DE4028003A1 - Klemmelement zur halterung von elektronik-karten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eln Klemmelement zur Halterung von paral­ lel zueinander gesteckten Elektronik-Karten in einer Elektronikbox gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Solche Klemmelemente sind in den verschiedensten Ausführungsformen und für die verschiedensten Aufgaben bereits bekannt. So ist beispielsweise durch die DE-PS 37 32 346 der Anmelderin ein Spannelement bekannt gewor­ den, das nicht nur unterschiedlich große Elektronik-Karten in vibra­ tionsfreier Planlage halten kann, sondern auch eine vibrationsfreie La­ gerung bei Anordnung der Spannelemente an Kartenleerplätzen gewährlei­ stet. Hierzu ist eine Konzeption geschaffen worden, bei der eine u-för­ mige Führungsschiene über eine in ihrem Zentralpunkt angeordnete Halte­ öse und ein durch diese Öse gezogenes Klemmelement aufnimmt. Diese Aus­ führungsform hat sich für ihren Zweck bewährt, ist jedoch in seiner Wär­ meleitung in der Gehäusebox, die durch sogenannte Wärmetauscher (Cold­ plates) zwangsgekühlt wird - insbesondere an den Schnittstellen Elektro­ nik-Karte zu Boxgehäusewand - viel zu uneffizient.

Im Handel befindliche Klemmelementenausführungen sehen verschiedene me­ chanische Klemmformen zwischen Elektronikkarten und Gehäuseboxen vor, so beispielswelse Klemmbügel aus Federstahl, die in die entsprechend ausge­ staltete Kartenhaltenut der Coldplate eingelegt werden. Durch diese Fe­ derbügel wird auch die Wärmeübertragung von Karte zu Gehäusewand vollzo­ gen.

Ferner sind sogenannte Exzenter-Klemmungen bekannt, bei denen ein Feder­ plättchen und ein Exzenter-Element auf den Steg der Elektronikkarte drückt und so die Verbindung und Wärmeleitung von Karte und Wärmetau­ scherwandung herstellt. Abgesehen davon, daß auch hier eine spezielle Bearbeitung der Coldplate nur für die Exzenter-und Federlagerung erfor­ derlich ist, ist auch die Wärmeableitung viel zu geringfügig.

Weitere konstruktiv aufwendige, mit gesonderten Steuerorganen oder zu­ sätzlich angekoppelten Bauelementen ausgestattete wärmeleitende Klemm­ elemente sind aus den DE-OS 35 22 124 und DE-OS 32 45 072 bekannt.

Alle diese vorgenannten Ausführungsformen haben eine Reihe von Nachtei­ len. So erfolgt in den Coldplates bzw. Wärmetauschern eine Längsdurch­ strömung des Kühlmittelmediums, was innerhalb der Box zu unterschiedli­ chen Temperaturen und von Elektronik-Karte zu Elektronik-Karte zu sich vermindernder Kühlleistung führt, da das Kühlmedium sich durch die Wär­ meaddition kontinuierlich erwärmt (Fig. 1).

Aber auch die bekannten Klemmelemente sind durch ihre relativ kleinen, oft nur linien- oder punktförmigen Kontaktflächen oder Querschnittsflä­ chen für eine ausreichende Wärmeleitung bzw. Wärmeabfuhr ungenügend ver­ wendbar. Außerdem ist die Klemmkraft, die ja für den thermischen Wider­ stand über die Kontaktanpreßflächen wesentlich ist, meist starken Tole­ ranzen unterworfen und so eine einheitliche, definierte Klemmkraft nur über spezielle Meßeinrichtungen, Drehmomentenschlüssel etc. einstellbar.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Klemmelement der eingangs genannten Art zu schaffen, das vorgenannte Nachteile weit­ gehend beseitigt und den thermischen Wärmeleitungswiderstand und damit die wärmeleitungsmäßig sich einstellende Temperaturdifferenz zwischen Elektronik-Karte und Gehäusebox wesentlich reduziert und eine definierte Klemmkrafteinstellbarkeit ermöglicht, die auch optisch feststellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen ge­ löst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausführungsbei­ spiel erläutert und in den Figuren der Zeichnung skizziert. Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Elektronikbox (Rack) mit tra­ ditioneller Klemmung und Wärmetauscher für Kühlluft als Coldpla­ tes gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine teilgeschnittene Längsansicht eines Ausführungsbeispiels der vorgeschlagenen Klemmelementen-Konzeption,

Fig. 3 einen Teilausschnitt von Klemmstellen der Elektronik-Karten in der Elektronikbox gemäß Fig. 4 in vergrößerter Darstellung,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Gehäusebox (Rack) mit dem vorgeschlagenen Doppelkeil-Klemmelement und integrierten Kühl­ mittelkanälen.

Während die Fig. 1 ein mittels Kühlstrom längsdurchflossenes Gehäuseag­ gregat des Standes der Technik veranschaulicht, zeigt die Fig. 4 eine Gehäuseboxausführung mit querdurchströmter Zwangskühlung und einer Dop­ pelkeilklemmung der Elektronik-Karten, die nachfolgend beschrieben wird.

Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die vorgenannte Doppelkeil­ klemmung eines Klemmelementes 10, das sich aus einem Spannteil 11a, 11b, 11c mit einer Spanneinrichtung 12a, 12b, 12c und mindestens zwei trapez­ förmigen Klemmteilklötzen 13a, 13b zusammensetzt. Der Spannteil wird ge­ bildet aus einem Aufnahmesegment 11a für die Spannschraube 12a und ei­ nem Endlagersegment 11c für diese Spannschraube 12a. Zwischen diesen beiden Segmenten 11a, 11c, die jeweils eine zueinander gegenläufig ge­ richtete konisch verlaufende Endfläche aufweisen, ist ein konisch ausge­ bildetes Gleitsegment 11b angeordnet, das mit einer Aufnahmebohrung für die Spannschraube 12a versehen ist. Jedes der Segmente 11a, 11c ist mit einem Sackloch 11d versehen, in denen der Sechskant-Schraubenkopf 12d oder die Sechskant-Schraubenmutter 12b und jeweils ein Federpaket 12c gelagert sind.

Beim Eindrehen der durchgehenden Schraube 12a erfolgt infolge der ver­ drehungssicher gelagerten Schraubenmutter 12b eine "Verkürzung" dersel­ ben. Durch die von den Federn 12c "gedämpft" aufgebrachte Kraft ver­ schieben sich die Klemmteilklötze 13a, 13b an den trapezförmig verlau­ fenden Anlageflächen in gezeichneter Pfeilrichtung B senkrecht nach un­ ten, bis sie die ebenfalls keilförmig ausgearbeitete Nutwand 15a der in der "Coldplate" bzw. dem Elektronikbox-Gehäuse 100 herausgearbeiteten Stege 100s berühren. Dies ist aus der Fig. 3 deutlich zu ersehen. Durch die Abwärtsbewegung der Klemmteilkötze 13a, 13b wird der Steg 14a der Elektronik-Karte 14 an die senkrechte Wand des Steges 100s gepreßt.

Da die mindestens zwei Klemmstegklötze 13a, 13b den direkten Kontakt mit der Elektronik-Karte und dem Elektronikbox-Gehäuse 100 herstellen und außerdem große Anlageflächen aufweisen, werden sie aus einem gut wärme­ leitendem Material - wie beispielsweise Aluminium und Duraluminium - hergestellt, um so optimal auch zur Wärmeableitung zu dienen. Bisher konnte aufgrund konstruktiver und prinzipbedingter Gründe der Klemmvor­ richtungen nur die direkte Kontaktfläche von Elektronik-Karte und Boxge­ häuse als wärmeableitende Fläche genutzt werden, da die Klemmvorrichtung selbst einen zu hohen thermischen Widerstand für die Wärmeableitung von der Elektronik-Karte 14 bildete. Durch die großen Anlageflächen 13′ und 13′′ der Klemmteilklötze 13a, 13b ist nun jedoch der thermische Wider­ stand der Klemmung verringert und der Zuwachs an wärmeübertragender Kon­ taktflächen vergrößert worden.

Durch die Anordnung von mindestens zwei Klemmteilklötzen 13a, 13b werden Toleranzen der Klemmgeometrie ausgeglichen und homogene Klemmkräfte über die gesamte Klemmlänge erreicht. Da die an den wärmeübertragenden Kon­ taktflächen 13′, 13′′ wirkenden Anpreßkräfte durch die über die Federpa­ kete 12c - vorzugsweise Tellerfedern aus Stahl oder Kunststoff - über­ tragenen Druckkräfte bestimmt sind, ist es möglich, diese Federpakete 12c so zu dimensionieren, daß die jeweils gewünschte oder erforderliche Klemmkraft durch Markierungen - beispielsweise am Sechskant-Schrauben­ kopf oder an dem ihm zugeordneten Sackloch - angezeigt wird und so die Sechskant-Spannschraube 12a gleichzeitig als Klemmkraftindikator dient.

Eine andere Möglichkeit hierzu kann darin gesehen werden, daß beispiels­ weise die korrekte Klemmkraft zwischen Elektronik-Karte 14 und Gehäuse­ box 100 genau dann erreicht ist, wenn der - gegebenenfalls farbige - Sechskantkopf der Spannschraube 12a von außen betrachtet bündig mit dem Rand des Sacklochs 11d abschließt. Dadurch erübrigt sich für die Auf­ bringung einer definiert einheitlichen Klemmkraft der Einsatz spezieller Werkzeuge wie Drehmomentenschlüssel etc.. Der mit definiert einheitli­ cher Klemmkraft hergestellte Zustand ist sofort und jederzeit optisch sichtbar und irgendwelche maßliche Veränderungen der Klemmgeometrie wäh­ rend des Betriebes - beispielsweise durch Vibrationen - werden durch die Wirkung der Federpakete 12c kompensiert.

Die vorgeschlagene Konzeption einer Doppelkeil- bzw. Mehrfachkeilklem­ mung weist weiterhin den besonderen Vorteil auf, daß keinerlei Montage weder an der Elektronik-Karte 14 noch an der Gehäusebox 100 bzw. der Coldplate erforderlich ist. Das vorbeschriebene Klemmelement 10 kann als separates Teil nach dem Einstecken der Elektronik-Karte 14 in den ent­ sprechenden Raum der Nute 15 eingeführt werden. Die schräge Nutfläche 15a der Stege 100s hält das Klemmelement 10 auch in ungeklemmten Zustand in ihrer richtigen Position.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ist es bei entsprechenden Größen möglich, die Stege 100s der Elektronik-Gehäusebox 100 bzw. der Coldplate mit Kühlkanälen 16 für Luft oder Flüssigkeit oder sogenannten Heat Pipes 16′ zu versehen. Dadurch wird insgesamt das Volumen und das Gewicht der Ge­ häusebox 100 reduziert, da die Kühlkanäle, die in ihrer Summe die Cold­ plate bilden, jetzt örtlich integriert sind in den Klemmstegen und nicht separiert wie in Fig. 1 und 4 ersichtlich. Aber auch bei Coldplate-Aus­ führungen nach Fig. 1 erweist sich die vorgeschlagene Doppel- bzw. Mehr­ fachkeilklemmung vorallem in bezug auf die Wärmeabführung als besonders vorteilhaft, denn durch die Änderung der Durchströmrichtung bei Fluid­ kühlung wird die Längsdurchströmung der Gehäusebox durch eine Querdurch­ strömung ersetzt. Das bewirkt, daß alle Elektronik-Karten 14 die nahezu gleichen Kühlfluidtemperaturen als Kühlrandbedingungen haben. Bei der bisherigen Längsdurchströmung ergeben sich für die in Strömungsrichtung befindlichen Karten konstante, ansteigende Kühlfluidtemperaturen, da sich die Temperatur des Fluids bzw. Mediums von Karte zu Karte addiert. Die Wahl der Querschnittsform der Kanäle 16, 16′ wird sich in erster Li­ nie nach dem Fertigungsaufwand und dem Volumen der Stege 100s richten.

Claims (4)

1. Klemmelement zur Halterung von parallel zueinander gesteckten Elektronik-Karten in einer Elektronikbox, wobei der Abwärmetransport von den Elektronenkarten zum Boxgehäuse durch Wärmeleitung über die Klemm­ elemente und zwangsgekühlt über Wärmetauscher erfolgt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich das Klemmelement (10) aus einem Spannteil (11a, 11b, 11c) mit einer Spanneinrichtung (12a, 12b, 12c) und mindestens zwei tra­ pezförmigen Klemmteilklötzen (13a, 13b) zusammensetzt, und Spannteil (11a, 11b, 11c) und Klemmteilklötze (13a, 13b) Seitenflächen (13′, 13′′) - (im Querschnitt gesehen) - aufweisen, von denen jeweils die eine Sei­ tenfläche (13′) senkrecht zur Klemmelementen-Oberfläche (13 _o) und zur Klemmelementen-Unterfläche (13 _u) und die andere Seitenfläche (13′′) im wesentlichen trapezförmig von oben nach unten verläuft, wobei das Klemm­ element (10) zusammen mit dem Steg (14a) der Elektronik-Karte (14) in entsprechend einseitig trapezförmigen Nuten (15) des mit integrierten Kühlkanälen (16) versehenen Elektronikbox-Gehäuses (100) (Coldplates) eingesetzt wird und die Spanneinrichtung (12a, 12b, 12c) als Klemmkraft­ indikator ausgebildet ist.

2. Klemmelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Klemmteilklötze (13a, 13b) aus einem gut wärmeleitenden­ den Vollmaterial - Aluminium, Duraluminium - gefertigt sind.

3. Klemmelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Federpakete (12c) der Spanneinrichtung (12a, 12b, 12c) zusammen mit dem Innensechskantkopf (12d) der Spannschraube (12a) und den Sacklö­ chern (11d) der Segmente (11a, 11c) des Spannteils (11a, 11b, 11c) durch Markierungen die vorhandene Klemmkraft anzeigen.

4. Klemmelement nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kühlkanäle (16) für Luft oder flüssiges Medium oder die Wärmerohre (16′) parallel zu den Nuten (15) in den verbleibenden Stegen (100s) des Elektronikbox-Gehäuses (100) angeordnet sind.