KR20240003162A - 통합 열관리용 밸브 엑추에이터 구조 - Google Patents

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전완재
홍용석
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조영수
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Abstract

본 발명은 몸체에 장착되는 밸브엑추에이터가 분리 가능한 일체형 유닛의 형태로 결합하여 유지보수의 편의성을 제공하며, 마그넷의 극성변화를 감지하는 센서부재를 통해 냉각수 순환의 미세조절이 가능하게 차량 배터리 및 PE를 개별 냉각할 수 있는 통합 열관리용 밸브 엑추에이터 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량과 전기적으로 연결되되 양측으로 한 쌍의 설치공간부가 형성된 드라이버 몸체 및 한 쌍의 설치공간부에 각각 설치되되 배터리 냉각과 PE 냉각을 위해 냉각라인과 개별 연결되어 상기 몸체에서 인가된 전원에 의해 냉각수가 순환할 수 있도록 구동하는 3Why 방식의 밸브엑추에이터를 포함하되, 상기 밸브엑추에이터는 상기 몸체를 통해 필요전원을 인가받는 구동모터, 상기 구동모터의 구동축과 치(齒) 결합하는 적어도 하나 이상의 기어를 포함하는 기어트레인부재, 상기 기어트레인부재의 회전위치를 감지하는 센서부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

통합 열관리용 밸브 엑추에이터 구조{Valve actuator structure for integrated thermal management}
본 발명은 몸체에 장착되는 밸브엑추에이터가 분리 가능한 일체형 유닛의 형태로 결합하여 유지보수의 편의성을 제공하며, 마그넷의 극성변화를 감지하는 센서부재를 통해 냉각수 순환의 미세조절이 가능하게 차량 배터리 및 PE를 개별 냉각할 수 있는 통합 열관리용 밸브 엑추에이터 구조에 관한 것이다.
최근 환경친화적 기술의 구현 및 에너지 고갈 등의 문제해결을 사회적 이슈로 대두되고 있는 것이 전기자동차이다.
전기자동차는 배터리로부터 전기를 공급받아 동력을 출력하는 모터를 이용하여 작동한다.
따라서, 이산화탄소의 배출이 없고, 소음이 아주 작으며, 모터의 에너지효율은 엔진의 에너지효율보다 높은 장점이 있어 친환경 자동차로 각광받고 있다.
이런 전기자동차를 구현함에 있어 핵심기술은 배터리 모듈과 관련한 기술이며, 최근 배터리의 경량, 소형화, 짧은 충전시간 등에 대한 연구가 활발히 이루어 지고 있다.
배터리 모듈은 최적의 온도환경에서 사용하여야 최적의 성능과 긴 수명을 유지할 수 있다.
그러나 구동 중 발생하는 열과 외부의 온도변화에 의해 최적의 온도환경에서 사용하기 어려운 실정이다.
최근 이러한 배터리의 냉난방 시스템을 차량의 실내 공조를 위한 공조 시스템과 통합하여 운용하는 통합열관리 시스템을 구축하였다.
다만, 종래 기술에 따르면, 서로 상이한 온도 구간으로 제어되어야 하는 배터리와 전장부품(PE)의 열관리가 서로 영향을 받는 구조를 가짐에 따라 열관리 효율이 저하되는 문제점이 발생하게 되었다.
상기한 문제점을 해결하기 위해 종래기술로 도 1에 도시한 바와 같은 '통합 열관리용 밸브조립체'의 구성이 개시되어 있으며, 그 구성을 간략하게 살펴보면 제1출구가 형성된 제1하우징과, 제1하우징의 내부에 마련되어 제1리저버입구 또는 제1칠러입구를 제1출구에 연결하는 제1밸브바디와, 제2출구가 형성된 제2하우징; 제2하우징의 내부에 마련되어 제2리저버입구 또는 제2칠러입구를 제2출구에 연결하는 제2밸브바디; 및 제1밸브바디와 제2밸브바디를 구동하는 구동부를 포함하는 구성으로 이루어져 있다.
이러한 종래기술의 구성을 통하여 하나의 구동모터를 통하여 2개의 밸브를 동시 제어할 수 있는 3Why 밸브방식을 취함으로써 배터리와 전장부품을 효과적으로 열관리 할 수 있는 장점을 구현할 수 있었다.
그러나, 종래기술은 하나의 모터를 통하여 한 쌍의 밸브 개폐를 제어하기 때문에 어느 하나의 밸브 측에 문제점이 발생하는 경우, 밸브조립체 전체를 교체해야 하는 불편함이 존재하며, 하나의 모터 사용으로 인하여 냉각수의 순환을 위해 미세조절이 상당히 어렵다는 문제점이 동반하게 된다.
국내등록특허 제10-2215293호(공고일:2021.02.15.) 국내등록특허 제10-2225023호(공고일:2021.03.10.)
상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 3Why 밸브방식은 유지하되 한 쌍의 밸브 중 어느 하나에 문제가 발생하는 경우, 밸브조립체 전체가 아닌, 문제가 발생한 어느 한 파트만 교체하여 사용할 수 있는 밸브 엑추에이터를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 냉각수 흐름에 대한 미세 조절이 용이한 밸브 엑추에이터를 제공하고자 하는데 또 다른 목적이 있다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명에 따른 통합 열관리용 밸브 엑추에이터 구조는 차량과 전기적으로 연결되되 양측으로 한 쌍의 설치공간부(130)가 형성된 드라이버 몸체(100) 및 한 쌍의 설치공간부(130)에 각각 설치되되 배터리 냉각과 PE 냉각을 위해 냉각라인과 개별 연결되어 상기 몸체(100)에서 인가된 전원에 의해 냉각수가 순환할 수 있도록 구동하는 3Why 방식의 밸브엑추에이터(200)를 포함하되, 상기 밸브엑추에이터(200)는 상기 몸체(100)를 통해 필요전원을 인가받는 구동모터(210), 상기 구동모터(210)의 구동축과 치(齒) 결합하는 적어도 하나 이상의 기어를 포함하는 기어트레인부재(220), 상기 기어트레인부재(220)의 회전위치를 감지하는 센서부재(230)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 한 쌍의 상기 밸브엑추에이터(200)는 일체형 유닛의 형태로 상기 몸체(100)와 탈착 가능하게 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 몸체(100)는 차량의 메인컨트롤부와 전기적으로 연결되는 제1커넥터(110) 및 상기 제1커넥터(110)와 전기적으로 연결될 수 있게 한 쌍의 설치공간부(130)에 각각 설치되어 상기 밸브엑추에이터(200)와 상기 제1커넥터(110)를 전기적으로 연결하는 제2커넥터(120)를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 센서부재(230)는 홀 센서(Hall Sensor)를 사용하되 홀 센서는 상기 구동모터(210)에 의해 회전가능하도록 상기 기어트레인부재(220)에 구비된 마그넷(229)이 회전시에 극성 변화를 감지하여 상기 기어트레인부재(220)의 회전위치를 감지하며, 감지정보는 상기 몸체(100)를 통해 차량의 메인컨트롤부에 전송될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 기어트레인부재(220)는 외면에 적어도 하나 이상의 웜휠(223)이 형성되어 상기 구동모터(210)의 회전력을 서로 전달할 수 있도록 구비되는 복수의 웜기어(221) 및 상부에 상기 마그넷(229)이 구비되되 회전하는 상기 웜기어(221)에 의해 회전하는 샤프트기어(225)를 포함하되, 복수의 상기 웜기어(221)는 수직 및 수평방향으로 길이를 갖도록 설치되어 어느 하나의 외면에 형성된 상기 웜휠(223)이 상기 구동모터(210)와 서로 치(齒) 결합하며, 다른 하나는 상기 샤프트기어(225) 외면에 형성된 구동휠(227)과 서로 치(齒) 결합하여 상기 샤프트기어(225)를 회전시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 종래와는 차별적으로 하나의 몸체에 일체형 유닛화 형태의 한 쌍의 밸브엑추에이터가 교체 가능하게 장착 사용됨에 따라 배터리 및 PE의 개별 냉각이 가능함과 동시에 상기 밸브엑추에이터의 교체(A/S)에 대한 편의성을 제공하는 효과를 만족하게 된다.
또한, 종래와는 차별적으로 샤프트기어에 설치된 마그넷의 극성변화를 감지하는 센서부재의 감지정보를 통해 냉각수 순환에 관한 미세조절이 가능한 효과도 구현할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 통합 열관리용 밸브조립체의 개념도.
도 2는 본 발명에 따른 통합 열관리용 밸브 엑추에이터 구조를 나타낸 도면.
도 3은 도 2에 대한 분해사시도면.
도 4는 본 발명에 따른 통합 열관리용 밸브 엑추에이터 구조에 대한 밸브엑추에이터 저면도.
도 5는 도 4에 대한 밸브엑추에이터 내부배치도.
도 6은 본 발명에 따른 통합 열관리용 밸브 엑추에이터 구조에 대한 밸브엑추에이터의 구성도.
도 7은 본 발명에 따른 통합 열관리용 밸브 엑추에이터 구조에 대한 몸체의 다른 실시예.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시 예를 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에 기재된 실시 예는 다양하게 변형될 수 있다. 특정한 실시예가 도면에서 묘사되고 상세한 설명에서 자세하게 설명될 수 있다. 그러나 첨부된 도면에 개시된 특정한 실시 예는 다양한 실시 예를 쉽게 이해하도록 하기 위한 것일 뿐이다. 따라서 첨부된 도면에 개시된 특정 실시 예에 의해 기술적 사상이 제한되는 것은 아니며, 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 구성요소들은 상술한 용어에 의해 한정되지는 않는다. 상술한 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
그 밖에도, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그에 대한 상세한 설명은 축약하거나 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 통합 열관리용 밸브 엑추에이터 구조(이하, 간략하게 '밸브구조'라 한다)에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
설명에 앞서, 본 발명에서의 밸브구조(1)는 종래기술에서 언급한 바와 같이, 냉각수가 수용되는 리저버탱크와 연결되어 냉각수의 순환을 통해 전기차량의 배터리와 전장부품의 열관리를 실행할 수 있으나, 본 발명에서는 밸브구조(1) 내부가 아닌, 유체(냉각수)가 이동하기 위한 파이프 사이에 체결되어 해당 냉각수의 순환을 실행할 수 있도록 한다는 점에 유의한다.
먼저, 도 2 내지 도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 밸브구조(1)는 크게 드라이버 몸체(100) 및 밸브엑추에이터(200)를 포함하며, 상기 몸체(100)와 상기 밸브엑추에이터(200)는 전체적으로 3Why 밸브 개폐방식을 갖도록 형성되어 파이프 내에서의 냉각수 순환이 가능하도록 연결된다.
더욱 상세하게 설명하면, 상기 몸체(100)는 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 후에 설명하는 밸브엑추에이터(200)가 장착되되 전기차량의 메인컨트롤부(미도시)와 전기적으로 연결되어 밸브엑추에이터(200)의 구동에 필요한 필요전원이 인가될 수 있도록 하기 위한 구성으로 제1커넥터(110) 및 제2커넥터(120)를 포함한다.
예컨대 제1커넥터(110)는 도시한 바와 같이, 한 쌍의 밸브엑추에이터(200) 사이에 위치하도록 몸체(100) 외면에서 연장 형성되되 미도시된 메인컨트롤부에서 인가되는 전기단자와 탈착 가능하게 결합하여 밸브엑추에이터(200)의 구동에 필요한 필요전원을 인가함과 동시에 센서부재(230)에서 감지된 감지정보를 해당 메인컨트롤부에 전송할 수 있도록 한다.
이를 위해, 제1커넥터(110)는 다수의 연결단자(111)를 통해 한 쌍의 제2커넥터(120)와 개별 연결되어 각각의 제2커넥터(120)에 필요전원을 인가함과 동시에 상기 제2커넥터(120)를 통해 전송되는 감지정보가 메인컨트롤부에 개별 전송될 수 있도록 회로 방식으로 연결된다(도 6 참조).
또한, 제2커넥터(120)는 제1커넥터(110)를 중심으로 몸체(100) 양측으로 한 쌍을 이루도록 형성된 설치공간부(130)에 각각 형성되며, 제1커넥터(110)는 물론, 밸브엑추에이터(200)와 전기적으로 연결될 수 있도록 한다.
이를 위해, 밸브엑추에이터(200) 외면에는 제2커넥터(120)와 전기적으로 탈착 가능하게 결합하기 위한 연결커넥터(240)가 형성되어 필요전원의 인가 및 감지정보가 제2커넥터(120)를 통해 제1커넥터(110)로 이어질 수 있는 구조를 갖는다.
그리고, 상기 밸브엑추에이터(200)는 도 4 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 상술한 한 쌍의 설치공간부(130)에 개별 설치되어 3Why 밸브 개폐 방식의 구현을 통해 차량 배터리 및 PE(전장부품)의 열관리를 위한 냉각수의 순환을 실행하기 위한 구성으로 구동모터(210), 기어트레인부재(220) 및 센서부재(230)를 포함하며, 상기한 구성들은 개폐 가능한 케이스(250)를 통해 일체형의 유닛으로 설치되어 유지보수가 필요시에 1:1 교체방식으로 용이하게 유지보수가 실행될 수 있도록 한다.
예컨대 구동모터(210)는 제2커넥터(120)에 의해 필요전원을 인가받을 수 있도록 케이스(250) 내부에 구비되며, 구동축은 어느 하나의 웜기어(221) 외면에 형성된 웜휠(223)과 서로 치(齒) 결합하여 구동모터(210)의 회전력을 샤프트기어(225)까지 전달한다.
아울러, 구동모터(210)는 회전위치의 제어가 가능한 모터를 사용하되 상기 구동모터(210)의 회전위치는 후에 설명하는 센서부재(230)의 감지정보를 기반으로 결정된다.
또한, 기어트레인부재(220)는 수평 및 수직방향으로 길이를 갖는 웜기어(221) 및 상기 웜기어(221)와 치(齒) 결합하는 샤프트기어(225)를 포함하며, 이를 통해 구동모터(210)의 회전력이 상기 샤프트기어(225)까지 전달되어 회전에 필요한 동력이 전달될 수 있는 구조를 갖는다.
이를 위해, 웜기어(221) 외면에는 적어도 하나 이상의 웜휠(223)이 형성되되 샤프트기어(225) 외면에는 구동휠(227)이 형성되며, 상기 웜휠(223)은 구동축 또는 상기 구동휠(227)과 서로 치(齒) 결합하여 회전력을 전달받을 수 있도록 하여 냉각수의 순환방향이 결정될 수 있도록 한다.
이때, 샤프트기어(225) 상부에는 N극과 S극의 극성을 갖는 자성체인 마그넷(229)이 설치되어 밸브의 개방 정도를 결정하기 위한 상기 샤프트기어(225)의 회전위치를 상기 마그넷(229)의 극성변화를 감지하는 센서부재(230)에 의해 감지될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
이를 위해, 센서부재(230)는 홀 센서(Hall Sensor)를 사용하되 홀 센서는 마그넷(229) 상부에 이격되게 배치되어 상기 마그넷(229)이 회전시에 극성 변화를 감지하며, 그 감지정보는 제2커넥터(120)와 제1커넥터(110)를 통해 메인컨트롤부에 전송될 수 있도록 한다.
이러한 감지정보를 통해 샤프트기어(225)의 회전위치의 센싱은 물론, 피드백하여 회전각 제어가 가능한 밸브의 제공이 가능하게 된다.
한편, 본 발명에서의 밸브구조(1)는 도 7에 도시한 바와 같이, 다른 실시예로 차량의 구조적 특징에 따라 몸체(100')와 케이스(250)가 서로 일체형을 이루어 설치되는 것도 가능하다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 밸브구조(1)는 종래와는 차별적으로 하나의 몸체(100)에 일체형 유닛화 형태의 한 쌍의 밸브엑추에이터(200)가 교체 가능하게 장착 사용됨에 따라 배터리 및 PE의 개별 냉각이 가능함과 동시에 상기 밸브엑추에이터(200)의 교체에 대한 편의성, 공정 단순화 및 비용 저감을 제공하는 효과를 만족하게 된다.
또한, 종래와는 차별적으로 샤프트기어(225)에 설치된 마그넷(229)의 극성변화를 감지하는 센서부재(230)의 감지정보를 통해 냉각수 순환에 관한 미세조절이 가능한 효과도 구현할 수 있게 된다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
1: 본 발명에 따른 통합 열관리용 밸브 엑추에이터 구조
100: 드라이버 몸체
110: 제1커넥터 111: 연결단자
120: 제2커넥터 130: 설치공간부
200: 밸브엑추에이터
210: 구동모터 220: 기어트레인부재
221: 웜기어 223: 웜휠
225: 셔프트기어 227: 구동휠
229: 마그넷 230: 센서부재
240: 연결커넥터 250: 케이스

Claims (5)

  1. 차량과 전기적으로 연결되되 양측으로 한 쌍의 설치공간부(130)가 형성된 드라이버 몸체(100); 및
    한 쌍의 설치공간부(130)에 각각 설치되되 배터리 냉각과 PE 냉각을 위해 냉각라인과 개별 연결되어 상기 몸체(100)에서 인가된 전원에 의해 냉각수가 순환할 수 있도록 구동하는 3Why 방식의 밸브엑추에이터(200);를 포함하되,
    상기 밸브엑추에이터(200)는
    상기 몸체(100)를 통해 필요전원을 인가받는 구동모터(210), 상기 구동모터(210)의 구동축과 치(齒) 결합하는 적어도 하나 이상의 기어를 포함하는 기어트레인부재(220), 상기 기어트레인부재(220)의 회전위치를 감지하는 센서부재(230)를 포함하는 것을 특징으로 하는 통합 열관리용 밸브 엑추에이터 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    한 쌍의 상기 밸브엑추에이터(200)는
    일체형 유닛의 형태로 상기 몸체(100)와 탈착 가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 통합 열관리용 밸브 엑추에이터 구조.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 몸체(100)는
    차량의 메인컨트롤부와 전기적으로 연결되는 제1커넥터(110); 및
    상기 제1커넥터(110)와 전기적으로 연결될 수 있게 한 쌍의 설치공간부(130)에 각각 설치되어 상기 밸브엑추에이터(200)와 상기 제1커넥터(110)를 전기적으로 연결하는 제2커넥터(120);를 포함하는 것을 특징으로 하는 통합 열관리용 밸브 엑추에이터 구조.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 센서부재(230)는
    홀 센서(Hall Sensor)를 사용하되 홀 센서는 상기 구동모터(210)에 의해 회전가능하도록 상기 기어트레인부재(220)에 구비된 마그넷(229)이 회전시에 극성 변화를 감지하여 상기 기어트레인부재(220)의 회전위치를 감지하며, 감지정보는 상기 몸체(100)를 통해 차량의 메인컨트롤부에 전송될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 통합 열관리용 밸브 엑추에이터 구조.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 기어트레인부재(220)는
    외면에 적어도 하나 이상의 웜휠(223)이 형성되어 상기 구동모터(210)의 회전력을 서로 전달할 수 있도록 구비되는 복수의 웜기어(221); 및
    상부에 상기 마그넷(229)이 구비되되 회전하는 상기 웜기어(221)에 의해 회전하는 샤프트기어(225);를 포함하되,
    복수의 상기 웜기어(221)는 수직 및 수평방향으로 길이를 갖도록 설치되어 어느 하나의 외면에 형성된 상기 웜휠(223)이 상기 구동모터(210)와 서로 치(齒) 결합하며, 다른 하나는 상기 샤프트기어(225) 외면에 형성된 구동휠(227)과 서로 치(齒) 결합하여 상기 샤프트기어(225)를 회전시키는 것을 특징으로 하는 통합 열관리용 밸브 엑추에이터 구조.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102225023B1 (ko) 2016-06-23 2021-03-10 테슬라, 인크. 통합 냉각수 용기 조립체

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