CH704847A1 - Ritzen und Aufbrechen von Glatteisschichten. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Entfernen von Glatteisschichten. Es wird eine Lichtquelle eingeschaltet und Messwerte erfasst betreffend eines von der Lichtquelle auf der Glatteisschicht erzeugten Lichtflecks mit einem Detektor (21a, 21b). Aufgrund von erfassten Messwerten werden Parameter wie insbesondere die Schichtdicke der Glatteisschicht ermittelt. Es wird ein Leistungslaser (22) eingeschaltet, wobei die Strahlung des Leistungslasers (22) auf der Glatteisschicht fokussiert wird und entsprechend der ermittelten Parameter gesteuert und/oder geregelt wird.

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ritzen und Aufbrechen von Glatteisschichten und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Stand der Technik

[0002] Die Bildung von Glatteis auf den Strassen fordert jedes Jahr viele Opfer und erzeugt einen erheblichen volkswirtschaftlichen Schaden. Durch Streumittel wie insbesondere Streusalz kann der Bildung von Glatteis vorgebeugt oder Glatteis aufgelöst werden.

[0003] Die Verwendung von Streusalz mit verschiedenen Zusätzen belastet jedoch unsere Umwelt ungebührlich, insbesondere da sie auch prophylaktisch eingesetzt wird.

Darstellung der Erfindung

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, ein dem eingangs genannten technischen Gebiet zugehörendes Verfahren und eine Einrichtung zum Entfernen von Glatteisschichten zu schaffen, welche die Verwendung von Streusalz überflüssig machen.

[0005] Die Lösung der Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert. Gemäss der Erfindung umfasst das Verfahren: <tb>a)<sep>Einschalten einer Lichtquelle und Erfassen von Messwerten betreffend eines von der Lichtquelle auf der Glatteisschicht erzeugten Lichtflecks mit einem Detektor; <tb>b)<sep>Ermitteln von Parametern wie insbesondere der Schichtdicke der Glatteisschicht aufgrund von erfassten Messwerten; und <tb>c)<sep>Einschalten eines Leistungslasers, wobei die Strahlung des Leistungslasers auf der Glatteisschicht fokussiert und entsprechend der ermittelten Parameter gesteuert und/oder geregelt wird.

[0006] Das Verfahren besteht somit darin, Glatteisschichten mit einem konzentrierten Laserstrahl zu Ritzen und durch Überfahren mit den Fahrzeugrädern zu brechen und in Bruchstücke zu zerlegen. Dazu wird nur elektrische Energie für die Anregung des Lasers und dessen Kühlung benötigt, welche bei Bedarf vom Fahrzeug generiert werden kann. Das Auftreten von Glatteis kann mit einem optischen Detektor festgestellt werden, so dass der Laser nur bei Glatteis eingeschaltet wird. Eine Beschädigung des Strassenbelags kann so minimiert oder verhindert werden.

[0007] Vorzugsweise wird als Lichtquelle eine LED oder LD verwendet (LED: Light Emitting Diode, LD Laserdiode), wobei insbesondere die LED oder LD moduliert wird und das Erfassen von Messwerten mit dem Detektor phasensynchron erfolgt. Eine LED oder LD ist kostengünstig, erzeugt eine konstante Lichtqualität und ermöglicht somit eine präzise Erfassung von Messwerten betreffend die Glatteisschicht. Bevorzugt wird die Lichtquelle mit einer Zylinderoptik als Linie auf der Fahrbahn abgebildet, wobei die Linie der Verfahramplitude des Leistungslasers entspricht. Der Detektor ist in diesem Fall ein linearer Detektorarray oder eine CCD-Kamera (CCD: Charged Coupled Device), womit Messwerte gleichzeitig über den ganzen Verfahrbereich des Leistungslasers erfasst werden können.

[0008] Bevorzugt wird ein Leistungslaser mit einer Wellenlänge von 5 µm bis 50 µm verwendet.

[0009] Vorzugsweise wird als Leistungslaser ein kontinuierlicher CO2-Gaslaser, ein kontinuierlicher CO-Gaslaser oder ein Er-Festkörperlaser verwendet (Er: Erbium).

[0010] Bevorzugt wird der Leistungslaser verfahren und somit der Fokus über die Glatteisschicht geführt, wobei die Steuerung und/oder Regelung des Leistungslasers entsprechend der Geschwindigkeit erfolgt. Damit können grössere Glatteisflächen entfernt werden.

[0011] Bevorzugt wird der Leistungslaser derart verfahren, dass der Fokus entlang einer im Wesentlichen sinusförmigen Kurve verläuft.

[0012] Vorzugsweise werden Glatteisschichten, über welche der Fokus des Leistungslasers geführt wurde, anschliessend von Rädern eines Fahrzeugs überfahren werden.

[0013] Eine Einrichtung zum Entfernen von Glatteisschichten umfasst: <tb>a)<sep>eine Lichtquelle und einen Detektor zum Erfassen von Messwerten betreffend eines von der Lichtquelle auf der Glatteisschicht erzeugten Lichtflecks; <tb>b)<sep>eine Ermittlungseinheit zum Ermitteln von Parametern wie insbesondere der Schichtdicke der Glatteisschicht aufgrund von erfassten Messwerten; und <tb>c)<sep>einen Leistungslaser, wobei die Strahlung des Leistungslasers auf der Glatteisschicht fokussierbar und entsprechend der ermittelten Parameter steuerbar und/oder regelbar ist.

[0014] Bevorzugt umfasst die Einrichtung ein Fahrzeug mit Rädern, wobei die Strahlung des Leistungslasers auf der Glatteisschicht vor einer oder mehreren Radspuren fokussierbar ist. Es können so grössere Glatteisflächen systematisch abgefahren und entfernt werden. Die Strahlung des Leistungslasers wird zunächst geritzt und durch das Überfahren mit Rädern aufgebrochen.

[0015] Vorzugsweise sind zwei oder mehr Leistungslaser vorgesehen, deren Strahlung auf der Glatteisschicht vor zwei oder mehreren Radspuren fokussierbar ist, wobei insbesondere zwei oder mehrere Lichtquellen und Detektoren zum Erfassen von Messwerten vorgesehen sind.

[0016] Bevorzugt ist eine Laser-Spritzwasserabdichtung vorgesehen, um einen Leistungslaser abzuschliessen, bis auf eine Öffnung in der Düse, durch welche im Betrieb sauberes Schutzgas strömt und ausser Betrieb mit einer Klappe geschlossen wird. Dadurch wird der Leistungslaser optimal vor Beschädigungen geschützt.

[0017] Vorzugsweise ist eine Detektor-Spritzwasserabdichtung vorgesehen, um einen Detektor abzuschliessen bis auf die Ausgangsfläche der Fokussierlinse, welche bei Verschmutzung mit einem Wischer reinigbar ist. Damit kann die Betriebssicherheit des Detektors sichergestellt werden.

[0018] Bevorzugt ist zur Strahlablenkung ein parabolischer Fokussierspiegel vorgesehen, welcher durch regelmässige Verkippung oder regelmässige lineare Verschiebung betätigbar ist.

[0019] Vorzugsweise ist eine drehbare Optik vorgesehen, mit welcher der Einfallswinkel der Strahlung auf der Glatteisschicht einstellbar ist.

[0020] Bevorzugt erfolgt die Strahlablenkung derart, dass diese mit der Fahrgeschwindigkeit synchronisiert ist.

[0021] Aus der nachfolgenden Detailbeschreibung und der Gesamtheit der Patentansprüche ergeben sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmalskombinationen der Erfindung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0022] Die zur Erläuterung des Ausführungsbeispiels verwendeten Zeichnungen zeigen: <tb>Fig. 1<sep>Verlauf des fokussierten Leistungslaserstrahls auf der Fahrbahn; <tb>Fig. 2<sep>Leistungslasereinrichtung (Front-und Seitenansicht); <tb>Fig. 3<sep>Einrichtung zur Detektion und zum Ritzen von Glatteisschichten; und <tb>Fig. 4<sep>Glatteisschichtdetektion ausgerichtet auf die Radspurmitte.

[0023] Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0024] Die Energie zum Aufheizen und Verdampfen von Eis beträgt Lv=2260 J/cm<3>, d.h. bei einem Fokusfleckdurchmesser von 0.27 mm und einer Ritztiefe (ca. 80% der Eisschichtdicke) von 0.5 mm wird ca. 300 J/m Ritzlänge benötigt. Das vorliegende Verfahren schlägt eine Ritzspuranordnung vor wie in Fig. 1 gezeigt. Zwei gleiche Laserstrahlen werden vor den Antriebsrädern auf einer sinusförmigen Spur abgelenkt, so dass je die Radbreite geritzt wird. Unter Annahme einer Fahrgeschwindigkeit von 25 km/h, einer Radbreite von 20 cm und einer Ablenkfrequenz von 2 Hz wird der Linienabstand bei der Radmitte ca. 17 cm und die benötigte Leistung je ca. 380 W. Bei einem Wirkungsgrad des Lasers von 20% ergibt sich eine elektrische Leistung von je 1.9 kW. Voraussetzung ist dabei, dass die Laserleistung praktisch vollständig in der Eisschicht absorbiert wird. Die benötigte Laserleistung ist proportional zur Ritztiefe (Schichtdicke) und zur Fahrtgeschwindigkeit.

[0025] Das vorliegende Verfahren beruht darauf, dass der Leistungslaser nur eingeschaltet und damit die elektrische Leistung nur benötigt wird, wenn Glatteis festgestellt wird. Das Verfahren beinhaltet somit einen optischen Detektor zur Feststellung von Glatteis und zur Messung dessen Schichtdicke. Diese Detektoreinheit wird vor dem Leistungslaser angeordnet (Fig. 4). Die Laserleistung kann entsprechend dem detektierten Signal geregelt werden als Funktion der Schichtdicke und der Fahrtgeschwindigkeit. Damit werden mögliche Beschädigungen der Fahrbahn durch den Leistungslaser vermieden.

[0026] Die Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens (Fig. 3) kann auf einem Dienstfahrzeug des Werkhofes und/oder in Personenwagen montiert werden. Die Einrichtung zeichnet sich aus, dass die benötigte elektrische Energie, die Kühlung und das Schutzgas im Fahrzeug generiert werden kann. Die Detektoren 21a, 21b werden vor der Optik 23a, 23b des Leistungslasers 22 angeordnet. Der Radabstand und die Radbreite (Ritzspurbreite) können einfach, fahrzeugabhängig bei der Montage angepasst werden.

[0027] Die Ritzeinheit (Fig. 2) enthält den Leistungslaser 10, 22; dieser kann ein kontinuierlicher oder ein repetitiv gepulster Laser sein, welcher für die rauen Umgebungsbedingungen (Schock, Vibrationen, Temperaturschwankungen, etc.) robust und kompakt gebaut wurde. Die Strahlformungsoptik kann bevorzugt mit Spiegeln realisiert werden; die Fokussieroptik 11 bevorzugt mit einem Parabol- oder Paraboloidspiegel. Eine Strahlablenkung kann durch Verkippen oder Verschieben der Fokussieroptik 11 erfolgen, welche synchron mit der Fahrgeschwindigkeit erfolgen kann. Alternativ zur Strahlablenkung durch Verkippen oder Verschieben der Fokussieroptik 11 und der Verwendung eines kontinuierlichen Lasers kann eine feste zylindrische Optik verwendet werden und der Laser repetitiv gepulst werden, wodurch bei jedem Puls eine Linie geritzt wird. Durch Drehen der Optikeinheit um die Laserstrahlachse kann der Einfallswinkel der Strahlen schräg zur Fahrbahnoberfläche eingestellt werden.

[0028] Das Verfahren basiert somit auf dem Einsatz eines kontinuierlichen oder eines repetitiv gepulsten Lasers im infraroten Wellenlängenbereich von grösser als 2 µm. Typische Beispiele sind der CO2- und der CO-Gaslaser sowie der Er-Festkörperlaser und Diodenlaser.

[0029] Die gesamte Einheit Laser - Optik wird bis auf die Düsenöffnung zum Schutz vor Verschmutzung abgeschlossen 18. Die Düsenöffnung wird mit einer Schutzklappe 12 verschlossen und nur im Betrieb des Lasers geöffnet und gleichzeitig der Strahlführungsraum mit sauberem (gefiltertem) Schutzgas (Einlass 13) mit leichtem Überdruck versehen, so dass bei der Düsenöffnung durch Gasströmung keine Verschmutzungen (Spritzer) in den Gasraum gelangen können.

[0030] Die Einrichtung zur Feststellung von Glatteis (Fig. 4) kann eine Abstands- und Reflexionsmessung beinhalten mit einer LED oder LD (I) als Emitter und einem positionsempfindlichen Detektor oder einem Detektorarray 2 als Empfänger, wobei die beiden Strahlengänge sich unter einem Winkel auf der Fahrbahnoberfläche 6 treffen. Zur Kollimation des emittierten und detektierten Lichtes wird je eine Linse 3,4 verwendet. Das emittierte Licht wird mit einer geeigneten Frequenz moduliert und die Detektion kann phasensensitiv erfolgen um möglichst unempfindlich vor Umgebungslicht zu sein. Die gleichzeitige Veränderung des Reflexionsgrades (Signalstärke) und des Streuverhaltens (Lichtfleckdurchmesser) sowie der Position des Lichtflecks (Abstand zur Oberfläche) wird zur Feststellung von Glatteis 7 und dessen Schichtdicke ausgewertet. Die Signalauswertung beinhaltet geeignete Filterung und Intelligenz zur Anpassung an lokale Bedingungen. Jede andere optische Anordnung zur Abstands-, Streu- und Reflexionsmessung kann alternativ verwendet werden; die erfindungsgemässe Einrichtung ist dadurch nicht eingeschränkt.

[0031] Die Glatteisdetektionseinrichtung wird individuell oder zusammen mit der Leistungslasereinheit eingekapselt 8 und so vor Verschmutzung geschützt, wobei die Ausgangsfläche der Fokussierlinse 5 mit einer schmutzabweisenden Beschichtung oder mit einem Wischer versehen ist.

[0032] In Fig. 1 ist der Abstand senkrecht zur Fahrtrichtung 101 in cm gegenüber der Fahrtrichtung 100 schematisch abgebildet, wobei die Ritzspuren 102, 103 den Verlauf des fokussierten Leistungslaserstrahls auf der Fahrbahn angeben.

[0033] In Fig. 2 ist schematisch die Front- und Seitenansicht einer erfindungsgemässen Leistungslasereinrichtung gezeigt, welche einen Laser 10 inkl. Netz- und Steuergeräte umfasst. Die Fokussierspiegel 11 sind verkipp- oder verschiebbar eingerichtet. Es sind eine Verschlussvorrichtung 12 und eine Schutzgaszufuhr 13 vorgesehen. Die erfindungsgemässe Einrichtung umfasst ein Schutzgehäuse 18 und ist vorgesehen, um Glatteis auf einer Fahrbahn 17 zu entfernen.

[0034] In Fig. 3 ist schematisch eine Aufsicht auf die erfindungsgemässe Einrichtung zum Entfernen von Glatteis gezeigt. Es ist die Frontpartie eines Fahrzeugs gezeigt, mit Rädern 300a, 300b. In Fahrtrichtung vor den Rädern sind die Fokkusieroptiken 23a, 23b angebracht, welche verkipp- oder verschiebbar sind. Ein Leistungslaser 22 befindet sich zwischen den Fokkusieroptiken 23a, 23b. Ferner sind Schichtdetektoren 21a, 21b vorgesehen.

[0035] Fig. 4 zeigt schematisch die Glatteisschichtdetektion ausgerichtet auf die Radspurmitten. Eine LED oder LD 1 ist vorgesehen, sowie ein positionsempfindlicher Detektor oder eine CCD-Kamera 2. Für den Sendestrahl ist eine Kollimationsoptik 3 und für den Empfängerstrahl eine Kollimationsoptik 4 vorgesehen. Für den Sende- und Empfängerstrahl ist eine Fokussieroptik 5 vorgesehen. Auf der Eisschicht 7 wird der Fokusfleck 6 erzeugt. Die erwähnten Bestandteile sind in einem Schutzgehäuse 8 angeordnet. In der Ebene senkrecht zu Fig. 4kann die Kollimationsoptik 3 eine Zylinderoptik sein, um den Sendestrahl als Linie auf der Fahrbahn abzubilden.

[0036] Zusammenfassend ist festzustellen, dass ein Verfahren und eine Einrichtung zum Entfernen von Glatteisschichten offenbart sind, welche die Verwendung von Streusalz überflüssig machen.

Claims (15)

1. Verfahren zum Entfernen von Glatteisschichten, umfassend: a) Einschalten einer Lichtquelle und Erfassen von Messwerten betreffend eines von der Lichtquelle auf der Glatteisschicht erzeugten Lichtflecks mit einem Detektor; b) Ermitteln von Parametern wie insbesondere der Schichtdicke der Glatteisschicht aufgrund von erfassten Messwerten; und c) Einschalten eines Leistungslasers, wobei die Strahlung des Leistungslasers auf der Glatteisschicht fokussiert und entsprechend der ermittelten Parameter gesteuert und/oder geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle eine LED oder LD verwendet wird, wobei insbesondere die LED oder LD moduliert wird und das Erfassen von Messwerten mit dem Detektor phasensynchron erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leistungslaser mit einer Wellenlänge von 5 µm bis 50 µm verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Leistungslaser ein kontinuierlicher CO2-Gaslaser, ein kontinuierlicher CO-Gaslaser oder ein Er-Festkörperlaser verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungslaser verfahren und somit der Fokus über die Glatteisschicht geführt wird, wobei die Steuerung und/oder Regelung des Leistungslasers entsprechend der Geschwindigkeit erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungslaser derart verfahren wird, dass der Fokus entlang einer im Wesentlichen sinusförmigen Kurve verläuft.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Glatteisschichten, über welche der Fokus des Leistungslasers geführt wurde, anschliessend von Rädern eines Fahrzeugs überfahren werden.

8. Einrichtung zum Entfernen von Glatteisschichten, umfassend: d) eine Lichtquelle und einen Detektor zum Erfassen von Messwerten betreffend eines von der Lichtquelle auf der Glatteisschicht erzeugten Lichtflecks; e) eine Ermittlungseinheit zum Ermitteln von Parametern wie insbesondere der Schichtdicke der Glatteisschicht aufgrund von erfassten Messwerten; und f) einen Leistungslaser, wobei die Strahlung des Leistungslasers auf der Glatteisschicht fokussierbar und entsprechend der ermittelten Parameter und gegebenenfalls einer Geschwindigkeit steuerbar und/oder regelbar ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, weiter umfassend ein Fahrzeug mit Rädern, wobei die Strahlung des Leistungslasers auf der Glatteisschicht vor einer oder mehreren Radspuren fokussierbar ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Leistungslaser vorgesehen sind, deren Strahlung auf der Glatteisschicht vor zwei oder mehreren Radspuren fokussierbar ist, wobei insbesondere zwei oder mehrere Lichtquellen und Detektoren zum Erfassen von Messwerten vorgesehen sind.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laser-Spritzwasserabdichtung vorgesehen ist, um einen Leistungslaser abzuschliessen, bis auf eine Öffnung in der Düse, durch welche im Betrieb sauberes Schutzgas strömt und ausser Betrieb mit einer Klappe geschlossen wird.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Detektor-Spritzwasserabdichtung vorgesehen ist, um einen Detektor abzuschliessen bis auf die Ausgangsfläche der Fokussierlinse, welche bei Verschmutzung mit einem Wischer reinigbar ist.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Strahlablenkung ein parabolischer Fokussierspiegel vorgesehen ist, welcher durch regelmässige Verkippung oder regelmässige lineare Verschiebung betätigbar ist.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine drehbare Optik vorgesehen ist, mit welcher der Einfallswinkel der Strahlung auf der Glatteisschicht einstellbar ist.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlablenkung derart erfolgt, dass diese mit der Fahrgeschwindigkeit synchronisiert ist.