KR20220076691A - 연료전지 차량용 배출밸브 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 응축수가 결빙되는 것을 방지하여 응축수의 배출성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 차량용 배출밸브에 관한 것으로, 응축수가 유입되는 인렛, 응축수가 배출되는 아웃렛 및 상기 인렛과 상기 아웃렛을 연결하는 챔버가 형성된 홀더와, 상기 인렛이 형성된 상기 홀더의 일측에 결합되는 히터 어셈블리와, 상기 챔버에 설치되어 상기 인렛을 개방하거나 폐쇄하는 다이어프램과, 상기 인렛이 개방 또는 폐쇄되도록 상기 다이어프램을 변형 또는 복원시키는 솔레노이드를 포함하여 구성된다.

Description

연료전지 차량용 배출밸브{DRAIN VALVE FOR FUEL CELL VEHICLE }
본 발명은 연료전지 차량용 배출밸브에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 응축수가 결빙되는 것을 방지하여 응축수의 배출성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 차량용 배출밸브에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지시스템은 수소와 산소를 반응시켜 전기에너지를 생산하는 시스템이다. 이러한 연료전지시스템은 환경문제를 해결할 수 있는 대안으로서 지속적인 연구 및 개발이 이루어지고 있다.
연료전지차량(Fuel Cell Electric Vehicle; FCEV)은 내연기관을 대신하여 연료전지가 적용된 차량으로서, 수소와 산소의 반응으로 생성된 전기에너지에 의해 모터가 구동하여 주행하도록 구성된다.
전술한 연료전지차량은, 수소가 저장되는 수소탱크, 수소와 산소의 산화환원반응을 통해 전기를 생성하는 스택, 생성된 물을 배수하기 위한 장치, 스택에서 생산된 전기를 저장하는 배터리, 생산된 전기를 변환 및 제어하는 컨트롤러 및 구동력을 생성하는 모터 등을 포함하여 구성된다.
한편, 연료전지차량은 스택이 안정적인 성능을 유지할 수 있도록 스택에서 발생하는 열과 물을 제어, 즉 스택에서 생성된 물을 주기적으로 배출시키는 장치를 더 포함하여 구성된다.
공개특허공보 제2019-0059692호(2019.05.31.)에는 수소연료전지용 통합밸브가 개시되어 있다.
통합밸브는, 가스 및 물이 이송되는 하우징과, 가스 및 물의 이동을 허용 또는 차단하는 솔레노이드를 포함하여 구성된다. 하우징에는 가스 및 물의 출입을 위한 입구와 출구가 형성되고, 입구와 출구 사이에는 솔레노이드에 의해 개폐되는 연결유로가 형성된다.
그런데, 종래의 통합밸브는 챔버의 바닥에 정체된 응축수가 결빙될 경우 배출성능이 급격하게 저하될 우려가 있다.
공개특허공보 제2019-0059692호(2019.05.31.)
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 응축수가 결빙되는 것을 방지하여 응축수의 배출성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 차량용 배출밸브를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 연료전지 차량용 배출밸브는, 응축수가 유입되는 인렛, 응축수가 배출되는 아웃렛 및 상기 인렛과 상기 아웃렛을 연결하는 챔버가 형성된 홀더와, 상기 인렛이 형성된 상기 홀더의 일측에 결합되는 히터 어셈블리와, 상기 챔버에 설치되어 상기 인렛을 개방하거나 폐쇄하는 다이어프램과, 상기 인렛이 개방 또는 폐쇄되도록 상기 다이어프램을 변형 또는 복원시키는 솔레노이드를 포함하여 구성된다.
상기 히터 어셈블리는, 상기 인렛을 감싸는 링 형상의 PTC 히터와, 상기 PTC 히터의 일면에 접촉되는 제1전기 접점과, 상기 PTC 히터의 타면에 접촉되는 제2전기 접점으로 구성된다.
상기 제1전기 접점은, 상기 PTC 히터의 일면에 접촉되는 링 형상의 제1원판부재와, 상기 PTC 히터를 가압하여 상기 제2전기 접점에 밀착시키는 탄성부재로 이루어진다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 응축수가 유입되는 인렛 측에 히터 어셈블리가 마련되어 온도가 영하로 떨어지는 날씨에도 응축수가 결빙되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 히터 어셈블리의 PTC 히터가 탄성부재에 의해 전기 접점에 밀착됨으로써 전기 접촉 효율을 높아지며 이를 통하여 작동 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량용 배출밸브의 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량용 배출밸브의 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량용 배출밸브 중 히터 어셈블리의 분해사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량용 배출밸브의 사용상태도.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 여기서, 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 또한, 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량용 배출밸브는 전기에너지를 생산하는 과정에서 발생한 부산물인 응축수 및 미반응 수소를 외부로 배출하기 위한 밸브로서, 응축수 및 미반응 수소가 이송 및 저장되는 매니폴드(또는 워터트랩)에 설치된다.
도 1 내지 도 4를 참조하여 본 실시예에 따른 연료전지 차량용 배출밸브에 대해 상세히 살펴보도록 한다.
연료전지 차량용 배출밸브(10)는, 홀더(100)와, 홀더(100)의 일측(도면상 좌측)에 결합되는 히터 어셈블리(200)와, 홀더(100)의 내부에 설치되는 다이어프램(300)과, 홀더(100)의 타측(도면상 우측)에 결합되는 솔레노이드(400)로 구성된다.
홀더(100)는 응축수를 배출하기 위한 유로(110~130)가 형성된 블록이다. 홀더(100)의 일면에는 응축수가 유입되는 인렛(110)이 형성되고, 하면에는 응축수가 배출되는 아웃렛(120)이 형성된다. 또한, 홀더(100)의 내부에는 인렛(110)과 아웃렛(120)을 연결하는 챔버(130)가 형성된다.
인렛(110)은 매니폴드(도 4의 20)에 저장된 응축수가 유입되는 부분으로, 매니폴드(20)의 배출관(도 4의 22)에 밀착될 수 있도록 홀더(110)의 일면에서 돌출된 파이프 형상을 갖는다.
인렛(110)이 형성된 홀더(100)의 일면에는 히터 어셈블리(200)의 설치를 위한 장착홈(140)이 형성된다. 이때, 히터 어셈블리(200)는 장착홈(140)에 설치된 상태에서 인렛(110)을 감싸도록 결합된다.
아웃렛(120)은 매니폴드(20)에서 유입된 응축수를 외부로 배출하는 부분으로, 홀더(100)의 하면에서 하향으로 돌출된 파이프 형상을 갖는다. 도면에 도시되진 않았지만, 아웃렛(120)은 배출 튜브 등이 설치될 수 있도록 걸림턱이 형성된 피팅 파이프 형태로 제작될 수 있다.
챔버(130)는 인렛(110)과 아웃렛(120)을 연결하는 공간으로, 홀더(100)의 타측으로 개방된 원통 형상으로 형성된다. 즉, 챔버(130)의 일측은 인렛(110)에 연결되고, 챔버(130)의 하측은 아웃렛(120)에 연결된다. 이때, 챔버(130)의 인렛(110) 측 내벽에는 밸브 시트(150)가 돌출된다.
밸브 시트(150)는 후술할 다이어프램(300)의 밸브체(310)와 접촉되는 부분이며, 다이어프램(300) 측으로 갈수록 직경이 작아지는 테이퍼 형상으로 형성된다.
한편, 홀더(100)에는 히터 어셈블리(200) 및 솔레노이드(400)의 작동을 제어하기 위하여 전원 및 신호를 인가하는 커넥터(160)가 마련된다. 즉, 본 실시예에 배출밸브(10)는 하나의 커넥터(160)를 이용하여 히터 어셈블리(200) 및 솔레노이드(400)를 모두 제어할 수 있으므로 배출밸브(10)의 구조를 단순화할 수 있다.
히터 어셈블리(200)는 홀더(100)로 유입되는 응축수가 결빙되는 것을 방지하는 가열수단이다. 이러한 히터 어셈블리(200)는, PTC 히터(210)와, PTC 히터(210)에 전원을 공급하기 위한 전기 접점(220,230)으로 구성된다.
PTC 히터(Positive Temperature Coefficient Heater, 210)는 전원 인가 시 발열하는 전열히터로, 장착홈(140)에 설치된 상태에서 인렛(110)을 감싸도록 링 형상으로 제작된다.
이러한 형상의 PTC 히터(210)는 전원 인가 시 발생한 열이 PTC 히터(210)의 반경방향으로 전달되어 인렛(110)을 빠르고 고르게 가열할 수 있다. 특히, PTC 히터(210)에서 발생한 열이 홀더(100) 측으로도 전달되므로 챔버(130)의 내부에 형성된 밸브 시트(150)까지도 가열할 수 있다.
전기 접점(220,230)은, PTC 히터(210)의 홀더(100) 측 일면에 접촉되는 제1전기 접점(220)과, PTC 히터(210)의 매니폴드(20) 측 타면에 접촉되는 제2전기 접점(230)으로 구성된다.
제1전기 접점(220)은, PTC 히터(210)와 동일한 링 형상의 제1원판부재(222)와, 제1원판부재(222)의 중심을 기준으로 방사상으로 배열된 다수개의 탄성부재(224)로 이루어진다.
탄성부재(224)는 제1원판부재(222)에서 PTC 히터(210) 측으로 볼록하게 돌출된 외팔보 형태의 판 스프링이다. 이러한 형상의 탄성부재(224)는 PTC 히터(210)를 가압하여 제2전기 접점(230)에 밀착되도록 한다.
이때, 탄성부재(224)는 제1원판부재(222)의 중심을 기준으로 방사상 배열되는 3개 또는 그 이상으로 구성되는 것이 바람직한데, 적어도 3개 이상으로 구성될 경우에만 PTC 히터(210)를 전체적으로 균일하게 가압할 수 있어 제2전기 접점(230)과의 접촉효율을 향상시킬 수 있다.
제2전기 접점(230)은, PTC 히터(210)와 동일한 링 형상의 제2원판부재(232)와, PTC 히터(210)의 외주면을 부분적으로 감싸는 하프 파이프 형상의 제1지지부재(234)와, PTC 히터(210)의 내주면을 감싸는 원통 형상의 제2지지부재(236)로 이루어진다.
이와 같이, 제1지지부재(234)를 하프 파이프 형상으로 제작할 경우 PTC 히터(210)에서 발생한 열이 외부로 방출되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제2지지부재(236)를 원통 형상으로 제작할 경우 응축수가 유입되는 인렛(110)과의 접촉효율을 향상시킬 수 있고, PTC 히터(210)에서 발생한 열을 인렛(110) 측으로 빠르고 고르게 전달할 수 있다.
상술한 바와 같이 구성된 히터 어셈블리(200)는, 제1전기 접점에 마련된 탄성부재(224)가 PTC 히터(210)를 가압함으로써 PTC 히터(210)의 유동을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 전기 접점(220,230)과의 접촉효율을 향상시킬 수 있다.
다이어프램(300)은 솔레노이드(400)의 작동 시 변형 및 복원되며 인렛(110)을 개방 또는 폐쇄하는 역할을 한다. 이때, 다이어프램(300)은 변형 및 복원이 가능하도록, 그리고 밸브 시트(150)와의 접촉 시 충격을 흡수할 수 있도록 소정의 탄성을 가진 재질로 제작된다.
도면에 도시된 바와 같이, 다이어프램(300)의 중앙에는 인렛(110)을 개폐하는 밸브체(310)가 형성된다. 밸브체(310)는 밸브 시트(150)와의 접촉 시 충격을 흡수할 수 있도록 소정의 두께를 가진 원판 형상으로 형성된다. 이때, 밸브체(310)의 일면에는 솔레노이드(400)의 로드(470)가 결합되는 결합홈(320)이 형성된다.
다이어프램(300)의 둘레에는 홀더(100)와 솔레노이드(400) 사이에 개재되어 다이어프램(300)을 고정하는 고정링(330)이 형성되고, 밸브체(310)와 고정링(330) 사이에는 다이어프램(300)의 변형을 위한 얇은 막 형태의 환형 필름(340)이 형성된다.
솔레노이드(400)는 전원 인가 시 작동하는 액추에이터이다.
그 구성을 살펴보면, 케이스(410)와, 케이스(410)의 일단에 결합되는 커버(420)와, 케이스(410)의 내부의 구비되는 코일 어셈블리(430)와, 코일 어셈블리(430)의 양단에 각각 결합된 요크(440) 및 코어(450)와, 요크(440)의 내부에 이동 가능하게 설치된 플런저(460)와, 플런저(460)의 일단면에 결합된 로드(470)와, 플런저(460)의 일단 외주면에 결합된 댐퍼(480)로 구성된다.
상술한 구성의 솔레노이드(400)는 커넥터(160)를 통해 인가된 전기적 신호를 통해 제어되는데, 이때 펄스 폭 변조(Pulse-Width Modulation; PWM) 방식으로 제어할 경우 솔레노이드(400)의 작동을 선형적으로 제어할 수 있다.
케이스(410)와 커버(420)는 솔레노이드(400)의 외형을 이루는 부분이다. 케이스(410)는 일단이 개방된 중공의 컵(cup) 형상이고, 커버(420)는 양단이 개방된 중공의 원통 형상이며 케이스(410)의 개방된 일단에 결합된다.
코일 어셈블리(430)는, 보빈(432)과, 보빈(432)의 외주면에 감긴 코일(434)로 이루어진다. 이러한 코일 어셈블리(430)는 커넥터(160)를 통해 전원이 인가될 경우 자기장을 발생시킨다. 이때, 코일 어셈블리(430)에서 발생한 자기장은 요크(440)와 코어(450)를 자화시켜 플런저(460)를 이동시킨다.
요크(440)와 코어(450)는 코일 어셈블리(430)에서 발생한 자기장에 의해 자화되는 고정철심이고, 플런저(460)는 자화된 요크(440)와 코어(450)에 의해 이동하는 가동철심이다.
로드(470)는 플런저(460)의 일단면에 결합되어 다이어프램(300)을 변형 및 복원시킨다. 로드(470)에 의해 변형 및 복원되는 다이어프램(300)은 인렛(110)을 개방 또는 폐쇄함으로써 응축수의 배출을 허용 또는 차단한다.
댐퍼(480)는 플런저(460)의 일단 외주면에 결합되어, 플런저(460)의 이동 시 커버(420)와 접촉되어 소음을 억제함과 동시에 플런저(460)가 커버(420)를 관통하여 홀더(100) 측으로 이동하는 것을 제한한다. 즉, 댐퍼(480)는 플런저(460)의 스트로크를 제한함으로써 다이어프램(300)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
10: 배출밸브 100: 홀더
200: 히터 어셈블리 300: 다이어프램
400: 솔레노이드

Claims (8)

  1. 응축수가 유입되는 인렛이 일측에 형성되고, 응축수가 배출되는 아웃렛이 타측에 형성되며, 상기 인렛과 상기 아웃렛을 연결하는 챔버가 내부에 형성된 홀더;
    상기 인렛이 형성된 상기 홀더의 일측에 결합되는 히터 어셈블리;
    상기 챔버에 설치되어 상기 인렛을 개방하거나 폐쇄하는 다이어프램; 및
    상기 인렛이 개방 또는 폐쇄되도록 상기 다이어프램을 변형 또는 복원시키는 솔레노이드를 포함하는 연료전지 차량용 배출밸브.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 히터 어셈블리는,
    상기 인렛을 감싸는 링 형상의 PTC 히터와, 상기 PTC 히터의 일면에 접촉되는 제1전기 접점과, 상기 PTC 히터의 타면에 접촉되는 제2전기 접점으로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 배출밸브.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1전기 접점은, 상기 PTC 히터의 일면에 접촉되는 링 형상의 제1원판부재와, 상기 PTC 히터를 가압하여 상기 제2전기 접점에 밀착시키는 탄성부재로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 배출밸브.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 탄성부재는 상기 제1원판부재의 중심을 기준으로 방사상 배열되는 다수개로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 배출밸브.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 탄성부재는 상기 PTC 히터 측으로 볼록한 외팔보 형태의 판 스프링인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 배출밸브.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2전기 접점은, 상기 PTC 히터의 타면에 접촉되는 링 형상의 제2원판부재와, 상기 PTC 히터의 외주면을 부분적으로 감싸는 하프 파이프 형상의 제1지지부재와, 상기 PTC 히터의 내주면을 감싸는 원통 형상의 제2지지부재로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 배출밸브.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다이어프램은, 상기 인렛을 개폐하는 밸브체와, 상기 홀더와 상기 솔레노이드 사이에 개재되는 고정링과, 상기 밸브체와 상기 고정링 사이에 형성된 환형의 필름으로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 배출밸브.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 인렛이 형성된 상기 챔버의 일측 내벽에는 상기 밸브체가 접촉되는 밸브 시트가 돌출된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 배출밸브.
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