EP3911906A1 - Heat exchanger for flammable refrigerants - Google Patents

Heat exchanger for flammable refrigerants

Info

Publication number
EP3911906A1
EP3911906A1 EP20711035.4A EP20711035A EP3911906A1 EP 3911906 A1 EP3911906 A1 EP 3911906A1 EP 20711035 A EP20711035 A EP 20711035A EP 3911906 A1 EP3911906 A1 EP 3911906A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat exchanger
hollow cuboid
tube
cuboid housing
sealing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20711035.4A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Lutz Boeck
Steffen Poser
Erik Hoffmann
Kai Fischer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Faiveley Transport Leipzig GmbH and Co KG
Original Assignee
Faiveley Transport Leipzig GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Faiveley Transport Leipzig GmbH and Co KG filed Critical Faiveley Transport Leipzig GmbH and Co KG
Publication of EP3911906A1 publication Critical patent/EP3911906A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D1/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/04—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits
    • F28D1/047—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being bent, e.g. in a serpentine or zig-zag
    • F28D1/0475—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being bent, e.g. in a serpentine or zig-zag the conduits having a single U-bend
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/001—Casings in the form of plate-like arrangements; Frames enclosing a heat exchange core
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/007—Auxiliary supports for elements
    • F28F9/013—Auxiliary supports for elements for tubes or tube-assemblies
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/008—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for vehicles
    • F28D2021/0085—Evaporators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2215/00—Fins
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2230/00—Sealing means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28F2265/00—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction
    • F28F2265/16—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction for preventing leakage
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T30/00—Transportation of goods or passengers via railways, e.g. energy recovery or reducing air resistance

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger for combustible refrigerants, preferably for a rail vehicle, the heat exchanger having a hollow cuboid-shaped housing, in the interior of which refrigerant lines are arranged as a tube-lamella package or as a tube-in-tube lamella package are configured, the hollow cuboid housing being equipped with lamellae on the inside of a closed side surface and wherein at least a portion of the outside of this closed side surface can be brought into operative connection with the passenger compartment.
  • Flammable refrigerants for the air conditioning of rail vehicles have not been used to date due to the associated risks, in particular explosion and fire.
  • One way to minimize these risks and thus also enable them to be used in rail vehicles is to use secondary circulation systems.
  • the required refrigeration (or heating) power is provided in a known compression refrigeration circuit in a primary circuit, which is arranged outside the vehicle and has no direct connection to the vehicle interior, using a combustible refrigerant.
  • This cooling capacity is transferred to a secondary circuit using a heat exchanger.
  • This secondary circuit is typically a brine circuit, with the refrigerant e.g. Water-glycol mixtures can be used.
  • DE 196 25 927 C2 describes a device for heating and cooling a bus with an air conditioning system with a primary refrigerant circuit.
  • the chiller with the primary refrigerant circuit is located under the floor of the passenger compartment.
  • the primary refrigerant circuit is operatively connected to a secondary refrigerant circuit via an intermediate heat exchanger. This secondary coolant circuit is largely arranged in the interior of the bus and realizes the temperature of the passenger compartment.
  • a cooling device for a work vehicle is known from EP 1 520 737 A1.
  • a primary refrigerant circuit is located outside the work cabin and is operatively connected to a secondary refrigerant circuit via an intermediate heat exchanger.
  • the secondary coolant circuit is predominantly arranged in the interior of the work cabin and takes over its temperature control.
  • WO 2018/137 908 A1 relates to a rail vehicle with a primary refrigerant circuit, which is arranged outside the vehicle and structurally separated from the passenger compartment.
  • a secondary coolant circuit is at least partially arranged within the rail vehicle.
  • the heat exchange between the primary refrigerant circuit and the secondary refrigerant circuit takes place through an intermediate heat exchanger, which is preferably arranged under the floor. As a result, the primary refrigerant circuit is completely outside the interior of the rail vehicle.
  • Such an air conditioning system enables a good use of the available space.
  • refrigerants can be used for the circuit arranged outside of the passenger compartment, which for safety-related aspects have so far not been used or have hardly been used for the air conditioning of passenger compartments in order to avoid problems due to uncontrolled leakage of the refrigerant in the event of malfunctions.
  • propane for example, which is very suitable as a refrigerant from a functional point of view, but is hardly used due to its flammability.
  • the object of the invention is to provide a heat exchanger for an air conditioning system with which the existing safety risks of previous heat exchangers are avoided, so that secondary circuits are dispensed with and a direct system can instead be implemented.
  • This heat exchanger should preferably be suitable for a rail vehicle.
  • the heat exchanger has a hollow cuboid housing, which is designed as a subassembly that can be gas-tightly sealed off from the passenger compartment, with only permanently sealed sections of the refrigerant lines being arranged in the interior of the hollow cuboid housing, the connection points of which are each arranged completely outside the hollow cuboid housing and wherein the hollow cuboid housing is equipped with at least one sealing frame and / or with at least two sealing plates in such a way that in the installed position of the Heat exchanger, the connections of the refrigerant lines are arranged in an area that is sealed off from the passenger compartment and ventilated to the outside.
  • the sealing frame is formed by two closed side walls arranged opposite one another and two end walls arranged perpendicularly to the side walls and lying opposite one another on the open surfaces of the hollow cuboid housing.
  • the hollow cuboid housing is equipped with a sealing coating on the two front wall surfaces.
  • the sealing frame is formed by a separating segment which is arranged on the closed side surface and is designed with a circumferential flange.
  • a heat exchanger for an air conditioning system which allows the use of combustible refrigerants in a direct evaporation system, preferably for rail vehicles.
  • the entire air flow to the passenger compartment is designed to be pressure-tight and gas-tight with respect to the refrigerant-carrying areas, so that a secure partition between the passenger compartment and the combustible refrigerant is guaranteed.
  • One embodiment provides that the refrigerant lines are each separately stored and sealed on the opposite open end walls of the hollow cuboid housing.
  • the tube-lamella package is considered to be permanently sealed. If the heat exchanger is designed with a tube-lamella package, only this is in the air flow to the passenger compartment and is therefore connected to it directly. All other components of the refrigeration cycle (pipes, connection points and other components) are arranged outside the airway to the passenger compartment and separated from it in a gastight manner.
  • the refrigerant lines are designed in a tube-in-tube arrangement in such a way that the inner tube is designed as a multi-circumferential tube coil and that each tube coil section is enclosed in the hollow cuboid housing by an outer tube in each case.
  • Each outer pipe is open on both sides and, in the event of a malfunction, ensures that leakage is discharged into the outer area. If the inner tube were to leak, the escaping gaseous refrigerant in the outer tube would be separated in a gas-tight manner from the passenger compartment Area led outwards and thus prevents entry into the air duct to the passenger compartment.
  • the tube-in-tube arrangement can be designed in such a way that the inner tube has ribbing, which is preferably made straight or cylindrically turned. After expansion, this ribbing enables mechanical and thermal contact with the outer tube, leaving a free air space.
  • a heat exchanger can be designed in three basic variants:
  • a rubber or plastic wall can be provided on the inside of the sheet metal plate or a plastic bushing for guiding / sealing the tube in the sheet metal plate is provided. This is possible both for the simple pipe version and for the pipe-in-pipe version.
  • the sheet is arranged on the outside for the holder and the rubber or plastic is arranged on the inside.
  • the tubes can be implemented in both variants as a simple tube or as a tube-in-tube version.
  • no coating on the inside or plastic bushing is necessary to seal the pipes on the outside holding plate. Because in this version, the sealing function is performed by the inner rubber all around.
  • sealing plates are each arranged on the opposite end walls on the open surfaces of the hollow cuboid housing. In relation to the interior of the hollow cuboid housing, these sealing plates are arranged within a holding plate that forms the load-bearing structure of the end wall and are fastened to the hollow cuboid housing by means of a circumferential elastic connection designed as a flexible sealing seam.
  • the sealing plates each have openings for the passage of the refrigerant lines.
  • the openings in the sealing plates are produced by punching, lasering or drilling and are designed in such a way that expanded refrigerant lines can be introduced into these openings are.
  • the openings in the sealing plates can be designed with a passage as a collar for receiving expanded refrigerant lines.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of the heat exchanger in side view
  • Fig. 2 shows the heat exchanger according to FIG. 1 in a perspective view
  • Fig. 3 shows a second embodiment of the heat exchanger in side view
  • Fig. 4 shows the heat exchanger according to FIG. 3 in a perspective view
  • Fig. 5 shows a third embodiment of the heat exchanger in side view
  • FIG. 6 shows a detail of the heat exchanger according to FIG. 5 in an enlarged representation in two alternative embodiments
  • Fig. 7 shows a fourth embodiment of the heat exchanger in a perspective view
  • the heat exchanger shown in the drawing is suitable for air conditioning systems with a direct refrigerant circuit and is primarily designed for a rail vehicle. Such a design principle is known in principle. However, the concrete implementation of the basic idea is essential in the present situation. Accordingly, the heat exchanger comprises a gas-tight partition that can be functionally configured as an air guiding element to the passenger compartment. This assembly has a hollow cuboid housing with sealing elements.
  • a sealing frame in a heat exchanger with a tube-lamella package is formed by two opposing closed side walls 1 and 2 and two to these walls 1; 2 vertically arranged and opposite end walls 3 and 4 on the end faces of the hollow cuboid housing.
  • the wall surfaces are each equipped with a sealing coating. 1
  • the end wall 3 has a sealing coating 5
  • the end wall 4 has a sealing coating 6.
  • refrigerant lines Only permanently gas-tight sections of refrigerant lines are arranged in the interior of the hollow cuboid housing. These can alternatively be designed as a tube-lamella package (FIGS. 1-4) or as a tube-in-tube arrangement (FIGS. 5 and 6).
  • the corresponding tube package is designated by reference number 7.
  • the connections of the refrigerant lines are each arranged completely outside the cuboid housing.
  • the hollow cuboid housing is equipped with lamellae on the inside of a side surface 8 which is perpendicular to the two closed side walls 1 and 2 and likewise closed.
  • the corresponding plate pack is designated by reference number 9.
  • At least a portion of the outside of the closed side surface 8 is brought into operative connection with the passenger compartment (not shown in more detail) in such a way that the connections of the refrigerant lines are arranged in an area that is sealed off from the passenger compartment in a gas-tight manner in the installed position of the hollow cuboid housing.
  • the refrigerant lines are each separately stored on the opposite open end walls of the hollow cuboid housing and sealed separately. This can be done in different ways. For example, a sheet arranged on the face side for storing the refrigerant lines can be provided.
  • the seal can e.g. over a sealing coating or over seals or over plastic elements. Regardless of the specific version for this purpose, the necessary functional reliability is achieved by separating the sealing and holding functions.
  • FIG. 3 and 4 show a somewhat modified embodiment of the heat exchanger with a hollow cuboid housing.
  • the refrigerant lines are also designed as a tube-lamella package.
  • the sealing frame is formed by a separating segment 10 which is arranged on the closed side surface 8 and is designed with a circumferential flange.
  • This separating segment 10 is preferably made of a hard rubber material and has partially reinforced flange connections.
  • the two end walls 3 and 4 have a sealing function.
  • the sealing frame is the area of the rubber part marked with the reference number 10 that is visible to the outside (air direction).
  • the face plates have a supporting function here and represent a wall on the right and left.
  • Fig. 5 shows a heat exchanger with refrigerant lines in a design as a tube-in-tube-lamella package.
  • the basic structure largely corresponds to the embodiment according to FIGS. 1 and 2.
  • the sealing frame is formed by two closed side walls 1 and 2 arranged opposite one another and two to these side walls 1; 2 vertically arranged and opposite end walls 3 and 4 on the open surfaces of the hollow cuboid housing.
  • the heat exchanger includes also a tube packet 7 in the interior of the hollow cuboid housing and the plate packet 9 arranged on the inside of the closed side surface 8.
  • the inner tube 13 is designed as a multi-rotating tube coil.
  • Each pipe coil section is enclosed in the hollow cuboid housing by an outer pipe 14, the end faces of which are open.
  • the inner tube 13 has ribs (not shown in the drawing) for thermal contact with the outer tube 14. This ribbing can be carried out, for example, in a straight or cylindrical manner.
  • the open end faces of the outer pipe 14 enable leakage to be drained off, which represents a significant safety advantage over known constructions, particularly when using flammable refrigerants (e.g. propane).
  • Fig. 7 shows a further embodiment of the heat exchanger with a hollow cuboid housing, which is designed functionally as an air guide element to the passenger compartment.
  • the refrigerant lines are also designed as a tube-lamella package in the variant shown here.
  • two sealing plates 15 and 16 are used to form a gas-tight sealable assembly.
  • the sealing plates 15 and 16 are each arranged at the end of the plate pack and have no rigid connection to the supporting structure of the heat exchanger. The functions of holding and sealing are thus separated from each other and implemented with different components.
  • the sealing plates 15 and 16 are designed to ensure a sufficient adhesive base (joint for the sealant) to the edge areas and pipe areas all around with an overhang in relation to the external dimensions of the lamellae.
  • the sealing plates 15 and 16 are made at least as large as the lamella dimensions. If they are made larger in height, the plate pack is sealed by adapting the seal between the upper side wall 1 and / or the lower side wall 2 of the Heat exchanger. If the side walls 1 and / or 2 of the heat exchanger are designed to be removable, subsequent sealing of the sealing plates 15 and 16 is possible in a simple manner.
  • the sealing plates 15 and 16 have openings 17 for the passage of the refrigerant lines of the tube packs 7.
  • the openings 17 are designed such that expanded refrigerant lines can be introduced into them. It is thus achieved that the two sealing plates 15 and 16 are arranged firmly and tightly on the refrigerant lines. This can be achieved by designing punched openings 17, lasered openings 17 or drilled openings 17 in the sealing plates 15 and 16 as a pipe leadthrough.
  • sealing plates 15 and 16 can be configured with sections of turned fins in the pipe lead-through in connection with expanded refrigerant lines. With rotated fins, a better bearing support for the passage of the refrigerant lines is achieved by making it possible to align the pull-through collar of the finned tube openings with the respective sealing plate 15 or 16.
  • the openings 17 can be designed with a passage as a collar for receiving expanded refrigerant lines. This results in a better cylindrical support of the refrigerant lines, which enables a reduced notch effect and a better sealing effect.
  • the end walls are each designed as separate components in the form of a holding plate 18 and 19.
  • These holding plates 18 and 19 functionally form the supporting structure of the respective end wall.
  • One of the two sealing plates 15 and 16 is provided on the opposite open surfaces of the hollow cuboid housing, these sealing plates 15 and 16 being arranged within the holding plates 18 and 19 in relation to the interior of the hollow cuboid housing.
  • the holding plates 18 and 19 consequently arranged on the outside have openings through which both ventilation and pressure compensation to the outside are possible.
  • the sealing plates 15 and 16 are preferably fastened to the hollow cuboid housing by means of an all-round elastic connection designed as a flexible sealing seam 20 and thus have no direct, fixed connection to the supporting structure of the Heat exchanger.
  • the circumferential sealing seam is durable and sealed against pressure fluctuations or pressure waves up to at least +/- 10 kPa.
  • the free area between the sealing plates 15 and 16 arranged on both sides and the load-bearing outer side walls of the heat exchanger can be designed in various ways, for example by a sealing mat inserted in the cavity or by all-round elastic injected adhesive or by pouring the entire cavity using an elastic sealing compound or with a seal glued on one side. Furthermore, for example, an additional seal is possible with a temperature-resistant fleece between the sealing plates 15 and 16 and the holding plates 18 and 19. The actual sealing to form a partitionable area then takes place via the holding plates 18 and 19 when the heat exchanger is installed in a fixed position to the housing.

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Abstract

The invention relates to a heat exchanger for flammable refrigerants, preferably for a rail vehicle, the heat exchanger having a hollow cuboid housing in the interior of which refrigerant lines are situated, which are designed as a tube-and-fin pack or as a tube-in-tube and fin pack. The hollow cuboid housing is provided with fins on the inside of a closed side face, and at least a portion of the outside of said closed side face can be brought into operative connection with the passenger compartment. The problem addressed by the invention is that of creating a heat exchanger of this type with which the existing safety risks of previous heat exchangers are avoided so that secondary circuits can be omitted and a direct system can be implemented instead. This problem is solved in that the hollow cuboid housing is designed as a module which can be partitioned off from the passenger compartment in a gas-tight manner, wherein only permanently sealed sections of the refrigerant lines are situated in the interior of the hollow cuboid housing, the connection points of which refrigerant lines are each situated completely outside the hollow cuboid housing, and the hollow cuboid housing is provided with at least one sealing frame and/or with at least two sealing plates such that, when the heat exchanger is fixed in the installation position, the connections of the refrigerant lines are situated in a region which is sealed off from the passenger compartment and is ventilated outwards to the surroundings.

Description

Wärmeübertrager für brennbare Kältemittel Heat exchanger for flammable refrigerants
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager für brennbare Kältemittel, vorzugsweise für ein Schienenfahrzeug, wobei der Wärmeübertrager ein hohlquaderförmiges Gehäuse aufweist, in dessen Innenraum Kältemittelleitungen angeordnet sind, die als ein Rohr-Lamellen-Paket oder als ein Rohr-in-Rohr-Lamellen-Paket ausgestaltet sind, wobei das hohlquaderförmige Gehäuse an der Innenseite einer geschlossenen Seitenfläche mit Lamellen ausgestattet ist und wobei zumindest ein Teilbereich der Außenseite dieser geschlossenen Seitenfläche mit dem Fahrgastraum in Wirkverbindung bringbar ist. The present invention relates to a heat exchanger for combustible refrigerants, preferably for a rail vehicle, the heat exchanger having a hollow cuboid-shaped housing, in the interior of which refrigerant lines are arranged as a tube-lamella package or as a tube-in-tube lamella package are configured, the hollow cuboid housing being equipped with lamellae on the inside of a closed side surface and wherein at least a portion of the outside of this closed side surface can be brought into operative connection with the passenger compartment.
Der Einsatz von brennbaren Kältemitteln für die Klimatisierung von Schienenfahrzeugen erfolgt aufgrund der damit verbundenen Risiken, insbesondere Explosion und Brand, bis heute nicht. Eine Möglichkeit, diese Risiken zu minimieren und damit auch eine Anwendung in Schienenfahrzeugen zu ermöglichen, besteht in der Anwendung von Sekundärkreislaufsystemen. Dabei wird in einem Primärkreislauf, der außerhalb des Fahrzeuges angeordnet ist und keine direkte Verbindung zum Fahrzeuginnenraum aufweist, die benötigte Kälte- (bzw. Heiz-) Leistung unter Verwendung eines brennbaren Kältemittels in einem bekannten Kompressionskältekreislauf bereitgestellt. Diese Kälteleistung wird mittels Wärmeübertrager auf einen Sekundärkreislauf übertragen. Dieser Sekundärkreislauf ist typischerweise ein Solekreislauf, wobei als Kälteträger z.B. Wasser-Glykol-Gemische verwendet werden. Flammable refrigerants for the air conditioning of rail vehicles have not been used to date due to the associated risks, in particular explosion and fire. One way to minimize these risks and thus also enable them to be used in rail vehicles is to use secondary circulation systems. The required refrigeration (or heating) power is provided in a known compression refrigeration circuit in a primary circuit, which is arranged outside the vehicle and has no direct connection to the vehicle interior, using a combustible refrigerant. This cooling capacity is transferred to a secondary circuit using a heat exchanger. This secondary circuit is typically a brine circuit, with the refrigerant e.g. Water-glycol mixtures can be used.
DE 196 25 927 C2 beschreibt eine Einrichtung zum Heizen und Kühlen eines Omnibusses mit einer Klimaanlage mit einem primären Kältemittelkreislauf. Die Kältemaschine mit dem primären Kältemittelkreislauf ist dabei unter dem Boden vom Fahrgastraum angeordnet. Der primäre Kältemittelkreislauf steht über einen Zwischenwärmetauscher mit einem sekundären Kälteträgerkreislauf in Wirkverbindung. Dieser sekundäre Kälteträgerkreislauf ist weitgehend im Innenraum des Omnibusses angeordnet und realisiert die Temperierung des Fahrgastraumes. DE 196 25 927 C2 describes a device for heating and cooling a bus with an air conditioning system with a primary refrigerant circuit. The chiller with the primary refrigerant circuit is located under the floor of the passenger compartment. The primary refrigerant circuit is operatively connected to a secondary refrigerant circuit via an intermediate heat exchanger. This secondary coolant circuit is largely arranged in the interior of the bus and realizes the temperature of the passenger compartment.
Aus EP 1 520 737 A1 ist eine Kühlvorrichtung für ein Arbeitsfahrzeug bekannt. Ein primärer Kältemittelkreislauf ist außerhalb der Arbeitskabine angeordnet und steht über einen Zwischenwärmetauscher mit einem sekundären Kälteträgerkreislauf in Wirkverbindung. Der sekundäre Kälteträgerkreislauf ist überwiegend im Innenraum der Arbeitskabine angeordnet und übernimmt deren Temperierung. WO 2018/137 908 A1 betrifft ein Schienenfahrzeug mit einem primären Kältemittelkreislauf, der außerhalb vom Fahrzeug angeordnet und vom Fahrgastraum 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 vorzugsweise unterflur angeordnet ist. Dadurch wird der primäre Kältemittelkreislauf vollständig außerhalb vom Innenraum des Schienenfahrzeuges geführt. A cooling device for a work vehicle is known from EP 1 520 737 A1. A primary refrigerant circuit is located outside the work cabin and is operatively connected to a secondary refrigerant circuit via an intermediate heat exchanger. The secondary coolant circuit is predominantly arranged in the interior of the work cabin and takes over its temperature control. WO 2018/137 908 A1 relates to a rail vehicle with a primary refrigerant circuit, which is arranged outside the vehicle and structurally separated from the passenger compartment. A secondary coolant circuit is at least partially arranged within the rail vehicle. The heat exchange between the primary refrigerant circuit and the secondary refrigerant circuit takes place through an intermediate heat exchanger, which is preferably arranged under the floor. As a result, the primary refrigerant circuit is completely outside the interior of the rail vehicle.
Eine derartige Ausführung einer Klimaanlage ermöglicht eine gute Nutzung der verfügbaren freien Bauräume. Weiterhin können für den außerhalb vom Fahrgastraum angeordneten Kreislauf Kältemittel verwendet werden, die aus sicherheitsrelevanten Aspekten bisher nicht oder kaum zur Klimatisierung von Fahrgasträumen eingesetzt werden, um bei möglichen Betriebsstörungen Probleme durch unkontrollierten Austritt des Kältemittels zu vermeiden. Dies betrifft beispielsweise Propan, das unter funktionellen Aspekten sehr gut als Kältemittel geeignet ist, wegen seiner Brennbarkeit jedoch kaum verwendet wird. Such an air conditioning system enables a good use of the available space. Furthermore, refrigerants can be used for the circuit arranged outside of the passenger compartment, which for safety-related aspects have so far not been used or have hardly been used for the air conditioning of passenger compartments in order to avoid problems due to uncontrolled leakage of the refrigerant in the event of malfunctions. This applies to propane, for example, which is very suitable as a refrigerant from a functional point of view, but is hardly used due to its flammability.
Allerdings haben derartige Ausführungen auch wesentliche Nachteile: However, such designs also have significant disadvantages:
- auftretende thermische Verluste durch die Verwendung eines Sekundärkreislaufes - Thermal losses that occur through the use of a secondary circuit
- daraus resultierende schlechtere Effizienz und höherer Energieverbrauch - resulting poorer efficiency and higher energy consumption
- eine höhere Masse aufgrund des zusätzlichen inneren Wärmeübertragers und des notwendigen Kälteträgers - A higher mass due to the additional internal heat exchanger and the necessary coolant
- erhöhte Kosten durch die zusätzlich benötigten Komponenten - increased costs due to the additional components required
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmeübertrager für eine Klimaanlage zu schaffen, mit dem die vorhandenen Sicherheitsrisiken bisheriger Wärmeübertrager vermieden werden, so dass auf Sekundärkreisläufe verzichtet und stattdessen ein direktes System realisiert werden kann. Dieser Wärmeübertrager soll vorzugsweise für ein Schienenfahrzeug geeignet sein. The object of the invention is to provide a heat exchanger for an air conditioning system with which the existing safety risks of previous heat exchangers are avoided, so that secondary circuits are dispensed with and a direct system can instead be implemented. This heat exchanger should preferably be suitable for a rail vehicle.
Die Aufgabe wird gelöst, indem der Wärmeübertrager ein hohlquaderförmiges Gehäuse aufweist, das als eine zum Fahrgastraum gasdicht abschottbare Baugruppe ausgestaltet ist, wobei im Innenraum des hohlquaderförmigen Gehäuses ausschließlich dauerhaft dichte Abschnitte der Kältemittelleitungen angeordnet sind, deren Verbindungsstellen jeweils vollständig außerhalb des hohlquaderförmigen Gehäuses angeordnet sind und wobei das hohlquaderförmige Gehäuse mit mindestens einem Dichtrahmen und/oder mit mindestens zwei Dichtplatten derart ausgestattet ist, dass in der lagefixiert montierten Einbauposition des Wärmeübertragers die Anschlüsse der Kältemittelleitungen in einem vom Fahrgastraum dicht abgeschotteten und nach außen zur Umgebung belüfteten Bereich angeordnet sind. The object is achieved in that the heat exchanger has a hollow cuboid housing, which is designed as a subassembly that can be gas-tightly sealed off from the passenger compartment, with only permanently sealed sections of the refrigerant lines being arranged in the interior of the hollow cuboid housing, the connection points of which are each arranged completely outside the hollow cuboid housing and wherein the hollow cuboid housing is equipped with at least one sealing frame and / or with at least two sealing plates in such a way that in the installed position of the Heat exchanger, the connections of the refrigerant lines are arranged in an area that is sealed off from the passenger compartment and ventilated to the outside.
Der Dichtrahmen wird in einer ersten Variante durch zwei sich gegenüberliegend angeordnete geschlossene Seitenwände und zwei zu den Seitenwänden jeweils senkrecht angeordnete und sich gegenüberliegende Stirnwände an den offenen Flächen des hohlquaderförmigen Gehäuses gebildet. Dabei ist das hohlquaderförmige Gehäuse an den beiden stirnseitigen Wandflächen jeweils mit einer abdichtenden Beschichtung ausgestattet. In a first variant, the sealing frame is formed by two closed side walls arranged opposite one another and two end walls arranged perpendicularly to the side walls and lying opposite one another on the open surfaces of the hollow cuboid housing. The hollow cuboid housing is equipped with a sealing coating on the two front wall surfaces.
Der Dichtrahmen wird In einer zweiten Variante gebildet durch ein auf der geschlossenen Seitenfläche angeordnetes Trennsegment, das mit einem umlaufenden Flansch ausgestaltet ist. In a second variant, the sealing frame is formed by a separating segment which is arranged on the closed side surface and is designed with a circumferential flange.
Somit wird ein Wärmeübertrager für eine Klimaanlage geschaffen, der vorzugsweise für Schienenfahrzeuge eine Verwendung brennbarer Kältemittel in einem direktverdampfenden System ermöglicht. Dabei ist die gesamte Luftführung zum Fahrgastraum insoweit druck- und gasdicht gegenüber den kältemittelführenden Bereichen ausgeführt, so dass eine sichere Abschottung zwischen dem Fahrgastraum und dem brennbaren Kältemittel gewährleistet ist. Thus, a heat exchanger for an air conditioning system is created, which allows the use of combustible refrigerants in a direct evaporation system, preferably for rail vehicles. The entire air flow to the passenger compartment is designed to be pressure-tight and gas-tight with respect to the refrigerant-carrying areas, so that a secure partition between the passenger compartment and the combustible refrigerant is guaranteed.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Kältemittelleitungen an den sich gegenüberliegenden offenen Stirnwänden des hohlquaderförmigen Gehäuses jeweils separat gelagert und abgedichtet sind. One embodiment provides that the refrigerant lines are each separately stored and sealed on the opposite open end walls of the hollow cuboid housing.
Das Rohr-Lamellen-Paket wird als dauerhaft dicht betrachtet. Bei einer Ausführung des Wärmeübertragers mit einem Rohr-Lamellen-Paket befindet sich nur dieses im Luftstrom zum Fahrgastraum und ist somit auf direktem Wege mit diesem verbunden. Alle weiteren Bauteile des Kältekreislaufs (Rohre, Verbindungsstellen und andere Komponenten) sind außerhalb des Luftweges zum Fahrgastraum angeordnet und von diesem gasdicht getrennt. The tube-lamella package is considered to be permanently sealed. If the heat exchanger is designed with a tube-lamella package, only this is in the air flow to the passenger compartment and is therefore connected to it directly. All other components of the refrigeration cycle (pipes, connection points and other components) are arranged outside the airway to the passenger compartment and separated from it in a gastight manner.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Kältemittelleitungen bei einer Ausgestaltung als Rohr- in-Rohr-Anordnung so ausgeführt sind, dass das innere Rohr als eine mehrfach umlaufende Rohrschlange ausgebildet ist und dass jeder Rohrschlangenabschnitt im hohlquaderförmigen Gehäuse von jeweils einem äußeren Rohr umschlossen ist. Jedes äußere Rohr ist beidseitig offen und gewährleistet in einem Störfall eine Leckageableitung in den äußeren Umgebungsbereich. Bei einer Leckage des inneren Rohres würde das ausströmende gasförmige Kältemittel im äußeren Rohr in einen vom Fahrgastraum gasdicht abgetrennten Bereich nach außen geführt und somit ein Eintritt in die Luftführung zum Fahrgastraum verhindert. One embodiment provides that the refrigerant lines are designed in a tube-in-tube arrangement in such a way that the inner tube is designed as a multi-circumferential tube coil and that each tube coil section is enclosed in the hollow cuboid housing by an outer tube in each case. Each outer pipe is open on both sides and, in the event of a malfunction, ensures that leakage is discharged into the outer area. If the inner tube were to leak, the escaping gaseous refrigerant in the outer tube would be separated in a gas-tight manner from the passenger compartment Area led outwards and thus prevents entry into the air duct to the passenger compartment.
Dazu kann die Rohr-in-Rohr-Anordnung so ausgeführt sein, dass das innere Rohr eine Berippung aufweist, die vorzugsweise gerade oder zylindrisch gedreht ausgeführt ist. Diese Berippung ermöglicht nach dem Aufweiten einen mechanischen und thermischen Kontakt zum äußeren Rohr, wobei ein freier Luftraum verbleibt. For this purpose, the tube-in-tube arrangement can be designed in such a way that the inner tube has ribbing, which is preferably made straight or cylindrically turned. After expansion, this ribbing enables mechanical and thermal contact with the outer tube, leaving a free air space.
Mit den vorstehend beschriebenen technischen Merkmalen kann ein Wärmeübertrager in drei grundsätzlichen Varianten ausgestaltet werden: With the technical features described above, a heat exchanger can be designed in three basic variants:
Bei der ersten Variante sind für die Abdichtung und Halterung der Rohre zwei verschiedene Ausgestaltungen möglich. So kann eine Gummi- bzw. Kunststoffwand auf der Innenseite der Blechplatte vorgesehen werden oder es wird eine Kunststoffbuchse zur Führung /Abdichtung des Rohres in der Blechplatte vorgesehen. Dies ist sowohl für die Ausführung als einfaches Rohr als auch für die Rohr-in-Rohr-Ausführung möglich. In the first variant, two different configurations are possible for sealing and holding the pipes. For example, a rubber or plastic wall can be provided on the inside of the sheet metal plate or a plastic bushing for guiding / sealing the tube in the sheet metal plate is provided. This is possible both for the simple pipe version and for the pipe-in-pipe version.
Bei der zweiten Variante ist das Blech außen für die Halterung angeordnet und der Gummi bzw. Kunststoff ist innen angeordnet. Dabei können die Rohre in beiden Varianten sowohl als einfaches Rohr oder als Rohr-in-Rohr-Ausführung umgesetzt sein. Bei dieser zweiten Variante ist für die Abdichtung der Rohre auf dem außen liegenden Halteblech keine Beschichtung auf der Innenseite bzw. Kunststoffbuchse notwendig. Denn bei dieser Ausführung wird die Dichtfunktion durch den weiter innenliegenden umlaufenden Gummi übernommen. In the second variant, the sheet is arranged on the outside for the holder and the rubber or plastic is arranged on the inside. The tubes can be implemented in both variants as a simple tube or as a tube-in-tube version. In this second variant, no coating on the inside or plastic bushing is necessary to seal the pipes on the outside holding plate. Because in this version, the sealing function is performed by the inner rubber all around.
Bei der dritten Variante werden anstelle einer Kombination von Blech- und Gummi- bzw. Kunststoffelementen zwei Blechteile verwendet. Die hierbei alternativ oder ergänzend zu einem Dichtrahmen vorgesehenen Dichtplatten sind jeweils an den sich gegenüberliegenden Stirnwänden an den offenen Flächen des hohlquaderförmigen Gehäuses angeordnet. Bezogen auf den Innenraum des hohlquaderförmigen Gehäuses sind diese Dichtplatten innerhalb einer die tragende Struktur der Stirnwand ausbildenden Halteplatte angeordnet und über eine umlaufende und als flexible Dichtnaht ausgeführte elastische Anbindung am hohlquaderförmigen Gehäuse befestigt. In the third variant, two sheet metal parts are used instead of a combination of sheet metal and rubber or plastic elements. The sealing plates provided here alternatively or in addition to a sealing frame are each arranged on the opposite end walls on the open surfaces of the hollow cuboid housing. In relation to the interior of the hollow cuboid housing, these sealing plates are arranged within a holding plate that forms the load-bearing structure of the end wall and are fastened to the hollow cuboid housing by means of a circumferential elastic connection designed as a flexible sealing seam.
Die Dichtplatten weisen jeweils Öffnungen zur Durchführung der Kältemittelleitungen auf. Die Öffnungen in den Dichtplatten werden mittels Stanzen, Lasern oder Bohren erzeugt und sind so ausgestaltet, dass in diesen Öffnungen aufgeweitete Kältemittelleitungen einbringbar sind. Ebenso können die Öffnungen in den Dichtplatten mit einem Durchzug als Kragen zur Aufnahme von aufgeweiteten Kältemittelleitungen ausgestaltet werden. The sealing plates each have openings for the passage of the refrigerant lines. The openings in the sealing plates are produced by punching, lasering or drilling and are designed in such a way that expanded refrigerant lines can be introduced into these openings are. Likewise, the openings in the sealing plates can be designed with a passage as a collar for receiving expanded refrigerant lines.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the drawing. Show it:
Fig. 1 eine erste Ausführung des Wärmeübertragers in Seitenansicht Fig. 1 shows a first embodiment of the heat exchanger in side view
Fig. 2 den Wärmeübertrager gemäß Fig. 1 in perspektivischer Ansicht Fig. 2 shows the heat exchanger according to FIG. 1 in a perspective view
Fig. 3 eine zweite Ausführung des Wärmeübertragers in Seitenansicht Fig. 3 shows a second embodiment of the heat exchanger in side view
Fig. 4 den Wärmeübertrager gemäß Fig. 3 in perspektivischer Ansicht Fig. 4 shows the heat exchanger according to FIG. 3 in a perspective view
Fig. 5 eine dritte Ausführung des Wärmeübertragers in Seitenansicht Fig. 5 shows a third embodiment of the heat exchanger in side view
Fig. 6 ein Detail des Wärmeübertragers gemäß Fig. 5 in vergrößerter Darstellung in zwei alternativen Ausführungsformen FIG. 6 shows a detail of the heat exchanger according to FIG. 5 in an enlarged representation in two alternative embodiments
Fig. 7 eine vierte Ausführung des Wärmeübertragers in perspektivischer Ansicht Fig. 7 shows a fourth embodiment of the heat exchanger in a perspective view
Der in der Zeichnung dargestellte Wärmeübertrager ist für Klimaanlagen mit direktem Kältemittelkreislauf geeignet und primär für ein Schienenfahrzeug konzipiert. Ein derartiges Konstruktionsprinzip ist grundsätzlich bekannt. Im vorliegenden Sachverhalt ist jedoch die konkrete Umsetzung der Grundidee wesentlich. Demzufolge umfasst der Wärmeübertrager eine gasdicht abschottbare Baugruppe, die funktionell als ein Luftführungselement zum Fahrgastraum ausgestaltet ist. Diese Baugruppe weist ein hohlquaderförmiges Gehäuse mit Dichtelementen auf. The heat exchanger shown in the drawing is suitable for air conditioning systems with a direct refrigerant circuit and is primarily designed for a rail vehicle. Such a design principle is known in principle. However, the concrete implementation of the basic idea is essential in the present situation. Accordingly, the heat exchanger comprises a gas-tight partition that can be functionally configured as an air guiding element to the passenger compartment. This assembly has a hollow cuboid housing with sealing elements.
Gemäß Fig. 1 und Fig. 2 wird ein Dichtrahmen bei einem Wärmeübertrager mit einem Rohr- Lamellen-Paket gebildet durch zwei sich gegenüberliegend angeordnete geschlossene Seitenwände 1 und 2 und zwei zu diesen Wänden 1 ; 2 jeweils senkrecht angeordnete und sich gegenüberliegende Stirnwände 3 und 4 an den Stirnflächen vom hohlquaderförmigen Gehäuse. Die Wandflächen sind jeweils mit einer abdichtenden Beschichtung ausgestattet. Gemäß Fig. 1 weisen hierfür die Stirnwand 3 eine abdichtende Beschichtung 5 und die Stirnwand 4 eine abdichtende Beschichtung 6 auf. According to FIG. 1 and FIG. 2, a sealing frame in a heat exchanger with a tube-lamella package is formed by two opposing closed side walls 1 and 2 and two to these walls 1; 2 vertically arranged and opposite end walls 3 and 4 on the end faces of the hollow cuboid housing. The wall surfaces are each equipped with a sealing coating. 1, the end wall 3 has a sealing coating 5 and the end wall 4 has a sealing coating 6.
Im Innenraum des hohlquaderförmigen Gehäuses sind ausschließlich dauerhaft gasdichte Abschnitte von Kältemittelleitungen angeordnet. Diese können alternativ als ein Rohr- Lamellen-Paket (Fig. 1 - Fig. 4) oder als eine Rohr-in-Rohr-Anordnung (Fig. 5 und Fig. 6) ausgestaltet werden. Das entsprechende Rohrpaket ist mit dem Bezugszeichen 7 bezeichnet. Die Anschlüsse der Kältemittelleitungen sind jeweils vollständig außerhalb des hohlquaderförmigen Gehäuses angeordnet. Das hohlquaderförmige Gehäuse ist an der Innenseite einer zu den zwei geschlossenen Seitenwänden 1 und 2 senkrecht verlaufenden und ebenfalls geschlossenen Seitenfläche 8 mit Lamellen ausgestattet. Das entsprechende Lamellenpaket ist mit dem Bezugszeichen 9 bezeichnet. Zumindest ein Teilbereich der Außenseite der geschlossenen Seitenfläche 8 wird mit dem nicht näher dargestellten Fahrgastraum so in Wirkverbindung gebracht, dass in der lagefixiert montierten Einbauposition des hohlquaderförmigen Gehäuses die Anschlüsse der Kältemittelleitungen in einem vom Fahrgastraum gasdicht abgeschotteten Bereich angeordnet sind. Only permanently gas-tight sections of refrigerant lines are arranged in the interior of the hollow cuboid housing. These can alternatively be designed as a tube-lamella package (FIGS. 1-4) or as a tube-in-tube arrangement (FIGS. 5 and 6). The corresponding tube package is designated by reference number 7. The connections of the refrigerant lines are each arranged completely outside the cuboid housing. The hollow cuboid housing is equipped with lamellae on the inside of a side surface 8 which is perpendicular to the two closed side walls 1 and 2 and likewise closed. The corresponding plate pack is designated by reference number 9. At least a portion of the outside of the closed side surface 8 is brought into operative connection with the passenger compartment (not shown in more detail) in such a way that the connections of the refrigerant lines are arranged in an area that is sealed off from the passenger compartment in a gas-tight manner in the installed position of the hollow cuboid housing.
Die Kältemittelleitungen sind an den sich gegenüberliegenden offenen Stirnwänden des hohlquaderförmigen Gehäuses jeweils separat gelagert und separat abgedichtet. Dies kann in verschiedenartiger Weise realisiert werden. So kann z.B. ein stirnseitig angeordnetes Blech zur Lagerung der Kältemittelleitungen vorgesehen werden. Die Abdichtung kann z.B. über eine abdichtende Beschichtung oder über Dichtungen oder über Kunststoffelemente erfolgen. Unabhängig von der hierfür konkreten Ausführung wird durch die Trennung der Funktionen Abdichten und Halten die notwendige Funktionssicherheit erzielt. The refrigerant lines are each separately stored on the opposite open end walls of the hollow cuboid housing and sealed separately. This can be done in different ways. For example, a sheet arranged on the face side for storing the refrigerant lines can be provided. The seal can e.g. over a sealing coating or over seals or over plastic elements. Regardless of the specific version for this purpose, the necessary functional reliability is achieved by separating the sealing and holding functions.
Fig. 3 und Fig. 4 zeigen eine etwas modifizierte Ausführung des Wärmeübertragers mit einem hohlquaderförmigen Gehäuse. Die Kältemittelleitungen sind ebenfalls als ein Rohr- Lamellen-Paket ausgestaltet. Der Dichtrahmen wird hier jedoch durch ein Trennsegment 10 gebildet, das auf der geschlossenen Seitenfläche 8 angeordnet und mit einem umlaufenden Flansch ausgestaltet ist. Dieses Trennsegment 10 besteht vorzugsweise aus einem harten Gummi-Material und weist partiell verstärkte Flanschanbindungen auf. 3 and 4 show a somewhat modified embodiment of the heat exchanger with a hollow cuboid housing. The refrigerant lines are also designed as a tube-lamella package. Here, however, the sealing frame is formed by a separating segment 10 which is arranged on the closed side surface 8 and is designed with a circumferential flange. This separating segment 10 is preferably made of a hard rubber material and has partially reinforced flange connections.
Bei dieser Ausführung gemäß Fig. 3 und Fig. 4 haben die beiden Stirnwände 3 und 4 eine Dichtfunktion. Somit ist der Dichtrahmen der nach außen (Luftrichtung) sichtbare Bereich des mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichneten Gummiteiles. Die Stirnbleche übernehmen hier eine tragende Funktion und stellen rechts und links jeweils eine Wand dar. 3 and 4, the two end walls 3 and 4 have a sealing function. Thus, the sealing frame is the area of the rubber part marked with the reference number 10 that is visible to the outside (air direction). The face plates have a supporting function here and represent a wall on the right and left.
Fig. 5 zeigt einen Wärmeübertrager mit Kältemittelleitungen in einer Ausführung als Rohr-in- Rohr-Lamellen Paket. Der Grundaufbau entspricht weitgehend der Ausführung gemäß Fig. 1 und Fig. 2. Demzufolge wird der Dichtrahmen gebildet durch zwei sich gegenüberliegend angeordnete geschlossene Seitenwände 1 und 2 und zwei zu diesen Seitenwänden 1 ; 2 jeweils senkrecht angeordnete und sich gegenüberliegende Stirnwände 3 und 4 an den offenen Flächen des hohlquaderförmigen Gehäuses. Der Wärmeübertrager umfasst außerdem ein Rohrpaket 7 im Innenraum des hohlquaderförmigen Gehäuses und das an der Innenseite der geschlossenen Seitenfläche 8 angeordnete Lamellenpaket 9. Fig. 5 shows a heat exchanger with refrigerant lines in a design as a tube-in-tube-lamella package. The basic structure largely corresponds to the embodiment according to FIGS. 1 and 2. Accordingly, the sealing frame is formed by two closed side walls 1 and 2 arranged opposite one another and two to these side walls 1; 2 vertically arranged and opposite end walls 3 and 4 on the open surfaces of the hollow cuboid housing. The heat exchanger includes also a tube packet 7 in the interior of the hollow cuboid housing and the plate packet 9 arranged on the inside of the closed side surface 8.
Bei diesem Rohr-in-Rohr-Lamellen-Paket ist das innere Rohr 13 als mehrfach umlaufende Rohrschlange ausgebildet. Jeder Rohrschlangenabschnitt ist im hohlquaderförmigen Gehäuse jeweils von einem äußeren Rohr 14 umschlossen, dessen Stirnseiten offen ausgeführt sind. In this tube-in-tube lamella package, the inner tube 13 is designed as a multi-rotating tube coil. Each pipe coil section is enclosed in the hollow cuboid housing by an outer pipe 14, the end faces of which are open.
Aus Fig. 6 sind Details der Wirkverbindung der Abdichtung der Rohrdurchführung ersichtlich, hier dargestellt am Beispiel der Ausführung mit innerem Rohr 13 und äußerem Rohr 14. In gleicher Art und Weise kann die Abdichtung der Rohrdurchführung auch für ein einfach ausgeführtes Rohr realisiert werden. In der rechten Abbildung ist das Dichtelement als eine flächige Dichtung 11 ausgeführt und in der linken Abbildung ist das Dichtelement als eine Ringbuchsdichtung 12 ausgeführt. 6 details of the operative connection of the sealing of the pipe bushing can be seen, shown here using the example of the design with inner pipe 13 and outer pipe 14. In the same way, the pipe bushing can also be sealed for a simple pipe. In the right figure, the sealing element is designed as a flat seal 11 and in the left figure, the sealing element is designed as an annular bushing seal 12.
Weiterhin weist das innere Rohr 13 eine in der Zeichnung nicht dargestellte Berippung für den thermischen Kontakt zum äußeren Rohr 14 auf. Diese Berippung kann beispielsweise gerade oder zylindrisch gedreht ausgeführt werden. Die offenen Stirnseiten des äußeren Rohr 14 ermöglichen im Störfall eine Leckageableitung, die insbesondere bei Verwendung brennbarer Kältemittel (z.B. Propan) einen wesentlichen Sicherheitsvorteil gegenüber bekannten Konstruktionen darstellt. Furthermore, the inner tube 13 has ribs (not shown in the drawing) for thermal contact with the outer tube 14. This ribbing can be carried out, for example, in a straight or cylindrical manner. In the event of a malfunction, the open end faces of the outer pipe 14 enable leakage to be drained off, which represents a significant safety advantage over known constructions, particularly when using flammable refrigerants (e.g. propane).
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführung des Wärmeübertragers mit einem hohlquaderförmigen Gehäuse, das funktionell als Luftführungselement zum Fahrgastraum ausgestaltet ist. Die Kältemittelleitungen sind auch bei der hier gezeigten Variante als ein Rohr-Lamellen-Paket ausgebildet. Anstelle eines Dichtrahmens werden jedoch zwei Dichtplatten 15 und 16 zur Ausbildung einer gasdicht abschottbaren Baugruppe verwendet. Die Dichtplatten 15 und 16 sind jeweils am Lamellenpaketende angeordnet und haben keine starre Verbindung zur tragenden Struktur des Wärmeübertragers. Somit werden die Funktionen Halten und Dichten voneinander getrennt und mit unterschiedlichen Bauteilen realisiert. Fig. 7 shows a further embodiment of the heat exchanger with a hollow cuboid housing, which is designed functionally as an air guide element to the passenger compartment. The refrigerant lines are also designed as a tube-lamella package in the variant shown here. Instead of a sealing frame, however, two sealing plates 15 and 16 are used to form a gas-tight sealable assembly. The sealing plates 15 and 16 are each arranged at the end of the plate pack and have no rigid connection to the supporting structure of the heat exchanger. The functions of holding and sealing are thus separated from each other and implemented with different components.
Die Dichtplatten 15 und 16 werden zur Sicherstellung eines ausreichenden Klebegrundes (Fuge für den Dichtstoff) zu den Randbereichen und Rohrbereichen umlaufend mit einem Überstand in Bezug zu den Außenmaßen der Lamellen ausgeführt. Die Dichtplatten 15 und 16 werden mindestens so groß ausgeführt wie die Lamellenmaße. Sofern sie in der Höhe größer ausgeführt werden, erfolgt die Abdichtung des Lamellenpaketes über eine Anpassung der Dichtung zwischen der oberen Seitenwand 1 und/oder der unteren Seitenwand 2 des Wärmeübertragers. Sofern die Seitenwände 1 und/oder 2 des Wärmeübertragers demontierbar ausgestaltet wird, ist eine nachträgliche Abdichtung der Dichtplatten 15 und 16 in einfacher Weise möglich. The sealing plates 15 and 16 are designed to ensure a sufficient adhesive base (joint for the sealant) to the edge areas and pipe areas all around with an overhang in relation to the external dimensions of the lamellae. The sealing plates 15 and 16 are made at least as large as the lamella dimensions. If they are made larger in height, the plate pack is sealed by adapting the seal between the upper side wall 1 and / or the lower side wall 2 of the Heat exchanger. If the side walls 1 and / or 2 of the heat exchanger are designed to be removable, subsequent sealing of the sealing plates 15 and 16 is possible in a simple manner.
Die Dichtplatten 15 und 16 weisen Öffnungen 17 zur Durchführung der Kältemittelleitungen der Rohrpakete 7 auf. Dabei sind die Öffnungen 17 derart ausgestaltet, dass in ihnen aufgeweitete Kältemittelleitungen einbringbar sind. Somit wird erreicht, dass die beiden Dichtplatten 15 und 16 fest und dicht sitzend auf den Kältemittelleitungen angeordnet sind. Dies kann erreicht werden, indem in den Dichtplatten 15 und 16 gestanzte Öffnungen 17, gelaserte Öffnungen 17 oder gebohrte Öffnungen 17 als Rohrdurchführung ausgestaltet werden. The sealing plates 15 and 16 have openings 17 for the passage of the refrigerant lines of the tube packs 7. The openings 17 are designed such that expanded refrigerant lines can be introduced into them. It is thus achieved that the two sealing plates 15 and 16 are arranged firmly and tightly on the refrigerant lines. This can be achieved by designing punched openings 17, lasered openings 17 or drilled openings 17 in the sealing plates 15 and 16 as a pipe leadthrough.
Ebenso können die Dichtplatten 15 und 16 mit Abschnitten von gedrehten Lamellen in der Rohrdurchführung in Verbindung mit aufgeweiteten Kältemittelleitungen ausgestaltet sein. Mit gedrehten Lamellen wird eine bessere Lageraufnahme für die Durchführung der Kältemittelleitungen erreicht, indem eine Ausrichtung der Durchzugskragen der Lamellenrohröffnungen zur jeweiligen Dichtplatte 15 bzw. 16 ermöglicht wird. Likewise, the sealing plates 15 and 16 can be configured with sections of turned fins in the pipe lead-through in connection with expanded refrigerant lines. With rotated fins, a better bearing support for the passage of the refrigerant lines is achieved by making it possible to align the pull-through collar of the finned tube openings with the respective sealing plate 15 or 16.
Weiterhin können die Öffnungen 17 mit einem Durchzug als Kragen zur Aufnahme von aufgeweiteten Kältemittelleitungen ausgestaltet sein. Dadurch wird eine bessere zylinderförmige Auflage der Kältemittelleitungen erzielt, die eine reduzierte Kerbwirkung und eine bessere Dichtwirkung ermöglicht. Furthermore, the openings 17 can be designed with a passage as a collar for receiving expanded refrigerant lines. This results in a better cylindrical support of the refrigerant lines, which enables a reduced notch effect and a better sealing effect.
Bei der Ausführung gemäß Fig. 7 sind die Stirnwände jeweils als separate Bauteile in Form einer Halteplatte 18 und 19 ausgestaltet. Diese Halteplatten 18 und 19 bilden funktionell die tragende Struktur der jeweiligen Stirnwand aus. 7, the end walls are each designed as separate components in the form of a holding plate 18 and 19. These holding plates 18 and 19 functionally form the supporting structure of the respective end wall.
An den sich gegenüberliegenden offenen Flächen des hohlquaderförmigen Gehäuses ist jeweils eine der beiden Dichtplatten 15 bzw. 16 vorgesehen, wobei diese Dichtplatten 15 und 16 bezogen auf den Innenraum des hohlquaderförmigen Gehäuses innerhalb der Halteplatten 18 und 19 angeordnet sind. Die demzufolge außen angeordneten Halteplatten 18 und 19 weisen Öffnungen auf, über die sowohl eine Ventilation als auch ein Druckausgleich nach außen möglich sind. One of the two sealing plates 15 and 16 is provided on the opposite open surfaces of the hollow cuboid housing, these sealing plates 15 and 16 being arranged within the holding plates 18 and 19 in relation to the interior of the hollow cuboid housing. The holding plates 18 and 19 consequently arranged on the outside have openings through which both ventilation and pressure compensation to the outside are possible.
Im montierten Zustand sind die Dichtplatten 15 und 16 vorzugsweise über eine umlaufende und als flexible Dichtnaht 20 ausgeführte elastische Anbindung am hohlquaderförmigen Gehäuse befestigt und weisen somit keine direkte feste Verbindung zur Tragstruktur des Wärmeübertragers auf. Unabhängig von der konkreten Ausführung der Abdichtung wird die umlaufende Dichtnaht dauerfest und gegen Druckschwankungen bzw. Druckwellen bis mindestens +/-10 kPa dicht ausgeführt. In the assembled state, the sealing plates 15 and 16 are preferably fastened to the hollow cuboid housing by means of an all-round elastic connection designed as a flexible sealing seam 20 and thus have no direct, fixed connection to the supporting structure of the Heat exchanger. Regardless of the specific design of the seal, the circumferential sealing seam is durable and sealed against pressure fluctuations or pressure waves up to at least +/- 10 kPa.
Der freie Bereich zwischen den beidseitig angeordneten Dichtplatten 15 und 16 sowie den tragenden außen liegenden Seitenwänden des Wärmeübertragers kann verschiedenartig ausgestaltet werden, beispielsweise durch eine im Hohlraum eingebrachte Dichtmatte oder durch umlaufend elastischen eingespritzten Klebstoff oder durch Ausgießen des kompletten Hohlraums mittels einer elastischen Dichtmasse oder mit einer einseitig eingeklebten Dichtung. Weiterhin ist beispielsweise eine zusätzliche Abdichtung möglich mit einem temperaturbeständigen Vlies zwischen den Dichtplatten 15 und 16 sowie den Halteplatten 18 und 19. Die eigentliche Abdichtung zur Ausbildung eines abschottbaren Bereiches erfolgt dann über die Halteplatten 18 und 19 bei fixierter Einbaulage des Wärmeübertragers zum Gehäuse. The free area between the sealing plates 15 and 16 arranged on both sides and the load-bearing outer side walls of the heat exchanger can be designed in various ways, for example by a sealing mat inserted in the cavity or by all-round elastic injected adhesive or by pouring the entire cavity using an elastic sealing compound or with a seal glued on one side. Furthermore, for example, an additional seal is possible with a temperature-resistant fleece between the sealing plates 15 and 16 and the holding plates 18 and 19. The actual sealing to form a partitionable area then takes place via the holding plates 18 and 19 when the heat exchanger is installed in a fixed position to the housing.
Bezugszeichenliste Reference list
1 Seitenwand 1 side wall
2 Seitenwand 2 side wall
3 Stirnwand 3 end wall
4 Stirnwand 4 end wall
5 abdichtende Beschichtung 5 sealing coating
6 abdichtende Beschichtung 6 sealing coating
7 Rohrpaket 7 tube package
8 Seitenfläche 8 side surface
9 Lamellenpaket 9 plate pack
10 Trennsegment 10 separating segment
11 Dichtelement / flächige Dichtung 11 sealing element / flat gasket
12 Dichtelement / Ringbuchsdichtung 12 Sealing element / ring bush seal
13 inneres Rohr 13 inner tube
14 äußeres Rohr 14 outer tube
15 Dichtplatte 15 sealing plate
16 Dichtplatte 16 sealing plate
17 Öffnungen in Dichtplatte 17 openings in the sealing plate
18 Halteplatte 18 holding plate
19 Halteplatte 19 holding plate
20 umlaufende elastische Anbindung 20 all-round elastic connection

Claims

Patentansprüche Claims
1. Wärmeübertrager für brennbare Kältemittel, vorzugsweise für ein Schienenfahrzeug, wobei der Wärmeübertrager ein hohlquaderförmiges Gehäuse aufweist, in dessen Innenraum Kältemittelleitungen angeordnet sind, die als ein Rohr-Lamellen-Paket oder als ein Rohr-in-Rohr-Lamellen-Paket ausgestaltet sind, wobei das hohlquaderförmige Gehäuse an der Innenseite einer geschlossenen Seitenfläche mit Lamellen ausgestattet ist und wobei zumindest ein Teilbereich der Außenseite dieser geschlossenen Seitenfläche mit dem Fahrgastraum in Wirkverbindung bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, 1. Heat exchanger for combustible refrigerants, preferably for a rail vehicle, the heat exchanger having a hollow cuboid housing, in the interior of which refrigerant lines are arranged, which are designed as a tube-lamella package or as a tube-in-tube lamella package, wherein the hollow cuboid housing is equipped with lamellae on the inside of a closed side surface and at least a portion of the outside of this closed side surface can be brought into active connection with the passenger compartment, characterized in that
dass das hohlquaderförmige Gehäuse als eine zum Fahrgastraum gasdicht abschottbare Baugruppe ausgestaltet ist, wobei im Innenraum des hohlquaderförmigen Gehäuses ausschließlich dauerhaft dichte Abschnitte der Kältemittelleitungen angeordnet sind, deren Verbindungsstellen jeweils vollständig außerhalb des hohlquaderförmigen Gehäuses angeordnet sind und wobei das hohlquaderförmige Gehäuse mit mindestens einem Dichtrahmen und/oder mit mindestens zwei Dichtplatten derart ausgestattet ist, dass in der lagefixiert montierten Einbauposition des Wärmeübertragers die Anschlüsse der Kältemittelleitungen in einem vom Fahrgastraum dicht abgeschotteten und nach außen zur Umgebung belüfteten Bereich angeordnet sind. that the hollow cuboid housing is designed as a subassembly that can be sealed off gas-tight to the passenger compartment, only permanently sealed sections of the refrigerant lines are arranged in the interior of the hollow cuboid housing, the connection points of which are arranged completely outside the hollow cuboid housing and the hollow cuboid housing with at least one sealing frame and / or is equipped with at least two sealing plates in such a way that, in the installed position of the heat exchanger in the fixed position, the connections of the refrigerant lines are arranged in an area that is sealed off from the passenger compartment and ventilated to the outside.
2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, 2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in
dass der Dichtrahmen ausgestaltet ist durch zwei sich gegenüberliegend angeordnete geschlossene Seitenwände (1 ; 2) und zwei zu diesen Seitenwänden (1 ; 2) jeweils senkrecht angeordnete und sich gegenüberliegende Stirnwände (3; 4) an den offenen Flächen des hohlquaderförmigen Gehäuses. that the sealing frame is configured by two opposing closed side walls (1; 2) and two end walls (3; 4) arranged perpendicular to and opposite to these side walls (1; 2) on the open surfaces of the hollow cuboid housing.
3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, 3. Heat exchanger according to claim 1, characterized in
dass der Dichtrahmen ausgestaltet ist durch ein auf der geschlossenen Seitenfläche (8) angeordnetes Trennsegment (10), das einen umlaufenden Flansch aufweist, der aus einem harten Gummi-Material oder Kunststoff besteht und partiell verstärkte Flanschanbindungen aufweist. that the sealing frame is configured by a separating segment (10) which is arranged on the closed side surface (8) and which has a circumferential flange which consists of a hard rubber material or plastic and has partially reinforced flange connections.
4. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, 4. Heat exchanger according to claim 1, characterized in
dass das hohlquaderförmige Gehäuse bei der Ausgestaltung der Kältemittelleitungen als Rohr-Lamellen-Paket an den beiden Stirnwänden (3; 4) jeweils mit einer abdichtenden Beschichtung (5; 6) ausgestattet ist. that the hollow cuboid housing in the configuration of the refrigerant lines as a tube-lamella package on the two end walls (3; 4) is each equipped with a sealing coating (5; 6).
5. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemittelleitungen an den sich gegenüberliegenden offenen Stirnwänden (3; 4) des hohlquaderförmigen Gehäuses jeweils separat gelagert und separat abgedichtet sind, wobei die Dichtelemente als flächige Dichtung (11) oder als einzelne Ringbuchsdichtung (12) ausgeführt sind. 5. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the refrigerant lines on the opposing open end walls (3; 4) of the hollow cuboid housing are each stored separately and sealed, the sealing elements being designed as a flat seal (11) or as a single ring bush seal (12).
6. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, 6. Heat exchanger according to claim 1, characterized in
dass die Kältemittelleitungen bei einer Ausgestaltung als Rohr-in-Rohr-Lamellen-Paket so ausgeführt sind, dass das innere Rohr (13) als eine mehrfach umlaufende Rohrschlange ausgebildet ist, wobei jeder Rohrschlangenabschnitt der Rohrschlange von jeweils einem äußeren Rohr (14) umschlossen ist und wobei jedes äußere Rohr (14) jeweils außerhalb des hohlquaderförmigen Gehäuses eine offene Stirnfläche aufweist. that the refrigerant lines are designed in a configuration as a tube-in-tube lamella package in such a way that the inner tube (13) is designed as a multi-circulating tube coil, each tube coil section of the tube coil being enclosed by an outer tube (14) in each case and wherein each outer tube (14) has an open end face outside the hollow cuboid housing.
7. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, 7. Heat exchanger according to claim 1, characterized in
dass die Kältemittelleitungen bei einer Ausgestaltung als Rohr-in-Rohr-Lamellen-Paket so ausgeführt sind, dass das innere Rohr (13) eine Berippung für den thermischen Kontakt zum äußeren Rohr (14) aufweist. that the refrigerant lines are designed in a configuration as a tube-in-tube lamella package such that the inner tube (13) has fins for thermal contact with the outer tube (14).
8. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, 8. Heat exchanger according to claim 1, characterized in
dass an den sich gegenüberliegenden Stirnwänden an den offenen Flächen des hohlquaderförmigen Gehäuses jeweils eine Dichtplatte (15; 16) mit Öffnungen (17) zur Durchführung der Kältemittelleitungen angeordnet ist, wobei die Dichtplatten (15; 16) bezogen auf den Innenraum des hohlquaderförmigen Gehäuses innerhalb einer die tragende Struktur der Stirnwand ausbildenden Halteplatte (18; 19) angeordnet und über eine elastische Anbindung (20) am hohlquaderförmigen Gehäuse befestigt sind. that a sealing plate (15; 16) with openings (17) for the passage of the refrigerant lines is arranged on the opposite end walls on the open surfaces of the hollow cuboid housing, the sealing plates (15; 16) relative to the interior of the hollow cuboid housing within a the supporting structure of the end wall forming the holding plate (18; 19) is arranged and fastened to the hollow cuboid housing by means of an elastic connection (20).
9. Wärmeübertrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, 9. Heat exchanger according to claim 8, characterized in
dass die Dichtplatten (15; 16) über eine umlaufende flexible Dichtnaht (20) am hohlquaderförmigen Gehäuse befestigt sind. that the sealing plates (15; 16) are fastened to the hollow cuboid housing by means of a circumferential flexible sealing seam (20).
10. Wärmeübertrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, 10. Heat exchanger according to claim 8, characterized in
dass der freie Bereich zwischen den Dichtplatten (15; 16) und den tragenden Seitenwänden des Wärmeübertragers ausgestaltet ist durch eine im Hohlraum eingebrachte Dichtmatte oder durch umlaufend elastischen eingespritzten Klebstoff oder durch Ausgießen des kompletten Hohlraums mittels einer elastischen Dichtmasse oder mit einer einseitig eingeklebten Dichtung. that the free area between the sealing plates (15; 16) and the supporting side walls of the heat exchanger is configured by a sealing mat inserted in the cavity or by all-round elastic injected adhesive or by pouring out the entire cavity by means of an elastic sealing compound or with a seal glued in on one side.
11. Wärmeübertrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Abdichtung mit einem temperaturbeständigem Vlies ausgebildet ist, das zwischen den Dichtplatten (15; 16) und den Halteplatten (18; 19) angeordnet ist. 11. Heat exchanger according to claim 8, characterized in that an additional seal is formed with a temperature-resistant fleece, which is arranged between the sealing plates (15; 16) and the holding plates (18; 19).
12. Wärmeübertrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, 12. Heat exchanger according to claim 8, characterized in
dass die Öffnungen (17) in den Dichtplatten (15; 16) mittels Stanzen, Lasern oder Bohren derart ausgestaltet sind, dass in den Öffnungen (17) aufgeweitete Kältemittelleitungen einbringbar sind. that the openings (17) in the sealing plates (15; 16) are designed by means of punching, lasering or drilling in such a way that expanded refrigerant lines can be introduced into the openings (17).
13. Wärmeübertrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, 13. Heat exchanger according to claim 8, characterized in that
dass die Öffnungen (17) in den Dichtplatten (15; 16) mit einem Durchzug als Kragen zur Aufnahme von aufgeweiteten Kältemittelleitungen ausgestaltet sind. that the openings (17) in the sealing plates (15; 16) are designed with a passage as a collar for receiving expanded refrigerant lines.
14. Wärmeübertrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, 14. Heat exchanger according to claim 8, characterized in
dass in den Öffnungen (17) in den Dichtplatten (15; 16) Abschnitte von gedrehten Lamellen angeordnet sind. that sections of rotated lamellae are arranged in the openings (17) in the sealing plates (15; 16).
15. Wärmeübertrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, 15. Heat exchanger according to claim 8, characterized in
dass in den Halteplatten (18; 19) Öffnungen für eine Ventilation und einen Druckausgleich angeordnet sind. that openings for ventilation and pressure compensation are arranged in the holding plates (18; 19).
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