KR20230062128A - 기밀성이 강화된 연료전지 차량용 공기차단밸브 및 제조방법 - Google Patents

Abstract

하우징과 밸브디스크 간에 인력을 부여하여 접촉을 강화함으로써 시동 OFF 후에도 지속적인 차단 성능 유지가 가능한 기밀 유지 구조를 갖는 공기차단밸브를 제안한다. 본 발명에 따르면, 금속부재 및 러버씰이 포함된 밸브디스크가 힌지결합부를 통해 하우징에 회동 결합되어서 기밀유지 영역을 개폐하는 연료전지 차량용 공기차단밸브에 있어서, 상기 하우징과 상기 밸브디스크 사이에 위치하는 자성부재를 포함하여, 상기 밸브디스크 닫힘시 상기 자성부재의 인력에 의해 상기 밸브디스크의 닫힘 상태가 유지되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 공기차단밸브, 그리고 이 공기차단밸브를 제조하는 방법이 제공된다.

Description

기밀성이 강화된 연료전지 차량용 공기차단밸브 및 제조방법 {Air cut-off valve for fuel cell vehicles with airtightness reinforced and manufacturing method thereof}

본 발명은 연료전지 차량용 공기차단밸브에 관한 것으로, 구체적으로는, 공기차단밸브의 기밀성을 강화하는 구조를 갖는 공기차단밸브 및 그 제조방법에 관한 것이다.

연료전지 차량에 사용되는 공기차단밸브 ACV(air cut-off valve)에 대해서 간략히 설명한다. 연료전지 차량용 ACV는 연료전지 차량의 운행 정지 후 연료전지 스택의 음극(cathode)측(공기극)으로의 공기 유입을 막아서 연료전지 스택의 흡입 및 배출 통로를 차단하여서 연료전지 스택의 내부에 잔존하는 공기(산소)가 불필요하게 반응해 스택의 수명이 저하되는 것을 방지하고 내구성을 확보하기 위한 장치이다. 또한 ACV는 차량 시동시 배기가스 중의 수소농도규제(Global Technical Regulation)를 충족하기 위해 밸브의 위치를 중간 제어하는 역할을 한다. ACV는 차량의 시동 On/Off 상태에 따라 연료전지 제어기(FCU: fuel cell control unit)의 명령을 받는 ACV 제어기에 의해 동작한다.

도 1은 연료전지용 공기차단밸브(ACV)의 일 형태의 개략 구성도이다. 도 1에 나타낸 형태의 ACV(20)는 하우징이 밸브하우징(30)과 서브하우징(40)으로 구성되어 있고, 밸브하우징(30)에 밸브디스크(50)가 결합된 형태이다. 밸브하우징(30)에는 밸브하우징 본체(31), 공기 입구(32), 및 공기 출구(33)가 있고, 서브하우징(40)에는 밸브하우징(30)의 공기 입구(32) 및 공기 출구(33)와 결합되는 유로(42,43)가 있다. 서브하우징(40)은 연료전지 스택(미도시)에 기밀 결합되는데, 이를 위하여 베어링측 및 기어측 밸브 씰(44, 45)이 서브하우징(40)의 각 베어링측 및 기어측 유로(42,43)의 하부와 스택 사이에 개재된다. 밸브디스크(50)는 구동부(미도시)에 의해 회동하여 상기 서브하우징(40)의 양측 유로(42,43)를 막거나 열어서 스택을 드나드는 공기의 흐름을 차단 또는 개방한다.

연료전지용 공기차단밸브(ACV)에서 공기 누설이 발생한다면, 유입되는 공기 유량만큼 스택으로 온전히 공기를 공급할 수 없기 때문에 스택의 효율이 저하되며 온전한 공기차단 기능을 기대하기 어렵게 된다. 때문에 ACV의 기밀성능은 해당 기술에 있어 중요한 역할을 수행하는 요소라 할 수 있다.

이러한 기밀 작용은 상술한 연료전지용 ACV 뿐만 아니라 각종 공기 유량 공급 및 차단 기능을 하는 액추에이터에서도 마찬가지로 중요한 요소이다.

전술한 것과 같이 일반 연료전지용 공기차단밸브(ACV)의 경우 크게, 밸브디스크(예를 들어, 도 1의 50)와 하우징(예를 들어, 도 1의 서브하우징(40))으로 구성되어 있으며, 이들 사이의 기밀성을 유지하기 위하여 밸브디스크를 하우징에 확실하게 접촉하여 공기를 차단하도록 것이 필요하다. 그러나 시동 OFF시에도 밸브디스크를 닫힘 위치에 유지시켜야 하므로 종래의 경우에는 구조적으로 차단에 불리한 점이 있다.

이에, 본 발명자는 하우징과 밸브디스크 간에 흡인력을 부여하여 접촉을 강화함으로써 시동 OFF 후에도 지속적인 차단 성능 유지가 가능한 기밀 유지 구조를 갖는 공기차단밸브를 제안한다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 금속부재 및 러버씰이 포함된 밸브디스크가 힌지결합부를 통해 하우징에 회동 결합되어서 기밀유지 영역을 개폐하는 연료전지 차량용 공기차단밸브에 있어서, 상기 하우징과 상기 밸브디스크 사이에 위치하는 자성부재를 포함하여, 상기 밸브디스크 닫힘시 상기 자성부재의 인력에 의해 상기 밸브디스크의 닫힘 상태가 유지되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 공기차단밸브가 제공된다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 금속부재에 힌지결합부를 형성하고 러버씰을 피복하여 밸브디스크를 제작하고; 기밀유지 영역이 형성된 하우징을 제작하고; 상기 밸브디스크를 상기 힌지결합부를 통해 상기 하우징에 회동 결합하는 것을 포함하는 연료전지 차량용 공기차단밸브를 제조하는 방법에 있어서, 상기 하우징 제작 단계가 상기 밸브디스크의 힌지결합부가 결합할 하우징 부분에 자성부재를 설치하는 것을 포함하는 연료전지 차량용 공기차단밸브 제조방법이 제공된다.

본 발명의 또다른 측면에 따르면, 금속부재에 힌지결합부를 형성하고 러버씰을 피복하여 밸브디스크를 제작하고; 기밀유지 영역이 형성된 하우징을 제작하고; 상기 밸브디스크를 상기 힌지결합부를 통해 상기 하우징에 회동 결합하는 것을 포함하는 연료전지 차량용 공기차단밸브를 제조하는 방법에 있어서, 상기 밸브디스크 제작 단계가 상기 밸브디스크의 저면에 자성부재를 설치하는 것을 포함하는 연료전지 차량용 공기차단밸브 제조방법이 제공된다.

본 발명의 구성 및 작용은 이후에 도면과 함께 설명하는 구체적인 실시예를 통하여 더욱 명확해질 것이다.

본 발명에 따르면, 운행 중지, 즉, 시동 OFF시에도 밸브디스크의 폐쇄 역할을 수행할 수 있어서, 외부 환경 및 기어 백래쉬에 의하여 밸브디스크의 열림 가능성이 없어서 신뢰성이 향상된다. 이로써, 시동 OFF시 외부의 힘 및 내부 압력에 의한 밸브디스크의 열림에 대한 저항력이 증대되며, 밸브디스크와 하우징의 접촉부 변화(마모)에 따른 편차의 보상이 가능해진다.

도 1은 연료전지용 공기차단밸브(ACV)의 일 형태의 개략 구성도이다.
도 2는 하우징(100)에 회동 결합된 밸브디스크(200)의 측단면도이다.
도 3a와 도 3b는 본 발명에 따른 기밀성 증대 구조를 설명하기 위한 것으로, 도 3a는 운행시(시동 ON) 밸브디스크(200)가 약 45°로 열린 상태를 나타내고, 도 3b는 운행중지시(시동 OFF) 밸브디스크(200)가 닫힌 상태를 나타낸다.
도 4a~c는 하우징(100) 측에 자성부재(400)를 설치하는 실시예를 나타내는 것으로, 도 4a는 밸브디스크(200)가 열린 상태의 사시도, 도 4b는 밸브디스크(200)가 닫힌 상태의 평면도, 도 4c는 밸브디스크(200)를 제거한 상태에서의 하우징(100)의 평면도이다.
도 5a~d는 밸브디스크(200) 측에 자성부재(400)를 설치하는 실시예를 나타내는 것으로, 도 5a는 밸브디스크(200)가 열린 상태의 사시도, 도 5b와 도 5c는 하우징(100)으로부터 떼어 낸 밸브디스크(200)의 저면도, 도 5d는 밸브디스크(200)가 닫힌 상태의 측단면도이다.
도 6a,b는 밸브디스크(200) 측에 자성부재(400)를 설치하는 다른 실시예를 나타내는 것으로, 도 6a는 개념도이고, 도 6b는 도 6a의 A-A 단면도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 이들을 달성하는 방법은 이하 첨부된 도면과 함께 상세하게 기술된 바람직한 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에 기술된 실시예에 한정되는 것이 아니라 다양한 다른 형태로 구현될 수 있다. 실시예는 단지 본 발명을 완전하게 개시하며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐, 본 발명은 청구항의 기재 내용에 의해 정의되는 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한 명세서에 사용된 '포함한다(comprise, comprising 등)'라는 용어는 언급된 구성요소, 단계, 동작, 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용된 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 실시예의 설명에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 2는 하우징(100)에 회동 결합된 밸브디스크(200)의 측단면도이다.

밸브디스크(200)가 하우징(100)에 회전 가능하게 결합되어서 기밀유지 영역을 열거나 닫아 밸브 작용을 한다. 도 2는 운행 중지시, 즉, 시동 OFF시에 밸브디스크(200)가 닫힌 상태를 나타내는 것이다. (여기서, 하우징(100)은 도 1의 밸브하우징(30)에 해당되며, 밸브디스크(200)는 도 1의 밸브디스크(50)에 해당되고, 기밀유지 영역은 도 1의 서브하우징(40)의 유로(42,43)에 해당된다.)

밸브디스크(200)는 도 2에서 보듯이 금속제 플레이트의 상면과 하면에 유연 재료의 러버씰(rubber seal)을 피복하는 형태로 제작된다. 또한 밸브디스크(200)의 상하 회동을 위한 힌지결합부(210)가 밸브디스크(200)와 하우징(100) 사이에 위치한다.

이와 같이 시동 OFF시의 밸브 닫힘 조건에서 밸브 유지를 위한 구속조건은 액추에이터 또는 모터의 코깅토크가 주력 역할을 한다. 따라서 외부 환경 및 기어 백래쉬에 의하여 밸브디스크(200)의 열림 가능성이 존재한다. 밸브 열림시, 불필요한 공기 유입으로 시동 OFF시에도 수소+산소의 화학 반응이 일어날 가능성이 있어 신뢰성이 크게 저하된다.

도 3a와 도 3b는 본 발명에 따른 기밀성 증대 구조를 설명하기 위한 것으로, 도 3a는 운행시(시동 ON) 밸브디스크(200)가 약 45°로 열린 상태를 나타내고, 도 3b는 운행중지시(시동 OFF) 밸브디스크(200)가 닫힌 상태를 나타낸다.

하우징(100)과 밸브디스크(200)의 금속부 사이에 자성부재(400)를 설치하여, 시동 OFF 조건에서의 밸브 닫힘시 자성부재(400)와 상대 금속부재 간의 인력에 의해 밸브디스크(200)의 닫힘 유지가 가능하다. 즉, 도 3b에서 밸브디스크(200)가 닫힌 후에 자성부재(400)에 의해 밸브디스크(200)의 닫힘 상태가 유지되는 것에 더하여, 자성부재(400)-밸브디스크(200)-하우징(100)을 연결하는 자력선(410)에 의해 하우징(100) 및 밸브디스크(200)가 자화(magnetized)되어 밸브디스크(200)의 전체 면적에 걸쳐서 하우징(100)과의 접촉력이 배가된다. 여기서 자성부재(400)는 영구자석일 수 있다.

이로써, 별도의 전원 인가 없이도 반영구적인 자석의 인력을 활용하여 밸브디스크(200)의 닫힘 상태를 유지시킬 수 있다. 그리고 시동 OFF시 외부의 힘 및 내부 압력에 의한 밸브디스크(200)의 열림에 대한 저항력이 증대되며, 밸브디스크(200)와 하우징(100)의 접촉부 변화(마모)에 따른 편차의 보상이 가능해진다. (이 편차 보상 기능은 밸브디스크(200)의 외피 역할을 하는 러버씰에 의해 더욱 강화됨)

이하, 자성부재(400)의 설치 구조 실시예에 대해 상세하게 설명한다.

도 4a~c는 하우징(100) 측에 자성부재(400)를 설치하는 실시예를 나타낸다. 도 4a는 밸브디스크(200)가 열린 상태의 사시도, 도 4b는 밸브디스크(200)가 닫힌 상태의 평면도, 도 4c는 밸브디스크(200)를 제거한 상태에서의 하우징(100)의 평면도이다.

도 4a와 도 4b를 참조하면, 자성부재(400)는 하우징(100)에 설치되는데, 그 위치는 밸브디스크(200)의 힌지결합부(210)의 양단에 인접한 부분이다. 도 4c를 보면 더 명확하게 알 수 있다. 즉, 하우징(100)의 기밀유지 영역(유로)(110)의 주변부(120)에 자성부재 설치부(420)를 형성하고 여기에 자성부재(400)를 설치한다.

도 5a~d는 밸브디스크(200) 측에 자성부재(400)를 설치하는 실시예를 나타낸다. 도 5a는 밸브디스크(200)가 열린 상태의 사시도, 도 5b와 도 5c는 하우징(100)으로부터 떼어 낸 밸브디스크(200)의 저면도, 도 5d는 밸브디스크(200)가 닫힌 상태의 측단면도이다.

본 실시예에서 자성부재(400)는 밸브디스크(200)의 아랫면에, 힌지결합부(210)에 인접하여 설치된다. 구체적으로, 도 5c에서와 같이 밸브디스크(200)의 아랫면에 힌지결합부(210)에 인접한 위치에 자성부재 설치부(430)를 형성하고 여기에 자성부재(400)를 설치한다. 이로써, 도 5d와 같이 밸브디스크(200)가 닫힌 후에 자성부재(400)에 의해 밸브디스크(200)가 하우징(100)에 견고하게 접촉되어 닫힘 상태를 유지하게 된다.

도 6a,b는 밸브디스크(200) 측에 자성부재(400)를 설치하는 다른 실시예를 나타내는 것으로, 도 6a는 개념 구성도이고, 도 6b는 도 6a의 A-A 단면도이다.

도 6a에서와 같이, 밸브디스크(200)의 저면의 둘레에 자성부재(400)를 설치하기 위하여, 도 6b에서와 같이 밸브디스크(200)의 외피인 러버씰(220)에 자성부재(400)를 인서트 사출하고 이를 금속 플레이트(230)에 씌워서 밸브디스크(200)를 제작할 수 있다. 이 실시예의 경우에는 도 5b,c의 경우와 비교할 때 자성부재의 인력이 더 크게 작용하게 되어 본 발명의 효과가 극대화될 것이다.

지금까지 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 본 명세서에 개시된 내용과는 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

이와 같이, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다. 또한 본 발명의 보호범위는 상기 상세한 설명보다는 후술한 특허청구범위에 의하여 정해지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태는 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

ACV(20), 밸브하우징(30), 서브하우징(40), 유로(42,43), 밸브디스크(50), 하우징(100), 기밀유지 영역(110), 주변부(120), 밸브디스크(200), 힌지결합부(210), 러버씰(220), 금속 플레이트(230), 기밀유지 영역(300), 자성부재(400), 자성부재 설치부(420,430)

Claims (10)

1. 금속부재에 러버씰이 피복된 밸브디스크가 힌지결합부를 통해 하우징에 회동 결합되어서 기밀유지 영역을 개폐하는 연료전지 차량용 공기차단밸브에 있어서,
   상기 하우징과 상기 밸브디스크 사이에 위치하는 자성부재를 포함하여, 상기 밸브디스크 닫힘시 상기 자성부재의 인력에 의해 상기 밸브디스크의 닫힘 상태가 유지되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 공기차단밸브.
2. 제1항에 있어서, 상기 자성부재는 상기 하우징에 설치되되, 상기 밸브디스크의 힌지결합부의 양단에 인접한 하우징 부분에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 공기차단밸브.
3. 제2항에 있어서, 상기 하우징의 기밀유지 영역의 주변부에 형성되어 상기 자성부재를 수용하는 자성부재 설치부를 추가로 포함하는 연료전지 차량용 공기차단밸브.
4. 제1항에 있어서, 상기 자성부재는 상기 밸브디스크의 저면에, 상기 힌지결합부에 인접하여 형성된 자성부재 설치부에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 공기차단밸브.
5. 제1항에 있어서, 상기 자성부재는 상기 밸브디스크의 저면의 둘레에 설치되되, 밸브디스크에 피복되는 러버씰에 인서트 사출되어 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 공기차단밸브.
6. 금속부재에 힌지결합부를 형성하고 러버씰을 피복하여 밸브디스크를 제작하고; 기밀유지 영역이 형성된 하우징을 제작하고; 상기 밸브디스크를 상기 힌지결합부를 통해 상기 하우징에 회동 결합하는 것을 포함하는 연료전지 차량용 공기차단밸브를 제조하는 방법으로서,
   상기 하우징 제작 단계는, 상기 밸브디스크의 힌지결합부가 결합할 하우징 부분에 자성부재를 설치하는 것을 포함하는 연료전지 차량용 공기차단밸브 제조방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 상기 하우징 제작 단계는
   상기 자성부재를 설치하기 위해 상기 자성부재를 수용하는 자성부재 설치부기 하우징의 기밀유지 영역변부성하는 것을 추가로 포함하는 연료전지 차량용 공기차단밸브 제조방법.
8. 금속부재에 힌지결합부를 형성하고 러버씰을 피복하여 밸브디스크를 제작하고; 기밀유지 영역이 형성된 하우징을 제작하고; 상기 밸브디스크를 상기 힌지결합부를 통해 상기 하우징에 회동 결합하는 것을 포함하는 연료전지 차량용 공기차단밸브를 제조하는 방법으로서,
   상기 밸브디스크 제작 단계는, 상기 밸브디스크의 저면에 자성부재를 설치하는 것을 포함하는 연료전지 차량용 공기차단밸브 제조방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 밸브디스크 제작 단계는
   상기 밸브디스크의 저면에 상기 자성부재를 설치하기 위해, 상기 힌지결합부에 인접하여 자성부재 설치부를 형성하는 것을 추가로 포함하는 연료전지 차량용 공기차단밸브 제조방법.
10. 제8항에 있어서, 상기 밸브디스크 제작 단계는
    상기 밸브디스크에 피복되는 러버씰의 밸브디스크의 저면에 위치하게 되는 면의 둘레에 자성부재를 인서트 사출하는 것을 추가로 포함하는 연료전지 차량용 공기차단밸브 제조방법.

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