DE3938259C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Belüften der Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus der DE-OS 36 43 436 bekannt und besteht im wesentlichen aus - mindestens - einem Lüfter mit einem elektrischen Antriebsmotor, aus einem Solarmodul, welches den Antriebs­ motor des Lüfters mit elektrischer Energie versorgt, sowie aus einem Tragelement für das Solarmodul und den Lüfter, welches eine Wandöffnung des Fahrzeugs überdeckt und dabei - neben seiner Funktion als Tragele­ ment - noch einem anderen Zweck dient. Als Beispiele für solche Tragele­ mente werden u. a. das Schiebedach bzw. das Sonnendach eines Fahrzeugs genannt. Als bevorzugte Ausführungsform wird eine Anordnung beschrieben, bei welcher der Lüfter kühlere Außenluft ansaugt und auf kürzestem Wege in den Fahrgastraum bläst (siehe Ansprüche 9 bis 11, Fig. 5 und 6). Durch Strömungsleitelemente läßt sich der Luftstrom gezielt auf Teile richten, welche im Stand einer besonders starken Erwärmung unterliegen, wie z. B. das Armaturenbrett und das Lenkrad. Der Lüfter ist als Tangen­ tial- bzw. Querstromgebläse ausgeführt, dessen Gehäuse über die Dach­ ebene hinausragt und eine dem Fahrzeugheck zugewandte Ansaugöffnung auf­ weist.

Das beschriebene Prinzip der direkten Frischlufteinblasung ist in der Tat als vorteilhaft anzusehen, da die Frischluft nicht erst - wie beim Prinzip der Heißluftabsaugung im Dachbereich - durch die strömungsun­ günstigen Kanäle des serienmäßig vorhandenen Heizungssystems im Bereich des Motorraumes strömen muß. Vorteilhaft ist dabei ebenfalls, daß beson­ ders heiße, der Sonneneinstrahlung direkt ausgesetzte Teile bzw. Be­ dienungselemente gezielt gekühlt werden können, und daß die erwärmte Luft in der vorgesehenen Richtung durch die vorhandenen Entlüftungska­ näle aus dem Fahrgastraum entweichen kann.

Vorteilhaft an der beschriebenen Anordnung ist auch, daß durch den ge­ ringen Platzbedarf des Tangential- bzw. Querstromgebläses sowie durch dessen Position weitgehend über und in der Dachebene die Kopffreiheit der Passagiere praktisch nicht eingeschränkt wird.

Nachteilig an der beschriebenen Anordnung ist, daß das Lüftergehäuse auch während der Fahrt aus der Außenkontur des Fahrzeuges herausragt und somit die Aerodynamik und das optische Erscheinungsbild stört.

Ein weiterer, wesentlicher Nachteil liegt jedoch im schlechten strö­ mungsmechanischen Wirkungsgrad der gewählten Lüfterbauart (Tangen­ tial- bzw. Querstromgebläse). Auf der relativ kleinen Fläche eines Son­ nen- bzw. Schiebedaches läßt sich nach dem momentanen Stand der beson­ ders attraktiven Dünnschichttechnik ein Solarmodul unterbringen, welches bei einer auf senkrechten Einfall umgerechneten Sonneneinstrahlung von ca. 500 W/m² (europäische Verhältnisse) eine elektrische Leistung von ca. 10 W erbringt. Eine Ausweitung des Solarmoduls auf weitere Karosse­ rieflächen ist bereits aus Gründen der Nachrüstbarkeit in der Regel nicht sinnvoll. Untersuchungen an PKW haben gezeigt, daß eine ausrei­ chende Durchlüftung und Kühlung bei Sonnenbestrahlung im Stand einen Luftdurchsatz in der Größenordnung von 200 m³/h erfordert. Mit der kleinen Solarleistung von 10 W und einem als Tangential- bzw. Quer­ stromgebläse ausgeführten Lüfter ist dieser Luftdurchsatz - selbst bei optimaler Motorauslegung - nicht erreichbar.

Es ist bekannt, daß Axiallüfter mit einem wesentlich besseren Wirkungs­ grad arbeiten als beispielsweise Querstromlüfter. Alle für den vorlie­ genden Zweck bislang bekanntgewordenen Lösungen mit Axiallüftern, wie z. B. nach der DE-OS 36 33 495 oder der DE-OS 35 40 546, weisen erheb­ liche andere Nachteile auf, welche einer erfolgversprechenden prak­ tischen Anwendung entgegenstehen. Sie schränken beispielsweise die nutz­ bare Solarfläche bzw. die Kopffreiheit der Passagiere stark ein oder sind aus aerodynamischen und ästhetischen Gründen nicht tragbar.

Die speziell als Ersatz für lichtdurchlässige Sonnendächer derzeit ange­ botenen Solardächer schränken den Fahrkomfort auch noch in der Weise ein, daß sie im Bereich des Solarmoduls lichtundurchlässig bzw. nur für ein bestimmtes Wellenlängenspektrum durchlässig sind. So gibt es Solar­ module aus amorphem Silizium mit nichtmetallischen Rückseitenelektroden, welche nur für Rottöne durchlässig sind.

Angesichts der Nachteile der Lösungen nach dem Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Anordnung zum Belüften der Fahr­ gastzelle eines Kraftfahrzeuges zu schaffen, welche durch Nutzung photo­ voltaisch erzeugter, elektrischer Energie eine wirkungsvolle Kühlung der durch Sonneneinstrahlung aufgeheizten Fahrgastzelle ermöglicht, wobei die für das Solarmodul verfügbare Fläche bestmöglich genutzt wird, und wobei durch geeignete Auswahl der Lüfterart und -anordnung die strö­ mungsmechanischen Verhältnisse optimiert werden, und welche weder den Fahrkomfort, insbesondere die Kopffreiheit der Fahrgäste sowie die Lichtverhältnisse in der Fahrgastzelle, noch die Aerodynamik und das äußere Erscheinungsbild des Fahrzeuges negativ beeinflußt.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichnete Merkmals­ kombination gelöst.

Die Fläche des in der Regel aus Glas bestehenden Dachdeckels ist prak­ tisch vollständig für die Unterbringung des Solarmoduls nutzbar, da der oder die Lüfter nur am Dachdeckel angelenkt, nicht jedoch in diesen in­ tegriert sind. Das in Halbleiterdünnschichttechnik ausgeführte Solarmo­ dul weist örtlich begrenzt eine Durchlässigkeit für das auftreffende Sonnenlicht auf, vorzugsweise an vielen, gleichmäßig verteilten Stellen (Perforation), und schafft somit ähnliche Beleuchtungsverhältnisse wie ein konventionelles, gegen allzu starke Lichteinstrahlung örtlich be­ drucktes Sonnendach. Der oder die Lüfter sind als Axiallüfter - mit optimalem Wirkungsgrad - ausgeführt und unterhalb der hinteren Querkante des Dachdeckels, d. h. im Bereich der größten Dachöffnung bei aufge­ klapptem Deckel, angeordnet. Somit ragen die Lüfter bei keiner Stellung des Dachdeckels störend aus der Fahrzeugkontur heraus.

Die Optimierung der Strömungsverhältnisse und des Platzbedarfes ist da­ durch erreicht, daß die Lüfter zwischen einer wirksamen und einer un­ wirksamen Stellung bewegbar, z. B. schwenkbar, sind. Zu diesem Zweck sind sie mit dem Dachdeckel und dessen Rahmen kinematisch verbunden und wer­ den beim Schwenken des Dachdeckels zwangsweise von diesem mitbewegt. Die wirksame Stellung (Lüfterachse etwa parallel zur Dachdeckelebene) führt zu einem gerichteten, widerstandsarmen Strömungsverlauf, die unwirksame Stellung (Lüfterachse etwa senkrecht zur Dachdeckelebene) ermöglicht einen geringen Raumbedarf innerhalb der vom Rahmen des Dachdeckels ge­ bildeten Dachnische.

Die Unteransprüche 2 bis 8 kennzeichnen vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung nach dem Hauptanspruch.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figur noch näher erläutert. Diese zeigt in stark vereinfachter Darstellung einen Teillängsschnitt durch die wesentlichen Elemente einer erfindungsgemäßen Anordnung.

Die Anordnung 1 ist in das Dach 12 eines Kraftfahrzeuges, vorzugsweise eines PKW, eingesetzt. Das Kraftfahrzeugdach 12 ist mit einer Öffnung versehen, in welche ein Rahmen 11 eingesetzt ist. Falls die erfindungs­ gemäße Anordnung 1 das erste Hubdach ist, welches in das betreffende Kraftfahrzeug eingebaut wird, ist der Rahmen 11 speziell für die Anord­ nung 1 ausgelegt. Falls bereits ein konventionelles Hub- bzw. Hub-/Schiebedach im Fahrzeug vorhanden war, kann dessen Rahmen beibe­ halten werden, wobei entsprechend die übrigen Bauteile der Anordnung 1 an den Rahmen angepaßt sein müssen, um mit vertretbarem Montageaufwand in kurzer Zeit installiert werden zu können.

Der Rahmen 11 und das Kraftfahrzeugdach 12 sind der Einfachheit halber als vollwandige Metallteile dargestellt, wobei klar ist, daß tatsäch­ liche Ausführungen in der Regel komplexer zusammengesetzt sind (Blech­ dach, Kunststoffhimmel, Isolierstoffe, Dichtungen etc.). Bewegliche Elemente der Anordnung 1 sind zumindest der Dachdeckel 2 und der oder die Axiallüfter 5. Der dargestellte Dachdeckel 2 ist um eine in Fahrtrichtung vorne liegende, in der Figur nicht sichtbare Querachse zwischen der - durchgezogen gezeichneten - Offen-Stellung und der - ge­ strichelt gezeichneten - Geschlossen-Stellung schwenkbar. Darüber hinaus ist es möglich, die genannte Querachse und damit den Dachdeckel selbst zusätzlich in Fahrzeuglängsrichtung verschiebbar zu machen. Der Dach­ deckel 2 besteht aus gewölbtem Glas (der Einfachheit halber eben darge­ stellt). Auf seine Unterseite ist die photovoltaisch wirksame Dünn­ schicht 3 mit Elektroden, Anschlüssen und ggf. mit dünnem Trägerglas aufgebracht. Diese bedeckt einen möglichst großen Teil der Fläche des Dachdeckels 2 und besteht hinsichtlich des Halbleitermaterials vorzugs­ weise aus amorphem Silizium. Bei Verwendung metallischer Rückseiten­ elektroden ist die Dünnschicht 3 lichtundurchlässig. Um die an üblichen KFZ-Sonnendächern geschätzte Eigenschaft der Lichtdurchlässigkeit nicht einzubüßen, ist die Dünnschicht 3 an vielen Stellen durchbrochen, wobei der flächenmäßige Anteil der Durchbrüche etwa 10-30% beträgt. Bei ge­ nügend kleinen Abmessungen der Durchbrüche und gleichmäßiger Verteilung über die Fläche vermittelt der Dachdeckel 2 einen gleichmäßig durch­ scheinenden Eindruck. Es besteht natürlich auch die Möglichkeit, die Durchbrüche in bestimmten Bereichen (z. B. Rand, Mitte) zu konzentrieren bzw. größenmäßig und formmäßig zu variieren, um gezielt optische Effekte zu realisieren.

Im hochgeklappten Zustand gibt der Dachdeckel 2 zwischen sich und der Oberkante des Rahmens 11 eine Öffnung 13 mit zwei keilförmigen, seit­ lichen Bereichen und einem rechteckigen, hinteren Bereich frei. Letzte­ rer wird im vorliegenden Fall benutzt, um kühlere Umgebungsluft mittels Solarenergie in die Fahrgastzelle 15 zu fördern. Zu diesem Zweck sind ein, vorzugsweise jedoch mehrere Axiallüfter 5 in diesem Bereich beweg­ lich angeordnet. Denkbar ist beispielsweise eine Konfiguration von 4 identischen, symmetrisch verteilten Axiallüftern mit je 2,5 W Leistungs­ aufnahme (4×2,5=10 W). Jeder Axiallüfter 5 besitzt ein beispielswei­ se ringförmiges Lüftergehäuse 6, in welchem das Lüfterrad 7 und der elektrische Antriebsmotor 8 sitzen. Das Gitter 9 auf der Lüfterradseite schützt primär vor versehentlichem Hineinfassen (Verletzungsgefahr). An das Lüfterrad 7 und den Antriebsmotor 8 sind die Forderungen zu stellen, daß ersteres - in Zusammenwirkung mit dem Lüftergehäuse 6 - einen hohen strömungsmechanischen Wirkungsgrad, und daß letzterer einen hohen elek­ tromechanischen Wirkungsgrad aufweist, um die geringe photovoltaische Leistung optimal zu nutzen. Als Antriebsmotor 8 kommt vorzugsweise ein bürstenloser, elektronisch kommutierter Gleichstrommotor zur Anwendung, welcher ohne elektronisches Zwischenglied an das Solarmodul elektrisch angepaßt ist. Es kann aber ebenso ein hochwertiger, konventioneller Gleichstrommotor mit Bürsten verwendet werden.

Jeder Axiallüfter 5 ist rahmenseitig (Rahmen 11) um eine Schwenkachse Y winkelbeweglich angeordnet. Die Zwangssteuerung seitens des Dachdeckels 2 erfolgt in der Weise, daß lüfterseitig ein in Form der Achse Z ange­ deuteter Stift oder besser eine Rolle in der deckelfesten U-Schiene 4 gleiten bzw. abrollen kann. Bei weitgehend spielfreier Ausführung im Bereich der Achsen Y und Z entspricht somit jeder Winkelstellung des Dachdeckels 2 eine definierte Stellung des Lüftergehäuses 6 und damit der Lüfterachse X. Dadurch ist es möglich, über die Stellung des Dach­ deckels 2 die Strömungsrichtung (weiße Pfeile) der Axiallüfter 5 in ei­ nem begrenzten Bereich zu variieren. In der dargestellten, maximal ge­ öffneten Stellung verlaufen Lüfterachse X und Strömungsrichtung etwa pa­ rallel zur Dachdeckelebene. Der Luftstrom streicht kühlend an der Dünn­ schicht 3 entlang und erhöht dabei deren Wirkungsgrad. Je weiter der Dachdeckel 2 geschlossen wird, desto steiler verläuft die Strömungsrich­ tung nach unten in die Fahrgastzelle 15. Bereits vor Erreichen der Ge­ schlossen-Stellung ist es sinnvoll, die Axiallüfter 5 (automatisch) ab­ zuschalten, da die Strömungsverhältnisse dann sehr ungünstig werden. In der Geschlossen-Stellung befinden sich die Axiallüfter 5 in der Dach­ nische 14 innerhalb des Rahmens 11, wobei die Lüfterachse X in einem großen spitzen Winkel (beispielsweise 70-90°) zur Deckelebene steht. Selbst wenn die Lüftergehäuse 6 geringfügig aus der Dachnische 14 nach unten herausragen, wird die Kopffreiheit der Passagiere dadurch nur un­ wesentlich beeinflußt.

Zur Offen-Stellung (maximal) sei noch gesagt, daß bei einer Anordnung der U-Schiene 4 spitzwinkelig zum Dachdeckel 2 und parallel zur Rahmen­ ebene (Rahmen 11) der Dachdeckel 2 in Längsrichtung verschoben werden kann, ohne daß sich die Stellung der Lüftergehäuse 6 merklich ändert.

Die dargestellte kinematische Koppelung von Dachdeckel 2, Lüftergehäuse 6 und Rahmen 11 ist selbstverständlich nur eine von vielen Möglichkei­ ten. Es können auch Gelenkhebel, Zugelemente (z. B. Seile), Steuerkurven, elastische Elemente (z. B. Federn) usw. zur Anwendung kommen. Somit las­ sen sich auch Teilschwenkbereiche verwirklichen, in denen eine Bewegung des Dachdeckels 2 ohne Änderung der Lüfterstellung möglich ist. Die von den Axiallüftern 5 nicht erfaßten Bereiche der Öffnung 13 sind - insbesondere bei vollständig geöffnetem Dachdeckel - zweckmäßigerweise gegen unbefugtes Eindringen zu sichern. Hierfür eignet sich eine beweg­ liche Verblendung, z. B. in Form von Gittern, Lochblechen etc. aus Metall und/oder Kunststoff, welche speziell im Bereich zwischen und neben den Lüftergehäusen 6 angeordnet und ebenso verschwenkbar gelagert werden. Auch die seitlichen, keilförmigen Bereiche der Öffnung 13 können mit einer beweglichen Verblendung geschützt werden. Neben der Funktion als Einbruchsicherung kann die Verblendung auch helfen, die Strömungsver­ hältnisse zu verbessern, insbesondere Kurzschlußströmungen im Gebläse­ bereich zu verhindern.

Bei Dachdeckeln gemäß der Erfindung, welche elektromotorisch geöffnet und geschlossen werden, ergibt sich die Möglichkeit, die photovoltaisch wirksame Schicht als Bewölkungssensor zu benutzen. Zum einen kann bei längerem Überschreiten einer vorgegebenen photovoltaischen Leistung, d. h. bei stärkerer Sonneneinstrahlung, der Dachdeckel automatisch ge­ öffnet und die Lüfterfunktion in Betrieb gesetzt werden. Umgekehrt kann ein geöffneter Dachdeckel bei längerem Unterschreiten einer vorgegebenen photovoltaischen Leistung, d. h. bei Bewölkungsaufzug, automatisch ge­ schlossen werden. Beide Betriebsarbeiten sind auch kombiniert möglich. Ein Zeitglied muß dabei dafür sorgen, daß kurzzeitige Veränderungen der Strahlungsverhältnisse (z. B. einzelne Wolken) nicht zu einem sich stän­ dig wiederholenden Öffnen und Schließen führen, da hierfür die Energie in der Regel aus der Kraftfahrzeugbatterie entnommen wird und außerdem der Antrieb des Dachdeckels beansprucht bzw. abgenutzt wird.

Claims (8)

1. Anordnung zum Belüften der Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeuges, insbesondere eines PKW, mit einem klappbaren oder klapp- und verschieb­ baren Dachdeckel der Fahrgastzelle, mit einem oder mehreren, elektrisch antreibbaren Lüftern im Bereich des Dachdeckels für die Zufuhr von Außenluft in das Innere der Fahrgastzelle, sowie mit einem in den Dach­ deckel integrierten Solarmodul zur Stromversorgung für den oder die Lüf­ ter, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

• I. Der oder die Lüfter sind als Axiallüfter (5) ausgeführt und im Be­ reich unterhalb der - bezüglich der normalen Fahrtrichtung - hinte­ ren Querkante des Dachdeckels (2) angeordnet.
• II. Der oder die Axiallüfter (5) sind kinematisch mit dem Dachdeckel (2) und mit dem den Dachdeckel (2) tragenden Rahmen (11) in der Weise gekoppelt (U-Schiene 4, Achse Z, Schwenkachse Y), daß sie beim Aufklappen des Dachdeckels (2) zwangsweise in eine wirksame Stellung in der Öffnung (13) zwischen Dachdeckel (2) und Rahmen (11), beim Zuklappen zwangsweise in eine unwirksame Stellung innerhalb der vom Dachdeckel (2) und dessen Rahmen (11) gebildeten Dachnische (14) geschwenkt werden, wobei jede Lüfterachse (X) in der wirksamen Stellung angenähert parallel zur Dachdeckelebene, in der unwirksamen Stellung angenähert senkrecht zu dieser steht.
• III. Das die Fläche des Dachdeckels (2) zumindest größtenteils bedecken­ de Solarmodul ist in Halbleiterdünnschichttechnik (Dünnschicht 3) ausgeführt und weist örtlich begrenzt eine Durchlässigkeit für das auftreffende Sonnenlicht in das Innere der Fahrgastzelle (15) auf.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem oder den Axiallüftern (5) erzeugte Luftstrom die photovoltaisch wirksame Dünnschicht (3) zu deren Kühlung überstreicht.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die photovoltaisch wirksame Dünnschicht (3) mit amorphem Silizium als Halbleitermaterial ausgeführt und mit einer Vielzahl von gesamtspektral transparenten Teilflächen versehen ist, deren Anteil an der Fläche des Solarmoduls etwa 10-30% beträgt.

4. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Richtung des von dem oder den Axiallüf­ tern (5) erzeugten Luftstromes in einem definierten Bereich durch Verän­ dern der Winkelstellung des Dachdeckels (2) variierbar ist.

5. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die im aufgeklappten Zustand des Dachdeckels (2) nicht von dem oder den Axiallüftern (5) versperrten Öffnungen zwischen Dachdeckel (2) und Rahmen (11) zumindest größtenteils mit einer Verblendung (Gitter, Lochbleche etc.) gegen unbefugtes Eindringen ge­ sichert sind.

6. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (8) jedes Axiallüfters (5) als bürstenloser, elektronisch kommutierter Gleichstrommotor ausge­ führt ist, der ohne elektronisches Zwischenglied an das Solarmodul elek­ trisch angepaßt ist.

7. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, mit einem elektrischen Antrieb zum Öffnen und Schließen des Dachdeckels, dadurch gekennzeichnet, daß die photovoltaisch wirksame Dünnschicht (3) als Bewölkungssensor geschaltet ist und bei längerem Unterschreiten einer vorgegebenen photovoltaischen Leistung automatisch das Schließen des Dachdeckels (2) und/oder bei längerem Überschreiten einer vorgege­ benen photovoltaischen Leistung automatisch das Aufklappen des Dach­ deckels (2) veranlaßt.

8. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Dachdeckel (2) mit dem oder den Axial­ lüftern (5) und ggf. mit der Verblendung als Austauschteil für den Dachdeckel eines in einem Kraftfahrzeug vorhandenen, konventionellen Glasdaches ausgeführt und in dessen Rahmen befestigbar ist.