Klimatisierungsanordnung für einen Innenraum eines Fahrzeugs

Die Erfindung bezieht sich auf eine Klimatisierungsanordnung für einen Innenraum eines Fahrzeugs nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Danach umfasst die Klimatisierungsanordnung ein Klimagerät zur Bereitstellung von klimatisierter Raumluft und ein in dem Innenraum angeordnetes Kühlaggregat, das einen Kältekreis aufweist, der zur Entwärmung eines Kältemittels des Kältekreises einen Wärmetauscher aufweist, der mit der Raumluft beaufschlagt ist.

Eine solche Klimatisierungsanordnung liegt beispielsweise in Innenräumen von Fahrzeugen, insbesondere Schienenfahrzeugen, vor. So ist der Innenraum einer Bordküche, was seine Raumluft angeht, mittels eines Klimagerätes klimatisiert, welches we sentliche Parameter der Raumluft, wie Temperatur und Feuch tigkeit, gemäß vorgegebenen Werten bereitstellt. In einer solchen Bordküche sind zudem Kühlaggregate vorgesehen, die beispielsweise bei Kühlschränken, Gefrierschränken, gekühlten Vitrinen usw. zum Bereitstellen von Kälteleistung dienen.

Eine Entwärmung eines Kältemittels des Kühlaggregats erfolgt am Wärmeübertrager/Kondensator des Kühlaggregats, und zwar mitttels der in dem Innenraum vorhandenen Raumluft.

Bei einer solchen Klimatisierungsanordnung besteht die Aufga be, die Abwärme eines Kühlaggregates möglichst effizient ab zuführen .

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Klimatisierungsanordnung nach Anspruch 1.

Danach zeichnet sich die eingangs beschriebene Klimatisie rungsanordnung dadurch aus, dass der Wärmetauscher räumlich in einen Heißgasabschnitt und in einen Niedertemperaturab schnitt aufgeteilt ist, die zum Entwärmen des Wärmetauschers angesaugte Raumluft in einen Fortluftanteil und einen Umluft anteil aufgeteilt ist, wobei der Niedertemperaturabschnitt des Wärmetauschers mit dem Umluftanteil der Raumluft und der Heißgasabschnitt des Wärmtauschers mit dem Fortluftanteil der Raumluft beaufschlagt ist.

Durch die Maßnahme, den Heißgasabschnitt mit dem Fortluftan teil und den Niedertemperaturabschnitt mit dem Umluftanteil zu beaufschlagen, wird erreicht, dass der in den Innenraum des Fahrzeugs zurückzuleitenden Umluftanteil eine vergleichs weise niedrige Temperatur aufweist, so dass das Klimagerät, welches die Raumluft für den Innenraum des Fahrzeugs bereit stellt, mit geringerer (Kälte-)Leistung betrieben werden kann. Demgegenüber wird der Heißgasabschnitt des Wärmetau schers mit dem Fortluftanteil beaufschlagt, der nach Passie ren des Heißgasabschnitts aus dem Fahrzeug abgeführt wird.

Es ist insbesondere auch möglich, dass der Niedertemperatur abschnitt nicht nur mit der später als Umluft zum Klimagerät zu fördernden Luft beaufschlagt wird, sondern mit einem Ge- samt-Luftstrom, der erst nach einem Passieren des Niedertem peraturabschnitts in einen Umluft- und einen weiter zum Heiß gasabschnitt zu führenden Fortluftanteil aufgeteilt wird.

Grundsätzlich sind als Wärmetauscher für das Kühlaggregat Wärmetauscher aller Art einsetzbar. Es ist jedoch bevorzugt, dass der Wärmetauscher bzw. Kondensator des Kältekreises als Kreuzgegenstrom-Wärmetauscher ausgebildet ist, da sich diese Bauart durch eine besonders hohe Effizienz bei den gegebenen Randbedingungen in einem Fahrzeug aufweist.

Der Heißgasabschnitt und der Niedertemperaturabschnitt des Wärmetauschers können unmittelbar aneinander angrenzen. Al ternativ dazu ist es möglich, dass eine räumliche Trennung des Heißgasabschnitts und des Niedertemperaturabschnitts des Wärmetauschers vorgesehen ist. In einer Weiterbildung der Erfindung ist dem Heißgasabschnitt ein Lüfter zum Ansaugen des Fortluftanteils aus der Raumluft und dem Niedertemperaturabschnitt ein Lüfter zum Ansaugen des Umluftanteils aus der Raumluft zugeordnet.Bei dieser Ausfüh rungsform findet die Ansaugung von Kühlluft (spätere Umluft oder Fortluft) getrennt voneinander statt. Dem Heißgasab schnitt wird der Fortluftanteil und dem Niedertemperaturab schnitt wird der Umluftanteil der Raumluft unmittelbar zuge leitet.

Alternativ dazu ist es möglich, eine zwischen dem Heißgasab schnitt und dem Niedertemperaturabschnitt angeordnete Luft verteileinrichtung vorzusehen, welche die angesaugte Raumluft in den Fortluftanteil und den Umluftanteil aufteilt. Bei die ser Ausführungsform passiert die gesamte, z. B. mittels eines Lüfters angesaugte Raumluft den Niedertemperaturabschnitt des Kälteaggregats. Auf einer Austrittsseite des Niedertempera turabschnitts koppelt die Luftverteileinrichtung einen Um luftanteil aus dem dort vorliegenden Luftstrom aus und leitet diesen zurück in den Innenraum des Fahrzeugs. Ein verbleiben der Fortluftanteil der angesaugten Raumluft wird weiter zum Heißgasabschnitt des Wärmetauschers geführt und entwärmt das Kühlmittel des Kältekreises des Kühlaggregats in dem Heißgas abschnitt .

Vorzugsweise ist der Volumenstrom des Fortluftanteils kleiner als der Volumenstrom des Umluftanteils. Da der Fortluftanteil mit wesentlich höherer Temperatur den Wärmetauscher verlässt, als der Umluftanteil ist es grundsätzlich von Vorteil, wenn der Umluftanteil im Vergleich zum Fortluftanteil groß ist. Allerdings ist zu beachten, dass die erforderliche Endtempe ratur des Kühlmittels, die bei Verlassen des Wärmetauschers vorliegen muss, auch erreicht wird. Je nach Anwendungsfall gibt es somit einzuhaltende Randbedingungen für ein Mindes tanteil der Raumluft, der als Fortluft abzuführen ist.

Vorzugsweise beträgt der Volumenstrom des Fortluftanteils we niger als 40% des Volumenstroms der angesaugten Raumluft. Das Kühlaggregat kann insbesondere als Gaskühler ausgeführt sein, bei dem der Heißgasabschnitt und der Niedertemperatur abschnitt jeweils räumlich voneinander getrennt und allgemein rechtwinklig, ggf. mit denselben Breitenabmessungen, ausge bildet sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch näher erläutert, wobei gleiche Komponenten mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Klimatisie rungsanordnung für einen Fahrzeuginnenraum in einer ersten Ausführungsform,

Figur 2 eine schematische Darstellung einer strömungstech- nischen Verschaltung der Klimatisierungsanordnung von Figur 1,

Figur 3 eine schematische, grafische Darstellung von Tempe raturverläufen eines Heißgasabschnitts der Klimati sierungsanordnung von Figur 1,

Figur 4 eine schematische grafische Darstellung von Tempe raturverläufen eines Niedertemperaturabschnitts der Klimatisierungsanordnung von Figur 1,

Figur 5 eine schematische Darstellung einer Klimatisie rungsanordnung für einen Fahrzeuginnenraum in einer zweiten Ausführungsform,

Figur 6 eine schematische Darstellung einer strömungstech- nischen Verschaltung der Klimatisierungsanordnung von Figur 5, Figur 7 eine schematische, grafische Darstellung von Tempe raturverläufen eines Heißgasabschnitts der Klimati sierungsanordnung von Figur 5 und

Figur 8 eine schematische grafische Darstellung von Tempe raturverläufen eines Niedertemperaturabschnitts der Klimatisierungsanordnung von Figur 5.

Die Figuren 1 bis 4 veranschaulichen eine erste Ausführungs form einer Klimatisierungsanordnung für eine Bordküche als Beispiel für einen Innenraum eines Fahrzeugs, insbesondere Schienenfahrzeugs. Ein Klimagerät 1 stellt für den Innenraum des Fahrzeugs klimatisierte Raumluft 2 bereit. In dem Innen raum des Fahrzeugs ist ein Kühlaggregat, im vorliegenden Aus führungsbeispiel ein Gaskühler 3 angeordnet, der zum Bereit stellen von Kälteleistung für beispielsweise Kühlschränke, Gefrierschränke, gekühlte Vitrinen eingesetzt wird. Der Gas kühler 3 wird mit einem Kältemittel betrieben, das in einem Kältekreis 4 geführt ist. Figur 1 zeigt aus Gründen der Über sichtlichkeit lediglich einen als Wärmetauscher ausgeführten Kondensator dieses Kältekreises 4, der zum Entwärmen des Käl temittels verwendet wird.

Der Kondensator ist räumlich in einen Heißgasabschnitt 5 und einen Niedertemperaturabschnitt 6 aufgeteilt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist dem Heißgasabschnitt 5 ein Lüfter 7 und dem Niedertemperaturabschnitt 6 ein Lüfter 8 zugeordnet. Sowohl der Lüfter 7 als auch der Lüfter 8 saugen Raumluft 2 aus dem Innenraum des Fahrzeugs an. Dabei kann beispielshal ber der von dem Lüfter 7 geförderte Luftvolumenstrom 350m ³ /h und der von dem Lüfter 8 geförderte Luftvolumenstrom 500m ³ /h betragen .

Mit Hilfe des Lüfters 8 wird an dem Niedertemperaturabschnitt 6 Raumluft vorbeigeführt, die nach Passieren des Niedertempe raturabschnitts 6 als Umluft 9 zum Klimagerät 1 zurückgeführt wird. Das Klimagerät 1 bereitet die Umluft 9 hinsichtlich Temperatur und Feuchtigkeit derart auf, dass sie wiederum als Raumluft 2 in den Innenraum des Fahrzeugs abgegeben werden kann. Typischer Weise handelt es sich bei der Raumluft 2 um ein Gemisch aus der Umluft 9 und aus einer Umgebung des Fahr zeugs angesaugter Frischluft.

Die von dem Lüfter 7 angesaugte Raumluft passiert den Heiß gasabschnitt 5 und wird sodann als Fortluft 10 nach außerhalb des Fahrzeugs abgeführt.

Die Wechselwirkung der jeweils angesaugten Raumluft 2 mit dem Niedertemperaturabschnitt 6 und dem Heißgasabschnitt 5 geht näher aus Figur 2 hervor. Die Struktur des Wärmetauschers, der den Kondensator des Kältekreises des Gaskühlers 3 bildet, entspricht derjenigen eines Kreuzgegenstromwärmetauschers. Im Bereich einer Verteilerleitung 11 beträgt die Temperatur des in den Heißgasabschnitt 5 einströmenden Kältemittels 90°C. Zwischen der Verteilerleitung 11 und einer Sammlerleitung 12 ist eine Leitungsanordnung 13 vorgesehen, in deren Bereich der Heißgasabschnitt 5 mit Raumluft zur Entwärmung des Käl temittels wechselwirkt. Das hat zur Folge, dass die Tempera tur des Kühlmittels in einer Sammlerleitung 1265°C beträgt. Dieser Temperaturverlauf für das Kühlmittel ergibt sich auch aus Figur 3, wobei eine Kurve Kl den Temperaturverlauf des Kühlmittels und eine Kurve LI einen Temperaturverlauf für die Raumluft 2 darstellt, jeweils über die Strecke zwischen der Sammlerleitung 12 und der Verteilerleitung 11. Die zum Kühlen des Kühlmittels im Bereich des Heißgasabschnitts 5 verwendete Raumluft 2 wird nach Passieren des Heißgasabschnitts 5 als die Fortluft 10 abgeführt. Dabei ist die Leistung des Lüfters 7 so bemessen, dass etwa 350m ³ /h an Raumluft 2 im Bereich des Heißgasabschnitts 5 angesaugt werden.

Das im Bereich des Heißgasabschnitts 5 auf eine Temperatur von 65°C abgekühlte Kältemittel wird mittels einer Strömungs leitung 13 zu einer Verteilerleitung 14 des Niedertemperatur abschnitts 6 geführt. Wiederum ist zwischen der Verteilerlei tung 14 und einer Sammlerleitung 15 des Niedertemperaturab schnitts 6 eine Leitungsanordnung 16 angeordnet, in deren Be- reich eine Wechselwirkung zwischen der Raumluft 2 und dem Kältemittel des Kältekreises des Gaskühlers 3 von Statten geht. Im Bereich der Sammlerleitung 15 beträgt die Kühlmit teltemperatur im vorliegend erläuterten Beispiel 45°C. Die Raumluft 2, welche den Niedertemperaturabschnitt 6 passiert hat, wird als Umluft 9 zur Nachbehandlung dem Klimagerät 1 zugeführt.

Figur 4 zeigt schematisch die Temperaturverläufe K2 und L2 für das Kältemittel bzw. die Raumluft im Bereich des Nieder temperaturabschnitts 6.

Sowohl im Bereich des Heißgasabschnitts 5 als auch im Bereich des Niedertemperaturabschnitts 6 beträgt die Temperatur der angesaugten Raumluft 32°C. Die Temperatur der Umluft 9 liegt bei 36°C, so dass das Klimagerät 1, welches die Raumluft 2 für den Innenraum des Fahrzeugs bereitstellt, lediglich ver gleichsweise wenig Kälteleistung aufbringen muss, um eine ge wünschte Solltemperatur für die in den Fahrgastinnenraum ein zuleitende Raumluft 2 bereitzustellen.

Die Figuren 5, 6, 7, 8 veranschaulichen ein zweites Ausfüh rungsbeispiel, bei dem im Vergleich zum ersten Ausführungs beispiel ausschließlich die Art der Ansaugung der Raumluft 2 im Bereich des Heißgasabschnitts 5 und die Art der Führung der Umluft 9 von dem Niedertemperaturabschnitt 6 zum Klimage rät 1 geändert ist.

Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel wird bei der Kli matisierungsanordnung nach Figur 5 auf einen Lüfter zum un mittelbaren Ansaugen von Raumluft 2 für den Heißgasabschnitt 5 verzichtet. Stattdessen wird Raumluft 2 ausschließlich durch den Lüfter 8 angesaugt, der dem Niedertemperaturab schnitt 6 zugeordnet ist. Sämtliche angesaugte Raumluft 2 wird nach Passieren des Niedertemperaturabschnitts 6 in Rich tung auf den Heißgasabschnitt 5 geführt. Auf diesem Strö mungsweg ist jedoch eine Luftverteileinrichtung 17, die als Leitblech ausgeführt sein kann, angeordnet. Diese Luftvertei- leinrichtung 17 koppelt aus dem von dem Niedertemperaturab schnitt 6 kommenden Luftstrom einen Anteil aus, der als die Umluft 9 zum Klimagerät 1 zu führen ist. Ein nicht ausgekop pelter Anteil des Luftstroms, der von dem Niedertemperaturab schnitt 6 kommt, wird dem Heißgasabschnitt 5 zugeleitet und verlässt den Gaskühler 3 als die Fortluft 10.

Wie aus Figur 6 hervorgeht, saugt der Lüfter 8 beispielsweise einen Luftvolumenstrom von 1000m ³ /h an, nach Verlassen des Niedertemperaturabschnitts 6 wird ein Anteil von 650m ³ /h als Umluft 9 ausgekoppelt, während verbleibende 350m ³ /h dem Heiß gasabschnitt 5 zugeleitet werden und diesen als die Fortluft 10 verlassen.

Für die Temperaturverläufe des Kühlmittels und der den Heiß gasabschnitt 5 passierenden Luft ergeben sich die Kurven K3, L3 von Figur 7. Die Verhältnisse am Niedertemperaturabschnitt 6 gehen aus Figur 8 hervor, vgl. die Temperaturverläufe K4,

L4. Es ist ersichtlich, dass an der Verteilerleitung 11 des Heißgasabschnitts 5 das Kühlmittel eine Temperatur von 90°C aufweist, die nach Wechselwirkung mit dem Fortluftstrom 10 im Bereich der Sammlerleitung 12 des Heißgasabschnitts 5 auf 65°C abgesunken ist. Im Bereich des Niedertemperaturab schnitts 6 sinkt die Kühlmitteltemperatur von 65°C auf 45°C.

Die Kurve L4 von Figur 8 veranschaulicht, dass die Temperatur des Luftstroms nach Passieren des Niedertemperaturabschnitts 6 34°C beträgt. Dies ist die Temperatur, die dann näherungs weise auch am Klimagerät 1 für die Umluft 9 vorliegt. Im Ver gleich zum ersten Ausführungsbeispiel ist die Umlufttempera tur somit 2°C niedriger, so dass die Leistungsanforderungen an das Klimagerät 1 zum Konditionieren der Umluft 9 insgesamt günstiger sind.