DE3820736A1

DE3820736A1 - Anordnung zur temperaturstabilisierung

Info

Publication number: DE3820736A1
Application number: DE19883820736
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Hirsch; Axel Dipl Ing Mayr; Thomas Huebl
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1988-06-18
Filing date: 1988-06-18
Publication date: 1989-12-28
Also published as: DE3820736C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Temperaturstabilisierung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei vielen elektrischen Geräten ist es wichtig eine annähernd konstante Temperatur der Geräte oder Bauteile zu erreichen, um die temperaturabhängigen Parameter stabil zu halten. Insbesondere bei Funkgeräten, bei denen Oszillatoren zur Frequenzaufbereitung verwendet werden, ist es wichtig die Oszillatoren in einem konstanten Temperaturbereich zu halten. Die dort durch Temperaturschwankungen auftretenden Frequenzsprünge können, insbesondere bei der Übertragung von digitalen Signalen, zu Übertragungsfehlern führen. Neben einer Halterung, die die mechanische Empfindlichkeit von elektrischen Geräten herabsetzt, ist eine Temperaturstabilisierung also angebracht.

Eine Anordnung zur Temperaturstabilisierung ist aus der DE-OS 23 54 719 bekannt. Dort wird die Temperatur von elektrischen Bauelementen mittels eines Heizkörpers, dessen Wärmeentwicklung mittels eines Temperaturfühlers geregelt wird, konstant gehalten. Diese Anordnung weist den Nachteil auf, daß die Temperatur der Bauteile dauernd erheblich über der Umgebungstemperatur liegt. Die hohe Betriebstemperatur wirkt sich nachteilig auf die Lebensdauer der Halbleiter aus. Außerdem ist der Regelaufwand des Heizkörpers recht groß.

Eine verbesserte Lösung ist in der DE-OS 35 03 943 angegeben. Dort erfolgt die Temperaturstabilisierung mit einem Lüftergebläse, das in Abhängigkeit von der Temperatur an- bzw. ausgeschaltet wird. Die Regeleinheit ist hier ebenfalls recht aufwendig und erfordert weiteren elektronischen Aufwand.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zur Temperaturstabilisierung für elektrische Bauelemente oder Geräte, insbesondere Oszillatoren anzugeben, die einen einfachen Regelmechanismus aufweist.

Die Aufgabe wird durch eine Anorndung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Aus der DE-PS 23 36 878 und der DE-PS 32 12 592 ist es an sich bekannt, ein elektrisches Gerät, das wärmeerzeugende und wärmeempfindliche Bauelemente enthält, bzw. ein Gerät der Nachrichtentechnik über einen elastischen oder flexiblen Wärmeleiter mit einer Wärmesenke, zum Beispiel einer Kühlfläche, zu verbinden. Bei den beschriebenen Kühlvorrichtungen besteht diese Verbindung jedoch ständig, das heißt, eine Stabilisierung der Temperatur in einem engen Temperaturbereich findet bei schwankender Wärmeproduktion, sowie bei einer Veränderung der Umgebungstemperatur nicht statt.

Die erfindungsgemäße Anordnung zur Temperaturstabilisierung ist sehr einfach aufgebaut. Sie nutzt die Ausdehnung von Stoffen bei steigender Temperatur und die Unterschiedlichkeit der Wärmeausdehnungskoeffizienten bei verschiedenen Stoffen aus. Die Wärmequelle, also das elektrische Gerät oder Bauelement, wird nur dann mit der Wärmesenke verbunden, wenn die Temperatur der Wärmequelle einen Grenzwert überschritten hat. Die Regelung erfordert keine externe Energiequelle. Als Wärmesenke kann ein Konvektionskühler dienen, der ebenfalls keine externe Energie aufnimmt. Die Betriebstemperatur liegt beim Einsatz der erfindungsgemäßen Anordnung und entsprechender Dimensionierung der Wärmesenke immer innerhalb eines gewissen Temperaturbereichs. Die Lebensdauer von Halbleiterbauteilen wird daher nicht nachteilig beeinflußt. Es ist außerdem von Vorteil, daß eine mechanische Entkopplung zwischen einem elektrischen Bauelement und der Wärmesenke mittels des elektrischen Wärmeleiters möglich ist und somit stoßempfindliche Bauteile unabhängig von der Wärmesenke mechanisch gelagert werden können. Die mechanische Entkopplung wird vorzugsweise bei Oszillatoren angewandt, die eine hohe Frequenzstabilität aufweisen müssen.

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 Schematische Darstellung der Anorndung zur Temperaturstabilisierung,

Fig. 2 Temperaturstabilisierung mit Bimetallstreifen für einen Oszillator,

Fig. 3 Temperaturstabilisierung mit Bimetalltellerfeder für einen Oszillator,

Fig. 4 Temperaturstabilisierung mit einem mit Flüssigkeit gefüllten Zylinder.

In Fig. 1 ist eine Wärmequelle 1 mit einem thermoelastischen Element 3 und mit einem Wärmeleitelement 4′ thermisch gut leitend verbunden. Das thermoelastische Element 3 dient, unter Ausnutzung von temperaturabhängigen Größen, wie Form oder Volumen, als Schalt- oder Regelelement zum Regeln des Wärmeflusses zwischen der Wärmequelle 1 und einer Wärmesenke 2, indem es einen Wärmekontakt zwischen ihnen herstellt. Der Wärmekontakt wird in der Anordnung gemäß Fig. 1 über ein Wärmeleitelement 4 hergestellt.

Eine Wärmeisolation 6 umgibt die Wärmequelle 1 und verhindert so eine unkontrollierte Wärmeabgabe, z.B. an weitere Bauteile in der näheren Umgebung der Wärmequelle. Die Wärmeisolation 6 weist Aussparungen für das thermoelastische Element 3 und das Wärmeleitelement 4′ auf. Die Wärmesenke 2 ist ebenfalls mit einem Wärmeleitelement 4 verbunden. Erhöht sich die Temperatur der Wärmequelle, so bewegt sich das thermoelastische Element 3 auf die freien Enden der beiden Wärmeleitelemente 4, 4′ zu und verbindet diese wärmeleitend miteinander. Ein Wärmefluß von der Wärmequelle 1 zur Wärmesenke 2 findet statt. Hat sich die Wärmequelle 1 bis auf eine Grenztemperatur abgekühlt, so bewegt sich das thermoelastische Element 3 von den freien Enden der beiden Wärmeleiter 4, 4′ fort, die wärmeleitende Verbindung wird unterbrochen, es findet kein Wärmefluß mehr statt. Der Wärmefluß zwischen Wärmequelle 1 und Wärmesenke 2 wird mittels des thermoelastischen Elements 3 in Abhängigkeit von der Temperatur der Wärmequelle 1 geregelt. Als weitere Ausführungsform ist eine Anordnung möglich, bei der Wärmesenke und Wärmeleitelement einteilig ausgeführt sind.

Da die erfindungsgemäße Anordnung vorzugsweise bei Oszillatoren eingesetzt wird, verwenden die in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele als Wärmequelle 1 einen Oszillator 10.

Der Oszillator 10 ist von einem gut wärmeleitenden Material 8 umgeben. Eine Wärmeisolation 6 umgibt das wärmeleitende Material 8. Die Wärmeisolation 6 weist eine Aussparung für ein Wärmeleitelement 4 auf. Das Wärmeleitelement 4 ist mit einer Wärmesenke 2 verbunden. Als Wärmesenke 2 ist ein Konvektionskühler eingesetzt. Das Wärmeleitelement 4 ist flexibel, damit der Oszillator 10 von der Wärmesenke 2 mechanisch entkoppelt ist. Das wärmeleitende Material 8 weist eine Aussparung auf, in der ein thermoelastisches Element und Wärmekontaktflächen vorgesehen sind. Die Wärmequelle 1 gibt nur an einer Wärmekontaktfläche Wärme ab.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung ist als thermoelastisches Element ein Bimetallstreifen 30 vorgesehen. Der Bimetallstreifen 30 ist über ein Isolationselement 70 mit einem Endstück 40 des Wärmeleitelements 4 verbunden.

Das Endstück 40 weist eine Wärmekontaktfläche 50 auf. Eine weitere Wärmekontaktfläche 50′ ist am wärmeleitenden Material 8 in der Aussparung vorgesehen. Wenn der Bimetallstreifen 30 sich aufgrund der Temperatur durchbiegt, dann treffen die beiden Wärmekontaktflächen 50, 50′ aufeinander, und ein Wärmefluß findet vom Oszillator 10 zum Konvektionskühler statt.

Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung arbeitet auf die gleiche Weise. Als thermoelastisches Element ist ein Bimetalltellerfederpaket 31 vorgesehen, das über ein Isolationselement 71 mit einem Endstück 41 des Wärmeleitelementes 4 verbunden ist. Eine Druckfeder 36 liefert die Rückstellkraft für die Tellerfeder 31.

In Fig. 4 ist eine weitere Möglichkeit für ein thermoelastisches Element dargestellt. Ein Zylinder 33 ist mit einer Flüssigkeit 32 gefüllt, die einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat. Ein Kolben 34 schließt den Zylinder 33 ab. Wird die Flüssigkeit 32 erwärmt, so dehnt sie sich aus und drückt den Kolben 34 aus dem Zylinder 33. Der Kolben 34 ist mit dem Endstück 41 des Wärmeleitelements 4 verbunden. Wenn der Kolben 34 aus dem Zylinder 33 gedrückt wird, drückt sich die Wärmekontaktstelle 51 auf dem Endstück gegen die Wärmekontaktfläche 51′ am wärmeleitenden Material 8, und ein Wärmefluß findet statt. Kühlt die Flüssigkeit 33 wieder ab, so wirkt die Rückstellkraft der Feder 35, die den Kolben 34 immer in einer solchen Stellung hält, daß der Hohlraum im Zylinder 33 bis zum Kolben 34 ganz mit Flüssigkeit ausgefüllt ist.

Solche Ausdehnungsgefäße sind als Einbauelement handelsüblich.

Claims

1. Anordnung zur Temperaturstabilisierung für elektrische Bauelemente oder Geräte, insbesondere Oszillatoren, die eine Warmequelle (1) darstellen, wobei die Anordnung eine Wärmesenke (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung ein thermoelastisches Element (3) aufweist, das mit der Wärmequelle (1) in Wärmekontakt steht und das den Wärmefluß zwischen der Wärmequelle (1) und der Wärmesenke (2) über ein Wärmeleitelement (4) in Abhängigkeit von der Temperatur regelt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoelastische Element (3) derart ausgestaltet ist, daß es einen Wärmekontakt zwischen der Wärmequelle (1) und der Wärmesenke (2) herstellt, wenn eine erste Grenztemperatur an der Wärmequelle (1) überschritten ist, und den Wärmekontakt unterbricht, wenn eine zweite Grenztemperatur unterschritten ist.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoelastische Element (3) ein Memory- oder Bimetallstreifen (30) ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoelastische Element (3) ein Memory- oder Bimetalltellerfederpaket (31) ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoelastische Element (3) ein mit einer Flüssigkeit (32) mit großem Wärmeausdehnungskoeffizienten gefüllter Zylinder (33) mit einem Kolben (34) und einer Feder (35) ist, die den Kolben (34) in den Zylinder (33) drückt.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitelement (4) flexibel ist, derart, daß die Wärmequelle (1) von der Wärmesenke (2) mechanisch entkoppelt ist.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennnzeichnet, daß das Wärmeleitelement (4) thermisch mit der Wärmesenke (2) gekoppelt ist und am Wärmeleitelement (4) und an der Wärmequelle (1) Wärmekontaktflächen (50, 50′) vorgesehen sind, derart, daß der Wärmekontakt zwischen Wärmequelle (1) und Wärmeleitelement (4) an den Wärmekontaktstellen (5) hergestellt wird.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle (1) eine Wärmeisolation (6) aufweist.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmesenke (2) ein Konvektionskühler vorgesehen ist.