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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lidar-Anordnung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Lidar-Anordnung in welcher eine definierte Kühlluftströmung für eine effiziente Kühlung der rotierenden Komponenten erzeugt wird.
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Lidar-Anordnungen werden zur Umfelderfassung in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Eine Lidar-Anordnung umfasst einen Laser und eine Empfangseinheit, welche üblicherweise auf einem Rotationselement angeordnet sind. Eingesetzt werden in solchen Anwendungen Laser mit vergleichsweise hohen optischen Leistungen und damit ebenfalls hohen thermischen Leistungen. Zur Vermeidung schädigender Wirkungen auf die Komponenten, wie Funktionsstörungen oder Funktionseinschränkungen, ist ein effizienter Abtransport der Wärme von den Komponenten erforderlich. Dies kann beispielsweise passiv mittels Wärmeleitung an das Trägersystem erfolgen. Weiterhin ist es möglich aktive Kühlungsverfahren zu verwenden. Ein derartiges aktives Kühlungsverfahren ist aus der
DE 102012110584 A1 bekannt. Dabei wird eine Sensoreinrichtung in einem Fahrzeug, wie beispielsweise ein Radar- oder Lidarsystem, durch einen Luftstrom gekühlt, welcher vorzugsweise von einem vorhandenen Lüftungssystem, wie beispielsweise der Klimaanlage, abgeführt wird.
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Eine solche externe Kühlvorrichtung birgt jedoch den Nachteil, dass eine zusätzliche Energiequelle notwendig ist, wodurch die Komplexität und die Kosten steigen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lidar-Anordnung so auszubilden, dass eine gezielte Strömungskühlung durch die Lidar-Anordnung selbst erzeugt wird und dadurch eine einfache und kostengünstige Kühlung der rotierenden Komponenten möglich ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Lidar-Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass durch eine Zwangsströmungskühlung, welche bei einem Betrieb der Lidar-Anordnung, also bei einer Rotation der Komponenten, automatisch einsetzt und beim Abschalten automatisch stoppt, stets eine zuverlässige und effiziente Kühlung und damit ein sicherer Betrieb der Lidar-Anordnung gewährleistet ist.
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Dies wird erfindungsgemäß derart gelöst, dass eine Lidar-Anordnung mit einer Lasereinheit, einer Empfangseinheit und einer Kühlvorrichtung, welche eine Kühlluftströmung erzeugt, vorgesehen ist. Die Lasereinheit, die Empfangseinheit und die Kühlvorrichtung rotieren dabei um eine Rotationsachse. Die Rotationsachse kann beispielsweise vertikal sein.
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Die Kühlvorrichtung der erfindungsgemäßen Lidar-Anordnung kann dabei auf unterschiedliche Weise ausgebildet und angeordnet sein. Bevorzugt rotieren die Lasereinheit, die Empfangseinheit und die Kühlvorrichtung um eine gemeinsame Rotationsachse.
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Besonders günstig im Hinblick auf Baugröße und Komplexität ist es dabei, wenn die Lasereinheit und die Empfangseinheit gemeinsam auf einem Rotationselement, das um die Rotationsachse rotiert, angeordnet sind.
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Weiterhin ist es besonders günstig, wenn die Kühlvorrichtung ebenfalls an dem Rotationselement angeordnet ist, wodurch sich eine weitere Vereinfachung der Konstruktion und eine Verringerung des Platzbedarfs ergibt.
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Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Kühlvorrichtung ein oder mehrere Flügelelemente aufweist, wodurch eine Verbesserung der Kühlluftströmung und damit eine verbesserte Kühlung erreicht wird.
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Ein weiteres besonders günstiges Ausführungsbeispiel umfasst eine Steuerplatine an der das Flügelelement angeordnet ist. Ferner ist es auch möglich, das Flügelelement an der Lasereinheit und/oder an der Empfangseinheit und/oder zwischen rotierenden Komponenten anzuordnen. Durch diese Anordnungsmöglichkeiten eines oder mehrerer Flügelelemente ist ein optimales Anpassen der Kühlluftströmung hinsichtlich einer effizienten Kühlung möglich.
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Besonders günstig ist es, wenn die Kühlvorrichtung der Lidar-Anordnung eine Steuerplatine umfasst, welche derart eingerichtet ist, dass die Kühlluftströmung durch die Steuerplatine selbst erzeugt wird. Dabei ist es beispielsweise möglich, die Steuerplatine in einem Winkel zu einer Ebene, welche senkrecht zur Rotationsachse liegt, anzuordnen, oder exzentrisch zur Rotationsachse anzuordnen, um die Kühlluftströmung zu erzeugen. Beispielsweise kann die Steuerplatine auch derart geformt sein, dass sich durch die Formgebung der Steuerplatine eine flügelähnliche Wirkung ergibt. Weiterhin können beispielsweise Bauteile auf oder an der Steuerplatine angeordnet sein, sodass sich ebenfalls eine flügelähnliche Wirkung ergibt, wodurch die Kühlluftströmung erzeugt wird. Da in diesem Ausführungsbeispiel keine zusätzlichen Flügelelemente oder dergleichen zur Strömungserzeugung notwendig sind, ist dies besonders vorteilhaft, um einen einfachen und kostengünstigen Aufbau zu gewährleisten.
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Ein weiteres besonders günstiges Ausführungsbeispiel der Lidar-Anordnung umfasst einen Wärmeübertrager zum Abführen der durch die Kühlluftströmung aufgenommenen Wärme. Der Wärmeübertrager kann dabei auf unterschiedliche Weise ausgeführt sein. Möglich ist beispielsweise eine Ausführung als passiver Wärmeübertrager in Form von Kühlrippen oder einem Metallschaum. Weiterhin kann auch ein aktiver Wärmeübertrager, beispielsweise Peltierelemente oder Wärmeübertrager mit einem Austauschfluid oder Heatpipes verwendet werden. Es können auch mehrere Wärmeübertrager gleicher oder verschiedener Art gleichzeitig eigesetzt werden. Durch den Wärmeübertrager wird ein verbesserter Abtransport der Wärme erzielt.
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Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn die Lidar-Anordnung in einem Gehäuse angeordnet ist. Das Gehäuse kann dabei bevorzugt geschlossen ausgeführt sein, um einen Schutz der Komponenten der Lidar-Anordnung vor Feuchtigkeit und anderen Medien zu gewährleisten.
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In einem weiteren besonders günstigen Ausführungsbeispiel ist der Wärmeübertrager an einer Gehäusewand angeordnet. Möglich ist auch eine Konfiguration des Gehäuses mit einem Arbeitsbereich und einem Kühlbereich. Die Kühlluftströmung strömt dabei von dem Arbeitsbereich über einen Einlassbereich in den Kühlbereich ein und über einen Auslassbereich wieder zurück in den Arbeitsbereich. Der Wärmeübertrager ist in einer solchen Konfiguration in dem Kühlbereich angeordnet. Dadurch ergibt sich eine besonders effiziente Kühlung der Anordnung.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die rotierende Kühlvorrichtung eingerichtet ist, eine kreisförmige oder eine torusförmige Kühlluftströmung zu erzeugen. Eine kreisförmige Kühlluftströmung zeichnet sich dadurch aus, dass die Luftströmung in axialer Richtung der Rotationsachse über die rotierenden Komponenten geführt wird und anschließend derart abgelenkt wird, dass sie in einem zur Rotationsachse parallelen und den rotierenden Komponenten benachbarten Bereich in entgegengesetzter axialer Richtung der Rotationsachse wieder zurückgeführt wird. Dabei kann die Strömung beispielsweise durch den Kühlbereich geführt werden.
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Bei der torusförmigen Kühlluftströmung wird die Luftströmung zuerst in axialer Richtung der Rotationsachse über die rotierenden Komponenten geführt und anschließend derart abgelenkt, dass die Kühlluftströmung in einem konzentrisch zur Rotationsachse liegenden und in radialer Richtung an die rotierenden Komponenten angrenzenden Bereich in entgegengesetzter axialer Richtung zurückgeführt wird.
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Derartige Konfigurationen der Kühlluftströmung ermöglichen eine effiziente Kühlung der rotierenden Komponenten bei einfachem Aufbau. Durch die gezielte Strömungskühlung mit einer definierten Strömungsführung wird eine verbesserte Verteilung der Wärme über die rotierenden Komponenten erreicht und somit starke Temperaturgradienten, welche Funktionsstörungen oder Funktionseinschränkungen der Lidar-Anordnung hervorrufen können, vermieden.
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Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel umfasst wenigstens ein Statorelement, welches zum Erzeugen von Verwirbelungen der Kühlluftströmung eingerichtet ist und ortsfest angeordnet ist. Eine ortsfeste Anordnung entspricht dabei einer nicht rotierenden Anordnung. Durch ein oder mehrere Statorelemente kann eine Verbesserung der Strömungsführung für eine weiter verbesserte gezielte Strömungskühlung erreicht werden. Die Statorelemente sind vorzugsweise an einem Gehäuse angeordnet.
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In einem weiteren besonders günstigen Ausführungsbeispiel ist der Wärmeübertrager um die Rotationsachse rotierend angeordnet. Beispielsweise kann der Wärmeübertrager auf dem Rotationselement angeordnet sein. Besonders vorteilhaft ist es dabei, den Wärmeübertrager nahe an der Lasereinheit anzuordnen, um eine direkte und effiziente Abfuhr der durch die Lasereinheit erzeugten Wärme zu ermöglichen.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren beschrieben. In den Figuren sind funktional gleiche Bauteile jeweils mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Dabei zeigt:
- 1 eine Lidar-Anordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mit Gehäuse mit einem Kühlbereich und mit kreisförmiger Kühlluftströmung, welche durch Flügelelemente der Kühlvorrichtung erzeugt wird,
- 2 ein Detail der Lidar-Anordnung von 1 mit Flügelelementen, welche an einer Steuerplatine angeordnet sind,
- 3 eine Lidar-Anordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel mit Gehäuse mit einem Kühlbereich, mit kreisförmiger Kühlluftströmung und mit mehreren an verschiedenen Positionen angeordneten Flügelelementen und Statorelementen,
- 4 eine Lidar-Anordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel mit Gehäuse und mit torusförmiger Kühlluftströmung, welche durch Flügelelemente der Kühlvorrichtung erzeugt wird, und
- 5 eine Lidar-Anordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel mit Gehäuse mit einem Kühlbereich, mit kreisförmiger Kühlluftströmung und mit einer zur Erzeugung der Kühlluftströmung eingerichteten Steuerplatine.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die 1 und 2 zeigen eine Lidar-Anordnung 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die in 1 dargestellte Lidar-Anordnung 1 weist eine Lasereinheit 2, eine Empfangseinheit 3 und eine Kühlvorrichtung 4 auf, welche gemeinsam auf einem Rotationselement 6 angeordnet sind und um eine gemeinsame Rotationsachse 5 rotieren. Die Kühlvorrichtung 4 umfasst im ersten Ausführungsbeispiel eine Steuerplatine 8, welche zur Steuerung der Lidar-Anordnung 1 eingerichtet ist und an welcher Flügelelemente 7 angeordnet sind. Ein Laserstrahl 20 zur Abtastung der Umgebung wird dabei beispielsweise von der Lasereinheit 2 senkrecht zur Rotationsachse ausgesendet.
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Das erste Ausführungsbeispiel weist zudem ein Gehäuse 10 auf mit einem Arbeitsbereich 12 und einem Kühlbereich 11, in welchem ein Wärmeübertrager 9 angeordnet ist und welcher über einen Einlassbereich 13 und einen Auslassbereich 14 mit dem Arbeitsbereich 12 in Kontakt steht und durch eine Wand 17 von dem Arbeitsbereich 12 getrennt ist. An einer Außenseite kann das Gehäuse 10 beispielsweise an einem Fahrzeug 40 montiert werden. Durch die Rotation des Rotationselements 6 bildet sich mit Hilfe der Kühlvorrichtung 4 eine Luftströmung aus, welche in axialer Richtung der Rotationsachse 5 die Lasereinheit 2 und die Empfangseinheit 3 überströmt. Dies ist in 1 durch die Pfeile dargestellt.
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Dargestellt ist in 1 ein Ausführungsbeispiel mit einer kreisförmigen Kühlluftströmung A, welche im Arbeitsbereich 12 in axialer Richtung der Rotationsachse 5 über das Rotationselement 6 strömt, anschließend um 90 Grad zur Rotationsachse abgelenkt wird und über den Einlassbereich 13 vom Arbeitsbereich 12 in den Kühlbereich 11 strömt, wobei eine nochmalige Umlenkung um 90 Grad erfolgt. Beim Überströmen der rotierenden Komponenten, insbesondere der Lasereinheit 2, welche das wärmste Element darstellt, wird die Temperatur dieser rotierenden Komponenten durch erzwungene Konvektion verringert. Im Kühlbereich 11 wird der Wärmeübertrager 9 von der Kühlluftströmung überströmt und/oder durchströmt, wodurch die Kühlluftströmung gekühlt wird. Über den Auslassbereich 14 wird die kältere Kühlluftströmung anschließend um 90 Grad umgelenkt und zurück in den Arbeitsbereich 12 geführt. Es kann auch eine umgekehrte Strömungsrichtung, entgegengesetzt der in 1 dargestellten Strömungsrichtung eingesetzt werden.
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2 zeigt ein Detail des ersten Ausführungsbeispiels der Lidar-Anordnung 1.
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Das Rotationselement 6 ist beispielsweise als Gerüst ausgeführt, welches zur Positionierung und Halterung der Lasereinheit 2, der Empfangseinheit 3 und der Kühlvorrichtung 4 eingerichtet ist und mit einem Lager 16 in dem Gehäuse 10 derart gelagert ist, dass eine Rotation um die Rotationsachse 5 ermöglicht wird.
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Wie in der 2 ersichtlich, sind die Lasereinheit 2, die Empfangseinheit 3 und die Kühlvorrichtung 4 bevorzugt längs einer axialen Richtung der Rotationsachse 5 angeordnet, wobei die Lasereinheit 2 besonders bevorzugt zwischen der Kühlvorrichtung 4 und der Empfangseinheit 3 angeordnet ist.
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Auf der Steuerplatine 8 können ferner Bauelemente 60 angeordnet sein, welche gekühlt werden, wie in der 2. dargestellt.
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Ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit mehreren Statorelementen 15 und mehreren Flügelelementen 7 ist in 3 dargestellt, wobei die weitere Konfiguration der Lidar-Anordnung 1 dem ersten Ausführungsbeispiel der 1 entspricht. Die Flügelelemente 7 und die Statorelemente 15 sind dabei an verschiedenen Positionen angeordnet. Im zweiten Ausführungsbeispiel sind die Flügelelemente 7 an der Steuerplatine 8, an dem Rotationselement 6 sowie an der Empfangseinheit 3 angeordnet. Die Statorelemente 15 sind ortsfest an dem Gehäuse 10 angeordnet. Durch die Verwendung mehrerer Flügelelemente 7 und/oder einem oder mehrerer Statorelemente 15 kann die Kühlluftströmung besser beeinflusst werden und so durch lokale Anpassung der Strömung zu einer verbesserten Verteilung der Wärme der rotierenden Komponenten führen.
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4. zeigt ein drittes vorteilhaftes Ausführungsbeispiel mit einer torusförmigen Kühlluftströmung B. Das Gehäuse 10 weist in diesem Ausführungsbeispiel keinen Kühlbereich auf. Bei der torusförmigen Kühlluftströmung B wird die Kühlluftströmung in axialer Richtung der Rotationsachse 5 über die rotierenden Komponenten geführt. Anschließend kann die Strömung beispielsweise, wie in dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel, über einen Wärmetauscher 9 geführt werden. Die Kühlluftströmung wird nachfolgend abgelenkt und in einem Bereich, welcher konzentrisch zur Rotationsachse 5 und in radialer Richtung an die rotierenden Komponenten angrenzend liegt, in entgegengesetzter axialer Richtung der Rotationsachse 5 zurückgeführt. Die torusförmige Kühlluftströmung B kann auch mit umgekehrter Strömungsrichtung, entgegengesetzt der in der 4 dargestellten Strömungsrichtung eingesetzt werden.
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In der 5 ist ein viertes Ausführungsbeispiel abgebildet, welches eine Steuerplatine 8 umfasst und in welchem die Steuerplatine 8 in einem Winkel α zu einer Ebene E senkrecht zur Rotationsachse 5 angeordnet ist. Durch diese beispielhafte Anordnung der Steuerplatine 8 kann bei einer Rotation der Steuerplatine 8 um die Rotationsachse 5 eine Luftströmung in eine Richtung längs der Rotationsachse 5 erzeugt werden, wodurch keine Flügelelemente zur Erzeugung der Luftströmung notwendig sind. Im vierten Ausführungsbeispiel ist die Kühlluftströmung als kreisförmige Kühlluftströmung A und das Gehäuse 10 mit einem Kühlbereich 11 ausgeführt, analog dem Ausführungsbeispiel in der 1.
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Die Steuerplatine 8 kann zudem in allen beschriebenen Ausführungsbeispielen am Rotationselement angeordnet werden und beispielsweise Bauelemente 60, welche gekühlt werden, umfassen.
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Bei allen Ausführungsbeispielen ist beispielsweise eine Montage der Lidar-Anordnung 1 an einer parallel zur Rotationsachse 5 liegenden Außenseite des Gehäuses möglich, wie im ersten Ausführungsbeispiel in 1 dargestellt.
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Ferner ist bei allen Ausführungsbeispielen auch eine Montage an einer Außenseite senkrecht zur Rotationsachse möglich, wie im dritten Ausführungsbeispiel in 4 gezeigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012110584 A1 [0002]
