KR102387714B1 - 차단밸브가 적용된 레귤레이터 - Google Patents

Abstract

차단밸브가 적용된 레귤레이터에 관한 것으로, 내부에 플런저의 직선 이동 공간이 마련되는 밸브 바디, 상기 밸브 바디의 내측단에 결합되고 유입 오리피스를 개폐하는 밸브체, 상기 밸브 바디와 밸브체의 외측에 결합되고 전류를 공급받아 상기 플런저를 직선 이동시키는 솔레노이드 및 상기 솔레노이드에 공급되는 전류에 의해 자기력을 발생하는 영구자석을 포함하는 차단밸브를 레귤레이터에 적용하는 구성을 마련하여, 차단밸브를 개방 또는 폐쇄 상태로 유지하기 위한 소모 전류를 제거할 수 있다.

Description

차단밸브가 적용된 레귤레이터{REGULATOR WITH SHUT OFF VALVE}

본 발명은 레귤레이터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수소 연료전지 차량에서 수소 연료의 압력 및 유량을 조절하는 차단밸브가 적용된 레귤레이터에 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 차량에서 연료탱크에 충진된 수소 연료는 고압 레귤레이터와 저압 레귤레이터를 경유해서 스택으로 공급된다.

수소 연료전지 차량에 적용되는 통상적인 고압 레귤레이터는 대략 700 bar의 고압 수소를 취급함에 따라, 안정적인 배출압력과 충분한 내압성, 내부기밀이 매우 중요하다.

따라서 상기 고압 레귤레이터에는 오작동에 의한 과압 생성시 과압을 해소하는 과압 해소 밸브와 내부의 연료를 방출하는 연료 방출 밸브가 적용된다.

본 출원인은 하기의 특허문헌 1 내지 특허문헌 4 등 다수에 수소 연료전지 차량에 적용되는 고압 레귤레이터 구성을 개시하여 특허 출원한 바 있다.

대한민국 특허 등록번호 제10-1808712호(2017년 12월 14일자 공고) 대한민국 특허 공개번호 제10-2019-0074162호(2019년 6월 27일자 공개) 대한민국 특허 공개번호 제10-2019-0133654호(2018년 12월 17일 공개) 대한민국 특허 등록번호 제10-1877293호(2018년 8월 9일 공고)

한편, 종래기술에 따른 레귤레이터에는 제어부에서 수신되는 제어신호에 따라 고압의 수소 연료가 유입되는 유로를 개폐하는 차단밸브가 적용된다.

종래기술에 따른 레귤레이터에 적용되는 차단밸브는 가스 저장용기에 연결된 연료라인과 레귤레이터의 유입구 사이에 설치되고, 전원이 인가되면 플런저를 이동시켜 유로를 개방하고, 전원이 차단되면 플런저를 본래 위치로 복귀시켜 유로를 폐쇄해서 기밀을 유지한다.

이와 같이, 종래기술에 따른 레귤레이터는 차량 주행 중 수소 연료가 이동하는 유로를 개방 상태로 유지하기 위해, 차단밸브에 지속적으로 전류를 공급해야 함에 따라, 차량의 연비를 감소시키는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 수소 연료가 유입되는 유입구를 개폐하는 차단밸브가 적용된 레귤레이터를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 유로의 개방 상태를 유지하기 위한 소모 전류를 제거하여 차량의 연비를 향상시킬 수 있는 차단밸브가 적용된 레귤레이터를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 차단밸브가 적용된 레귤레이터는 측면에 연료가 유입되는 유입구와 감압된 연료를 배출하는 배출구가 각각 형성되고 내부에 연료를 미리 설정된 압력으로 감압하는 감압실이 형성되는 바디, 상기 감압실 내부에 설치되고 연료를 오리피스를 통해 이동시켜 감압하는 감압부 및 상기 유입구와 연통되도록 상기 바디에 결합되어 상기 유입구를 통해 연료가 유입 또는 차단되도록 개폐 동작하는 차단밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 차단밸브가 적용된 레귤레이터에 의하면, 차단밸브에 영구자석을 설치해서 코일에 공급되는 전류가 차단되더라도, 영구자석에서 발생한 자기장을 이용해서 플런저의 위치를 고정해서 연료가 이동하는 유로를 개방 또는 폐쇄 상태로 유지할 수 있다는 효과가 얻어진다.

이에 따라, 본 발명에 의하면, 차단밸브를 개방 또는 폐쇄 상태로 유지하기 위한 소모 전류를 제거함으로써, 차량의 연비를 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 차단밸브가 적용된 레귤레이터의 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 A-A' 선에 대한 단면도,
도 3은 도 1에 도시된 B-B' 선에 대한 단면도,
도 4는 도 1에 도시된 C-C'선에 대한 단면도,
도 5는 솔레노이드를 구동하는 구동회로의 예시도,
도 6 및 도 7은 전류 방향에 따른 플런저의 동작 상태도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 차단밸브가 적용된 레귤레이터를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 차단밸브가 적용된 레귤레이터의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 A-A' 선에 대한 단면도이며, 도 3은 도 1에 도시된 B-B' 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.

이와 함께, 레귤레이터의 바디 중심을 향하는 방향을 '내측'이라 하고, 그 반대 방향을 '외측'이라 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 차단밸브가 적용된 레귤레이터(10)는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 측면에 연료가 유입되는 유입구(21)와 감압된 연료를 배출하는 배출구(22)가 각각 형성되고 내부에 연료를 미리 설정된 압력으로 감압하는 감압실(23)이 형성되는 바디(20), 바디(20)의 상부에 결합되는 상부 커버(30), 감압실(23) 내부에 설치되고 연료를 오리피스(42)를 통해 이동시켜 감압하는 감압부(40) 및 유입구(21)와 연통되도록 바디(20)에 결합되고 유입구(21)를 통해 연료가 유입 또는 차단되도록 개폐 동작하는 차단밸브(100)를 포함한다.

그리고 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 차단밸브가 적용된 레귤레이터(10)는 바디(20)의 하부에 결합되고 배출구(22)를 통해 배출되는 연료의 압력이 미리 설정된 한계압력을 초과하는 과압 상태의 연료를 배출하는 안전밸브(50)를 더 포함할 수 있다.

바디(20)는 내부에 감압실(23)이 형성되도록, 상면과 하면이 각각 개구된 대략 원통 형상으로 형성될 수 있다. 바디(20)에는 서로 대칭되는 양측면에 각각 연료가 유입되는 유입구(21)와 연료를 배출하는 배출구(22)가 형성되고, 유입구(21)와 배출구(22)에는 각각 조립시 작업성을 향상시킬 수 있도록, 모듈화된 입구포트와 출구포트(25)가 결합될 수 있다.

입구포트와 출구포트(25)는 각각 유입구(21)와 배출구(22)에 결합되고, 입구포트의 내측단에는 연료에 포함된 이물질을 제거하는 입구측 필터)가 설치될 수 있다. 그리고 유입구(21)와 입구포트 사이에는 입구측 필터와 입구포트 사이의 갭을 보상하도록 원형 링 형상의 완충부재가 설치될 수 있다. 완충부재는 탄성을 갖는 합성수지 재질이나 금속 재질의 재료로 제조되고, 입구포트 결합시 탄성 변형되면서 입구측 필터와 입구 포트 사이의 갭을 보상해서 기밀하는 기능을 한다.

이와 함께, 입구포트와 출구포트(25) 내부에는 연료 라인 및 스택과 연결되는 연결배관(도면 미도시)을 용이하게 결합할 수 있도록, 퀵 커넥터가 설치될 수 있다.

감압실(23)은 감압부(40)가 설치되는 공간으로서, 아래에서 설명할 감압부(40)의 샤프트(41)가 설치되는 제1 설치공간(231)과 샤프트(41)의 승강 동작에 의해 개폐되도록 오리피스(42)가 형성된 감압 플레이트(43)와 감압 부재(44)가 설치되는 제2 설치공간(232)을 포함할 수 있다.

바디(20)의 하단부에는 안전밸브(50)가 결합되는 밸브포트(26)가 마련되고, 바디(20)의 내부에는 감압실(23)에서 감압된 연료를 출구포트(25)로 전달하는 제1 유로(27)와 출구포트(25)를 통해 배출되는 일부 연료를 안전밸브(50)로 전달하는 제2 유로(28)가 형성될 수 있다.

밸브포트(26)는 감압실(23)의 제1 설치공간(231) 및 제2 유로(28)의 하단과 연통되는 제3 유로(29)와 연결되고, 밸브포트(26) 내부에는 안전밸브(50)의 상단부가 삽입될 수 있다.

여기서, 제1 및 제2 유로(27,28)는 각각 오리피스(42)를 통과한 후 샤프트(41)의 외주면을 따라 흐르는 연료의 특성을 고려해서 도 2에 도시된 바와 같이 좌측 하방 및 우측 하방을 향해 각각 미리 설정된 각도로 경사지게 형성될 수 있다. 그래서 감압실(23)의 감압된 연료는 각각 경사지게 형성된 제1 및 제2 유로(27,28)를 통해 출구포트(25)와 밸브 포트(26) 측으로 원활하게 이동할 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 바디 내부에 형성되는 유로를 경사지게 형성함으로써, 유체 저항을 최소화하여 동작시 간헐적으로 발생하는 내부 연료 부족 상태를 효과적으로 방지할 수 있다.

그리고 바디(20)의 다른 측면에는 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 감압된 연료의 압력을 측정하도록 측정센서(24)가 결합되는 센서포트(241)가 마련될 수 있다. 여기서, 감압실(23)과 센서포트(241) 사이에는 측정센서(24)에 감압된 연료의 압력을 측정할 수 있도록, 감압실(23)과 센서포트(241)를 연결하는 연결유로가 형성될 수 있다. 그래서 측정센서(24)는 감압된 연료의 압력을 측정하고, 차량에 마련되는 제어부(150)는 측정센서(24)의 측정신호를 수신해서 감압된 연료의 압력을 확인해서 정상 동작 여부를 판단할 수 있다(도 5 참조).

이와 같이 구성되는 바디(20)는 가공성을 향상시키고, 수소 취성을 만족시키기 위해, AL6061-T6와 같이 열처리된 알루미늄 등의 금속 재질 재료를 이용해서 단조 성형 방식으로 제조되고, 에마틀(ematal) 법과 같은 알루미늄 양극 산화법으로 표면 처리될 수 있다.

상부 커버(30)는 하면이 개구된 원통 형상으로 형성되고, 상부 커버(30) 내부에는 아래에서 설명할 감압부(40)의 피스톤(45)과 피스톤(45)에 복원력을 제공하는 상부 스프링(46)이 설치될 수 있다.

이러한 상부 커버(30)의 일측에는 샤프트(41)가 원활하게 승강 동작할 수 있도록 공기를 흡입 또는 배출하는 통기공(31)이 형성되고, 통기공(31)에는 외부 공기가 유입되는 과정에서 수분이나 유분, 먼지와 같은 이물질이 유입되는 것을 차단하는 필터(32)가 설치될 수 있다. 필터(32)는 폴리테트라 플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene)과 같이 내열성, 내약품성이 우수한 합성수지 재질의 재료로 제조되고, 접착 방식으로 통기공(31)에 설치되거나, 와이어 압축 메쉬 필터와 같은 메쉬 필터로 마련될 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 상부 커버에 형성되는 통기공에 필터를 설치해서 노면에 근접한 차량 하부에 장착되는 레귤레이터의 장착고로 인해 도로의 파편이나 침수, 고압살수에 의한 수분, 유분 및 이물질의 유입을 방지할 수 있고, 필터 설치 작업을 쉽게 수행할 수 있다.

상부 커버(30)의 상단에는 아래에서 설명한 감압부(40)에 적용되는 상부 스프링(46)의 장력을 조절하는 장력 조절 수단(33)이 체결될 수 있다.

감압부(40)는 감압실(23) 내부에 상하 방향을 따라 승강 가능하게 설치되는 샤프트(41), 중앙부에 각각 오리피스(42)가 형성되고 감압실(23)의 제2 설치공간(232)에 설치되는 감압 플레이트(43)와 감압 부재(44), 감압실(23) 내부로 공급되는 감압된 연료의 압력에 따라 승강 동작하는 피스톤(45) 및 피스톤(45)에 복원력을 제공하는 상부 스프링(46)을 포함할 수 있다.

샤프트(41)는 상하 방향을 따라 길게 연장 형성되고, 샤프트(41)의 중앙부는 오리피스(42)를 폐쇄하도록 상단부및 하단부에 비해 큰 직경으로 형성될 수 있다.

감압 플레이트(43)는 감압실(23)의 단면에 대응되도록 원판 형상으로 형성되고, 감압 부재(44)는 상면이 개구된 대략 원통 형상으로 형성되며, 감압 플레이트(43)의 상부에 배치되고, 감압실(23) 내주면에 압입되어 고정될 수 있다.

감압 플레이트(43)와 감압 부재(44)의 중앙부에는 오리피스(42)가 형성될 수 있다. 그리고 샤프트(41)의 상단부는 감압 플레이트(43)와 감압 부재(44)의 오리피스(42)를 관통해서 피스톤(45)의 하면에 접촉되게 설치될 수 있다.

피스톤(45)은 상면이 개구된 대략 원통 형상으로 형성되고, 오리피스(42)를 통과하면서 감압된 연료의 압력 변화에 따라 승강 동작하며, 샤프트(41)는 피스톤(45)의 승강 동작에 연동해서 승강 동작해서 오리피스(42)를 개방 또는 폐쇄한다.

피스톤(45)의 외주면에는 바디(20)의 내주면과 피스톤(45) 사이를 기밀하고 피스톤(45)의 승강 동작을 가이드하는 복수의 링이 설치될 수 있다.

한편, 감압부(40)는 샤프트(41)의 하부에 설치되고 오리피스(42)를 폐쇄하도록 샤프트(42)에 탄성력을 제공하는 중간 스프링(47)과 중간 스프링(47)의 하단을 지지하는 지지 플레이트(48) 및 감압실(23)과 밸브포트(14) 사이를 밀봉하는 밀봉부재(49)를 더 포함할 수 있다.

밀봉부재(49)는 스프링 에너자이드 씰에 기밀력 강화를 위한 보조부를 포함하여 샤프트(41)의 하부에 저압을 유지하도록 바디(20) 상에 수용되는 구조로 마련될 있다. 상기 스프링 에너자이드 씰은 가변적 압력범위에 상시 기밀유지를 하기 위해, 원호형의 수지재 몸체부의 날개부 상에 SUS 계의 얇은 스프링인 탄성부를 수용한 구조로 구성될 수 있다. 그래서 밀봉부재(49)는 바디(20)와 샤프트(41)에 동시에 가압 상태로 밀착되고, 샤프트(41)의 대부분의 영역에서 작용하는 고압과 하단의 저압 간의 밀봉을 유지한다.

지지 플레이트(48)는 대략 원판 형상으로 형성되고, 지지 플레이트(48)의 중앙부에는 샤프트(41)의 하단부가 삽입되는 삽입공이 형성될 수 있다. 이러한 지지 플레이트(48)는 감압실(23)의 제1 설치공간(231) 하단부에 결합된 밀봉부재(49)의 상단에 배치될 수 있다.

여기서, 지지 플레이트(48)는 샤프트(41)의 승강 동작시 지지 플레이트(48)와의 마찰로 인한 샤프트 외면의 손상을 방지하도록, 폴리에텔에텔 케톤(Polyether ether ketone)과 같이 내열성, 내약품성, 내충격성이 우수한 합성수지 재질의 재료로 제조될 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 샤프트의 하단부가 삽입되는 지지 플레이트를 합성수지 재질의 재료로 제조함으로써, 샤프트의 승강 동작시 지지 플레이트와의 마찰로 인한 샤프트의 손상을 방지할 수 있다.

이에 따라, 본 발명은 샤프트의 손상으로 인한 고압 밀봉 성능 및 내부 압력 부족 상태를 방지할 수 있다.

안전밸브(50)는 레귤레이터(10) 내부에서 이상 과압 발생시 연료를 방출시켜 과압을 해소하는 하는 릴리프 밸브와 작업자의 수작업에 의해 바디(20)로부터 분리되어 레귤레이터(10) 내부의 연료를 방출하는 퍼지 밸브 기능을 통합적으로 제공할 수 있다.

이를 위해, 안전밸브(50)는 바디(20)의 밸브포트(26)에 결합되는 가이드 몸체(51), 가이드 몸체(51)의 상단부에 결합되고 밸브포트(26)를 폐쇄한 상태에서 과압 발생시 밸브포트(26)를 개방하는 밸브몸체(52), 밸브몸체(52)의 내부에 설치되고 밸브몸체(52)에 탄성력을 제공하는 하부 스프링(53) 및 가이드 몸체(51)의 하부에 결합되고 밸브몸체(52)의 개방 동작시 연료를 방출하는 방출배관(54)을 포함할 수 있다.

이와 함께, 안전밸브(50)는 방출배관(54)의 하단부에 결합되는 배관캡(55)과 방출배관(54)이 가이드 몸체(51)에서 완전히 분리되는 것을 방지하는 분리 방지핀(56)을 더 포함할 수 있다.

그리고 배관캡(55)은 방출배관(54)으로부터 분리되는 경우, 분실을 방지하도록 방출배관(54)의 외주면에 결합되고 일단이 배관캡(55)에 연결된 연결부재(57)에 의해 방출배관(54)과 연결될 수 있다.

다음, 도 3 및 도 4를 참조하여 차단밸브의 구성을 상세하게 설명한다.

도 4는 도 1에 도시된 C-C'선에 대한 단면도이다.

차단밸브(100)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 레귤레이터(10)의 바디(20)에 결합되고 내부에 플런저(144)의 직선 이동 공간이 마련되는 밸브 바디(110), 밸브 바디(110)의 내측단에 결합되고 바디(20)에 형성된 유입 오리피스(112)를 개폐하는 밸브체(130), 밸브 바디(110)와 밸브체(130)의 외측에 결합되고 연료를 감압해서 송출하도록 전류를 공급받아 플런저를 직선 이동시키는 솔레노이드(140) 및 솔레노이드(110)에 공급되는 전류에 의해 자기력을 발생해서 전원이 차단되더라도 유입 오리피스(112)를 개방 상태로 유지하는 영구자석(120)을 포함한다.

밸브 바디(110)은 바디(20)에 형성된 유입구(21)와 미리 설정된 각도, 예컨대 약 60°만큼 이격된 위치에 설치될 수 있다.

즉, 레귤레이터(10)의 바디(20)에서 유입구(21)와 배출구(22)는 서로 대칭되게 형성되고, 밸브 바디(110)과 바디(20)의 배출구(22) 사이에는 측정센서(24)가 결합되는 센서포트(241)가 형성될 수 있다. 그리고 바디(20)의 반대측면, 도 3에서 보았을 때 상면에는 레귤레이터(10)를 차체에 고정하기 위한 볼트가 체결되는 체결공이 형성될 수 있다.

밸브 바디(110)은 내부에 솔레노이드(140)의 플런저(144)가 직선 이동 가능하게 설치되는 설치공간이 마련되어 대략 원통 형상으로 형성될 수 있다.

여기서, 바디(20)에는 유입구(21)를 통해 바디(20) 내부로 유입된 연료가 밸브 바디(110) 측으로 유입되는 연료유입구(111)가 형성되고, 바디(20)의 좌측단에는 감압실(23)과 연료유입구(111) 사이에 감압실(23)로 이동하는 연료의 압력을 감압하는 유입 오리피스(112)가 형성될 수 있다.

한편, 밸브 바디(110)의 외주면에는 바디(20)의 외면에 안착되는 안착 플랜지(113)가 형성될 수 있다.

밸브체(130)는 플런저(144)의 직선 이동에 의해 밸브 바디(110)의 내부에서 직선 이동 가능하게 배치되고, 밸브체(130)의 내측단에는 유입 오리피스(112)를 개폐하는 돌출부(131)가 돌출 형성되며, 돌출부(131)의 외주면에는 유입 오리피스(112) 폐쇄시 기밀하는 오링(132)이 설치될 수 있다.

여기서, 돌출부(131)의 내측단부는 유입 오리피스(112)의 내경에 비해 큰 직경으로 형성되고, 폐쇄 동작시 유입 오리피스(112)의 내부에 삽입되어 유입 오리피스(112)를 완전히 폐쇄하기 위해 내측으로 갈수록 직경이 작아지도록 테이퍼지게 형성될 수 있다.

이러한 밸브체(130)는 일측, 즉 우측면이 개구된 대략 원통 형상으로 형성되고, 밸브체(130)의 내부에는 플런저(144)가 결합되는 공간이 마련될 수 있다.

솔레노이드(140)는 밸브 바디(120)의 외측에 결합되는 케이스(141), 케이스(141)의 내부공간에 설치되고 외주면에 코일(142)이 설치되는 보빈(143), 밸브체(130)의 내부에 배치되고 코일(142)에서 발생한 전자기력에 의해 직선 이동해서 밸브체(130)를 직선 이동시키는 플런저(144), 플런저(144)에 복원력을 제공하는 복원 스프링(145) 및 플런저(144)의 상부에 플런저(144)가 직선 이동하는 거리만큼 이격되어 설치되는 코어(146)를 포함할 수 있다.

케이스(141)는 대략 원통 형상으로 형성되고, 케이스(141)의 일측에는 제어부(150)로부터 전송되는 제어신호 및 전원을 공급받는 커넥터(147)가 마련되며, 케이스(140)의 외측면에는 코어(146)가 결합될 수 있다.

코일(142)은 보빈(143)의 외주면에 다수 회 감겨 설치되고, 커넥터(147)를 통해 전달되는 제어부(150)의 제어신호에 따라 전자기력을 발생한다.

플런저(144)는 코일(142)에 전원이 공급되어 전자기력이 발생하면, 플런저(144) 내부에 형성된 삽입홈에 삽입된 스프링(145)을 탄성 변형시키면서 바디(20)에서 멀어지는 외측 방향으로 이동한다.

삭제

코어(146)는 단면이 원 형상인 대략 원기둥 형상으로 형성되고, 코어(146)의 외측단은 케이스(141)의 외측면을 관통해서 결합될 수 있다.

영구자석(120)은 솔레노이드(140)의 케이스(141) 내부에 설치되고, 코일(142)에 공급되는 전류에 의해 자기장을 발생하고, 전류가 차단되더라도 플런저(144) 및 밸브체(130)를 외측으로 이동시킨 상태로 유지해서 유입 오리피스(112)를 지속적으로 개방 상태로 유지하는 기능을 한다.

영구자석(120)은 대략 링 형상으로 형성되고, 케이스(141)의 내부에서 보빈(143)의 외측에 배치될 수 있다.

예를 들어, 영구자석(120)은 외주부가 N극이고, 내주부는 S극이 되도록 배치될 수 있다.

도 5는 차단밸브를 구동하는 구동회로의 예시도이고, 도 6 및 도 7은 전류 방향에 따른 플런저의 동작 상태도이다.

차단밸브(100)를 구동하는 구동회로는 도 5에 도시된 바와 같이, 배터리로부터 전원을 공급하는 전원공급라인에 병렬로 연결되는 제1 및 제2 FET(152,153)와, 기저전위라인(GND)에 각각 연결되는 제3 및 제4 FET(154,155)를 포함하는 풀 브리지(full bridge) 회로로 마련되고, 제1 및 제2 FET(152,153)와 제3 및 제4 FET(154,155) 사이에 영구자석(120)이 설치되는 솔레노이드(140)가 배치된다. 이와 함께, 상기 전원공급라인에는 전자기파에 의한 영향을 제거하는 EMC 필터(156)와 구동전원의 전압 레벨을 조절하는 전압 레귤레이터(157)가 마련될 수 있다.

제어부(150)는 차량의 메인 제어부(도면 미도시)와의 통신을 통해 차량의 주행 상태에서 따라 차단밸브(100)의 구동을 제어하는 PWM 신호 형태의 제어신호를 발생한다.

게이트 드라이버(151)는 제어부(150)의 제어신호에 따라 배터리로부터 공급되는 구동전원을 스위칭하도록 제1 내지 제4 FET(152 내지 155)에 스위칭 신호를 출력한다.

예를 들어, 시동 온(ON) 모드시에는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 FET(152,153)를 통해 공급된 전류가 솔레노이드(140)의 코일(142)을 통해 흐르고, 솔레노이드(140)가 플런저(144) 및 밸브체(130)를 외측으로 이동시켜 개방 동작한다.

이때, 영구자석(120)은 코일(142)을 통해 흐르는 전류에 의해 자기장을 발생한다.

예를 들어, 영구자석(120)의 외주부에 N극이 배치되고, 내주부에 S극이 배치된 상태에서 전류가 공급되기 이전에는 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 플런저(144)는 하방, 즉 바디(20)의 내측으로 이동해서 유입 오리피스(112)를 폐쇄한다.

만약, 코일(142)에 전류가 공급되고, 상부에서 보았을 때 플런저(144)를 중심으로 시계 방향을 따라 전류가 흐르면, 영구자석(120)에서 자기장이 발생하면서 플런저(144)의 외측단을 N극으로 자화시키고, 플런저(144)의 내측단을 S극으로 자화시킨다. 따라서, 플런저(144)에는 도 6의 (b)에 도시된 상방, 즉 바디(20)의 외측으로 이동시키는 인력이 작용한다.

그리고 제1 내지 제4 FET(152 내지 155)에 인가되는 스위칭 신호가 오프되어 전류 공급이 차단되더라도, 플런저(144)는 도 6의 (c)에 도시된 바와 같이, 영구자석(120)에 의한 인력에 의해 상단, 즉 바디(20)의 외측으로 이동한 상태로 고정된다.

반면, 시동 오프(OFF) 모드시에는 제1 및 제2 FET(152,153)를 통해 공급된 전류가 솔레노이드(140)의 코일(142)에 반대 방향으로 흐르고, 솔레노이드(140)는 플런저(144)와 밸브체(130)를 내측으로 이동시켜 폐쇄 동작한다.

한편, 차단밸브(100)의 코일(142)에 공급되는 전류의 방향을 반대로 변경하면, 플런저(144)를 바디(20)의 내측에 고정할 수 있다.

상세하게 설명하면, 도 5에 도시된 바와 같이 영구자석(120)의 외주부에 N극이 배치되고, 내주부에 S극이 배치된 상태에서 전류가 공급되기 이전에는 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 플런저(144)와 밸브체(130)는 복원 스프링(145)에서 제공되는 복원력에 의해 상방, 즉 바디(20)의 외측으로 이동해서 유입 오리피스(113)를 개방한다.

만약, 코일(142)에 전류가 공급되고, 상부에서 보았을 때 플런저(144)를 중심으로 반시계 방향을 따라 전류가 흐르면, 영구자석(120)에서 자기장이 발생하면서 플런저(144)의 외측단을 S극으로 자화시키고, 플런저(144)의 내측단을 N극으로 자화시킨다. 따라서, 플런저(144)에는 도 7의 (b)에 도시된 하방, 즉 바디(20)의 내측으로 이동시키도록 척력이 작용한다.

그리고 전류 공급이 차단되더라도, 플런저(144)는 도 7의 (c)에 도시된 바와 같이, 영구자석(120)에 의해 발생한 척력에 의해 하단, 즉 바디(20)의 내측으로 이동한 상태로 고정된다.

상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 차단밸브에 영구자석을 설치해서 코일에 공급되는 전류가 차단되더라도, 영구자석에서 발생한 자기장을 이용해서 플런저의 위치를 고정할 수 있다

이에 따라, 본 발명은 차단밸브를 개방 상태로 유지하기 위한 소모 전류를 제거함으로써, 차량의 연비를 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.

즉, 상기의 실시 예에서는 고압의 수소 연료의 압력을 감압하는 고압 레귤레이터에 적용되는 차단밸브 구성을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

예를 들어, 본 발명은 수소 연료전지 차량에 적용되는 고압 레귤레이터와 저압 레귤레이터 뿐만 아니라, 가솔린이나 디젤, LPG 등 상대적으로 저압의 연료를 이용하는 차량에 적용되는 레귤레이터에도 적용 가능하도록 변경될 수 있다.

또한, 본 발명은 수소 연료전치 차량에서 저압 차단밸브에도 적용 가능하도록 변경될 수도 있다.

본 발명은 차단밸브에 영구자석을 적용해서 전류 공급이 차단되더라도 자기장을 이용해서 플런저를 개방 상태로 지속적으로 유지하여 소모 전류를 제거하는 차단밸브가 적용되는 고압 레귤레이터 기술에 적용된다.

10: 레귤레이터 20: 바디
21: 유입구 22: 배출구
23: 감압실 231,232: 제1,제2 설치공간
24: 측정센서 241: 센서포트
25: 출구포트 26: 밸브포트
27 내지 29: 제1 내지 제3 유로
30: 상부 커버 31: 통기공
32: 필터 33: 장력 조절 수단
40: 감압부 41: 샤프트
42: 오리피스 43: 감압 플레이트
44: 감압 부재 45: 피스톤
46: 상부 스프링 47: 중간 스프링
48: 지지 플레이트 49: 밀봉부재
50: 안전밸브
51: 가이드 몸체 52: 밸브몸체
53: 하부 스프링 54: 방출배관
541: 환형리브 55: 배관캡
56: 분리 방지핀 57: 연결부재
100: 차단밸브
110: 밸브 바디 111: 연료유입구
112: 유입 오리피스 113: 안착 플랜지
120: 영구자석 130: 밸브체
131: 돌출부 132: 오링
140: 솔레노이드 141: 케이스
142: 코일 143: 보빈
144: 플런저 145: 복원 스프링
146: 코어 147: 커넥터
150: 제어부 151: 게이트 드라이버
152 내지 155: 제1 내지 제4 FET
156: EMC 필터 157: 전압 레귤레이터

Claims (1)

1. 수소 연료전지 차량에서 수소 연료의 압력 및 유량을 조절하도록 차단밸브가 적용된 레귤레이터에 있어서,
   측면에 연료가 유입되는 유입구와 감압된 연료를 배출하는 배출구가 각각 형성되고 내부에 연료를 미리 설정된 압력으로 감압하는 감압실이 형성되는 바디,
   상기 감압실 내부에 설치되고 연료를 오리피스를 통해 이동시켜 감압하는 감압부 및
   상기 유입구와 연통되도록 상기 바디에 결합되어 상기 유입구를 통해 연료가 유입 또는 차단되도록 개폐 동작하는 차단밸브를 포함하고,
   상기 감압부는 상기 감압실 내부에 상하 방향을 따라 승강 가능하게 설치되는 샤프트,
   중앙부에 각각 오리피스가 형성되고 상기 감압실의 제2 설치공간에 설치되는 감압 플레이트와 감압 부재,
   상기 감압실 내부로 공급되는 감압된 연료의 압력에 따라 승강 동작하는 피스톤 및
   상기 피스톤에 복원력을 제공하는 상부 스프링을 포함하며,
   상기 감압실은 상기 감압부의 샤프트가 설치되는 제1 설치공간과
   상기 샤프트의 승강 동작에 의해 개폐되도록, 상기 감압 플레이트와 감압 부재가 설치되는 제2 설치공간을 포함하며,
   상기 유입구와 배출구에는 각각 입구포트와 출구포트가 결합되고,
   상기 입구포트의 내측단에는 연료에 포함된 이물질을 제거하는 입구측 필터가 설치되며,
   상기 유입구와 입구포트 사이에는 상기 입구측 필터와 입구포트 사이의 갭을 보상하도록 원형 링 형상의 완충부재가 설치되고,
   상기 완충부재는 탄성을 갖는 합성수지 재질이나 금속 재질의 재료로 제조되어 상기 입구포트에 결합시 탄성 변형되면서 상기 입구측 필터와 입구 포트 사이의 갭을 보상해서 기밀하며,
   상기 차단밸브는 내부에 플런저의 직선 이동 공간이 마련되는 밸브 바디,
   상기 밸브 바디의 내측단에 결합되고 유입 오리피스를 개폐하는 밸브체,
   상기 밸브 바디와 밸브체의 외측에 결합되고 전류를 공급받아 상기 플런저를 직선 이동시키는 솔레노이드 및
   상기 솔레노이드에 공급되는 전류에 의해 자기력을 발생해서 전원이 차단되더라도 상기 유입 오리피스를 개방 또는 폐쇄 상태로 유지하는 영구자석을 포함하고,
   상기 솔레노이드는 상기 밸브 바디의 외측에 결합되는 케이스,
   상기 케이스의 내부공간에 설치되고 외주면에 코일이 설치되는 보빈,
   상기 밸브체의 내부에 배치되고 상기 코일에서 발생한 전자기력에 의해 직선 이동해서 상기 밸브체를 직선 이동시키는 플런저,
   상기 플런저에 복원력을 제공하는 복원 스프링 및
   상기 플런저의 상부에 상기 플런저가 직선 이동하는 거리만큼 이격되어 설치되는 코어를 포함하며,
   상기 영구자석은 상기 솔레노이드의 케이스 내부에서 상기 보빈보다 외측에, 외주부가 N극이고, 내주부가 S극이 되도록 배치되며, 시동 온 모드시 상기 솔레노이드의 코일에 일측 방향을 따라 전류가 흐르면, 자기장을 발생해서 상기 플런저의 외측단을 N극으로 자화시키고, 상기 플런저의 내측단을 S극으로 자화시키며,
   상기 플런저와 밸브체는 상기 바디의 외측으로 이동시키도록 작용하는 인력에 의해 외측으로 이동해서 전류 공급이 차단되더라도 개방 상태를 유지하며,
   상기 영구자석은 시동 오프 모드시 상기 솔레노이드의 코일에 타측 방향을 따라 전류가 흐르면, 자기장을 발생해서 상기 플런저의 외측단을 S극으로 자화시키고, 상기 플런저의 내측단을 N극으로 자화시키며,
   상기 플런저와 밸브체는 상기 바디의 내측으로 이동시키도록 작용하는 척력에 의해 내측으로 이동해서 전류 공급이 차단되더라도 폐쇄 상태를 유지하며,
   상기 차단밸브는 배터리로부터 전원을 공급하는 전원공급라인에 병렬로 연결되는 제1 및 제2 FET와,
   기저전위라인에 각각 연결되는 제3 및 제4 FET를 포함하는 풀 브리지 회로로 구성된 구동회로 및
   제어부의 제어신호에 따라 배터리로부터 공급되는 구동전원을 스위칭하도록 상기 제1 내지 제4 FET에 스위칭 신호를 출력하는 게이트 드라이버에 의해 구동되며,
   상기 밸브 바디는 원통 형상으로 형성되고, 상기 레귤레이터의 바디에 형성된 유입구와 미리 설정된 각도만큼 이격된 위치에 설치되며,
   상기 밸브 바디의 외주면에는 상기 레귤레이터의 바디의 외면에 안착되는 안착 플랜지가 형성되고,
   상기 밸브체는 상기 플런저의 직선 이동에 의해 상기 밸브 바디의 내부에서 직선 이동 가능하게 배치되고,
   상기 밸브체의 내측단에는 상기 유입 오리피스를 개폐하는 돌출부가 형성되며,
   상기 돌출부는 상기 유입 오리피스의 내경에 비해 큰 직경으로 형성되고, 폐쇄 동작시 상기 유입 오리피스의 내부에 삽입되어 상기 유입 오리피스를 폐쇄하도록, 내측으로 갈수록 직경이 작아지도록 테이퍼지게 형성되며,
   상기 차단밸브는 시동 온 모드시와 시동 오프 모드시에 상기 솔레노이드의 코일에 전류가 흐르는 방향에 따라 상기 플런저의 외측단와 내측단의 극성을 변경해서 자화시키고, 시동 온 모드에서는 상기 플런저와 밸브체를 상기 레귤레이터의 바디의 외측으로 이동시키도록 작용하는 인력에 의해 외측으로 이동시켜 전류 공급이 차단되더라도 개방 상태를 유지하고, 시동 오프 모드에서는 상기 플런저와 밸브체를 상기 레귤레이터의 바디 내측으로 이동시키도록 작용하는 척력에 의해 내측으로 이동시켜 전류 공급이 차단되더라도 폐쇄 상태를 유지하여 상기 개방 상태 또는 폐쇄 상태로 유지하기 위한 소모전류를 제거하는 것을 특징으로 하는 차단밸브가 적용된 레귤레이터.

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