R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201717RTRP-C137546-01 | |||||
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| 연구사업명 | 철도기술연구사업 | |||||
| 연구과제명 | PCM 나노복합소재 기반 능동형 냉각시스템 요소기술 개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2017-10-23 ~ 2019-07-22 | |||||
| 연구책임자 | 목진용 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
12명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
12명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 574,000,000 원 기업 : 192,000,000 원 계 : 766,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 574,000,000 원 기업 : 192,000,000 원 계 : 766,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 한국철도기술연구원 | |||||
| 등록 발간번호 | 11-B551201-000129-01 | |||||
| ISBN | 979-11-89761-74-5 | |||||
| 주요 내용 |
○ 경량화 및 지능화를 위해서 새롭게 개발되고 있는 철도차량에 집적화된 추진 시스템 및 고도화된 시스템이 도입됨에 따라 더욱 많은 에너지 소요가 발생되고 있으며, 특히 시스템의 에너지 변환효율을 높임과 동시에 작동온도에 대한 제한사항을 유지하고 시스템의 온도 균일성을 보장하는 것은 시스템의 안정적인 운영에 필수적임 - 대형 승객운송수단인 철도차량의 운행 중에 추진시스템의 고장(예: 전력반도체(IGBT) 냉각실패)으로 차량이 정지할 경우, 승객의 안전이 위험할 수 있으며 대중교통으로의 신뢰도도 손상됨 ○ 고속철도차량(예: KTX-산천)의 동력차 부분에는 냉각을 위한 환기(Fan) 시스템 및 덕트(Duct)가 부착되어 있으며, 이는 열차의 공기역학적 저항을 증가시키는 요인이므로 차량의 냉각성능을 향상시킨다면 고속열차의 성능을 높일 수 있음 ○ 냉각시스템의 고장(예: 전력 반도체의 냉각 실패)은 시스템의 동작을 일시에 정지시켜 사용자의 안전을 위협할 수 있으며, 특히 고열환경에서의 시스템의 운영은 시스템의 열적 피로(Thermal Fatigue)를 주기적으로 일으켜 시스템의 수명을 단축하게 함 - 철도차량의 주전력 변환장치에서 발생되는 열을 제어하는 냉각장치 설계기술은 미흡한 상태이며, 특히 IGBT(Insulated Gate Bipolar mode Transistor)는 전장품의 핵심요소로서 신뢰성 및 안전성 보장을 위해 냉각 기술이 필수적임 ※ 철도차량 추진장치용 IGBT(전력반도체)의 경우, 약 88.6℃ 이상의 온도에서 열응력 및 피로에 의한 고장 또는 손상 가능성이 매우 높음 - 기존의 팬-핀(Fan-Fin) 방식의 냉각방식은 고열 유속(예: 1000 W/m2)의 냉각에 활용되기에 제한적임 ○ 기존 강제냉각(공냉 또는 수냉) 방식의 경우, 열교환 매체(공기 및 냉각수)의 강제순환에 따른 에너지 소모 및 그에 따른 추가설비(Fan, Pump 및 Duct)의 설치에 따른 철도차량 내 공간제약 문제 발생 - 철도 차량 주변압기의 냉각을 위한 부수장치(냉각기, 냉각팬, 오일펌프 등)는 약 30% 정도 체적을 차지 - 철도차량용 냉각기술의 경우, 제한된 철도차량수요 및 냉각관련 해석기술의 국내부재로 대부분을 국외기술에 의존하고 있어 새로운 냉각시스템 기술개발을 통한 국외기술 대체 및 국내？외 시장 선점이 필요함 [최종목표] ○ 철도 차량에 적용된 기존 냉각시스템을 대체하고, 높은 냉각 효율(시스템 공간 차지 대비 냉각 성능)을 가지는 PCM(Phase Change Material) 나노 복합 소재를 이용한 철도 차량용 능동형 냉각시스템 요소 기술에 대한 개발 - PCM 나노복합소재 적용 능동형 냉각시스템 적용기술 개발 - 능동형 냉각모듈 성능 평가기술 개발 - PCM 나노복합소재 합성 공정기술 개발 - 기존 수동형(공냉 및 수냉) 냉각방식 대비 냉각효율 약 20% 증가, 에너지 변환효율 약 7% 향상, 공간 약 10% 이상 절약 [연구내용 및 범위] ① 개발 목표 - 주관연구기관(한국철도기술연구원) ○ 수요처(철도운영기관/철도차량제작사) 요구사항(성능기준 등) 조사 및 분석 ○ 철도차량 적용을 위한 주요 발열부(전장품) 열환경 분석 및 적용방안 도출 ○ 에너지0형 능동형 에너지 순환을 위한 PCM 복합소재의 다계층 적층기술 개발 ○ 장기운용 신뢰성 향상을 위한 패키징(Packaging) 및 최적 적용방법 도출 ○ 실차 적용을 통한 실제 운영환경에서의 성능평가 - 공동연구기관((주)선우테크) ○ IGBT 소자를 사용한 전력변환장치 개조 ○ PCM 나노복합소재 기반 능동형 냉각시스템 시제품 제작 및 성능평가 ○ PCM 나노복합소재 기반 능동형 냉각시스템 적용에 따른 기기 유지·보수 방안 설계 - 위탁연구기관(한양대학교 산학협력단) ○ PCM과 나노물질의 합성 및 열 기초물성(비열, 열전도도 등) 평가 ○ 장기적 열·물리적 특성변화 방지기술 및 PCM 복합소재의 대량 합성공정 개발 ② 개발 내용 및 범위 - 주관연구기관(한국철도기술연구원) ○ 수요처(철도운영기관/철도차량제작사) 요구사항(성능기준 등) 조사 및 분석 ？ 3P(특허, 논문, 제품) 분석 및 회피기술 적용 ○ 철도차량 적용을 위한 주요 발열부(전장품) 열환경 분석 및 적용방안 도출 ○ 에너지0형 능동형 에너지 순환을 위한 PCM 복합소재의 다계층 적층기술 개발 ○ 장기운용 신뢰성 향상을 위한 패키징(Packaging) 및 최적 적용방법 도출 ○ 실차 적용을 통한 실제 운영환경에서의 성능평가 - 공동연구기관((주)선우테크) ○ IGBT 소자를 사용한 전력변환장치 개조 ？ PCM 나노복합소재 기반 냉각시스템 적용을 위한 전력변환장치 개조 ？ 개조된 전력변환장치 시험 및 평가 ○ PCM 나노복합소재 기반 능동형 냉각시스템 시제품 제작 및 성능평가 ？ 실험실 수준의 열차운행(고속/도시철도) 모사환경에서의 냉각모듈 단품시험 ？ 단품실험 결과 반영 및 수요처 요구사항에 따른 실차용 시제품 제작 ○ PCM 나노복합소재 기반 능동형 냉각시스템 적용에 따른 기기 유지·보수 방안 설계 - 위탁연구기관(한양대학교 산학협력단) ○ PCM과 나노물질의 합성 및 열 기초물성(비열, 열전도도 등) 평가 ？ 능동형 냉각시스템을 적용을 위한 PCM 상변화 온도 영역 설정 및 후보군 도출 ？ 철도차량 열환경 분석 결과를 통한 PCM과 나노물질의 합성 및 열 물성(비열, 열전도도 등) 평가 ○ 장기적 열·물리적 특성변화 방지기술 및 PCM 복합소재의 대량 합성공정 개발 ？ PCM 열적 성능 향상을 위한 나노복합소재 구조(다공성 네트워크, 적층 구조 등) 제작 ？ 열 물성 평가(축열 용량, 열전도도 등)를 바탕으로 융해열 손실을 최소화하면서 빠른 축·방열이 가능한 PCM 나노복합소재 성능 향상 최적화 연구 ？ 반복구동 시 냉각시스템 안정성 증대를 위한 PCM encapsulation 마이크로스케일 구조체 제작을 통한 마이크로스케일 소재 패키징(packaging) 기술 개발 |
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| 색인어 | 한글 | 상변화물질 | 나노소재 | 능동형 냉각시스템 | 에너지 순환 | 철도 차량 |
| 영문 | Phase Change Material | Nano Material | Active Cooling System | Energy Circulation | Train | |
| 최종보고서 | 1_최종보고서_최종 (PCM)_배포본.pdf | |||||