DE3613801A1 - Anordnung zur kuehlung von flaechen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur intensiven Küh­ lung von Flächen. Die Notwendigkeit einer besonders intensiven Kühlung ist beispielsweise gegeben bei solchen Flächen, die von leistungsstar­ ken elektrischen Entladungen getroffen oder mit intensiven Korpuskular­ strahlen beschossen werden. Es ist bekannt, die zu kühlende Fläche als Wand eines von einem flüssigen Kühlmittel durchströmten Hohlraumes auszu­ bilden; dabei wird die von dieser Wand durch die Kühlflüssigkeit maxi­ mal abführbare Leistung durch die Bildung von Dampfblasen begrenzt. Zu kühlende Flächen für die sich die Erfindung besonders eignet, sind z.B. Träger für die Verdampfung von Materialien im Vakuum durch Elektro­ nenbeschuss und die Kathodenzerstäubung von Targets durch Ionenbeschuss.

Da eine laminare Strömung des Kühlmediums für das Abführen grosser Wär­ memengen bei hohen Leistungsdichten nicht geeignet ist, weil die von der heissen Wand erwärmten Flüssigkeitsvolumina an dieser heissen Wand verbleibend vorbeistreichen und dabei - insbesondere wenn die Wand eine horizontale obere Begrenzung des Kühlhohlraumes darstellt, kaum ein Wär­ metausch mit den kälteren Teilen der laminaren Flüssigkeitsströmung statt­ findet, wurde schon vorgeschlagen, zwecks besserer Kühlwirkung eine turbu­ lente Strömung zu verwirklichen, was z.B. durch Erhöhung des Druckes ge­ schieht, wodurch sich eine höhere Strömungsgeschwindigkeit und damit Wir­ belbildung ergibt. Der Grenzbereich von laminarer zu turbulenter Strömung soll nach bisheriger Auffassung für grossflächige Wärmetauscher besonders kühlwirksam sein (und wird deshalb z.B. im Kraftwerkbau angestrebt).

Doch für den vorliegenden Zweck vorliegender Erfindung ist diese bekannte Massnahme nicht ausreichend.

Zur Erzeugung von Wirbeln muss die Strömung der Geometrie der zu kühlenden Fläche und eventuell zusätzlich einer örtlich unterschiedlichen Belastung angepasst werden, was durch längs und quer angeordnete Führungselemente bewerkstelligt wird. Doch auch diese Führungselemente behindern die Strö­ mung, insbesondere an Kanten und Ecken, was die Bildung von ausgedehnten Dampfblasen begünstigt. Wenn diese Dampfblasen in Gebiete mit starker Strömung hineinwachsen, können sie teilweise abgerissen werden, oft aber wird die Flüssigkeitskühlung durch Dampfblasen völlig unterbunden. Ferner vermindert Kalkansatz den Wärmeübergang in solch kritischen Bereichen und erfordert häufige Reinigung. Es ist, wie gesagt, bekannt, dass Dampfblasen durch hohe Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels zwar von der heissen Fläche abgerissen werden können, solange sie noch klein sind, wobei sie in der kurzen Zeit, während welcher sie an der Wand haften, den Kontakt mit dem Kühlmittel nur wenig beeinträchtigen. Dies ist aber nur durch einen grossen Kühlmitteldurchfluss, d.h. eine entsprechend hohe Druck­ differenz zwischen Kühlmittelein- und Auslass erreichbar. Bei der Verwen­ dung von kalkhaltigem Kühlwasser ist zudem zu beachten, dass die untere Grenze der erforderlichen Wassermenge pro Zeiteinheit durch die an Stellen ver­ minderter Strömung auftretende maximale Temperatur gegeben ist, oberhalb welcher das Ausfallen von Kalziumkarbonat stark zunimmt. Diese Temperatur ist bekanntlich eine Funktion der Härte des Wassers.

Aufgrund der erwähnten Gegebenheiten ist die Belastung der Betriebskosten durch einen hohen Kühlmittelverbrauch oft erheblich, und es ist eine Auf­ gabe der vorliegenden Erfindung, diesen zu verringern. Auch aus ökologi­ scher Sicht ist es erwünscht, die Aufgabe der Kühlung mit einem geringe­ ren Kühlmittelverbrauch zu lösen.

Die Erfindungsaufgabe wird durch die im Patentanspruch angegebenen Mittel gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Kühlhohlraum wenigstens in dem Bereich der zu kühlenden Fläche, wo diese mit hoher Leistungsdichte beaufschlagt wird, frei von Führungselementen sein muss. Denn jedes derarti­ ge Element mindert die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels und zwar besonders stark in den Kanten und Ecken der Führungselemente. Deren Ein­ fluss könnte man zwar durch eine gut wärmeleitende Verbindungen mit der Kühlfläche und durch sorgfältige Ausbildung des Wärmeüberganges reduzieren, (indem die Vergrösserung der kühlenden Kontaktfläche die Minderung der Strö­ mungsgeschwindigkeit teilweise kompensiert). Die Herstellkosten für eine solche Lösung wären jedoch beträchtlich.

Die überraschend hohe Kühlwirkung bei der Anordnung gemäss Erfindung lässt sich vermutlich damit erklären, dass beim Einlass des Kühlmittels mittels Düse eine zum Abreissen der Dampfblasen erforderliche,genügend rasche Strömung erzeugt wird, indem die Druckdifferenz des Kühlmittels zwischen Ein- und Auslass fast verlustlos in kinetische Energie umgewandelt wird. Ein grosser Querschnitt der Zu- und Abfuhrleitungen ist empfehlenswert, da­ mit auch in diesen kein zu grosser Teil des zur Verfügung stehenden Druck­ gefälles durch Bildung turbulenter Strömung verbraucht wird. Die erfindungs­ gemässe Lösung lässt sich besonders gut bei kreisscheibenförmigen zu kühlen­ den Flächen verwirklichen, wobei die Kühlmittelzuführung in den für die Küh­ lung vorgesehenen Hohlraum tangential zur Innenwand desselben erfolgen kann.

Zum hohen Wirkungsgrad einer Kühlanordnung gemäss Erfindung trägt auch noch bei, dass bei einer einmal von der Wand abgerissenen Dampfblase die Konden­ sation an der flüssigen Phase in der Umgebung überwiegt, da keine weitere Wärmezufuhr besteht und deshalb eine Neubildung von Dampf nicht möglich ist, so dass die Dampfblase rasch in sich zusammen fällt. Die kleine Men­ ge Permanentgase, welche im Wasser gelöst war und aus den zusammenfallenden Blasen nicht wieder in Lösung geht, wird durch die auf das flüssige Kühl­ mittel ausgeübte Zentrifugalkraft nach innen gedrückt. Auch dem Tiegelboden entlang werden solche Gase aus demselben Grunde zur Mitte gedrängt, von wo ein Absaugen durch das ausströmende Kühlmittel erfolgen kann.

Während also bei bekannten Kühlanordnungen gefordert wurde, die Wände des kühlmitteldurchströmten Hohlraumes möglichst strukturiert auszubilden um Wirbelbildung zu erzielen, ist es im Sinne der Erfindung günstiger, wenn die Wände möglichst glatt sind. Denn so werden die Strömungsverluste klein gehalten und die Geschwindigkeit des Kühlmittels bleibt bis zur Mitte hin nahezu erhalten. Da das Quadrat der Geschwindigkeit die kinetische Energie bestimmt, der Impuls hingegen für die Ablösung von Dampfblasen ent­ scheidend ist, ist die hervorragende Wirkung bis zur Mitte der Kühlfläche hin zu beobachten. Die Erhaltung des Drehimpulses wirkt zudem den Strö­ mungsverlusten des Kühlmittels beim Uebergang zu immer kleineren Radien entgegen, so dass eine Erhöhung der Rotationsfrequenz resultiert. Da­ mit bleibt die Zentrifugalkraft K : mω²r bis zu sehr kleinen Radien gross und damit auch die Kraft, welche das Kühlmittel an die zu kühlen­ de Wand drückt,so dass die Wärmeabfuhr unabhängig von der Einbaulage wird.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines einfachen Ausführungsbei­ spieles näher erläutert.

Die anliegende

Fig. 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen erfindungsgemäss gekühl­ ten Tiegel zur Verdampfung eines Materials mittels Elektronenstrahls.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt nach der Linie der Fig. 1.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, besteht der mit 1 bezeichnete Tiegel­ körper aus einer Grundplatte 2 und einem mit der Grundplatte verbundenen Oberteil 3, die beide zusammen einen Hohlraum 4 bilden, der von einem flüssigen Kühlmittel - gewöhnlich Wasser - durchströmt werden kann. Das Kühlmittel wird über eine Rohrleitung 5 zu- und über eine von dieser umgebe­ ne zentrale Rohrleitung 6 wieder abgeführt. Im Tiegel befindet sich das zu schmelzende und zu verdampfende Gut 8, welches beim Betrieb durch einen von einer nicht gezeichneten Elektronenkanone erzeugten energiereichen Elektronenstrahls beschossen und dadurch erhitzt wird. Dabei wird auf die verhältnismässig kleine Fläche 9 des Tiegelbodens eine sehr grosse elektrische Leistung übertragen, die zum grössten Teil durch die Tiegel­ wände durch Kühlung abgeführt werden muss, um ein Ueberhitzen und damit Schmelzen des Tiegels zu vermeiden. Um das Kühlmittel im Sinne der vor­ liegenden Erfindung an die besonders zu kühlende Unterseite 9 des Tiegel­ bodens zu führen, ist ein Einsatz 10 vorgesehen, der auf einer ringför­ migen Erhöhung 11 der Grundplatte aufliegend mit dieser verbunden ist, wodurch ein Kühlmittelverteilerraum 13 gebildet wird. Der Ring 11 weist mehrere in Form von Laval-Düsen ausgebildete Kanäle 14 (gezeichnet sind zwei) auf, durch welche das Kühlmittel in den Hohlraum 4 einströmt. Die Summe der Querschnitte aller Austrittsöffnungen der besagten Düsen soll klein sein im Verhältnis zum Querschnitt des Kühlmittels in der Zu- und Ableitung und im Verhältnis zum Durchmesser des zylindrischen Hohlrau­ mes bzw. der Fläche des Tiegelbodens. Die Richtung der aus den Düsen 14 aus­ tretenden Kühlmittelstrahlen sollte möglichst tangential zur Innenwand des Hohlraumes verlaufen und in diesem Anwendungsbeispiel möglichst parallel zur Unterseite des Tiegelbodens 9. Das Kühlmittel überstreicht dabei ständig um die Achse 15 der Anordnung rotierend die zu kühlende Unter­ seite des Tiegelbodens radial von aussen nach innen und wird über die zen­ trale Rohrleitung 6 wieder abgeführt.

Der durch die Erfindung erzielte Fortschritt wird aus Messungen ersicht­ lich, die an erfindungsgemäss ausgestalteten Elektronenstrahlverdampfern durchgeführt wurden. Zu diesem Zweck wurde der Kupfertiegel des Ver­ dampfers mit einem Elektronenstrahl von 10 kW Leistung beaufschlagt. Es ergab sich dabei bei einer Temperatur von 11° C des zugeführten Kühl­ wassers (4 l/min) eine Temperatur von 46° C des abgeführten Kühlwassers, also insgesamt eine Temperaturerhöhung von 35° C. Bei einem konventionell gekühlten Tiegel gleicher Grösse und bei gleicher Leistung des Elektronen­ strahls waren dagegen mindestens 12 l Kühlwasser pro Minute erforderlich. Die Einsparung an Kühlwasser betrug bei der erfindungsgemässen Anordnung also zwei Drittel.

In einem anderen Beispielsfalle wurde das Kühlwasser, mit dem ein Target in einer Kathodenzerstäubungsanlage, welche auf konventionelle Weise ge­ kühlt wurde, um 7° C erwärmt, wenn die durch die Kathodenzerstäubung am Target abgegebene Leistung 40 kW betrug. Trotz dieser geringen Erwärmung trat jedoch bei dem Versuch, die Leistung zu erhöhen oberhalb der genann­ ten Leistungsgrenze ein fortwährendes Stossen an den Wasserschläuchen auf und zeitweise verbrannten sogar die Elastomerdichtungen, die zur Abdichtung des Targets gegenüber den Kühlwasserkanälen vorgesehen waren. Nach Einbau eines Kühlsystems gemäss Erfindung konnte die Kühlwassermenge von 67 l pro Minute auf 19 l pro Minute reduziert werden und die Erwärmung betrug bei der gleichen Leistung von 48 kW 35,5° C. Dabei konnte bei einer Ein­ trittstemperatur des Kühlwassers von 13° die zugeführte Leistung sogar noch erheblich über die genannte Grenze erhöht werden, ohne dass irgendwelche Be­ triebsstörungen auftraten. In diesem Beispielsfalle zeigte sich also der Fortschritt der Erfindung dadurch, dass eine wesentlich grössere Tempe­ raturerhöhung des Kühlwassers und damit eine bessere Ausnutzung desselben zugelassen werden konnte, ohne dass das Funktionieren der Einrichtung be­ einträchtigt worden wäre.

Claims (1)

1. Anordnung zur Kühlung von Flächen, wobei die zu kühlende Fläche als Teil der Wand eines von einem flüssigen Kühlmittel durchströmten, eine im wesentlichen zylindrische Mantelfläche aufweisenden Hohlraumes aus­ gebildet ist und eine Leitung zur Zuführung des Kühlmittels in der Nähe der Mantelfläche einmündet und eine weitere Leitung zur Abführung des Kühlmittels aus dem Hohlraum vorgesehen ist, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Mündung der Zuführungsleitung als Düse ausgebildet und so angeordnet ist, dass das Kühlmittel in den Hohlraum tangential zur Innenwand desselben eintritt und in Drehung um eine Achse versetzt wird und dass die Leitung zur Abführung des Kühl­ mittels bei der genannten Achse angeordnet ist.