KR20230098399A - 고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 압력 조절 시스템 및 방법 - Google Patents

고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 압력 조절 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 압력 조절 시스템 및 방법에 관한 것으로, 고속철도 차량이 터널 구간에서 주행 중 공기조화기에 신선한 공기를 지속적으로 공급함으로써 산소 농도 감소 및 이산화탄소 농도 증가를 방지하여 객실 내 승객의 건강을 보호하고 쾌적성도 향상시킴은 물론 공기탱크를 복수의 탱크로 구성하는 경우 단계적으로 압력을 낮추면서 공기조화기에 공기를 공급함에 따라 공기 투입량을 더욱 일정하고 정밀하게 제어할 수 있을 뿐만 아니라 동시에 더 많은 압축 공기를 보관할 수 있는 고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 압력 조절 시스템 및 방법을 제공한다.

Description

고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 압력 조절 시스템 및 방법 {Pressure control system and method of roof-mounted air conditioner for high-speed rail vehicles}
본 발명은 고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 압력 조절 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 터널 구간에서 고속철도 차량이 주행시 객실 내 공기를 청정하게 유지하는 공기조화기의 압력 조절을 통해 객실 내부의 환기가 가능하도록 함으로써 객실 내부의 이산화탄소 농도를 낮추고 산소 농도를 높여 객실내 공기질을 개선하는 고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 압력 조절 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 고속철도 차량은 주행 중 객실 내 공기를 청정하게 유지하기 위하여 환기가 되도록 공조시스템이 설계되어 있으며, 통상 신선 공기 30%, 객실 공기 70%를 혼합하여 객실로 공급하게 되어 있다.
그러나, 고속철도 차량이 고속으로 터널에 진입하게 되면 객실 내부와 터널 사이의 기압 차가 발생하며 이 때문에 승객들은 고막에 통증 내지는 불쾌감을 느끼게 된다. 이를 방지하기 위하여 고속철도 차량에는 신선 공기 유입구에 덮개(플랩)가 설치되어 있으며, 터널에서는 이 덮개를 닫아 외부와 밀폐 상태를 유지하고 이때에는 객실 공기가 100% 재순환되어 객실로 공급함으로써 이명 현상을 방지하도록 하고 있다.
이러한 철도차량 객실환기를 위한 덮개(플랩)에 관한 선행기술로 공개특허 제10-2013-0026136호(참고문헌 1) 등이 제안된 바 있다. 상기 참고문헌 1은 철도차량 객실환기용 공기 출입구 개폐 댐퍼에 관한 것으로, 특히 댐퍼의 외부에 슬라이딩 동작을 통해 신속히 공기 출입구를 개폐시키는 액추에이터를 구비하여 개폐시간을 줄이고 소음 발생을 방지할 수 있는 철도차량 객실환기용 공기 출입구 개폐 댐퍼로서, 공기 덕트(duct)의 출입구에 설치되어 공기의 흐름(송풍 량)을 제어하기 위하여 개폐되는 문인 댐퍼와; 상기 댐퍼의 외 측면에는 전, 후진 슬라이딩 동작하는 로드가 위쪽을 향하도록 설치되는 액추에이터;를 포함하여 이루어진다.
그런데 고속철도 차량의 터널 진입시 발생하는 이명 현상을 방지하기 위하여 이러한 덮개(플랩)를 닫아 환기를 중단하게 되면 신선한 공기의 유입이 차단됨에 따라 승객들의 호흡에 의해 객실 내부의 산소 농도는 감소하고, 이산화탄소 농도는 증가하게 된다.
이 경우 터널의 길이가 짧은 경우에는 산소 농도가 약간 감소하고 이산화탄소 농도가 약간 높아도 단기간 노출되기 때문에 큰 문제가 없으나, 터널의 길이가 긴 경우에는 산소 농도가 크게 낮아지는 반면에 이산화탄소 농도가 크게 높아져서 승객들은 졸음, 두통, 집중력 저하 등을 겪게 된다.
이에 ‘실내공기질 관리법’에서 대중교통차량의 실내공기질 관리를 규정하고 있으며, 이산화탄소 농도의 경우 혼잡시간대(주말 및 공휴일 등)에는 2,500 ppm, 비혼잡시간대(평시)에는 2,000 ppm 이하로 유지하도록 권고하고 있다.
하지만, 국내 고속철도 차량의 경우 터널 구간이 많은 경우에는 이산화탄소 농도가 2,500 ppm을 초과하는 경우가 많으며, 점차 고속철도가 지하화되면서 터널 구간이 늘어나고 있고 철도 이용 승객의 증가 등에 의한 환기량 부족은 실내공기질 악화의 악순환을 유발하므로 이에 대한 기술적인 대책이 요구되는 실정이다.
참고문헌 1: 공개특허 제10-2013-0026136호
본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서 본 발명은 터널 구간에서 고속철도 차량이 주행시 객실 내 공기를 청정하게 유지하는 공기조화기의 압력 조절을 통해 객실 내부의 환기가 가능하도록 함으로써 객실 내부의 이산화탄소 농도를 낮추고 산소 농도를 높여 객실내 공기질을 개선할 수 있는 고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 압력 조절 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
특히, 본 발명은 고속철도 차량이 주행시 터널 외 구간에서는 공기조화기의 기존 신선공기 유입구를 통해 외기를 객실 내부로 유입시키고 터널 구간에서는 다중 압력 조절을 통해 공기조화기에 신선 공기를 유입시켜 객실 내부를 환기시키는 고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 압력 조절 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;
고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기에 공기를 공급할 수 있도록 연결되는 공기탱크와, 상기 공기탱크에 압축 공기를 공급하는 공기압축기와, 상기 공기탱크의 출력 및 공기압축기의 구동을 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 압력 조절 시스템을 제공한다.
이때, 상기 공기압축기의 출력측에 연결되는 상기 공기탱크의 출력측에는 공기탱크의 공기를 공기조화기로 공급하기 위한 공기밸브가 구비되고, 상기 공기탱크의 내부에는 압력센서가 구비되며, 상기 제어기는 상기 압력센서를 통해 공기탱크 내부의 공기압을 모니터링하여 상기 공기밸브를 제어하여 상기 공기탱크의 공기를 공기조화기로 공급하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 공기탱크는 공기압축기로부터 압축된 고압공기를 공급받는 고압탱크와, 상기 고압탱크의 고압공기의 압력을 낮추는 완충탱크와, 상기 완충탱크의 완충공기의 압력을 낮추어 상기 공기조화기에 저압공기를 공급하는 저압탱크를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 공기밸브는 상기 고압탱크의 출력측에 구비되는 고압밸브와, 상기 완충탱크의 출력측에 구비되는 완충밸브와, 상기 저압탱크의 출력측에 구비되는 저압밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 압력센서는 상기 고압탱크 내부의 공기압을 모니터링하는 고압탱크용 압력센서와, 상기 완충탱크 내부의 공기압을 모니터링하는 완충탱크용 압력센서와, 상기 저압탱크 내부의 공기압을 모니터링하는 고압탱크용 압력센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 공기압축기의 출력측에는 압축밸브가 구비되며, 상기 제어기는 상기 압력센서에서 모니터링되는 공기탱크의 공기압에 따라 상기 공기압축기의 압축공기를 상기 공기탱크로 공급하도록 상기 압축밸브를 제어하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제어기는 터널 구간 모니터링 시스템으로부터 터널 구간 감지신호를 입력받아 터널 구간인지 여부를 판단하여 터널 구간 여부에 따라 공기조화기의 신선 공기 유입구를 개폐하는 덮개를 개폐 제어하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 터널 구간 모니터링 시스템은 객실 압력차를 모니터링하는 객실 압력차 센서와, 터널 진입부 궤도에 설치되는 터널 구간 감지센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제어기는 객실 내부의 산소 및 이산화탄소 농도를 감지하는 객실 공기질 모니터링 시스템으로부터 객실 내부의 산소 및 이산화탄소 농도 데이터를 입력받아 산소 설정값 및 이산화탄소 설정값과 비교하여 공기탱크의 공기를 공기조화기로 투입하도록 상기 공기밸브를 제어하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 객실 공기질 모니터링 시스템은 객실 내부의 산소 및 농도를 감지하는 산소 농도 센서와, 객실 내부의 이산화탄소 농도를 감지하는 이산화탄소 농도 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은;
고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 압력 조절 방법에 있어서, 터널 구간 모니터링 시스템으로부터 터널 구간 감지신호를 입력 받는 제1단계; 상기 터널 구간 감지신호를 분석하여 터널 구역인지 여부를 판단하는 제2단계; 및 터널 외 구역으로 판단되면 외부의 신선 공기가 공기조화기로 유입되도록 신선 공기 유입구의 덮개를 개방하고 압력 조절 시스템의 공기밸브를 차단하고, 공기조화기의 덮개를 닫아 외기 유입을 차단하고 공기탱크에서 공기조화기로 공기를 공급하도록 공기탱크의 출력측에 구비되는 공기밸브를 개방하는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 압력 조절 방법도 제공한다.
이때, 상기 제1단계는 상기 터널 구간 모니터링 시스템의 객실 압력차 센서에서 모니터링되는 객실 압력차 데이터와 터널 구간 감지센서에서 모니터링되는 터널 구간 감지신호를 입력받는 단계이고, 상기 제2단계는 상기 객실 압력차 데이터가 설정범위 이내인지 여부와 터널 구역인지 여부를 판단하는 단계이며, 상기 제3단계는 상기 객실 압력차가 설정범위 이내이고 상기 터널 구역 감지신호를 분석하여 터널 외 구역으로 판단되면 외부의 신선 공기가 공기조화기로 유입되도록 신선 공기 유입구의 덮개를 개방하고 상기 공기밸브를 차단하고, 객실 압력차가 압력차 설정값 이상이고 터널 구역 감지신호를 분석하여 터널 구역으로 판단되면 외기 유입을 차단하도록 공기조화기의 덮개를 닫고 공기밸브를 개방하는 단계인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제3단계 이후에, 객실의 공기질을 모니터링하기 위한 객실 공기질 모니터링 시스템로부터 산소 및 이산화탄소 농도 데이터를 입력받는 제4단계; 상기 산소 농도가 산소 설정값을 초과하는지 여부와 이산화탄소 농도가 이산화탄소 설정범위 이내인지 여부를 비교하는 제5단계; 상기 산소 농도가 산소 설정값을 초과하고 이산화탄소 농도가 이산화탄소 설정범위 이내이면 상기 공기밸브의 개방도를 감소시키고, 상기 산소 농도가 산소 설정범위 이내이고 이산화탄소 농도가 이산화탄소 설정값 이상이면 공기밸브의 개방도를 증가시키는 제6단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 압력 제어 시스템은 고속철도 차량이 터널 구간에서 주행 중 공기조화기에 신선한 공기를 지속적으로 공급함으로써 산소 농도 감소 및 이산화탄소 농도 증가를 방지하여 객실 내 승객의 건강을 보호하고 쾌적성도 향상시킬 수 있다.
특히, 본 발명에 따르면 공기탱크를 복수의 탱크로 구성하여 단계적으로 압력을 낮추면서 공기조화기에 공기를 공급함에 따라 공기 투입량을 더욱 일정하고 정밀하게 제어할 수 있을 뿐만 아니라 동시에 더 많은 압축 공기를 보관할 수 있는 장점도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 압력 조절 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 압력 조절 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 고속철도 차량이 터널 외의 구간 운행시 지붕탑재형 고속열차 공기조화기의 압력 조절 시스템을 이용한 환기 예를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 고속철도 차량이 터널 구간 운행시 지붕탑재형 고속열차 공기조화기의 압력 조절 시스템을 이용한 환기 예를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 압력 조절 시스템을 이용한 고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 운전 제어 흐름도이다.
이하, 본 발명에 따른 고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 압력 조절 시스템 및 방법을 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 압력 조절 시스템(100)은 고속철도 차량(1)이 터널 구간을 주행중에도 환기가 가능하도록 함으로써 객실의 이산화탄소 농도를 낮추고, 산소 농도를 높이도록 함으로써 객실 내부의 공기질을 개선할 수 있는 시스템이다.
특히, 본 발명은 고속철도 차량(1)의 지붕에 탑재되는 공조 시스템을 구성하는 공기조화기(2)의 신선공기 유입구에 압력 조절 시스템(100)을 연결하며, 이를 통해 고속철도 차량(1)이 터널 외 구간에서 주행시에는 기존 신선공기 유입구를 통해 외기가 객실 내부로 유입되도록 하다가, 고속철도 차량(1)이 터널 구간에 진입하게 되면 신선공기 유입구를 덮개(플랩)로 닫고 압력 조절 시스템(100)을 통해 공기조화기(2)에 신선 공기가 유입되도록 함으로써 터널 구간에서도 환기가 가능하도록 하여 고속철도 차량(1)의 객실 내에서 이산화탄소 농도가 높아지는 것을 방지하고 산소를 공급할 수 있도록 하는 것이다.
이와 같은 본 발명에 따른 고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 압력 조절 시스템(100)은 고속철도 차량(1)의 객실 내부를 환기시키는 공기조화기(2)에 공기를 공급할 수 있도록 연결되는 공기탱크(110)와, 상기 공기탱크(110)에 압축 공기를 공급하는 공기압축기(120)와, 상기 공기탱크(110)의 출력 및 공기압축기(120)의 구동을 제어하는 제어기(130)를 포함한다.
이하, 본 발명의 각부 구성을 구체적으로 설명한다.
우선 상기 공기조화기(2)는 고속철도 차량(1)의 객실 내부를 환기시키기 위해 고속철도 차량(1)의 지붕에 탑재되는 것으로 신선공기 유입구가 구비되며, 상기 신선공기 유입구에는 덮개(플랩)(20)가 구비되어 외기(외부 공기)의 유입 또는 차단을 제어할 수 있다.
이하에서는 상기 제어기(130)가 상기 공기조화기(2)의 덮개(20)를 개폐 제어하는 것으로 설명하지만, 이에 한정하지 않고 상기 제어기(130)는 공기조화기(2)를 포함하는 공조시스템으로부터 덮개(20)를 개폐 제어하기 위한 신호를 수신하거나 송신할 수도 있다.
한편, 본 발명의 압력 조절 시스템(100)은 고속철도 차량(1)의 주행 중 터널 외 구간에서는 고속철도 차량(1)의 객실 내부를 환기시키는 공기조화기(2)의 신선공기 유입구를 통해 유입되는 외기를 공급받고, 터널 구간에서는 공기조화기(2)로 압축된 공기를 제공할 수 있다.
이를 위해 상기 공기조화기(2)의 신선 공기 유입구에는 상기 공기탱크(110)의 출력측이 연결되고, 상기 공기탱크(110)의 입력측에는 공기압축기(120)의 출력측이 연결된다.
그리고, 상기 공기탱크(110)의 출력측에는 공기탱크(110)의 공기를 공기조화기(2)로 공급하기 위한 공기밸브(112)가 구비되고, 상기 공기탱크(110)의 내부에는 압력센서(114)가 구비되어 공기탱크(110) 내부의 공기압을 모니터링하여 상기 공기밸브(112)를 제어하여 공기조화기(2)로 공기탱크(110)의 공기를 공급할 수 있다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 상기 공기탱크(110)는 공기압축기(120)로부터 압축된 고압공기를 공급받는 고압탱크(110a)와, 상기 고압탱크(110a)의 고압공기의 압력을 낮추는 완충탱크(110b)와, 상기 완충탱크(110b)의 완충공기의 압력을 낮추어 상기 공기조화기(2)에 저압공기를 공급하는 저압탱크(110c)를 포함한다. 이에 상기 공기압축기(120)의 출력측에는 고압탱크(110a)의 입력측이 연결되고, 상기 고압탱크(110a)의 출력측에는 완충탱크(110b)의 입력측이 연결되고, 상기 완충탱크(110b)의 출력측에는 저압탱크(110c)의 입력측이 연결되며, 상기 저압탱크(110c)의 출력측에는 공기조화기(2)가 연결된다.
이 경우 상기 공기탱크(110)는 하나 이상의 탱크로 구성될 수 있는 것으로, 필요에 따라 고압탱크(110a)만 구성하거나, 다중 압력 조절이 가능하도록 저압탱크(110c) 및 고압탱크(110a)로만 구성하거나, 저압탱크(110c)와 완충탱크(110b) 및 고압탱크(110b) 모두를 포함하여 구성할 수도 있다.
그리고, 고압탱크(110a)만으로 구성하는 경우에 비해 다중 압력 조절이 가능하도록 고압탱크(110a)와 완충탱크(110b) 및 저압탱크(110c)로 구성하는 경우 단계적으로 공기압을 낮추면서 공기조화기(2)로 신선 공기를 미세하게 조절하며 공급할 수 있는 장점이 있다.
즉, 본 발명의 실시를 위해서는 공기를 보관할 수 있는 공기탱크(110)가 필요하며, 기본적으로는 한 개의 고압탱크(110a)에 공기를 압축하여 보관하고 터널 구간에서는 공기밸브(112)를 개방하여 공기조화기(2)에 공기를 공급할 수 있다. 여기에 부가적으로 고압탱크(110a)와 공기조화기(2) 사이에 저압탱크(110c)를 설치하는 구성이 가능하며, 이 경우 공기조화기(2)에 공급되는 공기의 양을 더욱 일정하고 정밀하게 제어할 수 있다.
아울러, 고압탱크(110a)와 저압탱크(110c) 사이에 완충탱크(110b)를 부가적으로 구성하면 공기 양 제어가 더 용이해지며 동시에 더 많은 공기를 보관할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 공기탱크(110)는 지붕탑재형 공기조화기(2)의 설치 위치를 고려하여 공기조화기(2)와의 연결 거리가 길어지지 않도록 객차의 상부 지붕 위에 설치함이 바람직하나, 상부의 공간이 충분하지 않을 경우 객차 하부에 설치하고 공기조화기(2)와 연결함도 가능하다.
다만, 객차 하부의 경우 열차 운행 중에 비산 먼지, 차륜과 선로의 마모 발생 먼지 등이 발생하여 공기압축기(120)를 통해 공기탱크(110) 내부로 유입될 우려가 크므로 이를 고려하여 미세먼지가 공기조화기(2)로 유입되지 않도록 미세먼지 필터를 추가로 설치하는 것이 바람직하다.
이와 같은 공기탱크(110)의 출력측에는 공기밸브(112)가 구비된다. 구체적으로 설명하면 상기 공기밸브(112)는 상기 고압탱크(110a)의 출력측에 구비되는 고압밸브(112a)와, 상기 완충탱크(110b)의 출력측에 구비되는 완충밸브(112b)와, 상기 저압탱크(110c)의 출력측에 구비되는 저압밸브(112c)를 포함한다.
이 경우 고압탱크(110a)와 완충탱크(110b)와 저압탱크(110c) 및 공기조화기(2)를 연결하는 유로(덕트)가 필요하며, 이 유로에 공기밸브(112) 즉 고압밸브(112a)와 완충밸브(112b) 및 저압밸브(112c)를 설치하여 공기 공급량을 조절할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 공기압축기(120)의 출력측에도 압축밸브(122)가 구비되어 고압탱크(110a)로 압축공기를 공급하는 것을 제어할 수 있다.
또한, 상기 공기탱크(110)에는 공기 압력을 모니터링 할 수 있도록 압력센서(114)가 구비된다. 구체적으로 설명하면 상기 압력센서(114)는 상기 고압탱크(110a) 내부의 공기압을 모니터링하는 고압탱크용 압력센서(114a)와, 상기 완충탱크(110b) 내부의 공기압을 모니터링하는 완충탱크용 압력센서(114b)와, 상기 저압탱크(110c) 내부의 공기압을 모니터링하는 저압탱크용 압력센서(114c)를 포함한다.
이러한 구성에 의하면 상기 고압탱크용 압력센서(114a)와 완충탱크용 압력센서(114b) 및 저압탱크용 압력센서(114c)로부터 감지되는 고압탱크(110a)와 완충탱크(110b) 및 저압탱크(110c)의 공기압 데이터는 제어기(130)로 입력되며, 상기 제어기(130)는 각 탱크(110a,110b,110c)의 공기압을 모니터링하여 상황에 따라 각 탱크(110a,110b,110c) 및 공기압축기(120)의 출력측에 구비되는 밸브(112a,112b,112c,122)를 제어한다.
한편, 상기 고압탱크(110a)는 공기압축기(120)와 연결하여 터널 외 구간을 운행할 때에는 공기압축기(120)를 가동하여 고압탱크(110a)에 지속적으로 압축 공기를 모을 수 있도록 하여야 한다. 필요시에는 터널 구간 운행 중에도 공기압축기(120)를 가동하여 터널 구간에서 압력 조절 시스템(100)의 가동에 의해 압축 공기를 사용함에 따른 고압탱크(110a)의 압력 저하를 방지할 수는 있으나, 이 경우 터널 구간은 고속철도 차량(1)의 운행시 발생되는 비산 미세먼지 및 디젤기관차 등에서 발생하는 유해 가스상 오염물질 등으로 오염된 경우가 많으며, 이에 따라 오염물질이 압축 공기 중에 포함될 우려가 있으므로 터널 구간에서는 가능하면 공기압축기(120)를 가동하지 않도록 하며, 꼭 가동해야 할 경우에는 공기조화기(2)에 공급되기 전에 다중의 미세먼지 및 유해가스 필터를 통과하도록 하여 청정한 공기가 객실로 공급될 수 있도록 함이 바람직하다.
아울러, 고속철도 차량(1)에는 기본적으로 제동 등을 위한 압축 공기가 공급되므로 이를 공기압축기(120)를 대신하여 고압탱크(110a)에 압축 공기를 저장하는 방법도 적용이 가능하나 이 경우 안전과 직접 관련이 있는 제동 장치에 영향을 미칠 수 있을 뿐만 아니라, 제어에도 어려움이 있고 공급되는 공기 중에 미세먼지 또는 기타 유해 오염물질이 포함되어 있을 우려가 있으므로 독립적으로 설치하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 공기압축기(120)는 고속철도 차량(1)의 객차당 1대를 설치할 수도 있고 필요시 여러 대를 설치할 수도 있으며, 이는 터널 운행 지속 시간 등을 고려한 고압탱크(110a)의 용량 및 기타 제반 사항에 따라 용이하게 변경이 가능하다.
이러한 본 발명은 고속철도 차량(1)에만 국한되지 않고, 버스나 승합차 또는 기타 소형 승용차 등에도 유사하게 적용이 가능하다.
그리고, 상기 제어기(130)는 객실 내외부 압력차를 모니터링하는 객실 압력차 센서(210)와, 터널 진입부 궤도에 설치되는 터널 구간 감지센서(220)를 포함하는 터널 구간 모니터링 시스템(200)과 연동 운영되며, 이러한 터널 구간 모니터링 시스템(200)으로부터 객실 압력차 데이터와 터널 구간 감지신호를 입력받아 객실 압력차가 설정범위 이내인지 여부 및 터널 구간인지 여부 등을 종합적으로 판단하여 터널 구간 여부에 따라 공기조화기(2)의 신선 공기 유입구를 개폐하는 덮개(20)를 개폐 제어한다.
또한, 상기 제어기(130)는 객실 내부의 산소 농도를 감지하는 산소 농도 센서(310)와, 객실 내부의 이산화탄소 농도를 감지하는 이산화탄소 농도 센서(320)를 포함하는 객실 공기질 모니터링 시스템(300)과 연동 운영되며, 이러한 객실 공기질 모니터링 시스템(300)으로부터 객실 내부의 산소 및 이산화탄소 농도 데이터를 입력받아 산소 설정값 및 이산화탄소 설정값과 비교하여 공기탱크(110)의 공기를 공기조화기(2)로 투입하는 것을 제어한다.
이하에서는 도 3 및 도 4를 참고로 본 발명에 따른 고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 압력 조절 시스템의 터널 내외 구간에서의 작동 예에 대하여 설명한다.
우선 고속철도 차량(1)이 터널 외 구간을 운행 중에는 외부의 신선 공기가 공기조화기(2)로 유입되도록 신선 공기 유입구의 덮개(20)를 개방하고, 공기조화기(2)에서 신선 공기와 객실(10)에서 나온 재순환 공기를 각각 30%와 70%의 부피비율로 혼합하여 고속철도 차량(1)의 객실(10)에 공급하게 된다. 이렇게 일반적인 환기가 이루어지는 동안 압력 조절 시스템(100)에서 공기조화기(2)에 연결된 공기밸브(112)는 닫고, 대신에 고압탱크(110a)에 연결된 공기압축기(120) 유로의 압축밸브(122)를 열어 공기압축기(120)에서 생성되는 신선 공기가 압축공기 형태로 고압탱크(110a) 내부에 저장되도록 한다.
반면에 고속철도 차량(1)이 터널 구간에 진입하게 되면 공기조화기(2)의 신선 공기 유입구의 덮개(20)를 닫고, 대신 공기조화기(2)와 연결된 압력 조절 시스템(100)의 저압탱크(110c)의 저압밸브(112c)를 개방하여 저압탱크(110c)에 보관된 공기가 공기조화기(2)로 일정하게 공급되도록 하여 이 공기와 객실에서 나온 재순환공기가 공기조화기(2)에서 30% : 70%의 부피 비율로 혼합되도록 한다.
이렇게 저압탱크(110c)에서 공기조화기(2)로 공기를 공급하게 되면 저압탱크(110c)의 공기 압력이 점차 감소하게 되는데, 이를 상쇄하기 위하여 저압탱크(110c)와 연결된 고압탱크(110a)의 고압밸브(112a) 또는 완충탱크(110b)의 완충밸브(112b)를 개방하여 고압탱크(110a)에서 저압탱크(110c) 방향으로 지속적으로 공기를 공급하여 저압탱크(110c)의 압력을 일정하게 유지하여 기존에 공기조화기(2)로 유입되던 신선 공기의 압력과 유사한 압력을 유지할 수 있도록 한다.
물론, 고속철도 차량(1)이 터널 구간을 벗어나 터널 밖으로 나오게 되면 다시 신선 공기 유입구의 덮개(20)를 개방하고, 압력 조절 시스템(100)과 연결된 공기밸브(112)는 차단하고, 압력 조절 시스템(100)의 고압탱크(110a)에 연결된 공기압축기(120)의 출력측 유로의 압축밸브(122)를 다시 개방하여 신선 공기가 압축공기 형태로 고압탱크(110a) 내부에 저장되도록 하여 다음 터널 구간에 진입할 때 사용할 수 있도록 한다.
여기서, 공기압축기(120)는 가능하면 터널 외의 구간에서 작동하고, 터널 내부에서도 작동하여야 할 경우에는 터널 내부의 고농도 미세먼지를 포함한 공기가 고압탱크(110a) 내부로 들어올 우려가 있으며, 그 미세먼지가 객실 내부를 오염시킬 우려가 있으므로 완충탱크(110b) 또는 저압탱크(110c)와 연결된 부분에 미세먼지 필터를 설치하여 객실 내부로 미세먼지를 포함한 오염된 공기가 유입되는 것을 최소화하는 것이 바람직하다.
다음으로 도 5를 참고하여 본 발명에 따른 압력 조절 시스템이 설치된 고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 제어 과정을 설명한다.
압력 조절 시스템(100)이 설치된 지붕탑재형 고속철도 차량(1)의 공기조화기(2) 운전 제어를 위해서는 고속철도 차량(1)이 터널 구간을 운행하고 있는지 또는 터널 이외 구간을 운행하고 있는지를 감지해야 한다.
이러한 터널 구간 여부를 감시하기 위한 터널 구간 모니터링 방법으로는 고속철도 차량(1)의 객실 내부와 외부의 차압을 감지하여 외부의 압력이 급격히 감소하는 것을 모니터링 하는 방법과, 터널 진입부의 궤도에 설치된 터널 구간 감지 센서를 모니터링 하는 방법이 있으므로, 이 두 가지 신호를 동시에 모니터링 하여 터널 구간 운행 여부를 감지하게 된다.
이에 제어기(130)는 터널 구간 모니터링 시스템(200)의 객실 압력차 센서(210)로부터 객실 압력차 데이터를 입력(S1)받고, 터널 구간 감지센서(220)로부터 터널 구간 감지신호를 입력(S2) 받는다.
상기 제어기(130)는 상기 단계(S1)를 통해 입력되는 객실 압력차 데이터가 압력차 설정값(예를 들어 50Pa) 이내인지 여부를 비교(S3)하고, 상기 단계(S2)를 통해 입력되는 터널 구간 감지신호를 분석하여 터널 구역인지 여부를 판단(S4)한다.
이에 상기 제어기(130)는 상기 단계(S3)를 통해 입력되는 객실 압력차가 압력차 설정범위 이내이고 상기 단계(S4)를 통해 입력되는 터널 구역 감지신호를 분석하여 터널 외 구역으로 판단되면 외부의 신선 공기가 공기조화기(2)로 유입되도록 신선 공기 유입구의 덮개(20)를 개방하고 압력 조절 시스템(100)의 공기밸브(112)를 차단한다.(S6)
즉, 터널 이외 구간에서는 평상시와 마찬가지로 신선 공기 덮개(20)를 개방하고 압력 조절 시스템(100)과 연결된 공기밸브(112)는 차단하여 일반적인 환기를 통해 객실 공기질을 관리한다.
한편, 상기 제어기(130)는 상기 단계(S3)를 통해 객실 압력차가 압력차 설정값 이상이고 상기 단계(S4)를 통해 입력되는 터널 구역 감지신호를 분석하여 터널 구역으로 판단되면 외기 유입을 차단하도록 공기조화기(2)의 덮개(20)를 닫고 압력 조절 시스템(100)이 가동되도록 공기밸브(112)를 개방하여 압력 조절 시스템의 저압탱크(110c)에서 공기조화기(2)로 공기가 공급되도록 한다.(S5)
이때, 상기 제어기(130)는 객실의 공기질을 모니터링하기 위한 객실 공기질 모니터링 시스템(300)의 산소 농도 센서(310)로부터 산소 농도 데이터를 입력(S7)받고, 이산화탄소 농도 센서(320)로부터 이산화탄소 농도 데이터를 입력(S8)받는다.
그리고, 상기 제어기(130)는 상기 단계(S7)를 통해 입력되는 산소 농도가 산소 설정값(예를 들어 20%)을 초과하는지 여부를 비교(S9)하고, 상기 단계(S8)를 통해 입력되는 이산화탄소 농도가 이산화탄소 설정값(예를 들어 2,500ppm) 이내인지 여부를 비교(S10)한다.
이에 상기 제어기(130)는 상기 단계(S9)를 통해 입력되는 산소 농도가 산소 설정값을 초과하고 상기 단계(S10)를 통해 입력되는 이산화탄소 농도가 이산화탄소 설정값 이내로 판단되면 공기밸브(112)의 개방도를 감소시킨다.
즉, 저압탱크(110c)와 연결된 저압밸브(112c)를 더 적게 개방하여 공기 공급량을 더 줄이도록 하여 객실 공기 중의 산소 농도와 이산화탄소 농도를 제어한다.(S11)
그리고, 상기 제어기(130)는 상기 단계(S9)를 통해 입력되는 산소 농도가 산소 설정값 이내이고 상기 단계(S10)를 통해 입력되는 이산화탄소 농도가 이산화탄소 설정값 이상으로 판단되면 공기밸브(112)의 개방도를 증가시킨다.
즉, 저압탱크(110c)와 연결된 저압밸브(112c)를 더 많이 개방하여 공기 공급량을 더 늘려 객실 공기 중의 산소 농도와 이산화탄소 농도를 제어한다.(S12)
이상의 단계(S11 또는 S12)를 통해 객실 공기 중의 산소 농도와 이산화탄소 농도를 제어함으로서 객실의 공기질을 최적화할 수 있다.(S13)
위에서 설명한 고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 압력 조절 방법을 정리하면, 터널 구간 모니터링 시스템(200)으로부터 터널 구간 감지신호를 입력 받는 제1단계와 상기 터널 구간 감지신호를 분석하여 터널 구역인지 여부를 판단하는 제2단계 및 터널 외 구역으로 판단되면 외부의 신선 공기가 공기조화기(2)로 유입되도록 신선 공기 유입구의 덮개(20)를 개방하고 압력 조절 시스템(100)의 공기밸브(112)를 차단하고, 공기조화기(2)의 덮개를 닫아 외기 유입을 차단하고 공기탱크에서 공기조화기(2)로 공기를 공급하도록 공기탱크(110)의 출력측에 구비되는 공기밸브(112)를 개방하는 제3단계를 포함하여 이루어지게 된다.
이때, 상기 제1단계는 상기 터널 구간 모니터링 시스템(200)의 객실 압력차 센서에서 모니터링되는 객실 압력차 데이터와 터널 구간 감지센서에서 모니터링되는 터널 구간 감지신호를 입력받는 단계이고, 상기 제2단계는 상기 객실 압력차 데이터가 압력차 설정값 미만인지 여부와 터널 구역인지 여부를 판단하는 단계이며, 상기 제3단계는 상기 객실 압력차가 압력차 설정값 미만이고 상기 터널 구역 감지신호를 분석하여 터널 외 구역으로 판단되면 외부의 신선 공기가 공기조화기(2)로 유입되도록 신선 공기 유입구의 덮개(20)를 개방하고 상기 공기밸브(112)를 차단하고, 객실 압력차가 압력차 설정값 이상이고 터널 구역 감지신호를 분석하여 터널 구역으로 판단되면 외기 유입을 차단하도록 공기조화기(2)의 덮개(20)를 닫고 공기밸브(112)를 개방하는 단계이다.
그리고, 상기 제3단계 이후에, 객실의 공기질을 모니터링하기 위한 객실 공기질 모니터링 시스템(200)로부터 산소 및 이산화탄소 농도 데이터를 입력받는 제4단계와 상기 산소 농도가 산소 설정값을 초과하는지 여부와 이산화탄소 농도가 이산화탄소 설정값 이내인지 여부를 비교하는 제5단계와 상기 산소 농도가 산소 설정값을 초과하고 이산화탄소 농도가 이산화탄소 설정값 이내이면 상기 공기밸브(112)의 개방도를 감소시키고, 상기 산소 농도가 산소 설정값 이내이고 이산화탄소 농도가 이산화탄소 설정값 이상이면 공기밸브(112)의 개방도를 증가시키는 제6단계를 더 포함하여 이루어지게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 고속철도 차량 2: 공기조화기
10: 객실 20: 덮개
100: 압력 조절 시스템 110: 공기탱크
110a: 고압탱크 110b: 완충탱크
110c: 저압탱크 112: 공기밸브
112a: 고압밸브 112b: 완충밸브
112c: 저압밸브 114: 압력센서
114a: 고압탱크용 압력센서 114b: 완충탱크용 압력센서
114c: 저압탱크용 압력센서 120: 공기압축기
130: 제어기 200: 터널 구간 모니터링 시스템
210: 객실 압력차 센서 220: 터널 구간 감지센서
300: 객실 공기질 모니터링 시스템 310: 산소 농도 센서
320: 이산화탄소 농도 센서

Claims (13)

  1. 고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기에 공기를 공급할 수 있도록 연결되는 공기탱크와, 상기 공기탱크에 압축 공기를 공급하는 공기압축기와, 상기 공기탱크의 출력 및 공기압축기의 구동을 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 압력 조절 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 공기압축기의 출력측에 연결되는 상기 공기탱크의 출력측에는 공기탱크의 공기를 공기조화기로 공급하기 위한 공기밸브가 구비되고, 상기 공기탱크의 내부에는 압력센서가 구비되며,
    상기 제어기는 상기 압력센서를 통해 공기탱크 내부의 공기압을 모니터링하여 상기 공기밸브를 제어하여 상기 공기탱크의 공기를 공기조화기로 공급하는 것을 특징으로 하는 고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 압력 조절 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 공기탱크는 공기압축기로부터 압축된 고압공기를 공급받는 고압탱크와, 상기 고압탱크의 고압공기의 압력을 낮추는 완충탱크와, 상기 완충탱크의 완충공기의 압력을 낮추어 상기 공기조화기에 저압공기를 공급하는 저압탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 압력 조절 시스템.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 공기밸브는 상기 고압탱크의 출력측에 구비되는 고압밸브와, 상기 완충탱크의 출력측에 구비되는 완충밸브와, 상기 저압탱크의 출력측에 구비되는 저압밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 압력 조절 시스템.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 압력센서는 상기 고압탱크 내부의 공기압을 모니터링하는 고압탱크용 압력센서와, 상기 완충탱크 내부의 공기압을 모니터링하는 완충탱크용 압력센서와, 상기 저압탱크 내부의 공기압을 모니터링하는 고압탱크용 압력센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 압력 조절 시스템.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 공기압축기의 출력측에는 압축밸브가 구비되며,
    상기 제어기는 상기 압력센서에서 모니터링되는 공기탱크의 공기압에 따라 상기 공기압축기의 압축공기를 상기 공기탱크로 공급하도록 상기 압축밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 압력 조절 시스템.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 제어기는 터널 구간 모니터링 시스템으로부터 터널 구간 감지신호를 입력받아 터널 구간인지 여부를 판단하여 터널 구간 여부에 따라 공기조화기의 신선 공기 유입구를 개폐하는 덮개를 개폐 제어하는 것을 특징으로 하는 고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 압력 조절 시스템.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 터널 구간 모니터링 시스템은 객실 압력차를 모니터링하는 객실 압력차 센서와, 터널 진입부 궤도에 설치되는 터널 구간 감지센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 압력 조절 시스템.
  9. 제 2항에 있어서,
    상기 제어기는 객실 내부의 산소 및 이산화탄소 농도를 감지하는 객실 공기질 모니터링 시스템으로부터 객실 내부의 산소 및 이산화탄소 농도 데이터를 입력받아 산소 설정값 및 이산화탄소 설정값과 비교하여 공기탱크의 공기를 공기조화기로 투입하도록 상기 공기밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 압력 조절 시스템.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 객실 공기질 모니터링 시스템은 객실 내부의 산소 및 농도를 감지하는 산소 농도 센서와, 객실 내부의 이산화탄소 농도를 감지하는 이산화탄소 농도 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 압력 조절 시스템.
  11. 고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 압력 조절 방법에 있어서,
    터널 구간 모니터링 시스템으로부터 터널 구간 감지신호를 입력 받는 제1단계;
    상기 터널 구간 감지신호를 분석하여 터널 구역인지 여부를 판단하는 제2단계; 및
    터널 외 구역으로 판단되면 외부의 신선 공기가 공기조화기로 유입되도록 신선 공기 유입구의 덮개를 개방하고 압력 조절 시스템의 공기밸브를 차단하고, 공기조화기의 덮개를 닫아 외기 유입을 차단하고 공기탱크에서 공기조화기로 공기를 공급하도록 공기탱크의 출력측에 구비되는 공기밸브를 개방하는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 압력 조절 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 제1단계는 상기 터널 구간 모니터링 시스템의 객실 압력차 센서에서 모니터링되는 객실 압력차 데이터와 터널 구간 감지센서에서 모니터링되는 터널 구간 감지신호를 입력받는 단계이고,
    상기 제2단계는 상기 객실 압력차 데이터가 설정범위 이내인지 여부와 터널 구역인지 여부를 판단하는 단계이며,
    상기 제3단계는 상기 객실 압력차가 설정범위 이내이고 상기 터널 구역 감지신호를 분석하여 터널 외 구역으로 판단되면 외부의 신선 공기가 공기조화기로 유입되도록 신선 공기 유입구의 덮개를 개방하고 상기 공기밸브를 차단하고, 객실 압력차가 압력차 설정값 이상이고 터널 구역 감지신호를 분석하여 터널 구역으로 판단되면 외기 유입을 차단하도록 공기조화기의 덮개를 닫고 공기밸브를 개방하는 단계인 것을 특징으로 하는 고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 압력 조절 방법.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 제3단계 이후에, 객실의 공기질을 모니터링하기 위한 객실 공기질 모니터링 시스템으로부터 산소 및 이산화탄소 농도 데이터를 입력받는 제4단계;
    상기 산소 농도가 산소 설정값을 초과하는지 여부와 이산화탄소 농도가 이산화탄소 설정값 이내인지 여부를 비교하는 제5단계;
    상기 산소 농도가 산소 설정값을 초과하고 이산화탄소 농도가 이산화탄소 설정값 이내이면 상기 공기밸브의 개방도를 감소시키고, 상기 산소 농도가 산소 설정값 이내이고 이산화탄소 농도가 이산화탄소 설정값 이상이면 공기밸브의 개방도를 증가시키는 제6단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고속철도 차량용 지붕탑재형 공기조화기의 압력 조절 방법.
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KR102709586B1 (ko) * 2023-09-06 2024-09-24 현대로템 주식회사 압축공기통을 이용한 고속철도차량용 산소 공급시스템

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KR20130026136A (ko) 2011-09-05 2013-03-13 현대로템 주식회사 철도차량 객실환기용 공기 출입구 개폐 댐퍼

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