[发明专利]外压式低热阻可分离热沉结构

说明书

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。