| 5차년도 |
[1세부] ○ 주관연구개발기관(한국철도공사) : * 5차년도 총괄과제 협조 * 장비의 안정화 분석 * 실용화 구축을 위한 확장성 조사 분석 - Anti-icing Fluid 경제성 분석 ○ 공동연구기관 (㈜에코마이스터): - 검증시험을 통한 제품 개선 - 검증시험에 따른 제품 최종 매뉴얼 작성 - 지적재산권(특허) 등록 ○ 공동연구기관 (㈜케이디중앙연구소): - Anti/De-icing Fluid 시제품 현차 검증시험을 통한 신뢰성 확보(시스템 살포) - Anti/De-icing Fluid 현차 검증시험에 따른 최종 제품 매뉴얼 작성[2세부] 철도차량 착설방지 Anti-icing 설계 기술개발○ 국외 실험을 통한 해석자 검증 및 보완○ 해석 시뮬레이션을 통한 열차 대차부 착설/설빙 현상 규명○ 열역학적 특성 모델 추가 연구○ 고속열차 적용 상세 설계[3세부] 분기부 Anti-icing 시스템 개발○ 간접(순간표면)발열방식 및 간접(전기자기)발열방식 분기부 Anti-icing시스템 실용화 기반 구축
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[1세부] ○ 주관연구기관 (한국철도공사): - 5차년도 총괄 - 장비의 안정화 * 장비의 안정화 추진 및 효과 확인 - 실용화 구축을 위한 사업지원 연구 * 시스템의 운영프로세스 연구 및 정립 * 연구개발품 성능 및 효과 국내외 홍보 ○ 공동연구기관 (㈜에코마이스터): - 검증시험을 통한 제품 개선 * 검증시험 진행 (1~3월) * 검증시험 결과 분석 및 제품 개선 - 검증시험에 따른 제품 최종 매뉴얼 작성 * 개발 시스템의 최종 매뉴얼 작성 - 지적재산권(특허) 등록 * 연구개발내용에 대한 기술 지적재산권(특허) 등록 ○ 공동연구기관 (㈜케이디중앙연구소): - Anti/De-icing Fluid 시제품 현차 검증시험을 통한 신뢰성 확보(시스템 살포) * 현차 검증시험 진행 (1-3월) * 현차 검증시험 결과 분석 및 성능평가 보고서 작성 - Anti/De-icing Fluid 현차 검증시험에 따른 최종 제품 매뉴얼 작성 * Anti/De-icing Fluid 개발제품의 시스템 적용 매뉴얼 작성[2세부] 철도차량 착설방지 Anti-icing 설계 기술개발○ 국외 실험을 통한 해석자 검증 및 보완 - 국외 실험(오스트리아,RTA)을 통한 수치 해석 결과 검증 및 해석 정확도 개선 보완○ 해석 시뮬레이션을 통한 열차 대차부 착설/설빙 현상 규명 - 시뮬레이션을 실행하여 주요 착설의 발생 원인과 주요 발생 위치, 강도 규명○ 열역학적 특성 모델 추가 연구 - 열역학적 특성 모델의 신뢰도 향상 ？ 열역학적 특성 모델의 교차검증을 통해 열역학적 모델의 타당성 강화 및 정확도 향상 ？ 열량계 자체 제작 후 외기 온도 및 열전달량에 따른 함습률 DB 확보○ 고속열차 적용 상세 설계 - 4차 연도의 착설 방지 장치 상세 설계안을 바탕으로 구체적인 설계 도출 ？ 착설 방지 장치의 열차 적용 및 활용 방안 제시 ？ 최종 선정된 착설 방지 장치의 효과성 입증 실험을 위한 모형 제작 - 착설 실험을 통한 장치의 효과성 입증 및 보완[3세부] 분기부 Anti-icing 시스템 개발 ○ 순간표면발열방식 히팅시스템의 안정화 및 신뢰성 확보 방안 도출 - 전기적/기구적 안정화를 고려한 신뢰성 확보○ 분기부 열해석 결과분석 및 시험결과 비교 검증○ 유도발열방식 히팅시스템 최종 개선품의 조합 성능시험 및 평가○ 유도발열방식 히팅시스템의 안정화 및 신뢰성 확보 방안 도출 - 과열 및 오작동 방지를 고려한 제어 알고리즘 개발 - 최종 개선품 조합 성능 시험 및 평가○ 분기부 열유동 제어시스템 실용화 방안 도출○ 개발 히팅시스템 현장시범구축 및 성능검증 ○ 개발 히팅시스템 구축 및 유지보수 최적화 방안 도출○ 개발 히팅시스템 사양서 도출○ 철도인프라 Anti-icing 시스템 개발 - 노후 철도 터널 해빙·유도배수 시스템 동절기 시범구축 현장성능평가 - 노후 철도 터널 해빙·유도배수 시스템 사양서 도출
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| 연구성과 |
기술적 기대성과 |
[1세부과제] 고속철도차량 De-icing 시스템 개발 1) 기술적 측면○ 착설감지 기술 신뢰성 있는 착설에 대한 감지를 개발함으로서, 향후 기술의 확장성을 통해 타 산업분야 혹은 장비에 사용할 수 있도록 모듈화 및 안정성을 확보함.○ 친환경 제빙액 기술친환경 제빙액을 개발하여, 현재 시스템에 적용하고, 항공분야 등 타분야에 적용이 가능한 기술을 확보하여, 해외시장의 개척에 발판을 마련함.○ Blower 기술기존 Blower 기술을 확장하여, De-icing에 사용하고, 향후 De-icing시스템에 표준을 정립하므로서, 타분야에 접목할 수 있도록 확장성을 가진 시스템으로 모듈화하여 고도화함.[2세부] 철도차량 착설방지 Anti-icing 설계 기술개발○ 동절기 철도 설빙 피해에 주요 원인이 되는 착설 현상의 규명 및 수치적 모델링, 시뮬레이션 기술 획득○ 향후 국내 고속철도 사업 대비 핵심기술 확보 - 원주강릉선이나 동서고속화철도와 같은 동절기 강설량이 많은 강원지역의 고속철도나 남북철도 연결 시 북쪽 지역 극한기후에 대응하여 선제적으로 기술 대응 - 고속철도의 고속화, 대형화에 따라 설빙피해는 증가될 것으로 판단되므로 고속철도 노선 확장 시에나 새로운 고속열차 개발 시에 대비할 수 있는 기술 확보○ 남북철도 연결 등 운영환경 변화와 고속철도 수출 다변화를 위한 선제적 기술 개발 및 확보 필요○ 해외 기술 수출 기대 - 북유럽, 중국, 러시아 등 극한 기후 국가에서는 동절기 설빙에 고속열차 피해발생이 높으므로 개념설계단계에서 설빙예측이 가능한 시뮬레이션 기술이나 착설을 방지하는 설계에 대한 수출을 기대할 수 있음[3세부] 분기부 Anti-icing 시스템 개발○ 향후 철도 고속화 및 남북철도 연결 대비 핵심기술 확보 - 고속철도의 고속화, 대형화에 따라 설빙피해는 증가될 것으로 판단되므로 고속철도 노선 확장 시에 대비할 수 있는 Anti-icing 기술 확보 - 경원선, 경의선 등 남북철도 연결 시 북쪽 지역 극한기후에 선제적 대응○ 간접발열 시스템의 선로 분기부 적용을 고려한 Multi-physics 해석 기법을 연구하고, 구동 환경을 고려한 연성해석을 수행함으로써 간접발열 시스템의 설계 및 제어기술 향상의 발판 마련○ Smart 제빙을 통한 에너지 효율 향상 및 자동화 시스템 기술 확보 - 온도, 설빙 정도에 따른 스마트 제빙을 통해 설빙 제거를 위한 최소한의 에너지만을 사용하여 시스템의 수명을 크게 늘리고 에너지의 효율을 높임 - 기후에 따라 on/off 할 필요가 없어 별도의 제어, 관측, 유지보수 등이 불필요○ 체계적 기술개발을 통한 연구 효율성 향상○ 철도산업의 신수요 창출 및 관련 산업으로의 기술 파급○ 철도선로 간접가열을 통한 Anti-icing 시스템의 설계/해석/제어/성능시험 등 핵심 기술 확보
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| 사회 경제적 파급효과 |
1) 경제적ㆍ산업적 측면 ○ 동절기 차량 피해 비용 - 고속철도차량의 효율적 De-icing 기술 적용을 통하여 고속선 설빙피해 저감 가능 * 고속선 설빙피해 복구 및 유지보수 비용(약 36.4억원/년) 중 30% 저감 가정 : 약 10.9억원/년 - 자동화된 De-icing 기술 적용을 통하여 고속차량 설빙제거 비용 저감 가능 * 수작업에 의한 고속차량 설빙제거 비용 : 약 1.3억원/년 ○ 열차 지연 및 유지보수 시간 감소 비용 - 동절기 자연재해에 의한 열차 지연 감소 * 고속선 겨울철(12~1월) 강설, 동결 등에 의한 열차 지연 시간(약 186.2시간/년) 중 30% 저감 가정 : 약 56시간/년 - 철도차량 제빙, 피해복구 등 유지보수 시간 감소 * 고속선 설빙피해 시 유지보수 시간 : 약 4~5일(기지입고→검사→유지보수→출고) ○ 외산품 자체 개발 및 피해 저감을 통한 외화 절감 비용 - Anti/De-icing 시스템 자체 개발을 통한 외화 절감 * Anti/De-icing 시스템 : 약 95억원/Unit - 고속선 설빙에 의한 외산 부품(차축 코팅제, 창유리) 피해 저감 * 차축 코팅제, 창유리 파손 50% 저감 시 연간 약 9.2억원 외화절약 가능 ○ 착설 해석이 가능한 국내 고정밀 시뮬레이션 프로그램 확보 및 상용화 - 국내에서는 시뮬레이션 프로그램 개발 인력과 기술이 부족하여 주로 미국과 유럽 등에서 개발된 외국 시뮬레이션 프로그램 구매를 위한 라이센스비가 막대한 실정. 착설 시뮬레이션은 현재까지 상용화 된 프로그램이 없어 실험을 통한 검증으로부터 해석 정밀도를 입증하여 프로그램 상용화 추진 가능 ○ 기존의 레일히터를 이용한 열전도 방식에 비해 우수한 에너지 효율성으로 에너지 소비 및 유지보수 비용감소 - 주요 설빙 선로 국부에 효율적인 가열이 가능하여 에너지 소비 감소 - 선로에 직접적으로 접촉하지 않는 간접발열방식으로, 레일의 진동에 의한 파손의 우려가 없어 유지보수비용 감소 ○ 선로 및 기후상태에 따라 설빙을 제거하는 smart 시스템을 통해 에너지 효율 증가 및 관리, 유지보수 인력 감소 ○ 타 산업 파급 효과 - 동절기 착설에 의해 피해가 발생하는 풍력 터빈이나 고압전선 등의 타 산업에 개발된 해석 시뮬레이션 기술 도입가능 2) 사회적 측면 ○ 동절기 철도 안전운행 확보를 통한 국민 안전 증대레일 표면결함 및 차륜답면 손상 예방을 통한 열차 주행안정성 향상 - 창유리 및 차축손상 예방을 통한 대국민 안전 도모 및 불안감 해소 - 선로분기부 장애에 따른 차량 탈선 등을 근본적으로 예방 - 선로분기부 통과 시 설빙으로 인한 진동, 미끄럼 예방을 통한 승객 안전성, 승차감 향상 - 레일 표면결함 및 차륜답면 손상 예방을 통한 열차 주행안정성 향상 - 창유리 및 차축손상 예방을 통한 대국민 안전 도모 및 불안감 해소 - 차량 운행 중 분기부 제설작업을 위한 인력투입 최소화로 작업인원 안전 확보 ○ 향후 철도 고속화 및 남북철도 연결 대비 핵심기술 확보고속선 설빙피해, 선로전환기 장애 등 동절기 피해는 고속철도 노선 확충 및 일반철도 고속화에 따라 피해규모 증가 및 대형화에 대비경원선, 경의선 등 남북철도 연결 시 북쪽 지역 극한기후에 대응하여 선제적으로 기술 대응함으로써 기술개발 효과 극대화 가능 ○ 극한기후 국가에 기술 수출 기대북유럽, 중국, 러시아 등 일부 극한기후 국가에서는 아직 고속철도 운영 및 유지보수 경험이 부족하기 때문에 선제적인 기술 확보로 해당국가 니즈에 따라 수출 가능함.
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| 활용방안 |
[1세부과제] 고속철도차량 De-icing 시스템 개발○ 실용화 방안 - 기술수요자의 요구에 의한 기술개발로 개발 완료 시 국내 실용화 가능성이 높으며, De-icing 시스템은 고속철도 차량기지에 시작품을 설치함으로써 개발 기술의 성능 및 신뢰성 입증 시 실용화 가능하고 타 차량기지 및 주박역에 확대 설치 추진 가능 - De-icing Fluid는 고속철도 차량기지에 설치 예정인 De-icing 시스템에 적용 가능하며, De-icing Fluid의 방빙효과의 지속성에 대한 성능 충족 시 주박역에 확대 적용하여 실용화 할 수 있음○ 사업화 방안 - 국내 인력에 의한 제빙작업을 화학적 방법으로 대체함으로써 고속철도차량은 물론 일반철도차량으로의 적용 확대 시 국내 사업화가 가능할 것으로 판단됨 - 현재 철도차량의 이동 중에 제빙할 수 있는 기술은 국외에서도 아직 상용화된 기술이 존재하지 않으므로 철도차량 이동 중 제빙효율이 입증된 기술을 개발 시 국외 시장도 충분히 개척 가능할 것으로 보임 - 또한 북유럽, 중국, 러시아 등 일부 극한기후 국가에서는 아직 고속철도 운영 및 유지보수 경험이 부족하기 때문에 선제적인 기술 확보로 해당국가 요구에 따라 수출 가능○ 연계사업 활용방안 - 유라시아 이니셔티브, 남북철도 연결 등의 정책 재개 시 기후조건이 더욱 가혹한 지역으로의 철도 운영이 예상되어지므로 선제적 기술 확보 필요[2세부] 철도차량 착설방지 Anti-icing 설계 기술개발○ 실용화 방안 - 개발된 예측 시뮬레이션은 실제 현재 운용중인 열차에 착설된 형상과 비교하여 실증가능, 실증된 시뮬레이션 기법을 상용화하여 고속철도 및 일반 철도와 광역 철도의 착설 해석과 착설 방지를 위한 도구로 활용 가능 - 캐나다 McGill Univ.의 주도로 개발된 항공기 착빙 해석을 위하여 상용화된 FENSAP-ICE는 현재 국내 및 해외 항공기 제조사에서 널리 사용하고 있고, 이와 같이 본 과제를 통해 개발된 착설 해석 프로그램을 상용 SW로 전환하여 열차 제조사 및 운용사에서 활용 될 것으로 예상 - 열차 개발 단계에서 형상에 따른 설빙 현상을 예측하여 설계에 활용가능하며 대차부의 부착물이나 형상변경 시에도 설계단계에서 예측이 가능하여 실용화 가능함 - 개발된 예측 시뮬레이션은 지면효과를 받는 임의 형상에 대한 착설 해석 및 유동해석이 가능하므로 향후 풍력발전기, 전신주, 건축물, 자동차 등에 발생하는 착설 문제 대응 가능 - 개발된 착설 방지 장치는 실험, 시뮬레이션 및 동절기에 시험적으로 운행하여 효과성을 실제로 입증할 수 있으며, 입증된 착설 방지 장치를 국내 및 해외 특허로 출원 및 등록으로 상용화 실현 ○ 사업화 방안 - 국내의 동절기 설빙피해는 적극적으로 대처할 수 있어 고속철도차량은 물론 일반차량으로의 적용확대 시 국내 사업화가 가능할 것으로 판단됨 - 착설/설빙의 시뮬레이션을 통한 예측은 현재 항공기 착빙 해석 기술을 적용한 수준에서는 존재 하나 착설을 실질적으로 예측할 수 있는 수준의 해석 기법은 존재하지 않으므로 국내외 시장을 개척할 수 있을 것으로 보임 - 차세대 열차 개발 사업 시에 개념설계 단계에서 동절기 설빙 방지가 가능한 형상 설계나 방지 장치 설계가 가능하여 국내외 열차 개발에 활용될 가능성이 높아 보임 - 또한 북유럽, 러시아 등의 설빙 피해가 큰 극한기후의 국가의 니즈에 따라 수출 가능[3세부] 분기부 Anti-icing 시스템 개발○ 원리와 구조가 간단한 간접발열방식 히팅시스템으로, 주기적 유지보수가 어려운 외곽 지역이나 산악지형에 적용 가능○ 유도발열방식 히팅시스템과 연계한 기후 감응형 분기부 열유동 제어 시스템의 혼용을 통한 융설 효율성 극대화○ 간접발열방식 히팅시스템 기술의 성능검증 및 현장적용성을 확보하기 위해 2018년에 준공예정인 철도종합시험선로 등에서 현장시범구축(동절기 적설량이 많은 지역의 철도운영기관과 협의하여 국내 극한지역에서의 현장검증을 추가할 계획)○ 간접발열방식 히팅시스템 기술의 해외 수출 및 세계 시장 개척○ 간접발열방식 히팅시스템 설계파라미터, 관련데이터 축적 및 특허, 노하우 확보○ 비접촉 가열을 사용하는 가전제품, 건설현장, 산업현장 등 여러 분야에 적용 가능○ 사람 손이 닿지 않는 차량 부품 등의 내부 빙결을 녹이는 장치로 확장하여 적용 가능○ 유도발열방식 히팅시스템은 전자기 유도방식을 이용한 발열시스템이므로 움직이는 동력장치에도 가열이 가능하여 여러 가지 부품의 설빙 예방 및 제거 가능○ 선로의 온도, 설빙, 기후 상태에 따라 선로를 가열하는 Smart 히팅 및 기후 조건과 연동한 분기부 열유동 제어 시스템을 통해 별도의 제어, 관측, 유지보수가 불필요하여 사람이 살지 않는 오지에 적용 가능
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