激光雷达及其散热装置
技术领域
本申请涉及测距领域,特别涉及一种激光雷达及其散热装置。
背景技术
激光雷达的探测装置内部布置有各类电子元器件,针对电子元器件散热的设计通常可以顺利的将热量传导到探测装置本体,但是由于探测装置本体和激光雷达的外壳没有直接接触,因而探测装置和激光雷达的外壳之间的换热只能依赖于空气对流,这导致探测装置和雷达外壳之间的热阻偏大,为了降低该环节的热阻,需要优化探测装置和雷达外壳之间的换热。
发明内容
本申请的目的在于提供一种激光雷达及其散热装置,可在激光雷达内部的探测装置和顶盖之间形成空气的循环流动,增大对流换热系数,有效降低激光雷达内部探测装置产生的热量。
第一方面,本申请的实施例公开了一种激光雷达的散热装置,所述散热装置位于所述激光雷达的顶盖和所述激光雷达的探测装置之间;
所述散热装置包括叶轮和围绕所述叶轮设置的第一散热部,其中,所述叶轮和所述第一散热部能够随所述探测装置的旋转而旋转,并且所述叶轮的旋转速度被设置为大于所述第一散热部的旋转速度,以使得所述叶轮在随所述探测装置旋转时,驱动空气循环流过所述第一散热部、所述顶盖和所述探测装置。
在第一方面的一种实现中,所述第一散热部包括基板和多个第一散热片,其中,所述多个第一散热片围绕所述叶轮并相互间隔地设置在所述基板的第一侧面上,其中,所述基板的第一侧面为与所述顶盖相对的侧面。
在第一方面的一种实现中,所述第一散热部还包括与所述基板平行的环状的第一顶板,并且
所述多个第一散热片相互平行地设置于所述第一顶板和所述基板之间,并且所述多个第一散热片与所述第一顶板和所述基板相垂直。
在第一方面的一种实现中,所述散热装置还包括驱动部,用于驱动所述叶轮随所述探测装置旋转,其中,所述叶轮的旋转速度大于所述探测装置的旋转速度。
在第一方面的一种实现中,所述叶轮包括叶片支架和多个叶片;
所述叶片支架包括第一支撑环、第二支撑环和至少三个子支架,其中,
所述第一支撑环和所述第二支撑环同心设置,并且所述第二支撑环位于所述第一支撑环的外侧,所述至少三个子支架的第一端耦接于所述第一支撑环的外侧壁,所述至少三个子支架的第二端耦接于所述第二支撑环的内侧壁;
所述多个叶片固定设置在所述第二支撑环与所述顶盖相对的顶面上。
在第一方面的一种实现中,所述驱动部包括齿轮组,所述齿轮组包括中轴、多个第一齿轮、多个第二齿轮以及多个支撑杆;
所述中轴与所述叶轮的旋转平面垂直,并且所述中轴的第一端套在所述第一支撑环中,所述中轴的第二端固定设置在所述探测装置的顶部;
所述多个支撑杆与所述中轴垂直,并且所述多个支撑杆的第一端固定设置在所述中轴上,所述多个支撑杆的第二端设置有一个所述第一齿轮,所述多个支撑杆的第一端和第二端之间设置有一个所述第二齿轮;
所述第一齿轮与所述探测装置顶部的第一齿圈相接触,所述第二齿轮与所述叶轮的所述第二支撑环底面上的第二齿圈相接触,并且,所述探测装置能够通过第一齿圈驱动所述第一齿轮和所述第二齿轮以所述支撑杆为轴进行旋转。
在第一方面的一种实现中,所述第一齿轮的半径小于所述第二齿轮的半径。
在第一方面的一种实现中,所述顶盖与所述探测装置相对的侧面上设置有第二散热部,并且所述第二散热部位于所述第一散热部的外侧。
在第一方面的一种实现中,所述第二散热部包括多个第二散热片和与所述顶盖的所述侧面平行的环状的第二顶板;
所述多个散热片设置于所述第二顶板和所述顶盖的所述侧面之间,并且所述多个散热片与所述第二顶板和所述侧面垂直。
在第一方面的一种实现中,散热装置还包括导热部,所述导热部与所述基板和所述探测装置连接。
在第一方面的一种实现中,所述导热部包括至少一个金属凸台,所述至少一个金属凸台分别与所述基板的第二侧面和所述探测装置的顶部连接,其中,所述基板的第二侧面为所述基板与所述探测装置相对的侧面。
第二方面,本申请的实施例公开了一种激光雷达,包括顶盖、探测装置、主轴和如权利要求1至11中任一项所述的散热装置,其中,所述主轴位于所述散热装置的基板的下方,所述散热装置能够随所述探测装置绕所述主轴转动。
附图说明
图1至3根据本发明的一些实施例,公开了包括散热装置的激光雷达的内部结构的立体图;
图4根据本发明的一些实施例,公开了用于图1至3中的激光雷达的叶轮的立体图;
图5根据本发明的一些实施例,公开了用于图1至3中的激光雷达的叶轮和探测装置的立体图;
图6根据本发明的一些实施例,公开了用于图1至3中的激光雷达的第一散热部的立体图;
图7根据本发明的一些实施例,公开了用于图1至3中的激光雷达的导热凸台和探测装置的立体图;
图8根据本发明的一些实施例,公开了用于图1至3中激光雷达的叶轮和第一散热部的立体图;
图9根据本发明的一些实施例,公开了用于图1至3中激光雷达的顶盖的立体图;
图10根据本发明的一些实施例,公开了用于图1至3中激光雷达的驱动部和叶轮的立体图;
图11根据本发明的一些实施例,公开了用于图1至3中激光雷达的驱动部和主轴的立体图;
图12根据本发明的一些实施例,公开了用于图1至3中激光雷达的散热装置的散热原理示意图;
图13根据本发明的一些实施例,公开了用于图1至3中激光雷达的叶轮的转速调节原理示意图。
具体实施方式
本申请的说明性实施例包括但不限于一种激光雷达及其散热装置。
本申请将使用本领域技术人员通常采用的术语来描述说明性实施例的各个方面,以将他们工作的实质传达给本领域其他技术人员。然而,对于本领域技术人员显而易见的是,可以使用所描述方面的部分来实践一些可替代实施例。出于解释的目的,为提供对说明性实施例的透彻理解,对具体的数字、材料和配置进行阐述。然而,对于本领域技术人员来说显而易见的是,可以在没有具体细节的情况下实现替代的实施例。在其他情况下,为了不对说明性实施例造成混淆,省略或简化了一些公知的特征。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本申请的实施例作进一步地详细描述。
图1至3示出了根据本申请实施例的一种激光雷达的内部结构的立体图。如图1至图3所示,一种激光雷达100,包括顶盖101,叶轮102,第一散热部103,驱动部104,导热部1034,探测装置106,主轴107,雷达外壳108,雷达底座109,主轴轴承110以及电机111。其中,雷达顶盖101进一步包括顶盖基板1011和第二散热部1012(如图9所示)。叶轮102进一步包括叶片支架1021和叶片1022(如图4所示)。第一散热部103进一步包括基板1031、散热片1032和导热部1034。驱动部104进一步包括第一齿轮1041,第二齿轮1042和支撑杆1043。需要说明的是,图1至图3中仅示出了探测装置106的外表面,并未示出其具体内部结构。为了更加清晰明了的对本申请的技术方案进行说明,这里以实心结构象征性的替代了位于雷达转子内部的光电元器件,实际上雷达转子外壳以内是中空结构,里面设置有多种用于雷达工作运行的光电元器件。
图4示出了可用于图1至3中所示的激光雷达的叶轮102,图5示出了叶轮102和探测装置106的位置关系。下面参考图4和图5对叶轮102的结构进行详细说明。
如图4所示,叶轮102包括叶片支架1021和叶片1022。叶片支架1021可进一步包括第一支撑环10211、第二支撑环10212和子支架10213,其中第一支撑环10211和第二支撑环10212为同心设置的两个圆环形结构的支撑环,并且第二支撑环10212位于第一支撑环10211的外侧,即第二支撑环10212的直径大于第一支撑环10211。子支架10213用于连接和固定第一支撑环10211和第二支撑环10212。具体地,子支架10213的一端耦接于第一支撑环10211的外侧壁,另一端耦接于第二支撑环10212的内侧壁。可以理解,在其他一些实施例中,上述支撑环的数量并不一定为两个,而是例如,可以设置多于两个支撑环,并且通过多于三个的子支架进行连接和支撑。此外,第二支撑环10212的下表面(与探测装置106相对的底面)设置有齿轮齿,用于与驱动部104啮合连接并在驱动部104的驱动下旋转。
叶片1022固定设置在第二支撑环10212与顶盖101相对的顶面上,具体地,叶片1022垂直设置于第二支撑环10212与顶盖101相对的顶面上,叶片1022设置有一定弧度弯曲并且每个叶片1022的弯曲方向相同。在探测装置106转速一定的情况下,通过对叶片1022的形状、面积和数量进行合理设计,能够增大雷达内部空气循环量,进而提升第一散热部103与顶盖101之间的换热系数,加快激光雷达100工作过程中的散热速度。故可以理解,叶片1022的数量不限于图4中所示的数量,并且,叶片1022的形状也可以与图中所示的不同,例如,叶片1022的弧度可以进行调整,或者叶片1022可以为直叶片,故叶片1022的形状和数量可根据实际需要进行调整,在此不做限制。
根据本申请的一些实施例,图5示出了叶轮102和探测装置106的位置关系。探测装置106通过驱动部104与叶轮102装配连接,并且可以根据探测装置106的转速对叶轮102的转速进行调节。
图6示出了可用于图1至3中所示的激光雷达的第一散热部103。如图6所示,第一散热部103包括中心具有通孔的基板1031、第一散热片1032、环状的第一顶板1033以及金属凸台1034。其中,第一散热片1032设置于基板1031的上表面和第一顶板1033之间,并且多个第一散热片1032相互平行并且与第一顶板1033和基板1031垂直。可以理解,基板1031的中心区域所设通孔的大小和形状可以根据探测装置106中光电元器件在雷达工作过程中产生的热量大小、雷达正常工作所需的散热效率等实际因素进行设计和改造。
同时,环形第一顶板1033的直径大小以及散热片1032的位置和尺寸均与叶轮102以及顶盖101的设计有关,且可以根据实际需要进行调整。在其他一些实施例中,散热片1032不一定与基底1301和第一顶板1033垂直,而是例如,可以向某一方向倾斜。此外,第一散热片1032的形状也可以不限于图6中所示形状。
进一步地,可以在第一散热片1032的表面上设置通孔(未示出),用于进一步增大散热片1032的表散热面积。需要理解的是,第一散热片1032设置的通孔的形状、大小均可以根据实际情况进行调整,在此不做限制。此外,也可以直接将散热片1032的表面制造成为凹凸不平的表面结构,以增大其表面积,利于第一散热部103与顶盖101之间的热量交换。
如图7所示,导热凸台1034采用金属或其他导热性能良好的材料制作,用于实现探测装置106与第一散热部103的基板1031之间的连接,从而确保探测装置106内部光电元器件产生的热量能够通过导热凸台1034快速传导至第一散热部103。具体地,导热凸台1034的下表面与探测装置106的顶部连接,导热凸台1034的上表面与第一散热部103的基板1031的下表面连接,多个导热凸台1034之间间隔设置,相邻的导热凸台1034之间的间隔为预设距离,该间隔可以作为促进第一散热部103附近的空气实现循环流动的流通路径。
需要理解的是,导热凸台1034的具体数量、形状、尺寸、材质以及相邻导热凸台之间的间隔距离均可以根据实际需求进行设计和调整,这里仅以凸台结构的导热凸台1034进行示意性说明,而不是对其进行限制。此外,可以理解,在其他实施例中,也可以采用其他导热结构将探测装置106的热量传导至散热装置的基板,不限于凸台结构。
需要理解的是,上述基板1031、第一散热片1032、第一顶板1033以及导热凸台1034可以全部采用相同的材料制造,也可以使用不同的材料制造。此外,上述基板1031、第一散热片1032、第一顶板1033以及导热凸台1034可以采用焊接、螺栓连接等方式进行连接,也可以采用铸造、粉末冶金等成型方法作为整体制造,从而更加有利于热量在不同部分之间传导。
根据本申请的一些实施例,图8示出了第一散热部103和叶轮102的位置关系。环形第一散热部103的第一散热片1032从外侧包围叶轮102,并且第一散热片1032与叶轮102处于同一高度,叶轮102的叶片1022正对于第一散热片1032上,被叶轮102的叶片1022扰动的气流可以顺利通过第一散热片1032之间的散热通孔,进而与顶盖101的第二散热部1012接触进行热量交换。
图9示出了可用于图1至3所示的激光雷达的顶盖101的立体图。如图9所示,顶盖101包括顶盖基板1011和设置在顶盖基板与探测装置106相对的侧面上的第二散热部1012,并且第二散热部1012进一步包括第二散热片10121和第二顶板10122。其中,第二散热片10121设置在顶盖基板1011与第二顶板10122之间,并且多个第二散热片10121相互平行设置,且第二散热片10121与顶盖基板1011和第二顶板垂直。其中,环形的第二顶板10122的尺寸和位置可以根据实际需要进行调整,并且第二散热部1012被设计为与上述第一散热部103相配合。也就是说,当激光雷达100装配完成之后,第二散热片10121和第二顶板10122位于上述第一散热片1032和第一顶板1033外围,并且第二散热片10121和第一散热片1032相对,使得空气能够快速先后流经第二散热片10121和第一散热片1032。
可以理解,在其他一些实施例中,第二散热片10121不一定与顶盖基底1011和第二顶板10122垂直,而是例如,可以向某一方向倾斜。此外,第二散热片10121的形状也可以不限于图9所示的形状。
进一步地,可以在第二散热片10121的表面上设置通孔(未示出),用于进一步增大第二散热片10121的表面积。需要理解的是,第二散热片10121上设置的通孔的形状、大小均可以根据实际情况进行调整,在此不做限制。此外,也可以直接将第二散热片10121的表面制造成为凹凸不平的表面结构,以增大其表面积,利于第二散热片10121与第一散热部103之间的热量交换。
类似的,上述顶盖101的顶盖基板1011和第二散热片10121以及第二顶板10122可以全部采用相同的材料制造,也可以部分地使用不同的材料制造。此外,上述顶盖主体1011和顶部翅片1012可以采用焊接、螺栓连接等方式进行连接,也可以采用铸造、粉末冶金等成型方法作为整体制造,用于提高热量在不同部分之间传导的效率。
图10和图11示出了可用于图1至3所示的激光雷达的驱动部104的具体结构和与其他组件的连接方式。如图10和图11所示,驱动部104包括齿轮组,其中齿轮组进一步包括三个第一齿轮1041、三个第二齿轮1042和三个支撑杆1043以及中轴1044。第一齿轮1041位于支撑杆1043的一端,第二齿轮1042位于支撑杆1043的中部,支撑杆1043的另一端通过齿轮组轴承与中轴1044装配连接,中轴1044的一端通过轴承与主轴107固定连接,另一端套在叶轮102的第一支撑环中。第一齿轮1041与设置在探测装置106顶部的第一齿圈1061相接触,第二齿轮1042与设置在叶轮102的第二支撑环10212底面上的第二齿圈102120相接触,并且,探测装置106能够通过第一齿圈驱动第一齿轮1041和第二齿轮1042以支撑杆1043为轴进行旋转。可以理解,虽然有些附图中由于剖面角度问题,示出的第一齿轮1041与第一齿圈1061并未直接接触,第二齿轮1042与第二齿圈102120并未直接接触,但是在实际装配中,第一齿轮1041与第一齿圈1061是直接接触的,第二齿轮1042与第二齿圈102120也是直接接触的。
继续参考图1至3,根据本发明的一些实施例,主轴107装配连接于雷达底座109的中心,与主轴107相配合的轴承110装配在主轴107的两端,雷达外壳108的下端与雷达底座109装配连接,雷达外壳108的上端与顶盖101装配连接。如图2、图3所示,顶盖101、雷达外壳108和雷达底座109共同构成包含探测装置106、叶轮102、第一散热部103和驱动部104等结构在内的密闭的工作空间。探测装置106内部设置有用于支撑雷达工作的光电元器件(附图中未示出),探测装置106外部与轴承110配合连接,可在主轴107的带动下转动。
现结合图12说明上述激光雷达的散热原理。在激光雷达的工作过程中,顶盖101、主轴107、雷达外壳108以及雷达底座109固定,电机111驱动探测装置106绕主轴107旋转,第一散热部103和驱动部104在探测装置106的带动下分别随探测装置106绕主轴107和中轴1044一起旋转运动,同时,叶轮102在驱动部104的第二齿轮的带动下以高于探测装置106转速的转速绕中轴1044旋转。当探测装置106旋转时,由于叶轮102与探测装置106之间存在转速差,因而在雷达100工作过程中,叶轮102的叶片1022扰动内部空间的空气形成空气循环的动力。另一方面,第一散热部103的基板1031中心有开孔,可以作为空气流通路径,因而第一散热部103附近能够形成空气循环流动(空气循环流通方向如图中箭头所示),用于提升热量由第一散热部103传导至雷达顶盖101过程的换热系数。
具体地,图13示出了叶轮102在驱动部104的驱动下以高于探测装置106的转速旋转的工作原理。当探测装置106在电机111的驱动下绕主轴107旋转时,设置在探测装置106上表面的第一齿圈1061带动第一齿轮1041和第二齿轮1042绕支撑杆1043以相同的角速度旋转,与此同时,驱动部104整体随探测装置106绕中轴1044旋转。接下来,第二齿轮1042通过第二齿圈10211带动叶轮102绕中轴1044旋转,由于第一齿轮1041的直径小于第二齿轮1042的直径,并且第一齿轮1041的中心到中轴1044轴线的距离大于第二齿轮1042的中心到中轴1044轴线的距离,因而叶轮102绕中轴1044旋转的转速大于探测装置106绕主轴107旋转的转速。需要理解的是,上述驱动结构的齿轮组中齿轮和支撑杆的数量以及齿轮组中齿轮的位置、尺寸均可以根据实际情况进行调整,上述驱动结构的设置仅用于示意性说明,而不是对其进行限制。
进一步地,在采用上述实施例中所述的驱动装置104对叶轮102进行驱动的情况下,叶轮102的转速与探测装置106的转速存在以下关系:
n2=n1×(R2+R3)/(R1+R4)
其中,n2表示叶轮102的转速,n1表示探测装置106的转速,R2表示第二齿轮1042的直径,R3表示第一齿轮1041的中心到中轴1044轴线的距离,R1表示第一齿轮1041的直径,R4表示第二齿轮1042的中心到中轴1044轴线的距离。
在探测装置106内部的光电元器件产生的热量经由探测装置106、导热凸台1034传导至顶盖101的整个散热路径上,探测装置106的内部元器件工作过程中产生热量并传导至探测装置106本体,再经由导热凸台1034传导至第一散热部103的这一过程热阻很小;热阻最大的是热量由第一散热部103通过内部空气传导到顶盖101这个环节,上述方案可以有效的提升对流换热系数,减小探测装置106到顶盖101之间的热阻。进一步地,根据本申请公开的技术方案,设置在顶盖101的第二散热片10121以及第一散热部103的第一散热片上的通孔、凹凸表面等结构能够有效增大第一散热部103与顶盖101之间的换热面积,进一步强化传热效果。
在附图中,可以以特定布置和/或顺序示出一些结构或方法特征。然而,应该理解,可能不需要这样的特定布置和/或排序。而是,在一些实施例中,这些特征可以以不同于说明性附图中所示的方式和/或顺序来布置。另外,在特定图中包括结构或方法特征并不意味着暗示在所有实施例中都需要这样的特征,并且在一些实施例中,可以不包括这些特征或者可以与其他特征组合。
需要说明的是,在本专利的示例和说明书中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
虽然通过参照本申请的某些优选实施例,已经对本申请进行了图示和描述,但本领域的普通技术人员应该明白,可以在形式上和细节上对其作各种改变,而不偏离本申请的精神和范围。