KR20240084276A - 수소 탱크용 안전장치 통합 일체형 고압수소밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명의 수소 탱크 용 안전장치 통합 일체형 고압수소밸브(1)는 밸브 하우징(3)의 릴리프 유로(5)에 직교하는 교차 구조를 형성하는 밸브 조립 홀(7)에서 퓨즈 메탈(27)의 용융으로 인한 공간을 통해 피스톤(21)의 이동을 위한 스트로크가 형성되는 피스톤 밸브(20), 상기 릴리프 유로(5)에서 상기 피스톤(21)의 스트로크 시 씰링 캡(31)이 슬라이딩 면(23a)을 따른 슬라이딩 이동으로 상기 릴리프 유로(5)를 개방하면서 상기 슬라이딩 면(23a)의 일측으로 돌출된 피스톤 키(23b)와 접촉으로 위치 고정되는 캡 밸브(30)로 구성된 TPRD(Temperature activated Pressure Relief Device)(10)가 포함됨으로써 압력해제 시 내부 구조 부분의 외부 사출 위험을 방지할 수 있고, 특히 피스톤 밸브(20)와 캡 밸브(30)의 조합으로 안전장치 역할을 그대로 유지하면서도 외부 진동과 충격에 강하면서 외부장착에 대비 부품 수량 축소 및 내부 부품의 고속 사출 위험성 방지가 가능한 특징을 갖는다.

Description

수소 탱크용 안전장치 통합 일체형 고압수소밸브{All-in-one Safety Device type High Pressure Hydrogen Valve for Hydrogen Tank}

본 발명은 고압수소밸브에 관한 것으로, 특히 안전장치로 작동하는 TPRD를 피스톤 구조로 적용한 안전장치 통합 일체형 고압수소밸브에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 수소 탱크용 고압수소밸브에는 안전장치로서 TPRD(Temperature activated Pressure Relief Device)가 적용되고, 정상 상태(비작동)에서는 수소탱크 내부의 밀폐를 유지하다 고온 환경에서 릴리프 기능이 작동하여 수소탱크의 외부로 기체를 방출한다.

일례로 상기 TPRD 중 별물형 완제품 상태로 밸브 메인하우징과 조립되는 온도감응형 유리벌브식 TPRD는 평시 유리벌브 지지하다 작동 시 즉, 온도 상승 시 내부 특수 용액이 팽창하여 벌브를 파괴하여 내부 유로를 확보함으로써 벌브 파괴 후 가스 압력이 고무 캡을 들어 올려 내부 가스를 배출한다.

그리고 상기 TPRD 중 퓨즈 메탈식 TPRD는 고온환경에서 용융되는 퓨즈 메탈(Fuse Metal)을 적용하여 릴리프밸브 변위가 발생되는 방식으로서, 별물형 반제품과 하우징 추가 조립품을 적용하고, 내부 구조 사출 방지를 위해 별물형 완제품이 밀폐구조를 반영함으로써 해당 부품의 온도 감응 부품(즉, 퓨즈 메탈)을 별물형 추가 체결 타입으로 적용한다.

이와 같이 상기 온도감응형 유리벌브식 TPRD 및 상기 퓨즈 메탈식 TPRD는 TPRD부 별물 하우징이 밸브 메인하우징과 별도 제작된 후 밸브 메인하우징과 조립되며, 온도에 반응하여 고압수소 탱크의 내부 유체(즉, 수소)를 배출하는 안전장치로 기능한다.

미국등록특허 US 8141574 (2012.03.27)

하지만, 상기 온도감응형 유리벌브식 TPRD는 안전장치로서의 역할에는 문제가 없으나 정상적인 작동 환경 외에서 파손가능성이 존재할 수밖에 없다.

즉, 상기 온도감응형 유리벌브식 TPRD는 유리벌브로 인해 조립 간 및 자동차 운행 중 전달되는 외부 진동 또는 충격에 취약하고, 특히 고압 영역에서 작동하는 부품의 특성상 작동에 따른 유리벌브 파손 시 내부 압력으로 인해 유리 파편등이 고속 사출됨으로써 안전사고 발생 위험성이 있으면서 타 부품의 파손 등의 문제 야기에 대한 우려가 발생되고 있다.

또한 상기 퓨즈 메탈식 TPRD는 별물 밀폐식 구조를 따로 체결하여야 함으로써 별물형 구조의 외부장착을 통한 부품 수의 증가 및 씰링 구조의 추가를 가져오며, 특히 고압수소밸브의 밸브 메인하우징에 외부 별물 체결부를 마련해야 하는 등의 제약이 존재할 수밖에 없다.

이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 안전장치로 작동하는 TPRD를 피스톤 구조로 적용함으로써 자동차용 적용을 위한 진동과 충격에 강하면서도 압력해제에 따라 급격한 이동이 발생하지 않아 내부 구조 부분의 외부 사출 위험을 방지할 수 있고, 특히 TPRD의 피스톤 구조가 밸브하우징 내부에서 슬라이딩 면과 피스톤 회전 방지의 씰링 캡 사출방지부로 구성됨으로써 안전장치 역할을 그대로 유지하면서도 외부 진동과 충격에 강하면서 외부장착에 대비 부품 수량 축소 및 내부 부품의 고속 사출 위험성 방지가 가능한 수소 탱크용 안전장치 통합 일체형 고압수소밸브의 제공에 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고압수소밸브는 릴리프 유로에 밸브 조립 홀이 연결된 밸브 하우징; 및 상기 릴리프 유로를 개폐하는 TPRD가 포함되고, 상기 TPRD는 상기 밸브 조립 홀에 위치되고, 퓨즈 메탈의 용융으로 인한 공간을 통해 피스톤의 이동을 위한 스트로크가 형성되는 피스톤 밸브, 및 상기 릴리프 유로에 위치되고, 상기 피스톤의 스트로크에 따라 씰링 캡이 슬라이딩 이동하여 상기 릴리프 유로를 개방하면서 외부 사출을 상기 피스톤에 의한 위치고정으로 방지해 주는 캡 밸브로 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로서, 상기 릴리프 유로와 상기 밸브 조립 홀은 “ㅏ”으로 교차 구조를 형성한다.

바람직한 실시예로서, 상기 슬라이딩 이동은 상기 피스톤의 선단부에 형성된 슬라이딩 면과 상기 씰링 캡의 캡 로드 간 접촉에 의한 슬라이딩 구조로 이루어지며, 상기 슬라이딩 면은 곡선의 사선 형상으로 상기 피스톤의 종단면을 형성한다.

바람직한 실시예로서, 상기 위치고정은 상기 피스톤의 선단부에 형성된 슬라이딩 면의 피스톤 키와 상기 씰링 캡의 캡 로드와 직경차를 갖는 캡 사출방지부에 의한 사출 방지 구조로 이루어진다.

바람직한 실시예로서, 상기 피스톤 키는 상기 슬라이딩 면의 일측으로 돌출되어 상기 슬라이딩 면에 단턱부를 형성하고, 상기 단턱부는 상기 캡 사출방지부와 접촉되어 상기 위치고정을 형성해주며, 상기 슬라이딩 면과 상기 피스톤 키는 오뚜기 형상의 단면을 형성한다.

바람직한 실시예로서, 상기 피스톤의 스트로크는 상기 퓨즈메탈의 높이로 설정되며, 상기 퓨즈메탈의 높이는 상기 릴리프 유로가 상기 피스톤의 스트로크로 개방될 수 있도록 설정된다.

바람직한 실시예로서, 상기 피스톤 밸브는 상기 피스톤에 결합되어 상기 퓨즈 메탈을 가압하는 스프링, 상기 밸브 조립 홀의 기밀을 형성하는 피스톤 오링, 및 상기 피스톤의 후단부에서 상기 퓨즈 메탈과 접촉하고, 상기 밸브 조립 홀을 외부와 차단시켜 주는 피스톤 캡으로 구성된다.

바람직한 실시예로서, 상기 피스톤은 상기 씰링 캡과 접촉하는 캡 접촉부로 선단부를 형성하고, 상기 캡 접촉부는 상기 밸브 조립 홀의 선단부에서 상기 릴리프 유로를 관통하는 연통 홀로 위치되며, 상기 캡 접촉부는 슬라이딩 면과 피스톤 키로 오뚜기 형상의 단면을 형성하며, 상기 연통 홀은 상기 캡 접촉부가 삽입되도록 키 홈으로 오뚜기 형상의 단면을 형성한다.

바람직한 실시예로서, 상기 스프링은 상기 밸브 조립 홀의 단턱 구조로 탄발 지지되어 상기 피스톤을 가압하며, 상기 피스톤 오링은 상기 피스톤 캡에 결합되어 상기 밸브 조립 홀의 기밀을 형성한다.

바람직한 실시예로서, 상기 캡 밸브는 상기 씰링 캡에 결합되고, 상기 릴리프 유로의 개방을 형성해 주는 씰링 구조물을 포함한다.

바람직한 실시예로서, 상기 씰링 캡에는 소정 길이의 캡 로드와 직경차를 갖는 캡 사출방지부가 형성되고, 상기 캡 사출방지부는 상기 캡 로드의 소정 위치에서 상기 위치고정을 형성해 주며, 상기 소정 위치는 상기 릴리프 유로가 상기 피스톤의 스트로크로 개방될 수 있도록 설정되는 상기 퓨즈메탈의 높이로 결정된다.

그리고 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수소 탱크는 릴리프 유로와 연결된 밸브 조립 홀에서 퓨즈 메탈의 용융으로 인한 공간을 통해 피스톤의 이동을 위한 스트로크가 형성되는 피스톤 밸브, 상기 릴리프 유로에서 상기 피스톤의 스트로크 시 씰링 캡이 슬라이딩 면을 따른 슬라이딩 이동으로 상기 릴리프 유로를 개방하면서 상기 슬라이딩 면의 일측으로 돌출된 피스톤 키와 접촉으로 위치 고정되는 캡 밸브로 구성된 TPRD; 및 밸브 하우징에서, 상기 릴리프 유로와 상기 밸브 조립 홀이 “ㅏ”으로 교차 구조를 형성하는 고압수소밸브가 포함되는 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명의 수소 탱크용 고압수소밸브는 하기와 같은 작용 및 효과를 구현한다.

첫째, 안전장치인 TPRD가 고압수소밸브의 밸브하우징을 이용하여 고압수소밸브 통합 일체형으로 적용됨으로써 기존의 유리벌브식 TPRD 및 퓨즈 메탈식 TPRD의 제약 및 단점이 모두 해소된다. 둘째, TPRD가 밸브하우징의 내부에 일체화된 피스톤 구조를 슬라이딩 면과 피스톤 회전 방지의 씰링 캡 사출방지부로 구성함으로써 외부 진동과 충격에 대한 강한 내구성으로 자동차용 고압수소밸브에 적용이 용이하다. 셋째, TPRD가 강한 내구성을 가지면서도 압력해제에 따른 작동 시 급격한 이동 발생을 방지하여 내부 구조 부분의 외부 사출 위험이 방지될 수 있다. 넷째, TPRD의 피스톤 변위 발생 시 캡 밸브인 씰링 캡의 최종 변위가 슬라이딩 피스톤 면을 통해 제한됨으로써 기존 구조 대비 안정적인 씰링 캡 이동으로 동작 신뢰성이 높아진다. 다섯째, TPRD 작동 시 기존의 온도감응형 유리벌브식 TPRD에서 발생되던 급격한 이동으로 인한 내부 구조 부분의 외부 사출 위험이 없어 안전사고 발생이 방지될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 수소 탱크용 안전장치 통합 일체형 고압수소밸브의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 TPRD 구성요소인 피스톤과 씰링 캡의 세부 구성이며, 도 3은 본 발명에 따른 수소 탱크에서 TPRD 작동 시 고압수소밸브의 안전장치로 작동되는 상태이다.

이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시 예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

도 1을 참조하면, 수소 탱크용 고압수소밸브(1)는 밸브 하우징(3)의 릴리프 유로(5)에 연결된 밸브 조립 홀(7)로 내장되어 안전장치로 작동하는 TPRD(Temperature activated Pressure Relief Device)(10)를 포함한다. 이 경우 상기 릴리프 유로(5)는 수소 저장 탱크내 고압의 수소 가스의 외부 방출로 압력을 해제하는 경로이다.

특히 상기 TPRD(10)는 조립 홀(7)에 위치되어 퓨즈 메탈(27)의 용융 시 뒤쪽으로 밀려나 릴리프 유로(5)를 개방시켜주는 피스톤 밸브(20), 및 릴리프 유로(5)에 위치되어 압력작용으로 앞쪽으로 밀려나지만 피스톤(21)과 접촉으로 구속 상태를 유지하는 캡 밸브(30)로 이루어진다.

따라서 상기 고압수소밸브(1)는 안전장치 통합 일체형 고압수소밸브로 특징되고, 이러한 특징은 캡 밸브(30)가 퓨즈 메탈 용융에 따른 피스톤 변위 발생에 따라 피스톤 면을 따라 슬라이딩되고 최종 변위를 제한당함으로써 기존 퓨즈메탈 방식 대비 TPRD 작동에 따른 씰링 캡 이동이 안정적으로 되어 신뢰성을 높여 준다.

구체적으로 상기 밸브 하우징(3)은 릴리프 유로(5)와 밸브 조립 홀(7)의 교차 구조로 “ㅏ”를 형성한다.

일례로 상기 릴리프 유로(5)는 밸브 조립 홀(7)과 교차부를 기준으로 하여 후방 구간과 전방 구간으로 구분되고, 상기 후방 구간은 수소탱크 내부와 이어져 캡 밸브(30)가 내장(즉, 조립)되는 탱크측 유로(5a)를 형성하며, 상기 전방 구간은 외부(즉, 대기)에 노출된 대기측 유로(5b)를 형성한다.

특히 상기 탱크측 유로(5a)는 캡 밸브(30)를 구성하는 씰링 캡(31)의 형상에 맞춰 단차 구조로 이루어진다. 이 경우 상기 단차 구조는 소직경구간과 대직경구간으로 구분되며, 상기 대직경구간은 대기측 유로(5b)와 동일한 직경이다.

일례로 상기 밸브 조립 홀(7)은 외부(즉, 대기)에 노출되어 피스톤 밸브(20)가 내장(즉, 조립)되는 피스톤 홀(7a)로 이루어지고, 상기 피스톤 홀(7a)의 앞쪽 구간이 탱크측 유로(5a)와 대기측 유로(5b)를 구분하면서 한쪽에 키 홈(7c)이 형성된 연통 홀(7b)로 이루어진다.

특히 상기 피스톤 홀(7a)은 피스톤 밸브(20)를 구성하는 피스톤(21)과 피스톤 캡(29)의 형상에 맞춰 단차 구조로 이루어지며, 상기 연통 홀(7b)은 피스톤 홀(7a)의 직경보다 상대적으로 작은 직경으로 형성된다.

구체적으로 상기 TPRD(10)는 피스톤 밸브(20)와 캡 밸브(30)가 서로 별개로 구성되고, 상기 피스톤 밸브(20)는 퓨즈 메탈(27)의 용융으로 인한 공간이 스프링(26)의 탄성으로 밀어 올려 질 때, 상기 캡 밸브(30)는 씰링 캡(31)이 피스톤(21)에 형성된 슬라이딩 면(23a)과 접촉 상태로 릴리프 유로(5)의 탱크측 유로(5a)를 따라 이동함으로써 릴리프 유로(5)의 밀폐와 개방을 조정하되, 씰링 캡(31)이 피스톤(21)에 의한 구속 상태를 통해 밸브 조립 홀(7)의 연통 홀(7b)의 내부 공간에서 안착됨으로써 릴리프 유로(5)의 대기측 유로(5b)에서 빠져나가지 않도록 작용한다.

특히 상기 TPRD(10)는 밸브하우징(3)의 피스톤 홀(7a)을 통해 가이드 되는 피스톤(21)과 용융되는 퓨즈 메탈(27) 및 탄성력을 발생하는 스프링(26)이 연계된 피스톤 밸브(20), 씰링 컵(36)과 캡 오링(37)의 씰링 구조물과 씰링 캡(31)이 연계된 캡 밸브(30)의 구성을 통해 진동과 충격에 대한 내성 확보 및 내부 구조물 사출 방지 역할을 수행 구성품이 모두 고압수소밸브(1)의 밸브하우징 내부에 위치할 수 있고, 이를 통해 상기 TPRD(10)는 기존의 온도감응형 유리벌브식 TPRD 및 퓨즈 메탈식 TPRD와 같이 추가적인 별물 체결 구조를 필요로 하지 않는다.

이를 위해 상기 피스톤 밸브(20)는 피스톤(21), 스프링(26), 퓨즈 메탈(27), 피스톤 오링(28) 및 피스톤 캡(29)으로 구성된다.

일례로 상기 피스톤(21)은 소정 길이의 축 형상으로 이루어져 피스톤 로드(22), 캡 접촉부(23) 및 피스톤 엔드(24)로 구분되고, 상기 캡 접촉부(23)의 피스톤 키(23b)가 밸브 조립 홀(7)을 형성하는 연통 홀(7b)의 키 홈(7c)에 맞춰 결합됨으로써 씰링 캡(4)과의 슬라이딩 구조 및 사출 방지 구조(도 2 참조)의 위치를 고정하는 역할을 수행한다.

특히 상기 캡 접촉부(23)는 슬라이딩 면(23a)과 피스톤 키(23b)를 갖는 피스톤 로드(22)의 선단부를 형성하고, 상기 슬라이딩 면(23a)은 씰링 캡(31)이 슬라이딩 이동하도록 가이드함으로써 피스톤 키(23b)가 받는 충격량을 최소화해 주며, 상기 피스톤 키(23b)는 씰링 캡(31)이 사출 방지되도록 슬라이딩 이동된 씰링 캡(31)을 구속해 준다. 그리고 상기 피스톤 엔드(24)는 피스톤 로드(22)의 후단부를 형성하고, 피스톤 캡(29)과 마주하여 퓨즈 메탈(27)을 고정하여 준다.

일례로 상기 스프링(26)은 밸브 조립 홀(7)의 피스톤 홀(7a)에 형성된 단차벽과 피스톤(21)의 피스톤 엔드(24)로 탄발 지지됨으로써 피스톤(21)을 밀어내는 탄성력을 발생시킨다.

일례로 상기 퓨즈 메탈(27)은 작동 온도에서 녹아 용융됨으로써 스프링(2)의 탄성력이 피스톤(3)을 들어 올려 피스톤 홀(7a)의 뒤쪽으로 밀려나도록 한다. 이 경우 상기 작동 온도는 작동 조건에 맞춘 융점을 갖는다.

특히 상기 퓨즈메탈(27)의 작동 온도는 작동 조건에 맞춘 융점을 갖고, 그 높이는 작동 시 씰링 캡(31)과 씰링 구조물(36,37)이 피스톤(21)의 위치에 따라 유로를 개방할 수 있도록 충분한 높이(또는 폭)로 설정된다.

그러므로 상기 스프링(26)과 상기 퓨즈 메탈(27)은 평시(즉, 작동온도 이하 상태)에 캡 밸브(30)의 씰링 캡(31)이 피스톤(21)과 접촉 상태로 평형을 이루도록 하고, 캡 밸브(30)의 씰링 구조물(36,37)이 평형 상태에 의해 릴리프 유로(5)에서 위치를 유지함으로써 수소탱크의 내부 가스가 릴리프 유로(5)에서 배출되는 것을 방지할 수 있도록 기능한다.

일례로 상기 피스톤 오링(28)은 피스톤 캡(29)에 결합되어 밸브 조립 홀(7)의 피스톤 홀(7a)에 대한 기밀을 형성한다.

일례로 상기 피스톤 캡(29)은 피스톤(21)과 퓨즈 메탈(27)의 뒤쪽에서 밸브 조립 홀(7)의 피스톤 홀(7a)을 막아준다.

또한 상기 캡 밸브(30)는 씰링 캡(31), 씰링 구조물(36,37)로 구성된다.

일례로 상기 씰링 캡(31)은 릴리프 유로(5)의 탱크측 유로(5a) 중 단차 구조의 대직경구간에 위치된다.

일례로 상기 씰링 구조물(36,37)은 씰링 컵(36)과 캡 오링(37)으로 구성되고, 상기 씰링 컵(36)은 씰링 캡(31)의 후방에 결합되어 릴리프 유로(5)의 탱크측 유로(5a) 중 단차 구조의 소직경구간에 위치되며, 상기 캡 오링(37)은 씰링 캡(31)의 후방에 결합되어 씰링 컵(36)과 밀착된 상태에서 릴리프 유로(5)의 탱크측 유로(5a) 중 단차 구조의 소직경구간에 대한 기밀을 형성하여 준다.

한편 도 2를 참조하면, 상기 피스톤(21)과 상기 씰링 캡(31)이 캡 접촉부(23)와 연계되고, 상기 캡 접촉부(23)는 피스톤 키(23b)가 밸브 조립 홀(7)을 형성하는 연통 홀(7b)의 키 홈(7c)에 맞춰 결합됨으로써 씰링 캡(31)과의 슬라이딩 구조 및 사출 방지 구조의 위치가 고정될 수 있도록 한다.

일례로 상기 슬라이딩 구조는 캡 접촉부(23)의 슬라이딩 면(23a)과 피스톤 키(23b)로 형성되고, 이를 위해 상기 캡 접촉부(23)는 슬라이딩 면(23a)의 일측으로 피스톤 키(23b)를 돌출시킴으로써 그 단면이 오뚜기 형상으로 이루어진다.

특히 상기 슬라이딩 면(23a)은 피스톤 키(23b)의 반대쪽을 시작위치로 하여 피스톤 키(23b)를 끝단 위치로 하는 곡선의 사선 형상으로 이루어진다. 또한 상기 피스톤 키(23b)는 슬라이딩 면(23a)의 일측으로 돌출되어 슬라이딩 면(23a)에 단턱부를 형성함으로써 캡 사출방지부(33)와 접촉으로 씰링 캡(31)을 밸브 조립 홀(7)의 연통 홀(7b)의 내부 공간에서 위치 고정하여 준다.

또한 상기 밸브 조립 홀(7)의 연통 홀(7b)은 릴리프 유로(5)의 탱크측 유로(5a) 보다 깊게 파여 단차 깊이를 가지며, 상기 연통 홀(7b)의 단차 깊이는 유로 개방 시 씰링 캡(31)이 경사각(α)을 갖고 피스톤 키(23b)에 맞닿아 구속될 수 있도록 설정된다.

그러므로 상기 슬라이딩 구조는, 상기 씰링 캡(31)이 퓨즈메탈(27)의 용융에 따라 슬라이딩 면(23a)을 따라 슬라이딩 이동한 후 최종적으로 피스톤(21)의 피스톤 키(23b)에 맞닿을 수 있도록 한다.

일례로 상기 사출 방지 구조는 피스톤 키(23b)의 돌출 구조와 씰링 캡(31)의 직경차(D-d) 구조로 형성되고, 이를 위해 상기 씰링 캡(31)은 소정 길이를 갖는 캡 로드(32)의 직경(d) 대비 캡 사출방지부(33)의 직경(D)을 상대적으로 크게 하면서 후단 끝에 캡 엔드(34)를 형성하며, 상기 캡 사출방지부(33)는 캡 로드(32)의 전체 길이 중 약 1/3 위치에서 전방으로 위치된다.

특히 상기 캡 로드(32)와 상기 캡 사출방지부(33)의 직경차(D-d) 및 전방 위치는 피스톤(21)이 밀려나는 스트로크와 연계되고, 상기 피스톤(21)의 스트로크는 유로의 밀폐와 개방에 관여하는 퓨즈메탈(27)의 높이(또는 폭)로 설정됨으로써 퓨즈메탈(27)이 갖는 높이(또는 폭)에 맞춰 설계된다.

그러므로 상기 사출 방지 구조는, 상기 씰링 캡(31)이 피스톤(21)의 피스톤 키(23b)에 맞닿아 진행을 멈출 때 직경(D)을 갖는 캡 사출방지부(33)와 피스톤 키(23b) 간 위치고정 상태를 형성하고, 동시에 릴리프 유로(5)의 탱크측 유로(5a) 보다 깊게 파여 단차 깊이를 갖는 밸브 조립 홀(7)의 연통 홀(7b)에 위치된 상태에서 소정의 경사각(α)으로 기울어져 탱크측 유로(5a)를 대기측 유로(5b)와 연통함으로써 릴리프 유로(5)가 개방되도록 한다.

한편 도 3을 참조하면, 상기 수소 탱크용 고압수소밸브(1)에서 TPRD(10)가 정상 결합상태에서 작동 A->B->C로 진행되어 최종적으로 씰링 캡 구조 외부 사출방지(D)를 형성하는 안전장치로 작동되는 상태가 예시된다.

이 경우 상기 고압수소밸브(1)는 밸브 하우징(3)에서 릴리프 유로(5)와 밸브 조립 홀(7)이 “ㅏ”으로 교차 구조를 형성하고; 릴리프 유로(5)와 연결된 밸브 조립 홀(7)에서 퓨즈 메탈(27)의 용융으로 인한 공간을 통해 피스톤(21)의 이동을 위한 스트로크가 형성되는 피스톤 밸브(20), 상기 릴리프 유로(5)에서 상기 피스톤(21)의 스트로크 시 씰링 캡(31)이 슬라이딩 면(23a)을 따른 슬라이딩 이동으로 상기 릴리프 유로(5)를 개방하면서 상기 슬라이딩 면(23a)의 일측으로 돌출된 피스톤 키(23b)와 접촉으로 위치 고정되는 캡 밸브(30)로 구성된 TPRD(10)가 안전장치로 적용된 수소 탱크를 예로 설명된다.

일례로 정상 결합상태는, 상기 피스톤 밸브(20)가 밸브 조립홀(7)의 피스톤 홀(7a)에 조립된 상태에서 퓨즈메탈(27)로 인해 피스톤(21)의 캡 접촉부(23)가 연통 홀(7b)에 위치되면서 피스톤 키(23b)가 키 홈(7c)으로 고정된다.

이로 인해 상기 캡 밸브(30)는 릴리프 유로(5)의 탱크측 유로(5a)에 조립된 상태에서 씰링 캡(31)을 이루는 캡 로드(32)의 선단부가 캡 접촉부(23)의 끝단과 접촉되어 위치 고정됨으로써 탱크측 유로(5a)의 밀폐상태로 릴리프 유로(5)가 폐쇄로 유지된다.

일례로 작동 A,B,C는 작동 온도에서 퓨즈메탈(27)의 용융으로 생긴 공간을 통해 스프링(26)의 작용으로 피스톤(21)이 스트로크를 형성함에 따라 이루어진다.

즉, 상기 작동 A는 피스톤(21)이 퓨즈메탈(27)이 점유하던 공간이 비워짐에 따라 스프링(26)의 스프링력으로 밀려나는 스트로크를 발생함으로써 씰링 캡(31)을 이루는 캡 로드(32)의 선단부가 캡 접촉부(23)의 슬라이딩 면(23a)인 곡선의 사선을 따라 슬라이딩 이동이 시작된다.

그러면 상기 작동 B는 씰링 캡(31)의 슬라이딩 진행으로 캡 로드(32)의 선단부가 캡 접촉부(23)의 피스톤 키(23b)와 접촉되고, 이러한 씰링 캡(31)의 이동 진행은 씰링 구조물(36,37)의 캡 오링(37)이 릴리프 유로(5) 중 탱크측 유로(5a)의 소직경구간에서 대직경구간으로 이동함으로써 탱크측 유로(5a)가 밸브 조립 홀(7)의 연통 홀(7b)을 통해 대기측 유로(5b)와 연통되고, 이를 통해 수소탱크 내부의 고압 수소가스는 릴리프 유로(5)를 통해 외부(즉, 대기)로 배출되기 시작한다.

이어 상기 씰링 캡(31)은 작동 C와 같이 캡 로드(32)의 선단부가 피스톤 키(23b)를 벗어나지만 캡 로드(32)와 직경차(D-d)로 더 큰 직경(D)을 갖는 캡 사출방지부(33)가 피스톤 키(23b)에 걸려 위치 고정되고, 이를 통해 상기 씰링 캡(31)의 캡 사출방지부(33)가 피스톤(21)의 피스톤 키(23b)에 맞닿아 진행을 멈추면서 위치 고정됨으로써 씰링 캡(31)은 연통 홀(7b)에서 소정의 경사각(α)으로 기울어진 상태로 릴리프 유로(5)의 개방 상태를 그대로 유지하고, 이러한 상태는 캡 사출방지부(33)와 피스톤 키(23b)의 구속에 의한 캡 밸브(30)의 사출 방지와 함께 탱크측 유로(5a)와 대기측 유로(5b)의 연통 상태를 유지시켜 줌으로써 릴리프 유로(5)의 개방에 의한 수소탱크내 수소가스의 외부 방출이 지속되도록 한다.

일례로 씰링 캡 구조 외부 사출방지(D)는 작동 C의 상태에서 형성됨을 의미한다.

전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 수소 탱크 용 안전장치 통합 일체형 고압수소밸브(1)는 밸브 하우징(3)의 릴리프 유로(5)에 직교하는 교차 구조를 형성하는 밸브 조립 홀(7)에서 퓨즈 메탈(27)의 용융으로 인한 공간을 통해 피스톤(21)의 이동을 위한 스트로크가 형성되는 피스톤 밸브(20), 상기 릴리프 유로(5)에서 상기 피스톤(21)의 스트로크 시 씰링 캡(31)이 슬라이딩 면(23a)을 따른 슬라이딩 이동으로 상기 릴리프 유로(5)를 개방하면서 상기 슬라이딩 면(23a)의 일측으로 돌출된 피스톤 키(23b)와 접촉으로 위치 고정되는 캡 밸브(30)로 구성된 TPRD(Temperature activated Pressure Relief Device)(10)가 포함됨으로써 압력해제 시 내부 구조 부분의 외부 사출 위험을 방지할 수 있고, 특히 피스톤 밸브(20)와 캡 밸브(30)의 조합으로 안전장치 역할을 그대로 유지하면서도 외부 진동과 충격에 강하면서 외부장착에 대비 부품 수량 축소 및 내부 부품의 고속 사출 위험성 방지가 가능하다.

1 : 고압수소밸브
3 : 밸브 하우징 5 : 릴리프 유로
5a : 탱크측 유로 5b : 대기측 유로
7 : 밸브 조립 홀 7a : 피스톤 홀
7b : 연통 홀 7c : 키 홈
10 : TPRD(Temperature activated Pressure Relief Device)
20 : 피스톤 밸브 21 : 피스톤
22 : 피스톤 로드 23 : 캡 접촉부
23a : 슬라이딩 면 23b : 피스톤 키
24 : 피스톤 엔드 26 : 스프링
27 : 퓨즈 메탈 28 : 피스톤 오링
29 : 피스톤 캡 30 : 캡 밸브
31 : 씰링 캡 32 : 캡 로드
33 : 캡 사출방지부 34 : 캡 엔드
36 : 씰링 컵 37 : 캡 오링

Claims (18)

1. 릴리프 유로에 밸브 조립 홀이 연결된 밸브 하우징; 및
   상기 릴리프 유로를 개폐하는 TPRD(Temperature activated Pressure Relief Device)가 포함되고,
   상기 TPRD는
   상기 밸브 조립 홀에 위치되고, 퓨즈 메탈의 용융으로 인한 공간을 통해 피스톤의 이동을 위한 스트로크가 형성되는 피스톤 밸브, 및
   상기 릴리프 유로에 위치되고, 상기 피스톤의 스트로크에 따라 씰링 캡이 슬라이딩 이동하여 상기 릴리프 유로를 개방하면서 외부 사출을 상기 피스톤에 의한 위치고정으로 방지해 주는 캡 밸브
   로 구성되는 것을 특징으로 하는 고압수소밸브.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 릴리프 유로와 상기 밸브 조립 홀은 “ㅏ”으로 교차 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 고압수소밸브.
   
3. 청구항 1에 있어서, 상기 슬라이딩 이동은 상기 피스톤의 선단부에 형성된 슬라이딩 면과 상기 씰링 캡의 캡 로드 간 접촉에 의한 슬라이딩 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고압수소밸브.
   
4. 청구항 3에 있어서, 상기 슬라이딩 면은 곡선의 사선 형상으로 상기 피스톤의 종단면을 형성하는 것을 특징으로 하는 고압수소밸브.
   
5. 청구항 1에 있어서, 상기 위치고정은 상기 피스톤의 선단부에 형성된 슬라이딩 면의 피스톤 키와 상기 씰링 캡의 캡 로드와 직경차를 갖는 캡 사출방지부에 의한 사출 방지 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고압수소밸브.
   
6. 청구항 5에 있어서, 상기 피스톤 키는 상기 슬라이딩 면의 일측으로 돌출되어 상기 슬라이딩 면에 단턱부를 형성하고,
   상기 단턱부는 상기 캡 사출방지부와 접촉되어 상기 위치고정을 형성해주는 것을 특징으로 하는 고압수소밸브.
   
7. 청구항 6에 있어서, 상기 슬라이딩 면과 상기 피스톤 키는 오뚜기 형상의 단면을 형성하는 것을 특징으로 하는 고압수소밸브.
   
8. 청구항 6에 있어서, 상기 피스톤의 스트로크는 상기 퓨즈메탈의 높이로 설정되는 것을 특징으로 하는 고압수소밸브.
   
9. 청구항 8에 있어서, 상기 퓨즈메탈의 높이는 상기 릴리프 유로가 상기 피스톤의 스트로크로 개방될 수 있도록 설정되는 것을 특징으로 하는 고압수소밸브.
   
10. 청구항 1에 있어서, 상기 피스톤 밸브는 상기 피스톤에 결합되어 상기 퓨즈 메탈을 가압하는 스프링, 상기 밸브 조립 홀의 기밀을 형성하는 피스톤 오링, 및 상기 피스톤의 후단부에서 상기 퓨즈 메탈과 접촉하고, 상기 밸브 조립 홀을 외부와 차단시켜 주는 피스톤 캡으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고압수소밸브.
    
11. 청구항 10에 있어서, 상기 피스톤은 상기 씰링 캡과 접촉하는 캡 접촉부로 선단부를 형성하고,
    상기 캡 접촉부는 상기 밸브 조립 홀의 선단부에서 상기 릴리프 유로를 관통하는 연통 홀로 위치되는 것을 특징으로 하는 고압수소밸브.
    
12. 청구항 11에 있어서, 상기 캡 접촉부는 슬라이딩 면과 피스톤 키로 오뚜기 형상의 단면을 형성하며,
    상기 연통 홀은 상기 캡 접촉부가 삽입되도록 키 홈으로 오뚜기 형상의 단면을 형성하는 것을 특징으로 하는 고압수소밸브.
    
13. 청구항 10에 있어서, 상기 스프링은 상기 밸브 조립 홀의 단턱 구조로 탄발 지지되어 상기 피스톤을 가압하는 것을 특징으로 하는 고압수소밸브.
    
14. 청구항 10에 있어서, 상기 피스톤 오링은 상기 피스톤 캡에 결합되어 상기 밸브 조립 홀의 기밀을 형성하는 것을 특징으로 하는 고압수소밸브.
    
15. 청구항 1에 있어서, 상기 캡 밸브는 상기 씰링 캡에 결합되고, 상기 릴리프 유로의 개방을 형성해 주는 씰링 구조물을 포함하는 것을 특징으로 하는 고압수소밸브.
    
16. 청구항 15에 있어서, 상기 씰링 캡에는 소정 길이의 캡 로드와 직경차를 갖는 캡 사출방지부가 형성되고,
    상기 캡 사출방지부는 상기 캡 로드의 소정 위치에서 상기 위치고정을 형성해 주는 것을 특징으로 하는 고압수소밸브.
    
17. 청구항 16에 있어서, 상기 소정 위치는 상기 릴리프 유로가 상기 피스톤의 스트로크로 개방될 수 있도록 설정되는 상기 퓨즈메탈의 높이로 결정되는 것을 특징으로 하는 고압수소밸브.
    
18. 릴리프 유로와 연결된 밸브 조립 홀에서 퓨즈 메탈의 용융으로 인한 공간을 통해 피스톤의 이동을 위한 스트로크가 형성되는 피스톤 밸브, 상기 릴리프 유로에서 상기 피스톤의 스트로크 시 씰링 캡이 슬라이딩 면을 따른 슬라이딩 이동으로 상기 릴리프 유로를 개방하면서 상기 슬라이딩 면의 일측으로 돌출된 피스톤 키와 접촉으로 위치 고정되는 캡 밸브로 구성된 TPRD(Temperature activated Pressure Relief Device); 및
    밸브 하우징에서, 상기 릴리프 유로와 상기 밸브 조립 홀이 “ㅏ”으로 교차 구조를 형성하는 고압수소밸브가 포함되는 것을 특징으로 하는 수소 탱크.