RO119745B1

RO119745B1 - Heat pipe cooling equipment for average power lasers

Info

Publication number: RO119745B1
Application number: RO99-01387A
Authority: RO
Inventors: Marian Duţă; Silviu Andreescu; Vasile Elian
Original assignee: Institutul Naţional De Cercetare-Dezvoltare Şi Încercări Pentru Electrotehnică - Icmet
Priority date: 1999-12-27
Filing date: 1999-12-27
Publication date: 2005-02-28

Abstract

The invention relates to a heat pipe cooling equipment for average power lasers, meant mainly for the machine building industry for cutting-off steel parts. According to the invention, the equipment is used mainly in summer time when the environment temperature exceeds a certain value. The equipment comprises a cooling battery (10) mounted on a vat (3). The battery comprises some plates (13) on whose faces there are mounted some thermoelectric Peltier modules, with a corresponding polarity, having both faces covered with some aluminum radiators (14) which are arranged as a parallelepipedon.

Description

Invenția se referă la un echipament de răcire pentru lasere de medie putere, destinat, în principal, industriei constructoare de mașini, la debitarea pieselor de oțel.The invention relates to a cooling equipment for medium-power lasers, intended mainly for the machine-building industry, for cutting steel parts.

Este cunoscut un sistem de răcire al incintelor laser, care se face cu apă de la rețea, care spală peretele exterior al camerei de accelerare. Apa de răcire nu trebuie să fie prea rece, cu temperatura sub 5’C, pentru a se evita apariția condensului în interiorul camerei de accelerare, dar să nu depășească nici 40°C, deoarece este periclitat procesul de descărcare luminiscentă.A cooling system of the laser enclosures is known, which is made with water from the network, which washes the outer wall of the acceleration chamber. The cooling water should not be too cold, with a temperature below 5'C, to avoid condensation occurring inside the acceleration chamber, but not to exceed 40 ° C, as the luminescent discharge process is jeopardized.

Dezavantajul acestui sistem constă în aceea că este necesară o sursă de apă care să servească la răcirea tubului metalic, deci utilizarea acestor laseri este legată de existența unor surse de apă, deoarece, după ce răcește camera de accelerare, apa este deversată în canal.The disadvantage of this system is that a water source is needed to serve the cooling of the metal tube, so the use of these lasers is related to the existence of water sources, because, after cooling the acceleration chamber, the water is discharged into the channel.

Se mai cunoaște un sistem de răcire pentru laser, prezentat în brevetul RO 61729 pe bază de CO₂-N₂-He de mare putere, regim continuu sau pulsat cu frecvență mare a pulsațiilor, care este compus dintr-un tub metalic, răcit cu apă, prin intermediul unui perete care îl înconjoară, tubul metalic având sudat, la capete, niște inele metalice, pe care sunt prinse cu șuruburi, niște flanșe metalice care închid tubul.Also known is a laser cooling system, presented in patent RO 61729 based on CO ₂ -N ₂ -He of high power, continuous or pulsed mode with high frequency of pulses, which is composed of a metal tube, cooled with water, through a wall that surrounds it, the metal tube having welded, at the ends, some metal rings, which are fastened with screws, some metal flanges that close the tube.

Echipamentul de răcire, conform invemției, înlătură dezavantajele de mai sus, prin aceea că, pe timpul verii, când temperatura mediului ambiant depășește o anumită valoare, se pune în funcțiune o baterie de răcire, montată pe o cuvă, baterie compusă din niște plăci care au, pe fețe, montate cu polaritate corespunzătoare niște module termoelectrice Peltier, care au ambele fețe placate cu niște radiatoare de aluminiu și care sunt așezate în formă de paralelipiped, pentru răcire utilizează apa, care, după ce spală camera de accelerare, intră într-un schimbător de căldură cu tuburi termice unde este răcită între anumite limite impuse și apoi reintrodusă în circuit. Tuburile termice sunt închise la capete și au în interior un fluid de lucru. La evacuarea aerului, înainte de ventilator, se montează niște module termoelectrice Peltier, pentru o răcire mai rapidă.The cooling equipment, according to the invention, removes the above disadvantages, in that, during the summer, when the ambient temperature exceeds a certain value, a cooling battery, mounted on a tank, starts up a battery composed of plates that they have, on the sides, fitted with corresponding polarity some Peltier thermoelectric modules, which have both sides plated with some aluminum radiators and which are placed in parallel form, for cooling they use water, which, after washing the acceleration chamber, enters the a heat exchanger with thermal tubes where it is cooled between certain imposed limits and then reintroduced into the circuit. The thermal tubes are closed at the ends and have a working fluid inside. Upon exiting the air, before the fan, some thermoelectric Peltier modules are installed, for faster cooling.

Avantajul soluției constă în aceea că, pentru funcționare, laserul pentru răcire nu mai are nevoie de sursa de apă independentă, apa fiind stocată într-un rezervor și folosită în circuit închis.The advantage of the solution is that, for operation, the laser for cooling no longer needs the independent water source, the water being stored in a tank and used in the closed circuit.

Se dă, în continuare, un exemplu de realizare, în legătură și cu fig.1 și 2 care reprezintă:The following is an example of an embodiment, in connection with FIGS. 1 and 2, which represents:

- fig.1, circuitul de răcire al laserului;FIG. 1, the cooling circuit of the laser;

- fig.2, detaliu asupra bateriei de răcire cu module termoelectrice Peltier.- Fig. 2, detail on the cooling battery with Peltier thermoelectric modules.

Echipamentul de răcire, conform invenției, se compune dintr-un perete exterior al unei camere 1 de accelerare în jurul căreia, într-o incintă 2, se găsește apă. Apa caldă este trecută într-o cuvă 3 în care sunt montate etanș niște capete evaporator Ș ale unor tuburi 4 termice.The cooling equipment according to the invention is composed of an outer wall of an acceleration chamber 1 around which, in a chamber 2, is water. The hot water is passed into a tank 3 in which some evaporator heads Ș of thermal tubes 4 are sealed.

Niște capete 6 condensator ale tuburilor 4 termice formează condensatorul răcitorului și se găsesc în spațiul interior al unei incinte 11 metalice, pe care se află montat un ventilator 7 care răcește capetele 6 condensator ale tuburilor 4 termice. Energia termică, aflată în apa caldă din cuva 3, este preluată de capetele 5 evaporator ale tuburilor 4 termice și transportată la capetele 6 condensator printr-un ciclu continuu de transfer de masă și schimbare de fază ale fluxului de lucru.Some condenser ends 6 of the thermal tubes 4 form the condenser of the cooler and are located in the interior space of a metal enclosure 11, on which is mounted a fan 7 which cools the condenser ends 6 of the thermal tubes 4. The thermal energy, which is in the hot water in the tank 3, is taken from the ends 5 of the evaporator of the thermal tubes 4 and transported to the ends 6 of the condenser through a continuous cycle of mass transfer and phase change of the workflow.

în acest fel, temperatura apei scade și, prin intermediul unei pompe 8, apa răcită este introdusă într-un rezervor 9 tampon și de aici, înapoi în incinta 2 de răcire a camerei 1 de accelerare.In this way, the water temperature drops and, by means of a pump 8, the cooled water is introduced into a buffer tank 9 and from there, back into the cooling chamber 2 of the acceleration chamber 1.

Pe timp de vară, atunci când temperatura mediului ambiant depășește o anumită valoare impusă de buna funcționare a laserului, se pune în funcțiune o baterie 10 de răcire cu module termoelectrice Peltier în același timp cu o pompă 8 de recirculare a apei. Prin alimentarea modulelor termoelectrice Peltier cu tensiunea și polaritatea corespunzătoare, fețele unorDuring summer, when the ambient temperature exceeds a certain value imposed by the proper functioning of the laser, a cooling battery 10 with Peltier thermoelectric modules is started up at the same time as a water recirculation pump 8. By supplying Peltier thermoelectric modules with the proper voltage and polarity, the faces of some

RO 119745 Β1 plăci 13 port module termoelectrice Peltier, montate în paralelipiped se răcesc, iar cele de la 1 exterior se încălzesc. Pe ambele fețe ale plăcilor 13 cu module termoelectrice Peltier, sunt lipite radiatoare 14 de aluminiu pentru a se efectua un transfer cât mai rapid al căldurii din modulele 3 termoelectrice Peltier la exteriorul acestora, atât în interiorul paralelipipedului, cât și în afara acestuia. 5RO 119745 Β1 plates 13 port Thermoelectric modules Peltier, mounted in parallelipiped are cooled, and those from 1 outside are heated. On both sides of plates 13 with Peltier thermoelectric modules, aluminum radiators 14 are bonded to make the heat transfer from the 3 thermoelectric Peltier modules to the outside as fast as possible, both inside and outside the parallelepiped. 5

Aerul cald împins de ventilatorul 7 trece prin interiorul paralelipipediului, de fapt prin bateria 10 de răcire cu module termoelectrice Peltier, este răcit și condus, în continuare, să ră- 7 ceașcă capetele condensator 6 ale tuburilor 4 termice.The hot air pushed by the fan 7 passes through the inside of the parallelepiped, in fact through the cooling battery 10 with Peltier thermoelectric modules, it is cooled and further driven to cool the cup 7 of the condenser ends 6 of the thermal tubes 4.

Incinta 11 metalică se sprijină pe cuva 3 prin intermediul unor distanțori 12 termoizolanți, 9 pentru a nu avea loc un transfer de căldură direct între cuva 3 și ventilatorul 7.The metal enclosure 11 rests on the vessel 3 by means of heat-insulating spacers 12, 9 so that no direct heat transfer takes place between the vessel 3 and the fan 7.

Tubul 4 termic este un dispozitiv care realizează un transfer eficient de căldură, prin îm- 11 binarea, într-un ciclu închis, a fenomenelor de vaporizare, transport de vapori, condensare și returnare condens ale unui fluid de lucru. Componentele principale ale tubului termic sunt: țeava 13 închisă la ambele capete, structura capilară și fluidul de lucru. încălzind unul din capetele tubului termic se produce vaporizarea fluidului de lucru conținut în structura capilară, vaporii for- 15 mâți îndreptându-se spre capătul mai rece, unde prin condensare, cedează căldura mediului exterior. Condensul se reîntoarce în zona de vaporizare prin structura capilară, ciclul de funcțio- 17 nare reluându-se atâta timp cât se menține o diferență de temperatură, care să poată activa procesul. 19 în stare de repaus, de-a lungul întregii lungimi a tubului termic, fazele lichidă și de vapori ale fluidului de lucru sunt în contact permanent una cu alta. Tubul termic intră în regim de func- 21 ționare atunci când asupra lui este aplicat un flux de căldură, în zona de vaporizare, care apoi este evacuat în zona de condensare. Temperatura și, în consecință, presiunea vaporilor cresc 23 la capătul 5 evaporator și scad la capătul 6 condensator. Acest fapt dă naștere unei diferențe de presiune în spațiul de vapori, care are drept consecință deplasarea vaporilor de la evapo- 25 rator la condensator. Diferența motrice de presiune în vapori este mai mică decât diferența presiunilor de vaporizare ale lichidului, deoarece, pentru a menține o evaporare continuă, presiu- 27 nea de vaporizare a lichidului la evaporator trebuie să fie mai mare decât a vaporilor adiacenți. Similar, pentru a menține continuitatea condensării, presiunea în vaporii care condensează tre- 29 buie să fie mai mare decât presiunea de vaporizare a lichidului adiacent. Ca rezultat al evaporării, interfața lichid-vapori se retrage puțin în structura capilară și astfel, în zona de evaporare, 31 raza de curbură a meniscului scade. Similar, condensarea vaporilor duce la creșterea razei de curbură a meniscului în zona de condensare. Diferența de presiune la interfață menține bilanțul 33 de presiune între vapori și lichid în orice punct de-a lungul tubului lermic. Astfel, la evaporator, datorită faptului că interfața este concavă în raport cu vaporii, presiunea în lichid va fi mai mică 35 decât presiunea în vapori. Pe măsură ce ne apropiem de condensator, concavitatea scade (crește raza de curbură a interfeței) presiunea lichidului tinzând spre presiunea vaporilor, astfel 37 încât la capătul condensatorului cele două presiuni devin egale. Rolul structurii capilare într-un tub termic este tocmai de a furniza un mediu pentru apariția de interfețe curbe între lichid și va- 39 pori, fapt care generează diferența de presiune. Trebuie subliniat că diferența de presiune la interfață este dependentă numai de curbura meniscului, deci de raza porului și de unghiul de 41 contact. Aceste mărimi determină limita superioară a diferenței de presiune la interfață, numită de obicei și presiune capilară. 43Thermal tube 4 is a device that achieves an efficient heat transfer, by combining, in a closed cycle, the phenomena of vaporization, vapor transport, condensation and condensation return of a working fluid. The main components of the thermal tube are: pipe 13 closed at both ends, the capillary structure and the working fluid. By heating one of the ends of the thermal tube, the working fluid contained in the capillary structure is vaporized, the steam formed by 15 heading towards the colder end, where by condensation, the heat of the external environment is transferred. The condensate returns to the vaporization area through the capillary structure, the operating cycle resuming as long as a temperature difference is maintained, which can activate the process. 19 In the resting state, along the entire length of the heat tube, the liquid and vapor phases of the working fluid are in permanent contact with each other. The heat pipe enters operating mode when a heat flow is applied to it, in the vaporization zone, which is then discharged into the condensation zone. The temperature and, consequently, the vapor pressure rise 23 at the evaporator end 5 and decrease at the condenser end 6. This gives rise to a pressure difference in the vapor space, which results in the vapor moving from the evaporator to the condenser. The vapor pressure difference in the vapor is smaller than the vapor pressure difference of the liquid, because, in order to maintain continuous evaporation, the vapor pressure of the liquid in the evaporator must be higher than the adjacent vapor. Similarly, to maintain the continuity of condensation, the pressure in the condensing vapors must be greater than the vaporization pressure of the adjacent liquid. As a result of evaporation, the liquid-vapor interface withdraws slightly into the capillary structure and thus, within the evaporation zone, the radius of curvature of the meniscus decreases. Similarly, the condensation of vapors increases the radius of curvature of the meniscus in the condensation zone. The pressure difference at the interface maintains the pressure balance 33 between the vapor and the liquid at any point along the skin tube. Thus, in the evaporator, due to the fact that the interface is concave in relation to the vapors, the pressure in the liquid will be lower than the pressure in the vapors. As we approach the capacitor, the concavity decreases (the radius of curvature of the interface increases) the pressure of the liquid tending towards the vapor pressure, so that at the end of the capacitor the two pressures become equal. The role of the capillary structure in a thermal tube is precisely to provide an environment for the appearance of curved interfaces between the liquid and the pore, which generates the pressure difference. It should be emphasized that the pressure difference at the interface is dependent only on the curvature of the meniscus, so the pore radius and the angle of contact. These sizes determine the upper limit of the pressure difference at the interface, usually called capillary pressure. 43

Bateria 10 de răcire este construită din patru plăci cu module termoelectrice Peltier, care formează un paralelipiped. Pe timp de vară, atunci când temperatura mediului ambiant depă- 45 șește o anumită valoare impusă de buna funcționare a laserului, se pune în funcțiune bateria de răcire cu module termoelectrice Peltier, în același timp cu pompa de recirculare a apei. Prin 47The cooling battery 10 is made of four plates with Peltier thermoelectric modules, which form a parallelepiped. During summer, when the ambient temperature exceeds a certain value imposed by the proper functioning of the laser, the cooling battery with Peltier thermoelectric modules is activated, at the same time with the water recirculation pump. Through 47

RO 119745 Β1 alimentarea modulelor termoelectrice Peltier cu tensiunea și polaritatea corespunzătoare, fețele plăcilor cu module termoelectrice Peltier aflate în interiorul paralelipipedului se răcesc, iar cele 3 de la exterior se încălzesc.RO 119745 Β1 supplying the Peltier thermoelectric modules with the corresponding voltage and polarity, the faces of the Peltier thermoelectric modules inside the parallelipiped are cooled and the 3 from the outside are heated.

Claims

5 Claim

7 Cooling equipment with thermal tubes for medium power lasers, provided with a tank in which some evaporators with thermal tubes are fitted, characterized in that,

9 during summer, when the ambient temperature exceeds a certain value, a cooling battery (10) is installed, mounted on a tank (3), a battery composed of plates (13) 11 which have polarity-mounted faces suitable for some Peltier thermoelectric modules, which have both sides lined with aluminum radiators (14) and are placed in the shape of 13 parallelepiped.