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Die Erfindung betrifft ein elektronisches Steuergerät, mit Steckplätzen für Steckbaugruppen sowie
für fremdbelüftbare Steckbaugruppen
und mit Steckplätzen
für einen
Steckbaugruppensatz mit einer fremdbelüftbaren Steckbaugruppe.
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Zur Steuerung von stationären oder
mobilen Anlagen, wie z.B. von industriellen Fertigungsanlagen oder
von Schienenfahrzeugen, werden häufig elektronische
Steuergeräte
eingesetzt. Üblicherweise
werden die Module einer solchen Steuereinrichtung in einer dafür vorgesehenen
Gehäuseeinheit untergebracht.
Für diesen
Zweck ist die Verwendung eines sogenannten Baugruppenträgers bekannt. Mehrere
dieser Baugruppenträger
können
zudem in einem Schaltschrank untergebracht sein, wie z.B. übereinander
geordnet in einem 19''-Schrank. Die Baugruppenträger beinhalten
neben den Stromversorgungen auch Steckplätze zum modularen Einschub
von Steckbaugruppen, wie z.B. Steuerrechner- oder I/O-Baugruppen. Zum internen Datenaustausch
ist eine Vielzahl von Steckbaugruppen, wie z.B. Zentralrechnerbaugruppen
oder Signalprozessorenbaugruppen, über eine Rückwandbusplatine untereinander
verbunden. Eine nach außen
weisenden Frontplatte dieser Steckbaugruppen bietet dabei eine Reihe
von Anschlussmöglichkeiten.
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Die im Gehäuse untergebrachten Steckbaugruppen
geben im Betrieb Wärme
ab, welche als Verlustleistung den auf den Steckbaugruppen untergebrachten
elektrischen sowie elektronischen Komponenten entstammen. Für viele
Anwendungen ist es ausreichend, das Gehäuse mit einem Lüfter zu
versehen, welcher Kühlluft
durch das Gehäuseinnere befördert.
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Für
punktuelle Wärmequellen,
wie z.B. Mikro-, Signal- oder Graphikprozessoren, sind zusätzliche
technische Kühlmaßnahmen zu
ergreifen. Eine Maßnahme
ist es, z.B. einen entsprechend großen Kühlkörper wärmeleitend mit der o.g. Wärmequelle zu
verbinden und diese auch u.U. forciert zu belüften.
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Ein Nachteil ist, dass durch die
von außen angesaugte
Kühlluft
zur Kühlung
der im Gehäuse
befindlichen Komponenten Verunreinigung in das Gehäuse eingebracht
werden können.
Diese Verunreinigung setzen sich dann als Schmutz an den elektrischen
oder elektronischen Bauelementen ab. Dies ist vor allem dann problematisch,
wenn die angesaugte Kühlluft
leitfähige
Partikel aufweist, wie z.B. Kohlestaub im Bergbau oder bei elektrischen
Eisenbahnen bedingt durch Abrieb der Stromabnehmerschleifleisten
oder auch feines Metallpulver in der metallverarbeitenden Industrie.
Dies kann zu Kurzschlüssen zwischen
den elektrischen Kontakten der elektronischen Bauelemente und somit
zu einem Fehlverhalten oder zu einem Ausfall des Steuergeräts führen.
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Zur Lösung dieses Problems wurden
Kühlungen
für die
o.g. Steuergeräte
vorgeschlagen, welche z.B. einen inneren und einen äußeren Kühlkreislauf
aufweisen. Dabei umströmt
ein erster Kühlluftkreislauf
die elektronischen Baugruppen mit Kühlluft. Ein zweiter, vom ersten
Kühlkreislauf
getrennt geführter
Frischluftkreislauf, kühlt
die Kühlluft
des ersten Kühlkreislaufes.
Eine derartige Kühlung
ist z.B. in der
DE
201 01 154 U1 beschreiben.
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Nachteilig an solchen elektronischen
Steuereinrichtungen ist es, dass diese aufgrund der vielen Luftwegumlenkungen
vorbei an großen
Wärmetauscherflächen großvolumig
ausgeführt
werden müssen,
um die im Gehäuse
anfallende Wärme
mit je einem großen
Lüfter
für jeden
Kühlkreislauf
nach außen
fördern
zu können.
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Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung,
ein elektronisches Steuergerät
anzugeben, welches eine kompaktere und zugleich einfachere Ausführung des Steuergeräts erlaubt.
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Die Aufgabe wird gelöst mit einer
fremdbelüftbaren
Steckbaugruppe, einem elektronischen Steuergerät mit Steckplätzen für Steckbaugruppen und
zumindest einer fremdbelüftbaren
Steckbaugruppe sowie einem Steckbaugruppensatz mit zumindest einer
fremdbelüftbaren
Steckbaugruppe.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Vorrichtungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Damit ist der Vorteil verbunden,
dass das elektronische Steuergerät
kompakter und einfacher im Aufbau ausgeführt werden kann, da ein Großteil der
insbesondere punktuell entstehenden Verlustwärme schon am Entstehungsort
nach außen
beförderbar
werden kann, ohne dass diese in den Innenraum des Gehäuses gelangt.
Folglich muss diese Verlustwärme
nicht über
großflächige Wärmetauscher
mittels großer
Lüfter
entsorgt werden.
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Die Erfindung wird an Hand der nachfolgenden
Figuren näher
erläutert.
Dabei zeigt
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1:
einen Ausschnitt eines Baugruppenträgers als ein Beispiel für ein elektronisches
Steuergerät
im geöffneten
Zustand, mit einer eingesteckten fremdbelüftbaren Steckbaugruppe gemäß Erfindung,
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2:
einen Ausschnitt des Baugruppenträgers nach 1, welcher eine erfindungsgemäße Luftansaug-
bzw. Luftausblaskammer bei nicht eingesteckter fremdbelüftbaren
Steckbaugruppe zeigt, und
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3:
eine Frontansicht der fremdbelüftbaren
Steckbaugruppe mit einem innenbelüftbaren Kühlkörper zur Kühlung elektrischer Bauelemente gemäß der Erfindung.
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Dabei zeigt 1 zeigt einen Ausschnitt eines Baugruppenträgers BT
als ein Beispiel für
ein elektronisches Steuergerät BT
im geöffneten
Zustand. Der Baugruppenträger
BT weist dazu vorbereitete Steckplätze P1–P3 zum Einschub von Steckbaugruppen
B1–B3
auf. Die Steckbaugruppen B1–B3
werden dabei mittels horizontal angeordneter Führungsleisten FL senkrecht
eingeschoben. Vor einer Rückwand
RW des Baugruppenträgers
BT ist parallel zu dessen Frontseite FS eine elektrische Verbindungsebene
BP angebracht. Üblicherweise
ist diese Verbindungsebene BP eine Busplatine BP in Form einer gedruckten
Schaltung mit untereinander parallel verschalteten Steckerverbindern
SV. Alternativ kann die elektrische Verbindungsebene BP auch ein
Wrap-Feld sein, bei welchem die Kontaktstifte der Steckerverbinder
SV über
Drähte
untereinander verbunden sind. Im Beispiel der vorliegenden Figur
sind drei Steckbaugruppen B1–B3
im eingeschobenen Zustand dargestellt, wobei zwei der drei Steckbaugruppen
B1, B2 an ihrem Einschubende EE einen Stecker ST aufweisen, der
dann mit dem jeweiligen Steckverbinder SV auf der Busplatine BP
elektrisch verbunden ist. Alternativ kann der Steckverbinder SV auch
als Buchse ausgeführt
sein, in welche die Steckbaugruppen B1, B2 als Leiterplatte, wie
z.B. bei dem AT-BUS eines Personal-Computers, zur elektrischen Verbindung
eingesteckt werden können.
Nach Einschub können
die Steckbaugruppen B1, B2 mit ihrer Frontplatte FP an der oberen
und/oder unteren Befestigungsleiste OBL, UBL fest verschraubt werden.
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Erfindungsgemäß ist die in der vorliegenden Figur
dargestellt Steckbaugruppe B3 als fremdbelüftbare Steckbaugruppe B3 zum
modularen Einschub in einen Steckplatz P1–P3 eines elektronischen Steuergeräts BT ausgeführt. Die
Steckbaugruppe B3 kann eine Frontplatte FP zur Halterung aufweisen, welche
dem Einschubende EE gegenüberliegt.
Weiterhin weist die Steckbaugruppe B3 zur Fremdbelüftung zumindest
einen Kühlkörper KK
für elektrische Bauelemente
EB. Dies sind insbesondere elektronische Bauelemente mit einer hohen
elektrischen Verlustleistung und einer entsprechenden Wärmeentwicklung.
Dies können
z.B. leistungsfähige
Mikro-, Signal- oder Graphikprozessoren sein. Die dabei punktuell
entstehende hohe Verlustwärme kann
im Vergleich zur Vielzahl der anderen verteilten elektrischen Komponenten
bis zu 50 Watt betragen. Weiterhin weist erfindungsgemäß der dargestellte
Kühlkörper KK
ein innenbelüftbares
Hohlprofil mit einer ersten Kühlkörperöffnung KO1
am Einschubende EE und eine von der Frontplatte FP der Steckbaugruppe B3
umgebenen, insbesondere dicht umschlossenen, zweiten Kühlkörperöffnung KO2
auf.
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Damit ist der Vorteil verbunden,
da ein Großteil
der o.g. insbesondere punktuell entstehenden Verlustwärme schon
am Entstehungsort z.B. durch einen Lüfter aus der Baugruppe B3 heraus
beförderbar
ist. Die Umschließung
der zweiten Kühlkörperöffnung KO2
bewirkt vorteilhaft im eingeschobenen Zustand einen Berührungsschutz
mit den im Gehäuse G
befindlichen elektrischen Komponenten. Zudem wird vorteilhaft das
Innere des Gehäuses
G vor Schmutz geschützt,
der sonst zwischen Frontplatte FP und Kühlkörper KK eindringen könnte.
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Erfindungsgemäß liegt die Querschnittsfläche der
ersten Kühlkörperöffnung KO1
parallel zur Frontplattenebene FP, insbesondere parallel zu einer durch
die elektrische Verbindungsebene BP aufgespannten Ebene. Weiterhin
erfindungsgemäß kann die
Querschnittsfläche
der zweiten Kühlkörperöffnung KO2
annähernd
der Fläche
der Frontplatte FP der fremdbelüftbaren
Steckbaugruppe B3 entsprechen. Zudem können die beiden Kühlkörperöffnungen
KO1, KO2 schlitzförmig
sein. Dies ist bereits in 3 im
Detail dargestellt.
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Damit lässt sich vorteilhaft der Kühlkörper KK sowie
die entsprechenden Öffnungen
KO1, KO2 an das „schlitzförmige" Format von standardisierten Steckbaugruppen
B1–B3
anpassen.
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Gemäß der Erfindung kann weiterhin
zumindest ein Teil des Kühlkörpers KK
aus einem Strangpressprofil SPP gefertigt sein. Dies kann z.B. der
in 3 dargestellte gerippte
Kühlkörper KK
sein, der dann mit einem passenden Kühlkörperdeckel KD zur Bildung eines
umschlossenen Luftkanals LK abgedeckt werden kann. Alternativ kann
der in 3 schraffierte
Kühlkörperquerschnitt
gänzlich
aus einem Strangpressprofil SPP gefertigt sein.
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Neben den vorteilhaft geringen Kosten
und der sehr guten Wärmeleitfähigkeit,
insbesondere bei Verwendung von Aluminium, ist weiterhin eine einfache
Montage der erfindungsgemäßen fremdbelüftbaren
Steckbaugruppen B3 möglich.
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Erfindungsgemäß können elektrische Komponenten
EB mit hoher Verlustleistung zur Kühlung wärmeleitend mit dem Kühlköper KK verbunden
werden. Zur Steigerung der Wärmeleitung
kann zusätzlich
eine Wärmeleitpaste
zwischen den elektrischen Komponenten EB und dem Kühlkörper KK
eingebracht werden.
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Weiterhin können gemäß der Erfindung mehrere Steckbaugruppen
B1, B2 mit zumindest einer fremdbelüftbaren Steckbaugruppe B3 zu
einem Steckbaugruppensatz B1–B3
zusammengefasst werden. Erfindungsgemäß kann der Steckbaugruppensatz
B1–B3
für einen
vorteilhaft vereinfachten Einschub eine gemeinsame Frontplatte FP
aufweisen.
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Vorteilhaft ist dabei, dass insbesondere
elektrische Bauelemente EB mit einer hohen Wärmeverlustleistung auf einer
zur fremdbelüftbaren
Steckbaugruppe B3 benachbarten Steckbaugruppe B2 mit dem Kühlkörper KK
wärmeleitend
verbunden werden können.
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2 zeigt
einen Ausschnitt des Baugruppenträgers BT gemäß 1, welcher eine erfindungsgemäße Luftansaug-
bzw. Luftausblaskammer AK bei nicht eingesteckter fremdbelüftbaren
Steckbaugruppe B3 im Inneren des Baugruppenträgers BT zeigt.
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Erfindungsgemäß weist die Luftansaug- bzw. Luftausblaskammer
AK einen innenliegenden, aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nicht dargestellten Lüfter
auf, welcher entsprechend der bevorzugten Förderrichtung Ab- bzw. Frischluft
durch zumindest eine erste Kammeröffnung LE ansaugt bzw. ausbläst und Frisch- bzw. Abluft durch
eine zweite Kammeröffnung LA
ausbläst
bzw. ansaugt. Dies ist im Beispiel von 2 und 1 dargestellt,
wobei die zweite Kammeröffnung
LA der Luftansaug- bzw.
Luftausblaskammer AK in Form von Luftlöchern in der Gehäuserückwand RW
zu sehen ist. Die Luftansaug- bzw. Luftausblaskammer AK ist – wie im
Beispiel von 2 zu sehen – zwischen
der Gehäuserückwand RW
und der elektrischen Verbindungsebene BP angeordnet. Erfindungsgemäß liegt
zudem die zumindest eine erste Kammeröffnung LE in einer durch die Verbindungsebene
BP aufgespannten Ebene im Bereich mindestens eines Steckplatzes
P1–P3.
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Damit ist der Vorteil verbunden,
dass durch die Luftansaug- bzw.
Luftausblaskammer AK Frischluft in den Baugruppenträger BT eingebracht
bzw. Abluft herausbefördert
werden kann.
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Ein besonderer Vorteil der Anordnung
der Luftansaug- bzw. Luftausblaskammer AK zwischen Rückwand RW
und Busplatine BP ist es, dass vorteilhaft die Verlustwärme in Form
von warmer Luft aus dem Kühlkörper KK
der eingeschobenen fremdbelüftbare
Steckbaugruppe B3 über
die Lufteinlassöffnung
LE abgesogen werden kann. Diese Abluft kann dann vorteilhaft an
der Außenseite
des Gehäuses
G abgeführt
werden.
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Zudem ist es ein Vorteil, dass die
Luftansaug- bzw. Luftausblaskammer AK als kompakte Einheit in dem
sonst wenig genutzten Bereich zwischen Rückwand RW des Gehäuses G und
der elektrischen Verteilungsebene BP angeordnet werden kann. Es stehen
im Vergleich zum Stand der Technik vorteilhaft mehr Steckplätze P1–P3 im Seitenbereich
des Baugruppenträgers
BT bei gleicher Gehäusebreite zur
Verfügung.
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Erfindungsgemäß weist die zumindest eine erste
Kammeröffnung
LE eine Aussparung SL in der elektrischen Verbindungsebene BP aufweist,
wobei die Aussparung SL in der elektrischen Verbindungsebene BP
schlitzförmig
ausgebildet sein kann. Dies im Beispiel der 2 zu sehen. Bei Nichtbenutzung kann eine
schlitzförmige
Aussparung SL bzw. eine erste Kammeröffnung LE auch mit einer Abdeckung verschlossen
werden.
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Damit steht vorteilhaft eine Nutzung
des gesamten Steckplatzbereichs P1–P3 für einen abzusaugenden Kühlkörper KK
einer fremdbelüftbaren Steckbaugruppe
B3 zur Verfügung.
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Erfindungsgemäß bilden die Luftab- bzw. Luftansaugkammer
AK des Baugruppenträgers
BT und der jeweilige Kühlkörper KK
einer eingesteckten fremdbelüftbaren
Steckbaugruppe B3 einen gegenüber
dem Inneren des Baugruppenträgers
BT abgedichteten Luftkanal LK. Dazu ist zwischen einer Aussparung
SL in der elektrischen Verbindungsebene BP, bzw. der Busplatine,
und der ersten Kammeröffnung
LE der Luftansaug- bzw. Luftausblaskammer AK eine erste Dichtung
D1 angeordnet. Weiterhin kann gemäß der Erfindung zwischen einer
Aussparung SL und der ersten Kühlkörperöffnung KO1
einer fremdbelüftbaren
Steckbaugruppe B3 eine zweite Dichtung D2 angeordnet sein. Alternativ
ist es auch möglich,
zur Erfüllung
der Dichtungsfunktion in die Öffnung
der Aussparung SL eine diese Öffnung
umlappenden O-Ring zu verwenden.
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Erfindungsgemäß ist das Gehäuse G im
eingeschobenen Zustand der Steckbaugruppen B1–B3 dicht gegenüber der
Außenluft
ausbildbar, wobei zusätzlich
der Innenraum des Baugruppenträgers
BT gegenüber
dem Luftkanal LK mit dicht nach außengeführten Öffnungen KO2, LA für Frisch-
und Abluft abgedichtet sein kann.
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Damit ist es vorteilhaft möglich, dass
die insbesondere punktuell entstehende Verlustwärme schon am Entstehungsort über den
Luftkanal LK nach außen
befördert
werden kann, ohne dass diese in den Innenraum des Gehäuses G gelangt.
Zusätzlich
ist der Innenraum des abgedichteten Gehäuses G gegenüber eindringende
Verunreinigung geschützt.
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Weiterhin kann vorteilhaft die im
elektronischen Steuergerät
BT anfallende Restverlustwärme über die
Flächen
der Gehäuseabdeckungen
abgeführt
werden. Dabei kann gemäß der Erfindung
ein kleiner Lüfter
im Innenraum zur Vermeidung von lokalen „Wärmenestern" angebracht sein.
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3 zeigt
eine Frontansicht der fremdbelüftbaren
Steckbaugruppe B3 mit einem innenbelüftbaren Kühlkörper KK zur Kühlung elektrischer
Bauelemente EB gemäß der Erfindung.
Dabei ist eine Trägerplatine
PT für
jede der dargestellten Steckbaugruppen B2, B3 zu sehen, welche an
der jeweiligen Frontplatte FP befestigt werden kann. Die Platine
PT trägt
im Beispiel der Baugruppe B2 einen Sockel SO für ein zu kühlendes elektronisches Bauelement
EB. Das Bauelement EB ist dabei direkt mit dem Kühlkörper KK wärmeleitend verbunden. Die Platine
PT der fremdbelüftbaren
Steckbaugruppe B3 kann dabei auch eine Aussparung aufweisen, in
welche der Kühlkörper KK
eingepasst werden kann. Dadurch ist die Kühlung elektronischer Komponenten
EB möglich,
die auf benachbarten Steckbaugruppen B2 angeordnet sein können.