RU2694120C1

RU2694120C1 - Laser casing

Info

Publication number: RU2694120C1
Application number: RU2018136012A
Authority: RU
Inventors: Александр Александрович Гладилин; Михаил Юрьевич Янусов
Priority date: 2018-10-11
Filing date: 2018-10-11
Publication date: 2019-07-09

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to laser equipment, namely to structural load-bearing elements, as well as to cooling and thermal stabilization systems, and can be used in designing different types of lasers. Laser housing is made up of two half-casings, between which plate is located, and is equipped with hydraulic circuit, which contains inlet and outlet holes, located in one of half-casing, inlet and outlet headers, additional header formed by blind slot in lower half-casing and plate, and connected by channel of lower half-casing with inlet manifold, channels in upper half-casing connecting inlet and outlet headers with holes of upper semi-casing, channels in lower half-casing, connecting additional and output headers, and throttles located in channels connecting inlet or outlet header and holes, and in channel connecting inlet header with additional header.

EFFECT: technical result consists in reduction of weight and dimensions of laser, increased stability of its operation, as well as optimization of system for supplying cooling liquid to laser elements.

1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к лазерной технике, а именно, к несущим элементам конструкций, а также к системам охлаждения и термостабилизации и может быть использовано при создании лазеров различных типов, а также и других приборов со схожими требованиями к конструктивному исполнению.The invention relates to laser technology, namely, to the supporting elements of structures, as well as cooling and thermal stabilization systems and can be used to create lasers of various types, as well as other devices with similar design requirements.

Известен патент Китая №101325307, МПК Н01S 3/04, 5/024, опубл. 2008 г., в котором описан корпус лазера с крышками. Элементы лазера располагаются в корпусе и передают выделяющееся в них тепло на его поверхность. Одна из крышек и корпус содержат каналы для принудительного воздушного охлаждения корпуса.Known patent of China No. 10,132,5307, IPC H01S 3/04, 5/024, publ. 2008, which describes the body of the laser with covers. The elements of the laser are located in the housing and transfer the heat generated in them to its surface. One of the covers and the housing contain channels for forced air cooling of the housing.

Конструкция корпуса позволяет размещать в нем элементы лазера таким образом, что становится возможным создавать лазеры с достаточно высокой степенью защиты от внешних воздействий, отличающихся при этом малыми габаритами. Последнее обусловлено также применением принудительного воздушного охлаждения.The housing design allows you to place in it the elements of the laser in such a way that it becomes possible to create lasers with a sufficiently high degree of protection against external influences, which are distinguished by small dimensions. The latter is also due to the use of forced air cooling.

Однако применение незамкнутой воздушной системы охлаждения требует наличия некоторого свободного пространства вокруг лазера, что накладывает ограничения на место и способ его размещения. При этом в пространстве вокруг лазера происходят, зачастую нежелательные, циркуляция и нагрев воздуха. Полноценная работа лазера при настройке (при снятой верхней крышке) затруднена ввиду отсутствия охлаждения. Съем тепла с корпуса лазера осуществляется с расположенных в боковых стенках воздушных каналов, расстояние до которых от различных элементов лазера не одинаково. Это может привести к сложностям с охлаждением и поддержанием оптимальной температуры элементов лазера, особенно при высокой удельной мощности тепловыделения.However, the use of an open air cooling system requires some free space around the laser, which imposes restrictions on the place and method of its placement. At the same time in the space around the laser occur, often undesirable, the circulation and heating of air. Full operation of the laser when setting up (with the top cover removed) is difficult due to the lack of cooling. Heat is removed from the laser body from the air channels located in the side walls, the distance to which from different elements of the laser is not the same. This can lead to difficulties with cooling and maintaining the optimum temperature of the laser elements, especially at high power density of heat generation.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения, выбранным в качестве прототипа, является корпус лазера, известный из патента Китая №203351935, МПК Н01S 3/02, 3/042, опубл. 2013 г. Корпус закрыт верхней и нижней крышками и в данную конструкцию осуществлен подвод охлаждающей жидкости (ОЖ).The closest analogue of the claimed invention, selected as a prototype, is the laser housing, known from China patent No. 203351935, IPC H01S 3/02, 3/042, publ. 2013. The housing is closed with upper and lower covers and coolant (coolant) is supplied to this structure.

Конструкция корпуса, как и в предыдущем случае, позволяет создавать лазеры с достаточно высокой степенью защиты от внешних воздействий. Наличие жидкостного охлаждения хотя и требует наличие отдельно расположенного блока системы охлаждения, зато позволяет создавать более мощные лазеры, которые могут работать в более широком температурном диапазоне внешней среды. Сам лазер требует меньше пространства для размещения, т.к. за отведение тепла отвечает внешняя система охлаждения. Лазер можно настраивать при демонтированной (как полностью, так и частично) верхней крышке, что не отражается на работоспособности системы охлаждения.The design of the body, as in the previous case, allows you to create lasers with a sufficiently high degree of protection against external influences. The presence of liquid cooling, although it requires the presence of a separate unit of the cooling system, but allows you to create more powerful lasers that can operate in a wider temperature range of the external environment. The laser itself requires less space to accommodate, because The external cooling system is responsible for heat dissipation. The laser can be adjusted when the upper cover is removed (both fully and partially), which does not affect the performance of the cooling system.

Однако элементы подвода ОЖ распределены по объему лазера и затрудняют монтаж и настройку лазера, увеличивают его габариты и усложняют конструкцию, а также создают неравномерное распределение температуры по корпусу, что ведет к его термическим деформациям. Последнее усугубляется тепловыми воздействии извне и отсутствием системы термостабилизации корпуса.However, the coolant supply elements are distributed over the laser volume and make installation and adjustment of the laser difficult, increase its dimensions and complicate the design, as well as create an uneven temperature distribution over the body, which leads to its thermal deformations. The latter is aggravated by thermal effects from the outside and the lack of a system for thermally stabilizing the hull.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение, - уменьшение массы и габаритов лазера, а также повышение стабильности его работы.The problem to which this invention is directed is to reduce the mass and dimensions of the laser, as well as to increase the stability of its operation.

Технический результат, полученный при использовании предлагаемого технического решения, - уменьшение габаритов, повышение стабильности геометрических размеров корпуса лазера, оптимизация системы подачи охлаждающей жидкости к элементам лазера.The technical result obtained using the proposed technical solution is to reduce the dimensions, increase the stability of the geometric dimensions of the laser body, optimize the system for supplying coolant to the laser elements.

Указанный технический результат достигается тем, что корпус лазера, в который осуществлен подвод охлаждающей жидкости, содержит гидравлический контур и выполнен.составным из двух полукорпусов, между которыми расположена пластина. Гидравлический контур содержит входное и выходное отверстия, расположенные в одном из полукорпусов, входной и выходной коллектор, образованные глухими пазами в верхнем и нижнем полукорпусах и сквозным в пластине, и соединенные соответственно с входным и выходным отверстием. Также есть дополнительный коллектор, образованный глухим пазом в нижнем полу корпусе и пластиной и соединенный с входным коллектором каналом, образованным глухим тазом в нижнем полукорпусе и пластиной. Также есть каналы, образованные глухими пазами в верхнем полукорпусе и пластиной, соединяющие входной и выходной коллекторы с присоединительными отверстиями. Помимо этого есть каналы, образованные глухими пазами в нижнем полукорпусе и пластиной, соединяющие дополнительный и выходной коллекторы. Помимо этого гидравлический контур содержит дроссели, расположенные в некоторых каналах соединяющем входной или выходной коллектор и присоединительные отверстия, а также в канале, соединяющем входной коллектор с дополнительным коллектором. При этом каналы в верхнем полукорпусе образованы глухим пазом в верхнем полукорпусе и пластиной, а каналы в нижнем полукорпусе образованы глухим пазом в нижнем полукорпусе и пластиной.This technical result is achieved by the fact that the laser housing, in which the coolant supply is made, contains a hydraulic circuit and is made of two semi-bodies, between which the plate is located. The hydraulic circuit contains inlet and outlet openings located in one of the semi-bodies, inlet and outlet headers formed by blind grooves in the upper and lower semi-bodies and through in the plate, and connected respectively to the inlet and the outlet. There is also an additional collector formed by a hollow groove in the lower floor of the housing and a plate and connected to the inlet manifold by a channel formed by a deaf pelvis in the lower semi-hull and plate. There are also channels formed by blind grooves in the upper semi-hull and a plate connecting the inlet and outlet headers with connecting holes. In addition, there are channels formed by blind grooves in the lower semi-hull and the plate connecting the additional and output headers. In addition, the hydraulic circuit contains throttles located in some channels connecting the input or output manifold and the connecting holes, as well as in the channel connecting the input collector with an additional collector. In this case, the channels in the upper half-body are formed by a deaf groove in the upper semi-body and the plate, and the channels in the lower semi-body are formed by a deaf groove in the lower semi-body and the plate.

Вся совокупность существенных признаков позволяет создать компактный гидравлический контур, обеспечивающий подачу ОЖ к элементам лазера по каналам кратчайшей длины и минимального гидравлического сопротивления и равномерную сеть каналов, обеспечивающих эффективную термостабилизацию корпуса. Наличие дросселей в некоторых каналах, соединяющих коллекторы с отверстиями, и наличие дросселя в канале, соединяющим входной и дополнительный коллектор, позволяют точно распределить и оптимизировать потоки ОЖ по каналам корпуса и между элементами лазера. Оптимальная конфигурация гидравлического контура позволяет уменьшить габариты и массу корпуса, а соответственно, и лазера в целом. Это наряду с эффективной термостабилизацией обеспечивает повышение стабильности геометрических размеров корпуса, что повышает стабильность работы лазера.The whole set of essential features allows you to create a compact hydraulic circuit that provides coolant to the elements of the laser through the channels of the shortest length and minimum hydraulic resistance and a uniform network of channels that provide effective thermal stabilization of the body. The presence of chokes in some channels connecting the collectors with the holes, and the presence of the choke in the channel connecting the input and additional collectors, allow you to accurately distribute and optimize coolant flows through the body channels and between the laser elements. The optimal configuration of the hydraulic circuit can reduce the size and weight of the body, and accordingly, the laser as a whole. This, along with effective thermal stabilization, provides an increase in the stability of the geometric dimensions of the body, which increases the stability of the laser operation.

В ряде случаев, в целях оптимизации расхода охлаждающей жидкости, уменьшения числа каналов и уменьшения габаритов корпуса, часть тепловыделяющих элементов лазера включается в гидравлический контур последовательно. Для этого корпус лазера может содержать каналы, образованные глухими пазами в верхнем полукорпусе и пластиной, соединяющие отверстия между собой.In some cases, in order to optimize the coolant flow rate, reduce the number of channels and reduce the size of the hull, part of the fuel elements of the laser is included in the hydraulic circuit in series. For this purpose, the laser housing may contain channels formed by blind grooves in the upper semi-hull and a plate connecting the holes with each other.

При анализе уровня техники не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данного изобретения. А также не выявлено факта известности влияния признаков, включенных в формулу, на технический результат заявляемого технического решения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условиям «новизна» и «изобретательский уровень».When analyzing the level of technology is not detected analogues, characterized by signs that are identical to all the essential features of this invention. And also not revealed the fact of fame of the influence of the signs included in the formula, on the technical result of the proposed technical solution. Therefore, the claimed invention meets the conditions of "novelty" and "inventive step".

На фиг. 1 внешний вид корпуса лазера.FIG. 1 appearance of the laser housing.

На фиг. 2 представлен разнесенный вид корпуса лазера.FIG. 2 shows an exploded view of the laser body.

На фиг. 3 представлено устройство гидравлического контура.FIG. 3 shows the hydraulic circuit device.

На фиг. 4 представлена схема гидравлического контура.FIG. 4 shows a hydraulic circuit diagram.

На фиг. 5 представлен внешний вид лазера с местным разрезом.FIG. 5 shows the appearance of a laser with a local incision.

Корпус лазера (фиг. 1, 2) состоит из верхнего 1 и нижнего 2 полукорпусов и расположенной между ними пластины 3, которые герметично соединены между собой. Для соединения элементов корпуса между собой могут использоваться резьбовые детали, а для обеспечения герметичности возможно применение уплотнительных прокладок и (или) герметика (на фиг. не показаны). Для размещения элементов лазера служат плоское дно (поверхность) 1а углубления, выполненного в верхнем полукорпусе 1, и плоское дно (поверхность) 2а углубления, выполненного в нижнем полукорпусе 2. В верхнем полукорпусе 1 выполнено отверстие 16 для вывода излучения.The laser case (Fig. 1, 2) consists of the upper 1 and lower 2 semi-bodies and the plate 3 located between them, which are hermetically interconnected. Threaded parts can be used to connect the housing elements together, and to ensure tightness, it is possible to use sealing gaskets and (or) sealant (not shown in Fig.). To accommodate the laser elements, there is a flat bottom (surface) 1a of a recess made in the upper semi-shell 1, and a flat bottom (surface) 2 a of the recess made in the lower semi-shell 2. In the upper semi-shell 1, an aperture 16 is made to output the radiation.

В корпусе лазера расположен гидравлический контур (фиг. 3, 4), представляющий собой сеть гидравлических каналов, начинающихся от входного отверстия 4 и заканчивающихся выходным отверстием 5. Отверстия 4, 5 могут быть выполнены как в полукорпусе 1, так и в полукорпусе 2, в зависимости от конструктивных особенностей конкретного лазера. Помимо отверстий 4, 5 гидравлический контур содержит: входной коллектор 6, выходной коллектор 7, дополнительный коллектор 8, а также каналы 9, отверстия 10, каналы 11, 12 и дроссели 13.In the laser housing there is a hydraulic circuit (Fig. 3, 4), which is a network of hydraulic channels starting from the inlet 4 and ending with the outlet 5. The holes 4, 5 can be made both in the semi-housing 1 and in the semi-housing 2, depending on the design features of a particular laser. In addition to the holes 4, 5, the hydraulic circuit contains: an inlet manifold 6, an outlet manifold 7, an additional manifold 8, as well as channels 9, openings 10, channels 11, 12 and throttles 13.

Входное 4, выходное 5 отверстия соединены с входным 6, выходным 7 коллекторами соответственно. Дополнительный коллектор 8 соединен с входным коллектором 6 каналом 12, а с выходным коллектором 7 сетью каналов 11, расположенных по корпусу лазера как можно более равномерно. Помимо этого входной 6, выходной 7 коллекторы соединены с отверстиями 10 при помощи каналов 9. Отверстия 10 предназначены для подвода ОЖ к элементам 14 лазера, которые отличаются высоким удельным тепловыделением и (или) нуждаются в термостабилизации, и которые при этом располагают собственными гидравлическими каналами. При этом часть элементов 14 лазера могут соединяться последовательно. Для этого некоторые отверстия 10 соединяются непосредственно между собой при помощи каналов 9. Пример такого случая представлен на фиг.4 в условно выделенной области А.Inlet 4, outlet 5 holes are connected to inlet 6, outlet 7 collectors, respectively. The additional collector 8 is connected to the input collector 6 by channel 12, and to the output collector 7 by a network of channels 11 located along the laser body as evenly as possible. In addition, input 6, output 7 collectors are connected to holes 10 by means of channels 9. Holes 10 are used to supply coolant to laser elements 14, which are characterized by high specific heat generation and (or) need thermal stabilization, and which at the same time have their own hydraulic channels. In this part of the elements 14 of the laser can be connected in series. To do this, some of the holes 10 are connected directly to each other using channels 9. An example of such a case is presented in figure 4 in the conditionally selected area A.

Входной 6 (выходной 7) коллектор представляет собой замкнутую полость, состоящую из глухих пазов 6а, 66 (7а, 7б), выполненных соответственно в полукорпусах 1, 2, и сквозного паза 6в (7в), выполненного в пластине 3. Дополнительный коллектор 8 и каналы 11, 12 представляют собой замкнутые полости, образованные глухими пазами в нижнем полукорпусе 2 и пластиной 3. Каналы 9 представляют собой замкнутые полости, образованные глухими пазами в верхнем полукорпусе 1 и пластиной 3. Отверстия 10 выполнены цилиндрическими (могут быть ступенчатыми) в верхнем полукорпусе 1 и расположены перпендикулярно поверхности 1 а.Input 6 (output 7) collector is a closed cavity consisting of deaf grooves 6a, 66 (7a, 7b), made respectively in semi-bodies 1, 2, and through groove 6c (7c), made in plate 3. Additional collector 8 and channels 11, 12 are closed cavities formed by blind grooves in the lower semi-shell 2 and plate 3. Channels 9 are closed cavities formed by blind grooves in the upper semi-shell 1 and plate 3. Holes 10 are cylindrical (can be stepped) in the upper semi-shell 1 and 1 a are arranged perpendicular to the surface.

Для регулировки расхода ОЖ через каналы 11 служит дроссель 13 установленный (расположенный) в канале 12. Для регулировки расхода ОЖ через элементы лазера могут применяться дроссели 13, установленные (расположенные) в каналах 9. Дроссели могут быть выполнены как в виде местных сужений каналов 9, 12, так и в виде самостоятельных деталей, помещенных в каналы 9, 12. Наиболее удобен вариант дросселей, позволяющих плавно менять сечение канала при собранном корпусе и даже при работающем лазере.To adjust the coolant flow through the channels 11 serves choke 13 installed (located) in the channel 12. To adjust the coolant flow through the laser elements can be used chokes 13 installed (located) in the channels 9. Throttles can be performed as local narrowing of the channels 9, 12, and in the form of independent parts placed in channels 9, 12. The most convenient option is chokes, which allow smoothly changing the channel cross section with the housing assembled and even when the laser is running.

Это позволяет оптимально распределить потоки ОЖ по корпусу и элементам лазера.This allows you to optimally distribute coolant fluxes throughout the body and laser elements.

Элементы лазера устанавливаются на поверхностях 1а и 2а корпуса лазера, при этом элементы излучателя с высоким удельным тепловыделением и, в том числе, с собственными гидравлическими каналами, устанавливаются на поверхность 1а верхнего полу корпуса 1, а элементы системы питания (электронные блоки), требующие принудительного охлаждения, устанавливаются на поверхности 2а. Прочие электронные узлы (контроль, управление) могут располагаться как на поверхности 1а, так и на поверхности 2а. Нижний и верхний полукорпус закрываются крышками 15, 16 (фиг. 5). Корпус может устанавливаться на поверхность, как крышкой 16, так и нижним полукорпусом 2. Возможно использование дополнительных опор, как, например, в прототипе. В отверстие для вывода излучения 16 устанавливается окно 17 с крышкой. Во входное 4 и выходное 5 отверстия устанавливаются патрубки 18 для подачи и отвода ОЖ.The laser elements are mounted on the laser housing surfaces 1a and 2a, while the radiator elements with high specific heat generation, including their own hydraulic channels, are mounted on the surface 1a of the upper floor of the housing 1, and the power supply elements (electronic units) requiring forced cooling, mounted on surface 2a. Other electronic components (control, control) can be located both on the surface 1a and on the surface 2a. The lower and upper half-hull are closed by covers 15, 16 (Fig. 5). The housing can be installed on the surface, as the cover 16, and the lower semi-hull 2. You can use additional supports, as, for example, in the prototype. In the hole for the output of radiation 16 is installed window 17 with a cover. Inlet 4 and outlet 5 holes are installed nozzles 18 for the supply and removal of coolant.

Гидравлический контур функционирует следующим образом. ОЖ от внешней системы охлаждения и термостабилизации подается через входное отверстие 4 и поступает во входной коллектор 6, где происходит разделения потока ОЖ. Часть жидкости через каналы 9 и отверстия 10 подводится к элементам 14 лазера. При этом часть элементов 14 могут быть соединены каналами 9 последовательно. Проходя по гидравлическим каналам элементов 14, ОЖ термостабилизирует их, и далее выводится через отверстия 10 и каналы 9 в выходной коллектор 7. Помимо этого часть ОЖ из входного коллектора через канал 12 попадает в дополнительный коллектор 8, и далее равномерно распределяется по каналам 11. За счет прохождения ОЖ через каналы 11 осуществляется выравнивание температуры по корпусу и термостабилизация корпуса лазера, а также, охлаждение элементов лазеров (в основном электронных узлов), непосредственно закрепленных на корпусе.The hydraulic circuit operates as follows. The coolant from the external cooling and thermal stabilization system is fed through the inlet 4 and enters the inlet manifold 6, where the coolant flow is separated. Part of the liquid through the channels 9 and the holes 10 is supplied to the elements 14 of the laser. In this part of the elements 14 can be connected by channels 9 in series. Passing through the hydraulic channels of the elements 14, the coolant thermally stabilizes them, and then is output through the openings 10 and channels 9 into the output collector 7. In addition, part of the coolant from the input collector through channel 12 enters the additional collector 8, and then evenly distributes through the channels 11. For by passing the coolant through the channels 11, the temperature is equalized over the body and the thermostabilization of the laser body, as well as the cooling of laser elements (mainly electronic components) directly attached to the body.

Авторами разработан герметичный вариант корпуса (с крышками) для твердотельного лазера с диодной накачкой с геометрической длинной оптического пути в излучателе более 3 метров (фиг 5). Габаритные размеры корпуса 700×350×190 мм³. Материал корпуса алюминиевый сплав. Масса корпуса 30 кг.The authors have developed a sealed version of the housing (with lids) for a solid-state diode-pumped laser with a geometric long optical path in the emitter of more than 3 meters (Fig. 5). Overall dimensions of the case are 700 × 350 × 190 mm ³ . Body material aluminum alloy. Body weight 30 kg.

Таким образом, представленные данные свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:Thus, the data presented indicate that the following cumulative conditions are fulfilled when using the claimed invention:

- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в оптико-механической промышленности при изготовлении излучателей лазеров;- means embodying the claimed device in its implementation, is intended for use in the optical-mechanical industry in the manufacture of laser emitters;

- для заявляемого устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления.- for the claimed device in the form in which it is characterized in the claims, confirmed the possibility of its implementation.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «промышленная применимость».Therefore, the claimed invention meets the condition of "industrial applicability".

Claims

1. Laser housing, characterized in that it is made of a composite of two semi-bodies, between which a plate is located, and provided with a hydraulic circuit, which contains inlet and outlet openings located in one of the semi-bodies, inlet and outlet headers formed by hollow grooves in the upper and lower semi-bodies and through in the plate and connected respectively with the inlet and outlet holes, an additional collector formed by a hollow groove in the lower semi-body and the plate and connected by a channel of the lower semi-body and with the inlet manifold, channels in the upper semi-hull, connecting the input and output headers with openings of the upper semi-hull, channels in the lower semi-hull, connecting the additional and output headers, and throttles located in the channels connecting the input or output manifold and holes, and in the channel connecting the input collector with an additional collector, while the channels in the upper semi-hull are formed by a hollow groove in the upper semi-hull and the plate, and the channels in the lower semi-hull are formed by a deaf groove in the lower floor case and plate.

2. The laser housing under item 1, characterized in that the hydraulic circuit contains channels in the upper semi-hull, connecting the holes with each other.