mécanique et refroidissement

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1 mécanique et refroidissement
MFT Janvier 2014 Buhour / Guilloux MFT MFT mécanique et refroidissement Résumé: Vue générale du MFT dans ALICE; Descriptif du MFT. Descriptif d’un plan du MFT. Environnement du MFT. Outillage d’installation. Procédure d’installation. Refroidissement. Etudes de mécanique des fluides et de thermique du MFT. Etude préliminaire de l’impact du refroidissement sur le MFT barrel.

2 Vue en coupe datant du début du projet (11/2011)
MFT MFT Janvier 2014 Buhour / Guilloux Place du MFT dans ALICE Vue en coupe datant du début du projet (11/2011) ITS TPC Beam pipe absorbeur MFT Coté C Coté A faisceaux V0, T0, FIT? IP

3 MFT Vue générale du MFT dans ALICE Esquisse MFT-ITS-FIT
Proposition SUBATECH – 11/2013 Version TDR 6 ITS MFT Janvier 2014 Buhour / Guilloux Cage MFT/MFT barrel MFT FIT Cage fixe ITS Absorbeur Support du tube faisceau Tube faisceau Zone de service

4 MFT MFT Descriptif du MFT. 6 plans de détection
2 demi cônes étanches, quasi symétriques MFT Janvier 2014 Buhour / Guilloux MFT cône Goulotte support BP* Plan de détection Goulotte BP* Disque arrière Disque avant Zone de passage des « ailes » du support BP Feuille de kapton BP : Beam Pipe

5 Plan type 04 MFT MFT Descriptif d’un plan de détection du MFT.
Janvier 2014 Buhour / Guilloux MFT Plan type 04 Face recevant les échelles Buse de diffusion de l’air de refroidissement Passage tube faisceau Sortie air Entrée air Fibres optiques

6 Capteurs, électronique FE et puissance dissipée
Descriptif d’un plan de détection du MFT. MFT MFT Janvier 2014 Buhour / Guilloux Capteurs, électronique FE et puissance dissipée     W pour les sensors     W pour les GBT     - 52 W pour les transceiver optiques     W pour les DC-DC converters Soit 840 W pour un demi MFT C. Renard et S. Bouvier, 19/02/2014

7 Eclaté plan 04 MFT MFT Descriptif d’un plan de détection du MFT.
Janvier 2014 Buhour / Guilloux Eclaté plan 04 Différents éléments constituants un plan Zone de détection arrière Plan de pose des échelles Zone de collage Be/pcb Répartiteur air de refroidissement Zone de détection avant Connecteurs optiques pcb

8 Exemple d’un échelle type 3 sensors
Descriptif d’un plan de détection du MFT. Détail d’une échelle. MFT MFT Janvier 2014 Buhour / Guilloux Exemple d’un échelle type 3 sensors sensors flex Connecteur sur face inférieure du flex raidisseur Connecteur sur pcb Marquage de l’échelle

9 MFT MFT Environnement du MFT, sans MFT.
Janvier 2014 Buhour / Guilloux « Ailes » de maintien du support Support BP côté C Cage fixe Beam Pipe Support BP Rails de mise en place amovibles La cage fixe est mise en place (TPC position garage) elle sert de référence pour la mise en place des autres détecteurs ainsi que du BP 9

10 Outillage d’installation, « MFT inférieur ».
Janvier 2014 Buhour / Guilloux Après l’assemblage du MFT: Montage MFT dans la cage MFT (travail en labo) Zone de fixation FIT Le 1/2 cône mft complet est positionné dans sa cage de mise en place. Mise en place des fibres optiques en fond de cage. et de toutes les connexions électriques et servitudes du refroidissement (cas où toute la connectique sort du côté A) Côté C Côté A Cage MFT/MFT barrel Coulissant dans cage fixe Logement Fibres optiques 10

11 MFT MFT Esquisse de la cage MFT
Outillage d’installation, « MFT barrel inférieur ». MFT Janvier 2014 Buhour / Guilloux MFT Esquisse de la cage MFT Zone de fixation FIT Réalisé en labo Passage des alimentations électriques Entrée et sortie air de refroidissement Logement des fibres optiques Et des câbles électriques Passage air cooling In et out

12 Exemple d’assemblage MFT et cage
Outillage d’installation. MFT MFT Janvier 2014 Buhour / Guilloux Exemple d’assemblage MFT et cage MFT et sa connectique Assemblage Finitions et ajout FIT

13 Insertion cage MFT (et FIT)
Procédure d’installation, MFT et MFT barrel inférieur. MFT Janvier 2014 Buhour / Guilloux MFT Insertion cage MFT (et FIT) La cage MFT est translatée selon Z et mis en place autour du BP le long de glissières dans la cage fixe. La procédure est a répéter avec la partie Supérieure du MFT et de sa cage. Selon X Selon Z 13

14 Insertion ITS MFT MFT Procédure d’installation.
Janvier 2014 Buhour / Guilloux Insertion ITS Enveloppe mini des « outer layers »

15 Insertion pixel MFT MFT Procédure d’installation. Pixel detector
Janvier 2014 Buhour / Guilloux MFT Insertion pixel Pixel detector Outillage de mise en place

16 Insertion TPC MFT MFT Procédure d’installation. Cage interne de la TPC
Janvier 2014 Buhour / Guilloux MFT Insertion TPC Cage interne de la TPC Extraction des rails

17 Détail de l’interface MFT-ITS
Conclusion et discussion. MFT MFT Janvier 2014 Buhour / Guilloux Détail de l’interface MFT-ITS Enveloppe mini des « middle et outer layers » Attache outer layers Zone à étudier rapidement X Attache middle layers X Proposition de modification du cône

18 MFT MFT Des points importants à régler en 2014 (au début de !)
Janvier 2014 Buhour / Guilloux Définition des interfaces, MFT vs ITS, BP, FIT, TPC, ? Définition du partage des tâches (exemple du MFT barrel). Choix des personnes en charge pour les sous ensembles du MFT. Des avancées prévues début 2014. Réunion MFT – ALICE (Beam Pipe) prévue 22 janvier 2014. MFT barrel à la charge de la collaboration MFT. Diamètre du BP, 18=>19.6=>19? Dimensions des middle layer (3 et 4) encore fluctuantes (ITS TDR6 => ITS TDR7) Réunion d’aujourd’hui => partage des tâche, mise en place de la collaboration. X

19 MFT MFT Refroidissement. Résumé: Vue générale du MFT dans ALICE;
Janvier 2014 Buhour / Guilloux Résumé: Vue générale du MFT dans ALICE; Descriptif du MFT. Descriptif d’un plan du MFT. Environnement du MFT. Outillage d’installation. Procédure d’installation. Refroidissement. Etudes de mécanique des fluides et de thermique du MFT. Etude préliminaire de l’impact du refroidissement sur le MFT barrel.

20 Résumé des pré-études de thermique sur les plans de détection du MFT
Janvier 2014 J-M Buhour Sortie d’air entrée d’air Le modèle évalué est conforme à celui présenté dans la LoI (puissance, géométrie), la puissance issue de l’électronique de « front end » n’est pas comptée, le changement de la géométrie des plans due au possible « ailes » de support du tube faisceau n’est pas pris en compte. Plusieurs modèles évalués, avec différents matériaux supports (TPG, Béryllium, composites), avec différents modes de refroidissements (conductif et convectif). Conclusion, première esquisse Utilisation d’un flux d’air à température ambiante pour refroidir le plans, en surface et à l’intérieur des plans. - simplifie la conception, simplifie les servitudes. - permet de limiter la quantité de matière utilisée (faible X0). Proposition de l’utilisation de Béryllium pour les plans supports, bon rapport rigidité, X0, conductivité thermique. 1,4 mm 2 mm Plan de détection complet extérieur intérieur 3 flux d’air distincts

21 Exemple de simulation des écoulements d’air dans et sur les plans du MFT
Tube faisceau Particules Zones de détection AIR5 AIR56 AIR6 Zoom INLET Janvier 2014 J-M Buhour Les vitesses débitantes obtenues dans le MFT sont inférieures à 10m/s Les coefficients d’échange moyens sont: 50 W/m².K à l’extérieur des plans 30 W/m²K à l’intérieur des plans

22 MFT Exemple de simulation de thermique sur un groupe d’ASIC convection
Première modélisation d’un groupe de deux ASIC pour un calcul de thermique. Géométrie simple permettant d’évaluer l’apport des différentes sources de refroidissement. Janvier 2014 J-M Buhour convection Dépôt de puissance ASIC refroidissement support flex isolant convection ASIC: 0,18µm Longueur 30 mm, largeur 8 mm (5 mm active, 3 mm passive) Épaisseur 50µm Puissance déposée : 515 mW/capteur (340 mW/cm² sur partie active) Flex: 2 x 57 µm d’aluminium Isolant: 3 x 50µm de Kapton Support: 0,2 mm, Béryllium

23 MFT Exemple de simulation de thermique sur le disque 0 du MFT
Janvier 2014 J-M Buhour Descriptif pour un quart de plan : 13 échelles 1 échelle à 1 capteur 1 échelle à 2 capteurs 6 échelles à 3 capteurs 5 échelles à 4 capteurs Soit 41 capteurs pour le quart de plan modélisé et donc environ 328 pour le disque zéro complet (2 plans, le recto et le verso). Le dépôt de puissance sur les capteurs est de 515 mW. Soit environ 169 W pour le disque zéro complet. La vitesse maximale de l’air est toujours de 10m/s. Le coefficient d’échange au dessus des capteurs est de 40 W/m².K Le coefficient d’échange à l’intérieur du plan est de 25W/m².K La température de l’air est 22°C La température maximale des ASIC calculée dans cette simulation est d’environ 30°C

24 MFT Conclusion et prochaines simulations
Janvier 2014 J-M Buhour L’utilisation de l’air à température ambiante avec une vitesse débitante inférieure à 10 m/s sur des plans de détection dont le matériau support est du Béryllium permet d’obtenir des températures de fonctionnement des ASIC inférieures à 30 °C, Toutefois, au vue des premiers devis (170 k€…) concernant la fabrication de disques support en Béryllium, l’usage de composites Carbone-Epoxy pourrait être privilégié. L’Alliage AlBeMet pourrait être un candidat intéressant (46 k€) . Ces études devront être plus poursuivies dans le prochain trimestre. Toutefois, assurer le refroidissement de l’intégralité du MFT avec uniquement de l’air n’est pas une solution unique, définitive ou arrêtée; le bilan final des puissances totales dissipées dans les plans ainsi que d’autres considérations (de géométrie, de conception mécanique) feront que nous pourrons être amené à compléter le refroidissement par air par un refroidissement liquide, dans les parties situées en dehors de la zone de détection notamment.

25 MFT prochaines études, objectifs
Janvier 2014 J-M Buhour La suite des études mécaniques et des simulations de thermique pourra être réalisée lorsque les paramètres suivant seront fixés et estimés: Géométrie du MFT, c’est-à-dire la taille, la forme et la localisation de nouveaux éléments qui vont modifier les plans de détections (cône central, aile support du tube faisceau, position des plans par rapport à l’IP). Les puissances dissipées, dans les ASIC, dans l’électronique de front end, leur localisation, la taille des composants et de la connectique. La mise à jour du budget matière des différents plans, afin d’ajuster et de confirmer le genre et l’épaisseur du support de plan. Le nombre de plans, la largeur des capteurs sont aussi des informations dont nous aurons besoin pour continuer à travailler. - Les forces disponibles (en mécanique) dans les laboratoires associés au projet MFT. « Layout » complet (le plus possible) des plans de détections et de l’électronique proche. => Plans d’ensembles Réalisation d’une maquette d’échelle, voire de disque, « thermiquement » utilisable et représentative. => Validation du modèle et des solutions technique. Etudes mécanique détaillées des plans et échelles constituants les disques. => Solution technique et maquette Révision du cône support pour intégrer les disques et leurs servitudes. => positon, nombre et dimension des arrivées de fluides de refroidissement. Reprise des simulations de mécanique des fluides et de thermique. => Liquide en plus ou pas?

26 MFT Tuyaux allés Tuyaux retours
Rapide estimation de la quantité de refroidissement par eau à faire passer dans le « MFT Barrel ». P = dm*Cp*DT hypothèses: P = puissance = 1 kW/2 = 500 W = 0.5J/s dm = débit massique (kg/s) Cp = capacité calorifique = 4.2 kJ/kW*K DT = différence de température = 2 °K 0.5 = dm*4.2*2 dm = 0.06 kg/s ou aussi en gros 0.06litres/s ou aussi 0, m3 si je prends comme autre hypothèse que je ne veux pas dépasser une vitesse de circulation de 1m/s de l'eau dans ma canalisation (pour limiter les pertes de charges). 0, /1 = 0, m² soit 60 mm², soit la surface d'un tuyau d'un diamètre de 8.74 mm, que j'arrondis à 9mm. donc nous avons un tuyau d'arrivée d'eau de 9 mm de diamètre et aussi un tuyau pour le retour de l'eau pour un demi MFT, soit 2 tuyaux de 9 mm par MFT barrel. Si nous souhaitons avoir des tuyaux de moindres diamètres nous pourrons multiplier le nombre de tuyaux (attention aux pertes de charges linéiques). Ainsi avec des tuyaux de 3 mm nous devrions avoir 18 tuyaux (9 allés et 9 retours). Etc… Il serait intéressant d’avoir 1 circuit par plan de détection (12 tuyaux, de 3.7 mm de diamètre environ). Le matériau des tuyaux n’est pas encore choisit (on peut envisager 50µm d’acier inox par parois). Rappel! Dans ces calculs toute la puissance est évacuée par l’eau, en réalité une grande partie sera évacuée par l’air., donc moins de tuyaux d’eau à faire passer (2 à 3 fois moins). Il faudra considérer le système « leakless » (apportera des limites sur la qualité de l’ écoulement). Il est préférable de limiter le refroidissement à l’eau en dehors de la zone de détection (zone PCB). Si cela est possible il faudra prévoir de la redondance dans le nombre de tuyaux. Et, bien sur, tous ceci nécessitera d’autres simulations plus détaillées, aux niveaux local et global. MFT Janvier 2014 J-M Buhour

27 MFT - Working groups - PBS
Janvier 2014 Buhour MFT MFT - Working groups - PBS WG 7: