Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage für ein Schienenfahrzeug, wobei die Klimaanlage für brennbare Kältemittel geeignet und als ein kompaktes Gerät für eine Montage auf dem Fahrzeugdach ausgestaltet ist und mindestens Gerätesektionen für eine Luftbehandlung, eine Verdichter-Verflüssiger-Einheit und einen elektrischen Schaltkasten (E-Kasten) sowie optional Gerätesektionen für Fortluft und/oder Schalldämpfer aufweist.

Für Klimaanlagen in Fahrzeugen sind verschiedene Kältemittel bekannt, wobei insbesondere für die synthetischen Kältemittel die Verwendung unter ökologischen Aspekten problematisch ist. So wurde für Kraftfahrzeuge und auch für Schienenfahrzeuge das Kältemittel R134a sehr umfangreich eingesetzt. Allerdings wirkt dieses Kältemittel bei einem Austritt in die Atmosphäre als Treibhausgas. Deshalb wurde der Einsatz von Kältemittel R134a für PKW-Neufahrzeuge in der Europäischen Union zum 01.01.2017 beendet.

Als Alternative für R134a wird nunmehr überwiegend das Kältemittel R1234yf verwendet, das einen wesentlich geringeren Treibhauseffekt besitzt, allerdings brennbar ist und als A2L- Kältemittel klassifiziert ist. Doch auch der Einsatz dieses Kältemittels wird inzwischen von Fachleuten kritisiert. So entsteht bei der Freisetzung in Verbindung mit Temperaturen > 250°C hoch giftige Flusssäure (HF) und in der Atmosphäre als Abbauprodukt persistente Trifluoressigsäure (TFA), die sich insbesondere im Wasser anreichert. Aufgrund der damit verbundenen Risiken wird grundsätzlich auch ein Verzicht auf HFO- Kältemittel wie R1234yf angestrebt.

Eine Alternative dazu ist die Verwendung von Kohlenstoffdioxid (R744) als ein natürliches Kältemittel. Allerdings ergibt die Anwendung von R744 aufgrund der hohen Systemdrücke im Vergleich zu anderen Kältemitteln eine relativ aufwändige Gerätetechnik. Auch ist bei hohen Umgebungstemperaturen eine signifikante Verschlechterung der Leistungszahl (COP) zu verzeichnen und daher ein deutlicher Anstieg des Energiebedarfs für die Klimatisierung. Außerdem kommt es bei steigenden Umgebungstemperaturen zu einer starken Reduktion der Kälteleistung, dem durch eine entsprechend größere Dimensionierung der Komponenten begegnet werden kann.

Somit ist offenkundig, dass die bisher eingesetzten Kältemittel letztlich einen Kompromiss zwischen unterschiedlichen funktionellen, umweltrelevanten und sicherheitstechnischen Anforderungen darstellen. Es besteht ein Bedarf an der Nutzung von Kältemitteln für Fahrzeugklimaanlagen, insbesondere auch für Schienenfahrzeuge, die ökologisch unkritisch beim Austritt an die Atmosphäre sind, eine hohe Energieeffizienz über den gesamten Arbeitsbereich aufweisen und den Wissens- und Erfahrungsstand der bisher verwendeten Kaltdampftechnologie weiternutzen können. Dabei sind diese Anlagen bei Schienenfahrzeugen überwiegend als kompakte Anlagen für das Fahrzeugdach konstruiert.

Derartige Klimakompaktgeräte weisen unabhängig von ihrer jeweils konkreten Konstruktion typischerweise die Gerätesektionen Luftbehandlung und Verdichter-Verflüssiger-Einheit auf, und können optional die Gerätesektionen Fortluft, elektrischer Schaltkasten und/oder Schalldämpfer beinhalten.

Als Lösung der oben beschriebenen Anforderungen sind brennbare Kohlenwasserstoffe wie z.B. Propan (R290), Propylen (R1270) oder Isobutan (R600a) als alternative Kältemittel interessant. Diese Kältemittel sind bei direktverdampfenden Anlagen mit begrenzten Füllmengen (<150g bzw. <500g) vor allem im stationären Bereich weit verbreitetet. Bei der Notwendigkeit größerer Füllmengen zur Erzeugung größerer Kälteleistungen werden aufgrund ihrer Brennbarkeit vorzugsweise indirekte Systeme ausgeführt.

Für eine Klimatisierung von Schienenfahrzeugen werden brennbare Kältemittel aufgrund der damit verbundenen Explosions- und Brandgefahr bisher kaum eingesetzt - weder als direkt noch als indirekt verdampfendes System. Bei einem indirekt verdampfenden System wird das o.g. Risiko reduziert, indem die Klimaanlage mit Sekundärkreislaufsystemen ausgeführt wird. Dabei wird in einem Primärkreislauf, der außerhalb des Fahrzeuges angeordnet ist und damit keine direkte Verbindung zum Fahrzeuginnenraum aufweist, die benötigte Kälte- (bzw. Heiz-) Leistung unter Verwendung brennbarer Kältemittel in üblichen

Kompressionskältekreisläufen bereitgestellt. Diese Kälteleistung wird durch

Wärmeübertrager (vorzugsweise Platten-Wärmeübertrager) auf einen Sekundärkreislauf übertragen, der zum Beispiel als Solekreislauf mit Wasser-Glykol-Gemischen ausgeführt ist.

Eine diesbezügliche technische Lösung ist aus WO 2018 / 137 908 A1 bekannt. Demzufolge weist ein Schienenfahrzeug einen primären Kältemittelkreislauf auf, der außerhalb vom Fahrzeug angeordnet und vom Fahrgastraum vollständig baulich getrennt ist. Ein sekundärer Kälteträgerkreislauf ist zumindest teilweise innerhalb des Schienenfahrzeuges angeordnet. Der Wärmeaustausch zwischen dem primären Kältemittelkreislauf und dem sekundären Kälteträgerkreislauf erfolgt durch einen Zwischenwärmetauscher, der unterflur im Außenbereich angeordnet ist. Dadurch wird der primäre Kältemittelkreislauf vollständig außerhalb vom Innenraum des Schienenfahrzeuges geführt. Durch diese Ausgestaltung sind die Sicherheitsbetrachtungen beim Einsatz brennbarer Stoffe im Wesentlichen für den Außenbereich durchzuführen, der Innenbereich kann als gleich sicher wie bei konventionellen Systemen angesetzt werden. Damit können auch solche Kältemittel verwendet werden, die aus sicherheitsrelevanten Aspekten bisher kaum zur Klimatisierung von Fahrgasträumen eingesetzt werden. Deshalb wird in WO 2018 / 137 908 A1 eine Verwendung brennbarer Kältemittel wie Propan vorgeschlagen, das unter funktionellen Aspekten gut als Kältemittel geeignet ist, wegen der oben erläuterten Probleme der Brand- und Explosionsgefahr bisher allerdings kaum verwendet wird.

Unter Beachtung des Standes der Technik gemäß WO 2018 / 137 908 A1 und ähnlicher Lösungsvorschläge ist zu erwarten, dass sich die Akzeptanz für eine Verwendung von brennbaren Kältemitteln in Klimaanlagen für Schienenfahrzeuge mittelfristig stark erhöhen wird. Dabei ist jedoch zu beachten, dass durch den indirekten Kreislauf energetische Nachteile aufgrund der thermischen Verluste im Zwischenwärmeübertrager und ein Mehrgewicht sowie die Notwendigkeit für zusätzlichen Bauraum bestehen bleiben. Für die umfassende Nutzung brennbarer Kältemittel wird daher ein direktverdampfendes System angestrebt, das diese Nachteile vermeidet. Um den Brand- und Explosionsschutz auch bei möglichen Betriebsstörungen mit hoher Sicherheit gewährleisten zu können, sind daher weitere bauliche Maßnahmen an den Klimaanlagen von Schienenfahrzeugen ggf. erforderlich, die zu spezifischen Ausgestaltungen an verschiedenen Baugruppen führen.

Eine diesbezüglich sensible Baugruppe ist der elektrische Schaltkasten (E-Kasten) in einem Kompaktklimagerät. Ein derartiger E-Kasten ist üblicherweise als ein separater Bereich im Klimagerät mit Schnittstellen ausgestaltet und nimmt alle Komponenten auf, die zur Steuerung bzw. Kontrolle des Klimagerätes benötigt werden. Dabei ist es insbesondere bei einer Verwendung brennbarer Kältemittel zur Vermeidung einer Gefährdung notwendig, dass kein zündfähiges Gemisch in den E-Kasten eintreten darf. Dies kann grundsätzlich verhindert werden, indem im Innenraum ein Überdruck aufgebaut wird. DE 10 2014 101 184 A1 betrifft einen elektrischen Schaltkasten, bei dem mit Lüftern ein Überdruck im Innenraum erzeugt wird, um das Einströmen schädlicher Partikel und dergleichen zu vermeiden. Allerdings ist diese Ausführung nicht für brennbare Kältemittel geeignet. Ebenso ist es bei Verwendung brennbarer Kältemittel nicht akzeptabel, dass die für den Überdruck notwendige Luft aus der unmittelbaren äußeren Umgebung des Klimagerätes abgesaugt wird, da hier das Risiko für eine Kontamination sehr hoch ist. Alternativ könnte dann ein sehr hoher Volumenstrom zugeführt werden, um eine entsprechende Verdünnung der eventuell kontaminierten Luft zu erreichen. Dies hat jedoch den Nachteil, dass eine wesentliche höhere Lüfterleistung benötigt wird und dass der sehr hohe Volumenstrom zusätzliche Verschmutzungen ergeben kann, die wiederum eine zusätzliche Filterung erfordern. Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein direktverdampfendes System zu realisieren, bei dem der elektrische Schaltkasten (E-Kasten) innerhalb eines Kompaktklimagerätes für ein Schienenfahrzeug derart abgeschottet wird, dass diese Baugruppe bei relevanten Leckagen der kältemittelführenden Baugruppen nicht mit dem brennbaren Kältemittel in Kontakt kommen und damit in diesen Bereichen kein zündfähiges Gemisch auftreten kann. Konkret soll ein Einströmen von brennbarem Kältemittel infolge Leckagen in den E-Kasten verhindert werden.

Diese Aufgabe wird gelöst, indem der elektrische Schaltkasten / E-Kasten mit einer Baugruppe in Wirkverbindung steht, bei der Luft aus Bereichen außerhalb der kältemittelführenden Segmente oder des Außenbereiches der Klimaanlage derart in den E- Kasten geführt wird, dass ein Überdruck in einem dafür ausreichend geschlossenen E- Kasten erzeugbar ist, um eine Anreicherung von brennbarem Kältemittel zu vermeiden. Diese Baugruppe zur Zuführung von Luft in den E-Kasten ist als ein separater Ventilator ausgestaltet, mit dem Luft aus der Umgebung der Klimaanlage angesaugt wird und so ein Überdruck im E-Kasten erzeugbar ist. Alternativ ist diese Baugruppe zur Zuführung von Luft als eine Kanalstruktur ausgestaltet, die ausgehend vom Überdruckbereich der Zuluftstrecke des Luftbehandlungsgerätes der Klimaanlage einen Teilvolumenstrom der Zuluft in den E- Kasten führt. Weiterhin alternativ ist diese Baugruppe zur Zuführung von Luft als eine Kanalstruktur ausgestaltet, die ausgehend vom einem Überdruckanschluss eines mit einem Fortluftventilator ausgestatteten Fortluftkanals der Klimaanlage einen Teilvolumenstrom der Fortluft in den E-Kasten führt.

Unabhängig von der konkreten Ausführung ist die Baugruppe zur Zuführung von Luft aus Bereichen außerhalb kältemittelführender Segmente oder dem Außenbereich der Klimaanlage in den E-Kasten derart ausgestaltet, dass im E-Kasten ein Überdruck erzeugbar ist. Um dies zu erreichen, ist der E-Kasten als eine ausreichend geschlossene Baugruppe ausgestaltet. Alternativ kann der E-Kasten mit einer freien oder kanalisierten Abluftführung bis zur Abströmöffnung für eine gezielte Entlüftung und/oder Entwärmung der im E-Kasten installierten elektrischen Komponenten ausgestaltet sein.

Die Neuheit gegenüber dem bekannten Stand der Technik besteht demzufolge darin, dass der E-Kasten als eine geschlossene Box ausgeführt ist. Deshalb kann im Stillstand keine Kontamination mit einem zündfähigen Gemisch erfolgen kann. Der ohnehin vorhandene Lüfter im Klimagerät bzw. Fahrzeug übernimmt eine zusätzliche Funktion als Zulüfter bzw. Fortlüfter. Ebenso kann bei Bedarf auch ein separater Lüfter baulich integriert werden. Die Entnahme der Luft erfolgt aus einem Bereich im Klimagerät bzw. Fahrzeug mit einer nicht potentiell zündfähigen Atmosphäre, indem die Ansaugung der Luft aus Bereichen ohne kältemittelführende Teile erfolgt. Die Luftführung zum E-Kasten erfolgt mit einem separaten Kanal bzw. Kanalabschnitt und die Belüftung des E-Kastens stellt mindestens einen geringen Überdruck zur Umgebung sicher.

Mit der erfindungsgemäßen technischen Lösung wird die Akzeptanz für eine Verwendung von brennbaren Kältemitteln in Klimaanlagen für Schienenfahrzeuge verbessert. Denn nunmehr ist es möglich, den Brand- und Explosionsschutz am elektrischen Schaltkasten (E- Kasten) als einer diesbezüglich sensiblen Baugruppe auch bei einem Austritt brennbaren Kältemittels in den benachbarten Bereichen des Kompaktklimagerätes erheblich zu verbessern. Mit der dauerhaften Erzeugung eines Überdrucks im E-Kasten wird ein Einströmen brennbarer Kältemittel damit wirksam verhindert.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen in jeweils stilisierter Darstellung:

Fig. 1 ein Klimakompaktgerät für ein Schienenfahrzeug in Draufsicht mit verschiedenen Varianten zur Anordnung der Sektionen und deren Zuordnung zum E-Kasten

Fig. 2 einen E-Kasten mit Überdruck im Innenraum und verschiedenen Strömungsvarianten

Fig. 3 die prinzipielle Anordnung eines E-Kastens als Segment eines Klimakompaktgerätes

Fig. 4 eine ergänzende Ansicht zur Variante gemäß Fig. 3

Fig. 5 eine weitere ergänzende Ansicht zur Variante gemäß Fig. 3

Die in der Zeichnung dargestellte Klimaanlage für ein Schienenfahrzeug ist als kompaktes Gerät für eine Montage auf dem Fahrzeugdach ausgestaltet und vorzugsweise für einen Betrieb mit brennbaren Kältemitteln der Kategorien A2, A2L und A3 vorgesehen, beispielsweise für R290. Es sind Baugruppen vorgesehen, mit denen im elektrischen Schaltkasten / E-Kasten ein Überdruck erzeugbar ist, um ein Einströmen des brennbaren Kältemittels in den E-Kasten zu vermeiden. Durch das entsprechende Ansaugen der benötigten Luft zum Aufbau eines definierten Überdruckes aus Bereichen außerhalb der kältemittelführenden Segmente oder des Außenbereiches wird gewährleistet, dass keine Anreicherung von brennbarem Kältemittel im E-Kasten bis zur Erreichung eines zündfähigen Gemisches stattfinden kann.

Aus Fig. 1 ist ein solches Klimakompaktgerät in Draufsicht mit verschiedenen Varianten zur Anordnung der Sektionen der Klimaanlage und deren Zuordnung zum E-Kasten ersichtlich.

Die Abbildung 1a) zeigt eine Überdruckschaffung durch Ansaugen von Umgebungsluft mit Hilfe eines separaten Ventilators, welcher ausschließlich dazu dient, einen Überdruck im E- Kasten zu erzeugen.

Die Abbildung 1b) zeigt eine Überdruckschaffung durch Kanalisierung vom Luftbehandlungsgerät zum E-Kasten. Dabei wird konditionierte Luft oder Mischluft aus dem Überdruckbereich vor dem elektrischen Heizer des Luftbehandlungsgerätes entnommen und über einen Kanal zum E-Kasten geführt.

Die Abbildung 1c) zeigt eine Überdruckschaffung durch Kanalisierung vom Fortluftkanal zum E-Kasten. Hierbei erzeugt der Fortluftventilator einen Überdruck im E-Kasten.

Die Abbildungen 1g) bis 1j zeigen weitere Varianten zur Überdruckschaffung, wobei hierbei die einzelnen Sektionen der Klimaanlage alternativ angeordnet sind.

Aus Fig. 2 ist ein E-Kasten mit Überdruck im Innenraum und verschiedenen Varianten zum Ausströmen der Luft ersichtlich.

Die Abbildung 2d) zeigt einen dicht gebauten E-Kasten ohne eine gezielte Abströmung. Somit erfolgt hier kein Überströmen von Wärmequellen und dadurch auch keine Entwärmung elektrischer Komponenten. Der Überdruckaufbau wird durch eine der oben erläuterten Varianten solange durchgeführt, bis sich ein konstanter Überdruck im Rahmen der erreichten Druckdichtigkeit einstellt.

Die Abbildung 2e) zeigt moderate Luftleckageraten im E-Kasten, jedoch keine gezielte Abströmung. Der Überdruckaufbau und dessen Aufrechterhaltung werden durch Zuströmung von Luft durch eine der oben erläuterten Varianten durchgeführt. Ein Abströmen durch Spalten und Undichtigkeiten in nicht druckdichte Segmente des Klimagerätes ist möglich. Es erfolgt jedoch kein signifikantes Abströmen u.a. in die Luftbehandlungseinheit, um eine Ozonbelastung der Zuluft zu verhindern. Der Luftwechsel im E-Kasten bewirkt eine ungerichtete Entwärmung. Die Abbildung 2f) zeigt eine kanalisierte Abströmung aus dem E-Kasten und eine gezielte Entwärmung von elektrischen Komponenten. Der Überdruckaufbau und dessen Aufrechterhaltung werden auch hier durch Zuströmung von Prozessluft durch eine der oben erläuterten Varianten durchgeführt. Der Luftwechsel im E-Kasten bewirkt dadurch zusätzlich eine Entwärmung der elektrischen Komponenten. Dabei ergibt z.B. die kanalisierte Abströmung zur Abströmöffnung entlang zu kühlender elektrischer Komponenten eine gezielte Entwärmung.

Aus Fig. 3 ist die die Anordnung eines E-Kastens als Segment eines Klimakompaktgerätes ersichtlich. Hier wird die Überdruckschaffung beispielsweise durch einen Ventilator realisiert, dessen Lufteintrittsgitter durch mehrere parallel zueinander und in einer Rechteckkontur verlaufende Striche stilisiert ist.

Dieser grundsätzliche Aufbau ist aus Fig. 4 nochmals detailliert ersichtlich, wobei hier auch der Verlauf der Luftströmung dargestellt ist. Dabei erfolgt die Überdruckschaffung für den Innenraum des E-Kastens durch Ansaugen der Umgebungsluft mit Hilfe eines separaten Ventilators. Diese Umgebungsluft wird über ein speziell ausgestaltetes Wetterschutzblech vom Ventilator angesaugt. Optional befindet sich vor dem Ventilator ein Luftfilter zur Reinigung der Umgebungsluft.

Aus Fig. 5 sind noch weitere Details ersichtlich, wobei insbesondere des Ventilators im E- Kasten mit der Schnittstelle zur Umgebung dargestellt ist.