DE4223935C2 - Staub- und wassergeschütztes Elektronikgerät - Google Patents
Staub- und wassergeschütztes ElektronikgerätInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein staub- und wassergeschütztes
Elektronikgerät, insbesondere für rauher Betriebsweise
ausgesetzte Landfahrzeuge, der im Oberbegriff des
Anspruchs 1 genannten Art.
Elektronikgeräte für den Einsatz in Landfahrzeugen müssen
bedingt durch deren rauhen Betriebseinsatz als
Geländefahrzeuge, z. B. Befahren von staubigen oder
schlammigen Wegen, Durchquerung von Wasserläufen u. ä.,
staub- und wassergeschützt sein, um funktionsfähig zu
bleiben.
Bei bekannten Elektronikgeräten ist daher das die
Leiterkarte aufnehmende Gehäuse staub- und
spritzwassergeschützt bzw. wasserdicht geschlossen
ausgebildet. Zur Ableitung der von den im Parallelabstand
angeordneten Leiterkarten abgegebenen Wärme nach außen ist
das Gehäuse auf der Außenseite mit Kühlrippen versehen.
Die von Elektronikbausteinen auf der Leiterkarte erzeugte
Wärme wird dabei durch Konvektion an die Innenraumluft
übertragen, die die Wärme durch Konvektion an die
Gehäusewände weitergibt, von wo sie über die Kühlrippen an
die Außenluft abgegeben wird. Messungen haben gezeigt, daß
die Temperatur an den Oberflächen der Leiterkarten selbst
bei optimaler Gestaltung der Wärmekonvektion im
Gehäuseinnern noch um mehr als 40°K über der
Gehäusewandtemperatur liegt.
Bei der heute angestrebten zunehmenden Leistungsdichte auf
den Leiterkarten steigt auch der Wärmeanfall erheblich.
Man hat daher versucht, diesen zusätzlichen Wärmeanfall
dadurch abzuführen, daß im Gehäuseinnern Ventilatoren
angeordnet werden, die einen Zwangsumlauf der
Innenraumluft bewirken und somit für einen schnelleren
Wärmeaustausch zwischen den Elektronikbausteinen und der
Innenraumluft einerseits und der Luft und den
Gehäusewänden andererseits sorgen. Aufgrund der hohen
Leistungsdichte der Leiterkarten hat man jedoch auch damit
nur begrenzt niedrigere Temperaturwerte an den
Leiterplattenoberflächen erreichen können. Hinzu kommt,
daß in bestimmten Anwendungsfällen Lüfter im Gehäuseinnern
des Elektronikgerätes nicht zugelassen werden.
In letzteren Fällen hat man sich schon mit teuren
Metallkern-Leiterkarten geholfen, die an dem Gehäuse
wärmeleitend angebunden sind, so daß die Wärme zusätzlich
zur Konvektion durch direkte Wärmeleitung auf das Gehäuse
übertragen wird. Abgesehen von den hohen
Herstellungskosten solcher Metallkern-Leiterplatten hat
man auch hiermit nur begrenzte Verbesserungen in der
Temperaturdifferenz zwischen Leiterkartenoberfläche und
Gehäusewand erzielen können, da die thermische Ankopplung
nur über kleine metallische Querschnitte erfolgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein staub- und
wassergeschütztes Elektronikgerät der eingangs genannten
Art zu schaffen, das durch seine konstruktive Gestaltung
eine wesentliche Verbesserung der Wärmeableitung von den
Elektronikbausteinen auf der Oberfläche der Leiterkarten
erreicht.
Die Aufgabe ist bei einem Elektronikgerät der im
Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung
erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des
Anspruchs 1 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Elektronikgerät ist jede
einzelne Leiterkarte hermetisch in einer separaten
Kassette verpackt und jede einzelne Kassette mit
Kühlrippen versehen. Dadurch kann der Abstand der
wärmeabführenden Außenwand von der wärmeerzeugenden
Leiterkartenoberfläche sehr klein gehalten werden und ist
praktisch nur von der Bauhöhe der Elektronikbausteine
vorgegeben. Die der direkten Wärmestrahlung ausgesetzte
Wand der aus gut wärmeleitendem Material hergestellten
Kassette trägt die Kühlrippen. Bei jeder Leiterkarte wird
dadurch, unabhängig von ihrer Anordnung innerhalb des
Elektronikgerätes, die Wärme gleich gut auf kürzestem Weg
effektiv abgeführt, was durch das geringe Luftvolumen im
Innern der die Leiterkarte aufnehmenden Kassette
unterstützt wird. Die individuelle Kühlung jeder
Leiterkarte bringt auch mit sich, daß Leiterkarten mit
geringer Leistung nicht mehr von anderen Leiterkarten mit
hoher Leistungsdichte unnötig aufgeheizt werden. Dadurch
erhält das Elektronikgerät insgesamt eine höhere
Lebensdauer.
In Verbindung mit dieser konstruktiven Maßnahme erreicht
man bei dem erfindungsgemäßen Elektronikgerät eine Senkung
der "junction"-Temperatur um bis zu 20°K, d. h., daß die
Temperaturdifferenz zwischen Oberfläche der
Elektronikbausteine und der Kassettenwand bis zu 20°K
verringert werden konnte.
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher
beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines
Elektronikgeräts,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer
Kassette im Elektronikgerät gemäß Fig. 1 in
Explosionsdarstellung,
Fig. 3 einen Schnitt der Kassette gemäß Linie III-III
in Fig. 1,
Fig. 4 ausschnittweise einen Schnitt längs der Linie
IV-IV in Fig. 1.
Das in Fig. 1 in perspektivischer Ansicht dargestellte
Elektronikgerät weist ein Gestell 10 auf, in dem eine
Mehrzahl, hier acht, parallel zueinander ausgerichteter
Kassetten 11 aufgenommen ist. In der in Fig. 1
dargestellten Gebrauchslage des Elektronikgeräts sind die
Kassetten 11 vertikal ausgerichtet und können von der
Frontseite des Gestells 10 her in das Gestell 10
eingeschoben bzw. aus dem Gestell 10 herausgezogen werden.
Das Gestell 10 ist unten und oben offen ausgebildet und
weist eine geschlossene Rückwand 102 und zwei geschlossene
Seitenteile 103 und 104 auf. Die geschlossene Rückwand 102
ist doppelwandig ausgebildet, wobei die dem Gestellinnern
zugekehrte Innenwand 102a der Rückwand 102 Öffnungen 12
trägt, durch welche noch zu beschreibende gestellseitige
Gegenstecker 13 zugänglich sind. Im Innern der
doppelwandigen Rückwand 102 befindet sich eine hier nicht
zu sehende Querverdrahtungsleiterkarte, die mit einem an
der Außenwand 102b der Rückwand 102 angeordneten
Steckerfeld 14 elektrisch leitend verbunden ist. Das
Steckerfeld 14 dient zum Anschluß des Elektronikgeräts im
Fahrzeug.
Die an der Ober- und Unterseite im Gestell 10 geführten
Kassetten 11 sind identisch ausgebildet, so daß
stellvertretend für alle eine Kassette 11 in ihrem Aufbau
beschrieben wird.
Wie aus der Explosionszeichnung in Fig. 2 und aus der
Schnittzeichnung in Fig. 3 hervorgeht, ist jede
Kassette 11 dreiseitig hermetisch dicht geschlossen und
nimmt in ihrem Innern eine mit Elektronikbauteilen 15
bestückte Leiterkarte 16 auf. Die Bestückung mit den
Elektronikbauteilen 15 erfolgt in bekannter Weise auf der
einen Seite der Leiterkarte 16, während die elektrischen
Verbindungen der Elektronikbauteile 15 von der anderen
Seite der Leiterkarte 16 her vorgenommen wird. Die
Leiterkarte 16 ist nahezu spiellos in der Kassette 11
aufgenommen. Die Kassette 11 besteht aus einer Platte 17
und einer Halbschale 18, die aufeinanderliegend sich in
Einschieberichtung der Kassette 11 erstrecken. Die
Halbschale 18 trägt randseitig einen umlaufenden
Befestigungsflansch 19. Mit diesem liegt 18 unter
Zwischenlage einer Dichtung 21 auf der Platte 17 auf.
Beide sind mittels durch Bohrungen 22, 23 im
Befestigungsflansch 19 bzw. im Rand der Platte 17
hindurchgesteckter Schraubenverbingungen 20 fest
miteinander verbunden. Die Halbschale 18 weist in ihrer in
Einschubrichtung der Kassette 11 weisenden Schalenwand
eine etwa rechteckförmige Wandaussparung auf, so daß die
Kassette 11 an ihrer in Einschubrichtung vorderen
Stirnseite offen ist.
Die Abmessungen von Halbschale und Platte 17 sind so
getroffen, daß bei spiellos aufgenommener Leiterkarte 16
diese durch die Wandaussparung hindurch aus der
Kassette 11 vorsteht. Hier trägt die Leiterkarte 16 zwei
übereinander angeordnete, in Einschubrichtung sich
erstreckende Stecker 24, 25, die mit zwei der
gestellseitigen Gegenstecker 13 korrespondieren, so daß
nach Einschub der Kassette 11 in das Gestell 10 am Ende
der Einschubbewegung der Kassette 11 Stecker 24, 25 und
Gegenstecker 13 zur Herstellung der elektrischen
Verbindung zwischen Leiterkarte 16 und Steckerfeld 14
ineinandergreifen.
An der Wandaussparung der Halbschale 18 läuft ein
Ringflansch 26 (Fig. 4) um. Die Öffnungen 12 in der
Innenwand 102a der Rückwand 102 sind korrespondierend zu
der Wandaussparung in der Halbschale 18 so ausgebildet,
daß die durch diese hindurch aus der Kassette 11
vorstehende Leiterkarte 16 durch die Öffnung 13
hindurchzutreten vermag, wonach sich der Ringflansch 26
auf die Innenwand 102a, die Öffnung 12 allseits
umschließend, auflegt. Dabei drückt sich der
Ringflansch 26 auf eine Ringdichtung 27 auf, die in einer
die Öffnung 12 umschließenden Ringnut 28 einliegt. Wie aus
Fig. 1 zu erkennen ist, wird die Kassette 11 an der
Frontseite mittels zweier Befestigungsschrauben 29, 30 im
Gestell 10 festgesetzt, wobei durch die Festsetzung eine
in Einschubrichtung wirkende Vorspannkraft erzeugt wird,
welche den Ringflansch 26 auf die Ringdichtung 27
aufpreßt, so daß eine ausreichende Dichtung gewährleistet
ist.
Halbschale 18 und Platte 17 der Kassette 11 sind aus
Aluminium im Spritzgußverfahren hergestellt, wobei an der
der bestückten Seite der Leiterplatten 16 zugekehrten
Halbschale 18 auf deren Oberseite Kühlrippen 31 einstückig
angespritzt sind, die sich in Einbaulage der Kassette 11
in Vertikalrichtung erstrecken. Wie in Fig. 2 und 3
verdeutlicht ist, ist zwischen dieser die Kühlrippen 31
tragenden Halbschale 18 und der Leiterkarte 16 eine
Wärmeleitmatte 32 angeordnet. Die Wärmeleitmatte 32
besteht aus einem elektrisch nicht leitenden Elastomer,
z. B. aus CHO-TERMR. Die Wärmeleitmatte 32 liegt dabei
sowohl an der Innenfläche der Halbschale 18 als auch an
der Leiterkarte 16 eng an. Hierzu sind - wie in Fig. 2
verdeutlicht ist - in der der Leiterkarte 16 zugekehrten
Oberfläche der Wärmeleitmatte 32 Aussparungen 33
eingebracht, die individuell an die durch sie
aufgenommenen Elektronikbauteile 15 angepaßt sind. Die
Oberflächenstruktur der der Leiterkarte 16 zugekehrten
Oberfläche der Wärmeleitmatte 32 zeigt somit die
Negativkontur der bestückten Leiterkarte 16.
Die von den Elektronikbauteilen 15 auf der Leiterkarte 16
erzeugte Wärme wird über die Wärmeleitmatte 32 direkt auf
die die Kühlrippen 32 tragende Halbschale 18 der
Kassette 11 übertragen. Dort wird die Wärme von der das
Gestell 10 von unten nach oben durchströmende Luft
abgeführt. Insgesamt erhält man eine extrem gute
Wärmeableitung, die eine hohe Leistungsdichte auf der
Leiterkarte 16 zuläßt.
Bei einem bekannten, der Analyse von Gasen oder Flüssigkeiten
dienenden Elektrogerät der eingangs genannten Art (GB 2 045 006 A)
sind die Leiterkarten in einen Rahmen eingeschoben, der aus dem
Gehäuse herausschwenkbar ist. Die Leiterkarten sind an ihrem in
Einschubrichtung vorderen Ende mit einem Stecker versehen. Die
Stecker kontaktieren nach Einschub einen Gegenstecker an einer in
der Rahmenrückseite gehaltenen Verteilerplatte, der über eine
flexible elektrische Leitung mit dem elektrischen Eingang des
Elektronikgeräts verbunden ist. Die Rückwand des Gehäuses trägt nach
außen abstehende Kühlrippen.
Ein ebenfalls bekanntes Elektronikgerät (GB 2 145 290 A) weist eine
Vielzahl von in einem Gehäuse eingeschobenen Schaltkreis-Modulen
auf. Die Module werden mittels eines Kühlgases gekühlt, das über
Ventilationsöffnungen in das Gehäuse eingeleitet wird und das
Gehäuse durchströmt. Jedes Modul ist hermetisch dicht geschlossen
und enthält eine mit Elektronikbausteinen bestückte und rückseitig
mit wärmeleitendem Material beschichtete Platte. Die Platte liegt
mit ihrer wärmeleitenden Schicht auf einer Modulwand auf, die außen
mit Kühlrippen versehen ist. Die Module werden zwischen im Gehäuse
ausgebildeten Schienen eingeschoben und kontaktieren am Ende ihres
Einschubwegs mit an ihrer vorderen Stirnseite vorhandenen
elektrischen Verbindern korrespondierende elektrische Verbinder an
der Rückwand des Gehäuses.
Bei einem bekannten wasserdichten Gehäuse für mit elektrischen
Bauteilen bestückte Einschübe (DE 24 35 914 B2) ist der front- und
rückseitig offene Gehäuserahmen an den Außenflächen allseitig
berippt und durch Schienen in Gefache für die Einschübe unterteilt.
Die Einschübe werden in Kontaktleisten gesteckt, wodurch die
Verdrahtung der Einschübe untereinander durch Kabel hergestellt ist,
die in an einem Deckel ausgebildeten Kabelkanal verlaufen. Front-
und Rückseite des Gehäuserahmens werden durch zwei Deckel
wasserdicht abgeschlossen. Die Einschübe sind stirnseitig mit
Kühlrippen versehen, die durch Öffnungen in den Deckeln
hindurchragen, so daß die von elektrischen Bauteilen in den
Einschüben erzeugte Wärme direkt an die Umgebungsluft abgegeben
wird.
Alle so einzeln gekapselten Leiterkarten werden im
Parallelabstand in einem als Gestell ausgebildeten
Gehäuse eingeschoben. Das zweiseitig offen ausgeführte
Gestell sorgt für eine direkte Belüftung der einzelnen
Kassetten, so daß die Wärme von deren mit den Kühlrippen
versehenen Außenflächen effektiv abgeführt wird. Die
Abdichtung der Steckverbindung zwischen Leiterkarte und
Gehäuse gegen Staub und Wasser erfolgt für jede Kassette
getrennt durch Dichtungsmittel an der geschlossenen,
doppelwandig ausgebildeten Rückseite des Gestells.
Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Elektronikgeräts mit zweckmäßigen Ausgestaltungen und
Verbesserungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren
Ansprüchen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in
jeder Kassette der Zwischenraum zwischen der die
Elektronikbausteine tragenden Oberfläche der Leiterkarte
und der die Kühlrippen tragenden Seitenwand der Kassette
mit einer elektrisch isolierenden Wärmeleitmatte
ausgefüllt. Die aus einem wärmeleitenden Elastomer
hergestellte Wärmeleitmatte liegt dabei sowohl an der
Innenfläche der Seitenwand der Kassette als auch an der
Leiterkarte eng an, wozu die Wärmeleitmatte in ihrer der
Leiterkarten zugekehrten Oberfläche Aussparungen zur
Aufnahme der auf der Leiterkarte angeordneten Bauelemente
aufweist. Die der Leiterkarte zugekehrte Oberfläche der
Wärmeleitmatte zeigt somit die Negativkontur der
bestückten Leiterkarte. Durch diese Wärmeleitmatte wird
eine direkte Wärmeleitung von der Oberfläche der
Elektronikbausteine zu der die Kühlrippen tragenden
Seitenwand der Kassette geschaffen und die
Wärmeübertragung durch Konvektion, deren Wirkungsgrad
wesentlich schlechter ist, ausgeschaltet.
Claims (9)
1. Staub- und wassergeschütztes Elektronikgerät,
insbesondere für rauher Betriebsweise ausgesetzte
Landfahrzeuge, mit einem Gehäuse und einer Vielzahl
von darin auswechselbar eingeschobenen Leiterkarten,
die mit Elektronikbausteinen bestückt sind und an
ihrer in Einschubrichtung vorderen Stirnseite
vorstehende Stecker zum Herstellen einer elektrischen
Steckverbindung mit gehäuseseitigen Gegensteckern
tragen, dadurch gekennzeichnet, daß jede
Leiterkarte (16) in einer dreiseitig hermetisch dicht
geschlossenen Kassette (11) so aufgenommen ist, daß
ihre Stecker (24, 25) an der in Einschubrichtung
vorderen, zumindest teilweise offenen Stirnseite der
Kassette (11) zugänglich sind, daß auf der
Außenfläche der einen sich in Einschubrichtung
erstreckenden Seitenwand der Kassette (11)
Kühlrippen (31) ausgebildet sind, daß das Gehäuse als
in Einbaulage zumindest unten und oben offenes
Gestell (10) zum Einschieben der Kassetten (11) mit
vertikaler Ausrichtung der Kühlrippen (31)
ausgebildet ist, daß das Gestell (10) an seiner in
Einschubrichtung hinteren Rückseite (102) geschlossen
doppelwandig ausgebildet ist, wobei seine dem
Gestellinnern zugekehrte Innenwand (102a)
Öffnungen (12) zur Freigabe der gehäuseseitigen
Gegenstecker (13) aufweist, und daß zwischen der
Innenwand (102a) und den zumindest teilweise offenen
Stirnseiten der in das Gestell (10) eingeschobenen
Kassetten (11) Dichtungsmittel (26, 27) angeordnet
sind, die die Kassetten (11) und die Öffnungen (12)
in der Innenwand (102a) hermetisch abschließen.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Dichtungsmittel jeweils einen die zumindest
teilweise offene Stirnseite einer Kassette (11)
umschließenden, von den Kassettenwänden rechtwinklig
abstehenden Ringflansch (26) und eine zu diesem
deckungsgleich angeordnete Ringdichtung (28), die in
einer in der Innenwand (102a) ausgebildeten,
umlaufenden Ringnut (28) einliegt, sowie in
Einschubrichtung wirkende Andruckelemente (29, 20)
zum Andrücken der Kassette (11) an die
Innenwand (102a) aufweisen.
3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Andruckelemente von Schrauben (29, 30) zum
Festschrauben der Kassetten (11), vorzugsweise mit
ihrer in Einschubrichtung hinteren Stirnseite, an dem
Gestell (10), gebildet sind.
4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Leiterkarte (16) endseitig
über die in Einschubrichtung vordere, mindestens
teilweise offene Stirnseite der Kassette (11)
vorsteht und die Öffnungen (12) in der
Innenwand (102a) der Gestellrückseite (102) eine
solche Kontur aufweisen, daß die Leiterkartenenden
durch jeweils eine der Öffnungen (12)
hindurchzutreten vermögen.
5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kassetten (11) aus Aluminium,
vorzugsweise im Spritzgußverfahren, hergestellt und
die Kühlrippen (31) einstückig angeformt,
vorzugsweise angespritzt, sind.
6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen der die
Elektronikbauteile (15) tragende Seite der
Leiterkarte (16) und der die Kühlrippen (31)
tragenden Seitenwand der Kassette (11) mit einer
elektrisch nicht leitenden Wärmeleitmatte (32)
ausgefüllt ist.
7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Wärmeleitmatte (32) sowohl an der Innenfläche der
Seitenwand als auch an der Leiterkarte (16) eng
anliegt.
8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Wärmeleitmatte (32) in ihrer der Leiterkarte (16)
zugekehrten Oberfläche Aussparungen (33) zur
annähernd formschlüssigen Aufnahme der auf der
Leiterkarte (16) vorhandenen Elektronikbausteine (16)
aufweist, die so gestaltet sind, daß sie eine
Negativkontur der Elektronikbauteile (15) bilden.
9. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kassetten (11) jeweils aus
einer Platte (17) und einer Halbschale (18)
zusammengesetzt sind, die mit einem am Schalenrand
umlaufenden Befestigungsflansch (19) unter
Zwischenlage einer Dichtung (21) auf der Platte (17)
aufliegt und mit dieser fest verbunden, vorzugsweise
verschraubt, ist.
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