بخشی از مقاله
چکیده
سامانه نوینی متشکل از حمام یخ خشک و اتیلن-گلیکول طراحی و ساخته شده که قادر است گرماي حاصل از لیزرهاي پرتوان نظیر لیزر دیسک، لیزرهاي تارنوري و لیزرهاي CO2 جریان سریع را تا حد 2kW برداشت نماید. این سامانه با بارگذاري ثابت اولیه 20kg و بارگذاري پیوسته 40g/min قادر است آب داغ - T0=80°C - در لیزر تارنوري 1kW را به دماي 10°C کاهش دهد. از جمله مزایاي مدل حاضر نسبت به چیلرهاي کمپرسوري و جذبی متداول، میتوان به قابلیت خنکسازي سریع، مصرف اندك انرژي الکتریکی، افزایش بازده و سهولت و سادگی سیستم اشاره کرد.
مقدمه
یکی از چالشهاي پیش رو در افزایش سطح توان خروجی لیزرها و تقویتکنندههاي تارنوري، بهینه سازي انتقال گرماست. عموماً لیزرهاي تارنوري آلاییده که در توانهاي پایین mW - تا چند وات - کار میکنند، نیازي به سیستم خنک کننده ندارند. زیرا، مقاومت بالاي گرمایی سیلیکا سبب میشود تا گرماي حاصله در این لیزرها ناچیز باشد. از طرفی، بزرگ بودن نسبت سطح به حجم در تار - 10000cm-1 - در برداشت گرماي تولید شده مؤثر است.
بکارگیري تارهاي اپتیکی چند مدي که قطر هسته در آنها به 30 تا 50μm میرسد، روش دیگري براي غلبه بر اثرات گرمایی بدون استفاده از سیستمهاي خنککننده میباشد. لذا، میتوان توان هاي خروجی بزرگتري را بدون ایجاد محدودیت هاي تارهاي تک مد بدست آورد. در توانهاي 500W به بالا،عمدتاً خروجی چند لیزر و تقویتکننده تارنوري به صورت همدوس توسط یک ترکیبگر یا از طریق یک سیستم اپتیکی - شامل لنزها و آینهها - با یکدیگر کوپل میشوند.
لذا این قطعات به شدت گرم شده و دما در این نقاط و نیز در نقاط جوش و اتصالات بالا می رود که این مسئله آسیبهاي جدي به سیستم وارد میآورد. از جمله آثار مخرب گرمایی میتوان به پدیدههاي تنش گرمایی و تغییر شکل اشاره کرد. لذا، طراحی بهینه سیستم با انتخاب روشهاي نوین خنکسازي، بسیار حائز اهمیت است. بعلاوه، تحقیقات نشان دادهاند که حفظ دماي مطلوب در سیستم، سبب افزایش چشمگیر توان خروجی و بازده [1] شده و دستیابی به طولموجهاي ناحیه بینا-ایمن بالاي 1.3μm را نیز امکانپذیر میسازد. براي مثال، کاهش دماي ~10°C تار در لیزر تارنوري تولیوم در بستر سیلیکا بازده سیستم را از 40% به %52 افزایش میدهد .[1] به ویژه، میتوان از یک لیزر تولیوم در دماي اتاق، گسیل لیزري در خط 1650nm را بدست آورد.
از جمله روشهاي خنکسازي مرسوم و متداول امروزي میتوان به سیستمهاي خنکسازي به کمک جریان هوا یا هوا خنک [2]، آب خنک [3]، انواع چیلرهاي مکانیکی، شیمیایی و ترموالکتریکی - اثر پلتیه - [4]هاي،انباره حرارتی [5]، خنککنندههاي تبریدي [1] و اسپريهاي خنکساز تبریدي [6] اشاره نمود. مهمترین مراکز تجمع گرما در لیزرهاي تارنوري، ترکیبگرها و نقاط هستند. در این مقاله، یک روش نوین به منظور برداشت گرما از اجزاء و قطعات اپتیکی لیزرها و تقویتکنندههاي تارنوري پرتوان و نیز اجزاء و قطعات اپتیکی که به منظور ترکیب خروجیهاي چند تقویتکننده در آرایههاي نوسانگر - تقویت کننده1 و آرایش تارهاي نوري چندگانه2 به کار میروند، ارائه شده است.
آرایه تجربی
چیلر یخ خشک [7] بعنوان سرد کننده سریع سیالات داغ مبتنی بر ساز و کار تبرید از طریق افزودن مقدار معینی یخخشک در محلول اتیلن گلیکول3 موسوم به ضدیخ طراحی و ساخته شده که با تشکیل یک حمام تبریدي، قادر است بدون استفاده از سیستمهاي تبریدي متداول و بدون مصرف برق شهري، سردسازي با دبی - جریان - خروجی 3/2 - lit/min - در دماي 1°C را فراهم نماید. مزیت بکارگیري ضدیخ شامل پایین بودن دماي نقطه انجماد، پایداري در دما و فشار محیط، بالا بودن گرماي نهان و سازگاري در ترکیب با یخخشک میباشد.
مولکول دي اکسید کربن - CO2 - از تشکیل پیوند دوگانه میان یک اتم کربن و دو اتم اکسیژن در یک ساختار خطی بوجود میآید. سادگی ساختار و غیر قطبی بودن این مولکول سبب شده تا در دماي معمولی به شکل گازي بیرنگ باشد. این گاز در فشار اتمسفر با دماي -78/5°C متراکم شده و براساس نیروهاي واندروالسی خوشه تشکیل داده و بصورت پودر سفیدرنگ کربنیک درمیآید - شکل - 1 که در دما و فشار محیط به سرعت تصعید میگردد.
شکل: 1 دیاگرام فازي گازکربنیک [8] و حالات جامد، مایع و گازي آن. از آنجا که پودر کربنیک در عملکرد تصعیدي از فاز مایع عبور نمیکند، آن رااصطلاحاً یخخشک مینامند .[8] دماي پایین و قدرت سرمازاییايمناسببالاي یخخشک، آن را به ماده و کارا در مصارف برودتی تبدیل نموده است. چیلر یخخشک شامل جعبهاي با عایقبندي پلیاورتان به ابعاد 45cm×45cm×80cm و حجم تقریبی 160 لیتر از جنس استیل SS-316 با لولهگذاري به شکل مارپیچ به قطر 0/5 اینچ و طول 40m با جنس مس - Cu - میباشد - شکل. - 2 چرخش آب توسط یک پمپ کوچک سیرکولاسیون در یک چرخه بسته صورت میپذیرد که در نتیجه تبادل حرارتی با حمام تبریدي، خنکسازي سریع را میسر میسازد.
از آنجایی که مخزن بطور کامل بی دررو نیست، لذا سرعت تصعید یخ خشک افزایش مییابد و لازم است تا کل مجموعه از نظر حرارتی با الیاف پلیاورتان عایقبندي شود تا تماس با محیط خارج کمتر شده و راندمان سیستم افزایش یابد. با تصعید یخخشک فشار داخلی سیستم افزایش مییابد. پس از عایق کاري به ناچار از یک سیستم کنترل آزاد کننده فشار - سوپاپ اطمینان - در بالاي محفظه استفاده کردیم تا با خروج گاز کربنیک، فشار سیستم در 1atm ثابت بماند. در روي محفظه، جایگاه دیگري به منظور تزریق مستقیم مایع CO2 به درون محلول گلیکول تعبیه شده است. در این سیستم، مایع CO2 در دماي -25°C و فشار 16 تا 20 barمستقیماً از تانک خارج شده و از طریق شیرآلات دما پایین ویژه، پس از عبور از شیپوره - نازل - افت شدت دما مییابد.
از آنجا که مایع CO2 در دماي معمولی - 23-27°C - در فشارهاي کمتر از 6 bar به حالت جامد است - شکل - 1، لذا زمانیکه این مایع از طریق شیپوره به محیط در فشار اتمسفر پاشیده شود، به صورت پودر درمیآید. پودر یخ خشک با راندمان بالا و سطح مقطع بزرگ، عمل تبرید را بسرعت انجام می دهد. در این مقاله، به منظور سهولت کار، سیستم دیگري طراحی و ساخته شده که در آن تجهیزات پیچیده شامل تانک CO2 و شیپوره حذف و به جاي آن از تزریق دستی قالب هاي یخخشک بهره گرفته میشود که توسط دستگاه پرس یخخشک ساخت شرکت Messer آلمان آمادهسازي میشود. در این حالت نیز شیوه انتقال کرمایی مشابه روش نخست است.
روش کار
ابتدا 66 لیتر ضدیخ را در محفظه ریخته و بطور ثابت مقادیر معینی یخخشک را به درون آن اضافه میکنیم. حمام یخخشک- اتیلن گلیکول، ابتدا موجب ایجاد ژل سرد شده و سپس در دماهاي پایینتر بصورت یک مایع جوشان درمیآید. تا زمانیکه تبادل حرارتی بین یخخشک و ضدیخ ادامه دارد، چنین قلیانی وجود خواهد داشت. دماي این ترکیب از -12°C تا 23°C متغیر است که به میزان یخ خشک ورودي بستگی دارد. تصعید یخ خشک سبب ایجاد مه غلیظی در اطراف محفظه می شود که تا اتمام کامل یخ ادامه خواهد یافت.
از سوي دیگر، آب سرد در حلقه خنکسازي به تدریج گرماي خود را به ژل داده و خنک میشود. در طول فرآیند دماهاي مبرد و سیال در نقاط مختلف داخل و خارج مخزن و نیز دماي محیط کار توسط چند ترموکوپل دیجیتالی اندازهگیري میشود. در حالت تزریق اتوماتیک، دماي اندازهگیري شده از طریق سیستم کنترل فیدبک به شیر CO2 مایع مرتبط است تا بارگذاري را لحظه به لحظه تنظیم کند. در این طراحی، هریک از اجزا اپتیکی لیزر در محفظهجزااي م قرار گرفته و خنک میشوند.
