DE102011008106A1 - System for air conditioning of passenger compartments of vehicles, comprises heat radiation surfaces, where temperature is provided by radiant heat and direct physical contact heat transfer in passenger compartment floor - Google Patents

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Abstract

The system comprises heat radiation surfaces, where the temperature is provided by radiant heat and direct physical contact heat transfer in a passenger compartment floor or in an interior trim or in a body contact surface, such as seat and seat back. The warmth in the thermal radiation surface is provided by peltier elements. The insulating materials is provided as acrylic glass, Plexiglas(RTM: A light, transparent and weather-resistant thermoplastic) or polycarbonate.

Description

Fahrzeuge für Passagiere benötigen zur Sicherstellung des Fahrkomforts Einrichtungen zur Kontrolle und Regelung bzw. zumindest zur Steuerung der Temperatur, des Sauerstoffgehaltes und der Luftfeuchtigkeit im Innenraum.Passenger vehicles require facilities to control and regulate, or at least control the temperature, oxygen content and indoor air humidity to ensure ride comfort.

Praktisch alle PKW werden derzeit mit Verbrennungsmotoren betrieben, die prinzipbedingt den größten Teil (ca. 2/3–4/5 je nach Betriebszustand) der im Kraftstoff enthaltenen Energie in Wärme umwandeln und nur einen sehr geringen Anteil in mechanischer Leistung zur Verfügung stellen.Virtually all cars are currently powered by internal combustion engines, which inherently convert the majority (about 2 / 3-4 / 5 depending on the operating state) of the energy contained in the fuel into heat and provide only a very small proportion of mechanical power available.

Die Heizung solcher Fahrzeuge stellt somit eine eher leicht lösbare Aufgabe dar, in dem einfach über Wärmetauscher die Abwärme des Motors zur Aufheizung der Luft genutzt wird, die in die Kabine geleitet wird. Da genügend Wärmeleistung zur Verfügung steht, kann die Heizung über schnellen Austausch der Luft im Innenraum erfolgen, so dass keine besonderen Anforderungen an die thermische Isolation und an die Luftdichtigkeit gestellt werden muss. Etwa auftretende Wärmeverluste durch nicht isolierte Außenflächen oder durch austretende Luft in Spalten, Fugen, unzureichenden Dichtungen etc. können einfach kompensiert werden, indem pro Zeiteinheit eine größere Menge warmer Luft evtl. zusätzlich mit erhöhter Temperatur zugeführt wird.The heating of such vehicles thus represents a rather easily solvable task, in which the waste heat of the engine is used simply via heat exchangers to heat the air, which is passed into the cabin. Since sufficient heat output is available, the heating can be done by rapid exchange of air in the interior, so no special requirements for thermal insulation and airtightness must be made. Any heat losses due to non-insulated outer surfaces or escaping air in gaps, joints, insufficient seals, etc. can be easily compensated by adding a larger quantity of warm air per unit of time, possibly at an elevated temperature.

Ein negativer Nebeneffekt dieses Verfahrens liegt darin, dass eine permanente Luftzufuhr benötigt wird, um den relativ schlecht isolierten Innenraum mit hinreichender Wärmemenge zur Temperaturstabilisierung zu versorgen, ohne dass extreme Temperaturgradienten entstehen. Einzig positiver Nebeneffekt dieser Lösung ist der häufige Luftaustausch im Innenraum, mit dem immer ein hoher Anteil von Frischluft verfügbar wird.A negative side effect of this method is that a permanent air supply is needed to provide the relatively poorly insulated interior with sufficient amount of heat for temperature stabilization, without causing extreme temperature gradients. The only positive side effect of this solution is the frequent air exchange in the interior, with which a high proportion of fresh air is always available.

Allerdings weist die Form der Heizung auch erhebliche Nachteile auf. Die Insassen werden dabei zu praktisch 100% mit Luftwärme versorgt und nicht mit Strahlungswärme. Bei der Klimatisierung von Wohnräumen ist die Art als minderwertig und unkomfortabel bzw. sogar als ungesund bekannt und wird gar nicht oder nur in Notfällen und für kurze Intervalle, wie z. B. beim Einsatz von Heizlüftern verwendet.However, the shape of the heater also has significant disadvantages. The occupants are supplied to almost 100% with air heat and not with radiant heat. In the air conditioning of living spaces, the species is known as inferior and uncomfortable or even unhealthy and is not or only in emergencies and for short intervals, such. B. used in the use of fan heaters.

Ähnliches gilt für die Kühlung der Innenräume von Personenfahrzeugen. Hier werden in einem Kältekreislauf Temperaturdifferenzen aufgebaut mit mechanischem Antrieb eines Kompressors, der ein Kältemittel komprimiert und mit verschiedenen Wärmetauschern kalte Luft mit sehr niedriger Temperatur erzeugt, die dann in den Innenraum über Lüfter eingeblasen wird und sich dort mit der wärmeren Luft mischt und so ein besseres Raumklima schaffen soll.The same applies to the cooling of the interiors of passenger vehicles. Here are built in a refrigeration cycle temperature differences with mechanical drive of a compressor that compresses a refrigerant and with different heat exchangers cold air with very low temperature generated, which is then blown into the interior via fans and there mixes with the warmer air and so a better Room climate should create.

In beiden Fällen entsteht ein ungesundes Klima deswegen, weil einerseits hohe Temperaturgradienten in den innen liegenden Luftvolumina entstehen und zusätzlich die Temperatursensorik der Insassen der Körpertemperaturregelung widersprüchliche Daten liefert, da z. B. Körperbereiche, die starker Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind und die Körperbereiche, die im direkten Kontakt mit den Sitz- und Sitzlehnenflächen liegen, große Hitze melden, wohingegen die Körperstellen im Luftzug der kalten Lüfter Untertemperatur erfassen. Die Theorie, ein so gefundener Mittelwert sei gesund oder komfortabel ist völlig falsch sondern das Gegenteil ist der Fall.In both cases, an unhealthy climate arises because, on the one hand, high temperature gradients in the inner air volumes arise and, in addition, the temperature sensor of the occupants of the body temperature control provides contradictory data, since, for. B. body areas that are exposed to strong sunlight and the body areas that are in direct contact with the seat and seat back areas, report large heat, whereas the body parts detect in the draft of the cold fan low temperature. The theory that a mean found in this way is healthy or comfortable is completely wrong, but the opposite is the case.

Hinzu kommt, dass bei Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb nur sehr viel geringere Energieinhalte verfügbar sind (Batteriekapazität gegenüber Heizwert von Benzin oder Dieselkraftstoff), die wegen des überlegenen Gesamtwirkungsgrades zwar durchaus auch zur Überwindung größerer Strecken ausreichen, die jedoch nicht mit einer ineffizienten Temperierungstechnologie belastet werden sollten. Weiteres Ziel ist die Verbesserung des Raumklimas mit ähnlichen Komfortkennwerten wie in Wohnräumen, d. h. hohe Anteile an Strahlungswärme, geringe Gradienten in der Innenraumluft, Lufttemperatur im Bereich von 18°C–22°C, kontrollierter Luftaustausch unabhängig vom Wärmeeintrag sowie gute Isolation zwischen Innenraum und Außenluft.In addition, in vehicles with electric drive only much lower energy contents are available (battery capacity compared to calorific value of gasoline or diesel fuel), which are indeed sufficient because of the superior overall efficiency to overcome larger distances, but should not be burdened with an inefficient temperature control technology , Another goal is to improve the indoor climate with similar comfort characteristics as in living spaces, d. H. high levels of radiant heat, low indoor air gradient, air temperature in the range of 18 ° C-22 ° C, controlled air exchange independent of heat input and good insulation between interior and exterior air.

Erfindungsgemäß wird dazu zunächst der Innenraum des Fahrzeuges hochwertig isoliert, auch in den Bereichen der Verglasung durch Verwendung von Kunststoffscheiben wie Poly-Carbonat, Acryl, Plexiglas etc. und/oder durch Doppelverglasung in optimaler Form so beschichtet, dass UV und IR Strahlung gefiltert wird. Zur Defrostung werden die Scheiben nicht über die Ausblasung von heißer Luft geheizt sondern auf der Innenseite mit Heizleitern beschichtet. Aufgrund der besseren thermischen Isolationswerte ist der Wärmedarf zur Auflösung des Beschlags auf der Innenseite sehr viel geringer als bei Glasscheiben, so dass auch hier geringe elektrische Leistungswerte benötigt werden.According to the invention, the interior of the vehicle is first of all insulated in a high-quality manner, also in the areas of the glazing by using plastic disks such as polycarbonate, acrylic, Plexiglas etc. and / or by double glazing in optimal form so that UV and IR radiation is filtered. For defrosting, the panes are not heated by the blowing out of hot air but coated on the inside with heating conductors. Due to the better thermal insulation values, the heat requirement for dissolving the coating on the inside is much lower than for glass panes, so that even here low electrical power values are required.

Weiterhin wird der Innenraum in Fugen und Spalten abgedichtet, im Bereich der Türen und Fenster in einer bevorzugten Variante durch aufblasbare Dichtungen, die beim Öffnen der Türen/Fenster auf einen kleineren Querschnitt durch Unterdruck oder auf Grund der Eigensteifigkeit und der Formgebung reduziert werden und so einen Spalt freigeben und im geschlossenen Zustand auf einen größeren Querschnitt aufgeblasen werden und so die Spalte schließen, dabei Toleranzen und Elastizitäten ausgleichen und in einer besonderen Varianten auch die Tür/Fenstereinheiten formschlüssig verriegeln bzw. geschlossen halten. In einer bevorzugten Ausführung liegen diese Dichtungen so zwischen Tür/Fenster einerseits und den Rahmen andererseits, dass die Kräfte aus dem Innendruck normal zur Schließrichtung orientiert sind, so dass die Tür/Fenstereinheit keine Kräfte in Bewegungsrichtung des Schließvorganges erfährt.Furthermore, the interior is sealed in joints and columns, in the area of the doors and windows in a preferred variant by inflatable seals, which are reduced when opening the doors / windows to a smaller cross-section by negative pressure or due to the inherent rigidity and the shape and so on Release gap and be inflated in the closed state to a larger cross-section and thus close the gap, thereby compensate for tolerances and elasticities and lock in a special variants, the door / window units form fit or keep closed. In a preferred embodiment, these seals lie between door / window on the one hand and the frame on the other hand, that the forces from the internal pressure are oriented normal to the closing direction, so that the door / window unit experiences no forces in the direction of movement of the closing operation.

Der Luftaustausch im Innenraum kann somit nur noch am Frischluftbedarf orientiert werden und nicht am zufällig und durch schlechte Dichtigkeit auftretenden Leckverlust. Tatsächlich ist der Atemluftverbrauch im Sitzen geringer als 30 Liter/Minute pro Person, also ca. 1,8 m2 /h und Person. Bei einem Innenraumluftvolumen von 3–5 m3 ist somit selbst bei 4 Personen an Bord ein kompletter Luftaustausch zur Sauerstoffversorgung nur 2–3 mal pro Stunde notwendig. Selbst wenn aus Komfortgründen die Luftmenge dreimal schneller umgeschlagen wird, wird bei einem Delta T von 20°C und 12 Kg Luft/h nur eine Energie von 240 KJ bzw. 0,067 KWh benötigt.The air exchange in the interior can thus be oriented only on the fresh air requirement and not at random and caused by poor tightness leakage. In fact, the breathing air consumption in sitting is less than 30 liters / minute per person, ie about 1.8 m 2 / h and person. With an interior air volume of 3-5 m 3 , even with 4 people on board, a complete air exchange for oxygen supply is only necessary 2-3 times per hour. Even if, for reasons of comfort, the air volume is changed three times faster, with a Delta T of 20 ° C and 12 Kg air / h only an energy of 240 KJ or 0.067 KWh is needed.

Aufgrund der Tatsache, dass durch diese Maßnahme der Wärmebedarf zur Innenraumtemperierung also dramatisch reduziert wird, reicht der Energievorrat der Batterie auch für länger Fahrzeiten aus, um den Innenraum zu heizen ohne dabei die Reichweite übermäßig zu beeinflussen, wenn die Bereitstellung der Wärme mit hoher Effizienz erfolgt. Um außerdem die angepeilten Komfortansprüche zu befriedigen und Strahlungswärme bereitzustellen, werden erfindungsgemäß Peltierelemente im Fahrzeugboden, an verschiedenen Flächen der Kabine und in den Sitzflächen angebracht und elektrisch über eine Temperaturregelung temperiert. Bei richtiger Anordnung und hinreichender Oberflächengröße ist der Bedarf an Wärme- bzw. Kälteleistung bei geringen Temperaturdifferenzen erzielbar, so dass die Temperatursensoren im Körper der Insassen keine Extremwerte wahrnehmen und vor allem keine konfusen Signalwidersprüche durch unterschiedliche Werte zu gleicher Zeit an verschiedenen Körperstellen.Due to the fact that this measure, the heat requirement for interior temperature control is thus dramatically reduced, the energy supply of the battery is sufficient for longer travel times to heat the interior without overly affecting the range when the provision of heat is done with high efficiency , In addition, in order to satisfy the intended comfort requirements and provide radiant heat, according to the invention Peltier elements are mounted in the vehicle floor, on different surfaces of the cabin and in the seats and heated electrically via a temperature control. With proper arrangement and sufficient surface area, the need for heat or cooling capacity at low temperature differences can be achieved, so that the temperature sensors in the body of the occupant perceive no extreme values and above all no confused signal contradictions by different values at the same time at different body sites.

Da Peltierelemente durch Anlegen einer elektrischen Spannung je nach Polung an einer Seite Wärme und an der anderen Seite Kälte erzeugen, können somit Heizung und Kühlung mit dem gleichen System einfach durch Umpolen erzeugt und sehr schnell und einfach ohne Trägheiten geregelt werden.Since Peltier elements produce heat by applying an electrical voltage depending on the polarity on one side and on the other side cold, so heating and cooling with the same system can be easily generated by reversing and very quickly and easily controlled without inertia.

Allerdings liegen die heißen und kalten Flächen direkt gegenüber auf den Oberflächen des Peltierelementes und die gewünschte Wirkung wird nur erzielt, wenn auf der nicht genutzten Fläche der gleiche Betrag der Nutzwärmemenge ab- (bei angepeilter Kühlwirkung) bzw. zugeführt (im Heizbetrieb) wird.However, the hot and cold surfaces are directly opposite to the surfaces of the Peltier element and the desired effect is achieved only when on the unused area of the same amount of Nutzwärmemenge off (at targeted cooling effect) or supplied (in heating mode).

Die optimale Lösung ist eine Fahrzeugkarosserie, in der die Peltierelemente direkt so in die Kabinenoberflächen integriert sind, dass die eine Wärmefläche im Innenraum und die andere, komplementäre Wärmefläche auf der Außenhaut und mit der Aussenluft im Wärmetauschkontakt liegt. Allerdings ist aus Gründen der geforderten Festigkeit der Karosserie und auf Grund von Packageproblemen diese Lösung nicht uneingeschränkt und in vollem Umfang möglich.The optimal solution is a vehicle body in which the Peltier elements are integrated directly into the cabin surfaces, that one heat surface in the interior and the other, complementary heat surface on the outer skin and with the outside air in the heat exchange contact. However, due to the required strength of the body and due to package problems, this solution is not fully and fully possible.

Deswegen wird erfindungsgemäß die Integration der Peltierelemente so gewählt, dass eine Seite, die Nutzfläche, in direktem Kontakt zu Oberflächen im Innenraum, wie Fahrzeugboden, Dachhimmel, Innenverkleidung oder Sitz- bzw. Sitzlehnenflächen steht und dort Wärme abgeben bzw. aufnehmen kann und die andere Seite, die Wärmetauschseite mit einem Wärmerohr wie einer Heatpipe oder einem Thermosyphon verbunden ist. Diese Wärmerohre führen die Wärme vom Peltierelement indirekt über Wärmetauscher und/oder direkt an die Umgebungsluft.For this reason, according to the invention, the integration of the Peltier elements is selected such that one side, the useful surface, is in direct contact with surfaces in the interior, such as the vehicle floor, headliner, interior lining or seat or seat backrest surfaces, where heat can be released or absorbed and the other side , the heat exchange side is connected to a heat pipe such as a heat pipe or a thermosiphon. These heat pipes conduct the heat from the Peltier element indirectly via heat exchangers and / or directly to the ambient air.

Um die Seite der Wärmeabgabe im Kühlbetrieb der Peltierelemente vor direkter Sonneneinstrahlung zu schützen, werden die Außenflächen der Wärmerohre vorzugsweise auf der Wagenunterseite und/oder in vorzugsweise spritzwasser- und verschmutzungsgeschützten Hohlräumen der Karosserieaußenseite angebracht.In order to protect the side of the heat release in the cooling mode of the Peltier elements from direct sunlight, the outer surfaces of the heat pipes are preferably mounted on the underside of the car and / or in preferably splash and pollution-protected cavities of the body outside.

In einer erweiterten Ausführung wird das so definierte Wärmenetz auch mit der Temperierung der Batterie, der E-Maschinen und/oder der Leistungselektronik verknüpft.In an expanded version, the heat network defined in this way is also linked to the temperature control of the battery, the e-machines and / or the power electronics.

Claims (11)

System zur Klimatisierung der Passagierräume von Fahrzeugen mit elektrischem oder teilelektrischem Antrieb, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im wesentlichen durch Strahlungswärme und direkte Körperkontaktwärmeübertragung und nicht durch Luftwärmeübertragung erfolgt, in dem Wärmestrahlungsflächen im Innenraumboden und/oder in den Innenraumverkleidungen und/oder in den Körperkontaktflächen wie Sitzen und Sitzlehnen vorgesehen werden.System for the air conditioning of the passenger compartments of vehicles with electric or partially electric drive, characterized in that the temperature substantially by radiant heat and direct body contact heat transfer and not by air heat transfer takes place in the heat radiation surfaces in the interior floor and / or in the interior linings and / or in the body contact surfaces Seats and seat backs are provided. System zur Klimatisierung der Passagierräume von Fahrzeugen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme in den Wärmestrahlungsflächen durch Peltierelemente frei gesetzt wird.System for air conditioning the passenger compartments of vehicles according to claim 1, characterized in that the heat in the heat radiation surfaces is set free by Peltier elements. System zur Klimatisierung der Passagierräume von Fahrzeugen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzflächen der Peltierelemente mit den Wärmestrahlungsflächen bzw. den Kontaktwärmeflächen der Sitze verbunden sind und die Wärmetauschseiten der Peltierelemente mit Wärmerohren wie Heatpipes oder Thermosiphons verbunden sind.System for air conditioning the passenger compartments of vehicles according to one or more of The preceding claims, characterized in that the effective areas of the Peltier elements are connected to the heat radiation surfaces or the contact heat surfaces of the seats and the heat exchange sides of the Peltier elements are connected to heat pipes such as heat pipes or thermosyphons. System zur Klimatisierung der Passagierräume von Fahrzeugen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohre mit Wärmeabstrahlflächen auf der Fahrzeugaußenseite verbunden sind.System for air conditioning the passenger compartments of vehicles according to one or more of the preceding claims, characterized in that the heat pipes are connected to heat radiating surfaces on the vehicle exterior. System zur Klimatisierung der Passagierräume von Fahrzeugen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohre mit Wärmetauschern verbunden sind.System for air conditioning the passenger compartments of vehicles according to one or more of the preceding claims, characterized in that the heat pipes are connected to heat exchangers. System zur Klimatisierung der Passagierräume von Fahrzeugen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohre mit Wärmeabstrahlflächen verbunden sind, die in schutz- und spritzwassergeschützten Außenbereichen der Fahrzeuges angebracht sind.System for air conditioning the passenger compartments of vehicles according to one or more of the preceding claims, characterized in that the heat pipes are connected to heat radiating surfaces which are mounted in protective and splash-proof exterior areas of the vehicle. System zur Klimatisierung der Passagierräume von Fahrzeugen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrzeuginnenraum thermisch isoliert und gegen unkontrollierten Luftaustausch geschützt ist und der Luftaustausch nach den Kriterien der Frischluftversorgung der Passagiere und nicht nach dem Bedarf für den Luftwärmeeintrag zur Klimatisierung geregelt wird.System for air conditioning the passenger compartments of vehicles according to one or more of the preceding claims, characterized in that the vehicle interior is thermally insulated and protected against uncontrolled air exchange and the air exchange according to the criteria of fresh air supply to the passengers and not regulated according to the need for the air heat input for air conditioning becomes. System zur Klimatisierung der Passagierräume von Fahrzeugen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtigkeit des Innenraumes gewährleistet wird durch aufblasbare Dichtungen in den Türen und Fenstern.System for air conditioning the passenger compartments of vehicles according to one or more of the preceding claims, characterized in that the tightness of the interior is ensured by inflatable seals in the doors and windows. System zur Klimatisierung der Passagierräume von Fahrzeugen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aufblasbaren Dichtungen Kräfte durch den Innendruck ausüben, die normal zur Tür/Fensterbewegung liegen und somit keine Bewegung auslösen.System for air conditioning the passenger compartments of vehicles according to one or more of the preceding claims, characterized in that the inflatable seals exert forces by the internal pressure, which are normal to the door / window movement and thus trigger no movement. System zur Klimatisierung der Passagierräume von Fahrzeugen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungen die Tür- bzw. Fensterrahmen formschlüssig verbinden und so zusätzlich neben der Dichtfunktion auch eine Sicherungsfunktion ausüben.System for air conditioning of the passenger compartments of vehicles according to one or more of the preceding claims, characterized in that the seals connect the door or window frame form-fitting manner and thus in addition to the sealing function also exercise a security function. System zur Klimatisierung der Passagierräume von Fahrzeugen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verglasung thermisch isolierend ausgeführt ist, durch isolierende Zwischenlagen oder durch isolierende Materialien wie Acrylglas, Plexiglas oder Polycarbonat und dass die Defrostung nicht durch Anblasen mit warmer Luft sondern durch elektrische Heizung durch Folien bzw. Heizdrähte erfolgt.System for the air conditioning of the passenger compartments of vehicles according to one or more of the preceding claims, characterized in that the glazing is made thermally insulating, by insulating intermediate layers or by insulating materials such as acrylic glass, Plexiglas or polycarbonate and that the defrosting not by blowing with warm air but by electrical heating through films or heating wires.
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