DE102015225116B4

DE102015225116B4 - Vorrichtung zur Kühlung eines optischen Elements

Info

Publication number: DE102015225116B4
Application number: DE102015225116.0A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Herzog; Petra Hoffmann; Volker Burkhardt; Martin Edel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-12-14
Filing date: 2015-12-14
Publication date: 2023-09-07
Anticipated expiration: 2035-12-15
Also published as: DE102015225116A1

Abstract

Vorrichtung zur Kühlung eines optischen Elements (48), aufweisend das optische Element (48), eine Wärmesenke (64) und einen Halterahmen (58), dadurch gekennzeichnet,dass der Halterahmen (58) über wenigstens eine Wärmesenke (64) mit dem optischen Element (48) thermisch verbunden ist,dass der Halterahmen (58) zur Durchströmung mit einem Fluid (60) wenigstens eine Aushöhlung im Innern aufweist,dass das Fluid (60), welches den Halterahmen (58) durchströmt, von einer Fahrzeug-Klimaanlage (67) und/oder einer -Lüftungsanlage abgeleitet ist,dass vor dem Halterahmen (58) ein Ventil (70) angeordnet ist zur Steuerung der Zufuhr (60) von der Klimaanlage (67) und/oder der Lüftungsanlage in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur der Wärmesenke (64) und/oder des optischen Elements (48),dass die Anzeigevorrichtung (20) einen Feuchtigkeitssensor zur Überwachung der Feuchtigkeit innerhalb der Anzeigeoptik aufweist, wobei eine Zufuhr des Fluides in Anhängigkeit einer gemessenen Feuchtigkeit des Feuchtigkeitssensors regelbar ist unddass die Anzeigevorrichtung (20) einen Bypass (74) zur Umleitung des Fluides um den Halterrahmen (58) herum aufweist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung eines optischen Elements. Aus der DE 10 2011 079 216 A1 ist ein Träger für ein Displaymodul bekannt, insbesondere für ein LED-Displaymodul, mit Mitteln zur Aufnahme und/oder Befestigung eines Displaymoduls sowie mit einer Lufteinlass-Öffnung und mindestens einer Luftauslass-Öffnung, die durch Luftkanäle miteinander verbunden sind, welche zum Kühlen des Displaymoduls von Luft durchströmbar sind, wobei der Träger eine zentrale Lufteinlass-Öffnung aufweist, die über Luftkanäle mit mindestens zwei Luftauslass-Öffnungen verbunden ist, welche an verschiedenen Stellen des Trägers angeordnet sind, und wobei die Luftkanäle zwischen an dem Träger vorgesehenen Rippen ausgebildet sind. Die Erfindung betrifft ferner eine Anzeigevorrichtung, die einen derartigen Träger und ein davon getragenes Displaymodul aufweist.
Aus der US 2012/02935351 A1 ist ein Beleuchtungsgerät bekannt, welches die Effizienz eines Kühlungsfluides zur Kühlung von LEDs verbessert. Das Beleuchtungsgerät weist auf LEDs, ein Gehäuse mit einer Befestigungsoberfläche auf welchem die LEDs einer Matrix angebracht sind, Kühlungskomponenten, die auf dem Gehäuse entsprechend der Position der LEDs positioniert werden, wobei jede Komponente sowohl einen internen Kanal aufweist durch welchen ein Kühlungsfluid strömt als auch ein Ventil zum Öffnen und Schließen des Kanals, ein Radiator zum Austausch der Wärme zwischen dem Fluid und der Luft, eine Pumpe, welche zur Zirkulation des Fluides mit den Komponenten und dem Radiator über Rohre verbunden ist, eine LED-Kontrolleinheit und eine Kühlungskomponenten-Kontrolleinheit zur Kontrolle der Ventile.
Aus der US 2005/0213018 A1 ist ein Flüssigkristalldisplay und eine Flüssigkristall-Kühleinheit bekannt, wobei Luft nicht direkt auf das Flüssigkristalldisplay Modul oder die Polarisationsplatte geblasen wird. Ein Kühlmantel, aufweisend einen internen Strömungskanal, wird gebildet, indem dieser im Umfang an eine lichtdurchlässige, hoch wärmeleitende Saphirplatte, größer als der lichtdurchlässige Bereich, befestigt wird und auf welchem eine polarisierende Folie aufgetragen oder befestigt ist, mittels eines hoch wärmeleitenden Klebstoffs. Ferner werden das Flüssigkristalldisplay Modul und der polarisierende Film gekühlt, indem ein Kühlmedium im internen Strömungskanal des Kühlmantels zirkuliert.
Aus der DE 102014206586 ist eine Anzeigebaugruppe für ein Sichtfeldanzeigegerät bekannt, welche eine Flüssigkristallanzeige und eine transparente Wärmesenke aufweist. Die Flüssigkristallanzeige ist dazu ausgebildet, eine Bildinformation des Sichtfeldanzeigegeräts bereitzustellen. Die Flüssigkristallanzeige ist in einem Strahlengang der Anzeigebaugruppe angeordnet. Die Wärmesenke ist dazu ausgebildet, die Flüssigkristallanzeige zu temperieren. Die Wärmesenke ist thermisch mit der Flüssigkristallanzeige gekoppelt und ist in dem Strahlengang angeordnet.
Aus der EP 1 972 483 A1 ist ein Fahrzeug mit einer Tragstruktur und einem Head-Up-Display bekannt, wobei das Head-Up-Display mit mindestens einem seiner Bauteile an der Tragstruktur des Fahrzeugs wärmeleitend angekoppelt ist. Ferner ist bei einem Fahrzeug das Head-Up-Display mit mindestens einem seiner Bauteile an einem Luftführungskanal für Kühl- und/oder Heizluft des Fahrzeugs wärmeleitend angekoppelt.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung eines optischen Elements für ein Head-up Display aufweisend das optische Element, eine Wärmesenke und einen Halterahmen, wobei der Halterahmen über wenigstens eine Wärmesenke mit dem optischen Element thermisch verbunden ist, der Halterahmen zur Durchströmung mit einem Fluid wenigstens eine Aushöhlung im Inneren aufweist und das Fluid, welches den Halterahmen durchströmt, von einer Klimaanlage abgeleitet ist. Durch die Kühlung des optischen Elements kann eine thermische Überlastung des optischen Elements aufgrund der Kombination der Einwirkung der Hintergrundbeleuchtung und der Sonneneinstrahlung verhindert werden, da je nach Position des optischen Elements im Head-up Display, je nach Auslegung des Head-up Displays und je nach Stand der Sonne in Relation zum Head-up Display die Sonnenstrahlen gegebenenfalls durch weitere optische Elemente, beispielsweise Spiegel, auf das optische Element, beispielsweise eine Flüssigkristallanzeige, fokussiert werden. Lokal könnten Strahlungsdichten so die Größenordnung von einigen W/cm² erreichen. Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die zulässige Temperatur nicht überschritten wird und dass hierdurch sowohl kurzzeitige Funktionsstörungen als auch permanente Schädigungen verhindert werden können, beispielsweise eine Schädigung des Polfilters, wodurch sich unter anderem der Kontrast des Bildes verschlechtern würde, oder beispielsweise ein Klären des Flüssigkristalls in der Flüssigkristallanzeige, wodurch z. B. das angezeigte Bild verschwinden würde.
Die Wärmesenke, welche mit dem optischen Element und dem Halterahmen thermisch verbunden ist, nimmt Wärme des optischen Elements auf und leitet diese an den Halterahmen weiter. Hierdurch wird das optische Element gekühlt und kann so im zulässigen Temperaturfenster gehalten und betrieben werden.
Zur Kühlung des Halterahmens wird dieser von einem Fluid, beispielsweise von Luft, durchströmt, welches von einer Klimaanlage, beispielsweise der Klimaanlage des Fahrzeugs, und/oder von einer Lüftungsanlage, beispielsweise der Lüftungsanlage des Fahrzeugs, abgeleitet wird. Der Vorteil hierin liegt in der Vermeidung eines zusätzlichen Lüfter-Gebläses im Head-up Display, weshalb zum einen Kosten und zum anderen zusätzliche Geräusche und Qualitätsrisiken, zum Beispiel durch Verschmutzung des Lüfters, reduziert werden können. Da das Kühlungsfluid der Klimaanlage im Fahrzeug ohnehin vorhanden ist, kann der Kühlkörper deutlich kleiner und leichter dimensioniert werden. Vorteilhaft ist außerdem, dass die Kühlung des optischen Elements, durch die Verwendung der Klimaanlage und/oder der Lüftungsanlage, auch bei sehr hohen Temperaturen wirksam ist.
In einer Ausgestaltungsform ist das optische Element eine Flüssigkristallanzeige. Mittels des Lichtstrahls einer Lichtquelle wird auf der Flüssigkristallanzeige ein reelles Bild erzeugt, welches über weitere optische Elemente, beispielsweise Spiegel, an eine Projektionsfläche im Blickfeld des Fahrers projiziert wird. Hierdurch können Informationen im Sichtfeld des Fahrers angezeigt werden.
In einer Weiterentwicklung umfasst die Wärmesenke einen kristallinen Werkstoff, der eine höhere Wärmeleitfähigkeit als optisches Glas aufweist. Wärme, welche in der Flüssigkristallanzeige entsteht, wird auf die thermisch verbundene Wärmesenke übertragen und kann so abtransportiert werden. Alternativ kann die Flüssigkristallanzeige über die Wärmesenke auch erwärmt werden, wodurch eine träge bzw. lange Schaltzeit des Displays bei tiefen Temperaturen vermieden werden kann. Die Wärmesenke dient dann als Wärmequelle für die Anzeige. Der kristalline Werkstoff kann vorzugsweise einen Saphirwerkstoff umfassen, welche eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, beispielsweise eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Glas, und kostengünstig hergestellt werden kann. Vorteilhaft ist weiterhin, dass die Wärmesenke, welche als Saphirwerkstoff ausgebildet ist, aufgrund der Transparenz im Strahlengang der Lichtquelle angeordnet und thermisch mit der Flüssigkristallanzeige verbunden werden kann. In einer Weiterentwicklung kann die Wärmesenke eine optisch wirksame Form aufweisen und dazu ausgebildet sein, den Strahlengang zu beeinflussen. Die Wärmesenke kann beispielsweise als optische Linse ausgebildet sein, wodurch ein weiteres optisches Bauteil und folglich Bauraum eingespart werden kann.
Das optische Element kann zur Temperierung vorzugsweise über einen Optical Bond mit der Wärmesenke thermisch verbunden sein. Beispielsweise kann der Optical Bond ein transparenter Klebstoff sein, welcher die Wärmesenke flächig mit der Fristflüssigkristallanzeige verklebt. Außerdem kann über den Klebstoff eine verbesserte Wärmeübertragung von der Flüssigkristallanzeige auf die Wärmesenke gewährleistet werden.
Weiterhin kann in einer Ausführungsform ein Sensor auf der Wärmesenke und/oder auf dem optischen Element angeordnet sein, welcher die Temperatur der Wärmesenke und/oder des optischen Elements misst. Der Vorteil hierin liegt in einer aktiven Regelung der Temperatur, beispielsweise durch die Begrenzung des Zuflusses des Kühlungsfluides, damit die Flüssigkristallanzeige im optimalen Temperaturfenster, vorzugsweise zwischen 40 °C und 60 °C, betrieben werden kann. Hierdurch kann sowohl die Schaltzeit, welche kritisch bei zu tiefen Temperaturen ist, als auch der Kontrast, welcher sich bei hohen Temperaturen verschlechtert, positiv beeinflusst werden. Folglich kann durch den Temperatursensor das Einhalten der Temperatur der Wärmesenke und/oder des optischen Elements überwacht werden.
Erfindungsgemäß ist vor dem Halterahmen ein Ventil angeordnet zur Steuerung der Zufuhr des Fluides von der Klimaanlage in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur der Wärmesenke und/oder des optischen Elements. Liegt die Temperatur des optischen Elements im vorgegebenen Temperaturfenster, kann durch das Ventil die Zufuhr des Fluides von der Klimaanlage beeinflusst, beispielsweise maximiert, gehalten, reduziert bzw. komplett abgeschaltet werden. Hierdurch kann unter anderem der Energieverbrauch der Klimaanlage reduziert werden. Bei hoher Luftfeuchtigkeit und sehr niedriger Kaltlufttemperatur kann Feuchtigkeit auf dem Display kondensieren, wodurch das Head-up Display Bild fleckig und/oder dunkel werden würde. Durch die Beeinflussung bzw. Begrenzung der Zufuhr des Fluides kann dies verhindert werden. In einer Weiterentwicklung könnte ein Feuchtigkeitssensor zur Überwachung der Feuchtigkeit innerhalb der Anzeigeoptik angebracht sein. Die Zufuhr des Fluides könnte in Anhängigkeit der gemessenen Feuchtigkeit des Feuchtigkeitssensors geregelt werden.
Der Halterahmen kann in einer Ausführungsform über wenigstens eine mechanische und /oder fluidische Ankopplung mit der Zufuhr des Fluides von der Klimaanlage verbunden werden. Hierdurch kann das Fluid direkt von der Klimaanlage zum Halterahmen transportiert werden. Die mechanische Ankopplung an die Zufuhr des Fluides der Klimaanlage kann beispielsweise ein Schlauch und/oder eine Öffnung mit einer Dichtlippe im Halterahmen sein, die auf ein geeignetes Gegenstück des Klimakanals gedrückt ist. Alternativ kann das optische Element von dem Fluid über eine fluidische Verbindung angeströmt werden.
In einer Ausgestaltungsform kann der Halterahmen, welcher zur Kühlung des optischen Elements von einem Fluid durchströmt ist, wenigstens eine Verbindung, vorzugsweise eine fluidische Verbindung zu wenigstens einer weiteren Komponente und/oder vorzugsweise eine mechanische Verbindung zu wenigstens einem weiteren Kanal zu wenigstens einer weiteren Komponente aufweist, zur Kühlung wenigstens einer weiteren Komponente. Hierdurch kann der Anschluss des Fluides der Klimaanlage für mehrere Komponenten bzw. Geräte genutzt werden, zum Beispiel für das Head-up Display und das Kombiinstrument, wodurch Energie eingespart werden kann. Befindet sich das optische Element im benötigten Temperaturfenster, kann das Fluid am optischen Element vorbei zu wenigstens einer weiteren Komponente weitergeleitet werden, um diese zu kühlen. Hierdurch können Energie, Kosten und weitere Kühlungsgeräte eingespart werden. Hierfür weist die Anzeigevorrichtung erfindungsgemäß einen Bypass zur Umleitung des Fluides um den Halterrahmen herum auf.
Der Halterahmen kann vorzugsweise zur Erwärmung des optischen Elements eine elektrische Heizung aufweisen und/oder eine Verbindung zu einer Heizung und/oder der Klimaanlage und/oder der Lüftungsanlage zur Strömung des Halterahmens mit einem erwärmten Fluid. Die Flüssigkristallanzeige kann, beispielsweise im Winter, erwärmt werden, wodurch die Schaltzeit, vor allem beim Kaltstart, positiv beeinflusst wird.
In einer Weiterentwicklung kann der Halterahmen Kühlrippen aufweisen, vorzugsweise zur Head-up Display Umgebung, wodurch ein erhöhter Wärmeübergang zum Fluid erreicht werden kann. Der Vorteil liegt darin, dass auch ohne Zufuhr des Fluides eine gewisse Kühlung sichergestellt werden kann, sodass die Kühlung durch das Fluid nur selten zugeschaltet werden muss.
Weiterhin kann der Halterahmen beispielsweise von einem Ventilator angeblasen werden, wodurch eine schnelle und effiziente Abfuhr der Wärme sichergestellt werden kann.
Das Verfahren zur Temperierung eines optischen Elements einer Anzeigevorrichtung, aufweisend das optische Element, eine Wärmesenke und einen Halterahmen, weist zumindest einen der folgenden Schritte auf:

Schritt (a) Kühlen der Wärmesenke und Erwärmen des Kühlkörpers unter Verwendung eines Fluides von einer Klimaanlage, wenn die Flüssigkristallanzeige wärmer als eine vorbestimmte erste Temperatur ist und/oder
Schritt (b) Erwärmen der Wärmesenke und Kühlen des Kühlkörpers unter Verwendung eines Fluides von einer Klimaanlage, wenn die Flüssigkristallanzeige kälter als eine vorbestimmte zweite Temperatur ist.

Es kann entweder Schritt (a) oder Schritt (b) oder Schritt (a) und Schritt (b) in variabler Reihenfolge und variabler Anzahl an Wiederholungen durchgeführt werden.
Das Fluid zur Kühlung des optischen Elements kann durch die Anzeigevorrichtung, aufweisend wenigstens ein Ventil und einen Bypass, abhängig von der Stellung des Ventils entweder zunächst durch den Halterahmen fließen und anschließend zu wenigstens einer weiteren Komponente geleitet werden oder über den Bypass zu wenigstens einer weiteren Komponente fließen. Ist die Temperatur des optischen Elements im benötigten Temperaturfenster, kann das Fluid über den Bypass am optischen Element vorbei zu wenigstens einer weiteren Komponente weitergeleitet werden, um diese zu kühlen. Hierdurch können Energie, Kosten und weitere Kühlungsgeräte eingespart werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in den nachfolgenden Beschreibungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer perspektivischen Ansicht einer Bilderzeugungseinheit gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung einer perspektivischen Ansicht einer Projektionseinheit mit Hintergrundbeleuchtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Darstellung eines Prinzips zur Kühlung eines optischen Elements gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Darstellung eines Prinzips zur Zuführung und Steuerung eines Fluides zum optischen Element gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Darstellung eines Prinzips zur Zuführung und Steuerung eines Fluides zum optischen Element und weiteren Komponenten gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
6 eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms zum Betreiben einer Kühlung und/oder Erwärmung einer Anzeigevorrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
7 eine schematische Darstellung eines Blockschaltbildes eines Steuergerätes einer Anzeigevorrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eine Anzeigevorrichtung 20 mit einer Bilderzeugungseinheit 22, aufweisend eine Lichtquelle 24, aufweisend beispielsweise LEDs 44, sowie eine Displaybaugruppe 26 mit einem optischen Element 48, vorzugsweise einem Flüssigkristalldisplay, ein erstes optisches Element 28, beispielsweise ein Spiegel, ein zweites optisches Element 30, beispielsweise ein Spiegel, und eine Deckscheibe 32. Außerhalb der Anzeigevorrichtung 20 ist eine Projektionsfläche 34 angeordnet, beispielsweise eine Windschutzscheibe oder ein vor der Windschutzscheibe angeordneter Combiner, sowie eine Eyebox 36 mit der darin enthaltenen Position der Augen des Fahrers 38. Die Position der Augen des Fahrers 38 ist die Lage im Fahrzeug, an der die Augen des Fahrers positioniert sind, wobei sich Position der Augen des Fahrers 38 innerhalb der Eyebox 36 bewegen kann. Die Eyebox 36 ist folglich ein Bereich im Fahrzeug in dem sich die Augen des Fahrers befinden können. Informationen gesendet von der Bilderzeugungseinheit 22 werden an der Projektionsfläche 34 reflektiert, sodass ein virtuelles Bild im Blickfeld des Fahrers, also in der Eyebox 36, dargestellt wird.
Die Lichtquelle 24, sowie das erste und zweite optische Element 28, 30 sind vorzugsweise dementsprechend angeordnet, dass ein Lichtstrahl 40, ausgegeben von der Lichtquelle 24, innerhalb der Anzeigevorrichtung 20 so umgeleitet wird, das ein Bild bei Austritt aus der Anzeigevorrichtung 20 an die Projektionsfläche 34 des Kraftfahrzeugs projiziert und in der Eyebox 36 dargestellt wird, sodass der Fahrer das virtuelle Bild in der Position der Augen des Fahrers 38 wahrnehmen kann. Die Deckscheibe 32 schützt die Anzeigevorrichtung 20 vor Verunreinigungen.
In diesem Beispiel trifft der Lichtstrahl 40, ausgegeben von der Lichtquelle 24, auf eine Displaybaugruppe 26, vorzugsweise aufweisend eine Flüssigkristallanzeige, wird als reelles, hinterleuchtetes Bild dargestellt und über das erste optische Element 28, welches sich auf der gegenüberliegenden Seite zur Lichtquelle 24 befindet, sowie über das zweite optische Elements 30 gespiegelt, welches sich auf der gegenüberliegenden Seite zum ersten optischen Element 28 befindet, und an die Projektionsfläche 34 reflektiert. Treffen nun Sonnenstrahlen 42 ungefähr parallel zum Hauptlichtstrahl 40 in die Anzeigevorrichtung 20, so werden diese am ersten und zweiten optischen Element 28, 30 gespiegelt und auf die Displaybaugruppe 26 fokussiert. Hierdurch wird die Einstrahlung von der Hinterleuchtung durch den Lichtstrahl 40, beispielsweise durch die LEDs 44, und die Einstrahlung von der Sonne durch die Sonnenstrahlen 42 kombiniert, was zu einer starken Erwärmung des Flüssigkristalldisplays 48 der Displaybaugruppe 26 in der Bilderzeugungseinheit 22 führen kann. Die starke Erwärmung kann zu einer Überschreitung der zulässigen Temperatur des Flüssigkristalldisplays 48 führen, wodurch kurzzeitige, reversible Funktionsstörungen und/oder permanente Schädigungen entstehen könnten. Beispielsweise kann dies zur Schädigung des Polfilters, wodurch sich unter anderem der Kontrast des Bildes verschlechtern würde, und/oder zum Klären des Flüssigkristalls im Flüssigkristalldisplay 48 führen, wodurch das angezeigte Bild verschwindet.
Das hier vorgestellte Ausführungsbeispiel einer Bilderzeugungseinheit 22 ist eine geeignete Maßnahme thermische Schädigungen des Displays 26, vorzugsweise einer Flüssigkristallanzeige 48, zu vermeiden. Die entstandene Wärme kann durch weitere Bestandteile, wie einer Wärmesenke 64 und einem Halterahmen 58, abgeführt und/oder gepuffert werden.
2 zeigt schematisch und beispielhaft eine einfache Bilderzeugungseinheit 22, wobei eine oder mehrere LEDs 44 thermisch an einen Kühlkörper 46 gekoppelt sind und ihre Lichtstrahlen 40 in Richtung der Displaybaugruppe 26 strahlen. Das reelle, hinterleuchtete Bild wird auf der Flüssigkristallanzeige 48 erzeugt. Die Linse 50, vorzugsweise eine Feldlinse, welche in Bezug auf den Strahlengang 40 vor der Flüssigkristallanzeige 48 im Strahlengang 40 der LEDs 44 angeordnet und in dieser Ausführungsform flächig und thermisch mit der Flüssigkristallanzeige 48 verbunden ist, hat dabei die Aufgabe, den Lichtstrahl 40 der LEDs 44 so umzulenken, dass das auf der Flüssigkristallanzeige 48 erzeugte reelle Bild durch die Bilderzeugungseinheit 22 hindurch sowie gespiegelt durch das erste und zweite optische Element 28, 30 in die Eyebox 36 des Fahrers gerichtet wird. Der Diffusor 52 ist vorgesehen, um die Homogenität der Helligkeit des Bildes zu verbessern. In diesem Beispiel wird der Diffusor 52 auch in die flächige und thermische Verbindung zwischen Flüssigkristalldisplay 48 und Linse 50 eingebunden. Der Displayrahmen 54 fixiert in diesem Ausführungsbeispiel die Flüssigkristallanzeige 48, welche über einen Flexleiter 56 mit Strom und Bildsignalen versorgt wird.
In einer Weiterentwicklung kann die Linse 50 als Wärmesenke 64 ausgeführt sein, beispielsweise aus einem Saphirwerkstoff. Die Linse 50 kombiniert so die Funktion eines optischen Elements mit der Funktion einer Wärmesenke 64, wobei sowohl der Strahlengang 40 beeinflusst als auch die entstandene Wärme in der Flüssigkristallanzeige 48 abtransportiert wird. Die Flüssigkristallanzeige 48 ist mit der optischen Linse 50 thermisch verbunden, vorzugsweise über einen insbesondere transparenten Klebefilm.
3 zeigt schematisch ein Prinzip zur Kühlung eines optischen Elements, hier der Flüssigkristallanzeige 48, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Displaybaugruppe 26, welche im Strahlengang 40 angeordnet ist, ist in dieser Ausführungsform mit einem Halterahmen 58 thermisch verbunden, welcher als Wärmetauscher ausgeführt ist, wenigstens eine Aushöhlung im Inneren aufweist und außerhalb des Strahlengangs 40 angeordnet ist. Der Halterahmen 58 bzw. Wärmetauscher 58 wird durch diese Aushöhlung von einem Fluid 60, beispielsweise von Luft, aus der Klimaanlage 67 und/oder der Lüftungsanlage des Fahrzeugs durchströmt. Zur Fixierung der Flüssigkristallanzeige 48 ist der Displayrahmen 54 beispielsweise in einer Aussparung des Halterahmens 58 angeordnet. Das Flüssigkristalldisplay 48 wird über den Flexleiter 56 mit Strom und Bildsignalen versorgt. In einer detaillierteren Ansicht wird die Verbindungsstelle zwischen der Displaybaugruppe 26 und dem Halterahmen 58 dargestellt.
In dieser Weiterentwicklung ist die Flüssigkristallanzeige 48 über einen Optical Bond 62 und eine Wärmesenke 64, beispielsweise eine Saphirscheibe, thermisch mit dem Halterahmen 58 verbunden, welcher hier gleichzeitig als Wärmetauscher 58 dient. Der Optical Bond 62 ist vorzugsweise ein transparenter, flexibler Klebstoff, beispielsweise ein elastischer Silikonpolymer, welcher eine hohe Temperaturbeständigkeit und eine hohe Beständigkeit gegen Strahlung aufweist und die Wärmeübertragung von der Flüssigkristallanzeige 48 zur Wärmesenke 64 positiv beeinflussen kann. Die Wärmesenke 64 ist vorzugsweise vor der Flüssigkristallanzeige 48 im Strahlengang 40 der LEDs 44 auf der lichtzugewandten Seite angeordnet. Der Aufbau kann derart gestaltet sein, dass die Wärmesenke 64 als tragendes Bauteil für die Flüssigkristallanzeige 48 verwendet wird. Auf der Wärmesenke 64, vorzugsweise auf der strahlungszugewandten Seite, ist ein Diffusor 52 im Strahlengang 40 angebracht, welcher die Homogenität der Helligkeit des Bildes verbessert.
Die Linse 50, vorzugsweise eine Feldlinse, ist in Bezug auf den Strahlengang 40 vor der Flüssigkristallanzeige 48 im Strahlengang 40 vorzugsweise auf der lichtzugewandten Seite angeordnet und in dieser Ausführungsform nicht thermisch mit der Flüssigkristallanzeige 48 verbunden, sondern mit Abstand zur Wärmesenke 64 angeordnet. Die Aufgabe der Linse 50 ist es, das Licht der LEDs 44 so umzulenken, dass das auf der Flüssigkristallanzeige 48 erzeugte reelle Bild durch die Bilderzeugungseinheit 22 hindurch, sowie gespiegelt durch das erste und zweite optische Element 28, 30, in die Eyebox 36 gerichtet wird.
Auf der Wärmesenke 64 wird in einer Weiterentwicklung ein Sensor 66, vorzugsweise ein Temperatursensor, beispielsweise ein NTC, angebracht zur Messung der Temperatur der Wärmesenke 64, wobei der Temperatursensor 66 im Randbereich der Wärmesenke 64 angeordnet ist, damit die Lichtstrahlen nicht beeinflusst werden. Die Wärmesenke 64 bzw. der Saphir sollte auf Temperaturen von ca. 50 °C bis 60 °C gehalten werden. Die gemessene Temperatur kann zur Steuerung des Zustroms des Fluides 60 aus der Klimaanlage 67 durch den Halterahmen 58 verwendet werden. Alternativ kann der Temperatursensor 66 auch auf der Flüssigkristallanzeige 48 angeordnet werden.
Die Wärme, welche in der Flüssigkristallanzeige 48 aufgrund der Hinterleuchtung durch die LEDs 44 und gegebenenfalls durch Sonnenstrahlen 42 entsteht, wird über den Optical Bond 62 zur Wärmesenke 64 transportiert und an den Halterahmen 58 weitergeleitet. Der Halterahmen 58 wird durch das Fluid 60 aus der Klimaanlage 67 gekühlt. Je nach gemessener Temperatur durch den Temperatursensor 66 kann der Zustrom des Fluides 60 durch den Halterahmen 58 geregelt bzw. begrenzt werden.
Der Halterahmen 58 bzw. der Wärmetauscher weist vorzugsweise Kühlrippen auf, zur Bereitstellung von Wärmeübertragungsfläche. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass der Halterahmen 58 schnell und effizient durch das Fluid 60 gekühlt wird. Weiterhin kann der Halterahmen 58 Kühlrippen zur Umgebung der Anzeigevorrichtung 20 aufweisen, wodurch eine gewisse Kühlung auch ohne Zufuhr eines Fluides 60 sichergestellt werden kann, sodass die Kühlung durch das Fluid 60 nur selten zugeschaltet werden muss, was zu Energieeinsparungen führen kann. In einer Weiterentwicklung könnte der Halterahmen 58 zur schnelleren Abkühlung auch durch einen Ventilator angeblasen werden, wobei der Ventilator in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur des Temperatursensors 66 geregelt werden kann.
4 zeigt ein Prinzip zur Zuführung und Steuerung eines Fluides 60 zur Displaybaugruppe 26 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das gekühlte Fluid 60 wird, vorzugsweise mit geringem Druck, von der Klimaanlage 67 über einen ersten mechanischen Anschluss 68, beispielsweise über einen Schlauch und/oder über eine Gehäuseöffnung mit Dichtlippe, die auf ein geeignetes Gegenstück des Klimakanals angedrückt wird, zur Anzeigevorrichtung 20 geführt. Das gekühlte Fluid 60 fließt anschließend durch den Halterahmen 58 bzw. den Wärmetauscher und kühlt somit die Flüssigkristallanzeige 48 in der Displaybaugruppe 26. Anschließend verlässt das Fluid 60 zunächst den Halterahmen 58 bzw. den Wärmetauscher 58 und dann die Anzeigevorrichtung 20. Alternativ kann das optische Element über eine fluidische Verbindung vom Fluid angeströmt und so gekühlt werden.
In dieser Ausbildungsform wird vor dem Wärmetauscher 58 ein Stellglied 70 angebracht, beispielsweise eine Drosselklappe oder ein Ventil, welches vom Ventilantrieb 72 motorisch, vorzugsweise elektrisch, betrieben wird und den Zufluss des Fluides 60 von der Klimaanlage 67 zum Wärmetauscher 58 regelt. Je nach gemessener Temperatur mit dem Temperatursensor 66 kann der Zustrom des Fluides 60 geregelt, beispielsweise maximiert, gedrosselt oder ganz unterbrochen werden. Der Ventilantrieb 72 wird vorzugsweise von einem Mikrocontroller im Head-up Display Steuergerät 78 angesteuert, welcher auch das Temperatursignal des Temperatursensors 66 erfasst und auswertet. Die Temperatur des Flüssigkristalldisplays 48 wird folglich über eine Temperaturregelung bzw. über eine Regelung des Zuflusses des Fluides 60 von der Klimaanlage 67 vorteilhaft in einem Bereich zwischen ca. 40 °C und 60 °C gehalten, in dem sowohl die Schaltzeit der Anzeige, welche sich bei niedrigen Temperaturen kritisch verhält, als auch der Kontrast, welcher sich bei hohen Temperaturen verschlechtert, positiv beeinflusst werden bzw. günstige Werte aufweisen.
5 zeigt ein Prinzip analog zum Prinzip aus 4 zur Zuführung und Steuerung des Fluides 60 von der Klimaanlage 67 zur Anzeigevorrichtung 20 und zu weiteren Komponenten 76 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Sollen zusätzlich zur Anzeigevorrichtung 20 auch weitere Komponenten 76, wie beispielsweise die LEDs 44 oder weitere Anzeigevorrichtungen bzw. sonstige elektrische Geräte, gekühlt und/oder erwärmt werden, so kann hierzu ebenfalls das gekühlte und/oder erwärmte Fluid 60 aus der Klimaanlage 67 verwendet werden. Wird das Fluid 60 zur Kühlung des Flüssigkristalldisplays 48 benötigt, so steuert der Mikrocontroller das Ventil 70 derart, dass das Fluid 60 in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur der Wärmesenke 64 bzw. des Flüssigkristalldisplays 48 über den Wärmetauscher 58 das Flüssigkristalldisplay 48 der Displaybaugruppe 26 der Anzeigevorrichtung 20 kühlt. Anschließend, bei Austritt des Fluides 60 aus der Anzeigevorrichtung 20, kann das Fluid 60 an weitere Komponenten 76 weitergeleitet werden, für deren Kühlung das Fluid 60 in der Regel noch kalt genug ist. Die Weiterleitung erfolgt über eine zweite mechanische Verbindung 69, beispielsweise über einen Schlauch und/oder über eine Gehäuseöffnung mit einer Dichtlippe, die auf ein geeignetes Gegenstück des entsprechenden Kanals weiterer Komponenten 76 gedrückt wird und/oder über eine fluidische Verbindung, wobei das optische Element beispielsweise vom Fluid angeströmt wird. Das Ventil 70 wird beispielsweise über einen elektrischen Ventilantrieb 72 angesteuert, welcher wiederum durch einen Mikrocontroller im Head-up Display Steuergerät 78 angesteuert wird.
Befindet sich das Flüssigkristalldisplay 48 im Temperaturfenster zwischen beispielsweise 40 °C und 60 °C, muss also folglich nicht gekühlt werden, so steuert das Ventil 70 das gekühlte Fluid 60 aus der Klimaanlage 67 direkt über einen Bypass 74 in der Anzeigevorrichtung 20 an die weiteren Komponenten 76 weiter, wobei der Bypass 74 einen Kanal zur Umgehung des Wärmetauschers 58 darstellt. Ist das Ventil 70 geschlossen, fließt das Fluid 60 nicht über den Wärmetauscher 58 sondern über den Bypass 74 zu den weiteren Komponenten 76.
Wird die Kühlung durch das Fluid 60 auch zur Kühlung der LEDs 44 verwendet, sollte der Kühlkörper 46 der LEDs 44 mit geringem Wärmewiderstand an den Wärmetauscher 58 angebunden werden. Hierfür könnte das Fluid 60 zunächst zum Wärmetauscher 58 der Anzeigevorrichtung 20 geleitet werden und anschließend zum Kühlkörper 46 der LEDs 44 oder in umgekehrter Richtung, also zunächst zum Kühlkörper 46 der LEDs 44 und anschließend zum Wärmetauscher 58 der Anzeigevorrichtung 20.
Bei niedrigen Temperaturen, beispielsweise beim Kaltstart im Winter, kann die Displaybaugruppe 26 so kalt sein, dass die Verlängerung der Schaltzeit störend ist. In diesem Fall kann entweder der Wärmetauscher 58 mit einer elektrischen Widerstandsheizung versehen werden und/oder statt mit einem gekühlten Fluid 60 mit einem erwärmten Fluid 60 aus der Fahrzeugheizung 92 und/oder der Klimaanlage 67 beaufschlagt werden.
Folglich kann die Flüssigkristallanzeige 48, wie in 6 dargestellt, in einem ersten Schritt (a) 104 gekühlt werden, indem die Wärmesenke 64 gekühlt und der der Halterahmen bzw. Wärmetauscher 58 erwärmt wird, unter Verwendung eines Fluides 60 von einer Klimaanlage 67, wenn die Flüssigkristallanzeige 48 wärmer eine vorbestimmte erste Temperatur ist. In einem zweite Schritt (b) 106 kann die Flüssigkristallanzeige 48 erwärmt werden, indem die Wärmesenke 64 erwärmt und der Wärmetauscher 58 gekühlt wird unter Verwendung eines Fluides 60 von einer Klimaanlage 67, wenn die Flüssigkristallanzeige 48 kälter eine vorbestimmte zweite Temperatur ist. Der ersten Schritt (a) 104 und der zweite Schritt (b) 106 können separat und/oder in unterschiedlicher Reihenfolge und/oder in unterschiedlicher Anzahl an Wiederholungen ausgeführt werden.
7 zeigt ein Blockschaltbild eines Steuergerätes 78 einer Anzeigevorrichtung 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Steuergerät 78 der Anzeigevorrichtung 20 ist vorzugsweise im Zentrum des Blockschaltbildes angeordnet und kommuniziert mit dem Fahrzeug Zentralrechner 80, wobei die Kommunikation in beiden Richtungen stattfinden kann. Input für das Steuergerät 78 ist vorzugsweise eine erste Temperatur 82 des optischen Elements 48, beispielsweise des Saphirs, gemessen mit dem Temperatursensor 66, und/oder eine zweite Temperatur 84 der LEDs 44. Die ermittelte erste und zweite Temperatur 82, 84 werden im Steuergerät 78 verarbeitet und mit wenigstens einem Grenzwert verglichen, vorzugsweise einer ersten und/oder einer zweiten vorgegebenen Temperatur. Gegebenenfalls wird die Temperaturänderungsgeschwindigkeit berechnet. Mithilfe dieser Informationen kann das Steuergerät 78 eines und/oder alle der folgenden Komponenten steuern, einen Shutter 86 über einen Shutterantrieb 88 mittels eines Motortreibers 90, die Heizung 92 des Flüssigkristalldisplays 48 mittels eines ersten Treibers 94, die Drosselklappe 70 für den Zustrom des Fluides 60 über den Ventilantrieb 72 mittels eines zweiten Treibers 96, die LEDs 44 mittels eines LED Treibers 98 sowie das erste und zweite optische Element 28, 30, vorzugsweise Spiegel, über einen Motorantrieb 100 mittels eines dritten Treibers 102.
Hierfür steuert das Steuergerät 78 zunächst die Treiber an, beispielsweise den Motortreiber 90 und/oder den zweiten und/oder den dritten Treiber 96, 102, welche dann einen Antrieb ansteuern, beispielsweise den Shutterantrieb 88 und/oder den Ventilantrieb 72 und/oder den Motorantrieb 100, welche anschließend die jeweilige Komponente ansteuern, beispielsweise der Shutter 86 und/oder das Ventil 70 und/oder den ersten und/oder den zweiten Spiegel 28, 30. Die LCD-Heizung 92 und/oder die LEDs 44 werden vom jeweiligen Treiber, dem ersten Treiber 94 und/oder dem LED-Treiber 98 angesteuert, welche vom Steuergerät 78 angesteuert werden.

Claims

Vorrichtung zur Kühlung eines optischen Elements (48), aufweisend das optische Element (48), eine Wärmesenke (64) und einen Halterahmen (58), dadurch gekennzeichnet, dass der Halterahmen (58) über wenigstens eine Wärmesenke (64) mit dem optischen Element (48) thermisch verbunden ist, dass der Halterahmen (58) zur Durchströmung mit einem Fluid (60) wenigstens eine Aushöhlung im Innern aufweist, dass das Fluid (60), welches den Halterahmen (58) durchströmt, von einer Fahrzeug-Klimaanlage (67) und/oder einer -Lüftungsanlage abgeleitet ist, dass vor dem Halterahmen (58) ein Ventil (70) angeordnet ist zur Steuerung der Zufuhr (60) von der Klimaanlage (67) und/oder der Lüftungsanlage in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur der Wärmesenke (64) und/oder des optischen Elements (48), dass die Anzeigevorrichtung (20) einen Feuchtigkeitssensor zur Überwachung der Feuchtigkeit innerhalb der Anzeigeoptik aufweist, wobei eine Zufuhr des Fluides in Anhängigkeit einer gemessenen Feuchtigkeit des Feuchtigkeitssensors regelbar ist und dass die Anzeigevorrichtung (20) einen Bypass (74) zur Umleitung des Fluides um den Halterrahmen (58) herum aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (48) eine Flüssigkristallanzeige (48) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (64) einen kristallinen Werkstoff umfasst, der eine höhere Wärmeleitfähigkeit als optisches Glas aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (64) einen Saphirwerkstoff umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (48) zur Temperierung über einen Optical Bond (62) mit der Wärmesenke (64) thermisch verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Wärmesenke (64) und/oder auf dem optischen Element (48) wenigstens ein Sensor (66) angeordnet ist, zur Messung der Temperatur der Wärmesenke (64) und/oder des optischen Elements (48).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Halterahmen (58) über wenigstens eine mechanische Ankopplung (68) mit der Zufuhr des Fluides (60) von der Klimaanlage (67) und/oder Lüftungsanlage verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Ankopplung (68) an die Zufuhr des Fluides (60) der Klimaanlage (67) ein Schlauch (68) ist und/oder eine Öffnung mit einer Dichtlippe im Halterahmen (58), die auf ein geeignetes Gegenstück des Klimakanals angedrückt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Halterahmen (58), welcher zur Kühlung des optischen Elements (48) von einem Fluid (60) durchströmt ist, wenigstens eine Verbindung (68), vorzugsweise eine fluidische Verbindung (68) zu wenigstens einer weiteren Komponente (67) und/oder vorzugsweise eine mechanische Verbindung (68) zu wenigstens einem weiteren Kanal (69) zu wenigstens einer weiteren Komponente (76) aufweist, zur Kühlung wenigstens einer weiteren Komponente (76).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Halterahmen (58) zur Erwärmung des optischen Elements (48) eine elektrische Heizung (92) aufweist und/oder eine Verbindung zu einer Heizung (92) und/oder der Klimaanlage (67) und/oder der Lüftungsanlage zur Durchströmung des Halterahmens (58) mit einem erwärmten Fluid (60).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Halterahmen (58) Kühlrippen aufweist.
Anzeigevorrichtung (20) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 11, weiterhin aufweisend eine Lichtquelle (24), wobei das optische Element (48) und die Wärmesenke (64) im Strahlengang (40) der Lichtquelle (24) angeordnet sind
Verfahren zum Temperieren eines optischen Elements (48) in einer Anzeigevorrichtung (20), aufweisend das optische Element (48), eine Wärmesenke (64) und einen Halterahmen (58), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zumindest der folgenden Schritte aufweist: Schritt (a) Kühlen der Wärmesenke (64) und Erwärmen des Kühlkörpers (58) unter Verwendung eines Fluides (60) von einer Klimaanlage (67), wenn die Flüssigkristallanzeige (48) wärmer als eine vorbestimmte erste Temperatur ist und/oder Schritt (b) Erwärmen der Wärmesenke (64) und Kühlen des Kühlkörpers (58) unter Verwendung eines Fluides (60) von einer Klimaanlage (67), wenn die Flüssigkristallanzeige (48) kälter als eine vorbestimmte zweite Temperatur ist, wobei vor dem Halterahmen (58) ein Ventil (70) angeordnet ist zur Steuerung der Zufuhr (60) von der Klimaanlage (67) und/oder der Lüftungsanlage in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur der Wärmesenke (64) und/oder des optischen Elements (48), dass die Anzeigevorrichtung (20) einen Feuchtigkeitssensor zur Überwachung der Feuchtigkeit innerhalb der Anzeigeoptik aufweist, wobei eine Zufuhr des Fluides in Anhängigkeit einer gemessenen Feuchtigkeit des Feuchtigkeitssensors regelbar ist und dass das Fluid zur Kühlung des optischen Elements (48) durch die Anzeigevorrichtung (20), aufweisend wenigstens ein Ventil (70) und einen Bypass (74), abhängig von der Stellung des Ventils (70) entweder zunächst durch den Halterahmen (58) fließt und anschließend zu wenigstens einer weiteren Komponente (76) geleitet wird oder über den Bypass (74) zu wenigstens einer weiteren Komponente (76) fließt.
Steuergerät (78) zum Betreiben der Anzeigevorrichtung (20) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (78) wenigstens einen Schritt des Verfahrens nach Anspruch 13 durchführt.