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Die Erfindung bezieht sich auf eine Heizeinrichtung für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Luftkanal mit einem Strömungsbereich zur Leitung eines Luftstroms und ein im Bereich des Luftkanals angeordnetes, von dem Luftstrom durchströmbares Heizgitter, umfassend ein elektrisch heizbares Material, zu Erwärmung des Luftstroms.
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Bei klassischen Heizanlagen zur Beheizung des Innenraums eines Kraftfahrzeugs wird die Abwärme des Verbrennungsmotors als Wärmequelle genutzt. Dabei wird ein in den Kraftfahrzeuginnenraum gerichteter Luftstrom über einen Wärmetauscher geleitet, der mittelbar oder unmittelbar von der Abwärme des Verbrennungsmotors beheizt wird. Dem Kraftfahrzeuginnenraum wird somit ein erwärmter Luftstrom zugeführt, dessen Einleitungsort, Einleitungsrichtung, Einleitungsmenge und Einleitungsgeschwindigkeit durch geeignete Luftsteuerungseinrichtungen, wie beispielsweise Klappen, Leitbleche und Gebläse, welche am Eingang, am Ausgang oder innerhalb eines entsprechenden Luftkanals angeordnet sind, steuerbar sind. Diese Systeme haben den Nachteil, dass beim Kaltstart des Motors noch keine Abwärme vorliegt, sodass in einem Zeitraum nach dem Motorstart kalte Luft in den Fahrzeuginnenraum geblasen wird, was als unkomfortabel empfunden werden kann. Dieses Problem verschärft sich mit zunehmender Energieeffizienz moderner Verbrennungsmotoren, die immer weniger Abwärme produzieren, sodass der Vorlautzeitraum vor dem Einsetzen einer effektiven Beheizung des Innenraums immer länger wird. Eine noch größere Brisanz erhält diese Problematik bei hybrid oder rein elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, deren Antriebsaggregate noch weniger Abwärme produzieren. Der Luftkanal wird daher häufig mit elektrischen Heizelementen ausgestattet, die von dem in den Fahrzeuginnenraum gerichteten Luftstrom überströmt werden und ihn dabei erwärmen. Insbesondere haben sich hierfür sogenannte PTC-Heizelemente bewehrt, die aufgrund des positiven Temperaturkoeffizienten ihres elektrischen Widerstandes eine Selbstregelung zeigen.
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In der vorgenannten, gattungsbildenden
DE 42 13 510 C1 wird bei diesen Einrichtungen der durch die zusätzlichen Heizelemente erhöhte Luftwiderstand im Luftkanal als nachteilig erkannt. Die genannte Druckschrift schlagt zur Abhilfe vor, ein ohnehin am Ausgang des Luftkanals vorgesehenes Lüftungsgitter mit Luftleitflächen aus einem PTC-Material zu fertigen, sodass dem Lüftungsgitter die Doppelfunktion der Strömungsleitung und Lufterwärmung zukommt. Als nachteilig muss jedoch die Position dieses Kombinationselementes am Ausgang des Luftkanals angesehen werden. Aufgrund seiner Teilfunktion als Strömungsleitelement ist diese Position zwingend erforderlich. Für seine Teilfunktion als Heizelement wäre jedoch eine Positionierung im Inneren des Luftkanals, wo eine direkte Berührung durch einen Benutzer ausgeschlossen ist, günstiger. Auch unter strömungstechnischen Aspekten wäre eine Positionierung des Heizelementes beabstandet vom Luftkanalausgang günstiger, weil dadurch ein Luftstrom mit homogenerer Temperaturverteilung generierbar wäre.
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Aus der
DE 101 21 904 A1 ist es bekannt, ein elektrisches Heizelement in eine im Kanalinneren positionierte Lüftungsklappe zur Luftmengensteuerung zu integrieren. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass der Wärmeaustausch zwischen dem Luftstrom und dem Heizelement stark von der Klappenstellung, d. h. im Ergebnis von der Stärke des Luftstroms abhängt. Insbesondere würde bei einer Klappenstellung, die einen starken Luftstrom erlaubt, ein besonders geringer Wärmeaustausch stattfinden, was gerade im Fall eines winterlichen Kaltstarts, wo der Fahrer sich eine sehr schnelle Aufheizung des Fahrzeuginnenraums wünschen würde, ungünstig ist.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Heizeinrichtung derart weiterzubilden, dass eine unter sicherheits- und strömungstechnischen Aspekten optimale Positionierung des Heizelementes im Inneren des Luftkanals nicht mit einer unerwünschten Beeinträchtigung des normalen Lüftungsbetriebs einhergeht.
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass das Heizgitter zwischen wenigstens zwei Stellungen, nämlich einer Heizstellung, in der es den Strömungsbereich des Luftkanals durchsetzt, und einer Lüftungsstellung, in der es außerhalb des Strömungsbereichs des Luftkanals positioniert ist, verschwenkbar ist.
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Bevorzugt Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung macht das Heizgitter zu einem vollständig unabhängigen Element und zwar sowohl im Hinblick auf seine Primärfunktion der Luftstromerwärmung als auch im Hinblick auf nachrangige Aspekte, wie etwa seine Positionierung, oder gar nachteilige Aspekte, wie seine unvermeidbare Beeinflussung der Luftströmung. So kann das erfindungsgemäße Heizgitter exakt dort positioniert werden, wo es der Fachmann aus sicherheits- und strömungstechnischen Gründen als optimal betrachtet (wobei die exakte Positionierung selbstverständlich von den Erfordernissen des Einzelfalls abhängt). Die Anordnung kann auch im Hinblick auf den Wärmeaustausch mit dem Luftstrom optimiert gestaltet werden, sodass die Effizienz des Wärmeaustauschs insbesondere nicht von sonstigen Klappen- oder Gebläseeinstellungen abhängt. Dabei ist während des Heizbetriebs eine gewisse Beeinträchtigung des Luftstroms aufgrund des unvermeidlichen aerodynamischen Widerstandes des Heizgitters zu tolerieren. Bei der Abwägung der damit verbundenen Nachteile, wie etwa zusätzliche Geräuschentwicklung und reduzierter Luftstrom gegenüber dem Vorteil einer schnellen Erwärmung des Innenraums bei winterlichem Kaltstart wird der Benutzer jederzeit die genannten Nachteile als hinnehmbar ansehen. Im reinen Lüftungsbetrieb hingegen, wenn keine Beheizung des Fahrzeuginnenraums gewünscht wird oder die erforderliche Heizleistung über die Abwärme des Antriebsaggregats bereitgestellt werden kann, muss der Benutzer die genannten Nachteile dank der Erfindung nicht länger tolerieren. Vielmehr kann das Heizgitter vollständig aus seiner den Luftstrom behindernden Stellung herausgeklappt werden, sodass jegliche Beeinflussung des Luftstroms durch das Heizgitter ausgeschlossen ist. Mit anderen Worten kombiniert die vorliegende Erfindung die Vorteile einer schnellen Innenraumbeheizung mit den Vorteilen einer wenigstens im Lüftungsbetrieb optimierten Strömungstechnik.
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Grundsätzlich lässt sich die vorliegende Erfindung durch ein manuell klappbares Heizgitter realisieren. Bevorzugt ist jedoch dessen automatische oder automatisierte Ansteuerung. So ist bei einer bevorzugten Weiterbildung eine Steuerungseinheit vorgesehen, die eingerichtet ist, einen mit dem Heizgitter gekoppelten Aktuator bei Überschreitung einer vorgegebenen Höchsttemperatur des Luftstroms zur Verschwenkung des Heizgitters von der Heizstellung in die Lüftungsstellung anzusteuern. Die Steuerungseinheit nimmt somit die Temperatur des Luftstroms als Schaltkriterium für die Verschwenkung des Heizgitters. Dabei können die genannte Höchsttemperatur und die genannte Mindesttemperatur bei einer einheitlichen Schalttemperatur zusammenfallen. Zur Vermeidung eines Heizgitterklapperns im Bereich der Schalttemperatur ist es jedoch günstiger, die genannte Höchst- und Mindesttemperaturen beabstandet voneinander zu wahlen, um eine Schalthysterese zu erzeugen.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung einer derartigen automatischen Heizeinrichtung ist vorgesehen, dass dem Heizgitter stromaufwärts im Strömungsbereich des Luftkanals ein mit der Steuerungseinheit verbundener Temperaturfühler vorgelagert ist. Dieser kann die Temperatur des Luftstroms vor dem Heizgitter und damit die aktuelle Effektivität der konventionellen Heizung erfassen. Für die Steuerung des Heizgitter-Schaltvorgangs ist nämlich die Temperatur, mit der die Luft in den Fahrzeuginnenraum geblasen wird, d. h. die Temperatur hinter dem Heizgitter, nicht von Belang. Wesentlich ist vielmehr die Frage, ob die konventionelle Heizung ausreicht, um einen komfortabel temperierten Luftstrom in das Fahrzeuginnere zu erzeugen oder ob es (noch) der Zusatzheizung mittels des Heizgitters bedarf. Selbstverständlich kann außerdem eine Temperatursteuerung auf Basis einer hinter dem Heizgitter erfassten Luftstromtemperatur realisiert sein. Diese ist jedoch für die vorliegende Erfindung nicht von Belang.
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Alternativ zu dem vor dem Heizgitter positionierten, separaten Temperaturfühler kann auch das Heizgitter selbst als Temperaturfühler genutzt werden, wenn es unter Verwendung temperatursensitiver Materialien, beispielweise PTC-Materialien aufgebaut ist. Die in diesem Fall beispielsweise durch Messung des elektrischen Widerstandes ermittelte Temperatur am Gitter stellt dabei einen mittelbaren Hinweis auf die für den Schaltvorgang relevante Temperatur des Luftstroms vor dem Gitter dar.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Heizeinrichtung weiter ein hitzebeständiges Gehäuse umfasst, welches als ein Abschnitt des Luftkanals ausgebildet ist und ein Schwenklager des verschwenkbaren Heizgitters trägt. Die Luftkanäle in einem Kraftfahrzeug sind typischerweise aus Kunststoff gefertigt. Ihre Wandungen eignen sich daher nur bedingt als Anlagefläche für das aus dem Luftstrom herausgeschwenkte aber noch heiße Heizgitter. Selbstverständlich wäre es möglich, die als Anlagefläche dienende Wandung des Luftkanals hitzebeständig zu beschichten. Dies würde jedoch zusätzlichen Montageaufwand bedeuten. Günstiger ist es daher, wie bevorzugt vorgesehen, das Heizgitter samt seiner Anlenkung in einem hitzebeständigen Gehäuse anzuordnen, welches als modulare Einheit in eine entsprechende Lücke des Kunststoff-Luftkanals eingesetzt werden kann und dabei selbst als Luftkanalabschnitt fungiert.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung dieser Variante ist vorgesehen, dass nicht nur das verschwenkbare Heizgitter an dem Gehäuse angelenkt ist, sondern dass auch der Aktuator und/oder die Steuerungseinheit und/oder der Temperaturfühler an der Wandung des Gehäuses festgelegt ist. Ganz besonders bevorzugt ist dabei die Festlegung aller drei genannten Elemente an der Gehäusewandung, da dies zu einer maximalen Modularität führt, die eine erfindungsgemäße Heizeinrichtung auch als Nachrüsteinheit wirtschaftlich interessant macht. Bei dieser maximal modularen Ausgestaltung müsste lediglich noch eine Verbindung zu einer Energieversorgung, insbesondere dem Bordnetz geschaffen werden.
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Bezüglich der speziellen Gestaltung der Gehäusewandung ist bevorzugt vorgesehen, dass das Heizgitter in seiner Lüftungsstellung in eine Ausbuchtung der Gehäusewandung versenkt liegt. Hierdurch wird sichergestellt, dass in der Lüftungsstellung keinerlei aerodynamische Wechselwirkung zwischen dem Luftstrom und dem aus dem Strömungsbereich herausgeklappten Heizgitter mehr zustande kommt.
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Die konkrete Ausgestaltung des Aktuators kann von den Anforderungen des Einzelfalls abhängig gemacht werden. Beispielsweise sind eine elektromotorische oder eine hydraulische Ausgestaltung denkbar. Als besonders günstig hat es sich jedoch erwiesen, wenn der Aktuator als elektromagnetisch ansteuerbarer Schieber ausgebildet ist, dessen Reaktionsteil an einem fest mit dem Heizgitter verbundenen Schwenkhebel angelenkt ist. Zur Realisierung der Erfindung sind vor allem zwei Schwenkstellungen des Heizgitters von Bedeutung. Bei besonderen Ausführungsformen der Erfindung mögen auch Zwischenstellungen zwischen der Heiz- und der Lüftungsstellung realisierbar sein. Solche Zwischenstellungen sind für den grundlegenden Erfindungsgedanken jedoch nicht wesentlich. Typischerweise ist es daher ausreichend, wenn der Aktuator ebenfalls (nur) in der Lage ist, zwei Stellpositionen anzufahren. Ein solcher Aktuator ist wirtschaftlich besonders günstig als elektromagnetischer Schieber realisierbar.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und der Zeichnung.
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Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Heizgittermoduls.
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1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen Heizgittermoduls 10 im eingebauten Zustand. Das Modul 10 weist ein hitzebeständiges Gehäuse 12 auf, welches vorzugsweise aus Metall besteht und besonders bevorzugt, zusätzliche wärmeisolierende Beschichtungen tragen kann. Das Gehäuse 12 bildet einen Rohr- oder allgemeiner Kanalabschnitt, dessen Dimensionen auf einen Luftkanal 14 abgestimmt sind, der zur Leitung von Heizungsluft in einem Kraftfahrzeug verlegt ist. Der Luftkanal 14 mündet mit seiner Kanalöffnung 16 im nicht näher dargestellten Innenraum des Kraftfahrzeugs. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Mündungsöffnung 16 des Luftkanals 14 durch ein Luftleitgitter 18 verschlossen, dessen Luftleitflächen vorzugsweise in ihrem Winkel verstellbar sind. Der Luftkanal ist an seinem rückwärtigen Ende in nicht dargestellter, dem Fachmann jedoch geläufiger Weise mit einer Warmluftquelle verbunden. Es handelt sich dabei typischerweise um einen Wärmetauscher, der mit dem Antriebsaggregat des Kraftfahrzeugs in Wärmeaustausch steht und der von einem mittels eines Gebläse erzeugten Luftstrom 20 durchströmt wird. Wie in 1 gezeigt, lässt sich das Heizgittermodul 10 mit den Wandungen seines Gehäuses 12 im Wesentlichen bündig in die Wandung des Luftkanals 14 einfügen. Die Wandung des Gehäuses 12 trägt ausgangsseitig eine Schwenkachse 22, an der ein elektrisch beheizbares Gitter, nämlich das Heizgitter 24 angelenkt ist. Die Gestaltung eines Heizgitters 24 ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Er kann hier auf sämtliche zur Verfügung stehende Techniken Zurückgreifen. Die zum Betrieb des Heizgitters 24 offensichtlich erforderliche elektrische Energiequelle ist in 1 nicht dargestellt. Das Heizgitter 24 ist im Bereich der Schwenkachse 22 mit einem Schwenkhebel 26 versehen, der mit dem Reaktionsteil eines Aktuators, im dargestellten Fall mit dem Stößel 28 eines elektromagnetischen Schiebers 30, verbunden ist. Der Stator des elektromagnetischen Schiebers 30, ist starr mit der äußeren Wandung des Gehäuses 12 verbunden, wie in 1 durch die Fixierbänder 32 angedeutet.
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Durch Vorschub des Stößels 28, angedeutet durch den Verschiebepfeil 31, wird auf das Heizgitter 24 ein Drehmoment um die Schwenkachse 22 ausgeübt. Hierdurch kann, wie durch den Verschwenkpfeil 34 angedeutet, dass Heizgitter 24 von seiner mit durchgezogenen Linien gezeichneten Heizstellung in seine mit gestrichelten Linien gezeichnete Lüftungsstellung überführt werden. Rückzug des Stößels 28 bewirkt die entgegengesetzte Bewegung.
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In der Heizstellung durchsetzt das Heizgitter 24 im Wesentlichen den gesamten Querschnitt des Luftkanals 14. Der Luftstrom 20 durchsetzt somit das Heizgitter 24 und wird dabei erwärmt, sodass warme Luft in den Innenraum des Kraftfahrzeugs strömt. In der Lüftungsstellung hingegen ist das Heizgitter 24 vollständig aus dem Strömungsbereich des Luftkanals 14 herausgeklappt. Bei der dargestellten Ausführungsform ist hierfür eine spezielle Ausbuchtung 36 der Wandung des Gehäuses 12 vorgesehen. In der Lüftungsstellung kann somit der Luftstrom 20 vollkommen ungehindert durch das Gehäuse 12, welches einen Abschnitt des Luftkanals 14 bildet, hindurchströmen. Es findet weder eine aerodynamische noch eine thermische Wechselwirkung zwischen dem Heizgitter 24 und dem Luftstrom 20 statt.
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Zur Bestimmung des Schaltzeitpunktes zur Umschaltung zwischen der Heizstellung und der Lüftungsstellung des Heizgitters 24 ist eingangsseitig des Moduls 10 ein Temperatursensor 38 angeordnet, der in den Strömungsbereich des Luftkanals 14/12 hineinragt und die Temperatur des Luftstroms 20 vor dem Heizgitter 24 ermittelt. Der ermittelte Wert wird über eine Steuerleitung 40 an eine Steuerungseinheit 42 weitergegeben, die den ermittelten Wert mit einem gespeicherten Temperatur-Maximalwert vergleicht. Wird der Temperatur-Maximalwert überschritten, steuert die Steuereinheit 42 über eine weitere Steuerleitung 44 den Aktuator 30 an, sodass das Heizgitter 24 von seiner Heizstellung in die Lüftungsstellung geklappt wird. Vorzugsweise wird dabei auch die Energiezufuhr zum Heizgitter 24 unterbrochen. Dies kann über eine entsprechende Steuerung erfolgen oder aber auch über einen mit dem Verschwenken des Heizgitters 24 betätigten Mikroschalter. Die Rückverschwenkung des Heizgitters 24 in die Heizstellung kann auf beliebige Weise angesteuert werden. Beispielsweise kann dies bei jedem Abstellen des Motors erfolgen, sodass sich das Heizgitter 24 bei jedem Neustart des Motors bereits in der Heizstellung befindet. Alternativ kann die Verschwenkung mit dem Neustart des Motors erfolgen. Bei beiden Varianten können auch zusätzliche Aspekte, wie insbesondere die Außentemperatur oder die Temperatur des Luftstroms 20 als weitere Randbedingungen berücksichtigt werden. Auch ist es möglich, eine Mindesttemperatur des Luftstroms 20 zu definieren, die mittels des Temperatursensors 38 erfasst wird und bei deren Unterschreitung eine Verschwenkung des Heizgitters 24 in die Heizstellung erfolgt. Bei der Definition dieser Mindesttemperatur ist jedoch zu berücksichtigen, dass im Fall einer aktiven Kühlung des Fahrzeuginnenraums auch recht niedrige Luftstromtemperaturen durchaus gewollt sein können. Entsprechend können auch hier weitere Aspekte, wie insbesondere die Außentemperatur und/oder vorgenommene Einstellungen an der Klimasteuerung des Kraftfahrzeugs als weitere Randbedingungen berücksichtigt werden.
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Bei der dargestellten Ausführungsform, bei der der Aktuator 30, die Steuereinheit 42 und der Temperatursensor 38 fest mit dem Gehäuse 12 verbunden sind, sind sämtliche wesentliche Elemente mit Ausnahme einer Energieversorgung in einer modularen Baugruppe zusammengefasst. Entsprechend gering ist der Montageaufwand, der sich auf ein Einsetzen des Moduls 10 in den Luftkanal 14 und ein Anschließen an eine elektrische Energiequelle, insbesondere das Bordnetz beschränkt.
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Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere wird die Dimensionierung der einzelnen Elemente sowie die spezielle Gestaltung der Steuerung vom Fachmann in Ansehung der Anforderungen des Einzelfalls vorzunehmen sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Heizgittermodul
- 12
- Gehäuse
- 14
- Luftkanal
- 16
- Luftkanalmündung
- 18
- Mündungsgitter
- 20
- Luftstrom
- 22
- Schwenkachse
- 24
- Heizgitter
- 26
- Schwenkhebel
- 28
- Reaktionsteil/Stößel
- 30
- Aktuator/Schieber
- 31
- Verschiebepfeil
- 32
- Fixierband
- 34
- Verschwenkpfeil
- 36
- Ausbuchtung
- 38
- Temperaturfühler
- 40
- Steuerleitung
- 42
- Steuerungseinheit
- 44
- Steuerleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4213510 C1 [0002, 0004]
- DE 10121904 A1 [0005]
