DE69006598T2

DE69006598T2 - Temperaturkontrollsystem für fahrzeuge.

Info

Publication number: DE69006598T2
Application number: DE69006598T
Authority: DE
Inventors: James Burlison; Alan Lofting
Original assignee: Temperature Ltd
Current assignee: Stone Uk Ltd Dartford Kent Gb
Priority date: 1989-06-23
Filing date: 1990-06-22
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2010-06-23
Also published as: GB8914423D0; ZA904928B; EP0478653A1; AU627604B2; DE69006598D1; GB2233442A; GB9013907D0; US5211027A; EP0478653B1; GB2233442B; AU5926290A; IN174714B; WO1991000205A1; ES2051019T3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Temperaturregelungseinrichtungen für Fahrzeuge, zum Beispiel Klimatisierungseinrichtungen für Eisenbahnwagen.
Es gibt einen wachsenden Bedarf für die Klimatisierung von Eisenbahnwagen, um den Fahrgastkomfart zu verbessern. Im Hinblick auf die sehr stabile Anzahl von Wagen im Einsatz und die lange Lebensdauer solcher Wagen, ist es wesentlich, daß jedes solche System verhältnismäßig preiswert und von einer angemessenen Lebenserwartung und einfacher Wartung sein muß.
Bisher gab es zwei Hauptvorschläge zur Klimatisierung solcher Wagen. In einem Vorschlag ist eine komplette luftgekühlte Klimatisierungseinheit unterhalb eines Bodens des Wagens in der Umgebungsluft aufgehängt und die von der Einrichtung erzeugte gekühlte Luft wird in den Wagen geführt. Diese Einrichtung hat jedoch den Nachteil, daß die notwendige Luftführung sperrig und aufwendig zu installieren ist.
Eine zweite bisher vorgeschlagene Einrichtung bringt einen Kühlmittelkreislauf der Klimatisierungseinrichtung auf dem Dach des Wagens innerhalb des zu kühlenden Raumes an. Das Kühlmittel wird dann mittels Rohrleitung zu einem Kühlmittel/Luft-Wärmeaustauscher geführt, welcher unterhalb des Bodens des Wagens in der Umgebungsluft aufgehängt ist. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß das Kühlmittel mittels Rohrleitung zwischen dem Dach und dem Boden des Wagens transportiert werden muß. Es gibt eine starke Wahrscheinlichkeit, daß mit der Zeit Kühlmittel aus diesen Rohrleitungen auslaufen wird und solche Lecks haben - im Hinblick auf die gegenwärtig verwendeten Kühlmittel- eine nachteilige Auswirkung auf die Umwelt. Zusätzlich sind solche Lecks schwer ausfindig zu machen und zu reparieren.
Die vorliegende Erfindung strebt danach, einen oder mehrere der obigen Nachteile zu beseitigen oder abzuschwächen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist dort eine Einrichtung zum Regeln der Temperatur des Inneren eines Fahrzeuges durch Zuführen von Luft durch einen oder mehrere Auslässe in das Innere vorgesehen, die einen Kühlmittelkreislauf umfaßt, der verbunden ist mit einem zweiten Flüssigkeit enthaltenden Kreislauf, der einen Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher einschließt, wobei der Kühlmittelkreislauf getragen wird oder angrenzend ist zu entweder dem Dach oder dem Boden des Fahrzeugs und der Wärmetauscher getragen wird von oder angrenzend ist zu dem (jeweils) anderen des Daches oder des Bodens des Fahrzeugs und der zweite Flüssigkeit enthaltende Kreislauf Rohrleitungen zum und vom Wärmetauscher umfaßt, die sich über einen wesentlichen Teil der Höhe des Fahrzeugs erstrecken.
Wenn das Fahrzeug gekühlt wird, ist der Wärmeaustauscher in der Form einer Wärmeabfuhreinheit.
In einer bevorzugten Anordnung ist das Kühlmittel in dem Kühlmittelkreislauf thermisch verbunden mit dem zweiten Flüssigkeit enthaltenden Kreislauf mittels eines Kondensors, wobei sich die Rohrleitungen von dem Kondensor zu dem Wärmetauscher erstrecken und der Kühlmittelkreislauf einen Verdampfer umfaßt, über den Luft zu besagten Auslässen geleitet wird. Der Kondensor kann ersetzt werden von jedem beliebigen Flüssigkeit/Kühlmittel/Wärmeaustauscher.
In einer anderen bevorzugten Anordnung ist das Kühlmittel in dem Kühlmittelkreislauf thermisch verbunden mit dem zweiten Flüssigkeit enthaltenden Kreislauf mittels eines zweiten Wärmetauschers, wobei sich die Rohrleitungen von dem zweiten Wärmetauscher zu dem ersten Wärmetauscher erstrecken und die Luft von dem ersten Wärmetauscher zu den Auslässen geleitet wird, und der Kühlmittelkreislauf darüber hinaus einen Kühlmittel/Luft-Wärmeaustauscher umfaßt.
Folglich ist, wenn das Fahrzeug gekühlt wird, das Kühlmittel luftgekühlt und der erste Wärmetauscher kann in der Form einer gekühlten Flüssigkeitsspule sein.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun, nur als Beispiel, beschrieben werden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, von denen:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Eisenbahnwagens (gezeigt in gebrochenen Linien) ist, der eine Temperaturregelungseinrichtung nach Maßgabe einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einschließt;
Fig. 2 eine Draufsicht von oben des Kühlmittelkreislaufs der Einrichtung in Fig. 1 ist;
Fig. 3 eine Draufsicht des Flüssigkeit/Luft-Wärmetauschers der Einrichtung in Fig. 1 ist;
Fig. 4 das Prinzip der Funktion der Einrichtung in Fig. 1 veranschaulicht;
Fig. 5 das Prinzip der Funktion einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht und
Fig. 6 eine Abänderung des Kühlmittelkreislaufs aus Fig. 2 zeigt.
Wie in Fig. 1 zu sehen, hat der Eisenbahnwagen ein Dach 10, Seitenwände, von denen eine bei 11 gezeigt ist, und einen Boden 12, der Fahrgastsitze 13 trägt. Die Seitenwand ist in herkömmlicher Art mit Fenstern 14 und Türen 15 ausgestattet. Der Wagen ist auf Räder aufgebaut, von denen eines bei 16 gezeigt ist, welches auf einer Schiene 17 läuft.
Die Klimatisierungseinrichtung umfaßt einen Kühlkreislauf 18 und einen Wasser/Luft-Wärmeaustauscher 19. Wie in Fig. 2 zu sehen, ist der Kühlkreislauf 18 oberhalb der Türen 15 montiert und schließt einen Drehschaufelverdichter 20, angetrieben von einem Elektromotor, eine Ausgleichsvorrichtung 40, Fig. 4, und zwei Verdampferspiralen 21 ein. Jeweilige Gebläse 22 saugen Luft von dem Wagen über Einlässe 23 an und pressen Luft durch die Verdampferspiralen 21. Die so erzeugte gekühlte Luft wird dann in den Wagen über Auslässe 24 hinein geleitet. Um Luftzüge in den Wagen zu vermeiden, ist die gekühlte Luft geregelt, um die Auslässe mit geringer Geschwindigkeit zu verlassen, so daß die austretende Luft im wesentlichen vertikal fällt.
Gasförmiges (verdampftes) Kühlmittel verläßt die Verdampferspiralen 21 und strömt zu dem Verdichter 20. Es wird dann von dem Verdichter 20 zu einer wassergekühlten Kondensorspirale 25 getrieben, wo es kondensiert wird aufgrund von Wärmeabgabe an Wasser, das zu der Kondensorspirale 25 durch eine Rohrleitung 26 zugeführt wird. Das flüssige Kühlmittel wird dann durch die Ausgleichsvorrichtung 40 geleitet, bevor es zu den Verdampferspiralen 21 zurückkehrt.
Die Stromversorgung für den Motor des Verdichters 20 ist eine Einphasenversorgung, entnommen von der Drittwicklung des Haupt-Zugtransformators. Der Motor funktioniert zufriedenstellend bei einer festen Frequenzversorgung über die gesamte Spannweite zwischen 160 V und 265 V. Wenn die Spannung unter 160 V fällt, gibt es eine Gefahr des Anhaltens und des Überhitzens des Motors; dementsprechend ist ein thermischer Schalter in der Form eines Bimetallstreifens in der Motorwicklung eingeschlossen.
Das Kühlmittel kann HCFC Kühlmittel R22 sein.
Die Kondensorspirale 25 schließt einen Wasserkreislauf ein, dessen Einlaß mit der Rohrleitung 26 verbunden ist. Der Auslaß zu dem Wasserkreislauf ist verbunden mit einer zweiten Rohrleitung 27. Diese zwei Rohrleitungen 26, 27 verlaufen hinunter durch die Wand des Wagens (siehe Figur 3) zu dem Unterboden, wo sie mit dem Wasser/Luft-Wärmeaustauscher 19 verbunden sind. Rohrleitung 26 ist verbunden mit dem Auslaß des Wasser/Luft-Wärmeaustauschers 19 und die Rohrleitung 27 ist verbunden mit dem Einlaß des Wasser/Luft-Wärmeaustauschers 19. Ein Gebläse 28 ist vorgesehen für den erzwungenen Durchzug von Luft über den Wasser/Luft-Wärmeaustauscher 19, um eine erzwungene Kühlung des Wassers zu liefern.
Die oben beschriebene Anordnung stellt Kaltluft an Auslässen 24 bereit. Ein elektrisches Heizelement 29 wird an der luftstromabwärtigen Seite jeder Verdampferspirale 21 vorgesehen, so daß im Winter erwärmte Luft geliefert werden kann mit dem Rest des Kühlkreislaufs 18 inaktiv. Ein Luftfilter 30 wird über der luftstromaufwärtigen Seite jeder der Verdampferspiralen 21 vorgesehen.
Ein Vorteil der oben beschriebenen Einrichtung ist, daß das Kühlmittel lediglich innerhalb des Kühlkreislaufs 18 enthalten ist. Folglich ist die Möglichkeit von Kühlmittellecks minimiert oder im wesentlichen ausgeschaltet. Die einzige Flüssigkeit, die zwischen dem Boden 12 und dem Dach 10 des Wagens und umgekehrt strömt ist Wasser. Wenn es irgendeine Leckage von Wasser gibt, hat dieses keine Umweltnachteile und die Wasserrohrleitungen 26, 27 können schnell und einfach repariert werden. Die Bereitstellung der Wasserrohrleitungen 26, 27 zwischen dem Boden 12 und dem Dach 10 des Wagens ist preiswert und billig und nimmt sehr wenig Raum ein. Außerdem wird nur eine verhältnismäßig geringe Menge an Kühlmittel, z.B. 1,5 kg, erfordert, verglichen mit der großen Menge, die für eine herkömmliche Einrichtung benötigt wird, z.B. 20 kg.
Die Einrichtung kann leicht in einem bestehenden Wagen nachgerüstet werden. Die Einrichtung ist, verglichen mit bisherigen Einrichtungen, energiesparend und hat auch den Vorteil von geringem Gewicht. Die Tatsache, daß eine Stromumwandlungsbaugruppe nicht erfordert wird, führt zu einer 10 bis 20%-igen Einsparung an Energie und bis zu einer 30 bis 40%-igen Einsparung an Gewicht; die kompakte Konstruktion der Einrichtung führt zu einer weiteren 15%-igen Gewichtseinsparung und, insbesondere im Hinblick auf den Drehschaufelverdichter, einer weiteren 25%-igen Energieeinsparung
Die Einrichtung ist zweckdienlich konfiguriert als eine Anzahl von einzelnen Bauelementen, welche, zusammen mit der Leichtigkeit des Zugangs, Wartung, Reparatur und Ersatz erheblich erleichtert.
Der verwendete Einphasenmotor hat den Vorteil der Robustheit. Da er keinen komplizierten elektronischen Regelungsapparat besitzt, kann er Hochspannungs-Schaltvorgängen, z.B. von 400 V, ohne Probleme widerstehen. Die Verwendung eines Bimetallstreifens als eingebauten thermischen Schutz gestattet den Einsatz eines Standardmotors. Da die Einrichtung nur selten nicht in Betrieb sein wird, gibt es keine Notwendigkeit, Vorkehrung für irgendeine Unterstützungstemperaturregelung zu treffen. In jedem Fall ist die thermische Trägheit eines Eisenbahnwagens ziemlich hoch, die Einrichtung kann so für mehrere Minuten ohne bemerkbare Auswirkung außer Kraft sein.
Die Verwendung eines Drehschaufelverdichters hat den Vorteil einer niedrigen Start- und Arbeitsdrehleistung. Ein elektrischer Gleisweg hat neutrale oder tote Bereiche von bis zu 40 m zwischen spannungsversorgten Bereichen, aber der Verdichter 20 liefert einen Schwungradeffekt, um eine zufriedenstellende Arbeitsweise während Überfahrt über einen neutralen Bereich aufrechtzuerhalten. Das Starten und Arbeiten des Verdichters ist erstaunlich leise.
Zahlreiche Veränderungen können an der oben beschriebenen Einrichtung vorgenommen werden. Zum Beispiel darf das Wasser einen Zusatz wie z.B. Glykol enthalten; tatsächlich kann in dem zweiten Flüssigkeit enthaltenden Kreislauf jede geeignete nichtkorrodierende Flüssigkeit verwendet werden.
Es wird geschätzt werden, daß der Wasser/Luft-Wärmeaustauscher 19 von einer Anzahl von Kühlmittel-Kreisläufen 18 versorgt werden darf. Der Kühlmittel-Kreislauf 18 und der Wasser/Luft-Wärmeaustauscher 19 können in jeder techniküblichen Weise modifiziert werden. Besonders der in Fig. 6 gezeigte Kühlmittel-Kreislauf darf verwendet werden, welcher nur eine einzige Verdampferspirale 21 und ein hinzugefügtes Gebläse besitzt.
Ein Gleichstrommotor darf verwendet werden, um die Einrichtung anzutreiben. Da dieser schwer ist, ist er mit dem Verdichter und dem Rest des Kühlmittel-Kreislaufes 18 unterhalb des Bodens des Wagens angebracht; in diesem Fall ist der Wasser/Luft-Wärmeaustauscher 19 innerhalb des Dachraumes angebracht.
Der Kühlmittel-Kreislauf 18 darf die Form einer Gegenkreis- Wärmepumpe annehmen, in welchem Fall der Wasserkreislauf eine primäre Wärmequelle einschließt, die Energie von irgendeiner verfügbaren Quelle auf den Wagen verwendet . Die Bezeichnung "Kühlmittel" in der vorliegenden Beschreibung sollte dementsprechend ausgelegt werden.
Wenn gewünscht, darf ein einziger Kühlmittel-Kreislauf eine Vielzahl von Verdampferspiralen 21 versorgen, die in Abständen entlang dem Wagen verteilt sind; dieses ermöglicht den einzelnen Spiraleinheiten, kleiner zu sein und leisere Gebläse zu benötigen.
Bei Oberleitungsspeisungseinrichtungen für Eisenbahnen ist der Raum unterhalb des Wagenaufbaus, der den Scherenstromabnehmer trägt knapp; die vorliegende Einrichtung darf zweckmäßig so abgeändert werden, daß dieser Wagen keine Wärmeabfuhreinheit 19 zu tragen braucht. Statt dessen darf die abgeänderte Anordnung, die in gestrichelten Linien in Fig. 4 aufgezeichnet ist, eingesetzt werden, in welcher der Kondensor 25' des Kühlmittel-Kreislaufs 18' des Scherenstromabnehmerwagens die Wärmeabfuhreinheit 19 eines angrenzenden Wagen teilt. Nur Wasserrohrleitungen 81,82 brauchen sich zwischen den Wagen zu erstrecken. Diese Anordnung darf erweitert werden, so daß die Kühlmitteleinheiten von drei oder mehr Wagen von irgendeiner geringeren Anzahl von Wärmeabfuhreinheiten 19 versorgt werden dürfen, einschließlich des Falles einer einzigen Wärmeabfuhreinheit.
In der Abänderung von Fig. 5 ist der Kühlmittel-Kreislauf 118 unterhalb des Wagens angebracht und ist gekühlt von umgebender Luft bei 150. Ein Kühlmittel/Wasser-Wärmeaustauscher 151 ist auch enthalten in dem Fahrgestellpaket und liefert gekühltes Wasser aufwärts durch eine Rohrleitung 155 in der Wand des Wagens zu einem Luft/Wasser-Wärmeaustauscher 152 in der Form einer gekühlten Wasserspirale, über welche Luft vom Einlaß 123 zum Auslaß 124 zu dem Fahrgastraum geleitet wird. Rohrleitung 156 leitet das Wasser zu dem Austauscher 151 zurück.
Diese Anordnung hat auch den Vorteil, daß es keinen Durchfluß von Kühlmittel zwischen Boden und Dach gibt und so die Gefahr von Kühlmittelleckage minimiert ist. Auch ist die Notwendigkeit umgangen, gekühlte Luft über lange Entfernungen innerhalb des Fahrgastraumes zu führen.
An der Anordnung von Fig. 5 dürfen dieselben Veränderungen vorgenommen werden, wie mit der Anordnung von den Figuren 1 bis 4. Außerdem darf der Wärmeaustauscher 152 von einer Vielzahl von einzelnen Wärmeaustauschern ersetzt werden, die entlang dem Wagen verteilt sind, z.B. in jeweiligen Abteilen, mit gemeinschaftlichen und/oder eigenen thermostatischen Regelungselementen. Eine zusätzliche Schleife darf geliefert werden, die eine primäre Wärmequelle einschließt, die Energie von irgendeiner verfügbaren Quelle auf dem Wagen verwendet. Diese Schleife schließt weitere Wasser/Luft- Wärmeaustauscher ein, die luftstromabwärtig der kühlenden Wasser/Luft-Wärmeaustauscher angeordnet sind, und Regelungsmittel sind vorgesehen, um sowohl die wärmenden als auch die kühlenden Austauscher von gleichzeitigem Arbeiten abzuhalten.
Außer Einphasen- und Gleichstrommotoren darf die Einrichtung einen Dreiphasenmotor oder einen hydraulischen oder pneumatischen Motor in geeigneten Umständen verwenden. Die Temperaturregelungseinrichtung kann in Güterwagen und auch in Straßenfahrzeugen, besonders Lastwagen oder Reisebussen und Flugzeugen verwendet werden.

Claims

1. Eine Einrichtung zum Regeln der Temperatur des Inneren eines Fahrzeuges durch Zuführen von Luft durch einen oder mehrere Auslässe (24,124) in das Innere, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Kühlmittelkreislauf (18,118) umfaßt der thermisch verbunden ist mit einem zweiten Flüssigkeit enthaltenden Kreislauf, der einen Flüssigkeit/Luft-Wärme tauscher (19,152) einschließt wobei der Kühlmittelkreislauf getragen wird von oder angrenzend ist zu entweder dem Dach oder dem Boden des Fahrzeugs und der Wärmetauscher getragen wird von oder angrenzend ist zu dem (jeweils) anderen des Daches und des Bodens des Fahrzeugs und der zweite Flüssigkeit enthaltende Kreislauf Rohrleitungen (26,27, 155,156) zum und vom Wärmetauscher umfaßt, die sich über einen wesentlichen Teil der Höhe des Fahrzeugs erstrecken

2. Eine Einrichtung entsprechend Anspruch 1, worin das Kühlmittel in dem Kühlmittelkreislauf thermisch verbunden ist mit dem zweiten Flüssigkeit enthaltenden Kreislauf mittels eines Kondensors (25), wobei sich die Rohrleitungen von dem Kondensor zu dem Wärmetauscher erstrecken und der Kühlmittelkreislauf einen Verdampfer (21) umfaßt, durch den Luft zu den Auslässen (24) geleitet wird.

3. Eine Einrichtung entsprechend Anspruch 2, worin eine Vielzahl von Verdampfern und jeweiligen Auslässen an in Abständen verteilten Stellen innerhalb des Fahrzeugs vorgesehen sind.

4. Eine Einrichtung entsprechend Anspruch 1, worin das Kühlmittel in dem Kühlmittelkreislauf thermisch verbunden ist mit dem zweiten Flüssigkeit enthaltenden Kreislauf mittels eines zweiten Wärmetauschers (151), wobei sich die Rohrleitungen (155,156) von dem zweiten Wärmetauscher zu dem ersten Wärmetauscher (152) erstrecken, und die Luft von dem ersten Wärmetauscher zu den Auslässen (124) geleitet wird und, der Kühlmittelkreislauf darüber hinaus einen Kühlmittel/ Luft-Wärmetauscher (150) umfaßt.

5. Eine Einrichtung entsprechend Anspruch 4, worin eine Vielzahl von ersten Wärmetauschern und jeweiligen Auslässen an in Abständen verteilten Stellen innerhalb des Fahrzeuges vorgesehen sind.

6. Eine Einrichtung entsprechend einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, worin der Kühlmittelkreislauf einen Drehschaufelverdichter (20), angetrieben von einem Ein-Phasen-Elektromotor, umfaßt.

7. Eine Einrichtung entsprechend Anspruch 6, worin der Motor thermische Sicherungsmittel in der Form eines Bimetallstreifens umfaßt, eingeschlossen in eine Windung des Motors.

8. Eine Einrichtung entsprechend einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, worin der Kühlmittelkreislauf in der Form einer Gegentaktwärmepumpe ist.

9. Ein Fahrzeug, das eine Temperaturregeleinrichtung entsprechend einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche einschließt.

10. Ein Zug, der eine Vielzahl von Wagen umfaßt von denen zumindest einer mit einer Einrichtung entsprechend einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 8 ausgestattet ist, worin der Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher zwischen angrenzenden Wagen geteilt wird, wobei die Anordnung so ist, daß die einzigen Teile der Einrichtung, die sich zwischen den Wagen erstrecken, Schlauchverbindungen (81,82) sind, die Teile des zweiten Flüssigkeit enthaltenden Kreislaufs umfassen.