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Die Erfindung betrifft einen Lüftungskanal für eine Innenraumbelüftung, insbesondere für eine Innenraumbelüftung eines Kraftfahrzeugs, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 Geschwindigkeitsverteilung über eine von einer Luftaustrittsöffnung gebildete Fläche zur Folge. Das ist mit Blick auf eine möglichst geräuscharme und diffuse Belüftung von Vorteil.
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Ein im Sinne der vorliegenden Erfindung mit Oberflächenstruktur versehene Kanalwand kann dabei verschiedene 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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. Erfindungsgemäß haben die Erhebungen bzw. Vertiefungen eine hexagonale Form, so dass die Grate ein wabenartiges Gerüst bilden. Denkbar und ebenso erfindungsgemäß 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 Dreiecke auch flach sein, wobei Wölbungen der Hexagone dadurch entstehen, dass die Dreiecke längs leichter Knicke bzw. Grate aneinanderstoßen.
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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.
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Die Oberflächenstruktur verleiht den Kanalwänden nicht nur gewünschte aerodynamische Eigenschaften, sondern erhöht unter Umständen auch deren Stabilität. Das gilt vor allem für die erfindungsgemäßen hexagonalen Oberflächenstrukturen, 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.
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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.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der 1 bis 4 beschrieben. Es zeigt
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1 in perspektivischer Ansicht einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Lüftungskanals,
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2 in gleicher Darstellung einen anderen erfindungsgemäßen Lüftungskanal,
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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
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4 ein ähnliches Diagramm für höhere Geschwindigkeitswerte.
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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.
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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.
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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.
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In dem 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.
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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.
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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.
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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.
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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 das aber immer noch einen deutlichen Geschwindigkeitsabfall zu den Kanalwänden hin zeigt, also zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten hauptsächlich mittig im Lüftungskanal führt.
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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.
