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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeugkühlsystem zur Kühlung von insbesondere elektrotechnischen Komponenten eines Fahrzeugs. Die Erfindung eignet sich vorzugsweise für Fahrzeuge, die ein Druckluftsystem aufweisen. Dies ist üblicherweise bei Schienenfahrzeugen der Fall.
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Bei Schienenfahrzeugen bzw. Zügen sind elektrotechnische Komponenten im Einsatz, die aktiv gekühlt werden müssen. Durch die Kühlung soll erreicht werden, dass die Komponenten innerhalb eines gewissen Temperaturbereichs arbeiten, da ansonsten ggf. der Wirkungsgrad sinkt und auch die Alterung der Komponente negativ beeinflusst wird. Elektrotechnische Komponenten können beispielsweise Batterien oder auch Elektronik innerhalb eines Behälters sein.
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Die notwendige Kühlung erfolgt im Stand der Technik in der Regel durch elektrisch betriebene Klimaanlagen, eine forcierte Luftkühlung, Wasserkühlung oder Wärmerohre. Die genannten Systeme kühlen die Komponenten zwar ausreichend, weisen jedoch verschiedene Nachteile auf. Zum einen ist elektrische Energie notwendig, zum anderen ist der Wirkungsgrad oftmals relativ niedrig bzw. sind die Einsatzbereiche auf bestimmte Temperaturfenster beschränkt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein zu den bekannten Kühlsystemen alternatives Fahrzeugkühlsystem bereitzustellen. Dieses soll insbesondere einfach aufgebaut sein und zuverlässig funktionieren. Die Konstruktion soll dabei kostengünstig herstell- und montierbar sein. Weiterhin besteht die Aufgabe, ein Verfahren zur Kühlung mindestens einer Komponente eines Fahrzeugs bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Fahrzeugkühlsystem den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dieses weist einen Lüfter und mindestens eine zu kühlenden Komponente sowie ein mit Druckluft betriebenes Wirbelrohr zur Erzeugung gekühlter Luft zur Kühlung der zu kühlenden Komponente auf. Weiterhin beinhaltet die Erfindung ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
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Eine wesentliche Erkenntnis der Erfindung besteht darin, die in einem Fahrzeug oftmals ohnehin vorhandene Druckluft für die Kühlung einer oder mehrerer Komponenten aktiv zu nutzen. Dabei wird die Druckluft mit geringem Aufwand zusätzlich als Kühlmittel eingesetzt.
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Das Wirbelrohr, auch bekannt als Ranque-Hilsch-Wirbelrohr, ist eine Vorrichtung ohne bewegliche Teile, mit der sich Gas in einem heißen und kalten Strom aufteilen lässt. Dazu wird ein unter Druck stehendes Gas, meist Luft, tangential in eine Wirbelkammer mit rundem Querschnittt eingeblasen und dadurch in eine schnelle Rotation versetzt. Das Gas verlässt die Kammer durch unterschiedlich gestaltete axiale Luftauslässe. Auf der einen Seite der länglichen Wirbelkammer tritt durch eine relativ enge Öffnung gekühlte Luft aus, während auf der gegenüberliegenden anderen Seite durch eine Öffnung mit erheblich größerem Durchmesser heiße Luft austritt. Der Temperaturunterschied kann dabei, abhängig vom Aufbau und Gasdruck, bei über 40 Kelvin liegen.
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Wirbelrohre haben ein im Vergleich zu herkömmlichen Kühlverfahren sehr niedrigen Wirkungsgrad. Trotzdem sind verschiedene Sonderanwendungen bekannt, bei welchem das Wirbelrohr eingesetzt werden kann. Insgesamt hat das Wirbelrohr aber bisher nur eine sehr geringe wirtschaftliche Bedeutung.
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Die Erfinderin hat aber erkannt, dass gerade bei der Kühlung von Komponenten eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs die Nutzung von Wirbelrohren trotz aller Nachteile vorteilhaft sein kann. Erfindungsgemäß unterstützt das Wirbelrohr ein Lüfter-basiertes System. Die vom Wirbelrohr erzeugte relativ kalte Luft wird dazu genutzt, die Umgebungstemperatur bzw. die Ansaugtemperatur des Lüfters zu reduzieren. Dies führt dazu, dass die Lebensdauer des Lüfters verlängert werden kann. Aber auch die Lebensdauer und Auslegung der elektronischen Komponenten kann an die geringeren Ansaugtemperaturen angepasst werden, wodurch eine Reduzierung von Dimensionen und Massen erreichbar ist. Letztendlich kann die Systemleistung durch Nutzung eines Wirbelrohrs erhöht werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Ausgangstemperatur der Wirbelrohre individuell regelbar ist.
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In Strömungsrichtung befindet vor dem Lüfter ein Ansaugraum, in den Umgebungsluft durch einen Lufteinlass einströmt. Innerhalb des Lufteinlasses ist vorzugsweise ein Filterelement zur Reinigung der einströmenden Luft vorgesehen. Das Wirbelrohr ragt mit seinem Kaltluftauslass in diesen ansonsten vorzugsweise geschlossenen Ansaugraum hinein. Der am anderen Ende des Wirbelrohrs angeordnete Warmluftauslass befindet sich außerhalb des Ansaugraums. Die warme Luft kann an die Umgebung abgegeben werden, alternativ auch in einen Raum, in dem eine Erwärmung unkritisch oder sogar erwünscht ist.
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Die vom Lüfter angesaugte Ansaugluft wird im Ansaugraum mit Hilfe des Kaltluftauslasses des Wirbelrohrs mit gekühlter Luft vermischt, wodurch das Temperaturniveau der Ansaugluft, im Folgenden Kühlluft, insgesamt gesenkt wird. Diese Kühlluft leitet der Lüfter an mindestens eine zu kühlende Komponente weiter.
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Das Wirbelrohr ist über einen entsprechenden Druckluftanschluss an eine der ohnehin vorhandenen Druckluftleitungen des Fahrzeugs angeschlossen.
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Je nach gewünschter Kühlleistung oder in Abhängigkeit der Bedingungen vor Ort ist auch die Verwendung von mehr als einem Wirbelrohr je Ansaugraum denkbar. Beispielsweise können zwei Wirbelrohre vorgesehen sein, deren Kaltluftauslässe auf gegenüberliegenden Seiten des Ansaugraums in diesen hineinragen. Wesentlich ist, dass die vom Wirbelrohr erzeugte kalte Luft in Strömungsrichtung zwischen dem Lufteinlass des Ansaugraums und dem Lüfter zugemischt wird.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante ist der Ansaugraum im Wesentlichen rechteckig ausgebildet und weist auf einer ersten Seite den Lufteinlass auf, der einer zweiten Seite des Raums gegenüberliegt, an der der Lüfter angeordnet ist. Die einströmende Umgebungsluft strömt somit durch den Ansaugraum von einer Seite zur gegenüberliegenden Seite. Es kann vorgesehen sein, dass zwischen dem Lufteinlass und dem Lüfter Kaltlufteinlässe von vier Wirbelrohren in den Ansaugraum hineinragen. Diese sind in einem Boden, einer Decke und den beiden Seitenwänden des Ansaugraums zwischen dem Lufteinlass und dem Lüfter angeordnet. Somit verteilt sich die über vier Seiten jeweils von einem Wirbelrohrs eingeleitete kalte Luft optimal im Raum.
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Erfindungsgemäß kann nicht nur die in den Ansaugraum eingeleitete Umgebungsluft mit Hilfe des Filterelements, das in einem Lufteinlass angeordnet ist, gefiltert und gereinigt werden, denkbar ist auch die Verwendung ein weiteres Filterelements zur Reinigung und Filterung der vom Wirbelrohr erzeugten kalten Luft. Dieses kann unmittelbar am Kaltluftauslass des Wirbelrohrs vorgesehen sein, es kann aber auch an beliebiger Stelle im Strömungsverlauf der Kühlluft zwischen dem Kaltluftauslass und dem Lüfter angeordnet ein. Denkbar ist auch die Verwendung nur eines einzigen Filterelements zwischen dem Kaltluftauslass des Wirbelrohrs und dem Lüfter.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante ragt der Kaltluftauslass des Wirbelrohrs unmittelbar in den Raum, in dem auch die zu kühlende Komponente angeordnet ist. Der Lüfter saugt dann die Luft aus diesem Komponentenraum, in dem sich also die Komponente befindet und in den der Kaltluftauslass hineinragt, heraus und leitet diese ab.
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Für alle Varianten gilt, dass auch die von den zu kühlenden Komponenten abgeleitete erwärmte Luft erfindungsgemäß einer weiteren Nutzung zugeführt werden kann, beispielsweise der Erwärmung eines weiterer Raumes. Alternativ kann auch diese erwärmte Luft an die Umgebung abgegeben werden.
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Weitere Vorteile der Verwendung des Wirbelrohrs bestehen darin, dass diese als Unterstützungssystem einer forcierten Luftkühlung nur ausgesprochen wenig Bauraum beanspruchen, insbesondere im Vergleich mit der Hauptkühlung. Dies ist deshalb besonders vorteilhaft, weil das Wirbelrohr somit relativ problemlos auch in bereits bestehende Systeme eingebaut werden kann. Das erfindungsgemäße Kühlsystem mit Wirbelrohr ist somit auch als Nachrüstsatz einsetzbar. Vorteilhaft ist auch, dass ein Wirbelrohr regel- und abschaltbar ist. Das Kühlsystem kann darüber an Leistungsanforderungen angepasst werden, beispielsweise aufgrund von Temperaturschwankungen der Umgebungsluft.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Die Figuren sind dabei lediglich nicht maßstabsgetreue Prinzipdarstellungen, sie dienen lediglich dem Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
- 1: eine Prinzipdarstellung eines Wirbelrohrs,
- 2: eine vereinfachte Darstellung einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung.
- 3: eine vereinfachte Darstellung einer zweiten Ausführungsvariante der Erfindung.
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1 zeigt in einer Prinzipdarstellung ein Wirbelrohr 20 nach dem Stand der Technik. Dieses weist einen Druckluftanschluss 22 auf, über den Druckluft eingeleitet wird. Die Druckluft wird tangential eingeleitet und in Rotation versetzt, dargestellt durch die entsprechenden Pfeile. Über einen Kaltluftauslass 24 mit einer relativ kleinen Öffnung tritt gekühlte Luft aus. An der gegenüberliegenden Seite tritt relativ warme Luft durch einen Warmluftauslass 26 mit deutlich größerem Durchmesser aus.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung eines erfindungsgemäßen Fahrzeugkühlsystems 28, angeordnet vorzugsweise in einem Schienenfahrzeug. Erkennbar ist ein im Wesentlichen geschlossener Ansaugraum 30 mit einer Lufteinlassseite 32 und einer gegenüberliegenden Luftauslassseite 34. Der Ansaugraum 30 weist weiterhin einen Boden 36, eine Decke 38 und zwei Seitenwände 40 auf. Auf der Lufteinlassseite 32 wird Umgebungsluft durch einen Lufteinlass 41 in den Ansaugraum 30 eingeleitet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Filterelement 42, ausgeführt als Filtermatte, zur Reinigung bzw. Filterung der Umgebungsluft vorgesehen.
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Auf der Luftauslassseite 34 ist ein Lüfter 44 vorgesehen, der Kühlluft 46 aus dem Ansaugraum 30 ansaugt und an eine nicht gezeigte zu kühlende Komponente weiterleitet. Die Kühlluft 46 kann dabei axial und/oder radial aus dem Lüfter ausströmen.
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Erfindungsgemäß ragt in den Ansaugraum 30 ein Kaltluftauslass 24 eines Wirbelrohrs 20. Das Wirbelrohr 20 ist über den Druckluftanschluss 22 an eine nicht gezeigte Druckluftleitung eines Kompressors des Fahrzeugs angeschlossen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich der Warmluftauslass 26 des Wirbelrohrs 20 außerhalb des Ansaugraums 30. Das gleiche gilt für den Druckluftanschluss 22, der alternativ aber auch innerhalb des Ansaugraum 30 vorgesehen sein kann.
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Durch die Lufteinlassseite 32 bzw. das Filterelement 42 strömt Umgebungsluft in den Ansaugraum 30 ein und passiert in Strömungsrichtung den Kaltluftauslass 24 des Wirbelrohrs 20. Dadurch vermischt sich die eingeleitete Umgebungsluft mit kalter Luft aus dem Wirbelrohr 20, die entstehende Kühlluft 46 gelangt zum gegenüberliegenden Lüfter 44.
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3 zeigt eine zweite, alternative Ausführungsvariante. Zu kühlende Komponenten 50 bzw. Wärmequellen sind in einem Komponentenraum 52 angeordnet. Der Kaltluftauslass 24 des Wirbelrohrs 20 ragt ebenfalls in den Komponentenraum 52. Der Lüfter 44 saugt Luft aus dem Komponentenraum 52 ab und leitet diese entweder einer weiteren Nutzung oder der Umgebung zu.
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In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist je nur ein Wirbelrohr 20 gezeigt, vorzugsweise können aber auch zwei oder mehrere Wirbelrohre 20 vorgesehen sein. Insbesondere kann vorteilhafterweise jeweils ein Wirbelrohr 20 im Bereich des Bodens 36, der Decke 38 und den beiden Seitenwänden 40 angeordnet sein.
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Alternativ zur gezeigten Anordnung des Wirbelrohrs 20 kann dieses auch in Abhängigkeit der Geometrie und Konstruktion vor Ort auch an beliebiger anderer Stelle angeordnet sein.
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Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern umfasst auch weitere Varianten, die auf Basis der Erfindung realisierbar sind.