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Dokumentenidentifikation DE102005036077A1 26.04.2007
Titel Tranformatoranordnung mit einem Piezotransformator
Anmelder EPCOS AG, 81669 München, DE
Erfinder Kartashev, Igor, Dr., Deutschlandsberg, AT;
Glazunov, Alexander, Dr., Deutschlandsberg, AT;
Florian, Heinz, Wildbach, AT
Vertreter Epping Hermann Fischer, Patentanwaltsgesellschaft mbH, 80339 München
DE-Anmeldedatum 01.08.2005
DE-Aktenzeichen 102005036077
Offenlegungstag 26.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.04.2007
IPC-Hauptklasse H01L 41/107(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung 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 Kopplungelements (8) thermisch an den Kühlkörper (7) gekoppelt ist.

Beschreibung[de]

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, mittels 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 elektrischen 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 Grundkörper 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 Ankopplung 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 akustische 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 überschreitet, 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 &lgr; 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. gummiartigen 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 Grundkörper 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 Grundkörpers 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 wärmeleitende 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 gedämpft 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 Piezotransformators – 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 Grundkörper-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 Grundkörpers 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. Radialrichtung an den gegenüber liegenden Seiten des Grundkörpers jeweils mindestens ein wärmeleitendes Kopplungselement angeordnet, das den Grundkörper thermisch an die Seitenwand des Kühlkörpers koppelt. Der Grundkörper 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 Grundkörpers und der Innenseite des Außenrohrs kann in mindestens einer Radialrichtung – vorzugsweise an einander gegenüberliegenden Seiten des Grundkörpers – jeweils ein wärmeleitendes Kopplungselement angeordnet sein. Ferner kann in mindestens einer Radialrichtung – 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 Kopplungselemente 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 Kunststofflage umfassen.

Im Folgenden wird der Piezotransformator und die Anordnung mit einem Piezotransformator anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Figuren erläutert. Es zeigen:

1A eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Transformators;

1B eine perspektivische Ansicht einer Transformatoranordnung, bei der der Transformator gemäß 1A mittels einer Schicht mit relativ hoher thermischer Leitfähigkeit thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt ist;

1C im Querschnitt die Transformatoranordnung gemäß 1B;

1D 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;

1E einen zweiten Querschnitt der Transformatoranordnung gemäß 1D entlang der Längsachse des Grundkörpers;

1F eine Draufsicht auf die Transformatoranordnung gemäß 1D und 1E;

2 eine weitere Transformatoranordnung, bei der der scheibenförmige Grundkörper eines piezoelektrischen Transformators mittels Drahtverbindungen mit Anschlüssen des Kühlkörpers leitend verbunden ist;

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;

3B eine Ansicht auf die Bodenplatte des Kühlkörpers bei der Transformatoranordnung gemäß 3A von oben;

3C eine Ansicht auf die Transformatoranordnung gemäß 3A mit dem Kühlkörper gemäß 3A, 3B und dem piezoelektrischen Transformator gemäß 3D, 3A von oben;

3D die Anschlussfolge der Elektroden des piezoelektrischen Transformators gemäß 3A an die Anschlüsse des Kühlkörpers;

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;

4C eine Transformatoranordnung, bei der der Grundkörper 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;

5 ausschnittsweise den am Grundkörper angeordneten, durch eine Schutzschicht Kontaktpunkt der Drahtverbindung;

6 ausschnittsweise eine Transformatoranordnung im Bereich der Befestigungspunkte der Drahtverbindung am Grundkörper und im Kühlkörper.

Der in 1A vorgestellte Piezotransformator weist einen Grundkörper 1 auf, der in einer Längsrichtung in einen Eingangsteil 4, einen Ausgangsteil 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 1D 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 &lgr; 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 > 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 1A gezeigte Piezotransformator ist insbesondere für den Betrieb bei der Frequenz der zweiten Harmonischen geeignet, wobei gilt L = &lgr;. 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 1B ist eine Transformatoranordnung mit dem Transformator gemäß 1A 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 Anschluss 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 1C 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 1F ersichtlich, zwei Federelemente 11, 11' vorgesehen.

Das Federelement 11, 11' besitzt vorzugsweise eine gute Wärmeleitfähigkeit. 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 1D elektrisch isolierend und kann z. B. keramisch sein. Auf dem elektrisch 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 1D entlang einer Richtung über die Grundfläche des Grundkörpers 1 erstrecken.

Die wärmeleitenden Kopplungselemente 8, 8' sind in der Variante gemäß 1C vorzugsweise elektrisch isolierend. In der Variante gemäß 1D 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 Oberseite der Bodenplatte des Kühlers 7 angeordneten Kontaktfläche 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 Piezotransformators 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 1D und 3A zumindest teilweise auf der Ober- bzw. Unterseite des Grundkörpers 1 angeordnet sind. Aber auch in der Variante gemäß 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 schwingungsdämpfenden weiteren Schicht des Kopplungselements an die Unterseite des Grundkörpers 1 gekoppelt sind.

1E entspricht dem Querschnitt der Transformatoranordnung gemäß 1F entlang der Linie B-B.

In 1E 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 1E 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 1D und 1E 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 Befestigungspunkten am Grundkörper und am Anschlussstift zu wählen.

In 1F ist zu sehen, dass zwischen quer zueinander angeordneten Seitenwänden 72, 73 des Kühlkörpers 7 Ventilationsöffnungen 74 vorgesehen sind.

In 2 ist ein gehäuster Piezotransformator mit einem scheibenförmigen Grundkörper 1 gezeigt.

Die akustische Welle breitet sich in den Varianten gemäß 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 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 2 im Bereich angeordnet, in dem Wellenknoten auftreten.

Die untere Außenelektrode 2' ist in 2 mittels einer weiteren Drahtverbindung 66' leitend mit dem rechten Anschlussstift 9 verbunden.

In der Variante gemäß 3A ist der Grundkörper 1 an den Kühlkörper 7 wie in 1C 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 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 Unterseite kommt auch in Betracht.

In 3D ist die Beschaltung des Transformators gemäß 3A gezeigt. Die obere Außenelektrode 2 ist mittels einer in 3A nicht gezeigten, aber in 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 Grundkörpers 1 angeordneten Kontaktfläche 60 verbunden. Die Kontaktfläche 60 ist dabei leitend mit der von außen zugänglichen und als elektrischer Anschluss der Transformatoranordnung vorgesehenen Kontaktfläche 61 verbunden.

Bis auf die bereits erläuterten Unterschiede trifft für die in 2 gezeigte Variante die Beschreibung der Variante gemäß 1B, 1C und für die in 3A gezeigte Variante die Beschreibung der Variante gemäß 1D zu. In der in 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 Grundkörper auszubilden.

In 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 Wellenausbreitungsrichtung ist in diesem Fall auch vertikal gerichtet. Die maximale Schwingungsamplitude bzw. Bereiche, in denen Wellenbäuche auftreten, entsprechen in 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 Grundkörpers 1 angeordnet.

Auch in der Variante gemäß 4A kann ein Federelement vorgesehen sein, das den Grundkörper 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 4A kann sowohl quaderförmig als auch wie in 4B angedeutet scheibenförmig sein.

Der Kühlkörper 7 in Varianten gemäß 4B und 4C weist einen Außenzylinder 701 auf. In der Variante gemäß 4Cist 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 4B ist der scheibenförmige Grundkörper 1 mittels der wärmeleitenden, vorzugsweise elastisch verformbaren Kopplungselemente 8 im becherförmigen Kühlkörper 7 vorgespannt. Die Kopplungselemente 8 koppeln dabei thermisch die Außenmantelfläche des Grundkörpers 1 an die Innenmantelfläche des Außenzylinders 701.

In 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 Grundkörpers 1 und der inneren Mantelfläche des Kühlkörpers 7 ein ringförmiges, in der Wellenknotenebene angeordnetes wärmeleitendes Kopplungselement zu verwenden.

In 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. Zusätzlich zu den in 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 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.

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 Kunststofflage 13. Die Kunststofflage 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 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.

6 zeigt eine Variante, bei der die Transformatoranordnung elastisch verformbare elektrische Anschlüsse 9 aufweist, die direkt an den Außenelektroden 2, 2', 3, 3' des Grundkörpers 1 befestigt sind und eine in 1C, 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 5. Sie sind durch den Kühlkörper 7 hindurch geführt. Der bereits in 1C 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.

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


Anspruch[de]
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.
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. 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 (1). 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. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Kühlkörper (7) Rippen aufweist. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das mindestens eine wärmeleitende Kopplungselement (8) in einer quer zur Wellenausbreitungsrichtung verlaufenden Richtung langgestreckt ist. 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. 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. 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 Grundkörpers (1) beträgt. Transformatoranordnung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die in Wellenausbreitungsrichtung gemessene Länge des Luftspalts mindestens 50% der in dieser Richtung gemessenen Länge des Grundkörpers (1) beträgt. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Gesamtoberfläche des Kühlkörpers (7) größer ist als die Gesamtoberfläche des Grundkörpers (1). Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das wärmeleitende Kopplungselement (8) elastisch verformbar ist. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das wärmeleitende Kopplungselement (8) eine Paste ist. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das wärmeleitende Kopplungselement (8) elektrisch leitfähig ist. 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. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei auf gegenüber liegenden Seiten des Grundkörpers (1) jeweils mindestens ein wärmeleitendes Kopplungselement (8) angeordnet ist. 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 Kopplungselement (8) drückt und dieses mit dem Kühlkörper (7) thermisch verbindet.
Transformatoranordnung nach Anspruch 17, wobei das Federelement (11) das obere Kopplungselement (8) mit einer am Kühlkörper (7) angeordneten Kontaktfläche (61) leitend verbindet. 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.
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. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei an gegenüber liegenden Seitenflächen des Grundkörpers (1) jeweils wenigstens ein wärmeleitendes Kopplungselement (8) angeordnet ist. Transformatoranordnung nach Anspruch 21, wobei der Grundkörper (1) zwischen den am Kühlkörper (7) anliegenden Kopplungselementen (8) verspannt ist. Transformatoranordnung nach Anspruch 21 oder 22,

– wobei der Kühlkörper (7) ein Innenrohr (702) und ein Außenrohr (701) aufweist,

– wobei der Grundkörper (1) ringförmig ist und zwischen dem Innenrohr (702) und dem Außenrohr (701) mittels der Kopplungselemente (8, 8') verspannt ist.
Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei der Kühlkörper (7) ein elektrisch isolierendes Material mit guter Wärmeleitfähigkeit enthält. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei der Kühlkörper (7) ein keramisches Material enthält. Transformatoranordnung nach Anspruch 24 oder 25, wobei auf der Oberfläche des Kühlkörpers (7) als Kontaktflächen (6, 60, 61, 62, 63) ausgebildete Anschlüsse angeordnet sind. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei der Kühlkörper (7) ein Metallkörper ist oder eine Metallplatte umfasst. Transformatoranordnung nach Anspruch 27, wobei im Kühlkörper (7) stiftförmige elektrische Anschlüsse (9) vorgesehen sind. 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. Transformatoranordnung nach Anspruch 29, wobei die Drahtverbindung die Übertragung von mechanischen Schwingungen des Grundkörpers (4) auf den Kühlkörper (7) dämpft. 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 (5) des Kühlkörpers (7). Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 29 bis 31, wobei die Drahtverbindung mindestens eine Metalllage und mindestens eine Kunststofflage umfasst.






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