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Die Erfindung betrifft einen Scheinwerfer für ein Fahrzeug nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Scheinwerfers mit einer Entfeuchtungsvorrichtung.
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Entfeuchtungsvorrichtungen sind prinzipiell aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie können beispielsweise mit Feuchte absorbierenden Substanzen ausgestattet sein, welche in Form einer Entfeuchtungspatrone in einem zu entfeuchtenden Volumen vorgehalten werden. Das Material muss dann von Zeit zu Zeit ausgetauscht und/oder regeneriert werden. Dies ist entsprechend aufwändig.
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Für einen Scheinwerfer für Fahrzeuge schlägt die
DE 102 13 680 A1 deshalb eine Entfeuchtungsvorrichtung vor, bei welcher über ein Peltier-Element eine Fläche oder ein Punkt gekühlt wird, um als Kondensationselement beziehungsweise Taupunktfalle zu funktionieren. Das kondensierte Wasser wird dann über eine Tropfenaufnahmeeinrichtung und eine Ablaufleitung aus dem zu entfeuchtenden Volumen des Scheinwerfers abgeführt. Einen sehr ähnlichen Aufbau beschreibt auch die
DE 103 19 363 A1 , bei welcher ebenfalls ein Peltier-Element im Inneren eines Scheinwerfers als Teil einer Betauungsschutzvorrichtung eingesetzt wird. Auch hier wird auskondensierte Flüssigkeit beispielsweise über ein Leitungselement in die Umgebung abgeführt. Ein weiterer Scheinwerfer mit einem Peltier-Element und einem Kondensatablauf ist auch aus der
DE 10 2017 117 555 A1 bekannt.
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In allen Fällen ist es so, dass das Ziel, das Innere des Scheinwerfers vor dem Beschlagen zu bewahren, in vielen Fällen erreicht werden kann. Allerdings ist bei schwierigen Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise einer sehr hohen Luftfeuchtigkeit in der Umgebung, die Wirkung der Entfeuchtungsvorrichtungen stark eingeschränkt. Durch die Tatsache, dass die Entfeuchtungsvorrichtungen eine ständige Verbindung des inneren Volumens des Scheinwerfers mit der Umgebung erforderlich machen, ist es außerdem so, dass Feuchtigkeit auf diesem Weg auch in das Innere des Scheinwerfers eindringen kann, was die Problematik, insbesondere bei widrigen Umgebungsbedingungen, sogar verschärfen kann.
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Im Endeffekt resultiert daraus eine sehr lange und damit energieintensive Betriebsdauer der beschriebenen Entfeuchtungsvorrichtungen, ohne dass eine einwandfreie Funktion jedoch garantiert werden kann. Um dieser Problematik zumindest teilweise abzuhelfen, beschreibt die
DE 10 2005 060 736 A1 eine ähnliche Konstruktion mit einer Wärmesenke in deren Bereich Kondensat entsteht und in die Umgebung abgeführt wird. Dabei ist gemäß der Ausführung dieser Schrift in der Kondensatabfuhr, welche auch hier als Leitung ausgebildet ist, ein Rückschlagventil vorgesehen, welches nur dann öffnet, wenn Flüssigkeit in seinem Bereich ansteht.
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Alles im Allem bleibt auch bei diesem Aufbau der Nachteil, dass die Funktionalität zwar nochmals minimal verbessert wird, bei widrigen Umgebungsbedingungen jedoch auch mit dem in der zuletzt genannten Schrift beschriebenen Aufbau ein vollständiges Unterbinden eines Beschlagens in dem Volumen des Scheinwerfers kaum möglich ist.
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Ein Scheinwerfer mit einer Membran, welche bei angelegter Spannung Wasser von der einen zur anderen Seite durchlässt bzw. durchpumpt ist als Entfeuchtungselement in einem Scheinwerfer aus der
US 2019 / 0 120 456 A1 bekannt.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin einen weiter verbesserten Scheinwerfer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welcher auch bei widrigen Umgebungsbedingungen eine zuverlässige Entfeuchtung seines Volumens ermöglicht. Ferner ist es die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, ein zum Betreiben der Entfeuchtungsvorrichtung in dem Scheinwerfer geeignetes Verfahren anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Scheinwerfer mit einer Entfeuchtungsvorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Entfeuchtungsvorrichtung sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen angegeben. Außerdem löst ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 5 zum Betreiben einer solchen Entfeuchtungsvorrichtung in einem Scheinwerfer die Aufgabe. Auch bezüglich des Verfahrens sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen in den vom Anspruch 5 abhängigen Unteransprüchen angegeben.
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Ein Scheinwerfer für ein Fahrzeug sieht dabei wenigstens eine Lichtquelle und ein Volumen vor, welches von einem zumindest teilweise transparenten Gehäuse umschlossen ist. Dieser Aufbau ist beispielsweise bei Frontscheinwerfern typischerweise mit einer vollständig transparenten Oberfläche in Fahrtrichtung nach vorn ausgebildet oder im Falle einer Heckleuchte, welche gemäß der Erfindung ebenfalls unter die Definition des Scheinwerfers fällt, mit einer typischerweise eingefärbten transparenten Fläche in Fahrtrichtung nach hinten sowie gegebenenfalls ergänzend zur Seite. Bei einem solchen Scheinwerfer ist es erfindungsgemäß nun vorgesehen, dass in dem umschlossenen Volumen eine Entfeuchtungsvorrichtung vorgesehen ist. Diese Entfeuchtungsvorrichtung umfasst, ähnlich wie die Entfeuchtungsvorrichtungen für Scheinwerfer aus dem Stand der Technik, ein Peltier-Element, welches in einem vor Betauung zu schützenden Volumen angeordnet oder mit diesem wärmeleitend verbunden ist. Hierdurch ist es möglich eine Fläche in dem Volumen zu kühlen, beispielsweise indirekt über ein Wärmeleitelement oder bei einer Anordnung des Peltier-Elements in dem Volumen unmittelbar über die kühle Fläche/Seite des Peltier-Elements. In diesem Bereich wird dann Feuchtigkeit kondensieren und gelangt, vergleichbar wie im eingangs genannten Stand der Technik, mit einer Kondensatabfuhr aus dem Volumen.
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Erfindungsgemäß ist es bei dem Scheinwerfer mit der Entfeuchtungsvorrichtung nun so, dass die Kondensatabfuhr eine elektroosmotische Membran aufweist, welche an ihren Oberflächen mit wasserdurchlässigen Elektroden versehen ist. Das Volumen ist dabei mit der Umgebung lediglich über die Membran verbunden. Bei dem Scheinwerfer mit der Entfeuchtungsvorrichtung gemäß der Erfindung kann das Volumen also in sich geschlossen sein, sodass ein Eindringen von Feuchtigkeit von außen nicht oder allenfalls erschwert unter nicht zu verhindernde oder mit vertretbarem Aufwand nicht zu verhindernde Undichtheiten erfolgt. Die Kondensatabfuhr, welche im Stand der Technik eine dauerhafte Verbindung zur Umgebung schafft, wird bei dem erfindungsgemäßen Aufbau durch die elektroosmotische Membran verschlossen. Eine solche elektroosmotische Membran kann dabei beim Anlegen einer Spannung an die beiden wasserdurchlässigen Elektroden auf ihren Flächen, also der einen dem Volumen und der anderen der Umgehung zugewandten Fläche, Wasser gezielt transportieren. Damit lässt sich Wasser vom Inneren des Volumens über die Membran in die Umgebung ableiten, auch wenn in der Umgebung entsprechend widrige Bedingungen, wie beispielsweise eine extrem hohe Luftfeuchtigkeit, vorliegen. Die über die Elektroden und das Anlegen einer Spannung aktiv steuerbare Membran kann auch in diesen schwierigen Situationen zuverlässig auskondensiertes Wasser vom Inneren des Volumens nach außen führen, insbesondere auch entgegen eines Gefälles in der Luftfeuchtigkeit.
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Der erfindungsgemäße Scheinwerfer mit der Entfeuchtungsvorrichtung sieht es ferner vor, dass die Kondensatabfuhr ein poröses Material zwischen der gekühlten Fläche und der Membran aufweist. Die Kondensatabfuhr kann also ein poröses Material umfassen, welche beispielsweise durch die Schwerkraft, durch Kapillarkräfte oder Ähnliches das auskondensierte Wasser von der gekühlten Fläche zu der Membran leitet. In deren Bereich wird es dann durch die Membran hindurch in die Umgebung abgegeben, in dem eine Spannung an die Elektroden der Membran gelegt wird.
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Dabei ist nicht nur die kalte Seite des Peltier-Elements in dem Volumen angeordnet, oder steht mit diesem in wärmeleitender Verbindung, sondern an anderer Stelle des Volumens auch die warme Seite. Damit wird erreicht, dass neben der Kondensation an der gekühlten Fläche das im Volumen befindliche Gas, insbesondere Luft, aufgewärmt wird, womit die relative Feuchte zusätzlich gesenkt und die Gefahr einer Betauung weiter reduziert wird.
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Der Aufbau ist dabei einfach und effizient, insbesondere da solche elektroosmotischen Membranen am Markt leicht verfügbar sind.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Scheinwerfers mit der Entfeuchtungsvorrichtung kann die Membran ein ionisch leitendes Polymer, bevorzugt einen Protonenleiter aufweisen. Solche Membranen eignen sich bei entsprechender Durchfeuchtung sehr gut um aktiv Wasser durch das Anlegen einer Spannung an ihren Elektroden in die gewünschte Richtung, hier insbesondere vom Inneren des Volumens in die Umgebung zu leiten.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung dieser Idee kann die Membran sulfonierte Perfluorpolymere aufweisen. Sie kann insbesondere aus einem perfluorierten Copolymer bestehen, dass als ionische Gruppe eine Sulfongruppe enthält. Ein solches Material ist als lonomer unter der Bezeichnung „Nafion“ allgemein bekannt und am Markt erhältlich, es wird beispielsweise auch in Brennstoffzellen eingesetzt. Es ist in der Lage, die gewünschte aktive Steuerung eines Wasserdurchtritts auch entgegen einem Konzentrations- beziehungsweise Feuchtigkeitsgefälle durch anlegen einer Spannung einfach und effizient zu ermöglichen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Scheinwerfers mit der Entfeuchtungsvorrichtung kann dies beispielsweise dadurch realisiert werden, dass das Peltier-Element mit seinen beiden Seiten, also seiner warmen und seiner kalten Seite, in dem Volumen angeordnet wird. Dieser Aufbau ist besonders einfach und effizient und erlaubt eine ideale Funktion der Entfeuchtungsvorrichtung bei minimalen Bauraumbedarf, insbesondere dadurch, dass die kalte Seite des Peltier-Elements als gekühlte Fläche durch das poröse Material mit der Membran verbunden ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer solchen Entfeuchtungsvorrichtung in dem erfindungsgemäßen Scheinwerfer sieht es nun vor, dass im Falle einer notwendigen Entfeuchtung das Peltier-Element mit elektrischer Leistung versorgt wird, wie es auch bei den Verfahren gemäß des eingangs genannten Standes der Technik der Fall ist. Erfindungsgemäß ist es bei dem Verfahren zum Betreiben einer Entfeuchtungsvorrichtung nun so, dass für den Fall der Entfeuchtung außerdem gleichzeitig oder zeitlich versetzt nach dem Beginn der Leistungsversorgung des Peltier-Elements eine Spannung an die Elektroden der Membran angelegt wird, um Wasser aktiv vom Inneren des Volumens in die Umgebung zu transportieren. Dies erfolgt bei den entsprechenden Membranen, wie eingangs bereits erwähnt, in jedem Fall, also auch dann, wenn die Umgebungsbedingungen widrig sind, da auch gegen ein Konzentrationsgefälle, ein Feuchtigkeitsgefälle, ein Temperaturgefälle oder dergleichen Wasser durch die Membran hindurch „gepumpt“ wird. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es so eine Betauung des zu schützenden Volumens in quasi allen Situationen zuverlässig zu vermeiden. Der einfachste Fall ist dabei das gleichzeitige Beaufschlagen des Peltier-Elements mit Leistung und der Elektroden der Membran mit Spannung. Da die Auskondensation am Peltier-Element jedoch eine gewisse Zeit benötigt, sodass Wasser erst nach einer gewissen Zeit an der Membran anliegt, kann der Aufbau so verwendet werden, dass das Beaufschlagen der Elektroden der Membran mit Spannung zeitlich versetzt nach dem Beginn der Leistungsbeaufschlagung des Peltier-Elements und insbesondere auch zeitlich über diese hinaus erfolgen, um diesen Zeitversatz auszugleichen. Insbesondere ein verzögertes Abschalten der Spannung an den Elektroden der Membran gegenüber dem Abschalten der elektrischen Leistung am Peltier-Element ist in jedem Fall sinnvoll, um alles Restwasser zuverlässig aus dem Volumen zu entfernen.
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Die Entfeuchtungsvorrichtung bestehend aus dem Peltier-Element und der aktiv angesteuerten elektroosmotischen Membran kann insbesondere dann aktiviert werden, wenn die Notwendigkeit einer Entfeuchtung besteht. Dies kann beispielsweise im Falle einer tatsächlichen oder wahrscheinlichen Beschlagbildung der Fall sein. Das Einschalten und gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee auch die Leistungsregelung am Peltier-Element kann in Abhängigkeit einer Steuerung, vorzugsweise einer intelligenten Steuerung erfolgen, welche Sensordaten auswertet und daraus eine tatsächliche Beschlagbildung erkennt oder eine hohe Wahrscheinlichkeit einer Beschlagbildung berechnet und dementsprechend das Peltier-Element und die Elektroden der Membran ansteuert. Dabei können verschiedene Sensoren eine Rolle spielen, beispielsweise externe und interne Klimadaten, also Klimadaten beispielsweise innerhalb des Volumens oder in der Umgebung. Auch einfache Sensoren, wie beispielsweise Temperatursensoren und dergleichen, können Verwendung finden. Insbesondere können auch optische Sensoren Verwendung finden, welche beispielsweise mit sichtbarem Licht oder mit Licht im IR-Bereich eine eventuelle Beschlagsbildung erkennen können, um so unmittelbar die Entfeuchtungsvorrichtung zu aktivieren.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie des Scheinwerfers ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher beschrieben ist.
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Die einzige beigefügte Figur zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Scheinwerfer mit einer Entfeuchtungsvorrichtung gemäß der Erfindung.
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In der Darstellung der Figur ist ein Scheinwerfer 1 angedeutet. Er umfasst ein mit 2 bezeichnetes Gehäuse, welches ein mit 3 bezeichnetes Volumen einschließt. Ein gestrichelt dargestellter mit 2a bezeichneter Teil des Gehäuses 2 ist transparent, sodass das von einer Lichtquelle 4 abgestrahlte Licht in die Umgebung gelangt, sowie es Sinn und Zweck eines Scheinwerfers 1 ist. Dieser Aufbau ist schematisch angedeutet und kann in beliebiger anderer Art und Weise ausgestaltet sein.
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Um eine Betauung im Inneren des Volumens 3 und damit letztlich insbesondere ein Beschlagen des transparenten Teils 2a des Gehäuses 2 von innen zu vermeiden, ist in dem Scheinwerfer 1 eine Entfeuchtungsvorrichtung 5 vorgesehen. Diese Entfeuchtungsvorrichtung 5, welche in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Figur auf der dem transparenten Teil 2a des Gehäuses 2 abgewandten Seite angeordnet ist, umfasst ein Peltier-Element 6. Dieses für den Einsatzzweck an sich bekannte Peltier-Element 6 lässt sich über angedeutete Leitungen 7 so mit elektrischer Leistung Beaufschlagen, dass eine warme Seite 6.1 entsteht, die eine gegenüber der Umgebungstemperatur erhöhte Temperatur aufweist, und eine kalte Seite 6.2 welche dementsprechend eine gegenüber der Umgebungstemperatur erniedrigte Temperatur aufweist. Diese kalte Seite 6.2, beziehungsweise ihre Oberfläche, dient nun als Taupunktfalle, um Feuchtigkeit in dem Volumen 3 in ihrem Bereich zu kondensieren. Ferner ist es so, dass durch die gleichzeitige Anwesenheit der warmen Seite 6.1 in dem Volumen 3 durch die Abwärme dieser warmen Seite 6.1 die Luft in dem Volumen 3 aufgewärmt wird, womit die relative Feuchte zusätzlich abgesenkt und die Gefahr einer Betauung, insbesondere des transparenten Teils 2a des Gehäuses 2 weiter reduziert wird.
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Das im Bereich der kalten Seite 6.2 auskondensierende Wasser wird nun über eine Kondensatabfuhr in die Umgebung des Volumens 3 abgeführt. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel besteht diese Kondensatabfuhr aus einem porösen Material 8, hier wäre jedoch auch eine Leitung oder auch eine mit porösem Material gefüllte Leitung denkbar. Ferner umfasst die Kondensatabfuhr eine aktive Membran 9, welche an ihren Oberflächen mit für Wasser durchlässigen, beispielsweise porösen oder gitterförmigen, Elektroden 10 versehen ist. Diese aktive Membran 9 besteht aus einem ionisch leitenden Polymer, bevorzugt einem Protonenleiter mit stark ausgeprägten elektroosmotischen Eigenschaften. Solche Eigenschaften besitzen beispielsweise sulfonierte Perfluorpolymere. Ein Beispiel ist hier das unter dem Markennamen Nation bekannte Material. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den Elektroden 10 über die angedeuteten elektrischen Anschlüsse 11, kann je nach Polung der Spannung Wasser zwischen den beiden Flächen der Nafionmembran transportiert werden. Im Falle des Einsatzes der aktiven Membran 9 in der Kondensatabfuhr der Entfeuchtungsvorrichtung 5 ist es nun so, dass die Polung der Spannung an den Elektroden 10 so gestaltet wird, dass Wasser aus dem Volumen 3 des Scheinwerfers 1 abgeführt wird. Das am Peltier-Element 6 beziehungsweise seiner kalten Seite 6.2 auskondensierte Wasser gelangt über das poröse Material 8 zu der Membran 9 und dann durch diese hindurch in die Umgebung. Dadurch, dass diese Abfuhr durch die Spannung an den Elektroden 10 der Membran 9 unterstützt wird, ist diese unter annähernd allen Umgebungsbedingungen möglich, sodass auch bei schwierigen Bedingungen, wie beispielsweise einer hohen Luftfeuchtigkeit in der Umgebung des Scheinwerfers 1, eine zuverlässige Entfeuchtung des Volumens 3 und damit eine zuverlässige Verhinderung des Beschlagens der inneren Oberfläche des Gehäuses 2 erreicht werden kann.