RU2806879C1 - Heat-conducting panel for liquid cooling systems of detector modules and method of its manufacturing - Google Patents

Heat-conducting panel for liquid cooling systems of detector modules and method of its manufacturing Download PDF

Info

Publication number
RU2806879C1
RU2806879C1 RU2022117973A RU2022117973A RU2806879C1 RU 2806879 C1 RU2806879 C1 RU 2806879C1 RU 2022117973 A RU2022117973 A RU 2022117973A RU 2022117973 A RU2022117973 A RU 2022117973A RU 2806879 C1 RU2806879 C1 RU 2806879C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
heat
carbon
layer
conducting panel
fleece
Prior art date
Application number
RU2022117973A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Туяна Зоригтоевна Лыгденова
Алексей Леонидович Воронин
Владимир Иосифович Жеребчевский
Сергей Николаевич Иголкин
Юрий Андреевич Мурин
Григорий Александрович Феофилов
Original Assignee
Объединенный Институт Ядерных Исследований (Оияи)
Filing date
Publication date
Application filed by Объединенный Институт Ядерных Исследований (Оияи) filed Critical Объединенный Институт Ядерных Исследований (Оияи)
Application granted granted Critical
Publication of RU2806879C1 publication Critical patent/RU2806879C1/en

Links

Abstract

FIELD: heat-conducting panel.
SUBSTANCE: heat-conducting panel for liquid cooling systems of detector modules and the method of its manufacture are among the structural elements of the cooling system of modern semiconductor electronics. The heat-conducting panel for liquid cooling systems of detector modules consists of a layered structure in the form of a rigid carbon composite substrate, which is a layer of carbon fiber between two layers of carbon fleece and a heat removal system in the form of polyamide tubes for pumping coolant along the heat-conducting panel. The tubes are covered with a layer of charcoal paper and a layer of charcoal fleece.
EFFECT: invention makes it possible to increase the efficiency of heat removal while maintaining strength and low weight.
2 cl, 5 dwg

Description

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.The invention relates to structural elements of a cooling system for modern semiconductor electronics. Currently, designs of this type are used to remove thermal power from large arrays of monolithic active pixel silicon detectors of internal tracking systems in collider experiments.

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.For thermal stabilization of detector modules created on the basis of monolithic active pixel sensors, it is necessary to create light-weight heat-conducting panels from materials with a low charge number (carbon-based) that meet the conditions for minimizing multiple scattering of detected charged particles and increasing the radiation transparency of the detector systems used. The requirements for minimizing the weight of heat-conducting panels while maintaining high heat removal efficiency require the use of technical solutions that use the latest advances in the field of composite materials.

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.There is a known technical solution for heat removal of internal track systems of previous generations (D. Beavis et al., The STAR Heavy Flavor Tracker Technical Design Report, 2011), where only air cooling is present. One of the disadvantages of this type of cooling is the limitation on the amount of thermal power removed from elements experiencing constant thermal loads. The limitation is due to the possibility of mechanical vibrations of the detector system if the air flow speed increases.

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).Another cooling method is described in the work - 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.In this design, cooling of the main area of the pixel detector arrays is realized through air cooling in combination with liquid traditional removal of increased thermal power from narrow peripheral areas of the sensors. The possibility of forced air flow between the layers of sensors is ensured through the use of foamed carbon separating gaskets. The latter are in thermal contact with the sensors and partially act as radiators. The main disadvantages of this technical solution are the lack of overall structural rigidity of the sensor system due to the low mechanical properties of carbon foam and limitations in air flow speed, depending on the porosity of the carbon foam used, which determines its thermal conductivity coefficient.

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.The closest to the claimed invention (prototype) are the heat-conducting panels described in the works: 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 and V. 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.These thermally conductive panels are designed to cool the detector modules (consisting of monolithic active pixel sensors) that form the cylindrical layers of the new Inner Tracking System of the ALICE experiment at the Large Hadron Collider at CERN.

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.The thermally conductive panels of the Internal Track System of the ALICE experiment are made using low charge number materials (carbon-based) and consist of a layer of rigid carbon composite substrate, high thermal conductivity carbon fiber, coated on both sides with carbon fleece and an active heat removal system using a liquid cooling system. To pump the refrigerant along the heat-conducting panel, polyamide tubes are used, which are in thermal contact with the heat-conducting panel. On top of the polyamide tubes and heat-conducting panel, there is a layer of carbon paper with thermal conductivity λ=1500 W/m⋅°C in the longitudinal section and 5 W/m⋅°C in the transverse section and a layer of carbon fleece.

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.The carbon fiber in the thermal conductive panel allows heat to be transferred from the periphery of the thermal conductive panel to the polyamide tubes. For sufficient heat transfer from polyamide tubes with refrigerant to the periphery, special K13D2U carbon fiber produced by Mitsubishi with a high thermal conductivity coefficient along the carbon fiber (λ=800 W/m⋅°C) was used in the heat-conducting panel. Detecting devices that generate heat are glued to the outer surface of the heat-conducting panel.

Недостатком указанной выше конструкции панели, принятой нами за прототип, является недостаточно эффективный теплосъем. Кроме того, теплопроводящее углеволокно K13D2U недоступно для поставки в РФ.The disadvantage of the above panel design, which we adopted as a prototype, is insufficiently efficient heat removal. In addition, thermally conductive carbon fiber K13D2U is not available for delivery in the Russian Federation.

Задачей изобретения является изготовление теплопроводящей панели из доступных материалов, а также повышение эффективности теплосъема при сохранении прочности и небольшого веса.The objective of the invention is to manufacture a heat-conducting panel from available materials, as well as to increase the efficiency of heat removal while maintaining strength and low weight.

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.The solution to the technical problem is achieved due to the fact that the carbon fiber layer has thermal conductivity from λ=155.6 W/m⋅°С to λ=800 W/m⋅°С, in addition, a layer of carbon paper with thermal conductivity λ is additionally introduced into the structure =1500 W/m⋅°С in the longitudinal section and 20 W/m⋅°С in the transverse direction.

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.A method for manufacturing a heat-conducting panel for liquid cooling systems is also proposed. First, a rigid carbon composite substrate is made: carbon fiber with thermal conductivity from λ=155.6 W/m⋅°C to λ=800 W/m⋅°C, impregnated with glue, is laid on a sheet of coal fleece, perpendicular to the longitudinal axis, and covered with a sheet of carbon fleece. The assembly is crimped until the charcoal fleece and carbon fiber are bonded. The resulting assembly is cut in the direction of the fibers into blanks; these blanks are polymerized at a temperature of 120°C for 9 hours. Then a heat-conducting panel is made on one side of the matrix: a rigid carbon composite substrate covered with a layer of cold-curing compound and a layer of carbon paper, which is also covered with a thin layer of compound, are sequentially laid on one of the parts of the matrix . On the other part of the matrix with grooves, the upper part of the heat-conducting panel is made: blanks of carbon fleece and carbon paper impregnated with the compound are sequentially laid in the form of strips; polyamide tubes of the cooling system with technological inserts inside are laid opposite the grooves; polyamide tubes are placed in grooves; then the upper and lower parts of the matrix are compressed until gluing and left until the compound is completely polymerized at room temperature. After the polymerization cycle, the technological inserts are removed from the polyamide tubes, the heat-conducting panel is removed from the matrix, cleaned of the polymerized compound flash and cut to size.

Перечень фигур.List of figures.

Фиг. 1 Трехмерная конструкция модели с разнесенными составными элементами:Fig. 1 Three-dimensional design of the model with spaced components:

1 - Углекомпозитная подложка, обеспечивающая жесткость конструкции. На поверхность углекомпозитной подложки монтируются детекторные модули;1 - Carbon composite substrate, providing structural rigidity. Detector modules are mounted on the surface of the carbon composite substrate;

2 - Слой угольной бумаги с высокой теплопроводностью. Обеспечивает передачу тепла от детекторов к теплопроводящему элементу.2 - A layer of carbon paper with high thermal conductivity. Provides heat transfer from detectors to the heat-conducting element.

3 - Полиамидные трубки системы охлаждения, по которым прокачивается хладагент.3 - Polyamide tubes of the cooling system through which the refrigerant is pumped.

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.4 - The upper part of the heat-conducting panel, consisting of a layer of carbon paper, carbon fleece and polyamide tubes, ensuring heat transfer from the carbon composite substrate with a layer of carbon paper to the polyamide tubes of the cooling system.

Фиг. 2 - Фотография теплопроводящий панели с интегрированной системой жидкостного охлаждения (слева) и углекомпозитной подложки (справа).Fig. 2 - Photo of a heat-conducting panel with an integrated liquid cooling system (left) and a carbon composite substrate (right).

Фиг. 3 - Состав теплопроводящий панели.Fig. 3 - Composition of the heat-conducting panel.

1 - Углекомпозитная подложка, обеспечивающая жесткость конструкции. На поверхность углекомпозитной подложки монтируются детекторные модули;1 - Carbon composite substrate, providing structural rigidity. Detector modules are mounted on the surface of the carbon composite substrate;

2 - Слой угольной бумаги с высокой теплопроводностью. Обеспечивает передачу тепла от детекторов к теплопроводящему элементу.2 - A layer of carbon paper with high thermal conductivity. Provides heat transfer from detectors to the heat-conducting element.

3 - Полиамидные трубки системы охлаждения, по которым прокачивается хладагент.3 - Polyamide tubes of the cooling system through which the refrigerant is pumped.

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.4 - The upper part of the heat-conducting panel, consisting of a layer of carbon paper, carbon fleece and polyamide tubes, ensuring heat transfer from the carbon composite substrate with a layer of carbon paper to the polyamide tubes of the cooling system.

5 - Угольный флис.5 - Charcoal fleece.

6 - Углеволокно, подготовленное к формовке, пропитанное клеем.6 - Carbon fiber, prepared for molding, impregnated with glue.

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).Fig. 4 - Graph of average temperatures on each of the heaters on a heat-conducting panel: manufactured at CERN (a), manufactured at JINR (b) under the same measurement conditions, where the X-axis is the number of the heater where the temperature was measured, the Y-axis is the temperature (° WITH).

Фиг. 5 - Фотография экспериментальной установки теплопроводящий панели с пятью нагревательными элементами (в), имитирующие 196 микросхем MAPS, для проведения термогидравлических испытаний.Fig. 5 - Photo of an experimental installation of a heat-conducting panel with five heating elements (c), simulating 196 MAPS microcircuits, for thermal-hydraulic testing.

7 - Нагревательный элемент (г)7 - Heating element (g)

Осуществление изобретенияCarrying out the invention

Теплопроводящую панель изготавливают следующим образом.The heat-conducting panel is manufactured as follows.

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.A stiffening element for the carbon composite substrate is pre-fabricated: available M55J carbon fiber with λ=155.6 W/m⋅°C, impregnated with glue, produced by NIIKAM, is placed on a sheet of carbon fleece, perpendicular to the longitudinal axis, and covered with a sheet of carbon fleece. The assembly is crimped until the charcoal fleece and carbon fiber are bonded. Next, the sheet is cut perpendicular to the carbon fiber into blanks of the required length and width. These blanks are polymerized in a matrix in accordance with the technical recommendations of the manufacturer of M55J carbon fiber impregnated with glue at a temperature of 120°C for 9 hours.

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.On another matrix, a heat-conducting panel is manufactured in one cycle: on the lower (flat) part of the device, a rigid carbon composite substrate coated with a layer of cold-curing compound (consisting of epoxy resin, hardener and thixotrope) and a layer of carbon paper DSN5032 with thermal conductivity λ = 20 W/m are sequentially laid ⋅°C in the transverse direction, which is also covered with a thin layer of compound. On the other part of the matrix with grooves for tubes, blanks of carbon fleece and carbon paper impregnated with an adhesive compound are sequentially laid in the form of strips. Opposite the grooves, polyamide tubes of the cooling system with technological inserts inside are laid. Polyamide tubes are carefully pressed into the grooves. Next, the upper part of the matrix is laid on the lower one so that the carbon composite substrate element is located opposite the upper part of the heat-conducting panel. The upper and lower parts are compressed until gluing and left until the compound is completely polymerized at room temperature. After the polymerization cycle, the technological inserts are removed from the polyamide tubes, the heat-conducting panel is removed from the matrix, cleaned of the remnants of the polymerized compound and cut to size.

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.To regulate the temperature, water is supplied in the form of a “loop” pattern into the polyamide tubes: two channels are connected together at one end of the heat-conducting panel with a loop, and at the other end there is a refrigerant inlet and outlet.

Работа устройства.Device operation.

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.An experimental stand was created to conduct thermohydraulic tests of the heat-conducting panel. The stand used five heaters simulating 196 MAPS microcircuits, in which the heating element was made of nichrome wire (Fig. 4), with a width of 3.4 ± 0.1 cm, length of 29.3 ± 0.1 cm and thickness equal to 0.8±0.1 cm. The simulators dissipated thermal power equal to 40 mW/cm 2 .

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.Temperature measurements were made using an IR camera VarioCAM HD headsl. During the measurement process, the current parameters of the ambient temperature were set in the camera settings and the correctness of temperature measurements using thermocouples was checked.

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.Tests have shown that the proposed heat-conducting panel carries out heat removal more efficiently compared to the prototype under the same measurement conditions. The measurement results are shown on a graph of average temperatures on each of the heaters on a heat-conducting panel manufactured at CERN (a) and the proposed one manufactured at JINR (b) under the same measurement conditions (Fig. 4). When using carbon fiber with thermal conductivity higher than λ=155.6 W/m⋅°С with an additionally introduced layer of carbon paper with thermal conductivity λ=20 W/m⋅°С in the transverse direction, the heat removal efficiency increases.

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).The heat-conducting panel manufactured at JINR has a 0.9% difference in weight with the compared prototype, which is an insignificant difference for the tasks of the implemented installation. The proposed heat-conducting panels are designed for cooling detector modules (consisting of monolithic active pixel sensors) forming cylindrical layers of the new Internal Tracking System of the MPD (Multi-Purpose Detector) experiment at the NICA accelerator complex (Nuclotron based Ion Collider fAcility) of the Joint Institute for Nuclear Research (Dubna, Russia).

Также, такая теплопроводящая панель может быть использована не только для охлаждения сборок детекторных модулей, но также для охлаждения отдельных микросхем.Also, such a heat-conducting panel can be used not only for cooling detector module assemblies, but also for cooling individual chips.

Claims (2)

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.1. A heat-conducting panel for liquid cooling systems of detector modules, consisting of a layered structure in the form of a rigid carbon composite substrate, which is a layer of carbon fiber between two layers of carbon fleece and a heat removal system in the form of polyamide tubes for pumping coolant along the heat-conducting panel, the tubes are covered with a layer of carbon paper and a layer of carbon fleece, characterized in that the carbon fiber layer has a thermal conductivity from λ=155.6 W/m⋅°C to λ=800 W/m⋅°C, and carbon paper has a thermal conductivity of λ=20 W/m⋅°C in in the transverse direction, in addition, a layer of carbon paper is additionally introduced into the structure. 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.2. A method for manufacturing a heat-conducting panel for liquid cooling systems, which consists in first making a rigid carbon composite substrate: carbon fiber with thermal conductivity from λ=155.6 W/m to λ=800 W/m⋅ is laid on a sheet of carbon fleece perpendicular to the longitudinal axis °C, soaked in glue, and covered with a sheet of charcoal fleece; the assembly is crimped until the carbon fleece and carbon fiber are glued together; the resulting assembly is cut in the direction of the fibers into blanks; these blanks are polymerized at a temperature of 120°C for 9 hours; then a heat-conducting panel is made on one side of the matrix: on one part of the matrix, a rigid carbon composite substrate coated with a layer of cold-curing compound and a layer of carbon paper, which is also covered with a thin layer of compound, are sequentially laid; on the other part of the matrix with grooves, the upper part of the heat-conducting panel is made: blanks of carbon fleece and carbon paper impregnated with the compound are sequentially laid in the form of strips; polyamide tubes of the cooling system with technological inserts inside are laid opposite the grooves; polyamide tubes are placed in grooves; then the upper and lower parts of the matrix are compressed until gluing and left for a while until the compound is completely polymerized at room temperature; after the polymerization cycle, the technological inserts are removed from the polyamide tubes, the heat-conducting panel is removed from the matrix, cleaned of the polymerized compound flash and cut to size.
RU2022117973A 2022-06-30 Heat-conducting panel for liquid cooling systems of detector modules and method of its manufacturing RU2806879C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2806879C1 true RU2806879C1 (en) 2023-11-08

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6980435B2 (en) * 2004-01-28 2005-12-27 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Modular electronic enclosure with cooling design
RU79268U1 (en) * 2008-08-01 2008-12-27 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный университет DEVICE FOR MANUFACTURE OF CARBON COMPOSITE PRODUCTS OF COMPLEX FORM
US7559356B2 (en) * 2004-04-19 2009-07-14 Eksident Technologies, Inc. Electrokinetic pump driven heat transfer system
RU2396168C2 (en) * 2008-07-31 2010-08-10 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный университет Method of producing carbon composite sophisticated shape structures and method to this end
KR102264098B1 (en) * 2014-10-08 2021-06-11 주식회사 아모그린텍 Heat radiation apparatus of display panel

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6980435B2 (en) * 2004-01-28 2005-12-27 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Modular electronic enclosure with cooling design
US7559356B2 (en) * 2004-04-19 2009-07-14 Eksident Technologies, Inc. Electrokinetic pump driven heat transfer system
RU2396168C2 (en) * 2008-07-31 2010-08-10 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный университет Method of producing carbon composite sophisticated shape structures and method to this end
RU79268U1 (en) * 2008-08-01 2008-12-27 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный университет DEVICE FOR MANUFACTURE OF CARBON COMPOSITE PRODUCTS OF COMPLEX FORM
KR102264098B1 (en) * 2014-10-08 2021-06-11 주식회사 아모그린텍 Heat radiation apparatus of display panel

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
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. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yang et al. Simulation and experimental validation of heat transfer in a novel hybrid solar panel
WO2015039184A1 (en) System and apparatus for generating electricity
US10050584B2 (en) Cooling apparatus for solar panels
Wang et al. Investigation of a gravity-immune chip-level spray cooling for thermal protection of laser-based wireless power transmission system
Mgbemene et al. Electricity generation from a compound parabolic concentrator coupled to a thermoelectric module
Srivastava et al. Simulation studies of thermal and electrical performance of solar linear parabolic trough concentrating photovoltaic system
US10343356B2 (en) Method and apparatus for repairing honeycomb core sandwich panel
JP2024056966A (en) Thermoelectric elements
CN106515043B (en) Permanent magnet motor magnetic pole protects coating moulding process and process equipment
CA2817962A1 (en) Systems, methods and/or apparatus for thermoelectric energy generation
Wang et al. Thermal characteristic comparison of three-dimensional oscillating heat pipes with/without sintered copper particles inside flat-plate evaporator for concentrating photovoltaic cooling
JP2018127193A (en) Configurable cooling assembly and cooling method
RU2806879C1 (en) Heat-conducting panel for liquid cooling systems of detector modules and method of its manufacturing
Ito et al. Studies of heat pumps using direct expansion type solar collectors
WO2020154427A1 (en) Water harvesting systems, and methods of using thereof
Xu et al. Experimental study on anti-icing and deicing for model wind turbine blades with continuous carbon fiber sheets
CN101678606A (en) The improvement that polymer composites solidifies or the curing of relevant polymer composites
US20210083165A1 (en) Thermoelectric module
US11903313B2 (en) Thermoelectric element
US20190368168A1 (en) Solar water harvesting device
Ömeroğlu Experimental and computational fluid dynamics analysis of a photovoltaic/thermal system with active cooling using aluminum fins
CN106208814B (en) A kind of device to be generated electricity using satellite external surface temperature gradient
Goncharov et al. High thermal conductive carbon fiber radiators with controlled loop heat pipes
CN102749354A (en) Composite material structure thermal excitation system and thermal excitation method thereof
US20180237169A1 (en) Space system