Brevet FR2554362A1 — publié le 19850510

L'invention concerne un dispositif de mélange pour écoulement gazeux. Elle s'applique au cas o l'on est on présence d'un écoulement d'un premier gaz et o l'on veut introduire un deuxième gaz dans cet écoulement, de manière à réaliser rapidement un mélange homogène. Une solution connue consiste à disposer dans cet écoulement une succession de tubes disposés parallèlement les uns aux autres dans un mime plan perpendicu- laire à l'écoulement, en laissant entre eux des intervalles pour laisser passer le premier gaz. On introduit le deuxième gaz dans ces tubes, qui sont percés, chacun, le long d'une de ses génératrices disposée sur sa face aval par rapport à l'écoulement, d'une succession de trous d'inJection par lesquels le deuxième gaz s'échappe et se mélange au premier gaz. Cette solution connue ne permet pas touJours d'obtenir un mélange aussi ra- pide qu'il conviendrait, notamment dans le cas o le premier gaz est de l'azote excité par une décharge électrique et o le deuxième gaz contient du gaz oarbo- nique qui doit être excité par interaction moléculaire avec l'azote avant la désexcitation naturelle de l'azote, de manière à ce que le gaz carbonique ainsi excité puisse constituer le milieu actif d'un laser. La présents invention a pour but de parvenir plus rapidement à un mélange homogène des deux gaz. Elle a pour objet un dispositif de mélange pour écoulement gazeux compor- tant des moyens pour conduire un deuxième gaz dans un écoulement d'un premier gaz, ces moyens comportant des trous d'injection répartis dans la section de cet écoulement, caractérisé par le fait que lesdits moyens pour conduire le deuxième gaz com- portent: - une plaque amont disposée de manière à barrer l'écoulement dudit premier gaz, et percée d'une multitude d'orifices de transmission amont, - une plaque aval disposée en aval et on regard de ladite plaque amont et percée, d'une part, d'une multitude d'orifices de transmission aval correspondant respec-- tivement aux orifices de transmission amont, et, d'autre part, d'une multitude d'orifices d'injection, - une multitude de tubes de transmission raccordés chacun de manière étanche au bord de l'un des orifices de transmission amont, et conduisant le premier gaz de cet orifice de transmission Jusqu'à l'orifice de transmission aval correspondant, - des moyens pour introduire ledit deuxième gaz sous pression dans l'espace inter- médiaire entre la plaque amont et la plaque aval de manière à ce qu'il s'échappe vers l'aval à travers lesdits orifices d'injection. A l'aide des figures schématiques I à 3 ci-Jointes, on va décrire, ciaprès, à titre non limitatif, un mode de mise en oeuvre de l'invention. Les éléments qui se correspondent sur plusieurs de ces figures y sont dési- gnés par les mOmes signes de référence. La figure I représenta une vue en coupe par un plan A d'un laser à gaz car- bonique au sein duquel le gaz carbonique est introduit dans un écoulement d'azote par un dispositif selon l'invention, le plan A étant perpendiculaire aux plaques de ce dispositif. La figure 2 représenta une vue agrandie en coupe par le plan A du dispositif selon l'invention représenté sur la figure 1. La figure 3 représente une vue de face, agrandie, du dispositif selon l'invention représenté sur les figures 1 et 2. On connait des générateurs laser dans lesquels on produit une décharge élec- trique dans un premier gaz (de l'azote) animé d'une très grande vitesse et on mélange ce premier gaz à un deuxième gaz (du gaz carbonique) dans une chambre d'expansion dans laquelle est disposée une cavité optique résonnante. La décharge électrique a pour effet de fournir à l'azote une énergie d'excitation qui est transférée au gaz carbonique par interaction moléculaire lors du mélange. Le déplacement rapide du mélange dans la chambre d'expansion lui fait atteindre la cavité optique avant la désexcitation du gaz carbonique, ce qui permet à ce dernier une émission de lumière stimulée au sein de la cavité optique, c'est-à-dire une émission laser. Les molécules d'azote possèdent trois modes d'excitation: thermique, rotationnel et vibrationnel. Lorsque les molécules d'azote et les molécules de gaz carbonique se mélangent dans la chembre d'expansion, c'est l'énergie vibra- tionnelle de l'azote qui peut seule subsister et produire, au sein du gaz car- bonique, l'inversion de population qui donne naissance à une impulsion laser de forte puissance. Encore faut-il pour cela que le mélange des deux gaz soit as- suré de manière intime et homogène avant qu'une fraction importante des molé- cules d'azote se soit désexcitée. Le dispositif selon l'invention permet d'as- surer un tel mélange de manière particulièrement rapide. Selon la figure 1, un générateur laser à flux gazeux comporte une enceinte cylindrique I à une extrémité de laquelle débouche une tuyère d'injection 2 constituant une anode et connectée à un générateur de tension G par l'intermé- diaire d'une résistance R. Cette tuyère 2 comporte un conduit axial 3 relié à une source d'azote sous pression SN représentés schématiquement. Sa face avant comporte un orifice d'injection 4, divergent vers l'intérieur de l'enceinte 1. A l'autre extrémité de l'enceinte 1 est placé un dispositif 200 pour mélanger du gaz carbonique et de l'hélium à l'azote. Ce dispositif est alimenté à partir d'une source de gaz carbonique et d'hélium SC et plus particulièrement décrit à l'aide des figures 2 et 3. Il est connecté électriquement à l'autre pâle du générateur de tension G. Il comporte une multitude d'orifices de transmission tels qus 202 permettant le passage de l'azote. L'enceinte I débouche par les orifices de transmission 202 dans une chambre d'expansion 6 munie de deux miroirs 7 et 8 constituant une cavité optique résonnante, le miroir 8 étant semi-transparent et assurant de la sorte l'émission laser dans le sens de la flèche F. L'extrémité la plus large de la chambre d'expansion est maintenue à très basse pression grâce à des moyens d'évacuation constitués par des canalisations le réunissant à une réserve de vide SV, représentés schématiquement et de dimensions suffisantes pour que la pression y reste pratiquement nulle pendant toute la durée du fonctionnement du générateur laser. Un tel générateur fonctionne de la façon suivante: L'azote introduit sous pression dans le conduit axial 3 de la tuyère 2 est inJecté à vitesse supersonique dans l'enceinte I par l'intermédiaire de l'orifice d'inJection 4. Par suite d'un choix convenable des paramètres du générateur, tels que la longueur et le diamètre de l'enceinte 2, la vitesse et le débit d'in- troduction de l'azote dans cette enceinte, et le rapport de la surface totale des orifices de transmission 202 à la section de l'enceinte 1, il se produit un écoulement tourbillonnaire "principal" de l'azote dans l'enceinte 1. Cet écoule- ment est représenté par les flèches en trait plein 14. Il assure une répartition homogène de la décharge électrique déclenchée en alimentant l'anode 2 et les conducteurs 13 au moyen du générateur Go Une partie de l'azote entrainée par l'écoulement principal s'écoule alors entre les inJecteurs 5 et la paroi de l'enceinte 1, en formant un écoulement secondaire représenté par des flèches en traits ttretés, et entratne le gaz carbonique et l'hélium injectés par les tubulures 12. Le gaz carbonique se trou- ve alors excité de la manière décrite dans ce qui précède et produit une émission laser dans le sens de la flèche F. Selon les figures 2 et 3 le dispositif de m9lange selon l'invention 200 cormorte une plaque "amont" 204, en laiton, épaisse de 2 mm et percée d'une 3E multitude d'orifices de transmission circulaires "amont" 202 d'un diamètre de 5 mm disposés selon un réseau carré au pas de 6 mm. Il comporte en outre une plaque "aval" 206, en laiton épaisse de 3 mm, parallèle à la plaque 204 en laissant entre les deux plaques un espace inter- médiaire épais de 5 mm, et percée d'une multitude d'orifices de transmission "aval" 208 an regard des orifices 202. La plaque amont 204 est située du caté de l'enceinte 1 et la plaque aval 206 du côté de la chambre d'expansion 6. Les orifices de transmission amont et aval sont réunis par des tubes de transmission 210, également en laiton, à section circulaire et soudés par leurs extrémités amont de manière étanche aux bords des orifices de transmission amont 202. La longueur de ces tubes est égale à la distance entre la face amont de la plaque amont 204 et la face aval de la plaque aval 206, et ils ne dépassent ni d'un c6té ni de l'autre du dispositif 200. Leur surface latérale extérieure a une forme cylindrique de révolution. L'épaisseur de leurs parois est pratique- ment nulle à leurs deux extrémités. Elle croit, à partir de l'extrémité amont d'un tube, jusqu'à un col situé à 1,5 mm de cette entrée, et décroit ensuite Jusqu'à l'autre extrémité. Le diamètre intérieur du tube est de 2,5 mm au col. On constitue ainsi une tuyère permettant l'injection de l'azote dans la chambre 6 à vitesse supersa*que La plaque aval 206 comporte en outre une multitude d'orifices d'inJection qui sont de deux sortes. Une première sorte est constituée par des couronnes d'injection 212 formé- es, autour des tubes 210, par la partie périphérique des orifices de transmis- sion aval 208, dont le diamètre est de 5,4 mm, la partie centrale de ces orifi- ces occupée par les tubes 210 ayant un diamètre de 5 mm seulement. Une deuxième sorte d'orifices d'inJection est constituée par des trous d'injection cylindriques 214 d'un diamètre de 0,7 mm. Chaque orifice de transmission aval est entouré par quatre trous d'injec- tion 214 répartis angulairement à 90 les uns des autres autour de l'axe de cet orifice, et à 45 des directions des centres des autres orifices de transmission les plus proches. Ces trous 214 sont percés en biais de telle sorts que la dis- tance de l'axe de chacun de ces trous à l'axe du tube 210 le plus proche est de 3,7 mm sur la face amont de la plaque aval, et de 3 mm seulement sur la face aval. Il en résulte que le Jet de gaz sortant de ce trou touche pratiquement dès sa sortie le Jet annulaire sortant de la couronne d'injection 212, et qu'il est dirigé vers le Jet d'azote sortant du tube 210. La pression amont, c'est-à-dire la pression de l'azote dans l'enceinte 1 peut tre comprise entre 0,1 et plusieurs bars, par exemple I bar. La pression d'injection, c'est-à-dire la pression du mélange de gaz carbo- nique et d'hélium dans l'espace intermédiaire entre les plaques 204 et 206 peut être comprise entre 60 % et 100 % de la pression amont, La pression aval, c'est-à-dire la pression dans la chambre d'expansion 6 peut tre de l'ordre de 10 % de la pression amont. Dans ces conditions, la dis- tance nécessaire à partir de la plaque aval pour obtenir un mélange pratiquement homogène est de quelques centimètres. Elle est inférieure de 30 % à 50 % à celle qui serait obtenue si le mélange d'hélium et de gaz carbonique était injecté à l'aide d'une succession de tubes disposés parallèlement les uns aux autres dans un même plan perpendiculaire à l'écoulement, en laissant entre eux des interval- les convenablement profilés pour laisser passer l'azote en lui faisant prendre une vitesse supersonique. La présente invention permet par conséquent d'améliorer de manière importante la puissance de l'émission laser. REVENDICATIONS 1/ Dispositif de mélange pour écoulement gazeux comportant des moyens pour con- duire un deuxième gaz dans un écoulement d'un premier gaz, ces moyens comportant des trous d'injection répartis dans la section de cet écoulement, caractérisé par le fait que lesdits moyens pour conduire le deuxième gaz com- portent: - une plaque amont disposée de manière à barrer l'écoulement dudit premier gaz, et percée d'une multitude d'orifices de transmission amont, - une plaque aval disposée en aval et en regard de ladite plaque amont et percée, d'une part, d'une multitude d'orifices de transmission aval correspondant respectivement aux orifices de transmission amont, et, d'autre part, d'une multitude d'orifices d'injection, - une multitude de tubes de transmission, raccordés chacun de manière étanche au bord de l'un des orifices de transmission amont, et conduisant le premier gaz de cet orifice de transmission jusqu'à l'orifice de transmission aval correspondant, - des moyens pour introduire ledit deuxième gaz sous pression dans l'espace intermédiaire entre la plaque amont et la plaque aval de manière à ce qu'il s'échappe vers l'aval à travers lesdits orifices d'injection. 2/ Dispositif salon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits orifices d'injection sont au moins partiellement constitués par la partie périphérique des orifices de transmission aval, la partie centrale de ces orifices de transmission étant occupée par l'extrémité aval desdits tubes de transmission. 3/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits orifices d'injection sont au moins partiellement constitués par des trous d'injection séparés des orifices de transmission aval. 4/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que lesdits trous de transmission sont disposés chacun à côté de l'un des orifices de trans- mission aval et répartis autour de cet orifice, leur trajet à travers l'épaisseur de la plaque aval étant orienté de manière à diriger le Jet du deuxième gaz vers le jet du premier gaz sortant de cet orifice de transmission aval. / Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la longueur desdits tube de transmission est entièrement comprise entre la face amont de la plaque amont et la face aval de la plaque aval. 6/ Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que lesdits tubes de transmission présentent intérieurement un profil en forme de tuyère avec une section décroissante de leur extrémité amont Jusqu'à un col et une section croissante de ce col jusqu'à leur extrémité aval, ce col étant plus près de l'extrémité amont que de l'extrémité aval, la section totale desdits orifices de transmission aval étant supérieure à la section totale desdits orifices d'injection. 7/ DisK sitif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que ledit premier gaz est de l'azote excité par une décharge électrique et ledit deuxième gaz est un mélange de gaz carbonique et d'hélium.