KR20230065415A

KR20230065415A - 연료전지 차량의 온도감응식 압력안전장치

Info

Publication number: KR20230065415A
Application number: KR1020210150549A
Authority: KR
Inventors: 한경철
Original assignee: 주식회사 현대케피코
Priority date: 2021-11-04
Filing date: 2021-11-04
Publication date: 2023-05-12

Abstract

본 발명은 연료전지 차량의 온도감응식 압력안전장치에 관한 것으로, 수소탱크의 출구 측에 장착되는 일측에 압력작용홀이 형성된 중공 형상의 하우징, 하우징의 내부 타측에 고정 설치되며, 내측에 압력작용홀과 연통하는 배출통로를 구비하는 실린더, 배출통로에 배치되어 배출통로를 개폐하는 피스톤, 배출통로에서 피스톤이 배출통로를 폐쇄하도록 지지하며 일정 온도 이상에서 용융되는 온도감응메탈을 포함하여 일정 온도 이상에서 안전을 위하여 수소탱크 내의 수소를 강제 배출한다.

Description

연료전지 차량의 온도감응식 압력안전장치 {THERMAL-ACTIVATED PRESSURE RELIEF DEVICE FOR FUEL CELL VEHICLE}

본 발명은 연료전지 차량의 온도감응식 압력안전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일정 온도 이상에서 안전을 위하여 수소탱크 내의 수소를 강제 배출시킬 수 있도록 한 연료전지 차량의 온도감응식 압력안전장치에 관한 것이다.

수소 연료전지 차량에 탑재되는 연료전지 시스템은 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치와, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기(산소)를 공급하는 공기(산소)공급장치 등을 포함한다.

상기 수소공급장치는 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이, 수소탱크(10)와, 수소탱크(10)의 출구에 장착되어 수소의 출입을 통제하는 솔레노이드 밸브(11)와, 솔레노이드 밸브(11)와 함께 수소탱크(10)의 출구에 장착되어 수소탱크(10)의 온도 상승시 수소를 외부로 강제 배출시키기 위한 온도감응식 압력안전장치(12, TPRD 라 칭함)와, 수소탱크(10)로부터 연료전지 스택(20)으로 공급되는 수소의 압력을 감압 조절하는 레귤레이터(13) 등을 포함하여 구성된다.

상기 수소공급장치의 수소탱크(10)에 수소를 충전하는 방식은 고압의 수소를 압축 저장하는 방식으로 진행되고 있고, 더욱이 수소탱크(10)에 대한 수소 저장량 증대를 위해 최대허용압력(MAWP, Maximum Allowable Working Pressure)을 875 bar 설정하여 수소를 충전함에 따라, 수소탱크에 저장된 고압 수소에 대한 안전 요구사항도 강화되고 있다.

이에, 상기 TPRD(12, Thermal-activated Pressure Relief Device)는 일종의 온도감응식 압력안전장치로 채택된 것으로서, 연료전지 차량의 화재 발생시 화염에 의한 온도 상승으로 수소탱크(10)의 내부 압력이 상승하여 파열될 가능성 등을 대비하여, 수소탱크의 온도가 일정 온도 이상이면 수소탱크 내의 수소 및 압력을 외부로 강제 배출시키는 기능을 한다.

종래의 TPRD은 금속용융 및 스프링 타입 TPRD과, 글래스 벌브 TPRD 등이 있다.

종래의 금속용융 및 스프링 타입 TPRD은 연료전지 차량의 화재 등이 발생하여 화염에 의하여 수소탱크 및 그 주변의 온도가 기준온도 이상으로 상승하면, 가융합금이 녹게 되는 과정과, 스프링에 대한 압축력이 해제되어 스프링의 탄성복원력에 의하여 지지로드가 전진하는 과정과, 지지로드의 전진에 의하여 피스톤의 락킹 상태가 해제되는 과정과, 수소탱크 내의 압력에 의하여 피스톤이 수소배출경로를 개방하는 위치로 이동하는 과정 등으로 작동하게 된다.

이에, 수소탱크 내의 수소 및 압력이 개방된 수소배출경로를 통하여 대기 중으로 강제 방출된다.

그러나, 상기한 종래의 일례에 따른 금속용융 및 스프링 타입 TPRD는 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 수소탱크로부터의 큰 압력(예, 700 bar)이 피스톤에 작용하는 상태에서 피스톤을 락킹시키기 위해 스프링이 강하게 압축된 상태이고, 더불어 스프링의 탄성복원력이 가융합금에 작용하게 되는 바, 가융합금의 주 소재인 인듐과 비스무트가 비교적 무른 금속이기 때문에 스프링의 장력을 버티지 못하고 파열되어, 결국 TPRD의 오작동이 발생할 소지가 있다. 그리고, 스프링의 내구에 따라 스프링 장력이 저하되거나 스프링이 진동 및 충격에 의해 파손되는 경우에도 TPRD의 오작동이 발생할 수 있다.

둘째, 가융합금이 배출되는 경로와, 수소배출경로가 분리되어 있기 때문에 구조가 복잡하고, 부품 수가 많이 들어가는 단점이 있다.

종래의 글래스 벌브 TPRD은 수소탱크 측에 연결되는 중공 몸체부와, 중공 몸체부의 외측단부에 체결되는 배출캡과, 중공 몸체부 내에 체결된 피스톤과, 배출캡과 피스톤 사이에 배치되는 글래스 벌브를 포함하여 구성된다.

특히, 상기 글래스 벌브에는 기준 온도 이상에서 팽창하는 액체가 저장되어 있다.

따라서, 상기 연료전지 차량의 화재 등이 발생하여 화염에 의하여 수소탱크 및 그 주변의 온도가 기준온도 이상으로 상승하면, 상기 글래스 벌브 내의 액체가 과열 팽창하여 글래스 벌브가 파열됨으로써, 수소탱크 내의 압력에 의하여 피스톤이 전진하여 배출캡의 배출홀이 개방되는 동시에 수소탱크 내의 수소가 배출캡의 배출홀을 통하여 외부로 강제 배출된다.

그러나, 상기한 종래의 다른 예에 따른 글래스 벌브 TPRD는 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 상기 글래스 벌브가 외부 충격에 의하여 쉽게 깨지는 경우, 원하지 않는 수소 강제 배출이 이루어지는 TPRD의 오작동이 발생할 소지가 있다.

둘째, 글래스 벌브의 내충격성을 높이기 위해 별도의 보호 부품을 추가하는 경우, 보호 부품의 추가에 따른 TPRD의 가공 설계가 달라지게 되므로, 부품수 증가 및 조립 공수 증가에 따른 원가 상승이 따르는 단점이 있다.

본 발명은 전술한 배경에서 안출된 것으로, 기존의 TPRD 대비 소형화 및 부품수 절감을 실현하는 동시에 TPRD 본연의 기능을 원활하게 수행할 수 있고, 오작동을 방지하여 내구 안전성과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 연료전지 차량의 온도감응식 압력안전장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 이중 실링 구조를 구비하여 수소탱크에서 TPRD로 수소가 누출되는 것을 방지하는 연료전지 차량의 온도감응식 압력안전장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적은 여기에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따르면 수소탱크의 출구 측에 장착되는 일측에 압력작용홀이 형성된 중공 형상의 하우징, 하우징의 내부 타측에 고정 설치되며, 내측에 압력작용홀과 연통하는 배출통로를 구비하는 실린더, 배출통로에 배치되어 배출통로를 개폐하는 피스톤, 배출통로에서 피스톤이 배출통로를 폐쇄하도록 지지하며 일정 온도 이상에서 용융되는 온도감응메탈을 포함하는 연료전지 차량의 온도감응식 압력안전장치가 제공될 수 있다.

여기서, 배출통로는 실린더의 상측단 중앙에서 함몰되어 형성되는 가이드홈, 실린더의 하측단에서 함몰되어 형성되어 가이드홈과 연통되며 복수 개로 구비되되 원주방향의 등간격으로 이격되어 구비되는 배출홈을 포함할 수 있다.

또한, 온도감응메탈은 가이드홈에 삽입되는 원통 형상으로 마련되고, 가이드홈과 복수의 배출홈은 원기둥 형상의 홈 형태로 형성되되, 배출홈의 내경이 피스톤과 온도감응메탈의 직경보다 작게 형성될 수 있다.

그리고, 피스톤은 하측단 일부가 가이드홈에 삽입되어 온도감응메탈에 지지되며 상측단의 중앙 부분이 돌출 형성되어 압력작용홀을 밀폐할 수 있다.

또한, 하우징은 압력작용홀의 하단에 하측으로 갈수록 직경이 커지도록 형성된 지지면을 구비하고, 피스톤은 압력작용홀을 개폐하는 상단에 가운데로 갈수록 돌출되도록 형성되어 지지면에 밀착되는 밀폐단부를 구비할 수 있다.

그리고, 온도감응메탈은 저융점 합금으로 마련되어, 일정 온도 미만에서는 가이드홈 저면에 안착되어 피스톤을 지지하며 피스톤이 압력작용홀을 밀폐하여 배출통로가 폐쇄되고, 일정 온도 이상에서는 용융되어 배출홈을 통해 외부로 배출되면서 피스톤이 가이드홈을 따라 하강하여 배출통로가 개방될 수 있다.

또한, 연료전지 차량의 온도감응식 압력안전장치는 수소가 누출되는 것을 방지하기 위해 압력작용홀과 배출통로 사이에서 하우징과 피스톤 사이를 지지하는 실링부재를 더 포함할 수 있다.

이러한 실링부재는 중공 형상으로 형성되고, 상부면에서 함몰되어 형성되되 둘레를 따라 형성된 요홈을 구비하는 실링몸체, 요홈에 삽입되며 중공 형상으로 형성되되 단면이 가운데가 하측으로 벤딩된 형상으로 형성되어 압력발생시 하우징과 피스톤 사이를 지지하는 탄성지지력이 커지는 탄력지지부를 포함할 수 있다.

또는 실링부재는 고리 형상으로 형성되어 피스톤의 외주면에 함몰되어 형성된 실링부재 삽입홈에 삽입되어 하우징과 피스톤 사이를 지지할 수 있다.

이와 같은 본 발명에 의하면 기존의 TPRD 대비 소형화 및 부품수 절감을 실현하는 동시에 TPRD 본연의 기능을 원활하게 수행할 수 있고, 오작동을 방지하여 내구 안전성과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 이중 실링 구조를 구비하여 수소탱크에서 TPRD로 수소가 누출되는 것을 방지하는 효과가 있다.

도 1 은 종래 기술에 따른 고압 펌프의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 차량의 온도감응식 압력안전장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 차량의 온도감응식 압력안전장치 중 실린더의 단면 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 차량의 온도감응식 압력안전장치 중 실린더의 저면도이다.
도 5는 도 2의 A-A 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 차량의 온도감응식 압력안전장치의 작동 전 상태와 작동 후 상태를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 연료전지 차량의 온도감응식 압력안전장치의 작동 전 상태와 작동 후 상태를 보여주는 도면이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세히 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 차량의 온도감응식 압력안전장치의 단면도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 차량의 온도감응식 압력안전장치 중 실린더의 단면 사시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 차량의 온도감응식 압력안전장치 중 실린더의 저면도이며, 도 5는 도 2의 A-A 단면도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 차량의 온도감응식 압력안전장치의 작동 전 상태와 작동 후 상태를 보여주는 도면이며, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 연료전지 차량의 온도감응식 압력안전장치의 작동 전 상태와 작동 후 상태를 보여주는 도면이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 차량의 온도감응식 압력안전장치는 수소탱크의 출구 측에 장착되는 일측에 압력작용홀(111)이 형성된 중공 형상의 하우징(100), 하우징(100)의 내부 타측에 고정 설치되며, 내측에 압력작용홀(111)과 연통하는 배출통로(210)를 구비하는 실린더(200), 배출통로(210)에 배치되어 배출통로(210)를 개폐하는 피스톤(300), 및 배출통로(210)에서 피스톤(300)이 배출통로(210)를 폐쇄하도록 지지하며, 일정 온도 이상에서 용융되는 온도감응메탈(400)을 포함한다.

또한, 본 발명의 상세한 설명에 있어서, 설명의 편의를 위하여 특별한 언급이 없는 한 하우징(100)의 압력작용홀(111)이 형성된 일측은 상방으로, 그 반대측은 하방으로 지정하여 설명하기로 한다.

수소탱크는 출구에 연료전지 스택으로 수소 공급을 허용하거나 차단하기 위한 솔레노이드 밸브가 장착되며, 솔레노이드 밸브와 인접한 위치에 수소탱크 내의 압력이 작용하는 본 발명의 온도감응식 압력안전장치, 즉, TPRD가 장착된다.

TPRD는 연료전지 차량의 화재 발생시 화염에 의한 온도 상승으로 수소탱크의 내부 압력이 상승함에 따른 파열 가능성 등에 대비하여, 수소탱크의 온도가 일정 온도 이상이면 수소탱크 내의 수소 및 압력을 외부로 강제 배출시키는 기능을 한다.

이러한 TPRD는 하우징(100), 실린더(200), 피스톤(300), 온도감응메탈(400), 실링부재(500)를 포함하여 구성된다.

하우징(100)은 TPRD의 골격을 이루는 구성으로 상단부가 수소탱크의 출구에 장착된 솔레노이드 밸브의 인접 위치에 장착된다.

이러한 하우징(100)은 중공 형상으로 형성되며 일측에 수소탱크의 출구 측에 장착되는 압력유입단(110)을 구비하고, 압력유입단(110)에 수소탱크의 내부와 연통되어 수소탱크 내의 압력이 인가되는 압력작용홀(111)이 형성된다.

또한, 하우징(100)은 타측에 실린더(200)가 삽입되는 원통 형상의 실린더 삽입부(120)를 구비한다. 그리고, 하우징(100)은 실린더 삽입부(120)의 일측 일부분이 단차지며 반경방향 내측으로 돌출되어 형성되는 소경부(130)와 실린더 삽입부(120)의 타측 일부분이 단차지며 반경방향 외측으로 함몰되어 형성되는 대경부(140)를 구비한다.

실린더(200)는 중공의 원통 형상으로 마련되어 하우징(100)의 내부 타측에 삽입되며, 즉, 실린더 삽입부(120)에 삽입되며 고정되어 설치된다.

이러한 실린더(200)는 외주면에서 단차지며 돌출되어 형성되고 둘레를 따라 형성되는 돌출부(220)를 구비하여 돌출부(220)가 하우징(100)의 대경부(140)에 나사 체결되거나, 대경부(140)에 나사 체결되어 실린더(200)를 지지하는 별도의 체결링(미도시) 등을 통해 하우징(100)의 실린더 삽입부(120)에 고정될 수 있다.

또한, 실린더(200)는 내측에 압력작용홀(111)과 연통하는 배출통로(210)를 구비하여 일정 온도 이상에서 용융된 온도감응메탈(400)을 배출할 수 있는 통로를 제공하며 수소를 외부로 용이하게 강제 배출할 수 있는 통로를 제공한다.

이러한 배출통로(210)는 평상시에는 온도감응메탈(400)과 피스톤(300)에 의해 폐쇄되어 있다가 일정 온도 이상에서 온도감응메탈(400)이 용융되면서 피스톤(300)이 하강하여 개방되며 압력작용홀(111)을 외부와 연통한다.

피스톤(300)은 배출통로(210)에 배치되되 배출통로(210) 내에서 후술할 가이드홈(211)을 따라 하강하도록 배치되어 배출통로(210)를 개폐한다.

즉, 피스톤(300)은 일정 온도 미만에서는 하단이 온도감응메탈(400)에 지지되어 상단이 압력작용홀(111)을 밀폐하여 배출통로(210)를 폐쇄하고, 일정 온도 이상에서는 온도감응메탈(400)이 용융되면서 하강하여 상단이 압력작용홀(111)과 이격되며 배출통로(210)를 개방한다.

온도감응메탈(400)은 배출통로(210)에서 피스톤(300)이 배출통로(210)를 폐쇄하도록 피스톤(300)의 하단을 받쳐주다가 일정 온도 이상에서 용융된다.

이러한 온도감응메탈(400)은 저융점 합금으로 마련되어, 일정 온도 미만에서는 피스톤(300)이 배출통로(210)를 폐쇄하도록 지지하며 일정 온도 이상에서는 용융되어 배출통로(210)를 따라 외부로 배출된다.

실링부재(500)는 압력작용홀(111)과 배출통로(210) 사이에 배치되어 하우징(100)과 피스톤(300) 사이를 지지하여 일정 온도 미만에서 수소가 누출되는 것을 방지한다.

이러한 실링부재(500)는 실링몸체(510)와 탄력지지부(520)로 구성되고, 중공 형상으로 마련되어 실린더 삽입부(120)에 삽입되고 내측으로 피스톤(300)이 삽입되어 하우징(100)과 피스톤(300) 사이를 지지한다.

또한, 실링부재(500)는 상측단이 하우징(100)의 실린더 삽입부(120)와 소경부(130) 사이의 단차면에 지지되고 하측단이 실린더(200)의 상측면을 지지하며, 하우징(100)에 실린더(200)가 고정 설치되면서 하우징(100)의 단차면과 실린더(200) 사이에 위치 고정될 수 있다.

실링몸체(510)는 실링부재(500)의 외관을 이루는 구성으로 중공 형상으로 형성되고, 상부면에서 함몰되어 형성되되 둘레를 따라 형성된 요홈(511)을 구비한다.

탄력지지부(520)는 요홈(511)에 삽입되며 중공 형상으로 형성되되 단면상 가운데가 하측으로 벤딩된 형상, 즉, 'U' 형상으로 형성되어 압력발생시 하우징(100)과 피스톤(300) 사이를 지지하는 실링부재(500)의 탄성지지력을 증대시킨다.

이때, 실링몸체(510)는 요홈(511)에 탄력지지부(520)가 삽입되는데 요홈(511)의 상측 개구를 통해 탄력지지부(520)가 다시 이탈되는 것을 방지하기 위해, 요홈(511)의 내측에서 돌출되어 탄력지지부(520)의 상단면 일부를 지지하는 돌기(미부호)를 구비할 수 있다.

이러한 돌기는 요홈(511)의 둘레를 따라 형성되거나 요홈(511)의 내측의 복수 곳에서 돌출되어 형성될 수 있으며 요홈(511)에 탄력지지부(520)가 삽입될 때 압축되었다가 탄력지지부(520)가 삽입된 후 복원되어 탄력지지부(520)의 상단면을 지지하여 탄력지지부(520)의 이탈을 방지할 수 있다.

또한, 하우징(100)은 실린더 삽입부(120)와 소경부(130) 사이의 단차면이 실링몸체(510)의 상단면 중 요홈(511)이 형성된 부분의 반경방향 외측을 지지하도록 형성된다. 이는 압력작용홀(111)에서 수소가 누출되며 실링부재(500)의 상측에서 발생된 압력을 탄력지지부(520)의 벤딩된 부분으로 유도하기 위함이다.

이에 따라 압력 발생시 탄력지지부(520)의 하측으로 벤딩되며 형성된 상측의 오목한 부분으로 압력이 가해지고, 이러한 압력으로 탄력지지부(520)가 벌어져 실링부재(500)의 하우징(100)과 피스톤(300)을 지지하는 탄성지지력이 증대된다.

또한, 배출통로(210)는 온도감응메탈(400)이 삽입되며 피스톤(300)을 가이드하는 가이드홈(211)과, 가이드홈(211)과 연통하며 하측으로 개방되어 수소 또는 용융된 온도감응메탈(400)을 외부로 배출시키는 배출홀을 포함한다.

가이드홈(211)은 실린더(200)의 상측단 중앙에서 원기둥 형상의 홈 형태로 함몰되어 형성되며, 함몰된 저면(211a)에 온도감응메탈(400)이 안착된다.

배출홈(212)은 실린더(200)의 하측단에서 원기둥 형성의 홈 형태로 함몰되어 형성되되 가이드홈(211)의 둘레에 복수개 형성되며, 원주방향의 등간격으로 이격되어 구비된다.

일예로, 배출홈(212)은 도면에 도시된 바와 같이 4개로 구비되며 원주방향의 등간격으로 이격되어 구비될 수 있으며 이에 한정하는 것은 아니다.

또한, 배출홈(212)은 실린더(200)의 하측단에서 함몰되어 형성된 저면(212a)이 가이드홈(211)의 저면(211a) 보다 상측에 위치하도록 형성되며, 일부분이 가이드홈(211)과 중첩되면서 가이드홈(211)과 연통된다.

이때, 피스톤(300)과 온도감응메탈(400)은 가이드홈(211)의 내경과 대응되는 직경을 갖는 원기둥 형상으로 형성되어 가이드홈(211)에 삽입되며, 온도감응메탈(400)의 용융시 피스톤(300)이 가이드홈(211)을 따라 이동될 수 있고, 배출홈(212)의 내경이 피스톤(300)과 온도감응메탈(400)의 직경보다 작게 형성된다.

이에 따라 온도감응메탈(400)과 피스톤(300)이 가이드홈(211)에 삽입된 후 배출홈(212)으로 이동할 수 없으며 가이드홈(211) 내에 위치된다. 즉, 평상시에는 온도감응메탈(400)과 피스톤(300)이 가이드홈(211)에 움직이지 않도록 삽입되며 구속된 상태를 안정적으로 유지하게 된다.

또한, 온도감응메탈(400)의 상하방향 길이는 가이드홈(211)의 저면(211a)에서 배출홈(212)의 저면(212a) 까지의 길이보다 길게 형성됨에 따라 온도감응메탈(400)이 가이드홈(211)의 저면(211a)에 안착되어 가이드홈(211)의 배출홈(212)과 겹쳐지며 배출홈(212)과 연통되는 구멍을 가로막을 수 있게 된다.

그리고, 온도감응메탈(400)의 상하방향 길이는 가이드홈(211)의 함몰 깊이보다 짧게 형성됨에 따라 온도감응메탈(400)의 하단이 가이드홈(211)의 저면(211a)에 안착되면 온도감응메탈(400)의 상단이 실린더(200)의 상단 보다 가이드홈(211)의 안쪽에 위치하게 된다. 즉, 피스톤(300)의 하단이 온도감응메탈(400)의 상단에 안착되어 실린더(200)의 가이드홈(211)에 일부 삽입될 수 있어서 온도감응메탈(400)의 용융시 피스톤(300)이 가이드홈(211)으로 안정적으로 삽입되면서 가이드홈(211)을 따라 하강할 수 있게 되는 것이다.

이처럼 피스톤(300)은 하측단 일부가 가이드홈(211)에 삽입되어 온도감응메탈(400)에 지지되며, 상측단의 중앙 부분이 돌출 형성되어 압력작용홀(111)을 밀폐할 수 있도록 마련된다.

특히, 피스톤(300)이 압력작용홀(111)을 보다 효과적으로 밀폐하도록, 피스톤(300) 상단에는 가운데로 갈수록 돌출되도록 형성되어 압력작용홀(111)의 하단에 밀착되는 밀폐단부(310)가 구비된다.

그리고, 하우징(100)은 압력작용홀(111)의 하단에 하측으로 갈수록 직경이 커지도록 형성되어 밀폐단부(310)가 밀착되는 지지면(112)을 구비한다.

이와 같이 TPRD는 밀폐단부(310)가 지지면(112)에 밀착되어 압력작용홀(111)을 밀폐하여 1차 실링을 제공하고, 밀폐단부(310)와 지지면(112) 사이로 수소가 누출되어도 실링부재(500)가 마련됨에 따라 2차 실리을 제공하는 이중 실링 구조를 갖는다.

아울러 실링부재(500)는 실링몸체(510)와 탄력지지부(520)로 구성되어 압력 발생시 하우징(100)과 피스톤(300) 사이를 지지하는 탄성지지력을 증대시키므로, 보다 안정적인 실링 구조를 제공한다.

아래에서는 도 6을 참고하여 TPRD의 작동구조에 대해 설명한다.

도 6의 (a)는 일정 온도 미만일 경우로 TPRD가 작동하기 전 상태를 보여준다.

온도감응메탈(400)이 일정 온도 미만에서는 가이드홈(211) 저면에 안착되어 피스톤(300)을 받쳐주며, 피스톤(300)의 밀폐단부(310)는 지지면(112)에 밀착되어 압력작용홀(111)을 밀폐시키며, 결과적으로 압력작용홀(111)을 외부와 연결하는 배출통로(210)가 폐쇄된다.

또한, 피스톤(300)은 외주면이 실링부재(500)로 지지되며 하단이 실린더(200)의 가이드홈(211)에 일부 삽입되어 위치 고정된다.

도 6의 (b)는 일정 온도 이상에서 TPRD가 작동한 후 상태를 보여준다.

온도감응메탈(400)이 일정 온도 이상에서는 용융되어 배출홈(212)을 통해 외부로 배출되면서 피스톤(300)을 받쳐주던 지지력이 사라지게 된다.

그리고, 피스톤(300)은 온도감응메탈(400)의 지지력이 사라져 수소탱크 내의 압력이 인가되는 압력작용홀(111)의 압력으로 인해 밀폐단부(310)가 지지면(112)에서 이격되며 가이드홈(211)을 따라 하강하게 된다.

아울러, 압력작용홀(111)이 하우징(100)의 내부 및 배출통로(210)와 연통되고 배출통로(210)가 개방된다.

이에 따라 수소탱크 내의 압력 및 수소는 압력유입단(110)의 압력작용홀(111)을 통과한 후 하우징(100) 내부를 지나 개방된 배출통로(210)를 통해 외부로 용이하게 강제 배출된다.

이때, 피스톤(300)의 밀폐단부(310)는 중앙이 돌출되게 형성되어 수소탱크 내에서 배출통로(210) 측으로 이동하는 압력 및 수소를 가이드홈(211)에서 복수의 배출홈(212)으로 용이하게 가이드한다.

아래에서는 도 7을 참고하여 다른 실시예에 의한 실링부재(1500)에 대해 후술한다. 단, 본 실시의 형태의 상술한 실시 형태에 대해, 하우징(1100)의 일부 구성과 실링부재(1500)의 형태만이 주로 다르기 때문에, 다른 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 설명을 생략한다.

도 7에는 다른 실시예에 의한 TPRD가 도시되어 있으며, 하우징(1100)의 소경부(1130)는 실린더 삽입부(120)의 일측 일부분이 단차지며 반경방향 내측으로 돌출되어 형성되되 하우징(1100) 내부에 위치되는 피스톤(300)(300)을 감싸도록 형성된다.

일예로, 소경부(1130)은 피스톤(300)(300)의 직경과 대응되는 내경을 갖는 원통 형상으로 형성될 수 있다.

그리고, 실린더 삽입부(120)와 소경부(1130) 사이의 단차면은 실린더(200)의 상단과 밀착되거나 마주보도록 형성된다.

실링부재(1500)는 고리 형상으로 형성되어 피스톤(300)의 외주면에서 함몰되어 형성되는 실링부재 삽입홈(320)에 삽입되며, 소경부(1130)와 피스톤(300) 사이를 탄성 지지함에 따라 하우징(1100)과 피스톤(300) 사이를 실링한다.

도 7의 (a)는 일정 온도 미만일 경우로 TPRD가 작동하기 전 상태를 보여준다.

온도감응메탈(400)이 일정 온도 미만에서는 가이드홈(211) 저면에 안착되어 피스톤(300)을 받쳐주며, 압력작용홀(111)을 외부와 연결하는 배출통로(210)가 폐쇄된다. 이때, 피스톤(300)의 밀폐단부(310)는 지지면(112)에 밀착되어 압력작용홀(111)을 밀폐하여 1차 실링을 제공하고 실링부재(1500)가 2차 실링을 제공하는 이중 실링 구조를 갖는다.

또한, 피스톤(300)은 외주면이 소경부(1130)와 실링부재(1500)로 지지되며 하단이 실린더(200)의 가이드홈(211)에 일부 삽입되어 위치 고정된다.

도 7의 (b)는 일정 온도 이상에서 TPRD가 작동한 후 상태를 보여준다.

그리고, 피스톤(300)은 수소탱크 내의 압력이 인가되는 압력작용홀(111)의 압력으로 인해 가이드홈(211)을 따라 하강하게 되고, 배출통로(210)가 개방되면서 수소탱크 내의 압력 및 수소가 압력유입단(110)의 압력작용홀(111)을 통과한 후 하우징(1100) 내부를 지나 개방된 배출통로(210)를 통해 외부로 용이하게 강제 배출된다.

이러한 형상과 구조를 갖는 본 발명의 실시예들에 의하면 기존의 TPRD 대비 소형화 및 부품수 절감을 실현하는 동시에 TPRD 본연의 기능을 원활하게 수행할 수 있고, 오작동을 방지하여 내구 안전성과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

특히, 본 발명의 TPRD는 하우징, 실린더, 피스톤, 온도감응메탈로 이루어져 부품수가 작고 구성과 구조가 간단하여 조립이 용이한 효과가 있다.

또한, TPRD 작동시 온도감응메탈이 용융되면서 피스톤이 하강하면 배출통로가 개방되는 간단한 구조를 제공하며, 배출통로 개방시 수소탱크 내의 압력 및 수소가 배출되는 경로도 단순하여 배출이 원활하게 이루어질 수 있는 효과가 있다.

아울러, 피스톤의 상단이 원뿔형태의 밀폐단부로 이루어져 수소탱크 내의 압력 및 수소를 배출경로로 용이하게 가이드하며 빠르게 배출할 수 있는 효과가 있다.

또한, 간단한 구조를 통해 이중 실링 구조를 제공함에 따라 수소탱크에서 TPRD로 수소가 누출되는 것을 방지하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 온도감응식 압력안전장치는 수소탱크 뿐만 아니라 LPG, CNG, LNG 탱크 등에도 가스 강제 배출을 위한 안전 장치로 유용될 수 있다.

이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: TPRD 100, 1100: 하우징
110: 압력유입단 111: 압력작용홀
112: 지지면 120: 실린더 삽입부
130, 1130: 소경부 140: 대경부
200: 실린더 210: 배출통로
211: 가이드홈 212: 배출홈
220: 돌출부 300: 피스톤
310: 밀폐단부 320: 실링부재 삽입홈
400: 온도감응메탈 500, 1500: 실링부재
510: 실링몸체 511: 요홈
520: 탄력지지부

Claims

수소탱크의 출구 측에 장착되는 일측에 압력작용홀이 형성된 중공 형상의 하우징;
상기 하우징의 내부 타측에 고정 설치되며, 내측에 상기 압력작용홀과 연통하는 배출통로를 구비하는 실린더;
상기 배출통로에 배치되어 상기 배출통로를 개폐하는 피스톤; 및
상기 배출통로에서 상기 피스톤이 상기 배출통로를 폐쇄하도록 지지하며, 일정 온도 이상에서 용융되는 온도감응메탈;
을 포함하는 연료전지 차량의 온도감응식 압력안전장치.
제 1 항에 있어서,
상기 배출통로는,
상기 실린더의 상측단 중앙에서 함몰되어 형성되는 가이드홈; 및
상기 실린더의 하측단에서 함몰되어 형성되어 상기 가이드홈과 연통되며 복수 개로 구비되되 원주방향의 등간격으로 이격되어 구비되는 배출홈;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 온도감응식 압력안전장치.
제 2 항에 있어서,
상기 온도감응메탈은 상기 가이드홈에 삽입되는 원통 형상으로 마련되고,
상기 가이드홈과 복수의 배출홈은 원기둥 형상의 홈 형태로 형성되되, 상기 배출홈의 내경이 상기 피스톤과 온도감응메탈의 직경보다 작게 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 온도감응식 압력안전장치.
제 3 항에 있어서,
상기 피스톤은 하측단 일부가 상기 가이드홈에 삽입되어 상기 온도감응메탈에 지지되며 상측단의 중앙 부분이 돌출 형성되어 상기 압력작용홀을 밀폐하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 온도감응식 압력안전장치.
제 4 항에 있어서,
상기 하우징은 상기 압력작용홀의 하단에 하측으로 갈수록 직경이 커지도록 형성된 지지면을 구비하고,
상기 피스톤은 상기 압력작용홀을 개폐하는 상단에 가운데로 갈수록 돌출되도록 형성되어 상기 지지면에 밀착되는 밀폐단부를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 온도감응식 압력안전장치.
제 2 항에 있어서,
상기 온도감응메탈은,
저융점 합금으로 마련되어, 일정 온도 미만에서는 상기 가이드홈 저면에 안착되어 상기 피스톤을 지지하며 상기 피스톤이 상기 압력작용홀을 밀폐하여 상기 배출통로가 폐쇄되고,
일정 온도 이상에서는 용융되어 상기 배출홈을 통해 외부로 배출되면서 상기 피스톤이 상기 가이드홈을 따라 하강하여 상기 배출통로가 개방되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 온도감응식 압력안전장치.
제 1 항에 있어서,
수소가 누출되는 것을 방지하기 위해 상기 압력작용홀과 배출통로 사이에서 상기 하우징과 피스톤 사이를 지지하는 실링부재;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 온도감응식 압력안전장치.
제 7 항에 있어서,
상기 실링부재는,
중공 형상으로 형성되고, 상부면에서 함몰되어 형성되되 둘레를 따라 형성된 요홈을 구비하는 실링몸체; 및
상기 요홈에 삽입되며 중공 형상으로 형성되되 단면이 가운데가 하측으로 벤딩된 형상으로 형성되어 압력발생시 상기 하우징과 피스톤 사이를 지지하는 탄성지지력이 커지는 탄력지지부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 온도감응식 압력안전장치.
제 7 항에 있어서,
상기 실링부재는,
고리 형상으로 형성되어 상기 피스톤의 외주면에 함몰되어 형성된 실링부재 삽입홈에 삽입되어 상기 하우징과 피스톤 사이를 지지하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 온도감응식 압력안전장치.