KR20150078140A - 연료전지 차량의 ３-웨이 밸브 - Google Patents

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김치명
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 안정적인 운전을 위하여 스택으로 유입되는 냉각수의 온도를 최적으로 조절하는 3-웨이 밸브에 관한 것이다.
본 발명은 3-웨이 밸브의 유량조절 밸브와 접하는 밸브 하우징의 포트 입구쪽에 가스켓을 적용하여 포트 누수를 극소화할 수 있는 새로운 형태의 포트 누수 방지구조를 구현함으로써, 3-웨이 밸브의 냉각수온 제어에 대한 정확도를 확보할 수 있고, 이에 따라 연료전지 스택의 출력 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 차량의 3-웨이 밸브를 제공한다.

Description

연료전지 차량의 ３-웨이 밸브{3-way valve for fuel cell vehicle}
본 발명은 연료전지 차량의 3-웨이 밸브에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 안정적인 운전을 위하여 스택으로 유입되는 냉각수의 온도를 최적으로 조절하는 3-웨이 밸브에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지 스택은 연료전지 차량의 주동력공급원으로서, 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급받아서 전기를 생산하는 장치이다.
이러한 연료전지 스택은 최적의 온도로 조절된 냉각수가 스택 내로 흘러 들어갈 때 안정적으로 최적의 출력을 나타내기 때문에, 스택으로 유입되는 냉각수의 온도를 최적의 온도로 유지하는 것이 매우 중요하다.
보통 연료전지 시스템의 초기 시동 시 스택의 발열량이 작아서 냉각수 온도가 낮을 경우에 냉각수는 스택→펌프→3-웨이 밸브→스택의 루프로 흐르게 된다.
또한, 시간 경과 후 스택 발열량이 많아지고 냉각수 온도가 높아지는 경우에 3-웨이 밸브에서 바이패스 루프를 적절히 차단함으로써, 이때의 냉각수는 스택→펌프→라디에이터→3-웨이 밸브→스택의 루프로 흐르게 된다.
이와 같이, 연료전지 차량에 적용되는 스택 입구의 요구 냉각수 온도 사양이 65℃ 정도임을 고려할 때, 3-웨이 밸브는 스택 입구온도 신호를 입력받아 양쪽 루프의 개도를 적절히 제어하면서 외부 환경에 상관없이 항상 일정한 온도의 냉각수가 스택으로 유입되도록 하는 역할을 하게 된다.
이러한 냉각수 조절 밸브를 채택하고 있는 연료전지 시스템은 한국 공개특허 10-2013-0061445호, 한국 공개특허 10-2012-0032345호, 한국 공개특허 10-2009-0058095호 등에 다양한 형태의 것들이 개시되어 있다.
보통 연료전지 차량의 전자식 3-웨이 밸브는 모터 구동에 따른 내부 유량제어 밸브가 회전하면서 라디에이터에서 오는 찬물과 바이패스로 흐르는 뜨거운 물을 섞으면서 시스템 운전 온도(스택 입구로 들어가는 냉각수 온도)를 제어하게 된다.
예를 들면, 도 5에 도시한 바와 같이, 라디에이터측 개도율 0%(a), 라디에이터 개도율 45%(b), 라디에이터 개도율 100%(c) 등으로 운전 온도를 제어하게 된다.
여기서, 미설명 부호 10은 유량제어 밸브이고, 11은 밸브 하우징을 나타낸다.
시스템 운전 온도를 제어한다는 것은 연료전지 스택의 출력 효율과 직결된 만큼(스택은 특정 온도에서 최적의 출력 효율을 나타내는 특성이 있음) 열 및 물 관리 시스템에서 그 역할은 매우 중요하다.
이러한 3-웨이 밸브에서 시스템 운전온도를 정확하게 제어하기 위해서는 이론적으로 포트 누수가 없어야 가능하다.
종래의 3-웨이 밸브에서 유량제어 밸브는 다이캐스팅하여 1차 제작한 후, 밸브 표면을 추가적으로 정밀가공하고, 밸브 하우징도 다이캐스팅하여 1차 제작한 후, 하우징 내면(밸브 외면과 접촉부)을 추가적으로 정밀가공한다.
이렇게 만들어진 두 부품을 3차원 정밀 측정 실시 후, 조립하여 3-웨이 밸브를 완성한다.
예를 들면, 3-웨이 밸브 10개 제작 시 하우징 10개, 유량제어 밸브 10개 제작 후, 3차원 측정하여 갭 간극 0.065 이하가 되는 부품끼리 조합하여 조립을 실시한다.
그러나, 도 6에 도시한 바와 같이, 포트 누수는 3-웨이 밸브의 내부 유량제어 밸브(10)가 회전해야 하므로 구조적으로 100% 없앨 수는 없지만, 이미 양산이 시작된 연료전지 차량에서 현재 제작 기술(정밀 가공)은 양산성이 부족하여 품질과 가격 문제가 대두되고 있는 실정이다.
이로 인해, 동절기에 라디에이터측 포트 누수로 인하여 차량에서 다음과 같은 악영향이 발생하게 된다.
첫째, 시동 후에 냉각수 온도 승온 방해로 정상 운전 가능 시간을 지연시킨다.
둘째, 저출력 운전 시(동절기 도심 운전 모드), 라디에이터측 포트 누수로 인해서 시스템 운전 온도가 지속적으로 하락하고, 이로 인해 연비 악화를 초래하게 된다.
이러한 점을 고려하여 일본공개특허 2005-048935호에서는 밸브 본체의 개구부와 연통구 사이에 밀봉부재를 구비하여, 냉각수 유출을 방지하는 유량제어 밸브를 제시하고 있으나, 밀봉부재의 배치에 있어서 포트 내부의 홈 내에 밀봉부재를 삽입한 구조인 관계로, 제작성 및 조립성 측면에서 불리할 뿐만 아니라, 밸브 외면과의 접촉성능이 떨어지면서 누수 차단 효과가 떨어지는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 3-웨이 밸브의 유량조절 밸브와 접하는 밸브 하우징의 포트 입구쪽에 가스켓을 적용하여 포트 누수를 극소화할 수 있는 새로운 형태의 포트 누수 방지구조를 구현함으로써, 3-웨이 밸브의 냉각수온 제어에 대한 정확도를 확보할 수 있고, 이에 따라 연료전지 스택의 출력 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 차량의 3-웨이 밸브를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 연료전지 차량의 3-웨이 밸브는 다음과 같은 특징이 있다.
상기 3-웨이 밸브는 스택측 포트, 바이패스측 포트 및 라디에이터측 포트를 밸브 하우징과, 상기 밸브 하우징의 내부에 설치되어 모터 구동으로 각 포트를 선택적으로 개폐하는 유량제어 밸브 등을 포함하며, 특히 밸브 하우징에 있는 스택측 포트, 바이패스측 포트 및 라디에이터측 포트의 입구쪽 표면에는 유량제어 밸브의 외면과 접촉하여 누수를 방지해주는 가스켓이 설치되는 구조로 이루어진다.
따라서, 상기 3-웨이 밸브는 포트 누수 방지를 위한 가스켓을 적용하여 갭 간극에 의한 누수를 개선할 수 있는 특징이 있다.
여기서, 상기 가스켓은 포트의 폭과 동일한 폭을 갖거나 이보다 작은 폭을 가지면서 포트 입구 전체 둘레를 따라 설치될 수 있으며, 또 상기 가스켓은 포트 입구쪽 표면에 형성되는 가스켓 홈 내에 끼워지는 구조로 설치될 수 있다.
그리고, 상기 가스켓의 경우 에틸렌프로필렌 고무(ethylene propylene rubber)인 EPDM 소재 등을 적용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 제공하는 연료전지 차량의 3-웨이 밸브는 다음과 같은 장점이 있다.
첫째, 밸브 하우징의 포트 입구쪽 표면에 누수방지를 위한 가스켓을 부착함으로써, 갭 간극에 의한 누수를 최소화할 수 있고, 따라서 3-웨이 밸브 냉각수온 제어의 정확도를 높일 수 있으며, 궁극적으로 연료전지 스택의 최적 출력 효율을 확보할 수 있다.
둘째, 시동 후, 냉각수 온도 승온 시간을 단축할 수 있다.
셋째, 저출력 운전 시(동절기 도심 모드) 라디에이터측 포트 누수를 개선할 수 있다.
넷째, 포트 입구쪽에 가스켓을 부착시키는 방식으로 적용함으로써 제작성 향상과 더불어 밸브 외면과의 접촉성 향상을 통해 기밀성능을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 3-웨이 밸브의 전체 구성을 나타내는 사시도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 3-웨이 밸브를 나타내는 사시도 및 사진
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 3-웨이 밸브를 나타내는 평면도 및 확대도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 3-웨이 밸브 적용 시 갭 공차에 의한 냉각수온 변화량을 나타내는 그래프
도 5는 종래 연료전지 차량의 3-웨이 밸브를 나타내는 평면도
도 6는 종래 연료전지 차량의 3-웨이 밸브에서 갭 공차를 나타내는 평면도
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 3-웨이 밸브의 전체 구성을 나타내는 사시도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 상기 3-웨이 밸브는 스택, 펌프, 라디에이터로 각각 연결되는 포트(12,13,14)를 가지는 밸브 하우징(11), 상기 밸브 하우징(11)의 내부에 설치되어 각 포트(12,13,14)를 선택적으로 개폐하는 유량제어 밸브(미도시), 상기 유량제어 밸브의 일측에서 액추에이터 하우징(미도시) 내에 설치되어 유량제어 밸브를 동작시켜주는 액추에이터(미도시), 상기 액추에이터를 제어하는 제어기(미도시) 등을 포함하는 구조로 이루어진다.
그리고, 상기 제어기의 제어에 의한 액추에이터의 동력으로 유량제어 밸브를 동작시키는 방식 등은 종래와 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이에 따라, 상기 유량제어 밸브는 밸브 하우징(11)의 내부에 위치되고, 이렇게 위치된 상태에서 유량제어 밸브는 밸브 하우징(11)에 있는 스택측 포트(12), 바이패스측 포트(13) 및 라디에이터측 포트(14)의 각 포트 입구와 접하면서 회전되어, 각 포트를 선택적으로 개폐할 수 있게 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 3-웨이 밸브를 나타내는 사시도 및 사진이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 3-웨이 밸브를 나타내는 평면도 및 확대도이다.
도 2와 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 3-웨이 밸브는 포트 입구쪽에 가스켓 구조를 적용하여 갭 공차를 개선할 수 있는 구조를 포함하며, 이에 따라 포트 누수를 극소화하여 냉각수온 제어의 정확도를 확보할 수 있는 특징이 있다.
이를 위하여, 스택측 포트(12), 바이패스측 포트(13) 및 라디에이터측 포트(14)를 가지는 밸브 하우징(11)이 마련되고, 이러한 밸브 하우징(11)의 내부에는 각 포트 입구와 접하는 유량제어 밸브(미도시)가 위치되어, 각 포트를 선택적으로 개폐할 수 있게 된다.
특히, 상기 스택측 포트(12), 바이패스측 포트(13) 및 라디에이터측 포트(14)의 각 입구쪽 표면, 즉 유량제어 밸브의 외면과 접하는 면에는 누수 방지를 위한 가스켓(15)이 설치된다.
이때의 가스켓(15)은 유량제어 밸브(10)의 외면과 접촉하여 약간 눌려지면서 포트 입구 주변의 기밀을 유지시켜줄 수 있게 되고, 결국 포트 입구의 누수를 방지하는 역할을 하게 된다.
이러한 가스켓(15)의 폭은 스택측 포트(12), 바이패스측 포트(13) 및 라디에이터측 포트(14)의 각 입구쪽 폭과 동일한 폭 또는 포트 입구쪽 폭보다 작은 폭으로 이루어질 수 있게 되며, 포트 입구 전체 둘레를 따라 설치된다.
일 예로서, 상기 가스켓(15)은 원형으로 된 포트 입구의 형상을 따라가면서 설치되는 링 모양으로 이루어질 수 있게 된다.
이와 같은 가스켓(15)은 스택측 포트(12), 바이패스측 포트(13) 및 라디에이터측 포트(14)의 각 포트 입구쪽 표면에 형성되는 가스켓 홈(16) 내에 끼워져 장착되는 구조로 설치될 수 있게 된다.
물론, 이때의 가스켓 홈(16)은 포트 입구쪽 표면의 전체 둘레를 따라가면서 연속해서 형성되는 형태로 이루어질 수 있게 된다.
보통 유량제어 밸브의 외면과 포트 입구는 서로 밀착되는 구조로 접해 있기 때문에 가스켓 홈(16) 내에 끼워지는 구조로 설치되는 가스켓(15) 또한 유량제어 밸브의 외면에 의해 가압될 수 있게 되고, 결국 가스켓(15)의 설치상태가 안정적으로 유지될 수 있게 된다.
이러한 가스켓(15)은 다양한 소재로 이루어질 수 있는데, 예를 들면 -35℃의 냉시동 조건에서도 우수한 기밀성을 확보할 수 있는 에틸렌프로필렌 고무(ethylene propylene rubber)인 EPDM 소재 등으로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 가스켓(15)의 경우 표면에 테프론(teflon) 코팅층을 형성하여, 회전체와 접촉하는 특성상 마찰계수를 감소시킬 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
따라서, 연료전지 스택의 운전 시 스택, 펌프, 라디에이터로 각각 연결되는 포트(12,13,14)를 선택적으로 개폐하는 역할의 유량조절 밸브는 밸브 하우징(11)의 내부에서 각 포트 입구와 접하게 되고, 실질적으로는 포트 입구에 설치되어 있는 가스켓(15)측에 밀착구조로 접하게 되고, 이렇게 포트 입구에 설치되어 있는 가스켓(15)에 의해 포트 입구의 기밀이 유지될 수 있게 된다.
결국, 유량조절 밸브 외면과 포트 입구 사이에서 압착되는 가스켓(15)에 의해 완벽한 기밀구조가 확보될 수 있게 되므로, 포트 누수를 극소화할 수 있게 된다.
아래의 표 1은 기존의 3-웨이 밸브와 가스켓을 적용한 본 발명의 3-웨이 밸브의 누수량 평가결과를 나타내는 표이다.
Figure pat00001
위의 표 1에서 볼 수 있듯이 기존의 3-웨이 밸브에 비해 가스켓을 적용한 본 발명의 3-웨이 밸브의 누수량 측정 결과 약 45%의 누수 감소 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
그리고, 도 4의 그래프에 도시한 바와 같이, 갭 공차에 의한 냉각수온 변화량을 측정할 결과, 본 발명에서 제공하는 3-웨이 밸브, 즉 가스켓을 적용한 3-웨이 밸브의 경우, 시동 후에 냉각수 온도 시간이 단축된 것을 알 수 있는 등 정상 운전 가능 시간을 단축할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서는 3-웨이 밸브의 포트에 누수방지를 위한 가스켓을 적용하여 갭 간극에 의한 누수를 개선하는 기술을 구현함으로써, 3-웨이 밸브의 냉각수온 제어의 정확도를 높일 수 있음은 물론, 시동 후 냉각수 승온시간 단축으로 정상 운전 가능 시간을 줄일 수 있고, 동절기 도심 운전 모드와 같은 저출력 운전 시 라디에이터측 포트 누수는 개선하여 저출력 운전 연비를 향상시킬 수 있다.
11 : 밸브 하우징
12 : 스택측 포트
13 : 바이패스측 포트
14 : 라디에이터측 포트
15 : 가스켓
16 : 가스켓 홈

Claims (5)

  1. 스택측 포트(12), 바이패스측 포트(13) 및 라디에이터측 포트(14)를 밸브 하우징(11)과, 상기 밸브 하우징(11)의 내부에 설치되어 모터 구동으로 각 포트를 선택적으로 개폐하는 유량제어 밸브(10)를 포함하며,
    상기 밸브 하우징(11)에 있는 스택측 포트(12), 바이패스측 포트(13) 및 라디에이터측 포트(14)의 입구쪽 표면에는 유량제어 밸브의 외면과 접촉하여 누수를 방지해주는 가스켓(15)이 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 3-웨이 밸브.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스켓(15)은 포트의 폭과 동일한 폭을 갖거나 이보다 작은 폭을 가지면서 포트 입구 전체 둘레를 따라 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 3-웨이 밸브.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스켓(15)은 포트 입구쪽 표면에 형성되는 가스켓 홈(16) 내에 끼워지는 구조로 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 3-웨이 밸브.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스켓(15)은 에틸렌프로필렌 고무(ethylene propylene rubber)인 EPDM 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 3-웨이 밸브.
  5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스켓(15)의 표면은 마찰계수 감소를 위하여 테프론(teflon) 코팅이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 3-웨이 밸브.
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