KR20230085581A - Integrated Air Control Valve of single-shaft two-valve type - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지의 에어공급시스템에 적용될 수 있는 연료전지용 밸브에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 연료전지의 에어공급시스템의 에어 차단 밸브의 기능과 에어압 컨트롤 밸브의 기능이 통합된, 1축 2밸브 타입의 기능 통합형 에어 컨트롤 밸브에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell valve that can be applied to an air supply system of a fuel cell, and more particularly, to a fuel cell air supply system in which the functions of an air shutoff valve and an air pressure control valve are integrated. It relates to a two-valve type air control valve with integrated functions.
일반적으로 수소 연료전지 시스템은 연료를 수소에 공급하고 산화제를 양극에 공급하여 이들 사이에서 발생하는 화학적 반응을 통해 전기 에너지를 생산하는 것으로서, 환경 친화적인 미래형 자동차인 수소자동차에 이용되고 있다. 산화제로는 산소가 포함된 에어가 이용되며, 연료로는 순수 수소 또는 탄화수소계 연료(LNG, LPG, CH3OH) 또는 탄화수소계 연료를 개질하여 생성된 수소가 다량 함유된 개질 가스가 이용된다. In general, a hydrogen fuel cell system supplies fuel to hydrogen and an oxidizer to an anode to produce electrical energy through a chemical reaction occurring therebetween, and is used in a hydrogen vehicle, which is an environmentally friendly future vehicle. Air containing oxygen is used as the oxidizing agent, and pure hydrogen or hydrocarbon-based fuel (LNG, LPG, CH 3 OH) or reformed gas containing a large amount of hydrogen generated by reforming hydrocarbon-based fuel is used as the fuel.
이와 같은 수소 연료전지 시스템에는 산화제인 에어를 공급하기 위해 에어공급시스템이 설치되며, 에어공급시스템은 연료전지 스택의 운전 정지시 에어와 연료 사이의 반응을 막기 위한 방법의 일환으로 에어를 차단해야 하며, 이를 위해, 에어 차단 밸브(SIV:STACK air Isolation Valve)가 설치된다. 또한, 수소 연료전지 시스템에 있어서는 연료전지 스택의 내부에서 발생되는 습에어를 외부로 배출하여 운전 상태에 최적으로 부합하는 연료전지 스택의 내부 압력을 조절하기 위해 배기측에 개도량을 가변적으로 조절할 수 있는 에어압 컨트롤 밸브(SPC: STACK Pressure Control valve)가 설치된다.In such a hydrogen fuel cell system, an air supply system is installed to supply air, which is an oxidizing agent, and the air supply system must block air as part of a method to prevent a reaction between air and fuel when the operation of the fuel cell stack is stopped. , For this purpose, an air shut-off valve (SIV: STACK air isolation Valve) is installed. In addition, in the hydrogen fuel cell system, the amount of opening on the exhaust side can be variably adjusted to adjust the internal pressure of the fuel cell stack that optimally matches the driving condition by discharging wet air generated inside the fuel cell stack to the outside. An air pressure control valve (SPC: STACK Pressure Control valve) is installed.
다시 말해, 종래에는 수소 연료전지 시스템의 구현을 위한, 연료전지 시동 정지시 에어 입/.출구를 차단(밀폐)하여 에어의 유입을 차단하기 위한 에어 차단 밸브(SIV:STACK air Isolation Valve)와 연료전지 운전 효율 조절을 위해 에어 출구 통로의 개구도를 조절하여 연료전지 스택의 내부 압력을 조절하는 에어압 컨트롤 밸브(SPC: STACK Pressure Control valve)를 모두 포함하는 에어공급시스템이 사용되었다.In other words, in the prior art, an air shut-off valve (SIV: STACK air isolation valve) for blocking (sealing) the inflow of air by blocking (sealing) the air inlet/outlet when the fuel cell starts and stops for the realization of a hydrogen fuel cell system and fuel In order to control cell operation efficiency, an air supply system including all air pressure control valves (SPC: STACK Pressure Control valve) that regulates the internal pressure of the fuel cell stack by adjusting the opening of the air outlet passage is used.
한편 수소 연료전지 시스템은 수소자동차의 연비 효율 향상을 위해 경량화가 요구되는데, 에어 차단 밸브와 에어압 컨트롤 밸브를 포함하는 에어공급시스템의 부피와 중량이 커서 경량화 및 그에 따른 수소자동차의 연비 효율을 향상에 제한이 뒤따랐다. 또한, 시스템에 들어가는 많은 전동화 부품으로 차량 제어부, 즉, 전자제어유닛(ECU)의 부하가 크다는 문제가 있다.On the other hand, the hydrogen fuel cell system requires light weight to improve the fuel efficiency of hydrogen vehicles. The volume and weight of the air supply system including the air cut-off valve and the air pressure control valve are large, so the weight is reduced and thus the fuel efficiency of hydrogen vehicles is improved. followed by restrictions. In addition, there is a problem that the load of the vehicle control unit, that is, the electronic control unit (ECU) is large due to many electrification parts entering the system.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 에어 차단 밸브의 기능과 에어압 컨트롤 밸브의 기능이 통합되어, 연비효율 형상을 위한 경량화를 구현하고, 수소 자동차 적용시, ECU의 부하를 줄일 수 있으며, 부품수 감소로 경제성이 향상된, 1축 2밸브 타입의 기능 통합형 에어 컨트롤 밸브를 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to integrate the function of the air shutoff valve and the function of the air pressure control valve to realize weight reduction for fuel efficiency, reduce the load of the ECU when applying hydrogen vehicles, and reduce the number of parts. It is to provide a function-integrated air control valve of a 1-axis 2-valve type with improved economic efficiency due to reduction.
본 발명의 일측면에 따른 수소 연료전지용 기능 통합형 에어 컨트롤 밸브는,연료전지 스택의 에어 유입구 및 에어 배출구와 접속되도록 형성된 에어 인렛 통로 및 에어 아웃렛 통로를 좌우 나란하게 포함하는 밸브 하우징; 상기 에어 인렛 통로에 설치되어 인렛 게이트를 형성하는 인렛 밸브 시트(inlet valve seat); 상기 에어 아웃렛 통로에 설치되어 아웃렛 게이트를 형성하는 아웃렛 밸브 시트(outlet valve seat); 상기 에어 인렛 통로와 상기 아웃렛 통로를 가로지르도록 설치된 밸브 샤프트; 상기 밸브 샤프트를 회전 구동시키는 구동부; 상기 에어 인렛 통로의 내부에 있도록 상기 밸브 샤프트에 설치되며, 상기 밸브 샤프트의 회전에 의해 상기 인렛 게이트를 개폐하는 차단 밸브 바디; 및 상기 아웃렛 통로의 내부에 있도록 상기 밸브 샤프트에 설치되어, 상기 차단 밸브 바디와 일체로 회전하며, 상기 차단 밸브 바디가 상기 인렛 게이트를 폐쇄하는 구간에서, 상기 아웃렛 게이트를 폐쇄하고, 상기 차단 밸브 바디가 상기 인렛 게이트를 개방하는 구간 중 적어도 일부 구간에서 상기 아웃렛 게이트의 개도량을 조절하는 컨트롤 밸브 바디를 포함한다.A function-integrated air control valve for a hydrogen fuel cell according to an aspect of the present invention includes: a valve housing including an air inlet passage and an air outlet passage formed to be connected to an air inlet and an air outlet of a fuel cell stack side by side; an inlet valve seat installed in the air inlet passage to form an inlet gate; an outlet valve seat installed in the air outlet passage to form an outlet gate; a valve shaft installed to cross the air inlet passage and the outlet passage; a driving unit for rotationally driving the valve shaft; a shut-off valve body installed on the valve shaft so as to be inside the air inlet passage and opening and closing the inlet gate by rotation of the valve shaft; and is installed on the valve shaft so as to be inside the outlet passage, rotates integrally with the shutoff valve body, and closes the outlet gate in a section where the shutoff valve body closes the inlet gate, and the shutoff valve body includes a control valve body for adjusting an opening amount of the outlet gate in at least a portion of a section in which the inlet gate is opened.
상기 인렛 밸브 시트는 상기 밸브 샤프트와 직교하는 단면 상에서 제1 가상원 상에 서로 대향되어 있는 일측 인렛 밸브 시트면과 반대측 인렛 밸브 시트면을 포함하고, 상기 아웃렛 밸브 시트는 상기 밸브 샤프트와 직교하는 단면 상에서 제2 가상원 상에 서로 대향되어 있는 일측 아웃렛 밸브 시트면과 반대측 아웃렛 밸브 시트면을 포함하며, 상기 차단 밸브 바디는, 상기 밸브 샤프트의 회전 시작 각도 위치에서, 상기 일측 인렛 밸브 시트면과 상기 반대측 인렛 밸브 시트면에 동시에 접촉하도록 상기 제 1 가상원을 지나는 제1 차단 원호 영역과 제2 차단 원호 영역을 양측 사이드에 구비한 차단 밸브 판부를 포함할 수 있다.The inlet valve seat includes one inlet valve seat surface and an opposite inlet valve seat surface facing each other on a first virtual circle on a cross section perpendicular to the valve shaft, and the outlet valve seat includes a cross section perpendicular to the valve shaft. and a one-side outlet valve seat surface and an opposite-side outlet valve seat surface facing each other on a second imaginary circle, wherein the shut-off valve body, at an angular position at which the valve shaft rotates, the one-side inlet valve seat surface and the one-side outlet valve seat surface face each other. It may include a blocking valve plate having a first blocking arc area and a second blocking arc area passing through the first imaginary circle on both sides so as to contact the opposite inlet valve seat surface at the same time.
상기 컨트롤 밸브 바디는, 상기 밸브 샤프트의 회전시작 각도위치에서, 상기 일측 아웃렛 밸브 시트면과 상기 반대측 아웃렛 밸브 시트면에 동시에 접촉하는 제1 컨트롤 원호 영역 및 제2 컨트롤 원호 영역과, 상기 제2 컨트롤 원호 영역과 일정 각도를 이루면서 상기 아웃렛 밸브 시트면과 접촉하지 않는 제3 컨트롤 원호 영역을 상기 제2 가상원을 지나도록 포함할 수 있다.The control valve body includes a first control arc area and a second control arc area simultaneously contacting the one outlet valve seat surface and the opposite outlet valve seat surface at the rotation start angle of the valve shaft, and the second control valve body. A third control arc area that forms a predetermined angle with the arc area and does not contact the outlet valve seat surface may be included passing through the second imaginary circle.
상기 인렛게이트가 최초로 완전 개방된 때의 상기 밸브 샤프트의 회전 각도 위치에서, 상기 제2 컨트롤 원호 영역이 상기 일측 아웃렛 밸브 시트면과 이격된 상태로 마주하고 상기 제3 컨트롤 원호 영역이 상기 반대측 아웃렛 밸브 시트면과 이격된 상태로 마주하며, 상기 인렛게이트가 최초로 완전 개방된 때의 상기 밸브 샤프트의 회전 각도 위치를 지나 상기 밸브샤프트가 동작 최대각도까지 추가로 회전하는 동안, 상기 셧오프 밸브 바디는 상기 인렛 게이트를 완전개방 상태로 유지하고, 상기 컨트롤 밸브 바디는 상기 아웃렛 게이트의 개도량을 변화시킬 수 있다.At the angle of rotation of the valve shaft when the inlet gate is fully opened for the first time, the second control arc area faces the one-side outlet valve seat surface in a spaced apart state, and the third control arc area faces the opposite outlet valve seat surface. Facing the seat surface at a distance from each other, while the valve shaft further rotates to the maximum operating angle beyond the rotation angle position of the valve shaft when the inlet gate is first fully opened, the shut-off valve body While maintaining the inlet gate in a fully open state, the control valve body may change an opening amount of the outlet gate.
상기 제1 가상원은 중심은 상기 밸브 샤프트의 중심에 대하여 X축 및 Y축으로 편심되고, 상기 제2 가상원의 중심은 상기 밸브 샤프트의 중심에 대하여 X축 및 Y축으로 편심될 수 있다.The center of the first imaginary circle may be eccentric in X and Y axes with respect to the center of the valve shaft, and the center of the second imaginary circle may be eccentric in X and Y axes with respect to the center of the valve shaft.
상기 차단 밸브 바디의 형상과 상기 컨트롤 밸브 바디의 형상이 다르게 구성될 수 있다.The shape of the cut-off valve body and the shape of the control valve body may be configured differently.
본 발명에 따른 수소 연료전지용 에어 컨트롤 밸브는, 에어 차단 밸브의 기능과 에어압 컨트롤 밸브의 기능이 통합되어, 연비효율 형상을 위한 경량화를 구현하고, 수소 자동차 적용시, ECU의 부하를 줄일 수 있으며, 부품수 감소로 경제성이 향상된 장점을 갖는다.The air control valve for a hydrogen fuel cell according to the present invention integrates the functions of an air cut-off valve and an air pressure control valve to realize weight reduction for fuel efficiency and reduce the load of the ECU when applying a hydrogen vehicle. , it has the advantage of improved economic feasibility by reducing the number of parts.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 기능 통합형 에어 컨트롤 밸브를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 기능 통합형 에어 컨트롤 밸브를 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 기능 통합형 에어 콘트롤 밸브를 도시한 절개 사시도이다.
도 4는 밸브 샤프트, 차단 밸브 바디 및 컨트롤 밸브 바디의 결합 구조를 나타낸 사시도이다.
도 5는 밸브 샤프트와 직교하는 방향으로 차단 밸브 바디의 중앙을 절단하여 도시한 단면도이다.
도 6은 밸브 샤프트와 직교하는 방향으로 컨트롤 밸브 바디의 중앙을 절단하여 도시한 단면도이다.
도 7은 밸브 샤프트의 회전 각도 변화에 따른 인렛 게이트 및 아웃렛 게이트의 개폐 상태 및 개도량 변화를 나타낸 것이다.1 is a perspective view illustrating a function-integrated air control valve according to an embodiment of the present invention.
2 is a plan view illustrating a function-integrated air control valve according to an embodiment of the present invention.
3 is a cut-away perspective view of a function-integrated air control valve according to an embodiment of the present invention.
4 is a perspective view illustrating a coupling structure of a valve shaft, a shutoff valve body, and a control valve body.
5 is a cross-sectional view taken by cutting the center of the shut-off valve body in a direction perpendicular to the valve shaft.
6 is a cross-sectional view taken by cutting the center of the control valve body in a direction perpendicular to the valve shaft.
7 illustrates changes in opening and closing states and opening amounts of an inlet gate and an outlet gate according to a change in rotational angle of a valve shaft.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. This invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments set forth herein.
본 발명을 설명함에 있어서, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의를 위해 과장되거나 단순화되어 나타날 수 있다. In describing the present invention, the size or shape of the components shown in the drawings may be exaggerated or simplified for clarity and convenience of explanation.
또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들은 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.In addition, terms specifically defined in consideration of the configuration and operation of the present invention may vary according to the intentions or customs of users and operators. These terms should be interpreted as meanings and concepts corresponding to the technical spirit of the present invention based on the contents throughout this specification.
본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 본 발명의 기술적 사상과 관계없는 부분의 설명은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다In order to clearly explain the present invention, descriptions of parts not related to the technical spirit of the present invention are omitted, and the same reference numerals are given to the same or similar components throughout the specification.
또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적인 실시예에서만 설명하고, 그 외의 다른 실시예에서는 대표적인 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.In addition, in various embodiments, components having the same configuration will be described only in representative embodiments using the same reference numerals, and in other embodiments, only configurations different from the representative embodiments will be described.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"된 것도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하는 것을 의미할 수 있다.Throughout the specification, when a part is said to be “connected” to another part, this includes not only a case where it is “directly connected” but also a case where it is “indirectly connected” through another member. In addition, when a certain component is said to "include", it may mean that it further includes other components rather than excluding other components unless otherwise stated.
도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 기능 통합형 에어 컨트롤 밸브를 설명하면 다음과 같다.A function-integrated air control valve according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 7 .
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 기능 통합형 에어 컨트롤 밸브를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 기능 통합형 에어 컨트롤 밸브를 도시한 평면도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 기능 통합형 에어 콘트롤 밸브를 도시한 절개 사시도이고, 도 4는 밸브 샤프트, 차단 밸브 바디 및 컨트롤 밸브 바디의 결합 구조를 나타낸 사시도이고, 도 5는 밸브 샤프트와 직교하는 방향으로 차단 밸브 바디의 중앙을 절단하여 도시한 단면도이고, 도 6은 밸브 샤프트와 직교하는 방향으로 컨트롤 밸브 바디의 중앙을 절단하여 도시한 단면도이고, 도 7은 밸브 샤프트의 회전 각도 변화에 따른 인렛 게이트 및 아웃렛 게이트의 개폐 상태 및 개도량 변화를 나타낸 것이다.1 is a perspective view showing a function-integrated air control valve according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a plan view showing a function-integrated air control valve according to an embodiment of the present invention, and FIG. It is a cut-away perspective view of a function-integrated air control valve according to an embodiment, and FIG. 4 is a perspective view showing a coupling structure of a valve shaft, a shut-off valve body, and a control valve body, and FIG. 5 is a shut-off valve in a direction orthogonal to the valve shaft. 6 is a cross-sectional view of the control valve body cut through the center of the body in a direction orthogonal to the valve shaft, and FIG. 7 is an inlet gate and an outlet gate according to a change in the rotational angle of the valve shaft. It shows the opening/closing state and the change in opening amount.
도 1 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 기능 통합형 에어 컨트롤 밸브는, 수소 연료전지 시스템에 적용되어, 에어 차단 밸브(SIV:STACK air Isolation Valve)의 기능과 에어압 컨트롤 밸브(SPC: STACK Pressure Control valve)의 기능을 통합적으로 수행하도록 구성된 것으로서, 좌우로 나란하게 형성된 에어 인렛 통로(102) 및 에어 아웃렛 통로(104)를 포함하는 밸브 하우징(100)과, 상기 에어 인렛 통로(102)의 상단 개구에 설치되어 하나의 인렛 게이트(2)를 형성하는 인렛 밸브 시트(inlet valve seat)(200)와, 상기 에어 아웃렛 통로(104)의 상단 개구에 설치되어 하나의 아웃렛 게이트(4)를 형성하는 아웃렛 밸브 시트(Outlet valve seat)(300)와, 상기 에어 인렛 통로(102)와 상기 아웃렛 통로(104)를 좌우로 가로지르도록 설치된 밸브 샤프트(400)와, 상기 밸브 샤프트(400)를 회전 구동시키는 구동부(500)와, 상기 에어 인렛 통로(102)의 내부에 있도록 상기 밸브 샤프트(400)에 설치되며, 상기 밸브 샤프트(400)의 회전에 의해 상기 인렛 게이트(2)를 개폐하는 차단 밸브 바디(600)와, 상기 아웃렛 통로(104)의 내부에 있도록 상기 밸브 샤프트(400)에 설치되어 상기 차단 밸브 바디(600)와 일체로 회전하며, 상기 차단 밸브 바디(600)가 상기 인렛 게이트(2)를 폐쇄하는 구간에서, 상기 아웃렛 게이트(4)를 폐쇄하고, 상기 차단 밸브 바디(600)가 상기 인렛 게이트(2)를 개방하는 구간 중 적어도 일부 구간에서 상기 아웃렛 게이트(4)의 개도량을 조절하여 연료전지 스택(미도시됨)의 압력을 조절하는 컨트롤 밸브 바디(700)를 포함한다.As shown in FIGS. 1 to 7 , the function-integrated air control valve according to the first embodiment of the present invention is applied to the hydrogen fuel cell system, and the function of the STACK air isolation valve (SIV) and the air It is configured to integrally perform the function of a pressure control valve (SPC: STACK Pressure Control valve), and the
상기 밸브 하우징(100)은 연료전지 스택(미도시됨)과 결합되는 편평한 상부면(110)과 상기 상부면(110)과 직교하는 전방면(120)을 포함한다. 상기 상부면(110)에는 상기 상부면(110)과 연료전지 스택 사이의 기밀성 확보를 위해 가스켓(115)이 설치된다. 상기 에어 인렛 통로(102)는 연료전지 스택의 에어 유입구(미도시됨)과 접속되도록 배치되고, 상기 에어 아웃렛 통로(104)는 연료전지 스택의 에어 배출구(미도시됨)와 접속되도록 배치된다.The
상기 에어 인렛 통로(102)의 상단 개구와 상기 에어 아웃렛 통로(104)의 상단 개구에는 링 형태로 이루어지고 씰링 기능을 선택적으로 하는 인렛 밸브 시트(200)와 아웃렛 밸브 시트(300)가 설치되며 인렛 밸브 시트(200)의 내측으로 대략 원형의 인렛 게이트(2)가 형성되고 아웃렛 밸브 시트(300)의 내측으로 대략 원형의 아웃렛 게이트(4)가 형성된다. 상기 에어 인렛 통로(102)의 전방 개구 및 상기 에어 아웃렛 통로(104)의 전방 개구는 상기 밸브 하우징(100)의 전방면(120)에 나란하게 된다. 본 실시예에서, 상기 에어 인렛 통로(102)의 전방 개구는 전방면(120)에서 전방으로 연장된 원형의 입구관(122)에 의해 그 안쪽에 형성되고 상기 에어 아웃렛 통로(114)는 원형의 출구관(124)에 의해 그 안쪽에 형성된다.The upper opening of the
상기 에어 인렛 통로(102)와 상기 아웃렛 통로(104)는 상기 밸브 하우징(100) 내에 구비된 격벽에 의해 분리되어 있다. 밸브 하우징(100)의 양 측벽과 격벽에 형성된 축공들을 관통하여 전술한 밸브 샤프트(400)가 회전 가능하게 설치되며, 밸브 샤프트(400)와 축공들의 내주면 사이는 기밀이 유지되어, 상기 밸브 샤프트(400)가 삽입되어 있는 축공을 통한 에어 누설은 일어나지 않는다.The
상기 인렛 밸브 시트(inlet valve seat)(200)는 상기 밸브 샤프트(400)와 직교하는 단면 상에서 제1 가상원(A1) 상에 서로 대향되어 있는 일측 인렛 밸브 시트면(220a)과 반대측 인렛 밸브 시트면(220b)을 포함한다. 상기 일측 인렛 밸브 시트면(220a)과 상기 반대측 인렛 밸브 시트면(220b)은 자신을 지나는 제1 가상원(A1)의 원호 형상을 포함할 수 있다. 또한, 인렛 밸브 시트(200)는 기밀성 확보를 위해 씰 기능을 할 수 있다.The
상기 아웃렛 밸브 시트(inlet valve seat)(300)는 상기 밸브 샤프트(400)와 직교하는 단면 상에서 제2 가상원(A2) 상에 서로 대향되어 있는 일측 아웃렛 밸브 시트면(320a)과 반대측 아웃렛 밸브 시트면(320b)을 포함한다. 상기 일측 아웃렛 밸브 시트면(320a)과 상기 반대측 아웃렛 밸브 시트면(320b)은 자신을 지나는 제2 가상원(A2) 원호 형상을 포함할 수 있다. 또한, 아웃렛 밸브 시트(300)는 기밀성 확보를 위해 씰 기능을 할 수 있다.The
상기 차단 밸브 바디(600)와 상기 컨트롤 밸브 바디(700)는 상기 밸브 샤프트(400)에 일체로 결합되어 상기 밸브 샤프트(400)의 회전에 의해 동시에 회전한다. 위에서 언급한 바와 같이 상기 밸브 샤프트(400)의 회전에 따라, 상기 차단 밸브 바디(600)는 상기 인렛 밸브 시트(200)에 의해 형성된 인렛 게이트(2)를 개방하거나 폐쇄하고, 상기 컨트롤 밸브 바디(700)는 상기 아웃렛 벨브 시트(300)에 의해 형성된 아웃렛 게이트(4)를 폐쇄하거나 또는 상기 아웃렛 게이트(4)의 개도량을 조절하여, 연료전지 스택(미도시됨) 내부의 압력을 제어한다.The shut-off
상기 밸브 샤프트(400)가 특정 회전 작동 각도에 있을 때, 상기 차단 밸브 바디(600)와 상기 컨트롤 밸브 바디(700)는 상기 인렛 게이트(2) 및 상기 아웃렛 게이트(4)를 닫는 닫힘 상태로 만든다. 또한, 상기 닫힘 상태에서 상기 밸브 샤프트(400)가 일방향으로 회전함으로써, 상기 차단 밸브 바디(600)는 상기 인렛 게이트(2)는 개방되고, 상기 컨트롤 밸브 바디(700)는 상기 밸브 샤프트(400)의 소정 회전 작동 범위 내에서 상기 아웃렛 게이트(4)의 개도량을 변화시키게 된다. 상기 차단 밸브 바디(600)와 상기 컨트롤 밸브 바디(700)가 상기 인렛 게이트(2) 및 상기 아웃렛 게이트(4)를 닫는(폐쇄하는) 각도 구간을 20도 미만으로 하고, 나머지 각도 구간 중 적어도 일부 구간을 상기 컨트롤 밸브 바디(700)에 의한 아웃렛 게이트(4)의 개도량 조절 구간으로 함으로써, 셧오프 기능과 압력 제어 기능이 동시에 구현될 수 있다.When the
본 명세서에서는, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 밸브 샤프트(400)의 회전 시작 각도를 0도로 가정하고, 상기 인렛게이트(2)가 최초로 완전 개방된 때의 상기 밸브 샤프트(400)의 회전 각도를 90도라고 가정한다. 상기 밸브 샤프트(400)의 회전 시작각도 위치 상태, 즉 회전각도가 0도 상태일 때는 상기 차단 밸브 바디(600)와 상기 컨트롤 밸브 바디(700)가 상기 인렛 게이트(2)와 상기 아웃렛 게이트(4)를 닫는 담힘 상태에 있다.In this specification, as shown in FIG. 7 , assuming that the rotation start angle of the
이 경우, 밸브 샤프트(400)가 0도를 지나 90도 각도에 이르기까지, 차단 밸브 바디(600)가 인렛 게이트(2)를 개방하고, 컨트롤 밸브 바디(700)가 아웃렛 게이트(4)를 거의 최소 개도량 상태로 놓이게 함을 알 수 있다. 상기 밸브샤프트(400)가 90도 회전각도를 가질 때 상기 인렛게이트(2)가 최초로 완전 개방된 상태를 가지게 된다. In this case, the shut-off
이후 상기 밸브 샤프트(400)의 90도 회전 각도 위치를 지나 상기 밸브샤프트(400)가 동작 최대각도까지 추가로 회전하는 동안, 예를 들어, 회전 작동 각도가 90도에서 135도를 지나 180도로 변화하는 동안, 차단 밸브 바디(600)에 의한 인렛 게이트(2)의 완전개방 상태는 그대로 유지되고, 컨트롤 밸브 바디(700)에 의한 아웃렛 게이트(4)의 개도량은 밸브 샤프트(400)의 회전 각도가 증가함에 따라 점진적으로 증가할 수 있다. 따라서, 밸브 샤프트(400) 및 이와 결합된 차단 밸브 바디(600) 및 컨트롤 밸브 바디(700)의 회전에 의해, 에어 차단 제어와 에어 압력 제어를 모두 수행할 수 있다.Thereafter, while the
상기 차단 밸브 바디(600)는, 닫힘 상태, 즉, 밸브 샤프트(400)의 회전 시작각도위치 상태, 즉 회전각도가 0도일 때, 상기 일측 인렛 밸브 시트면(220a)과 상기 반대측 인렛 밸브 시트면(220b)에 접촉하여 상기 인렛 게이트(2)를 막는 대략 아치형의 차단 밸브 판부(620)를 포함한다. 또한, 상기 차단 밸브 바디(600)는 상기 차단 밸브 판부(620)의 양측 사이드에 형성되며, 상기 밸브 샤프트(400)가 관통하여 결합되는 한 쌍의 측판부(640, 640)를 포함한다. 그리고, 상기 차단 밸브 바디(600)는 한 쌍의 측판부(640, 640) 사이에 빈 공간을 포함하며 상기 빈 공간이 좌우 양측으로 개방되어 있다. 상기 차단 밸브 판부(620)는, 상기 닫힘 상태에서, 즉, 상기 밸브 샤프트(40)의 회전 작동 각도가 0도 일때, 상기 일측 인렛 밸브 시트면(220a) 및 상기 반대측 인렛 밸브 시트면(220b)에 동시에 접촉하는 제1 차단 원호 영역(622a)과 제2 차단 원호 영역(622b)을 양측 사이드에 구비한다. 이때, 상기 제1 차단 원호 영역(622a)과 상기 제2 차단 원호 영역(622b)은 제1 가상원(A1)을 지난다. 상기 제1 차단 원호 영역(622a)과 상기 제2 차단 원호 영역(622b)이 중간의 직선 영역에 의해 구분되어 있지만, 중간 영역도 상기 제1 차단 원호 영역(622a) 또는 상기 제2 차단 원호 영역(622b)와 연속하는 원호 영역일 수 있다.The shut-off
상기 제1 가상원(A1)의 중심(C1)은 상기 밸브 샤프트(400)의 중심(C0)과 X축 및 Y축으로 각각 일정거리만큼 예를 들면, 각각 1mm 만큼 편심되어 있다. 상기 제1 차단 원호 영역(622a)과 상기 제2 차단 원호 영역(622b) 사이의 각도는 약 90도 내지 120도 인 것이 바람직하다. 회전 각도가 0도 상태이던 밸브 샤프트(400)가 90도 회전하여 회전 각도가 90도에 도달하면, 제1 차단 원호 영역(622a)이 일측 인렛 밸브 시트면(220a)에서 멀리 벗어나되, 0도 회전 작동 각도에서 상기 반대측 인렛 밸브 시트면(220b)에 접촉하였던 제2 차단 원호 영역(622b)은 일측 인렛 밸브 시트면(220a)와 마주하는 위치로 이동한다. 제1 가상원(A1)의 중심(C1)과 상기 밸브 샤프트(C0)의 중심이 X축 및 Y축으로 편심되므로, 이때, 제2 차단 원호 영역(622b)은 상기 일측 인렛 밸브 시트면(220a)와 마주한 상태에서도 상기 인측 밸브 시트면(220a)와 이격된다. The center C1 of the first imaginary circle A1 is eccentric from the center C0 of the
상기 밸브 샤프트(400)의 중심(C0)이 제1 가상원(A1)의 중심(C1)이 일치하지 않고 편심된 것은 닫힘 상태, 즉, 밸브 샤프트(400)의 회전 각도가 0도 부근인 경우에만, 인렛 밸브 시트(200)와 차단 밸브 바디(600)가 접촉하고 나머지 각도 구간에서는 인렛 밸브 시트(200)와 차단 밸브 바디(600)가 이격되어 인렛 게이트(2)가 개방되도록 해준다. 제1 가상원(A1)의 중심(C1)과 상기 밸브 샤프트(400)의 중심(C0)이 X축과 Y축 중 하나의 축에 대해서만 편심된 경우, 특정 각도 또는 특정 각도 구간에서 인렛 밸브 시트(200)와 차단 밸브 바디(600) 사이에 원치 않는 마찰이 발생할 수 있지만, 본 실시예에서는, 제1 가상원(A1)의 중심(C1)과 상기 밸브 샤프트(400)의 중심(C0)이 X축과 Y축 모두에 대하여 같은 거리로 편심되므로 인렛 밸브 시트(200)와 차단 밸브 바디(600) 사이에 원치 않는 마찰이 발생하는 것을 막을 수 있다. 밸브 샤프트(400)의 회전 각도가 135 및 180도에서도 인렛 게이트(2)의 개방 상태가 유지됨을 알 수 있다.When the center C0 of the
상기 컨트롤 밸브 바디(700)는, 닫힘 상태, 즉, 밸브 샤프트(400)의 회전 각도가 0도일 때, 상기 일측 아웃렛 밸브 시트면(320a)과 상기 반대측 아웃렛 밸브 시트면(320b)에 접촉하여 상기 아웃렛 게이트(4)를 막고 특정 각도 이상으로 회전한 후 상기 아웃렛 게이트(4)의 개도량을 회전 각도에 따라 조절하는 컨트롤 밸브 판부(720)를 포함한다. 또한, 상기 컨트롤 밸브 바디(700)는 상기 컨트롤 밸브 판부(720)의 양측 사이드에 형성되며, 상기 밸브 샤프트(400)가 관통하여 결합되는 한 쌍의 측판부(740, 740)를 포함한다. 그리고, 상기 컨트롤 밸브 바디(700)는 한 쌍의 측판부(740, 740) 사이에 빈 공간을 포함한다.The
상기 컨트롤 밸브 판부(720)는 소정의 각도 범위 내에 제1 컨트롤 원호 영역(722a), 제2 컨트롤 원호 영역(722b) 및 제3 컨트롤 원호 영역(722c)을 포함한다. 제1 컨트롤 원호 영역(722a), 제2 컨트롤 원호 영역(722b) 및 제3 컨트롤 원호 영역(722c)은 제2 가상원(A2)을 공통적으로 지난다. 제2 가상원(A2)의 중심(C2)을 기준으로 제1 컨트롤 원호 영역(722a)과 제2 컨트롤 원호 영역(722b)은 대략 90도의 간격을 이루고 제2 컨트롤 원호 영역(722b)과 제3 컨트롤 원호 영역(722c)은 대략 90도 간격을 이룬다. 상기 제1 컨트롤 원호 영역(722a), 제2 컨트롤 원호 영역(722b) 및 제3 컨트롤 원호 영역(722c)이 하나의 연속된 원호 영역 내에 있을 수 있다.The control
상기 밸브 샤프트(400)의 회전 각도가 0도 일 때, 상기 제1 컨트롤 원호 영역(722a) 및 상기 제2 컨트롤 원호 영역(722b)은 상기 일측 아웃렛 밸브 시트면(320a) 및 반대측 아웃렛 밸브 시트면(320b)에 동시에 기밀적으로 접촉하여 아웃렛 게이트(4)를 기밀적으로 닫는다. 전술한 바와 같이, 밸브 샤프트(400)의 0도 회전각도 부근에서는 차단 밸브 바디(600)와 컨트롤 밸브 바디(700)에 의해 인렛 게이트(2) 및 아웃렛 게이트(4)가 완전히 막혀, 연료전지 스택(미도시됨)으로의 에어 공급이 차단된다. When the rotation angle of the
상기 제2 가상원(A2)의 중심(C2)은 상기 밸브 샤프트(400)의 중심과 X축 및 Y축으로 각각 일정거리만큼, 예를들면, 각각 1mm 편심되어 있다. 회전 작동 각도가 0도이던 밸브 샤프트(400)가 90도 회전하여 회전 각도가 90도에 도달하면, 제1 컨트롤 원호 영역(722a)이 일측 아웃렛 밸브 시트면(320a)에서 머리 벗어나되, 0도 회전 작동 각도에서 반대측 아웃렛 밸브 시트면(320b)에 접촉하였던 제2 컨트롤 원호 영역(722b)은 일측 아웃렛 밸브 시트면(320a)와 약간 이격된 상태로 마주하는 위치로 이동하고 에어 개도량 제어에 참여하지 않았던 제3 컨트롤 원호 영역(722c)은 반대측 아웃렛 밸브 시트면(320b)과 약간 이격된 상태로 마주하는 위치로 이동한다. 90도 회전된 상태에서는 아웃렛 게이트(4)가 거의 최소 개도량 상태이며, 이 상태에서, 밸브 샤프트(400)의 추가 회전에 따른 컨트롤 밸브 바디(700)의 회전에 의해 개도량이 점진적으로 변화게 된다.The center C2 of the second imaginary circle A2 is eccentric from the center of the
제2 가상원(A2)의 중심(C2)과 상기 밸브 샤프트(400)의 중심(C0)이 X축 및 Y축으로 편심되므로, 90도 회전된 컨트롤 밸브 바디(700)의 제2 및 제3 컨트롤 원호 영역(722b, 722c)은 상기 일측 아웃렛 밸브 시트면(320a) 및 반대측 아웃렛 밸브 시트면(320b)과 마주한 상태로 이격된다. 상기 밸브 샤프트(400)의 중심(C0)이 제2 가상원(A2)의 중심(C2)과 일치하지 않고 편심된 것은 닫힘 상태, 즉, 밸브 샤프트(400)의 회전 각도가 0도 부근인 경우에만, 컨트롤 밸브 바디(700)가 아웃렛 게이트(4)를 완전히 차단하고 나머지 각도 구간 대부분에서 컨트롤 밸브 바디(700)의 회전에 의해 아웃렛 게이트(4)의 개도량 제어가 이루어지도록 해준다. 제2 가상원(A2)의 중심(C2)과 상기 밸브 샤프트(400)의 중심(CO)이 X축과 Y축 중 하나의 축에 대해서만 편심된 경우, 90도 구간에서 아웃렛 밸브 시트(300)와 컨트롤 밸브 바디(700) 사이에 원치 않는 마찰이 발생할 수 있지만, 본 실시예에서는, 제2 가상원(A2)의 중심(C2)과 상기 밸브 샤프트(400)의 중심(C0)이 X축과 Y축 모두에 대하여 같은 거리로 편심되므로 아웃렛 밸브 시트(300)와 컨트롤 밸브 바디(700) 사이에 원치 않는 마찰이 발생하는 것을 막을 수 있다. 밸브 샤프트(400)의 회전 각도가 90도, 135도 180도로 변화하면서, 아웃렛 게이트(4)의 개도량이 점진적으로 변화됨을 알 수 있다. 아웃렛 게이트(4)의 개도량를 변화시켜 연료전지 스택의 내부 압력을 제어하는 것이 가능하다. Since the center C2 of the second imaginary circle A2 and the center C0 of the
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 수소 연료전지용 에어 컨트롤 밸브는, 에어 차단 밸브의 기능과 에어압 컨트롤 밸브의 기능이 통합되어, 연비효율 형상을 위한 경량화를 구현하고, 수소 자동차 적용시, ECU의 부하를 줄일 수 있으며, 부품수 감소로 경제성이 향상된 장점을 갖는다.As described above, the air control valve for a hydrogen fuel cell according to the present invention integrates the functions of an air cutoff valve and an air pressure control valve to realize weight reduction for fuel efficiency and, when applied to a hydrogen vehicle, the ECU It can reduce the load and has the advantage of improved economic efficiency due to the reduction in the number of parts.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.In the above, the present invention has been described in detail using preferred embodiments, but the scope of the present invention is not limited to specific embodiments, and should be interpreted according to the appended claims. In addition, those skilled in the art should understand that many modifications and variations are possible without departing from the scope of the present invention.
100: 밸브 하우징
200: 인렛 밸브 시트
300: 아웃렛 밸브 시트
400: 밸브 샤프트
500: 구동부
600: 차단 밸브 바디
700: 컨트롤 밸브 바디100: valve housing 200: inlet valve seat
300: outlet valve seat 400: valve shaft
500: driving unit 600: shut-off valve body
700: control valve body
Claims (6)
상기 에어 인렛 통로에 설치되어 인렛 게이트를 형성하는 인렛 밸브 시트(inlet valve seat);
상기 에어 아웃렛 통로에 설치되어 아웃렛 게이트를 형성하는 아웃렛 밸브 시트(outlet valve seat);
상기 에어 인렛 통로와 상기 아웃렛 통로를 가로지르도록 설치된 밸브 샤프트;
상기 밸브 샤프트를 회전 구동시키는 구동부;
상기 에어 인렛 통로의 내부에 있도록 상기 밸브 샤프트에 설치되며, 상기 밸브 샤프트의 회전에 의해 상기 인렛 게이트를 개폐하는 차단 밸브 바디; 및
상기 아웃렛 통로의 내부에 있도록 상기 밸브 샤프트에 설치되어, 상기 차단 밸브 바디와 일체로 회전하며, 상기 차단 밸브 바디가 상기 인렛 게이트를 폐쇄하는 구간에서, 상기 아웃렛 게이트를 폐쇄하고, 상기 차단 밸브 바디가 상기 인렛 게이트를 개방하는 구간 중 적어도 일부 구간에서 상기 아웃렛 게이트의 개도량을 조절하는 컨트롤 밸브 바디를 포함하는 것을 특징으로 하는 기능 통합형 에어 컨트롤 밸브.a valve housing including left and right air inlet passages and air outlet passages formed to be connected to the air inlet and air outlet of the fuel cell stack;
an inlet valve seat installed in the air inlet passage to form an inlet gate;
an outlet valve seat installed in the air outlet passage to form an outlet gate;
a valve shaft installed to cross the air inlet passage and the outlet passage;
a driving unit for rotationally driving the valve shaft;
a shut-off valve body installed on the valve shaft so as to be inside the air inlet passage and opening and closing the inlet gate by rotation of the valve shaft; and
It is installed on the valve shaft so as to be inside the outlet passage, rotates integrally with the shut-off valve body, closes the outlet gate in a section where the shut-off valve body closes the inlet gate, and the shut-off valve body and a control valve body for controlling an opening amount of the outlet gate in at least a partial section among sections in which the inlet gate is opened.
상기 인렛 밸브 시트는 상기 밸브 샤프트와 직교하는 단면 상에서 제1 가상원 상에 서로 대향되어 있는 일측 인렛 밸브 시트면과 반대측 인렛 밸브 시트면을 포함하고,
상기 아웃렛 밸브 시트는 상기 밸브 샤프트와 직교하는 단면 상에서 제2 가상원 상에 서로 대향되어 있는 일측 아웃렛 밸브 시트면과 반대측 아웃렛 밸브 시트면을 포함하며,
상기 차단 밸브 바디는, 상기 밸브 샤프트의 회전 시작 각도 위치에서, 상기 일측 인렛 밸브 시트면과 상기 반대측 인렛 밸브 시트면에 동시에 접촉하도록 상기 제 1 가상원을 지나는 제1 차단 원호 영역과 제2 차단 원호 영역을 양측 사이드에 구비한 차단 밸브 판부를 포함하는 것을 특징으로 하는 기능 통합형 에어 컨트롤 밸브.The method of claim 1,
The inlet valve seat includes one inlet valve seat surface and an opposite inlet valve seat surface facing each other on a first imaginary circle on a cross section orthogonal to the valve shaft,
The outlet valve seat includes one outlet valve seat surface and an opposite outlet valve seat surface facing each other on a second imaginary circle in a cross section orthogonal to the valve shaft,
The blocking valve body may include a first blocking arc area and a second blocking arc passing through the first imaginary circle so as to simultaneously contact the one side inlet valve seat surface and the opposite side inlet valve seat surface at the rotation start angle of the valve shaft. A function-integrated air control valve comprising a shut-off valve plate having zones on both sides.
상기 컨트롤 밸브 바디는, 상기 밸브 샤프트의 회전시작 각도위치에서, 상기 일측 아웃렛 밸브 시트면과 상기 반대측 아웃렛 밸브 시트면에 동시에 접촉하는 제1 컨트롤 원호 영역 및 제2 컨트롤 원호 영역과, 상기 제2 컨트롤 원호 영역과 일정 각도를 이루면서 상기 아웃렛 밸브 시트면과 접촉하지 않는 제3 컨트롤 원호 영역을 상기 제2 가상원을 지나도록 포함하는 것을 특징으로 하는 기능 통합형 에어 컨트롤 밸브.The method of claim 2,
The control valve body includes a first control arc area and a second control arc area simultaneously contacting the one outlet valve seat surface and the opposite outlet valve seat surface at the rotation start angle of the valve shaft, and the second control valve body. and a third control arc area that forms a predetermined angle with the arc area and does not contact the outlet valve seat surface passing through the second imaginary circle.
상기 인렛게이트가 최초로 완전 개방된 때의 상기 밸브 샤프트의 회전 각도 위치에서, 상기 제2 컨트롤 원호 영역이 상기 일측 아웃렛 밸브 시트면과 이격된 상태로 마주하고 상기 제3 컨트롤 원호 영역이 상기 반대측 아웃렛 밸브 시트면과 이격된 상태로 마주하며,
상기 인렛게이트가 최초로 완전 개방된 때의 상기 밸브 샤프트의 회전 각도 위치를 지나 상기 밸브샤프트가 동작 최대각도까지 추가로 회전하는 동안, 상기 셧오프 밸브 바디는 상기 인렛 게이트를 완전개방 상태로 유지하고, 상기 컨트롤 밸브 바디는 상기 아웃렛 게이트의 개도량을 변화시키는 것을 특징으로 하는 기능 통합형 에어 컨트롤 밸브.The method of claim 3,
At the angle of rotation of the valve shaft when the inlet gate is fully opened for the first time, the second control arc area faces the one-side outlet valve seat surface in a spaced apart state, and the third control arc area faces the opposite outlet valve seat surface. Facing the seat surface at a distance,
The shut-off valve body maintains the inlet gate in a fully open state while the valve shaft further rotates to the maximum operating angle beyond the rotational angular position of the valve shaft when the inlet gate is initially fully opened, The function-integrated air control valve, characterized in that the control valve body changes the opening amount of the outlet gate.
상기 제1 가상원은 중심은 상기 밸브 샤프트의 중심에 대하여 X축 및 Y축으로 편심되고, 상기 제2 가상원의 중심은 상기 밸브 샤프트의 중심에 대하여 X축 및 Y축으로 편심된 것을 특징으로 하는 기능 통합형 에어 컨트롤 밸브.The method of claim 4,
The center of the first virtual circle is eccentric in the X and Y axes with respect to the center of the valve shaft, and the center of the second virtual circle is eccentric in the X and Y axes with respect to the center of the valve shaft. function integrated air control valve.
상기 차단 밸브 바디의 형상과 상기 컨트롤 밸브 바디의 형상이 다른 것을 특징으로 하는 기능 통합형 에어 콘트롤 밸브.The method of claim 1,
A function integrated air control valve, characterized in that the shape of the cut-off valve body and the shape of the control valve body are different.
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KR1020210173897A KR20230085581A (en) | 2021-12-07 | 2021-12-07 | Integrated Air Control Valve of single-shaft two-valve type |
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KR20180074216A (en) | 2016-12-23 | 2018-07-03 | 주식회사 현대케피코 | Rotating shaft structure of flap valve for pressure control system of fuel cell stack |
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2021
- 2021-12-07 KR KR1020210173897A patent/KR20230085581A/en not_active Application Discontinuation
Patent Citations (2)
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KR20180074216A (en) | 2016-12-23 | 2018-07-03 | 주식회사 현대케피코 | Rotating shaft structure of flap valve for pressure control system of fuel cell stack |
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