WO2013107615A1 - Elektrogerät - Google Patents

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WO2013107615A1
WO2013107615A1 PCT/EP2013/000036 EP2013000036W WO2013107615A1 WO 2013107615 A1 WO2013107615 A1 WO 2013107615A1 EP 2013000036 W EP2013000036 W EP 2013000036W WO 2013107615 A1 WO2013107615 A1 WO 2013107615A1
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circuit board
foam
power module
electrical device
screw
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PCT/EP2013/000036
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Inventor
Josef Schmidt
Martin SCHÖRNER
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Sew-Eurodrive Gmbh & Co. Kg
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    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/209—Heat transfer by conduction from internal heat source to heat radiating structure

Definitions

  • the invention relates to an electrical appliance.
  • the electrical appliance comprising a populated printed circuit board and at least one foam part wherein the foam part surrounds the circuit board at least partially forming a housing.
  • the advantage here is that the heat is dissipated by the foam part.
  • the foam part therefore does not have the function of a thermal barrier but the function of a heat-dissipating housing part.
  • the impact energy absorption capacity of the foam is very high despite its low mass. Thus, a good protection for the circuit board is achievable.
  • the effective for the heat generating components as a cooling arrangement foam itself acts as an electrical insulator, shock protection and housing.
  • foam here foamed plastics are understood, the one
  • volume fraction of gas bubbles or gas bubbles of more than 50% When foaming a base material is foamed by the addition of foam additives, wherein the volume of the substance doubles at least.
  • the foam consists of a foamed base material containing polypropylene and a non-oxide ceramic material, in particular having silicon carbide, boron nitride and / or boron carbide, in particular with a volume fraction of between 3% and 30%.
  • a foam with simple means is thermally conductive executable.
  • the foam parts are positively connected to each other, in particular screw-connected or by means of clip connection.
  • the advantage here is that a simple and secure connection is performed.
  • the electrical appliance by means of screws to a
  • Mounting part in particular metallic mounting part, screwed, the screws introduce Anpresskraftchen in one or the foam part.
  • the advantage here is that heat generated by the electrical appliance can be forwarded from the mounting part.
  • a heat-generating power module which is connected to the circuit board, connected on a side remote from the circuit board side with a heat sink, in particular with an aluminum heat sink, which a
  • Foam part penetrates, in particular and opens at its side facing away from the power module side into the environment, in particular in the mounting part.
  • the advantage here is that a large heat flow via a heat sink to the environment is derived.
  • the other heat flows generated by the electrical appliance are dissipated via the foam.
  • Printed circuit board equipped which protrudes from one or the foam part, in particular for connection to a mating connector part.
  • the advantage here is that electrical connections protrude from the foam and thus are contactable.
  • Connector part is automatically populated in the assembly of the circuit board, making the production is simple and inexpensive.
  • a metallic part in particular made of aluminum or copper, is arranged in the foam, which protrudes from the foam in the environment and is spaced from the circuit board and the components mounted thereon.
  • the advantage here is that an improved heat dissipation can be achieved.
  • For the specific thermal conductivity of the foam is better than air, in particular at least ten times better, but it is worse than that of copper and that of aluminum.
  • the pressure plate made of plastic or is designed in two pieces, wherein the printed circuit board towards an electrically insulating
  • Plastic part is arranged, which is pressed by a metallic plate on the circuit board.
  • FIG. 1 shows a cross section through the schematic structure of an exemplary embodiment according to the invention.
  • FIG. 3 shows an oblique view of the first or second exemplary embodiment.
  • a printed circuit board 5 equipped with a heat-generating component 6 is surrounded on both sides by foam parts (1, 2).
  • a power module 9 is equipped, which
  • Circuit board 5 is together with power module 9 surrounded by the second foam part. 2
  • the two foam parts (1, 2) simultaneously form the housing. So they surround the assembled printed circuit board housing forming.
  • At least one or both foam parts (1, 2) are made on thermally conductive base material.
  • the base material is made of polypropylene, a non-oxide ceramic material such as silicon carbide, boron nitride and / or boron carbide, and other additives for improving the flame retardancy and reducing the leakage current, so improving the electrical insulation strength.
  • the volume fraction of the ceramic material admixed as a fine powder in the production is between 3% and 30%. Thus, an excellent thermal conductivity is achievable, although the base material is foamed and thus produced as a foam part with a high proportion of gas inclusions.
  • a capacitor 4 is also provided, which acts as a DC link capacitor of the assembled from the printed circuit board inverter.
  • the heat-generating component 6 is solder-connected with its connection elements with conductor tracks of the printed circuit board.
  • circuit board 5 On the circuit board 5 is also a connector part soldered, the contacts protrude from the foam part 2, so that from the outside a mating connector part is connectable. In this way, the circuit board can be connected to a data bus or connected to another device by means of another data interface.
  • a further connector part 30 with the circuit board 5 is solder-joined, so that supply lines via a mating connector part, which is connectable to the also protruding from the foam part 2 contacts of the connector part 30.
  • a circuit board can be equipped with components, a module and connector parts, after which the assembled printed circuit board is surrounded by foam parts, in particular of correspondingly hot stamped foam parts.
  • the resulting electrical device is transportable and attachable to a mounting part 12th
  • the circuit board is arranged in the tool, surrounded by spherical base material particles and then acted upon with hot steam, chemically foamed and / or foamed with a multi-component mixture.
  • a heat sink 20 can also be connected to the power module 5, so that the heat of the power module can be led out of the housing formed by the foam parts (1, 2) via the direct contact of the power module 5 with the heat sink 20 Environment, in particular the mounting part 12.
  • the heat generated by the device 6 and / or by the capacitor 4 is further dissipated via the heat-conducting foam parts 1 and 2 to the environment.
  • the ratio of the two foam parts (1, 2) instead of the two foam parts (1, 2) more or less foam parts used to form the housing function, the ratio of the two foam parts (1, 2) more or less foam parts used to form the housing function, the ratio of the two foam parts (1, 2) more or less foam parts used to form the housing function, the ratio of the two foam parts (1, 2) more or less foam parts used to form the housing function, the ratio of the two foam parts (1, 2) more or less foam parts used to form the housing function, the motherboard and the mechanical holding function for the circuit board including assembly.
  • Screw in particular with widened screw head and / or washer condenser
  • Mounting part in particular table or wall

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Abstract

Elektrogerät, aufweisend eine bestückte Leiterplatte und zumindest ein Schaumstoffteil wobei das Schaumstoffteil die Leiterplatte zumindest teilweise gehäusebildend umgibt.

Description

Elektrogerät
Beschreibung: Die Erfindung betrifft ein Elektrogerät.
Es ist allgemein bekannt, dass Schaumstoff als Wärmesperre einsetzbar ist. Gehäuse von Elektrogeräten werden aus Metall oder Kunststoff hergestellt. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Elektrogerät weiterzubilden, wobei eine möglichst einfache Herstellung ermöglicht sein soll.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Elektrogerät nach den in Anspruch 1
angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Elektrogerät, aufweisend eine bestückte Leiterplatte und zumindest ein Schaumstoffteil wobei das Schaumstoffteil die Leiterplatte zumindest teilweise gehäusebildend umgibt.
Von Vorteil ist dabei, dass die Wärme durch das Schaumteil abgeleitet wird. Das Schaumteil hat also nicht die Funktion einer Wärmesperre sondern die Funktion eines Wärme ableitenden Gehäuseteils. Das Stoßenergieabsorptionsvermögen des Schaumstoffes ist trotz seiner geringen Masse sehr hoch. Somit ist ein guter Schutz für die Leiterplatte erreichbar.
Somit fungiert der für die Wärme erzeugenden Bauelemente als Kühlanordnung wirksame Schaumstoff selbst auch als elektrischer Isolator, Berührschutz und Gehäuse. Unter Schaumstoff werden hier aufgeschäumte Kunststoffe verstanden, die einen
Volumenanteil der Gaseinschlüsse oder Gasbläschen von mehr als 50 % aufweisen. Beim Aufschäumen wird ein Grundmaterial durch Zugabe von Schaumzusätzen aufgeschäumt, wobei das Volumen des Stoffes mindestens sich verdoppelt. Vorzugsweise werden
Kügelchen aus dem aufgeschäumtem Grundmaterial in einem Formwerkzeug mit heißem Wasserdampf beaufschlagt, so dass die Kügelchen verschweißen, also stoffschlüssig verbunden werden, und der gesamte Körper die vom Formwerkzeug vorgegebene Form erhält. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht der Schaumstoff aus einem aufgeschäumten Grundmaterial, welches Polypropylen und ein nicht-oxydisches Keramik-Material enthält, insbesondere welches Siliciumcarbid, Bornitrid und/oder Borcarbid aufweist, insbesondere mit einem Volumenanteil zwischen 3 % und 30 %. Von Vorteil ist dabei, dass ein Schaumstoff mit einfachen Mitteln wärmeleitend ausführbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind ein oder mehrere Wärme erzeugende
Bauelemente auf der Leiterplatte bestückt. Von Vorteil ist dabei, dass die Wärme durch das Gehäuse an die Umgebung abgeleitet wird, obwohl das Gehäuse aus Schaumstoff gefertigt ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Schaumstoffteile miteinander formschlüssig verbunden, insbesondere schraubverbunden oder mittels Klipsverbindung. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache und sichere Verbindung ausgeführt ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Elektrogerät mittels Schrauben an ein
Montageteil, insbesondere metallisches Montageteil, anschraubbar, wobei die Schrauben Anpresskraftfluss in ein oder das Schaumstoffteil einleiten. Von Vorteil ist dabei, dass vom Elektrogerät erzeugte Wärme von dem Montageteil weiterleitbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Wärme erzeugendes Leistungsmodul, welches mit der Leiterplatte verbunden ist, auf einer von der Leiterplatte abgewandten Seite mit einem Kühlkörper, insbesondere mit einem Aluminium-Kühlkörper, verbunden, welcher ein
Schaumstoffteil durchdringt, insbesondere und an seinem von dem Leistungsmodul abgewandten Seite in die Umgebung mündet, insbesondere in das Montageteil. Von Vorteil ist dabei, dass ein großer Wärmestrom über einen Kühlkörper an die Umgebung ableitbar ist. Die weiteren vom Elektrogerät erzeugten Wärmeströme werden über den Schaumstoff ableitbar. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist mindestens ein Steckverbinderteil auf der
Leiterplatte bestückt, welches aus einem oder dem Schaumstoffteil herausragt, insbesondere zur Verbindung mit einem Gegensteckverbinderteil. Von Vorteil ist dabei, dass elektrische Anschlüsse aus dem Schaumstoff herausragen und somit kontaktierbar sind. Das
Steckverbinderteil ist bei der Bestückung der Leiterplatte automatisch bestückbar, wodurch die Herstellung einfach und kostengünstig ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist im Schaumstoff ein metallisches Teil, insbesondere aus Aluminium oder Kupfer, angeordnet, welches aus dem Schaumstoff in die Umgebung herausragt und von der Leiterplatte und den darauf bestückten Bauelementen beabstandet ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine verbesserte Wärmeableitung erreichbar ist. Denn die spezifische Wärmeleitfähigkeit des Schaumstoffes ist zwar besser als Luft, insbesondere mindestens zehnmal besser, allerdings ist sie schlechter als die von Kupfer und auch die von Aluminium.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Leistungsmodul mit der Leiterplatte
schraubverbunden, insbesondere wobei eine Druckplatte auf der vom Leistungsmodul abgewandten Seite von einer Schraubverbindung gegen die Leiterplatte gedrückt wird und das Leistungsmodul gegen die Leiterplatte von der Schraubverbindung gedrückt wird. Von Vorteil ist dabei, dass ein geringer Druck im Kontaktbereich erzeugt wird. Dabei ist die Druckplatte aus Kunststoff oder ist zweistückig ausgeführt, wobei zur Leiterplatte hin ein elektrisch isolierendes
Kunststoffteil angeordnet ist, welche von einer metallischen Platte angedrückt ist auf die Leiterplatte hin.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen
Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe. Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In der Figur 1 ist ein Querschnitt durch den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels gezeigt.
In der Figur 2 ist ein Querschnitt durch den schematischen Aufbau eines zweiten
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels gezeigt.
In der Figur 3 ist eine Schrägansicht auf das erste oder zweite Ausführungsbeispiel gezeigt.
Wie in Figur 1 gezeigt, ist eine mit einem Wärme erzeugenden Bauelement 6 bestückte Leiterplatte 5 beidseitig von Schaumstoffteilen (1 , 2) umgeben.
Hierzu ist ein erstes Schaumstoffteil 1 an die erste Seite der Leiterplatte 5, auf der auch das Bauelement 6 angeordnet ist, angesetzt.
Auf der anderen Seite der Leiterplatte 5 ist ein Leistungsmodul 9 bestückt, welches
Leistungshalbleiter aufweist und somit auch eine hohe Wärmeleistung besitzt. Die
Leiterplatte 5 ist samt Leistungsmodul 9 umgeben von dem zweiten Schaumstoffteil 2.
Die beiden Schaumstoffteile (1 , 2) bilden gleichzeitig das Gehäuse. Sie umgeben also die bestückte Leiterplatte gehäusebildend.
Außerdem sind zumindest eines oder beide Schaumstoffteile (1 , 2) auf wärmeleitfähigem Grundmaterial gefertigt.
Das Grundmaterial besteht aus Polypropylen, aus einem nichtoxydischen Keramik-Material, wie Siliciumcarbid, Bornitrid und/oder Borcarbid, und weiteren Zusätzen für Verbesserung des Flammschutzes und Verringerung des Kriechstroms, also Verbesserung der elektrischen Isolationsfestigkeit. Der Volumenanteil des Keramik-Materials, das als feines Pulver bei der Herstellung beigemischt wird, beträgt zwischen 3% und 30%. Somit ist eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit erreichbar, obwohl das Grundmaterial aufgeschäumt wird und somit als Schaumstoffteil mit hohem Anteil an Gaseinschlüssen hergestellt ist. Zwar leiten die
Gaseinschlüsse die Wärme sehr schlecht, jedoch sind die durch die Keramik-Material- Partikel gebildeten Ketten in den aus dem Grundmaterial gebildeten Zellwänden derart als teilweise unterbrochen Ketten von der Wärmequelle zur Wärmesenke angeordnet, dass ein sehr geringer Wärmewiderstand durch das oder die Schaumstoffteile erreichbar ist.
Die Schaumstoffteile (1 , 2) halten die bestückte Leiterplatte auch mechanisch und werden mittels schrauben 3, welche vorzugsweise einen verbreiterten Schraubenkopf aufweisen und/oder unter deren Schraubenkopf eine Unterlegscheibe angeordnet ist, gegen ein Montageteil 12, insbesondere Tisch oder Wand, gedrückt, indem die Schrauben 3 dort zumindest teilweise eingeschraubt sind. Auf derselben Seite der Leiterplatte 5, auf welcher sich das Leistungsmodul 9 befeindet, ist auch ein Kondensator 4 vorgesehen, der als Zwischenkreiskondensators des von der bestückten Leiterplatte realisierten Umrichters fungiert.
Das Wärme erzeugende Bauelement 6 ist mit seinen Anschlusselementen lötverbunden mit Leiterbahnen der Leiterplatte.
Hingegen ist zum Verbinden des Leistungsmoduls 9 mit der Leiterplatte 5 eine Schraube 7 vorgesehen, deren Schraubenkopf auf eine Druckplatte 8 drückt, die - wie auch der Schraubenkopf - auf der von dem Leistungsmodul abgewandten Seite der Leiterplatte sich befindet.
Die Schraube 7 wird zur Erzeugung dieser Anpresskraft mit einer Mutter 10 verbunden, welche wiederum über eine Druckplatte auf das Leistungsmodul drückt, wobei die Mutter 10 und die Druckplatte 11 auf der von der Leiterplatte abgewandten Seite des Leistungsmoduls angeordnet sind.
Auf der Leiterplatte 5 ist auch ein Steckverbinderteil lötverbunden, dessen Kontakte aus dem Schaumstoffteil 2 herausragen, so dass von außen ein Gegensteckverbinderteil verbindbar ist. Auf diese Weise ist die Leiterplatte mit einem Datenbus verbindbar oder mittels einer sonstigen Datenschnittstelle zu einem weiteren Gerät verbindbar.
Wie in Figur 3 gezeigt, ist außerdem ein weiteres Steckverbinderteil 30 mit der Leiterplatte 5 lötverbindbar, so dass Versorgungsleitungen über ein Gegensteckverbinderteil, welches mit den ebenfalls aus dem Schaumstoffteil 2 herausragenden Kontakten des Steckverbinderteils 30 verbindbar ist. Auf diese Weise ist also eine Leiterplatte bestückbar mit Bauelementen, einem Modul und Steckverbinderteilen, wonach die bestückte Leiterplatte von Schaumstoffteilen umgeben wird, insbesondere von entsprechend heißgeprägten Schaumstoffteilen.
Das so entstandene Elektrogerät ist transportfähig und anbaufähig an ein Montageteil 12.
Statt der Schaumstoffteile ist auch ein Umschäumen in einem Werkzeug ermöglicht.
Beispielsweise wird hierzu die Leiterplatte in dem Werkzeug angeordnet, von kugelförmigen Grundmaterial-Teilchen umgeben und danach mit heißem Wasserdampf beaufschlagt, chemisch aufgeschäumt und/oder mit einem mehrkomponentigen Gemisch aufgeschäumt.
Auf diese Weise ist dann das Herstellen von einzelnen Schaumstoffteilen verzichtbar und das Gehäuse ist in einem einzigen Schritt herstellbar.
Wie in Figur 2 gezeigt, ist auch ein Kühlkörper 20 mit dem Leistungsmodul 5 verbindbar, so dass die Wärme des Leistungsmodul aus dem von den Schaumstoffteilen (1 , 2) gebildeten Gehäuse über den direkten Kontakt vom Leistungsmodul 5 mit dem Kühlkörper 20 herausführbar ist an die Umgebung, insbesondere das Montageteil 12. Die Wärme, welche von dem Bauelement 6 und/oder von dem Kondensator 4 erzeugt wird, wird weiterhin über die wärmeleitenden Schaumstoffteile 1 beziehungsweise 2 an die Umgebung abgeführt.
Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel werden statt der beiden Schaumstoffteile (1 , 2) mehr oder weniger Schaumstoffteile verwendet zur Bildung der Gehäusefunktion, der Wärmeableitfunktion und der mechanischen Haltefunktion für die Leiterplatte samt Bestückung.
Bezugszeichenliste Schaumstoffteil, insbesondere Kunststoff-Schaumstoffteil
Schaumstoffteil
Schraube, insbesondere mit verbreitertem Schraubenkopf und/oder Unterlegscheibe Kondensator
Leiterplatte
Wärme erzeugendes Bauelement
Schraube
Druckplatte
Leistungsmodul
Mutter
Druckplatte
Montageteil, insbesondere Tisch oder Wand
Steckverbinderteil
Kühlkörper
Steckverbinderteil

Claims

Patentansprüche:
1. Elektrogerät,
aufweisend eine bestückte Leiterplatte und zumindest ein Schaumstoffteil dadurch gekennzeichnet, dass
das Schaumstoffteil die Leiterplatte zumindest teilweise gehäusebildend um
2. Elektrogerät nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schaumstoff aus einem aufgeschäumten Grundmaterial besteht, welches Polypropylen und ein nicht-oxydisches Keramik-Material enthält, insbesondere welches Siliciumcarbid, Bornitrid und/oder Borcarbid aufweist, insbesondere mit einem Volumenanteil zwischen 3 % und 30 %.
3. Elektrogerät nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein oder mehrere Wärme erzeugende Bauelemente auf der Leiterplatte bestückt sind.
4. Elektrogerät nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schaumstoffteile miteinander formschlüssig verbunden sind, insbesondere
schraubverbunden oder mittels Klipsverbindung.
5. Elektrogerät nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Elektrogerät mittels Schrauben an ein Montageteil, insbesondere metallisches
Montageteil, anschraubbar ist, wobei die Schrauben Anpresskraftfluss in ein oder das Schaumstoffteil einleiten.
6. Elektrogerät nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Wärme erzeugendes Leistungsmodul, welches mit der Leiterplatte verbunden ist, auf einer von der Leiterplatte abgewandten Seite mit einem Kühlkörper, insbesondere mit einem Aluminium-Kühlkörper, verbunden ist, welcher ein Schaumstoffteil durchdringt, insbesondere und an seinem von dem Leistungsmodul abgewandten Seite in die Umgebung mündet, insbesondere in das Montageteil.
7. Elektrogerät nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens ein Steckverbinderteil auf der Leiterplatte bestückt ist, welches aus einem oder dem Schaumstoffteil herausragt, insbesondere zur Verbindung mit einem
Gegensteckverbinderteil.
8. Elektrogerät nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Schaumstoff ein metallisches Teil, insbesondere aus Aluminium oder Kupfer, angeordnet ist, welches aus dem Schaumstoff in die Umgebung herausragt und von der Leiterplatte und den darauf bestückten Bauelementen beabstandet ist.
9. Elektrogerät nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Leistungsmodul mit der Leiterplatte schraubverbunden ist, insbesondere wobei eine Druckplatte auf der vom Leistungsmodul abgewandten Seite von einer Schraubverbindung gegen die Leiterplatte gedrückt wird und das Leistungsmodul gegen die Leiterplatte von der Schraubverbindung gedrückt wird.
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