KR20210057095A - 기체상 매질을 위한 밸브 장치 및 기체상 매질을 저장하기 위한 탱크 장치 - Google Patents

기체상 매질을 위한 밸브 장치 및 기체상 매질을 저장하기 위한 탱크 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 기체상 매질, 특히 수소를 위한 밸브 장치(100)에 관한 것으로, 이 밸브 장치는 밸브 하우징(6) 및 이 밸브 하우징 내에 배치되어 종축(18)을 따라 이동 가능한 제1 솔레노이드 전기자(14)를 구비하며, 이 제1 솔레노이드 전기자(14)는 배출 개구(40)를 개방 및 폐쇄하기 위해 제1 밀봉 시트(32)와 상호 작용한다. 또한, 밸브 하우징(6) 내에는 종축(18)을 따라 이동 가능한 제2 솔레노이드 전기자(16)가 배치되어 있으며, 이 제2 솔레노이드 전기자(16)는 제1 솔레노이드 전기자(14)의 리세스(38) 내에 적어도 부분적으로 수용되어 있고, 상기 제2 솔레노이드 전기자(16)는 제1 솔레노이드 전기자(14) 내에 형성된 관통 개구(20)를 개방 및 폐쇄하기 위해 제2 밀봉 시트(34)와 상호 작용한다. 또한, 제1 솔레노이드 전기자(14) 및 제2 솔레노이드 전기자(16)는 자석 장치(11)에 의해 둘러싸여 있으며, 이 자석 장치(11)를 통해 제1 솔레노이드 전기자(14) 및 제2 솔레노이드 전기자(16)가 정확히 하나의 솔레노이드(10)에 의해 종축(18)을 따라 이동 가능하다.

Description

기체상 매질을 위한 밸브 장치 및 기체상 매질을 저장하기 위한 탱크 장치
본 발명은, 기체상 매질을 위한 밸브 장치와; 예를 들어 연료 전지 구동 장치를 구비한 차량에 사용하기 위한, 특히 수소를 저장하기 위한, 연료 전지 탱크용 탱크 장치;에 관한 것이다.
아직 공개되지 않은 DE 10 2018 209 057 A1호는, 연료 전지 탱크의 온도 압력 경감을 위한 탱크 장치를 기술하고 있으며, 이 탱크 장치는 예를 들어 차단 밸브와 같은 다양한 밸브를 갖는 탱크 용기를 포함하고, 이들 밸브는 예를 들어 연료 전지 시스템의 적절한 기능을 보장한다.
이와 같은 탱크 장치를 위한 안전장치들이 표준화되어 있다. 여기서 각각의 탱크 장치는 전술한 차단 밸브를 구비해야 한다. 이로써, 연료 전지 구동 장치를 갖춘 차량의 사고로 인해 탱크 장치의 손상이 야기되는 경우 또는 탱크 장치의 라인이 끊어지는 경우에 차단 밸브가 탱크 용기를 폐쇄할 수 있음으로써, 가스가 저장 유닛 밖으로 빠져나갈 수 없게 된다.
차단 밸브에 대한 높은 안전 요건 및 예를 들어 800바아 이상의 높은 시스템 압력으로 인해, 상기와 같은 차단 밸브는 구조적으로 매우 까다롭고, 큰 설치 공간을 갖는다. 이로써 마찬가지로 전체 탱크 장치의 총 중량이 증가하며, 이는 연료 전지 구동 장치를 갖춘 차량의 사고 시 발생하는 높은 가속력 및 밸브 장치 또는 탱크 장치의 변형 가능성을 야기할 수 있다.
종래 기술에 비해, 청구항 1의 특징들을 갖는 본 발명에 따른 밸브 장치는, 구조적으로 간단한 작용 방식에서 이중 행정 전환 밸브를 사용함으로써 밸브 장치의 장착 공간이 줄어든다는 장점이 있다.
이를 위해, 기체상 매질, 특히 수소를 위한 본 발명에 따른 밸브 장치는, 종축을 따라 이동 가능한 제1 솔레노이드 전기자가 배치되어 있는 밸브 하우징을 구비한다. 제1 솔레노이드 전기자는 배출 개구를 개방 및 폐쇄하기 위해 제1 밀봉 시트와 상호 작용한다. 또한, 밸브 하우징 내에는 종축을 따라 이동 가능한 제2 솔레노이드 전기자가 배치되어 있으며, 이 제2 솔레노이드 전기자는 제1 솔레노이드 전기자의 리세스 내에 적어도 부분적으로 수용되어 있고, 상기 제2 솔레노이드 전기자는 제1 솔레노이드 전기자 내에 형성된 관통 개구를 개방 및 폐쇄하기 위해 제2 밀봉 시트와 상호 작용한다. 또한, 제1 솔레노이드 전기자 및 제2 솔레노이드 전기자는 자석 장치에 의해 둘러싸여 있으며, 이 자석 장치를 통해 제1 솔레노이드 전기자 및 제2 솔레노이드 전기자가 정확히 하나의 솔레노이드에 의해 종축을 따라 이동 가능하다.
단 하나의 솔레노이드의 사용으로, 밸브 장치의 장착 공간 및 총 중량의 감소가 달성된다. 또한, 상호 작용하는 2개의 솔레노이드 전기자의 사용으로 인해 제어 챔버가 불필요하고, 이로 인해서도 마찬가지로 장착 공간이 최소화된다. 추가로, 2개의 솔레노이드 전기자를 갖는 이중 행정 전환 밸브로 인해, 작은 자력으로도 밸브 장치를 개방하기에 충분하다.
바람직한 제1 개선예에서는, 솔레노이드가 코일 하우징을 구비하고, 밸브 하우징 내에 있는 제1 솔레노이드 전기자 및 제2 솔레노이드 전기자를 적어도 부분적으로 둘러싼다. 이로써, 솔레노이드가 활성일 때 제1 솔레노이드 전기자 및 제2 솔레노이드 전기자 상에 자기력이 간단한 방식으로 생성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서는 바람직하게, 밸브 하우징 내에 스프링이 배치되고, 이 스프링이 제2 밀봉 시트의 방향으로 제2 솔레노이드 전기자에 힘을 가하며, 이로써 제1 솔레노이드 전기자에 제1 밀봉 시트의 방향으로 힘이 가해진다.
바람직한 개선예에서, 밸브 하우징 내에 정지 요소가 배치되고, 이 정지 요소 상에 제1 밀봉 시트가 형성된다. 바람직하게, 제1 밀봉 시트 상에서의 유동 단면이 제2 밀봉 시트 상에서의 유동 단면보다 더 크다. 따라서, 제2 솔레노이드 전기자는 간단하게 작은 자기력으로 종방향 이동이 가능하며, 제2 밀봉 시트로부터 들어올려질 때 상기 제2 밀봉 시트를 통해 유동 단면을 개방한다. 이로 인해 밸브 장치 내 압력 조건이 변동함으로써, 제1 밀봉 시트의 개방 및 이에 따른 제1 솔레노이드 전기자의 종방향 이동이 가속되어, 필요한 자기력 레벨이 낮아질 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서는 바람직하게, 제1 솔레노이드 전기자가 쇼울더를 구비하며, 이 쇼울더는 제2 솔레노이드 전기자의 쇼울더와 상호 작용하고, 제2 솔레노이드 전기자의 종방향 이동 시 제1 솔레노이드 전기자를 위한 종동부로서 이용된다. 이로 인해, 제1 밀봉 시트의 개방 및 이에 따른 제1 솔레노이드 전기자의 종방향 이동이 가속될 수 있다.
기체상 매질, 특히 수소를 저장하기 위한, 탱크를 구비한 탱크 장치에서 밸브 장치가 바람직한 용도로 사용될 수 있다. 더 바람직하게는, 탱크가 목 영역을 갖는 탱크 하우징을 포함하고, 상기 목 영역에 밸브 장치가 배치되며, 이때 밸브 하우징은 탱크 하우징 내로 적어도 부분적으로 통합되고, 밸브 하우징은 밀봉 요소에 의해 탱크의 탱크 내부 챔버를 밀봉한다.
이로써, 바람직하게는 밸브 장치에 의해, 탱크로부터 유래하는 기체상 매질, 특히 수소의 관류 단면이 제어될 수 있다.
기술된 탱크 장치는 바람직하게 연료 전지의 작동을 위한 수소를 저장하기 위한 연료 전지 어셈블리에 적합하다.
도면부에는, 기체상 매질, 특히 수소를 위한 본 발명에 따른 밸브 장치의 실시예들 및 기체상 매질을 저장하기 위한 본 발명에 따른 탱크 장치가 도시되어 있다.
도 1은 탱크 장치 내에 있는 본 발명에 따른 밸브 장치의 제1 실시예의 종단면도이다.
도 2는 탱크 장치 내에 있는 본 발명에 따른 밸브 장치의 제2 실시예의 종단면도이다.
도 1 은, 기체상 매질, 특히 수소를 저장하기 위한 본 발명에 따른 탱크 장치(1) 내에 있는, 기체상 매질, 특히 수소를 위한 본 발명에 따른 밸브 장치(100)의 제1 실시예를 종단면도로 보여준다.
밸브 장치(100)는 종축(18)을 갖는 밸브 하우징(6)을 구비한다. 밸브 하우징(6) 내에는, 내부 챔버(42)로 연통되는 유입 개구(22) 및 배출 개구(40)가 형성되어 있다. 또한, 밸브 하우징(6) 내에는 코일 하우징(8)을 갖는 솔레노이드(10)가 배치되어 있다. 밸브 하우징(6)은, 코일 하우징(8)으로 둘러싸여 있고 밀봉 요소(24)에 의해 내부 챔버(42)에 대해 솔레노이드(10)를 밀봉하는 정지 요소(12)를 더 포함한다.
내부 챔버(42) 내에는, 종축(18)을 따라 이동 가능한 제1 솔레노이드 전기자(14)가 배치되어 있으며, 이 제1 솔레노이드 전기자는 배출 개구(40)를 개방 및 폐쇄하기 위해 제1 밀봉 시트(32)를 갖는 성형부(44)와 상호 작용한다. 제1 밀봉 시트(32)는 본 실시예에서 정지 요소(12)의 쇼울더(48) 상에 형성되어 있다. 제1 솔레노이드 전기자(14) 내에는 관통 개구(20)가 형성되어 있으며, 이 관통 개구는 제1 밀봉 시트(32)로부터 먼 쪽을 향하는 제1 솔레노이드 전기자(14)의 단부에서 리세스(38)로 연통되어 있다.
리세스(38) 내에는, 종축(18)을 따라 이동 가능한 제2 솔레노이드 전기자(16)가 수용되어 있으며, 이 제2 솔레노이드 전기자는 제1 솔레노이드 전기자(14)의 관통 개구(20)를 개방 및 폐쇄하기 위해 제2 밀봉 시트(34)를 갖는 성형부(46)와 상호 작용한다. 제2 밀봉 시트(34)는 제1 솔레노이드 전기자(14) 상에 형성되어 있다.
밸브 하우징(6)의 리세스(50) 내에 배치되어 제2 솔레노이드 전기자(16)와 밸브 하우징(6) 사이에 지지되는 스프링(30)에 의해, 제2 밀봉 시트(34)의 방향으로 제2 솔레노이드 전기자(16)에 힘이 가해짐으로써, 제2 솔레노이드 전기자(16)가 제2 밀봉 시트(34) 상에 안착된다. 이로써, 관통 개구(20)가 폐쇄된다.
제2 솔레노이드 전기자(16)와 제1 솔레노이드 전기자(14)의 상호 작용 연결에 의해, 제1 솔레노이드 전기자(14)가 스프링(30)에 의해 제1 밀봉 시트(32)를 향해 가압됨으로써, 배출 개구(40)가 폐쇄된다.
내부 챔버(42)는, 제1 솔레노이드 전기자(14) 및 제2 솔레노이드 전기자(16)에 의해 외부 환형 챔버(422), 내부 환형 챔버(420) 및 스프링 챔버(421)로 분할된다. 이때, 외부 환형 챔버(422)는 정지 요소(12) 및 제1 솔레노이드 전기자(14)에 의해 제한되는 한편, 내부 환형 챔버(420)는 제1 솔레노이드 전기자(14) 및 제2 솔레노이드 전기자(16)에 의해 제한된다.
내부 환형 챔버(420)뿐만 아니라 외부 환형 챔버(422)도 스프링 챔버(421)로 연통되며, 이 경우 스프링 챔버(421)는 밸브 하우징(6)의 리세스(50)를 둘러싸고 유입 개구(22)로 병합된다.
밸브 장치(100)는 탱크(2)를 갖는 탱크 장치(1)의 부분이다. 탱크(2)는, 탱크 내부 챔버(4)가 형성되어 있는 탱크 하우징(3)을 구비한다. 탱크 하우징(3)은, 밸브 장치(100)가 배치되어 있는 목 영역(28)을 구비한다. 이때, 밸브 장치는 탱크 하우징(3) 내로 통합되어 있고, 탱크 내부 챔버(4)를 외부에 대해 폐쇄한다. 밸브 장치(100)의 밸브 하우징(6)과 탱크(2)의 탱크 하우징(3) 사이에 있는 밀봉 요소(26)에 의해 탱크 내부 챔버(4)가 밀봉됨으로써, 기체상 매질, 특히 수소는 밸브 장치(100)를 통해서만 탱크(2)로부터 유입 또는 배출될 수 있다.
제1 솔레노이드 전기자(14) 및 제2 솔레노이드 전기자(16)는 솔레노이드(10) 및 코일 하우징(8)과 함께 하나의 자석 장치(11)를 형성한다.
이때, 제1 밸브 시트(32) 상에서의 기체상 매질의 유동 단면이 제2 밸브 시트(34) 상에서의 기체상 매질의 유동 단면보다 더 큰데, 그 이유는 원통형으로 형성된 배출 개구(40)의 직경이 원통형 관통 개구(20)의 직경보다 더 크기 때문이다.
밸브 장치의 작동 방식
솔레노이드(10)에 전력이 공급되지 않을 때에는, 제1 밸브 시트(32) 및 제2 밸브 시트(34)가 스프링(30)의 힘에 의해 폐쇄됨으로써, 외부 환형 챔버(422)와 배출 개구(40) 사이의 연결부 및 내부 환형 챔버(420)와 관통 개구(20) 사이의 연결부가 폐쇄된다. 이로써, 어떠한 기체상 매질도 탱크 내부 챔버(4)로부터 유입 개구(22) 및 배출 개구(40)를 통해, 예를 들어 연료 전지 어셈블리와 같은 시스템의 방향으로 흐를 수 없다. 탱크 내부 챔버(4)에서는 예를 들어 700바아의 고압이 우세하다. 그에 반해, 연료 전지 어셈블리 내에서는 저압이 우세하다.
솔레노이드(10)에 전력이 공급되면, 제1 솔레노이드 전기자(14) 및 제2 솔레노이드 전기자(16) 상에, 스프링(30)의 힘과 제1 밀봉 시트(32) 및 제2 밀봉 시트(34) 상에서의 압축력에 반하는 자력이 생성된다. 제1 밀봉 시트(32) 상에서의 시트 직경에 비해 제2 밀봉 시트(34) 상에서의 시트 직경이 더 작음으로써, 제2 밀봉 시트(34)의 개방하기 위해서는 제1 밀봉 시트(32)의 개방을 위해 필요한 것보다 더 작은 자기력이 필요하다. 자기력이 충분히 높을 때, 제2 솔레노이드 전기자(16)가 제2 솔레노이드 전기자(16)로부터 들어올려져서 관통 개구(20)를 개방한다.
기체상 매질은 이제 탱크 내부 챔버(4)로부터 유입 개구(22), 제2 밀봉 시트(34), 관통 개구(20) 및 배출 개구(40)를 거쳐, 탱크(2)로부터 시스템의 방향으로, 예를 들어 연료 전지 어셈블리의 방향으로 흐른다. 이로 인해 시스템 내 압력이 상승하게 되고, 이는 제1 밀봉 시트(32) 상에서의 압력차를 감소시킨다. 제1 밀봉 시트(32) 상에서의 압력차가 감소함으로써, 자기 개방력에 대항하는 힘도 감소한다. 압력차의 점진적인 감소는 제1 밀봉 시트(32)의 개방을 유도한다. 따라서, 제1 솔레노이드 전기자(14)는 제1 밀봉 시트(32)로부터 들어올려져서 배출 개구(40)와 외부 환형 공간(422) 사이의 연결부를 개방한다. 기체상 매질, 본원에서 수소는 이제 탱크 내부 챔버(4)로부터 유입 개구(22), 외부 환형 챔버(422), 제1 밀봉 시트(32) 및 배출 개구(40)를 거쳐, 탱크(2)로부터 연료 전지 어셈블리의 일 연료 전지의 방향으로 흐른다.
연료 전지로의 수소 공급이 중단되어야 하는 경우, 솔레노이드(10)에 더 이상 전력이 공급되지 않음으로써 자기력이 소멸하고, 제2 솔레노이드 전기자(16)는 스프링(30)의 힘에 의해 다시 제2 밀봉 시트(34)의 방향으로 이동하여 이 제2 밀봉 시트를 폐쇄한다. 제2 솔레노이드 전기자(16)가 여기서는 제1 솔레노이드 전기자(14)를 위한 종동부로 작용함에 따라, 제1 밀봉 시트(32)도 다시 폐쇄된다.
제1 밀봉 시트(32) 상에서의 직경 및 제1 솔레노이드 전기자(14)의 행정은 바람직하게, 모든 작동 상태에서 충분한 질량 흐름의 수소가 연료 전지에 공급되도록 설계된다. 또한, 이를 통해, 유동 방향이 배출 개구(40)로부터 유입 개구(22)의 방향으로 진행하는 경우, 즉, 탱크(2)를 기체상 매질로, 본원에서는 수소로 채우는 경우, 탱크(2)가 짧은 시간 안에, 예를 들어 수 분 안에 채워질 수 있다.
도 2 는, 기체상 매질, 특히 수소를 저장하기 위한 본 발명에 따른 탱크 장치(1) 내에 있는 기체상 매질, 특히 수소를 위한 본 발명에 따른 밸브 장치(100)의 제2 실시예를 종단면도로 보여준다.
제2 실시예는 기능 및 구조에 있어서 전반적으로 제1 실시예에 상응한다. 동일한 기능을 갖는 부품들은 동일한 참조 번호로 표시되었다.
제2 실시예에서는, 제1 솔레노이드 전기자(14)가 제2 솔레노이드 전기자(16)의 쇼울더(52)와 상호 작용하는 쇼울더(36)를 구비한다. 따라서, 제2 밀봉 시트(34)가 개방될 때, 제2 솔레노이드 전기자(16)는 종방향 이동 시 제1 솔레노이드 전기자(14)를 위한 종동부로서 작용하며, 이로 인해 제1 밀봉 시트(32)의 개방이 가속된다.

Claims (10)

  1. 기체상 매질, 특히 수소를 위한 밸브 장치(100)로서, 이 밸브 장치는 밸브 하우징(6) 및 이 밸브 하우징 내에 배치되어 종축(18)을 따라 이동 가능한 제1 솔레노이드 전기자(14)를 구비하며, 제1 솔레노이드 전기자(14)는 배출 개구(40)를 개방 및 폐쇄하기 위해 제1 밀봉 시트(32)와 상호 작용하고, 밸브 하우징(6) 내에는 종축(18)을 따라 이동 가능한 제2 솔레노이드 전기자(16)가 배치되어 있으며, 제2 솔레노이드 전기자(16)는 제1 솔레노이드 전기자(14)의 리세스(38) 내에 적어도 부분적으로 수용되어 있고, 상기 제2 솔레노이드 전기자(16)는 제1 솔레노이드 전기자(14) 내에 형성된 관통 개구(20)를 개방 및 폐쇄하기 위해 제2 밀봉 시트(34)와 상호 작용하는, 기체상 매질을 위한 밸브 장치에 있어서,
    제1 솔레노이드 전기자(14) 및 제2 솔레노이드 전기자(16)는 자석 장치(11)에 의해 둘러싸여 있으며, 이 자석 장치(11)를 통해 제1 솔레노이드 전기자(14) 및 제2 솔레노이드 전기자(16)가 정확히 하나의 솔레노이드(10)에 의해 종축(18)을 따라 이동 가능한 것을 특징으로 하는, 기체상 매질을 위한 밸브 장치(100).
  2. 제1항에 있어서, 솔레노이드(10)가 코일 하우징(8)을 구비하고, 솔레노이드(10)는 밸브 하우징(6) 내에 있는 제1 솔레노이드 전기자(14) 및 제2 솔레노이드 전기자(16)를 적어도 부분적으로 둘러싸는 것을 특징으로 하는, 기체상 매질을 위한 밸브 장치(100).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 밸브 하우징(6) 내에 스프링(30)이 배치되고, 이 스프링(30)이 제2 밀봉 시트(34)의 방향으로 제2 솔레노이드 전기자(16)에 힘을 가하며, 이로써 제1 솔레노이드 전기자(14)에 제1 밀봉 시트(32)의 방향으로 힘이 가해지는 것을 특징으로 하는, 기체상 매질을 위한 밸브 장치(100).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 밸브 하우징(6) 내에 정지 요소(12)가 배치되어 있고, 이 정지 요소(12) 상에 제1 밀봉 시트(32)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 기체상 매질을 위한 밸브 장치(100).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 밀봉 시트(32) 상에서의 유동 단면이 제2 밀봉 시트(34) 상에서의 유동 단면보다 큰 것을 특징으로 하는, 기체상 매질을 위한 밸브 장치(100).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 솔레노이드 전기자(14)가 쇼울더(36)를 가지며, 이 쇼울더(36)는 제2 솔레노이드 전기자(16)의 쇼울더(52)와 상호 작용하고, 제2 솔레노이드 전기자(16)의 종방향 이동 시 상기 쇼울더가 제1 솔레노이드 전기자(14)를 위한 종동부로서 이용되는 것을 특징으로 하는, 기체상 매질을 위한 밸브 장치(100).
  7. 탱크(2) 및 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 밸브 장치(100)를 구비한, 기체상 매질, 특히 수소를 저장하기 위한 탱크 장치(1).
  8. 제7항에 있어서, 탱크(2)가 목 영역(28)을 갖는 탱크 하우징(3)을 포함하고, 목 영역(28) 내에 밸브 장치(100)가 배치되며, 밸브 하우징(6)이 탱크 하우징(3) 내로 적어도 부분적으로 통합되고, 밸브 하우징(6)은 밀봉 요소(26)에 의해 탱크(2)의 탱크 내부 챔버(4)를 밀봉하는 것을 특징으로 하는, 탱크 장치(1).
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 밸브 장치(100)에 의해, 탱크(2)로부터 유래하는 기체상 매질, 특히 수소의 관류 단면이 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는, 탱크 장치(1).
  10. 연료 전지의 작동을 위한 수소를 저장하기 위한, 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 탱크 장치(1)를 구비한 연료 전지 어셈블리.
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