KR20230101097A - 수소 차단 밸브 - Google Patents

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KR20230101097A
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이승범
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Abstract

본 발명은 강자성체인 코어가 외부 환경에 노출되는 것을 최소화함으로써 수소 취성에 대한 강건화 구조를 가진 수소 차단 밸브에 관한 것으로, 수소 이송을 위한 제1유로가 형성된 제1홀더와, 상기 제1유로와 연결되는 제2유로가 형성된 제2홀더와, 상기 제1유로와 상기 제2유로를 연결하거나 차단하는 밸브부와, 상기 밸브부를 작동시키는 솔레노이드부를 포함하며, 이때 상기 제1홀더와 상기 제2홀더 중 어느 하나의 적어도 일부가 다른 하나의 내부로 삽입되게 결합되고, 상기 솔레노이드부에서 발생한 자기장을 유도하는 코어가 상기 제1홀더와 상기 제2홀더 사이에 위치된다.

Description

수소 차단 밸브{HYDROGEN SHUT-OFF VALVE}
본 발명은 수소 차단 밸브에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 연료전지 차량의 수소 충전 라인에 구비되어 수소저장탱크로 충전되는 연료인 수소를 차단하는 밸브에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지차량(Fuel Cell Electric Vehicle; FCEV)은, 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료 공급 시스템, 연료전지 스택에 전기 화학 반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기 공급 시스템, 연료전지 스택의 운전 온도를 제어하는 열과 물 관리 시스템 등을 포함하여 구성된다.
연료 공급 시스템의 수소 충전 라인에는 고압(약 700bar)의 압축 수소가 저장되는 수소저장탱크가 구비된다. 수소저장탱크에 저장된 압축 수소는 수소저장탱크의 입구 측에 마련된 고압 조절기에 의해 고압 라인으로 방출되고, 시동 밸브와 수소 공급 밸브를 거쳐 감압된 후 연료전지 스택으로 공급된다.
그리고 연료 공급 시스템의 수소저장탱크와 스택 사이에는, 수소의 이송을 위한 배관과 상기 배관을 피팅하기 위한 구성, 수소의 압력을 조절하기 위한 레귤레이터, 및 수소의 차단 및 공급을 위한 밸브가 설치된다.
전술한 연료 공급 시스템의 수소 충전 라인을 따라 이송되는 수소의 기밀 성능은 연료전지차량 전체의 안전과 연관된 가장 중요한 요소 중 하나이다. 따라서, 배관을 따라 흐르는 고압의 압축 수소를 안전하게 제어할 수 있도록 연료 공급 시스템의 수소 충전 라인에는 수소 차단 밸브가 구비될 수 있다.
한편, 연료 공급 시스템의 수소 충전 라인에 구비되는 수소 차단 밸브는 수소 누설 방지 및 수소 취성 최소화를 위하여 스테인리스(stainless steel) 구조로 제작된다.
예를 들어, 수소 차단 밸브 중 수소 이송로가 형성되어 수소와의 접촉이 빈번한 홀더의 경우 수소 취성 최소화를 위하여 스테인리스로 제작되는 것이 일반적이다. 반면, 수소 차단 밸브 중 밸브를 개폐하기 위하여 자기장을 유도하는 코어는 자기장을 효과적으로 유도할 수 있도록 강자성체로 제작된다.
그런데 강자성체로 제작된 코어의 경우 수소 취성에 매우 취약하므로 수소와의 접촉을 최소화할 수 있는 구조, 즉 수소 취성에 대한 강건화 구조를 가진 수소 차단 밸브가 요구되고 있다.
공개특허공보 제2018-0071547호(2018.06.28.)
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 강자성체인 코어가 외부 환경에 노출되는 것을 최소화함으로써 수소 취성에 대한 강건화 구조를 가진 수소 차단 밸브를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 전원 인가 시 발생하는 자기장의 흐름을 개선 및 강화하여 밸브의 작동성과 응답성을 향상시킬 수 있는 수소 차단 밸브의 제공을 추가적인 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 수소 차단 밸브는 연료 공급 시스템의 수소 충전 라인에 구비되는 밸브로서, 수소 이송을 위한 제1유로가 형성된 제1홀더와, 상기 제1유로와 연결되는 제2유로가 형성된 제2홀더와, 상기 제1유로와 상기 제2유로를 연결하거나 차단하는 밸브부와, 상기 밸브부를 작동시키는 솔레노이드부를 포함한다. 이때, 상기 제1홀더와 상기 제2홀더 중 어느 하나의 적어도 일부가 다른 하나의 내부로 삽입되게 결합되고, 상기 솔레노이드부에서 발생한 자기장을 유도하는 코어가 상기 제1홀더와 상기 제2홀더 사이에 위치된다.
한편, 상기 솔레노이드부는 상기 제1홀더의 둘레를 감싸도록 결합되고, 상기 제1홀더와 상기 솔레노이드부 사이에는 자기장의 흐름을 개선 및 강화하기 위한 보조 코어가 더 구비될 수 있다. 이때, 상기 보조 코어는, 상기 제1홀더의 일단 측에 구비되는 제1보조 코어와, 상기 제1홀더의 타단 측에 구비되는 제2보조 코어로 구성될 수 있다.
본 발명은 자기장을 유도하는 코어를 제1홀더와 제2홀더 사이에 위치시켜 외부 환경에 노출되는 것을 최소화함으로써 수소 취성에 대한 강건화 구조를 제공할 수 있으며, 이를 통하여 수소 차단 밸브의 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 제1홀더와 솔레노이드부 사이에 보조 코어를 더 구비함으로써 전원 인가 시 발생하는 자기장의 흐름을 개선 및 강화할 수 있으며, 이를 통하여 밸브의 작동성과 응답성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 차단 밸브의 단면도.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 차단 밸브의 작동도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드부의 자기장 흐름을 도시한 도면.
도 6은 보조 코어가 구비되지 않은 솔레노이드부의 자기장 흐름을 도시한 도면.
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.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 차단 밸브(10)는, 수소의 이송을 위한 유로(140,240)가 마련된 홀더부(100,200)와, 유로(140,240)를 연결하거나 차단하는 밸브부(300)와, 밸브부(300)를 작동시키는 솔레노이드부(400)를 포함하여 구성된다.
우선, 홀더부(100,200)는, 연료전지차량의 리셉터클(미도시) 측과 연결되는 제1홀더(100)와, 연료전지차량의 수소저장탱크 측과 연결되는 제2홀더(200)로 구성된다.
제1홀더(100)는 일 방향으로 연장된 다단의 파이프 형상이다. 즉, 제1홀더(100)는, 솔레노이드부(400)의 상부를 통해 내부로 삽입되는 제1몸체(110)와, 제1몸체(110)의 상부에 형성되며 제1몸체(110)보다 큰 직경을 갖는 플랜지(120)와, 플랜지(120)의 상부로 돌출되어 리셉터클(미도시) 측과 연결되는 공급포트(130)로 이루어진다.
제1홀더(100)에는 리셉터클(미도시)을 통해 공급된 수소의 이송을 위한 제1유로(140)가 형성되고, 제1몸체(110)에는 제1유로(140)와 연결된 수용공간(150)이 형성된다. 이때, 제1홀더(100)의 수용공간(150)에는 유로(140,240)를 연결하거나 차단하는 밸브부(300)가 설치된다.
제2홀더(200)는 일 방향으로 연장된 다단의 파이프 형상으로, 솔레노이드부(400)의 하부를 통해 내부로 삽입되는 제2몸체(210)와, 제2몸체(210)의 하부에 형성되며 제2몸체(210)보다 큰 직경을 갖는 플랜지(220)와, 플랜지(220)의 하부로 돌출되어 수소저장탱크(미도시) 측과 연결되는 배출포트(230)로 이루어진다.
제2홀더(200)에는 리셉터클(미도시)을 통해 공급된 수소를 수소저장탱크(미도시)로 이송하기 위한 제2유로(240)가 형성된다. 이때, 제1유로(140)와 제2유로(240) 사이에는 밸브부(300)가 위치되며 솔레노이드부(400)의 작동 여부에 따라 제1유로(140)와 제2유로(240)가 연결되거나 차단된다.
전술한 바와 같이, 제2홀더(200)의 제2몸체(210)는 솔레노이드부(400)의 내부, 좀 더 상세하게는 솔레노이드부(400)의 내부에 위치된 제1홀더(100)의 제1몸체(110)의 내부로 삽입되어 제1홀더(100)의 수용공간(150)에 위치된다.
이를 위하여, 제2몸체(210)는 제1몸체(110)보다 작은 직경으로 형성되며, 제1몸체(110)와 제2몸체(210) 사이에는 솔레노이드부(400)에서 발생한 자기장을 유도하는 코어(500)가 위치된다.
한편, 수소의 이송을 위한 유로(140,240)가 형성된 제1홀더(100)와 제2홀더(200)는 수소 취성(Hydrogen Embrittlement)에 강한 재질, 즉 스테인리스강(stainless steel)로 제작된다. 예컨대, 본 실시예에서는 오스테나이트계 스테인리스강의 일종으로 부식을 방지하기 위하여 탄소 농도를 줄인 SUS316L로 제작된다.
밸브부(300)는 제1유로(140)와 제2유로(240) 사이에 설치되어 유로(140,240)를 연결하거나 차단하는 구성요소로서, 본 실시예의 밸브부(300)는 전원이 인가되지 않은 평상시 제1유로(140)와 제2유로(240)를 연결하는 노말 오픈(Normal Open; No) 타입의 밸브이다.
도면을 참조하면, 밸브부(300)는 제1홀더(100)의 수용공간(150) 상에 위치된 코어(500)의 상부에 결합되는 중공의 가이드(310)를 포함한다. 가이드(310)의 내부에는 플런저(320)가 이동 가능하게 설치되고, 가이드(310)의 상부에는 플런저(320)의 이동을 제한하는 스토퍼(330)가 결합된다.
또한, 플런저(320)의 내부에는 파일롯 밸브(340)가 이동 가능하게 설치되며, 파일롯 밸브(340)의 상부에는 플런저(320)와 함께 이동하는 볼(350)이 마련되며, 파일롯 밸브(340)의 하부에는 플런저(320) 및 파일롯 밸브(340)를 상향으로 탄성 지지하는 스프링(360) 및 스프링 시트(370)가 설치된다.
한편, 스토퍼(330)의 상부에는 웨이브 스프링(380)이 구비되어 밸브부(300)를 구성하는 가이드(310) 등의 부품이 코어(500)에 밀착 및 고정될 수 있도록 한다.
상술한 구성의 밸브부(300)는 전원의 인가 여부에 따라 작동하여 제1유로(140)와 제2유로(240)를 연결하거나 차단한다.
전술한 바와 같이, 본 실시예의 밸브부(300)는 노말 오픈(Normal Open; No) 타입으로, 전원 오프(off) 시 플런저(320)와 파일롯 밸브(340)가 스프링(360)에 의해 상향으로 탄성 지지되며 제1유로(140)와 제2유로(240)를 연결한다(도 2 참조).
반면, 전원 온(on) 시에는 솔레노이드부(400)에서 발생한 자기장에 의해 코어(500)가 자화되며 플런저(320)와 파일롯 밸브(340)를 하향으로 이동시킴으로써 제1유로(140)와 제2유로(240)의 연결을 차단한다(도 3 참조).
한편, 유로(140,240)의 연결이 차단되면 제1유로(140)와 제2유로(240) 사이에 높은 압력 차(차압)가 발생하는데, 이러한 차압은 밸브부(300)의 OFF를 방해하게 된다.
이를 해소하기 위하여, 본 실시예의 밸브부(300)는 파일롯 밸브(340)의 내부에 차압 해소 유로(342)를 형성하고, 볼(350)을 이용하여 차압 해소 유로(342)가 개폐할 수 있는 구조로 제작된다.
즉, 유로(140,240)가 차단된 상태에서 전원이 다시 오프(off)되면 스프링(360)에 의해 플런저(320)와 볼(350)이 먼저 상승하며 차압 해소 유로(342)를 개방하여 차압을 해소하고, 차압이 해소된 상태에서 스프링(360)에 의해 파일롯 밸브(340)가 상승하여 제1유로(140)와 제2유로(240)를 연결한다(도 4 및 도 2 참조).
여기서, 스프링(360)의 탄성력만으로 플런저(320)와 볼(350)이 상승할 수 있도록 스프링(360)의 탄성력보다 볼(350)과 파일롯 밸브(340)의 접촉 면적에 걸리는 하중이 더 적어야 한다.
솔레노이드부(400)는 전원 인가 시 밸브부(300)를 작동시키기 위한 자기장을 발생시키는 구성요소로서, 보빈(410)과, 보빈(410)의 외주면에 감긴 코일(420)를 포함한다.
보빈(410)은 중공의 스풀(spool) 형상이며, 코일(420)과 플런저(320) 사이, 코일(420)과 코어(500) 사이를 전기적으로 차단할 수 있도록 합성수지로 제작된다.
코일(420)은, 전원이 인가될 경우 보빈(410)의 주위에 자기장을 발생시키는 도선으로, 보빈(410)의 외주면에 촘촘하고 균일하게 감겨 원통 형상을 이루며, 전원 인가 시 플런저(320)를 이동시키는 자기장을 발생시킨다.
전술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 수소 차단 밸브(10)는 솔레노이드부(400)에서 발생한 자기장을 유도하는 코어(500)를 더 포함하여 구성된다.
코어(500)는 솔레노이드부(400)에서 발생한 자기장을 효과적으로 유도할 수 있도록 강자성체로 제작되되, 수소 취성(Hydrogen Embrittlement)에 대한 강건화를 위하여 제1홀더(100)와 제2홀더(200) 사이에 설치된다. 즉, 코어(500)가 외부 환경에 노출되는 것을 최소화함으로써 수소 취성에 대한 강건화를 구현할 수 있으며, 이를 통하여 수소 차단 밸브(10)의 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 수소 차단 밸브(10)는 자기장의 흐름을 개선 및 강화하기 위한 보조 코어(600)를 더 포함하여 구성된다. 이러한 보조 코어(600)는 제1홀더(100)와 솔레노이드부(400) 사이에 개재되어 솔레노이드부(400)의 주변에 생성되는 자기장의 흐름을 개선 및 강화한다.
본 실시예의 경우 자기장의 흐름을 효과적으로 개선 및 강화할 수 있도록 2개의 보조 코어(610,620)가 사용된다. 즉, 제1홀더(100)의 일단(도면상 상단) 측에는 제1보조 코어(610)가 구비되고, 제1홀더(100)의 타단(도면상 하단) 측에는 제2보조 코어(620)가 구비된다. 이때, 제1보조 코어(610)와 제2보조 코어(620)는 자기장의 원활한 흐름을 위하여 일정 거리 이격되게 설치된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 수소 차단 밸브(10)는 제1홀더(100)와 솔레노이드부(400) 사이에 보조 코어(600)가 구비되어, 솔레노이드부(400)에서 플런저(320) 및 코어(500) 측으로 흐르는 자기장이 직선 또는 직선에 가깝게 형성된다.
이와 같이, 솔레노이드부(400)에서 플런저(320) 및 코어(500) 측으로 흐르는 자기장이 직선 또는 직선에 가깝게 형성되면, 폐회로를 이루는 자기장의 경로가 짧아지며 플런저(320)를 이동시키기 위한 코어(500)의 흡인력을 향상시키게 된다.
반면, 도 6에 도시된 것처럼, 보조 코어가 구비되지 않은 수소 차단 밸브의 경우 솔레노이드부(400)에서 플런저(320) 및 코어(500) 측으로 흐르는 자기장이 곡선으로 형성된다.
이와 같이, 솔레노이드부(400)에서 플런저(320) 및 코어(500) 측으로 흐르는 자기장이 곡선으로 형성되면, 폐회로를 이루는 자기장의 경로가 길어지며 플런저(320)를 이동시키기 위한 코어(500)의 흡인력을 저하시키게 된다.
결국, 본 실시예에 따른 수소 차단 밸브(10)와 같이 보조 코어(600)를 추가할 경우 폐회로를 이루는 자기장의 경로가 짧아지며 코어(500)의 흡인력을 향상시켜 밸브의 작동성과 응답성을 향상시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 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 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
10: 수소 차단 밸브 100: 제1홀더
140: 제1유로 200: 제2홀더
240: 제2유로 300: 밸브부
400: 솔레노이드부 500: 코어
600: 보조 코어

Claims (5)

  1. 연료 공급 시스템의 수소 충전 라인에 구비되는 수소 차단 밸브로서,
    수소 이송을 위한 제1유로가 형성된 제1홀더;
    상기 제1유로와 연결되는 제2유로가 형성된 제2홀더;
    상기 제1유로와 상기 제2유로를 연결하거나 차단하는 밸브부; 및
    상기 밸브부를 작동시키는 솔레노이드부를 포함하되,
    상기 제1홀더와 상기 제2홀더 중 어느 하나의 적어도 일부가 다른 하나의 내부로 삽입되게 결합되고, 상기 솔레노이드부에서 발생한 자기장을 유도하는 코어가 상기 제1홀더와 상기 제2홀더 사이에 위치되어 상기 코어가 외부 환경에 노출되는 것을 최소화한 것을 특징으로 하는 수소 차단 밸브.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1홀더는 상기 밸브부가 설치되는 중공의 제1몸체를 포함하고, 상기 제2홀더는 상기 제1몸체의 내부로 삽입되는 제2몸체를 포함하며,
    상기 코어는 상기 제1몸체와 상기 제2몸체 사이에 위치되어 외부 환경에 노출되는 것을 최소화한 것을 특징으로 하는 수소 차단 밸브.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 코어는 상기 제1몸체에 나사 결합되고, 상기 제2몸체는 상기 코어에 나사 결합되는 것을 특징으로 하는 수소 차단 밸브.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 솔레노이드부는 상기 제1홀더의 둘레를 감싸도록 결합되고, 상기 제1홀더와 상기 솔레노이드부 사이에는 자기장의 흐름을 개선 및 강화하기 위한 보조 코어가 구비되는 것을 특징으로 하는 수소 차단 밸브.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 보조 코어는, 상기 제1홀더의 일단 측에 구비되는 제1보조 코어와, 상기 제1홀더의 타단 측에 구비되는 제2보조 코어로 구성된 것을 특징으로 하는 수소 차단 밸브.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20180071547A (ko) 2016-12-20 2018-06-28 현대자동차주식회사 수소공급밸브와 수소차단밸브 사이의 파단부를 포함하는 연료전지 시스템

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20180071547A (ko) 2016-12-20 2018-06-28 현대자동차주식회사 수소공급밸브와 수소차단밸브 사이의 파단부를 포함하는 연료전지 시스템

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