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Die Erfindung bezieht sich auf Fahrzeuge, insbesondere Schienenfahrzeuge, mit einem während eines Bremsvorgangs in einen Generatorbetrieb schaltbaren Antrieb, dessen bei Generatorbetrieb erzeugter Generatorstrom in eine mit dem Antrieb in Verbindung stehende elektrische Verbrauchseinrichtung eingespeist wird, die die eingespeiste elektrische Energie umwandelt und nach außen abgibt.
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Bei heutzutage im Einsatz befindlichen Schienenfahrzeugen werden als Verbrauchseinrichtungen Bremswiderstände eingesetzt, die die während des Generatorbetriebs erzeugte elektrische Bremsleistung in Wärme umwandeln. Die Wärme der Bremswiderstände wird durch Konvektion nach außen abgeführt. Wegen der hohen Energiedichte in den Bremswiderständen ist zur Kühlung ein relativ großer Luft-Volumenstrom erforderlich, der bei heutigen Schienenfahrzeugen üblicherweise nicht allein mit Fahrtwind, sondern auch mittels leistungsfähiger Lüfter erzeugt wird. Die Bereitstellung und Abfuhr der Kühlluft ist insbesondere bei Hochgeschwindigkeitszügen aus aerodynamischen Gründen schwierig, erfordert aufwändige technische Lösungen und erzeugt auch bei aufwändigen mechanischen Konstruktionen stets zusätzlichen Luftwiderstand.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug, anzugeben, das eine konstruktiv einfache und platzsparende Energieabgabe der beim Generatorbetrieb des Antriebs anfallenden elektrischen Energie ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Fahrzeugs sind in Unteransprüchen angegeben.
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Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Verbrauchseinrichtung zumindest eine Strahlungsquelle zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung umfasst.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Fahrzeugs ist darin zu sehen, dass eine Energieabgabe der während eines Bremsvorgangs in die Verbrauchseinrichtung eingespeisten elektrischen Energie nicht oder nicht nur durch Konvektion erreicht wird, sondern auch – vorzugsweise zumindest überwiegend – durch Abgabe elektromagnetischer Strahlung. Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Einsatz einer oder mehrerer Strahlungsquellen zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung kann – je nach Fahrzeug und Betriebsparametern – auf eine Luftkühlung, wie sie bei den eingangs erwähnten Schienenfahrzeugen erforderlich ist, verzichtet werden kann oder aber weniger leistungsfähig und damit weniger aufwändig als bisher ausgeführt werden kann. Beispielsweise kann auf bewegliche Teile in Form von Lüftern oder verstellbaren Luftklappen, wie sie bei vorbekannten Schienenfahrzeugen eingesetzt werden, verzichtet werden.
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Um eine Energieabstrahlung mit hohem Wirkungsgrad im Infrarotbereich zu erreichen, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Verbrauchseinrichtung bzw. die zumindest eine Strahlungsquelle für einen Betrieb in einem Temperaturbereich zwischen 1.000°C und 2.000°C ausgelegt ist und zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung in diesem Temperaturbereich betrieben wird.
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Auch wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Strahlungsquelle die elektromagnetische Strahlung nach einem anderen physikalischen Strahlungserzeugungsprinzip oder zumindest auch nach einem anderen physikalischen Strahlungserzeugungsprinzip als das der thermischen Strahlung des schwarzen Körpers bzw. des Planckschen Strahlungsgesetzes erzeugt.
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Besonders bevorzugt erzeugt die Strahlungsquelle bei der letztgenannten Variante die elektromagnetische Strahlung überwiegend (bzw. zu mehr als 50%) nach einem anderen physikalischen Strahlungserzeugungsprinzip als das der thermischen Strahlung des schwarzen Körpers bzw. des Planckschen Strahlungsgesetzes. Mit anderen Worten ist es also vorteilhaft, wenn die Verbrauchseinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie beim Generatorbetrieb des Antriebs die in sie eingespeiste elektrische Energie mehr in Form von Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung als in Form von Konvektion, insbesondere Luftkühlung, nach außen abgibt.
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Ein besonders hoher Wirkungsgrad der Verbrauchseinrichtung – bezüglich der Erzeugung elektromagnetischer Strahlung – lässt sich in vorteilhafter Weise erreichen, wenn die Strahlungsquelle derart ausgestaltet ist, dass sie die elektromagnetische Strahlung allein oder überwiegend durch einen Übergang von Ladungsträgern von einem energetisch höheren in einen demgegenüber energetisch niedrigeren Zustand, insbesondere durch Rekombination von Ladungsträgern, erzeugt. Bei einer solchen Ausgestaltung der Strahlungsquelle lässt sich erreichen, dass eine externe Kühlung der Verbrauchseinrichtung, beispielsweise durch Kühlluft, unter Umständen völlig entfallen kann. Dies ermöglicht beispielsweise eine glatte Einhausung der Strahlungsquellen und der Verbrauchseinrichtung insgesamt, so dass ein zusätzlicher Luftwiderstand und eine zusätzliche Aero-Akustik durch die Verbrauchseinrichtung vermieden werden kann.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Verbrauchseinrichtung ist vorgesehen, dass die Strahlungsquelle oder zumindest eine der Strahlungsquellen eine Gasentladungsstrahlungsquelle ist oder eine solche aufweist, die bei Strombeaufschlagung während des Bremsbetriebs eine Gasentladung erzeugt. Vorzugsweise ist die Strahlungsquelle oder zumindest eine der Strahlungsquellen eine Halogenstrahlungsquelle, insbesondere eine Halogengasentladungsstrahlungsquelle, oder weist eine solche zumindest auch auf.
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Alternativ oder zusätzlich ist es von Vorteil, wenn die Strahlungsquelle oder zumindest eine der Strahlungsquellen ein Halbleiterbauelement ist oder ein solches aufweist, das bei Strombeaufschlagung während des Bremsbetriebs elektromagnetische Strahlung durch Rekombination von Ladungsträgern innerhalb des Halbleitermaterials des Halbleiterbauelements und/oder durch Bandübergänge von Ladungsträgern innerhalb des Halbleitermaterials erzeugt. Der Wirkungsgrad einer Strahlungserzeugung auf der Basis von Energieübergängen von Ladungsträgern innerhalb von Halbleitern ist in vorteilhafter Weise sehr hoch und ermöglicht eine Strahlungsabgabe bei minimaler Bauteiltemperatur. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Halbleiterelement um eine Lumineszenzdiode bzw. Leuchtdiode.
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Bezüglich der Anordnung der Verbrauchseinrichtung wird es als vorteilhaft angesehen, wenn diese im Dachbereich des Fahrzeugs angeordnet ist und die elektromagnetische Strahlung nach oben vorzugsweise divergent radial mit möglichst großer Divergenz abstrahlt.
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Mit Blick auf eine optimale Abstrahlung der elektromagnetischen Strahlung nach außen wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn zwischen der oder zumindest einer der Strahlungsquellen der Verbrauchseinrichtung und dem Fahrzeuginnenraum mindestens ein Spiegel angeordnet ist, der die erzeugte und in Richtung Fahrzeuginnenraum gerichtete elektromagnetische Strahlung reflektiert und in Richtung vom Fahrzeuginnenraum weg spiegelt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Strahlungsquelle oder zumindest eine der Strahlungsquellen der Verbrauchseinrichtung im Bereich des Fahrzeugdachs angeordnet ist und der Spiegel derart geformt und angeordnet ist, dass er einfallende elektromagnetische Strahlung nach oben in Richtung durch einen transparenten Abschnitt des Fahrzeugdachs hindurch und weg vom Fahrzeug spiegelt.
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Auch wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die oder zumindest eine der Strahlungsquellen der Verbrauchseinrichtung in einer Ausnehmung untergebracht ist, die sich von der Außenhaut in Richtung nach innen erstreckt, und im Bereich der sich nach innen erstreckenden Seitenwand der Ausnehmung und/oder einer Bodenwand der Ausnehmung mindestens ein Spiegel angeordnet ist, der die erzeugte und in Richtung Seitenwand und/oder Bodenwand gerichtete elektromagnetische Strahlung in Richtung aus der Ausnehmung heraus und vom Fahrzeuginnenraum weg spiegelt.
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Bezüglich der Ausgestaltung der Verbrauchseinrichtung insgesamt ist es vorteilhaft, wenn diese zumindest 50% der in sie eingespeisten elektrischen Energie in elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen 10–5 und 10–7 m umwandelt und nach außen abstrahlt. Besonders bevorzugt wandelt die Verbrauchseinrichtung zumindest 50% der in sie eingespeisten elektrischen Energie in elektromagnetische Strahlung im sichtbaren oder infraroten Bereich um.
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Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs, insbesondere Schienenfahrzeugs, wobei bei dem Verfahren während eines Bremsvorgangs ein Antrieb des Fahrzeugs in einen Generatorbetrieb geschaltet wird und dessen Generatorstrom in eine mit dem Antrieb in Verbindung stehende elektrische Verbrauchseinrichtung geleitet wird und die Verbrauchseinrichtung die eingespeiste elektrische Energie umwandelt und nach außen abgibt.
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Erfindungsgemäß ist bezüglich eines solchen Verfahrens vorgesehen, dass zumindest eine Strahlungsquelle der Verbrauchseinrichtung mit dem Generatorstrom oder einem Teil des Generatorstromes elektromagnetische Strahlung erzeugt und diese nach außen abgibt.
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Bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Fahrzeug verwiesen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft
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1 ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Fahrzeug in einem Längsschnitt,
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2 das Fahrzeug gemäß 1 in einem Querschnitt und
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Fahrzeug in einem Querschnitt.
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In den Figuren werden der Übersicht halber für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Die 1 zeigt ein Schienenfahrzeug 10, das im Bereich des Fahrzeugdachs 11 mit einer Ausnehmung 20 ausgestattet ist. In der Ausnehmung 20 ist eine elektrische Verbrauchseinrichtung 30 angeordnet, die mit einem Antrieb 40 des Schienenfahrzeugs 10 in Verbindung steht. Während des Bremsbetriebs bzw. während eines Bremsvorgangs wird der Antrieb 40 des Schienenfahrzeugs 10 in einen Generatorbetrieb geschaltet, in dem der Antrieb 40 einen Generatorstrom I in die Verbrauchseinrichtung 30 einspeist.
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Die Verbrauchseinrichtung 30 weist eine oder mehrere Strahlungsquellen auf, die in der Darstellung gemäß 1 nicht sichtbar sind, da sie durch einen Spiegel 31 der Verbrauchseinrichtung 30 verdeckt sind. Die Strahlungsquellen der Verbrauchseinrichtung 30 haben die Aufgabe, die in Form des Generatorstroms I in die Verbrauchseinrichtung 30 eingespeiste elektrische Energie in elektromagnetische Strahlung S umzuwandeln und diese nach außen abzustrahlen.
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Die Funktion des Spiegels 31 besteht darin, elektromagnetische Strahlung, die von der oder den Strahlungsquellen erzeugt wird und in Richtung Fahrzeuginnenraum 12 gerichtet ist, zu reflektieren und vom Fahrzeuginnenraum 12 weg bzw. vom Schienenfahrzeug 10 insgesamt weg zu spiegeln.
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Der Spiegel 31 weist vorzugsweise einen möglichst geringen Abstand zu der oder den Strahlungsquellen auf und ist besonders bevorzugt in oder mit der oder den Strahlungsquellen integriert.
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Um eine glatte und aerodynamisch günstige Gestaltung der Fahrzeugaußenhaut zu gewährleisten, ist die Ausnehmung 20 vorzugsweise mit einer Abdeckscheibe 21 nach außen hin verschlossen, die für die elektromagnetische Strahlung S der Verbrauchseinrichtung 30 transparent ist.
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Da sich eine vollständige Umwandlung der elektrischen Energie in elektromagnetische Strahlung S technisch nicht erreichen lässt, ist das Schienenfahrzeug 10 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 zusätzlich mit einer Lüftungseinrichtung 50 ausgestattet, die eine Luftkühlung bzw. eine Kühlung der Verbrauchseinrichtung 30 durch Konvektion ermöglicht. Mit anderen Worten erfolgt eine Energieabgabe durch die Verbrauchseinrichtung 30 während eines Bremsvorgangs des Schienenfahrzeugs 10 zwar vornehmlich durch Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung S, jedoch zusätzlich auch durch eine Wärmeabfuhr an die Umgebungsluft durch Konvektion.
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Mit Blick auf einen guten Wirkungsgrad der Lüftungseinrichtung 50 wird es als vorteilhaft angesehen, wenn diese mit Lüftungsgittern und/oder Kühlrippen ausgestattet ist, die einen optimalen Luftstrom zur Kühlung der Verbrauchseinrichtung 30 ermöglichen.
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Die 2 zeigt das Schienenfahrzeug 10 gemäß 1 in einem Querschnitt. Man erkennt die Verbrauchseinrichtung 30, die im Bereich der Ausnehmung 20 in der Außenhaut bzw. dem Fahrzeugdach 11 angeordnet ist. Die Verbrauchseinrichtung 30 ist mit einer Strahlungsquelle 32 ausgestattet, die vom Fahrzeuginnenraum 12 durch den Spiegel 31 getrennt ist. Wird die Strahlungsquelle 32 mit dem Generatorstrom I des Antriebs 40 oder einem Teil des Generatorstroms I beaufschlagt, so erzeugt sie elektromagnetische Strahlung S, die vom Schienenfahrzeug 10 abgestrahlt wird.
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Mit Blick auf einen guten Wirkungsgrad der Verbrauchseinrichtung 30 und eine Strahlungserzeugung bei möglichst geringer Temperatur wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Strahlungsquelle 32 die elektromagnetische Strahlung nach einem anderen physikalischen Strahlungserzeugungsprinzip oder zumindest auch nach einem anderen physikalischen Strahlungserzeugungsprinzip als das der thermischen Strahlung des schwarzen Körpers bzw. des Planckschen Strahlungsgesetzes erzeugt. Eine solche Ausgestaltung der Strahlungsquelle 32 ermöglicht es in vorteilhafter Weise, dass die Verbrauchseinrichtung 30 bzw. deren Strahlungsquelle 32 beim Generatorbetrieb des Antriebs 40 die in sie eingespeiste elektrische Energie mehr in Form von Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung S als in Form von Konvektion nach außen abgibt.
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Bei der Strahlungsquelle 32 kann es sich um eine Gasentladungsstrahlungsquelle (bzw. "Gasentladungslampe") handeln, die bei Strombeaufschlagung während des Bremsbetriebs eine Gasentladung erzeugt. Bei einer solchen Ausgestaltung handelt es sich bei der Strahlungsquelle 32 vorzugsweise um eine Halogengasentladungsstrahlungsquelle (bzw. "Halogenlampe").
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Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Strahlungsquelle 32 jedoch um ein Halbleiterbauelement, das bei Strombeaufschlagung während des Bremsbetriebs elektromagnetische Strahlung durch Rekombination von Ladungsträgern innerhalb des Halbleitermaterials des Halbleiterbauelements und/oder durch Bandübergänge von Ladungsträgern innerhalb des Halbleitermaterials erzeugt. Der Wirkungsgrad von zur Strahlungserzeugung ausgestalteten Halbleiterbauelementen ist im Allgemeinen sehr hoch und ermöglicht in vorteilhafter Weise eine Strahlungsabgabe bei minimaler Bauteiltemperatur. Geeignete Halbleiterbauelemente zur Strahlungserzeugung sind beispielsweise Lumineszenzdioden bzw. LEDs.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2 ist die Verbrauchseinrichtung 30 in einer Ausnehmung 20 untergebracht, die im Bereich des Fahrzeugdachs 11 angeordnet ist. Alternativ kann die Verbrauchseinrichtung 30 auch an anderer Stelle im Bereich der Außenhaut des Schienenfahrzeugs 10 angeordnet sein. Beispielsweise ist es möglich, die Verbrauchseinrichtung 30 im Bereich einer der beiden Seitenwände des Schienenfahrzeugs 10 oder auch im Bereich des Fahrzeugbodens 14 anzuordnen.
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Die 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Schienenfahrzeug 10, das mit einer Verbrauchseinrichtung 30 zur Erzeugung und Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung S ausgestattet ist. Die Verbrauchseinrichtung 30 umfasst bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 eine Vielzahl an Strahlungsquellen 32, die in ein und derselben Ausnehmung 20 des Schienenfahrzeugs 10 oder auch in separaten Ausnehmungen untergebracht sein können.
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Um eine optimale Abstrahlung der elektromagnetischen Strahlung S der Strahlungsquellen 32 zu erreichen, sind den Strahlungsquellen 32 jeweils individuelle Spiegel 31 zugeordnet, die die jeweilige Strahlung der zugeordneten Strahlungsquelle 32 reflektieren und vom Fahrzeuginnenraum 12 des Schienenfahrzeugs 10 wegspiegeln.
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Bezüglich der Ausgestaltung der Strahlungsquellen 32 gelten die obigen Ausführungen entsprechend.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
