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EP3954938B1 - Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung mit beheizbarer abdeckscheibe - Google Patents

Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung mit beheizbarer abdeckscheibe Download PDF

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Publication number
EP3954938B1
EP3954938B1 EP21187652.9A EP21187652A EP3954938B1 EP 3954938 B1 EP3954938 B1 EP 3954938B1 EP 21187652 A EP21187652 A EP 21187652A EP 3954938 B1 EP3954938 B1 EP 3954938B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cover plate
motor vehicle
electrically conductive
lighting device
layer
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Active
Application number
EP21187652.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3954938A1 (de
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
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 Marelli Automotive Lighting Reutlingen Germany GmbH filed Critical Marelli Automotive Lighting Reutlingen Germany GmbH
Publication of EP3954938A1 publication Critical patent/EP3954938A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3954938B1 publication Critical patent/EP3954938B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • 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 plate, 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 plate, wherein the cover plate is heatable.
  • Such a motor vehicle lighting device is known, for example, from JP H10-109 587 A
  • a flat heating element is proposed there that is attached to the inside or outside of a cover plate 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.
  • To attach the heating element it is overmolded or coated with plastic or glass material during the production of the cover plate using an injection molding process.
  • the cover plate is heated up so that condensation forms on the inside of the cover plate and on the outside. Moisture in the form of ice and snow deposits can be removed or prevented (so-called defrosting or de-icing of the cover pane).
  • EP 2 315 494 A1 Another such motor vehicle lighting device is EP 2 315 494 A1 known.
  • the cover plate is made of plastic (e.g. polycarbonate (PC) or polymethyl methacrylate (PMMA)) and at the same time the heating element has discrete conductor tracks that are spaced apart from one another and only cause local heating of the cover plate in the immediate vicinity of the conductor tracks.
  • 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 between adjacent conductor tracks.
  • the refractive index of the plastics used for cover plates is, however, strongly temperature-dependent.
  • the refractive index of the cover plate is subject to strong fluctuations in some areas and strong differences between adjacent surface areas across its entire surface. The light passing through the cover plate is therefore refracted differently locally. The result is an undesirable strong temperature dependence of the resulting spatial light distribution.
  • the present invention is therefore based on the object of creating a simple and cost-effective possibility of realizing effective defrosting of a plastic cover plate of a motor vehicle lighting device without this simultaneously leading to a temperature-dependent undesirable local variation of the light distribution.
  • a motor vehicle lighting device with the features of claim 1 is proposed.
  • the application of the carrier film with the electrically conductive layer applied thereto comprises a surface bonding of the carrier film to the inside or the outside of the cover pane.
  • the current flowing through the layer encounters the resistance of the nanotubes, which converts electrical energy into heat.
  • the large number of nanotubes and their even distribution in the layer ensures particularly homogeneous and uniform heating of the layer between the connection electrodes and thus also particularly homogeneous and uniform heating of the cover plate.
  • the cover plate has an essentially constant refractive index over the entire heated area and variations in the spatial light distribution are prevented.
  • the resulting light distribution of the lighting device remains unchanged as a whole despite the heating of the cover plate or at most changes slightly uniformly over the entire heated area of the cover plate.
  • a further advantage of the invention is that the heating layer with the nano-tubes is applied directly to the cover plate 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 transparency, so that particularly low transparency losses are guaranteed. These are usually well ⁇ 10%. Possible transparency losses can be compensated by suitable measures in the design or operation of the lighting device, e.g. by using a larger number or more powerful light sources, operating the light sources with a higher current, extending the ON times of a PWM control of the light sources, using larger or more efficient optical components, e.g. reflectors, apertures, etc.
  • the thickness of the layer including the nanotubes is only a few micrometers.
  • the layer is particularly lightweight.
  • the present invention therefore uses for the first time a combination of the small dimensions of the nanotubes or the low thickness of a layer consisting of nanotubes, the good transparency of the layer and the fine and uniform distribution of the nanotubes in the layer for a novel application.
  • the material of the nanotubes can comprise 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 comprise 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 comprise any combination of the aforementioned materials with one another or with other materials.
  • the nanotubes can be single, double, triple or multi-walled.
  • Multi-wall nanotubes consist of nested single-walled nanotubes.
  • the term "carbon nanotube” (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 or nanobuds ® .
  • Nano-wires are structures with diameters that are 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) and spheroidal fullerenes, both allotropes of carbon, are combined in the same structure and form “buds” attached to the nanotubes.
  • the nanobuds can also include materials other than carbon.
  • the invention therefore 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 nanobuds (CNBs) or silver nanowires (AgNWs), enables particularly homogeneous and uniform heat transfer to the cover plate.
  • the layer is heated between the connection electrodes.
  • the electrodes preferably run around the outside of the layer, with one electrode particularly preferably covering part of the circumference around the layer and another electrode covering another part of the circumference. In this way, particularly homogeneous heating of the entire layer can be enabled.
  • the invention has particular advantages for motor vehicle headlights that are or will be equipped with functions for vehicle assistance systems (e.g. with optical sensors, camera, LiDAR, or similar).
  • vehicle assistance systems e.g. with optical sensors, camera, LiDAR, or similar.
  • the invention proposes a system that safely and reliably removes moisture, ice, snow and/or condensation on the cover plate so that the full transparency of the cover plate is maintained even in adverse weather conditions. At the same time, there are no undesirable local variations in the refractive index of the material of the cover plate, which could impair the proper functioning of the vehicle assistance systems.
  • the system described here makes it possible to remove moisture, ice and snow from the outside of the cover plate and/or a condensation film on the inside, thus ensuring that the sensors integrated in the lighting device can capture all the necessary information.
  • the electrically conductive layer with the nanotubes can be applied and attached to the cover plate.
  • the electrically conductive layer or the nanotubes directly to be applied to at least part of an inner side and/or an outer side of the cover pane.
  • a spraying process in conjunction with a nano-tube dispersion or a printing process in conjunction with a nano-tube ink can be used following the actual production of the cover pane.
  • these options do not represent parts of the invention.
  • the electrically conductive layer with the nanotubes is first applied to a transparent carrier film, which in turn is then attached flatly to at least part of the inside or outside of the cover plate.
  • the carrier film is flexible and preferably consists of polycarbonate (PC). Due to its flexibility, the film can adapt to different shapes of the cover plate, in particular to curvatures in the two-dimensional (e.g. cylindrical) or three-dimensional area (e.g. spherical) area. In particular, the film can be applied to a 3D shape, e.g. spherical or torus surfaces, using suitable technologies, e.g. using a heat-assisted deep-drawing process. The use of PC makes the film resistant to weather and chemical or physical influences.
  • the carrier film also preferably has a thickness of only a few micrometers.
  • Attaching the carrier film with the electrically conductive layer applied to it to the cover plate involves gluing the carrier film flatly to the inside or outside of the cover plate.
  • connection electrodes are attached to different places on the layer, preferably on opposite sides of the layer, for an electrical connection of the electrically conductive layer.
  • These can be attached to the layer in different ways. It is conceivable, for example, to stick the electrodes onto the electrically conductive layer. Self-adhesive electrodes can be used for this purpose.
  • the end of the electrodes facing away from the layer is connected to a voltage source, for example a vehicle battery or processing electronics (ECU).
  • ECU processing electronics
  • the electrically conductive layer with the nanotubes should work at a voltage of the vehicle battery (e.g. 12 V or 24 V). It would also be conceivable, however, 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, preferably by means of the connection electrodes, to a voltage source of the motor vehicle, for example the vehicle battery, via a manually or automatically operated switch or regulator.
  • the heating of the cover panel can thus be switched on and off either manually or automatically by means of the switch or a desired current value can be applied to it by means of the regulator.
  • An automatic circuit could automatically switch the heating of the cover panel on or off together with other consumers, for example an interior heating system, a rear window heating system and/or windscreen wipers for the front window, or apply a corresponding current value.
  • the heating of the cover panel can be switched off with a time delay.
  • the heating of the cover panel prefferably to be switched on automatically at certain times (for example at regular intervals, for example at the start of a journey in the motor vehicle, then every 10 minutes in the first hour and then every 30 minutes) for a certain period of time, for example 1 minute.
  • This procedure is preferably automatically defined and controlled in accordance with the vehicle's 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 generate an electrical control signal for the electrically conductive layer depending on 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, for example the temperature of the cover plate, 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 comprises, for example, a microprocessor or a microcontroller.
  • a computer program for controlling or regulating the operation of the heating of the cover plate can run on the processing electronics.
  • the recorded or determined temperature of the electrically conductive layer with the nanotubes is used as the actual value for a control system.
  • the control system's control path is formed by the cover plate and the actuator by the electrically conductive layer with the nanotubes.
  • the electrical control signal corresponds to the control variable of the control system, the control variable is formed by the temperature emitted by the electrically conductive layer and the temperature of the cover plate forms the controlled variable.
  • the control variable (the setpoint) of the control system i.e. the target temperature of the cover plate, is specified in such a way that safe and reliable defrosting of the cover plate on the inside and outside is guaranteed.
  • the control variable can be varied depending on the current ambient temperature, in particular inversely proportional to the ambient temperature.
  • Disturbance variables can be, for example, the ambient or outside temperature and/or waste heat from the motor vehicle's engine. It is particularly preferred if the motor vehicle lighting device according to the invention is designed as a motor vehicle headlight. Since a headlight not only has a signaling function but also an illumination function in front of the motor vehicle that is equipped with the headlight, it is particularly important for the safety of the driver of the vehicle that the cover plate is free of moisture, condensation, ice and/or snow.
  • the motor vehicle lighting device according to the invention to be designed as a vehicle light (e.g. front, side or rear light).
  • the lighting device could also be designed as a standalone module (e.g. a separate searchlight for emergency vehicles).
  • a motor vehicle 2 is shown with two headlights 4 arranged in the front area on both sides of the vehicle 2.
  • Each of the headlights 4 can represent a motor vehicle lighting device in the sense of the present invention.
  • the lighting device could also be designed as a front vehicle light 6, as shown by way of example in Fig. 1 is shown.
  • the front vehicle light 6 can be designed as a light for indicator light, position light, parking light and/or daytime running light.
  • 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 indicator light, position light, parking light, brake light, reversing light and/or rear fog light.
  • the side light 8 can be designed as a light for indicator light and/or marker light.
  • a motor vehicle headlight 4 not 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 is made of plastic, preferably PC or PMMA.
  • Inside 16 of the housing 10 there is at least one light module 18 for generating a light distribution and for emitting the light distribution along a beam path 19 through the cover plate 12.
  • two light modules 18 are provided. Of course, however, fewer or more light modules 18 can also be provided.
  • the light modules 18 are designed as 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 radiation direction of the LEDs is preferably directed upwards, with the light usually being emitted into a 180° half-space above the LEDs.
  • the emitted light is guided by means of a primary optic, which in the example shown is designed as a reflector 22, in particular as a half-shell reflector that encompasses the 180° half-space.
  • the light emitted by the LEDs is bundled by means of the reflectors 22, the light beam is shaped to produce a predetermined light distribution and is directed in the direction of travel through the cover plate 12 into the area in front of the motor vehicle 2.
  • the primary optics could also have one or more auxiliary 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 auxiliary optics would also be conceivable.
  • each light module 18 has a projection lens 24, which images the shaped light beam to generate the light distribution in the foreground.
  • the cover plate 12 can be heated.
  • the cover plate 12 has an electrically conductive layer 26 with nanotubes made of at least one electrically conductive material in the beam path 19 and that an electrical voltage is applied to the layer 26 at least temporarily, so that an electrical current flows through the layer 26, as a result of which the layer 26 heats up evenly and the heat from the layer 26 heats the cover plate 12.
  • the layer 26 with nanotubes is preferably transparent, i.e. it has transmission losses of ⁇ 10%.
  • the material of the nanotubes can comprise one or more of the following materials: silver, copper, gold, aluminium, 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 nanotubes can be single, double, triple or multi-walled.
  • Multi-wall nanotubes consist of nested single-walled nanotubes.
  • the term "carbon nanotube” (CNT) often also refers to multi-wall carbon nanotubes (MWCNTs).
  • nanotubes in the sense of the present invention also includes materials or structures derived therefrom, such as nanowires or nanobuds ® .
  • Nanowires are structures with diameters that are 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 combines carbon nanotubes and spheroidal fullerenes, both allotropes of carbon, in the same structure and forms “buds” attached to the nanotubes.
  • the nanobuds can also comprise materials other than carbon.
  • the electrically conductive layer 26 is overmolded with the nano-tubes of plastic material of the cover plate 12, the layer 26 is in Fig. 3 applied to an outer side of the cover plate 12. Alternatively or additionally, the layer 26 can also be applied to the inner side of the cover plate 12.
  • the layer 26 with the nanotubes can be placed in an injection molding tool and then overmolded with plastic material of the cover plate 12, but this is not according to the invention.
  • the layer 26 with the nanotubes is first applied to a flexible transparent carrier film, which is then applied to the outside of the cover plate 12.
  • the carrier film is preferably also made of plastic, in particular PC.
  • the carrier film has an adhesive layer on the side facing away from the layer 26, which allows the carrier film to be easily attached together with the layer 26 with the nanotubes to the cover plate 12 (cf. Fig. 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, e.g. spherical or toroidal surfaces, using suitable technologies, e.g. using a heat-assisted deep-drawing process.
  • Fig. 4 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 from 14.7°C to 117°C as an example.
  • An edge region 28 of the layer 26 is in a temperature range T_28, which in the present example corresponds to approximately 60°C.
  • An area 30 outside the edge region 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.
  • Fig. 5 the outside of a black-bordered cover plate 12 is shown, onto which a transparent carrier film 34 with the electrically conductive layer 26 with the nanotubes is applied.
  • the carrier film 34 is self-adhesive.
  • the carrier film 34 with the layer 26 is applied manually. Of course, the application can also be carried out automatically.
  • Fig. 6 shows an example of an electrical circuit for operating the layer 26 with the nanotubes.
  • Connection electrodes 36 are attached to the layer 26, for example glued on, and connected to an energy source, for example a vehicle battery 38.
  • the electrically conductive layer can be connected to the energy source 38 via a manually or automatically operated switch 40 or controller.
  • the heating of the cover plate 12 can thus be switched on and off either manually or automatically using the switch 40 or can be supplied with a desired current value using 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 a processing electronics 44 (ECU; electronic control unit), which receives the measurement signal 46 and generates an electrical control signal 48 for the electrically conductive layer 26 depending on the measurement signal 46. More precisely, the control signal 48 controls the switch 40 so that the power supply to the layer 26 can be changed.
  • the processing electronics 44 can comprise a microprocessor or a microcontroller on which a computer program runs for controlling or regulating the operation of the heater (layer 26) of the cover plate 12. In the example described, the detected or determined temperature of the electrically conductive layer 26 with the nanotubes is used as the actual value for a control.
  • the electrical control signal 48 corresponds to the control variable of the control.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Non-Portable Lighting Devices Or Systems Thereof (AREA)
  • Arrangement Of Elements, Cooling, Sealing, Or The Like Of Lighting Devices (AREA)
  • Surface Heating Bodies (AREA)

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).
  • Eine weitere solche Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung ist aus EP 2 315 494 A1 bekannt. 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 das Aufbringen der Trägerfolie mit der darauf aufgebrachten elektrisch leitfähigen Schicht ein flächiges Aufkleben der Trägerfolie auf der Innenseite oder der Außenseite der Abdeckscheibe umfasst.
  • 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. Diese Möglichkeiten stellen aber nicht die Teile der Erfindung dar.
  • Erfindungsgemäß 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 umfasst ein flächiges Aufkleben der Trägerfolie auf der Innenseite oder der Außenseite der Abdeckscheibe.
  • 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 herunterzutransform ieren.
  • 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 nicht erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer als Scheinwerfer ausgebildeten erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung in einem Vertikalschnitt;
    Fig. 3
    ein weiteres erfindungsgemäßen 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 aufoder 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 nicht 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, was aber nicht gemäß der Erfindung ist.
  • Ebenfalls denkbar wäre es, was auch nicht gemäß der Erfindung ist, 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).
  • Erfindungsgemäß ist die Schicht 26 mit den Nano-Tubes zunächst auf eine flexible transparente Trägerfolie aufgebracht, die dann auf die Außenseite der Abdeckscheibe 12 aufgebracht wird. Die Trägerfolie besteht vorzugsweise ebenfalls aus Kunststoff, insbesondere PC. Die Trägerfolie weist auf der der Schicht 26 abgewandten Seite eine Klebeschicht auf, 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 (8)

  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,
    wobei 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,
    wobei
    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, 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) umfasst.
  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 für einen elektrischen Anschluss der elektrisch leitfähigen Schicht (26) Anschlusselektroden (36) an unterschiedlichen Stellen der Schicht (26) angebracht sind.
  5. Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung (4) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Anbringen der Anschlusselektroden (36) ein Aufkleben der Elektroden (36) auf die elektrisch leitfähige Schicht (26) umfasst.
  6. 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.
  7. 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.
  8. Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (4) als ein Kraftfahrzeugscheinwerfer ausgebildet ist.
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