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Die Erfindung betrifft ein Klimagerät, zur Klimatisierung eines Fahrgastraums, mit einem Kühlelement, zur Kühlung von Luft, mit einem Luftkanal stromab des Kühlelements, zur Führung der Luft, mit einem Heizelement stromab des Luftkanals, zur Erwärmung der Luft, mit einer Mischzone stromab des Heizelements, mit mehreren Luftauslässen, zum Ausströmen von mehreren Teilluftströmen aus der Mischzone in unterschiedliche Bereiche des Fahrgastraums.
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Ein Klimagerät dient regelmäßig der Klimatisierung des Fahrgastraums eines Fahrzeugs. Dazu wird dem Fahrgastraum Luft zugeführt, welche mittels des Klimageräts gekühlt oder geheizt wird. Die Luft wird entweder als Frischluft aus der Umgebung des Fahrzeugs entnommen oder als Umluft aus dem Fahrgastraum entnommen und dann umgewälzt. Im Klimagerät erfolgt eine Kühlung der Luft typischerweise mittels eines Klima-Verdampfers, welcher an einen Kältekreis angeschlossen ist und in welchem zur Wärmeaufnahme Kältemittel verdampft wird. Zur Beheizung von Luft weist das Klimagerät üblicherweise ein Heizungswärmetauscher auf, der an einen Kühlmittelkreislauf angeschlossen ist und von warmem Kühlmittel, beispielsweise Wasser durchströmt wird.
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Zur Komfortsteigerung ist es möglich, die Luft in den Fahrgastraum auf unterschiedlichen Belüftungsebenen, d. h. in unterschiedliche Bereiche des Fahrgastraums, mit jeweils unterschiedlicher Temperatur einzuströmen. So wird es häufig als angenehmer empfunden, wenn auf Brusthöhe eingeströmte Luft um einige Grad kälter ist als in den Fußraum eingeströmte Luft. Hierzu ist es denkbar, im Sinne einer aktiven Schichtung den Luftstrom räumlich in mehrere Teilluftströme aufzuteilen und unterschiedlich zu erwärmen oder abzukühlen, bevor diese Teilluftströme dann jeweils in den Fahrgastraum eingeströmt werden. Eine solche Lösung erfordert jedoch eine Vielzahl zusätzlicher Stellglieder, d. h. Motoren oder allgemein Aktuatoren, und ist daher üblicherweise teuer.
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In der
DE 10 2007 014 835 B4 ist ein Klimagerät beschrieben, bei welchem Luft durch einen Heizungswärmeübertrager strömt, welcher zwei Kaltluftdurchlässe aufweist und welcher derart angeordnet ist, dass stromab desselben eine temperaturgeschichtete Luftströmung vorliegt, deren Schichten verschiedenen Luftauslässen zugeordnet sind. Dadurch lässt sich über unterschiedliche Auslässe Luft mit unterschiedlicher Temperatur in den Fahrgastraum einströmen.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Klimagerät anzugeben, welches einen erhöhten Komfort bei der Klimatisierung eines Fahrgastraums eines Fahrzeugs gewährleistet und dabei möglichst kostengünstig und effizient ist, Weiterhin soll das Klimasystem insbesondere zur Verwendung in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug geeignet sein und dazu möglichst energieeffizient im Betrieb sein. Weiterhin soll ein Verfahren zum Betrieb des Klimageräts angegeben werden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Klimagerät mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Klimagerät sinngemäß auch für das Verfahren und umgekehrt.
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Das Klimagerät ist zur Klimatisierung eines Fahrgastraums ausgebildet, d. h. zur Verwendung in einem Fahrzeug. Das Klimagerät weist ein Kühlelement auf, zur Kühlung von Luft, einen Luftkanal stromab des Kühlelements, zur Führung der Luft, ein Heizelement stromab des Luftkanals, zur Erwärmung der Luft, eine Mischzone stromab des Heizelements sowie mehrere Luftauslässe, zum Ausströmen von mehreren Teilluftströmen aus der Mischzone in unterschiedliche Bereiche des Fahrgastraums. Erfindungsgemäß ist ein zusätzlicher Kaltluftbypass ausgebildet, der am Heizelement vorbeigeführt ist, zur Zufuhr von zusätzlicher Kaltluft stromab des Heizelements.
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Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, dass bei einem möglichst kostengünstigen Klimagerät zur Erzeugung mehrere Teilluftströme mit unterschiedlichen Temperaturen sinnvollerweise auf eine aktive Schichtung mit zusätzlichen Stellgliedern und eine jeweils separate, aktive Klimatisierung der diversen Teilluftströme geeigneterweise verzichtet wird. Stattdessen ist die Mischzone, in welcher der vom Verdampfer abgekühlte Luftanteil und der vom Heizelement aufgewärmte Luftanteil aufeinander treffen, derart ausgeführt, dass sich stromab der Mischzone ein Luftstrom, d. h. hier insbesondere ein Gesamtluftstrom, mit einem Temperaturgradienten oder auch mit mehreren Temperaturzonen unterschiedlicher Temperatur ergibt. Stromab des Heizelements ist somit in der Mischzone ein geschichteter Luftstrom ausgebildet, der in unterschiedlichen Bereichen, d. h. Raumbereichen, auch unterschiedliche Temperaturen aufweist. Durch geschickte Anordnung der Luftauslässe lassen sich dann mehrere Teilluftströme mit unterschiedlichen Temperaturen erzeugen. Üblicherweise werden drei Teilluftströme erzeugt, für drei Bereiche des Fahrgastraums, welche auch Belüftungsebenen genannt werden, nämlich jeweils ein Teilstrom für den Fußraum, auf Brusthöhe des Insassen und entlang der Windschutzscheibe.
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Der oben beschriebene geschichtete Luftstrom bedingt jedoch eine starke Beheizung mittels des Heizelements, da bei einer zu geringen Temperatur des Heizelements nicht genügend Kaltluft in die Mischzone eingeleitet werden kann, um eine Schichtung zu erzeugen. Zur Herstellung einer geeigneten Schichtung sind häufig Temperaturen von 80°C oder mehr am Heizelement nötig. Dadurch ergibt sich ein entsprechend hoher Energiebedarf. Dies ist besonders bei einem Elektro- oder Hybridfahrzeug kritisch, welches vorrangig mittels eines Hochvoltspeichers und eines elektrischen Antriebsstrangs angetrieben wird, da hier kein permanent betriebener Verbrennungsmotor zur Verfügung steht und Wärme generiert, sondern vielmehr über elektrische Zuheizer zugeheizt werden muss. Die hierzu notwendige Energie wird dann direkt dem Hochvoltspeicher entnommen, was sich direkt negativ auf die Reichweite des Fahrzeugs auswirkt. Besonders nachteilig wirkt sich die erforderliche hohe Temperatur beim Einsatz einer Wärmepumpe zur Beheizung des Fahrzeuginnenraumes aus.
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Ein Kerngedanke der Erfindung besteht nun insbesondere darin, bei einem kostengünstigen Klimagerät ohne aktive Schichtung zusätzliche Kaltluft zuzuführen, um Teilluftströme mit unterschiedlicher Temperatur zu erzeugen, sodass die Notwendigkeit eines mittels des Heizelements in der Mischzone geschichteten Luftstroms entfällt. Dazu wird zusätzliche Kaltluft über den Kaltluftbypass am Heizelement und insbesondere auch an der Mischzone vorbeigeführt, d. h. nicht erwärmt, und stromab desselben der Luft zugeführt, um einen geeigneten Temperaturunterschied zu erzeugen. Das Heizelement wird dann vorteilhaft genau bei derjenigen Temperatur, d. h. einem entsprechenden Betriebspunkt, betrieben, welche gerade zum Erreichen der gewünschten Temperatur des wärmsten der Teilluftströme notwendig ist, insbesondere demjenigen in den Fußraum hinein. Ein ineffizienter Betrieb oberhalb dieser minimal benötigten Temperatur des Heizelements wird vermieden. Der Temperaturunterschied in dem kälteren Teilluftstrom wird dann durch Zufuhr, d. h. Beimischung, der zusätzlichen Kaltluft eingestellt.
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Der Kaltluftbypass ist vom Luftkanal insbesondere räumlich getrennt, sodass keine Wechselwirkung, d. h. kein Temperaturaustausch zwischen der Kaltluft und derjenigen Luft erfolgt, welcher weiter durch den Luftkanal und bis in die Mischzone geführt wird. Hierzu sind die Luft und die Kaltluft beispielsweise durch separate Kanäle geführt oder zumindest durch eine Wandung voneinander räumlich getrennt.
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In einer geeigneten Ausgestaltung ist das Heizelement als Heizungswärmetauscher ausgebildet, zum Austausch von Wärme zwischen einem Kühlmittel und Luft. Das Klimagerät weist dann insbesondere einen Kühlkreislauf auf, an welchen das Heizelement angeschlossen ist und aus welchem dem Heizelement Wärme zugeführt wird. In einer geeigneten Alternative ist das Heizelement ein Wärmepumpenkondensator oder ein Gaskühler des Klimageräts und dann insbesondere an einen Kältekreis des Klimageräts angeschlossen. Allgemein ist das Heizelement insbesondere ein Wärmetauscher, überträgt also Wärme zwischen zwei Wärmemedien, im Gegensatz zu einem elektrischen Heizelement.
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In einer geeigneten Ausgestaltung ist das Kühlelement als Klima-Verdampfer ausgebildet und an den Kältekreis des Klimageräts angeschlossen, über welchen dann Wärme abgeführt wird, die vom Kühlelement aufgenommen wird. In einer Variante erfolgt eine insbesondere indirekte Kühlung mittels eines Sekundärkreislaufs, d. h. eines sekundären Kühlkreislaufs. Dazu ist das Kühlelement beispielsweise als ein Wärmetauscher ausgebildet, welcher an den Sekundärkreislauf angeschlossen ist. Ähnlich dem Heizelement ist auch das Kühlelement allgemein insbesondere ein Wärmetauscher, zur Übertragung von Wärme zwischen zwei Wärmemedien.
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Der Kältekreis umfasst insbesondere auch eine Wärmepumpe, welche der Zufuhr von Wärme zum Heizelement dient. Eine solche Wärmepumpe ermöglicht eine besonders effiziente Verteilung von Wärme aus unterschiedlichen Teilen und Komponenten des Fahrzeugs, welche an den Kältekreises oder den Kühlkreislaufs angeschlossen sind. Insbesondere wird aus solchen Komponenten, die eine Wärmequelle darstellen, dann Wärme mittels der Wärmepumpe zum Heizelement geführt, welcher i. d. S. dann als Wärmesenke an die Wärmepumpe angebunden ist. Die Wärmepumpe ist insbesondere ein Teil des Klimageräts und weist üblicherweise einen Verdampfer, einen Kondensator und einen Verdichter auf, welche jeweils an den Kältekreis angeschlossen sind. Der Kondensator ist dann regelmäßig ein wassergekühlter Kondensator, welcher entsprechend über den Kühlkreislauf gekühlt wird und Wärme an diesen abgibt. Um vom Kondensator dann Wärme an das Heizelement weiterzugeben, ist dieser zweckmäßigerweise im Kühlkreis stromab des Kondensators angeordnet.
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Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass als Heizelement ein elektrisches Heizelement verwendet wird oder dass dem Heizelement im Kühlmittelkreislauf ein elektrischer Zuheizer vorgeschaltet ist. Vorzugsweise wird bei dem Klimagerät jedoch auf jegliche elektrisch betriebenen Zuheizer und Heizelemente verzichtet und stattdessen lediglich Abwärme von Fahrzeugkomponenten oder aus der Umgebung verwendet, wodurch dann das Klimagerät besonders energieeffizient ist. Besonders bevorzugt und effizient ist eine Wärmezufuhr zum Heizelement mittels einer Wärmepumpe.
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Über den Kaltluftbypass wird eine bestimmte Menge an Kaltluft zugeführt. Das Klimagerät weist nun geeigneterweise ein Kaltluftdosierelement auf, zum Einstellen der Menge an Kaltluft, die durch den Kaltluftbypass zugeführt wird, d. h. zur Kaltluftdosierung. Das Kaltluftdosierelement ist beispielsweise eine Bypassklappe, die dann auch als Schichtungsklappe bezeichnet wird, welche schwenkbar gelagert ist und im Kaltluftbypass eine Querschnittsänderung ermöglicht. In geschlossenem Zustand wird dann keine Kaltluft geführt, in offenem Zustand wird je nach Stellung des Kaltluftdosierelements eine gewisse Menge an Kaltluft zugeführt. Zusätzlich ist hierbei stromab des Kühlelements ein Mischluftdosierelement angeordnet, zum Einstellen eines Warmluftanteils, welcher über das Heizelement geführt ist sowie zum Einstellen eines Kühlluftanteils, der am Heizelement vorbeigeführt wird, d. h. allgemein zur Mischluftdosierung. Analog zum Kaltluftdosierelement dient das Mischluftdosierelement zur Realisierung einer Querschnittsänderung. Das Mischluftdosierelement bestimmt somit wesentlich die Temperatur der Luft in der Mischzone. Beispielsweise ist des Mischluftdosierelement eine Mischluftklappe oder eine Kombination aus mehreren Klappen, welche einen entsprechend einstellbaren Anteil der Luft aus dem Luftkanal über oder durch das Heizelement führt. Mittels des Kaltluftdosierelements ist dann die Menge an Luft einstellbar, welche über den Kaltluftbypass geführt wird. Mittels des Mischluftdosierelements ist dagegen die Menge an Luft einstellbar, welche in die Mischzone einströmt, sowie insbesondere auch die Temperatur der Luft in der Mischzone.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das Klimagerät derart ausgebildet, dass das Kaltluftdosierelement und das Mischluftdosierelement mittels lediglich eines gemeinsamen Stellglieds eingestellt werden. Dabei wird unter Stellglied insbesondere ein aktives Element verstanden, d. h. ein Aktuator, insbesondere ein Motor, auch Verstellmotor genannt, vorzugsweise ein Schrittmotor oder alternativ beispielsweise ein Servomotor. Beide Dosierelemente, d. h. das Kaltluftdosierelement und das Mischluftdosierelement, werden folglich mittels desselben Stellglieds angetrieben und eingestellt. Dieses Stellglied ist insbesondere auch das einzige Stellglied, welches die beiden Dosierelemente einstellt. Diese Ausgestaltung ist besonders kostengünstig, da auf ein zusätzliches Stellglied für den Kaltluftbypass verzichtet wird und ein solches entsprechend nicht vorhanden ist. Zur optimalen Einstellung der unterschiedlichen Temperaturen der mehreren Teilluftströme genügt vielmehr ein einziges Stellglied für die beteiligten Dosierelemente. Das Stellglied weist beispielsweise eine Kurvenscheibe auf, welche über einen Servomotor angesteuert wird und mittels welcher die beiden Dosierelemente dann verstellt werden.
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Geeigneterweise weist das Stellglied zwei Arbeitsbereiche, auch als Einstellbereiche bezeichnet, auf, nämlich einen ersten Arbeitsbereich, in welchem das Mischluftdosierelement eingestellt wird und einen zweiten Arbeitsbereich, in welchem das Kaltluftdosierelement eingestellt wird. Bei einem Schrittmotor werden dann beispielsweise unterschiedliche Winkelbereiche einer Vollumdrehung zur Ansteuerung und zum Einstellen der unterschiedlichen Dosierelemente verwendet. Allgemein lassen sich in der Ausgestaltung mit zwei Arbeitsbereichen die beiden Dosierelemente dann mittels desselben Stellglieds trotzdem gewissermaßen unabhängig voneinander einstellen, indem bei einer Betätigung des Stellglieds auf einem jeweiligen Arbeitsbereich oder Verstellen entlang dieses Arbeitsbereichs auch lediglich derjenige Luftstrom eingestellt und verändert wird, welcher über das zugehörige Dosierelement einstellbar ist. Es wird also entweder im Kaltluftbypass oder im Luftkanal der Querschnitt verändert, jedoch nicht in beiden zugleich. Beispielsweise wird auf einem jeweiligen Arbeitsbereich auch nur das zugehörige Dosierelement verstellt, während das andere Dosierelement in einer bestimmten Ruhestellung verharrt. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass beide Dosierelemente gleichzeitig eine Bewegung ausführen, dann allerdings nur eine dieser Bewegungen tatsächlich einen Effekt bezüglich des jeweiligen Luftstroms zeigt.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind das Kaltluftdosierelement und das Mischluftdosierelement mechanisch miteinander gekoppelt, d. h. mit einer mechanischen Kopplung mechanisch gekoppelt. Dabei werden die beiden Dosierelemente zwar gemeinsam verstellt, jedoch nicht notwendigerweise gleichzeitig. Mit anderen Worten: die Dosierelemente sind über eine geschleppte Kopplung, auch Kinematik miteinander verbunden. Die mechanische Kopplung ist beispielsweise eine gemeinsame Verbindung mit dem Stellglied. Alternativ ist auch ein Getriebe denkbar, mittels dessen zwischen den beiden Dosierelementen umgeschaltet wird, sodass zwar beide von demselben Stellglied angetrieben werden, jedoch immer nur eines mit dem Stellglied eingestellt wird. Bei einer beispielhaften, geeigneten Ausgestaltung ist die Kinematik mittels Kurvenscheibe realisiert, welche beide Dosierelemente verstellt. Die Kurvenscheibe selbst wird z. B. von einem Motor angetrieben. Denkbar ist allerdings auch eine speziell ausgebildete Kopplungskinematik, welche über geeignete Hebel und Lagerpunkte die entsprechende Verstellbarkeit realisiert. Allgemein ist durch die mechanische Kopplung insbesondere sichergestellt, dass beide Dosierelemente über dasselbe Stellglied verstellbar sind und auch verstellt werden, wenn auch nicht notwendigerweise zeitgleich.
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Der mechanischen Kopplung liegt insbesondere der Gedanke zugrunde, dass die zusätzliche Kaltluft nur in speziellen Situationen notwendig ist, nämlich insbesondere dann, wenn die Einstellungsmöglichkeiten mittels des Mischluftdosierelements erschöpft sind. Die besondere Kopplung ermöglicht vorteilhafterweise ein Verstellen der Dosierelemente derart, dass das eine Dosierelement lediglich dann eingestellt wird, wenn eine konkrete Klimatisierungsanforderung, insbesondere ein Temperaturunterschied der Teilluftströme, nicht mehr durch das andere Dosierelement bedient werden kann. Beispielsweise wird zunächst mittels des Mischluftdosierelements versucht eine gewünschte Klimatisierung des Fahrgastraums zu erzielen. Falls jedoch im Rahmen der Einstellmöglichkeiten des Mischluftdosierelements keine geeignete Schichtung möglich ist und kein geeigneter Temperaturunterschied zwischen den Teilströmen erzeugbar ist, wird stattdessen das Kaltluftdosierelement verwendet. Mittels des Kaltluftbypasses ist somit quasi ein erweiterter Einstellbereich des Klimageräts hinsichtlich einer möglichst komfortablen Klimatisierung des Fahrgastraums realisiert.
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In einer geeigneten Ausgestaltung weist das Mischluftdosierelement eine Endstellung auf, und das Kaltluftdosierelement wird lediglich dann geöffnet und eingestellt, wenn das Mischluftdosierelement in der Endstellung eingestellt ist. Die Endstellung des Mischluftdosierelements ist hierbei insbesondere eine Stellung, in welcher eine maximale Menge an Luft aus dem Luftkanal mittels des Heizelements erwärmt wird. Bei Verwendung einer oder mehrerer Klappen für das Mischluftdosierelement markiert die Endstellung insbesondere einen Anschlag, über welchen hinaus die Klappe oder die Klappen nicht weiter verfahrbar sind. In der Mischzone lässt sich dann keine Schichtung erzielen, da sämtliche Luft, welche der Mischzone zugeführt wird, mittels des Heizelements gleichermaßen erwärmt wird. In diesem Fall ist eine separate Zuführung von Kaltluft dann besonders sinnvoll, um überhaupt auf effiziente Weise Teilluftströme mit unterschiedlichen Temperaturen erzeugen zu können. Auf eine ineffiziente Erhöhung der Temperatur des Heizelements wird dann verzichtet.
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Um bereits in der Mischzone einen geschichteten Luftstrom erzeugen zu können, ragt das Heizelement zweckmäßigerweise lediglich teilweise in den Luftkanal hinein. Dadurch ergeben sich im Luftkanal insbesondere zwei Pfade für die Luft, nämlich ein erster Pfad durch das Heizelement hindurch und ein zweiter Pfad an diesem vorbei. Die beiden Pfade sind dabei lediglich derart baulich voneinander getrennt, dass insbesondere durch Einstellen des Mischluftdosierelements der Luftstrom auf die beiden Pfade unterschiedlich aufgeteilt werden kann, wodurch dann je nach Einstellung eine entsprechende Temperatur der Luft in der Mischzone erzeugt wird. Ein bestimmter Querschnitt des Luftkanals bleibt jedoch frei vom Heizelement und dient dann der Weiterleitung des Kühlluftanteils der Luft.
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Vorzugsweise wird auf die Erzeugung eines geschichteten Luftstroms in der Mischzone durch eine Erhöhung der Temperatur am Heizelement verzichtet und mittels diesem die Luft auf höchstens etwa 50°C erwärmt. Dadurch wird das Klimagerät durchgängig in einem besonders effizienten Niederheizbetrieb betrieben und eignet sich besonders zur Verwendung in einem Fahrzeug mit einer Wärmepumpe, d. h. einem Fahrzeug, bei welchem dem Heizelement mittels einer Wärmepumpe Wärme zugeführt wird. Die Effizienz der Wärmepumpe nimmt typischerweise mit steigender Temperatur am Heizelement deutlich ab und erfährt besonders im Bereich oberhalb von etwa 50°C einen deutlichen Einbruch, besonders in Kombination mit im Winter in Mitteleuropa üblichen Außentemperaturen zwischen –7 und 0°C. Die zum Heizen verwendete Wärme wird in einer möglichen Variante über einen Umgebungskühler aus der Umgebung des Fahrzeugs entnommen, sodass bei hoher Last der Wärmepumpe, um eine hohe Temperatur des Heizelements zu erreichen, am Umgebungskühler verstärkt die Gefahr einer Vereisung besteht. Da nun aufgrund der separaten Kaltluftzuführung über den Kaltluftbypass zur Komfortsteigerung keine Schichtung mittels des Heizelements mehr notwendig ist, ist es möglich, diesen auf einer entsprechend geringen Temperatur, d. h. höchstens etwa 50°C zu betreiben und somit die Wärmepumpe durchgängig effizient zu betreiben, auch bei den oben beschriebenen, niedrigen Außentemperaturen.
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Die Kaltluft wird vorzugsweise der Luft stromab des Kühlelements und stromauf des Heizelements entnommen, d. h. der Kaltluftbypass beginnt am Luftkanal und zweigt aus diesem Luft ab, welche zuvor am Kühlelement gekühlt wurde. Auf diese Weise weist die Kaltluft eine definierte Temperatur auf. Grundsätzlich ist es jedoch auch denkbar, die Kaltluft als Frischluft direkt aus der Umgebung des Fahrzeugs zu entnehmen. Um ein möglichst kostengünstiges Klimagerät zu erhalten, erfolgt vorzugsweise auch keine separate Kühlung der Kaltluft im Kaltluftbypass.
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Bevorzugterweise wird die Kaltluft dann stromab der Mischzone direkt einem der Teilluftströme zugeführt, insbesondere demjenigen Teilstrom, welcher dann auf Brusthöhe eines potentiellen Insassen in den Fahrgastraum eingeströmt wird. In dieser Ausgestaltung mündet der Kaltluftbypass also beispielsweise in einem der Luftauslässe, welcher den entsprechenden Teilluftstrom von der Mischzone abzweigt und einer der Belüftungsebenen zuführt. In einer grundsätzlich ebenfalls geeigneten Variante wird die jedoch Kaltluft in die Mischzone eingeströmt, um auf diese Weise dort einen geschichteten Luftstrom auszubilden, welcher anschließend in mehrere Teilluftströme aufgeteilt wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Klimagerät in einem Sommerbetrieb und in einem Winterbetrieb betreibbar und weist eine Steuereinheit, auch als Controller bezeichnet, auf, die derart ausgebildet ist, dass das Kaltluftdosierelement im Sommerbetrieb vollständig geschlossen wird und lediglich im Winterbetrieb eingestellt wird, um die zusätzliche Kaltluft über den Kaltluftbypass zuzuführen. Dazu steuert die Steuereinheit insbesondere das Stellglied an, und zwar vorzugsweise in Abhängigkeit einer Klimatisierungsanforderung und/oder der Außentemperatur. Im Sommerbetrieb erfolgt dann je nach Bedarf eine Mischung von Warmluftanteil und Kühlluftanteil in der Mischzone, wobei dann jeweils ein Kühlluftanteil des Luftstroms im Luftkanal mittels des Mischluftdosierelements am Heizelement vorbeigeführt wird, während ein verbleibender Warmluftanteil erwärmt wird. Der Kaltluftbypass ist hierbei vollständig geschlossen. Eine Verwendung des Kaltluftbypass erfolgt demnach vorrangig im Winterbetrieb, um insbesondere bei maximaler Beheizung mittels des Heizelements noch eine Temperaturdifferenz zwischen den unterschiedlichen Teilluftströmen zu erzeugen. Der Kaltluftbypass ermöglicht hierbei insbesondere quasi eine Erweiterung des Winterbetriebs derart, dass trotz vollständiger Beheizung der Luft im Luftkanal und damit einhergehendem Verlust einer Schichtung in der Mischzone noch Teilluftströme mit unterschiedlichen Temperaturen erzeugt werden.
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In einer vorteilhaften Variante wird der Kaltluftbypass jedoch auch im Sommerbetrieb verwendet, d. h. es wird im Sommerbetrieb zusätzliche Kaltluft über den Kaltluft-Bypass zugeführt. In diesem Fall ist es dann möglich, eine geringere Temperatur am Heizelement einzustellen und dennoch eine vorteilhafte Temperaturdifferenz zwischen den Teilluftströmen, also z. B. dem Fußraum und der Belüftung in Brusthöhe zu erzielen. In diesem Fall wird dann insbesondere auch die Wärmepumpe mit geringerer Leistung betrieben. Durch Verwendung zusätzlicher Kaltluft im Sommerbetrieb wird somit insgesamt die Effizienz des Klimageräts verbessert.
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Zweckmäßigerweise wird zur geeigneten Einstellung des Temperaturunterschieds das Kaltluftdosierelement mittels der Steuereinheit geregelt. Als Regelgröße wird beispielsweise der Temperaturunterschied verwendet oder eine vorgegebene Ausblastemperatur. Auch das Mischluftdosierelement wird zweckmäßigerweise entsprechend geregelt.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:
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1 ein Klimagerät und
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2 eine Verstellcharakteristik für Dosierelemente des Klimageräts.
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In 1 ist stark schematisiert ein Klimagerät 2 dargestellt, welches zur Klimatisierung eines Fahrgastraums 4 eines nicht näher gezeigten Fahrzeugs dient. Dazu wird in mehrere Bereiche des Fahrgastraums 4 über Luftauslässe 6 jeweils ein Teilluftstrom T1, T2, T3 eingeströmt. Diese dienen zur Klimatisierung der unterschiedlichen Bereiche, welche auch als Belüftungsebenen bezeichnet werden. So wird in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel der Teilstrom T1 entlang einer nicht näher dargestellten Windschutzscheibe des Fahrzeugs geführt, der Teilstrom T2 etwa in Brusthöhe eines nicht gezeigten Insassen ausgeströmt und der Teilstrom T3 in einen Fußraum des Fahrzeugs. Zur Erhöhung des Komforts sind die Teilluftströme T1, T2, T3 unterschiedlich temperiert, d. h. weisen unterschiedliche Temperaturen auf. Zumindest ist in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel der Teilluftstrom T2 um einige °C kühler als die beiden übrigen Teilluftströme T1, T3. Beispielsweise soll der Teilluftstrom T3 für den Fußraum eine Temperatur von etwa 45°C aufweisen und der Teilluftstrom T2 in Brusthöhe eines Insassen lediglich etwa 35°C. Der Teilluftstrom T1 weist beispielsweise ebenfalls eine Temperatur von 45°C auf.
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Zur Klimatisierung wird zunächst Luft L in das Klimagerät 2 eingeströmt oder eingezogen und passiert zunächst ein Kühlelement 8, welches zur Kühlung der Luft L dient und an einen nicht gezeigten Kältekreis des Klimageräts 8 angeschlossen ist. Stromab des Kühlelements 8 wird die Luft L durch einen Luftkanal 10 zu einem Heizelement 12 geführt, welches der Erwärmung der Luft L dient und welches hier als Heizungswärmetauscher ausgebildet ist, der an einen nicht gezeigten Kühlmittelkreislauf angeschlossen ist. In 1 ragt des Heizelement lediglich teilweise in den Luftkanal 10 hinein, sodass die Luft über zwei unterschiedliche Pfade geführt werden kann, nämlich als ein Kühlluftanteil LK am Heizelement 12 vorbei und/oder als ein Warmluftanteil LW durch das Heizelement 12 hindurch.
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Die Luft L wird dabei mittels eines Mischluftdosierelements 14 auf die beiden Pfade verteilt. Das Mischluftdosierelement 14 ist hier als Mischluftklappe ausgebildet, welche zugleich den Kühlluftanteil LK und den Warmluftanteil LW einstellt. Denkbar ist jedoch auch eine Ausgestaltung als zwei separate Klappen. Sowohl der Kühlluftanteil LK als auch der Warmluftanteil LW gelangen stromab des Heizelements 12 in eine Mischzone 16. Je nach Temperatur des Heizelements 12 liegt die Luft L dann hier als geschichteter Luftstrom vor oder die verschiedenen Luftanteile LK, LW vermischen sich. Im Falle einer Schichtung können in unterschiedlichen Bereichen der Mischzone 16 dann Teilluftströme T1, T2, T3 unterschiedlicher Temperatur abgegriffen werden. Eine solche Schichtung bedingt jedoch einen hinreichend großen Temperaturunterschied zwischen dem Kühlluftanteil LK und dem Warmluftanteil LW und eine starke Erwärmung über das Heizungswärmetauscher 12, welches dann eine Temperatur von beispielsweise bis zu 80°C aufweisen muss, d. h. weit oberhalb einer eigentlich benötigten Temperatur, beispielsweise der oben erwähnten 45°C. Dies geht jedoch üblicherweise zu Lasten der Effizienz des Klimageräts 2 und insbesondere einer nicht näher gezeigten Wärmepumpe des Klimageräts 2, welche unter Anderem der Versorgung des Heizelements 12 mit Wärme dient. Diese Wärmepumpe entnimmt die zum Erwärmen verwendete Wärme beispielsweise über einen nicht gezeigten Umgebungskühler aus der Umgebung des Fahrzeugs und muss bei starker Beheizung mit besonders hoher Leistung betrieben werden, wodurch entsprechend auch die Gefahr einer Vereisung für den Umgebungskühler entsteht. Diese Gefahr ergibt sich besonders bei niedrigen Außentemperaturen, beispielsweise im Bereich von –7 bis 0°C, d. h. insbesondere im Winter.
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Um das Klimagerät 2 dennoch insbesondere in einem Winterbetrieb besonders effizient zu betreiben, ist die maximale Temperatur des Heizelements 12 in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel auf etwa 50°C beschränkt. Um dann dennoch insbesondere bei einer ausbleibenden Schichtung der Luft L in der Mischzone 16 verschiedene Teilluftströme T1, T2, T3 mit unterschiedlichen Temperaturen bereitzustellen, weist das Klimagerät 2 zusätzlich einen Kaltluftbypass 18 auf, zur Umgehung des Heizelements 12 und zur Zuführung von Kaltluft K stromab des Heizelements 12. Die Kaltluft K wird dabei in 1 der Luft L stromab des Kühlelements 8 entnommen. In der hier gezeigten Ausführungsform mündet der Kaltluftbypass 18 dann direkt in einen der Luftauslässe 6, sodass der zugehörige Teilluftstrom T2 zusätzlich gekühlt wird und entsprechend ein Temperaturunterschied gegenüber den anderen beiden Teilluftströmen T1 und T3 erzeugt wird. Dadurch wird auch bei dem hier besonders kostengünstigen, einfachen und effizienten Klimagerät 2 eine Komfortsteigerung realisiert.
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Zum Einstellen der Menge an Kaltluft K, welche zugeführt wird, und somit letztendlich zum Einstellen des Temperaturunterschieds, ist im Kaltluftbypass 18 ein Kaltluftdosierelement 20 angeordnet, welches hier als eine Bypassklappe zum Öffnen und Schließen des Kaltluftbypass 18 ausgebildet ist, wobei auch Zwischenpositionen möglich sind. Üblicherweise ist das Kaltluftdosierelement 20 geschlossen, lediglich bei entsprechendem Bedarf wird zusätzliche Kaltluft K zugeführt. Mit anderen Worten: zunächst wird mittels des Mischluftdosierelements 14 die Luft L entsprechend beeinflusst und die Temperatur und gegebenenfalls eine Schichtung in der Mischzone 16 eingestellt. Erst in solchen Fällen, in denen keine geeignete Schichtung herstellbar ist und um das Klimagerät 2 weiterhin möglichst effizient zu betreiben, wird das Kaltluftdosierelement 20 eingestellt. Dies ist hier insbesondere dann der Fall, wenn das Mischluftdosierelement 14 eine Endstellung wie in 1 gezeigt einnimmt und die gesamte Luft L über das Heizelement 12 erwärmt wird. Ein geschichteter Luftstrom in der Mischzone 16 ist dann nicht mehr möglich, sodass dann entsprechend Kaltluft K zugeführt wird, indem das Kaltluftdosierelement 20 eingestellt und der Kaltluftbypass 18 zumindest teilweise geöffnet wird.
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Um das Klimagerät 2 weiterhin möglichst kostengünstig und einfach zu gestalten wird auf die separate Ansteuerung und Einstellung des Kaltluftdosierelement 20 und des Mischluftdosierelements 14, d. h. der beiden Dosierelemente 14, 20 verzichtet. Stattdessen werden beide Dosierelemente 14, 20 mittels eines gemeinsamen Stellglieds 22 eingestellt, welches insbesondere ein Aktuator ist, vorzugsweise ein Schrittmotor. Dabei sind die beiden Dosierelemente 14, 20 über das Stellglied 22 derart miteinander mechanisch gekoppelt, dass eine geschleppte Einstellung realisiert ist, bei welcher zu einem gegebenen Zeitpunkt immer lediglich eines der Dosierelemente 14, 20 eingestellt wird. Diese werden also zeitversetzt zueinander eingestellt, nämlich gerade derart, dass eine Betätigung durch das Stellglied 22 erst dann zu einer Verstellung des Kaltluftdosierelements 20 führt, wenn das Mischluftdosierelement 14 in der Endstellung ist. Die beiden Dosierelemente 14, 20 sind demnach insgesamt über eine geschleppte Kinematik miteinander verbunden [Siehe Anmerkung auf S. 8].
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Das Stellglied 22 ist dann derart ausgebildet, dass sich eine Verstellcharakteristik wie in 2 gezeigt ergibt. Die Verstellcharakteristik zeigt dabei die Stellung des jeweiligen Dosierelements 14, 20 in Abhängigkeit einer Stellung des Stellglieds 22. Die Stellung des Mischluftdosierelement 14 ist hierbei durch die beiden Kennlinien K1, K2 dargestellt, wobei die Kennlinie K1 eine Stellung bezüglich des Warmluftanteils LW zeigt und die Kennlinie K2 eine Stellung bezüglich des Kühlluftanteils LK. Eine dritte Kennlinie K3 zeigt die Stellung des Kaltluftdosierelements 20. Dabei entspricht eine Stellung von 100% einer vollständigen Öffnung, eine Stellung von 0% entspricht einem geschlossenen Zustand.
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Gemäß 2 weist das Stellglied 22 zwei Arbeitsbereiche A1, A2 auf, nämlich einen ersten Arbeitsbereich A1, in welchem lediglich das Mischluftdosierelement 14 eingestellt wird, d. h. ein Verhältnis der Luftanteile LK, LW, welche in die Mischzone 16 einströmen, und einen zweiten Arbeitsbereich A2, in welchem lediglich das Kaltluftdosierelement 20 eingestellt wird. Dabei befindet sich das Mischluftdosierelement 14 an der Grenze zwischen den beiden Arbeitsbereichen A1, A2 sowie über den kompletten Arbeitsbereich A2 hinaus in der Endstellung, wie besonders die Kennlinie K1 verdeutlicht. Diese Aneinanderreihung der Arbeitsbereiche A1, A2 ist ein wesentliches Merkmal der geschleppten Kinematik und der mechanischen und zeitlich versetzten Kopplung der beiden Dosierelemente 14, 20 mittels des gemeinsamen Stellglieds 22. Dabei wird deutlich, dass erst dann zusätzliche Kaltluft K über den Kaltluftbypass 18 zugeführt wird, wenn eine maximale Beheizung der Luft L vorliegt.
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Das Klimagerät 2 weist weiterhin wie in 1 gezeigt eine Steuereinheit 24 auf, welche unter Anderem der Ansteuerung des Stellglieds 22 dient. Dieses wird insbesondere in Abhängigkeit einer Klimatisierungsanforderung angesteuert, welche sich beispielsweise aus einer Heiz- oder Kühlanforderung bezüglich des Fahrgastraums 4 ergibt und/oder einer Außentemperatur, welche insbesondere ein Ausdruck der Witterung ist. Je nach Klimatisierungsanforderung wird dann des Klimagerät 2 in einem Sommerbetrieb oder einem Winterbetrieb betrieben.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Klimagerät
- 4
- Fahrgastraum
- 6
- Luftauslass
- 8
- Kühlelement
- 10
- Luftkanal
- 12
- Heizelement
- 14
- Mischluftdosierelement
- 16
- Mischzone
- 18
- Kaltluftbypass
- 20
- Kaltluftdosierelement
- 22
- Stellglied
- 24
- Steuereinheit
- A1
- erster Arbeitsbereich
- A2
- zweiter Arbeitsbereich
- K1, K2, K3
- Kennlinie
- L
- Luft
- LK
- Kühlluftanteil
- LW
- Warmluftanteil
- T1, T2, T3
- Teilluftstrom
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007014835 B4 [0002, 0005]
