Anordnung zur Kälteerzeugung für ein Triebfahrzeug

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kälteerzeugung für ein Triebfahrzeug.

Zur direkten Kühlung von Komponenten oder zur Klimatisierung von Personenaufenthaltsräumen bzw. von Nutzräumen von Trieb fahrzeugen werden Kältemaschinen und Kühlungen verwendet. Der für die Klimageräte und Kühlgeräte zur Verfügung stehende Bauraum sowie deren Gewicht werden begrenzt durch den benö tigten Bauraum und Gewicht für Traktionsanlagen, Fahr

zeugstruktur und Personen, durch vorgegebene Bogenradien und durch einzuhaltende maximale Achslasten.

Benötigte Komponenten für eine vorzunehmende Klimatisierung oder Kühlung sollen unabhängig von anderen Zugkomponenten be treibbar sein, um eine modulare und entkoppelte Klimatisie rung von Räumen oder Kühlung von Komponenten sicherzustellen.

Eine EU-Verordnung über fluorierte Treibhausgase schränkt die Verwendung von Kältemitteln mit einem hohen „Global Warming Potential" ein. Kältemittel mit einem geringen „Global War ming Potential" wiederum sind oft als brennbar eingestuft und können nur mit Einschränkungen in einer Klimatisierung eines Schienenfahrzeugs verwendet werden - beispielsweise dürfen sie nicht im sogenannten „Crashbereich" des Schienenfahrzeugs bzw. Triebfahrzeugs eingesetzt werden.

Eine Benutzung von nicht-brennbaren Kältemitteln ist möglich, jedoch weisen diese bei hohen Umgebungstemperaturen einen schlechteren Wirkungsgrad auf und resultieren in einer erheb lichen Kostensteigerung. Bei einigen Kältemitteln steigt der Betriebsdruck bei hoher Temperatur aufgrund eines transkriti schen Prozesses stark an. Entsprechend sind dann sehr hohe Druckfestigkeiten und damit sehr spezielle Komponenten nötig. Es ist bekannt, zur Kälteerzeugung in einem Schienenfahrzeug bzw. Triebfahrzeug eine Kompressionskältemaschine KKM zu ver wenden. Eine beispielhafte Ausgestaltung mit Verwendung der Kälte zur Klimatisierung ist in FIG 2 gezeigt.

Die Kompressionskältemaschine KKM weist als Hauptkomponenten einen Kompressor 1, einen Verflüssiger 2, eine Drossel 3, ei nen Verdampfer 4 und ein Trägermedium auf.

Das Trägermedium wird dazu benutzt, Kälte oder Wärme inner halb eines Kreislaufs zu transportieren.

Ein Trägermedium KM1, das die Funktion eines Kältemittels aufweist, bewegt sich in einem geschlossenen ersten Kreis lauf, bestehend aus den oben genannten Hauptkomponenten . Das Trägermedium KM1 erfährt nacheinander verschiedene Änderungen im Aggregatszustand.

Das Trägermedium KM1 des ersten Kreislaufs wird nachfolgend auch als erstes Trägermedium KM1 bezeichnet.

Das gasförmige erste Trägermedium KM1 wird durch

den Kompressor 1 verdichtet und an den nachgeschalteten Ver flüssiger 2 weitergeleitet.

Im Verflüssiger 2 kondensiert bzw. verflüssigt sich das erste Trägermedium KM1 und gibt Wärme ab. Die Wärme wird hier an die Umgebungsluft des Schienenfahrzeugs bzw. Triebfahrzeugs abgegeben. Der Verflüssiger 2 ist als Flüssigkeits-Luft- Wärmetauscher ausgebildet.

Das flüssige erste Trägermedium KM1 gelangt an die Drossel 3, die dem Verflüssiger 2 nachgeschaltet ist.

Aufgrund einer Druckänderung wird das flüssige erste Träger medium KM1 über die Drossel 3 entspannt und gelangt zum Ver dampfer 4, der der Drossel 3 nachgeschaltet ist. Im Verdampfer 4 verdampft das erste Trägermedium KM1 unter Wärmeaufnahme bei niedriger Temperatur.

Durch den Verdampfer 4 nimmt das erste Trägermedium KM1 Wärme aus einem zweiten Kreislauf auf, der ebenfalls geschlossen ist und ein Trägermedium KM2 beinhaltet. Der Verdampfer 4 ist als Flüssigkeits-Flüssigkeits-Wärmetauscher ausgebildet.

Der Verdampfer 4 ist in den zweiten Kreislauf, bestehend aus einem Kompressor 5, einem Lüfter 6, einem Wärmetauscher 7 und dem Trägermedium KM2 eingebunden.

Das Trägermedium KM2, das die Funktion eines Kälte- bzw. Wär meträgers aufweist und beispielswiese ein flüssiges Kühlmit tel ist, bewegt sich in dem geschlossenen zweiten Kreislauf, bestehend aus den oben genannten Komponenten.

Das Trägermedium KM2 erfährt dabei keine Änderungen im Aggre gatszustand.

Der Lüfter 6 transportiert Luft 12, die aus einem Nutzraum (z.B. einem Personenaufenthaltsraum, dem Führerstand des Trieb- bzw. Schienenfahrzeugs, etc.) angesaugt wird, durch den Wärmetauscher 7.

Der Wärmetauscher 7 ist als Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher ausgebildet und kühlt die ihm zugeführte Luft 12, indem er ihr Wärme entzieht und diese an das Trägermedium KM2 des zweiten Kreislaufs übergibt.

Das Trägermedium KM2 des zweiten Kreislaufs wird nachfolgend als zweites Trägermedium KM2 bezeichnet.

Das erwärmte zweite Trägermedium KM2 gelangt unter Mitwirkung des Kompressors 5 vom Wärmetauscher 7 zum Verdampfer 4. Wie geschildert entnimmt der Verdampfer 4 Wärme aus dem zwei ten Trägermedium KM2, so dass letztlich das zweite Trägerme dium KM2 abgekühlt wird.

Das abgekühlte zweite Trägermedium KM2 wird dem Wärmetauscher 7 zugeführt und dort zur Kühlung bzw. zum Wärmeentzug der zu geführten Luft 12 verwendet.

Zusammengefasst wird im zweiten Kreislauf Wärme der Luft 12 entnommen und zum Verdampfer 4 transportiert. Durch den Ver dampfer 4 wird die Wärme vom ersten Kreislauf an den zweiten Kreislauf übergeben und zum Verflüssiger 2 transportiert. Durch den Verflüssiger 2 wird die Wärme vom ersten Kreislauf an die Umwelt abgegeben.

Aufgrund der verwendeten Wärmetauscher 2, 4 und 7 weisen die gekoppelten Kreisläufe eine begrenzte Gesamtkühlleistung auf.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbes serte Anordnung zur Kälteerzeugung für ein Triebfahrzeug, insbesondere für Aufenthaltsräume oder Nutzräume des Trieb fahrzeugs, anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den weiteren Ansprüchen angegeben .

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kälteerzeugung für ein Triebfahrzeug mit einem geschlossenen ersten Kreislauf, der als Kompressions-Kältemaschine ausgebildet ist und ein Kältemittel als erstes Trägermedium sowie einen Verdampfer als auch einen Verflüssiger beinhaltet. Der Verdampfer ist zur Aufnahme von Wärme in den ersten Kreislauf ausgebildet. Der Verflüssiger ist zur Abgabe von Wärme aus dem ersten Kreislauf ausgebildet.

Der erste Kreislauf ist über den Verdampfer mit einem ge schlossenen zweiten Kreislauf gekoppelt, der bevorzugt Teil des Triebfahrzeugs ist. Der zweite Kreislauf beinhaltet ein flüssiges zweites Trägermedium zum Wärmetransport.

Der zweite Kreislauf ist derart ausgebildet, dass für Küh lungszwecke Wärme an einem vorbestimmten Ort entnommen und an das zweite Trägermedium (KM2) übergeben wird.

Die Wärme gelangt durch das zweite Trägermedium an den Ver dampfer zur Wärmeübergabe an den ersten Kreislauf.

Bevorzugt ist der zweite Kreislauf derart ausgebildet, dass zur Kühlung einer Komponente des Triebfahrzeugs und/oder zur Kühlung eines Personenaufenthaltsraums des Triebfahrzeugs Wärme von der Komponente und/oder Wärme aus der Luft des Per- sonenaufenthaltsraums entnommen und an das zweite Trägermedi um (KM2) übergeben wird. Die übergebene Wärme gelangt durch das zweite Trägermedium an den Verdampfer (4) zur Wärmeüber gabe an den ersten Kreislauf.

Der Personenaufenthaltsraum ist bevorzugt Teil des Triebfahr zeugs .

Der erste Kreislauf ist über den Verflüssiger mit einem ge schlossenen dritten Kreislauf gekoppelt, der bevorzugt Teil des Triebfahrzeugs ist. Der dritte Kreislauf beinhaltet ein flüssiges drittes Trägermedium zum Wärmetransport. Der dritte Kreislauf ist derart ausgebildet, dass durch den Verflüssiger in den dritten Kreislauf übertragene Wärme des ersten Kreis laufs zusammen mit einer Wärme von Traktionsanlagen des

Triebfahrzeugs an die Umwelt bzw. Umgebung des Triebfahrzeugs übertragen wird.

Als Kältemittel wird in Übereinstimmung mit Normen ein Ar beitsmittel bzw. ein Fluid verstanden, das zur Wärmeübertra gung in einer Kälteanlage eingesetzt wird und das bei niedri ger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt und bei hö herer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt. Üblicher weise erfolgen dabei Zustandsänderungen des Fluids. Vorteilhafterweise ist der erste Kreislauf derart ausgestal tet ist, dass Wärme über den Verdampfer an das erste Träger medium übergeben wird und durch dieses an den Verflüssiger zur Wärmeabgabe gelangt.

Vorteilhafterweise enthält der zweite Kreislauf einen Wärme tauscher, so dass Wärme aus der Luft des Personenaufenthalts raums durch den Wärmetauscher entnommen und an das zweite Trägermedium übergeben wird und die Wärme durch das zweite Trägermedium an den Verdampfer zur Wärmeübergabe an den ers ten Kreislauf gelangt.

Vorteilhafterweise enthält der dritte Kreislauf einen ersten Wärmetauscher und einen zweiten Wärmetauscher. Der zweite Wärmetauscher ist zur Kühlung der Traktionsanlagen des Trieb fahrzeugs ausgebildet und angeordnet, so dass Wärme des ers ten Kreislaufs über den Verflüssiger an das dritte Trägerme dium übergeben wird und durch das dritte Trägermedium die Wärme des ersten Kreislaufs zusammen mit der vom zweiten Wär metauscher bereitgestellten Wärme der Traktionsanlagen zum ersten Wärmetauscher gelangt, der dann die summierte Wärme an die Umgebungsluft überträgt.

Vorteilhafterweise weist der erste Kreislauf neben dem Ver flüssiger, dem Verdampfer und dem ersten Trägermedium zusätz lich einen Kompressor und eine Drossel auf. Diese bilden ei nen geschlossenen Kreislauf, so dass das erste Trägermedium vom Verdampfer über den Kompressor zum Verflüssiger und vom Verflüssiger über die Drossel zurück zum Verdampfer gelangt.

Vorteilhafterweise weist der zweite Kreislauf neben dem Ver dampfer, dem Wärmetauscher und dem zweiten Trägermedium zu sätzlich einen Kompressor auf. Diese bilden einen geschlosse nen Kreislauf, so dass das zweite Trägermedium vom Wärmetau scher über den Kompressor zum Verdampfer und vom Verdampfer zurück zum Wärmetauscher gelangt. Vorteilhafterweise weist der dritte Kreislauf neben dem Ver flüssiger, dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher und dem dritten Trägermedium zusätzlich einen Kompressor auf. Diese bilden einen geschlossenen Kreislauf, so dass das dritte Trä germedium vom Verflüssiger über den Kompressor zum zweiten Wärmetauscher und von diesem über den ersten Wärmetauscher zurück zum Verflüssiger gelangt.

Vorteilhafterweise ist das zweite und/oder das dritte Träger medium dazu ausgebildet, Kälte oder Wärme als Kälte- bzw. Wärmeträger innerhalb des jeweiligen geschlossenen Kreislaufs zu transportieren.

Vorteilhafterweise ändert das zweite und/oder das dritte Trä germedium beim Transport der Kälte oder Wärme nicht den Ag gregatszustand.

Vorteilhafterweise ist der Verdampfer als auch der Verflüssi ger des ersten Kreislaufs als Flüssigkeits-Flüssigkeits- Wärmetauscher ausgebildet.

Vorteilhafterweise ist der Wärmetauscher des zweiten Kreis laufs als Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher ausgebildet.

Vorteilhafterweise ist der erste Wärmetauscher des dritten Kreislaufs als Flüssigkeits-Luft-Wärmetauscher ausgebildet.

In einer bevorzugten Weiterbildung wird als zweites und/oder als drittes Trägermedium Wasser, insbesondere ein mit einem Frostschutzmittel (z.B. Antifrogen) versetztes Wasser, ver wendet .

In einer bevorzugten Weiterbildung wird der Verdampfer des ersten Kreislaufs direkt für die Kühlung bzw. Entfeuchtung der Luft verwendet. In einer bevorzugten Weiterbildung werden mehrere erste

Kreisläufe kaskadiert aufgebaut und wirken dann entsprechend zusammen .

In einer bevorzugten Weiterbildung sind weitere Flüssigkeits kreisläufe zwischen dem ersten Kreislauf und dem dritten Kreislauf geschaltet.

In einer bevorzugten Weiterbildung wird Kälteleistung, die im Verdampfer abgeführt wird, zur Kühlung von anderen Komponen ten des Triebfahrzeuges (z.B. zur Kühlung von Batterien) ver wendet .

Durch die vorliegende Erfindung wird Bauraum eingespart, da der Verflüssiger des ersten Kreislaufs als Flüssigkeits- Flüssigkeits-Wärmetauscher ausgebildet ist.

Durch die Koppelung des ersten und des dritten Kreislaufs über den Verflüssiger ist lediglich eine geringe Änderung des im Triebfahrzeug vorhandenen und erfindungsgemäß mitbenutzten Traktionsanlagen-Kühlkreislaufs nötig .

Die vorliegende Erfindung ermöglicht durch den benötigten, lediglich geringen Bauraum eine relativ freie Positionswahl der Komponenten der Kühl-Anordnung im Triebfahrzeug.

Die vorliegende Erfindung erlaubt die Realisierung eines zentralen Kühlkonzepts (z.B. je Triebfahrzeug ist eine Kühl- Anordnung vorgesehen) oder eines dezentralen Konzepts (z.B. je Aufenthaltsraum ist eine Kühl-Anordnung vorgesehen) .

Durch das Zusammenwirken der drei Kreisläufe kann bislang be nötigte Kühlleistung eingespart werden. Damit werden Bauraum, Gewicht, Kosten in Konstruktion und Fertigung des Triebfahr zeugs eingespart.

Folgende Betrachtung eines Heizfalls (d.h. kalte Umgebungs luft und Heizbedarf im Personenaufenthaltsraum) zeigt einen weiteren Vorteil:

Dem dritten Trägermedium kann über den ersten Kreislauf bei einer Betriebsart „Wärmepumpe" auch Wärme entzogen und dem zweiten Kreislauf zugeführt werden. Dadurch sinkt der Ener giebedarf für eine benötigte Heizung des Personenaufenthalts raums. Gleichzeitig wird das dritte Trägermedium derart ge kühlt, dass der Lüfter des dritten Kreislaufs energiesparend betrieben werden kann (d.h. er wird bei langsamerer Drehzahl und/oder bei kleineren Einschaltdauern betrieben).

Durch die volumenbezogene Wärmleitfähigkeit der flüssigen Trägermedien sind konstruktiv bedingte Wärmedurchgangszahlen in den Wärmetauschern um ein Vielfaches höher, als bei einer Verwendung von Luft zur Wärmeabfuhr beim Verflüssiger.

Das nötige Volumen zum Transport von Wärmeleistung ist auf grund der Wärmekapazität der flüssigen Trägermedien um ein Vielfaches geringer als bei der bekannten Verwendung von Luft zur Wärmeabfuhr beim Verflüssiger.

Die höchsten Kühlleistungen der Traktionsanlage sind bei ho hen Fahrleistungen (d.h. bei einem hohen Produkt aus Fahrge schwindigkeit und Zugkraft) nötig. Bei hohen Fahrtgeschwin digkeiten werden die von Sonneinstrahlung aufgeheizten Wände des Triebfahrzeugs durch den Fahrtwind gekühlt. Dadurch wird bei hohen Fahrtgeschwindigkeiten nicht die höchste Kälteleis tung der Klimatisierung benötigt. Diese Synergie kann

ausgenutzt werden, um eine gesamte installierte Kühlleistung abzusenken .

Die oben beschriebene freie Positionierung ermöglicht es auch, weiterhin brennbaren Kältemittel in vorbestimmten Be reichen (z.B. im Außenbereich) zu verwenden. Hier wird durch einfache Sicherheitsmaßnahmen (z.B. einer C02-Löschanlage) sichergestellt, dass Brände bereits in der Entstehung schnell gelöscht werden. Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung beispielhaft an hand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

FIG 1 die erfindungsgemäße Anordnung in einem Prinzipschalt bild, und

FIG 2 die in der Beschreibungseinleitung geschilderte Verwen dung einer Kompressionskältemaschine zur Klimatisierung eines Schienenfahrzeugs.

FIG 1 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung in einem Prinzip schaltbild.

Die Kompressionskältemaschine KKM weist als Hauptkomponenten einen Kompressor 1, einen Verflüssiger 2, eine Drossel 3, ei nen Verdampfer 4 und ein Trägermedium KM1 auf.

Das Trägermedium KM1 wird dazu benutzt, Kälte oder Wärme in nerhalb des ersten Kreislaufs zu transportieren.

Das Trägermedium KM1, das die Funktion eines Kältemittels aufweist, bewegt sich im geschlossenen ersten Kreislauf, be stehend aus den oben genannten Hauptkomponenten .

Das Trägermedium KM1 erfährt nacheinander verschiede

ne Änderungen im Aggregatszustand. Das Trägermedium KM1 des ersten Kreislaufs wird nachfolgend auch als erstes Trägerme dium KM1 bezeichnet.

Das gasförmige erste Trägermedium KM1 wird durch

den Kompressor 1 verdichtet und an den nachgeschalteten Ver flüssiger 2 weitergeleitet.

Im Verflüssiger 2 kondensiert bzw. verflüssigt sich das erste Trägermedium KM1 und gibt Wärme ab.

Das flüssige erste Trägermedium KM1 gelangt an die Drossel 3, die dem Verflüssiger 2 nachgeschaltet ist. Aufgrund einer Druckänderung wird das flüssige erste Träger medium KM1 über die Drossel 3 entspannt und gelangt zum Ver dampfer 4, der der Drossel 3 nachgeschaltet ist.

Im Verdampfer 4 verdampft das erste Trägermedium KM1 unter Wärmeaufnahme bei niedriger Temperatur.

Durch den Verdampfer 4 nimmt das erste Trägermedium KM1 Wärme aus einem zweiten Kreislauf auf, der ebenfalls geschlossen ist und ein Trägermedium KM2 beinhaltet. Der Verdampfer 4 ist als Flüssigkeits-Flüssigkeits-Wärmetauscher ausgebildet.

Der Verdampfer 4 ist in den zweiten Kreislauf, bestehend aus einem Kompressor 5, einem Lüfter 6, einem Wärmetauscher 7 und dem Trägermedium KM2 eingebunden.

Das Trägermedium KM2, das die Funktion eines Kälte- bzw. Wär meträgers aufweist und beispielswiese ein flüssiges Kühlmit tel ist, bewegt sich in dem geschlossenen zweiten Kreislauf, bestehend aus den oben genannten Komponenten.

Das Trägermedium KM2 erfährt dabei keine Änderungen im Aggre gatszustand.

Der Lüfter 6 transportiert Luft 12, die aus einem Nutzraum (z.B. einem Personenaufenthaltsraum, dem Führerstand des Trieb- bzw. Schienenfahrzeugs, etc.) angesaugt wird, durch den Wärmetauscher 7.

Der Wärmetauscher 7 ist als Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher ausgebildet und kühlt die ihm zugeführte Luft 12, indem er ihr Wärme entzieht und diese an das Trägermedium KM2 des zweiten Kreislaufs übergibt.

Das Trägermedium KM2 des zweiten Kreislaufs wird nachfolgend als zweites Trägermedium KM2 bezeichnet. Das erwärmte zweite Trägermedium KM2 gelangt unter Mitwirkung des Kompressors 5 vom Wärmetauscher 7 zum Verdampfer 4.

Wie geschildert entnimmt der Verdampfer 4 Wärme aus dem zwei ten Trägermedium KM2, so dass letztlich das zweite Trägerme dium KM2 abgekühlt wird.

Das abgekühlte zweite Trägermedium KM2 wird dem Wärmetauscher 7 zugeführt und dort zur Kühlung bzw. zum Wärmeentzug der zu geführten Luft 12 verwendet.

Erfindungsgemäß ist der Verflüssiger 2 der Kompressionskälte maschine als Flüssigkeits-Flüssigkeits-Wärmetauscher ausge bildet und in einen dritten Kreislauf eingebunden.

Der dritte Kreislauf wiederum ist im Triebfahrzeug vorgese hen, um dort Traktionsanlagen zu kühlen.

Der dritte Kreislauf beinhaltet neben dem Verflüssiger 2 ei nen Kompressor 8, einen Lüfter 11, einen Wärmetauscher 10 und ein Trägermedium KM3.

Der Wärmetauscher 10 ist als Flüssigkeits-Luft-Wärmetauscher ausgebildet .

Der dritte Kreislauf beinhaltet darüber hinaus einen weiteren Wärmetauscher 9, der mit Traktionsanlagen des Triebfahrzeugs gekoppelt ist. Durch ihn wird Wärme der Traktionsanlagen an das Trägermedium KM3 des dritten Kreislaufs übergeben wird.

Das Trägermedium KM3 des dritten Kreislaufs wird nachfolgend als drittes Trägermedium KM3 bezeichnet.

Das dritte Trägermedium KM3, das die Funktion eines Kälte- bzw. Wärmeträgers aufweist und beispielswiese ein flüssiges Kühlmittel ist, bewegt sich in dem geschlossenen dritten Kreislauf, bestehend aus den oben genannten Komponenten. Das dritte Trägermedium KM3 erfährt dabei keine Änderungen im Aggregatszustand .

Die über den Verflüssiger 2 abgegebene Wärme des ersten

Kreislaufs wird dem dritten Trägermedium KM3 zugeführt, das über den Kompressor 8 an den Wärmetauscher 9 gelangt.

Das dritte Trägermedium KM3 nimmt dort weitere Wärme der Traktionsanlagen auf und wird dem Wärmetauscher 10 zugeführt.

Durch den Lüfter 11 wird Umgebungsluft dem Wärmetauscher 10 zugeführt, der als Flüssigkeits-Luft-Wärmetauscher ausgebil det ist.

Durch den Wärmetauscher 10 wird die Wärme des dritten Träger mediums KM3 an die Umgebungsluft übergeben und damit aus dem dritten Trägermedium KM3 entfernt, das wieder abkühlt und er neut zum Verflüssiger 2 gelangt.

Zusammengefasst wird im zweiten Kreislauf Wärme der Luft 10 entnommen und zum Verdampfer 4 transportiert. Durch den Ver dampfer 4 wird die Wärme vom ersten Kreislauf an den zweiten Kreislauf übergeben und zum Verflüssiger 2 transportiert.

Durch den Verflüssiger 2 wird die Wärme vom ersten Kreislauf an den dritten Kreislauf übergeben und zum Wärmetauscher 10 transportiert .

Durch den Wärmetauscher 10 wird die Wärme an die Umwelt, ins besondere an die Umgebungsluft, abgegeben.