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Die Erfindung betrifft eine Kopf-oben-Anzeige für ein Kraftfahrzeug, mit einem Gehäuse und einer in dem Gehäuse angeordneten Anzeigeeinrichtung zum Erzeugen und Projizieren einer optischen Bildinformation.
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In Kopf-oben-Anzeigen oder Head-up-Displays (HUDs) sind die in einer Anzeigeeinrichtung, beispielsweise einem hinterleuchteten Display verwendeten Komponenten, typischerweise ein Thin-Film-Transistor- (TFT-) Panel und Leuchtdioden (LEDs), sehr temperaturempfindlich. Zugleich wird für das Projizieren einer optischen Bildinformation in der Anzeigeeinrichtung, also beispielsweise für die Hinterleuchtung des TFTs, eine sehr hohe Helligkeit benötigt, typischerweise circa 1 Million Candela pro Quadratmeter. Diese hohe Leistungsdichte generiert an der entsprechenden Lichtquelle, beispielsweise der Rückseite der LEDs und im TFT durch die Absorption des Lichtes im TFT, Wärme.
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Bei einer maximalen Helligkeit der Lichtquelle und mit maximaler Leistung entstehen dabei trotz der Verwendung der üblichen Kühlkörper an den Kopf-oben-Anzeigen Temperaturen, welche eine aktuelle Umgebungstemperatur der Kopf-oben-Anzeige um 40°bis 80°übertreffen. Dabei werden derartige hoh e Helligkeiten oder Leistungen allerdings nur bei einer sehr hellen Umgebung gebraucht. Gerade bei Fahrzeugen, welche im Sommer länger in der Sonne stehen, gibt es nach einer Inbetriebnahme der Fahrzeuge in einer Startphase kurzzeitig sehr hohe Temperaturen in einem Baubereich der Kopf-oben-Anzeige. Dies ist durch den Wärmeeintrag der aktivierten Kopf-oben-Anzeige in Kombination mit noch nicht angelaufenen Klimatisierungsvorrichtungen und das aufgeheizte Fahrzeug bedingt. Gerade im Sommer werden dabei höhere Helligkeiten der Lichtquelle und damit höhere Leistungen abgerufen. Üblich ist jedoch, kurz nach Inbetriebnahme des Fahrzeugs in einer Startphase die Helligkeit der Anzeigeeinrichtung der Kopf-oben-Anzeige zu drosseln, um eine Zerstörung des Geräts zu vermeiden. Eine entsprechende Regelung wird dabei durch einen Temperatursensor in der Anzeigeeinrichtung, beispielsweise auf einer LED-Leiterplatte, möglich gemacht.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kopf-oben-Anzeige für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, welche insbesondere in einer Startphase nach Inbetriebnahme eines zugehörigen Kraftfahrzeugs eine optische Bildinformation mit einer erhöhten Helligkeit, insbesondere unverminderter Helligkeit im Vergleich zu einem Normalbetrieb, erzeugen und projizieren kann.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Weitere Merkmale ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
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Die Erfindung betrifft eine Kopf-oben-Anzeige, die auch als Head-up-Display (HUD) bezeichnet ist, für ein Kraftfahrzeug, mit einem Gehäuse und mit einer in dem Gehäuse angeordneten Anzeigeeinrichtung zum Erzeugen und Projizieren einer optischen Bildinformation. Die Anzeigeeinrichtung kann beispielsweise eine durch Leuchtdioden (LEDs) hinterleuchtete Dünnfilmtransistoranzeige (Thin-Film-Transistor-Display, TFT-Display) umfassen. Die Kopf-oben-Anzeige kann auch einen Umlenkspiegel und/oder einen Kombinierspiegel aufweisen. Wichtig ist dabei, dass das Gehäuse zumindest einen Wärmepuffer, also einen oder mehrere Wärmepuffer, mit einem in einem Trägermaterial eingelagerten Phasenwechselmaterial aufweist.
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Bei dem Phasenwechselmaterial, welches auch als phase change material (PCM) bekannt ist, kann es sich um einen Stoff handeln, der unterhalb seines Schmelzpunktes kristallin ist. Wird ein solcher Stoff durch Energiezufuhr in seiner Temperatur so lange erhöht, bis die kristallinen Bindungen auseinanderbrechen, kann der Schmelzprozess und damit der Phasenwechsel beginnen. Dieser Phasenwechsel benötigt Energie, welche „latent“, also reversibel abrufbar, eingespeichert wird. Daher kann ein Phasenwechselmaterial auch als Latentwärmespeichermaterial bezeichnet bezeichnet werden.
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Wird das geschmolzene, also flüssige Phasenwechselmaterial, wieder abgekühlt, können sich die Kristallanordnungen wieder zusammenfinden und können dabei ihre thermische Energie, idealerweise oder bevorzugt bei der gleichen Temperatur, wieder abgeben. Während der Phasenwechselprozesse bleibt dabei die Temperatur des Phasenwechselmaterials während der Aufnahme oder Abgabe der latent gespeicherten Energie weitgehend konstant. Daher können mit einem Phasenwechselmaterial bei kleinen Temperaturdifferenzen sehr viel höhere Energiespeicherdichten erreicht werden, als mit Materialien, welche in dem den Temperaturdifferenzen entsprechenden Temperaturbereich keine Phase wechseln. Da das Schmelzen und das Auskristallisieren bei gleicher oder zumindest ähnlicher Temperatur ablaufen können, kann das Phasenwechselmaterial nicht nur als Energiespeicher, sondern auch im Temperaturmanagement eingesetzt werden, und somit mit Hilfe des im Wärmepuffer vorhandenen Phasenwechselmaterials Temperaturschwankungen passiv ausgeglichen werden.
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Es ergibt sich somit für die Kopf-oben-Anzeige der Vorteil, dass durch das Phasenwechselmaterial im oder am Gehäuse eine thermische Energie aufgenommen werden kann, und somit für eine begrenzte Zeit, also beispielsweise während der Startphase im Kraftfahrzeug, eine weitere Erwärmung verhindern kann, indem das Phasenwechselmaterial schmilzt, bevor eine für die Kopf-oben-Anzeige schädliche Temperatur erreicht wird und somit für die begrenzte Zeit - so lange der Schmelzvorgang anhält - eine weitere Erwärmung der Kopf-oben-Anzeige verhindert. In einem Normalbetrieb kann das Phasenwechselmaterial sodann wieder erstarren und erneut als Wärmepuffer eingesetzt werden, um künftige Wärmespitzen abzupuffern. Dadurch können kurzzeitige Helligkeitsreduzierungen der Anzeigeeinrichtung vermieden oder erheblich reduziert werden. Insgesamt wird somit eine erhöhte Helligkeit der Kopf-oben-Anzeige beziehungsweise der erzeugten und projizierten optischen Bildinformation erreicht.
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Die Erfindung betrifft somit ein neues Kühlkonzept für Kopf-oben-Anzeigen. Dabei können an die Kühlkörper und/oder an die angrenzenden Gehäuseteile und/oder an die Anzeigeeinrichtung oder deren Komponenten ein oder mehrere Latenzwärmespeicher (welche insbesondere nach unterschiedlichen der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen gestaltet sein können) in Form von Wärmepuffern angebracht werden, um die Wärmeabfuhr zu verbessern.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Phasenwechselmaterial ein Paraffin und/oder ein Derivat eines Paraffins aufweist oder ist.
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Das hat den Vorteil, dass Paraffine und deren Derivate im Vergleich zu anderen Phasenwechselmaterialien wie beispielsweise Salze, Salzhydrate, Kunststoffe, Zucker, Alkohol und andere, eine besonders hohe Enthalpie aufweisen und somit besonders viel thermische Energie speichern können. Überdies weisen sie eine hohe Zyklenstabilität auf, können also ohne einen Alterungsprozess oft schmelzen und wieder auskristallisieren. Überdies liegen hier Schmelz- und Kristallisationspunkt typischerweise sehr nah beieinander. Auch zeichnen die Paraffine und deren Derivate sich teils durch sehr enge Schmelz- und Erstarrungs-Temperaturbereiche aus, und es lassen sich viele verschiedene Schmelz- und Erstarrungstemperaturen einstellen, sodass sie gut an eine jeweilige kritische Temperatur der jeweiligen Kopf-oben-Anzeige, bei welcher diese beschädigt wird, angepasst werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Schmelztemperatur und/oder die Erstarrungstemperatur des Phasenwechselmaterials zwischen 50° und 90°, bevorzugt zwischen 60° und 85°, und besonders bevorzugt zwischen 70° und 80° liegt. Insbesondere kann die S chmelztemperatur und/oder die Erstarrungstemperatur des Phasenwechselmaterials niedriger als die kritische Temperatur der Anzeigeeinrichtung sein, bei welcher diese beschädigt oder zerstört wird, also unter der kritischen Temperatur liegen.
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Das hat den Vorteil, dass durch das Phasenwechselmaterial für eine kurze Zeit, deren Länge von der Menge des Phasenwechselmaterials in oder an dem Gehäuse abhängt, ein Überschreiten der jeweiligen Schmelztemperatur einen weiteren Temperaturanstieg in oder an dem Gehäuse verhindert oder reduziert. Damit kann die Anzeigeeinrichtung weiter bei einer großen Helligkeit betrieben werden, auch wenn eine Wärmeabfuhr aus dem Gehäuse die erzeugte Wärme nicht kompensiert, da die nicht abführbare erzeugte Wärme in dem Gehäuse beziehungsweise in dem Wärmepuffer gespeichert wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Trägermaterial ein Verbundwerkstoff ist. Das hat den Vorteil, dass das Phasenwechselmaterial besonders gut in eine gebrauchsfähige Form gebracht werden kann, da die Phasenwechselmaterialien als reine Stoffe im Allgemeinen schlecht verarbeitbar sind.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Trägermaterial oder der Verbundwerkstoff eine Polymermatrix aufweist, in welche das Phasenwechselmaterial eingelagert ist. Dabei kann das Phasenwechselmaterial durch einen kontinuierlichen Extrusionsprozess in die Polymermatrix eingearbeitet worden sein.
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Das hat den Vorteil, dass das Phasenwechselmaterial ohne den üblichen Einsatz von Makroverkapselungen, bei welchen die Phasenwechselmaterialien in Hohlkörper eingebracht werden, um eine mechanische und chemische Wechselwirkung der Phasenwechselmaterialien mit diesen umgebenden anderen Materialien zu vermeiden, nicht erforderlich ist. Damit ist das Trägermaterial oder der Verbundwerkstoff thermisch und mechanisch gut verarbeitbar und weist dabei eine hohe Energiespeicherkapazität auf. Ein derartiges Trägermaterial beziehungsweise ein derartiger Verbundwerkstoff kann zu Granulaten, Folien, Platten und zu vielem mehr verarbeitet werden, und es kann gestanzt, geschnitten, gerollt, kaschiert und dergleichen werden. Damit kann das Phasenwechselmaterial auch in dünnen Schichtdicken verklebt und gleichzeitig vor äußeren Einflüssen abgeschirmt werden, sodass auch geringe Schichtdicken des Trägermaterials realisierbar sind, was auch in den folgenden Ausführungsform von Vorteil ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Gehäuse einen Kühlkörper aufweist und der Wärmepuffer in Anlage an den Kühlkörper angeordnet ist und/oder der Wärmepuffer Teil des Kühlkörpers ist oder diesen bildet. Der Wärmepuffer kann somit in mechanischem Kontakt zu dem Kühlkörper angeordnet sein und somit mit diesem direkt thermisch gekoppelt sein, oder aber Teil des Kühlkörpers sein.
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Das hat den Vorteil, dass der Wärmepuffer über die thermische Ankopplung an den Kühlkörper einerseits besonders gut die Wärme aus dem Innenraum aufnehmen und andererseits besonders gut in eine Umgebung der Kopf-oben-Anzeige abgeben kann. Dadurch kann der Wärmepuffer die gespeicherte Wärme besonders schnell wieder an die Umgebung abgeben und ist somit auch besonders schnell wieder einsatzbereit.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Wärmepuffer in das Gehäuse integriert ist, und insbesondere durch zumindest bereichsweise, also bereichsweise oder in das ganze Gehäuse, in das Gehäuse eingegossene Pigmente des Trägermaterials oder Verbundstoffes gebildet ist. Die Pigmente können beispielsweise nach der für Glaskugeln bekannten Art in das Gehäuse eingegossen sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Wärmepuffer durch zumindest bereichsweise in das Gehäuse eingegossene Pigmente des Phasenwechselmaterials gebildet ist. Dabei kann das Gehäuse entsprechend bereichsweise oder ganz durch das Trägermaterial oder den Verbundwerkstoff gebildet sein. Darunter, dass der Wärmepuffer in das Gehäuse integriert ist, kann hier verstanden werden, dass der Wärmepuffer nicht ohne Werkzeug, insbesondere nicht zerstörungsfrei von dem Gehäuse trennbar ist oder dass der Wärmepuffer das Gehäuse zumindest bereichsweise bildet.
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Das hat den Vorteil, dass ein für den Wärmepuffer erforderlicher Bauraum minimiert ist, überdies kann so auch der verfügbare Bauraum mit größtmöglicher Effizienz für den Wärmepuffer genutzt werden, beziehungsweise für das Realisieren eines möglichst großen Wärmepuffers. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem das Gehäuse mit dem integrierten Wärmepuffer geometrisch an den verfügbaren Bauraum angepasst wird und beispielsweise auch ein Totraum innerhalb des Gehäuses, welcher ansonsten typischerweise mit Luft gefüllt ist, von dem Wärmepuffer beziehungsweise dem Gehäuse mit dem integrierten Wärmepuffer eingenommen werden kann. Dadurch wird der Betrag der speicherbaren Energie im Wärmepuffer erhöht, sodass die begrenzte Zeit, in welcher eine weitere Erwärmung der Kopf-oben-Anzeige verhindert wird, verlängert wird.
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In einer alternativen oder ergänzenden Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Wärmepuffer eine Folie und/oder eine Platte mit dem Trägermaterial oder Verbundwerkstoff, oder insbesondere aus dem Trägermaterial oder Verbundwerkstoff aufweist, welche an dem restlichen Gehäuse angeordnet ist. Insbesondere kann der Wärmepuffer dabei in Anlage mit dem restlichen Gehäuse angeordnet sein, bevorzugt flächig in Anlage. Entsprechend kann bei der flächigen Anlage vorgesehen sein, dass zwischen dem Wärmepuffer und dem restlichen Gehäuse keine Luft oder kein Luftspalt vorhanden ist.
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Das hat den Vorteil, dass eine bestehende Gehäusegeometrie nachträglich mit dem Wärmepuffer versehen werden kann. Durch die Ausgestaltung des Wärmepuffers als dünne Folie oder Platte kann dieses dabei dennoch an eine Geometrie des restlichen Gehäuses angepasst werden. Somit können beispielsweise bestehende Metallteile des restlichen Gehäuses weiterhin verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist hier die Kombination mit einer Ausführung des Wärmepuffers, welche eine Polymermatrix umfasst, da hier die Folien oder Platten besonders dünn beziehungsweise leicht verarbeitbar sind und somit gut an das restliche Gehäuse anpassbar sind.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Wärmepuffer an einer Innenseite des restlichen Gehäuses angeordnet ist. Der Wärmepuffer kann somit an einen Innenraum des Gehäuses, in welchem auch die Anzeigeeinrichtung angeordnet ist, angrenzen.
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Das hat den Vorteil, dass die im Innenraum durch die Anzeigeeinrichtung entstehende Wärme besonders gut abgepuffert werden kann. Auch damit wird die eingangs erwähnte begrenzte Zeit weiter verlängert beziehungsweise ein Erhitzen der Anzeigeeinrichtung über die kritische Temperatur vermieden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Wärmepuffer in Anlage an die Anzeigeeinrichtung angeordnet ist, insbesondere in Anlage an eine Lichtquelle, beispielsweise eine Lichtdiode oder LED, und/oder ein Durchsicht-Anzeigeelement, beispielsweise ein TFT-Display, und/oder einer Leiterplatte, auf welcher die Lichtquelle und/oder das Durchsicht-Anzeigeelement angeordnet, beispielsweise verlötet sind. Der Wärmepuffer kann also die genannten Elemente berühren, sodass eine thermische Energie besonders leicht von diesen auf den Wärmepuffer übertragen werden kann.
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Das hat den Vorteil, dass die Wärme dort abgeführt wird, wo sie entsteht beziehungsweise wo sie die Anzeigeeinrichtung oder deren kritische Komponenten zerstört. Damit wird die Wärme durch den Wärmepuffer besonders effektiv aufgenommen und abgeführt.
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Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einer Kopf-oben-Anzeige nach einer der genannten Ausführungsformen.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 ein Kraftfahrzeug mit einer beispielhaften Ausführungsform einer Kopf-oben-Anzeige; und
- 2 ein schematisches Diagramm einer Temperatur über einer gespeicherten Energie eines beispielhaften Phasenwechselmaterials.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 mit einer Kopf-oben-Anzeige 2, die ein Gehäuse 3 mit einem Wärmepuffer 4 sowie mit einer in dem Gehäuse 3 angeordneten Anzeigeeinrichtung 5 zum Erzeugen und Projizieren einer optischen Bildinformation aufweist. Die Anzeigeeinrichtung 5 weist hier ein Durchsicht-Anzeigeelement 6, vorliegend in Form eines TFT-Displays sowie eine Lichtquelle 7 in Form von einer oder mehreren Leuchtdioden auf.
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Das Gehäuse 3 weist dabei auch einen Kühlkörper 8 auf. Der Kühlkörper 8 bildet das Gehäuse 3 dabei vorliegend bereichsweise und ist in der Nähe der Anzeigeeinrichtung 5 angeordnet, um die von dieser erzeugte Wärme bestmöglich an eine Umgebung 9 der Kopf-oben-Anzeige 2 abgeben zu können. Der Wärmepuffer 4 ist vorliegend in das Gehäuse 3 integriert, und zwar durch hier in Form von bereichsweise in das Gehäuse 3 eingegossenen Pigmenten 10 des Trägermaterials gebildet. Alternativ kann das Gehäuse 3 auch bereichsweise aus dem Trägermaterial bestehen und die Pigmente 10 Pigmente des Phasenwechselmaterials sein.
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Vorliegend ist das Gehäuse 3 und damit der in das Gehäuse 3 integrierte Wärmepuffer 4 in Anlage an die Anzeigeeinrichtung 5 angeordnet. Dadurch kann eine Überschreiten einer kritischen Temperatur TK (2), bei welcher die Anzeigeeinrichtung 5 beschädigt wird, besonders wirksam vermieden beziehungsweise hinausgezögert werden, indem die in der Anzeigeeinrichtung 5 erzeugte thermische Energie in dem Wärmepuffer 4 gespeichert wird.
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In 2 ist ein Diagramm einer Temperatur über einer gespeicherten Energie für ein beispielhaftes Phasenwechselmaterial dargestellt. Das Diagramm zeigt in einer ersten Kurve a schematisch den Verlauf der Temperatur T des Phasenwechselmaterials in Abhängigkeit von der in diesem gespeicherten Energie E. Dabei steigt die Temperatur T des Phasenwechselmaterials zunächst in einem ersten Energiebereich 11 mit der in dem Phasenwechselmaterial gespeicherten Energie E linear an, bis das Phasenwechselmaterial eine Phasenwechseltemperatur TP erreicht. Bei einem weiteren Einbringen von Energie E erhöht sich daher die Temperatur T des Phasenwechselmaterials über einen zweiten Energiebereich 12 hinweg nicht. Die zusätzliche Energie E wird hier durch den Phasenwechsel statt durch den Temperaturanstieg aufgenommen. Ist das Phasenwechselmaterial vollständig geschmolzen, der Phasenwechsel also abgeschlossen, so steigt in einem dritten Energiebereich 13 die Temperatur T des Phasenwechselmaterials hier wieder an. Unter realen Bedingungen kann die Temperatur T des Phasenwechselmaterials in dem zweiten Energiebereich 12 um eine Abweichung ΔT schwanken, sodass die Temperatur des Phasenwechselmaterials hier in dem Temperaturbereich 14 um die Phasenwechseltemperatur TP±ΔT für das Gehäuse gehalten wird. Durch eine geeignete Wahl des Phasenwechselmaterials mit der geeigneten Phasenwechseltemperatur TP kann so die Temperatur des entsprechenden Gehäuses 3 (1) für einen größeren Energiebereich, nämlich den Energiebereich 11 und den zweiten Energiebereich 12 im Gegensatz zu nur einem Energiebereich 15, der neben dem ersten Energiebereich 11 den zweiten Energiebereich 12 nur teilweise umfasst, zuverlässig unter der kritischen Temperatur TK gehalten werden, bei der die Kopf-oben-Anzeige 2 (1) beschädigt wird. Zum Vergleich ist hier mit der Kurve b noch der Verlauf einer Temperatur T eines Materials, welches kein Phasenmaterial ist, über der in dem Material gespeicherten Energie aufgetragen. Dieser Verlauf entspricht über sämtliche dargestellten Energiebereiche 11, 12, 13 dem Verlauf des Phasenwechselmaterials in dem ersten Energiebereich 11, steigt also vorliegend linear mit der gespeicherten Energie E an.
