Тяговый модуль железнодорожного транспортного средства с устройством охлаждения, способ работы такого модуля и железнодорожное транспортное средство

Изобретение относится к тяговому модулю (10) железнодорожного транспортного средства. Тяговый модуль содержит элементы (16, 17, 18) электрооборудования и устройство (20) охлаждения. Устройство (20) охлаждения содержит первый и второй контуры текучей среды, пересекающие соответственно первую (38, 39) и вторую (40) области теплообмена с указанными элементами электрооборудования, а также первый (34) и второй (36) теплообменники, пересекаемые соответственно указанным первым (54) и вторым (60) контурами текучей среды и обеспечивающие теплообмен между указанной текучей средой и первым воздушным потоком (32). Контуры текучей среды имеют первый общий трубопровод (70, 71, 54) для циркуляции текучей среды, который пересекает первый теплообменник (34) и затем разделяется на параллельно продолжающиеся второй (60) и третий (62) трубопроводы, причем второй трубопровод (60), являясь частью второго контура текучей среды, сначала пересекает второй теплообменник (36), а затем вторую область (40) теплообмена. Достигается регулировка охлаждения элементов электрооборудования тягового модуля. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к тяговому модулю железнодорожного транспортного средства, содержащему первый и второй элементы электрооборудования, а также устройство охлаждения, обеспечивающее рассеивание тепла, выделяемого указанным первым и вторым элементами электрооборудования. Устройство охлаждения содержит первый и второй контуры для текучей среды, соответственно пересекающие область теплообмена с первым и вторым элементом электрооборудования, при этом как первый, так и второй контуры для текучей среды являются замкнутыми, а первый и второй теплообменники пересечены первым и вторым контурами для текучей среды и обеспечивают теплообмен между указанной текучей средой и первым воздушным потоком.

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, в частности, к транспортным средствам с электрической тягой, например, к локомотивам и самоходным машинам.

Под понятием «тяговый модуль» понимается определенная часть тягового транспортного средства, приспособленная для управления тяговыми двигателями этого транспортного средства.

Обычно устройство охлаждения обеспечивает охлаждение некоторых элементов электрооборудования, таких как силовой модуль или трансформатор, для предотвращения их перегрева.

Элементы электрооборудования, входящие в состав тяговых модулей высокой мощности, достаточно трудно охладить до комнатной температуры посредством охлаждающих устройств, таких как теплообменники типа воздух/воздух. Тяговые модули, как правило, расположены в помещении технического обслуживания, в котором температура повышена в связи с выделением тепла указанными элементами электрооборудования, а также другими электрическими устройствами.

Из патентного документа US 2007/0051490 известно, что охлаждение элементов электрооборудования обеспечивают контуры с охлаждающей текучей средой, при этом охлаждающая текучая среда, в свою очередь, охлаждается потоком наружного воздуха.

В этом документе, в частности, оценена способность двух разных контуров с охлаждающей текучей средой обеспечивать охлаждение конкретных элементов электрооборудования.

Задача изобретения является создание простого в изготовлении тягового модуля, приспособленного в первую очередь для регулировки охлаждения конкретных элементов электрооборудования указанного модуля.

Поставленная задача решается тяговым модулем согласно изобретению, в котором первый и второй контуры для текучей среды имеют первый общий трубопровод для циркуляции текучей среды, пересекающий первый теплообменник, при этом на выходе из первого теплообменника указанный первый трубопровод соединен со вторым и третьим трубопроводами для циркуляции текучей среды, которые проходят параллельно друг другу, причем указанный второй трубопровод является частью второго контура текучей среды, пересекая сначала второй теплообменник, а затем область теплообмена со вторыми элементами электрооборудования.

Согласно предпочтительным вариантам выполнения, тяговый модуль имеет одну или несколько следующих особенностей, взятых по отдельности или в любых технически возможных комбинациях:

– устройство охлаждения дополнительно содержит регулятор расхода текучей среды во втором и/или третьем параллельных трубопроводах;

– регулятор расхода текучей среды, а также второй и третий трубопроводы сконфигурированы так, что во втором трубопроводе расход текучей среды меньше, чем в третьем трубопроводе;

– область теплообмена с первыми элементами электрооборудования расположена на первом общем трубопроводе для циркуляции текучей среды;

– область теплообмена с первыми элементами электрооборудования образована по меньшей мере двумя теплообменными блоками, расположенными параллельно ответвлениям первого контура текучей среды;

– тяговый модуль содержит первый вентилятор, приспособленный для создания первого воздушного потока, пересекающего первый и второй теплообменники;

– тяговый блок имеет конфигурацию, при которой первый и второй теплообменники расположены параллельно в первом воздушном потоке;

– тяговый модуль содержит изолированный от первого воздушного потока закрытый отсек, в котором расположены первые и вторые элементы электрооборудования;

– устройство охлаждения содержит второй вентилятор, приспособленный для создания второго воздушного потока по направлению ко вторым элементам электрооборудования, при этом область теплообмена между вторыми элементами электрооборудования содержит третий теплообменник, расположенный между вторым вентилятором и вторыми элементами электрооборудования и приспособленный для охлаждения второго воздушного потока выше по потоку от вторых элементов электрооборудования.

Изобретение также относится к способу работы тягового модуля, включающему в себя этапы, на которых: обеспечивают циркуляцию теплоносителя по первому общему трубопроводу, пересекающему первый теплообменник, при этом посредством теплообмена с первым воздушным потоком температуру указанного теплоносителя на выходе из первого теплообменника снижают до первого значения; обеспечивают циркуляцию первой и второй частей указанного теплоносителя во втором и третьем параллельных трубопроводах, соответственно, при этом первая часть теплоносителя пересекает второй теплообменник так, что температура указанного теплоносителя посредством теплообмена с первым воздушным потоком снижается до второго значения, после чего указанная первая часть теплоносителя пересекает область теплообмена со вторыми элементами электрооборудования; теплоноситель или вторая часть теплоносителя при температуре, превышающей второе значение, пересекает область теплообмена с первыми элементами электрооборудования.

Изобретение также относится к железнодорожному транспортному средству, содержащему по меньшей мере один тяговый электродвигатель, регулируемый посредством описанного выше тягового модуля.

Далее описан вариант осуществления изобретения со ссылками на чертежи.

На фиг. 1 показана схема тягового модуля согласно одному из вариантов осуществления изобретения;

на фиг. 2 – схема электронного блока регулирования тягового модуля по фиг. 1.

Как показано на фиг. 1, тяговый модуль 10 железнодорожного транспортного средства согласно одному из вариантов осуществления изобретения содержит закрытый отсек 12 и вентиляционную колонну 14. В закрытом отсеке 12 модуля 10 расположены первые элементы 16, 17 электрооборудования и второй элемент 18 электрооборудования.

Модуль 10 также включает в себя устройство 20 охлаждения, приспособленное для отвода из закрытого отсека 12 тепла, выделяемого первыми 16, 17 и вторым 18 элементами электрооборудования.

Устройство 20 охлаждения расположено в закрытом отсеке 12 и в вентиляционной колонне 14.

Закрытый отсек 12 ограничен кожухом 22, который на фиг. 1 показан пунктирными линиями. Предпочтительно, кожух 22 является воздухонепроницаемым. Точнее, закрытый отсек 12 заполнен воздухом и ограничен кожухом 22.

Второй элемент 18 электрооборудования предпочтительно содержит важные для работы тягового модуля 10 компоненты, требующие поддержания подходящей температуры. В представленном на фиг. 1 варианте выполнения второй элемент 18 электрооборудования является блоком управления тяговыми двигателями железнодорожного транспортного средства.

Предпочтительно первые элементы 16, 17 электрооборудования содержат компоненты, для которых в процессе работы тягового модуля 10 поддержание подходящей температуры является менее приоритетным по сравнению со вторым элементом 18 электрооборудования. Первые элементы 16, 17 электрооборудования, например, содержат схемы обработки электрического тока, проходящего от наружного по отношению к железнодорожному транспортному средству источника электрической энергии, такого как контактный провод.

Вентиляционная колонна 14 содержит вентиляционный канал 24, проходящий через тяговый модуль 10, например, вертикально. Канал 24 имеет впускное 26 и выпускное 28 отверстия для воздуха, причем указанные отверстия находятся снаружи модуля 10.

Вентиляционная колонна 14 дополнительно содержит первый вентилятор 30, создающий поток 32 атмосферного воздуха между впускным 26 и выпускным 28 отверстиями вентиляционного канала 24.

Устройство 20 охлаждения содержит первый 34 и второй 36 теплообменники, расположенные в вентиляционном канале 24. Первый 34 и второй 36 теплообменники представляют собой теплообменники типа воздух/текучая среда, предпочтительно, типа воздух/жидкость. Первый 34 и второй 36 теплообменники могут быть, например, ребристыми радиаторами или теплообменниками пластинчатого или брускового типа.

Предпочтительно, мощность первого теплообменника 34 значительно больше мощности второго теплообменника 36. В частности, поверхность теплообмена первого теплообменника 34 значительно больше поверхности теплообмена второго теплообменника 36. Например, отношение площадей поверхности теплообмена второго теплообменника 36 и первого теплообменника 34 составляет от 5 до 10%.

Предпочтительно в вентиляционном канале 24 первый 34 и второй 36 теплообменники расположены параллельно. Таким образом, поток 32 наружного воздуха включает в себя две части, каждая из которых проходит через один из указанных теплообменников 34 и 36. Предпочтительно, указанные первый и второй теплообменники 34 и 36 выполнены в виде единого блока и расположены, например, горизонтально бок о бок в канале 24.

Устройство 20 охлаждения дополнительно содержит третьи теплообменники 38, 39 для рассеивания тепла, выделяемого первыми элементами 16, 17 электрооборудования. Указанные третьи теплообменники расположены в закрытом отсеке 12. Как будет описано далее, контур теплоносителя может пересекать каждый из третьих теплообменников 38, 39.

Каждый из третьих теплообменников 38, 39 представляет собой, например, водяной радиатор или охладитель пластинчатого типа, и находится в тепловом контакте с одним из первых элементов электрооборудования 16, 17 для рассеивания выделяемого ими тепла посредством теплопроводности водяного контура.

Третьи теплообменники 38, 39 определяют область теплообмена с первыми элементами 16, 17 электрооборудования.

В варианте выполнения, показанном на фиг. 1, модуль 10 содержит несколько третьих теплообменников 38, 39. В качестве альтернативы (не показано), модуль 10 содержит один третий теплообменник, которым оснащен один из первых элементов 16, 17 электрооборудования.

Устройство 20 охлаждения дополнительно содержит расположенный в закрытом отсеке 12 четвертый теплообменник 40. Контур теплоносителя может пересекать указанный четвертый теплообменник 40.

Четвертый теплообменник 40 приспособлен для рассеивания тепла, выделяемого вторым элементом 18 электрооборудования. Поскольку калории из окружающего воздуха передаются в водяной контур, указанный четвертый теплообменник 40 также обеспечивает снижение температуры окружающей среды, то есть охлаждение.

Четвертый теплообменник 40 определяет область теплообмена со вторым элементом 18 электрооборудования.

В варианте выполнения, показанном на фиг. 1, четвертый теплообменник 40 является теплообменником типа воздух/текучая среда, предпочтительно, воздух/жидкость. В качестве альтернативы (не показано), четвертый теплообменник 40, находящийся в тепловом контакте со вторым элементом 18 электрооборудования, представляет собой радиатор.

В варианте выполнения, показанном на фиг. 1, устройство 20 охлаждения дополнительно содержит второй вентилятор 42, расположенный в закрытом отсеке 12. Второй вентилятор 42 приспособлен для создания внутреннего воздушного потока 44 между четвертым теплообменником 40 и вторым элементом 18 электрооборудования.

В качестве альтернативы (не показано), модуль 10 может включать в себя несколько четвертых теплообменников для нескольких вторых элементов электрооборудования, как описано выше.

Устройство 20 охлаждения дополнительно содержит контур 50 теплоносителя. Контур 50 является замкнутым и внутренним по отношению к тяговому модулю 10. Контур 50 приспособлен для обеспечения циркуляции теплоносителя между закрытым отсеком 12 и вентиляционной колонной 14.

В частности, контур 50 содержит циркуляционный насос 52, приспособленный для перемещения теплоносителя по направлению циркуляции. Предпочтительно, теплоноситель представляет собой жидкость, например, воду с добавкой, в частности, воду с этиленгликолем.

Контур 50 содержит первый трубопровод 54 для текучей среды, проходящий между впускным 56 и выпускным 58 отверстиями. На первом трубопроводе 54 расположен первый теплообменник 34. В варианте выполнения, показанном на фиг. 1, на первом трубопроводе 54 также расположен циркуляционный насос 52.

Контур 50 на выпускном отверстии 58 разветвляется на проходящие параллельно второй 60 и третий 62 трубопроводы. В соединительной точке 64 указанные второй 60 и третий 62 трубопроводы соединяются между собой.

Второй трубопровод 60 достигает соединительной точки 64, проходя последовательно через второй теплообменник 36, расположенный в вентиляционной колонне 14, а затем через четвертый теплообменник 40, расположенный в закрытом отсеке 12.

Контур 50 включает в себя регулятор 66 расхода теплоносителя, позволяющий регулировать соотношение расходов теплоносителя между вторым трубопроводом 60 и третьим трубопроводом 62. Предпочтительно, регулятор 66, а также второй 60 и третий 62 трубопроводы выполнены так, чтобы во втором трубопроводе 60 расход теплоносителя был меньше, чем в третьем трубопроводе 62.

В варианте выполнения, показанном на фиг. 1, регулятор 66 является устройством диафрагменного типа и установлен во втором трубопроводе 60. Диафрагма 66 обеспечивает заданное соотношение расходов теплоносителя между вторым 60 и третьим 62 трубопроводами.

Согласно альтернативному варианту выполнения (не показан), регулятор 66 представляет собой трехлинейный распределитель, расположенный на выпускном отверстии 58 первого трубопровода 54 для изменения соотношения расходов текучей среды в трубопроводах.

Предпочтительно контур 50 дополнительно содержит один или несколько датчиков 68 температуры теплоносителя. Например, указанный датчик(и), установлен во втором трубопроводе 60, выше по потоку и/или ниже по потоку четвертого теплообменника 40. Предпочтительно, датчик установлен ниже по потоку от соединительной точки 64 трубопровода для регулирования температуры непосредственно во впускном отверстии третьих теплообменников 38, 39. В варианте выполнения, показанном на фиг. 1, между соединительной точкой 64 и впускным отверстием 56 первого трубопровода 54 выполнено несколько ответвлений 70, 71 контура 50, проходящих параллельно. Каждое из параллельных ответвлений 70, 71 пересекает один из третьих теплообменников 38, 39, соответственно, связанных с первыми элементами 16, 17 электрооборудования.

Согласно альтернативному варианту выполнения (не показан), параллельные ответвления 70, 71, пересекающие третьи теплообменники 38, 39, образуют выше по потоку от соединительной точки 64 трубопровода часть третьего трубопровода 62.

Согласно другому альтернативному варианту выполнения (не показан), третьи теплообменники 38, 39 или некоторые из третьих теплообменников 38, 39 установлены в контуре 50 последовательно.

Согласно варианту выполнения, показанному на фиг. 1, модуль 10 дополнительно содержит электронный регулирующий модуль 80, схематично показанный на фиг. 2. Используемый в указанном варианте выполнения регулятор 66 представляет собой клапан с электромагнитным управлением и приспособлен для изменения соотношения расхода теплоносителя между вторым 60 и третьим 62 трубопроводами.

В частности, электронный модуль 80 содержит микропроцессор 82, программную память 84 и по меньшей мере одну коммуникационную шину 86. Посредством интерфейса 88 обеспечивается связь модуля 80 с указанным температурным датчиком (датчиками) 68 на регуляторе 66 и, если требуется, с датчиками на циркуляционном насосе 52 и/или на первом 30 и/или на втором 42 вентиляторе.

Программа 90 хранится в памяти 84. Программа 90, в частности, приспособлена для регулирования регулятора 66 для изменения расхода во втором трубопроводе 60 в зависимости от показаний датчика (датчиков) 68, измеряющего температуру, или согласно разности измеренных температур. При необходимости программа 90 может регулировать работу циркуляционного насоса 52 и/или регулировать скорость вращения первого 30 и/или второго 42 вентилятора.

Согласно другому варианту выполнения модуль 10 на фиг. 1 не содержит каких-либо электронных регулирующих устройств, в частности, когда регулятор 66 представляет собой нерегулируемое устройство диафрагменного типа.

Далее будет описан способ работы тягового модуля 10. В процессе работы первых 16, 17 и второго 18 элементов электрооборудования происходит повышение температуры указанных элементов, что усугубляется их размещением в закрытом отсеке 12.

Чтобы не допустить перегрева указанных элементов электрооборудования имеется первый вентилятор 30, создающий наружный воздушный поток 32 для охлаждения теплоносителя, пересекающего первый теплообменник 34. Считается, что во впускном отверстии 58 первого теплообменника 34 теплоноситель имеет первую температуру T₁. Указанная первая температура T₁ теплоносителя выше температуры наружного воздушного потока 32, поступающего в воздушный канал 24 через впускное отверстие 26.

Ниже по потоку от выпускного отверстия 58 регулятор 66 распределяет теплоноситель между вторым 60 и третьим 62 трубопроводами. Текучая среда, циркулирующая во втором трубопроводе 60, пересекает второй теплообменник 36. Предпочтительно, расход текучей среды, пересекающей второй теплообменник 36, значительно меньше расхода текучей среды, пересекающей первый теплообменник 34; соотношение расходов текучей среды между вторым 36 и первым 34 теплообменниками составляет от 3% до 10%. Например, расход во втором трубопроводе 60 составляет 10 л/мин, а расход в третьем трубопроводе 62 составляет 210 л/мин.

Согласно предпочтительному варианту выполнения, теплоноситель, в связи с таким низким расходом, имеет на выходе из второго теплообменника 36 температуру T₂, которая ниже температуры T₁.

Теплоноситель, циркулирующий во втором трубопроводе 60, пересекает четвертый теплообменник 40, охлаждая внутренний воздушный поток 44, который впоследствии вступает в контакт со вторым элементом 18 электрооборудования. Благодаря описанному охлаждению внутреннего воздушного потока 44, обеспечивается наибольший эффект при конвекционном охлаждении указанного второго элемента 18 электрооборудования.

Проходящий по второму трубопроводу 60 теплоноситель, имеющий более низкую температуру Т_2, используется для охлаждения элемента 18 электрооборудования, который в модуле 10 является приоритетным.

Ниже по потоку от четвертого теплообменника 40, а именно, в соединительной точке 64 потоки теплоносителя из второго трубопровода 60 и третьего трубопровода 62 соединяются в общий поток. Затем указанная текучая среда пересекает третьи теплообменники 38, 39 для охлаждения первых элементов 16, 17 электрооборудования, которые считаются менее приоритетными. Поступающий в третьи теплообменники 38, 39 теплоноситель имеет температуру, существенно превышающую T₂.

Выходящие из третьих теплообменников 38, 39 потоки объединяются в общий поток на входе 56 трубопровода 54 для продвижения к первому теплообменнику 34.

При необходимости, чтобы внутренний воздушный поток 44 циркулировал вокруг первых элементов 16, 17 электрооборудования после охлаждения второго элемента 18 электрооборудования, внутренняя компоновка закрытого отсека 12 может быть изменена. Таким образом, внутренний воздушный поток 44 посредством конвекции может способствовать охлаждению указанных первых элементов 16, 17 электрооборудования.

Способ работы осуществляется согласно программе 90 электронного модуля 80, как описывалось выше. При необходимости, в зависимости от измеренной температурным датчиком (датчиками) 68 температуры (температур), программа 90 в реальном времени настраивает действия регулятора 66 и/или расход насоса 52 и/или скорость первого вентилятора 30 и/или второго вентилятора 42.

Тяговый модуль 10 согласно изобретению, содержащий закрытый отсек 12 и вентиляционную колонну 14, может быть реализован посредством несложной модификации известного тягового модуля. К примеру, облегчается монтаж первого 34 и второго 36 теплообменников в вентиляционном канале 24, если указанные теплообменники выполнены в виде единого блока.

1. Тяговый модуль (10) железнодорожного транспортного средства, содержащий:

первые (16, 17) и второй (18) элементы электрооборудования и

устройство (20) охлаждения, приспособленное для отвода тепла, выделяемого указанными первыми и вторым элементами электрооборудования, и включающее в себя

первый (54, 62, 70, 71) и второй (54, 60, 70, 71) замкнутые контуры текучей среды, пересекающие соответствующую область теплообмена с первыми (38, 39) и вторым (40) элементами электрооборудования, и

первый (34) и второй (36) теплообменники, пересекаемые соответствующими первым (54) и вторым (60) контурами текучей среды для обеспечения теплообмена между текучей средой и первым воздушным потоком (32),

отличающийся тем, что

первый и второй контуры текучей среды включают в себя первый общий трубопровод (70, 71, 54) для циркуляции текучей среды, пересекающий первый теплообменник (34); и

на выходе (58) первого теплообменника указанный первый трубопровод соединен со вторым (60) и третьим (62) трубопроводами, проходящими параллельно циркуляции текучей среды, при этом второй трубопровод (60) входит в состав второго контура текучей среды и сначала пересекает второй теплообменник (36), а затем область (40) теплообмена со вторыми элементами (18) электрооборудования.

2. Тяговый модуль по п. 1, отличающийся тем, что устройство (20) охлаждения дополнительно содержит регулятор (66) расхода текучей среды во втором (60) и/или третьем (62) параллельных трубопроводах.

3. Тяговый модуль по п.2, отличающийся тем, что регулятор (66), а также второй (60) и третий (62) трубопроводы сконфигурированы так, что во втором трубопроводе (60) расход текучей среды меньше, чем в третьем трубопроводе (62).

4. Тяговый модуль по любому из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что область (38, 39) теплообмена с первыми элементами электрооборудования расположена на первом общем трубопроводе (70, 71) для циркуляции текучей среды.

5. Тяговый модуль по любому из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что область теплообмена с первыми элементами электрооборудования образована по меньшей мере двумя теплообменными блоками (38, 39), расположенными параллельно ответвлениям (70, 71) первого контура для текучей среды.

6. Тяговый модуль по любому из пп. 1 или 2, содержащий первый вентилятор (30), приспособленный для создания первого воздушного потока (32), пересекающего первый (34) и второй (36) теплообменники.

7. Тяговый модуль по п. 6, отличающийся тем, что первый (34) и второй (36) теплообменники расположены параллельно в первом воздушном потоке (32).

8. Тяговый модуль по любому из пп. 6 или 7, содержащий изолированный от первого воздушного потока (32) закрытый отсек (12), в котором расположены первые (16, 17) и второй (18) элементы электрооборудования.

9. Тяговый модуль по любому из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что устройство охлаждения содержит второй вентилятор (42), приспособленный для создания второго воздушного потока (44) по направлению ко вторым элементам (18) электрооборудования, при этом

область теплообмена между вторыми элементами электрооборудования содержит третий теплообменник (40), расположенный между вторым вентилятором и вторыми элементами (18) электрооборудования и приспособленный для охлаждения второго воздушного потока выше по потоку относительно указанных вторых элементов электрооборудования.

10. Способ работы тягового модуля (10) по любому из пп. 1 или 2, включающий в себя этапы, на которых:

обеспечивают циркуляцию теплоносителя по первому общему трубопроводу (54), пересекающему первый теплообменник (34), при этом посредством теплообмена с первым воздушным потоком (32) температуру указанного теплоносителя на выходе (58) из первого теплообменника снижают до первого значения (Т₁);

обеспечивают циркуляцию первой и второй частей указанного теплоносителя во втором (60) и третьем (62) параллельных трубопроводах соответственно,

при этом первая часть теплоносителя пересекает второй теплообменник (36) так, что температура теплоносителя посредством теплообмена с первым воздушным потоком (32) снижается до второго значения (Т₂), после чего указанная первая часть теплоносителя пересекает область (40) теплообмена со вторыми элементами (18) электрооборудования, и

теплоноситель или вторая часть теплоносителя при температуре, превышающей второе значение (Т₂), пересекает область (38, 39) теплообмена с первыми элементами (16, 17) электрооборудования.

11. Железнодорожное транспортное средство, содержащее по меньшей мере один тяговый двигатель, регулируемый посредством тягового модуля (10) по любому из пп. 1 или 2.