KR102149606B1 - 비례제어 솔레노이드 밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수소 연료의 공급을 위한 유로가 형성된 홀더에 설치되어 연료전지 스택 측으로 공급되는 수소 연료의 유량을 조절하는 비례제어 솔레노이드 밸브에 관한 것으로, 전원 인가 시 자기력을 발생시키는 코일 어셈블리와, 상기 코일 어셈블리의 내부에 구비되고 상기 코일 어셈블리에서 발생한 자기력을 유도하는 요크와, 상기 요크의 상단 내부에 구비되며 상기 요크를 통해 유도된 자기력에 의해 자화되는 코어와, 상기 요크의 중단 내부에 설치되며 전원 인가 시 상기 코어 측으로 이동하는 제1플런저와, 상기 요크의 하단 내부에 설치되고 전원 인가 시 상기 제1플런저 측으로 이동하는 제2플런저와, 상기 코어와 상기 제1플런저 사이에 개재되며 상기 유로를 폐쇄하는 방향으로 상기 제1플런저를 탄성 지지하는 스프링과, 상기 제2플런저의 하단에 설치되어 상기 유로를 개방 또는 폐쇄하는 밸브체를 포함한다.

Description

비례제어 솔레노이드 밸브{PROPORTIONAL CONTROL SOLENOID VALVE}

본 발명은 비례제어 솔레노이드 밸브에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 밸브의 개방 초기에 유량이 급격하게 변동하는 것을 방지하여 밸브의 개방 초기에도 유량을 선형적으로 제어할 수 있는 비례제어 솔레노이드 밸브에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지 시스템은 연료의 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 시스템으로서, 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템, 연료전지 스택에 공기(산소)를 공급하는 공기공급시스템, 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 냉각 시스템 등을 포함한다.

상기 연료공급시스템 중 수소 공급계에 구비된 수소 탱크에는 고압의 압축 수소가 저장되고, 저장된 압축 수소는 수소 탱크에서 방출된 후 수소 공급 및 차단 밸브를 거쳐 연료전지 스택으로 공급된다.

도 8은 연료전지 스택으로 공급되는 수소의 공급량을 조절하는 수소 공급 및 차단 밸브, 즉 비례제어 솔레노이드 밸브에 대해 도시하고 있다.

도면에 도시된 바와 같이, 비례제어 솔레노이드 밸브(1)는, 외부에서 공급된 유체의 이송을 위한 유로(12)가 형성된 홀더(10)와, 전원 인가 시 자기장을 발생시키는 코일 어셈블리(20)와, 자기장을 유도하는 요크 및 코어(30,40)와, 유도된 자기장에 의해 이동하는 플런저(50)와, 플런저(50)를 탄성 지지하는 스프링(60)과, 플런저(50)의 일단에 설치되어 유로(12)를 개폐하는 밸브체(70)을 포함하여 구성된다.

상술한 솔레노이드 밸브(1)는, 유로(12)의 공급(12a) 측과 배출(12b) 측의 압력차를 통해 유로(12)를 폐쇄하되 전원 인가 시 발생한 자기력을 통해 유로(12)를 개방하는 구조로서, 솔레노이드 밸브(1)로 공급되는 전류에 따라 유량을 선형적으로 조절할 수 있다.

그런데 밀폐된 유로(12)를 개방하는 밸브의 개방 초기에는 유로(12)의 공급 측과 배출 측 압력차가 소멸되며 밸브의 개방량(유량)이 급격하게 증가하여 연료전지 스택으로 공급되는 유량을 선형적으로 제어할 수 없는 문제가 있었다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 밸브의 개방 초기에 유량이 급격하게 변동하는 것을 방지하여 밸브의 개방 초기에도 유량을 선형적으로 제어할 수 있는 비례제어 솔레노이드 밸브를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 비례제어 솔레노이드 밸브는, 수소 연료의 공급을 위한 유로가 형성된 홀더에 설치되어 연료전지 스택 측으로 공급되는 수소 연료의 유량을 조절한다.

그 구성을 살펴보면, 전원 인가 시 자기력을 발생시키는 코일 어셈블리와, 상기 코일 어셈블리의 내부에 구비되고 상기 코일 어셈블리에서 발생한 자기력을 유도하는 요크와, 상기 요크의 상단 내부에 구비되며 상기 요크를 통해 유도된 자기력에 의해 자화되는 코어와, 상기 요크의 중단 내부에 설치되며 전원 인가 시 상기 코어 측으로 이동하는 제1플런저와, 상기 요크의 하단 내부에 설치되고 전원 인가 시 상기 제1플런저 측으로 이동하는 제2플런저와, 상기 코어와 상기 제1플런저 사이에 개재되며 상기 유로를 폐쇄하는 방향으로 상기 제1플런저를 탄성 지지하는 스프링과, 상기 제2플런저의 하단에 설치되어 상기 유로를 개방 또는 폐쇄하는 밸브체를 포함한다.

상술한 구성의 솔레노이드 밸브는, 전원 인가 시 상기 제2플런저가 상기 제1플런저 측으로 이동하여 상기 유로를 일부 개방한 후 상기 제1플런저와 상기 제2플런저가 상기 코어 측으로 이동하여 상기 유로를 완전히 개방한다.

본 발명에 따른 비례제어 솔레노이드 밸브는 2개의 플런저를 이용하여 유로를 점진적으로 개방함으로써, 밸브의 개방 초기에 유량이 급격하게 변동하는 것을 방지할 수 있다. 따라서 밸브의 개방 초기에도 연료전지 스택 측으로 공급되는 수소 연료의 유량을 선형적으로 제어할 수 있다.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비례제어 솔레노이드 밸브의 단면도이다.
도 2와 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비례제어 솔레노이드 밸브의 일부를 확대한 도면이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비례제어 솔레노이드 밸브의 개폐과정을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 비례제어 솔레노이드 밸브의 개폐과정에 따른 자기력의 변화를 도시한 그래프이다.
도 8은 종래 기술에 따른 비례제어 솔레노이드 밸브의 단면도이다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이하, 본 발명에 따른 실시예를 설명함에 있어, 그리고 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 부가하였다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 비례제어 솔레노이드 밸브를 설명하도록 한다.

본 실시예에 따른 비례제어 솔레노이드 밸브(100)는, 수소 연료의 공급을 위한 유로(230)가 형성된 홀더(200)에 설치되어 유로(230)를 개방 또는 폐쇄하거나 유로(230)의 개방량을 조절함으로써 연료전지 스택(미도시) 측으로 공급되는 유량을 조절하는 밸브이다.

도 1 내지 도 2를 참조하면, 홀더(200)는 연료전지시스템의 수소 탱크와 연료전지 스택을 연결하는 라인 상에 설치된다. 홀더(200)의 일측(도면상 좌측)에는 수소 연료가 공급되는 공급포트(210)가 형성되고, 타측(도면상 우측)에는 수소가 배출되는 배출포트(220)가 형성된다. 또한, 홀더(200)의 내부에는 공급포트(210)와 배출포트(220)를 연결하는 유로(230)가 형성되며, 유로(230)의 중단에는 솔레노이드 밸브(100)의 설치를 위한 챔버(240)가 형성된다.

유로(230)는, 공급포트(210)에서 챔버(240) 측으로 연장된 공급유로(232)와, 챔버(240)에서 배출포트(220) 측으로 연장된 배출유로(234)로 이루어진다.

본 실시예에서는 공급유로(232)와 배출유로(234)가 수평방향으로 배치된 것으로 예시하고 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 설치 환경에 따라 다양하게 배치될 수 있음은 물론이다.

한편, 배출유로(234)의 일단은 챔버(240)의 바닥을 통해 챔버(240)와 연결된다. 챔버(240)의 바닥에는 밸브 시트(242)가 돌출되며, 돌출된 밸브 시트(242)는 솔레노이드 밸브(100)에 의해 개방 또는 폐쇄된다. 이처럼, 밸브 시트(242)가 돌출시킬 경우 후술할 밸브체(180)와의 기밀성을 향상시킬 수 있다.

홀더(200)의 유로(230)를 개폐하거나 개방량을 조절하는 솔레노이드 밸브(100)는 하우징(110)을 포함하고, 하우징(110)의 내부에는 코일 어셈블리(120), 요크(130), 코어(140), 플런저(150,160) 및 스프링(170)이 구비된다. 또한, 하우징(110)의 하부에는 밸브 시트(242)를 개폐하는 밸브체(180)가 설치된다.

하우징(110)은 하면이 개방된 컵 형상으로 형성되고, 하단 일측에는 코일 어셈블리(120)에 전원을 인가하기 위한 커넥터(112)가 마련된다.

보빈 어셈블리(120)는, 보빈(122)과, 보빈(122)의 둘레에 감긴 코일(124)로 구성된다.

보빈(122)은 중공의 스풀(spool) 형상으로, 둘레에는 자기장을 발생시키는 코일(124)이 감기며, 내부에는 고정철심인 요크(130) 및 코어(140)와 가동철심인 플런저(150,160)가 구비된다. 이러한 보빈(122)은 코일(124)과 요크(130) 및 코어(140) 사이, 코일(124)과 플런저(140,150) 사이를 전기적으로 차단할 수 있도록 절연체로 제작된다.

코일(124)은 보빈(122)의 외주면에 촘촘하고 균일하게 감겨 원통 형상을 이루며, 전원 인가 시 보빈(122)의 주위에 자기력을 발생시킨다. 코일(124)에서 발생한 자기력은 요크(130)에 의해 유도되어 코어(140)를 자화시키고, 자화된 코어(140) 측으로 플런저(150,160)를 이동시킨다.

이때, 자기력의 세기는 코일(124)을 따라 흐르는 전류의 세기와 보빈(122)에 감긴 코일(124)의 수에 비례한다. 따라서 코일(124)에 강한 전류를 인가하거나 코일(124)을 많이 감을수록 강한 자기력이 발생하여 플런저(150,160)의 이동을 확실하게 제어할 수 있다.

요크(130)는 코일 어셈블리(120)에서 발생한 자기력을 유도하는 고정철심이다. 이러한 요크(130)는 일 방향으로 연장된 원통 형상으로 형성되고, 보빈(122)을 관통하도록 결합되되 하단 일부가 홀더(200) 측으로 돌출된다.

요크(130)의 중단 외주면에는 자기력의 확보를 위한 테이퍼 형상의 자력강화홈(132)이 형성되고, 상단 및 하단 내주면에는 플런저(150,160)와의 마찰을 저감하기 위한 슬라이드씰(134a,134b)이 구비된다.

한편, 요크(130)의 중단 내주면, 좀 더 상세하게는 슬라이드씰(134a)의 하단에는 제1플런저(150)의 이동을 제한하는 걸림턱(136)이 형성된다. 걸림턱(136)의 상면에는 비자성체 심(138)이 안착되는데, 비자성체 심(138)은 요크(130)의 바닥을 통해 제1플런저(150)로 이어지는 자기력의 흐름을 차단함으로써 제1플런저(150)가 원활하게 이동할 수 있도록 한다.

코어(140)는 요크(130)를 통해 유도된 자기력에 의해 자화되는 고정철심이다. 이러한 코어(140)는 일 방향으로 연장된 원기둥 형상으로 형성되고, 요크(130)의 상단 내부에 삽입되게 결합된다. 코어(140)의 하면에는 장착홈(142)이 형성되며, 장착홈(142)에는 제1플런저(150)를 탄성 지지하는 스프링(170)이 삽입된다.

플런저(150,160)는 요크(130)를 통해 유도된 자기력에 의해 이동하는 가동철심이다. 전원 인가 시 코일 어셈블리(120)에서 발생한 자기력은 요크(130)에 의해 유도되어 코어(140)를 자화시킨다. 그리고, 플런저(150,160)는 요크(130)에 의해 유도된 자기력에 의해 코어(140), 즉 자화된 코어(140) 측으로 이동하게 된다.

본 실시예의 플런저(150,160)는 유로(230)를 점진적으로 개방할 수 있도록 한 쌍으로 구성된다. 즉, 요크(130)의 중단 내부에 설치되는 제1플런저(150)와, 요크(130)의 하단 내부에 설치되는 제2플런저(160)로 구성된다.

제1플런저(150)는 일 방향으로 연장된 다단의 원통 형상이다. 제1플런저(150)의 중단 외주면에는 걸림돌기(152)가 형성되고, 내부에는 제1통기로(154)가 형성되며, 상면에는 장착홈(156)이 형성된다.

걸림돌기(152)는 요크(130)의 걸림턱(136)에 대응되는 형상을 가지며, 걸림턱(136)과의 접촉 시 제1플런저(150)의 이동을 제한한다. 제1통기로(154)는 후술할 제2통기로(162)를 통해 유로(230)와 연결되어, 솔레노이드 밸브(100)의 내부 잔압에 의한 제1플런저(150)의 작동저항을 해소한다.

제2플런저(160)는 일 방향으로 연장된 원통 형상이다. 제2플런저(160)는 요크(130)의 하면을 통해 삽입되되 하단 일부가 챔버(240) 측으로 노출된다. 그리고 노출된 제2플런저(160)의 하단에는 유로(230)를 개방 또는 폐쇄하는 밸브체(180)가 설치된다. 제2플런저(160)의 내부에는 제1통기로(154)와 유로(230)를 연결하는 제2통기로(162)가 형성된다.

스프링(170)은 코어(140)와 제1플런저(150)의 장착홈(142,156)에 삽입되어, 제1플런저(150)를 하향(유로(230)를 폐쇄하는 방향)으로 탄성 지지한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 요크(130)의 하단에는 제2플런저(160)의 분리 및 이탈을 방지하기 위한 고정수단(190)이 구비되고, 고정수단(190)의 내부에는 유로(230)를 개방 또는 폐쇄하는 밸브체(180)가 위치된다.

고정수단(190)은 요크(130)의 하단에 결합되고, 솔레노이드 밸브(100)의 설치 시 챔버(240)에 삽입된다. 고정수단(190)은 챔버(240)의 바닥에 형성된 밸브 시트(242)와 간섭이 발생하지 않도록 파이프 형상으로 형성되되 그 하단은 내측으로 굴절된다. 따라서 솔레노이드 밸브(100)를 홀더(200)에 조립하는 과정에서 충격이 인가되더라도 제2플런저(160)와 밸브체(180)가 분리되거나 이탈될 우려가 없다.

밸브체(180)는 제2플런저(160)의 하단에 설치되어 유로(230)를 개방 또는 폐쇄하는 역할을 한다. 이러한 밸브체(180)는, 제2플런저(160)의 하단에 삽입되는 업소버(182)와, 업소버(182)를 고정하는 가이드(184)와, 밸브체(180)를 탄성 지지하는 보조 스프링(186)으로 구성된다.

업소버(182)는 소정의 두께를 가진 원판 형상이다. 업소버(182)는 밸브 시트(242)에 확실하게 밀착될 수 있도록, 그리고 장시간 사용에도 박리 등의 문제가 발생하지 않도록 소정의 탄성과 강성을 가진 재질로 제작될 수 있다.

가이드(184)는 업소버(182)를 제2플런저(160)에 고정하는 역할을 하고, 보조 스프링(186)을 지지하는 역할을 한다. 이러한 가이드(184)는 제2플런저(160)의 하단에 나사 결합된다.

스프링(170)은 요크(130)와 가이드(184) 사이에 위치되어, 밸브체(180)를 하향(유로(230)를 폐쇄하는 방향)으로 탄성 지지한다.

도면을 참조하여 본 실시예에 따른 비례제어 솔레노이드 밸브(100)의 작동과정을 살펴보도록 한다.

도 4는 솔레노이드 밸브(100)에 전원이 인가되지 않은 상태를 도시한다.

전원이 인가되지 않은 상태에서는, 보조 스프링(186)이 밸브체(180)를 하향으로 탄성 지지하여 밸브 시트(242)에 접촉시킴으로써 유로(230)를 폐쇄한다. 이때, 공급유로(232) 측은 배출유로(234) 측보다 압력이 높은 불균형상태이며, 챔버(240)가 공급유로(232)와 연결되므로 공급유로(232) 측 압력이 밸브체(180)에 전달되어 밸브체(180)가 밸브 시트(242)에 밀착되도록 가압한다.

도 5는 솔레노이드 밸브(100)에 전원이 인가된 상태로, 좀 더 상세하게는 전원 인가 초기('유로 개방 초기' 또는 '밸브 개방 초기'라고도 함)의 상태를 도시한다.

솔레노이드 밸브(100)에 전원이 인가되면, 코일 어셈블리(120)에서 자기력이 발생하고, 발생한 자기력은 요크(130)에 의해 유도되어 코어(140)를 자화시킨다. 그리고 요크(130)에 의해 유도된 자기력은 제2플런저(160)를 제1플런저(150)까지 상승시켜 유로(230)가 부분적으로 개방되도록 한다.

이때, 전원 인가 초기에는 압력불균형상태의 밸브체(180)를 상승시킬 수 있도록 전원 인가 후기에 비해 상대적으로 큰 자기력이 요구된다. 즉, 제2플런저(160)를 상승시키기 위해서는 제1플런저(150)를 상승시킬 때보다 큰 자기력이 요구된다(도 7 참조).

이와 같이, 밸브체(180)가 상승하여 유로(230)를 개방하면, 공급유로(232) 측과 배출유로(234) 측의 압력이 동일해지는 압력평형상태가 된다.

도 6은 솔레노이드 밸브(100)에 전원이 인가된 상태로, 좀 더 상세하게는 전원 인가 후기('유로 개방 후기' 또는 '밸브 개방 후기'라고도 함)의 상태를 도시한다.

전술한 바와 같이, 제2플런저(160)가 제1플런저(150)에 접촉되어 밸브체(18)가 유로(230)를 개방되면, 공급유로(232) 측과 배출유로(234) 측은 압력평형상태를 이루게 된다.

압력평형상태에서는 압력불균형상태에 비해 상대적으로 작은 자기력으로도 제1플런저(150)와 제2플런저(160)를 상승시킬 수 있다(도 7 참조). 즉, 요크(130)에 의해 유도된 자기력은 제1플런저(150)와 제2플런저(160)를 코어(140)까지 상승시켜 유로(230)가 완전히 개방되도록 한다.

따라서 본 실시예에 따른 솔레노이드 밸브(100)는 2개의 플런저(150,160)를 이용하여 유로(230)를 점진적으로 개방함으로써, 밸브 개방 초기에 유량이 급격하게 변동하는 것을 방지할 수 있다. 이를 통하여, 밸브 개방 초기를 포함하는 전체 개방 과정에서 연료전지 스택 측으로 공급되는 수소 연료의 유량을 선형적으로 제어할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

100: 솔레노이드 밸브 110: 케이스
120: 코일 어셈블리 130: 요크
140: 코어 150: 제1플런저
160: 제2플런저 170: 스프링
180: 밸브체 190: 고정수단
200: 홀더 230: 유로

Claims (6)

1. 수소 연료의 공급을 위한 유로가 형성된 홀더에 설치되어 공급 유량을 조절하는 비례제어 솔레노이드 밸브에 있어서,
   상기 솔레노이드 밸브는,
   전원 인가 시 자기력을 발생시키는 코일 어셈블리;
   상기 코일 어셈블리의 내부에 구비되고 상기 코일 어셈블리에서 발생한 자기력을 유도하는 요크;
   상기 요크의 상단 내부에 구비되며 상기 요크를 통해 유도된 자기력에 의해 자화되는 코어;
   상기 요크의 중단 내부에 설치되며 전원 인가 시 상기 코어 측으로 이동하는 제1플런저;
   상기 요크의 하단 내부에 설치되고 전원 인가 시 상기 제1플런저 측으로 이동하는 제2플런저;
   상기 코어와 상기 제1플런저 사이에 개재되며 상기 유로를 폐쇄하는 방향으로 상기 제1플런저를 탄성 지지하는 스프링;
   상기 제2플런저의 하단에 설치되어 상기 유로를 개방 또는 폐쇄하는 밸브체;
   상기 요크와 상기 밸브체 사이에 구비되고 상기 유로를 폐쇄하는 방향으로 상기 밸브체를 탄성 지지하는 보조 스프링; 및
   상기 요크의 내주면에는 상기 제1 및 제2플런저와의 마찰을 저감하기 위한 슬라이드씰을 포함하되,
   상기 요크의 중단 내주면에는 상기 제1플런저의 이동을 제한하는 걸림턱이 형성되고, 상기 걸림턱에는 비자성체 심이 안착되며,
   전원 인가 시 상기 제2플런저가 상기 제1플런저 측으로 이동하여 상기 유로를 일부 개방한 후 상기 제1플런저와 상기 제2플런저가 상기 코어 측으로 이동하여 상기 유로를 완전히 개방하는 것을 특징으로 하는 비례제어 솔레노이드 밸브.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1플런저의 내부에는 제1통기로가 형성되고, 상기 제2플런저의 내부에는 제2통기로가 형성되며,
   상기 제1통기로는 상기 제2통기로를 통해 상기 유로와 연결되는 것을 특징으로 하는 비례제어 솔레노이드 밸브.

Images