KR20120027591A - 라디에이터 일체형 3웨이밸브 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 라디에이터의 출구단에 일체형으로 설치되는 3웨이밸브에 관한 것이다.
본 발명은 라디에이터의 출구단에 3웨이밸브를 일체화하여 기존 시스템의 바이패스 루프를 제거한 새로운 형태의 3웨이밸브를 구현함으로써, 바이패스 루프 삭제를 통한 원가절감 및 경량화 달성, 그리고 시스템 간소화를 통해 설계자유도를 향상시킬 수 있는 등 전반적인 시스템 운용의 효율성을 높일 수 있는 라디에이터 일체형 3웨이밸브를 제공한다.

Description

라디에이터 일체형 3웨이밸브{3 way valve integrated with radiator}
본 발명은 라디에이터 일체형 3웨이밸브에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 라디에이터의 출구단에 일체형으로 설치되는 3웨이밸브에 관한 것이다.
일반적으로 차량의 연료전지스택은 최적의 온도로 제어되는 냉각수가 스택 내부로 공급될 때, 안정적으로 최적의 출력 효과를 보인다.
그러므로, 연료전지스택으로 유입되는 냉각수의 온도를 적절하게 유지하는 것은 스택 출력에 있어서 매우 중요하며, 이를 위하여 연료전지차량에서는 스택의 냉각수 온도 유지를 위한 수단으로 TMS 시스템을 운용하고 있다.
상기 TMS 시스템은, 도 1에 도시한 바와 같이, 냉각수 순환회로를 구성하는 스택(100), 펌프(110), 라디에이터(120) 및 히터(130), 그리고 펌프측에서 연장되는 바이패스 루프(140)와 라디에이터측에서 연장되는 라디에이터 루프(150) 등을 포함하는 형태로 이루어진다.
이러한 TMS 시스템에서 각 루프 내의 냉각수 흐름은 전자식 3웨이밸브(160)에 의해 단속된다.
특히, 기존의 TMS 시스템에서는 별도의 바이패스 루프(140)를 채용하고 있는데, 그 이유는 시동 초기 신속한 시스템 운전속도 상승을 통한 원활한 운전조건 형성을 하기 위함이다.
그리고, 시스템이 과열되어 3웨이밸브(160)에 설정된 운전온도를 넘어서면, 3웨이밸브(160)는 라디에이터 루프(150)를 열어서 찬물을 유입시킴으로써 시스템 냉각수온을 낮추게 된다.
즉, 상기 3웨이밸브(160)는 바이패스의 온수와 라이에이터의 냉수를 적절히 혼합하여 스택이 최적 출력 효율을 나타낼 수 있는 그 특정 온도를 유지하는 부품이다.
예를 들면, 초기 시스템 시동시, 스택의 발열량이 작아서 냉각수 온도가 낮은 경우, 냉각수는 스택→펌프→바이패스 루프→3웨이밸브→히터→스택으로 이어지는 순환라인을 따라 흐르게 된다.
즉, 냉각수의 온도가 낮아서 라디에이터로 보낼 필요가 없기 때문이다.
시스템 시동 후에 어느 정도 시간이 지나면 스택의 발열량이 많아지고, 바이패스 루프를 흐르던 냉각수의 온도가 급격히 상승하게 되면, 이때부터 3웨이밸브는 바이패스 루프를 적절히 차단하고 라이에이터 루프를 열게 되고, 냉각수는 스택→펌프→라디에이터→라디에이터 루프→3웨이밸브→히터→스택으로 이어지는 순환라인을 따라 흐르게 된다.
그리고, 시스템 활성화 단계에서 3웨이밸브는 스택 입구온도 신호를 입력받아 양쪽 루프의 개도를 적절히 제어하여 외부 환경에 상관없이 항상 일정한 온도의 냉각수를 스택측에 제공하게 된다.
그러나, 기존 TMS 시스템의 경우에 3웨이밸브를 적용하기 위해서는 반드시 바이패스 루프와 라이에이터 루프가 별도로 존재해야 한다.
즉, 현재까지 개발된 냉각 시스템의 경우, 시동 초기 신속한 시스템의 승온 및 과열시 시스템 냉각을 위해서 바이패스 루프와 라이에이터 루프가 별도로 필요한 실정이다.
이로 인해, 기존의 TMS 시스템은 구조적으로 불리할 뿐만 아니라, 레이아웃 설계 자유도 측면에서도 불리한 점이 있고, 시스템 운용 측면에서도 효율성이 떨어지는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 라디에이터의 출구단에 3웨이밸브를 일체화하여 기존 시스템의 바이패스 루프를 제거한 새로운 형태의 3웨이밸브를 구현함으로써, 바이패스 루프 삭제를 통한 원가절감 및 경량화 달성, 그리고 시스템 간소화를 통해 설계자유도를 향상시킬 수 있는 등 전반적인 시스템 운용의 효율성을 높일 수 있는 라디에이터 일체형 3웨이밸브를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 라디에이터 일체형 3웨이밸브는 액추에이터, 하우징 및 커버, 그리고 상기 하우징의 내부에 설치되는 동시에 액추에이터의 축에 연결되어 회전되면서 하우징에 있는 흡입구와 배출구를 선택적으로 단속하는 밸브를 포함하며, 상기 하우징은 라디에이터측과 연결되는 2개의 흡입구와 스택측으로 연결되는 1개의 배출구를 가지면서 라디에이터의 한쪽 옆에 일체식으로 형성되어, 바이패스 온수와 라디에이터 냉수를 적절히 혼합하여 스택에 제공할 수 있는 구조로 이루어져 있으며, 라디에이터 출구단에 3웨이밸브가 일체로 구성되므로서, 기존 바이패스 루프를 제거할 수 있는 등 전체적인 시스템의 컴팩트한 모듈화를 가능하게 하는 특징이 있다.
여기서, 상기 하우징에 형성되는 2개의 흡입구는 서로 90°각도를 유지하면서 하우징 반경방향으로 형성하고, 1개의 배출구는 하우징 축선방향과 나란하게 형성하는 한편, 이때의 2개의 흡입구 중에서 1개의 흡입구는 라디에이터의 상부 헤드와 바이패스 호스를 매개로 연결하고, 다른 1개의 흡입구는 라디에이터의 하부 헤드에 직접 연결하는 것이 바람직하다.
라디에이터 출구단에 3웨이밸브를 일체화해서 기존 시스템의 바이패스 루프를 제거할 수 있으므로, 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 단품 감소(기존 대비 실리콘 호스 2개, 배관 2개 감소)에 따른 원가 절감을 도모할 수 있다(차종 별 약 30 ~ 50만원/대).
둘째, 경량화를 도모할 수 있다(차종 별 3 ~ 5Kg/대, 배관 내 냉각수 중량 감소 고려시 경량화 효과 증대))
셋째, 바이패스 루프 삭제에 따른 시스템 공간 확보가 가능하여 시스템 설계 자유도를 높일 수 있다.
넷째, 차량 제작시 조립성이 향상되며, A/S시에도 시스템 탈부착이 용이하다.
다섯째, TMS 컴팩트 모듈화가 가능하다(현재 시스템에서는 바이패스 루프로 인해서 TMS 모듈 바깥에 바이패스 루프 및 라디에이터 루프가 별도로 존재함).
여섯째, 스택의 발열량이 많아지면 라디에이터로 100% 개방되도록 하는 제어 로직을 반영할 경우 고출력 운전시간 증대가 가능하다.
도 1은 연료전지차량의 TMS 시스템을 나타내는 개략도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 라디에이터 일체형 3웨이밸브를 나타내는 분해 사시도
도 3a,3b,3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 라디에이터 일체형 3웨이밸브를 나타내는 결합 사시도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 라디에이터 일체형 3웨이밸브의 설치상태를 나타내는 사시도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 라디에이터 일체형 3웨이밸브 및 라디에이터에서의 냉각수 흐름상태를 나타내는 사시도
도 6a,6b,6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 라디에이터 일체형 3웨이밸브의 동작상태를 나타내는 사시도 및 단면도
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 라디에이터 일체형 3웨이밸브를 나타내는 분해 사시도이고, 도 3a,3b,3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 라디에이터 일체형 3웨이밸브를 나타내는 결합 사시도이다.
도 2와 도 3a 내지 3c에 도시한 바와 같이, 상기 3웨이밸브는 라디에이터(14)의 한쪽 측하단부에 일체로 결합되는 라디에이터 일체형의 밸브이며, 이렇게 3웨이밸브와 라디에이터(14)가 일체를 이룸으로써, 전체적인 TMS 시스템의 컴팩트 모듈화가 가능하게 된다.
이를 위하여, 상기 3웨이밸브는 구동원인 액추에이터(10), 냉각수의 진행경로를 단속하면서 전환시켜주는 밸브(13), 상기 밸브(13)를 수용하는 하우징(11) 및 커버(12) 등을 포함한다.
상기 밸브(13)는 원통형의 몸체(13a)로 이루어져 있으며, 이 몸체(13a)의 후단 중심부에는 축부재(13b)가 일체 형성되어 있어서 이때의 축부재(13b)를 통해 액추에이터(10)의 축과 연결되므로서, 액추에이터(10)의 작동에 의해 회전이 가능하게 된다.
특히, 상기 밸브(13)의 몸체(13a)에는 축선방향과 일부 반경방향으로 연통되는 유로(13c)가 형성되어 있으며, 축선방향으로 뚫린 부분으로는 하우징(11)에 있는 후술하는 배출구(16)와 통하게 되고, 일부 반경방향으로 뚫린 부분으로는 후술한 2개의 흡입구(15a,15b)와 선택적으로 통하게 되거나, 또는 2개의 흡입구(15a,15b)와 동시에 통하게 된다.
이러한 밸브(13)는 하우징(11) 내에 동심원상으로 수용되며, 이렇게 밸브(13)가 수용된 상태에서 하우징(11)의 후면에 커버(12)가 조립되고, 계속해서 커버(12)에 액추에이터(10)가 조립되므로서, 3웨이밸브의 형태가 갖추어지게 된다.
여기서, 미설명 부호 20과 21은 액추에이터 축과 밸브 축부재 간의 연결부위에 개재되는 베어링과 오일실을 각각 나타낸다.
특히, 상기 하우징(11)은 2개의 흡입구(15a,15b)와 1개의 배출구(16)를 포함하며, 이때의 2개의 흡입구(15a,15b)를 통해 라디에이터(14)측과 연결되고, 1개의 배출구(16)를 통해 스택측과 연결된다.
예를 들면, 상기 2개의 흡입구(15a,15b)는 서로 90°각도를 유지하면서 하우징(11)의 반경방향으로 연장 형성되고, 1개의 배출구(16)는 하우징(11)의 축선방향과 나란하게 연장 형성되는 한편, 이렇게 형성되는 2개의 흡입구(15a,15b) 중에서 1개의 흡입구(15a)는 라디에이터(14)의 상부 헤드(17)의 한쪽 단부로부터 연장되어 내려오는 바이패스 호스(18)와 연결되고, 다른 1개의 흡입구(15b)는 라디에이터(14)의 하부 헤드(19)의 한쪽 단부에 직접 연결되며, 상기 배출구(16)는 스택측으로 향하는 라인(미도시)과 연결된다.
즉, 상기 3웨이밸브의 하우징(11)은 라디에이터(14)의 한쪽 측하단부에 근접 배치되면서 하나의 흡입구(15b)를 통해 라디에이터(14)의 출구단과 직접 연결되고, 이와 90°를 이루며 상부로 향해 있는 다른 하나의 흡입구(15b)를 통해 라디에이터(14)의 측단과 나란하게 설치되는 바이패스 호스(18)와 연결된다.
그리고, 상기 하우징(11)의 배출구(16)는 스택측으로 향하는 라인과 연결된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 라디에이터 일체형 3웨이밸브의 설치상태를 나타내는 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 라디에이터 일체형 3웨이밸브 및 라디에이터에서의 냉각수 흐름상태를 나타내는 사시도이다.
도 4와 도 5에 도시한 바와 같이, 상부 헤드(17)와 하부 헤드(19)를 가지는 라디에이터(14)가 마련되고, 상기 라디에이터(14)의 상부 헤드(17)는 스택측에서 배출되는 냉각수가 유입되는 곳인 라디에이터 입구(22)가 형성된다.
그리고, 상기 라디에이터(14)의 출구단, 즉 하부 헤드(19)의 한쪽 단부에는 3웨이밸브의 하우징(11)에 있는 흡입구(15b)가 연결되어 연통되고, 상부 헤드(19)측에서 아래로 연장설치되는 바이패스 호스(18)는 하우징(11)에 있는 흡입구(15a)에 연결되어 연통된다.
또한, 상기 하우징(11)의 배출구(16)는 스택측으로 연결된다.
이에 따라, 펌프(미도시)의 가동에 따라 라디에이터(14)의 라디에이터 입구(22)를 통해 유입되는 냉각수는 도 6의 화살표 방향과 같이 흐르게 되며, 이때 3웨이밸브의 선택적인 개폐작동에 따라 온수, 냉수, 온수+냉수가 적절히 선택되어 스택측으로 제공될 수 있게 된다.
따라서, 이와 같이 구성되는 라디에이터 일체형 3웨이밸브의 작동상태를 살펴보면 다음과 같다.
도 6a 내지 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 라디에이터 일체형 3웨이밸브의 동작상태를 나타내는 사시도 및 단면도이다.
도 6a에 도시한 바와 같이, 여기서는 바이패스 100%의 냉각수 흐름을 보여준다.
시스템 초기 시동시, 3웨이밸브의 밸브(13)는 그 유로(15c)가 흡입구(15a)와 배출구(14) 사이를 연통시키는 위치에 놓여지게 된다.
따라서, 스택으로부터 보내지는 냉각수는 라디에이터 입구(22)→라디에이터 상부 헤드(17)→바이패스 호스(18)→하우징 흡입구(15a)→하우징 배출구(16)를 거쳐 스택으로 공급되는 순환경로가 이루어진다.
도 6b에 도시한 바와 같이, 여기서는 라디에이터 100%의 냉각수 흐름을 보여준다.
시스템 시동 후 시간이 경과하여 스택의 발열량이 많아지는 경우, 3웨이밸브의 밸브(13)는 그 유로(15c)가 흡입구(15b)와 배출구(14) 사이를 연통시키는 위치에 놓여지게 된다.
따라서, 스택으로부터 보내지는 냉각수는 라디에이터 입구(22)→라디에이터 상부 헤드(17)→라디에이터(14)→라디에이터 하부 헤드(19)→하우징 흡입구(15b)→하우징 배출구(16)를 거쳐 스택으로 공급되는 순환경로가 이루어진다.
도 6c에 도시한 바와 같이, 여기서는 쿨런트 탬프 컨트롤(Coolant Temp Control) 상태에서 온수와 냉수를 적절히 섞어서 시스템 출력 효율이 최적화되는 온로도 시스템 운전 온도를 제어하는 것을 보여준다.
시스템 활성화시, 3웨이밸브의 밸브(13)는 그 유로(15c)가 2개의 흡입구(15a,15b) 사이에 동시에 걸쳐지면서 배출구(14)와의 사이를 연통시키는 위치에 놓여지게 된다.
따라서, 스택으로부터 보내지는 냉각수는 라디에이터 입구(22)로 유입되고, 이렇게 유입된 냉각수는 라디에이터 상부 헤드(17)에서 바이패스 호스(18)와 라디에이터(14) 및 라디에이터 하부 헤드(19)로 동시에 보내지게 되며, 계속해서 하우징 흡입구(15a,15b)와 하우징 배출구(16)를 거쳐 스택으로 공급되는 순환경로가 이루어진다.
이러한 3웨이밸브의 제어로직은 스택 인렛 온도를 FCU로부터 캔 통신으로 받아서 세팅온도 유지를 위한 밸브 개도를 제어하는 방식으로 이루어지며, 기존 로터리 타입의 3웨이밸브와 동일한 제어방식이 적용될 수 있다.
이와 같이 본 발명은 라디에이터 출구단에 3웨이밸브를 일체화하여 기존 시스템의 바이패스 루프를 제거할 수 있으므로, 라디에이터와 TMS 모듈 박스(스택, 펌프, 히터, 3웨이밸브 등)의 컴팩트 모듈화가 가능한 이점이 있다.
10 : 액추에이터 11 : 하우징
12 : 커버 13 : 밸브
14 : 라디에이터 15a,15b : 흡입구
16 : 배출구 17 : 상부 헤드
18 : 바이패스 호스 19 : 하부 헤드
20 : 베어링 21 : 오일실
22 : 라디에이터 입구

Claims (4)

  1. 액추에이터(10), 하우징(11) 및 커버(12), 그리고 상기 하우징(11)의 내부에 설치되는 동시에 액추에이터(10)의 축에 연결되어 회전되면서 하우징(11)에 있는 흡입구(15a,15b)와 배출구(16)를 선택적으로 단속하는 밸브(13)를 포함하며, 상기 하우징(11)은 라디에이터(14)측과 연결되는 2개의 흡입구(15a,15b)와 스택측으로 연결되는 1개의 배출구(16)를 가지면서 라디에이터(14)의 한쪽 옆에 일체식으로 형성되어, 바이패스 온수와 라디에이터 냉수를 적절히 혼합하여 스택에 제공할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 라디에이터 일체형 3웨이밸브.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 하우징(11)에 형성되는 2개의 흡입구(15a,15b)는 서로 90°각도를 유지하면서 하우징 반경방향으로 형성되고, 1개의 배출구(16)는 하우징 축선방향과 나란하게 형성되는 것을 특징으로 하는 라디에이터 일체형 3웨이밸브.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 하우징(11)에 형성되는 2개의 흡입구(15a,15b) 중에서 1개의 흡입구(15a)는 라디에이터(14)의 상부 헤드(17)와 바이패스 호스(18)를 매개로 연결되는 동시에 다른 1개의 흡입구(15b)는 라디에이터(14)의 하부 헤드(19)에 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 라디에이터 일체형 3웨이밸브.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 밸브(13)는 원통형의 몸체(13a)와 이 몸체(13a)의 후단 중심부에 일체 형성되어 액추에이터(10)의 축과 연결되는 축부재(13b)로 구성되며, 상기 몸체(13a)에는 축선방향과 일부 반경방향으로 연통되는 유로(13c)가 구비되는 것을 특징으로 하는 라디에이터 일체형 3웨이밸브.
KR1020100089247A 2010-09-13 2010-09-13 라디에이터 일체형 3웨이밸브 KR101230990B1 (ko)

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