CN103682956A - 用于准分子激光器的热交换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热交换器，适用于气体激光器，尤其适用于准分子激光器，所述热交换器的冷却管道采用椭圆管，且所述热交换器的环形肋外径沿所述热交换器的主轴方向变化，两端外径较小，中间区域外径较大。本发明提供的变外径环形肋椭圆管热交换器能有效提高其换热性能，降低气体循环阻力，提高放电区气体流速及均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及一种热交换器，适用于气体激光器，尤其适用于准分子激光器。
背景技术
准分子激光器波长短、高重频、可定标放大，是优秀的光刻用激光光源。典型的放电泵浦准分子激光器主要由高压脉冲源、放电腔两部分构成，而放电腔包括密封腔体、放电电极、气体循环系统和散热系统。
准分子激光器的能量转换效率较低，输入的大部分电能都转化为热量，这些热量若不能及时散出，将会使工作气体的温度快速升高，从而极大影响激光器效率，甚至会损坏激光器。热交换器作为最重要的散热部件，通过水冷方式将激光器内的热量带走。
专利US006553049B1(2003年)和US006757316B2(2004年)给出了两种最典型的用于准分子激光器的热交换器，两者均是等外径环形肋圆管热交换器。当高速气流掠过圆管时，驻点前的低速区域和尾迹区面积较大，造成与其相邻肋面的局部对流换热系数较低，从而降低换热性能；并且，圆管具有较大的气动阻力。
此外，当前腔体放电区域气体流速的均匀性较差，而热交换器是腔体内部气体循环阻力的重要来源，需要与流场进行协同设计。
发明内容
(一)要解决的技术问题
在放电腔中，尤其是在高重频的放电腔中，为了保证高压放电稳定性和能量转换效率，必须解决三个问题：一是要快速带走放电产生的大量热量；二是气体在放电区域光轴方向上的速度要尽可能均匀；三是气体在放电区域的速度要足够大。
为解决上述问题，本发明提供一种变外径环形肋椭圆管热交换器。本发明提供的所述变外径环形肋椭圆管热交换器能有效提高其换热性能，降低气体循环阻力，提高放电区气体流速及均匀性。
(二)技术方案
本发明提出一种用于准分子激光器的热交换器，所述热交换器的冷却管道采用椭圆管，且所述热交换器的环形肋外径沿所述热交换器的主轴方向变化。
根据本发明的一种具体实施方式，所述热交换器的环形肋外径沿所述热交换器的主轴方向变化具体为，两端外径较小，中间区域外径较大。
根据本发明的一种具体实施方式，所述热交换器的环形肋外径沿所述热交换器的主轴方向变化的方式为多级阶越式或渐变式。
根据本发明的一种具体实施方式，所述热交换器的环形肋为圆形肋片、椭圆形肋片或矩形肋片。
根据本发明的一种具体实施方式，所述椭圆管的横截面长半轴为a，短半轴为b，且长半轴和短半轴的长度比例为1≤a∶b≤6。
根据本发明的一种具体实施方式，所述热交换器的各部分采用相同的材料。
根据本发明的一种具体实施方式，所述热交换器的材料为铜或不锈钢。
根据本发明的一种具体实施方式，所述热交换器的表面镀镍。
根据本发明的一种具体实施方式，所述热交换器采用机械加工方式进行一体化制造。
根据本发明的一种具体实施方式，所述热交换器采用焊接、铸造等方式制造。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供的用于准分子激光器的热交换器能够提高热交换器的散热性能，降低热交换器阻力，提高腔内气流速度，改善放电区域速度均匀性，从而改善高压放电稳定性和提高能量转换效率。
附图说明
图1为准分子激光器放电腔的剖面图；
图2为本发明的热交换器的外视图；
图3为本发明的热交换器的剖面图；
图4a～图4d为本发明的热交换器的环形肋外径变化的剖面图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，准分子激光器放电腔主要由密封腔体1、放电电极2、风机系统3和热交换器4组成。
其中，热交换器4用于冷却放电腔内的高速循环气体，将气体温度控制在合理范围，从而保证激光器具有较高的能量转换效率。
如图2所示，本发明提供的热交换器由冷却管道5、多个肋片6和两个端法兰7组成。冷却管道6是一个用于容纳循环冷却水的中空管道，包括由铜或不锈钢等金属材料组成的管壁，多个肋片6固定设置于冷却管道5的管壁的外侧，并与管壁垂直设置，用于增大气侧换热面积。两个端法兰7设置于管道5的两端，用于热交换器的安装固定。
根据本发明，冷却管道5的管壁的截面呈椭圆形，多个肋片6围绕管道5的管壁垂直设置。
根据本发明的具体实施方式，肋片6是一种环形片，环形片的主平面与管壁的圆周面垂直，环形的内周侧与管道的管壁外缘相吻合，其外周侧呈现圆形。
特别地，根据本发明，所述多个肋片6的外周侧的直径(下称外径)沿管道5的轴向变化，即位于管道5的两侧的外径较小，中间区域的外径较大。
准分子激光器放电腔内气体在中间区域流速快、边缘流速慢，相应地热交换器中间区域局部对流换热系数较高，边缘处局部对流换热系数较低。根据本发明，所述变外径设计可以增加热交换器中间区域换热面积的权重，从而提高热交换器的换热性能；同时也增加了中间区域的流动阻力，降低该区域的流速，使得放电腔内气体的流速更加均匀。
如图3所示，所述冷却管道5的横截面是一个椭圆形，设该椭圆的长半轴为a，短半轴为b，本发明要求1≤a∶b≤6，优选为采用2≤a∶b≤4。
椭圆形管道由于接近流线型，能够减小气侧驻点区域和尾迹区域，从而显著降低流动阻力，提高对流换热系数。实践证明，相对于圆管，椭圆管的气侧流动阻力可降低15％～30％，对流换热系数可提高10％～20％。
肋片6在特殊情况下(如a∶b数值较大时)也可以采用椭圆环形肋片或矩形肋，即其外周呈现椭圆或矩形。
如图4所示，肋片6外径的变化方式主要有(但不限于)多级阶跃式(图4a)和渐变式(图4b、图4c、图4d)。具体应用时可根据散热性能、阻力特性以及加工成本等进行选择。
热交换器的冷却管道5、肋片6以及端法兰7优选为采用同种金属材料，以免由于热膨胀系数不同而产生热应力，从而损坏热交换器，一般选用铜、不锈钢等金属材料，为防止放电腔内的气体对热交换器产生腐蚀作用，其外表面可以镀镍，最好采用机械加工方式进行一体化制造，为降低成本，也可以采用焊接等方式制造。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于准分子激光器的热交换器，其特征在于，所述热交换器的冷却管道采用椭圆管，且所述热交换器的环形肋外径沿所述热交换器的主轴方向变化。
2.如权利要求1所述用于准分子激光器的热交换器，其特征还在于，所述热交换器的环形肋外径沿所述热交换器的主轴方向变化具体为，两端外径较小，中间区域外径较大。
3.如权利要求2所述用于准分子激光器的热交换器，其特征还在于，所述热交换器的环形肋外径沿所述热交换器的主轴方向变化的方式为多级阶越式或渐变式。
4.如权利要求2所述用于准分子激光器的热交换器，其特征还在于，所述热交换器的环形肋为圆形肋片、椭圆形肋片或矩形肋片。
5.如权利要求1所述用于准分子激光器的热交换器，其特征还在于，所述椭圆管的横截面长半轴为a，短半轴为b，且长半轴和短半轴的长度比例为1≤a∶b≤6。
6.如权利要求1所述用于准分子激光器的热交换器，其特征还在于，所述热交换器的各部分采用相同的材料。
7.如权利要求6所述用于准分子激光器的热交换器，其特征还在于，所述热交换器的材料为铜或不锈钢。
8.如权利要求1所述用于准分子激光器的热交换器，其特征还在于，所述热交换器的表面镀镍。
9.如权利要求1所述用于准分子激光器的热交换器，其特征还在于，所述热交换器采用机械加工方式进行一体化制造。
10.如权利要求1所述用于准分子激光器的热交换器，其特征还在于，所述热交换器采用焊接、铸造等方式制造。
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