DE2234034C3

DE2234034C3 - Mechanically driven gas dynamic laser

Info

Publication number: DE2234034C3
Application number: DE19722234034
Authority: DE
Inventors: Wolfgang 8941 Trunkelsberg Baeuml; Hans Dr. 8033 Krailling Opower
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-07-11
Filing date: 1972-07-11
Publication date: 1975-03-06
Also published as: DE2234034B2; DE2234034A1

Description

^KcherTaser ist mit AIAA-Journal, Vol. 10, No 4 Seiten 394—400 beschrieben. Dabei wird als Kompressor ein Turboverdichter verwendet, als Arbeitsgas dient ein Gemisch aus Stickstoff und Kohlendioxyd. . .^ KcherTaser is with AIAA Journal, Vol. 10, No. 4 pages 394-400. A turbo compressor is used as the compressor The working gas is a mixture of nitrogen and carbon dioxide. . .

Für einen praktischen Einsatz derartiger Laser ist es erforderlich, d?.ß iin hoher Wirkungsgrad mit einfachen technischen Mitteln erreicht wird. Bei dem bekannten Laser expandiert das Arbeitsgas ohne Leistung mechanischer Arbeit in den Diffuse; Dadurch wird nicht der optimale Wirkungsgrad erreicht. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die in dem expandierenden Gas enthaltene Energie noch auszuwerten.For a practical use of such lasers it is necessary to have a high efficiency with simple technical means is achieved. In the known laser, the working gas expands without Performance of mechanical work in the diffuse; Through this the optimum efficiency is not achieved. The present invention is based on the object evaluate the energy contained in the expanding gas.

Diese Aufgabe wird dadurch gelost, daß das Arbeitsgas /wischen zwei Kolben eingeschlossen ist, die mit verschiedener Frequenz relativ zueinander hin und herbeweglich angetrieben sind, daß in dem die Kolben aufnehmenden Zylinder zwischen den Kolben eine Trennwand mit einem gesteuerten Verschluß und mit dem Lavaldüsensystem angeordnet ist auf dessen Ausgangsseite der Kolben mit der höheren Frequenz liegt, wobei die Kolben mit je einer Kurbelwelle in Verbindung stehen, deren Drehbewegungen gekoppelt sind.This task is achieved in that the working gas / between two pistons is included, which are driven reciprocally at different frequencies relative to each other that in the the piston receiving cylinder between the piston a partition with a controlled shutter and with the Laval nozzle system is arranged on the output side of the piston with the higher frequency, the pistons are each connected to a crankshaft, the rotational movements of which are coupled.

Die Erhitzung des Gasgemisches, z. B. eines Gemisches aus Stickstoff, Helium und Kohlendioxyd, erfolgt dabei durch eine adiabatische Kompression mit Hilfe des Kolbens auf der Ventilseite der Trennwand bei geschlossenem Ventil.The heating of the gas mixture, e.g. B. a mixture of nitrogen, helium and carbon dioxide, takes place through adiabatic compression with the aid of the piston on the valve side of the partition with the valve closed.

Ein nicht vorveröffentlichter älterer Vorschlag betrifft ein Verf?hren, bei dem das Gas mit Hilfe eines Kolbens in einem Zylinder verdichtet und dadurch erhitzt wird. Die Expansion des Arbeitsgases erfolgt hierbei frei im Arbeitszylinder, nicht in einer Lavaldüse (deutsche Offenlegungsschrift 2 150 251).A not pre-published prior proposal relates to a method in which the gas with the aid of a Piston is compressed in a cylinder and thereby heated. The working gas expands here free in the working cylinder, not in a Laval nozzle (German Offenlegungsschrift 2 150 251).

Mit dem Sender nach der Erfindung wird ein höherer Wirkungsgrad erreicht, als bei den bekannten Maschinen. Der Grund hierfür liegt darin, daß das aus dem Resonatorraum ausströmende Gas an dem auf dieser Seite liegenden Kolben, d. h. an dem zweiten Kolben zusätzlich Arbeit leistet, die dem gesamten Kreislauf zugute kommt. Die daraus resultierende Erhöhung des Wirkungsgrades ist theoretisch verständlich, wenn man den allen Wärmekraftmaschinen als Idealfall zugrundeliegenden Carnof sehen Kreisprozeß betrachtet. Ein diesem Kreisprozeß ähnlicher Prozeß ist auch für periodisch arbeitende gasdynamischc Laser angebbar, da diese infolge der Gleichwertigkeit von elektromagnetischer Strahlungsenergie und mechanischer Arbeit physikalisch als Wärmekraftmaschinen betrachtet werden können.With the transmitter according to the invention, a higher efficiency is achieved than with the known Machinery. The reason for this is that the gas flowing out of the resonator chamber is present the piston on this side, d. H. on the second piston does additional work that the benefits the entire cycle. The resulting increase in efficiency is theoretical Understandable if one considers Carnof, on which all heat engines are ideally based see circular process considered. A process similar to this circular process is also for periodic working gas dynamic lasers can be specified, as these are due to the equivalence of electromagnetic Radiant energy and mechanical work can be viewed physically as heat engines can.

Eine genaue Durchrechnung zeigt, daß bei einer periodisch arbeitenden Maschine mit zusätzlicher Arbeitsleistung des Gases und anschließender Kompression der bei einmaligem Abströmen des Gases erreichte Wirkungsgrad um einen Faktor gesteigert werden kann, der von der Anfangs- und der End-An exact calculation shows that with a periodically working machine with additional Work performance of the gas and subsequent compression of the gas with a single outflow achieved efficiency can be increased by a factor that depends on the initial and final

ί "mperatur bestimmt v/ird, wobei im Idealfall, ähnlich wie bei dem bekannten Carnot-Prozeß, ein Gesamtwirkungsgrad 1 erreicht würde, wenn man gegen den absoluten Nullpunkt arbeiten könnte.ί "temperature determined v / ird, where ideally, similar as with the well-known Carnot process, an overall efficiency of 1 would be achieved if one could work against absolute zero.

Um beim erfindungsgemäßen Laser eine vorteilhafte Verschiedenheit der Arbeitsvolumina zu erreichen, ist entweder der Hub der beiden Kolben voneinander verschieden ausgeführt oder die Kolben und die zugehörigen Zylinderteile des Zylinders haben verschiedene Durchmesser. Die Kolbenfrequenzen verhalten sich vorzugsweise wie 1 : 2.In order to achieve an advantageous difference in the working volumes with the laser according to the invention, either the stroke of the two pistons is different from each other or the pistons and the associated cylinder parts of the cylinder have different diameters. The piston frequencies behave preferably like 1: 2.

Zur Sicherung des Arbeitsablaufs beim Betrieb des Lasers sind die Kolben bzw. die Kurbelwellen vorzugsweise so gekoppelt, daß der langsame Kolben in einem Totpunkt steht, während der andere Kolben in Drehrichtung der Kurbelwelle gesehen, aus der inneren Totpunktlage um 90° versetzt ist.The pistons or the crankshafts are preferably used to secure the workflow when the laser is in operation coupled so that the slow piston is in a dead center, while the other piston seen in the direction of rotation of the crankshaft, is offset by 90 ° from the inner dead center position.

Es ist vorteilhaft, wenn zwischen den Teilen des Zylinders beiderseits der Trennwand eine Umwegleitung mit gesondert gesteuerten Ventilen zur Erleichterung der Gasrückführung vorgesehen ist.It is advantageous if there is a detour line between the parts of the cylinder on both sides of the partition is provided with separately controlled valves to facilitate gas recirculation.

Zum Betrieb des Lasers ist vorteilhafterweise eine der Kurbelwellen mit einem äußeren Antrieb versehen. Statt diesem kann der Zylinder über die Außenseite des langsamen Kolbens hinaus verlängert as sein und dort den Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors, vorzugsweise eines Dieselmotors, als Antrieb für den Laser bilden.To operate the laser, one of the crankshafts is advantageously provided with an external drive. Instead, the cylinder can be extended beyond the outside of the slow piston and there the combustion chamber of an internal combustion engine, preferably a diesel engine, as a drive for the laser.

Eine Vergrößerung der Leistung ist durch eine Mehrfachanordnung des einzelnen Lasers möglich. Dazu können mehrere Zylinder mit Kolben in der Art eines Boxer-, V- oder Sternmotors um eine der Kurbelwellen als Mittelpunkt angeordnet sein. Eine andere Mehrfachanordnung ergibt sich dadurch, daß die Zylinder mit Kolben zwischen zwei entsprechend der Zylinderzahl gekröpften Kurbelwellen nebeneinander liegen.A multiple arrangement of the individual lasers can increase the power. To do this, several cylinders with pistons in the manner of a boxer, V or radial engine can be fitted around one of the Crankshafts be arranged as the center. Another multiple arrangement results from the fact that the cylinders with pistons between two crankshafts cranked according to the number of cylinders next to each other lie.

In der Zeichnung ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines gasdynamischen Lasers nach der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen dieIn the drawing is a preferred embodiment of a gas dynamic laser according to the invention shown schematically. It show the

Fig. 1 bis 8 den Laser in verschiedenen Stellungen während eines Arbeitszyklus.1 to 8 show the laser in different positions during a working cycle.

In Fig. 1 ist mit 1 der langsamlaufende Kolben und mit 2 der schnellaufende Kolben bezeichnet, die sich in einem Zylinder 3 bewegen. Zwischen den Kolben befindet sich eine Trennwand 4. Diese trägt auf der Seite des Kolbens 1 einen gesteuerten Verschluß 5. Auf der anderen Seite der Trennwand mündet eine Lavaldüse 6. Die Kolben sind mittels Pleueln 7, 8 mit Kurbelwellen verbunden, die ihrerseits über Riemenscheiben 9, 10 und einen Riemen 11 miteinander gekoppelt sind. Zur Sicherstellung der exakten Winkelstellung der Kurbeln zueinander wird hier ein Zahnriemen verwendet. Zum Betrieb des Lasers ist eine der Kurbelwellen mit einem äußeren Antrieb versehen (nicht dargestellt).In Fig. 1, 1 denotes the low-speed piston and 2 denotes the high-speed piston, the move in a cylinder 3. There is a partition 4 between the pistons on the side of the piston 1 a controlled closure 5. On the other side of the partition opens a Laval nozzle 6. The pistons are connected to crankshafts by means of connecting rods 7, 8, which in turn are coupled to one another via pulleys 9, 10 and a belt 11. To make sure A toothed belt is used here for the exact angular position of the cranks to each other. To operation of the laser, one of the crankshafts is provided with an external drive (not shown).

In Fig. 1 befindet sich der Kolben 1 im äußeren Totpunkt. Im weiteren Verlauf, dargestellt in Fig. 2, 3, 4 erfolgt eine Verdichtung des Arbeitsgases und damit eine Erhitzung auf eine Temperatur, die in etwa bei 1200 bis 1300⁰K liegt. Das dafür erforderliche Verdichtungsverhältnis liegt bei etwa 40: 1.In Fig. 1, the piston 1 is in the outer dead center. In the further course, shown in FIGS. 2, 3, 4, the working gas is compressed and thus heated to a temperature which is approximately 1200 to 1300 ^° K. The compression ratio required for this is around 40: 1.

In der Kolbenstellung zwischen den Fig. 4 und 5 wird der gesteuerte Verschluß 5 geöffnet, so daß eine Expansion des Gases durch die Lavaldüse hindurch erfolgen kann. Das aus dieser austretende Gas drückt auf den Kolben 2 und leistet bei der weiteren Expansion an diesem Kolben Arbeit. In Fig. 6 wird der äußere Totpunkt des Kolbens 2 erreicht. Während der Arbeitsleistung an diesem Kolben durchläuft der Kolben 1 seinen inneren Totpunkt.In the piston position between FIGS. 4 and 5 the controlled shutter 5 is opened, so that an expansion of the gas through the Laval nozzle can be done. The gas emerging from this presses on the piston 2 and helps with the further expansion work on this piston. In Fig. 6, the outer dead center of the piston 2 is reached. While the work performed on this piston, the piston 1 passes through its inner dead center.

In den Fig. 7 und 8 drückt der Kolben 2 das expandierende Gas in den Raum unter dem Kolben 1 zurück, ohne dabei eine Verdichtung zu bewirken, da der Kolben 1 sich in dieser Phase in seine äußere Totpunktlage zurückbewegt. Dieses kompressionslose Zurückbefördern des Gases in den Raum unter dern Kolben 1, d. h. in seinen Ausgangsraum, ist dann gewährleistet, wenn dabei eine Volumenänderung nicht eintritt. Dieses wird erreicht, wenn die Hübe des Kolbens 1 zu Kolben 2 sich wie 1 : cos 45° verhalten.In FIGS. 7 and 8, the piston 2 pushes the expanding gas into the space below the piston 1 back without causing compression, since the piston 1 is in its outer position in this phase Dead center moved back. This compression-free return of the gas into the space below Piston 1, d. H. in its initial space is guaranteed if there is a change in volume does not occur. This is achieved when the strokes of piston 1 to piston 2 are 1: cos 45 °.

In Fig. 8 erreicht der Kolben 2 den inneren Totpunkt und das Ventil 5 wird geschlossen.In Fig. 8 the piston 2 reaches the inner dead center and the valve 5 is closed.

Das Hubverhältnis von 1 : cos 45° bezieht sich auf einen Zylinder mit, wie in der Zeichnung dargestellt, gleichem Durchmesser für beide Kolben. Abweichend von dieser Bauart können jedoch die Kolben verschiedene Durchmesser erhalten, womit sich das Hubverhältnis entsprechend ändert.The stroke ratio of 1: cos 45 ° refers to a cylinder with, as shown in the drawing, same diameter for both pistons. Notwithstanding this design, however, the Pistons get different diameters, which changes the stroke ratio accordingly.

Der für den gasdynamischen Laser notwendige Resonator ist, da er in seiner Ausbildung von dem Sender nach der Erfindung unabhängig ist, in der Zeichnung nicht dargestellt. Ebenfalls nicht dargestellt ist die bei allen Kolbenkraftmaschinen erforderliche Kühlung.The resonator necessary for the gas dynamic laser is, as it is in its training of the Transmitter according to the invention is independent, not shown in the drawing. Also not shown is the cooling required for all piston engines.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Mechanically driven gas-dynamic laser with a closed circuit of the working gas, in which a compressor is provided, which can compress the working gas and heat it so high that one is needed for laser operation sufficient excitation of the working gas takes place, and in which a Laval nozzle system is provided is, through which the working gas can relax, characterized in that the working gas is enclosed between two pistons (1, 2) operating at different frequencies are driven back and forth movable relative to each other that in which the Ko'ben receiving Cylinder between the piston a partition with a controlled shutter and with the Laval nozzle system is arranged, on the output side of which the piston with the higher frequency is, the pistons are each connected to a crankshaft, the rotational movements of which are coupled.

2. Laser according to claim 1, characterized in that it is a mixture as the working gas of nitrogen, helium and carbon dioxide.

3. Laser according to claim 1 or 2, characterized in that the stroke of the two pistons is different from each other.

4. Laser according to one of claims 1 to 3, characterized in that the pistons (1, 2) and the associated cylinder parts of the cylinder (3) have different diameters.

5. Laser according to one of claims 1 to 4, characterized in that the piston frequencies behave like 1: 2.

6. Laser according to claim 5, characterized in that the pistons or the crankshafts are coupled so that the slow piston is in a dead center, while the other piston (2), viewed in the direction of rotation of the crankshaft, is offset by 90 ° from the inner dead center position.

7. Laser according to one of claims 1 to 6, characterized in that between the parts of the cylinder (3) on both sides of the partition (4) a detour line with separately controlled Valves to facilitate gas recirculation is provided.

8. Laser according to one of claims I to 7, characterized in that to operate the Lasers one of the crankshafts is provided with an external drive.

9. Laser according to one of claims 1 to 7, characterized in that the cylinder (3) is extended beyond the outside of the slow piston (1) and there the combustion chamber an internal combustion engine, preferably a diesel engine, as a drive for the transmitter forms.

10. Laser according to one of claims 1 to 9, characterized in that a plurality of cylinders with pistons in the manner of a boxer, V or radial engine around one of the crankshafts as the center are arranged

11. Laser according to one of claims 1 to 9, characterized in that a plurality of cylinders with piston between two crankshafts cranked according to the number of cylinders next to each other are arranged.

The invention relates to a mechanically driven gas dynamic laser with a closed Circuit of the working gas in which a compressor is provided. which compress the A. working gas and can heat so high that a sufficient stimulation of the aioeitease for the laser operation takes place, and in which a Laval nozzle system is provided through which the working gas