DE102006032335B4

DE102006032335B4 - Schienenfahrzeug mit einer Kühlanordnung für in einem Unterflurbereich angeordnete Komponenten

Info

Publication number: DE102006032335B4
Application number: DE102006032335A
Authority: DE
Inventors: Frank Müller; Arnd Dr. Rüter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-07-12
Filing date: 2006-07-12
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2026-07-13
Also published as: EP2038154B1; DE102006032335A1; ATE477984T1; RU2398695C1; CN101489850B; ES2352997T3; EP2038154A2; WO2008006679A3; CN101489850A; WO2008006679A2; DE502007004806D1

Abstract

Schienenfahrzeug (1) mit einer Kühlanordnung für in einem Unterflurbereich (2) angeordnete Komponenten, wie ein Energieversorgungsblock, ein Stromrichter, ein Transformator oder ein Fahrmotor (4), die entweder direkt oder über einen zugehörigen Kühler gekühlt werden, wobei die Kühlanordnung eine erste Eintrittsöffnung für als Kühlluft zu verwendende Frischluft und wenigstens einen Lüfter (5) zum Führen der Kühlluft in Richtung auf mindestens eine der Komponenten (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlanordnung eine mit dem Lüfter (5) strömungstechnisch verbundene zweite Eintrittsöffnung für als Kühlluft zu verwendende Frischluft aufweist, die oberhalb von Seitenschürzen (8) des Schienenfahrzeugs (1) angeordnet und über einen Luftkanal (13) mit dem Unterflurbereich (2) verbunden ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schienenfahrzeug mit einer Kühlanordnung für in einem Unterflurbereich angeordnete Komponenten, wie ein Energieversorgungsblock, ein Stromrichter, eine Transformator oder ein Fahrmotor, wobei die Kühlanordnung eine erste Eintrittsöffnung für als Kühlluft zu verwendende Frischluft und wenigstens einen Lüfter zum Führen der Kühlluft in Richtung auf mindestens eine der Komponenten aufweist. Die oben beispielhaft angegebene Aufzählung von Komponenten oder Aggregaten eines Schienenfahrzeugs bedarf der Kühlung. Zu diesem Zweck weisen bekannte Schienenfahrzeuge typischerweise im unteren Seitenwandbereich, d. h. in der Nähe der zu kühlenden Komponenten Eintrittsöffnungen für Frischluft auf, die dann als Kühlluft mit Hilfe des Lüfters den betreffenden Komponenten zugeführt wird. Diese Komponenten können beispielsweise mit Kühlrippen ausgestattet sein, so dass deren wirksame Kühlung mit Hilfe der Kühlluft ermöglicht wird. Beispiele sind Öl-/Wasserkühlkreisläufe und -kühler.
Die gewählte Anordnung ist strömungstechnisch günstig, da nur kurze Kühlluftwege zurück zu legen sind, um die die durch die Eintrittsöffnung einströmende Frischluft an den Ort zu führen, an dem ein Kühleffekt erzielt werden soll.
Im Winterbetrieb des Schienenfahrzeugs ergibt sich jedoch bei Fahrten während Schneefalles und bei Durchfahren von verschneiten Gebieten im Unterflurbereich das Problem, dass mit der Kühlluft zur Gerätekühlung Schnee angesaugt wird, der sich im Ansaugbereich und/oder in dahinter liegenden Luftkanälen und darin befindlichen Bauteilen, wie Staubabscheider und Schmutzgitter, ablagert, den Kühlluftstrom behindert, ggf. sogar verschließt und auch zur Spannungsüberbrückung zwischen elektrischen Anschlüssen führen kann. Insofern besteht im Winterbetrieb die Gefahr, dass elektrische Baugruppen der Komponenten entweder in Folge Überhitzung oder aber auch durch Kurzschlüsse außer Betrieb gesetzt werden können.
Zum technischen Hintergrund der Erfindung zählt der Offenbarungsgehalt der Druckschriften GB 740895 A und US 2,667,843 A , die jeweils spezielle Aspekte von Kühlluftströmungsführungen bei Schienenfahrzeugen beleuchten.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Schienenfahrzeug anzugeben, bei dem sich für den Winterbetrieb eine erhöhte Betriebssicherheit im Hinblick auf die Kühlung der im Unterflurbereich angeordneten Komponenten ergibt.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Schienenfahrzeug dadurch gelöst, dass die Kühlanordnung eine mit dem Lüfter strömungstechnisch verbundene zweite Eintrittsöffnung für als Kühlluft zu verwendende Frischluft aufweist, die oberhalb von Seitenschürzen des Schienenfahrzeugs angeordnet und über einen Luftkanal mit dem Unterflurbereich verbunden ist.
Aufgrund der erhöhten Anordnung der zweiten Eintrittsöffnung wird erreicht, dass diese Eintrittsöffnung im Winterbetrieb deutlich geringer mit Schnee beaufschlagt ist, so dass eine Kühlluftzuführung über die zweite Eintrittsöffnung auch im Winterbetrieb zuverlässig von statten gehen kann.
Die zweite Einrittsöffnung kann im Dachbereich des Schienenfahrzeugs angeordnet sein, so dass sie vollständig gegenüber aufgewirbeltem Schnee geschützt ist. Auch eine Anordnung der zweiten Eintrittsöffnung in einem Seitenwandbereich oberhalb der Seitenschürzen des Schienenfahrzeugs ist möglich. Hier ist für den Fachmann ein geeigneter Kompromiss zwischen einer Ausdehnung eines Strömungskanals von der zweiten Eintrittsöffnung zu dem mindestens einen Lüfter und dem damit einhergehenden Strömungswiderstand und einer Beaufschlagung mit Schnee der zweiten Eintrittsöffnung zu finden.
Die zweite Eintrittsöffnung kann mit einem Einlassgitter und einem davon stromabwärts gelegenen Abscheidegitter ausgestattet sein. Dies bewirkt einen Schutz der zweiten Eintrittsöffnung bei Schneefall vor in den Luftkanal zum Lüfter gelangenden Schnee.
Dabei kann das Abscheidegitter zweiteilig ausgebildet sein, wobei ein jeweiliges Teilgitter schräg in Richtung auf einen Einlass des Luftkanals verläuft. Die Ausrichtung der Teilgitter kann sowohl in Querrichtung zur Längsachse des Triebwagens als auch in Längsrichtung des Triebwagens gewählt sein. In beiden Fällen ergibt sich eine homogene Verteilung der Luftgeschwindigkeit.
Bei einer weiteren Ausführungsform, welche das Abscheidegitter betrifft, ist das Abscheidegitter wiederum zweigeteilt und wird von unten angeströmt, so dass das Absetzen von Schnee und Schmutz wirksam vermindert wird. Besonders günstig erscheint eine Ausführungsform, bei der das Abscheidegitter in einem Abstand zu einer Dachoberseite des Triebwagens angeordnet ist und von Fahrtwind unterspült wird, so dass ebenfalls das Absetzen von Schnee vermindert wird. Bei dieser Ausführungsform kann ggf. auf einen Stützlüfter zum Transportieren der Kühlluft in Richtung auf den Unterflurbereich verzichtet werden.
Bei alternativen Ausführungsformen des Abscheidegitters kann dieses auch einteilig sein.
Die zweite Eintrittsöffnung kann über einen oder mehrere Strömungskanäle mit dem Unterflurbereich des Schienenfahrzeugs verbunden sein. Diese Strömungskanäle sind in Schienenfahrzeuglängsrichtung hintereinander angeordnet, wobei bei diesem Ausführungsbeispiel die Strömungskanäle von der zweiten Eintrittsöffnung aus im Wesentlichen vertikal in Richtung auf den Unterflurbereich verlaufen. Dies ergibt einen geringen Raumbedarf und der Fahrgastbereich wird nicht zu sehr eingeschränkt.
Die erste Eintrittsöffnung kann ein verschließbares Einlassgitter aufweisen. Diese verschafft die Möglichkeit, die erste Eintrittsöffnung für einen Winterbetrieb teilweise oder auch vollständig zu verschließen, so dass eine Kühlluftzuführung für die Komponenten im Unterflurbereich bis zu 100% der Kühlluft von der zweiten Eintrittsöffnung kommt.
Dabei kann die Kühlanordnung mit Hilfe eines Steuermoduls gesteuert sein, welches die Anteile von Kühlluft von der ersten Eintrittsöffnung und der zweiten Eintrittsöffnung an der unterflur benutzten Kühlluft bestimmt. Hier kann zwischen einem Sommer- und einem Winterbetrieb unterschieden werden. Insofern kann das Steuermodul derart ausgelegt sein, dass bei Betrieb im Sommer der Anteil der Kühlluft von der ersten Eintrittsöffnung im Bereich zwischen 30 und 100% und der Anteil der Kühlluft von der zweiten Eintrittsöffnung im Bereich zwischen 0 und 70% liegt. Im Winterbetrieb wird demgegenüber die erste Eintrittsöffnung typischerweise verschlossen, so dass die Kühlluft ausschließlich von der zweiten Eintrittsöffnung aus bereitgestellt wird.
Die erste Einlassöffnung kann typischerweise im Bereich der Seitenschürzen des Schienenfahrzeugs angeordnet sein, um einen strömungstechnisch günstigen Weg für die Kühlluft zu den zu kühlenden Komponenten zu schaffen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Steuermodul derart ausgelegt sein, dass zwischen einem Betrieb im Sommer und einem Betrieb in Winter verschiedene Kühlluftstromdichten gewählt werden. Dies kann insbesondere Temperaturabhängig geschehen, so dass in einem Winterbetrieb der mindestens eine Lüfter mit geringerer Drehzahl betrieben werden kann, da die einströmende Frischluft eine gegenüber dem Sommer deutlich verminderte Temperatur aufweist.
Alternativ können einzelne Aggregatlüfter bzw. Komponentenlüfter mit einem Bypass-Kanal versehen sein, der zurück zu einer Saugseite des Aggregatlüfters führt. In diesem Fall kann die Lüfterdrehzahl konstant bleiben, ein Druckniveau in einer Bodenwanne des Schienenfahrzeugs im Unterflurbereich bleibt hoch, da ein Leersaugen der Bodenwanne verhindert wird, und ein Arbeitspunkt des Aggregatlüfters bleibt ideal. Daraus ergibt sich ein hoher Wirkungsgrad des Aggregatlüfters, wobei weniger Geräuschentwicklung vorliegt.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielshalber anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines Triebwagens,
2 eine Querschnittsansicht eines Dachbereiches des Triebwagens von 1,
3 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform des Dachbereiches des Triebwagens von 1,
4 eine Längsschnittansicht eines Dachbereichs des Triebwagens von 1 in einer anderen Ausführungsform und
5 eine Längsschnittansicht eines Unterflurbereichs des Triebwagens von 1.
Die Darstellung eines Triebwagens 1 in 1 zeigt einen Unterflurbereich 2, in dem verschiedene elektrische Komponenten untergebracht sind, die bei Betrieb zu kühlen sind. Drehgestelle 3 sind mit zugehörigen Fahrmotoren 4 ausgestattet, welche mit Hilfe von jeweiligen Fahrmotorlüftern 5 gekühlt werden. Eine Unterseite des Triebzuges 1 ist mit Hilfe einer Bodenwanne 6 strömungstechnisch abgedichtet, so dass oberhalb der Bodenwanne 6 Kühlluftströmungen geführt werden können.
Oberhalb der Bodenwanne 6 befindet sich außerdem ein weiteres elektrisches Aggregat 7, bei dem es sich um einen Energieversorgungsblock, einen Stromrichter oder einen Transformator, genauer Kühleinheiten der betroffenen Geräte, handeln kann. Die Bodenwanne 6 setzt sich an ihren Außenkanten in Seitenschürzen 8 des Triebzuges 1 fort. Im Bereich dieser Seitenschürzen 8 sind erste, verschließbare Einlassgitter 9 für als Kühlluft zu verwendende Frischluft vorgesehen. Über diese Einlassgitter 9 eintretende Frischluft wird von den Fahrmotorlüftern 5 beispielsweise zum Kühlen der Fahrmotoren 4 verwendet. Eine Kühlanlage 10, die oberhalb der Bodenwanne 6 und in Längsrichtung des Triebwagens 1 etwa in der Mitte vorgesehen ist, befördert Kühlluft in Richtung auf die Fahrmotorlüfter 5 und das zu kühlende Aggregat 7.
Im Dachbereich des Triebwagens 1 finden sich zweite Einlassgitter 11. Über die zweiten Einlassgitter 11 einströmende Frischluft gelangt zunächst zu jeweils zugehörigen Abscheidegittern 12, die, in Längsrichtung des Triebwagens 1 gesehen, schräg und in Richtung auf einen vertikal verlaufenden Luftkanal 13 nach unten geneigt angeordnet sind. Ein Stützlüfter 14 befördert Kühlluft aus dem Dachbereich in Richtung auf die Kühlanlage 10. Es können weitere Luftkanäle vorgesehen sein, die in Fahrzeuglängsrichtung hintereinander angeordnet sind und Kühlluft zu dem Unterflurbereich 2 transportieren, wobei dann alle Luftkanäle von zweiten Eintrittsöffnungen ausgehen.
Eine Kühlanordnung für den Unterflurbereich des Triebwagens 1 setzt sich somit aus zwei Einlassöffnungen mit den ersten Einlassgittern 11 im Dachbereich und zwei Einlassöffnungen der ersten Einlassgitter 9 im Seitenschürzenbereich des Triebzuges 1, dem Luftkanal 13 und der Kühlanlage 10, die mehrere Lüfter umfassen kann, zusammen. Unterhalb der Kühlanlage 10 ist in der ansonsten abgedichteten Bodenwanne 6 ein Luftauslass 15 vorgesehen, der als Auslass für den Kühlluftstrom einer Kühlanlage dient.
Die Kühlanordnung kann manuell oder automatisch zwischen einem Sommerbetrieb und einem Winterbetrieb umgeschaltet werden. Dazu dient ein hier nicht näher dargestelltes Steuermodul, das derart ausgelegt sein kann, das bei Betrieb im Sommer der Anteil der Kühlluft von den ersten Einlassgittern 9 im Bereich zwischen 30 und 100% und der Anteil der Kühlluft von den zweiten Einlassgittern 11 im Bereich zwischen 0 und 70% liegt. Im Winterbetrieb werden demgegenüber die ersten Einlassgitter manuell oder automatisch verschlossen, so dass die Kühlluft ausschließlich von den zweiten Einlassgittern 11 bereitgestellt wird. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass im Winterbetrieb die als Kühlluft verwendete Frischluft im Wesentlichen schneefrei ist. Aufgrund der Anordnung der zweiten Einlassgitter 11 im Dachbereich kann hochgewirbelter Schnee nicht auf die zweiten Einlassgitter 11 treffen. Bei Schneefall wirken die Abscheidegitter 12 in der Weise, dass in der Luft vorhandener Schnee gefiltert wird, bevor die Frischluft mit Hilfe des Stützlüfters 14 weiter durch den Luftkanal 13 befördert wird.
Während in 1 eine erste Ausführungsform der Anordnung der Abscheidegitter 12 veranschaulicht ist, zeigt die 2 eine alternative Anordnung von Abscheidegittern 12A, die horizontal in einem Abstand zur Dachoberfläche des Triebzuges 1 liegen. Die Abscheidegitter 12A werden ausschließlich von unten angeströmt, so dass die Gravitationskraft verhindert werden kann, dass sich Schnee und Schmutz absetzt.
Eine weitere Alternative zur Anordnung von Abscheidegittern 12B geht aus 3 hervor. Hier sind die Abscheidegitter 12B ebenfalls schräg angeordnet, wobei sie von außen nach Innen in Richtung auf einer Einlassöffnung des Luftkanals 13 abfallen. Dies bewirkt eine günstige Verteilung der Luftgeschwindigkeit der als Kühlluft zu verwendenden Frischluft. Eine solche günstige Verteilung ergibt sich auch bei der Abscheidegitteranordnung nach 1.
In 4 ist eine Anordnung von Abscheidegittern 12C so gewählt, dass sie von Frischluft ständig unterspült werden, so dass sich gerade bei hoher Fahrgeschwindigkeit kein Schnee an den Abscheidegittern 12C absetzen kann, da kein Totwasser vorhanden ist. Abgeschiedener Schnee hat somit eine sehr geringe Verweildauer auf den Abscheidegittern 12C, da er aufgrund der Unterspülung bei hoher Fahrgeschwindigkeit umgehend abtransportiert wird. Ein Zwischenraum zwischen einer Dachoberseite des Triebzuges 1 und den Abscheidegittern 12C ist dabei strömungsgünstig so geformt, dass ein Schneestau in diesem Zwischenraum wirksam verhindert wird.
5 zeigt einen Ausschnitt aus dem Unterflurbereich des Triebwagens 1 aus dem Luftkanal 13 kommende Kühlluft wird in Richtung auf den Fahrmotor 4 als Beispiel für einen Kühlluftverbraucher umgelenkt. Der Fahrmotorlüfter 5 befindet sich auf einer Eintrittsseite eines Kühlluftkanals 16, der Kühlluft zu dem Fahrmotor 4 transportiert. Unmittelbar stromabwärts des Fahrmotorlüfters 5 verengt sich der Kühlluftkanal 16, wobei im Bereich dieser Verengung eine Bypass-Klappe 17 vorgesehen ist. Wenn die Bypass-Klappe 17 geschlossen ist, wird der gesamte Kühlluftstrom von dem Fahrmotorkühler 5 aus dem Fahrmotor 4 zugeführt. Wenn die Bypassklappe 17 geöffnet wird, wird ein damit bestimmter Anteil des Kühlluftstroms nach unten in Richtung auf die Bodenwanne 6 umgelenkt und am Fahrmotorlüfter 5 wobei zurück zu einer Eintrittseite des Fahrmotorlüfters 5 geleitet.
Die Bypass-Regelung des Fahrmotorlüfters 5, der hier stellvertretend für Lüfter steht, die bestimmten zu kühlenden Aggregaten zugeordnet sind, dient zu Reduktion des Volumenstroms im Winterbetrieb, der den Fahrmotor 4 zugeführt wird. Bleibt die Lüfterdrehzahl des Fahrmotorlüfters 5 konstant, wenn die Bypass-Klappe 17 für den Winterbetrieb geöffnet ist, steigt das Druckniveau in der Bodenwanne 6 und der Arbeitspunkt des Aggregatlüfters bleibt ideal, so dass ein hoher Wirkungsgrad und eine geringe Geräuschentwicklung erreicht werden. Der Bypass-Volumenstrom entspricht dann der Differenz aus dem Volumenstrom V_S für den Sommerbetrieb und dem Volumenstrom V_W für den Winterbetrieb. Dabei wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, dass die im Winter zugeführte Frischluft von niedrigerer Temperatur ist, so dass ein geringerer Volumenstrom zum Kühlen von Aggregaten, beispielsweise des Fahrmotors 4, ausreicht.

Claims

Schienenfahrzeug (1) mit einer Kühlanordnung für in einem Unterflurbereich (2) angeordnete Komponenten, wie ein Energieversorgungsblock, ein Stromrichter, ein Transformator oder ein Fahrmotor (4), die entweder direkt oder über einen zugehörigen Kühler gekühlt werden, wobei die Kühlanordnung eine erste Eintrittsöffnung für als Kühlluft zu verwendende Frischluft und wenigstens einen Lüfter (5) zum Führen der Kühlluft in Richtung auf mindestens eine der Komponenten (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlanordnung eine mit dem Lüfter (5) strömungstechnisch verbundene zweite Eintrittsöffnung für als Kühlluft zu verwendende Frischluft aufweist, die oberhalb von Seitenschürzen (8) des Schienenfahrzeugs (1) angeordnet und über einen Luftkanal (13) mit dem Unterflurbereich (2) verbunden ist.
Schienenfahrzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Einlassöffnung im Bereich der Seitenschürzen (8) des Schienenfahrzeugs (1) angeordnet ist.
Schienenfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Eintrittsöffnung ein verschließbares Einlassgitter (9) aufweist.
Schienenfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Eintrittsöffnung im Dachbereich des Schienenfahrzeugs (1) angeordnet ist.
Schienenfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Eintrittsöffnung in einem Seitenwandbereich des Schienenfahrzeugs (1) angeordnet ist.
Schienenfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Eintrittsöffnung mit einem Einlassgitter (11) und einem davon stromabwärts gelegenen Abscheidegitter (12) ausgestattet ist.
Schienenfahrzeug (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder zwei Abscheidegitter (12) vorgesehen sind, die jeweils schräg in Richtung auf einen Einlass des Luftkanals (13) verlaufen.
Schienenfahrzeug (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder zwei im Wesentlichen horizontal verlaufende, von unten mit Frischluft angeströmte Abscheidegitter (12A) vorgesehen sind.
Schienenfahrzeug (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheidegitter (12) in einem Abstand zu einer Dachoberseite des Triebzuges (1) angeordnet und von Fahrtwind bei Betrieb des Schienenfahrzeugs unterströmt ist.
Schienenfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Schienenfahrzeuglängsrichtung mehr als zwei Strömungskanäle angeordnet sind, die von der zweiten Eintrittsöffnung aus im Wesentlichen vertikal in Richtung auf den Unterflurbereich (2) verlaufen.
Schienenfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlanordnung mit Hilfe eines Steuermoduls gesteuert ist, welches die Anteile von Kühlluft von der ersten Eintrittsöffnung und der zweiten Eintrittsöffnung an der unterflur benutzten Kühlluft bestimmt.
Schienenfahrzeug (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul derart ausgelegt ist, dass bei Betrieb im Sommer der Anteil der Kühlluft von der ersten Eintrittsöffnung im Bereich zwischen 30 und 100% und der Anteil der Kühlluft von der zweiten Eintrittsöffnung im Bereich zwischen 0 und 70% liegt.
Schienenfahrzeug (1) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul derart ausgelegt ist, dass bei Betrieb im Winter der Anteil der Kühlluft von der zweiten Eintrittsöffnung 100% beträgt.