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Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 1/41 Refroidissement EMC pour PANDA
R&D thermique pour le calorimètre de PANDAR&D thermique pour le calorimètre de PANDA
Unité mixte de recherche CNRS-IN2P3Université Paris-Sud 11
91406 Orsay cedexTél. : +33 1 69 15 73 40Fax : +33 1 69 15 64 70http://ipnweb.in2p3.fr
Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 2/41 Refroidissement EMC pour PANDA
SommaireSommaire
Le projet PANDA et le calorimètreIntérêt du refroidissement à
-25°C et problèmes thermiques
Version finaleIntégration de l'électronique
Définition du refroidissement généralEtat d'avancement de l'étude mécano-thermique
Présentation du prototype de 60 cristaux
Définition des isolants et des écrans thermiques Température du circuit de refroidissement
Panneau super-isolant
Intégration de l'électronique Etude thermique des préamplificateurs
Stabilité
de température de l'APD Tests et mesures du prototype
Défauts de conceptionCircuit de refroidissement et refroidisseur
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L’expérience PANDA @ GSIL’expérience PANDA @ GSI
GSI actuel HESRFAIR : Futur accélérateur à
GSI Darmstadt, Allemagne
HESR : Anneau de stockage antiproton
PANDA : Détecteur à
cible interne à
4π
d’angle solide
Partie centrale
Faisceau
Partie avant
Partie centrale («
Target Spectrometer
»)
Aimant solénoïde 2 Tesla
Détecteur micro vertex« Straw » tubes (ou TPC)DIRC à
effet CerenkovCalorimètre électromagnétique
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Le calorimètre électromagnétiqueLe calorimètre électromagnétique
Détection des photons par photo-diode à
avalanche (APD)
Cristal scintillant Tungstanate de plomb
(PbWO4)
«
Barrel
»
ou tonneau 11360 cristaux «
Endcap
»
avant3600 cristaux
«
Endcap
»
arrière 592 cristaux
Faisceau
Cible
Simulation de l’interaction d’un électron avec un bloc de 25 cristaux
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Refroidissement à -25°C et stabilisation à ±0.1°C Refroidissement à -25°C et stabilisation à ±0.1°C
Energie faible => Amélioration de la réponse en lumière du PbWO4 en refroidissant le cristal à
-25°C
0 200 400 600 800 10000
20
40
60
80
100
LY /
p.e.
/MeV
integration gate / ns
-25oC
-10oC
-0oC+10oC+25oC
LY=92.2pe/MeV
Grande dépendance (opposée) en température :
Cristal dLY/dT = -2.9%/C @-25°CAPD dGain/dT = 2.2%/°C
Stabilisation obligatoire à
+/-0.1°C dans le temps
(calibration constante)
Impact sur la mécanique (transferts thermiques) et sur l’électronique (basse consommation)
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Puissance ~150 W / 700 cristaux
Bilan thermique – puissances et transfertsBilan thermique – puissances et transferts
Préamplificateurs100mW/cristal
Isolation des parois avec l’extérieur
Circuit de refroidissement -25°C +/-
0.1°C
«
Pont
»
thermique par les câbles et supports
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SommaireSommaire
Le projet PANDA et le calorimètreIntérêt du refroidissement à
-25°C et problèmes thermiques
Version finaleIntégration de l'électronique
Définition du refroidissement généralEtat d'avancement de l'étude mécano-thermique
Présentation du prototype de 60 cristaux
Définition des isolants et des écrans thermiques Température du circuit de refroidissement
Panneau super-isolant
Intégration de l'électronique Etude thermique des préamplificateurs
Stabilité
de température de l'APD Tests et mesures du prototype
Défauts de conceptionCircuit de refroidissement et refroidisseur
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Construction d’un prototype de 60 cristaux2006-2008 => Rédaction du Technical Design Report
Construction d’un prototype de 60 cristaux2006-2008 => Rédaction du Technical Design Report
Fabrication et montage
Tests mécaniques, thermiques
et physiques
Mesures expérimentales
Intégration del'électronique
CAO
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Matériau : Roofmat (polystyrène)
Définition de l’isolant – transfert thermique par la paroiModélisation et facteurs de conduction
Définition de l’isolant – transfert thermique par la paroiModélisation et facteurs de conduction
Conductionλ
= 0.035 W/m.°K
R1 R2Convection
Tambiante Técran froidTparoi
h = ?Epais. ? mm
Epaisseur d’isolant ? Pour avoir une température paroi extérieure > point de rosée (12°C @60% Hr)
Matériau λ
(W/m.K) @20°C
Cuivre 390
Alliage d’aluminium 180
Laiton 100
Acier inox 26 (10‐50)
PbWO4 3.22
FR4 (époxy fibre de verre) 0.25
PVC 0.17
Polystyrène 0.035
Air 0.027
Roofmat Capot cuivre ép.1 mm à -25°C
Coté cristaux
Convection Conduction
Coté Extérieur à 20°C
Vitesse moyenne 0.5 m/s
Coefficients de conduction (valables à
-25°C)
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Coefficient de convection et température de paroiCoefficient de convection et température de paroi
h = 4.35 W/m².K
Conductionλ
= 0.035 W/m².°K
R1 R2Convection
Tambiante Técran froidTparoi
Epais. 40 mm
12.47°C
Coefficient d’échange par convection h = 4.35 W/m².°K
De Ref.1: Calcul du coefficient de convection le long d’une paroi vertical de
30 cm de hauteur
10070626.193.05.0293.1Re
e
hum
35.4)1(Pr83.01
PrRe036.06.0
8.0
h
h
718.0027.0
1005626.19Pr eCp
Surfaceépaisseur
SurfacehRRR
isolant
121eq
De Ref 2.: Calcul de la température de paroi et de l'épaisseur d'isolant nécessaire, transfert par
conduction et convection
eqRTfroidTambPuissance
TambRPuissanceTparoi 1*
CTparoi 47.12 pour épaisseur 40 mm
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Homogénéité des températures sur l’écranEspacement entre tuyaux ?
Homogénéité des températures sur l’écranEspacement entre tuyaux ?
Pour Ps précédente (Puissance/Surface), et écran cuivre 1 mm
ΔT écran < 0.05°C si L<24mm
Donc pour la conception, l'espacement entre tuyaux de refroidissement ne dépasse pas 50mm
afin d'avoir une correcte efficacité
des écrans.
Tuyaux de refroidissement
Le calcul de température d'un écran entre 2 tuyaux de refroidissement peut être modélisé
par 2 ailettes symétriques
L
T m
T e
Puissance surfacique Ps
eLPsTeTmTécran
²
Calcul d’une «
ailette
», transfert par conduction (réf. 2)
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Température effective du tube / liquide refroidisseurExemple écran thermique DVCS
Température effective du tube / liquide refroidisseurExemple écran thermique DVCS
Tliquide
h
Ttube
C17.15Tpour 55.17
²/3748)PrRe023.0(
Pr
turbulentRégime3428Re
//5765.0;10306.1;/1000:
;4
²225.2;005.0:Tube
circuit
33.08.0
33
CSurfaceh
PuissanceTT
KmWD
h
Cp
DuSectionquVitesse
KmWsPamkgEau
DLSurfaceDSection
maLmD
circuittube
md
mm
Transfert par convection à
la paroi d'un tube (Réf. 1)
Elévation de température dans un circuit (Réf. 1)
CdTKKgJCpEau
skgqm
massiqueDébitWPuissance
dTCpqmP
7.0//4180 :
/)60/310**055.1(
: 53
**
R1Convection
Ttube
h = 3748 W/m².K
ΔT échange=0.4°C17.55°C
Trefroidisseur
ΔT élévation=0.7°C16.45°C 17.15°C
T début circuit T fin circuit
Puissance
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Calcul d’un champ de températureExemple écran thermique DVCS
Calcul d’un champ de températureExemple écran thermique DVCS
Calcul avec Samcef field en 2D
Températures imposées "analytiques"
Vérification de conception de l'écran
Début tube de refroidissement à
16.85°C
Sortie liquide refroidissement à
17.55°C
Conditions limites adiabatiques
Puissance 53 W
Possibilité d'utiliser un logiciel thermo-fluidique en multi-
domaines
Cuivre 2 mm
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Ecran thermique avec super isolantsRéduction de l'épaisseur d'isolant
Ecran thermique avec super isolantsRéduction de l'épaisseur d'isolant
20 mm
Feuille de super
insolant Rohacell
Vide obtenu = 18.10-3
torrFace
extérieur 17°C+/-0.2°C
Ambient20°C
-25°C
Plaque aluminium
1mm
Plaque
carbone 1.6 mm
Vide<0.1 mW/m.K
Rohacell 29 mW/m.K
Apparente conductivité
/ Pression (techniques de l'ingénieur)
18.10-3
torr
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SommaireSommaire
Le projet PANDA et le calorimètreIntérêt du refroidissement à
-25°C et problèmes thermiques
Version finaleIntégration de l'électronique
Définition du refroidissement généralEtat d'avancement de l'étude mécano-thermique
Présentation du prototype de 60 cristaux
Définition des isolants et des écrans thermiques Température du circuit de refroidissement
Panneau super-isolant
Intégration de l'électronique Etude thermique des préamplificateurs
Stabilité
de température de l'APD Tests et mesures du prototype
Défauts de conceptionCircuit de refroidissement et refroidisseur
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Intégration des préamplificateurs dans le proto 60Intégration des préamplificateurs dans le proto 60
Backplane-PCB
4 APD-Connector
"Back plate"
InsertGap pad SILFOX Bergquist
Conducteur thermique mais pas électrique (1000V)λ=1 W/m.K
Mieux que remplissage par isolant air
Préamplificateurs version quad50 mW/voie
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BF862
AD8011
Point de fixation
Connecteur APD
Température d'un préamplificateur en version quadSimulation avec Flotherm
Température d'un préamplificateur en version quadSimulation avec Flotherm
BF862∆+4°C
Connecteur APD
∆+2.5°C
AD8011∆+3°C
Simulation de température
Version singleSimulation du single (prochaine diapo)
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θJA AD8011=155°C/W10mW => ∆+1.55°C
Mesure: ∆+3°C
θJS BF862 = 200°C/W28mW => 5.6°CMesure: ∆+4.3°C
θJA LM385 =283°C/W12mW => 3.4°CMesure: ∆+2°C
2 points de fixation sur la table Mesure ∆+1°C
Point de connexion APD ∆+3°C
Mesure de température sur un préamplificateur version single
Mesure de température sur un préamplificateur version single
Mesures avec thermocoupleUtilisation de l’impédance thermique des composants (θJS) pour comparaison
Mesures au thermocouple perturbantes pour l’électronique => utiliser une camera infra-rouge Retour à version quad …
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Cris
talR1
T2
T1
Cold face
APDR2
R3C
able
T4
T3
Connecteur APD : -22°C
Température face avant
cristal: -25°C
Modele simplifié
pour une formulation analytique
Variation de température de l'APDModélisation et résolution analytique
Variation de température de l'APDModélisation et résolution analytique
Afin de garantir une stabilité de 0.1°C sur l'APD, le préampli ne doit pas varier de plus de 50/8=6.25 mW dans le temps.
Contrainte pour les électroniciens
Importance de garder de la distance entre préampli et APD
Δ0.8°C sur APD
)(*13 APDcrystal RRPuissanceTT
cableAPDcristal RRRTTPuissance
14
CT 2.243
WSection
LongueurRPbWO
cristal K/ 28.15502.0*22.3
2.0* 2
4
WRAPD K/ 4.36 WRcable K/ 7.434
Cris
tal
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Simulation thermo-fluidique avec Flotherm
Bloc
Banc de mesure et simulation thermo-fluidiqueBanc de mesure et simulation thermo-fluidique
Bloc laiton autour du
cristal
Cristal PbWO4 + APD
résistances
Thermocouple et Pt100
Montage expérimental
APD
Bloc
Résistances
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Affichage températures [-19;-25]°C
Δ
0.2°C sur la longueur du cristal
Zoom sur les préamplisΔ°APD=0.64°C
/ Δ°
haut du cristal = 0.25°C
Si un préampli voisin est OFF => Δ-0.1°C max pour l'APD encore en fonctionnement
Quad droit OFF Quad gauche OFF
Simulations de température centrées sur l'APDModélisation avec Flotherm
Simulations de température centrées sur l'APDModélisation avec Flotherm
Cristaux
IsolationSupport
Support externe
APDs Quad preamps
Quad preamps
Cristaux n°1+2
APDs
Tube froid
back plateEcran
thermique
50mm Isolation
Cristaux n°5+6
Support externe Acier inox
Pied support
Affichage [+20;-25°]
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SommaireSommaire
Le projet PANDA et le calorimètreIntérêt du refroidissement à
-25°C et problèmes thermiques
Version finaleIntégration de l'électronique
Définition du refroidissement généralEtat d'avancement de l'étude mécano-thermique
Présentation du prototype de 60 cristaux
Définition des isolants et des écrans thermiques Température du circuit de refroidissement
Panneau super-isolant
Intégration de l'électronique Etude thermique des préamplificateurs
Stabilité
de température de l'APD Tests et mesures du prototype
Défauts de conceptionCircuit de refroidissement et refroidisseur
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RefroidisseurRack d'acquisition
Alimentation haute-tension
Bouteille d'Azote(et enceinte étanche)
Banc de testBanc de test
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Acquisition de températures Acquisition de températures
Centrale d'acquisition AGILENT 34970 A + module 34901A
13 capteurs:
11 thermocouples type TMesures relatives avec thermocouples.À calibrer à -25°C. (sinon +/-0.3°C de différence en absolu)
2 sondes Pt100 pour le liquide de refroidissement
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Air ambiant: +/-0.6°C (jour/nuit)
Cristaux: +/-0.05°C
refroidisseur +/-0.01°C
Premières mesures en fonctionnementPremières mesures en fonctionnement
Mesure de la stabilité
en température sur 24 heures
La stabilité des cristaux dans le temps est correctePas d'influence de la température extérieure
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Evolution de la température
Température à
cœur
Température périphérique
La temperature de 18°C est atteinte après
26250s = 7.3 heures(1.6°C/h)
Time (seconds)
Tem
pera
ture
(°C
)
Température du bloc après 30000s
Wt
TCpMtQP 22.14
262501226228.0424
La puissance de refroidissement nécessaire est:
Température initial= 30°C
Température des capots= 17°C pour accélérer la
descente
Cristauxλ=0.998 W/m.°K
Support aluminium
Ecran thermique cuivre
Température de service
= 18°C
Analyse transitoire d'un bloc de PbWO4Exemple calorimètre DVCS
Analyse transitoire d'un bloc de PbWO4Exemple calorimètre DVCS
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Le cœur commence seulement sa descente au bout de 30 mn
Mesure d'une descente en température du proto 60De 20 à 0°C
Mesure d'une descente en température du proto 60De 20 à 0°C
Au bout de 12h le cœur "atteint" l'asymptoteLe refroidisseur descend rapidement
L'inertie thermique des cristaux facilite la stabilité
dans le temps
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Cristal droit-25,87°C
Cristal haut-25.62°C
Cristal gauche-25.48°C
APD du cristal central-24.29°C
À
1 cm de la face avant du cristal central
-25.19°C
À
1 cm de l'APD sur le cristal central
-24.73°C
Entrée liquide refroidissement
-27.01°C
Sortie liquide refroidissement
-26.76°C
Relevé de température à l'intérieur du proto 60Relevé de température à l'intérieur du proto 60
Ecran avant-26°C
Face avant extérieure
15.5°C
Faisceau
Refroidisseur réglé à -27.5°CDébit = 3.2 litres/mn Liquide Huile silicone Syltherm XLT
Proto 60 écran thermique
Tube 1.5 m Tube 1.5 m
InsertPréampli
-23°C env.
CENTRE-25.12°C
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Bilan de puissance du proto 60 et du refroidisseurBilan de puissance du proto 60 et du refroidisseur
Puissance disponible = 400 W @ -25°C(- 30% max théorique pour le refroidisseur)
Mesure = 60% pour le refroidisseur !?(qualité d'isolation, tête PID à l'air, prise d'humidité)
Refroidisseur 240 W = 60 % Puissance
Total Proto 60 = 20 W (calcul qmCpdT) =5 % Puissance (mesuré)
3 W préamplis (60x50mW)10 W boite
7 W câbles et supports
Ne pas hésiter à sur dimensionner par un facteur 2 la puissance de refroidissement
Tuyaux 76 W = 19 % Puissance
Tuyaux d'alimentation: Ne pas hésiter à les changer ou à les réisoler
avec une barrière de vapeur
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Coté
intérieur à
-25°C
<10°C => condensation
Attention au pont thermique par conductionIci le cuivre est fortement présent dans le pcb pour
réduire les problèmes électromagnétiques.
Le froid s'est propagé
à
l'extérieur. 10°C et de la condensation sur les cartes électroniques.
"Back PCB" (PCB multicouches)
Quelques erreurs de conception"Les ponts thermiques sur les cartes électroniques" (1/2)Quelques erreurs de conception
"Les ponts thermiques sur les cartes électroniques" (1/2)
Ajout de barre en cuivre relié
à
une partie à
température ambiante
Le gradient est déplacé
vers l'intérieur en zone sèche
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La fixation des lignes de refroidissement doit être rigide mais isolée thermiquement.
Sinon cela entraine un risque de glace localement et une perte de puissance frigorifique.
Support acier
Liquide froid
Raccord rapide
Rondelle isolante en FR4 (Fibre de verre/époxy)
Quelques erreurs de conception"Les ponts thermiques sur les tubes de refroidissement et glaces" (2/2)
Quelques erreurs de conception"Les ponts thermiques sur les tubes de refroidissement et glaces" (2/2)
Entre deux tubes frigorifiques, il peut y avoir
présence de glace…
Y penser à
la conception
Isolant Isolant
-25°C -25°C-25°C
Extérieur
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SommaireSommaire
Le projet PANDA et le calorimètreIntérêt du refroidissement à
-25°C et problèmes thermiques
Version finaleIntégration de l'électronique
Définition du refroidissement généralEtat d'avancement de l'étude mécano-thermique
Présentation du prototype de 60 cristaux
Définition des isolants et des écrans thermiques Température du circuit de refroidissement
Panneau super-isolant
Intégration de l'électronique Etude thermique des préamplificateurs
Stabilité
de température de l'APD Tests et mesures du prototype
Défauts de conceptionCircuit de refroidissement et refroidisseur
Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 33/41 Refroidissement EMC pour PANDA33
Conception du circuit de refroidissementConception du circuit de refroidissement
dTCpqmP **Choisir dT Calculer le débit
Calculer les pertes de charge du
circuit Trouver le point de fonctionnement
Déterminer la pression disponible du circulateur
Bilan de puissance (isolants, équipements …)
Point de fonctionnement pompe-réseau (réf. 3)
Débit
Pression
Calculer les températures des écrans
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Caractéristique hydraulique du refroidisseur Détermination de la courbe pompe
Caractéristique hydraulique du refroidisseur Détermination de la courbe pompe
Débitmètre à ultrasons
Multi circuits pour mesurer les pertes de charge
Ø 10mm and 8 mmL.2m / 5m/ 10m
Refroidisseur
Banc de mesure de pression
Il est nécessaire de caractériser soi-même son refroidisseur avec le liquide et à
la température de service
Capacité
de la pompe avec de l'eau et à
20°C …
0
5
10
15
20
25
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
Pump curves: Flow (L/mn) = f (pressure drop (bars))
Water 20°C
syltherm -25°C
Zone de mesure syltherm -25°C
Zone de mesure eau 20°C
Mise en équation et utilisation sous Excel
Débit
Pression
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Calcul des pertes de charge régulières et singulières, section par section (réf. 4)
Calcul des pertes de chargeDétermination de la courbe réseau
Calcul des pertes de chargeDétermination de la courbe réseau
Détermination du point de fonctionnement
par macro Excel
"Courbe réseau"
Courbe pompe
Débit réseau
Débit pompe
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SommaireSommaire
Le projet PANDA et le calorimètreIntérêt du refroidissement à
-25°C et problèmes thermiques
Version finaleIntégration de l'électronique
Définition du refroidissement généralEtat d'avancement de l'étude mécano-thermique
Présentation du prototype de 60 cristaux
Définition des isolants et des écrans thermiques Température du circuit de refroidissement
Panneau super-isolant
Intégration de l'électronique Etude thermique des préamplificateurs
Stabilité
de température de l'APD Tests et mesures du prototype
Défauts de conceptionCircuit de refroidissement et refroidisseur
Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 37/41 Refroidissement EMC pour PANDA
Préampli = ASIC (100 mW / cristal) Position verticale directement derrière l'APD (sans câble)
Extraction de chaleur par boite aluminium et Silfox Thermalisation du cristal par contact direct avec l'insert
et capsule en PEEK CF30
Dernière intégration choisie pour l'EMC de PANDAASIC vertical – Juillet 2011
Dernière intégration choisie pour l'EMC de PANDAASIC vertical – Juillet 2011
Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 38/41 Refroidissement EMC pour PANDA
Schéma de principe pour un circuit généralEn mode leakless suivant expérience du CERN
Schéma de principe pour un circuit généralEn mode leakless suivant expérience du CERN
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Définition d'une tranche de calorimètre Prototype thermique
équivalent à 480 cristaux
Avancement de la conception et divers prototypesAvancement de la conception et divers prototypes
Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 40/41 Refroidissement EMC pour PANDA
Conception des pieds supportConception des pieds support
Acier Inox20°C
Mat de verre Epoxy
Carbone
Acier inox -25°C
Conception mécano-thermique
des piedsRéduction du transfert par conduction
Prise en compte de la dilatation à
-25°C
Pied fixe
Pied à
1 DDL
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Conclusion et bibliographieConclusion et bibliographie
Historique
R&D: 2005-2008Avant-projet: 2009-2011
Etude
détaillée: 2012-2014Fabrication et montage: 2015-2017
Installation prévue en 2018 ...
1-
Thermique théorique et pratique par B.Eyglunent
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Edition
Hermes
19942-
Transferts thermiques par José
Ouin
–
Edition
Casteilla
-
19983-
Cours d'hydraulique des réseaux de chauffage –
Chatellier
et Abadie –
Université
de la Rochelle4-
Mémento des pertes de charges par I.E.Idel'cik
-
Eyrolles5-
Isolation frigorifique –
Guide théorique et pratique par Ballot et Duminil
–
PYC Edition
Bibliographie