3.4.2 Тепловой расчет лазерного генератора при частоте следования импульсов 8 Гц

При уменьшении частоты следования импульсов в 125 раз, тепловыделение в кристалле также снижается в 125 раз. Таким образом, мощность, выделяемая в виде тепла равна 130/125 ≈ 1 Вт. Из формулы (25) получим:

^оК/с.

Температуру активной среды при конвективном охлаждении получим из выражения (27):

Т_с = (1 / 5 ∙ 30 ∙ 10^-4) + 293 = 360 ^оК = 87 ^оС.

В этом случае температура оказывается вполне удовлетворительной.

Наконец, рассчитаем установившуюся температуру при использовании активной кондуктивно-конвекционной системы охлаждения на основе двух вентиляторов типа «кулер», использовавшейся в нашей работе. Скорость создаваемого ими потока воздуха не менее 0,8 м/с в установившемся режиме. Коэффициент теплоотдачи α резко возрастает при увеличении скорости охлаждаемого потока воздуха и равен 9-15 Вт/(м²∙К). Примем α = 12 Вт/(м²∙К), тогда:

Т_с = (1 / 12 ∙ 30 ∙ 10^-4) + 293 = 321 ^оК = 48 ^оС.

Использование вентиляторов значительно понизило температуру системы, что доказывает эффективность такой системы охлаждения при отводе малой тепловой мощности.

Так как наш задающий генератор предполагается эксплуатировать при частоте следования импульсов генерации не более 50 Гц, мы будем использовать воздушную систему принудительного кондуктивно-конвекционного охлаждения.

3.5. Разработка конструкции охлаждаемого элемента.

Как уже было сказано выше, ввиду тестирования прибора на низкой мощности, было принято решение об использовании воздушной системы охлаждения, состоящей из двух вентиляторов типа «кулер», модель EVERCOOL-EC4020M12S мощностью 0.96Вт, при напряжении питания 12В. Воздухоизмещение кулера около 600 см³/с и при эффективной площади лопастей 7,5 см², скорость создаваемого потока воздуха достигает 0,8 м/с, что позволяет достаточно эффективно охлаждать кристалл.

На рисунке 43 изображена разработанная конструкция охлаждаемого элемента. Стержень YAG-Nd зажат между двумя металлическими зеркалами и поток воздуха попадает на внутреннюю стенку верхнего зеркалами. Такой способ охлаждения обладает преимуществом перед другими способами воздушного охлаждения тем, что кристалл закрыт от прямых воздушных потоков, и это защищает его от попадания на поверхность загрязняющих веществ, находящихся в атмосфере. Но есть и очевидный недостаток в том, что эффективность теплоотвода в таком случае значительно ниже. В нашей работе зеркала выполняют дополнительную функцию радиаторов, что является отличительной особенностью конструкции.

Рис.43. Конструкция охлаждаемого элемента.

При отводе малых количеств энергии, воздушная система охлаждения имеет множество преимуществ перед водяной:

- потребляет значительно меньше энергии;

- несравнимо проще в реализации и эксплуатации;

- исключает риск аварии вследствие попадания на прибор воды;

- практически не создает шума;

- очень низкая стоимость;

- компактность.

Для работы лазерного генератора при частоте следования импульсов накачки ~1кГц потребуется более эффективное охлаждение. Данная конструкция предусматривает использование более эффективной системы охлаждения – охлаждение с помощью вихревой трубы.

Вихревая труба (ВТ) – это не имеющая изнашивающихся частей компактная холодильная машина, питаемая сжатым воздухом от за­водской или бортовой пневмосети (рис. 44). В работе ВТ используется «самопроизвольное» разделение вращающегося турбулентного по­тока воздуха (газа) на охлажденное ядро и горячие периферийные слои. Радиальный перенос тепла, проис­ходящий в этих условиях, называют вихревым эффектом Ранка. ВТ поз­воляет получать холодный поток с температурой от +20°С до -120°С, мощностью охлаждения 100-200 Вт при габаритах ВТ менее 100 х 20 х 20 мм и массой до 50г!

Рис.44. Схема адиабатной вихревой трубы.

Установки на базе вихревой трубы имеют ряд преимуществ по отношению к традиционным системам охлаждения:

1. Главным преимуществом систем на базе вихревой трубы является отсутствие каких-либо хладагентов и теплоносителей.

В настоящее время все вещества, используемые в качестве хладагента в холодильных машинах, имеют повышенную текучесть. К примеру, нормируемая утечка фреона в год около 6-8 % от общего количества. Незначительные дефекты соединений, микротрещины, а также сильные перепады температуры окружающей среды, ведут к дополнительным утечкам хладагента. Утечки данных веществ наносят существенный урон здоровью человека и экологии планеты. Вещества, используемые в качестве теплоносителей, чаще всего являются ядовитыми, вследствие чего они также составляют опасность для человека.

2. Конструкция вихревой трубы является простой, что приводит к уменьшению трудоемкости изготовления, а также монтажа и обслуживания.

3. Отсутствие подвижных частей в конструкции вихревой трубы значительно повышает надежность холодильно-нагревательной системы в целом.

4. Удобство компоновки. Все оборудование является достаточно компактным и легким. Система в целом состоит из отдельных узлов, которые могут быть размещены в различных местах в любом положении.

5. Возможность охлаждения и нагрева газа при помощи одной системы.

6. Вихревая труба является малоинерционным агрегатом. Время выхода вихревой трубы на номинальный режим работы после подачи сжатого газа на вход составляет несколько секунд. Это обстоятельство позволяет с высокой точностью и практически мгновенно регулировать тепловой режим работы любой системы.

Варианты возможных используемых конструкций вихревых труб представлены на рис.45.

Рис.45. Миниатюрные модульные ВТ (D=5 мм, L=40 мм, Q=0,1-0,2 кВт) «универсального» применения с «малыми» двухкамерными модулями «052» (слева направо): М052A с регулируемой скоростью истечения хо­лодного потока; М052C с эжекторной насадкой; М052B (черный и белый) с поворотным соплом холодного потока; сзади – двухмодульный воздухоох­ладитель М052.2. для «точечного» охлаждения.

4. Расчет основных параметров лазерной системы, работающей на частоте следования импульсов генерации ~1 кГц.