KR20130079764A - 모터 일체형 이젝터 유닛 - Google Patents

Abstract

본 발명의 모터 일체형 이젝터 유닛은 수소탱크에서 공급된 고압수소(10bar)의 흐름에 의한 부압차로 스택의 잉여 가스(수소+질소+포화수증기)를 빨아들여 다시 스택으로 공급하는 이젝터(1)와, 수소탱크에서 나오는 고압수소가 들어오는 커넥터블록(10)의 내부에서 고압수소 유입경로의 개구면적을 직선스트로크를 갖는 노즐(22)로 가변시켜주는 모터(20)로 구성되고, 상기 이젝터(1)와 모터(20)이 모듈화됨으로써, 노즐(22)의 선형 제어로 정밀제어를 구현하면서도 접촉소음을 방지하고 특히 보다 콤팩트하게 구성되는 특징을 갖는다.

Description

모터 일체형 이젝터 유닛{Motor assembled type Ejector Unit}

본 발명은 수소 재순환을 위한 이젝터에 관한 것으로, 특히 고압수소 유입경로에 위치된 노즐의 선형제어로 유량을 정밀하게 제어하면서 동시에 보다 콤팩트하게 구성되는 모터 일체형 이젝터 유닛에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지스택으로 공기와 함께 공급되는 수소는 안정적인 공급을 위해 필요로 하는 양보다 약 1.5배 가량 많게 공급된다.

상기와 같이 용량을 초과해 공급된 수소는 그 일부가 스택에서 미반응될 수밖에 없으므로, 미반응된 수소는 대기로 버리지 않고 스택입구로 다시 되돌려 사용하는 재순환과정을 거치게 되는, 이를 위한 장치를 수소재순환장치로 칭한다.

통상, 수소재순환장치에는 블로어와 함께 이젝터가 구비됨으로써 스택에서 미반응되고 감압된 상태를 공급압력과 동일한 압력으로 상승시켜주며, 블로어는 일종의 펌프로서 고속의 모터로 회전되는 임펠러로 저압수소압력을 상승시켜주는 작용을 한다.

상기와 같이 이젝터는 고압수소(10bar)를 공급하는 수소탱크와 이를 공급받는 스택사이에 위치됨으로써, 수소탱크쪽에서 나오는 고압수소(10bar)가 지나면서 스택의 잉여 가스(수소+질소+포화수증기)를 흡입할 수 있게 된다.

그러므로, 이젝터를 갖춘 수소재순환장치는 스택의 잉여 가스(수소+질소+포화수증기)를 다시 스택으로 공급할 수 있게 된다.

국내특허등록 10-0805447(2008.02.13)은 연료전지 차량의 수소 재순환 시스템에 관한 것이며, 이는 도 1 참조.

통상, 이젝터는 수소탱크에서 공급되는 고압수소와 스택에서 다시 재순환되는 잉여가스를 서로 혼합하는 기능으로 인해 정밀한 가스 유량제어가 요구되고, 이를 위해 수소탱크에서 공급되는 가스유량을 제어하는 솔레노이드밸브나 또는 듀티(Duty)제어 밸브와 함께 구성될 수밖에 없다.

일례로, 도 5는 이젝터(100)가 솔레노이드밸브(200)와 함께 구성되고, 솔레노이드밸브(200)가 수소가스공급을 온오프(On/Off)로 제어해줌으로서 이젝터(100)의 노즐(110)에서 나가는 수소가스유량을 제어하는 방식이다.

반면, 도 6은 이젝터(200)가 듀티제어밸브(300)와 함께 구성되고, 듀티제어 밸브(300)가 노즐(210)의 개폐시간을 조절함으로써 이젝터(200)의 노즐(210)에서 나가는 수소가스유량을 제어하는 방식이다.

상기와 같이 솔레노이드밸브(200)로 이루어지는 유량제어는 정밀 제어가 이루어질 수없는 단순한 유량의 온오프(On/Off)제어이고, 또한 듀티제어밸브로 이루어지는 유량제어는 정밀제어 된다 하더라도 노즐입구에 대한 반복적인 접촉소음과 진동으로 내구성 역화를 가져오는 밸브 자체의 한계가 있을 수밖에 없다.

이에 더해, 이젝터가 상기와 같이 유량제어를 위해 솔레노이드밸브나 또는 듀티 제어 밸브와 같은 별도의 밸브를 필요로 함으로써 이젝터의 패키지성도 매우 불리할 수밖에 없다.

이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 노즐제어기능을 갖는 모터와 함께 이젝터를 구성함으로써, 고압수소 공급경로 위치된 노즐의 선형 제어로 정밀한 유량변화는 물론 온오프 제어와 같은 접촉소음을 방지하고, 특히 이젝터를 중심으로 모듈화됨으로써 보다 콤팩트하게 구성되는 모터 일체형 이젝터 유닛을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 모터 일체형 이젝터 유닛은 스택의 잉여 가스를 빨아들이는 부압이 수소탱크에서 공급된 고압수소의 흐름으로 형성되도록 상기 잉여 가스 유입경로와 연통된 상기 고압수소 흐름경로를 형성한 이젝터와;

상기 이젝터에 연결되고, 상기 수소탱크에서 공급된 고압수소를 상기 고압수소 흐름경로로 보내주는 커넥터블록과;

상기 커넥터블록의 고압수소 유입경로에 위치된 노즐을 전후 직선 이동시켜 상기 고압수소 유입경로 면적을 가변함으로써 상기 이젝터의 고압수소 흐름경로로 보내지는 상기 고압수소 유량을 가변시켜주는 모터;

를 포함해 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 이젝터에는 상기 잉여 가스 유입경로와 상기 고압수소 흐름경로이 서로 직교하여 연통된다.

상기 커넥터블록은 상기 수소탱크의 고압수소가 들어오는 고압수소 유입경로에 상대적으로 큰 직경으로 이어진 확장챔버를 형성한 통로바디와, 상기 통로바디를 상기 이젝터에 연결하는 이젝터플랜지와, 상기 모터의 노즐이 상기 확장챔버에 위치되도록 상기 통로바디를 상기 모터에 연결하는 모터플랜지로 구성된다.

상기 고압수소 유입경로와 상기 확장챔버는 동일선상으로 배열되고, 상기 이젝터플랜지와 상기 모터플랜지는 서로 직교하는 레이아웃으로 형성된다.

상기 고압수소 유입경로에는 상기 수소탱크의 고압수소가 흐르는 라인과 연결되는 커넥터가 결합된다.

상기 모터는 상기 커넥터블록의 통로바디에 형성된 모터플랜지와 결합되는 모터하우징에 수용되고, 상기 노즐은 상기 모터의 작동으로 빠져나오거나 들어가는 전후 스트로크를 형성한다.

상기 노즐은 상기 수소탱크의 고압수소가 들어오도록 상기 커넥터블록의 통로바디에 형성된 고압수소 유입경로의 출구부위로 들어가 밀착된 상태에서 가스흐름면적을 완전히 막아주고, 들어가 밀착되지 않은 상태에서 가스흐름틈새를 형성한다.

상기 노즐은 상기 고압수소 유입경로의 직경보다 작은 선단 직경으로부터 뒤로 갈수록 확장구배를 형성하여 상기 고압수소 유입경로의 직경보다 더 큰 직경을 이루게 된다.

상기 이젝터는 상기 커넥터블록과 볼트체결되고, 상기 모터는 모터하우징을 이용해 상기 커넥터블록과 볼트체결된다.

이러한 본 발명은 노즐제어기능을 갖는 모터와 함께 이젝터가 구성되어 정밀하게 유량을 제어하면서도 솔레노이드밸브나 또는 듀티 제어 밸브와 같은 별도의 밸브를 이용할 때에 비해 접촉소음이 거의 형성되지 않는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 노즐을 제어하는 모터가 스테핑 모터를 이용함으로써 보다 정밀한 유량 제어는 물론, 특히 스택의 부하 변동에 대한 신속한 대처가 가능한 효과도 있다.

또한, 본 발명은 이젝터를 스테핑 모터와 함께 일체화함으로써, 솔레노이드밸브나 또는 듀티 제어 밸브와 같은 별도의 밸브를 이용할 때에 비해 보다 경량화됨은 물론

또한, 본 발명은 노즐 제어가능한 모터와 이젝터를 함께 모듈화함으로써 솔레노이드밸브나 또는 듀티 제어 밸브와 같은 별도의 밸브를 이용할 때에 비해 부품수량을 크게 축소하고 보다 콤팩트하게 구성할 수 있는 효과도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 모터 일체형 이젝터 유닛의 구성도이고, 도 2는 도 1의 조립단면이며, 도 3은 본 발명에 따른 모터 일체형 이젝터 유닛의 유량제어 작동도이고, 도 4는 본 발명에 따른 모터 일체형 이젝터 유닛의 성능선도이며, 도 5와 도 6은 종래에 따른 이젝터 유닛의 작동도이다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 실시예에 따른 모터 일체형 이젝터 유닛의 구성을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 모터 일체형 이젝터 유닛은 수소탱크에서 공급되는 수소가스와 연료전지스택에서 나온 잉여가스(수소+질소+포화수증기)를 혼합 및 가압해 연료전지스택으로 보내주는 이젝터(1)와, 수소탱크에서 공급된 수소가스가 이젝터(1)로 보내지는 유량을 가변시키는 유량제어모듈(7)로 구성된다.

상기 이젝터(1)는 수소탱크에서 나와 유량제어모듈(7)을 거쳐 들어오는 고압수소(10bar)가 흐르면서 형성하는 부압차를 이용함으로써 스택의 잉여 가스를 빨아들여 섞어 준 후, 이를 스택으로 다시 공급해 주는 기능을 구현한다.

이를 위해, 상기 이젝터(1)에는 스택의 잉여 가스가 공급되는 잉여 가스 유입경로와 함께 수소탱크에서 공급된 고압수소가 흐르는 고압수소 흐름경로가 형성되고, 상기 잉여 가스 유입경로는 상기 고압수소 흐름경로에 대해 직교하도록 연통된다.

상기 유량제어모듈(7)은 수소탱크에서 나오는 고압수소가 들어오는 커넥터블록(10)과, 커넥터블록(10)의 내부에서 고압수소가 들어오는 고압수소 유입경로의 개구면적을 가변시켜주는 모터(20)로 구성된다.

상기 커넥터블록(10)은 수소탱크의 고압수소 배출경로에 연결되고 이젝터(1)의 고압수소 흐름경로에 연통되는 통로바디(11)와, 통로바디(11)를 이젝터(1)의 고압수소 흐름경로에 연결하는 이젝터플랜지(13)와, 통로바디(11)를 노즐(22)이 구비된 모터(20)에 연결하는 모터플랜지(14)로 구성된다.

상기 통로바디(11)는 고압수소가 유입되는 고압수소 유입경로(11a)와, 고압수소 유입경로(11a)의 직경에 비해 상대적으로 큰 직경으로 이어져 이젝터(1)의 고압수소 흐름경로에 연통되는 확장챔버(11b)로 이루어진다.

여기서, 상기 고압수소 유입경로(11a)와 상기 확장챔버(11b)는 서로 동일선상으로 배열되며, 고압수소 유입경로(11a)와 확장챔버(11b)의 직경차는 이젝터(1)의 사양에 따라 설정된다.

또한, 상기 이젝터플랜지(13)와 상기 모터플랜지(14)는 서로 직교하는 레이아웃으로 형성된다.

일례로, 이젝터플랜지(13)가 통로바디(11)의 축선을 따라 형성되면, 모터플랜지(14)는 축선에 직교하여 통로바디(11)의 측면으로 형성된다.

본 실시예에서 상기 통로바디(11)에는 커넥터(12)가 연결되고, 상기 커넥터(12)는 고압수소 유입경로(11a)에 직결되어진다.

상기 커넥터(12)는 별도의 부품으로 제조되어 나사체결되거나 압입될 수 있고, 또는 고압수소 유입경로(11a)부위를 더 연장함으로써 통로바디(11)와 일체로 이루어질 수 있다.

상기 모터(20)는 외부로부터 내부를 보호하는 바디에서 확장된 플랜지가 형성된 모터하우징(21)에 수용되고, 모터(20)의 작동으로 빠져나오거나 들어가는 전후 스트로크를 갖는 노즐(22)이 더 구비된다.

상기 모터(20)는 회전되면 모터축의 앞부분이 전후 직선운동을 하는 스테핑모터가 적용되고, 상기 노즐(22)은 모터축의 앞부분에는 연결됨으로써 모터(20)의 회전량에 의해 정밀한 스트로크 제어가 구현된다.

본 실시예에서 커넥터블록(10)은 이젝터플랜지(13)를 관통한 볼트(30)로 이젝터(1)와 연결되고, 또한 모터플랜지(14)를 관통한 또 다른 볼트(30)로 모터(20)와 연결된다.

상기 볼트(30)는 스크류로 대체되거나 또는 동일한 작용과 효과를 갖는 고정수단이 적용될 수 있다.

도 2는 본 실시예에 따른 모터 일체형 이젝터 유닛의 조립단면을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 이젝터(1)와 커넥터(12)가 연결된 커넥터블록(10) 및 모터(20)가 서로 조립되면, 모터(20)에 연결된 노즐(22)은 커넥터블록(10)의 내부에서 고압수소 유입경로(11a)와 연결된 확장챔버(11b)에 위치된다.

모터(20)가 작동되면, 상기 노즐(22)은 고압수소 유입경로(11a)로 이동되어 출구부위를 완전히 막아줌으로써 고압수소 유입경로(11a)로 들어오는 고압수소 유입을 완전 차단할 수 있다.

그러므로, 상기 노즐(22)은 선단 직경(d)으로부터 뒤로 갈수록 확장구배를 형성하는 컨버전스(Convergence)타입의 원뿔형상으로 이루어진다.

일례로, 커넥터블록(10)의 고압수소 유입경로(11a)의 직경(Da)을 기준으로 할 때, 노즐(22)은 선단 직경(d)은 상기 고압수소 유입경로(11a)의 직경(Da)에 비해 상대적으로 작지만 뒤로 갈수록 이어지는 확장구배로 인해 더 커짐으로써 노즐(22)로 인해 고압수소 유입경로(11a)가 완전히 막혀질 수 있게 된다.

이 경우, 상기 고압수소 유입경로(11a)에서 이어져 상기 노즐(22)이 위치된 확장챔버(11b)의 직경(D)은 노즐(22)이 위치된 상태에서 고압수소의 흐름을 형성하는 크기로 형성된다.

도 3은 본 실시예에 따른 모터 일체형 이젝터 유닛의 유량제어상태를 나타낸다.

도 3(가)는 수소탱크에서 나온 고압수소를 이젝터(1)에 적은 양만 보내는 상태로서, 이러한 상태는 모터(20)의 작동으로 이동된 노즐(22)이 확장챔버(11b)를 지나 고압수소 유입경로(11a)의 출구부위로 위치되지만, 노즐(22)의 선단부위가 고압수소 유입경로(11a)의 출구부위를 완전히 차단하지 않아 비교적 좁은 틈새의 간섭공간(Ka)이 형성됨에 기인된다.

이러한 간섭공간(Ka)으로 인해 고압수소 유입경로(11a)의 출구부에는 비교적 좁은 면적이지만 확장챔버(11b)와 연통되는 가스통로(Va)를 형성할 수 있고, 상기 가스통로(Va)로 인해 고압수소 유입경로(11a)로 유입된 고압수소는 확장챔버(11b)로 빠져 나갈 수 있게 된다.

상기 고압수소 유입경로(11a)를 지나 확장챔버(11b)로 들어온 고압수소는 확장챔버(11b)와 연통된 이젝터(1)의 고압수소 흐름경로로 흘러감으로써, 이젝터(1)에는 고압수소 흐름이 형성된다.

고압수소가 흐르는 이젝터(1)에서는 고압수소 흐름경로에 연통된 잉여 가스 유입경로쪽으로 부압차가 형성되고, 이러한 부압차는 스택의 잉여 가스(수소+질소+포화수증기)를 잉여 가스 유입경로로 빨아 들여 줌으로써 고압수소에 섞어 주게 된다.

이로 인해, 스택에서 나온 저압의 잉여 가스는 이젝터(1)의 내부에서 압력을 높이게 되고, 이젝터(1)는 잉여 가스보다 높고 고압수소보다 낮은 압력을 갖는 혼합가스(수소가스와 잉여가스)를 스택으로 공급할 수 있게 된다.

반면, 도 3(나)는 모터(20)의 작동으로 노즐(22)이 고압수소 유입경로(11a)의 출구부위로부터 완전히 벗어남으로써, 고압수소 유입경로(11a)의 출구부위가 노즐(22)의 선단부위로 간섭되지 않는 열림공간(Kb)이 형성됨을 나타낸다.

이러한 열림공간(Kb)으로 인해 고압수소는 아무런 간섭 없이 고압수소 유입경로(11a)를 지나 확장챔버(11b)로 빠져나간 후 이젝터(1)의 고압수소 흐름경로로 흘러감으로써, 이젝터(1)에는 이젝터가 허용하는 최대용량의 고압수소 흐름이 형성된다.

최대용량의 고압수소가 흐르는 이젝터(1)에서는 부압차도 최대 크기로 형성되고, 이러한 큰 부압차는 잉여 가스 유입경로로 빨아들이는 스택의 잉여 가스양을 크게 증가시켜줌으로써 스택으로 공급되는 혼합가스(수소가스와 잉여가스)양을 증가시켜 주게 된다.

상기와 같이 이젝터(1)에서 스택으로 공급되는 혼합가스(수소가스와 잉여가스)양의 감소나 증가는 스택을 포함한 차량기기를 제어하는 컨트롤러(통상, ECU)의 판단에 따른 모터(20)의 제어로서 구현된다.

도 4는 본 실시예에 따른 모터 일체형 이젝터 유닛의 성능선도로서, 고압수소가 공급되는 커넥터블록(10)의 내부로 형성된 고압수소 유입경로(11a)의 개구면적은 노즐(22)의 스트로크 이동으로 완전차단에서 완전열림으로 전환되고, 고압수소 유입경로(11a)의 개구면적변화에 따라 이젝터(1)로 공급되는 고압수소량도 증가하거나 감소함을 알 수 있다.

도시된 바와 같이, 노즐(22)의 스트로크가 연속적으로 이동되어 이젝터(1)로 공급되는 고압 수소를 선형적으로 제어함을 알 수 있고, 특히 스테핑타입 모터(20)로 노즐(22)의 스트로크를 극히 정밀하고 짧게 이동시켜줌으로써 선형적이면서 정밀한 제어가 구현될 수 있다.

전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 모터 일체형 이젝터 유닛은 수소탱크에서 공급된 고압수소(10bar)의 흐름에 의한 부압차로 스택의 잉여 가스(수소+질소+포화수증기)를 빨아들여 다시 스택으로 공급하는 이젝터(1)와, 수소탱크에서 나오는 고압수소가 들어오는 커넥터블록(10)의 내부에서 고압수소 유입경로의 개구면적을 직선스트로크를 갖는 노즐(22)로 가변시켜주는 모터(20)로 구성되고, 상기 이젝터(1)와 모터(20)이 모듈화됨으로써, 노즐(22)의 선형 제어로 정밀제어를 구현하면서도 접촉소음을 방지하고 특히 보다 콤팩트하게 구성될 수 있다.

1 : 이젝터 7 : 유량제어모듈
10 : 커넥터블록 11 : 통로바디
11a : 고압수소 유입경로 11b : 확장챔버
12 : 커넥터 13 : 이젝터플랜지
14 : 모터플랜지 20 : 모터
21 : 모터하우징 22 : 노즐
30 : 볼트

Claims (9)

1. 스택의 잉여 가스를 빨아들이는 부압이 수소탱크에서 공급된 고압수소의 흐름으로 형성되도록 상기 잉여 가스 유입경로와 연통된 상기 고압수소 흐름경로를 형성한 이젝터와;
   상기 이젝터에 연결되고, 상기 수소탱크에서 공급된 고압수소를 상기 고압수소 흐름경로로 보내주는 커넥터블록과;
   상기 커넥터블록의 고압수소 유입경로에 위치된 노즐을 전후 직선 이동시켜 상기 고압수소 유입경로 면적을 가변함으로써 상기 이젝터의 고압수소 흐름경로로 보내지는 상기 고압수소 유량을 가변시켜주는 모터;
   를 포함해 구성된 것을 특징으로 하는 모터 일체형 이젝터 유닛.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 이젝터에는 상기 잉여 가스 유입경로와 상기 고압수소 흐름경로이 서로 직교하여 연통된 것을 특징으로 하는 모터 일체형 이젝터 유닛.
   
3. 청구항 1에 있어서, 상기 커넥터블록은 상기 수소탱크의 고압수소가 들어오는 고압수소 유입경로에 상대적으로 큰 직경으로 이어진 확장챔버를 형성한 통로바디와, 상기 통로바디를 상기 이젝터에 연결하는 이젝터플랜지와, 상기 모터의 노즐이 상기 확장챔버에 위치되도록 상기 통로바디를 상기 모터에 연결하는 모터플랜지로 구성된 것을 특징으로 하는 모터 일체형 이젝터 유닛.
   
4. 청구항 3에 있어서, 상기 고압수소 유입경로와 상기 확장챔버는 동일선상으로 배열되고, 상기 이젝터플랜지와 상기 모터플랜지는 서로 직교하는 레이아웃으로 형성된 것을 특징으로 하는 모터 일체형 이젝터 유닛.
   
5. 청구항 3에 있어서, 상기 고압수소 유입경로에는 상기 수소탱크의 고압수소가 흐르는 라인과 연결되는 커넥터가 결합되는 것을 특징으로 하는 모터 일체형 이젝터 유닛.
   
6. 청구항 1에 있어서, 상기 모터는 상기 커넥터블록의 통로바디에 형성된 모터플랜지와 결합되는 모터하우징에 수용되고, 상기 노즐은 상기 모터의 작동으로 빠져나오거나 들어가는 전후 스트로크를 형성하는 것을 특징으로 하는 모터 일체형 이젝터 유닛.
   
7. 청구항 6에 있어서, 상기 노즐은 상기 수소탱크의 고압수소가 들어오도록 상기 커넥터블록의 통로바디에 형성된 고압수소 유입경로의 출구부위로 들어가 밀착된 상태에서 가스흐름면적을 완전히 막아주고, 들어가 밀착되지 않은 상태에서 가스흐름틈새를 형성하는 것을 특징으로 하는 모터 일체형 이젝터 유닛.
   
8. 청구항 7에 있어서, 상기 노즐은 상기 고압수소 유입경로의 직경보다 작은 선단 직경으로부터 뒤로 갈수록 확장구배를 형성하여 상기 고압수소 유입경로의 직경보다 더 큰 직경을 이루는 것을 특징으로 하는 모터 일체형 이젝터 유닛.
   
9. 청구항 7에 있어서, 상기 이젝터는 상기 커넥터블록과 볼트체결되고, 상기 모터는 모터하우징을 이용해 상기 커넥터블록과 볼트체결되는 것을 특징으로 하는 모터 일체형 이젝터 유닛.
   
   

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