KR101436153B1 - 열차의 판토그라프 센서계측장치의 전원공급시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열차의 판토그라프 센서계측장치의 전원공급시스템에 관한 것이다. 이는 전차선으로부터 판토그라프를 통해 전기를 공급받아 주행하는 열차에서, 판토그라프 측에 설치된 센서들로부터 데이터를 수신하는 센서계측장치(100)와 이 센서계측장치(100)로부터 무선으로 데이터를 전송받는 차량 내에 설치된 데이터분석장치(200)를 포함하는 판토그라프 계측시스템에 있어서, 상기 센서계측장치(100)의 각부에 전원을 공급하기 위한 전원공급시스템으로서, 상기 차량 내에 설치된 연료전지 연료공급부(410)와; 상기 센서계측장치(100) 내에 설치되어 상기 센서계측장치(100) 내의 각부에 전원을 공급하기 위한 연료전지 전기발생부(450); 및 상기 연료공급부(410)로부터 상기 전기발생부(450)로 부도체성의 연료를 공급하며 전기적으로 부도체로 이루어진 연료전지 연료공급배관(430)을 포함한다. 이에 따라 차량 주행 중 판토그라프 계측 시스템에의 전원 공급 중단 위험을 제거할 수 있으며 유지보수가 손쉽게 이루어질 수 있게 하는 등의 현저한 효과가 있다.
Description
본 발명은 열차의 판토그라프 센서계측장치의 전원공급시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 열차에 설치된 판토그라프와 전차선과의 접촉력 등을 계측하여 계측된 센서값을 차량 내에 있는 데이터분석장치 등으로 무선 전송하는 센서계측장치에 있어서 차량과의 전기적 절연 구성이 용이하도록 한 연료전지시스템을 이용하여 전원공급을 제공함으로써, 차량 주행 중 전원 공급의 중단 위험을 제거할 수 있으며 유지보수가 손쉽게 이루어질 수 있게 하는 새로운 열차의 판토그라프 센서계측장치의 전원공급시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 고속열차와 같이 전기력을 공급받아 운행하는 열차의 경우, 도 1에 예시된 바와 같이, 열차(3)의 상부에 설치되어 있는 전차선(2)으로부터 받은 전기에너지를 이용하여 주행하기 때문에 열차 상부에 설치된 판토그라프(pantograph)(1)가 전차선(2)과 접촉할 때 얼마나 안정적으로 전차선(2)을 추종하면서 집전하는가에 따라 열차의 견인이나 제동 등의 주행 성능이 좌우된다. 그러므로 고속열차에는 판토그라프(1)와 전차선(2) 사이의 접촉력 등을 계측하여 이상 발생시 적절하게 대처하기 위한 판토그라프 계측시스템이 마련되어 있다.
종래에 제공되는 판토그라프 계측시스템은 예컨대 국내 특허 등록번호 10-0948960 "전차선의 접촉력 및 충격가속도 검측 시스템"의 등록공보에 기재되어 있고 본 명세서에 첨부된 도면 중 도 2에 예시된 바와 같이, 판토그라프 측에 설치된 센서들로부터 데이터를 수신하는 센서계측장치(100)와 이 센서계측장치(100)로부터 무선으로 데이터를 전송받는 데이터분석장치(200) 및 모니터링 시스템(300)을 포함하여 구성될 수 있다. 도시된 바와 같이, 센서계측장치(100)는, 열차 지붕 위에서 판토그라프에 인접하여 설치되며, 다수의 스트레인게이지 또는 가속도센서 등으로 구성될 수 있는 센서부(110)와 센서부(110)에서 계측된 계측 데이터를 무선으로 외부에 전송하는 무선통신부(130)와 각부에 전원을 공급하기 위한 배터리(140)를 포함하여 구성된다. 데이터분석장치(200)는, 대부분의 구성부분은 열차의 차량 내부에 설치되며, 계측데이터를 무선으로 수신하기 위한 무선통신부(210)와 계측데이터를 수집하여 모니터링 시스템(300)으로 전송하기 위한 데이터수집장치부(220)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서 데이터분석장치(200) 및 모니터링 시스템(300)은 차량 내에 설치된 전원시스템으로부터 전원을 공급받아 동작할 수 있지만, 센서계측장치(100)의 전원공급장치는 차량과 완전히 절연될 필요가 있다. 왜냐하면 판토그라프(1)는 약 25 KV 정도되는 고압의 전차선(2)으로부터 전기를 집전하는 장치이기 때문에, 판토그라프(1) 근처에 설치된 센서계측장치(100)가 차량 내의 전원공급부와 연결되는 것은 위험하기 때문이다. 그러므로 센서계측장치(100)의 동작을 위해서는 차량과 절연된 상태로 설치된 독립적인 배터리(140)에 의해 전원이 공급되는데, 종래에는 이 배터리(140)로는 주기적으로 충전할 수 있는 2차 전지가 사용되는 것이 일반적이다.
그런데 이러한 종래의 2차 전지를 사용하는 전원 공급 시스템은 여러 가지 문제점을 가지고 있다. 첫째, 주기적으로 2차 전지의 충전 또는 교체 작업이 필요하며, 둘째, 열차 운행 중 2차 전지가 방전되었을 때는 적절한 타이밍에 교체 작업을 할 수 없다는 문제들이 있었다. 왜냐하면, 2차 전지의 충전이나 교체 작업을 위해서는 판토그라프(1)의 근처 즉 열차의 지붕 위에 작업자가 올라가서 작업해야 하므로 약 25 KV의 고전압이 흐르는 전차선(2)을 단전하여야 하며, 따라서 이러한 작업은 열차가 주행 중에는 이루어질 수 없고 또한 교체시에는 상대적으로 무거운 새로운 2차 전지를 차량 지붕 위로 운반하여 작업해야 한다는 어려움이 있었다.
그러므로, 전기로 움직이는 열차에 있어서 전차선으로부터 전기에너지를 집진하는 판토그라프 근처에 설치된 센서계측장치에 차량과는 독립적으로 전원을 공급하는 전원공급 시스템이 차량과의 절연이 쉽게 이루어질 수 있으면서도 유지보수가 용이하게 될 수 있다면 유리할 것이다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 개선 및 보완하고 다양한 추가 장점을 제공하기 위하여 발명된 것으로서, 특히 열차에 설치된 판토그라프와 전차선과의 접촉력 등을 계측하여 계측된 센서값을 차량 내에 있는 데이터분석장치로 무선 전송하는 센서계측장치에 있어서 차량과의 전기적 절연 구성이 용이하도록 한 연료전지시스템을 이용하여 전원공급을 제공함으로써, 차량 주행 중 전원 공급의 중단 위험을 제거할 수 있으며 유지보수가 손쉽게 이루어질 수 있게 하는 새로운 열차의 판토그라프 센서계측장치의 전원공급시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적은 본 발명에 따라 제공되는 열차의 판토그라프 센서계측장치의 전원공급시스템에 의하여 달성된다.
본 발명의 일 양상에 따라 제공되는 열차의 판토그라프 센서계측장치의 전원공급시스템은, 전차선으로부터 판토그라프를 통해 전기를 공급받아 주행하는 열차에서, 판토그라프 측에 설치된 센서들로부터 데이터를 수신하는 센서계측장치와 이 센서계측장치로부터 무선으로 데이터를 전송받는 차량 내에 설치된 데이터분석장치를 포함하는 판토그라프 계측시스템에 있어서, 상기 센서계측장치의 각부에 전원을 공급하기 위한 전원공급시스템으로서, 상기 차량 내에 설치된 연료전지 연료공급부와; 상기 센서계측장치 내에 설치되어 상기 센서계측장치 내의 각부에 전원을 공급하기 위한 연료전지 전기발생부; 및 상기 연료공급부로부터 상기 전기발생부로 부도체성의 연료를 공급하며 전기적으로 부도체로 이루어진 연료전지 연료공급배관을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 연료공급부에서 공급되는 연료는 탄화수소계열이며, 상기 전기발생부는 상기 탄화수소계열의 연료를 개질하여 수소 가스로 변환시켜 출력하는 개질기와, 열차 외부에서 공기를 흡입하기 위한 수단, 상기 개질기에서 출력된 수소와 흡입된 공기 중의 산소를 이용하여 전원을 생성하는 스택과, 및 상기 개질기에 수증기를 공급하기 위한 수단을 포함하여 구성될 수 있다.
상술한 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 열차에 설치된 판토그라프와 전차선과의 접촉력 등을 계측하여 계측된 센서값을 차량 내에 있는 데이터분석장치로 무선 전송하는 센서계측장치에 있어서 차량과의 전기적 절연 구성이 용이하도록 한 연료전지시스템을 이용하여 전원공급을 제공함으로써, 차량 주행 중 판토그라프 계측 시스템에의 전원 공급 중단 위험을 제거할 수 있으며 유지보수가 손쉽게 이루어질 수 있게 하는 등의 현저한 효과가 있다.
도 1은 일반적인 전철의 판토그라프 계측시스템의 구성을 설명하기 위한 개략도.
도 2는 종래 기술에 따른 판토그라프 계측시스템의 구성 중 판토그라프 센서계측장치의 전원 공급 시스템을 설명하기 위한 개략적인 블록도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열차의 판토그라프 센서계측장치의 전원공급시스템을 예시하는 개략적인 블록도.
도 2는 종래 기술에 따른 판토그라프 계측시스템의 구성 중 판토그라프 센서계측장치의 전원 공급 시스템을 설명하기 위한 개략적인 블록도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열차의 판토그라프 센서계측장치의 전원공급시스템을 예시하는 개략적인 블록도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구체적인 예를 들어 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일 양상에 따라 제공되는 열차의 판토그라프 센서계측장치의 전원공급시스템은, 전차선(2)으로부터 판토그라프(1)를 통해 전기를 공급받아 주행하는 열차(3)에서, 판토그라프 측에 설치된 센서들로부터 데이터를 수신하는 센서계측장치(100)와 이 센서계측장치(100)로부터 무선으로 데이터를 전송받는 차량 내에 설치된 데이터분석장치(200)를 포함하는 판토그라프 계측시스템에 있어서, 판토그라프 측에 설치되는 센서계측장치의 전원공급시스템에 관한 것이며, 특히 별도의 충전 또는 교체가 필요한 2차 전지 시스템이 아니라, 연료전지 시스템을 사용한다는 것을 특징으로 한다.
일반적으로 연료전지(Fuel cell)는 메탄올과 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 순수한 산소나 또는 공기 중의 산소를 화학 반응시켜 전기에너지를 생성시키는 발전시스템이다. 이러한 연료전지는 메탄올 또는 에탄올 등을 개질하여 만들어진 수소를 연료로 사용하여 자동차, 주택, 또는 전자기기용 전원으로서 많은 연구가 이루어지고 있다. 통상 연료전지는 수소와 산소를 공급받아 전기를 발생시키는 스택(stack), 메탄올 등의 탄화수소 계열 연료와 수증기를 공급받아 수소를 생성하기 위한 개질기(reformer), 메탄올과 같은 연료를 저장하고 있는 연료탱크, 공기와 수증기를 공급하기 위한 수단, 및 연료펌프 등의 요소들을 구비하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따라, 도 3에 예시된 바와 같이, 센서계측장치(100)의 각부에 전원을 공급하기 위한 전원공급시스템으로 채용되는 연료전지 시스템(400)은 연료공급부(410), 연료공급배관(430), 및 전기발생부(450)를 포함하여 구성될 수 있다.
연료전지 연료공급부(410)는 예컨대, 메탄올 등과 같은 탄화수소계열 연료를 가스형태로 저장하는 연료탱크를 포함하여 구성될 수 있다. 이와 같이, 연료공급부(410)에서 공급되는 연료는 탄화수소계열인 것이 바람직하고, 이는 전기적으로 부도체 상태로 운반되는 것이 바람직하다. 이 연료전지 연료공급부(410)는 판토그라프(1) 근처가 아니라 차량 내부에 설치되는 것이 바람직하다.
연료전지 전기발생부(450)는 센서계측장치(100) 내에 설치되어 연료로 전기를 발생시켜 센서계측장치(100) 내의 각부에 전원을 공급하기 위한 부분이다.
전기발생부(450)는 개질기, 스택, 열차 외부로부터 공기를 흡입하는 수단, 및 수증기를 공급하기 위한 수단을 포함할 수 있다.
개질기(미도시)는 예컨대 메탄올과 같은 탄화수소계열의 연료 가스와 수증기를 개질하여 수소 가스로 변환시켜 출력하는 수단이다.
개질기에는 연료공급부(410)로부터 연료공급배관(430)을 통해 전송된 가스 상태의 메탄올이 그대로 공급되거나 또는 연료공급배관(430)을 통해 전송된 액체 상태의 메탄올이 별도의 수단을 통해 기화된 후 공급될 수 있다.
한편 개질기에 공급되는 수증기는 전기발생부(450) 내에 구비되는 수증기를 공급하기 위한 수단에 의해 공급될 수 있다. 수증기를 공급하기 위한 수단은, 물탱크 및 물을 기화하여 개질기로 전송하는 수단을 포함할 수 있다.
본 발명에 따라, 개질기에 공급될 메탄올 가스 및 수증기는, 하나의 혼합탱크로부터 공급될 수 있다. 이 경우, 연료공급배관(430)을 통해, 이미 물이 채워져 있는 혼합탱크로 액체 상태의 메탄올이 이송되어 유입되도록 구성될 수 있다.
스택(미도시)은 개질기에서 출력된 수소와, 열차 외부로부터 공기를 흡입하는 수단에 의해 흡입된 공기 중의 산소를 이용하여 전원을 생성하는 수단이다.
상술한 전기발생부(450)를 구성하는 개질기, 스택, 열차 외부로부터 공기를 흡입하는 수단, 및 수증기를 공급하기 위한 수단은, 연료전지 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 쉽게 이해할 수 있으므로 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
연료전지 연료공급배관(430)은 연료공급부(410)로부터 전기발생부(450)로 연료를 공급하는 배관이며, 특히 전기적으로 부도체 즉 강화된 플라스틱 수지 재질과 같은 재료로 만들어지는 것이 바람직하다. 일반적으로 판토그라프(1)는 전차선(2)에 접촉하도록 유압에 의해 일정한 압력이 가해지는데, 이를 위하여 유압을 제공하기 위한 배관이 판토그라프(1)에 연결된다. 이러한 유압 제공용 배관도 전기적으로 부도체인 재질로 만들어진다. 본 발명에 따른 연료공급배관(430)의 경우 이렇게 기존 판토그라프에 유압을 제공하기 위한 배관과 동일한 재질로 만들어질 수 있다.
일반적으로 메탄올이나 에탄올과 같은 탄화수소계열의 연료는 기체 상태와 액체 상태에서 모두 전기적으로 부도체인 것으로서 잘 알려져 있다. 그러므로 부도체 재질로 제작된 연료공급배관(430)을 통해 메탄올이 가스 또는 액체 상태로 이송되는 경우, 부도체성의 연료공급배관(430)을 통해 부도체성의 연료가 공급되는 것이 쉽게 구현될 수 있다.
이상에서는 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 설명하였으나, 당업자라면 본 명세서에서 설명된 여러 가지 특징을 참조하고 조합하여 다양하고 변형된 구성이 가능하다. 따라서 본 발명의 범위가 설명된 실시예에만 국한되는 것이 아니라, 첨부된 청구범위에 의하여 해석되어야 함을 지적해둔다.
1 : 판토그라프
2 : 전차선
3 : 열차
100 : 센서계측장치
110 : 센서부
130 : 무선통신부
140 : 배터리
200 : 데이터분석장치
210 : 무선통신부
220 : 데이터수집장치부
300 : 모니터링시스템
400 : 연료전지시스템
410 : 연료공급부
430 : 연료공급배관
450 : 연료전지 전기발생부
2 : 전차선
3 : 열차
100 : 센서계측장치
110 : 센서부
130 : 무선통신부
140 : 배터리
200 : 데이터분석장치
210 : 무선통신부
220 : 데이터수집장치부
300 : 모니터링시스템
400 : 연료전지시스템
410 : 연료공급부
430 : 연료공급배관
450 : 연료전지 전기발생부
Claims (2)
- 전차선(2)으로부터 판토그라프(1)를 통해 전기를 공급받아 주행하는 열차(3)와, 판토그라프 측에 설치된 센서들로부터 데이터를 수신하는 센서계측장치(100)와 이 센서계측장치(100)로부터 무선으로 데이터를 전송받는 차량 내에 설치된 데이터분석장치(200)를 포함하는 판토그라프 계측시스템에서, 상기 센서계측장치(100)의 각부에 전원을 공급하기 위한 전원공급시스템에 있어서,
상기 차량 내에 설치된 연료전지 연료공급부(410)와;
상기 센서계측장치(100) 내에 설치되어 상기 센서계측장치(100) 내의 각부에 전원을 공급하기 위한 연료전지 전기발생부(450); 및
상기 연료공급부(410)로부터 상기 전기발생부(450)로 부도체성의 연료를 용이하게 공급하도록 전기적으로 부도체로 이루어진 연료전지 연료공급배관(430)을 포함하여 차량과는 독립적으로 전원을 공급하는 것을 특징으로 하는 열차의 판토그라프 센서계측장치의 전원공급시스템. - 청구항 1에 있어서, 상기 연료공급부(410)에서 공급되는 연료는 탄화수소계열이며, 상기 전기발생부(450)는 상기 탄화수소계열의 연료를 개질하여 수소 가스로 변환시켜 출력하는 개질기와, 열차 외부에서 공기를 흡입하기 위한 수단, 상기 개질기에서 출력된 수소와 흡입된 공기 중의 산소를 이용하여 전원을 생성하는 스택과, 및 상기 개질기에 수증기를 공급하기 위한 수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 열차의 판토그라프 센서계측장치의 전원공급시스템.
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