DE102022207794A1

DE102022207794A1 - Schienenfahrzeug

Info

Publication number: DE102022207794A1
Application number: DE102022207794.6A
Authority: DE
Inventors: Manuel Gageik; Arnd Rüter
Original assignee: Siemens Mobility GmbH
Current assignee: Siemens Mobility GmbH
Priority date: 2022-07-28
Filing date: 2022-07-28
Publication date: 2024-02-08
Also published as: WO2024022770A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug 1 mit zumindest einer Kühlanordnung 10 für eine im Unterflurbereich 2 angeordneten Baugruppe 4, wobei die zumindest eine Kühlanordnung 10 zumindest eine Eintrittsöffnung 12 für als Kühlluft verwendete Frischluft aufweist, und wobei die zumindest eine Eintrittsöffnung 12 oberhalb des Unterflurbereichs 2 angeordnet ist und über einen Lüftungskanal 6 mit dem Unterflurbereich 2 verbunden ist, wobei die Eintrittsöffnung 12 in einer Außenhaut 8 des Schienenfahrzeugs 1 angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug mit zumindest einer Kühlanordnung für eine im Unterflurbereich angeordneten Baugruppe, wobei die zumindest eine Kühlanordnung zumindest eine Eintrittsöffnung für als Kühlluft verwendete Frischluft aufweist, und wobei die zumindest eine Eintrittsöffnung oberhalb des Unterflurbereichs angeordnet ist und über einen Lüftungskanal mit dem Unterflurbereich verbunden ist.
Die Ansaugung von Kühlluft kann beispielsweise bei Triebzügen zu einem großen Anteil unterflur erfolgen. Ist das der Fall, bedeutet dies, dass die angesaugte Kühlluft sehr bodennah strömt und von Sand, Staub aber auch Schnee und Eis angereichert sein kann.
Wird beispielsweise der Betrieb in einer wüstenähnlichen Umgebung angestrebt, so sind die Luftverhältnisse für die Kühlgeräte stark davon geprägt, wieviel Sand/Staub auf dem Gleis und/oder in der Luft durch Wind aufgewirbelt vorliegt. Untersuchungen haben ergeben, dass bei nur wenigen mm Staub auf dem Gleis die Staub-Konzentration für Unterflurgeräte, insbesondere im hinteren Teil des Zuges, Werte annehmen kann, die deutlich oberhalb von Grenzwerten aus der Norm liegen. Eine Norm, welche für militärische Zwecke herangezogen wird, enthält deshalb deutlich kleinere Werte, weil ein Triebzug z.B. mit 200m Länge sehr viel Sand/Staub aufwirbelt und auch zu einem großen Anteil in diesem Staubwirbel permanent fährt.
Das resultierende technische Problem umfasst hauptsächlich drei Punkte. Einerseits tritt eine stark erhöhte Abrasion und ein erhöhter Verschleiß auf, wodurch es zu einer geringeren Lebensdauer der Komponenten kommt. Andererseits setzen sich Filter und Kühlgitter zu und es kommt zu einer reduzierten Abfuhr von Wärme, wodurch die Gefahr eine Überhitzung besteht. Ferner kann es zu einer Akkumulation von Sand oder Staub in Totwassergebieten und Ecken kommen, was die Gewichtsbelastung erhöht.
In der Vergangenheit wurden daher bereits verschiedene Konzepte zur Lösung dieser Probleme eingesetzt.
Einerseits wurde bei einem lokbespannten Zug eine Lokomotive eingesetzt, welche eine Luftansaugung im Dachbereich hat. Wenn eine solche Lokomotive stets vorne fährt - also im Pull-Betrieb - ist auf diese Weise eine saubere Luft gewährleistet, die nicht durch den eigenen aufgewirbelten Staub belastet ist. Wenn die Ansaugung im Dachbereich erfolgt und zusätzlich Filter eingesetzt werden, ist auch ein Betrieb, in dem die Lokomotive hinten fährt - also ein Push-Betrieb - möglich. Hierbei kommt es aber weiterhin zu den oben aufgeführten Nachteilen.
Ferner ist es bei geringer Belastung durch Sand/Staub möglich, die entstehenden Probleme durch kleinere Maßnahmen zu lösen. So wurden bspw. die Unterflurwannen mit Gummidichtungen und Fliehkraft-Sediment-Abscheidern als Filterung versehen.
Weiterhin sind Konzepte bspw. aus der EP 2 318 251 B1 bekannt, bei welchen die Unterflurwanne geschlossen werden kann und Kühlluft aus dem Dachbereich mit Hilfe von Stützlüftern im Lüftungskanal angesaugt wird, die den zusätzlichen Druckverlust kompensieren sollen. Hierbei wird die Kühlluft durch Eintrittsöffnungen angesaugt, die über der Außenhaut des Wagens liegen und wie eine Lufthutze die Kühlluft aufnehmen können. Die EP 2 318 251 B1 zeigt somit ein gattungsgemäßes Schienenfahrzeug.
Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Schienenfahrzeug zu schaffen, dass mit geringem Aufwand Baueinheiten im Unterflurbereich zuverlässig mit sauberer Kühlluft versorgt. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß wird ein Schienenfahrzeug mit zumindest einer Kühlanordnung für eine im Unterflurbereich angeordnete Baugruppe bereitgestellt. Die zumindest eine Kühlanordnung weist zumindest eine Eintrittsöffnung für als Kühlluft verwendete Frischluft auf, wobei die zumindest eine Eintrittsöffnung oberhalb des Unterflurbereichs angeordnet ist und über einen Lüftungskanal mit dem Unterflurbereich verbunden ist. Die Eintrittsöffnung ist in einer Außenhaut des Schienenfahrzeugs angeordnet.
Die Eintrittsöffnung ist dabei zur fahrtwindinduzierten Zufuhr von Frischluft in den Lüftungskanal ausgebildet. Bei der Eintrittsöffnung handelt es sich um einen passiven optimierten Lufteinlass für Frischluft. Als Frischluft wird dabei die Luft bezeichnet, welche das Schienenfahrzeug umgibt. Eine Ansaugung stromab einer Ausblasung ist dabei zu vermeiden, da die Luft sonst auf dem Weg zur Baugruppe vorerwärmt wird, was nachteilhaft ist.
Der Lüftungskanal mündet in den Unterflurbereich und speist diesen sowie die in dem Unterflurbereich angeordnete Baugruppe mit Kühlluft.
Bei der Baugruppe kann es sich um ein elektrisches Aggregat, wie einen Energieversorgungsblock, einen Stromrichter oder einen Transformator, genauer Kühleinheiten der betroffenen Geräte, handeln.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Lüftungskanal lüfterlos ausgebildet ist. Das bedeutet, dass im Lüftungskanal kein Stützlüfter angeordnet ist, der unterstützend innerhalb des Lüftungskanals die Kühlluft zu der Baugruppe befördert. Die Baugruppe hingegen kann einen oder mehrere Lüfter aufweisen, die der Baugruppe zugeordnet sind und hauptsächlich für eine Luftversorgung im Stillstand sorgen müssen. Diese der Baugruppe zugeordneten Lüfter sind dabei aber keine Lüfter, die im Lüftungskanal angeordnet sind.
Der Unterschied gegenüber bekannten Lösungen/Produkten ist die Verwendung einer passiven optimierten Eintrittsöffnung und der Hauptfokus liegt auf einer Sand-/Staub-Vermeidung im Lufteinlass der Baugruppe, insbesondere eines Kühlgeräts der Baugruppe. Insbesondere in Kombination mit einer sandigen Umgebung kann dies vorteilhaft sein, weil Lüfterräder durch Sand in der Luft stark verschleißen können.
Auf diese Weise kann auch für bereits bestehende Zugkonzepte mit moderatem Aufwand eine Versorgung der Bodenwanne mit sauberer Kühlluft ermöglicht werden.
Ferner kann in Ausgestaltung des Schienenfahrzeugs vorgesehen sein, dass die zumindest eine Eintrittsöffnung im Dachbereich und/oder Seitenwandbereich des Schienenfahrzeugs angeordnet ist.
Durch die Anordnung der zumindest einen Eintrittsöffnung im Dachbereich und/oder im Seitenbereich wird eine Ausgestaltung der Anordnung der zumindest einen Eintrittsöffnung angegeben, die oberhalb des Unterflurbereichs gegeben ist. Besonders vorteilhaft ist eine Anordnung der Eintrittsöffnung im Dachbereich, da auf diese Weise die Eintrittsöffnung besonders weit vom Boden entfernt ist und somit besonders wenig Sand, Staub oder sonstige Partikel aufgenommen werden. Hier zeigen sich besonders Ansaugpositionen in der Dachmitte in einer Fahrzeugbreitenrichtung des Schienenfahrzeugs als vorteilhaft hinsichtlich einer geringen Sand/Staub-Konzentration.
In Weiterbildung des Schienenfahrzeugs kann vorgesehen sein, dass die zumindest eine Eintrittsöffnung oberflächenbündig in der Außenhaut des Schienenfahrzeugs angeordnet ist.
Die oberflächenbündigen Eintrittsöffnung führt somit zu einem gegenüber bekannten Lösungen geringeren Luftwiderstand bei gleichzeitig erhöhter Effizienz.
Der Druckverlust im Kanalsystem wird mit Hilfe der oberflächenbündigen Eintrittsöffnung überkompensiert, sodass eine zuverlässige Kühlluftversorgung gegeben ist.
Auf diese Weise kann auch für bereits bestehende Zugkonzepte oder Schienenfahrzeuge mit moderatem Aufwand eine Versorgung des Unterflurbereichs mit sauberer Außenluft ermöglicht werden.
Die oberflächenbündige Eintrittsöffnung ermöglicht eine optimierte Luftzufuhr von Frischluft in den Lüftungskanal. Die Luftströmung kann dabei gegenüber Eintrittsöffnungen wie Lufthutzen weniger turbulent sein, sodass eine gleichmäßigere und laminarere Strömung in dem Lüftungskanal vorliegt.
Alternativ kann auch es sich bei der Eintrittsöffnung auch um eine nicht oberflächenbündige Eintrittsöffnung wie einem hervorstehenden Einlass handeln.
Weiterhin kann das Schienenfahrzeug vorsehen, dass die zumindest eine oberflächenbündige Eintrittsöffnung als Blende, insbesondere als NACA-Blende oder NACA-Einlass, ausgebildet ist.
Die Ausgestaltung als NACA-Blende / des NACA-Einlass ermöglicht eine optimierte Ansaugung ohne, dass hierfür Lüfter verwendet werden müssen. Ein Druckverlust im Lüftungskanal wird mit Hilfe der NACA-Blende / des NACA-Einlass überkompensiert.
Die NACA-Blende / der NACA-Einlass ermöglicht eine optimierte Ansaugung ohne das hierfür Lüfter verwendet werden müssen.
Der Druckverlust im Lüftungskanal wird mit Hilfe der NACA-Blende / des NACA-Einlass überkompensiert und die in der Figurenbeschreibung dargestellten Diagramme ermöglichen eine Vorauslegung der notwendigen NACA-Geometrie (Größe und Anzahl) .
Hierbei strömt durch die Flächen der NACA-Blende Außenluft ein. Hierbei ist die Querschnittsfläche A_NACA des NACA Einlasses entscheidend und wie nachfolgend im Ausführungsbeispiel beschrieben zu dimensionieren. Aufgrund der effizienten Wirkung der NACA-Blende wird der hohe Totaldruck der Außenluft (Totaldruck,außen = Dichte/2 * Zuggeschwindigkeit^2) sehr gut ausgenutzt und über den Lüftungskanal in den Unterflurbereich, insbesondere ins Innere der Bodenwanne geleitet. Der Totaldruck teilt sich auf in einen dynamischen Druckanteil, welcher direkt vom angesaugten Volumenstrom bestimmt wird, und dem statischen Druckanteil. Beide zusammen addieren sich zum Totaldruck. Aus diesem Zusammenhang wird auch abschätzbar wie groß der Kanal ausgelegt werden muss (unter Vernachlässigung von Verlusten). Die Kühlgeräte benötigen Volumenstrom und die Zuggeschwindigkeit bestimmt den Totaldruck. Daraus lässt sich abschätzen, wie groß der Kanal sein muss, damit noch genügend statischer Druckanteil verbleibt.
Unter dem Begriff NACA-Blende / NACA-Einlass im Sinne der Erfindung ist eine strömungsgünstiger Luftblende / ein strömungsgünstiger Lufteinlass in der Außenhaut von Fahrzeugen. Dieser ist dabei oberflächenbündig in der Außenhaut des Schienenfahrzeugs angeordnet und ist in Draufsicht im Wesentlichen V-förmig ausgebildet, wobei die Schenkel des Vs eine geschwungene Kurve beschreiben können.
Durch die schrägen Kanten der NACA-Blende / des NACA-Einlass werden dabei Luftwirbel erzeugt, die die langsame Grenzschichtströmung verdrängen. Deshalb kann sie für einen gegebenen Luftstrom klein ausgeführt werden und vergrößert den Luftwiderstand des Schienenfahrzeugs nur wenig. Es handelt sich bei der NACA-Blende / dem NACA-Einlass um eine bestimmte Form einer oberflächenbündig in der Außenhaut angeordnete Eintrittsöffnung. Die NACA-Blende oder der NACA-Einlass wurde von der „National Advisory Committee for Aeronautics“ (NACA) - der Vorgängerorganisation der NASA - für die Ansaugluft von Strahltriebwerken entwickelt.
In Weiterbildung des Schienenfahrzeugs kann vorgesehen sein, dass die zumindest eine Eintrittsöffnung einen Strömungskanal aufweist, der sich von einem in Fahrtrichtung vorderen Bereich der zumindest einen Eintrittsöffnung aus zu einem in Fahrtrichtung hinteren Bereich der zumindest einen Eintrittsöffnung vergrößert.
Hierdurch wird die Luftzufuhr von Frischluft in den Lüftungskanal verbessert, wobei die Luftströmung dabei gegenüber bekannten Eintrittsöffnungen, die sich verengen weniger turbulent sein kann, sodass hierdurch eine gleichmäßigere und laminarere Strömung in dem Lüftungskanal erzeugt wird.
Aufgrund der Richtungsabhängigkeit der Einlassöffnung, insbesondere in Ausgestaltung als NACA-Blende / NACA-Einlasses und der Tatsache, dass die Schienenfahrzeuge in beide Fahrrichtungen operieren, kann eine Unabhängigkeit der Eintrittsöffnung von der Fahrtrichtung ermöglich werden. Hierzu sind nachfolgend einige Ausgestaltungen beschrieben.
Variante Drehteller. Die blaue Plattform ist drehbar gelagert, so dass der NACA-Einlass (grün) immer richtig ausgerichtet ist. Die Drehachse ist dabei der Kanal (rot, hier in Darstellung nicht getroffen), damit dieser nicht mitgedreht werden muss. Die Schnittstelle ist damit der starre rote Kanal mit dem gedrehten Einlass (grün). Die Finne (lila) ist möglichst weit hinten anzuordnen
Es kann in Ausgestaltung des Schienenfahrzeugs vorgesehen sein, dass die Kühlanordnung zumindest eine Drehvorrichtung aufweist.
Hierdurch wird erreicht, dass Teile der Kühlanordnung ausgerichtet werden können, sodass diese an die Fahrtrichtung des Schienenfahrzeugs angepasst ausgerichtet sind. Zu diesem Teilen der Kühlanordnung gehören insbesondere die Eintrittsöffnungen.
Ferner kann vorgesehen sein, dass auf der zumindest einen Drehvorrichtung die Eintrittsöffnung angeordnet ist, sodass die Eintrittsöffnung in Fahrtrichtung ausrichtbar ist.
Hierdurch wird eine Anströmung im optimalen Anströmwinkel gegeben.
Die Drehvorrichtung kann beispielweise ein Drehteller sein, der sich um seine eigene Achse ausrichten lässt.
Eine Ausrichtung in Fahrtrichtung bedeutet, dass ein vorderer Bereich der Eintrittsöffnung in Fahrtrichtung vor dem hinteren Bereich angeordnet ist. Im Fall der NACA-Blende ist der vordere Bereich schmaler als der hintere Bereich, sodass die NACA-Blende von vorne nach hinten breiter wird.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Drehvorrichtung zur Ausrichtung der Eintrittsöffnung in Fahrtrichtung motorisch angetrieben ist.
Hierdurch wird eine fahrtwindunabhängige Ausrichtung der Drehvorrichtung mitsamt der Eintrittsöffnung geschaffen.
In Weiterbildung des Schienenfahrzeugs kann ferner vorgesehen sein, dass die Drehvorrichtung eine Finne aufweist, die hinter der Eintrittsöffnung angeordnet ist, wobei die Finne derart ausgebildet ist, dass die Drehvorrichtung mitsamt der Eintrittsöffnung bei Fahrt von der Fahrtluftströmung in Fahrrichtung ausgerichtet wird.
Durch die Finne wird ein aerodynamisches Element bereitgestellt, dass dazu ausgebildet ist die Drehvorrichtung und die Eintrittsöffnung selbsttätig durch die Fahrtluftströmung in Fahrtrichtung auszurichten. Es sind gegenüber einer motorisch angetriebenen Variante weniger Bauteile und damit ist ein einfacherer und leichterer Aufbau gegeben.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Schienenfahrzeugs kann ferner vorgesehen sein, dass die Kühlanordnung zwei Eintrittsöffnungen aufweist, die in Fahrtrichtung hintereinander und in entgegengesetzter Richtung angeordnet sind und gemeinsam an den Lüftungskanal angebunden sind.
Hierdurch wird eine Ausgestaltung angegeben, die auf einen Drehteller verzichten kann, da immer eine der zwei Eintrittsöffnungen in Fahrtrichtung ausgerichtet ist. Diese Anordnung bietet den großen Vorteil, dass im Standfall des Schienenfahrzeugs, beide Eintrittsöffnungen durchströmt werden können, wodurch der Lüfter der Baugruppe auch im Standfall zuverlässig Frischluft ansaugen kann.
Ferner kann in Weiterbildung des Schienenfahrzeugs vorgesehen sein, dass sich der Lüftungskanal Y-förmig verzweigt und im Bereich der Verzweigung ein Verschlussorgan, angeordnet ist, das dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der Fahrtrichtung und der damit verbundenen Fahrtluftströmung eine der zwei Eintrittsöffnungen des Lüftungskanals zu verschließen.
Dabei ist die verzweigte Seite Y-förmigen Lüftungskanals den Eintrittsöffnungen zugeordnet und die unverzweigte Seite des Kanals erstreckt sich in Richtung des Unterflurbereichs des Schienenfahrzeugs.
Das Verschlussorgan kann selbsttätig ausgebildet sein und kann beispielsweise eine Lippe oder Klappe sein. Hierdurch wird eine richtungsabhängige Anströmung ermöglicht.
Mittig im Lüftungskanal kann bspw. eine PU-Lippe hängen, die abhängig von der Richtung den einen oder anderen Kanal verschließt. Die Kontaktstelle der PU-Lippe zum Lüftungskanal kann kanalseitig ebenfalls mit PU ummantelt werden, um die Aeroakustik zu optimieren. Diese Anordnung bietet den großen Vorteil, dass im Standfall, der oben als kritisch identifiziert wurde, beide Kanäle verwendet werden, weil dann die Lippe mittig bleibt.
Im Unterflurbereich kann ferner eine Bodenwanne vorgesehen sein, die den Unterflurbereich gegenüber dem äußeren abdichtet, sodass von außen kein Staub in die Bodenwanne eindringen kann. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass keine Bodenwanne oder eine nicht abgedichtete Bodenwanne ausgebildet ist. Sofern der durch die oberflächenbündige Eintrittsöffnung erzeugte Überdruck in der Bodenwanne groß genug ist, kann davon ausgegangen werden, dass es nur wenige Spaltströmungen ins Innere der Bodenwanne gibt, so dass der Staubeintrag minimal ist. Aber grundsätzlich ist eine Abdichtung vorteilhafter als eine nicht abgedichtete Bodenwanne.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert werden.
Es zeigen:

1 in einer schematischen Schnittdarstellung ein erfindungsgemäßes Schienenfahrzeug gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 in einer schematischen perspektivischen Darstellung das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug der ersten Ausführungsform;
3 in einer schematischen perspektivischen vergrößerten Darstellung eines Teilbereichs der 2 das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug der ersten Ausführungsform;
4 in einer schematischen Schnittdarstellung einen Lüftungskanal mit Einlassöffnungen eines erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs gemäß einer zweiten Ausführungsform;
5 ein Diagramm, das den Druck am Einlass des Kühlgeräts der Baugruppe in Abhängigkeit von dem Volumenstromzeigt;
6 ein Diagramm, das den Druckbeiwert am Einlass des Kühlgeräts der Baugruppe in Abhängigkeit von dem Verhältnis von angesaugter Luftgeschwindigkeit in der NACA-Blende / dem NACA-Einlass zur Außenluftgeschwindigkeit (v_NACA/v_train) zeigt;
7 in einer schematischen perspektivischen Darstellung den Lüftungskanal mit Einlassöffnungen des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs gemäß der zweiten Ausführungsform, wie bereits in 4 gezeigt;
8 in einer schematischen perspektivischen Darstellung ein erfindungsgemäßes Schienenfahrzeug gemäß einer dritten Ausführungsform; und
9 in einer schematischen Schnittdarstellung einen Lüftungskanal mit Einlassöffnungen des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs gemäß der dritten Ausführungsform, wie in 8 gezeigt.

1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung ein erfindungsgemäßes Schienenfahrzeug 1 gemäß einer ersten Ausführungsform.
Bei dem in 1 dargestellten Schienenfahrzeug 1 handelt es sich um einen Triebzug. Es kann sich bei dem Schienenfahrzeug 1 alternativ jedoch auch um ein Schienenfahrzeug 1 mit Triebkopf oder um eine Lokomotive handeln.
Das Schienenfahrzeug 1 weist zumindest eine Kühlanordnung 10 für eine im Unterflurbereich 2 angeordneten Baugruppe 4 auf.
Der Unterflurbereich 2 ist dabei, wie in 2 dargestellt unterhalb des eigentlichen Wagenkastens 3 angeordnet. Die Baugruppen 4 befinden sich gemäß 1 zwischen den Drehgestellen 5. Alternativ können jedoch auch Baugruppen 4 im Bereich der Drehgestelle 5 angeordnet sein.
Die zumindest eine Kühlanordnung 10 weist zumindest eine Eintrittsöffnung 12 für als Kühlluft verwendete Frischluft auf.
Die zumindest eine Eintrittsöffnung 12 ist oberhalb des Unterflurbereichs 2 angeordnet und ist über einen Lüftungskanal 6 mit dem Unterflurbereich 2 verbunden.
Die Eintrittsöffnung 12 ist in einer Außenhaut 8 des Schienenfahrzeugs 1 angeordnet.
Vorzugsweise ist die zumindest eine Eintrittsöffnung oberflächenbündig in der Außenhaut 8 des Schienenfahrzeugs 1 angeordnet ist, wie in 1 zu erkennen ist.
Die Außenhaut 8 wird - wie in 1 dargestellt - beispielsweise durch die Außenwand des Schienenfahrzeugs 1 ausgebildet und kann aus Verkleidungsteilen ausgebildet werden.
Wie in 1 dargestellt, ist die zumindest eine Eintrittsöffnung 12 im Dachbereich 8.1 des Schienenfahrzeugs 1 angeordnet.
Wie aus der 1 zu erkennen ist, ist der Lüftungskanal 6 lüfterlos ausgebildet. Das bedeutet, dass im Lüftungskanal 6 kein Stützlüfter angeordnet ist, der unterstützend innerhalb des Lüftungskanals 6 die Kühlluft zu Baugruppe 4 befördert. Der Lüftungskanal 6 erstreckt sich, wie in 1 zu erkennen ist, vom Dachbereich 8.1 bis zum Unterflurbereich 4 des Schienenfahrzeugs 1.
Im Inneren des Lüftungskanals 6 sind keine weiteren Elemente angeordnet, welche die Durchströmung des Lüftungskanals 6 behindern könnten.
Die Baugruppe 4 kann beispielsweise ein elektrisches Aggregat sein, wie ein Energieversorgungsblock, ein Stromrichter oder ein Transformator, genauer Kühleinheiten der betroffenen Geräte sein und einen oder mehrere Lüfter aufweisen. Diese der Baugruppe 4 zugeordneten Lüfter sind dabei aber keine Lüfter, die im Lüftungskanal 6 ausgebildet sind, sondern sind von der Baugruppe 4 im Unterflurbereich 2 umfasst.
In Ausgestaltung zeigt 1 den Frontbereich eines Schienenfahrzeugs 1. In diesem Bereich sind gemäß 1 zwei Kühlanordnungen 10 ausgebildet. Jede der Kühlanordnungen 10 umfasst einen separaten Lüftungskanal 6 mit zumindest einer Eintrittsöffnung 12 und beaufschlagt eine oder mehrere separate Baugruppen 4 im Unterflurbereich 2 mit als Kühlluft verwendete Frischluft. Die Kühlanordnungen 10 sind hintereinander angeordnet. Auch wenn nur zwei Kühlanordnungen 10 dargestellt sind, kann das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug 1 auch mehr als zwei Kühlanordnungen 10 aufweisen. Die Kühlanordnungen 10 können nicht nur im Frontbereich eines Schienenfahrzeugs 1 angeordnet sein, sondern auch mit Heckbereich sowie in den dazwischen liegenden Bereichen.
2 zeigt in einer schematischen perspektivischen Darstellung das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug 1 der ersten Ausführungsform.
Wie in 2 dargestellt, ist die zumindest eine Eintrittsöffnung 12 im Dachbereich 8.1 angeordnet. Alternativ oder ergänzend kann diese auch im Seitenwandbereich 8.2 des Schienenfahrzeugs 1 angeordnet sein (nicht dargestellt).
Aus der 2 ist gut erkennbar, dass die Eintrittsöffnungen in einer Fahrzeugbreitenrichtung mittig im Dachbereich angeordnet sind. Die Eintrittsöffnungen sind gemäß 2 hintereinander angeordnet und sind jeweils einer separaten Kühlanordnung 10 zugeordnet.
Die eine Eintrittsöffnungen 12 gemäß 2 sind in Fahrtrichtung V hintereinander und in gleicher Richtung angeordnet und jeweils an einen separaten Lüftungskanal 6 angebunden.
Die Fahrluftströmung Q strömt dabei die zumindest eine Eintrittsöffnung 12 an.
Weiterhin ist gut erkennbar, dass der Frontbereich des Schienenfahrzeugs 1 gezeigt ist, der die Kühlanordnungen 10 umfasst.
3 zeigt in einer schematischen perspektivischen vergrößerten Darstellung eines Teilbereichs der 2 das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug 1 der ersten Ausführungsform.
Wie aus der vergrößerten Darstellung der 3 gut zu erkennen ist, ist die zumindest eine, vorzugsweise oberflächenbündige, Eintrittsöffnung 12 als Blende ausgebildet.
Die zumindest eine Eintrittsöffnung 12 weist einen Strömungskanal 14 auf (vgl. auch 1) der sich von einem in Fahrtrichtung V vorderen Bereich 12.1 der zumindest einen Eintrittsöffnung 12 aus zu einem in Fahrtrichtung V hinteren Bereich 12.2 der zumindest einen Eintrittsöffnung 12 vergrö-ßert.
Die in 3 gezeigte Blende ist als NACA-Blende, ausgebildet.
Im Fall der NACA-Blende ist der vordere Bereich 12.1 schmaler als der hintere Bereich 12.2, sodass die NACA-Blende von vorne nach hinten breiter wird.
Die NACA-Blende ist im Wesentlichen V-förmig oder dreieckig ausgebildet, wobei die Schenkel des Vs, die sich vom vorderen Bereich 12.1 zum hinteren Bereich 12.2 erstrecken geschwungen bzw. abgerundet sind.
Die NACA-Blende teilt sich dabei im Wesentlichen in zwei Bereich auf, nämlich einen offenen Bereich, welcher aus der Eintrittsöffnung 12 ausgebildet wird und einen abgedeckten Bereich 13, der sich hinter der Eintrittsöffnung 12 erstreckt. In eingebautem Zustand (vgl. 3) ist der abgedeckte Bereich der NACA-Blende oberflächenbündig in der Außenhaut 8, insbesondere in dem Dachbereich 8.1 der Außenhaut 8, angeordnet. Der Strömungskanal 14 beginnt dabei im vorderen Bereich 12.1 der Eintrittsöffnung 12 und erstreckt sich in den abgedeckten Bereich 13 hinein, wo diese in den Lüftungskanal 6 mündet.
4 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung Kühlanordnung 10 mit einem Lüftungskanal 6 mit Einlassöffnungen 12 eines erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Die zweite Ausführungsform basiert auf der ersten Ausführungsform wobei nachfolgend die Unterschiede zwischen der zweiten Ausführungsform und der ersten Ausführungsform beschrieben sind.
Die Kühlanordnung 10 weist zwei Eintrittsöffnungen 12 auf, die in Fahrtrichtung V hintereinander und in entgegengesetzter Richtung angeordnet sind und gemeinsam an den Lüftungskanal 6 angebunden sind. Weiterhin ist die Fahrtluftströmung Q bei Vorwärtsfahrt des Schienenfahrzeugs 1 dargestellt. Zwischen den entgegengesetzt angeordneten Eintrittsöffnungen 12 erstreckt sich ein gemeinsamer abgedeckter Bereich 13`.
Der Lüftungskanal 6 verzweigt sich Y-förmig und im Bereich der Verzweigung 7 ist ein Verschlussorgan 9, wie eine Lippe oder Klappe angeordnet, die dazu ausgebildet ist, selbsttätig in Abhängigkeit von der Fahrtrichtung F und der damit verbundenen Fahrtluftströmung Q eine der zwei Eintrittsöffnungen 12 des Lüftungskanals 6 zu verschließen. Durch eine der beiden Eintrittsöffnungen 12 kann dabei die Fahrtluftströmung Q einströmen. Steht das Schienenfahrzeug 1 still und ist keine Fahrtluftströmung Q vorhanden, so befindet sich das Verschlussorgan 9 in einer Mittelposition M.
Wie in 4 zu erkennen ist, ist mittig im Lüftungskanal 6 am abgedeckten Bereich 13' das Verschlussorgan 9 befestigt. Im Fall einer Lippe kann es sich dabei um eine PU-Lippe handeln, die abhängig von der Fahrtrichtung V die eine oder andere Eintrittsöffnung 12 verschließt. Die Kontaktstelle der PU-Lippe zum Lüftungskanal 6 wird kanalseitig ebenfalls mit PU ummantelt, um die Aeroakustik zu optimieren. Diese Anordnung bietet den großen Vorteil, dass im Standfall, der als kritisch identifiziert wurde, beide Eintrittsöffnungen verwendet werden können, weil dann die Lippe mittig bleibt.
5 zeigt ein Diagramm, das den Druck am Einlass des Kühlgeräts der Baugruppe 4 in Abhängigkeit von dem Volumenstrom.
Wie in 1 bis 3 dargestellt befindet sich im Bereich sauberer Außenluft die Eintrittsöffnung 12, üblicherweise im oberen Dachbereich 8.1, da die Konzentration von Schmutzpartikel nach oben hin abnimmt. In Ausgestaltung handelt es sich bei der Eintrittsöffnung um eine NACA-Blende oder NACA-Einlass, welche sich durch einen geringen Luftwiderstand bei gleichzeitig hoher Effizienz charakterisiert. Die Anzahl und Größe der NACA-Blenden oder der NACA-Einlässe ist abhängig von der entsprechenden Auslegung. Im Folgenden wird zunächst das Prinzip der Erfindung anhand einer NACA-Blende / NACA-Einlasses beschrieben, wie dieser bspw. in den 1 bis 3 gezeigt und im ersten Ausführungsbeispiel genauer Strömungsmechanisch beschrieben funktioniert Kühlanordnung 10 des Schienenfahrzeugs 1 wie folgt: Durch die Flächen der NACA-Blende / des NACA-Einlasses strömt Außenluft ein. Hierbei ist die Querschnittsfläche A_NACA der NACA-Blende / des NACA-Einlasses (vgl. 3) entscheidend. Aufgrund der effizienten Wirkung der NACA-Blende / des NACA Einlasses wird der hohe Totaldruck der Außenluft (Totaldruck,außen=Dichte/2 * Zuggeschwindigkeit^2) sehr gut ausgenutzt und über das Kanalsystem ins Innere einer Bodenwanne geleitet. Der Totaldruck teilt sich auf in den dynamischen Druckanteil, welcher direkt vom angesaugten Volumenstrom bestimmt wird, und dem statischen Druckanteil. Beide zusammen addieren sich zum Totaldruck.
In 5 ist dieses Prinzip für einen konkreten Fall dargestellt. Ein Kühlgerät einer Baugruppe saugt unterschiedliche Volumenströme durch eine NACA-Blende / einen NACA-Einlass an. Für die Fahrtsituation ist klar erkennbar, dass der statische Druckanteil im Einlass (des Kühlgeräts) - also am Ende des Lüftungskanals 6 stets positiv bleib. Dieser positive Druck reduziert das Eindringen von Sand & Staub (falls Bodenwanne undicht) und ist darüber hinaus sehr vorteilhaft für die Kühlgeräte, weil es die Durchströmung fördert und das Kühlgerät entlastet. Diese Unterstützung ist die direkte Folge der Ausnutzung der Außenströmung, die einen hohen Totaldruck aufweist. Im Standfall kann keine Außenströmung ausgenutzt werden, so dass hier die statischen Druckwerte deutlich niedriger sind. Für die Sand & Staubbelastung ist dieser Fall nicht kritisch, weil der Zug nichts aufwirbelt. Jedoch sind die Kühlgeräte hier deutlich mehr hinsichtlich des Gegendruckes beansprucht. Aufgrund dieses Umstands ist der Standfall auch der Auslegungsfall für die Lüfter der Kühlgeräte. Verluste aufgrund des der NACA-Blende / des NACA-Einlasses und der Kanalführung des Lüftungskanals 6 skalieren quadratisch mit der Geschwindigkeit/Volumenstrom und spiegeln sich im quadratisch abnehmenden Druck im Einlass wider (siehe Verlauf Linie NACA_dyn für zunehmenden Volumenstrom in 5). Hier ist in der Auslegung darauf zu achten, dass der Lüfter des Kühlgeräts diesen Druck überwinden kann.
Eine allgemeinere Beschreibung des Wirkprinzips ist in 6 dargestellt. Die angesaugte Strömung wird unterteilt in die Anteile dynamisch (entspricht angesaugter Volumenstrom), statisch (entspricht Gegendruck, welcher vom Lüfter überwunden werden muss) und der Summe: total. Aufgetragen werden diese Anteile über das Verhältnis von angesaugter Luftgeschwindigkeit zu Außenluftgeschwindigkeit (v_NACA/v_train). Betrachtet man den Grenzfall, dass v_NACA/v_train sehr klein wird, also dass z.B. wenig Kühlluft benötigt wird, oder der Zug sehr schnell fährt, so ist der statische Anteil (Linie NACA_stat), der genutzt werden kann, um die Kühllüfter in der Baugruppe 4 zu unterstützen sehr hoch. In solchen Fällen wäre es denkbar, dass die Kühllüfter abgeschaltet werden. Dies spart Energie. Auf Basis der konkreten Kanal- und Unterflurgeometrie ergeben sich ca. 30%, die von der Außenströmung genutzt werden können. Auch deutlich größere Werte sind denkbar. Aufgrund der realen Unterflursituation ist mit steigendem v_NACA/v_train immer mehr Druck im dynamischen Anteil erforderlich, so dass der statische entsprechend abnimmt. Etwas vor dem Wert v_NACA/v_train=1 ist der statische Druck schließlich negativ, was physikalisch damit zu begründen ist, dass nun durch die Querschnittsfläche A_NACA eine höhere Geschwindigkeit absaugt werden muss, als von außerhalb aufgeprägt wird. Infolgedessen wird der Einlassdruck negativ. Druck Verluste im Einlass und im Kanal findet dieser Umschlag nicht genau bei 1 statt.
Wichtig für die Auslegung ist es, dass die Anzahl und Größe der NACA-Einlässe /NACA-Blenden so gestaltet wird, dass mit Hilfe der beigefügten Zusammenhänge der Druck im Einlass für das Kühlgerät passt. Deshalb müssen Fahrgeschwindigkeit, Absaugvolumenstrom und Gegendruck aufeinander eingestellt werden und A_NACA entsprechend groß sein. Hierbei kann die NACA-Blende / der NACA-Einlass skaliert werden und/mehrere Einlässe verwendet werden.
7 zeigt in einer schematischen perspektivischen Darstellung den Lüftungskanal 6 mit den Einlassöffnungen 12 des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs 1 gemäß der zweiten Ausführungsform, wie diese bereits in 4 gezeigt ist.
Gemäß 7 ist im Wesentlichen die Kühlvorrichtung 10 dargestellt, wobei alle weiteren Elemente des Schienenfahrzeugs 1 nicht dargestellt sind.
Der Lüftungskanal 6 weist einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf und erstreckt sich von den Eintrittsöffnungen 12 senkrecht nach unten.
8 zeigt in einer schematischen perspektivischen Darstellung ein erfindungsgemäßes Schienenfahrzeug 1 gemäß einer dritten Ausführungsform. Die dritte Ausführungsform basiert auf der ersten Ausführungsform wobei nachfolgend die Unterschiede zwischen der dritten Ausführungsform und der ersten Ausführungsform beschrieben sind.
Gemäß der in 8 gezeigten dritten Ausführungsform weist die Kühlanordnung 10 zumindest eine Drehvorrichtung 16 auf und auf der zumindest einen Drehvorrichtung 16 ist die Eintrittsöffnung 12 angeordnet ist, sodass die Eintrittsöffnung 12 in Fahrtrichtung V ausrichtbar ist.
Die Drehvorrichtung 16 weist eine Finne 18 aufweist, die hinter der Eintrittsöffnung 12 angeordnet ist, wobei die Finne 18 derart ausgebildet ist, dass die Drehvorrichtung 16 mitsamt der Eintrittsöffnung 12 bei Fahrt von der Fahrtluftströmung Q in Fahrrichtung V ausgerichtet wird.
Die Finne 18 ist dabei sowohl hinter dem hinteren Bereich 12.2 der Eintrittsöffnung 12.2 als auch hinter dem abgedeckten Bereich 13 angeordnet.
Die Drehvorrichtung 16 ist im Wesentlichen in der Horizontalen angeordnet und kann um eine im Wesentlichen senkrecht zu dem Dachbereich 8.1 des Schienenfahrzeugs 1 gedreht werden. Eine Drehachse der Drehvorrichtung 16 ist dabei im Wesentlichen senkrecht angeordnet.
9 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung einen Lüftungskanal 6 mit Einlassöffnungen 12 des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs 1 gemäß der dritten Ausführungsform, wie in 8 gezeigt.
9 zeigt ebenso wie 8 die Kühlvorrichtung 10 der dritten Ausführungsform, wobei im Wesentlichen nur die Kühlvorrichtung 10 dargestellt ist und der Rest des Schienenfahrzeugs 1 nicht dargestellt ist.
Der Lüftungskanal 6 weist einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf und erstreckt sich von der Eintrittsöffnung 12 senkrecht nach unten. Unterhalb des Lüftungskanals sind entsprechende Elemente angeordnet, die eine um 180 Grad gedrehte Positionierung der Kühlvorrichtung 10 erlauben und entsprechende Anschluss des Lüftungskanal 6 der um 180 Grad gedrehten Positionierung erlauben. Diese Elemente können bspw. in Form einer unterhalb des Lüftungskanals 6 angeordneten zweiten Drehvorrichtung vorliegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2318251 B1 [0008]

Claims

Schienenfahrzeug (1) mit zumindest einer Kühlanordnung (10) für eine im Unterflurbereich (2) angeordneten Baugruppe (4), wobei die zumindest eine Kühlanordnung (10) zumindest eine Eintrittsöffnung (12) für als Kühlluft verwendete Frischluft aufweist, und wobei die zumindest eine Eintrittsöffnung (12) oberhalb des Unterflurbereichs (2) angeordnet ist und über einen Lüftungskanal (6) mit dem Unterflurbereich (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnung (12) in einer Außenhaut (8) des Schienenfahrzeugs (1) angeordnet ist.
Schienenfahrzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lüftungskanal (6) lüfterlos ausgebildet ist.
Schienenfahrzeug (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Eintrittsöffnung (12) im Dachbereich (8.1) und/oder Seitenwandbereich (8.2) des Schienenfahrzeugs (1) angeordnet ist.
Schienenfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Eintrittsöffnung oberflächenbündig in der Außenhaut (8) des Schienenfahrzeugs (1) angeordnet ist.
Schienenfahrzeug (1) nach einem der Anspruche 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine oberflächenbündige Eintrittsöffnung (12) als Blende, insbesondere als NACA-Blende, ausgebildet ist.
Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Eintrittsöffnung (12) einen Strömungskanal (14) aufweist, der sich von einem in Fahrtrichtung (V) vorderen Bereich (12.1) der zumindest einen Eintrittsöffnung (12) aus zu einem in Fahrtrichtung (V) hinteren Bereich (12.2) der zumindest einen Eintrittsöffnung (12) vergrößert.
Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlanordnung (10) zumindest eine Drehvorrichtung (16) aufweist und auf der zumindest einen Drehvorrichtung (16) die Eintrittsöffnung (12) angeordnet ist, sodass die Eintrittsöffnung (12) in Fahrtrichtung (V) ausrichtbar ist.
Schienenfahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehvorrichtung (16) zur Ausrichtung der Eintrittsöffnung (12) in Fahrtrichtung (V) motorisch angetrieben ist.
Schienenfahrzeug nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehvorrichtung (16) eine Finne (18) aufweist, die hinter der Eintrittsöffnung (12) angeordnet ist, wobei die Finne (18) derart ausgebildet ist, dass die Drehvorrichtung (16) mitsamt der Eintrittsöffnung (12) bei Fahrt von einer Fahrtluftströmung (Q) in Fahrrichtung (V) ausgerichtet wird.
Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlanordnung (10) zwei Eintrittsöffnungen (12) aufweist, die in Fahrtrichtung (V) hintereinander und in entgegengesetzter Richtung angeordnet sind und gemeinsam an den Lüftungskanal (6) angebunden sind.
Schienenfahrzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Lüftungskanal (6) Y-förmig verzweigt und im Bereich der Verzweigung (7) ein Verschlussorgan (9), insbesondere eine Lippe oder Klappe, angeordnet ist, die dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der Fahrtrichtung (F) und der damit verbundenen Fahrtluftströmung (Q) eine der zwei Eintrittsöffnungen (12) des Lüftungskanals (6) zu verschließen.