DE19545450C2 - Einrichtung zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraumes eines elektrisch betriebenen Fahrzeuges - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Klimatisierung eines Fahrzeug­ innenraumes eines elektrisch betriebenen Fahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eignet sich beispielsweise zur Anwendung bei Straßenbahnen und U-Bahnen.

Zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraumes eines elektrisch betriebenen Fahr­ zeuges werden üblicherweise Klimageräte mit Verdichter verwendet, wie beispiels­ weise die ABB-Henschel-Druckschrift DEWAG 9202 D zeigt. Dabei sind jedoch der relativ hohe Energieverbrauch des Klimagerätes sowie die Geräuschentwicklung durch den Verdichter von Nachteil.

Aus der DE 37 27 436 A1 ist eine Vorrichtung zum Beheizen und Belüften des Innen­ raumes von Elektrofahrzeugen bekannt, wobei ein Radiallüfter einen Luftstrom von außerhalb des Fahrzeuges in das Fahrzeuginnere erzeugt. Der Luftstrom wird in Ab­ hängigkeit von der gewünschten Temperatur erhitzt und anschließend ins Fahrzeu­ ginnere geführt oder einfach in den Fahrzeuginnenraum weitergeleitet. Die Behei­ zung erfolgt über einen Bremswiderstand, der im Luftstrom angeordnet ist und seine Wärme an diesen abgibt. Für den Winterbetrieb ist zusätzlich ein elektrischer Nachwärmer vorgesehen.

Aus der DE 43 34 808 C1 sind ein Verfahren zum Betreiben einer Sorptionsanlage zum Klimatisieren von Fahrzeugen, insbesondere Elektrofahrzeugen, und eine Sorp­ tionsanlage bekannt, wobei die Sorptionsanlage im wesentlichen aus einem Vorrats­ behälter, einem Speicherbehälter, einem Kondensationswärmetauscher und einem Verbindungskanal zwischen dem Speicher und dem Vorratsbehälter besteht. Im Speicherbehälter ist ein Sorbens sowie eine Heizwendel einer elektrisch betriebenen Heizung untergebracht, die der Desorption des absorbierten Sorbates dient.

Aus der DE 44 13 030 C1 ist eine kontinuierlich betreibbare Sorptionsklimaanlage mit zwei wechselweise in einer Adsorptionsphase und einer Desorptionsphase betreib­ baren Sorptionsreaktoren bekannt. Die zur Desorption erforderliche Wärme wird hierbei von einem mittels eines Brenners beheizbaren Dampferzeuger produziert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraumes eines elektrisch betriebenen Fahrzeuges der eingangs ge­ nannten Art anzugeben die sehr energiesparend betreibbar ist..

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfin­ dungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die vorgeschlagene Einrichtung zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraumes eines elektrisch betriebenen Fahrzeuges eine sehr wirtschaftliche Klimatisierung ermög­ licht, da als wesentliche Energiequelle die Verlustleistungswärme der Bremswider­ stände herangezogen wird. Ein Energiebezug aus dem Oberleitungsnetz ist nicht erforderlich. Es wird kein verschleißanfälliger und schwerer Kältemittelverdichter mehr benötigt. Folglich entfallen auch dessen nachteilige Geräuschentwicklung und die Notwendigkeit des Services in vorgeschriebenen Zeitabständen. Die Einrichtung ist sehr kostengünstig herstellbar und ist bezüglich ihres Raumbedarfs und ihres Gewichts sehr vorteilhaft. Durch den Fortfall des Kältemittelverdichters ergibt sich auch eine vorteilhafte Reduktion der notwendigen Umrichterleistung für die Hilfsbe­ triebe des Fährzeuges. Da als Kältemittel bzw. als Bestandteil des Kältemittelgemi­ sches Wasser fungiert, ist auch die Umweltverträglichkeit gegeben. Ferner ist die Einrichtung langlebig, da keine verschleißanfälligen Baukomponenten eingesetzt sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraumes gemäß einer ersten Variante,

Fig. 2 eine erweitere Anordnung zur ersten Variante,

Fig. 3 eine Anordnung zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraumes gemäß einer zweiten Variante.

In Fig. 1 ist eine Anordnung zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraumes gemäß einer ersten Variante dargestellt. Es ist ein Adsorber-Wärmepumpen-Kreislauf mit einem Zeolith-Gehäuse (= ein mit Zeolithen - beispielsweise Silikagel oder Tonerde - gefülltes Gehäuse) 1 als Austreiber zu erkennen, dessen Eingang über eine Dampfleitung 2 und ein Ein/Aus-Ventil 3 mit dem Ausgang eines Verdampfers 4 mit stark verrippten Außenwänden verbunden ist. Ein zur Klimatisierung des Fahrzeu­ ginnenraumes dienender Ventilator 5 bebläst die Außenwände des Verdampfers 4. Ein Luftkanal 6 leitet die vom Ventilator 5 erzeugte abgekühlte Luftströmung in den Fahrzeuginnenraum.

Eine mit dem Zeolith-Gehäuse 1 thermisch kontaktierbare Heizquelle dient zum Austreiben (Ausheizen) der Feuchtigkeit aus den Zeolithen und wird vom Bremswi­ derstand 7 bildet. Der Bremswiderstand 7 kann direkt innerhalb des Zeo­ lith-Gehäuses 1 angeordnet sein, alternativ hierzu ist es jedoch auch möglich, die Wärmeenergie des Bremswiderstandes 7 mittels eines Wärmeübertragerkreises (beispielsweise ein Heizkreis mit Wasser oder Heißdampf) indirekt einzubringen. Eine weitere Alternative besteht in einer zyklischen Heizflächenkontaktierung, bei der eine zyklische Kontaktierung zwischen einer Bremswiderstands-Heizfläche und einer Wärmeübertragungskontaktfläche des Zeolith-Gehäuses 1 stattfindet.

Der erste Ausgang des Zeolith-Gehäuses 1 ist über ein Ein/Aus-Ventil 8 und eine Dampfleitung 9 mit dem Eingang eines Kondensators 10 mit stark verrippten Au­ ßenwänden verbunden. Ein Ventilator 11 bebläst die Außenwände des Kondensa­ tors 10, wodurch die dem Kondensator 10 zugeführte Wärmeenergie an die Außen­ atmosphäre abgeführt werden kann. Der Ausgang des Kondensators 10 ist über ei­ ne Flüssigkeitsleitung 12 und ein Ein/Aus-Ventil 13 mit dem ersten Eingang des Verdampfers 4 verbunden.

Der zweite Ausgang des Zeolith-Gehäuses 1 ist über eine Dampfleitung 14 und eine Vakuumpumpe 15 mit dem Eingang eines Aufnahmebehälters 16 verbunden, dessen Ausgang über eine Flüssigkeitsleitung 17 und ein Ein/Aus-Ventil 18 zum zweiten Eingang des Verdampfers 4 führt. Als Verdampfer 4 kann ein Flachverdampfer zur Anwendung gelangen, bei dem eine Eisflächen/Volumenbildung von Wasser mög­ lich ist, damit während des Betriebes "Kältekapazitäten" entstehen können, die über eine jeweils folgende zyklische Abschmelzung einen kontinuierlichen klimatisierten Betrieb ermöglichen.

Nachfolgend wird die Funktionsweise des Wärmepumpenkreislaufes gemäß Fig. 1 erläutert. Zu Beginn des ersten Teilprozeßschrittes sind die Ventile 3 und 13 geöff­ net, während die Ventile 8 und 18 geschlossen sind. Die Vakuumpumpe 15 ist in Betrieb und erzeugt einen Unterdruck im Zeolith-Gehäuse 1. Die hochporösen Zeoli­ the saugen über die Dampfleitung 2 und das Ventil 3 das von der Wasseroberfläche im Verdampfer 4 verdampfende Wasser heftig an und adsorbieren den Wasser­ dampf. Die Mineralien (Zeolithe) entwickeln dabei Wärme, während sich das Wasser aufgrund der Verdampfung stark abkühlt und schließlich gefriert. Dieser physikali­ sche Effekt wird für Kühl- und Klimazwecke genutzt, indem Raumluft mit Hilfe des Ventilators 5 angesaugt und über die verrippten Außenwände des Verdampfers 4 ge­ führt und hierdurch gekühlt wird.

Der erste Teilprozeßschritt dauert, bis die Zeolithe mit Wasser gesättigt sind. Dann werden die Vakuumpumpe 15 außer Betrieb genommen und das Ventil 18 geöffnet, damit das von der Vakuumpumpe 15 während des ersten Teilprozeßschrittes in den Aufnahmebehälter 16 geförderte Ansaugkondensat über die Flüssigkeitsleitung 17 und das Ventil 18 aus dem Aufnahmebehälter 18 in den Verdampfer 4 zurückfließt.

Zu Beginn des zweiten Teilprozeßschrittes ist das Ventil 8 geöffnet, während die Ventile 3, 13 und 18 geschlossen sind. Die Vakuumpumpe 15 ist außer Betrieb. Über den aufgeheizten Bremswiderstand 7 wird das Zeolith-Gehäuse 1 auf Tempe­ raturen höher als 90°C erhitzt. Durch das hohe Temperaturniveau wird die Feuchtig­ keit aus den Zeolithen ausgeheizt (desorbiert) und in Form von Wasserdampf über das Ventil 8 und die Dampfleitung 9 in den Kondensator 10 geleitet. Die verrippten Außenwände des Kondensators 10 werden mit Hilfe des Ventilators 11 mit atmo­ sphärischer Luft gekühlt, so daß der Wasserdampf im Kondensator 10 kondensiert.

Der zweite Teilprozeßschritt dauert bis das Wasser aus den Zeolithen ausgetreten ist. Dann wird die Heizquelle (= Bremswiderstand 7) abgeschaltet bzw. thermisch vom Zeolith-Gehäuse 1 getrennt. Ventil 13 wird geöffnet, damit das kondensierte Wasser über die Flüssigkeitsleitung 12 und das Ventil 13 aus dem Kondensator 10 in den Verdampfer 4 zurückfließen kann bzw. während des sich unmittelbar an­ schließenden ersten Teilprozeßschrittes vom mittels der Vakuumpumpe 15 bewirk­ ten Unterdruck angesaugt werden kann.

Der vorstehend erläuterte Adsorber-Wärmepumpenkreislauf kann in einer verein­ fachten Ausführungsform mit verminderter Leistung auch ohne Dampfleitung 14 - Vakuumpumpe 15 - Aufnahmebehälter 16 - Flüssigkeitsleitung 17 - Ein/Aus-Ventil 18 ausgeführt sein und betrieben werden.

In Fig. 2 ist eine erweiterte Anordnung zur ersten Variante dargestellt, mit welcher eine nahezu kontinuierliche Kälteerzeugung erreicht wird. Neben dem in Fig. 1 er­ läuterten ersten Wärmepumpenkreislauf ist ein zweiter Wärmepumpenkreislauf mit Zeolith-Gehäuse als Austreiber 19, Dampfleitungen 20, 25, 29, Ein/Aus-Ventilen 21, 24, 28, 33, Verdampfer 22, Heizquelle (= Bremswiderstand 23), Kondensator 26, Flüssigkeitslei­ tungen 27, 32, Vakuumpumpe 30 und Aufnahmebehälter 31 vorgesehen. Die Venti­ latoren 5 und 11 sind für beide Wärmepumpenkreisläufe wirksam. Die beiden Wär­ mepumpenkreisläufe werden vorzugsweise phasenversetzt betrieben, so daß sich der erste Wärmepumpenkreislauf im ersten Teilprozeßschritt befindet, während der zweite Wärmepumpenkreislauf den zweiten Teilprozeßschritt durchläuft und umge­ kehrt. Auf diese Weise wird die über den Ventilator 5 geförderte Raumluft permanent abgekühlt und zwar abwechselnd durch die Verdampfer 4 und 22.

Um eine Entkopplung zwischen den durch den Fahrbetrieb bedingten Zeiträumen der Aufheizung der Bremswiderstände 7, 23 und den einzelnen Teilprozeßschritten zu bewirken, kann eine Zwischenspeicherung der von den Bremswiderständen 7, 23 pro­ duzierten Wärmeenergie erfolgen, beispielsweise durch die vorstehend erwähnten Wärmeübertragerkreise.

In Fig. 3 ist eine Anordnung zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraumes gemäß einer zweiten Variante dargestellt. Eine elektrische Pumpe 34 mit geringer elektri­ scher Leistung pumpt ein absorbiertes Kältemittelgemisch 45, beispielsweise Was­ ser/Ammoniak oder Wasser/Lithiumbromid (oder eine andere Flüssigkeit/Gaskombi­ nation) aus einem Absorber 38 über ein Drosselventil 52 und durch einen Wärme­ tauscher 43 in einen Austreiber 35. Der Bremswiderstand 7 dient als Heizquelle zum Spalten des Kältemittelgemisches (Ausdampfen) des Gases aus der Trägerflüssig­ keit im Austreiber 35 ("thermische Verdichtung"). Der Austreiber 35 ist an seiner Ge­ häuseoberfläche mit Kühlrippen versehen, die Teil eines in der Leistung einstellba­ ren Luftkühlers 51 sind, um gegebenenfalls auftretende Überschußwärmeenergie des Bremswiderstandes 7 an die Außenatmosphäre abführen zu können. Die Trä­ ger- oder Absorptionsflüssigkeit fließt vom Austreiber 35 über eine Drosselleitung 37 zurück zum Absorber 38.

In einem Abscheider 36 werden Restmengen der Träger- oder Absorptionsflüssigkeit (Feinsttropfen) abgeschieden und über die Drosselleitung 37 zurück zum Absorber 38 geleitet. Der Kältemitteldampf gelangt über eine Dampfleitung 47 zu einem Kon­ densator 39 und wird dort gekühlt und kondensiert. Ein Ventilator 44 dient zur Küh­ lung des Kondensators 39. Das kondensierte Kältemittel gelangt über eine Flüssig­ keitsleitung 48 zu einem Drosselventil 40, wird dort aufgrund des mittels Austreiber 35 und Pumpe 34 aufgebrachten hohen Druckes zerstäubt (Feinst-Flüssigkeitszer­ stäubung) und anschließend im Niederdruckteil des Kreises verdampft. Hierzu wird das zerstäubte Kältemittel über eine Dampfleitung 49 in einen Verdampfer 41 ge­ führt. Ein zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraumes dienender Ventilator 42 be­ bläst die Verdampferflächen. Der Verdampfungsvorgang entzieht über die Verdamp­ ferflächen Wärmeenergie aus der Luft. Die abgekühlte Luft wird über einen Luftkanal dem Fahrzeuginnenraum zugeleitet. Das erwärmte Kältemittelgas gelangt über eine Rohrverbindung in den Absorber 38 und wird dort von der Trägerflüssigkeit absor­ biert. Eine Mischvorrichtung 50 im Absorber 38, beispielsweise ein gelochtes Einlei­ tungsrohr für das Kältemittelgas, unterstützt die Absorption.

Der Wärmetauscher 43 kühlt das dem Austreiber 35 zugeleitete Kältemittelgemisch, was die Absorption begünstigt. Zur Kühlung kann dabei vorteilhaft der Ventilator 44 herangezogen werden.

Zwischen Austreiber 35 und Absorber 38 ist eine Leitung mit einem Ein/Aus-Ventil 46 angeordnet. Dieses Ventil 46 ist geschlossen, sobald die Pumpe 34 eingeschaltet ist und geöffnet, sobald die Pumpe 34 abgeschaltet ist. Hierdurch kann sich das Käl­ temittelgemisch vom Austreiber 35 zum Absorber 38 entleeren, sobald die Klimati­ sierung abgeschaltet ist. Durch entsprechende Anordnung und Neigung der Leitun­ gen zwischen Verdampfer 43 und Absorber 38 sowie zwischen Pumpe 34 und Ab­ sorber 38 ist sichergestellt, daß das Kältemittelgemisch bei abgeschalteter Klimati­ sierung zum Absorber 38 hin fließen kann. Hierdurch werden unerwünschte Erhit­ zungs/Verdampfungsvorgänge im Austreiber 35 bei abgeschalteter Klimatisierung un­ terbunden.

Die Regelung der Leistung der Klimatisierung kann in einfacher Weise durch Rege­ lung der Pumpenleistung der Pumpe 34 oder durch Einstellung des Drosselventils 52 erfolgen. Des weiteren kann die Klimatisierungsleistung durch Erhöhung des Luftdurchsatzes am Ventilator 42 und Erhöhung der Wärmezufuhr am Austreiber 35 bei gleichzeitiger Verminderung der über den Luftkühler 51 abgeführten Wärme­ energie und Erhöhung des Luftdurchsatzes am Ventilator 44 erhöht bzw. bei entge­ gengesetzten Parameteränderungen herabgesetzt werden.

Claims (13)

1. Einrichtung zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraumes eines elektrisch betriebenen Fahrzeuges, wobei das Fahrzeug mit mindestens einem Bremswiderstand ausgerüstet ist und einen Adsorber- oder Absorber-Wärmepumpenkreislauf, mit Verdampfer (4, 22, 41), Austreiber (1, 19, 35) und Kondensator (10, 26, 39) aufweist und, wobei die dem Fahrzeuginnenraum zuzuführende Luft am Verdampfer (4, 22, 41) abkühlbar und die Abwärme des Kondensators (10, 26, 39) an die Außenatmosphäre abführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Bremswiderstand (7, 28) die Heizquelle für den Austreiber (1, 19, 35) ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Absorber Wärmepumpenkreislauf ein Zeolith-Gehäuse (1) Austreiber dient, Ein/Aus-Ventile (3, 8, 13) zwischen Verdampfer (4) und Zeolith-Gehäuse (1), zwi­ schen Zeolith-Gehäuse (1) und Kondensator (10) sowie zwischen Kondensator (10) und Verdampfer (4) angeordnet sind und Wasser als Kältemittel dient.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrei­ ber (Zeolith-Gehäuse 1) über eine Vakuumpumpe (15), einen Aufnahmebehälter (16) und ein Ein/Aus-Ventil (18) mit dem Verdampfer (4) verbunden ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Adsorber-Wärmepumpenkreisläufe jeweils mit Verdampfer (4, 22) - Ein/Aus-Ventil (3, 21) - Austreiber (Zeolith-Gehäuse: 1, 19) - Ein/Aus-Ventil (8, 24) - Kondensator (10, 26) - Ein/Aus-Ventil (13, 28) - Verdampfer (4, 22) vorgesehen sind, welche phasen­ versetzt arbeiten.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Absorber-Wärmepumpenkreislauf zwischen Verdampfer (41) und Austreiber (35) ein Absorber (38) mit nachgeschalteter Pumpe (34) sowie zwischen Kondensator (33) und Verdampfer (41) ein Drosselventil (40) angeordnet sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Kältemit­ telgemisch Wasser/Ammoniak oder Wasser/Lithiumbromid verwendet wird.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 und/oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Wärmetauscher (43) zwischen der Pumpe (34) und dem Austrei­ ber (35) angeordnet ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abscheider (36) zwischen Austreiber (35) und Kondensator (39) angeordnet ist, welcher über eine Drosselleitung (37) mit dem Absorber (38) verbunden ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drosselventil (52) nach der Pumpe (34) angeordnet ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (38) mit einer Mischvorrichtung (50), insbesondere mit einem ge­ lochten Einleitungsrohr für das Kältemittelgas, versehen ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeich­ net, daß der Austreiber (35) derartig schräg angeordnet ist, daß bei Stillstand der Pumpe (34) eine restlose Entleerung der Kältemittelflüssigkeit in den Absorber erfol­ gen kann.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlee­ rung über einen eigenen Entleerungspfad mit Ventil (46) erfolgt.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kälteleistung durch Einstellung der Leistung der Pumpe (34) und/oder des Drosselventils (52) nach der Pumpe (34) und/oder des Luftdurchsatzes des zur Kühlung des Kondensators (39) dienenden Ventilators (44) und/oder des Luftdurch­ satzes des zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraumes dienenden Ventilators (42) auf den gewünschten Wert eingestellt wird.