KR102515443B1 - 고압용기용 압력해제장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 고압용기용 압력해제장치는 고압용기에 장착되는 밸브바디에 결합되고 고압용기의 가스가 유입되는 가스통로가 형성되고, 상기 가스통로와 연통되는 공간부가 형성되는 제1바디부와, 상기 제1바디부의 공간부에 장착되고 상기 공간부로 유입된 가스를 외부로 배출하는 가스 배출구가 형성되며, 상기 공간부와 연통되는 챔버가 형성되는 제2바디부와, 상기 챔버에 직선 이동 가능하게 장착되고 상기 가스통로를 개폐하는 피스톤 부재와, 상기 공간부와 피스톤 부재 사이에 배치되어 피스톤 부재가 후퇴되는 방향으로 탄성력을 제공하는 스프링과, 상기 피스톤 부재의 후방에 위치되는 챔버에 장착되고 주변온도가 설정온도 이상이 되면 용융되는 가용합금을 포함하고, 상기 가용합금이 용융되어 챔버 외부로 배출되면 상기 피스톤 부재가 후퇴되면서 상기 가스통로를 개방하여 신속하게 가스를 배출할 수 있고 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Description

고압용기용 압력해제장치{PRESSURE RELIEF DEVICE FOR HIGH PRESSURE CYLINDER}
본 발명은 고압가스가 저장된 고압용기에 장착되어 가스의 흐름을 제어하는 밸브 어셈블리에 설치되고 화재 등으로 주변온도가 상승되면 고압용기에 저장된 가스를 외부로 배출하여 고압용기의 폭발을 방지하는 고압용기용 압력해제장치에 관한 것이다.
현재, 수소 연료전지 시스템의 경우 가스가 저장된 고압용기에 밸브가 설치되어 고압용기로 가스를 충전할 때 가스의 흐름을 제어하고, 고압용기에 저장된 가스를 가스 사용부로 공급할 때 원료 가스의 흐름을 제어한다.
이러한 밸브는 전기적인 신호에 따라 가스의 흐름을 정밀하게 제어할 수 있고, 수소용기에 저장된 가스의 압력을 일정하게 유지해야되며, 수소 연료전지 자동차의 전복이나 화재 발생시 고압용기의 폭발을 방지해야된다.
따라서, 밸브에는 화재 발생시 주변온도가 상승되면 고압용기에 저장된 고압의 가스를 외부로 방출하는 압력해제장치(PRD:Pressure Relief Device)가 설치된다.
기존의 압력해제장치는 등록특허공보 10-0964738(2010년 06월 10일)에 개시된 바와 같이, 가스가 충진된 가스용기의 밸브에 결합되는 밸브 결합부에 가용합금 결합부가 설치되고, 가용합급 결합부에 가용합금이 밀봉 가능하게 장착되고, 밸브 결합부에 디스크를 삽입하여 가용합금이 고압에 의해 밀리는 것을 방지하고, 주변환경온도가 특정온도 이상 상승하여 가용합금이 용융되면 압력에 의해 디스크가 파열되어 가스용기에 저장된 가스를 외부로 배출하여 가스용기의 폭발을 방지한다.
하지만, 이와 같은 종래의 압력해제장치는 디스크와 가용합금만으로 가스가 배출되는 통로를 밀폐하는 구조이므로 신뢰성이 떨어지고, 디스크가 파열되면서 유로가 개방되는데, 파열된 디스크 파편이 유로상에 그대로 남아 있어 유로를 막게 되고 이로 인하여 압력용기 내 가스 방출시간에 차이가 발생하여 신속한 방출이 어려운 문제가 있다.
등록특허공보 10-0964738(2010년 06월 10일)
따라서, 본 발명의 목적은 피스톤 부재의 후면에 장착된 가용합금이 주변온도에 의해 용융되면 피스톤 부재가 후퇴되면서 가스통로를 개방하여 고압용기의 고압가스가 가스통로를 통해 외부로 배출되므로 신속한 방출이 가능한 고압용기용 압력해제장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 피스톤 부재의 밀봉로드가 가스통로에 삽입되어 가스통로를 밀폐하므로 가스통로의 밀폐성능을 향상시킬 수 있어 가스통로를 통한 가스누설을 방지할 수 있는 고압용기용 압력해제장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 고압용기용 압력해제장치는 고압용기에 장착되는 밸브바디에 결합되고 고압용기의 가스가 유입되는 가스통로가 형성되고, 상기 가스통로와 연통되는 공간부가 형성되는 제1바디부와, 상기 제1바디부의 공간부에 장착되고 상기 공간부로 유입된 가스를 외부로 배출하는 가스 배출구가 형성되며, 상기 공간부와 연통되는 챔버가 형성되는 제2바디부와, 상기 챔버에 직선 이동 가능하게 장착되고 상기 가스통로를 개폐하는 피스톤 부재와, 상기 공간부와 피스톤 부재 사이에 배치되어 피스톤 부재가 후퇴되는 방향으로 탄성력을 제공하는 스프링과, 상기 피스톤 부재의 후방에 위치되는 챔버에 장착되고 주변온도가 설정온도 이상이 되면 용융되는 가용합금을 포함하고, 상기 가용합금이 용융되어 챔버 외부로 배출되면 상기 피스톤 부재가 후퇴되면서 상기 가스통로를 개방하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1바디부는 상기 가스통로와 공간부 사이에 연통되고 상기 가스통로에 비해 내경이 크게 형성되어 상기 피스톤 부재가 삽입되어 밀착되는 원통형태의 밀봉부가 형성될 수 있다.
상기 피스톤 부재는 상기 챔버 내면에 슬라이드 이동 가능하게 삽입되는 슬라이드부와, 상기 슬라이드부에서 연장되고 슬라이드부에 비해 외경이 작게 형성되며 스프링이 지지되는 스프링 지지부와, 상기 스프링 지지부에서 연장되고 스프링 지지부에 비해 외경이 작게 형성되어 밀봉부에 삽입되어 밀봉작용을 하는 밀봉로드부를 포함할 수 있다.
상기 밀봉로드부의 외경은 상기 밀봉부의 내경에 비해 작게 형성되어 밀봉로드부와 밀봉부 사이에는 틈새가 형성되고, 상기 밀봉로드부의 외면에는 상기 틈새를 밀봉하는 제1시일링 및 제2시일링이 장착될 수 있다.
상기 가용합금의 면적 중 1/3이 챔버에 남은 상태일 때 상기 밀봉로드부와 밀봉부 사이의 틈새를 통해 가스가 배출되도록 제1시일링 및 제2시일링이 밀봉부에서 이탈될 수 있다.
상기 제2바디부의 가스 배출구는 그 일측이 공간부와 연통되고 타측은 제2바디부의 후면에 형성되며, 상기 제2바디부의 둘레방향으로 일정 간격으로 복수로 형성될 수 있다.
상기 챔버에는 가용합금이 용융되면 챔버 외부로 배출되도록 하는 용융물 배출구가 형성되고, 상기 챔버의 후방에는 가용합금이 고체상태일 때에는 가용합금이 원상태를 유지하도록 지지하고, 가용합금이 액체상태로 되면 통과하여 용융물 배출구로 배출되도록 하는 필터부재가 장착될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 고압용기용 압력해제장치는 피스톤 부재에 의해 가스통로가 밀폐되고, 가용합금이 주변온도에 의해 용융되면 피스톤 부재가 스프링의 탄성력 및 가스의 압력에 의해 후퇴하면서 가스통로를 개방하므로 가스의 신속한 방출이 가능하여 가스 방출에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 피스톤 부재의 밀봉로드가 가스통로에 삽입되어 가스통로를 밀폐하므로 밀폐성능을 향상시킬 수 있어 가스통로를 통한 가스 누설을 보다 확실하게 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력해제장치의 단면도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력해제장치의 작동 상태도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력해제장치의 단면도이다.
고압용기용 밸브 어셈블리는 가스가 충전된 고압용기의 입구에 장착되고 복수의 밸브가 구비되는 밸브 바디와, 밸브 바디에 설치되어 수동으로 유로를 개폐하는 수동 밸브(Manual Valve)와, 밸브 바디에 설치되어 전기적인 신호에 따라 유로를 자동으로 개폐하는 솔레노이드 밸브와, 밸브 바디에 설치되어 차량 사고 등으로 인한 화재 발생시 주변온도가 상승하면 고압용기 내의 가스를 외부로 방출하여 고압용기가 폭발하는 것을 방지하는 압력해제장치(Pressure Relief Device)를 포함한다.
이와 같은 본 실시예에 따른 고압용기용 밸브 어셈블리는 수소 연료전지 차량에 설치되어 수소 원료의 흐름을 제어하는 데 주로 사용되고, 수소 연료전지 차량 이외에, 고압가스를 충전 및 공급하는 어떠한 시스템에도 적용이 가능하다.
압력해제장치는 밸브 바디에 장착되고 고압용기와 연통되어 가스가 유입되는 가스통로(12)가 형성되고 가스통로(12)와 연통되는 공간부(14)가 형성되는 제1바디부(10)와, 제1바디부(10)의 후방에 장착되어 공간부(14)를 밀봉하고 공간부로 유입된 가스를 외부로 배출하는 가스 배출구(22)가 형성되며, 공간부(14)와 연통되는 챔버(24)가 형성되는 제2바디부(20)와, 챔버(24)에 직선 이동 가능하게 장착되고 가스통로(12)를 개폐하는 피스톤 부재(30)와, 피스톤 부재(30)의 후방측 챔버(24)에 장착되고 주변온도가 설정온도 이상이 되면 용융되어 피스톤 부재(30)를 후퇴시키는 공간을 확보하는 가용합금(40)을 포함한다.
제1바디부(10)는 밸브 바디에 나사 결합되는 외면에 수나사부(52)가 형성되고 가스통로(12)가 관통되게 형성되어 고압용기의 가스가 유입되고 가스통로(12)의 하측에 가스통로(12)에 비해 내경이 크게 형성되고 피스톤 부재(30)의 밀봉로드부(36)가 삽입되어 밀착되는 밀봉부(54)가 형성된다. 그리고 밀봉부(54)는 공간부(14)와 연통된다.
제2바디부(20)는 제1바디부(10)의 공간부(14)에 삽입되고 제1바디부(10)의 내면과 제2바디부(20)의 외면에는 상호 나사 결합되는 나사 결합부(56)가 형성되며, 공간부(14)와 연통되는 챔버(24) 내면에는 피스톤 부재(30)가 슬라이드 이동 가능하게 배치된다. 그리고, 가스 배출구(22)는 일측은 공간부(14)와 연통되고 타측은 제2바디부(20)의 후면에 형성되며, 제2바디부(20)의 둘레방향으로 일정 간격으로 복수로 형성되어 공간부(14)로 유입된 가스를 제2바디부(20)의 후방을 통해 외부로 배출한다.
제2바디부(20)의 후면에는 중앙이 내측방향으로 들어간 오목한 형태의 오목부(46)가 형성되고, 오목부(46)의 둘레방향으로 일정 간격으로 복수의 가스 배출구가 외부로 노출되게 형성된다.
챔버(24)의 후방에는 챔버(24)에 배치되는 가용합금(40)이 용융되면 챔버(24) 외부로 배출되도록 하는 용융물 배출구(42)가 형성되고, 챔버(24)의 후방에는 가용합금(40)이 고체상태일 때에는 가용합금(40)이 원상태를 유지하도록 지지하고, 가용합금(40)이 액체상태로 되면 통과하여 용융물 배출구(42)로 배출되도록 하는 필터부재(44)가 장착된다.
필터부재(44)는 금속재질의 망사 형태이고 챔버(24)의 후면에 배치되어 가용합금(40)이 변형되지 않도록 지지하는 역할을 하고, 가용합금(40)이 용융되어 액체상태로 되면 액체상태의 가용합금(40)이 통과하는 구조를 갖는다.
제2바디부(20)의 후방에는 가스 배출구(22)를 막아주어 가스 배출구(22)를 통해 이물질이 유입되는 것을 방지하는 마개부재(60)가 장착되고, 마개부재(60)는 제1바디부(10)에 고정되는 연결띠(62)에 의해 연결되어 마개부재(60)가 가스 배출구(22)에서 분리될 때 이탈되는 것을 방지한다. 이러한 마개부재(60)는 가스 배출구(22)를 통해 배출되는 가스의 압력에 의해 제2바디부(20)에서 분리될 수 있다.
피스톤 부재(30)는 챔버(24) 내면에 슬라이드 이동 가능하게 삽입되는 슬라이드부(32)와, 슬라이드부(32)에서 연장되고 슬라이드부(32)에 비해 외경이 작게 형성되고 스프링(70)이 감겨지고 지지되는 스프링 지지부(34)와, 스프링 지지부(34)에서 연장되고 스프링 지지부(34)에 비해 외경이 작게 형성되어 밀봉부(54)에 삽입되어 밀봉작용을 하는 밀봉로드부(36)를 포함한다.
슬라이드부(32)의 외면에는 공간부(14) 내부로 유입된 가스가 피스톤 부재(30)의 후방으로 역류를 방지하는 역류방지 오링(64)이 장착된다. 스프링(70)은 그 일단은 피스톤 부재(30)의 스프링 지지부(34)에 지지되고, 타단은 공간부(14)의 내면에 지지되어 피스톤 부재(30)가 후퇴하는 방향으로 탄성력을 부여한다.
밀봉로드부(36)의 외경은 밀봉부(54)의 내경에 비해 작게 형성되어 밀봉로드부(36)와 밀봉부(54) 사이에는 틈새가 존재하게 되고, 이러한 틈새를 밀봉하기 위해 밀봉로드부(36)는 그 외면에 제1시일링(72) 및 제2시일링(74)이 장착된다. 이와 같이, 밀봉로드부(36)는 원봉 형태이고, 밀봉부(54)는 원통 형태로 형성되어 밀봉로드부(36)가 밀봉부(54)에 삽입되면 가스통로(12)가 밀폐되며, 밀봉로드부(36)의 외면에 제1시일링(72) 및 제2시일링(74)이 각각 장착되어 가스의 누설을 원천적으로 막을 수 있다.
즉, 기존의 밸브의 경우 스프링의 탄성력 또는 가스의 압력에 의해 밀봉로드부의 끝부분이 밀봉부의 끝부분에 밀착되는데, 이 경우 스프링이 변형되거나 외부의 충격에 의해 밀봉로드부가 밀봉부에서 이탈될 우려가 있다. 이에 대해, 본 실시예에 따른 밸브구조는 밀봉로드부가 밀봉부에 삽입된 상태로 배치되어 외부 충격이나 스프링의 탄성력에 상관없이 밀봉성능을 유지할 수 있는 장점이 있다.
가용합금(40)은 피스톤 부재(30)의 후방에 위치되는 챔버(24)에 장착되고 그 전면은 피스톤 부재(30)의 후면에 접촉되고 그 후면은 필터부재(44)에 접촉되어 피스톤 부재(30)가 후퇴되지 않도록 지지하여 밀봉로드부(36)가 밀봉부(54)에 삽입된 상태를 유지하도록 하고, 주변온도가 상승하면 용융되어 외부로 배출되면 챔버(24)의 후방에 공간이 남게 되고, 이에 따라 피스톤 부재(30)가 후퇴되면서 가스통로(12)를 개방한다.
이와 같이, 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 고압용기용 압력해제장치의 작용을 다음에서 설명한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고압용기용 압력해제장치의 작동 상태도이다.
정상 작동중일 때에는, 피스톤 부재(30)의 밀봉로드부(36)가 밀봉부(54)에 삽입되어 가스통로(12)를 밀폐하여 가스의 배출을 차단한다. 이때, 밀봉부(54)는 원통형태이고, 밀봉로드부(36)는 원봉 형태로 형성되어 원통 형태의 밀봉부(54)에 원봉 형태인 밀봉로드부(36)가 삽입되어 밀봉작용을 수행하므로 충격이나 기타 외부 요인으로 인하여 밀봉로드부(36)가 밀봉부(54)에서 이탈하는 것을 원천적으로 방지할 수 있어 가스통로(12)를 통한 가스가 배출을 차단할 수 있다.
그리고, 화재나 사고 등으로 인하여 주변온도가 상승하게 되면 가용합금(40)이 용융되어 용융물 배출구(42)를 통해 배출되고 이에 따라 가용합금(40)이 배출되는 양만큼 챔버(24) 내부에 공간이 형성되고 이에 따라 피스톤 부재(30)가 스프링(70)의 탄성력 및 가스의 압력에 의해 후퇴된다.
이때, 도 2에 도시된 바와 같이, 챔버(24) 내부에 가용합금(40)이 일부 남아 있는 상태에도 밀봉로드부(36)의 제1시일링(72) 및 제2시일링(74)은 밀봉부(54)에서 이탈하도록 하여 밀봉로드부(36)와 밀봉부(54) 사이의 틈새를 통해 가스가 공간부(14) 내부로 유입되고, 공간부(14)로 유입된 가스는 가스 배출구(22)를 통해 외부로 배출된다. 바람직하기로는, 가용합금(40)의 전체 면적 중 1/3이 챔버(24)에 남은 상태일 때부터 틈새를 통해 가스가 배출되도록 한다.
즉, 가용합금(40)이 전부 용융될 때까지는 일정 시간이 필요하고 가용합금(40)이 전부 용융되는 시간동안 가스의 배출이 지연되어 가스 배출이 신속하게 이루어지지 못하는 문제가 있는데, 본 실시예에서는 가용합금(40)이 일정치 정도 용융될 때부터 가스통로(12)가 개방되어 가스가 배출되므로 가스의 배출이 신속하게 이루어질 수 있다.
그리고, 도 3에 도시된 바와 같이, 시간이 경과하여 가용합금(40)이 전부 용융되면 피스톤 부재(30)가 완전히 후퇴된 상태로 되고, 이에 따라 밀봉부(54)에서 밀봉로드부(36)가 완전히 분리되어 가스통로(12)가 개방되면 가스가 공간부(14)로 유입되고, 가스 배출구(22)를 통해 신속하게 외부로 배출된다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
10: 제1바디부 12: 가스통로
14: 공간부 20: 제2바디부
22: 가스 배출구 24: 챔버
30: 피스톤 부재 32: 슬라이드부
34: 스프링 지지부 36: 밀봉로드부
40: 가용합금 42: 용융물 배출구
44: 필터부재

Claims (7)

  1. 고압용기에 장착되는 밸브바디에 결합되고 고압용기의 가스가 유입되는 가스통로가 형성되고, 상기 가스통로와 연통되는 공간부가 형성되는 제1바디부;
    상기 제1바디부의 공간부에 장착되고 상기 공간부로 유입된 가스를 외부로 배출하는 가스 배출구가 형성되며, 상기 공간부와 연통되는 챔버가 형성되는 제2바디부;
    상기 챔버에 직선 이동 가능하게 장착되고 상기 가스통로를 개폐하는 피스톤 부재;
    상기 공간부와 피스톤 부재 사이에 배치되어 피스톤 부재가 후퇴되는 방향으로 탄성력을 제공하는 스프링; 및
    상기 피스톤 부재의 후방에 위치되는 챔버에 장착되고 주변온도가 설정온도 이상이 되면 용융되는 가용합금을 포함하고,
    상기 제2바디부의 가스 배출구는 그 일측이 상기 공간부와 연통되고 타측은 상기 제2바디부의 후면에 형성되며, 상기 제2바디부의 둘레방향으로 일정 간격으로 복수로 형성되며,
    상기 가용합금이 용융되어 챔버 외부로 배출되면 상기 피스톤 부재가 후퇴되면서 상기 가스통로가 개방되어 고압용기의 고압가스가 가스통로를 통해 외부로 배출되는 고압용기용 압력해제장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1바디부는 상기 가스통로와 공간부 사이에 연통되고 상기 가스통로에 비해 내경이 크게 형성되어 상기 피스톤 부재가 삽입되어 밀착되는 원통형태의 밀봉부가 형성되는 고압용기용 압력해제장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 피스톤 부재는 상기 챔버 내면에 슬라이드 이동 가능하게 삽입되는 슬라이드부;
    상기 슬라이드부에서 연장되고 슬라이드부에 비해 외경이 작게 형성되며 스프링이 지지되는 스프링 지지부; 및
    상기 스프링 지지부에서 연장되고 스프링 지지부에 비해 외경이 작게 형성되어 밀봉부에 삽입되어 밀봉작용을 하는 밀봉로드부;를 포함하는 고압용기용 압력해제장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 밀봉로드부의 외경은 상기 밀봉부의 내경에 비해 작게 형성되어 밀봉로드부와 밀봉부 사이에는 틈새가 형성되고, 상기 밀봉로드부의 외면에는 상기 틈새를 밀봉하는 제1시일링 및 제2시일링이 장착되는 고압용기용 압력해제장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 가용합금의 면적 중 1/3이 챔버에 남은 상태일 때 상기 밀봉로드부와 밀봉부 사이의 틈새를 통해 가스가 배출되도록 제1시일링 및 제2시일링이 밀봉부에서 이탈되는 고압용기용 압력해제장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 챔버에는 가용합금이 용융되면 챔버 외부로 배출되도록 하는 용융물 배출구가 형성되고, 상기 챔버의 후방에는 가용합금이 고체상태일 때에는 가용합금이 원상태를 유지하도록 지지하고, 가용합금이 액체상태로 되면 통과하여 용융물 배출구로 배출되도록 하는 필터부재가 장착되는 고압용기용 압력해제장치.



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