KR20230085593A - 전자식 클러치 타입의 기능 통합형 에어 컨트롤 밸브 - Google Patents

전자식 클러치 타입의 기능 통합형 에어 컨트롤 밸브 Download PDF

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KR20230085593A
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air
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조용국
조형근
나성욱
이승준
손재영
이재영
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주식회사 케이퓨얼셀
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Abstract

전자식 클러치 타입의 기능 통합형 에어 컨트롤 밸브가 개시된다. 상기 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; 상기 에어 아웃렛 통로에 설치되어 아웃렛 게이트를 형성하는 아웃렛 밸브 시트; 상기 에어 인렛 통로와 상기 아웃렛 통로를 좌우로 가로지르도록 설치되며, 전자식 클러치에 의해 선택적으로 연결되는 제1 샤프트 및 제2 샤프트를 포함하는 밸브 샤프트; 상기 전자식 클러치에 의해 상기 제1 샤프트와 상기 제2 샤프트가 일체로 연결된 상태에서 상기 제1 샤프트와 상기 제2 샤프트를 동시에 회전 구동시키고, 상기 전자식 클러치에 의해 상기 제1 샤프트와 상기 제2 샤프트가 분리된 상태에서 상기 제2 샤프트만을 개별 회전 구동시키는 구동부; 상기 에어 인렛 통로의 내부에 있도록 상기 제1 샤프트에 설치되며, 상기 제1 샤프트와 상기 제2 샤프트가 연결된 상태에서, 상기 제1 샤프트의 회전에 의해 상기 인렛 게이트를 개폐하는 차단 밸브 바디; 및 상기 아웃렛 통로의 내부에 있도록 상기 제2 샤프트에 설치되어, 상기 제1 샤프트와 상기 제2 샤프트가 연결된 상태에서는 상기 제2 샤프트의 회전에 의해 상기 아웃렛 게이트를 개폐하되, 상기 제1 샤프트와 상기 제2 샤프트가 분리되고 상기 인렛 게이트가 개방된 상태에서는, 상기 제2 샤프트의 회전에 의해 상기 아웃렛 개이트의 개도량을 조절하는 컨트롤 밸브 바디를 포함한다.

Description

전자식 클러치 타입의 기능 통합형 에어 컨트롤 밸브{Integrated Air Control Valve of electromagnetic clutch type}
본 발명은 연료전지의 에어공급시스템에 적용될 수 있는 연료전지용 밸브에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 연료전지의 에어공급시스템의 에어 차단 밸브의 기능과 에어압 컨트롤 밸브의 기능이 통합된, 전자식 클러치 타입의 기능 통합형 에어 컨트롤 밸브에 관한 것이다.
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.
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.
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.
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.
공개번호 10-2018-0074216 (2018년 7월 3일 공개) 등록번호 10-2242020 (2021년 4월 13일 등록)
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, 전자식 클러치 타입의 기능 통합형 에어 컨트롤 밸브를 제공하는 것이다.
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; 상기 에어 아웃렛 통로에 설치되어 아웃렛 게이트를 형성하는 아웃렛 밸브 시트; 상기 에어 인렛 통로와 상기 아웃렛 통로를 좌우로 가로지르도록 설치되며, 전자식 클러치에 의해 선택적으로 연결되는 제1 샤프트 및 제2 샤프트를 포함하는 밸브 샤프트; 상기 전자식 클러치에 의해 상기 제1 샤프트와 상기 제2 샤프트가 일체로 연결된 상태에서 상기 제1 샤프트와 상기 제2 샤프트를 동시에 회전 구동시키고, 상기 전자식 클러치에 의해 상기 제1 샤프트와 상기 제2 샤프트가 분리된 상태에서 상기 제2 샤프트만을 개별 회전 구동시키는 구동부; 상기 에어 인렛 통로의 내부에 있도록 상기 제1 샤프트에 설치되며, 상기 제1 샤프트와 상기 제2 샤프트가 연결된 상태에서, 상기 제1 샤프트의 회전에 의해 상기 인렛 게이트를 개폐하는 차단 밸브 바디; 및 상기 아웃렛 통로의 내부에 있도록 상기 제2 샤프트에 설치되어, 상기 제1 샤프트와 상기 제2 샤프트가 연결된 상태에서는 상기 제2 샤프트의 회전에 의해 상기 아웃렛 게이트를 개폐하되, 상기 제1 샤프트와 상기 제2 샤프트가 분리되고 상기 인렛 게이트가 개방된 상태에서는, 상기 제2 샤프트의 회전에 의해 상기 아웃렛 개이트의 개도량을 조절하는 컨트롤 밸브 바디를 포함한다.
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 밸브샤프트의 회전시작 각도위치에서, 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 포함하며, 상기 컨트롤 밸브 바디는, 상기 밸브샤프트의 회전시작 각도위치에서, 상기 일측 아웃렛 밸브 시트면과 상기 반대측 아웃렛 밸브 시트면에 동시에 접촉하도록 상기 제 2 가상원을 지나는 제1 컨트롤 원호 영역과 제2 컨트롤 원호 영역을 양측 사이드에 구비한 차단 밸브 판부를 포함할 수 있다.
상기 차단 밸브 바디와 상기 컨트롤 밸브 바디의 형상은 같게 형성될 수 있다.
상기 전자식 클러치는 상기 제1 샤프트의 단부에 고정된 로터와 상기 제2 샤프트의 단부에 고정된 아마추어를 포함하며, 상기 로터와 상기 아마추어는 서로 밀착될 때 맞물리는 형상을 포함하며, 상기 제2 샤프트는 풀리가 체결되고, 샹기 풀리와 상기 아마추어 사이에는 판스프링이 개재되며, 상기 전자식 클러치의 온 작동시에는, 상기 로터와 스테이서 사이에 자기회로가 형성되어 상기 아마추어가 상기 로터에 밀착되고, 상기 전자식 클러치의 오프 작동시에는 휘어진 판스프링의 복원력에 의해 상기 아마추어가 상기 로터로부터 해방되는 구성을 가질 수 있다.
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 구조를 가질 수 있다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기능 통합형 에어 컨트롤 밸브를 도시한 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능 통합형 에어 컨트롤 밸브를 닫힘 상태에서 도시한 절개 사시도이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 기능형 통합형 에어 컨트롤 밸브의 밸브 샤프트, 차단 밸브 바디 및 컨트롤 밸브 바디의 결합 구조를 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 1에서 밸브 샤프트와 직교하는 방향으로 차단 밸브 바디의 중앙을 절단하여 도시한 단면도이다.
도 5는 도 1에서 밸브 샤프트와 직교하는 방향으로 컨트롤 밸브 바디의 중앙을 절단하여 도시한 단면도이다.
도 6은 전자식 클러치가 적용된 밸브 샤프트를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 전자식 클러치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 밸브 샤프트에 구비된 제1 샤프트 또는 제2 사프트의 회전 각도 변화에 따른 인렛 게이트 및 아웃렛 게이트의 개폐 상태 및 개도량 변화를 나타낸 것이다.
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.
본 발명을 설명함에 있어서, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의를 위해 과장되거나 단순화되어 나타날 수 있다.
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.
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 한다
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.
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.
도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 기능 통합형 에어 컨트롤 밸브를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기능 통합형 에어 컨트롤 밸브를 도시한 평면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능 통합형 에어 컨트롤 밸브를 닫힘 상태에서 도시한 절개 사시도이고, 도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 기능형 통합형 에어 컨트롤 밸브의 밸브 샤프트, 차단 밸브 바디 및 컨트롤 밸브 바디의 결합 구조를 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 1에서 밸브 샤프트와 직교하는 방향으로 차단 밸브 바디의 중앙을 절단하여 도시한 단면도이고, 도 5는 도 1에서 밸브 샤프트와 직교하는 방향으로 컨트롤 밸브 바디의 중앙을 절단하여 도시한 단면도이고, 도 6는 전자식 클러치가 적용된 밸브 샤프트를 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 전자식 클러치의 작용을 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 밸브 샤프트에 구비된 제1 샤프트 또는 제2 사프트의 회전 각도 변화에 따른 인렛 게이트 및 아웃렛 게이트의 개폐 상태 및 개도량 변화를 나타낸 것이다.
도 1 내지 도 8을 참조하면, 본 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 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 설치되며, 전자식 클러치(430)에 의해 선택적으로 연결되는 제1 샤프트(410) 및 제2 샤프트(420)를 포함하는 밸브 샤프트(400)와, 상기 제1 샤프트(410)와 상기 제2 샤프트(420)가 일체로 연결된 상태에서 상기 제1 샤프트(410)와 상기 제2 샤프트(420)를 동시에 회전 구동시키고, 상기 제1 샤프트(410)와 상기 제2 샤프트(420)가 분리된 상태에서 상기 제2 샤프트(420)만을 개별 회전 구동시키는 구동부(500)와, 상기 에어 인렛 통로(102)의 내부에 있도록 상기 제1 샤프트(410)에 설치되며, 상기 제1 샤프트(410)와 상기 제2 샤프트(420)가 연결된 상태에서, 상기 제1 샤프트(410)의 회전에 의해 상기 인렛 게이트(2)를 개폐하는 차단 밸브 바디(600)와, 상기 아웃렛 통로(104)의 내부에 있도록 상기 제2 샤프트(400)에 설치되어, 상기 제1 샤프트(410)와 상기 제2 샤프트(420)가 연결된 상태에서는 상기 제2 샤프트(420)의 회전에 의해 상기 아웃렛 게이트(4)를 개폐하되, 상기 제1 샤프트(410)와 상기 제2 샤프트(420)가 분리되고 상기 인렛 게이트(2)가 개방된 상태에서는, 상기 제2 샤프트(420)의 회전에 의해 상기 아웃렛 개이트(4)의 개도량을 조절하여 연료전지 스택(미도시됨)의 압력을 조절하는 컨트롤 밸브 바디(700)를 포함한다.
상기 밸브 하우징(100)은 연료전지 스택(미도시됨)과 결합되는 편평한 상부면과 상기 상부면과 직교하는 전방면(120)을 포함한다. 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.
상기 인렛 밸브 시트(inlet valve seat)(200)는 상기 밸브 샤프트(400)와 직교하는 단면 상에서 제1 가상원(B1) 상에 서로 대향되어 있는 일측 인렛 밸브 시트면(220a)과 반대측 인렛 밸브 시트면(220b)을 포함한다. 상기 일측 인렛 밸브 시트면(220a)과 반대측 인렛 밸브 시트면(220b)은 자신을 지나는 제1 가상원(B1)의 원호 형상을 포함할 수 있다. 또한, 인렛 밸브 시트(200)는 기밀성 확보를 위해 씰 기능을 할 수 있다.
상기 아웃렛 밸브 시트(inlet valve seat)(300)는 상기 밸브 샤프트(400)와 직교하는 단면 상에서 제2 가상원(B2) 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(B2)의 원호 형상을 포함할 수 있다. 또한, 아웃렛 밸브 시트(300)는 기밀성 확보를 위해 씰 기능을 할 수 있다.
상기 인렛 밸브 시트(200)와 상기 아웃렛 밸브 시트(300)가 동일한 구조 및/또는 형상을 가질 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 상기 차단 밸브 바디(600)와 상기 컨트롤 밸브 바디(700)는 상기 제1 샤프트(410)와 상기 제2 샤프트(420)에 일체로 결합되며, 전자식 클러치(430)에 의해 서로 연결되어 하나의 밸브샤프트(400)로 일체화된 상태에서는 상기 밸브 샤프트(400)의 회전에 의해 동시에 회전한다.
상기 제1 샤프트(410)와 상기 제2 샤프트(420)가 연결된 상태에서. 상기 차단 밸브 바디(600)는 회전하여 상기 인렛 밸브 시트(200)에 의해 형성된 인렛 게이트(2)를 개방하거나 폐쇄하고, 상기 컨트롤 밸브 바디(700) 또한 상기 아웃렛 벨브 시트(300)에 의해 형성된 아웃렛 게이트(4)를 개방하거나 폐쇄한다. 이때, 인렛 게이트(2)와 상기 아웃렛 게이트(4)의 개방이 동시에 이루어지고, 상기 인렛 게이트(2)와 상기 아웃렛 게이트(4)의 폐쇄도 동시에 이루어진다. 상기 차단 밸브 바디(600)와 상기 컨트롤 밸브 바디(700)는 동일한 형상 및 동일한 구조를 갖는 것이 바람직하다.
전자식 클러치(430)에 의해 상기 제1 샤프트(410)와 상기 제2 샤프트(420)가 분리된 상태에서, 상기 제2 샤프트(420)가 구동부(500)에 의해 단독으로 회전하여 상기 아웃렛 게이트(4)의 개도량을 조절하며, 이에 따라, 연료전지 스택의 내부 에어 압력을 조절할 수 있다. 아웃렛 게이트(4)의 개동량이 조절되는 동안, 차단 밸브 바디(600)가 인렛 게이트(2)를 개방한 상태에서, 제1 샤프트(410)의 회전은 이루어지지 않는다.
제1 샤프트(410)와 제2 제2 샤프트(420)가 연결되어 있는 밸브 샤프트(400)가 특정 회전 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 상태를 만든다. 또한, 상기 닫힘 상태에서, 제1 샤프트(410)와 제2 샤프트(420)가 연결되어 있는 상기 밸브 샤프트(400)가 일방향으로 회전함으로써, 상기 차단 밸브 바디(600)와 상기 컨트롤 밸브 바디(700)가 상기 인렛 게이트(2) 및 상기 아웃렛 게이트(4)를 동시에 개방하여 개방 상태를 만든다. 개방 상태에서, 제1 샤프트(410)와 분리된 제2 샤프트(420)가 회전하여, 상기 아웃렛 게이트(4)의 개도량을 변화시키게 된다.
도 8에 잘 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 기능 통합형 에어 컨트롤 밸브는 에어 공급을 차단하는 SIV(STACK air Isolation Valve) 모드와 에어압을 조절하는 SPC(STACK Pressure Control valve) 모드 중 하나로 동작될 수 있다.
상기 밸브 샤프트(400)의 회전 시작 각도를 0도로 가정하고, 상기 밸브 샤프트(400)의 회전 시작 각도위치 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.
SIV 모드에서 밸브 샤프트(400)을 구성하는 제1 샤프트(410)과 제2 샤프트(420)가 전자식 클러치(430)에 의해 연결된다.
SIV 모드에서, 밸브 샤프트(400)가 90도로 회전하여, 상기 차단 밸브 바디(600)와 상기 컨트롤 밸브 바디(700)는 상기 인렛 게이트(2)와 상기 아웃렛 게이트(4)를 모두 개방한다.
SPC 모드에서, 제1 샤프트(410)과 제2 샤프트(420)가 전자식 클러치(430)에 의해 분리된다.
SPC 모드에서. 제1 샤프트(410)가 90도 회전각도로 유지되어 인렛 게이트(2)가 개방된 상태에서, 제2 샤프트(420)는 단독으로 회전하여 아웃렛 게이트(4)의 개도량을 조절한다. 도 8에는 제2 샤프트(420)의 회전 각도가 60도 인 경우와 30도인 경우가 표시되어 있다.
따라서, 본 발명은 전자식 클러치(430)에 의해 제1 샤프트(410)와 제2 샤프트(420)가 선택적으로 연결 또는 분리되는 밸브 샤프트(400), 제1 샤프트(410)에 결합된 차단 밸브 바디(600) 및 제2 샤프트(420)에 결합된 컨트롤 밸브 바디(700)에 의해, 에어 차단 제어와 에어 압력 제어를 모두 수행할 수 있다.
상기 차단 밸브 바디(600)는, 닫힘 상태, 상기 일측 인렛 밸브 시트면(220a)과 상기 반대측 인렛 밸브 시트면(220b)에 밀착되어 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 제1 샤프트(410)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 제1 샤프트(410)의 회전 작동 각도가 0도 일때, 상기 일측 인렛 밸브 시트면(220a)과 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(B1)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)과 연속하는 원호 영역일 수 있다. 상기 제1 차단 원호 영역(622a)과 상기 제2 차단 원호 영역(622b) 사이의 각도는 약 90도 내지 120도 인 것이 바람직하다. 이때, 상기 제1 가상원(B1)의 중심과 상기 밸브 샤프트(400)의 중심이 X축 및 Y축으로 소정 거리 편심되어 있을 수 있다.
상기 컨트롤 밸브 바디(700)는 상기 차단 밸브 바디(600)과 동일한 구조 및 형상을 가질 수 있다. 상기 컨트롤 밸브 바디(700)는. 닫힘 상태, 상기 일측 아웃렛 밸브 시트면(320a)과 상기 반대측 아웃렛 밸브 시트면(320b)에 밀착되어 아웃렛 게이트(4)를 막는 대략 아치형의 컨트롤 밸브 판부(720)를 포함한다. 또한, 상기 컨트롤 밸브 바디(700)는 상기 차단 밸브 판부(720)의 양측 사이드에 형성되며, 상기 제2 샤프트(420)가 관통하여 결합되는 한 쌍의 측판부(740, 740)를 포함한다.
그리고, 상기 차단 밸브 바디(700)는 한 쌍의 측판부(740, 740) 사이에 빈 공간을 포함하며 상기 빈 공간이 좌우 양측으로 개방되어 있다. 상기 컨트롤 밸브 판부(720)는, 상기 닫힘 상태에서, 즉, 상기 제2 샤프트(420)의 회전 작동 각도가 0도 일때, 상기 일측 아웃렛 밸브 시트면(320a)과 상기 반대측 아웃렛 밸브 시트면(320b)에 동시에 접촉하는 제1 컨트롤 원호 영역(722a)과 제2 컨트롤 원호 영역(722b)을 양측 사이드에 구비한다. 이때, 상기 제1 컨트롤 원호 영역(722a)과 상기 제2 컨트롤 원호 영역(722b)은 제2 가상원(B2)을 지난다. 제1 컨트롤 원호 영역(722a)과 제2 컨트롤 원호 영역(722b) 사이의 각도는 약 90도 내지 120도 인 것이 바람직하다. 이때, 본 발명의 제1실시예의 경우와 동일하게 상기 제2 가상원(B2)의 중심과 상기 밸브 샤프트(400)의 중심이 X축 및 Y축으로 소정 거리 편심되어 있을 수 있다.
한편, 상기 전자식 클러치(430)는 상기 제1 샤프트(410)의 단부에 고정된 로터(435)와 상기 제2 샤프트(420)의 단부에 고정된 아마추어(439)를 포함한다. 로터(435)와 아마추어(439)는 서로 밀착될 때 맞물리는 양각과 음각을 각각 포함한다. 상기 로터(435)를 포함하는 상기 제1 샤프트(410) 측 구조는 베어링(431)과 스테이터(432)를 더 포함하고, 상기 아마추어(439)를 포함하는 상기 제2 샤프트(420) 측 구조는 상기 제2 샤프트(420)에 체결되는 풀리(436), 풀리(436)과 상기 아마추어(439) 사이를 체결 결합하는 볼트(437) 및 상기 아마추어(439)와 상기 풀리(436)에 개재된 판스프링(438)을 포함한다.
전자식 클러치(430)를 온(ON) 시키면, 전자식 클러치(430)에 의해 제1 샤프트(410)와 제2 샤프트(420)가 연결되어 일체화되고, 전자식 클러치(430)를 오프(OFF)시키면. 제1 샤프트(410)와 제2 샤프트(420)가 분리되어, 제2 샤프트(420)가 단독으로 회전할 수 있는 상태가 된다. 전자식 클러치(430)의 온 동작을 위해, 코일(미도시됨)을 통전시키면, 자속이 발생하여, 스테이터(432)와 로터(435) 사이에 자기회로가 형성되어 상기 아마추어(439)가 상기 로터(435)에 밀착된다. 코일의 통전을 끊으면 자속이 소실되어, 휘어진 판스프링(438)의 복원력에 의해 상기 아마추어(439)가 상기 로터(435)로부터 해방되며, 상기 제2 샤프트(420)는 단독으로 개별 동작 가능한 상태가 된다.
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.
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.
100: 밸브 하우징 200: 인렛 밸브 시트
300: 아웃렛 밸브 시트 400: 밸브 샤프트
430 : 전자식 클러치 500: 구동부
600: 차단 밸브 바디 700: 컨트롤 밸브 바디

Claims (5)

  1. 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;
    상기 에어 아웃렛 통로에 설치되어 아웃렛 게이트를 형성하는 아웃렛 밸브 시트;
    상기 에어 인렛 통로와 상기 아웃렛 통로를 좌우로 가로지르도록 설치되며, 전자식 클러치에 의해 선택적으로 연결되는 제1 샤프트 및 제2 샤프트를 포함하는 밸브 샤프트;
    상기 전자식 클러치에 의해 상기 제1 샤프트와 상기 제2 샤프트가 일체로 연결된 상태에서 상기 제1 샤프트와 상기 제2 샤프트를 동시에 회전 구동시키고, 상기 전자식 클러치에 의해 상기 제1 샤프트와 상기 제2 샤프트가 분리된 상태에서 상기 제2 샤프트만을 개별 회전 구동시키는 구동부;
    상기 에어 인렛 통로의 내부에 있도록 상기 제1 샤프트에 설치되며, 상기 제1 샤프트와 상기 제2 샤프트가 연결된 상태에서, 상기 제1 샤프트의 회전에 의해 상기 인렛 게이트를 개폐하는 차단 밸브 바디; 및
    상기 아웃렛 통로의 내부에 있도록 상기 제2 샤프트에 설치되어, 상기 제1 샤프트와 상기 제2 샤프트가 연결된 상태에서는 상기 제2 샤프트의 회전에 의해 상기 아웃렛 게이트를 개폐하되, 상기 제1 샤프트와 상기 제2 샤프트가 분리되고 상기 인렛 게이트가 개방된 상태에서는, 상기 제2 샤프트의 회전에 의해 상기 아웃렛 개이트의 개도량을 조절하는 컨트롤 밸브 바디를 포함하는 것을 특징으로 하는 기능 통합형 에어 컨트롤 밸브.
  2. 청구항 1에 있어서,
    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 밸브샤프트의 회전시작 각도위치에서, 상기 일측 인렛 밸브 시트면과 상기 반대측 인렛 밸브 시트면에 동시에 접촉하도록 상기 제1 가상원을 지나는 제1 차단 원호 영역과 제2 차단 원호 영역을 양측 사이드에 구비한 차단 밸브 판부를 포함하며,
    상기 컨트롤 밸브 바디는, 상기 밸브샤프트의 회전시작 각도위치에서, 상기 일측 아웃렛 밸브 시트면과 상기 반대측 아웃렛 밸브 시트면에 동시에 접촉하도록 상기 제2 가상원을 지나는 제1 컨트롤 원호 영역과 제2 컨트롤 원호 영역을 양측 사이드에 구비한 차단 밸브 판부를 포함하는 것을 특징으로 하는 기능 통합형 에어 컨트롤 밸브.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 차단 밸브 바디와 상기 컨트롤 밸브 바디의 형상은 같은 것을 특징으로 하는 기능 통합형 에어 컨트롤 밸브.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 전자식 클러치는 상기 제1 샤프트의 단부에 고정된 로터와 상기 제2 샤프트의 단부에 고정된 아마추어를 포함하며, 상기 로터와 상기 아마추어는 서로 밀착될 때 맞물리는 형상을 포함하며, 상기 제2 샤프트는 풀리가 체결되고, 샹기 풀리와 상기 아마추어 사이에는 판스프링이 개재되며,
    상기 전자식 클러치의 온 작동시에는, 상기 로터와 스테이서 사이에 자기회로가 형성되어 상기 아마추어가 상기 로터에 밀착되고, 상기 전자식 클러치의 오프 작동시에는 휘어진 판스프링의 복원력에 의해 상기 아마추어가 상기 로터로부터 해방되는 것을 특징으로 하는 기능 통합형 에어 컨트롤 밸브.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 가상원의 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.
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