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Die Erfindung betrifft eine verformbare Klappe zum Schließen und Öffnen eines Luftführungskanals sowie eine Luftführungsanordnung, die eine solche verformbare Klappe umfasst. Das Anwendungsgebiet der Erfindung liegt im Bereich von Heiz- und Klimageräten, insbesondere von Kraftfahrzeugen.
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Üblicherweise werden Klappen für Klimageräte als rotatorische Elemente ausgebildet und von außen über einen Motor oder eine Kinematik angetrieben. Dabei besteht die Klappe üblicherweise aus einer Hartkomponente, die das Türblatt in beliebiger Form, zum Beispiel gerade, tonnenförmig oder ähnlich, mitten- oder endgelagert ausbildet, und einer Weichkomponente, die die Dichtlippe umfasst, welche die eigentliche Dichtwirkung erzeugt.
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Durch Rotation kann die Klappe in eine Schließposition, in der Dichtlippen an Dichtflächen anliegen, oder eine maximale Öffnungsposition, in der die Klappe einen maximalen Öffnungsquerschnitt freigibt, oder in eine beliebige Zwischenposition eingestellt werden. Für die Bewegung der Klappe ist ein externer Antrieb, zum Beispiel ein Stellmotor oder eine Kinematik erforderlich.
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Die Klappe benötigt einen externen Antrieb, der Bauraum außerhalb des Klimageräts beansprucht. Zudem ist die Klappe in Zwischenstellungen strömungsungünstig, was unter anderem Geräuschbildung verstärkt.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht in der Konstruktion einer Klappe, die keinen externen Antrieb benötigt und möglichst in allen Positionen strömungsgünstig ist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine verformbare Klappe mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die verformbare Klappe ist geeignet zum Schließen und Öffnen eines Luftführungskanals für ein Heiz- und Klimagerät. Dabei ist die Klappe verformbar ausgebildet, indem der Querschnitt der Klappe sowohl eine Kreisform als auch mehrere unterschiedliche ovale Formen beziehungsweise Ellipsenformen mit unterschiedlichen Ausrichtungen und Erstreckungen von Haupt- und Nebenachse annehmen kann, derart, dass der Luftführungskanal oder dessen Öffnung mit der Klappe wahlweise vollständig verschlossen oder in unterschiedlichem Maße geöffnet werden kann.
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Das heißt, die Aufgaben „Öffnung verschließen“, „Öffnung teilweise verschließen“ und „Öffnen“ werden nicht, wie aus dem Stand der Technik bekannt, durch Rotation eines Elements vorgenommen, sondern durch ein Element, das seine Form ändert. Diese Form ändert sich zum Beispiel bei einem vertikal orientierten Luftführungskanal von einer liegenden Ellipse in der Schließposition „geschlossen zu einer aufrecht stehenden Ellipse in die Position „auf“, das heißt die Position mit maximalem Öffnungsquerschnitt. Zwischenpositionen können alle Formen der Ellipse einschließlich einer runden Form, das heißt einer Form mit kreisförmigem Querschnitt einnehmen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die verformbare Klappe zumindest teilweise aus einem Formgedächtnismaterial und kann mittels des Formgedächtniseffektes zwischen mehreren Formen wechseln. Das Formgedächtnismaterial ist in aller Regel eine Formgedächtnislegierung. Als bevorzugte Formgedächtnislegierung wird eine Nickel-Titan-Legierung verwendet, zum Beispiel Nitinol. Nitinol ist ein Akronym für die englische Bezeichnung "Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratory“.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung besteht die verformbare Klappe zumindest teilweise aus einem elastischen Material, vorzugsweise aus einem Kunststoff, wodurch die Klappe elastisch ausgebildet ist, wobei die Klappe eine mechanische Verformungseinrichtung umfasst, mittels der der Querschnitt der Klappe verformbar ist.
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Die mechanische Verformungseinrichtung ist vorzugsweise ein Spreizgestänge, welches vom elastischen Material der Klappe umschlossen ist und zwei parallel beabstandete Spreizstangen und ein zwischen den beiden Spreizstangen angeordnetes Gelenk umfasst, mit dem der Abstand zwischen beiden Spreizstangen einstellbar und das elastische Material und der Querschnitt der elastischen Klappe verformbar ist. Dieser Mechanismus ist für die Verwendung mit einem Antrieb mit einer Formgedächtnislegierung prädestiniert, wo eine Feder die äußeren Spreizstangen auseinander bewegen würde und ein Formgedächtnisdraht die Spreizstangen aufeinander zubewegen würde. Durch die Ausführungsvariante mit einer kombinierten Anordnung von Spreizfeder und Formgedächtnisdraht kann eine Notlauf-Position bereitgestellt werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Luftführungsanordnung für ein Heiz- und Klimagerät, umfassend eine erfindungsgemäße verformbare Klappe, wobei die Klappe zwischen gegenüberliegenden oder versetzt angeordneten Dichtflächen eines Luftführungskanals platziert ist, wobei sich in vollständiger Schließposition der Klappe die Hauptachse eines ovalen Querschnitts der Klappe mit ihrer Länge zumindest soweit über den Querschnitt des Luftführungskanals erstreckt, dass die Klappe an den gegenüberliegenden oder versetzt angeordneten Dichtflächen des Luftführungskanals anliegt und den Querschnitt des Luftführungskanals vollständig verschließt. Vorzugsweise erstreckt sich in der maximalen Öffnungspostion der verformbaren Klappe die Hauptachse eines ovalen Querschnitts der Klappe mit ihrer Länge senkrecht zur Hauptachse der Klappe in Schließstellung, so dass ein maximaler Querschnitt des Luftführungskanals freigegeben ist.
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Die Vorteile der Erfindung bestehen in einer Einsparung von Bauraum, Geräuschreduzierung, einer Gewichtsreduzierung sowie einer Kosteneinsparung durch den Wegfall eines Aktuators.
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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: schematische Schnittdarstellungen einer Klappe eines Heiz- und Klimageräts nach dem Stand der Technik und deren Anordnung innerhalb einer Öffnung eines Luftführungskanals,
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2: schematische Schnittdarstellungen einer erfindungsgemäß verformbaren Klappe und deren Anordnung innerhalb einer Öffnung eines Luftführungskanals,
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3: schematische Darstellungen einer verformbaren Klappe mit einem Spreizgestänge,
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4A: eine schematische Darstellung des Wirkprinzips eines im Inneren der Klappe angeordneten Spreizgestänges,
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4B: eine schematische Darstellung des Wirkprinzips eines im Inneren der Klappe angeordneten Spreizgestänges mit Spreizfeder und Formgedächtnisdraht und
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5: eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäß verformbaren Klappe innerhalb eines Luftführungskanals mit versetzt angeordneten Dichtflächen.
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Die 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Luftführungsanordnung 1 für ein Heiz- und Klimagerät mit einem Luftführungskanal 2, zum Beispiel eines Luftauslasses, und mit einer im Luftführungskanal 2 platzierten, rotierbaren Klappe 3 gemäß dem Stand der Technik. Diese Klappe 3 ist innerhalb des Luftführungskanals im Bereich einer verschließbaren Öffnung 4 zwischen zwei gegenüberliegenden Dichtflächen 5, 6 angeordnet. Die Klappe 3 ist dabei, wie bereits erwähnt, als rotatorisches Element, das heißt um eine Rotationsachse 7 drehbar ausgebildet und wird von außen über einen nicht dargestellten Motor angetrieben. Die Klappe 3 umfasst einerseits eine Hartkomponente 8, welche das Türblatt 8 bildet, welches in seiner Mitte, bezogen auf den in 1 gezeigten Querschnitt, um eine Rotationsachse 7 drehbar gelagert ist. Das Türblatt 8 kann aber auch an einem seiner Enden um eine Rotationsachse schwenkbar gelagert sein. Die Klappe 3 umfasst andererseits eine Weichkomponente 9 in Form von Dichtlippen 9, die, wenn sie, wie in Abbildung A der 1 gezeigt, an den gegenüberliegenden Dichtflächen 5, 6 anliegen, die eigentliche Dichtwirkung der Klappe 3 erzeugen. Die Klappe befindet sich gemäß Abbildung A der 1 in Schließposition.
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Die Abbildung B der 1 zeigt die Position der rotierbaren Klappe 3, in der sie den maximalen Öffnungsquerschnitt der verschließbaren Öffnung 4 freigibt. Die Klappe 1 ist in dieser Position der maximalen Öffnung senkrecht zur Klappenausrichtung in Schließpostion ausgerichtet. Des Weiteren gibt es zwischen der Schließposition und der maximalen Öffnungspostion zahlreiche Zwischenpositionen, wobei eine Zwischenposition in Abbildung C der 1 dargestellt ist. Diese rotierbare Klappe 3 benötigt einen externen Antrieb, der Bauraum außerhalb des Klimageräts beansprucht.
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Die 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Luftführungsanordnung 10 für ein Heiz- und Klimagerät mit einem Luftführungskanal 11, zum Beispiel eines Luftauslasses, und mit einer im Luftführungskanal 11 platzierten, verformbaren Klappe 12 gemäß der Erfindung.
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Diese Klappe 12, deren Mantel 13 und somit deren Querschnitt verformbar ist, ist innerhalb des Luftführungskanals 11 im Bereich einer verschließbaren Öffnung 14 zwischen zwei gegenüberliegenden Dichtflächen 15, 16 angeordnet. Dabei zeigt die Abbildung A der 2 die Position „geschlossen“, das heißt, die Klappe 12 befindet sich durch ihre Verformung in vollständiger Schließposition. Bei vollständiger Schließposition der Klappe 12 erstreckt sich die Hauptachse 17a eines ovalen Querschnitts der Klappe 12 mit ihrer Länge über den gesamten Querschnitt des Luftführungskanals, so dass die Klappe 12 an den gegenüberliegenden Dichtflächen 15, 16 des Luftführungskanals 11 anliegt und den Querschnitt des Luftführungskanals 11 vollständig verschließt. Die Nebenachse 18a ist dabei senkrecht zu den Wandungen des Luftführungskanals 11 und den Dichtflächen 15, 16 ausgerichtet. In der Darstellung der Abbildung A der 2 mit vertikal ausgerichtetem Luftführungskanal 11 ist die Klappe 12 zu einer liegenden Ellipse mit horizontal ausgerichteter Hauptachse 17a verformt.
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Die Abbildung B der 2 zeigt die Position „offen“, das heißt, die verformbare Klappe 12 befindet sich in der maximalen Öffnungspostion. Dabei ist die Klappe 12 derart oval verformt, dass sich die neu gebildete Hauptachse 17b des ovalen Querschnitts der Klappe 12 mit ihrer Länge parallel zu den Wandungen des Luftführungskanals 11 und zu den Dichtflächen 15, 16 erstreckt, während die kürzere Nebenachse 18b des ovalen Querschnitts der Klappe im Wesentlichen senkrecht zu den Wandungen des Luftführungskanals 11 und zu den Dichtflächen 15, 16 der verschließbaren Öffnung 14 orientiert ist. Die Längserstreckung der Klappe 12 in vertikaler Richtung in dieser maximalen Öffnungsposition gemäß Abbildung B entspricht der Längserstreckung der Klappe 12 in horizontaler Richtung in Schließposition gemäß Abbildung A. Die Hauptachse 17b in maximaler Öffnungsstellung gemäß Abbildung B verläuft senkrecht zur Orientierung der Hauptachse 17a in Schließstellung gemäß Abbildung A der 2. Mit anderen Worten, die liegende Ellipse in Schließposition der Klappe wird in der maximalen Öffnungsposition in eine stehende Ellipse verformt, so dass ein maximaler Querschnitt des Luftführungskanals 11 beziehungsweise der verschließbaren Öffnung 14 freigegeben ist.
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Die Abbildung C der 2 zeigt eine von verschiedenen Zwischenstellungen der Klappe 12. Die Klappe 12 ist dabei immer noch oval verformt, allerdings mit wesentlich kürzerer Hauptachse 17c in senkrechter Richtung und längerer Nebenachse 18c parallel zu den Wänden des Luftführungskanals 11 im Vergleich zur Schließstellung gemäß Abbildung A der 2. Somit ist ein kleinerer Querschnitt des Luftführungskanals 11 im Vergleich zur maximalen Öffnungsposition der Klappe 12 gemäß Abbildung B der 2 freigegeben.
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Die 3 zeigt eine schematische Darstellung einer verformbaren Klappe 12‘, deren Mantel 13‘ aus einem elastischen Material besteht. Das elastische Material des Mantels 13‘ umschließt ein Spreizgestänge 19. Das Spreizgestänge 19 umfasst zwei parallele Spreizstangen 20, 21 und zwei Bügel 22, 23. Jeder der beiden Bügel 22, 23 ist jeweils an einem Ende über jeweils ein äußeres Gelenk 24, 25 mit einer der Spreizstangen 20, 21 und an dem gegenüberliegenden Ende über ein mittleres Gelenk 26 mit dem jeweils anderen Bügel 23, 22 beweglich verbunden. Mit dem mittleren Gelenk 26 lässt sich die Ausrichtung der beiden Bügel 22, 23 zueinander einstellen. Die Ausrichtung der Bügel zueinander bestimmt auch den Abstand zwischen den parallelen Spreizstangen 20, 21. Das Spreizgestänge 19 ist von dem elastischen Mantel 13‘ der Klappe 12‘ umschlossen. Über den Abstand der parallelen Spreizstangen 20, 21 zueinander lässt sich die Form des Mantels 13‘ einstellen. Durch den Abstand der Spreizstangen 20, 21, die in Längsrichtung der Klappe 12‘ orientiert sind, wird gemäß der Darstellung in 3 direkt die Länge einer horizontalen Achse 17a, 18b des ovalen oder kreisförmigen Querschnitts der Klappe eingestellt. Aufgrund eines vorzugsweise konstanten Umfangs des Mantels 13‘ der Klappe 12‘ wird somit auch indirekt die Länge der vertikalen Achse des ovalen oder kreisförmigen Querschnitts der Klappe 12‘ eingestellt. Das heißt, mit zunehmender Länge der horizontalen Achse wird die vertikale Achse des ovalen Querschnitts der Klappe kleiner.
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Dabei werden in den Abbildungen A bis C in 3 jeweils eine schematische Schnittdarstellung des Querschnitts der Klappe 12‘ innerhalb des Luftführungskanals 11 und der jeweilige Zustand des Spreizgestänges 19 gegenübergestellt. Die Abbildung A zeigt die Klappe 12‘ in einer maximalen Öffnungspostion, das heißt, ein maximaler Querschnitt des Luftführungskanals 11 ist freigegeben. Der Abstand der Spreizstangen 20, 21 ist in diesem Zustand des Spreizgestänges 19 der kleinstmögliche Abstand. Die horizontale Achse entspricht der Nebenachse 18b der stehenden Ellipse. Die Abbildung B zeigt die Klappe 12‘ in einer Zwischenposition, das heißt, es ist ein Querschnitt des Luftführungskanals 11 freigegeben, der kleiner ist als der Querschnitt in der maximalen Öffnungsposition gemäß Abbildung A der 3. Die horizontale Achse 17c ist dabei die Hauptachse 17c des ovalen Querschnitts, die aber kleiner ist als die Hauptachse 17a der Klappe 12‘ in Schließposition, welche in der Abbildung C der 3 gezeigt ist. Im letzteren Zustand der Klappe 12‘ ist der Abstand der Spreizstangen 20, 21 zueinander der im Spreizgestänge 19 maximal mögliche Abstand.
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Die 4A zeigt schematisch das Wirkprinzip einer Ausführungsform des im Inneren der Klappe 12‘ angeordneten Verformungseinrichtung, die in Form eines Spreizgestänges 19 ausgebildet ist. Das Spreizgestänge 19 umfasst zwei parallele Spreizstangen 20, 21 und zwei Bügeln 22, 23. Jeder der beiden Bügel 22, 23 ist jeweils an einem Ende über jeweils ein äußeres Gelenk 24, 25 mit einer der Spreizstangen 20, 21 und an dem gegenüberliegenden Ende über ein mittleres Gelenk 26 mit dem jeweils anderen Bügel 23, 22 beweglich verbunden. Mit dem Gelenk 26 lässt sich die Ausrichtung der beiden Bügel 22, 23 zueinander einstellen. Dabei verläuft die Antriebsrichtung 27 für den Verstellmechanismus des Spreizgestänges 19 parallel zu den Spreizstangen 20, 21. Indem im Bereich des mittleren Gelenks 26 bezogen auf die Gelenkachse in radialer, parallel zu den Spreizstangen 20, 21 verlaufenden Richtung Zug oder Druck auf die Bügel 22, 23 ausgeübt wird, erfolgt auch eine Änderung der Ausrichtung der Bügel 22, 23 zueinander, die auch den in Bewegungsrichtung 28 veränderlichen Abstand zwischen den parallelen Spreizstangen 20, 21 bestimmt. Dieser Mechanismus ist, wie die 4B zeigt, für die Verwendung eines Antriebs mit einer Formgedächtnislegierung prädestiniert, wo eine Spreizfeder 29 die äußeren Spreizstangen 20, 21 auseinander bewegen würde und ein Formgedächtnisdraht 30 die Spreizstangen 20, 21 in Bewegungsrichtung 28 aufeinander zubewegen würde. Durch die Ausführungsvariante mit einer kombinierten Anordnung von Spreizfeder 29 und Formgedächtnisdraht 30 kann vorteilhafterweise eine Notlauf-Position bereitgestellt werden.
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Die 5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäß verformbaren Klappe 12 innerhalb eines Luftführungskanals 11 mit versetzt angeordneten Dichtflächen 15‘, 16‘. Die Dichtflächen 15‘, 16‘ befinden sich an versetzt angeordneten, das heißt schräg gegenüberliegenden Vorsprüngen 31, 32 an der Innenwand des Luftführungskanals 11.
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Die Abdichtung der Öffnung 14 im Schließzustand der Klappe 12 erfolgt – gemäß der Darstellung in 5 bei vertikaler Ausrichtung des Luftführungskanals 11 – einerseits im Randbereich der im Wesentlichen nach oben gerichteten Seite der Klappe 12 mit der im Wesentlichen nach unten gerichteten Dichtfläche 15‘ des Vorsprungs 31 und andererseits im schräg gegenüberliegenden Randbereich der im Wesentlichen nach unten gerichteten Seite der Klappe 12 mit der im Wesentlichen nach oben gerichteten Dichtfläche 16‘ des Vorsprungs 32.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Luftführungsanordnung (Stand der Technik)
- 2
- Luftführungskanal (Stand der Technik)
- 3
- rotierbare Klappe (Stand der Technik)
- 4
- verschließbare Öffnung (Stand der Technik)
- 5
- Dichtfläche (Stand der Technik)
- 6
- Dichtfläche (Stand der Technik)
- 7
- Rotationsachse (Stand der Technik)
- 8
- Hartkomponente der Klappe, Türblatt, (Stand der Technik)
- 9
- Weichkomponente der Klappe, Dichtlippen (Stand der Technik)
- 10
- Luftführungsanordnung
- 11
- Luftführungskanal
- 12
- verformbare Klappe mit Formgedächtnismaterial
- 12‘
- verformbare Klappe mit elastischem Material
- 13
- Mantel der verformbaren Klappe 12
- 13‘
- Mantel der verformbaren Klappe 12‘
- 14
- verschließbare Öffnung
- 15
- Dichtfläche (gegenüberliegend)
- 15‘
- Dichtfläche (versetzt)
- 16
- Dichtfläche (gegenüberliegend)
- 16‘
- Dichtfläche (versetzt)
- 17a
- Hauptachse in Schließposition
- 17b
- Hauptachse in maximaler Öffnungsposition
- 17c
- Hauptachse in Zwischenposition
- 18a
- Nebenachse in Schließposition
- 18b
- Nebenachse in maximaler Öffnungsposition
- 18c
- Nebenachse in Zwischenposition
- 19
- Spreizgestänge
- 20
- Spreizstange
- 21
- Spreizstange
- 22
- Bügel
- 23
- Bügel
- 24
- äußeres Gelenk
- 25
- äußeres Gelenk
- 26
- mittleres Gelenk
- 27
- Antriebsrichtung
- 28
- Bewegungsrichtung der Spreizstangen
- 29
- Spreizfeder
- 30
- Formgedächtnisdraht
- 31
- Vorsprung
- 32
- Vorsprung
