KR102586291B1 - 원심 송풍기 시스템용 공기 흡입 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 - Google Patents
원심 송풍기 시스템용 공기 흡입 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 Download PDFInfo
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Abstract
축방향 인입구 및 방사상 배출구를 갖는 케이싱을 갖는 원심 송풍기용 공기 흡입 어셈블리, 상기 케이싱 내에 배치되어 상기 축방향 인입구로 제1 압력으로 기체 매체를 흡인하고 상기 방사상 배출구를 통해 제2 고압으로 기체 매체를 배출하는 임펠러, 및 공기 인입구 및 공기 배출구를 갖는 공기 흡입 어셈블리 케이싱을 포함하는 상기 임펠러를 구동하는 모터를 포함한다. 상기 공기 배출구가 상기 원심 송풍기의 상기 송풍기 케이싱의 축방향 인입구에 연결될 수 있고, 상기 공기 흡입 어셈블리 케이싱 내에 장착된 체크 밸브가 상기 공기 인입구로부터 상기 공기 배출구로 공기 흐름을 허용하고 상기 공기 배출구로부터 상기 공기 흡입 어셈블리 케이싱을 통해 상기 공기 인입구로 공기가 흐름하는 것을 방지하도록 위치되는 체크 밸브를 포함한다.
Description
본 발명은 원심 송풍기 및 이를 포함하는 연료 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 원심 송풍기용 공기 흡입 어셈블리에 관한 것이다.
원심 송풍기, 또는 원심 팬은 기체 매체의 흐름(flow) 또는 이동을 제공하기 위한 잘 알려진 유형의 장치이다,. 원심형 송풍기의 일반적인 유형은 축방향으로 지향된(axially directed) 기체 인입구 및 방사상으로 지향된(radially directed) 기체 배출구를 갖는 하우징, 상기 하우징 내에 배치되어 제1 압력으로 기체를 상기 인입구 내로 흡인하고, 제2 고압으로 상기 배출구를 통해 기체를 배출하는 임펠러, 및 상기 임펠러를 구동, 즉 스피닝(spinning)하기 위한 모터를 포함한다. 이러한 일반적인 유형의 원심 송풍기의 변형이, 예를 들어 미국 특허 제4,917,572호, 제5,839,879호, 제6,877,954호, 제 7,061,758호, 제7,351,031호, 제7,887,290호, 제7,891,942호, 및 미국특허출원 제2006/0051203호에 개시되어 있으며, 그 전체 내용이 본 명세서에 참조문헌으로 통합된다.
단일 유닛 및 다중 독립 유닛 구성의 원심 송풍기가 컴퓨터, 서버 및 다른 열 발생 전기 및 전자 장치와 장비에 대한 냉각 시스템의 구성요소로서 개시되어 있으며(예를 들어, 미국 특허 제6,525,935호; 제7,184,265호; 제7,744,341호; 제7,802,617호; 제7,864,525호; 제7,885,068호; 제7,948,750호; 제7,902,617호; 및 제7,885,068호 참조), 그 전체 내용이 본 명세서에 참조문헌으로 통합된다.
상기 언급된 일반적인 유형의 원심 송풍기가 고분자 전해질 막(PEM)및 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 유형 모두 및 화학 개질기(chemical reformer)의 부품으로서 하나 이상의 역할(capacities)을 하는 것으로 개시되어 있으며, 그 역할은 예를 들어, 연료 전지 어셈블리의 음극 요소에 공기와 같은 산화제-함유 기체의 흐름(flow) 및/또는 양극 요소에 기체 또는 기화된 연료의 흐름을 제공하고, 연료 전지 어셈블리의 양극 요소에 소비되지 않은 연료를 재순환시키며, 연료 전지 어셈블리를 냉각시키기 위한 냉각 공기의 스트림을 제공하고, 또는 연료 전지 어셈블리의 작동을 위한 수소를 제공하기 위해 연료의 외부 또는 내부 개질 전에 액체 연료를 기화하기 위한 고온 기체의 스트림을 제공하는 것이다. 하나 이상의 원심 송풍기를 포함하는 연료 전지-송풍기 어셈블리가 예를 들어 미국 특허 제6,497,971호, 제6,830,842호,제7,314,679호 및 제7,943,260호에 기술되어 있으며, 그 전체 내용이 본 명세서에 참고문헌으로 통합된다.
정상 작동 중에, 연료 전지 어셈블리가 350℃ 내지 900℃의 범위로 온도가 올라간다. 연료 전지 어셈블리의 부품은 시동 및 정상 작동 모드 동안 기계적, 화학적, 및/또는 전기적 건전 상태(integrity)를 유지하도록 설계된다. 냉각 기간 동안, 저전력 모드 또는 출력 저하 수순(power down procedure)으로 전환하는 경우, 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어, 시스템이 냉각되는 경우, 연료 전지 어셈블리 내부의 공기가 응축되어, 연료 전지 어셈블리내에 진공을 형성함으로써, 공기 인입구를 통한 외부 공기 흡인을 계속할 수 있거나, 또는 연료 전지 어셈블리의 배기관을 통해 배기 가스를 되돌려 흡인하거나 외부 공기를 흡인할 수도 있다. 이러한 추가적인 공기 또는 배기 가스에 대한 연료 전지 어셈블리의 노출은 연료 전지 스택(stack)의 손상을 일으키는 산화를 초래할 수 있다.
많은 연료 전지 어셈블리 및 개질기가 그 내부에서 발생하는 전기적 및 화학적 반응을 위한 산소의 공급원으로서 주변 공기를 사용하고, 유닛 내의 온도 제어를 위해서도 그러하다. 주위 공기는 통상적으로 미립자(예를 들어, 먼지/티끌), 오염물(예를 들어, 황, 탄화수소), 및/또는 수분을 포함하며,이들 각각은 연료 전지 및 개질기 유닛을 손상시킬 수 있다.
발명의 요약
본 발명에 의해, 축방향 인입구 및 방사상 배출구(radial outlet)를 갖는 송풍기 케이싱, 상기 케이싱 내에 배치되어 상기 축방향 인입구로 제1 압력으로 기체 매체를 흡인하고 상기 방사상 배출구를 통해 제2 고압으로 기체 매체를 배출하는 임펠러, 및 상기 임펠러를 구동하는 모터를 포함하여 구성되는 송풍기 유닛; 그리고 공기 인입구와 공기 배출구를 갖는 공기 흡입 어셈블리 케이싱, 송풍기 유닛의 송풍기 케이싱의 축방향 인입구에 연결된 공기 배출구, 및 공기 인입구로부터 공기 배출구로의 공기 흐름을 허용하고 공기 배출구로부터 공기 인입구로 공기 흐름을 방지하도록 위치되어 케이싱내에 장착된 체크 밸브를 포함하여 구성되는 공기 흡입 어셈블리;를 포함하여 구성되는, 원심 송풍기 공기 흡입 장치가 제공한다.
또한, 본 발명에 따르면, 각각의 송풍기 유닛이, 축방향 인입구 및 방사상 배출구를 갖는 송풍기 케이싱, 상기 케이싱 내에 배치되어 상기 축방향 인입구로 제1 압력으로 기체 매체를 흡인하고 상기 방사상 배출구를 통해 제2 고압으로 기체 매체를 배출하는 임펠러, 및 상기 임펠러를 구동하는 모터를 포함하여 구성되는, 일련의 송풍기 유닛; 상기 일련의 송풍기 유닛 내의 적어도 하나의 송풍기 유닛의 방사상 배출구를 상기 일련의 송풍기 유닛 내의 적어도 하나의 다른 송풍기 유닛의 축방향 인입구와 연결하는 덕트; 및 공기 인입구 및 상기 일련의 송풍기 유닛의 제1 송풍기 유닛의 송풍기 유닛 케이싱의 축방향 인입구에 연결될 수 있는 공기 배출구를 갖는 공기 흡입 어셈블리 케이싱 및 상기 공기 인입구로부터 공기 배출구로의 공기 흐름을 허용하며 공기 배출구로부터 공기 인입구로의 공기 흐름을 방지하도록 위치되어 공기 흡입 어셈블리 케이싱 내에 장착된 체크 밸브를 포함하여 구성되는, 원심 송풍기 시스템용 공기 흡입 어셈블리가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 축방향 인입구 및 방사상 배출구를 갖는 송풍기 케이싱, 상기 케이싱 내에 배치되어 상기 축방향 인입구로 제1 압력으로 기체 매체를 흡인하고 상기 방사상 배출구를 통해 제2 고압으로 기체 매체를 배출하는 임펠러, 및 상기 임펠러를 구동하는 모터를 가지는 원심 송풍기에 대한 것으로서, 공기 인입구 및 상기 원심 송풍기의 송풍기 케이싱의 축방향 인입구에 연결될 수 있는 공기 배출구를 갖는 공기 흡입 어셈블리 케이싱, 및 공기 흡입 어셈블리 케이싱내에 장착되어 상기 공기 인입구로부터 상기 공기 흡입 어셈블리 케이싱을 통한 상기 공기 배출구로의 공기 흐름을 허용하며 공기 배출구로부터 상기 공기 흡입 어셈블리 케이싱을 통한 공기 인입구로의 공기 흐름을 방지하도록 위치된 체크 밸브;를 포함하여 구성되는, 원심 송풍기용 공기 흡입 어셈블리가 제공된다.
본 발명의 원심 송풍기 시스템용 공기 흡입 어셈블리는, 특히 기체 매체의 흐름을 관리하기 위한 연료 전지 또는 연료 개질기에 합체될 때,종래 기술의 원심 송풍기에 비해 몇 가지 장점을 제공한다.
미립자, 휘발성 화합물, 잠재적으로 주위 환경으로부터의 황 화합물을 여과하기 위한 유입 공기의 여과가, 습기를 감소시키기 위한 건조제가, 체크 밸브 앞에서 사용될 수 있다.
미립자, 휘발성 화합물, 잠재적으로 주위 환경으로부터의 황 화합물을 여과하기 위한 유입 공기의 여과가, 습기를 감소시키기 위한 건조제가, 체크 밸브 뒤에서 사용될 수 있다.
체크 밸브는 무 유량 상태(zero flow conditions)가 팬 및 다른 공정 공기로부터의 역류를 받는 것을 방지한다. 그렇지 않으면, 고온에서, 산화에 의해 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 및 촉매를 손상시킬 수 있다. 본 발명은 이러한 상태가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
필터는 망상 발포체류(낮은 압력 강하)일 수 있고, 상기 열거된 과업을 수행하기 위해 특정 재료로 도핑될 수 있다.
체크 밸브는, 개방을 위해 매우 작은 압력 강하를 유도하고, 폐쇄 및 밀폐를 위해 재료의 약한 고유 강성(slight inherent stiffness) 및 스프링 상수를 사용하는 연질 엘라스토머일 수 있다.
연료 전지의 기체 흐름 요건을 충족시키기 위해, 본 발명의 다중 송풍기 시스템을 이용함으로써, 본 발명의 시스템은, 필요한 기체 흐름 및 압력을 제공하기 위해, 낮은 구동 모터 rpm 및 전력 소비(power draw) 뿐만 아니라 제어를 위한 낮은 관성 임펠러로부터 이익을 얻을 수 있다.
따라서, 본 발명의 원심 송풍기 시스템은, 기체 흐름 능력의 비교에 있어서, 단일 원심 송풍기 유닛 시스템에 비해 더 작은 원심력을 고유하게 가지는 다중 원심 송풍기의 통합 또는 상호 연결 구조로 인해, 단일 원심 송풍기 유닛에 비해 넓은 범위의 기체 압력 및 기체 흐름 요건에 대해 개선된 응답 시간 및 제어를 제공한다. 다중 원심 송풍기의 이러한 구성을 특징으로 하는 연료 전지-송풍기 어셈블리가 예를 들어 미국 특허 제9,017,893호, 제9,593,686호 및 제9,512,846호에 기술되어 있으며, 이들 각각의 전체 내용은 본 명세서에 참고문헌으로 통합된다.
다중 원심 송풍기의 이러한 구조(arrangement)를 특징으로 하는 다른 연료 전지-송풍기 어셈블리가, 예를 들어, 2015년 3월 16일자로 출원된 국제 출원 PCT/US2012/020707호, 및 2016년 9월 22일자로 공개된 국제 공개 공보 WO/2016/148681호에 기술되어 있으며, 이들 각각의 전체 내용은 본 명세서에 참고문헌으로 통합된다.
본 발명의 이들 및 다른 신규한 특징 및 장점은 다음의 상세한 설명 및 첨부 도면으로부터 더욱 명백해질 것이다,.
도 1A는, 본 발명에 따른 공기 흡입 어셈블리에 적용될 수 있는 제2 송풍기 유닛의 인입구 및 임펠러 부분을 나타내기 위해, 덕트 일부가 절취된, 이중 송풍기 시스템의 사시도를 도시하고,
도 1B는 본 발명에 따른 공기 흡입 어셈블리가 적용될 수 있는 도 1A 의 이중 송풍기 시스템의 평면도를 도시하며,
도 2는 이중 송풍기 시스템에 연결된 본 발명에 따른 공기 흡입 어셈블리의 평면도이고,
도 3은 이중 송풍기 시스템에 연결된 본 발명에 따른 공기 흡입 어셈블리의 사시도이며,
도 4는 이중 송풍기 시스템에 연결된 본 발명에 따른 공기 흡입 어셈블리의 정면도이고,
도 5는 이중 송풍기 시스템에 연결된 본 발명에 따른 공기 흡입 어셈블리의 측면도이며,
도 6은 이중 송풍기 시스템에 연결된 본 발명에 따른 공기 흡입 어셈블리의 일부 절취 사시도이고,
도 7은 이중 송풍기 시스템에 연결된 본 발명에 따른 필터 구성요소를 포함하는 공기 흡입 어셈블리의 일부 절취 사시도이며,
도 8A 및 도 8B는 이중 송풍기 시스템에 연결된 본 발명의 다양한 실시예에 따른 복수의 필터 구성요소를 포함하는 공기 흡입 어셈블리의 측단면도이고,
도 9는 본 발명에 따른 이중 송풍기 시스템을 위한 본 발명에 따른 공기 흡입 어셈블리의 제어 시스템의 블록도이며,
도 10A 및 도 10B는 각각, 본 발명에 의한 관형 SOFC 어셈블리의 사시도 및 평면도로서, 본 발명에 의한 공기 흡입 어셈블리를 갖는 별개의 이중 송풍기 시스템이 공기 및 연료 흐름을 SOFC 어셈블리에 각각 제공하는 것을 나타내고,
도 10C는 도 10A 및 도 10B의 관형 SOFC 어셈블리의 개별 관형 연료 전지의 개략 단면도이며,
도 11A 및 도 11B는 각각, 본 발명에 의한 평면형 SOFC 어셈블리의 사시도 및 평면도로서, 본 발명에 의한 공기 흡입 어셈블리를 갖는 별개의 이중 송풍기 시스템이 공기 및 연료 흐름을 SOFC 어셈블리에 각각 제공하는 것을 나타내고, 그리고
도 11C는 도 11A 및 도 11B의의 평면형 SOFC 어셈블리의 개별 평면형 연료 전지의 개략 단면도이다,
본 발명이 본 발명의 일부를 형성하는 첨부 도면과 관련하여 취해진 본 발명의 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 더 쉽게 이해될 수 있다. 본 발명이 본 명세서에 설명되고 그리고/또는 도시된 특정 장치, 방법, 조건 또는 파라미터로 제한되지 않고, 그리고, 본 명세서에서 사용된 용어가 단지 예로서 특정 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 특허청구된 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다는 것을 이해해야 한다.
또한, 본 명세서에 사용되는 것과 같이 그리고 첨부.청구항을 포함하여, 단수 형태인 "하나(a, an)" 및 "그(the)"는, 문맥이 명확하게 달리 지시하지 않는 한, 복수형을 포함하며, 특정 수치 값에 대한 언급은, 적어도 그 특정 값을 포함한다. 범위는 본 명세서에서 "약" 또는 "대략" 하나의 특정 값으로부터 및/또는 "약" 또는 "대략" 다른 특정 값까지로 표현될 수 있다. 이러한 범위가 표현될 때, 다른 실시예는 하나의 특정 값으로부터 및/또는 다른 특정 값까지를 포함한다. 유사하게, 선행사 "약"의 사용에 의해, 값이 근사값으로 표현될 때, 그 구체적 값이 다른 실시예를 형성한다는 것이 이해될 것이다, 또한, 예를 들어, 수평의, 수직의, 상부, 상부의, 하부의, 저부, 좌측의 및 우측의 등의 모든 공간 기준은 단지 예시적인 목적을 위한 것이며, 본 발명의 범위 내에서 변경될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
상술한 바와 같이, 많은 연료 전지 어셈블리 및/또는 개질기가 그 내부에서 발생하는 전기 및 화학 반응을 위한 산소의 공급원으로서 주변 공기를 이용한다. 또한, 주변 공기는 연료 전지 어셈블리 및/또는 개질기에서 적절한 작동 온도를 유지하는데 사용된다.
주변 공기는 연료 전지 어셈블리 및/또는 개질기의 적절한 작동에 영향을 미칠 수 있는 미립자, 오염물 및/또는 수분을 포함한다. 먼지 또는 티끌과 같은 미립자, 오염물, 예를 들어 황 또는 탄화수소, 및/또는 수분 등이 연료 전지 및 개질기 유닛을 손상시킬 수 있다. 이러한 손상은 내부 구성요소에 대한 산화 형태, 미립자 축적으로 생긴 핫 스폿(hot spot), 또는 구성요소 내의 구조적 결함을 야기할 수 있는 급속 냉각의 형태일 수 있다.
연료 전지 어셈블리의 구성요소는 높은 작동 온도에 노출됨에 따라 시동 및 정상 작동 모드 동안 기계적, 화학적, 및/또는 전기적 건전 상태를 유지하도록 설계된다. 냉각 기간 동안, 예를 들어, 저전력 모드 또는 전력 저하 수순(power down procedure)으로 전이하는 동안에, 문제가 발생할 수 있다.
예를 들어, 시스템이 냉각되는 경우, 연료 전지 어셈블리 내부의 공기가 응축되어, 연료 전지 어셈블리내에 진공을 형성함으로써, 공기 인입구를 통한 외부 공기 흡인을 계속할 수 있다. 이러한 추가적인 공기 또는 배기 가스에 대한 연료 전지 어셈블리의 노출은 연료 전지 스택의 산화에 의한 손상 또는 구조 건전상태(structural integrity) 손상을 초래할 수 있다.
도 1A 및 도 1B를 참조하면, 하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 공기 흡입 어셈블리가 적용될 수 있는 원심 송풍기 시스템이 기술된다. 이중 원심 송풍기 시스템(10)은, 덕트(13)를 통해 제2 원심 송풍기 유닛(12)에 연결된 제1 원심 송풍기 유닛(11)을 포함한다. 제1 송풍기 유닛(11)은 축방향 인입구(15)와 방사상 배출구(16)를 갖는 송풍기 케이싱(14), 제1 압력으로 기체 매체를 축방향 인입구(15)로 흡인하고 방사상 배출구(16)를 통해 제2 고압으로 기체 매체를 배출하는 임펠러(17), 및 임펠러(17)를 구동하기 위한 전기 모터(18)를 포함한다. 제2 송풍기 유닛(12)은 케이싱(19), 도 1A의 덕트(13)의 일부절취로 도시된 바와 같이, 케이싱(19)내에 배치되고 전기 모터(21)에 의해 구동되는 임펠러(20) 및 제1 송풍기 유닛(11)의 배출구(16)로부터 배출된 기체 매체를 수용하기 위한 축방향 인입구(22)를 포함한다. 제2 송풍기 유닛은 방사상 배출구(23) 및 배출구 기체 스트림 하우징(24)을 더 포함한다.
도 1A 및 도 IB 및 다른 도면에 도시된 본 발명의 다른 실시예에서 화살표는, 일련의 송풍기 유닛 내의 공기 흡입 어셈블리 및 송풍기 유닛을 통한 기체 스트림의 일반적인 방향을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 예를 들어 도 1B에 도시된 바와 같이, 제1 송풍기 유닛(11)의 배출구(16)를 통해 배출된 기체 스트림의 궤도 및 제2 송풍기 유닛(12)의 배출구(23)를 통해 배출된 기체 스트림의 궤도(trajectory)는 그들 각각의 배출구와 평행하지 않고, 그에 대해 약간의 각도를 가진다. 기체 스트림이 덕트의 내벽에 대략 평행하게 유지되는는, 이러한 방식으로 배출구(16)를 통해 배출되는 기체 스트림을 수용하도록 덕트(13)의 기하학적 형상을 배열함으로써, 그와 달리 할 경우, 기체 스트림이 이들 벽에 충돌함으로써 발생할 수 있는 난류(turbulence)를 방지 또는 감소시킬 수 있다. 송풍기 시스템내의 배압(back pressure)의 공급원으로서의 난류를 감소 또는 제거하기 위해, 난류가 최소화되거나 회피되는 것이 유리하다. 이러한 동일한 이유로, 기체 스트림 하우징(24)의 각도를, 하우징의 내벽이 제2 송풍기 유닛(12)의 배출구(23)를 통해 배출되는 기체 스트림의 궤도에 대략 평행하게 되도록 구성하는 것이 유리하다,
도 2 내지 도 5는, 축방향 인입구(15)에 부착된 공기 흡입 어셈블리(100)를 갖는 이중 원심 송풍기 시스템(10)을 도시한다. 공기 흡입 어셈블리는 송풍기 케이싱(14)에 장착 가능한 공기 흡입 케이싱(101)을 포함한다. 도면은 일체형 구성요소로서 형성된 공기 흡입 케이싱(101) 및 송풍기 케이싱(14)을 도시한다. 이러한 방식으로 도시되어 있지만, 공기 흡입 케이싱(101)은 송풍기 케이싱(14)으로부터 분리된 유닛일 수 있으며, 그것은 그와 달리 공기 흡입 케이싱(101)을 송풍기 케이싱(14)에 부착하기 위한 수단을 갖도록 구성될 수 있다. 이러한 부착 수단은, 공기 흡입 케이싱(101)을 송풍기 케이싱(14)에 고정시키기 위해, 스크류, 너트 및 볼트, 성형 키(formed key) 및 슬롯 어셈블리, 슬롯과 탭 어셈블리, 트위스트 잠금 탭과 홈 어셈블리 등을 포함할 수 있다.
도 6 내지 도 8은 축방향 인입구(15)에 부착된 공기 흡입 어셈블리(100)의 다양한 실시예를 갖는 이중 원심 송풍기 시스템(10)의 일부 절결도이다,
도 6은, 송풍기 시스템(10)에 부착된 체크 밸브 어셈블리를 갖는 공기 흡입 어셈블리(100)의 실시예의 사시도를 나타낸다. 체크 밸브 어셈블리는, 프레임(102), 방사상 아암(106), 플래퍼(flapper)(103) 및 플래퍼(103)에 연결된 플래퍼 연결 포스트(104)를 포함한다. 그 방사상 아암(106)은 하나의 단부가 프레임(102)에 연결되고, 중앙에서 만나, 플래퍼 연결 포스트(104)를 수용하는 리셉터클을 형성한다. 도 6에 도시된 실시예에서, 프레임(102)은 O-링(105)을 사용하여 압입에 의해 자리잡아 지지된다. 체크 밸브 어셈블리는, 흡입 공기 흐름 없는 상태(zero flow conditions)가 될 때, 고온에서 산화에 의해 고체 산화물 연료 전지(SOFC)및 촉매를 손상시킬 수 있는 공기가, 팬 및 다른 공정 공기로부터 역류되는 것을 방지한다. 밸브 어셈블리가 플래퍼 타입 체크 밸브로서 설명되고 도시되어 있지만, 예를 들어, 볼 체크 밸브, 스프링 및 피스톤 체크 밸브 등과 같은 다른 체크 밸브 어셈블리도 고려대상이다.
플래퍼(103)는, 개방을 위해 매우 작은 압력 강하를 유도하고, 폐쇄 및 밀폐를 위해 재료의 약한 고유 강성 및 스프링 상수를 사용하는, 연질 엘라스토머일 수 있다. 그 움직임이 도 8에 도시되어 있는데, 플래퍼(103)는 그 폐쇄 위치가 실선으로 도시되어 있고, 플래퍼(103)는 그 개방 위치가 점선으로 도시되어 있다. 플래퍼(103)는, 송풍기가 동작하여 축방향 인입구(I5)를 통해 공기를 흡인할 때, 개방된다. 송풍기가 동작하지 않을(off) 때 또는 시스템의 배압이 공기로 하여금 도 8A 및 도 8B 에서 화살표와 반대 방향으로 흐르도록 하면, 플래퍼(103)가 폐쇄되어 공기의 흐름을 막는다.
도 7은, 송풍기 시스템(10)에 부착된 체크 밸브 어셈블리 및 필터 어셈블리 또는 여과 유닛을 구비한 공기 흡입 어셈블리(100)의 실시예의 사시도를 도시한다. 체크 밸브 어셈블리는 도 6에 도시되고 전술된 것과 동일하다, 필터 어셈블리는 필터 프레임(201), 필터(203), 및 O-링(205)을 포함한다. 필터(203)는 필터 프레임(201)에 의해 지지된다. 도 7에 도시된 실시예에서, 필터 프레임(201)은 O-링(205)을 사용하는 압입에 의해 자리잡아 지지된다. 체크 밸브 어셈블리 다음의 필터 어셈블리에 의한 유입 공기의 여과가, 미립자, 휘발성 화합물, 황 화합물, 탄화수소 등을 여과하기 위해, 사용될 수 있고, 습기를 감소시키기 위해 건조제가 사용될 수 있으며, 공기 오염물 등을 제거하기 위해 활성 여과 매체를 사용할 수 있다. 필터(203)는 망상 발포체 종류(낮은 압력 강하)일 수 있고, 상기 열거된 과업을 수행하기 위해 잠재적으로 특정 재료로 도핑될 수 있으며, 예를 들어 황 트랩(sulfur trap)과 같은 것이 있다. 여과되는 입자 크기는 1 내지 100 미크론의 범위 또는 그 이상일 수 있다.
필터 어셈블리가 필터 프레임(201), 필터(203), 및 O-링(205)을 갖는 것으로 기술되어 있지만, 다른 실시예도 고려 대상이다. 예로써, 단일 형상-맞춤 형태(a single form-fitted form)가, 필터 프레임(201) 및 O-링(205)을 필요로 하지 않고, 제자리에 삽입될(fitted into place) 수 있으며, 도 8A 및 도 8B가 이러한 구조를 나타낸다.
도 8A 및 도 8B는, 송풍기 시스템(10)에 부착된 체크 밸브 어셈블리 및 다수의 필터 어셈블리를 구비한 공기 흡입 어셈블리(100)의 실시예의 사시도를 나타낸다. 체크 밸브 앞에서의 유입 공기의 여과가 미립자, 휘발성 화합물 및/또는 수분을 여과하기 위해 사용될 수 있다
도 8A의 실시예에 있어서, 외부 필터(202)가 공기 흡입 어셈블리(100) 위에 부착된다. 외부 필터(202)는, 필터 재료가 관형 형상이고, 상부 단부를 가로질러 연장되며; 저부 단부는 개방되고 공기 흡입 어셈블리를 수용하는 크기로 되어 있다. 외부 필터(202)가 공기 흡입 케이싱(101)에 고정될 때, 공기가 외부 필터(202)의 상부 및 부분적으로 측면을 따라 흐를 수 있다.
도 8B의 실시예에서, 외부 필터(302)가, 도 8A의 것과 유사한 방식으로. 공기 흡입 어셈블리(100) 위에 부착된다. 외부 필터(302)도 또한 관형이지만,본 실시예에서 상부 및 하부 단부가 개방되어 있다. 외부 필터(302)가 공기 흡입 케이싱(101)에 장착되고, 하나의 유닛, 예를 들어 연료 전지의 외부 케이싱에 위치될 때, 케이싱(301)의 내부 표면이 외부 필터(302)의 상부 개방 단부를 밀폐하는데 사용될 수 있다. 공기는 외부 필터(302)의 측면을 통해서만 그리고 부분적으로 측면을 따라 흐를 수 있다.
물론, 본 발명은, 전술한 특징을 갖는 송풍기 유닛에 한정되지 않고, 더 적거나 더 큰, 치수, 전압 및 전력 요건, 임펠러 rpm, 기체 압력 및 기체 흐름 능력 등을 갖는 임의의 원심 송풍기 유닛을 이용할 수 있다는 것이 인식될 것이다,
도 9는, 본 발명의 공기 흡입 어셈블리 및 그 제어 로직의 흐름도를 포함하는, 원심 송풍기의 제어 시스템을 각각 도시한다. 당업자가 인식하는 바와 같이, 이러한 제어 동작은 적절하게 프로그램된 프로세서 또는 컨트롤러에 의해 수행될 수 있다.
송풍기 유닛의 개별 제어에 추가하여, 논리 컨트롤러가 공기 흡입 어셈블리의 구성요소를 모니터링하기 위해 유량계로부터의 입력을 이용할 수 있다. 예를 들어, 유량계에 의해 측정된 바와 같이 송풍기의 방사상 배출구를 빠져나가는 매우 낮은 흐름이 필터 어셈블리 중 하나 이상이 그를 통한 공기 흐름을 막는 것을 표시할 수 있다. 그러면, 컨트롤러가 낮은 흐름 상태를 나타내기 위해 경보를 출력할 수 있거나, 또는 그에 따라 연료 전지의 손상을 방지하기 위해 연료 전지에 대한 비상 정지 절차를 시작할 수 있다.
본 발명의 원심 송풍기 시스템에 연결된 공기 흡입 어셈블리는 다양한 적용례에 대한 기체 흐름 요건을 관리할 수 있다. 도 10A,도 10B, 도 11A 및 도 11B가 관형 타입(도 10A 및 도 10B) 및 평면형 타입(도 11A 및 도 11B)의 SOFC 어셈블리 내의 기체 흐름을 제공하고 조정하기(mediate) 위한 본 발명의 송풍기 시스템의 공기 흡입 어셈블리의 사용을 나타낸다.
도 10A 및 도 10B의 관형 SOFC 어셈블리 또는 스택(140)에서, 제1 송풍기 시스템 및 공기 흡입 어셈블리(141)가, 관형 SOFC 요소의 내부 어레이(143)에 대한 분배를 위해 기체 연료, 예를 들어 수소를 매니폴드(142)에 제공한다. 어레이(143)내의 각각의 튜브는, 공지된 또는 종래의 구조로 될 수 있고, 도 IOC에 도시된 바와 같이, 가장 안쪽의 연료-접촉 양극 층, 중간의 전해질 층 및 외부 음극 층을 갖는다. 제2 송풍기 시스템 및 공기 흡입 어셈블리(144)는, 공기를, 처음에는 주위 온도로 매니폴드(145)에 분배하며, 그곳으로부터 공기가 배출되어, 각각의 관형 SOFC 요소의 음극 구성요소를 위한 산소의 공급원을 제공한다. 공기 유입 매니폴드(145)는 테일 버너(tail burner)(146)로부터 열 교환기(147)로 빠져나가는 고온 연소 기체로부터 열을 얻는다. 점선은, 매니폴드(145)의 배출구를 빠져나가, SOFC 어레이(143)를 거쳐 테일 버너(146)내로 통과하는, 가열된 공기의 흐름 경로를 도시하며, 가열 공기는 테일 버너(146)에서 산소를 제공하여, 관형 SOFC 요소로부터 나와서 배기 매니폴드(148)내로 그리고 그로부터 테일 버너로 들어오는 배기 가스에 존재하는 비사용 연료의 연소를 지원한다. 마지막으로, 고온 연소 가스가 열 교환기(147)로 들어가고, 앞에서 설명한 바와 같이, 그곳에서 제1 송풍기 시스템 및 공기 흡입 어셈블리(141)에 의해 제공된 유입 공기를 예열하는 역할을 한다. 배압(back pressure)이 주변 공기로 하여금 테일 버너와 열교환기(147)를 통해 시스템으로 거슬러 들어가기 시작하게 하면, 체크 밸브가 폐쇄되고, 따라서 주변 공기가 시스템내로 더 전파되는(propagate) 것을 막는다.
도 11A 및 도 1B에 도시된 평면형 SOFC 어셈블리의 구성 및 작동은 도 10A 및 도 10B의 관형 SOFC 어셈블리에 대해 상술한 것과 거의 마찬가지이고, 주요 차이점은 평면형 SOFC 요소의 사용이다, 도 11C에 도시된 바와 같이, 어레이(151)내의 각각의 평면형 SOFC 요소는 양극, 전해질, 음극 및 상호연결 구성요소를 포함한다.
본 발명을 예시의 목적으로 상세하게 설명하였지만, 이러한 상세한 설명은 단지 그러한 목적을 위한 것이며, 청구범위에 정의된 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 당업자에 의해 변형이 이루어질 수 있다는 것을 이해해야 한다.
10 : 이중 원심 송풍기 시스템 11 : 제1 원심 송풍기 유닛
12 : 제2 원심 송풍기 유닛 13 : 덕트
14 : 송풍기 케이싱 15, 22 : 인입구
16, 23 : 배출구 17 : 임펠러
18 : 전기 모터 19, 301 : 케이싱
20 : 임펠러 21 : 전기 모터
24 : 기체 스트림 하우징 100 : 공기 흡입 어셈블리
101 : 공기 흡입 케이싱 102 : 프레임
103 : 플래퍼 104 : 플래퍼 연결 포스트
105, 205 : O-링 106 : 방사상 아암
140 : 관형 SOFC 어셈블리 및 스택
141 : 제1 송풍기 시스템 및 공기 흡입 어셈블리
142, 145 : 매니폴드 143 : SOFC 어레이
144 : 제2 송풍기 시스템 및 공기 흡입 어셈블리
146 : 테일 버너 147 열교환기
148 : 배기 매니폴드 151 어레이
201 : 필터 프레임 202, 302 : 외부 필터
203 : 필터
12 : 제2 원심 송풍기 유닛 13 : 덕트
14 : 송풍기 케이싱 15, 22 : 인입구
16, 23 : 배출구 17 : 임펠러
18 : 전기 모터 19, 301 : 케이싱
20 : 임펠러 21 : 전기 모터
24 : 기체 스트림 하우징 100 : 공기 흡입 어셈블리
101 : 공기 흡입 케이싱 102 : 프레임
103 : 플래퍼 104 : 플래퍼 연결 포스트
105, 205 : O-링 106 : 방사상 아암
140 : 관형 SOFC 어셈블리 및 스택
141 : 제1 송풍기 시스템 및 공기 흡입 어셈블리
142, 145 : 매니폴드 143 : SOFC 어레이
144 : 제2 송풍기 시스템 및 공기 흡입 어셈블리
146 : 테일 버너 147 열교환기
148 : 배기 매니폴드 151 어레이
201 : 필터 프레임 202, 302 : 외부 필터
203 : 필터
Claims (18)
- 축방향 인입구 및 방사상 배출구를 갖는 송풍기 케이싱; 상기 케이싱 내에 배치되어 제1 압력으로 기체 매체를 상기 축방향 인입구로 흡인하고 상기 제1 압력보다 고압인 제2 압력으로 기체 매체를 상기 방사상 배출구를 통해 배출하는 임펠러; 및 상기 임펠러를 구동하는 모터를 포함하여 구성되는 송풍기 유닛; 및
공기 인입구 및 공기 배출구를 가지며 상기 공기 배출구가 상기 송풍기 케이싱의 축방향 인입구에 연결되는 공기 흡입 어셈블리 케이싱; 상기 공기 흡입 어셈블리 케이싱의 공기 인입구에 부착된 플래퍼를 포함하여 구성되고, 상기 공기 흡입 어셈블리 케이싱 내에 장착되며, 상기 공기 인입구로부터 상기 공기 흡입 어셈블리 케이싱을 통해 공기 배출구로의 공기 흐름을 허용하고, 상기 공기 배출구로부터 상기 공기 흡입 어셈블리 케이싱을 통해 상기 공기 인입구로의 공기 흐름을 방지하도록 위치한 체크 밸브; 및 공기가 그 상단을 통해 그리고 부분적으로 그 측면을 따라 흐르도록 상기 공기 흡입 어셈블리 케이싱 상에 부착된 외부 필터를 포함하는 공기 흡입 어셈블리;를 포함하여 구성되고,
여기서 상기 플래퍼는 상기 송풍기 유닛이 맞물려 공기를 상기 송풍기 케이싱의 축방향 인입구를 통해 흡인할 때 개방되고, 상기 송풍기 유닛이 동작하지 않거나 또는 상기 송풍기 유닛의 배압으로 인해 흡인된 공기 흐름의 반대방향으로 공기가 흐르게 될 때 폐쇄되는, 원심 송풍기 공기 흡입 장치. - 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 공기 흡입 어셈블리가, 상기 공기 흡입 어셈블리 케이싱의 공기 인입구 및 공기 배출구 중 적어도 하나에 위치하는 적어도 하나의 공기 여과 유닛을 더 포함하여 구성되는, 원심 송풍기 공기 흡입장치.
- 제3항에 있어서, 상기 공기 여과 유닛이 황 트랩 또는 건조제 중 적어도 하나를 포함하는, 원심 송풍기 공기 흡입장치.
- 제1항에 있어서, 상기 공기 흡입 어셈블리 케이싱과 상기 송풍기 케이싱이 서로 일체로 형성되거나 분리될 수 있는 것의 적어도 하나인, 원심 송풍기 공기 흡입 장치.
- 제1항의 원심 송풍기 공기 흡입 장치를 포함하는 고체 산화물 연료 전지 어셈블리.
- 축방향 인입구 및 방사상 배출구를 갖는 송풍기 케이싱; 상기 케이싱 내에 배치되어 제1 압력에서 기체 매체를 상기 축방향 인입구로 흡인하고, 상기 제1 압력 보다 고압인 제2 압력으로 기체 매체를 상기 방사상 배출구를 통해 배출하는 임펠러; 및 상기 임펠러를 구동하는 모터를 각각 포함하여 구성되는 일련의 송풍기 유닛;
상기 일련의 송풍기 유닛 내의 적어도 하나의 송풍기 유닛의 방사상 배출구를 상기 일련의 송풍기 유닛 내의 적어도 하나의 다른 송풍기 유닛의 축방향 인입구와 연결하는 덕트; 및
공기 인입구 및 공기 배출구를 가지며, 상기 공기 배출구가 상기 송풍기 케이싱의 축방향 인입구에 연결되는 공기 흡입 어셈블리 케이싱; 상기 공기 흡입 어셈블리 케이싱의 공기 인입구에 부착되는 플래퍼를 포함하여 구성되고, 상기 공기 흡입 어셈블리 케이싱 내에 장착되며, 상기 공기 인입구로부터 상기 공기 흡입 어셈블리 케이싱을 통해 공기 배출구로의 공기 흐름을 허용하고, 상기 공기 배출구로부터 상기 공기 흡입 어셈블리 케이싱을 통해 상기 공기 인입구로의 공기 흐름을 방지하도록 위치한 체크 밸브; 및 공기가 그 상단을 통해 그리고 부분적으로 그 측면을 따라 흐르도록 상기 공기 흡입 어셈블리 케이싱 상에 부착된 외부 필터를 포함하는 공기 흡입 어셈블리;를 포함하여 구성되고,
여기서 상기 플래퍼는 상기 송풍기 유닛이 맞물려 공기를 상기 송풍기 케이싱의 축방향 인입구를 통해 흡인할 때 개방되고, 상기 송풍기 유닛이 동작하지 않거나 또는 상기 송풍기 유닛의 배압으로 인해 흡인된 공기 흐름의 반대방향으로 공기가 흐르게 될 때 폐쇄되는, 원심 송풍기 시스템용 공기 흡입 어셈블리. - 삭제
- 제7항에 있어서, 상기 공기 흡입 어셈블리가, 상기 공기 인입구 및 상기 공기 배출구 중 적어도 하나에 위치하는 적어도 하나의 공기 여과 유닛을 더 포함하여 구성되는, 원심 송풍기 시스템용 공기 흡입 어셈블리.
- 제9항에 있어서, 상기 공기 여과 유닛이 황 트랩 또는 건조제 중 적어도 하나를 포함하는, 원심 송풍기 시스템용 공기 흡입 어셈블리.
- 제7항에 있어서, 상기 공기 흡입 어셈블리 케이싱 및 상기 송풍기 케이싱이 서로 일체로 형성되거나 분리될 수 있는 것의 적어도 하나인, 원심 송풍기 시스템용 공기 흡입 어셈블리.
- 제7항의 원심 송풍기 시스템용 공기 흡입 어셈블리를 포함하는, 고체 산화물 연료 전지 어셈블리.
- 축방향 인입구 및 방사상 배출구를 갖는 원심 송풍기 케이싱, 상기 원심 송풍기 케이싱 내에 배치되어 제1 압력으로 기체 매체를 상기 축방향 인입구로 흡인하고 상기 제1 압력 보다 고압인 제2 압력으로 기체 매체를 상기 방사상 배출구를 통해 배출하는 임펠러, 및 상기 임펠러를 구동하기 위한 모터를 가지는 원심 송풍기를 위한 공기 흡입 어셈블리에 있어서,
상기 공기 흡입 어셈블리는,
공기 인입구 및 공기 배출구를 가지며, 상기 공기 배출구가 상기 송풍기 케이싱의 축방향 인입구에 연결되는 공기 흡입 어셈블리 케이싱;
상기 공기 흡입 어셈블리 케이싱의 공기 인입구에 부착되는 플래퍼를 포함하여 구성되고, 상기 공기 흡입 어셈블리 케이싱 내에 장착되며, 상기 공기 인입구로부터 상기 공기 흡입 어셈블리 케이싱을 통해 공기 배출구로 공기 흐름을 허용하고, 상기 공기 배출구로부터 상기 공기 흡입 어셈블리 케이싱을 통해 상기 공기 인입구로 공기 흐름을 방지하도록 위치한 체크 밸브; 및
공기가 그 상단을 통해 그리고 부분적으로 그 측면을 따라 흐르도록 상기 공기 흡입 어셈블리 케이싱 상에 부착된 외부 필터;를 포함하여 구성되고,
여기서 상기 플래퍼는 상기 원심 송풍기가 맞물려 공기를 상기 원심 송풍기 케이싱의 축방향 인입구를 통해 흡인할 때 개방되고, 상기 원심 송풍기가 동작하지 않거나 또는 상기 원심 송풍기의 배압으로 인해 흡인된 공기 흐름의 반대방향으로 공기가 흐르게 될 때 폐쇄되는, 원심 송풍기용 공기 흡입 어셈블리. - 삭제
- 제13항에 있어서, 상기 공기 인입구와 공기 배출구 중 적어도 하나에 위치된 적어도 하나의 공기 여과 유닛을 더 포함하여 구성되는, 원심 송풍기용 공기 흡입 어셈블리.
- 제15항에 있어서, 상기 공기 여과 유닛이 황 트랩 또는 건조제 중 적어도 하나를 포함하는, 원심 송풍기용 공기 흡입 어셈블리.
- 제13항에 있어서, 상기 공기 흡입 어셈블리 케이싱 및 상기 송풍기 케이싱이 서로 일체로 형성되거나 분리될 수 있는 것의 적어도 하나인, 원심 송풍기용 공기 흡입 어셈블리.
- 제13항의 원심 송풍기용 공기 흡입 어셈블리를 포함하는 고체 산화물 연료 전지 어셈블리.
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