CN106028758A - 一种具有楔形块滑动接触行程的低热阻散热冷板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有楔形块滑动接触行程的低热阻散热冷板，该冷板由具备接触斜面的冷板上滑块、冷板下滑块以及具备产生接触与锁紧力的锁紧螺钉组成。通过冷板盒体前、后端的转动固定孔与轴端挡圈，锁紧螺钉仅能在冷板盒体内转动，通过与冷板下滑块的螺旋副配合，圆周转动转换为冷板下滑块的水平直线运动，该水平直线运动通过冷板上滑块、冷板下滑块的楔形端面倾斜滑移后转换为冷板接触所需的竖直方向的移动。通过采用弹性带的预拉伸力将冷板下滑块始终保持在螺纹副的预紧防松状态，从而使冷板使滑块在接触行程范围内的任意位置始终保持锁紧防松状态，以抵抗来着外界的振动或冲击。

Description

一种具有楔形块滑动接触行程的低热阻散热冷板

技术领域

本发明属于机械结构设计领域，涉及一种具有楔形块滑动接触行程的低热阻散热冷板。

背景技术

电子设备在进行结构设计时通常有散热要求，最常见的散热方法是热传导+风冷对流散热。在某些特定的安装环境下，一些发热模块自身有安装配合要求，同时该模块自身有频繁拆卸要求，而特定的散热风道面与该模块之间有一定间隙，需采用高导热、低热阻的填充措施实现热量的传递。

传统ATR机箱是航空、航天以及航海常用的电子设备结构，其内安装多个标准的CPCI/VPX印制板插件，这些印制板插件通过安装在机箱底部的母板进行彼此之间的数据传输。机箱的左右两侧壁钎焊有铝箔叠制的散热翅片，机箱内部印制板插件的热量通过柔性导热衬垫、自身冷板与插件两端的楔形块锁紧器传递到机箱左、右侧壁，通过安装在机箱尾部的轴流风机采取向往抽风的方法与外界对流换热。此时冷却流的入风口在机箱前部，出风口在机箱后部。散热翅片为连通机箱前后方向，与冷却流路径方向一致。在这种机箱的散热传输路径中，由于沿冷板平面方向热阻较大，并且楔形块锁紧器自身也存在较大的热阻，整个热传递路径的后期效率不高。

在某具有多个标准模块独立散热风道的密封机箱中，多个标准CPCI/VPX模块在与母板插接后，同样采用楔形块锁紧器靠摩擦力与机箱左、右侧壁的锁紧安装槽固定。该密封机箱的散热方法不同于传统的标准ATR机箱，各个标准的模块插件的热量传递到模块自身冷板后，靠铜箔+柔性导热垫将热量传递到与之临近的各独立风道外表面。具有多个标准模块独立散热风道的密封机箱设计有针对每个模块插件的独立散热风道，风道占用机箱内的空间与各模块插件类似，风道的出风口和入风口分别位于机箱的左、右侧壁。风道的内表面沿出/入风口方向设计有一维阵列的散热翅片。通过对流风冷将传递到翅片上的热量带走。由于标准模块插件要频繁的拆卸和插接，所以在其冷板与各独立风道外表面之间需留有安装间隙，当模块插接到位后，需采用高导热的措施填充该间隙以方便热量传递。一种较简单的方法是采用柔性导热垫和铜箔配合使用的方法，使用铜箔的原因是导热垫在平面方法抗剪力较弱，多次插入后会造成导热垫沿径向撕裂，并且由于导热垫表面的摩擦力较大，多次插入会造成导热垫的固定位置移动，铜箔的表面较光滑，耐磨性较好，可以解决上述问题。对应标准电源这些不频繁拆卸的模块，导热垫+铜箔配合使用的方法即简洁又方便。由于柔性导热垫的自身的回弹性较差，针对频繁拆卸的模块而言，多次的挤压已经不能确保插件自身冷板与密封风道缝隙的良好填充。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种具有楔形块滑动接触行程的低热阻散热冷板。

技术方案

本发明的目的是标准印制板模块上芯片的热量以较低的热阻传递到具有多个独立散热风道的密封机箱的各个独立风道表面后，通过风冷进行散热。这种具备楔形块滑动接触行程的冷板填充在传统标准3U/6U模块冷板与机箱风道外表面之间，可以适应通用的标准模块插件频繁与母板安装于拆卸。

由具备接触斜面的冷板上滑块、冷板下滑块以及具备产生接触与锁紧力的锁紧螺钉组成。冷板盒体不仅预留与标准3U/6U模块冷板安装的平面与接口，同时还起到冷板上滑块、冷板下滑块与锁紧螺钉的安装固定于运动限位的功能。通过冷板盒体前、后端的转动固定孔与轴端挡圈，锁紧螺钉仅能在冷板盒体内转动，通过与冷板下滑块的螺旋副配合，圆周转动转换为冷板下滑块的水平直线运动，该水平直线运动通过冷板上滑块、冷板下滑块的楔形端面倾斜滑移后转换为冷板接触所需的竖直方向的移动。通过采用弹性带的预拉伸力将冷板下滑块始终保持在螺纹副的预紧防松状态，从而使冷板使滑块在接触行程范围内的任意位置始终保持锁紧防松状态，以抵抗来着外界的振动或冲击。

一种具有楔形块滑动接触行程的低热阻散热冷板，其特征在于包括冷板盒体、冷板下滑块、锁紧螺钉、冷板上滑块、弹性带、上封板和弹性轴端挡圈；冷板下滑块位于冷板盒体内，冷板上滑块位于冷板下滑块上，冷板上滑块与冷板下滑块为楔形块，两者的接触端面为斜面，冷板上滑块与散热模块接触的平面的窄边两端设有下沉的凹台阶，上封板位于凹台阶上；具有两端定位轴、中间螺纹轴的结构的锁紧螺钉首先穿过冷板盒体一端的定位销孔后，再与冷板下滑块螺纹副配合，然后再通过弹性轴端挡圈将其末端轴固定在冷板盒体另一端的定位销孔，冷板上滑块底端滑动斜面处预留有锁紧螺钉转动空间所需的半圆通槽；弹性带两端设计为薄板片结构，弹性带的一端靠卡槽内嵌在冷板盒体内侧端面内，另一端靠卡槽内嵌在冷板下滑块楔形斜面的窄端面内。

所述的冷板盒体、上封板、冷板上滑块和冷板下滑块的材料为表面设有陶瓷膜的镁合金。

所述的弹性带由0.2mm钢带叠制成型。

有益效果

本发明提出的一种具有楔形块滑动接触行程的低热阻散热冷板，该冷板用于具有多个标准模块独立散热风道的密封机箱，将标准CPCI/VPX插件冷板的热量以较低的热阻传递到密封独立的散热风道，该冷板替换了贴附在独立散热风道外表面的柔性导热垫+铜箔，具备反复拆卸性。该冷板可以安装在标准CPCI/VPX插件冷板上，也可以安装在具有多个标准模块独立散热风道的密封机箱的风道壁上。当重量受限时，也可以与标准CPCI/VPX插件冷板进行集成设计。

本发明解决了可频繁拆卸模块与密封风道之间热传递间隙的问题，冷板自身具备接触行程，当需要拆解间隙时，冷板自身结构滑动可产生装配间隙，当需填充热传导间隙时，冷板自身结构滑动可填充装配间隙，该冷板具备较低的热阻，热传导效率高。

附图说明

图1为一种具有楔形块滑动接触行程的低热阻散热冷板

图2为一种具有楔形块滑动接触行程的低热阻散热冷板的局部剖视图

图3为一种具有楔形块滑动接触行程的低热阻散热冷板的使用安装图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

冷板设计的发明点在于其在保持低热阻的前提下具备接触行程，并兼顾重量轻、尺寸小等优点。一种常见的处理方法类似标准模块插件两端安装的楔形块锁紧器，将螺旋副的传动转换为线性移动，并借助于楔形块的滑动产生垂直于螺旋副产生的线性方向的行程。

考虑到该冷板设计的通用性，冷板可安装到标准通用3U/6U插件模块上，或者与3U/6U插件模块集成设计在一起。考虑到针对不同印制板配对使用不同的模块插件，将该冷板独立设计可以降低成本，利用模块化生产。由于该冷板安装在标准机箱的插槽内，冷板的厚度受约束，尽量不能超过机箱上两个侧板的锁紧模块面的距离，结合CPCI或VPX母板在机箱上安装后其插槽相对于锁紧模块端面以及印制板插件正反面元器件的高度等具体尺寸，冷板自身厚度不超过8mm，滑动接触的行程最大0.5mm，所以该滑动接触行程冷板与机箱中独立风道的最大填充间隙8.5mm。

考虑到冷板的低热阻、高导热性要求，冷板的材料选用铜或者铝、镁等高导热的材料，铜的导热率虽然好，但是由于重量较重，若整个系统对重量有严格要求时，通常选用镁合金这种轻型材料，镁的导热系数和铝相当，但重量是铝的三分之二。另外使用镁合金时，零件加工完后需做维护氧化处理，目的是在镁合金的表面生产一层陶瓷膜。镁合金虽然轻，但是材料自身不耐腐蚀，长时间置于空气中容易氧化变灰，不经处理的镁合金在盐雾环境试验中腐蚀严重，经过微弧氧化后的镁合金，其导热性能几乎不受影响，但是环境适应性明显增强。整个冷板的外观颜色为黑色或深色，可从热辐射的角度增强冷板吸收机箱内热量的能力。

欲使冷板具备接触行程，冷板自身应为多滑块接触传递热量的结构形式，滑块应具备滑动功能，并且在滑动到位后(或滑动过程中任意位置)具备位置锁定功能，锁定后能承受一定的振动和冲击。考虑到整个滑块的低热阻要求，在热量传递的方向应为冷板截面的大面方向，欲使各接触的滑块能产生位移，则两个滑块的接触面应为斜面，并且接触斜面越光滑，两斜面的接触挤压力越大，两接触斜面越平整贴合，热传导的效率越高。两个斜面接触的滑块配合定位后，需要其中一个滑块产生水平位移后才能经接触斜面变换后产生垂直于该位移方向的竖直方向位移，产生水平位移的滑块的水平位移可由螺旋副完成，推动力采用螺纹旋紧的方法产生。

冷板产生接触行程与机箱散热面贴紧后，此时冷板应具备保持该接触行程的能力，否则经过振动或者冲击后，两接触面之间的压力可能会减小，从而会造成接触面贴合的不实而影响热传递的性能。所以在接触行程产生的初端或者行程产生的末端应有防松措施，设计该弹性防松零件时，应综合考虑弹性的压缩/拉伸力、压缩/拉伸行程、螺纹的预紧力、接触行程等边界条件，避免出现冷板接触行程到位后，弹性防松零件的压缩/拉伸预紧力不能达到螺纹防松的最小预紧力。采用传统的弹簧实现预紧力是常见的措施，考虑到冷板的厚度较小，理论计算出的拉簧尺寸不利于加工，故创新性地采取弹性带来实现上述预紧力。

冷板盒体1作为整个滑动接触行程冷板的载体，安装了冷板下滑块2、冷板上滑块4、锁紧螺钉3与弹性带5；采用上封板6将冷板上滑块4固定在冷板盒体1内，上封板6除具备将冷板盒体1封闭的功能，还具有进行冷板上滑块4锁紧行程的引导与限位的功能。具有两端定位轴、中间螺纹轴的结构的锁紧螺钉3首先穿过冷板盒体1前端的定位销孔后，再与冷板下滑块2螺纹副配合，然后再通过轴端挡圈7将其末端轴固定在冷板盒体1后端的定位销孔。具有锁紧防松性质的弹性带5的两末端分别固定在固定的冷板盒体1与可水平滑动的冷板下滑块2上。冷板下滑块2与冷板上滑块4组成楔形块端面滑动结构，两者的接触端面为具备倾角的斜面配合。冷板盒体1前、后两端面均设计有定位孔，锁紧螺钉3的末端采用轴端挡圈7固定在冷板盒体1的转动定位孔上，当锁紧螺钉3在冷板盒体内做螺旋副旋转运动时，冷板下滑块2产生水平运动力，从而使楔形接触面的冷板下滑块与冷板上滑块产生沿斜面方向的滑移，将水平位移转化为在竖直方向的冷板所需的接触位移。将弹性带5两末端设计为薄板片结构，这种薄板片分别卡入冷板盒体1与冷板下滑块2的安装卡槽后，再采用螺钉贯穿薄板的连接方式。这种将具备预拉伸力的薄板所采用的先卡入安装槽后螺纹固定的方法解决了使用传统拉伸弹簧尺寸较大并且拉簧两端固定挂钩需较大安装空间尺寸的问题。

参见图1，冷板盒体1是整个冷板内各零件的载体，并且担负着与标准模块插件冷板转接的作用。由于整个冷板靠滑动产生位移，所以冷板盒体的内腔加工的表面粗糙度有较高的要求(表面粗糙度≥3.2)。冷板盒体1还可以进行冷板下滑块2的运动约束，冷板下滑块2安装在冷板盒体的凹槽内，水平方向仅能进行给定约束内的直线滑动。

参见图2，冷板下滑块2的水平推力靠锁紧螺钉3完成，锁紧螺钉3目的是使锁紧力均匀、牢固、可靠。为便于方向描述，将锁紧螺钉3的轴线方向定义为水平方向，将与该方向垂直的方向且垂直于冷板盒体安装面的方向定义为垂直方向。锁紧螺钉的一端设计有与冷板盒体1配合的定位销，该定位销孔的目的是为了防止冷板下滑块2进行垂直方向的窜动，并引导其进行水平直线运动时与冷板盒体1底面良好贴合，冷板盒体1上加工有高精度的与锁紧螺钉3转动轴配合的定位孔，冷板下滑块2上加工有与锁紧螺钉3配合的螺纹孔，当旋转锁紧螺钉时，其产生水平直线位移推力并推动冷板下滑块2产生水平运动。锁紧螺钉3末端轴穿过冷板盒体对应的销孔，靠弹性轴端挡圈7固定在冷板盒体1上。该水平推力经斜面变换后产生冷板上滑块4的垂直推力的同时压紧弹性带5，冷板上滑块4同样具有较高的表面粗糙度(表面粗糙度≥3.2)，其受上封板6的约束后，只释放了垂直方向的自由度。冷板上滑块4的顶部平面为整个冷板与外界导热的接触面，顶部平面的窄边两端设计有下沉1mm的凹台阶，与上封板6配合使用，目的是防止冷板上滑块4从冷板盒体1中脱离出来，当整个冷板处于不锁紧的非工作状态时，此时冷板上滑块4和冷板下滑块2是分离的，冷板下滑块2靠冷板盒体1、锁紧螺钉3的定位销可以保持在相当稳定的位置，而冷板上滑块4的凹台阶与上封板6接触后亦可进行位置约束。叠制的弹性带5类似钟表的发条，拉伸后起到防松的功能。弹性带为0.2mm钢带叠制成型，其一端靠卡槽内嵌在冷板盒体1侧端面内，另外一端靠卡槽内嵌在冷板下滑块2楔形斜面的窄端面内。叠制的弹性带5两端的卡入面各设计有两直径2mm的通孔，通过安装在冷板下滑块2与冷板盒体1上的M1.6沉头螺钉实现弹性带5与冷板下滑块2、冷板盒体1的连接。这种弹性带的薄板卡入后采用螺钉贯穿的连接方式解决了拉伸弹簧两端固定的难题。由于弹性带5一直处于拉伸状态，不管冷板上滑块2处于任何行程位置，均能靠弹性带5的拉力保持与机箱的导热面的接触状态并具备抗振动和冲击的能力。

楔形面的倾角对整个冷板的大小与行程影响很大的关系，通常情况下，楔形面的倾角越大，接触斜面的面积越大，接触段的导热性能越好。但是过小的倾角会造成冷板在水平方向的尺寸较大，以至于整个冷板的尺寸较大。由于锁紧螺钉3的长杆需穿过冷板下滑块2和冷板上滑块4，需在两者的对称中心线位置加工通孔或通槽，较小的孔和槽不会对整个冷板的导热性能造成很大的影响。冷板上滑块4底端滑动斜面处预留有锁紧螺钉3转动空间所需的半圆通槽。

冷板下滑块可与标准印制板模块自身的芯片冷板集成设计在一起，集成设计后的冷板即具备转移印制板模块芯片热量的功能，又具备滑动接触行程，同时具备较低的接触热阻，可以在密封的环境下，进行大功率散热印制板与外界高效的热交换。

该具备接触行程的冷板具备通用性与模块化的特点，移植性很强。当产品有重量或尺寸要求时，该具备接触行程的冷板可与标准3U/6U模块冷板进行集成设计，将冷板盒体与标准3U/6U模块冷板融为一体。

Claims (3)

1.一种具有楔形块滑动接触行程的低热阻散热冷板，其特征在于包括冷板盒体(1)、冷板下滑块(2)、锁紧螺钉(3)、冷板上滑块(4)、弹性带(5)、上封板(6)和弹性轴端挡圈(7)；冷板下滑块(2)位于冷板盒体(1)内，冷板上滑块(4)位于冷板下滑块(2)上，冷板上滑块(4)与冷板下滑块(2)为楔形块，两者的接触端面为斜面，冷板上滑块(4)与散热模块接触的平面的窄边两端设有下沉的凹台阶，上封板(6)位于凹台阶上；具有两端定位轴、中间螺纹轴的结构的锁紧螺钉(3)首先穿过冷板盒体(1)一端的定位销孔后，再与冷板下滑块(2)螺纹副配合，然后再通过弹性轴端挡圈(7)将其末端轴固定在冷板盒体(1)另一端的定位销孔，冷板上滑块(4)底端滑动斜面处预留有锁紧螺钉(3)转动空间所需的半圆通槽；弹性带(5)两端设计为薄板片结构，弹性带(5)的一端靠卡槽内嵌在冷板盒体内侧端面内，另一端靠卡槽内嵌在冷板下滑块(2)楔形斜面的窄端面内。

2.根据权利要求1所述的一种具有楔形块滑动接触行程的低热阻散热冷板，其特征在于所述的冷板盒体(1)、上封板(6)、冷板上滑块(4)和冷板下滑块(2)的材料为表面设有陶瓷膜的镁合金。

3.根据权利要求1所述的一种具有楔形块滑动接触行程的低热阻散热冷板，其特征在于所述的弹性带(5)由0.2mm钢带叠制成型。