KR102336331B1

KR102336331B1 - 수소 연료전지 차량용 리셉터클

Info

Publication number: KR102336331B1
Application number: KR1020200095845A
Authority: KR
Inventors: 김구호; 강용헌; 김재경; 이준혁; 전완재
Original assignee: (주)모토닉
Priority date: 2020-07-31
Filing date: 2020-07-31
Publication date: 2021-12-09

Abstract

수소 연료전지 차량용 리셉터클에 관한 것으로, 서로 결합되고 연료를 공급하는 충전노즐과 결합되어 연료를 충전하는 제1 바디와 제2 바디, 상기 제1 바디의 내부에 설치되고 충전되는 연료를 여과해서 이물질을 제거하는 필터부 및 상기 제2 바디 내부에 설치되고 충전되는 연료의 역류를 방지하는 밸브부를 포함하고, 상기 필터부와 밸브부 사이에는 상기 제1 바디의 하단부와 제2 바디의 상단부 사이를 실링하는 밀폐부재 및 상기 밀폐부재와 밸브부에 마련되는 원통부재 및 상기 원통부재 내부에 승강 가능하게 설치되어 연료가 충전되는 유로를 개폐하는 밸브체 사이를 실링하는 제1 및 제2 시트가 설치되며, 상기 제1 및 제2 시트는 각각 서로 다른 직경을 갖는 링 형상으로 형성되고, 연료의 충전압력이 미리 설정된 저압부터 고압 구간에 대응되도록, 서로 다른 재질의 재료를 이용해서 서로 다른 강도로 제조되며, 상기 제1 시트에는 상기 제1 및 제2 시트 사이의 잔존 공간에 잔존하는 연료의 압력을 상기 제1 및 제2 시트 외부로 배출해서 제거하는 벤트홀이 형성되는 구성을 마련하여, 체크밸브의 상단에 서로 다른 강도를 갖는 2개의 시트를 적용해서 연료의 누설을 방지하고, 제1 시트에 벤트홀을 형성해서 2개의 시트 사이 공간에 잔존하는 압력을 외부로 배출해서 제거함으로써, 잔존 압력에 의한 제2 시트의 손상을 방지할 수 있다.

Description

수소 연료전지 차량용 리셉터클{RECEPTACLE FOR FUEL CELL ELECTRIC VEHICLE}

본 발명은 수소 연료전지 차량용 리셉터클에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수소 연료전지 차량에서 연료 충전시 연료를 여과해서 연료탱크에 공급하는 수소 연료전지 차량용 리셉터클에 관한 것이다.

일반적으로, 수소 연료전지 차량(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)은 스택에서 산소와 수소를 이용하여 전기화학적으로 전기를 발생해서 연료의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변화시켜 동력원으로 사용한다.

이러한 수소 연료전지 차량은 연료와 공기를 외부에서 공급하여 전지의 용량에 관계없이 계속 발전할 수 있어, 효율이 높고 오염물질이 거의 배출되지 않는 이상적인 기술로서, 현재 많은 개발 시도가 진행되고 있다.

수소 연료전지 차량은 연료탱크에서 고압 레귤레이터와 저압 레귤레이터를 경유해서 스택으로 수소연료를 공급하고, 수소 블로워는 저압 레귤레이터에 연결된 펌프 및 각종 밸브를 포함한다.

이와 함께, 수소 연료전지 차량은 급속해빙 물탱크, 전동물펌프, 써모스탯, 스택 냉각용 라디에이터, 에어컨 컨덴서, 전동식 냉매압축기, 물탱크, 가습기, 구동모터, 각종 제어기, 공기블로워 및 공기필터 등을 더 포함한다.

수소 연료전지 차량의 연료공급계통은 일반 가솔린 및 디젤 차량의 엔진에 해당하는 것으로, 차량의 전측 상부에 위치한다.

예를 들어, 본 출원인은 하기의 특허문헌 1 내지 특허문헌 4 등 다수에 수소 연료전지 차량의 연료 공급계통과 레귤레이터 및 그의 제어 기술을 개시하여 특허출원해서 등록받은 바 있다.

이와 같이, 수소 연료전지 차량은 약 350 내지 700bar의 고압 수소를 취급함에 따라, 고압의 수소가스 압력을 견디는 수소탱크를 하나 이상 장착하고 있다.

그리고 상기 수소탱크에 대한 수소 가스 충진 시스템은 수소가스 충전소의 버퍼탱크 및 수소 연료전지 차량의 수소탱크에 각각 포함된 압력센서를 통해 압력을 측정하여, 그 측정압력이 목표압력에 도달하면 충진을 마치는 방식으로 수소가스 충전 시 버퍼탱크와 수소탱크를 서로 연결하는 일종의 커넥터로서 수소 충전용 리셉터클(Receptacle)이 사용된다.

리셉터클은 충전시에만 단발적으로 사용되나, 충전시 기밀유지 및 소음부문은 매우 중요한 품질사항으로 분류된다.

기밀유지 부문은 충전노즐에서 분사되는 가스가 외부로 누출되는 것을 방지하기 위해, 원통형 오링씰 구조가 적용되며 오링 재질 및 치수 등 리셉터클 하우징은 SAE J2600 규격에 기초해서 제조된다.

예를 들어, 도 1은 종래기술에 따른 리셉터클에 적용되는 체크밸브의 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 리셉터클에는 충전되는 연료의 누설을 방지하는 체크밸브(1)가 적용된다.

체크밸브(1)는 리셉터클의 하부 바디 내부에 설치되는 원통부재(2), 원통부재(2)의 내부에 승강 가능하게 설치되어 연료가 충전되는 유로를 개폐하는 밸브체(3) 및 원통부재(2) 내부에 설치되고 밸브체(3)에 탄성력을 제공하는 스프링(4)을 포함한다.

여기서, 원통부재(2)의 상단에는 충전되는 연료의 리크를 실링하는 폴리아미드이미드(Polyamide-imide) 재질의 재료로 제조된 1개의 시트(5)가 설치된다.

그러나 고압으로 충전되는 수소를 1개의 시트(5)로 실링하기에는 한계가 있다.

따라서 종래기술에 따른 리셉터클에 적용되는 체크밸브는 1개의 시트를 이용해서 충전되는 연료의 외부 리크를 완전하게 실링하지 못함에 따라, 시트를 통과한 연료가 외부로 유출되는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해소하기 위해, 특허문헌 5에는 체크밸브의 상단에 서로 다른 강도를 갖는 2개의 시트를 적용해서 연료의 누설을 방지하는 구성이 기재되어 있다.

대한민국 특허 등록번호 제10-1134645호(2012년 4월 9일 공고) 대한민국 특허 등록번호 제10-1134647호(2012년 4월 19일 공고) 대한민국 특허 등록번호 제10-0946204호(2010년 3월 8일 공고) 대한민국 특허 등록번호 제10-1072361호(2011년 10월 12일 공고) 대한민국 특허 등록번호 제10-1987459호(2019년 9월 30일 공고)

그러나 특허문헌 5는 서로 다른 강도를 갖는 2개의 시트 사이 공간에 내부 잔압이 잔존함에 따라 체크밸브 내부의 압력 하강시 순간적인 압력 토출로 인해 시트, 특히 제1 시트에 비해 낮은 강도를 갖는 제2 시트가 손상되는 문제점이 있었다.

이와 같이, 특허문헌 5는 2개의 시트 사이에 잔존하는 압력에 의해 제2 시트가 손상되면서 기밀 성능이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 충전되는 연료의 누설을 방지할 수 있는 수소 연료전지 차량용 리셉터클을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 체크밸브에 서로 다른 재질의 재료로 제조된 2개의 시트를 적용해서 연료의 저압부터 고압 구간에서 실링 성능을 향상시킬 수 있는 수소 연료전지 차량용 리셉터클을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 서로 다른 강도를 갖는 2개의 시트 사이의 잔존 압력으로 인한 시트의 손상을 방지해서 기밀 성능을 향상시킬 수 있는 수소 연료전지 차량용 리셉터클을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 수소 연료전지 차량용 리셉터클은 서로 결합되고 연료를 공급하는 충전노즐과 결합되어 연료를 충전하는 제1 바디와 제2 바디, 상기 제1 바디의 내부에 설치되고 충전되는 연료를 여과해서 이물질을 제거하는 필터부 및 상기 제2 바디 내부에 설치되고 충전되는 연료의 역류를 방지하는 밸브부를 포함하고, 상기 필터부와 밸브부 사이에는 상기 제1 바디의 하단부와 제2 바디의 상단부 사이를 실링하는 밀폐부재 및 상기 밀폐부재와 밸브부에 마련되는 원통부재 및 상기 원통부재 내부에 승강 가능하게 설치되어 연료가 충전되는 유로를 개폐하는 밸브체 사이를 실링하는 제1 및 제2 시트가 설치되며, 상기 제1 및 제2 시트는 각각 서로 다른 직경을 갖는 링 형상으로 형성되고, 연료의 충전압력이 미리 설정된 저압부터 고압 구간에 대응되도록, 서로 다른 재질의 재료를 이용해서 서로 다른 강도로 제조되며, 상기 제1 시트에는 상기 제1 및 제2 시트 사이의 잔존 공간에 잔존하는 연료의 압력을 상기 제1 및 제2 시트 외부로 배출해서 제거하는 벤트홀이 형성되는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 수소 연료전지 차량용 리셉터클에 의하면, 체크밸브의 상단에 서로 다른 강도를 갖는 2개의 시트를 적용해서 연료의 누설을 방지할 수 있다는 효과가 얻어진다.

즉, 본 발명에 의하면, 강도가 낮은 시트에서 연료의 누설이 발생하더라도, 강도가 높은 시트에서 연료의 누설을 차단함에 따라, 종래에 1개의 시트를 적용하는 경우에 비해 기밀 성능을 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.

그리고 본 발명에 의하면, 서로 다른 강도를 갖는 2개의 시트를 적용함에 따라, 연료 충전 압력의 저압부터 고압 구간에서 실링 성능을 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.

또한, 본 발명에 의하면, 2개의 시트 중에서 외측에 마련되는 제1 시트에 벤트홀을 형성해서 2개의 시트 사이 공간에 잔존하는 압력을 외부로 배출해서 제거함으로써, 잔존 압력에 의한 제2 시트의 손상을 방지할 수 있다는 효과가 얻어진다.

이에 따라, 본 발명에 의하면, 제2 시트의 손상으로 인한 기밀 성능 저하를 미연에 예방할 수 있다는 효과가 얻어진다.

도 1은 종래기술에 따른 리셉터클에 적용되는 체크밸브의 구성도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수소 연료전지 차량용 리셉터클의 사시도,
도 3은 도 2에 도시된 수소 연료전지 차량용 리셉터클의 분해 사시도,
도 4는 도 2에 도시된 A-A'선에 대한 단면도,
도 5는 밸브부의 확대 단면도,
도 6은 제1 및 제2 시트와 밸브체의 확대도,
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 수소 연료전지 차량용 리셉터클에 적용되는 제1 및 제2 시트와 밸브체의 확대도,
도 8은 도 7에 도시된 제1 및 제2 시트의 분해 사시도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수소 연료전지 차량용 리셉터클을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수소 연료전지 차량용 리셉터클의 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 수소 연료전지 차량용 리셉터클의 분해 사시도이며, 도 4는 도 2에 도시된 A-A'선에 대한 단면도이다.

이하에서는 '좌측', '우측', '전방', '후방', '상방' 및 '하방'과 같은 방향을 지시하는 용어들은 각 도면에 도시된 상태를 기준으로 각각의 방향을 지시하는 것으로 정의한다.

본 실시 예에서는 수소 연료전지 차량용 리셉터클을 설명한다.

그러나 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 고압의 가스 연료를 충전하는 다양한 가스 차량에 적용하도록 변경될 수 있음에 유의하여야 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수소 연료전지 차량용 리셉터클(10)은 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 서로 결합되고 연료를 공급하는 충전노즐(도면 미도시)과 결합되어 연료를 충전하는 제1 바디(20)와 제2 바디(30), 제1 바디(20)의 내부에 설치되고 충전되는 연료를 여과해서 이물질을 제거하는 필터부(40) 및 제2 바디(30) 내부에 설치되고 충전되는 연료의 역류를 방지하는 밸브부(50)를 포함할 수 있다.

이와 함께, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수소 연료전지 차량용 리셉터클(10)은 제1 바디(10)의 입구측에 결합되는 연료캡(60)을 더 포함할 수 있다.

제1 바디(20)는 상면과 하면이 개구된 대략 원통 형상으로 형성되고, 제1 바디(20)의 내부에는 충전되는 연료가 이동하는 이동유로(21)가 형성될 수 있다.

여기서, 제1 바디(20)의 상면에 개구된 부분에는 충전노즐이 결합되어 연료가 유입되는 유입구(201)가 형성되고, 제1 바디(20)의 상단부 외주면에는 연료캡(60)이 결합될 수 있다.

연료캡(60)은 연료가 유입되는 제1 바디(20)의 상단부를 보호하고, 수분, 유분, 먼지 등의 이물질이 제1 바디(20) 내부로 유입되는 것을 방지하는 기능을 한다.

이러한 연료캡(20)은 하면이 개구된 원통 형상으로 형성되고, 충전시 분실을 방지하기 위해 차체부(도면 미도시)와 테더(61)를 이용해서 연결될 수 있다.

제1 바디(20)의 상단부에 형성된 유입구(201)의 내주면에는 충전노즐 결합시 연료 누설을 방지하는 제1 링(22) 및 제2 링(23)이 일정 간격만큼 이격 설치될 수 있다.

여기서, 제1 링(22)은 약 5bar 내지 100bar의 압력, 즉 저압으로 연료를 충전하는 제1 충전노즐을 씰링하는 기능을 하고, 제2 링(23)은 약 100bar 내지 700bar의 압력, 즉 고압으로 연료를 충전하는 제2 충전노즐을 씰링하는 기능을 한다.

이를 위해, 제1 바디(20)의 상단부 내주면에는 상기 제1 충전노즐의 직경에 비해 작은 직경으로 형성되는 상기 제2 충전노즐의 직경에 대응되도록, 단차부(24)가 형성될 수 있다.

그리고 단차부(24)의 상부에는 제1 링(22)이 설치되는 제1 설치홈(221)이 형성되고, 단차부(24)의 하부에는 제2 링(23)이 설치되는 제2 설치홈(231)이 형성될 수 있다.

한편, 제2 설치홈(231)에는 제2 링(23)의 상부 및 하부에 각각 제1 및 제2 백업링(25,26)이 설치될 수 있다.

제1 및 제2 백업링(25,26)은 각각 약 100bar 내지 700bar의 고압 연료 충전시, 연료의 충전압력에 의해 제2 링(23)이 상방 또는 하방으로 밀리는 이동과 변형을 최소화하는 기능을 한다.

이러한 제1 및 제2 백업링(25,26)은 각각 단면이 사각 형상으로 형성될 수 있다.

그리고 제1 및 제2 백업링(25,26)에서 각각 제2 링(23)과 접촉하는 면, 즉 제1 백업링(25)의 하면과 제2 백업링(26)의 상면은 각각 제2 링(23)과 밀착되도록 상방 또는 하방으로 오목한 곡면으로 형성될 수 있다.

여기서, 제1 및 제2 백업링(25,26)은 열가소성 폴리우레탄(Thermoplastic Poly Urethane, TPU)과 같이 저온 기밀성, 인장강도 및 연신율(elongation)이 우수한 합성수지 재질의 재료로 제조될 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 상대적으로 고압 연료를 충전시 충전노즐을 밀봉(sealing)하는 제2 링의 상하부에 각각 백업링을 설치해서 충전 압력으로 인한 제2 링의 상하 방향 이동 및 변형을 최소화할 수 있다.

그리고 본 발명은 제2 링과 접촉하는 각 백업링의 접촉면을 오목한 곡면으로 형성함으로써, 제2 링과 백업링을 밀착시켜 완벽하게 밀봉할 수 있다.

이에 따라, 본 발명은 연료 충전시 연료 누설을 완벽하게 차단하고, 기밀 성능을 향상시킬 수 있으며, 연료 누설로 인한 안전사고를 미연에 예방할 수 있다.

제2 바디(30)는 상면과 하면이 개구된 대략 직육면체 형상으로 형성되고, 제2 바디(30)의 상단부는 제1 바디(20)의 하단부 직경에 비해 작은 직경으로 형성되어 제1 바디(20)의 하단부 내부로 삽입되어 결합된다.

이러한 제2 바디(30)의 내부에는 밸브부(50)가 설치되는 설치공간(31)이 형성되고, 제2 바디(30)의 하단부에는 밸브부(50)의 개방 동작에 의해 공급되는 연료를 연료탱크로 공급하는 공급유로(32)가 형성될 수 있다.

제2 바디(30)의 하단에는 연료탱크와 결합되는 부분을 밀봉하도록 오링이 설치될 수 있다.

필터부(40)는 서로 다른 공경을 갖는 복수의 철망메시를 겹쳐서 원통 형상으로 제조되고 충전되는 연료를 여과하는 소결필터(41), 소결필터(41)의 내부에 설치되는 프로텍터(42), 소결필터(41)와 프로텍터(42)의 상단에 결합되는 캡(43)을 포함할 수 있다.

이러한 밸브부(40)의 소결필터(41)와 프로텍터(42) 하부에는 보스의 기능을 하는 밀폐부재가 설치될 수 있다.

예를 들어, 소결필터(41)는 약 10㎛의 공경을 갖는 1개의 메인메시, 약 0.1 내지 10㎜의 공경과 약 1 내지 2㎜의 두께를 갖는 2개의 보호메시를 겹쳐서 약 1000 내지 1200℃의 고온에서 압축 소결하여 약 10㎛의 균일한 공경과 약 1.3mm의 두께를 갖는 하나의 소결메시필터로 마련될 수 있다.

이와 같이 복수의 철망메시를 겹쳐서 고온에서 압축 소결하여 제조되는 소결필터(41)는 공극율 및 여과효율이 우수하고, 내열성, 내부식성을 가지며, 강도 및 내구성이 탁월한 특징이 있다.

물론, 본 발명은 소결메시필터 대신에 제조가 용이하고 단순하며 가격이 저렴한 소결분말필터를 적용하도록 변경될 수 있다.

다만, 상기 소결분말필터는 제조 공정 메카니즘상 분말끼리 화학적 결합이 발생해서 원하는 공경을 균일하게 만들기 어렵고, 분말끼리 뭉쳐진 형태를 가짐에 따라 사용시 연료의 충전 압력에 의해 뭉쳐진 분말 중 일부가 떨어져 나가는 문제점이 있다.

반면, 소결메시필터는 특성상 깨지거나 부서지지 않고, 부분적인 변형이 발생하더라도 전체적인 강성을 유지할 수 있다.

따라서 본 발명은 미리 설정된 서로 다른 공경으로 제조된 복수의 철망메시를 겹쳐서 고온에서 압축 소결하여 제조되는 소결메시필터를 적용함에 따라, 공경 산포가 적고, 연료 충전 환경에 따른 필터의 강성도 만족시킬 수 있다.

그리고 본 발명은 충전되는 연료의 특성, 압력에 따라 메시의 개수, 각 메시의 공경과 두께를 다양하게 변경할 수 있음에 유의하여야 한다.

프로텍터(42)는 소결필터(41) 내부에 설치되어 고압 조건에서 소결필터(41)의 변형을 방지하는 기능을 한다.

이러한 프로텍터(42)는 약 1mm의 두께로 제조되고, 소결필터(41)에 의해 여과된 연료가 밸브부(50)로 원활하게 공급될 수 있도록, 약 5㎜의 공경을 갖도록 제조될 수 있다.

여기서, 소결필터(41)는 사각판 형상에서 원통 형상으로 성형된 후, 양단부를 레이저 용접 등의 용접 방식으로 접합하여 제조될 수 있다.

캡(43)은 제1 바디(20)의 이동유로(21)를 통해 공급되는 연료가 소결필터(41)의 외부에서 내부로 여과되면서 이동하도록 마개 기능을 한다.

이를 위해, 캡(43)은 연료의 이동시 유체 저항을 최소화하기 위해, 중앙부가 상방을 향해 볼록하고 외측으로 갈수록 하방을 향해 경사진 고깔 형상으로 형성되고, 캡(43)의 하면에는 프로텍터(42)의 내부로 삽입되는 삽입부가 돌출 형성될 수 있다.

물론, 캡(43)의 형상은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상방을 향해 볼록한 반구 형상이나, 단면이 반타원 형상 등 다양한 형상으로 변경될 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 복수의 철망메시를 겹쳐 고온에서 압축 소결시킨 소결필터를 적용하고, 소결필터의 상부와 하부에 각각 캡과 보스를 결합함에 따라, 연료 충전시 압력 교번에 의한 모서리부의 깨짐이나 부스러짐을 방지할 수 있다.

이에 따라, 본 발명은 리섭터클 내부로 이물질이 유입되는 것을 완벽하게 차단함으로써, 이물질로 인한 각 부품의 결함을 방지할 수 있다.

한편, 필터부(40)의 각 부품은 수소 취성에 대응하기 위해, 모두 SUS316L와 같은 스테인리스 재질의 재료로 제조되고, 용도에 따라 니켈(Ni) 함량을 약 7 내지 15%로 조절해서 제조될 수 있다.

다음, 도 4 및 도 5를 참조해서 밸브부의 구성을 상세하게 설명한다.

도 5는 밸브부의 확대 단면도이다.

밸브부(50)는 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 바디(30)의 설치공간(31)에 설치되는 원통부재(51), 원통부재(51)의 내부에 승강 가능하게 설치되고 연료가 충전되는 유로를 개폐하는 밸브체(52) 및 원통부재(51) 내부에 설치되고 밸브체(52)에 탄성력을 제공하는 스프링(53)을 포함할 수 있다.

원통부재(51)는 상면이 개구된 대략 원통 형상으로 형성되고, 설치공간(31)의 내경에 비해 작은 외경으로 형성될 수 있다. 그리고 원통부재(31)의 측면에는 원통부재(51) 내부로 유입된 연료를 외부로 배출하는 복수의 배출공(54)이 형성될 수 있다.

그래서 밸브체(52)의 개방 동작시 원통부재(51) 내부로 공급된 연료는 배출공(54)을 통해 원통부재(51)의 외부로 배출되고, 제2 바디(30)의 설치공간(31)을 따라 제2 바디(30)의 하부에 형성된 공급유로(32)로 공급된다.

밸브체(52)는 평상시에는 스프링(53)의 탄성력에 의해 상승 동작해서 유로를 폐쇄하고, 유로를 통해 전달되는 압력이 상승하면 스프링(53)의 길이가 감소하도록 탄성 변형시키면서 하강 동작하여 유로를 개방한다.

이를 위해, 밸브체(52)의 상면은 아래에서 설명할 제1 및 제2 시트(81,82)의 충전유로(83)를 폐쇄 가능하도록, 상방을 향해 볼록한 곡면으로 형성될 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 밸브부의 원통부재 상단에 폐쇄형 구조를 적용함에 따라, 공급되는 연료의 과유량을 분산시키고 관로폭을 증대해서 유속을 감소시키고, 종래에 밸브체의 하단에 형성되는 돌기를 제거해서 난류 운동에너지를 감소시킬 수 있다.

이에 따라, 본 발명은 리셉터클을 이용해서 연료를 충전하는 과정에서 난류 운동에너지와 기류음으로 인한 충전 소음을 효과적으로 저감할 수 있다.

실험 결과에 따르면, 연료의 충전량이 증가하여 인가압력이 커질수록, 리셉터클(10) 내 유속이 감소되어 난류 운동에너지가 크게 감소함을 확인할 수 있다.

따라서 본 발명은 연료의 과유량을 분산하고, 리셉터클 내 유속을 감소시켜 난류 운동에너지와 기류음을 최소화해서 충전 소음을 저감할 수 있다.

한편, 필터부(40)와 밸브부(50) 사이에는 제1 바디(20)의 하단부와 제2 바디(30)의 상단부 사이를 실링하는 밀폐부재(70) 및 밀폐부재(70)와 밸브부(50)의 원통부재(51) 및 밸브체(52) 사이를 실링하는 제1 및 제2 시트(81,82)가 설치될 수 있다.

밀폐부재(70)는 중앙에 연료가 충전되는 전달유로(71)가 형성된 대략 원통 형상으로 형성되고, 밀폐부재(70)에는 제1 바디(20) 내부의 공간 하단과 제2 바디(30)의 상단 사이에 결합되는 플랜지부(72)가 외주면을 따라 연장 형성될 수 있다.

제1 시트(81)와 제2 시트(82)는 각각 원통부재(51)의 상단에 배치되어 밀폐부재(70)와 원통부재(51) 및 밸브체(52) 사이를 실링하는 기능을 한다.

이러한 제1 및 제2 시트(81,82)의 중앙에는 연료가 충전되는 충전유로(83)가 형성됨에 따라, 제1 및 제2 시트(81,82)는 각각 서로 다른 직경을 갖는 링 형상으로 형성될 수 있다.

여기서, 충전유로(83)는 밸브체(52)의 상승 동작시 밸브체(52)의 볼록한 상단부에 의해 폐쇄될 수 있다.

예를 들어, 제1 시트(81)는 제2 시트(82)의 상부에 배치되고, 제1 시트(81)의 하면에는 제2 시트(82)가 삽입되는 삽입공간(84)이 형성될 수 있다.

따라서 제1 시트(81)는 각각 밀폐부재(70)의 하면과 밸브부(50)의 원통부재(51)의 상면에 의해 고정되고, 제2 시트(82)는 제1 시트(81)의 하면에 형성된 삽입공간(84)에 삽입되어 고정될 수 있다.

여기서, 벨브체(52)는 미리 설정된 강도 이상이 강성을 갖도록 경질 플라스틱과 같은 합성수지 재질의 재료로 제조될 수 있다.

그리고 제1 및 제2 시트(81,82)는 각각 서로 다른 재질의 재료를 이용해서 제조될 수 있다.

예를 들어, 제1 시트(81)는 수소 취성에 대응하기 위해, SUS316L와 같은 스테인리스 재질의 재료로 제조되고, 용도에 따라 니켈(Ni) 함량을 약 7 내지 15%로 조절해서 제조될 수 있다.

제2 시트(82)는 유연성을 가지도록 연질 플라스틱과 같은 합성수지 재질의 재료로 제조될 수 있다.

즉, 제2 시트(82)는 밸브체(52) 및 제1 시트(81)에 비해 강도가 낮아 저압 연료 충전시 실링하는 기능을 하고, 제1 시트(81)는 제2 시트(82)에 비해 강도가 높아 고압 연료충전시 실링하는 기능을 할 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 체크밸브에 서로 다른 강도를 갖는 2개의 시트를 적용해서 연료의 누설을 방지할 수 있다.

즉, 본 발명은 강도가 낮은 시트에서 연료의 누설이 발생하더라도, 강도가 높은 시트에서 연료의 누설을 차단함에 따라, 종래에 1개의 시트를 적용하는 경우에 비해 기밀 성능을 향상시킬 수 있다.

그리고 본 발명은 서로 다른 강도를 갖는 2개의 시트를 적용함에 따라, 연료 충전 압력의 저압부터 고압 구간에서 실링 성능을 향상시킬 수 있다.

다음, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수소 연료전지 차량용 리셉터클의 결합관계 및 작동방법을 상세하게 설명한다.

먼저, 작업자는 필터부(40)를 제1 바디(20)의 하부에서 상방으로 이동시켜 내부 공간에 삽입하고, 제1 바디(20)의 하단부에 밀폐부재(70)를 결합한다.

이때, 제1 바디(20)의 상단부 내주면에 형성되는 제1 설치홈(221)에는 제1 링(22)이 설치되고, 제2 설치홈(231)에는 제1 백업링(25), 제2 링(23) 및 제2 백업링(26)이 설치된 상태이다.

이어서, 작업자는 제2 바디(30) 내부의 설치공간(31)에 원통부재(51)와 스프링(53) 및 밸브체(52)를 순차적으로 삽입해서 밸브부(50)를 설치한다.

마지막으로, 밸브부(50)가 설치된 제2 바디(30)를 제1 바디(20)의 하부에 배치하고, 제1 및 제2 바디(20,30)를 서로 결합한다.

이때, 원통부재(51)와 밀폐부재(70) 사이에는 제1 및 제2 시트(81,82)가 설치된 상태이다.

이와 같이 조립된 리셉터클(10)의 상단에는 연료캡(60)이 결합되고, 리셉터클(10)의 하단은 연료탱크와 연결된다.

한편, 작업자는 연료 충전시 리셉터클(10)의 제1 바디(20)에 결합된 연료캡(60)을 분리하고, 제1 바디(20) 상단에 형성된 유입구에 충전노즐을 결합해서 연료를 충전한다.

여기서, 제1 바디(20)의 상단부 내주면에 설치된 제1 링(22)은 약 5bar 내지100bar의 압력, 저압으로 연료를 충전하는 제1 충전노즐을 씰링한다.

그리고 제2 링(23)은 약 100bar 내지 700bar의 압력, 즉 고압으로 연료를 충전하는 제2 충전노즐을 씰링한다.

제2 링(23)의 상부 및 하부에 각각 설치된 제1 및 제2 백업링(25,26)은 각각 약 700bar의 고압 연료 충전시, 연료의 충전압력에 의해 제2 링(23)이 상방 또는 하방으로 밀리는 이동과 변형을 최소화한다.

이때, 제1 및 제2 백업링(25,26)에서 각각 제2 링(23)과 접촉하는 면, 즉 제1 백업링(25)의 하면과 제2 백업링(26)의 상면이 각각 제2 링(23)과 밀착되도록 상방 또는 하방으로 오목한 곡면으로 형성됨에 따라, 제2 링(23)은 제1 또는 제2 백업링(25,26)과 밀착된다.

이와 같이, 본 발명은 상대적으로 고압 연료를 충전시 충전노즐을 밀봉(sealing)하는 제2 링의 상하부에 각각 백업링을 설치해서 충전 압력으로 인한 제2 링의 이동 및 변형을 최소화할 수 있다.

그리고 필터부(40)는 제1 바디(20)의 이동유로(21)를 통해 공급되는 연료를 내부로 이동시키면서 여과한다.

이때, 연료는 제1 바디(20)의 이동유로(21)를 통해 하강해서 필터부(40)의 측면으로 이동하고, 소결필터(41) 및 프로텍터(42)를 통과하면서 여과된 후, 보스(44)에 형성된 송출유로(45)를 통해 밀폐부재(70)의 전달유로(71)와 제1 및 제2 시트(81,82)의 충전유로(83)로 공급된다.

그러면 밸브체(52)는 전달유로(71)를 통해 공급되는 연료의 압력이 상승함에 따라, 스프링(53)의 길이가 감소하도록 탄성 변형시키면서 하강 동작해서 충전유로(83)를 개방한다.

이에 따라, 연료는 개방된 충전유로(83)를 통해 원통부재(51) 내부로 전달되고, 다시 원통부재(51)의 측면에 형성된 복수의 배출공(54)을 통해 원통부재(51) 외부로 배출된다.

이어서, 연료는 제2 바디(30)의 설치공간(31)을 따라 하부로 이동해서 공급유로(32)를 통해 연료탱크에 충전된다.

이때, 밸브체(52)는 충전된 연료의 압력이 상승하면, 연료의 압력에 의해 상승 동작해서 충전유로(83)를 폐쇄하여 충전된 연료의 누설을 방지한다.

여기서, SUS316L와 같은 스테인리스 재질의 재료로 제조된 제1 시트(81)에 비해 강도가 낮은 연질 플라스틱과 같은 합성수지 재질의 재료로 제조된 제2 시트(82)는 약 5baar 내지 100bar의 저압 연료 충전시 연료의 누설을 방지하도록 실링한다.

그리고 제1 시트(81)는 제2 시트(82)에 비해 강도가 높아 약 100bar 내지 700bar의 고압 연료충전시 연료의 누설을 방지하도록 실링한다.

연료의 충전이 완료되면, 제1 바디(20)의 상단부에 연료캡(60)을 결합해서 유입구(201) 부분의 손상을 방지한다.

상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 체크밸브에 서로 다른 강도를 갖는 2개의 시트를 적용해서 연료의 누설을 방지할 수 있다.

한편, 도 6은 도 4에 도시된 제1 및 제2 시트와 밸브체의 확대도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 원통부재(51)의 상단에 제1 및 제2 시트를 배치해서 밀폐부재(70)와 원통부재(51) 및 밸브체(52) 사이를 실링하는 경우, 제1 시트(81)와 제2 시트(82) 사이에는 잔존 공간(85)이 형성되고, 잔존 공간(85)에도 연료가 충진될 수 있다.

삽입공간(84)은 상부에서 보았을 때 대략 링 형상으로 형성되고, 제2 시트(82)는 대략 링 형상으로 형성될 수 있다. 여기서, 제2 시트(82)의 절단된 양단부는 각각 단면이 대략 '└' 형상과 '┘' 형상을 갖도록 단차지게 형성될 수 있다.

이와 같이, 제1 및 제2 시트(81,82) 사이의 잔존 공간(85)에 연료가 충진되면, 잔존 공간(85)에도 잔존하는 연료의 의해 압력(이하 '잔존 압력'이라 함)이 형성된다. 이와 같이 형성된 잔존 압력은 밸브부(50) 내부의 압력 하강시, 상대적으로 강도가 약한 제2 시트(82)를 변형시키면서 순간적으로 토출된다.

이에 따라, 변형된 제2 시트(82)가 본래 형상으로 복원되지 못하고 손상되는 경우, 밸브부(50) 내부의 저압 상태에서 손상된 제2 시트(82)와 밸브체(52) 사이의 기밀이 불량해지면서 밸브부(50) 내부의 연료가 외부로 누설될 수 있다.

이러한 문제점을 해소하기 위해, 본 발명은 제1 및 제2 시트(81,82) 사이 공간의 잔압을 배출하는 벤트홀을 적용한다.

도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 수소 연료전지 차량용 리셉터클에 적용되는 제1 및 제2 시트와 밸브체의 확대도이고, 도 8은 도 7에 도시된 제1 및 제2 시트의 분해 사시도이다.

본 발명의 다른 실시 예에 따른 수소 연료전지 차량용 리셉터클(10)에서, 제1 시트(81)의 하면에는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 벤트홀(83)이 형성된다.

벤트홀(83)은 제1 시트(81)와 제2 시트 사이에 연료가 잔존하는 잔존 공간(85)과 외부 공간을 연통시키는 기능을 한다.

이러한 벤트홀(86)은 제1 시트(81)의 하면에 하나 이상 형성될 수 있다.

도 7 및 도 8에는 제1 시트(81) 하면에 서로 대칭되도록 형성된 한 쌍의 벤트홀(86)이 도시되어 있으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

즉, 본 발명은 제1 시트(81)의 하면에 하나의 벤트홀(86)을 형성하거나, 3개 이상의 벤트홀(86)을 형성하도록 변경될 수 있다.

따라서 밸브체(52)의 상승 동작에 의해 충전유로(83)가 차단되면, 잔존 공간(85)에 충진된 연료는 벤트홀(86)을 통해 제1 및 제2 시트(81,82)의 외부 공간과 동일한 압력으로 유지되면서 평형을 이룬다.

이와 같이, 제1 및 제2 시트(81,82)의 외부 공간과 잔존 공간(85) 내부의 압력 평형이 이루어진 상태에서, 밸브부(50) 내부의 압력이 저하되면, 밸브체(52)와 접촉된 제2 시트(82)는 본래의 형상으로 복원되면서 벨브체(52)와의 기밀을 효과적으로 유지할 수 있다.

상기한 바와 같은 과정을 통해, 본 발명은 제1 시트에 벤트홀을 적용해서 제1 및 제2 시트 사이에 연료가 잔존하는 공간과 외부를 연통시킨다.

이에 따라, 본 발명은 제1 및 제2 시트 사이의 잔존 연료에 의한 잔존 압력을 외부로 배출해서 체크밸브 내부의 압력 하강시 잔존 압력의 순간적인 토출로 인한 제2 시트의 변형 및 손상을 방지할 수 있다.

이로 인해, 본 발명은 제1 및 제2 시트 사이의 잔존 압력에 의한 제2 시트의 손상을 미연에 예방함으로써, 연료의 누설을 효과적으로 차단하고, 기밀 성능을 향상시킬 수 있다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

상기의 실시 예들에서는 수소 연료전지 차량용 리셉터클을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 고압의 가스 연료를 충전하는 다양한 가스 차량에 적용되도록 변경될 수 있다.

본 발명은 연료를 충전하는 과정에서 체크밸브의 tdkeks에 적용된 시트를 통과한 연료의 누설을 방지하는 수소 연료전지 차량용 리셉터클 기술에 적용된다.

10: 수소 연료전지 차량용 리셉터클
20: 제1 바디 201: 유입구
21: 이동유로 22,23: 제1,제2 링
221,231: 제1,제2 설치홈
24: 단차부 25,26: 제1,제2 백업링
30: 제2 바디 31: 설치공간
32: 공급유로 40: 필터부
41: 소결필터 42: 프로텍터
43: 캡
50: 밸브부 51: 원통부재
52: 밸브체 53: 스프링
54: 배출공 60: 연료캡
61: 테더 70: 밀폐부재
71: 전달유로 72: 플랜지부
81,82: 제1,제2 시트 83: 충전유로
84: 삽입공간 85: 잔존 공간
86: 벤트홀

Claims

서로 결합되고 연료를 공급하는 충전노즐과 결합되어 연료를 충전하는 제1 바디와 제2 바디,
상기 제1 바디의 내부에 설치되고 충전되는 연료를 여과해서 이물질을 제거하는 필터부 및
상기 제2 바디 내부에 설치되고 충전되는 연료의 역류를 방지하는 밸브부를 포함하고,
상기 필터부와 밸브부 사이에는 상기 제1 바디의 하단부와 제2 바디의 상단부 사이를 실링하는 밀폐부재 및
상기 밀폐부재와 밸브부에 마련되는 원통부재 및 상기 원통부재 내부에 승강 가능하게 설치되어 연료가 충전되는 유로를 개폐하는 밸브체 사이를 실링하는 제1 및 제2 시트가 설치되며,
상기 제1 및 제2 시트는 각각 서로 다른 직경을 갖는 링 형상으로 형성되고, 연료의 충전압력이 미리 설정된 저압부터 고압 구간에 대응되도록, 서로 다른 재질의 재료를 이용해서 서로 다른 강도로 제조되며,
상기 제1 시트에는 상기 제1 및 제2 시트 사이의 잔존 공간에 잔존하는 연료의 압력을 상기 제1 및 제2 시트 외부로 배출해서 제거하는 벤트홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 차량용 리셉터클.
제1항에 있어서,
상기 밸브체는 미리 설정된 강도 이상이 강성을 갖도록 경질의 합성수지 재질의 재료로 제조되고,
상기 제1 시트는 스테인리스 재질의 재료로 제조되며,
상기 제2 시트는 상기 밸브체 및 제1 시트에 비해 낮은 강도를 갖도록 연질의 합성수지 재질의 재료로 제조되며,
상기 벤트홀은 상기 제1 시트의 하단에 형성되고, 상기 잔존 공간과 상기 제1 및 제2 시트의 외부 공간을 연통시켜 압력 평형을 이루게 하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 차량용 리셉터클.
제2항에 있어서,
상기 제1 시트는 상기 제2 시트의 상부에 배치되고,
상기 제1 시트의 하면에는 상기 제2 시트가 삽입되는 삽입공간이 링 형상으로 형성되며,
상기 제1 시트는 각각 상기 밀폐부재의 하면과 상기 원통부재의 상면에 의해 고정되고,
상기 제2 시트는 상기 제1 시트의 하면에 형성된 상기 삽입공간에 삽입되어 고정되며,
상기 벤트홀은 상기 제1 시트의 하면에 적어도 하나 이상 형성되는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 차량용 리셉터클.