하이퍼루프 내 전기적 열원의 열전달 특성 및 냉각 방안에 대한 수치해석적 연구

Abstract

하이퍼루프(Hyperloop)는 0.001기압의 아진공 튜브 내부를 운송체인 캡슐이 자기부상 및 추진을 통해 주행하는 고속 수송 시스템이다. 특히 캡슐의 추진은 선형전동기, 즉 추진코일에 전류를 부과함으로써 발생하는 자기력을 통해 이루어지는데, 코일에 흐르는 전류는 동손(Ohmic Loss)에 의한 발열로 코일의 온도를 상승시키게 된다. 또한 이러한 온도의 상승은 코일의 비저항을 증가시켜 에너지 손실인 동손과 추진력을 유지하기 위한 요구전압의 증가를 유발하게 된다. 따라서 고온의 코일은 구조물의 열적 안정성뿐만 아니라 에너지 효율에도 영향을 미치기 때문에, 하이퍼루프 내 전기적 열원의 열전달 특성과 냉각 방안에 대한 연구는 필수적이다. 본 연구에서는 수치해석을 통해 하이퍼루프 내 전기적 열원의 열전달 특성을 분석하고 시스템의 열 건전성을 확보하기 위한 냉각 방안의 평가를 수행했다. 하이퍼루프의 운전 조건에 따른 전자기 과도해석과 부수적 열원 및 내부 자연대류 유동을 포함하는 정상상태 열전달 해석을 통해 열전달 특성과 문제점을 분석했으며, 이를 바탕으로 하이퍼루프 시스템의 전기적 열원에 대한 열전달 해석 모델을 구축했다. 또한 하이퍼루프 시스템의 특성을 고려하여 추진코일에 대한 Passive, Active 냉각 방안을 도출하고 이들의 열전달 특성 및 냉각 효과를 확인했다. |Hyperloop is a high-speed transportation system in which a capsule, a vehicle, travels inside a partial vacuum tube at 0.001 atmospheric pressure through magnetic propulsion and levitation. In particular, the propulsion of the capsule is achieved thorough a linear motor, that is, magnetic force generated by imposing a current on a propulsion coil. However, the current flowing in the coil increases the temperature of the coil due to heat generation by ohmic loss. In addition, increasing of temperature increases the electrical resistivity of the coil, causing ohmic loss, which is an energy loss, and required voltage to maintain propulsion. Therefore, since the high-temperature coil affects not only the thermal stability of the structure but also the energy efficiency, it is essential to study the heat transfer characteristics and cooling methods of the electrical heat source in the hyperloop. In this study, the heat transfer characteristics of the electrical heat source in the hyperloop were analyzed through numerical analysis. And the cooling methods was evaluated to achieve thermal stability of hyperloop. Heat transfer characteristics and thermal problems were analyzed through electromagnetic transient analysis according to the operating conditions of the hyperloop system. And steady-state heat transfer analysis including incidental heat sources and internal natural convection flows were conducted. Based on this, a heat transfer analysis model for the electrical heat source of the hyperloop system was developed. By using this model, assumed the passive and active cooling methods for propulsion coil and their heat transfer characteristics and cooling effects were confirmed.