JP2003188441A - Solar beam direct excitation laser oscillator - Google Patents

Solar beam direct excitation laser oscillator

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JP2003188441A JP2001380576A JP2001380576A JP2003188441A JP 2003188441 A JP2003188441 A JP 2003188441A JP 2001380576 A JP2001380576 A JP 2001380576A JP 2001380576 A JP2001380576 A JP 2001380576A JP 2003188441 A JP2003188441 A JP 2003188441A
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laser rod
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sunlight
excitation
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Minoru Mizuno
実 水野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solar beam direct excitation laser oscillator which conducts thermal control by circulating a coolant to a laser rod as a laser oscillation medium. <P>SOLUTION: This solar beam direct excitation laser oscillator is provided with a laser rod 2 composed of a laser oscillation medium for direct oscillation using a solar beam as an excitation beam. The laser rod 2 is provided with a cooling means having a conduit 2B in which the coolant flows to absorb thermal energy released from a laser rod body 2A. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、太陽光を励起光と
して直接レーザー発振を行う太陽光直接励起レーザー発
振装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solar direct excitation laser oscillating device that directly oscillates laser light using sunlight as excitation light.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、宇宙空間エネルギーネットワーク
構築等の一環として、宇宙空間(静止軌道上)に浮遊さ
せた太陽光励起レーザーから直接エネルギー伝送を行う
システムの研究が進められている。特に太陽光直接励起
レーザーは、太陽電池を使用して発電し、送電するエネ
ルギーシステムに比べて、太陽光スペクトルを有効に利
用することができ、また、エネルギー伝送距離が長い等
の利点がある。
2. Description of the Related Art In recent years, as part of the construction of a space energy network, research on a system for directly transmitting energy from a solar light pumped laser suspended in space (in a geostationary orbit) has been underway. In particular, the direct sunlight pumped laser has advantages that it can effectively utilize the sunlight spectrum and has a long energy transmission distance as compared with an energy system that uses a solar cell to generate electricity and transmit electricity.

【0003】太陽光直接励起レーザー発振装置において
は、レーザー変換効率が30%以上で、レーザー出力が
100kW以上の高出力が目標とされている。この目標
を実現させるためには、高効率で、かつ、10kW以上
の出力が得られるレーザー材料が要求される。従来の固
体レーザー材料としてはNd:YAG結晶やYb:YA
G結晶等が存在するが、例えば、Nd:YAG結晶は太
陽光スペクトルのごく一部の範囲しか吸収しないため
に、エネルギー効率が5〜6%程度であり、さらに、Y
b:YAG結晶は10kW以上の高出力固体レーザー用
結晶としては有望であるものの、集光効率を上げるため
のクラッド構造の最適化等各種課題の解決が必要とな
る。
In the solar direct excitation laser oscillating device, a laser conversion efficiency of 30% or more and a high laser output of 100 kW or more are targeted. In order to achieve this goal, a laser material with high efficiency and an output of 10 kW or more is required. Conventional solid-state laser materials include Nd: YAG crystal and Yb: YA
G crystals and the like exist, but for example, Nd: YAG crystals have an energy efficiency of about 5 to 6% because they absorb only a small part of the sunlight spectrum, and further, Y
Although the b: YAG crystal is promising as a crystal for a high-power solid-state laser with a power of 10 kW or more, it is necessary to solve various problems such as optimization of the clad structure for increasing the light collection efficiency.

【0004】一方、従来の高出力用のレーザー材料に限
らず、今後、太陽光直接励起レーザー発振装置のレーザ
ーロッドに使用されるレーザー発振媒体の材料において
は、励起エネルギーによってレーザー発振媒体が加熱さ
れてその温度が高くなるために、熱膨張差の発生や内部
応力による屈折率の変化に基づいて、光学的に凸レンズ
の性質を持つ熱レンズ効果等の放熱現象が生じる。
On the other hand, not only the conventional high output laser material but also the material of the laser oscillation medium used for the laser rod of the direct sunlight excitation laser oscillation device in the future, the laser oscillation medium is heated by the excitation energy. As a result, a heat dissipation phenomenon such as a thermal lens effect having an optically convex lens characteristic occurs due to a difference in thermal expansion and a change in refractive index due to internal stress.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上述のように、太陽光
直接励起レーザー発振装置においては、高出力が要求さ
れるために、レーザー発振媒体からの廃熱を制御し、適
切な発振温度に維持させることが重要となり、特に宇宙
空間におけるレーザーロッドの熱制御を適切に行わなけ
ればならないという課題がある。
As described above, in the direct sunlight pumped laser oscillator, a high output is required. Therefore, waste heat from the laser oscillation medium is controlled to maintain an appropriate oscillation temperature. This is important, and there is a problem in that thermal control of the laser rod must be properly performed especially in outer space.

【0006】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、レーザー発振媒体であるレーザーロッドに冷媒循環
をさせることによって熱制御を行う太陽光直接励起レー
ザー発振装置を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a solar direct excitation laser oscillator which controls heat by circulating a coolant in a laser rod which is a laser oscillation medium. .

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、請求項1に記載した発明は、太陽光を励起光として
直接発振を行うレーザー発振媒体からなるレーザーロッ
ドを備えた太陽光直接励起レーザー発振装置であって、
前記レーザーロッドには、該レーザーロッドより放出さ
れる熱エネルギーを吸収するための冷媒を用いた冷却手
段を有することを特徴とする。この太陽光直接励起レー
ザー発振装置によれば、冷却手段によってレーザーロッ
ドの温度は、極度の高温となることが抑えられ、ある一
定温度に保たれる。
In order to solve the above-mentioned problems, the invention described in claim 1 is directed to direct sunlight excitation provided with a laser rod made of a laser oscillation medium that directly oscillates using sunlight as excitation light. A laser oscillator,
The laser rod is characterized by having a cooling means using a coolant for absorbing thermal energy emitted from the laser rod. According to this direct sunlight excitation laser oscillation device, the temperature of the laser rod is kept from reaching an extremely high temperature by the cooling means and is kept at a certain constant temperature.

【0008】請求項2記載した発明は、前記レーザーロ
ッドは、レーザーロッド本体と、該レーザーロッド本体
を内部に配置する管体とを備えてなり、前記冷却手段が
前記レーザーロッド本体と前記管体との間に形成される
管路に冷媒を流通させることを特徴とする。この太陽光
直接励起レーザー発振装置によれば、レーザー発振媒体
と冷媒が直接接触するので、レーザー発振媒体から放出
される熱エネルギーは効率良く冷媒へ伝達される。
According to a second aspect of the present invention, the laser rod comprises a laser rod body and a tube body in which the laser rod body is arranged, and the cooling means includes the laser rod body and the tube body. It is characterized in that the refrigerant is circulated in a pipe line formed between and. According to this direct sunlight excitation laser oscillation device, the laser oscillation medium and the refrigerant come into direct contact with each other, so that the heat energy emitted from the laser oscillation medium is efficiently transferred to the refrigerant.

【0009】請求項3記載した発明は、前記冷却手段
は、前記レーザーロッドの内部に、該レーザーロッドの
軸線方向に位置させて管路を配設し、該管路に冷媒を流
通させることを特徴とする。この太陽光直接励起レーザ
ー発振装置によれば、レーザー発振媒体と冷媒が直接接
触するので、レーザー発振媒体から放出される熱エネル
ギーは効率良く冷媒へ伝達される。
According to a third aspect of the present invention, the cooling means arranges a pipe line inside the laser rod so as to be positioned in the axial direction of the laser rod, and causes a refrigerant to flow through the pipe line. Characterize. According to this direct sunlight excitation laser oscillation device, the laser oscillation medium and the refrigerant come into direct contact with each other, so that the heat energy emitted from the laser oscillation medium is efficiently transferred to the refrigerant.

【0010】請求項4記載した発明は、前記冷媒は、太
陽光スペクトルの吸収阻害物質であることを特徴とす
る。この太陽光直接励起レーザー発振装置によれば、太
陽光は冷媒で吸収されにくくなり、レーザー発振媒体に
効率良く到達する。
The invention described in claim 4 is characterized in that the refrigerant is an absorption inhibitor of sunlight spectrum. According to this direct sunlight excitation laser oscillation device, sunlight is less likely to be absorbed by the refrigerant and efficiently reaches the laser oscillation medium.

【0011】請求項5記載した発明は、前記冷媒に蓄積
された熱エネルギーを放出するためのラジエーターを備
えることを特徴とする。この太陽光直接励起レーザー発
振装置によれば、レーザー発振媒体から放出された熱エ
ネルギーは、冷媒を介してラジエーターに伝達し、外部
に放出される。
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a radiator for releasing the thermal energy accumulated in the refrigerant. According to this sunlight direct excitation laser oscillation device, the heat energy emitted from the laser oscillation medium is transmitted to the radiator via the refrigerant and is emitted to the outside.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】以下、本発明の第1の実施形態に
ついて図示例に基づいて説明する。図1に示すように、
宇宙空間に設けられた太陽光直接励起レーザー発振装置
1は、レーザー発振媒体である複数のレーザーロッド2
と、レーザーロッド2の周囲を取り囲むクラッド3と、
太陽光を集光してレーザーロッド2の先端に入射させる
フレネルレンズ4と、励起されたレーザーを収束させ、
かつ、外部へ伝送させる収束・伝送部5とを備えてい
る。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. As shown in Figure 1,
The solar direct excitation laser oscillating device 1 provided in outer space is composed of a plurality of laser rods 2 which are lasing media.
And a cladding 3 surrounding the laser rod 2,
Fresnel lens 4 that collects sunlight and makes it incident on the tip of laser rod 2 and converges the excited laser,
Further, it is provided with a converging / transmitting unit 5 for transmitting to the outside.

【0013】クラッド3は、この例では、プラスチック
製であり、順次例示する各部材の仕様を持って100k
Wのレーザー出力を得るように考慮されており、このク
ラッド3の形状は、外径Dが約1m、長さLが約20m
寸法の円筒である。クラッド3の内壁には入射太陽光を
トラップするための反射コート(反射率約99%)が施
されている。クラッド3の内部には、レーザーロッド2
が10〜100本程度、空間に固定された状態で格納さ
れている。
The clad 3 is made of plastic in this example, and has a specification of each member illustrated in order, and is 100 k.
The clad 3 is designed to have a laser output of W. The outer diameter D is about 1 m and the length L is about 20 m.
It is a cylinder of dimensions. The inner wall of the clad 3 is provided with a reflection coat (reflectance of about 99%) for trapping incident sunlight. Inside the clad 3, the laser rod 2
10 to 100 are stored in a fixed state in the space.

【0014】図2に示すように、レーザーロッド2は、
レーザーロッド本体2Aと、該レーザーロッド本体2A
を囲むように設けられた管体2Cとからなり、該管体2
Cとレーザーロッド本体2Aとの空間は、冷媒の流路と
なる管路2Bとなっている。レーザーロッド本体2A
は、ガラスや結晶等で形成されており、この例では、外
径dは約1mm、長さLはクラッド3と同一長さの約2
0mである。
As shown in FIG. 2, the laser rod 2 is
Laser rod body 2A and laser rod body 2A
And a tubular body 2C provided so as to surround the
The space between C and the laser rod main body 2A is a conduit 2B that serves as a coolant flow path. Laser rod body 2A
Are formed of glass, crystals, or the like. In this example, the outer diameter d is about 1 mm, and the length L is about 2 mm, which is the same length as the cladding 3.
It is 0m.

【0015】管路2B内を流動させる冷媒には、太陽光
スペクトルの吸収阻害物質、即ち、太陽光の吸収が少な
い特性を有する流体が選ばれ、例えば、アンモニアが使
用される。管路2Bの両端には、冷媒が循環するように
冷媒管6が接続されており、冷媒管6の中間には、冷媒
を循環させるポンプ7と、冷媒に蓄積された熱エネルギ
ーを宇宙空間へ放出するために、展開型のラジエーター
8が設けられている。ラジエーター8は、表面積が片側
約300m2のアルミニウム製放熱板を2枚有しており、
各放熱板の表裏両面から放熱を行う。なお、図1におい
ては、レーザーロッド2が一本しか記載されていない
が、上述のように、実際はレーザーロッド2はクラッド
3内に複数設けられており、その全てが冷媒管6へ接続
されている。
As the refrigerant flowing in the pipe 2B, an absorption inhibitor of the sunlight spectrum, that is, a fluid having a characteristic of little absorption of sunlight is selected, and for example, ammonia is used. A refrigerant pipe 6 is connected to both ends of the pipeline 2B so that the refrigerant circulates. In the middle of the refrigerant pipe 6, a pump 7 that circulates the refrigerant and thermal energy stored in the refrigerant are transferred to outer space. A deployable radiator 8 is provided for release. The radiator 8 has two aluminum heat sinks each having a surface area of about 300 m 2 on one side.
Heat is radiated from both front and back sides of each heat sink. Although only one laser rod 2 is shown in FIG. 1, a plurality of laser rods 2 are actually provided in the cladding 3 as described above, and all of them are connected to the refrigerant pipe 6. There is.

【0016】次に、上記図示例の作用について説明す
る。フレネルレンズ4にて集光された太陽光は、クラッ
ド3に入射して、クラッド3内部に配置されたレーザー
ロッド2に吸収され、レーザーが励起される。進行方向
に対して傾斜角をもって入射した太陽光は、クラッド3
内部においてはほとんど吸収されずに、縦横に遊動す
る。レーザーロッド2を一旦透過した太陽光はクラッド
3の内壁で反射され、再びレーザーロッド2へ入射す
る。この動作間で繰り返しレーザーが励起され、太陽光
は最終的に減衰してほぼ全てがレーザーに変換される。
Next, the operation of the illustrated example will be described. The sunlight collected by the Fresnel lens 4 enters the cladding 3, is absorbed by the laser rod 2 arranged inside the cladding 3, and the laser is excited. The sunlight incident at an inclination angle to the traveling direction is clad 3
In the interior, it is hardly absorbed and floats vertically and horizontally. The sunlight once transmitted through the laser rod 2 is reflected by the inner wall of the clad 3 and is incident on the laser rod 2 again. During this operation, the laser is repeatedly excited and the sunlight is finally attenuated and almost all is converted to laser.

【0017】発振されたレーザーは、レーザー出力部に
設けられた収束・伝送部5に入射して、不図示の補正マ
イクロレンズ、もしくはホログラフィック光学系にて平
行度の高いレーザーに補正され、ミラーに集束されて地
上に伝送される。
The oscillated laser is incident on the converging / transmitting unit 5 provided at the laser output unit, and is corrected to a highly parallel laser by a correction microlens (not shown) or a holographic optical system, and is mirrored. It is focused on and transmitted to the ground.

【0018】レーザー出力に変換される以外の太陽光エ
ネルギーは、レーザー発振媒体であるレーザーロッド本
体2Aから熱エネルギーとして放出される。このときレ
ーザー変換効率を30%とすると、全てのレーザーロッ
ド2からの総放熱量は約230kWである。放出された
熱エネルギーは、レーザーロッド本体2Aに直接接触し
ながらレーザーロッド2内を貫流する冷媒に吸収され、
熱輸送される。冷媒はポンプ7によって冷媒管6内を循
環されており、冷媒がレーザーロッド2内を通過して吸
収した熱エネルギーは、ラジエーター8にて宇宙空間へ
放出される。
The solar energy other than that converted into the laser output is emitted as heat energy from the laser rod body 2A which is a laser oscillation medium. At this time, when the laser conversion efficiency is 30%, the total heat radiation amount from all the laser rods 2 is about 230 kW. The released thermal energy is absorbed by the refrigerant flowing through the laser rod 2 while directly contacting the laser rod body 2A,
Heat is transported. The coolant is circulated in the coolant pipe 6 by the pump 7, and the heat energy absorbed by the coolant passing through the laser rod 2 is released to the outer space by the radiator 8.

【0019】このように、使用されるレーザーロッド2
の本数が10〜100本であり、総放熱量が230kW
の場合、レーザーロッド温度は1000〜1500K程
度となるが、本実施形態の冷媒循環によって、レーザー
ロッド温度は310K以下に維持される。
Thus, the laser rod 2 used
Is 10 to 100, and the total heat dissipation is 230 kW
In this case, the laser rod temperature is about 1000 to 1500K, but the laser rod temperature is maintained at 310K or less by the refrigerant circulation of the present embodiment.

【0020】図3は、本発明の第2の実施の形態を示す
図であり、本図中において、図2と同一構成のものに
は、同一の符号を付している。本実施形態における太陽
光直接励起レーザー発振装置1では、基本的な構成は図
1に示す第1の実施の形態と同様であるが、レーザーロ
ッド2は、レーザーロッド本体2Aと、該レーザーロッ
ド本体2Aの内部に、軸線方向に向けて配設された、冷
媒が流通させられる管路2Bからなる。
FIG. 3 is a diagram showing a second embodiment of the present invention. In the figure, the same components as those in FIG. 2 are designated by the same reference numerals. In the direct sunlight pumped laser oscillator 1 according to the present embodiment, the basic configuration is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 1, but the laser rod 2 includes a laser rod body 2A and the laser rod body. 2A, a pipe line 2B, which is arranged in the axial direction and through which the refrigerant flows, is formed.

【0021】本実施形態の太陽光直接励起レーザー発振
装置1は、レーザーロッド本体2Aからの放熱を、管路
2Bを循環する冷媒が吸収するものであるが、この種の
太陽光直接励起レーザー発振装置1においても、第1の
実施の形態と同様の作用・効果が奏される。
In the solar direct excitation laser oscillating device 1 of this embodiment, the heat radiated from the laser rod body 2A is absorbed by the refrigerant circulating in the pipe 2B. Also in the device 1, the same actions and effects as those of the first embodiment are exhibited.

【0022】なお、本発明は上記実施形態に限定される
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において
種々の変更も加え得ることは勿論である。例えば、冷媒
として使用される物質はアンモニアに限定するものでは
ない。冷媒として使用可能な物質は、水、メチルアルコ
ール、ハイドロフルオロカーボン(HFC−152
等)、または、種々の原料で構成される不凍液等があ
る。さらに、上記の実施の形態においては、各種部材の
寸法や仕様値等を例示したが、上記の数値に限られるこ
となく、適宜選択が可能である。
The present invention is not limited to the above embodiment, and it goes without saying that various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, the substance used as the refrigerant is not limited to ammonia. Substances that can be used as refrigerants are water, methyl alcohol, hydrofluorocarbons (HFC-152
Etc.) or an antifreeze solution composed of various raw materials. Furthermore, in the above-described embodiment, the dimensions, specification values, and the like of various members are illustrated, but the present invention is not limited to the above numerical values, and can be appropriately selected.

【0023】[0023]

【発明の効果】以上説明したように、請求項1に記載し
た発明によれば、冷媒を使用した冷却手段によってレー
ザーロッドの温度は極度の高温となることが抑えられる
ので、クラッド温度もほぼ同程度の温度に保つことが可
能となる。
As described above, according to the invention described in claim 1, the temperature of the laser rod can be prevented from becoming an extremely high temperature by the cooling means using the refrigerant, so that the cladding temperature is almost the same. It is possible to maintain the temperature at a certain level.

【0024】請求項2または3に記載した発明によれ
ば、レーザー発振媒体と冷媒が直接接触するので、レー
ザー発振媒体から放出される熱エネルギーを効率良く冷
媒へ伝達することが可能となる。
According to the invention described in claim 2 or 3, since the laser oscillation medium and the refrigerant are in direct contact with each other, it is possible to efficiently transfer the heat energy emitted from the laser oscillation medium to the refrigerant.

【0025】請求項4に記載した発明によれば、太陽光
エネルギーは、冷媒で吸収されにくくなり、レーザー発
振媒体において効率良く吸収されることが可能となる。
According to the invention described in claim 4, sunlight energy is less likely to be absorbed by the refrigerant, and can be efficiently absorbed in the laser oscillation medium.

【0026】請求項5に記載した発明によれば、レーザ
ー発振媒体から放出された熱エネルギーは、冷媒を介し
てラジエーターに伝達して外部に放出されるので、冷媒
を循環させることが可能となる。
According to the invention described in claim 5, the thermal energy emitted from the laser oscillation medium is transmitted to the radiator via the refrigerant and is emitted to the outside, so that the refrigerant can be circulated. .

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 本発明の太陽光直接励起レーザー発振装置の
実施形態を示す概略図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of a direct sunlight excitation laser oscillation device of the present invention.

【図2】 本発明のレーザーロッドの第1の実施形態を
示す斜視図である。
FIG. 2 is a perspective view showing a first embodiment of a laser rod of the present invention.

【図3】 本発明のレーザーロッドの第2の実施形態を
示す斜視図である。
FIG. 3 is a perspective view showing a second embodiment of the laser rod of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 太陽光直接励起レーザー発振装置 2 レーザーロッド 2A レーザーロッド本体 2B 管路 2C 管体 7 ラジエーター 1 Solar direct excitation laser oscillator 2 laser rod 2A Laser rod body 2B pipeline 2C tube 7 radiator

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 太陽光を励起光として直接発振を行うレ
ーザー発振媒体からなるレーザーロッドを備えた太陽光
直接励起レーザー発振装置であって、 前記レーザーロッドには、該レーザーロッドより放出さ
れる熱エネルギーを吸収するための冷媒を用いた冷却手
段を有することを特徴とする太陽光直接励起レーザー発
振装置。
1. A direct sunlight excitation laser oscillating device comprising a laser rod made of a laser oscillation medium that directly oscillates with sunlight as excitation light, wherein the laser rod has heat emitted from the laser rod. A solar direct excitation laser oscillation device having a cooling means using a refrigerant for absorbing energy.
【請求項2】 前記レーザーロッドは、レーザーロッド
本体と、該レーザーロッド本体を内部に配置する管体と
を備えてなり、前記冷却手段が前記レーザーロッド本体
と前記管体との間に形成される管路に冷媒を流通させる
ことを特徴とする請求項1記載の太陽光直接励起レーザ
ー発振装置。
2. The laser rod comprises a laser rod body and a tube body inside which the laser rod body is arranged, and the cooling means is formed between the laser rod body and the tube body. The solar light directly excited laser oscillation device according to claim 1, wherein a refrigerant is circulated through the pipeline.
【請求項3】 前記冷却手段は、前記レーザーロッドの
内部に、該レーザーロッドの軸線方向に位置させて管路
を形成し、該管路に冷媒を流通させることを特徴とする
請求項1記載の太陽光直接励起レーザー発振装置。
3. The cooling means forms a pipe line inside the laser rod in the axial direction of the laser rod, and causes a refrigerant to flow through the pipe line. Directly pumped laser oscillator of sunlight.
【請求項4】 前記冷媒は、太陽光スペクトルの吸収阻
害物質であることを特徴とする請求項1から3のいずれ
かに記載の太陽光直接励起レーザー発振装置。
4. The direct sunlight pumped laser oscillation device according to claim 1, wherein the refrigerant is an absorption inhibitor of sunlight spectrum.
【請求項5】 前記冷媒に蓄積された熱エネルギーを放
出するためのラジエーターを備えることを特徴とする請
求項1から4のいずれかに記載の太陽光直接励起レーザ
ー発振装置。
5. The direct sunlight pumped laser oscillation device according to claim 1, further comprising a radiator for releasing thermal energy accumulated in the refrigerant.
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