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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Reinigen der Luft, die in den
Fahrgastraum eines Kraftfahrzeugs geleitet wird.
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Wie
in
10 veranschaulicht, weist eine Heiz-/Klimaeinrichtung
eines Kraftfahrzeugs herkömmlicherweise
ein Gehäuse
10 auf,
das einen Kanal oder eine Leitung zur Luftverteilung
12 begrenzt, der/die
in Abhängigkeit
von der Stellung von gesteuerten Verteilungsklappen
14 die
zu behandelnde Luft zu Austrittsöffnungen
(zum Heizen und zur Entfernung des Beschlags/Enteisung
16)
leitet, die in den Fahrgastraum münden. Der Durchsatz der Luft,
die durch den Kanal strömt,
wird mit einem Lüftersatz oder
Pulsator
18 erzeugt, der in Abhängigkeit von der Stellung einer
am Eingang des Gehäuses
angeordneten Umschaltklappe
20 Außenluft oder Umwälzluft aus
dem Fahrgastraum aufnimmt. Das Kühlen
der Luft wird durch mindestens einen Verdampfer (oder Wärmetauscher
22)
gewährleistet,
der im Kanal angeordnet ist und vor dem herkömmlicherweise ein Partikelfilter
oder ein Kombifilter
24 angebracht ist, in dem ein Aktivkohlefilter
oder allgemeiner ein Filter mit einem beliebigen Adsorptionsmittel
zur Behandlung der riechenden oder schädlichen Gasen integriert ist. Die
Erwärmung
der Luft wird ihrerseits durch eine Heizeinrichtung
26 sichergestellt,
vor der wie bekannt eine gesteuerte Mischklappe
28 angeordnet ist.
Eine derartige Vorrichtung ist aus der
GB-A-1 559 629 bekannt.
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Mit
einem Filter mit Adsorptionsmittel werden die Schadgasmoleküle durch
einen Adsorptionsvorgang an der porösen Oberfläche des Adsorptionsmittels
zurückgehalten,
wobei anschließend
unter bestimmten Temperaturbedingungen eine Desorption oder ein
Austrag dieser Schadstoffe beobachtet werden kann.
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Es
stellt sich leider heraus, dass dieser Filtertyp eine begrenzte
Lebensdauer hat, was sich durch einen großen Streuverlust äußert, und
hinsichtlich der Zerstörung
und/oder Einschränkung
der Vermehrung der Bakterien oder Mikroorganismen, die in der Verteilungsleitung
vorhanden sind und über
die Austrittsöffnungen
in den Fahrgastraum eingeleitet werden, eine geringe Wirksamkeit
besitzt.
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Gegenstand und Zusammenfassung
der Erfindung
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Gegenstand
der Erfindung ist eine Heiz-/Klimaeinrichtung, die im Vergleich
zu bestehenden Vorrichtungen dahingehend stark verbessert ist, dass
sie die in der Umgebungsluft transportierten Mikroorganismen und
Gase, die die Ursache für
im Fahrgastraum eines Kraftfahrzeugs auftretende schlechte Gerüche sind,
sehr stark einschränkt
und auch vernichtet und somit eine optimale Filtration der in den Fahrgastraum
geleiteten Luft sicherstellt.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine derartige Einrichtung
so herzustellen, dass sie zuverlässig
und einfach anzuwenden ist.
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Diese
Ziele werden mit einer Heiz-/Klimaeinrichtung des Fahrgastraums
eines Kraftfahrzeugs erreicht, welche einen Lüftersatz umfasst, der einen Luftstrom
in einen Luftverteilungskanal abgibt, in dem zumindest ein Verdampfer
angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein elektrostatisches Filtriersystem
aufweist, das einen ionisierenden Teil und einen Kollektorteil umfasst
und einem Plasmakatalysesystem vorgeschaltet ist, das einen Plasma
erzeugenden Teil und einen Katalyseteil aufweist.
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Durch
die Vereinigung dieser beiden Systeme wird der Luftstrom perfekt
gefiltert, die Häufigkeit der
Wartung der Einrichtung reduziert und das Beibehalten der Leistungen
zwischen zwei Wartungsvorgängen
gewährleistet.
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Vorteilhafterweise
ist der Plasma erzeugende Teil dem Verdampfer vorgeschaltet.
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Gemäß der in
Betracht gezogenen Ausführungsform
kann der ionisierende Teil dem Lüftersatz und
einer Umschaltklappe vorgeschaltet sein, welche die Umschaltung
des Luftstroms zwischen Frischluft und Luft aus dem Fahrgastraum
sicherstellt, und der Kollektorteil kann dem Lüftersatz und der Umschaltklappe
vorgeschaltet sein.
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Vorteilhafterweise
kann der Katalyseteil auf einem Träger nicht gewebten oder waffelartigen
Typs angeordnet sein, der dem Verdampfer nachgeschaltet ist, wobei
der Katalyseteil auch von einer Oberfläche des Verdampfers gebildet
sein kann. Der Katalyseteil kann jedoch auch in Austrittsöffnungen
angeordnet sein, die stromabwärts
von gesteuerten Verteilungsklappen in den Fahrgastraum münden.
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Der
ionisierende Teil des elektrostatischen Filtriersystems und der
Plasma erzeugende Teil des Plasmakatalysesystems weisen vorzugsweise
gemeinsame elektronische Komponenten auf.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich
beim Lesen der nachfolgenden beispielhaften und nicht einschränkenden
Beschreibung, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht. Darin
zeigen:
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1 schematisch
ein erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Heiz-/Klimaeinrichtung,
mit der ein Kraftfahrzeug ausgestattet ist;
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2 den
Aufbau eines elektrostatischen Filtriersystems, das bei der Heiz-/Klimaeinrichtung aus 1 angewendet
wird;
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3 den
Aufbau eines Plasmakatalysesystems, das bei der Heiz-/Klimaeinrichtung
aus 1 angewendet wird;
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4 schematisch
eine Ausführungsvariante
der Heiz-/Klimaeinrichtung aus 1;
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5 schematisch
eine weitere Ausführungsvariante
der Heiz-/Klimaeinrichtung aus 1;
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6 schematisch
noch eine weitere Ausführungsvariante
der Heiz-/Klimaeinrichtung aus 1;
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7 schematisch
eine letzte Ausführungsvariante
der Heiz-/Klimaeinrichtung aus 1;
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8 schematisch
ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Heiz-/Klimaeinrichtung,
mit der ein Kraftfahrzeug ausgestattet ist;
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9 schematisch
noch ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Heiz-/Klimaeinrichtung,
mit der ein Kraftfahrzeug ausgestattet ist; und
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10 eine
Heiz-/Klimaeinrichtung aus dem Stand der Technik, mit der ein Kraftfahrzeug
ausgestattet ist.
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Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen
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1 veranschaulicht
schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Heiz-/Klimaeinrichtung
für ein
Kraftfahrzeug.
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Dieser
Aufbau zeichnet sich dadurch aus, dass im Luftverteilungskanal 12 eines
Gehäuses 10 einer
derartigen Heiz-/Klimaeinrichtung, mit mindestens einem Verdampfer 22,
ein elektrostatisches Filtriersystem 30 zur Behandlung
der Partikel mit einem Durchmesser zwischen 0,1 und 10 Mikrometer
(und mehr) und ein Plasmakatalysesystem 40 zur Behandlung
der Schadgase, Gerüche
und Mikroorganismen in Kombination verwendet werden.
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Die
elektrostatische Filtration ermöglicht
eine Erhöhung
der Wirksamkeit des Auffangens von atmosphärischen Aerosolen mit geringen
Abmessungen (insbesondere mit einem Durchmesser von weniger als
0,5 Mikrometer), indem ihre elektrische Ladung genutzt wird. Wie
in 2 veranschaulicht, werden die durch das System
transportierten Partikel von einem ionisierenden Teil 32 geladen,
bevor sie von einem Kollektorteil 34 aufgenommen werden, der
herkömmlich
durch einen Partikelfilter gebildet ist, der beispielsweise aus
nicht gewebten Fasern besteht und zickzackartig gefaltet ist, um
Wellen oder V-förmige Falten
zu bilden und die Nutzfläche
des Filters zu erhöhen
und den Streuverlust zu verringern.
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Das
elektrostatische Laden erfolgt ausgehend von einer elektrischen
Hochspannungs-Gleichstromversorgung 36 von zwischen 2 und
8 kV (üblicherweise
5 kV), die meistens in Form von Koronaentladungen an mehrere elektrischen
Drähten
mit geringem Durchmesser angelegt wird, welche abwechselnd mit parallelen
leitenden Platten angeordnet sind. Ein Gitter zur Vorfilterung 38 ist
vorteilhafterweise dem ionisierenden Teil vorgeschaltet, um die groben
Elemente zu filtern, deren Abmessungen eine bestimmte Größe von beispielsweise
5 mm überschreiten.
Die Partikel stromabwärts
des Gitters 38 werden somit von dem Ionisator 32 ionisiert,
bevor sie vom Partikelfilter 34 aufgefangen werden.
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Die
Plasmakatalyse besteht darin, den Luftstrom durch die gleichzeitige
Betätigung
eines Plasma erzeugenden Teils, der durch einen oder mehrere Plasma generator(en)
gebildet ist, und eines Katalyseteils zu reinigen, der durch einen
oder mehrere Katalysatoren (z.B. auf Metalloxidbasis) gebildet ist, der/die
auf einem nicht gewebten oder waffelartigen (z.B. wabenartigen)
Träger
oder auch auf einer Metallfläche
angeordnet ist/sind.
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Wie
in 3 veranschaulicht, kann der Plasma erzeugende
Teil 42 vorteilhafterweise Koronaentladungen oder Entladungen
vom Typ DBD (dialektrische Barriereentladungen) verwenden, die bei
verschiedenen Elektrodenausführungen
angewendet werden: z.B. Draht/Ebene, Zylinder/Ebene oder Ebene/Ebene.
Diese Entladungen werden durch eine elektrische Hochspannungs-Wechselstromversorgung 44 zwischen
3 kV und 15 kV erzeugt, die vorzugsweise elektrische Komponenten
verwendet, die sie mit der Versorgung gemeinsam hat, welche den ionisierenden
Teil speist. Die erforderliche Leistung beträgt zwischen 50 und 200 W mit
Frequenzen von mehr als 50 KHz.
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Die
durch das System strömende
Luft wird vom Plasma behandelt, das vom erzeugenden Teil 42 produziert
wurde, bevor sie vom Katalyseteil 46 aufgenommen wird.
Der Katalysator kann allein oder als Zusatz zu einem Adsorptionsmittel
wie etwa Aktivkohle, Zeolith, einer Mischung aus beiden oder auch
jeglichem weiteren Adsorptionsmittel angeordnet sein. Die Aktivkohle
besteht z.B. aus Körnern
mit einer Größe zwischen
0,5 mm und 2 mm. Diese Körner
sind porös
und umfassen Mikroporen mit einer Größe zwischen 0,2 nm und 2 nm,
Mesoporen mit einer Größe zwischen
2 nm und 50 nm und Makroporen mit einer Größe von mehr als 50 nm. Der
Katalysator kann z.B. auf Manganoxid- und/oder Eisenoxidbasis gebildet
sein.
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Folglich
sind die Art der Oxydpartikel und deren Massenverhältnis zur
Aktivkohle so gewählt, dass
deren Poren nicht verstopft werden. Dieses Massenverhältnis beträgt beispielsweise
zwischen 1% und 20%.
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Es
wird nun wieder auf 1 Bezug genommen. Das elektrostatische
Filtriersystem 30 ist erfindungsgemäß dem Plasmakatalysesystem 40 vorgeschaltet,
um dessen Verstopfung (und/oder Vergiftung) einschränken, wobei
er somit vor den Partikelkonzentrationen geschützt ist. Die Erzeugung des Plasmas
erfolgt stromaufwärts
des Verdampfers 22, so dass die Austauschfläche dieses
Verdampfers regelmäßig, kontinuierlich
oder nicht, von Gasen, Gerüchen
und Mikroorganismen gereinigt wird. Dadurch werden die Gerüche stark verringert,
die durch die Vorgänge
der Adsorptions/Desorption der Gasmoleküle oder durch die Vermehrung
der Mikroorganismen an der Oberfläche oder in der unmittelbaren
Umgebung des Verdampfers erzeugt werden. Die Behandlung des Luftstroms
wird durch den Katalysator beendet, der auf einem unabhängigen,
am Ausgang des Verdampfers angeordneten Träger aufliegt. Mit dieser Ausführung wird
ferner der Luftstrom gefiltert, ganz gleich, ob er von außen (Direktflussmodus) oder
aus dem Fahrgastraum (Umlaufmodus) kommt.
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Um
ihre Montage im Luftverteilungskanal 12 zu vereinfachen,
sind das elektrostatische Filtriersystem und das Plasmakatalysesystem
vorteilhafterweise jeweils in einem Trägerrahmen angebracht, der beispielsweise
rechteckig ist, dessen Oberfläche eine
sichtbare Behandlungsfläche
für die
Luft, die durch diesen strömt,
definiert und dessen Querflächen
Aufnahmen 48, 50 aufweisen, die Transformatoren
(nicht gezeigt) aufnehmen sollen, die an den Rändern dieser Aufnahmen befestigt
werden.
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Die
Transformatoren ermöglichen
die Abgabe einer Spannung zwischen 2 und 15 kV ausgehend von der
Hochspannungsversorgung (nicht dargestellt), die mit der Fahrzeugbatterie
verbunden ist.
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4 veranschaulicht
eine bevorzugte Ausführungsvariante,
in welcher der ionisierende Teil 32 des elektrostatischen
Filtriersystems nun dem Pulsator 18 vorgeschaltet ist,
um die Wirksamkeit des Auffangens wesentlich zu verbessern. Durch
diese Ausführung
und aufgrund der Koaleszenzphenomene nutzt nämlich das System die vom Pulsator
hervorgerufenen Turbulenzen, wodurch die Wahrscheinlichkeit des
Zusammentreffens zwischen den Partikeln erhöht wird.
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Bei
der Ausführungsvariante
aus 5 ist dieser ionisierende Teil 32 direkt
im Lufteintritt stromaufwärts
der Umschaltklappe 20 angeordnet, die die Umschaltung des
Luftstroms, mit dem die Einrichtung gespeist wird, zwischen Außenluft
und Luft aus dem Fahrgastraum sicherstellt, wobei der Kollektorteil 34 weiter
stromabwärts
des Pulsators 18 angeordnet bleibt. Somit ist der ionisierende
Teil leicht zugänglich
und verwendet das an dieser Stelle verfügbare Volumen. Bei dieser Ausführung werden
die im Umlaufmodus erzeugten Partikel jedoch nur teilweise behandelt
(da sie nur gefiltert und nicht ionisiert werden).
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Wenn
die im Kanal 12 verfügbaren
Volumina eingeschränkt
sind, kann auf die Ausführungsvarianten
der 6 und 7 zurückgegriffen werden.
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In 6 ist
der ionisierende Teil 32 weiterhin im Lufteintritt angeordnet,
der Kollektorteil 34 ist nun jedoch stromaufwärts des
Pulsators 18 angeordnet. In 7 ist das
gesamte elektrostatische Filtriersystem 30; 32, 34 im
Lufteintritt angeordnet und somit leicht zugänglich. Bei dieser Ausführung werden
die im Umlaufmodus erzeugten Partikel jedoch nicht behandelt.
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8 zeigt
eine weitere Ausführungsvariante
der Erfindung, in der der Träger
des Katalysators direkt vom Verdampfer 22 gebildet wird.
Dieser ist nämlich
von dem Katalysator bedeckt, welcher mittels eines geeigneten Metalloxyds
direkt in den Polymerüberzug
des Verdampfers integriert sein kann. Diese Ausführung führt aufgrund der Größe der gebildeten
Fläche
und somit der Kontaktzeit zu einer hohen Wirksamkeit. Man erhält somit
einen Gewinn beim Volumen und beim Gewicht durch die Eliminierung
des Katalysatorträgers.
Außerdem
wird der globale Streuverlust des Systems verbessert.
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Schließlich ist
in 9 dieser Katalysator im Luftverteilungsbereich,
der im Allgemeinen zahlreiche Toträume (Luftkanäle) aufweist,
und genauer gesagt in den Austrittsöffnungen 16 angeordnet,
die stromabwärts
der gesteuerten Verteilungsklappen 14 in den Fahrgastraum
münden.
Es wird somit so nah wie möglich
an den Insassen eine bessere Schalldämmung hinsichtlich der Luftgeräusche, die
im Verdampfer und in den Luftkanälen
entstehen, realisiert. Seine Anordnung so nah wie möglich an
den Luftaustrittsöffnungen
ermöglicht
es ferner, eine sauberere Luft (da sie direkt aus dem katalytischen
Filtration hervorgeht) zu den Insassen im Fahrgastraum zu leiten,
jedoch auf Kosten einer möglichen
Wartung (die aufgrund der Zugänglichkeit
noch relativ einfach ist), da ein Zugang an mehreren verschiedenen
Stellen erforderlich ist.
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Es
ist anzumerken, dass wenn der Plasma erzeugende Teil vorzugsweise
dem Verdampfer vorgeschaltet ist, es selbstverständlich auch möglich ist, ihn
stromabwärts
des Verdampfers anzuordnen, wenn der Raum im Gehäuse dies gestattet.