KR20210100698A - 가스상 매체 저장용 탱크 장치 - Google Patents

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KR20210100698A
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inner chamber
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안드레아스 라우
요어크 한
우도 샤이히
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은, 밸브 장치(2) 및 탱크(10)를 구비한, 가스상 매체, 특히 수소를 저장하기 위한 탱크 장치(1)에 관한 것으로, 밸브 장치(2)는 종축(11)을 가진 밸브 하우징(20)을 포함하며, 상기 밸브 하우징(20) 내에는 내부 챔버(7)가 형성된다. 내부 챔버(7) 내에는 종축(11)을 따라 이동될 수 있는 구동 밸브 부재(18)가 배치되며, 상기 구동 밸브 부재(18)는 배출 개구부(31)를 개폐하기 위해 밸브 시트(40)와 상호 작용하고, 그렇게 해서 구동 밸브(44)를 형성하며, 밸브 장치(2)는 솔레노이드(14)를 포함한다. 또한, 밸브 시트(40)는 밸브 하우징(20)과 배출 개구부(31)의 하류에 형성되고, 원통형 배출 개구부(31)는 원통형 통과 덕트(80) 내로 통하며, 통과 덕트(80)의 지름(D)이 배출 개구부(31)의 지름(d)보다 더 크다.

Description

가스상 매체 저장용 탱크 장치
본 발명은, 예컨대 연료 전지 구동 장치를 장착한 차량에 적용하기 위한 것으로서, 특히 수소 저장용 연료 전지 탱크를 위한 탱크 장치에 관한 것이다.
미공개 공보 DE 10 2018 209 057 A1호는 연료 전지 탱크의 온도 압력 릴리프(temperature pressure relief)를 위한 탱크 장치를 기술하고 있으며, 상기 탱크 장치는, 예컨대 연료 전지 시스템의 올바른 기능성을 보장하는, 예컨대 차단 밸브와 같은 다양한 밸브들을 구비한 탱크 용기(tank container)를 포함한다.
상기 탱크 장치를 위한 안전장치들은 표준화되어 있다. 이 경우, 각각의 탱크 장치가 상기 차단 밸브를 구비해야 한다. 이렇게, 차단 밸브는, 연료 전지 구동 장치를 장착한 차량의 사고로 유발된 탱크 장치의 손상 시, 또는 탱크 장치의 라인 파손 시 탱크 용기를 폐쇄할 수 있으며, 그럼으로써 저장 유닛에서 가스가 유출될 수 없게 된다.
이렇게 다수의 밸브는 복잡하고 비용 집약적인 탱크 장치를 야기할 수 있다.
그에 비해, 청구항 제1항의 특징들을 가진 본 발명에 따른 탱크 장치는, 각각의 안전밸브가 조밀하고 비용 효율적인 구조를 가지며, 기밀성과 관련한 높은 안전 요건이 항상 충족된다는 장점이 있다.
이를 위해, 가스상 매체, 특히 수소를 저장하기 위한 본원 탱크 장치는 밸브 장치와 탱크를 포함한다. 밸브 장치는 종축을 갖는 밸브 하우징을 포함하며, 상기 밸브 하우징 내에는 내부 챔버가 형성된다. 내부 챔버 내에는 종축을 따라 이동될 수 있는 구동 밸브 부재(actuation valve element)가 배치되고, 상기 구동 밸브 부재는 배출 개구부를 개폐하기 위해 밸브 시트와 상호 작용하며, 그렇게 해서 구동 밸브를 형성한다. 또한, 밸브 장치는 솔레노이드를 포함한다. 더 나아가, 밸브 시트는 하류에서 밸브 하우징과 배출 개구부에 형성되고, 원통형 배출 개구부는 원통형 통과 덕트 내로 통하며, 통과 덕트의 지름(D)은 배출 개구부의 지름(d)보다 더 크다.
이런 방식으로, 통합된 구조를 기반으로 안전 요건을 충족하고 비용 절약을 달성하며, 조밀하게 구성되어 간단하게 개폐하는 안전 솔레노이드밸브가 달성될 수 있다.
바람직한 제1 개선예에서, 통과 덕트는 원추형 전이 영역에 의해 배출 개구부로 전이된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 바람직하게는 탱크는 넥 영역(neck region)을 가지며, 이 넥 영역 내에 밸브 장치가 배치된다. 바람직하게, 탱크 장치는 덮개 부재를 구비하며, 이 덮개 부재에 의해 밸브 장치가 탱크의 넥 영역 내에 단단히 통합되어 주변에 대해 밀폐된다. 이렇게, 전체 탱크 장치의 내구성이 보장될 수 있는데, 그 이유는 밸브 장치가 탱크 내에 통합됨으로써 높은 안정성이 달성될 수 있기 때문이다. 사고 발생 시에도, 밸브 장치는 외부 영향으로부터 보호된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 바람직하게는, 넥 영역 내에 통과 개구가 형성되며, 상기 통과 개구는 탱크 내부 챔버 내로 통한다. 이는 특히 사고 발생 시 전체 탱크의 더 높은 내구성을 유도한다.
바람직한 개선예에서, 밸브 하우징의 내부 챔버는 밸브 하우징 내에 형성된 유입 개구부에 의해 탱크 내부 챔버와 연결될 수 있다. 이처럼 간단한 방식으로, 탱크에서 나오는 가스상 매체의 유동 단면이 제어될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 바람직하게, 구동 밸브 부재의 리세스부 내에 스프링이 배치되고 스프링 챔버가 형성되며, 상기 스프링을 통해 주 밸브 부재에 밸브 시트의 방향으로 힘이 가해진다. 이로써, 솔레노이드에 전류가 공급되지 않는 경우에 밸브 장치의 기밀성이 보장된다.
바람직한 개선예에서, 구동 밸브 부재는 하나의 종방향 개구부 및 추가 개구부들을 구비하며, 상기 종방향 개구부 및 추가 개구부들은 스프링 챔버와 유동 연결된다. 이렇게 최적의 방식으로 유입 개구부가 밸브 장치의 배출 개구부와 연결될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 바람직하게, 구동 밸브 부재 상에 씰 바디(seal body)가 배치되며, 상기 씰 바디는 반구형 끝단을 갖는다. 바람직하게 씰 바디는 플라스틱으로 제조된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 바람직하게, 밸브 시트는 원추형으로 형성되며, 상기 밸브 시트는 배출 개구부를 개폐하기 위해 씰 바디의 반구형 끝단과 상호 작용한다. 이로써 밸브 시트에서 높은 기밀성이 달성될 수 있다.
기술된 탱크 장치는 바람직하게 연료 전지 어셈블리에서 연료 전지의 작동을 위한 수소를 저장하기에 적합하다.
도면에는, 가스상 매체, 특히 수소의 저장을 위한 본 발명에 따른 탱크 장치의 실시예들이 도시되어 있다.
도 1은 밸브 장치를 구비한 본 발명에 따른 탱크 장치의 일 실시예의 종단면도이다.
도 1에는, 가스상 매체를 위한 본 발명에 따른 탱크 장치(1)의 일 실시예가 도시되어 있다. 탱크 장치(1)는 탱크(10)와 밸브 장치(2)를 구비한다. 탱크(10)는 탱크 하우징(47)을 구비하고, 이 탱크 하우징 내에는 탱크 내부 챔버(100)가 형성된다. 또한, 탱크 하우징(47)은 바닥 영역을 가진 넥 영역(6)을 포함하며, 바닥 영역 내에는 통과 개구(4)가 형성된다. 상기 통과 개구(4)의 일측 단부는, 가스상 매체, 예컨대 수소가 저장될 수 있는 탱크 내부 챔버(100)로 통한다.
넥 영역(6)의 타측 단부에서는, 탱크(10)의 통과 개구(4) 내에 밸브 장치(2)가 배치되고 탱크(10)의 탱크 하우징(47) 내에 통합된다. 또한, 넥 영역(6)은 덮개 부재(12)에 의해 에워싸이며, 그럼으로써 밸브 장치(2)와 탱크 내부 챔버(100)는 주변(50)으로부터 밀폐된다.
이렇게, 가스상 매체, 특히 수소는 예컨대 밸브 장치(2)를 통해 탱크 내부 챔버(100)로부터 원통형 통과 덕트(80)를 경유하여 연료 전지 어셈블리 내 연료 전지의 애노드 영역으로 공급될 수 있다.
밸브 장치(2)는 종축(11)을 갖는 밸브 하우징(20)을 구비하며, 이 밸브 하우징 내에는 단차형 내부 챔버(7)가 형성된다. 밸브 장치(2)는 밸브 하우징(20) 내에 원통형 유입 개구부(28) 및 원통형 배출 개구부(31)를 구비하며, 유입 개구부(28)는 넥 영역(6) 내 탱크(10)의 통과 개구(4) 내로 통한다. 이 경우, 밸브 장치(2)의 유입 및 배출 모두 밸브 장치(2)의 종축(11)에 대해 축방향으로 수행된다.
또한, 밸브 하우징(20) 내에는 솔레노이드(14)가 수용되어 통합되며, 솔레노이드(14)는 지지 부재(22)에 의해 밸브 하우징(20) 내에 고정되고, 지지 부재(22) 상의 밀봉 부재(32)에 의해 내부 챔버(7)에 대해 밀폐된다. 이 경우, 솔레노이드(14)는 전기 커넥터(30)를 통해 구동될 수 있다.
내부 챔버(7) 내에는, 종축(11)을 따라 이동될 수 있는 구동 밸브 부재(18)가 배치된다. 구동 밸브 부재(18) 및 밸브 하우징(20)은 환형 챔버(27) 및 스프링 챔버(25)를 제한한다. 환형 챔버(27)는 배출 개구부(31) 내로 통하고, 스프링 챔버(25)는 유입 개구부(28) 내로 통한다.
구동 밸브 부재(18) 상에는, 밸브 하우징(20) 상에 원추형으로 형성된 밸브 시트(40)와 함께 구동 밸브(44)를 형성하는 씰 바디(19)가 배치된다. 씰 바디(19)는 밸브 시트(40) 상에 안착되는 데 이용되는 반구형 끝단을 가지며, 바람직하게는 플라스틱으로 제조된다. 구동 밸브(44)에 의해, 환형 챔버(27)와 배출 개구부(31)와 통과 덕트(80) 사이의 연결부가 개방되고 폐쇄될 수 있다.
이 경우, 통과 덕트(80)는 원추형 전이 영역(36)에 의해 배출 개구부(31) 내로 통하며, 상기 통과 덕트(80)는 지름(D)을 가지고, 배출 개구부(31)는 지름(d)을 갖는다. 통과 덕트(80)의 지름(D)이 배출 개구부(31)의 지름(d)보다 더 크다.
구동 밸브 부재(18) 내에는 하나의 종방향 개구부(33) 및 추가 개구부들(32)이 형성된다. 추가 개구부들(32)은 환형 챔버(27) 내로 통하며, 종방향 개구부(33)는 그 일측은 추가 개구부들(32) 내로 통하고, 타측은 스프링 챔버(25) 내로 통한다.
또한, 구동 밸브 부재(18)는, 종방향 개구부(33)와 연결된 리세스부(45)를 구비한다. 리세스부(45) 내에는 스프링 챔버(25)가 형성되고 스프링(26)이 배치되며, 상기 스프링의 일측은 밸브 하우징(20)에 지지되고 타측은 구동 밸브 부재(18) 에 지지되며, 구동 밸브 부재(18)를 밸브 시트(40)의 방향으로 가압한다.
밸브 하우징(20)은 여기서 다중 부재형으로 형성되어 있으며, 그럼으로써 솔레노이드(14)는 다중 부재형 밸브 하우징(20) 사이에 수용되어 통합된다.
밸브 장치의 작동 원리
솔레노이드(14)에 전류가 공급되지 않는 경우, 밸브 시트(40)는 스프링(26)의 힘에 의해 폐쇄되며, 그럼으로써 유입 개구부(28)와 배출 개구부(31) 사이의 연결부가 폐쇄된다. 따라서, 가스상 매체도 탱크 내부 챔버(100)로부터 구동 밸브(44)를 통해 시스템의 방향으로, 예컨대 연료 전지 어셈블리의 방향으로 흐를 수 없다. 탱크 내부 챔버(100) 내에는 예컨대 700bar의 고압이 우세하다. 그와 반대로, 연료 전지 어셈블리 내에는 저압이 우세하다.
솔레노이드(14)에 전류가 공급되면, 자계가 형성되며, 이는 밸브 하우징(20)과 구동 밸브 부재(18) 간의 힘 작용을 야기한다. 그렇게 하여, 구동 밸브 부재(18)에 작용하는 자기력이 생성되며, 이 자기력은 스프링(26)의 힘에 대해 그리고 가스상 매체에 의해 생성된 압력에 대해 반대된다. 그로 인해, 구동 밸브 부재(18)는 밸브 시트(40)로부터 떨어져 상기 밸브 시트를 개방한다. 유입 개구부(28)와 배출 개구부(31) 사이의 연결부가 개방된다. 가스상 매체는 이제, 탱크 내부 챔버(100)로부터 시스템의 방향으로, 유입 개구부(28), 스프링 챔버(25), 종방향 개구부(33)와 추가 개구부들(32), 환형 챔버(27) 및 배출 개구부(31)를 경유하여 에서 개시되는 통과 덕트(80) 내로 흐른다.
연료 전지 쪽으로의 수소 공급이 차단되어야 한다면, 솔레노이드(14)에 더 이상 전류가 공급되지 않음으로써 자력이 소멸되고, 구동 밸브 부재(18)는 스프링(26)의 힘에 의해 다시 밸브 시트(40)의 방향으로 이동하여 상기 밸브 시트를 폐쇄한다.
배출 개구부(31)의 지름(d), 통과 덕트(80)의 지름(D) 및 주 밸브 부재(16)의 양정은, 바람직하게 연료 전지가 모든 작동 상태에서 충분한 질량 유량의 수소를 공급받도록 구성된다. 이 경우, 통과 덕트(80)의 지름(D)이 배출 개구부(31)의 지름(d)보다 더 크다.
또한, 이를 통해, 유동 방향이 배출 개구부(31)로부터 유입 개구부(28)의 방향 연장되고 탱크(10)가 가스상 매체, 여기서는 수소로 충전되는 경우, 탱크(10)는 단시간 내에, 예컨대 수 분 이내에 채워질 수 있다.

Claims (12)

  1. 밸브 장치(2) 및 탱크(10)를 구비하고, 가스상 매체, 특히 수소를 저장하기 위한 탱크 장치(1)로서, 상기 밸브 장치(2)는 종축(11)을 가진 밸브 하우징(20)을 포함하며, 상기 밸브 하우징(20) 내에는 내부 챔버(7)가 형성되고, 상기 내부 챔버(7) 내에는 종축(11)을 따라 이동될 수 있는 구동 밸브 부재(18)가 배치되며, 상기 구동 밸브 부재(18)는 배출 개구부(31)를 개폐하기 위해 밸브 시트(40)와 상호 작용하고, 그렇게 해서 구동 밸브(44)를 형성하며, 밸브 장치(2)는 솔레노이드(14)를 포함하는, 가스상 매체 저장용 탱크 장치에 있어서,
    밸브 시트(40)는 밸브 하우징(20)과 배출 개구부(31)의 하류에 형성되고, 원통형 배출 개구부(31)는 원통형 통과 덕트(80) 내로 통하며, 통과 덕트(80)의 지름(D)이 배출 개구부(31)의 지름(d)보다 더 큰 것을 특징으로 하는, 가스상 매체 저장용 탱크 장치(1).
  2. 제1항에 있어서, 통과 덕트(80)는 원추형 전이 영역(36)에 의해 배출 개구부(31)로 전이되는 것을 특징으로 하는, 가스상 매체 저장용 탱크 장치(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 탱크(10)는 넥 영역(6)을 가지며, 상기 넥 영역(6) 내에 밸브 장치(2)가 배치되는 것을 특징으로 하는, 가스상 매체 저장용 탱크 장치(1).
  4. 제3항에 있어서, 탱크 장치(1)는 덮개 부재(12)를 구비하며, 상기 덮개 부재(12)에 의해 밸브 장치(2)가 탱크(10)의 넥 영역(6) 내에 단단히 통합되어 주변(50)에 대해 밀폐되는 것을 특징으로 하는, 가스상 매체 저장용 탱크 장치(1).
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 넥 영역(6) 내에 통과 개구(4)가 형성되며, 통과 개구(4)는 탱크 내부 챔버(100) 내로 통하는 것을 특징으로 하는, 가스상 매체 저장용 탱크 장치(1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 밸브 하우징(20)의 내부 챔버(20)는 밸브 하우징(20) 내에 형성된 유입 개구부(28)에 의해 탱크 내부 챔버(100)와 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는, 가스상 매체 저장용 탱크 장치(1).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 구동 밸브 부재(18)의 리세스부(45) 내에 스프링(26)이 배치되고 스프링 챔버(25)가 형성되며, 상기 스프링(26)을 통해 주 밸브 부재(16)에 밸브 시트(40)의 방향으로 힘이 가해지는 것을 특징으로 하는, 가스상 매체 저장용 탱크 장치(1).
  8. 제7항에 있어서, 구동 밸브 부재(18)는 하나의 종방향 개구부(33) 및 추가 개구부들(32)을 구비하며, 상기 종방향 개구부(33) 및 추가 개구부들(32)은 스프링 챔버(25)와 유동 연결되는 것을 특징으로 하는, 가스상 매체 저장용 탱크 장치(1).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 구동 밸브 부재(18) 상에 씰 바디(19)가 배치되며, 상기 씰 바디(19)는 반구형 끝단을 갖는 것을 특징으로 하는, 가스상 매체 저장용 탱크 장치(1).
  10. 제9항에 있어서, 씰 바디(19)는 플라스틱으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 가스상 매체 저장용 탱크 장치(1).
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 밸브 시트(40)는 원추형으로 형성되며, 이 경우 밸브 시트(40)는 배출 개구부(31)를 개폐하기 위해 씰 바디(19)의 반구형 끝단과 상호 작용하는 것을 특징으로 하는, 가스상 매체 저장용 탱크 장치(1).
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른, 연료 전지의 작동을 위한 수소를 저장하기 위한 탱크 장치(1)를 구비한 연료 전지 어셈블리.
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