环形磁场金属等离子体源冷却流场的数值模拟与优化*

陈国华 石科军 储进科 吴昊† 周池楼 肖舒2)‡

1) (华南理工大学机械与汽车工程学院, 广州 510641)

2) (香港城市大学物理与材料科学系, 香港 999077)

3) (寰球工程项目管理公司(北京)有限公司, 北京 100029)

环形磁场金属等离子体源作为一种全新的等离子体源结构, 可用于产生高度离化、无大颗粒、高密度的离子束流, 但传统流道结构不能保证其高效、均匀散热, 大功率工作时可能引起密封胶圈的烧蚀失效, 需对其冷却流场进行优化设计.利用Solidworks Flow Simulation 软件对等离子体源冷却流道进行模拟, 分析出入水孔分布角度、孔数、孔径以及入水孔高度对冷却效果的影响规律, 并对流道结构参数进行优化.结果表明, 增大水孔的周向分布范围, 有利于提高散热的均匀性; 入水孔设置在结构上层有利于减少冷却水的温度分层现象, 使铜套和密封胶圈都处于较好的冷却状态; 适当减小孔径有利于增大冷却水射流速度, 增大湍流程度强化传热, 提高换热效率.优化后的流场结构可以提高冷却水的利用率, 在相同流量条件下获得更好的冷却效果, 改善等离子体源的放电稳定性, 为环形磁场金属等离子体源的冷却结构设计提供理论依据.

1 引 言

目前, 等离子体镀膜技术在表面处理领域得到广泛应用[1−3].针对磁控溅射粒子离化率不高、可控性差、阴极弧存在“大颗粒”等问题, Kouznetsov等[4]在1999 年提出了高功率脉冲磁控溅射(high power impulse magnetron sputtering, HiPIMS)技术, 离化率可达到60%—90%[5,6], 且束流中不含“液滴”[7,8], 但其放电不稳定[9,10]、沉积速率低[11−13],并且对……