Innovative low-mass cooling systems for the ALICE ITS Upgrade detector at CERN

289 Pages·2016·15.44 MB·English

by  Gómez Marzoa, Manuel

Innovative low-mass cooling systems for the
ALICE ITS Upgrade detector at CERN
THÈSE NO 6993 (2016)
PRÉSENTÉE LE 11 MAI 2016
À LA FACULTÉ DES SCIENCES ET TECHNIQUES DE L'INGÉNIEUR
LABORATOIRE DE TRANSFERT DE CHALEUR ET DE MASSE
PROGRAMME DOCTORAL EN ENERGIE
ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE
POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES
PAR
Manuel GÓMEZ MARZOA
acceptée sur proposition du jury:
Prof. S. Haussener, présidente du jury
Prof. J. R. Thome, directeur de thèse
Prof. T. Karayiannis, rapporteur
Prof. R. Revellin, rapporteur
Prof. J. Schiffmann, rapporteur
Suisse
2016

Acknowledgements
IwouldliketofirstthankProf. JohnR.Thomeforhissupervision, advice, andcarefulreadingof
thisthesis.IwouldliketoexpressmygratitudetoMicheleBattistinforthinkingofmeforadoctoral
studentshipatCERNandtoLucianoMusaforwelcomingmeintheALICEITSUpgradeproject. As
partofthisworkwascarriedoutattheHeatTransferResearchLabattheUSPSãoCarlosinBrazil,I
wouldliketothankProf.GherhardtRibatskiforhisguidanceandencouragementduringthe9monthsI
spentinhislab.ThiscollaborationwaspossiblethankstothesupportofaDoctoralMobilityfellowship
awardedbySwissNationalScienceFoundation(SNSF),whichIherebywarmlyacknowledge.
Iwouldliketothankthecommitteemembers,Prof.SophiaHaussener,Prof.TassosKarayiannis
Prof.RémiRevellin,andProf.JürgSchiffmannfortheirtimeevaluatingandhelpingimprovethisthesis.
IwishtothankallthecolleaguesatCERN,especiallyJoséBotelhoDireito;ElisaLaudiandCorrado
GargiulofromtheITSUpgradeproject,fortheirtrustandknowledge;SergeyIgolkin,forhisskillswith
carbonfibre;andPieterIzjermanns,AndreaFrancesconandMartinDoubekfortheirhelpatthelab.It
isapleasuretosincerelythankProf.EnricoDaRivaforhisgreatsupport,patience,andallhetaught
meduringthealmost3yearswesharedanofficeatCERN.Iwouldliketothankmycolleaguesatthe
CFD-Teamfortheirfriendship: VinodRao,GennaroBozza,SylwiaWojnarska,GianlucaCamplone,
PiotrPacholek,andAnikoRakai.AverybigthankstoMichaelPlaggeforhisgeneroushelp.Thanks
tomyfriendsinGeneva,especiallythecrewfromthehouseinMeyrin,theCinéClubpals,andthe
membersfromtheCERNVéloClubandtheSkiTouringClub,forsharingunforgettabletimesand
showingmeincredibleplacesinthisbeautifulregion. Also,mymostsinceregratitudegoestomy
friendsfromSpainandelsewherefortheirencouragement,andthegreattimesandtripstogether.
MybestthoughtsgotothecolleaguesandfriendsinSãoCarlos.IwanttothankHélioDonizete
TrebiandJoséBogniforhisinvaluablehelpputtingtogethertheexperimentalfacility.ThankstoFábio
Kanizawa,HugoLeão,ChicãoNascimento,DanielSempérteguiandCristianoTibiriçáfortheirsupport
duringtheexperiments.Iwishtothanktherestofthelabstudents,aswellasmyhousematesandmy
cyclingfriends,fortheirbigsmilesandtruefriendship.Youwillalwaysbeinmyheart.
IwouldliketoextendmygratitudetothecolleaguesoftheLTCMlabatEPFL,whichhelpedme
inmanyoccasionsandsharedcoursework,dinnerandskitimes.AbigthankstoCécileTaverneyand
NathalieMatthey-de-l’Endroitfortheirprompthelpwiththeadministrativework.
MydeepestthanksgotoLucía,whohasfaithfullyputupwithmeforalltheseyears.Thiswork
wouldnothavebeenpossiblewithoutyourencouragementandyourlove,rainorshine.
Last,butnotleast,many,manythankstomyfamilyfortheirunconditionalloveandsupport.
Lausanne,4thApril2016 ManuelGómezMarzoa

Abstract
ThePhase-1upgradeoftheLHCtofulldesignluminosity,plannedfor2019atCERN,requiresthe
modernisation of the experiments around the accelerator. The Inner Tracking System (ITS), the
innermostdetectorattheALICEexperiment,willbeupgradedbyreplacingthecurrentapparatusby
newsiliconpixelsarrangedin7cylindricallayers.Eachlayeriscomposedbymultipleindependent
modules,namedstaves,whichprovidemechanicalsupportandcoolingtothechips.Thisthesisaims
todevelopandvalidateexperimentallyanultra-lightweightstavecoolingsystemfortheITSUpgrade.
Themoderatethermalrequirements,withanominalpowerdensityof0.15Wcm−2andamaximum
◦
chiptemperatureof30 C,arecounterweightedbyextremelow-massrestrictions,obligingtoresortto
lightweight,non-metallicmaterials,suchascarbonfibre-reinforcedpolymersandplastics.
Novel lightweight stave concepts were developed and experimentally validated, meeting the
thermalrequirementswithminimalmaterialinventory.Theproposedstavesaremadeofthin,layered,
compositehighthermalconductivitycarbonfibreplates,withdimensionsupto1502×30mm,and
innovativepolyimidecoolingchannels,withinnerdiameters(IDs)rangingfrom1.024mmto2.667mm
andthinwalls.Sixdifferentstavelayoutsweretestedwithwateratsub-atmosphericpressure(leak-less
cooling),showingexcellentcoolingperformances:thetemperaturedifferencesbetweentheheated
surfacesandthecoolantarebelow7Kat0.15Wcm−2,withlowsurfacetemperaturegradients.
CoolingtestswithevaporativeC F refrigerantwereperformedonthebaselinestaveprototypes,
4 10
yieldingsimilarthermalperformanceaswithwater. Thisindicatesthatthethermalresistanceof
conductioninthestavedominatesovertheconvectiveonebetweenthechannelwallandthecoolant.
Atwo-phasecoolantwoulddisplaylowmaterialinventorythankstothepresenceofthevapourphase,
lighterthanliquid.Anexperimentalstudyonthetwo-phasecoolantinventorywascarriedoutinone
stave.Theresultsarecomparedwithvoidfractionpredictionmethodsintegratedalongthecooling
channellength,tofindthebestoneforcalculatingthematerialbudgetofthetwo-phasecoolant.
Anexperimentalstudyonthetwo-phasepressuredropandflowboilingheattransferina2.689
mmIDwater-heatedpolyimidechannelwasperformed,usingR245faasoperatingfluid.Massfluxes
rangingfrom100to500kgm−2s−1,heatfluxesfrom15to55kWm−2,vapourqualitiesbetween0.05
◦
and0.80,andsaturationtemperaturesof35,41and47 Cwereconsideredinthe300-pointexperimental
database.Theinfluenceofthetwo-phaseflowparametersonthemeanheattransfercoefficientwas
analysedparametrically,beingitslackofdependenceontheheatfluxthemajorfinding.Finally,the
resultswerecomparedwithotherexperimentaldataandwithpredictionmethodsintheliterature.
Keywords:high-conductivitymaterials,CFRP,polyimide,lightweightcooling,materialbudget,two-
phaseflow,flowboiling,pressuredrop,microscale,refrigerants.

Version abrégée
L’améliorationduLHCauCERNverssaluminositémaximaleen2019impliquelamodernisationdes
expériencesdansl’accélérateur.LedétecteurInnerTrackingSystem(ITS)dansl’expérienceALICE
seraremplacéparunnouveaudétecteurconstituédepucesensiliciumgroupéesen7couchescylin-
driques.Chaquecoucheestcomposéedeplusieursmodulesindépendants,qu’onappellestaves,etqui
assurentlesupportmécaniqueetlerefroidissementdespuces.Cettethèseviseàdévelopperetvalider
expérimentalementunsystèmederefroidissementultralégerpourleITSUpgrade.Lescontraintesther-
◦
miquesmodérées(latempératuredespucesnedoitpasdépasser30 Cpourunedensitédepuissance
de0.15Wcm−2)sontcontrastéespardesexigencesdelégèretéextrêmedusystème,cequiobligeà
utiliserdesmatériauxlégersetnonmétalliques,commelesfibresdecarboneoulesplastiques.
Desnouveauxmodulesultralégersontétédéveloppésetvalidésexpérimentalement,enrespectant
leslimitesdumatérieletlesexigencesthermiques.Lesmodulesproposéssontcomposésdeplaques
finesconstruitesàpartirdecouchesenfibredecarbonesuperposées,avecdesdimensionsjusqu’à
1502×30mm,etdestuyauxdepolyimideinnovantsintégréspourleréfrigérant,avecdesdiamètres
internesmesurantde1.024mmjusqu’à2.667mm.6modulesdedifférentesconceptionsontétéévalués
expérimentalementavecdel’eauenpressionsous-atmosphérique.Touslesmodulesontmontréde
bonnescapacitésderefroidissement,avecdesdifférencesdetempératureentrelasurfacechaufféeet
leréfrigérantinférieuresà7Kpour0.15Wcm−2,etdesgradientsminimauxsurlasurfacechauffée.
DestestsexpérimentauxenévaporationavecleréfrigérantC F révèlentlesmêmesperformances
4 10
thermiquesqu’avecdel’eau,enindiquantquelarésistancethermiquedominanteestparconduction
danslemodule,etpasconvectiveàl’intérieurdestuyaux.L’utilisationd’unréfrigérantdiphasique
minimisel’inventairedematérieldumoduleàcausedelaprésenceduvapeur.Lesrésultatsd’une
étudeexpérimentalesurlachargeduréfrigérantdiphasiquedansunmoduleontétécomparésavecdes
modèlesdeprédictiondutauxdevideintégrénumériquementlelongdescanauxderefroidissement,
afindetrouverlameilleureméthodepourlecalculdel’inventaireduréfrigérantdiphasique.
Finalement,uneétudeexpérimentaledutransfertdechaleuretdelapertedechargedesécoule-
mentsdiphasiquesenébullitionconvectiveduréfrigérantR245fadansuncanaldepolyimidede2.689
mmdediamètreaétéréalisée.Desdébitsmassiquesentre100et500kgm−2s−1,desfluxdechaleur
entre15et55kWm−2,ettroistempératuresdesaturation(35,41et47◦C)constituentunebasede
donnéesde300points.L’influencedecesparamètressurlecoefficientdetransfertthermiquemoyena
étéévaluée,avecl’indépendancedufluxdechaleurcommeconclusionprincipale.Lesrésultatsontété
comparésavecd’autresétudesexpérimentalesetdesmodèlesdeprédictiondanslalittérature.
Motsclés:hauteconductivité,CFRP,polyimide,refroidissementultraléger,inventairedumatériel,
écoulementsdiphasiques,ébullition,pertedecharge,micro-échelle,réfrigérants.

Contents
Acknowledgements iii
Abstract/Versionabrégée v
ListofFigures xxi
ListofTables xxv
ListofSymbols xxvii
ListofAcronyms xxxi
1 Introduction 1
1.1 Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Layoutofthechapters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Stateoftheartandliteraturesurvey 5
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 FundamentalsofHighEnergyPhysicsparticledetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2.1 SilicondetectorsforHighEnergyPhysics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2.2 Radiationinparticledetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.3 Materialbudget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 CoolingsystemsforHEPparticledetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.1 Airandgascoolingsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.2 Single-phasecoolingsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.3 Two-phasecoolingsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4 ReviewonmaterialselectionforHEPparticledetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4.1 Structuralmaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
x Contents
2.4.2 Thermallyconductivematerials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4.3 Resinsandadhesives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4.4 Coolingchannels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5 Reviewontwo-phaseflowboilinginsmallhorizontalchannels . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5.2 Macro-to-microchanneltransition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5.3 Flowpatterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.5.4 Cross-sectionalvoidfractionsandrefrigerantinventory . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.5.5 Two-phasepressuredrop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5.6 Flowboilingheattransfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3 CoolingsystemR&DfortheUpgradeoftheALICEInnerTrackerSystem 45
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2 TheALICEInnerTrackerSystemUpgradedetector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3 ThermalandmaterialrequirementsoftheITSUpgrade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.1 Thermalrequirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.2 Materialbudgetandgeneralrequirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4 StatusoftheITSUpgradeprojectatthestartofthisthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.5 Aircooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.5.1 Layer-by-layeraircooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.5.2 Impingingjetaircoolingproposal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.6 Ultra-lightweightcoolingsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.7 Choiceoftherefrigerant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.7.1 Demineralisedwater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.7.2 Fluorocarbons. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4 Experimentalsetup,methodologyandevaluationoftheultra-lightweightstaves 73
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2 Experimentalsetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2.1 Powerdissipationandstavetemperaturemonitoring. . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2.2 Experimentalfacilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76