DE19516242A1 - Heizungsvorrichtung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Heizungsvorrichtung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, insbesondere für 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 Heizzeitintervalls durch Generatorumschaltung eines Fahrmotors elektrische, der Heizungsvorrichtung zuführbare 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 EP-A-370 247 (Hagenuk) bekanntgeworden. 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 Ausführungsform 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 für 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 im Luftstrom freiliegenden Heizdrähte führen fast immer zu einer Geruchsbelästigung durch daran verbrennende Staubpartikel, sofern der Aufwand für eine Nachfilterung der Luft nicht extrem hoch getrieben wird. Weiters wird durch die Mischkammer in unerwünschter Weise zusätzlich Platz beansprucht.

Eine weitere Heizungsvorrichtung für Schienenfahrzeuge dieser Art, welche ohne Schieber bzw. Schiebersteuerungen auskommt, ist aus der DE-PS 28 35 120 bekanntgeworden. Bei 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 zuzuführende 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 anfallen.

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-A-370 247 vorzunehmen.

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 c_p ≈ 0,7 . . . 1,0 kJ/kg · K besitzt,
• - die durchschnittliche mittlere Strömungsgeschwindigkeit der Luft innerhalb der Wärmespeicherkammer zwischen ν_luft = 2,5 . . . 3,5 m/s beträgt und
• - die beheizbare Länge l_heiz jedes Heizstabes bei einem vorgegebenen Durchmesser zwischen d = 1,5 . . . 3 cm in Abhängigkeit von der erforderlichen Heizleistung P_heiz und dem Verhältnis zwischen der zu erwartenden Fahrzykluszeit t_zykl und dem zu erwartenden Brems- bzw. Heizzeitintervall t_heiz gegeben ist durch: wobei B die maximale Oberflächenbelastbarkeit des Heizstabes in W/cm² und n die Anzahl der Heizstäbe sind.

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 . . . 3 cm) 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 Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Heizungsvorrichtung beträgt die Oberflächenbelastbarkeit jedes Heizstabes maximal 3 W/cm². Bei einer verbesserten Ausführungsform liegt die maximale Oberflächenbelastbarkeit jedes Heizstabes unter 2,5 W/cm², vorzugsweise bei 2,0 W/cm², wobei seine spezifische Wärmekapazität c_p im wesentlichen 0,85 kJ/kgK beträgt. Diese Werte für die maximale Oberflächenbelastbarkeit 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 Schienenfahrzeuges, 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 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 Ausführungsbeispiels näher erläutert, welches in den beiliegenden Figuren dargestellt ist, die zeigt

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

Fig. 2 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Heizungsvorrichtung,

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

Fig. 4 eine schematische Draufsicht 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 Fig. 1 Bezug genommen, in welcher ein Nahverkehrs-Schienenfahrzeug 1 dargestellt ist, welches bezüglich der Heizungs-Lüftungsanlage üblicherweise in mehrere Wagenabschnitte 1a, 1b, 1c unterteilt ist, welche mit je einer Heizungsvorrichtung 2 versehen sind, die im Bereich ihres zugeordneten Wagenabschnittes 1a, 1b, 1c auf dem Dach des Schienenfahrzeuges angeordnet sind, wobei die Heizungsvorrichtungen 2 in diesem Dach etwas in Richtung Wagendecke 3 versenkt sind, so daß sich ihre dem jeweiligen Innenraum 4 zugeordneten Grundflächen direkt oberhalb der Wagendecke 3 befinden, in welcher je Wagenabschnitt 1a, 1b, 2c ein Deckenkanal 5 ausgebildet ist, der sich ausgehend von der Heizungsvorrichtung 2 in Längsrichtung im wesentlichen über den gesamten Deckenbereich des zugeordneten Wagenabschnittes 1a, 1b, 1c 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 1a, 1b, 1c je ein Bodenkanal 6 angeordnet, welcher über je einen Heizungskanal 7 mit der zugeordneten Heizungsvorrichtung 2 verbunden ist, wobei dieser Bodenkanal 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 t_anf, einem Fahrzeitintervall t_fahr, einem Bremszeitintervall t_brems, und einem Haltezeitintervall t_halt, deren Summe die Fahrzykluszeit t_zykl ergibt. In vorteilhafter Weise ist die Heizungsvorrichtung eines solchen Fahrzeuges daher so auszulegen, daß die während des zu erwartenden Bremszeitintervalls t_brems gewonnenen elektrische Energie für Heizzwecke genutzt wird, das heißt, die Heizungsvorrichtung wird intervallweise, nämlich während eines Heizzeitintervalls t_heiz, welches im wesentlichen an das Bremszeitintervall t_brems 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, so daß 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 eingebrachten Zuluft 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 . . . 3 cm die Grundlage dafür geschaffen wird, eine Wärmespeicherkammer zu realisieren, bei welcher eine ausreichende Glättung der Wärmeentwicklung 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_zykl eine daran angepaßte Heizungsvorrichtung geschaffen werden kann. Die Länge l_heiz der einzelnen Heizstäbe wird zu diesem Zweck in Abhängigkeit von der erforderlichen Heizleistung P_heiz und dem Verhältnis zwischen der erwarteten Fahrzykluszeit t_fahr und dem zu erwartenden Brems- t_brems bzw. Heizzeitintervall t_heiz 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 c_p zwischen c_p ≈ 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_luft der die Wärmespeicherkammer durchströmenden Luft zwischen ν_luft = 2,5 . . . 3,5 m/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 t_heiz zwischen 1/3 und 1/10, vorzugsweise 1/6, jedoch maximal 50% der Fahrzykluszeit beträgt.

Bei Einhaltung der obengenannten 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 Fig. 2 und 3 näher erläutert.

Die in Fig. 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 Wasserabscheider 12a, 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 Umluftöffnung 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 Umluftöffnung 14 ist durch eine nicht dargestellte Klappe verschließbar, die nur im Heizbetrieb geöffnet 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, so daß eine räumlich gleichmäßige Durchdringung des Innenraums der Wärmespeicherkammer 10 erreicht wird. Nähere Angaben hinsichtlich der Wärmespeicherkammer 10 und der Heizstäbe 16 finden sich weiter unten in bezug auf die Fig. 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 Ausführungsbeispiel 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 Herbeiführen eines Kurzschlusses außer Betrieb setzt. Hierzu sind natürlich nicht gezeigte Überstromschalter 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 Hitzdrahtverfahrens über Schütze ausschaltet, falls einer oder beide Lüfter 18a, 18b defekt sind. Zu beiden Seiten des Zuluftkanals 17 sind in dem Gehäuse 8 der Heizungsvorrichtung 22 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 Innentemperaturfühler an den Mikrorechner übermittelte Temperatur in der Regel zu niedrig, so daß die Heizungsvorrichtung zusätzlich während der Fahrphase mit elektrischer Energie aus der allgemeinen Stromversorgung des Fahrzeuges, z. B. einer Oberleitung oder unter Stromschiene, versorgt wird. Der in dem Zuluftkanal vorgesehene Zulufttemperaturfühler dient zur Begrenzung der Zulufttemperatur. Im Normalbetrieb berechnet die Software abhängig von der durch den Außentemperaturfühler gemessenen Außentemperatur, der im Innenraum herrschenden Innentemperatur und des dem Fahrzeug zugrunde gelegten Normalfahrzyklus, ob der Heizungsvorrichtung bis zur nächsten Bremsphase zusätzlich Strom zugeführt werden muß. Ist die während einer Bremsphase an die Heizungsvorrichtung zugeführte Energie zu hoch, z. B. bei einer verhältnismäßig hohen Außentemperatur, entscheidet die Software wiederum anhand der Außentemperatur, der Innentemperatur und des vorgegebenen Normalfahrzyklus, 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 Fig. 3a und 3b ist eine Ausführungsvariante der in Fig. 2 dargestellten Heizungsvorrichtung 2 gezeigt, wobei Fig. 3a einen Schnitt entlang der Linie IIIA von Fig. 3b darstellt und Fig. 3b eine Draufsicht der Heizungsvorrichtung ähnlich der Fig. 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 Fig. 3a ist zu entnehmen, daß in dem Gehäuse 8 der Heizungsvorrichtung 2 unterhalb der Wärmespeicherkammer 10 ein Zwischenraum 24 angeordnet ist, der über die Umluftöffnung 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/Zuluftöffnungen 26a, 26b vorgesehen, die mit dem Deckenkanal 5 des Fahrzeuges 1 verbunden sind.

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 Umluftöffnung 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 Umluftöffnung 14 geöffnet 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 Umluftöffnung 14 ständig geschlossen ist.

Die in Fig. 4 in einer Draufsicht und in Fig. 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 Endene 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.

Aus der in Fig. 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. 750 V, angeschlossen sind.

In den Fig. 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 3 cm liegt, besteht aus einem zentralen Heizwiderstand 36, der von einem Wärmespeichermantel 37 umgeben ist, der aus einem Material mit einer spezifischen Wärmekapazität c_p im Bereich zwischen c_p = 0,7 bis 1,0 kJ/kgK hergestellt ist. Keramische Materialien, deren spezifische Wärmekapazität in den oben angegebenen Bereich fällt, sind aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften für diese Zwecke gut geeignet. An seiner zylindrischen Außenfläche ist der Wärmespeichermantel 37 jedes Heizstabes 16 von einem Stahlmantel 38 umgeben, welche 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 weiter 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 beschriebenen, mit dem Heizwiderstand 36 elektrisch verbundenen Kontaktstellen 34 aus dem Wärmespeicherkanal 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.

Claims (22)

1. Heizungsvorrichtung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug (1), insbesondere für ein Nahverkehrs-Schienenfahrzeug, mit einem verhältnismäßig konstanten Fahrzyklus (t_zykl), bestehend aus einem erwarteten Anfahrzeitintervall (t_anf), Fahrzeitintervall (f_fahr), Bremszeitintervall (t_brems) und Haltezeitintervall (t_halt), bei welchem innerhalb eines im wesentlichen an das Bremszeitintervall (t_brems) angepaßten Heizzeitintervalls (t_heiz) durch Generatorumschaltung eines Fahrmotors elektrische, der Heizungsvorrichtung (2) zuführbare 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 (c_p) von c_p ≈ 0,7 . . . 1,0 kJ/kg · K besitzt,
• - die durchschnittliche mittlere Strömungsgeschwindigkeit (v_luft) der Luft innerhalb der Wärmespeicherkammer (10) zwischen ν_luft = 2,5 . . . 3,5 m/s beträgt und
• - die beheizbare Länge (l_heiz) jedes Heizstabes (16) bei einem vorgegebenen Durchmesser (d) zwischen d = 1,5 . . . 3 cm in Abhängigkeit von der erforderlichen Heizleistung (P_heiz) und dem Verhältnis zwischen der zu erwartenden Fahrzykluszeit (t_zykl) und dem zu erwartenden Brems- bzw. Heizzeitintervall (t_brems; t_heiz) gegeben ist durch: wobei B die maximale Oberflächenbelastbarkeit des Heizstabes in W/cm² ist.

2. Heizungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Oberflächenbelastbarkeit (B) jedes Heizstabes (16) kleiner 3 W/cm² beträgt.

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. 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 (c_p) im wesentlichen 0,85 kJ/kgK beträgt.

5. Heizungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizzeitintervall (t_heiz) maximal 50% der Fahrzykluszeit (t_zykl) beträgt.

6. Heizungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizzeitintervall (t_heiz) während eines dem Betrieb des Schienenfahrzeuges zugrunde gelegten Normalfahrzyklus zwischen 1/3 und 1/10, vorzugsweise 1/6 der Fahrzykluszeit (t_zykl) beträgt.

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 (t_heiz) länger als das tatsächliche Bremszeitintervall (t_brems) ist.

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. 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. 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.

11. Heizungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Heizstab (16) zumindest im Durchströmungsbereich der Wärmespeicherkammer (10) einen den Wärmespeichermantel (37) umschließenden Stahlmantel (38) aufweist.

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. Heizungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Frischlufteingang (9a, 9b) je ein Wasserabscheider (12a, 12b) und Frischluftreinigungsfilter (13a, 13b) zugeordnet ist.

14. Heizungsvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Frischluftkanal (11) zumindest eine verschließbare, mit dem Innenraum des Fahrzeuges verbundene Umluftöffnung (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. 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. Heizungsvorrichtung nach Anspruch 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (8) zwei symmetrisch zur Fahrtrichtung (L) angeordnete Umluft-/Zuluftöffnungen (26a, 26b) in den Innenraum (4) des Fahrzeuges (1) aufweist, die durch einen Zwischenraum (24) mit der Umluftöffnung (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, so daß die Zuluft nur durch die Ausgänge (19a, 19b) in den Innenraum (4) des Fahrzeuges (1) gelangt, und im Lüftungsbetrieb geöffnet ist, so daß die Zuluft sowohl durch die Ausgänge (19a, 19b) als auch durch die Umluft/Zuluftöffnungen (26a, 26b) in den Innenraum (4) des Fahrzeuges (1) gelangt.

17. Heizungsvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß sie im Deckenbereich des Fahrzeuges angeordnet ist.

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. Heizungsvorrichtung nach Anspruch 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß im Deckenbereich des Fahrzeuginnenraumes (4) ein Deckenkanal (5) vorgesehen ist, welcher mit den Umluft/Zuluftöffnungen (26a, 26b) der Heizungsvorrichtung (2) verbunden ist.

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. Heizungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Mikrorechner aufweist, mittels welchem in Zusammenwirken mit einem Außenlufttemperaturfühler und einem Fahrzeuginnenraumtemperaturfühler in Abhängigkeit von dem vorgegebenen Normalfahrzyklus (t_anf, t_fahr, t_brems, t_halt) der Heizleistungsbedarf (P_heiz) ermittelt wird.

22. Heizungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zuluftweg unmittelbar vor dem Fahrzeuginnenraum ein Zulufttemperaturfühler vorgesehen ist, durch welchen die Temperatur der Zuluft auf einen Maximalwert begrenzbar ist.