DE19905980C2

DE19905980C2 - Kühlvorrichtung und Kühlverfahren

Info

Publication number: DE19905980C2
Application number: DE1999105980
Authority: DE
Inventors: Martin Szameitat; Alexander Hampel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1999-02-12
Filing date: 1999-02-12
Publication date: 2001-02-08
Anticipated expiration: 2019-02-13
Also published as: DE19905980A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Kühlen eines Objektes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11. Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Kühlung und gleichzeitige Temperaturregelung von flächigen Körpern, zum Beispiel von Substrathaltern für PVD- oder CVD-Reaktoren. Weiterhin kann die Erfindung mit Vorteil bei der Diamantsynthese eingesetzt werden, bei der zu kühlende Glas- oder Stahlplatten Abscheideflächen für Diamant darstellen.

Stand der Technik

Kühlvorrichtungen haben die Aufgabe, in einem System eine vorgegebene Temperatur zu halten bzw. dafür Sorge zu tragen, daß diese nicht überschritten wird. Beispiele hierfür sind Kühlkörper für Mikroprozessoren in modernen Computern, bei denen zur Vermeidung thermischer Schäden eine Maximaltemperatur nicht überschritten werden darf (DE 43 07 902 C1).

In engen Grenzen, wie z. B. bei Kühlschränken, sind Kühlvorrichtungen in der Lage, die Temperatur auf einen Sollwert zu regeln. Dieser Sollwert kann über das Kühlsystem innerhalb eines gewissen Temperaturbereichs eingestellt werden, wobei der Regelbereich, je nach Kühlmittel, in der Regel bei einigen 10 Kelvin liegt. Größere Regelbereiche sind im Bereich der Kryotechnik bekannt, in dem Regelbereiche von ca. 200 bis 300 K erreicht werden. Die dabei verwendeten Kühlmittel, Stickstoff oder Helium, weisen sehr kleine Wärmeleitwerte λ auf, so daß sich eine vorgegebene Solltemperatur nur dann zuverlässig einregeln läßt, wenn die in das System eingekoppelten Wärmeströme klein sind. Zur Sicherstellung kleiner Wärmeströme muß daher der zu kühlende Bereich aufwendig thermisch isoliert werden.

Insbesondere bei größeren Wärmeströmen erscheinen daher Kühlmittel mit größeren Wärmeleitwerten λ zwingend erforderlich zu sein. Unter Verwendung herkömmlicher Kühler sind jedoch diesbezüglich prinzipiell geeignete Flüssigkeiten wie zum Beispiel Wasser oder Öle ungeeignet, da sie nur einen Temperaturhub zulassen, der etwa der Differenz aus ihren jeweiligen Siede- und Schmelzpunkten entspricht entspricht. Bei niedrigen Temperaturen schmelzende Metalle wie zum Beispiel Quecksilber erscheinen diesbezüglich vorteilhaft, können sie doch als Kühlmittel wesentlich größere Temperaturbereiche abdecken. Dem steht jedoch der Nachteil entgegen, daß der Umgang mit ihnen schwierig und gefährlich ist.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Probleme nach dem Stand der Technik weitestgehend zu vermeiden und Alternativen für die oben erwähnten Kühlvorrichtungen zur Verfügung zu stellen. Diese Alternativen sollen insbesondere auch bei großen zugeführten Wärmeströmen eine Temperaturregelung des zu kühlenden Objektes über einen möglichst großen Regelbereich zu ermöglichen. Der Regelbereich sollte dabei mehrere hundert Kelvin betragen.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, daß möglichst große Objekte, das heißt auch Objekte mit einer Fläche im Quadratmeterbereich, auf eine vorgebbare Temperatur eingeregelt werden können. Weiterhin sollen die Objekte möglichst gleichmäßig, d. h. mit möglichst kleinen Temperaturgradienten, auf eine Solltemperatur gebracht werden.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß diese Aufgaben durch eine Kühlvorrichtung gelöst werden, die mindestens einen Kühlkörper sowie ein Kühlmittel aufweist, und die dadurch gekennzeichnet ist, daß das Kühlmittel mit einem veränderbaren Anteil der Kühlkörperhöhe in Kontakt steht.

Das Prinzip dieser erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung basiert auf der Abstandsabhängigkeit der Wärmestromdichte j beim Durchgang der Wärme durch ein Material der Dicke s. Nach Umformen der Gleichung für den Wärmestrom

ergibt sich, daß bei konstanter Wärmestromdichte j* und konstanter Unterseiten temperatur T_Unterseite sich eine Oberflächentemperatur

einstellt. Die konstante Wärmestromdichte j* stellt sich in der Praxis bei konstanter Heizleistung ein, und die konstante Unterseitentemperatur T_Unterseite über eine thermische Ankopplung der Unterseite des Kühlkörpers an ein möglichst großes Wärmereservoir, i. e. einem Kühlmittel in ausreichender Menge. Eine gewünschte Solltemperatur für die Oberfläche kann damit durch Vorgabe der Höhe s des Kühlkörpers eingestellt werden, der an seiner Unterseite mit einem Kühlmittel in Kontakt steht.

Zur Regelung der Solltemperatur ist es erforderlich die Höhe s zu verändern. Hierzu ist es zweckmäßig, Kühlkörper und Kühlmittel über hierfür zur Verfügung gestellte Mittel relativ zueinander zu verschieben. Dadurch steht das Kühlmittel mit einem bezüglich der Kühlkörperhöhe veränderten Anteil des Kühlkörpers in Kontakt. Die dann im Rahmen der Gleichung [2] einschlägige Höhe s ist dann nicht mehr die geometrische Höhe des Kühlkörpers, sondern nur derjenige Teil, der nicht mit dem Kühlkörper in Kontakt steht. Dieser Teil soll nachfolgend als effektive Höhe s_eff bezeichnet werden. Das gleiche Prinzip greift, wenn nicht nur ein Kühlkörper, sondern mehrere Kühlkörper verwendet werden.

Wird zum Beispiel ein flüssiges Kühlmittel verwendet, zum Beispiel ein Öl oder Wasser, so ist s_eff derjenige Teil der Kühlkörperhöhe, der noch nicht in das Kühlmittel eingetaucht ist und damit noch nicht mit dem Wärmereservoir in Kontakt steht. Über ein Absenken des Kühlkörpers, oder durch eine Erhöhung des Kühlmittelspiegels, läßt sich die Höhe s_eff, und damit die Oberflächentemperatur T_Oberfläche auf einfache Weise über einen großen Regelbereich von mehreren hundert Kelvin einstellen. Die Temperaturregelung basiert damit darauf, daß das Kühlmittel mit einem bezüglich der Kühlkörperhöhe veränderbaren Anteil der Kühlkörpers in Kontakt steht.

Es bestehen viele Möglichkeiten die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung zu bauen. Eine Möglichkeit besteht darin, einen Objekträger, z. B. eine Platte (2), zu wählen, und mehrere Kühlkörper daran zu befestigen. Die Kühlkörper können säulenförmig, stegförmig oder anders geformt sein.

Neben der Verwendung mehrerer Kühlkörper ist auch der Einsatz eines einzigen Kühlkörpers möglich. Dieser Kühlkörper weist dann Vertiefungen bzw. Aussparungen zur Aufnahme von Kühlmittel auf, ohne die sich die Platte wegen des Temperaturgefälles verziehen würde.

Beim Einsatz eines einzigen Kühlkörpers können diese Vertiefungen zum Beispiel in einen massiven Block geeignet eingebracht werden. Hierzu ist es zweckmäßig, wenn im Kühlkörper mehrere stegförmige, zueinander weitgehend parallele Vertiefungen vorgesehen sind. Weiterhin ist es möglich, wenn zueinander weitgehend parallele Vertiefungen in unterschiedlichen Richtungen vorgesehen sind. Bei der letztgenannten Möglichkeit können eine besonders gleichmäßige Verteilung von Kühlkörpern, und damit besonders geringe Temperaturunterschiede im zu kühlenden Objekt sichergestellt werden.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß der Kühlkörper mit Kanälen für die Aufnahme eines flüssigen Kühlmittels versehen sind. Diese Kanäle können zum Beispiel in Ebenen angeordnet sein. Werden die Ebenen zum Beispiel horizontal angeordnet, so bestimmt die oberste mit dem Kühlmittel geflutete Ebene die effektive Höhe und darüber die Temperatur des zu kühlenden Objekts.

Die Dicke der Platte (2) und die Kühlkörperdichte sind so zu bemessen, daß Temperaturgradienten an der Oberseite der Platte dem jeweiligen Problem angepaßt sind. So führt zum Beispiel bei vorgegebener Plattengröße eine höhere Kühlkörperdichte zu einem kleineren Temperaturgradienten bzw. Temperaturunterschiede in der zu kühlenden Platte. So können maximale Temperaturunterschiede im zwei- bis einstelligen Kelvinbereich sichergestellt werden. Ist die Kühlkörperdichte derart geeignet bestimmt worden, so kann durch eine größere Kühlkörperanzahl die Fläche des zu kühlenden Objekts vorteilhaft gesteigert werden. So können die zu kühlenden Flächen auch im Bereich von einem oder sogar mehreren Quadratmetern liegen.

Das Material für den oder die Kühlkörper ist beliebig. Im Hinblick auf flüssige Kühlmittel und ggf. schweren zu kühlenden Objekten eignen sich zum Beispiel Metalle dazu, und besonders Metalle mit niedrigem Wärmeleitwert λ von vorteilhafterweise unter 200 W/(mK). Ganz besonders vorteilhaft erscheint als Kühlkörpermaterial Titan.

Als Kühlmittel kommen zunächst flüssige Kühlmittel wie Wasser oder Öle in Frage, da diese unabhängig vom thermischen Verzug des Kühlkörpers formschlüssig die Wärme aufnehmen. Es sind aber auch feste Kühlmittel möglich die gegebenenfalls eine Innenkühlung aufweisen.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden näher beschrieben.

Gemäß Fig. 1 wird eine 2 cm dicke Platte (2) mit einer Fläche von ca. 20 cm² gekühlt. Die Platte (2) ist mit mehreren Kühlkörpern (3) fest verbunden. Die voneinander beabstandeten Kühlkörper haben die Form von Stegen. Die Stege sind etwa 1 cm breit.

Die Kühlkörper (3) und die Platte (2) sind aus Titan. Auch andere Metalle sind grundsätzlich geeignet. Aus Gleichung [2] ist jedoch ersichtlich, daß für die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung Materialien mit kleiner Wärmeleitwert λ besonders geeignet sind, da diese einen besonders großen Temperaturregelbereich bei kompakten Kühlkörpern ermöglichen. Dies ist insofern überraschend, als bei konventionellen Kühlvorrichtungen eine Temperaturregelung bei großen Wärmestromdichten nur mit großen Wärmeleitwerten zu erwarten gewesen wäre.

Zwischen den Kühlkörpern befindet sich Wasser als Kühlmittel (4). Die Kühlkörper ermöglichen einen Wärmetransport längs der Vertikalen, und vorliegend parallel zum Wärmestrom j der etwa 80 kW/m² beträgt. Unterhalb, und je nach relativer Lage von Kühlkörpern (3) und Kühlmittel (4) auch zwischen den Kühlkörpern, befindet sich Wasser, welches die Wärme abführt.

Durch Heben oder Senken des Wasserstandes wird die effektive Höhe s_eff der Kühlkörperstege verändert. Diese effektive Steghöhe s_eff wird ab der Unterkante der Platte (2) gemessen, und endet auf Höhe des Wasserspiegels. Die Stege sind so dünn, daß sie bereits auf Höhe des Wasserspiegels in gutem thermischen Gleichgewicht mit dem Wasser stehen, Damit beträgt ihre Temperatur auf Höhe des Flüssigkeitsspiegels nur etwas mehr als die Wassertemperatur selbst. In Gleichung [2] ist s genau s_eff, und T_Unterseite ist in etwa die Wassertemperatur. Die Höhe des Füllstandes wird durch korrespondierende Röhren geregelt. Die Kühlvorrichtung hat an der Unterseite der Platte (2) eine Entlüftung, um Druckschwankungen innerhalb der Wasserkanäle zwischen den Kühlkörpern zu vermeiden. Dies mindert vorteilhafterweise die Temperaturgradienten innerhalb der Platte (2).

Die Wärme, die dem Wasser zugeführt wird, kann durch Umwälzen des Wassers abtransportiert werden. Zusätzlich kann die Wärme auch über Verdunstung abgegeben werden. Der dabei entstehende Wasserdampf entweicht durch die oben genannte Entlüftung, so daß der Druck innerhalb der Kanäle konstant bleibt. Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit der Oberflächentemperatur T_Oberfläche von der Höhe s_eff. Die Temperatur läßt sich über einen Temperaturbereich von ca. 900 K mit einer Genauigkeit von ca. ±10 K einregeln.

Eine weitere Möglichkeit zur Realisierung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung zeigt Fig. 3. Der Kühlkörper (3) ist einem vertikal nach unten gerichteten Wärmestrom j ausgesetzt. Er ist als Block mit Kühlwasserkanälen (5) ausgeführt, wobei die Kühlwasserkanäle in horizontalen Ebenen 1 bis n angeordnet sind welche graphisch als gepunktete Linie dargestellt sind. Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht insbesondere ein vertikales Aufstellen der Kühlvorrichtung. Das zu kühlende Objekt befindet sich in diesem Ausführungsbeispiel auf der Oberseite des Kühlkörpers (nicht gezeigt).

Seitliche Wasseranschlüsse (nicht gezeigt) sorgen für einen steten Abtransport der zugeführten Wärme. Die effektive Höhe bestimmt sich dann nach der obersten gefluteten Ebene. Die einregelbare Temperatur für das zu kühlende Objekt ist in diesem Fall eine lineare Funktion der Anzahl der gefluteten Ebenen.

Claims

1. Kühlvorrichtung mit einem sehr großen Regelbereich für die Solltemperatur des zu kühlenden Objekts, mit mindestens einem Kühlkörper (3) sowie einem Kühlmittel (4), dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel mit einem bezüglich der Kühlkörperhöhe veränderbaren Anteil der Kühlkörpers in Kontakt steht.

2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein einzelner Kühlkörper mit Vertiefungen bzw. Aussparungen zur Aufnahme von Kühlmittel vorgesehen ist.

3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, zur Aufnahme von Kühlmittel voneinander beabstandete Kühlkörper vorgesehen sind, die mit einem Objektträger (2) verbunden sind.

4. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper mehrere stegförmige, zueinander weitgehend parallele Vertiefungen aufweist.

5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zueinander weitgehend parallele Vertiefungen in unterschiedlichen Richtungen vorgesehen sind.

6. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper Kühlmittelkanäle (5) aufweist.

7. Kühlvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkörper steg- oder säulenförmig sind.

8. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlkörpermaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit von weniger als 200 W/(mK), vorgesehen ist.

9. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlkörpermaterial Titan vorgesehen ist.

10. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Mittei für eine Relativbewegung von Kühlmittel und Kühlkörper vorgesehen sind.

11. Verfahren zur Kühlung eines Objektes über einen sehr großen Temperaturbereich, bei der mindestens ein Kühlkörper (3) mit einem Kühlmittel (4) in Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, daß derjenige Anteil der Kühlkörperhöhe, mit der das Kühlmittel in Kontakt steht, verändert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung desjenigen Anteils der Kühlkörperhöhe, mit der das Kühlmittel in Kontakt steht, über eine Relativbewegung von Kühlmittel und Kühlkörper erfolgt.