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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Kühlen einer plasmabasierten Strahlungsquelle mit einer metallischen Kühlflüssigkeit und Verfahren zur Inbetriebnahme einer solchen Kühlanordnung. Sie findet vorzugsweise Anwendung für kurzwellige Strahlungsquellen zur lithographischen Herstellung von integrierten Schaltungen, insbesondere für Strahlungsquellen im extrem ultravioletten (EUV-)Spektralbereich auf Basis eines Entladungsplasmas.
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In kurzwellig emittierenden Strahlungsquellen, z. B. EUV-Strahlungsquellen, werden die an der Erzeugung des Plasmas beteiligten Elemente, die sich durch die Plasmaerzeugung sehr stark aufheizen, mit einer metallischen Kühlflüssigkeit in Form eines erschmolzenen Metalls gekühlt.
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Kühlkreisläufe mit metallischer Schmelze sind bereits für verschiedenste Anwendungen, wie die Kühlung von Hochleistungsschaltkreisen, Kernreaktoren oder Strahlungsquellen für den Röntgenbereich bekannt.
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Als metallische Kühlflüssigkeit in Frage kommende Metalle sind beispielsweise Lithium, Gallium, Gadolinium, Zinn oder Legierungen davon mit ähnlichen Eigenschaften. Die metallische Kühlflüssigkeit hat den Vorteil der sehr guten Wärmeleitfähigkeit und weist außerdem elektromagnetische Eigenschaften auf, wodurch die zum Erzeugen einer Kühlflüssigkeitsströmung erforderlichen Pumpen kompakt, ohne bewegte Teile und außerhalb des Kühlflüssigkeitsstroms realisiert werden können.
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Dazu insbesondere geeignet sind elektromagnetische Induktionspumpen. Mit ihnen kann ein die metallische Kühlflüssigkeit führendes, geschlossenes Strömungsgefäß, z. B. ein Rohr, von außen umgeben werden und die metallische Kühlflüssigkeit beispielsweise durch induktive Wirkung im Strömungsgefäß bewegt werden.
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Eine Anordnung zur Handhabung eines flüssigen Metalls in einem Kühlkreislauf zur Kühlung einer plasmabasierten Strahlungsquelle wird in der nicht vorveröffentlichten Schrift
DE 10 2013 103 668 A1 offenbart. Hier wird ein an der Plasmaerzeugung beteiligtes umlaufendes Element mit der metallischen Kühlflüssigkeit gekühlt. Dazu wird die metallische Kühlflüssigkeit in einem Kühlkreislauf bewegt, wobei ein stark aufgeheiztes umlaufendes Element in ein Tauchbad mit metallischer Kühlflüssigkeit zumindest teilweise eintaucht. Ein Reservoir, in dem der größte Teil der metallischen Kühlflüssigkeit aufgenommen wird, sowie ein Wärmetauscher, mit dem die metallische Kühlflüssigkeit temperiert (d. h. abgekühlt oder geheizt) werden kann, vervollständigen den Kühlkreislauf. Wenigstens zwischen dem Reservoir und dem Wärmetauscher besteht eine Rohrverbindung, an der ein die metallische Kühlflüssigkeit im Kühlkreislauf antreibendes Pumpmittel angeordnet ist.
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Bei der quasi-kontinuierlich (gepulst) betriebenen Strahlungsquelle wird die gesamte sich im Kühlkreislauf befindende metallische Kühlflüssigkeit durch den – mehr oder weniger kontinuierlichen – Wärmeeintrag vom umlaufenden Element stets auf Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur des als Kühlflüssigkeit verwendeten Metalls gehalten. Um die Kühlwirkung im Dauerbetrieb aufrechtzuerhalten, durchläuft die zunehmend erhitzte metallische Kühlflüssigkeit einen in einen sekundären Kühlkreislauf eingebundenen Wärmetauscher, bevor sie erneut dem umlaufenden Element zugeführt wird.
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Wird die Plasmaerzeugung der Strahlungsquelle jedoch für einige Zeit unterbrochen, erfolgt kein Wärmeeintrag. In solchen Zeiten kann es erforderlich sein, die metallische Kühlflüssigkeit mittels einer zusätzlichen Heizung auf Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur des Metalls zu halten. Dazu ist das Reservoir mit einer Heizung zum Heizen der metallischen Kühlflüssigkeit versehen.
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Wird die plasmabasierte Strahlungsquelle vollständig außer Betrieb genommen, erstarrt die metallische Kühlflüssigkeit im Kühlkreislauf. Vor der erneuten Inbetriebnahme der plasmabasierten Strahlungsquelle muss die erstarrte metallische Kühlflüssigkeit zunächst wieder in den flüssigen Zustand gebracht werden. In der vorgenannten
DE 10 2013 103 668 ist dazu neben der im Reservoir vorhandenen Heizung, mit der die erstarrte metallische Kühlflüssigkeit ausgehend vom Reservoir wieder erschmolzen werden kann, auch der Wärmetauscher (dort Temperierungseinheit) verwendbar, sodass die metallische Kühlflüssigkeit an zwei Orten durch Erwärmung erschmolzen werden kann.
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Im Stand der Technik ist die Handhabung von metallischen Kühl- oder Temperierungskreisläufen in einer Gasentladungsquelle für EUV-Strahlung, beispielsweise aus der
DE 10 2005 023 060 A1 bekannt. Dort werden rotierende Scheibenelektroden durch einen mit flüssigem Metall gefüllten Spalt zwischen Elektrode und einem metallischen Block bewegt, wobei durch die Elektrodenrotation das Metall über Verbindungskanäle zu einem Reservoir gespült werden und die Temperierung der Scheibenelektroden über den Metallkreislauf mittels an der Wandung des Reservoirs angebrachten Heizelementen realisiert ist. Die Temperaturregelung oberhalb der Schmelztemperatur des Metalls kann zusätzlich in einem Verbindungselement mit von einer Heiz- oder Kühlflüssigkeit durchströmten Kanälen erfolgen. Nachteilig ist, dass eine schnelle Inbetriebnahme ohne langsames Vorheizen des gesamten Metallblocks mit dem Reservoir unmöglich ist.
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Außerdem sind aus der
DE 10 2006 041 863 A1 Verfahren und Vorrichtung zum Erwärmen eines Elektrolyten unter Verwendung einer magnetohydrodynamischen (MHD-)Pumpe bekannt, wobei die Magnetanordnung durch zwei in der Fluidführung angeordneten Elektroden ergänzt ist, wobei die Elektrolyterwärmung beim regulären Förderbetrieb der Pumpe durch wechselnde Ausrichtung der Lorentzkraft aufgrund angelegter Wechselspannungsfelder erreicht wird.
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Ferner ist in der gattungsfremden Schrift
DE 11 2005 001 190 B4 , in der eine Vorrichtung zur Vakuumbeschichtung durch Metall- oder Legierungsverdampfung und ein zugehöriges Verfahren offenbart sind, ein Kreislauf flüssigen Metalls beschrieben, der zwischen einem Schmelztiegel und einem Verdampfer mittels einer MHD-Pumpe über einen Ausdehnungsbehälter und einen Vorratsbehälter betrieben wird, um den Verdampfer auf konstantem Füllstand zu halten. Dabei ist für einen Notfall ein Rückwärtsbetrieb der MHD-Pumpe zum schnellen Entleeren des Verdampfers vorgesehen.
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Des Weiteren wird in der nicht vorveröffentlichten
DE 10 2013 103 668 A1 eine Anordnung zum Handhaben eines flüssigen Metalls zur Kühlung von Komponenten einer plasmabasierten Strahlungsquelle beschrieben, bei der eine Pumpe den Metallkreislauf von einem Reservoir über ein Zuführungsrohr zu einem Quellenmodul und über ein Rückführungsrohr zum Reservoir betreibt. Die Temperierung oberhalb der Schmelztemperatur erfolgt durch eine Sprühkühlungstemperierung am Zuführungsrohr. Nachteilig ist auch hier die notwendige langsame Erwärmung des gesamten Metallkreises nach Betriebspausen.
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Beim Erschmelzen in den Gefäßen des Kühlkreislaufs ist jedoch zu beachten, dass sich die erstarrte metallische Kühlflüssigkeit beim Erwärmen erheblich ausdehnt, bevor sie sich verflüssigt. Um den Kühlkreislauf dadurch nicht zu beschädigen, sind spezielle konstruktive Maßnahmen erforderlich und ein bestimmtes Zeitregime beim Erschmelzen einzuhalten, wodurch sich die Inbetriebnahme des metallischen Kühlflüssigkeitsumlaufs langwierig gestaltet oder an möglichst allen Gefäßteilen, inklusive sämtlicher Rohrverbindungen, Heizelemente anzubringen sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Kühlung von Komponenten einer plasmabasierten Strahlungsquelle mittels einer metallischen Kühlflüssigkeit zu finden, die eine schnelle und dennoch risikolose Erschmelzung der erstarrten metallischen Kühlflüssigkeit in einem Kühlkreislauf erreicht, ohne dass an allen Gefäßteilen und Rohrleitungen Heizelemente angebracht werden müssen.
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Die Aufgabe wird bei einer Anordnung zum Kühlen einer plasmabasierten Strahlungsquelle mit einer metallischen Kühlflüssigkeit, enthaltend ein zu kühlendes umlaufendes Element, das an einer Plasmaerzeugung beteiligt ist, ein Tauchbad, das die metallische Kühlflüssigkeit enthält, in die das umlaufende Element zumindest teilweise eingetaucht ist, einen an das Tauchbad angeschlossenen Kühlkreislauf, der ein Reservoir zum Aufnehmen eines Mindestvolumens der metallischen Kühlflüssigkeit, Mittel zum Temperieren der metallischen Kühlflüssigkeit oberhalb einer Schmelztemperatur, mindestens einen Temperatursensor zum Überwachen der Temperatur der metallischen Kühlflüssigkeit und eine Pumpeinheit zum Umwälzen der metallischen Kühlflüssigkeit im Kühlkreislauf aufweist, dadurch gelöst, dass die Pumpeinheit zum Fördern der metallischen Kühlflüssigkeit vom Reservoir zum Tauchbad in einem am Reservoir in Förderrichtung des Kühlkreislaufs angeschlossenen Rohrabschnitt angeordnet ist, dass die Pumpeinheit in dem Rohrabschnitt mindestens eine Pumpe zum Fördern der metallischen Kühlflüssigkeit durch eine äußere Feldwirkung der mindestens einen Pumpe aufweist, und dass eine Steuereinheit zur Steuerung der mindestens einen Pumpe vorhanden ist, mit der die mindestens eine Pumpe wenigstens zeitweise in einer zur Förderrichtung des Kühlkreislaufs entgegengesetzten Pumprichtung zur Erzeugung einer Heizwirkung in der metallischen Kühlflüssigkeit im Rohrabschnitt gegen einen Fließwiderstand betreibbar ist, wenn durch den mindestens einen Temperatursensor die Unterschreitung einer oberhalb der Schmelztemperatur der metallischen Kühlflüssigkeit (2) liegenden Betriebstemperatur ermittelt ist.
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Vorteilhaft ist die mindestens eine Pumpe an einem Rohrabschnitt des Kühlkreislaufs angebracht, der unterhalb eines durch das Mindestvolumen der Kühlflüssigkeit im Reservoir vorgegebenen Minimalfüllstands angeordnet ist. Der Fließwiderstand der Kühlflüssigkeit im Rohrabschnitt ist durch im Reservoir bevorratete Kühlflüssigkeit erzeugt.
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Zweckmäßig weist die Pumpeinheit mindestens eine erste Pumpe und mindestens eine zweite Pumpe auf, wobei jeweils die zweite Pumpe im Rohrabschnitt aus Richtung des Reservoirs der ersten Pumpe vorgeordnet ist.
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Vorzugsweise ist der Fließwiderstand im Rohrabschnitt, wenn die erste Pumpe zur Förderrichtung des Kühlkreislaufs entgegengesetzt angesteuert wird, mittels der in Förderrichtung betriebenen zweiten Pumpe erzeugt.
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In der Pumpeinheit sind weitere erste Pumpen und zweite Pumpen vorhanden und von der Steuereinheit separat steuerbar, sodass mindestens alle ersten Pumpen mit entgegengesetzt zur Förderrichtung gerichteter Pumprichtung betreibbar sind.
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Vorzugsweise sind alle in der Pumpeinheit enthaltenen Pumpen Induktionspumpen.
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Vorteilhaft ist die Steuereinheit zur Überwachung und Einstellung einer Betriebstemperatur der metallischen Kühlflüssigkeit oberhalb deren Schmelztemperatur vorgesehen, wobei die Steuereinheit mittels des mindestens einen im Kühlkreislauf vorhandenen Temperatursensors einen Heizmodus auslöst, wenn die gewünschte Betriebstemperatur der metallischen Kühlflüssigkeit unterschritten ist, und einen Kühlmodus auslöst, wenn die gewünschte Betriebstemperatur überschritten ist.
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Mittels der Steuereinheit im Heizmodus ist zusätzlich zum entgegengesetzt zur Förderrichtung gesteuerten Betrieb der mindestens einen Pumpe eine Heizung zum Erwärmen der metallischen Kühlflüssigkeit im Reservoir zuschaltbar.
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Zweckmäßig ist mittels der Steuereinheit im Kühlmodus mindestens ein vor dem Tauchbad angeordneter Wärmetauscher zum Abkühlen der metallischen Kühlflüssigkeit auf Temperaturen unterhalb einer festgelegten maximalen Betriebstemperatur der metallischen Kühlflüssigkeit zuschaltbar und so steuerbar, dass der Wärmetauscher beim Kühlen eine festgelegte minimale Betriebstemperatur oberhalb der Schmelztemperatur der metallischen Kühlflüssigkeit nicht unterschreitet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist der Wärmetauscher als Heizer zuschaltbar, wenn die Temperatur der metallischen Kühlflüssigkeit unterhalb der Schmelztemperatur liegt oder die festgelegte minimale Betriebstemperatur zu unterschreiten droht, wobei der Wärmetauscher einen sekundären Kühlkreislauf mit einem Kühlmedium enthält, das eine Mindesttemperatur oberhalb der Schmelztemperatur der metallischen Kühlflüssigkeit aufweist.
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Zweckmäßig weist das Reservoir einen nach oben hin zunehmenden Querschnitt auf, in dem die Heizung von oben in die metallische Kühlflüssigkeit eintauchend angeordnet ist.
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Bevorzugt weist die Heizung eine Aufteilung in separate Heizkreise auf, die zum schichtweisen Erschmelzen der metallischen Kühlflüssigkeit im Reservoir von oben nach unten separat ansteuerbar sind.
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Zweckmäßig weist das Tauchbad eine eigene weitere Heizung auf.
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Die Aufgabe wird des Weiteren bei einem Verfahren zur Inbetriebnahme einer Kühlanordnung einer plasmabasierten Strahlungsquelle mit einer metallischen Kühlflüssigkeit, die zum Zweck des Umwälzens in einem Kühlkreislauf von einem festen in einen flüssigen Zustand überführt werden muss, durch folgende Schritte gelöst:
- – Erschmelzen der in einem Reservoir des Kühlkreislaufs erstarrten metallischen Kühlflüssigkeit durch Erwärmen mittels einer Heizung, beginnend von einem Maximalfüllstand der metallischen Kühlflüssigkeit in Richtung eines tiefsten Punkts des Reservoirs,
- – Erschmelzen der in einem am Reservoir anschließenden Rohrabschnitt erstarrten metallischen Kühlflüssigkeit mittels mindestens einer in dem Rohrabschnitt angeordneten, auf äußerer Feldwirkung basierenden Pumpe, die während des Erschmelzens temporär in einer zu einer vorgegebenen Förderrichtung des Kühlkreislaufs entgegengesetzten Pumprichtung betrieben wird und
- – Erwärmen des gesamten Kühlkreislaufs auf eine Betriebstemperatur oberhalb der Schmelztemperatur der metallischen Kühlflüssigkeit durch Fördern der metallischen Kühlflüssigkeit aus dem Reservoir heraus in den Kühlkreislauf mittels der mindestens einen in dem Rohrabschnitt angeordneten Pumpe, wobei eine Umschaltung auf die vorgegebene Förderrichtung des Kühlkreislaufs erfolgt.
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Vorteilhaft wird eine für Heizzwecke zum Erschmelzen der metallischen Kühlflüssigkeit temporär entgegengesetzt zur Förderrichtung des Kühlkreislaufs betriebene Pumpe auf eine maximale Förderleistung eingestellt.
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Die Umschaltung der mindestens einen Pumpe von einer temporär entgegen der Förderrichtung gerichteten Pumprichtung in die Förderrichtung des Kühlkreislaufs erfolgt zweckmäßig dann, wenn in dem am Reservoir anschließenden Rohrabschnitt eine gewünschte Betriebstemperatur von 5–70 K oberhalb der Schmelztemperatur der metallischen Kühlflüssigkeit erreicht ist.
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Vorzugsweise wird die mindestens eine temporär entgegengesetzt zur Förderrichtung betriebene Pumpe für Kühlzwecke in Förderrichtung des Kühlkreislaufs im Kühlkreislauf auf eine minimale Förderleistung eingestellt, mit der eine vorgegebene Betriebstemperatur der metallischen Kühlflüssigkeit im Kühlkreislauf erreicht wird.
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Das Erschmelzen der in dem am Reservoir anschließenden Rohrabschnitt erstarrten metallischen Kühlflüssigkeit erfolgt in einer bevorzugten Ausführung durch Pumpen einer ersten entgegengesetzt zur Förderrichtung betriebenen Pumpe gegen eine zweite Pumpe, die während des Erschmelzens auf eine maximale Förderleistung in Förderrichtung des Kühlkreislaufs eingestellt ist.
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Die in Förderrichtung des Kühlkreislaufs betriebene zweite Pumpe wird zweckmäßig zeitgleich mit der Umsteuerung der ersten Pumpe in die Förderrichtung des Kühlkreislaufs auf eine minimale Förderleistung eingestellt, mit der eine vorgegebene Betriebstemperatur der metallischen Kühlflüssigkeit im Kühlkreislauf erreicht wird.
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Mit der Erfindung ist eine schnelle und risikolose Erschmelzung der erstarrten metallischen Kühlflüssigkeit in einem Kühlkreislauf möglich, ohne dass an allen Rohrleitungen zusätzliche Heizelemente angebracht werden müssen. Ferner ist es möglich, bei einer (erneuten) Inbetriebnahme das vollständige Erschmelzen der erstarrten metallischen Kühlflüssigkeit in kürzerer Zeit zu realisieren, indem vor dem Umwälzen der Kühlflüssigkeit im Kühlkreislauf Temperaturmessungen den Schmelzzustand protokollieren.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung eines Kühlkreislaufs einer sich in Betrieb befindendenden plasmabasierten Strahlungsquelle zur Kühlung eines umlaufenden Elements mit einer metallischen Kühlflüssigkeit,
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2 eine Prinzipdarstellung eines Kühlkreislaufs einer in Betrieb zu nehmenden plasmabasierten Strahlungsquelle,
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3 einen prinzipiellen Verfahrensablauf zur Inbetriebnahme einer plasmabasierten Strahlungsquelle mit einer metallischen Kühlflüssigkeit,
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4 ein Ausführungsbeispiel eines Kühlkreislaufs einer plasmabasierten Strahlungsquelle mit einem Wärmetauscher und weiteren Temperatursensoren,
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5 ein Ausführungsbeispiel eines Kühlkreislaufs mit seriell angeordneten weiteren Pumpen,
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6 ein Ausführungsbeispiel eines Kühlkreislaufs mit parallel angeordneten weiteren Pumpen und
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7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kühlkreislaufs einer plasmabasierten Strahlungsquelle mit einem kombinierten Tauchbad und Reservoir.
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Ein Kühlkreislauf 1 zum Kühlen eines umlaufenden Elements 31 einer plasmabasierten Strahlungsquelle, das direkt an einer Plasmaerzeugung beteiligt ist und das durch die zur Erzeugung des Plasmas zugeführte Energie und durch das eine Strahlung und Teilchen emittierende Plasma selbst stark erhitzt wird, weist zur effektiven Kühlung eine metallische Kühlflüssigkeit 2 auf.
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Der Kühlkreislauf 1 enthält gemäß 1 ein Tauchbad 3 mit der metallischen Kühlflüssigkeit 2, in die das umlaufende Element 31 zumindest teilweise eintaucht, ein Reservoir 4 zum Bereithalten (Bevorraten) einer ausreichenden Menge der metallischen Kühlflüssigkeit 2, die – wenn sie zugleich als ein Emittermaterial für die Plasmaerzeugung verwendet wird – einem gewissen Verbrauch unterliegt, einen Wärmetauscher 7 zum Abkühlen und eine Heizung 81 zum Heizen der metallischen Kühlflüssigkeit 2, eine Pumpeinheit 5 mit mindestens einer ersten Pumpe 51 zum Umwälzen der metallischen Kühlflüssigkeit 2 im Kühlkreislauf 1, mindestens einen Temperatursensor 84 zum Überwachen der Temperatur der metallischen Kühlflüssigkeit 2 und eine Steuereinheit 8 zum Steuern des Temperierens der metallischen Kühlflüssigkeit 2 auf eine minimale Betriebstemperatur moderat oberhalb ihrer Schmelztemperatur. Zum Führen des Kühlkreislaufs 1 sind das Reservoir 4, die mindestens eine erste Pumpe 51, der Wärmetauscher 7 und das Tauchbad 3 über eine Rohrleitung 11 verbunden.
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Als geeignetes Emittermaterial und als metallische Kühlflüssigkeit 2 wird vorzugsweise reines Zinn, mit einem Schmelzpunkt von 232°C verwendet. Die minimale Betriebstemperatur kann dann auf 240°C eingestellt werden, sodass mindestens eine Differenz von 8 Kelvin zum Schmelzpunkt eingehalten wird. Prinzipiell kann auch jedes andere zur Plasmaerzeugung geeignete Material mit ähnlichen physikalischen Eigenschaften verwendet werden.
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Das umlaufende Element 31 der plasmabasierten Strahlungsquelle ist eine im Wesentlichen vertikal orientierte kreisrunde Scheibe, die um eine durch ihren Mittelpunkt verlaufende Drehachse 32 rotierend gelagert ist. Das umlaufende Element 31 ist so bezüglich des Tauchbads 3 befestigt, dass ein peripherer Randbereich in die im Tauchbad 3 befindliche metallische Kühlflüssigkeit 2 eintaucht und dieser Randbereich während der Rotation des umlaufenden Elements 31 mit der metallischen Kühlflüssigkeit 2 beschichtet wird.
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Das Tauchbad 3 ist ein nach oben hin offenes Gefäß, in dem während des Betriebs der plasmabasierten Strahlungsquelle ca. 2–10% der gesamten im Kühlkreislauf 1 vorhandenen metallischen Kühlflüssigkeit 2 aufgenommen ist, um das umlaufende Element 31 mit der metallischen Kühlflüssigkeit 2 zu benetzen und zu kühlen. Das Tauchbad 3 ist entsprechend der Größe des umlaufenden Elements 31 so dimensioniert, dass ein für die Kühlung ausreichendes Eintauchen des umlaufenden Elements 31 in die metallische Kühlflüssigkeit 2 gewährleistet ist. Das Tauchbad 3 bildet im Kühlkreislauf 1 einen höchsten Punkt und ist über einen Abfluss 33 mit einem Rücklauf 46 des Reservoirs 4 verbunden.
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Das Reservoir 4 ist gegenüber dem Tauchbad 3 tieferliegend im Kühlkreislauf 1 angeordnet und ist als ein Gefäß mit einem sich nach oben hin aufweitenden Querschnitt geformt. In ihm ist ein Hauptteil der gesamten im Kühlkreislauf 1 vorhandenen metallischen Kühlflüssigkeit 2 aufgenommen. Vom Reservoir 4 aus wird die metallische Kühlflüssigkeit 2 in einer Förderrichtung des Kühlkreislaufs 1 zum Tauchbad 3 gepumpt. Dazu ist die erste Pumpe 51 in einem dem Reservoir 4 in Förderrichtung folgenden Rohrabschnitt 12 der Rohrleitung 11 angeordnet.
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Wie in 2 dargestellt, weist das Reservoir 4 bevorzugt mehrere Temperatursensoren 84 auf, die innerhalb des Reservoirs 4 in verschiedenen Höhen an einer den Querschnitt des Reservoirs 4 begrenzenden Gefäßwand 41 angeordnet sind.
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Die Heizung 81 ist möglichst zentrisch von oben in das Reservoir 4 und in die darin aufgenommene metallische Kühlflüssigkeit 2 eintauchend angeordnet und ist vorzugsweise in mehrere übereinanderliegende Heizkreise 82 unterteilt, wobei ein erster Heizkreis 82.1 im Bereich eines Maximalfüllstands 44 und ein letzter Heizkreis 82.2 nahe einem Gefäßboden des Reservoirs 4 unterhalb eines Minimalfüllstands 43 der metallischen Kühlflüssigkeit 2 im Reservoir 4 angeordnet ist.
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Das Reservoir 4 ist über den Rohrabschnitt 12 der Rohrleitung 11, der an einer Entnahmeöffnung 42 an einem tiefsten Punkt des Reservoirs 4 angeschlossen ist, mit der mindestens einen ersten Pumpe 51 der Pumpeinheit 5 verbunden. Die erste Pumpe 51 ist im Kühlkreislauf 1 unterhalb des Minimalfüllstandes 43 der metallischen Kühlflüssigkeit 2 im Reservoir 4 angeordnet. Dadurch ist sichergestellt, dass die erste Pumpe 51 stets mit der metallischen Kühlflüssigkeit 2 gefüllt ist, sodass eine Pumpwirkung sichergestellt ist.
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Als erste Pumpe 51 wird vorzugsweise eine elektromagnetische Induktionspumpe verwendet, die ausschließlich durch eine äußere Feldwirkung auf die metallische Kühlflüssigkeit 2 einwirkt und die ohne mechanisch bewegte Teile arbeitet.
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Der ersten Pumpe 51 im Kühlkreislauf 1 nachgeordnet ist die Rohrleitung 11 mit dem Wärmetauscher 7 verbunden, durch den der metallischen Kühlflüssigkeit 2 Wärme entzogen werden kann. Dem Wärmetauscher 7 folgend ist die Rohrleitung 11 mit einem Zufluss 34 zum Tauchbad 3 verbunden. Der dem Abfluss 33 des Tauchbads 3 folgende Abschnitt der Rohrleitung 11 mündet in den Rücklauf 46 des Reservoirs 4, der den Kühlkreislauf 1 schließt.
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Ein prinzipbedingt geringer Wirkungsgrad der plasmabasierten Strahlungsquellen von unter 2% führt dazu, dass bei der Plasmaerzeugung ein großer Anteil aufgewandter Energie in Wärme konvertiert wird. Der Kühlkreislauf 1 ist deshalb vorrangig dafür ausgelegt, diese enormen Wärmemengen als Abwärme abzuführen und dem Kühlkreislauf 1 sehr effektiv die Wärme zu entziehen. Andererseits muss bei einer im Intervallbetrieb (Burstregime) betriebenen plasmabasierten Strahlungsquelle die Temperatur der metallischen Kühlflüssigkeit 2 stets über der Schmelztemperatur des im Kühlkreislauf 1 verwendeten Metalls gehalten werden, sodass sich die metallische Kühlflüssigkeit 2 auch im flüssigen Zustand befindet, falls sich bei fehlendem Wärmeeintrag die Temperatur des Kühlkreislaufs 1 drastisch reduziert.
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Der Eintrag der bei der Plasmaerzeugung anfallenden Abwärme in die metallische Kühlflüssigkeit 2 erfolgt durch das bei der Plasmaerzeugung beteiligte umlaufende Element 31. Das umlaufende Element 31 rotiert dabei um seine Drehachse 32. Bei der Rotation kommt es am Zufluss 34 zunächst mit der metallischen Kühlflüssigkeit 2 in Kontakt und taucht anschließend mit einem Teil des äußeren Umfangs in das unter ihr befindliche Tauchbad 3 ein. Die Abwärme kann dadurch an die metallische Kühlflüssigkeit 2 abgegeben und das umlaufende Element 31 gekühlt werden.
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Das Volumen des Tauchbads 3 zur Aufnahme der metallischen Kühlflüssigkeit 2 ist als ein mit dem Radius des umlaufenden Elements 31 gebogener Kanal ausgeführt, der das Wärmeaustauschvolumen vergrößert, während die vom äußeren Umfang gemessene Eintauchtiefe des umlaufenden Elements 31 klein gehalten wird, und der radial in Richtung der Drehachse 32 bis auf einen verbleibenden Schlitz zum Durchführen des umlaufenden Elements 31 geschlossen ist. In einem Tauchbad 3 dieser speziellen Gestaltungsform ist nur ein sehr kleiner Anteil von ca. 2–3% der gesamten im Kühlkreislauf 1 vorhandenen metallischen Kühlflüssigkeit 2 aufgenommen.
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Zur Aufrechterhaltung der Kühlwirkung des Tauchbads 3 wird dieser kleine Anteil durch die den Kühlkreislauf 1 umwälzende erste Pumpe 51 kontinuierlich umgewälzt. Der Austausch und damit eine erforderliche Förderleistung der ersten Pumpe 51 wird von der Steuereinheit 8 überwacht. Die Förderleistung wird von der Steuereinheit 8 so angepasst, dass die Temperatur der metallischen Kühlflüssigkeit 2 im Tauchbad 3 möglichst auf einer optimalen Betriebstemperatur gehalten wird. Die Anpassung der Förderleistung erfolgt durch Einstellen einer Frequenz einer zum Betrieb der mindestens einen ersten Pumpe 51 verwendeten Versorgungsspannung.
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Zusätzlich zum Betrieb der ersten Pumpe 51 wird die metallische Kühlflüssigkeit 2 auch mittels der Rotation des umlaufenden Elements 31 durch das Tauchbad 3 transportiert und umgewälzt. Nach dem Tauchbad 3 läuft die metallische Kühlflüssigkeit 2 schwerkraftgetrieben über die am Abfluss 33 angeschlossene Rohrleitung 11 zum Rücklauf 46 des Reservoirs 4 zurück.
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Im Zusammenhang mit der Förderleistung wird auch ein gewünschter Füllstand im Tauchbad 3 aufrechterhalten, bei dem das umlaufende Element 31 mit 5–50% seines Radius, vorzugsweise mit 10–20%, in die metallische Kühlflüssigkeit 2 eintaucht. Eine Eintauchtiefe von ca. 3 cm ist für Radien von ca. 20 cm für eine effektive Kühlung ausreichend. Die Eintauchtiefe kann aber mit zunehmendem Durchmesser des umlaufenden Elements 31 weiter abgesenkt werden. Ein maximal möglicher Füllstand des Tauchbades 3 wird durch die Position des Abflusses 33 am Tauchbad 3 begrenzt.
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Die über die Rohrleitung 11 abfließende, stark erhitzte metallische Kühlflüssigkeit 2 wird im tieferliegenden Reservoir 4 aufgefangen. Im Reservoir 4 wird der Hauptteil der gesamten im Kühlkreislauf 1 vorhandenen metallischen Kühlflüssigkeit 2 als ein Vorrat aufgenommen. Im Reservoir 4 wird bereits eine erste Abkühlung durch Vermischung der aus dem Tauchbad 3 eingeleiteten erhitzten mit der im Reservoir 4 vorhandenen kühleren metallischen Kühlflüssigkeit 2 erreicht.
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Das Reservoir 4 verfügt über einen Füllstandssensor 86, mit dem die Steuereinheit 8 den Füllstand der metallischen Kühlflüssigkeit 2 überwachen kann. Der Füllstandssensor 86 weist Mittel zum Detektieren des Minimalfüllstands 43, des Maximalfüllstands 44 und von Zwischenständen, die vorzugsweise entsprechend der Lage der Heizkreise 82 orientiert sind, auf.
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Der Minimalfüllstand 43 des Reservoirs 4 wird durch die Menge an metallischer Kühlflüssigkeit 2 definiert, die mindestens erforderlich ist, um die erste Pumpe 51 im Rohrabschnitt 12 zu füllen, damit das Fördern und Umwälzen der metallischen Kühlflüssigkeit 2 im Kühlkreislauf 1 ermöglicht und aufrechterhalten werden kann. Bei Unterschreiten des Minimalfüllstands 43 wird von der Steuereinheit 8 eine Warnmeldung generiert.
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Bei einer sich in Betrieb befindenden plasmabasierten Strahlungsquelle, bei der über einen längeren Zeitraum keine Plasmaerzeugung stattfindet, kann der fehlende Eintrag an Abwärme dazu führen, dass sich die metallische Kühlflüssigkeit 2 unter die Schmelztemperatur des Metalls abkühlt. Um eine Erstarrung zu verhindern, lässt sich die metallische Kühlflüssigkeit 2 im Reservoir 4 mit der Heizung 81 erwärmen. Die von oben in das Reservoir 4 eintauchende Heizung 81 erwärmt die sie umgebende metallische Kühlflüssigkeit 2. Die erwärmte metallische Kühlflüssigkeit 2 wird dann von der ersten Pumpe 51 im gesamten Kühlkreislauf 1 umgewälzt. Zur Regelung der Heizung 81 wird ebenfalls die Steuereinheit 8 verwendet, welche stets die minimale Betriebstemperatur der metallischen Kühlflüssigkeit 2 mit einem am Rücklauf 46 des Reservoirs 4 angeordneten weiteren Temperatursensor 84 überwacht. Der Rücklauf 46 ist im Kühlkreislauf 1 am weitesten von der Heizung 81 entfernt. Die hier gemessene Temperatur muss deshalb immer oberhalb der Schmelztemperatur des als metallische Kühlflüssigkeit 2 verwendeten Metalls liegen, um eine Blockade des Kühlkreislaufs 1 durch erstarrte metallische Kühlflüssigkeit 2 zu verhindern.
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Bei Außerbetriebsetzung der plasmabasierten Strahlungsquelle läuft die metallische Kühlflüssigkeit 2, wie in 2 dargestellt, der Schwerkraft folgend im Reservoir 4 und in den Teilen der Rohrleitung 11, die unterhalb des aktuellen Füllstandes des Reservoirs 4 liegen, zusammen und erstarrt dort nach vollständiger Abkühlung.
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Da sich im Tauchbad 3 der Abfluss 33 nicht an einem tiefsten Punkt des Tauchbads 3 befindet, verbleibt dort ebenfalls eine kleine Menge der metallischen Kühlflüssigkeit 2. Diese führt bei vollständiger Abkühlung zu einer Festsetzung des umlaufenden Elements 31 in der erstarrten metallischen Kühlflüssigkeit 2. Die hier erstarrte metallische Kühlflüssigkeit 2 kann über eine am Tauchbad 3 angeordnete weitere Heizung 83 wieder erschmolzen werden.
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Vor einer erneuten Inbetriebnahme muss zunächst die erstarrte metallische Kühlflüssigkeit 2 im gesamten Kühlkreislauf 1 wieder erschmolzen werden und mindestens auf die minimale Betriebstemperatur der metallischen Kühlflüssigkeit 2 erwärmt werden.
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In 2 ist der Zustand des Kühlkreislaufs 1 einer plasmabasierten Strahlungsquelle vor deren Inbetriebnahme gezeigt.
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In plasmabasierten Strahlungsquellen gemäß dem Stand der Technik werden zum Erwärmen üblicherweise die Widerstandsdrahtheizungen als Heizung 81 verwendet, die innen oder außen an den Gefäßwänden 41 des Reservoirs 4 und an der Rohrleitung 11 angeordnet sein können. Insbesondere bei deren Verwendung an der Rohrleitung 11 und der dort angeordneten ersten Pumpe 51 hat die Heizung 81 erhebliche Nachteile.
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Eine äußere Anbringung ist langsam, träge und uneffektiv, da die Erwärmung durch Wände des Reservoirs 4, der ersten Pumpe 51 oder der Rohrleitung 11 hindurch erfolgen müsste und die Heizung 81 auch in die Umgebung abstrahlt. Bei einer Anbringung im Inneren der Rohrleitung 11 unterliegt die Heizung 81 einer von der metallischen Kühlflüssigkeit 2 verursachten Korrosion und Erosion und damit einem verstärkten Verschleiß. Außerdem führt die innere Anbringung zu einer Einengung eines nutzbaren Rohrleitungsquerschnitts und verursacht für die metallische Kühlflüssigkeit 2 zusätzliche Strömungswiderstände.
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Ferner muss bei der Erwärmung der im Kühlkreislauf 1 erstarrten metallischen Kühlflüssigkeit 2 eine thermische Ausdehnung des Metalls beachtet werden und die Erwärmung kontrolliert so erfolgen, dass es nicht zur Beschädigung der Gefäße des Kühlkreislaufs 1, insbesondere der engen Rohrleitung 11 kommen kann.
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Zum Erschmelzen von metallischer Kühlflüssigkeit 2 in der Rohrleitung 11 wird deshalb anstelle von herkömmlichen Widerstandsdrahtheizungen eine induktive Heizung eingesetzt, zu deren Realisierung das Funktionsprinzip der induktiven ersten Pumpe 51 verwendet werden kann. Die Heizwirkung wird erreicht, indem durch die Feldwirkung der Induktionspumpe verursachte Wirbelstromverluste zur Erwärmung der erstarrten metallischen Kühlflüssigkeit 2 im Bereich der ersten Pumpe 51 führen. Die erste Pumpe 51 wird dabei zeitweise, mit maximaler Pumpleistung in einer zur Förderrichtung des Kühlkreislaufs 1 entgegengerichteten Pumprichtung betrieben. 2 zeigt die erste Pumpe 51 in der zeitweise entgegengerichteten Pumprichtung.
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Beim Erwärmen mit der ersten Pumpe 51 ist ein spezieller in einer Übersicht in 3 dargestellter Verfahrensablauf einzuhalten. Der Verfahrensablauf wird im Folgenden anhand der Verwendung von Zinn als metallische Kühlflüssigkeit 2 beschrieben, ist aber mit angepassten Temperaturschwellen auch auf jedes andere metallische Kühlmittel anwendbar.
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In einem ersten Verfahrensschritt wird zunächst die im Reservoir 4 erstarrte metallische Kühlflüssigkeit 2 erwärmt und erschmolzen. Damit dabei keine Schäden durch die thermische Ausdehnung entstehen, erfolgt das Erschmelzen schichtweise, ausgehend vom Maximalfüllstand 44 nach unten in Richtung des Gefäßbodens. Dabei kann das Reservoir 4 zusätzlich einen sich nach oben hin zunehmenden Querschnitt (wie z. B. in den Ausführungen gemäß den 4–6 sowie 7) aufweisen, damit die erstarrte metallische Kühlflüssigkeit 2 bei einer sich horizontal vollziehenden thermischen Ausdehnung keine Widerlager an den seitlich begrenzenden Gefäßwänden 41 finden kann.
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Zum Erschmelzen der im Reservoir 4 erstarrten metallischen Kühlflüssigkeit 2 wird eine in die metallische Kühlflüssigkeit 2 eingetauchte Heizung 81 verwendet. Die Heizung 81 ist dazu in die mehreren übereinanderliegenden Heizkreise 82 aufgeteilt, mit denen das schichtweise Erschmelzen durchgeführt werden kann. Die Heizkreise 82 können von der Steuereinheit 8 unabhängig voneinander betrieben werden. Jedem der Heizkreise 82 ist ein an der Gefäßwand 41 des Reservoirs 4 befestigter Temperatursensor 84 zugeordnet.
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Ausgehend von der mit dem Füllstandssensor 86 ermittelten Menge der im Reservoir 4 erstarrten metallischen Kühlflüssigkeit 2 wird von der Steuereinheit 8 der Heizkreis 82 ermittelt, der auf der Höhe des aktuellen Füllstands des Reservoirs 4 liegt. Ist der ermittelte Heizkreis 82 nicht der auf Höhe des Maximalfüllstands 44 liegende Heizkreis 82, wird der beim aktuellen Füllstand liegende Heizkreis 82 als erster Heizkreis 82.1 definiert, mit dem das Erschmelzen beginnt. Gegenüber einer Ausdehnung, beispielsweise im Inneren der erstarrten metallischen Kühlflüssigkeit 2, kann sich die erwärmende metallische Kühlflüssigkeit 2 an der Oberfläche ungehindert in beliebiger Richtung ausdehnen, ohne Schaden zu verursachen.
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Wird an einem dem ersten Heizkreis 82.1 zugeordneten Temperatursensor 84 die optimale Betriebstemperatur von 250°C erreicht, schaltet die Steuereinheit 8 den nächsten tiefer gelegenen Heizkreis 82 zu. Dieses Vorgehen wird fortgesetzt, bis nach dem Ansteuern des letzten Heizkreises 82.2 am Gefäßboden des Reservoirs 4 im gesamten Reservoir 4 eine Temperatur von 270°C erreicht und gehalten wird und die gesamte metallische Kühlflüssigkeit 2 mit Sicherheit erschmolzen ist. Je nach Füllstand im Reservoir 4 nimmt dieser Verfahrensschritt etwa 2–3 Stunden in Anspruch.
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Gleichzeitig mit dem Reservoir 4 wird auch die im Tauchbad 3 erstarrte metallische Kühlflüssigkeit 2 erwärmt. Das erfolgt mit der am Tauchbad 3 angeordneten weiteren Heizung 83. Aufgrund der kleineren Menge an metallischer Kühlflüssigkeit 2 erfolgt das Aufschmelzen hier wesentlich schneller als im Reservoir 4 und es besteht auch nicht die Gefahr, dass das Tauchbad 3 oder das umlaufende Element 31 durch die thermische Ausdehnung der metallischen Kühlflüssigkeit 2 beschädigt wird.
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Nach dem Erschmelzen der metallischen Kühlflüssigkeit 2 in den Gefäßen Tauchbad 3 und Reservoir 4 wird in einem zweiten Verfahrensschritt die im Rohrabschnitt 12 der dem Reservoir 4 folgenden Rohrleitung 11 erstarrte metallische Kühlflüssigkeit 2 erwärmt und erschmolzen.
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Im engen Rohrabschnitt 12 gestaltet sich das Erwärmen schwieriger, da die sich hier erwärmende metallische Kühlflüssigkeit 2 nicht die Möglichkeit hat, sich in beliebiger Richtung auszudehnen, sondern nur eindimensional in Richtung einer Achse der Rohrleitung 11. Damit das Erschmelzen schnell und gleichmäßig erfolgt, wird die Erwärmung mit einer in diesem Bereich ohnehin vorhandenen ersten Pumpe 51, die eine elektromagnetische Induktionspumpe ist, durchgeführt.
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In einem ersten Ausführungsbeispiel wird – im Unterschied zum Umwälzen der metallischen Kühlflüssigkeit 2 im Kühlkreislauf 1, bei dem die erste Pumpe 51 in einer vordefinierten Förderrichtung des Kühlkreislaufs 1 betrieben wird – die erste Pumpe 51 bei der Inbetriebnahme der plasmabasierten Strahlungsquelle in umgekehrter Pumprichtung betrieben. Die Änderung der Pumprichtung erfolgt durch einen Phasenwechsel der zum Betrieb der ersten Pumpe 51 verwendeten Versorgungsspannung. Zum schnellen Erschmelzen der metallischen Kühlflüssigkeit 2 wird die erste Pumpe 51 mit maximaler Pumpleistung entgegengesetzt zur Förderrichtung gegen einen Fließwiderstand der metallischen Kühlflüssigkeit 2 betrieben, der anfänglich durch das noch erstarrte Metall gegeben ist und im Erschmelzungsprozess entweder gegen den hydrostatischen Druck der metallischen Kühlflüssigkeit 2 im Reservoir 4 vorhanden ist oder der von einem zusätzlich zwischen Reservoir 4 und erster Pumpe 51 angeordneten Fließhindernis erzeugt wird. Durch Wirbelstromverluste innerhalb der unbeweglichen metallischen Kühlflüssigkeit 2 kommt es im Bereich der ersten Pumpe 51 zur Erwärmung des von der ersten Pumpe 51 umgebenen Rohrabschnitts 12, die zum raschen Erschmelzen führt. Sobald nur ein Teil der metallischen Kühlflüssigkeit 2 erschmolzen ist, wird dieser durch die Pumpwirkung innerhalb des Rohrabschnitts 12 in Richtung des Reservoirs 4 bewegt. In dieser Basisvariante ist somit die Pumpwirkung einer einzelnen ersten Pumpe 51 einem Fließwiderstand, der dem hydrostatischen Druck der im Reservoir 4 aufgenommenen metallischen Kühlflüssigkeit 2 entspricht, entgegengerichtet. Durch das Fördern der teilweise erschmolzenen metallischen Kühlflüssigkeit 2 entstehen starke Turbulenzen im Rohrabschnitt 12, die das Erschmelzen zusätzlich beschleunigen. Sich ausdehnende metallische Kühlflüssigkeit 2 kann in das zuvor bereits erschmolzene Reservoir 4 ausweichen.
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Je nach Füllstand der metallischen Kühlflüssigkeit 2 im Reservoir 4 befindet sich in der von der ersten Pumpe 51 zum Tauchbad 3 führenden Rohrleitung 11 ebenfalls etwas erstarrte metallische Kühlflüssigkeit 2. Diese wird während der durch das entgegengesetzt zur Förderrichtung erfolgende Pumpen der ersten Pumpe 51 stattfindenden Erwärmung des Rohrabschnitts 12 durch eine davon ausgehende Wärmeleitung und durch sich in die Rohrleitung 11 ausbreitende Turbulenzen allmählich mit erschmolzen. Das Erschmelzen kann mit einem in diesem Bereich der Rohrleitung 11 angeordneten weiteren Temperatursensor 84 überwacht werden.
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Das Pumpen entgegengesetzt zur Förderrichtung wird mindestens solange fortgesetzt, bis die gesamte in dem Rohrabschnitt 12 zwischen der ersten Pumpe 51 und dem Reservoir 4 vorhandene metallische Kühlflüssigkeit 2 erschmolzen ist. Dieser Zustand wird mit vorzugsweise einem weiteren zwischen der ersten Pumpe 51 und dem Reservoir 4 am Rohrabschnitt 12 angebrachten Temperatursensor 84 festgestellt. Mit diesem Temperatursensor 84 werden beim Übergang vom festen in den flüssigen Zustand stattfindende Veränderungen im Metallgitter des Metalls der metallischen Kühlflüssigkeit 2 erfasst. Die Veränderung im Metallgitter ist ein endothermer Prozess, sodass die Temperatur bei Erreichen der Schmelztemperatur des Metalls für eine kurze Zeit unverändert bleibt. Dadurch entsteht eine mess- und auswertbare Stufe im ansonsten kontinuierlich ansteigenden Temperaturverlauf, der das Erreichen der Schmelztemperatur sicher anzeigt.
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Nachdem im Kühlkreislauf 1 an den mit der metallischen Kühlflüssigkeit 2 direkt oder indirekt in Kontakt stehenden Temperatursensoren 84 eine (für Zinn optimale) Betriebstemperatur von 235–300°C erreicht wurde, ist die metallische Kühlflüssigkeit 2 im Reservoir 4, im Rohrabschnitt 12 und im Tauchbad 3 mit Sicherheit vollständig erschmolzen. Danach wird in einem letzten Verfahrensschritt auch der restliche Kühlkreislauf 1 der plasmabasierten Strahlungsquelle auf die optimale Betriebstemperatur erwärmt.
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Dazu wird das Pumpen entgegengesetzt zur Förderrichtung des Kühlkreislaufs 1 eingestellt und die erste Pumpe 51 auf Normalbetrieb in Förderrichtung umgeschaltet. Beginnend mit einer sehr geringen Förderleistung der ersten Pumpe 51 wird die metallische Kühlflüssigkeit 2 in Richtung des Tauchbads 3 gefördert. Dabei wird der Flüssigkeitsspiegel der metallischen Kühlflüssigkeit 2 in der zum Tauchbad 3 führenden Rohrleitung 11 langsam angehoben und erwärmt dadurch langsam fortschreitend die Rohrleitung 11. Wird in der Rohrleitung 11 die optimale Betriebstemperatur festgestellt, kann die Förderleistung weiter gesteigert werden. Erreicht der Flüssigkeitsspiegel das Tauchbad 3, wird dieses aufgefüllt, bis der Flüssigkeitsspiegel den Abfluss 33 erreicht und die metallische Kühlflüssigkeit 2 wieder in das Reservoir 4 zurückfließt. Für den Transport der metallischen Kühlflüssigkeit 2 durch das Tauchbad 3 wird gleichzeitig die Rotation des umlaufenden Elements 31 gestartet. Durch den langsam angehobenen Flüssigkeitsspiegel werden nacheinander alle Gefäßteile des Kühlkreislaufs 1 auf die optimale Betriebstemperatur erwärmt.
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Wird an allen Temperatursensoren 84 des Kühlkreislaufs 1 die optimale Betriebstemperatur festgestellt, ist die vollständige Erwärmung des Kühlkreislaufs 1 abgeschlossen und die plasmabasierte Strahlungsquelle kann bestimmungsgemäß benutzt werden.
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Die metallische Kühlflüssigkeit 2 wird dazu mit der ersten Pumpe 51 kontinuierlich aus dem Reservoir 4 entnommen und zum Tauchbad 3 gefördert. Der vom Reservoir 4 zur ersten Pumpe 51 führende Rohrabschnitt 12 ist mit der Entnahmeöffnung 42 am Gefäßboden des Reservoirs 4 verbunden. Mit der Entnahme am Gefäßboden wird sichergestellt, dass die metallische Kühlflüssigkeit 2 frei von Verunreinigungen, wie beispielsweise von aufschwimmenden Oxidationsprodukten, ist.
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Die Förderleistung der ersten Pumpe 51 wird von der Steuereinheit 8 geregelt. Die Förderleistung wird zunächst mindestens so eingestellt, dass die metallische Kühlflüssigkeit 2 das im Kühlkreislauf 1 gegenüber dem Reservoir 4 höherliegende Tauchbad 3 erreichen kann. Diese Förderleistung ist vom Füllstand der metallischen Kühlflüssigkeit 2 im Reservoir 4 abhängig.
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Weiterhin wird die Förderleistung in Abhängigkeit von der Abwärme der plasmabasierten Strahlungsquelle und damit der Temperatur der metallischen Kühlflüssigkeit 2 im Tauchbad 3 geregelt. Die Förderleistung der ersten Pumpe 51 wird so angepasst, dass die dort mit dem weiteren Temperatursensor 84 gemessene Temperatur möglichst auf der optimalen Betriebstemperatur verbleibt und eine maximale Betriebstemperatur (bei Zinn 310°C) nie überschreitet. Dadurch wird eine thermische Schädigung aller mit der metallischen Kühlflüssigkeit 2 in Kontakt stehenden Komponenten des Kühlkreislaufs 1 unterdrückt.
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In einem zweiten, in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der zur Erwärmung der metallischen Kühlflüssigkeit 2 im Rohrabschnitt 12 erforderliche Fließwiderstand durch eine separat ansteuerbare zweite Pumpe 61 erzeugt. Die zweite Pumpe 61 ist zwischen dem Reservoir 4 und der ersten Pumpe 51 angeordnet und liegt im Kühlkreislauf 1 tiefer als der Minimalfüllstand 43 der metallischen Kühlflüssigkeit 2 im Reservoir 4. Der Minimalfüllstand 43 des Reservoirs 4 wird durch die Menge an metallischer Kühlflüssigkeit 2 definiert, die mindestens erforderlich ist, um die zweite Pumpe 61 im Rohrabschnitt 12 immer gefüllt zu halten, damit beim Pumpbetrieb der zweiten Pumpe 61 das Fördern der metallischen Kühlflüssigkeit 2 in das Tauchbad 3 ständig aufrechterhalten werden kann. Bei der Inbetriebnahme des Kühlkreislaufs 1 ist ein Abstand zwischen erster und zweiter Pumpe 51 bzw. 61 zwischen 0 und 20 cm förderlich für den Rohrheizprozess. Ein dazwischen liegender Rohrabschnitt 12 kann vorzugsweise 5–10 cm betragen, sollte aber nicht wesentlich größer als 20 cm sein. Bei größeren Abständen könnte sich sonst eine thermische Isolierung bzw. die Anbringung einer zusätzlichen Heizung am freien Rohrabschnitt 12 erforderlich machen.
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Für die erste Pumpe 51 und die zweite Pumpe 61 werden zwei leistungsgleiche (vorzugsweise baugleiche) elektromagnetische Induktionspumpen verwendet.
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Entsprechend dem Verfahrensablauf gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird im zweiten Ausführungsbeispiel in dem zweiten Verfahrensschritt die erste Pumpe 51 während des Heizmodus bei der (erneuten) Inbetriebnahme der Strahlungsquelle zeitweise entgegen der Förderrichtung des Kühlkreislaufs 1 betrieben. Die zweite Pumpe 61 kann durchgängig in Förderrichtung des Kühlkreislaufs 1 betrieben werden. Sie erzeugt in diesem Beispiel den Fließwiderstand für die erste Pumpe 51. Mit der entgegengesetzt betriebenen ersten Pumpe 51 erfolgt dadurch eine Kompensation der durch die zweite Pumpe 61 magnetfeldinduzierten Förderbewegung der metallischen Kühlflüssigkeit 2. Das Betreiben der ersten und zweiten Pumpen 51 und 61 mit maximaler Förderleistung führt im Bereich der Pumpen 51 und 61 zur Erwärmung des Rohrabschnitts 12 und der anfänglich erstarrten metallischen Kühlflüssigkeit 2. Sobald nur ein Teil der metallischen Kühlflüssigkeit 2 erschmolzen ist, wird dieser durch die Pumpwirkung innerhalb der ersten und zweiten Pumpe 51, 61 und innerhalb des Rohrabschnitts 12 zwischen den Pumpen 51 und 61 gegeneinander bewegt. Durch das entgegengesetzte Pumpen entstehen starke Turbulenzen im Rohrabschnitt 12, die zu einer zusätzlichen Beschleunigung des Erschmelzens führen. Sich ausdehnende metallische Kühlflüssigkeit 2 kann in das zuvor bereits erschmolzene Reservoir 4 ausweichen.
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Um ein unkontrolliertes Fließen der bereits erschmolzenen metallischen Kühlflüssigkeit 2 in Richtung des Tauchbads 3 zu vermeiden, solange noch nicht im gesamten Kühlkreislauf 1 die optimale Betriebstemperatur erreicht ist, wird die zweite Pumpe 61 vorteilhaft mit einer wenigstens geringfügig niedrigeren Pumpleistung als die erste Pumpe 51 betrieben, sodass bei einer möglichen Differenz der Förderleistungen der vorzugsweise baugleichen ersten und zweiten Pumpen 51 und 61 die metallische Kühlflüssigkeit 2 stets in Richtung des Reservoirs 4 bewegt wird.
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Das gegeneinandergerichtete Fördern wird mindestens fortgesetzt, bis die gesamte in und zwischen den Pumpen 51 und 61 vorhandene metallische Kühlflüssigkeit 2 erschmolzen ist. Zur genauen Überwachung dieses Zustands sind mehrere weitere Temperatursensoren 84 zwischen den Pumpen 51 und 61 am Rohrabschnitt 12 und direkt an den Pumpen 51 und 61 angebracht.
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Nachdem im Kühlkreislauf 1 an den mit der metallischen Kühlflüssigkeit 2 direkt oder indirekt in Kontakt stehenden Temperatursensoren 84 eine vorgegebene Temperatur zwischen 235–300°C erreicht wurde, ist die metallische Kühlflüssigkeit 2 im Kühlkreislauf 1 mit Sicherheit vollständig erschmolzen.
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Danach wird in einem letzten Verfahrensschritt auch der restliche Kühlkreislauf 1 der plasmabasierten Strahlungsquelle auf die optimale Betriebstemperatur erwärmt.
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Dazu wird das gegen die Förderrichtung des Kühlkreislaufs 1 gerichtete Pumpen der ersten Pumpe 51 eingestellt und diese in die gleiche Förderrichtung wie die zweite Pumpe 61 umgeschaltet. Beginnend mit einer sehr geringen Förderleistung der ersten und zweiten Pumpe 51 und 61 wird die metallische Kühlflüssigkeit 2 in Richtung des Tauchbads 3 durch den Kühlkreislauf 1 gefördert. So werden nach und nach alle Gefäßteile des Kühlkreislaufs 1 auf die optimale Betriebstemperatur erwärmt. Um die metallische Kühlflüssigkeit 2 durch das Tauchbad 3 zu transportieren, wird gleichzeitig die Rotation des umlaufenden Elements 31 gestartet.
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Wird an allen Temperatursensoren 84 des Kühlkreislaufs 1 die optimale Betriebstemperatur festgestellt, ist die vollständige Erwärmung des Kühlkreislaufs 1 abgeschlossen und die plasmabasierte Strahlungsquelle kann zur Plasmaerzeugung benutzt werden. Die metallische Kühlflüssigkeit 2 wird dazu mit beiden gleich gerichtet betriebenen Pumpen 51 und 61 aus dem Reservoir 4 entnommen und kontinuierlich zum Tauchbad 3 gefördert.
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Für eine aktive Absenkung der Temperatur durchläuft die metallische Kühlflüssigkeit 2 nach der ersten Pumpe 51 einen Wärmetauscher 7, in dem die metallische Kühlflüssigkeit 2 bis auf die minimale Betriebstemperatur abgekühlt werden kann. Dazu wird bei Erreichen einer festgelegten Temperatur (bei Zinn beispielsweise ab 270°C) der Wärmetauscher 7 von der Steuereinheit 8 in einen Kühlmodus versetzt. Der Wärmetauscher 7 ist Bestandteil eines nicht näher erläuterten sekundären Kühlkreislaufs 9 und kann auf verschiedensten Kühlprinzipien basieren. Je nach der bei der Plasmaerzeugung entstehenden Abwärme kann die metallische Kühlflüssigkeit 2 über den am Wärmetauscher 7 angeschlossenen sekundären Kühlkreislaufs 9 gezielt und effektiv abgekühlt werden. Besonders vorteilhaft ist dafür eine Spraykühlung, wie in 4 stilisiert dargestellt, bei der ein Kühlmedium 91 des sekundären Kühlkreislaufs 9 auf eine Trennwand 71 des Wärmetauschers 7 auftrifft, an der auf der Seite des Kühlkreislaufs 1 die metallische Kühlflüssigkeit 2 vorbeiströmt. Es lassen sich aber auch andere Flüssigkeitskühlungen, Luftkühlung, Heatpipe-Kühlung oder chemische Kühlmittel einsetzen.
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Nach der Abkühlung durch die Wärmetauscher 7 wird die metallische Kühlflüssigkeit 2 erneut dem Tauchbad 3 zur Kühlung des umlaufenden Elements 31 zugeführt.
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Sowohl die Einstellung der Förderleistung der Pumpen 51 und 61 als auch das Auslösen des Heiz- oder Kühlmodus erfolgt durch die Steuereinheit 8 anhand der an mehreren Stellen im Kühlkreislauf 1 überwachten Temperaturen. Dazu können neben den bisher beschriebenen Temperatursensoren 84 weitere Temperatursensoren 84 am Tauchbad 3 und am Rücklauf 46 angeordnet sein.
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Zum Überwachen der Förderleistung verfügt die Steuereinheit 8 in diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich zur Überwachung der Temperatur über einen Durchflusssensor 85, mit dem die Strömungsgeschwindigkeit der metallischen Kühlflüssigkeit 2 in der Rohrleitung 11 erfasst werden kann. Der Durchflusssensor 85 ist vor dem Zufluss 34 zum Tauchbad 3 angeordnet.
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Für einen effektiven Kühlmodus verfügt der sekundäre Kühlkreislauf 9 über einen weiteren Wärmetauscher 7, der am Gefäßboden des Reservoirs 4 angeordnet ist. Mit ihm kann die Temperatur der metallischen Kühlflüssigkeit 2 bereits im Reservoir 4 und vor den Pumpen 51 und 61 abgesenkt werden.
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In einer weiteren Ausführung verfügt die Pumpeinheit 5 zusätzlich zu der ersten Pumpe 51 und der zweiten Pumpe 61 über weitere erste Pumpen 52, 53, ... sowie weitere zweite Pumpen 62, 63, usw. Diese ersten und zweiten Pumpen 51, 61; 52, 62; 53, 63; ... können – je nach Ausführung und Höhenunterschied der Rohrleitung 11 – parallel oder seriell zueinander angeordnet sein.
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Bei einer Anordnung von einzelnen weiteren ersten Pumpen 52, 53, ... sind diese an jeweils parallelen Rohrabschnitten 12 angeordnet, die an der Entnahmeöffnung 42 am Reservoir 4 angeschlossen sind. Jede weitere erste Pumpe 52, 53, ... wird dann entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel betrieben, wobei sich mit dieser Anordnung entweder ein Tauchbad 3 mit höherer Förderleistung oder mehrere Tauchbäder 3 mit gleicher Förderleistung parallel betreiben lassen.
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Bei einer paarweisen Anordnung von weiteren ersten und zweiten Pumpen 52 und 62, 53 und 63, ..., wie sie in 5 und 6 dargestellt sind, werden für jedes Pumpenpaar jeweils baugleiche erste und zweite Pumpen 51, 61; 52, 62; 53, 63; usw. verwendet. Die Gesamtanzahl der weiteren ersten und zweiten Pumpen 52 und 62, 53 und 63, ... sollte immer eine gerade Zahl ergeben, sodass die weiteren ersten und zweiten Pumpen 52 und 62; 53 und 63, ... zum gegenläufigen Betreiben jeweils paarweise angeordnet werden können. Die weiteren ersten und zweiten Pumpen 52 und 62, 53 und 63, ... können entweder paarweise seriell, wie in 5 schematisch dargestellt, oder paarweise parallel, wie beispielhaft in 6 gezeigt, angeordnet sein.
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Mit der seriellen Anordnung lassen sich z. B. beim kontinuierlichen Fördern während der Plasmaerzeugung größere Höhendifferenzen zwischen Reservoir 4 und Tauchbad 3 überwinden und/oder im Heizmodus längere Rohrabschnitte 12 erwärmen, wobei nach der Erwärmung auch einzelne Pumpen nach Bedarf abgeschaltet werden können.
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Bei einer parallelen paarweisen Anordnung kann die Förderleistung auf die Gesamtanzahl der Pumpen aufgeteilt werden, sodass einzelne Pumpenpaare mit geringerer Förderleistung betrieben werden können. In beiden Fällen wird dadurch der Einsatz von kleineren Pumpen mit geringerer Leistung ermöglicht. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel kann im Parallelbetrieb die zunächst geringe und sich dann langsam steigernde Förderleistung mit den paarweise angeordneten ersten und zweiten Pumpen 51 und 61 und weiteren ersten und zweiten Pumpen 52 und 62, ... auch dann erzielt werden, wenn die ersten Pumpen 51, 52, ... weiterhin gegen die zweiten Pumpen 61, 62, ... gerichtet arbeiten. Dazu wird bei den paarweise angeordneten ersten und zweiten Pumpen 51 und 61 und weiteren ersten und zweiten Pumpen 52 und 62, ... jeweils die Förderleistung der gegen die Förderrichtung des Kühlkreislaufs 1 gerichteten ersten Pumpen 51, 52, ... nach und nach gesenkt. Eine sich daraus ergebende Differenz gegenüber der Förderleistung der in Förderrichtung des Kühlkreislaufs 1 betriebenen zweiten Pumpen 61, 62, ... kann angepasst variiert werden. Durch die Variation dieser Differenz kann der Flüssigkeitsspiegel der metallischen Kühlflüssigkeit 2 in der zum Tauchbad 3 führenden Rohrleitung 11 kontrolliert angehoben und dabei die Rohrleitung 11 erwärmt werden. Die im gegeneinander gepumpten Teil der metallischen Kühlflüssigkeit 2 entstehenden Wirbelstromverluste tragen während der langsamen Erwärmung des Kühlkreislaufs 1 weiterhin zur Erwärmung der metallischen Kühlflüssigkeit 2 bei. Ist der Kühlkreislauf 1 vollständig erwärmt, werden die ersten Pumpen 51, 52, ... wieder in gleicher Pumprichtung betrieben und zusammen mit den zweiten Pumpen 61, 62, ... wird die gewünschte Förderleistung eingestellt. Es ist auch möglich, einzelne Pumpen oder Pumpenpaare abzuschalten, falls nur eine geringe Kühlung des umlaufenden Elements 31 benötigt wird.
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Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, die verschiedenen Arten der Pumpenanordnungen miteinander zu kombinieren.
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In einer weiteren Ausführung kann der sekundäre Kühlkreislauf 9 des Wärmetauschers 7 zum Aufheizen der metallischen Kühlflüssigkeit 2 im Kühlkreislauf 1 benutzt werden. Der sekundäre Kühlkreislauf 9 verfügt dazu über eine Heizung, mit der das sekundäre Kühlmedium 91 auf Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur des Metalls der metallischen Kühlflüssigkeit 2 erwärmt wird. Durch die Einleitung des sekundären Kühlmediums 91 in den Wärmetauscher 7 kann sowohl der Wärmetauscher 7 als auch die ihn durchfließende metallische Kühlflüssigkeit 2 des Kühlkreislaufs 1 erwärmt werden. Die zusätzliche Erwärmung beschleunigt im dritten Verfahrensschritt das Erreichen der optimalen Betriebstemperatur im Kühlkreislauf 1.
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In einer in 7 dargestellten anderen, deutlich modifizierten Ausführung ist der Kühlkreislauf 1 der plasmabasierten Strahlungsquelle in einem gemeinsamen Gefäß untergebracht, das sowohl das Tauchbad 3 als auch das Reservoir 4 beinhaltet. Die Rohrleitung 11, an der sich die Pumpen 51 und 61 für die Erwärmung und Umwälzung des Kühlkreislaufs 1 befinden, ist von einer tieferliegenden Entnahmeöffnung 42 am Reservoir 4 zum höherliegenden Tauchbad 3 des gemeinsamen Gefäßes geführt. In das Tauchbad 3 ist das umlaufende Element 31 der Strahlungsquelle teilweise eingetaucht. Zwischen dem Tauchbad 3 und dem Reservoir 4 ist im gemeinsamen Gefäß eine Zwischenwand 45 eingesetzt, die einen den Füllstand bestimmenden Überlauf und den Rücklauf 46 zum Reservoir 4 bildet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlkreislauf
- 11
- Rohrleitung
- 12
- Rohrabschnitt
- 2
- metallische Kühlflüssigkeit
- 3
- Tauchbad
- 31
- umlaufendes Element
- 32
- Drehachse
- 33
- Abfluss
- 34
- Zufluss
- 4
- Reservoir
- 41
- Gefäßwand
- 42
- Entnahmeöffnung
- 43
- Minimalfüllstand
- 44
- Maximalfüllstand
- 45
- Zwischenwand
- 46
- Rücklauf
- 5
- Pumpeinheit
- 51
- erste Pumpe
- 52, 53, ...
- weitere erste Pumpen
- 61
- zweite Pumpe
- 62, 63, ...
- weitere zweite Pumpen
- 7
- Wärmetauscher
- 71
- Trennwand
- 8
- Steuereinheit
- 81
- Heizung
- 82
- Heizkreis
- 82.1
- erster Heizkreis
- 82.2
- letzter Heizkreis
- 83
- weitere Heizung
- 84
- Temperatursensor
- 85
- Durchflusssensor
- 86
- Füllstandssensor
- 9
- sekundärer Kühlkreislauf
- 91
- Kühlmedium
