用于準(zhǔn)分子激光器的熱交換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種熱交換器，適用于氣體激光器，尤其適用于準(zhǔn)分子激光器，所述熱交換器的冷卻管道采用橢圓管，且所述熱交換器的環(huán)形肋外徑沿所述熱交換器的主軸方向變化，兩端外徑較小，中間區(qū)域外徑較大。本發(fā)明提供的變外徑環(huán)形肋橢圓管熱交換器能有效提高其換熱性能，降低氣體循環(huán)阻力，提高放電區(qū)氣體流速及均勻性。
【專利說明】用于準(zhǔn)分子激光器的熱交換器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種熱交換器，適用于氣體激光器，尤其適用于準(zhǔn)分子激光器。
【背景技術(shù)】
[0002]準(zhǔn)分子激光器波長短、高重頻、可定標(biāo)放大，是優(yōu)秀的光刻用激光光源。典型的放電泵浦準(zhǔn)分子激光器主要由高壓脈沖源、放電腔兩部分構(gòu)成，而放電腔包括密封腔體、放電電極、氣體循環(huán)系統(tǒng)和散熱系統(tǒng)。
[0003]準(zhǔn)分子激光器的能量轉(zhuǎn)換效率較低，輸入的大部分電能都轉(zhuǎn)化為熱量，這些熱量若不能及時(shí)散出，將會(huì)使工作氣體的溫度快速升高，從而極大影響激光器效率，甚至?xí)p壞激光器。熱交換器作為最重要的散熱部件，通過水冷方式將激光器內(nèi)的熱量帶走。
[0004]專利US006553049B1 (2003 年)和 US006757316B2 (2004 年)給出 了兩種最典型的用于準(zhǔn)分子激光器的熱交換器，兩者均是等外徑環(huán)形肋圓管熱交換器。當(dāng)高速氣流掠過圓管時(shí)，駐點(diǎn)前的低速區(qū)域和尾跡區(qū)面積較大，造成與其相鄰肋面的局部對流換熱系數(shù)較低，從而降低換熱性能；并且，圓管具有較大的氣動(dòng)阻力。
[0005]此外，當(dāng)前腔體放電區(qū)域氣體流速的均勻性較差，而熱交換器是腔體內(nèi)部氣體循環(huán)阻力的重要來源，需要與流場進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006](一 )要解決的技術(shù)問題
[0007]在放電腔中，尤其是在高重頻的放電腔中，為了保證高壓放電穩(wěn)定性和能量轉(zhuǎn)換效率，必須解決三個(gè)問題:一是要快速帶走放電產(chǎn)生的大量熱量；二是氣體在放電區(qū)域光軸方向上的速度要盡可能均勻；三是氣體在放電區(qū)域的速度要足夠大。
[0008]為解決上述問題，本發(fā)明提供一種變外徑環(huán)形肋橢圓管熱交換器。本發(fā)明提供的所述變外徑環(huán)形肋橢圓管熱交換器能有效提高其換熱性能，降低氣體循環(huán)阻力，提高放電區(qū)氣體流速及均勻性。
[0009]( 二 )技術(shù)方案
[0010]本發(fā)明提出一種用于準(zhǔn)分子激光器的熱交換器，所述熱交換器的冷卻管道采用橢圓管，且所述熱交換器的環(huán)形肋外徑沿所述熱交換器的主軸方向變化。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述熱交換器的環(huán)形肋外徑沿所述熱交換器的主軸方向變化具體為，兩端外徑較小，中間區(qū)域外徑較大。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述熱交換器的環(huán)形肋外徑沿所述熱交換器的主軸方向變化的方式為多級階越式或漸變式。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述熱交換器的環(huán)形肋為圓形肋片、橢圓形肋片或矩形肋片。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述橢圓管的橫截面長半軸為a，短半軸為b，且長半軸和短半軸的長度比例為l<a: b < 6。[0015]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述熱交換器的各部分采用相同的材料。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述熱交換器的材料為銅或不銹鋼。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述熱交換器的表面鍍鎳。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述熱交換器采用機(jī)械加工方式進(jìn)行一體化制造。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述熱交換器采用焊接、鑄造等方式制造。
[0020](三)有益效果
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的用于準(zhǔn)分子激光器的熱交換器能夠提高熱交換器的散熱性能，降低熱交換器阻力，提高腔內(nèi)氣流速度，改善放電區(qū)域速度均勻性，從而改善高壓放電穩(wěn)定性和提高能量轉(zhuǎn)換效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為準(zhǔn)分子激光器放電腔的剖面圖；
[0023]圖2為本發(fā)明的熱交換器的外視圖；
[0024]圖3為本發(fā)明的熱交換器的剖面圖；
[0025]圖4a?圖4d為本發(fā)明的熱交換器的環(huán)形肋外徑變化的剖面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0027]如圖1所示，準(zhǔn)分子激光器放電腔主要由密封腔體1、放電電極2、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)3和熱交換器4組成。
[0028]其中，熱交換器4用于冷卻放電腔內(nèi)的高速循環(huán)氣體，將氣體溫度控制在合理范圍，從而保證激光器具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率。
[0029]如圖2所示，本發(fā)明提供的熱交換器由冷卻管道5、多個(gè)肋片6和兩個(gè)端法蘭7組成。冷卻管道6是一個(gè)用于容納循環(huán)冷卻水的中空管道，包括由銅或不銹鋼等金屬材料組成的管壁，多個(gè)肋片6固定設(shè)置于冷卻管道5的管壁的外側(cè)，并與管壁垂直設(shè)置，用于增大氣側(cè)換熱面積。兩個(gè)端法蘭7設(shè)置于管道5的兩端，用于熱交換器的安裝固定。
[0030]根據(jù)本發(fā)明，冷卻管道5的管壁的截面呈橢圓形，多個(gè)肋片6圍繞管道5的管壁垂直設(shè)置。
[0031]根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，肋片6是一種環(huán)形片，環(huán)形片的主平面與管壁的圓周面垂直，環(huán)形的內(nèi)周側(cè)與管道的管壁外緣相吻合，其外周側(cè)呈現(xiàn)圓形。
[0032]特別地，根據(jù)本發(fā)明，所述多個(gè)肋片6的外周側(cè)的直徑(下稱外徑)沿管道5的軸向變化，即位于管道5的兩側(cè)的外徑較小，中間區(qū)域的外徑較大。
[0033]準(zhǔn)分子激光器放電腔內(nèi)氣體在中間區(qū)域流速快、邊緣流速慢，相應(yīng)地?zé)峤粨Q器中間區(qū)域局部對流換熱系數(shù)較高，邊緣處局部對流換熱系數(shù)較低。根據(jù)本發(fā)明，所述變外徑設(shè)計(jì)可以增加熱交換器中間區(qū)域換熱面積的權(quán)重，從而提高熱交換器的換熱性能；同時(shí)也增加了中間區(qū)域的流動(dòng)阻力，降低該區(qū)域的流速，使得放電腔內(nèi)氣體的流速更加均勻。
[0034]如圖3所示,所述冷卻管道5的橫截面是一個(gè)橢圓形,設(shè)該橢圓的長半軸為a,短半軸為b,本發(fā)明要求l<a: b ≤6,優(yōu)選為采用2 < a: b ≤4。
[0035]橢圓形管道由于接近流線型，能夠減小氣側(cè)駐點(diǎn)區(qū)域和尾跡區(qū)域，從而顯著降低流動(dòng)阻力，提高對流換熱系數(shù)。實(shí)踐證明，相對于圓管，橢圓管的氣側(cè)流動(dòng)阻力可降低15%~30%，對流換熱系數(shù)可提高10%~20%。
[0036]肋片6在特殊情況下(如a: b數(shù)值較大時(shí))也可以采用橢圓環(huán)形肋片或矩形肋，即其外周呈現(xiàn)橢圓或矩形。
[0037]如圖4所示，肋片6外徑的變化方式主要有(但不限于)多級階躍式(圖4a)和漸變式(圖4b、圖4c、圖4d)。具體應(yīng)用時(shí)可根據(jù)散熱性能、阻力特性以及加工成本等進(jìn)行選擇。
[0038]熱交換器的冷卻管道5、肋片6以及端法蘭7優(yōu)選為采用同種金屬材料，以免由于熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而損壞熱交換器，一般選用銅、不銹鋼等金屬材料，為防止放電腔內(nèi)的氣體對熱交換器產(chǎn)生腐蝕作用，其外表面可以鍍鎳，最好采用機(jī)械加工方式進(jìn)行一體化制造，為降低成本，也可以采用焊接等方式制造。
[0039]以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于準(zhǔn)分子激光器的熱交換器，其特征在于，所述熱交換器的冷卻管道采用橢圓管，且所述熱交換器的環(huán)形肋外徑沿所述熱交換器的主軸方向變化。
2.如權(quán)利要求1所述用于準(zhǔn)分子激光器的熱交換器，其特征還在于，所述熱交換器的環(huán)形肋外徑沿所述熱交換器的主軸方向變化具體為，兩端外徑較小，中間區(qū)域外徑較大。
3.如權(quán)利要求2所述用于準(zhǔn)分子激光器的熱交換器，其特征還在于，所述熱交換器的環(huán)形肋外徑沿所述熱交換器的主軸方向變化的方式為多級階越式或漸變式。
4.如權(quán)利要求2所述用于準(zhǔn)分子激光器的熱交換器，其特征還在于，所述熱交換器的環(huán)形肋為圓形肋片、橢圓形肋片或矩形肋片。
5.如權(quán)利要求1所述用于準(zhǔn)分子激光器的熱交換器，其特征還在于，所述橢圓管的橫截面長半軸為a,短半軸為b,且長半軸和短半軸的長度比例為l<a: b < 6。
6.如權(quán)利要求1所述用于準(zhǔn)分子激光器的熱交換器，其特征還在于，所述熱交換器的各部分采用相同的材料。
7.如權(quán)利要求6所述用于準(zhǔn)分子激光器的熱交換器，其特征還在于，所述熱交換器的材料為銅或不銹鋼。
8.如權(quán)利要求1所述用于準(zhǔn)分子激光器的熱交換器，其特征還在于，所述熱交換器的表面鍍鎳。
9.如權(quán)利要求1所述用于準(zhǔn)分子激光器的熱交換器，其特征還在于，所述熱交換器采用機(jī)械加工方式進(jìn)行一體化制造。
10.如權(quán)利要求1所述用于準(zhǔn)分子激光器的熱交換器，其特征還在于，所述熱交換器采用焊接、鑄造等方式制造。
【文檔編號】H01S3/041GK103682956SQ201210359962
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月24日
【發(fā)明者】王魁波, 丁金濱, 劉斌, 王宇, 周翊, 趙江山 申請人:中國科學(xué)院光電研究院