Разработка метода форсирования мощности излучения

УДК 001(06) Инновационные проекты, студенческие идеи, проекты, предложения.
Д.А. УГЛАНОВ
Научный руководитель – А.И. ДОВГЯЛЛО, д.т.н., профессор
Самарский государственный аэрокосмический университет
РАЗРАБОТКА МЕТОДА ФОРСИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ
ИЗЛУЧЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЛАЗЕРОВ НА СО2
ПУТЁМ ОХЛАЖДЕНИЯ ЕГО ДО ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ
ТЕМПЕРАТУР
Сегодня решение проблемы повышения эффективности и мощности излучения
лазера особенно важно для технологических лазеров, среди которых наибольшее
распространение получили газовые – СО2 лазеры. В данной работе предлагается
метод повышения мощности излучения СО2-лазера за счет его охлаждения до
отрицательных температур ~200-250К, что дает возможность в 2-2,5 раза
повысить его КПД и в 2-3 раза мощность излучения лазерной установки.
1. Постановка задачи. Решаемые задачи.
1.1 Краткий обзор состояния проблемы (сравнение с отечественным и
зарубежным уровнем)
В настоящее время в России и за рубежом подавляющее число
технологических лазеров с уровнем выходной мощности излучения
порядка 1 кВт и выше – это газовые лазеры на СО2. Они наиболее
доведены до уровня, позволяющего использовать их в технологических
процессах резки, сварки, термоупрочнения и многих других в условиях
цеха. В то же время требования к мощности их излучения непрерывно
возрастают, а форсирование традиционными методами – увеличением
мощности накачки, скорости газа в контуре, оптимизацией смеси и т.д. –
наталкивается на существенные конструктивные изменения, что далеко не
всегда экономически оправдано. Задача форсирования выходной
мощности технологических лазеров особенно остра для России: многие
предприятия и фирмы уже почувствовали преимущества лазерных
технологий, их экономическую выгоду, но в наличии у них имеются
устаревшие модели, полученные разными способами ещё при старой
экономической системе. Приобретение новых, более мощных лазерных
комплексов наталкивается на их высокую стоимость и нестабильность
спроса на продукцию. Особенно это не приемлемо для малых
предприятий, где необходимость в высокой мощности излучения
возникает редко и требуется чаще всего только для каких то отдельных
операций технологического процесса. Всё это тормозит широкое
внедрение лазерных технологий в промышленность.
88
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 11
УДК 001(06) Инновационные проекты, студенческие идеи, проекты, предложения.
В то же время начиная с первых работ по молекулярным лазерам ИК
диапазона, к которым относится и лазер на СО2, постоянно указывалось
на то, что форсирование мощности излучателей может быть осуществлено
путём охлаждения рабочей смеси газов до низких температур [1,2]. В
экспериментах, описанных в литературе, где уровень охлаждения рабочей
среды доводили почти до конденсации СО2 , было получено увеличение
выходной мощности до 2,5Рном. Но по ряду причин такой метод
форсирования выходной мощности не был востребован. В настоящее
время метод форсирования выходных мощностей технологических
лазеров путём охлаждения рабочей среды до температур на уровне –200С
реален технически и выгоден экономически. Об этом свидетельствует тот
факт, что на рекламных сайтах фирм, производящих холодильную
технику, появились блоки охлаждения для лазеров с тепловыми
мощностями до 20 кВт.
Повышение эффективности работы системы охлаждения и охлаждение
рабочей смеси до отрицательных температур дает возможность повысить
в несколько раз мощность излучения СО2 – лазера, т.е. увеличивается
КПД установки, что весьма важно в условиях производства. Кроме того,
создание эффективной системы охлаждения позволит существенно
снизить энергопотребление, а самое главное – получить высокомощный
лазер при меньших затратах. Использование специально разработанных
холодильных машин позволяет переоборудовать уже имеющиеся на
производстве лазеры (например, мощностью 7 кВт) и получить на них
генерацию излучения мощностью уже 10кВт, при снижении затрат на
электроэнергию, воду и др. В таблице 1 представлен техникоэкономический сравнительный анализ двух эквивалентных по мощности
излучения СО2 – лазеров.
Критерии
1.Стоимость
установки
2.КПД
установки
3.Потребляемая
электрическая
мощность
10 кВт CO2 – лазера
(например, ТЛ-10)
Разработанной
системы (7,5 кВт
CO2 – лазера ТЛ 7,5 + холодильная
машина)
500000 у.е.
350000 у.е. +
10000 у.е. =
360000 у.е.
5%
20%
200 кВт
100 кВт
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 11
89
УДК 001(06) Инновационные проекты, студенческие идеи, проекты, предложения.
4. Расход охлаждающей
воды
9 м3/ч
6 м3/ч
Таблица 1 Сравнительная характеристика CO2 – лазеров
1.2 Обоснование предлагаемого решения задачи.
Для подтверждения высказанного предложения был проведён
эксперимент [3]. Излучатель самого массового отпаянного лазера в
России ИЛГН-708, который применяется в лазерных хирургических
установках (ЛХУ) типа «Скальпель» и «Ромашка», был теплоизолирован
и охлаждался прокачкой хладоагента «Тосол-40» с входной температурой
порядка –100С. Выходная мощность излучения при этом увеличилась с 20
Вт (при
температуре хладагента +150С) до 40 Вт. Результаты
эксперимента отображены на рис.1. Схема эксперимента представлена на
рис.2.
èçë.
NÐизл,,
( Âò .)
Вт
40
38
36
34
32
30
28
26
24
22
20
- 14 - 12 - 10 - 8 - 6 - 4 - 2 0 2
4
6
8 10 12 14 16 18 20 Ò ( 0 Ñ)
Рис. 1 График зависимости излучения исследуемого
лазера от температуры охладителя
90
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 11
УДК 001(06) Инновационные проекты, студенческие идеи, проекты, предложения.
2
1
3
4
5
mA
7
Áëî ê
ï èò àí èÿ
ÑÈÒ- 24Ì
kV
t
18
6
0
9
t
0
220/ 50
220â.
14
8
19
11
220|50
10
0 - 24â.
12
15
16
17
Рис. 2 Схема экспериментальной установки.
1 – катод, 2 – миллиамперметр, 3 – излучатель ИЛГН, 4 – теплоизоляция, 5
киловольтметр, 6 – резистор, 7 – анод, 8,9 – измерители температуры, 10
регулятор напряжения, 11 – насос, 12 – привод насоса, 13 – теплообменник, 14
бак, 15 – короб из пенопласта, 16 – сосуд Дьюара, 17 – подогреватель, 18
ослабитель, 19 – калориметрический измеритель мощности.
–
–
–
–
Эксперимент реально подтвердил возможность форсирования
излучателей с диффузионным механизмом охлаждения в два и более раза.
К таким излучателям относятся все выше перечисленные медицинские
лазеры, волноводные и щелевые лазеры с ВЧ- накачкой типа «Ланцет»
производства КБП г.Тула, лазеры с медленной осевой прокачкой смеси
импортного производства типа «Spectra- Physics» и «Bystronic»,
применяемые в лазер-прессах типа «Trumatik», «Berens» и других
Технологическим решением форсирования выходной мощности
излучения для указанного класса лазеров является применение
современной холодильной техники. Введение второго контура
охлаждения, использующего чистый теплоноситель типа широко
применяемого в автомобилях Тосола-40, не только потребует применения
устройства
его
прокачки,
для
которого
вполне
подойдёт
модернизированный серийный автомобильный насос, но и раз и навсегда
устранит проблему загрязнения внутренней полости теплообменника
примесями, которые в большом количестве содержит водопроводная вода.
Последнее стало проблемой для лазерных хирургических установок типа
«Скальпель» и «Ромашка».
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 11
91
УДК 001(06) Инновационные проекты, студенческие идеи, проекты, предложения.
2. Описание характеристик планируемого результата.
2.1 Описание основных технических характеристик (сравнение с
отечественными и зарубежными аналогам), перспектива
улучшения характеристик
Лазерная
хирургическая
установка
«Ланцет-1»
настольного
исполнения и «Ланцет-2» напольного исполнения использует
волноводный лазер на СО2 с высокочастотной накачкой разряда.
Предельная мощность источника питания разряда составляет 300 Вт на
частоте 100 мГц. При этом только что заполненный газовой смесью
цельнометаллический излучатель показывает максимальную мощность на
уровне 30-35 Вт. Но система стабилизации выходной мощности не
позволяет получать на выходе мощность более 20 Вт, т.к. в процессе
эксплуатации лазера происходит деградация смеси и мощность генерации
уменьшается. До уровня 20 Вт. она падает в течение нескольких лет, что
вполне устраивает медицину. К настоящему времени появились
потребители, которые используют этот же лазер для технологий:
маркировка, вырезка мелких деталей из упругих материалов, микросварка
и т.д.
Предлагается следующее:
- охладить смесь в излучателе до –200С, что позволит поднять
мощность излучения до требуемого значения;
- для охлаждения применить холодильный модуль, либо
термоэлектрические Пелтье-модули.
Количество продаж таких лазеров пока оценивается на уровне 20-40
шт. в год. Оценка сделана на основе переговоров с потенциальными
покупателями.
Вторым положительным моментом такой работы является то, что
удастся проверить реально достижимый уровень температур газа в
реальном излучателе. Если этот уровень окажется ниже –200С, то
появляется возможность перевести этот излучатель с СО2 на СО и
получить генерацию на длине волны около 5-ти микрометров с уровнем
выходной мощности не ниже 20 Вт. Последнее принципиально
революционно в лазерной хирургии, косметологии, стоматологии и
других отраслях медицины. Излучение этой длины волны проникает
глубже в биологическую ткань, режим рассечения тканей становится
намного
более
мягким,
усиливается
гемостатический
(кровоостанавливающий) эффект. Такие лазеры могут найти применение
и в технологиях обработки стекла и кварца, керамики, у них более
дешёвая оптика.
92
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 11
УДК 001(06) Инновационные проекты, студенческие идеи, проекты, предложения.
2.2 Где и каким образом могут быть использованы планируемые
результаты
Лазеры «Ланцет» высоко котируются во всём мире из-за низкой цены,
высокого качества излучения, безотказности в работе и поставлены в
такие страны как Германия, Чехия, Турция, Иран, Колумбия и др.
Появится возможность модернизации уже поставленных ЛХУ.
Последняя ЛХУ, изготовленная в Тульском КБП, «Ланцет-4» показала
максимальную мощность излучения на длине волны 10,6 мкм. со штатной
системой охлаждения на уровне 150 Вт. Применение форсирования
методом захолаживания до низких температур с использованием
современных компрессорных холодильных машин уровня тепловой
мощности до 2 кВт. позволит поднять выходную мощность до 300-350
Вт., что переводит эти лазеры из разряда медицинских в разряд
технологических. Такие лазеры могут резать сталь толщиной до 6 мм. ( с
кислородным поддувом).
2.3 Экологические характеристики
Использование лазеров с форсированием мощности за счет
охлаждения существенно снижет фоновое излучение по сравнению с
неохлаждаемым лазером равной мощности.
2.4 Форма предоставления результатов работы
Результатом работы предлагается ЛХУ «Ланцет-1» или «Ланцет-2»
форсированные предложенным методом. Результаты испытаний при
различных режимах работы по мощности накачки и мощности
охлаждения.
Техническая документация: чертежи сборочные, спецификации, листы
изменений, должны быть определены все требования к комплектующим
на модернизацию, списки их поставщиков с прайс-листами. Вполне
реально получение патента на такой способ форсирования.
2.5 Основные типы экономического эффекта от реализации
результатов НИОКР
Рыночные перспективы конкурсной тематики
В России в настоящее время нет предприятий, которые могли бы
предложить альтернативный вариант форсирования выходной мощности
лазеров указанного класса с такими издержками которые предлагается в
настоящей заявке. Стоимость указанной модернизации составляет по
предварительным оценкам около 20-25% от стоимости приобретения
лазера удвоенной мощности (на уровне от 1 кВт и выше). Стоимость
эксплуатации технологического лазера, форсированного предлагаемым
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 11
93
УДК 001(06) Инновационные проекты, студенческие идеи, проекты, предложения.
методом, увеличивается не более чем на 50%, в то время как стоимость
эксплуатации лазера удвоенной мощности без форсирования
увеличивается более чем на 100%. Модернизация существующего
оборудования – это единственный на сегодня целесообразный путь.
Выполнение проекта обеспечит:
1. для организации, которая возьмётся за такую модернизацию парка
лазерных технологических и других установок, монопольное положение
на рынке;
2. для организации, которая возьмётся провести НИР и ОКР,
положение держателя технической документации и продуктов
интеллектуальной собственности позволит монопольно проводить НИР и
ОКР для такого рода модернизаций. В дальнейшем это положение
позволит стать разработчиком таких систем для вновь создаваемых
лазерных систем.
3. применительно к уже сказанному относительно лазеров КБП г.
Тула, гарантировано участие в производстве модернизированных лазеров.
1.
2.
3.
4.
Список литературы
Басов Н.Г., Данилычев В.А., Глотов Е.П., Сорока А.М. Теоретическое исследование
способов повышения энергетических характеристик непрерывных технологических
лазеров. Труды ФИАН, 142, 95 (1983)
Башкин А.С., Ораевский А.Н., Томашов В.Н., Юрышев Н.Н. О влиянии охлаждения на
работу химического СО2-лазера на смеси О3: D2:СО2. // Квантовая электроника. – 1975.№11.- С. 2534-2535
Угланов Д.А., Довгялло А.И. Опыт форсирования серийного СО2 - лазера методом
охлаждения рабочей смеси до отрицательных температур. Аспирантский вестник
Поволжья -N1(5), 2003г., с.65-66
Зеликовский И.Х, Каплан Л.Г. Малые холодильные установки: Справочник- М:
Агропромиздат, 1989
94
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 11