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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät.
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Es ist bekannt, dass Umrichter als Elektrogerät Signalelektronik und Leistungselektronik aufweisen. Dabei wird von der Leistungselektronik ein Verbraucher, wie Elektromotor, gespeist. Die Wärme, insbesondere die Wärme der Leistungshalbleiterschalter der Leistungselektronik, wird an einen Kühlkörper abgeführt und von dort an die Umgebungsluft oder ein anderes umgebendes Kühlmedium.
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Zur Verbesserung von Wärmeübergängen ist es bekannt, Wärmeleitpaste in den Wärmeübergangsbereich einzubringen.
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Aus der
DE 10 2006 022 497 A1 ist eine zylinderförmige Baugruppe mit mindestens einem elektronischen Bauteil bekannt.
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Aus der
GB 2 067 844 A sind Module bekannt.
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Aus der
US 2008/0019102 A1 ist eine Anordnung mit einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit bekannt.
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Aus der
DE 10 2010 050 120 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines plastisch verformten Kunststoffkörpers bekannt.
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Aus der
DE 10 2007 041 419 A1 ist ein Elektrogerät bekannt, wobei ein dreidimensional geformtes Kissen zwischen Wärme erzeugenden Bauelementen einer Leiterplatte und einem Kühlkörper angeordnet ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Gerät weiterzubilden, wobei die Fertigung einfach sein soll.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Gerät nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wichtige Merkmale bei dem Gerät sind, dass es eine Leiterplatte aufweist, die mit wärmeerzeugenden Bauteilen bestückt ist,
wobei die Leiterplatte in einem Gehäuse des Geräts befestigt ist,
wobei das Gehäuse zumindest ein Gehäuseteil, insbesondere zwei oder mehrere Gehäuseteile, aufweist, insbesondere ein topfförmiges Gehäuseteil,
wobei eine mit der Leiterplatte verbundene, insbesondere schraubverbundene, Kühlplatte von einem Keil, insbesondere zwei zueinander nicht parallele Flächenabschnitte aufweisenden Keil, insbesondere also Keilabschnitt der Kühlplatte, gegen zumindest eine Seitenfläche der Innenwandung des Gehäuseteils oder gegen die Innenwandung des Gehäuseteils angedrückt ist,
insbesondere derart angedrückt ist, dass an einer Kontaktfläche Wärme zumindest eines wärmeerzeugenden Bauteils, insbesondere eines Leistungshalbleiterschalter aufweisenden Leistungsmoduls, an das Gehäuseteil abführbar ist,
wobei der Keil von einem am Gehäuseteil abgestützten Federelement in eine entsprechende Vertiefung, insbesondere keilförmige Vertiefung, des Gehäuseteils gedrückt ist, insbesondere gedrückt gehalten ist,
insbesondere wobei das Federelement mit dem Gehäuseteil schraubverbunden ist und/oder wobei mittels des Federelements eine Erdverbindung der Leiterplatte mit dem Gehäuseteil hergestellt ist.
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Von Vorteil ist dabei, dass einerseits eine Kühlanordnung für Wärme erzeugende Bauelemente und andererseits eine Befestigungsweise einer Leiterplatte im Gehäuse gelehrt wird.
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Die Erfindung bezieht sich also auf eine Befestigungsart zum Halten der Leiterplatte und eine Kühlweise für die auf der Leiterplatte befestigten Wärme erzeugenden Bauelemente.
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Hierzu ist eine einfache aber leistungsfähige Verbindungstechnik zwischen Kühlplatte und Gehäuseteil verwendet. Somit ist ein guter Wärmeübergang bewirkbar und sogar Wärmeleitpaste verzichtbar, wenn der Wärmeübergangswiderstand ausreichen klein ist. Fertigungstoleranzen sind einfach und leicht ausgleichbar. Ein Verspannen ist ohne Versatz durchführbar, da dieser durch Fertigungstoleranzen nicht bewirkbar wäre. Das Federelement erhöht die Sicherheit der Keilverbindung, indem die Keilverbindung zwar selbsthemmend ausführbar ist und zusätzlich mit dem Federelement sicherbar ist.
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Weiter ist der Umweltschutz verbessert, weil bei defekter Elektronik nur die Kassette auszutauschen ist. Das topfförmige Gehäuseteil ist wiederverwendbar und kann beim Austausch der Kassette in der Anlage installiert bleiben. Dies verringert auch den Reparaturaufwand.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Keil abgestützt an einem Abschnitt des Gehäuseteils, insbesondere an einem in den vom Gehäuseteil umgebenen Innenraumbereich des Geräts hineinragenden Abschnitt des Gehäuseteils. Von Vorteil ist dabei, dass ein Verspannen der Kühlplatte durch den Keil mittels Abstützen am Abschnitt und Andrücken der Kühlplatte an das Gehäuseteil erreichbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Abschnitt ein Rippenabschnitt. Von Vorteil ist dabei, dass eine einstückige Fertigung des Gehäuseteils zusammen mit dem Abschnitt einfach ausführbar ist. Alternativ ist auch eine zweistückige Ausführung ausführbar, wenn eine entsprechende Verbindung der Stücke gemacht wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Materialpaarung und der Keilwinkel sowie der Öffnungswinkel der Vertiefung derart ausgeführt, dass der Keil in der Vertiefung selbsthemmend angeordnet ist, insbesondere wobei das Federelement den Keil, insbesondere die Kühlplatte, derart drückt, dass auch bei auftretenden mechanischen Schwingungen der Keil in der Vertiefung eingeführt bleibt. Von Vorteil ist dabei, dass eine sichere Verbindung in einfacher Weise herstellbar ist und somit auch eine sichere elektrische Masseverbindung herstellbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Abschnitt ein Rippenabschnitt. Von Vorteil ist dabei, dass ein Rippenabschnitt am Gehäuseteil in einfacher Weise ausformbar ist, da als Rippe ein dünner Bereich mit wenig Materialaufwand verwendbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung legt eine Schraube das Federelement am Gehäuseteil fest, insbesondere der Schraubenkopf das Federelement an das Gehäuseteil andrückt. Von Vorteil ist dabei, dass das Federelement sicher am Gehäuseteil befestigbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein zweiter quer zur Einführrichtung des Keils vom ersten Abschnitt beabstandeter Abschnitt, insbesondere Rippenabschnitt, am Gehäuseteil ausgeformt zur Bildung einer weiteren Vertiefung und an der Kühlplatte ist entsprechend ein zweiter Keil, insbesondere also Keilabschnitt, ausgeformt, welcher in die zweite Vertiefung eingeführt ist und von dem Federelement hineingedrückt gehalten ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine stabile Befestigung bewirkbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Blechteil mit der Kühlplatte verbunden, das die Leiterplatte zumindest teilweise umgibt, insbesondere als Berührschutz bei der Herstellung. Von Vorteil ist dabei, dass eine doppelte Sicherheit gegen elektrischen Durchschlag herstellbar ist. Hierbei bildet das Blechteil eine erste geerdete Vorrichtung, welche die Leiterplatte umgibt und somit die Berührung spannungsführender Teile verhindert. Zusätzlich ist das Gehäuseteil als zweite Sicherheit gegen elektrischen Durchschlag verwendbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umschließt ein Kunststoffkörper die Leiterplatte zumindest teilweise und ist mit der bestückten Leiterplatte verbunden, insbesondere stoffschlüssig und/oder formschlüssig. Von Vorteil ist dabei, dass die Leiterplatte samt der bestückten Bauelemente geschützt ist vor mechanischen Einwirkungen, wie Kraftstößen, Erschütterungen oder dergleichen. Insbesondere sind auch herausstehende Bauteile gegen Schwingungen besser stabilisierbar mittels des Kunststoffkörpers. Somit ist eine sichere Transportfähigkeit und Lagerfähigkeit gewährleistbar, wobei die Leiterplatte nicht eingebaut ist im Gehäuse des Geräts. Bei wärmeleitender Ausführung des Kunststoffkörpers ist auch eine verbesserte Entwärmung der Wärme erzeugenden Bauelemente erreichbar.
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Alternativ ist beidseitig der Leiterplatte ein Kunststoffkörper angeordnet und mit der bestückten Leiterplatte verbunden, insbesondere stoffschlüssig und/oder formschlüssig. Von Vorteil ist dabei, dass der Kunststoffkörper die Leiterplatte umgibt und somit ein guter mechanischer Schutz gewährleistbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kunststoffkörper aus mindestens zwei miteinander formschlüssig verbundenen Teilkörpern zusammengesetzt, insbesondere wobei die formschlüssige Verbindung eine Verrastung ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Teilkörper vorfertigbar sind und somit um die Leiterplatte anordenbar und miteinander verbindbar sind. Somit muss die Leiterplatte nicht belastet werden beim Anordnen der Teilkörper um die Leiterplatte herum.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kunststoffkörper einstückig ausgebildet, insbesondere als Umspritzung oder als Kunststoffgussteil hergestellt. Von Vorteil ist dabei, dass eine besonders kostengünstige Herstellung ausführbar ist, da die Leiterplatte nur in eine Werkzeugform eingebracht werden muss und dann umspritzbar oder umgießbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die bestückte Leiterplatte an ihrer Oberfläche einen Lack auf, insbesondere einen wasserdampfabweisenden Lack und/oder einen wasserabweisenden Lack. Von Vorteil ist dabei, dass die Leiterplatte in einer Werkzeugform mit Styroporkügelchen umgebbar und Wasserdampf hinzugebbar ist, so dass in einfacher Herstellungsweise eine Ummantelung mit Styropor produzierbar. Unter Styropor wird dabei auch jeder andere geschäumte Kunststoff verstanden, insbesondere welcher wärmeleitend und elektrisch isolierend ist und vorzugsweise einen Flammschutz-Zusatz aufweist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kunststoff als Styropor oder als Schaumstoff, insbesondere als ein Polyurethanschaum, ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass ein kostengünstiges Material verwendbar ist, das durch chemische Zusatzbestandteile mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit ausstattbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Kunststoff eine bessere Wärmeleitfähigkeit, insbesondere spezifische Wärmeleitfähigkeit, auf als Luft,
insbesondere wobei der Kunststoffkörper aus elektrisch isolierendem Werkstoff gefertigt ist. Von Vorteil ist dabei, dass durch entsprechende Zusätze die Wärmeleitfähigkeit verbesserbar ist. Außerdem ist somit Luft als Wärmetransportmittel verzichtbar und ein direktes Zwischenordnen des Kunststoffkörpers zwischen Leiterplatte und Kühlplatte ermöglicht.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Elektrogerät ein Umrichter ist, insbesondere wobei die Signalelektronik und die Leistungselektronik des Umrichters auf der Leiterplatte angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass nur eine Leiterplatte zu bestücken ist und somit eine hochautomatisierte Herstellung ermöglicht ist, da das Bestücken durch Bestückungsautomaten ausführbar ist. Außerdem ist das Verbinden der elektronischen Schaltung, also umfassend die Leiterplatte mit verbundener Kühlplatte, mit dem Gehäuse besonders einfache und leicht ausführbar, da nur ein Einschieben der elektronischen Schaltung ins topfförmige Gehäuse auszuführen ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist auf der Leiterplatte ein Leistungsmodul angeordnet, welches mit einer Kühlplatte, insbesondere auf eine Aluminium enthaltendes Kühlplatte, verbunden ist,
insbesondere auf diese Kühlplatte aufgeschraubt ist und mit dieser wärmeleitend verbunden ist zur Abfuhr von Wärme. Von Vorteil ist dabei, dass bei Montage die Kühlplatte über das Leistungsmodul mit der Leiterplatte verbindbar ist. Somit ist mit dem Kunststoffkörper eine erste Seite der Leiterplatte schätzbar, also die von der Kühlplatte abgewandte Seite der Leiterplatte, und es ist die andere Seite der Leiterplatte nicht nur durch den restlichen Teilkörper des Kunststoffkörpers schätzbar sondern auch durch die Kühlplatte.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kühlplatte außerhalb des Kunststoffkörpers angeordnet, insbesondere wobei das Leistungsmodul durch eine Ausnehmung des Kunststoffkörpers hindurchragt. Von Vorteil ist dabei, dass die Wärmeableitung durch den ansonsten schützenden Kunststoffkörper nicht beeinträchtigt wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Kunststoffkörper Ausnehmungen für auf der Leiterplatte bestückte Bauteile, insbesondere für große Bauteile, auf. Von Vorteil ist dabei, dass in diesen Bereichen die Wärmeabfuhr an die Kühlplatte mittels Luft ausführbar ist oder – wie bei dem Leistungsmodul – durch eine Kontaktfläche an der Kühlplatte.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Kunststoffkörper, insbesondere der zweite Teilkörper, eine weitere Ausnehmung auf, die eine Luftverbindung zwischen einem Wärme erzeugenden, auf der Leiterplatte bestückten Bauelement und einem Oberflächenteilbereich der Kühlplatte ist, insbesondere zur konvektiven Ableitung von Wärme mittels der Luftverbindung an die Kühlplatte. Von Vorteil ist dabei, dass mittels der dem jeweiligen Wärme erzeugenden Bauelement beziehungsweise dem zugehörigen Oberflächenbereich der Leiterplatte zugeordneten Ausnehmung im Kunststoffkörper ein Luftraumbereich geschaffen ist, der zumindest teilweise von einem Oberflächenbereich der Kühlplatte begrenzt wird und von einem jeweiligen Wärme erzeugenden Bauelement beziehungsweise von dem hierzu zugehörigen Oberflächenbereich der Leiterplatte. Somit bildet sich bei Temperaturdifferenzen konvektiv angetriebene Luftströmung aus, so dass eine Wärmeabfuhr an die Kühlplatte ermöglicht ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine erste Seite der Leiterplatte oder zumindest ein Teilbereich dieser Seite, insbesondere lückenlos, bedeckt, also abgedeckt von dem Kunststoffkörper, insbesondere von dessen erstem Teilkörper, und
die andere Seite der Leiterplatte ist zumindest teilweise bedeckt, also abgedeckt, von dem Kunststoffkörper, insbesondere von dessen zweitem Teilkörper, insbesondere wobei der zweite Teilkörper ringförmig ausgebildet ist. Von Vorteil ist dabei, dass die abgedeckten auf der Leiterplatte bestückten Bauelemente geschützt sind vor Umwelteinflüssen, wie beispielsweise mechanischer Krafteinwirkung. Der Kunststoffkörper führt also gehäusebildende Funktionen aus – soweit die Bedeckung sich erstreckt. Dabei ist er allerdings elastischer als ein Aluminiumgehäuse. Erst nach Einbau in das topfförmige Gehäuseteil und Verschließen desselben mit dem Deckelteil ist ein vollständiges Gehäuse geschaffen. In diesem eingebauten Zustand übernimmt der Kunststoffkörper dann auch Wärme ableitende Funktion beziehungswiese schafft Luftraumbereiche zur gezielten Entwärmung von Wärme erzeugenden Bauelementen, wenn seine Wärmeleitfähigkeit geringer als die von Luft ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Gehäuse des Geräts ein topfförmiges Gehäuseteil auf, das von einem Deckelteil verschlossen ist,
insbesondere wobei an der Innenwandung des topfförmigen Gehäuseteils eine Kontaktfläche zur Wärmeeinleitung von der Kühlplatte ans Gehäuse angeordnet ist. Von Vorteil ist dabei, dass die von der Kühlplatte ans Gehäuse eingeleitete Wärme aufspreizbar ist über das ganze topfförmige Gehäuseteil. Somit verteilt sich die Wärme auf eine große Oberfläche. Dabei ist allerdings die Kontaktfläche zur Kühlplatte in möglichst guten Wärmekontakt zu bringen. Da die Kühlplatte selbst schon flächig und groß, insbesondere vergleichbar mit der ganzen Leiterplatte, ausführbar ist, ist ein hinreichender Wärmeübergang einfach herstellbar, insbesondere sogar ohne Wärmeleitpaste im Kontaktbereich. Der Einbau der Kassette, bestehend aus Kühlplatte, Kunststoffkörper und Leiterplatte, in das topfförmige Gehäuse ermöglicht auch das Herstellen von verschiedenen Varianten in einfacher Weise. Denn stets dieselbe Kassette ist in verschiedene Gehäuseteile einbaubar. Somit sind applikationsspezifische oder marktspezifische Besonderheiten durch entsprechend Modifizierte Gehäuseteile abdeckbar. Die Deckelteil sind entsprechend variierbar. Eine hohe Varianz ist mit einer geringen Anzahl von Bauteilen erzeugbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind zwischen Deckelteil und Gehäuseteil Kabeldurchführungen angeordnet, insbesondere für Versorgungsleitungen, einen Verbraucher speisenden Leitungen und Datenbusleitungen. Von Vorteil ist dabei, dass das topfförmige Gehäuse mit möglichst tief liegendem Boden ausführbar ist, also mit hohen Topfseitenwänden.
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Wichtige Merkmale bei dem Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Geräts sind, dass das Gerät eine zumindest mit einem Leistungsmodul und weiteren Bauteilen bestückte Leiterplatte aufweist, insbesondere wobei die Bauteile und das Leistungsmodul somit auf der Leiterplatte befestigt sind,
wobei
- (i) in einem Verfahrensschritt die Leiterplatte zumindest teilweise mit einem Kunststoffkörper umschlossen wird, insbesondere
- – mit Kunststoff zumindest teilweise umspritzt wird zur Bildung des Kunststoffkörpers
- – oder zwischen mindestens zwei Teilkörper des zumindest zweistückig ausgebildeten Kunststoffkörpers eingelegt wird, wobei die Teilkörper nach dem Einlegen miteinander verbunden werden, insbesondere formschlüssig und/oder mittels Verrastung,
- (ii) in einem nachfolgenden Verfahrensschritt eine Kühlplatte mit dem Leistungsmodul verbunden, insbesondere schraubverbunden, wird,
- (iii) in einem weiter nachfolgenden Verfahrensschritt die Leiterplatte samt Kühlplatte und Kunststoffkörper in ein topfförmiges Gehäuseteil eingeschoben wird und die Kühlplatte an einer Kontaktfläche der Innenwandung des Gehäuseteils angedrückt wird, insbesondere wärmeleitend verbunden wird.
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Von Vorteil ist dabei, dass die Leiterplatte von einem schützenden Kunststoffkörper umgeben wird und somit beim Transport und Lagern geschützt ist. Nach Verbinden der Kühlplatte ist der Schutz erhöht und die elektronische Schaltung als Einheit, insbesondere Kassette, transportierbar. Zur Endmontage muss nur die Kassette in das topfförmige Gehäuse eingeschoben werden und mit ihrer Kühlplatte in Kontakt gebracht werden zur Wärmeableitung ans topfförmige Gehäuse. Das Gehäuse ist dabei aus Metall, wie beispielsweise Aluminium, damit die Wärme gut abgeleitet wird und eine hohe mechanische Stabilität gehäusebildend eingesetzt wird.
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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.
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Die Erfindung wird nun anhand von schematischen Abbildungen näher erläutert:
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In der 1 ist ein erfindungsgemäßer Umrichter mit einem aus einem ersten und einem zweiten Schaumteil gebildeten Kunststoffkörper rein schematisch skizziert.
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In der 2 ist die Kontur der Ausnehmung im zweiten Schaumteil 4 ebenfalls rein schematisch gezeigt.
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In der 3 ist eine Schrägansicht auf den angeschnittenen Umrichter in konkreter Darstellung gezeigt bei entferntem Deckelteil 8.
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In der 4 ist eine Schrägansicht auf die aus Leiterplatte 12 und Kühlplatte 1 gebildete Kassette gezeigt, die im Innenraum des Umrichters angeordnet ist.
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In der 5 ist ein vergrößerter Ausschnitt der 4 gezeigt.
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In der 6 ist eine Schrägansicht auf den Umrichter bei entferntem Deckelteil 8 gezeigt.
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In der 7 ist ein Querschnitt durch den Umrichter bei entferntem Deckelteil 8 gezeigt.
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In der 8 ist ein Querschnitt durch die Kassette gezeigt.
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In der 9 ist ein anderer Querschnitt durch die Kassette gezeigt.
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In der 10 ist eine Seitenansicht der Kassette gezeigt.
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In den 3 bis 10 ist der Kunststoffkörper jeweils entfernt.
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In der 11 ist eine im Längsschnitt angeschnittene Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels dargestellt.
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In der 12 ist eine im Querschnitt angeschnittene Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels dargestellt.
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In der 13 ist die Kühlplatte 1 in Seitenansicht dargestellt.
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In der 14 ist das Federelement 120 zum Andrücken der Kühlplatte 1 samt Schraube 33 explodiert dargestellt.
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In der 15 ist die Kühlplatte 1 in einer ersten Schrägansicht dargestellt.
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In der 16 ist die Kühlplatte 1 in einer zweiten Schrägansicht dargestellt.
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In der 17 ist die Kühlplatte 1 in einer dritten Schrägansicht dargestellt.
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Das Gehäuse des Umrichters weist ein topfförmiges einstückig vorzugsweise aus Aluminium gefertigtes Gehäuseteil 9 auf, das mittels eines Deckelteils 8 verschlossen ist. Im Zwischenbereich zwischen Deckelteil 8 und topfförmigem Gehäuseteil 9 sind Kabeldurchführungen vorgesehen, so dass einerseits Versorgungskabel in den Innenraum einführbar sind und andererseits Verbindungskabel zum vom Umrichter gespeisten Elektromotor, also Verbraucher, herausführbar sind. Außerdem sind auch Datenbuskabel durch eine dortige Kabeldurchführung hindurch in den Innenraum geführt.
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Der Elektromotor ist vorzugsweise ein Drehstrommotor. Die Versorgungskabel führen vorzugswiese einphasig oder dreiphasig Netzwechselspannung.
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Im Innenraum des Umrichters ist eine Kassette eingeschoben, die die Leiterplatte 12 des Umrichters umfasst und eine Kühlplatte 1.
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Auf der Leiterplatte ist die gesamte elektronische Schaltung des Umrichters angeordnet, also Signalelektronik und Leistungselektronik. Dabei gehören zur Leistungselektronik zumindest
- – ein Gleichrichter, welcher die mittels der Versorgungskabel zugeführte Wechselspannung gleichrichtet,
- – ein Zwischenkreiskondensator zum Glätten der gleichgerichteten Spannung und
- – ein Leistungsmodul, welches in Halbbrücken angeordnete Leistungshalbleiterschalter aufweist, von welchen die den Motor speisenden Leitungen gespeist werden.
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Die Signalelektronik erzeugt pulsweitenmodulierte Ansteuersignale für die Leistungshalbleiterschalter und ist mit dem Datenbus verbunden.
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Die Leiterplatte 12 ist also mit zumindest einem großen Bauteil 3 bestückt wie beispielsweise der Zwischenkreiskondensator und Leistungsmodul 5. Außerdem ist die Leiterplatte 12 auch mit kleinen Bauteilen 11 bestückt, wie SMD-Bauteile.
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Das Leistungsmodul 5 ist mittels einer Verbindungsschraube, aufweisend einen Schraubenkopf 7, an eine Kühlplatte 1 angeschraubt, so dass die Wärme des Leistungsmoduls an der Kontaktfläche zur Kühlplatte 1 abführbar ist. Das Leistungsmodul 5 weist als Kontaktfläche eine keramisierte oder mit Kupfer überzogene Kontaktfläche auf. Die Kühlplatte 12 ist vorzugswiese aus Aluminium ausgeführt. Somit ist ein gut wärmeleitender Kontakt herstellbar und die Wärme effektiv abführbar.
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Die Kühlplatte weist eine Plattenfläche von mehr als 50%, insbesondere von mehr als 80% oder 90% der Leiterplattenfläche auf. Es ist sogar eine verbesserte Wärmeaufspreizung erreichbar, wenn die Plattenfläche der Kühlplatte 1 die Leiterplattenfläche übersteigt.
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Somit ist eine Aufspreizung der vom Leistungsmodul erzeugten Wärme erreicht.
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Bei Einführen der Kassette ins topfförmige Gehäuseteil 9 wird die Kühlplatte an die Innenwandung des topfförmigen Gehäuseteils angedrückt, insbesondere zunehmend angedrückt beim Anziehen von entsprechenden Verbindungsschrauben, welche die Verbindung der Kassette mit dem topfförmigen Gehäuseteil 9 bewirken. Somit wird die Wärme von der Kühlplatte 1 dann an das topfförmige Gehäuseteil 9 übertragen und somit aufgespreizt.
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Wichtig ist dabei, dass das topfförmige Gehäuseteil die Kassette mit Ausnahme des Deckelteilbereichs umschließt. Somit sitzt die Leiterplatte beidseitig in diesem thermisch ungefähr gleiche Temperatur aufweisenden Gehäuseteil 9. Die Signalelektronik und Leistungselektronik sind
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Die Leiterplatte 12 ist beidseitig von Schaumteilen umgeben, also sozusagen eingepackt. Nur Auf einer Seite ist eine Kühlplatte 1 angeordnet, so dass nur die Leiterplatte 12 nicht aber die Kühlplatte 1 beidseitig eingepackt ist.
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Auf der ersten Seite der Leiterplatte ist ein das erste Schaumteil 10 angeordnet. Auf der anderen Seite, also zwischen Kühlplatte 1 und Leiterplatte 12 ist das zweite Schaumteil 4 angeordnet.
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Die beiden Schaumteile 4 und 10 sind mittels einer Verrastung verbindbar. Somit umklammern sie sozusagen die Leiterplatte 12.
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Das zweite Schaumteil 4 weist Ausnehmungen auf, für die großen Bauteile 3 und das Leistungsmodul 5. Da verbleibende Stege aus Stabilitätsgründen eine Mindestwandstärke aufweisen müssen, ergibt sich bei eng angeordneten großen Bauteilen 3 und Leistungsmodul 5 anstatt einzelner voneinander beabstandeter Ausnehmungen im Schaumteil 4 eine einzige große Ausnehmung 20 wie in 2 gezeigt. Somit leitet die in den Zwischenräumen zwischen den großen Bauteilen und innerhalb des zweiten Schaumteils 4 angeordnete Luft Konvektiv Wärme von heißen zu kalten Oberflächenbereichen, insbesondere also zur Kühlplatte 1 hin.
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Das zweite Schaumteil 4 ist gemäß 2 als ringförmige Struktur ausgeprägt.
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Die Verrastung 2 beziehungsweise 6 der Schaumteile 4 und 10 wird durch deren Ausformung erreicht, ist also ohne zusätzliche Teile ausführbar. Hierbei wird an einem der Schaumteile 4 oder 10 eine Rastnase ausgeformt und am anderen eine entsprechende Ausnehmung mit Rast-Vorsprung. Durch Hintergreifen des Vorsprungs, also Verrastung, ist eine formschlüssige Verbindung herstellbar.
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Die Schaumteile 4 und 10 bilden einen Schutz für die Leiterplatte gegen mechanische Einwirkungen, wie Kraftstöße und/oder Schwingungen. Somit ist die Leiterplatte 12 in dieser durch die Schaumteile 4 und 10 gebildeten Verpackung sicher lagerbar und transportierbar.
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Außerdem sind je nach Applikation oder Kundenwunsch verschieden geformte topfförmige Gehäuseteile 9 mit der Kassette verbindbar. Ebenso sind verschieden ausgeprägte Deckelteile 8 verbindbar. Auf diese Weise lassen sich also Umrichter mit verschiedenem äußeren Erscheinungsbild und entsprechend verschiedenen Funktionalitäten herstellen, ohne dass die Leiterplatte jedesmal anders ausgeführt werden muss. Wichtig ist dabei nur, dass die Schnittstelle zur Kassette hin kompatibel ist, insbesondere muss die Schnittstelle zur Anbindung der Kühlplatte 1 zur Innenwandung des topfförmigen Gehäuseteils 9 eingehalten werden.
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Die Verrastung 2 und 6 ist vorzugsweise lösbar ausgeführt.
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In einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist die Beabstandung der großen Bauteile 3 voneinander und vom Leistungsmodul 5 größer als in 1 und 2. Somit weist dann das zweite Schaumteil mehrere Ausnehmungen auf, die jeweils deutlich kleiner sind als die in 2 gezeigte Ausnehmung. Dabei werden aber Ausnehmungen derart dimensioniert und angeordnet, dass heiße Wärmequellen durch die in den jeweiligen Ausnehmungen sich ausbildenden konvektiven Luftströmungen zur Kühlplatte 1 hin entwärmt werden. Diese Ausbildung der Ausnehmungen als konvektiv betriebene Luftbereiche ist dann besonders vorteilhaft, wenn die Wärmeleitfähigkeit des Schaumteilwerkstoffs niedriger ist als die von Luft.
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Unter Luft ist bei der vorliegenden Erfindung die Umgebungsluft des Umrichters und/oder Luft mit einer Temperatur von 20°C bei 1 bar Druck und einer Feuchtigkeit von 30% zu verstehen,
Wenn die Wärmeleitfähigkeit des Schaumteilwerkstoffes diejenige von Luft übersteigt, wird auf die Ausnehmungen für konvektiv betriebene Luftbereiche möglichst verzichtet. Es werden also dann nur Ausnehmungen für die großen Bauteile 3 und das Leistungsmodul 5 vorgesehen.
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Als Schaumstoffwerkstoff ist ein Polyurethan verwendbar oder auch Styropor.
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In einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird die bestückte Leiterplatte 12 nicht mit zwei Schaumteilen mechanisch verbunden sondern es wird ein Schaumteil umspritzend hergestellt oder bei der Styroporherstellung. Hierbei wird die bestückte Leiterplatte mit einem wasserundurchlässigem oder wasserdampfundurchlässigem Lack lackiert, beispielsweise als Tauschlack. In einem weiteren Herstellschritt wird dann die so lackierte Leiterplatte 12 in eine Werkzeugform eingelegt und dann der verbleibende Innenbereich der Form mit Styroporkügelchen befüllt. Durch zusätzliches Einführen von heißem Wasserdampf werden die Styroporkügelchen miteinander formschlüssig verbunden, so dass die Schaumteile 4 und 10 einstückig ausgeformt sind und keine zusätzlichen Ausnehmungen für Luft oder dergleichen enthalten. Dabei ist die Wärmeleitung des entstehenden Styropors durch chemische Zusätze derart verbessert, dass sie besser ist als die von Luft. Statt des Styropors ist auch ein anderer zum Umspritzen geeigneter elektrisch isolierender aber besser als Luft wärmeleitender Werkstoff verwendbar. Je nach Herstellverfahren ist dann die Lackierung mit wasserdampf- oder wasserabweisendem Lack verzichtbar.
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Vorzugsweise wird auf Wärmeleitpaste im Kontaktbereich zwischen Kühlplatte und Gehäuseteil verzichtet. Die Fläche ist hierfür genügend groß, so dass die Wärme entsprechend effektiv aufgespreizt ist.
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Wie in 3 gezeigt ist am oberen Randbereich, also an dem dem Deckelteil 8 zugewandten Randbereich eine Aufnahme 30 für Kabeldurchführung 60 angeordnet. Dabei verläuft die die Aufnahme 30 bildende Ausnehmung U-förmig. Nach unten, also in Richtung zum Boden des topfförmigen Gehäuseteils 9 hin, ist die Ausnehmung also verjüngt ausgeführt. Die lichte Weite nimmt also in dieser Richtung monoton ab. Somit ist eine elastische Kabeldurchführung 60 einsetzbar, die bei aufsetzen des Deckelteils 8 nach unten gedrückt und dabei elastisch verformt wird. Ein durch die Kabeldurchführung 60 durchgeführtes Kabel wird dabei sehr effektiv abgedichtet.
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Auf der Leiterplatte 12 ist auch ein Anschlussmittel 31 für elektrische Leitungen angeordnet, an das die durch eine Kabeldurchführung 60 geführten Versorgungsleitungen und die den Motor speisenden Leitungen elektrisch anschließbar und verbindbar sind.
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Die im Deckelteil 8 angeordneten Eingabemittel und Anzeigemittel sind mittels eines vom Deckelteil 8 zur Leiterplatte 12 geführten Kabels elektrisch verbunden, wobei am Ende des Kabels ein Steckverbinderteil angeordnet ist, welches in ein auf der Leiterplatte 12 angeordnetes Gegensteckverbinderteil steckverbindbar ist. Alternativ ist das Steckverbinderteil auch am Deckelteil 8 anordenbar und in das Gegensteckverbinderteil steckverbindbar.
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In 3 und 7 ist auch ein am Boden des topfförmigen Gehäuseteils 9 ausgeformter Dom 32 gezeigt, in welchen die Schraube 33 einschraubbar ist. Beim Einschrauben der Schraube 33 wird ein Keil 34 vom Schraubenkopf der Schraube 33 nach unten gedrückt. Dabei ist der Keil 34 seitlich geführt in der seitlichen Führungsnasen 51, welche jeweils eine in Schraubachsenrichtung verlaufende Führungsnut 50 zur Führung des Keils 34 aufweisen.
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Der Keil 34 weist ein Loch auf, durch das die Schraube 33 ragt und an dessen Berandungsbereich der Schraubenkopf sich abstützt.
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Die Führungsnasen 51 sind an der Kühlplatte 1 ausgeformt. Außerdem ist an der Kühlplatte 1 eine zweite Gleitfläche 71 ausgeformt, welche schräg zur Schraubrichtung und schräg zur Normalenrichtung der Kühlplatte 1 verläuft, also mit sich in Schraubrichtung verringerndem Abstand zur Schraube. Eine entsprechend schräge erste Gleitfläche 70 ist am Keil 34 angeordnet, so dass bei Einschrauben der Schraube 33 in den Dom 32 die Kühlplatte 1 weggedrückt wird vom Dom 32. Auf diese Weise wird die Kühlplatte 1 mit ihrer kontaktfläche an eine entsprechende Kontaktfläche an der Innenwandung des topfförmigen Gehäuseteils 9 gedrückt, die sich auf der von der Schraube abgewandten Seite der Kühlplatte 1 befindet.
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Wie in 4 gezeigt ist, weist das Leistungsmodul 5 eine Kontaktfläche 40 zur Wärmeabfuhr an die Kühlplatte 1 auf. Dabei ist die Kontaktfläche gut wärmeleitend und daher vorzugswiese als Kupfer- oder Keramik-Kontaktfläche ausgebildet.
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Wie in 8 gezeigt, ist die Leiterplatte mit einer Verbindungsschraube 80 mit der Kühlplatte 1 verbunden, wobei die Verbindungsschraube 80 mittig durch das Leistungsmodul 5 geführt ist und dieses mit seiner Kontaktfläche 40 an die Kühlplatte andrückt. Dabei drückt der Schraubenkopf der Verbindungsschraube über ein plattenförmiges Zwischenteil auf die von der Kühlplatte 1 abgewandte Seite der Leiterplatte 12 und hält somit Leiterplatte 12 und Kühlplatte zusammen. Der Abstand zwischen Leiterplatte 12 und Kühlplatte wird durch das Leistungsmodul vorgegeben, das somit auch als Beabstandungsmittel wirkt.
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Wie in 9 gezeigt ist, ist eine weitere Verbindungsschraube 90 ebenso an der Leiterplatte angeordnet, deren Schraubenkopf direkt auf die von der Kühlplatte 1 abgewandte Seite der Leiterplatte drückt. Die Verbindungsschraube 90 wird in einen an der Kühlplatte ausgeprägten Befestigungsdom 91 eingeschraubt. Auf diese Weise wird die Leiterplatte 12 auf die Kühlplatte 1 angeschraubt.
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Der Keil weist zwei zueinander nicht parallele ebene Flächenabschnitte auf. Somit wird die von dem Schraubenkopf in den Keil eingeleitete Kraft aufgeteilt in entsprechende von den Flächenabschnitten auf die entsprechenden Kontaktflächen wirkenden Kraftanteile. Dabei ist eine der Kontaktflächen an der Kühlplatte 1 wirksam und die andere
Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel sind die Führungsnasen 51 als separates Teil ausgeführt und mit der Kühlplatte 1 entsprechend verbunden.
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist der Befestigungsdom 91 ebenso als separates Teil ausgeführt und mit der Kühlplatte 1 entsprechend verbunden.
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Wie in den 11 bis 15 dargestellt, weist im Unterschied zu dem zuvor dargestellten Ausführungsbeispiel die Kassette ein Blechteil 113 als Schutzgehäuse auf. Somit ist ein zusätzlicher Schutz der Leiterplatte und der auf ihr vorgesehenen Bauteile erreicht. Das Blechteil 113 ist im Verbindungsbereich 112 mit der Kühlplatte verbunden.
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Die Kühlplatte 1 weist einen Keilabschnitt 34 auf, welcher in eine entsprechende Vertiefung des Gehäuseteils 9 eingeführt ist. Die Vertiefung ist zum Innenraum hin mittels eines am Gehäuseteil 9 einstückig ausgeformten Rippenabschnitts 110 und der Außenwandung des Gehäuseteils 9 gebildet. Der Rippenabschnitt 110 ragt also in den Innenraum hinein. Die keilförmige Vertiefung weist eine Schrägfläche 111 auf. Dabei ist die Materialpaarung der Kühlplatte 1 und des Gehäuseteils 9 derart gewählt und der Keilwinkel des Keilabschnitts 34 sowie der Öffnungswinkel der Vertiefung derart gewählt, dass eine selbsthemmende Verkeilung eintritt nach dem Einführen des Keilabschnitts 34 in die Vertiefung.
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Dabei wird das Hineindrücken des Keilabschnitts 34 der Kühlplatte 1 in die Vertiefung von einem Federelement 120 bewirkt, welches auf die Kühlplatte 1 drückt.
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Abgestützt ist das Federelement 120 am Gehäuseteil 9. Eine Schraube 33 ist zwar eingeschraubt in das Gehäuseteil 9, wobei sie durch eine Ausnehmung des Federelements 120 geführt ist und der Schraubenkopf der Schraube 33 somit das Federelement 120 an das Gehäuseteil 9 andrückt. Jedoch drückt die Schraube nicht direkt auf die Kühlplatte 1. Das Federelement 120 weist auch nach dem Einführen des Keilabschnitts 34 in die Vertiefung noch eine elastische Spannung auf, so dass auch bei nicht statischen mechanischen Belastungen, wie Vibrationen oder andere Schockbelastungen, eine sichere Verbindung zwischen Kühlplatte 1 und Gehäuseteil 9 gewährleistet ist.
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Darüber hinaus ist mittels der Schraube 33 auch eine sichere elektrische Erdverbindung zwischen Gehäuseteil 9 und Kassette erreicht. Denn zwischen Kühlplatte 1 und Gehäuseteil 9 ist auch elektrisch isolierende Wärmeleitpaste vorsehbar und somit keine sichere Erdverbindung gewährleistbar.
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Das Federelement 120 ist als Stanz-Biegeteil ausführbar.
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Wie aus 13 bis 15 ersichtlich, weist die Kühlplatte 1 einen Wärmespreizabschnitt 130 auf, so dass die vom schraubverbundenen Leistungsmodul 5 erzeugte Wärme über eine fein bearbeitete Kontaktfläche 131 in die Kühlplatte 1 einleitbar ist und dort aufspreizbar ist. über die Berührfläche zum Gehäuseteil 9 hin wird die Wärme abgeleitet, insbesondere also von der ersten Gleitfläche 70 zur zweiten Gleitfläche 71. Die zum Gehäuseteil 9 hin gerichtete Berührfläche der Kühlplatte 1 bleibt bei der Einführung des Keilabschnitts 33 in die Vertiefung parallel zur entsprechenden Berührfläche am Gehäuseteil 9. Die Schrägfläche 111 ist daher weiter innen, also weiter im Innenraum und somit weiter entfernt zum Außenraum, angeordnet, so dass die genannte parallele Ausrichtung der Berührflächen erhalten bleibt. Erste Gleitfläche 70 und zweite Gleitfläche 71 sind also jeweils parallel zur Einführrichtung.
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Wie in 16 ersichtlich, ist ein 160 Befestigungsdomabschnitt 160 an der Kühlplatte 1 vorgesehen, der eine Ausnehmung aufweist, in welche eine Schraube einschraubbar ist zum Andrücken der Leiterplatte 12 an den Befestigungsdomabschnitt 160 der Kühlplatte 1 mittels des Schraubenkopfes der Schraube.
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist oder sind wiederum einseitig oder beidseitig der Leiterplatte ein oder mehrere Kunststoffkörper vorgesehen. Das umschließende Blechteil 113 bewirkt somit einerseits eine stabile mechanische Befestigung und andererseits ist auch die vom Kunststoffkörper durchgeleitete Wärme an die Kühlplatte 1 weiterleitbar und von dort über das Gehäuseteil 9 an die Umgebung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlplatte
- 2
- Verrastung
- 3
- großes Bauteil, insbesondere Kondensator
- 4
- zweites Schaumteil
- 5
- Leistungsmodul, aufweisen Leistungshalbleiterschalter
- 6
- Verrastung
- 7
- Schraubenkopf einer Verbindungsschraube zum Anschrauben des Leistungsmoduls an die Kühlplatte 1
- 8
- Deckelteil
- 9
- topfförmiges Gehäuseteil
- 10
- erstes Schaumteil
- 11
- SMD-Bauteile oder kleine elektronische Bauteile
- 12
- Leiterplatte
- 30
- Aufnahme für Kabeldurchführung
- 31
- Steckverbinderteil
- 32
- Dom, einstückig am Boden des topfförmigen Gehäuseteil 9 ausgebildet
- 33
- Schraube
- 34
- Keil
- 40
- Kontaktfläche zur Wärmeabfuhr, insbesondere Kupfer- oder Keramik-Kontaktfläche
- 50
- Führungsnut zur Führung des Keils 34
- 51
- seitliche Führungsnase
- 60
- Kabeldurchführung in der Aufnahme 30
- 70
- erste Gleitfläche
- 71
- zweite Gleitfläche
- 80
- Verbindungsschraube
- 90
- Verbindungsschraube
- 91
- Befestigungsdom für PE-Schraube, also Erdung
- 110
- Rippenabschnitt
- 111
- Schrägfläche
- 112
- Verbindungsbereich zwischen Kühlplatte 1 und Blechteil 113
- 113
- Blechteil
- 120
- Federelement
- 130
- Wärmespreizabschnitt
- 131
- Kontaktfläche
- 160
- Befestigungsdomabschnitt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006022497 A1 [0004]
- GB 2067844 A [0005]
- US 2008/0019102 A1 [0006]
- DE 2614917 [0007]
- US 5218517 A [0008]
- DE 102010050120 A1 [0009]
- DE 102007041419 A1 [0010]
