專利名稱：外壓式低熱阻可分離熱沉結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種熱負載和熱沉可分離式的熱沉結構。
背景技術：
在低溫技術中，固體界面處熱傳導的性能決定于兩接觸界面的熱 阻。當兩光滑的固體表面接觸時，宏觀上似乎可以接觸的很好，但在 顯微鏡下觀察，光滑的表面并不平整，相互間只有少數的突起點接觸， 接觸面積很小。所以實際上固體表面之間的熱接觸是很差的，即界面 熱阻很大。當接觸面處在高真空環境中時，這一點尤為突出。在低溫 實驗工作中， 一些低溫制冷設備中往往會在系統的中間溫區設置熱沉， 利用中間溫區的有效制冷功率使高溫區的漏熱通過一些熱沉結構耗散 掉，從而可以有效地降低室溫對低溫的傳導、輻射漏熱，更加有效的 利用低溫區的制冷功率。另一方面，對于低溫區一些需要良好連接的 固體界面而言，如果固體界面間的熱阻過大，會使有限的制冷功率白 白耗散在界面熱阻上，不利于制冷功率的有效利用。所以盡可能降低 固體界面接觸熱阻是低溫工程中必須解決的問題之一。要改善固體表 面之間的熱接觸，通常會采用加大接觸壓力、或增加有效接觸面積的 方法來降低熱阻。具體的實踐工作中，在接觸面上鍍金或涂銦、或者 在接觸面之間墊銦片，利用金、銦好的延展性填補固體界面的不平整 表面，增加有效接觸面積。對于低溫下不需要拆卸的熱沉連接而言， 可以通過直接將熱負載與熱沉焊接在一起，或者把兩個清潔光滑的鍍 金銅表面用螺絲壓在一起，增加了接觸面的接觸壓力。但是后者這種 方法對于低溫下需要拆卸、旋轉的熱沉連接是不適用的。針對可拆卸、 旋轉的要求， 一些實驗設計在兩接觸界面的中間插入鍍金的彈簧作為 中間介質，用彈簧擠壓兩邊的鍍金表面提高熱導效率。 一方面利用金 的延展性加大接觸面積，另一方面利用金的低溫熱導率比較高，可以
在一定程度上降低界面熱阻。 一些商用儀器(例如美國的quantumdesign公司生產的物性測量儀——PPMS)的可拆卸測試桿中的熱沉設 計就是采用這種結構。這種方法雖然比較方便，但也有它的缺陷。第 一，通過鍍金彈簧作為中間熱傳導介質，彈簧的整體熱阻與兩接觸界 面的熱阻形成串聯關系，鍍金層的存在只能在有限的程度上降低彈簧 的整體熱阻；第二，對于經常拆卸的鍍金部件，時間久了鍍金層會漸 漸脫落，而彈簧材料在低溫下的熱導都比較差，熱負載與熱沉之間的 熱阻會隨鍍金層的脫落變大，界面的熱導變差。這種結構與鍍金層厚 度以及電鍍的效果有直接的關系，使用壽命短。
發明內容
本發明的目的在于改變傳統的通過鍍金彈簧即作為施壓介質又作 為傳導介質的缺陷，提出了一種夕卜壓式低熱阻可分離熱沉結構。本發明設 計的熱沉結構能夠減小熱負載與熱;冗的之間的熱阻， 一方面可以將熱負載上 的熱量通過熱沉導出，1^氐熱負^^f低溫部件的漏熱；另一方面對于^i顯下 需要良好熱接觸的^;顯部件而言，F科&界面熱阻也能夠減小制冷功率在不必
阻上的消耗，更加有效的利用低溫區的制冷功率。
為實現上述目的，本發明外壓式低熱阻可分離熱沉結構包括熱 沉本體，熱沉本體通過導熱元件安裝在熱負載上，熱負載上設置導熱 元件，其特征在于，熱沉本體具有一空腔，其側壁為多個扇形構成， 扇形與扇形之間留有一定間隙，熱沉本體的側壁外表面設置彈簧，導 熱元件安裝在熱沉本體內，通過彈簧的形變擠壓熱沉本體，令熱沉本 體與導熱元件緊密接觸。
所述熱沉本體為薄壁柱體或推體或臺體結構，所述導熱元件與熱 沉本體的空腔相配插裝在熱沉本體內。
為了進一步實現本發明目的，所述的熱沉本體側壁扇形結構的扇 葉數量、扇葉之間的間隙由熱沉本體的具體尺寸結構以及彈簧施加的 壓力共同決定，其原則是必須保證導熱元件與熱沉本體脫離后側壁的 扇形仍具有一定的機械強度，能夠承受彈簧的擠壓，并保持^t錐形結 構。
所述的熱沉本體側壁的扇形中的任意一個扇葉的根部至少有一個 扇4巴與熱沉本體連接。所述的熱沉本體側壁的外表面可機械加工成方形、半圓形或三角 形螺紋結構，用于安裝、固定彈簧。
所述熱沉本體上還設置有低溫介質。
所述的低溫介質為熱導率高的金屬材料，如無氧銅、紫銅、鋁或 者為低溫液體。
所述熱沉本體材料為無氧銅或紫銅。 所述導熱元件為無氧銅材料。
所述導熱元件與熱沉本體的接觸界面的表面粗糙度《1.6fxm。 所述的低溫介質、熱沉本體、導熱元件的表面采用鍍金處理。 所述導熱元件為圓柱體結構，在其頂端含有便于插入熱沉本體的 微錐形結構。
所述彈簧的材料為在工作溫度環境下仍具有彈性及強度要求的彈 性材料，如錫磷青銅、鈹青銅、不銹鋼絲。
所述的彈簧類型為可對熱沉本體和紫銅塊形成擠壓的彈簧類型， 如壓縮、拉伸彈簧或者為鋼帶式彈性卡箍。
所述的導熱元件與熱負載之間焊接相連或螺釘鉚^接。
所述的低溫介質與熱沉本體為機械加工成的一體結構，或采用焊 接方式、或采用螺釘鉚接連接的一體結構。
本發明采用彈簧直接擠壓熱沉接觸界面，將原有的多界面接觸降 低為單界面接觸，降低了界面熱阻，同時排除了對彈簧材料必須選用 高熱導率材料的限制，使熱沉接觸界面熱阻與彈簧材料的熱導率無關， 彈簧擠壓力的大小決定了界面熱阻，壓力越大，界面熱阻越小，與常 規的方法比較熱沉的效率更高。本發明提供的這種直接界面接觸，低 熱阻、可拆卸、可旋轉、熱沉結構具有結構簡單、加工方便、使用壽 命長的特點。
圖1為本發明實施例1中熱沉結構示意圖2為本發明實施例1中熱沉側壁的扇形結構示意圖3為本發明實施例1中樣品臺的結構示意圖；；
圖4為本發明實施例1中低溫樣品臺與低溫冷頭之間溫差在不同溫
5度下的變化曲線(在系統漏熱、制冷功率恒定的情況下)；
圖5為本發明實施例2中熱沉結構示意圖6為本發明實施例3中熱沉結構示意圖7為本發明實施例3中彈性環箍的結構示意圖8a為本發明實施例3中熱沉結構處于室溫環境中，在不同熱負 載情況下，熱沉界面之間的溫度差；
圖8b為本發明實施例3中熱沉結構浸泡在液氮環境中，在不同熱 負載情況下，熱沉界面之間的溫度差。
具體實施例方式
實施例1:
如圖1所示，所述的一種外壓式低熱阻可分離熱沉結構包括低溫冷 頭1 、低溫樣品測試臺2和彈簧3三部分。低溫冷頭1相當于本發明中 熱沉本體與低溫介質為 一體的結構，其底部為具有薄壁扇形側壁的圓 柱形熱沉結構(如圖2所示)，低溫冷頭1底部的扇形側壁4的內徑為 15.5毫米，壁厚0.5毫米，扇形側壁高14毫米，并^f皮線切割為四等分， 扇葉間的間距7小于0.2毫米，單個扇形結構只有一個扇把5，其長度 為單個扇形底邊長度的三分之一，高1毫米，扇形側壁的外壁車出0.5 x 0.5毫米，螺距為1毫米的方形螺紋6;彈簧3的指標如下
彈簧材料《波青銅絲
型材直徑d: lmm
彈簧內經D2: 17mm
有效圈ftN0: 5
節距t: lmm
彈簧3按照熱沉結構外壁的螺紋6旋入，使圓柱型熱沉結構變成微錐 形結構；樣品測試臺2的頭部也為圓柱形型結構，與熱沉結構的內徑 滑配，其頂端加工出3毫米長90度錐角的錐型結構(如圖3所示)， 方^f更低溫樣品測試臺2插入低溫冷頭1的熱沉結構中；4氐溫樣品臺2 插入低溫冷頭1底部的熱沉結構后，使旋入彈簧后形成的孩么錐形結構 恢復為圓柱形結構，彈簧3擴張產生更大的形變，從而形成對低溫冷 頭1與低溫樣品臺2接觸界面的擠壓；三件組成部件均為紫銅材料，
6統漏熱、制冷量恒定的情況下，圖4給 出低溫樣品臺2與低溫冷頭1之間溫差在不同溫度下的變化曲線。
實施例2 :低溫設備中從室溫延伸至低溫的器件在中間溫區的外 壓式低熱阻可分離熱沉結構。
如圖5所示，所述的一種外壓式低熱阻可分離包括低溫冷屏1、熱 沉本體2、紫銅塊3、熱負載4、彈簧5和螺釘6。熱沉本體2的薄壁 扇形側壁結構與實例1中的低溫冷頭底部的薄壁扇形側壁結構具有相 同的尺寸規格，用螺釘6將熱沉本體2的底盤與低溫冷屏1鉚接起來； 熱負載4與紫銅塊3通過焊接或鉚接的方式連接在一起；紫銅塊3與 熱沉本體2表面鍍2微米金；其它同實施例1 。
實施例3:使用鋼帶式彈性卡箍作為彈簧的夕卜壓式低熱阻可分離熱 沉結構。
如圖6所示，所述的使用彈性環箍作為彈簧的夕卜壓式低熱阻可分離 熱沉結構，包括熱沉本體l、紫銅塊2、熱負載3、鋼帶式彈性卡箍4、 熱電偶5、熱電偶6、加熱絲7和絕熱墊片8。熱沉本體l的薄壁扇形 側壁結構與實施例1中的低溫冷頭底部的薄壁扇形側壁結構相同，其 內徑為19毫米，壁厚0.5毫米，扇葉高19毫米，扇葉把高1毫米，整 個圓周4個扇葉等分，扇葉間距小于0.2毫米，扇葉結構的外側壁沒有 車出螺紋結構；鋼帶式彈性卡箍4 (如圖7)為錳鋼材料，自由狀態時 內徑18毫米，壁厚0.5毫米，高10毫米，緊套在熱沉本體l的扇形側 壁外；紫銅塊2與熱沉本體1表面沒有鍍金；熱電偶5的兩個溫度參 考點分別固定在熱沉本體1上和液氮中，確定其與液氮溫度的差值； 熱電偶6的兩個溫度參考點分別固定在熱沉本體1和紫銅塊2上，確 定紫銅塊2與熱沉本體1的溫差；加熱絲固定在紫銅塊2上，用于模 擬加熱產生不同熱負載狀態；絕熱墊片8放置在紫銅塊2底面與熱沉 本體l之間，處于熱沉本體1上扇^^位置，用于杜絕紫銅塊2底面與 熱沉本體1的接觸界面的熱傳導以及底部氮氣氣體的熱傳導；其它同 實施例2。本實例是真實模擬本專利熱沉結構的實驗，并將此結構中的 熱沉本體2分別置于室溫和液氮保溫瓶中，圖8a、 8b給出此熱沉結構 在上述兩種不同制冷狀態下，熱沉結構在有彈簧施壓和無彈簧直接接 觸兩種狀態下，熱沉界面之間的溫度差隨熱負載不同而產生的變化。
7說明，但應該指明的是，本領域的技術人員可以對上述實施方式進行 各種改變和修改，但這些都不脫離本發明的精神和權利要求所記載的 范圍。
權利要求
1.外壓式低熱阻可分離熱沉結構，包括熱沉本體，熱沉本體通過導熱元件安裝在熱負載上，熱負載上設置導熱元件，其特征在于，熱沉本體具有一空腔，其側壁為多個扇形構成，扇形與扇形之間留有一定間隙，熱沉本體的側壁外表面設置彈簧，導熱元件安裝在熱沉本體內，通過彈簧的形變擠壓熱沉本體，令熱沉本體與導熱元件緊密接觸。
2. 如權利要求1所述的外壓式低熱阻可分離熱沉結構，其特征在于，所 述熱沉本體側壁的扇葉數量、扇葉之間的間隙由熱沉本體的具體尺寸 結構以及彈簧施加的壓力共同決定，保證導熱元件與熱沉本體脫離后 側壁的扇形結構仍具有一定的機械強度，能夠承受彈簧的擠壓，并保 持微錐形結構。
3. 如權利要求1所述的外壓式低熱阻可分離熱沉結構，其特征在于，所 述熱沉本體側壁的扇形中的任意一個扇葉的根部至少有一個扇把與 熱沉本體連接。
4. 如權利要求1所述的外壓式低熱阻可分離熱沉結構，其特征在于，所 述的熱沉本體側壁的外表面可機械加工成方形、半圓形或三角形螺紋 結構。
5. 如權利要求1所述的外壓式低熱阻可分離熱沉結構，其特征在于，所 述的熱沉本體上還設置有低溫介質，該低溫介質為熱導率高的金屬材 料，如無氧銅、紫銅、鋁或者為低溫液體。
6. 如權利要求1所述的外壓式低熱阻可分離熱沉結構，其特征在于，所 述導熱元件與熱沉本體的接觸界面的表面粗糙度《1.6nm。
7. 如權利要求1所述的外壓式低熱阻可分離熱沉結構，其特征在于，所 述的低溫介質、熱沉本體、導熱元件的表面采用鍍金處理。
8. 如權利要求1所述的外壓式低熱阻可分離熱沉結構，其特征在于，所 述導熱元件為圓柱體結構，在其頂端含一小,殳錐形。
9. 如權利要求1所述的外壓式低熱阻可分離熱沉結構，其特征在于，所 述彈簧的材料為在工作溫度環境下仍具有彈性及強度要求的彈性材 料，如錫磷青銅、鈹青銅、不銹鋼絲。
10. 如權利要求1所述的外壓式低熱阻可分離熱沉結構，其特征在于，所 述的彈簧類型為可對熱沉本體和導熱元件形成^P壓的彈簧類型，如壓縮、拉伸彈簧或者為鋼帶式彈性卡箍。
全文摘要
本發明外壓式低熱阻可分離熱沉結構，包括熱沉本體，熱沉本體通過導熱元件安裝在熱負載上，熱負載上設置導熱元件，其特征在于，熱沉本體具有一空腔，其側壁為多個扇形構成，扇形與扇形之間留有一定間隙，熱沉本體的側壁外表面設置彈簧，導熱元件安裝在熱沉本體內，通過彈簧的形變擠壓熱沉本體，令熱沉本體與導熱元件緊密接觸。本發明采用彈簧直接擠壓熱沉接觸界面，將原有的多界面接觸降低為單界面接觸，降低了界面熱阻，同時排除了對彈簧材料必須選用高熱導率材料的限制，與常規的方法比較熱沉的效率更高。
文檔編號G12B15/00GK101540206SQ20091008211
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月15日 優先權日2009年4月15日
發明者張殿琳, 潔 樊, 蘇少奎 申請人:中國科學院物理研究所