WO2012142718A1 - Ritzen und aufbrechen von glatteisschichten - Google Patents

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WO2012142718A1
WO2012142718A1 PCT/CH2012/000088 CH2012000088W WO2012142718A1 WO 2012142718 A1 WO2012142718 A1 WO 2012142718A1 CH 2012000088 W CH2012000088 W CH 2012000088W WO 2012142718 A1 WO2012142718 A1 WO 2012142718A1
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WO
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black ice
laser
power laser
ice layer
layer
Prior art date
Application number
PCT/CH2012/000088
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Katharina HUGO-SCHNYDER
Original Assignee
Lasice Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lasice Gmbh filed Critical Lasice Gmbh
Priority to EP12720075.6A priority Critical patent/EP2699733A1/de
Publication of WO2012142718A1 publication Critical patent/WO2012142718A1/de

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Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01H—STREET CLEANING; CLEANING OF PERMANENT WAYS; CLEANING BEACHES; DISPERSING OR PREVENTING FOG IN GENERAL CLEANING STREET OR RAILWAY FURNITURE OR TUNNEL WALLS
    • E01H5/00—Removing snow or ice from roads or like surfaces; Grading or roughening snow or ice
    • E01H5/10—Removing snow or ice from roads or like surfaces; Grading or roughening snow or ice by application of heat for melting snow or ice, whether cleared or not, combined or not with clearing or removing mud or water, e.g. burners for melting in situ, heated clearing instruments; Cleaning snow by blowing or suction only
    • E01H5/106—Clearing snow or ice exclusively by means of rays or streams of gas or steam, or by suction with or without melting

Definitions

  • the invention relates to a method for scribing and breaking up of black ice sheets and to a device for carrying out the method.
  • the object of the invention is to provide a method of the aforementioned technical field and a device for removing black ice layers, which make the use of road salt unnecessary.
  • the method comprises the following steps: a) determining data of a black ice layer with a detection device; b) determining parameters such as, in particular, the layer thickness of the black ice layer on the basis of detected measured values; and c) switching on a power laser, wherein the radiation of the power laser is focused on the black ice layer and controlled and / or regulated according to the determined parameters.
  • data of the black ice layer are thus determined for removing black ice layers before focusing a power laser on the black ice layer by means of a detection device.
  • the power of the power laser can be continuously adapted to a layer thickness of the black ice layer, which in turn can be used to optimize the energy requirement and thus also a cost of the method.
  • a light source of the determination device is switched on to determine the data, and a light spot generated by the light source on the black ice layer is detected by a detector of the determination device.
  • various parameters of the black ice layer such as the layer thickness of the black ice layer can be determined in a structurally simple and cost-effective manner. Depending on the light spectrum used, other data can also be determined.
  • the temperature of the black ice layer can be determined, so that the energy consumption of the method can be further optimized.
  • an LED or LD is used as light source (LED: Light Emitting Diode, LD laser diode), wherein in particular the LED or LD is modulated and the detection of measured values with the detector takes place synchronously.
  • LED Light Emitting Diode
  • An LED or LD is inexpensive, produces a constant quality of light and thus enables a precise acquisition of measured values concerning the black ice layer.
  • the light source is imaged with a cylinder optics as a line on the road, wherein the line corresponds to the travel amplitude of the power laser.
  • the detector in this case is a linear detector array or a CCD camera (CCD: Charged Coupled Device), with which measured values can be detected simultaneously over the entire travel range of the power laser.
  • CCD Charged Coupled Device
  • the power laser itself can also be used as a light source for determining the layer thickness of the black ice layer.
  • a power laser with a wavelength of 5 ⁇ to 50 ⁇ is used.
  • the infrared range is preferred because it allows good absorption of the laser light to be achieved.
  • other wavelength ranges can be used.
  • a wavelength range is used, which is optimally absorbed by ice.
  • UV rays in the range between 10 and 200 nm, preferably between 20 and 80 nm can be used for this application.
  • a continuous C0 2 gas laser, a continuous CO gas laser or an Er solid-state laser, in particular an Er: YAG laser or an Er: glass laser is used as the power laser (Er: Erbium).
  • Another particularly preferred type of laser is the random laser or the random laser.
  • This uses as a medium instead of optics, a powder, preferably of nano-crystals with a grain size of a few hundred nanometers, whereby the residence time of the light in the medium increased by permanent rejections and thus the intensity of the laser light can be increased.
  • the laser is more robust due to the powder medium against vibrations, which can be generated by the drive of the vehicle on the road.
  • the powder used is zinc oxide.
  • the use of zinc oxide powder has the advantage that it is already produced in huge quantities, for example, for white colors, etc., and is therefore easy to produce and inexpensive.
  • the UV light emitted from the zinc oxide is then used to scrape the black ice layer.
  • any type of laser from the classes of gas lasers, solid state lasers (laser diodes) and dye lasers, the emitted frequency range preferably being in the region of a local absorption maximum of the water or of the ice.
  • Laser diodes have the advantage of relatively high energy efficiency. Ion gas, metal vapor or neutral non-metal vapor may be used for the gas laser.
  • Nd Neodymium
  • Yb YAG laser
  • Ho YAG laser
  • glass laser the Nd: glass laser.
  • the power laser is moved and thus the focus is guided over the black ice layer, wherein the control and / or regulation of the power laser is carried out according to the speed.
  • This allows larger ice surfaces to be removed. In comparison to a purely linear process of the power laser, the stability of the black ice layer can thus be further reduced.
  • the power laser can also be aligned rectilinearly and respectively parallel to a direction of travel.
  • the power laser is preferably moved in such a way that the focus runs along a substantially sinusoidal curve.
  • the power laser can perform a pendulum motion, whereby a technically easy to implement process can be achieved transversely to a direction of travel.
  • any other curves may be provided (zigzag, square curves and the like).
  • the curve may also follow completely different laws; in particular, it would be conceivable to guide the curve on the basis of the determination device along an ideal curve, for example along the curve which, above all, reaches the black ice layer at the thickest points, in order to subsequently overrun one to achieve optimum leverage for removing the black ice layer.
  • the determining device would have to be such that it can cartographically record, for example, the entire rolling area of a vehicle.
  • black ice layers over which the focus of the power laser has been guided, are then run over by a support region of a vehicle, in particular of wheels of a vehicle.
  • This procedure is particularly advantageous because it does not have to cut through the entire thickness of the black ice layer with the laser.
  • the power laser is preferably controlled and / or regulated by the determined parameters in such a way that the black ice layer is scribed in such a way that a scribe depth in the By scoring, the black ice layer is preferably between 50% and 95%, particularly preferably between 70% and 90%, of a layer thickness of the black ice layer.
  • the entire black ice layer does not have to be cut through with the laser, which saves energy.
  • the layer under the black ice layer for example the highway, the runway of aircraft and the like, can be spared, since it is not damaged by the power laser.
  • the method is thus to break ice sheets with a concentrated laser beam to scratches and by driving over with the vehicle wheels and disassemble into fragments.
  • only electrical energy for the excitation of the laser and its cooling is needed, which can be generated by the vehicle if necessary.
  • the occurrence of black ice can be detected with an optical detector, so that the laser is turned on only in case of black ice. Damage to the road surface can be minimized or prevented.
  • a device for removing black ice layers comprises: a) a determination device for determining data of the black ice layer; b) a power laser, wherein the radiation of the power laser can be focused on the black ice layer, and c) a control and / or regulating unit for controlling and / or regulating the power laser based on the determined data.
  • the determination device for determining data preferably comprises a light source and a detector for acquiring measured values relating to a light spot generated by the light source on the black ice layer.
  • the detection device may also comprise a sonar device or the like for determining the layer thickness of the black ice layer.
  • the determination device is designed such that parameters of the black ice layer, in particular the layer thickness of the black ice layer, can be determined.
  • the device comprises a vehicle with wheels, wherein the radiation of the power laser can be focused on the black ice layer in front of one or more wheel tracks. Larger black ice surfaces can be systematically removed and removed. The radiation of the power laser is first scratched and broken by crossing over with wheels.
  • the vehicle can be designed as a car, as a truck, as a cleaning vehicle or the like.
  • the device may also include a vehicle with caterpillars or the like.
  • two or more power lasers are provided, the radiation of which can be focused on the black ice layer in front of two or more wheel tracks, wherein in particular two or more light sources and detectors are provided for acquiring measured values.
  • exactly one power laser can also be provided, in particular if it is installed in front of a roller or the like.
  • a laser water splash seal is provided to terminate a power laser, except for an opening in the nozzle through which clean shielding gas flows during operation and is closed out of operation with a flap. This optimally protects the power laser from damage.
  • a rotating disk could be provided with a statically arranged windshield wiper.
  • the disc absorbs as little or no energy as possible of the laser.
  • a detector splash water seal is provided to close off a detector except for the exit face of the focusing lens which is contaminated can be cleaned with a wiper.
  • the reliability of the detector can be ensured.
  • the same device as for the power laser can be used.
  • a parabolic focusing mirror is provided for beam deflection, which can be actuated by regular tilting or regular linear displacement.
  • the low moving mass is particularly advantageous when fast movements, especially changes in direction of the laser beam to be performed.
  • the laser itself can be moved.
  • a rotatable optics is provided with which the angle of incidence of the radiation on the black ice layer is adjustable.
  • the power output of the power laser can be optimally adjusted to the smooth ice layer.
  • the power output of the power laser itself can be varied. From the following detailed description and the totality of the claims, further advantageous embodiments and feature combinations of the invention result.
  • Fig. 2 power laser device (front and side view);
  • Fig. 4 Smooth ice layer detection aligned with the Radspurmitte. Basically, the same parts are provided with the same reference numerals in the figures. Ways to carry out the invention
  • the present method proposes a scribe track arrangement as shown in FIG.
  • Two identical laser beams are deflected in front of the drive wheels on a sinusoidal track so that the wheel width is carved. Assuming a driving speed of 25 km / h, a wheel width of 20 cm and a deflection frequency of 2 Hz, the line spacing at the wheel center is approx. 17 cm and the required power approx. 380 W. With an efficiency of the laser of 20% an electric power of 1.9 kW each.
  • the prerequisite is that the laser power is absorbed almost completely in the ice layer.
  • the required laser power is proportional to the scribe depth (slice thickness) and the travel speed.
  • the present method relies on only turning on the power laser and thus only requiring electrical power when it detects black ice.
  • the method thus includes an optical detector for detecting black ice and measuring its layer thickness. This detector unit is placed in front of the power laser ( Figure 4).
  • the laser power can be controlled according to the detected signal as a function of the layer thickness and the travel speed. This avoids possible damage to the roadway due to the power laser.
  • the device for carrying out the method according to the invention (FIG. 3) can be mounted on a service vehicle of the works yard and / or in passenger cars.
  • the Device is characterized in that the required electrical energy, the cooling and the protective gas can be generated in the vehicle.
  • the detectors 21 a, 21 b are arranged in front of the optics 23 a, 23 b of the power laser 22.
  • the wheelbase and the wheel width (scoring track width) can be easily adapted to the vehicle during installation.
  • the scoring unit (Fig. 2) contains the power laser 10, 22; this can be a continuous or a repetitively pulsed laser, which was built robust and compact for the harsh environmental conditions (shock, vibrations, temperature fluctuations, etc.).
  • the beam shaping optics can preferably be realized with mirrors; the focusing optics 1 1 preferably with a parabolic or paraboloidal mirror. A beam deflection can be done by tilting or moving the focusing optics 1 1, which can be done synchronously with the driving speed.
  • a fixed cylindrical optics can be used and the laser can be pulsed repetitively, whereby a line is scored at each pulse.
  • the angle of incidence of the beams can be adjusted obliquely to the road surface.
  • the method is thus based on the use of a continuous or repetitively pulsed laser in the infrared wavelength range of greater than 2 ⁇ .
  • Typical examples are the C0 2 and CO gas lasers as well as the Er solid-state lasers and diode lasers.
  • the entire unit laser optics is closed except for the nozzle opening to protect against contamination. 18.
  • the nozzle opening is closed with a protective flap 12 and only opened during operation of the laser and at the same time the jet guidance chamber with clean (filtered) inert gas (inlet 13) with slight overpressure provided so that at the nozzle opening by gas flow no dirt (splashes) can get into the gas space.
  • the device for detecting black ice may include a distance and a reflection measurement with an LED or LD (I) as emitter and a position sensitive detector or a detector array 2 as a receiver, the two beam paths are at an angle on the road surface 6 meet. to Collimation of the emitted and detected light is used in each case a lens 3,4.
  • the emitted light is modulated at a suitable frequency and the detection can be phase-sensitive to be as insensitive as possible to ambient light.
  • the simultaneous change in the reflectance (signal strength) and the scattering behavior (light spot diameter) and the position of the light spot (distance to the surface) is evaluated to determine black ice 7 and its layer thickness.
  • the signal evaluation includes appropriate filtering and intelligence to adapt to local conditions. Any other optical arrangement for distance, scatter and reflectance measurement may alternatively be used; the inventive device is not limited by this.
  • the black ice detection device is encapsulated individually or together with the power laser unit 8 and thus protected from contamination, wherein the output surface of the focusing lens 5 is provided with a dirt-repellent coating or with a wiper.
  • the distance is shown perpendicular to the direction of travel 101 in cm with respect to the direction of travel 100 schematically, the scratch marks 102, 103 indicate the course of the focused power laser beam on the road.
  • FIG. 2 the front and side view of an inventive power laser device is shown schematically, which includes a laser 10 including network and control devices.
  • the focusing mirrors 1 1 are tilted or set up.
  • the inventive device comprises a protective housing 18 and is provided to remove black ice on a roadway 17.
  • Fig. 3 is a plan view of the inventive device for removing black ice is shown schematically.
  • the front of a vehicle is shown with wheels 300a, 300b.
  • Fokkusieroptiken 23 a, 23 b are mounted, which can be tilted or displaced.
  • a power laser 22 is located between the Fokkusieroptiken 23 a, 23 b.
  • layer detectors 21 a, 21 b are provided.
  • 4 schematically shows the black ice layer detection aligned with the wheel track centers.
  • An LED or LD 1 is provided, as well as a position-sensitive detector or a CCD camera 2.
  • a collimation optics 3 and a collimating optics 4 are provided for the transmission beam.
  • the transmitting and receiving beam focusing optics 5 is provided. On the ice sheet 7, the focus spot 6 is generated.
  • the mentioned components are arranged in a protective housing 8.
  • the collimating optics 3 can be a cylinder optics in order to image the transmission beam as a line on the roadway.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Civil Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Entfernen von Glatteisschichten. Es wird eine Lichtquelle eingeschaltet und Messwerte erfasst betreffend eines von der Lichtquelle auf der Glatteisschicht erzeugten Lichtflecks mit einem Detektor. Aufgrund von erfassten Messwerten werden Parameter wie insbesondere die Schichtdicke der Glatteisschicht ermittelt. Es wird ein Leistungslaser eingeschaltet, wobei die Strahlung des Leistungslasers auf der Glatteisschicht fokussiert wird und entsprechend der ermittelten Parameter gesteuert und/oder geregelt wird.

Description

Ritzen und Aufbrechen von Glatteisschichten
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ritzen und Aufbrechen von Glatteisschichten und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
Die Bildung von Glatteis auf den Strassen fordert jedes Jahr viele Opfer und erzeugt einen erheblichen volkswirtschaftlichen Schaden. Durch Streumittel wie insbesondere Streusalz kann der Bildung von Glatteis vorgebeugt oder Glatteis aufgelöst werden. Die Verwendung von Streusalz mit verschiedenen Zusätzen belastet jedoch unsere Umwelt ungebührlich, insbesondere da sie auch prophylaktisch eingesetzt wird.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein dem eingangs genannten technischen Gebiet zugehörendes Verfahren und eine Einrichtung zum Entfernen von Glatteisschichten zu schaffen, welche die Verwendung von Streusalz überflüssig machen.
Die Lösung der Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert. Gemäss der Erfindung umfasst das Verfahren die folgenden Schritte: a) Ermitteln von Daten einer Glatteisschicht mit einer Ermittlungsvorrichtung; b) Ermitteln von Parametern wie insbesondere der Schichtdicke der Glatteisschicht aufgrund von erfassten Messwerten; und c) Einschalten eines Leistungslasers, wobei die Strahlung des Leistungslasers auf der Glatteisschicht fokussiert und entsprechend der ermittelten Parameter gesteuert und/oder geregelt wird.
Erfindungsgemäss werden somit zum Entfernen von Glatteisschichten vor dem Fokussieren eines Leistungslasers auf die Glatteisschicht mittels einer Ermittlungsvorrichtung Daten der Glatteisschicht ermittelt. Damit kann zum Beispiel die Leistung des Leistungslasers einer Schichtdicke der Glatteisschicht laufend angepasst werden, womit wiederum der Energiebedarf und damit auch eine Kostenaufwand des Verfahrens optimiert werden kann. Vorzugsweise wird zum Ermitteln der Daten eine Lichtquelle der Ermittlungsvorrichtung eingeschaltet und mit einem Detektor der Ermittlungsvorrichtung ein von der Lichtquelle auf der Glatteisschicht erzeugter Lichtfleck erfasst. Damit können in konstruktiv einfacher und kostengünstiger Weise verschiedene Parameter der Glatteisschicht, wie zum Beispiel die Schichtdicke der Glatteisschicht ermittelt werden. Je nach verwendetem Lichtspektrum können auch andere Daten ermittelt werden. Falls die Lichtquelle im infraroten Bereich liegt, kann zum Beispiel auch die Temperatur der Glatteisschicht bestimmt werden, womit der Energieaufwand des Verfahrens weiter optimiert werden kann. In Varianten können auch andere dem Fachmann bekannte Messmethoden zur Bestimmung einer Dicke einer Glatteisschicht verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Ultraschall-Messgerät oder dergleichen eingesetzt werden.
Vorzugsweise wird als Lichtquelle eine LED oder LD verwendet (LED: Light Emitting Diode, LD Laserdiode), wobei insbesondere die LED oder LD moduliert wird und das Erfassen von Messwerten mit dem Detektor phasensynchron erfolgt. Eine LED oder LD ist kostengünstig, erzeugt eine konstante Lichtqualität und ermöglicht somit eine präzise Erfassung von Messwerten betreffend die Glatteisschicht. Bevorzugt wird die Lichtquelle mit einer Zylinderoptik als Linie auf der Fahrbahn abgebildet, wobei die Linie der Verfahramplitude des Leistungslasers entspricht. Der Detektor ist in diesem Fall ein linearer Detektorarray oder eine CCD-Kamera (CCD: Charged Coupled Device), womit Messwerte gleichzeitig über den ganzen Verfahrbereich des Leistungslasers erfasst werden können.
Alternativ können auch andere Lichtquellen eingesetzt werden. Insbesondere kann auch der Leistungslaser selbst als Lichtquelle für die Bestimmung der Schichtdicke der Glatteisschicht verwendet werden.
Bevorzugt wird ein Leistungslaser mit einer Wellenlänge von 5 μηη bis 50 μιτι verwendet. Der Infrarotbereich wird bevorzugt, da damit eine gute Absorption des Laserlichts erreicht werden kann. In Varianten können auch andere Wellenlängenbereiche verwendet werden. Vorzugsweise wird allerdings ein Wellenlängenbereich eingesetzt, welcher von Eis optimal absorbiert wird. Damit können auch UV-Strahlen im Bereich zwischen 10 und 200 nm, vorzugsweise zwischen 20 und 80 nm für diese Anwendung eingesetzt werden. Vorzugsweise wird als Leistungslaser ein kontinuierlicher C02-Gaslaser, ein kontinuierlicher CO-Gaslaser oder ein Er-Festkörperlaser, insbesondere ein Er:YAG-Laser oder ein Er:Glas-Laser verwendet (Er: Erbium).
Ein weiterer, besonders bevorzugter Lasertyp ist der Zufallslaser respektive der Random- Laser. Dieser nutzt als Medium statt einer Optik ein Pulver, vorzugsweise aus Nano- Kristallen mit einer Korngrösse von einigen hundert Nanometern, womit die Aufenthaltsdauer des Lichts im Medium durch ständige Rejektionen erhöht und damit auch die Intensität des Laserlichts erhöht werden kann. Damit wird ein besonders einfach aufgebauter und kostengünstiger Laser erreicht. Weiter ist der Laser durch das Pulvermedium robuster gegen Erschütterungen, welche durch die Fahrt des Fahrzeuges auf der Fahrbahn erzeugt werden können. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das verwendete Pulver aus Zinkoxid. Die Verwendung von Zinkoxidpulver hat den Vorteil, dass es bereits in riesigen Mengen zum Beispiel für weisse Farben etc. produziert wird und damit einfach herstellbar und kostengünstig ist. Das aus dem Zinkoxid emittierte UV-Licht wird dann zum Anritzen der Glatteisschicht verwendet. Alternativ können aber auch beliebige Lasertypen aus den Klassen der Gaslaser, der Festkörperlaser (Laserdioden) und der Farbstofflaser eingesetzt werden, wobei der emittierte Frequenzbereich bevorzugt im Bereich eines lokalen Absorptionsmaximums des Wassers respektive des Eises liegt. Laserdioden haben dabei den Vorteil der relativ hohen Energieeffizienz. Für den Gaslaser können lonengas, Metalldampf oder neutraler Nichtmetalldampf eingesetzt sein.
Für den Festkörperlaser können Halbleiter, Farbzentren oder dotierte Nichtleiter zum Einsatz kommen. Insbesondere seien als Beispiele der Nd:YAG-Laser (Nd=Neodym), der Yb:YAG-Laser (Yb=Ytterbium), der Ho:YAG-Laser (Ho=Holmium) und der Nd:Glas-Laser erwähnt.
Bevorzugt wird der Leistungslaser verfahren und somit der Fokus über die Glatteisschicht geführt, wobei die Steuerung und/oder Regelung des Leistungslasers entsprechend der Geschwindigkeit erfolgt. Damit können grössere Glatteisflächen entfernt werden. Im Vergleich zu einem rein geradlinigen Verfahren des Leistungslasers kann damit die Stabilität der Glatteisschicht weiter verringert werden.
In Varianten kann der Leistungslaser auch geradlinig respektive jeweils parallel zu einer Fahrtrichtung ausgerichtet sein. Bevorzugt wird der Leistungslaser derart verfahren, dass der Fokus entlang einer im Wesentlichen sinusförmigen Kurve verläuft. Dazu kann der Leistungslaser eine Pendelbewegung ausführen, womit ein technisch einfach zu realisierendes Verfahren quer zu einer Fahrtrichtung erreicht werden kann.
Alternativ können auch jegliche andere Kurven vorgesehen sein (Zickzack-, Rechteckkurven und dergleichen). Die Kurve kann aber auch ganz anderen Gesetzen folgen, insbesondere wäre es denkbar, die Kurve anhand der Ermittlungsvorrichtung entlang einer idealen Kurve, zum Beispiel entlang derjenigen Kurve, welche vor allem die Glatteisschicht an den dicksten Stellen erreicht, zu führen, um beim anschliessenden Überfahren eine optimale Hebelwirkung zum Entfernen der Glatteisschicht zu erreichen. Dazu müsste die Ermittlungsvorrichtung allerdings derart beschaffen sein, dass sie zum Beispiel den gesamten Abrollbereich eines Fahrzeuges kartographisch erfassen kann.
Vorzugsweise werden Glatteisschichten, über welche der Fokus des Leistungslasers geführt wurde, anschliessend von einem Auflagebereich eines Fahrzeugs, insbesondere von Rädern eines Fahrzeugs überfahren. Diese Verfahrensweise ist besonders vorteilhaft, da damit nicht die gesamte Dicke der Glatteisschicht mit dem Laser durchschnitten werden muss.
Bevorzugt ist der Leistungslaser durch die ermittelten Parameter derart gesteuert und/oder geregelt, dass die Glatteisschicht so angeritzt wird, dass eine Ritztiefe in der Glatteisschicht durch das Anritzen vorzugsweise zwischen 50% und 95%, besonders bevorzugt zwischen 70% und 90% einer Schichtdicke der Glatteisschicht beträgt.
Diese Verfahrensweise ist besonders vorteilhaft. Zumal muss nicht die gesamte Glatteisschicht mit dem Laser durchschnitten werden, womit Energie eingespart werden kann. Weiter kann damit die Schicht unter der Glatteisschicht, zum Beispiel die Autostrasse, die Start- oder Landebahn von Flugzeugen und dergleichen, geschont werden, da diese durch den Leistungslaser nicht beschädigt wird.
Vorzugsweise besteht das Verfahren somit darin, Glatteisschichten mit einem konzentrierten Laserstrahl zu Ritzen und durch Überfahren mit den Fahrzeugrädern zu brechen und in Bruchstücke zu zerlegen. Dazu wird nur elektrische Energie für die Anregung des Lasers und dessen Kühlung benötigt, welche bei Bedarf vom Fahrzeug generiert werden kann. Das Auftreten von Glatteis kann mit einem optischen Detektor festgestellt werden, so dass der Laser nur bei Glatteis eingeschaltet wird. Eine Beschädigung des Strassenbelags kann so minimiert oder verhindert werden. Eine Einrichtung zum Entfernen von Glatteisschichten umfasst: a) eine Ermittlungsvorrichtung zum Ermitteln von Daten der Glatteisschicht; b) einen Leistungslaser, wobei die Strahlung des Leistungslasers auf der Glatteisschicht fokussierbar ist, sowie c) eine Steuer- und/oder Regeleinheit zum Steuern und/oder Regeln des Leistungslasers anhand der ermittelten Daten.
Bevorzugt umfasst die Ermittlungsvorrichtung zum Ermitteln von Daten eine Lichtquelle und einen Detektor zum Erfassen von Messwerten betreffend einen von der Lichtquelle auf der Glatteisschicht erzeugten Lichtfleck.
Die Ermittlungsvorrichtung kann aber auch ein Sonargerät oder ähnliches zum Bestimmen der Schichtdicke der Glatteisschicht umfassen. Vorzugsweise ist die Ermittlungsvorrichtung derart ausgebildet, dass damit Parameter der Glatteisschicht, insbesondere die Schichtdicke der Glatteisschicht ermittelt werden können.
Bevorzugt umfasst die Einrichtung ein Fahrzeug mit Rädern, wobei die Strahlung des Leistungslasers auf der Glatteisschicht vor einer oder mehreren Radspuren fokussierbar ist. Es können so grössere Glatteisflächen systematisch abgefahren und entfernt werden. Die Strahlung des Leistungslasers wird zunächst geritzt und durch das Überfahren mit Rädern aufgebrochen. Das Fahrzeug kann dabei als PKW, als Lastwagen, als Reinigungsfahrzeug oder dergleichen ausgebildet sein. In Varianten kann die Einrichtung auch ein Fahrzeug mit Raupen oder ähnlichem umfassen.
Vorzugsweise sind zwei oder mehr Leistungslaser vorgesehen, deren Strahlung auf der Glatteisschicht vor zwei oder mehreren Radspuren fokussierbar ist, wobei insbesondere zwei oder mehrere Lichtquellen und Detektoren zum Erfassen von Messwerten vorgesehen sind. In Varianten kann auch genau ein Leistungslaser vorgesehen sein, insbesondere wenn dieser vor einer Walze oder dergleichen installiert ist.
Bevorzugt ist eine Laser-Spritzwasserabdichtung vorgesehen, um einen Leistungslaser abzuschliessen, bis auf eine Öffnung in der Düse, durch welche im Betrieb sauberes Schutzgas strömt und ausser Betrieb mit einer Klappe geschlossen wird. Dadurch wird der Leistungslaser optimal vor Beschädigungen geschützt.
Dem Fachmann sind weitere geeignete Varianten zum Schützen des Leistungslasers bekannt. Zum Beispiel könnte eine rotierende Scheibe mit einem statisch angeordneten Scheibenwischer vorgesehen sein. Dabei muss aber gewährleistet sein, dass die Scheibe möglichst keine oder nur wenig Energie des Lasers absorbiert. Vorzugsweise ist eine Detektor-Spritzwasserabdichtung vorgesehen, um einen Detektor abzuschliessen bis auf die Ausgangsfläche der Fokussierlinse, welche bei Verschmutzung mit einem Wischer reinigbar ist. Damit kann die Betriebssicherheit des Detektors sichergestellt werden.
Dem Fachmann sind auch dazu weitere Möglichkeiten bekannt. Insbesondere kann dieselbe Vorrichtung wie für den Leistungslaser eingesetzt werden. Bevorzugt ist zur Strahlablenkung ein parabolischer Fokussierspiegel vorgesehen, welcher durch regelmässige Verkippung oder regelmässige lineare Verschiebung betätigbar ist. Damit wird eine besonders einfache Strahlablenkung bei geringer bewegter Masse erreicht, Die geringe bewegte Masse ist insbesondere dann von Vorteil, wenn schnelle Bewegungen, insbesondere Richtungsänderungen des Laserstrahls durchgeführt werden sollen.
Alternativ kann auch der Laser selbst bewegt werden.
Vorzugsweise ist eine drehbare Optik vorgesehen, mit welcher der Einfallswinkel der Strahlung auf der Glatteisschicht einstellbar ist.
In Varianten kann auf eine Einstellung des Einfallswinkels auch verzichtet werden. Bevorzugt erfolgt die Strahlablenkung derart, dass diese mit der Fahrgeschwindigkeit synchronisiert ist. Damit kann die Leistungsabgabe des Leistungslasers an die · Glatteisschicht optimal eingestellt werden.
In Varianten oder zusätzlich kann auch die Leistungsabgabe des Leistungslasers selbst variiert werden. Aus der nachfolgenden Detailbeschreibung und der Gesamtheit der Patentansprüche ergeben sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmalskombinationen der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die zur Erläuterung des Ausführungsbeispiels verwendeten Zeichnungen zeigen: Fig. 1 Verlauf des fokussierten Leistungslaserstrahls auf der Fahrbahn;
Fig. 2 Leistungslasereinrichtung (Front- und Seitenansicht);
Fig. 3 Einrichtung zur Detektion und zum Ritzen von Glatteisschichten; und
Fig. 4 Glatteisschichtdetektion ausgerichtet auf die Radspurmitte. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Wege zur Ausführung der Erfindung
Die Energie zum Aufheizen und Verdampfen von Eis beträgt Lv=2'260 J/cm3, d.h. bei einem Fokusfleckdurchmesser von 0.27 mm und einer Ritztiefe (ca. 80% der Eisschichtdicke) von 0.5 mm wird ca. 300 J/m Ritzlänge benötigt. Das vorliegende Verfahren schlägt eine Ritzspuranordnung vor wie in Fig. 1 gezeigt. Zwei gleiche Laserstrahlen werden vor den Antriebsrädern auf einer sinusförmigen Spur abgelenkt, so dass je die Radbreite geritzt wird. Unter Annahme einer Fahrgeschwindigkeit von 25 km/h, einer Radbreite von 20 cm und einer Ablenkfrequenz von 2 Hz wird der Linienabstand bei der Radmitte ca. 17 cm und die benötigte Leistung je ca. 380 W. Bei einem Wirkungsgrad des Lasers von 20% ergibt sich eine elektrische Leistung von je 1.9 kW. Voraussetzung ist dabei, dass die Laserleistung praktisch vollständig in der Eisschicht absorbiert wird. Die benötigte Laserleistung ist proportional zur Ritztiefe (Schichtdicke) und zur Fahrtgeschwindigkeit.
Das vorliegende Verfahren beruht darauf, dass der Leistungslaser nur eingeschaltet und damit die elektrische Leistung nur benötigt wird, wenn Glatteis festgestellt wird. Das Verfahren beinhaltet somit einen optischen Detektor zur Feststellung von Glatteis und zur Messung dessen Schichtdicke. Diese Detektoreinheit wird vor dem Leistungslaser angeordnet (Fig. 4). Die Laserleistung kann entsprechend dem detektierten Signal geregelt werden als Funktion der Schichtdicke und der Fahrtgeschwindigkeit. Damit werden mögliche Beschädigungen der Fahrbahn durch den Leistungslaser vermieden. Die Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens (Fig. 3) kann auf einem Dienstfahrzeug des Werkhofes und/oder in Personenwagen montiert werden. Die Einrichtung zeichnet sich aus, dass die benötigte elektrische Energie, die Kühlung und das Schutzgas im Fahrzeug generiert werden kann. Die Detektoren 21 a, 21 b werden vor der Optik 23a, 23b des Leistungslasers 22 angeordnet. Der Radabstand und die Radbreite (Ritzspurbreite) können einfach, fahrzeugabhängig bei der Montage angepasst werden. Die Ritzeinheit (Fig, 2) enthält den Leistungslaser 10, 22; dieser kann ein kontinuierlicher oder ein repetitiv gepulster Laser sein, welcher für die rauen Umgebungsbedingungen (Schock, Vibrationen, Temperaturschwankungen, etc.) robust und kompakt gebaut wurde. Die Strahlformungsoptik kann bevorzugt mit Spiegeln realisiert werden; die Fokussieroptik 1 1 bevorzugt mit einem Parabol- oder Paraboloidspiegel. Eine Strahlablenkung kann durch Verkippen oder Verschieben der Fokussieroptik 1 1 erfolgen, welche synchron mit der Fahrgeschwindigkeit erfolgen kann. Alternativ zur Strahlablenkung durch Verkippen oder Verschieben der Fokussieroptik 1 1 und der Verwendung eines kontinuierlichen Lasers kann eine feste zylindrische Optik verwendet werden und der Laser repetitiv gepulst werden, wodurch bei jedem Puls eine Linie geritzt wird. Durch Drehen der Optikeinheit um die Laserstrahlachse kann der Einfallswinkel der Strahlen schräg zur Fahrbahnoberfläche eingestellt werden.
Das Verfahren basiert somit auf dem Einsatz eines kontinuierlichen oder eines repetitiv gepulsten Lasers im infraroten Wellenlängenbereich von grösser als 2 μιτι. Typische Beispiele sind der C02- und der CO-Gaslaser sowie der Er-Festkörperlaser und Diodenlaser. Die gesamte Einheit Laser - Optik wird bis auf die Düsenöffnung zum Schutz vor Verschmutzung abgeschlossen 18. Die Düsenöffnung wird mit einer Schutzklappe 12 verschlossen und nur im Betrieb des Lasers geöffnet und gleichzeitig der Strahlführungsraum mit sauberem (gefiltertem) Schutzgas (Einlass 13) mit leichtem Überdruck versehen, so dass bei der Düsenöffnung durch Gasströmung keine Verschmutzungen (Spritzer) in den Gasraum gelangen können.
Die Einrichtung zur Feststellung von Glatteis (Fig. 4) kann eine Abstands- und Reflexionsmessung beinhalten mit einer LED oder LD (I) als Emitter und einem positionsempfindlichen Detektor oder einem Detektorarray 2 als Empfänger, wobei die beiden Strahlengänge sich unter einem Winkel auf der Fahrbahnoberfläche 6 treffen. Zur Kollimation des emittierten und detektierten Lichtes wird je eine Linse 3,4 verwendet. Das emittierte Licht wird mit einer geeigneten Frequenz moduliert und die Detektion kann phasensensitiv erfolgen um möglichst unempfindlich vor Umgebungslicht zu sein. Die gleichzeitige Veränderung des Reflexionsgrades (Signalstärke) und des Streuverhaltens (Lichtfleckdurchmesser) sowie der Position des Lichtflecks (Abstand zur Oberfläche) wird zur Feststellung von Glatteis 7 und dessen Schichtdicke ausgewertet. Die Signalauswertung beinhaltet geeignete Filterung und Intelligenz zur Anpassung an lokale Bedingungen. Jede andere optische Anordnung zur Abstands-, Streu- und Reflexionsmessung kann alternativ verwendet werden; die erfindungsgemässe Einrichtung ist dadurch nicht eingeschränkt.
Die Glatteisdetektionseinrichtung wird individuell oder zusammen mit der Leistungslasereinheit eingekapselt 8 und so vor Verschmutzung geschützt, wobei die Ausgangsfläche der Fokussierlinse 5 mit einer schmutzabweisenden Beschichtung oder mit einem Wischer versehen ist. In Fig. 1 ist der Abstand senkrecht zur Fahrtrichtung 101 in cm gegenüber der Fahrtrichtung 100 schematisch abgebildet, wobei die Ritzspuren 102, 103 den Verlauf des fokussierten Leistungslaserstrahls auf der Fahrbahn angeben.
In Fig. 2 ist schematisch die Front- und Seitenansicht einer erfindungsgemässen Leistungslasereinrichtung gezeigt, welche einen Laser 10 inkl. Netz- und Steuergeräte umfasst. Die Fokussierspiegel 1 1 sind verkipp- oder verschiebbar eingerichtet. Es sind eine Verschlussvorrichtung 12 und eine Schutzgaszufuhr 13 vorgesehen. Die erfindungsgemässe Einrichtung umfasst ein Schutzgehäuse 18 und ist vorgesehen, um Glatteis auf einer Fahrbahn 17 zu entfernen.
In Fig. 3 ist schematisch eine Aufsicht auf die erfindungsgemässe Einrichtung zum Entfernen von Glatteis gezeigt. Es ist die Frontpartie eines Fahrzeugs gezeigt, mit Rädern 300a, 300b. In Fahrtrichtung vor den Rädern sind die Fokkusieroptiken 23a, 23b angebracht, welche verkipp- oder verschiebbar sind. Ein Leistungslaser 22 befindet sich zwischen den Fokkusieroptiken 23a, 23b. Ferner sind Schichtdetektoren 21 a, 21 b vorgesehen. Fig. 4 zeigt schematisch die Glatteisschichtdetektion ausgerichtet auf die Radspurmitten. Eine LED oder LD 1 ist vorgesehen, sowie ein positionsempfindlicher Detektor oder eine CCD-Kamera 2. Für den Sendestrahl ist eine Kollimationsoptik 3 und für den Empfängerstrahl eine Kollimationsoptik 4 vorgesehen. Für den Sende- und Empfängerstrahl ist eine Fokussieroptik 5 vorgesehen. Auf der Eisschicht 7 wird der Fokusfleck 6 erzeugt. Die erwähnten Bestandteile sind in einem Schutzgehäuse 8 angeordnet. In der Ebene senkrecht zu Fig. 4 kann die Kollimationsoptik 3 eine Zylinderoptik sein, um den Sendestrahl als Linie auf der Fahrbahn abzubilden.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass ein Verfahren und eine Einrichtung zum Entfernen von Glatteisschichten offenbart sind, welche die Verwendung von Streusalz überflüssig machen.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Entfernen von Glatteisschichten mit einem Fahrzeug, umfassend die folgenden Schritte: a) Ermitteln von Daten einer Glatteisschicht mit einer Ermittlungsvorrichtung; b) Ermitteln von Parametern wie insbesondere der Schichtdicke der Glatteisschicht aufgrund von erfassten Messwerten; und c) Einschalten eines Leistungslasers, wobei die Strahlung des Leistungslasers auf der Glatteisschicht fokussiert und entsprechend der ermittelten Parameter gesteuert und/oder geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln der Daten eine Lichtquelle der Ermittlungsvorrichtung eingeschaltet wird und mit einem Detektor der Ermittlungsvorrichtung ein von der Lichtquelle auf der Glatteisschicht erzeugter Lichtfleck erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle eine LED oder LD verwendet wird, wobei insbesondere die LED oder LD moduliert wird und das Erfassen von Messwerten mit dem Detektor phasensynchron erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Leistungslaser ein Zufallslaser, ein kontinuierlicher C02-Gaslaser, ein kontinuierlicher CO-Gaslaser oder ein Er-Festkörperlaser, insbesondere mit einer Wellenlänge von 5 u,m bis 50 μιη verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungslaser verfahren und somit der Fokus über die Glatteisschicht, vorzugsweise entlang einer im Wesentlichen sinusförmigen Kurve geführt wird, wobei die Steuerung und/oder Regelung des Leistungslasers entsprechend der Geschwindigkeit erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Glatteisschichten, über welche der Fokus des Leistungslasers geführt wurde, anschliessend von einem Auflagebereich eines Fahrzeugs, insbesondere von Rädern eines Fahrzeugs überfahren werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungslaser durch die ermittelten Parameter derart gesteuert und/oder geregelt ist, dass die Glatteisschicht so angeritzt wird, dass eine Ritztiefe in der Glatteisschicht durch das Anritzen vorzugsweise zwischen 50% und 95%, besonders bevorzugt zwischen 70% und 90% einer Schichtdicke der Glatteisschicht beträgt.
Einrichtung zum Entfernen von Glatteisschichten, umfassend: a) eine Ermittlungsvorrichtung zum Ermitteln von Daten der Glatteisschicht; b) einen Leistungslaser, wobei die Strahlung des Leistungslasers auf der Glatteisschicht fokussierbar ist; sowie c) eine Steuer- und/oder Regeleinheit zum Steuern und/oder Regeln des Leistungslasers anhand der ermittelten Daten.
Einrichtung nach Anspruch 8, weiter umfassend ein Fahrzeug mit Rädern, wobei die Strahlung des Leistungslasers auf der Glatteisschicht vor einer oder mehreren Radspuren fokussierbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Leistungslaser vorgesehen sind, deren Strahlung auf der Glatteisschicht vor zwei oder mehreren Radspuren fokussierbar ist, wobei insbesondere zwei oder mehrere Lichtquellen und Detektoren zum Erfassen von Messwerten vorgesehen sind.
1 1. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laser-Spritzwasserabdichtung vorgesehen ist, um einen Leistungslaser abzuschliessen, bis auf eine Öffnung in der Düse, durch welche im Betrieb sauberes Schutzgas strömt und ausser Betrieb mit einer Klappe geschlossen wird.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Detektor-Spritzwasserabdichtung vorgesehen ist, um einen Detektor abzuschliessen bis auf die Ausgangsfläche der Fokussierlinse, welche bei Verschmutzung mit einem Wischer reinigbar ist.
13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Strahlablenkung ein parabolischer Fokussierspiegel vorgesehen ist, welcher durch regelmässige Verkippung oder regelmässige lineare Verschiebung betätigbar ist.
14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine drehbare Optik vorgesehen ist, mit welcher der Einfallswinkel der Strahlung auf der Glatteisschicht einstellbar ist.
15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlablenkung derart erfolgt, dass diese mit der Fahrgeschwindigkeit synchronisiert ist.
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