способ охлаждения газовой смеси в газоразрядном лазере и газоразрядный лазер

Формула изобретения

1. Способ охлаждения газовой смеси в газоразрядном лазере, включающий создание циркуляции среды посредством вентилятора через объем, образуемый в оптическом резонаторе анодной плитой и катодным элементом и теплообменник, отличающийся тем, что обработанная газовая смесь пропускается через теплообменник с переменной теплоснимающей способностью, причем теплоснимающая способность теплообменника увеличивается в слое газовой среды с повышенной температурой.

2. Газоразрядный лазер, содержащий вакуумную камеру с направляющими и вентилятором для создания циркуляции газовой среды, разрядные электроды, состоящие из анодной водоохлаждаемой плиты и катодного элемента, установленные внутри вакуумной камеры и соединенные с источником напряжения, охладитель, выполненный в виде набора теплообменных трубок, отличающийся тем, что теплообменные трубки установлены в охладителе с переменной плотностью.

3. Лазер по п. 2, отличающийся тем, что оребрение теплообменных трубок выполнено переменно по фронтальному сечению охладителя.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение используется в области лазерной техники и может быть применено в различных областях промышленности, в устройствах для охлаждения газового потока с переменной температурой в слое.

Известен способ [1] охлаждения газовой смеси в газоразрядном лазере, включающий создание циркуляции среды посредством вентилятора через объем, образуемый в оптическом резонаторе анодной плитой и катодным элементом, с последующей подачей смеси в теплообменник для охлаждения. Устройство для реализации указанного способа [1] содержит вакуумную камеру с направляющими и вентилятором для создания циркуляции газовой среды, разрядную камеру с электродами, состоящими из анодной плиты и катодного элемента, оптического резонатора, установленные внутри вакуумной камеры и соединенные с источником постоянного напряжения, охладитель, выполненный в виде набора теплообменных трубок.

Известен способ [2] циркуляции газовой смеси в газоразрядном лазере, включающий создание циркуляции среды посредством вентилятора через объем, образуемый в оптическом резонаторе анодной плитой и катодным элементом, с последующей подачей смеси в теплообменник для охлаждения.

Устройство для реализации указанного способа [2] содержит вакуумную камеру с направляющими и вентилятором для создания циркуляции газовой среды, разрядную камеру с электродами, состоящими из анодной плиты и катодного элемента, оптического резонатора, установленные внутри вакуумной камеры и соединенные с источником напряжения, охладитель, выполненный в виде набора теплообменных трубок.

Недостатком описанных способов охлаждения газовой смеси и устройств для их реализации является то, что в виду неравномерного выделения тепла по сечению разрядной камеры необходимо значительно увеличивать мощность теплообменника по всему сечению потока. Это объясняется тем, что так как сопротивление теплообменника пропорционально его коэффициенту сопротивления, плотности потока газа и квадрату его скорости, то при одинаковом коэффициенте сопротивления по фронту и при одинаковом перепаде давления на теплообменнике при протекании через него неизотермического потока, скорости в менее нагретых слоях газа будут меньше, чем в более нагретых в силу того, что плотность газа пропорциональна его температуре. Следовательно, относительная фронтальная площадь теплообменника, через которую проходит более нагретый газ, будет меньше, чем приведенная к одинаковым скоростям относительная площадь сечения этого слоя на выходе из разрядной зоны. Поэтому теплообменник в таких устройствах выбирается, исходя из требуемого охлаждения более нагретого слоя в относительно малой фронтальной площади, что приводит к увеличению теплообменника, к большему сопротивлению потоку газовой смеси, что в свою очередь увеличивает мощность прокачных средств, расход охладителя и, следовательно, повышает энергозатраты на создание лазерного излучения, повышает материалоемкость конструкции и расход охладителя.

Техническая задача изобретения: повышение эффективности устройства посредством снижения энергозатрат на создание лазерного излучения, а также снижение материалоемкости.

Указанная задача достигается тем, что в известном способе охлаждения газовой смеси в газоразрядном лазере, включающем создание циркуляции среды посредством вентилятора через объем, образуемый в оптическом резонаторе анодной плитой и катодным элементом, с последующей подачей газовой смеси в теплообменник для охлаждения, отработанная газовая смесь пропускается через теплообменник с переменной теплоснимающей способностью, причем теплоснимающая способность теплообменника увеличивается в слое газовой среды с повышенной температурой.

Указанная задача достигается также тем, что известное устройство для реализации указанного способа, содержащее вакуумную камеру с направляющими и вентилятором для создания циркуляции газовой среды, разрядные электроды, состоящие из анодной плиты и катодного элемента, установленные внутри вакуумной камеры и соединенные с источником напряжения, охладитель, выполненный в виде набора оребренных теплообменных трубок, теплообменные трубки установлены в охладителе с переменной плотностью.

Указанная задача может достигаться также тем, что оребрение в теплообменных трубках изменяется по фронтальному сечению охладителя.

Охлаждение отработанной газовой смеси в теплообменнике с переменной теплоснимающей способностью, увеличивающейся в слое газовой среды с повышенной температурой, а также установка в охладителе теплообменных трубок с переменной плотностью позволит уменьшить общую мощность охладителя и тем самым уменьшить мощность прокачных средств и расход охладителя, снизить материалоемкость устройства, что в свою очередь повысит эффективность устройства.

Задача в предложенном способе может реализоваться также за счет того, что оребрение в теплообменных трубках выполнено переменным в фронтальном сечении охладителя.

На фиг. 1 показано предложенное устройство в сборе; на фиг. 2 сечение теплообменника в газовом слое с меньшей температурой; на фиг. 3 сечение теплообменника в газовом слое с максимальной температурой; на фиг. 4 показано поперечное сечение предложенного устройства; на фиг. 5 показан графин распределения температуры по фронтальному сечению теплообменника.

Способ реализуется в предложенном лазерном устройстве с поперечным потоком газовой среды, содержащим вакуумную камеру 1 с направляющими 2 и вентилятором 3 для создания циркуляции газовой среды, разрядные электроды 4, состоящие из анодной водоохлаждаемой плиты 5 и катодного элемента 6, оптический резонатор 7, установленные внутри вакуумной камеры 1 и соединенные посредством проводов 8 с источником постоянного напряжения 9, охладитель 10, выполненный в виде набора теплообменных трубок 11. Теплообменные трубки 11 имеют оребрение 12 и установлены в охладителе 10 с изменяющейся по сечению от анодной водоохлаждающей плиты 5 до катодного элемента 6 плотностью за счет изменения количества теплообменных трубок 11 по сечению от анодной плиты 5 до катодного элемента 6.

Оребрение 12 в теплообменных трубках 11 также может изменяться в каждой последующей теплообменной трубке 9, установленной по сечению от анодной плиты 5 до катодного элемента 6.

Пример реализации способа охлаждения газовой смеси в газоразрядном лазере.

Предложенное лазерное устройство с поперечным потоком газовой среды работает следующим образом. Постоянное напряжение от источника 7 подается на разрядные электроды 4, возбуждающие разряд между анодной водоохлаждающей плитой 5 и катодным элементом 6. Включается вентилятор 3, осуществляющий циркуляцию газовой смеси по направляющим 2 через объем, образуемый в оптическом резонаторе 7 анодной водоохлаждающей плитой 5 и катодным элементом 6, с последующей подачей отработанной газовой смеси в теплообменник. Так как тепло выделяется в объеме, образуемом анодной водоохлаждающей плитой 5 и катодным элементом 6 неравномерно, газовая смесь подается в теплообменник с переменной теплоснимающей способностью, увеличивающейся в слое газовой среды с повышенной температурой. Поскольку потребная площадь охлаждения для менее нагретых слоев газовой смеси должна быть меньше, чем для более нагретых слоев, то коэффициенты сопротивления "холодных" зон охладителя будут меньше, скорости газа в "холодных" слоях перед теплообменником будут больше, а относительные размеры "холодных" зон при обеспечении одинакового сопротивления теплообменника по фронту будут меньше и, следовательно, для "горячих" слоев газа можно отвести большую относительную фронтальную площадь теплообменника.

Переменная теплоснимающая способность теплообменника достигается за счет установки в охладителе 8 теплообменных трубок с переменной плотностью, их количества и поверхности оребрения теплообменных трубок. Выходящая из теплообменника газовая смесь однородной температуры захватывается вентилятором 3, регенерируется и подается в объем разрядной зоны.

Предложенный способ и устройство для его реализации позволит повысить эффективность посредством снижения энергозатрат на создание лазерного излучения, а также снизить материалоемкость изделия.

Литература

1. Патент США 4571730, МКИ H 01 S 3/22, 18.02.1986.

2. Статья в журнале "Plasma Phys." 27, 1987 г. стр. 439 447.