KR20180066305A - 수소연료 저장용기용 밸브 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 수소연료 저장용기용 밸브는 수소연료 저장용기에 장착되는 밸브 바디와, 상기 밸브 바디에 장착되어 수동으로 원료가스가 통과하는 유로를 개폐하는 메뉴얼 밸브와, 상기 밸브 바디에 장착되어 전기적인 신호에 따라 유로를 자동으로 개폐하는 솔레노이드 밸브와, 상기 밸브 바디에 장착되어 원료가스가 출입하는 아웃렛 파이프와, 상기 수소연료 저장용기에 삽입되어 배치되고 밸브 바디에 장착되어 수소연료 저장용기 내부로 원료가스를 충전할 때 원료가스가 통과하는 충전 파이프와, 상기 수소연료 저장용기에 삽입되어 배치되고 밸브 바디에 장착되어 수소연료 저장용기에 저장된 원료가스를 사용할 때 원료가스가 통과하는 사용 파이프를 포함하고, 상기 솔레노이드 밸브는 원료가스 충전시 원료가스가 통과하지 않도록 하여 원료가스 충전압에 의한 솔레노이드 밸브가 손상되는 것을 방지한다.

Description

수소연료 저장용기용 밸브{VALVE FOR HYDROGEN STORAGE TANK}
본 발명은 수소연료 저장용기에 저장된 원료가스를 수소연료 저장용기에 충전하거나 사용부로 공급할 때 원료가스의 흐름을 제어하는 수소연료 저장용기용 밸브에 관한 것이다.
현재, 수소 연료전지 시스템의 경우 원료가스가 저장된 수소연료 저장용기에 밸브가 설치되어 수소연료 저장용기로 원료가스를 충전할 때 원료가스의 흐름을 제어하고, 수소연료 저장용기에 저장된 원료가스를 사용부로 공급할 때 원료가스의 흐름을 제어한다.
이러한 밸브는 전기적인 신호에 따라 정밀하게 원료가스의 흐름을 정밀하게 제어할 수 있고, 수소연료 저장용기에 저장된 원료가스의 압력을 일정하게 유지해야되며, 수소 연료전지 자동차의 전복이나 화재 발생시 수소연료 저장용기의 폭발을 방지할 수 있어야 된다.
종래의 밸브는 미국 등록특허 US 7,309,113 B2(2007 12. 18)에 개시된 바와 같이, 고압 실린더에 장착되고 제1압력을 갖는 제1 지역과 제2압력을 갖는 제2지역 사이에 연결되는 메인 유동 통로가 형성되는 밸브바디와, 메인 유동 통로에 연결된 입구측에 설치되는 필터와, 메인 유동 통로와 연통된 부분에 설치되어 메인 유동 통로를 수동으로 개폐하는 매뉴얼 밸브와, 메인 유동 통로와 연통되는 배압 통로에 설치되어 전기적인 신호에 따라 배압 통로를 개폐하는 솔레노이드 밸브와, 메인 유동 통로에 설치되어 과압이 발생되면 메인 유동 통로를 막고 정상압이 되면 메인 유동 통로를 개방하는 셔틀 밸브를 포함한다.
이와 같은 종래의 밸브는 충전할 때 고압의 원료가스가 입구를 통해 메인 유동 통로로 유입되고 솔레노이드 밸브가 열리는 방향으로 작동되면 솔레노이드 밸브를 통과하여 고압 실린더로 유입된다. 그리고, 고압 실린더에 저장된 원료가스가 사용부로 공급될 때에는 고압 실린더에 저장된 원료가스가 배압 통로를 통과하고 솔레노이드 밸브를 거쳐 입구를 통해 사용부로 공급된다.
하지만, 상기한 바와 같은 종래의 밸브는 고압의 원료가스를 수소연료 저장용기에 충전할 때 솔레노이드 밸브를 통과하기 때문에 충전 압력으로 인하여 솔레노이드 밸브가 손상되는 문제가 있다.
미국 등록특허 US 7,309,113 B2(2007 12. 18)
따라서, 본 발명의 목적은 수소연료 저장용기에 고압의 원료가스를 충전할 때에는 솔레노이드 밸브를 통과하지 않도록 하여 충전압에 의한 솔레노이드 밸브의 손상을 방지할 수 있는 수소연료 저장용기용 밸브를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 수동으로 유로를 개폐하는 메뉴얼 밸브와 전기적인 신호에 따라 유로를 자동으로 개폐하는 솔레노이드 밸브와 원료가스가 출입하는 출입구가 밸브 바디에 장착되는 구조를 개선하여 밸브를 수소연료 자동차에 설치하기 편리한 수소연료 저장용기용 밸브를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 수소연료 저장용기용 밸브는 수소연료 저장용기에 장착되는 밸브 바디와, 상기 밸브 바디에 장착되어 수동으로 원료가스가 통과하는 유로를 개폐하는 메뉴얼 밸브와, 상기 밸브 바디에 장착되어 전기적인 신호에 따라 유로를 자동으로 개폐하는 솔레노이드 밸브와, 상기 밸브 바디에 장착되어 원료가스가 출입하는 아웃렛 파이프와, 상기 수소연료 저장용기에 삽입되어 배치되고 밸브 바디에 장착되어 수소연료 저장용기 내부로 원료가스를 충전할 때 원료가스가 통과하는 충전 파이프와, 상기 수소연료 저장용기에 삽입되어 배치되고 밸브 바디에 장착되어 수소연료 저장용기에 저장된 원료가스를 사용할 때 원료가스가 통과하는 사용 파이프를 포함하고, 상기 솔레노이드 밸브는 원료가스 충전압에 의한 손상을 방지할 수 있도록 원료가스 충전시 원료가스가 통과하지 않는 것을 특징으로 한다.
상기 유로는 아웃렛 파이프와 메뉴얼 밸브 사이에 연결되는 제1유로와, 상기 메뉴얼 밸브와 충전 파이프 사이에 연결되는 제2유로와, 상기 제2유로에서 분기되어 솔레노이드 밸브가 연결되는 제3유로와, 상기 솔레노이드 밸브와 사용 파이프 사이에 연결되는 제4유로를 포함하고, 원료가스는 충전시 제2유로를 통과하고, 사용시 제4유로를 통과하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2유로는 상기 제4유로에 비해 내경이 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제3유로에는 원료가스 충전시 원료가스가 솔레노이드 밸브로 유입되는 것을 차단하는 제1체크밸브가 장착되는 것을 특징으로 한다.
상기 충전 파이프에는 수소연료 저장용기에 저장된 원료가스가 제2유로로 유입되는 것을 차단하는 제2체크밸브가 장착되는 것을 특징으로 한다.
상기 사용 파이프에는 제4유로를 통해 원료가스가 수소연료 저장용기로 주입되는 것을 차단하는 제3체크밸브가 장착되는 것을 특징으로 한다.
상기 충전 파이프는 상기 사용 파이프에 비해 길이가 길게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 밸브 바디에는 수소연료 저장용기 내의 온도를 측정하는 온도센서가 장착되고, 상기 온도센서와 연결되는 케이블은 밸브 바디에 형성되는 통로를 통과하여 솔레노이드 밸브의 커넥터에 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 수소연료 저장용기에 고압의 원료가스를 충전할 때에는 솔레노이드 밸브를 통과하지 않도록 하여 충전압에 의해 솔레노이드 밸브가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 수동으로 유로를 개폐하는 메뉴얼 밸브와 전기적인 신호에 따라 유로를 자동으로 개폐하는 솔레노이드 밸브와 원료가스가 출입하는 출입구가 밸브 바디에 장착되는 구조를 개선하여 밸브를 수소연료 자동차에 설치하기 편리하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소연료 저장용기용 밸브의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소연료 저장용기용 밸브의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소연료 저장용기용 밸브의 상면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소연료 저장용기용 밸브의 단면도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소연료 저장용기용 밸브의 작동 상태도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소연료 저장용기용 밸브의 개략적인 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소연료 저장용기용 밸브의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소연료 저장용기용 밸브의 상면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소연료 저장용기용 밸브의 단면도이다.
일 실시예에 따른 수소연료 저장용기용 밸브는 원료가스가 저장되는 수소연료 저장용기(100)에 장착되는 밸브 바디(10)와, 밸브 바디(10)에 장착되어 수동으로 원료가스가 통과하는 유로를 개폐하는 메뉴얼 밸브(12)와, 밸브 바디(10)에 장착되어 전기적인 신호에 따라 유로를 자동으로 개폐하는 솔레노이드 밸브(14)를 포함한다.
밸브 바디(10)에는 외부의 원료가스 라인이 연결되어 원료가스가 출입하는 아웃렛 파이프(16)와, 수소연료 저장용기(100)에 삽입되어 배치되고 수소연료 저장용기(100) 내부로 원료가스를 충전할 때 원료가스가 통과하는 충전 파이프(18)와, 수소연료 저장용기(100)에 저장된 원료가스를 사용할 때 원료가스가 통과하는 사용 파이프(20)가 각각 장착된다.
밸브 바디(10)의 내부에는 원료가스가 통과하는 유로가 형성되고, 유로는 아웃렛 파이프(16)와 메뉴얼 밸브(12) 사이에 연결되는 제1유로(30)와, 메뉴얼 밸브(12)와 충전 파이프(18) 사이에 연결되는 제2유로(32)와, 제2유로(32)에서 분기되어 솔레노이드 밸브(14)와 연결되는 제3유로(34)와, 솔레노이드 밸브(14)와 사용 파이프(20) 사이에 연결되는 제4유로(36)를 포함한다.
제2유로(32)는 수소연료 저장용기(100)로 빠른 시간 내에 원료가스를 충전할 수 있도록 그 내경이 크게 형성되고, 제4유로(36)는 수소연료 저장용기(100)에 저장된 원료가스가 사용부로 공급되는 라인이기 때문에 제1유로(32)에 비해 내경이 작게 형성된다.
그리고, 밸브 바디(10)에는 차량 사고나 전복시 차량의 배관이 끊어질 경우 수소연료 저장용기(100) 내부의 원료가스가 비정상적으로 과다하게 유출되는 것을 방지하는 과류차단밸브(40)와, 차량 사고 등으로 화재 발생시 온도에 의해 수소연료 저장용기(100) 내의 압력이 상승하면 원료가스를 외부로 방출해주는 압력해제장치(42)가 설치된다.
과류차단밸브(40)와 압력해제장치(42)는 밸브 바디(10)에 형성되는 제5유로(44)에 연결되고, 제5유로(44)는 수소연료 저장용기(100)와 연결되어 수소연료 저장용기(100)에 저장된 원료가스가 제5유로(44)로 유입된다.
그리고 밸브 바디(10)에는 온도센서(50)가 장착되고, 온도센서(50)는 수소연료 저장용기(100) 내부의 온도를 감지하여 그 신호를 제어부로 인가한다.
온도센서(50)와 연결되는 케이블(54)은 밸브 바디(10)에 형성되는 통로(52)를 통과하여 솔레노이드 밸브(14)의 커넥터(56)에 연결된다. 이와 같이, 온도센서와 전기적으로 연결되는 케이블이 솔레노이드 밸브(14)의 커넥터(56)에 통합되어 연결되기 때문에 온도센서 케이블(54)을 연결하기 위한 별도의 커넥터가 불필요하여 구조를 단순화 할 수 있다.
수소연료 저장용기(100)는 700Bar 이상의 원료가스를 충분히 안전하게 저장할 수 있는 용기가 사용된다.
솔레노이드 밸브(14), 아웃렛 파이프(16), 메뉴얼 밸브(12), 과류차단밸브(40) 및 압력해제장치(42)는 도 1에 도시된 바와 같이, 밸브 바디(10)의 측면에 수평방향으로 설치된다.
그리고, 충전 파이프(18)와 사용 파이프(20)는 밸브 바디(10)의 하측에 수직방향으로 설치되어 수소연료 저장용기에 삽입되게 배치된다. 여기에서, 충전 파이프(18)는 사용 파이프(20)에 비해 길이가 길게 형성되어 사용 파이프(20)에 비해 수소연료 저장용기에 깊숙히 삽입된다.
이와 같은 각종 밸브의 설치 위치는 밸브가 설치되는 수소연료 자동차의 설치공간의 형상이나 원료가스 충전 및 사용 파이프와 신호 전달 커넥터의 위치에 따라 적절하게 배치되어야 한다.
따라서, 본 발명에서는 수소연료 저장용기(100)에 장착되는 밸브가 설치공간과 연결라인의 위치와 조합을 이룰 수 있도록 설치 각도를 조절하였다.
즉, 본 발명의 밸브는 도 3에 도시된 바와 같이, 솔레노이드 밸브(14)는 밸브 바디(10)의 일측에 배치되고, 아웃렛 파이프(16)는 솔레노이드 밸브(14)가 설치되는 밸브 바디(14)의 반대쪽 타측에 솔레노이드 밸브(14)와 180도의 간격을 두고 일직선 상에 장착된다.
그리고, 아웃렛 파이프(16)와 압력해제장치(42)의 각도(θ1)는 10°~ 40°정도로 배치되고, 매뉴얼 밸브(12)와 아웃렛 파이프(16) 사이의 각도(θ2)는 80°~ 90°정도로 배치되어 설치장소에 최적화될 수 있도록 하였다.
아웃렛 파이프(16)에는 필터(56)가 장착되어 원료가스에 포함된 미세 먼지를 걸러준다. 필터(56)는 아웃렛 파이프(16) 이외에 충전 파이프(18) 및 사용 파이프(20)에도 장착될 수 있다.
필터(56)는 10㎛의 다공성 소결필터가 사용된다. 본 실시예의 필터는 금속 재질의 소결필터가 사용되기 때문에 원료가스의 압력에 의해 필터가 손상되는 것을 방지할 수 있고, 필터의 수명을 증대시킬 수 있다.
메뉴얼 밸브(12)는 밸브 바디(10)에 나사 결합되는 바디부(60)와, 바디부(60)의 내면에 나사 결합되어 일방향으로 돌리면 전진하고, 타방향으로 돌리면 후퇴하는 스크류 부재(62)와, 스크류 부재(62)의 끝부분에 결합되어 제1유로(30)를 개폐하는 시트부재(64)를 포함한다.
솔레노이드 밸브(14)의 전방에는 원료가스 충전시 제2유로(321)로 유입된 원료가스가 솔레노이드 밸브(14)로 유입되는 것을 방지하는 제1체크밸브(70)가 장착된다. 즉, 원료가스 충전시 빠른시간 내에 원료가스를 수소연료 저장용기에 충전해야되기 때문에 충전압이 높다. 이러한 높은 충전압이 솔레노이드 밸브(14)에 작용하게 되면 솔레노이드 밸브(14)에 손상이 발생될 우려가 있다.
따라서, 본 발명에서는 제3유로(34) 상에 제1체크밸브(70)를 설치하여 원료가스 충전시 원료가스가 솔레노이드 밸브(14)에 작용하는 것을 방지하여 솔레노이드 밸브(14)를 보호한다.
그리고, 충전 파이프(18)에는 제2유로(32)로 유입된 원료가스가 수소연료 저장용기로 충전될 때에는 개방되고, 수소연료 저장용기에 저장된 원료가스가 사용을 위해 배출될 때에는 차단되는 제2체크밸브(72)가 장착된다.
그리고, 사용 파이프(20)에는 수소연료 저장용기에 저장된 원료가스가 사용을 위해 배출될 때에는 개방되고, 그 반대의 경우에는 차단되는 제3체크밸브(74)가 장착된다.
이와 같이, 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소연료 저장용기용 밸브의 작용을 다음에서 설명한다.
먼저, 수소연료 저장용기(100)에 원료가스를 충전할 때에는 도 5에 도시된 바와 같이, 아웃렛 파이프로 유입된 원료가스는 제1유로를 통해 유입되고, 메뉴얼 밸브가 개방된 상태이므로 제2유로를 통과하고, 충전용 파이프를 통해 수소연료 저장용기로 공급된다.
이때, 제2유로에서 분기되는 제3유로에는 제1체크밸브가 설치되어, 제2유로로 유입된 원료가스가 솔레노이드 밸브로 전달되는 것을 차단하여 솔레노이드 밸브가 충전압에 의해 손상되는 것을 방지한다.
그리고, 충전용 파이프에 설치된 제2체크밸브는 충전압에 의해 개방되어 원료가스의 충전이 진행된다. 이때, 제2유로는 그 내경이 크게 형성되어 빠른 시간 내에 원료가스의 충전이 이루어질 수 있도록 한다.
그리고, 수소연료 저장용기에 저장된 원료가스가 사용부로 공급될 때에는 도 6에 도시된 바와 같이, 수소연료 저장용기에 저장된 원료가스가 사용 파이프를 통해 배출되고, 제4유로를 통하여 솔레노이드 밸브로 유입되고, 솔레노이드 밸브가 개방되면, 원료가스가 제1유로를 통과하여 아웃렛 파이프를 통해 사용부로 공급된다.
이때 사용 파이프에 설치된 제3체크밸브가 원료가스의 압력에 의해 개방되고, 제3유로는 제2유로에 비해 내경이 작게 형성되어 원료가스가 충전시에 비해 천천히 배출될 수 있도록 한다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
10: 밸브 바디 12: 메뉴얼 밸브
14: 솔레노이드 밸브 16: 아웃렛 파이프
18: 충전 파이프 20: 사용 파이프
30: 제1유로 32: 제2유로
34: 제3유로 36: 제4유로
40: 과류차단밸브 42: 압력해제장치
50: 온도센서 70: 제1체크밸브
72: 제2체크밸브 74: 제3체크밸브

Claims (8)

  1. 수소연료 저장용기에 장착되는 밸브 바디;
    상기 밸브 바디에 장착되어 수동으로 원료가스가 통과하는 유로를 개폐하는 메뉴얼 밸브;
    상기 밸브 바디에 장착되어 전기적인 신호에 따라 유로를 자동으로 개폐하는 솔레노이드 밸브;
    상기 밸브 바디에 장착되어 원료가스가 출입하는 아웃렛 파이프;
    상기 수소연료 저장용기에 삽입되어 배치되고 밸브 바디에 장착되어 수소연료 저장용기 내부로 원료가스를 충전할 때 원료가스가 통과하는 충전 파이프; 및
    상기 수소연료 저장용기에 삽입되어 배치되고 밸브 바디에 장착되어 수소연료 저장용기에 저장된 원료가스를 사용할 때 원료가스가 통과하는 사용 파이프;를 포함하고,
    상기 솔레노이드 밸브는 원료가스 충전압에 의한 손상을 방지할 수 있도록 원료가스 충전시 원료가스가 통과하지 않는 것을 특징으로 하는 수소연료 저장용기용 밸브.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유로는 아웃렛 파이프와 메뉴얼 밸브 사이에 연결되는 제1유로와,
    상기 메뉴얼 밸브와 충전 파이프 사이에 연결되는 제2유로와,
    상기 제2유로에서 분기되어 솔레노이드 밸브가 연결되는 제3유로와,
    상기 솔레노이드 밸브와 사용 파이프 사이에 연결되는 제4유로를 포함하고,
    원료가스는 충전시 제2유로를 통과하고, 사용시 제4유로를 통과하는 것을 특징으로 하는 수소연료 저장용기용 밸브.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2유로는 상기 제4유로에 비해 내경이 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 수소연료 저장용기용 밸브.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제3유로에는 원료가스 충전시 원료가스가 솔레노이드 밸브로 유입되는 것을 차단하는 제1체크밸브가 장착되는 것을 특징으로 하는 수소연료 저장용기용 밸브.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 충전 파이프에는 수소연료 저장용기에 저장된 원료가스가 제2유로로 유입되는 것을 차단하는 제2체크밸브가 장착되는 것을 특징으로 하는 수소연료 저장용기용 밸브.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 사용 파이프에는 제4유로를 통해 원료가스가 수소연료 저장용기로 주입되는 것을 차단하는 제3체크밸브가 장착되는 것을 특징으로 하는 수소연료 저장용기용 밸브.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 충전 파이프는 상기 사용 파이프에 비해 길이가 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 수소연료 저장용기용 밸브.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 밸브 바디에는 수소연료 저장용기 내의 온도를 측정하는 온도센서가 장착되고, 상기 온도센서와 연결되는 케이블은 밸브 바디에 형성되는 통로를 통과하여 솔레노이드 밸브의 커넥터에 연결되는 것을 특징으로 하는 수소연료 저장용기용 밸브.
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