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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Luftmengensteuerung und
Luftverteilung in Heizungs- und Klimageräten, insbesondere geeignet
für den
mobilen Einsatz beispielsweise in Kraftfahrzeugen.
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Vorrichtungen
zur Luftmengensteuerung und Luftverteilung in Heizungs- und Klimageräten weisen in
der Regel Klappen auf, die im Luftstrom drehbar beweglich sind.
Je nach Stellung der Klappen durchströmt mehr oder weniger Luft den
Luftführungskanal.
Eine solche Klappe ist in der
DE 44 22 537 A1 beschrieben, wobei die darin
vorgestellten Klappenkörper
als Endlosteil gefertigt werden, und dadurch ohne Änderung
des Herstellungswerkzeugs Klappen mit unterschiedlicher Länge hergestellt
werden können.
Die Klappe wird im Luftstrom um ihre Drehachse gedreht, wobei die
Drehachse einen rechten Winkel mit der Luftströmungsrichtung bildet.
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Die
DE 44 42 000 A1 zeigt
eine Heizungs- und/oder Klimaeinrichtung, bei der in die freien
Strömungsquerschnitte
der zu steuernden Luftkanäle
jeweils Einbaurahmen mit schwenk- oder verschiebbaren Lamellen eingesetzt
werden.
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Die
EP 0 691 228 A1 zeigt
ebenso wie die
DE 196
40 371 A1 eine Luftführungsvorrichtung,
bei der ein Hohlzylinder in radialer Richtung durchströmt wird,
wobei der Hohlzylinder zum Zwecke der Luftsteuerung um seine Längsachse
drehbar ist und auf seiner zylindrischen Mantelfläche Öffnungen
aufweist, durch welche die Luft aus dem Zylinder in radialer Richtung
herausströmt.
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Die
EP 0 296 555 A1 zeigt
ebenfalls einen Hohlzylinder, der eine radial verlaufende Einlassöffnung und
eine in Winkelabstand radial verlaufende Auslassöffnung sowie zwei Verschlüsse aufweist,
um den Luftstrom durch die radial verlaufenden Einlass- und Auslassöffnungen
zu regeln, wobei die Verschlüsse
koaxial zur Achse des Hohlzylinders drehbar sind.
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Die
bekannten Vorrichtungen zur Luftmengensteuerung und Luftverteilung
zeigen entweder ein ungünstiges,
insbesondere nichtlineares Regelverhalten oder machen eine großvolumige
Bauform erforderlich, die gerade für mobile Anwendungen, beispielsweise
im Kraftfahrzeug, nachteilig ist. Darüber hinaus ergeben sich bei
den bekannten Vorrichtungen, nicht zuletzt durch die große Zahl
der erforderlichen Einzelteile, Dichtheitsprobleme und ein hoher Montageaufwand.
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Aus
der
DE 946 489 B ist
eine Vorrichtung zur Luftmengensteuerung mit den Merkmalen des Oberbegriffs
bekannt. Diese Vorrichtung ist so ausgestaltet, dass sie an einen
Luftauslass montiert werden kann, um diesen ganz oder teilweise
zu verschießen.
Zum Einsatz in Luftkanäle
ist diese Vorrichtung nicht geeignet. Ähnliche Vorrichtung, die an
Luftauslässen
befestigbar sind, sind aus der
DE 17 16 977 U1 , der
GB 650,929 und der
CH 325 775 bekannt. Sie dienen dazu
den Luftauslass abzudecken und bei Bedarf ganz oder teilweise zu
verschließen.
Ob dieser Ort die geeignetste Stelle für die Luftregulierung ist oder
nicht, kann nicht beeinflusst werden.
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Ausgehend
von der
DE 946 489 B liegt
der Erfindung das Problem zugrunde, eine Vorrichtung zur Luftmengensteuerung
und Luftverteilung bereitzustellen, die platzsparend aufgebaut und
exakt an der gewünschten
Stelle in einem Luftkanal eingebaut werden kann, die zuverlässig dicht
ist, und die sich mit wenigen Einzelteilen einfach montieren lässt.
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Das
Problem wird durch eine Vorrichtung zur Luftmengensteuerung gelöst, die
die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Besondere Ausführungsarten der
Erfindung sind in den Unteransprüchen
offenbart.
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Die
parallele Ausrichtung von Drehachse und Luftströmung erlaubt geringe Baugrößen und bietet
ein gutes Regelverhalten. Außerdem
wird durch eine derartige Anordnung die Ausbildung von Luftwirbeln
im Luftkanal verhindert und ein weitgehend laminarer Luftstrom erreicht,
wodurch sich im Lüftungskanal
weniger Staubpartikel, Blütenpollen oder
Keime ablagern.
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Der
Aufbau des Stellelements in einem Rahmen ermöglicht es, dass der Rahmen
mit dem Stellelement in einen Luftkanal eingeschoben werden kann.
Dies hat den Vorteil, dass die Montage des Stellelements im Rahmen
außerhalb
des Luftkanals erfolgen kann, wodurch sich der Montageaufwand des
Stellelements und des Rahmens verringert. Außerdem ist durch das Einschieben
des Rahmens in den Luftkanal die erforderliche Baugröße der Vorrichtung
gering und kann an die geometrischen Gegebenheiten angepasst werden.
Außerdem
kann der Rahmen genau an der für
die Luftregelung geeigneten Stelle in dem Luftkanal platziert werden.
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Erfindungsgemäß ist der
Luftkanal stromaufwärts,
in Bezug auf das Stellelement, in mindestens zwei Teil-Luftkanäle unterteilt.
Dadurch kann die abströmende
Luftmenge mittels der Stellelemente aus zwei Teil-Luftkanälen zusammengemischt
werden, beispielsweise zu einem bestimmten Anteil aus einem Warmluftkanal
und zu dem verbleibenden Anteil aus einem Kaltluftkanal. Dies hat
den Vorteil, dass lediglich durch eine Unterteilung des stromaufwärtigen Luftkanals,
ohne zusätzlichen
Bauteile, durch die Stellelemente nicht nur eine Luftmengensteuerung sondern
auch eine Regelung der Temperatur der abströmenden Luft erzielt werden
kann. Alternativ oder zusätzlich
ist der Luftkanal stromabwärts,
in Bezug auf das Stellelement, in mindestens zwei Teil-Luftkanäle unterteilt.
Dadurch kann die Luftmenge mittels der Stellelemente nicht nur gesteuert
werden, sondern eine anströmende
Luftmenge kann auch auf die stromabwärtigen, mindestens zwei Teil-Luftkanäle verteilt
werden, beispielsweise zu einem bestimmten Anteil in einen ersten
Teil-Luftkanal für
den Beinraum in einem Kraftfahrzeug und den verbleibenden Anteil in
einen zweiten Teil-Luftkanal für
den Kopfraum. Dies hat den Vorteil, dass lediglich durch eine Unterteilung
des stromabwärtigen
Luftkanals, ohne zusätzlichen
Bauteile, durch die Stellelemente nicht nur eine Luftmengensteuerung,
sondern auch eine Luftverteilung erzielt werden kann.
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Bei
einer erfindungsgemäßen Alternative wird
das Stellelement über
eine an seiner Umfangsseite eingekoppelte Kraft angetrieben. Dies
hat den Vorteil, dass durch die umfangseitige Krafteinkopplung höhere Drehmomente
beaufschlagt werden können,
die eine höhere
Einstellgeschwindigkeit erlauben und damit ein besseres Regelverhalten
bieten. Außerdem
können
durch den umfangseitigen Antrieb der Stellelemente mit geringem
mechanischen Aufwand mehrere Stellelemente, die axial hintereinander
angeordnet sind, unabhängig
voneinander angetrieben werden. Eine andere erfindungsgemäße Alternative
sieht vor, dass die Vorrichtung mindestens zwei Stellelemente aufweist,
dass mindestens ein erstes Stellelement durch eine Krafteinkopplung
direkt angetrieben wird, und dass mindestens ein zweites Stellelement
durch eine mechanische Kopplung mit dem ersten Stellelement angetrieben wird.
Die mechanische Kopplung kann durch ein kraft- und/oder formschlüssiges Ineinandergreifen der
beiden Stellelemente erzielt werden, beispielsweise durch eine Verzahnung
der beiden Stellelemente in der Nähe der Drehachse. Dies hat
den Vorteil, dass mit nur einem Antriebsystem mehr als ein Stellelement
bewegt werden kann. Eine geringe Anzahl gerade von erforderlichen
Antriebselementen ermöglicht
eine kleine Bauform der Vorrichtung.
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In
einer besonderen Ausführungsart
weist das Stellelement mindestens eine Scheibe auf, wobei die Scheibe
mindestens eine Öffnung
aufweist, und die Geometrie der Öffnung
der Scheibe das Regelverhalten des Stellelements bestimmt. Die Scheibe
bildet mit dem Luftstrom vorzugsweise einen rechten Winkel und die
Luft strömt
durch die Öffnung
der Scheibe in axialer Richtung. Dies hat den Vorteil, dass durch
eine entsprechende Gestaltung der Öffnung der Scheibe hinsichtlich
Größe und Form,
ein nahezu beliebiges Regelverhalten der Vorrichtung eingestellt
werden kann, beispielsweise ein lineares oder ein exponentielles
Regelverhalten. Die Scheibe ist vorzugsweise kreisförmig oder
kreissegmentförmig,
und auch die Öffnung
ist vorzugsweise kreissegmentförmig.
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In
einer besonderen Ausführungsart
weist das Stellelement mindestens eine kreissegmentförmige Scheibe
auf, und bestimmt die Geometrie der kreisförmigen Scheibe das Regelverhalten
des Stellelements. Die kreissegmentförmige Scheibe bildet mit dem
Luftstrom vorzugsweise einen rechten Winkel und die Luft strömt im Luftkanal
an der kreissegmentförmigen
Scheibe vorbei. In der Regel weist das Stellelement zwei kreissegmentförmige Scheiben auf,
die miteinander zusammenwirken, um die strömende Luft zu steuern oder
zu verteilen. Der Einsatz von kreissegmentförmigen Scheiben hat den Vorteil, dass
auch mit wenigen und geometrisch einfach ausgestalteten Einzelteilen,
die zudem einfach zu montieren sind, ein nahezu beliebiges Regelverhalten
der Luftsteuerung eingestellt werden kann.
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In
einer besonderen Ausführungsart
der Erfindung kommt das Stellelement unter Einwirkung des Luftstroms
mit dem Rahmen oder mit dem Luftkanal in luftdichten Kontakt. Dies
hat den Vorteil, dass dadurch ohne zusätzliche Bauelemente und ohne
zusätzlichen
Montageaufwand eine luftdichte und formschlüssige Verbindung zwischen Stellelement
und Rahmen beziehungsweise zwischen Stellelement und Luftkanal erreicht
werden kann.
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In
einer besonderen Ausführungsart
stellt ein Federelement einen kraftschlüssigen Kontakt zwischen dem
Stellelement und dem Rahmen oder zwischen dem Stellelement und dem
Luftkanal her, um ein Vibrieren des Stellelements im Luftstrom zu
unterdrücken.
Dies hat den Vorteil, dass mit geringem mechanischen Aufwand auch
bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten
ein Vibrieren des Stellelements und die damit verbundene Geräuschentwicklung
unterbleibt. Das Federelement kann vorzugsweise aus einem elastischen,
gummiartigen Plättchen
bestehen, das an einem Deckel, einer Haltevorrichtung oder an das
Stellelement selbst angebracht ist. Darüber hinaus kann das Federelement
auch aus beispielsweise einer metallischen Schraubenfeder oder einem
Federstahldraht bestehen.
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In
einer besonderen Ausführungsart
ist das Stellelement durch eine, sich zumindest über einen Teil des Umfangs
erstreckende, Führung
gelagert. Dies hat den Vorteil, dass durch die umfangseitige Lagerung,
die auch zusätzlich
zu einer zentrischen Lagerung vorgesehen sein kann, eine größere Gestaltungsfreiheit
hinsichtlich der Scheibenöffnungen und
der Scheibenform erreicht wird.
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Ein
Weg zum Ausführen
der beanspruchten Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnungen im
Einzelnen erläutert.
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Es
zeigen:
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1A eine
Vorrichtung zur Luftmengensteuerung mit einer Scheibe mit Öffnung,
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1B einen
Schnitt durch die zusammengebaute Vorrichtung der 1A,
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2A eine
Ausführungsform,
bei der auch eine Luftverteilung in verschiedene Luftkanäle erfolgen
kann,
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2B zeigt
eine Ausführungsform,
bei welcher der Luftkanal aus vier Teil-Luftkanälen zusammengesetzt ist,
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3A bis 3D verschiedene
Antriebskonzepte für
den Antrieb der Scheibe eines Stellelements,
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4 eine
Ausführungsform,
bei der das Stellelement am Umfang gelagert ist,
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5A bis 5C verschiedene
Positionen einer Vorrichtung mit zwei jeweils Viertelkreis-förmigen Scheiben.
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Die 1A zeigt
eine Vorrichtung zur Luftmengensteuerung mit einem scheibenförmigen Stellelement 111,
das im Luftstrom 112 um eine Drehachse 113 gedreht
wird. Die Drehachse 113 liegt dabei parallel zur Richtung
des Luftstroms 112. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
weist die Vorrichtung weiterhin einen Halterahmen 121 mit
einer Halbkreissegment-förmigen Öffnung 122 auf.
Weiterhin weist die Vorrichtung einen Deckel 131 mit kreissegmentförmigen Aussparungen 132 und
Stegen 133 auf. Die Scheibe 111 weist ebenfalls
eine kreissegmentförmige Öffnung 114 auf
und dreht sich zwischen dem Halterahmen 121 und dem Deckel 131 um
die Drehachse 113. Es ist leicht ersichtlich, dass durch
eine Drehung 115 der Scheibe 111 um die Drehachse 113, und
damit durch eine entsprechende Position der Öffnung 114 der Scheibe 111 in
Bezug auf die Öffnung 122 des
Halterahmens 121, die Öffnungsfläche der Vorrichtung
für den
Luftstrom 112 stufenlos zwischen maximal und Null eingestellt
werden kann.
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Die 1B zeigt
einen Schnitt durch die zusammengebaute Vorrichtung der 1A.
Im dargestellten Fall kann die anströmende Luft 112 durch
die Öffnungen 132 des
Deckels 131, durch die Öffnung 114 der
Scheibe 111 und durch die Öffnung 122 der Haltevorrichtung 121 hindurch
strömen.
Zusammengebaut wird die Vorrichtung in der Reihenfolge: Haltevorrichtung 121 – Scheibe 111 – Deckel 131,
jeweils konzentrisch zur Drehachse 113. Ein am Deckel 131 angespritztes
Federelement. 134 sorgt für einen Kraftschluss zwischen
Deckel 131 und Scheibe 111, um ein Vibrieren der
Scheibe 111 im Luftstrom 112 zu verhindern.
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Die 2A zeigt
eine Ausführungsform
der Vorrichtung, bei der nicht nur die Luftmenge gesteuert werden
kann, sondern auch eine Luftverteilung in verschiedene Luftkanäle erfolgen
kann. Die beiden Scheiben 211, 221 des Stellelements
weisen jeweils halbkreisförmige Öffnungen 212, 222 auf.
Beide Scheiben 211, 221 sind um die Drehachse 113 drehbar.
In Bezug auf die Scheiben 211, 221 stromabwärts liegt
ein Luftkanal, der aus zwei Teil-Luftkanälen 231, 232 zusammengesetzt
ist. In der dargestellten Stellung decken die beiden Scheiben 211, 221 den
unteren Teil-Luftkanal 231, der Luft in den Fußraum eines
Kraftfahrzeugs führen
soll 241, vollständig
ab, so dass die anströmende
Luft 112 nicht in den Fußraum gelangt; gleichzeitig
ist der obere Teil-Luftkanal 232, der Luft in den Kopfraum
eines Kraftfahrzeugs führen
soll 242, zur Hälfte
geöffnet,
so dass die anströmende
Luft 112 in den Kopfraum strömen kann. Es ist evident, dass
beispielsweise durch eine Drehung der zweiten Scheibe 221 um
90° gegen
den Uhrzeigersinn (in Strömungsrichtung
beprachtet) beide Teil-Luftkanäle 231, 232 vollständig abgedeckt sind,
und somit weder in den Kopfraum 242 noch in den Fussraum 241 Luft
strömen
kann.
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Die 2B zeigt
eine Ausführungsform,
bei welcher der Luftkanal aus vier Teil-Luftkanälen 233, 234, 235, 236 zusammengesetzt
ist. Durch eine entsprechende Stellung der beiden Scheiben 211, 221 mit
ihren halbkreisförmigen Öffnungen 212, 222 kann die
anströmende
Luft 112 entweder gänzlich
abgesperrt werden oder auf einen beliebigen Teil-Luftkanal oder
eine beliebige Kombination von zwei nebeneinanderliegenden Teil-Luftkanälen verteilt
werden. In der dargestellten Stellung sind die beiden oberen Teil- Luftkanäle 235, 236 vollständig geöffnet, während die
beiden unteren Teil-Luftkanäle 233, 234 vollständig gesperrt
sind.
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Die 3A bis 3D zeigen
verschiedene Antriebskonzepte für
den Antrieb der Scheibe 311 mit der halbkreisförmigen Öffnung 312.
In der 3A ist ein Antrieb der Scheibe 311 mittels
eines Motors 321 dargestellt, der direkt auf der Welle 322 sitzt.
Die 3B zeigt einen Riemen- oder Seilzug-Antrieb mittels
eines vorzugsweise elastischen Riemens 332, der über entsprechende
Scheiben 333, 334 von einem Motor 331,
gegebenenfalls einem Schrittmotor, angetrieben wird und mit einer
Drehfeder zum Spielausgleich ausgestattet ist. Die 3C zeigt
einen Zahnkranzantrieb, wobei der umfängliche Rand der Scheibe 311 zumindest
teilweise einen Zahnkranz 342 aufweist, in den ein Motor 341 mit
entsprechendem Zahnrad eingreift. Die 3D zeigt
einen Schneckenradantrieb über
eine Welle 352, die von einem Motor 351 angetrieben
wird und die über
einen Schneckenradantrieb 353 die Scheibe 311 dreht.
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Die 4 zeigt
eine Ausführungsform
der Vorrichtung bei der eine erste Scheibe 411 und eine zweite
Scheibe 421 jeweils durch eine, sich zumindest über einen
Teil des Umfangs erstreckende Führung
gelagert sind, und eine Drehung um die gemeinsame Drehachse 113 ausführen. Hierzu
weist der Halterahmen 431 umfänglich eine Nut 432 auf,
in welche die Feder 412 der ersten Scheibe 411 eingreift,
wodurch die erste Scheibe 411 ein Führung für ihre Drehbewegung um die
Drehachse 113 erfährt. Die
erste Scheibe 411 weist ihrerseits ebenfalls umfänglich eine
Nut 413 auf, in welche die Feder 422 der zweiten
Scheibe 421 eingreift, wodurch auch die zweite Scheibe 421 eine
Führung
für ihre
Drehbewegung um die Drehachse 113 erfährt. Die umfängliche Lagerung
ist sowohl alternativ zu einer zentrischen, axialen Lagerung der
beiden Scheiben 411, 421 möglich als auch in Kombination
mit einer solchen.
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Darüber hinaus
zeigt die 4 noch den Antrieb der ersten
Scheibe 411 über
eine Welle 441, deren mit einem Zahnrad 443 versehenes
Ende in den mit einem Zahnkranz 442 versehenen umfänglichen Rand
der ersten Scheibe 411 eingreift. Anstelle eines Zahnrad/Zahnkranz-Antriebs
ist auch ein Reibrad-Antrieb möglich.
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Die 5A bis 5C zeigen
verschiedene Positionen einer Vorrichtung zur Luftmengensteuerung
und Luftverteilung mit zwei jeweils viertelkreisförmigen Scheiben 511, 521,
die jeweils um ihre Drehachse 512, 522 drehbar
gelagert sind. Die 5A zeigt eine Stellung der beiden
Scheiben 511, 521 in der ein Luftstrom-aufwärts gelegener,
oberer halbkreisförmiger
Teil-Luftkanal (nicht dargestellt) vollständig abgesperrt ist. Wenn dieser
halbkreisförmige
Teil-Luftkanal beispielsweise Warmluft von einem Wärmetauscher
des Motor-Kühlkreislaufes führt, so
wird in der in der 5A dargestellten Stellung diese
Warmluft vollständig
abgesperrt. Die 5C zeigt eine Stellung der beiden
Scheiben 511, 521 in der ein Luftstrom-aufwärts gelegener,
unterer halbkreisförmiger
Teil-Luftkanal (nicht dargestellt) vollständig abgesperrt ist. Wenn dieser
halbkreisförmige
Teil-Luftkanal beispielsweise Kaltluft von einem Verdampfer einer
Klimaanlage führt,
so wird in der in der 5C dargestellten Stellung diese
Kaltluft vollständig
abgesperrt. Bei der in der 5B dargestellten
Stellung der beiden Scheiben 511, 521 handelt
es sich um eine Zwischenstellung, bei der die aus den Luftstrom-aufwärts gelegenen
Teil-Luftkanälen
(nicht dargestellt) strömende
Luft miteinander vermischt wird.
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Die
in den vorstehenden Figuren dargestellten Stellelemente können in
einem Rahmen montiert werden, der auch für die Lagerung der Klappen
dienen kann. Die Scheiben, die in den Halterahmen vorzugsweise nur
eingeclipst werden, können
zum Zwecke der besseren Abdichtung entweder mit einem weichelastischen
Werkstoff, beispielsweise Gummi, oder mit einem aufgeschäumten Material
beschichtet sein oder die Vorrichtung weist an der entsprechenden
Stelle eine Dichtung auf.