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히트 파이프 및 캡슐화된 흑연 기술에 대한 Space Electronics Qualification

개요

적층 제조(AM)는 히트 파이프와 같은 2상 열 관리 구성 요소를 포함하여 광범위한 구성 요소에 대해 복잡하고 유연한 형상 설계를 가능하게 하는 독특한 제조 방법입니다. 이 프로젝트는 위성과 같은 미래의 공간 전자 페이로드에 사용되는 티타늄 암모니아 열 파이프에 초점을 맞추고 화면 메쉬 모세관 심지와 기존의 제조 된 열 파이프와 성능을 비교합니다. AM은 부품을 섀시 요소에 통합하고 전자 부품을 직접 냉각하며 지상 테스트를 용이하게 하는 중력에 대한 기능을 개선할 수 있습니다. AM 과 스크린 메쉬 심지 구조 모두 알루미늄 암모니아 대 향상된 증발기 열 플럭스를 제공하며, 홈심 열 파이프는 전자 부품의 직접 열 관리를 가능하게합니다.

장래의 통신 위성 페이로드는 혁신적인 열 관리 기술이 필요한 전력 손실의 단계적 증가를 방출 할 것으로 예상됩니다. 암모니아 히트 파이프는 라디에이터 패널 내의 플랫폼 수준, 표면 장착 히트 파이프 및 열 링크로 많이 배치됩니다. 그러나 시스템 설계자는 압출 축 홈이 있는 모세관 심지의 낮은 증발기 열유속 한계, 낮은 최대 작동 온도 및 지상 테스트에서 중력에 대해 기능할 수 없기 때문에 직접 마이크로 전자 냉각을 위해 전자 섀시에 이를 통합할 수 없습니다. 새로운 중력 친화적 인 히트 파이프는 미래의 페이로드를 직접 열 관리 할 수있는 수단을 제공합니다.

이 프로젝트는 암모니아 작동 유체 히트 파이프의 기능적 온도 범위를 확장하는 새로운 히트 파이프 기술에 대한 승인 테스트를 확인, 개발 및 완료했습니다. 또한 중력에 대한 기능을 가능하게 하는 새로운 심지 구조물을 구현하여 비중력 친화적인 히트 파이프의 지상 테스트 중 문제를 극복하는 데 도움이 되었습니다. 이 프로젝트는 새로운 작동 유체 및 벽 재료 조합을 조사하고 (그림 3), 향상된 스크린 메쉬 모세관 윅 구조를 조사하고, 첨가제로 제조 된 히트 파이프의 1 세대를 개발했습니다. 이 새로운 AM 히트 파이프의 목표는 섀시 구조의 통합을 가능하게하고 마이크로 프로세서의 직접 열 관리를 가능하게하는 것입니다.

Boyd의 현재 적층 제조 사용

적층 제조 또는 3D 프린팅은 3D 프린터가 더 넓은 범위의 재료와 정의를 수용하기 위해 발전함에 따라 인기를 얻고 있는 제조 방법입니다. Boyd의 첨가제 제조 팀은 열 및 첨가제 설계 분야에서 경험이 풍부한 엔지니어로 구성되어 있습니다. 우리 팀은 고급 공정 지식을 활용하여 다른 회사가 할 수없는 기능 부품을 설계하고 인쇄합니다.

적층 제조는 설비의 필요성을 없애고 전통적인 금속 제조 공정에 수반되는 설치 시간을 제한함으로써 리드 타임을 단축합니다. 3D 프린팅된 부품은 복잡한 제품에 대한 여러 제조 공정이 될 수 있는 것을 단일 인쇄물로 결합하여 리드 타임을 수개월에서 며칠로 단축합니다. 진행 중인 인쇄물에 대한 실시간 모니터링을 사용하기 때문에 제조 위험과 잠재적 결함을 더 빨리 파악하여 공급망 일정을 더 잘 유지할 수 있습니다.

기술 평가 단계

Boyd의 적층 제조 팀은이 프로젝트에 대한 후보 히트 파이프 기술의 트레이드 오프를 평가하고 확인했습니다. 당사의 엔지니어들은 평가를 위해 테스트 샘플을 제조하기 위해 다양한 잠재적 기술을 선택했습니다. 연구팀은 구리-메탄올 히트 파이프의 고온 작동을 가능하게 하는 방법과 잠재적으로 매우 높은 작동 온도를 가능하게 하지만 암모니아의 낮은 어는점과 동등한 열 성능을 여전히 충족시키는 새로운 작동 유체를 포함하여 향후 개발을 위한 유망한 기술을 분석했습니다. 연구팀은 또한 구리, 알루미늄 및 스테인레스 스틸 용기가있는 다양한 스크린 메쉬 사악한 히트 파이프 구성을 조사하여 알루미늄 홈이있는 심지 히트 파이프에 비해 증발기 열유속을 증가시킬 수있었습니다.

그림 2 - 첨가제 제조 격자 세포 표현 마이크로 스케일 AM 히트 파이프 윅 구조의 SEM 이미지
그림 3 - AM 레이저 파라미터 시험 및 최적화된 파라미터 빌드 플레이트 비교
그림 4 - 다양한 격자 윅 기공 크기를 갖는 AM 테스트 피스

첨가제 제조 히트 파이프 개발

리버풀 대학교는 레이저 파우더 베드 퓨전(LPBF) 기술 개발을 개척했으며, 2D 솔리드 패턴은 금속 분말의 순차적 층에서 레이저로 용융되어 복잡한 3D 지오메트리를 형성합니다. 이 방법이 직면 한 주요 과제는 중력에 대한 모세관 펌핑을 가능하게하기에 충분히 작은 심지 기공 크기를 생산하는 것이 었습니다. 이 개발은 격자 세포 구조의 소형화와 모세관 구조의 실험실 특성화에 중점을 두었습니다. 프로젝트가 시작될 때, 첨가제 제조에 의해 생성 된 최소 격자 셀 크기는 중력에 대한 모세관 펌핑을 가능하게하기에는 너무 컸습니다. 협업 적층 제조 팀은 맞춤형 소프트웨어를 활용하여 각 빌드 샘플에 정의된 맞춤형 레이저 파라미터로 여러 빌드 시험을 프로그래밍하고 완료함으로써 셀 크기를 줄였습니다.

이러한 최적화된 레이저 파라미터를 통해 엔지니어들은 다양한 소형화된 셀 크기에 걸쳐 일련의 테스트 피스를 제작할 수 있었습니다. 연구팀은 새로운 시각화 기술과 테스트 방법을 활용하여 샘플의 기공 크기, 리프트 높이, 다공도 및 투과성을 측정했습니다. 이 자세한 정보를 통해 우리는 기능성 티타늄 - 암모니아 히트 파이프를 만들고 테스트하는 데 사용 된 두 가지 선호되는 후보 심지 구조를 선택할 수있었습니다.

스크린 메쉬 사악한 히트 파이프 개발

Boyd는 지난 수십 년 동안 스크린 메쉬 심지 구조로 구리 히트 파이프를 설계하고 제조했습니다. 스크린 메쉬 윅 구조는 마이크로 일렉트로닉스에 직접 접촉 할 수있는 홈이있는 윅 구조에 대해 증발기 표면 열유속을 증가시킵니다. 전형적으로, 스크린 메쉬 심지의 기공 크기는 크고, 이는 응축수의 큰 질량 유량을 가능하게 하여 고출력 수송을 유도한다. 큰 기공 크기가 중력에 대한 기능을 제한함에 따라, 우리의 첨가제 제조 팀은 조사를 위해 미세한 기공 크기의 새로운 스테인레스 스틸 스크린 메쉬 재료를 선택했습니다. 히트 파이프 봉투는 갈바닉 부식을 방지하기 위해 스테인레스 스틸로 제작되었습니다. 이 설계를 첨가제로 제조 된 히트 파이프와 적절하게 비교하기 위해 팀은 암모니아를 작동 유체로 사용했습니다.

히트 파이프 테스트 조각 및 자격 테스트

직접적인 비교를 위해, 스크린 메쉬와 AM 히트 파이프 테스트 어셈블리는 모두 원형 튜브 엔벨로프 히트 파이프로 구성되었으며 공간 인증 열 에폭시가있는 증발기 및 응축기 블록에 결합되었습니다. 첨가제 제조로 제작 된 히트 파이프는 3D 설계 유연성의 이점을 최대한 활용하지는 못했지만 통합 엔드 캡, 필 튜브 및 심지 구조로 구성되었습니다. 그림 5에서 볼 수 있듯이 팀은 이후 더 복잡한 증기 챔버를 제작했습니다. 개별 히트 파이프와 히트 파이프 어셈블리 모두 ESA SOW에서 파생된 테스트 계획에 따라 승인 및 인증 테스트를 거쳤습니다. 두 어셈블리 모두 40mm x 40mm 마이크로프로세서의 직접 열 관리 성능 테스트 중에 공간 조건(무중력/불리한 기울기)에서 30W의 필요한 열 수송을 시연했습니다. 중력에 대한 기능은 제한적이었지만 스크린 메쉬 히트 파이프는 현재 축 홈이 있는 히트 파이프에 비해 증발기 표면 열유속을 증가시켜 직접 마이크로프로세서를 냉각시킬 수 있게 했습니다. 첨가제로 제조 된 히트 파이프 어셈블리는 스크린 메쉬 사악한 히트 파이프의 경우 -0.3 °와 달리 중력에 대해 최대 20 °의 각도까지 작동 할 수 있습니다. 표준 암모니아 히트 파이프 수용 테스트 (예 : 헬륨 누출 테스트, 온도 테스트에서의 증거 압력, 노화, NCG 테스트 등) 외에도 개별 히트 파이프 및 히트 파이프 어셈블리는 히트 파이프 기능을 저하시키지 않고 발사 조건을 시뮬레이션하는 동결 해동 테스트 및 진동 테스트를 성공적으로 완료했습니다.

그림 4 - 다양한 격자 윅 기공 크기를 갖는 AM 테스트 피스

첨가제 제조 히트 파이프 미래

보이드 팀은 이제 첨가제로 제조된 티타늄-암모니아 히트 파이프 기술의 첫 번째 세대에 대한 특허를 취득했습니다. 대체 스테인리스 스틸 스크린 메쉬 사악한 암모니아 히트 파이프에 대한 벤치 마크 테스트는 AM 히트 파이프의 향상된 성능을 보여줍니다. 이 기술은 NASA의 기술 준비 레벨 4 (TRL 4)을 달성했으며, 이는 실험실 환경에서 검증되었음을 의미합니다. 이제 첨가제 제조 티타늄 - 암모니아 히트 파이프는 우주 비행 프로그램에서 완전한 자격을 얻기 위해 TRL 데모 단계로 전환 할 준비가되었습니다. 데모 단계를 시작하기 위해 우리 팀은 더 복잡한 기계 설계로 AM 티타늄 증기 챔버 테스트 피스를 제조했습니다. 이 예비 증기 챔버 테스트 피스는이 프로젝트에 정의 된 AM wick 레이저 매개 변수를 활용하고 중력 (100mm 리프트 높이)에 대한 모든 기능을 보여줍니다.

Boyd는 적층 제조 된 두 단계 냉각 기술의 개발을 계속하기 위해 우주 비행을 넘어 잠재적 인 응용 분야에 대해 논의하는 데 관심이 있습니다.

그림 4 - 다양한 격자 윅 기공 크기를 갖는 AM 테스트 피스

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