-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein schienengebundenes Fahrzeug mit einem Kühlsystem.
-
Schienenfahrzeuge, insbesondere Züge für den Personentransport weisen Klimasysteme auf, die die Raumtemperatur des Passierraums auf einem bestimmbaren Temperaturniveau einstellen sollen. Das thermische Management und die technische Auslegung der Klimageräte werden dabei auf eine Maximaltemperatur ausgelegt. Gemäß einer europäischen DIN Norm für Klimaanlagen erfolgt die Auslegung der Klimasysteme in Personenzügen beispielsweise auf eine Maximaltemperatur von 35°C in Deutschland und 40°C in Spanien. Bei Klimasystemen, die auf eine Maximaltemperatur hin ausgelegt sind, steht bisher keinerlei Puffermöglichkeit zur Verfügung, höhere thermische Lasten auszugleichen. Diese können jedoch sehr schnell unter Sonneneinstrahlung auftreten. Bisher hat dies Ausfälle des Systems und eine Notausschaltung wegen Überlastung zur Folge. Für Personenbeförderungsgesellschaften bedeuten derartige Ausfälle hohe Folgekosten sowie einen Reputationsschaden.
-
Folglich stellt es sich als technisch erforderlich dar, eine verbesserte Lösung vorzuschlagen, welche die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll die vorzuschlagende Lösung eine Abpufferung von höheren thermischen Lasten als der Maximaltemperatur erlauben.
-
Diese der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch ein schienengebundenes Fahrzeug gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Das erfindungsgemäße schienengebundene Fahrzeug umfasst ein Kühlsystem, welches wiederum einen Phasenwechselmaterialwärmespeicher umfasst. Dies hat den Vorteil, das Kühlsystem gegen Überlastphasen, insbesondere während des Sonnenhöchststandes in den Sommermonaten zu schützen. Aufgrund der hohen Schmelzenthalpie von Phasenwechselmaterialien ist eine besonders hohe Wärmemenge notwendig, um einen vollständigen Phasenwechsel des Materials durchzuführen. Damit ist gewährleistet, dass über den Zeitraum eines Tages entstehende Phasen hohen thermischen Eintrags abgefangen werden. Dies führt zu einer erhöhten Betriebssicherheit, da das gesamte Betriebssystem träger reagiert und somit ein Betriebspunkt, der eine Notausschaltung wegen Überlastung des Systems zur Folge hätte, erst sehr spät erreicht werden würde.
-
Darüber hinaus birgt die Erfindung den Vorteil, dass das Kühlsystem auf eine geringere Maximaltemperatur ausgelegt werden kann. Aufgrund der zusätzlich verfügbaren thermischen Masse, muss das Klimasystem nicht auf eine Spitzenaußentemperatur hin ausgelegt werden, sondern kann kleiner dimensioniert werden. Dies führt folglich zu einer Volumen- und Gewichtsreduktion und damit zu einem energieeffizienteren Betrieb bzw. zu einer besseren Raumausnutzung des schienengebundenen Fahrzeugs.
-
Darüber hinaus liegt ein weiterer Vorteil in der Geräuschreduktion, die durch eine geringere Auslastung des Kühlsystems bzw. eine kleinere Dimensionierung des Kühlsystems zurückzuführen ist. Es kann auf größere Anlagen zur Umwälzung der Luft innerhalb des schienengebundenen Verkehrsmittels verzichtet werden. Dies reduziert zum einen die Anzahl vieler anfälliger Bauteile wie z.B. Lüfter, und erhöht gleichzeitig den Fahrkomfort der Passagiere.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Phasenwechselmaterialwärmespeicher in einen Kühlkreislauf des Kühlsystems integriert. Dazu umfasst der Phasenwechselmaterialspeicher insbesondere einen Speicherbehälter, der wärmetechnisch mit dem Kühlkreislauf des Kühlsystems verschaltet ist und der mit einem Phasenwechselmaterial gefüllt ist. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass keine Einschränkungen bezüglich der Formstabilität des Phasenwechselmaterials bestehen. Vorzugsweise werden bei dieser Bauform flüssigkeitsgeträgerte Phasenwechselmaterialpartikel verwendet. Diese Ausführungsform der Erfindung ist des Weiteren besonders geeignet als Nachrüstoption für bestehende Züge. Wird ein Phasenwechselmaterialspeicher in bestehende Kühlsysteme eingebaut, kann dieser die Lebensdauer des Klimasystems erheblich erhöhen.
-
Alternativ wird als Phasenwechselmaterial ein Fest-Fest-Phasenwechselmaterial oder ein formstabiles Fest-Flüssig-Phasenwechselmaterial verwendet, welches ohne Speicherbehälter direkt wärmetechnisch mit dem Kühlkreislauf des Kühlsystems verschaltet ist. Fest-Fest-Phasenwechselmaterial, bzw. Fest-Flüssig-Phasenwechselmaterial bedeutet, dass ein Phasenwechsel von einer festen in eine feste bzw. flüssige Phase vollzogen wird.
-
Je nach Region und lokalen Begebenheiten wird die Aufschmelztemperatur des Phasenwechselmaterials knapp über der idealen Passagiertemperatur eingestellt, bzw. wird das Phasenwechselmaterial nach seiner Aufschmelztemperatur ausgewählt. Typischerweise zeichnet sich das Phasenwechselmaterial durch eine Übergangstemperatur zwischen 20°C und 50°C, insbesondere zwischen 30°C und 40°C aus.
-
Insbesondere ist das Phasenwechselmaterial ein Fest-Flüssig-Phasenwechselmaterial, beispielsweise aus der Materialklasse der Paraffine. Alternativ kommen Phasenwechselmaterialien aus der Materialklasse der Salzhydrate und Salzhydratmischungen in Frage. Eine weitere Alternative für besonders geeignete Fest-Flüssig-Phasenwechselmaterialien sind Salze und deren eutektische Mischungen. Der Vorteil dieser Materialklassen liegt beispielsweise darin, dass das Material beim Phasenwechsel nur eine sehr geringe Volumenänderung erfährt und dass die Übergangstemperaturen in dem relevanten Bereich liegen.
-
Besonders bevorzugt werden von dem Kühlsystem Phasenwechselmaterialien umfasst, die sich durch eine definiert eingestellte geringe Wärmeleitfähigkeit auszeichnen. Beispielsweise liegt die definiert eingestellte Wärmeleitfähigkeit des Phasenwechselmaterials zwischen 0,1 W/(mK) und 100 W/(mK), insbesondere zwischen 0,2 W/(mK) und 20 W/(mK). Die niedrige Wärmeleitfähigkeit des Phasenwechselmaterials hat den Vorteil, dass dieses so eingesetzt werden kann, dass es gleichzeitig als Wärmespeicher und thermische Isolation wirkt. Typischerweise wird das Phasenwechselmaterial in die Außenhaut einer Passagierraumeinheit des schienengebundenen Fahrzeugs integriert, welche Konstellation besonders vorteilhaft für die Ausnutzung der geringen Wärmeleitfähigkeit des Phasenwechselmaterials ist. Zusätzlich zur Wärmebarriere durch die thermische Isolationsfähigkeit des Phasenwechselmaterials in der Außenhaut wird durch das Aufschmelzen des Phasenwechselmaterials das Eindringen der Wärme in den Passagierraum verlangsamt und dadurch die Temperaturerhöhung des Innenraums.
-
Insbesondere weist das schienengebundene Fahrzeug eine Außenhaut auf, die extrudierbare Kunststoffbauteile umfasst, in welche Phasenwechselmaterial eingebracht ist. Soweit die Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften der Bauteile dies zulassen kann so die Latentfunktion des Phasenwechselmaterials direkt in die Außenhautbauteile integriert werden. Der Masseanteil des Phasenwechselmaterials in den extrudierbaren Kunststoffbauteilen der Außenhaut beträgt dabei insbesondere maximal 50 %. Dies hat den Vorteil, dass die erforderlichen thermomechanischen Eigenschaften dieses Verbundwerkstoffs gewährleistet bleiben.
-
Da dies zu geringeren thermischen Enthalpien des Verbundwerkstoffes im Vergleich zum reinen Phasenwechselmaterial führt, kann alternativ oder zusätzlich ein Phasenwechselmaterialdepot mit wenigstens einem Bauteil der Außenhaut thermisch verbunden werden. Die thermische Verbindung von Phasenwechselmaterialdepots mit der Außenhaut wird bevorzugt an metallischen Bauteilen der Außenhaut vorgenommen. Ein Depot kann dabei eine Folientasche oder eine sorbierte PCM-Platte sein, die beispielsweise auf die metallische Außenhaut aufgezogen oder aufgeklebt sind. Ein Phasenwechselmaterialdepot kann alternativ als konstruktive Hinterschneidung der Außenhaut ausgestaltet sein.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das schienengebundene Fahrzeug alternativ oder zusätzlich zu den vorher beschriebenen Möglichkeiten einen Phasenwechselmaterialwärmespeicher, der in die Innenauskleidung einer Passagierraumeinheit des schienengebundenen Fahrzeugs integriert ist, insbesondere in den Boden der Passagiereinheit. Die Integration in die Innenauskleidung kann wiederum in Form von PCM-Verbundwerkstoffen oder PCM-Depots ausgeführt sein. Bei einer Integration des Wärmespeichers in den Boden des schienengebundenen Fahrzeugs steht ein besonders großer Bauraum und damit ein großes Volumen für Phasenwechselmaterialspeicher zur Verfügung. Dadurch ist des Weiteren eine große Wärmeaustauschfläche gewährleistet, was vor allem für den Energieeintrag in das Phasenwechselmaterial von großem Vorteil ist, besonders wenn es sich um Phasenwechselmaterial mit limitierter Wärmeleitfähigkeit handelt. Für Phasenwechselmaterialwärmespeicher, die in den Boden des schienengebundenen Fahrzeugs eingebracht sind kann auch eine erhöhte thermische Leitfähigkeit zur Verbesserung des Energieeintrags wünschenswert sein. Dies wird vorzugsweise durch Phasenwechselmaterialverbundwerkstoffe mit einer Wärmeleitstruktur realisiert, wie beispielsweise metallische oder kohlehaltige oder keramische Schäume, Fasern oder Partikel.
-
Beispielsweise wird als Phasenwechselmaterial ein Fest-Fest-Phasenwechselmaterial oder ein formstabiles Fest-Flüssig-Phasenwechselmaterial eingesetzt. Bevorzugte Fest-Fest-Phasenwechselmaterialien sind aus der Materialklasse der Polyalkohole gewählt. Alternativ werden Fest-Fest-Phasenwechselmaterialien aus der Materialklasse der Salzhydrate eingesetzt. Eine weitere alternative Materialklasse mit Fest-Fest-Übergang sind teilkristalline oder vernetzte Makromoleküle wie beispielsweise Polymere. Diese haben wiederum den Vorteil einer sehr geringen Volumenausdehnung beim Phasenwechsel und sind daher besonders geeignet für die thermische Kopplung mit Bauteilen oder stoffliche Einbringung in Bauteile des schienengebundenen Fahrzeugs, die auch besonderen mechanischen Ansprüchen genügen.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das schienengebundene Fahrzeug Phasenwechselmaterialwärmespeicher, die in die Passagiersitze integriert sind, insbesondere in die Rückenlehnen der Passagiersitze. Dies hat den Vorteil, zum einen das Sitzgefühl für die Passagiere erheblich zu verbessern. Aber auch stellen die Passagiere selbst eine Wärmequelle von um die 100 W Wärmeleistung im Sitzen dar, welche vom Kühlsystem kompensiert werden muss. Die Passagiersitze bieten ein ausreichend großes Speichervolumen, um diese Wärmeleistung durch Phasenwechselmaterialspeicher zu kompensieren. Bei der Integration eines Phasenwechselmaterialspeichers in einen Passagiersitz wird dessen Schmelzbereich so gewählt, dass dieser im Wohlfühlbereich des durchschnittlichen Passagiers liegt.
-
Bei einer Einbindung des Phasenwechselmaterialwärmespeichers in das Klimasystem oder in die Rückenlehnen des Schienenfahrzeuges wird bevorzugt ein PCM-Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit eingesetzt. Dies hat den Vorteil ein schnelles Ansprechen des Speichers zu gewährleisten. Bevorzugt liegt die Wärmeleitfähigkeit für diese Anwendung um die 100 W/(mK), beispielsweise zwischen 80 und 120 W/(mK).
-
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in exemplarischer Weise mit Bezug auf die 1 bis 9 der angehängten Zeichnung beschrieben.
-
1 zeigt ein Kühlkreislaufschema entsprechend dem Stand der Technik,
-
2 zeigt ein dazu gehöriges Temperatur-Zeit-Diagramm,
-
3 zeigt ein Kühlkreislaufschema mit integriertem Phasenwechselmaterialwärmespeicher und
-
4 zeigt das dazu gehörige Temperatur-Zeit-Diagramm für die Temperatur im zu kühlenden Passagierraum und den Temperaturverlauf des Kühlmediums.
-
5 zeigt eine erste Ausführungsform der Integration des Phasenwechselmaterialwärmespeichers in das schienengebundene Fahrzeug,
-
6 zeigt eine weitere Ausführungsform davon,
-
7 zeigt eine alternative Ausführungsform für die Integration des Phasenwechselwärmespeichers in den Passagierraum und
-
8 zeigt eine weitere Ausführungsform davon.
-
9 zeigt eine weitere die vorherige vorzugsweise ergänzende Ausführungsform der Erfindung.
-
In der 1 ist stark schematisch ein Kühlkreislauf 1 gezeigt, wie er Klimasystemen, wie sie im Stand der Technik in Zügen Anwendung finden, entspricht. Auf den Personentransportzug 10 wirkt neben der Erwärmung durch die Abwärme der Antriebsmaschinen, der Zugelektronik und Beleuchtung und der durch die Passagiere eingebrachten Wärme zusätzlich die Wärme aus der Umgebung, vor allem durch die Sonneneinstrahlung ein. Mit Pfeilen ist die Richtung des Kühlkreislaufs angezeigt. Beispielsweise wird ein Teil der Wärme QE über einen Kühlkörper K und einen Lüfter L wieder an die Umgebung QU abgegeben. Das Kühlmittel wird durch eine Pumpe Pu vom Kühlkörper K wieder durch die zu kühlenden Komponenten 10 des Passagierraums befördert. Bei einem derartig designten Kühlsystem 1 folgt die Temperatur des Kühlmediums TC der Temperatur TPR der zu kühlenden Komponente 10 in diesem Fall des Passagierraums PR.
-
Wie in dem Diagramm in 2 gezeigt, existieren Grundlastzeiten G, in denen das Kühlsystem 1 erfolgreich arbeitet. In einer Spitzenlastphase S jedoch, in der die auf den Zug 10 einwirkende externe Wärmequelle QE diesen auf sehr hohe Temperaturen nahe der Maximaltemperatur Tmax oder darüber aufwärmt, folgt die Temperatur TC des Kühlmediums einfach der Temperaturkurve TPR des Passagierraums PR und es besteht keine Möglichkeit mit dem bestehenden Kühlsystem 1 die Spitzenlast 9 abzufangen. Erst nach wiedereingetretenem Grundlastbetrieb G des Kühlsystems 1 können sich Temperatur TPR des Passagierraums PR und die Temperatur TC des Kühlmediums erholen.
-
Der in 3 gezeigte Kühlkreislauf 3 weist zusätzlich zu den herkömmlichen Komponenten eines Klimasystems einen PhasenwechselmaterialWärmespeicher PCM auf. Wie in dem Diagramm in 4 zu sehen ist, erfolgt im Falle einer Spitzenlast S, zum Beispiel durch erhöhte Sonneneinwirkung auf den Zug 10 eine Beladung B des PCM-Speichers PCM, die sich im Temperatur-Zeit-Diagramm an der konstant bleibende Temperatur TC des Kühlmediums zeigt. Die Temperatur TPR im Passagierraum PR steigt auf eine Temperaturspitze an, die jedoch deutlich unter der zulässigen bzw. erwünschten Maximaltemperatur Tmax liegt. Nach Wiedereintreten in den Grundlastbetrieb G sinkt die Temperatur TC des Kühlmediums wieder langsam ab und der PCM-Speicher wird entladen E. Der Grundlastbetrieb G für das Kühlsystem kann beispielsweise bei 10 kW, der Spitzenlastbetrieb S beispielsweise bei 15 kW liegen.
-
In den 5 bis 9 sind Ausführungsbeispiele gezeigt, an welcher Stelle, in welche Bauteile des Schienenfahrzeugs das Phasenwechselmaterial PCM bevorzugt integriert werden kann: Die 5 zeigt ein Schienenfahrzeug 10 im Querschnitt durch den Passagierraum PR bei dem das Phasenwechselmaterial PCM stofflich in die Außenhaut A des Zuges 10 integriert ist. In der 6, ebenfalls den Zug 10 im Querschnitt durch den Passagierraum PR zeigend, ist das Phasenwechselmaterial PCM in Form eines Depots D mit der Außenhaut A verbunden. 7 zeigt eine stoffliche Integration des PCM in die Innenauskleidung I des Passagierraums PR und in der 8 ist wiederum ein PCM-Depot DI gezeigt, dass mit der Innenauskleidung I des Passagierraums PR verbunden ist. Beispielsweise kann alternativ oder zusätzlich ein PCM-Depot DB im Boden des Zuges 10 eingelassen sein.
-
9 zeigt schematisch einen Passagiersitz 11 und den Bereich, in dem sich besonders unangenehm eine hohe Temperatur entwickeln kann. Dadurch, dass der Passagier selbst eine Wärmequelle von etwa 100 W im Sitzen darstellt, werden der Sitz und insbesondere die Rückenlehne stark aufgewärmt, was zu einem unangenehmen Sitzgefühl führen kann. Daher ist in dieser Ausführungsform ein PCM-Speicherdepot 12 in der Rücklehne des Passagiersitzes 11 eingebracht.
