초록 ▼

최종목표
차세대 고속철도 추진장치용 히트파이프 냉각기 (10, 30 kW급) 개발
- 시스템 설계기술 확보 (고속철도 및 산업용)
- 고성능 증발부 개발
- 고효율 응축부 개발
- 성능/신뢰성 평가 기술 개발 (고속철도 및 산업용)
기술개발 배경
국가차원에서 개발을 진행하고 있는 차세대 고속철도는 프랑스의 AGV, 독일의 ICE, 일본의 신칸센 등이 채택하고 있는 동력분산형 추진 체계를 채택하고 있다. 이에 따른 분산형 시스템을 위한 부품의 성능 개량 기술 개발이 요구되고 있다. 현재 주전력변환

최종목표
차세대 고속철도 추진장치용 히트파이프 냉각기 (10, 30 kW급) 개발
- 시스템 설계기술 확보 (고속철도 및 산업용)
- 고성능 증발부 개발
- 고효율 응축부 개발
- 성능/신뢰성 평가 기술 개발 (고속철도 및 산업용)
기술개발 배경
국가차원에서 개발을 진행하고 있는 차세대 고속철도는 프랑스의 AGV, 독일의 ICE, 일본의 신칸센 등이 채택하고 있는 동력분산형 추진 체계를 채택하고 있다. 이에 따른 분산형 시스템을 위한 부품의 성능 개량 기술 개발이 요구되고 있다. 현재 주전력변환장치에 적용하려고하는 냉각기는 수냉각 시스템으로 알려져 있다. 하지만 수냉각 시스템은 냉각수 누설 시 야기되는 문제가 크기 때문에 수냉각기로 개발이 완료되더라도 이를 대체할 수 있는 히트파이프 방식을 냉각기가 필요하다. 감당해야 하는 냉각용량은 10 ～ 30 kW급으로, 기존 방식의 히트파이프로는 대응이 어려운 상황이다. 새로운 개념의 고성능화된 비등식 분리형 히트파이프가 개발해야 한다. 이러한 고성능 냉각기를 개발하게 되면 세계적인 수준의 냉각기 기술을 확보할 수 있 하게 되어, 전량 국산 제품으로 대응이 가능하게 되고 수출 또한 기대된다. 고속철도용 히트파이프는 높은 수준의 품질을 요구한다. 성공적으로 기술개발이 완료되면 우수한 품질을 바탕으로 타 분야에 적용에 용이하게 될 것으로 기대된다.

개발내용 및 결과
1. 1단계 1차년도
가 개발목표
차세대 고속철도 추진장치용 히트파이프 냉각기 (10 kW급)의 시스템 설계 및 증발부 개발
나 개발내용 및 개발범위
시스템 설계
- 증발부 윅구조물 모세관력, 응축부 열교환 능력, 증기관, 액체관 및 프레임 영향 고려하여 설계하였음. (고려 사항 : 냉각성능/유동/진동)
윅구조물 개발
- 진공 고온 소결로 구축 완료.
- 스프레이 드라이어를 이용하여 제작한 분말을 CIP로 2500bar로 가압하여 성형체를 제조하여 소결하였음.(세라믹, 니켈, 스테인리스 스틸, 구리)
- 모세관력 성능평가 결과 세라믹 윅 구조물이 104kPa로 측정되었음.
증발부 개발
- 윅구조물을 고려한 정밀급 공차의 증발부 설계 및 제작
- 발열량 및 내진동, 내압 누설 시험을 통한 성능평가를 수행하였음.
시스템 설계개선
- 윅구조물 모세관력 및 증발부의 냉각성능을 고려한 시스템 개선 및 재설계를 수행하였음.
- 누설시험 결과 1.1 x 10-8 atm-cc/sec로 측정되었음.
- 내압력 목표인 400kPa을 만족하였음.
- 진동시험을 IEC61373 1-B 규격에 따라 수행하였음.
- 증발부에 대한 성능 시험을 통하여 5kW 냉각용량을 확인하였음.

2. 1단계 2차년도
가 개발목표
차세대 고속철도 추진장치용 히트파이프 냉각기 (10 kW급)의 응축부 개발 및 제작 기술 확보
나 개발내용 및 개발범위
응축부 개발
- 분위기 연속 브레이징로 구축 완료함.
- Fin 부 성형기술 확보하였음.
- 작동유체 순환용 유로부 제작하였음.
- Fin부와 유로부 용접하여 접합함.
10kW 냉각기 시스템(비등식)
- 응축부을 포함한 냉각기 해석 수행
- 내압력 시험 수행(400kPa, KTL)하였음.
- 진동시험 수행(IEC61373 1-B Class, 한국건설생활환경시험연구원)
- 누설시험(헬륨 누설시험 1.5x10-8 atm-cc/sec)
- 성능 시험장치 구성
- 작동유체(메탄올, PFC, Vertrel-X), 입력열부하(7, 10, 12kW), 풍속(4,6, 8m/s)에 따라 성능시험을 실시하였음.
- 작동유체가 메탄올이고, 풍속 6m/s 일 때 46.4K로 측정되었음.
윅구조물 제작 공정 및 형상개선
- 제작공정/형상 개선을 통한 성능향상 모색하였음.

3. 2단계 1차년도
가 개발목표
30kW급 히트파이프 냉각기 시스템 설계 및 구성품 제작
나 개발내용 및 개발범위
20kW급 브레이징 히트파이프 냉각기
- 증발부 및 응축부 설계
․고성능 열교환 능력 및 구조적 안정성 확보를 위한 최적화 설계 수행
․효과적인 작동유체 순환을 위한 증발부 내부 구조설계 수행
- 브레이징형 냉각기 제작 및 성능시험
․증발부, 응축부의 브레이징 제작
․브레이징 접합
․접합결과 확인-헬륨 누설 시험 수행(0.5x10-8 atm-cc/sec)
․성능시험 장치 구성
․성능시험 결과 70.1K로 측정되었음.
10kW급 히트파이프 냉각기 상용 제품화 개발
- 분기형 히트파이프를 적용한 히트파이프 냉각기 설계
- 구조 및 열해석 수행
- 성능실험 장치 구성
- 열성능실험 수행
- 열성능실험 결과 35.6K/10kW로 측정되었음.
- 진동시험(IEC61373 1-B), 염수분무시험(KS D 9502), 내압력시험(118.7bar), 압력피로시험(2, 4, 6, 8bar, 100000회) 등을 수행하였음.
20kW급 히트파이프 냉각기 개발
- 분기형 히트파이프를 적용한 히트파이프 냉각기 설계
- 열해석 수행
- 성능실험 장치 구성
- 열성능실험 수행
- 열성능실험 결과 30CMM 조건에서 46.2K/20kW로 측정되었음.
신뢰성 확보(1차)
- 신뢰성 평가 시험 수행
- 장기수명, 열성능 평가, 환경영향 평가
윅구조물 성능평가
- 윅구조물 성능평가 실험장치 설계
- 윅구조물 성능평가 실험 수행
- 구리 소결윅이 가장 우수함.

4. 2단계 2차년도
가 개발목표
30kW급 히트파이프 냉각기 시스템 설계 개선 및 제작
나 개발내용 및 개발범위
윅소결체 개발
- 윅소결체 개선 수행(기존 단일 분말의 소결체는 경도 부족에 의한 가공성에 취약하였음.)
- 가공성 및 제작성 개선 개발 수행
- 혼합분말을 이용한 소결체 특성 개선 연구 수행(Titanium, Tungsten)
- 성형 제조 기술 확보
- 소결체 분석 수행
- 소결온도 850℃의 소결체중 W 함유량이 50%, 70%에서 기공율 61%, 70%, 기공크기 2.0um, 2.1um의 히트파이프 윅으로 적합한 소결체를 제조하였음.
윅구조물 성능 평가
- 윅소결체의 열유속 측정 실험 장치 개선 및 재구성
- 실험장치 개선 사항
․작동유체 높이 유지
․윅 고정방법 개선
․응축량을 위한 응축기 조정 개선
․분해조립 간소화
- 최대한계열유속 측정 실험 수행
- 수행 결과 Copper 23.12W/cm2, Nickel 20.42W/cm2로 측정되었음.
30kW 히트파이프 냉각기 시스템 설계 및 제작
- 분기형 히트파이프를 적용한 히트파이프 냉각기 설계
- 성능실험 장치 구성
- 열성능실험 수행
- 열성능실험 결과 30CMM 조건에서 46.2K/20kW로 측정되었음.
신뢰성 확보(2차)
- 신뢰성 평가 시험 수행
- 장기수명, 열성능 평가, 환경영향 평가(-40℃ 100hr, 130℃ 100hr)

기술개발 배경
국가차원에서 개발을 진행하고 있는 차세대 고속철도는 프랑스의 AGV, 독일의 ICE, 일본의 신칸센 등이 채택하고 있는 동력분산형 추진 체계를 채택하고 있다. 이에 따른 분산형 시스템을 위한 부품의 성능 개량 기술 개발이 요구되고 있다. 현재 주전력변환장치에 적용하려고하는 냉각기는 수냉각 시스템으로 알려져 있다. 하지만 수냉각 시스템은 냉각수 누설 시 야기되는 문제가 크기 때문에 수냉각기로 개발이 완료되더라도 이를 대체할 수 있는 히트파이프 방식을 냉각기가 필요하다. 감당해야 하는 냉각용량은 10 ～ 30 kW급으로, 기존 방식의 히트파이프로는 대응이 어려운 상황이다. 새로운 개념의 고성능화된 비등식 분리형 히트파이프가 개발해야 한다. 이러한 고성능 냉각기를 개발하게 되면 세계적인 수준의 냉각기 기술을 확보할 수 있 하게 되어, 전량 국산 제품으로 대응이 가능하게 되고 수출 또한 기대된다. 고속철도용 히트파이프는 높은 수준의 품질을 요구한다. 성공적으로 기술개발이 완료되면 우수한 품질을 바탕으로 타 분야에 적용에 용이하게 될 것으로 기대된다.

핵심개발 기술의 의의
일본 수준의 상변화식 고성능의 냉각기(열교환기) 기술을 확보함으로써 차세대 고속철도용 냉각기의 주전력변환장치의 핵심부품에 대한 작동환경을 개선할 수 있을 것이다. 이로 인하여 주전력변환장치의 고성능화를 이룰 수 있고, 이는 곧 고속철도의 운전속도 증가 및 운용비용의 절감 등의 효과를 얻을 수 있을 것이다.
이로 인하여 해외로의 고속철도 수출에 있어서도 큰 경쟁력을 확보하게 될 것으로 예상된다. 또한 상대적으로 운용속도가 낮은 지하철/전철의 추진제어장치에 적용할 경우, 전철의 경량화 및 운용시의 신뢰성 또한 높을 수 있을 것으로 기대된다.
히트파이프 냉각기는 상변화를 이용하여 열을 이송시키기 때문에 수냉각 시스템을 이용하는 있는 산업용 전력기기의 냉각수단을 대체할 수 있을 것이다. 수냉각 시스템은 냉각을 위해 추가로 전력을 소모해야 하고, 누수시의 문제점을 안고 있는데, 히트파이프 냉각기로 대체할 경우 시스템 운용에서의 비용 절감, 장치의 소형화 및 장치의 신뢰성을 높을 수 있을 것이다. 이 경우 역시 해외 제품과의 경쟁력에서 우위를 확보할 수 있을 것이며, 수출증대에 기여할 수 있을 것이다.

적용 분야
- 고속철도 차량 전력변환장치의 냉각시스템
- 지하철 차량 인버터/컨버터의 냉각시스템
- 지상용 전력공급 및 변환 장치 냉각시스템
- 산업용 인버터용 냉각시스템

(출처 : 기술개발사업 최종보고서 초록)

목차 Contents

• 표지 ... 1제출문 ... 3기술개발사업 최종보고서 초록 ... 5기술개발사업 주요 연구성과 ... 14목차 ... 17제 1 장 서론 ... 19 제 1 절 과제의 개요 ... 19 1. 개발기술의 중요성 및 필요성 ... 19 2. 국내 ․ 외 관련 기술의 현황 ... 23 3. 기술개발 시 예상되는 기술적 ․ 경제적 파급 효과 ... 31제 2 장 기술개발 내용 및 방법 ... 32 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 32 1. 최종목표 ... 32 2. 개발기술의 평가방법 및 평가항목 ... 32 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 33 1. 1단계 개발목표 ... 33 2. 2단계 개발목표 ... 33 3. 개발기술의 평가방법 및 평가항목 ... 33 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 34 1. 1단계 1차년도 ... 34 2. 1단계 2차년도 ... 35 3. 2단계 1차년도 ... 35 4. 2단계 2차년도 ... 36 제 4 절 수행 결과의 보안등급 ... 37 제 5 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리현황 ... 38제 3 장 결과 및 사업화 계획 ... 40 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 40 1. 연구개발 추진 일정 ... 40 2. 연구개발 추진 실적 ... 41 3. 기술개발 결과의 유형 및 무형 성과 ... 195 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 208 1. 각 기관/ 기업별 추진 내역 ... 208 제 3 절 시장 현황 및 사업화 전망 ... 209 1. 시장현황 ... 209 2. 경쟁업체 현황 ... 210 3. 매출계획 ... 211 4. 사업화 계획 ... 211 제 4 절 고용 창출 효과 ... 211 제 5 절 자체보안관리진단표 ... 212부록 ... 213 1. 시험성적서 ... 213참고문헌 ... 371끝페이지 ... 372