DE3228311A1

DE3228311A1 - Verdampfertiegel fuer vakuum-aufdampfanlagen

Info

Publication number: DE3228311A1
Application number: DE19823228311
Authority: DE
Inventors: Albert Dr.-Phys. 6369 Nidderau Feuerstein; Klaus-Jürgen 6234 Hattersheim Heimbach; Helmut Ing.(grad.) 6054 Rodgau Warscheit
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1982-07-29
Filing date: 1982-07-29
Publication date: 1984-02-02
Also published as: GB8319337D0; GB2126255A; JPH032948B2; US4530100A; CH653372A5; JPS5938384A; GB2126255B; DE3228311C2; FR2531104A1; FR2531104B1

Description

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LEYBOLD-HERÄEUS GmbH
Bonner Straße 504

5000 Köln - 51

" Verdampfertiegel für Vakuum-Aufdampfanlagen "

Die Erfindung betrifft einen Verdampfertiegel für Vakuum-Auf dampf anlagen, bestehend aus einem mit einer Vertiefung für die Aufnahme von Verdampfungsmaterial versehenen Metallkörper, der wärmeleitend mit einem die Vertiefung mindestens teilweise umgebenden Kühlkanal verbunden ist.

Derartige Verdampfertiegel sind beispielsweise durch die DE-PS 12 62 101 bekannt. Der Kühlkanal wird dabei zwischen einer Innenwandung und einer Außenwandung gebildet, wobei jedoch die Kühlmittelströmung mehr oder weniger dem Zufall überlassen bleibt, d.h., die Kühlmittelströmung folgt dem Weg des geringsten Widerstandes.

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Derartige flüssigfköitsgekühlte Verdampfertiegel werden in aller Regel für eine unmittelbare Beheizung des Verdampfungsmaterials, beispielsweise durch Elektronenbeschuß verwendet, da eine mittelbare Beheizung durch die Tiegelwandung hindurch wegen der Flüssigkeitskühlung ausscheidet.. Der Elektronenbeschuß erfolgt im allgemeinen von oben, so daß der obere Tiegelrand wegen der Gefahr des Auftreffens von Elektronen die eigentliche kritische Stelle des Tiegels ist, die besonders intensiv gekühlt werden muß. Bei dem bekannten doppelwandigen Tiegel bedarf es daher ganz erheblicher Strömungsgeschwindigkeiten und damit eines hohen Wasserverbrauchs, um eine ausreichende und zuverlässige Kühlung sicherzustellen.

Es sind auch Verdampfertiegel für die Elektronenstrahlbeheizung bekannt, die aus einem im wesentlichen massiven Block aus gut wärmeleitendem Metall (Kupfer) bestehen, in dem ein die Vertiefung umgebender Kühlkanal etwa konstanten Querschnitts angeordnet ist. Ein derartiger Kühlkanal wird beispielsweise durch mehrere im rechten Winkel zu- - einander verlaufende Bohrungen gleichen Durchmessers hergestellt, die miteinander in Verbindung stehen und mit Ausnahme zweier Anschlußöffnungen durch Stopfen nach außen hin verschlossen sind. Bei derartigen Kühlkanälen muß die Strömung dem Verlauf des Kanalsystems folgen, d.h. Strömungskurzschlüsse sind ausgeschlossen. Es bleibt jedoch ein weiteres Problem bestehen, nämlich die Dampfblasenbildung bei hoher Tiegelbelastung durch den Elektronenbeschuß.

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Bei der Kühlung von Gefässen mit zylindrischen oder konischen Vertiefungen für die Aufnahme von Verdampfungsmaterial wird zweckmäßigerweise mindestens ein Kühlkanal konzentrisch zur Vertiefung angeordnet. Bei der Durchströmung dieses Kühlkanals kommt es aufgrund der sich ausbildenden Zentrifugalkraft zu einer Kraft auf das Kühlmittel in Richtung auf den Außenumfang des Kühlkanals. Befinden sich nun in dem Kühlmittel im Vergleich zu diesem spezifisch leichtere Anteile, z.B. die oben beschriebenen Dampfblasen, so werden diese zur Innenwand;des ringförmigen Kühlkanals verdrängt (Zentrifugaleffekt) . Bei Kühlkreisen mit hoher Heizflächenbelastung, bei denen eine sogenannte Blasenverdampfung stattfindet, kann dieser Effekt den Wärmeübergang an der Innenseite drastisch reduzieren, d.h. ausgerechnet an einer Stelle, an der die höchste Wärmebelastung des Tiegelmateriais stattfindet. · ■

Aber selbst bei Kühlkanälen, die durch ein System von geradlinig verlaufenden Bohrungen gebildet werden, steigen etwa gebildete Dampfblasen unter der Wirkung der Schwerkraft zur höchsten Mantellinie einer jeden Bohrung auf und vermindern dort drastisch den Wärmeübergang. Auch an dieser Stelle findet eine hohe Wärmebelastung statt, insbesondere dann, wenn Elektronen auf den oberen Tiegelrand auftreffen.

In der Praxis stellt sich nun je nach dem Verlauf des Kühlkanals eine Resultierende .zwischen Zentrifugalkraft und Schwerkraft ein, die besonders bei Tiegeln mit konischer Vertiefung zu Nachteilen führt, da die Gefahr einer Beaufschlagung konischer Tiegelwände durch Elektronen bei ab-

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nehmender Menge des Verdampfungsmaterials, zunimmt. Tiegel mit konischen Vertiefungen sind aber deswegen erwünscht, weil sich der Dampfstrahl unter der Wirkung des Elektronenbeschusses etwa keulenförmig nach oben ausbreitet und nach Möglichkeit nich.t mit dem Tiegelrand in Berührung kommen darf, um Abschattungseffekte zu vermeiden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei dem eingangs beschriebenen Verdampfertiegel eine Verschlechterung des Wärmeübergangs im Falle einer Dampfblasenbildung wirksam zu verhindern.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen Verdampfertiegel erfindungsgemäß dadurch, daß im Kühlkanal mindestens eine Leiteinrichtung für die Herbeiführung einer Drallbewegung des im Kühlkanal strömenden T5 Kühlmittels angeordnet ist. '

3ei dieser Drallbewegung handelt es 'sich um die überlagerung, einer Rotationsbewegung der Kühlmittelströmung um die Längsachse des Kühlkanals. Diese "Längsachse kann geradlinig. oder gekrümmt verlaufen; sie verläuft bevorzugt kreisförmig, und zwar konzentrisch zur Vertiefung! des Metallkörpers. Mit anderen Worten, die Volumenselemente des Kühlmittels

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führen während ihres Umlaufs um die Vertiefung eine zusätzliche und sehr, viel schnellere Rotationsbewegung um die Achse des Kühlkanals aus, so daß die· spezifisch leichteren 5 Dampfblasen unter der Wirkung der Zentrifugalkraft in Richtung auf die Längsachse des Kühlkanals gedrängt werden, während die Wandung des Kühlkanals durch das spezifisch schwere Kühlmittel (Wasser) benetzt Ipleibt. Auf diese Weise

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wird eine Art Absaugwirkung auf die Dampfblasen ausgeübt, durch die diese von der gegebenenfalls überhitzten Innenwand entfernt werden, so daß die wirksame Kühlung erhalten bleibt. Die Folge ist eine Verbesserung der Kühlwirkung, eine wirtschaftlichere Ausnutzung der Kühlflüssigkeit (Wasserersparnis) und eine Verlängerung der Standzeit des auf diese Weise gekühlten Tiegels.

Es versteht' sich, da£ die durch die Drallbewegung erzeugte Zentrifugalkraft größer sein sollte als die durch den Umlauf um die Vertiefung bewirkte Zentrifugalkraft. Durch eine entsprechende Steigung der Leiteinrichtung, die im Bereich der Wandung des Kühlkanals zweckmäßig zwischen 20 und 60 Grad zur Achse des Kühlkanals beträgt, wird jedoch in Verbindung mit der Einstellung einer ausreichend starken Kühlmitteiströmung eine ausreichend starke Drallbewegung erzeugt, durch die etwa gebildete Dampfblasen in das Zentrum des Kühlkanals gedrängt werden.

Es ist dabei nicht erforderlieh, daß sich die Leiteinrichtung über die gesamte Länge des Kühlkanals erstreckt; vielmehr ist es auch möglich, im Verlaufe des Kühlkanals mehrere Leiteinrichtungen mit Abstand vorzusehen, wobei jedoch die Abstände so klein gewählt werden müssen, daß die Drallbewegung im wesentlichen erhalten bleibt.

Als Leiteinrichtung kommen dabei sämtliche Raumkörper in 5 Frage, welche der zunächst axial ankommenden Strömung einen tangentialen Impuls verleihen. Im einfachsten Falle handelt es sich um schräg zur Strömungsrichtung angestellte Flächenelemente, wie sie beispielsweise von stillstehenden Propeller:

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und anderen Drall]törpern gebildet werden. Es ist dabei besonders vorteilhaft und im Hinblick auf eine notwendige Befestigung auch besonders einfach, wenn die mindestens eine Leiteinrichtung als eine dem Verlauf des Kühlkanals angepaßte Schraubenwendel ausgeführt ist. Auf diese Weise wird eine weitgehend verlustarme kontinuierliche Strömung mit stets gleichbleibender Drallbewegung erzeugt, die das Optimum für eine effektive Kühlung darstellt.

Bezüglich der Herstellung des Verdampfertiegels im Hinblick auf den Einbau der Leiteinrichtung ist es besonders

vorteilhaft, wenn j

a) der Metallkörper einen Flansch und eine die Vertiefung umgebende, mit dem Flansch verbundene Schale aufweist,

b) der Kühlkanal als Umfangsnut in den Metallkörper eingearbeitet ist und -

c) der Metallkörper unter Verschluß der■Umfangsnut in ein Tiegelunterteil eingesetzt ist.

Im Hinblick auf eine besonders intensive Kühlung des Unterteils der Schale, ist es wiederum besonders zweckmäßig, wenn gemäß der weiteren Erfindung

a) zwischen Metallkörper und Tiegelunterteil ein weitererringförmiger Hohlraum eingeschlossen ist, der die Unterseite der Schale umgibt und eine diametrale Trennwand aufweist, auf deren einer Seite der·Kühlmittelzulauf und deren anderer Seite der Kühlmittelablauf angeordnet ist,

b) der weitere Hohlraum auf der dem Kühlmittelzu- und-ablauf gegenüberliegenden Seite über je einen Steigkanal mit dem darüberliegenden Kühlkanal verbunden ist, und wenn

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c) der Kühlkanal zwischen den Steigkanälen durch eine weitere Trennwand abgesperrt ist.

Auf diese Weise wird erreicht, daß das Kühlmittel zunächst im unteren Bereich des Tiegels eintritt, die Unterseite der Schale in einer Richtung umstreicht, die im wesentlichen parallel zur Trennwand verläuft, von hier aus durch den einen Steigkanal in den darüberliegenden Kühlkanal mit Leiteinrichtung eintritt, den oberen Teil der Vertiefung nunmehr in umgekehrter Richtung unter gleichzeitiger Ausführung der beschriebenen Drallbewegung umstreicht, schließlich auf die andere Seite der im oberen Teil nicht mehr vorhandenen Trennwand gelangt, durch den anderen Steigkanal wieder abwärts strömt und - wiederum in Gegenrichtung - im wesentlichen parallel zur Trennwand durch die gegenüberliegende Hälfte des Hohlraums streicht und schließlich den Tiegel durch den Kühlmittelablauf wieder verläßt. Auf diese Weise wird eine äußerst wirksame Kühlmittelströmung ohne Strömungskurzschlüsse auf der gesamten Oberfläche der Tiegelvertiefung erreicht, wobei gleichzeitig in dem besonders gefährdeten oberen Bereich die Gefahr einer Dampfblasenbildung bei hoher Tiegelbelastung beseitigt wird.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 6 näher beschrieben.

Es zeigen:

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Figur 1 sine Seitenansicht des Verdampfertiegels,

Figur 2 einen Horizontalschnitt durch den Gegenstand vort Figur 1 entlang der Linie II - II,

Figur 3 eine Vorderansicht des Verdampfertiegels in Richtung des Pfeils III in Figur 1,

Figur 4 einen Vertikalschnitt durch den Gegenstand

entlang der Linie IV - IV in Figur 3

Figur 5 · eine Draufsicht mit teilweisem Schnitt durch den oberen Kühlkanal entlang der Linie V - V in Figur 4_f und

Figur 6 einen Radialschnitt durch die Leiteinrichtung..

In den Figuren 1 -.5 ist ein Verdampfertiegel gezeigt, der aus einem Metallkörper 1 mit einer Vertiefung 2 für die Aufnahme von Verdampfungsmaterial besteht. Der Metallkörper 1 besitzt einen Flansch 3 und eine einstückig" damit verbundene Schale 4, die nach unten hin durch, eine Kegelfläche 5 und einen zylindrischen Fortsatz 6 begrenzt wird. (Figur 4).

Die Vertiefung 2 wird durch zwei sich nach oben hin erweiternde Kegelflachen 2a und 2b gebildet, die mittels eines gleichen Durchmessers 2c ineinander übergehen. Die untere Begrenzungsflache der Vertiefung 2 ist eine horizontale Kreisfläche 2d (Figuren 1 und 4).

Die Vertiefung 2 ist von einem Kühlkanal 7 umgeben, der in Form einer axial sich erstreckenden Umfangsnut in den Metallkörper 1 eingestochen ist. Der Metallkörper 1 ist

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gemäß Figur 4 unter Verschluß der ümfangsnut in ein Tiegelunterteil 8 eingesetzt, dessen obere Begrenzungsfläche 9 die vierte Begrenzungswand für den Kühlkanal 6 bildet. Der Metallkörper 1 kann auch als Tiegeloberteil bezeichnet werden.

Die Schale 4 ist im Bereich ihrer Kegelfläche 5 und ihres zylindrischen Fortsatzes 6 von einem Hohlzylinder 10 mit entsprechenden Ausschnitten gemäß Figur 2 umgeben. Auf diese Weise wird zwischen dem Metallkörper 1 und dem Tiegelunterteil 8 im Bereich der Unterseite der Schale 4 ein weiterer ringförmiger Hohlraum 11 gebildet, der durch eine Trennwand 12 spiegelsyirauetrisch unterteilt isr. Die Trennwand 12 besteht aus zwei Teilen, die beiderseits des zylindrischen Fortsatzes 6 angeordnet sind (Figuren 2 und 4)

Speziell aus Figur 2 ist zu ersehen, daß auf einer Seite der Trennwand .12 ein Kühlmittelzulauf 13 und auf der anderen Seite der Trennwand 12 ein Kühlmittelablauf 14 angeordnet ist. Der Anschluß an äußere Leitungen kann durch Gewindestutzen 13a und 14a bewirkt werden. Auf diese Weise wird im Hohlraum 11 eine entgegengesetzte Strömung in Richtung der beiden Pfeile 15 und 16 erreicht, wobei jedoch eine Strömungsumkehr im Hohlraum 11 durch die Trennwand 12 verhindert wird. Auf der den Anschlüssen abgekehrten Seite befinden sich vielmehr Steigkanäle 17 bzw. 18, welche die Verbindung der beiden Hälften des Hohlraums 11 mit dem darüberliegenden Kühlkanal 7 herstellen. Die beiden Steigkanäle 17 und 18 befinden sich in Figur 4 auf der linken Seite und verlaufen parallel zueinander; ein

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Strömungskurzschluß ist jedoch an dieser Stelle durch eine weitere Trennwand 19 unterbunden. Diese Trennwand ist in Figur 4 nur in der Draufsicht zu sehen, in den Figuren 2 und 5 jedoch im Schnitt dargestellt.

Die Trennwand 19 ragt nach oben hin auch in den Kühlkanal 7 und dichtet diesen gegen einen Strömungskurzschluß ab. Die über den Steigkanal 17 nach oben·in den Kühlkanal 7 gelangende Kühlmittelströmung pflanzt sich, ausgehend von der Trennwand 19, in Figur 5 nach links fort und umströmt die Vertiefung 2 in Richtung der beiden Pfeile 20 und 21.

Es ist bei einem Vergleich der Figuren 2 und 5 zu erkennen, daß die Strömungsrichtungen im Hohlraum 11 und im darüberliegenden Kühlkanal 7 im Gegensinne verlaufen, was sich aus der Richtung der Pfeile 15/20 und 16/21 leicht

ergibt. ■ _

Im Kühlkanal 7 befindet sich die erfindungsgemäße Leiteinrichtung 22,. deren beide Enden 22a und 22b beiderseits der Trennwand 19 liegen (Figur 5). Es ist zu erkennen, daß die Leiteinrichtung 22 sich über die gesamte Lange des Kühlkanals 7 durchgehend erstreckt und als eine Schraubenwendel ausgeführt ist, deren äußere Hüllfläche sich als Torusflache bezeichnen läßt. Durch diese Leiteinrichtuna wird der Kühlmittelströmung, deren Hauptrichtung im Sinne der Pfeile 20/21 verläuft, eine Drallbewegung überlagert, deren Drehzahl ein Vielfaches derjenigen Drehzahl beträgt, die die Strömung um die Vertiefung 2 ausführt. Auf diese Weise wird gemäß den weiter oben gemachten Ausführungen erreicht, daß die spezifisch sehr viel schwerere Flüssigkeit stets in den Randbereich des Kühlkanals 7 ge-

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drängt wird, während die leichteren Dampfblasen sich entlang der Achse oder Mittellinie des Kühlkanals 7 bewegen und mit der Kühlmittelströmung aus dem Verdampfertiegel heraus gefördert oder kondensiert werden.

Es bleibt noch zu erwähnen, daß der Metallkörper 1 (Tiegeloberteil) und das Tiegelunterteil 8 im Bereich ihrer Trennfuge 2 3 untrennbar durch eine Elektronenstrahlschweissung miteinander verbunden sind, die sich durch ihre Eigenschaft auszeichnet, extrem geringe Materialspannungen im Werkstoff zu erzeugen.

Der in Figur 6 gezeigte Radialschnitt durch die Leiteinrichtung 22 ist im Prinzip eine Projektion auf eine Ebene, zu der die Längsachse des Kühlkanals 7 bzw. der Leiteinrichtung 22 senkrecht verläuft. Es ist zu erkennen, daß die als Schraubenwendel ausgeführte Leiteinrichtung im Bereich ihrer Längsachse einen freien Querschnitt 2 4 aufweist. Der Durchmesser d dieses Querschnitts soll zum Zwecke eines möglichst ungehinderten Durchtritts der Kühlmittelströmung möglichst groß sein, zumal hierbei zu berücksichtigen ist, 0 daß die im Zentrum der Kühlmittelströmung etwa mitgerissenen Dampfblasen möglichst auf keine Strömungshindernisse treffen sollen. Die im Querschnitt etwa rechteckigen Windungen der Leiteinrichtung 22 verlaufen mithin bei einem kreisförmigen Kühlkanal 7 gemäß Figur 5 zwischen einem Innentorus und einem dazu koaxialen Außentorus. Die Erfahrung hat gezeigt, daß im einfachsten Fall ein schraubenlinienförmig gewendelter Draht völlig ausreichend ist, um der ansonsten axial ausgerichteten Kühlmittelströmung einen ausreichenden Drall aufzuzwingen.

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Claims

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PATENTANSPR Ü CHE:

Verdampfertiegel für Vakuum-Aufdampfanlagen, bestehend aus einem mit einer Vertiefung für die Aufnahme von Verdampfungsmaterial versehenen Metallkörper, der wärmeleitend mit einem die Vertiefung mindestens teilweise umgebenden Kühlkanal verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Kühlkanal (7) mindestens eine Leiteinrichtung (22) für die Herbeiführung.einer Drallbewegung des im Kühlkanal (7) strömenden Kühlmittels angeordnet ist.
2. Verdampfertiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Leiteinrichtung (22) als eine dem Verlaufe des Kühlkanals (7) angepaßte Schraubenwendel ausgeführt ist.
3. Verdampfertiegel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiteinrichtung (22) über im wesentlichen die gesamte Länge des Kühlkanals (7) durchgehend ausgebildet ist.
4. Verdampfertiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Metallkörper (1) einen Flansch (3) und eine die Vertiefung (2) umgebende, mit dem Flansch verbundene Schale (4) aufweist,

b) der Kühlkanal (7) als ümfangsnut in den Metallkörper (1) eingearbeitet ist und

c) der Metallkörper (1) unter Verschluß der ümfangsnut in ein Tiegelunterteil (8) eingesetzt ist.

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5. Verdampfertiegel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

a) zwischen Metallkörper (1) und Tiegelunterteil (8) ein weiterer ringförmiger Hohlraum (11) eingeschlossen ist, der die Unterseite der Schale (4) umgibt und eine diametrale Trennwand (12) aufweist, auf deren einer Seite der Kühlmittelzulauf (13) und auf deren anderer Seite der Kühlmitte!ablauf (14) angeordnet ist,

b) der weitere■Hohlraum (11) auf der dem Kühlmittelzu- und -ablauf gegenüberliegenden Seite über je einen Steigkanal (17, 18) mit dem darüber liegenden Kühlkanal (7) verbunden ist, und

c) der Kühlkanal (7) zwischen den Steigkanälen (17, 18) durch eine weitere Trennwand (19) abgesperrt ist.
6. Verdampfertiegel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die als Schraubenwendel ausgeführte Leiteinrichtung (22 im Bereich ihre:r Längsachse einen freien Querschnitt aufweist, deren Durchmesser "d" mindestens 25% des Außen-

durchmessers "D" der Schraubenwendel beträgt.
7. Verdampfertiegel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiteinrichtung (22) als schraubenlinienförmig

■ gewendelter Draht ausgeführt ist.