阅读说明：本技术 用于光电传感器和激光雷达传感器的外壳 (Housing for photoelectric sensor and laser radar sensor ) 是由 J·奥利韦拉 A·赫勒切克 M·费雷拉 于 2020-03-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种用于光电传感器的外壳,包括：热力学开放的第一室；与第一室邻近布置的第二室,第二室是热力学封闭的；从第一室延伸到第二室的转子,转子包括：轴部,与转子的旋转轴线同轴地布置在第二室中,轴部包括用于安装光电传感器装置的器件；头部,与转子的旋转轴线同轴地布置在第一室中,散热风扇固定地布置在头部上并围绕头部,头部和散热风扇可旋转地耦合且热耦合到轴部,以与轴部同时围绕转子的旋转轴线旋转,转子被配置为能够通过轴部将热从第二室传递到布置在第一室中的头部,头部的散热风扇被配置为能够通过进入第一室的外部气流和/或通过由于散热风扇旋转而产生的强制对流换热,将通过转子从第二室传递到第一室的热驱散到环境中。(The present invention provides a housing for a photosensor, comprising: a first chamber that is thermodynamically open; a second chamber disposed adjacent to the first chamber, the second chamber being thermodynamically closed; a rotor extending from the first chamber to the second chamber, the rotor comprising: a shaft portion arranged in the second chamber coaxially with the rotation axis of the rotor, the shaft portion including means for mounting the photosensor device; a head portion arranged in the first chamber coaxially with the rotational axis of the rotor, a heat dissipation fan fixedly arranged on the head portion and surrounding the head portion, the head portion and the heat dissipation fan being rotatably coupled and thermally coupled to the shaft portion to rotate simultaneously with the shaft portion around the rotational axis of the rotor, the rotor being configured to be able to transfer heat from the second chamber to the head portion arranged in the first chamber through the shaft portion, the heat dissipation fan of the head portion being configured to be able to dissipate heat transferred from the second chamber to the first chamber through the rotor into the environment by an external air flow entering the first chamber and/or by forced convective heat transfer due to the rotation of the heat dissipation fan.)

用于光电传感器和激光雷达传感器的外壳

技术领域

本发明涉及一种用于光电传感器和激光雷达(LiDAR)传感器的外壳。

背景技术

在密封电子装置中，散热通常由外壳本身、例如通过外壳壁的传导、使用具有适当导热率(＞15W/(m·K))的材料执行。在这些情况下，电子装置内部的少量热空气不会以产生有效的对流散热的方式被利用。

包括密封外壳的需要安装有具有电子器件的旋转部件的系统(例如，激光雷达相机)在热管理方面可面临大的挑战。

US 2008/197728 A公开了一种用于旋转电机的电子组件的散热器。在文中，利用装置的顶部和底部的辅助鳍片来执行从旋转电子装置中去除热的被动冷却过程。

US 2006/066156 A涉及具有旋转热管的电机转子冷却系统。热管被放置在转子周围，用于通过管内液体的蒸发来通过相变散热。散热也依赖于离心力。

发明内容

根据第一方面，本发明涉及一种用于光电传感器、特别是激光雷达传感器的外壳。“外壳”可理解为可以放置传感器的组件的壳体。外壳可理解为不旋转的定子。但这并不排除外壳可以包括旋转部件。本发明的外壳包括作为热力学开放系统的第一室。“热力学开放”的定义是指系统能够与环境交换质量和能量、例如功和/或热的经典热力学定义。换句话说，例如，第一室可以包括空气开口。外壳还包括与第一室邻近布置的第二室。例如，第一室和第二室可以通过分离部分分离。第二室是热力学封闭的。换句话说，根据封闭系统的经典热力学定义，第二室能够与其环境交换能量、例如热和/或功，然而，第二室不能与其环境交换质量。第二室的热力学封闭内部体积、即系统尤其由第二室的壁和转子的轴部限定。本发明的外壳包括从第一室延伸到第二室的转子。此外，特别地，转子具有位于第一室中近端，其中，特别地，转子在其空间路线中不包括间断点。转子还延伸穿过布置在第一室和第二室之间的分离部分。此外，转子延伸进第二室，其中，特别地，转子包括位于第二室中的远端。第一室中的转子部分称为“头部”，第二室中的转子部分称为“轴部”。例如，转子可包括圆柱形状的杆，其还包括围绕该杆并且固定地安装在该杆上的元件。此外，特别地，转子平行于第一室和第二室的壁并且与转子的旋转轴线同轴地延伸。例如，如果外壳具有圆柱形状，则转子的旋转轴线可以通过圆柱体的第一圆形表面的中心延伸到圆柱体的第二圆形表面的中心。转子包括与转子的旋转轴线同轴布置的轴部。特别地，轴部完全布置在第二室中。轴部包括用于安装光电传感器装置的器件。例如，轴部可被配置为能够与光电传感器的发射器和/或接收器和/或收发器耦合。此外，只要光电传感器的其他电子部件被布置在第二室的轴部上，它们就可安装在轴部上。由于第二室是热力学封闭的，所以没有灰尘、湿气或颗粒可进入第二室。第二室可包括对限定波长范围的光具有可透性的窗。所述波长范围可以是近红外范围(780nm到3μm)或从800nm到950nm或1450nm到1500nm。可选地，波长范围可以是从750nm到1700nm。此外，转子包括位于第一室中与转子的旋转轴线同轴布置的头部。散热风扇被固定地布置在头部上并围绕头部，其中，头部和散热风扇可旋转地耦合且热耦合到轴部，以便与轴部同时围绕转子的旋转轴线旋转。例如，散热风扇可以包括螺旋桨结构。此外，轴部和头部的旋转始终彼此相同。由于散热风扇和头部热耦合到轴部，所以转子被配置为能够通过轴部将热从第二室传递到第一室中的头部和头部的散热风扇，其中，因为第一室是热力学开放系统，因此头部的散热风扇被配置为能够通过进入第一室的外部气流和/或通过由于散热风扇旋转而产生强制对流换热，将从第二室传递到第一室的热驱散到环境中。转子的旋转频率可以在100rpm到2000rpm的范围内、特别是在300rpm到1000rpm的范围内。例如，当光电传感器的外壳安装在汽车上时，来自环境的气流可以在行驶期间进入第一室。然而，强制对流可通过散热风扇本身的旋转产生。因此，在第二室中的轴部和第一室中的散热风扇的散热结构之间产生温度梯度，其中，温度沿从第一室到第二室的路径增加。由于这种梯度，通过从轴部到头部的传导执行热传递。从散热风扇到环境的散热是通过对流、例如通过在开放室的内部流动的空气和/或通过散热风扇本身的旋转引起的强制对流驱动的。为了进一步促进热传递，转子的轴部可以由具有高导热率的材料、例如铜和/或铝和/或钢形成。例如，轴部可以由全金属气缸制成。此外，轴部还可包括肋，以便促进从第二室中存在的含热空气到轴部的热传递。因此，例如，在存在电子部件的情况下可能在第二室内产生的大量的热(＞50W)可被驱散而不会对电子部件的功能产生负面影响。由于本发明的转子布置结构和通过散热风扇的旋转产生的温度梯度，转子的散热能力与布置在常规装置的封闭室内部的转子的散热能力相比可提高。此外，在第二室内部产生的热被传导驱散到外壳的外部，这比内部对流更有效，这是因为内部对流引起另外的大的热阻抗。此外，通常的基于内部散热的冷却方法需要装置的内部和外部的大的表面积以具有适当的热传递。使用本发明的外壳，由于如上所讨论的由温度梯度引起的其有利的热传递特性，因此装置的尺寸可被缩小。本发明的外壳可以是金属或聚合物。例如，本发明的外壳可包括具有小于20W/(m·K)的导热率的低导电聚合物材料。

从属权利要求公开了本发明的有利变型。

散热风扇可包括各种结构。例如，散热风扇可包括分层盘状结构，其可包括可以以头部为中心沿与旋转轴线同轴的堆叠方向堆叠的空间分离的盘。盘也可安装在头部上。例如，盘可定中头部，其中，头部可以具有圆柱形状。盘可包括位于其圆形表面上的交错销突起结构和/或弧形鳍片。空间分离的盘可通过板和/或销连接。此外，盘之间的空间可包括空腔和/或多孔结构，空气可通过这些空腔和/或多孔结构流动。

热力学封闭的热管可被布置在转子的轴部的内部。热管被配置为能够将热从第二室传递到散热风扇。因此，热管从轴部的内部延伸到头部的内部。例如，热管在其内部体积中可包含工作流体、例如气体(特别是空气和/或氦气和/或氮气)。此外或附加地，热管可根据操作温度而包括液体、例如水和/或丙酮和/或氨水。另外的或替代的成分可以是基于CFC的制冷剂(例如，1，1，1，2-四氟乙烷)和/或碱金属(铯和/或钾和/或钠)和/或甲醇和/或乙烷。例如，热管包膜可包括钢和/或铜和/或铝和/或高温合金。

热管也可延伸直到头部，这另外地增加了从轴部到头部的热传递的质量。此外，转子的内部可布置一个以上的热管、特别是两个到十二个热管。在轴部布置的热管不延伸进入第二室。由于热管被布置在转子内部，所以可改善转子的热传递。

热管在其内部体积的部分中可包括液体介质，其包括乙醇、甲醇、水、氨水、丙酮或它们的组合。优选地，仅热管的体积的一部分充有液体。热管的包含液体(根据外壳的布置)并且液体从中蒸发的末端称为“蒸发器”。液体可通过存在于第二室中被传递到轴部中的热而蒸发并迅速将热传递到头部，其中，液体可在头部冷凝并将热驱散到头部。头部的液体被冷凝的部分称为冷凝器。因此，冷凝的液体可通过热管的内部体积回流到轴部中。利用这种效果，由于液体的蒸发的潜热，更高的热量可以以加速的方式被传递进头部。因此，本发明的外壳能够去除第二室内部产生的较大热量(例如＞50W)。因此，针对宽的温度范围将外壳用于传感器而不对传感器的功能产生负面影响、例如用作汽车传感器的情况变为可能。此外，管可以与转子的旋转轴线平行或同轴布置。此外，在第二室中包括光电传感器装置的外壳可以以这样的方式被布置：轴部具有以下方位：使得重力有助于将头部的冷凝液返回到管的底部(例如，垂直于重力的方向)。换句话说，管可以以这样的方式被布置：使转子的远端指向重力导致液体向下流动的方向。本发明的这种变型可以被表示为热虹吸。特别地，热虹吸不需要毛细管作用力来返回冷凝的液体，因为热虹吸使用重力。此外，管还可被构造为使用毛细管作用力，以便液体能够返回布置在轴部中的管部分。因此，热管可包括3mm至6mm的内径。

根据本发明的外壳的优选变型，头部包括布置在头部的中部的蒸汽室和散热风扇，其中至少两个热管从轴部的内部延伸到头部终止。此外，热管可包括开口，蒸汽室和管通过该开口彼此流体耦合，从而蒸汽室和热管形成热力学封闭系统。热管的直径和相应的热管体积小于蒸汽室的体积。由于如上所讨论的热传递机制，蒸发的液体可以容易地从热管传递到蒸汽室，加热的液体或气体可在蒸汽室中膨胀，这有助于气体或蒸发的液体由于液体在蒸汽室中发生的松弛和体积膨胀而冷却。

在本发明的外壳的另一变型中，轴部包括位于其中部的至少两个闭合的热管，其中，每个热管可具有不同的形状。例如，热管可以彼此平行地延伸，或者热管呈V形布置结构，其中，热管在头部会聚，在轴部分开。替代地或者附加地，热管可以从头部开始平行于旋转轴线延伸，其中，热管在轴部中垂直于转子的旋转轴线彼此分开，直到它们到达轴部的壁，从那里它们另外平行于转子的旋转轴线延伸，其中，热管改变方向并平行于轴部的壁延伸。通常，轴部可包括不向第二室开放的内部空腔空间，其中，例如，空腔空间可具有其中布置热管的长方体、立方体或圆柱体的形状。特别地，空腔包括大于热管体积的体积。此外，轴部还可包括没有热管的空腔。在这种情况下，可在空腔中布置更多的元件、例如电子元件。

在本发明的外壳的另一变型中，第二室在其内部体积中包括电机，电机被配置为能够将旋转运动传送到转子。例如，电机可被布置在转子的位于第二室中的远端处。此外，电机可与转子的旋转轴线同轴地布置在转子的远端处。例如，用于向转子施加电压的电缆可以通过第二室的壁***。然而，电缆被充分密封，以便保持第二室热力学封闭。

此外，电机可以热耦合到转子的轴部。在这种情况下，电机产生的热也可通过轴部传递到头部以散热。例如，热耦合电机和转子可以通过电机和转子的相邻布置来实现。此外或附加地，电机和转子可相互耦合。

在本发明的外壳的另一有利变型中，第一室包括空气开口。空气开口可以针对第一室的壁结构而彼此相反地布置，以便允许空气通过散热风扇。开口将本发明的外壳的环境与第一室的内部体积连接。

在本发明的外壳的另一有利变型中，分离第一室和第二室的部分包括轴承，轴承被配置为能够支持转子的旋转运动但又被配置为能够热力学封闭第二室。由于该部分中的分离第一室和第二室的该部分中的轴承，可减小转子旋转期间转子和该分离部分之间的摩擦力，可确保本发明的外壳的长期稳定性。例如，轴承可以由聚合物和/或橡胶制成。轴承可包括石墨密封件。轴承可防止灰尘和水进入第二室。

另外的方面分别包括本发明的外壳的技术特征、优点和技术效果。

根据第二方面，本发明涉及一种包括根据第一方面的外壳的激光雷达传感器。

下面的附图示出了本发明的更多实施例、变型和优点。

附图说明

以下，针对附图详细描述本发明的变型。在附图中：

图1a示出了本发明的外壳的变型的前视图和后视图；

图1b示出了本发明的外壳的另一变型的后视图；

图2示出了本发明的外壳的变型的剖面图；

图3示出了本发明的外壳的另一变型的剖面图；

图4示出了本发明的外壳的具有V形管的变型的剖面图；

图5示出了本发明的外壳的具有热虹吸室的变型；

图6a示出了弧形鳍片的散热风扇；

图6b示出了散热风扇的具有交错销的变型；

图7示出了本发明的外壳的倒转布置的剖面图。

具体实施方式

图1a的左侧示出了本发明的外壳1a的前视图。本发明的外壳1a包括对波长在800nm到1000nm范围内的辐射具有可透性的盖2。此外，外壳1a包括转子4。外壳1a的前侧另外包括如相应箭头所示的空气可以进入的空气开3a。图1a的右侧示出了外壳1a的后视图，外壳1a还包括与空气开3a相反布置的空气可离开的空气开3b。

图1b示出了本发明的外壳1b的另一变型，其中，外壳1b具有圆柱形状。仍然存在前开3a，空气可以进入其中以便协助冷却处理。图1a和图1b的外壳能够包括用于激光雷达传感器的组件。换句话说，外壳1a、1b可被用作激光雷达传感器的外壳。

图2示出了本发明的外壳1的变型的剖面图。本发明的外壳1包括从第一室9延伸的转子4，在第一室9中，本发明的转子4包括在分离部分16上方的头部11和散热风扇8，在分离部分16中，转子4被轴承12包围。转子4进一步延伸到作为热力学封闭系统的第二室10中。相比之下，第一室9是热力学开放系统。转子还包括热管6，热管6在其内部体积内还包括液体、例如水。由于管中液体的蒸发以及由于传导热的传输，在第二室10中产生的热可以通过转子轴7和管6被传递，其中，由箭头所示的热流被传递到头部11。因为第一室9是开放系统，所以由于头部11和围绕头部11的散热风扇8的旋转运动，从第二室10传递到第一室9的热可以被驱散到环境中。从第二室10到第一室9的热传递通过被表示为图2的外壳1左侧的箭头的温度梯度驱动。

图3示出了本发明的外壳1的另一变型。也存在于图2中的电机5被配置为能够将旋转运动传送到转子4。旋转轴线19穿过转子4的中心延伸。转子4还包含空腔，其中布置有四个热管6a-6d的布置结构。热管6a-6d延伸至头部11，其中，热可由于图2所示的温度梯度被传递到散热风扇8。

图4示出了本发明的外壳1的类似变型。然而，在这种情况下，轴7和转子4不包含用于管6a、6b的空腔。管6a、6b具有V形布置结构，该V形布置结构在第二室10中分开，并相对于与转子4的旋转轴线19同轴的向上的方向会聚。

图5示出了如图4的类似布置结构。在这种情况下，在头部11中布置了蒸汽室13。此外，轴承12被布置在第一室9和第二室10之间的分离部分16中。

图6a示出了本发明的散热风扇8的变型。散热风扇8具有围绕转子4的头部11的盘状结构。散热风扇8的盘状结构包括弧形鳍片结构15，以便由于转子4的旋转和/或由于进入开口3a的空气而产生强制对流。弧形鳍片结构15可被布置在每个盘上。

图6b示出了散热风扇8的盘状结构的一种布置结构。在盘状结构之间和在盘状结构的顶部存在销14，以便增强通过头部11和散热风扇8的旋转运动分别引起的强制对流。交错销可被布置在每个盘上。

对于图6a和6b的两种布置结构，均提供了空气开口3a，以便通过盘使空气流通。

图7示出了本发明的外壳1的特定剖面图。外壳1的右边的指向下的箭头示出重力的有效方向。在这种情况下，外壳1可以以重力沿图右边的箭头所示的方向施加的方式被布置到传感器布置结构中。因此，本发明的外壳1可独立于外壳被布置的方向或独立于重力方向被布置在传感器布置结构中或布置在机器人或汽车中。此外，例如，热管可具有2mm的直径，从而液体可通过毛细管作用力被传输。