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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft die Montage von elektronischen Geräten in einem
Baugruppenträger. Genauer
gesagt betrifft die Erfindung die Verwendung eines Nutzens an einer
unbestückten
Stelle eines Trägers,
um den Luftströmungsgegendruck
in einem Träger
auszugleichen, und um optische Kabel zu halten, die zur späteren Verwendung
an einer unbestückten
Stelle zur Verfügung
gestellt sind.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Ein
komplexes elektronisches Gerät
kann die Zusammenschaltung von tausenden einzelnen elektronischen
Bauelementen erfordern. Um diese große Anzahl von erforderlichen
Verschaltungen handhaben zu können,
ist ein solches Gerät
häufig für das Aufbringen
von Bauelementen auf eine Leiterplatine (Leiterplatte) konfiguriert,
und für
das Zusammenschalten dieser Leiterplatten über eine oder mehrere gedruckte
Rückwandplatinen.
Sammlungen von zusammen geschalteten Leiterplatten sind häufig in
Gehäusen
untergebracht, die als Baugruppenträger bezeichnet werden.
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Da
Schaltungs- und Leistungsdichte ansteigen, stellt die Wärmeabgabe
eine erhebliche Herausforderung dar. Konvektionskühlung durch
Luftumwälzung
wird in Baugruppenträgern
immer häufiger
verwendet, um die erforderliche Kühlungskapazität zur Verfügung zu
stellen. Bei einer typischen Trägerkonfiguration
werden Leiterplatten vertikal mit ausreichender Beabstandung positioniert,
um Luftströmung zwischen
benachbarten Platten zu ermöglichen.
Luftströmung
wird durch über
oder unter dem Träger
angeordnete Ventilatoren erzeugt und an den Platten vorbei gelenkt,
wobei die Seiten, die Rück-
und Vorderseite des Trägers
mit eingeschlossen sind, um eine relative Luftdichtigkeit zu erreichen.
Luft, die an den Platinen vorbei strömt, befördert Wärme weg von den elektronischen
Bauelementen auf den Platinen und wird anschließend aus dem Träger abgeführt. Umgebungsluft
wird durch die Ventilatoren in den Träger geführt, um die Luftströmung zu
erneuern und fortzusetzen.
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Die
Wirksamkeit dieses Lösungsansatzes kann
durch Ungleichgewichte in dem Baugruppenträger beeinträchtigt werden. Um beispielsweise
eine spätere
Erhöhung
an Systemkapazität
zu berücksichtigen,
können
nicht alle Leiterplattenstellen bestückt sein. Ventilatoranordnungen
für Träger, welche nur
teilweise bestückt
sind, können
ungleichmäßigen Luftströmungsgegendruck über den
bestückten
und unbestückten
Stellen erzeugen.
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An
einer bestückten
Stelle liegen elektronische Bauelemente auf dem Luftströmungsweg
und diese Bauelemente erzeugen Widerstand und einen damit verbundenen
Druckabfall entlang dem Luftströmungsweg.
An einer unbestückten
Stelle liegen keine elektronischen Bauelemente auf dem Luftströmungsweg
und die Druckunterschiede entlang dem Luftströmungsweg sind wesentlich niedriger.
Da Luft, welche sich durch den Träger bewegt, den Weg des geringsten
Widerstandes sucht, führt
das Vorhandensein von unbestückten
Stellen zu einer erhöhten Luftströmung durch
die unbestückten
Stellen und zu einer niedrigeren Luftströmung durch die bestückten Stellen.
Während
immer leistungsfähigere
Ventilatoren dieses Problem im Wesentlichen beheben können, können sie
außerdem
mehr Geräusch
erzeugen, zusätzlichen
Raum benötigen,
zusätzlichen Strom
verbrauchen, zusätzliche
Kosten erzeugen und können
verkürzte
Lebensdauer erfahren. Darüber
hinaus kann es zu Ausfällen
der Ventilatoren kommen, welche das Risiko von Überhitzung erhöhen und
die Lebensdauer der elektronischen Bauelemente verkürzen.
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US-B-4
620 265 offenbart eine modulare Zelle zum Aufnehmen und Schützen von
elektronischen Karten.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Ein
Leiterplattennutzen und ein Träger
zum Unterbringen gemäß der Erfindung
werden in den unabhängigen
Ansprüchen
ausgeführt.
Bevorzugte Ausführungsformen
werden in den abhängigen
Ansprüchen
ausgeführt.
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Gleichmäßiger Luftströmungsgegendruck wird
im Wesentlichen über
den Luftströmungswegen in
teilweise bestückten
Baugruppenträgern
durch die Verwendung eines neuartigen Leiterplattennutzens für unbestückte Stellen
aufrechterhalten. Jeder Nutzen weist eine Basis zum Halten des Nutzens
an einer unbestückten
Stelle, und eine oder mehrere Diffusorschaufeln auf, die an der
Basis befestigt sind, um Widerstand in einer benachbarten Luftkammer
zu erzeugen. Die Diffusorschaufel ist dergestalt ausgelegt, dass
sie in der benachbarten Luftkammer einen Gegendruck erzeugt, der
im Wesentlichen zu den Gegendrücken
gleichwertig ist, die in den Luftkammern erzeugt werden, die neben
den bestückten Stellen
liegen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
des Nutzens werden zwei Diffusorschaufeln an der Basis befestigt,
um Widerstand sowohl an dem Eingang als auch dem Ausgang des benachbarten
Luftströmungsweges
zur Verfügung
zu stellen. Darüber
hinaus ist eine Blende in den Nutzen integriert, welche das Einsetzen
und Entfernen unterstützt,
und welche eine neuartige Pritsche enthält, um zugehörige Kabel für spätere Verwendung
an der Stelle zu halten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
des Trägers
wird der Nutzen mittels einer Geräteführung an einer unbestückten Stelle
in den Träger
eingesetzt und dergestalt positioniert, dass zwischen dem Nutzen
und einer benachbarten bestückten
Stelle eine Luftkammer ausgebildet wird. Die an dem Nutzen befestigten Diffusorschaufeln
reduzieren wirkungsvoll die Querschnittsfläche dieser Luftkammer dergestalt,
dass ein Gegendruck, der durch Luftströmung in der Luftkammer erzeugt
wird, im Wesentlichen gleichwertig zu einem Gegendruck ist, der
durch Luftströmung
in einer der bestückten
Stelle benachbarten Luftkammer erzeugt wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Ein
umfassenderes Verständnis
der Erfindung kann beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung von
bestimmten veranschaulichenden Ausführungsformen der Erfindung
im Zusammenhang mit den beigefügten
Zeichnungen gewonnen werden, wobei:
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1 eine
bevorzugte Ausführungsform
des Leiterplattennutzens darstellt, welcher eine Basis, zwei Diffusorschaufeln,
eine Blende und eine Kabelpritsche aufweist;
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2A und 2B die
Positionierung des Nutzens von 1 innerhalb
eines Geräteträgers darstellen,
und schematisch eine Luftströmung
durch diese Stelle darstellen;
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3A den Aufbau der Kabelpritsche zeigt;
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3B die
Positionierung der Kabelpritsche mit der Blende darstellt;
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4A und 4B einen
Federmechanismus zeigen, wie an der Basis von 1 dargestellt, um
Vibration an der Basis zu reduzieren; und
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5A und 5B einen
Federmechanismus zeigen, wie an der Basis von 1 dargestellt, um
den Nutzen an der Stelle zu halten.
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Aus
Gründen
der Konsistenz und zur Erleichterung des Verständnisses tragen diejenigen
Elemente in jeder Figur, welche ähnlich
oder gleichwertig sind, Bezugszeichen, deren zwei letzte Stellen identisch
sind (beispielsweise ist die Diffusorschaufel 104 von 1 gleichwertig
mit der Diffusorschaufel 204 von 2).
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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Eine
veranschaulichende Ausführungsform der
Leiterplatten-Gerätebaugruppe 100 ist
in 1 gezeigt. Der Nutzen 100 weist eine
Diffusorschaufel 104 auf, welche senkrecht dergestalt an
der Basis 102 befestigt ist, dass sie einem unteren Rand 111 gegenüberliegt.
Darüber
hinaus weist der Nutzen 100 eine weitere Diffusorschaufel 104 auf,
welche senkrecht dergestalt an der Basis 102 befestigt
ist, dass sie einem oberen Rand 109 gegenüberliegt. Wenn
Diffusorschaufeln 104 an einer unbestückten Stelle in einen Baugruppenträger eingesetzt
sind, dienen sie dazu, die Nutzquerschnittsfläche eines Luftströmungsweges über dem
Nutzen 100 zu reduzieren, und dadurch einen erhöhten Luftströmungsgegendruck
zu erzeugen. Die Diffusorschaufeln 104 können einstückig innerhalb
der Basis 102 geformt sein oder auf unterschiedliche Arten
befestigt werden, die in der Technik schon bekannt sind. Bei der Ausführungsform
von 1 sind Aussteifungen 106 hinzugefügt worden,
um die strukturelle Einheit der Diffusorschaufeln 104 zu
verbessern.
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Wie
für den
Fachmann offensichtlich sein wird, kann die Basis 102 auf
unterschiedliche Arten wirkungsvoll aufgebaut sein, vorausgesetzt,
dass sie über
die Ränder 109 und 111 auf
eine Weise in den Baugruppenträger
eingesetzt werden kann, die dem Einsetzen von Schaltplatinen an
bestückten
Stellen gleichwertig ist. Die Basis 102 kann beispielsweise einfach
als ein gleichförmiges
Glied mit rechteckigen Abmessungen ausgebildet sein, die denjenigen
von Leiterplatinen gleichwertig sind. Wie in 1 gezeigt,
weist die Basis zum Einsparen von Material und zur Erhöhung der
Steifigkeit Streben 101 auf. Bei einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung wird Material wahlweise aus einigen der Zellen 113 innerhalb
der Streben 101 entfernt, um zusätzliches Material einzusparen.
Außerdem
sind innerhalb der Basis 102 Führungsfedern 112 ausgebildet
und stellen einen Mechanismus zur Verfügung, um Vibrationen des Nutzens
zu reduzieren, wenn er in eine unbestückte Stelle eingesetzt wird.
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Die
Blende 108 ist senkrecht zu der Basis 102 an einem
Vorderrand 107 der Basis 102 befestigt. Wie für den Fachmann
offensichtlich sein wird, kann die Blende 108 an der Basis 102 auf
unterschiedliche Arten befestigt werden. In der in 1 dargestellten
Ausführungsform
ist die Blende 108 einstückig mit der Basis 102 geformt,
und Versteifungen 114 sind für zusätzliche Steifigkeit und Festigkeit mit
integriert.
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Bei
der Ausführungsform
von 1 weist die Blende 108 außerdem Federrasten 103 auf,
welche Mittel zur sicheren Befestigung des Nutzens 100 an der
unbestückten
Stelle in dem Träger
bereitstellen. Die Rasten 103 können auf zahlreiche herkömmliche Arten
konstruiert sein. Die Blende 108 weist außerdem eine
oder mehrere Kabelpritschen 110 auf, welche beispielsweise
zum Halten von optischen Kabeln verwendet werden, die für eine spätere Zusammenschaltung
mit einer Leiterplatine bereit sind, welche den Nutzen 100 an
der unbestückten
Stelle ersetzen wird.
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Wie
für einen
Fachmann ohne weiteres offensichtlich sein wird, können die
Bestandteile des Nutzens 100 aus verschiedenen Materialien
hergestellt sein. Beispielsweise kann ein Einspritzverfahren verwendet
werden, um den Nutzen 100 aus verschiedenen Kunststoffharzen
auszubilden. Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) ist ein solches Harz,
welches angemessene Festigkeit zu gerin gen Kosten bereitstellt.
Als Alternative können
Materialien, wie beispielsweise Polykarbonat (PC) verbesserte Schlagfestigkeit
zu höheren
Kosten bereitstellen. Verschiedene Mischungen aus ABS und PC können verwendet
werden, um ein gutes Gleichgewicht zwischen Festigkeit, Kosten und
einfacher Verarbeitung zu erhalten. Ein Beispiel eines solchen Mischmaterials
ist der technische Kunststoff C6200 von General Electric. Der ganze
Nutzen 100 kann einstückig
aus einem solchem Material geformt werden.
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2A stellt
dar, wie der Nutzen 100 aus 1 an einer
unbestückten
Stelle in einem Baugruppenträger 200 funktioniert,
um Luftströmungsgegendruck
durch die Stelle hindurch zur Verfügung zu stellen. In 2A legen
ein oberer Rand 223 und ein unterer Rand 221 einer
Basis 202 einen Nutzen 202 jeweils in den Gerätepositionierungsführungen 222, 220 fest.
Gerätepositionierungsführungen 222, 220 werden
durch eine von einer Vielzahl herkömmlicher Verfahren an einem
Geräteträgerrahmen 232 befestigt.
Die Gerätepositionierungsführungen 222, 220 können beispielsweise
als ein in die zugehörige
Rahmenoberfläche 234 integriertes
Stanzteil hergestellt werden.
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Ein
Ventilator 224 baut eine Luftströmung in einer Ventilatorkammer 225 auf,
die an eine Gerätepositionskammer 226 angeschlossen
ist. Die Gerätepositionskammer 226 ist
tatsächlich
durch den Nutzen 202 und eine nächste Gerätepositionsoberfläche 230 über eine
Entfernung eingeschlossen, die durch den unteren Rand 221 und
den oberen Rand 223 definiert wird. An oder in der Nähe des unteren
Randes 221 trifft die eingehende Luftströmung, der
durch einen Ventilator 224 angetrieben wird, auf die Diffusorschaufel 204.
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Wie
in 2B gezeigt, reduziert die Diffusorschaufel 204 die
nominale Kammerhöhe 229 auf
eine tatsächliche
Kammerhöhe 228.
Obwohl sich diese Höhe
wieder ver größert, sobald
die Luftströmung
an der Diffusorschaufel 204 vorbeigegangen ist, stellt eine
zweite Diffusorschaufel 205, die an oder in der Nähe des oberen
Randes angeordnet ist, eine weitere Barriere dar, welche die tatsächliche
Höhe an
dem Ausgang aus der Kammer wiederum reduziert.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die Diffusorschaufeln 204, 205 dergestalt
ausgelegt, dass sie in einem Plenum, welches eine nominale Höhe von 1,575
Inch aufweist, ungefähr
0,950 Inch hoch sind. Daraus ergibt sich, dass die tatsächliche
Kammerhöhe 228 ungefähr 0,625 Inch
beträgt.
Mit dieser Konfiguration ist bei einer Luftgeschwindigkeit von 400
Fuß pro
Minute (fpm) ein Druckabfall von 0,40 Inch Wasser (in H2O)
von dem unteren Rand 221 zu dem oberen Rand 223 festgestellt
worden. An bestückten
Stellen, welche ähnliche
Luftgeschwindigkeiten erfahren, sind Druckabfälle von 0,2 in H2O
bis 0,5 in H2O festgestellt worden.
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3 stellt
weitere Einzelheiten des Aufbaus einer veranschaulichenden Ausführungsform der
Kabelpritsche 110 von 1 dar. Die
Kabelpritsche 330 weist eine Haltefläche 332 auf, die als
flächenmäßig ausreichend
ausgelegt ist, um beispielsweise einen Verbinder an dem Ende eines
optischen Kabels zu halten. Ein Halteschlitz 336 führt senkrecht durch
die Oberfläche 332 und
ist breit genug, um freien Durchgang von beispielsweise einem optischen Kabel
zu gestatten, das eine Kabelstärke
im Bereich von 1,6 bis 3,0 Millimeter aufweist. Ein Einlassschlitz 334 von
im Wesentlichen vergleichbarer Breite führt außerdem senkrecht durch die
Oberfläche 332 und den
Halteschlitz 336. Wenn die Kabelpritsche 330 an der
Blende 108 aus 1 dergestalt befestigt ist, dass
die Längsachse
des Halteschlitzes 336 parallel zu der Blende 108 und
senkrecht zu der Basis 102 verläuft, ermöglicht der Einlassschlitz 334,
dass das Kabel von der Vorderseite der Blende 108 über den Einlassschlitz 334 in
den Halte schlitz 336 eingeführt wird.
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Wände 338, 340, 342 und 344 sind
senkrecht an den Rändern
der Haltefläche 332 dergestalt zur
Verfügung
gestellt, dass die Haltefläche 332 weiterhin
einen Kabelverbinder halten wird, wenn dieser nicht horizontal angeordnet
ist. Da die Breite des Einlassschlitzes 334 ausreichend
ist, damit ein Kabel hindurch passt, aber die Breite nicht ausreichend
ist, damit ein Verbinder hindurchpasst, muss das Verbinderende des
Kabels, welches gehalten werden soll, über die Wand 338 sowohl
für das
Einsetzen in die Kabelpritsche 330 als auch für das Entfernen
daraus angehoben werden.
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3B stellt
einen Querschnitt der Kabelpritsche 330 dar, so wie sie
an der Blende 308 befestigt ist. Bei dieser Ausführungsform
ist die Haltefläche 332 mit
einem Neigungswinkel Θ 346
im Verhältnis zu
einer horizontalen Ebene positioniert, welche die Blende 308 senkrecht
schneidet. Ein Kabelverbinder 350 wird durch die Haltefläche 332 mit
weiterer Unterstützung,
beispielsweise von der Wand 342 gehalten. Die Positionierung
der Haltefläche 332 mit
einem Neigungswinkel Θ 346 ermöglicht,
dass ein Kabel 348, das mit einem Kabelverbinder 350 verbunden ist,
leicht in einen Halteschlitz 336 durch die Blende 308 platziert
werden kann, beispielsweise ohne das Kabel 348 im Wesentlichen
zu biegen.
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4A und 4B stellen
den Betrieb der Federn 112 von 1 dar. In 4A ist
die Basis 402 in eine Gerätepositionierungsführung 420 eingesetzt,
damit sie an einer unbestückten
Stelle platziert werden kann. Indem die Basis 402 durch
die Führung 420 gleitet,
werden Federelemente 460 durch die Führungswände 462 zusammengedrückt und
dadurch wird eine Reibungskraft auf die Wände 462 ausgeübt, welche
das Halten der Basis 402 innerhalb der Führung 420 unterstützt. Demzufolge
werden Vibrationen in der Basis 402, die andernfalls durch
die Luftzirkulierungskühlung
auftreten würden,
und weitere Kräfte
im Wesentlichen reduziert.
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Wenn,
wie in 4B gezeigt, die Basis 402 aus
der Führung 420 herausgezogen
wird, kehren die Federelemente 460 in eine entspannte Stellung zurück. Die
Entfernung 466 über
die Federenden, in einem in 4B gezeigten,
entspannten Zustand, ist größer als
die Entfernung 464 über
diese Enden, wie in 4A gezeigt, wenn die Basis 402 in
die Führung 420 eingesetzt
ist.
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5A und 5B stellen
den Betrieb der Federrasten 103 von 1 dar, wenn
sie verwendet werden, um den Nutzen 100 an der unbestückten Stelle
zu halten. In 5A weist eine Federraste 503 ein
Federelement 514 auf, das an einem stationären Element 502 und
einem beweglichen Hebel 504 befestigt ist. Das stationäre Element 502 verbindet
die Federraste 503 kraftschlüssig mit der Basis 102 von 1.
Das Federelement 504 kann durch Bewegen des beweglichen
Hebels 504 in Richtung des stationären Elementes 502 bewegt
werden, wodurch eine veränderliche
Oberfläche 506 dergestalt
abgesenkt wird, dass eine Rückhaltezunge 508 horizontal über die
veränderliche
Oberfläche 506 gehen
kann. Die Rückhaltezunge 508 ist
kraftschlüssig
an dem Baugruppenträger
in der Nähe
von einer der Gerätepositionierungsführungen 222, 220 aus 2A als
ein Anker zum Festhalten des Nutzens 100 aus 1 an seiner
unbestückten
Stelle befestigt.
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Als
Alternative zum Bewegen des beweglichen Hebels 504, kann
die Rückhaltezunge 508 aus 5A in
direkten Kontakt mit der veränderlichen Oberfläche 506 gebracht
werden. Die Höhe
der veränderlichen
Oberfläche 506 steigt
schrittweise an, so wie sie sich dem Rastenanschlag 510 annähert. Wenn
die Rückhaltezunge 508 mit
der veränderlichen
Oberfläche 506 in
Kontakt kommt und sich horizontal in Richtung des Rastenanschlages 510 bewegt, übt die Rückhaltezunge 508 eine
Kraft auf die veränderliche
Oberfläche 506 aus.
Diese Kraft verursacht, dass sich der bewegliche Hebel 504 in
Richtung des stationären
Elementes 502 dergestalt bewegt, dass das Federelement 514 zusammengedrückt wird.
Als Folge davon wird die veränderliche Oberfläche 506 horizontal
ausgerichtet, wodurch der Rückhaltezunge 508 ermöglicht wird,
ihre horizontale Bewegung fortzusetzen, bis sie den Rastenanschlag 510 erreicht.
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5B zeigt
den Rastenanschlag 503 und die Rückhaltezunge 508 in
einer Stellung, in welcher der Nutzen 100 aus Figur gehalten
werden kann. Sobald die Rückhaltezunge 508 über die
veränderliche Oberfläche 506 geht,
wird sie mit der Haltefläche 512 ausgerichtet.
Da sich die Haltefläche 512 unter
dem benachbarten Abschnitt der veränderlichen Oberfläche 506 befindet,
entspannt sich das Federelement 504, um die Haltefläche 512 mit
der Rückhaltezunge 508 in
Kontakt zu bringen. Sobald der Rastenanschlag 510 mit der
Haltefläche 512 in
Kontakt ist, unterbindet eine Zwischenfläche 516, dass die
Rückhaltezunge 508 eine
weitere horizontale Bewegung ausführt.
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Die
beispielhafte Ausführungsform
dieses vorstehend beschriebenen Verfahrens stellt nur eine Anzahl
von alternativen Ausführungsformen
der Erfindung dar, die für
die Fachleute angesichts der vorausgehenden Beschreibung offensichtlich
sein werden. Dementsprechend ist die Beschreibung nur als Veranschaulichung
vorgesehen und soll die Fachleute die beste Ausführungsform der Erfindung lehren. Weitere
unterschiedliche Alternativen können
durch einen Facharbeiter vorgesehen werden, ohne von den Lehren
dieser Erfindung abzuweichen. Beispielsweise könnte, um die vorstehend beschriebene Druck
erhöhende
Funktion bereitzustellen, der Nutzen 100 von 1 eine
einzige Diffusorschaufel 104 enthalten. Als Alternative
könnte
in den Nutzen 100 eine größere Oberfläche einbezogen sein, die über einen
Abschnitt oder über
die Gesamtheit der Basis 102 mit einer Querschnittsgestalt
und einer -fläche verläuft, die
im Wesentlichen ähnlich
der Gestalt und Fläche
der Diffusorschaufel 104 ist.