KR20130052618A

KR20130052618A - 가스용 조압 밸브

Info

Publication number: KR20130052618A
Application number: KR1020137004770A
Authority: KR
Inventors: 카오루 노미치; 유타카 스즈키; 마코토 니노미야
Original assignee: 카와사키 주코교 카부시키 카이샤
Priority date: 2010-08-06
Filing date: 2011-08-04
Publication date: 2013-05-22
Also published as: JPWO2012017668A1; JP5406993B2; CA2806513A1; CN103003606A; WO2012017668A1; EP2602526A1; US20130186487A1

Abstract

고압의 연료 가스 환경 하에서도, 그 이차압을 보다 정확하게 목표 압력으로 조압 가능하고, 또한 대기 중으로의 연료 가스 누출을 방지할 수 있는 가스용 조압 밸브를 제공한다. 전자기식 조압 밸브(1)는, 인탱크형이고, 전자기 비례 솔레노이드(31)에 의해 밸브체(17)를 이동시켜 밸브 통로(46)의 개도를 조정함으로써 이차압(p₂)을 목표 압력으로 조압한다. 밸브체(17)를 슬라이딩 지지하고 있는 베어링 부재(20)의 양측은, 다이아프램 씰(21)과 저압 씰 부재(22)에 의해 밀폐되어 있다. 다이아프램 씰(21)은, 압력 귀환실(25)에서 이차압(p₂)을 수압하여 밸브체(17)를 폐쇄위치로 이동시킨다. 또, 밸브체(17) 내에는, 거기에 삽입된 씰 로드(26)에 의해 일차 포트(41)에 연결되는 배압력실(27)이 형성되어 있다. 또, 씰 로드(26)의 양측에는, 이차 포트(12b)에 연결되는 연락 통로(30)가 형성되고, 연락 통로(30)와 배압력실(27)의 사이가 고압 씰 부재(29)에 의해 밀폐되어 있다.

Description

가스용 조압 밸브{GAS PRESSURE REGULATING VALVE}

본 발명은, 고압 연료 가스(gas)의 압력을 인가받는 인가 전압 또는 인가 전류에 따른 압력으로 조압(調壓)하는 가스용 조압 밸브(gas pressure regulating valve)에 관한 것이다.

연료 전지 자동차, 수소 엔진 자동차, 및 천연 가스 자동차 등, 수소 가스나 천연 가스 등의 연료 가스를 사용하는 청정 에너지(clean energy) 자동차가 알려져 있다. 이러한 청정 에너지 자동차는, 고압 탱크(tank) 및 인젝터(injector) 또는 전자기식 조압 밸브(electromagnetic pressure regulating valve)를 구비하고 있고, 고압 탱크에 저장되는 연료 가스를 인젝터 또는 전자기식 조압 밸브에 의해 연료 전지나 가스 엔진에 공급함으로써 움직이도록 되어 있다. 인젝터 및 전자기식 조압 밸브는, 연료 전지나 가스 엔진에 공급되는 연료 가스의 유량(또는 압력)을 조정할 수 있도록 되어 있고, 인젝터 또는 전자기식 조압 밸브에 의해 연료 가스의 유량(또는 압력)을 조정함으로써 연료 전지나 가스 엔진의 출력이 제어된다.

인젝터는, 그 분사 구멍을 폐쇄하거나 개방함으로써 연료 가스의 유량을 조정할 수 있도록 되어 있고, 분사 구멍을 개폐하는 시간의 비, 요컨대 듀티비(duty ratio)에 따라 연료 가스의 유량을 변경한다. 인젝터의 상류측 압력과 출력측 압력의 차압이 크면, 인젝터의 분사 구멍을 개방했을 때 흐르는 연료 가스의 유량이 매우 커져 인젝터의 듀티비 변화에 대한 연료 가스의 유량 변화가 커진다. 특히, 소유량 영역(연료 전지 또는 가스 엔진이 저부하 상태)에서는, 유량 게인(gain)(연료 가스 유량을 듀티비로 나눈 값)이 커져 제어가 곤란해진다. 또한, 인젝터의 상류측 압력이 높아지면, 소유량에서부터 대유량의 듀티 제어 스팬(span)이 매우 좁아진다는 문제가 있다.

한편, 전자기식 조압 밸브는, 밸브 통로의 개도(개구 면적)를 조정함으로써 연료 가스의 유량을 조정할 수 있도록 되어 있다. 따라서 전자기식 조압 밸브의 상류측 압력이 높아지면, 해당 전자기식 조압 밸브 전후의 차압이 커지고, 개도를 조금씩 넓히는 것만으로도 흐르는 연료 가스의 유량이 크게 변화하여 밸브 통로의 개도 변화에 대한 연료 가스의 유량 변화가 커진다. 따라서 전자기식 조압 밸브도 인젝터와 마찬가지로, 소유량 영역(저부하 상태)에 있어서 연료 가스의 압력 제어가 매우 곤란해진다.

이와 같은 곤란한 과제를 해결하기 위하여 특허문헌 1에 개시된 연료 전지 시스템에서는, 인젝터의 상류측에 2개의 레귤레이터(regulator)가 설치되어 있다. 2개의 레귤레이터는, 직렬적으로 배치되어 있고, 고압 탱크로부터 공급되는 수소 가스를 2단계로 감압하도록 되어 있다. 연료 전지 시스템에서는, 2개의 레귤레이터에 의해 인젝터의 상류압을 저압의 일정 압력 이하로 유지하고 인젝터 전후의 차압을 작게 하여 압력 제어성을 확보한다.

일본 특허공개공보 특개 2007-188857호

특허문헌 1에 기재된 연료 전지 시스템에서는, 연료 가스의 압력을 다단계로 감압하기 위하여 복수의 레귤레이터가 필요하다. 그러나 복수의 레귤레이터를 설치하면, 구성 요소가 많아지고, 레귤레이터를 설치하기 위한 공간(space)이 필요하다. 이에 따라, 시스템 전체가 대형화하여 비용이 증가하거나 시스템 전체의 중량이 커진다. 특히, 구성 요소의 공간이 한정되고, 경량화가 요망되고 있는 자동차에서는, 전술한 시스템을 탑재하는 것이 바람직하지 않다.

또한, 복수의 레귤레이터를 설치함으로써 시스템계의 압력 손실이 커지기 때문에, 연료 전지 또는 가스 엔진의 최저 작동 압력에 대하여 고압 탱크의 사용 한계 압력을 조금 높게 설정해야 한다. 이에 따라, 레귤레이터가 단일인 경우에 비하여 고압 탱크 내에 있어서 사용할 수 있는 연료 가스의 양이 적어져 자동자의 주행 항속 거리가 단축된다.

이와 같이, 복수의 레귤레이터를 추가하면, 다양한 불편함이 발생한다. 또한, 전술한 바와 같이, 종래의 인젝터 및 전자기식 조압 밸브 단일체에서는, 그것들의 상류측 압력이 높을 때에, 저부하 상태에서 연료 가스의 압력을 제어하는 것은 곤란하다.

더욱이, 전자기식 조압 밸브 등의 씰(seal) 방식으로서 다이아프램(diaphragm) 방식을 사용하는 경우가 있는데, 다이아프램 씰(diaphragm seal)은 일반적으로 내압 강도가 낮기 때문에 고압의 연료 가스를 취급할 때, 다이아프램의 파손으로 인하여 연료 가스가 대기 중으로 누출될 우려가 있다. 이에 반하여, 오링(O-ring) 방식의 경우, 고압에서 예기치 못한 외적 요인으로 인하여 연료 가스가 대기 중으로 누출될 우려가 있다.

따라서 본 발명은, 고압의 연료 가스 환경에서도 그 이차압을 보다 정확하게 목표 압력으로 조압 가능하고, 또한 대기 중으로의 연료 가스 누출을 방지할 수 있는 가스용 조압 밸브를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명의 가스용 조압 밸브는, 탱크의 개구부에 설치되고, 상기 탱크 내에 충전된 연료 가스를 조압(調壓)하여 출력하고, 일차 포트(port)와 이차 포트에 연결되는 밸브 통로를 갖는 하우징과, 상기 하우징 내에 설치되고, 상기 밸브 통로를 폐쇄하는 폐쇄위치와 상기 밸브 통로를 개방하는 개방위치 사이에서 이동하여 상기 밸브 통로의 개도를 조정하는 밸브체(valve element)와, 상기 밸브체를 폐쇄위치의 쪽으로 가압하는 복귀용 스프링과, 상기 탱크의 개구부 내에 배치되고, 인가받는 인가 전압 또는 인가 전류에 따른 구동력을 상기 복귀용 스프링의 가압력에 대항하도록 상기 밸브체에 가하여 그 밸브체를 상기 개방위치의 쪽으로 이동시키는 밸브체 구동 수단과, 상기 하우징 내에 형성되고, 상기 이차 포트에 연결되는 압력 귀환실(pressure return chamber)과, 상기 밸브체와 상기 하우징의 간극에 개재하고 상기 밸브체를 슬라이딩(sliding) 지지하는 베어링 부재(bearing member)와, 상기 베어링 부재의 양측에 각각 설치되어 상기 간극의 양측을 각각 밀폐하는 제1 및 제2 씰(seal) 부재와, 상기 밸브체의 기단에서 그 밸브체 안으로 상대 이동 가능하게 삽입되고, 상기 밸브체와의 사이에 상기 일차 포트에 연결되는 배압력실(back-pressure chamber)을 형성하는 씰 로드(rod)를 구비하며, 상기 제1 씰 부재는, 상기 압력 귀환실의 압력을 상기 구동력에 대항하는 방향으로 수압하고, 수압하는 상기 압력에 따라 상기 밸브체를 상기 폐쇄위치의 쪽으로 이동시키도록 되어 있고, 상기 씰 로드와 상기 밸브체 사이에는, 상기 배압력실보다 상기 밸브체의 기단측에 상기 이차 포트에 연결되는 연락 통로가 형성되고, 상기 연락 통로와 상기 배압력실의 사이에는, 그 사이를 밀폐하도록 상기 제3 씰 부재가 설치되어 있는 것이다.

본 발명에 따르면, 밸브체 구동 수단의 구동력을 변경함으로써 밸브 통로의 개도를 변경하여 이차압을 조압할 수가 있다. 이 이차압은, 압력 귀환실에 인도되어 있고, 제1 씰 부재는, 압력 귀환실의 이차압을 수압하여 밸브체를 폐쇄위치의 쪽으로 이동시키도록 되어 있다. 이차압, 구동력, 및 복귀용 스프링에 의한 가압력 등, 밸브체에 작용하는 힘이 균형을 이룬 상태에서 이차압이 감소하면, 제1 씰 부재는, 밸브체를 개방위치의 쪽으로 이동시켜 밸브 통로의 개도를 넓히고 이차압을 승압시킨다. 이에 따라, 밸브체에 작용하는 힘이 균형을 이루는 상태로 되돌아간다. 그렇게 함으로써 이차압은, 밸브체 구동 수단의 구동력에 따른 일정 압력으로 되돌려져 일차압의 변동에 관계없이 상기 일정 압력으로 유지된다. 따라서 가스용 조압 밸브는, 압력 제어성이 높아 고압 연료 가스를 보다 정확하게 목표 압력으로 가변 조압할 수가 있다.

또한, 본 발명에서는, 일차 포트에 연결되는 배압력실이 형성되어 있기 때문에, 밸브체에 작용하는 일차압을 배압력실의 압력에 의해 없앨 수 있어 일차압의 변동으로 인한 이차압의 변동을 억제할 수가 있다. 이에 따라, 연료 가스의 압력 제어성을 향상시킬 수 있어 이차압을 종래의 가스용 조압 밸브보다 더 정확하게 제어할 수가 있다.

또한, 본 발명에서는, 씰 로드와 밸브체 사이에 이차 포트에 연결되는 연락 통로가 형성되고, 이 연락 통로와 배압력실의 사이가 제3 씰 부재에 의해 밀폐되어 있다. 따라서 배압력실의 연료 가스가 배압력실에서부터 연락 통로로 누출되어도 누출된 연료 가스가 압력 귀환실 등의 이차측으로 인도된다. 요컨대, 가스용 조압 밸브는, 배압력실에서 누출된 연료 가스를 이차측으로 인도하는 안전 구조로 되어 있어 연료 가스가 외부로 방출되는 것을 방지할 수가 있다.

또한, 본 발명은, 인탱크(in-tank)형의 가스용 조압 밸브이고, 단일의 밸브로 고압의 연료 가스를 저압의 목표 압력으로 조압할 수가 있다. 이에 따라, 본 발명이 구비하는 연료 가스 공급 시스템의 구성을 대폭적으로 간소화할 수 있어 연료 가스 공급 시스템의 설치 스페이스의 축소, 구성 장치의 감소에 따른 비용 절감, 및 연료 가스 공급 시스템에 있어서 압력 손실의 감소를 대폭적으로 도모할 수가 있다.

나아가, 본 발명은, 베어링 부재를 설치함으로써 밸브체를 원활하게 이동시킬 수 있게 되어 목표 압력에 대한 추종성을 향상시킬 수가 있다. 또, 베어링 부재의 양측에 제1 및 제2 씰 부재가 설치되고 이러한 2개의 씰 부재에 의해 베어링 부재가 개재하는 간극의 양측이 밀폐되어 있다. 이에 따라, 간극 안으로의 연료 가스 유입을 방지할 수 있어 베어링 부재가 연료 가스에 노출되는 경우가 없다. 이에 따라, 연료 가스에 대한 내부식성이 없는 재료를 베어링 부재로 사용하는 것이 가능해져 선택할 수 있는 재료가 많아진다. 또한, 간극을 밀폐함으로써 예를 들면 베어링 부재를 그리스(grease) 윤활하여도 그리스가 간극에서 유출하는 경우가 없다. 이에 따라, 밸브체의 원활한 이동을 실현함과 아울러 연료 가스에의 그리스 혼입을 방지할 수가 있다.

상기 발명에 있어서, 상기 밸브체는, 상기 일차 포트에 있어서 일차압을 상기 개방위치의 쪽으로 수압하는 제1 수압면과 상기 배압력실의 압력을 상기 폐쇄위치의 쪽으로 수압하는 제2 수압면을 구비하고, 상기 제1 수압면의 수압 면적은, 상기 제2 수압면의 수압 면적과 동일한 것이 바람직하다.

상기 구성에 따르면, 밸브체가 받는 일차압을 배압력실의 압력에 의해 상쇄할 수가 있다. 이에 따라, 일차압의 변동으로 인한 이차압의 변동을 없앨 수가 있어 이차압의 압력 제어성을 더욱 향상시킬 수가 있다. 또, 밸브체 구동 수단의 구동력을 작게 할 수가 있다. 그러므로 가스용 조압 밸브를 소형화할 수가 있다.

본 발명의 다른 실시예로서, 상기 밸브체는, 상기 일차 포트에 있어서 일차압을 상기 개방위치의 쪽으로 수압하는 제1 수압면과 상기 배압력실의 압력을 상기 폐쇄위치의 쪽으로 수압하는 제2 수압면을 구비하고, 상기 제1 수압면의 수압 면적은, 상기 제2 수압면의 수압 면적보다 작은 것이 바람직하다.

상기 구성에 따르면, 일차압으로부터 밸브체가 받는 작용력보다 배압력실의 압력으로부터 밸브체가 받는 작용력의 쪽이 커진다. 그러므로 일차압에 따른 힘이 폐쇄방향의 쪽으로 밸브체에 작용하기 때문에 일차압이 급격하게 변동하여 높아져도 밸브체가 개방위치의 쪽으로 이동하여 밸브 통로가 개방하는 것과 같은 경우가 없다. 따라서 밸브체 구동 수단이 작동하지 않을 때에 있어서, 일차측에서 이차측으로 연료 가스가 누출되어 있지 않도록 확실하게 밸브 통로를 폐쇄할 수가 있다.

상기 발명에 있어서, 상기 제1 씰 부재는, 다이아프램 씰이고, 상기 제2 씰 부재는, 마찰 저항이 작은 저압 씰(low-pressure seal)인 것이 바람직하다.

상기 구성에 따르면, 제1 씰 부재에 다이아프램 씰을 채용함으로써 제1 씰 부재에 의한 슬라이딩 마찰을 없앨 수가 있다. 또, 제2 씰 부재에 마찰 저항이 작은 저압 씰을 채용함으로써 슬라이딩 마찰을 억제할 수가 있다. 이와 같이 밸브체에 작용하는 슬라이딩 마찰을 억제함으로써 밸브체를 원활하게 움직이게 할 수가 있다. 이에 따라, 일차압이 변동하였을 때나 구동력을 변동하였을 때 등, 구동력에 따른 일정압으로 이차압을 재빠르게 조압할 수 있게 되어 이차압의 응답성이 향상된다.

상기 발명에 있어서, 상기 제3 씰 부재는, 마찰 저항이 작고, 게다가 시동 저항과 슬라이딩 저항의 차이가 작은 고압 씰(high-pressure seal)인 것이 바람직하다.

상기 구성에 따르면, 밸브체를 원활하게 움직일 수가 있음과 아울러 밸브체의 응답성을 향상시킬 수가 있다. 또한, 제3 씰 부재에 고압 씰이 채용되어 있기 때문에, 일차압에 대한 내압 성능이 향상되어 일차 포트에서 공급되는 일차압의 한계 압력을 향상시킬 수가 있다.

상기 발명에 있어서, 상기 밸브체 구동 수단에 인가되는 인가 전압 또는 인가 전류가 제로(0)일 때에는, 상기 복귀용 스프링에 의해 상기 밸브체를 상기 폐쇄위치로 하는 상시 폐쇄(normal close)형으로 되어 있는 것이 바람직하다.

상기 구성에 따르면, 밸브체 구동 수단에 인가되는 인가 전압 또는 인가 전류를 차단함으로써 밸브 통로를 긴급 차단할 수가 있다.

본 발명에 따르면, 고압의 연료 가스 환경에서도 그 이차압을 보다 정확하게 목표 압력으로 조압 가능하고, 또한 대기 중으로의 연료 가스 누출을 방지할 수 있는 가스용 조압 밸브를 제공할 수가 있다.

도 1은, 제1 실시예에 따른 전자기식 조압 밸브를 구비한 연료 가스 공급 시스템의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 2는, 제1 실시예에 따른 전자기식 조압 밸브의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 3은, 제2 실시예에 따른 전자기식 조압 밸브의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 4는, 제3 실시예에 따른 전자기식 조압 밸브의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 5는, 제4 실시예에 따른 전자기식 조압 밸브의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 6은, 제5 실시예에 따른 조압 밸브의 구성을 부분적으로 나타내는 단면도이다.
도 7은, 제6 실시예에 따른 전자기식 조압 밸브의 구성을 부분적으로 나타내는 단면도이다.

이하에서는, 전술하는 도면을 참조하면서 본 발명의 제1 실시예~제6 실시예에 따른 조압 밸브(1, 1A ~ 1E), 및 이를 구비한 연료 가스 공급 시스템(2)을 설명한다. 또한, 실시예에 있어서, 상하, 좌우 및 전후 등의 방향 개념은, 설명의 편의를 위해 사용하는 것으로, 조압 밸브(1, 1A ~ 1E) 및 연료 가스 공급 시스템(2)에 관하여, 그것들의 구성의 배치 및 방향 등을 그 방향으로 한정할 것을 시사하는 것이 아니다. 또한, 이하에 설명하는 조압 밸브(1, 1A ~ 1E) 및 연료 가스 공급 시스템(2)은, 본 발명의 일실시예에 불과하고, 본 발명은 그 실시예에 한정되지 아니 하며, 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 추가, 삭제, 변경이 가능하다.

[연료 가스 공급 시스템]

연료 가스 공급 시스템(2)은, 수소 가스나 압축 천연 가스 등의 연료 가스가 고압으로 저장되는 고압 탱크(3)에 연결되어 있다. 연료 가스 공급 시스템(2)은, 연료 전지나 가스 엔진 등의 연료 가스 소비기에 연결되어 있고, 고압의 연료 가스를 원하는 저압으로 조압하여 연료 가스 소비기에 공급하도록 되어 있다. 이와 같이 구성되는 연료 가스 공급 시스템(2)은, 전자기식 조압 밸브(1), 압력 센서(4), 및 연산 제어기(5)를 구비하고 있다.

전자기식 조압 밸브(1)는, 인탱크형의 용기 마스터 밸브(master valve)로, 고압 탱크(3)의 개구부에 설치되어 있다. 전자기식 조압 밸브(1)는, 고압의 연료 가스를 조압하는 기능을 갖고 있다. 전자기식 조압 밸브(1)는, 공급로(2a)를 통하여 연료 가스 소비기에 연결되어 있고, 공급로(2a)의 전자기식 조압 밸브(1)보다 하류측에는 압력 센서(4)가 설치되어 있다. 압력 센서(4)는, 공급로(2a)에 흐르는 연료 가스의 압력을 검출하도록 되어 있다. 압력 센서(4)는, 신호선(7)을 통하여 연산 제어기(5)에 연결되어 있고, 검출된 압력에 따른 검출 압력 신호가 연산 제어기(5)에 입력되도록 되어 있다. 연산 제어기(5)에는, 목표 압력에 따른 목표 압력 지령 신호가 도시하지 않은 입력 수단이나 제어 장치 등으로부터 입력되도록 되어 있다. 연산 제어기(5)는, 목표 압력 지령 신호와 검출 압력 신호의 차분(差分)을 연산하고, 이 차분에 대응한 크기의 전류를 전자기식 조압 밸브(1)에 흐르게 하도록 되어 있다. 전자기식 조압 밸브(1)는, 흘려보내진 전류에 따른 일정 압력으로 고압의 연료 가스를 조압하도록 되어 있다.

또한, 전자기식 조압 밸브(1)에 의해 구성되는 용기 마스터 밸브에 도시하지 않은 전자기식 차단 밸브가 추가되어도 좋다. 전자기식 차단 밸브는, 이른바 전자기식 개폐 밸브로, 공급로(2a)에서 전자기식 조압 밸브(1)보다 상류측에 설치된다. 전자기식 차단 밸브는, 그에 송신되는 신호에 따라 공급로(2a)를 개폐하는 기능을 갖고 있어 고압 탱크(3)와 연료 가스 소비기의 사이를 긴급 차단할 때에 사용된다.

이와 같이 구성되는 연료 가스 공급 시스템(2)의 전자기식 조압 밸브(1)는, 다양한 실시예가 있고, 이하에서는, 전자기식 조압 밸브(1)의 구성에 대하여 상세히 기술한다. 또한, 제1 실시예에 따른 전자기식 조압 밸브(1)는, 연료 가스 공급 시스템(2)에 설치되는 전자기식 조압 밸브의 일예에 지나지 않고, 제1 실시예의 전자기식 조압 밸브(1)를 설명한 후에 몇 개의 대표적인 실시예에 대해서도 상세히 기술한다.

[제1 실시예]

<전자기식 조압 밸브의 구성>

도 2에 나타내는 제1 실시예의 전자기식 조압 밸브(1)는, 하우징(housing)(12)을 구비한다. 하우징(12)은, 대략 원통형으로 되어 있다. 하우징(12)의 하단측은, 고압 탱크(3)의 개구부(3a)에 삽입되고, 그 개구부(3a)를 밀폐하여 장착되어 있다. 또한, 하우징(12)은 밸브체 구멍(12a) 및 이차 포트(port)(12b)를 구비한다. 밸브체 구멍(12a)은, 상하방향으로 연장하는 축선(L1)을 따라 연장되고, 그 단면이 원 형상으로 되어 있다. 밸브체 구멍(12a)은, 하우징(12)을 상하방향으로 관통하고, 그 상하 양측에 개구를 가진다. 이차 포트(12b)는, 하우징(12)의 측면 상단측에 형성되고, 고압 탱크(3) 밖으로 표출되어 있다. 또한, 하우징(12)은, 축선(L1)에 직교하는 이차측 통로(12c)를 구비하고, 이차 포트(12b)는, 이차측 통로(12c)를 통하여 밸브체 구멍(12a)에 연결되어 있다. 또한, 이차 포트(12b)는, 공급로(2a)(도 1 참조)를 통하여 연료 가스 소비기(도 1 참조)에 연결되어 있다.

하우징(12)은, 밸브체 구멍(12a)의 상측 개구부에 밸브측 캡 부재(cap member) (14)를 구비한다. 밸브측 캡 부재(14)는, 대략 유저(有低)원통형으로 형성되고, 그 개구를 아래를 향하여 밸브체 구멍(12a)의 상측 개구부를 밀폐하는 상태로 끼워져 삽입되어 있다. 한편, 밸브체 구멍(12a)의 하측 개구부에는, 후술하는 전자기 비례 솔레노이드(31)가 나사 결합되어 있고, 하우징(12)은 전자기 비례 솔레노이드(31)의 상측에 시트(seat) 장착부(15) 및 시트 부재(16)를 구비한다. 시트 장착부(15)는, 하우징(12)의 내면에 둘레 방향 전체의 둘레에 걸쳐 연장되고, 반경방향 내측을 향하여 돌출하여 있다. 시트 부재(16)는, 밸브체 구멍(12a)에서, 시트 장착부(15)의 하측에 배치되고, 그에 접촉하고 있다.

시트 부재(16)는 대략 원통형으로 되어 있고, 그 축선(축선(L1)에 대략 일치)을 따라 형성되는 밸브 구멍(16a)을 구비한다. 시트 부재(16)는, 씰된 상태로 밸브체 구멍(12a)에 끼워져 삽입되어 있고, 시트 장착부(15)와 전자기 비례 솔레노이드(31)에 의해 협지되어 있다. 이와 같이 밸브체 구멍(12a)에 배치된 시트 부재(16)에는, 밸브체(17)의 선단부(17a)가 안착된다.

밸브체(17)는, 대략적으로 유저원통형으로 형성되고, 하측에 있는 선단부(17a)의 외주가 테이퍼(taper) 형으로 되어 있다. 밸브체(17)는, 축선(L1)을 따르도록 밸브체 구멍(12a)에 삽입되어 있고, 도 2에 도시된 바와 같은 폐쇄위치에 위치하고 있을 때, 선단부(17a)의 일부가 밸브 구멍(16a)에 유입하여 시트 부재(16)에 안착하여 밸브 구멍(16a)을 막고 있다. 또한, 밸브체(17)는, 그 기단측(상측)의 외주에 플랜지(flange)(17b)를 구비한다.

플랜지(17b)는, 밸브체(17)의 외주에 둘레방향 전체 둘레에 걸쳐 형성되고, 반경방향 외측으로 돌출되어 있다. 플랜지(17b)는, 밸브체 구멍(12a)의 상측 개구부측에 위치하고 있다. 또한, 하우징(12)은, 그 내면의 플랜지(17b)보다 하측이며 플랜지(17b)에 대향하는 위치에 씰 장착부(18)를 구비한다. 씰 장착부(18)는, 하우징(12)의 내면에 둘레방향 전체 둘레에 걸쳐 형성되어 있고, 반경방향 내측으로 돌출되어 있다. 씰 장착부(18)와 플랜지(17b)는 서로 상하방향으로 이격하여 있고, 그들의 사이에는 대략 링(ring) 모양의 베어링 부재 수용 공간(19)이 형성되어 있다. 이 베어링 부재 수용 공간(19)에는, 베어링 부재(20)가 수용되어 있다.

베어링 부재(20)는, 대략적으로 원통형으로 형성되어 있고, 밸브체(17)에 외장되며 밸브체(17)와 하우징(12) 사이에 개재되어 있다. 베어링 부재(20)는, 예를 들면 볼 가이드(ball guide), 볼 베어링, 또는 미끄럼(sliding) 베어링으로 구성되어 있고, 밸브체(17)가 하우징(12)에 대하여 축선(L1)을 따라 상하방향으로 이동할 수 있도록 밸브체(17)를 지지하고 있다. 또한, 베어링 부재(20)는, 밸브체(17)의 움직임을 원활하게 하고, 내구성을 향상시키기 위하여 그리스 윤활되어 있다. 또한, 베어링 부재(20)의 상하 양측에는, 다이아프램 씰(21)과 저압 씰 부재(22)가 설치되어 있다.

제1 씰 부재인 다이아프램 씰(21)은, 이른바 다이아프램이고, 대략적으로 링 모양으로 되어 있다. 다이아프램 씰(21)의 외연부는, 하우징(12)에 장착되고, 내연부가 밸브체(17)의 플랜지(17b)에 장착되어 있다. 상세히 기술하면, 하우징(12)은, 그 내면의 밸브체 구멍(12a)의 상측 개구부측에 단차부(12d)를 구비한다. 단차부(12d)는, 상기 내면에 둘레방향 전체 둘레에 걸쳐 형성되고, 반경방향 외측을 향하여 넓어지도록 단차형으로 구성되어 있다. 밸브측 캡 부재(14)의 개구 단부는, 이 단차부(12d)에 접촉하도록 되어 있고, 밸브측 캡 부재(14)와 단차부(12d)에 대해 다이아프램 씰(21)의 외연부를 끼움으로써 다이아프램 씰(21)이 하우징(12)에 장착된다. 또한, 밸브체(17)에는, 그 기단부의 외주이며 플랜지(17b)보다 상측에 대략 원통형의 장착 부재(23)가 나사 결합되어 있다. 장착 부재(23)의 하단은, 플랜지(17b)의 상면에 접촉하도록 되어 있고, 플랜지(17b)와 장착 부재(23)에 대해 다이아프램 씰(21)의 내연부를 끼움으로써 다이아프램 씰(21)이 밸브체(17)에 장착된다.

이와 같이 장착된 다이아프램 씰(21)은, 하우징(12)과 밸브체(17)에 걸쳐지고, 밸브측 캡 부재(14) 내부와 베어링 부재 수용 공간(19)의 사이를 막아 밸브측 캡 부재(14) 내에 압력 귀환실(25)을 형성하고 있다. 또한, 밸브측 캡 부재(14)에는, 그 내외를 연결하도록 반경방향으로 관통하는 관통로(14a)가 형성되어 있고, 압력 귀환실(25)과 이차측 통로(12c)는, 관통로(14a)에 의해 연결되어 있다.

제2 씰 부재인 저압 씰 부재(22)는, 대략 링 모양의 오링으로, 마찰 저항을 작게 하기 위하여 수지 등으로 표면 처리가 되어 있다. 저압 씰 부재(22)는, 씰 장착부(18)에 장착되어 하우징(12)과 밸브체(17)의 사이를 밀폐한다. 밸브체 구멍(12a)에는, 씰 장착부(18)보다 하측에 씰 장착부(18)와 시트 부재(16)에 개재한 밸브 공간(12e)이 형성되어 있고, 저압 씰 부재(22)에 의해 밸브 공간(12e)과 베어링 부재 수용 공간(19)의 사이가 밀폐되어 있다.

이와 같이 다이아프램 씰(21) 및 저압 씰 부재(22)는, 베어링 부재 수용 공간(19)의 상측 및 하측을 막아 베어링 부재 수용 공간(19)을 하우징(12) 내에 형성되어 있는 다른 공간과 격리하고 있다. 하우징(12)에는, 베어링 부재 수용 공간(19)에 연결되는 대기 연통로(24)가 형성되어 있고, 베어링 부재 수용 공간(19)은 대기 연통로(24)를 통하여 대기에 개방되어 있다.

이에 따라, 베어링 부재 수용 공간(19) 내에 연료 가스가 유입하는 경우가 없어 베어링 부재(20)가 연료 가스에 노출되는 경우가 없다. 이에 따라, 연료 가스에 대한 내부식성이 없는 재료를 베어링 부재(20)에 사용하는 것이 가능해져 선택할 수 있는 재료가 많아진다. 또한, 베어링 부재(20)의 그리스가 연료 가스에 노출되는 경우가 없어 그리스가 하우징(12) 내의 다른 공간, 예를 들면 이차측 통로(12c)나 밸브 공간(12e)에 누출되는 경우가 없다. 따라서 베어링 부재 수용 공간(19) 내의 그리스가 고갈하는 것과 같은 경우를 방지할 수 있어 베어링 부재(20)가 윤활되어 있는 상태를 유지할 수가 있다. 이에 따라, 베어링 부재(20)의 내구성을 향상시킬 수 있음과 아울러 밸브체(17)를 원활하게 이동시킬 수가 있다. 또한, 그리스가 누출되어 연료 가스에 혼입하는 것도 방지할 수가 있다.

이와 같이 하우징(12) 내에 설치되는 밸브체(17)에는, 그 기단부(요컨대, 상단부)에서 씰 로드(26)가 삽입되어 있다. 씰 로드(26)는, 대략적으로 원주형으로 형성되어 있고, 밸브체(17) 내에 밸브체(17)의 저면과 씰 로드(26)의 선단 사이에 위치한 배압력실(27)을 형성하고 있다. 또한, 밸브체(17)의 선단부(17a)에는, 밸브측 연통로(17e)가 형성되어 있고, 배압력실(27)은, 이 밸브측 연통로(17e)를 통하여 밸브 구멍(16a)에 연결되어 있다.

또한, 씰 로드(26)는, 기단부가 밸브측 캡 부재(14)의 천정면에 접촉되도록 지지되어 있고, 그 기단부에 스프링 받침부(26a)를 구비한다. 스프링 받침부(26a)는, 기단부의 외주에서 둘레방향 전체 둘레에 걸쳐 연장되고, 반경방향 외측으로 돌출되어 있다. 스프링 받침부(26a)는, 밸브체(17)의 장착 부재(23)에 대향하여 있고, 그들의 사이에 복귀용 스프링(28)이 압축된 상태로 장착되어 있다. 복귀용 스프링(28)은, 압축 코일 스프링(coil spring)으로, 씰 로드(26)의 기단측에 외장되어 있다. 복귀용 스프링(28)은, 밸브체(17)를 폐쇄위치 쪽(요컨대, 폐쇄위치 방향)으로 가압하고 있다.

씰 로드(26)의 중간 부분은, 그 선단측 및 기단측에 비하여 소경으로 되어 있고, 씰 로드(26)의 외주면과 밸브체(17)의 내면 사이에는, 링 모양의 연락 통로(30)가 형성되어 있다. 한편, 씰 로드(26)의 선단측 및 기단측은, 밸브체(17)의 내경과 대략 같은 직경으로 되어 있다. 연락 통로(30)는, 배압력실(27)의 상측에 위치하고, 그 상하 양측이 씰 로드(26)의 선단측 및 기단측에 의해 막혀 있다. 또한, 밸브체(17)는, 그 선단측에 선단측 통로(17c), 기단측에 기단측 통로(17d)를 각각 구비하고, 연락 통로(30)는, 선단측 통로(17c)에 의해 밸브 공간(12e)에 연결되고, 기단측 통로(17d)에 의해 압력 귀환실(25)에 연결되어 있다.

나아가, 씰 로드(26)의 선단측의 외주에는, 그 둘레방향 전체 둘레에 걸쳐 연장하는 씰용 홈(26b)이 형성되어 있고, 이 씰용 홈(26b)에는, 링 모양의 고압 씰 부재(29)가 끼워 넣어져 있다. 제3 씰 부재인 고압 씰 부재(29)는, 마찰 저항이 적고, 시동 저항과 슬라이딩 저항의 차이가 작은 고압 씰이고, 예를 들면 불소수지 등으로 표면 처리된 오링이다. 고압 씰 부재(29)는, 밸브체(17)와 씰 로드(26)의 사이를 밀폐하고 있다.

밸브체(17)는, 복귀용 스프링(28)의 가압력에 대항하는 방향, 즉 개방위치 쪽(개방위치 방향)으로 압압되면, 시트 부재(16)에서 떨어져 밸브 구멍(16a)을 개방하도록 되어 있다. 밸브체(17)를 개방위치 방향으로 압압하기 위하여 하우징(12)에는 전자기 비례 솔레노이드(31)가 설치되어 있다.

밸브체 구동 수단인 전자기 비례 솔레노이드(31)는, 하우징(12)의 하단측의 개구단부(12f)에 나사 결합되고 고압 탱크(3) 내에 배치되어 있다. 전자기 비례 솔레노이드(31)는, 연결 부재(32)를 구비하고 있고, 연결 부재(32)는 대략 통형으로 되어 있다. 연결 부재(32)의 상단부는, 하우징(12)의 하단측의 개구단부(12f)에 나사 결합되어 시트 장착부(15)와 함께 시트 부재(16)를 협지하고 있다. 또한, 연결 부재(32)는, 축선(L1)을 따라 아래쪽으로 연장되어 있고, 그 중심이 시트 부재(16)의 밸브 구멍(16a)과 연결되도록 배치되어 있다. 또한, 연결 부재(32)의 하단부에는, 솔레노이드 코일(33)이 외장되어 있다.

솔레노이드 코일(33)은, 대략적으로 원통형으로 형성되고, 축선(L1)을 따라 아래쪽으로 연장되어 있다. 솔레노이드 코일(33)은 대략 원통형의 케이스(case)(33a)를 구비하고, 그 내에 보빈(bobbin)(33b)과 코일선(33c)이 설치되어 있다. 보빈(33b) 또한 대략적으로 원통형으로 형성되고, 보빈(33b)의 외주에 코일선(33c)이 감겨져 있다. 이와 같이 구성되는 솔레노이드 코일(33)은, 하우징(12)의 하단측의 개구단부(12f)에서 아래쪽으로 이격하여 위치하고 있고, 솔레노이드 코일(33)과 하우징(12)의 하단측의 개구단부(12f)의 사이에는, 스페이서(spacer)(34)가 개재하고 있다.

스페이서(34)는, 대략 원통형으로 형성되어 있고, 연결 부재(32)에 외장되어 있다. 스페이서(34) 및 하우징(12) 내부에는, 그것들을 삽입 통과하도록 도전선체(35)가 설치되어 있다. 도전선체(35)는, 연산 제어기(5)(도 1 참조) 및 코일선(33c)에 의해 연결되어 있고, 연산 제어기(5)에서 코일선(33c)으로 전류를 흐르게 할 수 있도록 되어 있다. 그리고 코일선(33c)에 전류를 흐르게 함으로써 솔레노이드 코일(33)이 여자하도록 되어 있다. 이와 같이 구성되는 솔레노이드 코일(33)의 하측 개구단부는, 거기에 끼워져 삽입되어 있는 솔레노이드측 캡 부재(36)에 의해 막혀 있다.

솔레노이드측 캡 부재(36)는, 대략적으로 유저통형으로 되어 있다. 솔레노이드측 캡 부재(36)는, 개구를 상측(요컨대, 연결 부재(32) 측)을 향하며 솔레노이드 코일(33) 내에 배치되어 있다. 솔레노이드측 캡 부재(36)의 내에는, 가동 철심(37)이 슬라이딩 가능하게 삽입되어 있다. 가동 철심(37)은, 대략적으로 원주형으로 형성되고, 그 상단이 연결 부재(32)의 하단에 대항하도록 배치되어 있다. 이에 따라, 코일선(33c)에 전류를 흐르게 하면, 요컨대 솔레노이드 코일(33)에 전류를 흐르게 하면, 가동 철심(37)에 여자력(구동력)이 작용하여 연결 부재(32)의 쪽으로 흡착된다.

또한, 가동 철심(37)에는, 압압 로드(38)가 설치되어 있다. 압압 로드(38)는, 대략 원주형으로 형성되어 있고, 기단부(하단부)가 가동 철심(37)의 상단부에 나사 결합되어 있다. 압압 로드(38)는, 축선(L1)을 따라 위쪽으로 연장되고 연결 부재(32) 안을 삽입 통과한다. 압압 로드(38)의 선단부는, 부분 구면(球面)형으로 형성되어 있다. 압압 로드(38)의 선단부는, 시트 부재(16)의 밸브 구멍(16a)까지 도달하여 있고, 밸브체(17)의 선단부(17a)에 접촉하고 있다. 따라서 가동 철심(37)이 연결 부재(32) 쪽으로 흡착되면, 밸브체(17)는, 압압 로드(38)에 의해 복귀용 스프링(28)의 가압력에 대항하며 밸브체(17)를 개방위치 방향으로 눌러져 밸브 구멍(16a)을 개방하도록 되어 있다. 이때, 개방위치란, 가동 철심(37)이 연결 부재(32)의 쪽으로 끌어당겨진 상태에서의 밸브체(17)의 위치이다.

나아가, 가동 철심(37)은, 그 하단측에 스프링 받침좌(37a)를 구비한다. 스프링 받침좌(37a)는, 가동 철심(37)의 축선(축선(L1)에 대략 일치)을 따라 형성되는 홈부이고, 거기에는 압축 코일 스프링(39)이 삽입되어 있다. 압축 코일 스프링(39)은, 가동 철심(37)과 솔레노이드측 캡 부재(36)의 사이에 압축된 상태로 장착되어 있다. 압축 코일 스프링(39)은, 가동 철심(37)을 밸브체(17)의 쪽으로 가압하여 압압 로드(38)의 선단부를 밸브체(17)의 선단부(17a)에 밀어붙이고 있다.

이와 같이 구성되는 전자기 비례 솔레노이드(31)에 있어서, 솔레노이드측 캡 부재(36)의 하면에는, 일차 포트(41)가 형성되어 있다. 일차 포트(41)는, 축선(L1) 주위에 형성되어 있고, 고압 탱크(3) 내로 개구되어 있다. 또한, 솔레노이드측 캡 부재(36)에는, 축선(L1)을 따라 연장되는 일차측 통로(42)가 형성되어 있고, 일차 포트(41)는, 일차측 통로(42)를 통하여 솔레노이드측 캡 부재(36) 안과 연결되어 있다.

솔레노이드측 캡 부재(36) 내에는, 솔레노이드측 캡 부재(36)의 저면과 가동 철심(37)의 하면 사이에 위치한 일차측 공간(36a)이 형성되어 있고, 일차측 공간(36a)은 일차측 통로(42)를 통하여 일차 포트(41)에 연결되어 있다. 가동 철심(37)에는 솔레노이드측 연통로(43)가 형성되어 있다. 솔레노이드측 연통로(43)는, 연통부(43a), 관통부(43b), 및 외주 통로(43c, 43d)를 구비한다. 연통부(43a)는, 가동 철심(37)의 스프링 받침좌(37a)를 향하는 개구를 구비하고, 거기에서 축선(L1)을 따라 위쪽으로 연장되어 있다. 관통부(43b)는, 연통부(43a)의 상측에 연결되어 있고, 거기에서 반경방향 양측으로 연장되어 있다. 관통부(43b)는, 가동 철심(37)을 일직선 상으로 관통하고, 그 양쪽의 개구가 외주 통로(43c, 43d)에 연결되어 있다. 외주 통로(43c, 43d)는, 가동 철심(37)의 외주에 형성되고, 관통부(43b)의 개구에서 위쪽으로 연장되는 홈이다. 외주 통로(43c, 43d)는, 가동 철심(37)의 상단까지 이른다.

또한, 연결 부재(32)의 하단측의 내면에는, 내향 플랜지(32a)가 형성되어 있다. 내향 플랜지(32a)는, 그 내면에 둘레방향 전체 둘레에 걸쳐 형성되어 있고, 반경방향 내측으로 돌출하여 있다. 내향 플랜지(32a)의 내경은, 압압 로드(38)의 외경보다 약간 크게 되어 있고, 내향 플랜지(32a)의 중심을 압압 로드(38)가 삽입 통과하고 있다. 이에 따라, 연결 부재(32)의 내부가 내향 플랜지(32a)에 의해 상측과 하측으로 나뉘고, 내향 플랜지(32a)보다 상측에는 연통실(44)이 형성되고, 내향 플랜지(32a)보다 하측에는 내향 플랜지(32a)와 가동 철심(37)의 상단 사이에 위치한 연락실(45)이 형성되어 있다. 연통실(44) 및 연락실(45)은, 밸브 구멍(16a) 및 외주 통로(43c, 43d)에 각각 연결되어 있고, 연통실(44) 및 연락실(45)끼리는 내향 플랜지(32a)에 형성되는 복수의 관통로(32b)에 의해 연결되어 있다. 관통로(32b)는, 내향 플랜지(32a)를 관통하도록 축선(L1)에 평행하게 연장되어 있고, 축선(l1)을 중심으로 등간격을 두고 배치되어 있다.

이와 같이 구성되는 일차측 통로(42), 솔레노이드측 연통로(43), 연락실(45), 관통로(32b) 및 연통실(44)에 의해 일차 포트(41)는 밸브 구멍(16a)에 연결되어 있다. 또한, 밸브 구멍(16a)은, 밸브 공간(12e), 선단측 통로(17c), 연락 통로(30), 기단측 통로(17d), 압력 귀환실(25), 관통로(14a) 및 이차측 통로(12c)에 의해 이차 포트(12b)에 연결되어 있다. 이러한 일차측 통로(42), 솔레노이드측 연통로(43), 연통실(44), 관통로(32b), 연락실(45), 밸브 구멍(16a), 밸브 공간(12e), 선단측 통로(17c), 연락 통로(30), 기단측 통로(17d), 압력 귀환실(25), 관통로(14a) 및 이차측 통로(12c)에 의해 밸브 통로(46)가 구성되고, 이 밸브 통로(46)에 의해 일차 포트(41)와 이차 포트(12b)가 연결되어 있다. 이와 같이 연결되는 일차 포트(41) 및 이차 포트(12b)는, 일차 포트(41)에 대하여 이차 포트(12b)가 직각이 되도록 배치되어 있고, 전자기식 조압 밸브(1)는, 앵글(angle)형의 조압 밸브로 되어 있다. 또한, 전자기식 조압 밸브(1)는, 직선형(즉, 인라인(in-line)형)의 조압 밸브이어도 좋고, 그 경우 이차 포트(12b)가 축선(L1)을 따라 형성된다.

이와 같이 구성되는 전자기식 조압 밸브(1)에서는, 고압 탱크(3) 내의 연료 가스가 일차 포트(41)에 공급되고, 그 연료 가스가 일차측 통로(42), 솔레노이드측 연통로(43), 연락실(45), 관통로(32b) 및 연통실(44)을 통하여 밸브 구멍(16a)에 인도된다. 그리고 밸브체(17)를 시트 부재(16)로부터 이격시켜 밸브 구멍(16a)을 개방함으로써 요컨대 밸브 통로(46)를 개방함으로써 연료 가스가 밸브 구멍(16a)에서 밸브 공간(12e)으로 흐르고, 선단측 통로(17c), 연락 통로(30), 기단측 통로(17d), 압력 귀환실(25), 관통로(14a) 및 이차측 통로(12c)를 통하여 이차 포트(12b)로부터 배출된다.

밸브 통로(46)를 개방할 때, 밸브체(17)와 시트 부재(16)의 사이에는, 링 모양의 오리피스(orifice)가 형성되어 있다. 오리피스보다 일차 포트(41) 측인 일차측의 연료 가스는, 오리피스에 의해 감압되고, 밸브 구멍(16a)로부터 이차 포트(12b) 측인 이차측으로 흐른다. 요컨대, 일차압(p₁)의 연료 가스가 오리피스에 의해 이차압(p₂)으로 감압된다. 이차압(p₂)으로 감압된 연료 가스는, 전술한 대로 연락 통로(30) 등을 통과하여 압력 귀환실(25)에 인도되고, 다이아프램 씰(21)은, 이 압력 귀환실(25)에 인도된 이차압(p₂)을 수압하고, 수압한 이차압(p₂)에 따른 힘으로 밸브체(17)를 폐쇄방향으로 이동시키도록 되어 있다.

또한, 일차압(p₁)은, 밸브측 연통로(17e)를 통하여 배압력실(27)에 인도된다. 배압력실(27)에 인도된 일차압(p₁)의 연료 가스는, 고압 씰 부재(29)에 의해 배압력실(27)에서 연락 통로(30)로 누출되지 않도록 되어 있다. 그러나 일차압(p₁)과 이차압(p₂)의 차압이 크면, 배압력실(27)에서 연락 통로(30)로 누출되는 경우가 있다. 다만 연락 통로(30)가 압력 귀환실(25) 및 이차 포트(12b) 등의 이차측에 연결되어 있기 때문에, 배압력실(27)에서 연락 통로(30)로 연료 가스가 누출되어도 그 누출된 연료 가스는 그대로 이차 포트(12b)로 흐르도록 되어 있다. 따라서 전자기식 조압 밸브(1)는, 일차측에서 누출된 연료 가스를 외측으로 누출시키지 않고 이차측으로 되돌릴 수 있는 안전 구조의 밸브로 되어 있다. 따라서 연료 가스가 전자기식 조압 밸브(1)의 외부로 방출되는 경우가 없다. 즉, 대기 중으로 연료 가스가 누출되는 경우가 없다.

이와 같이 구성되는 전자기식 조압 밸브(1)에 있어서, 밸브체(17)는, 그 선단부(17a)의 수압면(P1)에서 밸브 구멍(16a)의 일차압(p₁)을 위쪽(요컨대, 개방위치 방향)으로 수압하고, 밸브체(17) 내부의 수압면(P2)에서 배압력실(27)로 인도된 일차압(p₁)을 아래쪽(요컨대, 폐쇄위치 방향)으로 수압하도록 되어 있다. 따라서 수압면(P1)에서 받는 작용력 및 수압면(P2)에서 받는 작용력은, 서로 제거되도록 되어 있다. 수압면(P1)의 수압 면적(A1)은 시트 부재(16)의 내경(r₁), 요컨대 시트 직경(r₁)에 따라 결정되고, 또 수압면(P2)의 수압 면적(A2)은, 밸브체(17)의 내경(r₂), 요컨대 배압력실(27)의 구멍 직경(r₂)에 따라 결정된다. 본 실시예에서는, 시트 직경(r₁)과 구멍 직경(r₂)이 같아지도록 시트 부재(16) 및 밸브체(17)가 형성되어 있다. 따라서 본 실시예의 전자기식 조압 밸브(1)에서는, 수압면(P1)에서 받는 작용력 및 수압면(P2)에서 받는 작용력이 대략 같아져 상쇄되도록 되어 있다.

또한, 가동 철심(37)의 상측 및 하측에는, 연락실(45) 및 일차측 공간(36a)이 각각 형성되어 있고, 연락실(45)과 일차측 공간(36a) 각각에는 일차압(p₁)이 인도되고, 가동 철심(37)은 상단(수압면(P3)) 및 하단(수압면(P4))에서 이러한 일차압(p₁)을 상하방향으로 각각 수압하고 있다. 가동 철심(37)은, 대략 원주형으로 형성되고, 수압면(P3, P4)의 수압 면적이 대략 동일하게 되어 있으므로, 수압면(P3, P4)에서 각각 받는 작용력이 상쇄되도록 되어 있다.

나아가, 밸브체(17)는, 선단측에 비하여 기단측의 쪽이 대경으로 되어 있다. 나아가, 다이아프램 씰(21)의 수압 면적(A5)은, 수압 면적(A1, A2)보다 크게 되어 있다. 요컨대, 밸브체(17)의 기단측에서 이차압(p₂)을 폐쇄위치 방향으로 수압하는 수압면(P5)의 수압 면적의 쪽이, 밸브체(17)의 선단측에서 이차압(p₂)을 개방위치 방향으로 수압하는 수압면(P6)의 수압 면적보다 크게 되어 있다. 따라서 밸브체(17)는, 이차압(p₂) 및 복귀용 스프링(28)에 의해 폐쇄위치 방향으로 내리눌리고, 솔레노이드 코일(33)에 전류가 흐르고 있지 않는 상태에서는, 밸브체(17)가 폐쇄위치에 위치하도록 되어 있다. 요컨대, 전자기식 조압 밸브(1)는, 상시 폐쇄형의 밸브로서 구성되어 있다. 따라서 솔레노이드 코일(33)에 흐르는 전류를 차단함으로써 밸브 통로(46)를 긴급 차단할 수가 있다.

<전자기식 조압 밸브의 동작>

이하에서는, 도 2를 참조하면서 전자기식 조압 밸브(1)의 동작에 대하여 설명한다. 전자기 비례 솔레노이드(31)의 솔레노이드 코일(33)에 전류를 흐르게 하면, 가동 철심(37)에 여자력이 작용하여 가동 철심(37)이 연결 부재(32)의 쪽으로 끌어당겨진다. 이에 따라, 밸브체(17)가 시트 부재(16)에서 떨어지고 개방위치 쪽으로 이동하여 밸브 통로(46)가 개방된다. 밸브 통로(46)가 개방됨으로써 밸브체(17)와 시트 부재(16)의 사이에 오리피스(미도시)가 형성되고, 연료 가스가 이 오리피스에 의해 이차압(p₂)으로 감압되어 밸브 공간(12e)으로 흐른다.

밸브 공간(12e)의 연료 가스는, 선단측 통로(17c), 연락 통로(30), 및 기단측 통로(17d)를 통하여 압력 귀환실(25)에 인도되고, 나아가 관통로(14a) 및 이차측 통로(12c)를 통하여 이차 포트(12b)로부터 배출된다. 밸브체(17) 및 다이아프램 씰(21)은, 압력 귀환실(25)에 인도된 연료 가스의 이차압(p₂)을 수압하고, 밸브체(17)는, 가동 철심(37)이 받는 여자력과 수압면(P5)에서 받는 이차압(p₂)에 의한 작용력, 및 복귀용 스프링(28)의 스프링력이 균형을 이루는 위치까지 폐쇄위치 방향 또는 개방위치 방향으로 이동한다. 요컨대, 밸브체(17)는, 상기 힘이 균형을 이루도록 밸브 통로(46)의 개도(요컨대, 오리피스의 개도)를 조정하여 밸브 공간(12e)에 흐르는 연료 가스의 이차압(p₂)을 조정한다. 이에 따라, 이차압(p₂)이 솔레노이드 코일(33)에 흐르게 하는 전류에 따른 압력(요컨대 목표 압력)이 된다.

예를 들면, 이차압(p₂)이 목표 압력보다 낮을 경우, 여자력이 이차압(p₂)에 의한 작용력보다 커져 밸브체(17)가 시트 부재(16)에서 떨어지는 방향(요컨대, 개방위치방향)으로 이동한다. 그러면, 밸브 통로(46)의 개도가 넓어져 이차압(p₂)이 상승한다. 이에 따라, 밸브체(17)는, 여자력과 이차압(p₂)에 의한 작용력, 및 복귀용 스프링(28)의 스프링력이 균형을 이루는 위치(개도)까지 이동하여 이차압(p₂)을 목표 압력으로 조압한다. 따라서 전자기식 조압 밸브(1)는, 일차압(p₁)이 변동하여도 그에 맞추어 밸브 통로(46)의 개도를 제어하여 이차압(p₂)을 목표 압력으로 조압할 수가 있다. 그 때문에, 일차압(p₁)을 미리 일정압으로 감압하지 않아도 전자기식 조압 밸브(1) 단일체로 고압의 연료 가스를 소정의 저압, 요컨대 목표 압력까지 감압하여 조압할 수가 있다. 따라서 전자기식 조압 밸브(1)는, 압력 제어성이 높다.

또한, 전자기식 조압 밸브(1)에서는, 배압력실(27)에 일차압(p₁)을 인도함으로써 수압면(P1) 및 수압면(P2)에서 일차압(p₁)으로부터 받는 작용력을 상쇄시키고 있다. 이에 따라, 일차압(p₁)의 변동으로 인한 이차압(p₂)의 변동을 억제할 수가 있다. 따라서 고압의 연료 가스에 대한 압력 제어성을 향상시킬 수가 있어 이차압(p₂)을 종래의 전자기식 조압 밸브보다 정확하게 제어할 수가 있다. 또한, 일차압(p₁)으로부터 받는 작용력을 상쇄함으로써 전자기 비례 솔레노이드(31)의 여자력을 작게 할 수 있어 전자기식 조압 밸브(1)를 소형화할 수가 있다.

또한, 다이아프램 씰(21)을 채용함으로써 밸브체(17)가 이동할 때의 슬라이딩 마찰을 없앨 수가 있다. 또한, 마찰 저항이 적은 저압 씰 부재(22)를 채용함으로써 슬라이딩 마찰을 크게 억제할 수가 있다. 이와 같이 밸브체(17)에 작용하는 슬라이딩 마찰을 억제함으로써 밸브체(17)를 원활하게 움직이게 할 수가 있다. 이에 따라, 목표 압력으로 이차압(p₂)을 재빠르게 조압할 수 있게 되어 이차압(p₂)의 응답성이 향상된다. 더욱이, 고압 씰 부재(29)를 채용함으로써 전자기식 조압 밸브(1)의 일차압(p₁)에 대한 내압 성능이 향상되어 일차 포트(41)로부터 공급되는 일차압(p₁)의 한계 압력을 향상시킬 수가 있다.

또한, 전자기식 조압 밸브(1)는, 전자기 비례 솔레노이드(31)가 고압 탱크(3) 내에 배치되어 있는 인탱크형의 조압 밸브이고, 단일의 밸브로써 고압의 연료 가스를 저압의 목표 압력으로 조압할 수가 있다. 이에 따라 연료 가스 공급 시스템(2)의 구성을 대폭적으로 간소화할 수 있어 연료 가스 공급 시스템(2)의 설치 공간의 축소, 구성 장치의 감소에 따른 비용 절감, 및 고압 탱크(3)와 연료 가스 소비기 사이의 압력 손실의 감소를 대폭적으로 도모할 수가 있다.

나아가, 전자기식 조압 밸브(1)는, 인탱크형의 용기 마스터 밸브로, 전자기식 차단과 전자기식 조압의 2개 기능을 구비한다. 따라서 전자기식 조압 밸브(1)의 상류측에 전자기식 차단 밸브가 불필요하고, 용기 마스터 밸브로서의 구성이 간소화됨에 따라 대폭적인 압력 손실 감소 및 비용 절감으로 이어진다. 또한, 전자기 비례 솔레노이드(31) 등의 통전 부분이 고압 탱크(3)의 개구부(3a) 내에 배치되어 있기 때문에, 요컨대, 연료 가스 중에 설치되어 있기 때문에, 전자기식 조압 밸브(1)는, 방폭(防爆) 구조를 가진 용기 마스터 밸브가 된다.

[제2 실시예]

본 발명의 제2 실시예에 따른 전자기식 조압 밸브(1A)는, 제1 실시예에 따른 전자기식 조압 밸브(1)와 구성이 유사하다. 따라서 제2 실시예에 따른 전자기식 조압 밸브(1A)의 구성에 관하여 제1 실시예의 전자기식 조압 밸브(1)와 다른 구성에 대해서만 설명하고, 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 부여하고 설명을 생략한다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 전자기식 조압 밸브(1A)에서는, 도 3에 도시된 바와 같이 스페이서(34A)에 일차 포트(41A) 및 이차측 통로(42A)가 형성되어 있다. 또한, 연결 부재(32A)에는, 스페이서(34A)가 외장되는 외주 부분에 외주 홈(32c)이 형성되어 있다. 외주 홈(32c)은, 연결 부재(32A)의 외주 부분에 둘레방향 전체 둘레에 걸쳐 형성되어 있다. 일차측 통로(42A)는, 외주 홈(32c)과 일차 포트(41A)를 연결하도록 형성되어 있다. 또한, 연결 부재(32A)에는, 반경방향으로 연장되는 복수의 스페이서 연통로(32d)가 형성되어 있고, 외주 홈(32c)은, 복수의 스페이서 연통로(32d)에 의해 연통실(44)과 연통되어 있다.

이와 같이 구성되는 전자기식 조압 밸브(1A)에서는, 밸브 통로(46A)의 일차측이 일차 포트(41A), 일차측 통로(42A), 외주 홈(32c), 스페이서 연통로(32d), 연락실(45)로 구성되어 있다. 또한, 밸브 통로(46A)의 이차측은, 제1 실시예의 밸브 통로(46)의 이차측과 동일한 구성이다.

제2 실시예에 따른 전자기식 조압 밸브(1A)는, 제1 실시예에 따른 전자기식 조압 밸브(1)와 동일한 작용 효과가 있다.

[제3 실시예 및 제4 실시예]

본 발명의 제3 실시예 및 제4 실시예에 따른 전자기식 조압 밸브(1B, 1C)는, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 수압 면적(A1) 및 수압 면적(A2)이 다른 점을 제외하고 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 전자기식 조압 밸브(1, 1A)와 동일하다. 이하에서는, 그 점에 대하여 설명한다.

전자기식 조압 밸브(1B, 1C)에서는, 시트 직경(r₁)이 배압력실(27)의 구멍 직경(r₂)보다 소경으로 되도록 밸브체(17) 및 하우징(12)이 형성되어 있고, 수압 면적(A1)은 수압 면적(A2)보다 작게 되어 있다. 따라서 밸브체(17)에는, 수압 면적(A1)과 수압 면적(A2)의 면적 차이에 따른 일차압(p₁)에 의한 작용력이 폐쇄위치를 향하여 작용한다. 따라서 솔레노이드 코일(33)에 흐르는 전류를 차단하였을 때 밸브체(17)가 폐쇄위치를 향하는 속도가 빨라져 차단 성능이 향상된다.

또한, 일차압(p₁)에 의한 작용력이 폐쇄위치를 향하여 작용하고 있기 때문에, 밸브체(17)와 시트 부재(16)의 안착 부분의 씰 면압이 높아진다. 따라서 전자기식 조압 밸브(1B, 1C)는, 일차측에서 이차측으로 연료 가스가 누출되지 않도록 확실하게 밸브 통로(46, 46A)를 폐쇄할 수가 있다.

그 밖에, 제3 실시예 및 제4 실시예에 따른 전자기식 조압 밸브(1B, 1C)는, 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 전자기식 조압 밸브(1, 1A)와 동일한 작용 효과가 각각 있다.

[제5 실시예]

제5 실시예에 따른 조압 밸브(1D)는, 제2 실시예에 따른 전자기식 조압 밸브(1A)와 유사하고, 도 6에 도시된 바와 같이 전자기 비례 솔레노이드(31) 대신에 압전 액추에이터(actuator)(31D)를 구비하고 있다. 밸브체 구동 수단인 압전 액추에이터(31D)는, 압전소자(예를 들면, 피에조 소자(piezoelectric device))로 이루어지고, 인가받는 인가 전압에 따른 구동력을 발생하고, 압압 로드(38)를 통하여 밸브체(17)를 개방위치 방향으로 움직이게 하여 밸브 통로(46A)를 개방하도록 되어 있다. 이때, 밸브 통로(46A)는, 발생하는 구동력에 따른 개도로 개방되고, 조압 밸브(1D) 또한 압전 액추에이터(31D)에 인가되는 인가 전압 따른 압력으로 이차압(p₂)을 조압할 수 있도록 되어 있다.

그 밖에, 제5 실시예에 따른 조압 밸브(1D)는, 제2 실시예에 따른 전자기식 조압 밸브(1A)와 동일한 구성을 갖고 있고, 동일한 작용 효과가 있다.

[제6 실시예]

제6 실시예에 따른 조압 밸브(1E)는, 제2 실시예의 전자기식 조압 밸브(1A)와 유사하고, 도 7에 도시된 바와 같이 전자기 비례 솔레노이드(31) 대신에 포스 모터(force motor)(31E)를 구비하고 있다. 밸브체 구동 수단인 포스 모터(31E)는, 원통형의 영구자석(61) 내에 가동 코일(62)이 삽입되어 있고, 가동 코일(62)에 전류를 흐르게 하면 전류에 따른 여자력이 발생하고, 이 여자력에 의해 가동 코일(62)이 요크(yoke)(63) 안을 움직이도록 되어 있다. 가동 코일(62)이 움직이므로써 그것에 일체적으로 설치되어 있는 압압 로드(38)에 의해 밸브체(17)가 개방위치방향으로 눌러져 밸브 통로(46A)가 개방된다. 이때, 밸브 통로(46A)는, 발생하는 여자력에 따른 개도로 개방되고, 조압 밸브(1E)도 또한 포스 모터(31E)에 흐르는 전류에 따른 압력으로 이차압(P₂)을 조압할 수 있도록 되어 있다.

그 밖에, 제6 실시예의 조압 밸브(1E)는, 제2 실시예에 따른 전자기식 조압 밸브(1A)와 동일한 구성을 갖고 있고, 동일한 작용 효과가 있다.

[그 밖의 실시예]

본 실시예에서는, 압력 귀환실(25)의 이차압(p₂)을 다이아프램 씰(21)로 수압하고 있지만, 반드시 다이아프램 씰이 아니어도 좋고, 오링 등의 저압 씰 부재이어도 좋다.

본 발명은, 고압 연료 가스의 압력을 흐르는 전류에 따른 압력으로 조압하는 가스용 조압 밸브에 적용할 수가 있다.

1, 1A ~ 1C: 전자기식 조압 밸브
1D, 1E: 조압 밸브
3: 탱크
12: 하우징
12b: 이차 포트
17: 밸브체
19: 베어링 부재 수용 공간
20: 베어링 부재
21: 다이아프램 씰
22: 저압 씰 부재
25: 압력 귀환실
26: 씰 로드
27: 배압력실
28: 복귀용 스프링
29: 고압 씰 부재
30: 연락 통로
31: 전자기 비례 솔레노이드
31D: 압전 액추에이터
31E: 포스 모터
41, 41A: 일차 포트
46, 46A: 밸브 통로

Claims

탱크의 개구부에 설치되고, 상기 탱크 내에 충전된 연료 가스를 조압하여 출력하는 가스용 조압 밸브에 있어서,
일차 포트와 이차 포트에 연결되는 밸브 통로를 구비하는 하우징과,
상기 하우징 내에 설치되고, 상기 밸브 통로를 폐쇄하는 폐쇄위치와 상기 밸브 통로를 개방하는 개방위치 사이에서 이동하여 상기 밸브 통로의 개도를 조정하는 밸브체와,
상기 밸브체를 폐쇄위치 방향으로 가압하는 복귀용 스프링과,
상기 탱크의 개구부 내에 배치되고, 인가받은 인가 전압 또는 인가 전류에 따른 구동력을 상기 복귀용 스프링의 가압에 대항하도록 상기 밸브체에 가하여 상기 밸브체를 상기 개방위치 방향으로 이동시키는 밸브체 구동 수단과,
상기 하우징 내에 형성되고, 상기 이차 포트에 연결되는 압력 귀환실과,
상기 밸브체와 상기 하우징의 간극에 개재하고 상기 밸브체를 슬라이딩 지지하는 베어링 부재와,
상기 베어링 부재의 양측에 각각 설치되어 상기 간극의 양측을 각각 밀폐하는 제1 및 제2 씰 부재와,
상기 밸브체의 기단에 그 밸브체 내에서 상대 이동 가능하게 삽입되고, 상기 밸브체와의 사이에 상기 일차 포트에 연결되는 배압력실을 형성하는 씰 로드를 구비하며,
상기 제1 씰 부재는, 상기 압력 귀환실의 압력을 상기 구동력에 대항하는 방향으로 수압하고, 수압하는 상기 압력에 따라 상기 밸브체를 상기 폐쇄위치 방향으로 이동시키도록 되어 있고,
상기 씰 로드와 상기 밸브체 사이에는, 상기 배압력실보다 상기 밸브체의 기단측에 상기 이차 포트에 연결되는 연락 통로가 형성되고,
상기 연락 통로와 상기 배압력실의 사이에는, 그 사이를 밀폐하도록 제3 씰 부재가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 가스용 조압 밸브.
제1항에 있어서,
상기 밸브체는, 상기 일차 포트에서 일차압을 상기 개방위치 방향으로 수압하는 제1 수압면과 상기 배압력실의 압력을 상기 폐쇄위치 방향으로 수압하는 제2 수압면을 구비하고,
상기 제1 수압면의 수압 면적은, 상기 제2 수압면의 수압 면적과 동일한 것을 특징으로 하는 가스용 조압 밸브.
제1항에 있어서,
상기 밸브체는, 상기 일차 포트에 있어서 일차압을 상기 개방위치 방향으로 수압하는 제1 수압면과 상기 배압력실의 압력을 상기 폐쇄위치 방향으로 수압하는 제2 수압면을 구비하고,
상기 제1 수압면의 수압 면적은, 상기 제2 수압면의 수압 면적보다 작은 것을 특징으로 하는 가스용 조압 밸브.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 씰 부재는, 다이아프램 씰이고,
상기 제2 씰 부재는, 마찰 저항이 작은 저압 씰인 것을 특징으로 하는 가스용 조압 밸브.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제3 씰 부재는, 마찰 저항이 작고, 시동 저항과 슬라이딩 저항의 차이가 작은 고압 씰인 것을 특징으로 하는 가스용 조압 밸브.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 밸브체 구동 수단에 인가되는 인가 전압 또는 인가 전류가 제로(0)일 때에는, 상기 복귀용 스프링에 의해 상기 밸브체를 상기 폐쇄위치로 되는 상시 폐쇄형인 것을 특징으로 하는 가스용 조압 밸브.