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Die Erfindung betrifft eine Einkanal-Klimaanlage für Eisenbahnwagen mit Grossraumabteilen, mit einem von einem Aussenfühler in Abhängigkeit von der Aussentemperatur und sonstigen Ausseneinflüssen auf die
Temperatur im Wageninneren gesteuerten Luftaufbereitungsaggregat, das je Abteil einen separaten Lufterhitzer und Kältemittelverdampfer aufweist, und von dem je Abteil ein separater, innerhalb des Abteils mit
Ausströmöffnungen versehener Kanal ausgeht, und mit in jedem Abteil angeordnetem, bezüglich seiner
Steuertemperatur verstellbaren, mit einem Thermostatenrelais zusammenwirkenden Raumthermostaten zur
Regelung der dem Abteil zugeführten Wärme- bzw. Kälteleistung.
Einkanal-Klimaanlagen dieser Art finden bei Reisezugwagen mit zwei bis drei Grossraumabteilen
Anwendung, wobei sämtlichen Luftaufbereitergruppen aus Kostengründen und zugunsten einer gedrängten
Bauweise normalerweise ein gemeinsames Gebläse zugeordnet ist und die Kältemittelverdampfer aller
Luftaufbereitergruppen an eine gemeinsame Kälteerzeugungsanlage angeschlossen sind. Theoretisch bestünde zwar auch die Möglichkeit, jedem Grossraumabteil ein eigenes Klimaaggregat zuzuordnen, doch erweist sich in der
Praxis der weitaus höhere bauliche und kostenmässige Aufwand als kaum vertretbar.
Bekannte Ausführungen solcher Klimaanlagen konnten hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit und ihres
Regelverhaltens bisher nicht voll befriedigen. Vor allem erwies es sich als nachteilig, dass bei überschreiten der in einem der Abteile eingestellten Steuertemperatur und Ansprechen des betreffenden Raumthermostaten im
Heizbetrieb eine völlige Abschaltung der Heizung erfolgt, die so lange bestehen bleibt, bis die Temperatur in diesem Abteil auf den unteren Ansprechwert des Raumthermostaten abgesunken ist. Dadurch kommt es zu beträchltichen Temperaturschwankungen in dem betreffenden Abteil, die von den Reisenden als unangenehm empfunden werden und die dadurch noch verstärkt sind, dass bei längeren Abschaltperioden der Heizung eine
Abkühlung der Lufterhitzer eintritt, so dass diese beim neuerlichen Einschalten erst nach einiger Zeit ihre volle
Betriebstemperatur erreichen.
Diese Trägheit der Regelcharakteristik ist mit den Bemühungen der
Bahnverwaltungen, den Reiszugverkehr durch erhöhten Komfort attraktiver zu gestalten, kaum vereinbar.
Es ist daher das Ziel der Erfindung, eine Einkanal-Klimaanlage der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich durch ein günstigeres Regelverhalten, aber auch durch eine höhere Wirtschaftlichkeit auszeichnet. Dabei soll sich kein wesentlicher baulicher und kostenmässiger Mehraufwand ergeben. Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch einen für alle Abteile gemeinsamen, als Impulsgeber ausgebildeten, vom Aussenfühler gesteuerten Vorregler erreicht, von dem zwei mit den Raumthermostaten aller Abteile verbundene Steuerleitungen ausgehen, über die der Heizschütz und bzw.
oder das Kältemittel-Magnetventil jedes Abteils je nach Schaltzustand des dem betreffenden Abteil zugeordneten Thermostatenrelais und eines von diesem mitgesteuerten Zeitrelais mit
Einschaltimpulsen unterschiedlicher Folgefrequenz beaufschlagbar sind, wobei die Folgefrequenz in der einen
Steuerleitung für die Aufrechterhaltung einer vorbestimmten Maximaltemperatur in unbesetzten Abteilen und die
Folgefrequenz in der zweiten Steuerleitung für die Aufrechterhaltung einer Minimaltemperatur in vollbesetzten Abteilen bemessen ist. In der Praxis hat sich die Aufeinanderfolge der Einschaltimpulse in Zeitabständen von etwa 3 bis 5 min als vorteilhaft erwiesen.
Der entscheidende Vorteil einer solchen Anlage ergibt sich daraus, dass sowohl im Heiz- als auch im Kühlbetrieb eine Vorregelung erfolgt, die es erlaubt, das Leistungsangebot nach zwei verschiedenen Charakteristiken zu steuern, die einen der jeweiligen Folgefrequenz der Einschaltimpulse entsprechenden, intermittierenden Betrieb des Lufterhitzers bzw. Kältemittelverdampfers jeder Luftaufbereitergruppe zulassen, so dass sich gegenüber der bekannten Anlage eine weitaus feinfühligere und spontanere Regelungsweise ergibt, bei der die Regelschwankungen auf ein Minimum reduziert sind. Dabei sind die beiden Leistungscharakteristiken so aufeinander abgestimmt, dass das Leistungsangebot bei der einen Charakteristik die Aufrechterhaltung einer z. B.
260C betragenden Maximaltemperatur in einem leeren Abteil gewährleistet, wogegen das Leistungsangebot bei der zweiten Charakteristik jenem Wärmebedarf entspricht, der zur Erhaltung einer Minimaltemperatur, z. B. 20 C, in einem vollbesetzten Abteil notwendig ist. Der Raumthermostat erfüllt dabei, abweichend von seiner Betriebsweise bei der bekannten Klimaanlage, in Zusammenwirken mit dem ihm zugeordneten Zeitrelais, die Aufgabe eines Wahlschalters für die dem jeweiligen Temperaturniveau entsprechende Leistungscharakteristik. Das Zeitrelais übt dagegen eine Kontrollfunktion über den Raumthermostaten und in gewissem Sinn auch über den Vorregler aus, wie an anderer Stelle noch näher erläutert ist.
Ausser den bereits erwähnten Vorzügen bietet die Klimaanlage nach der Erfindung auch noch den wesentlichen Vorteil einer individuellen Leistungsregelung für jedes Abteil bei minimalem Energieverlust, da keinerlei Energiebedarf zur Kompensation zu starker Heiz- bzw. Kühlleistung erforderlich ist, wie dies beispielsweise bei Zweikanal-Luftheizungen oder Einkanal-Luftheizungen mit Nachheizung notwendig ist.
Bei reinen Heizeinrichtungen für Fahrzeuge, wie sie in der österr. Patentschrift Nr. 195954 beschrieben sind, ist die Verwendung eines die Zufuhr der Heizenergie zur Heizeinrichtung periodisch ein- und ausschaltenden elektrischen Leistungsreglers bereits bekannt. Dieser Leistungsregler hat aber eine andere Funktion zu erfüllen als der Vorregler bei der Einkanal-Klimaanlage nach der Erfindung. Seine Aufgabe ist es, den in den einzelnen Fahrgasträumen angeordneten Heizkörpern unter Vermeidung von am Heizkörper selbst vorgesehenen Regelorganen eine im Mittel gleichbleibende Wärmemenge zuzuführen, welche dann die Temperatur im Fahrgastraum bestimmt.
Durch manuelle Verstellung des Leistungsreglers kann dabei die Einschaltzeit im
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Verhältnis zur Gesamtschaltperiode verändert und das Temperaturniveau, entsprechend dem subjektiven
Empfinden der Fahrgäste, variiert werden. Eine derartige Einrichtung erfüllt also im wesentlichen nur die
Funktionen einer üblichen Abteil-Stelleinrichtung zur individuellen Wahl des gewünschten Temperaturniveaus in den Fahrgasträumen. Sie trägt weder den sich ergebenden Wärmebedarfsänderungen durch wechselnde Besetzung der Fahrgasträume noch den Einflüssen der klimatischen Aussenverhältnisse auf die Temperatur im Wageninneren
Rechnung.
Eine solche Einrichtung ist daher nicht in der Lage, die regeltechnischen, wärmewirtschaftlichen und den Komfort der Reisenden betreffenden Erfordernisse moderner Klimaanlagen für Eisenbahnfahrzeuge auch nur annähernd zu erfüllen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Folgefrequenz der Einschaltimpulse in beiden
Steuerleitungen vom Aussenfühler in Abhängigkeit von den Ausseneinflüssen auf die Temperatur im Wageninneren selbsttätig veränderbar. Auf diese Weise wird das Leistungsangebot bei beiden Charakteristiken entsprechend den jeweiligen Aussenverhältnissen derart variiert, dass die Einhaltung der in den Abteilen vorgesehenen
Solltemperatur bei allen klimatischen Bedingungen gewährleistet ist. Bevorzugt wird dabei das Frequenzverhältnis in den beiden Steuerleitungen konstant gehalten.
Gemäss einem weiteren Erfindungsmerkmal weist das Thermostatenrelais einen ersten Schaltkontakt auf, der in seinen beiden Schaltstellungen den Erregerstromkreis des Zeitrelais geschlossen hält sowie einen zweiten, im Erregerstromkreis des zugehörigen Heizschützes gelegenen Schaltkontakt, über den der Heizschütz wechselweise mit den Einschaltimpulsen der ersten und zweiten Steuerleistung beaufschlagbar ist, und besitzt das Zeitrelais einen ersten Schaltkontakt, über den das zugehörige Kältemittel-Magnetventil wechselweise mit den Einschaltimpulsen in der ersten Steuerleitung oder der vollen Speisespannung beaufschlagbar ist sowie einen zweiten, im Erregerstromkreis des zugehörigen Heizschützes zwischen der zweiten Steuerleitung und dem zweiten Schaltkontakt des Thermostatenrelais gelegenen Schaltkontakt, der bei abgefallenem Zeitrelais geöffnet ist.
Man erreicht hiedurch mit geringem schaltungstechnischem Aufwand eine Funktionsweise der Klimaanlage, die nicht nur die selbsttätige Umsteuerung der einzelnen Luftaufbereitergruppen von der einen auf die andere Leistungscharakteristik durch den zugehörigen Raumthermostaten gewährleistet, sondern auch einen Eingriff des zugehörigen Zeitrelais in das Regelgeschehen zulässt, wenn der jeweils laufende Heiz- oder Kühlvorgang nicht innerhalb eines vorbestimmten Zeitraumes zu dem gewünschten Klimatisierungseffekt führt. Ein solcher Fall tritt im Heizbetrieb beispielsweise dann ein, wenn trotz intensiver Beheizung eines Abteils gemäss der ersten Leitungscharakteristik die Raumtemperatur unterhalb der Steuertemperatur des Raumthermostaten verbleibt, und dieser Zustand länger anhält, als es der Laufzeit des Zeitrelais entspricht.
Durch den Abfall des Zeitrelais wird dann über die ersten Schaltkontakte des Thermostatenrelais und des Zeitrelais der betreffende Heizschütz direkt an Spannung angelegt, so dass in dem betreffenden Abteil die volle Heizleistung eingesetzt wird. Es tritt daher eine sehr rasche Erwärmung in dem betreffenden Abteil ein, die zu einer baldigen Überschreitung der Steuertemperatur des Raumthermostaten und zum Umschalten des Thermostatenrelais führt. Mit dem Umschaltvorgang fällt das Zeitrelais ab und nimmt nach neuerlichem Ablauf seiner Laufzeit seine Kontrollfunktion über den Regelerfolg wieder auf.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in den schematischen Zeichnungen dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispieles einer Einkanal-Klimaanlage näher erläutert. Es zeigen : Fig. l eine schematische Gesamtansicht einer Einkanal-Klimaanlage nach der Erfindung und Fig. 2 ein Prinzipschaltbild der Anlage nach Fig. 1 Die Zeichnungen beschränken sich jeweils auf den erfindungswesentlichen Bereich der Klimaanlage.
Aus Fig. l ist ein schematisch gehaltener, teilweiser Längsschnitt eines Reisezugwagens ersichtlich, welcher im Fall des Ausführungsbeispieles über drei durch Zwischenwände --1-- voneinander getrennte Grssraumabteile --21, 22 und 23--verfügt. Der Wagenboden ist mit--3--bezeichnet.
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die Einlassöffnungen--8 bzw. 9--eintretende Luft wird durch ein Luftfilter--12--von einem Gebläse --13-- mit Antriebsmotor --14-- angesaugt und an der Gebläsedruckseite über einen Verteilraum--15-auf drei Luftaufbereitergruppen --161, 162 und 163--aufgeteilt. Jede dieser Luftaufbereitergruppen umfasst einen Lufterhitzer --l71 bzw. 172, 173--und einen Kältemittelverdampfer --181 bzw. 182, 183--.
Jedem der Lufterhitzer ist ein gesonderter Heizschütz-191 bzw. 192, 193-zugeordnet, dessen Arbeitsweise im folgenden noch näher erläutert wird. Die Kältemittelverdampfer --181 bzw. 182, 183--sind jeweils über ein Költemittel-magnetventil --201 bzw. 202, 203--an eine gemeinsame, insgesamt mit --21-- bezeichnete Kälteerzeugungsanlage anschliessbar. Die Einzelheiten der an sich bekannten Kälteerzeugungsanlage --21-- sind. hier nicht näher beschrieben.
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In jedem der Grossraumabteile --21, 22 und 23-befindet sich ein Raumthermostat --221, bzw. 222, 223--, der jeweils mit dem zugehörigen Heizschütz und Kältemittel-Magnetventil leitungsverbunden ist und dessen Funktionsweise an Hand des Schaltbildes der Fig. 2 erklärt wird.
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--161, 162, 163-- temperierteGrossraumabteile.
Die dem Versorgungsnetz des Reiszugwagens entnommene Speisespannung wird der Klimaanlage über einen
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SofemeJedem Raumthermostat ist ein Thermostatenrelais --301 bzw. 302, 303--mit jeweils zwei, im Schaltbild einheitlich mit-31 und 32-bezeichneten Schaltkontakten zugeordnet. Die zum ersten Schaltkontakt --31-- gehörigen Festkontakte sind mit --a und b--und die zum zweiten Schaltkontakt
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Weiters ist jedem Raumthermostaten ein Zeitrelais --351 bzw. 352, 353-zugeordnet, welches über den ersten schaltkontakt --31-- und die parallelgeschalteten Festkontakte --a, b-- in beiden Schaltstellungen des Thermostatenrelais --301 bzw. 302, 303--an Speisespannung liegt. Jedes Zeitrelais besitzt zwei in den Zeichnungen einheitlich mit-36 und 37-bezeichnete Schaltkontakte. Dem ersten Schaltkontakt-36ist jeweils ein Leerkontakt --e-- und ein Festkontakt--f--zugeordnet, und dem zweiten Schaltkontakt --37-- ein Festkontakt --g-- sowie ein Leerkontakt--h--. Über den Schaltkontakt--36--des
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Der für alle Abteile des Reiszugwagens gemeinsame Vorregler-29--, der einen wesentlichen Bestandteil der Erfindung bildet, wird von einem an sich bekannten Aussenfühler --38-- gesteuert, welcher am Dach des Reisezugwagens angebracht ist und der alle wichtigen Ausseneinflüsse auf die Temperatur im Wageninneren, also
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sämtlicher Raumthermostaten --221, 222 und 223-verbunden sind. Die erste Steuerleitung --39-- ist dabei jeweils über einen Einweg-Gleichrichter --41--, z.B. eine Diode, mit den Festkontakten--c-sämtlicher Thermostatenrelais und jeweils über eine Zweigleitung --42-- mit den zugehörigen Kältemittel-Magnetventilen verbunden.
An die zweite Steuerleitung--40--sind die zweiten Schaltkontakte --37-- sämtlicher Zeitrelais --351, 352, 353--angeschlossen.
Die Steuerleitungen--39 und 40--werden vom Vorregler --29-- mit Einschaltimpulsen unterschiedlicher Folgefrequenz beaufschlagt. Die Impulsfolge in der ersten Steuerleitung--39--ist dabei so gewählt, dass die je nach Betriebsweise der Anlage an den Heizschütz oder das Kältemittel-Magnetventil eines Abteils gelangenden Einschaltimpulse die Aufrechterhaltung einer vorbestimmten Maximaltemperatur bei unbesetztem Abteil sicherstellen. Diese Maximaltemperatur kann beispielsweise 260e betragen. Die Impulsfolge in der zweiten Steuerleitung--40--ist hingegen auf ein geringeres Leistungsangebot bemessen, welches die Aufrechterhaltung einer Minimaltemperatur in einem vollbesetztem Abteil gewährleistet.
Die zur selbsttätigen Umschaltung der Anlage auf Heiz- oder Kühlbetrieb vorgesehenen, an sich bekannten Schalteinrichtungen werden hier nicht näher beschrieben.
Die Folgefrequenzen der Einschaltimpulse in den beiden Steuerleitungen--39 und 40--stehen zueinander in einem vorbestimmten Verhältnis. Der Einfluss des Aussenfühlers--38--auf den Vorregler --29-- erfolgt nun in der Weise, dass zwar das Frequenzverhältnis der Einschaltimpulse in den beiden Steuerleitungen--39 und 40-- unverändert bleibt, wobei jedoch die Frequenzen bzw. Impulsformen in beiden Steuerleitungen in Abhängigkeit von den Aussenverhältnissen derart verändert werden, dass eine Kompensation der Ausseneinflüsse auf die Innentemperatur des Wagens eintritt.
Im folgenden wird die Arbeitsweise der erfindungsgemässen Klimaanlage am Beispiel des Heizbetriebes näher erläutert. Die Ausführungen beschränken sich auf die Regelvorgänge in einem der Grossraumabteile, nämlich dem Abteil--21--.
In der in Fig. 2 mit voll ausgezogenen Linien eingezeichneten Position des Thermostatenrelais --301-und des Zeitrelais --351-- ist der Heizschütz --191-- über den Schaltkontakt --32-- mit den Einschaltimpulsen der ersten Steuerleitung --39-- beaufschlagt. Der zugehörige Lufterhitzer --171 -- wird also gemäss der ersten Leistungscharakteristik betrieben, welche die Aufrechterhaltung einer vorbestimmten Maximaltemperatur in dem Abteil --21-- gewährleisten soll. Das zugehörige Zeitrelais --351-- ist über den
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Schaltkontakt --31-- an Speisespannung angeschlossen und seine Schaltkontakte-36 und 37-verbleiben daher bis zum Ablauf seiner Laufzeit in der dargestellten Position.
Der Raumthermostat --221-- hat seine Steuertemperatur noch nicht erreicht.
Tritt innerhalb der vorgegebenen Laufzeit des Zeitrelais --351 --, beispielsweise innerhalb von 5 min,
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Spannung gelegt).
Bei diesem Schaltzustand arbeitet der zugehörige Lufterhitzer --171 -- mit voller Heizleistung, so dass sich das Abteil --21-- rasch erwärmt und die Steuertemperatur des Raumthermostaten --221-- überschritten wird. (Im Kühlbetrieb entspricht dies der vollen Leistungsabgabe des Kältemittelverdampfers - -l81 --).
Dieser Vorgang ist von grosser Bedeutung, wenn beispielsweise im Heizbetrieb mittels der Abteilstelleinrichtung--34--eine Veränderung von der Minimal- auf die Maximaltemperatur erfolgt. Würde nämlich die Heizleistung weiterhin nur nach der durch die Einschaltimpulse der ersten Steuerleitung--39-vorgegebenen Charakteristik verlaufen, so wäre nur ein sehr geringer Leistungsüberschuss zu verzeichnen und es würde sehr lange dauern, bis das Abteil --21-- die erwünschte höhere Raumtemperatur annimmt. (Ein ähnliches Verhalten würde bei Kühlbetrieb eintreten, wenn eine Senkung der Abteiltemperatur gewünscht wird und gleichzeitig ein grösserer Kühlbedatf durch stärkere Besetzung des Wagens, durch Sonneneinstrahlung oder Stillstand des Wagens gegeben ist.
Mit dem bereits erwähnten Ansprechen des Raumthermostaten --221 -- schaltet das zugehörige Thermostatenrelais --301-- in die mit strichlierten Linien eingezeichnete Position ; um, wobei das zugehörige Zeitrelais --351 -- durch die vorübergehende Stromunterbrechung beim Umschalten des Schaltkontaktes --31-- vom Festkontakt --a-- auf den Festkontakt --b-- abfällt und in seine ursprüngliche, in Fig. 2 mit vollen Linien eingezeichnete Position zurückkehrt.
Infolgedessen wird über den zweiten Schaltkontakt--37--
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die untere Steuertemperatur des Thermostaten --221-- abgesunken sein sollte, so spricht das Zeitrelais - -351-- neuerlich an und gelangt in die mit strichlierten Linien eingezeichnete Position, in welcher der zweite Steuerkontakt-37-geöffnet und die Stromzufuhr zum Heizschütz --191-- vollständig unterbrochen ist.
(Im Kühlbetrieb würde die Stromzufuhr zum Kältemittel-Magnetventil --201-- in analoger Weise unterbrochen). In dieser Phase ist daher keine Heizung (oder die volle Kälteleistung) vorhanden. Wie schon oben erwähnt, wird durch diesen extremen Zustand der betreffenden Luftaufbereitergruppe eine Beschleunigung der gewünschten Zustandsänderung, im Fall des Heizbetriebes also ein Unterschreiten der Steuertemperatur des Raumthermostaten --221 --, erreicht. Dieser Vorgang ist besonders wichtig, um bei plötzlich vermindertem Wärmebedarf (bzw. erhöhtem Kältebedarf) eine rasche Reaktion auf eine solche Bedarfsänderung herbeizuführen.
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--221 -- arbeitet--351-- nicht überschritten wird.
Eine Klimaanlage dieser Art gewährleistet nicht nur eine individuelle Leistungsregelung in jedem der vorhandenen Grossraumabteile, sondern auch eine wesentliche Energieersparnis gegenüber bekannten Klimaanlagen mit zentraler oder in jedem Abteil vorgesehener Nachheizeinrichtung, weil keine zusätzliche Energie zum Ausgleich eines Überangebotes an Heiz- bzw. Kühlleistung benötigt wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einkanal-Klimaanlage für Eisenbahnwagen mit Grossraumabteilen, mit einem von einem Aussenfühler in Abhängigkeit von der Aussentemperatur und sonstigen Ausseneinflüssen auf die Temperatur im Wageninneren gesteuerten Luftaufbereitungsaggregat, das je Abteil einen separaten Lufterhitzer und Kältemittelverdampfer aufweist, und von dem je Abteil ein separater, innerhalb des Abteils mit Ausströmöffnungen versehener Kanal ausgeht, und mit in jedem Abteil angeordnetem, bezüglich seiner Steuertemperatur verstellbaren, mit einem Thermostatenrelais zusammenwirkenden Raumthermostaten zur Regelung der dem Abteil zugeführten Wärmebzw. Kälteleistung, gekennzeichnet durch einen für alle Abteile (21, 22, 23) gemeinsamen, als.
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