JPS61295474A - 表面冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は表面を冷却する装置に係り、さらに詳しくは表
面を集中的に冷却する装置に関するものである。

〔従来の技術〕

特に集中的な冷却の必要性は、たとえば出力の強い電気
的放電を受けあるいは集中的な粒子放射線で衝撃を与え
られる表面の場合に生じる。冷却すべき表面を液体の冷
却手段が貫流する中空室の壁として形成することが知ら
れている。この場合に冷却液体によってこの壁から取り
出すことのできる最大出力は、蒸気泡の形成によって制
限される。本発明が特に通している冷却すべき表面は、
たとえば真空中で電子の衝撃により物質を蒸発させるた
め、及びイオンの（Ｌ’ｌによりターゲットにカソード
スパッタリングするための支持体である。

冷却手段の層流は出力密度が高い場合には大きな熱量を
運び去るのに適していない。なぜならば熱い壁によって
加熱された液体体積はこの熱い壁にまつわりながら通り
過ぎ、そしてこの場合に、特に壁が冷却中空室の水平な
上限を形成している場合には層液流の冷たい方の部分と
の熱交換が生じないからである。したがってすでにより
よい冷却効果を得るために渦流を生じさせることが提案
されている。このことはたとえば圧力を増大させること
によって生じ、それによって流速が速くなり、それに伴
って渦巻作用が生じる。層流から渦流への限界領域は、
今日までの考え方によれば大面積の熱交換器にとって特
に冷却効果があり、そしてそれ故にたとえば発電所建設
で使用される。

しかし本発明の目的にとっては、この公知の手段では不
十分である。

渦を発生させるためには、流れを冷却すべき表面の幾何
学形状と場合によってはさらに局地的に異なる負荷に合
わせなければならず、このことは縦と横にガイド部材を
配置することによって行われる。しかしこのガイド部材
の特に稜と角によって流れが阻止され、このことが膨張
した蒸気泡の形成を促進する。流れの強い地域にこの蒸
気泡ができると、蒸気泡の一部が破壊されることもある
が、しかし液体の冷却は蒸気泡によって完全に中断され
てしまう。さらに石灰の沈澱がこの種の微妙な領域への
熱伝達を減少させ、度々の清掃を必要とする。すでに述
べたように、蒸気泡がまだ小さいうちは特に熱い面から
の冷却手段の流速が大きいことによってこの蒸気泡が破
壊され得ることが知られており、この場合に蒸気泡が壁
に付着している短い間においては蒸気泡によって損なわ
れる冷却手段との接触はごくわずかである。しがしこの
ことは冷却手段通過量が大きいことによってのみ、すな
わちそれに応じて冷却手段の流入と流出との間の圧力差
が大きいことによってのみ達成される。さらに石灰を含
む冷却手段を使用する場合には、時間単位当たり必要な
水量の下限が、炭酸カルシウムの沈澱がその上方で著し
く増加する場所で減少した流れに生じる最高温度によっ
て決定されるように、注意しなければならない。この温
度が水の硬度の関数であることが知られている。

〔発明の解決しようとする課題〕

前記の事実に基づき、冷却手段の使用量が多ＪＪ）こと
により運転費の負担がしばしば過大なものとなり、そし
て本発明の課題はこの冷却手段の使用量を減少させるこ
とである。また、生態学上の観点からも少ない冷却手段
使用量によって冷却の課題を解決することが望ましい。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の課題は、特許請求の範囲に記載されている手段
によって解決される。本発明の基礎となる知識は、冷却
すべき表面の少なくとも高い出力密度が供給される領域
においては、冷却中空室にはガイド部材を設けてはなら
ないということである。というのはこの種の各部材は冷
却手段の流速を減少させ、しかも特にガイド部材の稜と
角でそれが激しいからである。冷却面と熱をよく伝達す
る接触を行わせ、そして熱の移行を入念に形成すれば、
このガイド部材の影響を減少させることができる。即ち
冷却すべき接触面の増大により流速の減少の一部が補償
される。しかしこの種の解決の製造費は相当なものにな
ってしまう。

本発明に基づく装置の場合の驚くほど大きい冷却効果は
多分次のような理由による。すなわちノズルを用いて冷
却手段を投入すると、流入と流出との間の冷却手段の圧
力差がほぼ損失なしに運動エネルギに変換されることに
よって、蒸気泡の破壊に必要な十分に速い流れが発生す
るということによって説明される。供給導管と排出導管
の断面積を太きすることが提奨され、それによってまた
これらの管内では使用に供される圧力低下の大部分が渦
流の形成によって消費されることはない。

本発明に基づく解決は、冷却すべき表面が円板状である
場合に特に良く実現され、この場合に冷却のために設け
られている中空室中への冷却手段の供給は、中空室の内
壁に対して接線状に行うことができる。

さらに、蒸気泡が壁によって一度破壊された場合には、
その周囲において液体相での凝縮が優勢であるというこ
とも、本発明に基づく冷却装置の高い効率に貢献してい
る。というのはそれ以上熱の供給が行われず、それ故に
蒸気の新たな形成は不可能であるので、蒸気泡は急速に
つぶれてしまうからである。水中に熔けていたもので、
崩壊する気泡から再び溶液中へ行くことのない少量の永
久ガスは、液体の冷却手段に及ぼされる遠心力によって
内側へ圧縮される。この種のガスはるつぼ底に沿っても
同じ理由から中心へ送られ、そこから流出する冷却手段
による吸出しが可能となる。

したがって公知の冷却装置では、渦の形成を行うために
、冷却手段が通過する中空室の壁をできるだけ凹凸をつ
けて形成することが要求されたが、本発明の意味におい
ては壁はできるだけ平坦である方がより好都合である。

というのはそうなれば流れ損失は小さく保たれ、そして
冷却手段の速度は中心へ向けてほぼそのまま保たれるか
らである。

速度の二乗が運動エネルギを決定し、これに対してパル
スは蒸気泡の分解にとって決定的であるので、冷却面の
中心に到る卓越した効果が観察される。さらに回転パル
スの維持が、半径がどんどん小さくなる場合に冷却手段
の流れ損失に抵抗するので回転周波数の増大が少なくな
る。それによって遠心力に＝ｍｗ　ｒは非常に小さい半
径に至るまで大きいままであり、そしてそれとともに冷
却手段を冷却すべき壁に対して押圧する力もそのままで
あるので、熱の搬出は取付位置と無関係になる。

〔実施例〕

次に簡単な実施例を用いて本発明の詳細な説明する。

図から明らかなように、符号工で示するつぼ本体は基板
２とこの基板に結合されている上部３とから構成されて
おり、これら両者によって中空室４が形成され、この中
空室を液体の冷却手段、通常は水が流れることができる
。冷却手段はパイプ導管５を介して導入され、そしてこ
のパイプ導管５によって包囲されている中央のパイプ導
管６を介して再び排出される。るつぼ内には溶融した蒸
発すべき物質８が入っており、この物質は運転時には、
図示されていない電子銃から発生されるエネルギーに満
ちた電子ビームによって衝撃を与えられ、それによって
加熱される。このときにるつぼ底の比較的小さい面９上
に非常に大きな電気出力が伝達され、この電気出力の大
部分はるつぼが過熟しそれによって溶融することを回避
するために、冷却によりるつぼ壁を通して逃がさなけれ
ばならない。本発明の意味における冷却手段をるつぼ底
の冷却すべき下側９へ導（ために、挿入片１０が設けら
れており、この挿入片は基板のリング状の隆起部１１上
に載置されてこの隆起部と結合されており、それによっ
て冷却手段分配室１３が形成される。リング１１にはラ
バーノズルの形をした多数の通路１４（図示では２本）
が設けられており、この通路を通して冷却手段が中空室
４へ流入する。上記ノズルの全流出開口部の断面積の合
計は、供給導管と排出導管内の冷却手段の断面積に比較
して、そして円筒状の中空室ないしはるつぼ底の面の直
径に比較して小さくなければならない。ノズル１４から
出る冷却手段の放射の方向は中空室の内壁に対してでき
るだけ接線状に延びなければなず、この実施例ではるつ
ぼ底９の下側に対してできるだけ平行に延びるようにな
っている。

この場合に冷却手段は常に装置の軸線１５を中心に回転
しながら、冷却すべきるつぼ底の下側を半径方向外側か
ら内側に向けて撫で、そして中央のパイプ導管６を介し
て再び搬出される。

本発明によって得られる進歩は、本発明に基づいて形成
された電子ビーム蒸発器で行われた測定により明らかで
ある。このために蒸発器の銅製るつぼに出力１０ｋｗの
電子ビームが供給された。この場合に１１℃の温度の冷
却水が供給されたときに（４１／分）、放出された冷却
水の温度は４６℃になり、したがって全体として３５℃
の温度上昇が生じた。これに対して従来のように冷却さ
れた同じ大きさのるつぼの場合及び電子ビームの出力が
同じ場合には１分につき少なくとも１２１の冷却水が必
要である。したがって本発明装置の場合には冷却水の節
約は３分の２になる。

他の例の場合には、従来の方法で冷却されたカソードス
パッタリング装置において、カソードスパッタリングに
よってターゲットで放出される出力が４０ｋｗになった
ときに、ターゲットを冷却した冷却水は７℃に加熱され
た。しかし公称出力限界以上に出力を高める実験では、
このわずかな加熱にもかかわらず水のホースに絶え間な
い衝撃が生じ、しかも冷却水通路に対してターゲットを
密封するために設けられたエラストマーシールが時折燃
えてしまった。本発明に基づく冷却系統を使用したこと
により、冷却水量を１分光たり６７１から１分光たり１
９１に減少させることができ、４８ｋｗの同じ出力で加
熱は３５．５℃であった。この場合に冷却水の流入温度
が１３°のときに供給された出力を公称限界を著しく越
えて高くすることができ、運転障害は何ら生じることは
なかった。

したがってこの例の場合においては本発明の進歩は次の
ことによって、すなわち冷却水の温度上昇を著しく大き
くすることとそれに伴い冷却水のよりよい利用を可能に
することができ、装置の機能が損傷されることはない、
ということによって明らかにされた。

【図面の簡単な説明】

第１図は電子ビームを用いて物質を蒸発させるために本
発明に基づいて冷却されるるつぼの垂直断面図、第２図
は第１図のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 １・・・るつぼ本体、　　　　２・・・基板、３・・・
上部、　　　　　　４・・・中空室、５．６・・・パイ
プ導管、　　８・・・蒸発すべき物質、９・・・るつぼ
底の面、　　１０・・・挿入片、１１・・・リング、　
　　　　１３・・・冷却手段分配室、１４・・・通路、
　　　　　１５・・・装置の軸線。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、冷却すべき面が、ほぼ円筒状のケーシング面を有し
   液体の冷却手段によって貫流される中空室の壁の一部と
   して形成されており、冷却手段を供給するための導管が
   ケーシング面の近傍に開口しており、かつ冷却手段を中
   空室から搬出するための他の導管が設けられている表面
   冷却装置において、供給導管の開口部がノズルとして形
   成されており、かつ冷却手段が中空室の壁に対して接線
   状に中空室中に流入し、そして軸線を中心とした回転に
   おいて変位され、並びに冷却手段を搬出するための導管
   が前記の軸線のところに配置されていることを特徴とす
   る表面冷却装置。