PL157248B1 - Gazowy laser o przeplywie poprzecznymZ gloszen ie ogloszono:17.04.1989 B U P 08/89 PL - Google Patents

Abstract

1. G azow y laser o przeplyw ie poprze- cznym , skladajacy sie ze sprezarki, próznio- szczelnego plaszcza oddzielajacego wnetrze lasera od zew netrznego srodow iska oraz glo- wicy laserow ej zaw ierajacej obszar roboczy, chlodnice i rezo n ato r, znamienny tym, ze pola przekrojów poprzecznych przestrzeni ograni- czajacej przeplyw gazu przez obszar roboczy (1) i chlodnice (2) sa rów ne, przy czym obszar roboczy zaw iera co najm niej jed n a strefe robocza. Fig. 1 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest gazowy laser o przepływie poprzecznym, w którym wykorzystuje się wymuszony poprzeczny w stosunku do osi optycznej lasera i kierunku przepływu prądu elektrycznego przepływ gazu do intensyfikacji wymiany ciepła między nagrzanym w strefie wyładowczej lasera gazem aktywnym i otoczeniem.

Znany laser gazowy o przepływie poprzecznym składa się z głowicy zawierającej strefę roboczą, rezonator oraz ewentualnie chłodnicę, sprężarki lub wentylatora, układu chłodzenia typowo znajdującego się poza głowicą oraz kolan, dyfuzorów, konfuzorów, kierownic lub turbulizatorów, które to zespoły tworzą próznioszczelny, zamknięty kanał przepływowr dla krążącego w nim gazu. Układ chłodzenia stanowi najczęściej jedna, czasem kilka chłodnic, które umieszczone są na drodze przepływającego gazu. Lasery takie przedstawione są między innymi w amerykańskich opisach patentowych o nr nr 3 772 610, 3 886 481, 3 900 804, 4 058 778, 4 500 998 i 4 507 786.

Charakterystyczny cechę znanych laserów jest duża wartość stosunku pól przekrojów poprzecznych kanałów ograniczających przepływ gazu w chłodnicach i strefach roboczych. Stosunek ten zawiera się w granicach od 3 do 5 i wynika z warunku minimmlizacji strat aerodynamicznych kanału przepyywowego lasera. Rozbudowa lasera w celu zwiększenia jego maksymalnej mocy wyjściowej odbywa się drogą powiększania poprzecznych gabarytów strefy roboczej, co z kolei prowadzi do zwiększania chłodnicy oraz wydatku objętośctowegż i mocy sprężarki. Duże wymiary chłodnicy, sprężarki i całego lasera stawiają praktyczne ograniczenia dla zwiększania tą drogę mocy lasera. Głównie jednak, ze względu na wspólny dla wszystkich zespołów lasera zewnętrzny próżnioszczelnr płaszcz oraz podstawę montażową zmiana gabarytów jednego zespołu wymaga gruntownej przebudowy całego układu. Zmniejszeniu tych problmmów sprzyja modυUlrnl konstrukcja niektórych laserów przepisowych, przy czym zhii modυllrność dotyczy połączeń równoległych i polega na powiększaniu pola przekroju przez równoległe zwielokrotnienie wszyst kich modułów. Praktycznie sprowadza się to do równoległego ustawienia dwu lub więcej oddzielnych laserów w taki sposób, ze utworzony jest wspólny rezonator. Niedogodnością takiej modu157'248 larnej budowy laserów jest zwiększenie liczby połączeń wymagających dokładnego, próżnioszczelnego połączenia. Celem wynalazku jest opracowanie nowej bardziej funkcjonalnej konstrukcji laserów nie posiadających wad i ograniczeń laserów znanych.

Istota lasera, według wynalazku, składającego się ze sprężarki, próżnioszczelnego płaszcza oddzielającego wnętrze lasera od zewnętrznego środowiska oraz głowicy laserowej zawierającej obszar roboczy, chłodnicę i rezonator, polega na tym, ze pola przekrojów pop rzecznych przestrzeni ograniczającej przepływ gazu przez obszar roboczy i chłodnicę są równe, przy czym obszar roboczy zawiera co najmniej jedną strefę roboczą.

Korzystnie jest gdy strefy robocze są umieszczone szeregowo wzdłuz przepływu gazu i rozdzielone chłodnicami.

Korzystnym rozwiązaniem jest także wyposażenie głowicy w dodatkowy wewnętrzny kanał ograniczający i ukierunkowujący przepływ gazu roboczego przez hermetyczne zespoły stref roboczych i chłodnic.

Bardzo praktycznym rozwiązanίem jest wykonanie zespołów stref roboczych i chłodnic jako oddzielnych modułów umożliwiających rozbudowę lasera przez łączenie na standaryzowanych kołnierzach zar^ówno równolegle jak i szeregowo.

Podstawy fizyczne wynalazku. W laserze gazowym z szybkim przepływem poprzecznym jednym z podstawowych elementów jest chłodnica, która określa nie tylko parametry energetyczne czyli zdolności wychłodzenia gazu roboczego a przez to i moc wyjściową lasera, lecz także charakterystyki przepychowe kanału czyli parametry sprężarki wymuuzzaącej przepływ gazu. Opierając się na analogii Prandta łączącej ze sobą oba wyżej wymienione parametry można wykapać, że dla efekływnegż wychłodzenia mieszaniny aktywnej lasera molekularnego potrzeba aby współczynnik strat aerodynamicznych chłodnicy był w przybliżeniu nie mniejszy od 4.

W układach zoptymalizowanych będzie on bliski 4. W związku z tym oraz uwzględniając straty aerodynamiczne związane z nagrzewaniem i ochładzamem gazu, otrzymany efektywny współczynnik strat aerod^ynamicznych ^kana^łu pirzep^wowego lasera ^^ff w przeliczeniu na pole ^prze^kroju poprzecznego strefy roboczej równy:

Ipeff = fk + °·⁴³ + ³·² Ak^h gdzie jest współczynnikom strat aerodynamicznych strefy roboczej z uwzględniemem turbuli^ż^atori^w, kierownic, elementów dopasowuj ących itp, a Α^/Α©^/ J®st polem przekroju poprzecznego strefy roboczej /chłodnicy/ lasera. Dotychczas przyjmowano przy projektowaniu, że pole chłodnicy Α©^ jest dużo większe od pola strefy roboczej tak, aby ostatni człon we wzorze na efektywny współczynnik strat aerodynamicznych był do zaniedbania, co minimalizowało straty aerodynamiczne. Zwykle wystercza, aby Α^/Α^ było w zakresie 3 do 5. Wtedy w uoptymalioowanych z punktu widzenia strat aerodynamicznych kanałach przepływowłch można było osiągnąć = 0,75. Odbywało się to jednak kosztem znacznego zwiększenia gabarytów lasera duże chłodnice, długie dyfuzory i elementy dopasowujące, zoptymalizowane kierownice, brak turbulizaoorów oraz przystosowanom do jednego tylko punktu pracy czyli dużą wrażliwością na zmiany, moy y ikacj e. Bardziej realne było osiągnięcie ©^ = 1,5. Optymaaizacja taka ma zasadnicze znaczenia w układach maszyn przepychowych pracujących w energetyce, gdzie występują ogromne przepływy - duże ciśnienia i wydatki objętościowe, prędkości bliskie prędkości dźwięku i każdy procent zwiększenia sprawności ma istotne znaczenie w bilansie energii. żupeł' nie inna Jest sytuacja w kanałach przep^Nowych laserów technologicznych z przepychem poprzecznym. Tutaj charakterystyczne są niskie ciśnienia i stosunkowo niskie prędkości przepływu gazu. Zwiększenie wartości efektywnego współczynnika strat aerodynamicznych odbije się jedynie w niewielkm stopniu na sprawności całego urządzenia. Niewielkie zmniejszenie sprawności wystąpi ze względu na konieczność zwiększenia mocy silnika napędzającego sprężarkę. Teoretyczne oceny wskazują, że w dobrze zaprojekt wwanych laserach gazowych z szybkim przepływem pop rzecznym moc dostarczona do silnika napędzającego sprężarkę Ρ©ρ jest proporcjonalna do mocy wyjściowej lasera P_out i· zależy od prędkości przepisu gazu v w strefie roboczej lasera:

P /P „ = /v/v /² sp* out * ' spz przy czym charakterystyczna prędkość ν©ρ w zależności od konstrukcji lasera przyjmuje wartość

157 248 z przedziału 75 - 230 Jako najbardziej charakterystyczne wartości można przyjąć v = 160 ; dla zoptymalioowanego aerodynamicznie kanału przepychowego z polem przekroju s p s poprzecznego chłodnicy dużo większym od pola przekroju poprzecznego strefy roboczej oraz v = 90 - dla lasera przepywwowego z chłodnicę o polu równym polu strefy roboczej. Jeżeli ^sp s m w przykłaoowym laserze przyjmiemy P = 5 kw oraz v = 40 - to w zależności od zastosowanej konfiguracji kanału przepywwowego moc sil^n^ka napędzającego sprężarkę wynosić będzie 315 rt dla kanału zoptymalzzowanego i 1 kw dla kanału z równymi polami przekrojów poprzecznych strefy roboczej i chłodnicy. Ponieważ moc dostarczona do wyładowania będzie wynosiła około 50 kw ze względu na około 10% sprawności lasera, więc widać, że zwiększenie mocy silnika sprężarki praktycznie nie zmienia całkowitej sprawności lasera, gdyż zmiana o 0,0% leży w granicach błędów pomiarowych.

Pierwszę istotną konsekwencję zastosowania chłodnicy o polu przekroju poprzecznego równym w przybliżeniu polu strefy roboczej jest unifikacja wymiarów poprzecznych kanału.

Prócz łatwości montażu pozwala to uniknąć stosowania specjalnych łęczy dopasowujęcych ze sobę elementy o różnych przekrojach.

Drugę cechę jest znaczne zmniejszenie gabarytów chłodnicy. Dla przykładowego lasera obliczenia optymalnych chłodnic daję:

a/ przy równych polach - długość 12 cm x wysokość 4 cm, b/ przy nierównych polach - długość 60 cm x wysokość 12 cm. Oznacza to, że w pierwszym przypadku można chłodnicę traktować jako element montażowy kanału umieszczony w bezpośredniej bliskości strefy roboczej, tj. w głowicy laserowej. Jeżeli umieścimy chłodnicę przed strefą roboczę to będzie służyć dodatkowo jako turbulizator ujednorodniający pole prędkości gazu, gdyż to można dalej umieścić, a następnę strefę roboczę lasera zwiększyć o moc wyjściowę lasera. W przypadku dużej chłodnicy jest to oczywiście niemożliwe. Spełnienie przez chłodnicę roli turbulizatora ułatwia dalsze zimniejsze nie gabarytów lasera - nie występuje wtedy konieczność optymalnego gazodynamicznie dopasowania elementów kanału przepy^^ego, gdyż dodatkowe strefy aerodynamiczne wprowadzane przez ostre przejścia nie zrląksiαją istotnie całkowitych strat aerodynamicznych, a niejednorodności przepływu generowane przez niedopasowane pouczenia sę wyrównywane w strefie roboczej lasera przez umieszczcnę bezpośrednio przed nię chłodnicę. W efekcie prowadzi to do znacznego zmniejszenia gabarytów lasera, ułatwia stosowanie standardowych elementów, np. rurociągów oraz umożliwia wymienialność podzespołów lasera, np. sprężarki bez wprowadzania zasadniczych zmian w konstrukcji całego urzędzenia.

Trzecię konsekwencję jest realna możliwość zastosowania dwu płaszczy, przy czym kanał wewnnąriny może mieć budowę modułowę umożllwiαJęcą łatwę przebudowę konfiguracji bez wprowadzania jakichkolwiek zmian w zewnętrznym-próżnioszczennym płaszczu lasera. W tym przypadku nie jest oczywiście wymagana próżnicszczelność połęczeń zespołów tworzęcych wewnęąriny kanał zamkniętego obiegu gazu, co dodatkowo ułatwia przebudowę konfiguracci.

Czwartę cechę zaslosowanego kanału przepywwowego z aomlnuJącymi stratami aerodynamicznymi wprowadzanymi przez chłodnicę jest brak wpływu intensywności wyładowania na straty aerodynamiczne, czyli warunki przepływu. W ioptymalitrwanyi gaiodynamlcznle kanale przepływowym zmiana intensywności wyładowania elektrycznego prowadzi do istotnej moOafikacJi dopasowania sprężarki do kanału, co może prowadzić do znacznych zmian prędkości przepływu gazu aktywnego, a przez to do pogorszenia warunków działania lasera. Przy zastosowaniu wyładowania impulsowego z dużę częstotUr/ościę powtarzania impulsów mogę powstać nie pożądane oscylacje.

W laserze z chłodnicę o polu przekroju poprzecznego równym polu strefy roboczej, wpływ zmian intensywności wyładowania elektyycznego jest mni^^^^l-iz^owany, a przy ograniczeniu strefy roboczej lasera z obu stron przez chłodnice lokalżowwany tylko do obszaru strefy roboczej.

Laser według wynalazku pokazano w przykładach wykonania na rysunkach, na któr^y^c:h fig.l, fig.2 i fig.3 przedstawiaję laser posiadający jeden próżnloszczelnr płaszcz, a fig.4, fig.6 i fig.6 laser z podwójnym płaszczem, przy czym laser na fig.l ma jednę strefę roboczę i jednę chłodnicę, a laser na fig.2 i fig.3, ma dwie strefy robocze i po trzy chłodnice, zaś fig.6 przedstawia schematycznie przekrój poprzeczny głowicy lasera.

157 248

Laser z pojedyńczym płaszczem, składa się ze stref roboczych 1, chłodnic 2 i sprężarki 3, które to zespoły tworzę próżnioszczelny kanał przepływowy, zawierający ponadto dwa dyfuzory 4, konfuzor 5, kolano 6 i rurociąg powrotny 7.

Laser z podwójnym płaszczem składa się ze stref roboczych 1, chłodnic 2 oraz sprężarki 3. Zespoły te wraz z kolanami tworzę kanał przepłwwowy dla gazu. Zespoły lasera wchodzęce w skład głowicy zamocowane sę na wysokiej platformie 8 i usytuowane wewnątrz płaszcza zewnętrznego 9. Prózmoszczelny płaszcz 9 podzielony jest przegrodę 10 na dwie części, z których jedna ma wlot gazu, a druga jego wylot do rurociągu łęczącego się ze sprężarką 3.

1

Fig.6

157 248

Fig. 5

Fig.4

157 248

FHj.2

Zakład Wydawnictw UP RP. Nakład 90

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Gazowy laser o przepływie poprzecznym, składający się ze sprężarki, próżnioszczelnego płaszcza oddzielającego wnętrze lasera od zewnętrznego środowiska oraz głowicy laserowej zawierającej obszar roboczy, chłodnicę i rezonator, znamienny tym, ze pola przekrojów poprzecznych przestrzeni ograniczającej przepływ gazu przez obszar roboczy /1/ i chłodnicę /2/ są równe, przy czym obszar roboczy zawiera co najmniej jedną strefę roboczą.
2. 2. Gazowy laser według zastrz. 1, znamienny tym, że strefy robocze /1/ są umieszczone szeregowo w^t^^uż przepływu gazu i rozdzielone chłodnicami /2/.
3. 3. Gazowy laser według zastrz.l, znamienny tym, że w głowicy znajduje się dodatkowy wewnętrzny kanał ograniczający i ukierunkowujący przepływ gazu roboczego przez hermetyczne zespoły stref roboczych /1/ i chłodnic /2/.

   3. Gazowy laser według zastrz.l, znamienny tym, że strefy robocze /1/ i chłodnice /2/ maję budowę modularną umożliwiającą rozbudowę przez łęczenie na standaryzowanych kołnierzach zarówno równolegle jak i szeregowo.