KR102373293B1 - 연료전지 시스템용 공기제어밸브장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 연료전지 시스템용 공기제어밸브장치는, 연료전지로 공기를 공급하는 공기공급유로와, 연료전지로부터 공기가 회수되는 공기회수유로를 구비하는 하우징; 길이방향 일단이 상기 공기회수유로를 관통하도록 상기 하우징에 자전 가능한 구조로 장착되는 제1 샤프트와, 상기 제1 샤프트의 일단에 고정결합되되 상기 제1 샤프트의 회전축 방향과 교차하는 방향으로 돌출되는 돌출단을 구비하는 제1 동력전달유닛과, 상기 제1 동력전달유닛이 자전 가능하도록 안착되는 내부공간을 구비하며 상기 제1 동력전달유닛이 일정 각도 자전되었을 때 상기 돌출단과 간섭되는 걸림턱이 내벽에 형성되는 제2 동력전달유닛과, 길이방향 일단이 상기 공기공급유로를 관통하도록 상기 하우징에 자전 가능한 구조로 장착되며 길이방향 타단이 상기 제2 동력전달유닛에 고정결합되는 제2 샤프트를 구비하는 구동샤프트; 상기 제1 샤프트와 일체로 회전하도록 결합되어, 상기 제1 샤프트의 회전 각도에 따라 상기 공기회수유로를 개폐시키는 회수유로 개폐밸브; 상기 제2 샤프트와 일체로 회전하도록 결합되어, 상기 제2 샤프트의 회전 각도에 따라 상기 공기공급유로를 개폐시키는 공급유로 개폐밸브;를 포함하여 구성된다.

Description

연료전지 시스템용 공기제어밸브장치 {Air control valve device for fuel cell system}

본 발명은 연료전지 시스템에 적용되는 공기제어밸브장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 연료전지로 공기가 유출입되는 유로를 개폐시킬 뿐만 아니라 연료전지로부터 배출되는 되는 공기유량을 조절할 수 있는 연료전지 시스템용 공기제어밸브장치에 관한 것이다.

연료전지 차량은 연료전지에서 발생되는 전력으로 모터를 구동하여 주행하는 차량이다. 상기 스택은 수소와 공기중의 산소를 반응시켜 전기를 생산하고, 그 과정에서 물(수증기)과 열이 발생된다. 스택의 공기 공급유로 및 배출유로에는 스택 운전 정지시 스택으로 공기가 유입되어 불필요한 반응이 발생함으로써 스택의 내구성이 저하되는 것을 방지하기 위해 유로를 차단할 수 있는 공기차단밸브 모듈이 설치된다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 종래의 공기차단밸브 모듈에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 종래의 공기차단밸브 모듈의 사시도이고, 도 2 및 도 3은 종래의 공기차단밸브 모듈의 단면도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 종래의 공기차단밸브 모듈은, 서브하우징(10), 메인하우징(20), 구동부(30), 하우징커버(40), 샤프트(50), 모터(60), 밸브플레이트(71)를 포함한다.

서브하우징(10)은 모듈을 스택에 직접 장착하기 위한 부분으로서 메인하우징(20)과 함께 상호 분리된 공기공급유로와 공기회수유로를 형성한다. 서브하우징(10)의 외측 둘레에는 스택에 장착하기 위한 다수의 플랜지(10a)가 형성되며, 서브하우징(10)의 내부에는 격벽에 의해 서로 분리된 입구(11)와 출구(미도시)가 형성된다. 서브하우징(10)이 스택에 장착되었을 때 상기 입구(11)와 출구는 각각 스택 공기극의 입구 및 출구와 연결된다. 이때 상기 하우징커버(40)에는 공기공급유로와 공기회수유로를 연통시키는 바이패스유로(41)가 형성된다.

메인하우징(20)에는 공기유입관로에 연결되는 입구관(21)과 공기배출관로에 연결되는 출구관(22)이 형성된다. 입구관(21)과 출구관(22)에 연결된 메인하우징(20)의 내부 공간은 격벽에 의해 서로 분리되어 있으며, 격벽에 의해 분리된 두 개의 공간들은 메인하우징(20)의 배면(서브하우징(10)이 장착되면 면)으로 개구되는데, 그 개구부의 주변에는 서브하우징 장착부(25)가 돌출 형성된다.

상기 서브하우징 장착부(25)는 서브하우징(10)의 입구(11)와 출구가 각각 삽입될 수 있는 형상으로 형성된다. 즉, 서브하우징(10)의 입구(11)가 결합되는 장착부(25)와 출구가 결합되는 장착부(25)가 분리 형성되어 있다.

서브하우징(10)의 입구(11)와 출구는 상기 장착부(25)로 삽입되어 그 단부가 메인하우징(20)의 내부공간으로 노출된다. 상기와 같은 구성에 의해 모듈의 내부에는 입구관(21)과 입구(11)로 이어지는 공기공급유로가 형성되고, 출구와 출구관(22)으로 이어지는 공기회수유로가 형성된다.

메인하우징(20)에는 내부공간을 가로지르는 샤프트(50)가 설치되며, 상기 샤프트(50)에는 공기공급유로를 차단하는 밸브플레이트(71)와 공기회수유로를 차단하는 밸브플레이트(미도시)가 장착된다. 이때 공기공급유로를 차단하는 밸브플레이트(71)와 공기회수유로를 차단하는 밸브플레이트(미도시)는 동일하게 작동하는바, 공기공급유로를 차단하는 밸브플레이트(71)만을 대표적으로 설명한다.

상기 밸브플레이트(71)는 샤프트(50)를 따라 회동하는데, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 밸브플레이트(71)가 서브하우징(10)의 입구(11)를 폐쇄시키는 경우, 상기 입구관(21)을 통해 공급된 공기는 바이패스유로(41)를 통해 출구관(22)으로 배출된다. 반대로 도 3에 도시된 바와 같이 상기 밸브플레이트(71)가 바이패스유로(41)를 폐쇄시키는 경우, 상기 입구관(21)을 통해 공급된 공기는 서브하우징(10)의 입구(11)를 통해 스택으로 전달된 후, 서브하우징(10)의 출구를 통해 회송되어 상기 출구관(22)을 통해 배출된다.

상기와 같이 구성되는 종래의 공기차단밸브 모듈을 이용하면, 하나의 모듈로 공기의 유입 및 배출, 바이패스를 모두 제어할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 종래의 공기차단밸브 모듈은 공기공급유로와 공기회수유로를 개폐시키는 기능만이 있을 뿐, 공기회수유로의 개방률만을 독립적으로 조절하는 기능은 구비되어 있지 아니하다는 단점이 있다.

즉, 종래의 공기차단밸브 모듈은 공기공급유로를 차단하는 밸브플레이트와 공기회수유로를 차단하는 밸브플레이트가 일체로 회전되므로, 공기공급유로를 폐쇄시킨 상태에서 공기회수유로의 개방률을 조절하거나, 공기공급유로를 개방시킨 상태에서 공기회수유로의 개방률을 조절할 수 없다는 단점이 있다.

KR 10-1884533 B1

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지로 공기가 유출입되는 유로를 개폐시킬 뿐만 아니라 연료전지로부터 배출되는 되는 공기유량을 조절함으로써 연료전지 내부의 압력을 제어할 수 있는 연료전지 시스템용 공기제어밸브장치를 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 연료전지 시스템용 공기제어밸브장치는,

연료전지로 공기를 공급하는 공기공급유로와, 연료전지로부터 공기가 회수되는 공기회수유로를 구비하는 하우징;

길이방향 일단이 상기 공기회수유로를 관통하도록 상기 하우징에 자전 가능한 구조로 장착되는 제1 샤프트와, 상기 제1 샤프트의 일단에 결합되어 상기 제1 샤프트와 일체로 회전하는 제1 동력전달유닛과, 상기 제1 동력전달유닛이 사전에 설정된 각도 범위를 벗어나도록 회전될 때 상기 제1 동력전달유닛으로부터 회전력을 전달받는 제2 동력전달유닛과, 길이방향 일단이 상기 공기공급유로를 관통하도록 상기 하우징에 자전 가능한 구조로 장착되며 길이방향 타단이 상기 제2 동력전달유닛에 결합되어 상기 제2 동력전달유닛과 일체로 회전하는 제2 샤프트를 구비하는 구동샤프트;

상기 제1 샤프트와 일체로 회전하도록 결합되어, 상기 제1 샤프트의 회전 각도에 따라 상기 공기회수유로를 개폐시키는 회수유로 개폐밸브; 상기 제2 샤프트와 일체로 회전하도록 결합되어, 상기 제2 샤프트의 회전 각도에 따라 상기 공기공급유로를 개폐시키는 공급유로 개폐밸브;를 포함하여 구성된다.

상기 제1 동력전달유닛은 상기 제1 샤프트의 회전축 방향과 교차하는 방향으로 돌출되는 돌출단을 구비하고, 상기 제2 동력전달유닛은 상기 제1 동력전달유닛이 자전 가능하도록 안착되는 내부공간을 구비하되 상기 제1 동력전달유닛이 사전에 설정된 각도 범위를 벗어나도록 회전되었을 때 상기 돌출단과 간섭되는 걸림턱이 내벽에 형성된다.

상기 돌출단과 상기 걸림턱은 각각 쌍으로 형성되며, 상기 제1 샤프트가 일정 각도 자전하였을 때 상기 한 쌍의 돌출단이 상기 한 쌍의 걸림턱에 각각 간섭되도록 구성된다.

상기 제1 동력전달유닛은 외주면 일부에 기어이빨이 형성된 섹터기어이고, 상기 제2 동력전달유닛은 외주면 전체에 걸쳐 기어이빨이 형성된 원형기어이다.

상기 공급유로 개폐밸브를 통과한 상기 제2 샤프트의 길이방향 일단을 둘러싸도록 장착되어, 회전은 불가하고 상기 제2 샤프트의 길이방향을 따라 이동만 가능하며, 상기 공급유로 개폐밸브를 향하는 면에 두 개의 인입부가 형성되는 승강캠; 상기 공급유로 개폐밸브를 향하는 방향으로 상기 승강캠에 탄성력을 인가하는 탄성수단; 상기 공급유로 개폐밸브 중 상기 승강캠을 향하는 측에 돌출 형성되어, 상기 공급유로 개폐밸브의 자전 각도에 따라 상기 인입부에 인입되는 돌출캠;을 더 포함한다.

상기 돌출캠은, 상기 공급유로 개폐밸브가 상기 공기공급유로를 완전히 개방시키도록 자전되었을 때 어느 하나의 인입부에 인입되고, 상기 공급유로 개폐밸브가 상기 공기공급유로를 폐쇄시키도록 자전되었을 때 다른 하나의 인입부에 인입된다.

상기 제1 샤프트의 길이방향 타단에 연결되어 상기 제1 샤프트를 자전시키는 액추에이터를 더 포함한다.

상기 회수유로 개폐밸브와 공급유로 개폐밸브는, 공기회수유로 및 공기공급유로를 폐쇄시키는 일면이 곡면을 이루는 볼 형상 또는 원통 형상으로 형성된다.

상기 공기공급 유로의 개폐를 감지하는 감지유닛을 더 포함한다.

본 발명에 의한 연료전지 시스템용 공기제어밸브장치를 이용하면, 연료전지로 공기가 유입되는 공기공급유로와 연료전지로부터 공기가 배출되는 공기회수유로를 개폐시킬 뿐만 아니라, 공기공급유로를 개방 또는 폐쇄시킨 상태에서 연료전지로부터 배출되는 되는 공기유량을 조절함으로써 연료전지 내부의 압력을 제어할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 종래의 공기차단밸브 모듈의 사시도이다.
도 2 및 도 3은 종래의 공기차단밸브 모듈의 단면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 의한 연료전지 시스템용 공기제어밸브장치의 사시도 및 단면사시도이다.
도 6은 구동샤프트에 회수유로 개폐밸브 및 공급유로 개폐밸브가 결합되는 구조를 도시하는 사시도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명에 의한 연료전지 시스템용 공기제어밸브장치에 포함되는 구동샤프트의 사시도 및 분해사시도이다.
도 9 내지 도 14는 본 발명에 의한 연료전지 시스템용 공기제어밸브장치에 포함되는 구동샤프트의 작동상태를 도시한다.
도 15 및 도 16은 회수유로 개폐밸브의 동작을 도시하는 본 발명에 의한 연료전지 시스템용 공기제어밸브장치의 수평단면도이다.
도 17 및 도 18은 본 발명에 의한 연료전지 시스템용 공기제어밸브장치에 포함되는 구동샤프트 제2 실시예의 사시도이다.
도 19 내지 도 21은 승강캠과 탄성수단의 결합구조를 도시하는 분해사시도 및 수직단면도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 연료전지 시스템용 공기제어밸브장치의 실시예를 상세히 설명한다.

도 4 및 도 5는 본 발명에 의한 연료전지 시스템용 공기제어밸브장치의 사시도 및 단면사시도이고, 도 6은 구동샤프트에 회수유로 개폐밸브 및 공급유로 개폐밸브가 결합되는 구조를 도시하는 사시도이며, 도 7 및 도 8은 본 발명에 의한 연료전지 시스템용 공기제어밸브장치에 포함되는 구동샤프트의 사시도 및 분해사시도이다.

본 발명에 의한 연료전지 시스템용 공기제어밸브장치는 연료전지로의 공기 공급을 제어하기 위한 장치로서, 유출입되는 공기의 유동경로를 안내하는 하우징(100)과, 자전 가능한 구조로 상기 하우징(100)의 내부에 삽입되는 구동샤프트(200)와, 상기 구동샤프트(200)에 고정결합되어 하우징(100) 내부의 공기 유로를 개폐시키는 회수유로 개폐밸브(300) 및 공급유로 개폐밸브(400)와, 상기 구동샤프트(200)를 자전시키는 액추에이터(600)를 포함하여 구성된다.

상기 하우징(100)은, 연료전지로 공기를 공급하는 공기공급유로(120)와, 연료전지로부터 공기가 회수되는 공기회수유로(110)를 내부에 구비한다. 따라서 외부로부터 공급된 공기는 도 4의 실선화살표 방향과 같이 공기공급유로(120)를 통해 연료전지로 공급되고, 연료전지에서 반응하지 아니한 공기는 도 4의 점선화살표 방향과 같이 공기회수유로(110)를 통해 회수되어 배출된다. 이때, 본 실시예에서는 도시되어 있지 아니하지만, 상기 하우징(100)의 내부에는 공기회수유로(110)의 중단과 공기공급유로(120)의 중단을 연결하는 바이패스유로가 형성될 수도 있다. 이때, 상기 공기공급유로(120)의 입구와 상기 공기회수유로(110)의 출구는 하우징(100)의 어느 한 벽면(본 실시예에서는 전방측 벽면)에 형성되고, 상기 공기공급유로(120)의 출구와 상기 공기회수유로(110)의 입구는 하우징(100)의 다른 한 벽면(본 실시예에서는 우측 벽면)에 형성되는데, 이와 같은 하우징(100) 구조는 종래의 공기차단밸브 모듈에도 실질적으로 동일하게 적용되고 있는바, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

한편, 본 발명에 의한 연료전지 시스템용 공기제어밸브장치는 회수유로 개폐밸브(300)와 공급유로 개폐밸브(400)가 항상 일체로 회전하는 것이 아니라, 구동샤프트(200)의 동작에 따라 회수유로 개폐밸브(300)와 공급유로 개폐밸브(400)가 일체로 회전할 수도 있고, 회수유로 개폐밸브(300)만이 독립적으로 회전할 수 있도록 구성된다는 점에 가장 큰 특징이 있다.

이와 같이 회수유로 개폐밸브(300)와 공급유로 개폐밸브(400)가 조건에 따라 일체로 회전하거나 개별적으로 회전할 수 있도록, 상기 구동샤프트(200)가 두 개의 샤프트로 구성된다는 점에 가장 큰 특징이 있다. 즉, 상기 구동샤프트(200)는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 길이방향 일단(본 실시예에서는 하단)이 상기 공기회수유로(110)를 관통하도록 상기 하우징(100)에 자전 가능한 구조로 장착되는 제1 샤프트(210)와, 상기 제1 샤프트(210)의 일단에 고정결합되어 상기 제1 샤프트(210)와 일체로 회전하는 제1 동력전달유닛(220)과, 상기 제1 동력전달유닛(220)이 사전에 설정된 각도 범위를 벗어나도록 회전될 때 상기 제1 동력전달유닛(220)으로부터 회전력을 전달받는 제2 동력전달유닛(230)과, 길이방향 일단(본 실시예에서는 하단)이 상기 공기공급유로(120)를 관통하도록 상기 하우징(100)에 자전 가능한 구조로 장착되며 길이방향 타단(본 실시예에서는 상단)이 상기 제2 동력전달유닛(230)에 결합되어 상기 제2 동력전달유닛(230)과 일체로 회전하는 제2 샤프트(240)를 포함하여 구성된다. 이때 상기 액추에이터(600)는 상기 제1 샤프트(210)의 길이방향 타단(본 실시예에서는 상단)에 연결되어 상기 제1 샤프트(210)를 자전시키도록 구성된다.

상기 언급한 바와 같이 제2 샤프트(240)가 간헐적으로 제1 샤프트(210)를 따라 회전할 수 있도록, 상기 제1 동력전달유닛(220)은 상기 제1 샤프트의 회전축(210) 방향과 교차하는 방향으로 돌출되는 돌출단(222)을 구비하고, 상기 제2 동력전달유닛(230)은 상기 제1 동력전달유닛(220)이 자전 가능하도록 안착되는 내부공간을 구비하되 상기 제1 동력전달유닛(220)이 사전에 설정된 각도 범위를 벗어나도록 회전되었을 때 상기 돌출단(222)과 간섭되는 걸림턱(232)이 내벽에 형성될 수 있다.

상기 제1 샤프트(210)와 제2 샤프트(240)는 상하 및 좌우방향으로 움직이지 못하고 제자리에서 자전만 가능하도록 하우징(100)에 장착되고, 상기 제1 동력전달유닛(220)은 제1 샤프트(210)와 일체로 자전하고 상기 제2 동력전달유닛(230)은 제2 샤프트(240)와 일체로 자전하도록 구성된다. 예를 들어 도 8에 도시된 바와 같이 제2 동력전달유닛(230)의 바닥면에 형성된 장방형의 삽입홀(234)에 제2 샤프트(240)의 삽입돌부(242)가 끼워맞춤 방식으로 삽입되어, 제2 동력전달유닛(230)과 제2 샤프트(240)가 일체로 회전하도록 구성될 수 있다.

따라서 상기 액추에이터(600)가 제1 샤프트(210)에 회전력을 인가하였을 때 제1 샤프트(210) 및 제1 동력전달유닛(220)은 제1 샤프트(210)의 중심축을 중심으로 회전을 하게 되고, 상기 돌출단(222)이 걸림턱(232)에 간섭된 이후부터는 제2 동력전달유닛(230) 및 이에 결합된 제2 샤프트(240) 역시 제1 샤프트(210)를 따라 회전하게 된다. 즉, 돌출단(222)이 걸림턱(232)에 간섭되기 이전까지는 제1 샤프트(210)만이 자전하고, 돌출단(222)이 걸림턱(232)에 간섭된 이후부터는 제1 샤프트(210)와 제2 샤프트(240)가 일체로 회전하게 된다.

이때 상기 회수유로 개폐밸브(300)는 상기 제1 샤프트(210)와 일체로 회전하도록 결합되고 공급유로 개폐밸브(400)는 상기 제2 샤프트(240)와 일체로 회전하도록 결합되는바, 본 발명에 의한 연료전지 시스템용 공기제어밸브장치는 공기회수유로(110)와 공기공급유로(120)를 모두 개방시키거나 폐쇄시킬 필요가 있을 경우에는 상기 회수유로 개폐밸브(300)와 공급유로 개폐밸브(400)가 일체로 회전되고, 연료전지로부터 배출되는 공기의 유량을 조절할 필요가 있을 경우에는 회수유로 개폐밸브(300)만이 회전될 수 있다. 즉, 본 발명에 의한 연료전지 시스템용 공기제어밸브장치는, 연료전지로 공기가 유입되는 공기공급유로(120)와 연료전지로부터 공기가 배출되는 공기회수유로(110)를 개폐시킬 뿐만 아니라, 공기공급유로(120)를 개방 또는 폐쇄시킨 상태에서 연료전지로부터 배출되는 되는 공기유량을 조절함으로써 연료전지 내부의 압력을 제어할 수 있다는 장점이 있다.

한편, 상기 돌출단(222)과 걸림턱(232)이 각각 하나씩만 구비되면, 돌출단(222)이 걸림턱(232)에 접촉된 상태에서 제1 샤프트(210)가 자전하였을 때 제1 샤프트(210)가 제자리에서 자전하지 못하고 일측으로 기울어지거나 비틀어질 우려가 있다. 따라서 상기 돌출단(222)과 상기 걸림턱(232)은 각각 쌍으로 형성되어, 상기 제1 샤프트(210)가 일정 각도 자전하였을 때 상기 한 쌍의 돌출단(222)이 상기 한 쌍의 걸림턱(232)에 각각 간섭되도록 구성됨이 바람직하다.

예를 들어 상기 한 쌍의 돌출단(222)과 상기 한 쌍의 걸림턱(232)이 본 실시예에 도시된 바와 같이 상기 제1 샤프트(210)의 자전축을 중심으로 180도 사이각을 갖도록 배열되는 경우, 상기 제1 샤프트(210) 및 제2 샤프트(240)는 어느 일측으로 기울어지거나 비틀어질 우려 없이 제자리에서 안정적으로 자전할 수 있게 된다.

본 실시예에서는 상기 한 쌍의 돌출단(222)과 상기 한 쌍의 걸림턱(232)이 제1 샤프트(210)의 자전축을 중심으로 180도 사이각을 갖도록 배열되는 경우만을 도시하고 있으나, 상기 한 쌍의 돌출단(222)과 상기 한 쌍의 걸림턱(232)의 배열각도는 회수유로 개폐밸브(300)가 단독으로 자전해야 하는 각도에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

또한 상기 회수유로 개폐밸브(300)와 공급유로 개폐밸브(400)는, 평판 형상의 플랫밸브가 아니라 본 실시예에 도시된 바와 같이 상기 공기회수유로(110) 및 공기공급유로(120)를 폐쇄시키는 일면이 곡면을 이루는 볼 형상으로 형성될 수도 있고, 상기 공기회수유로(110) 및 공기공급유로(120)를 폐쇄시키는 일면이 곡면을 이루는 원통 형상(미도시)으로 형성될 수도 있다.

예를 들어 상기 회수유로 개폐밸브(300)와 공급유로 개폐밸브(400)는 본 실시예에 도시된 바와 같이, 길이방향(본 실시예에서는 상하방향)으로 절개된 볼 형상으로 형성되어, 상기 구동샤프트(200)와 길이방향이 평행하도록 결합될 수 있다. 이와 같이 회수유로 개폐밸브(300)와 공급유로 개폐밸브(400)가 절개된 볼 형상으로 형성되면, 구동샤프트(200)와 회수유로 개폐밸브(300) 끝단까지의 거리와 구동샤프트(200)와 공급유로 개폐밸브(400) 끝단까지의 거리가 도 1 내지 도 3에 도시된 종래의 공기차단밸브 모듈에 비해 현저히 짧아지는바, 상기 회수유로 개폐밸브(300)와 공급유로 개폐밸브(400)가 각 유로의 입출구에 밀착되는 힘이 커지게 되고, 이에 따라 공기회수유로(110) 및 공기공급유로(120)가 보다 확실하게 개폐될 수 있다는 장점이 있다. 또한, 구동샤프트(200)와 회수유로 개폐밸브(300) 끝단 및 공급유로 개폐밸브(400) 끝단 간의 거리가 짧아지면 구동샤프트(200)를 회전시키는데 소요되는 동력이 절감되므로, 구동샤프트(200)를 회전시키기 위한 액추에이터(600)의 용량을 줄일 수 있다는 장점이 있다.

한편, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 밸브가 플레이트 형상으로 형성되는 경우에는 상기 밸브가 약간이라도 휘었을 때 상기 밸브가 공기유로의 입출구를 확실하게 폐쇄시키지 못하는 문제가 발생되지만, 본 실시예와 같이 회수유로 개폐밸브(300)와 공급유로 개폐밸브(400)가 절개된 볼 형상을 이루는 경우에는 상기 회수유로 개폐밸브(300)와 공급유로 개폐밸브(400)에 외력이 인가되더라도 상기 회수유로 개폐밸브(300)와 공급유로 개폐밸브(400)가 쉽게 변형되지 아니하게 된다는 장점이 있다. 즉, 상기 회수유로 개폐밸브(300)와 공급유로 개폐밸브(400)가 절개된 원통형상으로 형성되면 공기유로의 입출구를 개폐시키는 안정성이 현저히 높아진다는 장점도 얻을 수 있다.

도 9 내지 도 14는 본 발명에 의한 연료전지 시스템용 공기제어밸브장치에 포함되는 구동샤프트(200)의 작동상태를 도시하고, 도 15 및 도 16은 회수유로 개폐밸브(300)의 동작을 도시하는 본 발명에 의한 연료전지 시스템용 공기제어밸브장치의 수평단면도이다.

도 7에 도시된 바와 같이 한 쌍의 돌출단(222)이 한 쌍의 제2 동력전달유닛(230)에 접촉된 상태는 도 15에 도시된 바와 같이 회수유로 개폐밸브(300)가 공기회수유로(110)의 입구측에 형성된 가스켓(112)에 압착되어 상기 공기회수유로(110)를 막고 있는 상태가 된다. 이때 도면에는 도시되어 있지 아니하지만 공급유로 개폐밸브(400) 역시 공기공급유로(120)를 막고 있는 상태가 된다.

이와 같은 상태에서 제1 샤프트(210)가 반시계방향으로 회전하게 되면, 도 9에 도시된 바와 같이 상기 돌출단(222)이 제2 동력전달유닛(230)을 반시계방향으로 밀어 제2 동력전달유닛(230) 및 제2 샤프트(240) 역시 반시계방향으로 회전하게 된다. 이와 같이 제1 샤프트(210)와 제2 샤프트(240)가 반시계방향으로 회전하는 경우, 도 16에 도시된 바와 같이 회수유로 개폐밸브(300)는 공기회수유로(110)를 개방시키고, 공급유로 개폐밸브(400) 역시 공기공급유로(120)를 개방시키게 된다.

반대로 도 9에 도시된 상태에서 제1 샤프트(210)를 시계방향으로 회전시키면 도 10에 도시된 바와 같이 돌출단(222)이 걸림턱(232)으로부터 이격되어 더 이상 걸림턱(232)을 밀게 되지 아니하는바, 제2 동력전달유닛(230) 및 제2 샤프트(240)는 회전하지 아니하고 제1 샤프트(210) 및 제1 동력전달유닛(220)만이 시계방향으로 회전하게 된다. 즉, 제2 샤프트(240)에 결합된 공급유로 개폐밸브(400)는 자전하지 아니하고 제1 샤프트(210)에 결합된 회수유로 개폐밸브(300)만이 자전하게 되는바, 사용자는 제1 샤프트(210) 자전각도를 조절하여 공기회수유로(110)의 개방률을 조절할 수 있게 된다.

도 10에 도시된 상태에서 제1 샤프트(210)가 시계방향으로 더 회전하여 돌출단(222)이 걸림턱(232)에 걸리게 되면, 도 11에 도시된 바와 같이 상기 돌출단(222)이 제2 동력전달유닛(230)을 시계방향으로 밀어 제2 동력전달유닛(230) 및 제2 샤프트(240) 역시 시계방향으로 회전하게 된다.

반대로 도 11에 도시된 상태에서 제1 샤프트(210)를 반시계방향으로 회전시키면 도 12에 도시된 바와 같이 돌출단(222)이 걸림턱(232)으로부터 이격되어 더 이상 걸림턱(232)을 밀게 되지 아니하는바, 제2 동력전달유닛(230) 및 제2 샤프트(240)는 회전하지 아니하고 제1 샤프트(210) 및 제1 동력전달유닛(220)만이 반시계방향으로 회전하게 된다. 즉, 제2 샤프트(240)에 결합된 공급유로 개폐밸브(400)는 자전하지 아니하고 제1 샤프트(210)에 결합된 회수유로 개폐밸브(300)만이 자전하는 상태가 된다.

도 12에 도시된 상태에서 제1 샤프트(210)가 반시계방향으로 더 회전하여 돌출단(222)이 걸림턱(232)에 걸리게 되면, 도 13에 도시된 바와 같이 상기 돌출단(222)이 제2 동력전달유닛(230)을 반시계방향으로 밀어 제2 동력전달유닛(230) 및 제2 샤프트(240) 역시 반시계방향으로 회전하게 된다. 이때 제1 샤프트(210)를 회전시키던 액추에이터(600)의 구동이 중단되면 도 14에 도시된 바와 같이 제1 샤프트(210) 및 제2 샤프트(240)의 회전이 중단되어 도 7에 도시된 최초의 상태로 되돌아가게 된다.

상기 언급한 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지 시스템용 공기제어밸브장치는, 돌출단(222)이 걸림턱(232)을 밀어 회전시키는 구간에서는 제1 샤프트(210)와 제2 샤프트(240)가 함께 회전하고, 돌출단(222)이 한 쌍의 걸림턱(232) 사이에 위치하는 범위에서는 제1 샤프트(210)만이 회전하게 되므로, 공기공급유로(120)를 개폐에는 영향을 주지 아니하면서 연료전지로부터 배출되는 되는 공기유량만을 조절하여 연료전지 내부의 압력을 제어할 수 있다는 장점이 있다.

한편, 공기회수 유로(110)의 개폐량 조절은 공기공급 유로(120)가 개방 또는 폐쇄된 상태에서 이루어져야 하는바, 상기 공기공급 유로(120)의 개폐를 감지하는 감지유닛(미도시)이 추가로 구비될 수 있다. 이와 같이 유로의 개폐여부를 감지하는 감지유닛은 여러 분야에서 다양한 구조로 상용화되어 있는바, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 17 및 도 18은 본 발명에 의한 연료전지 시스템용 공기제어밸브장치에 포함되는 구동샤프트 제2 실시예의 사시도이다.

본 발명에 포함되는 제1 동력전달유닛(220)과 제2 동력전달유닛(230)은 기어 형태를 이루도록 제작될 수 있다. 예를 들어 제1 동력전달유닛(220)은 외주면 일부에 기어이빨이 형성된 섹터기어로 적용되고, 상기 제2 동력전달유닛(230)은 외주면 전체에 걸쳐 기어이빨이 형성된 원형기어로 적용될 수 있다.

이와 같이 제1 동력전달유닛(220)이 섹터기어로 적용되고 제2 동력전달유닛(230)이 원형기어로 적용되면, 도 17에 도시된 바와 같이 제1 동력전달유닛(220)의 기어이빨이 제2 동력전달유닛(230)의 기어이빨에 접하지 아니하는 동안에는 상기 제1 동력전달유닛(220)이 결합된 제1 샤프트(210)가 회전하더라도 제2 동력전달유닛(230)이 결합된 제2 샤프트(240)는 회전하지 아니하게 된다.

그러나 도 18에 도시된 바와 같이 제1 동력전달유닛(220)의 기어이빨이 제2 동력전달유닛(230)의 기어이빨에 접하게 된 이후에는, 제1 동력전달유닛(220)이 결합된 제1 샤프트(210)와 제2 동력전달유닛(230)이 결합된 제2 샤프트(240)가 일체로 회전하게 된다. 이때, 상기 제1 동력전달유닛(220)이 결합된 제1 샤프트(210)만이 회전하고 제2 동력전달유닛(230)이 결합된 제2 샤프트(240)는 회전하지 아니하는 구간의 각도 범위는 상기 제1 동력전달유닛(220)의 기어이빨이 형성되는 범위에 따라 결정된다.

이와 같이 제1 동력전달유닛(220)이 섹터기어로 적용되고 상기 제2 동력전달유닛(230)이 원형기어로 적용되면, 사전에 설정된 각도 범위 내에서는 제1 샤프트(210)만이 회전하고, 사전에 설정된 각도 범위를 벗어났을 때 제2 샤프트(240)가 제1 샤프트(210)를 따라 회전할 수 있게 된다.

한편, 본 실시예에 도시된 바와 같이 제1 동력전달유닛(220)이 섹터기어로 적용되고 상기 제2 동력전달유닛(230)이 원형기어로 적용되는 경우, 제1 샤프트(210)와 제2 샤프트(240)는 일렬로 배열되지 못하고 중심축이 일정 간격 이격되도록 평행하게 배열된다. 이와 같이 제1 샤프트(210)와 제2 샤프트(240)가 평행하게 이격 배열되면, 회수유로 개폐밸브(300) 및 공급유로 개폐밸브(400) 역시 회전축이 어긋나게 되는바, 공기회수유로(110) 및 공기공급유로(120)의 형상은 이에 맞춰 적절하게 변경되어야 할 것이다. 또한, 본 실시예에 도시된 바와 같이 섹터기어 형상의 제1 동력전달유닛(220)이 원형기어 형상의 제2 동력전달유닛(230)에 직접 기어결합되면 제1 샤프트(210)와 제2 샤프트(240)의 회전방향이 달라지게 되는바, 제1 샤프트(210)와 제2 샤프트(240)의 회전방향이 동일해질 수 있도록 제1 동력전달유닛(220)과 제2 동력전달유닛(230) 사이에 별도의 기어가 추가로 장착될 수도 있다.

도 19 내지 도 21은 승강캠(700)과 탄성수단(800)의 결합구조를 도시하는 분해사시도 및 수직단면도이다.

본 발명에 의한 연료전지 시스템용 공기제어밸브장치는 제2 샤프트(240)는 고정되어 있고 제1 샤프트(210)만이 회전될 때 상기 제2 샤프트(240)가 임의로 회전하지 아니하고 고정된 상태를 유지할 수 있도록, 상기 공급유로 개폐밸브(400)를 통과한 상기 제2 샤프트(240)의 길이방향 일단을 둘러싸도록 장착되어 상기 공급유로 개폐밸브(400)를 향하는 면에 두 개의 인입부(710)가 형성되는 승강캠(700)과, 상기 공급유로 개폐밸브(400)를 향하는 방향으로 상기 승강캠(700)에 탄성력을 인가하는 탄성수단(800)과, 상기 공급유로 개폐밸브(400) 중 상기 승강캠(700)을 향하는 측에 돌출 형성되어 상기 공급유로 개폐밸브(400)의 자전 각도에 따라 상기 인입부(710)에 인입되는 돌출캠(410)을 더 포함할 수 있다.

상기 승강캠(700)은 회전은 불가하고 상기 제2 샤프트(240)의 길이방향을 따라 이동(본 실시예에서는 상하방향 이동)만 가능하도록 장착되는바, 도 15에 도시된 바와 같이 돌출캠(410)이 승강캠(700)의 인입부(710)에 안착된 상태에서는 돌출캠(410)이 인입부(710)로부터 빠져 나올 만큼의 힘 즉, 상기 승강캠(700)을 아래로 밀어낼 만큼의 힘으로 공급유로 개폐밸브(400)를 회전시키지 아니하는 한, 상기 공급유로 개폐밸브(400)는 고정된 상태를 유지할 수 있게 된다.

이때, 상기 승강캠(700)을 탄성적으로 가압하는 탄성수단(800)은 상기 승강캠(700)에 상향 탄성력을 인가할 수만 있다면 코일스프링이나 판스프링 등 다양한 구조의 스프링으로 적용될 수 있다. 또한, 상기 돌출캠(410)이 부드럽게 인입부(710)에 안착되거나 부드럽게 인입부(710)로부터 빠져나올 수 있도록 상기 돌출캠(410)의 측벽과 인입부(710)의 측벽은 경사지게 형성됨이 바람직한데, 이와 같은 돌출캠(410) 및 인입부(710)의 형상은 이미 다양한 형태의 캠에 적용되고 있는바 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

또한, 공기회수유로(110) 및 공기공급유로(120) 내부의 공기가 제1 샤프트(210)와 하우징(100) 사이의 틈새 또는 제2 샤프트(240)와 하우징(100) 사이의 틈새로 빠져나오지 아니하도록, 상기 제1 샤프트(210)의 상단과 제2 샤프트(240)의 하단에는 실링수단(910)이 각각 구비될 수 있다. 또한 제1 샤프트(210)와 제2 샤프트(240)의 외측면이 하우징(100)에 직접 접촉되지 아니하도록, 상기 제1 샤프트(210)의 상단과 제2 샤프트(240)의 하단에는 베어링(920)이 각각 구비될 수도 있다. 이와 같이 실링수단(910) 및 베어링(920)은 종래의 공기차단밸브 모듈에서도 사용되고 있는바, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

한편, 본 발명에 의한 연료전지 시스템용 공기제어밸브장치는, 공급유로 개폐밸브(400)가 공기공급유로(120)를 완전히 개방시킨 상태에서 상기 회수유로 개폐밸브(300)가 독립적으로 회전되거나, 공급유로 개폐밸브(400)가 공기공급유로(120)를 폐쇄시킨 상태에서 상기 회수유로 개폐밸브(300)가 독립적으로 회전되도록 구성될 수 있다.

즉, 상기 돌출캠(410)은, 상기 공급유로 개폐밸브(400)가 상기 공기공급유로(120)를 완전히 개방시키도록 자전되었을 때 어느 하나의 인입부(710)에 인입되고, 상기 공급유로 개폐밸브(400)가 상기 공기공급유로(120)를 폐쇄시키도록 자전되었을 때 다른 하나의 인입부(710)에 인입되도록 구성될 수 있다.

이와 같이 돌출캠(410)과 인입부(710)가 형성되면, 회수유로 개폐밸브(300)가 회전하여 공기회수유로(110)의 개방률을 조정할 때 상기 공기공급유로(120)는 완전히 개방된 상태를 유지하거나 완전히 폐쇄된 상태를 유지할 수 있으므로, 연료전지로의 공기 공급에 영향을 주지 아니하면서 연료전지 내부의 압력을 조절할 수 있게 된다는 장점이 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

100 : 하우징 110 : 공기회수유로
120 : 공기공급유로 200 : 구동샤프트
210 : 제1 샤프트 220 : 제1 동력전달유닛
222 : 돌출단 230 : 제2 동력전달유닛
232 : 걸림턱 240 : 제2 샤프트
300 : 회수유로 개폐밸브 400 : 공급유로 개폐밸브
410 : 돌출캠 600 : 액추에이터
700 : 승강캠 710 : 인입부
800 : 탄성수단 910 : 실링수단
920 : 베어링

Claims (9)

1. 연료전지로 공기를 공급하는 공기공급유로와, 연료전지로부터 공기가 회수되는 공기회수유로를 구비하는 하우징;
   길이방향 일단이 상기 공기회수유로를 관통하도록 상기 하우징에 자전 가능한 구조로 장착되는 제1 샤프트와, 상기 제1 샤프트의 일단에 결합되어 상기 제1 샤프트와 일체로 회전하는 제1 동력전달유닛과, 상기 제1 동력전달유닛이 사전에 설정된 각도 범위를 벗어나도록 회전될 때 상기 제1 동력전달유닛으로부터 회전력을 전달받는 제2 동력전달유닛과, 길이방향 일단이 상기 공기공급유로를 관통하도록 상기 하우징에 자전 가능한 구조로 장착되며 길이방향 타단이 상기 제2 동력전달유닛에 결합되어 상기 제2 동력전달유닛과 일체로 회전하는 제2 샤프트를 구비하는 구동샤프트;
   상기 제1 샤프트와 일체로 회전하도록 결합되어, 상기 제1 샤프트의 회전 각도에 따라 상기 공기회수유로를 개폐시키는 회수유로 개폐밸브;
   상기 제2 샤프트와 일체로 회전하도록 결합되어, 상기 제2 샤프트의 회전 각도에 따라 상기 공기공급유로를 개폐시키는 공급유로 개폐밸브;
   상기 공급유로 개폐밸브를 통과한 상기 제2 샤프트의 길이방향 일단을 둘러싸도록 장착되어, 회전은 불가하고 상기 제2 샤프트의 길이방향을 따라 이동만 가능하며, 상기 공급유로 개폐밸브를 향하는 면에 두 개의 인입부가 형성되는 승강캠;
   상기 공급유로 개폐밸브를 향하는 방향으로 상기 승강캠에 탄성력을 인가하는 탄성수단;
   상기 공급유로 개폐밸브 중 상기 승강캠을 향하는 측에 돌출 형성되어, 상기 공급유로 개폐밸브의 자전 각도에 따라 상기 인입부에 인입되는 돌출캠;
   을 포함하며,
   상기 제1 동력전달유닛은, 상기 제1 샤프트의 회전축 방향과 교차하는 방향으로 돌출되는 돌출단을 구비하고,
   상기 제2 동력전달유닛은, 상기 제1 동력전달유닛이 자전 가능하도록 안착되는 내부공간을 구비하되 상기 제1 동력전달유닛이 사전에 설정된 각도 범위를 벗어나도록 회전되었을 때 상기 돌출단과 간섭되는 걸림턱이 내벽에 형성되며,
   상기 돌출캠은, 상기 공급유로 개폐밸브가 상기 공기공급유로를 완전히 개방시키도록 자전되었을 때 어느 하나의 인입부에 인입되고, 상기 공급유로 개폐밸브가 상기 공기공급유로를 폐쇄시키도록 자전되었을 때 다른 하나의 인입부에 인입되며,
   상기 회수유로 개폐밸브와 공급유로 개폐밸브는, 공기회수유로 및 공기공급유로를 폐쇄시키는 일면이 곡면을 이루는 절개된 볼 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 공기제어밸브장치.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 돌출단과 상기 걸림턱은 각각 쌍으로 형성되며,
   상기 제1 샤프트가 일정 각도 자전하였을 때 상기 한 쌍의 돌출단이 상기 한 쌍의 걸림턱에 각각 간섭되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 공기제어밸브장치.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 샤프트의 길이방향 타단에 연결되어 상기 제1 샤프트를 자전시키는 액추에이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 공기제어밸브장치.
8. 삭제
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 공기공급 유로의 개폐를 감지하는 감지유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 공기제어밸브장치.
   
   

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