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热管和封装石墨技术的空间电子资格认证

概述

增材制造 (AM) 是一种独特的制造方法,可为各种组件(包括热管等两相热管理组件)进行复杂而灵活的几何设计。该项目侧重于用于未来空间电子有效载荷(如卫星)的钛氨热管,并将其性能与传统制造的热管与屏幕网状毛细管芯进行比较。AM 提高了将组件集成到机箱元件中的能力,直接冷却电子元件,并改进了抗重力功能,从而简化了地面测试。AM 和屏幕网状芯结构提供增强的蒸发器热通量与铝氨、凹槽芯热管,实现对电子元件的直接热管理。

预计未来的电信卫星有效载荷将释放功率耗散的逐步增加,需要创新的热管理技术。氨热管在散热器面板内的平台水平上大量部署,作为表面安装的热管和热连接。然而,系统设计人员无法将它们集成到电子机箱中以进行直接微电子冷却,因为挤压轴向沟毛细管芯的蒸发器热通量限制低,最高工作温度低,并且无法在地面测试中抵抗重力。新型重力友好型热管提供了一种对未来有效载荷进行直接热管理的方法。

该项目确定,开发并完成了对新热管技术的验收测试,该技术扩展了氨工作流体热管的功能温度范围。它还通过实施新的灯芯结构来帮助克服非重力友好型热管地面测试期间的挑战,从而实现抗重力功能。该项目研究了新型工作流体和壁体材料组合(图3),研究了增强的筛网毛细管芯结构,并开发了第一代增材制造热管。这些新型AM热管的目标是实现机箱结构的集成,并实现微处理器的直接热管理。

博伊德目前在增材制造中的应用

增材制造或3D打印是一种制造方法,随着3D打印机的进步,它越来越受欢迎,以适应更广泛的材料和定义。Boyd的增材制造团队由热和增材设计方面经验丰富的工程师组成。我们的团队利用先进的工艺知识来设计和打印其他公司无法做到的功能部件。

增材制造通过消除对夹具的需求并限制更多传统金属制造工艺伴随的设置时间,实现了更快的交货时间。3D打印零件将复杂产品的多个制造流程组合成一次打印,将交货时间从几个月缩短到几天。由于我们使用实时监控正在进行的打印,因此我们可以更快地识别制造风险和潜在缺陷,从而使您能够更好地维护供应链计划。

技术评估阶段

Boyd的增材制造团队评估并确定了该项目的候选热管技术的权衡。我们的工程师选择了一系列潜在的技术来制造用于评估的测试样品。该团队分析了未来发展的有前途的技术,包括一种能够高温操作铜甲醇热管的方法和一种新的工作流体,该工作流体可能实现非常高的工作温度,但仍能满足氨的低凝固点和等效热性能。该团队还检查了各种带有铜,铝和不锈钢容器的筛网芯热管配置,与铝槽灯芯热管相比,这可以增加蒸发器热通量。

图2 - 增材制造晶格单元表示微尺度AM热管灯芯结构的SEM图像
图 3 - AM 激光参数试验和优化参数构建板比较
图4 - 具有不同晶格芯孔径的AM试件

增材制造热管开发

利物浦大学率先开发了激光粉末床熔融(LPBF)技术,其中2D固体图案在连续的金属粉末层中激光熔化,形成复杂的3D几何形状。这种方法面临的主要挑战是产生足够小的灯芯孔径,以便能够在重力作用下进行毛细管泵送。该开发侧重于晶格细胞结构的小型化和毛细管结构的实验室表征。在项目开始时,增材制造产生的最小晶格单元尺寸太大,无法实现抗重力的毛细管泵送。协作式增材制造团队利用定制软件对多个构建样品进行编程和完成多个构建试验,并为每个构建样本定义自定义激光参数,从而减小了单元尺寸。

这些优化的激光参数使这些工程师能够在各种小型化电池尺寸上构建一系列测试件。该团队利用新颖的可视化技术和测试方法来测量样品的孔径,提升高度,孔隙率和渗透性。有了这些详细信息,我们能够选择两种首选的候选灯芯结构,这些结构随后用于构建和测试功能性钛氨热管。

筛网邪恶热管开发

在过去的几十年里,Boyd一直在设计和制造带有屏蔽网芯结构的铜热管。筛网灯芯结构通过沟槽灯芯结构提供更高的蒸发器表面热通量,从而能够直接接触微电子器件。通常,筛网灯芯的孔径很大,这使得冷凝水的质量流速大,从而导致高功率传输。由于大孔径限制了功能对重力的影响,我们的增材制造团队选择了一种具有细孔径的新型不锈钢筛网材料进行研究。热管外壳也由不锈钢制成,以防止电偶腐蚀。为了充分比较这种设计与增材制造的热管,该团队使用氨作为工作流体。

热管测试件和资格测试

为了直接比较,筛网和AM热管测试组件都由圆形管包络热管组成,并用空间合格的热环氧树脂连接到蒸发器和冷凝器块上。采用增材制造制造的热管没有充分利用3D设计灵活性的优势,而是由集成的端盖,填充管和灯芯结构组成。如图5所示,该团队此后制造了更复杂的蒸汽室。单个热管和热管组件都根据 ESA SOW 的测试计划进行了验收和鉴定测试。在对 40 mm x 40 mm 微处理器进行直接热管理性能测试期间,两个组件在空间条件下(零重力/不利倾斜)都表现出 30 W 所需的热传输。虽然对重力的功能有限,但筛网热管增加了蒸发器表面热通量,而不是电流轴向凹槽热管,这将允许直接微处理器冷却。增材制造的热管组件在重力作用下可以达到-20°的角度,而筛网状芯状热管则为-0.3°。除了标准的氨热管验收测试(例如氦气泄漏测试,温度测试,老化,NCG测试等)外,单个热管和热管组件还成功完成了模拟发射条件的冻融测试和振动测试,而不会降低热管的功能。

图4 - 具有不同晶格芯孔径的AM试件

增材制造热管的未来

Boyd团队现已为第一代增材制造钛氨热管技术申请了专利。针对替代不锈钢屏蔽网吸湿氨热管的基准测试表明,增材制造热管的性能得到增强。这项技术达到了NASA的技术准备等级4(TRL 4),这意味着它已在实验室环境中进行了验证。现在,增材制造钛氨热管已准备好过渡到TRL演示阶段,以便在太空飞行计划中获得全面认证。为了启动演示阶段,我们的团队制造了具有更复杂机械设计的AM钛蒸气室测试件。该初步蒸汽室测试件利用本项目中定义的AM灯芯激光参数,并展示了针对重力(100 mm提升高度)的全部功能。

Boyd有兴趣讨论太空飞行之外的潜在应用,以继续开发增材制造的两相冷却技术。

图4 - 具有不同晶格芯孔径的AM试件

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