L'invention concerne un dispositif de mélange pDur écoulement ~1.7~UX.
Elle s'appliq~e au ca9 n~ l'on est en prësence d'un écoulement d'un premier gaz et où l'on veut introduire un deuxième gaz àans cet écou-lemsnt, ds manière à réaliser rapidement un mélange hcmogène.
Une solution connue consiste à disposer dans cet écoulement une succr3ssion de tubes disposés parallèlement les uns aux autres dans un meme plan perpendiculaire à l'~coulement, en laissant entre eux des intervalles pour laisser passer le premier ~az, On introduit le deuxième gaz dans ces tubes, qui sont percés, chacun, le long d'une de ses génératrices disposée sur sa face aval par rapport à l'écoulement, d'une succession de trous d'inJection par lesquels le deuxlème gaz s'échappe et se mélange au premier ;r~z .
Cette solul;lon connue ne permet pas toujours d'obtenir un mélange QUssi rapide qu'il conviendrait, notammen~ dans le cas où le premier gaz est de l'azote excité par une décharge électrique et où le deuxième gaz contient du gaz carbonique qui doit être excité par interaction moléculaire avec l'azote avant la désexcitation naturelle de l'azots, de manière à ce que le g~z carbonique ainsi excité puisse constituer 1E milieu actif d'un laser.
1~ prf3sente invsntion a pour but de parvenir plus rapidement à
un mL~lange homog~ne des deux gaz.
Elle a pour ob~et un dispositif de mélange pour ~icuulelnont ~azeux comport.ank d~s moyens pour conduire un deuxi~rllH gaz dans un (icoLIlement d'un pr~mlùr ~a,:, Cf35 moyens comportant des trous d'injection r~partls dans la ~3nclLnn de c~3t ~icoulHment, anract~`irl3li par 1n Falt que lesdits nnoyens pour conduire le deuxièlne gaz cnmport~nt :
- uns plaque amont disposée de manière à barrer l'écoulement dudit premier gaz, et percée d'une multitude d'ori~ices de transmission amont, - une plaque aval disposée en aval et en regard de ladite plaque amont et percée, d'une part, d'une multitude d'orifices de transmission aval `orresponclant respectivsment aux orifices de transmission amontl et, d'autre part, d'une rnultitucle d'orifices cl'injection, - une multitude de tubes de transmission raccordés chacun de manière étanche au bord de l'un des orifices de transmission amont, et conduisarlt le prernier gaz de cet orifice ds transmisslon ~usqu'à l'orifice cle transmission aval correspondant, - des moyens pour introduire ledit deuxième gaz sous pression dans l'espace intermédiaire entre la plaque amont et la plaque aval de manière à ce qu'il s'échappe vers l'aval à travers lesclits oriflces d'injec-tion.
A l'aide des figures schématiques 1 à 3 ci-jointes, on va décrire, cl-apr~s, 3 titre non limitatif, un mode de rnise en oeuvre de l'invention.
Les ~léments qui se correspondent sur plusieurs de ces figures y sont désignés par les rnêmes signes de référence~
La figure 1 représente une vue en coupe par un plan A d'un laser à
gaz carbonique au sein duquel le gaz carbonique est introduit dans un écou-lement d'azote par un dispositif selon l'invention, le plan A étant perpen-d:iculaire aux plaques de ce dispositif.
La figure 2 représente une vue agrandie en coupe par le plan A
du dls.positiP sslon l'invention rsprésenté sur la figure 1.
La figure 3 représente une vue de Face, agrandie, du dispositiF
~nlon l'lnvention representk sur les Figures 1 et 2.
On connalt dos g~n~rateurs laser dans lesquels on produit une cl(iohar~ru ~.lectrique dans un premier E~az tde l'azote) anlme d'unE très Errande v:l~e~s~ e(: on mt~langs ce prelmier gaz l3 Ul7 d~uxleme gaz (clu gaz carbonique~
~lns unQ chambre d'expansion dans laque:Lle cst clisposée une cavlté op-tique r~sonnante. La déc~harge électrique a pour effet de fournir à l'azote une énergie d'excitation qui est transférée au gaz carbonique par intéraction moléculaire lors du mélange. Le déplacement rapicle du mélange dans la chambre d'expansion lui fait atteindre la cavité optique avant la désexcitation du The invention relates to a mixing device for flow ~ 1.7 ~ UX.
It applies to ca9 n ~ we are in the presence of a flow of a first gas and where we want to introduce a second gas into this flow lemsnt, so as to quickly achieve a homogeneous mixture.
A known solution consists in placing in this flow a suction of tubes arranged parallel to each other in a same plane perpendicular to the flow, leaving intervals between them to let the first ~ az pass, the second gas is introduced into these tubes, which are each pierced along one of its generators arranged on its downstream face with respect to the flow, a succession of holes InJection by which the second gas escapes and mixes with the first ; r ~ z.
This known solution does not always make it possible to obtain a mixture QUssi fast as it should be, notammen ~ in case the first gas is nitrogen excited by an electrical discharge and where the second gas contains carbon dioxide which must be excited by molecular interaction with nitrogen before the natural de-excitation of nitrogen, so that the g ~ z carbonic thus excited can constitute 1E active medium of a laser.
1 ~ prf3sente invsntion aims to achieve faster a mL ~ homogeneous mixture of the two gases.
Its ob ~ and a mixing device for ~ icuulelnont ~ azeux Compr.ank d ~ s means for driving a second ~ rllH gas in a (icoLIlement of a pr ~ mlùr ~ a,:, Cf35 means including r ~ partls injection holes in the ~ 3nclLnn of c ~ 3t ~ icoulHment, anract ~ `irl3li by 1n Falt as said nnoyens to drive the second gas cnmport ~ nt:
- an upstream plate arranged so as to block the flow of said first gas, and breakthrough of a multitude of ori ~ ices upstream transmission, - a downstream plate arranged downstream and facing said upstream plate and on the one hand, a multitude of downstream transmission orifices `orresponclinc respectively to the upstream transmission orifices and, on the other part of a series of injection ports, - a multitude of transmission tubes each tightly connected at the edge of one of the upstream transmission openings, and lead the last gas from this orifice ds transmisslon ~ until the downstream transmission key orifice corresponding, - means for introducing said second pressurized gas into space intermediate between the upstream plate and the downstream plate so that it escapes downstream through the injection orifice clits.
Using the attached schematic figures 1 to 3, we will describe, cl-apr ~ s, 3 non-limiting title, a mode of implementation of the invention.
The ~ elements which correspond on several of these figures there are designated by the same reference signs ~
Figure 1 shows a sectional view through a plane A of a laser carbon dioxide in which carbon dioxide is introduced into a flow nitrogen with a device according to the invention, the plane A being perpetual d: icon on the plates of this device.
FIG. 2 represents an enlarged view in section through plane A
of the dls.positiP sslon the invention represented in FIG. 1.
Figure 3 shows an enlarged front view of the device.
~ nlon lnvention representk in Figures 1 and 2.
We know dos g ~ n ~ rateurs laser in which we produce a cl (iohar ~ ru ~ .electric in a first E ~ az tde nitrogen) anlme of a very Errande v: l ~ e ~ s ~ e (: we mt ~ langs this first gas l3 Ul7 d ~ uxleme gaz (clu carbon dioxide ~
~ lns unQ expansion chamber in lacquer: This is an optical cavity resonant. The effect of the electrical discharge is to supply the nitrogen with a excitation energy which is transferred to carbon dioxide by interaction molecular during mixing. The displacement of the mixture in the chamber expansion makes it reach the optical cavity before the de-excitation of the
- 2 -gaz carboniqu-~, ce qui permet à C'' dernier une émission de lumiere stimulée au ~ein de la cavité optique~ c'est-a-dire une émission laser.
Les molécules d'azote possèdent trois modes d'excitation :
thermique, rotationnel flt vibrationnel. Lorsque les mol.~cules d'azote flt les rnolécules de ~a~ carbonilue se mélangent dans la chambre d'expansion, c'est l'éner~ie vlbrationnelle de l'f~zote qui peut seule subsister et produiræ, au sein du gaz carbonique, l'inversion de population qui donne naissance 3 une impulsion laser de forte puissance. Encore faut-il pour cela que le mélan~s des dsux gaz soit assure de manière intime et homo~ène 1~ avant qu'une fraction importante des molécules d'azotfl se soit désexci-t~e. Le dlspositif salon l'invention permet d'assurer un tel mélange de mflnibrs particull~rement rapicle.
Selon la figure 1, un générateur laser à flux ~azeux comporte une enceinte cylindrique 1 à une extrémité de laquelle débouche une tuyèrfl d'in~ection 2 con~itituant une anode et connectée à un générateur de tension G par l'intermédiaire d'une résistanca R. Cette tuyère 2 comporte un conduit axial 3 relié 3 une source d'azote sous pression SN représentés schémati-quement~ Sa ~ace avant comporte un orifice d'in~jection 4J dlvergent vers l'interieur de l'Rnct~ints 1. A l'autre extrémité de l'~,nceints 1 est placé
un dispositif 2ûO pour mélanger du gaz carbonique et de l'hL1lium h l'fizt C3 cllspositif est alimenté 3 partir d'une source clt-~ ~flZ oarbon:lqun ot ~ ilium SC t.7t plu5 particulit~rement. clécrit .3 l'aida dfls figLIrfls 2 et 3~ Il F33t cOnnacti ~3lictri4uemsnt à l'autre polt3 tlu ginirateur de tension ~. Il campnrtt.7 une multitucle d'ori~icas d~ trarlcim:ls3inn tels que Z02 permettant l-~p~ls~age~ cle l'aznt~.
L'enceinte 1 débouchfl par les orifices de transmission znz dans unfl chambrs d'expansion 6 munie de deux miroirs 7 et ~ constituant uns cavité optique résonnante. le miroir a étant semi-transparent flt assurant d la sorts l'émission laser dans le sens de la flèche F. - 2 -carbonic gas ~, which allows C '' last a stimulated light emission au ~ ein of the optical cavity ~ that is to say a laser emission.
Nitrogen molecules have three modes of excitation:
thermal, rotational flt vibrational. When the mol. ~ Nitrogen flt the molecules of ~ a ~ carbonilue mix in the expansion chamber, it is the ener ~ ie vlbrational of the f ~ zote which alone can subsist produce, within carbon dioxide, the population inversion which gives birth 3 a high power laser pulse. Still need to that the melan ~ s of the gas dsux is ensures an intimate and homo ~ ene 1 ~ before a large fraction of the azotfl molecules have de-excited t ~ e. The salon device of the invention ensures such a mixture of mflnibrs particularly rapicle.
According to Figure 1, a laser generator ~ nitrogen flow includes a cylindrical enclosure 1 at one end of which opens a pipe in ~ ection 2 con ~ itituant an anode and connected to a voltage generator G via a resistanca R. This nozzle 2 has a conduit axial 3 connected 3 a source of nitrogen under pressure SN shown diagrammatically only ~ Sa ~ ace front has a 4J injection port dlvergent to inside the Rnct ~ ints 1. At the other end of the ~, nceints 1 is placed a 2ûO device for mixing carbon dioxide and hL1lium h the fizt C3 cllspositif is powered 3 from a source clt- ~ ~ flZ oarbon: lqun ot ~ ilium SC t.7t plu5 particularly. clécrit .3 helped him dfls figLIrfls 2 and 3 ~ He F33t cOnnacti ~ 3lictri4uemsnt to the other polt3 tlu ginirateur de tension ~. he campnrtt.7 a multitucle of ori ~ icas d ~ trarlcim: ls3inn such as Z02 allowing l-~ p ~ ls ~ age ~ cle l'aznt ~.
Enclosure 1 opens through the znz transmission ports in unfl expansion chambers 6 provided with two mirrors 7 and ~ constituting a resonant optical cavity. the mirror a being semi-transparent flt ensuring d the laser emission spells in the direction of arrow F.
3~ L'extrémité la plus lar~e de la chambre d'expansior~ sst maintsnue .i très basse pression ~râce P, des rnoyens d'~vacuatinn constitués par des canalisations la r~un-~ssant ~l une résgrV~ d~ vide SV, repr~sentée schéma-tiquement e~ oe dimensi.ons suPfisantgs pour que la pressiDn y reste prati-quement nulle pendant toute la durée du ~onctionnement du générateur laser.
Un tel g~nérateur fonctionne de la façon suivante :
L'azate introduit sous pression dans le conduit axial 3 de la tuyère 2 est injecté à vitasse supersonique dans l'encainte 1 par l'in-ter-médiaire ds l'orifice d'injection 4O Par suite d'un choix convenable des paramètres du générateur, tels que la longueur et le diamatre dt-) l'enceinte 1, la vit0sse et le débit d'introtiuct:ion de l'azote dans cette snceinte~ et le rapport de la surface totale des orifices de transmission 2U2 à la section cle l'enceinte 1, il se produit un écoulement tourbillonnaire "principal" de l'azote dans l'enceints 1. Cet écoulernsnt est représenté par les flèches en trait plein 14. Il assure une répartition homogène de la décharge électrique déclenchée en alimentant l'anode 2 et le dispositif 200 au moyen du géne-rateur G.
Une partie ds l'azots entrainée par l'écoulement principal s'~coule par 18s ori-Pices 202 en formant un scoulement secondaire représents par des Pl~ches en traits tiretés, et entraine le gaz carbonique et l'helium 2~ inJect-.és par le dispositlf 200. I.e gaz carbonique se trouve alors excitu de la manière d~critr3 dans ce tlui ,oréc~de et produit une ~.~mission laser dans le st~ns de l~ -Pl~che F~
Selon les ~igure3 2 et 3 le dispositiP de mélange selon l'inven-l::Lon 20D comporte une plaqus "amont" 204~ en laLton, ~palsse de 2 mm et perc~(l d'une multlt.utle d'oriPices de transmission oirculaires "amont" 202 d'un diam~tre de 5 mm disposés selon un réseau carré au pas de ~ mm.
Il comporte en outre une plaque "aval" 206, en lalton épaisse de 3 mm, parallèle à la plaque 204 en laissant entre les deux plaques un espace intermédiaire épais de 5 mm, et percée d'une multitude d'orifices ~o de transmission "aval" 203 en regard des orifices 202.
I
5~3 La plaque amont 20~ est située du caté de l'enceinte 1 et la plaque aval 2U~ du côte de la chambre d'expansion 6, Les orifices de transmission arnont et aval sont réunis par des tubes de transmissior1 210, également en laitonJ à section circulaire et soudés par leurs extrémités annont de manière étanche aux bords des orifices rit.~ transmission amont 202. La lon~ueur de ces tubes est égale à la distance entre la face amont de la plaque amont 204 et la ~ace aval de la plaque aval 206, et ils ne dépassent ni d'un ccBté ni de l'autre du dispositif 200.
Leur sur~ace latérale extérieure a une forme cylindrique de révolution.
L'epaisseur de leurs parois est pratiquement nulle à leurs deux extrémités.
Ell~ cro.tt, a partir de l'extrémité arnont d'un tube, jusqu'à un col situt~ à
1,5 mm cle cette entrée, et décroft ensuite jusqu'à l'autre extrémité.
Le diamètrs intérieur du tube sst de 2,5 mm au col, On tonstitue ainsi une tuyère permettant l'injection de l'azote clans la chambre 6 a vitesse supersonique.
La plaque aval 206 comporte en outre une multitude d'orifices cl'inJection qui sont de deux sortes.
lJne premitire sorte est constituée par des couronnes d'injection 212 Form~Jes, ~utour des tu~es 210, par la partie périphérique des ori~ices de transmission aval 208, dont le diamètre est de 5,4 mm, la partie centralt3 CIH ces orl~ices occuptie par les tubes 210 ayant un diamr~tre t~H 5 mrm s~LIl~ment.
I.lnt-3 clt)uxi~me sorte ti't)r:i~lces d'inJt3ction est tonstituée par rles trou d':inJt3ction cyllndriquns 21~ cl'ur1 tlianletre clr-3 0,7 mm.
Chaqu~ nri.l`ice de transmisslol1 aval est entoure par quatre trous d'lnjection 214 repartis an~ulairement à 90 les uns des autres autour de l'axe de cet ori-~ice, et à 45 des directions des centres des autres orifi-cas ds transmission les plus proches. Ces trous 214 sont percés en biais de tells sorte que la cdistance de l'axt-3 de chacun de ces trous à l'axe du tube 21 le plus proche est de 3,7 mm sur la ~ace arnont de la plaque aval, et de 3 mm seulement sur la face aval. Il en résulte que le jet de gaz sortant de ~ 5 -ce trou toLIche pratiquement dès sa sortis le jet annulaire sDrtant de la couronne d'inJection 212, et qu'il est dirige vers le jet d'azote sortant du tube 210.
La pression amont, c'est-à-dire la pression de l'azote dans l'enceinte 1 peut être cnmprise entre 0,1 et plusieurs bars, par exemple 1 bar, La pression d'injection, c'est-à dire la pression du mélange de gaz carbonique et d'hélium dans l'espace interm~diaire entre les plaques 204 et 206 peut être comprise entre 60 % et 100 % de la pression amont~
La pression aval, c'est-à-dire la pression dans la chambre d'ex-pansion G peut être de l'ordre de 10 % de la pression amont. Dans ces condltionsJ la distance nécessaire à partir de la plaque aval pour obtenir un m~lan~e pratiquement homogène est de quelques centimètresO Elle est inferieLIre de 30 % à 50 % à celle qui serait obtenue si le mélange d'hélium et de gaz carbonique était injecté à l'aide d'une succession de tubes disposés parallèlement les uns aux autres dans un meme plan perpendiculaire l'écoulement, en laissant entre eux des intervalles convenablement profi-l~s pour lalsser passer l'azote en lui faisant prendre une vitesse super-sonlq~Je. La présente invention permet par conséquent d'améliorer de manière importante la puissance cle l'émissinn laser. 3 ~ The widest end of the expansion chamber ~ sst maintsnue .i very low pressure ~ grace P, rnoyens of ~ vacuatinn constituted by pipes the r ~ un- ~ ssant ~ l a resgrV ~ of vacuum SV, repr ~ sentée schéma-tically e ~ oe dimensi.ons suPfisantgs so that the pressiDn remains practi-only zero for the duration of the ~ onctioning of the laser generator.
Such a generator works as follows:
The azate introduced under pressure into the axial duct 3 of the nozzle 2 is injected into supersonic glass in the claim 1 by the inter-through the 4O injection port Following a suitable choice of generator parameters, such as length and diameter dt-) the enclosure 1, the vit0sse and the introtiuct flow: nitrogen ion in this snceinte ~ and the ratio of the total area of the 2U2 transmission ports to the cross-section in enclosure 1, there is a "main" vortex flow of nitrogen in enclosure 1. This flow is represented by the arrows in solid line 14. It ensures a uniform distribution of the electric discharge triggered by supplying the anode 2 and the device 200 by means of the rator G.
Part of the nitrogen entrained by the main flow s ~ flows by 18s ori-Pices 202 by forming a secondary flow represented by Pl ~ ches in dashed lines, and causes carbon dioxide and helium 2 ~ inJect-.és by the dispositlf 200. Ie carbon dioxide is then excitu de the manner of ~ critr3 in this tlui, oréc ~ of and produces a ~. ~ laser mission in the st ~ ns de l ~ -Pl ~ che F ~
According to ~ igure3 2 and 3 the mixing dispositiP according to the inven-l :: Lon 20D has an "upstream" plate 204 ~ in laLton, ~ 2 mm palsse and perc ~ (l of a multlt.utle of oriPices of upstream oirascular transmission 202 with a diameter of 5 mm arranged in a square network with a pitch of ~ mm.
It also includes a "downstream" plate 206, in thick lalton 3 mm, parallel to plate 204 leaving between the two plates a 5 mm thick intermediate space, with a multitude of holes ~ o "downstream" transmission 203 opposite the orifices 202.
I
5 ~ 3 The upstream plate 20 ~ is located in the category of the enclosure 1 and the downstream plate 2U ~ on the side of the expansion chamber 6, The downstream and downstream transmission openings are joined by 1,210 transmissior tubes, also in brassJ with circular cross-section and welded at their ends tightly around the edges of the holes rit. ~ upstream transmission 202. The length ~ ueur of these tubes is equal to the distance between the upstream face of the upstream plate 204 and the ~ ace downstream of the plate downstream 206, and they do not protrude either from one or the other of the device 200.
Their external lateral ace ~ has a cylindrical shape of revolution.
The thickness of their walls is practically zero at their two ends.
Ell ~ cro.tt, from the arnont end of a tube, to a situt neck ~ at 1.5 mm from this entry, and then decreases to the other end.
The inside diameter of the tube is 2.5 mm at the neck, thus a nozzle allowing the injection of nitrogen into chamber 6 a supersonic speed.
The downstream plate 206 further includes a multitude of orifices of injections which are of two kinds.
The first type is constituted by injection crowns 212 Form ~ Jes, ~ around thou ~ es 210, by the peripheral part of the ori ~ ices downstream transmission 208, with a diameter of 5.4 mm, the central part t3 CIH these orl ~ ices occuptie by the tubes 210 having a diameter t ~ H 5 mrm only.
I.lnt-3 clt) uxi ~ me sort ti't) r: i ~ lces of InJt3ction is tonstituée by rles hole d: inJt3ction cyllndriquns 21 ~ cl'ur1 tlianletre clr-3 0.7 mm.
Each downstream transmisslol1ice is surrounded by four holes d'lnjection 214 distributed an ~ ulairement 90 to each other around the axis of this orifice, and at 45 from the directions of the centers of the other orifices nearest transmission cases. These holes 214 are drilled at an angle such that the distance from the axt-3 of each of these holes to the axis of the tube 21 the closest is 3.7 mm on the ~ ace arnont of the downstream plate, and Only 3 mm on the downstream face. As a result, the gas jet exiting from ~ 5 -this hole practically as soon as it leaves the annular jet leaving the crown of injection 212, and that it is directed towards the jet of nitrogen leaving the tube 210.
Upstream pressure, i.e. the pressure of nitrogen in enclosure 1 can be included between 0.1 and several bars, for example 1 bar, Injection pressure, i.e. the pressure of the mixture carbon dioxide and helium in the intermediate space between the plates 204 and 206 can be between 60% and 100% of the upstream pressure ~
The downstream pressure, i.e. the pressure in the ex-chamber expansion G can be of the order of 10% of the upstream pressure. In these condltionsJ the distance required from the downstream plate to obtain a practically homogeneous m ~ lan ~ e is a few centimetersO It is 30% to 50% less than that which would be obtained if the helium mixture and carbon dioxide was injected using a succession of tubes arranged parallel to each other in the same perpendicular plane flow, leaving between them suitably profitable intervals l ~ s to lalsser pass the nitrogen making it take a super speed sonlq ~ I. The present invention therefore makes it possible to improve in a way important the power of the laser emissinn.