AT383U1 - Heizungsvorrichtung fuer ein elektrisch betriebenes fahrzeug - Google Patents

Description

AT 000 383 Ul

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Heizungsvorrichtung fiir ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, insbesondere fiir ein Nahverkehrs-Schienenfahrzeug, mit einem verhältnismäßig konstanten Fahrzyklus, bestehend aus einem erwarteten Anfahrzeitintervall, Fahrzeitintervall, Bremszeitintervall und Haltezeitintervall, bei welchem innerhalb eines im wesentlichen an das Bremszeitintervall angepaßten Heizzeitintervalles durch Generatorumschaltung eines Fahrmotors elektrische, der Heizungsvorrichtung zufuhrbare Energie erzeugt wird, wobei die Heizungsvorrichtung ein Gehäuse mit zumindest einem Eingang zur Aufnahme von Frischluft aus dem Außenraum und mit zumindest einem Ausgang zum Einbringen von Zuluft in den Innenraum des Fahrzeuges aufweist und der Eingang über zumindest einen Lüfter und eine durchströmbare, eine Anzahl elektrischer Heizstäbe aufweisende Wärmespeicherkammer mit dem Ausgang verbunden ist.

Eine Heizungsvorrichtung dieser Art ist beispielsweise aus der EPM£370 24'. v*iAGENUK) bekannt geworden. Bei dieser bekannten Heizungsvorrichtung sind ein durch die Wärmespeicherkammer führender Warmluftstrom und ein äußerer Frischluftstrom bzw. Umluftstrom vorgesehen, die über steuerbare Schieber in eine Mischkammer geführt sind, an deren Ausgang ein Lüfter angeordnet ist, durch welchen die erwärmte und gemischte Zuluft in den Fahrzeuginnenraum gefördert wird. Aus der praktischen Ausfuhrungsform dieser Heizungsvorrichtung ist weiters bekannt, daß die in der Wärmespeicherkammer angeordneten Heizstäbe als mit einem Heizdraht umwickelte Keramikkörper ausgebildet sind.

Ein Nachteil dieser bekannten Vorrichtung ist darin zu sehen, daß sowohl für den Warmluftstrom als auch fiir den Frischluftstrom Schieber und eine zugeordnete Steuerung erforderlich sind. Insbesondere besteht bei solchen Schiebern die Gefahr, daß mechanische Defekte auftreten, durch welche der Betrieb der Heizungsvorrichtung erheblich gestört ist. Die iXm Luftstrom freiliegenden Heizdrähte fuhren fast immer zu einer Geruchsbelästigung durch daran verbrennende Staubpartikel, sofeme der Aufwand für eine Nachfilterung der Luft nicht extrem hoch getrieben wird. Weiters wird durch die Mischkammer in imerwünschter Weise zusätzlich Platz beansprucht.

Eine weitere Heizungsvorrichtung für Schienenfahrzeuge dieser Art welche ohne Schieber bzw. Schiebersteuerungen auskonunt, ist aus der DE#Sf2 835 120mkannt geworden. Bei 2 AT 000 383 Ul dieser Heizungsvorrichtung sind in dem Frischluftkanal nacheinander ein Lüfter und ein Heizwiderstand angeordnet, welchem eine mit Speicherplatten bestückte Wärmespeicherkammer nachgeschaltet ist, um die durch den periodischen Betrieb des Heizwiderstandes hervorgerufenen Temperaturschwankungen zu glätten. Die dem Fahrzeuginnenraum im Heizbetrieb zuzufuhrende Heizenergie wird über die Drehzahl des Lüfters geregelt, welcher im Lüftungsbetrieb in entgegengesetzte Richtung betrieben wird.

Ein Nachteil dieser Heizungsvorrichtung liegt unter anderem darin, daß sowohl eine Heizkammer als auch eine Wärmespeicherkammer erforderlich sind, wodurch höhere Herstellungskosten und ein größerer Platzverbrauch anfällen.

Daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine einfache und platzsparende Heizungsvorrichtung zu schaffen, bei welcher die Nachteile bekannter Vorrichtungen vermieden werden. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Verbesserung der oben erläuterten Heizungsvorrichtung gemäß der EP^t-370 24/Jvorzunehmen.

Diese Aufgaben werden ausgehend von einer Heizungsvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß - die als Wärmespeicherelemente dienenden elektrischen Heizstäbe je einen zentralen Heizwiderstand aufweisen, der im wesentlichen vollständig von einem zylindrischen Wärmespeichermantel umgeben ist, welcher eine spezifische Wärmekapazität von

- die durchschnittliche mittlere Strömungsgeschwindigkeit der Luft innerhalb der Wärmespeicherkammer zwischen = 2,5...3,5m/s beträgt und - die beheizbare Länge 1^ jedes Heizstabes bei einem vorgegebenen Durchmesser zwischen d = 1,5...3 cm in Abhängigkeit von der erforderlichen Heizleistung und dem

Verhältnis zwischen der zu erwartenden Fahrzykluszeit t^y und dem zu erwartenden Brems- bzw. Heizzeitintervall thpj7 gegeben ist durch:

wobei B die maximale Oberflächenbelastbarkeit des Heizstabes in W/cm2 und n die Anzahl der Heizstäbe sind. 3 AT 000 383 Ul

Durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen wird die Möglichkeit geschaffen, unter Berücksichtigung der vorgegebenen Dimensionierungsvorschriften eine Heizungsvorrichtung zu realisieren, bei welcher die Heizstäbe in vorteilhafter Weise zugleich als Heizwiderstände und Wärmespeicherelemente dienen. Dies wird unter anderem dadurch ermöglicht, daß der Durchmesser (d = 1,5...3cm) der Heizstäbe im Vergleich zu herkömmlichen massearmen Heizstäben erheblich größer dimensioniert ist. Weiters wird durch die vorgegebene Anpassung der Heizstablänge an den zu erwartenden Fahrzyklus in Kombination mit der besonderen Dicke dieser Heizstäbe ein thermisch ausreichend träges System geschaffen, bei welchem auf zusätzliche Einbauten wie eine Mischkammer mit Schiebern oder Klappen und einer dazugehörigen Steuerung verzichtet werden kann. Ein weiterer Vorteil dieser Systemträgheit liegt unter anderem darin, daß bei sprunghaften Änderungen der Außentemperatur, z.B. wenn das Nahverkehrs-Schienenfahrzeug teilweise unterirdisch verkehrt, keine unerwünschten raschen Änderungen der Innenraumtemperatur stattfinden.

Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform einer erfindungsgemäßen Heizungsvorrichtung beträgt die Oberflächenbelastbarkeit jedes Heizstabes maximal 3 W/cm2. Bei einer verbesserten Ausfuhrungsform liegt die maximale Oberflächenbelastbarkeit jedes Heizstabes unter 2,5 W/cm2, vorzugsweise bei 2,0 W/cm2, wobei seine spezifische Wärmekapazität Cp im wesentlichen 0,85 kJ/kgK beträgt. Diese Werte für die maximale Oberflächeribelastbarkeit sind in vorteilhafter Weise erheblich geringer als jene von bekannten Heizstäben.

Ebenso ergibt sich eine Verbesserung der Wirkungsweise einer erfindungsgemäßen Heizungsvorrichtung, wenn der Durchmesser jedes Heizstabes zwischen 1,8 und 2,5 cm, vorzugsweise 2,2 cm beträgt.

Bevorzugte Betriebsbedingungen für die Wärmespeicherkammer einer erfindungsgemäßen Heizungsvorrichtung liegen dann vor, wenn das Heizzeitintervall während eines dem Betrieb des Schienenfahrzeuges zugrunde gelegten Normalfahrzyklus zwischen 1/3 und 1/10, vorzugsweise 1/6 der Fahrzykluszeit, jedoch maximal 50% der Fahrzykluszeit beträgt. Falls das erforderliche Heizzeitintervall länger als das tatsächliche Bremszeitintervall ist, wird die Heizungsvorrichtung in vorteilhafter Weise von der allgemeinen Stromversorgung des Schienenfahizeuges, z.B. einem Fahrdraht, mit elektrischem Strom versorgt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Wärmespeicherkammer einer erfindungsgemäßen Heizungsvorrichtung ergibt sich dadurch, daß die U-förmig ausgebildeten und parallel zueinander ausgerichteten Heizstäbe normal zur Strömungsrichtung der Zuluft in einem Abstand voneinander angeordnet sind, der im wesentlichen dem Abstand der beiden U-Schenkel des Heizstabes entspricht. Bei einer solchen Wärmespeicherkammer ist 4 AT 000 383 Ul vorzugsweise jeder Heizstab an den freien Enden seiner U-Schenkel mit elektrischen Kontaktstellen versehen, die einer Seitenfläche der Wärmespeicherkammer zugeordnet und mit Kontaktstellen benachbarter Heizstäbe so verbunden sind, daß jeweils eine Mehrzahl von Heizstäben seriell an die Stromversorgung angeschlossen sind. Die Befestigung der einzelnen Heizstäbe in der Wärmespeicherkammer erfolgt vorzugsweise dadurch, daß jeder U-förmige Heizstab an dem Übergang des Bogenstückes in den U-Schenkel einerseits und an dem freien Ende jedes Schenkels andererseits in einer Bohrung je einer Wand der Wärmespeicherkammer gehalten ist.

Zusätzliche Vorteile und Merkmale einer erfindungsgemäßen Heizungsvorrichtung gehen aus weiteren Unteransprüchen hervor.

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand eines nicht einschränkenden Ausfuhrungsbeispiels näher erläutert, welches in den beiliegenden Figuren dargestellt ist, die zeigen:

Fig. 1 ein Schienenfahrzeug, welches mit einer Heizungsvorrichtung der erfindungsgemäßen Art versehen ist,

Fig. 2 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Heizungsvorrichtung,

Fig. 3 a und 3b eine schematische Draufsicht (Fig. 3b) einer Ausfuhrungsvariante der Heizungsvorrichtung von Figur 2 und einen Längsschnitt (Fig. 3 a) durch die in Fig. 3b dargestellte Ausfuhrungsvariante entlang der Linie IDA,

Fig. 4 eine schematische Draufricht einer Wärmespeicherkammer für eine erfindungsgemäße Heizungsvorrichtung,

Fig. 5a und 5b eine schematische Seitenansicht (Fig. 5a) der Wärmespeicherkammer von Fig. 4 und ein Verdrahtungsschema (Fig. 5b) für die Heizstäbe einer solchen Wärmespeicherkammer,

Fig. 6a und 6b einen Heizstab für eine Wärmespeicherkammer einer erfindungsgemäßen Heizungsvorrichtung in einer Seitenansicht (Fig. 6a) und einer Draufsicht (Fig. 6b).

Vorerst wird auf die Figur 1 Bezug genommen, in welcher ein Nahverkehrs-Schienenfahrzeug 1 dargestellt ist, welches bezüglich der Heizungs-Lüftungsanlage üblicherweise in mehrere Wagenabschnitte la, lb, lc unterteilt ist, welche mit je einer Heizungsvorrichtung 2 versehen 5 AT 000 383 Ul sind, die im Bereich ihres zugeordneten Wagenabschnittes la, lb, lc auf dem Dach des Schienenfahrzeuges angeordnet sind, wobei die Heizungsvorrichtungen 2 in diesem Dach etwas in Richtung Wagendecke 3 versenkt sind, sodaß sich ihre dem jeweiligen Innenraum 4 zugeordneten Grundflächen direkt oberhalb der Wagendecke 3 befinden, in welcher je Wagenabschnitt la, lb, 2c ein Deckenkanal 5 ausgebildet ist, der sich ausgehend von der Heizungsvorrichtung 2 in Längsrichtung im wesentlichen über den gesamten Deckenbereich des zugeordneten Wagenabschnittes la, lb, lc erstreckt. Der Deckenkanal ist dazu vorgesehen, einerseits im Lüftungsbetrieb Zuluft aus der (abgeschalteten) Heizungsvorrichtung in den Deckenbereich des Innenraums 4 einzubringen, andererseits im Heizbetrieb bei tiefen Außentemperaturen Umluft aus diesem Innenraum 4 zu entnehmen und der Heizungsvorrichtung zuzuführen, in welcher die Umluft mit von außen kommender Frischluft vermischt und in der Folge wieder erwärmt wird. Im Bodenbereich ist ebenso im wesentlichen entlang jedes Wagenabschnittes la, lb, lc je ein Bodenkanal 6 angeordnet, welcher über je einen Heizungskanal 7 mit der zugeordneten Heizungsvorrichtung 2 verbunden ist, wobei dieser Bddenkanal 6 dazu vorgesehen ist, sowohl im Heizbetrieb als auch im Lüftungsbetrieb die von der Heizungsvorrichtung gelieferte Zuluft im Bodenbereich in den Innenraum 4 des Schienenfahrzeuges 1 einzubringen.

Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung ist der Gedanke, daß bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen, insbesondere bei Schienenfahrzeugen, die bei einem Bremsvorgang freiwerdende kinetische Energie des Fahrzeuges durch Generatorumschaltung in elektrische Energie umzuwandeln. Diese Energie wird jedoch nicht in das Netz zurückgespeist, sondern der Heizungsvorrichtung zur Verfügung gestellt. Eine solche energetische Auslegung ist insbesondere bei Nahverkehrsmitteln, wie z.B. U-Bahn, Straßenbahn, S-Bahn oder O-Bussen, die einen relativ konstanten Fahrzyklus aufweisen, sinnvoll anwendbar. Ein sogenannter Fahrzyklus eines Fahrzeuges dieser Art setzt sich aus den folgenden Zeitabschnitten zusammen: einem Anfahrzeitintervall tanf, einem Fahrzeitintervall tfähr, einem Bremszeitintervall %ems, und einem Haltezeitintervall thafr, deren Summe die Fahrzykluszeit tzykl ergibt. In vorteilhafter Weise ist die Heizungsvorrichtung eines solchen Fahrzeuges daher so auszulegen, daß die während des zu erwartenden Bremszeitmtervalles t^rems gewonnenen elektrische Energie für Heizzwecke genutzt wird, das heißt, die Heizungsvorrichtung wird intervallweise, nämlich während eines Heizzeitintervalls tj^, welches im wesentlichen an das Bremszeitintervall tbrems angepaßt ist, mit elektrischer Energie versorgt. Dabei tritt jedoch das Problem auf, daß die in der Heizungsvorrichtung pulsartig erzeugte Wärme in gleichmäßiger Form an den Innenraum abgegeben werden muß, sodaß für eine in dieser Form betriebene Heizungsvorrichtung eine Glättungseinrichtung in Form eines Wärmespeichers erforderlich ist. Der Nachteil bisheriger Anlagen liegt im wesentlichen darin, daß für eine ausreichende Glättung des zeitlichen Temperaturverlaufs der in den Innenraum angebrachten Zuluft 6 AT 000 383 Ul zusätzliche Einbauten, wie Schieber oder Klappen und eine aufwendige Steuerung dieser Komponenten erforderlich sind.

Aus einer Reihe von Versuchen der Anmelderin hat sich jedoch in überraschender Weise gezeigt, daß bei einer Verwendung von besonders dicken, für diesen Anwendungsfall neuartigen Heizstäben mit einem Durchmesser d zwischen d-1,5...3cm die Grundlage dafür geschaffen wird, eine Wärmespeicherkammer zu realisieren, bei welcher eine ausreichende Glättung der Wämeentwicldung stattfindet, ohne daß zusätzliche Maßnahmen erforderlich sind. Der Erfindung liegt daher die Idee zugrunde, eine Wärmespeicherkammer zu entwickeln, mittels welcher für beliebige, vorgegebene Fahrzyklen t^y eine daran angepaßte Heizungsvorrichtung geschaffen werden kann. Die Länge l^eiz der einzelnen Heizstäbe wird zu diesem Zweck in Abhängigkeit von der erforderlichen Heizleistung Pj^ und dem Verhältnis zwischen der erwarteten Fahrzykluszeit tfahr und dem zu erwartenden Brems- %rems bzw. Heizzeitintervall tj^^ folgendermaßen ermittelt:

wobei B die maximale Oberflächenbelastbarkeit des Heizstabes in W/cm2 und n die Anzahl der

Heizstäbe sind. Ein weiteres, wesentliches Kriterium besteht darin, daß für den Wärmespeichermantel ein Material gewählt wird, dessen spezifische Wärmekapazität Cp zwischen cp ~ 0,7...1,0 kJ/kg-K liegt. Zusätzlich wird für den Betrieb einer erfindungsgemäßen Heizungsvorrichtung mit einem ausreichenden Glättungsverhalten vorgegeben, daß die mittlere Strömungsgeschwindigkeit v|nft der die Wärmespeicherkammer durchströmenden Luft zwischen vm =2,5...3,5m/s beträgt, wobei die Luftströmung der im

Betrieb befindlichen Heizungsvorrichtung zumindest während des Heizbetriebes im wesentlichen konstant gehalten ist. Ein optimaler Betrieb einer so ausgelegten Heizungsvorrichtung erfolgt insbesondere dann, wenn das zur Verfügung stehende Heizzeitintervall %βϊζ zwischen 1/3 und 1/10, vorzugsweise 1/6, jedoch maximal 50% der Fahrzykluszeit beträgt.

Bei Einhaltung der oben genannten Bereichsgrenzen in Verbindung mit einer nach Maßgabe der obigen Formel richtig gewählten Länge der Heizstäbe ergibt sich in überraschender Weise eine besonders einfach aufgebaute und ansteuerbare Heizungsvorrichtung. Ein Ausführungsbeispiel für eine solche Heizungsvorrichtung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren 2 und 3 näher erläutert. 7 AT 000 383 Ul

Die in Figur 2 schematisch in Draufsicht dargestellte Heizungsvorrichtung 2 ist in einem Gehäuse 8 untergebracht, welches zwei symmetrisch zur Fahrtrichtung L angeordnete Frischlufteingänge 9a, 9b aufweist, die über einen in die Wärmespeicherkammer 10 mündenden Frischluftkanal 11 miteinander verbunden sind. Die seitliche Anordnung und die Verbindung der Frischlufteingänge 9a, 9b miteinander bewirkt, daß in den Frischluftkanal 11 auch bei Seitenwind in vorteilhafter Weise immer die gleiche Außenluftmenge einströmt. Jedem der Frischlufteingänge 9a, 9b ist je ein Wasserabscheiderl2a, 12b und ein Frischluftreinigungsfilter 13a, 13b zugeordnet, um sicherzustellen, daß nur trockene und gereinigte Frischluft in die Wärmespeicherkammer 10 gelangen kann. In dem Frischluftkanal 11 ist weiters eine symmetrisch zur Längsmittelebene angeordnete Umluftöfihung 14 vorgesehen, durch welche Umluft aus dem Innenraum 4 in den Frischluftkanal 11 gelangt, wo sie mit Frischluft aus dem Außenraum vermischt wird, bevor diese durch die Wärmespeicherkammer 10 strömt. Die Umluftöfihung 14 ist durch eine nicht dargestellte Klappe verschließbar, die nur im Heizbetrieb geöflhet wird, wenn die Außentemperatur unterhalb eines bestimmten vorgegebenen Wertes liegt.

Die in Fahrzeuglängsrichtung L durchströmte Wärmespeicherkammer 10 weist ihrerseits ein Gehäuse 15 auf, in welchem quer zur Strömungsrichtung der Luft eine Anzahl n U-förmiger Heizstäbe 16 angeordnet sind. Der Abstand der parallel zueinander angeordneten Heizstäbe 16 entspricht im wesentlichen dem Abstand der U-Schenkel, sodaß eine räumlich gleichmäßige Durchdringung des Innenraumes der Wärmespeicherkammer 10 erreicht wird. Nähere Angaben hinsichtlich der Wärmespeicherkammer 10 und der Heizstäbe 16 finden sich weiter unten in bezug auf die Figuren 4, 5 und 6.

An die dem Frischluftkanal 11 abgewandte Seite der Wärmespeicherkammer 10 schließt ein Zuluftkanal 17 an, in welchem zwei Lüfter 18a, 18b vorgesehen sind, die je einen symmetrisch zur Längsmittelebene angeordneten Ausgang 19a, 19b mit von der Wärmespeicherkammer 10 gelieferter Zuluft versorgen, wobei die zwei Lüfter 18a, 18b bei dem vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel von einem gemeinsamen Motor 20 angetrieben werden. Die Ausgänge 19a, 19b sind mit dem weiter oben beschriebenen Heizungskanal 7 verbunden, der in den Bodenkanal 6 mündet. In Durchströmungsrichtung am Ende oder unmittelbar nach der Wärmespeicherkammer 10 ist ein Übertemperatur-Sensor 21 vorgesehen, welcher die Heizungsvorrichtung 2 bei Überschreiten einer bestimmten maximal zulässigen Temperatur aus Sicherheitsgründen durch Herbeifuhren eines Kurzschlusses außer Betrieb setzt. Hiezu sind natürlich nicht gezeigte Oberstromschalter vorgesehen, die im Kurzschluß bzw. Überstromfall die Vorrichtung von der Versorgungsspannung trennen. Weiters ist in dem Zuluftkanal 17 aus Sicherheitsgründen ein nicht näher bezeichneter elektronischer Strömungswächter vorgesehen, welcher die Heizungsvorrichtung auf der Basis eines Hitzdahtverfahrens über Schütze 8 AT 000 383 Ul ausschaltet, falls einer oder beide Lüfter 18a, 18b defekt sind. Zu beiden Seiten des Zuluftkanals 17 sind in dem Gehäuse 8 der Heizungsvorrichtung 2 weiters nicht näher bezeichnete Komponenten der elektrischen und elektronischen Steuerung der Heizungsvorrichtung 2 untergebracht, wobei in vorteilhafter Weise die Hochspannungskomponenten auf einer Seite 22 und die Niederspannungsbauteile auf der gegenüberliegenden Seite 23 des Zuluftkanals 17 angeordnet sind. Die elektronische Steuerung der Heizungsvorrichtung erfolgt prinzipiell mittels eines Mikrorechners, der mit einem Außentemperatur-, einem Zulufttemperatur- und einem Innentemperaturfühler verbunden ist. Die in dem Mikrorechner geladene Software ist so gestaltet, daß vorrangig die Energie der Bremsphase für Heizzwecke genutzt wird. Bei einem in Betrieb genommenen kalten Fahrzeug ist jedoch die von dem Innentemperaturfuhler ah den Mikrorechner übermittelte Temperatur in der Regel zu niedrig, sodaß die Heizungsvorrichtung zusätzlich während der Fahrphase mit elektrischer Energie aus der allgemeinen Stromversorgung des Fahrzeuges, z.B. einer Oberleitung oder einer Stromschiene, versorgt wird. Der in dem Zuluftkanal vorgesehene Zulufttemperaturfuhler dient zur Begrenzung der Zulufttemperatur. Im Normalbetrieb berechnet die Software abhängig von der durch den Außentemperaturfuhler gemessenen Außentemperatur, der im Innenraum herrschenden Innentemperatur und des dem Fahrzeug zugrunde gelegten Normalfahrzyklus, ob der Heizungsvorrichtung bis zur nächsten Bremsphase zusätzlich Strom zugefuhrt werden muß. Ist die während einer Bremsphase an die Heizungsvorrichtung zugefuhrte Energie zu hoch, z.B. bei einer verhältnismäßig hohen Außentemperatur, entscheidet die Software wiederum anhand der Außentemperatur, der Innentemperatur und des vorgegebenen Normalfahizyklus, ob während der nächsten Bremsphase die Energiezufuhr an die Heizungsvorrichtung unterbleiben kann. Diese Art der Steuerung gewährleistet im Heizbetrieb das Einbringen von Zuluft mit äußerst geringen Temperaturschwankungen in den Innenraum des Fahrzeuges, wodurch für den Fahrgast eine behagliche Umgebung geschaffen wird.

In den Figuren 3a und 3b ist eine Ausführungsvariante der in Figur 2 dargestellten Heizungsvorrichtung 2 gezeigt, wobei Figur 3a einen Schnitt entlang der Linie ΠΙΑ von Figur 3b darstellt und Figur 3b eine Draufficht der Heizungsvorrichtung ähnlich der Figur 2 zeigt. Die schwarzen Pfeile geben die Strömungsrichtung der Luft im Heizbetrieb an, wogegen die transparent dargestellten Pfeile die Strömungsrichtung der Luft im Lüftungsbetrieb angeben. Aus Figur 3a ist zu entnehmen, daß in dem Gehäuse 8 der Heizungsvorrichtung 2 unterhalb der Wärmespeicherkammer 10 ein Zwischenraum 24 angeordnet ist, der über die Umluftöffiiung 14 mit dem Frischluftkanal 11 und über eine Klappe 25 mit dem Zuluftkanal 17 verbunden ist. An der Grundfläche dieses Zwischenraumes 24 sind in dem Gehäuse 8 symmetrisch zur Längsmittelebene L angeordnete Umluft/Zuluftöflhungen 26a, 26b vorgesehen, die mit dem Deckenkanal 5 des Fahrzeuges 1 verbunden sind. 9 AT 000 383 Ul

Im Heizbetrieb ist die Klappe 25 geschlossen und die erwärmte Zuluft kann nur durch die Ausgänge 19a, 19b (über den Heizungskanal 7 und den Bodenkanal 6) in den Innenraum 4 des Fahrzeuges 1 gelangen. Durch die Umluft/Zuluftöffnungen 26a, 26b und die Umluftöfinung 14 kann im Heizbetrieb Umluft aus dem Fahrzeuginnenraum 4 durch den Deckenkanal 5 in den Frischluftkanal 11 gelangen, wenn bei Unterschreiten einer bestimmten Temperatur die Klappe der Umluftöftnung 14 geöfthet wird.

Im Lüftungsbetrieb ist hingegen die Klappe 25 geöffnet und die Zuluft kann sowohl durch die Ausgänge 19a, 19b (über den Heizungskanal 7 und den Bodenkanal 6) als auch durch die Umluft/Zuluftöffnungen 26a, 26b (über den Deckenkanal 5) in den Innenraum 4 des Fahrzeuges 1 gelangen, wobei in dieser Betriebsart die Klappe der Umluftöfinung 14 ständig geschlossen ist.

Die in Figur 4 in einer Draufsicht und in Figur 5a in einer Seitenansicht dargestellte Wärmespeicherkammer 10 weist ein durchströmbares, -in Fahrtrichtung gesehen- an der vorderen und hinteren Stirnseite offenes Gehäuse 15 auf, in welchem quer zur Strömungsrichtung eine Anzahl n U-förmig ausgebildeter Heizstäbe 16 angeordnet ist, deren parallel zueinander ausgerichtete Schenkel 27a, 27b über ein kreisförmiges Bogenstück 28 miteinander verbunden sind, wobei die Heizstäbe 16 an dem Übergang der Schenkel 27a, 27b auf das Bogenstück 28 an einer Zwischenwand 29 des Gehäuses 15 und mit den freien Enden 30a, 30b ihrer Schenkel 27a, 27b in einer Seitenwand 31 des Gehäuses 15 gelagert sind. Zu diesem Zweck sind sowohl in der Zwischenwand 29 als auch in der Seitenwand 31 deckungsgleiche, in einem bestimmten Raster angeordnete paarweise Bohrungen vorgesehen, deren Abstand und Durchmesser von der Art des verwendeten Heizstabes 16 abhängig ist, wobei der Abstand dieser paarweisen Bohrungen voneinander vorzugsweise an den Abstand zwischen den beiden Schenkeln 27a, 27b eines Heizstabes 16 angepaßt ist, um eine möglichst gleichmäßige räumliche Aufteilung der Heizstäbe 16 in dem Innenraum der Wärmespeicherkammer 10 zu gewährleisten. In dem Übergangsbereich zwischen den Schenkeln 27a, 27b und dem Bogenstück 28 ist weiters an jedem Schenkel 27a, 27b jedes Heizstabes 16 ein Ring 32 aufgepreßt, mittels welchem der Heizstab 16 gegen die Zwischenwand 29 in Richtung Seitenwand 31 abgestützt ist. In Gegenrichtung ist jeder Heizstab 16 mittels des Bogenstückes 28 gegen eine Seitenwand 33 des Gehäuses 15 abgestützt, welche der Seitenwand 31 gegenüberliegend und parallel zu der Zwischenwand 29 verlaufend angeordnet ist. Die der Seitenwand 31 zugeordneten freien Enden 30a, 30b der Heizstäbe 16 weisen je eine aus dem Wärmespeichermantel herausgeführte Kontaktstelle 34 auf, mittels welcher jeder Heizstab 16 an die zugeordnete Energieversorgungseinrichtung angeschlossen ist. 10 AT 000 383 Ul

Aus der in Figur 5b dargestellten schematischen Ansicht der Seitenfläche 31 von Fig. 5a ist ein Beispiel für eine Verdrahtung der Heizstäbe 16 untereinander zu entnehmen, bei welcher jeweils fünf Heizstäbe 16 mittels Leiterbrücken 35 seriell miteinander verbunden und vier solche Serienschaltungen parallel an die Versorgungsspannung der Heizungsvorrichtung, z.B. 750V, angeschlossen sind.

In den Figuren 6a und 6b ist ein im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendeter Heizstab 16 in einer Seitenansicht und einer Draufsicht im Detail dargestellt. Der Heizstab 16, dessen Durchmesser d zwischen d = 1,5 bis 3cm liegt, besteht aus einem zentralen Heizwiderstand 36, der von einem Wäimespeichermantel 37 umgeben ist, der aus einem Material mit einer spezifischen Wärmekapazität Cp im Bereich zwischen Cp = 0,7 bis 1,0 kJ/kgK hergestellt ist. Keramische Materialien, deren spezifische Wärmekapazität in den oben angegebenen Bereich fallt, sind aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften für diese Zwecke gut geeignet. An seiner zylindrischen Außenfläche ist der Wärmespeichennantel 37 jedes Heizstabes 16 von einem Stahlmantel 38 umgeben, welcher einerseits als Schutz für den Wärmespeichermantel 37 dient und andererseits einen guten Wärmeübergang von dem Heizstab auf die vorbeiströmende Luft ermöglicht. Auf diesen Stahlmantel 38 sind im Verbindungsbereich der Schenkel 27a, 27b mit dem Bogenstück 28 die bereits weit©· oben beschriebenen Ringe 32 aufgepreßt. Weiters sind die außerhalb des Gehäuses 15 der Wärmespeicherkammer 10 gelegenen freien Enden 30a, 30b der Schenkel 27a, 27b jedes Heizstabes 16 (Fig. 4) nicht beheizt und weisen an ihren Endabschnitten Kühlrippen 39 auf. An den Stirnflächen der freien Enden 30a, 30b der Schenkel 27a, 27b sind die bereits weiter oben beschrieben, mit dem Heizwiderstand 36 elektrisch verbundenen Kontaktstellen 34 aus dem Wärmespeichennantel 37 des Heizstabes herausgeführt.

Abschließend ist noch anzumerken, daß die vorliegende Erfindung keineswegs auf das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern alle für den Fachmann auf dem Gebiet der Heizungsvorrichtungen für elektrisch betriebene Fahrzeuge nach Maßgabe des Anspruchs 1 realisierbaren Ausführungsformen umfaßt. 11

Claims (22)

1. AT 000 383 Ul ANSPRÜCHE 1. Heizungsvorrichtung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug (1), insbesondere für ein Nahverkehrs-Schienenfahrzeug, mit einem verhältnismäßig konstanten Fahrzyklus (t^), bestehend aus einem erwarteten Anfahrzeitintervall (ΐ^), Fahrzeitintervall (ffahr), Bremszeitintervall (Wmg) und Haltezeitintervall (thait), bei welchem innerhalb eines im wesentlichen an das Bremszeitintervall (tj,rems) angepaßten Heizzeitintervalles (thp;7) durch Generatorumschaltung eines Fahrmotors elektrische, der Heizungsvorrichtung (2) zufuhrbare Energie erzeugt wird, wobei die Heizungsvorrichtung (2) ein Gehäuse (8) mit zumindest einem Eingang (9a, 9b) zur Aufnahme von Frischluft aus dem Außenraum und mit zumindest einem Ausgang (19a, 19b) zum Einbringen von Zuluft in den Innenraum (4) des Fahrzeuges (1) aufweist und der Eingang (9a, 9b) über zumindest einen Lüfter (18a, 18b) und eine durchströmbare, eine Anzahl (n) elektrischer Heizstäbe (16) aufweisende Wärmespeicherkammer (10) mit dem Ausgang (19a, 19b) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß - die als Wärmespeicherelemente dienenden elektrischen Heizstäbe (10) je einen zentralen Heizwiderstand (36) aufweisen, der im wesentlichen vollständig von einem zylindrischen Wärmespeichermantel (37) umgeben ist, welcher eine spezifische Wärmekapazität (Cp) von c, * 0,7...1,0 .K besitzt, - die durchschnittliche mittlere Strömungsgeschwindigkeit (vi„ft) der Luft innerhalb der Wärmespeicherkammer (10) zwischen vWft = 2,5...3,5m/s beträgt und - die beheizbare Länge (l^eiz) jedes Heizstabes (16) bei einem vorgegebenen Durchmesser (d) zwischen d = 1,5...3 cm in Abhängigkeit von der erforderlichen Heizleistung (PhPj7) und dem Verhältnis zwischen der zu erwartenden Fahrzykluszeit (t^d) und dem zu erwartenden Brems- bzw. Heizzeitintervall (tt,rems; gegeben ist durch:

   wobei B die maximale Oberflächenbelastbarkeit des Heizstabes in W/cm2 ist.
2. 2. Heizungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Oberflächenbelastbarkeit (B) jedes Heizstabes (16) kleiner 3 W/cm2 beträgt. 12 AT 000 383 Ul
3. 3. Heizungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser (d) jedes Heizstabes (16) zwischen 1,8 und 2,5 cm, vorzugsweise 2,2 cm, beträgt.
4. 4. Heizungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Oberflächenbelastbarkeit (B) des Heizstabes (16) kleiner 2,5 W/cm2, vorzugsweise 2,0 W/cm2 beträgt, wobei seine spezifische Wärmekapazität (cp) im wesentlichen 0,85 kJ/kgK beträgt.
5. 5. Heizungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizzeitintervall (¾^ maximal 50% der Fahrzykluszeit (t^y) beträgt.
6. 6. Heizungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizzeitintervall (%eiz) während eines dem Betrieb des Schienenfahrzeuges zugrunde gelegten Normalfahrzyklus zwischen 1/3 und 1/10, vorzugsweise 1/6 der Fahrzykluszeit (t^y) beträgt.
7. 7. Heizungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie von der allgemeinen Stromversorgung des Schienenfahrzeuges, z.B. einem Fahrdraht, mit Strom versorgt wird, falls das erforderliche Heizzeitintervall (theiz) länger als das tatsächliche Bremszeitintervall (tt,rems) ist.
8. 8. Heizungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die U-förmig ausgebildeten und parallel zueinander ausgerichteten Heizstäbe (16) normal zur Strömungsrichtung der Zuluft in einem Abstand voneinander angeordnet sind, der im wesentlichen dem Abstand der beiden U-Schenkel (27a, 27b) des Heizstabes (16) entspricht.
9. 9. Heizungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Heizstab (16) an den freien Enden seiner U-Schenkel (27a, 27b) elektrische Kontaktstellen (35) aufweist, die einer Seitenfläche (31) der Wärmespeicherkammer (10) zugeordnet und mit Kontaktstellen (35) benachbarter Heizstäbe (16) so verbunden sind, daß je eine Mehrzahl-von Heizstäben (16) seriell an die Stromversorgung angeschlossen sind.
10. 10. Heizungsvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder U-förmige Heizstab (16) an dem Übergang seines Bogenstückes (28) in die U-Schenkel (27a, 27b) und an dem freien Ende (30a, 30b) jedes Schenkels (27a, 27b) in je einer Bohrung einer Wand (29, 31) der Wärmespeicherkammer (10) gehalten ist. 13 AT 000 383 Ul
11. 11. Heizungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Heizstab (16) zumindest im Durchströmungsbereich der Wärmespeicherkaimner (10) einen den Wärmespeichermantel (37) umschließenden Stahlmantel (38) aufweist.
12. 12. Heizungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (8) der Heizungsvorrichtung (2) zwei symmetrisch zur Fahrtrichtung (L) des Schienenfahrzeuges (1) angeordnete Frischlufteingänge (9a, 9b) aufweist, die über einen in die Wärmespeicherkammer (10) führenden Frischluftkanal (11) miteinander verbunden sind.
13. 13. Heizungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Frischlufteingang (9a, 9b) je ein Wasseräbscheider (12a, 12b) und Frischluftreinigungsfilter (13a. 13b) zugeordnet ist.
14. 14. Heizungsvomchtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Frischluftkanal (11) zumindest eine verschließbare, mit dem Innenraum des Fahrzeuges verbundene Umluftöfinung (14) zur Aufnahme von Umluft aus dem Fahrzeuginneren in den Frischluftkanal aufweist, welche im Heizbetrieb nur geöffnet wird, wenn die Außentemperatur einen bestimmten vorgegebenen Wert unterschreitet.
15. 15. Heizungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmespeicherkammer (10) über einen Zuluftkanal (17) mit zwei symmetrisch zur Fahrtrichtung angeordneten Ausgängen (19a, 19b) in den Innenraum (4) des Fahrzeuges (1) verbunden ist, wobei jeder Ausgang (19a, 19b) von je einem Lüfter (18a, 18b) mit Zuluft aus der Wärmespeicherkammer (10) gespeist wird.
16. 16. Heizungsvorrichtung nach Anspruch 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (8) zwei symmetrisch zur Fahrtrichtung (L) angeordnete Umluft-/Zuluftöflhungen (26a, 26b) in den Innenraum (4) des Fahrzeuges (1) aufweist, die durch einen Zwischenraum (24) mit der Umluftöfinung (14) in den Frischluftkanal (11) einerseits und mit dem Zuluftkanal (17) andererseits verbunden sind, wobei in dem Zwischenraum (24) eine steuerbare Klappe (25) vorgesehen ist, welche im Heizbetrieb geschlossen ist, sodaß die Zuluft nur durch die Ausgänge (19a, 19b) in den Innenraum (4) des Fahrzeuges (1) gelangt, und im Lüftungsbetrieb geöffnet ist, sodaß die Zuluft sowohl durch die Ausgänge (19a, 19b) als auch durch die Umluft/Zuluftöfläiungen (26a, 26b) in den Innenraum (4) des Fahrzeuges (1) gelangt.
17. 17. Heizungsvomchtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß sie im Deckenbereich des Fahrzeuges angeordnet ist. 14 AT 000 383 Ul
18. 18. Heizungsvorrichtung nach den Ansprüchen 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß im Bodenbereich des Fahrzeuginnenraumes (4) ein Bodenkanal (6) vorgesehen ist, welcher über einen zur Wagendecke (3) führenden Heizkanal (7) mit den Ausgängen (19a, 19b) des Zuluftkanals (17) verbunden ist.
19. 19. Heizungsvorrichtung nach Anspruch 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß im Deckenbereich des Fahurzeugiimenraumes (4) ein Deckenkanal (5) vorgesehen ist, welcher mit den Umluft/Zuluffcöfihungen (26a, 26b) der Heizungsvomchtung (2) verbunden ist.
20. 20. Heizungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß in Durchströmungsrichtung am Ende oder unmittelbar nach der Wärmespeicherkammer (10) ein Übertemperatur-Sensor (21) vorgesehen ist.
21. 21. Heizungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Mikrorechner aufweist, mittels welchem in Zusammenwirken mit einem Außenlufttemperaturfuhler und einem Fahrzeuginnenraumtemperaturfuhler in Abhängigkeit von dem vorgegebenen Normalfahrzyklus (tanf, tf„hr, tbrems, th^it) der Heizleistungsbedarf (Pheiz) ermittelt wird.
22. 22. Heizungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zuluftweg unmittelbar vor dem Fahrzeugmnenraum ein Zulufttemperaturfühler vorgesehen ist, durch welchen die Temperatur der Zuluft auf einen Maximalwert begrenzbar ist. 15