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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Baugruppe, einen LiDAR-Sensor und ein Fortbewegungsmittel.
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Geräte mit hoher elektrischer Leistungsaufnahme erfordern typischerweise spezielle Maßnahmen, die eine Überhitzung von Komponenten verhindern. Häufig werden Kühlstrukturen im Inneren des Gerätes vorgesehen, welche die Oberfläche vergrößern und somit die Wirksamkeit für eine freie Konvektion erhöhen.
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In geschlossenen Systemen (z.B. LiDAR-Sensoren) mit niedrigen Drehzahlen ist der Einfluss der erzwungenen Konvektion gering. Derartige Systeme rotieren üblicherweise mit einer Drehzahl von etwa 300 bis 1000 rpm. Der Wärmeaustausch zwischen Rotor und Gehäuse über die dazwischen befindliche Luft ist somit nur eingeschränkt möglich. Dies wird üblicherweise dadurch gelöst, dass statt geschlossenen Systemen offene Systeme verwendet werden, damit ein direkter Wärme- und Stofftransfer zwischen System und Umgebung stattfinden kann.
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Die inneren Kühlstrukturen können mit einem Lüfter, welcher Luft aus einem externen Reservoir bezieht, angeströmt werden. Somit kann eine gute Erwärmung durch erzwungene Konvektion erzielt werden. Hierfür sind sowohl ein externer Lüfter als auch eine genaue Vorgabe für die relative Positionierung von Lüfter und Kühlstruktur erforderlich. Ferner können bei Verwendung eines offenen Systems Schmutzpartikel durch den Stoffaustausch in das Gehäuse bzw. hin zu empfindlichen Sensorelementen gelangen.
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US 2018/197727 A1 offenbart eine passive Kühlmethode, um Wärme aus einem rotierenden Gerät zu entfernen. Es handelt sich hierbei um eine Kühlstruktur, welche auf der Ober- und Unterseite des Geräts angebracht ist.
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US 2006/066156 A1 offenbart eine Kühlung eines Motors mit rotierenden Wärmeleitungen.
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WO 2008/033361 A2 und
DE 11 2006 001 734 B4 offenbaren Piezolüfter mit einem Piezoaktuator, welche dafür verwendet werden, ein offenes System zu kühlen.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Baugruppe für einen Umgebungssensor. Als Umgebungssensor kommt beispielsweise ein LiDAR-Sensor und/oder eine Kamera und/oder ein sonstiger opto-elektronischer Sensor in Betracht. Die erfindungsgemäße Baugruppe umfasst ein geschlossenes Gehäuse. Der Begriff „geschlossen“ bedeutet gemäß thermodynamischer Definition, dass ein Energieaustausch mit der Umgebung möglich ist; nicht jedoch ein Stoffaustausch. Hingegen ist ein „offenes“ System im Sinne der thermodynamischen Definition ein System, welches sowohl Stoffaustausch als auch Energieaustausch mit der Umgebung zulässt. Innerhalb des geschlossenen Gehäuses ist ein Rotor angeordnet. Der Rotor ist ausgelegt, den Umgebungssensor aufzunehmen. Der Rotor kann beispielsweise ausgelegt sein, einen Umgebungssensor, beispielsweise eine LiDAR-Sendeeinheit aufzunehmen, so dass dieser durch das Gehäuse, beispielsweise durch ein transparentes Fenster, aus dem Gehäuse herausstrahlen kann. Beispielsweise kann der Rotor eine Befestigungsvorrichtung aufweisen, an welcher ein Sensor befestigbar ist. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Baugruppe ein Piezoelement innerhalb des Gehäuses. Das Piezoelement ist insbesondere der äußeren Struktur nach tetragonal oder orthorhombisch geformt. Das Piezoelement hat insbesondere eine Kantenlänge von 0,5 bis 25 mm. Insbesondere können eine Kantenlänge 2 bis 5 mm und die beiden anderen Kantenlängen 15 bis 20 mm betragen. Das Piezoelement ist ausgelegt, durch eine Anregung mit einer elektrischen Wechselspannung einen Druckgradienten in einem Zwischenraum zwischen dem Rotor und dem Gehäuse zu erzeugen.
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Die Wechselspannung zur Anregung beträgt 5 bis 50 Vpp, bevorzugt 10 bis 20 Vpp. Mit anderen Worten wird durch eine elektrische Anregung des Piezoelements ein Druckgradient erzeugt, über welchen die Wärme von dem Umgebungssensor, welcher insbesondere in dem Rotor angeordnet ist, zu dem Gehäuse geleitet werden kann. Somit kann ein besserer Wärmeabtransport von dem Rotor zu dem Gehäuse und von dem Gehäuse in die Umgebung stattfinden. Mithilfe des Piezoelementes können Druckgradienten von bis zu 1500 Pa erzielt werden. Für einen Rotor, welcher sich innerhalb eines geschlossenen Erzeugnisses befindet, beispielsweise im Falle eines LiDAR-Sensors, findet keine erzwungene Konvektion statt, da derartige Rotoren beispielsweise bei Drehzahlen von 300 bis 1000 rpm betrieben werden. Um eine erzwungene Konvektion zu erreichen, müsste eine Drehzahl von bis zu 2000 rpm erzeugt werden, wobei diese Drehzahl allerdings nicht mit der einwandfreien Funktionsweise des Umgebungssensors zu vereinbaren ist. Durch den erzeugten Druckgradienten können Taylor-Wirbel erzeugt werden, welche die erzwungene Konvektion der Wärme zwischen dem Rotor und dem Gehäuse verbessern und somit eine verbesserte Wärmeabfuhr aus dem Rotor ermöglichen. Dies hat insbesondere zum Vorteil, dass der Wärmetransfer aus dem Inneren des geschlossenen Gehäuses, wo sich der Rotor mit dem Sensor als Wärmequelle befindet, über die erzwungene Konvektion besser über das Gehäuse abgeführt werden kann. Der Zwischenraum zwischen Rotor und geschlossenem Gehäuse umfasst vorzugsweise ein Gas oder ein Gasgemisch (z.B. Luft). Durch das Piezoelement ist es möglich, eine gezielte Zirkulation des Gases und/oder des Gasgemisches zu erzeugen, um die Wirksamkeit der erzwungenen Konvektion zu erhöhen. Somit ist ein Wärmeaustausch über das Gas oder Gasgemisch in einem geschlossenen und rotierenden System möglich, ohne externe Lüftungsvorkehrungen (z.B. Lüfter oder Luftreservoirs) bereitstellen zu müssen. Ein weiterer Vorteil des Piezoelementes gegenüber einem konventionellen Lüfter ist seine kleine Bauform und die Unempfindlichkeit gegenüber Vibrationen und Erschütterungen.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Baugruppe ist der Rotor geschlossen. Dies bedeutet, dass durch die Oberfläche des Rotors lediglich Energie- allerdings kein Stoffaustausch erfolgen kann. Allerdings kann der Rotor einen Innenraum aufweisen, in dem sich beispielsweise ein Sensor oder eine sonstige Wärmequelle befinden kann. Insbesondere kann der Rotor ein optisch durchlässiges Fenster aufweisen, welches permeabel für eine LiDAR-Strahlung ist. Das Fenster ist insbesondere für Wellenlängen von 95 bis einschließlich 1024 nm durchlässig.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Baugruppe ist mindestens ein Piezoelement an einer inneren Wand des Gehäuses oder am Rotor befestigt. Beispielsweise können der Rotor und das Gehäuse jeweils Platinen aufweisen, auf denen das Piezoelement befestigt ist und über die das Piezoelement mit der elektrischen Wechselspannung versorgt wird. Hierbei ist lediglich wichtig, dass das Piezoelement nach wie vor ausgelegt ist, einen Druckgradienten zwischen Rotor und Gehäuse zu verursachen, um die Wärmeabfuhr zu ermöglichen. Weiterhin kann, wenn beispielsweise ein Piezoelement an die Innenwand des Gehäuses angebracht ist, zusätzlich ein weiteres Piezoelement am Rotor angebracht sein. Auf diese Weise kann der Druckgradient über einen weiten Bereich des Zwischenraums erzielt werden und der Wärmedurchgang durch den Zwischenraum wird somit erleichtert.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst der Zwischenraum mindestens eine Kühlrippe. Hierbei kann die Kühlrippe an einer Innenwand des Gehäuses als und/oder am Rotor befestigt sein. Hierbei ist es lediglich entscheidend, dass die Kühlrippe dazu beiträgt, die Oberfläche einer Innenwand des Gehäuses und/oder einer Rotoroberfläche derart zu vergrößern, dass der Wärmeaustausch über den Zwischenraum erleichtert wird. Beispielsweise weist die Kühlrippe eloxiertes Aluminium auf. Insbesondere umfasst die Kühlrippe Abmessungen von 10 bis 30 mm x 10 bis 30 mm x 5 bis 15 mm.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Piezoelement derart angeordnet, dass ein axialer Druckgradient bezüglich einer Rotationsachse des Rotors in dem Zwischenraum erzeugt wird. Beispielsweise kann das Piezoelement derart ausgerichtet sein, dass eine erzwungene Konvektion parallel zur Rotationsachse des Rotors erzeugt wird, um einen Druckgradienten entlang der Rotorachse zu erzeugen. Hierfür kann insbesondere das Piezoelement am Boden des Gehäuses, also in derselben Ebene, in welcher sich der Rotorschaft befindet, angeordnet sein, wobei die Richtung der erzeugten Konvektion parallel zur Rotorachse ist. Zusätzlich oder alternativ kann das Piezoelement derart angeordnet sein, dass ein radialer Druckgradient bezüglich der Rotationsachse des Rotors in dem Zwischenraum erzeugt wird. Hierfür kann das Piezoelement insbesondere auf einer Rotoroberfläche angebracht sein und die Richtung, in welcher der Druckgradient durch das Piezoelement erzeugt wird, kann senkrecht zur Rotationsachse des Rotors verlaufen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind das Piezoelement und die Kühlrippen auf dem Rotor, insbesondere auf der Oberfläche des Rotors angeordnet. Insbesondere kann das Piezoelement auf einer Leiterplatine, welche sich auf der Oberfläche des Rotors befindet, angeordnet sein. Weiterhin ist das Piezoelement derart ausgelegt, bei Anregung mit einer elektrischen Wechselspannung parallel zur Rotationsachse des Rotors, und insbesondere parallel zur Oberfläche des Rotors, einen Druckgradienten entlang der Kühlrippe zu erzeugen. Hierbei wird zusätzlich zur Wärmeleitung, welche über die vergrößerte Oberfläche der Kühlrippe erzeugt wird, durch die erzwungene Konvektion, welche entlang der Kühlrippe erzeugt wird, die Wärmeabfuhr aus dem Rotor, welcher insbesondere einen Sensor enthält, verbessert. Beispielsweise können zwei oder mehr derartig vorstehend beschriebene Piezoelement-Kühlrippenpaare auf der Rotoroberfläche angeordnet sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Baugruppe ist das Piezoelement an einer Innenwand des Gehäuses angeordnet und die Kühlrippe ist auf der Rotoroberfläche derart angeordnet, dass das Piezoelement eingerichtet ist, einen auf die Kühlrippe gerichteten Druckgradienten zu erzeugen. Hierbei ist es wiederum möglich, mehrere dieser Piezoelement-Kühlrippenpaare derart anzuordnen, dass eine Abwärme, welche durch eine Wärmequelle des Rotors erzeugt wird, gleichmäßig abgeführt wird und der Wärmeaustausch zwischen Rotor und Gehäuse somit verstärkt wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Gehäuse ein Fenster auf, welches das Passieren eines Wellenlängenbereiches eines Lichts ermöglicht. Hierbei ist es lediglich entscheidend, dass die thermodynamisch vorstehend definierte Geschlossenheit des Gehäuses sichergestellt ist.
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Die folgenden erfindungsgemäßen Aspekte weisen die vorteilhaften Ausgestaltungen und Weiterbildungen mit den wie vorstehend genannten technischen Merkmale sowie die generellen Vorteile der erfindungsgemäßen Baugruppe und die jeweils damit verbundenen technischen Effekte entsprechend auf. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird deshalb in der Folge auf eine erneute Aufzählung verzichtet.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen LiDAR-Sensor umfassend eine Baugruppe gemäß dem ersten Aspekt. Vorteilhafterweise sind die LiDAR-Sendeeinheit und/oder der LiDAR-Detektor als Umgebungssensor innerhalb des insbesondere geschlossenen Rotors angeordnet. Hierbei umfasst das geschlossene Gehäuse insbesondere ein Fenster, welches insbesondere durchlässig für Signale im optischen Frequenzbereich, in welchem LiDAR-Optik üblicherweise betrieben wird, ist. Insbesondere sind hierbei die Welle des Rotors und der Motor, welcher die Rotorwelle betreibt, innerhalb des Gehäuses angeordnet. Die Abwärme, welche der Motor produziert, kann ebenfalls durch den Druckgradienten, welcher durch das Piezoelement erzeugbar ist, besser abgeführt werden.
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Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Fortbewegungsmittel umfassend einen LiDAR-Sensor gemäß dem zweiten Aspekt. Als Fortbewegungsmittel im Sinne der Erfindung kommen z.B. Automobile, insbesondere PKW und/oder LKW, und/oder Flugzeuge und/oder Schiffe und/oder Motorräder infrage.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Baugruppe;
- 2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Baugruppe;
- 3 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Baugruppe;
- 4 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LiDAR-Sensors; und
- 5 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Baugruppe 10. Innerhalb eines geschlossenen Gehäuses 1 ist ein Rotor 2 angeordnet. Vorzugsweise ist dieser Rotor 2 ebenfalls geschlossen. Innerhalb des Rotors 2 befinden sich Wärmequellen H1 bis Hn . Beispielsweise kann eine der Wärmequellen H1 bis Hn eine LiDAR-Sendeeinheit, z.B. ein Laser, und/oder eine LiDAR-Empfangseinheit (z.B. ein Detektor) und/oder einen Elektromotor umfassen. Zwischen dem Rotor 2 und dem geschlossenen Gehäuse 1 befindet sich ein Zwischenraum 3, welcher vorzugsweise Luft enthält. Am Boden des Gehäuses 1 befinden sich nahe der jeweiligen Innenwand des Gehäuses 1 ein erstes Piezoelement 4a und ein zweites Piezoelement 4b. Die Piezoelemente 4a, 4b sind eingerichtet, eine erzwungene Konvektion bzw. einen Druckgradienten innerhalb des Zwischenraums 3 zu erzeugen. Die erzwungene Konvektion 9 ist durch geschwungene Pfeile dargestellt. Hierdurch kann die Wärme, welche durch freie Konvektion 8 und durch Wärmeleitung aus dem Rotor freigesetzt wird, besser an das Gehäuse 1 und somit die Umgebung abgeführt werden. Hierbei erzeugen die Piezoelemente 4a und 4b insbesondere einen axialen Druckgradienten zum Rotor 2. Hierbei kann insbesondere Luft an der Unterseite der Piezoelemente 4a, 4b angesaugt werden und durch den piezoelektrischen Effekt, welcher durch das Anlegen einer Wechselspannung an eines der Piezoelemente 4a, 4b erzeugt wird, komprimiert werden.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Baugruppe 20. Hierbei sind Piezoelemente 4a-4f auf dem Rotor 2 angebracht. Die Richtung, in welcher die erzwungene Konvektion durch die andere elektrische Anregung der Piezoelemente 4a-4f erzeugt werden kann, ist parallel zu einer Rotationsachse R. Hierbei wird ein Druckgradient entlang einer dem jeweiligen Piezoelement 4a-4f zugeordneten Kühlrippe 5a bis 5f. Dadurch, dass der Kühlkörper durch die erzwungene Konvektion 9 permanent angeströmt wird, kann der Kühleffekt dieser Kühlrippe sichergestellt werden.
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3 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Baugruppe 30. Hierbei sind sechs Piezoelemente 4a- 4f an einer Innenwand des Gehäuses 1 angeordnet. Die Piezoelemente 4a- 4f sind derart angeordnet, dass diese senkrecht zu den sechs vorhandenen Kühlrippen 5a- 5f eine erzwungene Konvektion erzielen können. Durch diese Art der Anordnung können eine oder mehrere Wärmequellen H1 bis Hn gleichmäßig von allen Seiten abgekühlt werden. Zudem wird wiederum die Luft zwischen Gehäuse 1 und Rotor 2 mit einer erzwungenen Konvektion angeregt, so dass der Wärmeaustausch zwischen Rotor 2 und dem geschlossenen Gehäuse 1 stattfinden kann.
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4 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LiDAR-Sensors 40, welcher eine erfindungsgemäße Baugruppe 10, 20, 30 aufweist.
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5 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels 50 in Form eines Automobils, welches einen erfindungsgemäßen LiDAR-Sensor 40 als Umgebungssensor aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2018197727 A1 [0005]
- US 2006066156 A1 [0006]
- WO 2008/033361 A2 [0007]
- DE 112006001734 B4 [0007]
