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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beaufschlagen einer insbesondere optischen Sensoroberfläche mit einer insbesondere laminaren Luftströmung. Derartige Vorrichtungen sind erforderlich, um beispielsweise außen angeordnete optisch wirksamen Oberflächen fahrzeugintegrierter Sensoren mit einer Luftströmung zu trocknen oder vor diesen einen schützenden Luftfilm aufzubauen, um beispielsweise einen Kontakt mit Wassertropfen bei Regenfahrten zu verhindern.
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Bei modernen Fahrzeugen werden zunehmend verschiedene Assistenzsysteme eingesetzt, welche mit optischen oder optoelektronischen Sensoren arbeiten. Für eine zuverlässige Funktion müssen optisch wirksamen Oberflächen solcher Sensoren stets und frei von Kontaminierungen gehalten werden, welche Lichtstrahlen streuen oder verzerren könnten.
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Zur Reinigung von solchen exponierten Oberflächen werden häufig flüssigkeitsbasierten Reinigungssysteme eingesetzt. Solche Systeme können jedoch selbst unerwünschte Kontaminierungen hinterlassen wie beispielsweise anhaftende Flüssigkeitstropfen oder Flecken, welche Reinigungsflüssigkeit nach dem Eintrocknen auf der Oberfläche hinterlassen kann. Ebenso können flüssigkeitsbasierten Reinigungssysteme keine effektive Abhilfe bei Fahrten im Regen oder bei Nebel leisten, wenn die Feuchtigkeit aus der Umgebung sich ständig auf den optischen Oberflächen absetzt oder kondensiert. Insbesondere laserbasierten Abstands- und Geschwindigkeitssensoren, sogenannte LiDARe stellen eine besonders große Herausforderung dar, denn beispielsweise im Vergleich zu Kameras weisen sie eine deutlich größere Oberfläche, welche sauber gehalten werden muss.
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Zur Lösung dieses Problems ist es bekannt besondere Vorrichtungen einzusetzen, welche Flüssigkeiten und gegebenenfalls auch losen Staub von den vorgenannten Sensoroberflächen mithilfe einer Luftströmung aktiv entfernen können.
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Aus
DE 102019211898 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der mehrere entlang der Oberfläche in Rehe angeordnete piezoelektrische Lüfter eingesetzt sind, weiche eine Luftströmung parallel zur Oberfläche ausstoßen. Hierbei sind zwischen den Lüftern und der Oberfläche mehrere nebeneinander angeordnete Lamellen positioniert. Eine derartige Konstruktion ist jedoch komplex, benötigt viel Bauraum gerade in dem sehr knapp oder gar nicht verfügbaren, dem Sensor in vorgelagerten Raumbereich, verursacht zudem durch die seitlich offene Lamellenkonstruktion Wirkungsgradverluste. Zudem besteht die Gefahr, dass bei Regen feuchte Luft durch die Lüfter zur Oberfläche gefördert wird.
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Aus
WO 2006033828 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, welche ein rohrförmiges Gehäuse mit zwei separaten parallelgeführten und an einer Seite verschlossenen Innenkanälen mit jeweils konstanten Querschnitten aufweist. Die beiden Innenkanäle können separat voneinander mit Druckluft versorgt werden. Das Gehäuse ist unterhalb der optischen Oberfläche, der unteren Oberflächenkante folgend eingerichtet. In der Wandung eines der beiden Kanäle sind entlang des Kanalverlaufs hintereinander mehrere Behrungen beziehungsweise Punktdüsen angeordnet, welche ortfokussierte Luftstrahlen erzeugen. In der Wandung des anderen Kanals ist entlang der gesamten Oberflächenkante sowie parallel zur Strömungsrichtung in dem Kanal ein Schlitz ausgebildet, welches eine laminare Luftströmung entlang der Oberfläche erzeugen soll.
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Bei einem derartig gestalteten System müssten Wassertropfen von der optischen Oberfläche nach oben und somit entgegen der Schwerkraftwirkung entfernt werden, zudem nimmt der Strömungsdruck entlang des Kanalverlaufs ab, wodurch die Oberfläche stark ungleichmäßig mit Luftströmung beaufschlagt wird. Um solche konstruktionsbedingten Nachteile auszugleichen wären übermäßig leistungsfähige und somit große und teure Drucklufterzeuger erforderlich, wodurch der Wirkungsgrad erheblich reduziert wird. Zudem kann Regenwasser oder jede andere von der Oberfläche abfließende Flüssigkeit durch die nach oben offenen Schlitz und Düsen in die Innenkanäle gelangen und darin bspw. einfrieren oder beim nächsten Betrieb die Oberfläche kontaminieren statt zur reinigen und zu schützen.
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Es stellt sich somit die Aufgabe, eine unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile eine verbesserte gattungsgemäße Vorrichtung für eine gleichmäßige Beaufschlagung optischer Oberflächen vorzuschlagen.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit Merkmalen nach dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen und weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung und Figuren.
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Die Erfindung sieht vor, dass das Luftführungselement der Vorrichtung eine flache spaltförmige Austrittsöffnung und einen geschlossenen Querschnitt mit einem Innenkanal aufweist, welcher zumindest abschnittsweise durch Trennstege in mehrere Einzelkanäle aufgeteilt ist. Damit kann die von der Luftströmungsquelle geförderte Luftmenge besonders gleichmäßig entlang die Austrittsöffnung verteilt werden. Auch größere Oberflächen können dadurch mit einem hohen Wirkungsgrad gleichmäßig mit einer laminaren Strömung beaufschlagt und effektiv und von anhaftenden Flüssigkeitsresten befreit werden. Ebenso kann die Vorrichtung vergleichsweise energiesparend im Dauerbetrieb eingesetzt werden, um vor eine schützende Schichtströmung aufzubauen, welche anfliegende Staubpartikel und Wassertropfen von der Oberfläche fernhält.
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Die vorliegende Erfindung und ihre weiteren Einzelheiten und Vorteile werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 beispielhafte Einbauposition der Sensorvorrichtung in einem Fahrzeug.
- 2 vereinfachten Frontansicht (a), Draufsicht in Schnittdarstellung (b) und Seitenansicht (c) der Vorrichtung zusammen mit der zugeordneten Sensorvorrichtung.
- 3 eine vergrößerte Schnittansicht durch die Kanalachse im Bereich der Austrittsöffnung.
- 4 einen Querschnitt des durch Trennstege aufgeteilten Innenkanals.
- 5 das Luftführungselement in räumlicher Ansicht.
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Fig.1
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1 verdeutlicht beispielhaft und stark vereinfacht die Einbaulage in einem Pkw eines Sensormoduls1 100, welcher eine erfindungsgemäße pneumatische Vorrichtung 1 zusammen mit einer als ein LiDAR ausgebildeten Sensorvorrichtung 3 umfasst.
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Die Sensorvorrichtung 3 muss möglichst weit vorne am Fahrzeug angebracht sein, um ungehindert das vor dem Fahrzeug liegende Bereich überwachen zu können. Die Oberfläche 2 Sensorvorrichtung ist hierbei im Wesentlichen senkrecht ausgerichtet, wodurch unter anderem Reflexionen und der Einfluss der Sonneneinstrahlung reduziert werden.
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Bedingt durch die Einbauposition ist in Fahrtrichtung vor der Sensorvorrichtung 3 kein Bauraum vorhanden die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ist daher im Wesentlichen oberhalb der Sensorvorrichtung 3 angeordnet.
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Fig.2
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2 zeigt eine Ausführungsform des vorstehend beschriebenen Sensormoduls 100, welches eine erfindungsgemäße pneumatische Vorrichtung 1 und eine als ein LiDAR ausgeführte Sensorvorrichtung 3 beinhaltet.
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Die Vorrichtung 1 weist eine Luftströmungsquelle 5 auf, welche die darin erzeugte Luftströmung durch eine Eintrittsöffnung 9 in ein Luftführungselement 4 einleitet, welches diese zur Oberfläche 2 der Sensorvorrichtung 3 führt und aus einer Austrittsöffnung 6 gleichmäßig über die Oberfläche 2 verteilt austreten lässt.
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Die lediglich symbolhaft dargestellte Luftströmungsquelle 5 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel seitlich im Bereich der Rückseite der Sensorvorrichtung 3 angeordnet, wodurch Bauraum oberhalb und hinter der Sensorvorrichtung 3 eingespart wird.
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Die Luftströmungsquelle 5 ist bevorzugt als ein elektrischer oder piezoelektrischer Lüfter realisiert. Ein derartiger Lüfter kann besonders kompakt aufgebaut sein und hierdurch bedingt, unmittelbar an der Sensorvorrichtung 3 befestigt werden könnten. Dadurch muss die Luftströmung zwischen der Quelle und dem Ziel lediglich sehr kurze Wege mit geringen Druckverlusten passieren. Zudem kann die Sensorvorrichtung 3 zusammen mit der Vorrichtung 1 als ein montageeffizientes Sensormodul vorkonfektioniert werden.
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Innerhalb der Erfindung können jedoch je nach Anwendungsfall auch andere, auch entfernt angeordnete und über Leitungen verbundenen Quellen eingesetzt werden, beispielsweise ein Kompressor, ein Druckluftspeicher oder andere pneumatische Quellen dienen.
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Das Luftführungselement 4 erstreckt sich bogenförmig über die Oberseite 14 der Sensorvorrichtung 13 von deren Rückseite 15 bis zu Vorderseite 13. Das Luftführungselement 4 ist als ein dünnwandiges abgeflachtes Rohr aus Kunststoff gestaltet und weist in seinem Inneren einen gebogenen Innenkanal 8 auf, durch welchen die Luftströmung entlang der Kanalachse Z zu Oberfläche 2 geführt wird. Das Luftführungselement 4 kann beispielsweise als ein Schalenkörper aus zwei miteinander verschweißten, verrasteten oder andersartig verbundenen Halbschalen gebaut, als ein Blasformteil erzeugt oder mit anderen geeigneten Verfahren hergestellt werden.
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Der Innenkanal 8 ist durch mehrere, im gezeigten Ausführungsbeispiel vier Trennstege 18a, 18b, 18c, 18d in fünf Einzelkanäle 19a, 19b, 19c, 19d, 19e aufgeteilt. Alle Trennstege verlaufen entlang der Strömungsrichtung bis zur Austrittsöffnung 6 und sind quer zur Strömungsrichtung gleichmäßig zueinander beabstandet angeordnet, wodurch die Querschnittsflächen der Einzelkanäle vorzugsweise gleich sind oder eine Abweichung von nicht größer als 10 % haben. Dies sorgt dafür, dass Druckverhältnisse und Strömungsgeschwindigkeiten in dem gesamten Innenkanal 8 quer zur Strömungsrichtung annähernd gleich sind und die Luftmenge gleichmäßig über die gesamte Innenkanalbreite verteilt zur Austrittsöffnung 6 gelangt.
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Die Eintrittsöffnung 9 ist im gezeigten Beispiel annähernd rechteckig gestaltet, kann jedoch je nach Anwendungsfall auch kreisrund oder mit anderen Querschnitten ausgebildet sein.
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Für nicht runde durchströmte Rohrquerschnitte kann gemäß Strömungslehre ein zugehöriger hydraulische Durchmesser DH definiert werden.
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Im Allgemeinen wird der hydraulische Durchmesser DH nach der Formel DH = 4Q/U berechnet, wobei Q die Querschnittsfläche und U der benetzte Umfang des nicht kreisförmigen Querschnitts sind.
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Damit die von der Luftströmungsquelle 5 erzeugte Luftmenge auch möglichst gleichmäßig verteilt in die Einzelkanäle 19a, 19b, 19c, 19d, 19e gelangt, beginnen der Trennstege 18a, 18b, 18c, 18d von der Eintrittsöffnung 9 in Strömungsrichtung gesehen in einem Abstand S von nicht weniger als der Betrag des hydraulischen Durchmessers DH der Eintrittsöffnung 9.
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Um eine gleichmäßige laminare Strömung über der Oberfläche 2 weiter zu begünstigen sind die Querschnittsflächen der Austrittsöffnung 6 und der Eintrittsöffnung 9 idealerweise gleich oder mit Unterschied von bevorzugt weniger als 10% ausgelegt.
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Die Oberfläche 2 der Sensorvorrichtung 3 weist im vorliegenden Beispiel einen optisch wirksamen Bereich 7, welcher die dahinter liegenden, nebeneinander angeordneten Sendereinheit 16 und Empfängereinheit 17 abdeckt.
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Je nach Konstruktion der Sensorvorrichtung 3 kann der optisch wirksame Bereich 7 gemäß dem tatsächlich benötigten Bedarf variieren. So können beispielsweise die Sendereinheit 16 und die Empfängereinheit 17 bei einem LiDAR auch anders aufgebaut sein, beispielsweise koaxial oder über ein Spiegelsystem optisch gekoppelt, was eine entsprechende Anpassung des optisch wirksamen Bereiches 7 oder die gesamten Oberfläche 2 nach sich zieht.
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Die Austrittsöffnung 6 des Luftführungselements 4 ist spaltförmig sowie quer zur Kanalachse Z im Austrittsbereich ausgebildet, wobei die Länge der Austrittsöffnung 6 derart ausgelegt ist, dass sie den gesamten optisch wirksamen Bereich überspannt. Für Erzeugung einer gleichmäßig intensiven laminaren Strömung über der Oberfläche 2 ist es zudem hilfreich, wenn die Länge der Kanalachse Z größer als die Länge der Austrittsöffnung 6 ist.
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Fig.3
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3 zeigt vergrößert einen Schnitt durch Kanalachse Z im Bereich der Austrittsöffnung 6 des Luftführungselements 4. die Kanalachse Z verläuft im oberflächenseitigen Bereich des Luftführungselements 4 parallel zur Oberseite 14 der Sensorvorrichtung 3 und ist daher nahezu senkrecht zur Oberfläche 2 ausgerichtet. Um die Luftströmung in Richtung Oberfläche 2 umzulenken, weist das Luftführungselement 4 eine in einem definierten Umlenkwinkel W quer zur Strömungsrichtung geneigte Lippe 12 auf, welche als eine Art Pralllippe in die Strömung hineinragt und diese zur sowie entlang der Oberfläche 2 ausrichtet. Die Lippe 12 bildet hierbei auch einen von der Oberfläche 2 entfernten Rand 11 der Austrittsöffnung 6, wobei der oberflächennahe Rand 10 der Austrittsöffnung 6 unmittelbar an deren Oberkante kompakt anliegt.
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Fig.4
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4 zeigt einen Querschnitt durch den Innenkanal 8 mit Trennstegen 18a, 18b, 18c, 18d und Einzelkanälen 19a, 19b, 19c, 19d, 19e für eine gleichmäßige Aufteilung des flachen Innenkanals 8 in separate Abschnitte mit gleichen Querschnittsflächen, zwecks optimierter gleichmäßiger Strömungsverteilung über die gesamte Kanalbreite.
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Fig.5
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5 dient zur Verdeutlichung der räumlichen Gestaltung des bogenförmigen Luftführungselements 4.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Oberfläche
- 3
- Sensorvorrichtung
- 4
- Luftführungselement
- 5
- Luftströmungsquelle
- 6
- Austrittsöffnung
- 7
- Optisch wirksamer Bereich
- 8
- Innenkanal
- 9
- Eintrittsöffnung
- 10
- Oberflächennahe Rand der Austrittsöffnung
- 11
- Oberflächenferne Rand der Austrittsöffnung
- 12
- Lippe
- 13
- Vorderseite
- 14
- Oberseite
- 15
- Rückseite
- 16
- Sendereinheit
- 17
- Empfängereinheit
- 18
- Trennsteg
- 19
- Einzelkanal
- 100
- Sensormodul
- DH
- Hydraulischer Durchmesser der Eintrittsöffnung
- S
- Abstand
- Z
- Kanalachse
- W
- Umlenkwinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019211898 A1 [0005]
- WO 2006033828 A1 [0006]
