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Die Erfindung betrifft eine Autoklimaanlage mit Desinfektionsvorrichtung, die in ihrem Inneren so konstruiert ist, dass nach Abstellen des Motors eine automatisierte Desinfektion, insbesondere am Klimaverdampfer, durchgeführt wird gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Beim Betreiben der Autoklimaanlage tritt als bekanntes Problem auf, dass die Luft, die aus der Autöklimaanlage strömt, mitunter unangenehm riecht. Der Geruch wird dabei durch Mikroorganismen vor allem im Verdampfer der Autoklimaanlage verursacht. Um die Anzahl der die Autoklimaanlage in ihrem Inneren besiedelnden Mikroorganismen zu verringern, sind u.a. Autoklimaanlagen-Reinigersprays bekannt, die jedoch gesundheitlich nicht unbedenklich und deshalb nur mit Vorsicht zu verwenden sind.
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Bekannt ist ebenfalls grundsätzlich eine Desinfektion von Oberflächen mit Hilfe von Lichtstrahlen, deren Wellenlänge im UV-C-Bereich liegen. Diese Technik beruht auf dem Einsatz von speziellen UV-C-Entkeimungslampen, die als Leuchtstoffröhren ausgebildet sind, so dass sie allerdings in schwer zugänglichen, kleinen Räumen nicht eingesetzt werden können. Beispielsweise sei hier auf ein Entkeimungssystem zum Entkeimen von medizinischem Gerät verwiesen, wie dies in der Veröffentlichung
DE 195 44 392 A1 offenbart ist.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Autoklimaanlage mit Desinfektionsvorrichtung zu schaffen, in deren Inneren durch die Anordnung verschiedener Bauteile eine unerwünschte Besiedelung mit Mikroorganismen durch eine automatisierte Desinfektion stark reduziert wird, so dass es zu keinem Austreten unangenehmer Gerüche beim Betrieb der Autoklimaanlage mehr kommt.
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Erreicht wird dies durch eine Autoklimaanlage mit Desinfektionsvorrichtung, bei welcher durch die Anordnung spezieller Bauteile das Wachstum von Mikroorganismen insbesondere im Verdampfer der PKW-Klimaanlage auf zwei Methoden bekämpft wird:
- - Entzug der Feuchtigkeit der Klimaanlage nach Abschalten der Klimaanlage.
- - Vorbeugende Desinfektion des Verdampfers mit Hilfe von UV-C-Strahlung.
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Dazu wird der Lüfter nach dem Ausschalten der Klimaanlage weiter betrieben, um die Feuchtigkeit insbesondere an dem Verdampfer abzuführen und so zu verringern, dass ein Klima zur Ansiedlung der Mikroorganismen nicht entsteht. Gleichzeitig werden UV-C-LEDs angeschaltet, um die vorhandenen Mikroorganismen abzutöten. Durch die Wechselwirkung und gegenseitige Verstärkung dieser Effekte kann die Ansiedlung von Mikroorganismen unterbunden bzw. in einem Maße reduziert werden, dass eine Geruchsbildung vermieden wird.
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Eine herkömmliche Autoklimaanlage funktioniert in der folgenden beschriebenen Weise:
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Nachdem der Kompressor eingeschaltet wird, gelangt nicht verdichtetes Kältemittel vom Verdampfer über das Expansionsventil zum Kompressor. Der Kompressor komprimiert das Kältemittel, danach wird es im Kondensator abgekühlt. Nun geht das Kältemittel in einen flüssigen Zustand über. Der Filtertrockner filtert vorhandenes Wasser aus dem Kühlmittel heraus, anschließend gelangt das Kühlmittel zum Expansionsventil. Dort wird es an den Verdampfer abgegeben. Da nun das Kühlmittel nicht mehr unter Druck steht, geht das Kühlmittel nun in den gasförmigen Zustand über. Bei diesem Vorgang wird der Luft am Verdampfer Wärme entzogen. Die kühle Luft kann jetzt über die Lüftungsdüsen zum Fahrzeuginnenraum gelangen.
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Im Bereich des Verdampfers wird dem Luftstrom Feuchtigkeit entzogen und es entsteht ein Kondensat. Über den Innenraumfilter gelangen aber kleinste Mikroorganismen sowie Staub zum Verdampfer. Diese Mikroorganismen finden aufgrund der Feuchtigkeit und der Staub/Partikelablagerungen ideale Bedingungen zur Vermehrung. Mit der Zeit entsteht eine gallertartige Schicht, die als „Biofilm“ bezeichnet wird. Der „Biofilm“ besteht überwiegend aus Viren, Bakterien, Pilzsporen und sonstigen Ablagerungen, die den Fäulnisgeruch entstehen lassen, der erfindungsgemäß vermieden werden soll.
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Über die Lüftungsdüsen gelangt der Fäulnisgeruch in den Fahrzeuginnenraum. Erst jetzt bemerkt der Autofahrer die erfolgte Verkeimung.
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Seitens der Hersteller wird nach dem Stand der Technik ein Innenraumfilter integriert. Der Filter soll verhindern, dass Nährstoffe (Staub, sonstige Partikel) in das System eingetragen werden. Es gilt der Grundsatz: Je besser der eingesetzte Filter ist, desto weniger Partikel können in das System gelangen und umso geringer ist die Gefahr, dass ein Biofilm entstehen kann.
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Der Ansatz im Stand der Technik behandelt insofern nur das Reduzieren von Staub und sonstigen Partikeln innerhalb der Klimaanlage.
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Zur Vermeidung der Entstehung des sog. „Biofilms“ werden nach der Erfindung folgende Maßnahmen ergriffen:
- 1. Reduktion der Feuchtigkeit am Verdampfer und
- 2. vorbeugendes Abtöten von Mikroorganismen mit Hilfe von UV-C-Strahlung.
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Zur Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Autoklimaanlage mit automatisierter Desinfektionsvorrichtung wurde zunächst ein Modell verwendet basierend auf einem Verdampfer mit Lüfter und Lüfter-Kasten für eine Klimaanlage aus einer Corvette C4, welche in den Jahren 1985-1996 hergestellt wurde.
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Dieses Modell wurde während der Entwicklung dazu genutzt, die erfindungsgemäß vorgeschlagenen zusätzlichen Bauteile und Maßnahmen am Modell zu testen und das Modell mit den gewonnenen Erkenntnissen weiter zu verbessern.
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Die Problematik bei den bekannten Autoklimaanlagen besteht darin, dass während der Zeit, in der der Klimakompressor angeschaltet ist und die Klimaanlage kühlt, Kondensat am Verdampfer entsteht. Das Kondensat wird über eine Ablaufleitung aus dem System geführt. Nach dem Ausschalten der Autoklimaanlage z.B. durch Ausschalten des Motors, verbleibt eine hohe Restfeuchtigkeit am Verdampfer und im Modellhaften Gehäuse der Klimaanlage. Die Restfeuchtigkeit bleibt über Stunden bestehen und mit zunehmender Temperatur entsteht eine ideale Umgebung für Mikroorganismen.
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Die erfindungsgemäße Maßnahme zur Verringerung der Mikroorganismenpopulation besteht nun darin, eine Ausschaltverzögerung in die Autoklimaanlage so zu integrieren und über diese Ausschaltverzögerung den Klima-Lüfter so lange nachlaufen zu lassen, bis keine oder nur minimale Restfeuchtigkeit mehr vorhanden ist. Überraschenderweise ist nach etwa sechs Minuten Nachlauf in verschiedenen Versuchsreihen die Luftfeuchtigkeit im modellhaften Gehäuse der Klimaanlage von ca. 80% auf ca. 38% gesunken und erreichte somit annähernd den Wert der Raumluftfeuchtigkeit von 37%.
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Vor diesem Hintergrund wird von einer erforderlichen Nachlaufzeit des Lüfters von mindestens sechs Minuten ausgegangen.
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Nachfolgend wird die Wirkungsweise von UV-Strahlung allgemein zusammengefasst:
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Die Abkürzung UV steht für das Ultraviolette Licht, welches für das menschliche Auge nicht sichtbar ist. Bei der UV-Strahlung unterscheidet man zwischen drei unterschiedlichen Arten.
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Der UV-C-Strahlung mit der Wellenlänge von 200-280nm, welche zur Entkeimung, Luft-/Wasserreinigung und zur Konservierung von Lebensmitteln genutzt wird.
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Der UV-B-Strahlung mit der Wellenlänge von 280-315nm, welche zur Konservierung von Lebensmitteln, bei medizinischen und bei industriellen Anwendungen Verwendung findet.
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und die UV-A -Strahlung mit der Wellenlänge von 315-400nm, welche bei Belichtungsmaschinen, Fotokatalyse und industriellen Anwendungen verwendet wird.
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Für die vorliegende Erfindung ist nur die UV-C-Strahlung mit einer Wellenlänge von 200- 280nm von Bedeutung.
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Die benötigte UV-C-Strahlung wird entweder mit Hilfe von UV-C-Quecksilberlampen oder mit UV-C LEDs erzeugt. Die Quecksilberlampen haben eine große Bauform, benötigen eine lange Aufwärmzeit und müssen mit anspruchsvollen Spannungsquellen betrieben werden. Die LEDs sind kleiner, können mit Gleichstrom betrieben werden und geben sofort UV-C-Strahlung nach Anlegen der Spannung ab. Aufgrund dieser Vorteile der LEDs wurden für die vorliegende Erfindung UV-C-LEDs gewählt, da diese auch innerhalb des Gehäuses einer Autoklimaanlage vorteilhaft und insbesondere in einer effektiven Verteilungsanordnung anzuordnen sind.
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Folgende Kriterien sollte die UV-C -LED erfüllen:
- - kleine Abmessungen,
- - möglichst großer vertikaler und horizontaler Abstrahlungswinkel bei entsprechender Bestrahlungsintensität,
- - lange Standzeiten und
- - einen günstigen Preis.
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Folgende UV-C-LED wurde in der erfindungsgemäßen Autoklimaanlage testweise verwendet:
- - UV-C Type 6060
- - Wellenlänge 275nm;
- - Leistung 70mW;
- - 120° Abstrahlwinkel.
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Für Lebewesen (speziell Mikroorganismen) wirkt diese UV-C- Strahlung abtötend, da aufgrund der energiereichen UV-C- Strahlung eine photochemische Reaktion auslöst wird. Bei entsprechender Bestrahlungsdosis werden die Wellenlängen von den Zell-Nucleinsäuren absorbiert, was dann zur Abtötung führt.
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Hierbei wird die DNS unbrauchbar, da sich zwei nebeneinanderliegende Informationsträger verketten. Eine solch geschädigte Zelle stirbt dann ab. Der Vorteil der UV-C-Technik liegt daher insbesondere darin, dass keine Resistenzbildung möglich ist.
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Die UV-C-Strahlung ist jedoch schädlich für das menschliche Auge und unterliegt besonderen Sicherheitsvorkehrungen. Da die UV-C-Strahlung keine festen Stoffe durchdringen kann, geht von umschlossenen Gehäusen wie dies erfindungsgemäß vorliegt keine Gefahr aus. Dies wäre auch der Fall, wenn das Gehäuse aus Fensterglas oder klarsichtigen Kunststoff (Acrylglas) besteht.
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Bisherige Versuchsreihen am Modell der erfindungsgemäßen Autoklimaanlage haben ergeben, dass eine Desinfektion von 100% der Verdampferoberfläche bei vertretbarem konstruktivem Aufwand nicht ohne weiteres möglich ist.
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Um eine bestmögliche Desinfektion zu gewährleisten, werden daher erfindungsgemäß zwei UV-C-LEDs an der Vorderseite und zwei UV-C-LEDs an der Rückseite des Verdampfers positioniert. Somit kann Strahlung von beiden Seiten auf den Verdampfer treffen und beidseitig in die Kammern des Verdampfers eindringen, wodurch der Entkeimungseffekt stark verbessert wird.
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Die Positionen der UV-C-LEDs richten sich nach deren Abstrahlwinkeln. Die Positionen werden vorteilhafterweise nach der Erfindung so gewählt, dass der Verdampfer möglichst komplett bestrahlt wird. Zusätzlich wird eine Überlappungszone eingerichtet, dort addieren sich die Beleuchtungswerte und kompensieren somit den Intensitätsabfall.
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Einfach strukturierte Mikroorganismen sind sehr empfindlich gegenüber UV-C-Licht, hier reicht schon eine geringe Dosis aus (z.B. Darmbakterium E. coli 5mJ/cm2). Für Pilze und Sporen sind höhere Bestrahlungsenergien erforderlich.
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Tests einer 2 mW UV-C-LED haben beispielsweise ergeben, dass Oberflächen schon nach nur 60s zu 99,9% sterilisiert sind. Der Abstand der UV-C-LED zur Oberfläche betrug hierbei etwa 4cm.
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Im erfindungsgemäßen Modell sind UV-C-LEDs mit unter anderem 70mW zum Einsatz gekommen. Diese leistungsstarken LEDs mit 278nm,Typ 6060 LG Innotek, haben eine optische Leistung von 70mW bei einem Abstrahlwinkel von 120°.
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Die maximale Bestrahlungsstärke (optische Leistung) in Abhängigkeit des Abstandes der UV-C-LED zur Verdampferoberfläche wurde hierbei aus dem Hersteller-Datenblatt entnommen. Zur Bestimmung der Zeit, um eine Dosis von 5mJ/cm2 zu erhalten, werden die 5mJ/cm2 durch die optische Leistung geteilt.
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Der Abstand LED zur Verdampferoberfläche beträgt vorteilhafterweise mindestens 6 cm, um die äußeren Abmessungen des Verdampfers gut bestrahlen zu können. Da die Strahlung noch in die Verdampferkammern eindringen soll, kommen nochmals 4cm hinzu. Damit beträgt der längste Weg der Strahlung 10cm.
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Aufgrund des Abstrahlverhaltens ergeben sich geringere Bestrahlungsstärken zum Rand hin.
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Die optische Leistung bei einem Abstand der LED zur Verdampferoberfläche von 10 cm in Abhängigkeit des Abstrahlwinkels zeigen, dass die UV-C-LEDs mindestens eine Minute an sein müssen, um am oberen und unteren Randbereich des Klima-Verdampfers eine Dosis von 5mJ/cm2 zu erhalten. Da Überdosierungen keine negativen Auswirkungen haben und Resistenzbildungen nicht möglich sind, kann die Bestrahlungsdauer auch deutlich höher ausgelegt werden. Das hat den Vorteil, dass nicht so UV-C empfindliche Bakterien (wie z.B. Micrococcus sphaeroides 30mJ/cm2), Hefe (Saccharomyces sp.) und Schimmelpilze (Penicillium expansum 39mJ/cm2) auch eine tödliche Dosis erhalten.
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Um auch diese Mikroorganismen abtöten zu können, wurde die UV-C-LED-Zeit auf sechs Minuten festgelegt. Die Dosisverteilung, bei einem Abstand von 10 cm, bewegt sich somit von 34mJ/cm2 im Randbereich bis zu 80mJ/cm2 im Zentrum der Strahlung.
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Noch höhere Dosiswerte, um resistentere Schimmelpilze abzutöten, sind nicht erforderlich, da Schimmelpilze eine Luftfeuchtigkeit von über 70% benötigen um auf Materialien wachsen zu können. Aufgrund der Reduzierung der Luftfeuchtigkeit innerhalb der Klimaanlage, liegt diese weit unter diesem Wert. Auch hier zeigt sich, dass sich die Maßnahmen der Feuchtigkeitsabfuhr und Bestrahlung positiv befördern, wodurch auch die Intensität der Bestrahlung aufgrund der Feuchtigkeitsreduzierung geringer sein kann.
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Nachfolgend wird der Aufbau der erfindungsgemäßen Autoklimaanlage mit Desinfektionsvorrichtung näher erläutert und beschrieben. Es zeigen:
- 1 einen schematischen Schaltplan der erfindungsgemäßen Autoklimaanlage sowie
- 2 eine beispielhafte Skizze des Modellhaften Aufbaus der Klimaanlage mit Desinfektion.
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In 2 ist der gesamte beispielhafte Gehäuseaufbau der Klimaanlage 3 in verkleinerter Form schematisch dargestellt. Im Gehäuse der Klimaanlage 3 sind die Bauteile Lufteinlass 1, Lüfter 2, Verdampfer 5 und Luftklappe 8 von den Luftauslässen 9 und 10 (Luftrichtung nach links oder nach rechts in das Fahrzeuginnere) dargestellt.
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In der Zeichnung sind beispielhaft vier Einbaupositionen von UV-C-LEDs 4, 6, 7 und 11 abgebildet, wobei die jeweiligen Strahlungsbereiche der LED auf den Verdampfer 5 gestrichelt eingezeichnet sind.
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Die automatisierte Desinfektion beginnt, wenn der PKW-Motor ausschaltet wird. Beim Ausschalten des Motors wird eine (zeichnerisch nicht dargestellte) Ausschaltverzögerung gestartet. Diese lässt den Lüfter 2 der Klimaanlage nachlaufen und schaltet die UV-C-LEDs 4, 6, 7, 11 an.
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Die Feuchtigkeit, die sich im Verdampfer 5 angesammelt hat, wird durch den vorhandenen Luftstrom des Lüfters 2 verringert. Gleichzeitig desinfizieren die UV-C- LEDs 4, 6, 7, 11 mit der Wellenlänge von 278nm den Verdampfer 5. Dadurch werden die Mikroorganismen abgetötet und es kann kein unangenehmer Geruch mehr entstehen.
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Es besteht grundsätzlich auch die Option, beim Nachlauf des Lüfters die feuchte Luft über eine sensorgesteuerte elektrische Klappe am Luftauslass nach außen zu führen.
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Funktionsbeschreibung der beispielhaften Schaltung gemäß 1:
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Wird der PKW-Motor über den Schlüsselschalter ausgeschaltet, so bekommt der Zeitschalter 13 einen Startimpuls. Der Zeitschalter 13 arbeitet nun als Ausschaltverzögerung.
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Über das Zeitschalterrelais 13 erhalten die 4 UV-C-LEDs 4, 6, 7, 11 die benötigte Spannung um die UVC Strahlung abgeben zu können. Abgesichert sind die LEDs 4, 6, 7, 11 über die Sicherung F3.
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Der Lüfter-Motor 14 benötigt beispielsweise 17 Ampere. Das Zeitschaltrelais 13 kann nur 3 Ampere schalten, deshalb steuert das Zeitschaltrelais 13 ein Leistungsrelais 12 an. Das Leistungsrelais 12 kann bis zu 30 Ampere schalten. Das Leistungsrelais 12 schaltet nun den Lüfter-Motor 14 an. Abgesichert ist der Lüfter-Motor 14 über die Sicherung F2.
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Nach der eingestellten Zeit im Zeitschalter 13, schaltet das Zeitschaltrelais 13 ab und die LEDs 4, 6, 7, 11 sowie der Lüfter-Motor 14 gehen aus.
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Der Zeitschalter 13 ist mit einer Ausschaltverzögerung von 6 Minuten eingestellt worden. Diese Zeit wurde aus einer Versuchsreihe heraus ermittelt. Der Lüfter-Motor 14 hat nach 6 Minuten Nachlauf genügend Luftdurchsatz erzeugt um den Verdampfer sowie die Lüftungskanäle ausreichend zu entfeuchten.
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Die Zeit, in der die UV-C-LEDs angeschaltet sind, wurde auf eine Zeit von 6 Minuten festgelegt, somit können auch nicht so UV-C-empfindliche Mikroorganismen abgetötet werden. Somit werden die UV-C-LEDs und der Lüfter-Motor mit der gleichen Zeit von 6 Minuten gesteuert.
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Alternativ kann die Ausschaltverzögerung des Klimaanlagenlüfters 2 über zumindest einen Feuchtigkeitssensor gesteuert werden, der im Gehäuse der Klimaanlage angeordnet ist. Auf diese Weise kann der Nachlauf an die Notwendigkeit der Abfuhr einer sensorisch bestimmten Feuchtigkeit angepasst erfolgen, was zweckmäßig ist, da je nach klimatischen Verhältnissen die Feuchtigkeitsansammlung in der Klimaanlage stark variieren kann.
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Der Ansatz der Autoindustrie besteht nur im Vermeiden von Staub und sonstigen Partikeln innerhalb der Klimaanlage. Haben sich Mikroorganismen in der Klimaanlage angesiedelt, so bieten Werkstätten eine Desinfektion mittels Chemikalien an. Diese Chemikalien stellen oftmals eine Gefahr für die Gesundheit dar.
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Die erfindungsgemäße Autoklimaanlage mit automatisierter Desinfektionsvorrichtung führt nach dem Abschalten der Klimaanlage beispielsweise nach Verlassen des Fahrzeugs vollautomatisch eine Desinfektion der Klimaanlage durch. Die Desinfektion beginnt mit dem Abstellen des Motors. Die Desinfektion kommt hierbei vorteilhafterweise ohne Chemikalien aus. Zum Einsatz kommen der schon vorhandene Klimalüfter, der vorzugsweise mindestens sechs Minuten nachläuft und somit die Feuchtigkeit reduziert sowie die UV-C-LEDs, die UV-C-Strahlung erzeugen und vorhandene Mikroorganismen abtöten. Ein weiterer Vorteil der UV-C-Strahlung ist, dass keine Resistenzbildungen möglich sind.
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Eine Weiterbildung der Erfindung kann darin liegen, die LEDs direkt innerhalb der Verdampfer zu integrieren, oder auch die LEDs mit in die Berechnung der Abmessungen sowie der Ausformung des Gehäuses zukünftiger Klimaanlagen so einzubeziehen, dass eine möglichst vollständige Abfuhr der Feuchtigkeit wie auch Bestrahlung der Innenflächen möglich ist. Alle diese Maßnahmen würden zu einer besseren, fast hundertprozentigen Desinfektion der Verdampferoberfläche führen.
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Würde die Automobilindustrie diese Technologie einsetzen, könnte zudem die Umwelt entlastet werden, da keine Chemikalien mehr eingesetzt würden. PKW-Insassen müssten keiner mit Mikroorganismen belasteten Luft mehr ausgesetzt werden. Die „bessere“ Innenluft würde auch Menschen mit Asthma entlasten.
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Die vorgestellte grundlegende erfinderische Lösung der gestellten Aufgabe besteht darin, zum einen eine für Mikroorganismen feindliche Umgebung herzustellen und zum anderen aktiv Keime abzutöten. Durch Feuchtigkeitsentzug und einer Desinfektion mit Hilfe von UV-C-Strahlung am Klima-Verdampfer einer Autoklimaanlage kann so einer Geruchsentwicklung effektiv vorgebeugt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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