DE102004056814A1

DE102004056814A1 - Klimaanlage

Info

Publication number: DE102004056814A1
Application number: DE102004056814A
Authority: DE
Inventors: Andrew Rowntree; Thomas Alberternst; Graham R. Johnstone; Graham Kirby; Michael Fietz
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2004-01-28
Filing date: 2004-11-24
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2024-11-25
Also published as: DE102004056813B4; DE102004056813C5; DE102004056813A1; DE102004056814C5; DE102004056814B4

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Klimaanlage 1 zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeuginnenraums mit einer Mischkammer 14, die dazu eingerichtet ist, mittels kontrollierter Vermischung eines warmen und eines kalten Teilluftstroms 20, 22 zumindest einen wärmeren und einen kälteren konditionierbaren Luftstrom 24, 25 zu erzeugen. In der Mischkammer 14 kreuzen sich die Strömungswege 70, 72 des warmen Teilluftstroms 20 und des kalten Teilluftstroms 22.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Klimaanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs.

Klimaanlagen für den Kfz-Bereich sind dazu eingerichtet, zumindest einen nach den Wünschen des Benutzers konditionierbaren, d.h. in seiner Stärke bzw. seiner Temperatur frei einstellbaren Luftstrom zu erzeugen.

Um einen solchen Luftstrom zu erzeugen, wird Umgebungsluft über ein Gebläse angesaugt und nach Passieren eines Filters in die Konditioniereinheit der Klimaanlage eingespeist. Dort wird die angesaugte Umgebungsluft über einen Wärmetauscher, in dem ein verflüssigtes Kältemittel verdampft wird, auf eine definierte Ausgangstemperatur abgekühlt. Diese Ausgangstemperatur liegt typisch unterhalb von 10°C, oftmals im Bereich von 4°C. Mit der Abkühlung der angesaugten Luft geht auch eine Entfeuchtung einher. Auf diese Weise wird ein kalter Luftstrom mit definierter Ausgangstemperatur und definierter Ausgangsluftfeuchtigkeit erzeugt.

Ein Teilstrom hiervon wird durch einen weiteren Wärmetauscher geleitet, in dem ein erwärmtes Medium, z.B. die Kühlflüssigkeit des Antriebsaggregats des Kraftfahrzeugs, zirkuliert. Da die Temperatur des Kühlmittels im Betrieb des Kraftfahrzeugs im Wesentlichen konstant ist, wird auf diese Weise ein warmer Teilluftstrom mit im Wesentlichen konstanter Temperatur erzeugt. Der somit zur Verfü gung stehende kalte Teilluftstrom und der warme Teilluftstrom werden dann in einem durch geeignete Stellelemente zu steuernden Mischungsverhältnis einer Mischkammer zugeführt.

Die Mischkammern vorbekannter Klimaanlagen beruhen auf einer kontrollierten Durchmischung der der Mischkammer zugeführten warmen und kalten Teilluftströme. Diese Durchmischung erfolgt dergestalt, dass sich innerhalb der Mischkammer eine Mischzone mit Scherschicht ausbildet, in der ein stabiles Temperaturprofil längs einer Achse vorliegt. Charakteristisch für diese Mischkammern ist, dass die Strömungspfade der zugeführten warmen bzw. kalten Teilluftströme nicht geradlinig durch die Mischkammer hindurch treten. Anschaulich gesprochen tritt ein wärmerer konditionierter Luftstrom im Allgemeinen nicht auf der dem Eintrittsort des warmen Teilluftstroms gegenüberliegenden Seite aus der Mischkammer aus. Vielmehr tritt der in der Mischkammer erzeugte wärmere Luftstrom in der Regel unter einem Winkel von etwa 90° gegenüber der Strömungsrichtung des eintretenden warmen Teilluftstroms aus der Mischkammer aus. Versteht man unter dem Strömungspfad des wärmeren Teilluftstroms in der Mischkammer den Strömungsweg, der sich vom Eintrittsort des warmen Teilluftstroms zum Austrittort des wärmeren konditionierten Luftstrom, so verläuft der Strömungspfad des warmen Teilluftstroms durch die Mischkammer nicht geradlinig sondern abgewinkelt. Gleiches gilt für den Strömungspfad des kalten Teilluftstroms. In einer konventionellen Mischkammer treffen die eintretenden warmen und kalten Teilluftströme dergestalt aufeinander, dass sie unter einem Winkel aufeinanderprallen und unter Ausbildung einer zwischen den abgelenkten Teilluftströmen liegenden Scherschicht zu den ihren jeweiligen Austrittsorten abgelenkt werden. Die Temperatur der aus der Mischkammer austretenden Teilströme ist dabei im wesentlichen von der Anordnung der Austrittsöffnungen bestimmt, da über die Anordnung der Austrittsöffnung bestimmt wird, welcher räumliche Bereich der Scherschicht der Austrittsöffnung zugeleitet wird.

Auf diese Weise ist es möglich, durch Auswahl der räumlichen Lage eines Auslasses längs dieser Achse die Temperatur des aus dem Auslass ausströmenden konditionierbaren Luftstroms einzustellen. Insbesondere ist es möglich, verschiedene Auslässe aus der Mischkammer vorzusehen, die an verschiedenen Stellen längs der genannten Achse angeordnet sind. Somit ist es möglich, ohne Verände rung des Mischungsverhältnisses der zugeführten kalten und warmen Luftströme mehrere konditionierte Luftströme zu erzeugen, die verschiedene Temperaturen aufweisen. Dabei ist in der Regel die Temperaturdifferenz zwischen den Luftströmen oder das Verhältnis der Temperatur der Luftströme durch die Auswahl der Auslassorte aus der Mischkammer vorbestimmt.

Wird das Mischungsverhältnis der einströmenden warmen und kalten Teilluftströme durch Betätigung der entsprechenden Stellelemente verändert, so ändert sich somit die Temperatur sämtlicher aus der Mischkammer austretenden konditionierten Luftströme gleichzeitig. Das bedeutet, dass die einzelnen erzeugten Luftströme nicht individuell konditionierbar sind, vielmehr sind sie gemeinschaftlich konditionierbar. Dennoch kann die Erzeugung von nicht individuell konditionierbaren Luftströmen für die Klimatisierung eines Kraftfahrzeuginnenraums vorteilhaft sein, da die physiologischen Anforderungen beispielsweise an die Temperatur der in den Kraftfahrzeuginnenraum eingeblasenen Luftströme für unterschiedliche Partien des menschlichen Körpers unterschiedlich sind. So sind die unteren Extremitäten, insbesondere die Füße, besonders kälteempfindlich, so dass hier das Einblasen wärmerer Luft als im Bereich des Armaturenbretts/der Konsole physiologische Vorteile mit sich bringt und vom Benutzer des Kraftfahrzeugs als angenehm empfunden wird.

Nachteilig an dem vorstehend beschriebenen „Schichtmischerkonzept" ist jedoch, dass zur Erzielung des erwähnten statischen Temperaturprofils das Einblasen der warmen und kalten Teilluftströme in der Regel von einem Ende der Mischkammer ausgehend erfolgt. Hierdurch ergibt sich eine starke geometrische Beschränkung für die Wahl der Strömungswege der der Mischkammer zugeführten warmen und kalten Teilluftströme, was eine Beschränkung der konstruktiven Gestaltungsmöglichkeiten mit sich bringt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug anzugeben, die eine Mischkammer aufweist, welche eine alternative Zuführung der zu vermischenden warmen und kalten Teilluftströme ermöglicht.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Klimaanlage mit den Merkmalen des Hauptanspruchs.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Verwendung einer Mischkammer für die erfindungsgemäße Klimaanlage, die keine Verwendung von dem aus dem Stand der Technik vorbekannten „Schichtmischer"-Konzept macht. Vielmehr wird vorliegend ein neuartiges Mischerkonzept vorgeschlagen, welches im Rahmen der vorliegenden Erfindung als „Kreuzmischer" bezeichnet wird.

Wie bisher wird zur Erzeugung zumindest eines wärmeren und eines kälteren gemeinschaftlich konditionierbaren Luftstroms eine Mischkammer in der Klimaanlage vorgesehen. In dieser Mischkammer werden wie bisher ein warmer und ein kalter Teilluftstrom in einem durch geeignete Stellelemente wählbaren Verhältnis miteinander vermischt. Jedoch wird in Abweichung zum bisher realisierten Schichtmischerkonzept nicht im Wesentlichen die Ausbildung einer Scherschicht für eine Durchmischung der in die Mischkammer eingeblasenen warmen und kalten Teilluftströme angestrebt.

Erfindungsgemäß wird nun dieses allgemeine Konzept umgesetzt, indem der Mischkammer ein kalter und ein warmer Teilluftstrom dergestalt zugeführt werden, dass sich die ausbildenden Strömungswege des warmen und des kalten Teilluftstroms in der Mischkammer kreuzen.

Dieses neuartige Konzept des „Kreuzmischers" kann gezielt verbessert werden, indem die sich auf diese Weise in der Mischkammer ausbildende Mischzone durch geeignete Mittel so dimensioniert wird, dass sich der warme und kalte Teilluftstrom in der Mischzone nur unvollständig durchmischen. Diese nur unvollständige Durchmischung kann gefördert werden, indem Strömungsteiler in den Strömungswegen des kalten und/oder das warmen Teilluftstroms angeordnet werden, die nur einen gewissen Anteil der Teilluftströme der Mischzone zuführen und den Restanteil mit nur geringer Berührung des jeweils anderen Teilluftstroms zur einem Auslass führen.

Anschaulich gesprochen wird hierzu in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dem in die Mischkammer eintretenden warmen Teilluftstrom ein gewisser Anteil abgezweigt. Der verbleibende (warme) Anteil des warmen Teilluftstroms durchtritt die Mischkammer auf einem im Wesentlichen gradlinigen ersten Strömungs weg und gelangt auf diese Weise zu einem ersten Auslass. Dem in die Mischkammer eintretenden kalten Teilluftstrom wird ebenfalls ein gewisser Teil abgezweigt, wobei der verbleibende (kalte) Rest des kalten Teilluftstroms die Mischkammer auf einem im Wesentlichen geradlinig oder S-förmig verlaufenden zweiten Strömungsweg zu einem zweiten Auslass aus der Mischkammer durchquert. Die jeweils abgezweigten warmen bzw. kalten Luftströme werden in der Mischkammer kontrolliert dem jeweils kalten bzw. warmen Restluftstrom beigemischt.

Die weiterhin vorgeschlagene gezielte Dimensionierung der Mischzone kann auf verschiedene Weise geschehen, so beispielsweise durch Einführung geeigneter strömungsleitender Mittel in der Mischkammer. Weiterhin kann die Größe der sich ausbildenden Mischzone durch geeignete Strömungsführung des warmen und kalten Teilstroms in der Mischkammer beeinflusst werden, so beispielsweise durch Einströmenlassen der warmen und kalten Teilluftströme in die Mischkammer unter geeignet gewählten Winkeln.

Im Einzelfall können sich besondere Vorteile ergeben, wenn der warme und der kalte Teilluftstrom in der Mischzone im Gegenstrom geführt werden. Dabei soll unter Gegenstrom verstanden werden, dass die vektorielle Größe „Strömungsrichtung" des einen Teilluftstroms eine Komponente aufweist, die entgegen der Strömungsrichtung des anderen Teilluftstroms gerichtet ist. Dies bedeutet insbesondere, dass die Strömungsrichtungen beider Teilluftströme in der Mischzone einen Winkel von 90° oder größer miteinander einschließen. Eine solche Strömungsführung ist für die Umsetzung des erfindungsgemäßen „Kreuzmischer"-Konzepts jedoch nicht zwingend erforderlich.

Als besonders vorteilhaft hat es sich weiterhin erwiesen, wenn die Ausdehnung der Mischzone durch strömungsleitende Mittel, die in der Mischkammer selbst angeordnet sind, begrenzt wird. Hier hat es sich bewährt, einen Kamin als strömungsleitendes Mittel in der Mischkammer anzuordnen. Vorteilhaft wird ein solcher Kamin beispielsweise im Strömungsweg des warmen Teilluftstroms, der sich in der Mischkammer ausbildet, stromabwärts der Mischzone angeordnet. Alternativ ist es auch möglich, den Kamin im Strömungsweg des kalten Teilluftstroms stromabwärts der Mischzone, d.h., stromabwärts des Kreuzungspunkts beider Teilluftströme anzuordnen.

Wird ein Kamin als strömungsleitendes Mittel in der Mischkammer vorgesehen, so ist es von besonderem Vorteil, wenn die Eintrittsfläche des Kamins einen Öffnungsquerschnitt aufweist, der kleiner ist als die Eintrittsfläche der Eintrittsöffnung desjenigen Teilluftstroms in die Mischkammer, in dessen Strömungsweg der Kamin angeordnet ist. Anschaulich gesprochen bedeutet dies, dass der Kamin einen kleineren Teilstrom des durch die Mischzone hindurch getretenen Teilluftstroms, in dessen Strömungsweg er angeordnet ist, ausschneidet. Somit wirkt der Kamin auch als Strömungsteiler.

Besondere Vorteile ergeben sich weiterhin, wenn der Eintrittsöffnung eines der warmen bzw. kalten Teilluftströme einen Auslass für einen konditionierbaren Luftstrom gegenüberliegend angeordnet ist. Auf diese Weise ergibt sich für einen durch die Mischkammer hindurch tretenden (warmen oder kalten) Teilluftstrom ein im Wesentlichen gradliniger Strömungsweg in der Mischkammer. Hingegen kann der Strömungsweg des anderen warmen oder kalten Teilluftstroms durch die Mischkammer durch Einführung weiterer strömungsleitender Mittel in der Mischkammer aus seinem gradlinigen Verlauf abgelenkt werden, sofern dies z.B. durch bauliche Gegebenheiten erforderlich ist. Insbesondere kann die Umlenkung dergestalt erfolgen, dass der sich ausbildende Strömungsweg teilweise in Gegenrichtung zum gradlinig verlaufenden ersten Strömungsweg verläuft. Es hat sich besonders bewährt, als strömungsleitendes Mittel in der Mischkammer eine Prallfläche für den umzulenkenden Teilluftstrom auszubilden.

Weitere Vorteile und Merkmale der erfindungsgemäßen „Schichtmischer"-Klimaanlage ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen, die nicht einschränkend zu verstehen sind und anhand der Zeichnung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen:
1 einen Schnitt durch eine Mehrzonen-Klimaanlage mit zwei Mischkammern,
2 eine perspektivische Schnittdarstellung der Mischkammer des Fondmoduls der Klimaanlage aus 1, und
3 ein weiterer perspektivischer Schnitt durch die Mischkammer aus 2.
1 zeigt einen Schnitt durch eine Mehrzonen-Klimaanlage 1 für die unabhängige Konditionierung von zwei Zonen eines Kfz, insbesondere der ersten Sitzreihe und des Fondbereichs des Kfz. Dabei ist der Schnitt in der Symmetrieebene des Hauptklimamoduls 2 der Klimaanlage 1 ausgeführt. In der Einbaulage im Kfz ist diese Symmetrieebene im Allgemeinen in Fahrtrichtung sowie in vertikaler Richtung orientiert.
Die Klimaanlage 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist in verschiedene Module unterteilt, die auf einfache Weise austauschbar sind und im betriebsbereiten Zustand der Klimaanlage 1 dicht miteinander verbunden sind. Die Klimaanlage weist ein Hauptklimamodul 2 mit einem Grundkörper 34 auf. Mit dem Grundkörper 34 ist einlassseitig ein Luftzufuhrmodul 3 verbunden, in dem ein Gebläse 26 angeordnet ist. Das Gebläse 26 dient zur Ansaugung von Umgebungsluft. Dabei sind der Grundkörper 34 des Hauptklimamoduls 2 und das Luftzufuhrmodul 3 so ausgebildet, dass das Luftzufuhrmodul 26 wahlweise auf der rechten oder auf der linken Seite (in Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs gesehen) vom Hauptklimamodul 2 angeordnet werden kann. Die erfindungsgemäße Mehrzonen-Klimaanlage 1 ist somit zum Einbau sowohl in rechtsgelenkte als auch in linksgelenkte Kraftfahrzeuge geeignet. Die vom Gebläse 26 in das Luftzufuhrmodul 3 gesaugte Umgebungsluft wird über einen im Luftzufuhrmodul angeordneten (optionalen) Filter 32 (aus 1a nicht ersichtlich) ins Innere des Grundkörpers 34 des Hauptklimamoduls 2 geleitet.
Die vom Gebläse 26 angesaugte Umgebungsluft tritt durch ein Luftfilter 32 in den Grundkörper 34 des Hauptklimamoduls 2 ein. Unmittelbar nach dem Filter 32 ist der erste Wärmetauscher 4 angeordnet, in dem ein verflüssigtes Kältemittel verdampft wird. Die hierbei auftretende Kälteentwicklung dient dazu, die angesaugte Umgebungsluft auf eine definierte Ausgangstemperatur, beispielsweise 4°C, abzukühlen und die enthaltene Luftfeuchte auszukondensieren.
Nach Durchtritt durch den ersten Wärmetauscher 4 wird die abgekühlte getrocknete Luft auf mehrere Strömungswege aufgeteilt, die in 2 als gestrichelte Linien angedeutet sind. Ein erster Strömungsweg 29 führt einen ersten Teil des aus dem ersten Wärmetauscher 4 austretenden Luftstroms durch den im Inneren des Grundkörpers 34 angeordneten zweiten Wärmetauscher 6 sowie ein nachfolgend angeordnetes elektrisches Heizelement 26. Der zweite Wärmetauscher 6 ist mit dem Kühlmittelkreislauf des Antriebsaggregats des Kraftfahrzeugs verbunden. Das hierin zirkulierende Kühlmittel hat eine relativ hohe Temperatur, die typisch etwa 100°C beträgt. Das nachgeschaltete elektrische Heizelement 26, welches optional vorgesehen ist, kann zugeschaltet werden, wenn die Wärmeanforderung in der Klimaanlage durch die Verlustwärme des Antriebsaggregats des Kraftfahrzeugs nicht mehr erfüllt werden kann. Dieser Zustand kann beispielsweise in der Warmlaufphase des Antriebsaggregats auftreten. Ein zusätzliches Heizelement 26 kann jedoch auch ständig erforderlich sein, sofern das zum Einsatz kommende Antriebsaggregat des Kraftfahrzeugs einen hohen Wirkungsgrad und somit eine geringe Verlustwärme aufweist. Beispielhaft hierfür seien die modernen Common-Rail-Dieselmotoren genannt.
Nachdem der abgezweigte erste Teilluftstrom über den ersten Strömungsweg 29 durch den zweiten Wärmetauscher 6 sowie das optionale Heizelement 26 hindurch getreten ist, hat er sich erwärmt und tritt als erster warmer Teilluftstrom 16 von unten in die im Hauptklimamodul 2 angeordnete erste Mischkammer 12 der erfindungsgemäßen Mehrzonen-Klimaanlage 1 ein.
Auf einem zweiten Strömungsweg 31 durchtritt ein zweiter zu Beginn kalter Teilluftstrom ebenfalls den zweiten Wärmetauscher 6 sowie das optionale Heizelement 26, wobei dieser zweite Strömungsweg 31 durch Barrieren vom ersten Strömungsweg 29 getrennt ist. Auf dem zweiten Strömungsweg 31 wird ein zweiter warmer Teilluftstrom 20 erzeugt, der von oben in eine in einem separaten Fondmodul 10 angeordnete zweite Mischkammer 14 eintritt.
Ein dritter Strömungsweg 28, der wiederum durch Barrieren vom ersten Strömungsweg 29 getrennt ist, führt einen ersten kalten Teilluftstrom 18 von unten in die erste Mischkammer 12. Das Mischungsverhältnis zwischen erstem warmem Teilluftstrom 16 und erstem kaltem Teilluftstrom 18 wird mittels einer abgewinkelten Mischklappe 58 eingestellt.
Auf einem vierten Strömungsweg 30 gelangt schließlich ein letzter kalter Teilluftstrom vom ersten Wärmetauscher 4 zur zweiten Mischkammer 14, in die er seit lich als zweiter kalter Teilluftstrom 22 eintritt. Das Mischungsverhältnis von zweitem warmem Teilluftstrom 20 und zweitem kaltem Teilluftstrom 22 wird mittels einer verstellbaren Mischklappe 60 eingestellt.
Die erfindungsgemäße Mehrzonen-Klimaanlage mit einem Hauptklimamodul 2 und einem Fondmodul 10 wird dabei durch Einsetzen des Fondmoduls 10 in den Grundkörper 34 des Hauptklimamoduls 2 in den betriebsbereiten Zustand versetzt, wobei eine Fügeverbindung beider Module hergestellt wird. In 2 ist dabei die sich an den aufeinander liegenden Fügeflächen beider Module ausbildende Stoßstelle 50 zwischen dem Grundkörper 34 des Hauptklimamoduls 2 und dem Fondmodul 10 durch eine strichpunktierte Linie angedeutet. Die Verbindung zwischen Hauptklimamodul 2 und Fondmodul 10 ist dabei überdruckdicht ausgebildet. Das Fondmodul 10 wird vorzugsweise nach dem Einsetzen in das Hauptklimamodul 2 in seiner Lage durch Verschraubung mit dem Hauptklimamodul 2 fixiert. Dabei ist das Fondmodul 10 so ausgebildet, dass der vorstehend beschriebene erste Strömungsweg 29, der in die erste, im Hauptklimamodul 2 angeordnete Mischkammer 12 führt, erst dann ausgebildet wird, wenn das Fondmodul 10 am Hauptklimamodul 2 angeordnet wird. Weiterhin wird der zweite Strömungsweg 31, der sich durch das Hauptklimamodul 2 und das Fondmodul 10 hindurch erstreckt, erst ausgebildet, wenn das Fondmodul 10 am Hauptklimamodul 2 angeordnet ist.
Sowohl der erste Strömungsweg 29 als auch der zweite Strömungsweg 31 erstrecken sich durch den zweiten Wärmetauscher 6 sowie das optionale Heizelement 26. Auf diese Weise wird eine besonders raumsparende Konfiguration der efindungsgemäßen Mehrzonen-Klimaanlage realisiert. Indem sich Fondmodul 10 und Hauptklimamodul 2 sowohl den zweiten Wärmetauscher 6 als auch das optionale Heizelement 26 teilen und indem sowohl der erste Strömungspfad 29, der zur ersten Mischkammer 12 des Hauptklimamoduls 2 führt, als auch der zweite Strömungsweg 31, der zur zweiten Mischkammer des Fondmodul 10 führt, durch ein und denselben zweiten Wärmetauscher 6 sowie durch ein und dasselbe zusätzliche Heizelement 26 verlaufen, können wesentliche konstruktive Merkmale verwirklicht werden. So ist es möglich, auf einen weiteren (zweiten) Wärmetauscher bzw. ein zweites optionales Heizelement im Fondmodul 10 zu verzichten. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Bauform der erfindungs gemäßen Mehrzonen-Klimaanlage.
Die erste Mischkammer 12, welche im Hauptklimamodul 2 ausgebildet ist, entspricht in ihrer Funktionsweise den bei vorbekannten Klimaanlagen bereits vielfach realisierten Mischkammern. Das zugrunde liegende Mischerkonzept wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung als „Schichtmischer" bezeichnet. Der ersten Mischkammer 12 werden der erste warme Teilluftstrom 16 sowie der erste kalte Teilluftstrom 18 von unten zugeführt. In der ersten Mischkammer 12 werden der erste und zweite Teilluftstrom 16, 18 dergestalt durchmischt, dass sich innerhalb der ersten Mischkammer 12 in vertikaler Richtung eine Scherschicht mit festem Temperaturprofil einstellt. Dies bedeutet, dass je nach Anordnung eines Auslasses aus der ersten Mischkammer 12 ein konditionierbarer Luftstrom 8, 9 austritt, dessen Temperatur von der genauen Anordnung des Auslasses in vertikaler Richtung abhängt. Von diesem Konstruktionsprinzip wird im Stand der Technik regelmäßig Gebrauch gemacht. Es ermöglicht, mit einer Mischkammer, der ein warmer und ein kalter Teil Luftstrom zugeführt wird, mehrere konditionierbare Luftströme zu erzeugen, die unterschiedliche Temperaturen aufweisen. In der Regel werden jedoch die auf diese Weise erzeugten unterschiedlich temperierten Luftströme nicht unabhängig voneinander konditionierbar sein. Vielmehr besteht in der Regel zwischen den erzeugten konditionierbaren Luftströmen eine Temperaturdifferenz. Diese kann durch geeignete Auslegung der Klimaanlage über einen möglichst großen Temperatur- und Lüftungsbereich konstant gehalten werden.
Im Fall der vorliegenden Mehrzonen-Klimaanlage 1 sind im Bereich der ersten Mischkammer 12 drei Auslässe 42, 44 und 46 vorgesehen. Im oberen Bereich der Mischkammer 12 sind ein Defrost-Auslass 42 sowie ein vorderer Panelauslass 44 angeordnet. Aus dem Defrost-Auslass 42 sowie dem vorderen Panelauslass 44 treten konditionierbare Luftströme 7 und 8 aus, deren Temperatur etwas voneinander verschieden ist.
In vertikaler Richtung deutlich tiefer an der ersten Mischkammer 12 angeordnet ist ein vorderer Fußraumauslass 46, aus dem deutlich wärmere Luft aus der ersten Mischkammer 12 herausgeleitet wird. Auf diese Weise werden mit nur einer ersten Mischkammer 12 (kältere) erste konditionierbare Luftströme 7 und 8 er zeugt, die aus den Auslässen 42 und 44 austreten, sowie ein (wärmerer) zweiter konditionierbarer Luftstrom 9, der aus dem Fußraumauslass 46 austritt. Die absolute und relative Stärke der aus den Auslässen 42, 44 und 46 ausströmenden Luftströme 8 sowie 9 wird mittels des Gebläses 26 sowie Mischklappen gesteuert, die im Bereich der Auslässe angeordnet sind. Dabei sind die Mischklappen, die erste Mischkammer 12 sowie ggf. die Klimaanlagensteuerung vorteilhaft so ausgestaltet, dass sich Stärke und Temperatur der aus den Auslässen 42, 44 sowie 46 austretenden Luftströme 7, 8 und 9 nur unwesentlich ändern, wenn nur eine einzelne Mischklappe verstellt wird.
Die zweite Mischkammer 14, die im Fondmodul 10 ausgebildet ist, beruht hingegen auf einem neuen strömungsmechanischen Mischerkonzept, welches im Rahmen der vorliegenden Erfindung als „Kreuzmischer" bezeichnet wird. Wie aus 1 ersichtlich ist, wird der zweite warme Teilluftstrom 20 der Mischkammer 14 von oben zugeführt. Hingegen wird der weiterhin zugeführte zweite kalte Teilluftstrom 22 der Mischkammer 14 von der Seite zugeführt. Daher kreuzen sich die Strömungswege 70, 72 des warmen und des kalten Teilluftstroms 20, 22 in der zweiten Mischkammer 14 unter einem Winkel von etwa 135°. Insbesondere wird hier eine teilweise Gegenstromführung beider Teilluftströme in der sich ausbildenden Mischzone 66 verwirklicht. In Bezug auf das erfindungsgemäße Konzept des „Kreuzmischers" kann diese Gegenstromführung in bestimmten Fällen positive Wirkung haben. Das Konzept des Kreuzmischers ist jedoch nicht auf eine solche Strömungsführung beschränkt. Vielmehr lässt es sich vorteilhaft über einen weiten Bereich von Kreuzungswinkeln realisieren, der sich ohne weiteres von 35° bis 155° erstreckt. Durch strömungstechnische Optimierung der Mischkammer 14 und insbesondere des dort vorgesehenen Kamins 68, auf den im Folgenden noch genauer eingegangen wird, lässt sich dieser Winkelbereich ggf. noch vergrößern.
Dem Eintrittsort des warmen Teilluftstroms 20 in die zweite Mischkammer 14 gegenüberliegend angeordnet ist ein Fußraumauslass 40 aus der Mischkammer 14, der zur Versorgung des Fußraums des Fondbereichs mit einem wärmeren konditionierbaren Luftstrom 25 vorgesehen ist. Dabei ist der Fußraumauslass 40 für den Fondbereich im Wesentlichen unterhalb der zweiten Mischkammer 14 angeordnet. Hingegen ist seitlich der zweiten Mischkammer gegenüberliegend dem Eintrittsort des zweiten kalten Teilluftstroms 22 ein Panelauslass 38 für den Fondbereich angeordnet. Aus diesem Panelauslass 38 tritt ein gegenüber dem Fußraumauslass 40 etwas kühlerer zweiter konditionierbarer Luftstrom 24 aus. Das genaue Temperaturverhältnis der konditionierbaren Luftströme 24 und 25 kann durch die Durchmischungsverhältnisse im „Kreuzmischer" eingestellt werden. Diese Mischungsverhältnisse sind im Wesentlichen durch die strömungsmechanischem Eigenschaften der zweiten Mischkammer 14 bestimmt. Daher sind die Luftströme 24 und 25 bezüglich der Temperatur nicht unabhängig voneinander konditionierbar. Mittels einer weiteren abgewinkelten Mischklappe 64 kann jedoch die relative Stärke der aus den Auslässen 38 und 40 austretenden Luftströme 24 und 25 variiert werden.
2 verdeutlicht die strömungsmechanischen Verhältnisse innerhalb der als „Kreuzmischer" ausgebildeten zweiten Mischkammer 14 der erfindungsgemäßen Klimaanlage. Über einen zweiten Strömungsweg 31 wird der zweiten Mischkammer 14 ein zweiter warmer Teilluftstrom 20 zugeführt. Dieser tritt von oben in die zweite Mischkammer ein. Die Stärke dieses zweiten warmen Teilluftstroms 20 wird mittels einer Verschlussklappe 62 reguliert. Weiterhin tritt ein zweiter kalter Teilluftstrom 22 über eine seitlich angeordnete Zutrittsöffnung in die zweite Mischkammer 14 ein, wobei diese Zutrittsöffnung deutlich unterhalb der Zutrittsöffnung für den zweiten warmen Teilluftstrom 20 angeordnet ist. Der in die zweite Mischkammer 14 eingetretene zweite warme Teilluftstrom 20 durchquert eine Mischzone 66 und wird zu einem Fußraumauslass 40 für den Fondbereich geführt. Der in horizontaler Strömungsrichtung in die zweite Mischkammer 14 eingetretene zweite kalte Teilluftstrom 22 trifft auf eine Prallfläche 56 und wird von dieser nach oben in Richtung auf die Mischzone 66 umgelenkt. Dabei umströmt er vor der Mischzone 66 den als Kamin 68 in die zweite Mischkammer 14 hineinragenden Fußraumauslass 40 für den Fondbereich. Dieser Kamin 68 endet erst bei Erreichen der Mischzone 66, die sich im Zentrum der zweiten Mischkammer 14 befindet.
Erfindungsgemäß wird nun mit dem Kamin 68 ein Teil des zweiten der Mischkammer 14 zugeführten warmen Teilluftstroms 20 nach Durchqueren der Mischzone 66 aus der zweiten Mischkammer 14 herausgeführt. Dabei ist der Öffnungsquerschnitt der oberen Öffnung des Kamins 68, die der Mischzone 66 zu gewandt ist, kleiner als die Querschnittsfläche der Eintrittsöffnung 54 des zweiten warmen Teilluftstroms 20 in die zweite Mischkammer 14. Erfindungsgemäß streicht daher ein im Wesentlichen durch die Flächenverhältnisse bestimmter Anteil des zweiten warmen Teilluftstroms 20 in den Kamin 68 hinein. Dieser Anteil des zweiten warmen Teilluftstroms 20 wird daher im Wesentlichen ohne Vermischung mit dem zweiten kalten Teilluftstrom 22 unmittelbar nach Eintritt in die Mischzone 66 wieder aus der zweiten Mischkammer 14 herausgeführt. Eine relevante Durchmischung mit dem zweiten kalten Teilluftstrom 22 hat hier nicht stattgefunden, so dass nur eine gewisse Abkühlung des aus dem Fußraumauslass 40 für den Fondbereich austretenden konditionierbaren Luftstroms 25 gegenüber dem einströmenden zweiten warmen Teilluftstrom 20 stattgefunden hat.
Der nicht von der Eintrittsöffnung 52 des Kamins 68 eingefangene Teil des zweiten warmen Teilluftstroms 20 wird in der Mischzone 66 mit dem am Kamin 68 vorbei streichenden zweiten kalten Teilluftstrom 22 vermischt. Hierdurch tritt eine wesentliche Abkühlung auf. Daher tritt aus dem seitlich angeordneten Hinteren Panelauslass 42 ein wesentlich kühlerer zweiter konditionierbarer Luftstrom 24 aus. Deutlich ist zu erkennen, dass sich der Strömungsweg 70 des warmen Teilluftstroms 20 praktisch gradlinig durch die zweite Mischkammer 14 erstreckt. Weiter ist zu erkennen, dass sich der Strömungsweg 72 des kalten Teilluftstroms 22 nicht gradlinig durch die zweite Mischkammer 14 erstreckt. Der in waagerechter Richtung einströmende zweite kalte Teilluftstrom 22 trifft nach seinem Eintritt in die zweite Mischkammer 14 auf eine schräg ausgebildete Fläche, die als Prallfläche 56 ausgebildet ist. Diese Prallfläche 56 leitet den kalten Teilluftstrom 22 in senkrechte Richtung um, so dass er im Bereich der Mischzone 66 in Gegenrichtung zum warmen Teilluftstrom 20 strömt. In der Mischzone 66 bilden die Strömungswege 70 und 72 des warmen und des kalten Teilluftstroms einen Winkel α miteinander aus, der im gezeigten Ausführungsbeispiel im Bereich von 135° liegt. Wie bereits erwähnt kann eine solche Gegenstromführung vorteilhafte Wirkung zeigen, sie ist aber für das erfindungsgemäße „Kreuzrmischer"-Konzept nicht zwingend erforderlich. Insbesondere kann auch eine Strömungsführung mit einem Kreuzungswinkel von 90° und darunter, d.h. vollständig ohne Gegenstrom, vorteilhaft sein. Hier ergeben sich dem Fachmann vielfältige Möglichkeiten, die Zuführung der im „Kreuzmischer" zu vermischenden Teilluftströme in weiten Grenzen an die baulichen Gegebenheiten der in der Konzeption befindli chen Klimaanlage anzupassen.
Die Größe der Mischzone 66, in der sich die warmen und kalten Teilluftströme 20, 22 teilweise durchmischen, wird im gezeigten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen davon bestimmt, wie weit der Kamin 68 in das Zentrum der zweiten Mischkammer 14 hineinragt. Somit kann die Temperaturdifferenz der erzeugten Luftströme 24 und 25 insbesondere durch die Dimensionierung des Kamins 68 mitbestimmt werden.
3 zeigt eine perspektivische Teilschnittdarstellung der zweiten Schnittkammer 14 gesehen vom Hauptmodul aus Richtung des Defrostauslasses 42 für den Fondbereich gesehen. Deutlich erkennbar ist der mittig in der zweiten Mischkammer 14 angeordnete Kamin 68, der auf drei Seiten vom zweiten kalten Teilluftstrom 22 umströmt wird. Die seitlich rechts und links am Kamin 68 vorbeiführenden Strömungspfade 72 führen einen wesentlichen Teil des einströmenden kalten Teilluftstroms 22 zum Defrostauslass 42 für den Fondbereich. Dabei tritt nur eine geringfügige Vermischung mit denjenigen Anteilen des warmen Teilluftstroms 22 auf, die nicht vom Öffnungsquerschnitt 52 des Kamins 68 aufgenommen werden. Der auf dem mittig verlaufenden Strömungsweg 72 strömende Anteil des kalten Teilluftstroms 22 hingegen gerät in intensiven Kontakt mit dem vom Öffnungsquerschnitt 52 des Kamins 68 eingefangenen Anteils des warmen Teilluftstroms 22. Dabei wird er mit diesem intensiv vermischt und zum Fußraumauslass 40 für den Fondbereich geführt. Aus 4 ist ersichtlich, dass der Kamin 68 als Strömungsteiler sowohl für den zweiten kalten Teilluftstrom 22 als auch für den zweiten warmen Teilluftstrom 20 fungiert.
Abschließend sei darauf hingewiesen, dass es für die praktische Realisierung einer nach dem „Kreuzmischer"-Konzept arbeitenden Mischkammer ohne weiteres möglich ist, die Zuführung von warmen und kalten Teilluftströmen zur Mischkammer gegenüber dem diskutierten Ausführungsbeispiel zu variieren, insbesondere auch zu vertauschen, da gravitative Einflüsse bzw. ein Auftrieb bei den in Rede stehenden Dimensionen der Mischkammer des „Kreuzmischers" praktisch vernachlässigbar sind.
Aus 3 sind schließlich die verschiedenen Auslässe für konditionierbare Luft ströme ersichtlich, die am Fondmodul 10 ausgebildet sind. Durch Einführung einer mittig angeordneten Trennebene kann das gezeigte Einzonen-Fondmodul 10 auf einfache Weise zu einem Zweizonen-Fondmodul weitergebildet werden, welches dann zwei getrennt steuerbare zweite Mischkammern 14a und 14b ausbildet. Aus der zweiten Mischkammer 14 führen ein hinterer Panelauslass 38 sowie ein hinterer Fußraumauslass 40 für den Fondbereich heraus. Aus dem Auslass 38 strömt ein zweiter (unhabhängig vom ersten konditionierbaren Luftstrom 8) konditionierbarer kühlerer Luftstrom 24 aus. Aus dem Auslass 40 strömt ein weiterer wärmerer konditionierbarer Luftstrom 25 aus, dessen Temperatur in einem festen Verhältnis zur Temperatur des zweiten konditionierbaren Luftstroms 24 steht.
Ergänzend sei festgestellt, dass alle vorstehen beschriebenen Zuordnungen der Auslässe der erfindungsgemäßen Klimaanlage 1 beispielhaft zu verstehen sind. Selbstverständlich ist es möglich, die von der Klimaanlage 1 bereitgestellten unterschiedlich konditionierten Luftströme frei den verschiedenen Lüftungsauslässen des Kfz zuzuführen. Insbesondere sind auch die angegebenen Temperaturunterschiede zwischen Fußraumauslässen einerseits und Panel- bzw. Defrostauslässen andererseits beispielhaft zu verstehen und können gezielt an die Anforderungen des Kfz-Herstellers angepasst werden.
Die gezeigten strömungsmechanischen aktiven Stellelemente wie Verschluss- und Mischklappen können beispielsweise auf Wellen gelagert und mittels üblicher Stellmotoren, insbesondere Schrittmotoren, betätigt werden. Die Ansteuerung dieser aktiven Stellelemente erfolgt dabei bevorzugt über eine zentrale Klimaanlagensteuerung, die die Befehle der Benutzer des Kraftfahrzeugs empfängt und die Stellelemente geeignet zur Umsetzung der Benutzereingaben verstellt.

1: Mehrzonen-Klimaanlage
2: Hauptklimamodul
3: Luftzufuhrmodul
4: erster Wärmetauscher
6: zweiter Wärmetauscher
7: weiterer vorderer konditionierbarer Luftstrom
8: erster vorderer konditionierbarer Luftstrom (=erster konditionierbarer Luftstrom)
8a: erster vorderer rechter konditionierbarer Luftstrom
8b: erster vorderer linker konditionierbarer Luftstrom
9: zweiter vorderer konditionierbarer Luftstrom
9a: zweiter vorderer rechter konditionierbarer Luftstrom
9b: zweiter vorderer linker konditionierbarer Luftstrom
10: Fondmodul
12: erste Mischkammer
12a: erste rechte Mischkammer
12b: erste linke Mischkammer
14: zweite Mischkammer
14a: zweite rechte Mischkammer
14b: zweite linke Mischkammer
16: erster warmer Teilluftstrom
18: erster kalter Teilluftstrom
20: zweiter warmer Teilluftstrom
22: zweiter kalter Teilluftstrom
24: erster hinterer konditionierbarer Luftstrom (= zweiter
: konditionierbarer Luftstrom)
24a: erster hinterer rechter konditionierbarer Luftstrom
24b: erster hinterer linker konditionierbarer Luftstrom
25: zweiter hinterer konditionierbarer Luftstrom
25a: zweiter hinterer rechter konditionierbarer Luftstrom
25b: zweiter hinterer linker konditionierbarer Luftstrom
26: Heizelement
28: dritter Strömungsweg
29: erster Strömungsweg
30: vierter Strömungsweg
31: zweiter Strömungsweg
32: Filter
34: Grundkörper
36: Gebläse
38: Panelauslass Fond
38a: rechter Panelauslass Fond
38b: linker Panelauslass Fond
40: Fußraumauslass Fond
40a: rechter Fußraumauslass Fond
40b: linker Fußraumauslass Fond
42: Defrostauslass
42a: rechter Defrostauslass
42b: linker Defrostauslass
44: vorderer Panelauslass
44a: vorderer rechter Panelauslass
44b: vorderer linker Panelauslass
46: vorderer Fußraumauslass
46a: vorderer rechter Fußraumauslass
46b: vorderer linker Fußraumauslass
50: Stoßstelle
52: Öffnungsquerschnitt Kamin
54: Eintrittsöffnung
56: Prallfläche
58: erste abgewinkelte Mischklappe
60: Mischklappe
62: Verschlussklappe
64: zweite abgewinkelte Mischklappe
66: Mischzone
68: Kamin
70: erster Strömungsweg
72: zweiter Strömungsweg
74: Eintrittsöffnung kalter Teilluftstrom
76a: rechter Fond-Anschlussauslass
76b: linker Fond-Anschlussauslass

Claims

Klimaanlage (1) zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeuginnenraums mit einer Mischkammer (14), die dazu eingerichtet ist, mittels kontrollierter Vermischung eines warmen und eines kalten Teilluftstroms (20, 22) zumindest einen wärmeren und einen kälteren konditionierbaren Luftstrom (24, 25) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Strömungswege (70, 72) des warmen Teilluftstroms (20) und des kalten Teilluftstroms (22) in der Mischkammer (14) kreuzen.
Klimaanlage (1) zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeuginnenraums gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich am Kreuzungspunkt des warmen und des kalten Teilluftstroms (20, 22) eine Mischzone (66) ausbildet, wobei die Mischzone (66) so dimensioniert ist, dass sich der warme und der kalte Teilluftstrom (20, 22) in der Mischzone (66) nur unvollständig durchmischen.
Klimaanlage (1) zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeuginnenraums gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der der warme und der kalte Teilluftstrom (20, 22) in der Mischzone (66) im Gegenstrom geführt werden.
Klimaanlage (1) zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeuginnenraums gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Begrenzung der Ausdehnung der Mischzone (66) strömungsleitende Mittel in der Mischkammer (14) vorgesehen sind.
Klimaanlage (1) zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeuginnenraums gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als strömungsleitendes Mittel ein Kamin (68) in der Mischkammer (14) angeordnet ist.
Klimaanlage (1) zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeuginnenraums gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kamin (68) im Strömungsweg des warmen Teilluftstroms (20) in der Mischkammer (14) stromabwärts der Mischzone (66) angeordnet ist.
Klimaanlage (1) zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeuginnenraums gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kamin (68) einen Öffnungsquerschnitt (52) aufweist, der kleiner ist als die Querschnittsfläche der Eintrittsöffnung (54) des warmen Teilluftstroms (20) in die Mischkammer (14).
Klimaanlage (1) zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeuginnenraums gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kamin (68) im Strömungsweg des kalten Teilluftstroms (22) in der Mischkammer (14) stromabwärts der Mischzone (66) angeordnet ist.
Klimaanlage (1) zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeuginnenraums gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kamin (68) einen Öffnungsquerschnitt (52) aufweist, der kleiner ist als die Querschnittsfläche der Eintrittsöffnung (74) des kalten Teilluftstroms (22) in die Mischkammer (14).
Klimaanlage (1) zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeuginnenraums gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mischkammer (14) der Eintrittsöffnung (54) des warmen Teilluftstroms (20) gegenüberliegend ein Auslass (40) für den wärmeren konditionierbaren Luftstrom (25) angeord net ist.
Klimaanlage (1) zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeuginnenraums gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mischkammer (14) der Eintrittsöffnung (74) des kalten Teilluftstroms (22) gegenüberliegend ein Auslass (42) für den kälteren konditionierbaren Luftstrom (24) angeordnet ist.
Klimaanlage (1) zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeuginnenraums gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer der in die Mischkammer (14) eintretenden warmen und kalten Teilluftströme (20, 22) vor Eintritt in die Mischzone (66) durch in der Mischkammer (14) ausgebildete strömungsleitende Mittel so umgelenkt wird, dass die Strömungsrichtungen der Teilluftströme (20, 22) in der Mischzone einen Winkel miteinander einschließen, der zwischen 25° und 155° beträgt.
Klimaanlage (1) zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeuginnenraums gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als strömungsleitendes Mittel eine Prallfläche (56) ausgebildet ist.