DE102012009909A1

DE102012009909A1 - Klimatisierungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, Verfahren zu deren Betrieb und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102012009909A1
Application number: DE201210009909
Authority: DE
Inventors: Holger Grossmann; Christine Susanne Junior; Matthias Weickum; Dr. Böttcher Christof
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2012-05-18
Filing date: 2012-05-18
Publication date: 2013-11-21
Anticipated expiration: 2032-05-19
Also published as: DE102012009909B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Klimatisierungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, umfassend – einen ersten Kanal (12), der strömungstechnisch sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig mit einem Innenraum des Kraftfahrzeugs verbindbar und thermisch mit einer Kaltseite (212) eines Peltier-Elementes (20) gekoppelt ist, sodass ehe von einer Gebläsevorrichtung (121, 141) angetriebene Luftströmung aus dem Innenraum über den ersten Kanal (12) zurück in den Innenraum leitbar und dabei durch thermische Wechselwirkung mit der Kaltseite (212) des Peltier-Elementes (20) kühlbar ist, – einen zweiten Kanal (14), der strömungstechnisch eingangsseitig mit dem Innenraum und ausgangsseitig mit einem das Kraftfahrzeug umgebenden Außenraum verbindbar ist und thermisch mit einer Warmseite (214) des Peltier-Elementes (20) gekoppelt ist, sodass eine von der Gebläsevorrichtung (121, 141) angetriebene Luftströmung aus dem Innenraum über den zweiten Kanal (14) in den Außenraum leitbar und dabei durch thermische Wechselwirkung mit der Warmseite (214) des Peltier-Elementes (20) erwärmbar ist, sowie – Strömungsleitmittel (122, 142) zur Steuerung der Luftströmungen durch den ersten (12) und den zweiten Kanal (14), – ein über eine Leistungselektronik mit dem Peltier-Element (20) sowie einem elektrischen Energiespeicher gekoppeltes Photovoltaik-Modul. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass jeder Kanal (12, 14) eingangsseitig mittels unabhängig steuerbarer Strömungsleitmittel (122, 142) mit dem Außenraum verbindbar ist und die Gebläsevorrichtung (121, 141) zwei separate, unabhängig steuerbare Gebläse (121, 141) aufweist, von denen jedem der Kanäle (12, 14) je eines zugeordnet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Klimatisierungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, umfassend

– einen ersten Kanal, der strömungstechnisch sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig mit einem Innenraum des Kraftfahrzeugs verbindbar und thermisch mit einer Kaltseite eines Peltier-Elementes gekoppelt ist, sodass eine von einer Gebläsevorrichtung angetriebene Luftströmung aus dem Innenraum über den ersten Kanal zurück in den Innenraum leitbar und dabei durch thermische Wechselwirkung mit der Kaltseite des Peltier-Elementes kühlbar ist,
– einen zweiten Kanal, der strömungstechnisch eingangsseitig mit dem Innenraum und ausgangsseitig mit einem das Kraftfahrzeug umgebenden Außenraum verbindbar ist und thermisch mit einer Warmseite des Peltier-Elementes gekoppelt ist, sodass eine von der Gebläsevorrichtung angetriebene Luftströmung aus dem Innenraum über den zweiten Kanal in den Außenraum leitbar und dabei durch thermische Wechselwirkung mit der Warmseite des Peltier-Elementes erwärmbar ist, sowie
– Strömungsleitmittel zur Steuerung der Luftströmungen durch den ersten und den zweiten Kanal,
– ein über eine Leistungselektronik mit dem Peltier-Element sowie einem elektrischen Energiespeicher gekoppeltes Photovoltaik-Modul.

Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Klimatisierungsvorrichtung sowie ein mit einer solchen Klimatisierungseinrichtung ausgerüstetes Kraftfahrzeug.
Solche Klimatisierungsvorrichtungen sind bekannt aus der FR 2 913 919 A1 . Kernstück der in dieser Druckschrift offenbarten Klimatisierungsvorrichtung ist ein Peltier-Element, welches im Inneren eines Lüftungskanals angeordnet ist. Eingangsseitig ist der Lüftungskanal mit dem Inneren des Kraftfahrzeugs verbunden, wobei ein in Strömungsrichtung vor dem Peltier-Element angeordnetes Gebläse Luft aus dem Inneren des Kraftfahrzeugs ansaugt und durch den Kanal auf das Peltier-Element zu fördert. Das Peltier-Element ist in einem Bereich des Lüftungskanals angeordnet, der in mehrere, parallel zur Strömungsrichtung verlaufende Kammern unterteilt ist. Dabei durchsetzt das Peltier-Element, welches durchströmbar gestaltet ist, zwei voneinander getrennte Kanalkammern, wobei die Kaltseite des Peltier-Elementes eine erste und die Warmseite des Peltier-Elementes eine zweite Kammer durchsetzt. Eine dritte Kammer des Lüftungskanals wird von dem Peltier-Element nicht durchsetzt. Während die erste und die zweite Kammer auch in Strömungsrichtung hinter dem Peltier-Element voneinander getrennt bleiben, gehen die zweite und die dritte Kammer hinter dem Peltier-Element ineinander über. Diese miteinander verbundenen Kammern sind ausgangsseitig mit dem Fahrzeugaußenraum verbunden. Die hiervon getrennte erste Kammer ist ausgangsseitig mit dem Innenraum des Kraftfahrzeugs verbunden.
Zwischen dem Peltier-Element und dem Gebläse ist eine schaltbare Klappe angeordnet, die insbesondere in drei unterschiedlichen Stellungen positionierbar ist. In einer ersten Stellung verschließt sie die erste und zweite Kammer eingangsseitig, sodass eine von dem Gebläse angetriebene Luftströmung vom Fahrzeuginnenraum über die dritte Kammer in den Fahrzeugaußenraum strömt. Diese Betriebsart entspricht einer Entlüftung des Innenraums. In einer zweiten Stellung ist die dritte Kammer eingangsseitig verschlossen und die erste und zweite Kammer sind eingangsseitig geöffnet. Bei Betrieb des Gebläses wird Luft aus dem Fahrzeuginnenraum angesaugt und teilt sich am Eingang der beiden Kammern auf, wobei eine erste Teilströmung die Kaltseite des Peltier-Elementes durchströmt und die erste Kammer ausgangsseitig zum Fahrzeuginnenraum verlässt. Dieser Teilstrom entspricht einer Umluftkühlung des Fahrzeuginnenraums. Ein zweiter Teilstrom durchströmt die Warmseite des Peltier-Elementes in der zweiten Kammer und wird in den Außenraum ausgeblasen. In einer dritten Stellung schließlich sind sämtliche Kammern eingangsseitig geöffnet, sodass sich eine teilweise Entlüftung des Innenraums und eine teilweise Umluftkühlung des Innenraums ergibt. Die für den Betrieb des Gebläses und des Peltier-Elementes benötigte Energie wird von einem Solarmodul auf dem Dach des Kraftfahrzeugs geliefert.
Nachteilig bei der bekannten Vorrichtung ist deren Beschränkung auf energetisch ineffiziente Betriebsmodi, was insbesondere aufgrund der wenig konstanten Energieerzeugung durch das Solarmodul besonders ins Gewicht fällt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Klimatisierungsvorrichtung derart weiterzubilden, dass effizientere Betriebsmodi erreichbar sind.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass jeder Kanal eingangsseitig mittels unabhängig steuerbarer Strömungsleitmittel mit dem Außenraum verbindbar ist und die Gebläsevorrichtung zwei separate, unabhängig steuerbare Gebläse aufweist, von denen jedem der Kanäle je eines zugeordnet ist.
Bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Zunächst sind erfindungsgemäß zwei strömungstechnisch separate Kanäle vorgesehen. Diese können zwar durchaus einstückig, beispielsweise als ein zweikammeriger Doppelkanal ausgebildet sein; strömnungstechnisch und vorzugsweise auch thermisch sind beide Teilkanäle jedoch entkoppelt, sodass hier von zwei strömungstechnisch unabhängigen Kanälen gesprochen wird. Der erste Kanal mündet ausgangsseitig in den Fahrzeuginnenraum. Der zweite Kanal mündet ausgangsseitig in den Fahrzeugaußenraum. Eingangsseitig jedoch sind beide Kanäle unabhängig voneinander alternativ mit dem Fahrzeuginnenraum oder mit dem Fahrzeugaußenraum verbindbar. Hierzu sind schaltbare Strömungsleitmittel, vorzugsweise Klappen vorgesehen, die je nach ihrer Stellung jeden der Kanäle unabhängig entweder mit dem Innenraum oder mit dem Außenraum strömungstechnisch verbinden. Dies kann bevorzugt so ausgestaltet sein, dass jeder Kanal als Strömungsleitmittel eine steuerbare Klappenanordnung aufweist, mittels derer jeweils eine mit dem Innenraum verbundene Umluftzuleitung und eine mit dem Außenraum verbundene Frischluftzuleitung alternativ zueinander eingangsseitig mit dem jeweiligen Kanal verbindbar sind. Hierdurch wird eine Vielzahl möglicher Konstellationen erreicht, insbesondere kann über den ersten Kanal je nach Klappenstellung Frischluft oder Umluft in den Innenraum geführt werden. Über den zweiten Kanal kann je nach dessen Klappenstellung der Innenraum entlüftet oder ein „Außen-Umluft”-Betrieb eingestellt werden, dessen Vorteile und Wirkungen nachfolgend beschrieben werden sollen. Die erfindungsgemäße Trennung der Kanäle macht es jedoch erforderlich, dass jedem Kanal ein eigenes, unabhängig steuerbares Gebläse zugeordnet wird. Dabei ist das dem ersten Kanal zugeordnete erste Gebläse vorzugsweise im Lumen des ersten Kanals und das dem zweiten Kanal zugeordnete zweite Gebläse im Lumen des zweiten Kanals angeordnet.
Wie grundsätzlich im Stand der Technik bekannt, ist jeder der Kanäle von einem Teil des Peltier-Elementes, der selbst von der Luft im Kanal durchströmbar ist, durchsetzt. Insbesondere durchsetzt die Kaltseite des Peltier-Elementes den ersten Kanal und die Warmseite des Peltier-Elementes den zweiten Kanal. Hier wird die besondere Wirkung des durch die erfindungsgemäße Konstellation ermöglichten „Außen-Umluft”-Betriebs des zweiten Kanals ersichtlich. Zum Kühlen des Innenraums kann Luft – sei es Umluft oder Frischluft – durch den ersten Kanal geleitet werden. Bei Betrieb des Peltier-Elementes hat dessen Kaltseite eine niedrigere Temperatur als die Luftströmung im ersten Kanal.
Durchströmt die Luft im ersten Kanal die diesen durchsetzende Kaltseite des Peltier-Elementes wird sie abgekühlt und mit niedrigerer Temperatur (zurück) in den Fahrzeuginnenraum geführt. Die Abwärme fällt dabei an der Warmseite des Peltier Elementes an, welche den zweiten Kanal, durchsetzt. Wird dieser nun von aus dem Außenraum angesaugter Luft durchströmt, wobei auch die Warmseite des Peltier-Elementes durchströmt wird, führt dies zu einer besseren Ableitung der Abwärme und somit zu einem effizienteren Betrieb des Peltier-Elementes. Soll die Kühlung des Innenraums nicht im reinen Umluftbetrieb erfolgen, sondern zugleich eine teilweise Entlüftung des Fahrzeuginnenraums erreicht werden, kann der zweite Kanal statt mit dem Außenraum mit dem Innenraum des Kraftfahrzeugs verbunden werden. Die Abführung der Abwärme des Peltier-Elementes, die nun mit gekühlter Innenraumluft erfolgt, wird dadurch noch effizienter; allerdings wird dem Innenraum Kälte entzogen, die anderweitig durch wärmere Außenluft ersetzt werden muss. Insofern ist dieser Betrieb insgesamt betrachtet weniger effizient als der vorangehend beschriebene, hat aber den Vorteil eines teilweisen Luftaustauschs im Kraftfahrzeuginneren und ist noch immer deutlich effizienter als die im Stand der Technik bekannten Betriebsarten.
Die erfindungsgemäße Klimatisierungsvorrichtung eignet sich besonders als Zusatzeinrichtung, die aufgrund ihrer von einem Motorbetrieb des Kraftfahrzeugs unabhängigen Solarversorgung mit besonderem Vorteil im Sommer zur schnellen Vorkühlung des Kraftfahrzeugs genutzt werden kann. Ein solches, besonders vorteilhaftes Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen Klimatisierungsvorrichtung, das hier auch als Boosten bezeichnet werden soll, umfasst die folgenden Schritte:

– elektrisches Betreiben des Peltier-Elementes,
– eingangsseitiges Verbinden des ersten Kanals und des zweiten Kanals jeweils mit dem Außenraum und Betreiben beider Gebläse solange bis eine Temperatur des Innenraums innerhalb vorbestimmter Grenzen um eine aktuelle Temperatur des Außenraums liegt,
– anschließend eingangsseitiges Verbinden des ersten Kanals mit dem Innenraum und Weiterbetreiben beider Gebläse.

Ein solches Verfahren kann beispielsweise zeitgesteuert oder manuell, beispielsweise ferngesteuert initiiert werden, wenn der Fahrer ein in der Sonne abgestelltes und entsprechend aufgeheiztes Fahrzeug besteigen möchte. In diesem Zustand ist die Temperatur im Fahrzeuginneren deutlich höher als im Außenraum. Folglich ist es sinnvoll, kühlere Außenluft in den Innenraum zu blasen, wobei die resultierende Kühlung dadurch verstärkt wird, dass der Luftstrom mittels des Peltier-Elementes gekühlt wird. Dies erfolgt über den ersten Kanal. Mit anderen Worten wird der erste Kanal im Frischluftbetrieb betrieben. Gleichzeitig wird der zweite Kanal im zuvor beschriebenen „Außen-Umluft”-Betrieb betrieben, um eine bessere Abführung der Abwärme an der Warmseite des Peltier-Elementes zu erreichen. Dies stellt die effizienteste Art der Kühlung dar; jedoch nur solange, bis sich die Temperatur im Innenraum der Außentemperatur annähert. Die konkreten Temperaturgrenzwerte sind vom Fachmann in Ansehung des Einzelfalls festzulegen.
Bevorzugt wird dieses Verfahren derart erweitert, dass, sobald die Temperatur des Innenraums unterhalb der Temperatur des Außenraums liegt, der zweite Kanal eingangsseitig mit dem Innenraum verbunden wird. Mit anderen Worten wird der erste Kanal vom Frischluft- auf den Umluft-Betrieb umgeschaltet. Hierdurch wird Kälteverlust im Innenraum vermieden. Der Innenraum kann auf sehr niedrige Temperaturen, deutlich niedriger als die Außentemperatur abgekühlt werden. Der zweite Kanal wird derweil weiter im „Außen-Umluft”-Betrieb betrieben, um wie oben erläutert, die Abwärme des Peltier-Elementes abzuführen. Der Übergang kann fließend erfolgen, wobei insbesondere kein Stopp der Gebläse erforderlich ist.
Wie erläutert, wird diese Schnellkühlung vorzugsweise vor dem Motorstart des Kraftfahrzeugs durchgeführt, günstiger Weise noch bevor der Fahrer in das Fahrzeug eingestiegen ist.
Bezüglich der Energieversorgung bei der erläuterten Schnellabkühlung ist bevorzugt vorgesehen, dass das Peltier-Element primär aus aktuell mittels des Photovoltaik-Moduls erzeugter elektrischer Energie gespeist wird. Im Fall, dass die aktuell mittels des Photovoltaik-Moduls erzeugte elektrische Energie den aktuellen Energiebedarf des Peltier-Elementes übersteigt, wird bevorzugt überschüssige Energie in den elektrischen Energiespeicher eingespeist. Umgekehrt ist bevorzugt vorgesehen, im Fall, dass die aktuell mittels des Photovoltaik-Moduls erzeugte elektrische Energie den aktuellen Energiebedarf des Peltier-Elementes unterschreitet, fehlende Energie aus dem elektrischen Energiespeicher eingespeist wird. Dieses Energie-Management wird bevorzugt von der Steuerung der Leistungselektronik übernommen.
Wie erläutert, wird die erfindungsgemäße Klimatisierungsvorrichtung bevorzugt als Zusatzvorrichtung eingesetzt. Dies bedeutet, dass zusätzlicher Bauraumbedarf besteht. Bei einer besonders günstigen Ausgestaltung eines Kraftfahrzeugs, welches über eine erfindungsgemäße Klimatisierungsvorrichtung verfügt, ist vorgesehen, dass die Kanäle im Vorderwagen des Kraftfahrzeugs angeordnet sind und das Peltier-Element eine motorseitige Wandung eines Wasserkastens durchsetzt, wobei die Innenseite der Wasserkastenwandung einen Wandbereich des ersten Kanals und die Außenseite der Wasserkastenwandung einen Wandbereich des zweiten Kanals bildet. Auf diese Weise lassen sich bauraumtechnische und thermische Anforderungen besonders gut miteinander verbinden. Die Nutzseite des Peltier-Elementes, d. h. seine Kaltseite ist im Wasserkasten angeordnet, sodass die hier stets entstehende Verdunstungskälte den Kühlungsprozess positiv unterstützt. Die Warmseite hingegen zeigt zum Motor, wo ohnehin bereits Abwärme anfällt.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass sich der zweite Kanal eingangsseitig in einen der zwei Radkästen des Vorderwagens erstreckt. Dies bedeutet, dass zur Kühlung der Warmseite des Peltier-Elementes vergleichsweise kühle Luft angesaugt wird, die noch nicht durch die Abwärme des Motors aufgeheizt ist. Abgegeben werden kann die Luft aus dem zweiten Kanal dann ohne weiteres in den ohnehin warmen Motorraum. Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass sich der zweite Kanal ausgangsseitig in den anderen der zwei Radkästen des Vorderwagens erstreckt. Mit anderen Worten wird die Luft im zweiten Kanal quer durch den Vorderwagen geführt. Hierdurch wird ein Lüftungskurzschluss zuverlässig vermieden.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich der erste Kanal eingangsseitig in denselben Radkasten erstreckt, in den sich auch der zweite Kanal eingangsseitig erstreckt. Mit anderen Worten saugen bei dieser Ausgestaltung beide Kanäle die Luft im Wesentlichen vom selben Ort an, was auch für den ersten Kanal dieselben Vorteile hat wie oben im Zusammenhang mit dem zweiten Kanal erläutert.
Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass der erste Kanal im Bereich des Wasserkasten Strömungsleitmittel aufweist, die alternativ so schaltbar sind, dass durch Betätigung des dem ersten Kanal zugeordneten Gebläses Luft aus dem Radkasten oder aus dem Wasserkasten ansaugbar ist. Mit anderen Worten ist der Ansaugort für den ersten Kanal zwischen Radkasten und Wasserkasten schaltbar. Da der nach oben offene Wasserkasten an der Scheibenwurzel der Windschutzscheibe endet, wird bei der entsprechenden Schaltstellung die Luft von hier angesaugt. Es hat sich gezeigt, dass im Standbetrieb die Luft im Bereich der Radkästen kühler ist als im Bereich der Scheibenwurzel, was im Wesentlichen auf die unterschiedlichen Grade der Sonneneinstrahlung an beiden Orten zurückzuführen ist. Im Fahrbetrieb hingegen liegt die Temperatur im Bereich der Scheibenwurzel wegen des Fahrtwindes niedriger als im Bereich des Radkastens. Es ist daher bevorzugt vorgesehen, dass die genannten Strömungsleitmittel im Bereich des Wasserkastens so angesteuert werden, dass die Luft im ersten Kanal im Standbetrieb aus dem Radkasten und im Fahrbetrieb aus dem Wasserkasten angesaugt wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Klimatisierungsvorrichtung,
2 die Klimatisierungsvorrichtung von 1 in zwei unterschiedlichen Stellungen gem. dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren,
3 eine bevorzugte Kanalführung der erfindungsgemäßen Klimatisierungsvorrichtung in einem Kraftfahrzeug in drei Ansichten.
Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche oder analoge Bauteile hin.
1 zeigt eine stark schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Klimatisierungsvorrichtung 10. Diese umfasst zwei Hauptkanäle, nämlich einen ersten Hauptkanal 12, der hier auch als Kaltkanal angesprochen werden soll, und einen zweiten Hauptkanal 14, der hier auch als Warmkanal angesprochen werden soll. In jedem der Hauptkanäle 12, 14 ist ein Gebläse 121 bzw. 141 angeordnet. Die Gebläse können als Radial- oder Axialgebläse ausgebildet sein. Weiter ist ein Peltier-Element 20 vorgesehen, dessen Kaltseite 212 den Kaltkanal 12 durchsetzt und dessen Warmseite 214 den Warmkanal 14 durchsetzt. Der Körper des Peltier-Elementes 20 ist als Wärmetauscher ausgebildet, d. h. er weist eine beispielsweise durch Rippen oder Noppen vergrößerte Oberfläche auf, sodass die den Kanal 12, 14 durchströmende Luft bei der Durchströmung der Kalt- bzw. Warmseite des Peltier-Elementes 20 mit diesem effizient Wärme austauschen kann.
Der Kaltkanal 12 ist im Montageendzustand ausgangsseitig mit dem Innenraum eines Kraftfahrzeugs verbunden, wie durch den Innenraum-Abluftpfeil 30 angedeutet. Eingangsseitig ist der Kaltkanal 12 alternativ mit dem Innenraum des Kraftfahrzeugs, wie durch den Innenraum-Zuluftpfeil 31 angedeutet, oder mit dem Außenraum, wie durch den Außenraumzuluftpfeil 32 angedeutet, verbindbar. Hierzu ist eine schaltbare Klappe 122 vorgesehen.
Der Warmkanal 14 ist im Montageendzustand ausgangsseitig mit dem Außenraum verbunden, wie durch den Außenraumabluftpfeil 33 angedeutet. Eingangsseitig ist der Warmkanal 14 alternativ mit dem Kraftfahrzeuginnenraum, wie durch den Innenraumzuluftpfeil 34 angedeutet, oder mit dem Außenraum, wie durch den Außenraum-Zuluftpfeil 35 angedeutet, verbindbar. Hierzu ist eine schaltbare Klappe 142 vorgesehen.
Die Energie zum Betrieb des Peltier-Elementes 20 und vorzugsweise auch zum Antrieb der Gebläse 121, 141 stammt primär aus einem nicht dargestellten Solarmodul, welches an geeigneter Stelle des Kraftfahrzeugs, beispielsweise auf dessen Dach angeordnet sein kann. Das Solarmodul ist über eine ebenfalls nicht dargestellte Leistungselektronik mit einem ebenfalls nicht dargestellten Energiespeicher, insbesondere einer Batterie verbunden, sodass überschüssige Solarenergie zum Aufladen des Energiespeichers genutzt bzw. fehlende Energie zum Betrieb des Peltier-Elementes 20 aus dem Energiespeicher zugeschossen werden kann. Die Steuerung der Klappen 122, 142 erfolgt über eine in den Figuren nicht dargestellte Steuerung.
2 zeigt in zwei Teilfiguren a, b zwei aufeinander folgende Betriebsstellungen im Rahmen eines besonders vorteilhaften Steuerungsverfahrens, welches hier auch als „Boosten” angesprochen werden soll. Das Boosten eignet sich insbesondere zur Schnellkühlung des Innenraums eines über längere Zeit in der Sonne abgestellten Kraftfahrzeugs. In diesem Zustand ist der Innenraum erheblich aufgeheizt und das Solarmodul liefert viel elektrische Energie. Am Peltier-Element 20 wird eine Spannung angelegt, sodass sich seine Kaltseite 212 abkühlt und sich seine Warmseite 214 erwärmt. Die Klappen 122, 142 werden so eingestellt, dass die Kanäle 12, 14 beide mit dem Außenraum verbunden sind, wie durch die Außenraum-Zuluftpfeile 32, 35 angedeutet. Angetrieben durch die Gebläse 121, 141 bildet sich ein Frischluftzustrom in den Kraftfahrzeuginnenraum durch den Kaltkanal 12 aus, wie durch den Innenraumabluftpfeil 30 angedeutet. Hierdurch wird Luft aus dem Außenraum, die deutlich kühler ist als der Innenraum des Kraftfahrzeugs, in den Innenraum geblasen. Zusätzlich wird die in den Innenraum eingebrachte Frischluft durch die Kaltseite 212 des Peltier-Elementes 20 gekühlt. Zur Steigerung der Kühleffizienz wird gleichzeitig die an der Warmseite 214 des Peltier-Elementes 20 anfallende Wärme über von außen zugeführte Frischluft wieder in den Außenraum abgeführt, wie durch den Außenraum-Abluftpfeil 33 angedeutet. Sobald die Temperatur des Innenraums in etwa derjenigen des Außenraums entspricht (die exakten Grenzwerte dieser Entsprechung können vom Fachmann anhand der Erfordernisse des Einzelfalls eingestellt werden), schaltet das System auf den in 2b gezeigten Zustand um. Dieser unterscheidet sich von dem in 2a gezeigten Zustand durch die Stellung der Klappe 122 des Kaltkanals 12. Diese ist so geschaltet, dass der Kaltkanal 12 eingangsseitig mit dem Innenraum des Kraftfahrzeugs verbunden ist, wie durch den Innenraum-Zuluftpfeil 31 angedeutet. Mit anderen Worten arbeitet das System in diesem Zustand im Umluftbetrieb, wobei die Umluftströmung an der Kaltseite 212 des Peltier-Elementes 20 abgekühlt wird. Auch in diesem Zustand wird die Wärme des Warmteils 214 des Peltier-Elementes 20 über den Luftstrom im Warmkanal 14 abgeführt.
Für den Fachmann ist es in Anbetracht des geschilderten Boost-Verfahrens ein leichtes, weitere, nicht im Detail gezeigte Betriebsarten, wie beispielsweise eine vollständige oder teilweise Entlüftung des Innenraums über den Warmkanal 14, wobei die Warmkanal-Eingangsklappe 142 umgeschaltet wäre, zu erkennen und in ihrer Wirkungsweise zu verstehen. Spezielle Abstimmungen, etwa Leistungsaufnahme des Peltier-Elementes, Gebläsestärke, Auslegung des Solarmoduls etc. sind dem Fachmann jeweils anhand der Erfordernisse des Einzelfalls vorbehalten.
3 zeigt eine besonders günstige Kanalführung für die erfindungsgemäße Klimatisierungsvorrichtung im Vorderwagen eines nicht im Detail gezeigten Kraftfahrzeugs. Die Teilfiguren 3a, 3b und 3c zeigen in sehr starker Schematisierung eine Vorderansicht, eine fahrerseitige Seitenansicht und eine beifahrerseitige Seitenansicht der in ein Kraftfahrzeug eingebauten Klimatisierungsvorrichtung 10. Der in den 1 und 2 gezeigte Zentralausschnitt befindet sich im Bereich eines Wasserkastens 40, der sich unterhalb einer Windschutzscheibe 42 des Kraftfahrzeugs befindet und zum Auffangen und zur Ableitung von Regen- und Kondenswasser, welches etwa aus einer nicht dargestellten, serienmäßigen Klimaanlage stammen kann, dient. Die dem Motorblock 44 zugewandte Seitenwand 401 des Wasserkastens 40 bildet die Trennwand zwischen dem Warmkanal 14, der dem Motorblock 44 zugewandt ist, und dem Kaltkanal 12. Bei der Vorderansicht der 3a ist daher nur der Warmkanal 14 sichtbar. Zum Ansaugen von Frischluft weist er eine eingangsseitige Kanalverlängerung 143 auf, die sich in den beifahrerseitigen Radkasten 46 erstreckt. Dies ist in den 3a und 3c durch den Außenraum-Zuluftpfeil 35 angedeutet. Alternativ kann, wie durch den Innenraum-Zuluftpfeil 34 angedeutet, auch Luft aus dem Fahrzeuginnenraum in den Warmkanal 14 angesaugt werden. Die entsprechenden Klappen sind in 3 nicht im Detail dargestellt. Weiter weist der Warmkanal 14 eine ausgangsseitige Kanalverlängerung 144 auf, die sich in den fahrerseitigen Radkasten 48 erstreckt. Nach hier wird warme Abluft ausgeblasen, wie durch den Außenraum-Abluftpfeil 33 angedeutet.
Der Kaltkanal 12 erstreckt sich im Inneren des Wasserkastens 40, wodurch eine zusätzliche Kühlung erfolgt. Wie durch den Innenraum-Abluftpfeil 30 angedeutet, führt er ausgangsseitig in den Innenraum des Kraftfahrzeugs. Eingangsseitig weist er eine eingangsseitige Kanalverlängerung 123 auf, die, wie durch den Innenraum-Zuluftpfeil 31 und den Außenraum-Zuluftpfeil 32 angedeutet, alternativ mit dem Innen- und dem Außenraum des Kraftfahrzeugs verbindbar ist. Die entsprechenden Klappenelemente sind in 3 nicht im Detail dargestellt. Bei der besonders bevorzugten Ausführungsform von 3 ist ein zusätzlicher Kanaleingang vorgesehen, wie durch den alternativen Außenraum-Zuluftpfeil 32' angedeutet. Der entsprechende Kanaleingang befindet sich innerhalb des Wasserkastens 40. Wie insbesondere in 3c erkennbar, wird durch ihn Luft von der Wurzel der Windschutzscheibe 42 angesaugt. Obgleich jeder der in 3c gezeigten Außenluft-Eingänge zum Kaltkanal 12 allein vorliegen kann, ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass beide Zugänge realisiert sind und dass alternativ zwischen ihnen mittels geeigneter Klappen umgeschaltet werden kann. So erfolgt der Zuluft-Zustrom im Standbetrieb bevorzugt gem. Außenraum-Zuluftpfeil 32 und im Fahrbetrieb gem. dem alternativen Außenraum-Zuluftpfeil 32'. Hierdurch kann die Luft in den Kaltkanal 12 stets von dort angesaugt werden, wo im aktuellen Betrieb die niedrigste Temperatur herrscht.
Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere können Leistung der einzelnen elektrischen Elemente, Dimensionen der mechanischen Elemente und Steuerschemata vom Fachmann in Ansehung des Einzelfalls ausgelegt werden.
Bezugszeichenliste

10: Klimatisierungsvorrichtung
12: Kaltkanal von 10
121: Gebläse in 12
122: Eingangsklappe von 12
123: eingangsseitige Kanalverlängerung von 12
14: Warmkanal von 10
141: Gebläse in 14
142: Eingangsklappe von 14
143: eingangsseitige Kanalverlängerung von 14
144: ausgangsseitige Kanalverlängerung von 14
20: Peltier-Element
212: Kaltseite von 20
214: Warmseite von 20
30: Innenraum-Abluftpfeil
31: Innenraum-Zuluftpfeil
32: Außenraum-Zuluftpfeil
32': alternativer Außenraum-Zuluftpfeil
33: Außenraum-Abluftpfeil
34: Innenraum-Zuluftpfeil
35: Außenraum-Zuluftpfeil
40: Wasserkasten
401: motorblockseitige Wand von 40
42: Windschutzscheibe
44: Motorblock
46: beifahrerseitiger Radkasten
48: fahrerseitiger Radkasten

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

FR 2913919 A1 [0003]

Claims

Klimatisierungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, umfassend – einen ersten Kanal (12), der strömungstechnisch sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig mit einem Innenraum des Kraftfahrzeugs verbindbar und thermisch mit einer Kaltseite (212) eines Peltier-Elementes (20) gekoppelt ist, sodass eine von einer Gebläsevorrichtung (121, 141) angetriebene Luftströmung aus dem Innenraum über den ersten Kanal (12) zurück in den Innenraum leitbar und dabei durch thermische Wechselwirkung mit der Kaltseite (212) des Peltier-Elementes (20) kühlbar ist, – einen zweiten Kanal (14), der strömungstechnisch eingangsseitig mit dem Innenraum und ausgangsseitig mit einem das Kraftfahrzeug umgebenden Außenraum verbindbar ist und thermisch mit einer Warmseite (214) des Peltier-Elementes (20) gekoppelt ist, sodass eine von der Gebläsevorrichtung (121, 141) angetriebene Luftströmung aus dem Innenraum über den zweiten Kanal (14) in den Außenraum leitbar und dabei durch thermische Wechselwirkung mit der Warmseite (214) des Peltier-Elementes (20) erwärmbar ist, sowie – Strömungsleitmittel (122, 142) zur Steuerung der Luftströmungen durch den ersten (12) und den zweiten Kanal (14), – ein über eine Leistungselektronik mit dem Peltier-Element (20) sowie einem elektrischen Energiespeicher gekoppeltes Photovoltaik-Modul, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kanal (12, 14) eingangsseitig mittels unabhängig steuerbarer Strömungsleitmittel (122, 142) mit dem Außenraum verbindbar ist und die Gebläsevorrichtung (121, 141) zwei separate, unabhängig steuerbare Gebläse (121, 141) aufweist, von denen jedem der Kanäle (12, 14) je eines zugeordnet ist.
Klimatisierungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dem ersten Kanal (12) zugeordnete erste Gebläse (121) im Lumen des ersten Kanals (12) und das dem zweiten Kanal (14) zugeordnete zweite Gebläse (141) im Lumen des zweiten Kanals angeordnet ist.
Klimatisierungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kanal (12, 14) als Strömungsleitmittel eine steuerbare Klappenanordnung (122, 142) aufweist, mittels derer jeweils eine mit dem Innenraum verbundene Umluftzuleitung und eine mit dem Außenraum verbundene Frischluftzuleitung alternativ zueinander eingangsseitig mit dem jeweiligen Kanal verbindbar sind.
Verfahren zum Betrieb einer Klimatisierungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend die folgen Schritte: – elektrisches Betreiben des Peltier-Elementes (20), – eingangsseitiges Verbinden des ersten Kanals (12) und des zweiten Kanals (14) jeweils mit dem Außenraum und Betreiben beider Gebläse (121, 141) solange, bis eine Temperatur des Innenraums innerhalb vorbestimmter Grenzen um eine aktuelle Temperatur des Außenraums liegt, – anschließend eingangsseitiges Verbinden des ersten Kanals (12) mit dem Innenraum und Weiterbetreiben beider Gebläse (121, 141).
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass, sobald die Temperatur des Innenraums unterhalb der Temperatur des Außenraums liegt, der erste Kanal (12) eingangsseitig mit dem Innenraum verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es vor einem Motorstart des Kraftfahrzeugs durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltier-Element (20) primär aus aktuell mittels des Photovoltaik-Moduls erzeugter elektrischer Energie gespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall, dass die aktuell mittels des Photovoltaik-Moduls erzeugte elektrische Energie den aktuellen Energiebedarf des Peltier-Elementes (20) übersteigt, überschüssige Energie in den elektrischen Energiespeicher eingespeist wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall, dass die aktuell mittels des Photovoltaik-Moduls erzeugte elektrische Energie den aktuellen Energiebedarf des Peltier-Elementes (20) unterschreitet, fehlende Energie aus dem elektrischen Energiespeicher eingespeist wird.
Kraftfahrzeug, umfassend eine Klimatisierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (12, 14) im Vorderwagen des Kraftfahrzeugs angeordnet sind und das Peltier-Element (20) eine motorseitige Wandung (401) eines Wasserkastens (40) durchsetzt, wobei die Innenseite der Wasserkastenwandung (401) einen Wandbereich des ersten Kanals (12) und die Außenseite der Wasserkastenwandung (402) einen Wandbereich des zweiten Kanals (14) bildet.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zweite Kanal (14) eingangsseitig in einen (46) der zwei Radkästen (46, 48) des Vorderwagens erstreckt.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Kanal (12) in eingangsseitig in denselben Radkasten (46) erstreckt.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zweite Kanal (14) ausgangsseitig in den anderen (48) der zwei Radkästen (46, 48) des Vorderwagens erstreckt.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Kanal (12) im Bereich des Wasserkastens (40) Strömungsleitmittel aufweist, die alternativ so schaltbar sind, dass durch Betätigung des dem ersten Kanal (12) zugeordneten Gebläses (121) Luft aus dem Radkasten (46) oder aus dem Wasserkasten (40) ansaugbar ist.