KR-20260060653-A - Internal Cooling System for Inboard Bogie of Railway Vehicle

Abstract

본 발명은 철도 차량의 인보드 대차 내부를 냉각하기 위한 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인보드 대차를 밀폐하는 스커트에 형성된 공기 유입구를 통한 외부 공기 유입량을 제어하는 공기 유입 장치와, 스커트 내부에 배치된 열원으로 냉각유체를 분사하는 냉각유체 분사 채널 및 가열된 냉각유체를 캐비티 외부로 배출하는 배출 채널을 철도 차량의 주행 정보를 반영하여 제어함으로써, 열원의 냉각 효율을 향상시키고 에너지 소비량을 절감할 수 있는 철도 차량의 인보드 대차 내부 냉각 시스템에 관한 것이다.

Inventors

• 오혁근
• 최성훈
• 백승구
• 김석원

Assignees

• 한국철도기술연구원

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20241025

Claims (4)

1. 철도 차량(1)의 인보드 대차(10)를 밀폐하는 스커트(11)상에 형성된 공기 유입구(110)와, 공기 유입구(110)를 통한 외부 공기 유입량을 제어하는 댐퍼(120)로 이루어지며, 인보드 대차(10) 및 스커트(11)가 형성하는 공간인 캐비티(12) 내부로의 외부 공기 유입량을 제어하는 공기 유입 장치(100); 인보드 대차(10) 또는 스커트(11)에 장착되며, 캐비티(12) 내부에 배치된 열원(2)으로 냉각유체를 분사하는 냉각유체 분사 채널(200); 캐비티(12) 내부 공기를 흡기하는 송풍 유닛(211)을 냉각유체 분사 채널(200)로 연결하여, 냉각유체 분사 채널(200)에 냉각유체를 공급하는 덕트로 이루어진 송풍 채널(210); 냉각유체 분사 채널(200)의 냉각유체 분사 방향에 대향하도록 인보드 대차(10) 또는 스커트(11)에 장착되며, 열원(2)을 냉각하면서 가열된 냉각유체를 캐비티(12) 외부로 배출하는 덕트로 이루어진 배출 채널(220); 캐비티(12) 내부의 공기 온도 및 압력을 측정하는 센서(300); 센서(300)의 측정 데이터를 계측하는 모니터링부(400); 철도 차량(1)의 열차제어시스템과 연동되어, 모니터링부(400)의 계측 결과에 열차제어시스템으로부터 수신한 철도 차량(1)의 주행 속도나, 가속 또는 감속 상태를 포함하는 주행 정보를 반영하여, 댐퍼(120)와 송풍 유닛(211)의 가동을 제어하는 제어부(500); 및 모니터링부(400)의 계측 결과를 제어부(500)로 전송하는 통신부(600); 로 구성되는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 인보드 대차 내부 냉각 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 냉각유체 분사 채널(200)은 2개 이상 구비되며, 각 냉각유체 분사 채널(200)이 차륜(3)과 대향하도록 서로 직교하는 방향으로 배치된 것을 특징으로 하는 철도 차량의 인보드 대차 내부 냉각 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 공기 유입구(110)는 스커트(11) 하부의 모서리에 배치되며, 댐퍼(120)의 일단이 공기 유입구(110) 가장자리에 힌지(121)를 통해 회전 가능하도록 연결되고, 신장 또는 수축 작동하는 액추에이터(122)의 양끝단이 각각 공기 유입구(110)와 인접하는 스커트(11) 내측 표면 및 댐퍼(120) 내측 표면에 연결되어, 댐퍼(120)의 회전 각도가 제어되는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 인보드 대차 내부 냉각 시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 배출 채널(220)에는 캐비티(12) 내부 공기를 캐비티(12) 외부로 강제 배출하는 배출 유닛(221)이 장착되며, 배출 유닛(221)의 가동은 제어부(500)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 인보드 대차 내부 냉각 시스템.

Description

철도 차량의 인보드 대차 내부 냉각 시스템 {Internal Cooling System for Inboard Bogie of Railway Vehicle} 본 발명은 철도 차량의 인보드 대차 내부를 냉각하기 위한 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인보드 대차를 밀폐하는 스커트에 형성된 공기 유입구를 통한 외부 공기 유입량을 제어하는 공기 유입 장치와, 스커트 내부에 배치된 열원으로 냉각유체를 분사하는 냉각유체 분사 채널 및 가열된 냉각유체를 캐비티 외부로 배출하는 배출 채널을 철도 차량의 주행 정보를 반영하여 제어함으로써, 열원의 냉각 효율을 향상시키고 에너지 소비량을 절감할 수 있는 철도 차량의 인보드 대차 내부 냉각 시스템에 관한 것이다. 철도 차량이 고속화됨에 따라, 철도 차량의 주행 중 대차에서 발생하는 공기의 저항에 의한 동력 에너지 손실인 주행 저항을 저감할 필요가 있으며, 차체 하부에 대차 주변을 둘러싸는 커버인 스커트를 장착함으로써, 주행 저항을 감소시킴과 동시에 주행 저항에 의해 생성된 소음을 저감시킬 수 있는 철도 차량이 증가하고 있다. 스커트가 대차를 완전히 감싸도록 구성함으로써 주행 저항 및 소음 발생을 최소화 한 인보드 대차의 경우, 철도 차량의 주행을 위한 동력을 생성하는 전동기와, 전동기에서 발생한 구동력을 차륜으로 전달하는 기어박스 및, 철도 차량에 제동력을 제공하는 브레이크를 포함하는 각종 열원이 밀집되어 배치되어, 열원들이 스커트에 의해 밀폐되면서 스커트 내부에 형성된 공간인 캐비티(cavity) 내부의 온도가 증가하기 쉽다. 캐비티 내부에 배치된 열원 중 제동장치의 경우, 제동 디스크와 패드 사이에 생성되는 마찰력을 통해 주행 중인 철도 차량을 제동시키며, 고속 주행하는 고중량의 철도 차량을 제동하는 과정에서 높은 마찰열이 발생하면서 제동 디스크의 과열이 발생하기 쉽다. 스커트에 의해 밀폐된 구조를 이루는 인보드 대차의 구조적 특성상, 제동 디스크가 외부 환경에 직접 노출된 일반 대차와 달리, 인보드 대차의 제동 디스크는 캐비티 내부로 유입되는 외부 공기가 차단되면서 냉각이 이루어지기 어려우며, 열원에 의해 가열된 캐비티 내부의 공기가 외부로 빠져나가지 못하면서 캐비티 내부 온도를 더욱 높이게 되는 악순환이 발생하게 된다. 제동 디스크가 과열되면 디스크 표면 열전달계수가 감소하게 되며, 열전달계수 감소에 의해 제동 디스크의 냉각 속도가 저하되면서 온도가 더욱 증가하게 되어, 철도 차량의 제동 거리가 증가하고 제동 디스크의 수명이 감소하게 된다. 인보드 대차의 캐비티 내부 온도 증가는 철도 차량의 제동 성능을 낮춰 운전 안전성을 저하시키게 되며, 제동 디스크의 수명 감소에 따른 교체 주기 감축에 의해 유지보수 비용을 증가시키는 주요 원인이 된다. 인보드 대차의 제동 디스크 과열에 의한 제동 성능 저하 및 유지보수 비용 증가를 방지하기 위하여, 대한민국 공개특허공보 제10-2024-0102268호(2024.07.03.공개)에서는 대차 프레임 또는 스커트상에 장착되어 와류를 발생시키는 와류 생성기와 와류 발생량을 조절하는 제어 유닛 및 공기 유입량과 온도를 측정하는 센서로 구성된 인보드 대차가 적용된 철도 차량의 제동 디스크 냉각 시스템 및 냉각 방법을 제안하고 있다. 그러나 상기 제동 디스크 냉각 시스템에 적용된 와류 발생 방식은, 스커트 일부가 개방되어 인보드 대차 내부로의 공기 유입이 가능한 철도 차량 구조에만 적용 가능한 것으로, 인보드 대차가 스커트에 완전히 둘러싸임으로써 외부 공기의 캐비티 내부로의 유입 및 캐비티 내부 공기의 외부 배출이 거의 이루어지지 못하는 전면(全面) 밀폐 구조의 스커트가 적용된 인보드 대차에 적용하기 어려운 문제가 있다. 따라서 전면 밀폐 구조의 스커트가 적용된 인보드 대차 내부의 열원을 냉각시킬 수 있는 냉각 시스템을 개발할 필요가 높아지고 있다. 도 1은 인보드 대차에 장착된 열원의 종류 및 배치 위치를 나타낸다. 도 2는 철도 차량의 정차 과정에서 마찰열에 의해 과열된 제동디스크의 상태를 나타낸다. 도 3은 본 발명에 따른 공기 유입구 폐쇄상태에서의 공기 유입 장치 구조와, 댐퍼 및 액추에이터 작동 예시를 나타낸다. 도 4는 본 발명에 따른 공기 유입구 개방상태에서의 공기 유입 장치 구조와, 댐퍼 및 액추에이터 작동 예시를 나타낸다. 도 5는 본 발명에 따른 공기 유입구 개방 시 인보드 대차 내부로의 공기 흐름 발생을 해석한 결과를 나타낸다. 도 6은 본 발명에 따른 냉각유체 분사 채널과 배출 채널의 장착 위치 예시를 나타낸다. 도 7은 본 발명에 따른 냉각유체 분사 채널과 배출 채널을 통한 인보드 대차 내 공기 흐름 발생을 나타내는 도면이다. 도 8은 본 발명에 따른 냉각유체 분사 채널에서 냉각유체 유속에 따른 인보드 대차 내부 공기 온도 증가량의 예측값을 나타내는 그래프이다. 도 9는 본 발명에 따른 냉각유체 분사 채널에서 냉각유체 유속에 따른 송풍 유닛 출력 변화의 예측값을 나타내는 그래프이다. 이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명하면서, 본 발명이 속하는 기술분야에 익히 알려졌고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다. 또한, 본 발명의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 동일한 명칭의 구성요소에 대하여 도면에 따라 다른 참조부호를 부여할 수도 있으며, 서로 다른 도면임에도 동일한 참조부호를 부여할 수도 있다. 그러나 이와 같은 경우라 하더라도 해당 구성요소가 실시예에 따라 서로 다른 기능을 갖는다는 것을 의미하거나, 서로 다른 실시예에서 동일한 기능을 갖는다는 것을 의미하는 것은 아니며, 각각의 구성요소의 기능은 해당 실시예에서의 각각의 구성요소에 대한 설명에 기초하여 판단하여야 할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 인보드 대차(10)는 철도 차량(1)의 하부에 장착된 스커트(11)가 인보드 대차(10)를 둘러싸면서 인보드 대차(10) 내부에 밀폐 공간인 캐비티(12)를 형성하며, 도 1과 같이 인보드 대차(10)에는 철도 차량(1)의 주행을 위한 동력을 생성하는 전동기와, 전동기에서 발생한 구동력을 차륜(3)으로 전달하는 기어박스 및, 철도 차량(1)에 제동력을 제공하는 브레이크를 포함하는 열원(2)이 밀집되어 배치된다. 스커트(11)에 의해 밀폐된 구조를 이루는 인보드 대차(10)의 구조적 특성상, 캐비티(12) 내부로 유입되는 외부 공기가 차단되어 과열된 열원(2)의 냉각이 이루어지기 어려우며, 캐비티(12) 내부의 공기가 외부로 빠져나가지 못하면서 열원(2)에서 발생한 열이 캐비티(12) 내부 온도를 높이고, 열원(2)의 온도를 더욱 증가시키는 악순환이 발생하게 된다. 특히, 브레이크의 제동 디스크의 경우, 캐비티(12) 내부로 유입되는 공기가 감소됨에 따라 디스크 표면 열전달계수가 감소하게 되며, 열전달계수 감소에 의해 제동 디스크 온도가 증가하면서 철도 차량(1)의 제동 거리가 증가하고 제동 디스크의 수명이 감소하는 등의 문제가 발생하게 된다. 따라서 본 발명에 따른 철도 차량(1)의 인보드 대차(10) 내부 냉각 시스템은 열원(2)에 의해 과열된 캐비티(12) 내부 온도를 낮추기 위하여, 공기 유입 장치(100)와 냉각유체 분사 채널(200) 및 배출 채널(220)을 포함하도록 구성된다. 도 3 및 도 4와 같이 공기 유입 장치(100)는 스커트(11)상에 형성되어 캐비티(12) 내부로의 외부 공기 유입량을 조절하며, 스커트(11) 외부 및 캐비티(12) 내부를 서로 연결하는 공기 유입구(110)와, 공기 유입구(110)의 개방 또는 폐쇄를 제어하는 댐퍼(120)로 구성된다. 공기 유입구(110)는 철도 차량(1)의 길이 방향 또는 폭 방향 양끝단에 위치한 스커트(11) 하부 모서리상에 서로 대향하도록 한 쌍 이상 배치되어, 철도 차량(1) 주행 중 캐비티(12) 내부로의 공기 유입이 원활하게 이루어질 수 있도록 한다. 공기 유입구(110)의 개방 시, 외부 공기의 유입 방향에 대향하는 댐퍼(120) 모서리에서 발생한 공기 저항에 의해 철도 차량(1)의 공기저항계수가 크게 증가하거나, 또는 댐퍼(120) 발생한 풍절 소음이 철도 차량(1) 객차 내부로 전달되는 것을 방지하기 위하여, 댐퍼(120)는 일측 모서리가 캐비티(12) 내부를 향해 틸팅(tilting)되면서 개방되는 구조를 형성한다. 틸팅 방식의 개방 구조를 형성하기 위하여, 댐퍼(120)의 일단이 공기 유입구(110) 가장자리에 힌지(121)를 통해 회전 가능하도록 연결되고, 공기 유입구(110)와 인접하는 스커트(11) 내측 표면 및 댐퍼(120) 내측 표면에는 공압 방식의 실린더로 구성된 액추에이터(122)의 양끝단이 각각 연결된다. 액추에이터(122)의 실린더는 철도 차량(1)에 구비된 주공기압 장치로부터 공압을 공급받아 액추에이터(122)의 신장 또는 수축에 따른 댐퍼(120) 개폐 작동을 제어한다. 액추에이터(122) 양끝단과, 스커트(11) 내측 표면 및 댐퍼(120) 내측 표면간 연결부는 각각 회전 가능하게 연결되어, 도 3과 같이 액추에이터(122)의 작동에 의해 실린더가 신장되면 액추에이터(122)가 댐퍼(120)를 캐비티(12) 외부를 향해 밀어내며, 댐퍼(120)가 힌지(121)를 중심축으로 회전하면서 공기 유입구(110)가 폐쇄된다. 반대로 도 4와 같이