KR20210129292A - Integrated thermal management system for railway vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 철도차량 및 전장품 열관리 통합시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 철도차량에 사용되는 배터리, 수소 연료전지, 그 밖의 반도체 소자를 활용한 전장품들의 냉각을 통한 열관리를 하는데 있어, 철도차량의 실내 냉난방을 위한 공조장치와 통합 운영할 수 있도록 하여 전장품 등에서 발생한 폐열을 철도차량의 실내 냉난방에 이용할 수 있도록 함으로써 철도차량의 열관리 및 에너지 사용을 보다 효과적으로 운영할 수 있도록 하는 철도차량 및 전장품 열관리 통합시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an integrated system for thermal management of railway vehicles and electrical components, and more particularly, in thermal management through cooling of electrical components using batteries, hydrogen fuel cells, and other semiconductor devices used in railway vehicles, the interior of the railway vehicle It is an integrated system for thermal management of railway vehicles and electronic components that allows for more effective operation of thermal management and energy use of railway vehicles by allowing waste heat generated from electrical components to be used for indoor heating and cooling of railway vehicles by integrating operation with the air conditioning system for heating and cooling. it's about
최근, 철도차량의 경량화, 안정성 및 에너지효율 향상, 유지보수 비용 절감 등을 위하여 전력변환소자 등 반도체를 활용한 전장품의 기술개발이 이루어지고 있다.Recently, in order to reduce the weight of railroad vehicles, to improve stability and energy efficiency, and to reduce maintenance costs, technology development of electric devices using semiconductors, such as power conversion elements, is being carried out.
반도체 소자를 활용한 전장품은 효율 등에 따라 손실이 발생하며, 이러한 손실은 대부분 열에너지로 전환된다.Electrical equipment using semiconductor devices causes losses depending on efficiency, etc., and most of these losses are converted into thermal energy.
전장품의 열손실에 의한 온도상승이 다시 소자의 효율 및 안정성에 영향을 미치므로 효율적인 열관리가 필수적으로 요구된다. 또한, 수소연료전지, 배터리 등 발열을 수반하는 장치들을 적용함에 따라 열관리 장치가 필요하다.Efficient thermal management is essential because the temperature rise due to the heat loss of electrical equipment affects the efficiency and stability of the device again. In addition, a thermal management device is required as devices that generate heat, such as a hydrogen fuel cell and a battery, are applied.
이러한, 전장품들의 열관리는 공랭식 또는 수랭식으로 이루어지는 개별적인 냉각장치를 통해 이루어지고 있으나, 전장품 내부 소자들이 집적화됨에 따라 열관리를 위한 냉각장치들이 점점 복잡해지고 있다.Although the thermal management of the electrical components is performed through individual cooling devices of an air-cooled or water-cooled type, cooling devices for thermal management are becoming increasingly complex as internal components of electrical components are integrated.
또한, 여러 개의 전장품들이 개별적으로 열관리 되고 있어 중복 설치 및 중량 증가 등으로 인해 전체적인 철도차량의 경량화, 에너지 효율 향상 등에 방해가 되고 있는 실정이다.In addition, since several electrical components are individually thermally managed, overlapping installation and weight increase are hindering overall weight reduction and energy efficiency improvement of railway vehicles.
공랭식 냉각방식은 도 1에 나타낸 바와 같이, 전장품의 소자 등에서 발열이 발생할 경우 송풍기 또는 자연풍을 이용한 강제대류 등을 통해 발열부를 냉각하는 방식으로, 기본적으로 주변 공기를 이용한 냉각이므로 주변 공기의 온도에 따라 냉각효율이 달라지고, 전장품 소자의 용량이 크거나 집적되어 발열부의 온도가 고온일 경우 효과적인 냉각이 어렵다는 단점이 있다.As shown in FIG. 1, the air-cooling cooling method cools the heating part through forced convection using a blower or natural wind when heat is generated from elements of electric equipment, etc. There are disadvantages in that cooling efficiency is different and effective cooling is difficult when the temperature of the heat generating part is high due to the large or integrated capacity of the electronic device elements.
또한, 냉각이 필요한 발열부가 여러 개소이거나 유로가 작을 경우 적절한 공기량 공급이 어렵고, 여름철의 경우 주변 공기의 온도가 높아 냉각 효율이 매우 낮아질 수 있는 단점도 있다.In addition, when there are several heat generating units requiring cooling or the flow path is small, it is difficult to supply an appropriate amount of air, and in summer, the temperature of the surrounding air is high, so cooling efficiency can be very low.
다음, 수랭식 냉각방식은 도 2에 나타낸 바와 같이, 열이 발생하는 전장품의 소자에 냉각판 등 열교환기를 부착하고 냉각수 펌프를 이용하여 냉각판 내부 유로에 냉각수를 흐르게 함으로써 발열부의 열을 흡수하고, 흡수된 열은 라디에이터 등 공기 냉각에 의한 열교환기를 통해 외부로 배출되도록 하는 방식이다.Next, as shown in FIG. 2, in the water-cooled cooling method, a heat exchanger such as a cooling plate is attached to an element of an electronic device that generates heat, and cooling water flows through the cooling plate internal flow path using a cooling water pump to absorb and absorb the heat of the heating part. The generated heat is discharged to the outside through a heat exchanger by air cooling such as a radiator.
이러한 수랭식 냉각방식은 공랭식에 비해 열교환 효율이 높고 비교적 좁은 공간에 여러 발열부가 있는 경우 효과적으로 냉각이 가능하나, 기본적으로 주변 공기 온도에 따라 냉각 효율이 달라지므로, 전장품 소자의 용량이 크거나 집적되어 발열부의 온도가 고온일 경우 효과적인 냉각이 어렵고, 주변 공기 온도가 높은 여름철의 경우 냉각 효율이 낮아질 수 있는 단점이 있다.This water-cooled cooling method has higher heat exchange efficiency than the air-cooled type and can be effectively cooled when there are several heat generating units in a relatively narrow space. When the negative temperature is high, effective cooling is difficult, and in summer when the ambient air temperature is high, cooling efficiency can be lowered.
한편, 철도차량에 적용되는 실내 냉방 시스템은 도 3에 나타낸 바와 같이, 일반적인 에어컨에 적용되는 시스템과 동일하게 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기 등을 사용한다.Meanwhile, as shown in FIG. 3 , the indoor cooling system applied to a railroad vehicle uses a compressor, a condenser, an expansion valve, an evaporator, and the like, in the same manner as a system applied to a general air conditioner.
이러한 냉방 시스템은 철도차량 실내 냉방을 위해서만 사용되고 있으므로, 겨울철 등 실내 냉방이 필요하지 않는 경우에는 작동하지 않고, 실내 전기히터 등을 통해 실내 난방을 하고 있다. 일부 철도차량의 경우 냉난방을 겸용으로 하는 공조장치가 설치되어 있으나, 철도차량의 실내 환경 유지를 위해 개별적으로 사용하고 있다.Since such a cooling system is used only for indoor cooling of railway vehicles, it does not operate when indoor cooling is not required, such as in winter, and is heated through an indoor electric heater. Some railroad cars are equipped with air conditioning systems for both heating and cooling, but they are used individually to maintain the indoor environment of railroad cars.
최근 들어 대한민국 등록특허공보 제10-1966099호 등에는 차량의 전장품에서 발생되는 열을 차량 실내 난방에 활용할 수 있도록 하는 공조 시스템 제어방법 등이 개발되고 있으나, 아직까지 철도차량에 적용될 수 있는 기술, 즉 철도차량의 전장품의 열관리와 냉난방을 통합적으로 관리할 수 있도록 하는 시스템은 개발되고 있지 않다.Recently, Republic of Korea Patent Publication No. 10-1966099, etc. have developed an air conditioning system control method that allows the heat generated from the vehicle's electrical components to be utilized for vehicle interior heating, but the technology that can be applied to railroad vehicles, that is, A system that enables the integrated management of heat management and heating and cooling of electric components of railway vehicles has not been developed.
따라서, 상기한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위한 새로운 시스템, 즉 종래의 전장품 열관리를 위한 공랭식 및 수랭식 냉각방식의 단점들을 보완하면서도 기존에 설치되어 있는 철도차량용 냉방 시스템의 구성을 활용할 수 있도록 하는 시스템의 개발이 요구되고 있는 실정이다.Therefore, a new system to solve the above problems, that is, a system that can utilize the configuration of the existing cooling system for railway vehicles while supplementing the disadvantages of the conventional air-cooled and water-cooled cooling methods for thermal management of electrical equipment. This is being requested.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 철도차량에 사용되는 전장품들의 냉각을 통한 열관리를 하는데 있어, 철도차량의 실내 냉난방을 위한 공조장치와 통합 운영할 수 있도록 하여 전장품 등에서 발생한 폐열을 철도차량의 실내 냉난방에 이용할 수 있도록 함으로써 철도차량의 열관리 및 에너지 사용을 보다 효과적으로 운영할 수 있도록 하는 철도차량 및 전장품 열관리 통합시스템을 제공함에 있다.The present invention has been devised to solve the problems of the prior art as described above, and an object of the present invention is to perform thermal management through cooling of electrical components used in railway vehicles, and integrated operation with an air conditioner for indoor heating and cooling of railway vehicles It is to provide an integrated system for thermal management of railway vehicles and electrical components that enables more effective operation of thermal management and energy use of railway vehicles by allowing waste heat generated from electrical components to be used for indoor heating and cooling of railway vehicles.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명은,The present invention for achieving the above objects,
압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기를 포함하여 이루어지는 철도차량 냉난방장치와, 상기 철도차량 냉난방장치로부터 생성된 냉매를 분배 및 취합하는 냉매 분배 및 취합부와, 상기 냉매 분배 및 취합부로부터 냉매를 공급 받아 열교환을 통해 전장품의 발열부를 냉각시키는 냉각장치 및 철도차량 객실 내부의 냉난방 및 전장품의 냉각을 통합적으로 제어하는 열관리 통합 제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.A railway vehicle air conditioning system including a compressor, a condenser, an expansion valve, and an evaporator, a refrigerant distribution and assembling unit for distributing and collecting the refrigerant generated from the railway vehicle air conditioning unit, and receiving the refrigerant from the refrigerant distribution and assembling unit It is characterized in that it is configured to include a cooling device that cools the heating part of the electrical equipment through heat exchange, and a thermal management integrated control unit that integrally controls the heating and cooling of the inside of the passenger compartment of the railway vehicle and the cooling of the electrical equipment.
이때, 상기 냉매 분배 및 취합부는 열관리 통합 제어부의 제어에 의해 팽창밸브를 통해 공급되는 냉매를 증발기와 냉각장치로 분배하는 냉매 분배장치와, 상기 증발기와 냉각장치로부터 공급되는 냉매를 취합하여 압축기로 공급하는 냉매 취합장치를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.In this case, the refrigerant distribution and assembling unit includes a refrigerant distribution device that distributes the refrigerant supplied through the expansion valve to the evaporator and the cooling device under the control of the thermal management integrated controller, and the refrigerant supplied from the evaporator and the cooling device is collected and supplied to the compressor It is characterized in that it is configured to include a refrigerant collecting device.
또한, 상기 냉각장치는 냉각수와 냉매 사이의 열교환을 수행하는 열교환기와, 냉각수를 순환시키는 냉각수 펌프를 포함하는 수랭식 냉각장치 또는 열교환기와 송풍기를 포함하는 공랭식 냉각장치로 구성된 것을 특징으로 한다.In addition, the cooling device is characterized in that it is composed of a heat exchanger for performing heat exchange between the coolant and the refrigerant, and a water cooling device including a coolant pump for circulating the coolant or an air cooling device including a heat exchanger and a blower.
그리고, 상기 열교환기는 다채널 열교환기로 구성되고, 상기 다채널 열교환기의 일측에는 전장품에서 발생된 폐열을 수집하여 객실 내로 공급하는 폐열전달장치가 연결 설치된 것을 특징으로 한다.The heat exchanger is configured as a multi-channel heat exchanger, and a waste heat transfer device for collecting waste heat generated from electrical equipment and supplying it into the cabin is connected to one side of the multi-channel heat exchanger.
또한, 상기 폐열전달장치는 전장품의 발열부 냉각에 사용되어 폐열을 포함하는 냉각수와의 열교환에 의해 폐열을 흡수한 폐열전달유체를 다채널 열교환기로부터 흡입하여 순환시키는 펌프와, 상기 펌프에 의해 순환되는 폐열전달유체와의 열교환을 통해 객실 내 난방을 수행할 수 있도록 하는 폐열교환기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.In addition, the waste heat transfer device includes a pump that sucks and circulates a waste heat transfer fluid that is used for cooling the heat generating part of an electric device and has absorbed waste heat by heat exchange with cooling water containing waste heat from a multi-channel heat exchanger, and is circulated by the pump. It is characterized in that it is configured to include a waste heat exchanger that allows heating in the cabin through heat exchange with the waste heat transfer fluid.
그리고, 상기 냉각장치는 냉매 분배 및 취합부에 직렬 또는 병렬로 다수 개가 연결 설치된 것을 특징으로 한다.In addition, the cooling device is characterized in that a plurality of the refrigerant distribution and assembling unit is connected in series or in parallel.
한편, 상기 열관리 통합 제어부는 객실 내부의 온도를 실시간으로 모니터링 하고, 모니터링 결과에 따라 객실 내부의 냉방모드와 난방모드 및 객실 내부의 냉난방 없이 전장품의 발열부를 냉각시키는 냉각모드 중 어느 하나의 모드를 선택하여 냉매의 흐름 방향과 분배비율 및 냉각장치의 구동을 제어하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the integrated thermal management control unit monitors the temperature inside the cabin in real time, and selects any one mode among the cooling mode and heating mode in the cabin, and the cooling mode that cools the heating part of the electrical equipment without heating or cooling in the cabin according to the monitoring result. to control the flow direction and distribution ratio of the refrigerant and the driving of the cooling device.
이때, 상기 난방모드는 철도차량 냉난방장치의 압축기와 응축기 사이의 통로를 차단시킨 상태에서 압축기에서 압축된 고온고압의 냉매를 증발기에서 기화시켜 객실 내로 공급하는 제1난방모드와, 상기 압축기에서 압축된 고온 고압의 냉매를 증발기와 응축기로 동시에 보내는 제2난방모드와, 철도차량 냉난방장치의 압축기와 응축기 사이의 통로를 차단시킨 상태에서 압축기에서 압축된 고온고압의 냉매를 증발기에서 기화시켜 객실 내로 공급함과 동시에 전장품의 발열부에서 발생한 폐열을 객실 내 난방에 활용할 수 있도록 하는 제3난방모드 및 전장품의 발열부에서 발생한 폐열만을 이용하여 객실 내 난방을 수행하는 제4난방모드를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.In this case, the heating mode includes a first heating mode in which the high-temperature and high-pressure refrigerant compressed in the compressor is vaporized in the evaporator and supplied into the cabin in a state in which the passage between the compressor and the condenser of the air conditioning unit of the railway vehicle is blocked; The second heating mode sends high-temperature and high-pressure refrigerant to the evaporator and condenser at the same time, and the high-temperature and high-pressure refrigerant compressed in the compressor is vaporized in the evaporator and supplied into the cabin while the passage between the compressor and the condenser of the railway vehicle air conditioning system is blocked. At the same time, a third heating mode that allows the waste heat generated from the heating part of the electrical equipment to be used for heating in the room and a fourth heating mode that uses only the waste heat generated from the heating part of the electrical equipment to heat the room is characterized in that it is configured. .
본 발명에 따르면, 철도차량의 실내 냉방 및 난방과 각 전장품의 냉각에 필요한 냉각장치를 통합하여 열관리 함에 따라 전체 시스템의 경량화 및 소형화가 가능하고, 실내 냉방 및 난방 또는 전장품의 냉각이 필요한 경우 용량에 맞는 열관리가 가능하게 되므로 효율적인 열관리를 통해 에너지를 절감할 수 있는 뛰어난 효과를 갖는다.According to the present invention, weight reduction and miniaturization of the entire system is possible by integrating and thermal management of the cooling device required for the cooling and heating of the interior of a railway vehicle and the cooling of each electrical component. Since proper thermal management is possible, it has an excellent effect of saving energy through efficient thermal management.
또한, 본 발명에 따르면 다채널 열교환기를 이용하여 하나의 열교환기만으로도 철도차량의 전장품에서 발생한 폐열을 이용한 난방이 가능하므로 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 추가로 갖는다.In addition, according to the present invention, since it is possible to heat using waste heat generated from electrical components of railway vehicles using only one heat exchanger using a multi-channel heat exchanger, it has an additional effect of improving energy efficiency.
도 1은 종래의 공랭식 전장품 냉각방식을 개념적으로 나타낸 도면.
도 2는 종래의 수랭식 전장품 냉각방식을 개념적으로 나타낸 도면.
도 3은 종래의 철도차량용 냉방시스템의 구성을 개념적으로 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 철도차량 및 전장품 열관리 통합시스템의 구성을 개념적으로 나타낸 도면.
도 5 및 도 6은 도 4에 나타낸 본 발명을 이용한 철도차량 실내 난방모드의 실시예들을 나타낸 도면.
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 철도차량 및 전장품 열관리 통합시스템의 다른 실시예를 개념적으로 나타낸 도면.
도 9는 도 4에 나타낸 본 발명을 이용한 전장품 냉각모드의 실시예를 나타낸 도면.
도 10은 본 발명에 따른 철도차량 및 전장품 열관리 통합시스템의 또 다른 실시예를 개념적으로 나타낸 도면.
도 11 내지 도 14는 도 10에 나타낸 본 발명의 다양한 모드들을 나타낸 도면.1 is a view conceptually showing a conventional air-cooled electronic component cooling method.
2 is a view conceptually showing a conventional water-cooled electronic component cooling method.
3 is a diagram conceptually showing the configuration of a conventional cooling system for a railway vehicle.
4 is a view conceptually showing the configuration of the integrated system for thermal management of railroad vehicles and electrical equipment according to the present invention.
5 and 6 are views showing embodiments of the indoor heating mode of a railway vehicle using the present invention shown in FIG.
7 and 8 are diagrams conceptually showing another embodiment of the integrated system for thermal management of railway vehicles and electrical equipment according to the present invention.
FIG. 9 is a view showing an embodiment of an electrical appliance cooling mode using the present invention shown in FIG. 4 .
10 is a view conceptually showing another embodiment of the integrated system for thermal management of railroad vehicles and electrical equipment according to the present invention.
11 to 14 are views showing various modes of the present invention shown in FIG. 10;
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명에 따른 철도차량 및 전장품 열관리 통합시스템의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the integrated system for thermal management of railway vehicles and electrical components according to the present invention will be described in detail.
도 4는 본 발명에 따른 철도차량 및 전장품 열관리 통합시스템의 구성을 개념적으로 나타낸 도면이고, 도 5 및 도 6은 도 4에 나타낸 본 발명을 이용한 철도차량 실내 난방모드의 실시예들을 나타낸 도면이며, 도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 철도차량 및 전장품 열관리 통합시스템의 다른 실시예를 개념적으로 나타낸 도면이고, 도 9는 도 4에 나타낸 본 발명을 이용한 전장품 냉각모드의 실시예를 나타낸 도면이며, 도 10은 본 발명에 따른 철도차량 및 전장품 열관리 통합시스템의 또 다른 실시예를 개념적으로 나타낸 도면이고, 도 11 내지 도 14는 도 10에 나타낸 본 발명의 다양한 모드들을 나타낸 도면이다.4 is a diagram conceptually showing the configuration of an integrated system for thermal management of railroad vehicles and electrical equipment according to the present invention, and FIGS. 7 and 8 are diagrams conceptually showing another embodiment of the integrated system for thermal management of railroad vehicles and electrical components according to the present invention, and FIG. 9 is a view showing an embodiment of an electrical component cooling mode using the present invention shown in FIG. 10 is a view conceptually showing another embodiment of the integrated system for thermal management of railroad vehicles and electrical equipment according to the present invention, and FIGS. 11 to 14 are views showing various modes of the present invention shown in FIG. 10 .
본 발명은 철도차량에 사용되는 배터리, 수소 연료전지, 그 밖의 반도체 소자를 활용한 전장품들의 냉각을 통한 열관리를 하는데 있어, 철도차량의 실내 냉난방을 위한 공조장치와 통합 운영할 수 있도록 하여 전장품 등에서 발생한 폐열을 철도차량의 실내 냉난방에 이용할 수 있도록 함으로써 철도차량의 열관리 및 에너지 사용을 보다 효과적으로 운영할 수 있도록 하는 철도차량 및 전장품 열관리 통합시스템(10)(이하, '열관리 통합시스템(10)'이라 한다)에 관한 것으로, 그 구성은 도 4에 나타낸 바와 같이, 크게 철도차량 냉난방장치(100)(이하, '냉난방장치(100)'라 한다), 냉매 분배 및 취합부(200), 냉각장치(300) 및 열관리 통합 제어부(600)를 포함하여 이루어진다.The present invention provides thermal management through cooling of electric components using batteries, hydrogen fuel cells, and other semiconductor devices used in railway vehicles, so that the The integrated thermal management system 10 (hereinafter referred to as the 'thermal management integrated system 10') for railway vehicles and electrical equipment that enables the more effective operation of thermal management and energy use of railway vehicles by allowing waste heat to be used for indoor heating and cooling of railway vehicles. ), the configuration of which is largely as shown in FIG. 4 , a railway vehicle air conditioning system 100 (hereinafter referred to as a 'cooling and heating system 100'), a refrigerant distribution and assembling
보다 상세히 설명하면, 상기 냉난방장치(100)는 철도차량의 운행 도중, 객실 내부의 냉방 또는 난방을 수행하는 역할을 하는 것으로, 기존의 철도차량에서 사용되고 있는 압축기(110), 응축기(120), 팽창밸브(130) 및 증발기(140)를 포함하여 이루어지는 냉난방장치(100)가 그대로 사용될 수 있다. In more detail, the air-
이때, 상기 압축기(110)는 후술할 냉매 분배 및 취합부(200) 중 냉매 취합장치(220)가 추가로 연결 설치되므로, 후술할 열관리 통합 제어부(600)에 의해 온-오프가 제어되는 3-way 압축기(110)가 사용되거나, 압축기(110)의 후단에 마찬가지로 열관리 통합 제어부(600)에 의해 온-오프가 제어되는 삼방밸브(미도시)가 연결 설치될 수 있으며, 상기 3-way 압축기(110) 또는 삼방밸브에는 응축기(120), 증발기(140) 및 냉매 취합장치(220)가 연결 설치된다.At this time, since the
한편, 상기 냉난방장치(100)를 구성하는 압축기(110), 응축기(120), 팽창밸브(130) 및 증발기(140)의 기능 또는 역할은 종래의 냉난방장치를 구성하는 요소들의 기능 또는 역할과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명을 생략하기로 한다.On the other hand, the functions or roles of the
다음, 상기 냉매 분배 및 취합부(200)는 냉난방장치(100)와 후술할 냉각장치(300)의 사이에 연결 설치되어 객실 내부의 냉난방 및 철도차량의 전장품(400) 발열부(410)를 냉각시키는데 사용되는 냉매를 분배 및 취합시킴으로써 시스템 내에서의 냉매 흐름을 조절하는 역할을 하는 것으로, 냉매 분배장치(210)와 냉매 취합장치(220)를 포함하여 이루어진다.Next, the refrigerant distribution and assembling
보다 상세히 설명하면, 상기 냉매 분배장치(210)는 냉난방장치(100)에서 사용되는 냉매를 후술할 냉각장치(300)로 공급할 수 있도록 하는 역할을 하는 것으로, 냉난방장치(100)의 팽창밸브(130)에 의해 저온저압 상태가 된 냉매를 증발기(140)와 냉각장치(300)로 분배시킬 수 있도록 구성되어 있다.In more detail, the
후술하겠지만, 이와 같은 냉매의 분배는 철도차량의 객실 내부 온도에 따른 열관리 통합 제어부(600)의 제어에 의해 조절되도록 구성되어 있다.As will be described later, the distribution of the refrigerant is configured to be controlled by the control of the integrated thermal
다음, 상기 냉매 취합장치(220)는 열관리 통합시스템(10) 내에서 사용되는 냉매를 취합하여 냉난방장치(100)의 압축기(110)로 공급하는 역할을 하는 것으로, 냉매 분배장치(210)로부터 증발기(140)를 통해 공급되는 냉매와, 후술할 냉각장치(300)에서 전장품(400)의 냉각에 사용된 냉매를 취합하여 압축기(110)로 공급할 수 있도록 구성되어 있다.Next, the
따라서, 상기와 같이 구성된 냉매 분배 및 취합부(200)에 의해 열관리 통합시스템(10) 내에서의 냉매 흐름을 효율적으로 관리할 수 있게 된다.Accordingly, it is possible to efficiently manage the refrigerant flow in the thermal management integrated
다음, 상기 냉각장치(300)는 냉매 분배 및 취합부(200)의 냉배 분배장치(210)로부터 냉매를 공급 받아 전장품(400)의 발열부(410)에서 발생되는 열을 냉각시키는 역할을 하는 것으로, 전술한 공랭식 냉각장치(300)와 수랭식 냉각장치(300)가 선택적으로 사용될 수 있다.Next, the
보다 상세히 설명하면, 상기 수랭식 냉각장치(300)의 경우 열교환기(310)와 냉각수 펌프(320)를 포함하여 이루어지는데, 상기 열교환기(310)는 냉매 분배장치(210)로부터 공급되는 저온저압 상태의 냉매에 의해 냉각수를 냉각시킴으로써 냉각된 냉각수에 의해 전장품(400)의 발열부(410)를 냉각시킬 수 있도록 하는 역할을 하는 것이고, 상기 냉각수 펌프(320)는 냉각장치(300)와 전장품(400)의 사이에 연결 설치되어 냉각수를 순환시키는 역할을 하는 것이다.In more detail, the water-cooled
즉, 상기 수랭식 냉각장치(300)에 사용되는 냉각수는 냉각수 펌프(320)의 구동에 의해 열교환기(310), 전장품(400)의 발열부(410) 및 냉각수 펌프(320)의 사이를 순환하도록 구성되어 있는데, 전장품(400)의 발열부(410) 냉각에 사용된 고온의 냉각수는 열교환기(310)를 통과하는 과정에서 냉매에 의해 냉각되어 다시 전장품(400)의 발열부(410)로 공급됨으로써 전장품(400)의 발열부(410)를 지속적으로 냉각시킬 수 있도록 구성되어 있다.That is, the cooling water used in the water-cooled
다음, 상기 공랭식 냉각장치(300)는 열교환기(310)와 송풍기(330)를 포함하여 이루어지는데, 전장품(400)의 발열부(410) 냉각에 사용된 고온의 공기는 냉매 분배장치(210)로부터 열교환기(310)로 공급되는 저온저압 상태의 냉매에 의해 냉각되고, 냉각된 공기는 송풍기(330)에 의해 다시 전장품(400)의 발열부(410)로 공급되어 전장품(400)의 발열부(410)를 지속적으로 냉각시킬 수 있도록 구성되어 있다.Next, the air-cooled
다음, 상기 열관리 통합 제어부(600)는 철도차량의 운영에 필요한 객실 내부의 냉난방 및 전장품(400)의 발열부(410) 냉각을 통합적으로 제어하는 역할을 하는 것으로, 객실 내부의 온도를 실시간으로 모니터링하여 열관리 통합시스템(10) 내에서의 냉매 흐름을 제어하도록 구성되어 있다.Next, the integrated thermal
즉, 상기 열관리 통합 제어부(600)는 객실 내부의 온도와 전장품(400)의 발열량을 실시간으로 모니터링 하여 측정된 객실 내부의 온도에 따라 냉방 또는 난방 여부 및 냉난방 용량 등을 결정하고, 전장품(400)의 냉각 용량을 결정하여 냉매 분배장치(210)에서의 냉매 분배 비율을 제어함과 동시에 냉각장치(300)를 구성하는 냉각수 펌프(320) 또는 송풍기(330)를 제어하여 냉각수 또는 냉각공기의 유속을 제어할 수 있도록 구성되어 있다.That is, the integrated thermal
보다 상세히 설명하면, 상기 열관리 통합 제어부(600)는 실시간으로 모니터링 되는 객실 내부의 온도에 따라 열관리 통합시스템(10)의 구동모드를 냉방모드, 난방모드 및 냉각모드로 구분하는데, 먼저 상기 냉방모드는 객실 내부의 온도가 기설정된 온도 보다 높은 경우 냉난방장치(100)를 이용하여 객실 내부에 냉기를 공급하는 모드이고, 난방모드는 객실 내부의 온도가 기설정된 온도 보다 낮은 경우 냉난방장치(100)를 이용하여 객실 내부로 온기를 공급하는 모드이며, 냉각모드는 객실 내부의 온도가 기설정된 온도 범위에 해당하는 경우 냉난방장치(100)를 이용한 객실 내부의 냉난방을 중단시킨 상태에서 냉각장치(300)를 이용한 전장품(400) 발열부(410)의 냉각만을 수행하는 모드이다.In more detail, the integrated thermal
이때, 상기 난방모드는 다시 제1 내지 제4난방모드로 구분될 수 있는데, 먼저 상기 제1난방모드와 제2난방모드는 냉난방장치(100)를 이용하여 객실 내부의 난방을 수행하는 모드이고, 제3난방모드와 제4난방모드는 후술할 본 발명에 따른 열관리 통합시스템(10a)의 다른 실시예에 해당하는 폐열전달장치(500)를 활용하여 객실 내부의 난방을 수행하는 모드로 이에 대한 보다 상세한 설명은 후술하기로 한다.At this time, the heating mode can be divided into first to fourth heating modes again. First, the first heating mode and the second heating mode are modes for heating the inside of the room using the
한편, 본 발명에 따른 열관리 통합시스템(10a)의 다른 실시예에 따르면 도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 냉각장치(300)와 객실의 사이에 연결 설치되는 폐열전달장치(500)를 더 포함하여 구성될 수 있는데, 상기 폐열전달장치(500)는 전장품(400)의 발열부(410)에서 발생되는 폐열을 수집하여 열교환을 통해 객실 내부를 난방시킬 수 있도록 하는 역할을 하는 것으로, 전술한 제3난방모드 및 제4난방모드에서 사용된다.On the other hand, according to another embodiment of the integrated
보다 상세히 설명하면, 상기 폐열전달장치(500)는 펌프(510)와 폐열교환기(520)를 포함하여 이루어지는데, 먼저 상기 펌프(510)는 냉각장치(300)의 열교환기(310)에 연결 설치되어 전장품(400)의 발열부(410) 냉각에 사용된 폐열을 포함하는 폐열전달유체를 순환시키는 역할을 하는 것으로, 이때 상기 냉각장치(300)의 열교환기(310)로는 3개 이상의 채널을 갖는 다채널 열교환기(315)가 사용되어 그 일측에 펌프(510)를 연결 설치할 수 있도록 한다.In more detail, the waste
즉, 상기 폐열전달유체는 펌프(510)의 구동에 의해 다채널 열교환기(315)와 펌프(510) 및 폐열교환기(520)의 사이를 순환하는 것으로, 상기 다채널 열교환기(315)에서는 폐열전달유체와 전장품(400)의 발열부(410) 냉각에 사용된 고온의 냉각수 사이의 열교환이 1차적으로 이루어져 냉각수에 의해 흡수된 전장품(400)의 폐열이 폐열전달유체로 전달되어 펌프(510)의 구동에 의해 폐열전달장치(500)와 다채널 열교환기(315) 사이를 순환하도록 구성되어 있다.That is, the waste heat transfer fluid circulates between the
이때, 상기 냉각수는 폐열전달유체와 1차적으로 열교환을 하여 열을 빼앗긴 상태로 다채널 열교환기(315)의 내부에서 2차적으로 냉매 분배장치(210)로부터 공급되는 저온저압의 냉매와 열교환을 하게 되므로 전장품(400)의 냉각을 위한 냉각수의 냉각 효율을 보다 향상시킬 수 있게 된다.At this time, the coolant primarily exchanges heat with the waste heat transfer fluid to exchange heat with the low-temperature and low-pressure refrigerant supplied from the
다음, 상기 폐열교환기(520)는 펌프(510)에 의해 순환되는 폐열전달유체와의 열교환을 통해 객실 내 난방을 수행할 수 있도록 하는 역할을 하는 것으로, 라디에이터와 같은 열교환기가 사용될 수 있다.Next, the
즉, 전장품(400)의 발열부(410)를 냉각에 사용된 폐열을 포함하는 고온의 냉각수는 냉각수 펌프(320)의 구동에 의해 다채널 열교환기(315)로 유입되고, 펌프(510)에 의해 폐열전달장치(500)와 다채널 열교환기(315) 사이를 순환하는 폐열전달유체는 다채널 열교환기(315)로 유입된 폐열을 포함하는 고온의 냉각수와의 열교환을 통해 폐열을 흡수한 상태로 폐열교환기(520) 내부로 유입되어 온기를 생성하며, 생성된 온기는 송풍장치(미도시)의 구동에 의해 객실 내로 유입되어 실내 난방에 사용될 수 있도록 구성된 것이다.That is, the high-temperature cooling water including waste heat used to cool the
이때, 상기 펌프(510)의 구동에 의해 순환하는 폐열전달유체의 유속은 실시간으로 모니터링되는 객실 내부의 온도에 따라 열관리 통합 제어부(600)에 의해 조절될 수 있다.In this case, the flow rate of the waste heat transfer fluid circulated by the driving of the
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 열관리 통합시스템(10,10a)의 구동과정을 각 모드별로 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the driving process of the integrated
먼저, 도 4는 냉방모드에서의 열관리 통합시스템(10)의 구동을 나타낸 것으로, 열관리 통합 제어부(600)에서는 철도차량의 객실 내부 온도에 대한 실시간 모니터링 결과, 객실 내부 온도가 기설정된 온도 보다 높은 경우 냉방모드를 가동하게 된다.First, FIG. 4 shows the operation of the integrated
즉, 상기 냉방모드에서는 냉난방장치(100)의 압축기(110)와 증발기(140) 사이의 통로를 차단하여 압축기(110)에서 압축된 고온 고압의 냉매가 응축기(120)를 통해 팽창밸브(130)를 통과하면서 저온저압의 상태가 되고, 저온저압 상태의 냉매는 냉매 분배장치(210)로 유입되어 증발기(140)와 냉각장치(300)의 열교환기(310)로 분배된다.That is, in the cooling mode, the passage between the
이때, 냉매가 응축기(120)를 통과하는 과정에서 발생되는 열은 송풍장치(미도시)에 의해 철도차량의 외부로 배출되고, 냉매 분배장치(210)에서의 냉매 분배량은 실시간으로 모니터링 되는 객실 내부의 온도 및 전장품(400)의 발열량에 따라 열관리 통합 제어부(600)에 의해 제어된다.At this time, heat generated while the refrigerant passes through the
상기 냉매 분배장치(210)에 의해 분배되어 증발기(140)로 공급된 냉매는 증발기(140)를 통과하면서 고온저압 상태가 되어 냉매 취합장치(220)로 취합되고, 이 과정에서 냉각된 주변 공기는 송풍장치(미도시)에 의해 객실 내부로 투입되어 냉방에 사용된다.The refrigerant distributed by the
또한, 상기 냉매 분배장치(210)에 의해 분배되어 냉각장치(300)의 열교환기(310)로 투입된 냉매는 냉각수 펌프(320)의 구동에 의해 유입되는 냉각수, 즉 전장품(400)의 발열부(410) 냉각에 사용된 고온의 냉각수와의 열교환을 통해 고온 저압의 상태가 되어 냉매 취합장치(220)로 취합되고, 이 과정에서 냉각된 냉각수는 냉각수 펌프(320)의 구동에 의해 다시 전장품(400)의 발열부(410)로 공급되어 전장품(400)의 냉각에 사용된다.In addition, the refrigerant distributed by the
상기 냉매 취합장치(220)에서 취합된 고온저압 상태의 냉매는 다시 냉난방장치(100)의 압축기(110)로 투입되어 고온고압의 상태로 압축되고, 상기와 같은 사이클의 반복에 의해 실내 냉방, 즉 객실 내부의 냉방과, 전장품(400)의 냉각이 동시에 이루어질 수 있게 된다.The refrigerant in the high-temperature and low-pressure state collected by the
이때, 상기 증발기(140) 주변에서 냉각된 주변 공기를 객실 내부로 공급하기 위한 송풍장치의 송풍량과, 냉각수 펌프(320)에 의해 순환되는 냉각수의 유속 또한 실시간으로 모니터링되는 객실 내부의 온도 및 전장품(400)에서의 발열량에 따라 열관리 통합 제어부(600)에 의해 제어될 수 있도록 구성되어 있다.At this time, the amount of air blown by the blower for supplying ambient air cooled around the
다음, 도 5는 제1난방모드에서의 열관리 통합시스템(10)의 구동을 나타낸 것으로, 열관리 통합 제어부(600)에서는 철도차량의 객실 내부 온도에 대한 실시간 모니터링 결과 객실 내부 온도가 기설정된 온도 보다 낮은 경우 난방모드를 가동하게 된다.Next, FIG. 5 shows the operation of the integrated
즉, 상기 제1난방모드에서는 냉난방장치(100)의 압축기(110)와 응축기(120) 사이의 통로를 차단하여 압축기(110)에서 압축된 고온 고압의 냉매가 증발기(140)로 공급되는데, 증발기(140)를 거친 냉매는 열을 빼앗겨 저온고압의 상태가 되고, 팽창밸브(130)를 통과하면서 저온저압의 상태가 되며, 저온저압 상태의 냉매는 냉매 분배장치(210)로 유입되어 냉각장치(300)의 열교환기(310)로 공급된다.That is, in the first heating mode, the passage between the
이때, 상기 증발기(140)에서 발생된 열은 송풍장치(미도시)를 통해 객실 내로 공급되어 실내 난방에 사용되고, 냉매 분배장치(210)와 증발기(140) 사이에 형성된 통로는 차단되어 냉매 분배장치(210)로 유입된 냉매는 냉각장치(300)의 열교환기(310) 방향으로만 공급된다.At this time, the heat generated by the
상기 냉각장치(300)의 열교환기(310)로 투입된 저온저압의 냉매는 냉각수 펌프(320)의 구동에 의해 유입되는 냉각수, 즉 전장품(400)의 발열부(410) 냉각에 사용된 고온의 냉각수와의 열교환을 통해 고온저압의 상태가 되어 냉매 취합장치(220)로 공급되고, 이 과정에서 냉각된 냉각수는 냉각수 펌프(320)의 구동에 의해 다시 전장품(400)의 발열부(410)로 공급되어 전장품(400)의 냉각에 사용된다.The low-temperature and low-pressure refrigerant injected into the
상기 냉매 취합장치(220)로 공급된 고온저압 상태의 냉매는 다시 냉난방장치(100)의 압축기(110)로 투입되어 고온고압의 상태로 압축되고, 상기와 같은 사이클의 반복에 의해 실내 난방, 즉 객실 내부의 난방과, 전장품(400)의 냉각이 동시에 이루어질 수 있게 된다.The refrigerant in the high-temperature and low-pressure state supplied to the
전술한 냉방모드에서와 마찬가지로, 상기 열관리 통합 제어부(600)는 실시간으로 모니터링되는 객실 내부의 온도 및 전방품에서의 발열량에 따라 증발기(140)에서 발생된 열을 객실 내부로 공급하기 위한 송풍장치의 송풍량과, 냉각수 펌프(320)에 의해 순환되는 냉각수의 유속을 제어하게 된다.As in the above-described cooling mode, the integrated thermal
다음, 도 6은 제2난방모드에서의 열관리 통합시스템(10)의 구동을 나타낸 것으로, 기본적으로는 전술한 제1난방모드에서의 열관리 통합시스템(10)의 구동과 동일하지만, 객실 내부의 온도가 목표로 하는 실내 온도와 크게 차이가 나지 않아 난방이 많이 필요하지 않거나 전장품(400)에서의 발열량이 크지 않은 경우에 사용하게 된다.Next, FIG. 6 shows the operation of the integrated
즉, 상기 제2난방모드에서는 냉난방장치(100)의 압축기(110)와 응축기(120) 및 증발기(140) 사이의 통로를 모두 개방하여 압축기(110)에서 압축된 고온 고압의 냉매를 응축기(120)와 증발기(140)로 동시에 공급하는데, 응축기(120)와 증발기(140)를 거친 냉매는 각각 열을 빼앗겨 저온고압의 상태가 되고, 팽창밸브(130)를 통과하면서 저온저압의 상태가 되며, 저온저압 상태의 냉매는 냉매 분배장치(210)로 유입되어 냉각장치(300)의 열교환기(310)로 공급된다.That is, in the second heating mode, all passages between the
이때, 상기 증발기(140)에서 발생된 열은 송풍장치(미도시)를 통해 객실 내로 공급되어 실내 난방에 사용되지만, 응축기(120)에서 발생된 열은 송풍장치(미도시)를 통해 철도차량의 외부로 방출되어 객실 내부의 난방량 및 전장품(400)의 냉각량을 조절할 수 있도록 구성되어 있다.At this time, the heat generated by the
다음, 도 7은 제3난방모드에서의 열관리 통합시스템(10a)의 구동을 나타낸 것으로, 기본적으로는 제1난방모드에서의 열관리 통합시스템(10)의 구동과 동일하나, 전장품(400)의 발열부(410)에서 발생된 폐열을 객실 내부의 난방에 추가적으로 활용할 수 있도록 하는 것으로, 겨울철 등 외부 온도가 매우 낮아 객실 내부의 온도와 차이가 큰 경우나 급속한 난방이 필요한 경우 등에 사용될 수 있다.Next, FIG. 7 shows the operation of the integrated
즉, 상기 제3난방모드는 전술한 폐열전달장치(500)를 포함하는 열관리 통합시스템(10a)을 사용하는 것으로, 냉난방장치(100)로부터 냉매 분배장치(210)로 냉매가 이동하는 과정 및 다채널 열교환기(315)로부터 냉매 취합장치(220)를 통해 압축기(110)로 냉매가 이동하는 과정은 전술한 제1난방모드와 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.That is, the third heating mode uses the integrated
상기 폐열전달장치(500)와 냉각장치(300)의 다채널 열교환기(315) 사이를 순환하는 폐열전달유체는 다채널 열교환기(315) 내부에서 전장품(400)의 발열부(410) 냉각에 사용되어 폐열을 포함하는 고온의 냉각수와의 열교환을 통해 폐열을 흡수하게 되고, 폐열 흡수에 의해 온도가 상승한 폐열전달유체는 펌프(510)의 구동에 의해 폐열교환기(520) 내부로 유입되어 온기를 생성하며, 생성된 온기는 송풍장치(미도시)의 구동에 의해 객실 내로 유입되어 실내 난방에 사용된다.The waste heat transfer fluid circulating between the waste
상기 폐열교환기(520)로부터 배출되는 폐열전달유체는 다시 다채널 열교환기(315)로 공급되어 폐열을 포함하는 고온의 냉각수와의 열교환을 통해 폐열을 흡수한다.The waste heat transfer fluid discharged from the
또한, 상기 다채널 열교환기(315)에서는 폐열전달유체와의 열교환에 의해 폐열을 빼앗긴 냉각수와 냉매 분배장치(210)로부터 공급되는 저온저압의 냉매 사이의 열교환이 추가적으로 이루어지고, 이러한 열교환에 의해 추가적으로 냉각된 냉각수는 냉각수 펌프(320)의 구동에 의해 다시 전장품(400)으로 공급되어 발열부(410)를 냉각시켜 폐열을 흡수한 후 다시 다채널 열교환기(315)로 유입되어 폐열전달유체와 열교환 하게 된다.In addition, in the
상기 다채널 열교환기(315)에서 냉각수와 열교환된 냉매는 고온저압 상태가 되어 냉매 취합장치(220)를 통해 다시 압축기(110)로 공급되어 고온고압의 상태로 압축된다.The refrigerant exchanged with the cooling water in the
다음, 도 8은 제4난방모드에서의 열관리 통합시스템(10a)의 구동을 나타낸 것으로, 상기 제4난방모드에서는 냉난방장치(100)를 이용한 객실 난방을 사용하지 않고, 전장품(400) 발열부(410)에서 발생된 폐열로만 객실 난방을 수행하게 된다.Next, FIG. 8 shows the operation of the integrated
즉, 상기 제4난방모드는 외부 온도가 많이 낮지 않아 낮은 수준의 객실 난방이 필요한 경우 사용되는 것으로, 전장품(400) 발열부(410)에서 발생한 폐열만을 객실 난방에 사용하므로 철도차량 사용 에너지 효율을 극대화시킬 수 있는 장점이 있다.That is, the fourth heating mode is used when a low level of room heating is required because the outside temperature is not very low. There are advantages that can be maximized.
보다 상세히 설명하면, 열관리 통합 제어부(600)는 냉난방장치(100)의 압축기(110)와 증발기(140) 사이의 통로를 차단하여 압축기(110)에서 압축된 고온 고압의 냉매가 응축기(120)로 공급되도록 하고, 응축기(120)를 거친 냉매는 열을 빼앗겨 저온고압의 상태가 되고, 팽창밸브(130)를 통과하면서 저온저압의 상태가 되며, 저온저압 상태의 냉매는 냉매 분배장치(210)로 유입되어 냉각장치(300)의 다채널 열교환기(315)로 공급된다.In more detail, the thermal management integrated
이때, 냉매가 상기 응축기(120)를 통과하면서 발생되는 열은 송풍장치(미도시)에 의해 철도차량의 외부로 배출된다.At this time, heat generated while the refrigerant passes through the
다음, 상기 냉각장치(300)와 전장품(400) 발열부(410) 사이를 순환하는 냉각수의 흐름과, 폐열전달장치(500)와 다채널 열교환기(315) 사이를 순환하는 폐열전달유체의 흐름 및 그에 따른 열전달과 전장품(400) 발열부(410)에서 발생된 폐열을 이용한 객실 난방의 방법은 전술한 제3난방모드와 동일하므로 이에 대한 상세한 설명을 생략하기로 한다.Next, the flow of the cooling water circulating between the cooling
다음, 도 9는 냉각모드에서의 열관리 통합시스템(10)의 구동을 나타낸 것으로, 상기 냉각모드는 철도차량 객실 내부의 온도가 기설정된 온도 범위 내에 해당되어 객실 내부의 냉난방이 필요없는 상태에서 전장품(400)의 발열부(410)를 냉각시키는 역할만을 수행하는 것이다.Next, FIG. 9 shows the operation of the integrated
즉, 상기 열관리 통합 제어부(600)는 실시간으로 모니터링 되는 객실 내부의 온도가 기설정된 범위 내에 해당될 경우, 냉난방장치(100)의 압축기(110)와 증발기(140) 사이의 통로를 차단하여 압축기(110)에서 압축된 고온고압의 냉매가 응축기(120)로 공급되도록 한다.That is, the integrated thermal
상기 응축기(120)를 거친 냉매는 열을 빼앗겨 저온고압의 상태가 되고, 팽창밸브(130)를 통과하면서 저온저압의 상태가 되는데, 냉매가 응축기(120)를 통과하는 과정에서 발생되는 열은 송풍장치(미도시)에 의해 철도차량의 외부로 배출되어 냉난방장치(100)에서의 냉매 흐름에 의한 객실 내부의 냉난방은 이루어지지 않게 된다.The refrigerant that has passed through the
팽창밸브(130)를 통과한 저온저압 상태의 냉매는 냉매 분배장치(210)로 유입되는데, 냉매 분배장치(210)와 증발기(140) 사이에 형성된 통로는 차단되어 냉매 분배장치(210)로 유입된 냉매는 냉각장치(300)의 열교환기(310) 방향으로만 공급된다.The low-temperature and low-pressure refrigerant that has passed through the
상기 냉각장치(300)의 열교환기(310)로 투입된 저온저압의 냉매는 냉각수 펌프(320)의 구동에 의해 유입되는 전장품(400)의 발열부(410) 냉각에 사용된 고온의 냉각수와의 열교환을 통해 고온저압의 상태가 되어 냉매 취합장치(220)로 공급되고, 이 과정에서 냉각된 냉각수는 냉각수 펌프(320)의 구동에 의해 다시 전장품(400)의 발열부(410)로 공급되어 전장품(400)의 냉각에 사용된다.The low-temperature and low-pressure refrigerant injected into the
상기 냉매 취합장치(220)로 공급된 고온저압 상태의 냉매는 다시 냉난방장치(100)의 압축기(110)로 투입되어 고온고압의 상태로 압축되고, 상기와 같은 사이클의 반복에 의해 객실 내부의 냉난방 없이 전장품(400)의 냉각만이 이루어지게 된다.The refrigerant in the high-temperature and low-pressure state supplied to the
상기 열관리 통합 제어부(600)는 실시간으로 모니터링되는 객실 내부의 온도가 냉방 또는 난방이 필요한 온도로 변화될 경우, 전술한 냉방모드 또는 제1 내지 제4난방모드로 열관리 통합시스템(10)의 구동 모드를 전환시킨다. The thermal management integrated
한편, 본 발명에 따른 열관리 통합시스템(10b)의 또 다른 실시예에 의하면, 도 10에 나타낸 바와 같이, 다수 개의 전장품들(400a,400b,400c)이 냉매 분배 및 취합부(200)에 직렬 또는 병렬로 연결 설치될 수 있는데, 이러한 경우 전장품들(400a,400b,400c)의 발열부(410a,410b,410c) 냉각을 위한 냉각장치들(300a,300b,300c) 또한 각 전장품들(400a,400b,400c)에 개별적으로 구비되도록 하여 냉매 분배 및 취합부(200)에 직렬 또는 병렬로 설치된다.On the other hand, according to another embodiment of the integrated
이때, 상기 다수 개의 전장품들(400a,400b,400c)에는 열교환기(310a,310b)와 냉각수 펌프(320a,320b)를 포함하여 이루어지는 수랭식 냉각장치(300a,300b) 또는 열교환기(310c)와 송풍기(330)를 포함하여 이루어지는 공랭식 냉각장치(300c)가 선택적으로 구비되어 사용될 수 있고, 전장품들(400a,400b,400c)의 발열부(410a,410b,410c)를 냉각시키는 것과 동시에 전술한 냉방모드, 난방모드 및 냉각모드와 같이 철도차량의 객실 내부의 온도에 대한 열관리를 수행할 수 있다.At this time, the plurality of
또한, 상기 열관리 통합 제어부(600)는 마찬가지로 객실 내의 온도와 각 전장품들(400a,400b,400c)의 발열량을 실시간으로 모니터링 하고, 모니터링 된 결과에 따라 전체 철도차량에 필요한 냉난방 및 전장품(400a,400b,400c)의 냉각 용량을 고려하여 각 객실의 냉난방량 및 각 전장품들(400a,400b,400c)의 냉각량을 분배한다.In addition, the thermal management integrated
보다 상세히 설명하면, 도 11 내지 도 13에 나타낸 바와 같이, 세 개의 전장품들(400a,400b,400c)이 병렬로 연결 설치된 경우, 각 전장품(400a,400b,400c)에는 수랭식 또는 공랭식 냉각장치들(300a,300b,300c)이 개별적으로 구비되어 냉매 분배장치(210)와 냉매 취합장치(220) 사이에 병렬로 연결 설치되어, 냉매 분배장치(210)는 각 전장품(400a,400b,400c)에 구비된 열교환기(310a,310b,310c)에 냉매를 분배하여 발열부(410a,410b,410c)를 냉각시킬 수 있도록 하고, 각 열교환기(310a,310b,310c)로부터 배출되는 냉매는 냉매 취합장치(220)에서 취합하여 다시 압축기(110)로 공급할 수 있도록 구성되어 있다.More specifically, as shown in FIGS. 11 to 13, when three
이 경우에도, 상기 열관리 통합 제어부(600)는 실시간으로 모니터링 되는 객실 내부의 온도에 따라 열관리 통합시스템(10b)을 냉방모드 또는 난방모드 중 어느 하나로 선택하여 구동시킬 수 있고, 간절기 등 객실 내부의 냉난방이 필요하지 않은 경우에는 객실 내부의 냉난방 없이 전장품(400a,400b,400c)만 냉각시킬 수 있도록 하는 냉각모드로 열관리 통합시스템(10b)을 구동시킬 수도 있다.Even in this case, the integrated thermal
한편, 도 14에 나타낸 바와 같이, 다수 개의 전장품들(400a,400b,400c)과 각 전장품들(400a,400b,400c)에 구비된 냉각장치들(300a,300b,300c)이 냉매 분배 및 취합부(200)에 직렬 또는 병렬로 연결 설치된 실시예에서도 냉각장치(300a,300b,300c)를 구성하는 열교환기(310a,310b,310c) 중 어느 하나 이상을 다채널 열교환기(315)로 구성하고, 상기 다채널 열교환기(315)에 펌프(510)와 폐열교환기(520)를 포함하여 이루어지는 폐열전달장치(500)를 연결 설치하여, 일부 또는 다수의 전장품(400a,400b,400c)의 발열부(410a,410b,410c)에서 발생되는 폐열을 이용한 철도차량의 객실 난방이 가능하도록 하는 열관리 통합시스템(10c)을 구성할 수도 있다.On the other hand, as shown in FIG. 14 , a plurality of
따라서, 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 철도차량 및 전장품 열관리 통합시스템(10,10a,10b,10c)에 의하면, 철도차량의 실내 냉방 및 난방과 각 전장품(400)의 냉각에 필요한 냉각장치(300)를 통합하여 열관리 함에 따라 전체 시스템의 경량화 및 소형화가 가능하고, 실내 냉방 및 난방 또는 전장품(400)의 냉각이 필요한 경우 용량에 맞는 열관리가 가능하게 되므로 효율적인 열관리를 통해 에너지를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 다채널 열교환기(315)를 이용하여 하나의 열교환기만으로도 철도차량의 전장품(400)에서 발생한 폐열을 이용한 난방이 가능하므로 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 등의 다양한 장점을 갖는 것이다.Therefore, according to the integrated system (10, 10a, 10b, 10c) for thermal management of railway vehicles and electrical components according to the present invention as described above, the
전술한 실시예들은 본 발명의 가장 바람직한 예에 대하여 설명한 것이지만, 상기 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것은 당업자에게 있어서 명백한 것이다.Although the above-described embodiments have been described with respect to the most preferred examples of the present invention, it is not limited to the above-described embodiments, and it is apparent to those skilled in the art that various modifications are possible without departing from the technical spirit of the present invention.
본 발명은 철도차량 및 전장품 열관리 통합시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 철도차량에 사용되는 배터리, 수소 연료전지, 그 밖의 반도체 소자를 활용한 전장품들의 냉각을 통한 열관리를 하는데 있어, 철도차량의 실내 냉난방을 위한 공조장치와 통합 운영할 수 있도록 하여 전장품 등에서 발생한 폐열을 철도차량의 실내 냉난방에 이용할 수 있도록 함으로써 철도차량의 열관리 및 에너지 사용을 보다 효과적으로 운영할 수 있도록 하는 철도차량 및 전장품 열관리 통합시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an integrated system for thermal management of railway vehicles and electrical components, and more particularly, in thermal management through cooling of electrical components using batteries, hydrogen fuel cells, and other semiconductor devices used in railway vehicles, the interior of the railway vehicle It is an integrated system for thermal management of railway vehicles and electronic components that allows for more effective operation of thermal management and energy use of railway vehicles by allowing waste heat generated from electrical components to be used for indoor heating and cooling of railway vehicles by integrating operation with the air conditioning system for heating and cooling. it's about
10, 10a, 10b, 10c : 열관리 통합시스템
100 : 냉난방장치
110 : 압축기
120 : 응축기
130 : 팽창밸브
140 : 증발기
200 : 냉매 분배 및 취합부
210 : 냉매 분배장치
220 : 냉매 취합장치
300 : 냉각장치
310 : 열교환기
315 : 다채널 열교환기
320 : 냉각수 펌프
330 : 송풍기
400 : 전장품
410 : 발열부
500 : 폐열전달장치
510 : 펌프
520 : 폐열교환기
600 : 열관리 통합 제어부10, 10a, 10b, 10c: Integrated thermal management system 100: Air conditioning system
110: compressor 120: condenser
130: expansion valve 140: evaporator
200: refrigerant distribution and assembling unit 210: refrigerant distribution device
220: refrigerant collecting device 300: cooling device
310: heat exchanger 315: multi-channel heat exchanger
320: coolant pump 330: blower
400: electrical equipment 410: heating part
500: waste heat transfer device 510: pump
520: waste heat exchanger 600: heat management integrated control unit
Claims (8)
상기 철도차량 냉난방장치로부터 생성된 냉매를 분배 및 취합하는 냉매 분배 및 취합부와,
상기 냉매 분배 및 취합부로부터 냉매를 공급 받아 열교환을 통해 전장품의 발열부를 냉각시키는 냉각장치 및
철도차량 객실 내부의 냉난방 및 전장품의 냉각을 통합적으로 제어하는 열관리 통합 제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 철도차량 및 전장품 열관리 통합시스템.
A railway vehicle heating and cooling system comprising a compressor, a condenser, an expansion valve and an evaporator;
a refrigerant distribution and assembling unit for distributing and assembling the refrigerant generated from the heating and cooling device of the railway vehicle;
a cooling device that receives the refrigerant from the refrigerant distribution and assembling unit and cools the heat generating unit of the electrical equipment through heat exchange;
An integrated system for thermal management of railway vehicles and electrical components, characterized in that it includes an integrated thermal management control unit that integrally controls the heating and cooling of the inside of the passenger compartment of the railway vehicle and the cooling of electrical components.
상기 냉매 분배 및 취합부는 열관리 통합 제어부의 제어에 의해 팽창밸브를 통해 공급되는 냉매를 증발기와 냉각장치로 분배하는 냉매 분배장치와,
상기 증발기와 냉각장치로부터 공급되는 냉매를 취합하여 압축기로 공급하는 냉매 취합장치를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 철도차량 및 전장품 열관리 통합시스템.
The method of claim 1,
The refrigerant distribution and assembling unit comprises: a refrigerant distribution device for distributing the refrigerant supplied through the expansion valve to the evaporator and the cooling device under the control of the integrated thermal management control unit;
and a refrigerant collecting device for collecting refrigerant supplied from the evaporator and the cooling device and supplying the refrigerant to the compressor.
상기 냉각장치는 냉각수와 냉매 사이의 열교환을 수행하는 열교환기와, 냉각수를 순환시키는 냉각수 펌프를 포함하는 수랭식 냉각장치 또는 열교환기와 송풍기를 포함하는 공랭식 냉각장치로 구성된 것을 특징으로 하는 철도차량 및 전장품 열관리 통합시스템.
The method of claim 1,
The cooling device comprises a heat exchanger performing heat exchange between the coolant and the refrigerant, a water-cooled cooling device including a coolant pump circulating the coolant, or an air-cooling cooling device including a heat exchanger and a blower. system.
상기 열교환기는 다채널 열교환기로 구성되고, 상기 다채널 열교환기의 일측에는 전장품에서 발생된 폐열을 수집하여 객실 내로 공급하는 폐열전달장치가 연결 설치된 것을 특징으로 하는 철도차량 및 전장품 열관리 통합시스템.
4. The method of claim 3,
The heat exchanger is configured as a multi-channel heat exchanger, and a waste heat transfer device for collecting waste heat generated from electrical equipment and supplying it into the cabin is connected to one side of the multi-channel heat exchanger.
상기 폐열전달장치는 전장품의 발열부 냉각에 사용되어 폐열을 포함하는 냉각수와의 열교환에 의해 폐열을 흡수한 폐열전달유체를 다채널 열교환기로부터 흡입하여 순환시키는 펌프와, 상기 펌프에 의해 순환되는 폐열전달유체와의 열교환을 통해 객실 내 난방을 수행할 수 있도록 하는 폐열교환기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 철도차량 및 전장품 열관리 통합시스템.
5. The method of claim 4,
The waste heat transfer device includes: a pump that sucks and circulates a waste heat transfer fluid that is used to cool a heat generating part of an electric device and absorbs waste heat by heat exchange with a cooling water containing waste heat from a multi-channel heat exchanger; and waste heat circulated by the pump An integrated system for thermal management of railway vehicles and electrical equipment, characterized in that it includes a waste heat exchanger that allows heating in the cabin through heat exchange with the transfer fluid.
상기 냉각장치는 냉매 분배 및 취합부에 직렬 또는 병렬로 다수 개가 연결 설치된 것을 특징으로 하는 철도차량 및 전장품 열관리 통합시스템.
6. The method according to any one of claims 3 to 5,
The cooling device is an integrated system for thermal management of railway vehicles and electrical equipment, characterized in that a plurality of cooling devices are connected and installed in series or parallel to the refrigerant distribution and collecting unit.
상기 열관리 통합 제어부는 객실 내부의 온도를 실시간으로 모니터링 하고, 모니터링 결과에 따라 객실 내부의 냉방모드와 난방모드 및 객실 내부의 냉난방 없이 전장품의 발열부를 냉각시키는 냉각모드 중 어느 하나의 모드를 선택하여 냉매의 흐름 방향과 분배비율 및 냉각장치의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 철도차량 및 전장품 열관리 통합시스템.
The method of claim 1,
The thermal management integrated control unit monitors the temperature inside the cabin in real time, and selects any one mode among the cooling mode and heating mode of the inside of the room and the cooling mode that cools the heating part of the electrical equipment without heating and cooling inside the room according to the monitoring result. An integrated system for thermal management of railway vehicles and electrical equipment, characterized in that it controls the flow direction and distribution ratio of
상기 난방모드는 철도차량 냉난방장치의 압축기와 응축기 사이의 통로를 차단시킨 상태에서 압축기에서 압축된 고온고압의 냉매를 증발기에서 기화시켜 객실 내로 공급하는 제1난방모드와,
상기 압축기에서 압축된 고온 고압의 냉매를 증발기와 응축기로 동시에 보내는 제2난방모드와,
철도차량 냉난방장치의 압축기와 응축기 사이의 통로를 차단시킨 상태에서 압축기에서 압축된 고온고압의 냉매를 증발기에서 기화시켜 객실 내로 공급함과 동시에 전장품의 발열부에서 발생한 폐열을 객실 내 난방에 활용할 수 있도록 하는 제3난방모드 및
전장품의 발열부에서 발생한 폐열만을 이용하여 객실 내 난방을 수행하는 제4난방모드를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 철도차량 및 전장품 열관리 통합시스템.
8. The method of claim 7,
The heating mode includes a first heating mode in which the high-temperature and high-pressure refrigerant compressed in the compressor is vaporized in the evaporator in a state in which the passage between the compressor and the condenser of the railway vehicle air conditioning system is blocked and supplied into the cabin;
a second heating mode in which the high-temperature and high-pressure refrigerant compressed in the compressor is simultaneously sent to the evaporator and the condenser;
With the passage between the compressor and the condenser of the railway car air conditioning system blocked, the high-temperature and high-pressure refrigerant compressed by the compressor is vaporized in the evaporator and supplied into the cabin, and the waste heat generated from the heating part of the electrical equipment can be used for heating in the cabin. 3rd heating mode and
An integrated system for thermal management of railway vehicles and electrical components, characterized in that it includes a fourth heating mode for heating the cabin using only the waste heat generated from the heating part of the electrical components.
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