DE10137737B4

DE10137737B4 - Optoelectronic device with thermal stabilization

Info

Publication number: DE10137737B4
Application number: DE2001137737
Authority: DE
Inventors: Hans Dr. Driescher; Roman Schmidt
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2001-07-31
Filing date: 2001-07-31
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2021-08-01
Also published as: DE10137737A1

Abstract

Optoelektronisches Gerät, umfassend ein Objektivgehäuse mit einer Heizquelle für das Objektiv und mindestens ein optoelektronisches Bauelement, dem ein Kühlmodul zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Konvektor (1) des Kühlmoduls über mindestens ein in das Objektivgehäuse (6) geführtes Wärmerohr (4) mit einem Konvektor (5) innerhalb des Objektivgehäuses (6) wärmeleitend verbunden ist, innerhalb des Objektivgehäuses (6) ein Temperatur-Fühler (14) angeordnet ist und in Abhängigkeit von dem Temperatur-Fühler (14) der Wärmeflußzu- oder abschaltbar ist.The optoelectronic Device, comprising a lens housing with a heating source for the lens and at least one optoelectronic device, the a cooling module is assigned, characterized in that a convector (1) of the cooling module over at least in the lens housing (6) guided Heat pipe (4) with a convector (5) inside the lens housing (6) thermally conductive is connected within the lens housing (6) a temperature sensor (14) is arranged and dependent from the temperature sensor (14) the heat flow or can be switched off.

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Gerät mit Thermostabilisierung gemäß des Patentanspruchs 1.The The invention relates to an optoelectronic device with thermal stabilization according to the patent claim 1.

Bei der Thermostabilisierung optoelektronischer Geräte tritt häufig das Problem auf, daß im gleichen Gerät bestimmte Elemente oder Baugruppen gekühlt und andere Teile erwärmt werden müssen. Einen typischen Anwendungsfall stellen optoelektronische Geräte dar, die bei relativ kalten Umgebungtemperaturen eingesetzt werden.at the thermostabilization of optoelectronic devices often occurs the problem that in the same Device specific Refrigerated elements or assemblies and other parts heated Need to become. a Typical applications are optoelectronic devices, which are used at relatively cold ambient temperatures.

Hier kann es erforderlich sein, daß die sensitive Einheit beispielsweise eine mit CCD-Zeilen bestückte Fokalebene, gekühlt werden muß und andere Baugruppen, wie beispielsweise das Objektiv mit beweglichen mechanischen Teilen erwärmt werden muß. Handelt es sich um ein mobiles und autonomes Gerät, kann auch der Energieverbrauch von entscheidener Bedeutung sein, insbesondere wenn Batterien oder Akkumulatoren die Energieversorgung begrenzen.Here It may be necessary for the Sensitive unit, for example, equipped with CCD lines focal plane, chilled must and must other assemblies, such as the lens with movable heated mechanical parts must become. If it is a mobile and autonomous device, the energy consumption can also be reduced be of decisive importance, especially if batteries or Accumulators limit the power supply.

Bei parallel bestehenden Anforderungen an die Thermostabilisierung, nämlich gleichzeitiges kühlen der einen Baugruppe und erwärmen der Anderen, bieten sich Lösungen an, die parasitär anfallende Wärme des Kühlmoduls, beispielsweise eines Joule-Thomson-Kühlers, zur funktional notwendigen Erwärmung anderer Baugruppen zu nutzen.at parallel requirements for thermal stabilization, namely simultaneous cooling of an assembly and heat others, solutions are available the parasitic accumulating heat the cooling module, for example, a Joule-Thomson cooler, for the functionally necessary heating of others Use assemblies.

Bei Einsatz eines solchen optoelektronischen Gerätes mit beispielsweise ständig kalten Umgebungsbedingungen lassen sich mit dem heutigen Stand der Technik gute Lösungen finden auch die Verlustleistung des erforderlichen Kühlers voll für die notwendige Erwärmung anderer Baugruppen zu verwenden.at Use of such optoelectronic device with, for example, constantly cold Environmental conditions can be with the current state of the art good solutions find the power loss of the required radiator full for the necessary warming other assemblies to use.

Ein Problem ergibt sich jedoch, wenn das optoelektronische Gerät in wechselnden Umgebungsbedingungen eingesetzt werden soll. Dies gilt beispielsweise für den Einsatz im Weltraum oder allgemein in der Luftfahrt.One Problem arises, however, if the optoelectronic device in changing Ambient conditions should be used. This applies, for example for the Use in space or in aviation in general.

Dies soll am Beispiel einer Luftbildkamera kurz erläutert werden. Je nachdem, in welcher Höhe oder wie der Grad der Sonnenbestrahlung ist, ändert sich die Temperatur des die Optik tragenden Objektivgehäuses. Die Abbildungseigenschaften der Optik sind jedoch nur in einem bestimmten Temperaturbereich gewährleistet. Ist jetzt die Temperatur des Objektivgehäuses ohnehin schon sehr hoch, so besteht die Gefahr, dass aufgrund der zusätzlichen Wärmezufuhr vom Kühlmodul die obere Grenztemperatur überschritten wird. Daher wird bei den bekannten Luftbildkameras die Thermostabilisierung der photosensitiven Bauelemente und des Objektivgehäuses jeweils separat und von einander unabhängig ausgebildet.This will be briefly explained using the example of an aerial camera. Depending on, in which height or As the degree of sunlight is changing, the temperature of the the optics-bearing lens housing. However, the imaging properties of optics are only in a certain Temperature range guaranteed. Is now the temperature of the lens housing anyway very high, so there is a risk that due to the additional heat from the cooling module exceeded the upper limit temperature becomes. Therefore, in the known aerial camera, the thermal stabilization the photosensitive components and the lens housing respectively separate and independent from each other educated.

Aus der US-2,442,913 ist eine Kamera bekannt, bei der dem Objektiv ein Heizelement zugeordnet ist. Dabei wird vorgeschlagen, neben einer direkten Erwärmung der Optik durch Wärmeleitung und Wärmestrahlung die umgebende Luft zu erwärmen.Out US 2,442,913 discloses a camera incorporating the lens Heating element is assigned. It is suggested, next to one direct warming the optics by heat conduction and thermal radiation to warm the surrounding air.

Aus der JP 63 107 378 A1 ist eine Kamera bekannt, bei der photosensitive Elemente in der Fokalebene auf Halbleiterbasis angeordnet sind, denen Elemente zur Wärmeabfuhr zugeordnet sind.From the JP 63 107 378 A1 For example, a camera is known in which photosensitive elements are arranged in the focal plane on a semiconductor basis, to which elements for heat dissipation are assigned.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein optoelektronisches Gerät mit einer verbesserten Thermostabilisierung zum Einsatz unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen zu schaffen.Of the The invention is therefore based on the technical problem of an optoelectronic Device with a improved thermal stabilization for use under different To create environmental conditions.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch den Gegenstand mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution the technical problem arises from the subject with the Features of claim 1. Further advantageous embodiments emerge from the dependent claims.

Hierzu ist ein Konvektor des Kühlmoduls über mindestens ein in das Objektivgehäuse geführtes Wärmerohr mit einem Konvektor innerhalb des Objektivgehäuses wärmeleitend verbunden und innerhalb des Objektivgehäuses ein Temperatur-Fühler angeordnet, wobei in Abhängigkeit von den Werten des Temperatur-Fühlers der Wärmefluss zu- oder abschaltbar ist. Hierdurch kann situativ die Abwärme des Kühlmoduls dann genutzt werden, wenn aufgrund der äußeren Bedingungen das Objektivgehäuse geheizt werden müsste. In den Fällen, wo hingegen die Abwärme eher schädlich ist, wird der Wärmestrom unterbrochen und ausschließlich über den Konvektor des Kühlmoduls abgeführt. Hierdurch kann der Energieverbrauch des optischen Gerätes entsprechend reduziert werden.For this is a convector of the cooling module over at least in the lens housing run heat pipe with a convector inside the lens housing thermally conductively connected and within of the lens housing a temperature sensor arranged, depending on from the values of the temperature sensor the heat flow can be switched on or off. As a result, the waste heat of the cooling module then be used when heated due to the external conditions, the lens housing would have to be. In cases, where, however, the waste heat rather harmful is, the heat flow is interrupted and exclusively via the convector of the cooling module dissipated. This allows the energy consumption of the optical device accordingly be reduced.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird jeweils dem Konvektor des Kühlmoduls und dem Wärmerohr eine Kontaktfläche zugeordnet, wobei die Kontaktfläche des Wärmerohres relativ zu der Kontaktfläche des Konvektors durch eine mechanische Stelleneinrichtung bewegbar ist.In a preferred embodiment each is the convector of the cooling module and the heat pipe a contact surface assigned, the contact surface of the heat pipe relative to the contact surface the convector by a mechanical positioning device movable is.

Hierdurch wird sehr einfach ein mechanischer Wärmekontaktschalter realisiert. Soll dabei der Wärmefluß erfolgen, so werden die beiden Kontaktflächen miteinander verbunden. Soll hingegen der Wärmefluß abgeschaltet werden, so werden diese voneinander wegbewegt, so daß diese durch einen isolierenden Luftspalt von beispielsweise 0,1 mm wärmetechnisch entkoppelt sind.As a result, a mechanical thermal contact switch is very easily realized. If the heat flow is to take place, the two contact surfaces are connected to one another. If, however, the heat flow to be switched off, they are moved away from each other, so that they by a insulating air gap, for example, 0.1 mm thermally decoupled.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Wärmerohr schwenkbar in der Wand des Objektivgehäuses gelagert, so daß das Wärmerohr ohne Biegungen den mechanischen Hub vornehmen kann.In a further preferred embodiment is the heat pipe pivotally mounted in the wall of the lens housing, so that the heat pipe without Bends can make the mechanical stroke.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die mechanische Stelleinrichtung als Bimetallspirale ausgebildet, der ein zur Drehachse koaxial ausgerichteter Gewindestift zugeordnet ist, auf dem eine Gabelaufnahme für das Wärmerohr aufgeschraubt ist. Durch eine wärmeleitende Verbindung zwischen dem Temperatur-Fühler und den Bimetallstreifen wird soweit ein automatischer Wärmekontaktschalter realisiert, der keine weiteren Steuerung oder Regelung bedarf.In a further preferred embodiment the mechanical adjusting device is designed as a bimetallic spiral, associated with a coaxially aligned to the axis of rotation threaded pin is on which a fork seat for the heat pipe is screwed. By a thermally conductive Connection between the temperature sensor and the bimetallic strip so far is an automatic thermal contact switch realized that requires no further control or regulation.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Gewindestift in einem Spitzenlager gelagert, um die Reibungsverluste des Gewindestiftes zu minimieren.In a further preferred embodiment the grub screw is stored in a tip bearing to the friction losses minimize the threaded pin.

Vorzugsweise ist dem Konvektor im Objektivgehäuse ein Ventilator zugeordnet, der die Wärme gleichmäßig über einen Luftstrom im Objektivgehäuse verteilt.Preferably is the convector in the lens housing associated with a fan, which distributes the heat evenly over an air flow in the lens housing.

In einer altenativen Ausführungsform ist das Wärmerohr fest mit dem Konvektor des Kühlmoduls und dem Konvektor innerhalb des Objektivgehäuses verbunden, wobei das Wärmerohr und der Konvektor im Objektivgehäuse mit einer Wärmeisolierung ausgebildet sind und der Konvektor im Objektivgehäuse mit einem von einem Ventilator betätigbaren Luftventil ausgebildet ist, wobei der Ventilator durch den Temperatur-Fühler zu- oder abschaltbar ist. Hierdurch kann auf mechanische Relativbewegungen völlig verzichtet werden, was den Aufbau prinzipiell vereinfacht. Das Grundprinzip besteht darin, daß bei geschlossenem Luftventil keine Wärme in das Objektivgehäuse eingekoppelt wird. Soll hingegen bei tiefen Außentemperaturen Wärme eingekoppelt werden, so wird über den Temperatur-Fühler der Ventilator zugeschaltet, dessen Luftstrom das Luftventil des Konvektors öffnet, so daß der Luftstrom des Ventilators am Konvektor vorbeiströmen kann und die erwärmte Luft im Objektgehäuse verteilen kann. Selbstverständlich ist es auch möglich, daß der Ventilator stets läuft und der Temperatur-Fühler das Luftventil schaltet.In an alternative embodiment is the heat pipe stuck to the convector of the cooling module and the convector connected within the lens housing, wherein the heat pipe and the convector in the lens housing with a thermal insulation are formed and the convector in the lens housing with one operated by a fan Air valve is formed, the fan by the temperature sensor on or off is. As a result, can be completely dispensed with mechanical relative movements which simplifies the structure in principle. The basic principle is that when closed Air valve no heat in the lens housing is coupled. On the other hand, heat is to be coupled in at low outside temperatures become, so will over the temperature sensor the fan is switched on, whose air flow opens the air valve of the convector, so that the Air flow of the fan can flow past the convector and the heated air in the object housing can distribute. Of course it is also possible that the Fan always running and the temperature sensor the air valve switches.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist der Einsatz in einer Luftbildkamera.One The preferred field of application of the invention is the use in one Aerial camera.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:The Invention will be described below with reference to a preferred embodiment explained in more detail. The Fig. Show:

1 einen schematischen Querschnitt durch einen Teil einer Luftbildkamera und 1 a schematic cross section through part of an aerial camera and

2 eine perspektivische Detail-Darstellung einer mechanischen Stelleinrichtung. 2 a perspective detail view of a mechanical adjusting device.

In der 1 ist ein schematischer Querschnitt durch einen Teil einer Luftbildkamera dargestellt. Die Luftbildkamera umfaßt einen Konvektor 1 eines nicht dargestellten Kühlmoduls, das beispielsweise als Peltierkühler ausgebildet ist. Der Konvektor 1 ist mit einer Kontaktfläche 2 ausgebildet. Der Kontaktfläche 2 steht eine Kontaktfläche 3 gegenüber, die fest mit einem Wärmerohr 4 verbunden ist. Das Wärmerohr 4 ist mit einem Konvektor 5 verbunden, der in einem Objektivgehäuse 6 angeordnet ist, wobei dem Konvektor 5 ein Ventilator 7 zugeordnet ist. Das Wärmerohr 4 ist in einer Wand 8 schwenkbar über ein Schwenkelement 9 gelagert, wobei der Wanddurchbruch durch eine doppelwandige Gummimembran 10 thermisch nach außen isoliert ist. An einer dem Durchbruch gegenüberliegenden Wand 11 sind mechanisch die verschiedenen Optiken 12 des Objektivs befestigt. Nach außen wird dabei das Objektiv durch eine transparente Abschlußscheibe 13 abgedeckt. Innerhalb des Objektivgehäuses 6 ist ein Temperatur-Fühler 14 angeordnet, der über eine wärmeleitende Verbindung 15 mit einer Bimetallspirale 16 verbunden ist. Das äußere Ende der Bimetallspirale 16 ist mechanisch fixiert, so bei Temperaturänderungen eine Drehung des inneren Endes um einen Drehpunkt stattfindet. Ein zur Drehachse der Bimetallspirale koaxial ausgerichteter Gewindestift 17 ist mit dem inneren Ende der Bimetallspirale 16 derart mechanisch fest verbunden, daß sich das Drehmoment der Bimetallspirale 16 auf den Gewindestift 17 überträgt. Zur Verminderung der Reibungsverluste des Gewindestiftes 17 ist dieses in einem Spitzenlager 18 gelagert. Auf dem Gewindestift 17 ist eine Gabelaufnahme 19 aufgeschraubt, in der das Wärmerohr 4 gelagert ist. Durch die Drehung des Gewindestifts 17 führt dabei die Gabelaufnahme 19 eine translatorische Bewegung aus. Das Objektivgehäuse 6 ist mit einer Durchtrittsöffnung 20 ausgebildet, aus der bei Bedarf warme Luft aus dem Objektivgehäuse 6 an den Optiken 12 des Objektivs vorbeiströmen kann.In the 1 is a schematic cross section through a part of an aerial camera shown. The aerial camera includes a convector 1 a cooling module, not shown, which is formed for example as a Peltier cooler. The convector 1 is with a contact surface 2 educated. The contact surface 2 is a contact surface 3 opposite, stuck with a heat pipe 4 connected is. The heat pipe 4 is with a convector 5 connected in a lens housing 6 is arranged, wherein the convector 5 a fan 7 assigned. The heat pipe 4 is in a wall 8th pivotable via a pivoting element 9 stored, wherein the wall opening by a double-walled rubber membrane 10 thermally insulated to the outside. At a wall opposite the breakthrough 11 are mechanically the different optics 12 attached to the lens. The lens is outwardly through a transparent lens 13 covered. Inside the lens housing 6 is a temperature sensor 14 arranged, via a thermally conductive connection 15 with a bimetallic spiral 16 connected is. The outer end of the bimetallic spiral 16 is mechanically fixed, so when temperature changes a rotation of the inner end takes place around a pivot point. A coaxial with the axis of rotation of the bimetallic threaded pin 17 is with the inner end of the bimetallic spiral 16 so firmly mechanically connected that the torque of the bimetallic spiral 16 on the grub screw 17 transfers. To reduce the friction losses of the threaded pin 17 this is in a top camp 18 stored. On the grub screw 17 is a fork pick 19 screwed on, in the heat pipe 4 is stored. By turning the threaded pin 17 leads the fork holder 19 a translational movement. The lens housing 6 is with a passage opening 20 formed, from the if necessary warm air from the lens housing 6 on the optics 12 of the lens can flow past.

In der 1 ist eine Situation dargestellt, wo keine zusätzliche Wärmemenge von dem Konvektor 1 in das Objektivgehäuse 6 eingekoppelt werden soll. In dieser Betriebssituation sind die beiden Kontaktflächen 2, 3, die vorzugsweise aus Kupfer sind, voneinander beabstandet, so daß sich zwischen diesen ein Luftspalt 21 bildet. Dieser Luftspalt 21 unterbricht den Wärmestrom von Konvektor 1 zum Wärmerohr 4. Erfaßt hingegen der Temperatur-Fühler 14 eine Temperatur, bei der das Objektiv geheizt werden sollte, so wird diese Temperatur über die wärmeleitende Verbindung 15 an die Bimetallspirale 16 übertragen, wo es zur Erzeugung eines Drehmomentes kommt. Hierdurch dreht der Gewindestift 17 und die Gabelaufnahme 19 wird nach oben ausgelenkt, so daß der Luftspalt 21 geschlossen wird. Hierdurch wird die Wärme von Konvektor 1 über das Wärmerohr 4 zum Konvektor 5 geleitet und durch den Luftstrom des Ventilators 7 durch die Durchtrittsöffnung 20 an den Optiken 12 vorbeigeleitet.In the 1 is shown a situation where no additional amount of heat from the convector 1 in the lens housing 6 to be coupled. In this operating situation, the two contact surfaces 2 . 3 , which are preferably made of copper, spaced from each other, so that between them an air gap 21 forms. This air gap 21 interrupts the heat flow of convector 1 to the heat pipe 4 , On the other hand, detects the temperature sensor 14 a tempe If the lens is to be heated, this temperature will be reached via the thermally conductive connection 15 to the bimetallic spiral 16 transmitted, where it comes to generating a torque. This causes the grub screw to rotate 17 and the fork holder 19 is deflected upward, so that the air gap 21 is closed. This will heat the convector 1 over the heat pipe 4 to the convector 5 passed and through the air flow of the fan 7 through the passage opening 20 on the optics 12 bypasses.

In der 2 ist die mechanische Stelleinrichtung aus Bimetallspirale 16, Gewindestift 17 und Gabelaufnahme 19 im Detail dargestellt.In the 2 is the mechanical adjusting device made of bimetallic spiral 16 , Threaded pin 17 and fork holder 19 shown in detail.

Claims

Optoelectronic device comprising a lens housing with a heat source for the lens and at least one optoelectronic component, to which a cooling module is assigned, characterized in that a convector ( 1 ) of the cooling module via at least one in the lens housing ( 6 ) guided heat pipe ( 4 ) with a convector ( 5 ) within the lens housing ( 6 ) is thermally conductively connected within the lens housing ( 6 ) a temperature sensor ( 14 ) and depending on the temperature sensor ( 14 ) the heat flow can be switched on or off.

Optoelectronic device according to claim 1, characterized in that the convector ( 1 ) of the cooling module and the heat pipe ( 4 ) each have a contact surface ( 2 . 3 ), the contact surface ( 3 ) of the heat pipe ( 4 ) relative to the contact surface ( 2 ) of the convector ( 1 ) is movable by a mechanical adjusting device.

Optoelectronic device according to claim 2, characterized in that the heat pipe ( 4 ) swiveling in the wall ( 8th ) of the lens housing ( 6 ) is stored.

Optoelectronic device according to claim 2 or 3, characterized in that the mechanical adjusting device as a bimetallic spiral ( 16 ) is formed, which is a to the axis of rotation coaxially aligned threaded pin ( 17 ), on which a fork receptacle ( 19 ) for the heat pipe ( 4 ) is screwed on.

Optoelectronic device according to claim 4, characterized in that the threaded pin ( 17 ) in a top camp ( 18 ) is stored.

Optoelectronic device according to one of the preceding claims, characterized in that the convector ( 5 ) in the lens housing ( 6 ) a fan ( 7 ) assigned.

Optoelectronic device according to claim 1, characterized in that the heat pipe ( 4 ) fixed to the convector ( 1 ) of the cooling module and the convector ( 5 ) within the lens housing ( 6 ), wherein the heat pipe ( 4 ) and the convector ( 5 ) in the lens housing ( 6 ) are formed with a thermal insulation and the convector ( 5 ) with one of a fan ( 7 ) operable air valve is formed, wherein the fan ( 7 ) through the temperature sensor ( 14 ) can be switched on or off.

Optoelectronic device according to one of the preceding Claims, characterized in that the opto-electrical device is designed as an aerial camera.