KR20090058095A - 연료전지 차량용 냉각수 온도조절장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 차량용 냉각수 온도조절장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스택입구단에 온도제어밸브가 설치되고, 스택입구의 냉각수 온도에 따라 바이패스에서 오는 뜨거운 냉각수와 라디에이터에서 오는 차가운 냉각수가 동시에 흘러들어가도록 온도제어밸브를 비례제어함으로써, 스택에서 요구하는 특정온도의 냉각수를 유지할 수 있도록 한 연료전지 차량용 냉각수 온도조절장치에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 일측에 수평방향으로 형성된 제1 및 제2유입포트와, 타측에 수평방향으로 형성된 배출포트를 갖는 하우징; 상기 하우징의 유입포트와 배출포트 사이에서 상하방향으로 작동하여 제1 및 제2유입포트의 열림량을 비례제어하는 작동플런저를 갖는 플런저 작동부; 상기 플런저 작동부의 상단에 장착된 모터; 및 상기 모터와 연동되며 작동플런저와 결합되도록 모터에서 플런저 작동부의 하단까지 연장되는 모터축을 포함하고, 상기 모터가 가동함에 따라 모터축을 통해 전달된 회전력에 의해 상기 작동플런저가 상하방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 냉각수 온도조절장치를 제공한다.
냉각수, 온도조절장치, 모터, 작동플런저

Description

연료전지 차량용 냉각수 온도조절장치{Temperature controller of coolant for fuel cell vehicle}
본 발명은 연료전지 차량용 냉각수 온도조절장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스택입구단에 온도제어밸브가 설치되고, 스택입구의 냉각수 온도에 따라 바이패스에서 오는 뜨거운 냉각수와 라디에이터에서 오는 차가운 냉각수가 동시에 흘러들어가도록 온도제어밸브를 비례제어함으로써, 스택에서 요구하는 특정온도의 냉각수를 유지할 수 있도록 한 연료전지 차량용 냉각수 온도조절장치에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템이다.
상기 연료전지시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지스택, 연료전지스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템, 연료전지스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급시스템, 연료전지스택의 반응 열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템으로 구성된다.
이와 같은 구성으로 연료전지시스템에서는 연료인 수소와 공기중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다.
상기 연료전지스택은 연료전지 차량의 주동력공급원으로서, 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급받아서 전기를 생산하는 장치이다.
상기 연료전지스택은 최적의 온도로 조절된 냉각수가 스택 내로 흘러 들어갈 때 안정적으로 최적의 출력 효과를 보이므로, 스택으로 유입되는 냉각수의 온도를 특정온도로 유지하는 것은 중요하다.
따라서, 연료전지차량에서는 연료전지스택 루프에 냉각수 온도조절장치가 장착되어, 스택으로 들어가는 냉각수의 온도를 최적으로 조절하게 된다.
도 1은 연료전지 차량에서 스택을 냉각하는 루프를 나타내는 도면으로서, 초기 시스템 시동시, 스택(10)의 발열량이 작아서 냉각수 온도가 낮을 경우에 냉각수는 10(스택)→11(펌프)→13(온도조절밸브)→10(스택)의 루프로 흐르게 된다. 즉, 냉각수의 온도가 낮아서 라디에이터(12)로 보낼 필요가 없기 때문이다.
그러나, 시간이 지나면 스택(10) 발열량이 많아지고, 바이패스 루프로 흐르던 냉각수의 온도가 급격하게 상승하기 시작하면 온도조절밸브(13)에서 바이패스 루프를 적절히 차단하고 라디에이터(12) 루프를 열게 되면서 라디에이터(12)에서 냉각된 냉각수가 스택(10)으로 유입된다(10→11→12→13→10).
연료전지차량에 적용되는 스택 입구의 요구 냉각수 온도 사양이 65℃ 임을 고려할 때, 온도조절밸브는 스택(10) 입구온도(T1) 신호를 입력받아 양쪽 루프의 개도를 적절히 제어하여 외부 환경에 상관없이 항상 일정한 온도의 냉각수를 스택으로 유입되도록 한다.
도 2는 종래의 로터리식 온도조절밸브(130)를 나타내는 도면으로서, 밸브 상단에 장착된 모터에 의한 유량 컨트롤러(134)의 제어방식을 적용하고 있다.
상기 밸브에는 바이패스라인(스택출구)으로부터 냉각수가 유입되는 제1유입포트(131), 라디에이터(12)에서 냉각수가 유입되는 제2유입포트(132) 및 스택입구로 배출되는 배출포트(133)로 구성되고, 상기 제1 및 제2유입포트(131,132)를 통해 냉각수가 동시에 유입될 수 있도록 밸브 내부에 유량 컨트롤러(134)가 설치되어 있다.
상기 제어방식은 모터에 의해 내부에 위치한 유량 컨트롤러(134)가 좌우로 회전하면서 라디에이터(12)에서 오는 냉각된 냉각수와 바이패스라인에서 오는 냉각 전 냉각수의 혼합비를 조절하여 스택(10)으로 흘러가는 냉각수의 온도를 제어하는 방식으로, 유량 컨트롤러(134)의 비례 제어에 의해 항상 일정량의 냉각수를 공급할 수 있다.
그러나, 상기 온도조절밸브는 200LPM 이상의 고유량 조건에서 모터에 의한 유량 컨트롤러의 회전을 제어할 경우에 냉각수 유동에 의한 압력의 발생으로 모터 토크가 과도하게 증가하고 정확한 제어가 불가능하다는 단점이 있다.
또한, 상기 로터리식 온도조절밸브는 고가이므로, 차량 장착에 부적합하다.
한편, 도 3은 종래의 직동식 온도조절밸브(230)를 나타내는 도면으로서, 직동식 온도조절밸브는 상기 로터리식과 마찬가지로 모터(234)에 의해 작동하고, 바이패스라인에서 냉각수가 유입되는 제1유입포트(231), 라디에이터에서 냉각수가 유입되는 제2유입포트(232), 스택입구로 냉각수를 배출시키는 배출포트(233) 및 상기 제1유입포트(231) 또는 제2유입포트(232)를 선택적으로 개폐하는 다이아프램을 포함한다.
직동식 밸브에 의한 제어방식은 로터리식과 마찬가지로 시스템의 냉각수 온도에 의해 모터(234)를 제어하나, 스택(10) 출구에서 나오는 뜨거운 냉각수와 라디에이터(12)에서 오는 차가운 냉각수를 교대로 통과시키면서 시스템의 냉각수 온도를 제어한다는 점에서 다르다.
이때, 상기 밸브 하우징의 내부에 설치된 다이아프램이 모터 구동에 의해서 스택(10)출구에서 오는 냉각수와 라디에이터(12)에서 오는 냉각수를 선택적으로 흐르도록 한다.
그런데, 상기 직동식 온도조절밸브는 로터리 방식과 달리 고유량 조건에서도 원활한 모터 제어 성능을 나타내나, 라디에이터에서 오는 차가운 냉각수와 스택에서 오는 뜨거운 냉각수의 유량을 비례제어가 불가능하여 스택 출력의 안정화를 위한 냉각수의 정밀한 온도제어가 불가능한 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 스택입구단에 유량 비례제어가 가능한 로터리 방식과 고 유량에서도 원활한 모터제어가 가능한 온도제어밸브를 설치하고, 스택입구의 냉각수 온도에 따라 바이패스에서 오는 뜨거운 냉각수와 라디에이터에서 오는 차가운 냉각수가 동시에 흘러들어가도록 온도제어밸브를 비례제어함으로써, 스택에서 요구하는 특정온도의 냉각수를 유지할 수 있도록 한 연료전지 차량용 냉각수 온도조절장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지 차량용 냉각수 온도조절장치에 있어서,
일측에 수평방향으로 형성된 제1 및 제2유입포트와, 타측에 수평방향으로 형성된 배출포트를 갖는 하우징; 상기 하우징의 유입포트와 배출포트 사이에서 상하방향으로 작동하여 제1 및 제2유입포트의 열림량을 비례제어하는 작동플런저를 갖는 플런저 작동부; 상기 플런저 작동부의 상단에 장착된 모터; 및 상기 모터와 연동되며 작동플런저와 결합되도록 모터에서 플런저 작동부의 하단까지 연장되는 모터축을 포함하고, 상기 모터가 가동함에 따라 모터축을 통해 전달된 회전력에 의해 상기 작동플런저가 상하방향으로 이동하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서, 상기 제1유입포트를 통해 라디에이터에서 유입되는 냉 각수와, 상기 제2유입포트를 통해 스택출구에서 유입되는 냉각수가 플런저 작동부에서 합쳐지고, 배출포트를 통해 혼합된 냉각수 또는 상기 냉각수 중 선택된 어느 하나를 스택입구로 공급하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직한 구현예로서, 상기 작동플런저는 플런저 작동부의 내부에 수직방향으로 설치되고, 모터축이 작동플런저의 중심부를 관통하여 나사결합되며, 모터축의 회전 및 작동플런저의 형상에 의해 자신은 회전하지 않고 상하방향으로 이동가능한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 작동플런저는 타원형으로 형성되어, 상기 모터축이 회전하더라도 작동플런저의 형상을 따라 형성된 플런저 작동부의 내부면에 의해 자신은 회전하지 않고 상하이동만 가능한 것을 특징으로 한다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 차량용 냉각수 온도조절장치에 의하면, 기존의 직동식과 로터리식의 장점을 적용함으로써, 스택 입구의 냉각수 온도 신호에 따라 모터를 구동하여 실시간으로 냉각수 온도를 제어할 수 있고, 이에 따라 스택 출력의 효율 및 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 기존 대비 압력 강하를 감소시켜 펌프의 토출 부하를 낮추어서 낮은 출력에서도 충분한 유량 공급을 할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
첨부한 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 냉각수 온도조절장치의 외형을 나타내는 정면도이고, 도 5는 도 4에서 상부하우징을 제거한 상태를 나타내는 정면도이고, 도 6은 도 5의 평면도이고, 도 7은 도 4의 단면도이다.
본 발명은 정확하고 신속한 냉각수 온도를 제어하기 위해 온도조절밸브(330)를 스택(10) 입구단에 장착하고, 스택입구로 유입되는 냉각수 온도에 따라 모터(331)가 작동하여 모터축에 연결된 작동플런저(332)를 상하로 이동시킴으로써, 바이패스 라인에서 오는 냉각수와 라디에이터(12)에서 오는 냉각수의 유량을 비례제어하는 구조이다.
즉, 유량의 비례제어가 가능한 로터리 방식과 고 유량에서도 원활한 모터 제어 성능을 나타내는 직동식의 장점을 모두 적용하는 방식이다.
본 발명의 일실시예에 따른 온도조절밸브(330)는 라디에이터(12)에서 냉각수가 유입되는 제1유입포트(333), 스택출구에서 냉각수가 유입되는 제2유입포트(334), 스택입구로 냉각수가 배출되는 배출포트(335)를 갖는 하우징을 포함한다.
상기 제1유입포트(333)는 하우징의 좌측에, 배출포트(335)는 하우징의 우측에 일직선 상으로 수평하게 형성되고, 제2유입포트(334)는 제1유입포트(333)와 함께 합쳐지도록 경사지게 형성된다.
상기 하우징의 가운데에는 제1 및 제2유입포트(333,334)와 배출포트(335) 사이로 플런저 작동부(336)가 수직하게 형성되며, 플런저 작동부(336)에는 작동플런저(332)가 상하방향으로 이동가능하도록 설치되고, 작동플런저(332)는 모터축(337) 과 나사결합을 이루면서 자신은 회전하지 않고 하우징의 상단에 설치된 모터(331)의 작동에 의해 상하방향으로 이동하게 된다.
즉, 모터(331)가 일방향으로 회전함에 따라 모터축(337)과 나사결합된 작동플런저(332)가 플런저 작동부(336) 및 작동플런저(332)의 형상에 의해 회전이 불가능하나, 암나사산이 형성된 작동플런저(332)와 수나사산이 형성된 모터축(337)이 서로 결합하여 모터축(337)이 회전하면 작동플런저(332)가 상방향으로 이동하고, 모터(331)가 타방향으로 회전하면 작동플런저(332)가 하방향으로 이동한다.
이때, 상기 플런저 작동부(336)는 원(곡면)과 직선(평면)의 조합으로 이루어진 타원형태일 수 있고, 플런저 작동부(336)와 동일한 형상으로 내부에 작동플런저(332)가 설치됨으로써, 작동플런저(332)의 회전을 제한할 수 있게 되는 것이다.
또한 상기 작동플런저(332)는 제1 및 제2유입포트(333,334) 중 어느 하나를 완전히 막을 수 있도록 내경보다 약간 긴 높이를 갖고, 냉각수가 제2유입포트(334)에서 배출포트(335)로 흐름이 원활하도록 하기 위해 내부에 냉각수가 유입될 수 있는 공간이 형성되며, 그 일측면은 제1유입포트(333) 및 제2유입포트(334)를 개폐할 수 있도록 수직곡면으로 이루어지고, 타측면에는 제2유입포트(334)를 통해 유입된 냉각수를 배출포트(335)로 흘려보낼 수 있도록 개구부가 형성되어 있다.
즉, 상기 제1유입포트(333)를 통해 유입된 냉각수는 작동플런저(332)의 상부를 바로 통과하여 배출포트(335)로 흘러나가고, 제2유입포트(334)를 통해 유입된 냉각수는 작동플런저(332)의 내부공간을 경유하여 개구부를 통해 배출포트(335)로 흘러나가게 된다.
이와 같은 구성에 의한 본 발명에 따른 냉각수 온도조절장치의 작동상태를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 스택(10) 입구의 냉각수 온도를 측정한 다음, 측정된 냉각수 온도를 입력받아 모터(331) 제어에 의해 작동플런저(332)의 위치를 제어하여 제1유입포트(333) 및 제2유입포트(334)를 통해 유입되는 냉각수의 유량을 비례제어함으로써, 냉각수 온도를 설정온도로 유지한다.
보다 상세하게는, 모터(331)가 가동함에 따라 모터축(337)이 회전하게 되고, 작동플런저(332)가 회전 제한을 받아 상하방향으로 이동하게 된다. 이때, 제1 및 제2유입포트(333,334) 측과 인접한 작동플런저(332)의 일측면이 제1유입포트(333)를 열고 제2유입포트(334)를 닫게 되면, 라디에이터(12)에서 오는 차가운 냉각수가 배출포트(335)를 통해 스택(10)입구로 공급된다.
이와 유사하게, 상기 작동플런저(332)의 작동면이 제1유입포트(333)의 일부와 제2유입포트(334)의 일부에 걸쳐 있는 경우에는 라디에이터(12)에서 오는 차가운 냉각수와 스택(10)출구에서 오는 뜨거운 냉각수가 동시에 스택(10)입구로 공급되게 된다. 다만 이때에는 제1유입포트(333) 쪽이 더 많이 열린 상태이면 차가운 냉각수가 더 많이 유입될 것이고, 제2유입포트(334) 쪽이 더 많이 열린 상태이면 뜨거운 냉각수가 더 많이 유입될 것이다.
즉, 이는 스택(10)의 입구에 유입되는 냉각수 온도가 설정온도(예;65℃)보다 높으면 제1유입포트(333)의 열림량을 증가시키도록 작동플런저(332)의 위치를 조절하고, 설정온도보다 낮으면 제2유입포트(334)의 열림량을 증가시키도록 작동플런 저(332)의 위치를 조절한다. 이와 같은 작동플런저(332)의 위치제어는 모터(331)의 작동을 제어함으로 가능하게 된다.
또한, 제1유입포트(333)를 닫고 제2유입포트(334)를 열게 되면, 스택(10)출구에서 오는 뜨거운 냉각수가 배출포트(335)를 통해 스택입구로 공급된다.
도 8은 본 발명의 비례제어에 따른 시스템 압력강하를 나타내는 그래프이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 냉각수 유량의 비례제어가 가능하기 때문에 시스템의 압력 강하가 100LPM에서 5kPa이었다. 기존에 사용하던 직동식의 경우 동일 유량에서 20kPa의 압력 강하가 있었으므로, 본 발명에 의한 제어방법으로 압력강하도 개선되었음을 알 수 있다.
도 9는 열 히스테리시스 곡선을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 스택 입구의 냉각수 온도 신호로 모터가 구동되기 때문에 기존 직동식이 가지고 있는 열 히스테리시스가 전혀 없고, 이는 정확하고 신속하게 온도제어가 가능해지므로 외기 환경 등으로 인한 냉각조건이 바뀌어도 수초 이내에 스택으로 일정 온도의 냉각수를 공급할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
도 1은 연료전지 차량에서 스택을 냉각하는 루프를 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 로터리식 온도조절밸브를 나타내는 도면이다.
도 3은 종래의 직동식 온도조절밸브를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 냉각수 온도조절장치의 외형을 나타내는 정면도이다.
도 5는 도 4에서 상부하우징을 제거한 상태를 나타내는 정면도이다.
도 6은 도 5의 평면도이다.
도 7은 도 4의 단면도이다.
도 8은 도 4의 온도조절장치의 압력강하를 나타내는 그래프이다.
도 9는 열 히스테리시스 곡선을 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 스택 11 : 펌프
12 : 라디에이터 13,330 : 온도조절밸브
331 : 모터 332 : 작동플런저
333 : 제1유입포트 334 : 제2유입포트
335 : 배출포트 336 : 플런저 작동부
337 : 모터축

Claims (4)

  1. 연료전지 차량용 냉각수 온도조절장치에 있어서,
    일측에 수평방향으로 형성된 제1 및 제2유입포트와, 타측에 수평방향으로 형성된 배출포트를 갖는 하우징;
    상기 하우징의 유입포트와 배출포트 사이에서 상하방향으로 작동하여 제1 및 제2유입포트의 열림량을 비례제어하는 작동플런저를 갖는 플런저 작동부;
    상기 플런저 작동부의 상단에 장착된 모터; 및
    상기 모터와 연동되며 작동플런저와 결합되도록 모터에서 플런저 작동부의 하단까지 연장되는 모터축을 포함하고, 상기 모터가 가동함에 따라 모터축을 통해 전달된 회전력에 의해 상기 작동플런저가 상하방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 냉각수 온도조절장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1유입포트를 통해 라디에이터에서 유입되는 냉각수와, 상기 제2유입포트를 통해 스택출구에서 유입되는 냉각수가 플런저 작동부에서 합쳐지고, 배출포트를 통해 혼합된 냉각수 또는 상기 냉각수 중 선택된 어느 하나를 스택입구로 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 냉각수 온도조절장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 작동플런저는 플런저 작동부의 내부에 수직방향으로 설치되고, 모터축이 작동플런저의 중심부를 관통하여 나사결합되며, 모터축의 회전 및 작동플런저의 형상에 의해 자신은 회전하지 않고 상하방향으로 이동가능한 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 냉각수 온도조절장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 작동플런저는 타원형으로 형성되어, 상기 모터축이 회전하더라도 작동플런저의 형상을 따라 형성된 플런저 작동부의 내부면에 의해 자신은 회전하지 않고 상하이동만 가능한 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 냉각수 온도조절장치.
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