RU2062544C1

RU2062544C1 - Gas-discharge laser and method for cooling gas mixture in it

Info

Publication number: RU2062544C1
Application number: SU5067165/25A
Authority: RU
Inventors: А.И. Бондаренко; Н.А. Косарчук; А.П. Петрухин; М.И. Головин; А.В. Чугунов
Original assignee: Научно-исследовательский центр по технологическим лазерам РАН
Priority date: 1992-07-24
Filing date: 1992-07-24
Publication date: 1996-06-20

Abstract

FIELD: laser engineering; cooling devices for variable-temperature gases in layer. SUBSTANCE: method involves initiation of medium circulation by means of fan through space formed in optical cavity by anode plate and cathode element and through heat exchanger. Device implementing this method has vacuum chamber with guides and fan to initiate circulation of gas mixture, discharge electrodes built up of water- cooled anode plate and cathode element mounted inside vacuum chamber and connected to voltage supply, and cooler built up of set of heat transfer tubes. Spent gas mixture is passed through heat exchanger at varying heat-release capacity which is increased in gas medium layer where temperature is higher; heat-transfer tubes are installed in heat exchanger with variable density and variably finned over frontal section of cooler. EFFECT: improved cooling conditions. 2 cl, 5 dwg

Description

Предлагаемое изобретение используется в области лазерной техники и может быть применено в различных областях промышленности, в устройствах для охлаждения газового потока с переменной температурой в слое. The present invention is used in the field of laser technology and can be applied in various industries, in devices for cooling a gas stream with a variable temperature in the layer.

Известен способ [1] охлаждения газовой смеси в газоразрядном лазере, включающий создание циркуляции среды посредством вентилятора через объем, образуемый в оптическом резонаторе анодной плитой и катодным элементом, с последующей подачей смеси в теплообменник для охлаждения. Устройство для реализации указанного способа [1] содержит вакуумную камеру с направляющими и вентилятором для создания циркуляции газовой среды, разрядную камеру с электродами, состоящими из анодной плиты и катодного элемента, оптического резонатора, установленные внутри вакуумной камеры и соединенные с источником постоянного напряжения, охладитель, выполненный в виде набора теплообменных трубок. A known method [1] of cooling a gas mixture in a gas discharge laser, comprising creating a medium circulation through a fan through the volume formed in the optical resonator by an anode plate and a cathode element, followed by feeding the mixture into a heat exchanger for cooling. A device for implementing this method [1] comprises a vacuum chamber with guides and a fan for creating a gas medium circulation, a discharge chamber with electrodes consisting of an anode plate and a cathode element, an optical resonator, installed inside the vacuum chamber and connected to a constant voltage source, a cooler, made in the form of a set of heat transfer tubes.

Известен способ [2] циркуляции газовой смеси в газоразрядном лазере, включающий создание циркуляции среды посредством вентилятора через объем, образуемый в оптическом резонаторе анодной плитой и катодным элементом, с последующей подачей смеси в теплообменник для охлаждения. A known method [2] of circulating a gas mixture in a gas discharge laser, including creating a medium circulation through a fan through the volume formed in the optical resonator by an anode plate and a cathode element, followed by supplying the mixture to a heat exchanger for cooling.

Устройство для реализации указанного способа [2] содержит вакуумную камеру с направляющими и вентилятором для создания циркуляции газовой среды, разрядную камеру с электродами, состоящими из анодной плиты и катодного элемента, оптического резонатора, установленные внутри вакуумной камеры и соединенные с источником напряжения, охладитель, выполненный в виде набора теплообменных трубок. A device for implementing this method [2] contains a vacuum chamber with guides and a fan for creating a gas medium circulation, a discharge chamber with electrodes consisting of an anode plate and a cathode element, an optical resonator, installed inside the vacuum chamber and connected to a voltage source, a cooler made in the form of a set of heat transfer tubes.

Недостатком описанных способов охлаждения газовой смеси и устройств для их реализации является то, что в виду неравномерного выделения тепла по сечению разрядной камеры необходимо значительно увеличивать мощность теплообменника по всему сечению потока. Это объясняется тем, что так как сопротивление теплообменника пропорционально его коэффициенту сопротивления, плотности потока газа и квадрату его скорости, то при одинаковом коэффициенте сопротивления по фронту и при одинаковом перепаде давления на теплообменнике при протекании через него неизотермического потока, скорости в менее нагретых слоях газа будут меньше, чем в более нагретых в силу того, что плотность газа пропорциональна его температуре. Следовательно, относительная фронтальная площадь теплообменника, через которую проходит более нагретый газ, будет меньше, чем приведенная к одинаковым скоростям относительная площадь сечения этого слоя на выходе из разрядной зоны. Поэтому теплообменник в таких устройствах выбирается, исходя из требуемого охлаждения более нагретого слоя в относительно малой фронтальной площади, что приводит к увеличению теплообменника, к большему сопротивлению потоку газовой смеси, что в свою очередь увеличивает мощность прокачных средств, расход охладителя и, следовательно, повышает энергозатраты на создание лазерного излучения, повышает материалоемкость конструкции и расход охладителя. The disadvantage of the described methods of cooling the gas mixture and devices for their implementation is that in view of the uneven heat generation over the cross section of the discharge chamber, it is necessary to significantly increase the capacity of the heat exchanger over the entire flow cross section. This is because since the resistance of the heat exchanger is proportional to its resistance coefficient, gas flow density and the square of its speed, then for the same resistance coefficient along the front and for the same pressure drop across the heat exchanger when a non-isothermal flow flows through it, the velocities in less heated gas layers will be less than warmer due to the fact that the density of the gas is proportional to its temperature. Consequently, the relative frontal area of the heat exchanger through which the more heated gas passes will be less than the relative sectional area of this layer reduced to the same speeds at the outlet of the discharge zone. Therefore, the heat exchanger in such devices is selected on the basis of the required cooling of the warmer layer in a relatively small frontal area, which leads to an increase in the heat exchanger, to a greater resistance to the flow of the gas mixture, which in turn increases the capacity of the pumping means, the flow rate of the cooler and, therefore, increases energy costs to create laser radiation, increases the material consumption of the structure and the flow rate of the cooler.

Техническая задача изобретения: повышение эффективности устройства посредством снижения энергозатрат на создание лазерного излучения, а также снижение материалоемкости. The technical task of the invention: improving the efficiency of the device by reducing energy consumption for creating laser radiation, as well as reducing material consumption.

Указанная задача достигается тем, что в известном способе охлаждения газовой смеси в газоразрядном лазере, включающем создание циркуляции среды посредством вентилятора через объем, образуемый в оптическом резонаторе анодной плитой и катодным элементом, с последующей подачей газовой смеси в теплообменник для охлаждения, отработанная газовая смесь пропускается через теплообменник с переменной теплоснимающей способностью, причем теплоснимающая способность теплообменника увеличивается в слое газовой среды с повышенной температурой. This problem is achieved by the fact that in the known method of cooling a gas mixture in a gas discharge laser, including creating a medium circulation through a fan through the volume formed in the optical cavity by an anode plate and a cathode element, followed by supplying the gas mixture to a heat exchanger for cooling, the exhaust gas mixture is passed through a heat exchanger with variable heat transfer capacity, and the heat transfer capacity of the heat exchanger increases in a layer of a gas medium with an elevated temperature.

Указанная задача достигается также тем, что известное устройство для реализации указанного способа, содержащее вакуумную камеру с направляющими и вентилятором для создания циркуляции газовой среды, разрядные электроды, состоящие из анодной плиты и катодного элемента, установленные внутри вакуумной камеры и соединенные с источником напряжения, охладитель, выполненный в виде набора оребренных теплообменных трубок, теплообменные трубки установлены в охладителе с переменной плотностью. This problem is also achieved by the fact that the known device for implementing the specified method, comprising a vacuum chamber with guides and a fan for creating a circulation of the gas medium, discharge electrodes consisting of an anode plate and a cathode element installed inside the vacuum chamber and connected to a voltage source, a cooler, made in the form of a set of finned heat transfer tubes, heat transfer tubes are installed in a cooler with a variable density.

Указанная задача может достигаться также тем, что оребрение в теплообменных трубках изменяется по фронтальному сечению охладителя. This problem can also be achieved by the fact that the fins in the heat exchange tubes vary along the frontal section of the cooler.

Охлаждение отработанной газовой смеси в теплообменнике с переменной теплоснимающей способностью, увеличивающейся в слое газовой среды с повышенной температурой, а также установка в охладителе теплообменных трубок с переменной плотностью позволит уменьшить общую мощность охладителя и тем самым уменьшить мощность прокачных средств и расход охладителя, снизить материалоемкость устройства, что в свою очередь повысит эффективность устройства. The cooling of the exhaust gas mixture in a heat exchanger with a variable heat transfer capacity increasing in a layer of a gas medium with an increased temperature, as well as the installation of a heat exchanger tube with a variable density in the cooler will reduce the total capacity of the cooler and thereby reduce the capacity of the pumping means and the flow rate of the cooler, reduce the material consumption of the device, which in turn will increase the efficiency of the device.

Задача в предложенном способе может реализоваться также за счет того, что оребрение в теплообменных трубках выполнено переменным в фронтальном сечении охладителя. The task in the proposed method can also be realized due to the fact that the fins in the heat exchange tubes are made variable in the frontal section of the cooler.

На фиг. 1 показано предложенное устройство в сборе; на фиг. 2 сечение теплообменника в газовом слое с меньшей температурой; на фиг. 3 сечение теплообменника в газовом слое с максимальной температурой; на фиг. 4 показано поперечное сечение предложенного устройства; на фиг. 5 показан графин распределения температуры по фронтальному сечению теплообменника. In FIG. 1 shows the proposed device assembly; in FIG. 2 section of a heat exchanger in a gas layer with a lower temperature; in FIG. 3 section of the heat exchanger in the gas layer with a maximum temperature; in FIG. 4 shows a cross section of the proposed device; in FIG. 5 shows a carafe of temperature distribution over the frontal section of a heat exchanger.

Способ реализуется в предложенном лазерном устройстве с поперечным потоком газовой среды, содержащим вакуумную камеру 1 с направляющими 2 и вентилятором 3 для создания циркуляции газовой среды, разрядные электроды 4, состоящие из анодной водоохлаждаемой плиты 5 и катодного элемента 6, оптический резонатор 7, установленные внутри вакуумной камеры 1 и соединенные посредством проводов 8 с источником постоянного напряжения 9, охладитель 10, выполненный в виде набора теплообменных трубок 11. Теплообменные трубки 11 имеют оребрение 12 и установлены в охладителе 10 с изменяющейся по сечению от анодной водоохлаждающей плиты 5 до катодного элемента 6 плотностью за счет изменения количества теплообменных трубок 11 по сечению от анодной плиты 5 до катодного элемента 6. The method is implemented in the proposed laser device with a transverse flow of a gaseous medium, containing a vacuum chamber 1 with guides 2 and a fan 3 for creating a circulation of the gaseous medium, discharge electrodes 4, consisting of an anode water-cooled plate 5 and a cathode element 6, an optical resonator 7 mounted inside a vacuum chamber 1 and connected via wires 8 to a constant voltage source 9, a cooler 10, made in the form of a set of heat transfer tubes 11. Heat transfer tubes 11 have fins 12 and are installed in cooler 10 with a density varying in cross section from the anode water cooling plate 5 to the cathode element 6 by changing the number of heat exchange tubes 11 in cross section from the anode plate 5 to the cathode element 6.

Оребрение 12 в теплообменных трубках 11 также может изменяться в каждой последующей теплообменной трубке 9, установленной по сечению от анодной плиты 5 до катодного элемента 6. The fins 12 in the heat exchange tubes 11 can also be changed in each subsequent heat exchange tube 9, installed in cross section from the anode plate 5 to the cathode element 6.

Пример реализации способа охлаждения газовой смеси в газоразрядном лазере. An example implementation of a method for cooling a gas mixture in a gas discharge laser.

Предложенное лазерное устройство с поперечным потоком газовой среды работает следующим образом. Постоянное напряжение от источника 7 подается на разрядные электроды 4, возбуждающие разряд между анодной водоохлаждающей плитой 5 и катодным элементом 6. Включается вентилятор 3, осуществляющий циркуляцию газовой смеси по направляющим 2 через объем, образуемый в оптическом резонаторе 7 анодной водоохлаждающей плитой 5 и катодным элементом 6, с последующей подачей отработанной газовой смеси в теплообменник. Так как тепло выделяется в объеме, образуемом анодной водоохлаждающей плитой 5 и катодным элементом 6 неравномерно, газовая смесь подается в теплообменник с переменной теплоснимающей способностью, увеличивающейся в слое газовой среды с повышенной температурой. Поскольку потребная площадь охлаждения для менее нагретых слоев газовой смеси должна быть меньше, чем для более нагретых слоев, то коэффициенты сопротивления "холодных" зон охладителя будут меньше, скорости газа в "холодных" слоях перед теплообменником будут больше, а относительные размеры "холодных" зон при обеспечении одинакового сопротивления теплообменника по фронту будут меньше и, следовательно, для "горячих" слоев газа можно отвести большую относительную фронтальную площадь теплообменника. The proposed laser device with a transverse flow of a gas medium works as follows. A constant voltage from the source 7 is supplied to the discharge electrodes 4, exciting the discharge between the anode water cooling plate 5 and the cathode element 6. The fan 3 is turned on, which circulates the gas mixture along the guides 2 through the volume formed in the optical resonator 7 by the anode water cooling plate 5 and the cathode element 6 , followed by the supply of the exhaust gas mixture to the heat exchanger. Since heat is generated in the volume generated by the anode water-cooling plate 5 and the cathode element 6 non-uniformly, the gas mixture is supplied to a heat exchanger with a variable heat-lifting ability increasing in a layer of a gas medium with an increased temperature. Since the required cooling area for less heated layers of the gas mixture should be less than for more heated layers, the drag coefficients of the “cold” zones of the cooler will be less, the gas velocities in the “cold” layers in front of the heat exchanger will be larger, and the relative dimensions of the “cold” zones while ensuring the same resistance of the heat exchanger along the front, they will be smaller and, therefore, for the "hot" layers of gas, you can allocate a large relative frontal area of the heat exchanger.

Переменная теплоснимающая способность теплообменника достигается за счет установки в охладителе 8 теплообменных трубок с переменной плотностью, их количества и поверхности оребрения теплообменных трубок. Выходящая из теплообменника газовая смесь однородной температуры захватывается вентилятором 3, регенерируется и подается в объем разрядной зоны. The variable heat transfer capacity of the heat exchanger is achieved by installing 8 heat transfer tubes with a variable density, their quantity and finning surfaces of the heat transfer tubes in the cooler. The gas mixture of uniform temperature emerging from the heat exchanger is captured by the fan 3, regenerated, and fed into the volume of the discharge zone.

Предложенный способ и устройство для его реализации позволит повысить эффективность посредством снижения энергозатрат на создание лазерного излучения, а также снизить материалоемкость изделия. The proposed method and device for its implementation will improve efficiency by reducing energy consumption for the creation of laser radiation, as well as reduce the material consumption of the product.

Литература
1. Патент США 4571730, МКИ H 01 S 3/22, 18.02.1986.Literature
1. US patent 4571730, MKI H 01 S 3/22, 02/18/1986.

2. Статья в журнале "Plasma Phys." 27, 1987 г. стр. 439 447. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4 2. An article in the journal "Plasma Phys." 27, 1987 p. 439 447. YYY2 YYY4

Claims

1. A method of cooling a gas mixture in a gas-discharge laser, including creating a medium circulation through a fan through a volume formed in the optical cavity by an anode plate and a cathode element and a heat exchanger, characterized in that the treated gas mixture is passed through a heat exchanger with variable heat transfer capacity, and heat transfer capacity of the heat exchanger increases in a layer of a gaseous medium with an elevated temperature.

2. A gas discharge laser containing a vacuum chamber with guides and a fan for creating a gas medium circulation, discharge electrodes consisting of an anode water-cooled plate and a cathode element mounted inside a vacuum chamber and connected to a voltage source, a cooler made in the form of a set of heat exchange tubes, characterized the fact that the heat transfer tubes are installed in a cooler with a variable density.

3. The laser according to claim 2, characterized in that the finning of the heat exchange tubes is made alternately along the frontal section of the cooler.