Space Electronics-Qualifizierung für Heatpipes und gekapselte Graphittechnologien

Übersicht

Additive Manufacturing (AM) ist eine einzigartige Fertigungsmethode, die komplexe und flexible Geometriekonstruktionen für eine Vielzahl von Komponenten ermöglicht, einschließlich zweiphasigen Wärmemanagementkomponenten wie Wärmerohren. Dieses Projekt konzentriert sich auf Titan-Ammoniak-Wärmerohre, die für zukünftige elektronische Nutzlasten wie Satelliten verwendet werden, und vergleicht ihre Leistung mit konventionell hergestellten Heatpipes mit Siebgitter-Kapillardochten. AM erhöht die Fähigkeit, Komponenten in Fahrwerkselemente zu integrieren, Elektronikkomponenten direkt zu kühlen und die Funktionalität gegen schwerkraft zu verbessern, was die Bodenprüfung erleichtert. Sowohl AM- als auch Sieschirm-Dochtstrukturen bieten einen verbesserten Verdampfer-Wärmefluss im Vergleich zu Aluminium-Ammoniak, gerillten Docht-Wärmerohren, die ein direktes thermisches Management von Elektronikkomponenten ermöglichen.

Es wird erwartet, dass die zukünftigen Nutzlasten von Telekommunikationssatelliten eine schrittweise Steigerung der Verlustleistung auslösen werden, was innovative Wärmemanagementtechniken erfordert. Ammoniak-Heatpipes werden stark auf Plattformebene in Heizkörperplatten, als oberflächenmontierte Heatpipes und als Wärmeleitwerke eingesetzt. Systementwickler können sie jedoch nicht in das Elektronikgehäuse für eine direkte mikroelektronische Kühlung integrieren, da der Verdampferwärmestrom von extrudierten axial gerillten Kapillardochten, die niedrige maximale Betriebstemperatur und die Unfähigkeit, im Bodentest gegen die Schwerkraft zu funktionieren, nicht eingehalten werden können. Neuartige schwerkraftfreundliche Heatpipes bieten ein direktes Wärmemanagement zukünftiger Nutzlasten.

In diesem Projekt wurden Abnahmetests für eine neue Heatpipe-Technologie identifiziert, entwickelt und abgeschlossen, die den Funktionstemperaturbereich von Ammoniak-Arbeitsflüssigkeits-Heatpipes erweitert. Es half auch, Herausforderungen bei der Bodenerprobung von nicht schwerkraftfreundlichen Heatpipes zu überwinden, indem neue Dochtstrukturen implementiert wurden, die Funktionalität gegen die Schwerkraft ermöglichen. Das Projekt untersuchte neuartige Kombinationen von Arbeitsflüssigkeiten und Wandmaterialien (Abbildung 3), untersuchte verbesserte Kapillardochtstrukturen aus Siebgewebe und entwickelte eine erste Generation additiv gefertigter Heatpipes. Ziel dieser neuen AM-Heatpipes ist es, die Integration der Chassisstruktur und das direkte Wärmemanagement von Mikroprozessoren zu ermöglichen.

Boyds aktueller Einsatz der additiven Fertigung

Additive Fertigung oder 3D-Druck ist eine Fertigungsmethode, die mit dem Fortschritt von 3D-Druckern an Popularität gewinnt, um eine breitere Palette von Materialien und Definitionen aufzunehmen. Das Additive Manufacturing Team bei Boyd besteht aus erfahrenen Ingenieuren sowohl im thermischen als auch im additiven Design. Unser Team nutzt erweitertes Prozesswissen, um Funktionsteile zu entwerfen und zu drucken, die andere Unternehmen nicht können.

Die additive Fertigung ermöglicht schnellere Durchlaufzeiten, da keine Vorrichtungen erforderlich sind und die Rüstzeit begrenzt wird, die mit traditionelleren Metallherstellungsprozessen einhergeht. 3D-gedruckte Teile kombinieren mehrere Herstellungsprozesse für ein komplexes Produkt in einem einzigen Druck und reduzieren die Durchlaufzeiten von Monaten auf Tage. Da wir die Echtzeitüberwachung laufender Drucke verwenden, erkennen wir Fertigungsrisiken und potenzielle Defekte früher, sodass Sie die Lieferkettenpläne besser einhalten können.

Technologie-Evaluierungsphase

Das Additive Manufacturing-Team von Boyd bewertete und identifizierte die Kompromisse der Heatpipe-Kandidatentechnologien für dieses Projekt. Unsere Ingenieure wählten eine Reihe potenzieller Technologien aus, um Testmuster für die Bewertung herzustellen. Das Team analysierte vielversprechende Technologien für die zukünftige Entwicklung, darunter eine Methode, die den Hochtemperaturbetrieb von Kupfer-Methanol-Heatpipes ermöglicht, und eine neue Arbeitsflüssigkeit, die potenziell sehr hohe Betriebstemperaturen ermöglicht, aber immer noch den niedrigen Gefrierpunkt und die äquivalente thermische Leistung von Ammoniak erfüllt. Das Team untersuchte auch verschiedene Siebgewebe-Heatpipe-Konfigurationen mit Kupfer-, Aluminium- und Edelstahlbehältern, die einen erhöhten Verdampferwärmefluss im Vergleich zu Aluminium-Rillendocht-Heatpipes ermöglichen.

Abbildung 2 - Additive Fertigung Gitterzelldarstellung Ein REM-Bild der mikroskaligen AM-Heatpipe-Dochtstruktur

Abbildung 3: AM-Laserparameterversuch und Vergleich optimierter Parameterbauplatten

Abbildung 4 - AM-Prüfling mit Porengröße mit verschiedenen Gitterdochten

Additiv gefertigte Heatpipe-Entwicklung

Die University of Liverpool leistete Pionierarbeit bei der Entwicklung der LPBF-Technologie (Laser Powder Bed Fusion), bei der 2D-Volumenmuster in sequenziellen Schichten aus Metallpulver lasergeschmolzen werden, um eine komplexe 3D-Geometrie zu bilden. Die größte Herausforderung bei dieser Methode bestand darin, ausreichend kleine Dochtporengrößen zu erzeugen, um ein Kapillarpumpen gegen die Schwerkraft zu ermöglichen. Diese Entwicklung konzentrierte sich auf die Miniaturisierung von Gitterzellstrukturen und die Laborcharakterisierung der Kapillarstrukturen. Zu Beginn des Projekts war die minimale Gitterzellengröße, die durch additive Fertigung erzeugt wurde, zu groß, um ein Kapillarpumpen gegen die Schwerkraft zu ermöglichen. Das kollaborative additive Fertigungsteam erreichte reduzierte Zellgrößen, indem es kundenspezifische Software nutzte, um mehrere Bauversuche mit benutzerdefinierten Laserparametern zu programmieren und abzuschließen, die für jede Bauprobe definiert wurden.

Diese optimierten Laserparameter ermöglichten es diesen Ingenieuren, eine Reihe von Prüfkörpern über eine Reihe miniaturisierter Zellgrößen hinweg zu bauen. Das Team verwendete neuartige Visualisierungstechniken und Testmethoden, um die Porengröße, die Hubhöhe, die Porosität und die Permeabilität der Proben zu messen. Mit diesen detaillierten Informationen konnten wir zwei bevorzugte Kandidatendochtstrukturen auswählen, die anschließend zum Bau und Test funktionaler Titan-Ammoniak-Heatpipes verwendet wurden.

Entwicklung von Screen Mesh Wicked Heat Pipes

Boyd hat die letzten Jahrzehnte damit verbracht, Kupfer-Heatpipes mit Siebgewebe-Dochtstrukturen zu entwerfen und herzustellen. Siebgewebe-Dochtstrukturen bieten einen erhöhten Wärmefluss an der Verdampferoberfläche gegenüber der gerillten Dochtstruktur, der einen direkten Kontakt zur Mikroelektronik ermöglicht. Typischerweise ist die Porengröße von Siebgewebedochten groß, was einen großen Massendurchfluss von Kondensat ermöglicht, der zu einem hohen Leistungstransport führt. Da die große Porengröße die Funktionalität gegen die Schwerkraft einschränkt, wählte unser additives Fertigungsteam ein neues Edelstahl-Siebgewebematerial mit feiner Porengröße für die Untersuchung aus. Die Heatpipe-Hülle wurde ebenfalls aus Edelstahl gefertigt, um galvanische Korrosion zu verhindern. Um dieses Design angemessen mit den additiv hergestellten Heatpipes zu vergleichen, verwendete das Team Ammoniak als Arbeitsmedium.

Heatpipe-Prüflinge & Qualifizierungstests

Zum direkten Vergleich bestanden sowohl Siebgewebe- als auch AM-Heatpipe-Testbaugruppen aus einer kreisförmigen Rohrhülle, die Heatpipes umfasste und mit Verdampfer- und Kondensatorblöcken mit weltraumqualifiziertem thermischem Epoxidharz verbunden war. Die mit additiver Fertigung konstruierten Heatpipes nutzten nicht den vollen Vorteil der 3D-Designflexibilität, sondern bestanden aus integrierten Endkappen, Füllrohren und Dochtstruktur. Wie in Abbildung 5 zu sehen ist, hat das Team seitdem komplexere Dampfkammern hergestellt. Sowohl einzelne Heatpipes als auch die Heatpipe-Baugruppen wurden Abnahme- und Qualifizierungstests gemäß einem von der ESA-SOW abgeleiteten Testplan unterzogen. Beide Baugruppen zeigten 30 W des erforderlichen Wärmetransports unter Weltraumbedingungen (Schwerelosigkeit / nachteilige Neigung) während der direkten Wärmemanagement-Leistungstests eines 40 mm x 40 mm Mikroprozessors. Während die Funktionalität gegen die Schwerkraft begrenzt war, erhöhten die Siebnetz-Heatpipes den Wärmefluss der Verdampferoberfläche gegenüber den derzeit axial gerillten Heatpipes, was eine direkte Kühlung der Mikroprozessoren ermöglichen würde. Die additiv gefertigten Heatpipe-Baugruppen konnten bis zu einem Winkel von - 20 ° gegen die Schwerkraft im Gegensatz zu -0,3 ° für die Siebgewebe-Heatpipes funktionieren. Zusätzlich zu den Standard-Ammoniak-Heatpipe-Abnahmetests (z. B. Helium-Dichtheitsprüfung, Druckprüfung bei Temperaturprüfung, Alterung, NCG-Tests usw.) haben einzelne Heatpipes und Heatpipe-Baugruppen erfolgreich Frost-Tau-Tests und Vibrationstests durchgeführt, die die Startbedingungen simulieren, ohne die Heatpipe-Funktionalität zu beeinträchtigen.

Additiv gefertigte Heatpipe-Zukunft

Das Boyd-Team hat nun die erste Generation der additiv hergestellten Titan-Ammoniak-Heatpipe-Technologie patentiert. Benchmark-Tests mit alternativen Siebgewebe-Ammoniak-Heatpipes aus Edelstahl zeigen eine verbesserte Leistung von AM-Heatpipes. Diese Technologie erreichte das Technology Readiness Level 4 (TRL 4) der NASA, was bedeutet, dass sie in einer Laborumgebung validiert wurde. Jetzt sind die Heatpipes der additiven Fertigung von Titan-Ammoniak bereit, in die TRL-Demonstrationsphase für die vollständige Qualifizierung in einem Raumfahrtprogramm überzugehen. Zu Beginn der Demonstrationsphase fertigte unser Team AM-Titandampfkammer-Prüflinge mit einem komplexeren mechanischen Design. Dieser vorläufige Dampfkammerprüfling nutzt die in diesem Projekt definierten AM-Dochtlaserparameter und demonstriert die volle Funktionalität gegen die Schwerkraft (100 mm Hubhöhe).

Boyd ist daran interessiert, mögliche Anwendungen über die Raumfahrt hinaus zu diskutieren, um die Entwicklung additiv hergestellter zweiphasiger Kühltechnologien fortzusetzen.