Теплопроводящая панель для жидкостных систем охлаждения детекторных модулей и способ ее изготовления Российский патент 2023 года по МПК H05K7/20 

Изобретение относится к конструктивным элементам системы охлаждения современной полупроводниковой электроники. В настоящее время конструкции такого типа используются для отведения тепловой мощности с больших массивов монолитных активных пиксельных кремниевых детекторов внутренних трековых систем в экспериментах на коллайдерах.

Для термостабилизации детекторных модулей, созданных на базе монолитных активных пиксельных сенсоров, требуется создание теплопроводящих панелей небольшого веса из материалов с малым зарядовым числом (на базе углерода), отвечающих условиям минимизации многократного рассеяния регистрируемых заряженных частиц и увеличения радиационной прозрачности используемых детекторных систем. Требования минимизации веса теплопроводящий панели при сохранении высокой эффективности теплосъема требуют применения технических решений, использующих новейшие достижения в области композиционных материалов.

Известно техническое решение для отвода тепла внутренних трековых систем предыдущих поколений (D. Beavis et al., The STAR Heavy Flavor Tracker Technical Design Report, 2011), где присутствует только воздушное охлаждение. Одним из недостатков такого типа охлаждения является ограничение по величине отводимой тепловой мощности с элементов, испытывающих постоянные тепловые нагрузки. Ограничение связано с возможностью появления механических вибраций системы детекторов в случае увеличения скорости воздушного потока.

Другой метод охлаждения описывается в работе - Miljenko S. on behalf of the ALICE Collaboration, The Novel ALICE Inner Tracking System (ITS3) Based on Truly Cylindrical, Wafer-Scale Monolithic Active Pixel Sensors, JPS Conf. Proc. 34, 010011 (2021).

В данной конструкции охлаждение основной площади массивов пиксельных детекторов реализуется за счет воздушного охлаждения в сочетании с жидкостным традиционным отводом повышенной тепловой мощности с узких периферических областей сенсоров. Возможность прохождения принудительного потока воздуха между слоями сенсоров обеспечивается за счет использования разделительных прокладок из вспененного угля. Последние находятся в тепловом контакте с сенсорами и частично действуют как радиаторы. Основными недостатками такого технического решения является отсутствие общей конструктивной жесткости системы сенсоров вследствие низких механических свойств угольной пены и ограничения скорости воздушного потока, зависящие от пористости используемой угольной пены, что определяет ее коэффициент теплопроводности.

Наиболее близким к заявленному изобретению (прототип) являются теплопроводящие панели, описанные в работах: Zherebchevsky V.I et al, Experimental investigation of new ultra-lightweight support and cooling structures for the new Inner Tracking System of the ALICE Detector, JINST, 13 T08003, 2018 и В. Abelev, J. Adam, S.N. Igolkin, G.A. Feofilov, V.I. Zherebchevskii, et. al., Technical design report for the upgrade of the ALICE inner tracking system, Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, Volume 41, Issue 8, 2014, 087002.

Эти теплопроводящие панели предназначены для охлаждения детекторных модулей (состоящих из монолитных активных пиксельных сенсоров), формирующих цилиндрические слои новой Внутренней Трековой Системы эксперимента ALICE на Большом Адронном Коллайдере в ЦЕРН.

Теплопроводящие панели Внутренней Трековой Системы эксперимента ALICE изготовлены с применением материалов с малым зарядовым числом (на базе углерода) и состоят из слоя жесткой углекомпозитной подложки, углеволокна высокой теплопроводности, покрытой с двух сторон угольным флисом и системы активного теплосъема с использованием жидкостной системы охлаждения. Для прокачки хладагента вдоль теплопроводящий панели, используются полиамидные трубки, находящиеся в тепловом контакте с теплопроводящий панелью. Поверх полиамидных трубок и теплопроводящей панели, находится слой угольной бумаги с теплопроводностью λ=1500 Вт/м⋅°С в продольном сечении и 5 Вт/м⋅°С в поперечном и слой угольного флиса.

Углеволокно в теплопроводящей панели позволяет передавать тепло от периферии теплопроводящей панели к полиамидным трубкам. Для достаточной передачи тепла от полиамидных трубок с хладагентом к периферии, в теплопроводящий панели использовалось специальное углеволокно K13D2U производства фирмы Мицубиси с высоким коэффициентом теплопроводности вдоль углеволокна (λ=800 Вт/м⋅°С). Детектирующие устройства, вырабатывающие тепло, приклеены к наружной плоскости теплопроводящий панели.

Недостатком указанной выше конструкции панели, принятой нами за прототип, является недостаточно эффективный теплосъем. Кроме того, теплопроводящее углеволокно K13D2U недоступно для поставки в РФ.

Задачей изобретения является изготовление теплопроводящей панели из доступных материалов, а также повышение эффективности теплосъема при сохранении прочности и небольшого веса.

Решение технической задачи, достигается за счет того, что слой углеволокна имеет теплопроводность от λ=155,6 Вт/м⋅°С до λ=800 Вт/м⋅°С, кроме того, в структуру дополнительно введен слой угольной бумаги с теплопроводностью λ=1500 Вт/м⋅°С в продольном сечении и 20 Вт/м⋅°С в поперечном направлении.

Предложен также способ изготовления теплопроводящей панели для жидкостных систем охлаждения. Вначале изготавливают жесткую углекомпозитную подложку: на лист угольного флиса, перпендикулярно продольной оси укладывают углеволокно с теплопроводностью от λ=155,6 Вт/м⋅°С до λ=800 Вт/м⋅°С, пропитанное клеем, и закрывают листом угольного флиса. Сборку обжимают до момента склеивания угольного флиса и углеволокна. Полученную сборку нарезают по направлению волокон на заготовки; эти заготовки полимеризуют при температуре 120°С, в течении 9 ч. Затем на одной из сторон матрицы изготавливают теплопроводящую панель: на одной из частей матрицы последовательно укладывают жесткую углекомпозитную подложку покрытую слоем компаунда холодного отверждения и слой угольной бумаги, который также покрывают тонким слоем компаунда. На другой части матрицы с канавками изготавливают верхнюю часть теплопроводящей панели: последовательно укладывают в виде полосок заготовки угольного флиса и угольной бумаги пропитанные компаундом; напротив канавок укладывают полиамидные трубки системы охлаждения с технологическими вставками внутри; полиамидные трубки размещают в канавки; затем верхнюю и нижнюю части матрицы обжимают до момента склеивания и оставляют на время до полной полимеризации компаунда при комнатной температуре. После цикла полимеризации из полиамидных трубок извлекают технологические вставки, теплопроводящую панель извлекают из матрицы, очищают от облоя полимеризованного компаунда и подрезают в размер.

Перечень фигур.

Фиг. 1 Трехмерная конструкция модели с разнесенными составными элементами:

1 - Углекомпозитная подложка, обеспечивающая жесткость конструкции. На поверхность углекомпозитной подложки монтируются детекторные модули;

2 - Слой угольной бумаги с высокой теплопроводностью. Обеспечивает передачу тепла от детекторов к теплопроводящему элементу.

3 - Полиамидные трубки системы охлаждения, по которым прокачивается хладагент.

4 - Верхняя часть теплопроводящей панели, состоящая из слоя угольной бумаги, угольного флиса и полиамидных трубок, обеспечивающая передачу тепла от углекомпозитной подложки со слоем угольной бумаги к полиамидным трубкам системы охлаждения.

Фиг. 2 - Фотография теплопроводящий панели с интегрированной системой жидкостного охлаждения (слева) и углекомпозитной подложки (справа).

Фиг. 3 - Состав теплопроводящий панели.

1 - Углекомпозитная подложка, обеспечивающая жесткость конструкции. На поверхность углекомпозитной подложки монтируются детекторные модули;

2 - Слой угольной бумаги с высокой теплопроводностью. Обеспечивает передачу тепла от детекторов к теплопроводящему элементу.

3 - Полиамидные трубки системы охлаждения, по которым прокачивается хладагент.

4 - Верхняя часть теплопроводящей панели, состоящая из слоя угольной бумаги, угольного флиса и полиамидных трубок, обеспечивающая передачу тепла от углекомпозитной подложки со слоем угольной бумаги к полиамидным трубкам системы охлаждения.

5 - Угольный флис.

6 - Углеволокно, подготовленное к формовке, пропитанное клеем.

Фиг. 4 - График средних температур на каждом из нагревателей на теплопроводящей панели: изготовленном в ЦЕРНЕ (а), изготовленная в ОИЯИ (б) при одинаковых условиях измерения, где по оси X - номер нагревателя, где измерялась температура, по оси Y - температура (°С).

Фиг. 5 - Фотография экспериментальной установки теплопроводящий панели с пятью нагревательными элементами (в), имитирующие 196 микросхем MAPS, для проведения термогидравлических испытаний.

7 - Нагревательный элемент (г)

Осуществление изобретения

Теплопроводящую панель изготавливают следующим образом.

Предварительно изготавливается элемент жесткости углекомпозитной подложки: на лист угольного флиса, перпендикулярно продольной оси укладывается доступное углеволокно M55J с λ=155,6 Вт/м⋅°С, пропитанное клеем, производства НИИКАМ и закрывается листом угольного флиса. Сборка обжимается до момента склеивания угольного флиса и углеволокна. Далее лист нарезается перпендикулярно углеволокну на заготовки нужной длины и ширины. Эти заготовки полимеризуются в матрице в соответствии с техническими рекомендациями производителя углеволокна M55J пропитанного клеем при температуре 120°С, в течении 9 ч.

На другой матрице изготавливается теплопроводящая панель за один цикл: на нижней (плоской) части приспособления последовательно укладывается жесткая углекомпозитная подложка покрытая слоем компаунда холодного отверждения (состоящий из эпоксидной смолы, отвердителя и тиксотропа) и слой угольной бумаги DSN5032 с теплопроводностью λ=20 Вт/м⋅°С в поперечном направлении, который также покрывается тонким слоем компаунда. На другой части матрицы с канавками под трубки, последовательно укладываются в виде полосок заготовки угольного флиса и угольной бумаги пропитанные клеевым компаундом. Напротив канавок укладываются полиамидные трубки системы охлаждения с технологическими вставками внутри. Полиамидные трубки аккуратно вдавливаются в канавки. Далее, верхнюю часть матрицы укладывают на нижнюю таким образом, чтобы элемент углекомпозитной подложки располагался напротив верхней части теплопроводящей панели. Верхнюю и нижнюю части обжимают до момента склеивания и оставляют на время до полной полимеризации компаунда при комнатной температуре. После цикла полимеризации из полиамидных трубок извлекают технологические вставки, теплопроводящую панель извлекают из матрицы, очищают от остатков полимеризованного компаунда и подрезают в размер.

Для регулировки температуры происходит подача воды в виде «петлевой» схемы в полиамидные трубки: два канала соединены вместе на одном конце теплопроводящий панели петлей, а на другом конце расположены вход и выход хладагента.

Работа устройства.

Для проведения термогидравлических испытаний теплопроводящей панели был создан экспериментальный стенд. На стенде использовано пять нагревателей, имитирующих 196 микросхем MAPS, в которых нагревательный элемент был сделан из нихромовой проволоки (Фиг. 4), с шириной - 3,4±0,1 см, длиной - 29,3±0,1 см и толщиной равной 0,8±0,1 см. Имитаторы рассеивали тепловую мощность равной 40 мВт/см².

Измерение температуры производились с помощью ИК-камеры VarioCAM HD headsl. В процессе измерения в настройке камеры устанавливались текущие параметры температуры окружающей среды и проверялась корректность температурных измерений с помощью термопар.

Испытания показали, что предлагаемая теплопроводящая панель более эффективно осуществляет теплосъем по сравнению с прототипом при одинаковых условиях измерения. Результаты измерения показаны на графике средних температур на каждом из нагревателей на теплопроводящей панели, изготовленной в ЦЕРНЕ (а), и предлагаемой, изготовленной в ОИЯИ (б) при одинаковых условиях измерения (Фиг. 4). При использовании углеволокна с теплопроводностью выше λ=155,6 Вт/м⋅°С с дополнительно введенным слоем угольной бумаги с теплопроводностью λ=20 Вт/м⋅°С в поперечном направлении, эффективность теплосъема увеличивается.

Теплопроводящая панель, изготовленная в ОИЯИ, имеет разницу в весе со сравниваемым прототипом на 0,9%, в большую сторону, что является несущественной разницей для задач реализуемой установки. Предлагаемые теплопроводящие панели предназначены для охлаждения детекторных модулей (состоящих из монолитных активных пиксельных сенсоров), формирующих цилиндрические слои новой Внутренней Трековой Системы эксперимента MPD (Multi-Purpose Detector) на ускорительном комплексе NICA (Nuclotron based Ion Collider fAcility) Объединенного института ядерных исследований (Дубна, Россия).

Также, такая теплопроводящая панель может быть использована не только для охлаждения сборок детекторных модулей, но также для охлаждения отдельных микросхем.

Теплопроводящая панель для жидкостных систем охлаждения детекторных модулей и способ ее изготовления относятся к конструктивным элементам системы охлаждения современной полупроводниковой электроники. Теплопроводящая панель для жидкостных систем охлаждения детекторных модулей состоит из слоистой структуры в виде жесткой углекомпозитной подложки, которая представляет собой слой углеволокна между двумя слоями угольного флиса и систему теплосъема в виде полиамидных трубок для прокачки хладагента вдоль теплопроводящий панели. Трубки покрыты слоем угольной бумаги и слоем угольного флиса. Изобретение позволяет повысить эффективность теплосъема при сохранении прочности и небольшого веса. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

1. Теплопроводящая панель для жидкостных систем охлаждения детекторных модулей, состоящая из слоистой структуры в виде жесткой углекомпозитной подложки, которая представляет собой слой углеволокна между двумя слоями угольного флиса и систему теплосъема в виде полиамидных трубок для прокачки хладагента вдоль теплопроводящей панели, трубки покрыты слоем угольной бумаги и слоем угольного флиса, отличающаяся тем, что слой углеволокна имеет теплопроводность от λ=155,6 Вт/м⋅°С до λ=800 Вт/м⋅°С, а угольная бумага теплопроводность λ=20 Вт/м⋅°С в поперечном направлении, кроме того, в структуру дополнительно введен слой угольной бумаги.

2. Способ изготовления теплопроводящей панели для жидкостных систем охлаждения, заключающийся в том, что вначале изготавливают жесткую углекомпозитную подложку: на лист угольного флиса перпендикулярно продольной оси укладывают углеволокно с теплопроводностью от λ=155,6 Вт/м до λ=800 Вт/м⋅°С, пропитанное клеем, и закрывают листом угольного флиса; сборку обжимают до момента склеивания угольного флиса и углеволокна; полученную сборку нарезают по направлению волокон на заготовки; эти заготовки полимеризуют при температуре 120°С в течение 9 ч; затем на одной из сторон матрицы изготавливают теплопроводящую панель: на одной из частей матрицы последовательно укладывают жесткую углекомпозитную подложку, покрытую слоем компаунда холодного отверждения, и слой угольной бумаги, который также покрывают тонким слоем компаунда; на другой части матрицы с канавками изготавливают верхнюю часть теплопроводящей панели: последовательно укладывают в виде полосок заготовки угольного флиса и угольной бумаги, пропитанные компаундом; напротив канавок укладывают полиамидные трубки системы охлаждения с технологическими вставками внутри; полиамидные трубки размещают в канавки; затем верхнюю и нижнюю части матрицы обжимают до момента склеивания и оставляют на время до полной полимеризации компаунда при комнатной температуре; после цикла полимеризации из полиамидных трубок извлекают технологические вставки, теплопроводящую панель извлекают из матрицы, очищают от облоя полимеризованного компаунда и подрезают в размер.