DE102022209213A1

DE102022209213A1 - 7Vorrichtung zum Beaufschlagen einer Sensoroberfläche mit Luftströmung

Info

Publication number: DE102022209213A1
Application number: DE102022209213.9A
Authority: DE
Inventors: Stefan Duras
Original assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2022-09-05
Filing date: 2022-09-05
Publication date: 2024-03-07

Abstract

Vorrichtung (1) zum Beaufschlagen einer Oberfläche (2) einer Sensorvorrichtung (3) eines Fahrzeugs mit Luftströmung, umfassend ein Luftführungselement (4) zur Führung der Luftströmung von einer Luftströmungsquelle (5) zur Oberfläche (2). Um eine besonders gleichmäßige Beaufschlagung von größeren optischen Oberflächen (2) zu ermöglichen wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Luftführungselement (4) eine Eintrittsöffnung (9), eine Austrittsöffnung (6) und zwischen der Eintrittsöffnung (9) und der Austrittsöffnung (6) einen geschlossenen Querschnitt mit einem Innenkanal (8) aufweist, wobei ein definierter Abschnitt des Innenkanals (8) entlang der Strömungsrichtung zwischen der Eintrittsöffnung (9) und der Austrittsöffnung (6) zu einer Volumenkammer (18) mit einer sowohl gegenüber der Eintrittsöffnung (9) als auch der Austrittsöffnung (6) vergrößerten Querschnittsfläche ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beaufschlagen einer insbesondere optischen Sensoroberfläche mit einer insbesondere laminaren Luftströmung. Derartige Vorrichtungen sind erforderlich, um beispielsweise außen angeordnete optisch wirksamen Oberflächen fahrzeugintegrierter Sensoren mit einer Luftströmung zu trocknen oder vor diesen einen schützenden Luftfilm aufzubauen, um beispielsweise einen Kontakt mit Wassertropfen bei Regenfahrten zu verhindern.
Bei modernen Fahrzeugen werden zunehmend verschiedene Assistenzsysteme eingesetzt, welche mit optischen oder optoelektronischen Sensoren arbeiten. Für eine zuverlässige Funktion müssen optisch wirksamen Oberflächen solcher Sensoren stets und frei von Kontaminierungen gehalten werden, welche Lichtstrahlen streuen oder verzerren könnten.
Zur Reinigung von solchen exponierten Oberflächen werden häufig flüssigkeitsbasierten Reinigungssysteme eingesetzt. Solche Systeme können jedoch selbst unerwünschte Kontaminierungen hinterlassen wie beispielsweise anhaftende Flüssigkeitstropfen oder Flecken, welche Reinigungsflüssigkeit nach dem Eintrocknen auf der Oberfläche hinterlassen kann. Ebenso können flüssigkeitsbasierten Reinigungssysteme keine effektive Abhilfe bei Fahrten im Regen oder bei Nebel leisten, wenn die Feuchtigkeit aus der Umgebung sich ständig auf den optischen Oberflächen absetzt oder kondensiert. Insbesondere laserbasierten Abstands- und Geschwindigkeitssensoren, sogenannte LiDARe stellen eine besonders große Herausforderung dar, denn beispielsweise im Vergleich zu Kameras weisen sie eine deutlich größere Oberfläche, welche sauber gehalten werden muss.
Zur Lösung dieses Problems ist es bekannt besondere Vorrichtungen einzusetzen, welche Flüssigkeiten und gegebenenfalls auch losen Staub von den vorgenannten Sensoroberflächen mithilfe einer Luftströmung aktiv entfernen können.
Aus DE 102019211898 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der mehrere entlang der Oberfläche in Rehe angeordnete piezoelektrische Lüfter eingesetzt sind, weiche eine Luftströmung parallel zur Oberfläche ausstoßen. Hierbei sind zwischen den Lüftern und der Oberfläche mehrere nebeneinander angeordnete Lamellen positioniert. Eine derartige Konstruktion ist jedoch komplex, benötigt viel Bauraum gerade in dem sehr knapp oder gar nicht verfügbaren, dem Sensor in vorgelagerten Raumbereich, verursacht zudem durch die seitlich offene Lamellenkonstruktion Wirkungsgradverluste. Zudem besteht die Gefahr, dass bei Regen feuchte Luft durch die Lüfter zur Oberfläche gefördert wird.
Aus WO 2006033828 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, welche ein rohrförmiges Gehäuse mit zwei separaten parallelgeführten und an einer Seite verschlossenen Innenkanälen mit jeweils konstanten Querschnitten aufweist. Die beiden Innenkanäle können separat voneinander mit Druckluft versorgt werden. Das Gehäuse ist unterhalb der optischen Oberfläche, der unteren Oberflächenkante folgend eingerichtet. In der Wandung eines der beiden Kanäle sind entlang des Kanalverlaufs hintereinander mehrere Behrungen beziehungsweise Punktdüsen angeordnet, welche ortfokussierte Luftstrahlen erzeugen. In der Wandung des anderen Kanals ist entlang der gesamten Oberflächenkante sowie parallel zur Strömungsrichtung in dem Kanal ein Schlitz ausgebildet, welches eine laminare Luftströmung entlang der Oberfläche erzeugen soll.
Bei einem derartig gestalteten System müssten Wassertropfen von der optischen Oberfläche nach oben und somit entgegen der Schwerkraftwirkung entfernt werden, zudem nimmt der Strömungsdruck entlang des Kanalverlaufs ab, wodurch die Oberfläche stark ungleichmäßig mit Luftströmung beaufschlagt wird. Um solche konstruktionsbedingten Nachteile auszugleichen wären übermäßig leistungsfähige und somit große und teure Drucklufterzeuger erforderlich, wodurch der Wirkungsgrad erheblich reduziert wird.
Zudem kann Regenwasser oder jede andere von der Oberfläche abfließende Flüssigkeit durch die nach oben offenen Schlitz und Düsen in die Innenkanäle gelangen und darin bspw. einfrieren oder beim nächsten Betrieb die Oberfläche kontaminieren statt zur reinigen und zu schützen.
Es stellt sich somit die Aufgabe, eine unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile eine verbesserte gattungsgemäße Vorrichtung für eine gleichmäßige Beaufschlagung optischer Oberflächen vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit Merkmalen nach dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen und weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung und Figuren.
Die Erfindung sieht vor, dass zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung des Luftführungselements der Innenkanal lokal, innerhalb eines definierten, begrenzten Abschnitts, zu einer Volumenkammer mit einer sowohl gegenüber der Eintrittsöffnung als auch der Austrittsöffnung vergrößerten Querschnittsfläche vergrößert wird ist. Dadurch wird die von der Luftströmungsquelle geförderte Luftströmung normalisiert, so dass Strömungsgeschwindigkeiten entlang des gesamten Verlaufes der spaltförmigen Austrittsöffnung angeglichen werden. Auch größere Oberflächen können dadurch mit einem hohen Wirkungsgrad mit einer laminaren Strömung beaufschlagt und gleichmäßig von anhaftenden Flüssigkeitsresten befreit werden. Ebenso kann die Vorrichtung vergleichsweise energiesparend im Dauerbetrieb eingesetzt werden, um vor eine schützende Schichtströmung aufzubauen, welche anfliegende Staubpartikel und Wassertropfen von der Oberfläche fernhält.
Die vorliegende Erfindung und ihre weiteren Einzelheiten und Vorteile werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 beispielhafte Einbauposition der Sensorvorrichtung in einem Fahrzeug.
2 vereinfachten Frontansicht (a), Seitenansicht (b) und isometrische Ansicht (c) der Vorrichtung zusammen mit der zugeordneten Sensorvorrichtung.
3 das Luftführungselement in Längsschnitt (a) und Draufsicht (b).
4 eine vergrößerte Schnittansicht durch die Kanalachse im Bereich der Austrittsöffnung.
5 das Luftführungselement in räumlicher Ansicht.

Fig.1
1 verdeutlicht beispielhaft und stark vereinfacht die Einbaulage in einem Pkw eines Sensormoduls1 100, welcher eine erfindungsgemäße pneumatische Vorrichtung 1 zusammen mit einer als ein LiDAR ausgebildeten Sensorvorrichtung 3 umfasst.
Die Sensorvorrichtung 3 muss möglichst weit vorne am Fahrzeug angebracht sein, um ungehindert das vor dem Fahrzeug liegende Bereich überwachen zu können. Die Oberfläche 2 Sensorvorrichtung ist hierbei im Wesentlichen senkrecht ausgerichtet, wodurch unter anderem Reflexionen und der Einfluss der Sonneneinstrahlung reduziert werden.
Bedingt durch die Einbauposition ist in Fahrtrichtung vor der Sensorvorrichtung 3 kein Bauraum vorhanden die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ist daher im Wesentlichen oberhalb der Sensorvorrichtung 3 angeordnet.
Fig.2
2 zeigt eine Ausführungsform des vorstehend beschriebenen Sensormoduls 100, welches eine erfindungsgemäße pneumatische Vorrichtung 1 und eine als ein LiDAR ausgeführte Sensorvorrichtung 3 beinhaltet.
Die Vorrichtung 1 weist eine Luftströmungsquelle 5 auf, welche die darin erzeugte Luftströmung durch eine Eintrittsöffnung 9 in ein Luftführungselement 4 einleitet, welches diese zur Oberfläche 2 der Sensorvorrichtung 3 führt und aus einer Austrittsöffnung 6 gleichmäßig über die Oberfläche 2 verteilt austreten lässt.
Die lediglich symbolhaft dargestellte Luftströmungsquelle 5 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Bereich der Rückseite 15 sowie oberhalb der Sensorvorrichtung 3 angeordnet, wodurch Bauraum seitlich und hinter der Sensorvorrichtung 3 eingespart wird.
Die Luftströmungsquelle 5 ist bevorzugt als ein elektrischer oder piezoelektrischer Lüfter realisiert. Ein derartiger Lüfter kann besonders kompakt aufgebaut sein und hierdurch bedingt, unmittelbar an der Sensorvorrichtung 3 befestigt werden könnten. Dadurch muss die Luftströmung zwischen der Quelle und dem Ziel lediglich sehr kurze Wege mit geringen Druckverlusten passieren. Zudem kann die Sensorvorrichtung 3 zusammen mit der Vorrichtung 1 als ein montageeffizientes Sensormodul vorkonfektioniert werden.
Innerhalb der Erfindung können jedoch je nach Anwendungsfall auch andere, auch entfernt angeordnete und über Leitungen verbundenen Quellen eingesetzt werden, beispielsweise ein Kompressor, ein Druckluftspeicher oder andere pneumatische Quellen dienen.
Das Luftführungselement 4 erstreckt sich über die gesamte Oberseite 14 der Sensorvorrichtung 13 von deren Rückseite 15 bis zu Vorderseite 13. Das Luftführungselement 4 ist als ein dünnwandiges, kastenartiges abgeflachtes Rohr aus Kunststoff gestaltet und weist in seinem Inneren einen Innenkanal 8 auf, durch welchen die Luftströmung entlang der Kanalachse Z zu Oberfläche 2 geführt wird. Das Luftführungselement 4 kann beispielsweise als ein Schalenkörper aus zwei miteinander verschweißten, verrasteten oder andersartig verbundenen Halbschalen gebaut, als ein Blasformteil erzeugt oder mit anderen geeigneten Verfahren hergestellt werden.
Die Oberfläche 2 der Sensorvorrichtung 3 weist im vorliegenden Beispiel einen optisch wirksamen Bereich 7, welcher die dahinter liegenden, nebeneinander angeordneten Sendereinheit 16 und Empfängereinheit 17 abdeckt.
Je nach Konstruktion der Sensorvorrichtung 3 kann der optisch wirksame Bereich 7 gemäß dem tatsächlich benötigten Bedarf variieren. So können beispielsweise die Sendereinheit 16 und die Empfängereinheit 17 bei einem LiDAR auch anders aufgebaut sein, beispielsweise koaxial oder über ein Spiegelsystem optisch gekoppelt, was eine entsprechende Anpassung des optisch wirksamen Bereiches 7 oder die gesamten Oberfläche 2 nach sich zieht.
Die Austrittsöffnung 6 des Luftführungselements 4 ist spaltförmig sowie quer zur Kanalachse Z im Austrittsbereich ausgebildet, wobei die Länge der Austrittsöffnung 6 derart ausgelegt ist, dass sie den gesamten optisch wirksamen Bereich überspannt. Für Erzeugung einer gleichmäßig intensiven laminaren Strömung über der Oberfläche 2 ist es zudem hilfreich, wenn die Länge der Kanalachse Z größer als die Länge der Austrittsöffnung 6 ist.
Fig.3
3 verdeutlicht die Gestaltung des Luftführungselements 4.
Zum Anschluss an die Luftströmungsquelle 5 verfügt das Luftführungselement 4 eine Eintrittsöffnung 9. Die Eintrittsöffnung 9 ist im gezeigten Beispiel bauraumoptimiert annähernd rechteckig gestaltet, kann jedoch innerhalb der Erfindung je nach Anwendungsfall auch kreisrund oder mit anderen Querschnitten ausgebildet sein.
Zwischen der Eintrittsöffnung 9 und der Austrittsöffnung 6 erstreckt sich ein Innenkanal 8 mit einem geschlossenen Querschnitt. Entlang des Kanalverlaufs etwa mittig zwischen der Eintrittsöffnung 9 und der Austrittsöffnung 6 ist die Querschnittsfläche des Innenkanals 8 um etwa das Zweifache der Querschnittfläche der Eintrittsöffnung 9 vergrößert, so dass dadurch eine Volumenkammer 18 gebildet ist.
Für nicht runde durchströmte Rohrquerschnitte kann gemäß Strömungslehre ein zugehöriger hydraulische Durchmesser DH definiert werden. Im Allgemeinen wird der hydraulische Durchmesser DH nach der Formel DH = 4Q1U berechnet, wobei Q die Querschnittsfläche und U der benetzte Umfang des nicht kreisförmigen Querschnitts sind.
Der größte hydraulische Durchmesser DHv der Volumenkammer, welchen sie entlang ihres Verlaufs aufweist, sollte in jedem Fall größer als der hydraulische Durchmesser DHe der Eintrittsöffnung 9 sein.
Die aus der Luftströmungsquelle 5 durch die Eintrittsöffnung 9 in das Luftführungselements 4 eindringende Luftströmung normalisiert sich in der Volumenkammer derart, dass die vorhandenen Differenzen der Strömungsgeschwindigkeit in verschiedenen Bereichen der Querschnittsfläche signifikant reduziert und im Idealfall gänzlich verschwinden. Damit wird eine besonders gleichmäßige Verteilung der Luftströmung über die spaltförmige Austrittsöffnung 6 erreicht.
Um Turbulenzen und Druckverluste in der Luftströmung zu vermeiden, ist der der Übergang zwischen dem vergleichsweise großen Querschnittsfläche zu wesentlich kleineren Querschnittsfläche der der Austrittsöffnung (6) fließend gestaltet und verjüngt sich entlang einer definierten Strecke kontinuierlich.
Um eine gleichmäßige und zugleich schnelle laminare Strömung über der Oberfläche 2 weiter zu begünstigen, sollte die Querschnittsfläche der Austrittsöffnung 6 derart gestaltet sein, dass sie gleich oder kleiner der Querschnittsfläche der Eintrittsöffnung 9 ist.
Fig.4
4 zeigt vergrößert einen Schnitt durch die Kanalachse Z im Bereich der Austrittsöffnung 6 des Luftführungselements 4. die Kanalachse Z verläuft im oberflächenseitigen Bereich des Luftführungselements 4 parallel zur Oberseite 14 der Sensorvorrichtung 3 und ist daher nahezu senkrecht zur Oberfläche 2 ausgerichtet. Um die Luftströmung in Richtung Oberfläche 2 umzulenken, weist das Luftführungselement 4 eine in einem definierten Umlenkwinkel W quer zur Strömungsrichtung geneigte Lippe 12 auf, welche als eine Art Pralllippe in die Strömung hineinragt und diese zur sowie entlang der Oberfläche 2 ausrichtet. Die Lippe 12 bildet hierbei auch einen von der Oberfläche 2 entfernten Rand 11 der Austrittsöffnung 6, wobei der oberflächennahe Rand 10 der Austrittsöffnung 6 unmittelbar an deren Oberkante kompakt anliegt.
Fig.5
5 dient zur Verdeutlichung der räumlichen Gestaltung des kastenförmigen Luftführungselements 4.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Oberfläche
3: Sensorvorrichtung
4: Luftführungselement
5: Luftströmungsquelle
6: Austrittsöffnung
7: Optisch wirksamer Bereich
8: Innenkanal
9: Eintrittsöffnung
10: Oberflächennahe Rand der Austrittsöffnung
11: Oberflächenferne Rand der Austrittsöffnung
12: Lippe
13: Vorderseite
14: Oberseite
15: Rückseite
16: Sendereinheit
17: Empfängereinheit
18: Volumenkammer
100: Sensormodul
DHe: Hydraulischer Durchmesser der Eintrittsöffnung
DHv: Größte hydraulische Durchmesser der Volumenkammer
Z: Kanalachse
W: Umlenkwinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102019211898 A1 [0005]
WO 2006033828 A1 [0006]

Claims

Vorrichtung (1) zum Beaufschlagen einer Oberfläche (2) einer Sensorvorrichtung (3) eines Fahrzeugs mit Luftströmung, umfassend ein Luftführungselement (4) zur Führung der Luftströmung von einer Luftströmungsquelle (5) zur Oberfläche (2) dadurch gekennzeichnet, dass das Luftführungselement (4) eine Eintrittsöffnung (9), eine Austrittsöffnung (6) und zwischen der Eintrittsöffnung (9) und der Austrittsöffnung (6) einen geschlossenen Querschnitt mit einem Innenkanal (8) aufweist, wobei ein definierter Abschnitt des Innenkanals (8) entlang der Strömungsrichtung zwischen der Eintrittsöffnung (9) und der Austrittsöffnung (6) zu einer Volumenkammer (18) mit einer sowohl gegenüber der Eintrittsöffnung (9) als auch der Austrittsöffnung (6) vergrößerten Querschnittsfläche ausgebildet ist.
Vorrichtung (1)nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen den Querschnitten der Volumenkammer (18) und der Austrittsöffnung (6) fließend gestaltet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenkammer (18) einen maximalen hydraulischen Durchmesser (DHv) aufweist, welcher größer als ein hydraulischer Durchmesser (DHe) der Eintrittsöffnung (9) ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittsfläche der Volumenkammer (18) im Bereich ihres maximalen hydraulischen Durchmessers (DHv) mindestens doppelt so groß wie die Querschnittsfläche der Eintrittsöffnung (9) ist.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (2) wenigstens einen optisch wirksamen Bereich (7) aufweist und die Austrittsöffnung (6) spaltförmig sowie derart gestreckt ist, dass sie den gesamten optisch wirksamen Bereich (7) überspannt.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (6) einen der Oberfläche (2) benachbart und einen der Oberfläche (2) entfernt angeordneten Ränder (10,11) aufweist, wobei der oberflächenferne Rand (11) durch eine Lippe (12) gebildet ist, welche die Strömung beim Verlassen des Luftführungselements (4) in Richtung Oberfläche (2) umlenkt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkwinkel (W) größer oder gleich 90° ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Lippe (12) als eine Quer in die Luftströmung hineinragende Pralllippe ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (2) sich an einer Vorderseite (13) der Sensorvorrichtung (3) befindet und das Luftführungselement (4) zur Anordnung an einer Oberseite (14) der Sensorvorrichtung (3) vorgesehen ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Luftströmungsquelle (5) in einem einer Rückseite (15) der Sensorvorrichtung (3) benachbarten Bereich angeordnet ist, so dass das Luftführungselement (4) in Richtung von der Rückseite (15) zur Vorderseite (13) sich im Wesentlichen über die gesamte Oberseite (14) der Sensorvorrichtung (3) erstreckt.
Sensormodul (100) für ein Fahrzeug umfassend wenigstens eine Sensorvorrichtung (3) und wenigstens eine Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche.
Sensormodul (100) nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (3) wenigstens einen Sensor zur optischen Abstands- und Geschwindigkeitsmessung umfasst.