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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Klimatisierungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Klimatisierungsvorrichtung.
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Stand der Technik
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Bekannte Klimatisierungsvorrichtungen in Kraftfahrzeugen verwenden Klimaanlagen, um die Innenlauft in einem Kraftfahrzeug zu konditionieren. In erster Linie soll die Raumluft in einem Fahrzeug gekühlt werden. Klimaanlagen können im Allgemeinen aber auch dazu genutzt werden, um die Luftfeuchtigkeit zu verändern, Luftbestandteile auszufiltern oder beispielsweise die Luft zu heizen. Die Klimaanalagen verwenden für ihren Betrieb üblicherweise einen Kältemittelkreislauf, wobei das Kältemittel beispielsweise über elektrische Heiz-/Kühleinrichtungen und/oder Verdichter aufbereitet wird. Beim Betrieb einer Klimaanalage wird üblicherweise auch Frischluft von außerhalb des Fahrzeugs angesaugt und in konditioniertem Zustand in den Fahrzeug-Innenraum geleitet.
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Die aufbereitete Luft aus dem Fahrzeug-Innenraum wird üblicherweise über eine Fahrzeug-Heckentlüftung wieder an die Fahrzeugumgebung abgegeben. Dabei geht die zur Aufbereitung der Innenraum-Luft aufgewendete Energie, beispielsweise in Form von Wärme, üblicherweise mit der abgegebenen Luft wieder verloren.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Klimatisierungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Klimatisierungsvorrichtung anzugeben, wobei Energieverluste beim Konditionieren einer Fahrzeug-Innenluft durch die Klimatisierungsvorrichtung reduziert werden.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Klimatisierungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Lufteinlasskanal mit einer Zuluft-Einlassöffnung, so dass Fahrzeug-Außenluft durch die Zuluft-Einlassöffnung in den Lufteinlasskanal strömen kann, weiter umfassend eine Klimaanlage, wobei ein Luftzuführungskanal zur Klimaanlage mit dem Lufteinlasskanal strömungsverbunden ist, wobei die Klimatisierungsvorrichtung einen Luftabsaugungskanal umfasst mit einer Abluft-Einlassöffnung, so dass Fahrzeug-Innenluft durch die Abluft-Einlassöffnung in den Luftabsaugungskanal strömen kann, wobei der Luftabsaugungskanal eine Abluft-Auslassöffnung aufweist, so dass die abgesaugte Innenluft durch den Luftabsaugungskanal und die Abluft-Auslassöffnung abgegeben werden kann, umfassend einen Rotationswärmetauscher, der dazu angeordnet ist, im Betriebszustand des Rotationswärmetauschers einen Wärmeaustausch zwischen dem Lufteinlasskanal und dem Luftabsaugungskanal vorzunehmen.
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Erfindungsgemäß verwendet eine Klimatisierungsvorrichtung somit eine Klimaanalage zur Konditionierung der Fahrzeug-Innenluft, die über eine Zuluft-Einlassöffnung, einen Lufteinlasskanal und einen Luftzuführungskanal mit Luft versorgt wird. Der Lufteinlasskanal und der Luftzuführungskanal müssen übrigens nicht baulich voneinander abgegrenzt sein, sondern können beispielsweise auch durch einen einzigen Kanal gebildet werden. Zusätzlich zu diesem lufteinlassenden Kanal verwendet die Klimatisierungsvorrichtung auch einen Kanal zur Abfuhr von Luft, nämlich der Luft aus dem Innenraum des Fahrzeuges. Die Abfuhr der Innenraumlust erfolgt über eine Abluft-Einlassöffnung, einen Luftabsaugungskanal und eine Abluft-Auslassöffnung.
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Erfindungsgemäß umfasst eine Klimatisierungsvorrichtung einen Rotationswärmetauscher, der dazu angeordnet ist, im Betriebszustand des Rotationswärmetauschers, also bei laufendem Rotor des Rotationswärmetauschers, einen Wärmeaustausch zwischen dem Lufteinlasskanal und dem Luftabsaugungskanal vorzunehmen.
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Durch einen derartigen Wärmeaustausch wird gleichzeitig die Zuluft der Klimaanlage vorkonditioniert und somit der Energiebedarf für die Klimatisierung eines Fahrzeuges reduziert. Zusätzlich kann die Temperatur, Luftfeuchte und Luftqualität im Innenraum des Fahrzeugs verbessert werden. Eine Heckentlüftung kann vorzugsweise auch ganz entfallen, so dass hierdurch auch die Akustik im Fahrzeug verbessert wird. Energieverluste, die durch die Verwendung einer Heckentlüftung entstehen, können somit reduziert werden. Beispielsweise kann auch trockene Luft im Heizbetrieb reduziert werden, der Energiebedarf für eine Entfeuchtung im Kühlbetrieb reduziert werden und die Luftqualität durch einen reduzierten Umluftbetrieb im Kühlbetrieb verbessert werden. Somit kommt es insgesamt zu einer Reduktion des Energiebedarfs für die Klimatisierung eines Fahrzeuges, bei gleichzeitiger Verbesserung von Luftqualität und Komfort.
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Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.
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Vorzugsweise sind der Lufteinlasskanal und der Luftabsaugungskanal im Bereich des Rotationswärmetauschers einander benachbart angeordnet. Der Rotor des Rotationswärmetauschers überdeckt bevorzugt den Lufteinlasskanal und den Luftabsaugungskanal. Vorzugsweise verläuft der gesamte Querschnitt des Lufteinlasskanals und der gesamte Querschnitt des Luftabsaugungskanals durch den Rotor des Rotationswärmetauschers. Bevorzugt sind die Durchmesser des Lufteinlasskanals und des Luftabsaugungskanals im Bereich des Rotationswärmetauschers etwa gleich groß. Der Rotor-Mittelpunkt des Rotationswärmetauschers liegt bevorzugt mittig zwischen den Querschnitten von Lufteinlasskanal und Luftabsaugungskanal.
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Bevorzugt ist im Luftabsaugungskanal ein Abluft-Lüfter angeordnet, um die Fahrzeug-Innenluft durch die Abluft-Einlassöffnung in den Luftabsaugungskanal zu saugen.
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Im Lufteinlasskanal ist vorzugsweise ein Zuluft-Lüfter angeordnet, um die Fahrzeug-Außenluft durch den Lufteinlasskanal zu einer Innenraum-Öffnung des Lufteinlasskanals zu fördern.
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Bevorzugt ist an der Zuluft-Einlassöffnung und/oder an der Abluft-Auslassöffnung eine Klappe angeordnet, um die Zuluft-Einlassöffnung und/oder die Abluft-Auslassöffnung wahlweise schließen und öffnen zu können. Besonders bevorzugt ist eine gemeinsame Klappe zum wahlweisen gemeinsamen Schließen und Öffnen der Zuluft-Einlassöffnung und der Abluft-Auslassöffnung angeordnet. Die Zuluft-Einlassöffnung und die Abluft-Auslassöffnung können direkt nebeneinander oder als eine gemeinsame Öffnung ausgebildet sein.
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Vorzugsweise ist eine Steuereinheit dazu eingerichtet, den Rotor des Rotationswärmetauschers anzusteuern, also den Rotor des Rotationswärmetauschers zumindest ein- oder auszuschalten, bevorzugt auch drehzahlvariabel anzusteuern. Zusätzlich zur Drehzahlsteuerung des Rotors des Rotationswärmetauschers ist die Steuereinheit vorzugsweise auch eingerichtet zur Ansteuerung der beiden Lüfter, um die notwendigen Volumenströme für die Zu- und Abluft zu steuern.
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Im Lufteinlasskanal ist vorzugsweise ein Luftfilter angeordnet, um die Zuluft zu filtern.
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Bevorzugt sind die Zuluft-Einlassöffnung und die Abluft-Auslassöffnung in einer Stirnwand des Kraftfahrzeuges angeordnet, also an der Frontseite des Fahrzeuges.
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Das Kraftfahrzeug weist vorzugsweise keine Heckentlüftung auf. Eine Zwangsentlüftung des Fahrzeuges ist vorzugsweise ausschließlich durch den Luftabsaugungskanal und die Abluft-Auslassöffnung realisiert.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
- Fig. ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Klimatisierungsvorrichtung in einem Kraftfahrzeug.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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In der Fig. ist eine erfindungsgemäße Klimatisierungsvorrichtung in einem Kraftfahrzeug dargestellt, wobei vom Kraftfahrzeug lediglich dessen Stirnwand 10 zu sehen ist.
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Die Klimatisierungsvorrichtung umfasst einen Lufteinlasskanal 21 mit einer Zuluft-Einlassöffnung 22 in der Stirnwand 10 des Kraftfahrzeugs, so dass Fahrzeug-Außenluft durch die Zuluft-Einlassöffnung 22 in den Lufteinlasskanal 21 strömen kann.
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Die Klimatisierungsvorrichtung umfasst ferner eine Klimaanlage 23, wobei ein Luftzuführungskanal 8 zur Klimaanlage 23 mit dem Lufteinlasskanal 21 strömungsverbunden ist.
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Die Klimatisierungsvorrichtung umfasst auch einen Luftabsaugungskanal 24 mit einer Abluft-Einlassöffnung 25, so dass Fahrzeug-Innenluft, aus dem Innenraum des Kraftfahrzeuges, durch die Abluft-Einlassöffnung 25 in den Luftabsaugungskanal 24 strömen kann, wobei der Luftabsaugungskanal 24 eine Abluft-Auslassöffnung 26 aufweist, so dass die abgesaugte Innenluft durch den Luftabsaugungskanal 24 und die Abluft-Auslassöffnung 26 in die Umgebung des Kraftfahrzeuges abgegeben werden kann.
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Die Klimatisierungsvorrichtung umfasst schließlich erfindungsgemäß einen Rotationswärmetauscher 1, der dazu angeordnet ist, im Betriebszustand des Rotationswärmetauschers 1 einen Wärmeaustausch zwischen dem Lufteinlasskanal 21 und dem Luftabsaugungskanal 24 vorzunehmen.
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Der Lufteinlasskanal 21 und der Luftabsaugungskanal 24 sind im Bereich des Rotationswärmetauschers 1 einander benachbart angeordnet und der Rotor des Rotationswärmetauschers 1 überdeckt den Lufteinlasskanal 21 und den Luftabsaugungskanal 24. Die Durchmesser des Lufteinlasskanals 21 und des Luftabsaugungskanals 24 sind im Bereich des Rotationswärmetauschers 1 etwa gleich groß, so dass jeweils der halbe Durchmesser des Rotors des Rotationswärmetauschers 1 den Lufteinlasskanal 21 und den Luftabsaugungskanal 24 überdeckt.
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Im Luftabsaugungskanal 24 ist ein Abluft-Lüfter 5 angeordnet, um die Fahrzeug-Innenluft durch die Abluft-Einlassöffnung 25 in den Luftabsaugungskanal 24 zu saugen.
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Im Lufteinlasskanal 21 ist ein Zuluft-Lüfter 6 angeordnet, um die Fahrzeug-Außenluft durch den Lufteinlasskanal 21 zu fördern, in einen Innenraum des Kraftfahrzeuges und zum Luftzuführungskanal 8 zur Klimaanlage 23.
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An der Zuluft-Einlassöffnung 22 und der Abluft-Auslassöffnung 26 ist eine gemeinsame Klappe 7 angeordnet, um die Zuluft-Einlassöffnung 22 und die Abluft-Auslassöffnung 26 wahlweise schließen und öffnen zu können und somit zwischen einem Zuluft-Betrieb und einem UmluftBetrieb der Klimatisierungsvorrichtung umschalten zu können.
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Im Lufteinlasskanal 21 ist ein Luftfilter 9 als Filtereinheit angeordnet.
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Die Zuluft-Einlassöffnung 22 und die Abluft-Auslassöffnung 26 sind in einer Stirnwand 10 in der Front des Kraftfahrzeuges angeordnet. Das Kraftfahrzeug weist keine Heckentlüftung auf.
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Das bisher in Kraftfahrzeugen übliche System einer Heckenentlüftung kann durch die erfindungsgemäße Lösung vollständig durch eine Öffnung in der Fahrzeugstirnwand 10 ersetzt werden und das Energiepotenzial der Luft im Fahrzeuginneren durch den Rotationswärmetauscher 1 zurückgewonnen werden.
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Dazu kann im Bereich Stirnwand 10 eine Öffnung eingebracht werden, wie sie auch sonst für Fahrzeuge genutzt wird, um Frischluft für die Belüftung im Fahrzeuginnenraum anzusaugen. Diese Öffnung wird hier aber in zwei Bereiche unterteilt, nämlich in einen Zuluft- und in einen Abluftbereich. Um die Luft aus dem Innenraum wieder aus dem Fahrzeug abzutransportieren wird ein eigens dafür vorgesehener Lüfter, Abluft-Lüfter 5, installiert. Dieser hat die Aufgabe die Abluft aus dem Innenraum im Falle des Türschließens automatisch abzusaugen und damit einem Überdruck in der Fahrzeugkabine entgegenzuwirken und durch einen Wärmetauscher, Rotationswärmetauscher 1, zu ziehen, um eine Energieabgabe über den Wärmetauscher 1 zu erzwingen. Bevorzugt weist ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Klimatisierungsvorrichtung keine üblicherweise im Fahrzeugheck verbaute Klappe auf, die beim Schließen der Türen automatisch für einen Druckausgleich sorgt und dabei nachteilig die in der Fahrzeuginnenluft enthaltenen Energie verliert.
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Der Wärmetauscher 1 ist ein Rotationswärmetauscher, der aus einzelnen Aluminiumblechen in flacher wie auch gewellt geprägter Ausführung besteht. Dieser Wärmetauscher ist mit einem Zahnkranz versehen, der durch einen Antriebsmotor 3 angetrieben wird. Der Wärmetauscher 1 hat eine Lauffläche am Umfang die zur Lagerung des Wärmetauschers im Gehäuse 4 dient. Das Gehäuse 4 dient zur Befestigung der Komponenten und zur Luftführung. Der Antriebsmotor 3 ist in seiner Antriebsgeschwindigkeit regelbar und kann damit die Umdrehungszahl des Wärmetauschers 1 je nach Anforderung anpassen.
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Diese Anforderungen an den Rotationswärmetauscher können beispielsweise sein: Temperaturdifferenz außen zu innen, notwendiger Volumenstrom für die Klimatisierung, Feuchterückgewinnung bzw. -vermeidung der Innen-/Außen Luft.
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Auf der Zuluftseite befindet sich ebenfalls ein Gebläse, Zuluft-Lüfter 6, das in an sich bekannter Weise für die Versorgung des Innenraums mit Frischluft verwendet wird. Dieses hat aber ebenfalls die Aufgabe in diesem Fall die fahrzeug-außen angesaugte Luft durch den Wärmetauscher 1 zu pressen. Beim Durchströmen des Wärmetauschers 1 soll die Außenluft an die im Innenraum gewünschten Verhältnisse angepasst werden und somit die Belastung der Klimaanlage 23 reduzieren. Dabei kann die Frischluft gewärmt, gekühlt, entfeuchtet und/oder befeuchtet werden.
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Die somit vorkonditionierte Frischluft trägt somit zur Energieeinsparung im Gesamtfahrzeug bei.
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Zum zusätzlichen Lüfter auf der Abluftseite, Abluft-Lüfter 5:
- Der Abluft-Lüfter 5 wird von den Parametern der Klimaanlage 23 (HVAC) gesteuert und hat die Aufgabe:
- 1.) für konstante Druckverhältnisse im Fahrzeug während des Betriebes zu sorgen. Hier kann er die Aufgabe der entfallenen Heckentlüftung übernehmen.
- 2.) für eine ideale Anströmung des Wärmetauschers 1 auf der Abluftseite zu sorgen. Dabei soll die vorhandene Fläche des Wärmetauschers 1 maximal ausgenutzt werden.
- 3.) im Falle der Türschließung obliegt dem Abluft-Lüfter 5 die Aufgabe die Funktion der entfallenen Heckentlüftung zu übernehmen und durch angepasste Saugleistung Unterdruck und angenehmen Schließkomfort für den Kraftfahrzeug-Insassen zu erzeugen.
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Beschreibung der Betriebszustände:
- Grundsätzlich ändert sich an der Funktionsweise der Klimatisierungsvorrichtung zwischen den unterschiedlichen Betriebszuständen nichts, da der Prozess beim Heizen und Kühlen immer der selbe bleibt, wie folgend beschrieben.
- 1.) Betriebszustand bei zum Beispiel Außentemperatur -10°C, geringe Luftfeuchtigkeit innen und aussen:
- Beim Heizen ist die Temperatur im Innenraum höher als die Außentemperatur und die Lamellen werden im Abluftbereich aufgewärmt. Dabei gibt die Abluft aus dem Innenraum Energie und Feuchtigkeit an die aus dem Kaltluftbereich kommenden Lamellen ab und wird bei ihrem Weg durch den Wärmetauscher 1 abgekühlt. Die kalte Frischluft aus dem Zuluftbereich wird durch den Lüfter 6 durch den aufgewärmten Wärmetauscher 1 gepresst und nimmt auf ihrem Weg, von den Lamellen Energie und Feuchtigkeit auf. Die Frischluft wird somit vorgewärmt und befeuchtet. Dabei übernimmt ein Differenzdrucksensor die Überwachungsfunktion bezüglich vereisen. Sollten sich Querschnitte durch Vereisen verschließen, kann die Drehzahl kurzzeitig reduziert werden. Dadurch wird bereits entstandenes Eis in der Abluftseite abgetaut und verdunstet bzw. dadurch wird eine zu starke Abkühlung des Wärmetauschers 1 und das Vereisen der Querschnitte verhindert oder reduziert.
- 2.) Betriebszustand bei zum Beispiel Außentemperatur + 18°C:
- Hierbei muss keine Kühlung und keine Heizung durchgeführt werden, da zur Aufrechterhaltung der eingestellten Innenraumtemperatur genügend Abwärme vorhanden ist. Dabei sind nur die beiden Gebläse, Zuluft-Lüfter 6 und Abluft-Lüfter 5, im Einsatz, der Rotationswärmetauscher 1 steht still. Keine Energie ist für die Drehung des Wärmetauschers 1 erforderlich. Das gleiche passiert auch im Falle des Umluftbetriebes. Hier wird auf die Rotation des Wärmetauschers 1 verzichtet. Zusätzliche Anforderungen wie Reinigungs- bzw. Enteisungsanforderungen können aber eine Rotation des Wärmetauschers 1 erforderlich machen.
- 3.) Betriebszustand bei zum Beispiel Außentemperatur +30°C, hohe Luftfeuchtigkeit außen:
- Hierbei muss eine Kühlung des Innenraums mittels Klimaanlage 23 (HVAC) durchgeführt werden. Dazu wird die angesaugte Luft im Zuluftbereich von den abgekühlten Lamellen des Wärmetauschers 1 aus dem Abluftbereich abgekühlt. Der Wärmetauscher 1 transportiert die aufgenommene Energie aus der Zuluft in den Abluftbereich und überträgt diese Energie an die Abluft. Die im Zuluftbereich kondensierte Feuchtigkeit wird durch den Wärmetauscher 1 in den Abluftbereich gebracht und dort durch trockene Abluft wieder verdunstet und gelangt somit nicht zur Klimaanlage 23 (HVAC). Dadurch kann zusätzlich Energie eingespart werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotationswärmetauscher
- 3
- Antriebsmotor
- 4
- Gehäuse
- 5
- Abluft-Lüfter
- 6
- Zuluft-Lüfter
- 7
- Klappe
- 8
- Luftzuführungskanal
- 9
- Luftfilter
- 10
- Stirnwand
- 21
- Lufteinlasskanal
- 22
- Zuluft-Einlassöffnung
- 23
- Klimaanlage
- 24
- Luftabsaugungskanal
- 25
- Abluft-Einlassöffnung
- 26
- Abluft-Auslassöffnung
