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Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Kühlung eines Stromrichters eines Schienenfahrzeugs.
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Unter dem Begriff Schienenfahrzeug werden im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung sowohl ein eigens angetriebenes Schienenfahrzeug wie eine Lokomotive verstanden als auch ein unmotorisiertes Schienenfahrzeug wie beispielsweise ein Zugwagon. Bei dem Stromrichter kann es sich sowohl um einen Traktionsumrichter zur Ansteuerung dynamoelektrischer Antriebsmaschinen handeln als auch um einen sogenannten Hilfsbetriebeumrichter, der zur Versorgung verschiedener Aggregate an Bord des Schienenfahrzeugs eingesetzt wird.
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Sowohl Traktionsumrichter als auch Hilfsbetriebeumrichter für Schienenfahrzeuge werden in der Regel entweder am Boden des Schienenfahrzeugs befestigt oder auf dessen Dach. Die Stromrichterventile, bei denen es sich meist um 1 GBT's oder GTO's handelt, sind zusammen mit weiteren passiven Schaltungskomponenten wie Drosseln, Kondensatoren und Widerständen in einem in der Regel metallischen Gehäuse untergebracht. Zur Kühlung der aktiven und passiven Bauelemente, die in besagtem Gehäuse angeordnet sind, werden Luft- oder Flüssigkeitskühlung eingesetzt. Derartige forcierte Kühlungen sind notwendig, da die Leistung der Bahnstromrichter immer größer wird bei gleichzeitiger Forderung nach einer Reduktion des Bauvolumens. Die im Gehäuse erzeugte Verlustwärme kann hierbei in vielen Fällen nicht mehr über die Oberfläche allein abgeführt werden.
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Aus der
DE 10 2008 045 952 A1 ist ein Schienenfahrzeug mit einer Kühlanordnung für in einem Unterflurbereich angeordnete Komponenten, wie ein Energieversorgungsblock, ein Stromrichter, ein Transformator oder ein Fahrmotor, bekannt, die entweder direkt oder über einen zugehörigen Kühler gekühlt werden. Diese Kühlanordnung weist wenigstens eine erste Eintrittsöffnung für als Kühlluft verwendete Frischluft und wenigstens einen Lüfter zum Führen dieser Kühlluft auf. Zum Führen der Kühlluft ist ein Luftkanal vorgesehen. Da ein Lüfter zum Führen der Kühlluft verwendet wird, handelt es sich bei dieser bekannten Kühlung eines Schienenfahrzeugs um eine forcierte Luftkühlung.
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Die bei der forcierten Kühlung bekanntermaßen benötigten Luft- oder Wasser-Rückkühler erfordern zusätzliches Bauvolumen, Gewicht und Kosten. Zur Vermeidung der Rückkühler kann alternativ die Oberfläche der Stromrichterbehälter durch Rippen vergrößert werden, was jedoch ebenfalls eine Bauvolumenvergrößerung sowie eine Gewichts- und Kostensteigerung zur Folge hat.
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Hinzu kommt, dass die zusätzlichen Aggregate, die derartige Kühlkreisläufe benötigen, gereinigt werden müssen und in der Regel zusätzliche Energie beispielsweise zum Betreiben der Lüfter oder Pumpen benötigen.
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Ein gattungsgemäßes Schienenfahrzeug ist aus der
DE 1 116 719 B bekannt. Gemäß diesem gattungsgemäßen Schienenfahrzeug wird die in einer Druckluftanlage mit Hilfe einer Staudüse und eines nachgeschalteten Turbokompressors erzeugte und in einem Druckluftbehälter gespeicherte Druckluft auch zum Kühlen von Betriebsmitteln wie Fahrmotoren verwendet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verlustwärme eines Bahnstromrichters und der zu dessen Beschaltung benötigten Komponenten auf möglichst einfache und kostengünstige Art und Weise abzuführen.
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Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch ein Schienenfahrzeug mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, dass auf einem Schienenfahrzeug grundsätzlich Druckluft zum Betrieb einer Bremsanlage des Schienenfahrzeugs vorgesehen werden muss. Eine Druckluftanlage umfassend einen Kompressor zur Erzeugung der Druckluft und eine Lufttrocknungsanlage zur Trocknung der Druckluft ist in der Regel daher auf jedem Schienenfahrzeug ohnehin vorhanden. Gewöhnlich ist eine solche Anlage über Steuerelemente an die Hauptluftleitung der Bremsanlage sowie an weitere Systeme wie beispielsweise Drucklufthörner oder eine Stromabnehmer-Hubeinrichtung angeschlossen.
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Der Erfindung liegt daher die Idee zugrunde, eine Druckluftanlage, die vorzugsweise auch an die Bremsanlage des Schienenfahrzeugs angeschlossen ist, zusätzlich zur Erzeugung einer forcierten Luftkühlung im Gehäuse des Stromrichters zu verwenden. Hierzu wird die Druckluft über die Einlassdüse in das Gehäuse eingeblasen, wo sie sowohl die aktiven als auch die passiven Komponenten des Stromrichters entwärmen kann. Die eingeblasene Druckluft verlässt über die mindestens eine Luftaustrittsöffnung schließlich das Gehäuse des Stromrichters.
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Neben der Einfachheit liegt ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen forcierten Luftkühlung in dem hierbei entstehenden Überdruck innerhalb des Gehäuses. Dieser verhindert das Eindringen von Staub in den Behälter bzw. das Gehäuse des Stromrichters.
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Erfindungsgemäß ist die Einlassdüse als Wirbelrohr ausgebildet und derart an das Gehäuse montiert, das der von dem Wirbelrohr erzeugte kalte Luftstrom in das Gehäuse geführt wird. Dieses Wirbelrohr, das auch als Rank-Hilsch-Wirbelrohr bekannt ist, teilt eindringende Druckluft in einen heißen und einen kalten Luftstrom auf. Die Druckluft wird hierbei tangential in eine Wirbelkammer des Rohres eingeblasen und in eine schnelle Rotation versetzt. Dies führt u. a. aufgrund der hohen Fliehkräfte dazu, dass der Luftstrom in einen äußeren warmen und einen inneren kalten Luftstrom aufgeteilt wird. Eben dieser kalte Luftstrom kann dem Wirbelrohr gezielt entnommen werden und in das Gehäuse des Stromrichters eingeblasen werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, dass die mindestens eine Luftaustrittsöffnung als Wasserablauföffnung ausgebildet ist, die in der Regel ohnehin für ein an einer Außenseite eines Schienenfahrzeugs montiertes Stromrichtergehäuse benötigt wird. Somit ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Kühlung des Stromrichters durchaus auf übliche, bereits vorhandene Container für Bahnumrichter anwendbar.
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Zweckmäßigerweise sind die Druckluftanlage und der Stromrichter unterflur, d. h. am Boden des Schienenfahrzeugs, angeordnet. Neben dem Dach des Schienenfahrzeugs ist die Anordnung unterflur für Bahnstromrichter sehr gebräuchlich. Da auch die Bremsanlage naturgemäß unterflur wirkt, ist eine Anordnung besagter Komponenten am Boden des Schienenfahrzeuges aufgrund der Kürze der erforderlichen Leitungen äußerst zweckmäßig.
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Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst. Hiernach wird zur Kühlung eines Stromrichters eines Schienenfahrzeugs Druckluft in eine als Wirbelrohr ausgebildete Einlassdüse eines Gehäuses des Stromrichters eingeblasen.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dem Unteranspruch 6 zu entnehmen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
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1 einen am Boden eines Schienenfahrzeugs montierten Stromrichter und eine Druckluftanlage gemäß eine Ausführung der Erfindung,
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2 eine funktionale Darstellung der Komponenten nach 1, und
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3 ein als Einlassdüse vorgesehenes Wirbelrohr.
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1 zeigt einen am Boden eines Schienenfahrzeugs montierten Stromrichter und eine Druckluftanlage 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Stromrichter des Schienenfahrzeugs befindet sich in einem Gehäuse 2, in dem neben den Leistungshalbleitern auch passive Beschaltungskomponenten wie Kondensatoren, Widerstände und Drosseln angeordnet sind sowie ein Transformator zur Wandlung der über die Oberleitung abgegriffenen Eingangsspannung. Erfindungsgemäß werden die in dem Gehäuse 2 untergebrachten Komponenten mit Hilfe von Druckluft während des Betriebs gekühlt. Hierzu umfasst das Gehäuse 2 eine Einlassdüse 3, über die gezielt, d. h. temperaturabhängig der Einlass von Druckluft gesteuert werden kann. Die über die Einlassdüse 3 eingeblasene Druckluft erzeugt innerhalb des Gehäuses 2 einen Überdruck, der ein Eindringen von Staubpartikeln durch unterhalb des Gehäuses 2 angebrachten Luftaustrittsoffnungen 4 verhindert. Die Luftaustrittsöffnungen 4, die gitterartig an einer Kante der Unterseite des Gehäuses 2 angeordnet sind, sind als ohnehin benotigte Wasserablaufoffnungen ausgebildet.
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Die Druckluftanlage 1, mit der die fur die Kühlung des Stromrichters benotigte Druckluft erzeugt wird, dient gleichzeitig der Versorgung einer Bremsanlage des Schienenfahrzeugs. Um dies zu verdeutlichen, sind symbolhaft ein Rad 8 und ein Drehgestell 9 des Schienenfahrzeugs innerhalb der 1 dargestellt. Die Druckluftanlage 1 ist somit primar zur Erzeugung des notwendigen Bremsdrucks am Schienenfahrzeug vorgesehen. Ihr Vorhandensein wird also zusatzlich dafür benutzt, auf besonders vorteilhafte und kostengunstige Weise eine forcierten Luftkuhlung fur den Stromrichter zu bewirken.
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Die Druckluftanlage weist zur Erzeugung der Druckluft einen Kompressor 10, eine Lufttrocknungsanlage 11 und einen Kondensatabscheider 12 auf. Diese Komponenten sind wie das Gehause 2 des Stromrichters unterflur angeordnet.
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2 zeigt eine funktionale Darstellung der Komponenten nach 1. Neben dem Kompressor 10, der Lufttrocknungsanlage 11 und dem Kondensatabscheider 12 ist ein Druckluftbehalter 13 zu erkennen. Eine Druckluftleitung 14 fuhrt über einen Druckminderer 15 auf die Einlassduse 3, über den die Druckluft in das Gehäuse 2 des Stromrichters eingeblasen wird. Der Druckminderer 15 kann optional vorgesehen werden, wenn der fur die Bremsanlage benotigte Druck hoher ist als der fur die Luftkühlung gewünschte. Die Einlassduse 3 kann insbesondere als Wirbelrohr ausgebildet sein, wie es in 3 näher dargestellt ist. Die uber die Einlassduse 3 eintretende Druckluft wird an den zu kuhlenden Bauelementen vorbeigeführt und verlasst an der hier nur schematisch dargestellten Luftaustrittsoffnung 4 wieder das Stromrichtergehause 2.
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3 zeigt ein als Einlassdüse vorgesehenes Wirbelrohr 5. Das Wirbelrohr 5 umfasst eine erste Öffnung, über den die Druckluft 16 von der Druckluftanlage eingeblasen wird. In einer Wirbelkammer des Wirbelrohrs 5 wird die eingeblasene Druckluft 16 in Rotation versetzt, so dass sich der Luftstrom aufgrund der Fliehkraft in einen äußeren warmen und einen inneren kalten Strom 7, 6 aufteilt. Der warme Luftstrom 7 verlässt an einer zweiten Öffnung das Gehause des Wirbelrohrs 5 wahrend der kalte innere Luftstrom 6 an einer dritten Öffnung aus dem Wirbelrohr hinaustritt. Diese dritte Öffnung ist schließlich in das Gehause des Stromrichters gerichtet, so dass die kalte Luft zur Kuhlung der Bauelemente des Stromrichtermoduls Verwendung findet.
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Der dargestellte Wirbelrohrkuhler ist klein, preisgunstig und wartungsfrei. Da er auch temperaturabhangig gesteuert werden kann, kann der Einsatz der Druckluft zur forcierten Kuhlung auch auf einen Einsatz nur bei Spitzenlasten oder bei besonders hohen Außentemperaturen beschrankt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008045952 A1 [0004]
- DE 1116719 B [0007]
