PFEIFFER, Dirk (Rielasinger Str. 2, Gottmadingen, 78244, DE)
FIEDERER, Klaus (Marienweg 10, Dürbheim, 78589, DE)
ERB, Tino (Alpenstr. 13, Gailingen, 78262, DE)
PFEIFFER, Dirk (Rielasinger Str. 2, Gottmadingen, 78244, DE)
FIEDERER, Klaus (Marienweg 10, Dürbheim, 78589, DE)
P a t e n t a n s p r ü c h e :
1. Steuergerät, insbesondere elektrischer Schalter (4) zur Verwendung für ein Elektro Werkzeug (1) mit einem Elektromotor (3), wie ein Akku- und/oder Netz- Elektrowerkzeug, beispielsweise Bohrmaschinen, Schleifer, Sägen, Hobel, Winkelschleifer o. dgl., mit einem Gehäuse (5) zur Aufnahme wenigstens eines wärmeerzeugendes Bauteils, wie eines Leistungstransistors, eines MOS-FETs, eines Triacs o. dgl., das insbesondere in einer elektrischen Schaltungsanordnung, die beispielsweise zur Steuerung und/oder Regelung des Elektromotors (3) durch entsprechende Steuerung und/oder Regelung des durch das Bauteil zum Elektromotor (3) fließenden elektrischen Laststroms dient, angeordnet ist, dadurch gekennzeiehnet, daß ein Mittel (8) zur Wärmeleitung einerseits mit dem Gehäuse (5), insbesondere dem Gehäuse (5) des elektrischen Schalters (4), und/oder mit dem wärmeerzeugenden Bauteil, insbesondere mit dem im Gehäuse (5) befindlichen Leistungshalbleiter, und andererseits mit einem, insbesondere dem Steuergerät zugeordneten, gekühlten Bereich (9) in Verbindung steht.
2. Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (8) zur Wärmeleitung aus einem Wärmerohr (11) in der Art einer Heatpipe besteht, daß vorzugsweise das Wärmerohr (11) am einen Ende eine Verdampfungsregion (12) sowie am anderen Ende eine Kondensationsregion (13) aufweist, insbesondere an dem einen Ende mit einer Verdampferplatte sowie an dem anderen Ende mit einer Kondensationsplatte abgeschlossen ist, und daß weiter vorzugsweise im Wärmerohr (11) ein Fluid enthalten ist, derart daß das Fluid unter Phasenänderung Wärme zwischen der Verdampfungsregion (12) sowie der Kondensationsregion (13) transportiert.
3. Steuergerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr (11) mechanisch und/oder thermisch am Leistungshalbleiter angebunden ist, daß vorzugsweise das eine Ende des Wärmerohrs (11) in der Art eines Gehäuseaufsatzes (14) am Gehäuse (5) im Bereich des Leistungshalbleiters, insbesondere mittels einer Schraube (15), befestigt ist, und daß weiter vorzugsweise der Gehäuseaufsatz (14) die in thermischen Kontakt mit dem Leistungshalbleiter stehende Verdampferplatte (12) umfaßt.
4. Steuergerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr (11) in der Art eines flexiblen und/oder vorgeformten Schlauchs ausgestaltet ist, dessen Verlauf bevorzugterweise entsprechend dem Bauraum zwischen dem Gehäuse (5) und dem gekühlten Bereich (9), insbesondere entsprechend der Gehäuseführung im Elektrowerkzeug (1), angepaßt ist.
5. Steuergerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der gekühlte Bereich (9) im und/oder am Elektrowerkzeug (1), insbesondere im Bereich des Motor-Kühlluftstrόms für den Elektromotor (3), befindlich ist. |
Steuergerät, insbesondere in der Art eines elektrischen Schalters für Elektrohandwerkzeuge
Die Erfindung betrifft ein Steuergerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Derartige Steuergeräte finden vor allem als elektrische Schalter für ein Elektrohandwerkzeug mit einem Elektromotor, wie für ein Akku- und/oder Netz- Elektrowerkzeug, Verwendung. Bei diesen Elektrowerkzeugen kann es sich um Bohrmaschinen, Schleifer, Sägen, Hobel, Winkelschleifer o. dgl. handeln.
Aus der DE 195 08 925 Al ist ein elektrischer Schalter für ein Elektrowerkzeug bekannt, der ein Gehäuse zur Aufnahme einer elektrischen Schaltungsanordnung zur Steuerung und/oder Regelung des Elektromotors aufweist. Bei einer solchen Schaltungsanordnung kann es sich um einen Elektronikbaustein für die Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl des Elektromotors, beispielsweise durch Pulsweitenmodulation, handeln. Die im Gehäuse befindliche Schaltungsanordnung enthält nun wiederum wenigstens ein Bauteil, wie einen Leistungshalbleiter, einen Leistungstransistor, einen MOS-FET, einen Triac o. dgl., das zur entsprechenden Steuerung und/oder Regelung-des durch das Bauteil zum Elektromotor fließenden elektrischen Laststroms dient.
Das Bauteil erzeugt aufgrund seiner Funktion als Leistungsbauteil eine Verlustleistung in Form von Wärme, die aus dem Gehäuse abzuführen ist. Ebenso können sonstige Teile der Schaltungsanordnung Verlustwärme erzeugen. Zur Abführung dieser Wärme dient ein an der Außenseite des Gehäuses befindlicher Kühlkörper. Es hat sich nun herausgestellt, daß in manchen Fällen die dadurch erzielbare Wärmeabfuhr nicht genügend ist. Dies kann
insbesondere bei einem Hochleistungsschalter für Gleichstrommotoren in Elektrowerkzeugen der Fall sein, und zwar beispielsweise bei Elektrowerkzeugen, die mit Lithium-Ionen- Akkus arbeiten. Es liegt auf der Hand, daß in solchen Fällen die Betriebssicherheit des Schalters und damit auch des Elektrowerkzeugs leidet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Abführung der Wärme aus dem Gehäuse zu verbessern. Insbesondere soll in diesem Zusammenhang nach Lösungen gesucht werden, wie die am Leistungshalbleiter des Schalters anfallende Wärme effizient und schnell abgeführt und in einen Bereich des Elektrowerkzeuges transportiert werden kann, wo die Wärme dann durch den vorhandenen Motor-Kühlluftstrom abgeführt wird.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Steuergerät durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Steuergerät steht ein Mittel zur Wärmeleitung einerseits mit dem Gehäuse und/oder mit dem wärmeerzeugenden Bauteil, insbesondere mit dem im Gehäuse befindlichen Leistungshalbleiter, und andererseits mit einem gekühlten Bereich in Verbindung. Der gekühlte Bereich ist außerhalb und/oder separat vom Gehäuse befindlich sowie insbesondere dem Steuergerät zugeordnet. Handelt es sich bei dem Steuergerät um einen elektrischen Schalter, so steht das Mittel zur Wärmeleitung mit dem Gehäuse des elektrischen Schalters in Verbindung. Vorteilhafterweise wird mit Hilfe der Erfindung die Betriebssicherheit des Steuergeräts und/oder des Schalters und damit auch die Betriebssicherheit des Elektrowerkzeugs gesteigert. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Weitere Einsatzfälle im Elektrowerkzeug für eine solche Schaltungsanordnung, insbesondere in der Art eines Elektronikbausteins, können die Steuerung und/oder Regelung des Freilaufs, beispielsweise durch Dioden, des Drehmoments, beispielsweise durch Stromregelung für den Elektromotor, oder anderer Kenngrößen, wie automatische Abschaltung, automatische Regelung, elektronische Bremsung, elektronischer Sanftanlauf des Elektromotors o. dgl., sein. Auch in solchen Einsatzfällen wird mit Hilfe der
erfindungsgemäßen Wärmeabfuhr von der Schaltungsanordnung eine Steigerung der Ausfallsicherheit erreicht.
Besonders effizient kann die Wärme abgeführt werden, wenn das Mittel zur Wärmeleitung aus einem Wärmerohr in der Art einer Heatpipe besteht. Das Wärmerohr weist am einen Ende eine Verdampfungsregion sowie am anderen Ende eine Kondensationsregion auf. Zweckmäßigerweise ist hierzu das Wärmerohr an dem einen Ende mit einer Verdampferplatte sowie an dem anderen Ende mit einer Kondensationsplatte abgeschlossen. Im Wärmerohr ist weiterhin ein Fluid enthalten, derart daß das Fluid unter Phasenänderung, und zwar unter Verdampfung sowie Kondensation, Wärme zwischen der Verdampfungsregion sowie der Kondensationsregion transportiert.
Das Wärmerohr kann mechanisch und/oder thermisch am Leistungshalbleiter angebunden sein. In einfacher Bauweise ist das eine Ende des Wärmerohrs in der Art eines Gehäuseaufsatzes am Gehäuse im Bereich des Leistungshalbleiters befestigt, beispielsweise der einfachen Montage halber mittels einer Schraube. Es bietet sich zwecks Kompaktheit der Anordnung an, daß der Gehäuseaufsatz die in thermischen Kontakt mit dem Leistungshalbleiter stehende Verdampferplatte umfaßt.
Das Wärmerohr läßt sich in der Art eines flexiblen und/oder vorgeformten Schlauchs ausgestalten. Dessen Verlauf kann dann entsprechend dem Bauraum zwischen dem Gehäuse und dem gekühlten Bereich entsprechend der Gehäuseführung im Elektrowerkzeug, also den Gegebenheiten des Elektrowerkzeug-Gehäuses entsprechend, angepaßt sein. Dadurch benötigt das Wärmerohr keinen zusätzlichen Platz im Elektrowerkzeug.
Der gekühlte Bereich läßt sich an zweckmäßiger Stelle im und/oder am Elektrowerkzeug anordnen. Besonders günstig ist es, wenn dieser im Bereich des Motor-Kühlluftstroms befindlich ist. Zwecks kompakter Ausgestaltung bietet es sich an, daß die Kondensationsplatte im gekühlten Bereich angeordnet ist, wobei dann der Motor- Kühlluftstrom die Kondensationsplatte umfließt.
Zusammenfassend läßt sich für eine besonders bevorzugte Ausgestaltung feststellen, daß eine Heatpipe mechanisch und/oder thermisch am Leistungshalbleiter angebunden ist, derart daß die Heatpipe die Wärme in den Bereich des Motor-Kühlluftstroms transportiert. Mit Hilfe von Heatpipes läßt sich Wärme sehr effizient und schnell von einem warmen Ort zu einem anderen kühleren Ort transportieren, weshalb diese Heatpipes mitunter auch als thermische Supraleiter bezeichnet werden. Der Wärmetransport kann bezogen auf die Wärmemenge und die Geschwindigkeit das in etwa 100 bis 10.000-fache verglichen mit einem geometrisch gleichen Bauteil aus massivem Kupfer als Kühlkörper betragen.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß sich aufgrund der verbesserten Wärmeabfuhr neue, höhere Leistungsbereiche erschließen lassen. Desweiteren handelt es sich um ein passives Kühlsystem, so daß keine Energie für den Betrieb des Mittels zur Kühlung benötigt wird, was insbesondere beim Einsatz in akkubetriebenen Werkzeugen ein Vorteil ist. Schließlich ist auch ein Einsatz von kleiner dimensionierten elektronischen Bauteilen und niedriger spezifizierten Leistungshalbleitern möglich, was zu Kosteneinsparungen führt. Darüber hinaus kann auf den bei heutigen Schaltern notwendigen und teuren Kühlkörper verzichtet werden. Mit Hilfe der Erfindung ist vorteilhafterweise ein Gleichstrom(DC)-Hochleistungsschalter für den Einsatz in handgeführten Elektrowerkzeugen des oberen Leistungssegments geschaffen, der insbesondere für Elektrowerkzeuge, die mit Lithium-Ionen- Akkus arbeiten, geeignet ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit verschiedenen Weiterbildungen und Ausgestaltungen ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt die
Fig. ein geöffnet dargestelltes Gehäuse für ein Elektrowerkzeug.
In der Figur ist eine Gehäusehalbschale 2 für ein Elektrowerkzeug 1 in der Weise gezeigt, daß der im Elektrowerkzeug-Gehäuse des Elektrowerkzeugs 1 befindliche Elektromotor 3 mit Ventilatorrad 10, das den Kühlluftstrom für den Elektromotor 3 erzeugt, sowie der elektrische Schalter 4 zu sehen sind. Bei dem Elektrowerkzeug 1 kann es sich um ein Akku-
und/oder ein Netz-Elektrowerkzeug, beispielsweise um eine Bohrmaschine, einen Schleifer, eine Säge, einen Hobel, einen Winkelschleifer o. dgl. handeln.
Der Schalter 4 weist ein Gehäuse 5 auf, das zur Aufnahme eines einen beweglichen Schaltkontakt sowie einen Festkontakt umfassenden, nicht weiter gezeigten Kontaktsystems dient. Das Gehäuse 4 ist derart in der Gehäusehalbschale 2 aufgenommen, daß ein am Gehäuse 5 angeordnetes, manuell vom Benutzer bewegbares Betätigungsorgan 6 aus dem Handgriff an der Gehäusehalbschale 2 herausragt. Das Betätigungsorgan 6 wirkt auf den Schaltkontakt zur Umschaltung des Kontaktsystems ein, so daß das Elektrowerkzeug 1 mittels des Betätigungsorgans 6 ein- und/oder ausschaltbar ist. Am Gehäuse 5 befinden sich weiterbin elektrische Anschlüsse 7 zur Verbindung des Schalters 4 mit einer Energiequelle, beispielsweise mit einem Akku, sowie nicht sichtbare, weitere elektrische Anschlüsse zur Verbindung des Schalters 4 mit dem Elektromotor 3.
Schließlich befindet sich im Gehäuse 5 des Schalters 4 eine elektrische Schaltungsanordnung zur Steuerung und/oder Regelung des Elektromotors 3. Die Schaltungsanordnung dient als Steuerelektronik zur Drehzahlveränderung des Elektromotors 3. Hierzu weist die Schaltungsanordnung wenigstens ein zugehöriges, wärmeerzeugendes Leistungsbauteil, wie einen Leistungshalbleiter, einen Leistungstransistor, einen MOS-FET, einen Triac o. dgl., auf, wodurch eine entsprechende Steuerung und/oder Regelung des durch das Leistungsbauteil zum Elektromotor 3 fließenden elektrischen Laststroms erfolgt.
Um die beispielsweise vom Leistungsbauteil und/oder der Schaltungsanordnung erzeugte Verlustwärme aus dem Gehäuse 5 des Schalters 4 abzuführen, steht ein Mittel 8 zur Wärmeleitung einerseits mit dem Gehäuse 5 des elektrischen Schalters 4 und andererseits mit einem dem Schalter 4 zugeordneten gekühlten Bereich 9 in Verbindung. Der gekühlte Bereich 9 ist im und/oder am Elektrowerkzeug 1 an geeigneter Stelle angeordnet. Besonders effizient ist es, wenn der gekühlte Bereich 9 im Motor-Kühlluftstrom für den Elektromotor 3 des Elektrowerkzeugs 1 befindlich ist, indem das dem Schalter 4 abgewandte Ende des Mittels 8 zur Wärmeleitung in der Nähe des lediglich schematisch angedeuteten Ventilatorrads 10 am Elektromotor 3 endet. Selbstverständlich kann das dem Schalter 4 zugewandte Ende des Mittels 8 zur Wärmeleitung auch direkt mit dem wärmeerzeugenden
Bauteil, insbesondere mit dem im Gehäuse 5 befindlichen Leistungshalbleiter in Verbindung stehen.
Wie man der Fig. weiter entnimmt, besteht das Mittel 8 zur Wärmeleitung aus einem Wärmerohr 11 in der Art einer Heatpipe. Das Wärmerohr 11 weist am einen Ende eine Verdampfungsregion 12, die aus einer das Wärmerohr 11 abschließenden Verdampferplatte bestehen kann, sowie am anderen Ende eine Kondensationsregion 13, die aus einer das Wärmerohr 11 abschließenden, fächerartig ausgestalteten Kondensationsplatte bestehen kann, auf. Im Wärmerohr 11 ist ein Fluid enthalten, derart daß das Fluid in bekannter Funktionsweise unter Phasenänderung, also durch Verdampfung an der Verdampferplatte 12 sowie durch Kondensation an der Kondensationsplatte 13, Wärme zwischen der Verdampferplatte 12 sowie der Kondensationsplatte 13 transportiert.
Das Wärmerohr 11 ist mechanisch und/oder thermisch an dem im Gehäuse 5 befindlichen Leistungshalbleiter angebunden. Hierzu ist das eine Ende des Wärmerohrs 11 in der Art eines Gehäuseaufsatzes 14 am Gehäuse 5 im Bereich des Leistungshalbleiters befestigt. Zur Befestigung läßt sich eine Schraube 15 verwenden. Der Gehäuseaufsatz 14 umfaßt die in thermischen Kontakt mit dem Leistungshalbleiter stehende Verdampferplatte 12.
Das Wärmerohr 11 ist in der Art eines flexiblen und/oder vorgeformten Schlauchs ausgestaltet. Der Verlauf des Wärmerohrs 11 läßt sich so entsprechend dem verfügbaren Bauraum zwischen dem Gehäuse 5 und dem gekühlten Bereich 9, also entsprechend der Gehäuseführung in der Gehäusehalbschale 2 des Elektrowerkzeugs 1, anpassen. Vorliegend ist, wie man der Fig. entnehmen kann, das Wärmerohr 11 in etwa S-förmig ausgebildet.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie umfaßt vielmehr auch alle fachmännischen Weiterbildungen im Rahmen der durch die Patentansprüche definierten Erfindung. So kann die Erfindung nicht nur bei Elektrowerkzeugschaltern als Hochleistungsschalter in AC- und/oder DC- Elektrowerkzeugen eingesetzt werden, sondern kann auch an anderen Schaltern, beispielsweise solchen für Elektrohaushaltsgeräte, Elektrogartengeräte, Werkzeugmaschinen o. dgl., Verwendung finden. Desgleichen läßt sich die Erfindung auch an Steuergeräten mit
oder ohne Gehäuse, beispielsweise für die Leistungselektronik des Elektrowerkzeugs, für Kraftfahrzeuge o. dgl., einsetzen.
Bezugszeichen-Liste:
: Elektrowerkzeug : Gehäusehalbschale : Elektromotor : (elektrischer) Schalter : Gehäuse (von Schalter) : Betätigungsorgan : (elektrischer) Anschluß (des Schalters) : Mittel zur Wärmeleitung : gekühlter Bereich 0: Ventilatorrad (an Elektromotor) 1: Wärmerohr 2: Verdampfungsregion / Verdampferplatte 3: Kondensationsregion / Kondensationsplatte 4: Gehäuseaufsatz 5: Schraube