KR20150039156A

KR20150039156A - 연료전지차량의 냉시동용 고 감속비 공기배압조절밸브

Info

Publication number: KR20150039156A
Application number: KR20150025846A
Authority: KR
Inventors: 노종상; 손을호; 박준홍
Original assignee: 주식회사 동희홀딩스
Priority date: 2015-02-24
Filing date: 2015-02-24
Publication date: 2015-04-09
Also published as: KR101535930B1

Abstract

본 발명의 고 감속비 공기유량조절밸브는 모터(40)의 구동시 모터 축에 의해 회전되면, 상기 모터(40)의 회전이 특정한 감속비를 갖는 입력 감속비로 전환되고, 상기 입력 감속비가 특정한 감속비 대비 더 높은 감속비를 갖는 중간 감속비로 전환되며, 상기 중간 감속비가 0.1°출력각도의 출력 감속비로 전환되는 유성기어 셋(50)으로 이루어진 유성기어 모터(30)가 더 포함됨으로써 0.1°이하의 정밀 각도제어로 연료전지 스택에 유입되는 공기 배입량이 정밀 제어됨과 더불어 리턴 스프링 및 라쳇(Rachet)기구 없이도 원치 않는 밸브 자체 복귀 방지와 고압에 대한 밸브 위치 유지가 가능하고, 특히 오일 씰(91,93)을 이용한 공기통로 밀폐로 가습공기유입을 차단함으로써 히터 없이도 냉시동 어려움이 해소되고, 또한 영구자석(81)과 자기장 센서(83)를 이용한 신속하고 정확하게 이상(Fail)을 검출함으로써 연료전지스택의 운전 안전성이 크게 향상되는 특징을 갖는다.

Description

고 감속비 공기배압조절밸브{High Gear Ratio type Back Pressure Control Valve}

본 발명은 공기배압조절밸브에 관한 것으로, 특히 연료전지 스택에 유입되는 공기 배입량이 정밀 제어되도록 유성기어 모터를 적용함으로써 0.1°이하의 정밀 각도제어가 가능하고, 밸브 개도량에 따른 자기장 변화가 발생되는 자기장 위치센서를 적용함으로써 공기 배합 제어 및 밸브 개도 제어의 이상(Fail)시 실시간 대처가 이루어질 수 있는 고 감속비 공기배압조절밸브에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지차량은 연료전지스택으로 공급된 수소의 화학반응을 위해 공기가 반드시 공급되어야 하고, 또한 공기량도 수소 반응에 따라 정밀하게 조절될 필요가 있다.

이를 위한 장치로 공기배압조절밸브(Back Pressure Control Valve, 이하 BCV)가 사용됨으로써 연료전지스택에 공급되는 공기 유량이 정밀 제어되고 있다.

통상, BCV는 정역회전되는 모터와, 이를 통해 회전되는 기어로 이루어진 감속기로 개폐되는 밸브를 기본 구성으로 하고, 온(On),오프(Off)제어에 의한 오픈(Open), 클로즈(Close) 방식으로 구동된다.

하지만, BCV에서 제어되는 공기 유량이 연료전지스택의 수소 화학반응 요구에 맞춰 정밀 제어되지 못할 경우, 연료전지스택은 내구성 저하를 가져오고 특히 운전 안정성 저하를 일으킴으로써 연료 소모량이 증가될 수밖에 없다.

그러므로, BCV에는 밸브의 개도각을 정밀 제어할 수 있는 다양한 장치가 더 포함되어진다.

일례로, 밸브 개도각 검출 센서를 예로 들 수 있고, BCV에 밸브 개도각 검출 센서가 더 구비됨으로써 BCV 작동시 밸브의 오픈 상태(Open Status)와 클로즈 상태(Close Status)가 각각 검출되고, 이로부터 밸브 개폐가 BCV의 온(On),오프(Off)에 따라 정상적으로 이루어지는지 확인될 수 있다.

이러한 밸브 개도각 검출 센서는 BCV 성능 개선을 위해 고 사양의 센서가 적용될 수 있다.

국내특허공개 10-2010-0057335(2010년05월31일)

상기 특허문헌은 버터플라이 밸브에 마그네틱 센서를 설치하여 밸브 내부의 개폐상태를 정확하게 확인할 수 있는 기술의 예를 나타낸다.

하지만, BCV에 밸브 개도각 검출 센서가 적용되어 밸브 개도각을 정밀하게 검출하더라도 감속기 성능 저하로 인한 밸브 개도 각 자체의 정밀 제어가 어려우면, BCV의 정밀하지 못한 공기 유량 제어로 인해 연료전지스택은 내구성 저하와 운전 안정성 저하 및 연료 소모량 증가와 같은 악영향을 그대로 받을 수밖에 없다.

또한, BCV의 정밀하지 못한 공기 유량 제어는 이를 보완하기 위한 다수의 기구들을 요할 수밖에 없는데, 일례로 냉시동 시 어려움을 해소하기 위한 히터나, 작동 시 원치 않는 밸브 자체 복귀 방지와 고압에 대한 밸브 위치 유지를 위한 리턴 스프링 및 라쳇(Rachet)기구등이 있다.

그러나, BCV에 히터나 리턴 스프링 및 라쳇(Rachet)기구등이 적용됨으로써 콤팩트 및 소형화가 필요한 BCV가 더욱 복잡해지고 특히 비용 상승에 의한 가격 경쟁력도 저하될 수밖에 없다.

이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 유성기어 모터를 적용함으로써 0.1°이하의 정밀 각도제어로 연료전지 스택에 유입되는 공기 배입량이 정밀 제어되고, 특히 유성기어 모터의 작용을 이용함으로써 냉시동 시 어려움을 해소하기 위한 히터와 작동 시 원치 않는 밸브 자체 복귀 방지와 고압에 대한 밸브 위치 유지를 위한 리턴 스프링 및 라쳇(Rachet)기구가 전혀 요구되지 않는 고 감속비 공기배압조절밸브를 제공하는데 목적이 있다.

또한, 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 0.1°이하의 정밀 각도제어가 이루어지는 유성기어 모터와 함께 밸브 개도량에 따른 자기장 변화가 발생되는 자기장 위치센서를 적용함으로써 공기 배합 제어 및 밸브 개도 제어의 이상(Fail)시 실시간 대처가 이루어질 수 있는 유성기어 모터를 갖춘 공기배압조절밸브를 제공하는데 목적이 있다.

또한, 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 0.1°이하의 정밀 각도제어가 이루어지는 유성기어 모터 및 자기장 변화로 밸브 개도량을 검출하는 자기장 위치센서와 함께 내부 밀폐를 위한 오일 씰(Oil Seal)이 적용됨으로써 내부로 유입되는 가습공기로 인한 작동불능이 원천적으로 예방될 수 있는 고 감속비 공기배압조절밸브를 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고 감속비 공기배압조절밸브는 모터와 플랩 밸브사이에 상기 플랩 밸브를 회전시키는 감속기가 연결되고, 상기 모터와 상기 감속기를 연결하는 유성기어 셋이 포함되며;

상기 유성기어 셋은 상기 모터의 출력이 특정한 감속비를 갖는 1단 감속비로 전환되고, 상기 1단 감속비가 특정한 감속비 대비 더 높은 감속비를 갖는 2단 감속비로 전환되며, 상기 2단 감속비가 0.1ㅀ각도의 회전을 상기 감속기에 전달하는 3단 감속비로 전환되는 것을 특징으로 한다.

상기 모터와 상기 유성기어 셋은 상기 모터의 모터 축에 연결되어 일체로 이루어진다.

상기 유성기어 셋은 상기 1단 감속비가 발생하도록 상기 모터에 의해 회전되는 제1 유성기어와, 상기 2단 감속비가 발생하도록 상기 제1 유성기어에 연결되어 회전되는 제2 유성기어와, 상기 3단 감속비가 발생하도록 상기 제2 유성기어에 연결되어 회전되는 제3 유성기어로 구성되고; 상기 제1 유성기어와 상기 제2 유성기어 및 상기 제3 유성기어는 상기 감속기에 고정된 출력축으로 연결된다.

상기 제1 유성기어는 상기 모터의 모터 축에 연결되어 회전되는 제1 선기어와, 상기 제1 선기어에 외접하고 동시에 링기어에 내접하는 3개의 제1 위성기어와, 상기 3개의 제1 위성기어가 각각 자유 회전되도록 축 결합되고 상기 출력축이 연결되는 축 홀이 뚫려진 제1 캐리어로 구성된다.

상기 제2 유성기어는 상기 출력축에 의해 회전되는 제2 선기어와, 상기 제2 선기어에 외접하고 동시에 링기어에 내접하는 3개의 제2 위성기어와, 상기 3개의 제2 위성기어가 각각 자유 회전되도록 축 결합되고 상기 출력축이 연결되는 축 홀이 뚫려진 제2 캐리어로 구성된다.

상기 제3 유성기어는 상기 출력축에 의해 회전되는 제3 선기어와, 상기 제3 선기어에 외접하고 동시에 링기어에 내접하는 3개의 제3 위성기어와, 상기 3개의 제3 위성기어가 각각 자유 회전되도록 축 결합되고 상기 출력축이 연결되는 축 홀이 뚫려진 제3 캐리어로 구성된다.

상기 링기어는 유성기어 하우징의 내면에 형성되고, 상기 유성기어 하우징은 상기 유성기어 셋을 수용해 상기 모터와 연결된다.

상기 플랩 밸브와 상기 감속기의 연결부에는 상기 플랩 밸브의 작동을 자기장 세기 변화로 인식하는 자기장 센서가 더 포함되며; 상기 자기장 센서가 검출한 자기장 세기 변화는 상기 플랩밸브의 작동 신호로 전환되고, 상기 작동신호는 운전석으로 제공된다.

상기 플랩 밸브는 밸브하우징의 공기통로에 위치되고, 상기 공기통로의 주위에는 외부로부터 가습공기유입을 차단시키는 오일 씰이 더 포함된다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고 감속비 공기배압조절밸브는 모터와, 상기 모터의 출력이 특정한 감속비를 갖는 1단 감속비로 전환되고, 상기 1단 감속비가 특정한 감속비 대비 더 높은 감속비를 갖는 2단 감속비로 전환되며, 상기 2단 감속비가 0.1°각도의 회전을 상기 감속기에 전달하는 3단 감속비로 전환되는 유성기어 셋으로 이루어진 유성기어 모터와;

상기 유성기어 셋의 출력으로 회전되는 감속기와;

상기 감속기로 회전되어 밸브하우징의 공기통로의 개도각을 제어하는 플랩 밸브와;

상기 플랩 밸브의 작동을 자기장 세기 변화로 인식하도록 상기 플랩 밸브와 상기 감속기의 연결부에 구비된 자기장 센서와;

외부로부터 가습공기가 상기 공기통로로 유입되지 않도록 상기 공기통로를 지나는 상기 플랩 밸브에 구비된 오일 씰; 이 더 포함된 것을 특징으로 한다.

상기 자기장 센서는 상기 플랩 밸브의 밸브 축 회전각도 변화로 자기장 세기가 변화되는 영구자석과, 상기 영구자석의 회전위치에 따른 자기장 세기 변화를 검출하는 위치센서가 일체화된 제어보드로 구성된다.

상기 영구자석은 상기 밸브 축에 결합된다. 상기 자기장 센서가 검출한 자기장 세기 변화는 상기 플랩밸브의 작동 신호로 전환되고, 상기 작동신호는 운전자석에 제공된다.

상기 오일 씰은 상기 감속기에 고정되어 밸브하우징으로 나온 상기 플랩밸브의 밸브 축의 일부 구간을 감싸는 선단 오일 씰과, 상기 공기통로를 지나 상기 밸브하우징에 고정된 밸브 축의 끝부위의 일부 구간을 감싸는 후단 오일 씰로 구성되며, 상기 선단 오일 씰과 상기 후단 오일 씰은 상기 밸브 축에 각각 구비된 베어링에 밀착된다.

이러한 본 발명은 0.1°이하의 정밀 각도제어가 이루어지는 유성기어 모터를 적용함으로써 BCV(Back Pressure Control Valve)에 의해 연료전지 스택에 유입되는 공기 배입량이 정밀 제어되고, 특히 공기 배입량의 정밀 제어로 연료전지스택의 수소 화학반응 요구에 맞추지 못함으로써 발생되던 내구성 저하와 운전 안정성 저하 및 연료 소모량이 증가와 같은 제반 문제들이 모두 해소되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 0.1°이하의 정밀 각도로 밸브를 제어하는 유성기어 모터의 작용을 이용해 리턴 스프링 및 라쳇(Rachet)의 적용이 없는 BCV로 구성됨으로써 BCV 작동시 원치 않는 밸브 자체 복귀방지와 고압에 대한 밸브 위치 유지가 가능하고, 특히 부품 수량 축소로 보다 콤팩트하고 소형화되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 0.1°이하의 정밀 각도로 밸브를 제어하는 유성기어 모터와 함께 밸브 개도량에 따른 자기장 변화가 발생되는 자기장 위치센서를 이용함으로써, 운전자가 BCV의 작동상태를 정확하게 파악할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 자기장 위치센서로 밸브 개도각을 신속하고 정확하게 검출함으로써 BCV가 공기 배합 제어 및 밸브 개도 제어의 이상(Fail)시 실시간 대처가 이루어지고, 특히 이상(Fail)에 대한 신속한 대처로 연료전지스택의 운전 안전성이 크게 향상되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 BCV의 내부 밀폐가 오일 씰(Oil Seal)을 이용해 이루어짐으로써 내부로 유입되는 가습공기로 인한 작동불능이 원천적으로 예방될 수 있고, 특히 가습공기의 유입이 방지됨으로써 겨울철 환경에서 히터가 없이도 냉시동 어려움을 해소할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 고 감속비 공기배압조절밸브의 구성이며, 도 2는 본 발명에 따른 고 감속비를 구현하는 유성기어 모터의 세부 구성도이고, 도 3은 도 2의 유성기어가 3열로 구성된 예이며, 도 4는 본 발명에 따른 공기배압조절밸브를 구성하는 감속기와 자기장센서의 구성이고, 도 5는 도 4의 자기장센서를 이용한 BCV 이상(Fail) 인식 흐름도이며, 도 6은 본 발명에 따른 본 발명에 따른 공기배압조절밸브를 구성하는 오일 씰(Oil Seal)의 구성이다.

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 고 감속비 공기배압조절밸브(Back Pressure Control Valve, 이하 BCV)의 구성을 나타낸다.

도시된 바와 같이, BCV에는 공기통로를 형성한 밸브하우징(10)과, 밸브하우징(10)의 내부를 외부와 차단하는 밸브 커버(20)와, 0.1°이하의 정밀한 출력각도가 발생되는 유성기어 모터(30)와, 유성기어 모터(30)의 출력을 전달받는 감속기(60)와, 감속기(60)에 연결되어 공기통로의 개도각을 0.1°이하의 각도로 개폐시키는 플랩밸브(70)와, 플랩밸브(70)의 회전각을 검출하는 자기장센서(80)와, 플랩밸브(70)쪽 습기 유입을 차단하는 오일 씰(90,Oil Seal)과, 운전조건에 따라 BCV를 제어하고 BCV의 작동과 이상을 파악하는 컨트롤러(100,Controller)로 구성된다.

상기 밸브하우징(10)은 연료전지스택으로 공기 공급을 위한 중공 공기통로에 플랩밸브(70)가 위치된 공기통로바디와, 공기통로바디의 측면에서 유성기어 모터(30)를 수용한 모터수용바디와, 감속기(60)를 수용하고 밸브 커버(20)가 결합되는 연결바디로 이루어진다.

상기 밸브 커버(20)는 밸브하우징(10)의 연결바디에 결합됨으로써 밸브하우징(10)의 내부를 외부로부터 가려주고, 컨트롤러(100,Controller)와 연계된 각종 신호의 입출력용 커넥터를 구비한다.

상기 유성기어 모터(30)는 회전력이 발생되는 모터(40)와, 모터(40)의 회전력을 0.1°이하의 정밀한 출력각도로 전환시키는 유성기어 셋(50)으로 구성된다.

상기 감속기(60)는 유성기어 모터(30)와 플랩밸브(70)사이를 이어주는 기어비가 다른 다수의 기어들로 구성된다.

상기 플랩밸브(70)는 버터플라이 타입 밸브이다. 상기 자기장센서(80)는 영구자석의 회전각도 변화로부터 플랩밸브(70)의 회전각을 검출한다. 상기 오일 씰(90,Oil Seal)은 가습공기의 플랩밸브(70)쪽 유입을 차단한다.

상기 컨트롤러(100)는 운전석에 구비된 BCV 작동상태 표시기로 BCV의 작동상태와 함께 이상 상태(Failure Status)를 전송함으로써 운전자는 BCV의 정상 또는 이상상태를 파악하고, 이로부터 신속한 대응이 이루어질 수 있다. 본 실시예에서, 상기 컨트롤러(100)는 밸브 컨트롤러나 ECU(Engine Control Unit)가 적용될 수 있다.

한편, 도 2는 고 감속비를 구현하는 유성기어 모터(30)의 세부구성을 나타낸다.

도 2(가)와 같이, 상기 유성기어 모터(30)는 BCV의 운전조건에 따른 컨트롤러(100)의 제어로 구동되는 모터(40)와, 모터(40)의 모터 축에 연결되어져 모터(40)의 출력을 적어도 3단계 이상의 감속비 전환 과정을 거쳐 0.1°이하의 감속비로 전환해주는 유성기어 셋(50)으로 구성된다.

상기 모터(40)는 스테핑 모터가 적용되거나 BCV에서 요구하는 성능이만족하는 모터가 적용된다.

도 2(나)와 같이, 상기 유성기어 셋(50)은 유성기어 하우징(51)을 이용해 링기어(52)가 구성되고, 출력축(59)을 이용해 순차적으로 배열된 제1 유성기어(53)와 제2 유성기어(55) 및 제3 유성기어(57)로 구성된다.

그러나, 상기 유성기어 셋(50)은 0.1°이하의 감속비로 전환하기 위한 구성이므로, 본 실시예의 제1 유성기어(53)와 제2 유성기어(55) 및 제3 유성기어(57)는 일례일 뿐이다. 그러므로, 제1 유성기어(53)와 제2 유성기어(55) 및 제3 유성기어(57)는 그 수량이 더 적게 구성될 수도 더 많게 구성될 수 있다.

한편, 도 3은 제1 유성기어(53)와 제2 유성기어(55) 및 제3 유성기어(57)의 세부구성을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 제1 유성기어(53)는 모터(40)의 모터 축에 직접 연결되어져 모터(40)에 의해 회전되는 제1 선기어(53-1)와, 제1 선기어(53-1)와 외접하고 동시에 유성기어 하우징(51)의 내면에 형성된 링기어(52)와 내접하는 3개의 제1 위성기어(53-2)와, 3개의 제1 위성기어(53-2)가 각각 자유 회전되도록 축 결합되고 축 홀이 뚫려진 제1 캐리어(53-3)로 구성된다.

여기서, 상기 3개의 제1 위성기어(53-2)는 120°각도로 배열된다. 또한, 상기 제1 캐리어(53-3)의 축 홀은 유성기어 셋(50)의 출력축(59)과 결합된다.

이러한 구성으로부터 제1 유성기어(53)는 1단 감속비가 발생된다. 본실시예에서 1단 감속비는 0.1°이하의 감속비에 맞춰 설계된다.

그리고, 제2 유성기어(55)는 제1 캐리어(53-3)의 축 홀에 결합된 출력축(59)에 의해 회전되는 제2 선기어(55-1)와, 제2 선기어(55-1)와 외접하고 동시에 유성기어 하우징(51)의 내면에 형성된 링기어(52)와 내접하는 3개의 제2 위성기어(55-2)와, 3개의 제2 위성기어(55-2)가 각각 자유 회전되도록 축 결합되고 축 홀이 뚫려진 제2 캐리어(53-3)로 구성된다.

여기서, 상기 3개의 제2 위성기어(55-2)는 120°각도로 배열된다. 또한, 상기 제2 캐리어(55-3)의 축 홀은 유성기어 셋(50)의 출력축(59)과 결합된다.

이러한 구성으로부터 제2 유성기어(55)는 2단 감속비가 발생된다. 본실시예에서 2단 감속비는 0.1°이하의 감속비에 맞춰 설계된다.

또한, 제3 유성기어(57)는 제2 캐리어(55-3)의 축 홀에 결합된 출력축(59)에 의해 회전되는 제3 선기어(57-1)와, 제3 선기어(57-1)와 외접하고 동시에 유성기어 하우징(51)의 내면에 형성된 링기어(52)와 내접하는 3개의 제3 위성기어(57-2)와, 3개의 제3 위성기어(57-2)가 각각 자유 회전되도록 축 결합되고 축 홀이 뚫려진 제3 캐리어(57-3)로 구성된다.

여기서, 상기 3개의 제3 위성기어(57-2)는 120°각도로 배열된다. 또한, 상기 제3 캐리어(57-3)의 축 홀은 유성기어 셋(50)의 출력축(59)과 결합된다.

이러한 구성으로부터 제3 유성기어(57)는 3단 감속비가 발생된다. 본실시예에서 3단 감속비는 0.1°이하의 감속비에 맞춰 설계됨으로써 모터(40)의 출력은 약 0.1°이하의 회전 각도로 전환될 수 있다.

본 실시예에서 모터(40)의 출력은 제1 유성기어(53)와 제2 유성기어(55) 및 제3 유성기어(57)를 순차적으로 거친 후 출력축(59)의 약 0.1°이하의 회전각도 출력으로 전환된다.

일례로, 모터(40)가 정회전(시계 방향 회전)되면, 제1 유성기어(53)에서는 모터(40)의 모터축에 고정된 제1 선기어(53-1)가 모터(40)에 의해 시계 방향 회전되고, 3개의 제1 위성기어(53-2)가 제1 선기어(53-1)에 의해 링기어(52)에 내접된 상태로 시계 방향 회전되며, 제1 캐리어(53-3)가 3개의 제1 위성기어(53-2)와 함께 시계 방향 회전된다.

이로부터, 제1 유성기어(53)에서 나오는 1단 감속비 출력은 제1 캐리어(53-3)에 연결된 출력축(59)으로 전달됨으로써 출력축(59)이 1단 감속비로 회전된다.

이어, 제2 유성기어(55)에서는 출력축(59)에 고정된 제2 선기어(55-1)가 출력축(59)에 의해 시계 방향 회전되고, 3개의 제2 위성기어(55-2)가 제2 선기어(55-1)에 의해 링기어(52)에 내접된 상태로 시계 방향 회전되며, 제2 캐리어(55-3)가 3개의 제2 위성기어(55-2)와 함께 시계 방향 회전된다.

이로부터, 제2 유성기어(55)에서 나오는 2단 감속비 출력은 제2 캐리어(55-3)에 연결된 출력축(59)으로 전달됨으로써 출력축(59)이 2단 감속비로 회전된다.

최종적으로, 제3 유성기어(57)에서는 출력축(59)에 고정된 제3 선기어(57-1)가 출력축(59)에 의해 시계 방향 회전되고, 3개의 제3 위성기어(57-2)가 제3 선기어(57-1)에 의해 링기어(52)에 내접된 상태로 시계 방향 회전되며, 제3 캐리어(57-3)가 3개의 제3 위성기어(57-2)와 함께 시계 방향 회전된다.

이로부터, 제3 유성기어(57)에서 나오는 3단 감속비 출력은 제3 캐리어(57-3)에 연결된 출력축(59)으로 전달됨으로써 출력축(59)이 3단 감속비로 회전된다.

결국, 모터(40)의 출력은 유성기어 셋(50)을 통해 0.1°각도의 회전으로 전환된 후, 유성기어 셋(50)의 출력축(59)을 통해 감속기(60)로 전달된다.

한편, 도 4는 감속기(60)와 플랩밸브(70) 및 자기장센서(80)의 구성을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 감속기(60)는 유성기어 모터 셋(50)의 출력축(59)에 결합된 제1기어(61)와, 제1기어(61)에 치합된 제2기어(63)와, 제2기어(63)에 치합되고 플랩밸브(70)가 고정된 제3기어(65)로 구성된다.

통상, 상기 제1기어(61)와 상기 제2기어(63) 및 상기 제3기어(65)의 감속비는 최종적으로 플랩밸브(70)를 0.1°이하의 개폐각도로 제어할 수 있도록 설계된다.

특히, 감속기(60)와 이에 연결된 유성기어 모터 셋(50) 및 모터(40)에 의해 0.1ㅀ이하의 개폐각도로 밸브 플랩(70)이 제어됨으로써 감속기(60)에는 리턴스프링 및 라쳇(Rachet)기구가 구비되지 않는다. 이는, 리턴스프링의 작용이 없이도 초기상태 복귀가 이루어질 수 있고, 또한 라쳇(Rachet)기구의 적용이 없이도 작동시 원치 않는 밸브 자체 복귀방지와 함께 고압에 대한 밸브 위치가 유지됨에 기인된다.

그리고, 플랩밸브(70)는 감속기(60)에 연결되어 0.1°이하의 각도로 회전되는 밸브 축(71)과, 밸브 축(71)에 결합되어져 밸브 축(71)의 0.1ㅀ이하의 회전에 의해 공기통로를 0.1°이하의 개폐각도로 개폐하는 밸브 바디(73)로 구성된다.

본 실시예에서 밸브 축(71)은 적어도 2곳의 위치가 베어링으로 지지되며, 상기 베어링은 밸브 하우징(10)을 이용해 구비된다. 또한, 상기 밸브 바디(73)는 원판형으로 이루어지며 최대 개도각은 90ㅀ이다.

또한, 자기장센서(80)는 영구자석(81)과, 영구자석(81)의 회전위치에 따른 자기장 변화를 검출하는 위치센서(83)와, 위치센서(83)가 구비된 제어보드(85)로 구성된다.

본 실시예에서, 상기 영구자석(81)은 2극 착좌 타입으로 이루어져 플랩밸브(70)의 밸브축(71)에 조립됨으로써 밸브축(71)과 함께 회전된다. 또한, 상기 위치센서(83)는 영구자석(81)과 마주보는 위치를 가짐으로써 영구자석(81)의 회전에 따른 자기장 변화를 검출하고, 제어보드(85)와 일체로 구성됨으로써 위치센서(83)를 설치하기 위한 별도의 구조가 요구되지 않는다.

특히, 제어보드(85)는 위치센서(83)가 검출한 영구자석(81)의 위치변화를 전기신호로 변환해 컨트롤러(100)에 전송함으로써, 컨트롤러(100)는 플랩밸브(70)의 개도각을 정확하게 인식해 BCV의 고장(Fail)여부를 운전석으로 알려줄 수 있게 된다.

한편, 도 5는 자기장센서(80)를 이용해 컨트롤러(100)가 BCV의 작동시 발생되는 이상(Fail)을 운전자에게 신속히 알려주기 위한 동작 흐름을 나타낸다.

S10과 같이 플랩 밸브(70)의 밸브 축(71)에 고정된 2극 착좌 타입 영구자석(81)이 자기장을 방출하면, S20과 같이 위치센서(83)가 영구자석(81)의 자기장을 감지한다.

본 실시예에서 위치센서(83)가 감지한 자기장 세기는 제어보드(85)에서 신호 처리된 후 컨트롤러(100)로 전송되고, 컨트롤러(100)는 자기장 세기에 따른 신호로 전환한 후 운전석의 BCV 작동상태 표시기로 출력함으로써 운전자는 BCV의 정상 또는 이상상태를 파악한다.

이어, S30과 같이 BCV가 작동해 플랩 밸브(70)의 밸브 축(71)이 회전되면, S40과 같이 밸브 축(71)에 고정된 2극 착좌 타입 영구자석(81)도 함께 회전됨으로써 자기장 세기가 변화되고, 이러한 자기장 세기 변화는 S50과 같이 위치센서(83)에서 감지됨으로써 제어보드(85)에서 자기장 세기 변화가 신호로 변화된다.

이어, S60은 자기장 세기 변화가 밸브 개도량으로 전환된 후 이를 운전석의 BCV 작동상태 표시기로 출력함으로써 BCV 작동상태 표시기에서는 BCV의 구동상태가 표시된다.

그러면, S70과 같이 운전자는 BCV 작동상태 표시기를 확인함으로써 BCV의 구동상태가 현재 정상인지 또는 이상(Fail)인지를 파악하고, 만약 이상(Fail)일 경우 운전자는 적절한 조치를 즉시 취할 수 있다.

일례로, 운전자는 차량을 정지함으로써 BCV가 정상적이지 못한 상태에서 연료전지스택이 작동됨을 사전에 차단해할 수 있고, 심할 경우 운전자는 BCV의 부품을 교체하거나 또는 수리하는 조취를 취할 수 있게 된다.

한편, 도 6은 오일 씰(90,Oil Seal)의 구성을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 오일 씰(90)은 공기통로의 주변이 틈새로 인해 외부에 노출됨을 차단하기 위한 한쌍의 선단 오일 씰(91)과 후단 오일 씰(92)로 이루어진다.

일례로, 선단 오일 씰(91)은 감속기(60)에 고정되어 밸브하우징(10)으로 나온 밸브 축(71)의 일부 구간을 감싸줌으로써 밸브 축(71)과 밸브하우징(10)의 사이에 형성될 수 있는 틈새를 외부와 차단하고, 후단 오일 씰(92)은 공기통로를 지나 밸브하우징(10)에 고정된 밸브 축(71)의 끝부위 구간을 감싸줌으로써 밸브 축(71)과 밸브하우징(10)의 사이에 형성될 수 있는 틈새를 외부와 차단한다.

통상, 선단 오일 씰(91)과 후단 오일 씰(92)로 감싸인 밸브 축(71)에는 각각 베어링이 구비된다.

특히, 본 실시예에서 공기통로의 주변부위가 선단 오일 씰(91)과 후단 오일 씰(92)에 의해 외부와 차단되어 가습공기의 유입이 방지됨으로써 겨울철 환경에서 히터가 없이도 냉시동 어려움을 해소될 수 있다.

전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 고 감속비 공기유량조절밸브는 모터(40)의 구동시 모터 축에 의해 회전되면, 상기 모터(40)의 회전이 특정한 감속비를 갖는 입력 감속비로 전환되고, 상기 입력 감속비가 특정한 감속비 대비 더 높은 감속비를 갖는 중간 감속비로 전환되며, 상기 중간 감속비가 0.1°출력각도의 출력 감속비로 전환되는 유성기어 셋(50)으로 이루어진 유성기어 모터(30)가 더 포함됨으로써 0.1°이하의 정밀 각도제어로 연료전지 스택에 유입되는 공기 배입량이 정밀 제어됨과 더불어 리턴 스프링 및 라쳇(Rachet)기구 없이도 원치 않는 밸브 자체 복귀 방지와 고압에 대한 밸브 위치 유지가 가능하고, 특히 오일 씰(91,93)을 이용한 공기통로 밀폐로 가습공기유입을 차단함으로써 히터 없이도 냉시동 어려움이 해소되고, 또한 영구자석(81)과 자기장 센서(83)를 이용한 신속하고 정확하게 이상(Fail)을 검출함으로써 연료전지스택의 운전 안전성이 크게 향상된다.

10 : 밸브하우징 20 : 밸브 커버
30 : 유성기어 모터 40 : 모터
50 : 유성기어 셋 51 : 유성기어 하우징
52 : 링기어 53 : 제1 유성기어
53-1,55-1,57-1 : 제1,2,3 선기어
53-2,55-2,57-2 : 제1,2,3 위성기어
53-3,55-3,57-3 : 제1,2,3 캐리어
55 : 제2 유성기어
57 : 제3 유성기어 59 : 출력축
60 : 감속기 61 : 제1기어
63 : 제2기어 65 : 제3기어
70 : 플랩밸브 71 : 밸브 축
73 : 밸브 바디 80 : 자기장센서
81 : 영구자석 83 : 위치센서
85 : 제어보드 90 : 오일 씰(Oil Seal)
91 : 선단 오일 씰 92 : 후단 오일 씰
100 : 컨트롤러

Claims

모터와, 상기 모터의 출력이 특정한 감속비를 갖는 1단 감속비로 전환되고, 상기 1단 감속비가 특정한 감속비 대비 더 높은 감속비를 갖는 2단 감속비로 전환되며, 상기 2단 감속비가 0.1°각도의 회전을 상기 감속기에 전달하는 3단 감속비로 전환되는 유성기어 셋으로 이루어진 유성기어 모터와;
상기 유성기어 셋의 출력으로 회전되는 감속기와;
상기 감속기로 회전되어 밸브하우징의 공기통로의 개도각을 제어하는 플랩 밸브와;
상기 플랩 밸브의 작동을 자기장 세기 변화로 인식하도록 상기 플랩 밸브와 상기 감속기의 연결부에 구비된 자기장 센서와;
외부로부터 가습공기가 상기 공기통로로 유입되지 않도록 상기 공기통로를 지나는 상기 플랩 밸브에 구비된 오일 씰(Oil Seal);이 더 포함되고,
상기 플랩밸브와 상기 유성기어 모터가 상기 감속기와 직각을 이루도록 상기 감속기의 좌우로 각각 배열된 것을 특징으로 하는 고 감속비 공기배압조절밸브.
청구항 1에 있어서, 상기 자기장 센서는 상기 플랩 밸브의 밸브 축 회전 각도 변화로 자기장 세기가 변화되는 영구자석과, 상기 영구자석의 회전위치에 따른 자기장 세기 변화를 검출하는 위치센서가 일체화된 제어보드로 구성된 것을 특징으로 하는 고 감속비 공기배압조절밸브.
청구항 2에 있어서, 상기 영구자석은 상기 밸브 축에 결합된 것을 특징으로 하는 고 감속비 공기배압조절밸브.
청구항 2에 있어서, 상기 자기장 센서가 검출한 자기장 세기 변화는 상기 플랩밸브의 작동 신호로 전환되고, 상기 작동신호는 운전석에 제공되는 것을 특징으로 하는 고 감속비 공기배압조절밸브.
청구항 1에 있어서, 상기 오일 씰은 상기 감속기에 고정되어 밸브하우징으로 나온 상기 플랩밸브의 밸브 축의 일부 구간을 감싸는 선단 오일 씰과, 상기 공기통로를 지나 상기 밸브하우징에 고정된 밸브 축의 끝부위의 일부 구간을 감싸는 후단 오일 씰로 구성된 것을 특징으로 하는 고 감속비 공기배압조절밸브.
청구항 5에 있어서, 상기 선단 오일 씰과 상기 후단 오일 씰은 상기 밸브 축에 각각 구비된 베어링에 밀착되는 것을 특징으로 하는 고 감속비 공기배압조절밸브.