ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР

ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР


RU (11) 2069432 (13) C1

(51) 6 H01S3/22 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 5027912/25 
(22) Дата подачи заявки: 1992.02.19 
(45) Опубликовано: 1996.11.20 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: 1. E.T. Gerry. Gasdynamis lasers. - IEEE Spectrum, 1970, v.7, No 11, pp. 51-58. 2. Антропов Е.Т. и др. Газодинамический CO2 лазер с высокотемпературным регенеративным теплообменным нагревателем рабочей смеси. - М.: Препринт ИВТАН, N 5-39, 1979. 
(71) Заявитель(и): Карпухин Вячеслав Тимофеевич; Конев Юрий Борисович 
(72) Автор(ы): Карпухин Вячеслав Тимофеевич; Конев Юрий Борисович 
(73) Патентообладатель(и): Карпухин Вячеслав Тимофеевич; Конев Юрий Борисович 

(54) ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР 

Использование: изобретение относится к области квантовой электроники и позволяет увеличить КПД и улучшить массогабаритные характеристики мощных технологических лазеров. Сущность: Газодинамический лазер, содержащий сопловой аппарат, оптический резонатор и сверхзвуковой диффузор, регенеративные теплообменники, предназначенные для предварительного подогрева рабочего тела и отбора тепла от отработавшего рабочего тела, регенеративные теплообменники для догрева рабочего тела до рабочей температуры, распределительные устройства для циклического переключения теплообменников, компрессор и систему охлаждения, снабжен рекуперативным испарителем, рекуперативными теплообменниками, установленными в корпусах регенеративных теплообменников предварительного подогрева, и распределительным устройством, вход которого соединен с выходом компрессора, причем компрессор выполнен жидкостным, вход контура хладоагента рекуперативного испарителя подключен к одному из выходов указанного распределительного устройства, а выход - к входу распределительного устройства теплообменников предварительного подогрева, вход контура теплоносителя рекуперативного испарителя соединен с выходом, а выход - с входом системы охлаждения СРДблока, каждый из входов контуров хладоагента рекуперативных теплообменников подключен к одному из выходов указанного распределительного устройства, а выходы - к входу распределительного устройства теплообменников предварительного подогрева, контуры теплоносителя рекуперативных теплообменников являются одновременно контурами регенеративных теплообменников предварительного подогрева. 2 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при разработке и создании мощных технологических лазеров.

Известен лазер [1] в котором рабочая смесь образуется при сгорании газообразных горючего и окислителя. Его недостатки следующие:

состав продуктов сгорания далек от оптимального по КПД генерации,

для подачи компонентов в камеру сгорания они должны быть предварительно сжаты до высокого давления, на что расходуется много энергии.

В результате КПД лазера низок.

Известен лазер непрерывного действия [2] структурная схема которого приведена на фиг. 1. Лазер содержит сопловой аппарат 1, оптический резонатор 2 и сверхзвуковой диффузор 3, вместе составляющие генераторный блок, регенеративный теплообменник 4, камеру сгорания 5, распределительные устройства 6 и 7, баллоны с сжатым азотом 8, компрессор 9, выхлопную трубу 10 и систему охлаждения генераторного блока 11.

Лазер работает следующим образом. Продукты камеры сгорания 5 через распределительное устройство 6 нагревают теплообменник 4 и через распределительное устройство 7 и трубу 10 сбрасывается в атмосферу. Азот низкого давления, например от установки разделения воздуха, сжимается компрессором 9 и подается в баллоны высокого давления 8. Во время работы лазера азот поступает из баллонов 8 через распределительное устройство 7, перемешивается в заданном соотношении с углекислотой и водяным паром из парогенератора. Затем они нагреваются в теплообменнике 4 и через распределительное устройство 6 подаются в генераторный блок 1,2,3, где их внутренняя энергия частично преобразуется в излучение. Часть тепловой энергии, запасенной в рабочем теле, расходуется на нагрев генераторного блока и отводится водой в системе охлаждения 11. Вследствие того, что в известном лазере состав рабочей смеси может быть выбран близким к оптимальному по КПД генерации, его КПД выше. Однако, как и в лазере [1] на сжатие газообразной рабочей смеси расходуется много энергии.

Известный лазер работает небольшое время (несколько мин) в циклическом режиме с малой частотой повторения циклов. При использовании компрессора, производительность которого выше, чем расход рабочей смеси, лазер может работать в непрерывном режиме. В этом случае баллоны, в которых происходит накопление азота, можно не использовать и после перемешивания компонентов в заданном соотношении подавать их непосредственно в теплообменник. В непрерывном режиме для охлаждения элементов лазера (корпуса теплообменника и генераторного блока) придется расходовать много воды (несколько десятков кг/с при расходе рабочей смеси 10 кг/с). Из экономических и экологических требований система охлаждения такого лазера должна быть замкнутой, и для отвода большого количества тепла от охлаждающей воды (20 30% теплосодержания рабочей смеси) потребуется крупногабаритный теплообменник.

Важно подчеркнуть, что недостатки известного лазера являются очень существенными. Например, при расходе рабочей смеси 10 кг/с, нагретой до температуры 1600К-1800К и сжатой до давления 40 атм, мощность компрессора составит 7-10 МВт, а теплообменник в системе охлаждения должен обеспечить отвод тепловой мощности 4-6 МВт. Вследствие указанных недостатков непрерывный режим в известном лазере реализован не был.

Лазер [2] наиболее близок по устройству к заявляемому и принят за прототип.

В предлагаемом изобретении устраняются указанные недостатки.

Сущность изобретения заключается в том, что взаимное расположение элементов и агрегатов лазера позволяет использовать азот в жидком виде, что существенно снижает расходуемую мощность: при одинаковом расходе и степени сжатия мощность, расходуемая на привод жидкостного компрессора, в 20-50 раз меньше, чем расходуемая на привод газового компрессора. Теплообмен в теплообменнике-испарителе вследствие большой разницы температур жидкого азота и воды в системе охлаждения происходит значительно интенсивнее, чем в теплообменнике, в котором в качестве хладоагента используется вода. Это позволяет существенно уменьшить его габариты. Таким образом за счет уменьшения мощности, расходуемой на сжатие азота, и интенсификации теплообмена в системе охлаждения КПД предлагаемого лазера будет больше, а габаритные размеры - меньше, чем у прототипа.

Для достижения указанного технического эффекта газодинамический лазер, содержащий генераторный блок, включающий в себя сопловой аппарат, оптический резонатор и сверхзвуковой диффузор, регенеративные теплообменники, предназначенные для предварительного подогрева рабочего тела и отбора тепла от отработавшего рабочего тела, регенеративные теплообменники для догрева рабочего тела до рабочей температуры, распределительные устройства для циклического переключения теплообменников, системы подачи углекислого газа и водяного пара, танк с жидким азотом, компрессор и систему охлаждения генераторного блока, снабжен рекуперативным теплообменником для испарения жидкого азота и отбора тепла от воды в системе охлаждения генераторного блока, вход трубопровода воды которого соединен с выходом, а выход со входом системы охлаждения генераторного блока, рекуперативными теплообменниками для испарения жидкого азота и отбора тепла от отработавшего рабочего тела, трубопроводы азота которых установлены в потоке отработавшего рабочего тела внутри теплообменников предварительного подогрева, и распределительным устройством, вход которого соединен с выходом компрессора, а выходы соединены со входами трубопроводов азота рекуперативного теплообменника испарения жидкого азота и отбора тепла воды в системе охлаждения генераторного блока и рекуперативных теплообменников для испарения жидкого азота и отбора тепла от отработавшего рабочего тела.

На фиг. 2 представлена структурная схема газодинамического лазера непрерывного действия в соответствии с изобретением. Газодинамический лазер содержит генераторный блок, включающий в себя сопловой аппарат 1, оптический резонатор 2 и сверхзвуковой диффузор 3, регенеративные теплообменники 4 и 5, предназначенные для предварительного подогрева рабочего тела и отбора тепла от отработавшего рабочего тела, регенеративные теплообменники 6 и 7 для догрева рабочего тела до рабочей температуры, распределительные устройства 8, 9, 10 и 11 для циклического переключения теплообменников, трубопроводы азота 12 и 13 рекуперативных теплообменников, установленные внутри регенеративных теплообменников 4 и 5 и предназначенные для испарения жидкого азота и отбора тепла от отработавшего рабочего тела, трубопроводы азота 14-1 и воды 14-2 рекуперативного теплообменника 14, предназначенного для испарения жидкого азота и отбора тепла воды, отработавшей в системе охлаждения генераторного блока, жидкостный компрессор 15, распределительное устройство жидкого азота 16, камеры сгорания 17 и 18, выхлопную трубу 19, танк с жидким азотом 20 и систему охлаждения генераторного блока 21.

Лазер работает следующим образом.

Жидкий азот из танка 20 сжимается жидкостным компрессором 15 до заданного давления, проходит через распределительное устройство жидкого азота 16 в трубопровод 14-1 теплообменника 14 и трубопровод 13, установленный внутри теплообменника предварительного подогрева 5, и испаряется. Образовавшийся газообразный азот высокого давления проходит через распределительное устройство 11 теплообменников предварительного подогрева и смешивается в заданном соотношении с CO2 и H2O. Далее рабочая смесь поступает в теплообменник 4, где происходит ее предварительный подогрев, затем в теплообменнике 6 она догревается до заданной температуры. Нагретая рабочая смесь проходит через распределительное устройство 8 в генераторный блок 1, 2, 3, где ее внутренняя энергия частично преобразуется в излучение, затем проходит через распределительное устройство 9 в теплообменник 5, в котором происходит отбор тепла от отработавшей рабочей смеси и продуктов камеры сгорания 18 и далее через распределительное устройство 10 и трубу 19 выбрасывается в атмосферу. В это время работает камера сгорания 18, нагревая своими продуктами теплообменники 5 и 7. После того, как аккумулированное теплообменниками 4 и 6 тепло израсходуется на нагрев рабочей смеси, происходит переключение распределительных устройств 8, 9, 10, 11 и 16 таким образом, что теплообменник 5 переходит в режим предварительного подогрева рабочей смеси, теплообменник 7 в режим догрева рабочей смеси до заданной температуры, теплообменник 6 в режим аккумуляции тепла от камеры сгорания 17, теплообменник 4 в режим отбора тепла от отработавшей рабочей смеси и продуктов камеры сгорания 17. Жидкий азот в это время испаряется в трубопроводах 14-1 и 14-2. В трубопроводе 14-1 испарение жидкого азота происходит за счет отбора тепла нагретой воды, поступающей по трубопроводу 14-2 из системы охлаждения генераторного блока 21. Охлажденная вода возвращается назад в систему охлаждения генераторного блока.

Температура жидкого азота значительно ниже, чем температура окружающей среды, а его удельная теплота испарения довольно велика. Поэтому теплообмен в теплообменнике 14 происходит значительно интенсивнее, чем, например, в радиаторном теплообменнике. Это позволяет существенно уменьшить его габариты.

Таким образом, КПД лазера в соответствии с предлагаемым изобретением будет больше, а габаритные размеры меньше, чем у прототипа. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Газодинамический лазер, содержащий генераторный блок, включающий сопловой аппарат, оптический резонатор и сверхзвуковой диффузор, регенеративные теплообменники, предназначенные для предварительного подогрева рабочего тела и отбора тепла от отработавшего рабочего тела, регенеративные теплообменники для догрева рабочего тела до рабочей температуры, распределительные устройства для циклического переключения теплообменников, системы подачи углекислого газа и водяного пара, танк с жидким азотом, компрессор и систему охлаждения генераторного блока, отличающийся тем, что он снабжен рекуперативным теплообменником для испарения жидкого азота и отбора тепла от воды в системе охлаждения генераторного блока, вход трубопровода воды которого соединен с выходом, а выход с входом системы охлаждения генераторного блока, рекуперативными теплообменниками для испарения жидкого азота и отбора тепла от отработавшего рабочего тела, трубопроводы азота которых установлены в потоке отработавшего рабочего тела внутри теплообменников предварительного подогрева, и распределительным устройством, вход которого соединен с выходом компрессора, а выходы соединены с входами трубопроводов азота рекуперативных теплообменников.


ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к лазерным квантовым генераторам, а именно лазеры и лазерное оборудование:

- твердотельные полупроводниковые лазеры

- газовые лазеры

- химические лазеры

- практическое применение в промышленности, науке и в быту газовых, твердотельных и химических лазеров.


Лазеры. Лазерное оборудование






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+газовый -лазер".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "лазер" будут найдены слова "лазеры", "лазерный" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("лазер!").



Рейтинг@Mail.ru