Brevet FR2484722A1 — publié le 19811218

248472Z La présente invention concerne un laser à gaz, en particulier un laser à C02 dans lequel le fluide de laser est refroidi par expansion dans une buse de Laval. Dans les lasers à gaz traditionnels, le fluide de laser est amené à expansion dans une buse de Laval, de telle sorte que la température de translation du gaz décroît d'une manière tellement rapide que l'énergie de vibration qui est emmagasinée dans les molécules d'azote est "gelée". En vue de pouvoir alors libérer cette énergie dans un ré- sonateur comme énergie de rayonnement, il est nécessaire d'abaisser la température de translation jusqu'à au moins la température du local. Dans un laser du type connu men- tionné plus haut, cette condition est réalisée au moyen d'une buse de Laval à une température de stagnlation com- prise entre 1 500 et 1 800 degrés Kelvin. Etant donné, cependant que l'énergie disponible pour la libération, croit considérablement plus que proportion- nellement, par rapport à la masse, avec une température de stagnation croissante, on tend à faire agir ce laser à des températures de stagnation élevées au maximum. En vue alors de pouvoir abaisser la température de trans- lation suffisamment, même dans le cas de températures de stagnation élevées, il est nécessaire d'accroître le rapport des surfaces de la buse F/F* (F* étant la surface du col de la buse). Cependant, dans le cas de rapports de surface très grands, et de nombres de Mach élevés ainsi produits,la bu-se de Laval devient inefficace. Si l'on désigne par T1, T2 la valeur de la tempéra- ture de translation et par F1, F2 la valeur de la surface de section transversale en deux points différents du canal d'écoulement, le rapport Tl/T2, pour des vitesses à nombres de Mach élevés, se rapproche de la valeur limite T1/T2 = (F2/F1) '- relation dans laquelle est le coefficient de détente adiabatique. Pour un laser de type C02-N2-H20 on a appro- ximativement Y 1,3. La présente invention a pour but de réaliser un laser à gaz qui peut fonctionner sans problème, dans le cas de températures de stagnation élevées, sans nécessiter les conditions d'expansion exposées plus haut. Dans ce but, le laser de l'invention est caractérisé en ce qu'on injecte dans le courant de gaz laser des gout- telettes de liquide dont la vaporisation renforce le re- froidissement. Conformément à l'invention, les gouttelettes de li- quide, avant leur vaporisation, sont finement dispersées et accélérées au voisinage de la vitesse d'écoulement du gaz de laser, cette dispersion et cette accélération étant as- surées par un choix approprié de la géométrie de la buse et du mode d'injection. Ces gouttelettes de liquide à vaporiser sont consti- tuées par de l'eau (H20) ou de l'eau lourde (D20), éventuel- lement de l'eau (H20) fortement enrichie en eau lourde et également par du C02 dissous et l'injection du liquidé a lieu au voisinage du col de la buse, notamment en avant du col. Conformément à l'invention, les gouttelettes de li- quide sont réparties en forme de nuage dans un mélange gazeux refroidi avant leur injection dans le courant chaud près du col de la buse avec la pression maximale. Conformément à l'invention, le principe de la buse de Laval, c'est-à-dire l'abaissement de la température par ex- pansion est maintenu dans le cas de faibles nombres de Mach, tandis que, dans le cas de nombres de Mach élevés, l'abais- sement de température supplémentaire qui est alors nécessai- re est obtenu par abaissement de la température de stagna- tion actuelle, c'est-à-dire la température qui est atteinte par le fluide dans des conditions de freinage isotropique. Dans l'emploi exclusif du principe de Laval, c'est la tem- pérature maximale. Un tel abaissement de la température de stagnation actuelle est obtenu, conformément à la propo- sition de l'invention, par la vaporisation de gouttelettes d'eau de dimension microscopique qui sont entraînées dans - 2484722 le coulrant. En théorie, le résultat est d'autant meilleur que les gouttelettes se rapprochent de la valeur de vitesse du fluide, c'est-àdire que le fluide et les gouttelettes doivent avoir sensiblement la même vitesse. Dans ce cas, avec des nombres de Mach élevés et avec des températures de stagnation maximales comprises entre 2 500 et 3 500 degrés Kelvin, on a la relation approximative suivante dT/T M + dw/w Dans cette équation, dT est le changement relatif de la température de translation et dw/w est le changement relatif de la densité des composants gazeux du courant, dus a la vaporisation des gouttelettes d'eau. On voit que l'abais- sement de température d" à la vaporisation est efficace pré- cisément dans le 'cas de nombres de Mach élevés. Le procédé est par conséquent un complément idéal apporté au principe d'expansion utilisé dans la buse de Laval. La quantité d'eau nécessaire est pratiquement infé- rieure à 15 - 20 % molaire. L'invention est expliquée ci-après à l'aide de deux exemples de réalisation avec référence au dessin annexé. Dans le premier exemple, l'eau est introduite dans le courant, par des injecteurs appropriés 3 dans la zone de col 2 de la buse de Laval 1, par exemple sous la forme de jets très fins. En raison de la grande vitesse du courant de gaz, les jets d'eau injectés sont rapidement pulvérisés et en même temps accélérés. Lors d'une injection en avant du col de buse 2, la pulvérisation est encore renforcée par la forte accélération-du courant dans le col de la buse. Pour la production de la pression d'injection néces- saire, l'amenée d'eau pré-refroidie 4 est chargée, par une conduite 5, avec la pression de stagnation régnant dans le fluide 6. Une série d'injecteurs 3 est disposée, à faible espacement, le long du bord de buse supérieur et inf:éieur de la figure. Etant donné que la durée de passage à travers la i:'- ne de col de la buse, qui est d'un diamètre de 0,1 mm, est typiquement de l'ordre de grandeur inférieur à 1 micro-se- conde, les gouttelettes ne peuvent pas être vaporisées dans cette zone de col, et leur vaporisation se produit seulement en aval. Une ébullition des gouttelettes, et ern conséquence, leur vaporisation très rapide, se produit lorsque la pression du gaz, en raison de l'expansion, e- inférieure à la pression de vapeur des gouttelettes qui dépend de leur température. De cette manière on obtient, précisément dans le cas de nombres de Mach élevés, un rc- froidissement efficace du fluide. Dans le second exemple proposé, il est prévu que les gouttelettes d'eau sont déjà dispersées, avant leur injec- tion, dans un mélange gazeux sous-refroidi, sous la forme de nuage fin, et sont introduites sous cette forme au voi- sinage du col de buse par des injecteurs appropriés dans le courant de fluide chaud, par exemple comme décrit dans la demande de brevet allemande DE - 30 08425.4. L'invention apporte cependant encore un autre avan- tage: En raison de l'abaissement de la température de stagnation actuelle, la pression de stagnation actuelle croit con- sidérablement. Ce processus est d'importance particulière avec un laser à circuit ouvert. En effet le problème est nettement facilité de compression du gaz laser à la pres- sion atmosphérique, après traversée du résonateur à l'aide d'un diffuseur.. L'utilisation d'eau qui est proposée ici, repose sur-le fait que ce liquide possède une chaleur de vapo- risation très élevée (5e 2 500 J/g) et que, par consé- quent, de faibles quantités agissent déjà pour un refroi- dissement efficace. A cela s'ajoute encore le fait que l'eau ne représente pas, dans un laser à C02-N2, une substance étrangère, car, de toute façon, elle est utili- sée comme catalyseur pour la vidange du niveau inférieur du laser. Cependant l'eau (H20) peut, par des chocs intermo- léculaires, agir pour un abaissement de l'énergie de vi- bration du N2 et du C02, tandis que, avec de l'eau lourde (D20), avec le même effet de refroidissement, cet effet ' indésirable d'abaissement d'énergie ne se produit que dans une faible mesure. En conséquence, il est avantageux d'in- troduire dans le fluide laser, au lieu de gouttelettes de H20, des gouttelettes d'eau lourde D20 ou des gouttelettes d'eau fortement enrichies en D20. En outre, il peut être avantageux d'injecter dans le fluide laser des gouttelettes de liquide enrichies avec C02 dissous. De cette manière, le gaz laser peut contenir tout d'abord moins de C02, de sorte que le' "blocage" de l'énergie de vibration des molécules de N2 est favoriséo 6 2 2484722 - R E V E N D I C A T I 0 N S- 1. Laser à gaz, en particulier laser à C02, dans lequel le fluide laser est refroidi par expansion dans une buse de Laval (1), laser caractérisé en ce que, dans le courant de gaz, sont introduites.des gouttelettes de liquide dont la vaporisation renforce le refroidissement. 2. Laser à gaz suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les gouttelettes de liquide sont, avant leur va- porisation, finement pulvérisées et.accélérées jusqu'au voisinage de la vitesse d'écoulement du courant de gaz laser. 3. Laser à gaz suivant la revendication 2, caractéri- sé en ce que la pulvérisation et l'accélération des.goutte- lettes de liquide sont réalisées par un choix approprié de la géométrie de la buse et du lieu d'injection. 4. Laser à gaz suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que les gouttelettes de li- quide à vaporiser sont constituées par de l'eau et sont pul- vérisées dans un domaine de grosseur de 1 à 20 microns. 5. Laser à gaz suivant la revendication 4, Caractéri- se en ce que les gouttelettes de liquide à vaporiser sont constituées par de l'eau lourde (D20) ou de l'eau fortement enrichie en eau lourde. 6. Laser à gaz suivant l'une quelconque des revendi- cations 1 à 5, caractérisé en ce que les gouttelettes de liquide à vaporiser sont enrichies avec du C02 dissous. 7. Laser à gaz suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce que le liquide est injecté au voisinage du col (2) de la buse de Laval (1). 8. Laser à gaz suivant la revendication 7, caractéri- sé en ce que le liquide est injecté en avant du col (2) de la buse de Laval (1). 9. Laser à gaz suivant l'une quelconque des revendi- cations 1 à 8, caractérisé en ce que les gouttelettes de liquide sont réparties en un nuage fin dans un mélange ga- zeux refroidi et sont injectées sous cette forme dans le courant chaud dans le domaine de col (2) de la buse.de Laval (1). 10. Laser à gaz suivant l'une quelconque des revendi- cations 1 à 9, caractérisé en ce que les gouttelettes de liquide sont injectées dans la zone de col (2) de la buse de Laval (1), étant chargées par la pression du fluide (6).