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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Temperieranordnung zum Temperieren von Bauteilen, insbesondere eines Lasers.
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Bekannt sind aktive Temperierelemente, wie beispielsweise Lüfter, Wärmerohre, oder dergleichen, welche zum Temperieren von wärmeerzeugenden oder von temperaturempfindlichen Bauteilen verwendet werden. Derartige Temperierelemente sind insbesondere vorgesehen, um eine auf Eigenerwärmung basierende Temperaturerhöhung des Bauteils zu begrenzen, um Schäden zu vermeiden. Solche Temperierelemente weisen jedoch meist einen komplexen und teuren Aufbau auf und sind aufwendig zu betreiben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Temperieranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bietet den Vorteil einer einfachen und kostengünstigen Anordnung, welche ein Temperieren eines wärmeerzeugenden und/oder temperaturempfindlichen Bauteils erlaubt. Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch eine Temperieranordnung umfassend ein Kühlelement und ein Verbindungselement, wobei das Verbindungselement das Bauteil das Kühlelement wärmeleitend miteinander verbindet, um das Bauteil zu temperieren. Als Temperieren kann dabei ein Kühlen und/oder Heizen angesehen werden, wobei vorzugsweise ein Kühlen des Bauteils vorgesehen ist. Das heißt, eine Wärmeleitung von Bauteil an das Kühlelement kann indirekt über das Verbindungselement erfolgen. Das Verbindungselement ist dabei zumindest teilweise in einer Ausnehmung des Bauteils angeordnet. Vorzugsweise ist hierbei durch einen Flächenkontakt ein, insbesondere temperaturabhängiger, Wärmeübergang zwischen Bauteil und Verbindungselement ausgebildet. Das Verbindungselement weist einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten auf und das Bauteil weist einen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, wobei der erste Wärmeausdehnungskoeffizient größer ist als der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient. Dadurch bewirkt eine Temperaturänderung unterschiedliche Wärmeausdehnungen, insbesondere in Form von Volumenänderungen, von Bauteil und Verbindungselement. Hierdurch verstärkt sich bei einer Temperaturerhöhung eine Flächenpressung zwischen dem Verbindungselement und dem Bauteil. Dies bewirkt einen erhöhten Wärmeübergang zwischen Bauteil und Verbindungselement, sodass mittels des Verbindungselements pro Zeiteinheit eine größere Wärmemenge über einen kleineren Wärmewiderstand von dem Bauteil abführbar ist. Bevorzugt ist hierfür das Verbindungselement eingerichtet, Wärme von dem Bauteil an das Kühlelement abzuführen. Beispielsweise kann das Verbindungselement hierfür eine hohe Wärmeleitfähigkeit, von insbesondere mindesten 200 W/(m K) aufweisen, um einen schnellen und effizienten Wärmetransport zu ermöglichen.
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In anderen Worten sind Verbindungselement und Bauteil derart miteinander verbunden, dass durch die voneinander verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten bei Erwärmung eine signifikant unterschiedliche Volumenänderung von Verbindungselement und Bauteil auftritt, wodurch eine Flächenpressung zwischen Verbindungselement und Bauteil mit steigender Temperatur zunimmt. Da eine Wärmeleitung von dem Bauteil an das Verbindungselement, und umgekehrt, unmittelbar abhängig von der Flächenpressung ist, steigt bei zunehmender Flächenpressung die Wärmeleitung, auch Konduktion genannt, zwischen beiden Elementen. Das heißt, bei niedriger Temperatur, insbesondere bei Abschalttemperatur in einem abgeschalteten Zustand, liegt eine niedrige Flächenpressung vor, sodass Wärme von dem Bauteil schlecht an das Verbindungselement geleitet wird. Hierdurch kann sich das Bauteil durch Eigenerwärmung schnell selbst erwärmen, um in kurzer Zeit eine Nenntemperatur, insbesondere innerhalb eines Nenntemperatur-Bereichs, zu erreichen. Während der Erwärmung erfolgt dabei eine, vorzugsweise kontinuierliche, Erhöhung der Flächenpressung zwischen Bauteil und Verbindungselement, wodurch zunehmend mehr Wärme pro Zeit abgeführt wird. Hierdurch wird schließlich eine Eigenerwärmung des Bauteils bei Erreichen einer vordefinierten Schalttemperatur, welche vorzugsweise innerhalb des Nenntemperatur-Bereichs liegt, begrenzt. Die Temperieranordnung wirkt somit insbesondere als passiver mechanisch-thermischer Schalter, dessen thermische Leitfähigkeit von der Temperatur abhängig ist. Somit bildet die Temperieranordnung eine besonders einfache und kostengünstige sowie auch zuverlässige Vorrichtung zum Temperieren von Bauteilen. Die Temperieranordnung kann dabei in der Anwendung zum Kühlen des Bauteils, welches beispielsweise ein Elektronikbauteil, wie ein Laser, sein kann, den thermischen Widerspruch zwischen einer guten Kühlwirkung und einer schnellen Gerätehochlaufphase mittels einer einfachen passiven mechanischen Vorrichtung lösen.
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Das Kühlelement kann dabei vielfältig ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das Kühlelement ein aktives Kühlelement, beispielsweise ein Ventilator, ein Wärmerohr, ein Peltierelement oder eine Wasserkühlung. Besonders bevorzugt ist das Kühlelement alternativ jedoch als passives Kühlelement ausgebildet, beispielsweise als Aluminiumbauteil mit Kühlrippen, wobei eine Kühlwirkung vorzugsweise durch Konvektion erfolgt. Bevorzugt sind Kühlelement und Verbindungselement einstückig ausgebildet. Alternativ können Kühlelement und Verbindungselement vorzugsweise als separate Teile vorgesehen sein.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bevorzugt ist zwischen Bauteil und Verbindungselement eine Spielpassung ausgebildet, wenn das Bauteil und/oder das Verbindungselement eine Umgebungstemperatur aufweist. Das heißt, wenn das Bauteil nicht in Betrieb ist, und somit zumindest eines dieser Elemente, vorzugsweise beide, die Umgebungstemperatur aufweist, ist durch die Spielpassung nur eine geringe Flächenpressung zwischen Kühlelement und Bauteil vorhanden. Die Spielpassung ist dabei vorzugsweise eine H8/e8, oder eine H8/h9, oder eine H7/h6 Passung. Dadurch wird auf einfache Art und Weise sichergestellt, dass bei Umgebungstemperatur (293 K) ein relativ schlechter Wärmeübergang zwischen Verbindungselement und Bauteil vorliegt, sodass sich das Bauteil beim Einschalten durch eine geringe Kühlung in kurzer Zeit selbst auf Betriebstemperatur erwärmen kann.
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Besonders bevorzugt ist bei Nenntemperatur, die höher ist als die Umgebungstemperatur, eine Presspassung zwischen Bauteil und Verbindungselement ausgebildet. Die Presspassung liegt dabei vor, wenn das Bauteil und/oder das Verbindungselement die Nenntemperatur aufweist. Besonders bevorzugt weisen dabei beide Elemente die Nenntemperatur auf. Vorzugsweise liegt die Nenntemperatur dabei innerhalb des Nenntemperatur-Bereichs, welcher bevorzugt von mindestens 303K, insbesondere mindestens 323 K, bis maximal 353K, bevorzugt maximal 393K, reicht. Die Presspassung ist dabei vorzugsweise eine H7/p6, oder eine H7/r6, oder eine H7/s6 Passung. Vorzugsweise sind dabei die beiden Wärmeausdehnungskoeffizienten sowie die Abmessungen der Ausnehmung des Bauteils und des Verbindungselements speziell so aufeinander abgestimmt, um bei Nenntemperatur die Presspassung auszubilden.
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Vorzugsweise ist der erste Wärmeausdehnungskoeffizient mindestens 3 %, insbesondere mindestens 5 %, besonders bevorzugt mindestens 10 %, größer als der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient, um zu gewährleisten, dass das Verhältnis zwischen den thermischen Ausdehnungen von Verbindungselement und Bauteil ausreichend groß ist, um die Flächenpressung bei einer Erwärmung signifikant zu erhöhen. Besonders bevorzugt ist der erste Wärmeausdehnungskoeffizient jedoch maximal 30 % größer als der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient, um mögliche Beschädigungen des Bauteils durch zu starke Ausdehnungen des Verbindungselements zu verhindern.
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Weiter bevorzugt ist das Verbindungselement zumindest teilweise in einer Ausnehmung des Kühlelements angeordnet. Besonders bevorzugt ist das Verbindungselement dabei in das Kühlelement eingepresst, um eine gute Wärmeleitung vom Verbindungselement an das Kühlelement sicherzustellen. Durch eine solche zweistückige Ausgestaltung von Kühlelement und Verbindungselement kann eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung der Temperieranordnung ermöglicht werden. Insbesondere können diese beiden Elemente dabei aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet sein, um jeweils die entsprechenden Anforderungen hinsichtlich Wärmeleitung und Kühlung optimal erfüllen zu können.
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Vorzugsweise ist das Verbindungselement als Passstift ausgebildet, wobei gegenüberliegende Enden des Verbindungselements jeweils in Bauteil und Kühlelement angeordnet sind. Bevorzugt sind dabei Bauteil und Verbindungselement in einem vorbestimmten Abstand zueinander angeordnet, wobei das Verbindungselement diesen Abstand überbrückt und sich jeweils in die Ausnehmungen von Bauteil und Verbindungselement hinein erstreckt.
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Weiter bevorzugt weist das Kühlelement einen dritten Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, welcher kleiner als der erste Wärmeausdehnungskoeffizient ist. Dies ist besonders günstig, wenn Verbindungselement und Kühlelement als separate Bauteile vorgesehen und auf ähnliche Art und Weise, wie Bauteil und Verbindungselement miteinander verbunden sind, also insbesondere wenn das Verbindungselement zumindest teilweise innerhalb einer Aussparung des Kühlelements angeordnet ist. Hierbei ist das Verbindungselement vorzugsweise an dessen gegenüberliegenden Seiten mit Bauteil und Kühlelement verbunden. In Abhängigkeit einer Temperaturerhöhung der Temperieranordnung verstärkt sich dabei eine Flächenpressung zwischen Verbindungselement und Kühlelement, wodurch ein zweiter Wärmeübergang zwischen Verbindungselement und Kühlelement erhöht wird. Hierdurch ergeben sich zwei temperaturabhängige Wärmeübergänge am Verbindungselement, welche den Wärmeabtransport von dem Bauteil an das Kühlelement beeinflussen. Somit ist die Funktion und Wirkung der Temperieranordnung weiter verstärkt und optimiert, um einen besonders schnellen Aufheizprozess, sowie ein besonders zuverlässiges Halten des Bauteils innerhalb des Nenntemperatur-Bereichs zu ermöglichen.
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Weiterhin führt die Erfindung zu einer Temperieranordnung zum Temperieren von Bauteilen, insbesondere eines Lasers. Die Temperieranordnung umfasst das zu temperierende Bauteil und ein Kühlelement. Kühlelement und Bauteil sind unmittelbar aneinandergrenzend angeordnet und berühren sich in einer Kontaktebene. Die Temperieranordnung umfasst ferner ein Verbindungselement, welches eingerichtet ist, das Bauteil und das Kühlelement entlang einer ersten Richtung gegeneinander zu halten. Die erste Richtung ist dabei senkrecht zur Kontaktebene. Das heißt, das Verbindungselement verhindert vorzugsweise eine relative Bewegung von Bauteil und Kühlelement entlang der ersten Richtung, also insbesondere in entgegengesetzte Richtungen. Das Bauteil und/oder das Kühlelement weist dabei einen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, welcher größer als ein erster Wärmeausdehnungskoeffizient des Verbindungselements ist. Bevorzugt weisen dabei sowohl Bauteil als auch Kühlelement einen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, welcher größer ist als der erste Ausdehnungskoeffizient. Durch diese spezielle Anpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten dehnt sich das Bauteil und/oder das Kühlelement bei Erwärmung stärker aus als das Verbindungselement. Dadurch, dass das Verbindungselement Bauteil und Kühlelement gegeneinander hält, bewirken die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen, dass Bauteil und Kühlelement stärker gegeneinander gepresst werden. Somit verstärkt sich in Abhängigkeit einer Temperaturerhöhung eine Flächenpressung zwischen Kühlelement und Bauteil, wodurch ein Wärmeübergang zwischen Bauteil und Kühlelement mit steigender Temperatur erhöht wird.
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Bei niedriger Temperatur liegt somit eine niedrige Flächenpressung und damit eine geringe Wärmeabfuhr an das Kühlelement vor. Hierdurch kann sich das Bauteil durch Eigenerwärmung schnell selbst erwärmen, um in kurzer Zeit eine Nenntemperatur, insbesondere innerhalb eines Nenntemperatur-Bereichs, zu erreichen. Während der Erwärmung erfolgt dabei durch die spezielle Anpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten eine, vorzugsweise kontinuierliche, Erhöhung der Flächenpressung zwischen Bauteil und Kühlelement, wodurch zunehmend mehr Wärme abgeführt wird. Dadurch wird eine Eigenerwärmung des Bauteils bei Erreichen einer vordefinierten Schalttemperatur, welche vorzugsweise innerhalb des Nenntemperatur-Bereichs liegt, automatisch begrenzt. Die Temperieranordnung wirkt somit insbesondere als passiver mechanisch-thermischer Schalter, dessen thermische Leitfähigkeit von der Temperatur abhängig ist. Somit bildet die Temperieranordnung eine besonders einfache und kostengünstige sowie auch zuverlässige Vorrichtung zum Temperieren von Bauteilen. Die Temperieranordnung kann dabei in der Anwendung zum Temperieren des Bauteils, welches beispielsweise ein Elektronikbauteil, wie ein Laser, sein kann, den thermischen Widerspruch zwischen einer guten Kühlwirkung und einer schnellen Gerätehochlaufphase mittels einer einfachen passiven mechanischen Bauteilanordnung lösen.
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Bevorzugt weist das Verbindungselement zwei Haltebereiche auf, wobei Bauteil und Kühlelement zwischen den beiden Haltebereichen des Verbindungselements angeordnet sind. Insbesondere sind die beiden Haltebereiche dabei mittels eines Verbindungsbereichs miteinander verbunden. Die beiden Haltebereiche begrenzen eine Ausdehnung der Anordnung aus Bauteil und Kühlelement entlang der ersten Richtung. Das heißt, die Haltebereiche bilden Anschläge, welche im Wesentlichen unbeweglich sind und eine Ausdehnung von Bauteil und Kühlelement verhindern, wodurch Bauteil und Kühlelement bei einer Erwärmung stärker gegeneinander gepresst werden, zum Erhöhen des Wärmeübergangs.
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Besonders bevorzugt weist das Bauteil und/oder das Kühlelement eine Durchgangsöffnung auf, innerhalb welcher das Verbindungselement angeordnet ist. Vorzugsweise weisen sowohl Bauteil als auch Kühlelement jeweils eine fluchtende Durchgangsöffnung auf, wobei sich das Verbindungselement vollständig durch Bauteil und Kühlelement hindurch erstreckt. Dadurch ergibt sich eine besonders einfache und kostengünstige Konstruktion der Temperieranordnung.
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Vorzugsweise ist das Verbindungselement als Schraubenanordnung oder als Niet ausgebildet. Dadurch kann die Anordnung durch Verwendung von standardisierten Teilen weiter vereinfacht und besonders kostengünstig ermöglicht werden, wobei eine zuverlässige Haltefunktion des Verbindungselements sichergestellt wird. Insbesondere bei der Verwendung einer Schraubenanordnung, vorzugsweise mit einer Schraube und einer Mutter, kann zudem die Flächenpressung durch Einstellung eines Anziehdrehmoments optimal an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden.
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Vorzugsweise ist der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient mindestens 3 %, insbesondere mindestens 5 %, besonders bevorzugt mindestens 10 %, größer als der erste Wärmeausdehnungskoeffizient. Dadurch wird gewährleistet, dass das Verhältnis zwischen den thermischen Ausdehnungen von Bauteil und/oder Kühlelement zum Verbindungselement ausreichend groß ist, um die Flächenpressung bei einer Erwärmung signifikant zu erhöhen. Besonders bevorzugt ist der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient jedoch maximal 30 % größer als der erste Wärmeausdehnungskoeffizient, um mögliche Beschädigungen des Bauteils durch zu starke thermische Ausdehnung des Bauteils und/oder des Kühlelements zu verhindern.
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Bei allen oben beschriebenen Aspekten der Erfindung ist das Bauteil und/oder das Verbindungselement und/oder das Kühlelement besonders bevorzugt so ausgebildet, um ein thermisches Gleichgewicht zwischen einer Eigenerwärmung des Bauteils und einer Wärmeabfuhr vom Bauteil herzustellen. Dadurch kann das Bauteil während des Betriebs zuverlässig in einem Nenntemperatur-Bereich gehalten werden. Vorzugsweise sind hierfür die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Verbindungselement und Bauteil und/oder Kühlelement so angepasst, dass innerhalb des Temperatur-Bereichs, insbesondere bei Erreichen der Schalttemperatur, ein ausreichend hoher Wärmeübergang erreicht wird, welcher eine hinreichende Wärmeabfuhr sicherstellt, um eine weitere Erwärmung des Bauteils über den Nenntemperatur-Bereich hinaus zu verhindern. Vorzugsweise ist zur weiteren Optimierung dieses passiven temperaturabhängigen Kühlverhaltens das Kühlelement, insbesondere dessen Wärmekapazität und/oder Wärmeleitfähigkeit und/oder Kühlleistung, entsprechend angepasst, um das Bauteil innerhalb des Nenntemperatur-Bereichs zu erhalten.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Bauteile sind stets mit denselben Bezugszeichen versehen. In der Zeichnung ist:
- 1 eine vereinfachte schematische Schnittansicht einer Temperieranordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 2 eine vereinfachte schematische Schnittansicht einer Temperieranordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die 1 zeigt eine vereinfachte schematische Schnittansicht einer Temperieranordnung 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Temperieranordnung 1 umfasst ein zu temperierendes Bauteil 2, wobei durch eine spezielle Ausgestaltung der Temperieranordnung 1 gezielt eine Eigenerwärmung des Bauteils 2 gesteuert wird.
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Bei dem zu temperierenden Bauteil 2 handelt es sich um einen Lidar-Laser, welcher Laserlicht aussenden kann, und welcher zur Anwendung als Umfeldsensor in einem Kraftfahrzeug eingerichtet ist.
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Während eines Betriebs der Temperieranordnung 1, also insbesondere während des Betriebs des Bauteils 2, erhöht sich die Temperatur des Bauteils 2 durch Eigenerwärmung. Um dieses Aufheizen des Bauteils 2 zu beeinflussen, umfasst die Temperieranordnung 1 ein Kühlelement 3, welches eingerichtet ist, Wärme abzuführen. Hierfür kann das Kühlelement 3 als passiver Aluminium-Kühlkörper mit Kühlrippen ausgebildet sein.
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Bauteil 2 und Kühlelement 3 sind in einem vordefinierten Abstand A zueinander angeordnet, sodass keine unmittelbare Wärmeleitung vom Bauteil 2 an das Kühlelement 3 vorliegt. Um eine solche Wärmeleitung zu ermöglichen, umfasst die Temperaturanordnung 1 ferner ein Verbindungselement 4, welches Bauteil 2 und Kühlelement 3 wärmeleitend miteinander verbindet. Diese indirekte Wärmeleitung vom Bauteil 2 über das Verbindungselement 4 an das Kühlelement 3 ist in der 1 mittels der Pfeile 6 angedeutet. Um das Bauteil 2 zu temperieren ist diese Wärmeleitung über das Verbindungselement 4 durch eine spezielle Gestaltung der Temperieranordnung 1 temperaturabhängig ausgebildet, wie nachfolgend beschrieben.
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Das Verbindungselement 4 ist als zylindrischer Passstift ausgebildet. Zum Verbinden von Bauteil 2 und Kühlelement 3 ist im Bauteil 2 eine erste Aussparung 21 und im Kühlelement 3 eine zweite Aussparung 31 ausgebildet. Die beiden Aussparungen 21, 31 sind dabei jeweils als Sackloch ausgebildet. Gegenüberliegende Enden des Verbindungselements 4 sind jeweils teilweise in die Aussparungen 21, 31 eingeschoben, wobei jeweils ein freier Hohlraum 23, 33 in den Aussparungen 21, 31 verbleibt.
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An einem ersten Kontaktbereich 25 zwischen Bauteil 2 und Verbindungselement 4 liegt ein Flächenkontakt vor, wodurch ein erster Wärmeübergang zwischen Bauteil 2 und Verbindungselement 4 gebildet ist. Analog liegt an einem zweiten Kontaktbereich 35 zwischen Verbindungselement 4 und Kühlelement 3 ebenfalls ein Flächenkontakt vor, welcher einen zweiten Wärmeübergang zwischen Verbindungselement 4 und Kühlelement 3 bildet.
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Das Bauteil 2 weist einen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten auf und das Kühlelement 3 weist einen dritten Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, welcher gleich dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten ist. Weiterhin weist das Verbindungselement 4 einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, welcher 10 % größer ist als der zweite und dritte Wärmeausdehnungskoeffizient. Hierbei beträgt der erste Wärmeausdehnungskoeffizient 10-5 1/K, sodass sich eine signifikante Wärmeausdehnung des Verbindungselements, und vor allem ein signifikanter Unterschied der Wärmeausdehnung des Verbindungselements 4 zu den Wärmeausdehnungen des Bauteils 2 und des Kühlelements 3 ergeben. Hierdurch dehnt sich das Verbindungselement 4 bei steigender Temperatur stärker aus, als Bauteil 2 und Verbindungselement 3.
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Dadurch verstärkt sich bei Erwärmung der Temperieranordnung 1 jeweils eine Flächenpressung an dem ersten Kontaktbereich 25 zwischen Verbindungselement 4 und Bauteil 2 sowie an dem zweiten Kontaktbereich 35 zwischen Verbindungselement 4 und Kühlelement 3. Mit dem Verstärken der Flächenpressung jeweils an den Kontaktbereichen 25, 35 erhöhen sich auch der erste Wärmeübergang und der zweite Wärmegang. Das heißt, bei zunehmender Temperatur erhöht sich eine Wärmeleitung von dem Bauteil 2 über das Verbindungselement 4 an das Kühlelement 3, sodass eine Wärmeabfuhr von dem Bauteil 2 mit zunehmender Temperatur steigt. In anderen Worten bewirkt die bei zunehmender Temperatur steigende Flächenpressung eine Reduzierung eines Wärmeleitwiderstands vom Bauteil 2 an das Kühlelement 3. Dadurch wird das Bauteil 2 bei steigender Temperatur zunehmend gekühlt.
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Im kalten Zustand weisen das Bauteil 2 und das Verbindungselement 4 eine Abschalttemperatur auf, welche insbesondere einer Umgebungstemperatur entspricht. Beispielsweise kann die Abschalttemperatur etwa 233K bis 213K betragen. Bei Abschalttemperatur ist dabei zwischen Bauteil 2 und Verbindungselement 4 eine Spielpassung ausgebildet, sodass nur eine geringe Flächenpressung und am ersten Kontaktbereich 25 vorliegt. Somit erfolgt bei Abschalttemperatur nur ein geringer Wärmeabtransport von dem Bauteil 2 an das Kühlelement 3.
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Wird die Temperieranordnung 1, also insbesondere das Bauteil 2, eingeschaltet, so erhöht sich die Temperatur des Bauteils 2 durch Eigenerwärmung. Während der Aufheizphase des Bauteils 2 erwärmt sich auch das Verbindungselement 4 mit, wodurch sich das Verbindungselement 4 aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten stärker ausdehnt als das Bauteil 2 und das Kühlelement 3. Dadurch verstärken sich die Flächenpressungen so, dass zwischen Bauteil 2 und Verbindungselement 4 sowie zwischen Verbindungselement 4 und Kühlelement 3 jeweils eine Presspassung vorliegt, sobald die Temperieranordnung 1 eine Nenntemperatur erreicht. Die Nenntemperatur liegt dabei innerhalb eines Nenntemperatur-Bereichs von beispielsweise 303K bis 353K.
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Die Temperieranordnung 1 ist dabei ausgebildet, um ein thermisches Gleichgewicht aus Eigenerwärmung des Bauteils 2 und Kühlung mittels Wärmeabfuhr an das Kühlelement 3 herzustellen, um das Bauteil 2 innerhalb des Nenntemperatur-Bereichs zu halten. Das heißt, sobald die Temperatur innerhalb des Nenntemperatur-Bereichs, und insbesondere bei Nenntemperatur, liegt, sind die Wärmeübergänge am Verbindungselement 4 so hoch, dass die gleiche Wärmemenge pro Zeit vom Bauteil abgeführt wird, wie durch Eigenerwärmung erzeugt wird. Dadurch wird das Bauteil 2 nach der Aufheizphase in dessen optimalem Betriebsbereich für eine hochpräzise Funktion gehalten und es wird eine Beschädigung durch Überhitzen verhindert.
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Die spezielle Auslegung der Temperieranordnung 1 bewirkt dabei, dass sich das Bauteil 2 bei niedriger Temperatur durch die geringe Wärmeabfuhr schnell selbst aufwärmen kann. Dadurch steht das Bauteil 2 nach kurzer Aufheizphase mit seiner vollen Leistungsfähigkeit zur Verfügung.
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Die Funktion der Temperieranordnung 1, vor allem des Verbindungselements 4, ist dabei reversibel ausgebildet. Das heißt, nach Abschalten des Bauteils 2 kühlen alle Elemente der Temperieranordnung 1 wieder ab, wodurch die Wärmeausdehnung zurückgeht. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten verringert sich entsprechend die Flächenpressung wieder.
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Die 2 zeigt eine vereinfachte schematische Schnittansicht einer Temperieranordnung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im zweiten Ausführungsbeispiel sind Bauteil 2 und Kühlelement 3 in einer Kontaktebene 7 unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet. Das Verbindungselement 4 hält dabei das Bauteil 2 und das Kühlelement entlang einer ersten Richtung 5 aneinander. Die Kontaktebene 7 ist dabei senkrecht zu der ersten Richtung 5.
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In der Kontaktebene 7 ist der Wärmeübergang zwischen Bauteil 2 und Kühlelement 3 ausgebildet, welcher ebenfalls von der Temperatur der Temperieranordnung 1 abhängig ist. Ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel der 1 erhöht sich dabei der Wärmeübergang bei steigender Temperatur, indem das Verbindungselement 4 eine Erhöhung der Flächenpressung zwischen Bauteil 2 und Kühlelement 3 bewirkt.
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Das Verbindungselement 4 ist dabei im zweiten Ausführungsbeispiel als Schraubenanordnung ausgebildet, welche sich durch fluchtende Durchgangsöffnungen 22, 23 jeweils von Bauteil 2 und Kühlelement 3 hindurch erstreckt. Dabei weist das Verbindungselement 4 zwei gegenüberliegende Haltebereiche 42, 43 auf, zwischen welchen Bauteil 2 und Kühlelement 3 angeordnet sind. Die Haltebereiche 42, 43 sind ein Schraubenkopf und eine Mutter. Die Haltebereiche 42, 43 bewirken dabei, dass eine Relativbewegung sowie eine thermisch bedingte Ausdehnung, von Bauteil 2 und Kühlelement 3 entlang der ersten Richtung 5 begrenzt wird.
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Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel der 1 ist die Wärmeausdehnung des Verbindungselements 4 im zweiten Ausführungsbeispiel der 2 kleiner als die Wärmeausdehnung von Bauteil 2 und Kühlelement 3. Das heißt, im zweiten Ausführungsbeispiel ist der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient des Bauteils 2 und der dritte Wärmeausdehnungskoeffizient des Kühlelements 3 jeweils um 10 % kleiner als der erste Wärmeausdehnungskoeffizient des Verbindungselements 4. Dadurch ist eine Summe der Wärmeausdehnung von Bauteil 2 und Kühlelemente 3 entlang der ersten Richtung 5 größer als die Wärmeausdehnung des Verbindungselements 4 entlang der ersten Richtung 5. Durch das Festhalten von Bauteil 2 und Kühlelement 3 mittels des Verbindungselements 4 gegeneinander wird die Erhöhung der Flächenpressung mit steigender Temperatur zum temperaturabhängigen Wärmeabtransport vom Bauteil 2 erreicht.
