RU17819U1

RU17819U1 - SOLID LASER THERMOSTABILIZATION SYSTEM

Info

Publication number: RU17819U1
Application number: RU2000126230/20U
Authority: RU
Inventors: Ю.П. Васильев; В.В. Макаров; А.И. Тюрин; Н.Д. Дедкова
Priority date: 2000-10-18
Filing date: 2000-10-18
Publication date: 2001-04-27

Description

СИСТЕМА ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРАSOLID LASER THERMOSTABILIZATION SYSTEM

Полезная модель относится к лазерной технике, а именно, к замкнутым одноконтурным системам принудительного жидкостного охлаждения твердотельных лазеров, предназначена для обеспечения их теплового режима и может быть применена в устройствах, устанавливаемых на транспортные средства, например, используемых в авиации.The utility model relates to laser technology, namely, to closed single-circuit systems of forced liquid cooling of solid-state lasers, designed to ensure their thermal regime and can be used in devices mounted on vehicles, for example, used in aviation.

Современное развитие лазерной техники и особенности применения выдвигают повышенные требования к системам охлаждения твердотельных лазеров с высокими тепловыделениями. Учитывая такие требования, как упрощение конструкции и снижение затрат на изготовление, предпочтение отдается системам принудительного жидкостного охлаждения. При этом для приборов, функционирующих небольшие промежутки времени с большими паузами наибольшей простотой и экономичностью обладают замкнутые одноконтурные системы, в которых возможна циркуляция фильтрующих жидкостей под избыточным давлением.Modern development of laser technology and application features put forward increased requirements for cooling systems of solid-state lasers with high heat dissipation. Given such requirements as simplifying the design and reducing manufacturing costs, preference is given to forced liquid cooling systems. At the same time, for devices that operate for short periods of time with long pauses, closed single-circuit systems in which the circulation of filtering liquids under excessive pressure are most simple and economical.

Известно, что в состав контура таких систем входят емкость с охлаждающей жидкостью, проводящие трубопроводы и нагнетательный элемент, осуществляющий принудительное движение жидкости в контуре, как правило, насос 1 Особенности конструкции таких систем определяются назначением и поставленными задачами.It is known that the composition of the circuit of such systems includes a tank with a coolant, conductive pipelines and a discharge element that performs forced fluid movement in the circuit, as a rule, pump 1. The design features of such systems are determined by the purpose and objectives.

Известна система охлаждения герметичного объекта 2 , которая содержит компенсационную емкость, насос и теплообменник, соединенные в замкнутый контур. ЗамкнутыйA known cooling system of a sealed object 2, which contains a compensation tank, a pump and a heat exchanger connected in a closed loop. Closed

контур включает в себя фильтры, установленные на входе и выходе из охлаждаемого объекта. Для компенсации объемных изменений жидкости компенсационная емкость содержит сильфон, как эластичный элемент. Система обладает надежностью и долговечностью за счет устранения попадания газообразных примесей, образующихся в жидкости во время работы излучателя, и позволяет работать устройству в любом пространственном положении, но при этом установка эластичного элемента, сильфона, усложняет технологию изготовления системы и ее конструкцию, что в целом понижает эффективность такой системы.the circuit includes filters installed at the inlet and outlet of the cooled object. To compensate for volumetric fluid changes, the compensation tank contains a bellows as an elastic element. The system has reliability and durability by eliminating the ingress of gaseous impurities generated in the liquid during operation of the emitter, and allows the device to work in any spatial position, but the installation of an elastic element, bellows, complicates the manufacturing technology of the system and its design, which generally reduces the effectiveness of such a system.

Начиная с середины 70-х годов все чаще в конструкциях отсутствуют сильфоны и другие эластичные элементы, а вместо них используют газовые полости, заполняющие компенсационные емкости таким образом, что попадание газового пузыря в жидкостную охлаждающую магистраль исключается полностью, при этом такие системы более просты в изготовлении и надежны.Since the mid-70s, more and more often there are no bellows and other elastic elements in the structures, and instead of them, gas cavities are used to fill the compensation tanks in such a way that the penetration of a gas bubble into the liquid cooling line is completely eliminated, while such systems are easier to manufacture and reliable.

Известна система 3 , предназначенная для охлаждения потоком жидкости лазерной головки по замкнутому контуру и состоящая из компенсационной емкости с жидкостью, насоса и охлаждаемого лазера. Компенсационная емкость имеет введенные внутрь конечный участок входного патрубка и начальный участок выходного патрубка, а также, по крайней мере, одну перегородку, закрепленную на внутреннем поперечном выступе вытяжной трубы. Перегородка выполнена проницаемой для газа, но непроницаемой для жидкости и ограничивает горизонтальный уровень жидкости в компенсационной емкости, что создает над ней газовый компенсационный объем. Жидкость оказывает давление на перегородку, образовавшиеся в процессе работы установки газовые пузырьки скапливаются в компенсационной емкости и через перегородку и вытяжную трубуA known system 3, designed for cooling by a fluid stream of the laser head in a closed loop and consisting of a compensation tank with liquid, a pump and a cooled laser. The compensation tank has an end portion of the inlet pipe and an initial portion of the outlet pipe inserted inside, as well as at least one partition fixed to the inner transverse protrusion of the exhaust pipe. The partition is made permeable to gas, but impermeable to liquid and limits the horizontal level of the liquid in the compensation tank, which creates a gas compensation volume above it. The liquid exerts pressure on the partition, gas bubbles formed during the operation of the installation accumulate in the compensation tank and through the partition and exhaust pipe

,,

выходят из системы. Таким образсм, такое устройство охлаждения лазера является герметичным для жидкости, но негерметичным для газа.log out of the system. Thus, such a laser cooling device is sealed for liquid, but not sealed for gas.

К достоинствам такой системы относится простота в изготовлении и использование газового компенсационного объема для компенсации объемных расширений жидкости.The advantages of such a system include ease of manufacture and the use of a gas compensation volume to compensate for volumetric expansion of a liquid.

Данная система охлаждения лазера принята за прототип.This laser cooling system is adopted as a prototype.

Недостатком является то, что такое устройство предназначено для работы только в одном пространственном положении.The disadvantage is that such a device is designed to operate in only one spatial position.

Кроме того к недостаткам прототипа можно отнести отсутствие нагревателя и контроля за температурой жидкости и давлением газа в компенсационной емкости, а также отсутствие фильтра для очистки от примесей.In addition, the disadvantages of the prototype include the lack of a heater and control of liquid temperature and gas pressure in the compensation tank, as well as the absence of a filter for cleaning impurities.

Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении надежности и долговременности работы системы в любом пространственном положении при минимизации затрат на изготовление.The problem to which the claimed utility model is directed is to increase the reliability and durability of the system in any spatial position while minimizing manufacturing costs.

Для решения данной задачи необходимо устранить попадание газовых пузырьков к элементам лазера при любом наклоне компенсационной емкости.To solve this problem, it is necessary to eliminate the ingress of gas bubbles to the laser elements for any inclination of the compensation capacitance.

Решение поставленной задачи достигается тем, что используют систему термостабилизации твердотельного лазера, содержащую замкнутый циркуляционный контур для жидкостного хладоносителя, в который последовательно включены компенсационная емкость со встроенной перегородкой и системой входного и выходного патрубков с соответственно конечным и начальным участками внутри емкости и насос.The solution to this problem is achieved by using a thermal stabilization system for a solid-state laser containing a closed circulation circuit for a liquid coolant, in which a compensation tank with a built-in baffle and a system of inlet and outlet pipes with end and initial sections inside the tank and pump, respectively, are connected.

От прототипа заявляемая система отличается тем, что компенсационная емкость выполнена герметичной, а перегородка имеет в центре, по крайней мере, одно отверстие, при этомThe claimed system differs from the prototype in that the compensation capacity is sealed, and the partition has at least one opening in the center, while

начальный участок выходного патрубка располагается по оси компенсационной емкости с началом в центре объема жидкости.the initial section of the outlet pipe is located along the axis of the compensation tank with the beginning in the center of the liquid volume.

Дополнительно система термостабилизации может быть оснащена фильтром, а компенсационная емкость нагревателем и/или датчиком давления, а нагреватель - рабочим и аварийным термодатчиками. При этом перегородка может быть выполнена со сферической выпуклостью в центре относительно зеркала жидкости.Additionally, the thermal stabilization system can be equipped with a filter, and the compensation capacity with a heater and / or a pressure sensor, and the heater with a working and emergency temperature sensors. In this case, the partition can be made with a spherical bulge in the center relative to the liquid mirror.

Сущность заявленной полезной модели заключается в следующем.The essence of the claimed utility model is as follows.

Замкнутый циркуляционный контур с жидкостным хладоносителем позволяет осуществлять непрерывный процесс охлаждения лазера, в котором принудительное движение жидкости осуществляется с помощью насоса. Герметичность компенсационной емкости позволяет располагать систему охлаждения в любом месте транспортного средства, поскольку не происходит выделения в пространство посторонних газовых продуктов (как у прототипа). При этом газовый компенсационный объем, служащий для компенсации объемных изменений жидкости, возникших при изменении температуры, устраняет, попадание газовых пузырей, образующихЬя в жидкости, к элементам лазера, что в результате увеличивает надежность и долговечность системы при снижении затрат на изготовление.A closed circulation circuit with a liquid coolant allows a continuous laser cooling process, in which the forced movement of the liquid is carried out using a pump. The tightness of the compensation capacity allows you to place the cooling system anywhere in the vehicle, since there is no allocation of foreign gas products into the space (as in the prototype). In this case, the gas compensation volume, which serves to compensate for the volumetric changes in the liquid that occurred when the temperature changes, eliminates the penetration of gas bubbles forming in the liquid to the laser elements, which as a result increases the reliability and durability of the system while reducing manufacturing costs.

Выполнение перегородки, по крайней мере, с одним отверстием в центре позволяет перетекать жидкости при больших углах наклона компенсационной емкости в газовый компенсационный объем, при этом расположение начального участка выходного патрубка по оси компенсационной емкости с началом в центре объема жидкости обеспечивает забор хладоносителя из емкости, исключая попадание газовых пузырей на элементы лазера.The implementation of the partition with at least one hole in the center allows fluid to flow at large angles of inclination of the compensation tank into the gas compensation volume, while the location of the initial section of the outlet pipe along the axis of the compensation tank with the beginning in the center of the liquid volume provides the refrigerant from the tank, excluding hit of gas bubbles on laser elements.

в целом получаем надежно работающую систему в любом пространственном положении, что является важным условием для устройств, устанавливаемых на транспортных средствах, особенно авиационных.in general, we get a reliable system in any spatial position, which is an important condition for devices installed on vehicles, especially aircraft.

Дополнительное оснащение системы нагревателем позволяет быстро получать необходимую температуру жидкости.Additional equipment of the system with a heater allows you to quickly get the required fluid temperature.

Датчики температуры обеспечивают терморегулирование жидкости и позволяют предотвратить перегрев в аварийных ситуациях. Причем, при выходе из строя по каким-либо причинам рабочего термодатчика, срабатывает аварийный.Temperature sensors provide thermal control of the liquid and prevent overheating in emergency situations. Moreover, when a working temperature sensor fails for some reason, an emergency one is triggered.

Дополнительное оснащение системы датчиком давления позволяет регулировать давление в компенсационной емкости и избежать аварийных ситуаций.Additional equipment of the system with a pressure sensor allows you to adjust the pressure in the compensation tank and to avoid accidents.

Установка фильтра способствует защите элементов лазера и насоса от преждевременного износа путем задержки нежелательных примесей.The installation of the filter helps to protect the laser and pump elements from premature wear by delaying unwanted impurities.

При выполнении перегородки со сферической выпуклостью в центре относительно зеркала жидкости обеспечивается лучший и более быстрый сбор газовых пузырьков.When performing a partition with a spherical bulge in the center relative to the liquid mirror, a better and faster collection of gas bubbles is provided.

Таким образом, каждый из дополнительных признаков, введенных в зависимые пункты формулы, усиливает указанный ранее технический результат, улучшая работу системы и увеличивая ее надежность и долговечность.Thus, each of the additional features introduced in the dependent claims, strengthens the previously indicated technical result, improving the operation of the system and increasing its reliability and durability.

Система термостабилизации твердотельного лазера представлена на схеме.The thermal stabilization system of a solid-state laser is shown in the diagram.

В замкнутый циркуляционный контур последовательно включены компенсационная емкость 1, насос 2, фильтр 3, и охлаждаемый лазер 4.A compensation tank 1, pump 2, filter 3, and a cooled laser 4 are sequentially included in the closed circulation circuit.

патрубок 7, нагреватель 8 с рабочим и аварийным термодатчиками 9,10 и датчик давления 11.pipe 7, heater 8 with working and emergency temperature sensors 9.10 and pressure sensor 11.

Система термостабилизации твердотельного лазера работает следующим образом.The thermal stabilization system of a solid-state laser operates as follows.

Из компенсационной емкости 1 через выходной патрубок 6 насос 2, например шестеренчатый, снабженный магнитной муфтой (на схеме не показана), прокачивает жидкостной хладоноситель через рабочую камеру твердотельного лазера 4 при требуемом тепловом режиме. Хладоноситель, пройдя через элементы лазера и забрав излишнее тепло, возвращается в компенсационную емкость 1 через входной патрубок 7. На выходе из насоса 2 может быть установлен фильтр 3, например механический, задерживающий нежелательные примеси, которые могут находиться в жидкостном хладоносителе, и защищающий от загрязнения и преждевременного износа элементы лазера. Пузырьки газа, образовавшиеся в процессе разложения хладоносителя при работе лазера 4 под воздействием высокой температуры и ультрафиолетового излучения, увлекаются потоком жидкости и попадают в компенсационную емкость 1, где собираются в газовом компенсационном объеме, попадая туда через отверстие в перегородке 5. Выполнение перегородки 5 со сферическим выпуклым участком в центре способствует тому, что пузырьки газа не скапливаются под перегородкой 5 , а стремятся к отверстию , через которое быстрее выходят в газовый компенсационный объем. При значительных наклонах компенсационной емкости начальный участок выходного патрубка, расположенный по оси компенсационной емкости в центре объема жидкости, всегда будет находиться в слое жидкости, что исключает попадание пузырьков газа к элементам лазера. При изменении температуры в системе, выше или ниже, заданной датчикFrom the compensation tank 1 through the outlet pipe 6, the pump 2, for example, a gear equipped with a magnetic coupling (not shown in the diagram), pumps the liquid coolant through the working chamber of the solid-state laser 4 at the required thermal regime. The coolant, passing through the laser elements and taking away excess heat, returns to the compensation tank 1 through the inlet 7. At the outlet of the pump 2, a filter 3 can be installed, for example, a mechanical filter that traps unwanted impurities that may be in the liquid coolant and protects it from pollution and premature wear of laser elements. Gas bubbles formed during the decomposition of the coolant during operation of the laser 4 under the influence of high temperature and ultraviolet radiation, are carried away by the fluid flow and fall into the compensation tank 1, where they are collected in the gas compensation volume, getting there through an opening in the partition 5. Performing a partition 5 with a spherical the convex section in the center contributes to the fact that gas bubbles do not accumulate under the partition 5, but tend to the hole through which they quickly exit into the gas compensation it. With significant inclination of the compensation capacity, the initial section of the outlet pipe located along the axis of the compensation capacity in the center of the liquid volume will always be in the liquid layer, which eliminates the penetration of gas bubbles to the laser elements. When the temperature in the system changes, above or below the preset sensor

температуры выдает системе управления лазером сигнал на, соответственно, отключение или включение нагревателя. Аварийный термодатчик выдает сигнал системе управления лазером на отключение нагревателя и накачки импульсной лампы лазера 4 при достижении жидкостным хладоносителем предельной температуры. При достижении предельного давления в системе термостатирования датчик давления выдает сигнал системе управления лазером на отключение накачки импульсной лампы лазера 4.temperature gives the laser control system a signal to, respectively, turn off or on the heater. An emergency temperature sensor gives a signal to the laser control system to turn off the heater and pump the laser pulse lamp 4 when the liquid coolant reaches the temperature limit. When the limit pressure in the temperature control system is reached, the pressure sensor gives a signal to the laser control system to turn off the pumping of the laser pulse lamp 4.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ, ПРИНЯТЫЕ ВО ВНИМАНИЕ: 1 Велостоцкий Б.Р. и др. «Основы лазерной техники, М., «Советское радио. 1972 г., с.ЗЗО.SOURCES OF INFORMATION TAKEN ATTENTION: 1 Velostotsky B.R. and others. "Fundamentals of laser technology, M.," Soviet Radio. 1972, s.ZZO.

2.А.с. СССР №802743, F25B 19/04 от 01.03.79 г.2.A.s. USSR No. 802743, F25B 19/04 dated 03/01/79.

3.Заявка Франции №2368163, H01S 3/045, опубл. 16.06.78 г. (прототип).3. Application of France No. 2368163, H01S 3/045, publ. 06.16.78 g. (Prototype).

Claims

1. The thermal stabilization system of a solid-state laser, containing a closed circulation circuit for a liquid coolant, in which a compensation tank with a built-in baffle and a system of inlet and outlet nozzles with respectively end and initial sections inside the tank, a pump and a cooled laser, characterized in that the compensation tank made tight, and the partition has in the center of at least one hole, while the initial section of the outlet pipe is along the axis of the compensation tank with the beginning in the center of the liquid volume.

2. The thermal stabilization system according to claim 1, characterized in that the compensation capacity further comprises a heater.

3. The thermal stabilization system according to claim 2, characterized in that the heater is equipped with a working and emergency temperature sensors.

4. The thermal stabilization system according to claims 1 to 3, characterized in that the compensation capacity further comprises a pressure sensor.

5. Thermostabilization system according to claims 1 to 4, characterized in that the filter is additionally included in the circuit.

6. The thermal stabilization system according to claims 1-5, characterized in that the partition is made with a spherical bulge in the center relative to the liquid mirror.