EP4117974A1 - Klimaanordnung und damit ausgestattetes fahrzeug zur personenbeförderung - Google Patents

Klimaanordnung und damit ausgestattetes fahrzeug zur personenbeförderung

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EP4117974A1
EP4117974A1 EP21708122.3A EP21708122A EP4117974A1 EP 4117974 A1 EP4117974 A1 EP 4117974A1 EP 21708122 A EP21708122 A EP 21708122A EP 4117974 A1 EP4117974 A1 EP 4117974A1
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EP
European Patent Office
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refrigerant
air
air conditioning
treatment device
vehicle
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EP21708122.3A
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EP4117974C0 (de
EP4117974B1 (de
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Alexander Hildebrandt
Irfan KASAP
Bernd Schnell
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Siemens Mobility GmbH
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Siemens Mobility GmbH
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Publication date
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61D—BODY DETAILS OR KINDS OF RAILWAY VEHICLES
    • B61D17/00—Construction details of vehicle bodies

Definitions

  • Air conditioning arrangement and vehicle equipped with it for passenger transport are provided.
  • the invention relates to an air conditioning system for a vehicle for passenger transport, with a refrigeration circuit that has a compressor, a condenser with associated condenser fan, an expansion valve and an evaporator and is operated with a first refrigerant, and with egg ner air treatment device that has a Fan for conveying conditioned air in an interior of the vehicle has, as well as a vehicle equipped with such an air conditioning system for passenger transport.
  • the evaporator of the refrigeration circuit is often used as a so-called “direct evaporator” and is functionally part of the air treatment device, which is used to provide conditioned air for a passenger compartment or driver's cab of the vehicle, which can in particular be a rail vehicle.
  • the placement of the evaporator in the air treatment device results in restrictions with regard to the refrigerants that can be used in the air conditioning system.
  • refrigerants with a global warming potential of ⁇ 150 are often classified as risky, as they either work under very high operating pressures, are flammable and explosive and / or, such as R1234YF, produce toxic / caustic gases when burned.
  • refrigerant line in the vicinity of the evaporator has a leak and coolant emerges from this leak.
  • This can be set on fire, for example, by electrically operated components, such as the fan for conveying the conditioned supply air, with an additional fluid Getting Connected for the supply air from the air handler means exists to the interior of the vehicle. This makes it possible for the coolant that has leaked out of the leak, which may also be set on fire, to spread into the interior of the vehicle. This is to be avoided for security reasons.
  • the invention is based on the object of further developing the air conditioning system of the type mentioned at the outset in such a way that the risks when using refrigerants with a global warming potential ⁇ 150 are reduced, as well as specifying a vehicle whose low risk air conditioning system also uses a refrigerant with a Global warming potential ⁇ 150 can be operated.
  • the air conditioning arrangement mentioned at the beginning is characterized in that the first refrigerant for operating the refrigeration circuit has a global warming potential ⁇ 150, the evaporator of the refrigeration circuit is designed for thermal interaction of the first refrigerant with a second refrigerant different from the first refrigerant and is integrated in an intermediate circuit , which comprises a cooler through which the second Käl tesch flows and which forms part of the air treatment device, the air treatment device and portions of the intermediate circuit adjoining it being hermetically sealed against the rest of the air conditioning arrangement.
  • the refrigeration circuit of the air conditioning arrangement can be operated without further ado with a refrigerant which can be selected from the group comprising carbon dioxide, propane, a hydrofluoro-olefin or mixtures thereof.
  • the second refrigerant can be, for example, water glycol, a glycol mixture or a suitable brine mixture.
  • other fluids can possibly also be used, as long as it is guaranteed that they do not entail any health or other risks for people in the interior of the vehicle even if they leak from a leak in the intermediate circuit.
  • the evaporator can preferably be formed as a plate heat exchanger. This is advantageously itself hermetically sealed, both in terms of the outlet of the two coolants to the outside and a spatial separation between tween the two coolants used.
  • the air treatment device can advantageously have an air filter arranged between the fan for conveying conditioned supply air and the cooler of the intermediate circuit. It is also conceivable that the air treatment device has a heating device for reheating the supply air passing through the cooler.
  • the intermediate circuit can in particular have a pump for conveying the second refrigerant from the evaporator to the cooler. It can also be advantageous if the intermediate circuit for the second coolant has an expansion tank, so that the operating conditions in the intermediate circuit remain sufficiently constant for the operation of the intermediate circuit even when the thermal boundary conditions change.
  • the air conditioning system shown in the figure which can for example be arranged on the roof of a rail vehicle, comprises a refrigeration circuit 1 and an intermediate circuit 2.
  • the refrigeration circuit 1 is operated with a first coolant, which is, for example, R-1234YF / R290 .
  • the first coolant is one that has a global warming potential of ⁇ 150.
  • the refrigeration circuit 1 comprises a compressor 3, a condenser 4 with an associated condenser fan 5 for cooling the condenser 4 and an expansion valve 6.
  • the air conditioning system is to be used for air conditioning a driver's cab of a rail vehicle.
  • the compressor 3 can then have an output of 6 kW.
  • a comparable air conditioning arrangement can also be used in passenger cars. In this case, the performance of the compressor 3 will be in a clearly heard area.
  • the refrigeration circuit 1 is completed by a plate heat exchanger 7, which is installed at that point within the refrigeration circuit 1 at which there is typically a Ver evaporator.
  • the plate heat exchanger 7 is hermetically sealed to the outside and creates a reliable spatial separation between the first refrigerant and a second refrigerant (water glycol) with which the intermediate circuit 2 is operated.
  • an input temperature To of -5 ° C. to + 5 ° C. is present in the exemplary embodiment presented.
  • the second refrigerant which is water glycol, has a temperature of 0 to + 10 ° C.
  • the second refrigerant is conveyed to a cooler 9 by means of a pump 8.
  • the cooler 9 is part of an air treatment device 10 which, in addition to the cooler 9, has a fan 11 for conveying conditioned supply air, namely through an air filter 12 past the cooler 9 and through a post-heating device 13.
  • the dashed line around the cooler 9 is intended to illustrate the connection between the cooler 9 and the refrigeration circuit 1.
  • the air treatment device 10 directs supply air directly into a driver's cab 14 (illustrated by a dashed line), from which the supply air continues to a passenger compartment 15, which is merely indicated in the figure.
  • the incoming air can have a temperature of 8 to 15 ° C.
  • the second refrigerant returns to the plate heat exchanger 7, specifically conveyed by the pump 8 in the intermediate circuit 2.
  • An expansion tank 16 ensures stable operation of the intermediate circuit 2 when the thermal boundary conditions change.
  • the air treatment device 10 which includes the fan 11, the air filter 12, the cooler 10 and the after-heating device 13, is hermetically sealed to the outside. Therefore, in the event that the refrigerant circuit 1 shows a leak and the first refrigerant escapes from the leak, the first refrigerant cannot enter the air handling device 10, in particular not the driver's compartment 14 and the passenger compartment 15. In particular, any housing penetrations the air treatment device 10 for the intermediate circuit is also hermetically sealed.
  • the overall air conditioning system is housed in the roof area of the rail vehicle.
  • the supply air arrives via suitable Air conditioning ducts in the driver's cab 14 and the passenger compartment 15.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Air-Conditioning For Vehicles (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Klimaanordnung für ein Fahrzeug zur Personenbeförderung, mit einem Kältekreis (1), der einen Verdichter (3), einen Kondensator (4) mit zugehörigem Kondensatorlüfter (5), ein Expansionsventil (6) und einen Verdampfer (7) aufweist sowie mit einem ersten Kältemittel betrieben ist, und mit einer Luftbehandlereinrichtung (10), die einen Lüfter (11) zum Fördern konditionierter Zuluft in einen Innenraum (14, 15) des Fahrzeugs aufweist, wobei das erste Kältemittel zum Betreiben des Kältekreises (1) ein Erderwärmungspotential < 150 aufweist, der Verdampfer (7) des Kältekreises zur thermischen Wechselwirkung des ersten Kältemittels mit einem von dem ersten Kältemittel verschiedenen zweiten Kältemittel ausgebildet und in einen Zwischenkreis (2) integriert ist, der einen von dem zweiten Kältemittel durchströmten Kühler (9) umfasst, der einen Teil der Luftbehandlereinrichtung (10) bildet, wobei die Luftbehandlereinrichtung (10) und an sie angrenzende Abschnitte des Zwischenkreises (2) gegenüber dem Rest der Klimaanordnung hermetisch abgedichtet sind.

Description

Beschreibung
Klimaanordnung und damit ausgestattetes Fahrzeug zur Personenbeförderung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Klimaanordnung für ein Fahrzeug zur Personenbeförderung, mit einem Kältekreis, der einen Verdichter, einen Kondensator mit zugehörigem Kondensa torlüfter, ein Expansionsventil und einen Verdampfer aufweist sowie mit einem ersten Kältemittel betrieben ist, und mit ei ner Luftbehandlereinrichtung, die einen Lüfter zum Fördern konditionierter Zuluft in einen Innenraum des Fahrzeugs auf weist, sowie auf ein mit einer solchen Klimaanordnung ausge rüstetes Fahrzeug zur Personenbeförderung.
Solche Klimaanordnungen sowie damit ausgerüstete Fahrzeuge sind im Stand der Technik gut bekannt. Dabei wird häufig der Verdampfer des Kältekreises als sog. „Direktverdampfer" ein gesetzt und gehört funktionell zur Luftbehandlereinrichtung, die zur Bereitstellung konditionierter Zuluft für einen Fahr gastinnenraum oder Führerraum des Fahrzeugs dient, bei dem es sich um insbesondere um ein Schienenfahrzeug handeln kann.
Die Unterbringung des Verdampfers in der Luftbehandlerein richtung hat jedoch Einschränkungen hinsichtlich der bei der Klimaanordnung einsetzbaren Kältemittel zur Folge.
Insbesondere Kältemittel mit einem Erderwärmungspotential < 150 sind häufig als riskant einzustufen, da sie entweder un ter sehr hohen Betriebsdrücken arbeiten, brennbar sowie ex plosiv sind und/oder sogar, wie beispielsweise R1234YF, bei der Verbrennung giftige/ätzende Gase erzeugen. Insofern ergibt sich eine hohes Risikopotential in dem Fall, wenn eine Kältemittelleitung in der Nähe des Verdampfers ein Leck auf weist und aus diesem Leck Kühlmittel austritt. Dies kann bei spielsweise durch elektrisch betriebene Komponenten, wie bei spielsweise den Lüfter zum Fördern der konditionierten Zu luft, in Brand gesetzt werden, wobei zusätzlich eine Fluid- Verbindung für die Zuluft von der Luftbehandlereinrichtung zum Innenraum des Fahrzeugs vorliegt. Damit wird eine Aus breitung des aus dem Leck ausgetretenen Kühlmittels, das ggf. auch noch in Brand gesetzt ist, in den Innenraum des Fahr zeugs möglich. Dies ist aus Sicherheitsgründen zu vermeiden.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Klimaanordnung der eingangs genannten Art derart weiter zuentwickeln, dass die Risiken beim Einsatz von Kältemitteln mit einem Erderwärmungspotential < 150 vermindert sind, sowie ein Fahrzeug anzugeben, dessen Klimaanordnung mit geringem Risiko auch mit einem Kältemittel mit einem Erderwärmungspo tential < 150 betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Klimaanordnung mit den Merkma len des Anspruchs 1 gelöst.
Danach zeichnet sich die eingangs genannte Klimaanordnung dadurch aus, dass das erste Kältemittel zum Betreiben des Kältekreises ein Erderwärmungspotential < 150 aufweist, der Verdampfer des Kältekreises zur thermischen Wechselwirkung des ersten Kältemittels mit einem von dem ersten Kältemittel verschiedenen zweiten Kältemittel ausgebildet und in einen Zwischenkreis integriert ist, der einen von dem zweiten Käl temittel durchströmten Kühler umfasst, der einen Teil der Luftbehandlereinrichtung bildet, wobei die Luftbehandlerein richtung und an sie angrenzende Abschnitte des Zwischenkrei ses gegenüber dem Rest der Klimaanordnung hermetisch abge dichtet sind.
Durch die hermetische Abdichtung der Luftbehandlereinrichtung von dem Kältekreis, der mit dem Kältemittel mit einem Erder wärmungspotential < 150 betrieben wird, kann sich selbst im Fall eines Lecks bei der Kältemittelleitung für das erste Kältemittel nicht Vorkommen, dass ausgetretenes Kältemittel in die Luftbehandlereinrichtung und damit auch in den Innen raum des Fahrzeugs gelangt. Insofern kann der Kältekreis der Klimaanordnung ohne Weiteres mit einem Kältemittel betrieben werden, der aus der Gruppe ausgewählt sein kann, die Kohlendioxid, Propan, ein Hydroflu- oro-Olefin oder Gemische davon umfasst. Dabei kann das zweite Kältemittel beispielsweise Wasserglykol, ein Glykolgemisch oder ein geeignetes Solegemisch sein. Für das zweite Kälte mittel können ggf. auch andere Fluide zum Einsatz kommen, so weit gewährleistet ist, dass diese selbst bei Austreten aus einem Leck des Zwischenkreises keine gesundheitlichen oder sonstigen Risiken für im Innenraum des Fahrzeugs befindliche Personen mit sich bringen.
Der Verdampfer kann bevorzugt als Plattenwärmeübertrager aus gebildet sein. Dieser ist vorteilhafter Weise selbst herme tisch abgedichtet, und zwar sowohl was den Austritt der zwei Kühlmittel nach außen als auch eine räumliche Trennung zwi schen den zwei eingesetzten Kühlmitteln angeht.
Die Luftbehandlereinrichtung kann vorteilhafter Weise ein zwischen dem Lüfter zum Fördern konditionierter Zuluft und den Kühler des Zwischenkreises angeordnetes Luftfilter auf weisen. Auch ist es denkbar, dass die Luftbehandlereinrich tung eine Heizeinrichtung zum Nachheizen der den Kühler pas sierenden Zuluft aufweist.
Der Zwischenkreis kann insbesondere eine Pumpe zum Fördern des zweiten Kältemittels von dem Verdampfer zu dem Kühler aufweisen. Ebenfalls kann es von Vorteil sein, wenn der Zwi schenkreis für das zweite Kühlmittel einen Ausgleichsbehälter aufweist, so dass die Betriebsbedingungen im Zwischenkreis auch bei sich ändernden thermischen Randbedingungen für den Betrieb des Zwischenkreises ausreichend konstant bleiben.
Die oben angegebene Aufgabe wird hinsichtlich des Fahrzeugs gelöst durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch näher erläutert. Die einzi- ge Figur zeigt eine strömungstechnische Darstellung einer Klimaanordnung für ein Fahrzeug zur Personenbeförderung.
Die in der Figur dargestellte Klimaanordnung, die beispiels weise auf dem Dach eines Schienenfahrzeugs angeordnet sein kann, umfasst einen Kältekreis 1 und einen Zwischenkreis 2. Der Kältekreis 1 wird mit einem ersten Kühlmittel betrieben, bei dem es sich beispielsweise um R-1234YF/R290 handelt. Ge nerell ist das erste Kühlmittel ein solches, das ein Erder wärmungspotential < 150 hat. In herkömmlicher Weise umfasst der Kältekreis 1 einen Verdichter 3, einen Kondensator 4 mit zugeordnetem Kondensatorlüfter 5 zur Entwärmung des Kondensa tors 4 sowie ein Expansionsventil 6. Im dargestellten Ausfüh rungsbeispiel soll die Klimaanordnung zur Klimatisierung ei nes Führerraums eines Schienenfahrzeugs eingesetzt sein. Dazu kann dann der Verdichter 3 eine Leistung von 6 kW aufweisen. In ähnlicher Weise kann eine vergleichbare Klimaanordnung auch bei Personenwagen verwendet werden. In diesem Fall wird die Leistung des Verdichters 3 in einem deutlich hören Wer tebereich liegen.
Der Kältekreis 1 wird vervollständigt durch einen Plattenwär metauscher 7, der an derjenigen Stelle innerhalb des Kälte kreises 1 eingebaut ist, an dem sich typischer Weise ein Ver dampfer befindet. Der Plattenwärmetauscher 7 ist nach außen hermetisch abgedichtet und schafft eine zuverlässige räumli che Trennung zwischen dem ersten Kältemittel und einem zwei ten Kältemittel (Wasserglykol), mit dem der Zwischenkreis 2 betrieben wird. Auf einer dem Kältekreis 1 zugeordneten Ein gangsseite des Plattenwärmetauschers 7 liegt im vorgestellten Ausführungsbeispiel eine Eingangstemperatur To von -5°C bis +5°C vor.
In dem Plattenwärmetauscher 7 findet eine thermische Wechsel wirkung zwischen dem ersten Kältemittel zum Betreiben des Kältekreises 1 und dem zweiten Kältemittel zum Betreiben des Zwischenkreises 2 statt, wobei eine Dimensionierung des Plat tenwärmetauschers 7 die Effizienz des Wärmeleistungsübertrags bestimmt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist das zwei te Kältemittel, bei dem es sich um Wasserglykol handelt, eine Temperatur von 0 bis +10°C auf. Mit einer solchen Temperatur beaufschlagt wird das zweite Kältemittel mittels einer Pumpe 8 zu einem Kühler 9 gefördert. Der Kühler 9 ist Teil einer Luftbehandlereinrichtung 10, die neben dem Kühler 9 einen Lüfter 11 zum Fördern konditionierter Zuluft aufweist, und zwar durch ein Luftfilter 12 hindurch an dem Kühler 9 vorbei und durch eine Nachheizeinrichtung 13 hindurch. Die gestri chelte Linie um den Kühler 9 herum soll die Verbindung des Kühlers 9 mit dem Kältekreis 1 veranschaulichen.
Die Luftbehandlereinrichtung 10 leitet Zuluft unmittelbar in einen Führerraum 14 (durch gestrichelte Linie veranschau licht) ein, von dem aus die Zuluft weiter hin zu einem Fahr gastinnenraum 15 gelangt, der in der Figur lediglich angedeu tet ist. Die zugeführte Zuluft kann eine Temperatur von 8 bis 15°C aufweisen.
Vom Kühler 9 aus gelangt das zweite Kältemittel zurück zum Plattenwärmetauscher 7, und zwar gefördert durch die Pumpe 8 in dem Zwischenkreis 2. Ein Ausgleichsbehälter 16 sorgt für einen stabilen Betrieb des Zwischenkreises 2 bei wechselnden thermischen Randbedingungen.
Die Luftbehandlereinrichtung 10, die den Lüfter 11, das Luft filter 12, den Kühler 10 und die Nachheizeinrichtung 13 um fasst, ist nach außen hin hermetisch abgedichtet. Daher kann in dem Fall, wenn der Kältekreislauf 1 ein Leck zeigt und das erste Kältemittel aus dem Leck austritt, das erste Kältemit tel nicht in die Luftbehandlereinrichtung 10 eintreten, ins besondere nicht in den führerraum 14 und den Fahrgastinnen raum 15. Insbesondere sind etwaige Gehäusedurchführungen der Luftbehandlereinrichtung 10 für den Zwischenkreis ebenfalls hermetisch abgedichtet.
Die Klimaanordnung insgesamt ist im Dachbereich des Schienen fahrzeugs untergebracht. Die Zuluft gelangt über geeignete Klimakanäle in den Führerraum 14 und den Fahrgastinnenraum 15.

Claims

Patentansprüche
1. Klimaanordnung für ein Fahrzeug zur Personenbeförde rung, mit einem Kältekreis (1), der einen Verdichter (3), einen Kondensator (4) mit zugehörigem Kondensator lüfter (5), ein Expansionsventil (6) und einen Verdamp fer (7) aufweist sowie mit einem ersten Kältemittel be trieben ist, und mit einer Luftbehandlereinrichtung (10), die einen Lüfter (11) zum Fördern konditionierter Zuluft in einen Innenraum (14, 15) des Fahrzeugs auf weist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kältemittel zum Betreiben des Kältekreises (1) ein Erderwärmungspotential < 150 aufweist, der Ver dampfer (7) des Kältekreises zur thermischen Wechsel wirkung des ersten Kältemittels mit einem von dem ers ten Kältemittel verschiedenen zweiten Kältemittel aus gebildet und in einen Zwischenkreis (2) integriert ist, der einen von dem zweiten Kältemittel durchströmten Kühler (9) umfasst, der einen Teil der Luftbehandler einrichtung (10) bildet, wobei die Luftbehandlerein richtung (10) und an sie angrenzende Abschnitte des Zwischenkreises (2) gegenüber dem Rest der Klimaanord nung hermetisch abgedichtet sind.
2. Klimaanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kältemittel aus der Gruppe ausgewählt ist, die Kohlendioxid, Propan, ein Hydrofluoro-Olefin oder Gemische davon umfasst, und das zweite Kältemittel Was serglykol ist.
3. Klimaanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (7) als Plattenwärmeübertrager ausgebil det ist.
4. Klimaanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftbehandlereinrichtung (10) ein zwischen dem Lüf ter zum Fördern konditionierter Zuluft und dem Kühler (9) angeordnetes Luftfilter (12) aufweist.
5. Klimaanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftbehandlereinrichtung (10) eine Heizeinrichtung (13) zum Nachheizen der den Kühler passierenden Zuluft aufweist.
6. Klimaanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreis (2) eine Pumpe (8) zum Fördern des zweiten Kältemittels von dem Verdampfer (7) zu dem Küh ler (9) aufweist.
7. Klimaanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreis (2) einen Ausgleichsbehälter (16) für das zweite Kühlmittel aufweist.
8. Fahrzeug zur Personenbeförderung, ausgerüstet mit einer Klimaanordnung nach einem der An sprüche 1 bis 7, wobei die Klimaanordnung vollständig in einem Dachbe reich des Fahrzeugs angeordnet ist und Zuluft von der Luftbehandlereinrichtung über Klimakanäle in den Innen raum des Fahrzeugs geführt ist.
EP21708122.3A 2020-03-09 2021-02-08 Klimaanordnung und damit ausgestattetes fahrzeug zur personenbeförderung Active EP4117974B1 (de)

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EP4117974A1 true EP4117974A1 (de) 2023-01-18
EP4117974C0 EP4117974C0 (de) 2024-03-27
EP4117974B1 EP4117974B1 (de) 2024-03-27

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