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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Temperiervorrichtung für Teile
einer Fahrzeuginnenausstattung. Das Ausstattungsteil kann insbesondere
ein Bedienelement wie bspw. ein Lenkrad o. dgl. sein.
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Temperierte
Lenkräder
sind bekannt, bspw. aus
DE 37
13 450 , aus
DE 299
23 759 und aus GB 23 62 203. Aus
DE 29 802 ist es bekannt, Lenkräder mit
Peltier-Elementen zu kühlen.
Aus WO 01/28842 ist ein Lenkrad bekannt, bei dem ein Fluid in einem geschlossenen
Kreislauf durch das Lenkrad, einen Wärmetauscher und einen Wärmespeicher
gefördert wird.
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Derartige
Kühleinrichtungen
für Lenkräder nach
dem bekannten Stand der Technik sind jedoch alle zeitlich in ihrer
Wirksamkeit begrenzt, wenig leistungsfähig oder technisch schwer realisierbar.
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Daneben
sind zahlreiche unterschiedliche Ausführungsformen von elektrisch
beheizbaren Lenkrädern
für Fahrzeuge
bekannt.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Temperiervorrichtung
für Teile
einer Fahrzeuginnenausstattung zur Verfügung zu stellen, die ein effektives
Kühlen
und/oder Beheizen des Teils, insbesondere eines Lenkrades o. dgl.,
ermöglicht.
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Dieses
Ziel der Erfindung wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche erreicht. Merkmale
vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den
abhängigen
Ansprüchen.
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Eine
erfindungsgemäße Temperiervorrichtung
für Teile
einer Fahrzeuginnenausstattung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs
1 umfasst ein Verdampfungselement, das einen flüssigkeitsführenden Behälter aufweist, wobei der Behälter an
seinen Innenwänden
zumindest abschnittsweise eine Kapillarstruktur aufweist. Üblicherweise
sind derartige Verdampfungselemente bzw. sog. Wärmerohre oder Heatpipes über ihre
gesamte Länge
mit einer Faserstruktur ausgelegt, um kondensierte Flüssigkeit
zu transportieren. Lediglich ein Ende ist blank. Hier wird die Wärme aus
der Heat pipe entnommen, da an dieser Stelle der in der Röhre befindliche Dampf
kondensiert. Das entstehende Kondensat wird von den Fasern wieder
in der gesamten Röhre verteilt.
Ein Nachteil einer solchen Anordnung besteht darin, dass die Wärme nur
in eine Richtung transportiert werden kann. Der Gedanke der vorliegenden
Erfindung besteht darin, größere Abschnitt oder
ggf. die gesamte Röhre
an ihrer Innenseite mit einer Kapillarstruktur zu versehen, die
es ermöglicht, sowohl
Flüssigkeit
zu verteilen als auch Wärme schnell
nach außen
abzugeben. Für
die Kapillarstruktur eignen sich insbesondere Materialien mit hoher
Kapillarkraft und gleichzeitig hoher Wärmeleitfähigkeit.
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Die
Kapillarstruktur an der Innenseite des Verdampfungselements kann
insbesondere metallische Bestandteile aufweisen und weist vorzugsweise eine
poröse
Struktur auf. Die Kapillarstruktur kann beispielsweise durch Metallschaum,
durch ein Sintermetall oder durch eine Drahtstruktur an den Innenwänden gebildet
werden. Eine solche Drahtstruktur kann bspw. ein ungeordnetes Drahtgewirr
oder auch ein dreidimensionales Drahtgewebe sein. Ebenso möglich sind
geeignete Profilierungen der Innenwände, welche die gewünschte Kapillarkraft
erzeugen können.
Hierbei ist eine gesinterte, poröse
Metallstruktur bzw. auch ein Metallschaum am wirksamsten, um das
Kondensat in einem Lenkrad oder einem anderen Bedienelement auch
gegen die Wirkung der Schwerkraft entlang der Behälterinnenwände transportieren
zu können.
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Eine
geeignete Querschnittsform, beispielsweise eine ovale oder andere
nicht kreisförmige Querschnittsstruktur
des Behälters
kann zu einer Vergrößerung dessen
wirksamer Oberfläche
führen, so
dass eine bessere Wärmeübertragung
nach außen
hin bzw. von dort möglich
ist. Die Behälterquerschnittsform
kann beispielsweise oval, rechteckförmig, T-förmig oder Doppel-T-förmig sein.
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Eine
besonders vorteilhafte Variante der Erfindung kann vorsehen, dass
der Behälter
mit einem Peltier-Element gekoppelt ist. Das Peltier-Element kann
wahlweise heizen oder kühlen.
Der Strömungskreislauf
in der Heatpipe kann durch die oben beschriebene Struktur in beiden
Richtungen betrieben werden.
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Eine
weitere bevorzugte Variante der Erfindung sieht vor, dass dem Peltier-Element
eine thermische Masse zugeordnet ist, welche für eine effektivere Wärmeableitung
sorgen kann. Ein Peltier-Element gleicht einen flachen Baustein,
an dessen einer Seite Wärme
und dessen anderer Seite Kälte
abgegeben wird. Wird nun ein Peltier-Element an der Heatpipe angeordnet,
so kann die Heatpipe nach Belieben geheizt oder gekühlt werden.
Problematisch kann lediglich die an der der Heatpipe gegenüber liegenden Seite
des Peltier-Elementes entstehende Abwärme bzw. Kälte sein. Um die Effizienz
des Peltier-Elementes zu steigern, ist es zweckmäßig, hier eine thermische Masse,
beispielsweise in Form eines Aluminium- oder Kupferblockes vorzusehen.
Dieser Aluminiumblock hat beispielsweise Kühlrippen und eine Größe, die
in etwa den Peltier-Element
entspricht (z. B. ca. 4 cm Grundfläche und ca. 1 cm Höhe). Diese
thermische Masse hat den Vorteil, dass der Wärmeübergang an der Grenzoberfläche des Peltier-Elements wesentlich
effizienter ist und außerdem
die Oberfläche
zur Wärmeabgabe
bzw. -aufnahme durch die Kühlrippen
vergrößert ist.
Aluminium eignet sich hierfür,
weil es leicht ist. Kupfer wäre
jedoch wegen seiner größeren Masse
ebenfalls zweckmäßig.
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Um
die Wirkung des Peltier-Elements zu vergrößern, könnte auch eine Düse, beispielsweise
am Armaturenbrett des Fahrzeugs zur Anströmung des Pettier-Elementes
bzw. der Kühlrippen
vorgesehen sein.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugten Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei
zeigt:
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1 eine erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung,
die in einem Lenkrad eines Fahrzeugs eingebaut ist,
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2 das Lenkrad entsprechend 1 in einer Querschnittdarstellung,
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3 eine alternative Ausgestaltung
der Erfindung,
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1 zeigt eine Lenkeinrichtung 1,
hier in Form eines Lenkrades, in Draufsicht und teilweiser Schnittdarstellung.
Die Lenkeinrichtung 1 weist einen Lenkradkranz 5 auf,
welcher der Übertragung
von Lenkbewegungen auf ein Fahrzeug dient. Der Lenkradkranz 5 ist
in 2 im Querschnitt
dargestellt. Der Lenkradkranz 5 weist einen harten Kern 6 auf,
der im vorliegenden Ausführungsbeispiel
aus einem Metallrohr gebildet ist. Außerdem besitzt er einen Mantel 8 aus
Schaumstoff, welcher den Kern 6 umgibt. Die äußerste Schicht
des Lenkradkranzes 5 wird von einer Hülle 18 gebildet. Sie
kann Teil des Schaumstoffes des Mantels 8 sein oder separat
aufgebracht, z. B. aus Leder.
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Die
Lenkeinrichtung 1 weist eine Lenkradnabe 9 auf,
welche über
Speichen 10 mit dem Lenkradkranz 5 verbunden ist.
Diese Lenkradnabe 9 dient im vorliegenden Fall zur Verbindung
des Lenkradkranzes 5 mit einer (nicht dargestellten) Lenksäule und zur
Aufnahme eines (nicht dargestellten) Luftsacks einer Insassenrückhaltevorrichtung.
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Die
Lenkeinrichtung 1 ist mit einer Heatpipe 4 ausgestattet.
Unter einer „Heatpipe" wird eine Einrichtung
zum Transport von Wärmeenergie
verstanden, die nach folgendem Prinzip funktioniert. Eine „Heatpipe" 4 besitzt
eine gasdichte Röhre 20.
Diese ist üblicherweise
aus einem wärmeleitenden
Metall wir Aluminium oder Kupfer gebildet. Sie hat im vorliegenden
Fall einen Außendurchmesser
von ca. 1 cm oder weniger. Im Inneren der Röhre ist ein Fluid 24 eingeschlossen.
In der Röhre 20 herrscht
ein bestimmter Druck. Die Art des Fluids 24 und die Höhe des Druckes
bestimmen die Verdampfungstemperatur des Fluids 24 in der
Röhre 20.
Die Verdampfungstemperatur wird so gewählt, dass sie der maximal an der
Lenkeinrichtung 1 akzeptablen Temperatur in etwa entspricht.
Dazu wird vorzugsweise eine Verdampfungstemperatur von ca. 25 bis
35 °C gewählt. Das
Fluid 24 ist zweckmäßigerweise
Wasser. Es können
aber auch andere verdampfbare Stoffe benutzt werden. Der Druck innerhalb
der Röhre 20 beträgt bei Wasser
ca. 0,04 bar. Die Röhre
hat mindestens zwei Funktionsbereiche 7 und 11,
die vorzugsweise als Längenabschnitte
der Röhre 20 ausgebildet
sind.
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Der
erste Funktionsbereich 7 dient der Wärmeabgabe. Der zweite Funktionsbereich 11 dient
der Wärmeaufnahme.
Im ersten Funktionsbereich 7 ist eine Kondensationseinrichtung 30 vorgesehen,
die zur Kondensation des Fluids 24 dient. Hierzu dient
im einfachsten Fall die kalte Wand der Röhre 20 selbst. Der
zweite Funktionsbereich 11 ist mit einer Transporteinrichtung 26 ausgestattet,
die dem Transport des kondensierten Fluids 24 vom ersten
in den zweiten Funktionsbereich dient. Die Transporteinrichtung 26 wird
vorzugsweise aus einem saugfähigen
Material gebildet, mit welchem die Innenwand der Röhre schichtartig
ausgekleidet ist. Der erste und der zweite Funktionsbereich 7, 11 stehen über ein
gemeinsam umschlossenes Gas-Austausch-Volumen 28 miteinander in Verbindung.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung weist die Röhre 20 an
ihren Innenwänden
zumindest abschnittsweise eine Kapillarstruktur auf, welche die Transporteinrichtung 26 bildet.
Diese Kapillarstruktur muss in der Lage sein, sowohl Flüssigkeit
zu verteilen als auch Wärme
schnell nach außen
abzugeben. Hierzu eignen sich somit insbesondere Materialien mit
hoher Kapillarkraft und gleichzeitig hoher Wärmeleitfähigkeit. Die Transportvorrichtung 26 bzw.
die Kapillarstruktur weist vorzugsweise metallische Bestandteile
auf bzw. wird aus einer Metallstruktur gebildet. Als metallische
Kapillarstruktur kommt insbesondere eine Profilierung des Rohres 20,
ein Maschendraht oder eine gesinterte, poröse Metalloberfläche in Frage.
Eine gesinterte, poröse
Metallstruktur bzw. ein Metallschaum ist in der Lage, das Kondensat
im Lenkrad auch gegen die Wirkung der Schwerkraft an der Rohrinnenwand
transportieren zu können.
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Wird
der wärmeaufnehmende
Funktionsbereich 11 erwärmt,
verdunstet die vom Fluid 24 gebildete Flüssigkeit
in der Transporteinrichtung 26, bspw. in der Kapillarstruktur.
Der Dampf tritt in das gemeinsame Gas-Austausch-Volumen über. Gelangt
der Dampf in den wärmeabgebenden
Funktionsbereich 7, kondensiert er bei der Kondensationseinrichtung 30,
z. B. der zumindest vergleichsweise kälteren unverkleideten Röhrenwand 20.
Von hier tritt das kondensierte Fluid 24 in die Transporteinrichtung 26 ein und
wird in den wärmeaufnehmenden
Funktionsbereich 11 zurücktransportiert.
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Im
vorliegenden Fall ist die Heatpipe wie folgt in der Lenkeinrichtung 1 angeordnet.
Der Lenkradkranz 5 hat in seinem Mantel 8 eine
zumindest teilweise längs
der Lenkeinrichtung 1 verlaufende, hier um den Lenkradumfang
umlaufende, Nut 32. In dieser Nut 32 ist der wärmeaufnehmende
Funktionsbereich 11 der Heatpipe 4 eingelassen.
Es ist jedoch auch möglich,
die Heatpipe 4 in den Mantel 8, z. B. bei dessen
Herstellung, einzuschäumen.
Die Heatpipe 4 wird vorteilhafterweise von der Hülle 18 des Lenkradkranzes 5 verdeckt.
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Es
können
auch wie hier in 2 dargestellt mehrere
Heatpipes 4 angeordneten sein. Diese sind vorteilhafterweise
auf gegenüber
liegenden Seiten des Lenkradkranzes 5 angeordnet, bezogen
auf seinen Querschnittsumfang. Die mehreren Heatpipes 4 können auch
segmentweise längs
der Lenkeinrichtung 1, bzw. längs des Lenkrad-Umfanges angeordnet
sein. Dies vereinfacht den Einbau von vorgekrümmten Röhren 20. Der wärmeabgebende
Funktionsbereich 7 ist außerhalb des Lenkradkranzes 5 angeordnet.
Er ist über
eine der Speichen 10 in die Lenkradnabe 9 geleitet.
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Im
einfachsten Falle ist der wärmeabgebende
Funktionsbereich 7 auf einer vom Fahrer abgewandten Außenseite
des Mittelstückes
angeordnet und frei von Umgebungsluft umspülbar.
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Er
kann jedoch auch wie hier dargestellt innerhalb der Lenkradnabe 9 angeordnet
sein. Um eine wirksame Kühlung
zu gewährleisten,
ist ein Peltier-Element 15 am wärmeabgebenden Funktionsbereich 7 angeordnet
ist. Es erzeugt bei Anlegen einer elektrischen Spannung an seiner
der Heatpipe 4 zugewandten Oberfläche Kälte und an seiner der Heatpipe 4 abgewandten
Oberfläche
Wärme.
Diese Wärme
wird durch zirkulierende Umgebungsluft über Lüftungsschlitze 13 an
die Umgebung abgeführt.
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Es
könnte
vorgesehen sein, dass mehrere Peltier-Elemente 15 an der
Heatpipe 4 angeordnet sind und/oder dass Kühlrippen
die wärmeabgebende Oberfläche vergrößern.
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Zur
Unterstützung
der natürlichen
Luftzirkulation kann ein Ventilator 17 vorgesehen sein.
Dieser ist vorzugsweise am Peltier-Element 15 angeordnet. Er
kann jedoch auch am Armaturenbrett befestigt sein, um elektrische
Kabel im Lenkrad zu vermeiden oder zu reduzieren. Je nach Einbaufall
ist ein Axial-, ein Radial- oder ein Diagonal-Lüfter zweckmäßig.
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Es
sind unterschiedliche Varianten einer Querschnittsform der Röhre 20 möglich. So
kann diese bspw. einen oval oder einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen,
so dass eine bessere Anpassung an gegebene Einbauverhältnisse
und/oder eine größere Oberfläche zu.
Wärmeübertragung
möglich ist.
Der Querschnitt der Röhre 20 kann
auch T-förmig oder
Doppel-T-förmig
sein.
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Die
Ausführungsvariante
der 3 verdeutlicht eine
Variante der Erfindung, bei der das Peltier-Element 15 über eine
zusätzliche
thermische Masse 34 verfügt. Diese zusätzliche
thermische Masse 34 kann insbesondere ein metallischer
Kühlblock
bzw. Kühlkörper 36 sein,
der beispielsweise eine zusätzliche
Oberflächenverrippung
aufweisen kann und so für
eine bessere Wärmeabfuhr
zur Umgebung hin sorgen kann. Als Material für den Kühlkörper 36 kommt insbesondere
Aluminium, Kupfer oder ein anderes Metall in Frage, das gute Wärmeleiteigenschaften
aufweist.
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Der
in 3 gezeigte Kühlkörper 36 weist zahlreiche
Kühlrippen 38 auf,
die vorzugsweise von Luft umspült
werden und ggf. zusätzlich
mit einer Ventilationseinrichtung gekühlt werden können.
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- 1
- Lenkeinrichtung
- 3
- Kühleinrichtung
- 4
- Heatpipe
- 5
- Lenkradkranz
- 6
- Kern
- 7
- Wärmeabgebender
Funktionsbereich
- 8
- Mantel
- 9
- Lenkradnabe
- 10
- Speichen
- 11
- Wärmeaufnehmender
Funktionsbereich
- 13
- Lüftungsschlitze
- 15
- Peltier-Element
- 17
- Ventilator
- 18
- Hülle
- 20
- Röhre
- 24
- Fluid
- 26
- Transporteinrichtung
- 28
- Gas-Austausch-Volumen
- 30
- Kondensationseinrichtung
- 32
- Nut
- 34
- thermische
Masse
- 36
- Kühlkörper
- 38
- Kühlrippen