-
Die
Erfindung betrifft einen Lüftungskanal
für eine
Innenraumbelüftung,
insbesondere für
eine Innenraumbelüftung
eines Kraftfahrzeugs, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
-
Derartige
Lüftungskanäle können beispielsweise
Bestandteile eines in einer Instrumentententafel eines Kraftfahrzeugs
untergebrachten Belüftungssystems
sein und enden typischerweise jeweils an einer Luftaustrittsöffnung für eine Frontscheiben-,
Fußraum-
oder Frontalbelüftung.
Andere Einsatzbereiche wären
Innenraumbelüftungen
von Reisebussen, von Eisenbahnwagons oder auch Luft- oder Wasserfahrzeugen.
Gattungsgemäße Lüftungskanäle können zur
bloßen
Versorgung eines Innenraums mit Frischluft dienen oder auch im Zusammenhang
mit einem Heizungssystem zur Versorgung mit Warmluft.
-
Herkömmliche
Lüftungskanäle weisen
glatte Kanalwände
auf, was jedoch Nachteile mit sich bringt. In einem derartigen Lüftungskanal
nach dem Stand der Technik hat eine Luftströmung aufgrund von Grenzschichteffekten
eine zu den Kanalwänden hin
stark abnehmende und an den Kanalwänden verschwindende Geschwindigkeit.
Es baut sich dadurch eine so genannte Mittenströmung auf, bei der hohe Strömungsgeschwindigkeiten
nur mittig im Lüftungskanal
auftreten. Bei gegebenem Kanaldurchmesser und gegebener maximaler
Strömungsgeschwindigkeit
führt das
zu einem insgesamt verhältnismäßig geringen
Luftstrom. Unter Berücksichtigung
der Tatsache, dass dem Kanaldurchmesser bei gegebenen Raumverhältnissen
Grenzen gesetzt sind und dass zu hohe maximale Strömungsgeschwindigkeiten
unter anderem wegen einer damit verbundenen Geräuschentwicklung unerwünscht sind,
ergibt sich damit eine unter Umständen nachteilig begrenzte Luftversorgung.
Auch wird eine den Lüftungskanal
abschließende
und typischerweise mit einem Lüftungsgitter versehene
Luftaustrittsöffnung
dadurch sehr ungleichmäßig, nämlich hauptsächlich mittig,
mit Luft beaufschlagt. Das wiederum ist insbesondere dort von Nachteil,
wo ein möglichst
diffuser Luftaustritt gewünscht
ist, beispielsweise bei einer Frontscheibenbelüftung, mit der eine Frontscheibe
möglichst
großflächig mit
Luft beaufschlagt werden soll.
-
In
der Druckschrift
DE
197 32 304 A1 sind vergleichbare Lüftungskanäle gezeigt, deren Kanalwände mit
einem Filtermedium überzogen
und so strukturiert sind, dass eine möglichst gute Filterwirkung
erreicht wird.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lüftungskanal
zu entwickeln, der die zuvor genannten Nachteile und insbesondere
eine Ausbildung einer ausgeprägten
Mittenströmung
vermeidet und der für
eine möglichst
gleichmäßige Beaufschlagung
von Luftaustrittsöffnung
mit Luft geeignet ist.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
einen Lüftungskanal
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs in Verbindung
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich mit den Merkmalen der
Unteransprüche.
-
Dadurch,
dass mindestens eine Kanalwand, vorzugsweise sämtliche Kanalwände an den
dem Lüftungskanal
zugewandten Seiten mit einer aus Erhebungen und Vertiefungen bestehenden
Oberflächenstruktur
versehen sind, wobei benachbarte Erhebungen und/oder Vertiefungen
der Oberflächenstruktur
zumindest in Hauptströmungsrichtung
einen mittleren Abstand von zwischen 0,05 und 0,3 Kanaldurchmessern
haben, wird dort eine von dem Lüftungskanal
geführte
Luftströmung
schon bei verhältnismäßig geringen
Strömungsgeschwindigkeiten
in Turbulenzen versetzt, wobei die Turbulenzen entweder nur eine
turbulente Grenzschicht bilden oder aber den ganzen Lüftungskanal
erfassen können.
Beides führt,
insbesondere wenn die Oberflächenstruktur
die Kanalwände
zumindest bereichsweise flächendeckend überzieht,
mit Ausnahme einer sehr kleinen, unmittelbaren Umgebung der Kanalwände zu einem wesentlich
gleichmäßigeren
Geschwindigkeitsprofil einer Luftströmung im Lüftungskanal. Dabei sind im Fall
einer turbulenten Luftströmung
für das
Geschwindigkeitsprofil die jeweils an einem Ort im Belüftungskanal
zeitlich gemittelte Strömungsgeschwindigkeiten
relevant. Bei gegebenem Gesamtluftstrom (durchgesetzte Luftmenge
durch Zeit) hat das eine reduzierte maximale Strömungsgeschwindigkeit sowie
eine gleichmäßigere Ge schwindigkeitsverteilung über eine
von einer Luftaustrittsöffnung
gebildete Fläche
zur Folge. Das ist mit Blick auf eine möglichst geräuscharme und diffuse Belüftung von
Vorteil.
-
Ein
im Sinne der vorliegenden Erfindung mit Oberflächenstruktur versehene Kanalwand
kann dabei verschie dene Effekte auslösen. Bei sehr geringen Strömungsgeschwindigkeiten,
die bei herkömmlichen,
glatten Kanalwänden
noch zu einer weitestgehend laminaren Strömung führen würden, kann die Oberflächenstruktur
eine frühzeitige
Verwirbelung bewirken. Verglichen mit einer laminaren Strömung hat
eine dadurch sich ergebende turbulente Strömung bereits ein deutlich gleichmäßigeres,
breiteres, also weniger um eine Mittenströmung konzentriertes Geschwindigkeitsprofil
und führt
damit zu den genannten Vorteilen.
-
Wichtiger
und von größerer Relevanz
ist ein anderer, bei höheren
Strömungsgeschwindigkeiten eintretender
Effekt. Bei solchen höheren
Strömungsgeschwindigkeiten,
die schon bei normalem Betrieb einer Innenraumbelüftung erreicht
werden, wäre
die Luftströmung
bereits bei einem Lüftungskanal
mit glatten Kanalwänden
turbulent. Nun kann aber die Luftströmung – abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit – im Bereich
der Kanalwände
durch deren Oberflächenstruktur
in Turbulenzen von in gewissen Grenzen vorgegebenen Größenordnungen
gezwungen werden, wobei die Turbulenzen oder Wirbel dann gegenüber einer
unkontrolliert turbulenten Strömung
tendenziell durch größere Längenskalen
(definiert z. B. durch größte oder
mittlere Wirbeldurchmesser) charakterisiert sind. Diese Turbulenzen
können
nun eine von der Kanalwänden
geringfügig
weiter entfernte Luftschicht derart beschleunigen, dass sich ein
deutlich größerer Geschwindigkeitsgradient, also
ein stärkerer
Zuwachs der Strömungsgeschwindigkeit
von den Kanalwänden
weg, ergibt. Ein wesentlich breiteres Geschwindigkeitsprofil mit
nicht nur mittig im Lüftungskanal,
sondern fast bis zu den Kanalwänden
ausgesprochen hohen Strömungsgeschwindigkeiten
ist die Folge. Erkauft wird dieser Vorteil unter Umständen mit
einer in der Regel allerdings nicht allzu starken Erhöhung des
Strömungswiderstands.
-
Um
eine Verwirbelung der Luftströmung
gewünschter
Art an den Kanalwänden
zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die Oberflächenstruktur
so beschaffen ist, dass sich längs
einer in Hauptströmungsrichtung
verlaufenden Linie an einer der Kanalwände jeweils Erhebungen und
Vertiefungen abwechseln, dass die Kanalwände also nicht nur quer zur
Hauptströmungsrichtung
einen nicht trivialen Verlauf haben.
-
Eine
besonders effiziente Beeinflussung des Geschwindigkeitsprofils bei
gleichzeitig nicht unnötig stark
erhöhtem
Strömungswiderstand
erhält
man dabei, wenn die Oberflächenstruktur
eine typische Skalenlänge
von zwischen 0,05 und 0,03, vorzugsweise zwischen 0,15 und 0,25
Kanaldurchmessern hat. Dabei sei die typische Skalenlänge der
Oberflächenstruktur
definiert als mittlerer Abstand zweier benachbarter Erhebungen und/oder
Vertiefungen, der Kanaldurchmesser als größter Durchmesser des Lüftungskanals
quer zur Hauptströmungsrichtung. Ebenfalls
mit Blick auf eine gute Verwirbelung der Luftströmung an den Kanalwänden bei
nicht mehr als nötig
erhöhtem
Strömungswiderstand
sowie mit Blick auf eine nicht zu aufwendige Herstellung der Kanalwände sind
solche Ausführungen
der Erfindung vorzuziehen, bei denen zwischen Erhebungen der Oberflächenstruktur
und benachbarten Vertiefungen ein mittlerer Höhenunterschied von mindestens
2 mm, vorzugsweise zwischen 2 mm und 6 mm, besteht. Besonders gute
Ergebnisse erzielt man, wenn dieser mittlere Höhenunterschied zwischen 3 mm
und 4,5 mm misst.
-
Der
Lüftungskanal,
der üblicherweise
einen rechteckigen Querschnitt haben wird, eignet sich vor allem
dann zu einer Auslegung der hier beschriebenen Art mit strukturierten
Kanalwänden,
wenn er einen Querschnitt mit einem Verhältnis von Länge zu Breite von zwischen
1:3 und 3:1, vorzugsweise zwischen 1:2 und 2:1 hat. Denn zum einen
wird insbesondere bei einem solchen fülligen Querschnitt ein Interesse
bestehen, eine gleichmäßig über den Querschnitt
verteilte Strömungsgeschwindigkeit
und damit einen ebenso gleichmäßigen Strömungsaustritt
an einer Austrittsöffnung
zu realisieren. Andererseits folgt gerade bei einem derartigen Kanalquerschnitt
in gewünschter
Weise eine besonders signifikante Manipulierung der Luftströmung durch
eine Oberflächenstruktur
an den Kanalwänden.
-
Ein
Lüftungskanal
mit für
einen Einsatz zur Innenraumbelüftung
eines Kraftfahrzeugs zweckmäßigen Proportionen
und einer besonders effektiven Beeinflussung der Luftströmung durch
die strukturierten Kanalwände
hat dabei einen maximalen Durchmesser von zwischen 6 cm und 20 cm,
vorzugsweise zwischen 9 cm und 14 cm. Auch von einem Rechteck abweichende
Querschnittsformen des Lüftungskanals
sind natürlich
möglich.
-
Um
in lohnender Weise von den Vorteilen der strukturierten Kanalwände für das Geschwindigkeitsprofil
der Luftströmung
profitieren zu können, sind
solche Innenraumbelüftungen
vorzuziehen, die eine Erzeugung von maximalen Strömungsgeschwindigkeiten
von bis zu 7 m/s, vorzugsweise zwischen 4 m/s und 6 m/s zulassen,
beispielsweise durch entsprechend bemessene Gebläse.
-
Die
Oberflächenstruktur
der Kanalwände kann
aus muldenartigen, gewölbten
Vertiefungen bestehen, welche durch ein System von Graten voneinander
getrennt sind, so dass die Grate die Erhebungen bilden. In gleicher
Weise möglich
ist eine Ausführung,
bei der die Erhebungen der Oberflächenstruktur gewölbt ausgeführt sind
und die Vertiefungen durch Grate gebildet werden, welche die Erhebungen voneinander
trennen. Denkbar ist auch eine Kombination beider Ausführungen,
insbesondere müssen nicht
alle Kanalwände
in gleicher Weise gestaltet sein. Eine Gestaltung der Kanalwände mit
in beschriebener Weise gewölbten
Erhebungen oder Vertiefungen, die durch Grate bzw. ein Gerüst von Graten
voneinander getrennt sind, bringt den Vorteil einer bei gegebener
Wandstärke
der Kanalwände deutlich
erhöhten
Stabilität
mit sich. Das gilt insbesondere dann, wenn die Erhebungen bzw. Vertiefungen
eine hexagonale Form haben, so dass die Grate ein wabenartiges Gerüst bilden.
Denkbar ist aber auch eine entsprechende Oberflächenstruktur, die aus aneinander
gefügten
Dreiecken oder auch aus einer Kombination verschiedener aneinander
gereihter Mehrecke besteht. Eine Oberfläche mit in oben beschriebener
Weise hexagonaler Oberflächenstruktur
ergibt sich auch durch eine Struktur aneinander gefügter und
vorzugsweise gleichseitiger Dreiecke, von denen jeweils sechs ein
Hexagon bilden. Dann können
die einzelnen reiecke auch flach sein, wobei Wölbungen der Hexagone dadurch
entstehen, dass die Dreiecke längs
leichter Knicke bzw. Grate aneinanderstoßen.
-
Kanalwände mit
einer derartigen Oberflächenstruktur
lassen sich in besonders einfacher Weise durch Prägen ursprünglich flacher,
glatter Bauteile herstellen. Möglich
sind aber auch Ausführungen,
bei denen ein System aus Graten an eine ebene Fläche angeformt oder in anderer
Weise auf eine solche Fläche
aufgebracht wird.
-
Die
Oberflächenstruktur
verleiht den Kanalwänden
nicht nur gewünschte
aerodynamische Eigenschaften, sondern erhöht unter Umständen auch deren
Stabilität.
Das gilt vor allem für
hexagonale Oberflächenstrukturen,
aber auch für
andere Strukturen, insbesondere dann, wenn die Kanalwände durch die
Oberflächenstruktur
mit einem Netz aus Graten überzogen
sind. Dadurch wird es möglich,
die Kanalwände
ausgesprochen dünnwandig
zu gestalten, was Material und Gewichtsersparnisse mit sich bringt.
Bei einer Herstellung der Kanalwände
aus Kunststoff bieten sich Wandstärken von zwischen 1 mm und
3 mm an, bei einer Herstellung aus Metall Wandstärken von zwischen 0,2 mm und
0,8 mm.
-
Lüftungskanäle der beschriebenen
Art sind in erster Linie deshalb von Vorteil, weil aufgrund des geänderten
Geschwindigkeitsprofils der entsprechenden Luftströmung ein
Ausströmer
oder Lüftungsgitter
besser angeströmt
werden kann und damit effektiver wirkt. Es ergeben sich aber auch
weiter reichende Vorteile für
ein Innenverkleidungsteil, das ein Belüftungssystem mit derartigen
Lüftungskanälen aufweist,
beispielsweise eine Instrumententafel mit einem entsprechenden Belüftungssystem.
Ein durch die Oberflächenstruktur
der Kanalwände
versteifter Lüftungskanal
kann eine tragende Funktion für
ein derartiges Innenverkleidungsteil haben und dadurch dem ganzen
Innenverkleidungsteil bei ausgesprochen geringem Materialaufwand
eine signifikant erhöhte
Steifigkeit verleihen. Durch das veränderte Geschwindigkeitsprofil
der Luftströmung
in dem Lüftungskanal
kann dieser dabei bei gegebener Lüftungsleistung unter Umständen mit
einem gegenüber dem
Stand der Technik reduzierten Kanaldurchmesser ausgelegt werden,
was wiederum Platzersparnisse mit sich bringt.
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand der 1 bis 4 beschrieben.
Es zeigt
-
1 in
perspektivischer Ansicht einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Lüftungskanals,
-
2 in
gleicher Darstellung einen anderen erfindungsgemäßen Lüftungskanal,
-
3 ein
Diagramm mit einem Geschwindigkeitsprofil für eine Luftströmung in
einem erfindungsgemäßen Lüftungskanal
im Vergleich zu einer entsprechenden Kurve für einen herkömmlichen
Lüftungskanal
bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten
und
-
4 ein ähnliches
Diagramm für
höhere Geschwindigkeitswerte.
-
Der
in der 1 abgebildete Lüftungskanal ist Bestandteil
eines für
einen Einbau hinter einer Instrumententafel vorgesehenen Belüftungssystems zur
Innenraumbelüftung
eines Kraftfahrzeugs. Der Lüftungskanal
kann dazu mit Frischluft oder auch mit vorgewärmter Luft beaufschlagt werden
und führt
zu einer Luftaustrittsöffnung
für eine
Frontscheibenbelüftung.
Zu erkennen sind in der Figur Kanalwände 1, die den Lüftungskanal
einfassen. Diese Kanalwände sind
aus Kunststoff gefertigt und haben eine Wandstärke von etwa 2 mm. Der Lüftungskanal
hat eine Breite 2 von etwa 10 cm und eine Höhe 3 von
etwa 5 cm.
-
Die
Kanalwände 1 weisen
eine ihnen eingeprägte
Oberflächenstruktur
auf, die aus wabenartig aneinander gefügten Hexagonen 4 besteht.
Die einzelnen Hexagone 4 sind dabei als muldenartige Vertiefungen
ausgeführt
und durch ein System von Graten 5 voneinander getrennt.
Die Grate 5 bilden dadurch Erhebungen, welche bei Betrachtung
einer innen liegenden, dem Lüftungskanal
zugewandten Seite ungefähr
4,5 mm höher
liegen als die vertieften Zentren der Hexagone 4. Die Oberflächenstruktur der
Kanalwände 1 ist
dabei so bemessen, dass zwischen Hexagonzentren zweier benachbarter
Hexagone 4 jeweils ein Abstand von ungefähr 3,4 cm
besteht.
-
Ein
anderer erfindungsgemäßer Lüftungskanal
ist in der 2 abgebildet. Auch dieser Lüftungskanal
hat einen rechteckigen Querschnitt mit einer Höhe 3 von etwa 5 cm
und einer Breite 2 von etwa 10 cm. Die Kanalwände 1 sind
hier aus Metall gefertigt mit einer Wandstärke von etwa 0,5 mm und tragen wieder
eine Oberflächenstruktur
aus Vertiefungen und Erhebungen in Form von Hexagonen 4,
die hier allerdings nicht gleichmäßig gewölbt sind, sondern durch jeweils
sechs etwa gleichseitige Dreiecke 6 gebildet werden. Diese
Dreiecke 6, die eine Seitenlänge von etwa 15 mm haben und
innerhalb derer die entsprechende Kanalwand 1 jeweils eben
ist, berühren einander
längs von
Knicken bzw. Graten 5, wodurch sich Höhenunterschiede von etwa 3,75
mm zwischen Hexagonzentren und Hexagonrändern ergeben.
-
In
dem in 3 abgebildeten Diagramm sind als Ordinate Strömungsgeschwindigkeiten
v einer langsamen Luftströmung
in einem Lüftungskanal
als Funktion einer Ortskoordinate aufgetragen. Diese Ortskoordinate
bezeichnet dabei einen Abstand von einem mittig an einer Kanalwand
liegenden Ursprung in eine quer zum Lüftungskanal und senkrecht zu
dieser Kanalwand liegende Richtung, wobei der Lüftungskanal in dieser Richtung
einen Durchmesser D hat.
-
Eine
gestrichelte Linie zeigt eine typische Ortsabhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit
für einen
Lüftungskanal
nach dem Stand der Technik mit glatten Wänden, bei dem die Luftströmung noch
laminar ist. Deutlich ist zu sehen, dass die Strömungsgeschwindigkeit mittig
im Lüftungskanal
einen maximalen Wert annimmt und dann zu den Wänden hin rasch abnimmt. Es
handelt sich bei der entsprechenden Luftströmung um eine so genannte Mittenströmung.
-
Ein
entsprechendes Geschwindigkeitsprofil für einen erfindungsgemäßen Lüftungskanal
gleicher Abmessungen mit einer Oberflächenstruktur ist mit einer
durchgezogenen Linie veranschaulicht. Hier ist die Luftströmung trotz
deren geringer Strömungsgeschwindigkeit
aufgrund von Einflüssen
der Oberflächenstruktur
der Kanalwände
bereits turbulent, was ein abweichendes Geschwindigkeitsprofil zur
Folge hat. Für
die turbulente und daher nicht streng stationäre Luftströmung sind in dem Diagramm zeitlich
gemittelte Geschwindigkeitswerte aufgetragen. Auch hier hat die
Strömungsgeschwindigkeit
mittig im Lüftungskanal
ein Maximum, sie nimmt aber zunächst deutlich
langsamer zu den Wänden
des Lüftungskanals
hin ab. Entsprechend geringer ist dementsprechend auch bei gegebener
Durchschnittsgeschwindigkeit oder bei gegebenem Gesamtluftstrom
die maximale Strömungsgeschwindigkeit
im Lüftungskanal. Insgesamt
ergibt sich eine gleichmäßigere Geschwindigkeitsverteilung
und ein breiteres Geschwindigkeitsprofil, was dazu führt, dass
ein von dem entsprechenden Lüftungskanal
versorgter Luftaustritt gleichmäßiger mit
Luft beaufschlagt wird.
-
Ein ähnliches
Diagramm ist in der 4 abgebildet. Es zeigt eine
ortsabhängige
Strömungsgeschwindigkeit
einer Luftströmung
in einem Lüftungskanal
der in 2 gezeigten Art (durchgezogene Linie), wobei zum
Vergleich auch eine entsprechende Kurve für einen gleich dimensionierten,
aber mit glatten Kanalwänden versehenen
Lüftungskanal
nach dem Stand der Technik eingezeichnet ist (gestrichelte Linie).
Beide Kurven beziehen sich auf einen Querschnitt ungefähr 2 m nach
Eintritt der Luftströmung
in den Lüftungskanal
und dort auf eine mittig durch den Lüftungskanal und parallel zu
dessen breiteren Kanalwänden
verlaufende Linie. Als Abszisse ist eine Ortskoordinate aufgetragen,
die einen Abstand eines Ortes auf dieser Linie zu einer der schmäleren Kanalwände bezeichnet.
-
Die
gestrichelt gezeichnete Kurve entspricht einer bei den gegebenen
Strömungsgeschwindigkeiten
bereits turbulenten, und zwar unkontrolliert turbulenten, Strömung in
einem Lüftungskanal
mit glatten Kanalwänden.
Es ergibt sich ein Geschwindigkeitsprofil, das zwar bereits breiter
ist als ein entsprechendes Geschwindigkeitsprofil für eine laminare Strömung (siehe 3),
das aber immer noch einen deutlichen Geschwindigkeitsabfall zu den
Kanalwänden
hin zeigt, also zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten
hauptsächlich
mittig im Lüftungskanal
führt.
-
Die
als durchgezogene Linie gezeichnete Kurve zeigt, dass sich in dem
erfindungsgemäßen mit
strukturierten Kanalwänden
ausgestatteten Lüftungskanal
dagegen eine Strömung
ausbildet, bei der die Strömungsgeschwindigkeit
bis nah an die Kanalwände
heran nicht merklich abfällt.
Das entsprechende Geschwindigkeitsprofil ist also breiter und steht
für einen über den
Querschnitt gleichmäßiger verteilten
Lufttransport mit der Folge einer gleichmäßigeren Beaufschlagung einer
den Lüftungskanal
abschließenden
Austrittsfläche
sowie eines größeren Luftdurchsatzes
bei gegebener maximaler Strömungsgeschwindigkeit
bzw. einer geringeren maximalen Strömungsgeschwindigkeit bei gegebenem Luftdurchsatz.
Dieser Vorteil wird allerdings durch einen stärkeren Druckabfall (entsprechend
einem größeren Strömungswiderstand)
erkauft. So ergibt sich für
die abgebildeten Geschwindigkeitsprofile ein Druckabfall von etwa
31 Pa nach 2 m durchströmter Strecke
für den
Lüftungskanal
mit strukturierten Kanalwänden
im Vergleich zu einem Wert von nur etwa 11 Pa für den entsprechenden Lüftungskanal
nach dem Stand der Technik.