(12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego:

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego: (13) (51) T3 Int.Cl. H05K 7/20 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (97) O udzieleniu patentu europejskiego ogłoszono: Europejski Biuletyn Patentowy 2011/19 EP B1 (54) Tytuł wynalazku: Urządzenie i sposób odprowadzania ciepła z urządzeń sterujących (30) Pierwszeństwo: US (43) Zgłoszenie ogłoszono: w Europejskim Biuletynie Patentowym nr 2007/47 (45) O złożeniu tłumaczenia patentu ogłoszono: Wiadomości Urzędu Patentowego 2011/10 (73) Uprawniony z patentu: GENERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, US (72) Twórca(y) wynalazku: PL/EP T3 SHERMAN THOMAS, Charlottesville, US OWEN WELLS, Ruckersville, US (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Józef Własienko POLSERVICE KANCELARIA RZECZNIKÓW PATENTOWYCH SP. Z O.O. ul. Bluszczańska Warszawa Uwaga: W ciągu dziewięciu miesięcy od publikacji informacji o udzieleniu patentu europejskiego, każda osoba może wnieść do Europejskiego Urzędu Patentowego sprzeciw dotyczący udzielonego patentu europejskiego. Sprzeciw wnosi się w formie uzasadnionego na piśmie oświadczenia. Uważa się go za wniesiony dopiero z chwilą wniesienia opłaty za sprzeciw (Art. 99 (1) Konwencji o udzielaniu patentów europejskich).

2 53/59P28276PL00 2 Opis TŁO WYNALAZKU [0001] Niniejszy wynalazek dotyczy zasadniczo elektronicznych urządzeń sterujących, a zwłaszcza inteligentnych przemysłowych urządzeń sterujących, takich jak na przykład programowalne sterowniki logiczne (PLC). [0002] W dokumencie US-A przedstawiono zespół montowany powierzchniowo. Zespół ten zawiera pokrywę lub obudowę rozpraszającą ciepło, podłoże podtrzymujące obwód, zawierające umieszczone na nim komponenty elektryczne, a także dystansownik lub ramę montażową. W typowym zastosowaniu zespół montowany jest na nośnym podłożu, takim jak na przykład płytka drukowana. Jeden w komponentów elektrycznych montowany jest w oprawie urządzenia w celu uzyskania sprzężenia termicznego z pokrywą. [0003] W dokumencie DE przedstawiono przewodnik termiczny mający pofalowany profil odznaczający się sprężystością wzdłuż kierunku od podłoża do radiatora. [0004] Sterowniki PLC składają się zasadniczo z systemowego zasilacza, interfejsów wejścia/wyjścia (we/wy), a także sekcji inteligentnego sterowania, która może zawierać, ale nie musi, mikroprocesor. Niektóre sterowniki PLC mogą mieć budowę modułową tak, że wszystkie sekcje sterowania, zasilania oraz wejścia/wyjścia, a czasami wzajemne połączenia między tymi sekcjami, są odrębnymi modułami fizycznymi, które mogą być wymieniane. Niektóre sterowniki PLC zawierają elektromechaniczne urządzenia chłodzące, takie jak na przykład wentylatory lub systemy chłodzenia cieczą służące, na przykład, do odprowadzania ciepła z wytwarzających ciepło komponentów elektrycznych w nich umieszczonych. Niektórzy użytkownicy, który nabywają sterowniki PLC, mogą jednak z różnych powodów preferować brak stosowania tego rodzaju

3 53/59P28276PL00 3 elektromechanicznych urządzeń chłodzących w swoich systemach PLC. Do powodów tych mogą należeć, ale bez ograniczenia się do tego, zagadnienia związane z niezawodnością urządzenia chłodzącego, wymaganą regularną konserwacją w celu czyszczenia lub wymiany filtrów urządzenia chłodzącego, wymaganą regularną konserwacją polegającą na smarowaniu różnych komponentów mechanicznych urządzenia chłodzącego, a także zagadnienia związane z nadmiernym wytwarzaniem ciepła w przypadku nieprawidłowego działania urządzenia chłodzącego. Komponenty elektroniczne, wliczając w to te stosowane w systemach PLC, wytwarzają ciepło i mają określone przez producenta zakresy tego, jak gorące mogą być komponenty. Potrzeba odprowadzania ciepła ze sterowników PLC oraz wymagania użytkowników dotyczące nieużywania elektromechanicznych urządzeń chłodzących tworzą ograniczenia co do ilości ciepła, jakie mogą być generowane przez komponenty PLC, maksymalnej dopuszczalnej temperatury otoczenia w jakiej pracują sterowniki PLC oraz tego, jak małe mogą być moduły PLC pod względem rozmiarów, a tym samym jaką wydajność i jakie dostępne właściwości mogą oferować sterowniki PLC. [0005] Zgodnie z tym, co powiedziano istnieje zapotrzebowanie w technice na elektroniczne urządzenia sterujące, a zwłaszcza sterowniki PLC, zawierające układ odprowadzania ciepła, który przezwycięża te wady. KRÓTKI OPIS WYNALAZKU [0006] W załączonych zastrzeżeniach przedstawiono aspekty niniejszego wynalazku. KRÓTKI OPIS RYSUNKÓW

4 53/59P28276PL00 4 [0007] Odwołując się do przykładowych rysunków, na których te same elementy są ponumerowane tak samo, na załączonych figurach: na figurze 1 przedstawiono izometryczny widok przykładu wykonania aparatury sterującej przeznaczonej do zastosowania zgodnie z przykładem wykonania wynalazku; na figurze 2 przedstawiono izometryczny widok z częściowym wycięciem przykładowego urządzenia sterującego przeznaczonego do zastosowania w aparaturze sterującej z figury 1 według przykładu wykonania wynalazku; zaś na figurze 3 przedstawiono izometryczny widok z częściowym wycięciem przykładowego urządzenia sterującego z figury 2 jako fragmentu przykładowej aparatury sterującej z figury 1 według alternatywnego przykładu wykonania wynalazku. SZCZEGÓŁOWY OPIS WYNALAZKU [0008] Przykład wykonania wynalazku stanowi elektroniczna aparatura sterująca zawierająca wiele elektronicznych urządzeń sterujących umieszczonych wewnątrz niej oraz termiczny przewodnik służący do odprowadzania ciepła z wytwarzającego ciepło urządzenia umieszczonego wewnątrz jednego z urządzeń sterujących do zewnętrznej powierzchni aparatury sterującej. W przykładzie wykonania, wiele elektronicznych urządzeń sterujących stanowi wiele modułowych sterowników PLC. Przewodnik cieplny wewnątrz sterownika PLC ma jeden koniec połączony termicznie z generującym ciepło komponentem elektronicznym sterownika PLC, natomiast drugi koniec połączony termicznie, za pośrednictwem otworu w obudowie sterownika PLC, z termicznie przewodzącą zewnętrzną powierzchnią obudowy aparatury sterującej, która zawiera sterownik PLC. W ten sposób, ciepło generowane w komponencie elektronicznym może być odprowadzane na zewnątrz sterownika PLC do zewnętrznej powierzchni obudowy aparatury sterującej w

5 53/59P28276PL00 5 celu jego dalszego rozproszenia do otoczenia, w jakim znajduje się aparatura sterująca. Pomimo że przykłady wykonania niniejszego wynalazku mogą być opisane tutaj jako odnoszące się do urządzeń elektronicznych, a w szczególności sterowników PLC, to należy zauważyć, że przedstawiony wynalazek nie jest ograniczony tylko do tego zastosowania i może być wykorzystywany w innych aparaturach wytwarzających ciepło, takich jak na przykład silniki, transformatory albo łożyska. [0009] Na figurze 1 przedstawiono widok izometryczny przykładu wykonania przemysłowej aparatury sterującej 100 zawierającej osłonę 105 z drzwiczkami 110 (które przedstawione zostały w położeniu otwartym) oraz wiele urządzeń sterujących 115, 120, takich jak na przykład sterowniki PLC, usytuowane wewnątrz niej. Urządzenia sterujące 115, 120 są zamontowane do tylnej powierzchni 106 osłony 105 za pośrednictwem dowolnych środków przydatnych do tego celu. Jak zostanie to omówione bardziej szczegółowo poniżej, powierzchnia 106 jest termicznie przewodzącą powierzchnią. Osłona 105 z drzwiczkami 110 jest tutaj opisana i zilustrowana w postaci skrzynki, która w przykładzie wykonania jest wykonana z metalu. Jednakże, należy zauważyć, że nie stanowi to ograniczenia zakresu wynalazku i wynalazek może być także wykorzystywany do rozwiązań, w których montażowa powierzchnia 106 jest wykonana z dowolnego materiału, na przykład ceramiki lub kompozytu, który ma albo odsłoniętą powierzchnię albo jest zamontowany do innej struktury, która ma odsłoniętą powierzchnię zdolną do odprowadzania ciepła do otaczającego powietrza lub cieczy. [0010] Odwołując się teraz do figury 2, przedstawiono przykładowe urządzenie sterujące 115 zawierające obudowę 125 zamontowaną do powierzchni 106 osłony 105. Przykładowe urządzenie sterujące 115, takie jak na przykład przemysłowy sterownik lub sterownik PLC, zawiera urządzenie 130 wytwarzające ciepło, takie jak na przykład komponent elektroniczny lub procesor, który generuje ciepło podczas

6 53/59P28276PL00 6 normalnej pracy i ma określony przez wytwórcę zakres temperaturowy. Wytwarzające ciepło urządzenie 130 może być jednym z wielu urządzeń elektronicznych, które są zamontowane na płytce drukowanej 131. Termiczny przewodnik 135 ma pierwszą część 140, która jest połączona termicznie z wytwarzającym ciepło urządzeniem 130, oraz drugą część 145, która rozciąga się do wnętrza otworu 150 obudowy 125. Druga część 145 jest termicznie połączona, lub mówiąc bardziej ogólnie wymienia ciepło, z termicznie przewodzącą powierzchnią 106 osłony 105. W przykładzie wykonania, druga część 145 może być termicznie połączona z powierzchnią 106 za pośrednictwem odprowadzającej ciepło żywicy epoksydowej lub innego odpowiedniego materiału odprowadzającego ciepło, może być zaciśnięta na powierzchni 106 z wykorzystaniem elementu mocującego 146 albo też może być zarówno przyklejona i zaciśnięta. W przykładzie wykonania, termiczny przewodnik 135 ma płytową strukturę z pierwszą częścią 140, która jest termicznie połączona, z wykorzystaniem odprowadzającej ciepło żywicy epoksydowej lub innego odpowiedniego ośrodka odprowadzającego ciepło, na wierzchu elektronicznych komponentów 130, które są przedstawione za pośrednictwem przerywanej linii na figurze 2. Alternatywnie lub dodatkowo, pierwsza część 140 może być zamontowana do płytki drukowanej 131 za pośrednictwem tulei dystansowych 155 oraz elementów mocujących 160, zapewniając dzięki temu odpowiedni stopień zaciśnięcia między pierwszą częścią 140 a górnymi powierzchniami elektronicznych komponentów 130. [0011] W przykładowej aparaturze sterującej 100, wytwarzające ciepło elektroniczne komponenty 130 są zamontowane wewnątrz obudowy 125 sterownika PLC 115 w taki sposób, aby wychwycić większość ciepła wytwarzanego przez komponenty 130. W celu rozproszenia tego ciepła, płyta (przewodnik termiczny) 135, a w szczególności pierwsza część i druga część, 140, 145, termicznego przewodnika 135 zapewniają ścieżkę przewodnictwa cieplnego od powierzchni komponentów 130

7 53/59P28276PL00 7 do powierzchni 106 osłony 105, umożliwiając dzięki temu odprowadzanie ciepła do otoczenia. Ze względu na charakter odprowadzania ciepła z komponentów 130 do powierzchni 106 za pośrednictwem termicznego przewodnika 135, przykład wykonania termicznego przewodnika 135 można określić jako pasywny termiczny przewodnik. [0012] W alternatywnym przykładzie wykonania termiczny przewodnik 135 może stanowić przewód cieplny, to znaczy urządzenie zawierające płyn, który ulega odparowaniu na jednym końcu, takim jak na przykład obszar pierwszej części 140, w miarę dostarczania ciepła, następnie migruje do chłodniejszego końca, takiego jak obszar drugiej części 145, gdzie oddaje swoje ciepło utajone parowania do chłodniejszego ciała w miarę skraplania się, a następnie ciecz migruje z powrotem do górnego końca, zazwyczaj pod wpływem siły grawitacji w celu rozpoczęcia całego procesu od początku i jego nieprzerwanego kontynuowania. [0013] Odwołując się teraz do figury 3, przykład wykonania aparatury sterującej 100 może także zawierać wymiennik 165 ciepła, który wymienia ciepło z zewnętrzną powierzchnią 106 osłony 105, tworząc w ten sposób inne środki pasywnego odprowadzania ciepła z komponentu 130 do otoczenia, w jakim znajduje się aparatura sterująca 100. Pomimo że na figurze 3 przedstawiono wymiennik ciepła 165 pokrywający całą tylną powierzchnię osłony 105, to należy zauważyć, że wymiennik ciepła 165 może zakrywać tylko jej część wystarczającą dla uzyskania pożądanego efektu odprowadzania ciepła. W przykładzie wykonania, wymiennik 165 ciepła może także bezpośrednio wymieniać ciepło z drugą częścią 145 za pośrednictwem otworu (nie pokazanego) w powierzchni 106. Jednakże, w świetle tego, że pożądane jest zapewnienie użytkownikowi modułowego układu sterowników PLC 115, 120 wewnątrz osłony 105, przykład wykonania wynalazku ma drugą część 145 bezpośrednio wymieniającą ciepło z powierzchnią 106

8 53/59P28276PL00 8 osłony 105, zaś powierzchnia 106 bezpośrednio wymienia ciepło z wymiennikiem 165 ciepła, co sprawia w rezultacie, że druga część 145 bezpośrednio wymienia ciepło z wymiennikiem 165 ciepła. Zewnętrzne powierzchnie tworzone przez osłonę 105 oraz drzwiczki 110 tworzą wewnętrzną objętość aparatury 100, która zasadniczo nie jest przepływowo połączona z zewnętrznym otoczeniem osłony 105 przy zamkniętych drzwiczkach 110. Zgodnie z tym, co powiedziano oraz jak zostało to przedstawione na figurze 3, transfer ciepła z komponentu 130 do otoczenia zachodzi w wyniku przewodzenia i konwekcji. Transfer ciepła w wyniku przewodzenia, przedstawiony za pośrednictwem linii ciągłych z oznaczeniem odsyłającym 170, zachodzi między komponentem 130 a powierzchnią 106, zaś konwekcyjny transfer ciepła, przedstawiony za pośrednictwem linii ciągłych z oznaczeniem odsyłającym 175 zachodzi między dowolną zewnętrzną powierzchnią, która stanowi fragment lub jest dołączona do osłony 105 i drzwiczek 106, a otoczeniem, pozwalając dzięki temu na pracę komponentów 130 w niższej temperaturze i na pozostanie w ich nominalnym zakresie temperatur dla ich prawidłowego działania. [0014] W świetle powyższego opisu i ilustracji należy zauważyć, że termiczny przewodnik 135 realizuje sposób odprowadzania ciepła z aparatury sterującej 100 do otoczenia, przy czym aparatura sterująca 100 zawiera osłonę 105 z termicznie przewodzącą powierzchnią 106 oraz umieszczone wewnątrz niej urządzenie sterujące 115, które to urządzenie sterujące 115 zawiera obudowę 125 z umieszczonym wewnątrz niej wytwarzającym ciepło elektronicznym komponentem 130 oraz termiczny przewodnik 135 zawierający pierwszą część 140 wymieniającą ciepło z wytwarzającym ciepło elektronicznym komponentem 130 oraz drugą część 145 bezpośrednio wymieniającą ciepło z termicznie przewodzącą powierzchnią 106, przez: odprowadzanie ciepła z wytwarzającego ciepło elektronicznego komponentu 130 do pierwszej części 140 termicznego przewodnika

9 53/59P28276PL ; odprowadzanie ciepła z pierwszej części 140 termicznego przewodnika 135 do drugiej części 145 termicznego przewodnika 135 wzdłuż termicznej ścieżki, która pomija obudowę 125 urządzenia sterującego 115; odprowadzenie ciepła z drugiej części 145 termicznego przewodnika 135 do termicznie przewodzącej powierzchni 106 osłony 105 aparatury sterującej 100; a także odprowadzenie ciepła z termicznie przewodzącej powierzchni 106 do otoczenia. [0015] Zgodnie z tym, co zostało przedstawione, niektóre przykłady wykonania wynalazku mogą mieć następującą zaletę: ekonomiczny układ odprowadzania ciepła, który wykorzystuje powierzchnię osłony aparatury sterującej do rozpraszania ciepła wytwarzanego przez komponent elektroniczny znajdujący się wewnątrz obudowy urządzenia sterującego, które samo znajduje się wewnątrz osłony aparatury sterującej. [0016] Pomimo że wynalazek opisany został w odniesieniu do przykładów wykonania, to znawcy zauważą możliwości dokonania różnych zmian i zastąpień równoważnymi elementami bez odchodzenia od zakresu wynalazku. Ponadto, dokonać można wielu modyfikacji w celu dostosowania danej sytuacji lub materiału do rozwiązania według niniejszego wynalazku bez odchodzenia od istoty jego zakresu. Dlatego też w zamierzeniu wynalazek nie ma być ograniczony do przedstawionego szczególnego przykładu wykonania jako najlepszego albo tylko rozważanego trybu jego realizacji, ale wynalazek obejmować ma wszystkie przykłady wykonania leżące w zakresie załączonych zastrzeżeń. Ponadto, użyciu określeń: pierwszy, drugi itd. nie oznacza żadnego porządku kolejności czy ważności, ale określenia te stosowane są do rozróżnienia jednego elementu od drugiego. Ponadto, zastosowanie określeń: jakiś, jeden i tym podobne nie oznacza ograniczenia liczby, ale oznacza obecność co najmniej jednego z wymienianych elementów.

10 53/59P28276PL00 10 Zastrzeżenia patentowe 1. Urządzenia sterujące (115) skonfigurowane do zamontowania wewnątrz osłony (105), która to osłona zawiera co najmniej jedną termicznie przewodzącą powierzchnię (106), które to urządzenie sterujące zawiera: obudowę (125); wiele wytwarzających ciepło urządzeń (130) usytuowanych wewnątrz obudowy (125); a także termiczny przewodnik (135) zawierający pierwszą część (140) wymieniającą ciepło z każdym z wielu wytwarzających ciepło urządzeń (130) oraz drugą część (145) skonfigurowaną do bezpośredniej wymiany ciepła z termicznie przewodzącą powierzchnią (106) osłony, przy czym pierwsza część (140) termicznego przewodnika (135) jest usytuowana na wierzchu wielu wytwarzających ciepło urządzeń (130), i przy czym ciepło odprowadzane jest z pierwszej części (140) termicznego przewodnika (135) do drugiej części (145) termicznego przewodnika (135) wzdłuż termicznej ścieżki, która pomija obudowę (125) urządzenia sterującego (115). 2. Urządzenie sterujące według zastrzeżenia 1, w którym: obudowa (125) zawiera otwór (150); i druga część (145) termicznego przewodnika (135) jest usytuowana w pobliżu otworu (150) tak, że otwór ten zapewnia wymianę ciepła między termicznym przewodnikiem (135) a termicznie przewodzącą powierzchnią (106) osłony.

11 53/59P28276PL Urządzenie sterujące według zastrzeżenia 2, zawierające ponadto: środki służące do termicznego połączenia drugiej części (145) z termicznie przewodzącą powierzchnią osłony. 4. Urządzenie sterujące według zastrzeżenia 1, w którym: wytwarzające ciepło urządzenie (130) zawiera elektroniczny komponent. 5. Urządzenie sterujące według zastrzeżenia 1, w którym: termiczny przewodnik jest pasywnym termicznym przewodnikiem. 6. Urządzenie sterujące według zastrzeżenia 1, w którym: wytwarzające ciepło urządzenie zawiera zestaw elektronicznych komponentów skonfigurowanych do utworzenia programowalnego sterownika logicznego. 7. Aparatura sterująca, zawierająca: osłonę (105) zawierającą co najmniej jedną termicznie przewodzącą powierzchnię; a także urządzenie sterujące według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, usytuowane wewnątrz osłony i wymieniające ciepło z termicznie przewodzącą powierzchnią osłony. 8. Aparatura sterująca według zastrzeżenia 7, zawierająca ponadto: nośnik odprowadzający ciepło usytuowany między drugą częścią (145), a termicznie przewodzącą powierzchnią (106) osłony (105). 9. Aparatura sterująca według zastrzeżenia 7, w której:

12 53/59P28276PL00 12 termicznie przewodząca powierzchnia (106) obejmuje metal, ceramikę, materiał kompozytowy lub dowolną kombinację zawierającą co najmniej jeden z wymienionych materiałów. 10. Aparatura sterująca według zastrzeżenia 7, w której: urządzenie sterujące jest jednym z wielu modułowych urządzeń sterujących. 11. Aparatura sterująca według zastrzeżenia 7, zawierająca ponadto: element mocujący usytuowany na drugiej części i skonfigurowany tak, aby zapewniać ściskające obciążenie między drugą częścią i termicznie przewodzącą powierzchnią. 12. Aparatura sterująca według zastrzeżenia 7, w której: osłona zawiera wiele powierzchni, które tworzą wewnętrzną objętość, która zasadniczo może nie być przepływowo połączona z zewnętrznym otoczeniem osłony, przy czym urządzenie sterujące jest usytuowane wewnątrz wewnętrznej objętości. 13. Aparatura sterująca według zastrzeżenia 7, zawierająca ponadto: wymiennik ciepła wymieniający ciepło z drugą częścią termicznego przewodnika, termicznie przewodzącą powierzchnią osłony lub z obydwoma tymi elementami. 14. Sposób odprowadzania ciepła z aparatury sterującej do otoczenia, która to aparatura sterująca posiada osłonę (105) z termicznie przewodzącą powierzchnią oraz umieszczone wewnątrz niej urządzenie sterujące (115), które to urządzenie sterujące posiada obudowę z wieloma umieszczonymi wewnątrz niej wytwarzającymi ciepło elektronicznymi komponentami (130) oraz termiczny przewodnik (135) zawierający pierwszą część (140)

13 53/59P28276PL00 13 wymieniającą ciepło z wytwarzającym ciepło elektronicznym komponentem oraz drugą część (145) bezpośrednio wymieniającą ciepło z termicznie przewodzącą powierzchnią, który to sposób zawiera etapy: odprowadzanie ciepła z wielu wytwarzających ciepło elektronicznych komponentów do pierwszej części termicznego przewodnika, przy czym pierwsza część termicznego przewodnika jest usytuowana na wierzchu wielu wytwarzających ciepło elektronicznych komponentów; odprowadzanie ciepła z pierwszej części termicznego przewodnika do drugiej części termicznego przewodnika wzdłuż termicznej ścieżki, która pomija obudowę urządzenia sterującego; odprowadzanie ciepła z drugiej części termicznego przewodnika do termicznie przewodzącej powierzchni osłony aparatury sterującej; a także odprowadzanie ciepła od termicznie przewodzącej powierzchni do otoczenia. GENERAL ELECTRIC COMPANY Pełnomocnik:

14 53/59P28276PL00 14

15 53/59P28276PL00 15

16 53/59P28276PL00 16