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