KR102000741B1 - 하이퍼튜브 운송 시스템의 차량 제동 장치 - Google Patents

하이퍼튜브 운송 시스템의 차량 제동 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이퍼튜브 운송 시스템의 차량 제동 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 아진공 상태의 튜브 내부를 주행하는 차량의 전두부측에 압축기 개폐 날개, 유동 틈새 막는 날개, 수분 팽창 물질을 선택적으로 설치하여 차량 전두부측을 통과하는 공기 유동을 차단하거나 차량과 튜브 사이의 간극을 통과하는 공기 유동을 차단하여 차량 제동이 이루어지게 하는, 하이퍼튜브 운송 시스템의 차량 제동 장치를 제공하고자 한다.
이를 위하여, 본 발명은, 하이퍼튜브 운송 시스템의 차량 제동 장치에 있어서, 외부 대기압측으로부터 밀폐된 내부 공간을 갖는 튜브; 상기 튜브의 내부를 주행하는 차량; 및 상기 차량측에 설치되어, 차량 전두부측을 통과하는 공기 유동을 차단하거나, 차량과 튜브 사이의 간극을 통과하는 공기 유동을 차단하는 공기 유동 차단부를 포함하며, 상기 공기 유동 차단부의 제어 동작에 의해 차량 감속 및 제동이 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이퍼튜브 운송 시스템의 차량 제동 장치를 제시한다.

Description

하이퍼튜브 운송 시스템의 차량 제동 장치{Apparatus of braking a vehicle in hypertube transportation system}
본 발명은 하이퍼튜브 운송 시스템의 차량 제동 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 아진공 상태의 튜브 내부를 주행하는 차량의 전두부측에 압축기 개폐 날개, 유동 틈새 막는 날개, 수분 팽창 물질을 선택적으로 설치하여 차량 전두부측을 통과하는 공기 유동을 차단하거나 차량과 튜브 사이의 간극을 통과하는 공기 유동을 차단하여 차량 제동이 이루어지게 하는, 하이퍼튜브 운송 시스템의 차량 제동 장치에 관한 것이다.
본 발명은 미래창조과학부 및 한국철도기술연구원의 주요사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호 : PK1701A, 과제명 : 아음속 캡슐트레인 핵심기술개발].
하이퍼튜브 운송 시스템은 아진공 상태의 튜브 내부에서 자기 부상 및 추진 방식으로 차량을 1,200 km/h 이상으로 고속으로 운송시키는 기술이다. 예컨대, 밀폐된 아진공 상태의 튜브를 철도 선로로 이용하여 마그레브(maglev) 대비 소음과 공기 저항을 줄여서 초고속 운송이 가능한 기술로서 최근에 각광받고 있다.
하이퍼튜브 운송 시스템은, 내부를 저압 상태, 즉 아진공 상태로 유지시키도록 외부와 격리되는 튜브와, 아진공 상태의 튜브 내부를 주행하는 차량과, 튜브의 궤도측에 구비되는 고정자와 이 튜브측 고정자에 대응되는 차량에 구비되는 회전자로 구성되어 튜브의 길이 방향으로 추진력을 발생시키는 선형 동기 전동기(LSM; Linear Synchronous Motor)와, 차량을 자기력으로 부상시키되 차량을 튜브 내의 동심축 상에 배치시키는 부상안내수단과, 튜브의 내주면 상부와 이에 대응되는 차량의 외주면에 설치되어 차량에 전력을 공급시키는 급전장치 등을 포함하여 구성된다.
하이퍼튜브 운송 시스템은 1,200 km/h 이상과 같이 음속에 가까운 초고속 지상 운송 수단으로서, 그 만큼 차량 감속 및 제동을 하는 기술이 무엇보다도 중요하다.
즉, 차량의 어떤 장치에 문제가 생기거나, 차량 간 충돌 위험이 발생되거나, 외란에 의해 튜브 궤도에 파손이 발생되는 등 다양한 위험 상황 시 신속하고 정확하게 차량 감속 및 제동이 이루어져야 한다. 물론, 하이퍼튜브 운송 시스템에서 목적지에 도착되는 차량에 대해 감속 및 제동이 제대로 이루어져야 하는 것은 당연하다.
일반적으로, 하이퍼튜브 운송 시스템에서 자기 부상 및 추진 방식으로 차량 주행 및 감속 제동을 할 수 있는데, 예컨대 튜브 궤도에 설치한 선형 동기 전동기(LSM; Linear Synchronous Motor)의 자기력을 이용하여 차량 주행 및 감속 제동을 하는데, 이와 같은 종래기술은 선형 동기 전동기(LSM)가 설치된 튜브 궤도 일부 구간에서만 차량 제동을 할 수 있는 문제점이 있다. 더군다나, 튜브 궤도 모든 구간에서 차량 제동이 가능하기 위해서는 튜브 궤도 모든 구간에 선형 동기 전동기(LSM)를 설치해야 돼서 하이퍼튜브 운송 시스템의 건설 비용이 과다해 지는 문제점이 있다.
한편, 현재 여러 나라에서 하이퍼튜브 운송 시스템을 개발하고 있는데, 대부분 차량 주행 기법에 대한 연구개발에만 집중하고 있을 뿐, 차량 제동 기법, 예컨대 아진공 상태의 튜브 내부를 주행하는 차량에 대해 모래를 이용하여 제동을 한다 등 차량 제동 개념만을 언급하고 있을 뿐, 구체적인 차량 제동 구현기술에 대해서는 전혀 제시하지 못하고 있다.
이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고 상기와 같은 요구에 부응하기 위하여 제안된 것으로, 아진공 상태의 튜브 내부를 주행하는 차량의 전두부측에 압축기 개폐 날개, 유동 틈새 막는 날개, 수분 팽창 물질을 선택적으로 설치하여 차량 전두부측을 통과하는 공기 유동을 차단하거나 차량과 튜브 사이의 간극을 통과하는 공기 유동을 차단하여 차량 제동이 이루어지게 하는, 하이퍼튜브 운송 시스템의 차량 제동 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다. 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 하이퍼튜브 운송 시스템의 차량 제동 장치에 있어서, 외부 대기압측으로부터 밀폐된 내부 공간을 갖는 튜브; 상기 튜브의 내부를 주행하는 차량; 및 상기 차량측에 설치되어, 차량 전두부측을 통과하는 공기 유동을 차단하거나, 차량과 튜브 사이의 간극을 통과하는 공기 유동을 차단하는 공기 유동 차단부를 포함하며, 상기 공기 유동 차단부의 제어 동작에 의해 차량 감속 및 제동이 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이퍼튜브 운송 시스템의 차량 제동 장치를 제시한다.
본 발명은 아진공 상태의 튜브 환경에 최적화된 차량 전두부측 공기 유동 차단 기법을 제시하여 차량 제동이 이루어지게 함으로써, 하이퍼튜브 운송 시스템에서 목적지 도착 등과 같은 정상 운행 환경에서의 제동, 차량의 어떤 장치에 문제가 생기거나, 차량 간 충돌 위험이 발생되거나, 외란에 의해 튜브 궤도에 파손이 발생되는 등 다양한 위험 상황에 대응하는 비상 제동 등 신속하고 정확하게 차량 감속 및 제동을 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 선형 동기 전동기(LSM)가 설치되어 있지 않은 튜브 궤도 모든 구간에서도 차량 감속 및 제동을 할 수 있어 하이퍼튜브 운송 시스템의 건설 비용을 절감할 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1a는 본 발명이 적용되는 하이퍼튜브 운송 시스템을 보여주는 설명도.
도 1b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 하이퍼튜브 운송 시스템의 차량 제동 장치에 대한 구성도.
도 2a 내지 도 2c는 도 1b의 압축기 개폐 날개에 대한 사시도.
도 3은 도 1b의 압축기 개폐 날개를 사용한 경우에 차량 제동 성능을 보여주는 그래프.
도 4는 도 1b의 유동 틈새 막는 날개에 대한 사시도.
도 5는 도 1b의 유동 틈새 막는 날개의 동작을 보여주는 설명도.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 차량 제동 장치의 동작 제어 알고리즘에 대한 설명도.
도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 압축기 개폐 날개의 각도 및 유동 틈새 막는 날개의 각도를 보여주는 설명도.
도 8a, 도 8b, 도 9a 및 도 9b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 하이퍼튜브 운송 시스템의 차량 제동 장치에 대한 구성도.
도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 수분 팽창 물질의 급수 장치를 보여주는 설명도.
도 11a 내지 도 11e는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 수분 팽창 물질을 보여주는 설명도.
하기의 설명에서 본 발명의 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있는데, 이들 특정 상세들 없이 또한 이들의 변형에 의해서도 본 발명이 용이하게 실시될 수 있다는 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 본 발명에 따른 동작 및 작용을 이해하는데 필요한 부분을 중심으로 설명한다.
도 1a는 본 발명이 적용되는 하이퍼튜브 운송 시스템을 보여주는 설명도이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 일반적으로 하이퍼튜브 운송 시스템은 아진공 상태의 튜브 내부를 자기 부상 및 추진 방식으로 차량이 1,200 km/h 이상으로 고속 주행하며, 튜브 내부에서 공기 저항에 의한 차량 속도 저하를 방지하기 위해 차량 전두부측에 압축기를 구비하여 차량 전두부로 유입되는 공기를 압축하여 후방으로 토출시킨다. 덧붙여, 도 1a에서 차량의 전두부측에 압축기의 팬이 도시되어 있는 것을 볼 수 있다.
즉, 튜브 내부를 고속으로 주행하는 차량은 칸트로위쯔 한계 현상(Kantrowitz Limit)에 의해 최고 속도에 제한을 받게 되는데, 최고 속도가 음속에 가까워질수록 튜브와 차량 사이를 통과하는 유속이 거의 제로에 가까워져 쵸킹(choking) 현상이 발생된다. 이러한 한계를 돌파하기 위하여 차량 전두부측에 축류식 압축기를 구비하여 쵸킹 현상을 회피하는 것이다.
한편, 본 발명이 속하는 기술분야의 하이퍼튜브 운송 시스템은 본 출원인에 의한 대한민국 공개특허 제2010-0090406호(명칭 : 추진 및 안내 일체형 튜브 운송 시스템), 등록특허 제1015170호(명칭 : 튜브식 자기부상열차), 등록특허 제1130807호(명칭 : 튜브 철도 시스템의 진공 분할 관리 시스템 및 진공 차단막 장치), 등록특허 제1130811호(명칭 : 튜브철도시스템의 튜브 선로와 대기압 선로의 인터페이스 정거장 장치 및 제어방법) 등에 제시되어 있다.
본 발명의 기술 이해를 도모하고자 하이퍼튜브 운송 시스템의 기본적 기술 구성에 대해 살펴보면 다음과 같으며, 이러한 기본적 기술 구성에 의해 본 발명의 기술 요지가 한정되지는 않음을 밝혀 둔다.
하이퍼튜브 운송 시스템은, 내부를 저압 상태, 즉 아진공 상태로 유지시키도록 외부와 격리되는 튜브와, 아진공 상태의 튜브 내부를 주행하는 차량과, 튜브의 궤도측에 구비되는 고정자와 이 튜브측 고정자에 대응되는 차량에 구비되는 회전자로 구성되어 튜브의 길이 방향으로 추진력을 발생시키는 선형 동기 전동기(LSM; Linear Synchronous Motor)와, 차량을 자기력으로 부상시키되 차량을 튜브 내의 동심축 상에 배치시키는 부상안내수단과, 튜브의 내주면 상부와 이에 대응되는 차량의 외주면에 설치되어 차량에 전력을 공급시키는 급전장치 등을 포함하여 구성된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에서 제시하는 하이퍼튜브 운송 시스템의 차량 제동 장치를 설명하는데 있어, 하이퍼튜브 운송 시스템의 기본적 기술 구성에 대해서는 그 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 하이퍼튜브 운송 시스템의 차량 제동 장치에 대한 구성도이고, 도 2a 내지 도 2c는 도 1b의 압축기 개폐 날개에 대한 사시도이고, 도 3은 도 1b의 압축기 개폐 날개를 사용한 경우에 차량 제동 성능을 보여주는 그래프이고, 도 4는 도 1b의 유동 틈새 막는 날개에 대한 사시도이고, 도 5는 도 1b의 유동 틈새 막는 날개의 동작을 보여주는 설명도이고, 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 차량 제동 장치의 동작 제어 알고리즘에 대한 설명도이고, 도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 압축기 개폐 날개의 각도 및 유동 틈새 막는 날개의 각도를 보여주는 설명도이고, 도 8a, 도 8b, 도 9a 및 도 9b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 하이퍼튜브 운송 시스템의 차량 제동 장치에 대한 구성도이고, 도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 수분 팽창 물질의 급수 장치를 보여주는 설명도이고, 도 11a 내지 도 11e는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 수분 팽창 물질을 보여주는 설명도이다.
본 발명은 하이퍼튜브 운송 시스템의 차량 제동 장치, 즉, 아진공 상태의 튜브 환경에 최적화된 차량 전두부측 공기 유동 차단 기법을 제시하여 차량 제동이 이루어지게 한다.
구체적으로는, 본 발명에서는 아진공 상태의 튜브 내부를 주행하는 차량의 전두부측에 압축기 개폐 날개, 유동 틈새 막는 날개, 수분 팽창 물질을 선택적으로 설치하여 차량 전두부측을 통과하는 공기 유동을 차단하거나 차량과 튜브 사이의 간극을 통과하는 공기 유동을 차단하여 차량 감속 및 제동이 이루어지게 한다. 본 발명에서 압축기 개폐 날개, 유동 틈새 막는 날개, 수분 팽창 물질을 차량측 공기 유동 차단부라 명명할 수 있다.
또한, 본 발명은 차량 전두부측에 설치한 압축기 개폐 날개와 유동 틈새 막는 날개로 차량 제동을 수행하는데 있어 지능형 제어 알고리즘(일명 : KLB & VC ; Kantrowitz Limit Braking & Velocity Control)을 제시한다.
앞서 설명한 것처럼 튜브 내부를 고속으로 주행하는 차량은 칸트로위쯔 한계 현상(Kantrowitz Limit)에 의해 최고 속도에 제한을 받게 되는데, 최고 속도가 음속에 가까워질수록 튜브와 차량 사이를 통과하는 유속이 거의 제로에 가까워져 쵸킹(choking) 현상이 발생된다. 이와 같이 튜브 내부를 주행하는 차량에 칸트로위쯔 한계가 적용되면 튜브 내부에서 그 차량의 최고 속도가 정해진다. 여기서 칸트로위쯔 한계가 적용되는 차량의 속도는 대략 음속 보다 약간 낮은 속도에서 차량과 튜브의 단면적비, 즉 폐색율(BR ; Blockage Ratio)에 따라 정해진다.
이에, 본 발명은 칸트로위쯔 한계 현상(Kantrowitz Limit)을 응용한 공기 유동 차단 기법으로 구현한 차량 감속 및 제동 기술을 제시하고자 한다.
도 1b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 하이퍼튜브 운송 시스템의 차량 제동 장치에 대한 구성도이다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 아진공 상태의 튜브(10)의 내부를 주행하는 차량(20)의 전두부측에는 압축기 팬(21)이 구비되어 있으며, 특히 본 발명에서 제시하는 칸트로위쯔 한계 현상(Kantrowitz Limit)을 응용한 공기 유동 차단 기법에 기반한 차량 제동 장치로서 압축기 개폐 날개(30) 또는/및 유동 틈새 막는 날개(40)가 차량 전두부측에 구비되어 있다.
압축기 개폐 날개(30)는 차량 전두부측 압축기 팬(21)의 전단에 설치되는 것이 바람직하며, 도 1b과 같이 차량이 주행하고 있는 동안에 압축기 개폐 날개(30)는 차량 전두부측 압축기 팬(21)으로 공기가 유입되게 그 날개가 열린 상태이고, 차량 감속 및 제동 시 압축기 개폐 날개(30)는 차량 전두부측 압축기 팬(21)으로 공기 유입이 차단되게 그 날개가 점진적으로 닫히는 동작을 수행한다. 이러한 압축기 개폐 날개(30)의 동작 제어는 후술할 지능형 제어 알고리즘(일명 : KLB & VC ; Kantrowitz Limit Braking & Velocity Control)에 의해 수행된다. 도면에 도시하지 않았으나 압축기 개폐 날개(30)의 동작은 액츄에이터, 유압 모터, 공압 모터 등 구동장치에 의해 이루어진다.
유동 틈새 막는 날개(40)는 차량(20)의 둘레 방향으로 설치되는 것이 바람직하며, 도 1b과 같이 차량이 주행하고 있는 동안에 유동 틈새 막는 날개(40)는 차량(20)의 길이 방향으로 눕혀져 있는 상태로 튜브(10)와 차량(20) 사이의 간극에 공기가 통과되게 하고, 차량 감속 및 제동 시 유동 틈새 막는 날개(40)는 튜브(10)와 차량(20) 사이의 간극으로 공기 통과가 차단되게 차량(20)의 단면적 방향으로 그 날개가 점진적으로 세워지는(펼쳐지는) 동작을 수행한다. 이러한 유동 틈새 막는 날개(40)의 동작 제어는 후술할 지능형 제어 알고리즘(일명 : KLB & VC ; Kantrowitz Limit Braking & Velocity Control)에 의해 수행된다. 도면에 도시하지 않았으나 유동 틈새 막는 날개(40)의 동작은 액츄에이터, 유압 모터, 공압 모터 등 구동장치에 의해 이루어진다.
한편, 도 1b에서는 유동 틈새 막는 날개(40)가 차량 전두부측에 설치되어 있는 예를 보여주는 것으로 차량 길이 방향으로 전두부측, 중간부측, 후미부측 등 차량의 둘레 방향으로 설치되어 있으면 족하다. 덧붙여, 유동 틈새 막는 날개(40)는 차량이 주행하고 있는 동안에 차량(20)의 둘레 방향 표면에 밀착되게 설치되어 있는 것이며, 도 1b에서는 유동 틈새 막는 날개(40)를 보여주기 위해 다소 세워진 모습인 점은 당업자 수준에서 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
도 2a 내지 도 2c는 도 1b의 압축기 개폐 날개에 대한 사시도이다.
도 2a는 차량이 주행하고 있는 동안에 압축기 개폐 날개(30)를 정면에서 바라본 모습이고, 도 2b는 차량이 주행하고 있는 동안에 압축기 개폐 날개(30)를 측면에서 바라본 모습으로, 압축기 개폐 날개(30)가 열린 상태를 보여주고 있다. 압축기 개폐 날개(30)가 열린 상태는 그릴 형상으로 보일 수 있다.
도 2c는 차량 감속 및 제동 시 압축기 개폐 날개(30)를 측면에서 바라본 모습으로, 압축기 개폐 날개(30)가 닫힌 상태를 보여주고 있다.
도 2c와 같이 압축기 개폐 날개(30)를 완전히 닫아서 차량 전두부측 압축기 팬(21)으로 공기 유입이 모두 차단되게 하면, 차량 감속 및 제동 시 칸트로위쯔 한계 현상(Kantrowitz Limit)에 의해 아진공 상태의 튜브 내부를 1,200 km/h 이상으로 고속 주행하던 차량(20)을 700 km/h 속도 이하로 감속시킬 수 있다.
도 3은 도 1b의 압축기 개폐 날개를 사용한 경우에 차량 제동 성능을 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 압축기 개폐 날개(30)를 닫힌 경우에 아진공 상태의 튜브(10)의 내부에서 칸트로위쯔 한계 현상(Kantrowitz Limit)에 의해 차량(20)의 주행 속도가 감속되는 성능을 보여주고 있다. 여기서, 'Vo'는 음속을 의미한다.
즉, 압축기 개폐 날개(30)가 완전히 닫힌 경우에는 아진공 상태의 튜브(10)의 내부에서 튜브(10)와 차량(20) 사이의 간극을 통해서만 유동이 가능하고, 결국에는 쵸킹(choking) 현상이 발생되어 차량(20)을 700 km/h 속도 이하로 감속시킬 수 있는 것이다.
도 4는 도 1b의 유동 틈새 막는 날개에 대한 사시도이다.
도 4는 차량 감속 및 제동 시 유동 틈새 막는 날개(40)를 정면에서 바라본 모습으로, 유동 틈새 막는 날개(40)가 완전히 세워진(펼쳐진) 상태를 보여주고 있다. 유동 틈새 막는 날개(40)가 완전히 세워진(펼쳐진) 상태는 유동 틈새 막는 날개(40)의 단부가 튜브(10)의 내부 표면에 완전히 밀착될 수 있다. 따라서, 유동 틈새 막는 날개(40)의 형상 및 크기는 차량(20)의 둘레 및 길이 방향의 형상 및 크기와, 튜브(10)의 내부 표면의 둘레 및 길이 방향의 형상 및 크기와, 차량(20)과 튜브(10)의 간극에 의해 설계될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이 본 발명에서 압축기 개폐 날개(30)를 사용해 차량 감속 및 제동 시 칸트로위쯔 한계 현상(Kantrowitz Limit)에 의해 아진공 상태의 튜브 내부를 1,200 km/h 이상으로 고속 주행하던 차량(20)을 700 km/h 속도 이하로 감속시키는데, 이어서 유동 틈새 막는 날개(40)를 완전히 세우게(펼치게) 되면, 예컨대 날개 각도를 90°가 되면 튜브(10)와 차량(20) 사이의 간극으로 공기 통과가 완전히 차단되어 차량(20)의 속도가 점점 낮아지면서 정차하게 되는 것이다.
도 5는 도 1b의 유동 틈새 막는 날개의 동작을 보여주는 설명도이다.
도 5에 도시된 바와 같이 유동 틈새 막는 날개(40)는 차량(20)의 외부 표면에 힌지 형태(41)로 장착될 수 있고, 액츄에이터, 유압 모터, 공압 모터 등 구동장치(42)에 의해 상승 및 하강 동작이 될 수 있고, 유동 틈새 막는 날개(40)와 구동장치(42)는 슬라이딩 부재(43)로 결합될 수 있다.
다음으로, 본 발명에서 제시하는 압축기 개폐 날개(30)와 유동 틈새 막는 날개(40)로 차량 제동을 수행하는데 있어 지능형 제어 알고리즘(일명 : KLB & VC ; Kantrowitz Limit Braking & Velocity Control)을 제시한다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 차량 제동 장치의 동작 제어 알고리즘에 대한 설명도이고, 도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 압축기 개폐 날개의 각도 및 유동 틈새 막는 날개의 각도를 보여주는 설명도이다.
도 6a, 도 6b 및 도 7에서 Vt는 시간에 따른 차량의 속도를, Va는 시간 평균한 차량의 속도를, VT는 차량의 목표 속도를, ag는 차량 감속도를, X°는 압축기 개폐 날개의 닫히는 각도를, Y°는 유동 틈새 막는 날개의 세워지는 각도를 의미한다.
아진공 상태의 튜브(10)의 내부를 차량(20)이 주행하다가 차량 감속 및 제동을 해야 되는 상황이 발생되면, 차량 전두부측 압축기의 구동을 오프한다. 차량(20)이 정상 주행하는 상태에서는 차량 전두부측 압축기가 구동되고 있고, 압축기 개폐 날개(30)가 열린 상태로 되어 있고, 유동 틈새 막는 날개(40)가 세워져(펼쳐져) 있지 않는 상태로 되어 있다.
차량 전두부측 압축기 구동 오프에 따라 칸트로위쯔 한계 현상(Kantrowitz Limit)에 의해 차량(20)의 주행 속도가 1,200 km/h 속도로부터 800 km/h 속도 이하로 감속이 된다.
차량 전두부측 압축기 구동 오프로 감속한 속도가 목표로 한 차량 속도 VT가 아닐 경우에는 압축기 개폐 날개(30)를 예를 들어 1°씩 점진적으로 올리면서 차량 목표 속도가 될 때까지 진행한다.
이때, 차량 감속도 ag가 0.5g 이하 등과 같이 차량 감속 동작의 영향으로 승객의 심신에 불편함을 주지 않는 경우에 압축기 개폐 날개(30)의 각도 X°를 예를 들어 1°씩 점진적으로 올려 압축기 개폐 날개(30)를 닫는 동작을 수행한다. 즉, 극한 차량 제동 조건이 발생되지 않는 한, 차량 감속도 ag가 0.5g를 초과하여 차량 감속 동작으로 승객의 심신에 불편함을 주는 경우에는 압축기 개폐 날개(30)를 닫는 동작을 보류하는 것이 바람직하다. 예컨대, 차량의 감속도 ag가 0.5g를 초과하면 0.5g 이하가 될 때까지 압축기 개폐 날개(30)를 닫는 동작을 중단하였다가 다시 압축기 개폐 날개(30)를 닫는 동작을 재개한다. 이러한 제어는 압축기 개폐 날개(30)가 완전히 닫힐 때까지 진행할 수 있다.
압축기 개폐 날개(30)를 완전히 닫으면 2차 칸트로위쯔 한계 현상(Kantrowitz Limit)에 의해 차량(20)의 주행 속도가 대략 700 km/h 이하의 속도로 감속이 된다.
이후에, 차량 속도, 예컨대 시간 평균한 차량 속도 Va 또는 시간에 따른 차량 속도 Vt를 측정하여, 차량 속도가 차량 목표 속도 VT 이하이면 압축기 개폐 날개(30)를 닫는 동작을 중단한다.
한편, 차량 속도, 예컨대 시간 평균한 차량 속도 Va 또는 시간에 따른 차량 속도 Vt를 측정하여, 차량 속도가 차량 목표 속도 VT를 초과하면 유동 틈새 막는 날개(40)의 세워지는 각도 Y°를 예를 들어 1°씩 점진적으로 올리면서 차량 목표 속도가 될 때까지 진행한다.
이때, 차량 감속도 ag가 0.5g 이하 등과 같이 차량 감속 동작의 영향으로 승객의 심신에 불편함을 주지 않는 경우에 유동 틈새 막는 날개(40)의 각도 Y°를 예를 들어 1°씩 점진적으로 올려 유동 틈새 막는 날개(40)를 세우는 동작을 수행한다. 즉, 극한 차량 제동 조건이 발생되지 않는 한, 차량 감속도 ag가 0.5g를 초과하여 차량 감속 동작으로 승객의 심신에 불편함을 주는 경우에는 유동 틈새 막는 날개(40)를 세우는 동작을 보류하는 것이 바람직하다. 예컨대, 차량의 감속도 ag가 0.5g를 초과하면 0.5g 이하가 될 때까지 유동 틈새 막는 날개(40)의 세우는 동작을 중단하였다가 다시 유동 틈새 막는 날개(40)의 세우는 동작을 재개한다. 이러한 제어는 유동 틈새 막는 날개(40)의 각도 Y°가 90°가 될 때까지 진행할 수 있다.
한편, 유동 틈새 막는 날개(40)의 세우는 동작을 수행하면서 차량 속도, 예컨대 시간 평균한 차량 속도 Va 또는 시간에 따른 차량 속도 Vt를 측정하여, 차량 목표 속도 VT에 도달하면 유동 틈새 막는 날개(40)의 세우는 동작을 종료한다.
다음으로, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 하이퍼튜브 운송 시스템의 차량 제동 장치에 대해 도 8a 내지 도 11e를 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.
도 8a, 도 8b, 도 9a 및 도 9b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 하이퍼튜브 운송 시스템의 차량 제동 장치에 대한 구성도이다.
본 발명의 제 2 실시예에서는 아진공 상태의 튜브(10) 내부를 주행하는 차량(20)의 전두부측 둘레 방향으로 수분 팽창 물질(50)을 설치하여 튜브(10)와 차량(20) 사이의 간극으로 통과하는 공기 유동을 차단하여 차량 감속 및 제동이 이루어지게 한다.
도 8a 및 도 8b는 차량 감속 및 제동이 없는 정상 주행 환경 등 평상 시, 수분 팽창 물질(50)이 차량(20)에 구비된 하이퍼튜브 운송 시스템을 측면 및 정면에서 바라본 모습으로, 수분 팽창 물질(50)이 팽창되어 있지 않은 상태로 평상 시에는 차량 전두부측 압축기와, 튜브(10)와 차량(20) 사이의 간극으로 유동이 통과되어 차량 감속 및 제동에 어떠한 영향도 미치지 않음을 볼 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 차량 감속 및 제동 시, 수분 팽창 물질(50)이 차량(20)에 구비된 하이퍼튜브 운송 시스템을 측면 및 정면에서 바라본 모습으로, 수분 팽창 물질(50)이 팽창되어 있는 상태로 튜브(10)와 차량(20) 사이의 간극으로 유동 차단되어 차량 감속 및 제동이 이루어지는 것을 볼 수 있다. 덧붙여, 본 발명의 제 2 실시예에서 차량 전두부측 압축기로의 유동 차단을 위해 본 발명의 제 1 실시예에서 설명한 압축기 개폐 날개(30)를 닫을 수 있다.
즉, 차량 감속 및 제동이 없는 정상 주행 환경 등 평상 시에는 차량(20)의 전두부측에 최소한의 부피를 갖는 수분 팽창 물질(50)이 구비되어 있고, 차량 감속 및 제동 시 수분 팽창 물질(50)에 수분을 공급해 이 수분 팽창 물질(50)이 급속히 팽창되게 하여 튜브(10)와 차량(20) 사이의 간극을 틈새 없이 완전히 밀폐할 수 있게 한다.
수분 팽창 물질(50)이 완전히 팽창된 상태는 수분 팽창 물질(50)의 단부가 튜브(10)의 내부 표면에 완전히 밀착될 수 있다. 따라서, 수분 팽창 물질(50)의 형상 및 크기는 차량(20)의 둘레 및 길이 방향의 형상 및 크기와, 튜브(10)의 내부 표면의 둘레 및 길이 방향의 형상 및 크기와, 차량(20)과 튜브(10)의 간극에 의해 설계될 수 있다.
한편, 도 8a 및 도 9a에서는 수분 팽창 물질(50)이 차량 전두부측에 설치되어 있는 예를 보여주는 것으로 차량 길이 방향으로 전두부측, 중간부측, 후미부측 등 차량의 둘레 방향으로 설치되어 있으면 족하다. 덧붙여, 수분 팽창 물질(50)은 차량이 주행하고 있는 동안에 차량(20)의 둘레 방향 표면에 밀착되게 설치되어 있는 것이며, 도면에서는 수분 팽창 물질(50)을 보여주기 위해 다소 두께가 있는 모습인 점은 당업자 수준에서 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 제 1 실시예에 따른 압축기 개폐 날개(30)를 사용해 차량 감속 및 제동 시 칸트로위쯔 한계 현상(Kantrowitz Limit)에 의해 아진공 상태의 튜브 내부를 1,200 km/h 이상으로 고속 주행하던 차량(20)을 700 km/h 속도 이하로 감속시키는데, 이어서 수분 팽창 물질(50)을 완전히 팽창시키게 되면 튜브(10)와 차량(20) 사이의 간극으로 공기 통과가 완전히 차단되어 차량(20)의 속도가 점점 낮아지면서 정차하게 되는 것이다.
도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 수분 팽창 물질의 급수 장치를 보여주는 설명도이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 수분 팽창 물질(50)에 수분을 공급하는 급수 장치는 차량(20)의 압축기와 연동된 냉각장치의 잔여물인 물을 수분 팽창 물질(50)로 공급한다.
즉, 차량(20)의 전두부측 축류 압축기(Axial Compressor)에서 발생되는 공기는 600 ℃ 이상을 상회하므로 이때 냉각장치에서 얼음(슬러쉬) 및 물을 이용하여 냉각하고 수분이 잔여물로 남는데, 차량 감속 및 제동 시 냉각장치로부터 수분 팽창 물질(50)에 연결된 도관 개폐 등을 통해 이 수분을 공급해 수분 팽창 물질(50)을 팽창시킨다.
본 발명의 수분 팽창 물질(50)은 평상 시에는 수축된 상태로 있다가 외부로부터 수분을 공급받으면 그 부피가 커지는 물질로 구현될 수 있다. 예를 들어, 염화칼슘 함침 기공구조체와 초흡수성 고분자 혼성 물질(SAP-iMPS-pCC : CaCl2-in-MesoPorous Silica grown on SuperAbsorbent Polymer) 또는 MPS-pCC 흡수성 물질 또는 제올라이트(Zeolite) 흡수성 물질 또는 실리카겔(Silica Gel) 흡수성 물질 등으로 수분 팽창 물질(50)을 제작할 수 있다. 이 중에서 염화칼슘 함침 기공구조체와 초흡수성 고분자 혼성 물질(SAP-iMPS-pCC)이 바람직하다.
도 11a 내지 도 11e는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 수분 팽창 물질을 보여주는 설명도이다.
제올라이트(Zeolite) 흡수성 물질 또는 실리카겔(Silica Gel) 흡수성 물질이 수분을 흡수할 경우에 그 부피가 300 배 팽창을 하는 것으로 알려져 있고, 염화칼슘 함침 기공구조체와 초흡수성 고분자 혼성 물질(SAP-iMPS-pCC)이 수분을 흡수할 경우에 그 부피가 1,000 배까지 팽창하는 신규 화학 물질로 알려져 있다. 따라서, 튜브(10)와 차량(20) 사이의 간극 설계에 무관하게 수분 팽창 물질(50)로 염화칼슘 함침 기공구조체와 초흡수성 고분자 혼성 물질(SAP-iMPS-pCC)을 사용하게 되면 튜브(10)와 차량(20) 사이의 간극을 틈새 없이 완전히 밀폐할 수 있다.
도 11a는 염화칼슘 함침 기공구조체와 초흡수성 고분자 혼성 물질(SAP-iMPS-pCC : CaCl2-in-MesoPorous Silica grown on SuperAbsorbent Polymer)의 현미경 사진을 보여주고 있다. 염화칼슘 함침 기공구조체와 초흡수성 고분자 혼성 물질(SAP-iMPS-pCC)은 기존의 흡수성 물질인 MPS-pCC 보다 6배 이상의 수분을 흡수하는 능력을 가지고 있다.
도 11b는 20 ℃ 온도 조건에서 염화칼슘 함침 기공구조체와 초흡수성 고분자 혼성 물질(SAP-iMPS-pCC)의 수분 흡수 능력을 보여주고 있다.
도 11c는 30 ℃ 온도 조건에서 염화칼슘 함침 기공구조체와 초흡수성 고분자 혼성 물질(SAP-iMPS-pCC)의 수분 흡수 능력을 보여주고 있다.
도 11d는 다양한 상대 압력 하에서 염화칼슘 함침 기공구조체와 초흡수성 고분자 혼성 물질(SAP-iMPS-pCC)의 수분 흡수 능력을 보여주고 있다.
도 11e는 다양한 시간에 대한 염화칼슘 함침 기공구조체와 초흡수성 고분자 혼성 물질(SAP-iMPS-pCC)의 BET 데이터를 보여주고 있다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10 : 튜브 20 : 차량
21 : 압축기 팬 30 : 압축기 개폐 날개
40 : 유동 틈새 막는 날개 50 : 수분 팽창 물질

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 하이퍼튜브 운송 시스템의 차량 제동 장치에 있어서,
    외부 대기압측으로부터 밀폐된 내부 공간을 갖는 튜브;
    상기 튜브의 내부를 주행하는 차량; 및
    상기 차량측에 설치되어, 차량 전두부측을 통과하는 공기 유동을 차단하거나, 차량과 튜브 사이의 간극을 통과하는 공기 유동을 차단하는 공기 유동 차단부를 포함하고,
    상기 공기 유동 차단부의 제어 동작에 의해 차량 감속 및 제동이 이루어지며,
    상기 공기 유동 차단부는 압축기 개폐 날개를 포함하며,
    상기 압축기 개폐 날개는 차량 전두부측 압축기의 전단에 설치되어, 차량 감속 및 제동 시 차량 전두부측 압축기로 공기 유입이 차단되게 그 날개가 닫히는 것을 특징으로 하는 하이퍼튜브 운송 시스템의 차량 제동 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 차량의 감속 및 제동을 수행하는데 있어, 차량 목표 속도에 도달하지 않으면 상기 압축기 개폐 날개를 점진적으로 닫으면서 차량 목표 속도가 될 때까지 동작 제어하는 것을 특징으로 하는 하이퍼튜브 운송 시스템의 차량 제동 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 압축기 개폐 날개를 점진적으로 닫는데 있어, 사전에 설정해 놓은 차량 감속도를 초과하면 상기 압축기 개폐 날개를 닫는 동작을 보류하고, 사전에 설정해 놓은 차량 감속도 이하가 되면 상기 압축기 개폐 날개를 닫는 동작을 재개하는 것을 특징으로 하는 하이퍼튜브 운송 시스템의 차량 제동 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 하이퍼튜브 운송 시스템의 차량 제동 장치에 있어서,
    외부 대기압측으로부터 밀폐된 내부 공간을 갖는 튜브;
    상기 튜브의 내부를 주행하는 차량; 및
    상기 차량측에 설치되어, 차량 전두부측을 통과하는 공기 유동을 차단하거나, 차량과 튜브 사이의 간극을 통과하는 공기 유동을 차단하는 공기 유동 차단부를 포함하고,
    상기 공기 유동 차단부의 제어 동작에 의해 차량 감속 및 제동이 이루어지며,
    상기 공기 유동 차단부는 수분 팽창 물질을 포함하며,
    상기 수분 팽창 물질은 차량의 둘레 방향으로 설치되어, 차량 감속 및 제동 시 튜브와 차량 사이의 간극으로 공기 통과가 차단되게 그 물질이 팽창되는 것을 특징으로 하는 하이퍼튜브 운송 시스템의 차량 제동 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 수분 팽창 물질은 염화칼슘 함침 기공구조체와 초흡수성 고분자 혼성 물질(SAP-iMPS-pCC : CaCl2-in-MesoPorous Silica grown on SuperAbsorbent Polymer) 또는 MPS-pCC 흡수성 물질 또는 제올라이트(Zeolite) 흡수성 물질 또는 실리카겔(Silica Gel) 흡수성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이퍼튜브 운송 시스템의 차량 제동 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 수분 팽창 물질을 팽창시키는데 있어, 차량측에 설치되어 있는 냉각장치의 물을 수분 팽창 물질로 공급하는 것을 특징으로 하는 하이퍼튜브 운송 시스템의 차량 제동 장치.
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