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Die Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage mit mehreren Steuerklappen zur Erzeugung eines Warmluft- und eines Kaltluftstromes innerhalb der Klimaanlage. Die konstruktive Ausgestaltung und die Positionierung der Steuerklappen zueinander führen zu einer Verbesserung der Linearität der Klappensteuerung beim Temperieren und Belüften von Kraftfahrzeug-Innenräumen.
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Im Stand der Technik ist es bekannt, Kraftfahrzeuge mittels Klimaanlagen zu temperieren, insbesondere zu heizen und zu kühlen sowie zu belüften, wobei die Luftströme in unterschiedliche Bereiche des Fahrzeuges geleitet werden. Der Klimaanlage wird Frischluft von außen und/oder Umluft aus dem Fahrzeuginnenraum zugeführt. Der von der Klimaanlage zu behandelnde Luftstrom wird durch Kühlung zunächst entfeuchtet und nachfolgend wird zumindest ein Teilluftstrom wieder erwärmt. Durch Mischung des Kaltluftstromes mit dem Warmluftstrom kann die gewünschte Temperatur eingestellt und anschließend im Fahrzeuginnenraum verteilt werden.
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Bei der Auswahl von Temperatur und Luftmenge wird vom Fahrer eine hinreichende Linearität oder Proportionalität gefordert, was bedeutet, dass sich die Einstellung an der Skala der Temperaturwahl-Einrichtung in linearer oder proportionaler Weise auf die Temperatur der an den Fahrzeuginnenraum abgegebenen Luft übertragen sollte. Der Strömungspfad des Warmluftstromes durch den Heizungswärmeübertrager weist einen höheren Strömungswiderstand auf als der Strömungspfad des Kaltluftstromes der lediglich gekühlten und nicht wieder erwärmten Luft. Dieser Umstand und die damit verbundenen Probleme mit der Linearität der Steuerklappen durch die unterschiedlichen Strömungswiderstände sind im Stand der Technik bekannt.
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Im Stand der Technik sind zur Lösung dieses Problems Vorrichtungen mit einer oder mehreren Steuerklappen bekannt, welche die Aufteilung der Luftströmung durch die Klimaanlage festlegen.
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Beispielsweise wird in der
DE 101 47 112 A1 eine Vorrichtung zum Temperieren und Belüften von Kraftfahrzeugen mit einer Steuerklappe offenbart, welche zwei Klappenflügel aufweist. Diese Steuerklappe ist in einem Gehäuse schwenkbar gelagert und eine Flachseite der Steuerklappe weist ein Leitelement auf. Zwischen der Flachseite und dem Leitelement ist dadurch ein zusätzlicher Strömungsquerschnitt ausgebildet, durch den die Luft strömen kann.
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Aus der
DE 196 31 371 A1 ist eine Heizungs- oder Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug bekannt, welche mit zwei nebeneinander angeordneten Luftaustrittskanälen ausgebildet ist, denen eine gemeinsame, die Luftmenge und/oder Temperatur steuernde Klappe zugeordnet ist. Eine zusätzliche Einstellmöglichkeit hinsichtlich Luftmenge und/oder Temperatur ist dadurch geschaffen, dass die Klappe entlang einer senkrecht zur Luft-Strömungsrichtung verlaufenden Kante eine variable Strömungs-Ablenkleiste aufweist. Diese Strömungs-Ablenkleiste erstreckt sich über einen Teil der Kantenlänge und reicht über beide Luftaustrittskanäle.
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Weiterhin sind im Stand der Technik gattungsbildende Luftbehandlungseinrichtungen bekannt, bei denen mindestens zwei Steuerklappen zur Strömungsaufteilung Verwendung finden, eine Kaltluftklappe zur Regelung der Luftströmung durch einen Kaltluftpfad und eine Warmluftklappe zur Regelung der Luftströmung durch eine Heizeinrichtung entlang eines Warmluftpfades. Eine Steuerklappe ist vereinfacht als ebene Klappenscheibe ausgebildet, welche in derselben Größe und Form ausgeführt ist wie die Öffnung im Strömungspfad, um diesen luftdicht zu verschließen. Dabei bildet die Klappenscheibe idealisiert eine Ebene, die im Fall der vollständig geschlossenen Steuerklappe mit der Ebene der Öffnung im Strömungspfad zusammenfällt. Weiterhin ist innerhalb der Ebene der Klappenscheibe eine Drehachse angeordnet. Diese Drehachse verläuft in der Regel mittig und symmetrisch durch den Schwerpunkt der Klappenscheibe, um das zum Antrieb benötigte Drehmoment zu minimieren. Diese Bauweise hat zur Folge, dass eine Klappenhälfte, ein sogenannter Klappenflügel, bei vollständiger Öffnung der Steuerklappe in die Richtung der Luftströmung zeigt und der andere Klappenflügel ihr entgegen. Die geöffnete Klappenscheibe teilt die Öffnung im Strömungspfad daher in zwei Bereiche, welche auch als Passagen bezeichnet werden.
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Die
KR 10-2006-0028202 A betrifft dazu einen Steuerklappen-Mechanismus für Kraftfahrzeug-Klimaanlagen zur präzisen Steuerung der Öffnungswinkel. Nach dieser Druckschrift sind die Steuerklappen über Zahnriemen oder Ähnliches mit einer gemeinsamen Antriebsvorrichtung verbunden, so dass die Öffnungswinkel der einzelnen Steuerklappen stets in einer festen Beziehung zueinander stehen.
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Weiterhin wird in der
KR 10-2010-0126938 A eine Mischklappe einer Klimaanlage beschrieben, welche speziell zur Reduzierung der Ausmaße des Klimaanlagen-Gehäuses ausgebildet ist. Die Mischklappen des Warmluft- und des Kaltluftpfades sind als Schmetterlingsventile ausgeführt, welche über einen gemeinsamen Steuerhebel miteinander verbunden sind und gemeinsam bewegt werden. Somit befinden sich die Mischklappen auch hier stets in einer definierten Relation zueinander.
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Es ist bekannt, dass die Linearität der Klappensteuerung teilweise verbessert werden kann, wenn der Kaltluftpfad der Klimaanlage mit weiteren Widerständen im Luftstrom versehen wird, um den höheren Strömungswiderstand durch den Heizungswärmeübertrager im Warmluftpfad zu kompensieren. Dies wird mit Mitteln erreicht, welche den Strömungsquerschnitt reduzieren, wie beispielsweise V-förmige Öffnungen oder Strömungsleitelemente. Nachteilig ist, dass diese zusätzlichen Widerstände im Kaltluftpfad den Luftstrom durch die Klimaanlage und deren Effizienz durch erhöhten Energieverbrauch und zusätzlich eingesetzte technische Mittel verringern.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Linearität der Klappensteuerung der Kraftfahrzeug-Klimaanlage zu verbessern, ohne die Leistung der Anlage insgesamt zu verringern. Dabei soll die Lösung technisch unaufwändig und kostengünstig realisierbar sein.
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Die Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage mit mehreren Steuerklappen gelöst, wobei die Steuerklappen als mindestens eine Kaltluftklappe und als mindestens eine Warmluftklappe zum Regeln eines Kaltluftpfades und eines Warmluftpfades ausgebildet sind. Die Steuerklappen sind derart ausgebildet und positioniert, dass zwischen den Steuerklappen in Abhängigkeit der Klappenstellung eine Passage für einen Teilluftstrom ausbildbar ist. Diese Passage bildet einen zusätzlichen Luftströmungswiderstand für den Kaltluftstrom, welcher die Linearität der Durchflussregelung von Kaltluftstrom und Warmluftstrom erhöht.
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Bevorzugt ist die Kaltluftklappe linear antreibbar ausgebildet, wohingegen die Warmluftklappe bevorzugt nichtlinear oder linear antreibbar ausgebildet ist.
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Ausgehend von symmetrisch ausgebildeten Steuerklappen nach dem Stand der Technik als ebene Klappenscheiben, durch deren Mittelpunkt und innerhalb der Klappenscheibe die Drehachse verläuft, ergibt sich eine bevorzugte und einfache Ausgestaltung der Erfindung dadurch, dass die Kaltluftklappe und/oder die Warmluftklappe eine Drehachse aufweisen/aufweist, die außermittig und asymmetrisch in der Ebene der Klappenscheibe angeordnet sind/ist. Die asymmetrische Ausführung der Drehachse der Steuerklappe erfolgt durch eine außermittige Parallelverschiebung der Drehachse innerhalb der Ebene der Klappenscheibe.
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Alternativ zu dieser Ausgestaltung ist eine Variante vorteilhaft realisierbar, bei der die Kaltluftklappe und/oder die Warmluftklappe eine Drehachse aufweisen/aufweist, die außerhalb der Ebene der Klappenscheibe angeordnet sind/ist. Diese Ausführung ist durch eine Parallelverschiebung der Drehachse nach außerhalb der Ebene der Klappenscheibe, aber mittig zur Klappenscheibe, gekennzeichnet. Das bedeutet, dass die Drehachse weiterhin parallel zur Ebene der Klappenscheibe und die Projektion der Drehachse durch den Mittelpunkt der Klappenscheibe verlaufen.
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Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich dadurch, dass die Drehachse der Kaltluftklappe außermittig und innerhalb der Ebene der Klappenscheibe und die Drehachse der Warmluftklappe mittig und außerhalb der Ebene der Klappenscheibe angeordnet sind. Die asymmetrische Ausführung der Drehachse der Kaltluftklappe erfolgt durch eine außermittige Parallelverschiebung der Drehachse innerhalb der Ebene der Klappenscheibe, wohingegen die asymmetrische Ausführung der Drehachse der Warmluftklappe durch eine Parallelverschiebung der Drehachse nach außerhalb der Ebene der Klappenscheibe, aber mittig zur Klappenscheibe gekennzeichnet ist.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Kaltluftklappe und die Warmluftklappe durch eine asymmetrische Ausführung ihrer Drehachsen derart untereinander in Wechselwirkung treten, dass der Luftwiderstand der Passage in der 50 %-Warm-Einstellung der Kraftfahrzeug-Klimaanlage maximal ausgebildet und dadurch die Linearität der Durchflussregelung erhöht ist.
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Diese Ausgestaltung folgt der Konzeption der Erfindung, nach welcher die halb geöffnete Kaltluftklappe in Kombination mit der voll geöffneten Warmluftklappe der Kaltluftströmung einen relevanten Widerstand entgegensetzt, welcher dem Widerstand des Heizungswärmeübertragers entspricht, ohne bei vollständig geöffneter Kaltluftklappe zusätzliche Druckverluste zu erzeugen. Dabei soll bei halb geöffneter Kaltluftklappe überproportional mehr Strömungswiderstand im Kaltluftpfad vorliegen als es den beiden Passagen über und unter der Kaltluftklappe alleine entspricht. Um dies zu erreichen, ist die Warmluftklappe höher im Klimaanlagen-Gehäuse angebracht, das heißt näher zum Verdampfer und zur Kaltluftklappe. Daneben liegt ihre Drehachse nicht direkt in der Ebene der Klappenscheibe, sondern ist ebenfalls in Richtung Verdampfer und Kaltluftklappe verschoben. Die außermittig positionierte Drehachse der Kaltluftklappe ist ebenfalls näher zum Verdampfer hin verschoben angeordnet, so dass sich der Druckabfall über diese Klappe in voll geöffneter Position nicht verändert. Die obere Passage ist in halb geöffneter Position aber schmaler als die untere Passage, daher ist auch der Druckabfall an der oberen Passage höher als an der unteren Passage.
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Die Forderung nach einem Ausgleich des Strömungswiderstandes in dem Kaltluftpfad gegenüber dem Warmluftpfad in der halb geöffneten Position wird dadurch realisiert, dass die Positionierung der beiden Klappen zueinander und zum Gehäuse derart gewählt wird, dass die Passage für den Teilluftstrom zwischen den beiden Steuerklappen besonders eng und folglich mit signifikantem zusätzlichem Strömungswiderstand ausgebildet ist. Durch diesen zusätzlichen Strömungswiderstand werden speziell der Kaltluftpfad durch die untere Passage der Kaltluftklappe und der Warmluftpfad durch die obere Passage der Warmluftklappe behindert. Durch die Aufhängung der Warmluftklappe, deren Drehachse nicht direkt in der Ebene der Klappenscheibe liegt, ist jedoch ebenso die obere Passage der Warmluftklappe zugunsten der unteren Passage in der Öffnung verkleinert. Damit strömt der Großteil der Warmluft durch die untere Passage der Warmluftklappe und wird somit von der Verengung der Passage zwischen beiden Steuerklappen nicht betroffen. Im Ergebnis wird die Linearität der Klappensteuerung verbessert, wobei weder ein zusätzlicher Druckabfall in dem Warmluftweg noch ein zusätzlicher konstanter Widerstand in den Kaltluftweg eingebracht werden muss.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
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1: Klimaanlage mit zwei Steuerklappen nach dem Stand der Technik,
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2: Klimaanlage mit zwei Steuerklappen und 50 %-Warm-Einstellung nach dem Stand der Technik,
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3: Ausführung einer Klimaanlage mit verbesserter Linearität,
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4a: Steuerklappe nach dem Stand der Technik,
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4b: Steuerklappe mit außermittiger Drehachse,
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4c: Steuerklappe mit Drehachse außerhalb der Ebene der Klappenscheibe,
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4d: Steuerklappe mit außermittiger Drehachse außerhalb der Ebene der Klappenscheibe,
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5: Ausführung einer KFZ-Klimaanlage mit Strömungspfaden,
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6a: Widerstands-Modell einer KFZ-Klimaanlage,
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6b: Simulations-Modell der Strömungswiderstände und
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6c: Simulations-Modell mit relativen Abständen.
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In 1 ist ein Querschnitt durch eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage 1 mit zwei Steuerklappen 4, 5 nach dem Stand der Technik skizziert, wobei in dieser Ausführung der zu behandelnde Luftstrom 2 durch einen Verdampfer 3 einströmt. Die Steuerklappen 4, 5 sind als eine Kaltluftklappe 4 und eine Warmluftklappe 5 ausgebildet und besitzen je eine Drehachse 6 senkrecht zur Zeichenebene. Die Steuerklappen 4, 5 sind sowohl im vollständig geöffneten als auch im vollständig geschlossenen Zustand abgebildet. Ein Teil des zu behandelnden Luftstromes 2 strömt durch die Kaltluftklappe 4 und bildet den Kaltluftstrom. Der andere Teil des zu behandelnden Luftstromes 2 strömt durch die Warmluftklappe 5 und den dahinterliegenden Heizungswärmeübertrager 7. Der den Warmluftstrom 8 bildende Teil des zu behandelnden Luftstromes 2 erfährt im Heizungswärmeübertrager 7 einen Strömungswiderstand, welcher einer Linearität der Steuerung der Klappen entgegensteht. Nach der Passage durch den Heizungswärmeübertrager 7 bewegt sich der Warmluftstrom 8 nach oben und wird mit dem Kaltluftstrom vermischt, welcher die Kaltluftklappe 4 passiert. Aus dem Warmluftstrom 8 und dem Kaltluftstrom wird in Abhängigkeit der Klappenstellung ein Luftstrom 10 mit der gewünschten Temperatur erzeugt, der über Luftausgangsklappen 9 schließlich auf die Luftausgänge verteilt und über die jeweiligen Frischluftdüsen in den Fahrzeuginnenraum eingeblasen wird.
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Die 2 zeigt schematisch eine Klimaanlage 1 mit zwei Steuerklappen 4, 5 nach dem Stand der Technik im Querschnitt, wobei die Stellung beider Steuerklappen 4, 5 einer 50 %-Warm-Einstellung entspricht. In dieser Klappen-Position, welche einer häufig ausgewählten Temperatureinstellung entspricht, befindet sich die Kaltluftklappe 4 in einer halb geöffneten und die Warmluftklappe 5 in einer vollständig geöffneten Position. Weiterhin sind die Luftstrompfade eingezeichnet, die durch die Öffnungen der beiden Steuerklappen 4, 5 führen. Die Bauweise einer Steuerklappe 4, 5 nach dem Stand der Technik sieht eine Drehachse 6 vor, die senkrecht auf der Zeichenebene steht. Somit teilt jede geöffnete Steuerklappe 4, 5 den Luftstrom in zwei Teilströmungen, welche gleich groß sind, falls die Drehachse 6 in zentraler mittiger Lage innerhalb der Steuerklappe 4, 5 ausgebildet ist. In 2 ist die obere Passage 11 der Luftströmung durch die Kaltluftklappe 4, die untere Passage 12 durch die Kaltluftklappe 4 sowie die obere Passage 13 und die untere Passage 14 durch die Warmluftklappe 5 dargestellt.
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In der dargestellten 50 %-Warm-Einstellung führt der Kaltluftweg durch die Passagen 11, 12 und 15 hindurch, die einen gewissen Widerstand für die Luftströmung darstellen. Wenn in diesem Fall die Linearität nicht ausreicht, weil der Widerstand des Warmluftstromes 8 durch die Heizeinrichtung 7 noch größer ist, kann die Blende 16 zur Verengung des Querschnitts der Kaltluftklappe 4 noch größer dimensioniert werden. Eine weitergehende Reduktion des Strömungsquerschnitts der Kaltluftpassagen 11 und 12 reduziert jedoch auch den gesamten Luftstrom durch die Klimaanlage 1.
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Die 3 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Klimaanlage 1 mit erhöhter Linearität bei einer 50 %-Warm-Einstellung der Steuerklappen 4, 5. In der dargestellten Ausführung ist an der Kaltluftklappe 4 sowohl deren Achsenlager im Gehäuse als auch deren Drehachse 6 an der Kaltluftklappe 4 selber höher und außermittig angeordnet. Damit ist der untere Klappenbereich länger und die obere Passage 11 der Kaltluftklappe 4 verengt ausgebildet. Eine weitere Verbesserung betrifft die Warmluftklappe 5, deren Drehachse 6 sich nunmehr außerhalb der Ebene der Klappenscheibe 17 befindet, das heißt in einem gewissen Abstand davor. Beide Optimierungsmaßnahmen bewirken, dass sich der Querschnitt der Passage 15 zwischen der Kaltluftklappe 4 und der Warmluftklappe 5 reduziert. Wegen der veränderten Anordnung der Steuerklappen 4, 5 ist sowohl die obere Passage 11 der Kaltluftklappe 4 als auch die Passage 15 zwischen der Kaltluftklappe 4 und der Warmluftklappe 5 verengt ausgebildet, was den Strömungswiderstand des gesamten Kaltluftpfades deutlich erhöht. Gleichzeitig vergrößert die neuartige Aufhängung der Warmluftklappe 5 die untere Passage 14 durch die Warmluftklappe 5. Beide Maßnahmen führen somit zu einem Anstieg der Luftströmung durch die Heizeinrichtung 7 und damit zu einer Erhöhung der Linearität. Weitere, nicht abgebildete Ausführungsvarianten sehen vor, die unterschiedlichen Ausführungen der Drehachsen 6 auf andere Weise mit den Steuerklappen 4, 5 zu verbinden, so dass weitere Kombinationen der Ausführung der Drehachsen 6 mit anderen Positionen der Steuerklappen 4, 5 möglich sind. Dadurch ist es möglich, die Passage 15 zwischen der Kaltluftklappe 4 und der Warmluftklappe 5 in der 50 %-Warm-Einstellung je nach Anwendungsprofil mit einem gewünschten Strömungswiderstand auszuführen. Die Steuerklappen 4, 5 sind konzeptionsgemäß derart angeordnet, dass das untere Ende der Kaltluftklappe 4 und das obere Ende der Warmluftklappe 5 in der 50 %-Warm-Einstellung so nah beieinander angeordnet sind, dass sie eine Passage 15 zwischen der Kaltluftklappe 4 und der Warmluftklappe 5 ausbilden, die eine Verringerung des Strömungsquerschnittes bewirkt. Davon betroffen sind die Luftströmung durch die untere Passage 12 der Kaltluftklappe 4 sowie die Luftströmung durch die obere Passage 13 der Warmluftklappe 5.
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In den 4a bis 4d sind verschiedene Ausgestaltungen von Steuerklappen 4, 5 dargestellt.
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Die 4a zeigt eine Steuerklappe nach dem Stand der Technik mit einer kreisrunden Klappenscheibe 17 und einer Drehachse 6, welche innerhalb der Ebene der Klappenscheibe 17 und durch den Mittelpunkt der Klappenscheibe 17 führend ausgebildet ist.
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Die erfindungsgemäße Ausführungsvariante, die in 4b wiedergegeben ist, zeigt eine Steuerklappe, deren außermittige Drehachse 6 innerhalb der Ebene der Klappenscheibe 17, aber nicht durch den Mittelpunkt der Klappenscheibe 17 führend ausgebildet ist. Durch die Parallelverschiebung der Drehachse 6 innerhalb der Ebene der Klappenscheibe 17 liegen bei geöffneter Steuerklappe zwei Passagen mit unterschiedlich großen Öffnungen vor.
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In 4c ist eine Steuerklappe dargestellt, deren Drehachse 6 außerhalb der Ebene der Klappenscheibe 17 ausgebildet ist. Die senkrechte Projektion der Drehachse auf die Klappenscheibe 17 führt aber weiterhin durch den Mittelpunkt der Klappenscheibe 17. Je größer die Parallelverschiebung der Drehachse 6 von der Ebene der Klappenscheibe 17 ausgebildet ist, desto größer wird bei geöffneter Steuerklappe der Unterschied zwischen den Öffnungen der Passagen.
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Schließlich zeigt 4d eine Steuerklappe, deren Drehachse 6 sowohl nach außerhalb des Mittelpunkts der Klappenscheibe 17 als auch nach außerhalb der Ebene der Klappenscheibe 17 parallel verschoben ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsvariante kann der Unterschied zwischen den Flächen der Passagen bei geöffneter Steuerklappe 4, 5 gemäß den 3 und 5 einerseits durch den Abstand der Drehachse 6 von der Ebene der Klappenscheibe 17 und andererseits durch die laterale Verschiebung der Drehachse 6 innerhalb dieser Ebene vorgegeben werden. In einer weiteren, nicht abgebildeten Ausführungsvariante ist auch eine verkippte Ausführung der Drehachse 6 zur Ebene der Klappenscheibe 17 vorgesehen.
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5 zeigt einen Querschnitt durch eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage 1 mit Strömungspfaden. An der Warmluftklappe 5 ist die Drehachse 6 außerhalb der Ebene der Klappenscheibe 17 ausgebildet, wohingegen die Kaltluftklappe 4 nach herkömmlicher, also ebener Bauart ausgebildet ist. Dieser verallgemeinerten Anordnung liegt abermals die 50 %-Warm-Einstellung der Steuerklappen zugrunde. In alternativen Ausführungsvarianten ist es auch vorgesehen, die Kaltluftklappe 4 mit einer Drehachse 6 außerhalb der Ebene der Klappenscheibe 17 auszubilden. Die resultierenden Luftströmungen in der Kraftfahrzeug-Klimaanlage 1 sind durch die Pfeile 11 und 14 wiedergegeben. In erster Näherung strömt ein großer Anteil des zu behandelnden Luftstroms 2 aus dem Verdampfer 3 durch die untere Passage 14 der Warmluftklappe 5 in Richtung Heizeinrichtung 7. Lediglich ein kleiner Anteil der Luft, der durch die Passage 14 unter der Warmluftklappe 5 strömt, wird nach oben umgelenkt und verbindet sich mit der restlichen Luftströmung, die durch die obere Passage 11 der Kaltluftklappe 4 strömt. Nach dieser Ausgestaltung ist die Luftströmung durch die Passage 15 zwischen der Kaltluftklappe 4 und der Warmluftklappe 5 vernachlässigbar.
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Die 6a zeigt die untersuchte Geometrie der Kraftfahrzeug-Klimaanlage als Widerstands-Modell, bei dem die verschiedenen Strömungspfade als eindimensionale Verbindungslinien dargestellt sind. Alle wesentlichen Engpässe der Luftströmungen werden durch Widerstandssymbole repräsentiert, welche mit R1 bis R5 bezeichnet sind. Als einen weiteren Strömungswiderstand wird derjenige durch die Heizeinrichtung 7 als R6 hinzugenommen.
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Analog zu einem elektrischen Schaltkreis kann ein verzweigter Gasstrom über vorgegebene Strömungswiderstände durch ein Computermodell simuliert werden, was in der 6b symbolisiert abgebildet ist. Da das Gas durch Röhren strömt, sich also vereinfacht eindimensional fortbewegt, wird die Simulation als eindimensionales Strömungswiderstands-Modell bezeichnet. Durch Variation von einzelnen Strömungswiderstands-Werten können unterschiedliche Widerstands-Kombinationen miteinander verglichen werden, die beispielsweise aus unterschiedlichen Steuerklappen-Konfigurationen herrühren.
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In diesem Modell repräsentiert das “Air In”-Element, Lufteingangs-Element, eine kleine Zuführung mit geringem Widerstand und das “Air Out”-Element, Luftausgangs-Element, einen ebensolchen Auslass. Der Luftstrom durch die Zuführung wird mit X l/s vorgegeben. Die Widerstände R1 bis R6 ergeben sich aus dem jeweiligen Druckabfall ∆p und der Stärke des Luftstroms I nach R = c·∆p/I2, wobei die Konstante c unter anderem die Eigenschaften des strömenden Mediums, etwa dessen Viskosität, enthält.
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Der Widerstand R2 repräsentiert die in den 3 und 5 dargestellte und zu untersuchende Passage 15 zwischen der Kaltluftklappe 4 und der Warmluftklappe 5 und der Widerstand R6 die Heizeinrichtung 7. Die Widerstände R1 und R3 stellen die Passagen 11 und 12 durch die Kaltluftklappe 4 dar, gleichwie R4 und R5 den Passagen 13 und 14 der Warmluftklappe 5 entsprechen. In einer 50 %-Warm-Einstellung ist eine klassische Ausgangsbasis für eine Optimierung der Linearität ein Verhältnis der Widerstände über die Kaltluftklappe 4 und die Warmluftklappe 5 wie folgt: R_kalt = x[Pa/(l/s)2] für die Kaltluftpassage und R_warm = ~2x[Pa/(l/s)2].
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In der 50 %-Warm-Einstellung und im Design der Steuerklappen nach dem Stand der Technik sind für die Widerstände R1, R4 und R5 Druckabfall-Werte von jeweils 52 Pa, entsprechend y Pa relativ, und für die Passage R3 ein Druckabfall von 0,2 y Pa relativ vorgegeben. Wird R2 auf einen niedrigen Wert gesetzt, beträgt nach der Simulation der Luftstrom durch die Heizeinrichtung 7 etwa 0,24 l/s, somit liegt die Linearität bei 24 %.
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In derselben Einstellung und im erfindungsgemäßen Design für eine sehr kleine Passage 15 zwischen der Kaltluftklappe 4 und der Warmluftklappe 5 werden für die Druckabfälle an R1, R4, R5 und R3 dieselben Werte vorgegeben. Wird R2 nun auf einen hohen Wert gesetzt, reduziert dies den Luftstrom durch R2 auf fast 0 L/s und der Volumenstrom durch die Heizeinrichtung 7 steigt auf 0,27 l/s, was eine Linearität von 27 % ergibt.
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Der resultierende Anstieg in der Linearität beruht darauf, dass sich durch die Vergrößerung des Widerstands R2 der Gesamtwiderstand über die Kaltluftklappe 4 und der Gesamtwiderstand über die Warmluftklappe 5 angleichen. Dadurch wird die Linearität im Vergleich zur Ausgangssituation erhöht, da in der Ausgangssituation der Widerstand über die Kaltluftklappe 4 kleiner ist als der über die Warmluftklappe 5, worin eine geringere Linearität begründet ist.
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Eine CFD-Berechnung (Computational Fluid Dynamics) an einem konkreten Modell gemäß
6c zeigt ebenfalls das gewünschte Verhalten. Die Verhältnisse der Geometrien sind nachfolgend aufgezeigt: Obere Temperaturtüre
| Länge | a = 1,0 a |
| Distanz (außermittig) | j = 0,0 a |
| Distanz (in der Klappenebene) | e = 0,5 a |
| Spalt zwischen oberer Dichtung und Gehäuse | f = 0,1 a |
Untere Temperaturtüre
| Länge | b = 0,9 a |
| Distanz (außermittig) | h = 0,2 a |
| Distanz (in der Klappenebene) | g = 0,4 a |
| Spalt zwischen unterer Dichtungund Gehäuse | i = 0,4 a |
| | |
| Spalt zwischen den Achsen (senkrecht zur Hauptströmungsrichtung) | d = 1,1 a |
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Ist der Spalt c = 0,3a, dann beträgt die Linearität des Systems bei 50 % warm: 50,5 %. Wird der Spalt c bei gleicher Winkelstellung der Klappen (50 % warm Klappenstellung) auf 0,1a verkleinert, vergrößert sich die Linearität auf 52,4 %.
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Es wurde ein einfaches und kostengünstiges Design zur Verbesserung der Linearität für Systeme mit mindestens zwei Steuerklappen 4, 5 vorgestellt. Die Positionen der Kalt- und Warmluftklappe 4 beziehungsweise 5 sind in einem neuen Design ausgeführt. Durch diese Optimierungsmaßnahmen wird die Linearität bei der untersuchten 50 %-Warm-Einstellung der Steuerklappen 4, 5 signifikant um 3 % verbessert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftfahrzeug-Klimaanlage
- 2
- zu behandelnder Luftstrom
- 3
- Verdampfer
- 4
- Kaltluftklappe, Steuerklappe
- 5
- Warmluftklappe, Steuerklappe
- 6
- Drehachse
- 7
- Heizungswärmeübertrager, Heizeinrichtung
- 8
- Warmluftstrom
- 9
- Luftausgangsklappen
- 10
- abgegebener Luftstrom
- 11
- obere Passage durch Kaltluftklappe 4, Kaltluftpassage, Pfeil
- 12
- untere Passage durch Kaltluftklappe 4, Kaltluftpassage, Pfeil
- 13
- obere Passage durch Warmluftklappe 5
- 14
- untere Passage durch Warmluftklappe 5, Pfeil
- 15
- Passage zwischen Kaltluftklappe 4 und Warmluftklappe 5
- 16
- Blende zur Verengung des Querschnitts
- 17
- Klappenscheibe
- R1
- Strömungswiderstand durch die obere Passage der Kaltluftklappe
- R2
- Strömungswiderstand durch den Spalt zwischen den Steuerklappen
- R3
- Strömungswiderstand durch die untere Passage der Kaltluftklappe
- R4
- Strömungswiderstand durch die obere Passage der Warmluftklappe
- R5
- Strömungswiderstand durch die untere Passage der Warmluftklappe
- R6
- Strömungswiderstand durch die Heizeinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10147112 A1 [0005]
- DE 19631371 A1 [0006]
- KR 10-2006-0028202 A [0008]
- KR 10-2010-0126938 A [0009]
