KR102145501B1 - 고압용기용 체크밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명의 고압 용기용 체크밸브는 원료가스가 통과하는 유로에 고정되는 시트부와, 상기 시트부에 밀착되어 기밀을 유지하는 체크 볼과, 상기 체크 볼이 직선 이동 가능하게 삽입되는 바디부와, 상기 바디부에 배치되어 체크 볼이 상기 시트부에 밀착되도록 탄성력을 부여하는 스프링을 포함하고, 상기 시트부는 설정압 이하의 저압이 작용할 때 상기 체크 볼이 접촉되어 기밀을 유지하는 저압 기밀부와, 설정압 이상의 고압이 작용할 때 상기 체크 볼이 접촉되어 기밀을 유지하는 고압 기밀부로 구성되어, 저압이 작용할 때와 고압이 작용할 때 모두 기밀 성능을 향상시킬 수 있고, 시트부의 손상을 방지할 수 있다.

Description

고압용기용 체크밸브{CHECK VALVE FOR HIGH PRESSURE TANK}

본 발명은 저압시 기밀을 유지하는 저압 기밀부와, 고압시 기밀을 유지하는 고압 기밀부가 구비되어 기밀 성능을 향상시키고, 부품의 손상을 방지하는 고압용기용 체크밸브에 관한 것이다.

현재, 수소 연료전지 시스템의 경우 원료가스가 저장된 고압용기에 밸브가 설치되어 고압용기로 원료가스를 충전할 때 원료가스의 흐름을 제어하고, 고압용기에 저장된 원료가스를 가스 사용부로 공급할 때 원료 가스의 흐름을 제어한다.

이러한 밸브는 전기적인 신호에 따라 정밀하게 원료가스의 흐름을 정밀하게 제어할 수 있고, 수소용기에 저장된 원료가스의 압력을 일정하게 유지해야되며, 수소 연료전지 자동차의 전복이나 화재 발생시 고압용기의 폭발을 방지할 수 있어야 된다.

종래의 유체 제어용 밸브는 등록특허공보 10-1821597(2018년 01월 18일)에 개시된 바와 같이, 원료가스가 충전된 고압용기(100)의 입구에 장착되고 복수의 밸브가 구비되고 복수의 유로가 형성되는 메인 밸브 바디와, 메인 밸브 바디에 설치되어 고압용기로 원료가스를 충전할 때 개방되는 제1체크밸브와, 고압용기에 저장된 원료가스가 가스 사용부로 공급될 때 개방되는 제2체크밸브가 구비된다.

수소 연료차량의 경우 초고압(70MPa)의 수소가스가 사용된다. 이와 같은 초고압의 수소가스가 저장된 수소용기의 경우 저압 기밀누설이 발생되는 문제가 있다. 즉, 체크밸브의 기밀부가 고무재질을 사용할 수 없어 메탈과 비메탈(플라스틱 계열, PEEK, PAI PI)을 조합하여 사용되기 때문에 고압의 경우 충분한 기밀을 유지할 수 있지만, 저압의 경우 기밀을 유지하기 어려워 가스 누설이 발생되는 문제가 있다.

또한, 체크밸브로 고무 계열 등의 탄성 재질을 사용할 경우 고압에 사용하기 어렵고 반복 사용에 따른 변형이 발생될 수 있고, 메탈 등의 비탄성 재질을 사용할 경우 고압에 기밀 유지가 우수하지만 저압 기밀유지가 어렵고 반복 사용에 따라 마찰이나 충격으로 인하여 변형이 발생되는 문제가 있다.

등록특허공보 10-1821597(2018년 01월 18일)

따라서, 본 발명의 목적은 저압일 때 기밀을 유지하는 저압 기밀부와, 고압일 때 기밀을 유지하는 고압 기밀부가 구비되어 기밀 유지 성능을 향상시키고, 반복 사용에 따른 기밀부의 변형을 최소화할 수 있는 고압용기용 체크밸브를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 원료가스가 통과하는 유로에 고정되는 시트부와, 상기 시트부에 밀착되어 기밀을 유지하는 체크 볼와, 상기 체크 볼이 직선 이동 가능하게 삽입되는 바디부와, 상기 바디부에 배치되어 체크 볼이 상기 시트부에 밀착되도록 탄성력을 부여하는 스프링을 포함하고, 상기 시트부는 설정압 이하의 저압이 작용할 때 상기 체크 볼이 접촉되어 기밀을 유지하는 저압 기밀부와, 설정압 이상의 고압이 작용할 때 상기 체크 볼이 접촉되어 기밀을 유지하는 고압 기밀부를 포함한다.

상기 바디부는 그 길이방향으로 원료가스가 통과하는 원료가스 통로부가 형성되고, 전방에는 체크 볼이 직선 이동 가능하게 가이드하는 체크 볼 안착부가 형성되고, 그 후방에는 스프링이 안착되는 스프링 안착부가 형성될 수 있다.

상기 스프링 안착부의 내경은 상기 체크 볼 안착부의 내경에 비해 작게 형성되어 상기 스프링 안착부 내부로 체크 볼이 삽입되는 것을 방지할 수 있다.

상기 시트부는 유로에 삽입되과 관통된 형태의 시트 바디와, 시트 바디의 전면에 링 형태로 고정되는 저압 기밀부와, 저압 기밀부의 후방에 위치되고 시트 바디에 형성되는 고압 기밀부를 포함할 수 있다.

상기 저압 기밀부는 탄성 재질로 형성되고, 상기 고압 기밀부는 비탄성 재질로 형성될 수 있다.

상기 저압 기밀부의 내면에는 체크 볼이 밀착되는 밀착부가 형성되고, 상기 밀착부의 곡률반경은 상기 체크 볼의 곡률반경에 비해 작게 형성되어, 저압이 작용하면 체크 볼이 저압 기밀부에 밀착되고, 고압이 작용하면 저압 기밀부가 탄성 변경되면서 체크 볼이 더 전진되어 고압 기밀부에 밀착될 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 고압용기용 체크밸브는 저압일 때 체크볼이 접촉되어 기밀을 유지하는 저압 기밀부와, 고압일 때 체크볼이 접촉되어 기밀을 유지하는 고압 기밀부가 구비되어 저압과 고압 모두 기밀 성능을 향상시킬 수 있다.

또한, 저압 기밀부는 탄성 재질로 형성되고 고압 기밀부는 비탄성 재질로 형성되어 반복 사용에 따른 기밀부의 변형을 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고압용기용 유체 제어 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고압용기용 밸브 어셈블리의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 체크밸브의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 체크밸브의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 체크밸브의 작동 상태를 보여주는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 체크밸브의 바디부의 일부 절개된 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 체크밸브의 저압 기밀부의 작용을 보여주는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 체크밸브의 고압 기밀부의 작용을 보여주는 단변도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고압용기용 밸브의 단면도이다.

일 실시예에 따른 유체 제어 시스템은 원료가스가 저장되는 고압용기(100)와, 고압용기(100)의 입구에 장착되어 원료가스를 제어하는 고압용기용 밸브 어셈블리(200)와, 고압용기용 밸브 어셈블리(200)에 제1파이프(500)로 연결되어 원료가스를 고압용기(100)에 충전하는 원료가스 충전구(300)와, 고압용기용 밸브 어셈블리(200)에 제2파이프(600)로 연결되어 고압용기(100)에 저장된 원료가스를 사용하는 가스 사용부(400)를 포함한다.

이와 같은 본 실시예에 따른 유체 제어 시스템은 수소 연료전지 차량에 설치되어 수소 원료의 흐름을 제어하는 데 주로 사용되고, 수소 연료전지 차량 이외에, 고압의 원료가스를 충전 및 공급하는 어떠한 시스템에도 적용이 가능하다.

고압용기는 70MPa 정도의 원료가스를 충분히 안전하게 저장할 수 있는 용기가 사용된다.

일 실시예에 따른 고압용기용 밸브 어셈블리(200)는 원료가스가 충전된 고압용기(100)의 입구에 장착되고 복수의 밸브가 구비되고 복수의 유로가 형성되는 밸브 바디(10)와, 밸브 바디(10)에 설치되어 수동으로 유로를 개폐하는 수동 밸브(Manual Valve)(12)와, 밸브 바디(10)에 설치되어 전기적인 신호에 따라 유로를 자동으로 개폐하는 솔레노이드 밸브(14)를 포함한다.

밸브 바디(10)는 고압용기(100)에 연결되고 고압용기(100)에 충전되는 충전용 원료가스가 통과하는 제1유로(20)와, 고압용기(100)에 연결되고 가스 사용부(400)로 공급되는 공급용 원료가스가 통과하는 제2유로(22)와, 제1유로(20)와 제2유로(22)가 연통되는 제3유로(24)를 포함한다.

그리고, 밸브 바디(10)에는 원료가스 충전구(300)와 연결되어 원료가스가 유입되는 제4유로(26)와, 가스 사용부(400)와 연결되어 원료가스를 가스 사용부(400)로 공급하는 제5유로(28)가 형성되고, 제4유로(26)와 제5유로(28)는 제3유로(24)와 연통된다.

제4유로(26)와 제5유로(28)가 만나는 지점에는 원료가스에 포함된 미세 먼지를 걸러주는 필터(30)가 설치될 수 있다.

밸브 바디(10)에는 원료가스가 일방향으로 흐르는 것은 개방하고 반대방향으로 흐르는 것을 차단하는 체크밸브(50)가 설치된다.

체크밸브(50)는 제1유로(20)에 장착되어 고압용기(100)에 충전되는 충전용 원료가스의 제1방향(화살표 A방향) 흐름은 개방하고, 역방향으로 흐르는 것을 차단한다. 그리고, 제2유로(22)에는 가스 사용부(400)로 공급되는 공급용 원료가스의 제2방향(화살표 B방향) 흐름은 개방하고 역방향으로 흐르는 것을 차단하며, 충전용 원료가스가 솔레노이드 밸브(14)로 유입되는 것을 차단하는 보조 체크밸브(34)가 장착될 수 있다.

이와 같이, 본 실시예에 따른 밸브 바디(10)에는 충전용 원료가스가 통과하는 제1유로(20)와, 공급용 원료 가스가 통과하는 제2유로(22)가 각각 별도로 형성되고, 솔레노이드 밸브(14)는 제2유로(22)에 설치되어, 고압용기(100)로 원료가스를 충전할 때 제2체크밸브(44)가 제2유로(22)를 차단하여 충전용 원료가스가 솔레노이드 밸브(14)로 유입되는 것을 방지하므로 솔레노이드 밸브(14)가 고압의 충전압에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있다.

제2유로(22)의 입구에는 고압용기(100)에 저장된 원료가스가 비정상적으로 과다하게 유출되는 것을 차단하는 과류차단밸브(Excess Flow Valve)(36)가 설치된다.

그리고, 밸브 바디(10)에는 차량 사고 등으로 인한 화재 발생시 고압용기(100)의 온도가 상승하면 고압용기(100) 내의 원료가스를 외부로 방출하여 고압용기가 폭발하는 것을 방지하는 압력해제장치(Pressure Relief Device)(38)와, 고압용기(100) 내의 원료가스를 외부로 방출시키는 브리드 밸브(Bleed Valve)(40)가 장착된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 체크밸브의 일부 절개된 사시도이고, 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 체크밸브의 단면도이다.

체크밸브(50)는 원료가스가 통과하는 제1유로(20)에 고정되는 시트부(52)와, 시트부(52)에 밀착되어 기밀을 유지하는 체크 볼(54)과, 체크 볼(54)이 직선 이동 가능하게 삽입되는 바디부(56)와, 바디부(56)에 배치되어 체크 볼(54)이 시트부(52)에 밀착되도록 탄성력을 부여하는 스프링(58)을 포함한다.

바디부(56)는 도 6에 도시된 바와 같이, 그 길이방향으로 원료가스가 통과하는 원료가스 통로부(62)가 형성되고, 전방에는 체크 볼(54)이 직선 이동 가능하게 가이드하는 체크볼 안착부(64)가 형성되고, 그 후방에는 스프링(58)이 안착되는 스프링 안착부(66)가 형성된다.

바디부(56)는 원주방향으로 일정 간격으로 절개된 형태로 형성되고, 절개면 사이의 공간이 원료가스가 통과하는 원료가스 통로부(62)가 된다.

체크볼 안착부(64)는 바디부(56)의 전방에 형성되고 체크 볼(54)이 충분히 직선 이동될 수 있는 내경을 갖는다.

스프링 안착부(66)는 바디부(56)의 후방에 원통 형태로 형성되고, 그 하단은 중앙이 개구된 바닥면(68)이 형성되어 스프링(58)의 한쪽 끝부분이 지지된다.

이러한 스프링 안착부(66)의 내경(L2)은 체크 볼 안착부(L1)의 내경에 비해 작게 형성되어 스프링 안착부(66) 내부로 체크 볼(54)이 삽입되는 것을 방지한다. 즉, 연료가스의 압력에 의해 체크 볼(54)이 스프링(58)의 탄성력을 이기고 후퇴되면 체크 볼(54)이 스프링 안착부(66)의 전면(70)에 걸림되어 스프링 안착부(66) 내부로 이동되지 않도록 하여 스프링(58)이 설정치 이상 압축되어 변형되는 것을 방지할 수 있다.

바디부(56)의 하단은 스프링 안착부(66)의 후방에서 더 연장되게 형성되어 원료가스 통로부(62)가 스프링 안착부(66)의 후방으로 연결될 수 있도록 한다.

이와 같이, 본 실시에에 따른 바디부(56)는 스프링 안착부(66)의 내경(L2)이 체크 볼 안착부(64)의 내경(L1)에 비해 작게 형성되어 체크 볼(54)의 후퇴시 스프링 안착부(66)의 전면(70)에 체크 볼(54)이 걸림되도록 하여 스프링(58)이 과하게 압축되어 변형이 발생되는 것을 방지한다.

그리고, 바디부(56)는 그 길이방향으로 절개된 형태의 원료가스 통로부(62)가 형성되어 원료가스가 원활하게 통과할 수 있도록 한다.

바디부(56)의 후방에는 밸브 바디(10)의 제1유로(20)에 나사 결합되어 바디부(56)가 제1유로(20)에 고정되도록 지지하는 고정부재(72)가 장착되고, 고정부재(72)의 내면에는 고압용기(100) 내부로 삽입되는 배관(74)이 밀봉 가능하게 결합된다. 이때, 고정부재(72)와 배관(74) 사이에는 제1시일 링(76)이 장착되어 누수를 방지한다.

시트부(52)는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 제1유로(20)에 삽입되는 원통 형태의 시트바디(80)와, 시트바디(80)의 일면에 장착되어 설정압 이하의 저압 작용시 체크 볼(54)이 밀착되는 저압 기밀부(90)와, 설정압 이상의 고압 작용시 체크 볼(54)이 밀착되는 고압 기밀부(92)를 포함한다.

시트바디(80)는 제1유로(20)와의 사이에 제2시일 링(86)이 장착되어 기밀을 유지하고, 외경이 작게 형성되는 제1외경부(82)와, 제1외경부(82)에서 연장되어 외경이 크게 형성되는 제2외경부(84)로 구성되어 제2외경부(84)가 제1유로(20)에 걸림되어 제1유로(20)에 고정된다.

체크 볼(54)과 접촉되는 기밀부는 탄성 재질이 사용되면 저압시 기밀 성능이 우수한 장점이 있지만 고압시 기밀 유지가 어렵고 반복 사용시 변형이 발생될 수 있다.

그리고, 기밀부는 메탈 등의 비탄성 재질이 사용되면 고압시 기밀 성능이 우수하지만 저압시 기밀 유지가 어렵고, 체크 볼과 부딪히면서 변형이 발생될 수 있다.

본 실시예의 기밀부는 설정압 이하의 저압이 작용할 경우 체크 볼(54)이 저압 기밀부(90)에 밀착되고, 설정압 이상의 고압이 작용할 경우 체크 볼(54)이 고압 기밀부(92)에 밀착되어 기밀부의 변형을 방지하면서 기밀 성능을 향상시킨다.

저압 기밀부(90)는 도 7에 도시된 바와 같이, 탄성 재질이고, 원형 링 형태로 형성되고, 시트 바디(80)의 전면에 고정되며, 체크 볼(54)과 접촉되는 그 내면에는 경사면(110)이 형성된다. 경사면(110)은 후방으로 갈수록 내경이 점차적으로 작아게 형성되어 체크 볼(54)이 밀착된다.

이와 같이, 저압이 작용할 경우 체크 볼(54)은 저압 기밀부(90)의 경사면(110)에 밀착되어 기밀을 유지하게 되고, 저압이 작용하므로 저압 기밀부(90)에 체크 볼(54)이 접촉되는 압력이 높지 않아 반복 사용하여도 저압 기밀부(90)가 탄성 복원이 정상적으로 이루어지므로 과도한 압력으로 인하여 변형되는 것을 방지할 수 있다.

즉, 저압 기밀부(90)는 일정 탄성력을 갖는 탄성 재질로 형성되어 저압 작용시 체크 볼(54)이 충분히 밀착되어 기밀을 유지할 수 있고, 고압 작용시 저압 기밀부(90)가 탄성 변형되는데, 이때 저압 기밀부(90)의 탄성 변형량은 저압 기밀부(90)의 원상 복귀가 가능하고 저압 기밀부(90)가 변형되지 않을 정도의 탄성 변형량이기 때문에 저압 기밀부(90)가 고압에 의해 변형되는 것을 방지할 수 있다.

저압 기밀부(90)와 시트바디(80) 사이에는 제3시일 링(120)이 장착되어 기밀을 유지한다.

고압 기밀부(92)는 저압 기밀부(90)의 후방에 비탄성 재질로 형성되어 고압 작용시 체크 볼(54)이 접촉된다. 이러한 고압 기밀부(92)는 시트바디(80)에 일체로 형성되고 체크 볼(54)이 접촉되는 부분은 둥글게 라운드진 형태로 형성될 수 있다. 또한, 고압 기밀부(92)는 시트바디(80)와 다른 재질로 시트바디(80)의 전면 저압 기밀부의 후방에 고정될 수 있다.

고압 기밀부(92)는 메탈이나 비탄성인 비메탈 재질이 사용될 수 있다.

이와 같이, 구성되는 본 발명이 일 실시예에 따른 체크 밸브의 작용을 다음에서 설명한다.

고압용기 내부의 압력이 설정압 이하의 저압일 경우 체크 볼(54)은 도 7에 도시된 바와 같이, 저압 기밀부(90)에 밀착되어 기밀을 유지한다. 이때, 저압 기밀부(90)는 탄성 재질로 형성되므로 저압 작용에도 체크 볼(54)이 충분히 밀착될 수 있어 기밀 성능이 향상된다.

그리고, 고압용기 내부의 압력이 설정압 이상의 고압일 경우 체크 볼(54)은 도 8에 도시된 바와 같이, 더 전진되어 고압 기밀부(92)에 밀착되어 기밀을 유지한다. 이때, 체크 볼(54)은 탄성 재질인 저압 기밀부(90)를 통과하여 저압 기밀부(90)의 후방에 위치된 비탄성 재질인 고압 기밀부(92)에 밀착되어 고압일 때의 기밀 성능을 향상시킨다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

50: 체크밸브 52: 시트부
54: 체크 볼 56: 바디부
58: 스프링 62: 원료가스 통로부
64: 체크 볼 안착부 66: 스프링 안착부
90: 저압 기밀부 92: 고압 기밀부

Claims (7)

1. 원료가스가 통과하는 유로에 고정되는 시트부;
   상기 시트부에 밀착되어 기밀을 유지하는 체크 볼;
   상기 체크 볼이 직선 이동 가능하게 삽입되는 바디부; 및
   상기 바디부에 배치되어 체크 볼이 상기 시트부에 밀착되도록 탄성력을 부여하는 스프링을 포함하고,
   상기 시트부는 원통 형태의 시트 바디와, 상기 시트 바디의 전면에 링 형태로 고정되어 설정압 이하의 저압이 작용할 때 상기 체크 볼이 접촉되어 기밀을 유지하는 저압 기밀부와, 상기 저압 기밀부의 후방에 위치되고 상기 시트 바디에 형성되어 설정압 이상의 고압이 작용할 때 상기 체크 볼이 접촉되어 기밀을 유지하는 고압 기밀부를 포함하는 고압용기용 체크밸브.
2. 제1항에 있어서,
   상기 바디부는 그 길이방향으로 원료가스가 통과하는 원료가스 통로부가 형성되고, 전방에는 체크 볼이 직선 이동 가능하게 가이드하는 체크 볼 안착부가 형성되고, 그 후방에는 스프링이 안착되는 스프링 안착부가 형성되는 고압용기용 체크밸브.
3. 제2항에 있어서,
   상기 스프링 안착부의 내경은 상기 체크 볼 안착부의 내경에 비해 작게 형성되어 상기 스프링 안착부 내부로 체크 볼이 삽입되는 것을 방지하는 고압용기용 체크밸브.
4. 제1항에 있어서,
   상기 시트부는 원통 형태의 시트 바디와, 상기 시트 바디의 전면에 링 형태로 고정되는 저압 기밀부와, 상기 저압 기밀부의 후방에 위치되고 시트 바디에 형성되는 고압 기밀부를 포함하는 고압용기용 체크밸브.
5. 제1항에 있어서,
   상기 저압 기밀부는 체크 볼이 밀착되면 탄성 변형되는 탄성 재질로 형성되고, 상기 고압 기밀부는 비탄성 재질로 형성되는 고압용기용 체크밸브.
6. 제5항에 있어서,
   상기 저압 기밀부의 내면에는 상기 체크 볼이 밀착되는 경사면이 형성되고, 상기 경사면은 고압 기밀부가 형성되는 후방으로 갈수록 내경이 점차적으로 좁아지게 형성되는 고압용기용 체크밸브.
7. 제5항에 있어서,
   상기 고압 기밀부는 메탈 재질이고 상기 시트 바디와 일체로 형성되는 고압용기용 체크밸브.

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