MX2014008689A - Sistema de montaje dinamico. - Google Patents

Sistema de montaje dinamico.

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Abstract

Se revela un sistema de montaje dinámico que acopla un primer objeto a un segundo objeto mediante la anexión de un elemento roscado a un elemento receptor roscado sobre el segundo objeto a una profundidad predeterminada para provocar que un elemento de compresión impulsado ejerza una fuerza de sujeción predeterminada que mantiene el primer objeto al segundo. El primer objeto puede ser un disipador térmico en comunicación con un componente que genera calor, tal como un procesador montado sobre el segundo objeto, tal como un tablero de circuitos. Se alcanza la profundidad predeterminada al hacer avanzar el elemento roscado hasta que se enrosca más allá del roscado en el elemento receptor. La profundidad predeterminada del elemento roscado impulsa el elemento de compresión para mantener la fuerza de sujeción entre los primeros y segundos objetos dentro de un intervalo de temperatura deseado.

Description

SISTEMA. DE MONTAJE DINAMICO SOLICITUD RELACIONADA La presente solicitud de patente es una solicitud de patente no provisional de la solicitud de patente provisional número de serie 61/588,716 intitulada "Dynamic Mounting System" presentada el 20 de enero de 2012, la prioridad de la cual es reclamada por medio de la presente.
CAMPO TÉCNICO La presente solicitud es concerniente con un sistema de montaje dinámico para proveer una fuerza de sujeción predecible. Más específicamente, la presente invención es concerniente con un sistema para montar un disipador térmico a un tablero de circuitos.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Frecuentemente, se requiere que el montaje de un objeto a otro sea dinámico en el sentido de permitir cambios dimensionales o movimiento entre los objetos. Estos cambios son frecuentemente compensados por un elemento impulsor tal como un muelle. Una aplicación particular que requiere un sistema de montaje dinámico está en el campo de componentes electrónicos en donde el calor y la vibración necesitan ser compensados. En el campo de componentes electrónicos, el montaje de disipadores térmicos, componentes electrónicos y tableros de circuitos es de importancia particular debido a la naturaleza costosa de los elementos a los que se anexan.
Es conocido usar tornillos de captura para montar un disipador térmico a un tablero de circuitos con un componente electrónico tal como un microchip mantenido entre el disipador térmico y el tablero de circuitos . Debido a la naturaleza de los componentes electrónicos tales como microchips, el calor producido por el microchip puede ser suficientemente extremo para provocar la expansión del componente electrónico y el disipador térmico. Las soluciones propuestas para proveer un sistema de montaje dinámico para disipadores térmicos en el campo de electrónica incluyen sistemas de montaje dinámicos en donde una carga de sujeción casi constante es aplicada al microchip por medio de la anexión impulsada al tablero de circuitos. Tal solución es propuesta, por ejemplo, en la publicación de patente estadounidense 2008/0056844 intitulada "Floating Captive Screw" . Este documento enseña limitar la profundidad de la penetración de un elemento de tornillo impulsado anexo que se acopla de manera roscada en una tuerca en el tablero de circuitos . La profundidad es controlada mediante el empalme de una brida sobre el tornillo cuando se pone en contacto con una superficie superior de la tuerca, proporcionando así un obstáculo positivo al avance adicional del tornillo. Un problema significativo encontrado con esta construcción es la posibilidad de daños a los componentes electrónicos costosos al sobre-apretar el tornillo, debido a que está acoplado positivamente con la tuerca.
Por consiguiente, hay necesidad en el arte de un sistema de montaje dinámico para montar un disipador térmico a un tablero de circuitos en el cual el elemento de anexión tal como un tornillo no pueda ser sobre-apretado, evitando así daños costosos. Hay además una necesidad por tal sistema de montaj e que sea compacto y no caro para fabricarse .
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Con el fin de satisfacer las necesidades en el arte como se describe anteriormente, el aparato y métodos asociados de la invención provén un sistema que determina la profundidad para montar dinámicamente un primer objeto a un segundo objeto al acoplar un elemento roscado a un elemento receptor roscado sobre el segundo objeto a una profundidad predeterminada para provocar que un elemento de compresión impulsado ejerza una fuerza de sujeción predeterminada que mantiene el primer objeto al segundo. En un ejemplo ilustrativo, el primer objeto puede ser un disipador térmico en comunicación térmica con componentes que generan calor (por ejemplo, procesador) sobre el segundo objeto (por ejemplo, tablero de circuitos) . La profundidad predeterminada puede ser alcanzada al hacer avanzar el elemento roscado hasta que se enrosca más allá de las roscas sobre el elemento receptor. La profundidad predeterminada del elemento roscado puede impulsar al elemento de compresión a mantener la fuerza de sujeción entre los primeros y segundos objetos dentro de un intervalo deseado en un intervalo de temperatura.
Varias modalidades pueden proveer una o más ventajas. Por ejemplo, ciertas modalidades pueden ser útiles en el enfriamiento de un microprocesador anexado a un tablero de circuitos con un disipador térmico. Algunas modalidades pueden permitir la expansión y contracción térmica de un primer objeto en relación con un segundo objeto en tanto que retienen el primer objeto en contacto con el segundo objeto a una fuerza de sujeción predeterminada. Para mejorar el montaje, algunas implementaciones pueden capturar el tornillo y muelle al disipador térmico para impedir que los componentes se pierdan o sean mal colocados, acortando mediante esto el tiempo de montaje. Algunas modalidades pueden reducir o impedir sustancialmente el agrietamiento de juntas de soldadura, componentes o un primer objeto debido a la fuerza de montaje excesiva aplicada en relación con un segundo objeto. En otras modalidades, un muelle impulsor puede permitir ayuda durante pruebas mecánicas, tal como una prueba de caída para impedir daños a un tablero de circuitos y los componentes. En todavía otras modalidades, una fuerza de sujeción sustancialmente estable (por ejemplo, dentro un intervalo especificado) aplicada a un elemento de tablero de circuito por un disipador térmico puede impedir el sobrecalentamiento y fallas prematuras del elemento de tablero de circuito.
En algunas implementaciones, una herramienta, por ejemplo, puede ser aplicada a un elemento de tornillo cuando se monta un primer objeto a un segundo objeto en donde la herramienta no incluye sustancialmente ningún control sobre el momento de torsión para determinar la fuerza de sujeción resultante entre el primer objeto y el segundo objeto. En algunas implementaciones , una longitud axial de roscas a lo largo de un elemento de tornillo y/o tuerca junto con un muelle de compresión impulsor puede determinar una fuerza de sujeción resultante. En otras modalidades, los errores resultantes del sobre-apriete o sub-apriete de un elemento de tornillo cuando se ensamblan objetos pueden ser reducidos o sustancialmente eliminados. En todavía modalidades adicionales, se puede permitir que un muelle capturado que aplica una fuerza de sujeción consistente entre dos objetos tanto se comprima como que se expanda dentro de un intervalo de operación predeterminado después de unir los dos objetos.
Los detalles de varias modalidades son resumidos en las figuras adjuntas y la descripción posteriormente en la presente. Otros elementos y ventajas se harán evidentes de la descripción y figuras. Símbolos de referencia semejantes en las varias figuras indican elementos semejantes o similares.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La Figura 1 es una vista del conjunto parcialmente seccionada en elevación que ilustra un sistema de montaje ejemplar en un estado desconectado.
La Figura 2 ilustra la misma vista como en la Figura 1 con el sistema de montaje ejemplar de la Figura 1 mostrado en un estado conectado.
La Figura 3 ilustra una vista en elevación lateral de un tornillo ejemplar.
La Figura 4 ilustra una vista en planta superior de una cabeza de tornillo ejemplar.
La Figura 5 ilustra una vista en perspectiva izquierda superior de una tuerca de agujero pasante ejemplar.
La Figura 6 ilustra una vista en elevación lateral de la tuerca de agujero pasante ejemplar.
La Figura 7 ilustra una vista en sección transversal en elevación de la tuerca de agujero pasante ejemplar.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE UNA MODALIDAD PREFERIDA Para ayudar en el entendimiento, este documento está organizado como sigue. Primero, las Figuras 1 y 2 ilustran un proceso de montaje ejemplar para aplicar un sistema de montaje de disipador térmico ejemplar y la construcción resultante utilizando una tuerca de agujero pasante. Las Figuras 3 y 4 ilustran tornillos ejemplares. Finalmente, con referencia a las Figuras 5-7, se muestra una tuerca de agujero pasante ejemplar.
Refiriéndose primero a las Figuras 3 y 4, estas ilustraciones muestran un tornillo ejemplar. En la figura 3 un tornillo tiene una cabeza 15, un resalto 17, un collarín 19, un vástago alargado 21, que incluye una porción roscada 23 y una porción sin roscar 22. La longitud de la porción roscada y vástago pueden variar entre sí como se muestra. Adicionalmente, el resalto y/o collarín pueden ser omitidos o incrementados/disminuidos en tamaño relativo dependiendo de la estructura de retención deseada para el elemento impulsor (por ejemplo, muelle) y dependiendo de si el tornillo y muelle se desea que sean capturados al disipador térmico antes de la anexión a la tuerca y tablero de circuito. Elk diámetro de resalto puede ser ahusado teniendo interferencia con el diámetro interno del muelle para ayudar con la retención durante el manejo y antes para de la instalación al disipador térmico. El diámetro de la cabeza es dimensionado para ser mayor que el diámetro del muelle para retener el muelle. La Figura 4 ilustra una vista superior de una cabeza de tornillo ejemplar del tornillo 13 que tiene una cabeza 15 y receptor de herramienta respectivo 16. Como se describe previamente, la forma de la cabeza 15 y el tipo de receptor de herramienta pueden diferir.
Refiriéndose ahora a la Figura 1, la presente invención provee la captura axial directa del tornillo al disipador térmico, evitando así la necesidad de emplear un mango para reducir el número de partes requeridas para el montaje. Detalle adicional con referencia a esta captura del disipador térmico 11 y tornillo 13 está disponible en la patente estadounidense No. 5,256,019 cedida a Penn Engineering and Manufacturing Corp. e intitulada "Washerless Self-Captivating Screw" , todo el contenido de la cual es incorporado en la presente plenamente por referencia. De acuerdo con esta metodología, el material del disipador térmico es deformado y prensado hacia adentro alrededor del vastago del tornillo a medida que el tornillo es aplicado forzadamente al disipador térmico. Por supuesto un mango o retén como es bien conocido en el arte puede ser usado para capturar el tornillo al disipador térmico.
La Figura 1 ilustra un sistema de montaje ejemplar en un estado desconectado y la Figura 2 en un estado conectado. En la Figura 1, el sistema incluye el tornillo de la Figura 3 13 que tiene una cabeza 15, un resalto 17, un collarín 19, un vástago 21 y una porción roscada 23. La cabeza 15 tiene un diámetro mayor que el resalto, collarín o el vástago. El resalto 17 se ensancha hacia adentro diametralmente para recibir un muelle 25 de tal manera que el muelle 25 es recibido fácilmente y asegurado alrededor del resalto 17 para limitar sustancialmente el movimiento lateral y todavía permitir el movimiento axial con respecto al tornillo 13. El muelle 25 es preferiblemente un muelle de compresión. También mostrado es un disipador térmico 11, tal como por ejemplo que tiene aletas para dispar el calor y un tablero de circuitos 27 que tiene un elemento de circuito 29 que requiere disipación térmica. Anexado al tablero de circuitos 27 y alineado con el tornillo 13 se encuentra una tuerca de agujero pasante 31 que tiene una abertura superior 33, una abertura inferior 35 y roscados internos 37 que se extienden desde por lo menos una de la abertura superior o la abertura inferior. En la Figura 1, los roscados internos de la tuerca 37 se extienden desde la abertura superior 33 parcialmente a través de la tuerca 31 en la cual el agujero axial se ensancha luego de manera contra-avellanada para permitir el libre paso de la porción roscada 23 del tornillo a través de la abertura inferior 35 una vez que la porción roscada 23 es roscada más allá de los roscados internos que conducen de la abertura superior. La tuerca de agujero pasante 31 es anexada al tablero de circuitos 27 utilizando una estructura de sujetador tipo broche en esta modalidad.
La Figura 2 muestra el resultado de una aplicación forzada del conjunto de tornillo al disipador térmico mostrado en la Figura 1 en la cual el collarín del tornillo ha deformado el material del disipador térmico a punto de recibir el agujero de recepción que impulsa algún material hacia adentro alrededor de la porción sin roscar estrecha del vastago del tornillo. Esto captura deslizantemente el conjunto de tornillo/muelle al disipador térmico. A medida que el tornillo es girado, una vez que la porción roscada 23 del tornillo se hace avanzar más allá de los roscados internos de la tuerca 37 y dentro del contrataladro, el movimiento hacia arriba del tornillo 13 es restringido por la parte superior de la porción roscada que se empalma axialmente con las últimas roscas internas de la tuerca. El movimiento hacia abajo del tornillo es también opuesto por las fuerzas impulsoras hacia arriba ejercidas por el muelle 25 sobre la cabeza del tornillo. Así, la profundidad del tornillo en relación con la tuerca y el tablero de circuitos puede ser controlada por la longitud axial de los roscados internos dentro de la tuerca y/o la posición axial de la porción roscada a lo largo del vástago del tornillo.
Como se muestra en la Figura 2, el tornillo 13 ha sido girado hacia abajo y roscado más allá de las roscas internas de la tuerca, de tal manera que cuando la porción roscada 23 está despejada de las roscas internas, el muelle 25 no está plenamente comprimido para permitir su expansión y contracción dinámica y así permitir la contracción y expansión seguras de componentes durante los ciclos térmicos respectivos del elemento de circuito 29. Además, al predeterminar la posición axial y longitud de las roscas internas de la tuerca y la posición axial y longitud de la porción roscada del tornillo, la compresión resultante del muelle y carga de sujeción serán sustancialmente consistentes en que el tornillo no puede ser sobre-apretado . Esta es una ventaja particular de la invención cuando el giro excesivo del tornillo solamente da como resultado el giro libre del tornillo impidiendo así cualquier daño posible al tornillo o el receptor de herramienta mediante la aplicación de momentos de torsión excesivos.
En la operación, a medida que el elemento de circuito 29 disipa calor sobre el disipador térmico y así el disipador térmico 11 y el elemento de circuito se pueden expandir. Cuando el disipador térmico se expande el muelle 25 es forzado a contraerse una cantidad igual que tiende a mantener una fuerza y presión sustancialmente consistente aplicada al elemento de circuito por el disipador térmico. Asimismo, cuando el disipador térmico se contrae debido al enfriamiento del disipador térmico, el muelle 25 es forzado a expandirse, lo que tiende a mantener una fuerza y presión sustancialmente consistente aplicada al elemento de circuito 29 por el disipador térmico 11 mientras que el espacio entre el disipador térmico y el tablero de circuitos puede variar.
La Figura 5 ilustra una vista en perspectiva superior de una tuerca de agujero pasante ejemplar empleada en las Figuras 1 y 2. La Figura 6 ilustra una vista lateral de la tuerca de agujero pasante ejemplar y la Figura 7 ilustra una vista en sección transversal. La tuerca de agujero pasante 31 tiene una parte superior y una parte inferior. La parte superior tiene roscados internos 37 y la parte inferior tiene elementos de sujetador tipo broche 32 alrededor del exterior y un contrataladro 34 dentro. Una abertura superior 33 que conduce a los roscados internos 37 a través de la parte superior es de un diámetro menor que la abertura inferior 35 que conduce al contrataladro desde abajo. Asimismo, el contrataladro en general tiene un diámetro mayor que los roscados internos de tal manera que una vez la parte roscada del tornillo es roscada más allá de las roscas internas 37 de la parte superior, la porción roscada del tornillo puede ser recibida libremente por el contrataladro. Una superficie inferior 36 de una brida 38 de la tuerca cuelga sobre la porción inferior haciendo asi la parte superior apropiada para el montaje superficial tanto sobre la superficie superior como la superficie inferior de la brida 38. Aunque se muestra una tuerca de agujero pasante se debe entender que una tuerca ciega configurada apropiadamente como se describe anteriormente puede ser usada.
Aunque varias modalidades han sido descritas con referencia a las figuras, otras modalidades son posibles. Por ejemplo, el tornillo se puede mover axialmente con respecto al disipador térmico en algunas modalidades, tales como por ejemplo con el uso de un mango de retención. En otras modalidades, el tornillo y el disipador térmico se pueden mover como un componente en una dirección paralela al eje longitudinal del tornillo a lo lejos de y hacia el tablero de circuitos. En cada caso, el muelle puede ejercer una fuerza sobre el tornillo y el disipador térmico para asegurar que el disipador térmico mantiene contacto con el elemento de tablero de circuitos para mantener el elemento de tablero de circuitos frío e impedir el sobrecalentamiento. El muelle también puede permitir que el tornillo y disipador térmico se muevan para permitir que el disipador térmico se expanda y contraiga debido a los ciclos térmicos encontrados durante la disipación del calor del elemento de tablero de circuitos al disipador térmico.
El tornillo puede ser anexado a la tuerca de una manera consistente debido a los elementos que determinan la profundidad del tornillo y/o tuerca lo que pueden incluir la profundidad de la perforación dentro de la tuerca de agujero pasante, también como la posición y número de roscas sobre el tornillo en la tuerca de agujero pasante. El tornillo puede ser anexado a la profundidad consistente independientemente de la cantidad de momento de torsión aplicado al tornillo puesto que el tornillo solamente se enroscará dentro de la tuerca a una cierta profundidad debido al agotamiento del número de roscas internas disponibles .
La tuerca se puede anexar al tablero de circuitos de varias maneras. En un ejemplo, la tuerca se puede anexar a la superficie superior del tablero de circuitos, tal como por ejemplo al tener un adhesivo o capa de soldadura para fijar la tuerca al tablero de circuitos. En otro ejemplo, la tuerca se puede anexar a la superficie inferior del tablero de circuitos, tal como por ejemplo al tener una capa adhesiva a lo largo de la superficie superior de la tuerca que recibe la superficie inferior del tablero de circuitos. Cuando se anexa a la superficie inferior, es importante que las roscas internas de la tuerca se alineen con un agujero que se extiende a través del tablero de circuitos para recibir la parte roscada del tornillo a través del mismo. En todavía otro ejemplo, la tuerca puede ser asegurada a la superficie superior o la superficie inferior vía uno o más sujetadores, tales como por ejemplo tornillos, pernos, sujetadores o soldadura.
El sujetador de broche puede también ser sustituido con roscados externos u otros tipos de elementos de sujeción que rodean o formar el perímetro de la tuerca y/o tornillo. La tuerca puede ser sujetada dentro del tablero de circuitos desde el lado superior o desde el lado inferior. El agujero formado dentro del tablero de circuitos y/o disipador térmico puede ser prensado en el mismo para formar un agujero liso, de superficie uniforme, un agujero roscado o un agujero con resalto .
El elemento impulsor en algunos ejemplos puede ser un muelle acoplado entre una cabeza del elemento de tornillo y el primer objeto. El muelle puede ser habilitado para impulsar el disipador térmico a lo lejos del tornillo. En todavía otro ejemplo, un compuesto resiliente, tal como hule o caucho o elemento elástico puede ser usado para ayudar o permitir que el tornillo sea impulsado con respecto al disipador térmico. La fuerza de apriete o compresión del muelle puede ser predeterminada de una manera que es suficiente para permitir que el disipador térmico se expanda y contraiga sin poner fuerza excesiva sobre el elemento de tablero de circuitos y sin perder contacto del elemento de tablero de circuitos por la selección de los varios componentes. El grado de compresión o fuerza ejercida por el muelle puede también ser ajustada como sea necesario.
El disipador térmico y tornillo capturado se pueden también anexar a varios otros dispositivos en lugar de un tablero de circuitos para disipar calor de varios otros dispositivos u objetos, tales como por ejemplo un motor. En otro ejemplo, el disipador térmico y tornillo capturado puede ser anexado a una tuerca o por medio de una tuerca conectada a un dispositivo de calentamiento resistivo o un dispositivo en el cual se genera calor mediante fricción, en donde es necesario que el calor sea disipado vía un disipador térmico. El disipador térmico puede ser de varios materiales, tales como por ejemplo aluminio u otros metales.
En algunos ejemplos, el tornillo y muelle pueden ser capturados en objetos en lugar de un disipador térmico. En otros ejemplos, el tornillo y muelle pueden ser utilizados para anexar un primer objeto a un segundo objeto a una fuerza de sujeción predecible y consistente en donde el primer objeto no es un disipador térmico y/o el segundo objeto no es un tablero de circuitos. En otros ejemplos, el tornillo y muelle puede no ser capturado en el primer objeto o disipador térmico antes de la anexión del primer objeto al segundo objeto.
Otros objetos pueden ser anexados mediante el uso del sistema de montaje dinámico, por ejemplo, un blindaje de metal puede ser montado a un tablero de circuitos mediante lo cual el sistema de montaje dinámico puede proveer un intervalo deseado de fuerza de sujeción para mantener el blindaje anexado de manera segura al tablero de circuito. El blindaje puede proveer por ejemplo, blindaje electromagnético. En otra implementación, el sistema de montaje dinámico puede mantener un intervalo deseado de fuerza de sujeción para asegurar un componente grande (por ejemplo, inductor, transformador, capacitor) al tablero de circuitos en un intervalo de ciclos de choque y vibración y/o térmicos .
Un número de implementaciones han sido descritas. No obstante, se entenderá que se pueden hacer varias modificaciones. Por ejemplo, se pueden obtener resultados ventajosos si las etapas de las técnicas reveladas fueran efectuadas en una secuencia diferente o si los componentes de los sistemas revelados fueran combinados de manera diferente, o si los componentes fueran complementados con otros componentes. Así, se contemplan otras implementaciones.
Por consiguiente, lo anterior es considerado como ilustrativo solamente de los principios de la invención. Además, puesto que numerosas modificaciones y cambios se les presentarán fácilmente a aquellos experimentados en el arte, no se desea limitar la invención a la construcción y operación exacta mostradas y descritas y así, se puede recurrir a todas las modificaciones y equivalentes apropiados que caigan dentro del alcance de la invención.

Claims (12)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de montaje dinámico para anexar un objeto a otro, que comprende: un primer objeto y un segundo objeto; un tornillo giratorio, que tiene una cabeza en un extremo superior y un vástago que tiene una porción sin roscar que se extiende hacia debajo de la cabeza y una porción roscada en un extremo inferior del diámetro mayor que la porción sin roscar; una tuerca roscada internamente fija rígidamente al segundo objeto; un elemento de compresión impulsor que actúa entre el tornillo y el primer objeto; y el tornillo es recibido por la tuerca que se hace avanzar giratoriamente por acoplamiento roscado con el mismo y que se puede hacer avanzar a una profundidad máxima predeterminada, en donde las roscas del tornillo se extienden más allá y se separan de las roscas de la tuerca.
2. El sistema de montaje dinámico de la reivindicación 1, en donde los elementos son seleccionados de tal manera que una carga de sujeción predeterminada es aplicada a los componentes ubicados entre los primeros y segundos objetos.
3. El sistema de montaje dinámico de la reivindicación 2, en donde el primer objeto es un disipador térmico.
4. El sistema de montaje dinámico de la reivindicación 2, en donde el segundo objeto es un tablero de circuitos.
5. El sistema de montaje dinámico de la reivindicación 1, en donde el elemento impulsor de compresión es un muelle helicoidal que rodea el vastago del tomillo y actúa sobre la cabeza del tornillo.
6. El sistema de montaje dinámico de la reivindicación 5, en donde un extremo del muelle se apoya directamente sobre el disipador térmico.
7. El sistema de montaje <±uiámico de la reivindicación 1, en donde el tornillo incluye un resalto adyacente a la cabeza y un collarín ubicado inmediatamente debajo del resalto.
8. El sistema de montaje düámico de la reivindicación 7, en donde el tornillo es capturado axialmente de manera directa al disipador térmico mediante deformación del disipador térmico por el collarín durante la aplicación forzada del tornillo al disipador térmico.
9. El sistema de montaje düiámico de la reivindicación 1, en donde la tuerca es una tuerca de agujero pasante.
10. El sistema de montaje dinámico de la reivindicación 1, en donde la porción inferior de la tuerca incluye un contrataladro de diámetro mayor que las roscas.
11. El sistema de montaje dinámico de la reivindicación 1, en donde la tuerca es una tuerca ciega.
12. El sistema de montaje dinámico de la reivindicación 1, en donde el tornillo pasa a través de aberturas alineadas en los primeros y segundos objetos.
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