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 C0 ₂ -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 L _v =2'260 J/cm ³ , 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 C0 ₂ - 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.