KR102242020B1

KR102242020B1 - 공기차단 밸브

Info

Publication number: KR102242020B1
Application number: KR1020200029282A
Authority: KR
Inventors: 조웅래; 강선일; 이은열
Original assignee: 주식회사 현대케피코
Priority date: 2020-03-09
Filing date: 2020-03-09
Publication date: 2021-04-21

Abstract

본 발명은 공기차단 밸브에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수소전지차량에서 연료전지의 스택에 공기의 유입을 차단하여 내구성능을 강화시키는 공기차단 밸브에 관한 것으로서, 밸브하우징의 관통부에 스택의 공기배출관로를 통해 배출되는 수소가스가 유출되는 벤트홀이 형성된다.

Description

공기차단 밸브{AIR CUT VALVE}

본 발명은 공기차단 밸브에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수소전지차량에서 연료전지의 스택에 공기의 유입을 차단하여 내구성능을 강화시키는 공기차단 밸브에 관한 것이다.

연료전지 차량은 연료전지 스택에서 발생되는 전력으로 모터를 구동하여 주행하는 차량이다.

이러한 연료전지 차량은 운행 중 공기의 전기분해를 원활하게 하기 위해 가습이 필요한데, 가습을 위해 스택은 수소가스와 공기중의 산소를 반응시켜 전기를 생산하고, 그 과정에서 물(수증기)과 열을 발생시킨다.

그리고, 가습량은 필요 조건에 따라 ABV(공기바이패스밸브)가 FCU(연료전지차량제어기)의 명령을 받아 ABV제어기와 통신하여 조절된다.

이러한 스택에는 공기공급관로와 공기배출관로가 연결된다.

공기공급관로에는 압축기가 설치되어 외기가 스택으로 원활히 공급할 수 있다.

공급된 공기는 가습기를 거치면서 가습되어 스택 내부의 전해질막이 충분히 젖은 상태를 유지할 수 있도록 함으로써 연료극에서 공기극으로의 수소 이온 이동이 활발하게 이루어져 스택의 전기화학반응이 촉진된다.

그리고, 스택에서 반응에 사용되지 않은 공기는 공기배출관로를 통해 대기중으로 배출된다.

이러한 공기배출관로도 가습기를 경유한다.

한편, 상기 공기공급관로와 공기배출관로에는 각각 공기차단 밸브가 설치된다.

공기차단 밸브는 스택 운전 정지시 연료전지 흡입/배출구 통로를 차단하여 스택 내부에 잔존하는 공기가 공기공급관로와 공기배출관로를 통해 공기가 스택의 내부로 확산되어 불필요한 반응이 발생함으로써 스택의 내구성이 저하되는 것을 방지한다.

그리고, 스택의 시동시, 공기차단 밸브가 열리면 스택 내부에 있던 수소가스를 포함한 공기가 공기배출관로를 통해 그대로 배출된다.

따라서, 이러한 공기차단 밸브는 공기와 수소가스가 지나다니는 통로를 선택적으로 개폐해야 한다.

특히, 공기차단 밸브는 수소가스가 기어박스로 유입 시 공기차단 밸브를 구동시키는 DC모터 스파크에 의해 수소가스가 폭발할 수 있는 안전상의 이유로 공기차단 밸브 전체 기밀에 대한 요구사항이 매우 까다롭다.

상기한 이유로 해당분야에서는 수소가스가 기어박스로 유입되는 것을 효과적으로 차단할 수 있는 방안을 모색하고 있으나, 현재까지는 만족할 만한 결과를 얻지 못하고 있는 실정이다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 수소가스가 기어박스로 유입되는 것을 효과적으로 차단할 수 있는 공기차단 밸브를 제공하는데 있다.

본 발명의 일실시예에 의한 공기차단 밸브는, 측면에 관통부가 형성되며, 수소전지차량의 스택에 장착되는 밸브하우징; 상기 밸브하우징을 덮도록 상기 밸브하우징에 결합되는 하우징 커버; 상기 관통부를 통해 상기 밸브하우징의 외부로 노출된 상태로 상기 밸브하우징을 회전가능하게 관통하는 밸브축; 상기 밸브축과 결합되어 상기 밸브축의 회전에 따라 상기 스택의 공기 입구 및 공기 출구를 개폐시키는 밸브디스크; 상기 밸브하우징으로부터 노출된 상기 밸브축의 일단에 결합되어 상기 밸브축을 회전시키는 기어박스; 및 상기 관통부에 상기 스택의 공기배출관로를 통해 배출되는 수소가스가 유출되는 벤트홀이 형성된다.

상기 관통부와 상기 밸브축 사이에서 상기 기어박스 방향에는 상기 밸브축을 상기 관통부에 회전가능하게 고정시키는 베어링이 배치되고, 상기 밸브하우징 방향에는 상기 밸브하우징의 기밀을 유지하는 립씰이 배치된다.

상기 벤트홀은, 상기 관통부에서 상기 밸브하우징과 상기 립씰 사이에 형성된다.

상기 벤트홀은, 상기 관통부의 하방향을 향해 관통된다.

상기 벤트홀은 1cm 내지 3cm의 내경을 이루어진다.

상기 벤트홀의 입구에는 고어텍스 소재로 이루어진 차단캡이 삽입된다.

상기 벤트홀은, 상부 내경이 하부 내경보다 넓은 오리피스의 관 형상으로 이루어진다.

상기 하우징 커버는, 상기 밸브하우징의 내부에 외부의 공기가 출입 되도록 입구관 및 출구관이 형성된다.

상기 밸브축은, 상기 밸브하우징의 내부에서 상기 입구관 및 상기 출구관과 상호 수직한 방향으로 관통된다.

상기 밸브디스크는, 상기 스택의 공기 입구 및 공기 출구를 개폐시킬 때, 상기 입구 및 출구와 부딪힘에 의해 발생되는 파손 및 소음을 방지하도록 그 둘레가 고무재질로 이루어진다.

본 발명에 따른 공기차단 밸브는, 밸브하우징의 관통부에서 기어박스와 립씰 사이에 벤트홀이 형성됨으로써, 수소가스가 기어박스까지 도달하기 전에 벤트홀을 통해 수소가스가 배출되어 수소가스가 기어박스로 유입되는 것을 원천적으로 차단할 수 있고, 이로 인해 공기차단 밸브의 안전사고를 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 공기차단 밸브를 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공기차단 밸브를 나타낸 개략도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 공기차단 밸브를 나타낸 저면도.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 공기차단 밸브를 나타낸 개략도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 공기차단 밸브를 나타낸 개략도.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공기차단 밸브를 나타낸 개략도.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 공기차단 밸브를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공기차단 밸브를 나타낸 개략도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 공기차단 밸브를 나타낸 저면도이고, 도 4 및 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 공기차단 밸브를 나타낸 개략도이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 공기차단 밸브를 나타낸 개략도이고, 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공기차단 밸브를 나타낸 개략도.

도 1내지 도 7을 참조하면 본 발명의 일실시예에 따른 공기차단 밸브는 밸브하우징(100)과 하우징커버(200)와 밸브축(300)과 밸브디스크(400) 및 기어박스(500)를 포함한다.

밸브하우징(100)은 측면에는 관통부(110)가 형성되며, 내부에는 외부의 공기가 출입 되도록 격벽에 의해 서로 분리된 상태로 형성된다.

그리고, 밸브하우징(100)은 수소전지차량의 스택(도시하지 않음)에 형성된 공기공급관로 및 공기배출관로와 각각 일치되도록 스택에 장착된다.

이때, 밸브하우징(100) 일측에는 하우징커버(200)가 결합된다.

그리고, 밸브하우징(100) 및 하우징커버(200)의 결합 방향을 가로지르는 방향으로 밸브축(300) 및 기어박스(500)가 삽입된다.

하우징커버(200)는 밸브하우징(100)을 덮도록 결합되고, 밸브하우징(100)의 내부에 외부의 공기가 출입 되도록 입구관(210) 및 출구관(220)이 형성된다.

밸브축(300)은 관통부(110)를 통해 밸브하우징(100)의 외부로 노출된 상태로 밸브하우징(100)을 회전가능하게 관통하여 삽입된다.

한편, 밸브축(300)은 입구관(210) 및 출구관(220)이 형성된 방향과 수직한 방향에 형성된다.

즉, 밸브하우징(100) 및 하우징커버(200)의 결합 방향을 Z축 방향이라고 한다면, 밸브축(300) 및 기어박스(500)는 X축 방향으로 삽입되고, Y축 방향으로 입구관(210) 및 출구관(220)이 형성된다.

한편, 입구관(210) 및 출구관(220)은 수소전지차량의 가습기(도시하지 않음)를 통과하여 차량의 외부와 연결된다.

그리고, 밸브축(300)에서 밸브하우징(100)의 외부로 노출된 단부에는 기어박스(500)와 결합되어 기어박스(500)로부터 동력을 전달받는다.

이러한 밸브축(300)은 양단이 베어링(320)에 의해 밸브하우징(100)의 관통부(110)에 회전가능하게 지지된다.

이로 인해 밸브축(300)은 밸브하우징(100)으로부터 용이하게 회전할 수 있다.

그리고, 밸브축(300)에서 베어링(320)을 기준으로 기어박스(500)가 배치된 방향의 반대방향 즉, 밸브하우징(100)이 배치된 방향에는 립씰(310)이 삽입된다.

립씰(310)은 바람직하게는 플라스틱 또는 고무재질로 이루어진 것으로서, 밸브축(300)에 삽입된 상태로 밸브하우징(100)의 관통부(110)에 지지된다.

이러한 립씰(310)은 밸브하우징(100)의 내부에 유동하는 공기 및 수소가스가 밸브하우징(100)의 내부에서 외부로 누출되는 것을 방지하여 밸브하우징(100)의 기밀을 유지한다.

한편, 밸브축(300)에 삽입되어 밸브하우징(100)을 기밀시키는 립씰(310)은 차량의 이동시, 반복적인 진동이나, 흔들림, 충격 등의 외부요인이나, 밸브하우징(100) 내부에 유동하는 수소가스 등에 의해 파손되는 경우가 발생된다.

이러한 경우, 밸브하우징(100) 내부에서 유동하는 수소가스가 립씰(310)의 파손된 부위를 통해 립씰(310)의 외부로 누출되어 기어박스(500)로 유입된다.

이로 인해, 수소가스가 기어박스(500)로 유입 시 기어박스(500)의 내부에 배치된 모터의 스파크 등에 의해 수소가스가 폭발할 수 있는 안전상의 문제가 발생할 수밖에 없다.

이를 방지하기 위해 본 발명에서는 밸브하우징(100)의 관통부(110)에 벤트홀(111)이 형성된다.

구체적으로 벤트홀(111)은 밸브하우징(100)의 관통부(110)에서 베어링(320)과 립씰(310) 사이에 형성된다.

이로 인해, 벤트홀(111)은 외부의 영향에 의해 립씰(310)이 파손되어 수소가스가 누출되면, 수소가스가 베어링(320)을 거쳐 기어박스(500)에 도달하기 전에 벤트홀(111)을 통해 밸브하우징(100)의 외부로 효과적으로 유출시킬 수 있다.

이러한 벤트홀(111)의 내경은 바람직하게는 1cm 내지 3cm의 크기로 이루어질 수 있다.

이는 벤트홀(111)의 크기는 밸브하우징(100)의 수명 등을 고려하여 양산할 수 있는 크기인 바, 상기 벤트홀(111)의 내경이 1cm 내지 3cm의 크기로 이루어짐으로써, 벤트홀(111)이 형성된 밸브하우징(100)을 효율적으로 양산할 수 있다.

그리고, 벤트홀(111)은 관통부(110)에서 하방향을 향해 관통되어 형성된다.

이로 인해, 차량의 고압 세척 시, 오염수 등과 같은 물이 벤트홀(111)을 통해 관통부(110) 내부로 유입되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 벤트홀(111)은 밸브하우징(100)의 관통부(110)와 밸브하우징(100)의 외부를 상호 차단할 수 있는 구성이 없는 것으로 설명하였지만, 본 발명의 다른 실시예에서는 벤트홀(111)이 차단캡(112)에 의해 차단될 수 있다.

차단캡(112)은 도 6에 도시된 바와 같이 벤트홀(111)의 입구에 삽입되는 것으로서, 고어텍스와 같은 소재로 이루어진다.

이러한 차단캡(112)을 이루는 고어텍스는 1제곱인치당 90억 개 이상의 미세한 구멍이 형성되어 있는 얇은 막(필름)으로, 물 분자는 이 미세한 구멍을 통과하지 못하지만 내부의 수소가스가 수증기 분자로 빠져나갈 수 있는 소재로써, 차단캡(112)은 이러한 소재의 특성상, 밸브하우징(100), 즉 관통부(110)로부터 외부로 소수가스가 배출될 수 있지만, 관통부(110)의 외부로부터 내부로는 유체와 같은 물이 유입되는 것을 효과적으로 차단할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 벤트홀(111)은 일자형 원통형상으로 형성된 것으로 설명하였지만, 본 발명의 또 다른 실시예에서는 벤트홀(111’)이 오리피스의 관 형상으로 이루어질 수 있다.

구체적으로 오리피스의 관 형상으로 이루어진 본 발명의 다른 실시예에 따른 벤트홀(111’)은 도 7에 도시된 바와 같이 상부 내경이 하부 내경보다 넓게 형성된다.

이로 인해 벤트홀(111’)은 소수가스가 오리피스의 관 형상으로 이루어진 벤트홀(111’)의 하부에 도달하게 되면 관통부(110)로부터 외부로 배출되는 소수가스를 더욱 효율적으로 배출시킬 수 있다.

한편, 밸브축(300)에는 밸브디스크(400)가 결합된다.

밸브디스크(400)는 스크류를 매개로 하여 밸브축(300)에 결합되는 것으로서, 밸브축(300)의 회전에 따라 스택의 공기 입구 및 공기 출구를 개폐시킨다.

즉, 스택의 공기 입구 및 공기 출구를 각각 개폐하는 밸브디스크(400)는 밸브축(300)의 회전됨에 따라 동일한 각도로 회전한다.

이러한 밸브디스크(400)는 밸브축(300)과 접선을 이루어 결합된다.

즉, 밸브디스크(400)는 밸브축(300)의 축 중심을 따라 편심되게 회전된다.

그리고, 밸브디스크(400)는 전체적으로 금속 재질로 이루어져 있으나, 둘레는 고무재질로 이루어짐이 바람직하다.

이로 인해 밸브디스크(400)는 밸브축(300)의 회전에 따라 스택의 공기 입구 및 공기 출구를 개폐할 때, 밸브디스크(400)의 둘레부분이 상기 공기 입구 및 공기 출구와 부딪힘에 의해 발생되는 밸브디스크(400)의 파손 및 소음을 효율적으로 방지할 수 있다.

기어박스(500)는 밸브하우징(100)으로부터 노출된 밸브축(300)의 일단에 결합되어 밸브축(300)을 회전시키는 것으로서, 밸브축(300)에 동력을 전달할 수 있도록 모터와 피니언기어 및 세그먼트기어 등과 같은 다양한 부품들로 이루어진다.

이상 상술한 바와 같이 본 발명에 의한 공기차단 밸브는 밸브하우징(100)의 관통부(110)에서 기어박스(500)와 립씰(310) 사이에 벤트홀(111)이 형성됨으로써, 수소가스가 기어박스(500)까지 도달하기 전에 벤트홀(111)을 통해 수소가스가 배출되어 수소가스가 기어박스(500)로 유입되는 것을 원천적으로 차단할 수 있고, 이로 인해 공기차단 밸브의 안전사고를 방지할 수 있다.

본 발명은 전술한 실시예에 국한하지 않고, 본 발명의 기술사상이 허용되는 범위내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

100: 밸브하우징 110: 관통부
111, 111’: 벤트홀 112: 차단캡
200: 하우징커버 210: 입구관
220: 출구관 300: 밸브축
310: 립씰 320: 베어링
400: 밸브디스크 500: 기어박스

Claims

측면에 관통부가 형성되며, 수소전지차량의 스택에 장착되는 밸브하우징;
상기 밸브하우징을 덮도록 상기 밸브하우징에 결합되는 하우징커버;
상기 관통부를 통해 상기 밸브하우징의 외부로 노출된 상태로 상기 밸브하우징을 회전가능하게 관통하는 밸브축;
상기 밸브축과 결합되어 상기 밸브축의 회전에 따라 상기 스택의 공기 입구 및 공기 출구를 개폐시키는 밸브디스크;
상기 밸브하우징으로부터 노출된 상기 밸브축의 일단에 결합되어 상기 밸브축을 회전시키는 기어박스; 및
상기 관통부에 상기 스택의 공기배출관로를 통해 배출되는 수소가스가 유출되는 벤트홀이 형성되고,
상기 관통부와 상기 밸브축 사이에서 상기 기어박스 방향에는 상기 밸브축을 상기 관통부에 회전가능하게 고정시키는 베어링이 배치되고,
상기 밸브하우징 방향에는 상기 밸브하우징의 기밀을 유지하는 립씰이 배치되며,
상기 관통부에서 상기 밸브하우징과 상기 립씰 사이에 형성된 것
인 공기차단 밸브.
삭제
삭제
제1항에 있어서, 상기 벤트홀은,
상기 관통부의 하방향을 향해 관통된 것
인 공기차단 밸브.
제1항에 있어서,
상기 벤트홀은 1cm 내지 3cm의 내경을 이루는 것
인 공기차단 밸브.
제1항에 있어서,
상기 벤트홀의 입구에는 고어텍스 소재로 이루어진 차단캡이 삽입되는 것
인 공기차단 밸브.
제1항에 있어서, 상기 벤트홀은,
상부 내경이 하부 내경보다 넓은 오리피스의 관 형상으로 이루어진 것
인 공기차단 밸브.
제1항에 있어서, 상기 하우징커버는,
상기 밸브하우징의 내부에 외부의 공기가 출입 되도록 입구관 및 출구관이 형성된 것
인 공기차단 밸브.
제8항에 있어서, 상기 밸브축은,
상기 밸브하우징의 내부에서 상기 입구관 및 상기 출구관과 상호 수직한 방향으로 관통되는 것
인 공기차단 밸브.
제1항에 있어서, 상기 밸브디스크는,
상기 스택의 공기 입구 및 공기 출구를 개폐시킬 때, 상기 입구 및 출구와 부딪힘에 의해 발생되는 파손 및 소음을 방지하도록 그 둘레가 고무재질로 이루어진 것
인 공기차단 밸브.