CN101540206B - 外压式低热阻可分离热沉结构 - Google Patents

Abstract

本发明外压式低热阻可分离热沉结构，包括热沉本体，热沉本体通过导热元件安装在热负载上，热负载上设置导热元件，其特征在于，热沉本体具有一空腔，其侧壁被切割成为多个弧面，弧面与弧面之间留有一定间隙，热沉本体的侧壁外表面设置弹簧，导热元件安装在热沉本体内，通过弹簧的形变挤压热沉本体，令热沉本体与导热元件紧密接触。本发明采用弹簧直接挤压热沉接触界面，将原有的多界面接触降低为单界面接触，降低了界面热阻，同时排除了对弹簧材料必须选用高热导率材料的限制，与常规的方法比较热沉的效率更高。

Description

外压式低热阻可分离热沉结构

技术领域

本发明涉及一种热负载和热沉可分离式的热沉结构。 

背景技术

在低温技术中，固体界面处热传导的性能决定于两接触界面的热阻。当两光滑的固体表面接触时，宏观上似乎可以接触的很好，但在显微镜下观察，光滑的表面并不平整，相互间只有少数的突起点接触，接触面积很小。所以实际上固体表面之间的热接触是很差的，即界面热阻很大。当接触面处在高真空环境中时，这一点尤为突出。在低温实验工作中，一些低温制冷设备中往往会在系统的中间温区设置热沉，利用中间温区的有效制冷功率使高温区的漏热通过一些热沉结构耗散掉，从而可以有效地降低室温对低温的传导、辐射漏热，更加有效的利用低温区的制冷功率。另一方面，对于低温区一些需要良好连接的固体界面而言，如果固体界面间的热阻过大，会使有限的制冷功率白白耗散在界面热阻上，不利于制冷功率的有效利用。所以尽可能降低固体界面接触热阻是低温工程中必须解决的问题之一。要改善固体表面之间的热接触，通常会采用加大接触压力、或增加有效接触面积的方法来降低热阻。具体的实践工作中，在接触面上镀金或涂铟、或者在接触面之间垫铟片，利用金、铟好的延展性填补固体界面的不平整表面，增加有效接触面积。对于低温下不需要拆卸的热沉连接而言，可以通过直接将热负载与热沉焊接在一起，或者把两个清洁光滑的镀金铜表面用螺丝压在一起，增加了接触面的接触压力。但是后者这种方法对于低温下需要拆卸、旋转的热沉连接是不适用的。针对可拆卸、旋转的要求，一些实验设计在两接触界面的中间插入镀金的弹簧作为中间介质，用弹簧挤压两边的镀金表面提高热导效率。一方面利用金的延展性加大接触面积，另一方面利用金的低温热导率比较高，可以在一定程度上降低界面热阻。一些商用仪器(例如：美国的quantum design公司生产的物性测量仪——PPMS)的可拆卸测试杆中的热沉设计就是采用这种结构。这种方法虽然比较方便，但也有它的缺陷。第一，通过镀金弹簧作为中间热传导介质，弹簧的整体热阻与两接触界面的热阻形成串联关系，镀金层的存在只能在有限的程度上降低弹簧的整体热阻；第二，对于经常拆卸的镀金部件，时间久了镀金层会渐渐脱落，而弹簧材料在低温下的热导都比较差，热负载与热沉之间的热阻会随镀金层的脱落变大，界面的热导变差。这种结构与镀金层厚度以及电镀的效果有直接的关系，使用寿命短。 

发明内容

本发明的目的在于改变传统的通过镀金弹簧即作为施压介质又作为传导介质的缺陷，提出了一种外压式低热阻可分离热沉结构。本发明设计的热沉结构能够减小热负载与热沉的之间的热阻，一方面可以将热负载上的热量通过热沉导出，降低热负载对低温部件的漏热；另一方面对于低温下需要良好热接触的低温部件而言，降低界面热阻也能够减小制冷功率在不必要热阻上的消耗，更加有效的利用低温区的制冷功率。 

为实现上述目的，本发明外压式低热阻可分离热沉结构：包括热沉本体，热沉本体通过导热元件安装在热负载上，热负载上设置导热元件，其特征在于，热沉本体具有一空腔，其侧壁被切割成多个弧面，弧面与弧面之间留有一定间隙，热沉本体的侧壁外表面设置弹簧，导热元件安装在热沉本体内，通过弹簧的形变挤压热沉本体，令热沉本体与导热元件紧密接触。 

所述热沉本体为薄壁柱体或椎体或台体结构，所述导热元件与热沉本体的空腔相配插装在热沉本体内。 

为了进一步实现本发明目的，所述的热沉本体的弧面数量、弧面之间的间隙由热沉本体的具体尺寸结构以及弹簧施加的压力共同决定，其原则是必须保证导热元件与热沉本体脱离后弧面仍具有一定的机械强度，能够承受弹簧的挤压，并保持微锥形结构。 

所述的热沉本体弧面中的任意一个弧面的根部至少有一个扇把与热沉本体连接。 

所述的热沉本体的侧壁外表面可机械加工成方形、半圆形或三角 形螺纹结构，用于安装、固定弹簧。 

所述热沉本体上还设置有低温介质。 

所述的低温介质为热导率高的金属材料，如无氧铜、紫铜、铝或者为低温液体。 

所述热沉本体材料为无氧铜或紫铜。 

所述导热元件为无氧铜材料。 

所述导热元件与热沉本体的接触界面的表面粗糙度≤1.6μm。 

所述的低温介质、热沉本体、导热元件的表面采用镀金处理。 

所述导热元件为圆柱体结构，在其顶端含有便于插入热沉本体的微锥形结构。 

所述弹簧的材料为在工作温度环境下仍具有弹性及强度要求的弹性材料，如锡磷青铜、铍青铜、不锈钢丝。 

所述的弹簧类型为可对热沉本体和紫铜块形成挤压的弹簧类型，如压缩、拉伸弹簧或者为钢带式弹性卡箍。 

所述的导热元件与热负载之间焊接相连或螺钉铆接。 

所述的低温介质与热沉本体为机械加工成的一体结构，或采用焊接方式、或采用螺钉铆接连接的一体结构。 

本发明采用弹簧直接挤压热沉接触界面，将原有的多界面接触降低为单界面接触，降低了界面热阻，同时排除了对弹簧材料必须选用高热导率材料的限制，使热沉接触界面热阻与弹簧材料的热导率无关，弹簧挤压力的大小决定了界面热阻，压力越大，界面热阻越小，与常规的方法比较热沉的效率更高。本发明提供的这种直接界面接触，低热阻、可拆卸、可旋转、热沉结构具有结构简单、加工方便、使用寿命长的特点。 

附图说明

图1为本发明实施例1中热沉结构示意图； 

图2为本发明实施例1中热沉的弧面示意图； 

图3为本发明实施例1中样品台的结构示意图； 

图4为本发明实施例1中低温样品台与低温冷头之间温差在不同温度下的变化曲线(在系统漏热、制冷功率恒定的情况下)； 

图5为本发明实施例2中热沉结构示意图； 

图6为本发明实施例3中热沉结构示意图； 

图7为本发明实施例3中弹性环箍的结构示意图； 

图8a为本发明实施例3中热沉结构处于室温环境中，在不同热负载情况下，热沉界面之间的温度差； 

图8b为本发明实施例3中热沉结构浸泡在液氮环境中，在不同热负载情况下，热沉界面之间的温度差。 

具体实施方式

实施例1： 

如图1所示，所述的一种外压式低热阻可分离热沉结构包括低温冷头1、低温样品测试台2和弹簧3三部分。低温冷头1相当于本发明中热沉本体与低温介质为一体的结构，其底部为具有薄壁弧面侧壁的圆柱形热沉结构(如图2所示)，低温冷头1底部的弧面侧壁4的内径为15.5毫米，壁厚0.5毫米，弧面侧壁高14毫米，并被线切割为四等分，弧面间的间距7小于0.2毫米，单个弧面结构只有一个扇把5，其长度为单个弧面底边长度的三分之一，高1毫米，弧面侧壁的外壁车出0.5×0.5毫米，螺距为1毫米的方形螺纹6；弹簧3的指标如下： 

弹簧材料：铍青铜丝 

型材直径d：1mm 

弹簧内经D2：17mm 

有效圈数N0：5 

节距t：1mm 

弹簧3按照热沉结构外壁的螺纹6旋入，使圆柱型热沉结构变成微锥形结构；样品测试台2的头部也为圆柱形型结构，与热沉结构的内径滑配，其顶端加工出3毫米长90度锥角的锥型结构(如图3所示)，方便低温样品测试台2插入低温冷头1的热沉结构中；低温样品台2插入低温冷头1底部的热沉结构后，使旋入弹簧后形成的微锥形结构恢复为圆柱形结构，弹簧3扩张产生更大的形变，从而形成对低温冷头1与低温样品台2接触界面的挤压；三件组成部件均为紫铜材料，并在表面镀有2微米金。在系统漏热、制冷量恒定的情况下，图4给出低温样品台2与低温冷头1之间温差在不同温度下的变化曲线。 

实施例2：低温设备中从室温延伸至低温的器件在中间温区的外 压式低热阻可分离热沉结构。 

如图5所示，所述的一种外压式低热阻可分离包括低温冷屏1、热沉本体2、紫铜块3、热负载4、弹簧5和螺钉6。热沉本体2的薄壁弧面侧壁结构与实例1中的低温冷头底部的薄壁弧面侧壁结构具有相同的尺寸规格，用螺钉6将热沉本体2的底盘与低温冷屏1铆接起来；热负载4与紫铜块3通过焊接或铆接的方式连接在一起；紫铜块3与热沉本体2表面镀2微米金；其它同实施例1。 

实施例3：使用钢带式弹性卡箍作为弹簧的外压式低热阻可分离热沉结构。 

如图6所示，所述的使用弹性环箍作为弹簧的外压式低热阻可分离热沉结构，包括热沉本体1、紫铜块2、热负载3、钢带式弹性卡箍4、热电偶5、热电偶6、加热丝7和绝热垫片8。热沉本体1的薄壁弧面侧壁结构与实施例1中的低温冷头底部的薄壁弧面侧壁结构相同，其内径为19毫米，壁厚0.5毫米，弧面高19毫米，扇把高1毫米，整个圆周4个弧面等分，弧面间距小于0.2毫米，弧面的外侧壁没有车出螺纹结构；钢带式弹性卡箍4(如图7)为锰钢材料，自由状态时内径18毫米，壁厚0.5毫米，高10毫米，紧套在热沉本体1的弧面侧壁外；紫铜块2与热沉本体1表面没有镀金；热电偶5的两个温度参考点分别固定在热沉本体1上和液氮中，确定其与液氮温度的差值；热电偶6的两个温度参考点分别固定在热沉本体1和紫铜块2上，确定紫铜块2与热沉本体1的温差；加热丝固定在紫铜块2上，用于模拟加热产生不同热负载状态；绝热垫片8放置在紫铜块2底面与热沉本体1之间，处于热沉本体1上扇把的位置，用于杜绝紫铜块2底面与热沉本体1的接触界面的热传导以及底部氮气气体的热传导；其它同实施例2。本实例是真实模拟本专利热沉结构的实验，并将此结构中的热沉本体2分别置于室温和液氮保温瓶中，图8a、8b给出此热沉结构在上述两种不同制冷状态下，热沉结构在有弹簧施压和无弹簧直接接触两种状态下，热沉界面之间的温度差随热负载不同而产生的变化。 

尽管上文对本发明的具体实施方式通过实例进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，本领域的技术人员可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和权利要求所记载的范围。 

Claims (13)

1.外压式低热阻可分离热沉结构，包括热沉本体，热沉本体通过导热元件安装在热负载上，热负载上设置导热元件，其特征在于，热沉本体具有一空腔，其侧壁被切割成多个弧面，弧面与弧面之间留有一定间隙，热沉本体的侧壁外表面设置弹簧，导热元件安装在热沉本体的空腔内，通过弹簧的形变挤压热沉本体，令热沉本体与导热元件紧密接触。

2.如权利要求1所述的外压式低热阻可分离热沉结构，其特征在于，所述热沉本体的弧面数量、弧面之间的间隙由热沉本体的具体尺寸结构以及弹簧施加的压力共同决定，保证导热元件与热沉本体脱离后侧壁的弧面仍具有一定的机械强度，能够承受弹簧的挤压，并保持微锥形结构。

3.如权利要求1所述的外压式低热阻可分离热沉结构，其特征在于，所述弧面中的任意一个弧面的根部至少有一个扇把与热沉本体连接。

4.如权利要求1所述的外压式低热阻可分离热沉结构，其特征在于，所述的热沉本体侧壁的外表面可机械加工成方形、半圆形或三角形螺纹结构。

5.如权利要求1所述的外压式低热阻可分离热沉结构，其特征在于，所述的热沉本体上还设置有低温介质，该低温介质为热导率高的金属材料。

6.如权利要求5所述的外压式低热阻可分离热沉结构，其特征在于，所述低温介质为无氧铜、紫铜、铝或者为低温液体。

7.如权利要求1所述的外压式低热阻可分离热沉结构，其特征在于，所述导热元件与热沉本体的接触界面的表面粗糙度≤1.6μm。

8.如权利要求5所述的外压式低热阻可分离热沉结构，其特征在于，所述的低温介质、热沉本体、导热元件的表面采用镀金处理。

9.如权利要求1所述的外压式低热阻可分离热沉结构，其特征在于，所述导热元件为圆柱体结构，在其顶端含一小段锥形。

10.如权利要求1所述的外压式低热阻可分离热沉结构，其特征在于，所述弹簧的材料为在工作温度环境下仍具有弹性及强度要求的弹性材料。

11.如权利要求10所述的外压式低热阻可分离热沉结构，其特征在于，

所述弹簧的材料为锡磷青铜、铍青铜或者不锈钢丝。

12.如权利要求1所述的外压式低热阻可分离热沉结构，其特征在于，所述的弹簧类型为可对热沉本体和导热元件形成挤压的弹簧类型。

13.如权利要求12所述的外压式低热阻可分离热沉结构，其特征在于，

所述的弹簧类型为压缩、拉伸弹簧或者为钢带式弹性卡箍。

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