Получение штырьковых теплообменных структур повышенной теплогидравлической эффективности методом деформирующего резания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.07, кандидат наук Битюцкая Юлия Леонидовна

• Битюцкая Юлия Леонидовна
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Битюцкая Юлия Леонидовна

Введение

Глава 1. Анализ областей рационального использования штырьковых

структур и методов их получения

1.1. Области применения штырьковых структур и их

преимущества по отношению к оребренным структурам

1.1.1. Штырьковые структуры в системах жидкостного охлаждения

1.1.2. Штырьковые структуры в охлаждающих устройствах

с фазовым переходом теплоносителя

1.2. Методы получения штырьковых структур

1.3. Требования к форме штырьков, их геометрическим параметрам

и материалам для использования в теплообменных устройствах

1.4. Анализ возможности применения метода деформирующего

резания для создания теплообменных штырьковых структур

1.5. Выводы по Главе

Глава 2. Аналитические исследования получения штырьковых структур

2.1. Управление формой получаемых штырьков

2.2. Определение длины штырька

2.3. Аналитическое определение увеличения площади поверхности штырьковой структуры, получаемой

деформирующим резанием

2.4. Имитационное моделирование процесса деформирующего

резания в программе Deform 3D

2.4.1. Подготовка исходных данных и модели инструмента

и заготовки

2.4.2. Результаты имитационного моделирования и

сравнение параметров модели и образца

Стр.

2.4.3. Обработка модели единичного штырька и

моделирование теплосъемной пластины

2.5. Сравнение измеренной площади теплообменной штырьковой поверхности по результатам моделирования и теоретического расчета

2.6. Выбор параметров деформирующего резания по

заданным эксплуатационным характеристикам теплообменникам

2.6.1. Основные этапы сквозного

компьютерного моделирования

2.6.2. Основные подходы к моделированию теплогидравлических характеристик развитых

теплообменных структур

2.7. Выводы по Главе

Глава 3. Исследование формирования штырьков деформирущим

резанием пластины, имитирующей ребро

3.1. Влияние угла встречи на форму и ориентацию штырьков

3.2. Исследование механики формирования единичного штырька: характер контакта инструмента в момент врезания, кинограмма процесса формирования единичного штырька

3.3. Экспериментальное определение длины штырьков и оценка

их вертикальности

3.4. Примеры получаемых штырьковых структур

3.5. Выводы по Главе

Глава 4. Исследование влияния параметров теплообменных штырьковых структур на их теплогидравлические характеристики

4.1. Методика проведения испытаний

4.2. Определение угла ориентации структуры относительно

потока теплоносителя для получения шахматного порядка

Стр.

4.3. Определение оптимальной плотности расположения штырьков

в структуре

4.4. Определение оптимальной формы штырьков структуры

4.5. Уточнение угла встречи для оптимальной формы штырьков

4.6. Определение влияния вертикальности структуры

4.7. Выводы по Главе

Глава 5. Практическое использование результатов работы

5.1. Технологические рекомендации по реализации

метода деформирующего резания для получения штырьковых структур

5.2. Повышение производительности получения

штырьковых структур

5.3. Повышение эффективности штырьковых структур, используемых

для теплообмена при фазовых переходах теплоносителя

5.4. Примеры использования штырьковых структур в

системах охлаждения

5.4.1. Использование штырьковых структур для систем охлаждения ООО «Профессиональные модификации»

5.4.2. Использование штырьковых структур при выполнении гранта РФФИ №16-08-00489 «Исследование влияния параметров микроструктурирования поверхности на интенсификацию теплообмена и развитие кризисных явлений

при пленочном течении смеси хладонов»

5.5. Использование штырьковых структур для повышения характеристик магнетронной установки Blazers 350G

5.6. Рекомендации по организации серийного производства теплосъемных пластин со штырьковой структурой

5.7. Выводы по Главе

Общие выводы и заключение

Список литературы

Приложение

s

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Получение штырьковых теплообменных структур повышенной теплогидравлической эффективности методом деформирующего резания»

Введение

Поддержание устройств электронной аппаратуры в работоспособном состоянии и обеспечение их стабильной и бесперебойной работы требует надежных средств отвода избыточной теплоты, которая выделяется в процессе их работы. В этой области хорошо зарекомендовали себя системы жидкостного охлаждения (СЖО), для которых повышение эффективности является актуальной задачей. С целью интенсификации процесса теплопередачи в СЖО применяют теплообменники с развитыми поверхностями.

Увеличения площади теплообменной поверхности можно достичь применением развитых структур различной формы и размеров, получаемых литьем, механической обработкой, напрессовкой, сваркой, пайкой и т.д. Наиболее перспективными с точки зрения передачи высоких тепловых потоков считаются развитые не сборные поверхности штырькового типа. Большинство существующих методов получения штырьковых структур имеют значительные недостатки, основные из которых: невысокая производительность и ограниченные возможности по получению малых шагов расположения штырьков. Возможность уменьшения шага структуры при остальных неизменных геометрических параметрах, приводит к увеличению площади теплообменной поверхности, что является важным фактором повышения ее тепловой эффективности. Кроме вышеназванных недостатков, эффективность штырьковых структур, полученных методами сборки, снижена за счет наличия контактного теплового сопротивления в местах соединения штырьков с основанием.

В большинстве существующих конструкций теплообменников в СЖО используются фрезерованные развитые штырьковые структуры. При этом, минимальная величина зазора между штырьками составляет 200 мкм. Кроме того, изготовление одного штырькового водоблока на станке с ЧПУ требует более 60 минут основного времени.

Альтернативным методом получения теплообменных штырьковых поверхностей является метод деформирующего резания (ДР). Известно, что данный метод позволяет с высокой производительностью получать развитые поверхности штырькового типа с шагом на порядок меньше, чем при других методах, поскольку метод ДР не имеет принципиальных ограничений на величину зазора между штырьками. Другой особенностью структур, получаемых методом ДР, является уникальная форма штырьков, которая может способствовать турбулизации потока жидкости с увеличением коэффициента теплоотдачи.

Однако в настоящее время не раскрыты закономерности управления процессом ДР для получения штырьковых структур заданной формы и размеров. Не установлена взаимосвязь геометрических параметров структур с их эксплуатационными характеристиками. Нерешенность данных проблем не позволяет в полной мере использовать преимущества ДР для получения штырьковых поверхностей и теплообменных устройств на их основе с максимальной тепловой эффективностью и минимальным гидравлическим сопротивлением, что обуславливает актуальность проведения теоретических и экспериментальных исследований по совершенствованию метода ДР.

Целью данного исследования является повышение эффективности систем жидкостного охлаждения электронных компонентов за счет управления параметрами штырьковых теплообменных структур, получаемых методом ДР.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи работы:

1. Раскрытие принципов управления формой получаемого единичного штырька на основе конечноэлементного моделирования процесса ДР в системе моделирования технологических процессов Deform 3D.

2. Выявление механизма взаимосвязей входных технологических параметров (геометрия режуще-деформирующего клина, режимы ДР, направление проходов) на геометрические параметры получаемых штырьковых структур.

3. Разработка и создание стенда для экспериментального определения зависимостей теплогидравличсеких характеристик штырьковых структур от их геометрических параметров.

4. Проведение теплогидравлических испытаний получаемых штырьковых структур, необходимых для выявления приоритетных параметров, влияющих в наибольшей степени на эксплуатационные характеристики теплообменника.

5. Разработка рекомендаций по выбору параметров штырьковых структур и режимов их получения для конкретных условий эксплуатации СЖО.

6. Апробация разработанных рекомендаций и устройств с теплообменными штырьковыми поверхностями, полученными методом ДР.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана методология моделирования процесса ДР, которая на основе исходных геометрических параметров инструмента и режимов обработки позволяет получать достоверные трехмерные модели штырьковых структур.

2. Предложено сквозное компьютерное моделирование, которое позволяет установить взаимосвязь входных технологических параметров (геометрии инструмента и режимов обработки) получения штырьковых структур методом ДР с выходными теплогидравлическими характеристиками теплообменных устройств на их основе.

1. Установлено, что угол встречи и отношение глубины резания к подаче определяют форму штырьков, получаемых методом ДР, и их наклон. Аналитически получены и экспериментально подтверждены зависимости геометрических параметров штырьков от режимов их получения.

2. Установлены формы штырьков и тип штырьковых структур, обладающие наилучшей тепловой эффективностью и/или наименьшим гидравлическим сопротивлением

Основные пункты практической значимости следующие:

1. Разработана методика назначения геометрических параметров инструмента и режимов обработки для получения штырьковых структур с заданными геометрическими характеристиками.

2. Разработаны и апробированы устройства с теплообменными поверхностями штырькового типа, обеспечивающие повышение эффективности охлаждения электронной аппаратуры. Разработан и запатентован способ получения микроштырьковых теплообменных поверхностей.

3. Даны рекомендации по практическому использованию метода ДР для получения штырьковых структур, в т.ч. для серийного производства.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Конечноэлементное моделирование в системе Deform 3D на основе исходных технологических параметров обеспечивает получение достоверных трехмерных моделей единичных штырьков.

2. Наибольшее влияние на теплогидравлические характеристики штырьковых структур оказывает плотность расположения штырьков в структуре и высота структуры, при этом штырьки иглообразной формы обеспечивают повышенную тепловую эффективность, а винтообразные штырьки имеют минимальное гидравлическое сопротивление.

3. Предлагаемый алгоритм сквозного компьютерного моделирования позволяет установить взаимосвязь входных технологических параметров получения штырьковых структур методом ДР с выходными теплогидравлическими характеристиками теплообменных систем на их основе.

Результаты экспериментальных исследований данной диссертации получены с использованием апробированных методик и современных аттестованных приборов. Показана воспроизводимость результатов. Выводы теоретических исследований согласуются с результатами экспериментов. Достоверность разработанных практических рекомендаций подтверждается внедрением в производство.

Диссертационная работа содержит 5 глав. В первой главе приведен анализ областей рационального использования штырьковых структур в теплообменных устройствах и способы их получения. Во второй главе представлены аналитические исследования получения штырьковых структур, в том числе исследована форма штырька, рассчитана его длина и коэффициент увеличения площади штырьковой поверхности в зависимости от технологических параметров, произведено моделирование процесса ДР при формировании единичного штырька с использованием метода конечных элементов и предложен алгоритм сквозного компьютерного моделирования для выбора параметров ДР по заданным эксплуатационным характеристикам теплообменника. В третьей главе исследовался характер и степень влияния наиболее существенных параметров процесса ДР посредством натурного моделирования формообразования штырьков с использованием металлической пластины, играющей роль единичного ребра, которое образуется после первого прохода обработки. В главе также приведено сравнение аналитических зависимостей, полученных во 2 главе с экспериментальными данными. В четвертой главе на созданном испытательном стенде исследовалось влияние параметров теплообменных штырьковых структур на их теплогидравлические характеристики. В пятой главе изложены технологические рекомендации по реализации метода ДР для получения штырьковых структур, предложены пути повышения производительности и эффективности метода, приведены примеры использования штырьковых структур в различных системах охлаждения, даны рекомендации по организации серийного производства медных оснований водоблоков со штырьковыми структурами.

Глава 1. Анализ областей рационального использования штырьковых

структур и методов их получения

1.1. Области применения штырьковых структур и их преимущества по

отношению к оребренным структурам

1.1.1. Штырьковые структуры в системах жидкостного охлаждения

Для обеспечения работоспособности устройств электронной аппаратуры высокой мощности наиболее эффективным путем отвода тепла является задействование в качестве рабочего тела системы охлаждения жидкости, а не воздуха, благодаря ее более высокому коэффициенту теплоотдачи. Жидкостное охлаждение может осуществляться напрямую при непосредственном погружении охлаждаемого элемента в диэлектрическую жидкость или опосредовано, когда жидкость циркулирует в замкнутом контуре и напрямую не соприкасается с охлаждаемым элементом, отбирая тепло от охлаждаемого элемента через теплосъемную пластину. По данным [1] жидкостное охлаждение целесообразно применять, когда требуется отводить тепловые потоки в диапазоне 1,1 - 93 Вт/см2.

Принципиальная схема системы охлаждения без погружения охлаждаемого элемента в теплоноситель приведена на Рис. 1.1. Теплоноситель при помощи насоса циркулирует в замкнутом контуре. Жидкость проходит внутри теплосъемника, который непосредственно прилегает к охлаждаемому элементу и поглощает выделяемое им тепло. Нагретый теплоноситель направляется на радиатор, где жидкость остывает и снова направляется к охлаждаемому элементу. Такие СЖО помимо высокой эффективности обладают рядом достоинств, в числе которых бесшумность и компактность. Поскольку теплоноситель не имеет непосредственного контакта с охлаждаемыми элементами, теоретически в качестве рабочего тела может быть использована любая жидкость, в том числе вода, обладающая высокой теплопроводностью и экологичностью [1].

Радиатор

Рис. 1.1.

Принципиальная схема СЖО [2] Для повышения эффективности передачи тепла от нагретого элемента теплоносителю в теплосъемниках современных систем жидкостного охлаждения чаще всего используют поверхности с увеличенной площадью в виде оребренных или штырьковых структур. Несмотря на попытки исследователей определить оптимальную конструкцию теплообменника, их результаты неприменимы для условий, отличающихся от исследованных, поскольку они существенно зависят от конкретных характеристик системы, т.е. предпочтительная конструкция теплосъемника зависит от условий его применения. Поскольку имеются противоречивые данные на счет выбора между ореберенными и штырьковыми структурами, ребра часто предпочтительны исключительно с точки зрения простоты изготовления. [3]

Тем не менее, существует тенденция перехода на использование штырьковых структур, как более эффективных. Данная тенденция имеет обоснование, представленное в ряде исследований, и, как правило, связана с большей площадью теплообменной поверхности. Однако это не единственное преимущество. Так, например, в [4] экспериментально доказано, что при близких значениях величин площадей поверхности и одинаковых условиях проведения исследований, у штырьковых структур по сравнению с оребренными при максимально допустимой для охлаждаемого процессора температуре, отводимая мощность выше в 2 раза. Это объясняется усиленной турбулизацией потока теплоносителя в условиях его прохождения через массив штырьков. Однако, в

исследовании [5] указывается на существенно более высокое гидравлическое сопротивление штырьковых структур по отношению к оребренным (в 2 раза выше) при одинаковой площади поверхности и условиях проведения эксперимента. В связи с этим штырьковые структуры рекомендуется выбирать при возможности обеспечения высоких расходов охлаждающей жидкости. В этом случае усиленная турбулизация потока способна оказать более ощутимое влияние теплоотдачу структуры и оправдывает высокие гидравлические потери.

Водоблоки, непосредственно прикрепляемые к тепловыделяющему элементу, имеют теплосъемное основание из теплопроводного материала и распределительную пластину с коллекторами для распределения потока теплоносителя вдоль развитой структуры. Подвод и отвод теплоносителя осуществляется через штуцера в крышке водоблока.

Конструктивные особенности водоблока во многом зависят от типа выбранной структуры. В существующих водоблоках штырьковых конструкций распространенным является центральный подвод жидкости: входное отверстие располагается по центру участка подложки с развитой структурой. В крышке водоблока часто присутствует полость под входным отверстием, которая служит для снижения перепадов давления в системе в месте подвода теплоносителя к водоблоку [3].

Штырьковые водоблоки производит ряд фирм, такие как Swiftech (США), Alphacool (Германия) и др. Размеры штырьков могут составлять от единиц миллиметров до сотен микрометров. Так, например, микроштырьковый водоблок Swiftech Apogee LP (Рис. 1.2, д) имеет размер штырька 0,25х0,25 мм.

а

б

в

■-^

и

w

г д

Рис. 1.2.

Варианты теплосъемных оснований штыркьовых водоблоков: а - Alphacool Niagara, б - Swiftech Apogee GT [6], в - Swiftech Apogee XL2 [7]; водоблоков с микроштырьковой структурой: г - Swiftech Apogee HD [8], д - Swiftech Apogee LP

[9]

Еще одним видом устройств, для которых широко используются аналогичные системы охлаждения, являются биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) гибридных электромобилей. В [10] выбор штырьковых структур для охлаждения IGBT объясняется тем, что теплосъемники со штырьками эффективны для охлаждения силовой электроники с тепловым

л

потоком выше 200 Вт/см благодаря увеличенной площади поверхности и относительно низкому гидравлическому сопротивлению структуры.

В [11] предложена СЖО IGBT гибридного электромобиля, у которой в качестве теплоносителя используется антифриз LLC 50%. Поток направлен вдоль рядов штырьков от входного коллектора в основании, обеспечивающего равномерное распределение потока по всей структуре, к выходному коллектору. Данное исследование посвящено выбору оптимального поперечного сечения штырька: квадратного или круглого. При этом сравниваемые структуры имеют различную площадь поверхности и объемную плотность.

В связи с разнообразием форм и возможных вариантов взаимного расположения штырьков в структуре важным аспектом изучения эффективности данных структур является нахождение оптимального способа омывания

штырьков потоком теплоносителя, который определяется параметрами самой структуры и способом подвода теплоносителя. В руководстве по применению модуля ЮБТ гибридного электромобиля [12] указывается на особую роль направления течения теплоносителя. Рекомендуется по возможности направлять жидкость вдоль короткой стороны области с развитой структурой для снижения гидравлического сопротивления.

Ряд исследователей полагают, что, несмотря на трудности изготовления данных структур, именно использование микроштырьков являются перспективным способом отвода тепла от электронных устройств и направлением развития систем на основе конвективного жидкостного охлаждения.

Одной из областей использования микроштырьковых теплообменников является охлаждение микроэлектронных устройств, которые выделяют значительное количество тепла в небольшом объеме. В [13] исследовались гидравлические потери и тепловые характеристики на микроштырьках с основанием 200х200 мкм, высотой 670 мкм, шагом 400 мкм на подложке из меди 110. Штырьки располагались в шахматном порядке, в качестве охлаждающей жидкости использовалась деионизированная вода. В работе рассматривались два

Л

уровня тепловых потоков: 50 и 100 Вт/см .

Исследование [14] посвящено тепловым и гидравлическим характеристикам структуры с штырьками квадратного сечения 8х8 мкм, высотой 10 мкм, с зазорами между штырьками 2, 4 и 8 мкм, изготовленным травлением на кремниевой пластине. Тепловой поток 20 Вт/см2 поддерживался постоянным. Теплоноситель - деионизированная вода.

Основное направление исследования [15] связано с попыткой управлять повышенными значениями гидравлического сопротивления штырьковых структур. Исследовались кремниевые штырьки различной формы поперечного сечения (круглые, квадратные, прямоугольные, ромбические, треугольные, овальные) шахматного расположения. Характерный размер оснований штырьков:

100х100 мкм, высота 150 мкм. Шаг структур по двум взаимно перпендикулярным

Л

направлениям составлял 500 мкм и 100 мкм. Тепловой поток - 25 Вт/см .

Также кремниевые микроштырьки круглого, каплевидного и двояковыпуклого поперечного сечения с характерными размерами, варьирующимися в диапазоне 100 - 300 мкм, высотой 100 - 250 мкм,

Л

исследовались в [16]. Тепловой поток изменялся в диапазоне 650-2000 Вт/см2. В обоих исследованиях в качестве охлаждающей жидкости использовалась вода.

Сравнение теплогидравличсекой эффективности микроканалов с микроштырьками при охлаждении водой приведено в [17]. В качестве материала теплосъемного основания была выбрана медь. Ширина каналов и расстояние между соседними штырьками сравниваемых структур вдоль направления течения теплоносителя составляло 500 мкм. Форма поперечного сечения штырьков представляла собой параллелограмм с острым углом 30°. Штырьки располагались в шахматном порядке. Исследование показало, что микроштырьки заданной геометрии имели преимущества по сравнению с микроканалами безотносительно к мощности используемого насоса.

1.1.2. Штырьковые структуры в охлаждающих устройствах с фазовым переходом теплоносителя В системах охлаждения электронной аппаратуры, где существует

л

потребность отводить тепловые потоки высокой плотности (до 350 Вт/см2 [18]), возникает необходимость использовать процессы фазового превращения теплоносителя, в частности за счет его кипения. Известно множество способов интенсифицировать теплообмен посредствам модификации гладкой поверхности, контактирующей с кипящим теплоносителем, например искусственное создание на ней множества полостей, выступов, шероховатости и др.

Использование штырьковых структур способствует интенсификации кипения и повышению коэффициента теплоотдачи в 2-5 раз как за счет увеличенной площади теплообменной поверхности, так и благодаря наличию в структуре множества граней и углов, которые служат дополнительными центрами парообразования [19].

Утверждается [20], что массив штырьков способен формировать линию раздела двух фаз. Теплоотдача также повышается, поскольку массив штырьков капилярными силами удерживает жидкость, не допуская осушения поверхности под образующимся пузырем. Когда пузырь отрывается, в капилляре между шипами задерживается пар, который служит центром парообразования для нового пузырька. Таким образом, не только полости, но и штырьковые структуры являются эффективными интенсификаторами процессов кипения.

При выборе геометрических параметров модифицированной поверхности предпочтение отдается микроструктурам. Системы микровыступов различной формы применяются для интенсификации теплоотдачи в трубах. Кроме того, внутренние поверхности труб с выступами малой высоты (0,1...0,4 мм) могут быть использованы как поверхности кипения в испарителях холодильной техники. [21]

Принципиальным отличием систем охлаждения, основанных на кипении теплоносителя, является способ его подвода к охлаждаемой поверхности. Охлаждаемый элемент может находиться в объеме теплоносителя, теплоноситель может омывать поверхность теплообмена потоком, тонкими пленками или подводиться к поверхности теплообмена поливом.

Кипение в потоке теплоносителя осуществляется при направлении потока параллельно охлаждаемой поверхности. Кипение в объеме осуществляется при погружении охлаждаемой поверхности в теплоноситель без его искусственной циркуляции. [19]

Выбор вида теплоносителя обусловлен, в основном, температурой его кипения. По сравнению с другими используемыми теплоносителями ^С-72, Я-134а, Я-407С, Я-410А, Я-22, Я-245/а, Я-125, Я№7000) вода обладает более высокой температурой кипения и скрытой теплотой испарения, что позволяет ей отводить наиболее высокие тепловые потоки [19]. Однако вода, используемая в системе охлаждения, может привести к короткому замыканию в охлаждаемом устройстве при утечках и коррозии. Обычно используются хладагенты с

температурой кипения, близкой к рабочей температуре охлаждаемого элемента [18].

В литературных источниках представлено множество исследований, посвященных теплообмену при кипении различных видов теплоносителей на развитых поверхностях штырькового типа, отличающиеся геометрическими параметрами структур и материалами, из которых они изготовлены.

Исследование [18] посвящено проблемам охлаждения интегральных микросхем. Цилиндрические кремниевые штырьки диаметром 150 мкм, шагом 225 мкм и высотой 200 мкм испытывались при кипении потока хладагента Я245/а. При этом рассматриваемый диапазон тепловых потоков составлял 20-35 Вт/см2.

В работе [22] рассматривается кипение потока теплоносителя, проходящего через массив расположенных в шахматном порядке кремниевых штырьков диаметром 100 мкм и высотой 250 мкм с отношением шага к диаметру 1,5. В качестве теплоносителя использовалась вода, которая подводилась к исследуемому участку теплообменной поверхности посредством микроотверстий, служащих для обеспечения стабильности потока. Исследуемый

Л

диапазон тепловых потоков 20 - 350 Вт/см .

В другом исследовании [23] изучался перепад давления деионизированной воды и Я123 при прохождении через массив кремниевых штырьков вытянутой вдоль направления потока формы с размерами 100х500 мкм, высотой 243 мкм, шагом 150 мкм.

При пропускании потока теплоносителя через исследуемую структуру в ряде работ [21, 23] рассматривается как теплообмен без фазового превращения, так и теплообмен при кипении для различных условий проведения экспериментов.

Для охлаждения таких устройств, как фотоэлектрические модули с концентрацией солнечной энергии, в [24] предлагается использовать системы охлаждения с развитой штырьковой структурой из меди. В экспериментах с фазовым превращением, поток предварительно нагретого теплоносителя

(деионизированная вода, ИБЕ-7200, ИFC-134a) достигал точки кипения на охлаждаемом элементе при прохождении через исследуемую структуру. Микроштырьки представлены в двух вариантах: линейного и шахматного расположения, высота 305мкм, ширина 153 мкм, шаг 305 мкм. Диапазон тепловых

Л

потоков 1-170 Вт/см .

В [25] гидродинамичсекие и тепловые параметры исследовались с использованием медного теплосъемника со штырьками квадратного сечения 200х200 мкм высотой 670 мкм с шагом 400 мкм. В качестве теплоносителя использовалась деионизированная вода. Величина исследуемого теплового потока

Л

не превышала 100 Вт/см .

В работе [26] исследовался теплообмен на штырьках квадратного сечения 30х30 мкм и 50х50 мкм высотой от 60 до 200 мкм, полученные непосредственно на поверхности охлаждаемого кремниевого чипа. При этом, одни и те же структуры испытывались как для кипения в потоке теплоносителя FC-72, так и для кипения в объеме жидкости. Максимальный критический тепловой поток

Л

составлял 148 Вт/см и был зафиксирован при испытаниях на кипение потока.

Кипение в объеме диэлектрической жидкости ПыогтвН FC-72 было исследовано в работе [27]. Исследуемые структуры представляли собой медные штырьки квадратного сечения 0,4х0,4 мм или 1х1 мм, высотой 3-6 мм, равномерно распределенные по поверхности с шагом 0,8 мм или сгруппированные по 4 или по 25 штырьков с каналами между группами 1,2 мм или 3 мм в различном сочетании. Исследования показали несколько более высокие значения теплового потока при кипении на равномерно распределенных плотных структурах.

Перспективным способом подвода хладагента к развитой поверхности в ситсемах испарительного охлаждения является подвод через каналы перпендикулярно охлаждаемой поверхности. В системах охлаждения с фазовым переходом теплоносителя центральных и графических процессоров, микросхем и модулей питания телекоммуникационного оборудования, биполярных транзисторов с изолированным затвором хорошо зарекомендовал себя способ

подачи теплоносителя импактными струями [28]. При этом выбор типа и параиетров развитой поверхности остается актуальной задачей. При исследовании [28] охлаждения медных штырьков кубической формы высотой 3 и 7 мм импактными струями фреона ^-134^ с варьированием величины теплового потока

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Битюцкая Юлия Леонидовна, 2019 год

Список литературы

1. Shanmuga S.A., Velraj R. Thermal management of electronics: A review of literature // Thermal Science. 2008. V.12, № 2. P. 5-26.

2. Электронный учебно-методический комплекс: Архитектура компьютера // URL: http://arxitektura-pk.26320-004georg.edusite.ru/p116aa1.html (дата обращения: 20.09.2018).

3. Thoren J.D., Widell A.O.C. Development of Liquid Cooling for PCs Component Analysis for Factory Sealed Systems // Department of Applied Mechanics. Chalmers university of technology. Göteborg, Sweden. 2011. 54 p.

4. Кравец В.Ю., Конышин В.И., Пархоменко Г.А Система водяного охлаждения мощного процессора ПЭВМ // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2005. № 1. С. 42-44.

5. Comparison of Micro-Pin-Fin and Microchannel Heat Sinks Considering Thermal-Hydraulic Performance and Manufacturability / B.A. Jasperson, Y. Jeon, K.T. Turner [et al.] // IEEE Transactions on Tomponents and Tackaging Technology. March 2010. V. 33, N.1. P. 148-160.

6. Swiftech URL: http://www.swiftech.com/apogeegt.aspx (дата обращения: 20.09.2018).

7. Swiftech // URL: http://www.swiftech.com/ApogeeXL2.aspx (дата обращения: 20.09.2018).

8. Legit Reviews // URL: http://www.legitreviews.com/swiftech-h20-220-edge-hd-liquid-cooling-kit-review_1849/3 (дата обращения: 20.09.2018).

9. Computer Base // URL: https://www.computerbase.de/bildstrecke/36027/7/ (дата обращения: 20.09.2018).

10. Liu W., Torsten H. and Drobnik J. Effective Thermal Simulation of Power Electronics in Hybrid and Electric Vehicles // World Electric Vehicle Journal. Los Angeles, California. May 6-9, 2012. V. 5. P. 575-580.

11. Hitachi T., Gohara H., Nagaune F. Direct Liquid Cooling IGBT Module for Automotive Applications // Fuji Electric Review. 2012. V. 58, № 2. P. 55-59.

12. Fuji Automobile IGBT Module M653 Series 6MBI800XV-075V-01 / Application Manual. December, 2016. 91 p.

13. Siu-Ho A.M., Qu W. , Pfefferkorn F. Pressure Drop and Heat Transfer in a SinglePhase Micro-Pin-Fin Heat Sink // ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition. Heat Transfer. Chicago. 5-10 November, 2006. V.3. P. 213220.

14. Heo K.Y., Kihm K.D., Lee J.S. Fabrication and experiment of micro-pin-finned microchannels to study surface roughness effects on convective heat transfer // Journal of Micromechanics and Microengineering. 2014. V.24. 12 p.

15. John T.J., Mathew B., Hegab H. Characteristic Study on the Optimization of Micro Pin-Fin Heat Sink with Staggered Arrangement // ASME 2009 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. Heat Transfer. Lake Buena Vista. 13-19 November, 2009. V.9. P. 1373-1378.

16. Sohail R., Dulikravich R., Dulikravich G.S. Inverse Design of Cooling Arrays of Micro Pin-Fins Subject to Specified Coolant Inlet Temperature and Hot Spot Temperature // Heat Transfer Engineering. September 2016. V.38, №13. P. 1147-1156.

17. Subramanian S., Sridhar K.S., Umesh C.K. Comparative Study for Improving the Thermal and Fluid Flow Performance of Micro Channel Fin Geometries Using Numerical Simulation // American Journal of Engineering Research. 2015. Vol. 4, Iss. 7. P. 73-82.

18. Two-Phase Flow and Heat Transfer in Pin-Fin Enhanced Micro-Gaps with nonuniform heating / Isaacs S.A., Kim Y.J., McNamara A.J. [et al.] // ASME 2013 4th International Conference on Micro. Nanoscale Heat and Mass Transfer. Hong Kong, China. 11-14 December, 2013. 7 p.

19. Vlachou M.C., Lioumbas J.S., Karapantsios T.D. Heat Transfer Enhancement in Boiling Over Modified Surfaces: a Critical Review // Interfacial Phenomena and Heat Transfer. 2005. V.3, №4. P. 341-367.

20. Овсянник А. В. Моделирование процессов теплообмена при кипении жидкостей. Гомель: ГГТУ им. П.О. Сухого. 2012. 284 с.

21. Физические основы и промышленное применение интенсификации теплообмена. Интенсификация теплообмена: монография / И.А. Попов, Х.М. Махянов, В.М. Гуреев; под общ. ред. Ю.Ф. Гортышова. Казань: Центр инновационных технологий. 2009. 560 с.

22. Krishnamurthy S., Pele Y. Krishnamurthy S. Flow boiling of water in a circular staggered micro-pin fin heat sink // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2008. V.51. P. 1349-1364.

23. Kosar A., Ozdemir M.R., Keskinoz M. Pressure Drop Across Micro-Pin Heat Sinks Under Boiling Conditions // International Journal of Thermal Sciences. July, 2010. V.49, Iss.7. P. 1253-1263.

24. Reeser A., Bar-Cohen A., Hetsroni G., Mosyak A. Pin Fin Two-Phase Microgap Coolers For Concentrating Photovoltaic Arrays // Third Southern African Solar Energy Conference. Kruger National Park, South Africa . 11-13 May, 2015. 16 p.

25. Siu-Ho A.M., Qu W., Pfefferkorn F. Hydrodynamic And Thermal Characteristics Of Single-Phase And Two-Phase Micro-Pin-Fin Heat Sinks. 2007 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition. Seattle, Washington, USA. November 11-15, 2007. 11 p.

26. Wei J., Xue Y. Enhanced Boiling Heat Transfer from Micro-Pin-Finned Silicon Chips // Heat Transfer - Theoretical Analysis, Experimental Investigations and Industrial Systems. January, 2011. P. 33-50.

27. Guglielmini G., Misale M., Schenone C. Boiling of saturated FC-72 on square pin fin arrays // International Journal of Thermal Sciences. June, 2002. V.41, №7. P. 599-608.

28. Лопатин А.А., Гортышо Ю.Ф. К вопросу об охлаждении теплонагруженных элементов радиоэлектронного оборудования импактными струями фреона // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2012. №3-1(34). С. 349-358.

29. Performance and Two-Phase Flow Pattern for Micro Flat Heat Pipes / Yang K.-S., Lin C.-C., Shyu J.-C. [et al.] // International Journal of Heat and Mass Transfer, 77. October, 2014. P. 1115-1123.

30. Ho J.Y., Leong K.C. Filmwise condensation on micro-fin surfaces produced by Selective laser melting // 13th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics. Portoroz, Slovenia. July, 2017. P. 85-90.

31. Ali H.M., Briggs A. An Investigation of Condensate Retention on Pin-Fin Tubes // World Congress on Engineering 2013. London, U.K. July 3-5, 2013. V.III. 6pp.

32. Лаптев А.Г., Николаев Н.А., Башаров М.М. Методы интенсификации и моделирования тепломассообменных процессов // Учебно-справочное пособие. М.: «Теплотехник». 2011. 335 с.

33. Cooling apparatus, cooled electronic module, and methods of fabrication thereof employing thermally conductive, wire-bonded pin fins: United States Patent US7301770B2 / Campbell L.A., Chu R.C., Ellsworth M.J.Jr. [et al]. November 27, 2007.

34. Pin fin heat sink for power electronic applications: United States Patent US2004/0150956A1 / Conte R. - August 5, 2004.

35. Ito Y. Thought-Evoking Approaches in Engineering Problems. Springer. 2014. 295pp.

36. Lee S. Optimum design and selection of heat sinks // IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology. December, 1995. Part A, V.18, Iss.4. P. 812-817.

37. Diamond heat sink: United States Patent US2003/0183368 / Paradis L., DeBenedictis M., LeBlanc S., Miller R. October, 2003.

38. Sai V. S. Investigation of powder injection moulded oblique fin heat sinks // ProQuest Dissertations And Theses. National University of Singapore. Singapore. 2017. Publication № AAT 10754429. V. 75-10C. 104 p.

39. Ognibene E.J., Holmansky E.N., Johnson D.L. Low-cost, high density, staggered pin fin array: United States Patent US6273186B1. August 14, 2001.

40. Horiuchi K., Nishihara A. Experimental Verification of Model for Liquid-Cooled Staggered Pin Fin Heat Sinks with Top Bypass Flow / Journal of Energy and Power Engineering. 2013. V. 7. P. 1487-1495.

41. Reddy S.R., Dulikravich G.S. Inverse Design of Cooling Arrays of Micro Pin-Fins Subject to Specified Coolant Inlet Temperature and Hot Spot Temperature // Heat Transfer Engineering. 2017. V. 38, Iss. 13. P. 1147-1156.

42. Guan D., März M., Liang J. Effect of top bypass on liquid cooled pin fin heat sinks in power electronics // Technical Report. October, 2010. 14 p.

43. Naphon P., Wiriyasart S. Liquid cooling in the mini-rectangular fin heat sink with and without thermoelectric for CPU // International Communications in Heat and Mass Transfer. February, 2009. V. 36, Iss.2. P. 166-171.

44. Горшенин А.С. Методы интенсификации теплообмена // Учебное пособие. Самар.гос.техн.ун-т. Самара. 2009. 82 с.

45. Pin fin heat sink and pin fin arrangement therein: United States Patent US6173758 / T.G. Ward, S.D. Downer. January, 2001.

46. Non-linear fin heat sink Hoffman: United States Patent US20090145581A1P / Remsburg R., Reeves M. June, 2009.

47. Heat sink: United States Patent US 2008/0066888 A1 / W. Tong, J. Boyland. March, 2008.

48. Способ получения поверхностей с чередующимися выступами и впадинами и инструмент для его реализации: Патент 2044606 РФ В23 в1/110 / Н.Н. Зубков, А.И. Овчинников. Изобретения. 1995. № 27.

49. Method of forming protrusions on the inner surface of a tube: United States Patent US7637012B2 / P. Thors, N.Zoubkov. June, 2002.

50. Зубков Н.Н. Перспективы использования метода деформирующего резания // Современные наукоемкие технологии: приоритеты развития и подготовка кадров: Сборник статей профессиональной научно-практической конференции. Казань. 2014. С. 42-46.

51. Использование штырьковых структур нового типа для охлаждения электронной аппаратуры / Зубков Н.Н., Овчинников А.И., Трофимович А.С. [и др.]. Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2014. № 2. С. 70-79.

52. Анисимов С.В., Смирнов Ю.Б. Теплообмен при конденсации пара на горизонтальных трубах с ребрами сложной формы / Теплоэнергетика. 1997. №11 . С. 38-41.

53. Получение штырьковых структур для кипения азота / Зубков H.H., Трофимович А.С., Овчинников А.И. [и др.]. Вестник МГТУ им. H3. Баумана. Сер. Машиностроение. 2013. № 1. C. 100-109.

54. Кипение воды на микроструктурированных поверхностях / Гортышов Ю.Ф., Попов И.А., Зубков H.H. [и др.]. Труды Академэнерго. 2012. №1. С. 14-31.

55. Зубков H.H. Разработка и исследование метода деформирующего резания как способа формообразования развитых макрорельефов: диссертация доктора техн. наук. Москва. 2001. 478 с.

56. Зубков H.H. Многофункциональная технология увеличения площади поверхности для повышения теплообменных и технологических свойств деталей II Полет (авиация, ракетная техника и космонавтика). 2003. №3. С. 41-46.

57. Зубков H.H., Битюцкая Ю.Л. Моделирование процесса деформирующего резания и геометрических параметров штырьковых структур для анализа теплогидравлических характеристик теплосъемных пластин //Технология металлов. 2017. №10. C. 31-37.

Версия: N. N. Zubkov, Yu. L. Bityutskaya. Simulation of the Deformational Cutting and the Geometric Parameters of Pin Structures to Analyze the Thermohydraulic Characteristics of Heat-Removal Plates II Russian Metallurgy (Metally). 2018. V. 2018, №13. P. 16-21.

58. Битюцкая Ю.Л., Зубков H.H. Моделирование процесса деформирующего резания для формирования теплообменных штырьковых структур // Сборник докладов IX Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России». Москва. 5-8 октября, 2016 г. С. 35-38.

59. Афонин A.H. Моделирование нарезания резьб в системе DEFORM // Труды Всероссийской научно-практ. конф. «Инженерные системы - 2008». М.: РУДК 2008. С. 153-156.

60. Исследование обрабатываемости жаропрочной стали 10Х11Н23Т3МР-ВД для деталей газотурбинных двигателей / Сурков О.С., Кондратьев А.И., Алексеев В.П. [и др.] // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2014. №5(47), Часть 3. С. 106-112.

61. 3D FEM Analysis of Cutting Processes / Constantin C., Croitoru S.M., Constantin G. [et al.] // 3rd WSEAS International Conference on Visualization, Imaging and Simulation. Faro, Portugal. November, 2010. P. 41-46.

62. Bouzakis K.-D., Friderikos O., Tsiafis I. FEM-supported simulation of chip formation and flow in gear hobbing of spur and helical gears // CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. 2008. V.1, Iss.1. P. 18-26.

63. Johnson G.R., Cooks W.H. A Constitutive Model Data for Metals Subjected to Large Strains, High Strain Rates and High Temperatures // Proc. Seventh Int. Symp. on Ballistic. 1983. P. 541-547.

64. Практическое руководство к программному комплексу Deform-3D: учебное пособие / Паршин В.С., Карамышев А.П., Некрасов И.И. [и др.]. Екатеринбург: УрФУ. 2010. 266 с.

65. Корендясев Г.К. О конечноэлементном моделировании процесса обработки металлов резанием (часть 1) // Вестник научно-технического развития. 2015. №3(91). С. 14-24.

66. Rao A.K., Saxena B.B, Kirar R. CFD Analysis Of Elliptical Pin Fin Heat Sink // International Journal of Engineering Research & Technology. March, 2013. V. 2 Iss.3. 8 p.

67. Planar Oblique Fin Microchannel Structure / Fan Y., Lee P.S., Singh P.K. [et al.] // Thermal Transport in Oblique Finned Micro/Minichannels. August, 2014. P.5-84.

68. Nabati H. Numerical Analysis Of Heat Transfer And Fluid Flow In Heat Exchangers With Emphasis On Pin Fin Technology // Malardalen University Press Dissertations. 2012. 71 p.

69. Choo J.S. Numerical Analysis of the performance of Staggered Pin-Fin Micro Heat Exchangers // Calhoun: The NPS Institutional Archive. December, 2003. 104 p.

70. Rubio-Jimenez C.A., Kandlikar S.G., Hernandez-Guerrero A. Performance of Online and Offset Micro Pin-Fin Heat Sinks with Variable Fin Density // IEEE Transactions On Components, Packaging And Manufacturing Technology. January, 2013. V.3, №1. P. 86-93.

71. Modelling of a pin-fin heat converter with fluid cooling for power semiconductor modules / Khorunzhii I., Gabor1 H., Job R. [et al.] // International Journal of Energy Research. September, 2003. V.27(11). P. 1015-1026.

72. O'Keefe M., Vlahinos A. Impacts of Cooling Technology on Solder Fatigue for Power Modules in Electric Traction Drive Vehicles // IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference. Dearborn, MI, USA. September, 2009. P. 1182-1188.

73. Sasaki K., Hiyoshi M., Horiuchi K. Small Size, Low Thermal Resistance and High Reliability Packaging Technologies of IGBT Module for Wind Power Application // URL: http://www.markel.pl/file/hv-igbt/pcim_mbm600f17d.pdf (дата обращения: 20.09.2018).

74. Investigation on the Impact on Thermal Performances of New Pin and Fin Geometries Applied to Liquid Cooling of Power Electronics / Reeves M., Moreno J., Beucher P., Loong S.-J. [et al.] // Power electronics, intelligent motion and power quality. Nuremberg, Germany. 2011. P. 756-762.

75. Зубков Н.Н., Битюцкая Ю.Л., Войнов С.А. Моделирование процесса формирования штырьков при деформирующем резании пластины // Вестник машиностроения. 2015. № 11. С. 18-21.

Версия: Zubkov N. N., Bityutskaya Yu. L., Voinov S. A. Shaping of Heat Exchanger Pins by Deformational Cutting // Russian Engineering Research. 2016. V. 36, № 2. P. 81-85.

76. Войнов С.А., Битюцкая Ю.Л., Зубков Н.Н. Особенности формирования развитых теплообменных структур для жидкостного охлаждения электронных компонентов // Материалы всероссийской научно-технической конференции «Студенческая научная весна 2015: Машиностроительные технологии». Москва. Апрель, 2015. 2с.

77. Cold plate with pins: United States Patent US2011/0079376A1 / S.-J. Loong, D.L. Smith. April 7, 2011.

78. Зубков Н.Н., Битюцкая Ю.Л. Влияние параметров теплообменных штырьковых структур на их эксплуатационные характеристики // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Машиностроение». 2017. №2 (113). С. 108-120.

79. Зубков Н.Н., Битюцкая Ю.Л. Исследование теплообменных характеристик штырьковых структур // Proceedings of materials the international scientific conference МК0-2015-05 «News of science». Karlovy Vary, Czech Republic -Moscow Russia. 30-31 августа, 2015. С. 54-59.

80. Шуляк Я.И. Разработка и исследование способа деформационного упрочнения поверхностей деталей методом деформирующего резания: диссертация кандидата техн. наук. Москва. 2017. 478 с.

81. Reay D.A., Kew P.A. Heat Pipes, Fifth Edition: Theory, Design and Applications. Elsevier. 2006. 384 p.

82. N.N. Zubkov, Yu. L. Bityutskaya Novel surface structures for the phase transition // Тезисы международного семинара ISHM IV. Новосибирск. 18-19 апреля, 2016 г. С. 14.

83. Heat transfer at film flow of binary mixture of freons on surface with microrelief / Volodin O.A., Pecherkin N.I., Pavlenko A.N., Zubkov N.N., Bityutskaya Y.L. // Тезисы международного семинара ISHM V. Новосибирск. 16-17 ноября, 2016 г. С. 83.

84. Теплообмен при кипении пленки смеси хладонов R114/R21 на микроструктурированных поверхностях / Володин О.А., Печеркин Н.И., Павленко А.Н., Зубков Н.Н., Битюцкая Ю.Л. // Материалы конференции «Современные проблемы теплофизики и энергетики». Москва. 9-11 октября, 2017г. С. 48-50.

85. Кипение стекающей пленки жидкости на вертикальном цилиндре с микроструктурой / Володин О.А., Печеркин Н.И., Павленко А.Н., Зубков Н.Н., Битюцкая Ю.Л. // Материалы Всероссийской конференции «XXXIII сибирский теплофизический семинар». Новосибирск. 06-08 июня, 2017г. С. 282.

86. Влияние типа структурированной поверхности на теплоотдачу при испарении и кипении стекающих пленок / Володин О.А., Печеркин Н.И., Павленко А.Н., Зубков Н.Н., Битюцкая Ю.Л. // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2017. Т. 5, № 1. С. 157162.

87. Теплообмен при кипении в условиях пленочного течения бинарной смеси хладонов по поверхности с микроструктурой / Володин О.А., Печеркин Н.И., Павленко А.Н., Зубков Н.Н., Битюцкая Ю.Л. // Инновационная наука. 2016. №124. С. 8-15.

88. Heat transfer at boiling of r114/r21 refrigirants / Volodin O.A., Pecherkin N. I., Pavlenko A.N., Zubkov N.N., Bityutskaya Yu.L. // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series. Moscow. 9-11 October, 2017. V. 891. 8 p.

89. Способ получения развитой штырьковой теплообменной поверхности: Патент на изобретение № 2679815 РФ / Н.Н. Зубков, Ю.Л. Битюцкая; опубликовано 13.02.2019. Бюлл. № 5.

90. Makino // URL: http://www.makino.eu/ru/produkty/serija/ps-series/ (дата обращения: 01.04.2019).

91. Mitee-Bite // URL: http://www.miteebite.com/products/machinable-pitbull-clamps/ (дата обращения: 01.04.2019).

92. MEP // URL: http://www.mepsaws.it/shark-230-nc-hs-5-0/?lang=it (дата обращения: 01.04.2019).

93. Sumitomo // URL: https://sumicarbide.com/product-category/milling-tools/ (дата обращения: 01.04.2019).

94. Каталог Guhring // URL: http://www.guhring.ru/products/ (дата обращения: 01.04.2019).

Приложение

Акт

внедрения результатов диссертационной работы Ю.Л. Битюцкой

Настоящим актом удостоверяется, что в период с 20 ноября 2014г. по 31 марта 2015г. в ООО «Профессиональные модификации» были переданы материалы, касающиеся получения штырьковых теплообменных структур методом деформирующего резания, разработанные аспирантом МГТУ им. Н.Э. Баумана Битюцкой Ю.Л. (научный руководитель д.т.н., профессор H.H. Зубков), а именно:

- рекомендации по выбору параметров штырьковых структур,

- технологические рекомендации по получению штырьковых структур заданных геометрических параметров,

- твердотельные модели штырьковых структур для их последующего теплогидравлического расчета.

Переданные материалы использовались ООО «Профессиональные модификации» для изготовления опытной партии систем водяного охлаждения микропроцессорной техники по заказу ФГУП "НИИ "Квант".

Генеральный директор

ООО «Профессиональные модификац

:тов

/

Утверждаю .одитель НУК МТ м. Н.Э. Баумана .Г. Колесников

АКТ

использования результатов диссертационных работ аспиранта Битюцкой Ю.Л. и магистранта Калинина В.Н.

Комиссия в составе от кафедры МТ11 д.т.н., заведующего кафедрой и к.т.н., доцента Беликова А.И., и от кафедры МТ2 д.т.н., заведующего кафедрой Древаля А.Е. и д.т.н., профессора Зубкова H.H. составила настоящий акт о том, что результаты диссертационной работы Битюцкой Ю.Л. в виде отработки получения штырьковой теплообменной поверхности методом деформирующего резания на торце корпуса магнетрона и результаты диссертационной работы Калинина В.Н.в виде модернизации вакуумной напылительной установки были использованы для проведения на ней лабораторных работ и научных исследований кафедр!.. МТ11.

Целью модернизации, проведенной в период с июня по июль 2015 г. являлось повышение мощности подводимой к планарному магнетрону вакуумной напылительной установки Balzers 350G при сохранении качества рабочей среды в технологической камере за счет снижения потока газовыделения с поверхности мишеней. Снижение потока газовыделения из мишени достигается за счет Понижения ее температуры, что обеспечивается путем повышения эффективности охлаждения корпуса магнетрона.

Сущность модернизации заключалась в замене корпуса магнетрона на модернизированный корпус с обеспечением функции' интенсивного охлаждения мишени. Повышение теплообмена достигалась использование'.! развитой штырьковой структуры на корпусе магнетрона, омываемой охлаждающей водой.

Отработка технологии, расчет параметров деформирующего резания, геометрии инструмента и изготовление инструмента и формирование штырьковой теплообменной структуры методом деформирующего резания проведено аспирантом кафедры М Г2 Битюцкой Ю.Л.

Магнетронная распылительная система на основе штатного корпуса до модернизации обеспечивала процесс распыления мипГени при подаваемой на магнетрон мощности не более 950 Вт. При дальнейшем увеличении мощности наблюдалось повышение общего давления в камере, что недопустимо и приводит к резкому снижению

Таблица 1

Параметры работы магнетронной распылительной системы с модернизированным корпусом магнетрона

Режим работы MPC Давление в камере. Па Мощность разряда, Вт Температура воды на выходе MPC. °С Продолжительность работы, мин

Постоянный ток 10"' 2360 23 15

Импульсный. Частота импульсов 50 кГц, скважность 50% 10" 3150 23 15

Распыление импульсами высокой мощности (HIPIMS) Частота импульсов 15 кГц. длительность импульсов 15 M КС ю-1 3200 25 25

Выводы:

1. По результатам проведенных испытаний модернизированной магнетронной распылительной системы зафиксировано увеличение допускаемой подводимой мощности магнетрона в 2,5 - 3,4 раз при отсутствии повышения давления в рабочей камере во время испытаний. Использование модернизированной магнетронной распылительной системы в составе вакуумной напылительной установки позволяет получать более плотные пленки напыляемого материала, а также обеспечивает уменьшение времени технологического процесса за счет повышения скорости нанесения покрытия.

2. Использование теплосъемных штырьковых поверхностей (в частности, полученных деформирующим резанием) в конструкции магнетронных распылительных систем перспективно для интенсификации режимов распыления мишеней магнетронным методом и повышения качества формируемых наноструктурированных покрытий.

От кафедры МТ11

fé'zf _ Панфилов Ю.В.

Беликов А.И.

От кафедры МТ2

_ /^Цреваль А.Е. Зубков H.H.