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DE10200953A1 - Vorrichtung zur Steuerung der Frischluftzufuhr in Fahrzeugen - Google Patents

Vorrichtung zur Steuerung der Frischluftzufuhr in Fahrzeugen

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DE10200953A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (14), mit der vor gefährlichen Kohlendioxidkonzentration in einem Fahrzeug (12) gewarnt und die Frischluftzufuhr (7) automatisch gesteuert wird. Als Nachweiselement wird mindestens ein Infrarotgassensor (3, 4, 5) eingesetzt, der schnell und zuverlässig die ansteigenden Kohlendioxidkonzentrationen erkennt. In einer Auswerteelektronik (11) wird bei Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes die Frischluftzufuhr (7) durch einen Aktor (8) aktiviert und die Leistung des Lüfters (13) forciert. Um die Ansprechschnelligkeit des Infrarotgassensors (3) zu erhöhen, kann der Infrarotgassensor (3) in der Zuluftströmung (9) installiert werden.

Description

  • Kohlendioxid eignet sich sehr gut als Ersatz für Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe (FCKW) in Klimaanlagen (1). Insbesondere in der Fahrzeugtechnik hat das Kohlendioxid aufgrund seiner thermodynamischen Eigenschaften zusätzliche technische Vorteile. Ein Nachteil ergibt sich allerdings bei Schadensereignissen (Unfall, Korrosion, . .), die zu einer Leckage in der Klimaanlage (1) führen können. Tritt das Kohlendioxid dann in den Fahrgastinnenraum (2) ein, so kann es bei einer Konzentration von > ca. 1 Vol.-% CO2 zu ersten Anzeichen einer Beeinflussung (z. B. Müdigkeit, Kopfschmerzen, Übelkeit, . . .) durch das Kohlendioxid kommen. Konzentrationen bis zu 0,5 Vol.-% Kohlendioxid kann ein gesunder Mensch bis zu 8 Stunden ohne größere Probleme ertragen. Aus diesem Grund wurde dieser Wert auch als maximale Arbeitsplatzkonzentration (MAK) definiert. Steigt die Kohlendioxidkonzentration an (1 Vol.-% bis 5 Vol.-%), so kann es zu weiteren Ausfällen (z. B. Ohnmacht) oder gar zum Tod führen.
  • Wesentlicher Bestandteil einer kontinuierlichen, arbeitende Vorrichtung (14), die vor diesen gefährlichen Kohlendioxidkonzentrationen warnt, ist ein Gassensor (3, 4, 5), der diese Kohlendioxidkonzentration zuverlässig erfasst.
  • Gassensoren auf der Basis von Flüssigelektrolyten scheiden für eine Anwendung in der Fahrzeugtechnik aufgrund der Temperatureinsatzbereiche von -40°C bis 80°C aus. Nachteilig ist bei diesen Sensoren auch die Ansprechgeschwindigkeit, die im Minutenbereich liegt und somit keine reaktionsschnelle Aktionen auslösen kann. Festelektrolytsensoren sind nicht für den Konzentrationsbereich von 0 Vol.-% bis 5 Vol.-% CO2 geeignet und haben außerdem eine hohe Leistungsaufnahme und ein unerwünschtes Einlaufverhalten (Anwärmzeit, Alterung, . . .).
  • Wärmeleitfähigkeitssensoren sind prinzipiell geeignet, haben jedoch grosse Querempfindlichkeiten zu Wasserdampf, die eine zuverlässige Kohlendioxiderfassung ausschließen.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher eine Vorrichtung (14) zu schaffen, die vor einer solchen gefährlichen (toxischen) Kohlendioxidkonzentration zuverlässig und eindeutig warnt und die Gefahr für die Fahrgäste durch eine schnell aktivierte Frischluftzufuhr (7) beseitigt.
  • Die Lösung der erfindungsgemässen Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 in zusammenwirken mit den Merkmalen des Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • In Fig. 1 ist der gesamte Aufbau der Vorrichtung (14) in Verbindung mit der Klimaanlage (1) im Fahrzeug (12) dargestellt
  • Ein wesentlicher Vorteil nach Anspruch 1 besteht darin, das Infrarotgassensoren (3, 4, 15) eingesetzt werden, die extrem schnell auf Konzentrationsänderungen reagieren. Die Ansprechzeit wird dabei im wesentlichen durch die Ausspülzeit der Messküvette bestimmt. Miniaturisierte Infrarotgassensoren (siehe Umweltdiagnostik mit Mikrosystemen, Wiley-VCH Weinheim 1999, Kap. 3.6: v. G. Wiegleb, Miniaturisierte Infrarot- und Wärmeleitfähigkeitssensoren) haben eine sehr kleine Messküvette von wenigen 100 µL, so das dieser Sensortyp besonders geeignet ist. Erfolgt der Gasaustausch lediglich durch Diffusion, so ergeben sich Ansprechzeiten im Bereich von 10 Sekunden bis zu einer Minute. Installiert man den Sensor jedoch in einem Luftstrom (9, 10), so wird die Ansprechzeit deutlich reduziert. Durch eine Anordnung des Infrarotgassensors (3) in den Strömungsbereich der Zuluft (9) beträgt der Gasaustausch dann nur wenige Sekunden, so dass sehr schnell auf zu hohe und damit toxische Kohlendioxidkonzentrationen reagiert werden kann. Dies ist auch der Fall, wenn der Aktor (8) in der Klimaanlage (1) auf Umluft (10) geschaltet hat. Insbesondere in dieser Situation, in Verbindung mit einer Leckage, steigt die Kohlendioxidkonzentration dann sehr schnell an. Da der Einbauort in beiden Fällen identisch sein kann wenn der Einbauort in der Zuluft (9) angeordnet ist, wird auch dieser Fall schnell und zuverlässig detektiert. Für eine erhöhte Sicherheit oder zur Redundanz können auch 2 Infrarotgassensoren (3, 4) im Strömungsbereich der Zuluft (9) und der Umluft (10) installiert werden. Ein dritter Infrarotgassensor (5) könnte dann auch zusätzlich im hinteren Teil des Fahrgastinnenraumes angeordnet werden um alle relevanten Bereich zu erfassen. Da die Infrarotgassensoren (3, 4, 5) mit einer entsprechenden Auswerteelektronik (11) verbunden sind, kann bei Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes (z. B. 1,5 Vol.-% Kohlendioxid) sofort durch ein Steuersignal (6) der Aktor (8) auf Frischluftzufuhr (7) bei maximaler Leistung des Lüfters (13) umgeschaltet werden. Diese schnelle Reaktion gewährleistet dann eine in jedem Fall sicher Situation für die Fahrgäste.
  • Weitere Vorteile der Infrarotgassensorik liegen auch in der schnellen Betriebsbereitschaft, die nach wenigen Sekunden nach dem Einschalten (Motorstart) erreicht ist und der extrem guten Langzeitstabilität über mehrere Jahre im Dauerbetrieb.
  • Die Kennlinie von Infrarotgassensoren ist außerdem monoton fallend, das heißt bei einer stetig ansteigenden Kohlendioxidkonzentration entsteht nach dem Lambert Beerschen Gesetz eine exponentielle Kennlinie.

    I(c) = I0e- α cL
    I(c) = Intensität bei einer Gaskonzentration c
    I0 = Intensität bei c = 0
    c = Gaskonzentration
    α = Absorptionskoeffizient
    L = Abstand (optischer Weg in der Messküvette) zwischen der Strahlungsquelle und dem Empfangsdetektor
  • In Fig. 2 ist die Sensorkennlinie im gesamten Konzentrationsbereich von 0,0 Vol.-% bis 5,0 Vol.-% dargestellt.
  • Die Küvettenlänge L kann dabei so angepasst werden, das die Empfindlichkeit in dem kritischen Arbeitsbereich zwischen 1,0 Vol.-% und 3,0 Vol.-% nahezu linear verläuft, während in den größeren Konzentrationsbereichen, nach der Grenzwertüberschreitung (Sättigungsbereich) zwar auch noch eine Signaländerung zu verzeichnen ist, die aber dann in die "Sättigung" übergeht und somit immer einen Wert oberhalb des Grenzwertes anzeigt.

Claims (8)

1. Vorrichtung (14) zur Überwachung toxischer Kohlendioxidkonzentration in einem Fahrzeug (12) bestehend aus mindestens einem Gassensor(3) und mindestens einer Auswerteelektronik (11), dadurch gekennzeichnet, daß als Nachweiselement ein Infrarotgassensor (3) eingesetzt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Frischluftzufuhr (7) automatisch durch einen Aktor (8) aktiviert wird, wenn die Kohlendioxidkonzentration am Ort von mindestens einem Infrarotgassensors (3, 4, 5) einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Leistung des Lüfters (13) automatisch aktiviert wird, wenn die Kohlendioxidkonzentration am Ort von mindestens einem Infrarotgassensors (3, 4, 5) einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Grenzwert zwischen 1 Vol.-% und 3 Vol.-% Kohlendioxid liegt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einbauort des Infrarotgassensors (3, 4, 5) die repräsentative Kohlendioxidkonzentration im Fahrgastinnenraum (2) widerspiegelt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Infrarotgassensor (3, 4) im Strömungsbereich der Zuluft (9) oder Umluft (10) im Fahrgastinnenraum (2) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Infrarotgassensor (5) im hinteren Bereich des Fahrgastinnenraumes außerhalb der Zuluft (9) oder Umluft (10) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteelektronik ein Steuersignal (6) zur Aktivierung der Frischluftzufuhr (7) und der Leistung des Lüfters (13) generiert.
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