KR20240057745A - 연료 차단 밸브 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공급 유로, 배출 유로 및 상기 공급 유로와 상기 배출 유로 사이에 형성된 밸브 시트를 포함하는 밸브 바디에 설치되어 상기 밸브 시트를 개폐함으로써 연료의 흐름을 단속하는 밸브이다. 그 구성을 살펴보면, 전원 및 신호 전달을 위한 커넥터가 일체로 형성된 하우징과, 상기 하우징의 내부에 구비되고 상기 커넥터와 전기적으로 연결된 코일 어셈블리와, 상기 코일 어셈블리를 관통하도록 결합되며 제1작동홈이 형성된 코어와, 상기 제1작동홈에 이동 가능하게 설치되고 상기 공급 유로와 연결되는 제2작동홈이 형성된 플런저와, 상기 코어와 상기 플런저 사이에 개재되어 마찰을 저감하는 마찰부재와, 상기 제2작동홈에 이동 가능하게 설치되며 상기 제2작동홈과 상기 배출 유로를 연결하는 파일럿 오리피스가 형성된 파일럿과, 상기 코어와 상기 플런저 사이에 개재되어 상기 파일럿이 상기 밸브 시트에 밀착되도록 상기 플런저를 탄성 지지하는 스프링을 포함한다.

Description

연료 차단 밸브{FUEL SHUT-OFF VALVE}
본 발명은 연료 차단 밸브에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 개방 성능, 기밀 성능 및 소음 성능을 향상시킨 연료 차단 밸브에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지시스템은 수소와 산소를 반응시켜 전기에너지를 생산하는 시스템이다. 이러한 연료전지시스템은 환경문제를 해결할 수 있는 대안으로서 지속적인 연구 및 개발이 이루어지고 있다.
연료전지차량(Fuel Cell Electric Vehicle; FCEV)은 내연기관을 대신하여 연료전지가 적용된 차량으로서, 수소와 산소의 반응으로 생성된 전기에너지에 의해 모터가 구동하여 주행하도록 구성된다.
전술한 연료전지차량은, 전기에너지를 발생시키는 스택, 연료인 수소를 공급하는 연료 공급 시스템, 전기 화학 반응에 필요한 산화제인 산소를 공급하는 공기 공급 시스템 및 스택에서 발생하는 열과 물을 관리하는 시스템 등을 포함하여 구성된다.
상술한 시스템 중 연료 공급 시스템에는 고압의 수소가 저장되는 수소 탱크가 마련되고, 수소 탱크에 저장된 수소는 소정의 압력으로 감압되어 스택으로 공급된다.
등록특허공보 제10-1893361호(2018.09.04.)에는 수소 탱크와 스택 사이에 설치되어 연료를 차단하는 연료 차단 밸브가 개시되어 있다.
연료 차단 밸브는, 유체를 단속하는 밸브부와, 상기 밸브부를 구동하는 솔레노이드부를 포함한다. 이 중에서, 상기 솔레노이드부는 상기 밸브부를 제어하기 위한 것으로서, 자기장을 발생시키는 코일 어셈블리와, 중공의 코어와, 상기 코어의 내부에 이동 가능하게 설치된 플런저와, 상기 플런저에 구비된 플런저 흡수체를 포함한다
그런데 상술한 연료 차단 밸브는 플런저가 코어의 내벽에 접촉된 상태로 이동하는 구조를 가지므로, 솔레노이드부가 작동하여 플런저를 이동시킬 경우 코어와의 마찰에 의해 작동 저항이 발생하는 문제가 있었다.
등록특허공보 제10-1893361호(2018.09.04.)
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 코어와 플런저의 접촉에 의한 마찰을 저감하여 작동 저항을 효과적으로 해소할 수 있는 연료 차단 밸브를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 엔진룸 내의 설계 자유도를 향상시킬 수 있으며, 다른 부품과의 조립 간섭에 따른 문제를 해결할 수 있는 연료 차단 밸브의 제공을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 연료 차단 밸브는, 공급 유로, 배출 유로 및 상기 공급 유로와 상기 배출 유로 사이에 형성된 밸브 시트를 포함하는 밸브 바디에 설치되어 상기 밸브 시트를 개폐함으로써 연료의 흐름을 단속하는 밸브이다.
그 구성을 살펴보면, 전원 및 신호 전달을 위한 커넥터가 일체로 형성된 하우징과, 상기 하우징의 내부에 구비되고 상기 커넥터와 전기적으로 연결된 코일 어셈블리와, 상기 코일 어셈블리를 관통하도록 결합되며 제1작동홈이 형성된 코어와, 상기 제1작동홈에 이동 가능하게 설치되고 상기 공급 유로와 연결되는 제2작동홈이 형성된 플런저와, 상기 코어와 상기 플런저 사이에 개재되어 마찰을 저감하는 마찰부재와, 상기 제2작동홈에 이동 가능하게 설치되며 상기 제2작동홈과 상기 배출 유로를 연결하는 파일럿 오리피스가 형성된 파일럿과, 상기 코어와 상기 플런저 사이에 개재되어 상기 파일럿이 상기 밸브 시트에 밀착되도록 상기 플런저를 탄성 지지하는 스프링을 포함한다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 코어와 플런저 사이에 마찰부재를 개재하여 접촉에 의한 마찰을 저감시킴으로써 플런저의 작동 저항을 효과적으로 해소할 수 있으며, 이를 통하여 개방 성능, 기밀 성능 및 소음 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 플런저의 작동 저항을 해소함으로써 밸브의 부피를 최소화할 수 있으므로, 엔진룸 내의 설계 자유도를 향상시킬 수 있고, 다른 부품과의 조립 간섭에 따른 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 차단 밸브의 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 차단 밸브의 일부를 확대한 도면.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 차단 밸브의 작동 상태를 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 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 차단 밸브(100)는 연료를 이송하는 유로(210~230)가 형성된 밸브 바디(200)에 설치되어 연료의 흐름을 단속하는 밸브이다.
우선, 본 실시예에 따른 연료 차단 밸브(100)가 설치되는 밸브 바디(200)에 대해 살펴보면, 밸브 바디(200)의 일측에는 공급 유로(210)가 형성되고, 타측에는 배출 유로(230)가 형성되며, 공급 유로(210)와 배출 유로(220) 사이에는 밸브 시트(230)가 형성된다. 이때, 밸브 시트(230)가 형성된 밸브 바디(200)의 상면은 개방되고, 개방된 상면에는 연료 차단 밸브(100)가 설치된다.
밸브 시트(230)는 연료 차단 밸브(100)에 의해 개폐되는 부분으로서, 연료 차단 밸브(100) 측으로 돌출되되, 선단으로 갈수록 직경이 작아지는 테이퍼 형상을 갖는다.
연료 차단 밸브(100)는, 하우징(110)과, 하우징(110)의 내부에 구비된 코일 어셈블리(120)와, 코일 어셈블리(120)를 관통하는 코어(130)와, 코어(130)의 내부에 이동 가능하게 설치된 플런저(140)와, 코어(130)와 플런저(140) 사이에 개재된 마찰부재(150)와, 플런저(140)의 내부에 이동 가능하게 설치된 파일럿(160)과, 파일럿(160)을 탄성 지지하는 스프링(170)으로 구성된다.
하우징(110)은 상면은 밀폐되고 하면이 개방된 원주 형상이다. 하우징(110)의 일측에는 전원 및 신호 전달을 위한 커넥터(112)가 형성된다. 또한, 하우징(110)의 하단에는 밸브 바디(200)와의 결합을 위한 플랜지(미도시)가 형성된다.
참고로, 연료 차단 밸브(100)는 하우징(110)의 플랜지를 관통하는 볼트(미도시)를 통해 밸브 바디(200)에 결합된다.
코일 어셈블리(120)는 하우징(110)의 내부에 구비되고 커넥터(112)와 전기적으로 연결되며, 커넥터(112)를 통해 전원이 인가될 경우 자기장을 발생시킨다.
코일 어셈블리(120)는, 보빈(122)과, 보빈(122)의 외주면에 감긴 코일(124)로 이루어진다. 보빈(222)은 중공의 스풀(spool) 형상으로 형성되고, 코일(124)과 코어(130) 사이를 전기적으로 차단할 수 있도록 절연물질로 제작된다. 코일(124)은 전원 인가 시 자기장이 발생되는 부분이며, 이때 발생하는 자기장의 세기는 코일(124)을 따라 흐르는 전류 및 권선수에 비례한다.
코어(130)는 코일 어셈블리(120)에서 발생한 자기장을 유도하는 고정철심이다. 코어(130)는 일 방향(도면상 상하방향)으로 연장되며, 코일 어셈블리(120)를 하부에서 상부로 관통하도록 결합된다.
코어(130)에는 하향으로 개방된 제1작동홈(132,134)이 형성된다. 제1작동홈(132,134)은, 플런저(140)의 이동을 안내하는 소경부(132)와, 소경부(132)의 하부에 형성되며 밸브 시트(230) 측으로 개방된 대경부(134)로 이루어진다.
소경부(132)의 상단과 대응되는 코어(130)의 중단 둘레에는 자기력을 확보하기 위한 테이퍼 형상의 자력강화홈(136)이 형성된다. 또한, 대경부(134)에는 플런저(140)와의 접촉 시 발생하는 충격을 흡수하기 위한 댐퍼(180)가 구비된다.
댐퍼(180)는 충격을 흡수할 수 있도록 소정의 탄성을 가진 재질로 제작되며, 대경부(134)의 내주면에 밀착될 수 있도록 환형으로 형성된다. 이때, 댐퍼(180)의 하면에는 다수의 연결홈(182)의 방사상으로 형성된다.
연결홈(182)은 공급 유로(210)와 제1작동홈(132,134)을 연결하기 위한 통로로서, 좀 더 상세하게는 코어(130)와 플런저(140)가 접촉된 상태에서도 공급 유로(210)와 제1작동홈(132,134)이 연결된 상태로 유지될 수 있도록 한다.
플런저(140)는 코어(130)를 통해 유도된 자기장에 의해 이동하는 가동철심으로, 코어(130)의 제1작동홈(132,134)에 이동 가능하게 설치된다.
플런저(140)는 상하방향으로 연장된 원주 형상을 갖는다. 플런저(140)의 하단에는 댐퍼(180)와 접촉되어 플런저(140)의 상승을 제한하는 플랜지(142)가 형성된다. 이때, 플랜지(142)는 플런저(140)보다 크고 대경부(134)보다 작은 직경으로 형성된다.
플런저(140)에는 하향으로 개방된 제2작동홈(142)이 형성된다. 제2작동홈(142)은 공급 유로(210)와 연결되는데, 이를 위하여 제2작동홈(142)이 형성된 플런저(140)의 하부 둘레에는 연결공(146)이 형성된 다.
마찰부재(150)는 코어(130)와 플런저(140) 사이에 개재되어 접촉에 의한 마찰을 저감시키기 위한 수단이다. 마찰부재(150)는 얇은 두께를 가진 필름 또는 시트 형태이며, 원통형으로 말려 제1작동홈(132)의 내벽에 부착된다. 이러한 마찰부재(150)는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 이를 포함하는 재질로 제작되며, 1.0㎜ 이하의 두께로 제작되는 것이 바람직하다.
이와 같이, 마찰부재(150)를 통해 코어(130)와 플런저(140) 사이의 접촉에 의한 마찰을 저감시킬 경우 플런저(140)의 작동 저항을 효과적으로 해소할 수 있으며, 이를 통하여 개방 성능, 기밀 성능 및 소음 성능을 향상시킬 수 있다.
파일럿(160)은 연결공(140)을 통해 유입된 연료의 압력에 의해 이동하며 유로(210~230)를 개폐하는 수단이다. 이러한 파일럿(160)은 플런저(140)의 제2작동홈(144)에 이동 가능하게 설치되며, 밸브 시트(230)에 접촉 또는 이격 시 유로(210~230)를 폐쇄하거나 개방한다.
파일럿(160)에는 제2작동홈(144)과 배출 유로(220)를 연결하는 파일럿 오리피스(162)가 형성된다. 또한, 파일럿(160)에는 밸브 시트와의 접촉 시 발생하는 충격을 흡수함과 동시에 기밀을 유지하는 제1업소버(164)가 구비된다. 이때, 파일럿 오리피스(162)의 직경은 0.8㎜ 이하인 것이 바람직하다.
파일럿(160)이 설치되는 제2작동홈(144)에는 파일럿(160)과의 접촉 시 발생하는 충격을 흡수함과 동시에 기밀성을 향상시키기 위한 제2업소버(166)가 구비된다. 또한, 제2작동홈(144)의 상단 내주면에는 제2작동홈(144)에 압입으로 조립되어 기밀성을 향상시키기 위한 제1스토퍼(192)가 구비되고, 제2작동홈(144)의 하단 개구부에는 파일럿(160)의 분리를 방지하는 스토퍼(194)가 결합된다.
스프링(170)은 코어(130)와 플런저(140) 사이에 개재되어 플런저(140)를 탄성 지지한다. 스프링(170)에 의해 탄성 지지된 플런저(140)는 파일럿(160)을 하향으로 편의시켜 밸브 시트(230)에 밀착되도록 한다.
도 3 내지 도 5를 참조하여 본 실시예에 따른 연료 차단 밸브의 작동 상태를 살펴보도록 한다.
도 3은 연료 차단 밸브(100)에 전원이 인가되지 않은 상태를 도시하고, 도 4는 연료 차단 밸브(100)에 전원이 인가된 초기 상태를 도시하며, 도 5는 연료 차단 밸브(100)에 전원이 인가된 후기 상태를 도시한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 전원이 인가되지 않은 상태에서는 스프링(170)의 탄성력에 의해 플런저(140)가 하강하며 파일럿(160)을 하향으로 이동시킨다. 이때, 파일럿(160)은 밸브 시트(230)에 접촉되어 밸브 시트(230)를 폐쇄함으로써 이송 유로(210~230)를 통한 연료의 흐름을 차단한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 연료 차단 밸브(100)에 전원이 인가된 초기에는 플런저(140)가 약간 상승하며, 파일럿(160)과 제2업소버(166) 사이에 갭(G)이 형성되고, 갭(G)을 통해 공급 유로(210)의 연료가 배출 유로(220) 측으로 이송된다. 이때, 공급 유로(210) 측 압력이 배출 유로(220) 측 압력보다 크므로, 파일럿(160)은 밸브 시트(230)에 접촉된 상태로 유지된다.
한편, 연료 차단 밸브(100)에 전원이 인가된 후기에는 플런저(140)가 완전히 상승하여 파일럿(160)을 밸브 시트(230)에서 이격시킨다. 따라서 밸브 시트(230)가 개방되며 이송 유로(210~230)를 통한 연료의 흐름을 허용한다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 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 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
100: 연료 차단 밸브 110: 하우징
112: 커넥터 120: 코일 어셈블리
122: 보빈 124: 코일
130: 코어 132: 소경부
134: 대경부 136: 자력강화홈
140: 플런저 142: 플랜지
144: 작동홈 146: 연결공
150: 마찰부재 160: 파일럿
162: 파일럿 오리피스 164: 제1업소버
166: 제2업소버 168: 스토퍼
170: 스프링 180: 댐퍼
182: 연결홈 200: 밸브 바디
210: 공급 유로 220: 배출 유로
230: 밸브 시트

Claims (10)

  1. 공급 유로, 배출 유로 및 상기 공급 유로와 상기 배출 유로 사이에 형성된 밸브 시트를 포함하는 밸브 바디에 설치되어 상기 밸브 시트를 개폐함으로써 연료의 흐름을 단속하는 연료 차단 밸브로서,
    전원 및 신호 전달을 위한 커넥터가 일체로 형성된 하우징;
    상기 하우징의 내부에 구비되고 상기 커넥터와 전기적으로 연결된 코일 어셈블리;
    상기 코일 어셈블리를 관통하도록 결합되며 제1작동홈이 형성된 코어;
    상기 제1작동홈에 이동 가능하게 설치되고 상기 공급 유로와 연결되는 제2작동홈이 형성된 플런저;
    상기 코어와 상기 플런저 사이에 개재되어 마찰을 저감하는 마찰부재;
    상기 제2작동홈에 이동 가능하게 설치되며 상기 제2작동홈과 상기 배출 유로를 연결하는 파일럿 오리피스가 형성된 파일럿; 및
    상기 코어와 상기 플런저 사이에 개재되어 상기 파일럿이 상기 밸브 시트에 밀착되도록 상기 플런저를 탄성 지지하는 스프링을 포함하는 연료 차단 밸브.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1작동홈은, 상기 플런저의 이동을 안내하는 소경부와, 상기 소경부의 하부에 형성되고 상기 밸브 시트 측으로 개방된 대경부로 이루어지고,
    상기 대경부에는 상기 플런저와의 접촉 시 발생하는 충격을 흡수하기 위한 댐퍼가 구비된 것을 특징으로 하는 연료 차단 밸브.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 댐퍼에는 상기 코어와 상기 플런저가 접촉된 상태에서도 상기 공급 유로와 상기 제1작동홈을 연결하는 연결홈이 형성된 것을 특징으로 하는 연료 차단 밸브.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 플런저에는 상기 공급 유로와 상기 제2작동홈을 연결하는 연결공이 형성된 것을 특징으로 하는 연료 차단 밸브.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 플런저의 일단에는 상기 댐퍼와 접촉되는 플랜지가 형성되되, 상기 플랜지는 상기 대경부보다 작은 직경으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료 차단 밸브.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파일럿에는 상기 밸브 시트와의 접촉 시 발생하는 충격을 흡수함과 동시에 기밀을 유지하는 제1업소버가 구비된 것을 특징으로 하는 연료 차단 밸브.
  7. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2작동홈에는 상기 파일럿과의 접촉 시 발생하는 충격을 흡수함과 동시에 기밀을 유지하는 제2업소버가 구비된 것을 특징으로 하는 연료 차단 밸브.
  8. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마찰부재는 상기 제1작동홈의 내벽에 부착되는 1.0㎜ 이하의 두께를 가진 것을 특징으로 하는 연료 차단 밸브.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 마찰부재는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 이를 포함하는 재질의 필름인 것을 하는 연료 차단 밸브.
  10. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파일럿 오리피스의 직경은 0.8㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 연료 차단 밸브.
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