DE102019125842A1

DE102019125842A1 - Klimatisierungssystem eines Schienenfahrzeuges mit mindestens einer Wärme erzeugenden Komponente, insbesondere einem Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102019125842A1
Application number: DE102019125842.1A
Authority: DE
Inventors: Volkmar Vogel; Volker Fiedler; Oliver Garack
Original assignee: Hoermann Vehicle Engineering GmbH
Current assignee: Hoermann Vehicle Engineering GmbH
Priority date: 2018-09-26
Filing date: 2019-09-25
Publication date: 2020-03-26
Also published as: DE202018105554U1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Klimatisierungssystem eines Schienenfahrzeuges mit mindestens einer Wärme erzeugenden Komponente, insbesondere einem Brennstoffzellensystem, mit mindestens einem Primärkreislauf und mindestens einem Sekundärkreislauf, wobei die Abwärme wenigstens einer Komponente dem Primärkreislauf zuführbar ist und mittels mindestens einem Wärmeübertrager mindestens einem Sekundärkreis zuführbar ist und über den Sekundärkreis an einen Innenraum des Schienenfahrzeuges übertragbar ist, wobei als wärmeabgebende Komponente mindestens eine Brennstoffzelle dient und dass an den Sekundärkreislauf mit Wärmerohren/Heat-Pipes/Kapillarverrohrung versehene Komponenten des Fahrzeug-Innenausbaus angebunden sind, welche die Wärmeübertragung in den Innenraum mittels Konvektion und Strahlung realisieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Klimatisierungssystem eines Schienenfahrzeuges mit mindestens einer Wärme erzeugenden Komponente, insbesondere einem Brennstoffzellensystem, nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
Aus der Druckschrift DE 10 2009 035 285 A1 ist ein Fahrzeug, beispielsweise ein Schienenfahrzeug, mit einer Kühlanlage zur Kühlung wenigstens einer zu entwärmenden Komponente des Fahrzeugs und einer Klimaanlage zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums bekannt, wobei 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. Der Verflüssiger der 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.
In der DE 10 2016 119 440 A1 wird eine Kühleranordnung für ein Brennstoffzellenfahrzeug beschrieben. Der Kühlkreislauf für eine Heizung einer Fahrgastzelle des Brennstoffzellenfahrzeugs umfasst einen über ein Stellmittel ansteuerbaren Kühler-Bypass und einen bevorzugt als einen elektrischen Zuheizer ausgebildeten elektrischen Wärmeerzeuger im Kühler-Bypass. Für die Heizung ist in den Kühler-Bypass ein Konditionierkreislauf der Fahrgastzelle des Brennstoffzellenfahrzeugs wärmeübertragend eingebunden. Hierfür weisen der Kühler-Bypass und der Konditionierkreislauf einen gemeinsamen Fahrgastzellen-Wärmeübertrager auf. Durch den Fahrgastzellen-Wärmeübertrager ist einerseits ein Massenstrom des Kühlmediums und andererseits ein Massenstrom einer angesaugten Umgebungsluft und/oder einer angesaugten Luft der Fahrgastzelle hindurchströmbar.
Die Druckschrift DE 10 2005 007 322 A1 beschreibt ein Fahrzeug-Klimatisierungssystem mit einem primären Heißwasserkreislauf, welcher einen Wärmeerzeuger enthält, der in einem Fahrzeug eingebaut ist, und durch welchen ein, den Wärmeerzeuger kühlendes Kühlmittel strömt. Das System weist des Weiteren einen sekundären Heißwasserkreislauf, welcher einen Heißwassertyp-Heizkern enthält, welcher Passagier-Abteil-Auslassluft erhitzt und in welchem das Kühlmittel durch den Heißwassertyp-Heizkern strömt. Der Wärmeerzeuger ist gemäß der Druckschrift bevorzugt in Form einer Brennstoffzelle ausgebildet.
Ein Flächenheizelement mit austauschbaren Ansichtsflächen ist aus der Druckschrift DE 20 2014 004 756 U1 bekannt. Das Flächenheizelement besteht aus einem oder mehreren Wärmeerzeugerelementen, oder Grundheizelementen, die die Wärme über austauschbare Ansichtsflächen, die auch mehrschichtig angebracht und mit Wärmewellenwirkung (Infrarotwärme) übertragen. Das Wärmeerzeugerelement wird gleichzeitig mit Warmwasser, oder elektrischem Strom, oder beiden Energien betrieben. Das Flächenheizelement kann starr oder flexibel ausgebildet sein.
In der Druckschrift EP 3 021 401 B1 wird ebenfalls ein Brennstoffzellensystem mit einem Klimatisierungssystem und einem Klimatisierungskreislauf beschrieben. Der Klimatisierungskreislauf ist mittels einer Klimatisierungssteuerung steuerbar und abhängig der Außenlufttemperatur geschaltet. Der Klimatisierungskreislauf ist mit einer Kühlmittelzirkulationsleitung verbunden und teilt das Kühlmittel, das durch die Kühlmittelzirkulationsleitung zirkuliert. Des Weiteren ist eine Klimatisierungswasserpumpe vorhanden, die das Kühlmittel veranlasst, durch den Klimatisierungskreislauf zu strömen. An dem Klimatisierungskreislauf ist eine Heizung angeordnet, die zum Heizen der Luft verwendet wird.
Eine Klimatisierung für Fahrzeuge mit einer Kühlanlage und einer Klimaanlage wird in der Druckschrift WO 2011/012380 A1 beschrieben. Die Kühlanlage dient der Kühlung wenigstens einer zu entwämenden Komponenten des Fahrzeuges, die Klimaanlage zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums.
Die vorgenannten Lösungen gestalten sich relativ aufwendig.
Aufgabe der Erfindung ist ein Klimatisierungssystem eines Schienenfahrzeuges mit mindestens einer Wärme erzeugenden Komponente, insbesondere einem Brennstoffzellensystem, mit dem die Laufleistung von Schienenfahrzeugen, insbesondere von Personentriebzügen mit Verbrennungsmotor oder Brennstoffzellen-Energiewandlern auch bei hoher Heiz- bzw. Kälteleistung gewährleistet wird.
Dieses System greift teilweise auf bereits bestehende und bewährte Komponenten zurück, verknüpft diese aber zu einem neuartigen System für den mobilen Einsatz auf Schienenfahrzeugen.
Zentraler Bestandteil des Konzepts stellt die Abwärmenutzung mindestens einer Wärmequelle des Schienenfahrzeugs dar.
Als wärmeabgebende Komponente kann dabei vorteilhafter Weise mindestens eine Brennstoffzelle und/oder mindestens ein Traktionsmotor und/oder mindestens ein Stromrichter und/oder mindestens ein Dieselmotor dienen.
Für den Wärmetransport ist ein zentraler Kühlmittel-Kreislauf (im Weiteren „Primärkreislauf“ mit Wasser-Frostschutz-Gemisch) über alle gewählten Wärmequellen vorgesehen, der zusätzlich einen oder mehrere Kühler und mindestens je einen Wärmeübertrager pro Sekundärkreis beinhaltet. Als Wärme transportierendes Fluid kann beispielsweise ein Wasser/Glykol-Gemisch zum Einsatz kommen, andere Fluide sind möglich. Mit Sekundärkreisen sind Kreisläufe des gleichen Fluids zu verstehen, die der Klimatisierung bzw. Temperierung des Fahrgastraumes bzw. des Fahrerstandes dienen. Die Wärmeübertrager zu den Sekundärkreisen wie auch die Kühler sind in ihrer Übertragungsleistung regulierbar, wodurch die Aufteilung des durchlaufenen Kühlmittels zwischen diesen Komponenten und damit die Wärmeabfuhr über Kühler und Wärmeübertrager reguliert werden können.
Die Kühler können durch das aus der Abluft der Brennstoffzelle gewinnbare Wasser im Sinne eines Hybridkühlers befeuchtet werden, wodurch sich deren spezifische Kühlleistung verbessert.
In den Sekundärkreislauf sind mit Wärmerohr/Heat-Pipe/Kapillarverrohrung versehene Komponenten des Fahrzeug-Innenausbaus, wie beispielsweise Segmente der Seitenwandverkleidung, der Deckenverkleidung und / oder des Fußbodens, eingebunden. Durch wärmeleitende Auslegung werden diese Komponenten durch die Wärmerohre/Heat-Pipes/Kapillarrohre thermisch aktiviert. Insbesondere an Segmenten der Seitenwandverkleidung kann der Zwischenraum zum Wagenkasten zur Erhöhung der Übertragungsleistung als Schacht ausgeführt und mit Luft hinterströmt sein.
Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es möglich, ein Klimatisierungssystem eines Schienenfahrzeuges mit Brennstoffzellen-Energiewandler bereitzustellen, dessen Laufleistung auch bei hohem Heiz- bzw. Kühlbedarf komfortabel gewährleistet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009035285 A1 [0002]
DE 102016119440 A1 [0003]
DE 102005007322 A1 [0004]
DE 202014004756 U1 [0005]
EP 3021401 B1 [0006]
WO 2011/012380 A1 [0007]

Claims

Klimatisierungssystem eines Schienenfahrzeuges mit mindestens einer Wärme erzeugenden Komponente, insbesondere einem Brennstoffzellensystem, mit mindestens einem Primärkreislauf und mindestens einem Sekundärkreislauf, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme wenigstens einer Komponente dem Primärkreislauf zuführbar ist und mittels mindestens einem Wärmeübertrager mindestens einem Sekundärkreis zuführbar ist und über den Sekundärkreis an einen Innenraum des Schienenfahrzeuges übertragbar ist, indem an den Sekundärkreislauf mit Wärmerohren/Heat-Pipes/Kapillarverrohrung versehene Komponenten des Fahrzeug-Innenausbaus angebunden sind, welche die Wärmeübertragung in den Innenraum mittels Konvektion und Strahlung realisieren.
Klimatisierungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärkreis einen oder mehrere Kühler (Flüssigkeits-Luft- Wärmeübertrager) und jeder Sekundärkreis mindestens einen Wärmeübertrager aufweist.
Klimatisierungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertrager zu den Sekundärkreisen und/oder die Kühler (Flüssigkeits-Luft-Wärmeübertrager) in ihrer Übertragungsleistung regulierbar sind.
Klimatisierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung des durchlaufenen Kühlmittels (Wärmeträgerfluid) zwischen Kühler und Wärmeübertrager regulierbar ist.
Klimatisierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an den Sekundärkreislauf mit Wärmerohren/Heat-Pipes/Kapillarverrohrung versehene Komponenten des Fahrzeug-Innenausbaus thermisch oder hydraulisch angebunden sind.
Klimatisierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten des Fahrzeug-Innenausbaus durch die Wärmerohre/Heat-Pipes/Kapillarrohre thermisch aktivierbar sind.
Klimatisierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohre/Heat-Pipes/Kapillarrohre integraler Bestandteil der Komponenten des Fahrzeug-Innenausbaus sind.
Klimatisierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Segmente der Seitenverkleidung zur Temperierung einer in den Innenraum führenden Zuluft als Schacht ausgeführt und mit Luft hinterströmt sind.
Klimatisierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeits-Luft-Wärmeübertrager des Primärkreislaufes als Hybridkühler ausgeführt ist und dass dem Hybridkühler das aus der Abluft der Brennstoffzelle gewinnbare Wasser zu dessen Befeuchtung zuführbar ist.
Klimatisierungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hybridkühler mit dem Prozesswasser der Brennstoffzelle beaufschlagbar ist.