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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung ist mit der Patentanmeldung mit Aktenzeichen 234973/71966-0004 mit dem Titel Avionics Chassis, der Patentanmeldung mit Aktenzeichen 234974/71966-0005 mit dem Titel Avionics Chassis und der Patentanmeldung mit Aktenzeichen 237040/71966-0007 mit dem Titel Avionics Chassis verwandt, die gleichzeitig hiermit angemeldet wurden.
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LIZENZRECHTE DER US-REGIERUNG
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Die vorliegende Erfindung wurde mit staatlicher Unterstützung unter Kaufauftrag-Nr. 4CC1766 vom Department of the Air Force der Vereinigten Staaten, Air Force Research Laboratory, gemacht. Die US-Regierung hat gewisse Rechte an dieser Erfindung.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Heutige Flugzeuge verwenden die Avionik zum Steuern der diversen Ausrüstungen und Vorgänge zum Fliegen des Flugzeugs. Die Avionik kann in einem Avionik-Baugruppenträger aufbewahrt werden, der mehrere nützliche Funktionen erfüllt, darunter die Folgenden: elektrische Abschirmung der Avionik gegen elektromagnetische Störausstrahlung (EMI), Schutz der Avionik vor Blitzen, Ableiten der von der Avionik erzeugten Wärme und Schutz der Avionik vor Umweltbelastung.
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Für den Avionik-Baugruppenträger ist auch das Gewicht von Bedeutung. Der Avionik-Baugruppenträger sollte die nützlichen Funktionen erfüllen, ohne das Flugzeug unnötig zu beschweren.
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Die Erfüllung der nützlichen Funktionen ist für die Erhaltung oder Verringerung des Gewichts des Avionik-Baugruppenträgers oft ungeeignet, besonders angesichts neuerer Avionik, die schnellere Verarbeitungsgeschwindigkeiten und höhere Frequenzen, eine kleinere Größe und größere Leistungsdichten hat. Diese Avionik erzeugt relativ große Wärmemengen, wird aber nur unter einem gewissen Bereich von Schwellentemperaturen betrieben, was zu einem größeren Wärmeableitungsbedarf führt, was früher durch Vergrößern der Größe des Kühlkörpers gelöst wurde, was zu einem größeren Gewicht führte.
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Historisch sind im Handel erhältliche Avionik-Baugruppenträger aus Aluminium hergestellt, dem die gewünschten Abschirmungs-, Wärmeableitungs-, Blitzschutz- und Umweltbelastungsschutzvorteile eigen sind.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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In einer Ausführungsform umfasst ein Avionik-Baugruppenträger ein Gehäuse mit einander gegenüberliegenden Wänden, ein Paar voneinander beabstandeter Kartenschienen, wobei je eine Schiene an jeder der einander gegenüberliegenden Wände angebracht ist, wobei jede Schiene eine Rille hat, um einen effektiven Steckplatz mit einer vorbestimmten Höhe zu definieren, der zwischen den Schienen verläuft. Der Avionik-Baugruppenträger beinhaltet auch eine Flachbaugruppe, die eine Platine und eine Kühlplatte in überlagernder Beziehung mit der Platine aufweist, wobei die Platine eine erste Hauptebene definiert und die Kühlplatte eine zweite Hauptebene definiert. Die räumliche Beziehung zwischen der Platine und der Kühlplatte ist dergestalt, dass die erste und die zweite Hauptebene in dem Steckplatz liegen, wenn die Flachbaugruppe an der Kartenschienenanordnung montiert ist, und die Kühlplatte leitfähig mit wenigstens einer der Schienen gekoppelt ist, um einen ersten leitfähigen Weg von der Kühlplatte zu wenigstens einer der einander gegenüberliegenden Wände zu bilden, und die Platine leitfähig mit wenigstens einer der Schienen gekoppelt ist, um einen zweiten leitfähigen Weg von der Platine zu wenigstens einer der einander gegenüberliegenden Wände zu bilden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es zeigt:
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1 eine schematische Ansicht eines Flugzeugs mit einem erfindungsgemäßen Avionik-Baugruppenträger;
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2 eine perspektivische Ansicht des Avionik-Baugruppenträgers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, bei der zwecks Deutlichkeit eine Abdeckung entfernt wurde;
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3 eine Explosivdarstellung des in 2 gezeigten Avionik-Baugruppenträgers;
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4 eine Querschnittansicht entlang der Linie 4-4 eines Teils des in 2 gezeigten Avionik-Baugruppenträgers;
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5 eine Querschnittansicht entlang der Linie 5-5 eines Teils des in 2 gezeigten Avionik-Baugruppenträgers;
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6 eine Querschnittansicht eines Teils des Avionik-Baugruppenträgers, der einen fakultativen Kartenschienenträger für die Kartenschienen hat und eine zweite Ausführungsform der Erfindung bildet;
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7 eine Querschnittansicht entlang der Linie 7-7 eines Teils des in 2 gezeigten Avionik-Baugruppenträgers;
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8 eine Ansicht der in 7 gezeigten Kühlplatte und Versteifung von unten;
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9 eine Querschnittansicht eines Teils des Avionik-Baugruppenträgers, der eine alternative Kühlplatte und eine Wärmefalle hat und eine dritte Ausführungsform der Erfindung bildet;
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10 eine Querschnittansicht eines Teils des Avionik-Baugruppenträgers mit fakultativen Anbringungsstrukturen für die Platine, der eine vierte Ausführungsform der Erfindung bildet;
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11 eine Explosivdarstellung einer fünften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Avionik-Baugruppenträgers;
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12 eine Explosivdarstellung einer sechsten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Avionik-Baugruppenträgers.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 ist eine schematische Darstellung eines Flugzeugs 10 mit Bord-Avionik-Baugruppenträger 12 (strichpunktiert gezeigt) zur Aufnahme der Avionik zur Verwendung im Betrieb des Flugzeugs 10. Der Avionik-Baugruppenträger 12 enthält eine Reihe von Avionikelementen und schützt sie vor Schadstoffen, elektromagnetischer Störausstrahlung (EMI), Funkstörung (RFI), Vibrationen und dergleichen. Der Avionik-Baugruppenträger 12 ist zwar in einem kommerziellen Passagierflugzeug dargestellt, er kann aber in jedem Flugzeugtyp verwendet werden, z. B. Starrflügelflugzeugen, Drehflüglern, Raketenflugzeugen, Verkehrsflugzeugen, Privatflugzeugen und Militärflugzeugen, ohne darauf beschränkt zu sein. Der Avionik-Baugruppenträger 12 kann sich an einer beliebigen Stelle im Flugzeug befinden, nicht nur dem Bug, wie abgebildet.
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2 zeigt den Avionik-Baugruppenträger 12 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, bei der eine vordere Abdeckung 42 entfernt wurde. Der Avionik-Baugruppenträger 12 beinhaltet ein Baugruppenträgergehäuse 16, das ein Inneres 18 und ein Äußeres 19 definiert. Vielzahlen wärmeleitfähiger Kartenschienen 20 definieren zwischen sich effektive Steckplätze 21 (mit den gestrichelten Linien dargestellt) zur Aufnahme von Platinen (PCB) 14. Vom Baugruppenträgergehäuse 16 erstrecken sich Befestigungsfüße 22, um die Befestigung des Avionik-Baugruppenträgers 12 mit Schrauben oder anderen konventionellen Befestigungselementen am Flugzeug 10 zu ermöglichen. Ferner können die Befestigungsfüße 22 als elektrische Erde zum Erden des Avionik-Baugruppenträgers am Rahmen des Flugzeugs 10 dienen. In diesem Beispiel werden zwar Befestigungsfüße 22 gezeigt, der Avionik-Baugruppenträger 12 kann aber auch mit jedem anderen Typ von Anbringungsmechanismus verwendet werden.
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3 zeigt den Avionik-Baugruppenträger 12 und die Platine 14 detaillierter. Zum Zweck dieser Beschreibung wird darauf hingewiesen, dass die Platine 14 negative Eigenschaften für ein Avionik-Baugruppenträgerumfeld haben kann, z. B. Wärmeerzeugung und Funkwellenempfindlichkeit, für deren Lösung der Baugruppenträger 12 ausgelegt ist. Die Platine 14 beinhaltet wärmeerzeugende Schaltungsanordnungen und/oder wenigstens ein wärmeerzeugendes Bauteil 24, wie z. B. einen Halbleiterchip, der auf einem Substrat 26 montiert und gelagert ist, das im Allgemeinen nicht wärmeleitfähig ist. Die Platine 14 kann mit wärmeleitfähigen seitlichen Streifen 28 versehen sein, die sich an den Außenrändern der Platine 14 entlang befinden. Auf dem Substrat 26 und/oder im Inneren der Platine 14 können wärmeleitfähige Elemente oder innere Wege 30 bereitgestellt sein. Die inneren Wege 30 stellen einen wärmeleitfähigen Weg von dem wärmeerzeugenden Bauteil 24 zu den wärmeleitfähigen seitlichen Streifen 28 her, um einen direkten Wärmeleitweg vom Inneren zum Rand des Substrats 26 bereitzustellen. Die seitlichen Streifen 28 stellen dann einen Wärmeleitweg zu den Kartenschienen 20 bereit. Die inneren Wege 30 können ein oder mehrere Metallstreifen sein, gewöhnlich Kupfer, oder ein anderes leitfähiges Material, das in das Substrat 26 eingeformt oder an/auf ihm bereitgestellt ist.
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Wie in 3 gezeigt, umfasst das Baugruppenträgergehäuse 16 einen Rahmen 34 mit einer oberen Abdeckung 36, einer Bodenwand 38, einer hinteren Wand 40 und einander gegenüberliegenden Seitenwände 44 und 46, die zusammen als die Wände bezeichnet werden. Die Seitenwände 44 und 46 haben eine Innenfläche 48 und eine Außenfläche 50. Eine Vielzahl von wärmeableitenden Rippen 58 kann von den Wänden vorspringen und ist von der Außenfläche 50 der Seitenwände 44 und 46 vorspringend dargestellt. Eine abnehmbare vordere Abdeckung 42 beinhaltet Öffnungen 47, die zur Aufnahme eines Verbinders zum Anschließen der einen oder mehreren Platinen 14 an einen Kabelbaum oder dergleichen (nicht gezeigt) konfiguriert sind.
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Der Rahmen 34 weist sowohl Polyacrylnitril-(PAN-)Kohlenstofffasern als auch Pechkohlenstofffasern in einer Epoxidharzmatrix auf. PAN-Fasern haben im Vergleich zu Pechfasern eine sehr hohe Festigkeit und einen sehr kleinen Durchmesser, was sie zur Verwendung an den verschiedenen Radien des Rahmens 34 geeignet macht. PAN-Fasern haben aber im Vergleich zu Pechfasern eine niedrige Wärmeleitfähigkeit. Die Verwendung von PAN-Fasern im Rahmen 34 führt daher dazu, dass der Rahmen 34 sehr fest ist und die Festigkeitsanforderungen für den Avionik-Baugruppenträger 12 erfüllt. Der Rahmen 34 hat eine unerwünscht niedrige Wärmeleitfähigkeit, was weitgehend auf einer isolierenden Matrix beruht, die die Wärme, die von den Platinen 14 voraussichtlich erzeugt werden wird, von sich und an sich nicht ableiten kann.
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Die Wände sind aus Pechfasern hergestellt, die eine hohe Steifigkeit haben, so dass sie zur Erfüllung der mechanischen Anforderungen für den Avionik-Baugruppenträger 12 beitragen. Die Pechfasern sind nicht so fest wie PAN-Fasern, sie neigen daher eher zum Bruch unter Belastung oder während der Fertigung. Die Wände sind zwar nicht so fest wie der Rahmen 34, sie brauchen es aber auch nicht zu sein, weil der Rahmen 34 die Hauptquelle der Festigkeit für den Avionik-Baugruppenträger 12 bildet. Die Verwendung von Pechfasern trägt dazu bei, die Wanddicke ohne Steifigkeitsverlust zu reduzieren, und die PAN-Fasern im Rahmen 34 tragen zur Erfüllung der mechanischen Anforderungen bei. Die Pechfasern haben eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die PAN-Fasern. Die Wände bieten daher mehr Wärmeleitfähigkeit als der Rahmen 34.
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Der Kohlenstoffverbundwerkstoff hat eine niedrigere Dichte als das traditionell verwendete Aluminum, was das Materialgewicht im Avionik-Baugruppenträger 12 reduziert und dabei doch noch die erforderliche Festigkeit und Steifigkeit bereitstellt. Weil der Verbundwerkstoff eine viel niedrigere Dichte hat, kann das Gewicht des Baugruppenträgergehäuses 16 um einen beträchtlichen Betrag reduziert werden. Beispielsweise haben gemäß dieser Erfindung hergestellte Avionik-Baugruppenträger zu einer Gewichtsreduzierung von etwa 40% geführt. Die Höhe der Gewichtseinsparung kann je nach den mechanischen Anforderungen für einen speziellen Avionik-Baugruppenträger 12 verschieden sein.
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Bei der Herstellung des Rahmens 34, der oberen Abdeckung 36, der Bodenwand 38, der hinteren Wand 40 und der einander gegenüberliegenden Seitenwände 44 und 46 kann mit den Pech- und den PAN-Kohlenstofffasern ein Dry-Lay-Up-Verfahren oder ein Prepreg-Verfahren zum Aufbauen von Kohlefaserverbundwerkstoffen verwendet werden. Bei einem solchen Verfahren ist das Kohlenstofffasermaterial bereits mit Epoxidharz imprägniert (Prepreg) und kann auf eine Matrize oder einen Stempel aufgetragen werden. Das Prepreg-Lay-Up-Verfahren ist ein relativ billiges, häufig eingesetztes Verfahren, das kostengünstig und gut zur Handhabung von dünnwandigen Teilen geeignet ist. In dieser Ausführungsform wurde Prepreg auf eine Matrize aufgetragen.
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Das Drucksackverfahren oder andere geeignete Methoden können verwendet werden, um Druck auf den Prepreg-Verbundwerkstoff in der Matrize oder auf dem Stempel auszuüben, wodurch der Verbundwerkstoff gezwungen wird, sich der Form anzupassen. Unter Verwendung des Drucksackverfahrens in einer Matrize können der Rahmen 34, das Rückseitenelement 40, das Bodenelement 38 und die Seitenwände 44 und 46 des Avionik-Baugruppenträgers 12 als einstöckige Einheit hergestellt werden.
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Als Alternative zur Verwendung des Drucksackverfahrens zum Ausüben von Druck kann ein elastomeres Dornwerkzeug verwendet werden. Das Elastomer dehnt sich bei Erwärmung aus und erzeugt Druck und verfestigt den Verbundwerkstoff in dem/der Matrizenwerkzeug oder -form. Die wärmeableitenden Rippen 58 können während des Aushärtens durch elastomere Abstandshalter getrennt werden und können so im Co-Curing-Verfahren an die Seitenwände 44 und 46 angehärtet werden, um eine gute Verfestigung und Flachheit der Wände bei gleichzeitiger Beseitigung von Nähten und einer Verbesserung der Wärmeleitwege zu erzielen. Alternativ können die wärmeableitenden Rippen 58 durch spanhebende Bearbeitung hergestellt werden. Alle Anschlussteile oder Stützen können nachträglich mit dem Inneren 18 festverbunden werden.
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Die obere Abdeckung 36 und die vordere Abdeckung 42 können durch Pressen mit abgestimmten Metallwerkzeugsystemen produziert werden und können mit einem praktischen Verfahren wie z. B. Befestigungselementen, Lötmitteln, Hartlötmitteln, Schweißen, Klebstoffen und dergleichen entsprechend an den Rahmen 34 angefügt werden. Zum Beispiel kann zum Festhalten der oberen Abdeckung 36 und der vorderen Abdeckung 42 am Rahmen 34 ein Montageklebstoff verwendet werden. Dann kann zur elektrischen Versiegelung des Avionik-Baugruppenträgers 12 unmittelbar neben dem Konstruktionskleber am Inneren 18 des Avionik-Baugruppenträgers 12 ein elektrisch leitfähiger Klebstoff aufgetragen werden.
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Die Kartenschienen 20 sind an der Innenfläche 48 in Anlage und können fest an ihr angebracht sein. Die Kartenschienen 20 können mit jedem beliebigen praktischen Verfahren, wie z. B. mechanischen Befestigungselementen, Lötmitteln, Hartlötmitteln, Schweißen, Klebstoffen und dergleichen, an der Innenfläche 48 angebracht werden. Die Kartenschienen 20 können paarweise angeordnet werden, wobei eine Kartenschiene 20 sich an der Seitenwand 44 befindet und die andere Kartenschiene 20 sich an der Seitenwand 46 befindet, um effektiv einen Steckplatz 21 zu definieren, der zwischen dem Kartenschienenpaar 20 verläuft. Zwischen dem Kartenschienenpaar 20 ist Parallelität erforderlich, um sicherzustellen, dass die Platine 14 richtig in den Steckplatz 21 gleiten wird. Jede Kartenschiene 20 hat zwei Schenkel, die eine Nut oder Rille 52 definieren, die den Steckplatz 21 teilweise definiert. Die Kartenschienen 20 sollten so zentriert sein, dass, wenn die Platine 14 in den Steckplatz 21 eingesetzt wird, die Platine 14 von beiden Kartenschienen 20 getragen wird, die den Steckplatz 21 bilden; dies ermöglicht die symmetrische Kühlung der Platine 14. Die Kartenschienen 20 können aus jedem beliebigen wärmeleitfähigen Material hergestellt sein, einschließlich spanhebend bearbeitetes oder extrudiertes Aluminium, Kupfer, Aluminium-Beryllium-Legierung, spanhebend bearbeitetes Siliziumkarbid oder ein Verbundwerkstoff mit Metallmatrix.
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Am Gehäuse 16 ist eine Funkwellenabschirmung 54 bereitgestellt, um den Avionik-Baugruppenträger 12 vor elektromagnetischer Störausstrahlung/Funkstörung zu schützen. Die Funkwellenabschirmung 54 kann eine Metallschicht 55 umfassen, mit der das Gehäuse 16 versehen ist. Die Funkwellenabschirmung 54 kann die Form einer Metallabscheidungsschicht auf dem Gehäuse 16 des Baugruppenträgers haben. Die Abscheidungsschicht kann durch chemische Gasphasenabscheidung, physikalische Gasphasenabscheidung oder elektrolytische Abscheidung gebildet werden. Des Weiteren kann die Funkwellenabschirmung 54 durch andere Mittel wie z. B. thermisch gespritztes Metall, die Verwendung eines im Co-Curing-Verfahren gehärteten Geflechts oder die Verwendung einer Metallfolie hergestellt werden. Um die elektromagnetische Störausstrahlung richtig zu dämpfen, bedeckt oder überlagert die Funkwellenabschirmung 54 wenigstens das gesamte Äußere des Avionik-Baugruppenträgers 12. Falls notwendig, kann sie auch auf das Innere aufgetragen werden. Die Funkwellenabschirmung 54 reflektiert die Funkwellen. Während der Verbundwerkstoff des Avionik-Baugruppenträgers 12 einige Funkwellen absorbiert und eine gewisse Dämpfungsleistung erbringt, sorgt die Wellenabschirmung 54 für die notwendige Dämpfung für praktische Zwecke. Die erörterte Funkwellenabschirmung 54 dämpft die Funkwellenenergie um wenigstens 60 dB. Die Dicke der metallischen Schicht 55 für das gewählte Material gilt als der Hauptfaktor beim Dämpfen der Funkwellenenergie. Es wurde festgestellt, dass eine physikalische Gasphasenabscheidungsschicht aus Aluminium mit einer Dicke von 2–3 Mikrometern die Funkwellenenergie um wenigstens 60 dB dämpft.
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Zusätzlich zur äußeren Metallschicht ist am Gehäuse 16 des Baugruppenträgers wenigstens ein Blitzableitweg vorgesehen, der einen metallischen Streifen 56 umfasst. Der metallische Streifen 56 ist die metallische Schicht 55, die die Funkwellenabschirmung 54 bildet, überlagernd dargestellt. Er wird zwar als ein einzelner metallischer Streifen 56 gezeigt, es können aber auch mehrere Streifen verwendet werden und er kann um Ecken und an mehreren Bauteilen der Anordnung verlaufen. Der metallische Streifen 56 erstreckt sich bis zu einem Fuß oder mehreren der Füße 22, so dass der metallische Streifen 56 einen leitfähigen Weg zur elektrischen Erde bildet. Der einzelne metallische Streifen 56 und/oder die mehreren metallischen Streifen kann/können zu einem Fuß oder mehreren Füßen 22 verlaufen, um mehrere leitfähige Wege zur elektrischen Erde bereitzustellen.
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Die Befestigungsfüße 22 werden zwar als Erdungspunkt für den Avionik-Baugruppenträger 12 gezeigt, aber andere geeignete Erdungspunkte können verwendet werden, darunter: Erdungsbolzen, Erdungsflächen, Erdungsbänder, metallische Federfinger usw. zum Bereitstellen eines Erdungswegs. All dies kann völlig unabhängig von den Befestigungsfüßen 22 erfolgen. Es wird in Betracht gezogen, dass der Avionik-Baugruppenträger 12 sogar überhaupt keine Befestigungsfüße 22 haben kann, beispielsweise bei Verwendung von Befestigungshaken und Führungsstiften.
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Es wurde in Betracht gezogen, dass zur Herstellung des metallischen Streifens 56 thermisch gespritztes Aluminium oder ein anderes thermisch gespritztes Metall verwendet werden kann. Thermisch gespritztes Aluminium wird durch Aufschleudern von geschmolzenem Aluminium mittels sich ausdehnender Gase auf den Avionik-Baugruppenträger 12 aufgetragen. Das geschmolzene Metall wird beim Auftreffen abgeschreckt und haftet durch mechanisches Ineinandergreifen und Diffusionsschweißen am Avionik-Baugruppenträger 12. Anschließend auftreffendes Aluminium baut die Dicke des metallischen Streifens 56 auf. Verglichen mit der metallischen Schicht 55 der Funkwellenabschirmung 54 ist der metallische Streifen 56 mit einer praktischen Dicke von etwa 76 Mikrometern oder mehr relativ dick.
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Die Dichte und Dicke des metallischen Streifens 56 ist so zu wählen, dass er den von einem Blitz erzeugten Strom schnell zur elektrischen Erde ableiten kann, ohne Elektromigration oder das Schmelzen des metallischen Streifens 56 zu verursachen. 4 zeigt einen Querschnitt der metallischen Schicht 55 und des metallischen Streifens 56, die sich auf mehreren der wärmeableitenden Rippen 58 befinden. Die Dicke des metallischen Streifens 56 ist schematisch dicker dargestellt als die Dicke der metallischen Schicht 55.
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Das thermisch gespritzte Aluminium kann auch auf Klebeverbindungen am Avionik-Baugruppenträger 12 aufgetragen werden. Beispielsweise dort, wo die Befestigungsfüße 22 am Gehäuse 16 des Baugruppenträgers angebracht sind. Das thermisch gespritzte Aluminium oder der metallische Streifen 56 lässt einen ununterbrochenen, eng verbundenen leitfähigen Weg zwischen dem Gehäuse 16 des Baugruppenträgers und den Befestigungsfüßen 22 entstehen und dies trägt dazu bei, dass geringfügige Abstände zwischen den leitfähigen Wegen vermieden werden, die einen Funkenüberschlag ermöglichen könnten. Der elektrische Widerstand zwischen Punkten am Avionik-Baugruppenträger 12, einschließlich den Befestigungsfüßen 22, darf nicht mehr als 2,5 Milliohm betragen.
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Anders als seine Gegenstücke aus Metall dämpft der Avionik-Baugruppenträger 12 aus Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoff von sich aus keine Funkwellenenergie und leitet die durch Blitze erzeugten extremen elektrischen Ströme nicht von sich aus ab. Grund dafür ist, dass das Baugruppenträgergehäuse 16 aus Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoff aufgrund einer elektrisch isolierenden Verbundwerkstoffmatrix elektrisch bedeutend weniger leitfähig ist als ein Aluminium-Baugruppenträger. Bei einem Avionik-Baugruppenträger 12 aus Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoff sucht der Strom von einem Blitz sich die verfügbaren Metallwege, wodurch Bord-Elektronik, die nicht mit elektromagnetischem Feldschutz oder mit Blitzschutz versehen wurde, beschädigt oder sogar zerstört werden kann. Die oben beschriebene metallische Schicht 54 ist nicht immer dick genug, um einen Blitz zu bewältigen. Auch erhöht eine Metallschicht, die dick genug ist, um Blitzschutz zu bieten, das Gewicht des Avionik-Baugruppenträgers 12 erheblich und unnötig.
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Die Kombination verschiedener Materialien und Dicken für die metallische Schicht 55 und den metallischen Streifen 56 ergibt eine zusätzliche Gewichtsverringerung, ergibt aber gleichzeitig noch die/den gewünschte(n) Funkwellenabschirmung und Blitzschutz. Das Mischen der metallischen Schicht 55 und des metallischen Streifens 56 zusammen mit der Begrenzung ihres jeweiligen Abdeckungsbereichs auf den, der zur Erfüllung der gewünschten Funktion erforderlich ist, ergibt eine beträchtliche Gewichtsverringerung.
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5 zeigt, dass die Kartenschiene 20 an der Innenfläche 48 angebracht sein kann. Die Kartenschiene 20 kann mittels Befestigungselementen, Lötmitteln, Hartlötmitteln, Schweißen, Klebstoffen oder anderen Anbringungsverfahren angebracht werden. Wenn ein Montageklebstoff verwendet wird, hat er die erforderliche elektrische Leitfähigkeit nicht, weshalb thermisch gespritztes Aluminium oder ein anderes thermisch gespritztes Metall oder ein mit anderen Mitteln aufgetragenes Metall entlang der Kartenschiene 20 aufgetragen werden kann, um die elektrische Leitfähigkeit zwischen der Kartenschiene 20 und der Innenfläche 48 der Seitenwände 44 und 46 zu erhöhen.
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Die Vielzahl von wärmeableitenden Rippen 58 erstreckt sich von der Außenfläche 50 der Seitenwände 44 und 46. Weil die Kohlenstofffaser im Avionik-Baugruppenträger 12 in der Epoxidharzmatrix eingebettet ist, hat die resultierende Konstruktion die strukturellen und Gewichtsvorteile der Kohlenstofffaser, aber nicht die Wärmeleitfähigkeitsvorteile. In dieser Ausführungsform sind die Seitenwände 44 und 46 integrierte Kaltwände, die zur Schaffung eines Wärmemanagementsystems beitragen, um Wärme vom Inneren 18 des Avionik-Baugruppenträgers 12 zu seinem Äußeren 19 abzuleiten, wo die Wärme dann durch Konvektion an die Umgebungsluft übergehen kann.
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Es sind zwar auch andere Konfigurationen möglich, aber in den 2 und 5 sind die wärmeableitenden Rippen 58 mit derselben Ausrichtung und in der Länge mit den Kartenschienen 20 übereinstimmend dargestellt. Die wärmeableitenden Rippen können beispielsweise lotrecht zu den Kartenschienen verlaufen. Die wärmeableitenden Rippen 58 vergrößern den Außenflächeninhalt der Seitenwände 44 und 46, so dass mehr Wärme durch Konvektion an die Umgebungsluft übergehen kann. Die wärmeableitenden Rippen 58 sind in den 4 bis 6 eine Vielzahl von hoch wärmeleitfähigen Kohlenstofffasern 59 mit isotroper Ausrichtung in der Ebene der wärmeableitenden Rippen 58 aufweisend schematisch dargestellt. Die Verwendung von ausgerichteten Kohlenstofffasern verleiht den wärmeableitenden Rippen 58 das Mehrfache der thermischen Leitfähigkeit eines Aluminiumteils ähnlicher Abmessungen, aber ein beträchtlich geringeres Gewicht. Beispielsweise können die isotropen Kohlenstofffasern 59 eine hohe Wärmeleitfähigkeit von etwa 1100 W/(m·K) haben.
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Die wärmeableitenden Rippen 58 können im Co-Curing-Verfahren an die Seitenwände 44 und 46 angehärtet werden, wobei Nähte ausgeschlossen und die Wärmeleitwege verbessert werden. Um die Wärmeleitfähigkeit weiter zu verbessern, kann eine Vielzahl isotroper Fasern der wärmeableitenden Rippen 58 an individuellen Stellen von einem Inneren der wärmeableitenden Rippen 58 verlängert werden, um Ansätze 60 zu bilden. Diese Ansätze 60 können entlang der gesamten Länge der wärmeableitenden Rippe 58 ausgebildet werden. Die Ansätze 60 verlaufen durch die Seitenwände 44 und 46 und berühren die Kartenschienen 20, die sich an der Innenfläche 48 befinden. Die isotropen Kohlenstofffasern 59 bilden einen direkten leitfähigen Weg von der Kartenschiene 20 zu den wärmeableitenden Rippen 58.
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Nicht alle der wärmeableitenden Rippen 58, die in Anlagekontakt mit der Außenfläche 50 sind, haben Ansätze 60, die sich durch die Seitenwände 44 und 46 zur Kartenschiene 20 erstrecken. Die Vielzahl der isotropen Kohlenstofffasern 59, die von den wärmeableitenden Rippen 58 durch die Seitenwände 44 und 46 verlaufen und in Anlagekontakt mit der Kartenschiene sind, ist vorteilhaft, da sie den Wärmetransport bedeutend verbessert. Mehrere Ansätze 60 von einer wärmeableitenden Rippe 58 können die Kartenschiene 20 auf ihrer gesamten Länge berühren. Des Weiteren ist eine Vielzahl von Ansätzen 60 von einer Vielzahl von wärmeableitenden Rippen 58 an der einzelnen Kartenschiene 20 in Anlage dargestellt, dies verbessert auch die Wärmemenge, die von der Kartenschiene 20 abgeleitet werden kann.
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6 zeigt eine alternative Befestigung der Kartenschienen 20. Spezieller ist an der Kartenschiene 20 ein Kartenschienenträger 61 bereitgestellt und an der Innenfläche 48 angebracht. Der Kartenschienenträger 61 ist als ein Sockel 62 mit einer genuteten Oberfläche 64 abgebildet. Der Kartenschienenträger 61 kann mit einem Montageklebstoff und/oder einem leitfähigen Klebstoff an der Kartenschiene 20 angebracht werden. Je nach der Anwendung kann möglicherweise derselbe Klebstoff die gewünschten strukturellen und leitfähigen Eigenschaften bieten.
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Die genutete Struktur 64 definiert eingreifende interstitielle Zwischenräume 65, die wärmeleitfähigen Klebstoff 64 aufnehmen können, wenn der Kartenschienenträger 61 an der Innenfläche 48 angeklebt wird. Dieser wärmeleitfähige Klebstoff kann die isotropen Kohlenstofffasern 59 berühren, um zur Bildung eines leitfähigen Wegs von der Kartenschiene 20 zu den wärmeableitenden Rippen 58 beizutragen. Außerdem kann eine Vielzahl von Befestigungselementen 66, wie z. B. Schrauben, zur mechanischen Verstärkung und zur Gewährleistung der Stabilität der Kartenschienen 20 in die Außenfläche 50 eingesetzt werden.
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7 zeigt einen Teil des Avionik-Baugruppenträgers 12, der eine in den Steckplatz 21 eingesetzte Flachbaugruppe 68 beinhaltet und eine Kühlplatte 70, eine Wärmefalle 76 und Versteifungen 78 hat. Die Platine 14 ist in dem Steckplatz 21 montiert abgebildet, wobei sich eine Kühlplatte 70 ebenfalls in dem Steckplatz 21 und in überlagernder Beziehung zur Platine 14 befindet. Die Platine 14 definiert so eine erste Hauptebene, die Kühlplatte 70 definiert eine zweite Hauptebene und die räumliche Beziehung zwischen der Platine 14 und der Kühlplatte 70 ist dergestalt, dass die erste und die zweite Hauptebene in dem Steckplatz 21 liegen, wenn die Flachbaugruppe 68 in dem Steckplatz 21 aufgenommen ist.
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8 ist eine bessere Darstellung der Kühlplatte 70, der Wärmefalle 76 und der Versteifungen 78. Die Kühlplatte 70 wird zum Ableiten von Wärme von der Platine 14 verwendet. Die Kühlplatte 70 kann aus einem kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoff sowie einem kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoff-Verbundwerkstoff bestehen. Beispielsweise kann die Kühlplatte 70 aus pyrolytischem Kohlenstoff bestehen, der hoch wärmeleitfähig ist. Die Kohlenstofffasern können so gelegt werden, dass die Kühlplatte 70 in der zweidimensionalen Ebene wärmeleitfähig ist, d. h. platteninterne (laterale) Wärmeleitfähigkeit hat, die die Wärmabfuhr in der x- und y-Ebene ermöglicht. Es ist auch möglich, dass die Kühlplatte 70 ein 3D-Lay-up von Kohlenstofffasern hat. Das 3D-Lay-up wäre kostspieliger, würde aber den Transport von Wärme von der Platine 14 weg erleichtern. Es wurde in Betracht gezogen, dass ein eindimensionales Lay-up ebenfalls nützlich sein könnte. Es ist vorgesehen, dass die Kühlplatte 70 ungeachtet ihrer Konfiguration Wärme thermisch von der Platine 14 in Richtung auf die Kartenschienen 20 leitet.
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Die Kühlplatte 70 kann entweder an der Ober- oder der Unterseite der Platine 14 angebracht werden. Die Kühlplatte 70 kann direkt oder durch die Wärmefalle 76 an der Platine 14 montiert werden. Die Wärmefalle 76 kann aus einem Kohlenstoff-Verbundwerkstoff oder einem beliebigen wärmeleitfähigen Material hergestellt sein. Beispielsweise kann die Wärmefalle 76 aus einem kohlenstofffaserverstärkten 3D-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff hergestellt sein. Die Wärmefalle 76 kann so angeordnet werden, dass sie das wärmeerzeugende Bauteil 24 direkt berührt.
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Die Versteifung 78 ist funktionell mit der Platine 14 gekoppelt, so dass die Platine 14 sich im Steckplatz 21 nicht biegt und nicht vibriert. Die Versteifung 78 kann zwischen der Platine 14 und der Kühlplatte 70 positioniert sein, wenn sich die Flachbaugruppe 68 im Steckplatz 21 befindet. Die Versteifung 78 kann sich auch in einer der Kartenschienen 20 befinden, wenn sich die Flachbaugruppe 68 in dem Steckplatz 21 befindet. Die Versteifung 78 kann aus Aluminium oder einem ähnlichen wärmeleitfähigen Material bestehen und kann eine Vielfalt von Konfigurationen haben, um die Platine 14 zu stützen. Die Kühlplatte 70 wurde zwar als eine Platte gezeigt, es wurde aber in Betracht gezogen, dass sie auch ein Stab oder ein Band sein kann. Des Weiteren könnte in anderen Ausführungsformen jede geeignetermaßen gestaltete Versteifung 78 zum Verstärken der Platine 14 vorgesehen sein. Beispielsweise könnte die Versteifung 78 mehrere Stäbe sein, die nicht miteinander verbunden sind. Die Versteifung 78 kann auch in die Kühlplatte 70 integriert sein.
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Wenn die Flachbaugruppe 68 im Steckplatz 21 ist, wobei jetzt wieder auf 7 Bezug genommen wird, ist die Kühlplatte 70 leitend mit einer der Kartenschienen 20 gekoppelt, um einen Teil eines ersten leitfähigen Wegs 72 zu bilden, und die Platine 14 ist leitfähig mit einer weiteren der Kartenschienen 20 gekoppelt, um einen Teil eines zweiten leitfähigen Wegs 74 zu bilden. Der erste leitfähige Weg 72 beginnt an dem wärmeerzeugenden Bauteil 24; Wärme wird durch die Wärmefalle 76 zur Kühlplatte 70 geleitet, die wiederum diese Wärme seitlich zu den Kartenschienen 20 leitet. Der erste leitfähige Weg 72 setzt sich durch die Kartenschienen 20 entweder zu den isotropen Kohlenstofffasern 59 in den Ansätzen 60 oder zu den Seitenwänden 44 und 46 selbst fort. Die durch die isotropen Kohlenstofffasern 59 in den Ansätzen 60 geleitete Wärme wird direkt zum Äußeren der wärmeableitenden Rippen 58 geleitet. Die durch die Seitenwände 44 und 46 geleitete Wärme wird von den isotropen Kohlenstofffasern 59 in den wärmeableitenden Rippen 58 zum Äußeren der wärmeableitenden Rippen 58 geleitet. Die Wärme kann dann durch Konvektion an die die wärmeableitenden Rippen 58 umgebende Luft übergehen.
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Der zweite leitfähige Weg 74 beginnt an dem wärmeerzeugenden Bauteil 24; Wärme wird dann durch die inneren Wege 30 der Platine 14 zu den wärmeleitfähigen seitlichen Streifen 28 transportiert. Die in 7 gezeigten Pfeile sind zwar von den inneren Wegen 30 versetzt, dies dient aber veranschaulichenden Zwecken und die inneren Wege 30 sind in Wirklichkeit ein Teil des zweiten leitfähigen Wegs 74. Der Pfeil wurde lediglich versetzt, so dass er die inneren Wege 30 in der Figur nicht verdeckt. Die seitlichen Streifen 28 sind an der Kartenschiene 20 in Anlage und Wärme wird wiederum von der Kartenschiene 20 entweder durch die Seitenwände 44 und 46 zum Äußeren der wärmeableitenden Rippen 58 oder durch die Ansätze 60 zum Äußeren der wärmeableitenden Rippen 58 geleitet. Wärme kann dann durch Konvektion an die die wärmeableitenden Rippen 58 umgebende Luft abgegeben werden. So dient die Platine 14 selbst ebenfalls als ein Kühlkörper. Dies macht es möglich, dass der Avionik-Baugruppenträger 12 mit dem von der Kühlplatte 70 bereitgestellten zusätzlichen leitfähigen Weg viel kühler betrieben wird.
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Die Höhe der Platine 14 ist derart, dass die Platine PCB 14 und die Kühlplatte 70 beide in der Rille 52 aufgenommen sind. Wie in 7 gezeigt, ist die Platine 14 mit dem Hauptteil der Kartenschiene 20 in direktem Kontakt. Die Kühlplatte 70 ist in direktem Kontakt mit dem Schenkel der Kartenschiene 20 und in direktem Kontakt mit dem Hauptteil der Kartenschiene 20. Alternativ könnten der Kontakt zwischen der Platine 14 und der Kartenschiene 20 oder der Kontakt zwischen der Kühlplatte 70 und der Kartenschiene 20 indirekte Kontakte sein.
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9 zeigt eine alternative Wärmefalle, die eine verstellbare Wärmefalle 80 umfasst. Die verstellbare Wärmefalle 80 ist als Schraubkontakt 82 abgebildet. Der untere Teil des Schraubkontakts 82 ist relativ zu der Platine 14 verstellbar. Der Schraubkontakt 82 kann daher tiefer- und höhergestellt werden, so dass er wärmeerzeugenden Bauteilen 24 unterschiedlicher Höhe gerecht werden kann.
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10 zeigt eine alternative Montage der Platine 14 in den Kartenschienen 20. Spezieller können zum Verbinden der Platine 14 und der Kühlplatte 70 mit den Kartenschienen 20 Keilsicherungen 79 verwendet werden. Die Keilsicherungen 79 können aus Aluminum oder einem ähnlich wärmeleitfähigen Material hergestellt sein. Die Keilsicherungen 79 können so zu einem Teil des ersten leitfähigen Wegs 72 und des zweiten leitfähigen Wegs 74 werden. Beispielsweise beginnt der zweite leitfähige Weg dann am wärmeerzeugenden Bauteil 24; Wärme wird dann durch die inneren Wege 30 zu den wärmeleitfähigen seitlichen Streifen 28 transportiert. Die seitlichen Streifen 28 sind an den Keilsicherungen 79 in Anlage, die wiederum die Wärme zur Kartenschiene 20 leiten. Die Kartenschiene 20 wiederum leitet Wärme durch die Seitenwände 44 und 46 zu den wärmeableitenden Rippen 58. Die Wärme kann dann durch Konvektion an die die wärmeableitenden Rippen 58 umgebende Luft abgegeben werden. Wieder sind die Pfeile in 9 zwar von den inneren Wegen 30 versetzt dargestellt, dies erfolgt aber aus Veranschaulichungsgründen und die inneren Wege 30 sind in Wirklichkeit ein Teil des zweiten leitfähigen Wegs 74.
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Bei jeder Ausführungsform ist die Höhe der Bauteile der Flachbaugruppe 68 so zu wählen, dass sich die Gesamtheit der Flachbaugruppe 68 in dem Steckplatz 21 befindet. Dies verleiht der Flachbaugruppe 68 eine niedrige Bauform. Daher können mehr Flachbaugruppen 68 in den Avionik-Baugruppenträger 12 eingesetzt werden. Bei zunehmender Zahl der Flachbaugruppen 68 im Avionik-Baugruppenträger 12 trägt die Anwesenheit der zwei wärmeleitfähigen Wege 72 und 74 zur Bereitstellung zusätzlicher Wärmeverteilung von der Platine 14 bei und lässt einen kühleren Betrieb des Avionik-Baugruppenträgers 12 zu.
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11 ist eine Explosivdarstellung eines Avionik-Baugruppenträgers 112 mit Kaltwänden 144 und 146 gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung. Die fünfte Ausführungsform 100 ist der ersten Ausführungsform 10 ähnlich. Daher sind gleiche Teile mit den gleichen, um 100 erhöhten Bezugszeichen gekennzeichnet, wobei es sich versteht, dass die Beschreibung der gleichen Teile der ersten Ausführungsform auf die zweite Ausführungsform zutrifft, sofern nicht anders angegeben ist.
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Ein Unterschied zwischen der ersten Ausführungsform 10 und der fünften Ausführungsform 100 besteht darin, dass die Kaltwände 144 und 146 insofern separat sind, als sie vom Rahmen getrennt aus einem wärmeleitfähigen Material hergestellt sind. Spezieller sind die Kaltwände 144 und 146 aus einem Verbundwerkstoff aus Kohlenstofffasern in einer karbonisierten Epoxidharzmatrix hergestellt. Verbundwerkstoffe mit karbonisierter Epoxidharzmatrix haben im Vergleich zu Verbundwerkstoffen mit Epoxidharzmatrix in jeder Achse relativ hohe Wärmeleitfähigkeitseigenschaften; je nach der Verlegung der Kohlenstofffasern ist die Wärmeleitfähigkeit in den Achsen höher. Die Kohlenstofffasern in den Kaltwänden 144 und 146 sind so verlegt, dass die Kaltwände 144 und 146 in einer zweidimensionalen Ebene wärmeleitfähiger sind. Die Kohlenstofffasern in der karbonisierten Matrix haben aufgrund der Faserverlegung ausgezeichnete thermische Eigenschaften in der x- und der y-Ebene, sehr ähnlich den oben beschriebenen Kühlplatten.
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Diese Konfiguration sieht vor, dass die Kaltwände 144 und 146 aus einem Material mit höherer Wärmeleitfähigkeit hergestellt werden können als der Rest des Avionik-Baugruppenträgers 112 und Rahmens 134. Die hohe Wärmeleitfähigkeit der Kaltwände 144 und 146 führt dazu, dass die Kaltwände 144 und 146 steif aber nicht fest sind. Um einen gesamten Avionik-Baugruppenträger 112 aus demselben Material herzustellen, müsste der ganze Avionik-Baugruppenträger 112 sehr dick sein, um die notwendige strukturelle Unterstützung zu erzielen. Daher verleiht der im Wesentlichen wärmeisolierende Rahmen 134, der aus Kohlenstofffasern in einer Epoxidharzmatrix hergestellt ist, dem Avionik-Baugruppenträger 112 seine Festigkeit und die separaten Kaltwände 144 und 146 können die Vorteile hoher Wärmeleitfähigkeit bieten, wobei sie aber keine derartige starke strukturelle Unterstützung bereitstellen müssen.
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Ein weiterer Unterschied liegt darin, dass Kartenschienen 120 an der Innenfläche 148 der Kaltwände 144 und 146 angeformt sind. Die Kaltwände 144 und 146 sind in einander gegenüberliegender Beziehung am Rahmen 134 angebracht, so dass entsprechende Kartenschienen 120 an den Kaltwänden 144 und 146 zwischen sich einen Steckplatz 121 definieren. Die Kaltwände 144 und 146 sollten daher perfekt ausgerichtet sein, so dass die Flachbaugruppen in die Steckplätze 121 passen. Die separaten Kaltwände 144 und 146 können mittels Löten, Schweißen, Hartlöten, Klebstoff, mechanischen Befestigungselementen oder anderen ähnlichen Anbringungsmethoden am Rahmen 134 montiert werden. Um die Kaltwände 144 und 146 am Rahmen 134 zu befestigen, kann Konstruktionsklebstoff aufgetragen werden, und ein elektrisch leitfähiger Klebstoff kann unmittelbar neben dem Konstruktionsklebstoff auf das Innere 118 des Avionik-Baugruppenträgers 112 aufgetragen werden, um es elektrisch zu versiegeln. Die Kaltwände 144 und 146 können auch metallplattiert werden, z. B. mit Nickel oder Aluminium, um eine bessere Leitfähigkeit zu bieten und um die Kohlenstofffasern gegen galvanische Korrosion mit Aluminumkeilsicherungen 179 an den Platinen 114 zu versiegeln.
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12 ist eine Explosivdarstellung eines Avionik-Baugruppenträgers 212 mit Kaltwänden 244 und 246 gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung. Die sechste Ausführungsform 200 ist der fünften Ausführungsform 100 ähnlich. Der Unterschied liegt darin, dass die Kaltwände 244 und 246 wärmeableitende Rippen 258 aufweisen, um den Flächeninhalt der Außenfläche 250 der Kaltwände 244 und 246 zu erhöhen. Der Kaltwandflächeninhalt kann auch mit Stiften oder anderen ähnlichen Verfahren vergrößert werden.
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Hinsichtlich des Gewichts ist ein Avionik-Baugruppenträger 12 aus Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoff wünschenswerter als eine schwerere Aluminiumversion. Wegen der schlechteren Wärme- und elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften ist die Version aus Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoff aber weniger erwünscht als eine Aluminiumversion. Daher sind die verschiedenen Ausführungsformen des hierin offenbarten Avionik-Baugruppenträger aus Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoff aufgrund ihrer Gewichtsverringerung für ein Flugzeugumfeld vorteilhaft. Der leichtere Avionik-Baugruppenträger geht auch auf alle Anforderungen in Bezug auf elektromagnetische Störausstrahlung (EMI), Ableitung der von der Avionik erzeugten Wärme, Blitzschutz der Avionik und Schutz vor Umweltbelastung ein, erzielt gleichzeitig aber noch einen Avionik-Baugruppenträger mit relativ geringem Gewicht.
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Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführung, zu offenbaren und um dem Fachmann die Ausführung der Erfindung, einschließlich der Herstellung und Verwendung von Geräten bzw. Systemen und der Durchführung eingebundener Verfahren zu ermöglichen. Der patentfähige Umfang der Erfindung wird von den Ansprüchen definiert und kann andere Beispiele beinhalten, die fachkundigen Personen einfallen. Es ist vorgesehen, dass derartige andere Beispiele im Umfang der Ansprüche liegen, wenn sie strukturelle Elemente beinhalten, die sich nicht von der wörtlichen Bedeutung der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden von den wörtlichen Bedeutungen der Ansprüche beinhalten.
