DE10208006A1 - Verdrängungslüfter-Druckschutzsystem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein druckgeschütztes Lüftungssystem für schnellfahrende Züge, bestehend aus einem Außenluftsystem mit oder ohne Klimatisierung, einem Fortluftsystem und einer Umluftführung, wobei Außen- und Fortlüfter infolge ihrer Bauart als schnelldrehende Wälzkolbengebläse eine steile Kennlinie aufweisen, und die Luftfördermenge durch die Außenlufteintrittsöffnung infolge mittels Drossel- oder Stellklappe geregelter Zuführung von Außenluft oder die Fortluftfördermenge durch die Fortlufteintrittsöffnung infolge mittels Drosselklappe geregelter Zuführung von Fortluft so eingestellt werden können, dass der Wageninnendruck trotz unterschiedlichster Außendrücke durch Kompensation der Wagenlecks und der Wagenverformung im Rahmen der zulässigen Werte unverändert bleibt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein druckgeschütztes Lüftungssystem zur Verhinderung des Eindringens von unzulässigen Luftdrücken in das Innere von Fahrzeugen, insbesondere von schnellfahrenden Zügen.
• Der Druckschutz in schnellfahrenden Zügen ist eine notwendige Einrichtung, wenn der Betrieb der Züge auf Fahrstrecken erfolgt, auf denen durch Tunnel, durch Zugbegegnungen oder ähnliche Ereignisse Druckstöße im Außenluftbereich der Fahrzeuge initiiert werden, die durch die Frischluftöffnungen oder durch die Wagenundichtigkeiten in das Wageninnere eindringen und schmerzhafte Empfindungen im Mittelohrbereich der Fahrgäste hervorrufen. Die bekannt gewordenen Lösungen zur Vermeidung unzulässiger Druckänderungen im Wageninneren erfordern gegenüber ungeschützten Fahrzeugen einen höheren technischen Aufwand und sind unterschiedlich gut wirksam. Ein wesentliches Kriterium bei der Lösung der Aufgabe ist die Weiterversorgung des Fahrgastraumes mit Frischluft auch im Druckschutzfall, um die von der Luftqualität abhängigen Behaglichkeitskriterien zu erfüllen.
• Zur Lösung der Problematik ist das Druckschutzsysteme nach EP 0 700 818 bekannt geworden. Danach wird das Innere eines Fahrzeuges im Normalbetrieb und im Druckschutzbetrieb mit unterschiedlichen Lüftern im Normal- und im Druckschutzfall mit Frischluft versorgt. Im Normalbetrieb mit nahezu gleichbleibenden Außendrücken werden gewöhnliche Radiallüfter mit druckabhängiger Förderkennlinie verwendet, wie es in der Lüftungstechnik allgemein üblich ist. Das entspricht dem Betrieb des schnellfahrenden Fahrzeuges auf Wegen bzw. Strecken, auf denen keine druckstoßinitiierenden Ereignisse auftreten, d. h. keine Zugbegegnungen, keine Tunneldurchfahrten u. ä. Beim Auftreten solcher Ereignisse wird das Lüftungssystem auf einen oder mehrere im Bypaß zum Normalsystem angeordnete Lüfter mit steiler und damit nahezu druckunabhängiger Förderkennlinie umgeschaltet, so dass trotz unterschiedlichster Außendrücke eine gleichbleibende Luftmenge in den Wagen hinein bzw. wieder hinaus gefördert wird, um den Innendruck im Rahmen der zulässigen Schwankungswerte nahezu konstant zu halten. Während des Betriebes der Bypasslüfter werden die Außenluftventile des Normalsystems schnell geschlossen und dichten den Luftweg der Außen- und Fortluft außer den Bypass ab. Der Vorteil dieser Lösung besteht in einer ausreichenden Frischluftversorgung der Fahrgäste auch bei Druckstoßereignissen bei gleichzeitiger Gewährleistung nur geringer Druckschwankungen im Rahmen der zulässigen Werte. Als nachteilig erweist sich die notwendige Anpassung der Umschaltpunkte für die beiden getrennten Lüftungssysteme und der dazu gehörigen Schließventile. Der technische Aufwand für zwei getrennte Lüftungssysteme ist dazu sehr groß und kostenintensiv. Die Restundichten des Wagens überlagern sich dem Lüftungssystem und können die Druckänderungen im Inneren unkontrolliert beeinflussen.
• Die Lösung nach EP 0 751 045 stellt eine Weiterentwicklung dar. Bei ihr werden nur noch Lüfter mit steiler Förderkennlinie für Zu- und Fortluftförderung verwendet. Diese Lüfter arbeiten unabhängig vom Außenluftzustand, weil sie eine nahezu druckunabhängige Luftmengen fördern und damit sowohl im Normalbetrieb als auch bei Druckstößen unveränderte Luftdurchsätze für den Wagen und damit gleichbleibende Innendrücke im Rahmen der zulässigen Werte gewährleisten. Daraus ergibt sich der Vorteil, nur noch ein einziges Lüftungssystem zu benötigen. Es hat sich aber als nachteilig erwiesen, dass die Förderung einer gleichbleibenden Luftmenge als Außenluft und als Fortluft bei sehr hohen Druckänderungen bis 10 000 Pa im Außenbereich, d. h. bei sehr schnell mit über 300 km/h fahrenden Zügen, als Kriterium für einen konstanten Innendruck nicht mehr ausreicht, da die Wagenverformung durch die Außendruckschwankungen den Innendruck zusätzlich beeinflusst und die unvermeidliche Restundichtigkeit des Wagenkörpers unkontrollierte Leckströme zur Folge hat, die sich in gleicher Weise auswirken. Zusätzlich liegt die Erfahrung vor, dass die Lösung nach EP 0 751 045 praktisch nur für geringe Luftmengen realisierbar ist, weil die verwendeten Verdrängungslüfter nach der Bauart Roots im verfügbaren Drehzahlbereich, bei 50 Hz maximal 3000 U/min. zu laut arbeiten und zu groß und zu schwer sind. Auch bei allen anderen Verdrängungslüfterbauarten besteht diese Problematik. Diese Lösung hat sich deshalb vorrangig für Führerstände mit verhältnismäßig geringem Luftbedarf mit abgesenkten Drehzahlen als geeignet erwiesen.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Nachteile der o. g. Lösungen zu vermeiden und gleichzeitig zu gewährleisten, dass ausreichende Luftmengen auch für ganze Wagen bereitgestellt werden können und durch Einfußnahme auf die Fördermenge die Undichtigkeiten des Wagens kompensiert werden können.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen enthalten.
• Für die Außenluftförderung und für die Fortluftförderung kommen als Verdrängungslüfter die genannten Wälzkolbengebläse z. B. nach Bauart Roots oder als Flügelzellengebläse in drehzahlgesteigerter Ausführung zum Einsatz. Diese führen in Verbindung mit einem Direktantrieb für hohe Drehzahlen mit bis zu 30 000 U/min zur Förderung ausreichend hoher Luftmengen, wobei gleichzeitig infolge der hohen Drehzahl das normalerweise niederfrequente und schwer dämmbare Schallfrequenzspektrum der Wälzkolbengebläse in den hochfrequenten Bereich wechselt, der einer wirksamen Schalldämmung mit konventionellen Mitteln zugänglich ist. Solche Direktantriebe für hohe Drehzahlen lassen sich mit elektronisch kommutierten Gleichstrommotoren bzw. mit neuzeitlichen Reluktanzantrieben verwirklichen. Die Umluftförderung erfolgt mit einem im Umluftstrom für das Klimagerät angeordneten konventionellen Umlüfter in radialer oder axialer Bauart. Die Umluftmenge wird durch Verstellklappen in üblicher Weise beeinflusst.
• Die weitere Aufgabe des Luftfördersystems besteht darin, die Innendruckschwankungen infolge der Wagenverformung und der Wagenundichtigkeiten zu kompensieren. Bei sehr hohen Außenüberdrücken muss weniger Außenluft in den Wagen hinein oder mehr hinaus gefördert werden, weil ein zusätzlicher Luftstrom infolge der Undichtigkeiten unkontrolliert in den Wagen eindringen kann. Bei Unterdrücken wird umgekehrt entsprechend mehr hinein oder weniger hinausgefördert, weil Luft durch die Undichtigkeit zusätzlich unkontrolliert aus dem Wagen entweichen kann. Dafür werden zwei Lösungen bevorzugt, nämlich die ansaugseitige Klappenverstellung zur Drosselung der saugseitigen Luft einerseits oder die Drehzahlstellung der Lüfter andererseits. Drosselklappenstellung und Drehzahlverstellung können auch sinnvoll miteinender gekoppelt werden.
• Vorteilhaft kann man mit unveränderten Lüfterdrehzahlen arbeiten, wenn bei Außenüberdrücken die angesaugte Außenluftmenge dadurch reduziert wird, dass dem Außenlüfter ansaugseitig eine Luftmenge mit abgesenktem Druckniveau zugeführt wird, die der zu reduzierenden Außenluftmenge entspricht. Das ist durch eine Drosselklappenverstellung nahezu stufenlos möglich. Dabei wird die jeweilige Außenluftmenge so eingestellt, dass sie zu jedem Zeitpunkt der unveränderten Fortluftmenge entspricht, die sich aus Außenluftmenge, Undichtigkeitsmenge durch die Wagenlecks und Verdrängungsluftmenge durch die Wagenverformung zusammensetzt. Mit größer werdender Leck- und Verdrängungsmenge muss die Außenluftmenge weiter gedrosselt werden. Die notwendigen Außenluftmengenreduzierungen betragen erfahrungsgemäß bis zu 10%. Das macht z. B. eine Ansaugdruckabsenkung auf 0,9 bar notwendig, was für Verdrängungslüfter ganz unproblematisch ist. Trotz der Reduzierung der Außenluftmenge bleibt diese immer noch weit über den Werten, die erforderlich sind, um die erforderliche Innenraum-Luftqualität zu gewährleisten. Bei Außenunterdrücken muss entsprechend umgekehrt eine geringere Fortluftmenge aus dem Wagen hinausgefördert werden, um Leckströme vom Innenbereich nach außen und die Ausdehnung des Wagens zu kompensieren. Das wird durch eine Klappenverstellung im Fortluftkanal in Strömungsrichtung unmittelbar vor dem Fortlüfter erreicht. Die Ansteuerung der Klappen erfolgt von einem Drucksensor oder mehreren Drucksensoren aus, die über einen Regler die jeweils für den vorhandenen Außendruck erforderlichen Querschnitte abdrosselt. Anstelle des Außendruckes kann auch die Änderungsgeschwindigkeit des Wageninnendruckes oder die Differenz zwischen Außen- und Innendruck als Regelgröße benutzt werden.
• Bei der Lösung mit Drehzahlstellung muss bei Außenüberdrücken der Außenlüfter in der Drehzahl so weit reduziert werden, dass die Außenluftmenge zu jedem Zeitpunkt der unveränderten Fortluftmenge entspricht. Bei Außenunterdrücken erfolgt eine Reduzierung der Drehzahl und damit des Förderstromes des Fortlüfters oder mit dem gleichen Effekt eine Steigerung der Außenlüfterdrehzahl.
• Beide Verfahren können auch sinnvoll so kombiniert werden, dass z. B. bei Außenüberdrücken die Drehzahl des Außenlüfters reduziert wird, während bei Außenunterdrücken dem Fortlüfter saugseitig eine Drosselstelle zugeordnet wird, so dass der Wageninnendruck trotz der Wagenausdehnung und der Leckströme nach außen im Rahmen der zulässigen Werte bleibt. Dieses Verfahren ist vorteilhaft einsetzbar, wenn man die Drehzahlverstellung nur am Außenlüfter vorsehen will, aber eine Drehzahlsteigerung über den Nennwert hinaus nicht möglich ist.
• Die Außen- und Fortlüfter und die Drosselklappen des Druckschutzsystems können sowohl direkt im Klima- bzw. Lüftungsgerät angeordnet werden, können aber prinzipiell auch an jeder anderen zweckmäßigen Stelle des Wagens separat arbeiten, wenn man die Kanalführung entsprechend gestaltet.
• Eine Vereinfachung der Ausführung ergibt sich für alle die Fälle, in denen die Wagenundichtheiten und die Wagenverformungen wenig Einfluss auf den Innendruckverlauf haben, so dass diese Werte bei der Auslegung des Druckschutzsystems unberücksichtigt bleiben können. In diesem Falle ist es vorteilhaft, zwei parallel angeordnete Zulüfter als Verdrängungslüfter vor oder im Lüftungs- oder Klimagerät unterzubringen. Im Normalbetrieb wird ein Lüfter dazu verwendet, die Außenluft zu fördern, während der zweite Lüfter die Umluft fördert. Beide Lüfter sind auf ihrer Ansaugseite mit Verstellklappen ausgerüstet, wobei beide Ansaugkanäle bis zu den Ansaugstutzen der Lüfter die beiden Luftströme trennen. Beide Ansaugkanäle sind zusätzlich mit Verstellklappen ausgestattet, die es ermöglichen, vom Außenluftbetrieb auf Umluftbetrieb umzustellen, und zwar getrennt für jeden der beiden Luftströme. Auf diese Weise sind die im Bahnklimabetrieb üblichen Betriebsweisen "nur Außenluft", "nur Umluft" und "Außen- und Umluft im vorgegebenen Verhältnis gemischt" zu fördern. Das notwendige Verhältnis lässt sich entsprechend der Auslegungsbedingungen durch die Förderleistung der eingesetzten Verdrängungslüfter realisieren. Das kann bei gleichen Lüftergrößen durch Drehzahlfestlegungen erfolgen oder bei gleichen Drehzahlen durch unterschiedliche Lüftergrößen. Beim Verhältnis 1 : 1 für die Luftströme sind beide Lüfter und beide Drehzahlen gleich groß zu wählen. Unterschiedliche Lüftergrößen und Drehzahlverhältnisse erlauben auch mehrere Luftstromverhältnisse zu verwirklichen.
• Die Fortlüfterseite ist analog mit zwei Fortlüftern gestaltet. Wenn beide Zulüfter Außenluft fördern, müssen beide Fortlüfter diese Luftmenge wieder aus dem Wagen hinaus fördern. Wenn ein Zulüfter Außenluft und der zweite Umluft fördert, kann ein Fortlüfter abgestellt werden. Wenn beide Zulüfter Umluft fördern, werden beide Fortlüfter abgestellt. Die Kombination mit Drehzahlverstellung ist ebenfalls möglich.
• Dieses vereinfachte System bedarf keiner aktiven Außendrucksteuerung, da beide Lüfter infolge ihrer Charakteristik als Verdrängungslüfter immer druckdicht fördern. Es wird sich immer dann einsetzen lassen, wenn die Fahrzeuge ausreichend steif und dicht sind.
• Nachfolgend soll die Erfindung an Hand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
• Die Abbildungen zeigen in
• Fig. 1 ein druckgeschütztes Klimatisierungssystem eines Eisenbahnwagens mit drosselgesteuerter Förderleistung der Verdrängungslüfter
• Fig. 2 ein druckgeschütztes Klimatisierungssystem eines Eisenbahnwagens mit zwei parallelgeschalteten Verdrängungslüftern als Zulüfter
• Das System nach Fig. 1 ist im bzw. am Wagen 1 angeordnet und hält den Druck im Wageninnenraum 2 konstant. Durch den Lufteintritt 3 gelangt die Außenluft zum Außenlüfter 4, zum Lüftungs- bzw. Klimagerät 5 und zu der Luftverteileinrichtung 6. Die Fortluft gelangt durch den Fortluftkanal 7 zum Fortlüfter 8 und durch den Luftaustritt 9 ins Freie.
• Der Umlüfter 10 fördert die Umluft im Umluftkanal 11 auf die Eintrittsseite des Klimagerätes. Die Umluftmenge wird durch die Verstell- bzw. Drosselklappeklappe 12 oder durch die Drehzahlstellung des Motors für den Umlüfter 10 gesteuert.
• Die Stelleinrichtung 13 mit dem Stellantrieb 14 im Ansaugkanal des Außenlüfters 4 ermöglicht die geregelte Zufuhr der Außenluftmenge in das Wageninnere 2.
• Die Stelleinrichtung 15 mit dem Stellantrieb 16 im Fortluftkanal 7 ermöglicht die geregelte Förderung der Fortluftmenge aus dem Wageninneren 2 nach außen.
• Ein Drucksensor- und Reglerbaustein 17 erfasst den Außendruck über die Leitung 18 und den Innendruck über die Leitung 19. Die Stellsignale gehen über die Leitungen 20 und 21 an die Stellglieder.
• In der Variante ohne aktive Drucksteuerung nach Fig. 2 sind zwei Verdrängungslüfter 4.1 und 4.2 im Zuluftstrom parallel angeordnet. Mit den Verstellklappen 22 und 23 sind die Betriebsweisen Außenluft in den Stellungen 22.1 und 23.1 oder Umluft in den Stellungen 22.2 und 23.2 wählbar, getrennt für beide Klappen. Im Normalbetrieb wird ein Lüfter, z. B. 22, Außenluft mit der Klappenstellung 22.1 fördern und der andere Lüfter 23 wird Umluft in der Klappenstellung 23.2 fördern. Auf der Fortluftseite wird in diesem Fall nur ein Lüfter arbeiten, z. B. 24. Andere erforderliche Luftmengenverhältnisse werden analog eingestellt. Bei nur Außenluftförderung sind die Klappen auf der Zuluftseite beide in der Stellung. 1. nämlich 22.1 und 23.1. Auf der Fortluftseite müssen beide Lüfter 24 und 25 arbeiten. Bei nur Umluftförderung sind die Klappen auf der Zuluftseite beide in der Stellung. 2, nämlich 22.2 und 23.2. Auf der Fortluftseite sind beide Lüfter außer Betrieb.

Claims (10)

1. Druckgeschütztes Lüftungssystem für schnellfahrende Züge, bestehend aus einem Außenluftsystem mit oder ohne Klimatisierung (3, 4, 5, 6), einem Fortluftsystem (7, 8, 9) und einer Umluftführung (10, 11, 12), wobei Außen- und Fortlüfter (4, 8) infolge ihrer Bauart als Wälzkolbengebläse eine steile Kennlinie aufweisen, gekennzeichnet dadurch, dass die Luftfördermenge durch die Außenlufteintrittsöffnung (3) infolge mittels Klappe geregelter Außenluftdrosselung (13, 14) oder die Fortluftfördermenge durch den Fortluftkanal mittels Fortluftdrosselung (15, 16) so eingestellt werden können, dass der Wageninnendruck trotz unterschiedlichster Außendrücke, Wagenverformungen und Wagenundichtigkeiten im Rahmen der zulässigen Werte unverändert bleibt.

2. Druckgeschütztes Lüftungssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Außen- und die Fortluftfördermenge entsprechend der Bedingung eines gleichbleibenden Wageninnendruckes durch Verstellung der Antriebsdrehzahl der Lüfter (4, 8) erfolgt.

3. Druckgeschütztes Lüftungssystem nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass Drosselklappen- und Drehzahlstellung so miteinender kombiniert werden, dass eine Drehzahlverstellung nur an einem Lüfter (4, 8) erforderlich wird.

4. Druckgeschütztes Lüftungssystem nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass die Verdrängungslüfter mit steiler Kennlinie (4, 8) als Roots- oder Schraubengebläse ausgeführt sind.

5. Druckgeschütztes Lüftungssystem nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass die Verdrängungslüfter mit steiler Kennlinie (4, 8) als Flügelzellengebläse ausgeführt sind.

6. Druckgeschütztes Lüftungssystem nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass die Verdrängungslüfter mit steiler Kennlinie (4, 8) mit einer hohen Drehzahl betrieben werden, die bis zum Zehnfachen der möglichen Drehzahl von zweipoligen 50- oder 60 Hz-Motoren betragen kann.

7. Druckgeschütztes Lüftungssystem nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass die Verdrängungslüfter mit steiler Kennlinie (4, 8) mit Hochfrequenzmotoren oder SRD-Motoren (geschalteten Reluktanzmotoren) angetrieben werden.

8. Druckgeschütztes Lüftungssystem nach Anspruch 1 ohne aktive Innendruckregelung, gekennzeichnet dadurch, dass die Förderung der Zuluftmenge durch zwei parallel arbeitende Wälzkolbengebläse erfolgt, die durch Klappenverstellung entweder nur Außenluft, nur Umluft oder ein Außenluft-Umluft-Gemisch fördern können, mit ebenfalls zwei parallelen Wälzkolbengebläsen als Fortlüfter.

9. Druckgeschütztes Lüftungssystem nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, dass die beiden parallel arbeitenden Wälzkolbengebläse gleiche oder unterschiedlich große Förderleistung aufweisen.

10. Druckgeschütztes Lüftungssystem nach Anspruch 6 und 7, gekennzeichnet dadurch, dass die Wälzkolbengebläse einzeln oder gemeinsam mit einer Drehzahlverstellung zur Förderleistungsanpassung ausgestattet sind.