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Die überwiegende
Zahl der bekannten Geräte
für die
Klimatisierung von Schienenfahrzeugen ist in ihrer Gestaltung durch
eine individuelle Anpassung an die Wagenstruktur gekennzeichnet.
Dabei werden unter den Geräten
für die
Klimatisierung auch Lüftungs-
und Heizgeräte
verstanden. Ausgehend von der Form des Wagens, den konstruktiven
Lösungen für die Festigkeitsstruktur,
den funktionellen Einbauten, sowie den mechanischen und elektrischen Schnittstellen
wird in den meisten Fällen
die klimatechnische Lösung
in den verbliebenen Freiräumen des
Wagens untergebracht. Dabei besteht die Aufgabe darin, sowohl das
Gerät im
verfügbaren
Bauraum unterzubringen als auch die Luftführung für Außen-, Um-, und Fortluft mit
Kanälen
sowie Ein- und Austrittselementen zu realisieren. Der Leistungsbereich
derartiger Geräte
erstreckt sich dabei von ca. 10 bis 50 kW je Gerät.
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Die
Klimageräte
für Schienenfahrzeuge
bestehen hauptsächlich
aus zwei Grundbaugruppen, dem Verflüssigersatz mit Verdichter,
Verflüssiger
einschl. Lüfter
und ggf. Sammler und dem Luftbehandler mit Verflüssiger einschl. Lüfter, Expansionsventil,
Filter und ggf. Heizer.
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Bei
der langjährigen
Anwendung dieser Klimageräte
haben sich vier Grundkonfigurationen für Schienenfahrzeuge herausgebildet,
die wiederum in weiteren Modifikationen bestimmte spezielle Bedingungen
verwirklichen können.
Diese Grundkonfigurationen sind:
- – Unterflurkompaktgeräte, bei
denen der gesamte kältetechnische
und Luftaufbereitungsteil in einem gemeinsamen Rahmen unterhalb
des Wagenkastens angeordnet sind,
- – Dachkompaktgeräte analog
den Unterflurgeräten,
jedoch mit Anordnung oberhalb der Decke des Fahrgastraumes,
- – Schrankgeräte analog
den Unterflurgeräten,
jedoch mit Anordnung innerhalb des Wagenkastens zwischen Boden und
Decke,
- – Splitgeräte, deren
maschinentechnischer Teil meist unterhalb des Wagenkastens und dessen Luftbehandlerteil
oberhalb der Wagendecke angeordnet sind. Die kältetechnische Verbindung erfolgt
durch kältemittelführende Rohrleitungen.
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Eine
Besonderheit im Rahmen dieser Grundausführungen stellen die indirekten
Systeme mit Kälteträgerflüssigkeit
für den
Verdampfer oder Wärmeträgerflüssigkeit
für den
Verflüssiger
dar.
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Die
Luftanschlüsse
für Außen-, Um-
und Zuluft am Klimagerät
können
dabei in den verschiedenen Grundkonfigurationen an einer oder mehren Stellen
erfolgen.
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In
dieser Grundkonfigurationen ergeben sich dann je nach Wagenbedingungen
- – Konstruktive
Lösungen,
die an den jeweiligen Fahrzeugtyp optimal angepasst sind, einschließlich der
dafür ausgewählten oder
entwickelten Komponenten. Diese Geräte sind im Allgemeinen nicht
für andere
Wagentypen wiederverwendbar.
- – Konstruktive
Lösungen,
die an den jeweiligen Fahrzeugtyp optimal angepaßt sind, aber auf der Basis
wieder verwendbarer Komponenten aufgebaut sind, wobei die Schnittstellen
zwischen den Komponenten und dem übergeordneten Geräterahmen
neu gestaltet werden.
- – Konstruktive
Lösungen,
die an den jeweiligen Fahrzeugtyp weitgehend optimal angepaßt sind, aber
auf der Basis immer wieder verwendbarer Baugruppen gestaltet werden.
Die Baugruppen wiederum basieren auf einem bestimmten Umfang wieder
verwendbarer Komponenten.
- – Konstruktive
Lösungen
auf der Basis von Baugruppen, die die klimatechnischen Bedingungen weitgehend
unabhängig
von der Fahrzeuggestaltung erfüllen.
Bei dieser Lösung
wird das Fahrzeug an den wesentlichen Schnittstellen nach den Vorgaben
des Klimagerätes
gestaltet. Dabei sind kaum Variationsmöglichkeiten für Luftein-
und -austritte, Befestigungspunkte und Länge-Breite-Bedingupgen vorgesehen.
Die Schnittstellen zwischen Gerät
und Wagen werden vorrangig vom Wagenbauer verwirklicht.
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In
der Reihenfolge dieser genannten Ausführungsstufen wiederum zutreffend
für die
beschriebenen Grundkonfigurationen, werden auf der Klimageräteseite
immer stärkere
Rationalisierungseffekte erreicht und die Lösungen werden immer kostengünstiger.
Als nachteilig erweist sich dabei die immer schwierigere Anpassung
an die Wagenbedingungen seitens der Wagengestaltung. Selbst in der
weitgehendsten Vereinheitlichungsstufe, dem Zusammenfügen optimaler
Baugruppen, muß der
Rahmen des Gerätes
jeweils passend zu den Schnittstellen des Wagens weitgehend individuell
gestaltet bzw. der Wagen muß dem
Gerät angepaßt werden.
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Allen
diesen Lösungen
ist gemeinsam, daß die
kältetechnischen
und lufttechnischen Komponenten und die für die Funktion erforderlichen
Leitungen und Kanäle
ineinander verzahnt sind und sich konstruktiv durchdringen, so daß die Vielfalt
der Ausführungen
hohe Kosten verursacht und kaum Rationalisierungen zuläßt.
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Dabei
stellt der Rahmen mit der Vielfalt der inneren und äußeren Befestigungspunkte
ein sehr kompliziertes und kostenintensives Komponentenbauteil dar,
das intensiver konstruktiver Durchbildung bedarf und das bei Veränderungen
hohen Änderungsaufwand
bereitet.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, die Nachteile bisheriger
Klimagerätelösungen zu überwinden,
wobei die Möglichkeit
geschaffen werden soll, durch eine optimale Baugruppengestaltung
einen durchgreifenden Rationalisierungseffekt zu erreichen, ohne
aus den genannten Gründen
feste Rahmenabmessungen definieren zu müssen. Die Fertigung weitgehend ähnlicher
Komponenten soll dabei unabhängig
von der Leistung des Gerätes
ermöglicht
werden, wobei es durch einfache äußere Anpassung
optimal im Schienenfahrzeug angeordnet werden kann.
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Die
am Klimagerät
erforderlichen Schnittstellenvariationen sollen dem Wagenbauer bei
der Wagengestaltung die notwendigen Freiräume gewähren. Dabei hat der Wagenbauer
den Vorteil, aus einem Katalog alle erforderlichen Daten zu entnehmen.
Er bestimmt den Ausrüstungsgrad
des Gerätes und
dessen endgültige äußere Konfiguration
selbst im Rahmen der vorgegebenen Aufgabenstellung. Damit entsteht
eine Möglichkeit,
die Wagenschnittstellen zu einem frühen Zeitpunkt zu kennen und
der Klimagerätelieferant
hat eine einfache Möglichkeit der
Anpassung an das vorgegebene Fahrzeug. Dabei sollen die Vorteile
der extrem entwickelten Vereinheitlichung mit den Vorteilen der
flexiblen Schnittstellengestaltung vereint werden.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind in den zugehörigen
Ansprüchen
enthalten. Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird die Schnittstelle der Luftführung
und -verteilung weitgehend aus dem Verflüssiger- und Luftbehandlersatz
ausgegliedert und in funktionale Luftverteileinheiten, den Luftverteilboxen,
verlagert. Diese sind je Klimagerät ein- bis dreimal vorhanden, je
nach der gewünschten
bzw. erforderlichen Wagenluftführung.
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Die
Luftverteilboxen sind als Luftführungselemente
so ausgebildet, dass sie den Übergang
der Funktionsluftströme
zu bzw. von Luftbehandler übernehmen.
Für den
Luftbehandler werden Außen-
bzw. Umluft vom Außen-
bzw. Umluftkanal oder vom Mischluftkasten bereitgestellt und die
Zuluft vom Luftbehandler in den Zuluftkanal geführt. Die Luftverteilboxen sind
als Luftführungselemente
zwischen Luftbehandler und Verflüssigungssatz,
am Ende des Luftbehandlers oder am Ende des Verflüssigungssatzes
angeordnet. Sie sind so gestaltet, daß sie sich in das Profil des
Klimagerätes
einfügen.
Je nach Luftmenge weisen die Luftverteilboxen unterschiedliche Längserstreckung
auf. Die Längserstreckung
ergibt sich dabei aus der zulässigen
Luftgeschwindigkeit unter Berücksichtigung
der Höhenabmessungen
des Gerätes,
die auch im Grenzfall die Höhenabmessung der
Luftverteilbox sein kann.
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Auf
diese Weise wird es möglich,
den Verflüssigersatz
ebenso wie den Luftbehandlersatz unabhängig von der Leistungsgröße nach ähnlichen
optimierten Grundkonfigurationen zu konzipieren und damit vereinfachte
Konstruktions- und Fertigungsbedingungen zu gewährleisten. Dabei ermöglicht die räumliche
Gestaltung der Luftverteilboxen die Bedienung unterschiedlichster
Schnittstellen der Luftführung,
wobei die konstruktive Gestaltung der Luftverteilboxen gleichen
Prinzipien folgen kann.
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Diese
vorteilhafte Lösung
lässt für unterschiedlichste
Leistungs- und Einbaubedingungen immer wieder Klimageräte nach
dem gleichen Grundmuster entstehen, nämlich aus Verflüssigersatz,
Luftbehandlersatz und entsprechender Anzahl von Luftverteilboxen.
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Diese
jeweils für
eine Leistungsgröße notwendigen
Komponenten bestimmen die Abmessungen in Abhängigkeit von der Wagengeometrie.
Zur Variation der Leistung wird vorrangig die Länge der jeweiligen Baugruppe
und Funktionsbausteines angepasst. In Ausnahmefällen kann auch die Höhe bzw.
Breite einbezogen werden, was insbesondere bei Schienenfahrzeugen
für unterschiedliche
Spurweiten bzw. Lichtraumprofile vorteilhaft sein kann. Bei der
Längenanpassung
ergibt sich ein nahezu linearer Zusammenhang zwischen erforderlicher
Leistung und Länge
der Funktionsbausteine.
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Die
Luftverteilboxen sind in ähnlicher
Weise in den Abmessungen entsprechend variabel, aber leicht zu fertigen,
da die Gestaltungsgeometrie von Blech- und Rahmenbauteilen gleichen
Grundprinzipien folgt.
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Die
Außenluftansaugung,
die Umluftzuführung
und die Zuluftauslässe
sind in den Luftverteilboxen je nach Bedarf untergebracht und gewährleisten den
Anschluß an
die jeweiligen Kanal- bzw. Kammerbauteile. Die Luftverteilboxen
gewährleisten
damit den Übergang
zwischen den Wagenschnittstellen für die Luftführung zum Klimagerät.
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Bei
Splitgeräten
werden die Luftverteilboxen nur für den Luftbehandlersatz erforderlich.
Dabei ist die Luftverteilbox an einer der beiden Stirnseiten oder bei
der Erfordernis von zwei Luftverteilboxen an beiden Stirnseiten
angeordnet.
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Zusätzlich können die
Luftverteilboxen auch die Funktion der Schalldämpfung übernehmen. Dazu werden die
Luftführungsräume, das
sind die Kanäle und
Kammern, mit Schalldämmmaterial
in bekannter Weise ausgekleidet.
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Die
rationelle Grundgestaltung der Funktionsbausteine ist ähnlich.
Der Luftbehandlersatz enthält
die erforderlichen Baukomponenten Luftfilter, Verdampfer mit Einspritzung,
Heizer, Lüfter
bzw. die nach Aufgabenstellung davon erforderlichen. Das Kältemaschinenteil
enthält
Verflüssiger,
Sammler und Lüfter
bzw. die nach Aufgabenstellung davon erforderlichen. Die Hauptausrichtung
der Wärmeübertrager
ist parallel zur Wagenlängsachse.
Dieser Ausrichtung ordnen sich die anderen Komponenten unter.
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Nachfolgend
soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.
Beispielhaft wurde eine Klimaanlage gewählt, da darin alle Komponenten
der Lüftungs-
bzw. Heizgeräte
enthalten sind.
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Es
zeigen:
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1 zeigt das Grundkonzept
eines Klimagerätes
in Dachanordnung in der Draufsicht für ein Schienenfahrzeug,
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2 zeigt eine Ansicht des
Luftbehandlersatzes von einer stirnseitigen Luftverteilbox aus,
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3 zeigt einen Schnitt durch
den Kältesatz
von der anderen stirnseitigen Luftverteilbox aus.
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4 zeigt eine Luftverteilbox
als Mischluftbox mit seitlicher Außenluftansaugung,
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5 zeigt eine Luftverteilbox
als Mischluftbox mit unterer Außenluftansaugung,
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6 zeigt eine Luftverteilbox
als Zuluftbox zwischen Luftbehandler und Zuluftkanal
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7 zeigt eine Luftverteilbox
als Zuluftbox mit unterer Heizluftausblasung.
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Die 1 zeigt beispielhaft den
Luftbehandlungsatz 10 mit den Komponenten Außenluftansaugung 11,
der Mischluftkammer 12, dem Filter 13, dem Verdampfer 14,
dem Heizer 15 und dem Lüfter 16. Die
Außenluft
strömt
durch die Außenluftansaugung 11,
mischt sich in der Mischluftkammer 12 mit der Umluft und
gelangt dann als Mischluft durch die weiteren Komponenten. Die Luftbehandlungsteile
weisen leistungs- und wagenabhängig
unterschiedliche Abmessungen auf und werden stirnseitig von den Luftverteilboxen 31 und 32 begrenzt.
Dabei ist es auch möglich,
die Lüftergesamtleistung
auf mehr als einen Lüfter
in Parallelschaltung aufzuteilen. Die Luftverteilboxen 31 und 32,
sowie die dritte Box an der anderen Stirnseite 33 sind
immer so groß,
wie die erforderliche Luftmenge dies notwendig macht.
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In
der 1 ist weiterhin
der Verflüssigersatz 20 zu
sehen, der mit dem Verdichter 21, den parallelen Teilverflüssigern 22 und 23 und
dem Verflüssigerlüfter 24 die
kältetechnischen
Hauptkomponenten aufweist. Im stirnseitigen Bereich des Verflüssigersatzes
sitzen die elektrischen Schalt- und Regelgeräte 25 in separaten
Gehäusen.
Die Außenluft
wird von Lüfter 24 durch
die beiden Teilverflüssiger 22 und 23 seitlich
angesaugt und nach Aufnahme der Verflüssigerwärme nach oben ausgeblasen.
Der Verflüssigersatz
wird jeweils stirnseitig von den Luftverteilboxen 32 und 33 begrenzt.
Die im Modul untergebrachten Komponenten Verdichter 21 und
Lüfter 24 sind
den jeweiligen Leistungserfordernissen durch Auswahl der dafür erforderlichen
Typen angepaßt.
Dabei ist es auch möglich,
die Gesamtleistung auf mehrere Verdichter bzw. Lüfter aufzuteilen.
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In
der 2 sind die Komponenten
des Luftbehandlersatzes 10 in der Seitenansicht zu sehen, nacheinender
Luftansaugung 11, Mischluftkasten 12, Filter 13,
Verdampfer 14, Heizer 15 und Lüfter 16. Zusätzlich sind
die Luftkanäle
der Luftverteilbox 30 stirnseitig gezeigt.
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Die 3 zeigt den Schnitt durch
den Verflüssigersatz 20 mit
den Teilverflüssigern 22 und 23, dem
Lüfter 24,
dem Schnitt der Luftkanäle 26 und 27 zur Überleitung
der Zuluft von der mittleren Luftverteilbox 32 zur stirnseitigen
Luftverteilbox 33.
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Eine
Vielzahl von Varianten der Luftverteilbox ist möglich. In den 4 bis 7 sind
beispielhaft vier dieser Varianten dargestellt.
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In
der 4 ist eine Variante
der Luftverteilbox gezeigt, in welche die Außenluft 41 von beiden Seiten
aus eintritt und sich mit der von unten eintretenden Umluft 42 mischt,
um als Mischluft 43 zum Luftbehandler hin auszutreten.
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In
der 5 ist eine Variante
der Luftverteilbox gezeigt, in welche die Außenluft 41 und die
Umluft 42 von unten aus eintreten und mischen, um als Mischluft 43 zum
Luftbehandler hin auszutreten.
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In
der 6 ist eine Variante
der Luftverteilbox gezeigt, in welche die im Luftbehandler konditionierte
Mischluft 44 stirnseitig eintritt und auf der gegenüberliegenden
Seite als Zuluft 45 in den Zuluftkanal übertritt.
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In
der 7 ist eine Variante
der Luftverteilbox gezeigt, in welche die im Luftbehandler konditionierte
Mischluft 44 stirnseitig eintritt und auf der gegenüberliegenden
Seite im Kühlfall
als Zuluft 45 in den Zuluftkanal übertritt und im Heizfall auf
beiden Unterseiten als Heizluft 46 in die Heizkanäle übertritt.