МАТЕРИАЛ ПОДУШКИ ТЕПЛОВОГО СОПРЯЖЕНИЯ С ПЕРФОРИРОВАННОЙ ПОДКЛАДКОЙ
THERMAL INTERFACE PAD MATERIAL WITH PERFORATED LINER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству теплового сопряжения, выполненному с возможностью обеспечения контактной поверхности теплового соединения между вырабатывающим тепло блоком и отводящим тепло блоком.
Уровень техники
Конструкция устройств теплового сопряжения приводится в действие посредством тепловой характеристики, и, таким образом, теплопроводящие материалы, используемые в устройстве теплового сопряжения, такие как паста, смазка, материалы с фазовым переходом и т.д., должны иметь очень хорошие смачивающие способности и высокую объемную проводимость. Высокая объемная проводимость реализуется посредством выбора материала, а хорошие смачивающие способности получаются посредством выбора подходящей мягкости и липкости поверхности материала. Пример известного устройства теплового сопряжения показан в заявке на патент США № 2004/0261981. Это устройство из уровня техники содержит теплоизоляционную мембрану, которая имеет структуру с отверстиями, и высокотемпературную проводящую пасту, которая заполняется в отверстия. Однако, в некоторых применениях желательно иметь устройство теплового сопряжения, которое имеет возможность скользить по меньшей мере по одной из своих противоположных поверхностей, обращенных к вырабатывающему тепло блоку и отводящему тепло блоку, соответственно.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в создании устройства теплового сопряжения, которое устраняет вышеупомянутые недостатки уровня техники.
Эта задача решается устройством теплового сопряжения согласно настоящему изобретению, охарактеризованным в пункте 1 формулы, и способом сборки устройства, охарактеризованным в пункте 9 формулы.
Изобретение основано на понимании того, что возможно объединить возможность скольжения и хорошие смачивающие способности путем создания устройства теплового сопряжения, которое имеет состояние покоя с хорошей способностью скольжения и активное состояние с хорошим смачиванием, переход от состояния покоя к активному состоянию выполняется посредством подвергания устройства теплового сопряжения сжатию.
Таким образом, в соответствии с аспектом настоящего изобретения предложено устройство теплового сопряжения, выполненное с возможностью обеспечения контактной поверхности теплового соединения между вырабатывающим тепло блоком и отводящим тепло блоком, содержащее:
слой подкладки, который имеет противоположные первую и вторую поверхности, причем по меньшей мере первая поверхность является скользящей поверхностью, и который снабжен множеством отверстий; и
слой теплового соединения, который взаимодействует со слоем подкладки на его второй поверхности и который является одним из упруго и неупруго деформируемого.
Устройство теплового сопряжения имеет состояние покоя, когда отверстия открыты, и активное состояние, когда отверстия заполняются частью слоя теплового соединения. Слой теплового соединения выполнен с возможностью деформации посредством подвергания устройства теплового сопряжения силе сжатия, превышающей пороговую величину деформации, и тем самым с возможностью заполнения отверстий.
В соответствии с другим аспектом изобретения предложен способ сборки устройства, содержащий этапы, на которых:
- обеспечивают вырабатывающий тепло блок;
- обеспечивают отводящий тепло блок;
- обеспечивают устройство теплового сопряжения, содержащее слой подкладки, который имеет противоположные первую и вторую поверхности, причем по меньшей мере первая поверхность является скользящей поверхностью, и который снабжен множеством отверстий; и слой теплового соединения, который взаимодействует со слоем подкладки на его второй поверхности и который является одним из упруго и неупруго деформируемого;
- собирают устройство путем сборки устройства теплового сопряжения, вырабатывающего тепло блока и отводящего тепло блока таким образом, что тепловая контактная поверхность располагается между вырабатывающим тепло блоком и отводящим тепло блоком, введения в контакт первой поверхности слоя подкладки с контактной поверхностью одного из вырабатывающего тепло блока и отводящего тепло блока и введения в контакт противоположной поверхности устройства теплового сопряжения с контактной поверхностью другого из вырабатывающего тепло блока и отводящего тепло блока;
- сжимают упомянутое устройство и тем самым устройство теплового сопряжения посредством силы сжатия, превышающей пороговую величину деформации соединительного слоя, тем самым вытесняя часть соединительного слоя через отверстия до взаимодействия с той же контактной поверхностью, с которой взаимодействует первая поверхность слоя подкладки.
Устройство теплового сопряжения с двумя состояниями имеет преимущества, во-первых, возможности скольжения, вследствие скользящей поверхности слоя подкладки, во время сборки, тем самым облегчая правильное размещение, и наличия хорошей смачивающей способности после сжатия вследствие того, что материал слоя теплового соединения контактирует с поверхностью вырабатывающего тепло блока через отверстия слоя подкладки. Для случая, когда слой теплового соединения является упруго деформируемым, дополнительным преимуществом является то, что устройство теплового сопряжения становится снова способным к скольжению, как только сила сжатия устраняется.
В соответствии с вариантом осуществления устройства теплового сопряжения, оно снабжено слоями подкладки на противоположных сторонах слоя теплового соединения, тем самым дополнительно увеличивая способность обмена и свободу сборки устройства теплового сопряжения с вырабатывающим тепло и отводящим тепло блоками.
В соответствии с вариантом осуществления устройства теплового сопряжения слой подкладки снабжен вытянутыми отверстиями. Таким образом, отверстия являются приспосабливаемыми к предпочтительному направлению скольжения.
В соответствии с вариантом осуществления устройства теплового сопряжения, устройство сопряжения представляет собой круглую пластину, которая приспособлена для определенных применений вырабатывающего тепло и отводящего тепло блоков, имеющих круглые поверхности, взаимодействующие с устройством теплового сопряжения.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предложено устройство, содержащее вырабатывающий тепло блок, отводящий тепло блок и устройство теплового сопряжения, охарактеризованное выше. Устройство теплового сопряжения размещается между вырабатывающим тепло блоком и отводящим тепло блоком. Устройство подвергается силе сжатия, прижимающей вырабатывающий тепло блок и отводящий тепло блок друг к другу, при этом слой теплового соединения устройства сопряжения содержит выступы, проходящие через отверстия слоя подкладки, тем самым взаимодействуя с контактной поверхностью либо вырабатывающего тепло блока, либо отводящего тепло блока. Слой теплового соединения деформируется посредством силы сжатия, которая заставляет материал слоя теплового соединения заполнять отверстия, таким образом формируя выступы.
В US 4693303 описана тепловая контактная поверхность, которая переносит тепло от теплопроводящего элемента к элементу жидкостного охлаждения.Это реализуется посредством приложения усилия к пружинным элементам, расположенным между элементом жидкостного охлаждения и теплопроводящим элементом.
Эти и другие аспекты, признаки и преимущества изобретения станут очевидными и будут пояснены с обращением к описанным ниже вариантам осуществления.
Краткое описание чертежей
Теперь изобретение будет описано более подробно и со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг. 1 показывает схематичный вид в разрезе устройства, которое содержит вариант осуществления устройства теплового сопряжения согласно настоящему изобретению;
Фиг. 2 и 3 - виды в разрезе варианта осуществления устройства теплового сопряжения в соответствующих состоянии покоя и активном состоянии;
Фиг. 4 схематично показывает покомпонентный вид устройства, которое содержит вариант осуществления устройства теплового сопряжения;
Фиг. 5-7 иллюстрируют варианты осуществления устройства теплового сопряжения, имеющего различные виды отверстий в своем слое подкладки;
Фиг. 8 - схематичный вид в разрезе варианта осуществления устройства теплового сопряжения.
Осуществление изобретения
Согласно общему примеру устройства, содержащего вариант осуществления устройства теплового сопряжения согласно настоящему изобретению, как показано на фиг. 1, устройство 100 содержит вырабатывающий тепло блок 102, отводящий тепло блок 104и промежуточное устройство 106 теплового сопряжения. Устройство 106 теплового сопряжения имеет форму пластины и состоит из слоя 108 теплового соединения и слоя 110 подкладки, размещенных друг поверх друга. Слой 108 теплового соединения, который иногда называется подушкой, взаимодействует с вырабатывающим тепло блоком 102, а слой 110 подкладки взаимодействует с отводящим тепло блоком 104. Слой 110 подкладки снабжен отверстиями 112, и выступы слоя 108 теплового соединения проходят через отверстия 112. В устройстве 100 устройство 106 теплового сопряжения находится в активном состоянии, когда оно сжато. В этом активном состоянии материал слоя 108 теплового соединения распространяется через отверстия 112 и взаимодействует с поверхностью отводящего тепло блока 104.
Обращаясь теперь к фиг. 2 и 3 также, согласно варианту осуществления способа сборки устройства согласно этому изобретению, сначала обеспечивают вырабатывающий тепло блок 202, отводящий тепло блок 204 и блок 206 теплового сопряжения, устройство 206 теплового сопряжения имеет слой 208 теплового соединения и слой 210 подкладки. Слой 210 подкладки содержит противоположные первую и вторую поверхности 218, 220, по меньшей мере первая поверхность 218 является скользящей поверхностью и снабжена множеством отверстий 212. Слой 208 теплового соединения взаимодействует со слоем 210 подкладки на его второй поверхности 220 и является одним из упруго и неупруго деформируемого.
Затем устройство собирается посредством сборки устройства 206 теплового сопряжения, вырабатывающего тепло блока 202 и отводящего тепло блока 204 так, что тепловая контактная поверхность 206 располагается между вырабатывающим тепло блоком 202 и отводящим тепло блоком 204, слой 210 подкладки соприкасается с отводящим тепло блоком 204, и, следовательно, слой 208 теплового соединения соприкасается с вырабатывающим тепло блоком 202 своей первой поверхностью 218.
Согласно варианту осуществления способа слой теплового соединения, который выполнен из материала с хорошей смачивающей способностью, взаимодействует с вырабатывающим тепло блоком 202. Вследствие скользящей поверхности 218 слоя 210 подкладки подузел из вырабатывающего тепло блока 202 и устройства 206 теплового сопряжения является подвижным относительно отводящего тепло блока 204, как указано стрелками на фиг. 2. Таким образом, положение подузла относительно отводящего тепло блока 204 является регулируемым. Это полезно, например, когда нет вертикальной свободы размещения, т.е. подузел должен перемещаться вертикально до соприкосновения с отводящим тепло блоком и затем перемещаться вбок в свое конечное положение. Например, некоторая другая часть исключает правильное размещение подузла во время его размещения на отводящем тепло блоке 204, но существует пространство, чтобы перемещать его в сторону после размещения на поверхности отводящего тепло блока 204. В этом случае, предпочтительно начинать со сборки вырабатывающего тепло блока 202 и устройства 206 теплового сопряжения, которые совместно составляют подузел, и продолжать с размещением подузла на отводящем тепло блоке 204.
Затем сила сжатия, показанная стрелкой F на фиг. 3, прикладывается к устройству 200. Сила сжатия превышает пороговую величину деформации соединительного слоя 208 и вытесняет часть соединительного слоя 208 через отверстия 212 до взаимодействия с поверхностью 216 отводящего тепло блока 204. Материал соединительного слоя, проходящий через отверстия 212, мог бы рассматриваться в качестве выступов слоя 208 теплового соединения. Вследствие липкости материала слоя 208 теплового соединения устройство 206 теплового сопряжения больше не является легкоподвижным относительно отводящего тепло блока 204, и достигается хорошая теплопроводность от вырабатывающего тепло блока 202 к отводящему тепло блоку.
Следует отметить, что в некоторых применениях устройство 206 теплового сопряжения устанавливается наоборот, т.е. слой 210 подкладки взаимодействует с поверхностью вырабатывающего тепло блока 202. Кроме того, согласно другому варианту осуществления устройство теплового сопряжения содержит два слоя подкладки, установленных с противоположных сторон слоя теплового соединения, как будет описано ниже в связи с фиг. 8.
Слой 208 теплового соединения является относительно мягким и имеет относительно низкую пороговую величину деформации, в то же время являясь либо упруго, либо неупруго деформируемым. Существует множество материалов, уже доступных на рынке, и специалист в области техники осведомлен о них. Некоторые примеры упруго, т.е. временно, деформируемых материалов являются так называемыми материалами мягкой подкладки, серий T-FLEX HR 400 и T-FLEX 200T V0, реализуемых компанией Laird Technologies Inc., и Gap Pad VO Ultimate, реализуемого компаний Bergquist Company Inc. Некоторыми примерами неупруго деформируемых материалов, т.е. материалов, подверженных постоянной деформации, являются материалы мягкой подкладки серий Gap Pad VO Ultra Soft и Gap Pad xxxx Sxx "S-class", реализуемых компаний Bergquist Company Inc, материалы с фазовым переходом серии High Flow без носителя, реализуемые компанией Bergquist, и термопаста или смазка серии TC, реализуемые компанией Dow Corning Corporation, и термические составы, реализуемые компанией Arctic Silver Inc.
Предпочтительно использовать упруго деформируемый слой теплового соединения для того, чтобы добиваться улучшенной способности обмена вырабатывающего тепло блока 202. Некоторыми примерами устройств, где желательна улучшенная способность обмена, являются осветительные устройства, в частности осветительные устройства на основе LED (светоизлучающий диод), при этом устройство теплового сопряжения размещается между источником света, таким как LED PCB, и поглотителем тепла или другим видом держателя источника света, приборы общего назначения, где устройство теплового сопряжения размещается между CPU и поглотителем тепла, лазерные устройства и т.д.
Примерными LED-осветительными устройствами являются Twist Module, реализуемый компанией Philips, LED-источник света Sprocket, реализуемый компанией Journee Lighting, автомобильное переднее освещение и модули уличного освещения. Некоторыми примерами материалов подкладки являются полиимид, алюминиевая фольга, PEN-пленка и графитовая фольга. Когда вырабатывающий тепло блок 202 должен быть удален, сила F сжатия снимается, посредством чего выступы слоя 208 теплового соединения становятся втянутыми, и слой 208 теплового соединения восстанавливает свою первоначальную плоскую форму. Затем устройство 206 теплового сопряжения опять имеет возможность скольжения по поверхности отводящего тепло блока 204 и подузел из устройства 206 теплового сопряжения и вырабатывающего тепло блока 202 является легко удаляемым. Что касается приложения силы сжатия, обычно она прикладывается после помещения частей на место, как приведено в качестве примера выше. Однако возможно альтернативно применять, по меньшей мере постепенно, силу сжатия уже во время размещения частей на своем месте.
Согласно другому варианту осуществления устройства 406 теплового сопряжения, как показано на фиг. 4, оно имеет круглую плоскую форму и размещается в устройстве 400, содержащем, как правило, цилиндрический блок 402 формирования тепла и, как правило, цилиндрический отводящий тепло блок 404. Устройство 406 теплового сопряжения устанавливается между вырабатывающим тепло и отводящим тепло блоками 402, 404. Практический пример такого устройства является осветительным устройством, а более конкретно LED-лампой, называемой Fortimo Twistable LED TDLM, реализуемой компанией Koninklijke Philips Electronics N.V., которое имело бы пользу от применения устройства 406 теплового сопряжения согласно этому варианту осуществления. Вырабатывающий тепло блок 402 содержит LED-источник света, а отводящий тепло блок 404 является держателем. Аналогично вышеописанным вариантам осуществления этот вариант осуществления устройства 406 теплового сопряжения имеет слой теплового соединения и слой подкладки, хотя они не показаны подробно на фиг. 4. В этом устройстве вырабатывающий тепло блок 402 поворачивается до взаимодействия с отводящим тепло блоком 404, тем самым используя скользящую поверхность слоя подкладки во время поворота. Кроме того, во время поворота на место сила сжатия растет для того, чтобы удерживать части вместе в установленном состоянии, заставляя материал слоя теплового соединения заполнять отверстия слоя подкладки и контактируя с поверхностью отводящего тепло блока 404, как объяснено подробно выше.
Существуют множество различных альтернативных форм перфорации, как показано на фиг. 5-7. Фиг. 5 и 6, каждый, показывает вид в разрезе соответствующего варианта осуществления устройства 500, 600 теплового сопряжения и вид, перпендикулярный виду в разрезе и показывающий первую поверхность 508, 608 слоя 504 подкладки, 604. Согласно одному из вариантов осуществления отверстия слоя 500 подкладки являются цилиндрическими отверстиями 506, равномерно распределенными по слою 504 подкладки и проходящими прямо сквозь слой 504 подкладки. Как правило, диаметр d отверстия составляет один или несколько миллиметров, а обычное расстояние D между двумя соседними отверстиями составляет приблизительно один или более диаметров.
Согласно другому варианту осуществления, который показан на фиг. 6, устройство 600 теплового сопряжения включает в себя слой 602 теплового соединения и слой 604 подкладки, причем отверстия слоя 604 подкладки являются цилиндрическими отверстиями 606, но отверстия 606 наклонно проходят через слой 604 подкладки. В примерном варианте угол A между нормалью главной плоскости слоя 604 подкладки и центральной осью отверстия 606 больше 0 градусов и примерно вплоть до 45 градусов. Таким образом, при взгляде с первой поверхности или скользящей поверхности 608, слоя 604 подкладки отверстия 606 являются приблизительно круглыми или эллиптическими.
Согласно дополнительным вариантам осуществления слоя подкладки, как показано на фиг. 7, отверстия могут быть вытянуты различными способами. Эти варианты осуществления полезны для круглых слоев 702, 706 подкладки, которые скользят с возможностью вращения. В одном примере отверстия 704 размещаются по кругу вокруг слоя 702 подкладки, и они имеют форму поперечного сечения прямоугольника с одной аркообразной короткой стороной. Прямая короткая сторона составляет передний конец во время вращения. В другом примере отверстия 708 имеют в разрезе форму банана. Они размещаются по кругу и их удлинение является радиальным.
Согласно другому варианту осуществления устройства 800 теплового сопряжения оно содержит два слоя 804, 806 подкладки, размещенных противоположным образом на каждой стороне слоя 802 теплового соединения. Когда подвергается силе сжатия, материал слоя 802 теплового соединения заполняет отверстия слоев 804, 806 подкладки.
Следует отметить, что основным фактором, который зачастую является важным, является толщина устройства теплового сопряжения. Она должна быть выбрана достаточно большой, чтобы компенсировать неровные поверхности вырабатывающего тепло и отводящего тепло блоков и обеспечивать возможность заполнения отверстий. Лишь для представления величины, без намерения привнести какие-либо ограничения в настоящее изобретение, обычная толщина слоя подкладки находится между приблизительно 10 микрон и приблизительно 50 микрон. Примерная толщина слоя теплового соединения равна: в случае материала мягкой подкладки, 0,2-1 мм; в случае материала с фазовым переходом, 25-250 микрон; а в случае термопасты или смазки, 25-100 микрон. Ради ясности, материалом с фазовым переходом является материал, который является твердым при комнатной температуре и подвергается фазовому переходу в жидкое состояние при повышенной температуре, обычно около 50-60°C.
Выше были описаны варианты осуществления устройства теплового сопряжения согласно настоящему изобретению, которое определено в прилагаемой формуле изобретения. Они были рассмотрены лишь в качестве не ограничивающих примеров. Как понятно специалисту в данной области техники, в рамках изобретения возможно множество изменений и альтернативных вариантов осуществления.
Следует отметить, что в контексте настоящей заявки и в частности прилагаемой формулы изобретения слово «содержит» не исключает другие элементы или этапы, единственное число не исключает множества, что само по себе понятно специалисту в данной области техники.