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 하나 또는 다수의 실시예에서 모터(510)는 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이 하우징(10)의 모터(510)삽입부에 삽입될 수 있다. 모터(510)의 구동력을 샤프트(30)에 전달하고 이를 제어하여 샤프트(30)를 원하는 방향으로 회전시키는 방식에는 제한이 없으므로 기존의 널리 알려진 방식이 적용될 수 있고, 구동 유닛(50)의 형상 및 배치도 필요에 따라 변경될 수 있는 것은 물론이다. 예를 들어, 상기 기어세트(520)는 모터(510)의 출력 회전수를 감속시키고 토크를 증대시키키는 기어세트(520)일 수 있으며, 모터(510)의 출력축에는 피니언기어가 설치되고, 샤프트(30)의 일측 단부에는 세그먼트기어가 설치되며, 피니언기어와 세그먼트기어가 서로 치합될 수 있다. 따라서 모터(510)의 회전력이 샤프트(30)로 전달되어 모터(510) 작동 방향에 따라 샤프트(30)가 양쪽 방향으로 회동된다. 또한 하우징(10)에는 상기 제어기(530)가 설치된다. 제어기(530)는 상기 모터(510)의 작동을 제어하는 것으로 연료전지 컨트롤 유닛(FCU : Fuel cell control unit)과 통신하여 스택의 on/off 상태에 따라 모터(510)를 제어하여 밸브플레이트(41, 42)를 작동시킴으로써 하우징(10)의 입구유로(110) 및 출구유로(120)를 개폐한다. 이러한 전자제어를 가능하게 하는 제어회로기판이 제어기(530) 내부에 구성된다.
이제 본 발명에 따른 공기차단밸브 모듈의 작동을 설명한다.
밸브플레이트(41, 42)들은 상기 제어기(530)가 모터(510)를 정/역 방향으로 회전시킴으로써 샤프트(30)와 함께 회동하여 입구유로(110)와 출구유로(120) 및 바이패스 유로(230)를 개폐한다. 도 4와 같이 밸브플레이트(41, 42)는 모터(510) 작동시 샤프트(30)와 함께 회전 작동된다.(도 4는 종단면도로서 입구유로측 밸브플레이트(41)만 도시되었으나 반대쪽 출구유로측 밸브플레이트(42) 역시 같은 상태로 작동된다.) 밸브플레이트(41, 42)가 하우징(10)의 배면부 쪽으로 회전(도 4에서 반시계 방향으로 회전)되면 밸브플레이트(41, 42)가 하우징(10)의 입구유로(110)와 출구유로(120)의 내주면에 각각 형성된 돌출부(111)에 밀착되면서 입구유로(110)와 출구유로(120)를 차단한다.
반대로, 밸브플레이트(41, 42)가 하우징(10)커버 쪽으로 회전(도 4에서 시계 방향으로 회전)되면 밸브플레이트(41, 42)가 하우징(10)의 입구유로(110)와 출구유로(120)를 개방시키고 하우징 커버(20)의 바이패스 유로(230)의 입구(231)와 출구(232)를 막아 바이패스 유로(230)를 차단한다.
또한 상기 밸브플레이트(41, 42)의 개도는 제어기(530)가 모터(510)의 작동량을 제어함으로써 하우징(10)의 입구유로(110) 및 출구유로(120)의 차단 위치로부터 바이패스 유로(230)의 입구와 출구 차단 위치까지의 범위에서 자유로이 조절 가능하다. 이러한 밸브플레이트(41, 42)의 개도량 조절에 따라 스택의 공기 유입량과 배출량 및 바이패스 유량을 필요에 따라 조절할 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따른 공기차단밸브 모듈은, 입구유로(110)와 출구유로(120)가 근접하여 형성되고, 그 각각을 개폐하는 밸브플레이트(41, 42)들이 하나의 모터(510)와 샤프트(30)에 의해 작동된다. 즉, 입구유로(110)와 출구유로(120)의 밸브플레이트(41, 42)들이 동일한 구동 유닛(50)에 의해 작동된다. 또한 모듈을 구성하는 하우징(10)에 상기 샤프트(30)와 모터(510)가 모두 수납되고, 그 측부에는 모터(510)의 작동을 제어하는 제어기(530)도 장착된다. 따라서 스택(1)의 공기 유입라인(2) 및 공기 배출라인(3)을 차단하는 공기차단밸브 관련 구성을 매우 컴팩트한 하나의 모듈로 구성할 수 있게 된다. 따라서 연료전지 차량의 스택 주변부 레이아웃을 보다 간결하게 구성할 수 있으며, 그로 인해 발생하는 여유 공간을 다른 장치의 배치에 활용할 수 있게 된다.
또한 본 발명에 따른 공기차단밸브 모듈은 별도의 구성 없이 본체인 하우징(10)의 배면부가 직접 스택(1)의 공기 입구 및 출구와 연결되도록 구성되어 있어서 스택 운전 정지시 밸브플레이트(41, 42)에 의해 입구유로(110)와 출구유로(120)가 차단되었을 때 밸브플레이트(41, 42)에 의한 차단 위치로부터 스택(1)에 이르는 경로가 별도의 서브하우징과 같은 구성이 존재하는 경우보다 더 짧게 형성될 수 있다. 이와 같은 구성으로 인해, 밸브플레이트(41, 42)에 의한 차단 위치로부터 스택(1)에 이르는 경로가 극단적으로 짧아질 수 있게 되어 이 경로 내부에 존재하다가 스택의 공기극으로 확산 유입되는 공기량이 거의 존재하지 않음으로써 운전 정지 상태에서 불필요한 반응에 의해 스택의 내구성이 감소되는 현상을 방지할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면 본체인 하우징(10)과 스택(1) 사이에는 서브하우징과 같은 별도의 구성이 없기 때문에 서브하우징과 본체(하우징(10)) 연결 부위에서 발생될 수 있는 공기 또는 가스의 누설에 대한 염려가 없고 조립 공정도 간소해질 수 있으며 제조 비용도 절감될 수 있다.
한편, 공기차단밸브 모듈은 밸브플레이트(41, 42)를 스택 정지시 하우징(10)의 입구유로(110)와 출구유로(120)를 막고 있는 상태로 유지하다가 스택 운전 시동시 밸브플레이트(41, 42)를 소정 각도로 개구된 상태로 조절하여 바이패스 유로(230)를 통해 유입 공기의 바이패스가 이루어지도록 할 수 있다. 이 경우 상기 밸브플레이트(41, 42)가 하우징(10)의 출구유로(120)를 개방하면서 스택 내부에 잔존하던 수소가 출구유로(120)를 통해 하우징 커버(20)의 출구관로(220)로 배출될 때 그 출구관로(220)로 바이패스 유로(230)를 통해 입구관로(210)로부터 바이패스된 공기(스택을 거치지 않은 공기)가 유입되어 상기 수소 가스와 혼합됨으로써 하우징 커버(20)의 출구관(221)을 통해 배출되는 최종 배출가스의 수소 농도를 감소시킬 수 있게 된다.
상기와 같은 배출가스의 수소 농도 감소를 위한 공기차단밸브 모듈 제어방법을 보다 자세히 설명한다.
본 발명에 따른 공기차단밸브 모듈 제어방법은 입구유로(110) 및 출구유로(120) 차단단계와 밸브 중간 개방단계 및 바이패스 유로(230) 차단단계를 포함할 수 있다.
상기 입구유로(110) 및 출구유로(120) 차단단계는 스택 운전 정지 상태에서 실시되는 것으로, 연료전지 컨트롤 유닛으로 부터 스택 운전 정지 정보를 전달받은 제어기(530)는 모터(510)를 작동시켜 밸브플레이트(41, 42)를 도 4와 같이 반시계 방향으로 회동시켜 하우징(10)의 입구유로(110)와 출구유로(120)를 차단한다. 이 상태는 공기차단밸브 본연의 목적을 달성하는 상태로서 스택 정지 상태에서 외부로부터 스택으로 공기가 유입되는 것을 차단하여 스택에서 불필요한 반응이 일어나는 것을 방지한다.
이후 스택이 시동되면 밸브플레이트(41, 42)를 소정 각도로 개방하는 상기 밸브 중간 개방단계를 실시한다. 이 상태에서는 공기 유입라인(2) 상에 설치된 압축기가 이미 작동되고 있으므로 하우징 커버(20)의 입구관(211)을 통해 외부 공기가 유입되고, 그 공기는 하우징(10)의 입구유로(110)를 통해 스택으로 공급되며, 스택 내부의 수소를 포함한 공기는 하우징(10)의 출구유로(120)를 통해 하우징 커버(20)의 출구관로(220)로 배출된다. 이때 밸브플레이트(41, 42)의 중간 개방 상태에 의하여 바이패스 유로(230)가 개방되어 있으므로 하우징 커버(20)의 입구관로(210) 측 공기가 바이패스 유로(230)를 통해 바이패스되어 하우징 커버(20)의 출구관로(220)로 배출된다. 따라서, 하우징(10)의 출구유로(120)를 통해 배출되는 수소를 포함한 공기와 상기 바이패스된 공기가 혼합되면서 수소의 농도가 감소된다. 이와 같이 스택 시동시 밸브플레이트(41, 42)를 중간 개방 상태로 제어하여 바이패스 유량을 확보함으로써 스택에서 배출되는 공기를 희석하여 수도 농도를 감소시킬 수 있게 된다. 따라서 상기 밸브플레이트(41, 42)의 개도를 적절히 조절하여 바이패스 유량을 조절함으로써 시동시 배출가스 중의 수소 농도를 규제 수준(통상 4%) 이하로 감소시킬 수 있다.
한편, 상기 밸브 중간 개방단계에서는 개방된 하우징(10)의 입구유로(110)를 통해 스택 내부로 공기가 공급되는데, 이 공기에 의해서도 스택 내부의 공기가 희석되어 수소 농도의 감소가 이루어진다.
상기와 같은 스택 시동 과정이 종료되면 상기 바이패스 유로(230) 차단단계를 실시한다. 바이패스 유로(230) 차단단계에서는 제어기(530)가 모터(510)를 제어하여 밸브플레이트(41, 42)를 하우징 커버(20) 쪽으로 완전히 회전시킴으로써 바이패스 유로(230)의 입구(231)와 출구(232)를 차단하게 된다. 스택 정상 운전 상태에서는 공기배출경로를 통한 수소 배출이 감소할 뿐 아니라 스택 내부 반응에 다량의 공기(산소)가 필요하다. 따라서 상기 바이패스 유로(230) 차단단계를 실시하여 바이패스 유로(230)를 차단하고 하우징(10)의 입구유로(110)와 출구유로(120)를 완전 개방함으로써 외부로부터 유입되는 공기 전부를 스택으로 공급하고, 스택에서 배출되는 공기 또한 원활하게 배출될 수 있도록 한다.
한편, 상기 밸브 중간 개방 단계 이전에 연료전지 시스템에 구비된 수소 퍼지 장치를 작동시켜 스택의 수소 퍼지를 먼저 실시할 수 있다. 수소 퍼지가 실시되면 스택 내부의 수소가 제거되어 공기극쪽 출구를 통해 배출되는 공기의 수소 함량을 소량이라도 더 감소시킬 수 있으므로 배출가스의 수소 농도를 감소시키는데 도움이 될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10: 하우징 20: 하우징 커버
30: 샤프트 41, 42: 밸브플레이트
50: 구동 유닛 110: 입구유로
120: 출구유로 130: 샤프트 홀
140, 150: 베어링 160, 170: 제1 부싱
175: 제1 실링 캡 180, 190: 립 씰
210: 입구관로 220: 출구관로
230: 바이패스 유로 233: 개구부
240: 제2 부싱 250: 제2 실링 캡

Claims (6)

  1. 수소연료전지 차량의 스택에 설치되는 차량용 공기차단밸브 모듈에 있어서,
    상기 스택의 공기 입구 및 공기 출구에 각각 연결되는 입구유로와 출구유로를 가지고, 상기 입구유로와 출구유로를 가로지르는 방향으로 샤프트 홀이 형성된 하우징;
    상기 하우징에 장착되며, 상기 입구유로에 연결되는 입구관로과 상기 출구유로에 연결되는 출구관로 및 상기 입구관로 및 출구관로를 연결시키는 바이패스 유로가 형성되어 있는 하우징 커버;
    상기 샤프트 홀을 통과하여 설치되며 상기 샤프트 홀의 양측 단부에 삽입된 베어링에 의해 지지되는 샤프트;
    상기 하우징 내측에 설치되며 상기 샤프트에 결합되어 상기 샤프트의 회동에 의해 상기 입구유로, 출구유로 및 상기 바이패스 유로를 개폐하는 한 쌍의 밸브플레이트; 및
    상기 하우징의 샤프트를 회동시켜 상기 밸브플레이트의 개폐도를 조절하는 구동 유닛;을 포함하고,
    상기 샤프트 홀 양측 단부와 상기 베어링 사이에는 제1 부싱이 각각 구비되고, 상기 제1 부싱의 둘레에는 상기 샤프트 홀로부터의 이탈을 방지하기 위하여 상기 샤프트 홀의 내주면에 형성된 요철과 치합되는 제1 요철부가 형성되어 있으며,
    상기 제1 요철부의 표면은 조면으로 형성되며,
    상기 하우징의 일측에 설치된 상기 제1 부싱에 압입되어 설치되는 제1 실링 캡을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기차단밸브 모듈.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하우징 커버의 상기 바이패스 유로에는 외부로 열려있는 개구부가 형성되어 있고, 상기 개구부에는 원통형의 제2 부싱 및 상기 제2 부싱에 압입되는 제2 실링 캡이 설치되며,
    상기 제2 부싱의 둘레에는 상기 개구부로부터의 이탈을 방지하기 위하여 상기 개구부의 내주면에 형성된 요철과 치합되는 제2 요철부가 형성되어 있으며,
    상기 제2 요철부의 표면은 조면으로 형성된 것을 특징으로 하는 공기차단밸브 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 부싱 및 제2 부싱은 금속 소재로 이루어져 있으며 상기 제1 요철부 및 제2 요철부의 조면은 금속 표면의 부식처리에 의해 형성된 부식면인 것을 특징으로 하는 공기차단밸브 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 부싱의 내주면에는 상기 제1 부싱에 삽입된 상기 베어링을 지지하는 제1 단차부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 공기차단밸브 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 부싱의 상기 제1 단차부의 내측에는 상기 샤프트를 감싸는 립 씰(lip seal)이 삽입되고, 상기 립 씰(lip seal)은 상기 제1 단차부의 내경보다 작은 내경을 가지는 제2 단차부에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 공기차단밸브 모듈.
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