(57)【要約】【課題】熱を発する部品と冷却体との間の熱抵抗を極力低くし、熱がキャリアを通って移動し続けるようなアセンブリを提供する。【解決手段】本発明は、少なくとも一定の動作条件の下で自然冷却により消散可能な量を超える熱を発するように作られた電気部品のキャリアと、これに機械的かつ熱的に接続された冷却体とのアセンブリに関し、これによってこのキャリアには金属接続により冷却体に接続された金属部が設けられている。キャリアに金属部を載置すると、金属部と金属製の冷却体との間の金属接続が可能となる。本発明はまた、熱を発する電気部品のキャリアとこれに機械的かつ熱的に接続された冷却体とのアセンブリを組み立てる方法に関し、これによって初めに部品をキャリアに載置した後、このキャリアの金属部を金属接続により冷却体に接続するものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一定の動作条件の下で自然冷却によって消散可能な量を超える熱を発するように作られた電気部品のキャリアと、これに機械的かつ熱的に接続された冷却体とのアセンブリにおいて、前記キャリアには前記冷却体に金属接続により接続された金属部が設けられていることを特徴とするアセンブリ。
【請求項２】
前記金属接続が半田接続により成されることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項３】
前記部品が前記キャリアに半田接続により接続され、前記部品と前記キャリアとの間の半田接続の融解温度が前記キャリアと前記冷却体との間の半田接続の融解温度よりも高いことを特徴とする請求項２に記載のアセンブリ。
【請求項４】
前記キャリアがセラミック物質から作られていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項５】
前記金属部が、前記キャリアにスクリーン印刷によって取り付けられた金属層であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項６】
前記キャリアの前記金属部が、前記キャリアの前記部品を支持する面とは反対面に、前記部品の正に反対側に載置されていることを特徴とする請求項５に記載のアセンブリ。
【請求項７】
前記冷却体がシート状であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項８】
前記シートの表面積が前記キャリアの表面積よりも大きいことを特徴とする請求項７に記載のアセンブリ。
【請求項９】
前記キャリアがケーシングに組み込まれ、前記冷却体が前記ケーシングの外側のみでなく内側にも延びていることを特徴とする請求項８に記載のアセンブリ。
【請求項１０】
前記冷却体の厚さが前記キャリアの厚さと少なくとも同一であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項１１】
前記キャリアと前記冷却体との間の半田接続の融解温度が、短期動作時に生じる前記キャリアの最大温度よりも低いことを特徴とする請求項２〜１０のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項１２】
電気部品用キャリアとこれに機械的かつ熱的に接続された冷却体とのアセンブリを組み立てる方法であって、前記電気部品のうち少なくとも一つが一定の動作条件の下で自然冷却により消散可能な量を超える熱を発するように作られている方法において、初めに前記部品を前記キャリアに載置し、その後前記キャリアの金属部を前記冷却体に金属接続により接続することを特徴とする方法。
【請求項１３】
初めに前記部品を第１の融点を有する半田接続により前記キャリアに接続し、その後前記冷却体を前記キャリアの前記金属部に半田接続により接続し、これによって、前記第２の半田接続の融点が前記第１の半田接続の融点よりも低いことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
一度前記部品を半田付けした後、前記キャリアをハウジング内に配置し、その後前記冷却体の少なくとも一部をハウジング内に載置し、最後に前記冷却体と前記キャリアの前記金属部との半田接続を行うことを特徴とする請求項１２または１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記半田接続がリフロー半田付け工程により成される請求項１２、１３、または１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
スイッチユニットに接続されたエネルギー変換器の電力を制御するように作られ、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のアセンブリを特徴とするスイッチユニット。
【請求項１７】
エネルギー変換器を備え、請求項１６に記載のスイッチユニットを特徴とする電気装置。
【請求項１８】
短期動作サイクルを行うように作られ、前記冷却体の熱容量が、前記キャリアに配置された部品が一動作サイクル時に発する熱を吸収するような大きさであることを特徴とする請求項１７に記載の電気装置。
【請求項１９】
前記装置が電気工具であることを特徴とする請求項１８に記載の電気装置。
【請求項２０】
前記電気装置がボール盤またはねじ切り盤であることを特徴とする請求項１９に記載の電気装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気部品用キャリアに関し、部品が発した熱を消散させるものである。本発明は特に、少なくとも一定の動作条件の下で自然冷却により消散可能な量を超える熱を発するように作られた電気部品のキャリアと、これに熱的に接続された冷却体とのアセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
抵抗器および半導体などの電気部品が発した熱を消散させるため、これらの部品のハウジングに冷却体を熱的に接続して使用することが長い間知られてきた。ここで求められる熱的接続は冷却体の位置を左右するものであり、これは冷却体があらゆる状況に適用できるものではないことを意味している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
熱抵抗の低いセラミック物質で作られたキャリアを使用すると、部品が発した熱をキャリアを介して消散させることが可能となる。これにより、冷却体の配置が非常に自由になる。従来の技術では、冷却体をキャリアに対して密着させて配置することが知られている。キャリアと冷却体との間にやむを得ず形成される空気層は、熱抵抗を増大させる。これは、両部の間に熱伝導性のペーストを塗布することによりある程度は解決する。しかし、これにより達成される改善はわずかである。
【０００４】
本発明の目的は、熱を発する部品と冷却体との間の熱抵抗を極力低くし、熱がキャリアを通って移動し続けるようなアセンブリを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本目的は、キャリアに、金属接続により冷却体に接続された金属部が設けられたことにより達成される。
【０００６】
キャリアに金属部を載置すると、金属部と金属製の冷却体との間の金属接続が可能となる。
【０００７】
ここで、金属接続とは、溶接または半田付けによる接続、金属粒子の含有量が多い接着剤による接続などの接続であると理解されるものである。
【０００８】
キャリアの金属部と冷却体との金属接続は、半田接続によることが好ましい。部品をキャリアに接着する際にすでに半田付けを用いているため、この接続手段によれば技術的な問題が最も少ない。しかし、この接続には溶接、例えば、レーザ溶接も使用可能である。
【０００９】
冷却体とキャリアとの接続に半田接続を用い、部品を半田接続によりキャリアに接続する場合、部品とキャリアとの半田接続の融解温度がキャリアと冷却体との半田接続の融解温度よりも高いことが好ましい。これにより、キャリアと部品との半田接続が冷却体を半田付けする際に解かれ、部品の位置がずれるのを防ぐことができる。
【００１０】
魅力ある好適な実施形態では、キャリアはセラミック物質から作られる。一般に、セラミック物質は高い電気抵抗および高い熱伝導性を有しており、このことは、熱流がキャリアを通り抜けなければならないことから、本発明においては非常に重要である。
【００１１】
キャリアと金属部とを強固に接続することは本発明に求められることであり、このために、キャリアに部品用の金属製トラックを載置する方法と同一の方法で、金属薄層をキャリアにスクリーン印刷することが好ましい。しかし、この層を設けるための他の方法を除外するものではない。
【００１２】
熱経路を極力短くするために、キャリアの金属部をキャリアの部品を支持する面とは反対面に、部品の正に反対側に載置することが好ましい。
【００１３】
この冷却体はシート状であることが好ましい。シートの体積と表面積との比率は、熱を消散させるのに実に魅力あるものである。さらに、シートは、生産技術の観点からみて実現しやすいものである。
【００１４】
冷却表面積を極力大きくするため、このシートの表面積はキャリアの表面積よりも大きいことが好ましい。
【００１５】
回路は通常、ケーシング内に載置される。熱を移動させる選択肢はケーシング内に限られているため、冷却面の少なくとも一部をケーシングの外側に位置させるのがよい。
【００１６】
また他の好適な実施形態では、冷却体の厚さがキャリアの厚さと少なくとも等しいという特徴を提供する。本実施形態は、特にキャリアに配置した部品が短期の熱負荷を受けるような状況において適用できる。この熱負荷は、冷却体の熱消散能力よりも大きくなる可能性がある。しかし、これは、冷却体の蓄熱容量がこのような熱負荷の期間に生じる熱を吸収するのに十分に大きいものであれば、問題を引き起こすことはない。この熱はその後冷却体に保持された後、これよりも少ない量の熱が生じる期間に消散する。この動作方法は、冷却体の熱容量が十分に大きい場合にのみ適用できるものであり、冷却シートに与える厚さを特定することにより実現できる。出願人が提供する出願では、冷却シートの厚さをキャリアの厚さと少なくとも等しくすることになる。
【００１７】
また他の実施形態では、キャリアと冷却体との間の半田接続の融解温度が、短期動作時に生じるキャリアの最大温度よりも低い。
【００１８】
上述の特徴に加え、この特徴はアセンブリの蓄熱容量を増大させるのに必要である。キャリアの温度が半田接続の融解温度を超えた場合、半田は融解し、このため熱エネルギーを吸収することになる。その後温度が低下すると、半田は再び固体化し、再びその熱を移動させることになる。しかし、キャリアおよび冷却シートが必ず元の位置にあるようにし、温度が低下した際にこの半田接続を再び確立できるようにする必要がある。
【００１９】
本発明は、上述のアセンブリのみに関するものでなく、上記のアセンブリを組み立てる方法、つまり、電気部品用キャリアとこれに機械的かつ熱的に接続された冷却体とのアセンブリを組み立てる方法にも関するものであり、これらの電気部品のうち少なくとも一つは少なくとも一定の動作条件の下で自然冷却により消散可能な量を超える熱を発するように作られており、初めにこれらの部品をキャリアに載置した後、キャリアの金属部を金属接続によって冷却体に接続するものである。
【００２０】
生産技術の観点からみると、初めにこれらの部品をキャリアに載置し、その後冷却シートを載置するのがよいことがわかった。
【００２１】
初めにこれらの部品を第１の融点を有する半田接続によりキャリアに接続し、その後冷却体をキャリアの金属部に半田接続により接続し、第２の半田接続の融点を第１の半田接続の融点よりも低くすると、これらの利点はさらに顕著となる。
【００２２】
上述したように、このようなキャリアは通常はケーシング内、例えば、スイッチケーシング内に載置される。このため、通常は、一度部品および冷却体を組み立てると、これらを含めた完成したキャリアのアセンブリをケーシング内に組み込むことは不可能である。このため、一度これらの部品を半田付けした後、キャリアをハウジング内に配置し、その後冷却体の少なくとも一部をハウジング内に載置し、最後に冷却体とキャリアの金属部とを半田接続するのがよい。これは、キャリアと冷却体とを相互接続するために半田付けしなければならない場合の独特の順序である。このため、半田付け工程中に生じる温度に耐え得るケーシングの材料を選択するように考慮する必要がある。
【００２３】
半田付け工程においては特に、ハウジングの内側で実行しなければならない場合は限られたことではないが、半田付けを行う面に接近するには限界がある。このため、半田付け工程を行う前に半田付けを行う面に半田を塗布する「リフロー」半田付け工程を行うのがよい。その後、半田付けする構成部品を融解温度まで加熱することにより半田付けを行う。
【００２４】
多量の熱を発する部品を設けた小型のキャリアを含めた適用領域は、電動機および発熱体などのエネルギー変換器の電力制御である。
【００２５】
特に電動機の場合、電力制御装置は通常、速度またはトルクを制御する機能を有している。
【００２６】
このため、ＦＥＴ、トライアック、サイリスタなどのスイッチ用半導体素子は多大な負荷を被るため、本発明をこのように適用するとその利点が特に顕著となる。
【００２７】
真空掃除機および台所用機器のほか電気工具など、電動機によって駆動される装置において、このような適用が可能となる。
【００２８】
上記のように、本発明は、電動機が短期間の負荷を受けるような状況にも適用可能である。これにより、本発明は、ボール盤およびねじ切り盤に用いるのに特に適したものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明の特徴はさらに、以下のものを示した添付の図面により明らかになる。
【００３０】
図１は、金属層２を下面に設けたセラミックキャリア１を示すものである。この金属層２は、スクリーン印刷により設けるのが好ましい。セラミックキャリア１の上面には、金属製のトラックパターン３が設けられている。このトラックパターン３には、多数の電気部品４Ａ、４Ｂ、４Ｃが半田付けにより接着されている。ここでは、部品４Ａは、一定の動作条件の下で冷却体によって消散されることになる多量の熱を発する部品である。このために、金属製、好ましくは銅製の冷却シート５がセラミックキャリア１の下面に設けられている。この冷却シート５は、セラミックキャリア１の金属層２に半田接続６により金属接続されている。シート状の冷却シート５は、ここでは、冷却体として効果的に機能させるため、シート状のキャリア１よりも表面積が大きくなっている。この冷却体の表面積は、広い伝熱面をもたらすために、キャリアの表面積よりも確実に大きくある必要がある。
【００３１】
冷却シート５は、部品４とは反対側のキャリアに接着されている。これにより、セラミックキャリア１内の熱経路が確実に極力短くなる。
【００３２】
キャリア１を構成するセラミック物質の固有の熱抵抗は、冷却シートを接着する物質の熱抵抗よりも何倍も大きいことに留意が必要である。
【００３３】
この物質は銅であることが好ましい。これは、銅が低い熱抵抗値を有するだけでなく、高い熱容量を有しているためである。この熱容量は、通常の条件の下で熱の消散が可能なレベルを上回る短期負荷時に熱を保持するのに利用できる。
【００３４】
セラミックキャリア１の金属部２と冷却シート５との半田接続６により、伝熱性のペーストを用いるような従来技術の通常の構成と比べ、熱抵抗が確実に大幅に低下する。
【００３５】
図１に示した構成は、部品数が少なくかつ寸法の小さい、多量の熱を発する可能性のある回路に使用するのが好ましい。このような回路は、特に電気ボール盤の電動機などの電動機の電力を制御するための電力制御装置に適用されるが、この機械が電池により作動するものである場合は特にこれに限定されない。電池により作動する装置の場合、電流の強さが比較的大きいことに留意が必要である。これは部品内に多量の熱を発生させるため、本発明をこのように適用するとその利点が特に顕著となる。
【００３６】
このため、このような回路は通常、回路の他の部品とともにケーシングに組み込まれる。この構成によってシートがその熱を周囲に移動させることが可能となることは重要である。
【００３７】
これについて、図２は、冷却シート５を備えたキャリア１のアセンブリが回路のケーシング７に組み込まれている状態を示したものである。この冷却シートは、ハウジング７の壁部８に作られた開口部９を通ってケーシングの外側に延びている。これは、冷却シート５の冷却面のかなりの部分がハウジング７の外側に位置している点で有益である。冷却工程をハウジング７の外側で行うと条件がさらに良好になるのは確かである。ハウジングの外側に部分的に位置したこの冷却シート５により、冷却シートを大きく設計することも可能となるため、熱容量を増大させることができ、これは間欠動作時に生じる熱を吸収するのに重要である。
【００３８】
図２に示した実施形態では、冷却シートとキャリアとがすでに相互に接続されている場合、これらをハウジング内に設置することは不可能ではないが難しく、両部をハウジング内に位置させた後にこれらを接続する方が容易である。このために、ハウジング７の壁部８に作られた開口部９に冷却シート５を通した後、ハウジングの内側に位置した冷却シートの一部上にキャリア１を配置する。アセンブリはその後、鉤部１０を用いて固定される。そして、両部が半田接続、好ましくはリフロー半田接続により相互に接続される。しかし、他の金属接続、例えば、レーザ溶接による溶接接続または金属接着剤による接続を行うことも可能である。
【００３９】
本発明の特徴を実行する方法が他に多くあることに留意が必要である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明のアセンブリの断面図である。
【図２】ハウジング内に載置した本発明のアセンブリの概略立体図である。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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