JP2010500853A - 制御装置、特に電動ハンドツール用の電気スイッチの形態としての制御装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、電気モータ（３）を有する電動ハンドツール（１）のための制御装置、特に、電気スイッチ（４）、に関する。電動ハンドツール（１）は、例えばボール盤、グラインダ、のこぎり、かんな、角度付グラインダ等のバッテリ充電式及び／又は電源網式であり、電気モータ（３）を備える、電動ツール等を含む。スイッチ（４）は、パワートランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、トライアック等のような少なくとも１つの発熱素子部品を収容するためのハウジング（５）を備える。この発熱素子部品は特に電気回路装置に配置され、この電気回路装置は、例えば、発熱素子部品を介して電気モータ（３）まで流れる電気的負荷電流の、対応する制御及び／又は調節によって電気モータ（３）を制御及び／又は調節するために使用される。熱伝導手段（８）は、片側で電気スイッチ（４）のハウジング（５）、及び／又は、発熱素子部品、特にハウジング（５）に配置されたパワー半導体に接続され、反対側で、スイッチ（４）に割り当てられた冷却領域（９）に接続される。

Description

発明の詳細な説明

本発明は、請求項１の前提部分に記載の制御装置に関する。
上記のような制御装置は、特に、電気モータを有する、バッテリ充電式及び／又は電源網式(Netz-)の電動ツールような電動ハンドツール用の電気スイッチとして使用される。これらの電動ツールは、ボール盤、グラインダ、のこぎり、かんな、角度付グラインダ等であってもよい。

ＤＥ １９５ ０８ ９２５ Ａ１は、電気モータの開ループ及び／又は閉ループ制御を行う電気回路装置を収容するハウジングを有する、電動ツール用電気スイッチを開示している。このような回路装置は、例えばパルス幅変調によって電気モータの回転速度の開ループ及び／又は閉ループ制御を行う電子モジュールであってもよい。この回路装置はハウジング内に配置され、現在ではパワー半導体、パワートランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、トライアック等のような素子を、少なくとも１つ含む。回路装置は素子を介して電子モータまで流れる電気的負荷電流の適切な開ループ及び／又は閉ループ制御を行うために用いられる。

素子は、パワー素子としての機能のため、熱の形態で電力損失を発生し、発生した熱はハウジングから放散される必要がある。回路装置の他の部品も、同様に熱損失を発生し得る。ハウジングの外部に配置されるヒートシンクは、その熱を放散するのに用いられる。現在では、このようにして達成され得る熱放散では十分ではない場合があることが明らかにされている。特に、電動ツール、具体的には、例えば、リチウムイオン充電式バッテリで作動する電動ツール、において直流モータ用の高出力スイッチを用いる場合、熱放散が十分でない可能性がある。このような状況下では、スイッチの動作信頼性、ひいては電動ツールの動作信頼性をも損なわれることは明らかである。

本発明は、ハウジングからの熱放散を向上させるという目的に基づくものである。このような背景における特有の目的の１つは、スイッチのパワー半導体で発生する熱をいかにして効率的かつ迅速に放散し、電動ツールにおける、モータ冷却空気流れによって熱が放散される領域まで、いかにしてその熱を運搬できるかについて、解決策を探ることである。

この一般的な種類の制御装置の場合、本目的は、請求項１で特徴付けられた特徴により達成される。
本発明による制御装置では、熱伝導手段は、一方で、ハウジング及び／又は発熱素子、特にハウジング内に配置されたパワー半導体に接続され、他方で、冷却領域に接続される。冷却領域は、ハウジングの外側及び／又はハウジングとは別に配置され、特に、冷却領域は、制御装置に割り当てられる。制御装置が電気スイッチである場合、熱伝導手段は電気スイッチのハウジングに接続される。本発明は、制御装置及び／又はスイッチの動作信頼性、ひいては電動ツールの動作信頼性を向上させるのに有利に役立つ。本発明のさらなる改良が従属項の主題である。

回路装置、特に電動ツールにおけるこのような電子モジュールの形態をとる回路装置のさらなる目的は、例えばダイオードによる、惰性走行(Freilaufs)の開ループ及び／又は閉ループ制御、例えば、電気モータ、又は、電気モータの、自動スイッチオフ、自動閉ループ制御、電子ブレーキ、電子ソフトスタート等の他の特性変数、のための閉ループ電流制御による、トルクの開ループ及び／又は閉ループ制御、を行うこととなりうる。また、このような状況下における、故障に対する信頼性の向上は、本発明による回路装置からの熱の放散により達成される。

熱伝導手段がヒートパイプを有する場合、熱は特に効果的に放散され得る。ヒートパイプは、一端に蒸発領域を有し、他端に凝縮領域を有する。ヒートパイプはその目的を達成するように、一端は蒸発プレート、他端は凝縮プレートにより閉じられる。また、ヒートパイプは流体を含み、その流体は、相変化、より具体的には蒸発と凝縮により、蒸発領域と凝縮領域との間で熱を運搬する。

ヒートパイプは、機械的及び／又は熱的にパワー半導体に連結されてもよい。シンプルな設計においては、シンプルなアセンブリとするため、ヒートパイプの一端は、ハウジングのパワー半導体の領域に、ハウジングアタッチメントの形態で、例えば、ねじを用いて、取り付けられる。小型の装置を実現するため、ハウジングアタッチメントは蒸発プレートを取り囲み、このように蒸発プレートを取り囲むことにより、ハウジングアタッチメントとパワー半導体との熱的な接触がもたらされる。

ヒートパイプは、可撓性の管及び／又は予め成形された管にて形成されてもよい。その外形は、電動ツールにおけるハウジングガイドに対応する、つまり、電動ツールハウジングの特徴に対応する、ハウジングと冷却領域との間の物理的な空間に、その後、適切に適合されうる。従って、ヒートパイプは、電動ツール内にいかなる追加空間も必要としない。

冷却領域は、電動ツール内部及び／又は電動ツール上において、目的を達成する位置に配置されうる。この冷却領域をモータ冷却空気流れの領域内に配置することは、特に有利である。コンパクトな構成を実現するために、モータ冷却空気流れが凝縮プレートの周囲を流れるように、凝縮プレートを冷却領域に配置することが可能である。

要約すれば、特に好ましい改良としては、ヒートパイプがモータ冷却空気流れの領域に熱を運搬するように、そのヒートパイプが機械的及び／又は熱的にパワー半導体に連結されることを挙げることができる。熱は、ヒートパイプを活用して、高温位置から別のより温度の低い位置まで、効率的かつ迅速に運搬されうる。また、このため、これらのヒートパイプは、熱の超伝導体と呼ばれることもある。その熱運搬力は、熱の量と運搬速度という点で、純銅からなり、ヒートパイプと幾何学的に同一である、ヒートシンクとしての構成部品の熱運搬力の約１００〜１０，０００倍に相当し得る。

本発明によって達成される利点は、特に、熱放散の向上により、今までにないより高い出力範囲が使用可能となる点である。さらに、冷却手段の作動にエネルギーを必要としない受動的な冷却システムであるため、充電式バッテリを動力源とするツールに使用する場合、特に有利である。結果的に、性能が低く、物理的により小型の電子部品やパワー半導体を使用することも可能であり、このことはコストの節約をもたらす。さらに、現在のスイッチに必要とされる高価なヒートシンクを省略することができる。本発明は、電動ハンドツールにおいて、より高い出力範囲で用いられる直流（ＤＣ）高出力スイッチを、より有利に提供し、このスイッチは特にリチウムイオン充電式バッテリにて作動される電動ツールに適している。

電動ツール用のハウジングを示し、電動ツールは、開放された状態で図示されている。

本発明の１つの実施形態を、様々な開発点及び改良点と共に、以下の文章にて詳述し、図面に示す。
図１には、電気モータ３が、送風用羽根車１０及び電気スイッチ４と共に示されうる形で、電動ツール１用のハウジング半殻２が示されている。電気モータ３は電動ツール１の電動ツールハウジング内に配置され、送風用羽根車１０は電気モータ３のために冷却空気流れを生成する。電動ツール１は、例えばボール盤、グラインダ、のこぎり、かんな、角度付グラインダ等の、バッテリ充電式及び／又は電源網式の電動ツールであってもよい。

スイッチ４は、接触装置を保持するために用いられるハウジング５を有し、接触装置は可動スイッチング接点及び固定接点を有するが、これ以上詳細には示されない。ハウジング４は、作動部材６がハウジング半殻２上でハンドルから突出するように、ハウジング半殻２内に保持される。作動部材６は、ハウジング５上に配置され、ユーザにより手動で動かされ得る。作動部材６はスイッチング接点に作用して接触装置を切替え、これにより、電動ツール１は作動部材６によって「オン」及び／又は「オフ」に切替えられうる。スイッチ４を電源、例えば充電式バッテリ、に接続するための電気接続部７もハウジング５上に配置され、またさらに、図示されていないが、スイッチ４を電気モータ３に接続するための、さらなる電気接続部もハウジング５上に配置される。

最終的に、電気モータ３の開ループ及び／又は閉ループ制御を行う電気回路装置は、スイッチ４のハウジング５内に配置される。電気回路装置は、電気モータ３の回転速度を変化させるための制御電子回路として用いられる。この目的のため、電気回路装置は、パワー半導体、パワートランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、トライアック等の、電気回路装置の一部をなす、発熱性のパワー素子を少なくとも１つ有し、その結果、パワー素子を通じて電気モータ３まで流れる電気的負荷電流の適切な開ループ及び／又は閉ループ制御がもたらされる。

例えばパワー素子及び／又は電気回路装置によって発生する、スイッチ４のハウジング５からの熱損失を放散するため、熱伝導手段８の一方は、電気スイッチ４のハウジング５に接続され、他方はスイッチ４に割り当てられた冷却領域９に接続される。冷却領域９は、電動ツール１内部及び／又は電動ツール１上の適切な位置に配置される。この冷却領域９は、熱伝導手段８の端部と共に、電動ツール１の電気モータ３のためのモータ冷却空気流れ内に配置すると特に効率的である。ここで、熱伝導手段８は、概略的にしか示されていないが、スイッチ４を避けつつ、送風用羽根１０近傍の電気モータ３上で終結する。スイッチ４に向かう熱伝導手段８の端部が、発熱素子、特に、ハウジング５内に配置されるパワー半導体に、直接接続されうることは、言うまでもない。

図１からも分かるように、熱伝導手段８はヒートパイプ１１を備える。ヒートパイプ１１は、一端に蒸発領域１２を有し、他端に凝縮領域１３を有する。蒸発領域１２は、ヒートパイプ１１を閉じる蒸発プレートを有してもよく、凝縮領域１３は、ヒートパイプ１１を閉じ、ファンの形態をとる凝縮プレートを有してもよい。ヒートパイプ１１は流体を含み、その結果、この流体は、相変化を用いた周知の方法で、即ち蒸発プレート１２上の蒸発と凝縮プレート１３上の凝縮とにより、蒸発プレート１２と凝縮プレート１３との間で熱を運搬する。

ヒートパイプ１１は、ハウジング５内に配置されたパワー半導体に機械的及び／又は熱的に連結される。この目的のため、ヒートパイプ１１の一端は、ハウジングアタッチメント１４の形態で、パワー半導体の領域においてハウジング５に取り付けられる。ねじ１５は取り付けのために用いられる。ハウジングアタッチメント１４は、蒸発プレート１２を取り囲み、このように蒸発プレート１２を取り囲むことで、パワー半導体との熱的な接触がもたらされる。

ヒートパイプ１１は、可撓性の管及び／又は予め成形された管から形成される。従って、ヒートパイプ１１の外形は、ハウジング５と冷却領域９との間の利用可能な物理的な空間に適切に適合し、即ち、電動ツール１のハウジング半殻２内のハウジングガイドに対応する。本実施形態の場合、図１から分かるように、ヒートパイプ１１はほぼＳ字型である。

本発明は、説明され、図示された模範的な実施形態に限定されない。実際には、本発明は、請求項によって規定された本発明の範囲内の全ての専門的な開発をも含む。従って、本発明は、ＡＣ及び／又はＤＣ電動ツールにおける高出力スイッチとしての電動ツール・スイッチとしてだけではなく、例えば家電製品や電動園芸器具、工作機械等に用いられる他のスイッチとしても使用されうる。同様に、本発明は、ハウジングと共に、又はハウジング無しで、制御装置として、例えば電動ツールのパワーエレクトロニクス、自動車等に使用されうる。

１ 電動ツール
２ ハウジング半殻
３ 電気モータ
４ （電気）スイッチ
５ （スイッチの）ハウジング
６ 作動部材
７ （スイッチの電気）接続部
８ 熱伝導手段
９ 冷却領域
１０ （電気モータ上の）送風用羽根
１１ ヒートパイプ
１２ 蒸発領域／蒸発プレート
１３ 凝縮領域／凝縮プレート
１４ ハウジングアタッチメント
１５ ねじ

Claims (5)

1. 電気モータ（３）を有する電動ツール（１）にて用いられる制御装置、特に、電気スイッチ（４）であり、
   電動ツール（１）は、バッテリ充電式及び／又は電源網式(Netz-)の電動ツール、例えばボール盤、グラインダ、のこぎり、かんな、角度付グラインダ等、であり、
   当該制御装置は、少なくとも１つの発熱素子、例えば、パワートランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、トライアック等、を保持するためのハウジング（５）を備え、
   前記少なくとも１つの発熱素子は、特に、電気回路装置、例えば前記発熱素子を介して電子モータ（３）まで流れる電気的負荷電流を適切に開ループ及び／又は閉ループ制御することによる、電気モータ（３）の開ループ及び／又は閉ループ制御、を行うために使用される電気回路装置、に配置される、制御装置であって、
   熱伝導手段（８）は、一方でハウジング（５）、特に、電気スイッチ（４）のハウジング（５）、及び／又は、前記発熱素子、特に、ハウジング（５）に配置されたパワー半導体、に接続され、他方で、冷却領域（９）、特に、当該制御装置に割り当てられた冷却領域（９）、に接続される
   ことを特徴とする制御装置。
2. 熱伝導手段（８）がヒートパイプ（１１）を備え、
   ヒートパイプ（１１）は、好ましくは一端に蒸発領域（１２）を備えると共に他端に凝縮領域（１３）を備え、特に、一端が蒸発プレートによって閉じられると共に他端が凝縮プレートによって閉じられ、
   ヒートパイプ（１１）は、好ましくは、さらに、蒸発領域（１２）と凝縮領域（１３）との間で相変化により熱を運搬する流体を含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. ヒートパイプ（１１）は、前記パワー半導体に機械的及び／又は熱的に連結され、
   ヒートパイプ（１１）の一端は、好ましくはハウジングアタッチメント（１４）の形態で、前記パワー半導体の領域においてハウジング（５）に、特にねじ（１５）を用いて、取り付けられ、
   ハウジングアタッチメント（１４）は、好ましくはさらに蒸発プレート（１２）を取り囲み、蒸発プレート（１２）を取り囲むことにより前記パワー半導体と熱的に接触する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の制御装置。
4. ヒートパイプ（１１）は、可撓性の管及び／又は予め成形された管にて構成され、
   ヒートパイプ（１１）の外形は、好ましくはハウジング（５）と冷却領域（９）との間の物理的な空間に適切に適合し、特に、電動ツール（１）のハウジングガイドに対応する
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の制御装置。
5. 冷却領域（９）は電動ツール（１）内部及び／又は電動ツール（１）上、特に、電気モータ（３）のためのモータ冷却空気流れの領域、に配置される
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の制御装置。

Images