KR20130086360A

KR20130086360A - 연료 가스 공급 시스템 및 그 압력 제어 방법

Info

Publication number: KR20130086360A
Application number: KR1020137013443A
Authority: KR
Inventors: 유타카 스즈키; 카오루 노미치; 마코토 니노미야
Original assignee: 카와사키 주코교 카부시키 카이샤
Priority date: 2011-07-14
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2013-08-01
Also published as: JP5779432B2; JP2013019527A; WO2013008443A1

Abstract

연료 가스 공급 시스템은 공급 통로를 통하여 고압 탱크의 연료 가스를 연료 가스 소비기에 공급하도록 구성되어 있고, 공급 통로는 제1 유로 및 제2 유로로 분기하고, 그 후 1개의 합류 유로에 합류하고 있다. 제1 유로에는 이를 개폐하는 전자식 개폐 밸브가 설치되어 있고, 제2 유로에는 여기에 흐르는 연료 가스를 조압하는 전자식 조압 밸브가 설치되어 있다. 그리고 전자식 조압 밸브는 그 Cv 값이 전자식 개폐 밸브의 Cv 값보다 작게 되도록 구성되어 있다.

Description

연료 가스 공급 시스템 및 그 압력 제어 방법{FUEL GAS SUPPLY SYSTEM, AND PRESSURE CONTROL METHOD FOR SAME}

본 발명은 탱크에 저장된 연료 가스를 연료 가스 소비기에 공급하는 연료 가스 공급 시스템 및 그 압력 제어 방법에 관한 것이다.

자동차로서 가솔린을 사용하는 가솔린 자동차나 경유를 사용하는 디젤 차량 등이 있는데, 그 밖에도 압축 천연 가스(CNG)나 압축 수소 등의 연료 가스를 사용하는 가스 엔진 자동차나 연료 전지 자동차가 알려져 있다. 이러한 가스 엔진 자동차나 연료 전지 자동차에서는 연료 가스가 고압 탱크 등에 저장되어 있고, 저장된 고압의 연료 가스가 연료 가스 공급 시스템을 통하여 가스 엔진이나 연료 전지 스택(stack)에 각각 공급되어 소비된다. 연료 전지 자동차의 연료 가스 공급 시스템을 포함하는 시스템으로서, 예를 들면 특허문헌1과 같은 연료 전지 시스템이 알려져 있다.

특허문헌1에 기재된 연료 전지 시스템은 수소 봄베(bombe)와 연료 스택 사이에 2개의 수소 조압 밸브(pressure regulating valve)가 병렬로 설치되어 있다. 연료 전지 시스템에서는 2개의 수소 조압 밸브의 개도를 조정함으로써 연료 스택에의 수소 가스 공급압을 조정하도록 되어 있다. 이러한 2개의 수소 조압 밸브는 연료 스택에의 공급 유량이 다르도록 구성되어 있고, 대유량을 공급 가능한 대형 조압 밸브와 소유량을 공급 가능한 소형 조압 밸브를 조합하여 사용함으로써 연료 스택에 필요 유량을 공급하도록 되어 있다.

특개 2002-231277호 공보

특허문헌1에 기재된 연료 전지 시스템에서 사용되는 조압 밸브는 감압 밸브나 개폐 밸브에 비하여 구조가 복잡하면서도 구성하는 부품수가 많기 때문에 제조비가 높다. 그러므로 조압 밸브를 복수 사용하면 시스템 구성이 복잡해져 제조비가 높아진다. 또한, 원하는 공급압을 얻기 위하여, 2개 조압 밸브의 개도를 조합할 필요가 있어 시스템 전체에 있어서의 압력 제어가 복잡해진다.

따라서 본 발명은 복잡한 압력 제어를 하지 않는 한편 간단한 시스템 구성으로 소유량에서 대유량까지의 광범위에 있어서 연료 가스 소비 기기에의 공급 압력을 고정밀도로 제어할 수 있는 연료 가스 공급 시스템을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명의 연료 가스 공급 시스템은 제1 유로 및 제2 유로로 분기한 후에 1개로 합류하는 공급 통로를 통하여 탱크에 저장된 연료 가스를 연료 가스 소비기에 공급하는 연료 가스 공급 시스템이며, 상기 제1 유로에 설치되어, 상기 탱크와 상기 연료 가스 소비기의 사이를 개폐하는 전자식 개폐 밸브와, 상기 제2 유로에 설치되어, 상기 탱크에서 상기 연료 가스 소비기에 인도되는 연료 가스를 조압하는 전자식 조압 밸브를 구비하고, 상기 전자식 조압 밸브는 상기 전자식 개폐 밸브에 비하여 용량 계수가 작게 되어 있는 것이다.

본 발명에 따르면, 연료 가스 소비기에 대유량의 연료 가스가 필요한 경우, 전자식 조압 밸브에 비하여 용량 계수가 큰 전자식 개폐 밸브에 의해 대유량의 연료 가스를 연료 가스 소비기에 공급하고, 전자식 개폐 밸브에 대하여 병렬로 제2 유로에 설치되어 있는 전자식 조압 밸브에 의해 연료 가스 소비기에의 공급 압력을 조압할 수 있다. 한편, 연료 가스 소비기에서 필요한 연료 가스가 소유량인 경우, 전자식 개폐 밸브에 의해 제1 유로를 닫고, 전자식 조압 밸브에 의해 연료 가스 소비기에의 공급 압력을 조압할 수 있다. 이와 같이 전자식 개폐 밸브와 전자식 조압 밸브를 사용하는 간단한 시스템 구성이면서도 복잡한 압력 제어를 행하지 않고 소유량에서 대유량의 광범위에 있어서 공급 압력을 고정밀로 제어할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 전자식 조압 밸브의 용량 계수를 전자식 개폐 밸브의 그것보다 작게 함으로써 전자식 개폐 밸브보다 구성이 복잡하면서도 부품수가 많은 전자식 조압 밸브의 소형화를 도모할 수 있다. 이에 따라, 전자식 조압 밸브의 제조비를 줄일 수 있음과 아울러 연료 가스 공급 시스템의 제조비를 줄일 수 있다.

상기 발명에 있어서, 상기 용량 계수는 Cv 값이고, 상기 전자식 조압 밸브는 상기 전자식 개폐 밸브의 Cv 값의 50% 이하인 Cv 값을 갖는 것이 바람직하다.

상기 구성에 따르면, 전자식 조압 밸브의 Cv 값을 전자식 개폐 밸브의 Cv 값의 50% 이하로 함으로써 전자식 조압 밸브의 소형화를 도모할 수 있어 전자식 조압 밸브의 제조비를 억제할 수 있다. 이에 따라, 연료 가스 공급 시스템의 제조비를 더욱 줄일 수 있다. 한편, 전자식 개폐 밸브의 Cv 값을 확보할 수 있으므로 더욱 큰 유량을 연료 가스 소비기에 흐르게 할 수 있다.

상기 발명에 있어서, 상기 전자식 개폐 밸브의 개폐 동작 및 상기 전자식 조압 밸브의 조압 동작을 제어하는 제어 장치를 구비하고, 상기 제어 장치는 상기 연료 가스 소비기의 연료 가스의 공급 압력과 목표 압력의 차압이 규정값 이상인 경우, 상기 전자식 개폐 밸브에 의해 상기 제1 유로를 개방함으로써 상기 연료 가스 소비기의 공급 압력을 상승시키고, 상기 차압이 규정값 미만인 경우, 상기 전자식 개폐 밸브에 의해 상기 제1 유로를 닫고 상기 전자식 조압 밸브에 의해 상기 연료 가스 소비기의 공급 압력을 조압하도록 되어 있는 것이 바람직하다.

상기 구성에 따르면, 제어 장치는 공급 압력과 목표 압력의 차압이 규정값 이상인 경우, 공급 압력을 목표 압력에 접근시키기 위하여, 제1 유로를 개방하고 대유량의 연료 가스를 연료 가스 소비기에 공급하여 공급 압력을 크게 상승시킨다. 또한, 제어 장치는 차압이 규정값 미만인 경우, 공급해야 할 유량이 많지 않기 때문에 전자식 개폐 밸브에 의해 제1 유로를 닫고 소유량을 공급 가능한 전자식 조압 밸브에 의해 공급 압력을 조정한다. 이와 같이 전자식 개폐 밸브의 개폐 동작과 전자식 조압 밸브의 조압 동작만으로 소유량에서 대유량의 광범위에 있어서 공급 압력을 고정밀도로 조압할 수 있다. 그러므로 제어 장치에 있어서의 압력 제어가 용이하다.

상기 발명에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 차압이 규정값 이상이며 상기 공급 압력을 승압하였을 경우, 상기 공급 압력이 목표 압력에 도달할 때까지 상기 차압이 규정값 미만이 되어도 상기 전자식 개폐 밸브의 개방 상태를 유지하도록 되어 있는 것이 바람직하다.

상기 구성에 따르면, 차압이 규정값 이상이 되어 다량의 연료 가스의 공급이 필요할 때, 예를 들면 운전 시동 때에 있어서, 공급 압력이 승압되어 차압이 규정값 미만이 되어도 공급 압력이 목표 압력에 도달할 때까지는 전자식 개폐 밸브를 개방 상태로 유지된다. 또한, 고부하 운전 때에 있어서 다량의 연료 가스를 소비하여 공급 압력과 목표 압력의 차압이 한 번 규정값 이상이 되고, 그 후에 전자식 개폐 밸브에 의해 제1 유로가 개방되어 차압이 규정값 미만으로 회복하였을 경우에도 공급 압력이 목표 압력에 도달할 때까지는 전자식 개폐 밸브가 개방 상태로 유지된다. 이에 따라, 조속한 승압 지원이 가능해져, 공급 압력을 신속하게 목표 압력까지 승압시킬 수 있다. 그러므로 연료 가스 공급 시스템의 응답성이 향상된다.

상기 발명에 있어서, 상기 연료 가스 소비기에의 공급 압력을 검출하는 공급 압력 검출기를 더 가지고 있고, 상기 제어 장치는 상기 연료 가스 소비기에의 공급 압력을 상기 공급 압력 검출기의 검출 결과로부터 얻도록 되어 있는 것이 바람직하다.

상기 구성에 따르면, 공급 압력을 피드백(feedback) 제어할 수 있어 공급 압력을 명령값에 따른 압력에 의해 정확하게 제어 할 수 있다.

상기 발명에 있어서, 상기 제1 유로에 있어서 전자식 개폐 밸브의 상류 측에 설치되어 상기 탱크에서 공급되는 연료 가스를 소정 압력으로 감압하는 감압 밸브를 구비하는 것이 바람직하다.

상기 구성에 따르면, 탱크가 고압인 경우이어도 감압 밸브로 저압으로 감압 한 후에 전자식 개폐 밸브에서 소정 압력의 연료 가스를 공급할 수 있으므로 저압 사양의 연료 가스 소비기에 대해서도 고압 탱크를 적용할 수 있다. 또한, 감압 밸브를 이용함으로써 전자식 개폐 밸브에서 연료 가스 소비기에 공급되는 연료 가스의 압력이 안정된다.

본 발명의 연료 가스 공급 시스템의 압력 제어 방법은, 제1 유로 및 제2 유로로 분기한 후에 1개로 합류하는 공급 통로를 통하여 탱크에 저장된 연료 가스를 연료 가스 소비기에 공급하는 연료 가스 공급 시스템의 압력 제어 방법이며, 상기 연료 가스 소비기의 연료 가스의 공급 압력과 목표 압력의 차압을 산출하는 차압 산출 공정과, 상기 차압이 규정값 이상인 경우, 제1 유로에 설치되어 있는 전자식 개폐 밸브에 의해 상기 제1 유로를 개방하여 상기 탱크에서 상기 연료 가스 소비기로 인도하여 상기 공급 압력을 승압하는 승압 공정과, 상기 차압이 규정값 미만인 경우, 상기 전자식 개폐 밸브에 의해 상기 제1 유로를 닫고 상기 제2 유로에 설치되는 한편 상기 전자식 개폐 밸브에 비하여 용량 계수가 작은 전자식 조압 밸브에 의해 상기 공급 압력을 조압하는 조압 공정을 가지고 있는 방법이다.

본 발명의 연료 가스 공급 시스템의 압력 제어 방법에 따르면, 연료 가스 소비기의 연료 가스의 공급 압력과 목표 압력의 차압이 규정값 이상인 경우, 공급 압력을 목표 압력에 접근시키기 위하여, 전자식 개폐 밸브에 의해 제1 유로를 개방함으로써 대유량의 연료 가스를 연료 가스 소비기에 공급하여 공급 압력을 크게 상승시킨다. 또한, 제어 장치는, 차압이 규정값 미만인 경우, 공급해야할 유량이 다량으로 필요하지 않기 때문에 전자식 개폐 밸브에 의해 제1 유로를 닫고 소유량을 공급 가능한 전자식 조압 밸브에 의해 공급 압력을 조정한다. 이와 같이 전자식 개폐 밸브의 개폐 동작과 전자식 조압 밸브의 조압 동작만으로 소유량에서 대유량의 광범위에 있어서 공급 압력을 목표 압력으로 고정밀도로 조정할 수 있다. 그러므로 제어 장치에 있어서의 압력 제어가 용이하다.

상기 본 발명에 있어서, 상기 승압 공정에 의해 승압되는 상기 공급 압력이 상기 목표 압력에 도달할 때까지 상기 차압이 규정값 미만이 되어도 상기 전자식 개폐 밸브의 개방 상태를 유지하는 밸브 개방 유지 공정을 가지고 있고, 상기 조압 공정은 상기 밸브 개방 유지 공정 후에 실행되는 것이 바람직하다.

상기 구성에 따르면, 차압이 규정값 이상이 되어 다량의 연료 가스의 공급이 필요한 때, 예를 들면 운전 시동 때에 있어서, 전자식 개폐 밸브에 의해 제1 유로가 개방되어 공급 압력과 목표 압력의 차압이 규정값 미만이 되었을 경우에도, 공급 압력이 목표 압력에 도달할 때까지는 전자식 개폐 밸브를 개방 상태로 유지한다. 또한, 예를 들면 고부하 운전 때에 있어서, 다량의 연료 가스를 소비하여 공급 압력과 목표 압력의 차압이 한 번 규정값 이상이 되고, 그 후에 전자식 개폐 밸브에 의해 제1 유로가 개방되어 차압이 규정값 미만으로 회복하였을 경우에도, 공급 압력이 목표 압력에 도달할 때까지는 전자식 개폐 밸브를 개방 상태로 유지한다. 이에 따라, 조속한 승압 지원이 가능해져 공급 압력을 신속하게 목표 압력까지 승압시킬 수 있다. 그러므로 연료 가스 공급 시스템의 응답성이 향상된다.

본 발명에 따르면, 복잡한 압력 제어를 수행하지 않는 한편 간단한 시스템 구성으로 소유량에서 대유량까지의 광범위에 있어서 연료 가스 소비기에의 공급 압력을 고정밀도로 제어할 수 있다.

본 발명의 상기 목적, 다른 목적, 특징, 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 이하의 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 명확하게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 가스 공급 시스템의 구성을 나타내는 유압 회로도이다.
도 2는 도 1의 연료 가스 공급 시스템에 구비되는 전자식 조압 밸브(electromagnetic pressure regulating valve)를 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 1의 연료 가스 공급 시스템에 의해 연료 가스를 공급할 때의 순서를 플로우차트이다.
도 4는 도 1의 연료 가스 공급 시스템에 의해 입력되는 목표 압력에 따라 연료 가스를 공급할 때의 (a)목표 압력, (b)전자식 조압 밸브에 공급되는 전류, (c)전자식 개폐 밸브(electromagnetic on-off valve)에 공급되는 전압, (d)각 유로의 유량, 및 (e)공급 압력의 경시 변화에 대하여 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 1의 연료 가스 공급 시스템에 의해 다른 공급 방법으로 연료 가스를 공급할 때의 순서를 나타내는 플로우차트이다.

이하에서는, 앞서 언급한 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 연료 가스 공급 시스템(이하, 간단하게 「연료 가스 공급 시스템」이라고도 한다)(1)에 대하여 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 연료 가스 공급 시스템(1)은 본 발명의 일실시예에 지나지 않고, 본 발명은 실시예에 한정되지 않으며, 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 추가, 삭제, 변경이 가능하다.

압축 천연 가스 자동차나 수소 가스 자동차 등의 차량은 가스 엔진을 가지고 있고, 이 가스 엔진에서 연료 가스(압축 천연 가스(CNG)나 수소 가스 등)를 연소함으로써 구동력을 얻어 구동 바퀴를 돌리도록 되어 있다. 또한, 연료 전지 자동차는 연료 전지 스택(stack)을 가지고 있고, 이 연료 전지 스택에서는 연료 가스를 소비하여 발전하고, 발전된 전력을 모터에 공급하여 구동력을 발생시키도록 되어 있다. 가스 엔진이나 연료 전지 스택 등과 같이 연료 가스를 소비하여 구동력을 발생시키는 연료 가스 소비기(2)는 연료 가스 공급 시스템(1)을 통하여 고압 탱크(3)에 연결되어 있다. 고압 탱크(3)는, 예를 들면, 35~70㎫ 또는 그 이상의 고압 연료 가스를 저장할 수 있도록 되어 있다. 연료 가스 공급 시스템(1)은 고압 탱크(3)에 저장되어 있는 연료 가스를 연료 가스 소비기(2)에 공급하도록 되어 있다. 이하에서는 연료 가스 공급 시스템(1)의 구성에 대하여 설명한다.

<연료 가스 공급 시스템>

연료 가스 공급 시스템(1)은 가속 페달이나 스로틀 그립(throttle grip) 등 도시하지 않은 입력 수단으로부터의 명령값에 따라 연료 가스 소비기(2)에의 연료 가스 공급량을 조정하도록 되어 있다. 연료 가스 공급 시스템(1)은 공급 통로(4)와, 감압 밸브(5)와, 전자식 개폐 밸브(6)와, 전자식 조압 밸브(7)와, 압력 센서(8)와, 제어 장치(9)를 구비하고 있다. 공급 통로(4)는 연료 가스가 흐르는 통로이며, 그 일단에 고압 탱크(3), 타단에 연료 가스 소비기(2)가 연결되어 있다. 또한, 공급 통로(4)는 중간에 제1 유로(11)와 제2 유로(12)로 분기되어 있다. 제1 유로(11)에는 감압 밸브(5)와 전자식 개폐 밸브(6)가 설치되고, 제2 유로(12)에는 전자식 조압 밸브(7)가 설치되어 있다. 또한, 제1 유로(11) 및 제2 유로(12)는 각각 전자식 개폐 밸브(6) 및 전자식 조압 밸브(7)를 경유하여 합류 지점(13)에서 합류하고 1개의 합류 유로(14)를 형성하여 연료 가스 소비기(2)에 연결되어 있다.

감압 밸브(5)는 기계식 감압 밸브이며, 1차측이 고압 탱크(3)에 연결되어 있다. 감압 밸브(5)는 고압 탱크(3)에서 유출되는 고압의 연료 가스를 설정 압력, 구체적으로는 연료 가스 소비기(2)의 허용 최대 압력 이하의 일정 압력으로 감압하여 2차측(하류측)으로 배출하도록 되어 있다. 감압 밸브(5)의 2차측에는 전자식 개폐 밸브(6)가 설치되어 있다. 전자식 개폐 밸브(6)는 이른바 전자식 개폐 밸브이며, 후술하는 제어 장치(9)로부터 입력받는 개폐 명령에 따라 제1 유로(11)를 개폐하도록 되어 있다.

한편, 전자식 조압 밸브(7)는 전자식 개폐 밸브(6)에 대하여 병렬로 제2 유로(12)에 설치되어 있고, 1차측이 고압 탱크(3)에 연결되어 있다. 전자식 조압 밸브(7)는 고압 탱크(3)에서 유출되는 고압의 연료 가스를 거기에 흐르게 되는 전류에 따라 저압의 압력으로 조압하여 2차측(하류측)으로 출력하도록 되어 있다. 전자식 조압 밸브(7)는 전자식 개폐 밸브(6)에 대하여 용량 계수, 구체적으로는 Cv 값이 작고, 전자식 개폐 밸브(6)보다 배출할 수 있는 유량이 작게 구성되어 있다. 전자식 조압 밸브(7)의 Cv 값은 전자식 개폐 밸브(6)의 Cv 값의 50% 이하로 설정되어 있다.

이와 같이 구성되어 있는 3개의 밸브(5~7)가 각각 개재하는 2개의 유로(11,12)는 이러한 3개의 밸브(5~7)보다 하류측의 합류 지점(13)에서 연결되어 있고, 그보다 하류측의 합류 유로(14)에 압력 센서(8)가 설치되어 있다. 압력 센서(8)는 합류 유로(14)에 있어서의 연료 가스의 가스압, 즉, 연료 가스 소비기(2)에 공급되는 공급 압력을 검출하도록 되어 있다. 이 압력 센서(8)는 제어 장치(9)에 전기적으로 연결되어 있고, 압력 센서(8)의 검출 결과는 제어 장치(9)에 전송되도록 되어 있다.

제어 장치(9)는 도시하지 않은 전자 연산 회로(이하, "ECU"라 한다)와 압력 센서(8)에 연결되어 있다. 제어 장치(9)는 연료 가스 소비기(2)에 공급되는 공급 압력에 대한 목표 압력이 입력된다. 제어 장치(9)는 압력 센서(8)의 검출압과 목표 압력의 차압에 따라 전자식 개폐 밸브(6)에 개폐 명령을 보내고, 또 전자식 조압 밸브(7)에 전류를 흐르게 하여 그 2차압(p₂)을 조압하도록 되어 있다.

더욱 구체적으로 설명하면, 제어 장치(9)는 압력 센서(8)의 검출압과 목표 압력의 차압이 규정값 이상일 때, 전자식 개폐 밸브(6)에 대하여 제1 유로(11)를 개방하는 개방 명령을 전송하고, 목표 압력과 검출압의 차압이 규정값 미만일 때, 전자식 개폐 밸브(6)에 대하여 제1 유로(11)를 폐쇄하는 폐쇄 명령을 전송하도록 되어 있다. 또한, 제어 장치(9)는 공급 압력이 목표 압력이 되도록 목표 압력과 검출압의 차압에 따라 전자식 조압 밸브(7)에 흐르게 하는 전류를 조정한다. 즉. 전자식 조압 밸브(7)에 흐르게 하는 전류를 피드백 제어하도록 되어 있다.

<전자식 조압 밸브>

전자식 조압 밸브(7)는 고압 탱크(3)에 저장되는 고압의 연료 가스를 저압까지 감압할 수 있는 밸브이며, 이하에 그 구성에 대하여 상세히 기술한다. 또한, 이하의 설명에 있어서 상하, 좌우 및 전후 등 방향의 개념은 설명의 편의상 사용하는 것이며, 전자식 조압 밸브(7)에 관하여, 그 구성의 배치 및 방향 등을 그 방향으로 한정하는 것을 시사하는 것은 아니다. 또한, 이하에서 설명하는 전자식 조압 밸브(7)는 전자식 조압 밸브의 일 실시예에 불과하고, 후술하는 예에 한정되지 않고 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 추가, 삭제, 변경이 가능하다.

전자식 조압 밸브(7)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 하우징(21)을 구비하고 있다. 하우징(21)에는, 1차 포트(21a), 밸브체 구멍(21b), 및 2차 포트(21c)가 형성되어 있다. 1차 포트(21a)는 고압 탱크(3)(도 1 참조)에 연결되어 있고, 하우징(21)에 형성되어 있는 1차측 통로(21d)를 통하여 밸브체 구멍(21b)에 연결되어 있다.

밸브체 구멍(21b)은 상하로 연재하는 축선(L1)을 따라 연재되어 있고, 그 단면이 원 형상으로 되어 있다. 밸브체 구멍(21b)은 그 중간 부분에 잔여부보다 큰 직경으로 형성된 밸브 공간(21e)을 가지고 있으며, 이 밸브 공간(21e)에 1차측 통로(21d)가 연결되어 있다. 또한, 밸브체 구멍(21b)은 상기 밸브 공간(21e)보다 상측의 2차측 영역(21g)에서 2차측 통로(21f)와 연결되어 있다. 2차측 통로(21f)는 하우징(21)에 형성되어 있고, 밸브체 구멍(21b)은 상기 2차측 통로(21f)를 통하여 2차 포트(21c)에 연결되어 있다. 2차 포트(21c)는 제2 유로(12)와 합류 유로(14)를 통하여 연료 가스 소비기(2)에 연결되어 있다. 이와 같이 1차 포트(21a)와 2차 포트(21c)는 1차측 통로(21d), 밸브 공간(21e), 2차측 영역(21g) 및 2차측 통로(21f)를 통하여 연결되어 있고, 1차측 통로(21d), 밸브 공간(21e), 2차측 영역(21g) 및 2차측 통로(21f)에 의해 1차 포트(21a)와 2차 포트(21c)를 연결하는 밸브 통로(22)가 구성되어 있다.

또한, 하우징(21)은 시트부(23)를 가지고 있다. 시트부(23)는 2차측 영역(21g)과 밸브 공간(21e)을 연결하는 개구를 둘러싸도록 형성되어 있다. 그리고 이 시트부(23)에 장착되도록 하우징(21)의 밸브체 구멍(21b)에 밸브체(24)가 삽입되어 있다. 밸브체(24)는 밸브체 구멍(21b)의 축선(L1)을 따라 배치되어 있고, 그 선단부(즉, 상단부)(24a)가 2차측 영역(21g)에 위치하고 있다. 밸브체(24)는 대략적으로 원주형으로 되어 있고, 선단부(24a) 측에 테이퍼부(24b)를 가지고 있다. 테이퍼부(24b)는 상측을 향하여 끝이 가늘어진 테이퍼 형상으로 되어 있고, 밸브체(24)가 도 2에 나타내는 바와 같은 폐쇄 위치에 위치하고 있을 때에 시트부(23)에 장착되어 밸브 통로(22)를 폐쇄하고 있다.

또한, 하우징(21)은 밸브 공간(21e)보다 하측에 시일(seal) 장착부(25)를 가지고 있다. 시일 장착부(25)는 하우징(21)의 내주면에 있어서 둘레 방향 전체 둘레에 걸쳐 형성되고, 또한 상기 내주면에 밸브체 구멍(21b)으로 돌출하도록 형성되어 있다. 시일 장착부(25)의 내경은 2차측 영역(21g)의 구멍 직경 및 밸브체(24)의 외경(테이퍼부(24b)보다 하단(24d) 측의 부분의 외경)과 거의 일치하고 있다. 또한, 하우징(21)의 시일 장착부(25)보다 아래 측의 내경은 시일 장착부(25)의 내경보다 약간 큰 직경으로 되어 있다. 이에 따라, 밸브체(24)의 하단 측의 주위에는 하우징(21)과의 사이에 대략 원 고리 모양의 베어링 부재 수용 공간(26)이 형성되어 있다. 이 베어링 부재 수용 공간(26)에는, 베어링 부재(27)가 수용되어 있다.

베어링 부재(27)는 대략적으로 원통형으로 형성되어 있고, 예를 들면, 볼 가이드, 볼 베어링, 또는 미끄럼 베어링으로 구성되어 있다. 베어링 부재(27)는 밸브체(24)에 외장되고 밸브체(24)와 하우징(21)의 사이에 개재하여 밸브체(24)를 지지하고 있다. 이에 따라, 밸브체(24)는 하우징(21) 안을 축선(L1)을 따라 상하방향으로 원활하게 이동할 수 있도록 되어 있다.

이와 같이 베어링 부재(27)가 배치된 베어링 부재 수용 공간(26)의 상측에는, 거기를 폐쇄하기 위하여 고압 시일 부재(28)가 설치되어 있다. 고압 시일 부재(28)는 시일 장착부(25)의 내주부에는 끼워 넣도록 장착되고, 밸브체(24)의 외주에 접촉하도록 배치되어 있다. 이와 같이 배치된 고압 시일 부재(28)는 밸브체(24)와 시일 장착부(25)의 간극을 메우고 있다.

또한, 베어링 부재 수용 공간(26)의 하측에는 이를 막기 위하여, 다이아프램(diaphram) 시일(29)이 설치되어 있다. 다이아프램 시일(29)은 대략적으로 원 고리 모양으로 형성된 다이아프램이며, 밸브체(24)의 외주에 배치되어 있다. 다이아프램 시일(29)의 내연부는 밸브체(24)에 장착되고, 외연부는 하우징(21)에 장착되어 있다. 상세히 기술하면, 다이아프램 시일(29)의 내연부는 밸브체(24)의 하단(24d)과 거기에 장착된 장착 부재(24c)에서 사이에 끼움으로써 밸브체(24)에 장착되어 있다. 한편, 다이아프램 시일(29)의 외연부는, 하우징(21)을 상하로 2개 분할 가능하게 구성하고, 그러한 2개 부분의 사이에 끼워짐으로서 하우징(21)에 장착되어 있다.

이와 같이 베어링 부재(27)의 상하 양측은 2개의 다이아프램 시일(28,29)에 의해 밀봉되어 있다. 즉, 베어링 부재 수용 공간(26)은 하우징 (21) 내에 형성되어 있는 다른 공간(예를 들면, 밸브 공간(21e)이나 2차측 영역(21g) 등)으로부터 차단되고 격리되어 있다. 이에 따라, 베어링 부재(27)가 연료 가스에 노출되지 않기 때문에, 연료 가스에 대한 부식 내성이 없는 재료도 베어링 부재로 사용하는 것이 가능해져 베어링 부재의 재료의 선택 경우가 증가한다. 또한, 밸브체(24)의 움직임을 더욱 원활하게 하는 한편 내구성을 향상시키기 위하여, 베어링 부재(27)를 그리스 윤활할 수가 있다.

이 베어링 부재 수용 공간(26)은 하우징(21)에 형성된 대기 연통로(30)를 통하여 대기에 개방되어 있다.

밸브체 구멍(21b)의 다이아프램 시일(29)보다 하측에는 압력 귀환실(31)이 형성되어 있다. 압력 귀환실(31)은 하우징(21)의 저부 및 다이아프램 시일(29)에 의하여 둘러싸인 대략 원판형의 공간이다. 이 압력 귀환실(31)에는 밸브체(24)의 하단(24d) 측(구체적으로는, 장착 부재(24c))이 대향하고 있다. 이 압력 귀환실(31)은 다이아프램 시일(29)에 의하여 베어링 부재 수용 공간(26)으로부터 격리되어 있고, 밸브체(24)에 형성되어 있는 균압 통로(32)에 의하여 2차측 통로(21f)에 연결되어 있다. 압력 귀환실(31)은, 균압 통로(32)에 의하여 보조 포트(21c)와 항상 연결되어 있고, 2차 포트(21c)에 인도되는 2차압(p₂)이 균압 통로(32)에 의하여 압력 귀환실(31)에 인도되도록 되어 있다.

또한, 밸브체(24)는 플랜지(24e)를 가지고 있다. 플랜지(24e)는 테이퍼부(24b)의 하측에 위치하고 있고, 밸브체(24)의 외주부에 있어서 둘레 방향 전체 둘레에 걸쳐 형성되어 있다. 플랜지(24e)는 테이퍼부(24b)에서 더욱 반경 방향 바깥쪽을 향하여 돌출되어 있고, 시일 장착부(25)의 상단에 대향하도록 위치하고 있다. 플랜지(24e)와 시일 장착부(25)의 상단의 사이에는 복귀용 스프링(33)이 배치되어 있다. 복귀용 스프링(33)은 이른바 압축 코일 스프링이며, 압축된 상태로 밸브체(24)에 외장되어 밸브체(24)를 폐쇄 위치 방향(밸브체(24)가 폐쇄 위치를 향하는 방향)으로 힘을 가하고 있다. 힘이 가해진 밸브체(24)는 시트부(23)에 장착되어 밸브 통로(22)를 폐쇄하고 있다. 하우징(21)의 개구 단부(즉, 상단부)에는 복귀용 스프링(33)의 가해진 힘에 대항하는 힘을 밸브체(24)에 가하기 위하여, 전자 비례 솔레노이드(34)가 설치되어 있다.

전자 비례 솔레노이드(34)는 하우징(21)의 개구 단부의 외주에 나선 결합으로 고정되어 있다. 전자 비례 솔레노이드(34)는 솔레노이드 코일(35)을 가지고 있다. 솔레노이드 코일(35)은 대략적으로 원통형으로 형성되고, 그 하단 측에 하우징(21)이 나사 결합되어 있다. 솔레노이드 코일(35)은 대략 원통형의 케이스(35a)를 가지고 있고, 그 안에 보빈(35b)과 코일 와이어(35c)가 설치되어 있다. 보빈(35b)도 또한 대략 원통형으로 형성되고, 이 보빈(35b)에 코일 와이어(35c)를 감음으로써 솔레노이드 코일(35)이 구성되어 있다. 코일 와이어(35c)는 제어 장치(9)에 전기적으로 연결되어 있다. 또한, 솔레노이드 코일(35) 내의 하단 측에는, 요크(36)가 설치되어 있고, 상단부는 커버(37)에 의해 막혀 있다. 그리고 요크(36) 및 커버(37)의 사이에는 가동 부재(38)가 설치되어 있다.

가동 부재(38)는 자성 재료로 이루어지고, 대략 원기둥 모양으로 형성되어 있고, 축선(L1)을 따라 배치되어 있다. 가동 부재(38)의 외경은 솔레노이드 코일(35)의 내경보다 작아져 있다. 가동 부재(38)와 솔레노이드 코일(35)의 사이에는 원 고리 모양의 가이드 부재(39)가 개재되어 있다. 가이드 부재(39)는 비자성체로 이루어지고, 가동 부재(38)를 축선(L1)을 따라 상하 방향으로 슬라이딩 가능하게 지지하고 있다. 요크(36)는 가동 부재(38)의 하단부에 상하 방향으로 대향하고, 서로 간격을 둔 상태로 위치하고 있다. 요크(36)는 자성 재료로 이루어지고, 대략 원 고리 모양으로 형성되어 있다. 요크(36) 및 가동 부재(38)는 솔레노이드 코일(35)에 전류를 흐르게 함으로써 자화하고, 요크(36)는 가동 부재(38)를 끌어당기도록 되어 있다.

또한, 가동 부재(38)의 상단부 및 커버(37)의 사이에는 압축 코일 스프링(40)이 설치되어 있고, 압축 코일 스프링(40)에 의하여 가동 부재(38)가 밸브체(24) 측으로 힘이 가해지고 있다. 가동 부재(38)의 하단부에는 압압 부재(41)가 설치되어 있다. 압압 부재(41)는 축선(L1)을 따라 연재되고, 요크(36) 내에 삽입 통과되어 있다. 압압 부재(41)의 기단부는 가동 부재(38)에 고정되어 있다. 압압 부재(41)의 선단은 부분 구면 형상으로 형성되어 있고, 밸브체(24)의 선단부(24a)에 접촉하고 있다. 또한, 압압 부재(41)는 가동 부재(38)를 통하여 압축 코일 스프링(40)에 의하여 가세되어 있고, 그 선단이 밸브체(24)의 선단부(24a)에 내리누르고 있다. 그러므로, 가압 부재(41)는 솔레노이드 코일(35)에 전류를 흐르게 하여 가동 부재(38)를 요크(36) 쪽으로 끌어당김으로써 전류에 따른 힘으로 밸브체(24)를 개방 위치 방향으로 밀어서 밸브 통로(22)를 개방하도록 되어 있다.

이와 같이 구성되어있는 전자식 조압 밸브(7)는 밸브체(24)의 테이퍼부(24b) 및 플랜지(24e)의 상면(제1 수압면에 해당하는 수압면(P1))에서 고압 탱크(3)에서 밸브 공간(21e)으로 인도된 1차압(p1)을 개방 위치 방향으로 수압하고, 플랜지(24e)의 하면(제2 수압면에 해당하는 수압면(P2))에 있어서, 상기 1차압(p1)을 폐쇄 위치 방향으로 수압하고 있다. 또한, 수압면(P1)은 테이퍼면의 일부분의 영역이며, 평면시에서 2차측 영역(21g)보다 반경 방향 외측의 영역이다. 각 수압면(P1,P2)에 있어서, 1차압(p1)은 서로 대항하는 방향으로 작용하고 있고, 서로 상쇄하고 있다. 수압면(P1,P2)의 수압 면적은 밸브체(24)의 플랜지(24e)보다 하단(24d) 측의 외경(r₂)과 2차측 영역(21g)의 내경 (즉, 시트 직경(r₁))이 거의 같은 직경을 가지고 있으므로 대략 동일하게 되어 있다. 그러므로 수압면(P1)에서 받는 1차압(p1)에 의한 작용력과, 수압면(P2)에서 받는 1차압(p1)에 의한 작용력이 서로 상쇄되어 밸브체(24)에 있어서의 1차압(p1)의 변동으로 인한 영향을 대략 제로(0)로 만들 수 있다. 또한, 수압면(P2)의 수압 면적은 수압면(P1)의 수압 면적보다 커도 좋다.

또한, 전자식 조압 밸브(7)는 밸브체(24)의 선단 및 테이퍼부(24b)의 테이퍼면(수압면(P3))에 있어서 2차측 영역(21g)을 흐르는 2차압(p₂)을 개방 위치 방향으로 수압하고, 다이아프램 시일(29) 및 밸브체(24)의 하단(24d)(수압면(P4))에 있어서 압력 귀환실(31)에 인도된 2차압(p₂)을 폐쇄 위치 방향으로 수압한다. 또한, 수압면(P3)은 평면시에서 2차측 영역(21g)에 겹치는 영역이다. 수압면(P3,P4)에서 수압하는 2차압(p₂)은 서로 대항하는 방향으로 작용하고 있다.

수압면(P3)의 수압 면적은 시트 직경(r₁)에 따라 결정되며, 수압면(P4)의 수압 면적은 다이아프램 시일(29)의 유효 직경(r₃)에 따라 결정된다. 시트 직경(r₁)이 밸브체(24)의 외경(r₂)과 대략 동일한 반면에, 다이아프램 시일(29)의 유효 직경(r₃)은 상기 시트 직경(r₁) 및 밸브체(24)의 외경(r₂)보다 크게 되어 있다. 그러므로, 수압면(P3)에 비하여 수압면(P4) 쪽이 수압 면적이 크게 되어 있다. 이에 따라, 밸브체(24)에는 각 수압면(P3,P4)에서 받는 2차압(p2)에 의한 작용력이 완전하게 상쇄되지 않고 각 수압면(P3,P4)에 있어서의 수압 면적의 차이에 따른 작용력이 폐쇄 위치 방향으로 작용하고 있다.

또한, 밸브체(24)는 이와 같은 작용력을 받고 있을 뿐 아니라 복귀용 스프링(33)에 의하여 폐쇄 위치 방향으로 힘이 가해지고 있다. 그 때문에, 전자식 조압 밸브(7)는 솔레노이드 코일(35)에의 전류가 차단된 상태로 밸브체(24)가 시트부(23)에 장착되도록 되어 있고, 노멀 클로즈형(normal closed)의 밸브로 구성되어 있다. 이와 같이 구성되는 전자식 조압 밸브(7)는 차단 밸브로서 이용되고 있으며, 제어 장치(9)는 압력 센서(8)의 검출압이 허용 압력 이상이 되면, 솔레노이드 코일(35)에 흐르게 하는 전류를 차단하여 전자식 조압 밸브(7에) 의하여 밸브 통로(22)를 긴급 차단한다. 이와 같이 긴급 차단을 함에 따라, 예를 들면, 연료 가스 소비기(2)에 의도하지 않은 고압의 연료 가스가 공급되어도 제2 유로(12)를 곧바로 차단 할 수 있어 연료 가스 소비기(2)가 손상되는 것을 방지할 수 있다.

<<전자식 조압 밸브의 동작>

이하에서는, 도 2를 참조하면서 전자식 조압 밸브(7)의 동작에 대하여 설명한다. 먼저, 제어 장치(9)가 ECU(미도시)로부터 수신하는 목표 압력과 공급 압력의 차압에 따라 전류를 솔레노이드 코일(35)에 흐르게 한다. 그러면 가동 부재(38)에 여자력이 작용하여 가동 부재(38)가 요크(36) 쪽으로 끌어당겨진다. 이에 따라, 압압 부재(41)에 의하여 밸브체(24)가 개방 위치 방향으로 눌려서 좌부(23)로부터 떨어진다. 그러면, 밸브 통로(22)가 개방되고, 고압 탱크(3)에서 인도된 밸브 공간(21e)의 연료 가스가 2차측 영역(21g)으로 흐른다. 이때, 밸브체(24)와 시트부(23)의 사이에 형성되는 오리피스(미도시)에 의하여 밸브 공간(21e)에서 2차측 영역(21g)으로 흐르는 연료 가스가 2차압(p₂)으로 감압된다.

이렇게 하여 감압된 2차압(p₂)의 연료 가스는 2차측 통로(21f)를 통하여 보조 포트(21c)에서 출력됨과 동시에 일부가 균압 통로(32)를 통하여 압력 귀환실(31)에 인도된다. 다이아프램 시일(29)은 압력 귀환실(31)에 인도된 연료 가스의 2차압(p₂)을 수압한다. 밸브체(24)는, 가동 부재(38)가 받는 여자력, 수압면(P3,P4)에서 각각 받는 2차압(p₂)에 의한 작용력 및 복귀용 스프링(33)의 스프링력이 균형을 이루는 위치까지 이동하고, 상기 힘이 균형을 이루도록 밸브 통로(22)의 개도(즉, 오리피스의 개도)를 조정한다. 그 때문에, 2차압(p₂)이 변동하여도 밸브 통로(22)의 개도가 조정되어 2차압(p₂)이 전류에 따른 일정 압력으로 유지된다. 즉, 2차압(p₂)이 전류에 따른 일정 압력으로 유지된다.

더욱 구체적으로 설명하면, 예를 들면, 2차압(p₂)이 상기 일정 압력보다 낮은 경우, 여자력에 의한 개방 위치 방향의 힘이 2차압(p₂)에 의한 작용력 및 스프링력에 의한 폐쇄 위치 방향의 힘보다 커져 밸브체(24)가 시트부(23)로부터 떨어지도록 개방 위치 방향으로 이동한다. 그러므로, 밸브 통로(22)의 개도가 넓어져 2차압(p₂)이 상승하고, 2차압(p₂)에 의한 작용력, 여자력, 및 복귀용 스프링(33)의 스프링력이 균형을 이루는 위치, 즉, 2차압(p₂)이 상기 일정 압력이 되는 위치까지 밸브체(24)가 이동하여 2차압(p₂)이 상기 일정 압력으로 되돌려진다. 이와 같이 전자식 조압 밸브(7)는 2차압(p₂)이 변동하여도 거기에 맞추어 밸브 통로(22)의 개도를 제어하여 2차압(p₂)을 목표 압력으로 조압할 수 있다. 따라서 전자식 조압 밸브(7)는 압력 제어성이 높고, 고압의 연료 가스를 더욱 정확하게 낮은 압력으로 가변 조압할 수 있다. 또한, 2차압(p₂)이 상기 일정 압력보다 높은 경우, 앞서 언급한 움직임과는 반대로, 2차압(p₂)이 상기 일정 압력으로 되돌려지도록 밸브체(24)가 폐쇄 방향으로 이동한다.

이와 같이 동작하는 전자식 조압 밸브(7)에서는 밸브체(24)가 베어링 부재(27)에 의하여 지지되어 원활하게 이동할 수 있도록 되어 있다. 그러므로, 2차압(p₂)이 변동하여도 2차압(p₂)을 상기 일정 압력으로 되돌리기 위하여 밸브체(24)가 재빠르게 움직이기 때문에 전자식 조압 밸브(7)의 상기 일정 압력에 대한 추종성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 2차압(p₂)의 변동폭을 작게 할 수 있다.

<연료 가스의 공급 방법>

이하에서는, 연료 가스 공급 시스템(1)에 있어서의 연료 가스의 공급 방법에 대하여 도 3의 플로우차트 및 도 4의 그래프를 참조하면서 설명한다. 연료 가스 공급 시스템(1)에서는, 도 4(a)의 시각(t1)에 나타내는 바와 같이, 제어 장치(9)에 목표 압력이 입력되면 연료 가스 공급 처리를 시작하고, 단계(S1)로 이행한다. 차압 산출 공정인 단계(S1)에서는 압력 센서(8)에서 검출되는 공급 압력과 목표 압력의 차압을 산출한다. 차압이 산출되면, 단계(S2)로 이행한다.

목표 압력 판정 공정인 단계(S2)에서는, 단계(S1)에서 산출된 차압이 미리 정해진 규정값 이상인지 여부를 제어 장치(9)가 판정한다. 규정값 이상이라고 판정되면 단계(S3)로 이행한다. 승압 공정인 단계(S3)에서는 제어 장치(9)가 전자식 개폐 밸브(6)에 전류를 흐르게 하여 제1 유로(11)를 개방한다(도 4의 (c)의 시각(t1) 참조). 이에 따라, 감압 밸브(5)에 의해 감압된 연료 가스가 전자식 개폐 밸브(6)를 통하여 연료 가스 소비기(2)에 인도된다. 전자식 개폐 밸브(6)의 Cv 값이 전자식 조압 밸브(7)의 그것에 비하여 크기 때문에, 대유량의 연료 가스가 연료 가스 소비기(2)에 인도되어 공급 압력이 재빠르게 상승한다. 단계(S3)에서 전자식 개폐 밸브(6)에 전압을 인가하여 제1 유로(11)를 개방하면, 단계(S4)로 이행한다.

조압 공정인 단계(S4)에서는 제어 장치(9)가 전자식 개폐 밸브(6)에 전압을 인가함과 동시에, 전자식 조압 밸브(7)에 전류를 흐르게 하여 전자식 조압 밸브(7)를 동작시킨다(도 4의 (b)의 시각(t1) 참조). 이에 따라, 제2 유로(12)에서 연료 가스 소비기(2)에 소유량의 연료 가스가 인도된다. 이때, 제어 장치(9)는 압력 센서(8)에서 검출되는 공급 압력과 목표 압력의 차압에 따라 전자식 조압 밸브(7)에 흐르게 하는 전류를 제어하여 밸브 통로(22)의 개도를 조정하고, 공급 압력이 목표 압력이 되도록 2차압(p₂)을 조압한다(도 4의 (b)의 시각(t2 ~ t3) 참조). 즉, 공급 압력이 목표 압력이 되도록 제어 장치(9)가 전자식 조압 밸브(7)를 피드백 제어한다.

이와 같이 압력 센서(8)의 검출 결과에 따라 공급 압력을 피드백 제어함으로써 공급 압력을 더욱 정확하게 목표 압력으로 제어할 수 있다. 제어 장치(9)가 피드백 제어를 시작하면 단계(S1)로 되돌아가서 제어 장치(9)가 다시 차압을 산출한다. 그리고 단계(S2)에서 산출된 차압이 규정값 이상이라고 판정되면 상기한 제어를 반복하고(도 4의 (b) ~ (e)의 시각(t2 ~ t3) 참조), 차압이 규정값 미만이 되었다고 판정되면 단계(S5)로 이행한다.

밸브 폐쇄 공정인 단계(S5)에서는 제어 장치(9)가 전자식 개폐 밸브(6)에의 전압 인가를 중지하여 전자식 개폐 밸브(6)를 폐쇄하고 제1 유로(11)를 폐쇄한다(도 4의 (c)의 시각(t3) 참조). 제1 유로(11)가 폐쇄되면, 단계(S4)로 이행한다. 단계(S4)로 이행하면, 제어 장치(9)는 압력 센서(8)에서 검출되는 공급 압력과 목표 압력의 차압에 따라 전자식 조압 밸브(7)에 흐르게 하는 전류를 피드백 제어한다(도 4의 (a), (b) 및 (e)의 시각(t3 ~ t4) 참조). 그리고, 단계(S1)로 되돌아간다.

다음에, 목표 압력이 변경되었을 경우 대하여 설명한다. 목표 압력이 변경되어 낮아지면(도 4의 (a)의 시각(t4) 참조), 목표 압력이 공급 압력보다 작아지기 때문에 단계(S2)에서 상기 차압이 규정값 미만이라고 제어 장치(9)가 판정하고, 단계(S5)로 이행한다. 단계(S5)에서는 제어 장치(9)가 전자식 개폐 밸브(6)의 밸브 폐쇄 상태를 유지하고, 단계(S4)로 이행한다. 단계(S4)에서는 제어 장치(9)가 압력 센서(8)에서 검출되는 공급 압력과 목표 압력의 차압에 따라 전자식 조압 밸브(7)에 흐르게 하는 전류를 피드백 제어하여 공급 압력을 낮춘다(도 4의 (b) 및 (c)의 시각(t4) 참조).

또한, 목표 압력이 변경되어 높아지면(시각(t5) 참조), 단계(S2)에서 상기 차압이 규정값 이상인지 여부를 제어 장치(9)가 판정한다. 여기에서는, 제어 장치(9)가 상기 차압이 규정값 미만이라고 판정하고 단계(S5)로 이행한다. 단계(S5)에서는 목표 압력이 낮아졌을 경우와 마찬가지로 제어 장치(9)가 전자식 개폐 밸브(6)의 밸브 폐쇄 상태를 유지하고 공급 압력이 목표 압력이 되도록 단계(S4)에서 제어 장치(9)가 전자식 조압 밸브(7)에 흐르게 하는 전류를 피드백 제어한다 (도 4의 (b) 및 (c)의 시각(t5) 참조).

한편, 목표 압력이 크게 변경되어 단계(S2)에서 상기 차압이 규정값 이상이라고 제어 장치(9)가 판정하면, 단계(S3)로 이행한다(도 4의 (a) ~ (e)의 시각(t6) 참조). 단계(S3)에서는 제어 장치(9)가 전자식 개폐 밸브(6)에 전압을 인가하여 제1 유로(11)를 개방한다. 이에 따라, 제1 유로(11)에서 연료 가스 소비기(2)에 대유량의 연료 가스가 공급되어 공급 압력이 상승한다. 한편, 제어 장치(9)는 단계(S4)에 있어서 공급 압력이 목표 압력이 되도록 전자식 조압 밸브(7)의 피드백 제어를 다시 실시한다. 그리고 단계(S1)로 되돌아가서 상기 차압을 산출하고, 단계(S2)에 있어서 상기 차압이 규정값 미만이라고 판정되면, 제어 장치(9)는 단계(S5)에 있어서 전자식 개폐 밸브(6)를 폐쇄하여 제1 유로(11)를 폐쇄하고 전자식 조압 밸브(7)에 의해 공급 압력을 목표 압력으로 조정한다(도 4의 (a) 및 (c)의 시각(t7) 참조).

이와 같이 연료 가스 공급 시스템(1)에서는 전자식 조압 밸브(7)와 전자식 개폐 밸브(6)를 동작시키는 것만으로 소유량에서 대유량의 광범위에 있어서, 공급 압력을 변동하는 목표 압력에 맞추어 고정밀도로 제어할 수 있다. 그러므로, 목표 압력이 크거나 작게 변동하는 경우에도 제어 장치(9)에 있어서의 압력 제어가 용이하다. 또한, 전자식 개폐 밸브(6)에 대하여 전자식 조압 밸브(7)의 쪽이 Cv 값을 작게 함으로써 전자식 개폐 밸브(6)보다 구성이 복잡하면서도 부품수가 많은 전자식 조압 밸브(7)의 소형화를 도모할 수 있다. 이에 따라, 전자식 조압 밸브(7)의 제조비를 줄일 수 있고, 그 결과로, 연료 가스 공급 시스템(1)의 제조비를 줄일 수 있다.

또한, 연료 가스 공급 시스템(1)에서는 전자식 개폐 밸브(6)의 상류 측에 감압 밸브(5)가 설치되어 있으므로, 고압 탱크(3) 내의 연료 가스의 잔량에 관계없이 전자식 개폐 밸브(6)에서 소정 압력의 연료 가스를 공급할 수 있다. 이에 따라, 저압 사양의 연료 가스 소비기(2)에 대해서도 고압 탱크(3)를 적용할 수 있다. 또한, 감압 밸브(5)를 이용함으로써 전자식 개폐 밸브(6)에서 연료 가스 소비기(2)에 공급되는 연료 가스의 압력이 안정되므로 전자식 조압 밸브(7)에 의한 공급 압력의 조압 동작이 안정된다. 또한, 전자식 조압 밸브(7)가 고압의 연료 가스를 저압까지 감압할 수 있기 때문에, 제2 유로(12)에는 감압 밸브를 설치할 필요가 없다. 그 때문에, 제2 유로(12)에 개재하는 밸브를 적게 할 수 있어 제2 유로(12)의 압력 손실을 줄일 수 있다. 이에 따라, 연료 가스 공급 시스템(1)의 압력 손실을 줄일 수 있어 고압 탱크(3)에 있어서의 사용 한계 압력을 낮출 수 있다.

<<연료 가스의 다른 공급 방법>

이하에서는, 연료 가스 공급 시스템(1)에 있어서의 연료 가스의 다른 공급 방법에 대하여 도 5의 플로우차트를 참조하면서 설명한다. 이하에서 설명하는, 연료 가스의 다른 공급 방법은 앞서 언급한 공급 방법과 그 순서가 유사하다. 따라서 순서가 다른 점에 대해서만 설명하고, 동일한 점에 대해서는 동일한 부호를 부여하고 그 설명을 생략한다. 다른 공급 방법에서는 단계(S2)에서 상기 차압이 규정값 미만이라고 판정되면, 단계(S11)로 이행한다.

개폐 상태 판정 공정인 단계(S11)에서는 전자식 개폐 밸브(6)에 인가하는 전압에 따라 그 개폐 상태를 제어 장치(9)가 판정한다. 전자식 개폐 밸브(6)가 개방 상태인 때, 즉 상기 차압이 규정값 이상에서 규정값 미만으로 이행하였을 경우, 단계(S12)로 이행한다. 목표 압력 달성 판정 공정인 단계(S12)에서는, 제어 장치(9)가 압력 센서(8)에서 검출되는 공급 압력이 목표 압력에 도달하여 있는지 여부, 즉 공급 압력이 목표 압력 이상인지 여부를 판정한다. 공급 압력이 목표 압력 미만인 경우, 단계(S4)로 이행하고, 제어 장치(9)는 전자식 개폐 밸브(6)의 개방 상태를 유지한다. 제어 장치(9)가 전자식 개폐 밸브(6)의 개방 상태를 유지하고, 단계(S12)에서 공급 압력이 목표 압력 이상이라고 판정되면 단계(S5)로 이행하고, 단계(S5)에서 제어 장치(9)가 전자식 개폐 밸브(6)에 의해 제1 유로(11)를 폐쇄한다. 또한, 개폐 상태 판정 공정, 목표 압력 달성 판정 공정 및 밸브 폐쇄 공정의 3개 공정에 의해 밸브 개방 유지 공정이 구성되어 있다.

이와 같이 하여 전자식 개폐 밸브(6)가 폐쇄 상태가 된 후에는, 단계(S11)에서 전자식 개폐 밸브(6)가 폐쇄 상태이라고 제어 장치(9)가 판정하면 단계(S4)로 이행한다. 그리고 단계(S4)에서 단계(S1)로 돌아가고, 단계(S2)에서 상기 차압이 규정값 이상이라고 판정될 때까지 전자식 조압 밸브(7)만으로 공급 압력이 목표 압력이 되도록 조압한다. 단계(S2)에 있어서 상기 차압이 규정값 이상이라고 판정되면, 전자식 개폐 밸브(6)를 다시 개방 상태로 만들고, 대유량의 연료 가스가 공급된다.

이와 같은 연료 가스의 다른 공급 방법에 따르면, 상기 차압이 규정값 이상이 되어 다량의 연료 가스의 공급이 필요할 때, 예를 들면 운전 시동 때에 있어서, 공급 압력이 상승되어 차압이 규정값 미만이 되어도 공급 압력이 목표 압력에 도달 할 때까지는 전자식 개폐 밸브(6)가 개방 상태로 유지된다. 또한, 고부하 운전 때에 있어서 다량의 연료 가스를 소비하여 공급 압력과 목표 압력의 차압이 한 번 규정값 이상이 되고, 그 후에 전자식 개폐 밸브에 의해 제1 유로가 개방되어 차압이 규정값 미만으로 회복하였을 경우에도, 공급 압력이 목표 압력에 도달할 때까지는 전자식 개폐 밸브가 개방 상태로 유지된다. 이에 따라, 조속한 승압 지원이 가능해져 공급 압력을 신속하게 목표 압력까지 승압시킬 수 있다. 그러므로 연료 가스 공급 시스템의 응답성이 향상된다.

연료 가스의 다른 공급 방법은 그 밖에, 앞서 언급한 연료 가스의 공급 방법과 동일한 작용 효과를 이룬다.

[그 밖의 실시예에 대하여]

본 실시예의 연료 가스 공급 시스템(1)에서는 전자식 개폐 밸브(6)를 1개 밖에 구비하고 있지 않지만, 2개 이상의 전자식 개폐 밸브(6)를 구비하고 있어도 좋다. 예를 들면, 공급 통로(4)를 3개 이상의 유로로 분기시키고, 1개의 유로에 전자식 조압 밸브를 개재시키고, 그 이외의 각 유로에 전자식 개폐 밸브를 1개씩 개재시켜도 좋다. 이 경우, 모든 전자식 개폐 밸브의 Cv 값을 다르게 구성하고, 연료 가스 소비기(2)에 있어서 필요한 유량에 따라 동작시키는 전자식 개폐 밸브를 바꾸도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 감압 밸브(5)는 전자식 조압 밸브(7)에 병렬로 설치되어 있지만, 전자식 조압 밸브(7)에 직렬로 설치하여도 좋다. 즉, 공급 통로(4)가 2개의 유로(11,12)로 분기하는 분기점보다 고압 탱크(3) 측에 감압 밸브(5)를 설치하여도 좋다.

또한, 제어 장치(9)는 차압이 규정값 이상이 되었을 경우, 전자식 개폐 밸브(6)에 의해 제1 유로(11)를 개방하면서 전자식 조압 밸브(7)에 의해 공급 압력을 조정하고 있지만, 일시적으로 전자식 조압 밸브(7)를 정지하고 전자식 개폐 밸브(6)에서 소정 압력만을 공급하도록 하여도 좋다. 또한, 제어 장치(9)는 압력 센서(8)의 검출 결과에 따라 전자식 조압 밸브(7)의 개도를 피드백 제어하고 있지만, 제어 직전의 목표 압력을 공급 압력이라고 가정하고, 그 공급 압력 및 수신된 목표 압력의 차압에 따라 전자식 조압 밸브(7)의 동작을 제어하도록 되어 있어도 좋다. 본 실시예에서는 용량 계수로 Cv 값을 적용하고 있지만, 용량 계수는 밸브를 완전 개방했을 때에 단위 시간당 밸브를 통과하는 유체의 체적, 또는 중량을 나타내는 계수이며, Kv 값 또는 Av 값이어도 좋다.

또한, 본 실시예에서는 푸시(push)형 전자식 조압 밸브(7)가 이용되고 있지만, 풀(pull)형 전자식 조압 밸브(7)이어도 좋다. 또한, 구동기기로서 전자 비례 솔레노이드(34)가 이용되고 있지만, 포스 모터(force motor)나 압전소자이어도 좋다.

상기 설명으로부터, 당업자에게 있어서 본 발명의 많은 개량이나 다른 실시예가 명백하다. 따라서 상기 설명은 예시로서만 해석되어야 하고, 본 발명을 실행하는 최선의 양태를 당업자에게 교시할 목적으로 제공된 것이다. 본 발명의 정신을 벗어나지 않고 그 구조 및/또는 기능에 대한 상세를 실질적으로 변경할 수 있다.

1 연료 가스 공급 시스템
2 연료 가스 소비기
3 고압 탱크
4 공급 통로
5 감압 밸브
6 전자식 개폐 밸브
7 전자식 조압 밸브
8 압력 센서
9 제어 장치
11 제1 유로
12 제2 유로
14 합류 유로

Claims

제1 유로 및 제2 유로로 분기한 후에 1개로 합류하는 공급 통로를 통하여 탱크에 저장된 연료 가스를 연료 가스 소비기에 공급하는 연료 가스 공급 시스템이며,
상기 제1 유로에 설치되어 상기 탱크와 상기 연료 가스 소비기의 사이를 개폐하는 전자식 개폐 밸브와,
상기 제2 유로에 설치되어 상기 탱크에서 상기 연료 가스 소비기에 인도되는 연료 가스를 조압하는 전자식 조압 밸브를 구비하고,
상기 전자식 조압 밸브는 상기 전자식 개폐 밸브에 비하여 용량 계수가 작게 되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 가스 공급 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 용량 계수는 Cv 값이며,
상기 전자식 조압 밸브는 상기 전자식 개폐 밸브의 Cv 값의 50% 이하인 Cv 값을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 연료 가스 공급 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 전자식 개폐 밸브의 개폐 동작 및 상기 전자식 조압 밸브의 조압 동작을 제어하는 제어 장치를 구비하고,
상기 제어 장치는 상기 연료 가스 소비기의 연료 가스의 공급 압력과 목표 압력의 차압이 규정값 이상인 경우, 상기 전자식 개폐 밸브에 의해 상기 제1 유로를 개방함으로써 상기 연료 가스 소비기의 공급 압력을 상승시키고, 상기 차압이 규정값 미만인 경우, 상기 전자식 개폐 밸브에 의해 상기 제1 유로를 닫고 상기 전자식 조압 밸브에 의해 상기 연료 가스 소비기의 공급 압력을 조압하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 가스 공급 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 제어 장치는 상기 차압이 규정값 이상이며 상기 공급 압력을 승압하였을 경우, 상기 공급 압력이 목표 압력에 도달할 때까지 상기 차압이 규정값 미만이 되어도 상기 전자식 개폐 밸브의 개방 상태를 유지하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 가스 공급 시스템.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연료 가스 소비기의 공급 압력을 검출하는 공급 압력 검출기를 더 가지고 있고,
상기 제어 장치는 상기 연료 가스 소비기의 공급 압력을 상기 공급 압력 검출기의 검출 결과로부터 얻도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 가스 공급 시스템.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 유로에 있어서 전자식 개폐 밸브의 상류 측에 설치되어 상기 탱크에서 공급되는 연료 가스를 소정 압력으로 감압하는 감압 밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 가스 공급 시스템.
제1 유로 및 제2 유로로 분기한 후에 1개로 합류하는 공급 통로를 통하여 탱크에 저장된 연료 가스를 연료 가스 소비기에 공급하는 연료 가스 공급 시스템의 압력 제어 방법이며,
상기 연료 가스 소비기의 연료 가스의 공급 압력과 목표 압력의 차압을 산출하는 차압 산출 공정과,
상기 차압이 규정값 이상인 경우, 제1 유로에 설치되어 있는 전자식 개폐 밸브에 의해 상기 제1 유로를 개방하여 상기 탱크에서 상기 연료 가스 소비기로 인도하여 상기 공급 압력을 승압하는 승압 공정과,
상기 차압이 규정값 미만인 경우, 상기 전자식 개폐 밸브에 의해 상기 제1 유로를 닫고, 상기 제2 유로에 설치되는 한편 상기 전자식 개폐 밸브에 비하여 용량 계수가 작은 전자식 조압 밸브에 의해 상기 공급 압력을 조압하는 조압 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 가스 공급 시스템의 압력 제어 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 승압 공정에 의해 승압되는 상기 공급 압력이 상기 목표 압력에 도달할 때까지 상기 차압이 규정값 미만이 되어도 상기 전자식 개폐 밸브의 개방 상태를 유지하는 밸브 개방 유지 공정을 가지고 있고,
상기 조압 공정은 상기 밸브 개방 유지 공정 후에 실행되는 것을 특징으로 하는 연료 가스 공급 시스템의 압력 제어 방법.