DE102019213391A1

DE102019213391A1 - Temperieranordnung zum Temperieren von Bauteilen

Info

Publication number: DE102019213391A1
Application number: DE102019213391.6A
Authority: DE
Inventors: Mustafa Kamil
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-09-04
Filing date: 2019-09-04
Publication date: 2021-03-04

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Temperieranordnung zum Temperieren von Bauteilen (2), insbesondere zum Steuern einer Eigenerwärmung des Bauteils (2), umfassend ein Kühlelement (3), und ein Schaltelement (4), welches eingerichtet ist, zur wärmeleitenden Verbindung mit dem zu temperierenden Bauteil (2), wobei das Schaltelement (4) und das Kühlelement (3) in einem vordefinierten Abstand (5) zueinander angeordnet sind, und wobei das Schaltelement (4) eingerichtet ist, sich bei Erwärmung zu verformen, um bei Erreichen einer Schalttemperatur einen mechanischen Kontakt zu dem Kühlelement (3) herzustellen, zum Ausbilden einer Wärmeleitung an das Kühlelement (3).

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Temperieranordnung zum Temperieren von Bauteilen, insbesondere zum Steuern einer Eigenerwärmung des Bauteils, sowie eine Bauteilanordnung, die eine derartige Temperieranordnung und ein zu temperierendes Bauteil umfasst.
Bekannt sind aktive Temperierelemente, wie beispielsweise Lüfter, Wärmerohre, oder dergleichen, welche zum Temperieren von wärmeerzeugenden oder 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.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Temperieranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bietet den Vorteil einer einfachen und kostengünstigen Anordnung, welche ein Temperieren eines zu temperierenden Bauteils erlaubt. Als Temperieren kann dabei ein Kühlen und/oder Heizen angesehen werden, wobei vorzugsweise ein Kühlen des Bauteils vorgesehen ist. Dabei kann die Temperieranordnung den thermischen Widerspruch einer guten Kühlwirkung und einer schnellen Gerätehochlaufphase des Bauteils lösen und zudem eine besonders zuverlässige Funktion bereitstellen. Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch eine Temperieranordnung, umfassend ein Kühlelement und ein Schaltelement. Das Kühlelement ist vorzugsweise eingerichtet, indirekt über das Schaltelement Wärme von dem Bauteil abzuführen, also eine Kühlleistung aufzubringen. Das Schaltelement ist eingerichtet, um wärmeleitend mit dem zu temperierenden Bauteil verbunden zu werden. Beispielsweise kann das Schaltelement hierfür eine Kontaktfläche aufweisen, welche eingerichtet ist, für eine Herstellung eines thermisch leitenden Kontakts, vorzugsweise mittels einer Lötverbindung, zu dem Bauteil. Das Schaltelement und das Kühlelement sind dabei in einem vordefinierten Abstand zueinander angeordnet. Insbesondere ist der vordefinierte Abstand in kaltem Zustand, vorzugsweise wenn sich das Bauteil in einem Abschaltzustand befindet und Bauteil und Schaltelement somit eine Abschalttemperatur, insbesondere Umgebungstemperatur (293K) aufweisen, definiert. Das Schaltelement ist hierbei eingerichtet, sich bei Erwärmung zu verformen und einen mechanischen Kontakt zu dem Kühlelement herzustellen, wenn das Schaltelement eine vordefinierte Schalttemperatur erreicht. Durch den mechanischen Kontakt wird eine unmittelbare Wärmeleitung von dem Schaltelement an das Kühlelement ausgebildet, um eine Wärmeabfuhr von dem Bauteil zu ermöglichen.
In anderen Worten sind Schaltelement und Kühlelement, insbesondere bei Abschalttemperatur, in dem vordefinierten Abstand zueinander angeordnet. Hierbei befindet sich zwischen Schaltelement und Kühlelement bevorzugt ein thermisch schlecht leitendes Medium, wie beispielsweise Luft. Das Schaltelement ist dabei eingerichtet, den vordefinierten Abstand zu überbrücken, wenn dieses die Schalttemperatur überschreitet. Sodann stellt das Schaltelement den mechanischen Kontakt, insbesondere in Form eines flächigen Anliegens, zum Kühlelement her. Der mechanische Kontakt bildet dabei einen Wärmeübergang zwischen Schaltelement und Kühlelement, sodass eine direkte Wärmeleitung, auch als Konduktion bezeichnet, an das Kühlelement vorliegt. Dadurch ermöglicht das Schaltelement nach Herstellung des mechanischen Kontakts zum Kühlelement eine gute Wärmeabfuhr von dem Bauteil, um dieses zu kühlen.
Das Schaltelement vorzugsweise aus einem thermisch gut leitenden Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, insbesondere mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 200 W/(m K), ausgebildet. Besonders günstig ist ein Schaltelement, welches zumindest teilweise aus Kupfer oder Aluminium gebildet ist.
Insbesondere bildet das Schaltelement somit ein passives, thermisches Endschaltelement, welches durch die Verformung eine passive mechanische Reaktion bei Erreichen der vorbestimmten Schalttemperatur hervorruft, welche ein Zuschalten der Kühlwirkung des Kühlelements bewirkt. Dadurch, dass Schaltelement und Kühlelement insbesondere in kaltem Zustand in dem vordefinierten Abstand zueinander angeordnet sind, also kein mechanischer Kontakt vorliegt, liegt in diesem Fall nur eine geringe Kühlung des Bauteils vor. Hierbei kann sich das Bauteil vorzugsweise mittels Eigenerwärmung in kurzer Zeit selbst erwärmen, um schnell eine Nenntemperatur, welche vorzugsweise der Schalttemperatur entspricht, zu erreichen. Dieser Aufheizprozess wird durch die Temperieranordnung bei Erreichen der Nenntemperatur bevorzugt automatisch abgeschaltet, um das Bauteil in etwa auf Nenntemperatur zu halten. Die Temperieranordnung kann somit 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 besonders einfachen und kostengünstigen passiven mechanischen Bauteilanordnung lösen.
Die Verformung des Schaltelements ist dabei vorzugsweise reversibel ausgebildet, sodass sich das Schaltelement bei Abkühlung unterhalb die Schalttemperatur zurückverformt, und insbesondere den mechanischen Kontakt zum Kühlelement wieder aufhebt.
Das Kühlelement kann vielfältig ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das Kühlelement ein aktives Kühlelement, beispielsweise ein Ventilator, und/oder ein Wärmerohr, und/oder ein Peltierelement, und/oder eine Wasserkühlung. Besonders bevorzugt ist das Kühlelement alternativ jedoch als passives Kühlelement ausgebildet, beispielsweise als Aluminiumbauteil, insbesondere mit Kühlrippen. Eine Kühlwirkung kann dabei vorzugsweise durch Konvektion erfolgen.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bevorzugt weist zumindest ein Teilbereich des Schaltelements einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten, welcher vorzugsweise mindestens 10^-6 1/K beträgt, auf. Dadurch kann auf besonders einfache Art und Weise ermöglicht werden, dass das Schaltelement den mechanischen Kontakt zum Kühlelement durch thermische Ausdehnung bei Erwärmung herstellt.
Besonders bevorzugt weist das Schaltelement ein Bimetall auf. Als Bimetall kann vorzugsweise eine Kombination aus zwei Metallen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten angesehen werden, welche unmittelbar miteinander verbunden sind. Beispielsweise eignet sich eine Kombination aus Stahl und Messing als Bimetall. Dabei erfährt das Bimetall bei Erwärmung eine einseitige Dehnung und ansonsten Stauchung, wodurch sich die Verformung des Schaltelements ergibt. Das Schaltelement kann hierbei vorzugsweise als eindimensionale Struktur, beispielsweise plattenförmig, ausgebildet sein. Bei Erwärmung bewirkt das Bimetall, dass zumindest ein Teilbereich des Schaltelements ausgelenkt wird, wodurch der mechanische Kontakt zum Kühlelement herstellbar ist.
Vorzugsweise ist das Schaltelement spiralförmig ausgebildet. Besonders bevorzugt ist das Schaltelement dabei derart mit dem Bauteil verbindbar ausgebildet, beispielsweise in einem Zentrum der Spirale, dass sich das Schaltelement bei Erwärmung in radialer Richtung ausdehnen kann, um den mechanischen Kontakt zum Kühlelement herzustellen. Besonders günstig ist eine spiralförmige Ausbildung des Schaltelements mit einem Bimetall, wodurch eine besonders große Auslenkung und zudem eine optimale Auslegung hinsichtlich einer definierten Schalttemperatur möglich ist.
Weiter bevorzugt umschließt das Kühlelement das Schaltelement zumindest teilweise. Das Schaltelement ist dabei insbesondere zumindest teilweise innerhalb des Kühlelements angeordnet ist. Vorzugsweise umschließt das Kühlelement das Schaltelement ringförmig. Dadurch wird vorteilhaft möglich, dass der mechanische Kontakt durch thermische Ausdehnung des Schaltelements erreicht werden kann, um eine besonders einfache und robuste und zuverlässig auf einer Temperaturerhöhung reagierende Temperieranordnung zu erhalten.
Vorteilhafterweise sind das Schaltelement und das Kühlelement jeweils kreisringförmig ausgebildet und insbesondere koaxial zueinander angeordnet. Das Schaltelement ist dabei eingerichtet, den mechanischen Kontakt durch thermische Ausdehnung in radialer Richtung herzustellen. Insbesondere bei koaxialer Anordnung liegt hierbei eine besonders große Kontaktfläche zwischen Kühlelement Schaltelement beim mechanischen Kontakt vor, wodurch eine sehr große Wärmemenge pro Zeit abgeführt werden kann. Somit bietet sich hierdurch eine besonders effiziente Kühlung, welche bei Erreichen der Schalttemperatur insbesondere schlagartig einsetzt.
Vorzugsweise weist das Kühlelement zumindest eine radiale Kontaktaussparung auf. Das Schaltelement weist dabei einen Kontaktstift auf, welcher sich, beispielsweise ausgehend von einem kreisringförmigen Grundkörper des Schaltelements, radial nach außen erstreckt, und welcher eingerichtet ist, in die Kontaktaussparung einzugreifen. Das Schaltelement ist weiterhin eingerichtet, bei Erwärmung eine Kontaktfläche zwischen Kontaktstift und Kontaktaussparung zu erhöhen, indem der Kontaktstift in radialer Richtung in die Kontaktaussparung eingeschoben wird. Die Kontaktaussparung kann dabei beispielsweise sacklochartig ausgebildet sein, wobei der Kontaktstift vorzugsweise zylindrisch ist. Alternativ kann der Kontaktstift beispielsweise bei Betrachtungsrichtung entlang der radialen Richtung einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, wobei die Kontaktaussparung vorzugsweise ebenfalls einen rechteckigen Querschnitt, insbesondere mit derselben Querschnittsfläche, aufweist. Durch eine solche Gestaltung ähnlich einem Schlüssel-Schloss-Prinzip, kann insbesondere eine proportional zur Erwärmung zunehmende Kühlwirkung erreicht werden, indem die Wärmeleitung bildende Kontaktfläche zwischen Schaltelement und Kühlelement zunehmend vergrößert wird.
Weiter bevorzugt weist das Schaltelement mehrere Schaltsegmente auf, welche fächerförmig angeordnet und gelenkig miteinander verbunden sind. Die Schaltsegmente sind dabei besonders bevorzugt in mehreren Reihen, insbesondere ausgehend vom Bauteil in Richtung des Kühlelements, angeordnet. Insbesondere sind die Schaltsegmente dabei so ausgebildet, dass diese sich bei Erwärmung ausdehnen und durch die fächerförmige Anordnung in Richtung des Kühlelements fächerförmig ausbreiten. Dadurch vergrößert sich eine Kontaktfläche des Schaltelements bei der Erwärmung, um einen besonders guten Wärmeübergang mit dem Kühlelement herzustellen.
Weiterhin führt die Erfindung zu einer Bauteilanordnung, welche ein zu temperierendes Bauteil und eine vorstehend beschriebene Temperieranordnung umfasst. Das Bauteil ist dabei wärmeleitend mit einem Schaltsegment der Temperieranordnung verbunden. Besonders bevorzugt sind Bauteil und Schaltsegment hierfür mittels einer Lötverbindung miteinander verbunden.
Bevorzugt ist die Temperieranordnung so ausgebildet, um das Bauteil innerhalb eines Nenntemperatur-Bereichs, insbesondere auf Nenntemperatur, zu halten. Die Nenntemperatur kann beispielsweise der Schalttemperatur entsprechen, oder vorzugsweise kleiner sein, als die Schalttemperatur. Insbesondere ist die Temperieranordnung hierfür so ausgebildet, um ein thermisches Gleichgewicht der Bauteilanordnung herzustellen. In anderen Worten wird durch das Kühlelement in etwa die gleiche Wärmemenge abgeführt, wie durch Eigenerwärmung des Bauteils erzeugt wird. Besonders bevorzugt ist hierfür das Schaltelement und/oder die temperaturabhängige Verformung des Schaltelements und/oder der Abstand zwischen Schaltelement und Kühlelement speziell so angepasst, dass bei Erreichen der Schalttemperatur, welche vorzugsweise innerhalb des Nenntemperatur-Bereichs liegt, eine hinreichende Wärmeabfuhr von dem Bauteil vorliegt, um dieses innerhalb des Nenntemperatur-Bereichs zu halten. Beispielsweise kann das Schaltelement hierfür so ausgebildet sein, dass dieses innerhalb des Nenntemperatur-Bereichs durch periodisches Verformen und Rückverformen den mechanischen Kontakt periodisch herstellt und wieder löst, jeweils für eine bestimmte Zeitspanne. Während des mechanischen Kontakts kann beispielsweise eine Kühlung bis unterhalb der Schalttemperatur erfolgen, wodurch sich das Schaltelement entsprechend rückverformt, um den mechanischen Kontakt zu lösen. Dabei erfolgt anschließend wieder eine Temperaturerhöhung durch Eigenerwärmung des Bauteils, wodurch sich das Schaltelement wieder entgegengesetzt verformt, um bei erneutem Erreichen der Schalttemperatur den mechanischen Kontakt wieder herzustellen. Somit kann eine Temperatur des Bauteils beim Betrieb durch entsprechende Auslegung mittels der Temperieranordnung auf den Nenntemperatur-Bereich eingeregelt werden. Vorzugsweise kann das Kühlelement zudem eingerichtet sein, eine an die Eigenerwärmung des Bauteils angepasste Wärmemenge abzuführen. Beispielsweise kann das Kühlelement dabei eine variable Kühlleistung, oder alternativ, beispielsweise bei bekannter Eigenerwärmung des Bauteils, eine konstante, an die Eigenerwärmung des Bauteils angepasste Kühlleistung, aufweisen. Weiterhin wird Bauteil in einem Nenntemperatur-Bereich, welcher vorzugsweise eine Maximaltemperatur von 393K, insbesondere 353K, und bevorzugt eine Minimaltemperatur von 303K, vorzugsweise 323K, aufweist, gehalten. Dadurch kann das Bauteil in dessen optimalem Betriebsbereich betrieben werden, um einerseits Beschädigungen durch Überhitzen zu vermeiden, und um andererseits eine hohe Leistungsfähigkeit des Bauteils zu ermöglichen. Durch Halten des Bauteils im optimalen Nenntemperatur-Bereich kann insbesondere in der Anwendung temperaturempfindlicher Geräte, beispielsweise bei Lasern, dessen Funktionsgenauigkeit in abweichenden Temperatur-Bereichen stark abnehmen bzw. schwanken kann, eine hohe Präzision zuverlässig sichergestellt werden.
Besonders bevorzugt ist die Temperieranordnung so ausgebildet, dass das Bauteil durch den mechanischen Kontakt zwischen Schaltelement und Kühlelement unter die Schalttemperatur gekühlt wird. Vorzugsweise erfolgt dieses Kühlen zumindest über einen bestimmten Zeitraum. Das heißt, es fließt zumindest über den bestimmten Zeitraum mehr Wärme über das Kühlelement ab, als durch Eigenerwärmung zugeführt wird. Hierfür kann das Schaltelement so ausgelegt sein, dass dieses eine gewisse Trägheit aufweist. Dadurch bleibt nach Herstellen des mechanischen Kontakts trotz niedrigerer Temperatur unterhalb der Schalttemperatur weiterhin noch der mechanische Kontakt für den bestimmten Zeitraum erhalten. Alternativ kann die Temperieranordnung so ausgebildet sein, um eine Erwärmung des Bauteils über die Schalttemperatur zu erlauben. Das heißt, das Bauteil kann sich nach Herstellung des mechanischen Kontakts zwischen Schaltelement und Kühlelement vorzugsweise weiter erwärmen, besonders bevorzugt mit einer kleineren Geschwindigkeit als vorher.
Vorzugsweise ist das Bauteil ein Sensor, welcher besonders bevorzugt ein Laser-Sensor ist. Insbesondere handelt es sich dabei um einen Sensor eines Kraftfahrzeugs. Die Bauteilanordnung bietet dabei den Vorteil einer besonders robusten und zuverlässigen Konstruktion, welche hohen mechanischen und thermischen Belastungen, wie beispielsweise in einem Fahrzeug, standhalten kann. Gleichzeitig können optimale Betriebsbedingungen für die temperaturempfindlichen Sensoren bereitgestellt werden, um beispielsweise die hohe erforderliche Genauigkeit bei einem Einsatz als Umfeldsensor zuverlässig ermöglichen zu können.
Figurenliste
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 Ansicht einer Bauteilanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine vereinfachte schematische Ansicht einer Bauteilanordnung der 1 nach Erreichen einer Schalttemperatur,
3 eine vereinfachte schematische Ansicht einer Bauteilanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4 eine vereinfachte schematische Ansicht einer Bauteilanordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
5 eine vereinfachte schematische Ansicht einer Bauteilanordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
6 eine vereinfachte schematische Ansicht einer Bauteilanordnung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
7 eine vereinfachte schematische Ansicht einer Bauteilanordnung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
Die 1 bis 7 zeigen vereinfachte schematische Ansichten einer Bauteilanordnung 10 gemäß mehreren Ausführungsbeispielen der Erfindung. Der grundsätzliche Aufbau und die Funktionsweise werden zunächst anhand der 1 und 2 erläutert.
Die Bauteilanordnung 10 umfasst eine Temperieranordnung 1, welche eingerichtet ist, ein Bauteil 2 zu temperieren. Im Detail steuert die Temperieranordnung 1 gezielt eine Eigenerwärmung des Bauteils 2. 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 vorgesehen ist. Das Bauteil 2 ist dabei auf einer Leiterplatte 21 befestigt.
Zum Temperieren des Bauteils 2 umfasst die Temperieranordnung 1 ein Kühlelement 3 und ein Schaltelement 4. Das Schaltelement 4 ist unmittelbar mit dem Bauteil 2 verbunden, sodass eine gute Wärmeleitung zwischen Bauteil 2 und Schaltelement 4 möglich ist.
Dargestellt sind in den 1 und 2 zwei verschiedene Betriebszustände. 1 zeigt die Bauteilanordnung 10 in ausgeschaltetem und kaltem Zustand. Im kalten Zustand weisen das Bauteil 2 und das Schaltelement 4 eine Ausschalttemperatur auf, welche insbesondere einer Umgebungstemperatur entspricht. Beispielsweise kann die Ausschalttemperatur etwa 233K bis 213K betragen. Schaltelement 4 und Kühlelement 3 sind bei Ausschalttemperatur einem vordefinierten Abstand 5, welcher dem minimalen Abstand zwischen den beiden Elementen entspricht, zueinander angeordnet.
Wird die Bauteilanordnung 10, also insbesondere das Bauteil 2, eingeschaltet, so erhöht sich die Temperatur des Bauteils 2 durch Eigenerwärmung. Da das Schaltelement 4 eine relativ geringe Wärmekapazität aufweist, und da Schaltelement 4 und Kühlelement 3 durch ein thermisch schlecht leitendes Medium, nämlich Luft, voneinander getrennt sind, erfolgt im Wesentlichen kein Wärmeabtransport von dem Bauteil 2. Dadurch erwärmt sich das Bauteil 2 schnell auf eine erwünschte Nenntemperatur innerhalb eines Nenntemperatur-Bereichs von beispielsweise 303K bis 353K. Dadurch steht das Bauteil nach kurzer Aufheizphase mit seiner vollen Leistungsfähigkeit zur Verfügung.
Während der Aufheizphase des Bauteils 2 erwärmt sich auch das Schaltelement 4 mit, wodurch in dem Schaltelement 4 eine passive thermische Reaktion hervorgerufen wird. Dadurch wird bei Erwärmung auf eine vordefinierte Schalttemperatur eine Kühlung des Bauteils 2 veranlasst. Die Schalttemperatur liegt dabei im vorliegenden Fall geringfügig oberhalb, beispielsweise 10K oberhalb der Nenntemperatur. Eine solche Kühlung wird dadurch erreicht, dass das Schaltelement 4 sich so verformt, dass dieses den Abstand 5 überbrückt und einen mechanischen Kontakt zu dem Kühlelement 3 herstellt, wie dies in der 2 dargestellt ist. Durch den mechanischen Kontakt wird eine unmittelbare Wärmeleitung vom Schaltelement 4 an das Kühlelement 3 ermöglicht, sodass eine Wärmeabfuhr von dem Bauteil 2 indirekt über das Schaltelement 4 an das Kühlelement 3 erreicht wird. Da es sich bei dem Schaltelement 4 um ein thermisch gut leitendes Element handelt, kann somit effizient eine große Wärmemenge vom Bauteil 2 an das Kühlelement 3 abtransportiert werden, um eine unerwünschte weitere Erwärmung des Bauteils 2 über den Nenntemperatur-Bereich hinaus durch die Eigenerwärmung zu verhindern.
Die Temperieranordnung 1 ist dabei so 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. Dadurch wird das Bauteil 2 in dessen optimalem Betriebsbereich für eine hochpräzise Funktion gehalten und zudem wird eine Beschädigung durch Überhitzen verhindert.
Zum Halten des Bauteils 2 innerhalb des Nenntemperatur-Bereichs ist die Temperieranordnung 1 so ausgelegt, dass das Bauteil 2 durch Wärmeabfuhr über den mechanischen Kontakt unterhalb die Schalttemperatur gekühlt wird, sodass sich das Schaltelement 4 wieder zurückverformt. Dadurch stellt das Schaltelement 4 durch Verformen und Rückverformen periodisch den mechanischen Kontakt her und bewirkt, dass das Bauteil 2 auf eine Durchschnittstemperatur innerhalb des Nenntemperatur-Bereichs eingeregelt wird. Dabei kann die aktuelle Temperatur des Bauteils 2 im fortlaufenden Betrieb periodisch um diese Durchschnittstemperatur schwanken.
Alternativ wäre es auch möglich, die Temperieranordnung 1 so auszulegen, dass nach erstmaligem mechanischen Kontakt dieser beibehalten wird. Ein thermisches Gleichgewicht kann dabei beispielsweise erreicht werden, indem das Kühlelement 3 eine speziell an die Eigenerwärmung des Bauteils 2 angepasste Kühlleistung aufbringt.
Ausführungsbeispiele, welche bevorzugte Konstruktionsvarianten der Temperieranordnung 1 zeigen, sind den 1 bis 7 dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
Das erste Ausführungsbeispiel der 1 und 2 zeigt ein Schaltelement 4 mit eindimensionaler Struktur. Das Schaltelement 4 ist dabei als Platte ausgebildet, welche in Richtung des Kühlelements 3 über das Bauteil 2 hinausragt und an diesem Ende einen aufgebogenen Bereich 42 aufweist. Der aufgebogene Bereich 42 des Schaltelements 4 ist aus einem Bimetall gebildet, welches bewirkt, dass sich der gebogene Bereich 42 bei Erwärmung in Richtung des Kühlelements 3 hin verformt. Dadurch verformt sich das Schaltelement 4 bei Erwärmung so, dass der Abstand 5 überbrückt wird und sich ein Teil des aufgebogenen Bereichs 42 des Schaltelements 4 flächig an das Kühlelement 3 anlegt (vgl. 2). Das Schaltelement 4, insbesondere der aufgebogene Bereich 42, und der Abstand 5 sind dabei so dimensioniert, dass sich der mechanische Kontakt zwischen Schaltelement 4 und Kühlelement 3 einstellt, sobald die Schalttemperatur erreicht ist.
Die 3 zeigt eine vereinfachte schematische Ansicht einer Bauteilanordnung 10 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zweidimensionaler Struktur des Schaltelements 4. Das Schaltelement 4 ist dabei kreisringförmig ausgebildet, wobei das Bauteil 2 innerhalb des Schaltelements 4 angeordnet ist. Das Kühlelement 3 ist ebenfalls kreisringförmig ausgebildet und konzentrisch zum Schaltelement 4 angeordnet. Das Schaltelement 4 ist dabei ebenfalls innerhalb des Kühlelements 3 angeordnet. Der Abstand 5 entspricht im zweiten Ausführungsbeispiel dem radialen Abstand zwischen Schaltelement 4 und Kühlelement 3. Das Schaltelement 4 weist einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten von zwischen 10^-6 1/K und 10^-5 1/K auf. Dadurch dehnt sich das Schaltelement 4 bei Erwärmung in radialer Richtung 6 aus, sodass bei Erreichen der Schalttemperatur das Schaltelement 4 am Kühlelement 3 anliegt, um den mechanischen Kontakt für die direkte Wärmeleitung herzustellen. Zur Veranschaulichung ist in der 3 ein Zustand des erwärmten Schaltelements 4` noch vor Erreichen der Schalttemperatur gestrichelt eingezeichnet. In dem zweiten Ausführungsbeispiel der 3 stellt sich somit der mechanische Kontakt in Form eines Flächenkontakts über den gesamten Umfang des Schaltelements 3 ein, wodurch eine besonders große Fläche zur Wärmeleitung zur Verfügung steht.
Die 4 zeigt eine vereinfachte schematische Ansicht einer Bauteilanordnung 10 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, mit ähnlicher zweidimensionaler Struktur wie im zweiten Ausführungsbeispiel der 3. Im dritten Ausführungsbeispiel ist das Schaltelement 4 als Spirale ausgebildet und in dessen Zentrum 43 mit dem Bauteil 2 verbunden. Das Kühlelement 3 ist rechteckförmig ausgebildet, und umschließt Bauteil 2 und Schaltelement 4 vollständig. Der Abstand 5 ist als der minimale Abstand zwischen Schaltelement 4 und Kühlelement 3 definiert, also zwischen einem radial äußeren, freien Ende 45 des Schaltelements 4 und dem Kühlelement 3 entlang der radialen Richtung 6. Bei Erwärmung dehnt sich das Schaltelement 4 wiederum in radialer Richtung 6 aus, bis zum mechanischen Kontakt mit dem Kühlelement 3.
Die 5 zeigt eine vereinfachte schematische Ansicht einer Bauteilanordnung 10 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im vierten Ausführungsbeispiel ist das Schaltelement 4 fächerförmig ausgebildet. Das Schaltelement 4 weist hierfür mehrere Schaltsegmente 45 auf, welche ausgehend vom Bauteil 2 in radialer Richtung 6 in zwei Reihen angeordnet sind. Die Schaltsegmente 45 sind mittels Gelenken 46 gelenkig miteinander verbunden und weisen einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, sodass eine Erwärmung eine Ausdehnung der Schaltsegmente 45 bewirkt, wodurch sich diese fächerförmig in radialer Richtung 6 auffalten. Neben dem Herstellen des mechanischen Kontakts mit dem in radialer Richtung 6 benachbarten Kühlelement 3, bewirkt dieses fächerförmige Auffalten zudem eine Vergrößerung einer Oberfläche des Schaltelements 4. Hierdurch kann beispielsweise auch ein konvektiver Wärmetransport vor Erreichen der Schalttemperatur mit der Erwärmung zunehmen, wodurch eine weitere günstige Beeinflussung der Kühlung des Bauteils 2 erreicht werden kann.
Die 6 zeigt eine vereinfachte schematische Ansicht einer Bauteilanordnung 10 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im fünften Ausführungsbeispiel ist das Schaltelement 4 ähnlich dem zweiten Ausführungsbeispiel der 3 kreisringförmig mit temperaturabhängiger Wärmedehnung in radialer Richtung 6 ausgebildet, wobei das Schaltsegment 4 zusätzlich mehrere Kontaktstifte 41 aufweist. Insgesamt acht zylindrische Kontaktstifte 41 sind regelmäßig um den Umfang des Schaltelements 4 angeordnet und erstrecken sich von dessen äußeren Umfang radial nach außen. Weiterhin weist das Kühlelement 3 pro Kontaktstifte 41 jeweils ein Kühlsegment 32 auf. Die Kühlsegmente 32 sind jeweils radial außerhalb der Kontaktstifte 41 angeordnet. Jedes Kühlsegment 32 weist eine sacklochartige Kontaktaussparung 31 auf, welche sich in radialer Richtung 6 erstreckt und welche bei Abschalttemperatur der Bauteilanordnung 10 radial außerhalb unmittelbar an den entsprechenden Kontaktstift 31 angrenzen. Bei Erwärmung dehnt sich das Schaltelement 4 in radialer Richtung 6 aus, wodurch jeder Kontaktstift 41 in die entsprechende Kontaktaussparung 31 radial eingeschoben wird. Hierdurch wird der mechanische Kontakt zwischen Schaltelement 4 und Kühlelement 3 gebildet. In der 6 ist dabei zur Veranschaulichung ein ausgedehnter Zustand des Schaltelements 4` gestrichelt eingezeichnet. Eine Kontaktfläche jeweils zwischen Kontaktstift 41 und Kontaktaussparung 31 erhöht sich dabei zunehmend bei weiterer Erwärmung bzw. radialer Ausdehnung des Schaltelements 3. Dadurch kann eine progressive Erhöhung der Wärmeabfuhr in Abhängigkeit der Erwärmung erreicht werden, wodurch es besonders günstig möglich ist, das Bauteil 2 innerhalb des gewünschten Nenntemperatur-Bereichs zu halten. Zudem ist es hierdurch möglich, keine schlagartige Abkühlung des Bauteils 2 ab Erreichen der Schalttemperatur zu erhalten, sondern eine langsame Steigerung der Wärmeabfuhr.
Die 7 zeigt eine vereinfachte schematische Ansicht einer Bauteilanordnung 10 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer dreidimensionalen Struktur des Schaltelements 4. Im sechsten Ausführungsbeispiel ist das Schaltelement 4 als Volumenkörper ausgebildet, welcher am Bauteil 2 wärmeleitend befestigt ist. Bei Erwärmung dehnt sich das Schaltelement 4 aus, sodass dieses ein größeres Raumvolumen einnimmt, bis bei Erreichen der Schalttemperatur der mechanische Kontakt als Flächenkontakt mit dem Kühlelement 3 erreicht wird. Dieser Zustand des Schaltelements 4' ist in der 7 gestrichelt eingezeichnet.

Claims

Temperieranordnung zum Temperieren von Bauteilen (2), insbesondere zum Steuern einer Eigenerwärmung des Bauteils (2), umfassend: - ein Kühlelement (3), und - ein Schaltelement (4), welches eingerichtet ist, zur wärmeleitenden Verbindung mit dem zu temperierenden Bauteil (2), - wobei das Schaltelement (4) und das Kühlelement (3) in einem vordefinierten Abstand (5) zueinander angeordnet sind, und - wobei das Schaltelement (4) eingerichtet ist, sich bei Erwärmung zu verformen, um bei Erreichen einer Schalttemperatur einen mechanischen Kontakt zu dem Kühlelement (3) herzustellen, zum Ausbilden einer Wärmeleitung an das Kühlelement (3).
Temperieranordnung nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Teilbereich des Schaltelements (4) einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten, insbesondere mindestens 10^-6 1/K, aufweist.
Temperieranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schaltelement (4) ein Bimetall aufweist.
Temperieranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schaltelement (4) spiralförmig ausgebildet ist.
Temperieranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kühlelement (3) das Schaltelement (4) zumindest teilweise, insbesondere ringförmig, umschließt.
Temperieranordnung nach Anspruch 5, wobei das Schaltelement (4) und Kühlelement (3) jeweils kreisringförmig ausgebildet, und insbesondere koaxial zueinander angeordnet, sind, und wobei das Schaltelement (4) eingerichtet ist, den mechanischen Kontakt durch thermische Ausdehnung in radialer Richtung (6) herzustellen.
Temperieranordnung nach Anspruch 5 oder 6, - wobei das Kühlelement (3) zumindest eine radiale Kontaktaussparung (31) aufweist, - wobei das Schaltelement (4) zumindest einen Kontaktstift (41) aufweist, welcher sich in radialer Richtung (6) nach außen erstreckt, und welcher eingerichtet ist, in die Kontaktaussparung (31) einzugreifen, und - wobei das Schaltelement (4) eingerichtet ist, bei Erwärmung eine Kontaktfläche zwischen Kontaktstift (41) und Kontaktaussparung (31) zu erhöhen, durch radiales Einschieben des Kontaktstifts (41) in die Kontaktaussparung (4).
Temperieranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das Schaltelement (4) mehrere Schaltsegmente (45) aufweist, und - wobei die Schaltsegmente (45), insbesondere in mehreren Reihen, fächerförmig angeordnet und gelenkig miteinander verbunden sind.
Bauteilanordnung, umfassend: - ein zu temperierendes Bauteil (2), und - eine Temperieranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das Bauteil (4) wärmeleitend mit einem Schaltelement (4) der Temperieranordnung (1) verbunden ist.
Bauteilanordnung nach Anspruch 9, wobei die Temperieranordnung (1) so ausgebildet ist, um ein thermisches Gleichgewicht, insbesondere aus Eigenerwärmung und Kühlung, des Bauteils (2) herzustellen, zum Halten des Bauteils (2) in einem Nenntemperatur-Bereich.
Bauteilanordnung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die Temperieranordnung (2) so ausgebildet ist, um das Bauteil (2) unter die Schalttemperatur zu kühlen, oder um eine Erwärmung des Bauteils (2) über die Schalttemperatur zu erlauben.
Bauteilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bauteil (2) ein Sensor, insbesondere ein Laser-Sensor ist.