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.
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 технико-экономический сравнительный анализ двух эквивалентных по мощности излучения СО2 – лазеров.
Критерии | 10 кВт CO2 – лазера (например, ТЛ-10) | Разработанной системы (7,5 кВт CO2 – лазера ТЛ -7,5 + холодильная машина) |
1.Стоимость | 500000 у. е. | 350000 у. е. + 10000 у. е. = 360000 у. е. |
2.КПД установки | 5% | 20% |
3.Потребляемая электрическая мощность | 200 кВт | 100 кВт |
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.
 |
Рис. 1 График зависимости излучения исследуемого
лазера от температуры охладителя
|
 |
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».
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.
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 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.
Список литературы
1. , , Сорока исследование способов повышения энергетических характеристик непрерывных технологических лазеров. Труды ФИАН, 142,
2. , , О влиянии охлаждения на работу химического СО2-лазера на смеси О3: D2:СО2. // Квантовая электроника. – 1975.-№11.- С.
3. , Довгялло форсирования серийного СО2 - лазера методом охлаждения рабочей смеси до отрицательных температур. Аспирантский вестник Поволжья - N1(5), 2003г., с.65-66
4. Х, Каплан холодильные установки: Справочник - М: Агропромиздат, 1989
