KR102352708B1 - 철도차량 및 전장품 열관리 통합시스템 - Google Patents

철도차량 및 전장품 열관리 통합시스템 Download PDF

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Abstract

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.

Description

철도차량 및 전장품 열관리 통합시스템{Integrated thermal management system for railway vehicle}
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.
최근, 철도차량의 경량화, 안정성 및 에너지효율 향상, 유지보수 비용 절감 등을 위하여 전력변환소자 등 반도체를 활용한 전장품의 기술개발이 이루어지고 있다.
반도체 소자를 활용한 전장품은 효율 등에 따라 손실이 발생하며, 이러한 손실은 대부분 열에너지로 전환된다.
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.
이러한, 전장품들의 열관리는 공랭식 또는 수랭식으로 이루어지는 개별적인 냉각장치를 통해 이루어지고 있으나, 전장품 내부 소자들이 집적화됨에 따라 열관리를 위한 냉각장치들이 점점 복잡해지고 있다.
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.
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.
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.
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.
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.
한편, 철도차량에 적용되는 실내 냉방 시스템은 도 3에 나타낸 바와 같이, 일반적인 에어컨에 적용되는 시스템과 동일하게 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기 등을 사용한다.
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.
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.
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.
1. 대한민국 등록특허공보 제10-1966099호 (2019. 08. 13. 공고)
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.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명은,
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.
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.
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.
그리고, 상기 열교환기는 다채널 열교환기로 구성되고, 상기 다채널 열교환기의 일측에는 전장품에서 발생된 폐열을 수집하여 객실 내로 공급하는 폐열전달장치가 연결 설치된 것을 특징으로 한다.
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.
그리고, 상기 냉각장치는 냉매 분배 및 취합부에 직렬 또는 병렬로 다수 개가 연결 설치된 것을 특징으로 한다.
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.
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.
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.
또한, 본 발명에 따르면 다채널 열교환기를 이용하여 하나의 열교환기만으로도 철도차량의 전장품에서 발생한 폐열을 이용한 난방이 가능하므로 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 추가로 갖는다.
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.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명에 따른 철도차량 및 전장품 열관리 통합시스템의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
후술하겠지만, 이와 같은 냉매의 분배는 철도차량의 객실 내부 온도에 따른 열관리 통합 제어부(600)의 제어에 의해 조절되도록 구성되어 있다.
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.
따라서, 상기와 같이 구성된 냉매 분배 및 취합부(200)에 의해 열관리 통합시스템(10) 내에서의 냉매 흐름을 효율적으로 관리할 수 있게 된다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 열관리 통합시스템(10,10a)의 구동과정을 각 모드별로 상세히 설명하기로 한다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
상기 폐열교환기(520)로부터 배출되는 폐열전달유체는 다시 다채널 열교환기(315)로 공급되어 폐열을 포함하는 고온의 냉각수와의 열교환을 통해 폐열을 흡수한다.
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.
상기 다채널 열교환기(315)에서 냉각수와 열교환된 냉매는 고온저압 상태가 되어 냉매 취합장치(220)를 통해 다시 압축기(110)로 공급되어 고온고압의 상태로 압축된다.
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.
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.
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.
이때, 냉매가 상기 응축기(120)를 통과하면서 발생되는 열은 송풍장치(미도시)에 의해 철도차량의 외부로 배출된다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 제어부

Claims (8)

  1. 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 온도와 전장품의 발열량을 실시간으로 모니터링 하여 측정된 객실 내부의 온도에 따라 냉방 또는 난방 여부 및 냉난방 용량 등을 결정하고, 전장품의 냉각 용량을 결정하여 냉매 분배장치에서의 냉매 분배 비율을 제어함과 동시에 냉각장치를 구성하는 냉각수 펌프 또는 송풍기를 제어하여 냉각수 또는 냉각공기의 유속을 제어하는 열관리 통합 제어부를 포함하되,
    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 포함하고,
    상기 냉각장치는 냉각수와 냉매 사이의 열교환을 수행하는 열교환기와, 냉각수를 순환시키는 냉각수 펌프를 포함하는 수랭식 냉각장치 또는 열교환기와 송풍기를 포함하는 공랭식 냉각장치로 구성되며,
    상기 열교환기는 3개 이상의 채널을 갖는 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.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    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.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 냉각장치는 냉매 분배 및 취합부에 직렬 또는 병렬로 다수 개가 연결 설치된 것을 특징으로 하는 철도차량 및 전장품 열관리 통합시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    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.
  8. 제 7항에 있어서,
    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.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101150288B1 (ko) * 2009-12-24 2012-05-24 충북대학교 산학협력단 전기 자동차의 실내 난방 장치 및 이를 이용한 난방방법
JP2014228190A (ja) * 2013-05-22 2014-12-08 株式会社デンソー 冷凍サイクル装置

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190033115A (ko) * 2017-09-20 2019-03-29 주식회사 두원공조 전기 자동차 통합 열관리시스템
KR101966099B1 (ko) 2017-10-24 2019-08-13 현대자동차 주식회사 차량용 공조 시스템 제어방법
KR102510371B1 (ko) * 2018-04-27 2023-03-17 한온시스템 주식회사 차량용 열교환 시스템

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101150288B1 (ko) * 2009-12-24 2012-05-24 충북대학교 산학협력단 전기 자동차의 실내 난방 장치 및 이를 이용한 난방방법
JP2014228190A (ja) * 2013-05-22 2014-12-08 株式会社デンソー 冷凍サイクル装置

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