Микротеплообменник Советский патент 1991 года по МПК F28F3/00 

Изобретение относится к криоэлектронике, в частности к устройствам для криостатирования микроэлектрон- ньгх приборов на осново полупрояг дн: - ков и высокотемпературных сверхпроводников.

Целью изобретения является FOF - - шение надежности микротеплоооменнн ка при одновременном упрощении его изготовления.

На фиг. 1 изображен микротеплообменник производительностью 100 мВт; на фиг. 2 - ми ротеплообменник производительностью 50 мВт; на фиг, 3 - микротеплообменник производительностью 15Э мВт дисковой конструкции

Микротеплообменник включает каналы 1 прямого потока, дросселирующее устройство 2„ канал 3 обратного потока хладагента, резервуар 4 и плату 5, выполненную из стекла.

Микротеплообменник работает следующим образом.

Ь nf огт :йтсм случае реализации цикла Хэмпспча на вход каналов 1 пряного потока подается язот (или другой .1 - fнт) ьол давчением 40- 700 Si. Пт-.ойдя каналы прямого пото- va I дротг)пмр 11псе устройство 2, газ охллкгагт ч я счет эффекта Лжо- ;лч-т,,и1 он-. т озвращанщийся по обратному каналу поток хладагента за гчет теплоотдачи охлаждает вновь поступяюпче порции хладагента в ка- рячсто потока вплоть до полу - чени /- -f - oi i , скапливающейся п езс-рг.учрг 4 Лспользование теплооб- м ьчнког; г ШНРИЯОЙ 20-50 мкм и глуб;| пй ыкм позволяет nonv- чать СО- ч.. с. хтдопроизводитель- ностью я.- ;0 f-Нт п расходом хладагента до 0, 2 т М Р; .

Пример 1. Мнкротеплообменник хл тдонр товодительностыо 100 мВт О гнг. I) включает в себя плату 5 из стекпа РПЗМ--РОМ 10x50x0,7 мм, на од«ЙЕС-%. Ю

ЈЯ

Зг«гкгаь

ной стороне которой нанесены каналы 1 и 3 прямого и обратного потока, дросселирующее устройство 2 и резер вуар 4 для хладагента. Плата соединена с крышкой (не обозначена) из стек- ла того же размера слоем силиконового эластомера толщиной порядка 10 мкм. Указанный эластомер представляет собой продукт термического отверждени композиции, содержащей фторсилоксано- вый каучук с показателем преломления 1,39 и вулканизирующий агент указанной общей формулы, где R - СН2СНгСР3; а 0,25; Ъ 0,1; с 0,05; d 0,6; х « 12, а соотношение каучука и вулканизирующего агента составляет 1:1. Содержание катализатора Спайера в композиции.1 мас.%. При давлении азота на входе 150 атм и расходе 0,7 л/мин микротеплообменник обеспечивает температуру охлаждаемой поверхности платы л/105 К. Теплообменник выдерживает без изменения параметров 250 термоциклов (-176)-(+25)°С.

Пример 2. Микротеплообменник хладопроизводителъностью 50 мВт (фиг. 2) состоит из двух плат 5 н 6 с каналами 1 и 3, дросселирующего

Ю

3

устройства 2, резервуара 4 с отверстиями для входа и выхода хладагента и крышки. Размеры плат 5 и 6 (и крышки) 4x30x0,3 мм. Каналы 1 прямого потока нанесены на одну плату, дросселирующее устройство 2, резервуар 4 и каналы 3 обратного потока - на другую. Потоки сообщаются через сквозные отверстия (не обозначено) в верхней плате. Платы и крышка соединены слоем эластомера толщиной 5 мкм. Состав композиции клеевого слоя: каучук с показателем преломления 1,43, вулканизирующий агент с R - а 0,4; b 0,35; с 0,1; d s 0,15; х 8. Соотношение каучук:вулканизирующий агент 7:1, содержание комплексного катализатора 0,5 мас.%. При давлении азота на входе 120 атм и расходе 0,3 л/мин температура охлаждаемой части поверхности плат достигает 90 К. Теплообменник выдерживает 250 термоциклов 5

(-196)-(+25)°С.

Пример 3. Микротеплообменник хладопроизводительностью 150 мВт (фиг. 3) дисковой конструкции. Теплообменник собран из трех дисков 7-9. Диаметр дисков 20 мм. толщина 0,5 мм. На одном нанесены каналы 1 прямого потока, дросселирующее уст4

5

5

0

5

5

0

5

5

ройство 2, резервуар 4 и отверстие для прохода потока, на другом - каналы обратного потока и отверстие для прохода хладагента, третий диск служит крыш ой. /{иски соединены слоями эластомера толщиной 7 мкм. Состав композиции:каучук с показателем преломления 1,41, вулканизирующий агент с R - ОЦ, а 0,33; b 0,22; с - 0,008; d 0,37; х 10. Соотношение каучук:вулканизирующий агент 13:1, содержание катализатора Спай- ера 0,75 мас.%. При давлении аргона на входе 200 атм и расходе 2 л/мин температура подложки 90 К. Теплообменник выдерживает 250 термоциклов (-186)-(+25)°С.

Пример 4. Микротеплообменник, аналогичный примеру 2. Показатель преломления каучука 1,42; R - СгН5, а 0,4; b 0,35; с 0,1; d 0,15; х 8. Соотношение :вулканизирующий агент 7:1, содержание катализатора Спайера 0,8 мас.%. При давлении азота на входе 120 агм и расходе 0,3 л/мин температура охлаждаемой поверхности платы 90 К. Теплообменник выдерживает 250 гермоцнк- лов (-196)-(ч-25)°С.

Микротеплообменник изготавливают следующим образом. Ия платы иэстеклэ наносят слой стойкого к абразивной обработке резиноподобного фоторезиста, экспонируют и проявляют рисунок каналов, дросселя и других элементов теплообменника. Затем поверхность плат обрабатывают струей сжэтого воздуха, содержащего порошок окиси алюминия размером 17-27 мкм. После сформирования каналов согласно рисунку пленку резиста удаляют. Каналы имеют глубину от 2 до 100 мкм. В композицию, содержащую фторсилоксаиояый каучук и фторсилоксановый вулканизуюгцнй агент, вводят платиновый катализатор (например, катализатор Спайера или комплексное соединение платины эмпирической формулы C,iZHM$N6OgFt в количестве 0,5-1 мас.%, 0,00005- 0,0001% в пересчете на платину) и тщательно перемешивают. Для получения рабочего раствора, обеспечивающего требуемую толщину слоя эластомера, полученную композицию разбавляют в соотношении 1:4 толуолом. При нанесении исходной композиции на плату с целью недопущения затекания полимера п каналы операцию проводят в

516

два приема. Снач-ыа ТОЛУОЛЬНЫЙ раствор наносят с пгмогтью центрифуги а вспомогательную подложку из металлической фольги. Затем композицию с

этой подложки перемачивают на рабочую плату. На платы - подложки, не несущие рельефного рчсунка, полимерный слой наносят центрифугированием. После этого платы соединяют и подвер гают термообработке, поднимая температуру в течение чясл до 250°С и выдерживают р течение 5 ч с последующим инерционным охлаждением. Готовый микротеплообменник устлнавливпют в рабочую систему.

Выбор пределов napaneipoH обусловлен следуюпимн эксперимент атьно установленными данными. Пределы измене

ния показателя гпгломчения каумгка (лр) 1,340-1,430 pvi ncioni onrним в качестве раднкллоп в тмпг пин гетерозпеньгв полнлимгтчлснпокгачо- вой пепн СЧгСНгПЦ, (гН5, (6,- охватывают интервал одержанип указачнпч гетероэпеньеп порядка 11,3-12,5 пас. оптимальный с точм1 зрения прочности элястомера. Выход за нижний речел п(т.е. содержания гетерозненъон.) приводит к образованию эластомера с достаточно высохли ()-(-40) С температурой кристаллизации, что отрицательно сказывается на надежности теплообмг)1ника. Выход ча верхний

70

предел п.р приводит к г1 шегтпгнному снижению прочности склейки, что также недопус гиноЛГарамстры вулканизующего агента обусловлены следуюм,и- ми данными. При а 0,25 недопито t пая про иость гклоньн, при Р 0,4 начинается вылеление попорола, олас станов гся пористым, нате/июг i падает. Параметр 0,1 1 0 35 ОТР

70

стченен ча совпал пне n, t тупука и вулканнтнруюгпего агента (г,с. за их совместимость) , При b « О, 1 порышаст ся (в отрицательной огласти) температура кристаллизации, что неприемле мо, при Ь 0,35 супегтвенно снижается прочность склейки. Параметр 0,05 с Ј0,1 ответственен за прочность этастомера на разрыв, особенно в отрицательной ооласти температур. При с С 0,05 впияние этого звена в цепи эластомера практически не прояв ляется, при с 0,1 теряется эластичность, материал охрупчивается. Параметр 0,15 ,6 ответственен за эластомерные свойства сшитого

мат°ргг,пт. При ,15 падает члас- тичность, чтс, отрг цятепьно сказынае - ся на на,г,ь но -ти теплообменниког при ррРоте в условиях многократного термоциюшровання, при ,6 по ы- шается темперагура кристаллизации. Пока- ятр.п олиг-омррногти гйуслоялинррт т юлогичность изго- товге -нч г°ппг бменннков и их над- - юсть. При пепн вулкани- эисую-дгто агентч мата, стнтыГ, матери,- т жесток, на х- ,™ охрупчивается. х 12 подрастает вязкость вуг- КсЧП знруюпРГ агента, что делает ппак тически нсвг1 № ной гомогриизацию гмгсн и пол (ние rrpvKTypno ОДНОРОД - HOI о мптерНссла, В обоих случаях угул шпптся прочноеТ1гые свойства м НЭДРЖ-- ность ГКЛРПКИ. Отношение каучука ч вулканизируя ч го агента определяет лрочногтчыг спойства склейки. При со- с т птениях меньше 1:1 гшнтый материал теряет эластомооные свойства, охруч- чивается и на холоду отрывается от п- лложкн. При сочтнолгениях бпльые 13. материал изпнмне тлагтомерен, что ЗЧТ ДНЯРТ сГорку тсппооСменника . При ныбор( вопичины соотношения VMVK : B i лк.1нчзиручогр1й агент исполь ni 1ЯИЛ1 ачтибатнооти значений х и i mire-nun : en n nie x, тем меньпю го/трржялис чаучука в гмесн слепует Hf по ч.чо;т i , р члоборот. Оптнмлчу-- нпми цЦсчч1 коэффициентов яппялт- ся:а О,; 1, - 0,3; с - 0,05; J 0.35: 10, а соотношения ка- V4VK : т vjiKr )I I,IIH агент ,5:1. гг- стпнм, гоот НР- -П i yiortnc отьм- MV, печнвяют ос т тточно высокую адгезионную I -чОГРЗИО |ЦуЮ СТОЙКОСТЬ СКЛР

4jiaro .oro чолп .г ) (2 МПЛ при комнат1 чч температупе) . .Укачаччь-н чгтс: питч ofnirio: широким интервало рабочих т niirna yp (-200-250 Г), в КОТОРОМ он и пгне впполнчет свои Фул/ции. Рмсоклч термостойкость его сутествры о различные мои- тажно-экспг/чтанионные технгпогиче. кие о; ррами с мнкротепгюобпенникоь- связа нме с тегмообработкой (пайка сварка лано- огне ппгпок).

Микрот -ппооСмегник обладает пысо кои надол х гы1,прост в изго говпении.

Форм, л л

обретен

Микропч плгпбмспник, включающий по крайней море одну п-чту с каналами для хладагента, подложку для охлаждаемого устройства и слой полимерного материала, соединяющий указанные платы и подложку, отличающий-, с я тем, что, с целью повышения надежности устройства при одновременном упрощении изготовления микротеплообменника, указанный слой выполнен из термоотверидаемого силиконового эластомера на основе низкомолекуляр- ного силоксанового каучука с показателем преломления 1,390-1,430 и вулканизирующего агента общей формулы

Изобретение относится к крио- электронике, в частности к устройствам для криостатировакия микро-- электронных приборов на основе по лутфопг ;,..-o.i i пмсокотемпературнчх гверхппопог: КОР. Пелъ изобретения повыше ч ; нпде ности микротеплообг н- нига при опноргЈ1Менном упрощении сi о изготовпсния. Теплообменник состоит из платы с каналами для хладагента, подложки для i-TcroytaeMoro устройстгя и глоя полимерного материала, coep.t.- 11яч ги-го ука -1. и подложку. Полимерный материал выполнен из моптв зр к,аемого силиконового эласто- игрл НсЧ . , ITU- ичзкомолекулярного сипоксанового каучука с показателеь прело -поння 1,90-1,430 и пулканизу- - I. агента , 3 чг .

(CH jSioffcii WsioyRCCH sidJ fsiOz CHOzSiqjj- siCCH,),

где R - CHjiCH CF,;

а 0,25-0,4;

Ъ 0,1-0,35;

с - 0,05-0,1;

d 0,15-0,6;

PlM 1

х 8-12,

причем a+b+c+d 1, при этом соотношение каучука и вулканизирующего агента выбрано в пределах 1-13:1.

/

/

X

Фиг. ,г