EP3954938A1 - Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung mit beheizbarer abdeckscheibe - Google Patents

Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung mit beheizbarer abdeckscheibe Download PDF

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EP3954938A1
EP3954938A1 EP21187652.9A EP21187652A EP3954938A1 EP 3954938 A1 EP3954938 A1 EP 3954938A1 EP 21187652 A EP21187652 A EP 21187652A EP 3954938 A1 EP3954938 A1 EP 3954938A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
motor vehicle
lighting device
electrically conductive
conductive layer
Prior art date
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Pending
Application number
EP21187652.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Kratschmann
Uwe BREITENBACH
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Marelli Automotive Lighting Reutlingen Germany GmbH
Original Assignee
Marelli Automotive Lighting Reutlingen Germany GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Marelli Automotive Lighting Reutlingen Germany GmbH filed Critical Marelli Automotive Lighting Reutlingen Germany GmbH
Publication of EP3954938A1 publication Critical patent/EP3954938A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S45/00—Arrangements within vehicle lighting devices specially adapted for vehicle exteriors, for purposes other than emission or distribution of light
    • F21S45/60—Heating of lighting devices, e.g. for demisting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S41/00—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps
    • F21S41/20—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps characterised by refractors, transparent cover plates, light guides or filters
    • F21S41/28—Cover glass
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/10—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H05B3/12—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material
    • H05B3/14—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material the material being non-metallic
    • H05B3/145—Carbon only, e.g. carbon black, graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/84—Heating arrangements specially adapted for transparent or reflecting areas, e.g. for demisting or de-icing windows, mirrors or vehicle windshields
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/013—Heaters using resistive films or coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/037—Heaters with zones of different power density
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2214/00—Aspects relating to resistive heating, induction heating and heating using microwaves, covered by groups H05B3/00, H05B6/00
    • H05B2214/04—Heating means manufactured by using nanotechnology

Definitions

  • the present invention relates to a motor vehicle lighting device comprising a housing with a light exit opening which is closed by a transparent cover pane, and a light module arranged in the housing for generating a light distribution and for emitting the light distribution along a beam path through the cover pane, the cover pane being heatable .
  • Such a motor vehicle lighting device is, for example, from JP H10-109 587 A famous.
  • a flat heating element is proposed there, which is fastened to the inside or outside of a cover pane of a motor vehicle headlight.
  • the heating element comprises a transparent film made of polycarbonate, on which conductor tracks are applied parallel to one another or in a meandering manner. In order to fasten the heating element, it is sprayed over or overmolded with plastic or glass material during production of the cover pane by means of an injection molding process.
  • the cover pane is to be heated up by energizing the conductor tracks, so that condensation occurs on the inside of the cover pane and on the outside Moisture in the form of ice and snow deposits can be removed or prevented (so-called de-icing or de-icing of the cover pane).
  • the cover pane is made of plastic (e.g. polycarbonate (PC) or polymethyl methacrylate (PMMA)) and at the same time the heating element has discrete conductor tracks spaced apart from one another, which only cause local heating of the cover pane in the immediate vicinity of the conductor tracks cause.
  • Plastic is a relatively poor conductor of heat, so that the temperature of the cover plate decreases disproportionately with increasing distance from the conductor tracks, and there is therefore a strong temperature gradient (large temperature gradients) between adjacent conductor tracks.
  • the refractive index of the plastics used for cover plates is strongly temperature-dependent. This means that the refractive index of the cover pane is subject to strong fluctuations and strong differences between adjacent surface areas over its entire surface.
  • the object of the present invention is therefore to create a simple and cost-effective way of realizing effective defrosting of a plastic cover pane of a motor vehicle lighting device, without this simultaneously leading to a temperature-dependent, undesirable local variation in the light distribution.
  • the cover plate in the beam path has an electrically conductive layer with nano-tubes (so-called nano-tubes) made of at least one electrically conductive material and at least temporarily an electrical voltage is applied to the layer so that the An electric current flows through the layer, as a result of which the layer heats up evenly and the heat from the layer heats the cover plate.
  • the electrically conductive layer with the nanotubes can be arranged on the inside and/or outside of the cover pane.
  • the current flowing through the layer encounters the resistance of the nano-tubes, converting electrical energy into heat.
  • the large number of nanotubes and their even distribution in the layer ensures a particularly homogeneous and uniform heating of the layer between the connection electrodes and thus also a particularly homogeneous and uniform heating of the cover plate.
  • the cover pane thus has an essentially constant refractive index over the entire heated surface and variations in the spatial light distribution are prevented. In particular, the resulting light distribution of the lighting device remains unchanged in its entirety despite heating of the cover pane or at most changes slightly uniformly over the entire heated surface of the cover pane.
  • heating layer with the nanotubes is applied directly to the cover pane and not to other components inside the headlight housing, such as decorative panels, reflectors, lenses or the like.
  • the electrically conductive layer with the nanotubes has a relatively high level of transparency, so that particularly low losses in transparency are ensured. These are usually well below 10%. Any losses in transparency can be compensated for by suitable measures in the design or operation of the lighting device, for example by using a larger number or more powerful light sources, operating the light sources with a higher current, longer ON times for PWM control of the light sources, use of larger or more efficient optical components, eg reflectors, screens, etc.
  • the thickness of the layer including the nanotubes is only a few micrometers. The layer has a particularly low weight.
  • the material of the nano tubes can include one or more of the following materials: silver, copper, gold, aluminum, tungsten, zinc, nickel, lithium, platinum, titanium, carbon, graphite.
  • the material of the nanotubes can also include other materials, such as semiconductor materials (e.g. silicon, germanium and/or gallium arsenide) or materials that only acquire semiconductor properties or electrically conductive properties through nanostructuring.
  • the material of the nanotubes can also include any combination of the aforementioned materials with each other or with other materials.
  • the nano-tubes can be single, double, triple or multi-walled tubes.
  • Multi-wall nano tubes are composed of nested single-wall nanotubes.
  • the term "carbon nano tube” (CNT) often also refers to multi-wall carbon nanotubes ; MWCNTs").
  • Nano tubes in the sense of the present invention also includes materials or structures derived therefrom, such as nano wires (nano wires) or Nanobuds® (nano buds).
  • Nano-wires are structures with diameters typically in the range of 10-200 nm (10 -9 m) and lengths in the range of 5-100 ⁇ m (10 -6 m).
  • a carbon nanobud is a material that, in addition to carbon nanotubes (carbon nanotubes) also combine spheroidal fullerenes, both allotropes of carbon, in the same structure and form “buds" attached to the nanotubes.
  • the nanobuds can also comprise materials other than carbon or carbon.
  • the invention thus relates to a system in which the almost transparent nano-tube layer, for example in the form of a carbon nano-tube layer, or a layer derived therefrom, for example with carbon nano-buds (CNBs) or silver nano -Wires (AgNWs), enables a particularly homogeneous and uniform heat emission to the cover plate.
  • the layer is heated between the terminal electrodes.
  • the electrodes extend around the outside of the layer, more preferably one electrode covering part of the perimeter around the layer and another electrode covering another part of the perimeter. In this way, a particularly homogeneous heating of the entire layer can be made possible.
  • the invention has advantages in particular in the case of motor vehicle headlights that are or will be equipped with functions for vehicle assistance systems (e.g. with optical sensors, cameras, LiDAR, or the like).
  • vehicle assistance systems e.g. with optical sensors, cameras, LiDAR, or the like.
  • the invention proposes a system that safely and reliably removes moisture, ice, snow and/or condensation on the cover pane, so that the full transparency of the cover pane is retained even in adverse weather conditions. At the same time, there are no undesired local variations in the refractive index of the material of the cover pane, which could impair proper functioning of the vehicle assistance systems.
  • the system described here makes it possible to remove moisture, ice and snow on an outside of the cover pane and/or a film of condensation on the inside and thus to ensure that the sensors integrated in the lighting device can acquire all the necessary information.
  • the electrically conductive layer with the nanotubes can be applied to the cover pane and attached.
  • a spraying process in connection with a nano-tube dispersion or a printing process in connection with a nano-tube ink can be used after the actual production of the cover plate.
  • the electrically conductive layer with the nanotubes is first applied to a transparent carrier film, which in turn is then attached over a large area to at least part of the inside or the outside of the cover pane.
  • the carrier foil is flexible and preferably consists of polycarbonate (PC). Due to its flexibility, the film can adapt to different shapes of the cover pane, in particular to curvatures in the two-dimensional (e.g. cylindrical shape) or in the three-dimensional area (e.g. spherical shape). In particular, the film can be applied to a 3D shape, for example spherical or toroidal surfaces, using suitable technologies, for example using a heat-assisted deep-drawing process. Due to the use of PC, the film is resistant to weather and chemical or physical influences.
  • the carrier foil preferably has a thickness of likewise only a few micrometers.
  • Fastening the carrier film with the electrically conductive layer applied to it on the cover pane can be adhesive bonding of the carrier film to the inside or outside of the cover pane or spraying or overmolding the carrier film with the layer applied thereto with plastic or glass material from which the cover pane is made is manufactured, include during the manufacture of the cover plate by means of an injection molding process.
  • the carrier film with the nanotube layer is preferably placed in an injection molding tool and overmold with the plastic or glass material.
  • the nano-tube layer can then be provided with a scratch-resistant and/or UV-resistant coating (so-called hard coat coating).
  • a first plastic or glass layer is preferably introduced into the injection mold in a first step, the carrier film with the nanotube layer is then placed on top of it and this is then included in a second step another plastic or glass material overmoulded, so that a second plastic or glass layer is formed.
  • connection electrodes be attached at different points of the layer, preferably on opposite sides of the layer. These can be attached to the layer in different ways. For example, it is conceivable for the electrodes to be glued onto the electrically conductive layer. For this purpose, for example, self-adhesive electrodes can be used. The end of the electrodes facing away from the layer is connected to a voltage source, e.g. a vehicle battery or an electronic processing unit (ECU).
  • the electrically conductive layer should work with the nano-tubes at a voltage of the vehicle battery (e.g. 12 V or 24 V). However, it would also be conceivable to transform the voltage of the vehicle battery (e.g. 48 V) down to an operating voltage of the layer with the nanotubes.
  • the electrically conductive layer is connected to a voltage source of the motor vehicle, for example the vehicle battery, preferably by means of the connecting electrodes, via a switch or controller that can be actuated manually or automatically.
  • the heating of the cover pane can thus be switched on and off either manually or automatically by means of the switch, or a desired current value can be applied by means of the controller.
  • An automatic circuit could automatically switch the heating of the cover pane on or off together with other consumers, for example an interior heater, a rear window heater and/or windshield wipers for the front pane, or apply a corresponding current value.
  • the heating of the cover pane can be switched off with a time delay. It would also be conceivable to automatically switch on the heating of the cover pane at specific times (e.g.
  • This procedure will preferably automatically defined and controlled in coordination with the vehicle ambient temperature.
  • the electrically conductive layer is assigned a sensor which measures the temperature of the electrically conductive layer or a variable dependent thereon and outputs a corresponding measurement signal
  • the lighting device is assigned processing electronics which receive the measurement signal and convert it into An electrical control signal for the electrically conductive layer is generated as a function of the measurement signal.
  • the temperature sensor can, for example, directly detect the temperature of the electrically conductive layer or derive the temperature of the electrically conductive layer from other measured variables, e.g. the temperature of the cover pane, the temperature of the housing of the lighting device, the temperature inside the housing and/or the outside temperature.
  • the processing electronics can also be referred to as an ECU (electronic control unit) and includes, for example, a microprocessor or a microcontroller.
  • a computer program for controlling or regulating the operation of the heating of the cover pane can run on the processing electronics.
  • the recorded or ascertained temperature of the electrically conductive layer with the nanotubes is used as the actual value for regulation.
  • the controlled system of the regulation is formed by the cover disc and the actuator by the electrically conductive layer with the nano tubes.
  • the electrical control signal corresponds to the controlled variable of the regulation, the manipulated variable is formed by the temperature emitted by the electrically conductive layer and the temperature of the cover pane forms the controlled variable.
  • the reference variable (the desired value) of the control ie the target temperature of the cover pane
  • the command variable can be varied as a function of the current ambient temperature, in particular inversely proportional to the ambient temperature.
  • the ambient or outside temperature and/or waste heat from the engine of the motor vehicle can act as disturbance variables.
  • the motor vehicle lighting device according to the invention is designed as a motor vehicle headlight. Since a headlight has not only a signaling function, but also an illumination function in front of the motor vehicle equipped with the headlight, it is particularly important for the safety of the driver of the vehicle that the cover glass is free of moisture, condensation, ice and/or snow is. This is all the more true if additional vehicle assistance systems are integrated into the headlight, the proper functioning of which requires a clear and unrestricted view through the cover lens without moisture, condensation, ice and/or snow. However, it would of course also be conceivable for the motor vehicle lighting device according to the invention to be in the form of a vehicle light (e.g. front, side or rear light). Furthermore, the lighting device could also be designed as a standalone module (e.g. a separate searchlight for emergency vehicles).
  • a motor vehicle 2 with two headlights 4 arranged in the front area on both sides of the vehicle 2 is shown.
  • Each of the headlights 4 can represent a motor vehicle lighting device within the meaning of the present invention.
  • the lighting device could also be embodied as a front vehicle light 6, as is shown, for example, in 1 is shown.
  • the front vehicle light 6 can be designed as a light for turn signals, position lights, parking lights and/or daytime running lights.
  • the lighting device could also be designed as a rear light (not shown) or as a side light 8 .
  • the rear light can be designed as a light for turn signals, position lights, parking lights, brake lights, reversing lights and/or rear fog lights.
  • the side light 8 can be designed as a light for a flashing light and/or marker light.
  • a motor vehicle headlight 4 according to the invention is shown in a vertical section.
  • the headlight 4 comprises a housing 10 with a light exit opening 14 closed by a transparent cover plate 12.
  • the cover plate consists of plastic, preferably PC or PMMA.
  • Inside 16 of housing 10 is at least one light module 18 for generating a light distribution and for emitting the light distribution along a beam path 19 arranged through the cover plate 12 therethrough.
  • two light modules 18 are provided. Of course, fewer or more light modules 18 can also be provided.
  • the light modules 18 are in the form of LED modules, each of which has one or more LEDs as light sources.
  • the LEDs are preferably mounted on a heat sink 20 .
  • the main emission direction of the LEDs is preferably directed upwards, with the light usually being emitted in a 180° half-space above the LEDs.
  • the emitted light is formed by means of primary optics, which in the example shown is designed as a reflector 22, in particular as a half-shell reflector, which encompasses the 180° half-space.
  • the light emitted by the LEDs is bundled by means of the reflectors 22, the light bundle is shaped to produce a predetermined light distribution and directed in the direction of travel through the cover pane 12 into the area in front of the motor vehicle 2.
  • the primary optics could also have one or more attachment optics made of a solid, transparent material, into which the emitted light is coupled and bundled by means of refraction and/or total internal reflection.
  • a combination of reflectors 22 and attachment optics would also be conceivable.
  • each light module 18 has a projection lens 24, which images the shaped light bundle for generating the light distribution in the foreground.
  • the cover plate 12 can be heated.
  • the cover pane 12 have an electrically conductive layer 26 with nanotubes made of at least one electrically conductive material in the beam path 19 and at least temporarily an electrical voltage is applied to the layer 26, so that an electrical current flows through the layer 26, as a result of which the layer 26 heats up uniformly and the heat of the layer 26 heats the cover pane 12.
  • the layer 26 with nanotubes is preferably transparent, i.e. it has transmission losses of ⁇ 10%.
  • the material of the nano tubes can include one or more of the following materials: silver, copper, gold, aluminum, tungsten, zinc, nickel, lithium, platinum, titanium, carbon, graphite.
  • the material of the nanotubes can also include other materials, such as semiconductor materials (eg silicon, germanium and/or gallium arsenide) or materials that only acquire semiconductor properties or electrically conductive properties through nanostructuring.
  • the material of the nanotubes can also include any combination of the aforementioned materials with each other or with other materials.
  • the nano-tubes can be single, double, triple or multi-walled tubes.
  • Multi-wall nano tubes are composed of nested single-wall nanotubes.
  • the term "carbon nano tube” (CNT) often also refers to multi-wall carbon nanotubes ; MWCNTs").
  • Nano tubes in the sense of the present invention also includes materials or structures derived therefrom, such as nano wires (nano wires) or Nanobuds® (nano buds).
  • Nano-wires are structures with diameters typically in the range of 10-200 nm (10 -9 m) and lengths in the range of 5-100 ⁇ m (10 -6 m).
  • a carbon nanobud (CNB) is a material that, in addition to carbon nanotubes, also combines spheroidal fullerenes, both allotropes of carbon, in the same structure and has “buds" attached to the nanotubes ("buds”) forms.
  • the nanobuds can also comprise materials other than carbon or carbon.
  • the layer 26 while in 2 the electrically conductive layer 26 is overmoulded with the nanotubes of plastic material of the cover plate 12, the layer 26 is in 3 applied to an outside of the cover plate 12. Alternatively or additionally, the layer 26 can also be applied to the inside of the cover pane 12 . Layer 26 with the nanotubes can be placed in an injection molding tool and then overmoulded with plastic material of cover pane 12 (cf. 3 ).
  • the layer 26 with the nanotubes is particularly preferably first applied to a flexible, transparent carrier film, which is then overmoulded with the plastic material of the cover pane 12 or is applied to the outside of the cover pane 12 .
  • the carrier film is preferably also made of plastic, in particular PC.
  • the carrier film can have an adhesive layer on the side facing away from layer 26, which allows easy attachment of the carrier film together with layer 26 with the nanotubes on cover pane 12 (cf. 3 ). Due to the flexibility of the carrier film and the layer 26, these can follow a curvature of the cover plate 12 when applied to the cover plate 12.
  • the layer 26 can be applied to a 3D shape, for example spherical or toroidal surfaces, by means of suitable technologies, for example by means of a heat-assisted deep-drawing process.
  • FIG. 4 12 shows a heat distribution of the layer 26 with the nanotubes when it is energized.
  • the temperature scale shown on the right in the figure runs, for example, from 14.7°C to 117°C.
  • An edge area 28 of the layer 26 lies in a temperature range T_28, which corresponds to approximately 60° C. in the present example.
  • An area 30 outside of the edge area 28 has a significantly lower temperature, which is in a temperature range T_30, which corresponds to approximately 30°C.
  • the area of the actual layer 26 has a temperature that is in a temperature range T_26, which corresponds to approximately 90°C. It is particularly noticeable that the entire layer 26, with the exception of a small contact area 32, is heated homogeneously and uniformly.
  • figure 5 shows the outside of a black-edged cover plate 12 to which a transparent carrier film 34 with the electrically conductive layer 26 with the nanotubes is applied.
  • the carrier film 34 is preferably self-adhesive.
  • the application of the carrier film 34 with the layer 26 takes place manually. Of course, the application can also be automated.
  • FIG. 12 shows, by way of example, an electrical circuit for operating the layer 26 with the nanotubes.
  • Terminal electrodes 36 are attached, e.g. glued, to the layer 26 and connected to a power source, e.g. a vehicle battery 38 .
  • the electrically conductive layer can be connected to the energy source 38 via a manually or automatically operable switch 40 or controller.
  • the heating of the cover plate 12 can thus be switched on and off either manually or automatically by means of the switch 40 or a desired current value can be applied by means of the controller.
  • the electrically conductive layer 26 can be assigned a sensor 42 which measures the temperature of the electrically conductive layer 26 or a variable dependent thereon and outputs a corresponding measurement signal.
  • the lighting device 4 can be assigned processing electronics 44 (ECU; electronic control unit), which receive the measurement signal 46 and generate an electrical control signal 48 for the electrically conductive layer 26 as a function of the measurement signal 46 . More specifically, the drive signal 48 controls the switch 40 so that the current supply to the layer 26 can be varied.
  • the processing electronics 44 can comprise a microprocessor or a microcontroller on which a computer program for controlling or regulating the operation of the heating (layer 26) of the cover plate 12 runs. In the example described, the recorded or ascertained temperature of the electrically conductive layer 26 with the nanotubes is used as the actual value for regulation.
  • the electrical control signal 48 corresponds to the control variable of the regulation.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung (4) umfassend ein Gehäuse (10) mit einer durch eine transparente Abdeckscheibe (12) verschlossenen Lichtaustrittsöffnung (14) und ein in dem Gehäuse (10) angeordnetes Lichtmodul (18) zum Erzeugen einer Lichtverteilung und zum Aussenden der Lichtverteilung entlang eines Strahlengangs (19) durch die Abdeckscheibe (12) hindurch. Die Abdeckscheibe (12) ist beheizbar. Um ein möglichst homogenes Erwärmen der Abdeckscheibe (12) zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass die Abdeckscheibe (12) in dem Strahlengang (19) eine elektrisch leitfähige Schicht (26) mit Nano-Tubes aus mindestens einem elektrisch leitfähigen Material aufweist und zumindest vorübergehend an der Schicht (26) eine elektrische Spannung (U) anliegt, so dass durch die Schicht (26) ein elektrischer Strom (I) fließt, infolgedessen sich die Schicht (26) gleichmäßig erwärmt und die Wärme der Schicht (26) die Abdeckscheibe (12) beheizt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung umfassend ein Gehäuse mit einer Lichtaustrittsöffnung, die durch eine transparente Abdeckscheibe verschlossen ist, und ein in dem Gehäuse angeordnetes Lichtmodul zum Erzeugen einer Lichtverteilung und zum Aussenden der Lichtverteilung entlang eines Strahlengangs durch die Abdeckscheibe hindurch, wobei die Abdeckscheibe beheizbar ist.
  • Eine solche Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung ist bspw. aus der JP H10-109 587 A bekannt. Dort wird ein flächiges Heizelement vorgeschlagen, das an der Innen-oder Außenseite einer Abdeckscheibe eines Kraftfahrzeugscheinwerfers befestig ist. Das Heizelement umfasst eine transparente Folie aus Polycarbonat, auf der parallel zueinander oder mäanderartig Leiterbahnen aufgebracht sind. Zur Befestigung des Heizelements wird dieses während einer Herstellung der Abdeckscheibe mittels eines Spritzgussverfahrens mit Kunststoff- oder Glasmaterial über- oder umspritzt. Durch Bestromen der Leiterbahnen soll die Abdeckscheibe aufgewärmt werden, so dass auf der Innenseite der Abdeckscheibe Kondensation und auf der Außenseite Feuchtigkeit in Form von Eis- und Schneeablagerungen beseitigt bzw. verhindert werden können (sog. Enttauung oder Enteisung der Abdeckscheibe).
  • Problematisch bei der bekannten Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung ist es, dass die Abdeckscheibe aus Kunststoff gefertigt ist (z.B. Polycarbonat (PC) oder Polymethylmethacrylat (PMMA)) und gleichzeitig das Heizelement zueinander beabstandete diskrete Leiterbahnen aufweist, die lediglich eine lokale Erwärmung der Abdeckscheibe in unmittelbarer Nähe zu den Leiterbahnen bewirken. Kunststoff ist ein relativ schlechter Wärmeleiter, so dass die Temperatur der Abdeckscheibe mit zunehmendem Abstand zu den Leiterbahnen überproportional abnimmt und es somit zwischen benachbarten Leiterbahnen ein starkes Temperaturgefälle (große Temperaturgradienten) gibt. Die Brechzahl der für Abdeckscheiben verwendeten Kunststoffe ist jedoch stark temperaturabhängig. Dies bedeutet, dass die Brechzahl der Abdeckscheibe über ihre gesamte Fläche bereichsweise starken Schwankungen und starken Unterschieden zwischen benachbarten Flächenbereichen unterworfen ist. Das durch die Abdeckscheibe hindurchtretende Licht wird also lokal unterschiedlich gebrochen. Die Folge ist eine unerwünschte starke Temperaturabhängigkeit der resultierenden räumlichen Lichtverteilung. Zusammenfassend bedeutet dies, dass es aufgrund der Temperaturgradienten auf bzw. in der Abdeckscheibe und den daraus resultierenden lokalen Unterschieden der Brechzahl des Kunststoffmaterials der Abdeckscheibe zu unerwünschten lokalen oder bereichsweisen Abweichungen der Lichtverteilung von einer vorgegebenen Soll-Lichtverteilung kommt.
  • Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung deshalb die Aufgabe zugrunde, eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zu schaffen, eine wirksame Enttauung einer Kunststoff-Abdeckscheibe einer Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung zu realisieren, ohne dass dies gleichzeitig zu einer temperaturabhängigen unerwünschten lokalen Variation der Lichtverteilung führt.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Insbesondere wird ausgehend von der Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass die Abdeckscheibe in dem Strahlengang eine elektrisch leitfähige Schicht mit Nano-Tubes (sog. Nano-Röhren) aus mindestens einem elektrisch leitfähigen Material aufweist und zumindest vorübergehend an der Schicht eine elektrische Spannung anliegt, so dass durch die Schicht ein elektrischer Strom fließt, infolgedessen sich die Schicht gleichmäßig erwärmt und die Wärme der Schicht die Abdeckscheibe beheizt. Dabei kann die elektrisch leitfähige Schicht mit den Nano-Tubes auf der Innen- und/oder Außenseite der Abdeckscheibe angeordnet sein.
  • Der durch die Schicht fließende Strom stößt auf den Widerstand der Nano-Tubes, wodurch elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird. Die große Anzahl an Nano-Tubes und deren gleichmäßige Verteilung in der Schicht sorgt für eine besonders homogene und gleichförmige Erwärmung der Schicht zwischen den Anschlusselektroden und damit auch für eine besonders homogene und gleichförmige Erwärmung der Abdeckscheibe. Damit hat die Abdeckscheibe über die gesamte beheizte Fläche eine im Wesentlichen konstante Brechzahl und Variationen in der räumlichen Lichtverteilung werden verhindert. Insbesondere bleibt die resultierende Lichtverteilung der Beleuchtungseinrichtung trotz Erwärmung der Abdeckscheibe in ihrer Gesamtheit unverändert erhalten bzw. verändert sich allenfalls geringfügig gleichförmig über die gesamte beheizte Fläche der Abdeckscheibe.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Heizschicht mit den Nano-Tubes unmittelbar auf die Abdeckscheibe aufgebracht ist und nicht etwa auf andere Bauteile im Inneren des Scheinwerfergehäuses, wie bspw. Zierblenden, Reflektoren, Linsen oder dgl.
  • Die elektrische leitfähige Schicht mit den Nano-Tubes weist eine relativ hohe Transparenz auf, so dass besonders geringe Transparenzverluste gewährleistet sind. Diese liegen in der Regel bei deutlich <10%. Eventuelle Transparenzverluste können durch geeignete Maßnahmen in Ausgestaltung oder im Betrieb der Beleuchtungseinrichtung kompensiert werden, z.B. durch Verwendung einer größeren Anzahl oder leistungsfähigerer Lichtquellen, Betrieb der Lichtquellen mit einem höheren Strom, Verlängern der ON-Zeiten einer PWM-Ansteuerung der Lichtquellen, Verwendung größerer oder effizienterer optischer Bauteile, z.B. Reflektoren, Blenden, etc. Die Dicke der Schicht samt der Nano-Tubes beträgt nur einige Mikrometer. Die Schicht weist ein besonders niedriges Gewicht auf.
  • Bei der vorliegenden Erfindung wird also erstmals eine Kombination der geringen Abmessungen der Nano-Tubes bzw. der geringen Stärke einer aus Nano-Tubes bestehenden Schicht, der guten Transparenz der Schicht sowie der feinen und gleichmäßigen Verteilung der Nano-Tubes in der Schicht für einen neuartigen Einsatzzweck genutzt.
  • Das Material der Nano-Tubes kann eines oder mehrere der folgenden Materialien umfassen: Silber, Kupfer, Gold, Aluminium, Wolfram, Zink, Nickel, Lithium, Platin, Titan, Carbon, Graphite. Selbstverständlich kann das Material der Nano-Tubes auch andere Materialien umfassen, wie bspw. Halbleitermaterialien (z.B. Silicium, Germanium und/oder Galliumarsenid) oder Materialien, die erst durch die Nanostrukturierung Halbleitereigenschaften oder elektrisch leitende Eigenschaften bekommen. Ferner kann das Material der Nano-Tubes auch eine beliebige Kombination der zuvor genannten Materialen miteinander oder mit wiederum anderen Materialien umfassen.
  • Die Nano-Tubes können einfach ("single"), zweifach ("double"), dreifach ("triple") oder mehrfach ("multi") wandige Röhren sein. Mehrwandige Nanoröhren ("multi-wall nano tubes) bestehen aus ineinander verschachtelten einwandigen Nanoröhren. Der Begriff "Kohlenstoff-Nanoröhren" ("carbon nano tube; CNT") bezieht sich oft auch auf mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren ("multi-wall carbon nano tubes; MWCNTs").
  • Der Begriff "Nano-Tubes" im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst auch daraus abgeleitete Materialien bzw. Strukturen, wie bspw. Nano-Wires (Nanodrähte) oder Nanobuds® (Nanoknospen). Nano-Wires sind Strukturen mit Durchmessern, die typischerweise in einem Bereich von 10-200 nm (10-9 m) liegen, und Längen in einem Bereich von 5-100 µm (10-6 m). In der Nanotechnologie ist ein Carbon Nanobud (CNB) ein Material, das neben Kohlenstoff-Nano-Tubes (carbon nanotubes) auch sphäroidale Fullerene, beides Allotrope des Kohlenstoffs, in der gleichen Struktur kombiniert und an den Nano-Röhren befestigte "Buds" ("Knospen") bildet. Die Nanobuds können auch andere Materialien als Carbon oder Kohlenstoff umfassen.
  • Die Erfindung betrifft also ein System, bei welchem die nahezu transparente Nano-Tube Schicht, bspw. in Form einer Carbon Nano-Tube Schicht, bzw. eine daraus abgeleitete Schicht, bspw. mit Carbon-Nano-Buds (CNBs) oder Silber-Nano-Wires (AgNWs), eine besonders homogene und gleichförmige Wärmeabgabe an die Abdeckscheibe ermöglicht. Die Schicht wird zwischen den Anschlusselektroden erwärmt. Vorzugsweise verlaufen die Elektroden außen um die Schicht herum, wobei besonders bevorzugt eine Elektrode einen Teil des Umfangs um die Schicht und eine andere Elektrode einen anderen Teil des Umfangs abdeckt. Auf diese Weise kann eine besonders homogene Erwärmung der gesamten Schicht ermöglicht werden.
  • Die Erfindung hat insbesondere bei Kraftfahrzeugscheinwerfern Vorteile, die mit Funktionen für Fahrzeugassistenzsysteme ausgestattet sind bzw. sein werden (z.B. mit optische Sensoren, Kamera, LiDAR, o.ä.). Die Erfindung schlägt ein System vor, das Feuchtigkeit, Eis, Schnee und/oder Kondensation auf der Abdeckscheibe sicher und zuverlässig entfernt, so dass die volle Transparenz der Abdeckscheibe auch bei widrigen Witterungen erhalten bleibt. Gleichzeitig kommt es nicht zu den unerwünschten lokalen Variationen der Brechzahl des Materials der Abdeckscheibe, die eine ordnungsgemäße Funktion der Fahrzeugassistenzsysteme beeinträchtigen könnten.
  • Das hier beschriebene System ermöglicht es, Feuchtigkeit, Eis und Schnee auf einer Außenseite der Abdeckscheibe und/oder einen Kondensationsfilm auf der Innenseite zu entfernen und somit sicher zu stellen, dass die in die Beleuchtungseinrichtung integrierten Sensoren alle erforderlichen Informationen erfassen können.
  • Es sind verschiedene Möglichkeiten denkbar, wie die elektrisch leitfähige Schicht mit den Nano-Tubes auf die Abdeckscheibe aufgebracht und befestigt werden kann. So wäre es bspw. denkbar, die elektrisch leitfähige Schicht bzw. die Nano-Tubes direkt zumindest auf einen Teil einer Innenseite und/oder einer Außenseite der Abdeckscheibe flächig aufzubringen. Dazu kann ein Sprühverfahren in Verbindung mit einer Nano-Tube-Dispersion oder ein Druckverfahren in Verbindung mit einer Nano-Tube-Tinte im Anschluss an die eigentliche Herstellung der Abdeckscheibe zum Einsatz kommen.
  • Vorteilhafterweise wird die elektrisch leitfähige Schicht mit den Nano-Tubes zunächst auf eine transparente Trägerfolie aufgebracht, die ihrerseits dann zumindest auf einem Teil der Innenseite oder der Außenseite der Abdeckscheibe flächig befestigt wird. Die Trägerfolie ist flexibel und besteht vorzugsweise aus Polycarbonat (PC). Durch die Flexibilität kann sich die Folie an unterschiedliche Formen der Abdeckscheibe anpassen, insbesondere an Wölbungen im zweidimensionalen (z.B. Zylinderform) oder im dreidimensionalen Bereich (z.B. Kugelform). Insbesondere kann die Folie mittels geeigneter Technologien auf eine 3-D-Form, bspw. Kugel- oder Torusflächen, aufgebracht werden, bspw. mittels eines wärmeunterstützten Tiefziehprozesses. Durch die Verwendung von PC ist die Folie resistent gegen Witterungen sowie chemische oder physikalische Einwirkungen. Die Trägerfolie hat vorzugsweise eine Dicke von ebenfalls nur einigen Mikrometern.
  • Das Befestigen der Trägerfolie mit der darauf aufgebrachten elektrisch leitfähigen Schicht auf der Abdeckscheibe kann ein flächiges Aufkleben der Trägerfolie auf der Innenseite oder der Außenseite der Abdeckscheibe oder ein Überspritzen oder Umspritzen der Trägerfolie mit der darauf aufgebrachten Schicht mit Kunststoff- oder Glasmaterial, aus dem die Abdeckscheibe gefertigt wird, während der Herstellung der Abdeckscheibe mittels eines Spritzgussverfahrens umfassen. Zum Überspritzen der Trägerfolie mit der Nano-Tube-Schicht mit dem Kunststoff- oder Glasmaterial wird die Trägerfolie mit der Nano-Tube-Schicht vorzugsweise in ein Spritzgusswerkzeug gelegt und mit dem Kunststoff- oder Glasmaterial überspritzt. Anschließend kann die Nano-Tube-Schicht mit einer kratzresistenten und/oder UVbestätigen Beschichtung (sog. Hardcoat-Beschichtung) versehen werden. Beim Umspritzen wird bevorzugt zunächst in einem ersten Schritt eine erste Kunststoff-oder Glasschicht in das Spritzgusswerkzeug eingebracht, darauf dann die Trägerfolie mit der Nano-Tube-Schicht gelegt und diese dann in einem zweiten Schritt mit weiterem Kunststoff- oder Glasmaterial umspritzt, so dass sich eine zweite Kunststoff- oder Glasschicht bildet.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass für einen elektrischen Anschluss der elektrisch leitfähigen Schicht Anschlusselektroden an unterschiedlichen Stellen der Schicht, bevorzugt an gegenüberliegenden Seiten der Schicht, angebracht sind. Diese können auf unterschiedliche Weise an der Schicht angebracht werden. Denkbar ist bspw. ein Aufkleben der Elektroden auf die elektrisch leitfähige Schicht. Dazu könne bspw. selbstklebende Elektroden verwendet werden. Das von der Schicht abgewandte Ende der Elektroden wird an eine Spannungsquelle angeschlossen, bspw. eine Fahrzeugbatterie oder eine Verarbeitungselektronik (ECU). Dabei sollte die elektrische leitfähige Schicht mit den Nano-Tubes bei einer Spannung der Fahrzeugbatterie (z.B. 12 V oder 24 V) arbeiten. Denkbar wäre aber auch, die Spannung der Fahrzeugbatterie (z.B. 48 V) auf eine Betriebsspannung der Schicht mit den Nano-Tubes herunterzutransformieren.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn die elektrisch leitfähige Schicht, vorzugsweise mittels der Anschlusselektroden, über einen manuell oder automatisch betätigbaren Schalter oder Regler an einer Spannungsquelle des Kraftfahrzeugs, bspw. der Fahrzeugbatterie, angeschlossen ist. Die Heizung der Abdeckscheibe kann so entweder manuell oder automatisch mittels des Schalters ein- und ausgeschaltet oder mittels des Reglers mit einem gewünschten Stromwert beaufschlagt werden. Eine automatische Schaltung könnte die Heizung der Abdeckscheibe automatisch zusammen mit anderen Verbrauchern, bspw. einer Innenraumheizung, einer Heckscheibenheizung und/oder Scheibenwischern für die Frontscheibe einschalten bzw. ausschalten oder mit einem entsprechenden Stromwert beaufschlagen. Das Ausschalten der Heizung der Abdeckscheibe kann zeitverzögert erfolgen. Ebenfalls denkbar wäre ein automatisches Einschalten der Heizung der Abdeckscheibe zu bestimmten Zeitpunkten (z.B. in regelmäßigen Abständen, bspw. zu Beginn einer Fahrt mit dem Kraftfahrzeug, dann in der 1. Stunde alle 10 min und danach alle 30 min) jeweils für eine bestimmte Zeitdauer, bspw. 1 min. Diese Vorgehensweise wird bevorzugt in Abstimmung mit der Fahrzeug-Umgebungstemperatur automatisch definiert und gesteuert.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass der elektrisch leitfähigen Schicht ein Sensor zugeordnet ist, welcher die Temperatur der elektrisch leitfähigen Schicht oder eine davon abhängige Größe misst und ein entsprechendes Messsignal ausgibt, und der Beleuchtungseinrichtung eine Verarbeitungselektronik zugeordnet ist, welche das Messsignal empfängt und in Abhängigkeit von dem Messsignal ein elektrisches Ansteuersignal für die elektrisch leitfähige Schicht generiert. Der Temperatursensor kann bspw. direkt die Temperatur der elektrisch leitfähigen Schicht erfassen oder aber die Temperatur der elektrisch leitfähigen Schicht aus anderen gemessenen Größen ableiten, bspw. der Temperatur der Abdeckscheibe, der Temperatur des Gehäuses der Beleuchtungseinrichtung, der Temperatur im Inneren des Gehäuses und/oder der Außentemperatur. Die Verarbeitungselektronik kann auch als ECU (electronic control unit) bezeichnet werden und umfasst bspw. einen Mikroprozessor oder einen Mikrocontroller. Auf der Verarbeitungselektronik kann ein Computerprogramm zur Steuerung bzw. Regelung des Betriebs der Heizung der Abdeckscheibe ablaufen. In dem beschriebenen Beispiel wird die erfasste oder ermittelte Temperatur der elektrisch leitfähigen Schicht mit den Nano-Tubes als Istwert für eine Regelung herangezogen. Die Regelstrecke der Regelung wird durch die Abdeckscheibe und das Stellglied durch die elektrisch leitfähige Schicht mit den Nano-Tubes gebildet. Das elektrische Ansteuersignal entspricht der Steuergröße der Regelung, die Stellgröße wird durch die von der elektrisch leitfähigen Schicht abgegebene Temperatur gebildet und die Temperatur der Abdeckscheibe bildet die Regelgröße. Die Führungsgröße (der Sollwert) der Regelung, d.h. die Zieltemperatur der Abdeckscheibe, ist so vorgegeben, dass ein sicheres und zuverlässiges Enttauen der Abdeckscheibe an der Innen- und Außenseite gewährleistet ist. Die Führungsgröße kann abhängig von der aktuellen Umgebungstemperatur variiert werden, insbesondere umgekehrt proportional zu der Umgebungstemperatur. Als Störgrößen können bspw. die Umgebungs- oder Außentemperatur und/oder eine Abwärme des Motors des Kraftfahrzeugs wirken.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn die erfindungsgemäße Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung als ein Kraftfahrzeugscheinwerfer ausgebildet ist. Da ein Scheinwerfer nicht nur eine Signalfunktion, sondern auch eine Ausleuchtungsfunktion im Vorfeld des Kraftfahrzeugs hat, des mit dem Scheinwerfer ausgestattet ist, ist es für die Sicherheit des Fahrers des Fahrzeugs besonders wichtig, dass die Abdeckscheibe frei von Feuchtigkeit, Kondensation, Eis und/oder Schnee ist. Dies gilt umso mehr, wenn in den Scheinwerfer zusätzliche Systeme zur Fahrzeugassistenz integriert sind, deren ordnungsgemäße Funktion eine klare und uneingeschränkte Sicht durch die Abdeckscheibe ohne Feuchtigkeit, Kondensation, Eis und/oder Schnee voraussetzt. Selbstverständlich wäre es jedoch auch denkbar, dass die erfindungsgemäße Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung als eine Fahrzeugleuchte (z.B. Front-, Seiten- oder Heckleuchte) ausgebildet ist. Ferner könnte die Beleuchtungseinrichtung auch als ein Standalone-Modul (z.B. ein separater Suchscheinwerfer für Einsatzfahrzeuge) ausgebildet sein.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    ein Kraftfahrzeug mit zwei als Scheinwerfer ausgebildeten erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtungen;
    Fig. 2
    ein Ausführungsbeispiel einer als Scheinwerfer ausgebildeten erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung in einem Vertikalschnitt;
    Fig. 3
    ein weiteres Ausführungsbeispiel einer als Scheinwerfer ausgebildeten erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung in einem Vertikalschnitt;
    Fig. 4
    beispielhafte Wärmeverteilung einer auf einer Abdeckscheibe einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung aufgebrachten Schicht mit Nano-Tubes;
    Fig. 5
    eine Abdeckscheibe einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung mit teilweise aufgebrachter Schicht mit Nano-Tubes; und
    Fig. 6
    eine schematische elektrische Schaltung zum Betrieb einer elektrisch leitfähigen Schicht mit Nano-Tubes, die auf oder in eine Abdeckscheibe einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung auf- oder eingebracht ist.
  • In Fig. 1 ist ein Kraftfahrzeug 2 mit zwei im Frontbereich zu beiden Seiten des Fahrzeugs 2 angeordneten Scheinwerfern 4 gezeigt. Jeder der Scheinwerfer 4 kann eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung darstellen. Die Beleuchtungseinrichtung könnte auch als eine vordere Fahrzeugleuchte 6 ausgebildet sein, wie sie beispielhaft in Fig. 1 dargestellt ist. Die vordere Fahrzeugleuchte 6 kann als eine Leuchte für Blinklicht, Positionslicht, Standlicht und/oder Tagfahrlicht ausgebildet sein. Selbstverständlich könnte die Beleuchtungseinrichtung auch als eine Heckleuchte (nicht gezeigt) oder als eine Seitenleuchte 8 ausgebildet sein. Die Heckleuchte kann als eine Leuchte für Blinklicht, Positionslicht, Standlicht, Bremslicht, Rückfahrlicht und/oder Nebelrücklicht ausgebildet sein. Die Seitenleuchte 8 kann als eine Leuchte für Blinklicht und/oder Markierungslicht ausgebildet sein.
  • Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung beispielhaft anhand eines Kraftfahrzeugscheinwerfers 4 näher erläutert. Die nachfolgenden Ausführungen gelten jedoch gleichermaßen für beliebige Fahrzeugleuchten 6, 8 sowie für Standalone-Module (z.B. ein separate Suchscheinwerfer für Einsatzfahrzeuge).
  • In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßer Kraftfahrzeugscheinwerfer 4 in einem Vertikalschnitt gezeigt. Der Scheinwerfer 4 umfasst ein Gehäuse 10 mit einer durch eine transparente Abdeckscheibe 12 verschlossenen Lichtaustrittsöffnung 14. Die Abdeckscheibe besteht aus Kunststoff, vorzugsweise PC oder PMMA. Im Inneren 16 des Gehäuses 10 ist mindestens ein Lichtmodul 18 zum Erzeugen einer Lichtverteilung und zum Aussenden der Lichtverteilung entlang eines Strahlengangs 19 durch die Abdeckscheibe 12 hindurch angeordnet. In dem gezeigten Beispiel sind zwei Lichtmodule 18 vorgesehen. Selbstverständlich können jedoch auch weniger oder mehr Lichtmodule 18 vorgesehen sein. In dem gezeigten Beispiel sind die Lichtmodule 18 als LED-Module ausgebildet, die jeweils eine oder mehrere LEDs als Lichtquellen aufweisen. Die LEDs sind vorzugsweise auf einem Kühlkörper 20 montiert. Die Hauptabstrahlrichtung der LEDs ist vorzugsweise nach oben gerichtet, wobei das Licht üblicherweise in einen 180°-Halbraum oberhalb der LEDs abgestrahlt wird. Das abgestrahlte Licht wird mittels einer Primäroptik, die in dem gezeigten Beispiel als ein Reflektor 22, insbesondere als ein Halbschalenreflektor, der den 180°-Halbraum umfasst, ausgebildet ist. Das von den LEDs abgestrahlte Licht wird mittels der Reflektoren 22 gebündelt, das Lichtbündel zur Erzeugung einer vorgegebenen Lichtverteilung geformt und in Fahrtrichtung durch die Abdeckscheibe 12 in das Vorfeld des Kraftfahrzeugs 2 gelenkt. Selbstverständlich könnte die Primäroptik auch eine oder mehrere Vorsatzoptiken aus einem massiven transparenten Material aufweisen, in die das abgestrahlte Licht eingekoppelt und mittels Brechung und/oder interner Totalreflexion gebündelt wird. Auch eine Kombination aus Reflektoren 22 und Vorsatzoptiken wäre denkbar. Im Strahlengang 19 nach der Primäroptik weist jedes Lichtmodul 18 eine Projektionslinse 24 auf, die das geformte Lichtbündel zur Erzeugung der Lichtverteilung in dem Vorfeld abbildet.
  • Die Abdeckscheibe 12 ist beheizbar. Um eine möglichst homogene und über die gesamte beheizte Fläche gleichförmige Erwärmung der Abdeckscheibe 12 sicherstellen zu können, wird vorgeschlagen, dass die Abdeckscheibe 12 in dem Strahlengang 19 eine elektrisch leitfähige Schicht 26 mit Nano-Tubes aus mindestens einem elektrisch leitfähigen Material aufweist und zumindest vorübergehend an der Schicht 26 eine elektrische Spannung anliegt, so dass durch die Schicht 26 ein elektrischer Strom fließt, infolgedessen sich die Schicht 26 gleichmäßig erwärmt und die Wärme der Schicht 26 die Abdeckscheibe 12 beheizt. Die Schicht 26 mit Nano-Tubes ist vorzugsweise transparent, d.h. sie weist Transmissionsverluste von <10% auf.
  • Das Material der Nano-Tubes kann eines oder mehrere der folgenden Materialien umfassen: Silber, Kupfer, Gold, Aluminium, Wolfram, Zink, Nickel, Lithium, Platin, Titan, Carbon, Graphite. Selbstverständlich kann das Material der Nano-Tubes auch andere Materialien umfassen, wie bspw. Halbleitermaterialien (z.B. Silicium, Germanium und/oder Galliumarsenid) oder Materialien, die erst durch die Nanostrukturierung Halbleitereigenschaften oder elektrisch leitende Eigenschaften bekommen. Ferner kann das Material der Nano-Tubes auch eine beliebige Kombination der zuvor genannten Materialen miteinander oder mit wiederum anderen Materialien umfassen.
  • Die Nano-Tubes können einfach ("single"), zweifach ("double"), dreifach ("triple") oder mehrfach ("multi") wandige Röhren sein. Mehrwandige Nanoröhren ("multi-wall nano tubes) bestehen aus ineinander verschachtelten einwandigen Nanoröhren. Der Begriff "Kohlenstoff-Nanoröhren" ("carbon nano tube; CNT") bezieht sich oft auch auf mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren ("multi-wall carbon nano tubes; MWCNTs").
  • Der Begriff "Nano-Tubes" im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst auch daraus abgeleitete Materialien bzw. Strukturen, wie bspw. Nano-Wires (Nanodrähte) oder Nanobuds® (Nanoknospen). Nano-Wires sind Strukturen mit Durchmessern, die typischerweise in einem Bereich von 10-200 nm (10-9 m) liegen, und Längen in einem Bereich von 5-100 µm (10-6 m). In der Nanotechnologie ist ein Carbon Nanobud (CNB) ein Material, das neben Kohlenstoff-Nano-Tubes (carbon nanotubes) auch sphäroidale Fullerene, beides Allotrope des Kohlenstoffs, in der gleichen Struktur kombiniert und an den Nano-Röhren befestigte "Buds" ("Knospen") bildet. Die Nanobuds können auch andere Materialien als Carbon oder Kohlenstoff umfassen.
  • Während in Fig. 2 die elektrisch leitfähige Schicht 26 mit den Nano-Tubes von Kunststoffmaterial der Abdeckscheibe 12 umspritzt ist, ist die Schicht 26 in Fig. 3 auf eine Außenseite der Abdeckscheibe 12 aufgebracht. Alternativ oder zusätzlich kann die Schicht 26 auch auf der Innenseite der Abdeckscheibe 12 aufgebracht sein. Die Schicht 26 mit den Nano-Tubes kann in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt werden und dann mit Kunststoffmaterial der Abdeckscheibe 12 überspritzt werden (vgl. Fig. 3). Ebenfalls denkbar wäre es, wenn zunächst eine erste Schicht 12a der Abdeckscheibe 12 aus dem Kunststoffmaterial der Abdeckscheibe 12 in dem Spritzgusswerkzeug gebildet wird, dann die Schicht 26 mit den Nano-Tubes auf die erste Schicht 12a in das Spritzgusswerkzeug gelegt wird und die Schicht 26 dann mit weiterem Kunststoffmaterial der Abdeckscheibe 12 zur Bildung einer zweiten Schicht 12b überspritzt wird (vgl. Fig. 2).
  • Besonders bevorzugt ist die Schicht 26 mit den Nano-Tubes zunächst auf eine flexible transparente Trägerfolie aufgebracht, die dann von dem Kunststoffmaterial der Abdeckscheibe 12 umspritzt oder auf die Außenseite der Abdeckscheibe 12 aufgebracht wird. Die Trägerfolie besteht vorzugsweise ebenfalls aus Kunststoff, insbesondere PC. Die Trägerfolie kann auf der der Schicht 26 abgewandten Seite eine Klebeschicht aufweisen, die ein einfaches Befestigen der Trägerfolie zusammen mit der Schicht 26 mit den Nano-Tubes auf der Abdeckscheibe 12 erlaubt (vgl. Fig. 3). Aufgrund der Flexibilität der Trägerfolie und der Schicht 26 können diese beim Aufbringen auf die Abdeckscheibe 12 einer Wölbung der Abdeckscheibe 12 folgen. Insbesondere kann die Schicht 26 mittels geeigneter Technologien auf eine 3-D-Form, bspw. Kugel- oder Torusflächen, aufgebracht werden, bspw. mittels eines wärmeunterstützten Tiefziehprozesses.
  • Fig. 4 zeigt eine Wärmeverteilung der Schicht 26 mit den Nano-Tubes, wenn diese bestromt ist. Die rechts in der Figur gezeigte Temperaturskala verläuft beispielhaft von 14.7°C bis 117°C. Ein Randbereich 28 der Schicht 26 liegt in einem Temperaturbereich T_28, was in dem vorliegenden Beispiel etwa 60°C entspricht. Ein Bereich 30 außerhalb des Randbereichs 28 hat eine deutlich niedrigere Temperatur, die in einem Temperaturbereich T_30 liegt, was in etwa 30°C entspricht. Der Bereich der eigentlichen Schicht 26 hat eine Temperatur, die in einem Temperaturbereich T_26 liegt, was in etwa 90°C entspricht. Besonders auffällig ist, dass die gesamte Schicht 26, mit Ausnahme eines kleinen Kontaktierungsbereichs 32, homogen und gleichförmig erwärmt wird.
  • In Fig. 5 ist die Außenseite einer schwarz umrandeten Abdeckscheibe 12 gezeigt, auf die eine transparente Trägerfolie 34 mit der elektrisch leitfähigen Schicht 26 mit den Nano-Tubes aufgebracht wird. Vorzugsweise ist die Trägerfolie 34 selbstklebend. In Fig. 5 erfolgt das Aufbringen der Trägerfolie 34 mit der Schicht 26 manuell. Selbstverständlich kann das Aufbringen auch automatisiert erfolgen.
  • Fig. 6 zeigt beispielhaft eine elektrische Schaltung zum Betrieb der Schicht 26 mit den Nano-Tubes. Anschlusselektroden 36 sind an der Schicht 26 befestigt, bspw. aufgeklebt, und an eine Energiequelle, bspw. eine Fahrzeugbatterie 38, angeschlossen. Die elektrisch leitfähige Schicht kann über einen manuell oder automatisch betätigbaren Schalter 40 oder Regler an der Energiequelle 38 angeschlossen sein. Die Heizung der Abdeckscheibe 12 kann so entweder manuell oder automatisch mittels des Schalters 40 ein- und ausgeschaltet oder mittels des Reglers mit einem gewünschten Stromwert beaufschlagt werden.
  • Ferner kann der elektrisch leitfähigen Schicht 26 ein Sensor 42 zugeordnet sein, welcher die Temperatur der elektrisch leitfähigen Schicht 26 oder eine davon abhängige Größe misst und ein entsprechendes Messsignal ausgibt. Der Beleuchtungseinrichtung 4 kann eine Verarbeitungselektronik 44 (ECU; electronic control unit) zugeordnet sein, welche das Messsignal 46 empfängt und in Abhängigkeit von dem Messsignal 46 ein elektrisches Ansteuersignal 48 für die elektrisch leitfähige Schicht 26 generiert. Genauer gesagt steuert das Ansteuersignal 48 den Schalter 40, so dass die Stromzufuhr zu der Schicht 26 verändert werden kann. Die Verarbeitungselektronik 44 kann einen Mikroprozessor oder einen Mikrocontroller umfassen, auf dem ein Computerprogramm zur Steuerung bzw. Regelung des Betriebs der Heizung (Schicht 26) der Abdeckscheibe 12 ablaufen. In dem beschriebenen Beispiel wird die erfasste oder ermittelte Temperatur der elektrisch leitfähigen Schicht 26 mit den Nano-Tubes als Istwert für eine Regelung herangezogen. Das elektrische Ansteuersignal 48 entspricht der Steuergröße der Regelung.

Claims (11)

  1. Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung (4) umfassend ein Gehäuse (10) mit einer durch eine transparente Abdeckscheibe (12) verschlossenen Lichtaustrittsöffnung (14) und ein in dem Gehäuse (10) angeordnetes Lichtmodul (18) zum Erzeugen einer Lichtverteilung und zum Aussenden der Lichtverteilung entlang eines Strahlengangs (19) durch die Abdeckscheibe (12) hindurch, wobei die Abdeckscheibe (12) beheizbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Abdeckscheibe (12) in dem Strahlengang (19) eine elektrisch leitfähige Schicht (26) mit Nano-Tubes aus mindestens einem elektrisch leitfähigen Material aufweist und zumindest vorübergehend an der Schicht (26) eine elektrische Spannung (U) anliegt, so dass durch die Schicht (26) ein elektrischer Strom (I) fließt, infolgedessen sich die Schicht (26) gleichmäßig erwärmt und die Wärme der Schicht (26) die Abdeckscheibe (12) beheizt.
  2. Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Nano-Tubes eines oder mehrere der folgenden Materialien umfasst: Silber, Kupfer, Gold, Aluminium, Wolfram, Zink, Nickel, Lithium, Platin, Titan, Carbon, Graphite.
  3. Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Schicht (26) sphäroidale Fullerene aufweist.
  4. Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Schicht (26) direkt zumindest auf einen Teil einer Innenseite oder einer Außenseite der Abdeckscheibe (12) flächig aufgebracht ist.
  5. Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Schicht (26) auf eine transparente Trägerfolie (34) aufgebracht ist, die ihrerseits zumindest auf einen Teil einer Innenseite oder einer Außenseite der Abdeckscheibe (12) flächig aufgebracht ist.
  6. Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung (4) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Trägerfolie (34) mit der darauf aufgebrachten elektrisch leitfähigen Schicht (26) ein flächiges Aufkleben der Trägerfolie (34) auf der Innenseite oder der Außenseite der Abdeckscheibe (12) oder ein Überspritzen oder Umspritzen der Trägerfolie (34) mit der darauf aufgebrachten Schicht (26) mit Nano-Tubes mit Kunststoff- oder Glasmaterial während einer Herstellung der Abdeckscheibe (12) mittels eines Spritzgussverfahrens umfasst.
  7. Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für einen elektrischen Anschluss der elektrisch leitfähigen Schicht (26) Anschlusselektroden (36) an unterschiedlichen Stellen der Schicht (26) angebracht sind.
  8. Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung (4) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Anbringen der Anschlusselektroden (36) ein Aufkleben der Elektroden (36) auf die elektrisch leitfähige Schicht (26) umfasst.
  9. Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Schicht (26), vorzugsweise mittels Anschlusselektroden (36), über einen manuell oder automatisch betätigbaren Schalter (40) oder Regler an einer Spannungsquelle (38) des Kraftfahrzeugs angeschlossen ist.
  10. Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähigen Schicht (26) ein Sensor (42) zugeordnet ist, welcher die Temperatur der elektrisch leitfähigen Schicht (26) oder eine davon abhängige Größe misst und ein entsprechendes Messsignal (46) ausgibt, und der Beleuchtungseinrichtung (4) eine Verarbeitungselektronik (44) zugeordnet ist, welche das Messsignal (46) empfängt und in Abhängigkeit von dem Messsignal (46) ein elektrisches Ansteuersignal (48) für die elektrisch leitfähige Schicht (26) generiert.
  11. Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (4) als ein Kraftfahrzeugscheinwerfer ausgebildet ist.
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