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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Fahrzeug mit einer Kühlanlage
zur Kühlung
wenigstens einer zu entwärmenden
Komponente des Fahrzeugs und einer Klimaanlage zur Klimatisierung
eines Fahrzeuginnenraums.
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Bekanntlich
werden Klimaanlagen bei Fahrzeugen zur Personenbeförderung
zur Klimatisierung eines Innenraumes eingesetzt. Dabei sind die
Klimaanlagen zu entwärmen.
Bekannt sind dabei Entwärmungen
von Klimaanlagen über
sog. luftbeaufschlagte Verflüssiger,
in denen dem eingesetzten Kältemittel
der Klimaanlage durch Ventilatorgetriebene Beaufschlagung des Verflüssiger-Wärmeaustauschers
mit Umgebungsluft Wärme
entzogen wird. Dadurch wird das Kältemittel verflüssigt. Eine
solche Entwärmung
einer Klimaanlage erfordert große
Luftvolumenströme
und Verflüssigerflächen. Dies
beides bedingt einen entsprechend großen Bauraum in den Klimaanlagen
mit entsprechend großen
Luftzu- und Abführungseinrichtungen
und einer recht hohen elektrischen Leistungsaufnahme der Verflüssiger-Ventilatoren.
Zudem erzeugen die Ventilatoren einen erheblichen Schallpegel, der
zu Lärmbelastung
in der Umgebung des Fahrzeugs führt.
Im weiteren werden die Komponenten wie der Verflüssiger der sogenannten Kaltdampfklimaanlage
stellvertretend genannt für alle
anderen Klimaanlagen, die nach dem Prinzip des Wärmetransports arbeiten. Bei
anderen kälteerzeugenden
Klimaanlagen wie z. B. einer Kälteanlage
mit CO2 (R744) als Kältemittel spricht man beim
Verflüssiger-Wärmeaustauscher von Enthitzer.
Der Einfachheit halber wird in der Beschreibung jedoch die klassische
Kaltdampfanlage referenziert, die beschriebene Funktion beschränkt sich
aber nicht auf diese.
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Andere
zu entwärmenden
Komponenten eines Fahrzeugs, wie beispielsweise bei einem Schienenfahrzeug
ein Transformator oder ein Umrichter, werden völlig unabhängig von der vorgesehenen Klimaanlage
betrieben. Deren Kühlung
arbeitet nach dem gleichen oder einem ähnlichen Prinzip der autarken
Wärmeabfuhr
an die Umgebung. Anders ausgedrückt
heißt
dies, dass die Wärme
erzeugenden Komponenten wie Klimaanlagen, Stromrichter und Transformatoren
(ggf. auch Fahrmotoren) mittels Luft-Wärme-Übertrager und Ventilator einzeln
entwärmt
werden. Vereinzelt werden Transformatoren und Stromrichter in gemeinsamen
Kombi-Kühlanlagen
entwärmt.
Die zur Kühlung
der Wärme
abgebenden Komponenten erforderlichen Einrichtungen benötigen ebenfalls
erheblichen Bauraum.
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Ausgehend
hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeug der
eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass eine kompaktere
Bauweise der Klimaanlage ermöglicht wird.
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Diese
Aufgabe wird bei dem Fahrzeug der eingangs genannten Art dadurch
gelöst,
dass ein Verflüssiger
der Klimaanlage als Wärmeaustauscher in
Kältemittel-Fluid-Ausführung ausgebildet
ist, der Wärmeaustauscher
in der Klimaanlage angeordnet ist und eine Eingangsseite des Wärmeaustauschers zu
dessen Entwärmung
mit einer Ausgangsseite eines Wärmeaustauschers
in Luft-Fluid-Ausführung der
Kühlanlage
verbindbar ist.
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Der
Einsatz eines Wärmeaustauschers
für den
Verflüssiger
der Klimaanlagen bewirkt einen verminderten Bauraum, der für die Klimaanlage
benötigt wird.
Durch die Kopplung des Verflüssigers
an die Klimaanlage kann zudem auf den im Stand der Technik erforderlichen
Ventilator zur Entwärmung
des Verflüssigers
verzichtet werden. Als Wärme
tragendes Fluid kann beispielsweise ein Wasser/Glykol-Gemisch zum
Einsatz kommen, andere Fluide sind möglich.
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Bevorzugt
ist eine Ausgangsseite des Wärmeaustauschers
mit einer Ausgangsseite eines Heizers der Klimaanlage verbindbar, wobei
ferner die Ausgangsseite des Heizers der Klimaanlage mit einer Eingangsseite
des Wärmeaustauschers
der Kühlanlage
verbunden werden kann. Auf diese Weise wird ein geeigneter Kreislauf
für die
Entwärmung des
Fluids in dem Wärmeaustauscher
der Kühlanlage
und die Wärmeaufnahme
durch das Fluid in dem Verflüssiger
realisiert.
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Bevorzugt
lässt sich
die Klimaanlage zwischen den Betriebszuständen „Kühlen” und „Heizen” umschalten. Dazu kann die
Klimaanlage ein Umschaltventil aufweisen, wobei im Kühlbetrieb
die Ausgangsseite des Wärmeaustauschers
der Kühlanlage mit
der Eingangsseite des Wärmeaustauschers
der Klimaanlage verbunden ist, während
im Heizbetrieb eine Ausgangsseite des Umschaltventils der Klimaanlage
mit der Eingangsseite des Heizers der Klimaanlage verbunden ist.
Wenn beispielsweise auf der Eingangsseite des Umschaltventils kühles Fluid
vorliegt, wird dieses zum Kühlen
des Wärmeaustauschers
verwendet und gelangt dann zurück
zur Eingangsseite des Wärmeaustauschers
der Kühlanlage. Im
Heizfalle ist das Umschaltventil derart eingestellt, dass auf seiner
Eingangsseite vorliegendes, Abwärme
tragendes Fluid zur Eingangsseite des Heizers verbracht wird und
dort zum Aufheizen von Zuluft eingesetzt werden kann.
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Um
an der Eingangsseite des Umschaltventils der Klimaanlage sowohl
kühles
als auch heißes Fluid
bereitstellen zu können,
kann die Kühlanlage ebenfalls
ein Umschaltventil zwischen den Betriebszuständen „Kühlen” und „Heizen” aufweisen, wobei im Kühlbetrieb
eine Ausgangsseite des Heizers mit der Eingangsseite des Wärmeaustauschers
der Kühlanlage
verbunden ist, während
im Heizbetrieb eine Ausgangsseite des Umschaltventils der Kühlanlage über eine
Rohrleitung, in deren Verlauf das Fluid durch Aufnahme von Wärme, die
von einer Komponente des Fahrzeugs abgegeben wird, erwärmt wird, mit
der Eingangsseite des Umschaltventils der Klimaanlage verbunden
ist.
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Bevorzugt
ist die Ausgangsseite des Wärmeaustauschers über ein
invertiertes Drosselventil sowohl mit der Eingangs- als auch mit
der Ausgangsseite des Heizers der Klimaanlage verbindbar. Somit können zwei
definierte Anteile des von dem Verflüssiger kommenden Fluids gleichzeitig
jeweils der Eingangs- und der Ausgangsseite des Heizers zugeleitet
werden. Erwärmtes,
von dem Verflüssiger
kommendes Fluid kann beispielsweise verwendet werden, um im Bereich
des Heizers einströmende
Zuluft zum Zweck der Entfeuchtung nachzuerwärmen. Dies ermöglicht es,
dass auf eine im Stand der Technik häufig vorgesehene zusätzliche
elektrische Heizung zur Nacherwärung
nach Entfeuchtung der Zuluft verzichtet werden kann. Diese Vorgehensweise
ist besonders vorteilhaft, da bei bekannten Klimaanlagen die Entfeuchtung
als problematisch anzusehen ist. Im Kühl-Teillastbetrieb der Klimaanlage
(rund 80% des Kühlbetriebes)
und im speziellen bei recht niedrigen Außentemperaturen und niedriger
innerer Last (Personen, Sonne und andere) und aufgrund der Tatsache,
dass die Klimaanlage nur temperaturabhängig regelt, können Probleme
mit der relativen Luftfeuchtigkeit im Raum entstehen. Eine latente
Last im Fahrzeug (Feuchte) wird nicht mehr ausreichend abgeführt, da
eine Zulufttemperatur für
eine ausreichende Entfeuchtung zu hoch ist. Aus diesem Grund wird
die oben angesprochene zusätzliche
elektrische Heizung zur Entfeuchtung erforderlich.
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Das
Fahrzeug kann bevorzugt ein Schienenfahrzeug, insbesondere Doppelstock-Schienenfahrzeug
sein, wobei die Klimaanlage oberhalb eines Drehgestells in einem
Maschinenraum des Schienenfahrzeugs angeordnet ist und die zu entwärmende Komponente
sowie die Kühlanlage
räumlich
nah zueinander angeordnet sind. Dies gewährleistet, dass die erforderlichen
Rohrleitungen zum Verbinden der Kühlanlage und der Klimaanlage
von begrenzter Länge
sind, so dass über
die sich ergebenden Wegstrecken nur geringe Temperaturdifferenzen
für das Fluid
auftreten.
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Bei
der Kühlanlage
kann es sich bevorzugt um eine sog. Kombi-Kühlanlage
handeln, die kaskadierte Wärmeaustauscher
für Wärme abgebende Komponenten
im Antriebsaggregat des Schienenfahrzeugs aufweist. Der oben angesprochene,
mit der Klimaanlage in Verbindung stehende Wärmeaustauscher der Kühlanlage
ist dann Teil dieser Kaskade.
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Mit
Hilfe der vorgestellten Kombination aus der Klimaanlage und der
Kühlanlage
können
sich zusammengefasst bei geeigneter Zusammenschaltung vorgesehener
Rohrleitungen folgende Vorteile ergeben:
Der Verflüssigender
Klimaanlage wird ohne Luftbeaufschlagung eines Kältemittel-Luft-Wärmeaustauschers
mittels eines Kältemittel-Fluid-Wärmeaustauschers
entwärmt,
durch
Wärmerückkopplung
und damit Nutzung von Abwärme
aus der Kühlanlage
(Traktion, Stromrichter und/oder Transformator und/oder Dieselmotor und/oder
Brennstoffzelle oder ähnlichem
Energiewandlungssystem) kann das Fahrzeug beheizt werden,
durch
Nutzung der Wärmerückkopplung
der Kühlanlagen-Abwärme oder
auch direkt der Verflüssiger-Abwärme zur
Umleitung in einen klimaanlagen-internen Heizer kann bei Niedriglast-Kühlanforderung ein Entfeuchtungsbetrieb
durchgeführt
werden und
durch Nutzung der Abwärme von Teilsystemen als Wärmequelle
kann die Kühlanlage
als Wärmepumpe eingesetzt
werden, was bisher nur in eingeschränkten Temperaturbereichen sinnvoll
war.
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Außerdem ist
es möglich,
den Heizer der Klimaanlage unmittelbar im Wege eines freien Kühlens durch
unmittelbar von dem Wärmeaustauscher
der Kühlanlage
kommendes Fluid zu entwärmen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Blockdiagrammdarstellung einer Klimaanlage eines Fahrzeugs,
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2 eine
schematische Blockdiagrammdarstellung einer Kombination aus der
Klimaanlage von 1, einer Kühlanlage und einer Wärme abgebenden
Komponente eines Schienenfahrzeugs, wobei die Fluidführung für einen
Kühl- bzw.
Wärmepumpenbetrieb
ausgelegt ist,
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3 eine
schematisch Bockdiagrammdarstellung einer Kombination aus der Klimaanlage
von 1, einer Kühlanlage
und einer Wärme
abgebenden Komponente, wobei die Fluidfüllung für einen kombinierten Kühl-/Entfeuchungsbetrieb
ausgelegt ist,
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4 eine
schematische Blockdiagrammdarstellung einer Kombination aus der
Klimaanlage von 1, einer Kühlanlage und einer wärmeabgebenden
Komponente, wobei die Fluidführung
für einen
Heizbetrieb ausgelegt ist, und
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5 eine
schematische Blockdiagrammdarstellung einer Kombination aus der
Klimaanlage von 1, einer Kühlanlage und einer Wärme abgebenden
Komponente, wobei die Fluidfüllung
für eine freie
Kühlung
eines Heizers der Klimaanlage ausgelegt ist.
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In
den Figuren ist ein jeweiliger Strömungsverlauf für ein Fluid
durch Linien erhöhter
Dicke veranschaulicht.
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1 zeigt
schematisch eine Klimaanlage KL, wie sie beispielsweise in jedem
Wagenkasten eines Schienenfahrzeugs vorgesehen sein kann. Wesentliche
Komponenten der Klimaanlage sind ein Verflüssiger 1, ein Verdampfer 2 und
ein Heizer 3.
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Der
Verflüssiger 1 ist
als Wärmeaustauscher ausgeführt und
an zwei Kreisläufe
angeschlossen. Ein Kältemittelkreislauf 4,
bei dem beispielsweise das Kältemittel
R 134a zum Einsatz kommt, verbindet den Verflüssiger 1 mit
dem Verdampfer 2. Über
den Verdampfer 2 wird das Kältemittel durch Aufnahme von
Wärme aus
zugeführter
Zuluft 5 erwärmt,
so dass es in die Dampfphase überführt wird.
Im Verflüssiger 1 wird
das Kältemittel
aus der Dampfphase zurück
in die flüssige
Phase verbracht. Dazu muss das Kältemittel
im geeigneter Weise entwärmt
werden.
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Zur
Entwärmung
des Kältemittels
wird dem Wärmeaustauscher
Kühlmittel,
beispielsweise Wasserglykol oder ein anderes geeignetes Fluid, über eine
Leitung 6 zugeführt.
Erwärmtes
Kühlmittel
gelangt über
eine Leitung 7 von dem Wärmeaustauscher aus zu einem
invertierten Drosselventil 8. Dieses Drosselventil 8 gestattet
es, von dem Wärmeaustauscher
heran strömendes
Fluid in bestimmten Anteilen sowohl der Eingangsseite des Heizers 3 als auch
der Ausgangsseite des Heizers 3 zuzuführen. Im vorliegenden Betriebsfall
soll allein das erwärmte Kühlmittel
wieder entwärmt
werden, so dass sämtliches,
von dem Verflüssiger 1 kommendes
Kühlmittel über das
Drosselventil 8 der Ausgangsseite des Heizers 3 zugeleitet
wird und sodann einem später
beschriebenen Wärmeaustauscher
zur Entwärmung zugeleitet
wird. Dies geschieht über
eine Zuleitung 9.
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Innerhalb
der Klimaanlage KL ist auch ein Umschaltventil 10 vorgesehen,
mit dessen Hilfe die Klimaanlage KL zwischen einem Betriebszustand „Kühlen” und einem
Betriebszustand „Heizen” umschaltbar
ist. In 1 ist der Betriebszustand „Kühlen” dargestellt,
so dass das kalte Fluid ausschließlich zum Kühlen des Kühlmittels im Verflüssiger 1 verwendet
wird. Andere Betriebsfälle
für das
Umschaltventil 10 werden später erläutert.
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Im
Bereich des Heizers 3 ist außerdem ein per Motor 11 angetriebener
Ventilator 12 dargestellt. Der Ventilator 12führt die
Zuluft 5 an dem Heizer 3, der als Heizregister
ausgeführt
sein kann, vorbei, so dass die Temperatur der Zuluft 5 verändert werden kann.
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2 zeigt
nun in Kombination die Klimaanlage KL, eine Kühlanlage KU und einen Transformator
TR als Beispiel für
eine Wärme
abgebende Komponente im Antriebsstrang eines Schienenfahrzeugs. Aus 2 wird
nun ersichtlich, wie sich die Leitungen 6 und 9 aus 1 fortsetzen.
Auf der Eingangsseite des Umschaltventils 10 in der Klimaanlage
KL führt eine
Leitung 13 zu einer Ausgangsseite eines in der Kühlanlage
KU angeordneten Wärmeaustauschers 14,
der in Luft-Fluid-Ausführung vorliegt.
Weitere Ventilatoren 15, 16 mit zugehörigen Motoren 17, 18, führen Kühlluft 19 an
dem Wärmeaustauscher 14 vorbei,
so dass auf dessen Ausgangsseite entwärmtes Fluid vorliegt.
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Die
Leitung 9 von 1 setzt sich über eine Pumpe 20 fort
bis zu einer Eingangsseite eines Umschaltventils 21 der
Kühlanlage.
Das Umschaltventil 21 lässt
sich ebenfalls zwischen den Betriebsarten „Kühlen” und „Heizen” umschalten. In 2 dargestellt
ist der Betriebsfall „Kühlen”, bei dem
von der Klimaanlage KL anströmendes
Fluid über
eine Leitung 22 der Eingangsseite des Wärmeaustauschers 14 zur
Entwärmung
zugeführt
wird. Die Betriebsweise der Klimaanlage KL ist in 2 dieselbe
wie anhand von 1 erläutert. Das Zusammenwirken des
Wärmeaustauschers 14 der
Kühlanlage
KU mit dem Verflüssiger 1 der
Klimaanlage KL bewirkt somit eine Entwärmung des Kühlmittels im Bereich des Verflüssigers 1.
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Unter
Beibehaltung der Strömungsführung für das Fluid
von der Ausgangsseite des Wärmeaustauschers 14 über das
Umschaltventil 10, den Verflüssiger 1, das Drosselventil 8 bis
zur Eingangsseite des Umschaltventils 21 kann unter Modifikation
des restlichen Strömungsweges
die Klimaanlage KL auch als Wärmepumpe
eingesetzt werden. In diesem Fall wird das Umschaltventil 21 der
Kühlanlage
KU auf die Betriebsart „Heizen” umgestellt.
Dann ergibt sich von der Ausgangsseite des Umschaltventils 21 aus
der in der später
ausführlich
erläuterten 4 dargestellte
Strömungsverlauf
für das
Fluid. Im Einzelnen wird das Fluid von der Ausgangsseite des Umschaltventils 21 aus über eine
Rohrleitung 23 dem Transformator TR zugeführt, dem
im laufenden Betrieb kontinuierlich Wärme zu entziehen ist. Dies
geschieht beispielsweise über
einen Wärmeaustauscher 24,
an dem das Fluid erwärmt
wird. Das Fluid strömt
dann von der Ausgangsseite des Wärmeaustauschers 24 aus über eine
Leitung 25 zu einem Anschlusspunkt 26 für die Leitung 13,
die zur Eingangsseite des Umschaltventils 10 der Klimaanlage
führt. Auf
den Wärmeaustauscher 24 könnte aber
auch verzichtet werden, wenn das Kühlmittel des zu entwärmenden
Aggregats (in diesem Beispiel ein Transformator) mit dem der Klimaanlage
gemischt werden kann und es durch geeignete Umleitung und Regelung
in den Kreis der Klimaanlagenkühlung
einlaufen kann.
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In
dem Betriebsfall „Wärmepumpe” wird die Wirkungsweise
von Verflüssiger 1 und
Verdampfer 2 ausgetauscht, so dass der Verflüssiger 1 als
Verdampfer wirkt, während
der Verdampfer 2 als Verflüssiger arbeitet. Auf diese
Weise kann die einströmende
Zuluft 5 durch Ausnutzung der Abwärme z. B. des Transformators
TR oder eines anderen zu entwärmenden
Aggregats mit Hilfe des als Verflüssiger wirkenden Verdampfers 2 im
Bedarfsfalle erwärmt
werden. Dabei ist zu berücksichtigen,
dass der Vorteil einer hohen Leistungszahl für die Benutzung der Klimaanlage
KL als Wärmepumpe
grundsätzlich
nur in einem eingeschränkten
Außentemperaturbereich möglich ist.
Dieser Bereich kann jedoch durch die Nutzbarmachung einer externen
Wärmequelle,
wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel
die Abwärme des
Transformators TR, stark erhöht
werden.
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3 zeigt
nun die vorstehend erläuterte Kombination
in einem Betriebsfall, bei dem sowohl der Wärmeaustauscher des Verflüssigers 1 gekühlt wird
als auch die Zuluft 5 im Bereich des Heizers 3 nach
Entfeuchtung nacherwärmt
wird. Dabei ist der Strömungsverlauf
für das
Fluid im Wesentlichen derselbe wie anhand der 2 erläutert ist.
Geändert
ist der Strömungsverlauf
im Bereich des Drosselventils 8. Die vorgesehene Verzweigung
des Drosselventils 8 gestattet es, einen definierten Anteil
des von der Ausgangsseite des Wärmeaustauschers
kommenden Fluids der Eingangsseite des Heizers 3 zuzuleiten.
Mit Hilfe der so bereit gestellten Wärme kann einströmende Zuluft 5 nach
der Entfeuchtung nacherwärmt
werden. Dabei kann der Anteil an Fluid, dass der Eingangsseite des
Heizers 3 zugeleitet wird, variabel von dem an der Ausgangsseite
des Wärmeaustauschers
vorliegenden Fluid abgezweigt werden. Der verbleibende Volumenstrom
wird über
das Drosselventil 8 unmittelbar zur Ausgangsseite der Heizeinrichtung 3 geleitet,
so dass er über
die Leitung 9 in Richtung auf den Wärmeaustauscher 14 zu Entwärmungszwecken
weitergeführt
werden kann.
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4 zeigt
die vorstehend erläuterte
Kombination im Falle eines Heizbetriebes. Wie bereits anhand der
Erläuterung
der Betriebsweise „Wärmepumpe” für die Ausführung nach 2 erläutert, liegt bei
Schaltung des Umschaltventils 21 der Kühlanlage KU keine Verbindung
zwischen der Ausgangsseite des Umschaltventils 21 und der
Eingangsseite des Wärmeaustauschers 14 vor.
Vielmehr wird das Fluid von dem Umschaltventil 21 über z. B.
den Transformator TR zu dem Anschlusspunkt 26 der Leitung 13 geführt, so
dass auf der Eingangsseite des Umschaltventils 8 der Klimaanlage
KL mit Wärme
beaufschlagtes Fluid vorliegt. Bei der Betriebsart „Heizen” ist nun
auch das Umschaltventil 8 der Klimaanlage KL für den Heizbetrieb
eingestellt. Dies bedeutet, dass von der Eingangsseite des Umschaltventils 10 einströmendes Fluid
unmittelbar der Eingangsseite des Heizers 3 zugeleitet
wird, so dass es zur Erwärmung
einströmender
Zuluft 5 verwendet werden kann. Ein Kühlen des Verflüssigers 1 findet
im Heizbetrieb nicht statt. Der weitere Strömungsverlauf für das Fluid
von der Ausgangsseite des Heizers 3 aus, bis zum Umschaltventil 21 der
Kühlanlage
KU ist bereits anhand der 2 beschrieben.
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In 5 ist
nun ein weiterer Betriebsfall für die
Kombination aus Klimaanlage KL, Kühlanlage KU und Transformator
TR als Beispiel für
eine Wärme abgebende
Komponente eines Schienenfahrzeugs dargestellt. Die Betriebsweise
kann als „freie
Kühlung” bezeichnet
werden. Bei dieser Betriebsart wird die Klimaanlage KL nicht zu
Klimatisierungszwecken herangezogen. Vielmehr erfolgt eine Abkühlung einströmender Zuluft 5 ausschließlich über den
Heizer 3, an dessen Eingangsseite entwärmtes Fluid vorliegt. Dabei
ist das Umschaltventil 10 der Klimaanlage KL auf „Heizen” eingestellt,
was aber im vorliegenden Betriebsfall nicht bedeutet, dass an dem
Heizer 3 tatsächlich
Luft erwärmt
wird. Vielmehr wird das von der Ausgangsseite des Wärmeaustauschers 14 kommende
Fluid niedriger Temperatur unmittelbar über das Umschaltventil 10 der
Eingangsseite des Heizers 3 zugeführt und im Bereich des Heizers 3 durch
Aufnahme von Wärme
aus der Zuluft 5 erwärmt.
Das erwärmte
Fluid fließt
dann von der Ausgangsseite des Heizers 3 aus über das
Umschaltventil 21 der Kühlanlage
KU zur Eingangsseite des Wärmeaustauschers 14,
wo ihm die aufgenommene Wärme
wieder entzogen wird.
