WO2007014546A1 - Transformatoranordnung mit einem piezotransformator - Google Patents

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WO2007014546A1
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heat sink
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base body
transformer arrangement
heat
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Heinz Florian
Alexander Glazunov
Igor Kartashev
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Epcos AG
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Definitions

  • a piezoelectric transformer is capable of transforming a high voltage into a low voltage, or vice versa.
  • Piezoelectric transformers are z. B. from the document US 2,830,274 known.
  • An object to be solved is to provide an arrangement with a piezoelectric transformer, which is particularly reliable and has a long service life.
  • a transformer arrangement which comprises a piezoelectric transformer with a base body and a heat sink on which the base body is arranged.
  • the main body is thermally coupled to the heat sink by means of at least one heat-conducting coupling element.
  • a heat-conducting coupling element ensures good thermal contact between the body and the heat sink and therefore also a good heat exchange.
  • the heat produced in the body heat can be removed from the body. This is particularly advantageous in the case of piezotransformers designed for high powers of more than 50 watts.
  • the main body comprises an input part and an output part of the transformer and an insulating region, mit- Tels of which the input part and the output part are mechanically connected to each other and are electrically isolated from each other.
  • outer electrodes are preferably arranged, which are conductively connected in a variant with hidden in the main body inner electrodes.
  • the inner electrodes are alternately connected to the first and the second outer electrode of the corresponding transformer part.
  • An acoustic wave can be excited by applying an electrical alternating voltage to the internal electrodes of the input part.
  • the acoustic wave can also be excited between opposing outer electrodes of the input part.
  • the in the input part by an input signal electrically excited wave is transmitted to the output part of the piezoelectric transformer and converted there into an electrical output signal.
  • the main body preferably has the shape of a cuboid.
  • the main body can also be another form, z. B. having a cylinder or a disc.
  • the heat sink may form at least part of a housing of the transformer arrangement, in which the main body of the piezotransformer is arranged.
  • the housing may have a U-profile in one direction or in two mutually perpendicular directions.
  • the housing may also have the shape of a cup.
  • In the housing in particular in its side walls can be provided as many ventilation openings.
  • the heat sink may also form at least part of a holding device on which the base body is arranged.
  • the holding device can, for. B. include a base plate.
  • the fastening devices can, for. B. be provided for fixing the body.
  • the transformer arrangement can be fastened in a variant to an external carrier.
  • the heat sink may comprise a cooling plate made of a good heat-conducting material.
  • the heat sink may have, in addition to a bottom plate side walls which preferably form a piece with the bottom plate or attached thereto.
  • the heat-conducting coupling element is arranged in a variant on the bottom of the heat sink and is a support for the main body. It can also be provided a plurality of heat-conducting coupling elements which form a support for the main body.
  • the main body is mounted on the coupling element or the coupling elements and preferably spaced from the side walls of the heat sink and the housing.
  • the main body may alternatively be fastened by means of at least two coupling elements between the side walls of the heat sink, wherein the Grundk ⁇ r- by the bottom of the heat sink or the housing is preferably spaced.
  • the heat-conducting coupling element also mechanically couples the base body and the heat sink, so that displacements of the base body can be transmitted to the heat sink via this coupling element.
  • the contact area between the at least one heat-conducting coupling element and the main body is therefore preferably smaller than the area of the side of the main body contacting this coupling element.
  • the heat-conducting coupling element with a comparatively small contact surface functions like a heat sink.
  • the contact surface between the heat-conducting coupling element and the main body is preferably chosen so large that an efficient heat exchange between the main body and the heat sink is ensured.
  • the heat-conducting coupling element can serve as a spacer element for forming an air gap between the main body and the heat sink.
  • at least two spaced-apart heat-conducting coupling elements are provided as spacers between the main body and the heat sink.
  • the measured in wave propagation direction length of the air gap is z. B. at least 50%, in a variant between 60% and 90% of the measured in this direction length of the body.
  • the coupling elements In order to keep the transmission of vibrations of the main body to the heat sink low, it is advantageous to arrange the coupling elements outside of those areas of the main body surface, in which the main body is deflected by the a-kustician wave most.
  • the length of the heat-conducting coupling element is therefore preferably selected so that it is remote from the regions of the main body is held in which wave bellies of the acoustic wave occur.
  • the one or more heat-conducting coupling elements are preferably each substantially limited to a wave node area.
  • This is a preferably elongated region of the basic body surface in which wave nodes of an acoustic wave excited in the basic body occur or in which the amplitude of acoustic oscillations reaches a certain level, eg. B. 20% of the maximum amplitude of oscillation does not exceed Ü, the maximum amplitude of vibration often occurs at the open ends of the body.
  • a wave node region for example, a region of the base body is designated, whose length in the wave propagation direction is at most 20% of the acoustic wavelength ⁇ . Outside the wave node areas of the body preferably does not touch the heat sink or is spaced therefrom.
  • the length of the heat-conducting coupling element measured in the wave propagation direction of the acoustic wave excited in the main body is preferably smaller than the length of the main body measured in this direction.
  • the length of the coupling element is z. B. a maximum of 30%, preferably a maximum of 20%, in a variant of at most 10% of the measured length in this direction of the body.
  • the thermally conductive coupling element may, for example, parallel to a wavefront, d. H. extend in a direction transverse to the wave propagation direction.
  • the heat-conducting coupling element is preferably elongated.
  • the overall surface of the heat sink is preferably larger ,
  • the heat sink may have ribs in a variant. This has the advantage that a particularly large overall surface of the heat sink is achieved.
  • the heat-conducting coupling element of a material in which mechanical vibrations are damped in particular at a resonant frequency of the piezoelectric transformer. This is z. B. possible if the coupling element is oscillatable. Coupling elements made of an elastically deformable or rubber-like material are therefore particularly suitable.
  • the thermally conductive coupling element may, for. B. be a thermally conductive paste or a thermally conductive gel.
  • the heat-conducting coupling element is electrically insulating in a further variant.
  • the heat-conducting coupling element is electrically conductive in a further variant.
  • the electrically conductive heat-conducting coupling element can contact a contact layer arranged on the main body and a contact layer arranged on the heat sink, and conductively connect these contact layers to one another.
  • the contact layer arranged on the base body can be an outer electrode of the piezoelectric transformer.
  • the contact surface arranged on the heat sink is preferably connected to an externally accessible connection of the heat sink.
  • each case at least one heat-conducting coupling element is arranged on opposite sides of the base body.
  • a thermally conductive coupling element is in each case arranged on the underside and the upper side of the base body, which thermally couples the base body to the cooling body.
  • the wave propagation direction is preferably a lateral direction (longitudinal oscillator).
  • a thermally conductive coupling element is arranged on opposite sides or side surfaces of the base body.
  • the wave propagation direction is preferably a vertical direction (thickness oscillator).
  • the arranged between the underside of the body and the heat sink bottom heat-conducting coupling element is preferably coupled directly to the heat sink, whereas the upper heat-conducting coupling element preferably by means of another element - preferably a spring element explained below - is connected with a good thermal conductivity to the heat sink.
  • the upper heat-conducting coupling element may have the properties mentioned in connection with the lower heat-conducting coupling element.
  • the upper and the lower heat-conducting coupling element is electrically conductive.
  • the spring element presses the main body from above against one or more supports, which are preferably formed by the one or more thermally conductive coupling elements.
  • the base body can be reliably fixed to the heat sink or in the housing.
  • a spring element a spring tongue or an elastically deformable stopper is suitable.
  • the spring element presses the upper heat-conducting coupling element against the base body and connects this with the heat sink thermally.
  • the spring element can absorb the upper heat Conductive coupling element conductively connected to arranged on the heat sink contact surfaces.
  • the spring element can, for. B. be biased by means of its spring clip on the heat sink.
  • the spring clip can z. B. performed by provided in the heat sink openings and fixed by means of the bends in the heat sink. The distance between these openings is preferably smaller than the span between the not yet biased spring clips.
  • the downwardly facing ends of the spring clips may be bent, their bent portions pressing from below against the heat sink.
  • locking devices may be provided for locking the spring element or the spring clip of the spring element.
  • An intermediate element can be arranged between a wall of the heat sink and a side of the base body arranged parallel to the wavefront, which serves 1) as a holder of the base body in the heat sink and 2) reduces the transmission of base body vibrations to the heat sink.
  • the intermediate element is suitable for damping the mechanical vibrations excited in the main body.
  • two such intermediate elements are provided in the wave propagation direction, wherein in each case an intermediate element between a wall of the heat sink and the side surface of the base body facing it is arranged.
  • the two intermediate elements are z. B. along an axis, preferably arranged parallel to the wave propagation direction central axis of the body.
  • the contact between the intermediate element and the main body is preferably substantially a point contact. In any case, the area of contact between the intermediate element and the main body is smaller in terms of area than the side of the main body which comprises this contact surface.
  • the acoustic wave propagates in a variant in a longitudinal direction, i. H. parallel to main surfaces of the main body.
  • the wave propagation direction can be radially directed in the case of a disc-shaped base body.
  • the antinodes occur on end faces of the main body and - in the second harmonic of the piezo transformer - in its parallel to these end faces extending, relatively narrow central region.
  • the wave nodes occur in a narrow body region, which is located in the middle between two wave belly regions.
  • a thickness oscillator in the basic body, in one variant, can be realized, wherein the wave propagation direction is directed vertically or perpendicular to the underside of the base body.
  • the antinodes on main surfaces of the body - in the second harmonic also in its parallel to these major surfaces extending, relatively narrow central region - on.
  • the wave nodes occur in a narrow body region, which is located in the middle between two wave belly regions.
  • the Wellenknoten- and Wellenbauch areas extend parallel to a lateral plane.
  • the realized as a thickness oscillator body can, for. B. be formed as a disc.
  • an already mentioned, preferably vibration damping intermediate element disposed between the bottom plate of the radiator and the underside of the base body.
  • the intermediate element is preferably arranged along a central axis of the main body parallel to the wave propagation direction between the underside of the base body and the bottom of the cooling body.
  • a cup-shaped heat sink is suitable whose lateral surface in one variant forms an outer tube - or an outer cylinder for the disc-shaped main body.
  • a disk-shaped main body in the outer tube of the heat sink can be clamped by means of the preferably elastically deformable coupling elements or be connected by means of the coupling elements fixed to this outer tube.
  • At least one heat-conducting coupling element is arranged in at least one direction or radial direction on the opposite sides of the main body, which thermally couples the main body to the side wall of the heat sink.
  • the Grundk ⁇ rper is mainly held by at least two coupling elements between the side walls of the heat sink.
  • the main body may be annular in cross-section, d. H. , an inner and an outer lateral surface or side surface.
  • the heat sink can in this case with outer tube and inner tube and possibly. a bottom connecting the outer tube and the inner tube, so be formed as a trough with an inner hole.
  • the outer tube and the inner tube each form a side surface of the heat sink.
  • the outer tube and the inner tube can - especially in the case of an annular Basic body with a round cross section - be cylindrical. But they can also - in the case of a closed body with an inner hole, but a rectangular shape - have a rectangular shape.
  • a heat-conducting coupling element can be arranged in at least one radial direction, preferably on opposite sides of the main body. Furthermore, in each case a further heat-conducting coupling element can be arranged in at least one radial direction-preferably also on mutually opposite sides of the main body-between the inner lateral surface of the main body and the inner tube of the cooling body.
  • the annular base body is clamped between the inner tube and the outer tube of the heat sink by means of the preferably elastically deformable coupling elements or fixedly connected to the side surfaces of the heat sink by means of the coupling elements.
  • the heat sink may in one variant contain an electrically insulating material with good thermal conductivity.
  • the heat sink can, for. B. contain a ceramic material with good thermal conductivity.
  • On the surface of the electrically insulating heat sink can be arranged as contact surfaces formed terminals.
  • An electrically insulating heat sink may also include an electrically conductive core element, preferably a metal body, the or with an insulating layer z. B. is covered by glass or an oxide. But the heat sink can also be a metal body, for. B. include a metal plate. In the heat sink openings are then preferably formed, in each of which an electrically insulating insert is arranged, in which a pin-shaped electrical connection is held.
  • the electrical connection of the heat sink is preferably conductively connected by means of a wire connection to an outer electrode arranged on the surface of the main body.
  • the wire connection is preferably designed such that it dampens the transmission of mechanical vibrations of the main body to the heat sink, in particular at a resonant frequency of the piezoelectric transformer.
  • the length of the wire connection is preferably greater than the distance between the outer electrode and the connection of the heat sink.
  • the wire connection can z. B. comprise at least one metal layer and at least one Kunststoffläge.
  • Figure IA is a perspective view of a piezoelectric transformer
  • FIG. 1B shows a perspective view of a transformer arrangement in which the transformer according to FIG. 1A is thermally coupled to a heat sink by means of a layer with relatively high thermal conductivity;
  • Figure IC in cross section, the transformer arrangement according to Figure IB;
  • FIG. 1D shows a first cross section of a further transformer arrangement, in which the main body of a piezoelectric transformer is thermally coupled from below to the bottom plate of the heat sink and from above to its walls, transversely to the longitudinal axis of the base body;
  • FIG. 1E shows a second cross section of the transformer arrangement according to FIG. 1D along the longitudinal axis of the main body
  • Figure IF is a plan view of the transformer arrangement according to Figures ID and IE;
  • Figure 2 shows another transformer arrangement in which the disc-shaped base body of a piezoelectric transformer is conductively connected by means of wire connections with terminals of the heat sink;
  • FIG. 3A shows a transformer arrangement in which the disc-shaped main body of a piezoelectric transformer is thermally coupled by means of an upper layer with relatively high thermal conductivity to a spring element pretensioned in the heat sink;
  • Figure 3B is a view of the bottom plate of the heat sink in the transformer assembly of Figure 3A from above.
  • FIG. 3C shows a view of the transformer arrangement according to FIG. 3A with the heat sink according to FIGS. 3A, 3B and the piezoelectric transformer according to FIGS. 3D, 3A from above;
  • FIG. 3D the connection sequence of the electrodes of the piezoelectric transformer according to FIG. 3A to the connections of the heat sink;
  • FIGS. 4A and 4B show various cross-sections of a transformer arrangement in which the disk-shaped main body of a piezoelectric transformer is arranged in a cup-shaped heat sink, wherein the lateral surface of the main body is thermally coupled to the walls of the cup;
  • FIG. 4C shows a transformer arrangement in which the base body of a piezoelectric transformer forms a closed ring, and in which the heat sink is designed as a closed trough, which accommodates the base body and whose walls are thermally coupled thereto;
  • Figure 5 shows a detail of the arranged on the base body, by a protective layer contact point of the wire connection
  • Figure 6 shows a detail of a transformer assembly in the region of the attachment points of the wire connection on the base body and in the heat sink.
  • the piezoelectric transformer presented in FIG. 1A has a main body 1 which is divided in a longitudinal direction into an input part 4, an output part 5 and an insulating region arranged between them. At opposite side surfaces of the main body 1, outer electrodes 2, 2 'of the input part 4 and outer electrodes 3, 3' of the output part 5 are arranged. The outer electrodes may alternatively be arranged on main surfaces of the main body as in the variant according to FIG.
  • the acoustic wave propagates here along the preferred direction of the main body 1.
  • the fundamental acoustic mode can be excited with a wavelength ⁇ twice as long as the length L of the main body 1. It is also possible to excite the nth order harmonics whose wavelength is 2L / n, where n is a whole Number is, n j > 2.
  • internal electrodes (not shown here) connected to the outer electrodes can be arranged in a variant, which extend transversely to the outer electrodes and to the longitudinal direction of the main body.
  • the acoustic wave can also be excited between the outer electrodes.
  • Each coupling element 8 extends transversely to the longitudinal direction of the main body 1 along a line.
  • the number and location of the thermally conductive coupling elements 8 depends on the order of the harmonics.
  • the coupling elements 8 Seen in the longitudinal direction of the main body, the coupling elements 8 are each arranged approximately in the middle of the input part 4 and the output part 5.
  • the measured longitudinal center distance between the coupling elements 8, that is between the support points of the base body is a • half wavelength.
  • the heat-conducting coupling elements are each limited mainly to an area in which wave nodes occur.
  • FIG. 1B shows a transformer arrangement with the transformer according to FIG. 1A, which is mounted on a heat sink 7 by means of two heat-conducting coupling elements 8 and is thermally coupled thereto.
  • the heat sink 7 is here made of an electrically conductive material.
  • electrically insulating inserts 10 are arranged in a form-fitting manner, so that they are kept tight.
  • a metal pin 9 is held, which is provided as an electrical connection of the transformer arrangement.
  • a preferably vibration-damping wire connection 66 is fastened or soldered at its first end to an outer electrode 2, 2 ', 3, 3' of the transformer and at its second end to the metal pin 9.
  • the heat-conducting coupling elements 8 mainly only contact relatively narrow regions of the main body 1 in which wave nodes occur.
  • two spring elements 11, 11 ' are provided.
  • the spring element 11, 11 ' preferably has a good warning conductivity.
  • the base body 1 is also thermally coupled from above via the upper heat-conducting coupling element 8 'and the heat-conducting spring element 11, 11' to the side walls of the radiator 7.
  • the spring elements 11, 11 ' are clamped between the side walls of the heat sink 7.
  • the heat sink 7 is electrically insulating in the variant according to FIG ID and z. B. be ceramic.
  • contact surfaces 6, 61 are arranged on the e- lektrisch insulating heat sink 7 contact surfaces 6, 61 are arranged. These contact surfaces are each connected to a pin 9. But you can even serve as electrical connections of the transformer assembly. In this case, a part of these contact surfaces may be arranged, for example, on the underside of the heat sink. In this case, the transformer assembly is for surface mounting z. B. suitable for use on an external circuit board.
  • the thermally conductive coupling elements 8, 8 ' may extend along the base surface of the base body 1 along one direction, as in FIG.
  • the heat-conducting coupling elements 8, 8 ' are preferably electrically insulating in the variant according to FIG. In the variant according to FIG. ID, on the other hand, they are electrically conductive.
  • the lower coupling element 8 conductively connects the outer electrode 2, 3 of the piezotransformer arranged on the underside of the main body 1 with a contact surface 6 arranged on the upper side of the bottom plate of the cooler 7.
  • the contact surface 6 is partially on the upper side of the base plate and partially disposed on the outside of the right side wall of the heat sink 7, wherein these areas of the contact surface 6 via a contact hole conducting each other are connected.
  • the contact surface 6 is conductively connected to the right pin 9.
  • the upper coupling element 8 connects the main body 1 with the spring element 11, 11' and with two side walls of the heat sink 7, wherein the upper coupling element 8 'is partially arranged on these side walls.
  • the upper coupling element 8 ' conductively connects the outer electrode 2', 3 'of the piezoelectric transformer arranged on the upper side of the main body 1 with a contact surface 61 which is arranged on the outer side of the left side wall of the cooling body 7.
  • the contact surface 61 is conductively connected to the left pin 9.
  • the conductive heat-conducting coupling elements 8 can thus be realized an electrical connection between the electrodes of the transformer and the terminals 9 of the transformer arrangement.
  • An electrically insulating heat sink is preferred in this case.
  • the electrical connection between the outer electrodes 2, 2 ', 3, 3' of the transformer and the contact surfaces of the heat sink by means of the conductive heat-conducting coupling elements 8 is particularly possible if the outer electrodes as in Figures ID and 3A at least partially on the upper or Bottom of the main body 1 are arranged.
  • parts of the external electrodes not shown in these figures can be arranged on the lateral surface of the base body by means of the electrically conductive, heat-conducting coupling elements 8 arranged in the longitudinal or radial direction on the inside of the side wall the heat sink 7 arranged contact surfaces be conductively connected.
  • the elastically deformable coupling elements are particularly advantageous since they can dampen the vibrations of the base body and consequently reduce their transmission to the heat sink ,
  • the heat-conducting coupling element may in a variant consist of several layers.
  • a z. B. facing the heat sink layer of the coupling element may be formed of a hard material such as ceramic or metal, which are coupled by means of a heat-conducting, preferably vibration damping further layer of the coupling element to the underside of the base body 1.
  • FIG. IE corresponds to the cross section of the transformer arrangement according to FIG. IF along the line B-B.
  • intermediate elements 12, 12 ' are provided along a center axis of the base body between the base body 1 and the side walls of the cooling body extending transversely to this direction.
  • the intermediate elements 12, 12 ' prevent the displacement of the main body 1 in the wave propagation direction, d. H. in the variant of FIG IE in the longitudinal direction of the main body. 1
  • the intermediate elements 12, 12 ' may be made of silicone rubber. Seen in a longitudinal direction, they have a tapered cross-section. The contact point between the intermediate element 12, 12 'and the (left or right) end face of the main body 1 is essentially a point contact.
  • the main body 1 is mechanically coupled to the heat sink 7 only via the coupling elements 8, 8 'and the intermediate elements 12, 12'.
  • Ventilation openings 74 are provided between transversely disposed side walls 72, 73 of the heat sink 7.
  • FIG. 2 shows a housed piezotransformer with a disk-shaped main body 1.
  • the acoustic wave propagates in the variants according to FIGS. 2 and 3A in radial directions, which corresponds to a planar vibration mode.
  • the piezotransformer is designed in these variants for the first harmonic or the fundamental wave, wherein the area in which the antinodes occur corresponds to the lateral surface of the main body.
  • the region in which wave nodes occur extends along the vertical center axis of the main body.
  • the thermally conductive coupling element 8 serving as a support for the base body 1 in this variant is in this case arranged centrally, essentially in the wave node region.
  • the transformer has in Figures 2, 3A an annular cross-section input region which is connected to the outer electrodes 2, 2 '.
  • the transformer further has a centrally arranged, enclosed on all sides by the input area, in cross-section output area, which is connected to the outer electrodes 3, 2 '.
  • the input and output part of the transformer have a common electrode 2 '.
  • the wire connection 66 conductively connects the upper outer electrode 3 of the transformer and the left connection pin 9.
  • the attachment point of the wire connection 66 on the main body 1 or on the upper outer electrode 3 is also arranged in the variant according to FIG. 2 in the region in which wave nodes occur.
  • the lower outer electrode 2 ' is connected in Fig. 2 by means of another wire connection 66' conductively connected to the right pin 9.
  • the main body 1 is thermally coupled to the heat sink 7, as in FIG. 1C, from below by means of a lower heat-conducting coupling element 8 which directly contacts the heat sink 7 and from above by means of an upper heat-conducting coupling element 8 'via the spring element 11.
  • the heat sink 7 is designed here as a cooling plate, in which from top to bottom through openings 70 are provided. On the cooling plate also shown in Figures 3B and 3C contact surfaces 60, 61, 62, 63 are arranged. All contact surfaces 60 to 63 are arranged on the upper side of the heat sink 7. The arrangement of contact surfaces on its terseite is also considered.
  • FIG. 3D shows the wiring of the transformer according to FIG. 3A.
  • the upper outer electrode 2 is conductively connected to the contact surface 63 by means of a wire connection 66, not shown in FIG. 3A but visible in FIG. 3C.
  • the upper outer electrode 3 is conductively connected to the contact surface 62 by means of the spring element 11 and a via arranged in the heat sink 7.
  • the lower outer electrode 2 ' is conductively connected by means of the lower heat-conducting coupling element 8 with the arranged below the Grundk ⁇ rpers 1 contact surface 60.
  • the contact surface 60 is conductively connected to the contact surface 61, which is accessible from the outside and provided as an electrical terminal of the transformer arrangement.
  • FIG. 4A shows a variant in which in the main body 1 of the transformer, in contrast to the exemplary embodiments explained so far, a thickness oscillator is realized which is designed for a fundamental wave.
  • the oscillations of the main body are in this case vertical, ie the vibration In this case, the direction of propagation is also vertical.
  • the maximum oscillation amplitude or regions in which antinodes occur correspond to the lower side and the upper side of the main body 1 in FIG. 4A.
  • the region in which wave nodes occur is arranged in a lateral plane which passes approximately through the center of the main body.
  • heat-conducting coupling elements 8 are provided, which hold the main body 1 between the side walls of the heat sink 7.
  • the coupling elements made of an elastically deformable material are for the fixation of the body 1 of advantage.
  • the base body 1 is supported from below by an intermediate element 12 already explained above, which is arranged here between the underside of the main body 1 and the upper side of the bottom plate of the heat sink 7.
  • the intermediate element 12 is here arranged along a vertical central axis of the basic body 1.
  • a spring element can be provided which preferably contacts the basic body 1 from above only in an area with a small area. Otherwise, the electrical connections between the outer electrodes of the transformer and the electrical connections of the transformer arrangement can be made as already explained variants.
  • the base body in the variant according to FIG. 4A can be both cuboid-shaped and disc-shaped as indicated in FIG. 4B.
  • the heat sink 7 in variants according to FIGS. 4B and 4C has an outer cylinder 701.
  • an inner cylinder 702 is provided in the variant according to FIG. 4C.
  • the inner and outer cylinders can be replaced by a tube with an arbitrary cross-section, wherein the cross-sectional shape of the tube is preferably adapted to the outer cross-section of the base body.
  • the inner cross section of the housing or its inner contour is preferably adapted to the outer cross section or outer contour of the base body, wherein z. B. for a disc-shaped base body, a cylindrical and a rectangular base body, a rectangular housing is used.
  • the disk-shaped main body 1 is prestressed in the cup-shaped heat sink 7 by means of the heat-conducting, preferably elastically deformable coupling elements 8.
  • the coupling elements 8 thermally couple the outer circumferential surface of the main body 1 to the inner circumferential surface of the outer cylinder 701.
  • two heat-conducting coupling elements 8 each are arranged in two transverse or perpendicular radial directions.
  • FIG. 4C shows a transformer arrangement with a ring-shaped piezotransformer which is prestressed by means of the heat-conducting, preferably elastically deformable coupling elements 8, 8 'between the outer cylinder 701 and the inner cylinder 702 of the heat sink 7.
  • further heat-conducting coupling elements 8 ' are provided here between the inner lateral surface of the heat sink 7 and the inner lateral surface of the main body 1, which thermally couple the inwardly directed lateral surface of the main body 1 to the inner cylinder 702.
  • four coupling elements 8 and / or four coupling elements 8 ' can be replaced by a single annular coupling element.
  • the heat sink 7 in Figure 4C has the shape of a trough, wherein its outer cylinder and its inner cylinder are interconnected by an annular bottom. In the middle of the trough and the inner cylinder, a hole 700 is arranged.
  • FIG. 5 shows the contact point 16 of the wire connection 66 on an outer electrode of the piezotransformer, z.
  • the wire bond 66 is a flat wire with a metal band 14 and a plastic sheet 13.
  • the plastic sheet 13 ensures that mechanical vibrations in the wire connection 66 are highly damped and thus the transmission of the acoustic vibrations from the main body is substantially prevented from the heat sink. This relieves the two attachment points of the wire connection 66 on the base body 1 and in the housing or on an electrical connection arranged in the housing.
  • the metal strip 14 is soldered to the outer electrode.
  • one end of the wire connection 66 is attached to the main body 1.
  • the second end of the wire connection 66 may, for. B. as may be fixed in the variant according to FIG.
  • a preferably electrically insulating protective layer 17 is applied.
  • the protective layer 17 may be a Potting compound z. B. of epoxy resin or a hardened adhesive.
  • a protective layer 17 made of rubber is also suitable.
  • the protective layer 17 may be formed by a shrink tube in a variant.
  • the protective layer 17 also lies on a portion of the wire connection 66 that is outside the attachment point and presses it against the base body 1. Thus, the mechanical relief of the contact point 16 is achieved.
  • FIG. 6 shows a variant in which the transformer arrangement has elastically deformable electrical connections 9, which are fastened directly to the outer electrodes 2, 2 ', 3, 3', of the main body 1 and one in FIGS . Replace shown wire connection 66. Because elastically deformable electrical connection 9 can oscillate, its attachment point on the main body is mechanically relieved.
  • the terminals 9 are preferably formed as a flat band, see also Figure 5. They are passed through the heat sink 7 therethrough.
  • the insert 10 already shown in FIG. 1C is here designed with an opening whose cross-sectional size exceeds the cross-sectional size of the connection 9, so that the connection 9 can oscillate without touching the insert 10.
  • a metal plate 101 is fixed, in which an opening is formed.
  • the cross-sectional size of this opening is substantially - in a variant form fit - adapted to the cross-sectional size of the terminal 9.
  • the connection 9 can z. B. by means of a solder mass firmly connected to the metal plate 101.
  • the lower ends of the terminal 9 may be bent.
  • the specified transformer arrangement with a piezotransformer is not limited to the variants shown in the figures, in particular the number of elements shown and the special shape or material specifications.
  • the advantageous solutions explained in the figures, in particular with regard to mechanical decoupling of a transformer and a carrier can be used in combination with further embodiments, not shown here, of a piezoelectric transformer and / or a carrier.

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Abstract

Es wird eine Transformatoranordnung angegeben, die einen piezoelektrischen Transformator mit einem Grundkörper (1) und einen Kühlkörper (7) umfasst, auf dem der Grundkörper (1) angeordnet ist, wobei der Grundkörper (1) mittels mindestens eines wärmeleitenden Kopplungselements (8) thermisch an den Kühlkörper (7) gekoppelt ist.

Description

Beschreibung
Transformatoranordnung mit einem Piezotransformator
Ein piezoelektrischer Transformator ist dazu geeignet, eine hohe Spannung in eine niedrige Spannung zu transformieren, oder umgekehrt .
Piezoelektrische Transformatoren sind z. B. aus der Druckschrift US 2,830,274 bekannt.
Eine zu lösende Aufgabe ist es, eine Anordnung mit einem piezoelektrischen Transformator anzugeben, die besonders zuverlässig ist und eine hohe Lebensdauer aufweist.
Es wird eine Transformatoranordnung angegeben, die einen piezoelektrischen Transformator mit einem Grundkörper und einen Kühlkörper umfasst, auf dem der Grundkörper angeordnet ist. Der Grundkörper ist mittels mindestens eines wärmeleitenden Kopplungselements thermisch an den Kühlkörper gekoppelt .
Ein wärmeleitendes Kopplungselement gewährleistet einen guten Wärmekontakt zwischen dem Grundkörper und dem Kühlkörper und daher auch einen guten Wärmeaustausch. Somit kann die im Grundkörper produzierte Wärme vom Grundkörper abgeführt werden. Dies ist insbesondere bei für hohe Leistungen von über 50 Watt ausgelegten Piezotransformatoren von Vorteil.
Im Folgenden werden vorteilhafte Ausgestaltungen der Transformatoranordnung erläutert .
Der Grundkörper umfasst einen Eingangsteil und einen Ausgangsteil des Transformators sowie einen Isolierbereich, mit- tels dessen der Eingangsteil und der Ausgangsteil mechanisch miteinander verbunden und galvanisch voneinander getrennt sind.
An der Grundkörper-Oberfläche sind vorzugsweise Außenelektroden angeordnet, die in einer Variante mit im Grundkörper verborgenen Innenelektroden leitend verbunden sind. Die Innenelektroden sind abwechselnd an die erste und die zweite Außenelektrode des entsprechenden Transformatorteils angeschlossen. Eine akustische Welle kann durch Anlegen einer e- lektrischen WechselSpannung an die Innenelektroden des Eingangsteils angeregt werden. Die akustische Welle kann aber auch zwischen einander gegenüber liegenden Außenelektroden des Eingangsteils angeregt werden. Die im Eingangsteil durch ein Eingangssignal elektrisch angeregte Welle wird auf den Ausgangsteil des Piezotransformators übertragen und dort in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt.
Der Grundkörper hat vorzugsweise die Form eines Quaders. Der Grundkörper kann aber auch eine andere Form, z. B. die eines Zylinders oder einer Scheibe aufweisen.
Der Kühlkörper kann mindestens einen Teil eines Gehäuses der Transformatoranordnung bilden, in dem der Grundkörper des Piezotransformators angeordnet ist. Das Gehäuse kann in einer Richtung oder in zwei zueinander senkrecht stehenden Richtungen ein U-Profil aufweisen. Das Gehäuse kann auch die Form eines Bechers haben. Im Gehäuse, insbesondere in seinen Seitenwänden können beliebig viele Ventilationsöffnungen vorgesehen sein. Der Kühlkörper kann auch mindestens einen Teil einer Haltevorrichtung bilden, auf der der Grundkörper angeordnet ist. Die Haltevorrichtung kann z. B. eine Basisplatte umfassen. Im Kühlkörper können Befestigungsvorrichtungen oder Öffnungen bzw. Vertiefungen zur Aufnahme solcher Vorrichtungen angeordnet sein. Die Befestigungsvorrichtungen können z. B. zur Fixierung des Grundkörpers vorgesehen sein. Mittels der Befestigungsvorrichtungen ist die Transformatoranordnung in einer Variante an einem externen Träger befestigbar.
Der Kühlkörper kann eine Kühlplatte aus einem gut wärmeleitenden Material umfassen. Der Kühlkörper kann neben einer Bodenplatte Seitenwände aufweisen, die mit der Bodenplatte vorzugsweise ein Stück bilden oder an dieser befestigt sind.
Im Folgenden wird nur ein wärmeleitendes Kopplungselement erläutert, wobei die Beschreibung dann auch für weitere solche Elemente derselben Transformatoranordnung zutrifft.
Das wärmeleitende Kopplungselement ist in einer Variante auf dem Boden des Kühlkörpers angeordnet und stellt für den Grundkörper eine Auflage dar. Es können auch mehrere wärmeleitende Kopplungselemente vorgesehen sein, die für den Grundkörper jeweils eine Auflage bilden. Der Grundkörper ist auf dem Kopplungselement oder den Kopplungselementen montiert und vorzugsweise von den Seitenwänden des Kühlkörpers bzw. des Gehäuses beabstandet. Der Grundkörper kann alternativ mittels mindestens zwei Kopplungselementen zwischen den Seitenwänden des Kühlkörpers befestigt sein, wobei der Grundkδr- per vom Boden des Kühlkörpers bzw. des Gehäuses vorzugsweise beabstandet ist.
Das wärmeleitende Kopplungselement koppelt den Grundkörper und den Kühlkörper auch mechanisch, so dass Verschiebungen des Grundkörpers über dieses Kopplungselement auf den Kühlkörper übertragen werden können. Bei einer großflächigen An- kopplung werden die akustischen Schwingungen des Grundkörpers über das Koppelelement auf den Kühlkörper übertragen, was zu Verlusten und einer Verschlechterung des Wirkungsgrades führen kann. Die Kontaktfläche zwischen dem mindestens einen wärmeleitenden Kopplungselement und dem Grundkörper ist daher vorzugsweise kleiner als die Fläche der dieses Kopplungselement kontaktierenden Seite des Grundkörpers. Das wärmeleitende Kopplungselement mit einer vergleichsweise kleinen Kontaktfläche funktioniert wie eine Wärmesenke . Die Kontaktfläche zwischen dem wärmeleitenden Kopplungselement und dem Grundkörper ist vorzugsweise so groß gewählt, dass ein effizienter Wärmeaustausch zwischen dem Grundkörper und dem Kühlkörper gewährleistet ist.
Das wärmeleitende Kopplungselement kann als Distanzelement zur Bildung eines Luftspaltes zwischen dem Grundkörper und dem Kühlkörper dienen. In einer vorteilhaften Variante sind mindestens zwei voneinander beabstandete wärmeleitende Kopplungselemente als Abstandshalter zwischen dem Grundkörper und dem Kühlkörper vorgesehen. Insbesondere werden Bereiche des Grundkörpers, an denen Wellenbäuche auftreten, vom Kühlkörper auf Abstand gehalten. Die in Wellenausbreitungsrichtung gemessene Länge des LuftSpalts beträgt z. B. mindestens 50%, in einer Variante zwischen 60% und 90% der in dieser Richtung gemessenen Länge des Grundkörpers .
Um die Übertragung von Schwingungen des Grundkörpers auf den Kühlkörper gering zu halten, ist es vorteilhaft, die Kopplungselemente außerhalb derjenigen Bereiche der Grundkörper- Oberfläche anzuordnen, in denen der Grundkörper durch die a- kustische Welle am meisten ausgelenkt wird. Die Länge des wärmeleitenden Kopplungselements ist daher vorzugsweise so gewählt, dass es von den Bereichen des Grundkörpers fern gehalten wird, in denen Wellenbäuche der akustischen Welle auftreten.
Der oder die wärmeleitenden Kopplungselemente sind vorzugsweise jeweils im Wesentlichen auf einen Wellenknotenbereich beschränkt. Dies ist ein vorzugsweise langgestreckter Bereich der Grundkörper-Oberfläche, in dem Wellenknoten einer im Grundkörper angeregten akustischen Welle auftreten bzw. in dem die Amplitude akustischer Schwingungen einen bestimmten ' Pegel, z. B. 20% der maximalen Schwingungsamplitude nicht ü- berschreitet , wobei die maximale Schwingungsamplitude oft an den offenen Enden des Grundkörpers auftritt. Als Wellenknotenbereich wird beispielsweise ein Bereich des Grundkörpers bezeichnet, dessen Länge in Wellenausbreitungsrichtung maximal 20% der akustischen Wellenlänge λ beträgt. Außerhalb der Wellenknotenbereiche berührt der Grundkörper den Kühlkörper vorzugsweise nicht bzw. ist von diesem beabstandet.
Die in Wellenausbreitungsrichtung der im Grundkörper angeregten akustischen Welle gemessene Länge des wärmeleitenden Kopplungselements ist vorzugsweise kleiner als die in dieser Richtung gemessene Länge des Grundkörpers. Die Länge des Kopplungselements beträgt z. B. maximal 30%, vorzugsweise maximal 20%, in einer Variante maximal 10% der in dieser Richtung gemessenen Länge des Grundkörpers .
Das wärmeleitende Kopplungselement kann sich beispielsweise parallel zu einer Wellenfront, d. h. in einer quer zur Wellenausbreitungsrichtung verlaufenden Richtung erstrecken. Das wärmeleitende Kopplungselement ist dabei vorzugsweise langgestreckt .
Die Gesamtoberfläche des Kühlkörpers ist vorzugsweise größer .
als die Gesamtoberfläche des Grundkörpers. Der Kühlkörper kann in einer Variante Rippen aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass damit eine besonders große Gesamtoberfläche des Kühlkörpers erzielt wird.
Um die Übertragung von Schwingungen des Grundkörpers zum Kühlkörper gering zu halten, ist es vorteilhaft, das wärmeleitende Kopplungselement aus einem Material zu wählen, in dem mechanische Schwingungen insbesondere bei einer Resonanzfrequenz des Piezotransformators gedämpft werden. Dies ist z. B. möglich, wenn das Kopplungselement schwingfähig ist. Kopplungselemente aus einem elastischen verformbaren bzw. gummi- artigen Material sind daher besonders geeignet. Das wärmeleitende Kopplungselement kann z. B. eine wärmeleitende Paste bzw. ein wärmeleitendes Gel sein.
Das wärmeleitende Kopplungselement ist in einer weiteren Variante elektrisch isolierend. Das wärmeleitende Kopplungselement ist in einer weiteren Variante elektrisch leitfähig.
Das elektrisch leitfähige wärmeleitende Kopplungselement kann eine am Grundkörper angeordnete Kontaktschicht und eine am Kühlkörper angeordnete KontaktSchicht kontaktieren und diese Kontaktschichten leitend miteinander verbinden. Die am Grund- kδrper angeordnete KontaktSchicht kann eine Außenelektrode des piezoelektrischen Transformators sein. Die am Kühlkörper angeordnete Kontaktfläche ist vorzugsweise an einen von außen zugänglichen Anschluss des Kühlkörpers angeschlossen.
Vorzugsweise ist auf gegenüberliegenden Seiten des Grundkδr- pers jeweils mindestens ein wärmeleitendes Kopplungselement angeordnet . In einer Ausführungsform ist auf der Unterseite und der Oberseite des Grundkörpers jeweils ein wärmeleitendes Kopplungselement angeordnet, das den Grundkörper an den Kühlkörper thermisch koppelt. Dabei ist die Wellenausbreitungsrichtung vorzugsweise eine Lateralrichtung (Längsschwinger) . In einer weiteren Ausführungsform ist an gegenüber liegenden Seiten bzw. Seitenflächen des Grundkörpers jeweils ein wärmeleitendes Kopplungselement angeordnet. Dabei ist die Wellenausbreitungsrichtung vorzugsweise eine Vertikalrichtung (Dickenschwinger) .
Das zwischen der Unterseite des Grundkörpers und dem Kühlkörper angeordnete untere wärmeleitende Kopplungselement ist vorzugsweise direkt an den Kühlkörper angekoppelt, wohingegen das obere wärmeleitende Kopplungselement vorzugsweise vermittels eines weiteren Elements - vorzugsweise eines nachstehend erläuterten Federelements - mit einer guten Wärmeleitfähigkeit mit dem Kühlkörper verbunden ist. Das obere wärmeleitende Kopplungselement kann die in Zusammenhang mit dem unteren wärmeleitenden Kopplungselement genannten Eigenschaften aufweisen. In einer Variante ist das obere wie das untere wärmeleitende Kopplungselement elektrisch leitend.
Das Federelement drückt den Grundkörper von oben gegen eine oder mehrere Auflagen, die vorzugsweise durch das oder die wärmeleitenden Kopplungselemente gebildet sind. Somit kann der Grundkörper auf den Kühlkörper bzw. im Gehäuse zuverlässig fixiert werden. Als Federelement ist eine Federzunge oder ein elastisch verformbarer Stopper geeignet .
Das Federelement drückt das obere wärmeleitende Kopplungselement gegen den Grundkörper an und verbindet dieses mit dem Kühlkörper thermisch. Das Federelement kann das obere wärme- leitende Kopplungselement mit am Kühlkörper angeordneten Kontaktflächen leitend verbinden.
Das Federelement kann z. B. mittels seiner Federbügel am Kühlkörper vorgespannt sein. Die Federbügel können z. B. durch im Kühlkörper vorgesehene Öffnungen hindurch geführt und mittels der Abknickungen im Kühlkörper fixiert sein. Der Abstand zwischen diesen Öffnungen ist vorzugsweise kleiner als die Spannweite zwischen den noch nicht vorgespannten Federbügeln. Die nach unten weisenden Enden der Federbügel können abgeknickt sein, wobei ihre abgeknickten Bereiche von unten gegen den Kühlkörper drücken.
Im Kühlkörper oder am Kühlkörper können Rastvorrichtungen zum Einrasten des Federelements bzw. der Federbügel des Federelements vorgesehen sein.
Zwischen einer Wand des Kühlkörpers und einer parallel zur Wellenfront angeordneten Seite des Grundkörpers kann ein Zwischenelement angeordnet sein, das 1) als Halterung des Grundkörpers im Kühlkörper dient und 2) die Übertragung von Grundkörper-Schwingungen auf den Kühlkörper vermindert. Das Zwischenelement ist zur Dämpfung der im Grundkörper angeregten mechanischen Schwingungen geeignet. Vorzugsweise sind in Wellenausbreitungsrichtung zwei solche Zwischenelemente vorgesehen, wobei jeweils ein Zwischenelement zwischen einer Wand des Kühlkörpers und der ihr zugewandten Seitenfläche des Grundkörpers angeordnet ist . Die beiden Zwischenelemente sind z. B. entlang einer Achse, vorzugsweise einer zur Wellenausbreitungsrichtung parallelen Mittelachse des Grundkörpers angeordnet. Da sie den Grundkörper mechanisch mit dem Kühlkörper verbinden, sind sie vorzugsweise aus einem Material gewählt, in dem mechanische Schwingungen des Grundkörpers ge- dämpft werden. Der Kontakt zwischen dem Zwischenelement und dem Grundkörper ist vorzugsweise im Wesentlichen ein Punktkontakt. Jedenfalls ist die Kontaktfläche zwischen dem Zwischenelement und dem Grundkörper flächenmäßig kleiner als die Seite des Grundkörpers, die diese Kontaktfläche umfasst.
Die akustische Welle breitet sich in einer Variante in einer Längsrichtung, d. h. parallel zu Hauptflächen des Grundkörpers aus. Die Wellenausbreitungsrichtung kann im Falle eines scheibenförmigen Grundkörpers radial gerichtet sein. In dieser Variante treten die Wellenbäuche an Stirnseiten des Grundkörpers und - bei der zweiten Harmonischen des Piezo- transformators - in seinem parallel zu diesen Stirnseiten verlaufenden, relativ schmalen Mittelbereich auf. Die Wellenknoten treten in einem schmalen Grundkörper-Bereich auf, der in der Mitte zwischen zwei Wellenbauch-Bereichen angeordnet ist .
Im Grundkörper kann in einer Variante ein Dickenschwinger realisiert sein, wobei die Wellenausbreitungsrichtung vertikal bzw. senkrecht zur Unterseite des Grundkörpers gerichtet ist. In dieser Variante treten die Wellenbäuche an Hauptflächen des Grundkörpers - bei der zweiten Harmonischen auch in seinem parallel zu diesen Hauptflächen verlaufenden, relativ schmalen Mittelbereich - auf. Die Wellenknoten treten in einem schmalen Grundkόrper-Bereich auf, der in der Mitte zwischen zwei Wellenbauch-Bereichen angeordnet ist. Die Wellenknoten- und Wellenbauch-Bereiche erstrecken sich dabei parallel zu einer Lateralebene.
Der als Dickenschwinger realisierte Grundkörper kann z. B. als Scheibe ausgebildet sein. In diesem Fall ist ein bereits erwähntes, vorzugsweise schwingungsdämpfendes Zwischenelement zwischen der Bodenplatte des Kühlers und der Unterseite des Grundkörpers angeordnet . Das Zwischenelement ist vorzugsweise entlang einer zur Wellenausbreitungsrichtung parallelen Mittelachse des Grundkörpers zwischen der Unterseite des Grund- kδrpers und dem Boden des Kühlkörpers angeordnet .
Für einen Dickenschwinger ist ein becherförmiger Kühlkörper geeignet, dessen Mantelfläche in einer Variante ein Außenrohr - bzw. für den scheibenförmigen Grundkörper einen Außenzylinder - bildet. Beispielsweise kann ein scheibenförmiger Grundkörper im Außenrohr des Kühlkörpers mittels der vorzugsweise elastisch verformbaren Kopplungselemente verspannt oder mittels der Kopplungselemente fest mit diesem Außenrohr verbunden sein.
Vorzugsweise ist in mindestens einer Richtung bzw. Radial- richtung an den gegenüber liegenden Seiten des Grundkörpers jeweils mindestens ein wärmeleitendes Kopplungselement angeordnet, das den Grundkörper thermisch an die Seitenwand des Kühlkörpers koppelt. Der Grundkδrper wird hauptsächlich durch mindestens zwei Kopplungselemente zwischen den Seitenwänden des Kühlkörpers gehalten.
Der Grundkörper kann im Querschnitt ringförmig sein, d. h. , eine innere und eine äußere Mantelfläche bzw. Seitenfläche aufweisen.
Der Kühlkörper kann in diesem Fall mit Außenrohr und Innenrohr und ggf . einem das Außenrohr und das Innenrohr verbindenden Boden, also als Trog mit einem Innenloch ausgebildet sein. Das Außenrohr und das Innenrohr bilden dabei jeweils eine Seitenfläche des Kühlkörpers. Das Außenrohr und das Innenrohr können - insbesondere im Falle eines ringförmigen Grundkörpers mit einem runden Querschnitt - zylindrisch sein. Sie können aber auch - im Falle eines geschlossenen Grundkörpers mit einem Innenloch, aber einer rechteckigen Form - eine rechteckige Form aufweisen.
Zwischen der äußeren Mantelfläche des Grundkδrpers und der Innenseite des Außenrohrs kann in mindestens einer Radial- richtung - vorzugsweise an einander gegenüberliegenden Seiten des Grundkörpers - jeweils ein wärmeleitendes Kopplungselement angeordnet sein. Ferner kann in mindestens einer Radial- richtung - vorzugsweise auch an einander gegenüberliegenden Seiten des Grundkörpers - zwischen der inneren Mantelfläche des Grundkörpers und dem Innenrohr des Kühlkörpers jeweils ein weiteres wärmeleitendes Kopplungselement angeordnet sein.
Der ringförmige Grundkörper ist dann je nach Ausführung zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr des Kühlkörpers mittels der vorzugsweise elastisch verformbaren Kopplungselemente verspannt oder mittels der Kopplungseiemente fest mit den Seitenflächen des Kühlkörpers verbunden.
Der Kühlkörper kann in einer Variante ein elektrisch isolierendes Material mit guter Wärmeleitfähigkeit enthalten. Der Kühlkörper kann z. B. ein keramisches Material mit guter Wärmeleitfähigkeit enthalten. Als Keramik ist insbesondere PZT (Bleizirkonattitanat) geeignet. Auf der Oberfläche des elektrisch isolierenden Kühlkörpers können als Kontaktflächen ausgebildete Anschlüsse angeordnet sein.
Ein elektrisch isolierender Kühlkörper kann auch ein elektrisch leitendes Kernelement, vorzugsweise einen Metallkörper enthalten, -das bzw. der mit einer isolierenden Schicht z. B. aus Glas oder einem Oxid bedeckt ist. Der Kühlkörper kann aber auch einen Metallkörper, z. B. eine Metallplatte umfassen. Im Kühlkörper sind dann vorzugsweise Öffnungen ausgebildet, in denen jeweils ein elektrisch isolierender Einsatz angeordnet ist, in dem ein stiftförmiger elektrischer Anschluss gehalten wird.
Der elektrische Anschluss des Kühlkörpers ist vorzugsweise mittels einer Drahtverbindung mit einer an Oberfläche des Grundkörpers angeordneten Außenelektrode leitend verbunden.
Die Drahtverbindung ist vorzugsweise derart gestaltet, dass sie die Übertragung von mechanischen Schwingungen des Grundkörpers auf den Kühlkörper insbesondere bei einer Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Transformators dämpft.
Die Länge der Drahtverbindung ist vorzugsweise größer als der Abstand zwischen der Außenelektrode und dem Anschluss des Kühlkörpers . Die Drahtverbindung kann z . B . mindestens eine Metalllage und mindestens eine Kunststoffläge umfassen.
Im Folgenden wird der Piezotransformator und die Anordnung mit einem Piezotransformator anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Figuren erläutert. Es zeigen:
Figur IA eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Transformators;
Figur IB eine perspektivische Ansicht einer Transformatoranordnung, bei der der Transformator gemäß Figur IA mittels einer Schicht mit relativ hoher thermischer Leitfähigkeit thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt ist; Figur IC im Querschnitt die Transformatoranordnung gemäß Figur IB;
Figur ID einen ersten Querschnitt einer weiteren Transformatoranordnung, bei der der Grundkörper eines piezoelektrischen Transformators von unten an die Bodenplatte des Kühlkörpers und von oben an seine Wände thermisch gekoppelt ist, quer zur Längsachse des Grundkörpers;
Figur IE einen zweiten Querschnitt der Transformatoranordnung gemäß Figur ID entlang der Längsachse des Grundkörpers ;
Figur IF eine Draufsicht auf die Transformatoranordnung gemäß Figuren ID und IE;
Figur 2 eine weitere Transformatoranordnung, bei der der scheibenförmige Grundkörper eines piezoelektrischen Transformators mittels Drahtverbindungen mit Anschlüssen des Kühlkörpers leitend verbunden ist;
Figur 3A eine Transformatoranordnung, bei der der scheibenförmige Grundkörper eines piezoelektrischen Transformators mittels einer oberen Schicht mit relativ hoher thermischer Leitfähigkeit thermisch an ein im Kühlkörper vorgespanntes Federelement gekoppelt ist;
Figur 3B eine Ansicht auf die Bodenplatte des Kühlkörpers bei der Transformatoranordnung gemäß Figur 3A von oben;
Figur 3C eine Ansicht auf die Transformatoranordnung gemäß Figur 3A mit dem Kühlkörper gemäß Figuren 3A, 3B und dem piezoelektrischen Transformator gemäß Figuren 3D, 3A von oben; Figur 3D die Anschlussfolge der Elektroden des piezoelektrischen Transformators gemäß Figur 3A an die Anschlüsse des Kühlkörpers;
Figuren 4A und 4B verschiedene Querschnitte einer Transformatoranordnung, bei der der scheibenförmige Grundkörper eines piezoelektrischen Transformators in einem becherförmigen Kühlkörper angeordnet ist, wobei die Mantelfläche des Grundkörpers thermisch mit den Wänden des Bechers gekoppelt ist;
Figur 4C eine Transformatoranordnung, bei der der Grundkδr- per eines piezoelektrischen Transformators einen geschlossenen Ring bildet, und bei der der Kühlkörper als ein geschlossener Trog ausgebildet ist, der den Grundkörper aufnimmt und dessen Wände thermisch mit diesem gekoppelt sind;
Figur 5 ausschnittsweise den am Grundkörper angeordneten, durch eine Schutzschicht Kontaktpunkt der Drahtverbindung;
Figur 6 ausschnittsweise eine Transformatoranordnung im Bereich der Befestigungspunkte der Drahtverbindung am Grundkörper und im Kühlkörper.
Der in Figur IA vorgestellte Piezotransformator weist einen Grundkörper 1 auf, der in einer Längsrichtung in einen Eingangsteil 4, einen Äusgangsteil 5 und einen zwischen diesen angeordneten Isolierbereich aufgeteilt ist. An gegenüber liegenden Seitenflächen des Grundkörpers 1 sind Außenelektroden 2, 2' des Eingangsteils 4 sowie Außenelektroden 3, 3' des Ausgangsteils 5 angeordnet. Die Außenelektroden können alternativ wie in der Variante gemäß Figur ID auf Hauptflächen des Grundkörpers angeordnet sein. Die akustische Welle breitet sich hier entlang der Vorzugsrichtung des Grundkörpers 1 aus. Im Grundkörper 1 kann die akustische Grundmode mit einer Wellenlänge λ angeregt werden, die doppelt so groß ist wie die Länge L des Grundkörpers 1. Es können auch die Harmonischen n-ter Ordnung angeregt werden, deren Wellenlänge 2L/n beträgt, wobei n eine ganze Zahl ist, n j> 2.
Im Grundkörper 1 können in einer Variante hier nicht gezeigte, an die Außenelektroden angeschlossene Innenelektroden angeordnet sein, die quer zu den Außenelektroden und zur Längsrichtung des Grundkörpers verlaufen. Die akustische Welle kann aber auch zwischen den Außenelektroden angeregt werden.
Jedes Kopplungselement 8 erstreckt sich quer zur Längsrichtung des Grundkörpers 1 entlang einer Linie. Die Anzahl und die Lage der wärmeleitenden Kopplungselemente 8 hängt von der Ordnung der Harmonischen ab. Der in Figur IA gezeigte Piezo- transformator ist insbesondere für den Betrieb bei der Frequenz der zweiten Harmonischen geeignet, wobei gilt L = λ. In Längsrichtung des Grundkörpers gesehen sind die Kopplungselemente 8 jeweils ungefähr in der Mitte des Eingangsteils 4 und des Ausgangsteils 5 angeordnet. Der in Längsrichtung gemessene Mittenabstand zwischen den Kopplungselementen 8, d. h. zwischen den Auflagepunkten des Grundkörpers beträgt eine •halbe Wellenlänge. Die wärmeleitenden Kopplungselemente sind dabei jeweils hauptsächlich auf einen Bereich beschränkt, in dem Wellenknoten auftreten.
In Figur IB ist eine Transformatoranordnung mit dem Transformator gemäß Figur IA gezeigt, der mittels zwei wärmeleitenden Kopplungselementen 8 auf einem Kühlkörper 7 montiert und thermisch an diesen gekoppelt ist. Der Kühlkörper 7 ist hier aus einem elektrisch leitenden Material. In seinem Boden sind Öffnungen ausgebildet, in denen elektrisch isolierende Einsätze 10 formschlüssig angeordnet sind, so dass sie stramm gehalten werden. In einem Einsatz 10 wird ein Metallstift 9 gehalten, der als elektrischer An- schluss der Transformatoranordnung vorgesehen ist. Eine vorzugsweise schwingungsdämpfende Drahtverbindung 66 ist an ihrem ersten Ende an einer Außenelektrode 2, 2', 3, 3' des Transformators und an ihren zweiten Ende am Metallstift 9 befestigt bzw. angelötet.
Die wärmeleitenden Kopplungselemente 8 kontaktieren hauptsächlich nur relativ schmale Bereiche des Grundkörpers 1, in denen Wellenknoten auftreten.
In Figur IC ist ein Querschnitt dieser Anordnung durch die Eingangselektroden 2, 2' quer zur Wellenausbreitungsrichtung gezeigt. Auf der Oberseite des Grundkörpers 1 ist ein weiteres wärmeleitendes Koppelelement 8' angeordnet.
Außerdem ist ein an Seitenwänden des Kühlkörpers 7 eingerastetes Federelement 11 zu sehen, das auf den Verbund des Grundkörpers 1 und der wärmeleitenden Koppelelemente 8, 8' in Richtung der Bodenplatte des Kühlkörpers 7 von oben drückt . An der Außenseite von Seitenwänden des Kühlkörpers 7 sind zum Einrasten des Federelements 11 Vertiefungen vorgesehen.
Vorzugsweise und insbesondere bei einem für die zweite Harmonische ausgelegten Piezotransformator sind, wie aus der Figur IF ersichtlich, zwei Federelemente 11, 11' vorgesehen.
Das Federelement 11, 11' besitzt vorzugsweise eine gute War- meleitfähigkeit . Somit ist der Grundkörper 1 auch von oben über das obere wärmeleitende Kopplungselement 8' und das wärmeleitende Federelement 11, 11' thermisch an die Seitenwände des Kühlers 7 gekoppelt. Die Federelemente 11, 11' sind zwischen den Seitenwänden des Kühlkörpers 7 aufgespannt .
Der Kühlkörper 7 ist in der Variante gemäß Figur ID elektrisch isolierend und kann z. B. keramisch sein. Auf dem e- lektrisch isolierenden Kühlkörper 7 sind Kontaktflächen 6, 61 angeordnet. Diese Kontaktflächen sind jeweils mit einem Anschlussstift 9 verbunden. Sie können aber selbst als elektrische Anschlüsse der Transformatoranordnung dienen. Dabei kann ein Teil dieser Kontaktflächen beispielsweise auf der Unterseite des Kühlkörpers angeordnet sein. In diesem Fall ist die Transformatoranordnung zu einer Oberflächenmontage z. B. auf einer externen Leiterplatte geeignet.
Die wärmeleitenden Kopplungselemente 8, 8' können sich wie in Figur ID entlang einer Richtung über die Grundfläche des Grundkδrpers 1 erstrecken.
Die wärmeleitenden Kopplungselemente 8, 8' sind in der Variante gemäß Figur IC vorzugsweise elektrisch isolierend. In der Variante gemäß Figur ID sind sie dagegen elektrisch leitend. Das untere Kopplungselement 8 verbindet dabei leitend die auf der Unterseite des Grundkörpers 1 angeordnete Außenelektrode 2, 3 des Piezotransformators mit einer auf der O- berseite der Bodenplatte des Kühlers 7 angeordneten Kontakt- fläche 6. Die Kontaktfläche 6 ist teilweise auf der Oberseite der Bodenplatte und teilweise auf der Außenseite der rechten Seitenwand des Kühlkörpers 7 angeordnet, wobei diese Bereiche der Kontaktfläche 6 über ein Kontaktloch leitend miteinander verbunden sind. Die Kontaktfläche 6 ist leitend mit dem rechten Anschlussstift 9 verbunden.
Das obere Kopplungselement 8' verbindet den Grundkörper 1 mit dem Federelement 11, 11' und mit zwei Seitenwänden des Kühlkörpers 7, wobei das obere Kopplungselement 8' teilweise auf diesen Seitenwänden angeordnet ist. Das obere Kopplungselement 8' verbindet dabei leitend die auf der Oberseite des Grundkörpers 1 angeordnete Außenelektrode 2', 3' des Piezo- transformators mit einer Kontaktfläche 61, die auf der Außenseite der linken Seitenwand des Kühlkörpers 7 angeordnet ist. Die Kontaktfläche 61 ist leitend mit dem linken Anschlussstift 9 verbunden.
Mittels der leitfähigen wärmeleitenden Kopplungselemente 8 kann also eine elektrische Verbindung zwischen den Elektroden des Transformators und den Anschlüssen 9 der Transformatoranordnung realisiert sein. Ein elektrisch isolierender Kühlkörper ist in diesem Fall bevorzugt.
Die elektrische Verbindung zwischen den Außenelektroden 2, 2', 3, 3' des Transformators und den Kontaktflächen des Kühlkörpers mittels der leitfähigen wärmeleitenden Kopplungselemente 8 ist insbesondere dann möglich, falls die Außenelektroden wie in Figuren ID und 3A zumindest teilweise auf der Ober- bzw. Unterseite des Grundkörpers 1 angeordnet sind. A- ber auch in der Variante gemäß Figuren 4A und 4C können auf der Mantelfläche des Grundkörpers 1 angeordnete Teile der in diesen Figuren nicht gezeigten Außenelektroden mittels der in Längs- bzw. Radialrichtung angeordneten, elektrisch leitfähigen, wärmeleitenden Kopplungselemente 8 mit auf der Innenseite der Seitenwand des Kühlkörpers 7 angeordneten Kontaktflächen leitend verbunden sein. Falls die elektrische Verbindung zwischen den Außenelektroden des Transformators und den Kontaktflächen des Kühlkörpers mittels der leitfähigen wärmeleitenden Kopplungselemente 8, 8' realisiert ist, sind die elastisch verformbaren Kopplungselemente besonders vorteilhaft, da sie die Schwingungen des Grundkörpers dämpfen und folglich deren Übertragung auf den Kühlkörper mindern können.
Das wärmeleitende Kopplungselement kann in einer Variante aus mehreren Schichten bestehen. Beispielsweise kann eine z. B. zum Kühlkörper gewandte Schicht des Kopplungselements aus einem harten Material wie Keramik oder Metall ausgebildet sein, die mittels einer wärmeleitenden, vorzugsweise schwingungs- dämpfenden weiteren Schicht des Kopplungselements an die Unterseite des Grundkörpers 1 gekoppelt sind.
Figur IE entspricht dem Querschnitt der Transformatoranordnung gemäß Figur IF entlang der Linie B-B.
In Figur IE sind entlang einer Mittelachse des Grundkörpers zwischen dem Grundkörper 1 und den quer zu dieser Richtung verlaufenden Seitenwänden des Kühlkörpers 7 Zwischenelemente 12, 12' vorgesehen. Die Zwischenelemente 12, 12' verhindern die Verschiebung des Grundkörpers 1 in Wellenausbreitungsrichtung, d. h. in der Variante Figur IE in Längsrichtung des Grundkörpers 1.
Die Zwischenelemente 12, 12' können aus Silikongummi sein. In einer Längsrichtung gesehen weisen sie einen sich verjüngenden Querschnitt auf. Die Kontaktstelle zwischen dem Zwischenelement 12, 12' und der (linken bzw. rechten) Stirnfläche des Grundkörpers 1 ist im Wesentlichen ein Punktkontakt . In der Variante gemäß Figuren ID und IE ist der Grundkörper 1 an den Kühlkörper 7 nur über die Kopplungselemente 8, 8' und die Zwischenelemente 12, 12' mechanisch gekoppelt. In der Variante gemäß Figur C besteht eine zusätzliche mechanische Kopplung über die Drahtverbindungen 66 und die Anschlussstifte 9. Daher ist es vorteilhaft, flexible Drahtverbindungen zu verwenden und z. B.' die Länge dieser Drahtverbindungen größer als der Mindestabstand zwischen ihren beiden Befestigungs- punkten am Grundkörper und am Anschlussstift zu wählen.
In Figur IF ist zu sehen, dass zwischen quer zueinander angeordneten Seitenwänden 72, 73 des Kühlkörpers 7 Ventilationsöffnungen 74 vorgesehen sind.
In Figur 2 ist ein gehäuster Piezotransformator mit einem scheibenförmigen Grundkörper 1 gezeigt .
Die akustische Welle breitet sich in den Varianten gemäß Figuren 2 und 3A in Radialrichtungen aus, was einer planaren Schwingungsmode entspricht. Der Piezotransformator ist in diesen Varianten für die erste Harmonische bzw. die Grundwelle ausgelegt, wobei der Bereich, in dem Wellenbäuche auftreten, der Mantelfläche des Grundkörpers entspricht. Der Bereich, in dem Wellenknoten auftreten, erstreckt sich entlang der vertikalen Mittelachse des Grundkörpers .
Das wärmeleitende, auch in dieser Variante für den Grundkörper 1 als eine Auflage dienende Kopplungselement 8 ist in diesem Fall mittig, im Wesentlichen im Wellenknotenbereich angeordnet . Der Transformator weist in Figuren 2, 3A einen im Querschnitt ringförmigen Eingangsbereich auf, der an die Außenelektroden 2, 2' angeschlossen ist. Der Transformator weist ferner einen mittig angeordneten, durch den Eingangsbereich allseitig umschlossenen, in Querschnitt runden Ausgangsbereich auf, der an die Außenelektroden 3, 2' angeschlossen ist. Der Ein- und Ausgangsteil des Transformators haben dabei eine gemeinsame Elektrode 2' .
Die Drahtverbindung 66 verbindet leitend die obere Außenelektrode 3 des Transformators und den linken Anschlussstift 9. Der Befestigungspunkt der Drahtverbindung 66 am Grundkörper 1 bzw. an der oberen Außenelektrode 3 ist auch in der Variante gemäß Figur 2 im Bereich angeordnet, in dem Wellenknoten auftreten.
Die untere Außenelektrode 2' ist in Fig. 2 mittels einer weiteren Drahtverbindung 66' leitend mit dem rechten Anschlussstift 9 verbunden.
In der Variante gemäß Figur 3A ist der Grundkörper 1 an den Kühlkörper 7 wie in Figur IC von unten mittels eines unteren, den Kühlkörper 7 direkt kontaktierenden wärmeleitenden Kopplungselements 8 und von oben mittels eines oberen wärmeleitenden Kopplungselements 8' über das Federelement 11 thermisch gekoppelt.
Der Kühlkörper 7 ist hier als eine Kühlplatte ausgebildet, in der von oben nach unten durchgehende Öffnungen 70 vorgesehen sind. Auf der auch in Figuren 3B und 3C gezeigten Kühlplatte sind Kontaktflächen 60, 61, 62, 63 angeordnet. Alle Kontaktflächen 60 bis 63 sind auf der Oberseite des Kühlkörpers 7 angeordnet . Die Anordnung von Kontaktflächen auf seiner Un- terseite kommt auch in Betracht.
In Figur 3D ist die Beschaltung des Transformators gemäß Figur 3A gezeigt. Die obere Außenelektrode 2 ist mittels einer in Figur 3A nicht gezeigten, aber in Figur 3C sichtbaren Drahtverbindung 66 leitend mit der Kontaktfläche 63 verbunden. Die obere Außenelektrode 3 ist mittels des Federelements 11 und einer im Kühlkörper 7 angeordneten Durchkontaktierung leitend mit der Kontaktfläche 62 verbunden. Die untere Außenelektrode 2' ist mittels des unteren wärmeleitenden Kopplungselements 8 leitend mit der unterhalb des Grundkδrpers 1 angeordneten Kontaktfläche 60 verbunden. Die Kontaktfläche 60 ist dabei leitend mit der von außen zugänglichen und als e- lektrischer Anschluss der Transformatoranordnung vorgesehenen Kontaktfläche 61 verbunden.
Bis auf die bereits erläuterten Unterschiede trifft für die in Figur 2 gezeigte Variante die Beschreibung der Variante gemäß Figuren IB, IC und für die in Figur 3A gezeigte Variante die Beschreibung der Variante gemäß Figur ID zu. In der in Figuren 2, 3A gezeigten Transformatoranordnung kann alternativ ein Transformator mit einem quaderförmigen Grundkörper verwendet werden.
Es ist vorteilhaft, einen als Dickenschwinger vorgesehenen Transformator mit einem zylinder- bzw. scheibenförmigen Grundkδrper auszubilden.
In Figur 4A ist eine Variante gezeigt, in der im Grundkörper 1 des Transformators im Gegensatz zu den bisher erläuterten Ausführungsbeispielen ein Dickenschwinger realisiert ist, der für eine Grundwelle ausgelegt ist. Die Schwingungen des Grundkörpers erfolgen in diesem Fall vertikal, d. h. die WeI- lenausbreitungsrichtung ist in diesem Fall auch vertikal gerichtet. Die maximale Schwingungsamplitude bzw. Bereiche, in denen Wellenbäuche auftreten, entsprechen in Figur 4A der Unterseite und der Oberseite des Grundkörpers 1. Der Bereich, in dem Wellenknoten auftreten, ist in einer lateralen Ebene angeordnet, die ungefähr durch die Mitte des Grundkörpers durchgeht . Im Bereich dieser Ebene sind wärmeleitende Kopplungselemente 8 vorgesehen, die den Grundkörper 1 zwischen den Seitenwänden des Kühlkörpers 7 halten. Die Kopplungselemente aus einem elastisch verformbaren Material sind für die Fixierung des Grundkörpers 1 von Vorteil .
Der Grundkörper 1 wird von unten durch ein oben bereits erläutertes Zwischenelement 12 gestützt, das hier zwischen der Unterseite des Grundkörpers 1 und der Oberseite der Bodenplatte des Kühlkörpers 7 angeordnet ist . Das Zwischenelement 12 ist hier entlang einer vertikalen Mittelachse des Grund- kδrpers 1 angeordnet .
Auch in der Variante gemäß Figur 4A kann ein Federelement vorgesehen sein, das den Grundkδrper 1 von oben vorzugsweise nur in einem Bereich mit einer kleinen Fläche berührt . Ansonsten können die elektrische Verbindungen zwischen den Außenelektroden des Transformators und den elektrischen Anschlüssen der Transformatoranordnung wie in bereits erläuterten Varianten erfolgen.
Der Grundkörper in der Variante gemäß Figur 4A kann sowohl quaderförmig als auch wie in Figur 4B angedeutet scheibenförmig sein.
Der Kühlkörper 7 in Varianten gemäß Figuren 4B und 4C weist einen Außenzylinder 701 auf. In der Variante gemäß Figur 4C ist außerdem ein Innenzylinder 702 vorgesehen. Der Innen- und Außenzylinder kann aber durch ein Rohr mit einem beliebigen Querschnitt ersetzt werden, wobei die Querschnittsform des Rohrs vorzugsweise an den Außenquerschnitt des Grundkörpers angepasst ist .
Insbesondere der innere Querschnitt des Gehäuses bzw. sein innerer Umriss ist vorzugsweise an den Außenquerschnitt bzw. äußeren Umriss des Grundkörpers angepasst, wobei z. B. für einen scheibenförmigen Grundkörper ein zylindrisches und für einen quaderförmigen Grundkörper ein rechteckiges Gehäuse verwendet wird .
In Figur 4B ist der scheibenförmige Grundkörper 1 mittels der wärmeleitenden, vorzugsweise elastisch verformbaren Kopplungselemente 8 im becherförmigen Kühlkörper 7 vorgespannt . Die Kopplungseiemente 8 koppeln dabei thermisch die Außenmantelfläche des Grundkörpers 1 an die Innenmantelfläche des Außenzylinders 701.
In Figur 4B sind je zwei wärmeleitende Kopplungselemente 8 in zwei quer bzw. senkrecht zueinander verlaufenden Radialrichtungen angeordnet. Möglich ist es im Falle eines Dickenschwingers auch, zwischen der äußeren Mantelfläche des Grund- kδrpers 1 und der inneren Mantelfläche des Kühlkörpers 7 ein ringförmiges, in der Wellenknotenebene angeordnetes wärmeleitendes Kopplungseiement zu verwenden.
In Figur 4C ist eine Transformatoranordnung mit einem im Querschnitt ringförmigen Piezotransformator gezeigt, der mittels der wärmeleitenden, vorzugsweise elastisch verformbaren Kopplungselemente 8, 8' zwischen dem Außenzylinder 701 und dem Innenzylinder 702 des Kühlkörpers 7 vorgespannt ist. Zu- sätzlich zu den in Figur 4B gezeigten Elementen sind hier zwischen der innen liegenden Mantelfläche des Kühlkörpers 7 und der innen liegenden Mantelfläche des Grundkörpers 1 weitere wärmeleitende Kopplungselemente 8' vorgesehen, welche die nach innen gewandte Mantelfläche des Grundkörpers 1 an den Innenzylinder 702 thermisch ankoppeln. Auch hier können vier Kopplungselemente 8 und/oder vier Kopplungselemente 8' durch ein einziges ringförmiges Kopplungselement ersetzt werden.
Der Kühlkörper 7 in Figur 4C hat die Form eines Troges, wobei sein Außenzylinder und sein Innenzylinder durch einen ringförmigen Boden miteinander verbunden sind. In der Mitte des Troges bzw. des Innenzylinders ist ein Loch 700 angeordnet.
Figur 5 zeigt die Kontaktstelle 16 der Drahtverbindung 66 an einer Außenelektrode des Piezotransformators, z. B. der Außenelektrode 2 oder 3. Die Drahtverbindung 66 ist ein Flachdraht mit einem Metallband 14 und einer Kunststoffläge 13. Die Kunststoffläge 13 sorgt dafür, dass mechanische Schwingungen in der Drahtverbindung 66 in hohem Maße gedämpft werden und somit die Übertragung der akustischen Schwingungen vom Grundkörper aus den Kühlkörper im Wesentlichen verhindert wird. Dies entlastet die beiden Befestigungspunkte der Drahtverbindung 66 am Grundkörper 1 und im Gehäuse bzw. an einem im Gehäuse angeordneten elektrischen Anschluss.
Das Metallband 14 ist mit der Außenelektrode verlötet. Somit ist ein Ende der Drahtverbindung 66 am Grundkörper 1 befestigt. Das zweite Ende der Drahtverbindung 66 kann z. B. wie in der Variante gemäß Figur 6 befestigt sein. Auf die Kontaktstelle 16 ist eine vorzugsweise elektrisch isolierende Schutzschicht 17 aufgebracht. Die Schutzschicht 17 kann eine Vergussmasse z. B. aus Epoxid-Harz oder eine verhärtete Klebemasse sein. Eine Schutzschicht 17 aus Gummi ist auch geeignet. Die Schutzschicht 17 kann in einer Variante durch einen Schrumpfschlauch gebildet sein.
Die Schutzschicht 17 liegt auch auf einem außerhalb der Befestigungsstelle liegenden Abschnitt der Drahtverbindung 66 und drückt diesen gegen den Grundkörper 1 an. Damit wird die mechanische Entlastung der Kontaktstelle 16 erreicht.
Figur 6 zeigt eine Variante, bei der die Transformatoranordnung elastisch verformbare elektrische Anschlüsse 9 aufweist, die direkt an den Außenelektroden 2, 2', 3, 3' ,des Grundkör- pers 1 befestigt sind und eine in Figuren IC, 2. gezeigte Drahtverbindung 66 ersetzen. Dadurch, dass elastisch verformbare elektrische Anschluss 9 schwingen kann, ist sein Befestigungspunkt am Grundkörper mechanisch entlastet.
Die Anschlüsse 9 sind vorzugsweise als Flachband ausgebildet, siehe auch Figur 5. Sie sind durch den Kühlkörper 7 hindurch geführt. Der bereits in Figur IC gezeigte Einsatz 10 ist hier mit einer Öffnung ausgebildet, deren Querschnittsgröße die Querschnittsgröße des Anschlusses 9 übersteigt, so dass der Anschluss 9 schwingen kann, ohne den Einsatz 10 zu berühren.
An der Unterseite des Einsatzes 10 ist eine Metallscheibe 101 befestigt, in der eine Öffnung ausgebildet ist. Die Querschnittsgröße dieser Öffnung ist im Wesentlichen - in einer Variante formschlüssig - an die Querschnittsgröße des Anschlusses 9 angepasst . Der Anschluss 9 kann z. B. mittels einer Lotmasse fest mit der Metallscheibe 101 verbunden sein. Die unteren Enden des Anschlusses 9 können abgeknickt sein. Die angegebene Transformatoranordnung mit einem Piezotrans- formator ist auf die in Figuren gezeigten Varianten, insbesondere auf die Anzahl der dargestellten Elemente und die besondere Formgebung bzw. Materialangaben nicht beschränkt. Die in Figuren insbesondere in Bezug auf mechanische Entkopplung eines Transformators und eines Trägers erläuterten, vorteilhaften Lösungen können in Kombination mit weiteren, hier nicht gezeigten Ausgestaltungen eines Piezotransformators und/oder eines Trägers verwendet werden.
Bezugszeichenliste
1 Grundkörper des piezoelektrischen Transformators 10 isolierender Einsatz
101 leitendes Element
102 Ausnehmung im isolierenden Einsatz
11, 11' Federelement
12, 12' Zwischenelement zur Halterung des Grundkörpers im Kühlkörper
14 Metalllage
15 Kunststofflage
16 Verbindungsstelle zwischen der Außenelektrode 2 , 3 des Grundkörpers 4 und der Drahtverbindung 66
17 Schutzschicht
2, 2' Außenelektroden des Eingangsteils
3, 3' Außenelektroden des Ausgangsteils
4 Eingangsteil des piezoelektrischen Transformators
5 Ausgangsteil des piezoelektrischen Transformators 6, 60, 61, 62, 63 Kontaktflächen am Kühlkörper
66 Drahtverbindung
7 Kühlkörper
70 im Kühlkörper 7 vorgesehene Öffnungen zur Aufnahme von
Federbügeln des Federelements 11
700 Innenloch des Kühlkörpers 7
701 Außenrohr des Kühlkörpers 7
702 Innenrohr des Kühlkörpers 7
72, 73 Seitenwände 72, 73 des Kühlkörpers 7 74 Ventilationsöffnungen 8, 8' wärmeleitendes Kopplungselement
9 als Stift ausgebildeter Außenanschluss der Transformatoranordnung

Claims

Patentansprüche
1. Transformatoranordnung, umfassend:
- einen piezoelektrischen Transformator, der einen Grundkörper (1) aufweist,
- einen Kühlkörper (7) , auf dem der Grundkörper (1) angeordnet ist,
- wobei der Grundkörper (1) mittels mindestens eines wärmeleitenden Kopplungselements (8) thermisch an den Kühlkörper (7) gekoppelt ist.
2. Transformatoranordnung nach Anspruch 1, wobei die in Ausbreitungsrichtung einer im Grundkörper angeregten akustischen Welle gemessene Länge des mindestens einen wärmeleitenden Kopplungselements (8) kleiner ist als die in dieser Richtung gemessene Länge des Grundkörpers.
3. Transformatoranordnung nach Anspruch 1, wobei die Kontaktfläche zwischen dem Kopplungselement (8) und dem Grundkörper (1) kleiner ist als die Fläche der diese Kontaktfläche umfassenden Begrenzungsfläche des Grundkörpers (D •
4. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Kühlkörper (7) mindestens einen Teil eines Gehäuses bildet, in dem der Grundkörper (1) angeordnet ist.
5. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Kühlkörper (7) Rippen aufweist.
6. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das mindestens eine wärmeleitende Kopplungselement (8) in einer quer zur Wellenausbreitungsrichtung verlaufenden Richtung langgestreckt ist .
7. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei mehrere voneinander beabstandete wärmeleitende Kopplungselemente (8) zur Bildung eines Luftspalts zwischen dem Grundkörper (1) und dem Kühlkörper (7) vorgesehen sind.
8. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei wenigstens ein wärmeleitendes Kopplungselement (8) in einem Bereich der Grundkörper-Oberfläche angeordnet ist, in dem Wellenknoten einer im Grundkörper (1) angeregten akustischen Welle auftreten.
9. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die in Wellenausbreitungsrichtung gemessene Länge eines Kopplungselements (8) maximal 30% der in dieser Richtung gemessenen Länge des Grundkδrpers (1) beträgt.
10. Transformatoranordnung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die in Wellenausbreitungsrichtung gemessene Länge des Luftspalts mindestens 50% der in dieser Richtung gemessenen Länge des Grundkδrpers (1) beträgt.
11. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Gesamtoberfläche des Kühlkörpers (7) größer ist als die Gesamtoberfläche des Grundkörpers (1) .
12. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das wärmeleitende Kopplungselement (8) elastisch verformbar ist.
13. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das wärmeleitende Kopplungselement (8) eine Paste ist.
14. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das wärmeleitende Kopplungselement (8) elektrisch leit- fähig ist.
15. Transformatoranordnung nach Anspruch 14, wobei das wärmeleitende Kopplungselement (8) eine am Grundkörper (1) angeordnete Außenelektrode (2, 2'; 3, 3') und eine am Kühlkörper (7) angeordnete KontaktSchicht leitend miteinander verbindet .
16. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei auf gegenüber liegenden Seiten des Grundkörpers (1) jeweils mindestens ein wärmeleitendes Kopplungselement (8) angeordnet ist.
17. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16,
- wobei ein wärmeleitendes Kopplungselement (8) auf der Oberseite des Grundkörpers (1) angeordnet ist, und
- wobei ein am Kühlkörper (7) vorgespanntes Federelement (11) vorgesehen ist, das gegen das obere wärmeleitende Kopplungs- element (8) drückt und dieses mit dem Kühlkörper (7) thermisch verbindet.
18. Transformatoranordnung nach Anspruch 17, wobei das Federelement (11) das obere Kopplungselement (8) mit einer am Kühlkörper (7) angeordneten Kontaktfläche (61) leitend verbindet .
19. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei für mindestens eine Seite des Grundkörpers (1) gilt: zwischen der Seite des Grundkörpers (1) und dem Kühlkörper (7) ist ein Zwischenelement (12, 12') angeordnet, das als Halterung des Grundkörpers (1) im Kühlkörper (7) dient.
20. Transformatoranordnung nach Anspruch 19, wobei das Zwischenelement (12, 12') zwischen einer parallel zur Wellenfront angeordneten Seite des Grundkörpers (1) und dem Kühlkörper (7) angeordnet ist.
21. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei an gegenüber liegenden Seitenflächen des Grundkörpers
(1) jeweils wenigstens ein wärmeleitendes Kopplungselement (8) angeordnet ist.
22. Transformatoranordnung nach Anspruch 21, wobei der Grundkörper (1) zwischen den am Kühlkörper (7) anliegenden Kopplungselementen (8) verspannt ist.
23. Transformatoranordnung nach Anspruch 21 oder 22,
- wobei der Kühlkörper (7) ein Innenrohr (702) und ein Außenrohr (701) aufweist,
- wobei der Grundkδrper (1) ringförmig ist und zwischen dem Innenrohr (702) und dem Außenrohr (701) mittels der Kopplungselemente (8, 8') verspannt ist.
24. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei der Kühlkörper (7) ein elektrisch isolierendes Material mit guter Wärmeleitfähigkeit enthält .
25. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei der Kühlkörper (7) ein keramisches Material enthält.
26. Transformatoranordnung nach Anspruch 24 oder 25, wobei auf der Oberfläche des Kühlkörpers (7) als Kontaktflächen (6, 60, 61, 62, 63) ausgebildete Anschlüsse angeordnet sind .
27. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei der Kühlkörper (7) ein Metallkörper ist oder eine Metallplatte umfasst .
28. Transformatoranordnung nach Anspruch 27, wobei im Kühlkörper (7) stiftförmige elektrische Anschlüsse (9) vorgesehen sind.
29. Transformatoranordnung nach Anspruch 28, wobei der elektrische Anschluss (6, 9) des Kühlkörpers (7) mittels einer Drahtverbindung mit einer an Oberfläche des Grundkörpers (1) angeordneten Außenelektrode (2, 2'; 3, 3') leitend verbunden ist .
30. Transformatoranordnung nach Anspruch 29, wobei die Drahtverbindung die Übertragung von mechanischen Schwingungen des Grundkörpers (4) auf den Kühlkörper (7) dämpft .
31. Transformatoranordnung nach Anspruch 29 oder 30, wobei die Länge der Drahtverbindung größer ist als der Abstand zwischen der Außenelektrode (2, 2'; 3, 3') und dem Anschluss (9) des Kühlkörpers (7) .
32. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 29 bis 31, wobei die Drahtverbindung mindestens eine Metalllage und mindestens eine Kunststoffläge umfasst .
33. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 32, wobei das wärmeleitende Kopplungselement (8) als Distanzele- ment zur Bildung eines Luftspaltes zwischen dem Grundkörper (1) und dem Kühlkörper (7) dient.
34. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 33, wobei elektrische Anschlüsse des Transformators durch den Kühlkörper (7) hindurch geführt sind.
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