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Die Erfindung betrifft eine Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimatisierungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug.
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Zur Beheizung, Belüftung und/oder Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums werden Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimatisierungsvorrichtungen (HLK/HVAC) eingesetzt. Diese regeln den Luftstrom sowie die Lufttemperatur individuell zu den verschiedenen Klimazonen im Fahrzeuginnenraum, insbesondere zu den Fuß- und Körperbereichen, zur Windschutzscheibe, zum Fahrer- oder Beifahrer sowie zum Front- oder Fondbereich des Fahrzeugs, und sollen zuverlässig ein angenehmes Raumklima schaffen.
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Übliche HLKs bestehen aus mindestens einem Lüfter und einem Gehäuse mit einem komplexen Luftführungssystem mit luftleitenden Leitflächen und Klappen, die zum Mischen von warmer und kalter Luft sowie zur Steuerung der Luftströmung zu verschiedenen Klimazonen des Fahrgastraums vorgesehen sind. Ferner können HLKs einen Verdampfer, ein Heizelement und mehrere Luftdüsen mit Klappen zum Drosseln oder Schließen des Luftstroms zu verschiedenen Fahrgastraumbereichen umfassen.
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Ein Problem dieser HLKs ist, dass in einigen Betriebszuständen Geräusche entstehen, die für die Fahrzeuginsassen hörbar und störend sind. Diese Geräuschbelastung ist einerseits auf die hohen Strömungsgeschwindigkeiten und andererseits auf die zahlreichen Umlenkungen und Geometrien im HLK zurückzuführen.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, die Geräuschkulisse des HLK zu reduzieren und dadurch den Komfort für die Insassen des Fahrzeugs zu erhöhen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, durch eine Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimatisierungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug zum Heizen, Belüften und/oder Klimatisieren eines Fahrzeuginnenraums. Die Vorrichtung hat ein Gebläse und mindestens einem Strömungskanal, wobei der Strömungskanal zumindest abschnittsweise aus einem porösen Material ausgebildet ist. Das poröse Material besitzt passiv schalldämpfende Eigenschaften, wodurch die Geräuschkulisse im Fahrzeuginnenraum verringert wird. Hierdurch kann der Schall in die Poren eindringen, um dann in eine andere Energieform umgewandelt zu werden.
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Bei der Schalldämpfung erfolgt eine Schallabsorption, bei der Schallenergie in nicht hörbare mechanische Schwingungsenergie und in weiterer Folge in Reibung und Wärme umgewandelt wird.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist der Strömungskanal der Vorrichtung einen Luftauslass auf, wobei ein Abschnitt des Strömungskanals, welcher sich in Strömungsrichtung vor dem Luftauslass befindet, aus dem porösen Material ausgebildet ist. In diesem Abschnitt befinden sich komplexe Strukturen, welche für das Temperaturmanagement des HLK verantwortlich sind. Diese komplexen Strukturen eigenen sich besonders für die Schalldämpfung, da hier einerseits unerwünschter Schall entsteht und andererseits der Schall mehrmals reflektiert wird, wodurch die passive Schalldämpfung besonders effektiv arbeiten kann.
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Insbesondere der Bereich in Strömungsrichtung direkt hinter der Geräuschkulisse, also dem Gebläse, stellt einen besonders vorteilhaften Bereich für das das Einbringen eines porösen Materials im Strömungskanal dar. Die durch den Luftstrom transportierte Schallenergie kann dabei direkt an der Schallquelle umgewandelt werden.
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Der Strömungskanal kann hierzu speziell ausgebildet sein und beispielsweise quadratische oder strömungsoptimierte Kulissen, die vom Luftstrom innerhalb des Strömungskanals umströmt werden, aufweisen.
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Zusätzlich oder alternativ können die Kanalaußenwände im Bereich hinter der Geräuschkulisse aus einem porösen Material ausgebildet sein.
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Es kann vorgesehen sein, dass der aus porösem Material ausgebildete Abschnitt des Strömungskanals als Kulissenschalldämpfer ausgebildet ist. Der in den Strömungskanal integrierte Kulissenschalldämpfer, welcher aus dem porösen Material gefertigt ist, bringt den Vorteil, dass der unerwünschte Schall noch besser vermindert werden kann. In den Kulissen wird der Schall mehrmals reflektiert, wodurch sich dieser mit der Zeit immer weiter abschwächt.
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Vorteilhafterweise weist das poröse Material eine makroporöse Oberfläche mit offenen Poren und einer durchschnittlichen Porengröße > 50 nm auf. Makroporöse Oberflächen haben den Vorteil besonders große Schallenergiedissipation erreichen zu können. Diese offenen Poren können alternativ oder zusätzlich zu eventuell vorhandenen geschlossenen Poren im porösen Material vorhanden sein.
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Hierbei bedeutet offenporig, dass Poren an der Oberfläche des porösen Materials vorhanden sind, welche nicht vollständig vom Material umgeben sind. Die offenen Poren sorgen dafür, dass der Schall noch besser absorbiert wird.
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Die genaue Dimensionierung der offenen Poren und/oder geschlossenen Poren kann beispielsweise im Hinblick auf die gewünschte abzuschwächende Schallfrequenz erfolgen.
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Neben der Porengröße ist auch die Porosität für eine gute Schalldämpfung entscheidend, da mit einer großen Porosität sehr gute schalldämpfende Eigenschaften zu erreichen sind. Entscheidend ist unter anderem die Größe der Grenzfläche, also der Oberfläche des porösen Materials. Luftschall wird besonders effizient von porösen Materialien absorbiert, wenn die Poren eine große innere Oberfläche und Tiefe aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das poröse Material eine aufgebrachte Bauteilbeschichtung. Dadurch können HLKs mit Strömungskanälen verwendet werden, welche bereits in großen Fertigungsanlagen produziert werden aber noch keine schalldämpfenden Eigenschaften aufweisen. Mit einer gezielten Beschichtung gewisser Bauteilbereiche kann somit die Teilekomplexität verringern und bestehende Fertigungsstraßen müssen nicht grundlegend umgestaltet werden.
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Alternativ kann das poröse Material wolleartig sein. Insbesondere umfasst das poröse Material Metallwolle, Steinwolle, Glaswolle oder Glasfasern. In der Praxis hat sich gezeigt, dass diese Materialien gut dämpfende Eigenschaften aufweisen und gleichzeitig kostengünstig sind.
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Gemäß einer weiteren Alternative ist das poröse Material ein Schaumstoff, expandiertes Polypropylen (EPP) oder ein Fleece. Durch die Verwendung von Schaumstoff oder expandiertem Polypropylen wird eine besonders freie und einfache Formgebung ermöglicht. Beispielsweise kann das Rohmaterial des Schaumstoffs in eine Form gespritzt werden. Fleece eignen sich wiederum zur einfachen Auskleidung, wobei hier keine großen konstruktiven Änderungen an bereits existierenden HLK-Konstruktionen erfolgen muss.
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Ergänzend zu den vorhin genannten Aspekten und Ausführungsformen kann das poröse Material ein metallischer Werkstoff sein. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das poröse Material in einem Bereich ausgebildet ist, der für das Temperaturmanagement verantwortlich ist. Metallische Werkstoffe sind gute Wärmeleiter, wodurch ein guter Wärmeübergang zwischen der durch den Strömungskanal strömenden Luft und einer eventuell am Strömungskanal vorhandenen Heizung erreicht wird.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, das in den beigefügten Zeichnungen gezeigt ist. Es zeigen:
- - 1 in einer perspektivischen Ansicht eine erfindungsgemäße Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungsvorrichtung;
- - 2 in einer weiteren perspektivischen Ansicht die geschnitten dargestellte Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungsvorrichtung von 1;
- - 3 in einer Seitenansicht die Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungsvorrichtung von 1; und
- - 4 in noch einer weiteren perspektivischen Ansicht die geschnitten dargestellte Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungsvorrichtung von 1.
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In den 1 bis 4 ist eine Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungsvorrichtung (HLK/HVAC) 10 gezeigt, die für eine gewünschte Temperatur im Fahrzeuginnenraum eines Kraftfahrzeugs sorgt.
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Neben der Temperaturregelung, welche sowohl eine Heizung als auch eine Kühlung des Fahrzeuginnenraums im Vergleich zur Außentemperatur des Fahrzeugs ermöglicht, erfolgt ergänzend zur Heizung und Kühlung des Luftstroms auch eine Regelung des Luftstroms selbst. Dies betrifft insbesondere den Volumenstrom und/oder die Verteilung des Volumenstroms auf die unterschiedlichen Klimazonen im Fahrzeug, beispielsweise die Innenseite der Windschutzscheibe oder auch die Fußbereiche der Sitzplätze im Fahrzeug.
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Die Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungsvorrichtung hat ein Gebläse 11 und einen Strömungskanal 12 mit einem Lufteinlass 9 und mehreren Luftauslässen 8. Das Gebläse 11 erzeugt einen Luftstrom in dem Strömungskanal 12, wobei die Luft vom Lufteinlass 9 zu den mehreren Luftauslässen 8 geleitet wird.
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Vor den Luftauslässen 8 befindet sich ein Verdampfer 7 und ein Wärmetauscher 6, welche dafür verantwortlich sind, die durchströmende Luft abzukühlen bzw. aufzuheizen. Zwischen dem Verdampfer 7 bzw. Wärmetauscher 6 und den mehreren Luftauslässen 8 liegende Klappen 5 sorgen dann für die gewünschte Mischung der kalten und warmen Luftströme bzw. für die Regelung der Volumenströme.
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Durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten und die zahlreichen Umlenkungen und Geometrien im Strömungskanal 12 entsteht bei gewöhnlichen HLKs aus dem Stand der Technik eine unerwünschte Lärmbelästigung in Form von Luftschall, wobei Insassen des Fahrzeugs dies als störend empfinden können.
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Abhilfe für dieses Akustikproblem kann eine erfindungsgemäße passive Schalldämpfung liefern, welche nachfolgend beschrieben wird.
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Passive Schalldämpfungen arbeiten mit dem Prinzip einer Energieumwandlung, wobei die Schallenergie in nicht hörbare Schwingungen im Bauteil, hier im Strömungskanal 12, umgewandelt wird. Durch innere Reibungseffekte im Bauteil werden diese Schwingungen abgebaut, indem die Schwingungsenergie in Reibungswärme umgewandelt wird.
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Zur passiven Schalldämpfung ist der Strömungskanal 12 hierzu zumindest abschnittsweise aus einem porösen Material ausgebildet.
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Die 2 und 3 zeigen einen ersten und einen zweiten vorteilhaften Bereich 14, 16, in denen der innenliegende Strömungskanal 12 (in 3 nicht sichtbar) aus dem porösen Material ausgebildet ist. Es ist denkbar, dass sowohl beide Bereiche 14, 16 als auch nur einer der beiden Bereiche 14, 16 mit dem porösen Material ausgebildet ist.
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Das poröse Material gemäß der vorliegenden Erfindung hat sehr viele kleine Hohlräume, nachfolgend Poren genannt, welche mit Luft gefüllt sind.
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Zusätzlich ist die Oberfläche des porösen Materials mit offenen Poren ausgebildet. Das bedeutet, dass diese Poren nicht vollständig vom Material umschlossen, sondern insbesondere zu einer Oberfläche hin geöffnet sind. Dadurch dringt der Schall, welcher durch den Luftstrom erzeugt wird, unmittelbar in die Poren ein und wird dort direkt absorbiert und somit in Wärme umgewandelt.
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Die beiden gezeigten Bereiche 14, 16 liegen vor jeweils einem der Luftauslässe 8, weshalb hierdurch eine besonders gute Absorption erreicht wird. Einerseits befinden sich an dieser Stelle die bereits beschriebenen Klappen 5, die für eine komplexe Struktur des Strömungskanals 12 sorgen und zu einer besonders großen Schallerzeugung führen und andererseits führt der Luftstrom im Strömungskanal 12 zu einer förderlichen Schallausbreitung in Strömungsrichtung hin zu den Luftauslässen 8, weswegen eine Absorption in den Bereichen 14, 16 einen besonders positiven schalldämpfenden Effekt für die Insassen des Fahrzeuginnenraums schafft.
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4 zeigt mehrere röhrenartige Strukturen 18, die Teil des Strömungskanals 12 sind und für das Temperaturmanagement des HLK verantwortlich sind. Die gezeigten röhrenartigen Strukturen 18 sind in den vorteilhaften Bereichen 14, 16 vorzufinden. In der gezeigten Ausführungsform sind diese röhrenartigen Strukturen 18 aus dem porösen Material, hier aus einem metallischen Schaumstoff, ausgebildet.
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Der metallische Schaumstoff hat eine makroporöse Oberfläche mit offenen Poren und einer durchschnittlichen Porengröße > 50 nm, da insbesondere durch mikroporöse und mesoporöse Oberflächen (durchschnittliche Porengröße < 50 nm) keine optimale Schalldämpfung erreicht werden kann.
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Neben der Porengröße ist auch eine ausreichend große Porosität ein entscheidender Faktor für eine gute Schalldämpfung.
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Zur Bestimmung der Porosität kann beispielsweise die Rohdichte und Reindichte des porösen Materials herangezogen werden.
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Alternativ zu der beschriebenen Ausführungsform mit dem metallischen Schaumstoff kann auch expandiertes Polypropylen (EPP) oder ein Fleece-Werkstoff zur Schalldämpfung eingesetzt werden.
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Weitere alternative poröse Materialien sind wolleartig, wobei Metallwolle, Steinwolle, Glaswolle oder Glasfasern zum Einsatz kommen können.
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Denkbar wäre auch, dass das poröse Material in Form einer Bauteilbeschichtung auf die Innenseite des Strömungskanals 12 aufgebracht wird.
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Die bereits diskutierten Einflussfaktoren auf die Schallabsorption sind also die Strömungsgeschwindigkeit, das poröse Material an sich mit der Beschaffenheit der Poren und die Positionierung des porösen Materials entlang des Strömungskanals 12.
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Neben der beschriebenen Beschaffenheit der Poren, Ist auch die konstruktive Gestaltung des mittels porösem Material versehenen Strömungskanals 12 für die Schalldämpfung entscheidend. Dies umfasst unter anderem die Breite, Länge und Geometrie der mittels porösem Material versehenen Abschnitte 14, 16 des Strömungskanals.
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Die Geometrie kann dahingehend unterstützend wirken, indem das poröse Material beispielsweise einen Kulissenschalldämpfer am Strömungskanal 12 ausbildet. Kulissenschalldämpfer arbeiten mit Mehrfachreflexionen, wobei das poröse Material mit jeder Reflexion der Schallwellen dämpfend wirkt und die Schallwellen abschwächt.
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Denkbar wäre auch, dass der Kulissenschalldämpfer aus einem nichtporösen Werkstoff hergestellt und anschließend mit einer porösen Bauteilbeschichtung versehen wird.
