DE102006001304A1

DE102006001304A1 - Klimatisierungsvorrichtung zum Heizen und/oder Kühlen des Innenraums eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102006001304A1
Application number: DE200610001304
Authority: DE
Inventors: Holger Grossmann; Christian Dr. Rebinger; Helmut Walter; Christof Böttcher
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2006-01-11
Filing date: 2006-01-11
Publication date: 2007-07-12

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Klimatisierungsvorrichtung zum Heizen und/oder Kühlen des Innenraums eines Fahrzeugs mit einem thermoelektrischen Element (1), das eine erste Fläche (1a) zum Klimatisieren des Innenraums und eine zweite Fläche (1b) aufweist, wobei beim Anlegen einer elektrischen Spannung an das thermoelektrische Element (1) eine Tempeeraturdifferenz zwischen den beiden Flächen (1a, 1b) auftritt. Die erfindungsgemäße Klimatisierungsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Fläche (1b) thermisch mit der Luft gekoppelt ist, die durch einen Abluftkanal (8) aus dem Innenraum abgeführt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Klimatisierungsvorrichtung zum Heizen und/oder Kühlen des Innenraums eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem thermoelektrischen Element, das eine erste Fläche zum Klimatisieren des Innenraums und eine zweite Fläche aufweist, wobei beim Anlegen einer elektrischen Spannung an das thermoelektrische Element eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Flächen auftritt.
Es ist bekannt, den Fahrzeuginnenraum durch die Zufuhr von Luft zu heizen oder zu kühlen, welche wärmer bzw. kälter als die im Innenraum befindliche Luft ist. Zum Erwärmen des Innenraums wird die zugeführte Luft üblicherweise durch die Abwärme des Motors erwärmt und dann dem Fahrzeuginnenraum zugeführt. Soll dem Innenraum kühlere Luft zugeführt werden, werden üblicherweise Kompressionskälteanlagen verwendet, welche die dem Innenraum zugeführte Luft abkühlen.

Aus der DE 195 49 185 C2 ist eine Vorrichtung zum Klimatisieren des Fahrzeuginnenraums mit Hilfe eines Peltierelements bekannt. Das Peltierelement ist mit seiner dem Fahrzeug zugewandten Seite mit Kühlrippen und einem Ventilator versehen. Die andere Seite des Peltierelements ist wärmeleitend mit einem Metallbügel verbunden, über welchen es in die geschlossene Fahrzeugscheibe eingehängt werden kann. An dem Abschnitt des Metallbügels, der außerhalb des Fahrzeuginnenraums liegt, sind Kühlrippen angeordnet, welche für einen Wärmeaustausch mit der Außenluft sorgen.

Aus der DE 102 18 343 A1 ist eine elektrische Temperiervorrichtung für Fahrzeuge bekannt, die ein Peltierelement aufweist, dessen eine Seite dem in dem Innenraum des Fahrzeugs einzuleitenden Luftstrom ausgesetzt ist. Die andere Seite des Peltierelements kann Leistungsbauteile, wie z. B. Transistoren, einer Ansteuereinheit kühlen. Die kühle Seite des Peltierelements kann ferner thermisch mit dem Kühl- bzw. Motorwasser, den Auspuffgasen oder aufgeheizter Umgebungsluft gekoppelt werden. Außerdem kann die Temperiervorrichtung zum Kühlen des Fahrzeuginnenraums verwendet werden, indem die Polung der Betriebsspannung umgekehrt wird.

Aus der DE 198 29 440 A1 ist eine Klimatisierungsvorrichtung für ein Fahrzeug bekannt, dessen Innenraum über einen Luftaustritt wahlweise Frischluft aus der Umgebung und/oder Umluft aus dem Fahrzeuginnenraum zuführbar ist. Dabei ist im zum Luftaustritt führenden Luftkanal die zweite Seite eines Peltiereffekt-Wärmetauschers angeordnet, dessen erste Seite sich in einem Umluft-Ansaug-Kanal befindet, der die Umluft aus dem Fahrzeuginnenraum abführt. Wird bei dieser Vorrichtung das Peltierelement mit elektrischem Strom beschickt, so dass bei der zweiten Seite Wärme frei wird, wird die über den Luftkanal zugeführte Luft erwärmt, so dass die Klimatisierungsvorrichtung als Zusatzwärmetauscher fungiert. Andererseits wird die Umluft durch die erste Seite des Peltierelements abgekühlt, wodurch eine Entfeuchtung, d.h. Trocknung, des Umluft-Luftstroms erfolgt. Auf diese Weise wird sowohl die Heißseite als auch die Kaltseite des Peltierelements genutzt.

Schließlich ist aus der EP 1 429 089 A2 eine Sitzheizung bzw. -kühlung bekannt, welche einen thermoelektrischen Wärmetauscher verwendet.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Klimatisierungsvorrichtung zum Heizen und/oder Kühlen des Innenraums eines Fahrzeugs der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass der Fahrzeuginnenraum mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad klimatisiert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Klimatisierungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Klimatisierungsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Fläche thermisch mit der Luft gekoppelt ist, die durch einen Abluftkanal aus dem Innenraum abgeführt wird. Auf diese Weise kann ein sehr hoher Systemwirkungsgrad realisiert werden. Soll nämlich der Fahrzeuginnenraum gekühlt werden, so dass die erste Fläche des thermoelektrischen Elements die kalte Fläche darstellt und die zweite Fläche die heiße Fläche, wird die heiße Fläche mit der schon abgekühlten Innenraumabluft gekühlt. Diese Anordnung hat somit einen besseren Wirkungsgrad als bei einer Anordnung, bei der die heiße Fläche thermisch mit dem warmen Motorraum oder der wärmeren Außenluft gekoppelt ist. Soll andererseits der Fahrzeuginnenraum erwärmt werden, so dass die erste Fläche des thermoelektrischen Elements die heiße Fläche ist und die zweite Fläche die kalte Fläche ist, wird die kalte Fläche, statt üblicherweise mit der kalten Außenluft, mit der bereits erwärmten Innenraumabluft thermisch gekoppelt, so dass der Systemwirkungsgrad erhöht wird.

Bei dem thermoelektrischen Element handelt es sich insbesondere um ein Peltierelement. Die beiden Flächen des thermoelektrischen Elements sind jeweils mit einem Wärmetauscher thermisch gekoppelt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Klimatisierungsvorrichtung weist diese einen ersten Flüssigkeitskreislauf auf, der einerseits über einen ersten Wärmetauscher mit der zweiten Fläche thermisch gekoppelt ist und andererseits über einen zweiten Wärmetauscher thermisch mit der Luft gekoppelt ist, die durch einen Abluftkanal aus dem Innenraum abgeführt wird.

Gemäß einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung ist die erste Fläche mit einem Luftwärmetauscher thermisch gekoppelt. Der Luftwärmetauscher ist vorzugsweise im Innenraum des Fahrzeugs angeordnet.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung weist die Klimatisierungsvorrichtung einen zweiten Flüssigkeitskreislauf auf der einerseits über einen dritten Wärmetauscher mit der ersten Fläche thermisch gekoppelt ist und andererseits über einen vierten Wärmetauscher thermisch mit dem Innenraum gekoppelt ist. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass das thermoelektrische Element sehr variabel platziert werden kann. Es muss insbesondere nicht in unmittelbarer Nähe des Fahrzeuginnenraums angeordnet sein, da die thermische Kopplung des thermoelektrischen Elements mit dem Fahrzeuginnenraum über den zweiten Flüssigkeitskreislauf erfolgt.

Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Klimatisierungsvorrichtung ist der erste Flüssigkeitskreislauf mit einem Motorkühlkreislauf thermisch gekoppelt. Diese zusätzliche Kopplung an den Motorkühlkreislauf kann über Ventile erfolgen, so dass dem System eine alternative Wärmequelle bzw. -senke zur Verfügung steht, die insbesondere wahlweise zugeschaltet werden kann.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug zu den Zeichnungen erläutert.
1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Klimatisierungsvorrichtung und
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Klimatisierungsvorrichtung.
Das erste Ausführungsbeispiel der Klimatisierungsvorrichtung wird mit Bezug zu 1 erläutert:
Die Klimatisierungsvorrichtung weist ein thermoelektrisches Element 1 auf. Dieses umfasst eine aus zwei verschiedenen Metallplatten bestehende dünne Platte, die unter Anlegung einer elektrischen Spannung auf der einen Seite wärmer und auf der anderen Seite kälter wird. Durch ein Umkehren der Spannungsrichtung lassen sich heiße und kalte Seite vertauschen. Das thermo elektrische Element besitzt somit eine erste Fläche 1a und eine zweite Fläche 1b, wobei beim Anlegen einer elektrischen Spannung an das thermoelektrische Element 1 eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Flächen 1a, 1b auftritt.
Die Fläche 1a stellt die Nutzenergieseite des thermoelektrischen Elements 1 dar. Sie ist thermisch mit dem Innenraum des Fahrzeugs gekoppelt und soll diesen klimatisieren, d.h. entweder heizen oder kühlen. Im Kühlfall wird die Fläche 1a, d.h. die Nutzenergieseite des thermoelektrischen Elements 1, heruntergekühlt, so dass auf der anderen Seite mit der zweiten Fläche 1b ein Wärmestrom abgeführt werden muss. Im Heizfall wird die erste Fläche 1a, d.h. die Nutzenergieseite, erwärmt, so dass auf der zweiten Fläche 1b ein Wärmestrom zugeführt werden muss.
Die erste Fläche 1a ist mit einem Wärmetauscher thermisch gekoppelt, der einen Wärmestrom von der ersten Fläche 1a in Richtung der in dem Fahrzeuginnenraum befindlichen Luft oder umgekehrt herstellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Wärmetauscher ein Luftwärmetauscher, der Lamellen 2 aufweist, die in Kontakt mit der im Fahrzeuginnenraum befindlichen Luft oder mit der dem Fahrzeuginnenraum zugeführten Luft stehen.
Die zweite Fläche 1b des thermoelektrischen Elements 1 ist mit einem weiteren Wärmetauscher 3 thermisch gekoppelt. In diesem Ausführungsbeispiel ist dieser Wärmetauscher 3 im Fahrzeuginnenraum angeordnet. Er ist ferner thermisch mit einem Flüssigkeitskreislauf 4 thermisch gekoppelt, in dem Wasser/Glykol oder Sole mittels einer Pumpe 5 zirkuliert. Auf der anderen Seite des Flüssigkeitskreislaufs 4 ist dieser mit einem Wärmetauscher 6 thermisch gekoppelt, der mit Lamellen 7 versehen ist, die in einem Abluftkanal 8 angeordnet sind, durch welchen Luft aus dem Innenraum abgeführt wird.
Zusätzlich kann die zweite Fläche 1b z.B. über den Flüssigkeitskreislauf 4 auch über einen Wärmetauscher an der Vorderseite des Fahrzeugs mit Außenluft beaufschlagt werden. Ferner kann über Ventile der Motorkühlkreislauf angekoppelt werden, wenn die Fläche 1b zu kühlen ist.
Im Heizfall wird somit die kalte Fläche 1b des thermoelektrischen Elements 1 über den Wärmetauscher 3, den Flüssigkeitskreislauf 4 und den Wärmetauscher 6 durch die warme Abluft aus dem Fahrzeuginnenraum erwärmt. Andererseits wird im Kühlfall die warme Fläche 1b des thermoelektrischen Elements 1 mittels der bereits abgekühlten Abluft aus dem Fahrzeuginnenraum gekühlt.
Das zweite Ausführungsbeispiel der Klimatisierungsvorrichtung wird mit Bezug zu 2 erläutert:
Die thermische Kopplung der zweiten Fläche 1b des thermoelektrischen Elements 1 mit der über den Abluftkanal 8 aus dem Innenraum des Fahrzeugs abgeführten Luft erfolgt in gleicher Weise wie bei dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel, so dass auf eine weitere Erläuterung verzichtet wird. Die erste Fläche 1a des thermoelektrischen Elements 1 ist im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel mit einem Wärmetauscher 10 thermisch gekoppelt, der wiederum mit einem zweiten Flüssigkeitskreislauf 11 thermisch gekoppelt ist. In diesem zweiten Flüssigkeitskreislauf zirkuliert Wasser/Glykol oder Sole mittels einer Pumpe 12. Auf der anderen Seite dieses zweiten Flüssigkeitskreislaufs 11 befindet sich ein Wärmetauscher 9 mit den Lamellen 2, welche den Lamellen 2 des ersten Ausführungsbeispiels entsprechen. Sie sind in thermischem Kontakt mit der Luft des Fahrzeuginnenraums oder mit der dem Fahrzeuginnenraum zugeführten Luft.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel erfolgt somit der Wärmestrom von der ersten Fläche 1a zur Luft des Fahrzeuginnenraums über den Wärmetauscher 10, den Flüssigkeitskreislauf 11, den Wärmetauscher 9 und die Lamellen 2. In diesem Fall braucht somit das thermoelektrische Element 1 nicht im Fahrzeuginnenraum oder benachbart zu diesem platziert sein. Es kann an einer beliebigen anderen Stelle im Fahrzeug platziert sein, wodurch der Bauraum des Fahrzeugs besser ausgenutzt werden kann.
In beiden Ausführungsbeispielen ist das thermoelektrische Element insbesondere ein Peltierelement.

1: thermoelektrisches Element
1a: erste Fläche des thermoelektrischen Elements 1
1b: zweite Fläche des thermoelektrischen Elements 1
2: Lamellen
3: Wärmetauscher
4: erster Flüssigkeitskreislauf
5: Pumpe
6: Wärmetauscher
7: Lamellen
8: Abluftkanal
9: Wärmetauscher
10: Wärmetauscher
11: zweiter Flüssigkeitskreislauf
12: Pumpe

Claims

Klimatisierungsvorrichtung zum Heizen und/oder Kühlen des Innenraums eines Fahrzeugs mit einem thermoelektrischen Element (1), das eine erste Fläche (1a) zum Klimatisieren des Innenraums und eine zweite Fläche (1b) aufweist, wobei beim Anlegen einer elektrischen Spannung an das thermoelektrische Element (1) eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Flächen (1a, 1b) auftritt, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Fläche (1b) thermisch mit der Luft gekoppelt ist, die durch einen Abluftkanal (8) aus dem Innenraum abgeführt wird.
Klimatisierungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Element (1) ein Peltierelement ist.
Klimatisierungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Flächen (1a, 1b) des thermoelektrischen Elements (1) jeweils mit einem Wärmetauscher (2, 3; 10, 3) thermisch gekoppelt sind.
Klimatisierungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klimatisierungsvorrichtung einen ersten Flüssigkeitskreislauf (4) aufweist, der einerseits über einen ersten Wärmetauscher (3) mit der zweiten Fläche (1b) thermisch gekoppelt ist und andererseits über einen zweiten Wärmetauscher (6) thermisch mit der Luft gekoppelt ist, die durch einen Abluftkanal (8) aus dem Innenraum abgeführt wird.
Klimatisierungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fläche (1a) mit einem Luftwärmetauscher (2) thermisch gekoppelt ist.
Klimatisierungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftwärmetauscher im Innenraum angeordnet ist.
Klimatisierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Klimatisierungsvorrichtung einen zweiten Flüssigkeitskreislauf (11) aufweist, der einerseits über einen dritten Wärmetauscher (10) mit der ersten Fläche (1a) thermisch gekoppelt ist und andererseits über einen vierten Wärmetauscher (9) thermisch mit dem Innenraum gekoppelt ist.
Klimatisierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Flüssigkeitskreislauf (4) mit einem Motorkühlkreislauf thermisch gekoppelt ist.