KR20220039899A - 연료전지 차량의 열관리 모듈 - Google Patents

연료전지 차량의 열관리 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 차량의 열관리 모듈에 관한 것으로서, 연료전지 차량의 열관리 시스템에서 온도제어밸브, 바이패스밸브, COD 히터, 매니폴드 및 제어기를 일체로 모듈화함으로써 콤팩트한 설계가 가능하고 주변 구조와의 간섭을 최소화할 수 있다는 이점이 있다.

Description

연료전지 차량의 열관리 모듈{HEAT MANAGEMENT MODULE OF FUEL CELL ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 연료전지 차량의 열관리 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 차량의 열관리 시스템에 포함되는 온도제어밸브, 바이패스 밸브, COD 히터, 매니폴드 및 제어기를 일체로 형성한 연료전지 차량의 열관리 모듈에 관한 것이다.
연료전지 차량은 화학반응을 통해 전기를 얻는 연료전지를 이용한 차량으로서, 연료로서 수소를 이용하는 수소 연료전지 차량이 대표적이다.
수소 연료전지 차량은 수백 개의 얇은 연료전지가 하나의 묶음으로 구성되어 있는 스택(stack) 내부에 산소와 수소를 전달하여 촉매를 거치게 함으로써 전기 에너지를 얻는 차량이다.
이러한 수소 연료전지 차량은 연료 순환 시스템, 공기 순환 시스템 및 열관리 시스템을 구비하고 있다.
이 중 열관리 시스템은 냉각수를 이용하여 연료전지에서 발생하는 열을 냉각하거나 냉시동성을 확보하기 위해 냉각수의 온도를 급속으로 상승시키는 기능을 수행하게 되며, 온도제어밸브와 바이패스밸브로 구성되는 밸브 유닛, COD 히터, 라디에이터, 전동 워터 펌프(EWP), 이온 필터, 공조히터, 및 제어부 등으로 이루어지게 된다.
이와 같이, 상기 열관리 시스템을 통해 연료전지 시스템의 효율 향상 및 내구 신뢰성을 확보할 수 있다.
도 1a 내지 도 1c에 도시한 바와 같이, 연료전지 차량의 열관리 시스템은 대표적으로 3가지 모드(방열모드, 스택 온도제어모드, 승온(가열)모드)를 포함하는 것이 일반적이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 방열모드는 냉각수가 (스택 → 라디에이터 → 온도제어밸브 → 전동 워터 펌프 → 바이패스 밸브 → 스택)의 순서로 이동하면서 스택을 냉각한 후 방열되는 경로와, 바이패스 밸브로 유입되는 냉각수 중 일부가 분기되어 (스택 → 라디에이터 → 온도제어밸브 → 전동 워터 펌프 → 바이패스 밸브 → 공조히터 → 이온필터 → 온도제어밸브)의 순서로 이동하면서 흡열되는 경로를 가진다.
또한, 도 1b에 도시된 바와 같이, 스택 온도제어모드는, 냉각수가 (스택 → 라디에이터 → 온도제어밸브 → 전동 워터 펌프 → 바이패스 밸브 → 스택)의 순서로 이동하면서 스택을 냉각한 후 방열되는 경로와, 바이패스 밸브로 유입되는 냉각수 중 일부가 분기되어 (스택 → 라디에이터 → 온도제어밸브 → 전동 워터 펌프 → 바이패스 밸브 → 공조히터 → 이온필터 → 온도제어밸브)의 순서로 이동하면서 흡열되는 경로를 가지는 제1 경로와, 상기 스택으로부터 나온 냉각수의 일부가 분기되어 (스택 → 온도제어밸브 → 전동 워터 펌프 → 바이패스 밸브 → 스택)의 순서로 이동하면서 스택을 냉각한 후 방열되는 경로와, 바이패스 밸브로 유입되는 냉각수 중 일부가 분기되어 (스택 → 온도제어밸브 → 전동 워터 펌프 → 바이패스 밸브 → 공조히터 → 이온필터 → 온도제어밸브)의 순서로 이동하면서 흡열되는 경로를 가지는 제2 경로를 가지며, 온도제어밸브에서 스택으로부터 나와 제1 경로를 통한 냉각수와 제2 경로를 통한 냉각수가 합류되는 구성을 가진다.
또한, 승온모드는 냉각수가 (온도제어밸브 → 전동 워터 펌프 → 바이패스 밸브 → COD 히터 → 온도제어밸브)의 순서로 이동하면서 스택을 가열하여 냉기동성을 유도하는 구성을 가진다.
전술한 구성에서, 이온 필터는 냉각수로부터 금속이온 제거하여 냉각수의 전기전도도를 저감시키기 위한 공지의 구성요소이다.
그러나, 종래에는 열관리 시스템을 포함하는 온도제어밸브, 바이패스밸브, COD 히터 및 제어부가 독립적으로 마련되어야 했으므로 차량 내에서 공간적 배치 설계가 용이하지 않은 단점이 있었다.
따라서, 차지하는 공간이 많아질 수밖에 없고 주변 구조와의 간섭의 가능성도 있으며 추가 설계에 따르는 인적 및 시간적 낭비 요소가 상존하였다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 연료전지 차량의 열관리 시스템을 구성하는 온도제어밸브, 바이패스밸브, COD 히터 및 제어부를 일체로 구성하여 콤팩트한 설계가 가능하고 주변 구조와의 간섭을 최소화할 수 있으며 유지보수가 편리한 연료전지 차량의 열관리 모듈을 제공하는데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 열관리 모듈은,
냉각수가 통과하기 위한 복수의 유입구와 유출구를 구비하는 모듈 하우징;
상기 모듈 하우징의 내부에 설치되어 일방향을 따라 연장되며, 상기 일방향을 중심으로 회전하는 밸브를 구비하여 상기 복수의 유입구와 유출구 중 적어도 일부의 개폐를 단속하는 통합 밸브 조립체;
상기 모듈 하우징의 내부에서 상기 통합 밸브 조립체의 일방향 단부에 설치되어 상기 밸브를 회전 구동하기 위한 밸브 액추에이터 조립체;
상기 모듈 하우징의 내부에 설치되는 COD 히터 유닛;
상기 모듈 하우징의 내부에 설치되는 제어부; 및,
연료전지 스택을 장착하기 위해 상기 모듈 하우징의 외측에 장착되는 스택 장착 플레이트;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 모듈 하우징에서 상기 일방향에 직교하는 면에는 상기 밸브 액추에이터 조립체를 수용하기 위한 구동 케이스가 확장 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 상기 구동 케이스에 내장되며, 상기 일방향을 따라 상기 밸브 액추에이터 조립체를 사이에 두고 통합 밸브 조립체의 반대쪽에 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 모듈 하우징의 외측면에는 상기 COD 히터 유닛를 수용하기 위한 히터 케이스가 확장 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 히터 케이스는 상기 구동 케이스와 직교하는 방향으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 스택 장착 플레이트는 상기 모듈 하우징의 외측면에 확장 형성되는 유동 몸체의 외면에 설치되며, 상기 유동 몸체의 외면에는 상기 스택 장착 플레이트가 장착되는 부분이 개방되는 제1 냉각수 전달 공간부와 제2 냉각수 전달 공간부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 구동 케이스와 유동 몸체는 직교하는 형태로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 구동 케이스는 히터 케이스 및 유동 몸체와 직교하고, 상기 히터 케이스와 유동 몸체는 서로 직교하는 형상으로 이루어지며, 상기 구동 케이스, 히터 케이스 및 유동 몸체의 내측면에 의해 이루어진 공간에는, 상기 모듈 하우징에서 상기 통합 밸브 조립체를 내장하는 부분인 밸브 수용 케이스가 돌출되게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 상기 밸브 액추에이터 조립체의 구동 제어부와 COD 히터 유닛의 열 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 모듈 하우징에는 상기 통합 밸브 조립체를 수용하는 원통형의 내주 안내면이 형성되는 밸브 수용 케이스를 포함하며,
상기 밸브 수용 케이스의 둘레면에는 상기 밸브 액추에이터 조립체의 출력축 방향으로 제1 유입구, 제1 유출구 및 제2 유입구가 차례로 관통되게 형성되며, 상기 밸브 수용 케이스의 다른 면에는 상기 출력축 방향으로 상기 제2 유입구 위치에서 제2 유출구가 관통되게 형성되고, 상기 밸브 수용 케이스의 다른 면에는 상기 제1 유출구 위치에서 제3 유입구가 관통되게 형성되고, 상기 모듈 하우징에는 제3 유출구가 형성되며,
상기 밸브 수용 케이스에 수용되는 상기 통합 밸브 조립체는,
상기 밸브 액추에이터 조립체의 출력축에 연결되는 것으로 원통형의 외주면 형상을 가지며 측면에는 상기 제1 유입구를 개폐 단속하기 위한 제1 개방홀과, 상기 제1 유출구와 제3 유입구를 개폐 단속하기 위한 제2 개방홀이 형성되는 온도제어밸브; 및,
상기 밸브 수용 케이스의 내부에 형성된 차단벽을 사이에 두고 상기 온도제어밸브의 반대쪽에 배치되되, 원통형의 외주면 형상을 가지며 상기 온도제어밸브와 상기 출력축 방향으로 연결되어 일체로 회전 가능하고 상기 제2 유입구와 제2 유출구를 개폐 단속하기 위한 제3 개방홀이 형성되는 바이패스밸브;
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 모듈 하우징에서 상기 스택 장착 플레이트가 장착되는 면에는 상기 온도제어밸브와 연통하기 위한 제3 연통홀이 형성되는 제1 냉각수 전달 공간부와, 상기 바이패스밸브와 연통하기 위한 제4 연통홀이 형성되는 제2 냉각수 전달 공간부가 형성되며,
상기 제1 냉각수 전달 공간부와 제2 냉각수 전달 공간부는 COD 히터 유닛과 연통하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 COD 히터 유닛은,
냉각수를 수용하기 위한 유동 케이스;
상기 유동 케이스의 개방된 일면을 덮으며 일측면에서 냉각수와 접하는 히트 플레이트; 및,
상기 히트 플레이트의 내부 또는 냉각수의 반대쪽 표면에 설치되는 전열선;
을 포함하며,
상기 히터 케이스와 연통하기 위해, 상기 COD 히터 유닛의 히터 케이스와 상기 제1 냉각수 전달 공간부 사이에는 제1 연통홀이 형성되고, 상기 히터 케이스와 제2 냉각수 전달 공간부 사이에는 제2 연통홀이 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 히트 플레이트는 상기 일방향과 나란하게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 스택 장착 플레이트에는 상기 제1 냉각수 전달 공간부와 연통하기 위한 연통구가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 밸브 액추에이터 조립체는, 액추에이터 케이스 내에 전동모터, 출력축 및 상기 전동모터와 출력축 사이를 연결하는 기어열이 장착되는 구성으로 되어 있으며, 상기 출력축과 액추에이터 케이스 사이에는 회전 복귀 스프링이 개재되는 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 연료전지 차량의 열관리 시스템에서 온도제어밸브, 바이패스 밸브, COD 히터, 매니폴드 및 제어기를 일체로 모듈화함으로써 콤팩트한 설계가 가능하고 주변 구조와의 간섭을 최소화할 수 있다는 이점이 있다.
또한 본 발명에 따르면, 단일한 모듈 하우징 내에 통합 밸브 조립체, 밸브 액추에이터 조립체, COD 히터 유닛 및 제어부를 내장하게 되므로 제조시 조립 공수를 절감할 수 있고 전체적인 부피를 최소화할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 통합 밸브 조립체의 제어부와 COD 히터 유닛의 제어부를 통합하게 되므로 구성이 한층 간단해지고 유지 보수가 편리하게 된다는 장점이 있다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 COD 히터 유닛이 히트 플레이트와 같이 평판형 히터를 포함하므로 열관리 모듈의 부피를 최소화할 수 있고 원가를 크게 절감할 수 있다는 이점이 있다.
또한 본 발명에 따르면, 통합 밸브 조립체의 고장시 방열 모드로 자동 복귀하도록 회전 복귀 스프링을 포함하므로 열관리 시스템이 과열로 인해 손상되거나 안전사고가 발생하는 것을 미연에 방지할 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 일반적인 연료전지 차량의 열관리 시스템의 작동 모드를 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 차량의 열관리 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 차량의 열관리 모듈을 나타내는 전방 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 차량의 열관리 모듈을 나타내는 후방 일부 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 연료전지 차량의 열관리 모듈을 나타내는 저면 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 연료전지 차량의 열관리 모듈을 나타내는 투시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 연료전지 차량의 열관리 모듈에서 구동부를 나타내는 종단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 연료전지 차량의 열관리 모듈에서 밸브 액추에이터 조립체와 통합 밸브 조립체를 나타내는 사시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 연료전지 차량의 열관리 모듈을 나타내는 측방 일부 분해 사시도이다.
도 10은 본 발명에 따른 연료전지 차량의 열관리 모듈을 나타내는 측방 일부 단면 사시도이다.
도 11은 본 발명에 따른 연료전지 차량의 열관리 모듈에서의 작동 모드를 나타내는 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 열관리 시스템은 온도제어밸브(210), 바이패스밸브(220), 밸브 액추에이터 조립체(300), COD 히터 유닛(400), 스택 장착 플레이트(500), 매니폴드 및 제어부(600)를 일체로 모듈화한 연료전지 차량의 열관리 모듈(1000)을 포함하고 있다.
이에 따라서, 연료전지 차량의 열관리 시스템의 콤팩트한 설계가 가능하고 주변 구조와의 간섭을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
구체적으로, 도 3 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 열관리 모듈(1000)은, 냉각수가 통과하기 위한 복수의 유입구와 유출구를 구비하는 모듈 하우징(100), 상기 모듈 하우징(100)의 내부에 설치되어 일방향을 따라 연장되며 상기 일방향을 중심으로 회전하는 밸브를 구비하여 상기 복수의 유입구와 유출구 중 적어도 일부의 개폐를 단속하는 통합 밸브 조립체(200), 상기 모듈 하우징(100)의 내부에서 상기 통합 밸브 조립체(200)의 일방향 단부에 설치되어 밸브를 회전 구동하기 위한 밸브 액추에이터 조립체(300), 상기 모듈 하우징(100)의 내부에 설치되는 COD 히터 유닛(400), 상기 모듈 하우징(100)의 내부에 설치되는 제어부(600) 및, 연료전지 스택(미도시)을 장착하기 위해 상기 모듈 하우징(100)의 외측에 장착되는 스택 장착 플레이트(500)를 포함하여 구성된다.
이와 같이, 열관리 모듈(1000)이 통합 밸브 조립체(200), 밸브 액추에이터 조립체(300), 제어부(600), COD 히터 유닛(400), 스택 장착 플레이트(500) 및 유동 경로를 모두 통합하여 포함하고 있으므로 무엇보다 차지하는 공간이 줄어들고 구조가 간단해지며 제조의 용이성 및 조립 공수 절감을 도모할 수 있다는 이점이 있다.
상기 모듈 하우징(100)에서 상기 일방향에 직교하는 면에는 상기 밸브 액추에이터 조립체(300)를 수용하기 위한 구동 케이스(110)가 확장 형성되는 것이 콤팩트한 구성을 위해 바람직하다.
또한, 상기 제어부(600)는 상기 구동 케이스(110)에 내장되며, 상기 일방향을 따라 상기 밸브 액추에이터 조립체(300)를 사이에 두고 통합 밸브 조립체(200)의 반대쪽에 배치되도록 하여 한층 콤팩트한 구성을 유지하는 것이 바람직하다.
이 경우, 도 7에 도시한 바와 같이, 상기 구동 케이스(110) 내에 물이 유입되지 않도록 상기 통합 밸브 조립체(200) 사이에 격벽(190)을 형성하고 실링 처리를 할 필요가 있다.
또한, 제어부(600)의 점검을 용이하게 하도록 점검구를 형성하고 제1 점검 커버(111)를 착탈 가능하게 설치할 수 있다.
또한, 상기 모듈 하우징(100)의 외측면에는 상기 COD 히터 유닛(400)을 수용하기 위한 히터 케이스(120)가 확장 형성되어 냉각수가 히터 케이스(120) 내에서 유동하면서 상기 COD 히터 유닛(400)에 의해 가열될 수 있다.
이 경우, 상기 히터 케이스(120)는 상기 구동 케이스(110)와 직교하는 방향으로 형성되어 소형화 및 콤팩트한 구성이 가능하도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 스택 장착 플레이트(500)는 상기 모듈 하우징(100)의 외측면에 확장 형성되는 유동 몸체(130)의 외면에 설치되며, 상기 유동 몸체(130)의 외면에는 상기 스택 장착 플레이트(500)가 장착되는 부분이 개방되는 제1 냉각수 전달 공간부(131)와 제2 냉각수 전달 공간부(132)가 형성될 수 있다(도 9와 도 10 동시 참조).
이에 따라, 상기 스택 장착 플레이트(500)를 통해 연료전지 스택으로 열이 전달되어 냉시동성을 제고할 수 있다.
상기 구동 케이스(110)와 유동 몸체(130)는 직교하는 형태로 구성되어 히터 케이스(120)와 함께 콤팩트한 구성이 가능하게 된다.
특히, 상기 구동 케이스(110)는 히터 케이스(120) 및 유동 몸체(130)와 직교하고, 상기 히터 케이스(120)와 유동 몸체(130)는 서로 직교하는 형상으로 이루어지며, 상기 구동 케이스(110), 히터 케이스(120) 및 유동 몸체(130)의 내측면에 의해 이루어진 공간에는, 상기 모듈 하우징(100)에서 상기 통합 밸브 조립체(200)를 내장하는 부분인 밸브 수용 케이스(140)가 돌출되도록 하면 최소 부피의 공간에 온도제어밸브(210), 바이패스밸브(220), COD 히터 유닛(400), 매니폴드 및 제어부(600)를 내장하는 것이 가능하게 된다.
상기 제어부(600)는 상기 밸브 액추에이터 조립체(300)의 구동 제어부(600)와 COD 히터 유닛(400)의 열 제어부(600)를 포함하여 패키지화함으로써 설치 및 유지 보수를 용이하게 하는 것이 바람직하다.
한편, 도 6 내지 도 10에 도시한 바와 같이, 상기 모듈 하우징(100)에는 상기 통합 밸브 조립체(200)를 수용하는 원통형의 내주 안내면이 형성되는 밸브 수용 케이스(140)를 포함하고 있어 상기 밸브 액추에이터 조립체(300)의 구동에 의해 상기 통합 밸브 조립체(200)가 상기 밸브 수용 케이스(140) 내에서 회전하면서 냉각수에 대한 유동 방향을 변경하게 되어 있다.
도 7에 도시한 바와 같이, 상기 밸브 액추에이터 조립체(300)는 액추에이터 케이스(310) 내에 전동모터(320), 출력축(330) 및 상기 전동모터(320)와 출력축(330) 사이를 연결하는 기어열(340)이 장착되는 구조로 이루어져 전동모터의 구동에 의해 출력축이 회전하면 상기 출력축에 연결된 통합 밸브 조립체(200)가 회전하도록 구성된다.
구체적으로, 도 3 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 밸브 수용 케이스(140)의 둘레면에는 상기 밸브 액추에이터 조립체(300)의 출력축 방향으로 제1 유입구(141), 제1 유출구(142) 및 제2 유입구(143)가 차례로 관통되게 형성되며, 상기 밸브 수용 케이스(140)의 다른 면에는 상기 출력축 방향으로 상기 제2 유입구(143) 위치에서 제2 유출구(144)가 관통되게 형성되고, 상기 제1 유출구(142) 위치에서 제3 유입구(145)가 관통되게 형성되고, 상기 모듈 하우징(100)에는 제3 유출구(146)가 형성된다.
상기 제1 유입구(141)를 통해 라디에이터로부터 냉각수가 유입되고 상기 제1 유출구(142)를 통해 전동 워터 펌프로 냉각수가 유출되고 상기 제2 유입구(143)를 통해 전통 워터 펌프로부터 냉각수가 유입되고 상기 제2 유출구(144)를 통해 냉각수가 연료전지 스택으로 유출되고 상기 제3 유입구(145)를 통해 이온 필터로부터 냉각수가 유입되고 상기 제3 유출구(146)를 통해 냉각수가 라디에이터로 유출되어 전달된다.
도 8에 도시한 바와 같이, 상기 밸브 수용 케이스(140)에 수용되는 상기 통합 밸브 조립체(200)는, 상기 밸브 액추에이터 조립체(300)의 출력축에 연결되는 것으로 원통형의 외주면 형상을 가지며 측면에는 상기 제1 유입구(141)의 개폐를 단속하기 위한 제1 개방홀(211)과, 상기 제1 유출구(142)와 제3 유입구(145)의 개폐를 단속하기 위한 제1 개방홀(212)이 형성되는 온도제어밸브(210)를 구비한다.
상기 제1 개방홀(211)은 통합 밸브 조립체(200)의 둘레방향을 따라 분리된 2개로 이루어져 있다.
또한, 도 7과 도 8에 도시한 바와 같이, 상기 통합 밸브 조립체(200)는, 상기 밸브 수용 케이스(140)의 내부에 형성된 차단벽을 사이에 두고 상기 온도제어밸브(210)의 반대쪽에 배치되되, 원통형의 외주면 형상을 가지며 상기 온도제어밸브(210)와 상기 출력축 방향으로 연결되어 일체로 회전 가능하고 상기 제2 유입구(143)와 제2 유출구(144)를 개폐 단속하기 위한 제3 개방홀(221)이 형성되는 바이패스밸브(220)를 포함한다.
즉, 상기 온도제어밸브(210)와 바이패스밸브(220)는 함께 회동을 하면서 제1 유입구(141), 제1 유출구(142), 제2 유입구(143), 제2 유출구(144), 제3 유입구(145)를 개폐 단속하게 되며, 상기 온도제어밸브(210)는 밸브 액추에이터 조립체(300)의 출력축에 연결되어 전동모터의 구동에 의해 기동된다.
도 9 및 도 10에 도시한 바와 같이, 상기 모듈 하우징(100)에서 상기 스택 장착 플레이트(500)가 장착되는 면에는 상기 온도제어밸브(210)와 연통하기 위한 제3 연통홀(131b)이 형성되는 제1 냉각수 전달 공간부(131)와, 상기 바이패스밸브(220)와 연통하기 위한 제4 연통홀(132b)이 형성되는 제2 냉각수 전달 공간부(132)가 형성되며, 제1 연통홀(131a)과 제2 연통홀(132a)을 통해 상기 제1 냉각수 전달 공간부(131)와 제2 냉각수 전달 공간부(132)는 COD 히터 유닛(400)과 각각 연통하도록 구성된다.
이에 따라, 승온모드에서 상기 바이패스밸브(220)로부터 상기 제2 냉각수 전달 공간부(132)로 유입된 냉각수는 COD 히터 유닛(400)으로 공급되어 가열된 후 상기 제1 냉각수 전달 공간부(131)로 이동하여 스택 장착 플레이트(500)를 통해 연료전지 스택을 가열한 후 온도제어밸브(210)로 이동하게 되며 온도제어밸브(210)에서 제1 유출구(142)를 통해 전동 워터 펌프로 유동하게 된다.
상기 COD 히터 유닛(400)은, 냉각수를 수용하기 위한 유동 케이스(410), 상기 유동 케이스(410)의 개방된 일면을 덮으며 일측면에서 냉각수와 접하는 히트 플레이트(420), 및 상기 히트 플레이트(420)의 내부 또는 냉각수의 반대쪽 표면에 설치되는 전열선(430)을 포함한다.
상기 히터 케이스(120)에는 상기 전열선(430)과 대향하는 상태로 개방된 일면을 덮는 제2 점검 커버(121)가 설치된다.
또한, 전술한 바와 같이, 상기 히터 케이스(120)와 연통하기 위해, 상기 히터 케이스(120)와 상기 제1 냉각수 전달 공간부(131) 사이에는 제1 연통홀(131a)이 형성되고, 상기 히터 케이스(120)와 제2 냉각수 전달 공간부(132) 사이에는 제2 연통홀(132a)이 형성될 수 있다.
또한, 상기 스택 장착 플레이트(500)에는 상기 제1 냉각수 전달 공간부(131)와 연통하기 위한 연통구(510)가 형성되어 연료전지 스택을 통과한 냉각수가 제1 냉각수 전달 공간부(131)로 전달된다.
도 11에는 전술한 연료전지 차량의 열관리 시스템의 3가지 모드를 구성하는 통합 밸브 조립체(200)와 밸브 수용 케이스(140)의 상대적인 구성이 도시되어 있다.
도 11의 (a)에서와 같이, 방열모드의 경우, 온도제어밸브(210)의 제1 개방홀(211)이 제1 유입구(141)와 연통하도록 하고, 제1 개방홀(212)이 제1 유출구(142)와 제3 유입구(145)와 연통하도록 하며, 바이패스밸브(220)가 제2 유입구(143)와 제2 유출구(144)와 연통하도록 한다.
도 11의 (b)에서와 같이, 스택 온도제어모드의 경우, 온도제어밸브(210)의 제1 개방홀(211)이 제1 유입구(141)와 제1 냉각수 전달 공간부(131)의 제3 연통홀(131b)에 연통하도록 하고, 제1 개방홀(212)이 제1 유출구(142)와 제3 유입구(145)와 연통하도록 하며, 바이패스밸브(220)가 제2 유입구(143)와 제2 유출구(144)와 연통하도록 한다.
도 11의 (c)에서와 같이, 승온모드의 경우, 온도제어밸브(210)의 제1 개방홀(211)이 제1 냉각수 전달 공간부(131)의 제3 연통홀(131b)에 연통하도록 하고, 제1 개방홀(212)이 제1 유출구(142)와 연통하도록 하며, 바이패스밸브(220)가 제2 유입구(143)와 제2 냉각수 전달 공간부(132)의 제4 연통홀(132b)과 연통하도록 한다.
한편, 밸브 액추에이터 조립체(300)를 구성하는 출력축과 액추에이터 케이스 사이에 토션 스프링과 같은 회전 복귀 스프링(350)을 개재함으로써, 전동모터 구동시에는 회전 복귀 스프링(350)의 탄성 저항력을 극복하고 각각의 모드를 수행하도록 하고, 통합 밸브 조립체(200)에 고장이 발생할 경우 전동모터로의 전원이 OFF되면서 상기 회전 복귀 스프링(350)의 복원력에 의해 출력축이 역회전하여 방열모드로 회귀하도록 함으로써 연료전지 스택에 과열이 발생하는 것을 방지하도록 하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 2개의 밸브(온도제어밸브(210)와 바이피스밸브)를 밸브 액추에이터 조립체(300)에 의해 일체로 회전 기동하도록 통합함으로써 모듈 하우징(100) 내에서 콤팩트한 배치 설계가 가능하고 차지하는 공간을 최소화할 수 있어 소형화가 가능하다는 이점이 있다.
더욱이, COD 히터 유닛(400)과 제어부(600)를 모듈 하우징(100)에 통합 설치함으로써 소형화가 가능하고 유지보수가 편리하다는 이점도 있다.
또한, 밸브에 고장이 발생했을 경우 자동으로 최대 방열 모드로 복귀하여 안전사고가 없도록 하는 fail safey 기능도 가능하다는 장점도 있다.
또한, COD 히터 유닛(400)이 히트 플레이트(420)를 포함하므로 모듈 하우징(100)에 부착이 용이하고 원가가 절감된다는 장점도 있다.
본 발명의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위 내에서 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
100... 모듈 하우징
110... 구동 케이스
120... 히터 케이스
130... 유동 몸체
131... 제1 냉각수 전달 공간부
131a... 제1 연통홀
131b... 제3 연통홀
132... 제2 냉각수 전달 공간부
132a... 제2 연통홀
132b... 제4 연통홀
140... 밸브 수용 케이스
141... 제1 유입구
142... 제1 유출구
143... 제2 유입구
144... 제2 유출구
145... 제3 유입구
146... 제3 유출구
200... 통합 밸브 조립체
210... 온도제어밸브
211... 제1 개방홀
212... 제2 개방홀
220... 바이패스밸브
221... 제3 개방홀
300... 밸브 액추에이터 조립체
310... 액추에이터 케이스
320... 전동모터
330... 출력축
400... COD 히터 유닛
410... 유동 케이스
420... 히트 플레이트
430... 전열선
1000... 본 발명에 따른 연료전지 차량의 열관리 모듈

Claims (15)

  1. 냉각수가 통과하기 위한 복수의 유입구와 유출구를 구비하는 모듈 하우징;
    상기 모듈 하우징의 내부에 설치되어 일방향을 따라 연장되며, 상기 일방향을 중심으로 회전하는 밸브를 구비하여 상기 복수의 유입구와 유출구 중 적어도 일부의 개폐를 단속하는 통합 밸브 조립체;
    상기 모듈 하우징의 내부에서 상기 통합 밸브 조립체의 일방향 단부에 설치되어 상기 밸브를 회전 구동하기 위한 밸브 액추에이터 조립체;
    상기 모듈 하우징의 내부에 설치되는 COD 히터 유닛;
    상기 모듈 하우징의 내부에 설치되는 제어부; 및,
    연료전지 스택을 장착하기 위해 상기 모듈 하우징의 외측에 장착되는 스택 장착 플레이트;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열관리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모듈 하우징에서 상기 일방향에 직교하는 면에는 상기 밸브 액추에이터 조립체를 수용하기 위한 구동 케이스가 확장 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열관리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 구동 케이스에 내장되며, 상기 일방향을 따라 상기 밸브 액추에이터 조립체를 사이에 두고 통합 밸브 조립체의 반대쪽에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열관리 모듈.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 모듈 하우징의 외측면에는 상기 COD 히터 유닛를 수용하기 위한 히터 케이스가 확장 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열관리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 히터 케이스는 상기 구동 케이스와 직교하는 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열관리 모듈.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 스택 장착 플레이트는 상기 모듈 하우징의 외측면에 확장 형성되는 유동 몸체의 외면에 설치되며, 상기 유동 몸체의 외면에는 상기 스택 장착 플레이트가 장착되는 부분이 개방되는 제1 냉각수 전달 공간부와 제2 냉각수 전달 공간부가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열관리 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 구동 케이스와 유동 몸체는 직교하는 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열관리 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 구동 케이스는 히터 케이스 및 유동 몸체와 직교하고, 상기 히터 케이스와 유동 몸체는 서로 직교하는 형상으로 이루어지며, 상기 구동 케이스, 히터 케이스 및 유동 몸체의 내측면에 의해 이루어진 공간에는, 상기 모듈 하우징에서 상기 통합 밸브 조립체를 내장하는 부분인 밸브 수용 케이스가 돌출되게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열관리 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 밸브 액추에이터 조립체의 구동 제어부와 COD 히터 유닛의 열 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열관리 모듈.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모듈 하우징에는 상기 통합 밸브 조립체를 수용하는 원통형의 내주 안내면이 형성되는 밸브 수용 케이스를 포함하며,
    상기 밸브 수용 케이스의 둘레면에는 상기 밸브 액추에이터 조립체의 출력축 방향으로 제1 유입구, 제1 유출구 및 제2 유입구가 차례로 관통되게 형성되며, 상기 밸브 수용 케이스의 다른 면에는 상기 출력축 방향으로 상기 제2 유입구 위치에서 제2 유출구가 관통되게 형성되고, 상기 밸브 수용 케이스의 다른 면에는 상기 제1 유출구 위치에서 제3 유입구가 관통되게 형성되고, 상기 모듈 하우징에는 제3 유출구가 형성되며,
    상기 밸브 수용 케이스에 수용되는 상기 통합 밸브 조립체는,
    상기 밸브 액추에이터 조립체의 출력축에 연결되는 것으로 원통형의 외주면 형상을 가지며 측면에는 상기 제1 유입구를 개폐 단속하기 위한 제1 개방홀과, 상기 제1 유출구와 제3 유입구를 개폐 단속하기 위한 제2 개방홀이 형성되는 온도제어밸브; 및,
    상기 밸브 수용 케이스의 내부에 형성된 차단벽을 사이에 두고 상기 온도제어밸브의 반대쪽에 배치되되, 원통형의 외주면 형상을 가지며 상기 온도제어밸브와 상기 출력축 방향으로 연결되어 일체로 회전 가능하고 상기 제2 유입구와 제2 유출구를 개폐 단속하기 위한 제3 개방홀이 형성되는 바이패스밸브;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열관리 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 모듈 하우징에서 상기 스택 장착 플레이트가 장착되는 면에는 상기 온도제어밸브와 연통하기 위한 제3 연통홀이 형성되는 제1 냉각수 전달 공간부와, 상기 바이패스밸브와 연통하기 위한 제4 연통홀이 형성되는 제2 냉각수 전달 공간부가 형성되며,
    상기 제1 냉각수 전달 공간부와 제2 냉각수 전달 공간부는 COD 히터 유닛과 연통하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열관리 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 COD 히터 유닛은,
    냉각수를 수용하기 위한 유동 케이스;
    상기 유동 케이스의 개방된 일면을 덮으며 일측면에서 냉각수와 접하는 히트 플레이트; 및,
    상기 히트 플레이트의 내부 또는 냉각수의 반대쪽 표면에 설치되는 전열선;
    을 포함하며,
    상기 히터 케이스와 연통하기 위해, 상기 COD 히터 유닛의 히터 케이스와 상기 제1 냉각수 전달 공간부 사이에는 제1 연통홀이 형성되고, 상기 히터 케이스와 제2 냉각수 전달 공간부 사이에는 제2 연통홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열관리 모듈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 히트 플레이트는 상기 일방향과 나란하게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열관리 모듈.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 스택 장착 플레이트에는 상기 제1 냉각수 전달 공간부와 연통하기 위한 연통구가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열관리 모듈.
  15. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브 액추에이터 조립체는, 액추에이터 케이스 내에 전동모터, 출력축 및 상기 전동모터와 출력축 사이를 연결하는 기어열이 장착되는 구성으로 되어 있으며, 상기 출력축과 액추에이터 케이스 사이에는 회전 복귀 스프링이 개재되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열관리 모듈.
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