用于轨道车辆的加热系统的制作方法

1.本发明涉及轨道车辆技术领域，具体而言，涉及一种用于轨道车辆的加热系统。


背景技术：

2.根据国家节能减排要求及变频热泵技术的快速发展，近年来变频热泵技术已在轨道车辆空调系统中广泛应用。相比传统定频制冷和电热器制热的调温方式，变频热泵技术大幅提高了整车能效比及舒适度。但由于热泵空调系统制热效果受环境温度影响较大，北方地区冬季热泵平均效率较低，且一般在环境温度低于-10℃时，制热能力失效。因此北方地区轻轨车辆在设置热泵空调系统的同时，仍需保留传统电热器用于低温制热补充，此方案不利于车辆轻量化及节能化设计。


技术实现要素：

3.为解决上述问题，本发明实施例的目的在于提供一种用于轨道车辆的加热系统。
4.本发明实施例提供了一种用于轨道车辆的加热系统，包括：燃料供电系统、空调机组和余热换热器；所述燃料供电系统包括燃料电池和燃料电池散热器；所述空调机组包括蒸发风机；
5.所述燃料电池的出液口与所述余热换热器的进液管相连通；所述余热换热器的回液管与所述燃料电池散热器的进液口相连通；所述燃料电池散热器的出液口与所述燃料电池的进液口相连通；
6.所述余热换热器位于所述空调机组的蒸发腔内；
7.所述蒸发风机用于将被所述余热换热器加热的空气输送至轨道车辆的车厢内。
8.在一种可能的实现方式中，所述燃料电池的出液口还与所述燃料电池散热器的进液口相连通。
9.在一种可能的实现方式中，加热系统还包括第一电磁阀和第二电磁阀；
10.所述第一电磁阀设置在所述余热换热器的进液管处；
11.所述燃料电池的出液口通过所述第二电磁阀与所述燃料电池散热器的进液口相连通。
12.在一种可能的实现方式中，加热系统还包括第三电磁阀；
13.所述第三电磁阀设置在所述余热换热器的回液管处。
14.在一种可能的实现方式中，所述余热换热器为椭圆管换热器，且所述余热换热器的内外壁为基于电泳工艺所涂设的树脂。
15.在一种可能的实现方式中，所述余热换热器位于所述蒸发风机的进风侧。
16.在一种可能的实现方式中，所述余热换热器位于所述蒸发风机与所述空调机组的蒸发器之间。
17.在一种可能的实现方式中，所述空调机组包括多个蒸发风机；
18.所述余热换热器位于两个所述蒸发风机之间。
19.在一种可能的实现方式中，所述余热换热器的数量为多个。
20.在一种可能的实现方式中，所述燃料供电系统和所述空调机组均设置在轨道车辆的车体顶部。
21.本发明实施例提供的方案中，利用进液管和回液管将燃料电池的冷却液引入至余热换热器中，余热换热器至于空调机组的蒸发腔内，从而可以与蒸发腔内的空气进行换热，实现空气加热，并在蒸发风机的作用下将加热后的空气传输至车厢内，实现对车厢的加热。该加热系统将燃料电池工作时产生的余热引入至蒸发腔内，这部分余热能够实现对车厢制暖，且能够降低轨道车辆供暖时的能耗，从而能够提高燃料电池的利用率，也能够提高被燃料电池驱动的轨道车辆的续航里程。椭圆管换热器能够有效地增加了换热面积，利用椭圆管换热器和蒸发风机能够提高对热量的转换效率。
22.并且，该加热系统能够有效利用燃料电池的废热进行车厢室内温控调节，可以取消车厢内的客室电热器，并能够降低空调机组的热泵的利用率，有利于整车轻量化和节能化设计，且能够提高空调机组的能效比；燃料电池的冷却液先后经过余热换热器、燃料电池散热器进行散热，余热换热器分担了燃料电池的部分散热需求，散热效果更好，也能够降低燃料电池散热时的能耗。余热换热器设置在蒸发腔内，可以实现在狭小空间内最大换热量的转化；并且，该余热换热器不需要设置在车厢内，可以减少车辆管路布置，也能够进一步提高换热效率。
23.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1示出了本发明实施例所提供的加热系统的一种结构示意图；
26.图2示出了本发明实施例所提供的加热系统的布置示意图；
27.图3示出了本发明实施例所提供的加热系统中，空调机组的结构图；
28.图4示出了本发明实施例所提供的加热系统的另一种结构示意图；
29.图5示出了本发明实施例所提供的加热系统中，余热换热器的工作原理示意图；
30.图6示出了本发明实施例所提供的加热系统中，余热换热器一种结构示意图。
31.附图标记说明：
32.11、燃料电池；12、燃料电池散热器；20、空调机组；21、蒸发风机；22、蒸发器；201、蒸发腔；202、压缩机腔；203、冷凝腔；30、余热换热器；301、进液管；302、回液管；31、椭圆管；32、翅片；41、第一电磁阀；42、第二电磁阀；43、第三电磁阀；50、车厢。
具体实施方式
33.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时
针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
34.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
35.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.轨道车辆在冬季一般需要分配高达总能耗的25％来满足室内温控调节，耗能比较高。目前，轨道车辆中一般设有燃料电池，如氢燃料电池等，利用燃料电池驱动车辆；燃料电池的能源利用率一般仅有50％左右，其余的能量均以废热形式被释放掉，造成了能源浪费。本发明实施例提供的加热系统，利用轨道车辆中燃料电池的废热(也可称为余热)，对轨道车辆的车厢实现加热，不仅可以提高加热效果，也可以提高能源利用率。
37.本发明实施例提供一种用于轨道车辆的加热系统，利用轨道车辆已有的燃料供电系统和空调机组实现加热。参见图1所示，该加热系统包括：燃料供电系统、空调机组20和余热换热器30；其中，燃料供电系统包括燃料电池11和燃料电池散热器12；空调机组20包括蒸发风机21。
38.具体地，燃料电池11的出液口与余热换热器30的进液管301相连通；余热换热器30的回液管302与燃料电池散热器12的进液口相连通；燃料电池散热器12的出液口与燃料电池11的进液口相连通。余热换热器30位于空调机组20的蒸发腔201内；蒸发风机21用于将被余热换热器30加热的空气输送至轨道车辆的车厢50内。
39.本发明实施例中，燃料供电系统为轨道车辆中已有的供电系统，其包括燃料电池11和燃料电池散热器12；燃料电池11通过燃烧物质(例如氢气)实现供电；而燃料电池11在工作过程中会发热，需要利用燃料电池散热器12为燃料电池11散热，实现降温；该燃料供电系统通过冷却液实现物理降温。具体地，冷却液流过燃料电池11时会被加热，加热后的高温冷却液从燃料电池11的出液口流出，带走燃料电池11的部分热量，并流入至燃料电池散热器12的进液口；经该燃料电池散热器12的散热作用，将高温冷却液降为低温冷却液，该低温冷却液从燃料电池散热器12的出液口流出，并流入至燃料电池11的进液口，实现循环。
40.在本发明实施例提供的加热系统中，增设余热换热器30，燃料电池11所排出的高温冷却液先经过余热换热器30，之后再经过燃料电池散热器12。具体地，如图1所示，燃料电池11的出液口与余热换热器30的进液管301相连通，高温冷却液经该进液管301流入至余热换热器30；余热换热器30本质上为换热器，其可以对该高温冷却液进行降温。余热换热器30的回液管302与燃料电池散热器12的进液口相连通，降温后的冷却液经该回液管302可以流入至燃料电池散热器12，经燃料电池散热器12再次降温后，形成低温冷却液，并流入至燃料电池11中。
41.本发明实施例中，燃料电池11排出的高温冷却液先经过余热换热器30、再经过燃料电池散热器12，可以提高对燃料电池11的散热效果；并且，余热换热器30中冷却液的温度比燃料电池散热器12中冷却液的温度更高，具有较好的加热效果。该余热换热器30位于空调机组20的蒸发腔201内，可以对蒸发腔201内的空气进行加热；并且，在空调机组20的蒸发风机21的作用下，将被余热换热器30加热的空气输送到轨道车辆的车厢50内。
42.具体地，轨道车辆中设有空调机组20；为方便设置管路，该空调机组20和燃料供电系统均设置在轨道车辆的车体顶部。图2示出了该轨道车辆车体顶部部分结构的俯视图，图2左侧为一位端，右侧为二位端。如图2所示，燃料供电系统通过余热换热器30的进液管301、回液管302与位于空调机组20内的余热换热器30实现连通，该空调机组20的内部结构可参见图3所示。如图3所示，空调机组20主要分为蒸发腔201、压缩机腔202和冷凝腔203；压缩机腔202内设有压缩机，冷凝腔203内设有冷凝器；蒸发腔201内设有蒸发风机21和蒸发器22；其中，压缩机、冷凝器和蒸发器22等形成该空调机组20的制冷系统，该制冷系统为现有的成熟技术，本实施例对此不做详述。其中，空调机组20的蒸发风机21能够将蒸发腔201内的空气输送至轨道车辆的车厢50内。
43.本发明实施例提供的加热系统的工作过程具体如下：
44.燃料电池11正常工作时，其出液口排出的高温冷却液经进液管301被输送至余热换热器30；位于蒸发腔201内的余热换热器30与蒸发腔201中的空气进行换热，该余热换热器30内的冷却液与蒸发腔201中的空气完成能量交换，余热换热器30内的冷却液温度降低，蒸发腔201中的空气温度上升。同时，利用空调机组20内的蒸发风机21构成热风系统，在蒸发风机21的作用下，将蒸发腔201中的升温的空气输送至车厢50内，从而实现对车厢50加热的效果；并且，蒸发风机21将蒸发腔201内的空气输送至车厢50的同时，蒸发腔201内形成负压，在压强的作用下，如图1所示，还可以将车厢50内较冷的空气以及外界空气吸入至蒸发腔201中，从而实现车厢50的空气循环。此外，余热换热器30通过回液管302将温度降低后的冷却液传输至燃料电池散热器12，由燃料电池散热器12再次对冷却液进行降温，最终将二次降温后的低温冷却液传回燃料电池11，实现对燃料电池11的散热。
45.本发明实施例提供的加热系统，利用进液管301和回液管302将燃料电池的冷却液引入至余热换热器30中，余热换热器30至于空调机组的蒸发腔201内，从而可以与蒸发腔201内的空气进行换热，实现空气加热，并在蒸发风机21的作用下将加热后的空气传输至车厢50内，实现对车厢50的加热。该加热系统将燃料电池11工作时产生的余热引入至蒸发腔201内，这部分余热能够实现对车厢50制暖，且能够降低轨道车辆供暖时的能耗，从而能够提高燃料电池11的利用率，也能够提高被燃料电池驱动的轨道车辆的续航里程。
46.并且，该加热系统能够有效利用燃料电池11的废热进行车厢50室内温控调节，可以取消车厢50内的客室电热器，并能够降低空调机组20的热泵的利用率，有利于整车轻量化和节能化设计，且能够提高空调机组20的能效比；燃料电池11的冷却液先后经过余热换热器30、燃料电池散热器12进行散热，余热换热器30分担了燃料电池11的部分散热需求，散热效果更好，也能够降低燃料电池11散热时的能耗。余热换热器30设置在蒸发腔201内，可以实现在狭小空间内最大换热量的转化；并且，该余热换热器30不需要设置在车厢50内，可以减少车辆管路布置，也能够进一步提高换热效率。
47.本发明实施例中，空调机组20的蒸发器22用于实现制冷，为避免蒸发器22与余热
换热器30相互影响，二者可以位于蒸发腔201内不同且独立的空间中。或者，可选地，该加热系统可以让余热换热器30选择性地工作。参见图4所示，燃料电池11的出液口还与燃料电池散热器12的进液口相连通；即，燃料电池11的出液口通过两条管路实现与燃料电池散热器12的进液口相连。如图2所示，燃料电池11的出液口通过余热换热器30后接入燃料电池散热器12的进液口，并且，燃料电池11的出液口还可以直接接入燃料电池散热器12的进液口。在不需要余热换热器30工作时，切断经过余热换热器30的管路，燃料电池11的高温冷却液可以直接通过另一条管路进入燃料电池散热器12，实现散热。
48.可选地，本发明实施例利用电磁阀实现管路切换。如图4所示，该加热系统还包括第一电磁阀41和第二电磁阀42；第一电磁阀41设置在余热换热器30的进液管301处；燃料电池11的出液口通过第二电磁阀42与燃料电池散热器12的进液口相连通。此外可选地，该加热系统还可以包括第三电磁阀43；该第三电磁阀43设置在余热换热器30的回液管302处。第一电磁阀41、第二电磁阀42、第三电磁阀43的具体布置位置可参见图2所示。
49.本发明实施例中，在需要余热换热器30工作时，即在需要加热时，第一电磁阀41打开(第三电磁阀43也需要打开)，第二电磁阀42可以打开，也可以关闭；此时，燃料电池11排出的高温冷却液可以流经余热换热器30，实现对车厢50供热。在不需要余热换热器30工作时，即在不需要加热时，第一电磁阀41关闭打开(第三电磁阀43可以打开，也可以关闭)，第二电磁阀42打开，此时，燃料电池11排出的高温冷却液不经过余热换热器30，而是直接进入燃料电池散热器12进行散热。
50.本发明实施例中，第一电磁阀41、第二电磁阀42等是流量可控的电磁阀，该加热系统的一种工作过程具体如下：
51.在冬季需要为车厢50加热时，打开第一电磁阀41、第二电磁阀42和第三电磁阀43；燃料电池11排出的一部分高温冷却液直接进入燃料电池散热器12，另一部分高温冷却液经进液管301旁路至余热换热器30，再经回液管302将降温后的冷却液引回至燃料电池散热器12；余热换热器30与蒸发腔201内的空气进行热交换，蒸发风机21将加热后的空气传输至车厢50内，实现供热。并且，通过控制第一电磁阀41和第二电磁阀42的开度，从而可以控制流入至余热换热器30的冷却液的流量，从而实现对车厢50内温度的调节。
52.在夏季等不需要为车厢50加热时，打开第二电磁阀42，并关闭第一电磁阀41和第三电磁阀43；燃料电池11排出的高温冷却液全部直接进入燃料电池散热器12，余热换热器30不工作。在空调机组20需要制冷时，在压缩机等的作用下使得蒸发器22制冷，降低蒸发腔201内空气的温度，并在蒸发风机21的作用下将低温的空气输送至车厢50内，实现车厢50制冷。此时由于余热换热器30不工作，空调机组20可以实现正常制冷，即余热换热器30并不影响空调机组20的制冷效果。可选地，参见图3所示，余热换热器30可以位于蒸发风机21与空调机组20的蒸发器22之间。余热换热器30和蒸发器22均位于蒸发腔201内，且二者工作时互不影响。
53.本发明实施例中，燃料电池11的冷却液可以经两路进入燃料电池散热器12进行散热，从而可以控制余热换热器30的工作状态，在不需要供热时，设置在空调机组20内的余热换热器30也不影响空调机组20正常工作。并且，通过调整冷却液管路上的电磁阀的开度，可以控制冷却液流量，从而实现对车厢50温度的调节。
54.可选地，该加热系统也可以设置热泵系统，该热泵系统作为燃料电池故障或车辆
低功率输出时导致废热无法满足车厢制暖需求时的补充。
55.可选地，余热换热器30位于蒸发风机21的进风侧。
56.参见图1所示，蒸发风机21对应有进风侧和出风侧，图1中，蒸发风机21的左侧为进风侧，右侧为出风侧；蒸发风机21将进风侧的空气传输至出风侧；例如，该蒸发风机21位于车厢50的通风口处，蒸发风机21的出风侧为车厢50所在侧。其中，余热换热器30位于蒸发风机21的进风侧，余热换热器30周围被加热的空气可以经过该蒸发风机21到达蒸发风机21的出风侧，进而被输送至车厢50。
57.可选地，参见图5所示，余热换热器30的数量为多个。多个余热换热器30也均位于蒸发风机21的进风侧。
58.可选地，空调机组20包括多个蒸发风机21；余热换热器30位于其中两个蒸发风机21之间。如图3和图5所示，空调机组20包括两个蒸发风机21，且余热换热器30位于这两个蒸发风机21的进风侧，从而在两个蒸发风机21的作用下，余热换热器30产生的热空气均可被输送至车厢50中。并且，如图3所示，该加热系统具有两个余热换热器30、两个蒸发风机21、两个蒸发器22，余热换热器30位于相应的蒸发风机21与蒸发器22之间。
59.可选地，该余热换热器30为椭圆管换热器，且余热换热器30的内外壁为基于电泳工艺所涂设的树脂。如图6所示，该余热换热器30包括用于散热的椭圆管31和翅片32。
60.本发明实施例中，椭圆管换热器能够有效地增加了换热面积，提升了换热效果，进而实现狭窄空间最大热量交换的需求，换热效率高。电泳树脂涂设在换热器内外壁(即内壁和外壁)，承压能力强，且内壁表面光滑，抗腐蚀能力强，能够有效避免冷却液在余热换热器30内结垢堵塞及表面腐蚀问题。
61.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种用于轨道车辆的加热系统，其特征在于，包括：燃料供电系统、空调机组(20)和余热换热器(30)；所述燃料供电系统包括燃料电池(11)和燃料电池散热器(12)；所述空调机组(20)包括蒸发风机(21)；所述燃料电池(11)的出液口与所述余热换热器(30)的进液管(301)相连通；所述余热换热器(30)的回液管(302)与所述燃料电池散热器(12)的进液口相连通；所述燃料电池散热器(12)的出液口与所述燃料电池(11)的进液口相连通；所述余热换热器(30)位于所述空调机组(20)的蒸发腔(201)内；所述蒸发风机(21)用于将被所述余热换热器(30)加热的空气输送至轨道车辆的车厢(50)内。2.根据权利要求1所述的加热系统，其特征在于，所述燃料电池(11)的出液口还与所述燃料电池散热器(12)的进液口相连通。3.根据权利要求2所述的加热系统，其特征在于，还包括第一电磁阀(41)和第二电磁阀(42)；所述第一电磁阀(41)设置在所述余热换热器(30)的进液管(301)处；所述燃料电池(11)的出液口通过所述第二电磁阀(42)与所述燃料电池散热器(12)的进液口相连通。4.根据权利要求3所述的加热系统，其特征在于，还包括第三电磁阀(43)；所述第三电磁阀(43)设置在所述余热换热器(30)的回液管(302)处。5.根据权利要求1所述的加热系统，其特征在于，所述余热换热器(30)为椭圆管换热器，且所述余热换热器(30)的内外壁为基于电泳工艺所涂设的树脂。6.根据权利要求1所述的加热系统，其特征在于，所述余热换热器(30)位于所述蒸发风机(21)的进风侧。7.根据权利要求6所述的加热系统，其特征在于，所述余热换热器(30)位于所述蒸发风机(21)与所述空调机组(20)的蒸发器(22)之间。8.根据权利要求6所述的加热系统，其特征在于，所述空调机组(20)包括多个蒸发风机(21)；所述余热换热器(30)位于两个所述蒸发风机(21)之间。9.根据权利要求1所述的加热系统，其特征在于，所述余热换热器(30)的数量为多个。10.根据权利要求1所述的加热系统，其特征在于，所述燃料供电系统和所述空调机组(20)均设置在轨道车辆的车体顶部。

技术总结
本发明提供了一种用于轨道车辆的加热系统，包括：燃料供电系统、空调机组和余热换热器；燃料供电系统包括燃料电池和燃料电池散热器；空调机组包括蒸发风机；燃料电池的出液口与余热换热器的进液管相连通；余热换热器的回液管与燃料电池散热器的进液口相连通；燃料电池散热器的出液口与燃料电池的进液口相连通；余热换热器位于蒸发腔内；蒸发风机用于将被余热换热器加热的空气输送至轨道车辆的车厢内。通过本发明实施例提供的加热系统，可以将燃料电池工作时产生的余热引入至蒸发腔内，这部分余热能够实现对车厢制暖，且能够降低轨道车辆供暖时的能耗，从而能够提高燃料电池的利用率，也能够提高被燃料电池驱动的轨道车辆的续航里程。航里程。航里程。


技术研发人员：刘银平 王会娟 唐朝辉 董耐强 范明星 李浩然 李博 戴飞 从玉才 孟繁华
受保护的技术使用者：北京轨道交通技术装备集团有限公司
技术研发日：2023.03.01
技术公布日：2023/6/3