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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug mit einem Klimatisierungssystem zum Kühlen von sich in dem Maschinenraum des Schienenfahrzeuges befindenden elektrischen Vorrichtungen mittels gekühlter Luft sowie ein Verfahren zum Kühlen der elektrischen Vorrichtungen.
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Derartige elektrische Vorrichtungen sind beispielsweise Hilfsbetriebe, die nicht unmittelbar für den Antrieb des Fahrzeuges dienen, beispielsweise eine Druckluft-Erzeugungsvorrichtung, Feuerlöscheinrichtungen, Zugsicherungseinrichtungen, Elektronikeinrichtungen mit elektronischen und/oder mikroelektronischen Vorrichtungen zur Steuerung des Betriebes des Fahrzeuges, elektrische Versorgungseinrichtungen für mit dem Fahrzeug verbundene weitere Waggons sowie Kühleinrichtungen für die vorgenannten Einrichtungen. Die genannten Komponenten können demnach Kühler, Steuer- und Regeleinheiten sowie Antriebskomponenten und weitere elektrische und elektronische Komponenten sein. Die genannten elektrischen Vorrichtungen befinden sich typischerweise in einem von einem oder mehreren Führerräumen getrennten Maschinenraum des Schienenfahrzeuges.
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Die genannten elektrischen Vorrichtungen entwickeln im Betrieb Wärme und müssen daher gekühlt werden. Andernfalls ist deren Lebensdauer begrenzt, und ihre Ausfallrate steigt an.
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Um diese Aufgabe zu erfüllen, ist beispielsweise in der
deutschen Patentschrift Nr. 853 463 eine elektrische Lokomotive, deren Steuergeräte für die Haupt- und Hilfsstromkreise in einem nach oben abnehmbaren und mit Türen versehenen Schrank untergebracht sind, angegeben. Der Schrank hat in der Mitte einen senkrechten Lüftungskamin, der oben mehrere elektrisch angetriebene Lüfter mit senkrechter Achse und unten zu kühlende Widerstände hat. Der Lüfter ist zum Boden sowie zum Dach der Lokomotive offen, sodass sich ein für die Kühlung günstiger Luftstrom ergibt.
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In
EP 0 625 456 B1 ist ferner eine Vorrichtung zum Belüften mindestens eines Fahrmotors und/oder einer Kühleinrichtung eines Schienentriebfahrzeuges beschrieben. Mit der Kühleinrichtung werden Hilfsaggregate, beispielsweise Umrichteranlagen und Elektronik-Schaltschränke sowie ein Verdichter-Verflüssiger-Aggregat, gekühlt. Hierzu sind senkrecht stehende Luftkanäle vorgesehen, die mittels eines Ventilators zwangsdurchströmt sind. Die Luftkanäle sind dem Fahrmotor bzw. der Kühleinrichtung zugeordnet. Die zur Kühlung verwendete Luft wird über das Dach des Schienentriebfahrzeuges angesaugt und nach unten abgegeben.
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Ferner ist in
DE 10 2006 043 110 A1 eine elektrische Lokomotive mit einer Brennkraftmaschine, einem elektrischen Generator, einem Stromrichter und zumindest einem Antriebsmotor offenbart. Zum Kühlen der Brennkraftmaschine und des Stromrichters dienen ein erstes bzw. ein zweites Kühlelement, die zusammen Teil eines gemeinsamen Kühlers sind. Der Kühler ist auf den bodenseitigen Längsträgern der Lokomotive montiert und saugt für die Kühlung von unten Luft an.
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Schließlich ist in
EP 2 127 991 A1 eine Lokomotive beschrieben, die zwei Führerstände und einen Maschinenraum aufweist. Zur Kühlung des Maschinenraumes und wenigstens eines Führerstandes sind wenigstens ein Kühlaggregat und ein kanalförmiges Leitungssystem zum Führen eines vom Kühlaggregat gekühlten Luftstromes vorgesehen. Das Leitungssystem ermöglicht die Führung der gekühlten Luft durch Öffnungen, derart dass die gekühlte Luft gezielt auf zu kühlende Komponenten auftrifft, oder bis in Schränke mit zu kühlenden Komponenten hinein. Die Lokomotive verfügt über zwei Führerstände, die je nach Fahrtrichtung unbesetzt oder besetzt sind. In jedem der beiden Führerstände ist ein Klimagerät angeordnet. Das Klimagerät des unbesetzten Führerstandes wird zum Kühlen des Maschinenraumes vorgesehen, während zur gleichen Zeit das Klimagerät des besetzten Führerstandes ausschließlich zum Klimatisieren des besetzten Führerstandes verwendet wird.
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Die vorstehend beschriebenen Konzepte zur Belüftung, Klimatisierung bzw. Kühlung der sich erwärmenden Komponenten des Fahrzeuges sind zwar geeignet für die Aufrechterhaltung einer ausreichend niedrigen Temperatur, damit die vorgeschriebene obere Temperaturgrenze dieser Komponenten nicht überschritten wird. Jedoch hat es sich herausgestellt, dass die Ausfallsicherheit der elektrischen Komponenten trotz dieser Maßnahmen nicht in befriedigender Art und Weise optimiert werden kann, sodass weitere Maßnahmen ergriffen werden müssen, um die erforderliche Fahrdienstbereitschaft zu gewährleisten.
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Dieses Problem wird gelöst durch das Schienenfahrzeug nach Patentanspruch 1 und das Verfahren zum Kühlen von elektrischen Vorrichtungen des Schienenfahrzeuges nach Patentanspruch 12. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug kann ein Schienentriebfahrzeug, beispielsweise eine Lokomotive, ein Triebfahrzeug oder Triebkopf für einen Schienenfahrzeug-Zugverband, insbesondere ein Triebfahrzeug oder ein Triebkopf für schwere Schienenfahrzeuge und Zugverbände, beispielsweise für Fern-, Güter- und Regionalzüge, sein.
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Das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug umfasst einen Maschinenraum zur Aufnahme von elektrischen Vorrichtungen, die insbesondere für den Betrieb des Schienenfahrzeuges notwendig sind, sowie mindestens einen Führerraum. Das Schienenfahrzeug umfasst ferner ein Klimatisierungssystem für den Maschinenraum, das zur Erzeugung von zur Kühlung der elektrischen Vorrichtungen dienender gekühlter Luft vorgesehen ist. Mit diesem Klimatisierungssystem wird überschüssige Wärme aus dem Maschinenraum abgeführt. In erfindungsgemäßer Art und Weise wird die von dem Klimatisierungssystem erzeugte gekühlte Luft in einem ausschließlich innerhalb eines im Maschinenraum zu klimatisierenden Raumbereiches zirkulierenden Luftkreislauf geführt. In diesem Raumbereich befinden sich die zu klimatisierenden elektrischen Vorrichtungen. Das bedeutet, dass zu dem in diesem Raumbereich im Maschinenraum zirkulierenden Strom gekühlter Luft weder von außen zusätzliche Luft zugeführt wird noch dass von dem Strom gekühlter Luft ein Teil abgezweigt und nach außen geführt wird. Die Luftströmung innerhalb des genannten Raumbereiches ist demgemäß völlig unabhängig und getrennt von der sich außerhalb des klimatisierten Raumes befindenden Luft geführt.
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Somit ist auch ein Verfahren zum Kühlen von mindestens einer elektrischen Vorrichtung in einem Maschinenraum eines Schienenfahrzeuges erfindungswesentlich. Dieses Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte:
- • Erzeugen von gekühlter Luft mittels eines vom Schienenfahrzeug umfassten Klimatisierungssystems,
- • Führen der gekühlten Luft in einem ausschließlich innerhalb eines im Maschinenraum zu klimatisierenden Bereiches zirkulierenden Luftkreislauf.
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Es hat sich nämlich herausgestellt, dass die Zuführung von Frischluft zur Kühlung der sich erwärmenden Komponenten zu einer erheblichen Verschmutzung der Komponenten führt, sodass deren Ausfallsicherheit nicht mehr zuverlässig gegeben ist. Denn ein „Durchlüften” des Maschinenraumes mit Außenluft, die zwar gefiltert, aber dennoch mit feinsten Staubpartikeln belastet ist, führt zu den benannten Problemen. Auch das Vorsehen von Filtermitteln zur Reinigung der zugeführten Luft reicht nach Erkenntnissen der Erfinder nicht aus, um die erforderliche Reinheit der sich im Maschinenraum befindenden Luft zu gewährleisten. Eine gewisse Verbesserung könnte prinzipiell zwar durch eine gezielte Luftführung von einem Maschinenraumlüfter (Gebläse) zu den kritischen Bereichen der sensiblen elektrischen Vorrichtungen in den Gerüsten erreicht werden. Damit werden aber die grundsätzlichen Probleme der Belastung sowohl durch eine hohe Temperatur als auch durch Staub nicht gelöst. Darüber hinaus hat sich auch herausgestellt, dass Frischluft Feuchtigkeit in den Maschinenraum einführen kann, die die elektrischen Vorrichtungen beeinträchtigt. Eine Klimatisierung des gesamten Maschinenraumes ist nachteilig, da dies eine sehr große und leistungsfähige Klimaanlage mit einem entsprechend großen Leistungsbedarf und Luftdurchsatz erfordern würde. Das letztere Problem könnte auch nicht durch eine thermische Isolierung des Fahrzeuges gelöst werden, da ein Maschinenraum eines Schienenfahrzeugs nicht wirkungsvoll isolierbar ist, denn die installierten Gerüste nutzen den zur Verfügung stehenden Raum innerhalb des Fahrzeuges weitgehend aus. Zur Installation einer derart leistungsfähigen Klimaanlage steht letztlich auch das Dach des Fahrzeuges nicht zur Verfügung, da dieses im Allgemeinen mit zahlreichen Komponenten belegt ist.
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Erst die Separierung des innerhalb des zu klimatisierenden Raumes zirkulierenden Luftstromes von der sich außerhalb befindenden verunreinigten Luft ermöglicht eine ausreichende Betriebssicherheit der Komponenten im Maschinenraum. Insbesondere staubige Luft, deren Partikel leicht auch Filter durchdringen können, und/oder feuchte Luft, insbesondere bei länger anhaltender Exposition, können zu einer erheblichen Verunreinigung bzw. Beeinträchtigung der Bauteile und zum Ausfall empfindlicher Geräte führen.
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Somit besteht ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung darin, die Zufuhr von Außenluft zu vermeiden, indem mindestens ein geschlossener (Luft-)Kreislauf in einem weitgehend dichten Maschinenraum geschaffen wird. Dies schließt auch ein, eine luftseitige Trennung des Maschinenraumes von den Führerräumen sicherzustellen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Konzept ist es möglich, alle sensiblen elektrischen Vorrichtungen, d. h. die Nebenbetriebe, beispielsweise die eingangs angegebenen elektrischen Hilfsbetriebe (Druckluft-Erzeugungsvorrichtung, Feuerlöscheinrichtungen, Zugsicherungseinrichtungen, Elektronikeinrichtungen mit elektronischen und/oder mikroelektronischen Vorrichtungen zur Steuerung des Betriebes des Fahrzeuges, elektrische Versorgungseinrichtungen für mit dem Fahrzeug verbundene weitere Waggons, Kühleinrichtungen für die vorgenannten Einrichtungen), zu klimatisieren, d. h. unterhalb einer vorgegebenen maximalen Temperaturgrenze zu halten. Die in erfindungsgemäßer Art und Weise realisierte Klimatisierung des Maschinenraumes ist ferner nicht nur im Falle von elektrischen Schienenfahrzeugen, d. h. Schienenfahrzeugen, die von außen mit elektrischer Energie versorgt werden, sondern auch im Falle von mit einer Brennkraftmaschine ausgerüsteten Schienenfahrzeugen einsetzbar. In letzterem Falle kann die Brennkraftmaschine insbesondere zum Antreiben eines elektrischen Generators dienen, der wiederum Strom für einen Stromrichter erzeugt, der Stromrichter den Strom wandelt und den oder die Antriebsmotoren speist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die gekühlte Luft mittels Luftführungsmitteln gezielt zu den elektrischen Vorrichtungen geleitet. Während selbstverständlich eine ungerichtete Führung des Stromes gekühlter Luft im Maschinenraum bereits zu einer erheblichen Erhöhung der Ausfallsicherheit führt, da damit die Temperatur der einzelnen Komponenten unterhalb einer vorgegebenen Grenze gehalten werden kann, ist eine gezielte Führung der gekühlten Luft zu den elektrischen Vorrichtungen vorteilhaft, da damit eine weitaus wirksamere Kühlung dieser Komponenten erreicht werden kann. Denn durch das gezielte Anströmen wird eine effizientere Wärmeabfuhr ermöglicht, sodass die Komponenten gegebenenfalls auch mit einer höheren spezifischen Strombelastung betrieben werden können. U. U. können Komponenten verwendet werden, die für eine höhere Strombelastung ausgelegt sind, sodass wiederum eine kleinere Bauform mit dem Vorteil der Raumersparnis möglich wird.
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Beispielsweise kann die gekühlte Luft über Düsen an die empfindlichen Bauteile und Geräte geblasen werden. Eine noch wirksamere Art und Weise der gezielten Anströmung der elektrischen Vorrichtungen besteht darin, Luftkanäle vorzusehen, in denen die gekühlte Luft zu den elektrischen Vorrichtungen gezielt geleitet wird. Beispielsweise sind die elektrischen Vorrichtungen in einem oder mehreren Gehäusen bzw. Gerüsten untergebracht, sodass die gekühlte Luft in diese Gehäuse bzw. Gerüste geleitet werden kann. Gegebenenfalls wird ein Luftkanal, in dem die gekühlte Luft geführt wird, bis in die unmittelbare Nähe der elektrischen Vorrichtung geführt, d. h. der Abstand zwischen der die gekühlte Luft auslassenden Öffnung des Luftkanals und der elektrischen Vorrichtung ist sehr gering, beispielsweise weniger als 50 cm, vorzugsweise weniger als 20 cm und ganz besonders bevorzugt weniger als 10 oder sogar 2 cm. Die Luft wird in diesem Falle in der unmittelbaren Umgebung der elektrischen Vorrichtung aus dem Luftkanal ausgeblasen. Ganz besonders bevorzugt befindet sich die zu kühlende elektrische Vorrichtung innerhalb eines Gehäuses oder Gerüsts, das selbst von der gekühlten Luft durchströmt wird.
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Vorzugsweise ist mindestens eine Luftbehandlungsvorrichtung vorhanden, die mit den Luftkanälen verbunden ist. Luft wird in den Luftbehandlungsvorrichtungen abgekühlt und dann über die Luftkanäle zu den elektrischen Vorrichtungen geleitet. Beispielsweise umfasst eine derartige Luftbehandlungsvorrichtung eine oder mehrere Kühlelemente für die Luft sowie einen oder mehrere Lüfter, um einen Strom von gekühlter Luft zu erzeugen, der in die Luftkanäle geleitet wird.
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Somit besteht ein weiterer wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung darin, die Kühlung durch klimatisierte Luft auf die sensiblen Komponenten in den verschiedenen Gerüsten zu beschränken.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gelangt die gekühlte Luft nach einem Kontakt mit den elektrischen Vorrichtungen durch den freien Innenraum des Maschinenraumes zu der mindestens einen Luftbehandlungsvorrichtung. Als freier Innenraum des Maschinenraumes sind in der vorliegenden Beschreibung und in den Patentansprüchen diejenigen Bereiche des Maschinenraumes zu verstehen, die weder durch eine elektrische Vorrichtung oder eine andere für den Betrieb des Fahrzeuges unmittelbar oder mittelbar benötigte Vorrichtung oder andere Einbauten noch insbesondere durch einen Luftkanal vereinnahmt wird. Im freien Innenraum des Maschinenraumes wird ein Luftstrom also nicht geleitet (geführt) sondern zirkuliert frei und ohne äußere Beeinflussung und Ablenkung. In dieser Ausführungsform gelangt die gekühlte Luft daher zunächst vorzugsweise gezielt, beispielsweise durch ein Kanalsystem, zu den elektrischen Vorrichtungen und kühlt diese. Anschließend wird die Luft in den Maschinenraum ausgeblasen. Der so entstehende Luftkreislauf bewirkt eine gewisse Abkühlung und Durchlüftung des gesamten Maschinenraumes.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die mindestens eine Luftbehandlungsvorrichtung Filtermittel für die gekühlte Luft. Durch den ausschließlich innerhalb des im Maschinenraum zu klimatisierenden Raumbereiches zirkulierenden Luftkreislauf wird zwar bereits erreicht, dass keine zusätzlichen Verschmutzungen in den Maschinenraum eingetragen werden. Bereits vorhandene Verunreinigungen können aber mit einer zusätzlichen Filterung gezielt entfernt werden, sodass eine noch weiter erhöhte Ausfallsicherheit der elektrischen Vorrichtungen erzielt werden kann. Hierzu kann ein handelsüblicher Staubfilter eingesetzt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Klimatisierungssystem ferner mindestens eine Kältemaschine zur Kühlung der Luft. Derartige Kältemaschinen sind bekannt und umfassen typischerweise mindestens einen Verdampfer, mindestens einen Verdichter, mindestens einen Kondensator und mindestens ein Expansionsventil in mindestens einem Kreislauf für ein Kältemittel. Der mindestens eine Verdampfer dient zur Wärmeaufnahme aus der Umgebung in das Kältemittel. Unter anderem die aufgenommene Wärmemenge wird vom Kältemittel in dem mindestens einen Kondensator wieder abgegeben. Somit dient der mindestens eine Verdampfer als Wärmesenke und damit als Kühlelement für die Abkühlung der Luft. Bei Verwendung einer Kältemaschine bei dem erfindungsgemäßen Schienenfahrzeug wird daher der mindestens eine Verdampfer vorzugsweise in die Luftbehandlungsvorrichtung integriert, um dort als Kühlelement für die zu kühlende Luft zu wirken. Somit umfasst die mindestens eine Kältemaschine jeweils mindestens einen Verdampfer zur Kühlung der Luft, wobei der mindestens eine Verdampfer jeweils Bestandteil einer Luftbehandlungsvorrichtung des Klimatisierungssystems ist, in der die gekühlte Luft erzeugt wird.
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Der oder die Verdampfer können in Strömungsrichtung der zur Klimatisierung verwendeten Luft vor oder hinter dem oben genannten zusätzlichen Filter eingebaut sein.
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Bei einer Installation des Verdampfers hinter dem Filter kann besonders reine gefilterte Luft durch den oder die Verdampfer geleitet werden, sodass die Gefahr einer Verunreinigung auch des oder der Verdampfer reduziert wird.
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Die Luftbehandlungsvorrichtung kann insbesondere innerhalb des Maschinenraumes angeordnet sein. Alternativ kann sie auch außerhalb des Maschinenraumes, insbesondere außerhalb des Schienenfahrzeuges, beispielsweise auf dem Dach oder – weniger bevorzugt – unter dem Boden des Schienenfahrzeuges angebracht sein. Bevorzugt ist selbstverständlich eine Anordnung im Maschinenraum, da damit eine Kapselung gegen von außen eintretende Wärme und Verunreinigungen verbunden ist. Darüber hinaus muss für diese Vorrichtung kein zusätzlicher Raum innerhalb des von einem Bahnbetreiber vorgegebenen Fahrzeugprofils beansprucht werden.
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Sowohl die Luftbehandlungsvorrichtung als auch die Luftkanäle zur Führung der gekühlten Luft können nach außen thermisch und/oder gegen Schallemissionen isoliert sein. Hierzu werden übliche Dämmmaterialien verwendet.
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Die Luftbehandlungsvorrichtung ist zwar gegenüber einem Ein- oder Austritt von Luft nach außen abgedichtet. Jedoch steht die Luftbehandlungsvorrichtung für den Betrieb eines oder mehrerer Kühlelemente mit der Umgebung in Kontakt. Wird für den Betrieb eines Kühlelements eine Kältemaschine eingesetzt und ist das Kühlelement in der Luftbehandlungsvorrichtung daher ein Verdampfer, so steht der Verdampfer mit einem oder mehreren Kondensatoren der Kältemaschine außerhalb der Luftbehandlungsvorrichtung über Rohrleitungen, in denen ein Kältemittel im Kreislauf geführt wird, in Kontakt. Der oder die Kondensatoren dienen dazu, die vom Kältemittel im Verdampfer aufgenommene Wärme wieder abzugeben. Hierzu muss ein geeignetes Wärmereservoir zur Verfügung stehen. Dieses kann beispielsweise die Außenluft sein. Daher werden der oder die Kondensatoren vorzugsweise in einen weiteren Luftkreisluft integriert, der eine Ansaugung von Außenluft, den Kontakt der angesaugten Außenluft zum Wärmeaustausch mit dem oder den Kondensatoren und die Abgabe der erwärmten Luft wieder nach außen umfasst. Der oder die Kondensatoren können selbstverständlich derart am Schienenfahrzeug angebracht sein, dass sie vom Fahrtwind angeströmt werden. Eine bevorzugte Variante besteht jedoch darin, den oder die Kondensatoren benachbart zu mindestens einer Öffnung in der Außenwand des Fahrzeuges und ganz besonders bevorzugt benachbart zu mindestens einer Öffnung in der Außenwand des Maschinenraumes, unterzubringen und diesen mittels mindestens eines Lüfters durch eingesaugte Luft zu umströmen und/oder zu durchströmen. Nach dem Kontakt der Außenluft mit dem oder den Kondensatoren kann die erwärmte Luft wieder nach außen geleitet werden. Das Abteil, in dem sich der mindestens eine Kondensator und gegebenenfalls der oder die Verdichter sowie der mindestens eine Lüfter befinden, wird von der Luftbehandlungsvorrichtung getrennt, sodass keine Luftvermischung stattfinden kann. Außerdem ist es bevorzugt, wenn das den mindestens einen Kondensator, den mindestens einen Verdichter und den mindestens einen Lüfter enthaltende Abteil gegenüber der Luftbehandlungsvorrichtung thermisch isoliert ist.
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Somit wird ein sauberer Maschinenraum durch zwei unabhängige Luftkreisläufe sichergestellt: Zum einen durch einen äußeren Kreislauf, der für den Abtransport der erzeugten Wärme nach außen sorgt und hierzu von außen kommend den oder die Kondensatoren der Kältemaschine mit Außenluft umströmt und/oder durchströmt und bei dem die erwärmte Luft danach wieder nach außen geleitet wird, und zum anderen durch einen inneren Kreislauf, der ausschließlich auf den im Maschinenraum zu klimatisierenden Raumbereich beschränkt ist und bei dem vorzugsweise Luft aus diesem Raumbereich angesaugt und nach der Abkühlung zu den elektrischen Vorrichtungen (in den Gehäusen und Gerüsten) geleitet wird.
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Anstelle einer Kältemaschine, umfassend Verdampfer, Verdichter, Kondensator und Expansionsventil, kann auch ein thermoelektrisches Kühlelement oder noch ein anderes Kühlelement eingesetzt werden.
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Ein Luftbehandlungsgerät kann zusammen mit einem oder mehreren Kondensatoren, vorzugsweise mit den zu dem oder den Verdampfern des Luftbehandlungsgerätes gehörenden Kondensatoren derselben Kältemaschine, dem oder den Verdichtern sowie Lüftern zu einer konstruktiven Einheit zusammen gefasst sein, die als Klimagerät bezeichnet werden kann.
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Wird mindestens eine Kältemaschine zur Kühlung der im Maschinenraum zirkulierenden Luft verwendet, wird diese in einer ersten Erfindungsvariante zur ausschließlichen Kühlung des Maschinenraumes dimensioniert. D. h. die Kältemaschine wird hinsichtlich der Kühlleistung so ausgelegt, dass sie für eine ausreichende Abkühlung der im Maschinenraum zirkulierenden Luft ausreicht, d. h. der dort angeordneten zu kühlenden sensiblen elektrischen und elektronischen Komponenten, nicht aber eine zusätzliche Kühlung des oder der Führerräume zusätzlich gewährleisten kann. Die Dimensionierung der Gesamtkühlleistung der mindestens einen Kältemaschine hängt natürlich von der Wärmeerzeugung der elektrischen Vorrichtungen im Maschinenraum sowie von dem Wärmeaustausch des Schienenfahrzeuges mit dessen Umgebung ab.
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In einer alternativen Erfindungsvariante sind jeweils mindestens ein Maschinenraumverdampfer von mindestens einer Kältemaschine zur Kühlung der Luft in dem im Maschinenraum zu klimatisierenden Raumbereich und mindestens ein Führerraumverdampfer derselben mindestens einen Kältemaschine zur Kühlung der Luft im Führerraum vorhanden. Von daher ist die Gesamtkühlleistung der mindestens einen Kältemaschine in diesem Falle durch den Kühlbedarf sowohl der elektrischen Vorrichtungen im Maschinenraum als auch für den oder die Führerräume bestimmt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der im Maschinenraum zu klimatisierende Raumbereich nach außen im Wesentlichen vollständig abgeschlossen. „Im Wesentlichen” bedeutet, dass allenfalls Undichtigkeiten in den in dem im Maschinenraum zu klimatisierenden Bereich begrenzenden Wänden vorliegen, die einem vollständigen Abschluss nach außen entgegenstehen. Ansonsten sind diese Wände dicht. Durch Druckerzeugungsmittel wird ein gegenüber dem Umgebungsluftdruck erhöhter Innenluftdruck in dem im Maschinenraum zu klimatisierenden Raumbereich erzeugt. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die Gefahr, dass Verunreinigungen und/oder Feuchtigkeit in den Maschinenraum eindringen, selbst dann, wenn sich Undichtigkeiten in der Außenhaut des Maschinenraumes und/oder zu dem oder den angrenzenden Führerräumen bilden, nur relativ gering ist, weil der Überdruck dafür sorgt, dass aus dem Maschinenraum allenfalls Luft austritt und Verunreinigungen und/oder Feuchtigkeit daher nicht eindringen können. Als Druckerzeugungsmittel können beispielsweise Lüfter (Gebläse) eingesetzt werden. Insbesondere kann hierzu einer oder mehrere der Fahrmotorlüfter verwendet werden oder alternativ ein oder mehrere separate Maschinenraumlüfter.
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Insbesondere kann der Maschinenraum in diesem Falle auch gegenüber dem mindestens einen Führerraum im Wesentlichen vollständig abgeschlossen sein. „Im Wesentlichen” bedeutet auch hier, dass allenfalls Undichtigkeiten in der Trennwand oder in der Tür zwischen dem Maschinenraum und dem Führerraum vorliegen, die einem vollständigen Abschluss nach außen entgegenstehen. Da mindestens ein Zugang zum Maschinenraum vorgesehen ist, kann dieser von einer hermetisch, d. h. luftdicht, abschließenden Tür gebildet sein. Hierzu ist die Tür in bekannter Art und Weise mit Hilfe von Dichtmaterial gegen den Austritt von Luft gesichert. In diesem Zusammenhang ist zu berücksichtigen, dass der Innenraum von Führerräumen nicht luftdicht abgeschlossen werden kann, um beispielsweise wie im Maschinenraum einen Aufbau eines gegenüber der Umgebung erhöhten Luftdruckes zu erreichen. Denn in einem Führerraum ist für einen ausreichenden Luftaustausch für die Versorgung der sich darin befindenden und ihrer Tätigkeit nachgehenden Person zu sorgen.
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Die Luftbehandlungsvorrichtung kann im Maschinenraum in unterschiedlicher Art und Weise angeordnet werden. Deren Position und Schaltung hängt unter anderem von der Anordnung der elektrischen Vorrichtungen im Maschinenraum ab:
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist im Maschinenraum an beiden Längsseiten jeweils mindestens ein Gerüst installiert, zwischen denen ein begehbarer Mittelgang verläuft und in denen die elektrischen Vorrichtungen untergebracht sind. Jeweils mindestens eine Luftbehandlungsvorrichtung ist auf jeder Seite des Mittelganges untergebracht. Im Maschinenraum befindliche Luft wird von diesen Luftbehandlungsvorrichtungen angesaugt und nach geeigneter Abkühlung durch ein Kanalsystem zu den Gerüsten geführt. Von dort wird die Luft wieder in den Maschinenraum ausgeblasen.
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In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung kann eine zentrale Luftbehandlungsvorrichtung vorgesehen werden, welche die Gerüste auf beiden Seiten des Mittelganges über Luftkanäle versorgt. Eine derartige Anordnung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn einige elektrische Vorrichtungen beispielsweise mittig im Maschinenraum („Power-Pack”) und andere elektrische Vorrichtungen nur an deren beiden Enden des Maschinenraumes jeweils zu beiden Seiten eines Mittelganges beispielsweise in Gerüsten untergebracht sind.
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In einer dritten Ausführungsform der Erfindung wird die Klimatisierung der elektrischen Vorrichtungen im Maschinenraum mit der Klimatisierung eines oder mehrerer Führerräume kombiniert. Bei dieser Variante wird das den mindestens einen Kondensator und den oder die Verdichter sowie den mindestens einen Lüfter zum Ansaugen und Ausblasen von Außenluft enthaltende Abteil im Maschinenraum und vorzugsweise in der Nähe zu einem Führerraum angeordnet. Die genannte Einheit versorgt über Kältemittelleitungen Verdampfer, von denen mindestens einer, der Maschinenraumverdampfer, einer Luftbehandlungsvorrichtung für den im Maschinenraum zu klimatisierenden Raumbereich und mindestens ein anderer, der Führerraumverdampfer, einer Luftbehandlungsvorrichtung für den oder die Führerräume zugeordnet sind. Somit dienen der eine Verdampfer der Klimatisierung des im Maschinenraum zu klimatisierenden Raumbereiches und der andere der Klimatisierung des oder der Führerräume. In dieser Ausführungsform kann eine Kondensator/Verdichter/Lüfter-Einheit eingespart werden. Außerdem wird der Geräuschpegel im Führerraum verringert. Auch in diesem Falle bleiben die Luftkreisläufe im Führerraum und im Maschinenraum getrennt, sodass im Maschinenraum ein Überdruck gewährleistet werden kann, während der Führerraum mit Frischluft versorgt werden kann.
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Die vorliegende Erfindung wird an Hand nachfolgend beschriebener Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1: eine Ansicht des Maschinenraumes eines Schienenfahrzeuges in einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform in einer Querschnitts-Darstellung;
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2: eine Ansicht des Maschinenraumes von 1 in einer Längsschnitt-Darstellung;
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3: eine Ansicht des Maschinenraumes eines Schienenfahrzeuges in einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform in einer Querschnitts-Darstellung;
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4: eine Teilansicht eines Schienenfahrzeuges in einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform in einer Querschnitts-Darstellung.
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Gleiche Bezugsziffern bezeichnen in den Figuren Elemente mit derselben Funktion.
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Die Darstellung des in 1 gezeigten Maschinenraumes 13 eines Schienenfahrzeuges, beispielsweise einer elektrischen Lokomotive für einen Fernzug, beschränkt sich auf den Wagenteil des Maschinenraumes 13 und zeigt weder die Drehgestelle noch die Traktionsantriebe. Auch die sich im Maschinenraum 13 befindenden elektrischen Vorrichtungen, beispielsweise Elektronikeinrichtungen mit elektronischen und/oder mikroelektronischen Vorrichtungen zur Steuerung des Betriebes des Fahrzeuges, sind zum Zwecke der klareren Darstellung der Erfindung nicht dargestellt.
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In der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsform sind elektrische Vorrichtungen in dem Maschinenraum 13 beiderseits eines Mittelganges 7, der in Längsrichtung durch den Maschinenraum 13 führt, angeordnet. Auf der linken Seite des Mittelganges 7 befindet sich in der Darstellung ein Gerüst 5' mit einer darin installierten elektrischen Vorrichtung in einem Bereich 6'. Auf der rechten Seite des Mittelganges 7 sind ebenfalls elektrische Vorrichtungen untergebracht (Gerüste 5 mit Gerüstbereichen 6 in 2 dargestellt).
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In der Darstellung von 1 ist in der gewählten Schnittebene eine Luftbehandlungsvorrichtung 3 mit einem Verdampfer 10, einem Filter 11 und einem Lüfter 12 gezeigt. Außerdem weist die Luftbehandlungsvorrichtung 3 ein Expansionsventil einer Kältemaschine auf (nicht dargestellt). In 2 ist außerdem dargestellt, dass sich vor und hinter der Luftbehandlungsvorrichtung 3 ebenfalls Gerüste 5 mit elektrischen Vorrichtungen in dafür vorgesehenen Gerüstbereichen 6 befinden. Außerdem befindet sich oberhalb der Luftbehandlungsvorrichtung 3 und ebenfalls auf der rechten Seite des Mittelganges 7 ein Abteil 14, in dem sich ein Kondensator 2 einer Kältemaschine sowie Lüfter 9 befinden. Außerdem umfasst dieses Abteil 14 auch einen Verdichter (nicht dargestellt). Die Luftbehandlungsvorrichtung 3 und das den Kondensator 2, die Lüfter 9 und den Verdichter enthaltende Abteil 14 sind gemeinsam als Klimagerät 1 im Maschinenraum installiert. Der Kondensator 2 des oberen Abteils 14 und der Verdampfer 10 der Luftbehandlungsvorrichtung 3 sind Teile einer Kältemaschine, die zusätzlich einen Verdichter im oberen Abteil und ein Expansionsventil in der Luftbehandlungsvorrichtung 3 aufweist. In gleicher Weise sind auch auf der linken Seite des Mittelganges 7 entsprechende Luftbehandlungsvorrichtungen und Abteile, in denen sich Kondensator, Verdichter, Lüfter und Filter befinden, eingerichtet.
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Unterhalb der Luftbehandlungsvorrichtung 3 schließt sich ein Luftkanal 4 an. Dieser steht mit den Gerüsten 5, in dem sensible elektrische Vorrichtungen in den Gerüstbereichen 6 installiert sind, in Verbindung. Auch die auf der linken Seite eingerichtete Luftbehandlungseinrichtung ist über einen entsprechenden Kanal 4' mit dort vorhandenen sensiblen elektrischen Vorrichtungen in den Gerüstbereichen 6' innerhalb der Gerüste 5' verbunden.
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Zur Klimatisierung der elektrischen Vorrichtungen im Gerüstbereich 6 des Gerüstes 5 wird gekühlte Luft in der Luftbehandlungsvorrichtung 3 erzeugt. Hierzu saugt der Lüfter 12 in der Luftbehandlungsvorrichtung 3 aus dem freien Innenraum des Maschinenraumes 13 Luft an (dargestellt durch Pfeile 26) und bläst diese zur Reinigung durch den Filter 11 und danach durch den Verdampfer 10 (dargestellt durch Pfeil 23). Beim Durchleiten der Luft durch den Verdampfer 10 wird die Luft abgekühlt. Anschließend gelangt die gekühlte Luft in den Luftkanal 4 auf der rechten Seite des Mittelganges 7 und danach unmittelbar in die Gerüste 5 und dort in die die sensiblen elektrischen Vorrichtungen enthaltenden Gerüstbereiche 6 (dargestellt durch Pfeil 24). Nach Kontakt der gekühlten Luft mit den elektrischen Vorrichtungen, sodass diese gekühlt werden, wird die Luft in den freien Innenraum des Maschinenraumes 13 geleitet (dargestellt durch Pfeile 25). Dort kühlt die Luft den Innenraum des Maschinenraumes 13. In entsprechender Weise wird die Luft von der Luftbehandlungseinrichtung auf der linken Seite des Maschinenraumes 13 gekühlt und in die Gerüste 5' und die darin angeordneten Gerüstbereiche 6' geleitet.
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Der Kondensator 2 des oberen Abteils 14 und der Verdampfer 10 der Luftbehandlungsvorrichtung 3 sind Bestandteile eines Kühlkreislaufes einer Kältemaschine (nicht dargestellt). Zur Erzeugung der Kühlleistung des Verdampfers 10 führt der Kondensator 2 Wärme ab. Hierzu saugen die Lüfter 9 Außenluft durch Öffnungen in der Außenwand des Schienenfahrzeuges in das Abteil 14, in dem sich der Kondensator 2 und die Lüfter 9 befinden, an (dargestellt durch Pfeile 21). Die angesaugte Außenluft wird durch Wärmeabgabe vom Kondensator 2 aufgewärmt und gelangt durch eine Öffnung des Abteilbodens wieder nach außen (dargestellt durch Pfeile 22). Auch auf der linken Seite des Maschinenraumes 13 ist ein derartiges Klimagerät mit Kondensator, Verdichter, Lüfter und Filter in einem nach außen offenen Abteil und einer Luftbehandlungsanlage mit einem Verdampfer, Expansionsventil, Filter und Lüfter eingerichtet, wobei Kühlmittel zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer zirkuliert und dabei Wärme transportiert.
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Damit ausschließlich gereinigte Luft in einem geschlossenen Kreislauf innerhalb des zu klimatisierenden Raumbereiches im Maschinenraum 13 zirkulieren kann, ist das den Kondensator 2 und die Lüfter 9 enthaltende Abteil 14 von der Luftbehandlungsvorrichtung 3 durch eine luftundurchlässige Wand 15 abgetrennt. Vorzugsweise ist diese Wand 15 außerdem thermisch isoliert, um auch einen Wärmeübergang von dem Kondensator 2 zum Verdampfer 10 bzw. zwischen deren Umgebungen zu vermeiden.
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Um einen gegenüber dem Umgebungsdruck erhöhten Druck im Maschinenraum 13 zu erzeugen, kann zusätzlich ein weiterer Lüfter vorgesehen sein, der von außen kommende Luft in den Maschinenraum 13 bläst. Damit diese Luft den Maschinenraum 13 nicht verunreinigt, wird diese Luft sorgfältig gereinigt. Da zur Erzeugung des Überdruckes keine größeren Luftmengen gebildet werden müssen, ist die Gefahr einer Verunreinigung des Maschinenraumes gering.
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In 3 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Das Prinzip des inneren Luftkreislaufes im Maschinenraum 13 ist grundsätzlich unabhängig von der Platzierung der Klimaanlage. In der in dieser Figur gezeigten Anordnung befinden sich das den Kondensator und den Verdichter sowie mindestens einen Lüfter enthaltende Abteil und die Luftbehandlungsvorrichtung mit dem Verdampfer, dem Expansionsventil, dem mindestens einen Lüfter und dem Filter in einem Klimagerät 1 auf dem Dach des Schienenfahrzeuges. Von dem Verdampfer in der Luftbehandlungsvorrichtung wird gekühlte und gereinigte Luft in einen Luftkanal 8 zwischen dem Klimagerät 1 und dem Luftkanal 4 auf der rechten Seite des Mittelganges des Fahrzeuges geleitet (dargestellt durch Pfeil 23). Zur Abführung der im Kondensator entstandenen Wärme wird Außenluft in das Abteil des Klimagerätes 1 eingesaugt (dargestellt durch Pfeile 21), und die vom Kondensator erwärmte Luft wird wieder nach außen abgegeben (dargestellt durch Pfeile 22). Die in den Luftkanal 8 gelangte gekühlte Luft wird dann wie in der Ausführungsform der 1, 2 über den Luftkanal 4 in die Gerüste und dort in die die sensiblen elektrischen Vorrichtungen enthaltenden Gerüstbereiche ebenfalls auf der rechten Seite des Fahrzeuges geleitet (nicht dargestellt). Nach Kühlung der elektrischen Vorrichtungen gelangt die Luft in den freien Innenraum des Maschinenraumes 13 und wird von dort wieder in das Klimagerät 1 gesaugt (dargestellt durch Pfeile 26). In entsprechender Weise gelangt gekühlte Luft über einen von dem Klimagerät 1 gespeisten nach unten führenden Luftkanal auf der linken Seite des Mittelganges des Fahrzeuges (nicht dargestellt) in einen horizontalen Luftkanal 4', der die Gerüste 5' und darin die sensiblen elektrischen Vorrichtungen mit der gekühlten Luft in Gerüstbereichen 6' versorgt (dargestellt durch Pfeil 24). Von dort gelangt die Luft wieder in den freien Innenraum des Maschinenraumes 13 (dargestellt durch Pfeil 25) und von dort in das Klimagerät 1 (dargestellt durch Pfeile 26).
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Eine dritte Ausführungsform der Erfindung ist in 4 dargestellt. In der Längsdarstellung dieser Figur ist nicht nur der Maschinenraum 13 sondern auch ein endseitiger Führerraum 30 sowie eine den Maschinenraum 13 von diesem Führerraum 30 trennende Wand 34 gezeigt. Diese Wand 34 ist luftdicht ausgeführt. Eine in dieser Wand 34 vorhandene Tür (nicht gezeigt) weist Dichtungen auf, die ebenfalls eine vollständige Abdichtung des Maschinenraumes 13 vom Führerraum 30 ermöglichen.
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In diesem Falle ist eine Luftbehandlungsanlage 32 mit Verdampfer, Filter und gegebenenfalls einer Heizung auf dem Dach des Schienenfahrzeuges im Bereich des Führerraumes 30 installiert, die zur Versorgung des Führerraumes 30 dient. Das eigentliche Klimagerät 1 mit dem Abteil für den Kondensator, Verdichter, Filter und den Lüftern sowie ferner mit einem Luftbehandlungsgerät für den Maschinenraum 13 ist im Maschinenraum 13 untergebracht. Der Kondensator und der Verdichter dieses Klimagerätes 1 sind zur Versorgung sowohl des Maschinenraumes 13 als auch des Führerraumes 30 dimensioniert. Der Verdampfer und das Expansionsventil in der Luftbehandlungsvorrichtung 32 des Führerraumes 30 dienen ausschließlich der Kühlung des Führerraumes 30 und sind daher entsprechend dimensioniert. In entsprechender Weise sind der Verdampfer und das Expansionsventil in der Luftbehandlungsvorrichtung des Maschinenraumes 13 für dessen Versorgung dimensioniert.
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Zur Herstellung eines Kältemittelkreislaufes zwischen dem Kondensator und Verdichter im Klimagerät 1 im Maschinenraum einerseits und dem Verdampfer und Expansionsventil im Luftbehandlungsgerät 32 für den Führerraum 30 andererseits sind Rohrleitungen 33 vorhanden.
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Somit existieren zwei voneinander unabhängige Kühlluftkreisläufe: ein Kühlluftkreislauf für die Kühlung des Führerraumes 30 und ein Kühlluftkreislauf für die Kühlung des Maschinenraumes 13. Durch die Trennung der Verdampfer in der Luftbehandlungsvorrichtung 32 für den Führerraum 30 einerseits und in der Luftbehandlungsvorrichtung im Maschinenraumklimagerät 1 andererseits werden damit zwei unabhängige Kühlluftkreisläufe geschaffen. Daher kann die Kühlluft im Maschinenraum 13 unabhängig vom Luftdruck im Führerraum 30 auf einen erhöhten Druck gebracht werden, sodass ein Überdruck im Maschinenraum 13 und eine Frischluftzufuhr im Führerraum 30 gewährleistet werden können.
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Im Übrigen sind der Aufbau der Klimatisierung im Maschinenraum 13 und deren Funktionsweise dieselben wie in den Ausführungsformen der 1–3.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 853463 [0004]
- EP 0625456 B1 [0005]
- DE 102006043110 A1 [0006]
- EP 2127991 A1 [0007]
