CN103000486B - 气体射流冲击冷却装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种气体射流冲击冷却装置，用于冷却汞灯的阳极。汞灯包括阳极和椭球碗，阳极容置在椭球碗中。气体射流冲击冷去装置包括偶数个喷嘴，对称设置在椭球碗的上端面。喷嘴包括接入口和喷口。接入口连接冷却介质。喷口用于喷出冷却介质至阳极。本发明提出的气体射流冲击冷却装置，包括对称设置在汞灯上的喷嘴，能够对圆柱体形的阳极进行有效冷却，其成本低廉，冷却效率高，适于产业上的广泛利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种冷却装置，且特别涉及一种气体射流冲击冷却装置。
背景技术
射流冲击是指射流对固体壁面或液体表面等的冲击流动，即气体或液体在压差的作用下，通过圆形或窄缝形喷嘴垂直(或成一定倾角)喷射到被冷却或加热表面上。由于流体直接冲击欲被冷却或加热的表面，流程短且被冲击的表面上的流动边界层薄，从而使直接受到冲击的区域产生很强的换热效果，是一种极其有效的强化传热方法。
在半导体制造技术中，高压汞灯作为紫外光源被使用在常规的I线步进光刻机或Bumping机上。使用的汞灯功率常常需要达上千瓦或更高功率，追求产率的趋向使得汞灯功率会越来越高，更高的汞灯功率意味着更高的对外散热。因为只有一小部分光能最后进入曝光场，其余的能量都以热能的形式耗散掉。巨大的耗散热如果不及时排出制造设备，会引起设备温度升高，导致设备不能正常工作，因此，汞灯功率的提高要求对汞灯散热能力也要相应提高。
对于汞灯的冷却方式，目前公开了一种低功率汞灯的空气强制流动散热实现技术，针对低功率汞灯散热。由于2000W以上大功率汞灯阳极的表面热流一般都超过5w/cm2的空气强制流动冷却极限，因此这种冷却技术已经不能适应新的需求。
另一些现有技术公开了利用两种射流冷却高热流密度电子器件的技术方式。射流介质都是液体，热流密度非常高，超过5w/cm2，射流都是以超短射程直接冲击被冷却表面。
但这种液态冲击射流技术对汞灯阳极也不适用，一是因为汞灯阳极不能采用液体冲击冷却，二是由于受到冷却结构不能布置于光路的限制，射流射程的安排将是极大的技术挑战。
在另一些现有技术中，围绕灯泡的密封透明套管，充满循环流动的冷却液，属于液冷方式。该技术能用于400瓦到7000瓦的高压气体放电灯泡，冷却效果好且冷却较均匀，但其缺点也很明显：制作难度高，流动的冷却液可能会对光强减弱和产生不稳定影响，不利于曝光剂量准确控制。
在一些汞灯结构中，由于同一空间不同部件的温度需求不同，因此，采用传统的单一冷却措施已不能满足要求。
传统的汞灯冷却都是通过椭球碗外壁水冷，同时，另外一路强制空气在椭球碗内部和外部分流流动，用于辅助冷却椭球碗、阴极以及阳极。这种强制流动冷却措施可以有效控制阴极的温度，再通过合理分配冷却空气进入椭球碗入口的空气量，就可以有效控制椭球碗的温度。
发明内容
本发明提出一种气体射流冲击冷却装置，用于冷却汞灯的阳极，利用气体介质作为冲击射流，同时又具有能恰当布置其结构、合理设计射流参数、低成本的特点。
本发明提出一种气体射流冲击冷却装置，用于冷却汞灯的阳极，汞灯包括阳极和椭球碗，阳极容置在椭球碗中，气体射流冲击冷去装置包括：
偶数个喷嘴，对称设置在椭球碗的上端面，喷嘴包括：
接入口，连接冷却介质；以及
喷口，用于喷出冷却介质至阳极。
进一步说，喷口的截面积大于接入口的截面积，喷口为窄缝形。
进一步说，汞灯的阳极为2000W以上的大功率汞灯阳极。
进一步说，喷口的长与宽的比例为10∶1。
进一步说，喷嘴还包括：
腔体段，连接于接入口；
平直段，连接于喷口，截面积与喷口的截面积相同；以及
收缩段，连接于腔体段与平直段，截面积逐渐减小。
进一步说，腔体段的截面积与接入口的截面积相同。
进一步说，平直段的截面积与喷口的截面积相同
进一步说，收缩段的截面积逐渐减小。
进一步说，冷却介质为压缩空气或压缩氮气。
进一步说，喷口的宽度与阳极的宽度比例为1∶18。
进一步说，接入口还包括调压阀，用以调整冷却介质的压力。
本发明提出的气体射流冲击冷却装置，包括对称设置在汞灯上的喷嘴，能够对圆柱体形的阳极进行有效冷却，其成本低廉，冷却效率高，适于产业上的广泛利用。
附图说明
图1所示为本发明较佳实施例应用气体射流冲击冷却装置的汞灯的结构示意图。
图2所示为本发明较佳实施例应用气体射流冲击冷却装置的汞灯的侧面剖视图。
图3所示为本发明较佳实施例应用气体射流冲击冷却装置的汞灯的俯视图。
图4a所示为本发明较佳实施例气体射流冲击冷却装置的喷嘴的俯视剖面图。
图4b所示为本发明较佳实施例气体射流冲击冷却装置的喷嘴的左视图。
图4c所示为本发明较佳实施例气体射流冲击冷却装置的喷嘴的正视图。
图4d所示为本发明较佳实施例气体射流冲击冷却装置的喷嘴的立体图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
图1所示为本发明较佳实施例应用气体射流冲击冷却装置的汞灯的结构示意图。
图2所示为本发明较佳实施例应用气体射流冲击冷却装置的汞灯的侧面剖视图。
图3所示为本发明较佳实施例应用气体射流冲击冷却装置的汞灯的俯视图。
请结合参考图1-图3。
本发明技术对2000W大功率汞灯阳极实施控温冷却。
汞灯包括阳极1、灯壁2和阴极3。在工作时，汞灯阳极1、灯壁2、阴极3等不同部件有不同的温度要求。其中对阳极的温度要求是不能高于200℃，灯壁的温度不能低于800℃，椭球碗5的温度不能高于150℃。
汞灯还包括椭球碗5，容置阳极1和灯壁2。椭球碗5具有开口4，阳极1、灯壁2和阴极3穿过开口4，阴极3位于椭球碗5的外侧，容置阳极1和灯壁2位于椭球碗5的内部。
本实施例着重解决阳极1的温度控制问题。对于超过2000W以上的大功率汞灯，阳极1的温度已不能仅仅依靠传统强制流动来实现有效冷却。
本实施例所提供的气体射流冲击冷却装置，至少包括两个喷嘴6，对称设置在椭球碗5的上端面。
图4a所示为本发明较佳实施例气体射流冲击冷却装置的喷嘴的俯视剖面图。
图4b所示为本发明较佳实施例气体射流冲击冷却装置的喷嘴的左视图。
图4c所示为本发明较佳实施例气体射流冲击冷却装置的喷嘴的正视图。
图4d所示为本发明较佳实施例气体射流冲击冷却装置的喷嘴的立体图。
喷嘴6包括接入口11和喷口7，接入口11连接冷却介质，喷口7将冷却介质喷出。喷口7为窄缝形，其长与宽的比例约为10∶1。
从接入口11至喷口7，喷嘴6可以依次包括腔体段10、收缩段9和平直段8。腔体段10连接于接入口11，其截面积与接入口11的截面积相同，具有一定的稳压功能。平直段8连接于喷口7，其截面积与喷口7的截面积相同，用于出口射流导直。收缩段9连接腔体段10和平直段8，其截面积逐渐减少，用于加速气流。
本实施例中，喷嘴材质为不锈钢，腔体设计耐压是20Bar。在其他实施例中，也可选用其它材料和不同的腔体耐压设计值。
两个喷嘴6对称设计在椭球碗5的上端面，喷嘴6的冷却介质出口的水平位置与椭球碗5上端面平齐，喷嘴6沿水平方向对称送出高速冷却介质。
冷却介质从接口11导入喷嘴腔体10，本实施例的冷却介质为压缩空气，压力为8Bar，温度为常温。但本发明使用的工作介质不限于压缩空气，也可以是压缩氮气。
压缩空气进入腔体10后在收缩段9内获得加速。经过平直段8，在窄缝喷口7压力降低为背压，即环境压力约1Bar。空气膨胀加速，形成自由射流12，射流行进过程中卷吸周围空气，流量不断增加，核心区逐渐缩小，窄缝射流宽度逐渐变大，到达圆柱体形状的被冲击面13。
喷口7的宽度与阳极1的宽度比例可以是1∶18，这样的设计使得气体射流向前喷射并扩张到达被冲击表面13一一阳极1的两个被冲击面时，射流的宽度大于阳极1的直径。两股对称射流到达阳极1之后，冲击面积可以覆盖整个阳极要求冷却的区域。
通过设计喷口7的垂向高度，可以保证射流在垂向经射流扩张后，可以覆盖阳极上下间的表面，同时不至于扩展到灯壁表面，以使冲击射流的冷却空气不至于影响到灯壁2，确保灯壁温度能高于800℃。
喷嘴6的接入口11可以装有调压阀14，通过调整入口压力，来调节射流出口速度，从而实现大功率汞灯在低功率运行时的需求。当汞灯运行在低功率时，通过调压阀14，将高压气体的压力减小，以使得阳极1维持在正常温度。
垂向位置也可以旋转调节。以调整射流上下边界在汞灯阳极的垂向覆盖的区域，确保阳极和玻璃胶被冲击射流覆盖。
按实施例所提供的气体射流冲击冷却装置，可实现热流密度约3W/m2下的温度控制，以5000w汞灯为例，其阳极表面温度可低于140℃。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (7)
1.一种气体射流冲击冷却装置，用于冷却汞灯的阳极，所述汞灯包括所述阳极和椭球碗，所述阳极容置在所述椭球碗中，其特征是，所述气体射流冲击冷却装置包括：
偶数个喷嘴，对称设置在所述椭球碗的上端面，所述喷嘴的冷却介质出口的水平位置与所述椭球碗上端面平齐；
所述喷嘴包括：
接入口，连接冷却介质；以及
喷口，用于喷出所述冷却介质至所述阳极；
所述喷嘴还包括：
腔体段，连接于所述接入口，所述腔体段呈柱状；
平直段，连接于所述喷口，所述平直段呈柱状；以及
收缩段，连接于所述腔体段与所述平直段；
所述喷口的截面积大于所述接入口的截面积，所述喷口为窄缝形；
所述收缩段的截面积自所述腔体段至所述平直段逐渐减小；
所述喷口的宽度与所述阳极的宽度比例为1：18；
所述喷口的垂向高度，用以保证射流在垂向经射流扩张后，覆盖所述阳极上下间的表面，同时不至于扩展到灯壁表面。
2.根据权利要求1所述的气体射流冲击冷却装置，其特征是所述汞灯的阳极为2000W以上的大功率汞灯阳极。
3.根据权利要求1所述的气体射流冲击冷却装置，其特征是，所述喷口的长与宽的比例为10：1。
4.根据权利要求1所述的气体射流冲击冷却装置，其特征是，所述腔体段的截面积与所述接入口所在面的截面积相同。
5.根据权利要求1所述的气体射流冲击冷却装置，其特征是，所述平直段的截面积与所述喷口的截面积相同。
6.根据权利要求1所述的气体射流冲击冷却装置，其特征是，所述冷却介质为压缩空气或压缩氮气。
7.根据权利要求1所述的气体射流冲击冷却装置，其特征是，所述接入口还包括调压阀，用以调整所述冷却介质的压力。
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