ЛАЗЕР
LASER

Настоящее изобретение относится к области приборостроения, и в частности к оптическим квантовым генераторам (ОКГ).
Изобретение может быть использовано при конструировании систем охлаждения теплонагруженных элементов в радиоэлектронике.
Основные требования к ОКГ, в части к конструированию систем охлаждения отдельных его элементов, таких как активный элемент (АЭ), ламп накачки (ЛН) и отражателя изложены в книгах:
1. "Системы охлаждения оптических квантовых генераторов" Б.Р. Белостоцкий, Л., 1971 г.
2. "Системы охлаждения теплонагруженных радиоэлектронных приборов" В.А. Волохов, Э.Е. Хрычиков, В.И. Киселев, М., "Советское радио", 1975 г.
3. "Тепловой режим твердотельных оптических квантовых генераторов" Б.Р. Белостоцкий, А.С. Рубанов. М., "Энергия", 1973 г.
Согласно указанным источникам для охлаждения ОКГ могут использоваться как системы с жидкостным, так и с газовым охлаждением, замкнутые и разомкнутые, одноконтурные и многоконтурные. При этом для ОКГ больших мощностей и частот повторения импульсов могут использоваться одновременно различные типы систем охлаждения.
Рассмотрим основные требования к тепловому режиму таких элементов ОКГ, как ламп накачки (ЛН) и отражателя. Известно, (см. книгу "Импульсные источники света" И.С. Маршак. М., "Энергия", 1978 г.), что энергия ламп накачки может достигать в импульсе более 8000 Дж. При большой частоте импульсов, обеспечение температурного режима оболочки таких ламп является очень сложным вопросом. Следует отметить, что теплопоглощение оболочкой колбы лампы, в зависимости от чистоты поверхности колбы, согласно приведенному источнику колеблется от 20 до 40% общего энерговыделения. В случае загрязнения поверхности колбы лампы теплопоглощение оболочки значительно увеличивается. Следовательно, в случае газового охлаждения ЛН, во избежание загрязнения их поверхности, поступающая газовая среда должна подвергаться специальной фильтрации с высокой степенью очистки от механических примесей, капель воды и масла. Очистка газа от механических примесей и масла решается сравнительно просто, однако очистка от капель и паров воды трудно решаемая задача, особенно для больших количеств газового теплоносителя. Поэтому для охлаждения ЛН используют замкнутые контуры газового охлаждения.
Известны ОКГ содержащие замкнутые контуры газового охлаждения. Таким примером может служить ОКГ, описанный во 2-м источнике (стр.79 рис.4.4), взятом авторами за прототип.
Согласно устройству-прототипу система замкнутого газового охлаждения содержит: лампы накачки 1, активный элемент 2, для охлаждения газа служит теплообменник 12, компрессор 9 - для движения газа. Перед пуском система продувается сухим газом, например азотом. С теплообменника 12 тепло передается от замкнутого контура в окружающую среду. В схеме дана только одна лампа накачки. В случае большого количества ламп и значительной частоты импульсов, требуется отводить значительные тепловые потоки, а так как теплоемкость газа сравнительно мала, требуемое его количество резко возрастает, и следовательно, также требуется значительно увеличить теплообменник, напорное устройство (газовый компрессор) как по весу, так и по габаритам.
Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, т.е. уменьшение веса и габаритов теплообменника и напорного устройства, а также количества газа в замкнутой системе принудительного газового охлаждения ламп накачки.
Поставленная цель достигается в ОКГ, содержащем последовательно расположенные друг за другом, активный элемент, оптический фильтр, ряд ламп накачки, отражатель, замкнутую (внутреннюю) систему принудительного газового охлаждения ламп с напорным устройством и каналом, образованным стенками отражателя и упомянутым оптическим фильтром, между которыми установлены упомянутые лампы, внешнюю (разомкнутую) систему принудительного охлаждения, находящуюся в тепловом контакте с замкнутой системой посредством теплообменника, кожух, расположенный за отражателем, канал между последними образует собой теплообменные поверхности упомянутого теплообменника, причем канал между фильтром и отражателем разделен на отсеки для каждой из ламп с помощью диафрагм, примыкающих в шахматном порядке по длине фильтра и отражателя попеременно, а расстояние между свободными концами диафрагм и стенкой канала замкнутой системы меньше, чем расстояние от стенки канала замкнутой системы до края лампы, или равно последнему. Для доказательства этой возможности рассмотрим особенности теплового режима ламп накачки. При вспышке лампы часть ее энергии поглощается стенкой лампы, нагревая ее, остальная часть энергии лампы излучается в окружающую среду. Так как лампа замкнута в ограниченном объеме, с одной стороны поверхность активного элемента или фильтра и с другой стороны поверхностью отражателя, то значит, энергия лампы идет на нагрев активного элемента или фильтра и отражателя. Часть энергии возвращается на поверхность лампы как отраженная от окружающих лампу поверхностей, и в зависимости от степени черноты их играет известную роль в тепловом режиме лампы.
В случае ряда ламп, поверхность каждой лампы воспринимает дополнительно часть энергии излучаемой соседними лампами. Следовательно, тепловая энергия, идущая на нагрев оболочки самой лампы при вспышке, может быть выражена следующим образом:
л
соб
1
2
3
Q=Q+Q+Q+Q,
соб
где Q - тепловая энергия поглощаемая колбой лампы при вспышке, зависит только от чистоты поверхности лампы;
1
Q - энергия поглощаемая колбой лампы после переизлучения с активного элемента или фильтра;
2
Q - энергия поглощаемая колбой лампы после переизлучения с поверхности отражателя;
3
Q - энергия поглощаемая колбой лампы при излучении соседних ламп накачки.
Из анализа этого уравнения ясно, что стабилизация теплового режима ламп накачки должна осуществляться расчетной массой газа движущегося с определенной скоростью. Расчет массового расхода газа охлаждающего (ЛН) следует производить с учетом теплового режима отражателя, так как отражатель сам значительно нагревается под действием излучения ЛН. Вследствие этого количество газа и скорость его движения, для обеспечения требуемого теплосъема, должны быть весьма значительные.
2
3
Цель достигается реализацией таких систем охлаждения, в которых количество газа и скорость его движения, взятых для одной и той же частоты следования импульсов, может быть уменьшено, если третий и четвертый член в правой части приведенного выше уравнения может быть уменьшен или отброшен совсем. Для этого поверхность отражателя может быть выполнена с покрытием (поверхностью) имеющей значительный коэффициент поглощения, а лампы разделяет непрозрачная перегородка. В этом случае уменьшается составляющая Q - количество тепла, поглощаемое колбой лампы после переизлучения с поверхности отражателя, а перегородки между лампами уберут составляющую Q.
Следовательно, происходит перераспределение энергии и доля тепла, поглощаемая отражателем, увеличится, т.е. общая тепловая нагрузка на колбу лампы значительно уменьшится.
Для уменьшения веса и габаритов системы газового охлаждения за счет разделения ламп перегородками, осуществляется охлаждение каждой лампы самостоятельно, одним и тем же небольшим расходом газа. Это достигается тем, что лампа, заключенная между двумя перегородками, отражателем и фильтром охлаждается газом, который, омывая ее, и отражатель будет переносить тепло с лампы на отражатель (температура которого, благодаря обдуву внешней поверхности воздухом, разомкнутого внешнего контура будет поддерживаться на заданном уровне). Таким образом, в области каждой лампы будет осуществляться контур вынужденной конвекции, который содержит тепловыделяющий элемент - лампу накачки и теплообменник - развитую (оребренную) теплообменную поверхность отражателя. Степень эффективности такого контура будет определяться температурой газа на выходе из него. Для уменьшения температуры выхода газа из контура, максимально снижается температура теплообменной поверхности отражателя (за счет отвода тепла с внешней поверхности отражателя в окружающую среду) и максимально увеличивается площадь его теплообменной поверхности, кроме того, путь движения газа устроен таким образом, чтобы омывание газом (внутреннего контура) как ламп, так и теплообменной (внутренней) поверхности стенки отражателя, происходило наиболее эффективно.
Устройство предлагаемой системы охлаждения представлено на рис.1, 2 и 3, где обозначено: 1 - головка ОКГ, включающая в себя активный элемент 2 с системой его термостабилизации, фильтра 3, лампы накачки 4, отражатели-теплообменники 5, охлаждаемые за счет обдува воздухом из окружающей среды с помощью вентиляторов (напорных устройств) - 6, 7 - замкнутый контур газового обдува ламп накачки с компрессором 8.
Конструктивное исполнение теплообменника-отражателя 5 представлено на рис.2, где обозначено: 9, 12 - патрубки входа и выхода системы подачи теплоносителя (воздуха) для сброса тепла в окружающую среду; 10, 14 - оребрение теплообменника со стороны сброса тепла в окружающую среду; 11 - оребрение теплообменника-отражателя со стороны охлаждения ламп накачки, 13 и 17 - патрубки входа и выхода замкнутой системы газового обдува ламп накачки, 15 - диафрагмы, непосредственно примыкающие к отражателю и являющиеся частью оребренной поверхности отражателя, 16 - диафрагмы, непосредственно примыкающие к оптическому фильтру 3.
Предложенная система охлаждения ОКГ работает следующим образом.
Благодаря тому, что лампы накачки 4 обдуваются газом внутреннего, замкнутого контура, то охлаждение их происходит чистым воздухом, не загрязняющим поверхность ламп, а так как для каждой лампы сделан отдельный контур охлаждения, за счет диафрагм 15, 16, отражателя 5 и фильтра 3, то роль газа во внутреннем, замкнутом контуре сводится к переносу тепла с поверхности колбы лампы 4 на оребренную теплообменную поверхность 5 с помощью напорного устройства (компрессора) 8. Отдав тепло этой поверхности, газ охлаждается и далее уже охлажденным попадает в следующий ламповый контур, где нагревается за счет отвода тепла от следующей лампы. Далее происходит повторение описанной выше операции до тех пор, пока газ не пройдет все контуры, количество которых определяется количеством ламп накачки. А из-за того, что ограничивающие каждый ламповый контур, диафрагмы 15 и 16 не пропускают в контур излучение лампы соседнего контура, то каждая лампа в тепловом отношении является автономным источником тепла. Так как каждая лампа - это отдельный излучающий источник тепла, составляющие которого, как уже указывалось ранее, могут перераспределяться. Для этой цели внутренняя, оребренная поверхность 11, отражателя 5 совместно о примыкающей к ней диафрагме 15 сделаны с максимальным коэффициентом поглощения, что позволяет, как уже указывалось выше, улучшить тепловой режим ламп накачки. Так как диафрагма 15 примыкает к теплообменнику 5, то отвод тепла от нее является обычной задачей теплопроводности. Диафрагма 16, не контактирует с теплообменником 5 и вопрос отвода тепла от нее так же решается с помощью газа внутреннего контура. Однако, поглощая и частично отражая на поверхность теплообменника 5 лучистую энергию ламп, диафрагмы 15 и 16, уменьшают теплонапряженность колбы лампы, являясь косвенными рассеивающими радиаторами для ламп. Так как внешняя оребренная поверхность 10, 14 отражателя 5 омывается потоком воздуха, взятым напорным устройством 6 из окружающей среды, то фактически от каждого контура возможна непосредственная отдача тепла в окружающую среду.
После импульсного включения лампы накачки, корпус баллона ее резко разогревается, значительно выше, чем поверхности охлаждаемого непрерывно отражателя и диафрагм. Газ, циркулирующий по замкнутой системе охлаждения, мгновенно будет осуществлять теплоперенос от ламп накачки к поверхности теплообменника, в каждом отдельном ламповом контуре. В теплообменнике-отражателе 5 тепло, за счет теплопроводности материала отражателя, передается на сторону сброса тепла в окружающую среду с поверхности ребер 10 и 14, осуществляемого за счет воздуха разомкнутого контура.
Использование предложенной системы газового охлаждения ламп накачки и отражателя позволит:
- уменьшить вес и габариты системы охлаждения ламп накачки и отражателя;
- уменьшить энергопотребление системы охлаждения;
- увеличить, по сравнению с известными системами газового охлаждения частоту импульсов.
Все это является особенно важным при конструировании ОКГ на подвижных автономных объектах.