Устройство лазерного охлаждения

Полезная модель относится к устройствам для охлаждения и может быть использована для прямого направленного лучевого безинерционного охлаждения целевых объектов, в частности, людей, животных, растений и др., а также строго направленного (зонального) лучевого охлаждения помещений различного назначения и находящихся в них объектов.
Известны технические решения в области холодильной (морозильной) техники, включая системы кондиционирования и охлаждения воздуха (компрессионные, абсорбционные, электрохимические, термоэлектрические и т.п.). Основной принцип действия известных технических решений - это принудительный перенос тепловой энергии, например, от испарителя к конденсатору посредством использования промежуточного хладагента.
Недостатками этих технических решений является относительно высокая инерционность, а также невозможность генерации направленного лучевого потока холода с требуемыми спектральными и пространственными характеристиками.
Известен также источник направленного инфракрасного излучения со сменными спектральными диапазонами [RU 139388, U1, G01J 1/08, 10.04.2014], включающий излучатель типа черное тело с круглым отверстием для выхода излучения, коллиматорную оптическую систему формирования луча направленного излучения и сменные спектральные фильтры, при этом коллиматорная оптическая система выполнена в виде смонтированной напротив отверстия и подвижной в осевом направлении сменной линзовой системы с оптической осью, проходящей через ось отверстия, линзы сменной линзовой системы выполнены из материалов, имеющих селективно высокий коэффициент пропускания инфракрасного излучения в спектральном диапазоне, перекрывающем все задаваемые сменные спектральные диапазоны, а на выходе сменной линзовой системы смонтировано крепежное устройство с возможностью установки двух сменных спектральных фильтров.
Недостатком известного технического решения является относительно узкие функциональные возможности, ограничивающие его применение для безинерционного охлаждения объектов.
В качестве наиболее близкого технического решения может быть принято устройство бесконтактной обработки инфракрасным лазерным излучением целевых объектов [RU 2430832, С2, В29С 49/64, 10.10.2011], содержащее средство, выполненное с возможностью позиционирования пластичных целевых компонентов способом, обеспечивающим возможность проведения в отношении них нагрева облучением, и секцию термоконтроля и терморегулирования, в которую пластичные компоненты вводятся для облучения, причем, эта секция содержит по меньшей мере один твердотельный лазерный RED-диод, выполненный с возможностью испускания инфракрасной лучевой энергии в диапазоне волн 1,1-5,0 мкм посредством прямого преобразования электрического тока в фотоны, при этом указанные лазерные диоды расположены матрицей таким образом, что основная часть лучевой энергии, испущенной этой матрицей, направляется на части целевых компонентов.
В известном техническом решении под бесконтактной обработкой инфракрасным лазерным излучением целевого объекта подразумевается, прежде всего, его нагрев, то есть повышение температуры целевого объекта, которое производится практически безинерционно.
Однако использование известного устройства только для нагрева сужает область ее применения и ограничивает арсенал технических средств, которые могут быть использованы не только для безинерционного нагрева, а и для безинерционного охлаждения целевых объектов.
Задачей, которая решается в предложенном изобретении, является создание устройства, обеспечивающего безинерционное охлаждение целевого объекта.
Требуемый технический результат заключается в расширении арсенала технических средств, которые могут быть использованы для охлаждения целевых объектов и уменьшение их инерционности.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в устройстве, содержащем твердотельный лазер инфракрасного диапазона и средства, обеспечивающие направленное воздействие лазерного излучения, генерируемого твердотельным лазером инфракрасного диапазона, на целевой объект, согласно ПМ, в качестве твердотельного лазера инфракрасного диапазона используют длинноволновый инфракрасный лазер с модой излучения более 10 мкм, излучение которого обеспечивает охлаждение целевого объекта.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что средства, обеспечивающие направленное воздействие лазерного излучения на целевой объект, преобразуют его посредством расширения, коллимации и гомогенизации в лучевой поток холода, воздействующего на целевой объект с требуемыми пространственными характеристиками.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что длинноволновый инфракрасный лазер с модой излучения более 10 мкм содержит по крайней мере один лазерный диод или группу лазерных диодов с монохроматическим излучением.
Кроме того, требуемый технически результат достигается тем, что длинноволновый инфракрасный лазер с модой излучения более 10 мкм выполнен в виде группы разнотипных по длине волны длинноволновых лазерных диодов, предназначенных для генерации полихроматического излучения.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что длинноволновый инфракрасный лазер с модой излучения более 10 мкм содержит по крайней мере один инфракрасный светоизлучающий диод или группу инфракрасных светоизлучающих диодов с монохроматическим излучением.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что длинноволновый инфракрасный лазер с модой излучения более 10 мкм выполнен в виде группы разнотипных по длине волны длинноволновых инфракрасных светоизлучающих диодов, предназначенных для генерации полихроматического излучения.
На чертежах представлены:
на фиг. 1 - функциональная схема устройства лазерного охлаждения;
макс
на фиг. 2 - зависимость длины волны (λ), на которую приходится максимум энергии в спектре равновесного излучения, от температуры (t°С) абсолютно черного тела.
Устройство лазерного охлаждения содержит твердотельный лазер 1 инфракрасного диапазона с модой излучения более 10 мкм и средства 2, обеспечивающие направленное воздействие лазерного излучения, генерируемого твердотельным лазером 1 инфракрасного диапазона, на целевой объект.
Предложенное устройство лазерного охлаждения используется следующим образом.
В основе предложенного технического решения лежит использование известного принципа единства двойственности. В рассматриваемом случае инфракрасное излучение является как источником тепла, так и источником холода, что проявляется не в природе явления, как такового, а в его характеристиках, в частности, в спектрах (модах) излучений.
Суть технического решения заключается в использовании длинноволновых - с длиной волны (модой излучения) более 10 мкм - инфракрасных лазеров для генерации лучевого потока холода с требуемыми спектральными характеристиками.
Известно, что лазер - это устройство, преобразующее энергию накачки (в частности, электрическую энергию) в энергию узконаправленного потока излучения. При этом поток излучения является монохроматическим, когерентным и поляризованным.
макс
Также известно, что в соответствии с законом Вина длина волны (λ), на которую приходится максимум энергии в спектре равновесного излучения, обратно пропорциональна абсолютной температуре (Т°К) абсолютно черного тела:
-3
где b=2,898⋅10 м⋅К.
макс
На фиг. 2 показана зависимость длины волны (λ), на которую приходится максимум энергии в спектре равновесного излучения, от температуры (t°С) по шкале Цельсия абсолютно черного тела.
макс
Так, например, максимум излучения для абсолютно черного тела с температурой по шкале Цельсия t°=0 соответствует длине волны λ=2898/273=10,6 мкм. В частности, температурам -40°, -90° и -200° по шкале Цельсия соответствуют длины волн 12,4 мкм, 16 мкм и 40 мкм, соответственно.
Таким образом, посредством использования длинноволновых инфракрасных лазеров возможна генерация направленного потока холода с требуемыми спектральными характеристиками. При этом поток холода по существу будет представлять собой совокупность узконаправленных, монохроматических, когерентных и поляризованных потоков длинноволновых (более 10 мкм) инфракрасных излучений.
В рамках данного описания величина 10 мкм имеет достаточно условный характер. Согласно закону Вина моде излучения 10 мкм абсолютно черного тела соответствует температура по шкале Цельсия t° ~17. Данное значение температуры может, в зависимости от класса решаемых задач, относиться как к тепловому излучению, так и к потоку холода.
Очевидным и несомненным преимуществом лазерных генераторов холода по сравнению с традиционными решениями в области систем охлаждения (включая холодильную и морозильную технику, а также системы охлаждения воздуха) является более высокая энергетическая эффективность в силу следующих причин - воздействие холода на объект осуществляется напрямую лучевым способом; отсутствие инерционности - время срабатывания лазерных устройств измеряется микросекундами; отсутствие промежуточных устройств и систем теплового переноса - компрессоров, теплообменников, хладагентов, вентиляторов и проч.
Таким образом, предлагается устройство охлаждения (замораживания) на основе использования длинноволновых лазеров.
Варианты осуществления полезной модели.
Для осуществления устройства можно использовать лазеры любых видов. Но предпочтительнее использовать полупроводниковые диодные лазеры.
Отличительными особенностями диодных (полупроводниковых) лазеров являются малые размеры и сравнительно высокая прочность, а также простота возбуждения (накачки) - лазер функционирует при пропускании через полупроводниковый материал электрического тока, возможность работы как в непрерывном, так и в импульсном режимах, возможность получения коэффициент полезного действия, близкого к 100%, возможность работы при комнатной температуре, и более низких температурах, обеспечение достаточно широкого диапазона мощности излучения, в том числе широкий диапазон инфракрасного излучения - от 0,74 мкм до 16 мкм, осуществление модуляции излучения путем изменением тока возбуждения.
Особенностью диодных лазеров по сравнению с другими типами лазеров является более широкая спектральная линия излучения. В результате угол расходимости пучка может доходить до 10 и более угловых градусов, что не является критичным для предложенной системы.
Одномодовые лазерные диоды могут иметь ширину спектра излучения 1÷2 nm. Как правило, мощные лазерные диоды с выходной оптической мощностью от 1 Вт и более являются многомодовыми, а ширина спектра излучения не превышает 50 nm.
Близким по технической сущности к лазерному диоду является светоизлучающий диод (LED - light emitting diode). Это тот же самый лазерный диод, но без резонатора обратной связи. То есть, лазерный диод отличается от обычного светодиода наличием встроенного резонатора, который позволяет получить индуцированное излучение высокой степени когерентности (согласованности между фазами колебаний). У обычного светодиода излучение является спонтанным, или, другими словами, квазикогерентным.
Светоизлучающие диоды имеют более широкий спектр излучения - до 70 nm. Кроме того, светодиоды имеют по сравнению с лазерными диодами больший угол излучения 40÷90°. Из вышеизложенного с очевидностью вытекает возможность создания варианта лазерного генератора холода на светоизлучающих диодах.
Таким образом, лучшими вариантами осуществления устройства являются два следующих базовых варианта.
Первый вариант - устройство лазерного охлаждения на длинноволновых (мода излучения более 10 мкм) инфракрасных лазерных диодах, второй - система лазерного охлаждения на длинноволновых (мода излучения более 10 мкм) инфракрасных светоизлучающих диодах.
Устройство лазерного охлаждения на лазерных диодах (фиг. 1) содержит твердотельный лазер 1 инфракрасного диапазона с модой излучения более 10 мкм и средства 2, обеспечивающие направленное воздействие лазерного излучения, генерируемого твердотельным лазером 1 инфракрасного диапазона, на целевой объект. При первом варианте устройства в качестве твердотельного лазера 1 инфракрасного диапазона используют инфракрасные лазерные диоды, а во втором варианте - инфракрасные светоизлучающие диоды.
Для увеличения излучаемой мощности может быть использовано несколько твердотельных лазеров инфракрасного диапазона.
Основными функциями средств 2, обеспечивающих направленное воздействие лазерного излучения, генерируемого твердотельным лазером 1 инфракрасного диапазона, являются расширение, коллимация и гомогенизация лазерного излучения с целью формирования требуемой пространственной «геометрии» выходного потока холода. Способы и устройства для решения данных задач хорошо известны из существующего уровня техники (например, расширители типа Галилея, интеграторы различного типа и т.п.).
Использование инфракрасных лазерных диодов и инфракрасных светоизлучающих диодов, которые являются практически безынерционными, открывает широкие возможности для программирования режимов функционирования системы лазерного охлаждения, в том числе, возможности для управления в режиме реального времени.
Каждый из рассмотренных выше вариантов системы, в свою очередь, подразделяется на два класса - монохроматические и полихроматические.
При использовании однотипных твердотельных лазеров инфракрасного диапазона, а также их матриц и линеек на выходе системы генерируется узконаправленное монохроматическое излучение.
При использовании разнотипных твердотельных лазеров инфракрасного диапазона, а также их матриц и линеек на выходе системы генерируется направленное полихроматическое излучение.
Использование полихроматического излучения позволяет, например, моделировать инфракрасную часть спектра солнечного излучения в различных вариантах и разной степени интенсивности.
Предложенное устройство, а также группы таких устройств могут быть использованы как потолочные, напольные, настенные, так и в различных комбинациях. Ввиду сравнительно небольшой мощности лазеров инфракрасного диапазона предпочтительная область применения системы - это бытовое применение, в частности, для создания комфортных тепловых условий в жилых и офисных помещениях, в салонах автомобилей и т.п.
Таким образом, в предложенной системе достигается требуемый технический результат, который заключается в расширении арсенала технических средств, которые могут быть использованы для безинерционного охлаждения целевых объектов с повышенной точностью относительно требуемых пространственных и температурных характеристик.