CN106537069A - 包括碳纳米管电连接件的低温组件 - Google Patents

Abstract

低温组件包括被配置成支撑至少一个电子部件的平台。制冷机热连接至该平台以将该平台冷却至低温温度。真空单元包括包围被配置成容纳该平台的腔的壳体。该真空单元被配置成将该腔与周围环境气体周围热绝缘。至少一个连接器被配置成将电信号从电源传送至该低温组件。该连接器包括在传送该电信号的同时抑制进入该低温组件的热流的至少一个碳纳米管连接件。

Description

包括碳纳米管电连接件的低温组件

背景技术

本公开内容总体上涉及低温超导体组件，并且更具体地涉及被配置成将电信号路由到低温组件的电连接件。

正在寻求低温组件以容置超导部件和电路。当置于低温条件下时，超导电路和部件与常规半导体部件相比提供显著的(例如，大约10倍至20倍)性能提升。为了实现该性能提升，必须维持低温组件内的低温温度。

图1示出了常规低温组件10的示例。常规低温组件10通常包括制冷机12和真空组件14。制冷机12与平台16热连通，并进行操作以将平台16冷却至低温温度。真空组件14进行操作以对被设计成容纳平台16的腔18进行热绝缘。传感器20布置在腔18内并输出指示腔18的内部温度的温度信号。制冷机12接收该温度信号并进行操作以将平台16保持在设定的低温温度。因此，例如，必须通过增加制冷机12的输出功来补偿进入真空组件14和/或腔18的任何寄生热通量。因此，寄生热通量减小了常规低温组件10的总效率。

寄生热通量侵入真空组件14的最大因素之一是电连接器22，电连接器22将电信号(比如，作为例子的电力和控制信号)传递到安装在真空组件(即杜瓦瓶)内部的电子器件。然而，电连接器22的一个或更多个电线24具有导热性，并且通常在传送电力和/或电信号时散发热(T1)。因此，寄生热通量能够经由电线24进入真空组件14。因此，当进入真空组件14的寄生热通量增加时，制冷机12的功耗和输出功增加。

发明内容

根据一个实施例，低温热流降低组件包括平台和壳体，该平台被配置成支撑至少一个电子部件，该壳体限定其中布置该平台的腔。壳体被配置成使腔与周围环境气体热绝缘，使得该腔保持在低温温度。低温热流降低组件还包括被配置成传送来自壳体外部的源的电信号的至少一个连接器。该至少一个连接器包括至少一个碳纳米管连接件，该至少一个碳纳米管连接件在传送该电信号的同时抑制进入该腔的热流。

根据另一实施例，连接器包括至少一个传导元件，该至少一个传导元件包括被配置成接收电信号的第一端以及被配置成将该电信号输出至低温组件的第二端。连接器还包括插设于第一端与第二端之间的至少一个碳纳米管连接件。至少一个碳纳米管连接件被配置成在维持第一端与第二端之间的电导率的同时抑制前往第二端的热流。

根据又一实施例，一种提高低温组件的功率效率的方法包括将电信号输出至电连接器的第一部分。该电信号引起通过该电连接器的第一部分的热流。该方法还包括抑制该热流流向该电连接器的第二部分，其中电连接器的该部分存在于低温温度下。该方法还包括将电信号传送至电连接器的第二部分。第二部分电连接至低温组件，使得功率效率得到提高。

另外的特征通过本发明的技术来实现。本文详细地描述本发明的其他实施例和特征，并将其视为要求保护的本发明的一部分。请参照说明书和附图以更好地理解本发明及其特征。

附图的若干个视图的简要说明

为了更完整地理解本公开内容，现结合附图和具体实施方式，参照以下简要说明，在附图中相同的附图标记表示相同的部件：

图1是示出常规低温组件的框图；

图2是示出根据示例性实施例的低温组件的框图；

图3是示出铜(Cu)、康铜及碳纳米管材料的直流(DC)传导率的表格；

图4A至图4C是示出CNT材料的热绝缘性能的表格；

图5A是绘制掺杂CNT材料在较低温度下的热导率的线形图；

图5B是示出掺杂CNT材料的热导率的表格；

图6是示出CNT元件的电阻的线形图；以及

图7是示出根据非限制性实施例的提高低温组件的功率效率的方法的流程图。

具体实施方式

应当注意，在以下描述及附图(其内容通过引用的方式包括在本公开中)中阐述了元件之间的各种连接。应当注意，除非另外说明，否则这些连接通常可以是直接的或者间接的，且本说明书并不意在对这方面做出限制。在这方面，实体之间的耦接可以指直接连接或间接连接中任一连接。应当理解，在整个附图中，相应的附图标记表示相同的或相应的部件和特征。本文所使用的术语“模块”、“单元”和/或“元件”可以形成为处理电路系统，该处理电路系统可以包括专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或更多个软件或固件程序的存储器以及处理器(共享、专用或组)、组合逻辑电路和/或提供所描述的功能的其他合适的部件。

根据非限制性实施例，提供了一种低温组件，该低温组件包括向该低温组件提供电力和/或其他电信号的一个或更多个导电体。导电体包括形成在其中的一个或更多个碳纳米管(CNT)连接件，该一个或更多个CNT连接件减小进入该低温组件的寄生热流，同时仍然向该低温组件提供足够的用以传送电力和/或信号的传导率。也就是说，CNT连接件可以形成在连接器的低温侧(例如，设置在真空单元内)以在传递电力和电信号的同时阻挡进入低温组件的热流。CNT连接件提供了驱动低温组件所需的较低的总功率要求。因此，可以减小低温组件的总体尺寸、重量和功耗(SWaP)。

参照图2，示出了根据示例性实施例的低温组件100。低温组件100包括制冷机102、真空单元104以及电子电力控制模块106。制冷机102热连接至平台105并进行操作以将平台105冷却至大约120K或更低的低温温度。

电子电力控制模块106经由一个或更多个连接器112电连接至真空单元104。例如，根据实施例，电子电力控制模块106可以被配置成电源。每个连接器112可以包括一个或更多个导电元件114，比如作为例子的铜电线114。导电元件114的第一端连接至电子电力控制模块106而第二端连接至真空单元104。以这种方式，导电元件114，即铜电线114将来自电子电力控制模块106的电力和/或控制信号传送至真空单元104。导电元件114中的一个或更多个还具有导热性并且可以在传送来自电力控制模块106的电力和/或电信号时散发热(T1)。

真空单元104包括限定腔109的热屏蔽108，腔109被配置成容纳平台105。根据实施例，电子电力控制模块106向真空单元104提供电力。真空单元104继而进行操作以使腔109与周围的外部环境温度热绝缘，使得平台105保持在期望的低温温度。传感器110布置在腔109内并输出指示腔109的内部温度的温度信号。制冷机102基于该温度信号进行操作以将平台105冷却在期望的低温温度。

连接器112包括一个或更多个CNT连接件116。CNT连接件116包括例如以纱线状排列彼此缠绕的多个碳纳米管。根据实施例，所述碳纳米管包括例如形成为基体材料的半导体和金属纳米管的组合。在低温温度(例如，约120K或更低)下，碳纳米管的热流显著减小(例如与环境室温下的热流相比为X％)，同时碳纳米管的导电性仍然存在。以这种方式，CNT连接件116可以阻挡进入低温组件100的热流，同时仍然传递由电力控制模块106所传送的电力和信号，下文将更详细地讨论。

可以使用例如电镀和焊接工艺将CNT连接件116接合在一个或更多个导电元件114的各部分之间。与导电元件114同轴(in-line)地插入或接合CNT连接件116的区段(section)使电阻损耗最小化并提供显著的热绝缘，使得进入真空单元104的低温界面的热流得到抑制。可以将一个或更多个CNT连接件116的输出连接至平台105和/或由平台支撑的装置。根据实施例，CNT连接件116的长度可以为例如约0.002英寸(1.0毫米)或者更小。然而，该长度并不限于此并且可以增加。对于不能接受短长度的CNT连接件116的应用，可以增加CNT连接件116的直径以降低减小的电导率的影响。根据实施例，CNT连接件116的直流(DC)电导率在室温下约为铜的1/200。然而，当传导段(segment)117与相应的导电元件114(例如铜电线)的直接连接至电子电力控制模块106的剩余部分之间接合非常短的区段时，CNT连接件116仍然可以以最小化的损耗来传导电力和其他信号。

由于热能主要通过被大幅减小的声子(而非电子)相互作用在基体材料中移动，从而CNT连接件116的热导率显著地降低。因此，CNT连接件116的热导率低于导电元件114的热导率。这些性质结合在一起使得CNT电线连接件116能够传导电信号，同时抑制通过其中的热流。因此，与CNT电线连接件116接合的传导段117的温度(T2)低于直接连接至电力控制模块106的导电元件114的温度(T1)。由于导电元件114(例如铜电线)通常引起进入常规低温组件中的最高热流，因此本公开内容的至少一个实施例包括CNT连接件116，该CNT连接件116引起较低的制冷机功率要求，同时仍然实现期望的低温温度。

将一个或更多个CNT连接件116用作阻挡沿着电线的热流(即热流)的热绝缘体所实现的在低温温度下显著的且意想不到的热导率的减小，使得低温组件100能够具有减小的总体尺寸、重量和功率(SWaP)。以这种方式，改善了制冷机功率效率(即，保持腔109和/或平台105的期望低温温度所需要的功率量)。此外，具有增大的功率效率结合减小的热寄生行为的紧凑型制冷机可以使得实现跨多个平台(例如地面、船、空中和太空)的超导电子器件。

参照图3，表格示出了铜(Cu)、康铜及碳纳米管材料的DC传导率。如图3进一步所示，CNT材料相对于铜和康铜具有显著减小的热导率，同时仍然提供导电性。CNT材料的热导率和电导率二者均由室温(RT)测量推导得出。现转到图4A至图4C，对CNT材料的热绝缘性能进行更加详细的描述。参照图4A，示出了实现0.001瓦特(Watt)热流限制所需的铜、康铜和CNT材料的长度。因此，实现0.001W的热流所需要的CNT材料的量显著更少。

参照图4B，示出了0.5英寸长的铜、康铜和CNT材料的热流。如所示，CNT材料相对于铜和康铜提供显著更少的热流。

参照图4C，示出了与三种电线/连接件组合对应的热流。包括10英寸铜电线和0.5英寸铜连接件的第一电线/连接件的热流为40W。包括10英寸康铜电线和0.5英寸康铜连接件的第二电线/连接件的热流为0.016W。包括10英寸铜电线和0.5英寸CNT连接件的第三电线/连接件的热流为0.0067W。

可以使用下述方程(1)来计算以上所讨论的热流：

Q＝K*A*ΔT/L (1)，

其中

Q＝热流；

K＝传导材料的热导率常数；

A＝传导材料的横截面积；

ΔT＝传导材料的温差；以及

L＝导体的长度。

转到图5A至图5B，示出了掺杂CNT材料在低温温度下的绘制的热导率。参照图5A，线形图示出了碳纳米管片材的热导率。在这个示例中，碳纳米管片材根据温度掺杂例如硼。转到图5B，表格示出硼(B)掺杂的CNT材料的热导率与公知的热绝缘材料相当，该公知的热绝缘材料包括但不限于空气、气凝胶、聚氨酯泡沫和玻璃纤维。因此，可以理解，CNT材料的热导率与若干种公知的热绝缘体相当，同时还提供通过常规的公知热绝缘体材料所不能实现的提供高导电率的另外的特征。

参照图6，线形图示出重复暴露于液氮后的CNT元件的电阻。当CNT元件冷却至低温温度时，它继续显示显著的电导率。CNT元件例如长8英寸并且直径为0.010英寸。

现转向图7，流程图示出根据非限制性实施例的提高低温组件的功率效率的方法。该方法开始于操作700，在操作702处将电信号传送至电连接器的第一部分。根据实施例，电子电力控制模块将电力信号输出至连接器的第一部分。该电信号引起通过该电连接器的第一部分的热流。在操作704处，抑制热流流向电连接器的第二部分。根据实施例，一个或更多个碳纳米管连接件插设于连接器的第一部分与第二部分之间。在操作706处，将电信号传送至电连接器的第二部分，同时阻挡热流。根据实施例，连接器的第二部分电连接至低温组件，使得在操作708处将电信号传送至低温组件，然后方法在操作710处结束。以这种方式，阻挡了寄生热流进入低温组件，使得低温组件的功率效率得到提高。

所附权利要求中所有装置或步骤以及功能元素的相应结构、材料、动作和等同物旨在包括用于与具体要求保护的其他要求保护的元素组合来执行功能的任何结构、材料或动作。已经出于说明和描述的目的呈现了本发明的说明书，但是这并不意在是无遗漏的或者受限于以所公开的形式的本发明。在不背离本发明的范围和精神的条件下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。选择和描述这些实施例是为了最好地解释本发明的原理和实际应用，并且使得本领域的其他普通技术人员能够理解本发明的适合于构想的特定用途的具有各种修改的各种实施例。

虽然已经描述了本发明的各种实施例，但是应当理解，本领域的技术人员现在和将来都可以做出落入所附权利要求的范围内的各种修改和改进。这些权利要求应被解释为维持对首次描述的本发明的恰当保护。

Claims (20)

1.一种低温热流降低组件，包括：

平台，所述平台被配置成支撑至少一个电子部件；

壳体，所述壳体限定其中布置所述平台的腔，所述壳体被配置成使所述腔与周围环境气体热绝缘，使得所述腔保持在低温温度；以及

至少一个连接器，所述至少一个连接器被配置成传送来自所述壳体外部的源的电信号，所述至少一个连接器包括至少一个碳纳米管连接件，所述至少一个碳纳米管连接件在传送所述电信号的同时抑制进入所述腔的热流。

2.根据权利要求1所述的低温组件，还包括：

制冷机，所述制冷机包括耦接至所述壳体的真空单元，并且被配置成将所述腔冷却至所述低温温度，其中，所述至少一个连接器包括具有第一热导率的第一部分和具有第二热导率的第二部分，所述第二热导率低于所述第一热导率。

3.根据权利要求2所述的低温组件，还包括：

电子电力控制模块，所述电子电力控制模块被配置成产生电力，其中，所述至少一个连接器包括电连接至所述电子电力控制模块的第一端和电连接至所述真空单元的第二端。

4.根据权利要求3所述的低温组件，其中，所述连接器的第一端被配置成散发第一温度并且所述连接器的第二端被配置成散发第二温度，所述第二温度低于所述第一温度。

5.根据权利要求4所述的低温组件，其中，所述至少一个连接器包括插设于所述第一端与所述第二端之间的至少一个碳纳米管连接件，所述至少一个碳纳米管连接件被配置成在向所述第二端传送电信号的同时抑制前往所述第二端的热流。

6.根据权利要求5所述的低温组件，其中，所述连接器还包括：

至少一个传导元件，所述至少一个传导元件包括电连接至所述电子电力控制模块的第一元件端和位于所述第一元件端的相对侧的第二元件端；

所述至少一个碳纳米管连接件具有电连接至所述第二元件端的第一纳米管端和位于所述第一纳米管端的相对侧的第二纳米管端；以及

至少一个传导段，所述至少一个传导段具有电连接至所述第二纳米管端的第一段端和电连接至所述真空单元的低温界面的第二段端。

7.根据权利要求6所述的低温组件，其中，所述至少一个传导元件具有所述第一热导率，并且其中，所述至少一个碳纳米管连接件具有所述第二热导率。

8.根据权利要求7所述的低温组件，其中，所述至少一个传导元件布置在所述真空单元的低温界面内。

9.一种连接器，包括：

至少一个传导元件，所述至少一个传导元件包括被配置成接收电信号的第一端和被配置成将所述电信号输出至低温组件的第二端；以及

至少一个碳纳米管连接件，所述至少一个碳纳米管连接件插设于所述第一端与所述第二端之间，所述至少一个碳纳米管连接件被配置成在保持所述第一端与所述第二端之间的电导率的同时抑制前往所述第二端的热流。

10.根据权利要求9所述的连接器，其中，所述至少一个传导元件具有第一热导率，并且所述至少一个碳纳米管连接件具有第二热导率，所述第二热导率低于所述第一热导率。

11.根据权利要求10所述的连接器，其中，所述至少一个传导元件被配置成散发第一温度并且所述至少一个碳纳米管连接件被配置成散发第二温度，所述第二温度低于所述第一温度。

12.根据权利要求11所述的连接器，其中，所述至少一个碳纳米管连接件具有电连接至所述至少一个传导元件的元件端的第一纳米管端和位于所述第一纳米管端的相对侧的第二纳米管端，并且其中，所述连接器还包括：

至少一个传导段，所述至少一个传导段具有电连接至所述第二纳米管端的第一段端和被电配置成输出至少一个电信号的第二段端。

13.根据权利要求12所述的连接器，其中，所述至少一个传导元件具有所述第一热导率，并且所述至少一个碳纳米管连接件具有所述第二热导率。

14.根据权利要求13所述的连接器，其中，所述至少一个传导元件是金属电线。

15.一种提高低温组件的功率效率的方法，所述方法包括：

将电信号输出至电连接器的第一部分，所述电信号引起通过所述电连接器的第一部分的热流；

抑制所述热流流向所述电连接器的第二部分，所述电连接器的第二部分存在于低温温度下；以及

将所述电信号传送至所述电连接器的第二部分，所述第二部分电连接至所述低温组件，使得所述功率效率得到提高。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括：

将电信号输出到至少一个传导元件的第一端，所述电信号引起通过所述至少一个传导元件的所述热流；

将所述电信号传送至至少一个碳纳米管连接件，所述至少一个碳纳米管连接件电连接至所述至少一个传导元件的第二端；以及

经由所述至少一个碳纳米管连接件抑制通过所述至少一个传导元件的热流以减小所述低温组件中的寄生热流。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括：通过所述碳纳米管连接件传送所述电信号，同时阻挡通过所述碳纳米管连接件的热流。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：通过所述碳纳米管连接件将所述电信号传送至传导段，所述传导段具有连接至所述碳纳米管连接件的第一端和连接至所述低温组件的第二端。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括：从所述至少一个传导元件散发第一温度并且从所述传导段散发第二温度，所述第二温度低于所述第一温度。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第一温度基于所述至少一个传导元件的第一热流并且所述第二温度基于所述碳纳米管连接件的第二热流，所述第二热流小于所述第一热流。