JP2006507175A - 列車用緊急発電ユニット及び上記ユニットを備えた列車 - Google Patents

Abstract

主電力供給系の故障時に車両搭載のシステムに給電するガスタービン（２３）を有する緊急発電ユニット（２）。特に.ガスタービン（２３）で発生した電力は空調システム（７７）に給電する電気エネルギー発生装置(２９)を作動するのに使用される。

Description

本発明は、輸送用車両、一層特に列車のための電気的、機械的、あるいは熱的電力を発生するための緊急発電ユニットに関するものである。

また、本発明は緊急発電ユニットを備えた輸送用車両、一層特に、列車に関するものである。

近代的な列車は操作のための連続した電力を必要とする技術システムを装備している。線路に沿った電力線は電力を供給する。列車に取り付けられたすべての技術システムでは、空調システムがほとんどの電力を消費する。これらのシステムはすべての近代的な列車、特に高速列車に使用されている。そのような列車の窓は一般的に安全の理由で乗客が開けられないように密封されている。一方、特に高速列車は（特に、これらは専用道か高速鉄道輸送でない、伝統的な標準の線路を走行するようにされる）しばしば、機関車（駆動車）を電力線に接続するパンタグラフが損傷して電力供給が止まり、それで、列車は止まるし、車載システムは作動を中止することになる。空調システムに関する電力供給の停止及び通気のために列車の窓が開けられないことは極端な不快を引き起こすし、乗客にとって危険でさえあり得る。

車内の各空調システムによって消費される電力は近代の列車では相当なものである。通常、各車両当り約40kW台の電力が必要とされる。列車が長い時間（約１−２時間台）止まる場合、空調システムのための十分な自動運転を確実にするには、とても多くの電力を消費することを考えると、電池を使用することは可能ではない。この解決策や(他の解決策)はとても難しいことになる。

本発明の目的は、重さ、サイズ、出力電力、および自動運転、コストの点で列車で使用するのに適当である緊急発電ユニットを提供することにある。また、発明の別の目的は適切な緊急発電ユニットを備えた列車を実現することにある。

本質的に、本発明によれば、列車用緊急発電ユニットは、ガスタービンを備えていることを特徴としている。ガスタービンは、列車の用役に給電するのに、特に単一車両の空調システムを作動するのに必要なエネルギーを供給するのに適当である機械的な発電機を形成する。好ましくは、ガスタービンには液体燃料、例えば、ディーゼルエンジン燃料が使われるが、その理由は例えばガスの燃料タンクの重さなしで限られたスペースで使用するのに必要な自動運転に必要な十分な量の燃料を格納できるからである。

原理的に、ガスタービンは空調システムのコンプレッサーを（特定の調速機を通して）直接制御するのに使用することができる。代わりに、空調システムは、吸収型のもでもよく、タービン排ガスの熱エネルギーで作動され、がスタービーンは機械的エネルギーを供給し、それが電気エネルギーに変換されて車両の用役に給電される。しかしながら、列車キャリッジの空調システムは列車の正常な使用状態では鉄道線路によって供給される電気エネルギーで給電されるので、それらの空調システムはこの電源を使用するように設計される。本発明による電力発生ユニットに合うように既存の列車を適合させるのに必要である介在手間を制限するために、本発明の好ましい実施形態では、緊急発電ユニットは適切な減速装置を通してタービンで運転される発電機を有する。インバータは、発電機から電気エネルギーを受けて、列車の空調システムと他の用役に給電するのに必要とされる特性をもつ電流を出力する。インバータの特性は、通常線路システムにみられる電気エネルギーのタイプによって変わる。これは、緊急発電ユニットが直流電力または交流電力など、電気エネルギーのタイプが異なる多様な鉄道網に適応できることを意味する。

列車全体（適当には短い場合に）に一つの緊急発生ユニットを使用することは可能であるが、タービンのサイズや重さによってかかわる電力を考慮すると、列車の各車両に電力発生ユニットを設けるのが有利である。

本発明の有利な実施形態によれば、電力発生ユニットは、タービン、発電機およびインバータが設けられる支持フレームを有し、この支持フレームには、列車の車両のキャリヤ構造体に対する特殊な接続手段が設けられる。支持フレームは有利には列車の床下の仕切り室に収納できるように形状及び寸法が決められ得る。タービン、インバータ、発電機及びタービンと発電機の間にあり得る機械的減速装置は、支持フレームの中に収納できるように寸法決めされる。

列車のキャリヤ構造体と一体でしかもフレーム支持手段と共動する摺動ガイドは、緊急電力発生ユニッの挿入及び取外しを容易にするように仕切り室への緊急発電ユニットの挿入及び仕切り室からの取り出しをし易くするために設けられ得る。

電力発生ユニットは、タービンの回転速度を調整し、その結果本質的には、必要性に従って様々な電力レベルの出力を保証ししかも列車内の蒸気が循環するという危険に関係する多くの問題（以下に例示する）を解決する出力を調整する回路を備え得る。

通常の列車の走行中にタービンの吸気又は排気マニホールド内に破壊屑が入り込むのを阻止するように、タービンの吸気及び排気マニホールドを閉じる閉成部材が有利に設けられる。

列車には空調システムに加えて暖房システムを設けることができる。暖房及び空調作用はできれば、要求に応じて、冷房又は暖房できる二重機能のすなわち可逆機械を用いて得ることができ、かかる機械は緊急時には緊急発電装置ユニットから給電される。逆に、二つの別個のシステム（例えば空調用の冷却機及び加熱用の電気抵抗）によって加熱及び冷却作用が得られる場合には、本発明による発電ユニットは代わりに、電力供給停止の場合に冷却機か又は加熱抵抗に給電し得る。別な方法で、加熱作用は、直接タービンの排気ガスを使用しかつ緊急時に列車の他の用役に給電するために電気エネルギーに変換される機械的エネルギーを同時に発生する熱交換器によって得るようにしてもよい。

本発明による緊急発電ユニット及び該緊急発電ユニットを使用した列車の付加的な特徴及び有利な実施形態は添付の特許請求の範囲に記載される。

本発明は本発明の可能な有利な実施形態を示す添付図面及び説明によってより良く理解されよう。

図１には、総称的に参照番号1で示される列車の前方部分を概略的に示す。参照番号３は機関車（駆動車）を示し、又参照符号7A及び7Bは列車を構成している最初の二両の車両を示している。車両に搭載した牽引システム及び種々のシステム、特に空調システムの両方は機関車のパンタグラフ１１を通して架線9から給電される。パンタグラフ１１が故障した場合には、車両７Ａ、７Ｂ、・・・における用役及びシステムへの電力は各車両に設けた緊急発電ユニット５，７、・・・・によって供給されなければならない。図２には列車の六両の車両７ａ〜７ｆを概略的に示している。各車両には、符号１３ａ〜１３ｆで略示する緊急発電ユニットが設けられている。以下に詳細に示すように、各緊急発電ユニット１３はそれぞれの車両の床下の仕切り室に収納される。仕切り室には図1に参照番号１５で略示したからアクセスするためのフラップが設けられている。

図３は図１の線III-IIIに沿った部分横断面図である。図３において、参照番号１７は車両の床を示し、参照番号１９、２０は、車両の横方向における床１７の下方の二つの隣接した仕切り室を示している。仕切り室１９はフレーム２１（特に図６乃至図９を参照）を有し、このフレーム２１はタービンユニット２３（参照数字２５はそれの排気系を示す）、減速装置２７、発電機２９及びインバータ３１を収容している。減速装置２７はタービン２３の出力軸と発電機２９の入力との間に設けられている。減速装置２７は、タービンの回転を、発電機２９を作動するのに必要な値に減速する。発電機２９の電気出力はインバータで変換され、鉄道車両７に設けられた機器に給電できるようにされる。図３、図６及び図７に詳細に示すように、タービン２３の排気マニホールド２５の端部又は出力口部２５Ａを備え、この口部２５Ａは仕切り室１９の底部１９Ａと整列している。これにより、一方では、列車の通常の運転中に障害や妨害を起こす場合がある車両の下側面の下方への排気マニホールド２５の突出が阻止され、そしてもう片方では、排気系からの熱い煙がレールの下部の材料を燃やすのを阻止される。これは、排気マニホールド２５の拡がった口部における煙の拡散と冷却のおかげである。

フレームの形態、ユニットのサイズ及び構成は仕切り室１９におけるスペースを最適に利用する。

仕切り室１９内において、車両７の長手方向に対して直交して伸びる二つのガイド３３は車両を形成している構造体に固着されている。フレーム２１は、ガイド３３及びフレームと一体の部分３５によって仕切り室に挿入され、これにより部分３５はガイド３３に載っている。３９で車両７に回動支持された回動フラップ３７は仕切り室１９にアクセスするのに用いられる。

燃料タンク４１は仕切り室１９に並んでいる仕切り室２０に収容され、燃料タンク４１には、含まれ、参照番号４５で示され、フラップ３７と同様な、仕切り室２０にアクセスするための回動フラップに対向した注入口４３が設けられている。タンク４１は、車両構造体の一部を形成する梁部材に一体ブラケット４７によって固定されている。タンク４１上の仕切り室にはポンプと燃料フィルタが収容されている。タンク４１及びポンプと燃料フィルタの仕切り室４９の外形は、仕切り室２０の内部の利用可能なスペースを最適に利用するように形成されている。タンク４１は例えば２００リットルの容積をもつことができ、この容積は、３０−６０kWを出力するタービン23をおよそ２時間の自動運転を保証するのに十分である。

200リットルの容量を持つことができる。フレーム21と異なって、タンク41は、フレームに取り付けられた装置で、維持操作と調整を可能にするために抽出可能であるし、区画20の内部に固く取り付けることができて、正常な状態で調整は必要としない。区画49の燃料フィルタは全体のユニット41、49によって区画２０からこのように抽出される必要なく、フラップ45を開くことによって、外部から十分アクセスしやすい位置に配置されてもよい。

図１０は、緊急発電ユニット、空調用の冷却機及び制御回路のブロック線図を示す。発電機ユニットは一般的に、参照番号１３で示され、コンプレッサー24、タービン26自体及び燃焼室28を備えたタービンユニット２３と、減速装置２７と、発電機２９と、インバータ３１とを有する。タービンの回転速度を測定する有孔板５１はタービン２６の軸に固定されている。有孔板５１には感知手段５３（例えば、磁気、光学又は他の形式の）が組合され、有孔板５１及び従ってタービン２６の回転速度を検出する。信号は感知手段５３から信号処理ブロック５５に送られる。ブロック55からの信号出力は周波数変調され、周波数はタービンの角速度に比例している。ブロック５７はブロック55から入力信号を受け、周波数信号を電圧信号に変換する。ブロック５７からの信号が比較される基準電圧信号は、制御ユニット５９、例えばマイクロプロセッサによって供給される。制御装置５９からの基準電圧は、タービンの必要な回転速度及びその結果、発声される電力に比例している。加算器６１からの出力は制御ループ振動を避けることを目的とする補償ネットワーク６３に送られる。補償ネットワーク６３からの出力信号は増幅器６５によって適当に増幅され、比例している（タンク４１から）燃料を燃焼室２８に供給する比例弁６９を開閉するモーター６７を制御する。

インバータ３１の出力には、車両搭載システムに給電するのに必要な電圧と同じ特性をもつ。例えば、イタリアの鉄道で用いられているETR500列車の場合、600Vの直流電圧が使用される。インバータ３１による電気エネルギー出力は特定の緊急発電ユニット１３が設けられている車両に搭載された参照番号７１で一般的に示されるシステム又は用役に給電するのに使用することができる。例えば、照明装置に、車両間の自動ドアの開閉、車載洗面所用の湯の加熱などに使用することができる。また、冬期には、車両の暖房システムに出力を使用することもできる。インバータ３１による電力出力のかなりの量は車載空調システムの参照番号７７で一般的に示される冷却機のコンプレッサー７５を作動するモーター７３によって使用される。このシステムの以下の部分、すなわちコンプレッサー７５によって圧縮された冷媒を冷却する曲がりくねった通路７９、膨張弁８１、及び車両内部から導管８５を通る空気を冷却する熱交換器８３が概略的に示されている。熱交換器８３によって冷却された空気の流れは、交換機７９で除湿されかつ部分的に加熱されて要求された温度で導管８７を通って車両内への適当に除湿された空気を送る。空調システム７７は中央制御ユニット59と接続する。

空調システムの他の部分は図示していないがそれ自体公知である。線６０は、車両における空気交換開口を開閉するため制御装置５９から作動装置へ制御信号を搬送する。これらの開閉システムはそれ自体公知であり、そして列車の走行中に列車の圧力の突然の変化を避けるためにトンネルに入る前に開口を閉じるのに用いられる。本発明による列車において、空気交換フラップを開閉するこれらのシステムには、以下で説明される異なった追加的機能を備えている。

列車が高架線路９の故障かパンタグラフ１１の故障ために止まると、緊急発電ユニット１３は、（例えば、小さいバッテリーで給電される電動機によって）タービンユニット２３を始動することによって始動される。例えば、列車がトンネルの外で停止する場合には、列車を形成しているすべての車両における緊急発電ユニット１３のすべては正常状態で始動することができる。車両７内への燃焼ガスの偶然のアクセスを避けるために、空気交換のために設けられた開口又はフラップは線６０における制御装置５９からの信号によって閉じることができる。十分な量の酸素を確保するために、制御ユニット５９で作動される弁を介して制御された量の酸素を車両内へ供給する酸素タンクが設けられ得る。

代わりに、ユニット５９はタービンユニット２３による電力出力を下げ、最初の発電機１３が停止されるまでrpmを減少させることができる。そのような最小の電力状態において、すなわちユニット13が止められた時に、車両内の空気を交換する通気口を開くことができる。空気を交換するための換気システムは発電機１３からの低電力出力で（これはすべてが遮断されてない場合）又は車両に搭載したバッテリーを介して運転状態に維持される。換気通気が閉じられそして最初の発電ユニット１３が全出力で再び作動されるまでの十分長い時間の間、空気は交換される。このようにして、発電ユニット13の排気ガスが最小量であるか、又は全くない時に、空気は交換される。これは、タービンからの排気ガスが偶然車両に入り込むのを避ける。

列車がトンネル内で停止し、トンネルの換気が、すべての車両の緊急発電ユニット１３の様々なタービンで発生するすべての煙を排除するために十分ではない場合には、トンネル内で車両内の雰囲気の特に効率的な冷却が必要でないことを考えると、煙の放出は、予定の時間間隔で限定した数の緊急発電ユニット１３を順次に作動させることによって低減できる。例えば、図2における番号付けを参照して、最初のグループ１３ａ、１３ｆは最初の段階の時間に作動され得、これらのユニットは、車両７ａ及び７ｆにおいて一度十分な冷却が得られると、とめることができ、そしてユニット1３ｂ及び１３ｅが作動され得、そして順次作動され得る。この順次作動は、列車停止させておく必要のある時間の間繰り返される。逆に、例えば、発電ユニット１３ａの設けられた列車の先頭から始まって発電ユニット１３ｆの設けられた列車の後端まで、ある時間に単一の発電ユニット１３が作動され得る。

図面は単に本発明の実施形態を示すものであり、本発明の範囲から逸脱することなしに、形状及び構成において変形することができることが認められる。請求項に付記した参照番号は、明細書の記載を参照することで、請求項の読解を容易にするためのものであり、特許請求の範囲で定義される保護の範囲を限定するものではない。

列車の概略側面図。 列車のブロック線図。 図１におけるIII-IIIに沿った横断面。 燃料タンクの斜視図。 図3におけるV-Vに沿った側面図。 緊急発電ユニットの斜視図。 図6におけるVII-VIIに沿った図。 図7におけるVIII-VIIIに沿った図。 図8におけるIX-IXに沿った図。 緊急発電機、該緊急発電機に組合さった空調システム及び制御回路のブロック線図。

Claims (24)

1. 電力供給停止の場合に列車に電力を供給する緊急発電ユニットであり、ガスタービン（２３)を有すること特徴とする緊急発電ユニット。
2. タービンが液体燃料を用いて作動されることを特徴とする請求項１に記載の緊急発電ユニット。
3. タービンで作動される発電機（２９）及びインバータ(３１)を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の緊急発電ユニット。
4. 上記タービン、発電機及びインバータを配置した支持フレーム(２１) を有し、上記支持フレームが列車の車両構造体に対する固定手段（３３、３５）を備えていることを特徴とする請求項３に記載の緊急発電ユニット。
5. 支持フレームが列車の床（１７）の下側の仕切り室（１９）内に収納されることを特徴とする請求項４に記載の緊急発電ユニット。
6. 上記固定手段が車両構造体と一体の摺動ガイド（３３）を有することを特徴とする請求項４又は５に記載の緊急発電ユニット。
7. 列車の車両構造体に緊締手段（４７）で取付けた燃料タンク（４１）を有することを特徴とする少なくとも請求項２に記載の緊急発電ユニット。
8. 燃料タンクが、列車の床（１７）の下側の仕切り室（２０）に収納するように形成されていることを特徴とする請求項７に記載の緊急発電ユニット。
9. 燃料タンクと同じ仕切り室に収納された燃料ポンプが燃料タンクと組合されることを特徴とする請求項８に記載の緊急発電ユニット。
10. タービンの回転速度を調整する回路（５３〜６９）を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の緊急発電ユニット。
11. タービン（２３）の吸気マニホールド及び排気マニホールド（２５）が閉じ部材を備えていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の緊急発電ユニット。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載のガスタービン（２３）を備えた少なくとも一つの緊急発電ユニットを有することを特徴とする列車。
13. 緊急時に緊急発電ユニットによって給電される少なくとも一つの空調システム（７７）を有することを特徴とする請求項１２に記載の列車。
14. 空調システムが緊急発電ユニットによって発生した電気エネルギーで給電されることを特徴とする請求項１３に記載の列車。
15. タービンが、列車の底部を画定する底面（１９Ａ）と本質的に整列する口部（２５Ａ）を備えた排気マニホールドを有することを特徴とする請求項１３又は１４に記載の列車。
16. 上記口部が、列車の下側に設けた装置の過熱を避けるためタービンからの排気ガスを分散するように形成されることを特徴とする請求項１５に記載の列車。
17. 緊急発電ユニットが列車の床（１７）の下側の仕切り室（１９）内に収納されることを特徴とする請求項１２〜１６のいずれか一項に記載の緊急発電ユニット。
18. タービン並びにできれば発電機及びインバータの第１の仕切り室（１９）と燃料タンク（４１）及びできれば燃料ポンプの第２の仕切り室（２０）が列車の床の下側に配置されることを特徴とする請求項１７に記載の列車。
19. 第１、第２の仕切り室が列車の横線方向に並んで配置されることを特徴とする請求項１８に記載の列車。
20. 多数の車両（７ａ〜７ｆ）を有し、各車両が一つの緊急発電ユニット（１３ａ〜１３ｆ）を備えていることを特徴とする請求項１２〜１９のいずれか一項に記載の列車。
21. それぞれの緊急発電ユニットで給電される車両の各々用の空調システムを有することを特徴とする請求項１３と２０、１４と２０のいずれかに記載の列車。
22. 空調システムが、制御回路で制御される閉じ部材を備えた外部吸気ベントを有し、制御回路が、緊急発電ユニット及び空調システムに接続され、そして緊急時に緊急発電ユニットを高出力で運転している際に、外部空気ベントを周期的に閉じかつ列車内部の空気を交換するように周期的に開くようにプログラミングされ、緊急発電ユニットを低出力運転状態にするか又は停止するようにされることを特徴とする請求項１３に記載の列車。
23. 緊急時に、各車両の緊急発電ユニットがプログラミングされた順序に従って周期的にオン、オフされることを特徴とする請求項２１に記載の列車。
24. 少なくとも一つの酸素タンクを有し、少なくとも一つの緊急発電ユニットの運転中に列車内に酸素を供給することを特徴とする請求項１１〜２２のいずれか一項に記載の列車。
    
    

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