DE102018221321B4

DE102018221321B4 - Entwärmungsvorrichtung zum Abführen von Wärme und Sensoranordnung mit einer Entwärmevorrichtung

Info

Publication number: DE102018221321B4
Application number: DE102018221321.6A
Authority: DE
Inventors: Johann Schneider
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2018-12-10
Filing date: 2018-12-10
Publication date: 2022-01-13
Anticipated expiration: 2038-12-11
Also published as: DE102018221321A1

Abstract

Entwärmungsvorrichtung (10) zum Abführen von Wärme (Q), mit- einem Gehäuse (20),- einem im Gehäuse (20) angeordneten elektrischen Verbraucher (13), wobei der elektrische Verbraucher (13) in Relation zu dem Gehäuse (20) nicht ortsfest ausgeführt ist,- einer ersten Entwärmeeinheit (14), die mit dem elektrischen Verbraucher (13) mechanisch fest verbunden ist und eine erste Fläche zum Abführen von Wärme (Q) aufweist, und- einer zweiten Entwärmeeinheit (16), wobei die zweite Entwärmeeinheit (16) eine zweite Fläche zum Aufnehmen der Wärme (Q) von der ersten Fläche aufweist, zum Abführen der von der ersten Fläche aufgenommenen Wärme (Q) an oder aus dem Gehäuse (20), wobei- zumindest die erste Fläche beweglich ausgebildet ist,- die jeweiligen Flächen der ersten und zweiten Entwärmeeinheit (14, 16) bei einer Bewegung der ersten Fläche sich nicht berühren,- beide Entwärmeeinheiten (14, 16) an den jeweiligen Flächen gerippt ausgeführt sind und jeweilige Rippen der ersten und zweiten Entwärmeeinheit (14, 16) miteinander verschränkt sind, ohne dass sich die jeweiligen Rippen berühren, um die Wärme (Q) an eine Umgebung des Gehäuses (20) abzuführen, und- in einem zwischen den jeweiligen Rippen sich ergebenden Spalt (15) eine Wärmeleitpaste (30), insbesondere ein Silikongel (30), angeordnet ist, um Wärme (Q) von der ersten Entwärmeeinheit (14) zur zweiten Entwärmeeinheit (16) zu transportieren, wobei- eine Scherspannung der Wärmeleitpaste (30) in Abhängigkeit von einer Schergeschwindigkeit in einem vorgegebenen Intervall der Schergeschwindigkeit eine größere Steigung als außerhalb des vorgegebenen Intervalls aufweist, wobei das vorgegebene Intervall die Schergeschwindigkeit 0 m/(s m) beinhaltet, wobei dies einem modifizierten beziehungsweise realistischen Bingham-Fluid entspricht, welches auf Grund seiner rheologischen Eigenschaften trotz einwirkender Schwerkraft ermöglicht, dass die Wärmeleitpaste an einer vorgesehenen Stelle bleibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Entwärmungsvorrichtung zum Abführen von Wärme.
In einigen mechatronischen Geräten oder Steuergeräten ist es oft erforderlich, bewegliche Teile direkt mit Elektronik auszustatten. Häufig wird dabei drauf geachtet, dass diese beweglichen Teile eine möglichst geringe Masse haben, um die Dynamik und Kinematik nicht zu träge werden zu lassen. Dabei wird versucht die beweglichen Teile möglichst berührungslos oder zumindest mit wenig Reibkraft beweglich zu lagern.
Dies ist beispielsweise bei rotierenden Optiken mit Sensoren der Fall, welche auf einen lichtempfindlichen Sensor oder einen CMOS-Chip zur Bildgebung fokussiert sind. Diese Sensoren sind mittlerweile sehr komplex ausgestaltet und weisen aufgrund der integrierten Elektronik zum Teil Verlustleistungen von mehr als 5 Watt auf. Dabei sollte die Lagerung sehr präzise und gegen unerwünschte Schwindungen unempfindlich oder zumindest hinreichend geschützt sein. Zugleich besteht der Wunsch, dass dabei eine möglichst geringe Reibung vorhanden ist. Dies führt häufig zu kleinen Lagerdurchmessern. Zusammen mit der Beweglichkeit ist eine starre, wärmeleitende Kontaktierung zum Beispiel an die Gehäuseinnenseite nicht möglich und eine effiziente Wärmeabfuhr somit erschwert.
Hinsichtlich der effizienten Abführung von Abwärme kann erschwerend hinzukommen, dass die beweglich gelagerte Elektronik beziehungsweise Optik häufig gegen Verschmutzung abgedichtet werden muss. Deshalb ist die Wärmeabfuhr innerhalb des Gehäuses erschwert. Beispielsweise kann bei einem abgedichteten Gehäuse keine Wärmeabfuhr mithilfe freier Konvektion nach außen erfolgen.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2017 201 800 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Elektronikeinheit. Eine Platine wird mit einem elektrischen Bauteil bestückt und elektrisch leitfähig verbunden. Ein Entwärmungskörper wird auf die Platine und/oder das elektronische Bauteil aufgesetzt. In einem Kunststoffinfusionsschritt werden die Platine und das elektrische Bauteil unter Ausbildung eines Mantels mit einem duroplastischen Kunststoff umgeben. Dabei wird der Entwärmungskörper mittels des Mantels an der Platine beziehungsweise an dem elektrischen Bauteil gehalten.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2015 219 791 A1 betrifft ein Halbleitermodul. Das Halbleitermodul weist zumindest einen Halbleiterchip und ein elektrisch isolierendes Material auf. Das elektrisch isolierende Material umgibt den jeweiligen Halbleiterchip zumindest teilweise und ist mit dem Halbleiterchip in thermischen Kontakt. Das elektrisch isolierende Material fungiert als Matrixmaterial eines Verbundwerkstoffes. Der Verbundwerkstoff weist ein Füllmaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit von zumindest einigen 10 W/(mK), vorzugsweise 100 W/(mK) auf.
Die CN 107087377 A beschreibt ein Wärmeausstrahlungsgerät, einen Radiator, elektronische Ausrüstung und ein Steuergerät für das Wärmeausstrahlungsgerät. Beschrieben werden ein Kühlblech, ein elektronisches Gerät und ein Verfahren zur Steuerung der Wärmeausstrahlung. Dazu ist ein veränderbares Kühlblech beschrieben, welches rotiert werden kann ohne, dass die Rotation Einfluss auf die Wärmeausstrahlung hat.
Die WO 2015/027004 A1 beschreibt ein bewegliches Kühlblech mit ineinander greifenden, wärmeleitenden Lamellen. Das bewegliche Kühlblech weist einen stationären Teil mit einer ersten wärmeleitenden Fläche und einer zweiten wärmeleitenden Fläche zur Übertragung von Wärme auf. Zum Kühlen von wärmeabstrahlenden Geräten kann das stationäre Teil auf der wärmegenerierenden Komponente befestigt werden. Das bewegliche Kühlblech weist ebenfalls eine rotierbare Struktur auf.
Die US 2016/0192535 A1 beschreibt ein elektronisches Gerät mit einem Substrat, einem Kühlblech und einem wärmeleitenden Material. Dabei weist das Substrat eine erste Oberfläche auf, die mit dem elektronischen Gerät verbunden ist. Das Kühlblech hat eine zweite Oberfläche, welche in Richtung der ersten Oberfläche zeigt und nicht mit dem elektrischen Gerät in Kontakt ist. Zwischen den Oberflächen befindet sich ein wärmeleitendes Material.
Der genannte Stand der Technik beschäftigt sich mit elektronischen Komponenten, welche in einem Gehäuse angeordnet sind, woraus entstehende Abwärme herausgeführt werden soll.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei beweglichen elektrischen Verbrauchern in einem Gehäuse eine verbesserte Wärmeabfuhr zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gemäß den unabhängigen Patentansprüchen dieser Anmeldung gelöst. Sinnvolle Weiterbildungen und alternative Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren.
Die Erfindung sieht eine Entwärmungsvorrichtung zum Abführen von Wärme vor. Die Entwärmungsvorrichtung weist ein Gehäuse auf. Dieses Gehäuse dient insbesondere zum Aufnehmen mindestens einer elektrischen Komponente beziehungsweise eines elektrischen Verbrauchers. Die Entwärmungsvorrichtung weist ferner einen im Gehäuse angeordneten elektrischen Verbraucher auf. Der elektrische Verbraucher kann auch als elektrische Komponente betrachtet werden. Der elektrische Verbraucher ist in Relation zu dem Gehäuse nicht ortsfest ausgeführt. Dies bedeutet insbesondere, dass der elektrische Verbraucher beweglich beziehungsweise bewegbar innerhalb des Gehäuses ausgeführt ist. Er kann beispielsweise relativ zu dem Gehäuse geschwenkt oder gedreht werden. Somit ist der elektrische Verbraucher bevorzugt nicht mechanisch fest innerhalb des Gehäuses angeordnet. Der elektrische Verbraucher kann somit eine Relativbewegung zu dem Gehäuse durchführen. Der elektrische Verbraucher kann beispielsweise eine Ausrichtung beziehungsweise Orientierung mit Hilfe einer Drehachse in Bezug auf das Gehäuse ändern. Anstelle einer Drehung kann auch eine Translation oder eine Translation in Kombination mit einer Rotation (Drehung) innerhalb des Gehäuses möglich sein.
Die genaue Ausgestaltung der Drehung, Verschiebung oder Verstellung des elektrischen Verbrauchers innerhalb des Gehäuses ist dabei nur von untergeordneter Bedeutung für die Erfindung. Entscheidend ist die Tatsache, dass der elektrische Verbraucher nicht ortsfest innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Somit ist der elektrische Verbraucher insbesondere derart innerhalb des Gehäuses angeordnet, dass er hinsichtlich seiner Position innerhalb des Gehäuses verschoben beziehungsweise gedreht werden kann. Auch eine Kombination von einer Translation und einer Rotation innerhalb des Gehäuses ist dabei denkbar. Dabei ist zu berücksichtigen, dass eine Translation oder Rotation innerhalb des Gehäuses sich auf das Gehäuse und nicht die Umgebung bezieht. Wird beispielsweise das gesamte Gehäuse mit all seinen Komponenten im Inneren bewegt, so stellt dies keine Translation oder Rotation für den elektrischen Verbraucher in Relation zu dem Gehäuse dar.
Die Entwärmungsvorrichtung weist eine erste Entwärmeeinheit auf, welche mit dem elektrischen Verbraucher mechanisch fest verbunden ist. Die erste Entwärmeeinheit weist eine erste Fläche auf, welche zum Abführen von Wärme ausgebildet ist. Die erste Entwärmeeinheit ist dabei vorzugsweise innerhalb des Gehäuses angeordnet. Die Entwärmeeinheit muss dabei nicht unmittelbar mit dem elektrischen Verbraucher mechanisch verbunden sein. Beispielsweise kann zwischen dem elektrischen Verbraucher und der ersten Entwärmeeinheit ein Gel, ein Wärmeleitpad und/oder eine Wärmeleitpaste zu besseren Wärmeübertragung angeordnet sein. Somit kann gewährleistet werden, dass der elektrische Verbraucher mit der ersten Entwärmeeinheit in thermischen Kontakt steht. Somit können der elektrische Verbraucher und die erste Entwärmeeinheit körperlich miteinander verbunden sein. Zwischen diesen beiden Komponenten können weitere Gegenstände wie zum Beispiel eine Wärmeleitpaste angeordnet sein.
Die Entwärmungsvorrichtung weist ferner eine zweite Entwärmeeinheit auf. Die zweite Entwärmeeinheit kann mit einer Innenseite des Gehäuses mechanisch fest verbunden sein. Die erste und/oder zweite Entwärmeeinheit können vollständig innerhalb des Gehäuses angeordnet sein. Es kann sein, dass das Gehäuse sämtliche Komponenten der Entwärmungsvorrichtung gegenüber der Umgebung abgrenzt oder abdichtet. Die zweite Entwärmeeinheit kann teilweise innerhalb und zugleich teilweise außerhalb des Gehäuses angeordnet sein. Demzufolge kann es möglich sein, dass sich die zweite Entwärmeeinheit ausgehend von einem Punkt innerhalb des Gehäuses bis zu einem weiteren Punkt außerhalb des Gehäuses erstreckt. Vorzugsweise ist die erste Entwärmeeinheit gegenüber der zweiten Entwärmeeinheit innerhalb des Gehäuses angeordnet.
Die zweite Entwärmeeinheit weist eine zweite Fläche auf, wobei die zweite Fläche zum Aufnehmen der Wärme von der ersten Fläche dient. Die zweite Entwärmeeinheit dient zum Abführen der von der ersten Fläche aufgenommenen Wärme an und/oder aus dem Gehäuse. Dabei ist zumindest die erste Fläche beweglich ausgebildet und die jeweiligen Flächen der ersten und zweiten Entwärmeeinheit berühren sich bei einer Bewegung der ersten Fläche nicht. Die erste Entwärmeeinheit kann Aluminium, Kupfer oder eine Legierung unterschiedlicher Materialien aufweisen. Dies kann ebenso für die zweite Entwärmeeinheit gelten. Insbesondere kann die erste und/oder zweite Entwärmeeinheit aus einem ähnlichen oder demselben Material wie das Gehäuse gefertigt sein. Die genannten Materialeigenschaften können analog für die erste und/oder zweite Fläche gelten beziehungsweise zutreffen.
Die erste Fläche und/oder zweite Fläche können planar sein. Bei entsprechend ausreichend vorhandener Wärmeleitfähigkeit von Wärme in die Umgebung des Gehäuses kann dies bereits ausreichend sein. Zwischen den beiden Flächen können ein Wärmeleitgel, eine Wärmeleitpaste und/oder ein Silikongel angeordnet sein. Damit kann die Wärmeabfuhr an eine Umgebung des Gehäuses gesteigert werden. Beide Entwärmeeinheiten können so ausgestaltet sein, dass ihre jeweiligen Flächen gegenüber planaren Flächen vergrößert sind, die sich bei einer Relativbewegung zueinander immer mit einem geringen Spaltabstand gegenüberstehen. Dabei ändert sich der Spaltabstand insbesondere während einer Bewegung der ersten Entwärmeeinheit nur geringfügig oder er bleibt konstant.
Idealerweise sind die erste Fläche und die zweite Fläche gerippt ausgeführt und jeweilige Rippen der ersten und zweiten Entwärmeeinheit sind bevorzugt miteinander verschränkt. Somit können sowohl die erste Fläche als auch die zweite Fläche gerippt ausgebildet sein. Diese beiden Flächen können darüber hinaus miteinander verschränkt sein. Dies kann die effektive Austauschfläche für das Abführen von Wärme deutlich vergrößern. Die effektive Austauschfläche kann beispielsweise durch ein Aufrauen der beiden Flächen weiter vergrößert werden. Die Rippen der zweiten Entwärmeeinheit können gehäusefest ausgeführt sein. Verschränkt bedeutet in diesem Zusammenhang insbesondere, dass die jeweiligen Rippen der entsprechenden Entwärmeeinheiten in einen sich jeweils ergebenden Spalt der anderen Entwärmeeinheit hinein ragen können. Dadurch können vergrößerte Flächen für den Wärmetransport beziehungsweise die Wärmeabfuhr nach außen geschaffen werden. Anhand der Rippen der ersten Entwärmeeinheit können sich zwischen den Rippen Spalte oder Zwischenräume ergeben. Dasselbe kann für die zweite Entwärmeeinheit zutreffen. Die jeweiligen Rippen der einen Entwärmeeinheit ragen dabei insbesondere in die Spalte beziehungsweise Zwischenräume zwischen den Rippen der jeweiligen anderen Entwärmeeinheit. Dabei berühren sich die jeweiligen Rippen bevorzugt nicht. Die jeweiligen Rippen der ersten und zweiten Entwärmeeinheit sind bevorzugt miteinander verschränkt, ohne dass sich die jeweiligen Rippen berühren, um die Wärme an eine Umgebung außerhalb des Gehäuses abzuführen.
Die erste Entwärmeeinheit kann eine Leiterplatte aufweisen. Diese Leiterplatte kann mit dem elektrischen Verbraucher thermisch oder mechanisch in Kontakt stehen. So kann Wärme beziehungsweise Abwärme des elektrischen Verbrauchers an die Rippen der ersten Entwärmeeinheit geleitet werden. Die Rippen der ersten Entwärmeeinheit können insbesondere als Teil der ersten Entwärmeeinheit betrachtet werden. In diesem Beispiel weist die erste Entwärmeeinheit unter anderem die Leiterplatte und die Rippen auf. Somit kann die erste Entwärmeeinheit mehrteilig ausgeführt sein. Sie kann jedoch auch aus einem Guss gefertigt sein, also einteilig ausgeführt sein. Bei der Konstruktion der ersten Entwärmeeinheit wird insbesondere auf eine gute Wärmeleitfähigkeit geachtet. Dies bedeutet insbesondere, dass der Wärmeleitwert der ersten Entwärmeeinheit möglichst hoch ist beziehungsweise der Wärmewiderstand möglichst gering ist. Der Wärmewiderstand, auch thermischer Widerstand genannt, kann als Wärmekennwert betrachtet werden. Der Wärmeleitwert ergibt sich insbesondere anhand eines Kehrwerts des Wärmewiderstands. Dieser thermische Widerstand kann beispielsweise aus einem Quotienten gebildet werden, der im Zähler eine Temperaturdifferenz und im Nenner einen Wärmestrom aufweist. Der Wärmestrom hat dabei insbesondere die Einheit einer Leistung, also Watt.
Das Gehäuse ist insbesondere aus einem wärmeleitfähigen Material gefertigt. Beispielsweise kann das Gehäuse Aluminium, Kupfer aufweisen. Auch eine Legierung unterschiedlicher Materialien ist denkbar. In vielen Fällen ist das Gehäusematerial Aluminium, da Aluminium gute Wärmeleiteigenschaften aufweist. Das Gehäuse kann bereichsweise so ausgestaltet sein, dass vorgegebene elektromagnetische Wellen wie zum Beispiel Lichtstrahlen möglichst ohne Absorption in das Gehäuse eindringen und an einem Sensor detektiert werden können. Dieser Bereich kann für diese Lichtstrahlen partiell transparent ausgeführt sein. Dies ist beispielsweise bei Kameras oder Radarsensoren als elektrischer Verbraucher sinnvoll, welche Radar-Strahlen analysieren. Die Kamera wird in diesem Fall im Gehäuse so angeordnet, dass die Kamera die Radarstrahlen durch den transparenten Bereich des Gehäuses emittiert bzw. empfängt. Damit kann das Gehäuse einen Oberflächenabschnitt aufweisen, der speziell dazu ausgelegt ist, Signale für einen Sensor im Gehäuse nicht abzuschirmen, im Idealfall ohne Absorption durch den Oberflächenabschnitt passieren zu lassen. Der Sensor und dessen integrierte Auswerteelektronik repräsentieren dabei den elektrischen Verbraucher. Mithilfe der Entwärmungsvorrichtung kann so trotz eines gekapselten Sensors oder elektrischen Verbrauchers eine hinreichend gute Wärmeabfuhr erreicht werden. Damit können auch „Hochleistungssensoren“ zum Einsatz kommen, die einer stärken Entwärmung bedürfen. Diese Entwärmung kann mit der Entwärmungsvorrichtung erzielt werden.
Ferner ist vorgesehen, dass beide Entwärmeeinheiten an den jeweiligen Flächen gerippt ausgeführt sind und jeweilige Rippen der ersten und zweiten Entwärmeeinheit miteinander verschränkt sind, um die Wärme an eine Umgebung des Gehäuses abzuführen. Dies bedeutet insbesondere, dass die erste und zweite Fläche jeweils miteinander verschränkt sein können. Die erste und zweite Fläche repräsentieren dabei insbesondere die Rippen, über welche ein verbesserter Wärmetransport beziehungsweise die Wärmeabfuhr ermöglicht werden soll. Die bereits genannten Vorteile und Beispiele gelten sinngemäß und analog für diese Ausführungsform.
Ferner ist eine Entwärmungsvorrichtung vorgesehen, wobei in einem zwischen den jeweiligen Rippen sich ergebenden Spalt eine Wärmeleitpaste, insbesondere ein Silikongel, angeordnet ist, um Wärme von der ersten Entwärmeeinheit zur zweiten Entwärmeeinheit zu transportieren. Aufgrund der Rippen ergeben sich entsprechende Zwischenräume zwischen den Rippen. Diese Zwischenräume ergeben sich dabei insbesondere lediglich anhand einer der beiden Entwärmeeinheiten. Dies bedeutet insbesondere, dass der sich ergebende Spalt für die erste Entwärmeeinheit sich ausschließlich anhand der Rippengeometrie der ersten Entwärmeeinheit ergibt. Entsprechendes gilt analog für die zweite Entwärmeeinheit. Somit können zwei unterschiedliche Spaltmaße für die erste und zweite Entwärmeeinheit vorliegen. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass für beide Entwärmeeinheiten ein einheitliches Spaltmaß vorgesehen ist. Dieser Spalt beziehungsweise Zwischenraum ist dabei insbesondere groß genug, um die jeweiligen Rippen der gegenüberliegenden Entwärmeeinheit im Spalt zumindest teilweise aufzunehmen. Dabei berühren sich die jeweiligen Rippen der Entwärmeeinheiten bevorzugt nicht.
Ferner ist eine Entwärmungsvorrichtung vorgesehen, wobei eine Scherspannung der Wärmeleitpaste in Abhängigkeit von einer Schergeschwindigkeit an der Wärmeleitpaste in einem vorgegebenen Intervall der Schergeschwindigkeit eine größere Steigung als außerhalb des vorgegebenen Intervalls aufweist, wobei das vorgegebene Intervall die Schergeschwindigkeit 0 m/(s m) beinhaltet. Die Schergeschwindigkeit wird manchmal noch als Scherrate bezeichnet. Ihre Einheit wird oft mit $\frac{m}{s \cdot m} = \frac{1}{s}$
angegeben. Die Schergeschwindigkeit kann insbesondere als ein örtlicher Geschwindigkeitsgradient betrachtet werden, auch wenn die Einheit auf eine Frequenz schließen lassen würde. Bei einer Scherrate nahe 0 ist die Steigung der Scherspannung bevorzugt größer als außerhalb dieses vorgegebenen Intervalls. Die Steigung der Scherspannung bezieht sich insbesondere auf einen Abstand von einer kraftübertragenden Fläche auf ein Fluid, das eine Dicke aufweist. In diesem Fall können die Rippen oder die Flächen einer der beiden Entwärmeeinheiten als kraftübertragende Flächen angesehen werden. Der Abstand wird insbesondere durch die Ausdehnung des Spalts, sozusagen dem Spaltmaß ausgedrückt. Anders ausgedrückt steigt die Scherspannung ausgehend von der Schergeschwindigkeit 0 in positive Richtung zunächst stark an. Mit zunehmender Schergeschwindigkeit verringert sich insbesondere diese Steigung. Insbesondere nähert sich die Scherspannung mit zunehmender Schergeschwindigkeit an eine vorgegebene Asymptote an. Dies entspricht einem modifizierten beziehungsweise realistischen Bingham-Fluid. Mithilfe solcher rheologischen Eigenschaften kann das Silikongel trotz einwirkender Schwerkraft statisch an einer vorhergesehenen Stelle bleiben.
Die Wärmeleitpaste beziehungsweise das Silikongel dienen bevorzugt dazu, eine verbesserte Wärmeleitung beziehungsweise einen effizienteren Wärmetransport vom elektrischen Verbraucher zum Gehäuse zu ermöglichen. Bevorzugt wird ein Silikongel eingesetzt, welches über einen größeren Temperaturbereich konstante Materialeigenschaften beziehungsweise thermische und mechanische Eigenschaften aufweist. So kann beispielsweise das Silikongel in einem Bereich von etwa -60 Grad Celsius bis 200 Grad Celsius annähernd konstante mechanische und thermische Eigenschaften aufweisen. Entsprechendes kann für die Materialeigenschaften des Silikongels gelten. Bevorzugt ist das Silikongel elektrisch nicht-leitend. Damit können unerwünschte Kurzschlüsse vermieden werden.
Darüber hinaus härtet das Silikongel bevorzugt nicht aus. Dies bedeutet insbesondere, dass das Silikongel sich nicht verfestigt beziehungsweise nicht zu hochviskos wird. Damit kann die Verstellbarkeit des elektrischen Verbrauchers gewährleistet werden. Dies gilt bevorzugt auch für den Temperaturbereich zwischen -60 Grad Celsius und 200 Grad Celsius. Mithilfe des Silikongels kann der Wärmetransport von der ersten Entwärmeeinheit zur zweiten Entwärmeeinheit deutlich verbessert werden. Dies liegt vor allem daran, dass das Silikongel die Wärme um Faktoren besser leiten kann als stehende Luft. Innerhalb des Gehäuses liegt aufgrund der geringen Temperaturgradienten nahezu keine Konvektion vor. Ohne das Silikongel würden die jeweiligen Rippen der beiden Entwärmeeinheiten lediglich über den Spalt, welcher in diesem Fall ein Luftspalt wäre, thermisch miteinander Wärme übertragen können. Bei dieser Ausführungsform überbrückt das Silikongel insbesondere eine restliche verbleibende Distanz zwischen den jeweiligen Rippen der beiden Entwärmeeinheiten. Damit kann die Wärmeleitfähigkeit der Entwärmeeinheit deutlich gesteigert werden und eine noch effizientere Wärmeabfuhr kann ermöglicht werden.
Eine weitere Ausführungsform sieht eine Entwärmungsvorrichtung vor, wobei die Wärmeleitpaste in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Erschütterung auf das Gehäuse, in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Verstellgeschwindigkeit des elektrischen Verbrauchers und/oder in Abhängigkeit von einer Ausdehnung des Spalts bestimmt ist. Damit ist insbesondere gemeint, dass in Abhängigkeit von der vorgegebenen Erschütterung, der vorgegebenen Verstellgeschwindigkeit des elektrischen Verbrauchers und/oder in Abhängigkeit von der Ausdehnung des Spalts die Wärmeleitpaste ausgewählt wird beziehungsweise sich daraus die Eigenschaften der auszuwählenden oder einzusetzenden Wärmeleitpaste ergeben. Somit sieht diese Ausführungsform insbesondere vor, dass jene Wärmeleitpaste, welche zwischen den beiden Entwärmeeinheiten für einen besseren Wärmefluss sorgen soll, anhand der vorgegebenen Erschütterung auf das Gehäuse, der vorgegebenen Verstellgeschwindigkeit des elektrischen Verbrauchers und/oder anhand der Ausdehnung des Spalts bestimmbar ist beziehungsweise sich daraus ermitteln lässt. Bei dieser Ausführungsform soll das Silikongel zugleich den elektrischen Verbraucher im Gehäuse mechanisch stabilisieren. Dies kann beispielsweise mit Hilfe eines Silikongels erreicht werden, welches eine hinreichend hohe Viskosität aufweist. Dabei bestimmt sich bei dieser Ausführungsform ein stabilisierendes Haltemoment insbesondere in Abhängigkeit von der Viskosität des spaltfüllenden Gels und einer gegebenen Erschütterung auf das Gehäuse. So können beispielsweise Schwingungsbewegungen oder stoßbedingte Bewegungen hinreichend gut gedämpft werden. Dies kann die Robustheit der Entwärmungsvorrichtung steigern, vorhandenes Lagerspiel der beweglich gelagerten Einheit stabilisieren und Beschädigungen aufgrund von Vibrationen können vermieden werden. Vibrationen können sich beispielsweise dadurch ergeben, wenn die Entwärmungsvorrichtung in einem Kraftfahrzeug verbaut ist und aufgrund schlechter Straßenzustände sich entsprechend starke Vibrationen ergeben. Die so erzeugten Vibrationen können mithilfe eines entsprechenden viskosen Silikongels abgedämpft beziehungsweise gemildert werden.
Des Weiteren können sich die Eigenschaften des Silikongels von einer vorgegebenen Verstellgeschwindigkeit des elektrischen Verbrauchers ergeben. Dabei ist insbesondere zu beachten, dass gewünschte oder vorgegebene Eigenschaften bezüglich des Silikongels das Silikongel an sich bestimmen können. Die Eigenschaften können somit das auszuwählende oder einzusetzende Silikongel beeinflussen. Somit können sich die Eigenschaften des einzusetzenden oder auszuwählenden Silikongels, welches für den Wärmetransport von der ersten Entwärmeeinheit zur zweiten Entwärmeeinheit vorgesehen ist, anhand der vorgegebenen Verstellgeschwindigkeit des elektrischen Verbrauchers ergeben. Die Verstellgeschwindigkeit an sich beeinflusst in der Regel nicht die Eigenschaften des Silikongels, in dieser Ausführungsform wohl aber die Entscheidung, welches Silikongel für den Wärmetransport über den Spalt vorgesehen ist beziehungsweise zum Einsatz kommen soll. Man kann sagen, dass die vorgegebene Verstellgeschwindigkeit die Eigenschaften des einzusetzenden Silikongels mitbestimmen kann.
Ist das Silikongel einmal bestimmt, so kann sich ein Bremsmoment oder eine Bremskraft abhängig von den viskosen Eigenschaften des Silikongels und einer vorgegebenen Verstellgeschwindigkeit des elektrischen Verbrauchers ergeben. Dies bedeutet insbesondere, dass das Silikongel bei den gewünschten niedrigen Verstellgeschwindigkeiten nicht zu große Gegenkräfte entwickelt. In der Regel ist es gewünscht, dass langsame Verstellgeschwindigkeiten weniger stark gedämpft werden als schnelle Verstellgeschwindigkeiten, welche sich beispielsweise aufgrund von Vibrationen ergeben. Darüber hinaus können die konkrete Ausgestaltung des Silikongels beziehungsweise dessen mechanische und thermische Eigenschaften zusätzlich in Abhängigkeit von der Ausdehnung des Spalts bestimmt werden. Insbesondere können die vorgegebenen Erschütterungen auf das Gehäuse, die vorgegebene Verstellgeschwindigkeit und die Ausdehnung des Spalts zugleich das ideale Silikongel definieren. Bevorzugt wird also jenes Silikongel verwendet, welches die vorgegebene Erschütterung um ein gewünschtes Maß dämpft, zugleich die vorgegebenen Verstellgeschwindigkeit des elektrischen Verbrauchers gewährleistet und dabei hinsichtlich der Ausdehnung des Spalts geeignet ist. Darüber hinaus soll das Silikongel zugleich eine gute Wärmeleitfähigkeit ermöglichen.
Eine weitere Ausführungsform sieht eine Entwärmungsvorrichtung vor, wobei die Wärmeleitpaste eine dynamische Viskosität in einem Bereich von 100 Pa s und 600 Pa s aufweist. In vielen Fällen wird auch die Einheit mPa s (Millipascalsekunden) verwendet. In diesem Fall würden die Werte 100.000 mPa s und 600.000 mPa s betragen. Der genaue Wert betreffend die dynamische Viskosität kann insbesondere nach realisierbarem Spaltmaß, dem gewünschten Wärmeleitwert und den vorhandenen Flächen aufgrund der Rippen variieren. Wird beispielsweise der Zwischenraum beziehungsweise das Spaltmaß verdoppelt, so kann die Viskosität ebenfalls verdoppelt werden, um dasselbe Verstellmoment zum Bewegen des elektrischen Verbrauchers zu erhalten. In diesem Fall würde sich jedoch die Wärmeleitfähigkeit in etwa halbieren. Dabei ist zu beachten, dass dieses Beispiel lediglich die Zusammenhänge darstellen soll. In der Realität können sich aufgrund komplexer Geometrien die genauen Werte entsprechend abändern. Wird beispielsweise in diesem dargestellten Beispiel die Viskosität nicht verdoppelt sondern konstant belassen, so würde sich das Verstellmoment und der Wärmeleitwert halbieren, jedoch könnten unter Umständen auftretende Vibrationen stärker auf den elektrischen Verbraucher übertragen werden.
Dies bedeutet insbesondere, dass das Silikongel in Abhängigkeit von einer Optimierungsaufgabe ausgewählt wird. Zum einen soll mithilfe des Silikongels eine gute Wärmeleitung ermöglicht werden, andererseits soll dasselbe Silikongel Vibrationen entsprechend abdämpfen. Diese beiden Ziele können nicht immer zugleich erreicht werden beziehungsweise je nachdem, welches dieser beiden Ziele stärker gewichtet ist, beeinflusst dies die Eigenschaften des einzusetzenden Silikongels. Im Idealfall können beide Ziele zugleich erreicht werden.
Eine weitere Ausführungsform sieht eine Entwärmungsvorrichtung vor, wobei bei einer Schergeschwindigkeit von 0 m/(s m) die Wärmeleitpaste eine Scherspannung ungleich 0 Pa aufweist. Bei dieser Ausführungsform weist das Silikongel Eigenschaften eines idealen Bingham-Fluids auf. Anders ausgedrückt weist das Silikongel eine Losreißspannung von ungleich 0 Pa auf. In einem Diagramm, das die Scherspannung auf einer y-Achse zeigt und die Schergeschwindigkeit auf einer x-Achse, würde die entsprechende Kurve (häufig als Gerade dargestellt) die y-Achse bei einem Wert ungleich 0 schneiden. Dieser Wert würde insbesondere die Losreißspannung darstellen. Das kann beispielsweise bedeuten, dass das Silikongel erst ab einer gewissen Losreißspannung in viskoses Gleiten übergeht. Eine mechanische Spannung unterhalb dieser Losreißspannung beziehungsweise Grenzspannung würde dazu führen, dass das Silikongel sich elastisch verhält. Das Silikongel in dieser Ausführungsform kann somit als eine linear-viskoelastische Flüssigkeit betrachtet werden. Bei kleinen Schubspannungen beziehungsweise Scherspannungen kann das Silikongel wie ein elastischer Körper wirken und erst beim Erreichen der Losreißspannung zu fließen beginnen. Nach Erreichen der Losreißspannung bleibt die Viskosität des Silikongels vorzugsweise konstant. Weist das Silikongel derartige Eigenschaften auf, so kann es als Bingham-Fluid oder Bingham-Silikongel betrachtet werden.
Das Silikongel erfüllt vorzugsweise mehrere Eigenschaften. Das Silikongel weist beispielsweise eine vorgegebene Formstabilität, einen Temperaturbereich von etwa -60 °C bis +200 °C auf, in dem die mechanischen Eigenschaften näherungsweise konstant bleiben, zugleich eine gute Haftung an der Oberfläche, sowie eine Einstellbarkeit der dynamischen Viskosität auf. Dies kann beispielsweise mithilfe nicht vernetzter Silikongele erreicht werden. Dabei wird die Viskosität insbesondere so gewählt, dass sie einerseits eine vorgegebenen Verstellung beziehungsweise Verstellgeschwindigkeit des elektrischen Verbrauchers gewährleistet und zugleich den elektrischen Verbraucher gegenüber Stößen mithilfe der durch das Silikongel realisierten viskosen Dämpfung abschirmt. Zugleich soll eine beabsichtigte Verstellgeschwindigkeit durch die viskose Reibung des Silikongels nicht zu sehr gehemmt werden.
Eine weitere Ausführungsform sieht eine Entwärmungsvorrichtung vor, wobei der Wärmeleitpaste zur Erhöhung einer Wärmeleitfähigkeit elektrisch nicht-leitende Partikel beigemischt sind. Die beigemischten oder beigemengten Partikel zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit können teilweise Zinkoxid oder keramische Stoffe aufweisen. Mit keramischen Stoffen sind insbesondere Aluminiumoxide angesprochen. Dabei sind die beigemischten Partikel in dieser Ausführungsform elektrisch nicht-leitend. Aluminiumoxide können beispielsweise eine Wärmeleitfähigkeit von 28 W/(m K) aufweisen, Zinkoxid kann zum Beispiel eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 60 W/(m K) aufweisen. Mit Hilfe einer Beimischung derartiger Partikel kann die Wärmeleitfähigkeit der Wärmeleitpaste beziehungsweise des Silikongels auf über 4 W/(m K) gesteigert werden. Hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit kommt es insbesondere auf die Wärmeleitfähigkeit der Mischung aus Silikon mit Partikel an. Somit kann eine noch effizientere Wärmeabfuhr der Wärme vom elektrischen Verbraucher zum Gehäuse erreicht werden. Dabei ist zu beachten, dass die genannten Werte betreffend die Wärmeleitfähigkeit von Zinkoxid und Aluminiumoxid von einer Struktur und Geometrie der jeweiligen Materialien abhängig sein können. Dies bedeutet, dass die genannten Werte bezüglich der Wärmeleitfähigkeit lediglich beispielhafte Standardwerte darstellen.
Eine weitere Ausführungsform sieht eine Entwärmungsvorrichtung mit einem Sensor als den elektrischen Verbraucher, mit einer im Gehäuse angeordneten Antriebseinheit zum Bewegen des Sensors, insbesondere zum Drehen des Sensors vor. Der Sensor kann eine optische Einheit in Form einer Kamera sein. Die optische Einheit kann insbesondere als eine Kamera ausgebildet sein. Diese Kamera kann einen empfindlichen Sensor oder einen lichtempfindlichen CMOS-Chip aufweisen. Die Kamera kann auch zum Beispiel als Radarkamera ausgebildet sein, die Radarsignale empfangen und/oder aussenden kann. Dieser Chip oder Sensor benötigt elektrische Energie, was bedeutet, dass dadurch Abwärme anfällt. Anstelle optischer Sensoren können auch andere elektrische Verbraucher wie zum Beispiel eine Laserempfangsdiode, ein Radarsensor oder Ultraschallsensor vorgesehen sein. Idealerweise integriert man dann die Verarbeitung der Sensorsignale gleich direkt auf dem Sensorchip selbst, da sich hier sehr hohe Datenübertragungsraten zur Aufbereitung der Sensorsignale ergeben, die nur schwer über längere Leitungen zu übertragen sind. Durch diese Vor-Ort-Aufbereitung entsteht insbesondere eine zusätzliche Verlustleistung. So kann ein bildgebender Sensorchip beispielsweise einen so genannten Imager beinhalten. Prinzipiell kann als elektrischer Verbraucher jeder Sensor in Frage kommen, welcher zum Betrieb elektrische Energie benötigt.
Die Antriebseinheit kann beispielsweise einen Schrittmotor beinhalten. Es ist auch möglich, dass die Antriebseinheit ein Zahnrad beinhaltet, mit Hilfe dessen die Kamera gedreht beziehungsweise geschwenkt werden kann. Insbesondere weist die Entwärmungsvorrichtung zudem mehrere Rippen auf einer Außenseite des Gehäuses auf, wobei gegenüber den mehreren Rippen auf der Außenseite des Gehäuses innerhalb des Gehäuses die zweite Entwärmeeinheit angeordnet ist. Die Rippen an oder auf der Außenseite des Gehäuses können Teil der zweiten Entwärmeeinheit sein. Dies bedeutet insbesondere, dass auf einer Seite des Gehäuses die Rippen der zweiten Entwärmeeinheit angeordnet sind, und auf der gegenüberliegenden Seite des Gehäuses die mehreren Rippen der Außenseite des Gehäuses angeordnet sind. Die mehreren Rippen an der Außenseite des Gehäuses können gehäusefest ausgebildet sein. Damit kann eine verbesserte Wärmeabgabe an eine Umgebung des Gehäuses erreicht werden.
Eine weitere Ausführungsform sieht eine Entwärmungsvorrichtung vor, wobei die Rippen der ersten Entwärmeeinheit zumindest teilweise rund, gebogen und/oder ellipsenförmig ausgebildet sind, um eine Drehung der Rippen der ersten Entwärmeeinheit ohne Berührung mit den Rippen der zweiten Entwärmeeinheit zu ermöglichen. In vielen Fällen wird der Sensor, die optische Einheit oder die Kamera mithilfe einer Rotation oder Drehung innerhalb des Gehäuses verfahren. In diesem Fall werden die Rippen der ersten Entwärmeeinheit entsprechend mitgedreht. Wären die Rippen der ersten Entwärmeeinheit stets rechteckig ausgebildet, so bestünde die Gefahr, dass bei deren Drehung die Rippen der ersten Entwärmeeinheit mit den Rippen der zweiten Entwärmeeinheit miteinander kollidieren. Zwar könnte dieser Umstand mithilfe einer geringeren Eindringtiefe der Rippen der ersten Entwärmeeinheit in den Spalt der zweiten Entwärmeeinheit umgangen werden, jedoch würde sich dadurch die Wärmeabfuhr verschlechtern. Mithilfe von gebogenen, runden oder ellipsenförmig ausgebildeten Rippen der ersten Entwärmeeinheit können diese Rippen tiefer in die Spaltzwischenräume eingeführt werden als im Vergleich zu rechteckigen Rippen. Somit kann eine mechanische Verstellbarkeit beziehungsweise mechanische Flexibilität mit einer dennoch guten Wärmeabfuhr kombiniert werden.
Anstelle der Rippen der ersten Entwärmeeinheit können entsprechend umgekehrt die Rippen der zweiten Entwärmeeinheit ebenso rund, gebogen und/oder ellipsenförmig ausgebildet sein. Die Ausführungen im vorangegangenen Absatz gelten sinngemäß und analog für die Rippen der zweiten Entwärmeeinheit.
Darüber hinaus kann auch ein hier nicht beanspruchtes Verfahren zum Abführen von Wärme von einem elektrischen Verbraucher einer Entwärmungsvorrichtung gemäß einer der vorangegangenen Ausführungsformen an ein Gehäuse der Entwärmungsvorrichtung bereitgestellt werden. Die Wärme kann auch aus dem Gehäuse abgeführt werden. Dazu kann insbesondere der elektrische Verbraucher aktiviert werden, beziehungsweise betrieben werden. Aufgrund des Verbrauchs von elektrischer Energie fällt stets ein gewisses Maß an Wärme beziehungsweise Abwärme an. Diese Wärme wird aufgrund der Rippen der jeweiligen Entwärmeeinheiten oder deren jeweiligen Flächen an das Gehäuse übertragen. Die genannten Vorteile und Beispiele der vorangegangenen Ausführungsformen gelten sinngemäß und analog für dieses Verfahren.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen lediglich beispielhafte Ausführungsformen zeigen. Die Erfindung ist somit nicht auf Merkmale der Zeichnungen beschränkt.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Entwärmungsvorrichtung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine beispielhafte Entwärmungsvorrichtung, wobei die jeweiligen Komponenten einzeln dargestellt sind;
2 eine beispielhafte Entwärmungsvorrichtung, wobei eine Kamera innerhalb eines Gehäuses gekippt ist;
3 eine beispielhafte horizontale Schnittansicht einer Entwärmungsvorrichtung mit einem Silikongel zwischen den jeweiligen Rippen; und
4 eine beispielhafte vertikale Schnittdarstellung der Entwärmungsvorrichtung, wobei die jeweiligen Rippen auf einer Unterseite innerhalb des Gehäuses angeordnet sind.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
In 1 ist eine Entwärmungsvorrichtung 10 mit den jeweiligen Komponenten separat dargestellt. Die Entwärmungsvorrichtung 10 weist ein Gehäuse 20, eine Antriebseinheit 22, eine erste Entwärmeeinheit 14, einen elektrischen Verbraucher 13, den Imager 13, eine Kamera 12 beziehungsweise Kameraoptik 12, eine zweite Entwärmeeinheit 16 sowie Rippen auf einer Außenseite 18 des Gehäuses 20 auf. Der elektrische Verbraucher 13 ist im Beispiel von 1 ein Imager 13. Die Kamera 12 kann auch als optische Einheit 12 betrachtet werden. Häufig versucht man, die optische Einheit 12 inklusive einer dazugehörigen Elektronik auf möglichst kleinen Durchmessern zu lagern, um auftretenden Lagerreibkräfte und das Lagerspiel einzugrenzen. Der Imager 13 kann einen CMOS-Chip aufweisen, der elektrische Energie verbraucht und somit Abwärme generiert. Diese Abwärme kann auf die erste Entwärmeeinheit 14 übertragen werden. Dazu kann beispielsweise zwischen dem Imager 13 und den Rippen 14 der ersten Entwärmeeinheit 14 eine Wärmeleitpaste 30 angeordnet sein. Die Rippen 14 beziehungsweise die erste Entwärmeeinheit 14 kann aus Aluminium bestehen oder Aluminium als Bestandteil aufweisen.
Entgegen der Darstellung in den Zeichnungen ist das Gehäuse 20 in aller Regel geschlossen. Zur besseren Darstellung ist jedoch das Gehäuse 20 geöffnet dargestellt. Die Abwärme des CMOS-Chips 13 kann über einen Aluminiumdeckel der ersten Entwärmeeinheit 14 in Richtung der auf der abgewandten Seite angeordneten Rippen 14 geleitet werden. Mithilfe der Rippen 14 kann eine Vergrößerung der Oberfläche und somit eine verbesserte Wärmeübertragung erzielt werden. Da sich die bewegte Elektronik inklusive des Aluminiumdeckels der ersten Entwärmeeinheit 14 in dem abgeschlossenen Gehäuse 20 befindet, kann an diesen Rippen 14 nur relativ schlecht über freie Konvektion Wärme Q abgeführt werden. Deshalb werden diese Rippen 14 bevorzugt mit jenen Rippen 16 der zweiten Entwärmeeinheit 16 verschränkt, wie in 2 dargestellt. In 1 ist beispielhaft gezeigt, dass zur besseren Wärmeabfuhr die Wärmeleitpaste 30 in einem der Spalte 15 angeordnet ist.
In 2 ist deutlich zu erkennen, dass die Rippen 14 in jene Zwischenräume 15 der zweiten Entwärmeeinheit 16 eingeführt sind. Zwischen den Rippen 14 der ersten Entwärmeeinheit 14 ist beispielhaft einer von mehreren Spalten 15 angedeutet. Entsprechende Spalte 15 ergeben sich ebenfalls bei den Rippen 16 der zweiten Entwärmeeinheit 16. Die Rippen 14 der ersten Entwärmeeinheit 14 sind in die Spalte 15 der zweiten Entwärmeeinheit 16 eingeführt. Diese Anordnung wird insbesondere als verschränkt bezeichnet. Zusätzlich ist in 2 mittels eines Doppelpfeils angedeutet, dass die Kamera 12 drehbar gelagert ist. Ein Zahnrad 22 ist hinter der Kamera 12 in 2 leicht angedeutet. Dabei sind die erste Entwärmeeinheit 14 beziehungsweise die Rippen 14 mechanisch fest mit der Kamera 12 verbunden. Die Rippen 16 der zweiten Entwärmeeinheit 16 sind im Fall von 2 gehäuseseitig angebunden. Aufgrund der in 2 dargestellten Konstruktion wird eine relativ große Fläche innerhalb dieser ineinander greifenden Rippen 14, 16 mit einem bestimmten, festzulegenden Spaltmaß geschaffen. Aufgrund dieser durch die verschränkten Rippen vergrößerten Austauschfläche kann mehr Wärme Q abgeführt werden als bei einem einteiligen Wärmeaustauschkörper mit ebener Grundfläche. Die Möglichkeiten Abwärme effizient nach außen zu leiten, können mit Hilfe eines Silikongels 30 als Wärmeleitpaste 30 noch weiter gesteigert werden.
In 3 ist beispielhaft eine horizontale Schnittansicht der Entwärmungsvorrichtung 10 gezeigt. Zwischen den jeweiligen Rippen 14, 16 ist das Silikongel 30 angedeutet. Damit überbrückt das Silikongel 30 den verbleibenden Spalt 15. Zwischen den jeweiligen Spalten 15 oder Zwischenräumen ist somit nicht länger Luft, sondern das Silikongel 30 angeordnet. Das Silikongel 30 ist insbesondere ein viskoses und wärmeleitendes Gel. Dieses Gel oder Silikongel 30 sollte zum einen rheologische Eigenschaften analog zu einem so genannten Bingham-Fluid haben. Damit kann es trotz der einwirkenden Schwerkraft an der vorgesehenen Stelle gehalten werden und zum anderen behält ein solches Bingham-Fluid über einen weiten Temperaturbereich (-60 °C bis 200 °C) jene vorteilhaften mechanischen Eigenschaften bei, welche zu einer verbesserten Wärmeabfuhr beitragen.
In 3 ist beispielhaft ein möglicher Wärmefluss Q' angedeutet. Ausgehend vom Imager 13, der elektrische Energie benötigt, wird Wärme Q generiert. Diese Wärme Q wird zur ersten Entwärmeeinheit 14 geleitet. An den Rippen 14 der ersten Entwärmeeinheit 14 wird die Wärme Q über das Silikongel zur zweiten Entwärmeeinheit 16 übertragen. Ausgehend von der zweiten Entwärmeeinheit 16 fließt die Wärme Q zu den Rippen an der Außenseite 18 und kann dort an die Umgebung abgegeben werden. Aufgrund der vergrößerten Austauschfläche der verschränkten Rippen 14, 16 innerhalb des Gehäuses 20 sowie des Silikongels 30 kann ein niedriger Wärmewiderstand beziehungsweise ein hoher Wärmeleitwert der Entwärmungsvorrichtung 10 erreicht werden.
Das Silikongel 30 weist idealerweise eine gewisse Grenzspannung beziehungsweise Losreißspannung auf. Unterhalb der Losreißspannung verhält sich das Silikongel 30 bevorzugt wie ein elastisches Fluid. Bei einer Scherung jenseits der Losreissspannung geht das Silikongel 30 bevorzugt in viskoses Gleiten über. Damit kann erreicht werden, dass schnelle Schwingungsbewegungen oder Vibrationen stark gedämpft werden können, während hingegen langsame Bewegungen nicht so stark behindert werden. Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da somit die Entwärmungsvorrichtung 10 vor Stößen oder Vibrationen geschützt werden kann, zum Beispiel als Bildstabilisator, jedoch zugleich die Kamera 12 mechanisch verstellbar bleibt.
Die Wärmeleitfähigkeit des Silikongels 30 kann darüber hinaus mithilfe von wärmeleitfähigen Partikeln weiter gesteigert werden. Damit kann eine effiziente Entwärmung der bewegten Elektronik innerhalb des Gehäuses 20 leicht bewerkstelligt werden. Bei einem Silikongel 30, welches wie ein Bingham-Fluid wirkt, werden schnelle Vibrationen stärker gedämpft als langsame Bewegungen. Je mehr Schergeschwindigkeit am Silikongel 30 wirkt, desto höher sind die Schubspannungen und damit die „Bremsmomente“, welche durch das Silikongel 30 erzeugt werden. Aus diesem Grund werden bevorzugt jene Silikongele 30 eingesetzt, welche zugleich Eigenschaften von Bingham-Fluiden aufweisen, damit sie trotz der vielen Verstellungen immer an der beaufschlagten oder vorgesehenen Stelle verbleiben. Idealerweise behalten solche Silikongele 30 diese vorteilhaften Eigenschaften auch dann bei, wenn ihnen wärmeleitende Partikel beigemischt werden. Entscheidend ist die viskose Eigenschaft der Mischung.
4 zeigt beispielhaft eine vertikale Schnittansicht der Entwärmungsvorrichtung 10. Im Gegensatz zu den anderen Fig. sind die beiden Entwärmeeinheiten 14 und 16 auf einer Unterseite des Gehäuses 20 im Inneren des Gehäuses 20 angeordnet. Auch in 4 wird die Abwärme durch den Imager 13 erzeugt. In 4 ist gut zu erkennen, dass die Rippen 14 der ersten Entwärmeeinheit 14 nicht rechteckig, sondern gebogen ausgeführt sind. Damit kann eine Drehung der Kamera 12 ermöglicht werden, ohne dass dabei die erste Entwärmeeinheit 14 mit der zweiten Entwärmeeinheit 16 oder dem Gehäuse 20 mechanisch in Kontakt kommt. Damit können unnötige Reibungsverluste vermieden werden. Sofern es möglich ist, die Entwärmungsvorrichtung 10 dauerhaft so anzuordnen wie in 4 gezeigt ist, kann auf der Unterseite des Gehäuses 20 im Inneren die erste Entwärmeeinheit 14 zumindest teilweise in das Silikongel 30 eingetaucht sein. Dies bedeutet, dass im Inneren des Gehäuses 20 ein Wärmeleitgel oder eine andere Wärmeleitflüssigkeit bis zu einer vorgegebenen Füllstandshöhe eingebracht ist. In 4 ist beispielhaft ein möglicher Füllstand für das Silikongel 30 oder eine andere Wärmeleitflüssigkeit angedeutet. Damit kann ein Großteil der jeweiligen Rippen 14 und 16 dauerhaft in ein wärmeabführendes Fluid als die Wärmeleitflüssigkeit abgetaucht sein. Dies kann die Wärmeleitfähigkeit der Entwärmungsvorrichtung 10 noch weiter verbessern. Zusätzlich kann die Wärme Q zugleich in die gesamte wärmeabführende Flüssigkeit (wärmeabführendes Fluid) geleitet werden.
Die Viskosität des Silikongels 30 sollte so gewählt werden, dass die Kamera 12 zwar gut entwärmt wird, jedoch zugleich eine gute Verstellbarkeit beibehalten werden kann. Somit kann die Wärme Q ausgehend vom Imager 13 zum Aluminiumdeckel der ersten Entwärmeeinheit 14 über die Rippen 14 zum Silikongel 30 transportiert werden. Ausgehend vom Silikongel 30 kann die Wärme Q zur zweiten Entwärmeeinheit 16 geleitet werden. Von dort wird die Wärme Q an das Gehäuse 20 übertragen. Das Gehäuse 20 weist vorzugsweise ebenfalls gute Wärmeleiteigenschaften auf. Dies kann zum Beispiel mit einem Gehäuse aus Aluminium erreicht werden. Ausgehend vom Gehäuse 20 kann die Wärme Q an die Umgebung abgegeben werden. Dies kann mit entsprechenden Rippen auf der Außenseite 18 des Gehäuses 20 noch verbessert werden.
Folgendes Berechnungsbeispiel zeigt, welches Entwärmungspotential die Entwärmungsvorrichtung 10 ermöglicht. Die übertragende Wärmemenge beziehungsweise Wärme Q kann gemäß einer hier zulässigen eindimensionalen Formel berechnet werden. $Q' = \frac{λ \cdot A \cdot Δ T}{d}$
Dabei entsprechen die in Formel 1 genannten Parameter:

Q': Verlustleistung oder Wärmefluss [W]
λ: Wärmeleitfähigkeit [W/(mK)]
A: gegenüberliegende Fläche mit der jeweiligen Temperatur T [m²]
d: Abstand der gegenüberliegenden Flächen (Spalt 15) [m]
ΔT: Temperaturgradient; (Differenz der Temperaturen der gegenüberliegenden Flächen der jeweiligen Rippen 14, 16) [K]

Die folgende Tabelle zeigt beispielhaft Möglichkeiten der Wärmeabfuhr anhand einer typischen Entwärmungsvorrichtung 10. Tabelle 1: Zahlenwerte für ein beispielhaftes Berechnungsbeispiel

Anzahl der Rippen	6
mittlere Länge der Rippen	10	mm
mittlere Höhe der Rippen	25	mm
gesamte gegenüberliegende Rippenfläche	2750	mm²
dynamische Viskosität des Silikongels	150.000	mPa s
Verstellgeschwindigkeit am mittleren Durchmesser	5	mm/s
mit Gel befüllter Abstand der Rippen zueinander (Spaltmaß)	1	mm
viskose Schubspannung im Gel	0,00075	N/mm²
gemittelter Scherkraft bzgl. mittlerem Durchmesser	2,06	N
mittlerer Abstand zur Drehachse	25	mm
resultierendes viskoses Drehmoment bzgl. Lagerungsachse bei geg. Geschw.	51,56	N mm
Spaltmaß	1	mm
mittlere Temperatur des stationären Gehäuses	75	°C
Temperatur des drehbaren Kopfes	85	°C
Temperaturdifferenz ΔT	10	K
Wärmeleitkoeffizient des Silikongels	0,75	W/(mK)
abtransportierte Leistung durch Wärmeleitung	20,6	W

Das Beispiel der Tabelle 1 bezieht sich auf eine Entwärmungsvorrichtung 10 mit sechs Rippen, wobei diese Rippen eine Länge von 10 mm und eine Höhe von 25 mm aufweisen. Alle weiteren zugrunde gelegten Parameter können der Tabelle 1 entnommen werden. Dabei wurde nicht angenommen, dass dem Silikongel 30 übermäßig viele wärmeleitfähige Partikel beigemischt wurden. Die beigemischten Partikel ergeben bei dieser Beispielrechnung ein Silikongel, welches Eigenschaften gemäß Tabelle 1 aufweist. Dennoch zeigt diese Berechnungsbeispiel, dass eine abtransportiere Leistung durch Wärmeleitung von etwa 20 W erreicht werden kann. Somit zeigt dieses Berechnungsbeispiel, dass mithilfe der Entwärmungsvorrichtung 10 eine effektive Wärmeabfuhr möglich ist.
Für bewegte Baugruppen beziehungsweise bewegte elektrische Verbraucher 13 innerhalb des Gehäuses 20 ist dies eine günstige Lösung, über ein stationäres Gehäuse 20 nennenswerte Wärme Q nach außen zu leiten. Von dort kann die Abwärme Q über Konvektion an der äußeren Oberfläche des Gehäuses 20 an die Umgebung abgegeben werden. Im Vergleich zu anderen Lösungen wie zum Beispiel einem internen Umwälzlüfter, der eine interne Zwangskonvektion befeuert oder andere ähnliche Konzepte sind die abtransportierten Wärmeenergien mit Hilfe der Entwärmungsvorrichtung 10 wesentlich höher und zudem mit weniger Aufwand verbunden. So kann beispielsweise ein Lüfter oder teure flexible Wärmeleitmaterialien, die eine Bewegung über Biegung mit vollziehen, eingespart werden. Ohne solche Maßnahmen könnte bei einem ähnlichen Elektronikaufbau bereits ab circa 2 bis 4 Watt die Entwärmung gesättigt sein.
Eine darüber liegende Entwärmung kann ohne die Entwärmungsvorrichtung 10 nur schlecht erreicht werden, was dazu führen würde, dass bei üblichen Automotive Umgebungstemperaturen zwangsläufig die maximal zulässigen Halbleiter-Junction Temperaturen erreicht werden könnten. Dies könnte ein Abschalten der Elektronik erfordern, was jedoch in einem Betrieb nicht möglich oder erwünscht ist, da eine hundertprozentige Verfügbarkeit oft gefordert wird. So kann die Elektronik auch aus Gründen der Funktionssicherheit nicht einfach abgeschaltet werden. Mithilfe der Entwärmungsvorrichtung 10 kann ein dauerhafter Betrieb auch bei hohen Umgebungstemperaturen ermöglicht werden. Zudem können Hochleistungsimager 13 eingesetzt werde. Diese Hochleistungsimager 13 können dabei ausgelegt sein, eine Verlustleistung von bis zu 20 Watt erzeugen zu dürfen, da die Entwärmungsvorrichtung 10 ausgestaltet sein kann, 20 Watt Wärmeleistung abzuführen. Dies zeigt das in Tabelle 1 dargestellte Berechnungsbeispiel. Dabei ist jedoch anzumerken, dass das in Tabelle 1 dargestellte Berechnungsbeispiel noch nicht das Optimum der Entwärmungsvorrichtung 10 darstellt. Mithilfe eines zusätzlich verbesserten Silikongels 30 könnte eine noch größere Wärmemenge abgeführt werden. Somit ist gezeigt, dass die Entwärmungsvorrichtung 10 dabei helfen kann, eine komplexe Elektronik, die in einem Gehäuse gekapselt ist, trotzdem dauerhaft zur Verfügung zu stellen. Eine Überhitzung oder vorzeitige Abschaltung einer solchen Elektronik kann mithilfe dieser Erfindung vermieden werden.

Claims

Entwärmungsvorrichtung (10) zum Abführen von Wärme (Q), mit - einem Gehäuse (20), - einem im Gehäuse (20) angeordneten elektrischen Verbraucher (13), wobei der elektrische Verbraucher (13) in Relation zu dem Gehäuse (20) nicht ortsfest ausgeführt ist, - einer ersten Entwärmeeinheit (14), die mit dem elektrischen Verbraucher (13) mechanisch fest verbunden ist und eine erste Fläche zum Abführen von Wärme (Q) aufweist, und - einer zweiten Entwärmeeinheit (16), wobei die zweite Entwärmeeinheit (16) eine zweite Fläche zum Aufnehmen der Wärme (Q) von der ersten Fläche aufweist, zum Abführen der von der ersten Fläche aufgenommenen Wärme (Q) an oder aus dem Gehäuse (20), wobei - zumindest die erste Fläche beweglich ausgebildet ist, - die jeweiligen Flächen der ersten und zweiten Entwärmeeinheit (14, 16) bei einer Bewegung der ersten Fläche sich nicht berühren, - beide Entwärmeeinheiten (14, 16) an den jeweiligen Flächen gerippt ausgeführt sind und jeweilige Rippen der ersten und zweiten Entwärmeeinheit (14, 16) miteinander verschränkt sind, ohne dass sich die jeweiligen Rippen berühren, um die Wärme (Q) an eine Umgebung des Gehäuses (20) abzuführen, und - in einem zwischen den jeweiligen Rippen sich ergebenden Spalt (15) eine Wärmeleitpaste (30), insbesondere ein Silikongel (30), angeordnet ist, um Wärme (Q) von der ersten Entwärmeeinheit (14) zur zweiten Entwärmeeinheit (16) zu transportieren, wobei - eine Scherspannung der Wärmeleitpaste (30) in Abhängigkeit von einer Schergeschwindigkeit in einem vorgegebenen Intervall der Schergeschwindigkeit eine größere Steigung als außerhalb des vorgegebenen Intervalls aufweist, wobei das vorgegebene Intervall die Schergeschwindigkeit 0 m/(s m) beinhaltet, wobei dies einem modifizierten beziehungsweise realistischen Bingham-Fluid entspricht, welches auf Grund seiner rheologischen Eigenschaften trotz einwirkender Schwerkraft ermöglicht, dass die Wärmeleitpaste an einer vorgesehenen Stelle bleibt.
Entwärmungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Wärmeleitpaste (30) in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Erschütterung auf das Gehäuse (20), in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Verstellgeschwindigkeit des elektrischen Verbrauchers (13) und/oder in Abhängigkeit von einer Ausdehnung des Spalts (15) bestimmt ist.
Entwärmungsvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Wärmeleitpaste (30) eine dynamische Viskosität in einem Bereich von 100 Pa·s und 600 Pa·s aufweist.
Entwärmungsvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei bei einer Schergeschwindigkeit von 0 m/(s m) die Wärmeleitpaste (30) eine Scherspannung ungleich 0 Pa aufweist.
Entwärmungsvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Wärmeleitpaste (30) zur Erhöhung einer Wärmeleitfähigkeit elektrisch nicht-leitende Partikel beigemischt sind.
Entwärmungsvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche , wobei die Rippen der ersten Entwärmeeinheit (14) zumindest teilweise rund, gebogen und/oder ellipsenförmig ausgebildet sind, um eine Drehung der Rippen der ersten Entwärmeeinheit (14) ohne Berührung mit den Rippen der zweiten Entwärmeeinheit (16) zu ermöglichen.
Sensoranordnung mit einer Entwärmevorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei - der elektrische Verbraucher (13) ein Sensor (13) ist - weiterhin in dem Gehäuse (20) eine Antriebseinheit (22) zum Bewegen des Sensors (13) insbesondere zum Drehen des Sensors (13) angeordnet ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 7, mit - mehreren Rippen auf einer Außenseite (18) des Gehäuses (20), wobei gegenüber den mehreren Rippen auf der Außenseite (18) des Gehäuses (20) innerhalb des Gehäuses (20) die zweite Entwärmeeinheit (16) angeordnet ist.