Brevet FR2718894A1 — publié le 19951020

L'invention concerne une installation laser CO2 à flux axial et de forte puissance (typiquement d'au moins l'ordre du kilowatt, par exemple 3 kW). On connaît déjà des lasers de ce type d'après notamment le document US-4.785.458 (ou EP-0.152.084). Ce document décrit un dispositif laser comportant un tube de décharge en matériau diélectrique terminé par un divergent (d'ouverture typiquement de l'ordre de 200), et disposé entre des électrodes longitudinales d'excitation ainsi qu'entre des éléments réflecteurs définissant avec ce tube une cavité de résonateur optique. La circulation du gaz C02 est assurée par un élément circulateur (du type pompe ROOTS) précédé d'un échangeur thermique principal et éventuellement suivi également d'un autre échangeur thermique. Une chambre de détente est prévue à la sortie du divergent et avant l'échangeur principal. On connaît également des dispositifs laser tels que celui vendu par TRUMPF sous la référence TLF 5000 turbo (puissance de 5 kW), celui vendu par WB-laser de Munich sous la dénomination de TRIAGON, ou encore celui à configuration en étoile de BIHLER. En pratique les lasers C02 de forte puissance ont actuellement comme inconvénients un grand encombrement et surtout un poids important. Cela provient notamment du circulateur utilisé qui est le plus souvent une pompe ROOTS (très lourde) ou une pompe du type turbine centrifuge tournant à très grande vitesse, par exemple 45.000 t/min. La fiabilité de ces turbines est mal connue et la lubrification à huile sous pression peut poser un problème de pollution des gaz, le moteur étant placé à l'extérieur de la boucle de circulation des gaz. Il faut rappeler ici que la pression moyenne de gaz dans le tube à décharge est très inférieure à la pression atmosphérique et que pour en assurer une circulation à grande vitesse (pour une bonne évacuation de chaleur et une bonne stabilité du laser) on a cherché à utiliser des circulateurs à fort coefficient de compression (typiquement au moins égal à 1,4). En outre des dispositifs laser connus utilisent généralement des alimentations électriques volumineuses. L'invention a pour objet de pallier ces inconvénients et vise un dispositif laser au CO2 à flux axial, de forte puissance (d'au moins de l'ordre du kilowatt), de faible poids et de faible encombrement, faisant intervenir des composants simples et peu coûteux. Elle propose à cet effet un dispositif laser au CO2, à flux axial comportant - au moins un module formant une boucle de circulation et comportant au moins un tube de décharge en matériau diélectrique placé entre des électrodes d'excitation, un échangeur thermique et un circulateur disposé en aval de cet échangeur thermique, - des éléments optiques définissant avec chaque tube de décharge un résonateur optique, - une alimentation électrique connectée aux électrodes et au circulateur, caractérisé en ce que l'échangeur thermique et le circulateur forment un ensemble monté entre deux boîtiers de raccordement entre lesquels s'étend également ledit tube de décharge, ces boîtiers ayant une section de passage très supérieure à la section de passage du tube de décharge, en ce que le tube communique avec les boîtiers, respectivement, par un convergent et par un diffuseur, et en ce que le circulateur a un rapport de compression inférieur à 1,2. Selon des enseignements préférés de l'invention, éventuellement combinés - il y a plusieurs tubes de décharge montés en parallèle entre ces boîtiers de raccordement, - ces boîtiers de raccordement ont globalement une forme parallélépipédique, - le circulateur comporte deux étages en série avec des roues à ailettes montées rotatives, disposées autour d'un moteur central d'entraînement, - le rapport de compression est de l'ordre de 1,1, - le convergent a un demi-angle au sommet compris entre 300 et 60 et le divergent a un demi-angle au sommet compris entre 50 et 100. - les électrodes d'excitation d'un tube sont disposées au moins en partie à l'extérieur du tube, - l'une au moins des électrodes comporte une partie longeant intérieurement une partie de la paroi du tube, - cette partie d'électrode a une section délimitée par un arc de cercle longeant la paroi du tube et un segment de droite, - cette partie interne d'électrode est à une distance radiale constante d'une partie externe de cette même électrode, - l'une au moins des électrodes longe un méplat longitudinal ménagé sur la surface extérieure du tube, - ce méplat est concave, - ce méplat est plan, - le tube a, en regard radialement des électrodes, une épaisseur qui diminue d'amont en aval, - les électrodes d'excitation sont connectées à un élément de commande adapté à leur appliquer un courant alternatif d'excitation de fréquence comprise entre 40 kHz et 100 kHz environ, - le dispositif laser est constitué de plusieurs modules comportant chacun une boucle de circulation avec deux boîtiers de raccordement, au moins un tube et un ensemble échangeur-circulateur, - deux desdits modules sont montés tête-bêche avec une chambre centrale unique formée par deux boîtiers adjacents appartenant respectivement auxdits modules, - ce dispositif comporte deux modules comportant chacun trois tubes de longueur d'environ 30 cm et de diamètre interne d'environ 3,4 cm, pour une puissance laser d'environ 3 kW. Des objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue en perspective avec arrachement partiel d'un dispositif laser conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue schématique de côté, - la figure 3 en est une vue schématique de dessus, - la figure 4 est une vue agrandie du circulateur ou ventilateur avec demi-coupe parallèlement à l'axe d'écoulement, - la figure 5 est un quart de coupe transversale d'un tube à décharge, - la figure 6 est une demi-vue en coupe transversale pour une autre configuration d'électrodes, et - la figure 7 est une vue en coupe axiale d'un tube à décharge muni de deux méplats. Les figures 1 à 3 représentent un dispositif laser de 3 kW. Ce dispositif est, dans l'exemple considéré, formé de deux modules 10 et 10' (dans ce qui suit, sauf indication contraire, les numéros de référence sans indice correspondent au module 10 tandis que les numéros de référence avec l'indice "prime" correspondent au module 10' ; en outre ce qui sera dit à propos du module 10 se généralise au module 10'). Chaque module 10 ou 10' comporte - deux chambres de raccordement 11 et 12 (11' et 12'), - au moins un tube à décharge en matériau diélectrique (il y a ici trois tubes désignés par les références 13, 14 et 15) s'étendant entre ces chambres de raccordement, en communiquant avec l'intérieur de ces chambres par deux cônes de raccordement appelés, compte tenu du sens de l'écoulement de gaz prévu dans le (ou les) tube(s), convergent 16 et divergent 17 (ou diffuseur), - un ensemble constitué d'un échangeur thermique 18 et d'un ventilateur 19 (ou circulateur) s'étendant également entre ces chambres de raccordement parallèlement et à distance du (des) tube(s) et formant avec ce (ou ces) tube(s) et ces chambres de raccordement une boucle de circulation ; en pratique l'échangeur thermique est monté en amont du ventilateur, - une paire d'électrodes longitudinales 20 et 21 pour chaque tube, disposées le long de part et d'autre de celui-ci, - une alimentation électrique ici formée de transformateurs H.T. 22 à 24. Le dispositif laser comporte en outre, dans son ensemble - des éléments optiques (en pratique des miroirs 25 à 30) dont au moins une lame semi-transparente 30) disposés en regard des extrémités des tubes en sorte de définir avec ceux-ci un résonateur optique, - une éventuelle structure porteuse rigidificatrice comportant ici des barres stabilisatrices fixées aux boîtiers constituant les chambres de raccordement. Il y a avantageusement des plaques de protection électrique 31 et 32 entre les jeux d'électrodes de tubes de décharge adjacents. On voit sur la figure 1 des flasques 33 et 34 portant les éléments optiques ; comme ces éléments optiques sont à l'extérieur des chambres de raccordement, il doit être compris que ces chambres comportent des fenêtres transparentes en regard de ces éléments optiques. On peut noter que les deux &commat;Ux modules 10 et 10' sont disposés tête-bêche ; compte tenu de ce que chacun de ces modules comporte un ensemble échangeur-ventilateur, il n'est pas nécessaire que les chambres de raccordement adjacentes disposées au centre de l'ensemble soient isolées : elles peuvent constituer une chambre unique de détente. Le convergent et le diffuseur disposé au extrémités de chaque tube assurent de bonnes conditions aérodynamiques. Le ventilateur alimente en parallèle les trois tubes à décharge (typiquement de 3,4 cm de diamètre et de 30 cm de longueur). L'échangeur thermique placé à la sortie des tubes permet de refroidir les gaz avant leur entrée dans le ventilateur. La pression normale de fonctionnement est voisine de 90 mbars. Le ventilateur est du type axial, à deux étages, de faible poids et de faible encombrement. Le taux de compression est d'environ 1,1 pour une vitesse de rotation de 16000 t/min et le débit est de 300 1/s. Ce ventilateur (voir la figure 4) comporte deux roues à ailettes, 19A et 19B, fixées de part et d'autre du moteur 19C, ce dernier étant placé dans le flux gazeux. Cette disposition permet de s'affranchir des problèmes d'étanchéité (entre l'enceinte laser et l'extérieur) existant lorsque le moteur est placé à l'extérieur. Il est à remarquer que le dispositif laser décrit ci-dessus se distingue fondamentalement des dispositifs connus, y compris ceux incluant le nouveau type de pompe à très grande vitesse de rotation (40.000 t/min) qui permet un gain de poids considérable (50 kg pour la Turbostream 2500 L + 20 kg pour le convertisseur), et dont le débit est de 690 l/s pour un taux maximal de compression de 1,4. Il existe aussi des pompes de 280 et 420 l/s et une pompe à double étage (D 2500) procurant un taux de compression maximal de 1,9 (73 kg + 29 kg pour le convertisseur). En fait, ces pompes ont été conçues pour remplacer directement la pompe Roots sans modifier les paramètres aérodynamiques de l'écoulement gazeux du laser. La démarche de l'invention a été différente connaissant les difficultés à obtenir un moyen de pompage compact et peu onéreux, on s'est efforcé de réduire les contraintes imposées à la pompe en reconsidérant la conception du laser. Afin de limiter le taux de compression, on a de préférence choisi des tubes à décharge de relativement gros diamètre (= 3 cm) et une vitesse de circulation des gaz assez faible (t 120 m/s) correspondant à un nombre de Mach de 0,25. Par ailleurs, le mélange gazeux est avantageusement choisi riche en azote pour obtenir une masse molaire moyenne élevée (= 16) simplifiant la conception du ventilateur. Des essais préliminaires ont montré que l'utilisation de ce mélange (CO2 - N2 - He = 0,05 - 0,45 - 0,50) permettait d'obtenir de bonnes performances. Comme pour la plupart des lasers CO2 de puissance actuels, la pression a été fixée à 100 mbars (+ 20 %). La perte de pression dans un tube à décharge en Faradite de 34 mm de diamètre intérieur et de 30 cm de longueur, dans les conditions nominales de fonctionnement (P = 90 mbars - u0 = 120 m/s - WO = 12 W/cm3), est d'environ 5 mbars. Sans décharge, la perte de pression est négligeable. Les raccordements du tube à décharge au circuit de pompage s'effectue par l'intermédiaire de cônes de reprise. En amont, le convergent de 400 de demi-angle permet de mettre le gaz en vitesse jusqu'à Mach 0,25. A la sortie du tube, le diffuseur d'environ 7 cm de longueur et de 90 de demi-angle permet de récupérer la perte de pression liée à la mise en vitesse du gaz. Sans décharge électrique, l'ensemble convergent + tube + diffuseur n'apporte qu'une perte de pression négligeable ( Ainsi que cela ressort de ce qui a été dit plus haut, le circulateur est équipé de deux étages en série, ce qui permet dans l'encombrement requis, d'assurer le niveau de performances tout en conservant une vitesse de rotation qui reste raisonnable. Cette disposition permet par ailleurs au niveau du rotor un régime thermique très favorable car les deux extrémités de l'arbre sont en contact d'un puits de chaleur constitué par la roue du premier et du deuxième étage. Cette disposition est garante de conditions de fonctionnement tres classiques pour les roulements flasqués, graissés à vie, qui équipent le moteur. Le moteur est de type asynchrone tétrapolaire alimenté à la fréquence de 610 Hz, ce qui donne une vitesse de rotation de 17.400 tr/min. Le premier étage est constitué de la roue 19A du type "mixed-flow" et d'un redresseur axial 19E qui fait partie intégrante du carter moteur. Le deuxième étage est du type axial avec un redresseur 19F qui porte l'ogive du diffuseur de sortie du circulateur. Le poids d'un circulateur est de 7 kg seulement. Un convertisseur électronique permet l'alimentation électrique du circulateur (200 V - 610 Hz) qui ne consomme que 800 W. A titre indicatif, la pompe Leybold 1000 L consomme 2,8 kW pour un débit sensiblement inférieur de 280 1/s. Un autre point à considérer pour réduire l'encombrement et le coût d'un laser CO2 industriel concerne l'alimentation électrique des tubes à décharge. Dans la plupart des réalisations actuelles, l'excitation utilisée est radiofréquence à 13,5 ou 27 MHz. Cela donne de bons résultats mais le coût des alimentations RF est élevé et elles ne sont généralement pas équipées de semiconducteurs. L'invention recommande par contre d'utiliser une excitation électrique alternative à moyenne fréquence (40 à 100 KHz) avec couplage capacitif de l'alimentation au tube à décharge. Avec l'excitation alternative, il est en effet possible d'utiliser un couplage capacitif, les électrodes étant séparées du gaz par un diélectrique qui est, dans le cas d'une décharge longitudinale, constitué par les parois du tube. On évite ainsi la pollution possible du mélange gazeux par les électrodes. L'excitation alternative à moyenne fréquence (autour de 100 kHz) et couplage capacitif présente plusieurs avantages - la décharge est stable car la fréquence d'excitation est supérieure à la fréquence critique du plasma (instabilité liée à l'attachement f z 10 kHz). De plus, en couplage capacitif, l'impédance du diélectrique joue un rôle stabilisateur. Cet effet est très faible pour l'excita tion RF (10 MHz et plus) car l'impédance du diélectrique est alors négligeable devant celle du plasma. - le générateur AC nécessaire est particulièrement simple, délivre une basse tension ( semiconducteurs (MOS par exemple). La haute tension nécessaire à la création et à l'entretien de la décharge est obtenue grâce à un transformateur élévateur de tension de faible rapport (5 à 15). Les essais ont montré que cette solution était intéressante car on a obtenu des décharges stables et uniformes dans les tubes à décharge de 34 mm de diamètre intérieur et de 30 cm de longueur. La puissance injectée dépasse 3 kW par tube. La présente invention utilise avantageusement des tubes en céramique tels que Er = 10 à 100 et un jeu d'élec trodes permettant de créer une décharge transversale uniforme, remplissant bien le tube. La disposition des électrodes proposées par le document US-4.785.458 précité est représentative de ce qui se fait depuis plus de dix ans sur les lasers à flux longitudinal et excitation RF. Elle présente un inconvénient sérieux car les lignes équipotentielles sont fortement courbées au voisinage des électrodes. Il en résulte que le champ électrique n'est pas très uniforme et que la décharge est concentrée vers le milieu du tube et/ou vers les parois. Deux dispositions d'électrodes permettant de pallier cet inconvénient sont décrites ci-dessous a) les électrodes haute 20 et basse 21 sont concaves et épousent la forme convexe du tube diélectrique (voir les figures 1 et 5). Les équipotentielles deviennent des lignes presque équidistantes parallèles et le champ électrique est quasi-uniforme dans le tube, b) l'une 20A des électrodes est placée comme précédemment à l'extérieur du tube ; l'autre électrode comporte (voir figure 6) une partie 21A placée dans le tube et une partie 21B située à l'extérieur du tube, à distance ici constante (égale à l'épaisseur du tube). Les équipoten tielles ont pratiquement la même forme que dans le cas ci-dessus. L'électrode intérieure 21 Aest reliée à la masse à travers le tube en céramique. Elle est avantageu sement réalisée en cuivre, métal qui dissipe bien la chaleur (pas de gradient thermique important) et qui présente un effet catalyseur vis à vis de la dissociation du CO2. Cette électrode est refroidie par un moyen classique, de même que l'électrode extérieure. Sur cette figure 6, on voit que l'électrode haute est ici convexe, coopérant avec un "méplat" concave ménagé longitudinale ment sur la surface extérieure du tube. La disposition interne ne présente pas d'inconvénient majeur car la densité de courant est faible ( Chaque tube à décharge est alimenté séparément par un transformateur HT(Vo La figure 7 présente une variante de la figure 5 où le tube comporte deux méplats 13A et 13B, ici plans. Une difficulté mineure a parfois été rencontrée, concernant l'allumage et l'uniformité de la décharge. Dans certaines conditions, la décharge peut ne s'établir qu'à l'extrémité "aval" du tube, probablement parce que la densité du gaz y est sensiblement plus faible. Le couplage du générateur HT étant capacitif, un moyen pour limiter ce phénomène est de maintenir constante l'impédance du tube de l'amont vers l'aval, de sorte que le courant de décharge se répartisse uniformément selon la direction de l'écoulement. Ceci peut être obtenu en augmentant l'épaisseur du diélectrique (paroi du tubé) de l'amont vers l'aval. Les électrodes ne sont donc plus parallèles mais font un petit angle entre elles. Le calcul et l'expérience montrent qu'en général, une augmentation d'épaisseur inférieure à 10 % suffit pour obtenir une bonne uniformité longitudinale. Le générateur haute tension à moyenne fréquence est du type à résonance série. La fréquence de sortie est variable, par exemple de 90 à 120 kHz. Cela permet de faire varier la puissance injectée dans le plasma et en conséquence la puissance laser. La puissance injectée dans un tube varie alors de 500 à 3000 W et peut être modulée rapidement. La conception modulaire du dispositif laser permet de réaliser des lasers de 3,5 et 8 kw à partir de 2,3 ou 4 modules identiques. Il est aussi possible de réaliser un laser de 1,5 kW en n'utilisant qu'un seul module. Dans ce cas, la cavité optique est particulière pour assurer une bonne qualité optique du faisceau. Pour les autres lasers, la cavité optique est classique et est repliée en Z ou en double U, les miroirs étant portés par une structure rigide en fibre de carbone. A titre d'exemple, les caractéristiques d'un laser de 3 kW sont les suivantes - tête laser : 2 2 modules, soit 6 décharges de 3,4 cm et L = 30 cm chaque tube est alimenté par un transformateur de rapport 10 mélange CO2-N2-He ~ 5 - 45 - 50 pression : 90 mbar débit total : 600 l/s cavité optique repliée en double U diamètre du faisceau : z 30 mm nombre de Fresnel : poids : fréquence variable 50 - 150 kHz tension puissance totale : 20 kW - convertisseurs pour l'alimentation des ventilateurs f -- 600 Hz puissance : 1,5 kW Il va de soi que la description qui précède n'a été proposée qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être proposées par l'homme de l'art sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif laser au CO2, à flux axial comportant - au moins un module formant une boucle de circulation et comportant au moins un tube de décharge (13, 14, 15) en matériau diélectrique placé entre des électrodes d'excitation (20, 21), un échangeur thermique (18) et un circulateur (19) disposé en aval de cet échangeur thermique, - des éléments optiques (25-30) définissant avec chaque tube de décharge un résonateur optique, - une alimentation électrique connectée aux électrodes et au circulateur, caractérisé en ce que l'échangeur thermique et le circulateur forment un ensemble monté entre deux boîtiers de raccordement (11, 12) entre lesquels s'étend également ledit tube de décharge, ces boîtiers ayant une section de passage très supérieure à la section de passage du tube de décharge, en ce que le tube communique avec les boîtiers, respectivement, par un convergent et par un diffuseur, et en ce que le circulateur (19) a un rapport de compression inférieur à 1,2. 2. Dispositif laser selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il y a plusieurs tubes de décharge (13, 14, 15) montés en parallèle entre ces boîtiers de raccordement. 3. Dispositif laser selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ces boîtiers de raccordement ont globalement une forme parallélépipédique. 4. Dispositif laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le circulateur comporte deux étages en série avec des roues à ailettes (19A, 19B), disposées autour d'un moteur central d'entraînement. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le rapport de compression est de l'ordre de 1,1. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le convergent a un demi angle au sommet compris entre 300 et 600 et le divergent a un demi-angle au sommet compris entre 50 et 100. 7. Dispositif laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les électrodes d'excitation d'un tube sont disposées au moins en partie à l'extérieur du tube. 8. Dispositif laser selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'une au moins des électrodes comporte une partie longeant intérieurement une partie de la paroi du tube. 9. Dispositif laser selon la revendication 8, caractérisé en ce que cette partie d'électrode a une section délimitée par un arc de cercle longeant la paroi du tube et un segment de droite. 10. Dispositif laser selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que cette partie interne d'électrode est à une distance radiale constante d'une partie externe de cette même électrode. 11. Dispositif laser selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que l'une au moins des électrodes longe un méplat longitudinal ménagé sur la surface extérieure du tube. 12. Dispositif laser selon la revendication 11, caractérisé en ce que ce méplat est concave. 13. Dispositif laser selon la revendication 11, caractérisé en ce que ce méplat est plan. 14. Dispositif laser selon l'une quelconque des revendications 7 à 13, caractérisé en ce que le tube a, en regard radialement des électrodes, une épaisseur qui diminue d'amont en aval. 15. Dispositif laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que les électrodes d'excitation sont connectées à un élément de commande adapté à leur appliquer un courant alternatif d'excitation de fréquence comprise entre 40 kHz environ et 100 kHz environ. 16. Dispositif laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que le dispositif laser est constitué de plusieurs modules comportant chacun une boucle de circulation avec deux boîtiers de raccordement, au moins un tube et un ensemble échangeur-circulateur. 17. Dispositif laser selon la revendication 16, caractérisé en ce que deux desdits modules sont montés têtebêche avec une chambre centrale unique formée par deux boîtiers adjacents appartenant respectivement auxdits modules. 18. Dispositif laser selon la revendication 16 ou 17, caractérisé en ce que ce dispositif comporte deux modules comportant chacun trois tubes de longueur d'environ 30 cm et de diamètre interne d'environ 3,4 cm, pour une puissance laser d'environ 3 kW.