KR20210111376A - 수소공급장치 및 이에 사용되는 실링유닛 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소공급장치에 관한 것으로, 수소를 공급하는 제1유로가 형성된 제1연결부재; 제1유로와 연통되는 제2유로가 형성되며, 제1연결부재에 연결되는 제2연결부재; 제1연결부재의 내면에 밀착되는 제1패킹부, 제2연결부재의 외면에 밀착되는 제2패킹부, 및 제1패킹부의 일단과 제2패킹부의 일단을 연결하는 연결부를 포함하는 백업링; 및 제1패킹부와 제2패킹부의 사이에 탄성적으로 압축 및 팽창 가능하게 마련되는 탄성부재;를 포함하는 것에 의하여, 실링 성능을 향상시킬 수 있으며, 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

Description

수소공급장치 및 이에 사용되는 실링유닛{HYDROGEN SUPPLY APPARATUS AND SEALING UNIT USING THE SAME}
본 발명은 수소공급장치 및 이에 사용되는 실링유닛에 관한 것으로, 실링 성능을 향상시킬 수 있으며, 안전성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 수소공급장치 및 이에 사용되는 실링유닛에 관한 것이다.
연료전지 차량(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)은 연료전지 스택에서 산소와 수소의 전기 화학적인 반응으로 전기에너지를 생산하여 동력원으로 사용한다.
연료전지 차량은 연료와 공기를 외부에서 공급하여 전지의 용량에 관계없이 계속 발전할 수 있어, 효율이 높고 오염물질이 거의 배출되지 않는 이점으로 인해, 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다.
연료전지 차량에는 복수개의 수소탱크가 마련되고, 수소탱크에는 수소 저장 시스템의 수소 충전 라인을 따라 수소가 저장된다. 수소탱크에 저장된 수소는 수소 공급 라인을 따라 레귤레이터를 통해 감압된 후 연료전지 스택으로 공급되어 전기에너지를 생성하는데 사용된다.
한편, 연료전지 차량에서 수소를 공급하는 수소 공급 라인의 연결 부위(예를 들어, 레귤레이터, 수소차단밸브, 수소공급밸브, 배관 등의 피팅 부위)의 기밀 성능은 수소 공급계, 나아가 연료전지 시스템 전체의 안전에 연관된 가장 주요한 성능 중 하나이다.
특히, 수소 공급 라인의 연결 부위에서 수소 리크가 발생하면, 화재 등의 2차적인 피해가 발생할 수 있으므로, 수소 공급 라인의 연결 부위에서의 기밀성이 확보될 수 있어야 한다.
일반적으로, 수소 공급 라인의 연결 부위에는 고무 재질의 오링(O-ring)이 장착되며, 오링에 의해 기밀성이 유지되도록 구성된다.
그런데, 수소가 고압(예를 들어, 350 bar 이상)으로 공급되는 연료전지 시스템에서는, 오링만으로는 충분한 실링 성능 및 기밀성을 확보하기 어려운 문제점이 있다.
즉, 수소의 고압 공급 조건에서는 매우 작은 크기를 갖는 수소 분자가 고무 재질의 오링을 침투(투과)하여 누설될 수 있고, 수소에 의한 가압 및 감압이 반복적으로 행해지면 오링이 반복적으로 팽창 및 수축됨에 따라 오링에 크랙(crack) 등의 손상이 발생하여 오링에 의한 기밀성이 저하되는 문제점이 있다.
이에 따라, 최근에는 수소가 고압으로 공급되는 수소 공급 라인의 연결 부위에서의 수소 누출을 최소화하고, 안정성 및 신뢰성을 향상시키기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명에 따른 실시예는 실링 성능을 향상시킬 수 있으며, 안전성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 수소공급장치 및 이에 사용되는 실링유닛을 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명에 따른 실시예는 수소를 고압으로 공급하는 수소 공급 라인의 연결 부위에서의 실링 효과를 향상시키고, 수소의 누설을 최소화할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 실시예는 수소 공급 라인의 구조변경 없이 실링 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 실시예는 수소 누설 위험성을 낮추고, 내구성을 향상시킬 수 있으며, 수명을 연장할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
실시예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 수소공급장치는, 수소를 공급하는 제1유로가 형성된 제1연결부재; 제1유로와 연통되는 제2유로가 형성되며, 제1연결부재에 연결되는 제2연결부재; 제1연결부재의 내면에 밀착되는 제1패킹부, 제2연결부재의 외면에 밀착되는 제2패킹부, 및 제1패킹부의 일단과 제2패킹부의 일단을 연결하는 연결부를 포함하는 백업링; 및 제1패킹부와 제2패킹부의 사이에 탄성적으로 압축 및 팽창 가능하게 마련되는 탄성부재;를 포함한다.
이는, 실링 성능을 향상시키고, 안전성 및 신뢰성을 향상시키기 위함이다.
즉, 기존에는 수소 공급 라인의 연결 부위에 고무 재질의 오링을 장착하여 기밀성을 유지하도록 하였지만, 수소가 고압(예를 들어, 350 bar 이상)으로 공급되는 연료전지 시스템에서는, 오링만으로 충분한 실링 성능 및 기밀성을 확보하기 어려운 문제점이 있다.
하지만, 본 발명에 따른 실시예는, 제1패킹부와 제2패킹부의 사이에서 탄성적으로 팽창하는 탄성부재에 의해 제1패킹부가 제1연결부재의 내면에 밀착되고, 제2패킹부가 제2연결부재의 외면에 밀착되도록 하는 것에 의하여, 실링 성능을 높이고 기밀성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
무엇보다도 본 발명에 따른 실시예는 수소가 고압으로 공급되는 수소 공급 라인의 연결 부위에서의 수소 누설 위험성을 낮추고, 내구성을 향상시킬 수 있으며, 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1패킹부의 내면, 제2패킹부의 내면, 및 연결부의 내면은 상호 협조적으로 수용홈을 형성하고, 탄성부재는 제1패킹부와 제2패킹부의 사이에 배치되도록 수용홈에 수용된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1패킹부는 연결부에 대해 탄성적으로 유동 가능하게 마련되고, 탄성부재는 제1패킹부의 유동에 대응하여 탄성적으로 압축 및 팽창된다.
바람직하게, 제1패킹부는 제1연결부재의 내면에 대해 경사지게 형성되고, 제1연결부재의 내면에 의해 제1패킹부가 가압되면, 제1패킹부는 연결부에 대해 탄성적으로 유동하며 탄성부재를 압축할 수 있다.
이와 같이, 제1패킹부를 제1연결부재의 내면에 대해 경사지게 형성하고, 제1연결부재의 내부에 제2연결부재가 삽입되면, 제1연결부재의 내면에 의해 제1패킹부가 가압되며 탄성부재를 압축하도록 하는 것에 의하여, 제1연결부재와 제2연결부재의 사이 간극에 백업링이 배치된 상태에서, 제1패킹부에는 제1패킹부의 복원력(제1패킹부가 가압되지 않는 초기 상태로 복귀하려는 힘)과, 탄성부재의 복원력(탄성부재가 압축되기 전의 초기 상태로 복귀하려는 힘)이 함께 작용할 수 있으므로, 제1패킹부를 제1연결부재의 내면에 보다 효과적으로 밀착시킬 수 있다. 따라서, 백업링에 의한 실링 효과 및 실링 성능을 향상시킬 수 있으며, 제1연결부재와 제2연결부재의 사이 간극으로의 수소 누설을 보다 효과적으로 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 제1연결부재와 제2연결부재의 사이 간극에 백업링이 배치된 상태에서, 제1연결부재 및 제2연결부재를 따라 공급되는 수소의 압력이 일정 이상 높아지면, 제1패킹부에는 제1패킹부의 복원력 및 탄성부재의 복원력과 함께 탄성부재의 팽창력이 모두 작용할 수 있으므로, 백업링에 의한 실링 성능을 극대화할 수 있으며, 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2패킹부는 제2연결부재의 외면에 대해 평행하게 형성될 수 있다.
이와 같이, 제2패킹부를 제2연결부재의 외면에 대해 평행하게 형성하는 것에 의하여, 백업링을 제2연결부재의 외면에 배치하는 작업의 용이함을 제공할 수 있으며, 제2연결부재에 대한 백업링의 배치 상태를 안정적으로 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제2패킹부를 제2연결부재의 외면에 대해 경사지게 형성하는 것도 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 탄성부재는 제1연결부재 및 제2연결부재를 따라 공급되는 수소의 압력에 대응하여 선택적으로 팽창한다.
바람직하게, 백업링과 탄성부재는 백업링과 다른 소재로 형성된다. 일 예로, 탄성부재는 탄성고분자로 형성되고, 백업링은 플라스틱수지로 형성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 실링유닛은 제1연결부재와 제2연결부재의 사이 간극을 밀봉하는 실링부재를 포함할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예는, 실링부재와 백업링에 의한 이중 실링 구조로 제1연결부재와 제2연결부재의 사이 간극이 실링되도록 하는 것에 의하여, 제1연결부재와 제2연결부재의 사이 간극을 통한 수소 누설을 효과적으로 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
더욱이, 실링부재가 반복적으로 팽창 및 수축됨에 따라 실링부재에 크랙과 같은 손상이 발생하더라도 백업링에 의한 실링 성능이 유지될 수 있으므로, 수소 누설 위험성을 낮추고, 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2연결부재의 외면에는 안착홈이 형성되고, 백업링 및 실링부재는 안착홈에 수용될 수 있다.
이와 같이, 제2연결부재의 외면에 함몰된 안착홈을 형성하고, 백업링 및 실링부재가 안착홈에 수용되도록 하는 것에 의하여, 백업링 및 실링부재의 이탈을 억제하고, 배치 상태를 안정적으로 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
안착홈은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 구조로 형성될 수 있다. 일 예로, 안착홈은, 제2패킹부가 밀착되는 바닥부, 바닥부의 일단에 형성되는 제1수직벽부, 및 바닥부의 다른 일단에 형성되는 제2수직벽부를 포함한다.
본 발명의 바람직한 다른 분야에 따르면, 제1연결부재와 제1연결부재에 연결되는 제2연결부재의 사이 간극을 밀봉하는 실링유닛은, 제1연결부재의 내면에 밀착되는 제1패킹부, 제2연결부재의 외면에 밀착되는 제2패킹부, 및 제1패킹부의 일단과 제2패킹부의 일단을 연결하는 연결부를 포함하는 백업링; 및 제1패킹부와 제2패킹부의 사이에 탄성적으로 압축 및 팽창 가능하게 마련되는 탄성부재;를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1패킹부의 내면, 제2패킹부의 내면, 및 연결부의 내면은 상호 협조적으로 수용홈을 형성하고, 탄성부재는 수용홈에 수용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1패킹부는 연결부에 대해 탄성적으로 유동 가능하게 마련되고, 탄성부재는 제1패킹부의 유동에 대응하여 탄성적으로 압축 및 팽창할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1패킹부는 제1연결부재의 내면에 대해 경사지게 형성되고, 제1연결부재의 내면에 의해 제1패킹부가 가압되면, 제1패킹부는 연결부에 대해 탄성적으로 유동하며 탄성부재를 압축할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2패킹부는 제2연결부재의 외면에 대해 평행하게 형성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 탄성부재는 제1연결부재 및 제2연결부재를 따라 공급되는 수소의 압력에 대응하여 선택적으로 팽창할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 백업링은 플라스틱수지로 형성되고, 탄성부재는 탄성고분자로 형성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1연결부재와 제2연결부재의 사이 간극을 밀봉하는 실링부재를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 실링 성능을 향상시킬 수 있으며, 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따르면 수소를 공급하는 수소 공급 라인의 연결 부위에서의 실링 효과를 향상시키고, 수소의 누설을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 수소 공급 라인의 구조변경 없이 실링 성능을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 수소 누설 위험성을 낮추고, 내구성을 향상시킬 수 있으며, 수명을 연장하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수소공급장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 'A'부분의 확대도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수소공급장치로서, 실링유닛을 설명하기 위한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수소공급장치로서, 실링유닛을 설명하기 위한 측면도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 수소공급장치로서, 백업링의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 수소공급장치로서, 실링유닛에 의한 실링 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 수소공급장치로서, 실링유닛의 변형예를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술사상은 설명되는 일부 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술사상 범위 내에서라면, 실시예들간 그 구성요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예의 구성요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성요소와 그 다른 구성요소 사이에 있는 또 다른 구성요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속'되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성요소가 두 개의 구성요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수소공급장치(10)는, 수소를 공급하는 제1유로(110)가 형성된 제1연결부재(100); 제1유로(110)와 연통되는 제2유로(210)가 형성되며, 제1연결부재(100)에 연결되는 제2연결부재(200); 제1연결부재(100)의 내면에 밀착되는 제1패킹부(312), 제2연결부재(200)의 외면에 밀착되는 제2패킹부(314), 및 제1연결부재(100)와 제1연결부재(100)에 연결되는 제2연결부재(200)의 사이 간극을 밀봉하는 실링유닛(300);을 포함한다.
참고로, 본 발명의 실시예에 따른 수소공급장치(10)는 연료전지 차량 또는 여타 다른 장치 또는 설비에서 수소를 공급하기 위해 사용될 수 있으며, 수소공급장치(10)가 장착되는 피대상체의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 본 발명의 실시예에 따른 수소공급장치(10)는 연료전지 차량에서 수소 공급 라인을 이루도록 마련될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 차량(미도시)에는 수소가 저장되는 수소탱크(미도시)가 마련되고, 제1연결부재(100)와 제2연결부재(200)는 수소탱크에 저장된 수소를 연료전지 스택(미도시)으로 공급하기 위해 마련될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1연결부재(100)와 제2연결부재(200)가 리셉터클(receptacle)을 통해 충전되는 수소를 수소탱크로 공급하기 위해 사용될 수도 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1연결부재(100) 및 제2연결부재(200)는, 수소를 공급하는 수소 공급 라인(예를 들어, 연료전지 차량의 수소 공급 라인)을 구성하는 레귤레이터, 수소차단밸브, 수소공급밸브, 배관 등과 같은 부품일 수 있으며, 제1연결부재(100)와 제2연결부재(200)의 종류, 구조, 배치 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 제1연결부재(100)는 고압 수소의 공급을 조절하는 수소밸브이고, 제2연결부재(200)는 제1연결부재(100)에 연결되는 배관(또는 배관 연결부(316)재)일 수 있다.
제1연결부재(100)에는 수소를 공급하는 제1유로(110)가 형성되고, 제1연결부재(100)의 일측에는 제1유로(110)와 연통되는 연결홀(미도시)이 형성된다.
제2연결부재(200)에는 수소를 공급하는 제2유로(210)가 형성되고, 제2연결부재(200)의 일단은 제1연결부재(100)에 형성된 연결홀에 수용된다. 제2연결부재(200)의 일단이 제1연결부재(100)에 형성된 연결홀에 수용된 상태에서, 제1유로(110)와 제2유로(210)는 연통된다.
제1유로(110)와 제2유로(210)는 직선 형태 또는 절곡된 형태로 연결될 수 있으며, 제1유로(110)와 제2유로(210)의 연결 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
참고로, 연료전지 스택은, 연료(예를 들어, 수소)와 산화제(예를 들어, 공기)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다.
일 예로, 연료전지 스택은, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly)(미도시), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer)(미도시), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구(미도시), 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)(미도시)을 포함한다.
보다 구체적으로, 연료전지 스택에서 연료인 수소와 산화제인 공기(산소)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드로 공급되고, 공기는 캐소드로 공급된다.
애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton)과 전자(electron)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.
캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.
도 2 내지 도 7을 참조하면, 실링유닛(300)은 제1연결부재(100)와 제1연결부재(100)에 연결되는 제2연결부재(200)의 사이 간극을 밀봉하기 위해 마련된다.
보다 구체적으로, 실링유닛(300)은, 제1연결부재(100)의 내면(내주면)에 밀착되는 제1패킹부(312), 제2연결부재(200)의 외면(외주면)에 밀착되는 제2패킹부(314), 제1패킹부(312)의 일단과 제2패킹부(314)의 일단을 연결하는 연결부(316)를 포함하는 백업링(310), 및 제1패킹부(312)와 제2패킹부(314)의 사이에 탄성적으로 압축 및 팽창 가능하게 마련되는 탄성부재(320)를 포함한다.
백업링(310)은 제1연결부재(100)와 제1연결부재(100)의 내부(예를 들어, 연결부)에 수용되는 제2연결부재(200)의 사이 간극에 배치된다.
백업링(310)은 제1연결부재(100)(또는 제2연결부재)의 원주 방향을 따라 연속적으로 연결된 링 형태로 형성되며, 제1연결부재(100)와 제2연결부재(200)의 사이 간극을 밀봉한다.
보다 구체적으로, 백업링(310)은 제1연결부재(100)의 내면에 밀착되는 제1패킹부(312), 제2연결부재(200)의 외면에 밀착되는 제2패킹부(314), 및 제1패킹부(312)의 일단과 제2패킹부(314)의 일단을 일체로 연결하는 연결부(316)를 포함하며, 대략 "U"자 단면 형태를 갖도록 형성된다.
제1패킹부(312)는 제1연결부재(100)의 내면에 밀착되는 제1내면 및 제2연결부재(200)의 외면을 마주하는 제1외면을 포함하고, 제2패킹부(314)는 제2연결부재(200)의 외면에 밀착되는 제2내면 및 제1연결부재(100)의 외면을 마주하는 제2외면을 포함한다.
백업링(310)은 제1연결부재(100)의 내면 및 제2연결부재(200)의 외면에 밀착될 수 있는 다양한 재질로 형성될 수 있으며, 백업링(310)의 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 바람직하게 백업링(310)은 기체(수소)가 투과하지 못하는 기체 비투과성 재질로 형성된다. 일 예로, 백업링(310)은 수소가 투과하지 못하는 플라스틱수지로 형성될 수 있다.
탄성부재(320)는 백업링(310)과 다른 소재로 형성되며, 제1패킹부(312)와 제2패킹부(314)의 사이에 탄성적으로 압축 및 팽창 가능하게 마련된다.
탄성부재(320)는 백업링(310)과 함께 이중 사출로 형성되거나, 별도의 접착층을 매개로 접합될 수 있으며, 탄성부재(320)와 백업링(310)의 접합 방식은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
바람직하게, 제1패킹부(312)의 내면, 제2패킹부(314)의 내면, 및 연결부(316)의 내면은 상호 협조적으로 수용홈(310a)을 형성하고, 탄성부재(320)는 제1패킹부(312)와 제2패킹부(314)의 사이에 배치되도록 수용홈(310a)에 수용된다.
수용홈(310a)은 탄성부재(320)를 수용할 수 있는 다양한 형태 및 구조로 형성될 수 있으며, 수용홈(310a)의 형태 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 수용홈(310a)은 대략 사다리꼴 단면을 갖는 링 형태로 형성될 수 있으며, 탄성부재(320)는 수용홈(310a)에 대응하는 사다리꼴 단면을 갖는 링 형태로 형성될 수 있다.
바람직하게, 수용홈(310a)의 개구부는 고압의 수소(H)가 공급되는 방향을 마주하도록 배치된다. 이와 같이, 수용홈(310a)의 개구부가 고압의 수소가 공급되는 방향을 마주하도록 하는 것에 의하여, 수용홈(310a)에 수용되는 탄성부재(320)가 수용홈(310a)의 개구부를 통해 고압의 수소에 노출될 수 있다.
탄성부재(320)는 제1연결부재(100) 및 제2연결부재(200)를 따라 공급되는 수소의 압력에 대응하여 압축 및 팽창할 수 있는 다양한 재질로 형성될 수 있으며, 탄성부재(320)의 재질 및 종류에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 탄성부재(320)는 수소 분자가 침투 가능한 탄성고분자(EPDM)(예를 들어, 고무)로 형성될 수 있으며, 제1연결부재(100)를 따라 공급되는 수소의 압력이 일정 이상 증가하면 수소의 분자가 탄성부재(320)의 내부에 침투함에 따라 탄성부재(320)가 팽창될 수 있다.
이와 같이, 탄성부재(320)가 팽창하면, 탄성부재(320)의 팽창력(도 7의 F3)에 의해 제1패킹부(312)와 제2패킹부(314)가 서로 멀어지는 방향(예를 들어, 도 2 기준으로 제1패킹부(312)는 상부 방향으로 이동하고, 제2패킹부(314)는 하부 방향으로 이동)으로 이동함으로써, 제1패킹부(312)는 제1연결부재(100)의 내면에 보다 밀착될 수 있고, 제2패킹부(314)는 제2연결부재(200)의 외면에 보다 밀착될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1패킹부(312)와 제2패킹부(314)의 사이에 탄성부재(320)를 배치하고, 제1연결부재(100)를 따라 공급되는 수소의 압력이 일정 이상 높아지면 수소 분자가 탄성부재(320)의 내부에 침투하며 탄성부재(320)가 팽창하도록 하는 것에 의하여, 탄성부재(320)의 팽창력(도 7의 F3)에 의해 제1패킹부(312)를 제1연결부재(100)의 내면에 보다 밀착시키고, 제2패킹부(314)를 제2연결부재(200)의 외면에 보다 밀착시킬 수 있으므로, 백업링(310)에 의한 실링 성능을 향상시키고, 제1연결부재(100)와 제2연결부재(200)의 사이 간극으로 수소가 노출되는 것을 보다 효과적으로 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
바람직하게, 제1패킹부(312)는 연결부(316)에 대해 탄성적으로 유동 가능하게 마련되고, 탄성부재(320)는 제1패킹부(312)의 유동에 대응하여 탄성적으로 압축 및 팽창된다.
여기서, 제1패킹부(312)가 연결부(316)에 대해 탄성적으로 유동한다 함은, 연결부(316)에 연결되는 제1패킹부(312)의 일단을 기준으로 제1패킹부(312)의 다른 일단이 제2패킹부(314)에 접근 및 이격되는 방향으로 탄성 유동하는 것으로 정의된다.
연결부(316)에 연결되는 제1패킹부(312)의 일단을 기준으로 제1패킹부(312)의 다른 일단이 제2패킹부(314)에 접근하는 방향으로 유동하면, 탄성부재(320)는 압축될 수 있다. 이와 반대로, 연결부(316)에 연결되는 제1패킹부(312)의 일단을 기준으로 제1패킹부(312)의 다른 일단이 제2패킹부(314)로부터 이격되는 방향으로 유동하면, 탄성부재(320)는 팽창될 수 있다.
바람직하게, 도 5 및 도 6을 참조하면, 제1패킹부(312)는 제1연결부재(100)의 내면에 대해 소정 각도(θ)로 경사지게 형성되고, 제1연결부재(100)의 내면에 의해 제1패킹부(312)가 가압되면, 제1패킹부(312)는 연결부(316)에 대해 탄성적으로 유동하며 탄성부재(320)를 압축할 수 있다.
이와 같이, 제1패킹부(312)를 제1연결부재(100)의 내면에 대해 경사지게 형성(예를 들어, 도 5를 기준으로 제1패킹부의 좌측 단부가 우측 단부보다 상부로 돌출되게 배치)하고, 제1연결부재(100)의 내부에 제2연결부재(200)가 삽입되면, 제1연결부재(100)의 내면에 의해 제1패킹부(312)가 가압(P)되며 탄성부재(320)를 압축하도록 하는 것에 의하여, 제1연결부재(100)와 제2연결부재(200)의 사이 간극에 백업링(310)이 배치된 상태에서, 제1패킹부(312)에는 제1패킹부(312)의 복원력(제1패킹부가 가압되지 않는 초기 상태로 복귀하려는 힘)(F1)과, 탄성부재(320)의 복원력(탄성부재가 압축되기 전의 초기 상태로 복귀하려는 힘)(F2)이 함께 작용할 수 있으므로, 제1패킹부(312)를 제1연결부재(100)의 내면에 보다 효과적으로 밀착시킬 수 있다. 따라서, 백업링(310)에 의한 실링 효과 및 실링 성능을 향상시킬 수 있으며, 제1연결부재(100)와 제2연결부재(200)의 사이 간극으로의 수소 누설을 보다 효과적으로 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 도 7과 같이, 제1연결부재(100)와 제2연결부재(200)의 사이 간극에 백업링(310)이 배치된 상태에서, 제1연결부재(100) 및 제2연결부재(200)를 따라 공급되는 수소의 압력이 일정 이상 높아지면, 제1패킹부(312)에는 제1패킹부(312)의 복원력(F1) 및 탄성부재(320)의 복원력(F2)과 함께 탄성부재(320)의 팽창력(F3)이 동시에 작용(F)할 수 있으므로, 백업링(310)에 의한 실링 성능을 극대화할 수 있으며, 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
반면, 제2패킹부(314)는 제2연결부재(200)의 외면에 대해 평행하게 형성될 수 있다. 이와 같이, 제2패킹부(314)를 제2연결부재(200)의 외면에 대해 평행하게 형성하는 것에 의하여, 백업링(310)을 제2연결부재(200)의 외면에 배치하는 작업의 용이함을 제공할 수 있으며, 제2연결부재(200)에 대한 백업링(310)의 배치 상태를 안정적으로 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1패킹부(312)와 유사한 방식으로, 제2패킹부(314)를 제2연결부재(200)의 외면에 대해 경사지게 형성하는 것도 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 실링유닛(300)은 제1연결부재(100)와 제2연결부재(200)의 사이 간극을 밀봉하는 실링부재(500)를 포함할 수 있다.
바람직하게, 실링부재(500)는 백업링(310)의 측부에 인접하게 배치될 수 있으며, 백업링(310)과 함께 이중 실링 구조를 형성할 수 있다.
실링부재(500)로서는 고무와 같은 탄성고분자(EPDM)로 형성된 오링이 사용될 수 있으며, 실링부재(500)의 재질 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
이와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예는, 실링부재(500)와 백업링(310)에 의한 이중 실링 구조로 제1연결부재(100)와 제2연결부재(200)의 사이 간극이 실링되도록 하는 것에 의하여, 제1연결부재(100)와 제2연결부재(200)의 사이 간극을 통한 수소 누설을 효과적으로 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
더욱이, 실링부재(500)가 반복적으로 팽창 및 수축됨에 따라 실링부재(500)에 크랙과 같은 손상이 발생하더라도 백업링(310)에 의한 실링 성능이 유지될 수 있으므로, 수소 누설 위험성을 낮추고, 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2연결부재(200)의 외면에는 안착홈(202)이 형성되고, 백업링(310) 및 실링부재(500)는 안착홈(202)에 수용될 수 있다.
제2연결부재(200)의 외면에 함몰된 안착홈(202)을 형성하고, 백업링(310) 및 실링부재(500)가 안착홈(202)에 수용되도록 하는 것에 의하여, 백업링(310) 및 실링부재(500)의 이탈을 억제하고, 배치 상태를 안정적으로 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
안착홈(202)은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 구조로 형성될 수 있다. 일 예로, 안착홈(202)은, 제2패킹부(314)가 밀착되는 바닥부(202a), 바닥부(202a)의 일단에 형성되는 제1수직벽부(202b), 및 바닥부(202a)의 다른 일단에 형성되는 제2수직벽부(202c)를 포함하는 사각형 홈 형태로 형성될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는 기존 안착홈(202)의 구조를 변경(예를 들어, 백업링(310)이 밀착되도록 백업링(310)이 접촉되는 안착홈(202)의 벽부를 경사지게 형성)하지 않고도, 백업링(310)에 의한 실링 성능을 보장할 수 있으므로, 구조 및 제조 공정을 간소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
한편, 전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 수용홈(310a)이 대략 사다리꼴 단면을 갖는 링 형태로 형성되고, 탄성부재(320)가 수용홈(310a)에 대응하는 사다리꼴 단면을 갖는 링 형태로 형성된 예를 들어 설명하고 있지만, 연결부에 대한 제1패킹부(또는 제2패킹부)의 탄성 유동이 가능하다면, 수용홈 및 탄성부재를 여타 다른 형태로 형성하는 것도 가능하다.
일 예로, 도 8을 참조하면, 수용홈(310a')은 대략 삼각형 단면을 갖는 링 형태로 형성될 수 있으며, 탄성부재(320')는 수용홈(310a')에 대응하는 삼각형 단면을 갖는 링 형태로 형성될 수 있다.
다른 일 예로, 도 9와 같이, 수용홈(310a")은 대략 반원 단면을 갖는 링 형태로 형성될 수 있으며, 탄성부재(320")는 수용홈(310a")에 대응하는 반원 단면을 갖는 링 형태로 형성될 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 수소공급장치
100 : 제1연결부재
110 : 제1유로
200 : 제2연결부재
202 : 안착홈
202a : 바닥부
202b : 제1수직벽부
202c : 제2수직벽부
210 : 제2유로
300 : 실링유닛
310 : 백업링
310a : 수용홈
312 : 제1패킹부
314 : 제2패킹부
316 : 연결부
320 : 탄성부재
500 : 실링부재

Claims (19)

  1. 수소를 공급하는 제1유로가 형성된 제1연결부재;
    상기 제1유로와 연통되는 제2유로가 형성되며, 상기 제1연결부재에 연결되는 제2연결부재;
    상기 제1연결부재의 내면에 밀착되는 제1패킹부, 상기 제2연결부재의 외면에 밀착되는 제2패킹부, 및 상기 제1패킹부의 일단과 상기 제2패킹부의 일단을 연결하는 연결부를 포함하는 백업링; 및
    상기 제1패킹부와 상기 제2패킹부의 사이에 탄성적으로 압축 및 팽창 가능하게 마련되는 탄성부재;
    을 포함하는 수소공급장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1패킹부의 내면, 상기 제2패킹부의 내면, 및 상기 연결부의 내면은 상호 협조적으로 수용홈을 형성하고,
    상기 탄성부재는 상기 수용홈에 수용되는 수소공급장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1패킹부는 상기 연결부에 대해 탄성적으로 유동 가능하게 마련되고,
    상기 탄성부재는 상기 제1패킹부의 유동에 대응하여 탄성적으로 압축 및 팽창하는 수소공급장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1패킹부는 상기 제1연결부재의 상기 내면에 대해 경사지게 형성되고,
    상기 제1연결부재의 상기 내면에 의해 상기 제1패킹부가 가압되면, 상기 제1패킹부는 상기 연결부에 대해 탄성적으로 유동하며 상기 탄성부재를 압축하는 수소공급장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2패킹부는 상기 제2연결부재의 상기 외면에 대해 평행하게 형성되는 수소공급장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 탄성부재는 상기 제1연결부재 및 상기 제2연결부재를 따라 공급되는 상기 수소의 압력에 대응하여 선택적으로 팽창하는 수소공급장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 백업링과 상기 탄성부재는 서로 다른 소재로 형성되는 수소공급장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 백업링은 플라스틱수지로 형성되고, 상기 탄성부재는 탄성고분자로 형성되는 수소공급장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1연결부재와 상기 제2연결부재의 사이 간극을 밀봉하는 실링부재를 포함하는 수소공급장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2연결부재의 외면에는 안착홈이 형성되고,
    상기 백업링 및 상기 실링부재는 상기 안착홈에 수용되는 수소공급장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 안착홈은,
    상기 제2패킹부가 밀착되는 바닥부;
    상기 바닥부의 일단에 형성되는 제1수직벽부; 및
    상기 바닥부의 다른 일단에 형성되는 제2수직벽부;
    를 포함하는 수소공급장치.
  12. 제1연결부재와 상기 제1연결부재에 연결되는 제2연결부재의 사이 간극을 밀봉하는 실링유닛으로서,
    상기 제1연결부재의 내면에 밀착되는 제1패킹부, 상기 제2연결부재의 외면에 밀착되는 제2패킹부, 및 상기 제1패킹부의 일단과 상기 제2패킹부의 일단을 연결하는 연결부를 포함하는 백업링; 및
    상기 제1패킹부와 상기 제2패킹부의 사이에 탄성적으로 압축 및 팽창 가능하게 마련되는 탄성부재;
    를 포함하는 실링유닛.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1패킹부의 내면, 상기 제2패킹부의 내면, 및 상기 연결부의 내면은 상호 협조적으로 수용홈을 형성하고,
    상기 탄성부재는 상기 수용홈에 수용되는 실링유닛.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1패킹부는 상기 연결부에 대해 탄성적으로 유동 가능하게 마련되고,
    상기 탄성부재는 상기 제1패킹부의 유동에 대응하여 탄성적으로 압축 및 팽창하는 실링유닛.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1패킹부는 상기 제1연결부재의 상기 내면에 대해 경사지게 형성되고,
    상기 제1연결부재의 상기 내면에 의해 상기 제1패킹부가 가압되면, 상기 제1패킹부는 상기 연결부에 대해 탄성적으로 유동하며 상기 탄성부재를 압축하는 실링유닛.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제2패킹부는 상기 제2연결부재의 상기 외면에 대해 평행하게 형성되는 실링유닛.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 탄성부재는 상기 제1연결부재 및 상기 제2연결부재를 따라 공급되는 상기 수소의 압력에 대응하여 선택적으로 팽창하는 실링유닛.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 백업링은 플라스틱수지로 형성되고, 상기 탄성부재는 탄성고분자로 형성되는 실링유닛.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 제1연결부재와 상기 제2연결부재의 사이 간극을 밀봉하는 실링부재를 포함하는 실링유닛.
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