KR20220044213A - 압력 용기의 압력 해제 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압력 용기(6)의 압력 해제를 위한 시스템(2)에 관한 것으로, 상기 시스템은, 연료를 수용하기 위한 압력 용기(6), 이 압력 용기(6)와 소비 장치측(12) 사이의 접근을 차단하기 위한 차단 밸브(4), 압력 용기(6)로부터 연료를 배출하기 위한 제1 안전 밸브(8), 그리고 압력 용기(6)로부터 연료를 배출하기 위한 제2 안전 밸브(14)를 포함하며, 제1 안전 밸브(8)는 상시 폐쇄형 밸브로서 형성되고, 제2 안전 밸브(14)는 적어도 압력 용기(6) 내 압력의 임계값 위에서는 상시 개방형 밸브로서 형성된다.

Description

압력 용기의 압력 해제 시스템

본 발명은 압력 용기의 압력 해제 시스템 및 압력 해제 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 압력 용기의 압력 해제 시스템을 포함하는 자동차를 포함한다.

연료를 수용하기 위한 압력 용기는 종래 기술로부터 공지되어 있으며, 특히 자동차에서 사용된다. 특히, 예컨대 수소와 같은 가스 형태의 연료의 경우, 연료는 고압 하에 보관된다. 공지된 수소 응용 분야에서 연료는 예를 들어 350 내지700bar의 압력으로 저장된다. 온도가 상승할 경우, 특히 차량 화재 발생 시, 탱크 압력이 계속 상승하여 압력 용기가 파열될 수 있으며, 이는 일반적으로 주변 영역에 큰 피해를 입힌다. 이러한 이유로, 특히 수소와 같이 증기압이 높은 연료용 압력 용기에는 적절한 압력 경감 장치가 구비되어야 한다. 그러나 종래 기술로부터 공지된 압력 경감 장치는 특히, 상기 장치가 기계적으로 작동 개시되고, 이 경우 예를 들어 진동 발생 시 잘못 개시된 작동에 대한 강인성(robustness)이 의심스럽다는 단점이 있는데, 이는 이러한 해결방안이 유리로 된 요소를 포함하기 때문이다.

본 발명의 대상은 제1 양태에 따라 시스템 독립 청구항의 특징들을 갖는 시스템 및 제2 양태에 따라 방법 독립 청구항의 특징들을 갖는 방법이다. 본 발명의 또 다른 특징 및 세부사항은 각각의 종속항, 설명부 및 도면에 명시되어 있다. 본 발명에 따른 시스템과 관련하여 설명한 특징 및 세부 사항은 당연히 본 발명에 따른 방법과 관련해서도 그리고 그 반대로도 적용되므로, 본 발명의 개별 양태들의 개시와 관련하여 항시 상호 참조되거나 참조 가능하다.

압력 용기의 압력 해제를 위한 본 발명에 따른 시스템은 특히, 전력 공급의 중단 시 압력하에 있는 연료가 배출될 수 있게 하는 데 이용된다. 여기서 대상 시스템의 장점은 특히, 상기 시스템의 사용을 통해 전력 공급 없이도 가압된 압력 용기를 서서히 안전하게 비울 수 있음으로써 파열 위험을 최소화하거나 제거할 수 있다는 데 있다.

압력 용기의 압력 해제를 위한 본 발명에 따른 시스템은, 연료를 수용하기 위한 압력 용기, 상기 압력 용기와 소비 장치측 사이의 접근을 차단하기 위한 차단 밸브, 압력 용기로부터 연료를 배출하기 위한 제1 안전 밸브, 그리고 압력 용기로부터 연료를 배출하기 위한 제2 안전 밸브를 포함한다. 이와 관련하여 대상 시스템은, 제1 안전 밸브가 상시 폐쇄형 밸브로서 형성되고, 제2 안전 밸브는 적어도 압력 용기 내 압력의 임계값 위에서는 상시 개방형 밸브로서 형성되는 것을 특징으로 한다.

압력 용기의 압력 해제를 위한 본 발명에 따른 시스템은 특히, 수소가 연료로서 사용되는 연료 전지 구동 차량에서 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 시스템은 가스 및/또는 휘발유가 연료로서 사용되는 내연 기관 구동 차량에서도 사용될 수 있다. 승용차 또는 화물차에서의 사용 외에도, 본 발명에 따른 시스템은 선박 또는 비행체 등에서도 사용될 수 있다. 본 발명의 범주에서 상시 폐쇄형 밸브는 특히 능동적으로 개방될 수 있는 밸브를 의미하며, 밸브에 전류가 공급되지 않는 상태에서는 자동으로 폐쇄된다. 그에 반해 상시 개방형 밸브는 특히 능동적으로 폐쇄될 수 있는 밸브를 의미하며, 밸브에 전류가 공급되지 않는 상태에서, 적어도 압력 용기 내 압력의 임계값 위에서는 자동으로 개방되거나 개방 상태로 유지된다. 이 경우, 압력의 임계값은 특히 압력 용기 및 사용된 연료의 유형뿐만 아니라 압력 용기 또는 연료의 관련 온도에 따른다. 연료로서의 수소의 적합한 임계값은 예를 들어 20 내지 200bar, 바람직하게는 50 내지 100bar, 특히 100bar일 수 있다. 상기 두 안전 밸브는 바람직하게 연료의 유동률 또는 배출률과 관련하여 서로 상이하며, 특히 제2 안전 밸브는 제1 안전 밸브보다 연료 유동률 또는 배출률이 훨씬 더 낮다. 이 경우, 바람직하게 제2 안전 밸브의 개구는, 위험이 발생하지 않을 정도로 관련 연료의 배출률이 낮도록 치수가 결정된다. 수소를 연료로 사용할 경우, 제2 안전 밸브의 개구는 특히, 수소가 수 시간 내지 수일 이내에 탱크에서 배출되도록, 또는 적어도 탱크가 화재 발생 시에도 안전하고 파열로부터 보호될 정도로 상기 기간 이내에 탱크가 비워지도록, 치수가 결정될 수 있다.

전력 공급 시 초과압의 안전한 배출의 범주에서, 본 발명에 따라 특히, 제1 안전 밸브가 전력 공급 중에 최소량의 전력으로 개폐될 수 있는 방식으로 구성될 수 있으며, 이 경우 개방 과정은 특히 압력 용기 내부의 압력을 통해 제어될 수 있다. 상시 폐쇄형 밸브는 특히, 압력 용기의 압력이 임계값을 초과하면 열리는 방식으로 구성될 수 있다. 그에 반해 상시 개방형 밸브는 특히, 전력 공급하에서는 열릴 수 없고, 최소량의 전력 공급 동안에는 완전히 닫힌 상태로 유지되도록, 특히 능동적으로 닫히도록 구성될 수 있다.

압력 용기의 압력 해제를 위한 본 발명에 따른 시스템의 특히 작고 컴팩트한 장치의 범주에서 본 발명에 따라 바람직하게는 제1 및 제2 안전 밸브가 하나의 어셈블리의 형태로 결합될 수 있고, 상기 어셈블리는 바람직하게 적어도 부분적으로 압력 용기 내부에 배치된다.

구조상 간단하게 구현 가능한 방식으로, 전력이 차단된 상태에서도 초과압의 제어된(controlled) 배출을 보장하기 위해, 본 발명에 따라 추가로 특히, 제2 안전 밸브가 연료의 제어된 배출을 위한 가스 흐름 경로를 갖는 구성이 제공될 수 있으며, 상기 가스 흐름 경로는 바람직하게 압력 용기의 내부 공간을 주변과 연결한다. 이 경우, 가스 흐름 경로는 예를 들어 보링(boring) 등을 통해 도입될 수 있다.

또한, 특히 안전하고 제어된 연료 배출의, 구조상 간단하게 구현 가능한 실시예의 범주에서, 본 발명에 따라 가스 흐름 경로가 유동을 제한하기 위해 의도적으로 도입된 병목 지점을 갖는 구성이 제공될 수 있으며, 상기 병목 지점은 유동률이 탱크 부피(l)당 6cm³/h의 값을 초과하지 않도록 구성된다. 이 경우, 유동은 특히, 최대로 제공된 탱크 압력(예: 700bar)에서 그리고 탱크 충전 시 온도에 기인하여 추가로 압력이 상승할 때 법적 규정 배출률(예: 6Ncm³/hl)을 초과하지 않는 방식으로 제한되어야 한다.

구조상 간단하게 구현 가능한, 전력 공급 시 대상 가스 흐름 경로의 폐쇄 가능성의 범주에서, 본 발명에 따라 특히, 제2 안전 밸브가 폐쇄 요소를 갖는 구성이 제공될 수 있으며, 상기 폐쇄 요소는 전력 공급 시 제2 안전 밸브의 가스 흐름 경로를 최소량의 필요 전류로 능동적으로 폐쇄하도록 구성되어 제2 안전 밸브 내부에 배치된다. 이 경우, 폐쇄 요소는 예를 들어 자체적으로 바람직하게는 능동적으로 전류를 공급받는 밸브 또는 밸브 요소의 형태로 구성될 수 있으며, 상기 밸브 또는 밸브 요소는 예를 들어 제어 장치 없이 바로 전원 장치에 연결되고, 전력 공급 시 대상 가스 흐름 경로를 폐쇄한다. 전력 공급 또는 전원 장치의 고장 시에만 밸브 또는 밸브 요소가 전력 공급이 차단되는 개방 상태로 전환됨으로써, 본 발명에 따라 제공되는 안전하고 제어된 탱크 내용물 배출이 개시될 수 있다.

연료 탱크나 압력 용기 내부에 연료의 잔량을 항시 유지하여, 전력 공급이 복구된 후에 대상 연료 탱크를 통해 구동되는 차량의 즉각적인 지속 작동이 가능하게 하기 위해, 본 발명에 따라 특히, 제2 안전 밸브가 탄성력을 가하기 위한 스프링 요소를 갖는 구성이 제공될 수 있고, 상기 스프링 요소는 바람직하게, 압력 용기 내의 압력이 임계값에 미달하면 전력이 차단된 상태에서도 가스 흐름 경로가 닫힐 수 있도록 구성되어 제2 안전 밸브 내에 배치된다. 이러한 방식으로, 제2 밸브가 적어도 압력 용기 내 압력의 임계값 위에서는 상시 개방형 밸브로서 형성되는 점이 보장된다. 이 경우, 스프링 요소는 특히 대상 폐쇄 요소에 배치될 수 있다. 이 경우, 스프링 요소의 치수 결정은, 특히 화재 발생 시 가정되는 최고 온도(예: 2000K)와 가정되는 최저 주변 온도(예: 250K) 및 측정 가능한 최대 탱크 설계 압력(예: 800bar)을 고려하여 수행될 수 있다. 가정되는 최고 온도에서의 최대 탱크 설계 압력을 가정되는 최저 주변 온도에서의 최대 탱크 설계 압력에 대해 외삽하여, 필요한 최대 감압을 결정할 수 있다(여기서는 예를 들어, 250K에서 100bar). 즉, 예를 들어 압력 용기 내 압력이 100bar 미만일 때에는 제2 밸브가 닫히고, 그에 따라 압력 용기 내부에 항시 약간의 잔류 연료가 유지되도록, 탄성력이 조정될 수 있다.

나아가, 압력 용기로부터 연료의 특히 안전한 그리고/또는 신속한 배출의 범주에서 본 발명에 따라, 제1 및/또는 제2 안전 밸브가 연료의 안전한 배출을 위한 배기 라인과 연결되는 구성이 제공될 수 있다. 상기 배기 라인은, 본 발명에 따른 시스템의 자동차 내 배치의 범주에서, 예를 들어 위쪽에서 차량 외부로, 예컨대 차량 루프로부터 외부로 안내될 수 있다. 배기 라인의 대안으로 또는 그에 추가로, 연료의 안전한 배출을 위해 제1 및/또는 제2 안전 밸브의 배출 지점에 배치된 능동 환기원(ventilation source)도 제공될 수 있다.

배기 라인 또는 능동 환기원의 대안으로 또는 그에 추가로, 본 발명의 범주에서는 배출될 연료와의 제어된 화학 반응을 위한 촉매 표면이 제공되는 것도 고려될 수 있다. 이 경우, 적합한 촉매 표면은 예를 들어 라인 시스템 내에 연료를 배출하기 위해 배치될 수 있거나, 예를 들어 연료가 라인 시스템으로부터 배출된 후에야 배치될 수 있다. 배출될 연료의 제어된 화학 반응을 위한 촉매 표면을 통합하는, 특히 비용 효율적인 변형의 범주에서, 본 발명에 따라 연료 전지로 작동되는 차량의 연료 전지 스택이 촉매 표면으로서의 기능을 하는 구성도 제공될 수 있다.

또한, 특히 전술한 시스템을 사용하여 압력 용기 내에서 압력 해제를 실행하는 방법도 본 발명의 대상이다. 여기서, 대상 방법은 전력 차단 상태에 도달하는 단계, 전력 차단 상태에 도달함에 따라 압력 용기로부터 연료를 배출하기 위한 제1 안전 밸브가 닫히는 단계, 그리고 전력 차단 상태에 도달함에 따라 압력 용기로부터 연료를 배출하기 위한 제2 안전 밸브가 열리는 단계를 포함한다. 이와 관련하여 대상 방법은, 연료가 적어도 압력 용기 내 압력의 임계값 위에서는 제2 안전 밸브를 통해 제어되어 압력 용기로부터 배출되는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명에 따른 방법은 압력 용기 내의 압력 해제를 위한 본 발명에 따른 시스템과 관련하여 이미 상세하게 설명된 것과 동일한 장점을 제공한다.

또한, 전술한 시스템을 포함하는 자동차도 본 발명의 대상이다.

본 발명의 또 다른 특징 및 세부사항은 도면을 토대로 본 발명의 실시예들이 상세히 기술되어 있는 하기의 설명부를 참조한다. 청구 범위 및 설명부에 언급된 특징들은 각각 개별적으로 또는 임의의 조합으로 본 발명에 필수적일 수 있다.

도 1은 제1 실시예에 따른, 압력 용기의 압력 해제를 위한 본 발명에 따른 시스템의 개략도이다.
도 2는 제2 실시예에 따른, 압력 용기의 압력 해제를 위한 본 발명에 따른 시스템의 부분 섹션의 개략도이다.
도 3은 압력 용기의 압력 해제를 위한 본 발명에 따른 방법의 개별 단계의 개략도이다.

하기 도면들에서는 상이한 실시예의 동일한 기술적 특징에 대해 동일한 참조 부호가 사용된다.

도 1에는 제1 실시예에 따른, 압력 용기(6)의 압력 해제를 위한 본 발명에 따른 시스템(2)의 개략도가 도시되어 있다.

여기서 압력 용기(6)의 압력 해제를 위한 대상 시스템(2)은 연료를 수용하기 위한 압력 용기(6), 이 압력 용기(6)와 소비 장치측(12) 사이의 접근을 차단하기 위한 차단 밸브(4), 압력 용기(6)로부터 연료를 배출하기 위한 제1 안전 밸브(8), 그리고 압력 용기(6)로부터 연료를 배출하기 위한 제2 안전 밸브(14)를 포함한다. 이와 관련하여 대상 시스템(2)은, 제1 안전 밸브(8)가 상시 폐쇄형 밸브로서 형성되고, 제2 안전 밸브(14)는 적어도 압력 용기(6) 내 압력의 임계값 위에서는 상시 개방형 밸브로서 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 소비 장치측 압력의 조절을 위해 차단 밸브의 하류에 배치된 미세 조절 장치(10)도 제공된다. 마찬가지로 본 발명의 범주에서, 요소들(6과 4) 사이의 섹션에서 분기된 요소(8, 14)를 배치하는 구성도 제공될 수 있음으로써, 완전한 밸브 기술은 탱크의 일측에만 배치될 수 있다.

여기서 제1 안전 밸브(8)는 전력 공급 동안 최소량의 전류로 개폐될 수 있는 방식으로 구성되며, 개방 과정은 특히 압력 용기(6) 내부의 압력을 통해 제어될 수 있다.

제2 안전 밸브(14)는 바람직하게 제1 안전 밸브(8)보다 연료 유동률 또는 배출률이 훨씬 더 낮다. 제2 안전 밸브(14)는 여기에는 도시되지 않은, 제어된 연료 배출을 위한 가스 흐름 경로를 가지며, 이 가스 흐름 경로는 바람직하게 압력 용기(6)의 내부 공간을 주변과 연결하고, 유동을 제한하기 위해 의도적으로 도입된 병목 지점을 가지며, 이 병목 지점은 바람직하게 유동률이 6Ncm³/hl의 값을 초과하지 않도록 구성된다.

또한, 제2 안전 밸브(14)는 마찬가지로 여기에 명시적으로 도시되지 않은 폐쇄 요소를 가지며, 이 폐쇄 요소는 바람직하게 전력 공급 시 제2 안전 밸브(14)의 가스 흐름 경로를 최소량의 필요 전류로 능동적으로 폐쇄하도록 구성되어 제2 안전 밸브(14) 내부에 배치된다.

추가로, 제2 안전 밸브(14)는 여기에 도시되지 않은, 탄성력을 가하기 위한 스프링 요소를 가지며, 이 스프링 요소는 바람직하게, 압력 용기(14) 내 압력의 임계값에 미달하면 전력이 차단된 상태에서도 가스 흐름 경로가 닫힐 수 있도록, 그리고 그에 따라 연료 탱크(6) 내부에 항시 연료 잔량이 유지될 수 있도록 구성되어 제2 안전 밸브(14) 내에 배치된다. 이러한 방식으로, 전력 공급이 복구된 후 대상 연료 탱크(6)에 의해 구동되는 차량의 즉각적인 지속 작동이 가능하다.

또한, 연료의 안전한 배출을 위해 본 발명에 따라, 제1 및/또는 제2 안전 밸브(8, 14)가 예를 들어 배출될 연료의 제어된 화학 반응을 위한 촉매 표면을 추가로 가질 수 있는 배기 라인과 연결됨으로써, 상기 연료가 안전하게 환경으로 방출될 수 있는 구성이 고려될 수 있다.

도 2에는 제2 실시예에 따른, 압력 용기(6)의 압력 해제를 위한 본 발명에 따른 시스템(2)의 부분 섹션의 개략도가 도시되어 있다. 제2 실시예에 따라, 제1 및 제2 안전 밸브(8, 14)는 단일 어셈블리(16)의 형태로 결합되고, 이 어셈블리(16)는 여기서 적어도 부분적으로 압력 용기(6) 내에 배치되어 있다.

이 부분 섹션에서는 제1 및 제2 안전 밸브(8, 14) 외에 추가로 온도 센서(22), 압력 센서(18) 및 전기 접속 요소(20)를 포함하는 어셈블리(16)만 도시되어 있다.

도 3에는 압력 용기(6)의 압력 해제를 위한 본 발명에 따른 방법의 개별 단계의 개략도가 도시되어 있다.

여기서, 압력 용기(6) 내 압력 해제를 실행하기 위한 대상 방법은, 전력 차단 상태에 도달하는 단계(30), 전력 차단 상태에 도달함(30)에 따라 압력 용기(6)로부터 연료를 배출하기 위한 제1 안전 밸브(8)가 닫히는 단계(32), 그리고 전력 차단 상태에 도달함(30)에 따라 압력 용기(6)로부터 연료를 배출하기 위한 제2 안전 밸브(14)가 열리는 단계(34)를 포함한다. 이와 관련하여 대상 방법은, 연료가 적어도 압력 용기(6) 내 압력의 임계값 위에서는 제2 안전 밸브(14)를 통해 제어되어 압력 용기로부터 배출되는 것을 특징으로 한다.

대상 시스템(2) 또는 대상 방법을 이용하면, 특히 비상 상황에서 전력 공급이 차단된 경우에도 가압된 압력 용기(6)로부터 연료를 서서히 안전하게 배출시킬 수 있음으로써, 관련 압력 용기(6)의 파열 위험을 최소화하거나 제거할 수 있다.

Claims (11)

1. 압력 용기(6)의 압력 해제 시스템(2)으로서,
   - 연료를 수용하기 위한 압력 용기(6),
   - 압력 용기(6)와 소비 장치측(12) 사이의 접근을 차단하기 위한 차단 밸브(4),
   - 압력 용기(6)로부터 연료를 배출하기 위한 제1 안전 밸브(8),
   - 압력 용기(6)로부터 연료를 배출하기 위한 제2 안전 밸브(14)를 포함하는, 압력 용기의 압력 해제 시스템에 있어서,
   제1 안전 밸브(8)는 상시 폐쇄형 밸브로서 형성되고, 제2 안전 밸브(14)는 적어도 압력 용기(6) 내 압력의 임계값 위에서는 상시 개방형 밸브로서 형성되는 것을 특징으로 하는, 압력 용기의 압력 해제 시스템(2).
2. 제1항에 있어서, 제1 안전 밸브(8)는 전력 공급 동안 최소량의 전류로 개폐될 수 있는 방식으로 구성되며, 개방 과정은 특히 압력 용기(6) 내부의 압력을 통해 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는, 압력 용기의 압력 해제 시스템(2).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 및 제2 안전 밸브(8, 14)는 하나의 어셈블리(16)의 형태로 결합되고, 이 어셈블리(16)는 바람직하게 적어도 부분적으로 압력 용기(6) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는, 압력 용기의 압력 해제 시스템(2).
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 안전 밸브(14)는 제어된 연료 배출을 위한 가스 흐름 경로를 가지며, 이 가스 흐름 경로는 바람직하게 압력 용기(6)의 내부 공간을 주변과 연결하는 것을 특징으로 하는, 압력 용기의 압력 해제 시스템(2).
5. 제4항에 있어서, 상기 가스 흐름 경로는 유동을 제한하기 위해 의도적으로 도입된 병목 지점을 가지며, 이 병목 지점은 유동률이 6Ncm³/hl의 값을 초과하지 않도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 압력 용기의 압력 해제 시스템(2).
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 안전 밸브(14)는, 전력 공급 시 제2 안전 밸브(14)의 가스 흐름 경로를 최소량의 필요 전류로 능동적으로 폐쇄하도록 구성되어 제2 안전 밸브(14) 내부에 배치된 폐쇄 요소를 갖는 것을 특징으로 하는, 압력 용기의 압력 해제 시스템(2).
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 안전 밸브(14)는 탄성력을 가하기 위한 스프링 요소를 가지며, 이 스프링 요소는, 압력 용기(6) 내 압력의 임계값에 미달하면 전력이 차단된 상태에서도 가스 흐름 경로가 닫힐 수 있도록 구성되어 제2 안전 밸브(14) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는, 압력 용기의 압력 해제 시스템(2).
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및/또는 제2 안전 밸브(8, 14)가 연료의 안전한 배출을 위한 배기 라인과 연결되는 것을 특징으로 하는, 압력 용기의 압력 해제 시스템(2).
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 배출될 연료와의 제어된 화학 반응을 위한 촉매 표면이 제공되는 것을 특징으로 하는, 압력 용기의 압력 해제 시스템(2).
10. 특히 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 시스템(2)을 사용하여 압력 용기(6) 내에서 압력 해제를 실행하는 방법으로서,
    - 전력 차단 상태에 도달하는 단계(30),
    - 전력 차단 상태에 도달함(30)에 따라 압력 용기(6)로부터 연료를 배출하기 위한 제1 안전 밸브(8)가 닫히는 단계(32),
    - 전력 차단 상태에 도달함(30)에 따라 압력 용기(6)로부터 연료를 배출하기 위한 제2 안전 밸브(14)가 열리는 단계(34)를 포함하는, 압력 용기 내에서 압력 해제를 실행하는 방법에 있어서,
    연료가 적어도 압력 용기(6) 내 압력의 임계값 위에서는 제2 안전 밸브(14)를 통해 제어되어 압력 용기(6)로부터 배출되는 것을 특징으로 하는, 압력 용기 내에서 압력 해제를 실행하는 방법.
11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 시스템(2)을 포함하는 자동차.

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