NL8601236A - DEVICE FOR COOLING SURFACES. - Google Patents

Description

NO 33858 1NO 33858 1

Inrichting voor het koelen van vlakken.Device for cooling surfaces.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor de intensieve koeling van vlakken. De noodzaak van een bijzonder intensieve koeling bestaat bijvoorbeeld bij vlakken, die door elektrische ontladingen met een hoog vermogen getroffen worden of beschoten worden 5 met intensieve corpusculaire stralen. Het is bekend cm de te koelen vlakken uit te voeren als een wand van een holle ruimte waar een vloeibaar koel middel doorheen stroomt; daarbij wordt het maximale vermogen dat van deze wand afgevoerd kan worden door de koelvloeistof begrensd door de vorming van dampbellen. Vlakken die gekoeld moeten worden, 10 waarvoor de uitvinding bijzonder geschikt is, zijn bijvoorbeeld dragers voor de verdamping van de materialen in vacuum door beschieting met elektronen en de kathodeverstui ving van targets door beschieting met ionen.The present invention relates to a device for the intensive cooling of surfaces. The need for particularly intensive cooling exists, for example, with surfaces which are hit by high-power electric discharges or which are bombarded with intensive particulate rays. It is known to design the surfaces to be cooled as a wall of a hollow space through which a liquid coolant flows; the maximum power that can be removed from this wall by the cooling liquid is limited by the formation of vapor bubbles. Areas to be cooled, for which the invention is particularly suitable, are, for example, carriers for the evaporation of the materials in vacuum by electron bombardment and the cathode sputtering of targets by ion bombardment.

Aangezien een laminaire stroming van het koelmedium voor het af-15 voeren van grote hoeveelheden warmte bij hoge vermogensdichtheden niet geschikt is, aangezien de door de hete wand verwarmde vloeistofvolumina voortdurend langs deze hete wand strijken en daarbij - in het bijzonder wanneer de wand een horizontale bovenste begrenzing van de holle koelruimte vormt nauwelijks een warmteuitwisseling met de koudere delen van 20 de laminaire vloei stofstroming optreedt, werd reeds voorgesteld, in verband met een betere koelwerking een turbulente stroming te verschaffen, wat bijvoorbeeld door het verhogen van de druk geschiedt, waardoor een hogere stromingssnelheid en daarmee wervelvorming optreedt. Het grensgebied van de laminaire en turbulente stroming moet volgens de 25 huidige opvatting voor warmtewisselaars met grote oppervlakken bijzonder doeltreffend zijn met betrekking tot de koeling (en daarom wordt getracht dit te bereiken bij de bouw van energiecentrales).Since a laminar flow of the cooling medium is not suitable for extracting large amounts of heat at high power densities, since the volumes of liquid heated by the hot wall continuously brush along this hot wall and - especially when the wall has a horizontal upper limitation of the hollow cooling space hardly forms a heat exchange with the colder parts of the laminar liquid flow, it has already been proposed to provide a turbulent flow in connection with a better cooling effect, which occurs for instance by increasing the pressure, whereby a higher flow velocity and thereby vortex formation. The boundary of laminar and turbulent flow, according to the current view for large area heat exchangers, should be particularly effective with regard to cooling (and therefore attempts are made to achieve this in power plant construction).

Doch voor de voor het onderhavige doel bestemde uitvinding is deze bekende maatregel niet voldoende.However, this known measure is not sufficient for the invention intended for the present purpose.

30 Voor de opwekking van wervels moet de stroming aan de geometrie van de te koelen oppervlakken en eventueel aanvullend aan een plaatselijk verschillende belasting worden aangepast, hetgeen bewerkstelligd wordt door geleidingselementen die in langsrichting en in dwarsrichting zijn geplaatst. Doch ook deze geleidingselementen hinderen de stroming, 35 in het bijzonder bij kanten en hoeken, hetgeen de vorming van grote dampbellen gunstig beïnvloedt. Wanneer deze dampbellen optreden in gebieden met een sterke stroming, kunnen ze gedeeltelijk losgeraakt 1601235 2 worden, doch vaak wordt de vloei stofkoeling door de dampbellen volledig verhinderd. Verder vermindert kalkafzetting de warmteoverdracht in zulke kritische gebieden en leidt tot de noodzaak om vaak te reinigen. Het is zoals vermeld bekend dat dampbellen door een hoge stromingssnel-5 heid van het koel middel weliswaar losgeraakt kunnen worden van de hete vlakken, zolang ze nog klein zijn, waarbij ze in de korte tijd, gedurende welke ze aan de wand hechten, het kontakt met het koel middel slechts weinig nadelig befnvloeden. Dit kan echter door middel van een hoge doorstroming van het koel middel,.dat wil zeggen met een over-10 eenkomstige hoogdrukverschil tussen de inlaat en de uitlaat van het koelmiddel bereikt worden. Bij de toepassing van kalkhoudend koelwater moet er bovendien op worden gelet, dat de onderste grens van de noodzakelijke waterhoeveelheid per tijdeenheid door de op plaatsen met een verminderde stroming optredende maximale temperatuur bepaald wordt, bo-15 ven welke het uitscheiden van calciumcarbonaat sterk toeneemt. Deze temperatuur is zoals bekend een functie van de hardheid van het water.For the generation of vortices, the flow must be adapted to the geometry of the surfaces to be cooled and possibly additionally to a locally different load, which is effected by guide elements which are placed in the longitudinal and transverse directions. However, these guiding elements also hinder the flow, in particular at edges and corners, which favorably influences the formation of large vapor bubbles. When these vapor bubbles occur in high flow areas, they may become partially dislodged, but often the liquid cooling by the vapor bubbles is completely prevented. Furthermore, scale deposits reduce heat transfer in such critical areas and lead to the need for frequent cleaning. As mentioned, it is known that vapor bubbles can be detached from the hot surfaces by a high flow rate of the coolant as long as they are still small, contacting them in the short time during which they adhere to the wall only slightly adversely affects the coolant. However, this can be achieved by means of a high flow of the coolant, that is to say with a corresponding high pressure difference between the inlet and the outlet of the coolant. When using calcareous cooling water, it must also be ensured that the lower limit of the required amount of water per unit of time is determined by the maximum temperature occurring at places with a reduced flow, above which the excretion of calcium carbonate increases sharply. As is known, this temperature is a function of the hardness of the water.

Op grond van deze feiten zijn de bedrijfskosten door een hoog koelmiddelverbruik vaak aanzienlijk, en het is het doel van de onderhavige uitvinding deze te verminderen. Ook uit ecologisch oogpunt is ge-20 wenst, het koelen met een zo klein mogelijk gebruik aan koelmiddel te bereiken.On the basis of these facts, the operating costs due to high refrigerant consumption are often considerable, and the aim of the present invention is to reduce them. From an ecological point of view it is also desirable to achieve cooling with the smallest possible use of coolant.

Dit doel wordt bereikt doordat de uitmonding van de toevoerleiding als een mondstuk uitgevoerd is en zo geplaatst is, dat het koelmiddel in de holle ruimte treedt en wel tangentiaal ten opzichte van de inwen-25 dige wand daarvan en in draaiing gebracht wordt om een as en dat de leiding voor het afvoeren van het koelmiddel bij de genoemde as geplaatst is.This object is achieved in that the outlet of the supply line is designed as a nozzle and is placed in such a way that the coolant enters the cavity, tangentially to the internal wall thereof and is rotated about an axis and that the refrigerant discharge pipe is placed at said shaft.

Aan de uitvinding ligt het inzicht ten grondslag, dat de holle koelruimte ten minste in het gebied van de te koelen vlakken, waar deze 30 belast worden met een hoge vermogensdichtheid, vrij moet zijn van gelei dingselementen. Elk element van dat soort vermindert de stromingssnelheid van het koelmiddel, en wel bijzonder sterk in de kanten en hoeken van de gel eidingselementen. De invloed daarvan zou men weliswaar ook door goed warmte geleidende verbindingen met de kunnen koelopper-35 vlakken en door een zorgvuldige vorming van de warmteovergang kunnen verminderen, (waarbij de vergroting van de koelende kontaktvlakken de vermindering van de stromingssnelheden gedeeltelijk compenseert). De vervaardigingskosten voor een dergelijke oplossing zouden echter aanzienlijk zijn.The invention is based on the insight that the hollow cooling space must be free of guide elements at least in the area of the surfaces to be cooled, where these are loaded with a high power density. Each element of that type reduces the flow rate of the coolant, particularly strongly in the edges and corners of the conductive elements. It is true that the influence thereof could also be reduced by means of good heat-conducting connections to the cooling surfaces and by careful formation of the heat transfer (the enlargement of the cooling contact surfaces partly compensating for the reduction of the flow velocities). However, the manufacturing costs for such a solution would be significant.

40 De verrassend hoge koelwerking bij de uitvoering volgens de uit- 860123« 3 vinding kan vermoede!ijk verklaard worden doordat bij het inlaten van het koelmiddel door middel van het mondstuk een voor het losmaken van de dampbellen noodzakelijke, voldoend snelle stroming wordt opgewekt, waarbij het drukverschil van het koelmiddel tussen de inlaat en de uit-5 laat bijna zonder verliezen in kinetische energie wordt omgezet. Een grote dwarsdoorsnede van de toevoer!ei dingen en afvoer!ei dingen is aan-oevelenswaardig, aangezien ook daarmee geen te groot gedeelte van het beschikbare drukverval verbruikt wordt door de vorming van een turbulente stroming. De oplossing volgens de uitvinding kan bijzonder goed 10 bij cirkel vormige te koelen oppervlakken worden bereikt, waarbij de toevoer voor het koelmiddel in de voor de koeling bestemde holle ruimte tangentiaal ten opzichte van de inwendige wand daarvan kan geschieden.The surprisingly high cooling effect in the embodiment according to the invention can probably be explained by the fact that when the coolant is introduced through the nozzle a sufficiently fast flow is necessary for loosening the vapor bubbles, whereby the differential pressure of the coolant between the inlet and the outlet allows almost no losses to be converted into kinetic energy. A large cross-section of the inlet and outlet ports is commendable, since not too much of the available pressure drop is consumed by the formation of a turbulent flow. The solution according to the invention can be achieved particularly well with surfaces to be cooled in a circle-shaped manner, wherein the supply of the coolant in the cavity intended for cooling can take place tangentially to the internal wall thereof.

Voor een hoog rendement van een koel inrichting volgens de uitvinding werkt ook bevorderend, dat bij een eenmaal van de wand losgemaakte 15 dampbel de condensatie in de vloeibare fase in de omgeving overweegt, aangezien geen verdere warmtetoevoer zich voordoet en daardoor het opnieuw vormen van de damp niet mogelijk is, zodat de dampbel snel instort. De kleine hoeveelheid permanente gassen, die in het water opgelost waren en uit de instortende bellen niet weer in oplossing gaan, 20 wordt door de op het vloeibare koelmiddel uitgeoefende centrifugaal-kracht naar binnen gedrukt. Ook langs de bodem worden dergelijke gassen om die redenen naar het midden gedrongen, waar het afzuigen door het uitstromende koelmiddel kan geschieden.For a high efficiency of a cooling device according to the invention it also promotes that with a vapor bubble which has been detached from the wall the condensation in the liquid phase in the environment predominates, since no further heat supply occurs and therefore the vapor reforms is not possible, so that the vapor bubble collapses quickly. The small amount of permanent gases, which were dissolved in the water and do not dissolve again from the collapsing bubbles, are forced in by the centrifugal force applied to the liquid coolant. For these reasons, such gases are also forced to the center along the bottom, where extraction can take place through the outflowing coolant.

Terwijl dus bij bekende koel inrichtingen noodzakelijk was de wan-25 den van de holle ruimte waar het koelmiddel doorheen stroomt, zo mogelijk gestructureerd uit te voeren om een wervel vorming te bereiken, is het volgens de uitvinding gunstiger wanneer de wanden zo glad mogelijk zijn. Op die manier immers worden de stromingsverliezen klein gehouden en wordt de snelheid van het koelmiddel bijna tot bij het midden behou-30 den. Aangezien het kwadraat van de snelheid de kinetische energie bepaalt, doch de impuls daarentegen voor het losmaken van de dampbellen beslissend is, kan de uitstekende werking tot aan het midden van het te koelen oppervlak waargenomen worden. Het behouden van de draai Impuls werkt bovendien stromingsverliezen van het koelmiddel bij de overgang 35 naar de steeds kleinere stralen tegen, waardoor een verhoging van de rotatiefrequentie wordt verkregen. Daarbij blijft de centrifugale kracht K : m^2r groot tot zeer kleine stralen, en daardoor ook de kracht, welke het koelmiddel tegen de te koelen wand drukt, zodat de afvoer van de warmte onafhankelijk wordt van de inbouwtoestand.Thus, while in known cooling devices it was necessary to design the walls of the cavity through which the coolant flows, if possible, in a structured manner in order to achieve a vortex formation, according to the invention it is more favorable if the walls are as smooth as possible. After all, in this way the flow losses are kept small and the speed of the coolant is maintained almost to the center. Since the square of velocity determines the kinetic energy, but the impulse, on the other hand, is decisive for the release of the vapor bubbles, the excellent effect can be observed up to the center of the surface to be cooled. The retention of the impulse impulse further counteracts flow losses of the coolant at the transition to the progressively smaller jets, thereby increasing the rotation frequency. The centrifugal force K: m ^ 2r remains large to very small radii, and therefore also the force which presses the coolant against the wall to be cooled, so that the heat dissipation becomes independent of the installation condition.

40 In het volgende wordt de uitvinding aan de hand van een eenvoudig 860125e 4 uitvoeringsvoorbeeld verder toegelicht.In the following, the invention is further elucidated on the basis of a simple 860125e 4 embodiment.

Figuur 1 toont een verticale doorsnede door een volgens de uitvinding gekoelde kroes voor het verdampen van het materiaal door middel van een elektronenstraal.Figure 1 shows a vertical section through a crucible cooled according to the invention for evaporating the material by means of an electron beam.

5 Figuur 2 toont een doorsnede volgens de lijn AA van figuur 1.Figure 2 shows a cross-section along the line AA of figure 1.

Zoals in de tekening te zien is, bestaat het met 1 aangeduide kroeslichaam uit een grondplaat 2 en een met de grondplaat verbonden bovenste gedeelte 3, die samen een holle ruimte 4 vormen, waardoorheen een vloeibaar koelmiddel - gewoonlijk water - kan stromen. Het koelmid- 10 del wordt via een pijpleiding 5 toegevoerd en via een centrale pijplei ding 6, die deze omgeeft, weer afgevoerd. In de kroes bevindt zich het te smelten en te verdampen goed 8, wat bij gebruikmaking van door een niet getoond el elektronenkanon opgewekte energierijke elektronenstraal beschoten en daardoor verhit wordt. Daarbij wordt op het verhoudingsge-15 wijze kleine oppervlak 9 van de bodem van de kroes een zeer groot elektrisch vermogen overgebracht, dat voor het grootste gedeelte door de tegelwanden door koeling moet worden afgevoerd, om een oververhitting en daardoor smelten van de kroes te vermijden. Om het koelmiddel op de wijze van de onderhavige uitvinding aan de in het bijzonder te koelen 20 onderzijde 9 van de bodem van de kroes te geleiden, is een inzetstuk 10 voorzien, dat op een ringvormige verhoging 11 van de grondplaat ligt en daarmee verbonden is, waardoor een verdeel ruimte 13 van het koelmiddel wordt gevormd. De ring 11 bezit meerdere in de vorm van Lava!-mondstukken gevormde kanalen 14 (twee zijn er getekend), waardoorheen het koel-25 middel in de holle ruimte 4 stroomt. De som van de dwarsdoorsnede van alle uittreeopeningen van de genoemde mondstukken moet klein zijn in verhouding tot de dwarsdoorsnede van het koelmiddel in de toevoer!ei-ding en in de afvoerleiding en met betrekking tot de diameter van de cilindrische holle ruimte resp. het oppervlak van de bodem van de 30 kroes. De richting van de uit de mondstukken 14 tredende koelmiddel-stralen moet zo mogelijk tangentiaal ten opzichte van de inwendige wand van de holle ruimte verlopen en in dit uitvoeringsvoorbeeld zo mogelijk evenwijdig aan de onderzijde van de bodem 9 van de kroes. Het koelmiddel strijkt daarbij voortdurend roterend rond de as 15 van de uitvoe-35 ring over de te koelen onderzijde van de bodem van de kroes radiaal van buiten naar binnen en wordt via de centrale pijpleiding 6 weer afge-voerd.As can be seen in the drawing, the crucible body indicated by 1 consists of a base plate 2 and an upper part 3 connected to the base plate, which together form a hollow space 4, through which a liquid coolant - usually water - can flow. The coolant is supplied via a pipeline 5 and removed again via a central pipeline 6 which surrounds it. The crucible contains the material 8 to be melted and evaporated, which is shot at and heated by using an energy-rich electron beam generated by an electron gun (not shown). Thereby, in the relatively small area 9 of the bottom of the crucible, a very large electric power is transferred, which for the most part must be removed by cooling through the tile walls, in order to avoid overheating and thereby melting of the crucible. In order to guide the coolant in the manner of the present invention to the bottom 9 of the bottom of the crucible, in particular to be cooled, an insert 10 is provided, which rests on an annular elevation 11 of the base plate and is connected thereto, whereby a distribution space 13 of the coolant is formed. The ring 11 has a plurality of channels 14 (two drawn) in the form of Lava! Nozzles, through which the coolant flows into the cavity 4. The sum of the cross section of all the outlet openings of the said nozzles must be small in relation to the cross section of the coolant in the feed line and in the discharge pipe and with respect to the diameter of the cylindrical cavity or. the surface of the bottom of the 30 crucible. The direction of the coolant jets emerging from the nozzles 14 must, if possible, be tangential to the internal wall of the cavity and, in this exemplary embodiment, if possible parallel to the bottom of the bottom 9 of the crucible. The coolant then rotates continuously around the axis 15 of the embodiment over the underside of the bottom of the crucible to be cooled radially from the outside inwards and is discharged via the central pipeline 6 again.

De met de uitvinding verkregen verbetering wordt duidelijk uit metingen, die uitgevoerd worden op volgens de uitvinding uitgevoerde 40 elektronenstraal-verdampingsinrichtingen. Daartoe werd de kroes van ko- 8601236 5 per van de verdampingsinrichting bediend met een elektronenstraal met een vermogen van 10 kW. Daarbij bleek bij een temperatuur van 11°C van het toegevoerde koelmiddel (4 liter per minuut) een temperatuur van 46°C van het afgevoerde koelwater, dus in totaal een temperatuurverho-5 ging van 35°C. Bij een conventioneel gekoelde kroes van dezelfde afmetingen en bij een zelfde vermogen van de elektronenstraal waren daarentegen ten minste 12 liter koelwater per minuut nodig. De besparing aan koelwater bedroeg bij de inrichting volgens de uitvinding derhalve tweederde.The improvement obtained with the invention is evident from measurements carried out on 40 electron beam evaporators carried out according to the invention. To this end, the crucible of copper 8601236 per of the evaporator was operated with an electron beam with a power of 10 kW. At a temperature of 11 ° C of the supplied coolant (4 liters per minute), a temperature of 46 ° C of the discharged cooling water was found, i.e. a total temperature increase of 35 ° C. In contrast, a conventionally cooled crucible of the same size and the same electron beam power required at least 12 liters of cooling water per minute. The cooling water savings in the device according to the invention were therefore two thirds.

10 In een ander voorbeeld werd het koelwater, waarmee een target in een kathodeverstuivingsinrichting, die op conventionele manier werd gekoeld, met 7°C verwarmd, waarbij de door de kathodeverstuiving op het target afgegeven vermogen 40 kW bedroeg. Ondanks deze geringe verwarming trad echter bij de poging om het vermogen te verhogen boven de ge-15 noemde vermogensgrens een voortdurend stoten op aan de waterslangen, en soms het verbranden zelfs de elastomere afdichtingen, die voor de afdichting van het target ten opzichte van de koelwaterkanalen waren voorzien. Na het inbouwen van een koelsysteem volgens de uitvinding kon de koelwaterhoeyeelheid van 67 liter per minuut verminderd worden tot 20 19 liter per minuut en de verwarming bedroeg bij hetzelfde vermogen van 48 kW 35,5°C. Daarbij kon bij een ingangstemperatuur van het koelwater van 13° het toegevoerde vermogen zelfs nog aanzienlijk boven de genoemde grens verhoogd worden, zonder dat ook maar enige bedrijfsstoringen optraden. In dit uitvoeringsvoorbeeld bleek derhalve de verbetering 25 volgens de uitvinding doordat een aanzienlijk grotere temperatuurverho-ging van het koelwater en daardoor een betere benutting daarvan kon worden toegelaten, zonder dat het functioneren van de inrichting nadelig beïnvloed werd.In another example, the cooling water with which a target was cooled in a cathode sputtering device, which was conventionally cooled, was heated to 7 ° C, the power delivered by the cathode sputtering to the target being 40 kW. Despite this slight heating, however, in the attempt to increase power above the stated power limit, continuous impacts occurred on the water hoses, and sometimes even the elastomeric seals, which seal the target with respect to the cooling water channels, burn were provided. After the installation of a cooling system according to the invention, the cooling water head volume could be reduced from 67 liters per minute to 19 liters per minute and the heating at the same power of 48 kW was 35.5 ° C. At an inlet temperature of the cooling water of 13 °, the power supplied could even be increased considerably above the above-mentioned limit, without any operational disturbances occurring. In this exemplary embodiment, the improvement according to the invention was therefore apparent in that a considerably greater temperature increase of the cooling water and thereby a better utilization thereof could be permitted, without the functioning of the device being adversely affected.

Sr # f : / -1 ;nSr # f: / -1; n

Claims (1)

Inrichting voor het koelen van oppervlakken, waarbij de te koelen oppervlakken als deel van een wand van een in wezen cilindrische man-5 tel vlakken bezittende holle ruimte waardoorheen een vloeibaar koel middel stroomt, uitgevoerd is, en een leiding voor de toevoer van het koelmiddel in de nabijheid van het mantelvlak uitmondt en een verdere leiding voor het afvoeren van het koelmiddel uit de holle ruimte voorzien is, met het kenmerk, dat de uitmonding van de toevoerleiding als 10 een mondstuk uitgevoerd is en zo geplaatst is, dat het koelmiddel in de holle ruimte tangentiaal ten opzichte van de inwendige wand daarvan binnentreedt en in draaiing gebracht wordt om een as en dat de leiding voor het afvoeren van het koelmiddel bij de genoemde as aangebracht is. 15 ===== 8601236Apparatus for cooling surfaces, wherein the surfaces to be cooled are formed as part of a wall of a cavity having essentially cylindrical shell surfaces through which a liquid coolant flows, and a conduit for the supply of the coolant in the proximity of the lateral surface opens and a further pipe for discharging the coolant from the hollow space is provided, characterized in that the outlet of the feed pipe is designed as a nozzle and is positioned such that the coolant is in the hollow space enters tangentially to its internal wall and is rotated about an axis and that the refrigerant discharge conduit is disposed at said axis. 15 ===== 8601236