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Die Erfindung betrifft ein System zur Luftverteilung einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs. Die Klimaanlage weist ein Gehäuse mit zwei Strömungspfaden und einem Kaltluftbypasspfad jeweils zum Hindurchleiten von Luft sowie mindestens einem Luftauslass und mindestens eine Luftleiteinrichtung zum Öffnen und Verschließen des Luftauslasses zum Fahrgastraum auf. Zudem ist eine Schichtungsklappe zum Öffnen und Verschließen des Kaltluftbypasspfades vorgesehen. Die Erfindung betrifft zudem ein Klimatisierungssystem für ein Kraftfahrzeug mit Mitteln zur Förderung, zur Kühlung und zur Erwärmung von Luft sowie dem System zur Luftverteilung der Klimaanlage und ein Verfahren zum Betreiben des Klimatisierungssystems.
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Zur Konditionierung der einem Fahrgastraum zuzuführenden Luft werden im Stand der Technik Klimatisierungssysteme mit einem Verdampfer eines Kältemittelkreislaufes zum Kühlen sowie Entfeuchten der Luft und einem als Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager ausgebildeten Heizwärmeübertrager eines Motorkühlkreislaufes beziehungsweise einem als Kondensator betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufes einer Luft-Luft-Wärmepumpe oder einer Kühlmittel-Luft-Wärmepumpe zum Erwärmen der Luft verwendet.
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Vor dem Hintergrund der vollständigen Elektrifizierung des Antriebs beziehungsweise des zunehmenden Einsatzes von Fahrzeugantriebssystemen mit sehr geringer Abwärme, wie zum Beispiel einem Elektroantrieb, Brennstoffzellenantrieb oder Hybridantrieb, wird die zur Konditionierung der Zuluft des Fahrgastraums zur Verfügung stehende Wärme im Kühlmittel auf Grund der höheren Wirkungsgrade der Antriebskomponenten deutlich begrenzt.
Gleichzeitig ist die in der Batterie des Fahrzeugs speicherbare Energiemenge derzeit geringer als die in Form von flüssigem Kraftstoff innerhalb des Kraftstofftanks speicherbare Energiemenge. Damit hat die für die Klimatisierung des Fahrgastraums eines elektrisch oder teilelektrisch angetriebenen Fahrzeugs benötigte Leistung außerdem einen wesentlichen Einfluss auf die Reichweite des Fahrzeugs.
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Sowohl bei gattungsgemäßen Klimatisierungssystemen mit einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager, welche die Heizleistung aus einem Kühlmittelkreislauf eines Verbrennungsmotors des Fahrzeugantriebes beziehen, als auch bei als Wärmepumpen ausgebildeten Klimatisierungssystemen mit einem Kondensator zum Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums wird die zu übertragende Wärme entweder durch Steuern des den Heizwärmeübertrager beziehungsweise den Kondensator durchströmenden Luftmassenstroms oder durch Steuern des Kühlmittelmassenstroms durch den Heizwärmeübertrager beziehungsweise des Kältemittelmassenstroms durch den Kondensator jeweils in Abhängigkeit von entsprechenden Temperaturen eingestellt.
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Bei den luftseitig geregelten Systemen kann der dem Fahrgastraum zuzuführende Luftmassenstrom nach dem Passieren des Verdampfers des Kältemittelkreislaufes mittels mindestens einer Temperaturklappe in zwei Teilluftmassenströme aufgeteilt werden. Dabei kann ein erster Teilluftmassenstrom durch einen Warmluftpfad, in welchem der Heizwärmeübertrager oder der als Kondensator betriebene Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufes angeordnet ist, geleitet und erwärmt werden. Zudem kann ein zweiter Teilluftmassenstrom am Warmluftpfad vorbei durch einen Kaltluftpfad geleitet werden. Beide unterschiedlich temperierten Teilluftmassenströme können anschließend zum Erreichen der geforderten Zieltemperatur vermischt werden. Anstelle der einen Temperaturklappe kann sowohl der Warmluftpfad als auch der Kaltluftpfad jeweils mit einer Temperaturklappe ausgebildet sein.
Die Mischung der Teilluftmassenströme ist dabei nicht optimal. An den verschiedenen Auslässen in den Fahrgastraum weist die Luft bei Zwischenstellungen der Temperaturklappe beziehungsweise der Temperaturklappen unterschiedliche Temperaturen auf. Die voneinander abweichenden Temperaturen der Luftmassenströme an den unterschiedlichen Luftauslässen werden als Temperaturschichtung bezeichnet, welche jedoch auch erwünscht sein kann, insbesondere wenn im Fahrgastraum eine geschichtete Temperatur mit warmer Luft am Auslass zum Fußraum sowie kühlerer Luft am Auslass im Armaturenbrett erreicht werden soll. Die Schichtung ist im Allgemeinen von der Stellung der Temperaturklappe beziehungsweise der Temperaturklappen abhängig. In der Stellung „voll warm“ weisen alle die Luftauslässe in den Fahrgastraum passierenden Luftmassenströme gleiche Temperaturen auf, sodass keine Temperaturschichtung auftritt.
Bei elektrisch oder teilelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen ist außerdem auf Grund der geringen zur Verfügung stehenden Abwärme der Antriebskomponenten das Temperaturniveau des Kühlmittels gegenüber herkömmlichen Antrieben mit Verbrennungsmotor deutlich reduziert. Ein luftseitig geregeltes Klimatisierungssystem wird deshalb vorwiegend in der Stellung „voll warm“ der Temperaturklappe beziehungsweise der Temperaturklappen betrieben, sodass keine Temperaturschichtung der Luftströme an den Auslässen auftritt und damit der Komfort der Insassen des Kraftfahrzeugs deutlich vermindert wird.
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Während einer Aufwärmphase der Zuluft des Fahrgastraums oder einem Enteisen der Frontscheibe wird der Luftmassenstrom vollständig durch den Warmluftpfad geleitet und erwärmt. Bei einem Temperaturegelbetrieb und geringem Heizbedarf wird der geförderte Luftmassenstrom mittels der als Schwenkklappe ausgebildeten Temperaturklappe beziehungsweise der Temperaturklappen, insbesondere einer Kaltluftpfadklappe und einer Warmluftpfadklappe, als Teilluftmassenströme aufgeteilt in den Warmluftpfad und den Kaltluftpfad geleitet, um die gewünschte Ausblastemperatur der Zuluft des Fahrgastraums einzustellen.
Bei einer Temperaturschichtung der Luft im Fahrgastraum weist die Luft im Kopfbereich der Insassen eine geringere Temperatur als die Luft im Fußbereich auf. Dabei wird an den Luftauslässen zum Fußraum Luft mit einer höheren Temperatur als an den Auslässen im Armaturenbrett bereitgestellt. In einer Mischkammer der Klimaanlage, in welche der Warmluftpfad und der Kaltluftpfad einmünden, werden der durch den Warmluftpfad geleitete und erwärmte Teilluftmassenstrom sowie der durch den Kaltluftpfad geleitete Teilluftmassenstrom nicht vollständig vermischt. Der durch den Warmluftpfad geleitete Teilluftmassenstrom wird gezielt zum Luftauslass zum Fußraum geführt.
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Aus dem Stand der Technik ist zudem bekannt, innerhalb der Mischkammer zusätzliche interne Luftkanäle vorzusehen, welche in Strömungsrichtung der Luft nach der Temperaturklappe beziehungsweise der Kaltluftpfadklappe oder der Warmluftpfadklappe Luftmassen abzweigen und diese gezielt zu einem der Luftauslässe leiten, um die gewünschte Temperaturschichtung der Luft im Fahrgastraum zu erzielen.
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Beim als Wärmepumpe betriebenen Klimatisierungssystem könnte der Kondensator des Kältemittelkreislaufes zum Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum eine Temperatur des Kältemittels oberhalb der gewünschten Auslasstemperatur der Luft aufweisen, um eine Temperaturschichtung der Luft mit herkömmlichen Mitteln zu erreichen. Bei zumindest teilweise geöffnetem Kaltluftpfad strömt die Kaltluft in die Mischkammer ein. Beim Verteilen der Kaltluft an den Luftauslässen für eine gewünschte Temperaturschichtung wird folglich ebenso ein Anteil der Kaltluft zu dem Luftauslass geführt, welcher mit Luft der höchsten Temperatur zu beaufschlagen ist. Damit ist der Kondensator mit einer höheren Temperatur als notwendig zu betreiben. Ein derartiger Betrieb wirkt sich jedoch sehr stark auf die Energieeffizienz des Klimatisierungssystems aus.
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Um den Kältemittelkreislauf im Wärmepumpenmodus mit maximaler Energieeffizienz zu betreiben, sollte das den Kondensator passierende Kältemittel möglichst geringe Temperaturen aufweisen. Die Kondensationstemperatur des Kältemittels als Temperatur des Kondensators sollte nur wenig höher als die gewünschte Temperatur der Zuluft des Fahrgastraums sein. Die Temperaturdifferenz zwischen der Zuluft und der Temperatur des Kondensators sollte minimal sein.
Dabei ist die Temperaturklappe beziehungsweise sind die Temperaturklappen der Klimaanlage in der Endstellung „voll warm“ oder zumindest nur minimal von dieser Endstellung abweichend einzustellen, sodass zum einen der geförderte und möglicherweise beim Durchströmen des Verdampfers vorkonditionierte Luftmassenstrom vollständig oder nahezu vollständig durch den Kondensator geleitet wird und zum anderen die Temperaturklappe beziehungsweise die Temperaturklappen lediglich einer sekundären Temperaturregelung dienen können. Bei einem Betrieb der Klimaanlage mit der Temperaturklappe beziehungsweise den Temperaturklappen in der Endstellung „voll warm“ oder zumindest nur minimal von dieser Endstellung abweichend, wird keine Kaltluft oder nur sehr wenig Kaltluft gefördert, welche der Warmluft beigemischt werden kann. Der herkömmliche Ansatz, die gewünschte Temperaturschichtung der Zuluft für den Fahrgastraum mittels geeigneter Einbauten innerhalb der Mischkammer zu erzielen, kann nicht verwendet werden.
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Für den ausreichenden Komfort der Passagiere ist es jedoch weiterhin notwendig, eine gewisse Temperaturschichtung der Zuluft an den Luftauslässen zur Frontscheibe, im Armaturenbrett und zum Fußraum sicherzustellen.
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Eine weitere Möglichkeit zum Einstellen einer Temperaturschichtung mit energieeffizientem Heizen besteht in der Ausbildung eines zu einer Hauptströmungspassage separaten Kaltluftbypasskanals mit einer Schichtungsklappe, durch welchen kalte Luft direkt zu einem Luftauslass, wie dem Luftauslass im Armaturenbrett oder dem Luftauslass zur Frontscheibe, geleitet wird.
Aus der
DE 10 2010 000 990 A1 geht eine Klimaanlage mit einem derartigen Kaltluftbypasskanal hervor. Bei einem Betrieb in einem Heizmodus mit maximalem Beheizen der Luft zur Frontscheibe beziehungsweise zum Fußraum wird der gesamte Luftmassenstrom durch den Warmluftpfad geleitet und erwärmt. Die Strömungsquerschnitte des Kaltluftbypasskanals und des Warmluftpfades werden jeweils mittels einer Luftklappe verändert, insbesondere geöffnet und verschlossen.
Die Luftklappen werden jeweils mittels eines separaten elektrischen Stellantriebs angetrieben, was mit einem erheblichen Kostenaufwand verbunden ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht im Bereitstellen einer Klimaanlage, welche eine zur Komforterreichung und Komforterhaltung erforderliche Temperaturschichtung des dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstroms gewährleistet sowie bedarfsgerecht eine dafür benötigte Wärme bereitstellt. Ein neben der Klimaanlage zum Klimatisierungssystem gehörender Kältemittelkreislauf soll mit maximaler Energieeffizienz, das heißt mit maximalem Wirkungsgrad beziehungsweise maximaler Leistungszahl, betreibbar sein. Die Klimaanlage soll dabei lediglich minimale Betriebskosten verursachen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes System zur Luftverteilung einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs gelöst. Die Klimaanlage weist ein Gehäuse mit mindestens zwei Strömungspfaden und einem Kaltluftbypasspfad jeweils zum Hindurchleiten von Luft sowie mindestens einem Luftauslass auf. Dabei sind ein erster Strömungspfad zum Hindurchleiten eines Teilluftmassenstroms mit einer ersten Temperatur und ein zweiter Strömungspfad zum Hindurchleiten eines Teilluftmassenstroms mit einer von der ersten Temperatur verschiedenen zweiten Temperatur ausgebildet. Die Klimaanlage ist zudem mit mindestens einer Luftleiteinrichtung zum Öffnen und Verschließen des Luftauslasses sowie mindestens einer Schichtungsklappe zum Öffnen und Verschließen des Kaltluftbypasspfades versehen. Die Strömungspfade und der mindestens eine Luftauslass münden in eine Mischkammer ein beziehungsweise zweigt der mindestens eine Luftauslass von der Mischkammer ab. Die Schichtungsklappe ist zwischen zwei Endstellungen, in welchen der Kaltluftbypasspfad „geschlossen“ ist, verstellbar.
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Nach der Konzeption der Erfindung ist die mindestens eine Schichtungsklappe mit einer Luftleiteinrichtung eines Luftauslasses, insbesondere mechanisch, derart gekoppelt, dass mit einer Bewegung der Luftleiteinrichtung auch die Stellung der Schichtungsklappe geändert wird.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Klimaanlage mit mindestens einer Temperaturklappe zum Öffnen und Verschließen der Strömungspfade ausgebildet. Nach einer alternativen Ausgestaltung sind anstelle der einen Temperaturklappe mindestens eine erste Temperaturklappe zum Öffnen und Verschließen des ersten Strömungspfades und mindestens eine zweite Temperaturklappe zum Öffnen und Verschließen des zweiten Strömungspfades vorgesehen.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung begrenzen die zwei Endstellungen der Schichtungsklappe jeweils einen Bewegungsablauf der Schichtungsklappe. Dabei liegt die Schichtungsklappe in den zwei Endstellungen jeweils vorteilhaft an einem am Gehäuse ausgebildeten Anschlagelement, die Schichtungsklappe zum Gehäuse abdichtend, an.
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Die Schichtungsklappe des Kaltluftbypasspfades ist mit der Luftleiteinrichtung des Luftauslasses vorzugsweise derart gekoppelt, dass in einer ersten Endstellung der Schichtungsklappe sowohl der Kaltluftbypasspfad als auch der Luftauslass „geschlossen“ sind, dass in einer Zwischenstellung der Schichtungsklappe zwischen den zwei Endstellungen der Kaltluftbypasspfad und der Luftauslass zumindest teilweise „geöffnet“ sind, und dass in einer zweiten Endstellung der Schichtungsklappe der Kaltluftbypasspfad „geschlossen“ und der Luftauslass „vollständig geöffnet“ sind.
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Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Kaltluftbypasspfad in Strömungsrichtung der Luft vor der mindestens einen Temperaturklappe oder vor der mindestens einen ersten Temperaturklappe einen ersten Einlass aufweist, welcher unabhängig von einer Stellung der Temperaturklappe permanent geöffnet ist. Durch den geöffneten ersten Einlass kann dauerhaft vorkonditionierte kalte Luft in den Kaltluftbypasspfad einströmen.
Zudem kann der Kaltluftbypasspfad in Strömungsrichtung der Luft nach der mindestens einen Temperaturklappe oder nach der mindestens einen ersten Temperaturklappe mindestens einen zweiten Einlass aufweisen, welcher abhängig von der Stellung der Temperaturklappe geöffnet oder geschlossen ist.
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Die mindestens eine Luftleiteinrichtung des mindestens einen Luftauslasses und/oder die Schichtungsklappe sind bevorzugt jeweils als um eine Drehachse drehbar gelagerte Luftklappe, insbesondere eine mittengelagerte Luftklappe, ausgebildet.
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Bei einer vorteilhaften mindestens zweigeteilten Ausbildung des Kaltluftbypasspfades kann der Kaltluftbypasspfad in Bezug auf den ersten Strömungspfad eine seitlich zentrale Anordnung oder eine seitlich außenliegende Anordnung aufweisen. Dabei ist vorzugsweise jedem Teil des Kaltluftbypasspfades ein Teil der ebenfalls zweigeteilten Schichtungsklappe zugeordnet, welche insbesondere miteinander verbunden sind, um gemeinsam bewegt zu werden.
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Alternativ können der speziell als Kaltluftpfad ausgebildete erste Strömungspfad und die den ersten Strömungspfad öffnende und verschließende erste Temperaturklappe jeweils zweigeteilt derart ausgebildet sein, dass der Kaltluftbypasspfad, insbesondere zentral, zwischen zwei ersten Strömungspfaden beziehungsweise zwischen zwei Teilen des ersten Strömungspfades angeordnet ist.
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Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind die Luftleiteinrichtung des Luftauslasses und die Schichtungsklappe über eine an einer gemeinsamen Drehachse ausgebildete direkte Steckverbindung miteinander gekoppelt. Unter einer direkten Steckverbindung ist dabei eine Verbindung aus Verbindungselementen, wie Hülsen, Bolzen oder Steckern, ohne Richtungsänderung der Bewegung, wie bei Gelenken, Zahnradpaarungen oder Zahnradketten, zu verstehen. Bei einer mehrteiligen Ausbildung der Luftleiteinrichtung des Luftauslasses beziehungsweise der Schichtungsklappe sind die entsprechenden Teile bevorzugt jeweils über ein Verbindungselement miteinander gekoppelt.
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Dabei ist ein Auslass des Kaltluftbypasspfades in einer Strömungsrichtung der Luft vorteilhaft nach der Luftleiteinrichtung des Luftauslasses angeordnet. Bei einer vorzugsweise zweigeteilten Ausbildung der Luftleiteinrichtung des Luftauslasses sind die Teile der Luftleiteinrichtung jeweils insbesondere seitlich am Kaltluftbypasspfad angrenzend vorgesehen.
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Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind die Luftleiteinrichtung des Luftauslasses und die Schichtungsklappe des Kaltluftbypasspfades in Bezug auf das Gehäuse über eine außenliegende Verbindung oder über eine innenliegende Verbindung miteinander gekoppelt. Die Verbindung zwischen der Luftleiteinrichtung und der Schichtungsklappe kann als eine Zahnradpaarung oder eine Zahnradkette oder als ein Viergelenkgetriebe ausgebildet sein.
Dabei ist ein Auslass des Kaltluftbypasspfades in der Strömungsrichtung der Luft vorzugsweise vor der Luftleiteinrichtung des Luftauslasses angeordnet. Die Luftleiteinrichtung des Luftauslasses ist vorteilhaft einteilig ausgebildet.
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Bei der Ausbildung der Verbindung zwischen der Luftleiteinrichtung und der Schichtungsklappe als ein Viergelenkgetriebe kann ein Gelenkhebel des Viergelenkgetriebes in die Luftleiteinrichtung des Luftauslasses integriert und damit einstückig mit der Luftleiteinrichtung ausgebildet sein.
Die als ein Viergelenkgetriebe konfigurierte Verbindung weist bevorzugt eine nichtlineare Übertragungsfunktion auf.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Luftleiteinrichtung und die Schichtungsklappe sowie ein Luftpfad des Luftauslasses und der Kaltluftbypasspfad im Bereich der Luftleiteinrichtung und der Schichtungsklappe sich jeweils parallel zueinander erstreckend angeordnet.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Schichtungsklappe des Kaltluftbypasspfades und die mindestens eine Luftleiteinrichtung des Luftauslasses über einen gemeinsamen Stellantrieb angetrieben. Der Stellantrieb ist vorzugsweise außerhalb des Gehäuses angeordnet.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Gehäuse im Bereich eines Luftverteilelements mit mindestens drei Luftauslässen, insbesondere einem Luftauslass zu einer Frontscheibe, einem Luftauslass in einem Armaturenbrett und einem Luftauslass zu einem Fußraum, ausgebildet ist.
Die Schichtungsklappe des Kaltluftbypasspfades ist bevorzugt mit der Luftleiteinrichtung des Luftauslasses zur Frontscheibe gekoppelt.
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Die Aufgabe der Erfindung wird des Weiteren durch ein Klimatisierungssystem für ein Kraftfahrzeug mit Mitteln zur Förderung, zur Kühlung und zur Erwärmung von Luft gelöst. Das Klimatisierungssystem weist das erfindungsgemäße System zur Luftverteilung einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs auf. Dabei sind in dem Gehäuse der Klimaanlage mindestens ein als Verdampfer eines Kältemittelkreislaufes betriebener erster Wärmeübertrager und ein als temperaturgeregelter Kondensator des Kältemittelkreislaufes betriebener zweiter Wärmeübertrager ausgebildet. Der zweite Wärmeübertrager zur Erwärmung der Luft ist innerhalb des zweiten Strömungspfades angeordnet.
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Unter einem Klimatisierungssystem ist folglich eine Klimaanlage, aufweisend das Gehäuse mit den einzelnen Strömungspfaden beziehungsweise Luftpfaden, Mischkammern, Luftauslässen sowie Lufteinlässen und den Kältemittelkreislauf beziehungsweise einen Wärmeträgerkreislauf, wie einen Kühlmittelkreislauf, beispielsweise zum Temperieren von Antriebskomponenten des Kraftfahrzeugs, zu verstehen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ebenso durch ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems zum Konditionieren von Zuluft des Fahrgastraumes des Kraftfahrzeugs gelöst.
Nach der Konzeption der Erfindung wird bei einem Betriebsmodus des Klimatisierungssystems mit maximaler Wärmeleistung zum Beheizen des Fußraums die Schichtungsklappe des Kaltluftbypasspfades in die erste Endstellung verbracht, sodass die Luftleiteinrichtung des Luftauslasses zur Frontscheibe und der Kaltluftbypasspfad „geschlossen“ sind. Bei einem Betriebsmodus des Klimatisierungssystems mit Luftverteilungsmischung mit anteiliger Belüftung der Frontscheibe wird die Schichtungsklappe des Kaltluftbypasspfades in eine Zwischenstellung bewegt, sodass die Luftleiteinrichtung des Luftauslasses zur Frontscheibe zumindest „teilgeöffnet“ und der Kaltluftbypasspfad „geöffnet“ sind. Die Luftverteilung auf die Luftauslässe zur Frontscheibe, im Armaturenbrett und zum Fußraum kann je nach Bedarf variieren. Sobald durch das Teilöffnen der Luftleiteinrichtung des Luftauslasses zur Frontscheibe der Luftauslass zur Frontscheibe anteilig mit Luft beaufschlagt wird, wird dem Luftauslass zur Frontscheibe durch den Kaltluftbypasspfad strömende kalte Luft vorteilhaft gezielt zugemischt.
Bei einem Betriebsmodus des Klimatisierungssystems mit maximaler Wärmeleistung zum Enteisen der Frontscheibe wird die Schichtungsklappe des Kaltluftbypasspfades in eine zweite Endstellung verbracht, sodass die Luftleiteinrichtung des Luftauslasses zur Frontscheibe „vollständig geöffnet“ und der Kaltluftbypasspfad „geschlossen“ sind.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird beim Betriebsmodus des Klimatisierungssystems mit Luftverteilungsmischung mit anteiliger Belüftung der Frontscheibe mit zumindest teilgeöffnetem Kaltluftbypasspfad beim Durchströmen eines als Verdampfer des Kältemittelkreislaufes betriebenen ersten Wärmeübertragers vorkonditionierte kalte Luft durch den Kaltluftbypasspfad hindurchgeleitet und an Luftauslässen des Gehäuses der Klimaanlage eine Temperaturschichtung der Zuluft für den Fahrgastraum eingestellt.
Unter einer Temperaturschichtung, einer geschichteten Strömung beziehungsweise einer geschichteten Zusammensetzung des konditionierten Luftmassenstroms ist ein Luftmassenstrom mit unterschiedlichen Temperaturen quer zur Strömungsrichtung der Luft zu verstehen. Der Luftmassenstrom weist über den Querschnitt eines Luftkanals folglich unterschiedliche Temperaturen auf.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die zu konditionierende Luft in dem im Luftkanal angeordneten Verdampfer des Kältemittelkreislaufes abgekühlt und/oder entfeuchtet. Dabei ist der Verdampfer in Strömungsrichtung der Luft vor der Aufteilung des Luftstromes in die Teilluftmassenströme durch die Strömungspfade und den Kaltluftbypasspfad angeordnet.
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Nach dem Abkühlen und/oder Entfeuchten der zu konditionierenden Luft im vorteilhaft für einen kombinierten Kälteanlagenbetrieb und/oder Wärmepumpenbetrieb sowie für einen Nachheizbetrieb ausgebildeten Kältemittelkreislauf des Klimatisierungssystems angeordneten Verdampfer kann die Luft anschließend beim Durchströmen des im zweiten Strömungspfad angeordneten Kondensators erwärmt werden.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Systems zur Luftverteilung einer Klimaanlage, des Klimatisierungssystems mit dem System zur Luftverteilung und dem Verfahren zum Betreiben des Klimatisierungssystems lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- - anwendungsgerechte, insbesondere mechanische Kopplung der Schichtungsklappe des Kaltluftbypasspfades mit der Luftleiteinrichtung des Luftauslasses, speziell zur Frontscheibe, zur Temperaturschichtung in Verbindung mit einem temperaturgeregelten Kondensator des Kältemittelkreislaufs zum Beheizen der Zuluft des Fahrgastraums,
- - Erfüllen der Funktion der Temperaturschichtung während des Betriebsmodus mit maximaler Wärmeleistung ohne den Betrieb eines zusätzlichen Antriebsorgans, insbesondere ohne einen zusätzlichen Stellmotor, wobei zudem während des Betriebsmodus des Klimatisierungssystems mit Luftverteilungsmischung mit anteiliger Belüftung der Frontscheibe Kaltluft durch den Kaltluftbypasspfad geleitet wird, um die Temperaturschichtung an den Luftauslässen zu gewährleisten, und
- - Betreiben des Kondensators des Kältemittelkreislaufs auf einem minimalen Temperaturniveau, welches nahe an der erforderlichen Auslasstemperatur der Zuluft liegt, sodass das Klimatisierungssystem, insbesondere für batterie-elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge, energieeffizient betrieben wird.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
- 1: eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs mit Luftauslässen und dazugehörigen Luftklappen aus dem Stand der Technik in einer Schnittdarstellung,
- 2a: einen Luftkanal einer Klimaanlage mit einem als Verdampfer betriebenen ersten Wärmeübertrager zum Kühlen sowie einem zweiten Wärmeübertrager zum Erwärmen der Luft und einer Schichtungsklappe aus dem Stand der Technik in einer Schnittdarstellung,
- 2b und 2c: einen Luftkanal einer Klimaanlage mit dem als Verdampfer betriebenen ersten Wärmeübertrager zum Kühlen sowie dem zweiten Wärmeübertrager zum Erwärmen der Luft und einer Temperaturklappe zur sekundären Temperaturregelung in Stellung „voll kalt“ und in Stellung „voll warm“ und einer Schichtungsklappe aus dem Stand der Technik,
- 3: einen Kaltluftbypasspfad mit einer um eine Drehachse drehbar gelagerten Schichtungsklappe in zwei verschiedenen Endstellungen und einer Zwischenstellung in einer Schnittdarstellung,
- 4a und 4b: jeweils ein System zur Luftverteilung mit einer Vorrichtung zur Kopplung einer als Luftklappe ausgebildeten Luftleiteinrichtung eines Luftauslasses und der Schichtungsklappe eines Kaltluftbypasspfades,
- 5: verschiedene Ausbildungen des Kaltluftbypasspfades mit unterschiedlichen Teilungen,
- 6a und 6b: ein System zur Luftverteilung mit einer Vorrichtung zur Kopplung der als Luftklappe ausgebildeten Luftleiteinrichtung des Luftauslasses zur Frontscheibe und der Schichtungsklappe des Kaltluftbypasspfades nach 4b mit einer als Viergelenkgetriebe ausgebildeten innenliegenden Verbindung in einer seitlichen sowie einer perspektivischen Ansicht,
- 7: die Vorrichtung zur Kopplung aus den 6a und 6b mit der als Viergelenkgetriebe ausgebildeten Verbindung mit einem in der Luftleiteinrichtung des Luftauslasses integrierten Gelenkhebel in einer perspektivischen Ansicht und
- 8a bis 8c: jeweils eine Detailansicht des Systems zur Luftverteilung aus den 6a und 6b in unterschiedlichen Stellungen der Luftleiteinrichtung des Luftauslasses zur Frontscheibe und der Schichtungsklappe in einer seitlichen Schnittdarstellung.
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In 1 ist eine Klimaanlage 1' aus dem Stand der Technik in einer Schnittdarstellung gezeigt. Die Klimaanlage 1' weist einen nicht dargestellten Lüfter zum Ansaugen und Fördern der Luft durch das Gehäuse 2 der Klimaanlage 1' mit einem als Verdampfer eines Kältemittelkreislaufes betriebenen ersten Wärmeübertrager 3 und einem als Kondensator des Kältemittelkreislaufes oder einem als Heizwärmeübertrager eines Kühlmittelkreislaufes betriebenen zweiten Wärmeübertrager 4 auf. Das Gehäuse 2 ist im Bereich eines Luftverteilelements 5 mit drei Luftauslässen 5a, 5b, 5c und einer Mischkammer 9 ausgebildet.
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Der vom Lüfter angesaugte zum als Verdampfer betriebenen ersten Wärmeübertrager 3 hingeführte Luftmassenstrom wird vollständig über die Wärmeübertragerflächen des ersten Wärmeübertragers 3 geleitet und anschließend auf zwei Strömungspfade 7, 8 aufgeteilt.
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Ein erster Strömungspfad 7, auch als Kaltluftpfad bezeichnet, führt die im als Verdampfer betriebenen ersten Wärmeübertrager 3 abgekühlte und/oder entfeuchtete Luft als Teilluftmassenstrom um den als Kondensator oder Heizwärmeübertrager betriebenen zweiten Wärmeübertrager 4 herum. Dabei ist der erste Strömungspfad 7 in vertikaler Richtung z der Klimaanlage 1' oberhalb des zweiten Wärmeübertragers 4 angeordnet, welcher innerhalb eines zweiten Strömungspfades 8 angeordnet ist. Der durch den zweiten Strömungspfad 8 geführte Teilluftmassenstrom wird vollständig über die Wärmeübertragerflächen des zweiten Wärmeübertragers 4 geleitet und erwärmt. Der zweite Strömungspfad 8 wird folglich auch als Warmluftpfad bezeichnet.
Die Strömungspfade 7, 8 münden jeweils in die Mischkammer 9 ein. Die auf die Strömungspfade 7, 8 aufgeteilten Teilluftmassenströme werden in der Mischkammer 9 wieder zusammengeführt und vermischt, bevor die nunmehr konditionierte Luft durch die einzelnen Luftauslässe 5a, 5b, 5c dem Fahrgastraum zugeführt wird.
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Der über den als Verdampfer betriebenen ersten Wärmeübertrager 3 geführte Luftmassenstrom wird mittels der Temperaturklappen 10`, 11 in die Teilluftmassenströme auf die Strömungspfade 7, 8 aufgeteilt. Mittels der Stellung der Temperaturklappen 10', 11 sind die Teilluftmassenströme durch die Strömungspfade 7, 8, das heißt die Anteile am gesamten durch die Klimaanlage 1' geführten Luftmassenstroms, und damit die Temperatur an den Luftauslässen 5a, 5b, 5c, steuerbar. Eine erste Temperaturklappe 10' dient dem Öffnen und Verschließen des Kaltluftpfades 7, während eine zweite Temperaturklappe 11 zum Öffnen und Verschließen des Warmluftpfades 8 vorgesehen ist.
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Ein Luftauslass 5a zur Frontscheibe, ein Luftauslass 5b im Armaturenbrett und ein Luftauslasses 5c zum Fußraum können mittels als Luftklappen ausgebildeter Luftleiteinrichtungen 6a, 6b, 6c verschlossen beziehungsweise geöffnet werden. Nach 1 sind die Luftleiteinrichtungen 6a, 6b, 6c derart ausgerichtet, dass die Luftauslässe 5a, 5b, 5c geöffnet sind. Ein zweiter Luftauslass 5b wird auch als Insassen- oder Fahrer-Anströmer bezeichnet, da der durch den Luftauslass 5b geleitete Luftmassenstrom die Insassen direkt anströmen kann.
Die im Querschnitt, welcher sich durch die in horizontaler Richtung x und in vertikaler Richtung z aufgespannte Ebene ergibt, geradflächig ausgebildeten Luftleiteinrichtungen 6a, 6b, 6c sind jeweils um eine Drehachse drehbar gelagert und erstrecken sich in Tiefenrichtung y. Die zweite Luftleiteinrichtung 6b des zweiten Luftauslasses 5b im Armaturenbrett ist beispielsweise um eine Drehachse 6b-1 drehbar gelagert.
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Bei der in 1 dargestellten Klimaanlage 1' mit geöffneten Temperaturklappen 10`, 11 wird der vom ersten Wärmeübertrager 3 abströmende Luftmassenstrom auf die Strömungspfade 7, 8 aufgeteilt. Ein durch den Kaltluftpfad 7 geleiteter erster Teilluftmassenstrom und ein durch den Warmluftpfad 8 geleiteter zweiter Teilluftmassenstrom werden in der Mischkammer 9 vermischt und durch die Luftauslässe 5a, 5b, 5c in den Fahrgastraum geleitet.
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In 2a ist ein Luftkanal des Gehäuses 2 zum Leiten der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft einer Klimaanlage aus dem Stand der Technik mit dem als Verdampfer betriebenen ersten Wärmeübertrager 3 des Kältemittelkreislaufes zum Kühlen und/oder Entfeuchten der Luft sowie dem als Kondensator des Kältemittelkreislaufes oder dem als Heizwärmeübertrager des Kühlmittelkreislaufes betriebenen zweiten, temperaturgeregelten beziehungsweise durchflussgeregelten Wärmeübertrager 4 zum Erwärmen der Luft dargestellt.
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Die Temperaturregelung erfolgt ausschließlich über den Massenstrom beziehungsweise die Temperatur des dem Wärmeübertrager 4 zugeführten Heizmediums. Um eine Temperaturschichtung an den Luftauslässen zu erreichen, wird der im ersten Wärmeübertrager 3 abgekühlte und/oder entfeuchtete Luftmassenstrom mittels einer in einem Kaltluftbypasspfad 15' angeordneten Schichtungsklappe 12' in zwei Teilluftmassenströme aufgeteilt. Dabei strömt ein erster Teilluftmassenstrom durch den Kaltluftbypasspfad 15' am zweiten Wärmeübertrager 4 vorbei, während ein zweiter Teilluftmassenstrom innerhalb des Warmluftpfades 8 durch den zweiten Wärmeübertrager 4 geleitet und erwärmt wird.
Ein erster Teil des im zweiten Wärmeübertrager 4 erwärmten zweiten Teilluftmassenstroms wird mit dem durch den Kaltluftbypasspfad 15' am zweiten Wärmeübertrager 4 vorbei geleiteten kalten ersten Teilluftmassenstrom vermischt, um eine geforderte Zieltemperatur der Luft zu erreichen, wobei ein zweiter Teil des erwärmten zweiten Teilluftmassenstroms unverändert bleibt. Dabei wird auf Grund einer geringen geforderten Temperaturschichtung nur ein geringer Massenstrom kalter Luft benötigt.
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Neben der Schicht, bestehend aus dem unvermischten zweiten Teil des erwärmten zweiten Teilluftmassenstroms, werden folglich entweder eine oder zwei weitere Schichten ausgeprägt. Bei der Ausprägung einer weiteren Schicht wird der gesamte kalte, durch den Kaltluftbypasspfad 15' geströmte erste Teilluftmassenstrom mit dem ersten Teil des erwärmten zweiten Teilluftmassenstroms vermischt. Bei der Ausprägung zwei weiterer Schichten wird lediglich ein erster Teil des kalten Teilluftmassenstroms mit dem ersten Teil des erwärmten zweiten Teilluftmassenstroms vermischt. Ein zweiter Teil des kalten ersten Teilluftmassenstroms strömt unverändert als zusätzliche Schicht des Gesamtstroms durch den Luftkanal.
Der Gesamtstrom der konditionierten Luft wird mittels Luftleitelementen 13 geschichtet im Luftkanal geleitet und den Auslässen in den Fahrgastraum zugeführt. Die Schichtung der Luft ermöglicht eine gezielt geschichtete Temperatur im Fahrgastraum mit warmem Fußraum sowie kühlerem Kopfraum.
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In den 2b und 2c ist der Luftkanal des Gehäuses 2 zum Leiten der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft einer Klimaanlage aus dem Stand der Technik mit dem als Verdampfer betriebenen ersten Wärmeübertrager 3 des Kältemittelkreislaufes zum Kühlen und/oder Entfeuchten der Luft sowie dem als Kondensator des Kältemittelkreislaufes oder dem als Heizwärmeübertrager des Kühlmittelkreislaufes betriebenen zweiten, insbesondere temperaturgeregelten beziehungsweise durchflussgeregelten Wärmeübertrager 4 zum Erwärmen der Luft gezeigt. In Strömungsrichtung der Luft vor dem zweiten Wärmeübertrager 4 ist innerhalb einer Hauptströmungspasssage 14 eine Temperaturklappe 16` angeordnet. Die Temperaturregelung kann insbesondere für Klimatisierungssysteme mit Wärmepumpenfunktion sowie zum energieeffizienten Heizen primär über den Massenstrom des dem Wärmeübertrager 4 zugeführten Heizmediums und sekundär über die Stellung der Temperaturklappe 16' erfolgen.
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Der im ersten Wärmeübertrager 3 abgekühlte und/oder entfeuchtete Luftmassenstrom wird mittels der im Kaltluftbypasspfad 15' angeordneten Schichtungsklappe 12' in zwei Teilluftmassenströme aufgeteilt. Dabei strömt ein erster Teilluftmassenstrom durch den Kaltluftbypasspfad 15' am zweiten Wärmeübertrager 4 vorbei. Ein zweiter Teilluftmassenstrom wird innerhalb der Hauptströmungspasssage 14 entweder innerhalb des Warmluftpfades 8 durch den zweiten Wärmeübertrager 4 geführt und gegebenenfalls erwärmt oder ebenfalls durch den Kaltluftpfad 7 am zweiten Wärmeübertrager 4 vorbei geleitet. Während mittels der Schichtungsklappe 12' der erste Teilluftmassenstrom durch den Kaltluftbypasspfad 15' geregelt wird, wird mittels der Temperaturklappe 16' geregelt, ob der zweite Teilluftmassenstrom durch den zweiten Wärmeübertrager 4 oder am zweiten Wärmeübertrager 4 vorbei geleitet wird.
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Insbesondere bei Klimatisierungssystemen mit Wärmepumpenfunktion sowie zum energieeffizienten Heizen wird die Temperaturklappe 16' vorzugsweise ausschließlich in den Endstellungen „voll kalt“, gemäß 2b, oder „voll warm“, gemäß 2c, betrieben.
Bei einem Betrieb der Temperaturklappe 16' in der Stellung „voll kalt“ strömt neben dem ersten, durch den Kaltluftbypasspfad 15' geleiteten Teilluftmassenstrom auch der gesamte zweite Teilluftmassenstrom um den zweiten Wärmeübertrager 4 herum. Kein Anteil des durch den Luftkanal geleiteten gesamten Luftmassenstromes strömt folglich durch den zweiten Wärmeübertrager 4.
Bei einem Betrieb der Temperaturklappe 16' in der Stellung „voll warm“ strömt der gesamte zweite Teilluftmassenstrom durch den zweiten Wärmeübertrager 4 und wird erwärmt. Die Schichtungsklappe 12' wird in der Stellung der Temperaturklappe 16' „voll warm“ derart ausgerichtet, die gewünschte Temperaturschichtung zu erzielen.
Wie bei der Ausführungsform aus 2a wird ein erster Teil des im zweiten Wärmeübertrager 4 erwärmten zweiten Teilluftmassenstroms mit mindestens einem ersten Teil des durch den Kaltluftbypasspfad 15' strömenden kalten Luftmassenstroms vermischt, wobei ein zweiter Teil des erwärmten zweiten Teilluftmassenstroms unverändert bleibt. Wenn nicht der gesamte erste, kalte, durch den Kaltluftbypasspfad 15' geströmte Teilluftmassenstrom mit dem ersten Teil des warmen zweiten Teilluftmassenstroms vermischt wird, bleibt eine zusätzliche kalte Schicht im Gesamtstrom der Luft erhalten. Der Gesamtstrom, bestehend aus kalter Luft, aus vermischter kalter und warmer Luft sowie warmer Luft wird dann mittels der Luftleitelemente 13 geschichtet im Luftkanal zu den Auslässen geleitet.
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Aus 3 geht der in dem Gehäuse 2 ausgebildete Kaltluftbypasspfad 15 mit der um eine Drehachse drehbar gelagerten Schichtungsklappe 12 in zwei verschiedenen Endstellungen 12-1, 12-3 und einer Zwischenstellung 12-2 in einer Schnittdarstellung hervor.
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Die als mittengelagerte Drehklappe ausgebildete Schichtungsklappe 12 weist auf dem Verfahrweg von der ersten Endstellung 12-1 „geschlossen“ über die Zwischenstellung 12-2 „vollständig geöffnet“ bis zur zweiten Endstellung 12-3 „geschlossen“ verschiedene Stellungen auf, welche unterschiedliche Öffnungsgrade des Kaltluftbypasspfades 15 ermöglichen. In den Endstellungen 12-1, 12-3 „geschlossen“, welche jeweils die Bewegungen der Schichtungsklappe 12 begrenzen, liegt die Schichtungsklappe 12 jeweils seitlich an einem am Gehäuse 2 ausgebildeten Anschlagelement 17, die Schichtungsklappe 12 zum Gehäuse 2 abdichtend an.
Dabei ist die Schichtungsklappe 12 des Kaltluftbypasspfades 15 mit der in
3 nicht dargestellten ersten Luftleiteinrichtung 6a des ersten Luftauslasses 5a zur Frontscheibe in geeigneter Weise derart gekoppelt, dass in der ersten Endstellung 12-1 der Schichtungsklappe 12 sowohl der Kaltluftbypasspfad 15 als auch der erste Luftauslass 5a zur Frontscheibe „geschlossen“ ist, in der Zwischenstellung 12-2 der Schichtungsklappe 12 der Kaltluftbypasspfad 15 „(vollständig) geöffnet“ und der erste Luftauslass 5a zur Frontscheibe „teilgeöffnet“ sind sowie in der zweiten Endstellung 12-3 der Schichtungsklappe 12 der Kaltluftbypasspfad 15 „geschlossen“ und der erste Luftauslass 5a zur Frontscheibe „vollständig geöffnet“ sind. Die genannten Betriebsmodi der Klimaanlage, insbesondere zum Heizen beziehungsweise zum Erwärmen der Zuluft, sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt.
| | erste Endstellung 12-1 | Zwischenstellung 12-2 | zweite Endstellung 12-3 |
| Kaltluftbypasspfad 15 | „geschlossen“ | „geöffnet“ | „geschlossen“ |
| erster Luftauslass 5a | „geschlossen“ | „teilgeöffnet“ | „geöffnet“ |
| Anwendung | maximale Beheizung Fußraum | Verteilungsmischbetrieb mit Belüftung Frontscheibe | maximale Beheizung Frontscheibe |
| Temperaturschichtung | ohne | aktiv | ohne |
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Beim Betriebsmodus der Klimaanlage in der ersten Endstellung 12-1 wird der durch den dritten Luftauslass 5c zum Fußraum ausgeströmte Luftmassenstrom mit maximaler Wärmeleistung beheizt, während beim Betriebsmodus der Klimaanlage in der zweiten Endstellung 12-3 der durch den ersten Luftauslass 5a zur Frontscheibe ausgeströmte Luftmassenstrom mit maximaler Wärmeleistung beheizt wird. Die Betriebsmodi werden folglich auch als Wärmeleistungsmodi bezeichnet. Die zweite Endstellung 12-3 kann speziell zum Enteisen der Frontscheibe und zur direkten Frontscheibenbelüftung verwendet werden. In beiden Endstellungen 12-1, 12-3 der Schichtungsklappe 12 ist der Kaltluftbypasspfad 15 „geschlossen“, da sich ein geöffneter Kaltluftbypasspfad 15 in diesen Betriebsmodi der Klimaanlage leistungsreduzierend auswirken würde.
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Die erste Luftleiteinrichtung 6a des ersten Luftauslasses 5a zur Frontscheibe kann mit der Schichtungsklappe 12 des Kaltluftbypasspfades 15 auf verschiedene Weisen gekoppelt ausgebildet sein.
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Aus den 4a und 4b geht jeweils ein System 1a, 1b zur Luftverteilung mit einer Vorrichtung zur Kopplung der als Luftklappe ausgebildeten ersten Luftleiteinrichtung 6a des ersten Luftauslasses 5a zur Frontscheibe und der Schichtungsklappe 12 des Kaltluftbypasspfades 15 hervor.
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Gemäß des Systems 1a aus 4a sind die als Luftklappe ausgebildete erste Luftleiteinrichtung 6a des ersten Luftauslasses 5a zur Frontscheibe und die Schichtungsklappe 12 des Kaltluftbypasspfades 15 über eine an den Achsen der Klappen vorgesehene direkte Steckverbindung miteinander gekoppelt. Die erste Luftleiteinrichtung 6a und die Schichtungsklappe 12 sowie der Luftpfad des ersten Luftauslasses 5a und der Kaltluftbypasspfad 15 sind jeweils parallel zueinander angeordnet.
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Dabei ist der Kaltluftbypasspfad 15 zentral zwischen zwei ersten Strömungspfaden 7 angeordnet. Der als Kaltluftpfad ausgebildete und mit der ersten Temperaturklappe 10 öffenbare und verschließbare erste Strömungspfad 7 ist folglich ebenso wie die erste Luftleiteinrichtung 6a des ersten Luftauslasses 5a zweigeteilt. Die erste Luftleiteinrichtung 6a weist eine erste Luftklappe eines Luftauslasses zur linken Seite des Fahrgastraums sowie eine zweite Luftklappe eines Luftauslasses zur rechten Seite des Fahrgastraums auf.
Der durch den Kaltluftbypasspfad 15 geleitete Teilluftmassenstrom kalter, vorkonditionierter Luft und ein aus der Mischkammer 9 ausströmender Teilluftmassenstrom werden in Strömungsrichtung 20 der Luft nach der ersten Luftleiteinrichtung 6a des ersten Luftauslasses 5a zur Frontscheibe miteinander vermischt.
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Die ersten Luftleiteinrichtungen 6a der ersten Luftauslässe 5a zur Frontscheibe und die auf einer gemeinsamen Achse zwischen den ersten Luftleiteinrichtungen 6a angeordnete Schichtungsklappe 12 des Kaltluftbypasspfades 15 sind jeweils über Verbindungselemente 21 als direkte Steckverbindungen miteinander gekoppelt. Dabei sind die jeweils zwischen den ersten Luftleiteinrichtungen 6a und Schichtungsklappe 12 ausgebildeten Verbindungselemente 21 jeweils durch eine Wandung des Kaltluftbypasspfades 15 hindurchgeführt, während die ersten Luftleiteinrichtungen 6a an den jeweils gegenüberliegenden Enden im Gehäuse 2 abgestützt sind.
Die Vorrichtung aus den ersten Luftleiteinrichtungen 6a der ersten Luftauslässe 5a zur Frontscheibe und der Schichtungsklappe 12 des Kaltluftbypasspfades 15 wird über einen außerhalb des Gehäuses 2 angeordneten Stellantrieb 22 angetrieben.
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Nach einer alternativen Ausführungsform gemäß 4b sind die als Luftklappe ausgebildete erste Luftleiteinrichtung 6a des ersten Luftauslasses 5a zur Frontscheibe und die Schichtungsklappe 12 des Kaltluftbypasspfades 15 über eine außenliegende Verbindung 23 oder eine innenliegende Verbindung 24 miteinander gekoppelt. Da es sich bei der außenliegenden Verbindung 23 und der innenliegenden Verbindung 24 jeweils wiederum um alternative Ausführungsformen handelt, ist die Ausbildung der innenliegenden Verbindung 24 mit gestrichelten Linien dargestellt.
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Aufgrund der zentralen Anordnung des Kaltluftbypasspfades 15 zwischen zwei ersten Strömungspfaden 7 ist der als Kaltluftpfad ausgebildete und mit der ersten Temperaturklappe 10 öffenbare und verschließbare erste Strömungspfad 7 wiederum zweigeteilt. Ein wesentlicher Unterschied zur Ausführungsform nach 4a liegt in der einteiligen Ausbildung der ersten Luftleiteinrichtung 6a des ersten Luftauslasses 5a zur Frontscheibe.
Dabei mündet der Kaltluftbypasspfad 15 in einem in Strömungsrichtung 20 der Luft vor der ersten Luftleiteinrichtung 6a des ersten Luftauslasses 5a zur Frontscheibe ausgebildeten Bereich 9-2 der Mischkammer 9 ein, während die zwei ersten Strömungspfade 7 ebenfalls in einem in Strömungsrichtung 20 der Luft vor der ersten Luftleiteinrichtung 6a des ersten Luftauslasses 5a ausgebildeten Bereich 9-1 der Mischkammer 9 einmünden. Die Bereiche 9-1, 9-2 der Mischkammer 9 sind fluidtechnisch miteinander verbunden, sodass der durch den Kaltluftbypasspfad 15 geleitete Teilluftmassenstrom kalter, vorkonditionierter Luft sowie die durch den Kaltluftpfad 7 und den Warmluftpfad 8 in die Mischkammer 9 einströmenden Teilluftmassenströme in der Mischkammer 9 miteinander vermischt werden.
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Die erste Luftleiteinrichtung 6a ist an den gegenüberliegenden Enden im Gehäuse 2 abgestützt, während die Schichtungsklappe 12 an den gegenüberliegenden Enden in der Wandung des Kaltluftbypasspfades 15 abgestützt ist. Die Vorrichtung aus erster Luftleiteinrichtung 6a des ersten Luftauslasses 5a zur Frontscheibe und der Schichtungsklappe 12 des Kaltluftbypasspfades 15 wird wiederum über einen außerhalb des Gehäuses 2 angeordneten Stellantrieb 22 angetrieben.
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Die distalen Verbindungen 23, 24 der ersten Luftleiteinrichtung 6a und der Schichtungsklappe 12, auch als Rotationsverbindungen bezeichnet, können als eine Zahnradpaarung oder eine Zahnradkette oder als ein Viergelenkgetriebe ausgebildet sein.
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Wie insbesondere aus 5 hervorgeht, kann der Kaltluftbypasspfad 15 gemäß der 4a und 4b zentral zwischen zwei ersten Strömungspfaden 7 angeordnet sein. Alternativ kann der Kaltluftbypasspfad 15 zweigeteilt oder mehrfachgeteilt ausgebildet sein. Dabei kann der zweigeteilte Kaltluftbypasspfad 15 eine seitlich zentrale Anordnung 15-1 oder eine seitlich außenliegende Anordnung 15-2 aufweisen.
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Unabhängig von der der Anzahl der Kaltluftbypasspfade 15, des Einmündens des Kaltluftbypasspfades 15 in eine in Strömungsrichtung 20 der Luft vor der ersten Luftleiteinrichtung 6a des ersten Luftauslasses 5a zur Frontscheibe ausgebildeten Bereichs 9-2 der Mischkammer 9 oder nach der ersten Luftleiteinrichtung 6a sowie der Verbindung 23, 24 beziehungsweise der Verbindungselemente 21 der als Luftklappe ausgebildeten ersten Luftleiteinrichtung 6a des ersten Luftauslasses 5a zur Frontscheibe und der Schichtungsklappe 12 des Kaltluftbypasspfades 15 werden alle in der obigen Tabelle aufgeführten Betriebsmodi der Klimaanlage ermöglicht.
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In den 6a und 6b ist ein System 1 b zur Luftverteilung mit einer Vorrichtung zur Kopplung der als Luftklappe ausgebildeten Luftleiteinrichtung 6a des Luftauslasses 5a zur Frontscheibe und der Schichtungsklappe 12 des Kaltluftbypasspfades 15 nach 4b mit einer als Viergelenkgetriebe ausgebildeten innenliegenden Verbindung 24 in einer seitlichen sowie einer perspektivischen Ansicht dargestellt.
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Wie in der schematischen Darstellung aus 4b gezeigt, ist der Kaltluftbypasspfad 15 innerhalb des zweigeteilten ersten Strömungspfades 7 beziehungsweise zwischen zwei ersten Strömungspfaden 7 ausgebildet. Die ersten Strömungspfade 7 sind jeweils mit einer ersten Temperaturklappe 10 öffenbar und verschließbar. In 6b ist lediglich eine der symmetrisch zum Kaltluftbypasspfad 15 angeordneten Temperaturklappen 10 dargestellt.
Der Kaltluftbypasspfad 15 mündet mit einem Auslass 15c in Strömungsrichtung 20 der Luft vor der ersten Luftleiteinrichtung 6a des ersten Luftauslasses 5a zur Frontscheibe in den Bereich 9-2 der Mischkammer 9 ein.
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Die an den sich gegenüberliegenden Enden im Gehäuse 2 abgestützte erste Luftleiteinrichtung 6a erstreckt sich in Richtung y über die gesamte Ausdehnung der Mischkammer 9, während die an den sich gegenüberliegenden Enden in der Wandung des Kaltluftbypasspfades 15 abgestützte Schichtungsklappe 12 in Richtung y über die gesamte Ausdehnung des Kaltluftbypasspfades 15 erstreckt.
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Mit der Ausbildung des Kaltluftbypasspfades 15 zwischen zwei ersten Strömungspfaden 7 und der jeweiligen Anordnung einer ersten als Kaltluftpfadklappe 10 ausgebildeten Temperaturklappe 10 in Richtung y beiderseits neben dem Kaltluftbypasspfad 15 weist der Kaltluftbypasspfad 15 einen ersten Einlass 15a auf, welcher zwischen den beiden Kaltluftpfadklappen 10 liegend, unabhängig von der Stellung der Temperaturklappen 10, permanent geöffnet ist und damit dauerhaft mit vorkonditionierter Kaltluft beaufschlagt wird. Die Schichtungsklappe 12 zum Öffnen und Verschließen des Kaltluftbypasspfades 15 ist in Strömungsrichtung 20 der Luft innerhalb des Kaltluftbypasspfades 15 und damit zwischen dem Einlass 15a und dem Auslass 15c, speziell im Bereich des Auslasses 15c, angeordnet.
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Der Kaltluftbypasspfad 15 kann zudem zur Erweiterung der Funktionen eine Kaltluftpfadfunktion zur Temperaturschichtung aufweisen. So kann der Kaltluftbypasspfad 15 zum Beeinflussen der Temperaturschichtung während des Betriebsmodus der Luftverteilungsmischung mit anteiliger Belüftung der Frontscheibe in den Kaltluftpfad 7 integriert sein. Dabei weist der Kaltluftbypasspfad 15 in Strömungsrichtung 20 der Luft nach den Temperaturklappen 10 weitere Einlässe auf, welche in der Stellung „voll warm“ und damit geschlossenem Kaltluftpfad 7 von den Temperaturklappen 10 verschlossen sind, um im Fall des Betriebs der Klimaanlage in einem energieeffizienten Heizmodus ein unkontrolliertes Ausströmen von kalter Luft aus dem Kaltluftbypasspfad 15 zu verhindern.
So ist der Kaltluftbypasspfad 15 in Strömungsrichtung 20 der Luft nach den Temperaturklappen 10 beiderseits mit einem zweiten Einlass 15b ausgebildet, welche jeweils ein zusätzliches Einleiten von Kaltluft in den Kaltluftbypasspfad 15 abhängig von der Stellung der Temperaturklappen 10 ermöglicht. Der Kaltluftbypasspfad 15 weist mit den zweiten Einlässen 15b folglich eine weitere Funktion auf, welche insbesondere die Wirkung des Kaltluftbypasspfades 15 bei der Temperaturschichtung abhängig von der Stellung der Temperaturklappen 10 beeinflusst. Die zweiten Einlässe 15b des Kaltluftbypasspfades 15 sind damit temperaturklappengesteuert. So kann die Temperaturschichtung während des Betriebsmodus der Luftverteilungsmischung mit anteiliger Belüftung der Frontscheibe abhängig von der Stellung der Temperaturklappen 10, insbesondere bei Stellungen der Temperaturklappen 10 im Bereich von 10 % bis 90 %, zusätzlich beeinflusst werden.
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Die Ausbildung der Verbindung 24 als Viergelenkgetriebe mit vier Gelenken und drei zwischen den Gelenken angeordneten Gelenkhebeln ermöglicht die spezielle, zu 3 dargestellte Verstellung der Schichtungsklappe 12 des Kaltluftbypasspfades 15 in Verbindung mit der ersten Luftleiteinrichtung 6a des ersten Luftauslasses 5a zur Frontscheibe. Dabei ist jeweils ein Gelenkhebel zwischen zwei Gelenken angeordnet. Die äußeren Gelenke des Viergelenkgetriebes sind einerseits mit der Abstützung der ersten Luftleiteinrichtung 6a im Gehäuse 2 und andererseits mit der Abstützung der Schichtungsklappe 12 in der Wandung des Kaltluftbypasspfades 15 ausgebildet.
Einer der Gelenkhebel 6a-1 des Viergelenkgetriebes ist vorzugsweise in die Luftleiteinrichtung 6a des ersten Luftauslasses 5a zur Frontscheibe integriert und damit mit der Luftleiteinrichtung 6a einstückig ausgebildet, was insbesondere auch aus 7 hervorgeht.
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In den 8a bis 8c ist jeweils eine Detailansicht des Systems 1b zur Luftverteilung aus den 6a und 6b in unterschiedlichen Stellungen der Luftleiteinrichtung 6a des ersten Luftauslasses 5a und der Schichtungsklappe 12 in einer seitlichen Schnittdarstellung gezeigt.
In der ersten Endstellung 12-1 der Schichtungsklappe 12, gemäß 8a, sind sowohl der Kaltluftbypasspfad 15 als auch der erste Luftauslass 5a zur Frontscheibe „geschlossen“. In der Zwischenstellung 12-2 der Schichtungsklappe 12, gemäß 8b, sind der Kaltluftbypasspfad 15 „(vollständig) geöffnet“ und der erste Luftauslass 5a zur Frontscheibe „teilgeöffnet“. In der zweiten Endstellung 12-3 der Schichtungsklappe 12, gemäß 8c, ist der Kaltluftbypasspfad 15 „geschlossen“, während der erste Luftauslass 5a zur Frontscheibe „vollständig geöffnet“ ist. Neben den aufgeführten Endstellungen 12-1, 12-3 und der Zwischenstellung 12-2 können der nachfolgenden Tabelle weitere Zwischenstellungen entnommen werden.
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Beim vorliegenden System 1b strömt bereits bei kleinem Rotationswinkel der Luftleiteinrichtung 6a des ersten Luftauslasses 5a, auch als Öffnungswinkel bezeichnet, eine vergleichsweise große Luftmenge zur Frontscheibe. Die durchströmende Luftmenge verhält sich dabei nicht linear zum offenen Strömungsquerschnitt des Luftauslasses 5a. Um dem Effekt des Durchströmens der vergleichsweise großen Luftmenge durch den Luftauslass 5a zur Frontscheibe zu begegnen, ist das Viergelenkgetriebe mit einer nichtlinearen Übertragungsfunktion ausgebildet.
Die Ausbildung der Verbindung 24 als Viergelenkgetriebe ermöglicht eine nichtlineare Übertragungsfunktion zwischen der Schichtungsklappe 12 des Kaltluftbypasspfades 15 und der als Luftklappe ausgebildeten ersten Luftleiteinrichtung 6a des ersten Luftauslasses 5a zur Frontscheibe. Die über das nichtlineare Antriebsverhältnis zwischen Gelenkhebel/Stange/Gelenkhebel gekoppelten Klappen werden folglich nicht linear zueinander bewegt beziehungsweise angetrieben, was eine vorteilhafte Öffnungscharakteristik des Kaltluftbypasspfades 15 ermöglicht.
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Mit der nichtlinearen Übertragungsfunktion können die gewünschten Luftmengen beim jeweiligen Betrieb in einem Mischmodus mit Beaufschlagung des ersten Luftauslasses 5a zur Frontscheibe, des zweiten Luftauslasses 5b im Armaturenbrett und des dritten Luftauslasses 5c zum Fußraum bereits bei geringen Öffnungswinkeln der als Luftklappe ausgebildeten ersten Luftleiteinrichtung 6a des ersten Luftauslasses 5a zur Frontscheibe erreicht werden.
So ist bei einer Zwischenstellung „Mischbetrieb 1“ mit Anströmen der Frontscheibe die erste Luftleiteinrichtung 6a lediglich zu 15% geöffnet, während die Schichtungsklappe 12 mit 59 % überwiegend geöffnet ist. Bei einer weiteren Zwischenstellung „Mischbetrieb 2“ mit Anströmen der Frontscheibe, welche der Zwischenstellung 12-2 gemäß 8b entspricht, ist die erste Luftleiteinrichtung 6a erst zu 30 % geöffnet, während die Schichtungsklappe 12 mit 100 % vollständig geöffnet ist.
Für den Öffnungsbereich 15 % bis 50 % der ersten Luftleiteinrichtung 6a ist die Schichtungsklappe 12 des Kaltluftbypasspfades 15 zum Hindurchleiten von Kaltluft geöffnet oder überwiegend geöffnet und ermöglicht damit ein vorteilhaftes Anpassen des Mischbetriebs nach anwendungsbezogenen Erfordernissen.
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Die Übertragungsfunktion ergibt sich aus einer entsprechenden Auslegung des Viergelenkgetriebes, insbesondere der Hebellängen, der Hebelwinkellagen und der entsprechenden Länge der Verbindungsstange.
| Betriebsmodus | erste Luftleiteinrichtung 6a | Schichtungsklappe 12 |
| Rotationswinkel /° | Öffnung /% | Rotationswinkel /° | Öffnung / % |
| maximale Beheizung Fußraum | 0 | 0 | 0,0 | 0 |
| | 5 | 5 | 11,9 | 24 |
| | 10 | 10 | 21,4 | 43 |
| Mischbetrieb 1 | 15 | 15 | 29,6 | 59 |
| | 20 | 20 | 37,0 | 74 |
| | 25 | 25 | 43,7 | 87 |
| Mischbetrieb 2 | 30 | 30 | 50,0 | 100 |
| | 35 | 35 | 55,8 | 88 |
| | 40 | 40 | 61,3 | 77 |
| | 45 | 45 | 66,5 | 67 |
| | 50 | 50 | 71,3 | 57 |
| | 55 | 55 | 75,8 | 48 |
| | 60 | 60 | 80,0 | 40 |
| | 65 | 65 | 83,8 | 32 |
| | 70 | 70 | 87,3 | 25 |
| | 75 | 75 | 90,4 | 19 |
| | 80 | 80 | 93,2 | 14 |
| | 85 | 85 | 95,5 | 9 |
| | 90 | 90 | 97,4 | 5 |
| | 95 | 95 | 98,9 | 2 |
| maximale Beheizung Frontscheibe | 100 | 100 | 100,0 | 0 |
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LISTE DER BEZUGSZEICHEN
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- 1'
- Klimaanlage
- 1a, 1b
- System
- 2
- Gehäuse
- 3
- Wärmeübertrager
- 4
- Wärmeübertrager
- 5
- Luftverteilelement
- 5a
- erster Luftauslass
- 5b
- zweiter Luftauslass
- 5c
- dritter Luftauslass
- 6a
- erste Luftleiteinrichtung
- 6a-1
- Gelenkhebel
- 6b
- zweite Luftleiteinrichtung
- 6b-1
- Drehachse zweite Luftleiteinrichtung 6b
- 6c
- dritte Luftleiteinrichtung
- 7
- erster Strömungspfad, Kaltluftpfad
- 8
- zweiter Strömungspfad, Warmluftpfad
- 9
- Mischkammer
- 9-1, 9-2
- Bereich der Mischkammer 9
- 10, 10'
- erste Temperaturklappe, Kaltluftpfadklappe
- 11,
- zweite Temperaturklappe, Warmluftpfadklappe
- 12, 12'
- Schichtungsklappe
- 12-1
- erste Endstellung Schichtungsklappe 12
- 12-2
- Zwischenstellung Schichtungsklappe 12
- 12-3
- zweite Endstellung Schichtungsklappe 12
- 13
- Luftleitelement
- 14
- Hauptströmungspassage
- 15, 15'
- Kaltluftbypasspfad
- 15-1, 15-2
- Anordnung Kaltluftbypasspfad 15
- 15a
- (erster) Einlass Kaltluftbypasspfad 15
- 15b
- zweiter Einlass Kaltluftbypasspfad 15
- 15c
- Auslass Kaltluftbypasspfad 15
- 16'
- Temperaturklappe
- 17
- Anschlagelement
- 20
- Strömungsrichtung
- 21
- Verbindungselement
- 22
- Stellantrieb
- 23
- außenliegende Verbindung
- 24
- innenliegende Verbindung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010000990 A1 [0011]
