DE102012013466A1

DE102012013466A1 - Anordnung zur Erfassung der Temperatur eines Kühlkörpers und Elektrogerät

Info

Publication number: DE102012013466A1
Application number: DE102012013466A
Authority: DE
Inventors: Hans Jürgen Kollar; Joachim Nikola; Martin Schörner; Rolf Janzer; Thomas Wetzel; Jürgen Maucher
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2011-08-02
Filing date: 2012-07-09
Publication date: 2013-02-07
Anticipated expiration: 2032-07-10
Also published as: CN203011557U; DE102012013466B4

Abstract

Anordnung zur Erfassung der Temperatur eines Kühlkörpers und Elektrogerät, aufweisend einen Temperatursensor, eine Leiterplatte und eine Haltevorrichtung, wobei die Leiterplatte einen zweiten Leiterplattenabschnitt und einen mit dem Temperatursensor bestückten, ersten Leiterplattenabschnitt aufweist, der mit dem zweiten Leiterplattenabschnitt über einen derart kleinen Verbindungsbereich verbunden ist, dass er zu diesem elastisch auslenkbar ist, insbesondere elastisch ausgelenkt ist, wobei zwischen dem Kühlkörper und dem ersten Leiterplattenabschnitt eine Haltevorrichtung angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erfassung der Temperatur eines Kühlkörpers und ein Elektrogerät.
Aus der DE 10 2005 013 762 B3 ist eine Anordnung für einen Temperatursensor bekannt, bei dem der Wärmekontakt zum Kühlkörper über horizontale Leiterbahnen erfolgt.
Die DE 195 16 260 C1 zeigt eine Anordnung zur Temperaturerfassung an einem Messwandler, wobei ein Temperatursensor zwischen dem Messwandler und einer Leiterplatte angeordnet ist.
Die DE 39 03 615 A1 zeigt eine elektrische Leiterplatte mit zumindest einer Anschlussstelle für ein Bauelement und mit einem Kühlkörper.
Aus der DE 196 30 794 B4 ist eine Temperaturmessvorrichtung bekannt, wobei ein Temperatursensor auf einem in eine Leiterplatte integriertem Federelement angeordnet ist.
Die DE 77 18 039 U zeigt einen Messfühler eines Widerstandsthermometers.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Elektrogerät eine Erfassung der Temperatur eines Kühlkörpers zuverlässig und kostengünstig zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Anordnung nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und bei dem Elektrogerät nach den in Anspruch 14 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale der Erfindung bei der Anordnung sind, dass sie zur Erfassung der Temperatur eines Kühlkörpers geeignet ausgeführt ist, aufweisend einen Temperatursensor, eine Leiterplatte und eine Haltevorrichtung,
wobei die Leiterplatte einen zweiten Leiterplattenabschnitt und einen mit dem Temperatursensor bestückten, ersten Leiterplattenabschnitt aufweist, der mit dem zweiten Leiterplattenabschnitt über einen derart kleinen Verbindungsbereich verbunden ist, dass er zu diesem elastisch auslenkbar ist, insbesondere elastisch ausgelenkt ist,
wobei zwischen dem Kühlkörper und dem ersten Leiterplattenabschnitt eine Haltevorrichtung angeordnet ist,
wobei der Temperatursensor von der Haltevorrichtung beabstandet ist, insbesondere mittels des ersten Leiterplattenabschnitts von der Haltevorrichtung beabstandet ist.
Von Vorteil ist dabei, dass eine gute thermische Anbindung eines Sensors bei gleichzeitig kostengünstiger Montage des Sensors ermöglicht wird. Infolge der elastischen Auslenkung sind mechanische Toleranzen ausgleichbar, die insbesondere durch Wärmeausdehnung oder als Fertigungstoleranzen entstehen können. Dadurch, dass der Sensor auf einem elastisch auslenkbaren Abschnitt angeordnet ist, der von der Haltevorrichtung zum Kühlkörper hin auf einem durch die Haltevorrichtung definierten Abstand gehalten wird, ist eine Festlegung der Leiterplatte an einem Gehäuseteil, das mit dem Kühlkörper fest verbunden ist, ermöglicht. Toleranzen und/oder thermisch bedingte Ausdehnungen des Gehäuseteils, der Leiterplatte und/oder des Kühlkörpers führen daher nur zu einer entsprechenden elastischen Auslenkung des den Sensor aufnehmenden Leiterplattenabschnitts. Des Weiteren ist durch Trennung des ersten vom zweiten Leiterplattenabschnitt ein hinreichender elektrischer Isolier-Abstand zwischen dem Temperatursensor und weiteren elektrischen Bauteilen erreichbar. In einfacher Weise ist dies durch eine zwischengeordnete Ausnehmung und einen entsprechend ausgeführten Verbindungsabschnitt erreichbar. Die Beabstandung des Temperatursensors von der Haltevorrichtung bewirkt eine Entkopplung des Temperatursensors von der mechanischen Belastung, die der Kühlkörper auf die Haltevorrichtung und die Leiterplatte ausübt. Somit ist die mechanische Belastung des Temperatursensors reduziert und die Betriebsdauer und Betriebssicherheit erhöht.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist zwischen dem Kühlkörper und dem ersten Leiterplattenabschnitt eine Haltevorrichtung angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass die Wärme des Kühlkörpers über die Haltevorrichtung zum Sensor geleitet wird und die Temperatur des Kühlkörpers bestimmbar ist. Auf diese Weise wird die Gefahr einer Überhitzung reduziert, das heißt die Sicherheit wird erhöht.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung beabstanden der Verbindungsbereich und eine Ausnehmung den ersten und zweiten Leiterplattenabschnitt, insbesondere wobei die Ausnehmung als Ausfräsung in der Leiterplatte ausgeführt ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine Ausnehmung als Ausfräsung einfach zu fertigen ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umschließt beziehungsweise umrahmt die Ausnehmung mit dem Verbindungsbereich den zweiten Leiterplattenabschnitt zumindest teilweise, insbesondere wobei die Ausnehmung vollständig in der Leiterplatte angeordnet ist. Von Vorteil ist dabei, dass der zweite Leiterplattenabschnitt in diesem Fall elastisch auslenkbar ist, aber durch die Einbettung die Gefahr eines Ausbrechens geringer ist, als wenn die Ausnehmung in den Rand der Leiterplatte mündet.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Ausnehmung vom Rand der Leiterplatte her ausgeführt beziehungsweise mündet in den Rand der Leiterplatte. Von Vorteil ist dabei, dass die Ausnehmung vom Rand her einfach und kostengünstig zu fertigen ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erstreckt sich die Ausnehmung tiefer in die Leiterplatte als die Breite des ersten Leiterplattenabschnitts. Von Vorteil ist dabei, dass eine besonders elastische Auslenkung des ersten Leiterplattenabschnitts ermöglicht wird, also eine Auslenkung mit geringerer Kraft und somit geringeren Spannungen in der Leiterplatte erreichbar ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Wärmeübergangswiderstand von dem Kühlkörper über die Haltevorrichtung zu dem Sensor geringer als über alle sonstigen vorhandenen Wärmeleitpfade zwischen Kühlkörper und Sensor, insbesondere über zwischen Kühlkörper und erstem Leiterplattenabschnitt angeordnete Luft, insbesondere wobei der Kühlkörper und/oder die Haltevorrichtung metallisch, insbesondere aus Aluminium, ist beziehungsweise sind. Von Vorteil ist dabei, dass infolge der guten thermischen Anbindung eine genaue Bestimmung der Temperatur des Kühlkörpers durch die geringen Wärmeleitverluste ermöglicht wird.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Leiterplatte mehrlagig ausgeführt, insbesondere als Multilayer-Leiterplatte ausgeführt und/oder weist Innenlagen auf. Von Vorteil ist dabei, dass Durchkontaktierungen möglich sind, die die einzelnen Lagen verbinden. Unter Durchkontaktierung wird hier verstanden, dass die Innenseite der Ausnehmung, beispielsweise Bohrung, vollständig metallisiert ist. Auf diese Weise sind elektrisch und/oder thermisch vorteilige Verhältnisse erreichbar, insbesondere also ein geringerer Wärmeübergangswiderstand vom Kühlkörper zum Sensor.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Leiterplatte in SMD-Technik und/oder mittels Durchsteckmontage bestückt, insbesondere ist der Temperatursensor in SMD-Technik bestückt. Von Vorteil ist dabei, dass Massenproduktion möglich ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind metallische Bereiche, insbesondere Layer, im ersten Leiterplattenabschnitt angeordnet, insbesondere auf der Oberseite und/oder Unterseite und/oder den Innenlagen der Leiterplatte. Von Vorteil ist dabei, dass die metallischen Bereiche den Wärmetransport entlang der Leiterplatte verbessern, insbesondere also somit ein geringerer Wärmeübergangswiderstand vom Kühlkörper zum Sensor herstellbar ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die metallischen Bereiche als Leiterbahnen der Leiterplatte ausgeführt, insbesondere Leiterbahnen aus kupferhaltigem Material, insbesondere verzinnte Kupferleiterbahnen. Von Vorteil ist dabei, dass hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit durch ein einziges Material realisierbar sind.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung berührt die Haltevorrichtung einen der metallischen Bereiche. Von Vorteil ist dabei, dass eine genaue Bestimmung der Temperatur des Kühlkörpers durch geringe Wärmeleitverluste über die Haltevorrichtung und den metallischen Bereich ermöglicht wird.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Ausnehmung in dem ersten Leiterplattenabschnitt vorgesehen, insbesondere eine Durchkontaktierung, durch welche die Haltevorrichtung ein- oder hindurchgeführt ist, insbesondere eine metallische Durchkontaktierung, insbesondere aus kupferhaltigem Material, insbesondere aus verzinntem Kupfer. Von Vorteil ist dabei, dass die Durchkontaktierung senkrecht zu den Leiterbahnen, also in Normalenrichtung zur Leiterbahnebene und/oder Leiterplattenebene Wärmetransport durch die Leiterplatte ermöglicht.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist ein metallischer Bereich der Leiterplatte mit der Wandung der Durchkontaktierung verbunden. Von Vorteil ist dabei, dass die Durchkontaktierung metallische Bereiche der Leiterplatte elektrisch und wärmeleitend miteinander verbindet und eine thermisch gute Anbindung des Kühlkörpers über die Haltevorrichtung ermöglicht.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung berührt die Haltevorrichtung die Wandung der Durchkontaktierung. Von Vorteil ist dabei, dass die Durchkontaktierung die Haltevorrichtung elektrisch und wärmeleitend mit der Leiterplatte verbindet.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Verbindung der Haltevorrichtung mit dem ersten Leiterplattenabschnitt lösbar, insbesondere schraubverbindbar, insbesondere ist eine Gewindebohrung in der Haltevorrichtung vorsehbar, welche eine Befestigungsschraube aufnimmt, insbesondere deren Schraubenkopf einen metallischen Bereich der Leiterplatte berührt. Von Vorteil ist dabei, dass der Kühlkörper mit der Haltevorrichtung einfach auf der Leiterplatte montierbar ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Haltevorrichtung mit dem Kühlkörper fest verbunden und/oder stoffschlüssig verbunden, insbesondere über einen Niet. Von Vorteil ist dabei, dass die Verbindung der Haltevorrichtung mit dem Kühlkörper kompakt ist und nicht den Kühlluftstrom zwischen den Kühlrippen des Kühlkörpers stört.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Haltevorrichtung mit dem Kühlkörper über ein schraubverzahntes Teil lösbar verbunden. Von Vorteil ist dabei, dass die Haltevorrichtung einfach am Kühlkörper montierbar ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung verbindet ein Rahmen den Kühlkörper mechanisch, insbesondere mechanisch starr, mit der Leiterplatte. Von Vorteil ist dabei, dass die elektrischen Bauteile auf der Oberfläche der Leiterplatte gegen mechanische Beschädigung geschützt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind Rahmen und Kühlkörper lösbar verbunden, insbesondere wobei der Rahmen als Gehäuseteil ausgebildet ist und/oder wobei der Rahmen zumindest teilweise gehäusebildend ist, wobei der Rahmen mit der Leiterplatte im Bereich des zweiten Leiterplattenabschnitts mechanisch verbunden ist, insbesondere mechanisch starr verbunden ist. Von Vorteil ist dabei, dass Kühlkörper, Rahmen und Leiterplatte eine kompakte Einheit bilden und einfach in ein Gehäuse einsetzbar sind.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Sensor auf der dem Kühlkörper zugewandten Oberfläche der Leiterplatte angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass der Sensor durch den Kühlkörper vor mechanischen Beschädigungen geschützt wird, insbesondere wenn der erste Leiterplattenabschnitt elastisch ausgelenkt ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Sensor mit der Leiterplatte über Lötverbindungen verbunden. Von Vorteil ist dabei, dass die Kontaktierung und Befestigung des Sensors in einem Fertigungsschritt und mit einem einzigen Material ausführbar ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Sensor Anschlussflächen zur elektrischen Kontaktierung und eine Temperaturerfassungsfläche auf, wobei die Temperaturerfassungsfläche des Sensors lötverbunden ist mit einem metallischen Bereich auf der Leiterplatte, welcher sich erstreckt in die Wandung der Durchkontaktierung. Von Vorteil ist dabei, dass die elektrische Kontaktierung einfach und kostengünstig mittels Lötverbindung ausführbar ist und Temperaturerfassungsfläche des Sensors mittels Lötverbindung wärmeleitend über den metallischen Bereich mit der Durchkontaktierung verbunden ist und somit über die Haltvorrichtung mit dem Kühlkörper verbunden ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Haltevorrichtung als Bolzen ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass ein Bolzen einfach montierbar ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind eine Abstandshülse und/oder eine metallische Unterlegscheibe zwischen Kühlkörper und dem ersten Leiterplattenabschnitt angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass ein definierter Abstand zwischen Kühlkörper und erstem Leiterplattenabschnitt einstellbar ist und mechanische Belastungen der Leiterplatte reduzierbar sind.
Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Elektrogerät, insbesondere ein Umrichter zur Versorgung eines Elektromotors, insbesondere Asynchronmotor und/oder Synchronmotor, sind, dass das Elektrogerät eine vorgenannte Anordnung zur Erfassung der Temperatur eines Kühlkörpers umfasst.
Von Vorteil ist dabei, dass die Temperatur des Elektrogerätes überwachbar ist, wodurch Überhitzung vermeidbar ist, also die Sicherheit im Betrieb erhöht ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Kühlkörper mit wärmeerzeugenden Bauelementen, die auf einer Leiterplatte angeordnet sind, wärmeleitend verbunden. Von Vorteil ist dabei, dass die Temperatur der Bauelemente über die Temperaturbestimmung des Kühlkörpers kontrollierbar ist, wodurch Überhitzung vermeidbar ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Umrichter nur eine Leiterplatte auf, welche sowohl einen Niederspannungsbereich, insbesondere eine Steuerelektronik, als auch einen Hochspannungsbereich, insbesondere eine Leistungselektronik, enthält. Von Vorteil ist dabei, dass die gesamte Elektronik des Umrichters in einem einzigen Schritt fertigbar und einfach einbaubar ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Steuerelektronik und die Leistungselektronik räumlich und/oder galvanisch getrennt, wobei die Signalübertragung zwischen Steuerelektronik und Leistungselektronik über Optokoppler erfolgt. Von Vorteil ist dabei, dass die Signalübertragung störungsfrei realisiert wird, insbesondere Kurzschlüsse vermieden werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung strömt ein von einem Lüfter angetriebener Kühlluftstrom an einem Oberflächenbereich des Kühlkörpers vorbei. Von Vorteil ist dabei, dass die Wärme des Elektrogeräts an die Umgebungsluft effektiv abgeleitet wird.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kühlkörper mit einer Kühlplatte eines Schaltschranks verbunden. Von Vorteil ist dabei, dass die Wärme des Elektrogeräts an die Kühlplatte effektiv ableitbar ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Kühlplatte Kanäle auf, welche von einem Kühlmedium durchströmt sind. Von Vorteil ist dabei, dass die Wärme der Kühlplatte und somit auch die Wärme des Elektrogeräts durch das Kühlmedium effektiv ableitbar ist.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In der 1 ist eine erfindungsgemäße Anordnung mit Temperatursensor in Schnittansicht schematisch skizziert.
In der 2 ist hierzu ein Leiterplattenabschnitt, der die erfindungsgemäße Anordnung aufweist, in Draufsicht schematisch skizziert.
3 zeigt hierzu einen vergrößerten Ausschnitt eines Querschnitts der erfindungsgemäßen Anordnung.
4 zeigt die Vorderseite einer Leiterplatte und eines mit dieser verbundenen Kühlkörpers eines erfindungsgemäßen Elektrogerätes in Schrägansicht, wobei das Gehäuse der Anordnung nicht gezeigt ist.
5 zeigt die Rückseite der Leiterplatte in Schrägansicht.
In der 6 ist die Vorderseite der Leiterplatte mit dem mit ihr verbundenen Kühlkörper und einem damit verbundenem Rahmen in Draufsicht gezeichnet.
In der 7 ist die Vorderseite der Leiterplatte ohne Kühlkörper in Draufsicht gezeichnet.
8 zeigt die Leiterbahnenstruktur, insbesondere Layout, der Leiterplatte in Draufsicht.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung zur Erfassung der Temperatur eines Kühlkörpers 1. Die Anordnung weist eine Haltevorrichtung 2 auf, die den Kühlkörper 1 thermisch und/oder elektrisch mit einem ersten Leiterplattenabschnitt 3 verbindet. Die Haltevorrichtung 2 ist beispielsweise als Bolzen oder Stift ausgeführt. Der Wärmeübergang zwischen Kühlkörper 1 und Haltevorrichtung 2 weist einen geringen Wärmeübergangswiderstand auf. Der Kühlkörper 1 und die Haltevorrichtung 2 sind metallisch, vorzugsweise aus Aluminium, ausgeführt. Die Haltevorrichtung 2 ist mit dem Kühlkörper 1 vernietet. Die Verbindung der Haltevorrichtung 2 mit dem ersten Leiterplattenabschnitt 3 ist lösbar ausgeführt, insbesondere über eine Schraube 4, deren Schraubgewinde in eine Gewindebohrung in der Haltevorrichtung 2 eingeschraubt wird. Auf dem ersten Leiterplattenabschnitt 3 ist ein Sensor, vorzugsweise Temperatursensor 5, in räumlicher Nähe zur Haltevorrichtung 2 angeordnet. Vorzugsweise ist der Temperatursensor 5 mittels des ersten Leiterplattenabschnitts 3 beabstandet von der Haltevorrichtung 2 angeordnet.
Die Leiterplatte 12 ist eine Multilagenleiterplatte, insbesondere mit Innenlagen. Die Leiterplatte 12 ist also auch als Multilayer-Leiterplatte bezeichenbar. Vorzugsweise wird kupferhaltiges Material oder Kupfer als Material für die Leiterbahnen 13 verwendet: Für äußere Lagen ist verzinntes Kupfer vorteilhaft. Die elektrischen Bauteile, insbesondere der Temperatursensor 5, sind mit der Leiterplatte 12 verlötet. Vorzugsweise sind die Bauteile, in SMD-Technik und/oder mittels Durchsteckmontage auf der Leiterplatte 12 bestückt, vorzugsweise beidseitig bestückt oder einseitig bestückt auf der dem Kühlkörper 1 zugewandten Seite der Leiterplatte 12. Insbesondere ist der Temperatursensor 5 auf der dem Kühlkörper 1, insbesondere der Verbindungsstelle zwischen Haltevorrichtung und Kühlkörper zugewandten Seite des ersten Leiterplattenabschnitts 3 angeordnet. Dabei ist der Temperatursensor 5 vorzugsweise in SMD-Technik bestückt.
2 zeigt den ersten Leiterplattenabschnitt 3, auf dem der Temperatursensor 5 und eine Ausnehmung des Leiterplattenabschnitts 3 angeordnet sind. Insbesondere ist die Ausnehmung als eine Durchkontaktierung 14 ausgeführt. Unter Durchkontaktierung wird hier verstanden, dass die Innenwandung der Ausnehmung vollständig metallisiert ist, insbesondere wird für die Metallisierung Kupfer, beziehungsweise verzinntes Kupfer, verwendet. Eine metallische Kontaktfläche 11, also Leiterbahnabschnitt, schließt an die Wandung der Durchkontaktierung 14 an. Insbesondere umschließt die metallische Kontaktfläche 11 in der Ebene des Leiterbahnabschnitts die Ausnehmung, durch welche die Haltevorrichtung 2 ein- und/oder hindurchgeführt wird, radial. Vorzugsweise wird in mehreren oder allen Leiterbahnabschnitten jeweils eine solche metallische Kontaktfläche 11 ausgeführt. Dabei berührt die Haltevorrichtung 2 die Wandung der Durchkontaktierung 14 und/oder die metallische Kontaktfläche 11, beispielsweise mit dem Schraubenkopf der Schraube 4.
Der erste Leiterplattenabschnitt 3 ist thermisch, mechanisch und elektrisch durch eine weitere Ausnehmung 10 und einen kleinen Verbindungsbereich von der restlichen Leiterplatte 12 getrennt. Dadurch ist der erste Leiterplattenabschnitt 3 elastisch auslenkbar zu der restlichen Leiterplatte 12. Insbesondere ist der erste Leiterplattenabschnitt 3 durch fertigungstechnisch bedingte und/oder thermisch bedingte Längentoleranzen der Haltevorrichtung 2 im Vergleich zu der starren Verbindung der restlichen Leiterplatte 12 mit dem Kühlkörper 1 elastisch ausgelenkt.
Die weitere Ausnehmung 10, die den ersten Leiterplattenabschnitt 3 von der restlichen Leiterplatte 12 trennt, ist vorzugsweise vollständig innerhalb der Leiterplatte 12 angeordnet.
Der kleine Verbindungsbereich ist derartig ausgeführt, dass die Ausnehmung 10 den ersten Leiterplattenabschnitt 3 zu mindestens 75% umschließt. Insbesondere ist der Kontaktbereich des Verbindungsbereichs mit dem ersten Leiterplattenabschnitt 3 kleiner als die Länge des Verbindungsbereichs, so dass der erste Leiterplattenabschnitt 3 zur restlichen Leiterplatte 12 elastisch ausgelenkt werden kann.
Die metallische Kontaktfläche 11 reicht bis an die Ausnehmung 10 heran und ist als Leiterbahn 13 auf der Oberseite und/oder Unterseite und/oder den Innenlagen des ersten Leiterplattenabschnitts 3 ausgeführt. Der Temperatursensor 5 befindet sich auf der dem Kühlkörper 1 zugewandten Seite des ersten Leiterplattenabschnitts 3 und ist elektrisch und/oder thermisch mittels der metallischen Kontaktfläche 11 mit der Haltevorrichtung 2 verbunden. Insbesondere weist der Temperatursensor 5 Anschlussflächen zur elektrischen Kontaktierung und eine Temperaturerfassungsfläche auf, welche mit der metallischen Kontaktfläche 11 verbunden ist.
Dabei berühren also die metallischen Innenlagen des ersten Leiterplattenabschnitts 3 die Durchkontaktierung 14; aber die Innenlagen berühren nicht den Temperatursensor 5. Insbesondere weist der Temperatursensor 5 einen Mindestabstand zu den metallischen Innenlagen des ersten Leiterplattenabschnitts 3 auf.
Der Kühlkörper 1 ist mechanisch über einen Rahmen 42 mit der Leiterplatte 12 verbunden. Insbesondere ist diese Verbindung mechanisch starr. Vorzugsweise wird die Verbindung lösbar ausgeführt, beispielsweise mittels jeweiliger Schraubverbindung.
Die Leiterplatte 12 bestimmt dabei eine Ebene, welche einen Normalenvektor aufweist. Die Grundplatte des Kühlkörpers 1 ist im Wesentlichen parallel zu dieser Ebene angeordnet. Der Temperatursensor 5 ist derart auf der Leiterplatte 12 angeordnet, dass die senkrechte Projektion der Haltevorrichtung 2 auf den Normalenvektor die senkrechte Projektion des Temperatursensors 5 auf den Normalenvektor zumindest teilweise umfasst. Insbesondere ist die Haltevorrichtung 2 derart auf der Leiterplatte 12 angeordnet, dass die Haltevorrichtung 2 sich in Richtung des Normalenvektors weiter erstreckt als in jeder zur Ebene der Leiterplatte 12 parallelen Richtung.
Dabei sind die Haltevorrichtung 2 und der Temperatursensor 5 räumlich zwischen dem Kühlkörper 1 und der Leiterplatte 12 angeordnet. Durch diese Zwischenordnung des Temperatursensors 5 ragt der Temperatursensor 5 in einen Raumbereich hinein, der zumindest teilweise begrenzt ist durch metallische Oberflächenabschnitte gleicher Temperatur, nämlich Oberflächenabschnitte des Kühlkörpers 1, der Haltevorrichtung 2 und der Leiterplatte 12.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist die Ausnehmung 10 vom Rand der Leiterplatte 12 her ausgeführt, wobei sich die Ausnehmung 10 tiefer in die Leiterplatte 12 erstreckt als der erste Leiterplattenabschnitts 3 breit ist.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird eine Abstandshülse zwischen Kühlkörper 1 und dem ersten Leiterplattenabschnitt 3 angeordnet. Durch Andrücken des ersten Leiterplattenabschnitts 3 mit der in die Haltevorrichtung 2, insbesondere Abstandshülse, eingeschraubten Schraube 4 an die Hülse wird ein definierter Abstand zwischen Kühlkörper 1 und Leiterplatte 3 eingestellt.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen erfolgt die Verbindung der Haltevorrichtung 2 mit der Leiterplatte 3 fest, beispielsweise über einen Niet.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen erfolgt die mechanische Verbindung der Haltevorrichtung 2 mit dem Kühlkörper 1 lösbar, vorzugsweise mittels Schraubverbindung.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist eine Unterlegscheibe zwischen Schraubenkopf und erstem Leiterplattenabschnitt 3 und/oder zwischen Abstandshülse und erstem Leiterplattenabschnitt 3 angeordnet, um den ersten Leiterplattenabschnitt 3 mechanisch zu entlasten. Vorzugsweise ist die Unterlegscheibe aus metallischem Werkstoff ausgeführt, wodurch der Wärmeübergangswiderstand zwischen der Haltevorrichtung 2 und der metallischen Kontaktfläche 11 verringert wird.
In 4 ist ein erfindungsgemäßes Elektrogerät, insbesondere ein Umrichter, mit einem Kühlkörper 1, der über der Oberseite, also Vorderseite, der Leiterplatte 12 angeordnet ist, bei entferntem Gehäuse gezeigt. Das Elektrogerät ist über ein erstes Steckverbinderteil 27 an das elektrische Versorgungsnetz anschließbar. Über ein zweites Steckverbinderteil 31 erfolgt die elektrische Anbindung an den Verbraucher, insbesondere einen Motor, vorzugsweise Asynchronmotor und/oder Synchronmotor.
Die Leiterplatte 12 gliedert sich in zwei Bereiche: einen Niederspannungsbereich mit einer Signalelektronik, der z. B. einen Mikrokontroller 20 enthält, sowie einer ersten Anschlussvorrichtung 32 für einen Adapter zum sicheren Halt, einer zweiten Anschlussvorrichtung 33 als Signalanschluss, einer dritten Anschlussvorrichtung 36 zum Anschluss an Feldverteilersysteme und einer vierten Anschlussvorrichtung 37 für ein externes Bedienteil.
Der zweite Bereich ist ein Hochspannungsbereich mit einer Leistungselektronik. Im Bereich der Leistungselektronik sind angeordnet

– ein Wechselrichter 61,
– ein erster Netzfilter 22 mit einer Induktivität 28 zur Entstörung des Eingangssignals,
– ein zweiter Netzfilter 52 zur Entstörung des Ausgangssignals,
– ein galvanisch getrennter Widerstand 50 und
– Shuntwiderstände 51.

Der Wechselrichter 61 weist in Halbbrücken angeordnete Leistungshalbleiterschalter, vorzugsweise IGBT- oder MOSFET-Schalter auf. Im Bereich zwischen Wechselrichter und Steuerelektronik befindet sich ein erster Kondensator 21 eines Zwischenkreises und ein zweiter Kondensator 29 als Hilfskondensator. Insbesondere wird durch diese Anordnung ein großer räumlicher Abstand zwischen Wechselrichter 61 und Steuerelektronik erreicht.
Die Signalübertragung zwischen Steuerelektronik und Leistungselektronik erfolgt mittels galvanisch trennender erster Optokoppler 34 für Steuersignale und galvanisch trennender zweiter Optokoppler 35 für Messsignale. Insbesondere ist die Leiterplatte 12 im Bereich zwischen Steuerelektronik und Leistungselektronik in allen Ebenen frei von Leiterbahnen, also metallischen Schichten. Die Optokoppler 34 und 35 sind über parallele Leitungen 60 mit dem Wechselrichter 61 verbunden. Die Aufbereitung des Schaltnetzes erfolgt mittels eines Transformators 30.
Der Kühlkörper 1 befindet sich im Bereich der Leistungselektronik, er überdeckt die Netzfilter 22 und 52 sowie den Widerstand 50 und die Shuntwiderstände 51 und den Wechselrichter 61. Der Kühlkörper 1 erstreckt sich über die gesamte Länge der Leiterplatte 12 vom ersten Steckverbinderteil 27 bis zum zweiten Steckverbinderteil 31.
Die Urform des Kühlkörpers 1 wird mittels Stranggießen hergestellt und daraus der Kühlkörper 1 mittels weiterer Bearbeitung erzeugt. Das Stranggussprofil weist eine Grundplatte auf, an der sich in Stranggussrichtung erstreckende Kühlrippen 26 und eine plattenartige, sich in Stranggussrichtung erstreckende Rückwand, also Rückplatte 25, einstückig ausgebildet sind. Vorzugswiese ist die Rückplatte 25 senkrecht zur Grundplatte ausgebildet.
Im Bereich der Induktivität 28 ist eine Ausnehmung 40 im Kühlkörper 1 ausgeführt. Diese Ausnehmung 40, vorzugsweise eine ins Stranggussprofil quer zur Stranggussrichtung eingebrachte Rundbohrung, gliedert eine Grundplatte des Kühlkörpers 1 in zwei Bereiche: einen ersten Grundplattenabschnitt 24 sowie einen zweiten Grundplattenabschnitt 41. Dabei ist die Ausnehmung 40 nicht nur in die Grundplatte, sondern auch in mittlere Kühlrippen 26 eingebracht. Insbesondere ragt die auf der Leiterplatte 12 angeordnete Induktivität 28 in die Ausnehmung 40 des Kühlkörpers 1 hinein. Insbesondere wird die Ausnehmung 40 nach dem Stranggießen des Kühlkörpers 1 ausgeführt, vorzugsweise gebohrt und/oder gefräst.
Seitlich wird der Kühlkörper 1 durch eine erste Kühlrippe 23 sowie eine Rückplatte 25 des Elektrogerätes abgeschlossen. Über die Rückplatte 25 ist das Elektrogerät thermisch mit einem in den Figuren nicht gezeigten Schaltschrank verbunden und ist über eine in den Figuren nicht gezeigter Kühlplatte, insbesondere Cold Plate, kühlbar. Diese Kühlplatte weist beispielsweise Kanäle auf, durch welche ein Kühlmedium führbar ist, wobei als Kühlmedium beispielsweise Wasser, Druckluft oder Öl verwendet werden kann.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen weist die Kühlplatte auf der dem Elektrogerät gegenüberliegenden Seite oberflächenvergrößernde Strukturen, zum Beispiel Kühlrippen und/oder Kühlfinger, auf, die durch Konvektion gekühlt werden.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird der Kühlkörper 1 direkt mit der zweiten Ausnehmung 40 als Einzelteil gegossen.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist zwischen dem Kühlkörper 1 und der Leistungselektronik ein Isoliermittel angeordnet, wobei das Isoliermittel zum einen die elektrischen Bauteile elektrisch isoliert gegen den Kühlkörper 1 und zum anderen einen geringeren Wärmeübergangswiderstand von den elektrischen Bauteilen zum Kühlkörper 1 aufweist als alle sonstigen Wärmeleitpfade zwischen den elektrischen Bauteilen und dem Kühlkörper 1. Beispielsweise sind Wärmeleitpads oder Wärmeleitpaste als elektrisches Isoliermittel verwendbar.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird das Elektrogerät über einen Lüfter luftgekühlt. Dazu wird der Lüftungsstrom des Lüfters über die Kühlrippen 26 geleitet und dadurch die Wärme an die Umgebungsluft abgeleitet.
Bezugszeichenliste

1: Kühlkörper
2: Haltevorrichtung
3: erster Leiterplattenabschnitt
4: Schraube
5: Temperatursensor
10: erste Ausnehmung
11: Kontaktfläche
12: Leiterplatte
13: Leiterbahnen
14: Durchkontaktierung
20: Mikrocontroller
21: erster Kondensator
22: erster Netzfilter
23: erste Kühlrippe
24: erster Grundplattenabschnitt
25: Rückplatte
26: Kühlrippen
27: erstes Steckverbinderteil
28: Induktivität
29: zweiter Kondensator
30: Transformator
31: zweites Steckverbinderteil
32: erste Anschlussvorrichtung
33: zweite Anschlussvorrichtung
34: erster Optokoppler
35: zweiter Optokoppler
36: dritte Anschlussvorrichtung
37: vierte Anschlussvorrichtung
40: zweite Ausnehmung
41: zweiter Grundplattenabschnitt
42: Rahmenteil
50: Widerstand
51: Shuntwiderstand
52: zweiter Netzfilter
60: Leitungen
61: Wechselrichter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005013762 B3 [0002]
DE 19516260 C1 [0003]
DE 3903615 A1 [0004]
DE 19630794 B4 [0005]
DE 7718039 U [0006]

Claims

Anordnung zur Erfassung der Temperatur eines Kühlkörpers, aufweisend einen Temperatursensor, eine Leiterplatte und eine Haltevorrichtung, wobei die Leiterplatte einen zweiten Leiterplattenabschnitt und einen mit dem Temperatursensor bestückten, ersten Leiterplattenabschnitt aufweist, der mit dem zweiten Leiterplattenabschnitt über einen derart kleinen Verbindungsbereich verbunden ist, dass er zu diesem elastisch auslenkbar ist, insbesondere elastisch ausgelenkt ist, wobei zwischen dem Kühlkörper und dem ersten Leiterplattenabschnitt eine Haltevorrichtung angeordnet ist, wobei der Temperatursensor von der Haltevorrichtung beabstandet ist, insbesondere mittels des ersten Leiterplattenabschnitts von der Haltevorrichtung beabstandet ist.
Anordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsbereich und eine Ausnehmung den ersten und zweiten Leiterplattenabschnitt beabstanden, insbesondere wobei die Ausnehmung als Ausfräsung in der Leiterplatte ausgeführt ist.
Anordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung mit dem Verbindungsbereich den zweiten Leiterplattenabschnitt zumindest teilweise umschließt und/oder umrahmt, insbesondere wobei – die Ausnehmung vollständig in der Leiterplatte angeordnet ist, – die Ausnehmung vom Rand der Leiterplatte her ausgeführt ist, – die Ausnehmung in den Rand der Leiterplatte mündet, – die Ausnehmung sich tiefer in die Leiterplatte erstreckt als die Breite des ersten Leiterplattenabschnitts.
Anordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübergangswiderstand von dem Kühlkörper über die Haltevorrichtung zu dem Sensor geringer ist als über alle sonstigen vorhandenen Wärmeleitpfade zwischen Kühlkörper und Sensor, insbesondere über zwischen Kühlkörper und erstem Leiterplattenabschnitt angeordnete Luft, insbesondere wobei der Kühlkörper und/oder die Haltevorrichtung metallisch, insbesondere aus Aluminium, ist beziehungsweise sind.
Anordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte mehrlagig ausgeführt ist, insbesondere als Multilayer-Leiterplatte ausgeführt ist und/oder Innenlagen aufweist, insbesondere wobei die Leiterplatte in SMD-Technik und/oder mittels Durchsteckmontage bestückt ist, und/oder wobei der Temperatursensor in SMD-Technik bestückt ist.
Anordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass metallische Bereiche, insbesondere Layer, im ersten Leiterplattenabschnitt angeordnet sind, insbesondere auf der Oberseite und/oder Unterseite und/oder den Innenlagen der Leiterplatte, wobei die metallischen Bereiche als Leiterbahnen der Leiterplatte ausgeführt sind, insbesondere Leiterbahnen aus kupferhaltigem Material, insbesondere verzinnte Kupferleiterbahnen, wobei die Haltevorrichtung einen der metallischen Bereiche berührt.
Anordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausnehmung in dem ersten Leiterplattenabschnitt vorgesehen ist, insbesondere eine Durchkontaktierung, durch welche die Haltevorrichtung ein- oder hindurchgeführt und/oder ein- oder hindurchgesteckt ist, insbesondere eine metallische Durchkontaktierung, insbesondere aus kupferhaltigem Material, insbesondere aus verzinntem Kupfer, wobei ein metallischer Bereich der Leiterplatte mit der Wandung der Durchkontaktierung verbunden ist, wobei die Haltevorrichtung die Wandung der Durchkontaktierung berührt.
Anordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Haltevorrichtung mit dem ersten Leiterplattenabschnitt lösbar ist, insbesondere schraubverbunden ist, insbesondere eine Gewindebohrung in der Haltevorrichtung vorgesehen ist, welche eine Befestigungsschraube aufnimmt, insbesondere deren Schraubenkopf einen metallischen Bereich der Leiterplatte berührt.
Anordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung mit dem Kühlkörper fest verbunden und/oder stoffschlüssig verbunden ist, insbesondere über einen Niet, oder dass die Haltevorrichtung mit dem Kühlkörper über ein schraubverzahntes Teil lösbar verbunden ist.
Anordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rahmen den Kühlkörper mechanisch, insbesondere mechanisch starr, mit der Leiterplatte verbindet, insbesondere lösbar verbindet, insbesondere wobei der Rahmen als Gehäuseteil ausgebildet ist und/oder wobei der Rahmen zumindest teilweise gehäusebildend ist, wobei der Rahmen mit der Leiterplatte im Bereich des zweiten Leiterplattenabschnitts mechanisch verbunden ist, insbesondere mechanisch starr verbunden ist.
Anordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor auf der dem Kühlkörper zugewandten Oberfläche der Leiterplatte angeordnet ist, wobei der Sensor mit der Leiterplatte über Lötverbindungen verbunden ist.
Anordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor Anschlussflächen zur elektrischen Kontaktierung und eine Temperaturerfassungsfläche aufweist, wobei die Temperaturerfassungsfläche des Sensors lötverbunden ist mit einem metallischen Bereich auf der Leiterplatte, welcher sich erstreckt in die Wandung der Durchkontaktierung.
Anordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung als Bolzen ausgeführt ist und/oder dass eine Abstandshülse und/oder eine metallische Unterlegscheibe zwischen Kühlkörper und dem ersten Leiterplattenabschnitt angeordnet ist.
Elektrogerät, insbesondere ein Umrichter zur Versorgung eines Elektromotors, insbesondere eines Asynchronmotors und/oder Synchronmotors, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrogerät eine Anordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche umfasst.
Elektrogerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlkörper mit wärmeerzeugenden Bauelementen, die auf einer Leiterplatte angeordnet sind, wärmeleitend verbunden ist, und wobei – der Umrichter nur eine Leiterplatte aufweist, welche sowohl einen Niederspannungsbereich, insbesondere eine Steuerelektronik, als auch einen Hochspannungsbereich, insbesondere eine Leistungselektronik, enthält, – die Steuerelektronik und die Leistungselektronik räumlich und/oder galvanisch getrennt sind, – die Signalübertragung zwischen Steuerelektronik und Leistungselektronik über Optokoppler erfolgt, – ein von einem Lüfter angetriebener Kühlluftstrom an einem Oberflächenbereich des Kühlkörpers vorbeiströmt zur Wärmeableitung an die Umgebungsluft und/oder der Kühlkörper mit einer Kühlplatte eines Schaltschranks verbunden ist zur Wärmeableitung an die Kühlplatte, insbesondere wobei die Kühlplatte Kanäle aufweist, welche von einem Kühlmedium durchströmt sind.